JP2006230035A - 電力変換装置とその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する素子数をできるだけ少なくして簡素化と低コスト化を図る。
【解決手段】直流電源の正，負極（Ｐ，Ｎ）間に直列に、第１〜第４のダイオード群Ｄｕ１１，１２、Ｄｕ２１，２２、Ｄｘ１１，１２、Ｄｘ２１，２２を設け、Ｄｕ１２とＤｕ２１の接続点と直流電源の中性点との間に第１のスイッチング素子群Ｑｕ１，Ｑｕ２を接続するとともに、Ｄｘ１２とＤｘ２１の接続点と直流電源の中性点との間に第２のダイオード群Ｑｘ１，Ｑｘ２を接続してなる３レベル整流器に、スイッチ素子Ｑｕ３とＱｘ３を付加するだけの簡単な構成で、５レベル整流器相当の性能を持たせられるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は電力変換装置、特に３つ以上の複数の異なる電圧を出力できるマルチレベル電力変換装置とその駆動方法に関する。

図１０に、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いた一般的な電力変換装置（インバータ）の１相分を示す。
図１０（ａ１）〜（ａ３）は２レベルインバータ、同（ｂ１）〜（ｂ３）は３レベルインバータ、同（ｃ１）〜（ｃ３）は５レベルインバータの場合をそれぞれ示している。各ＩＧＢＴ素子Ｑｕ，Ｑｘを任意にオン・オフさせることにより、出力電圧Ｖｏを図１０（ａ１）ではＰ，Ｎの２電位、図１０（ｂ１）ではＰ，Ｃ，Ｎの３電位、図１０（ｃ１）ではＰ，Ｐ’，Ｃ，Ｎ’，Ｎの５電位をそれぞれ出力することができる。３つ以上の電位を出力できるインバータを総称して、マルチレベルインバータと呼ぶこともある。

各ＩＧＢＴのオン・オフについては、例えば特許文献１にも示されるように、出力したい電圧波形Ｖｓと三角波Ｖｃとの比較結果により決定するのが一般的である。三角波Ｖｃの周波数はスイッチング周波数またはキャリア周波数と呼ばれ、この周波数を高くすることでインバータから出力される電流リップルが抑えられるが、ＩＧＢＴのスイッチング時に発生する損失が増大するというトレードオフがある。また、２レベルインバータよりもマルチレベルインバータとすることで、スイッチング周波数を高めることなく出力電流のリップルが抑えられるが、使用素子数が増加することや配線が複雑になるというトレードオフがある。

一方、直流電圧が１素子あたりの耐圧より大きいときには、ＩＧＢＴを複数個直列に接続して使用する。例えば、図１１（ａ）のＱｕ１をｎ個直列に接続する。同様に、Ｑｕ２，Ｑｘ１，Ｑｘ２，Ｄｕ，Ｄｘもｎ個直列に接続する。したがって、例えば、図１１（ａ）の３レベルインバータにおいて２個直列に接続する場合は、図１１（ｃ）のような構成となる。
また、図１０において、Ｐ−Ｎ間の直流電圧Ｅｄが（ａ）〜（ｃ）とも同じで、かつ適用されるＩＧＢＴの耐圧が同じであれば、図１２に示すように同図（ａ）の２レベルインバータでは４直列、同図（ｂ）の３レベルインバータでは２直列必要となる。さらに、３レベルインバータではクランプダイオードがそれぞれ直列接続され、５レベルインバータでは各クランプダイオードが接続される。

図１２に示すインバータは、複数相に並列に接続されて各出力端子が負荷に接続され、直流電力から交流電力に変換される。
図１３（ｂ）の３レベルインバータの例では、ＩＮＶ−Ｕ，Ｖ，Ｗの３相構成として３相モータ（Ｍ）を駆動する。また、図１３（ｃ）は、各出力端子に電源Ｖｓを接続することで、交流電力から直流電力に変換することも可能である。つまり、図１３（ｃ）では、３相電源ＶｓにＩＮＶ−Ｕ，Ｖ，Ｗと同じ回路構成のＲＥＣ−Ｕ，Ｖ，Ｗを接続し、コンデンサに直流電力として変換している。こうすれば、ダイオード整流器と比べて電源電流Ｉｓを正弦波状に調整できるため、力率向上や高調波低減が可能で、さらには直流電圧の調整も可能となる。

しかし、このような３レベルインバータを使用すると、装置構成が複雑で高価になるので、例えばと図１４（ｂ）のような回路が提案されている（特許文献２参照）。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＩＧＢＴをダイオードに、ダイオードをＩＧＢＴに置き換えた構成であり、１相あたりＩＧＢＴを２個使用することで、小型で安価な３レベル整流器として使用することができる。なお、交流電源や直流電圧が１素子あたりの耐圧より大きい場合には、ＩＧＢＴまたはダイオードを複数個直列にして使用する。図１４（ｃ）は２直列接続の場合を示している。

特開２００３−３１９６６２号公報 特開２００４−１７３４５５号公報

ところで、図１５（ａ）に示す５レベルインバータについても同様に、ＩＧＢＴをダイオードに、ダイオードをＩＧＢＴに置き換えると図１５（ｂ）のように５レベル整流器を得ることができ、３レベル整流器に比べてより一層、力率向上や高調波低減効果を上げることができる。しかしながら、５レベルインバータではＩＧＢＴとダイオードとの数の関係は８：１２であるため、５レベル整流器にするとＩＧＢＴ数が多くなり高価になるという問題が生じる。
したがって、この発明の課題は、使用する素子数をできるだけ少なくして簡素化と低コスト化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、交流電源に接続され、この交流電源の交流電圧を３レベル以上の直流電圧に変換する電力変換装置において、
前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第１，第２，第３および第４のダイオード群を直列に接続し、前記第１と第２のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第１のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第３と第４のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第２のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第１のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第３のスイッチング素子を、さらに前記第４のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の負極側と中性点間の任意の接続点との間に第４のスイッチング素子を接続したことを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記直流電圧の正極と中性点間の電圧を調整するときは前記第１のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の正極と中性点間の任意の直列接続点と中性点との間の電圧を調整するときは前記第３のスイッチング素子群のみか、または、第１と第３のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の電圧を調整するときは前記第２のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の任意の直列接続点と負極との間の電圧を調整するときは前記第４のスイッチング素子群のみか、または、第２と第４のスイッチング素子群をオン・オフ制御することができる（請求項２の発明）。

請求項３の発明では、交流電源に接続され、この交流電源の交流電圧を３レベル以上の直流電圧に変換する電力変換装置において、
前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第１，第２，第３および第４のダイオード群を直列に接続し、前記第１と第２のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第１のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第３と第４のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第２のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第１のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第５のダイオードを、さらに前記第２のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と直流電圧の負極側と中性点間の任意の接続点との間に第６のダイオードを接続することができる。

上記請求項３の発明においては、前記直流電圧の正極と中性点間の電圧を調整するときは前記第１のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の正極と中性点間の任意の直列接続点と中性点との間の電圧を調整するときは前記第１のスイッチング素子群内の各スイッチング素子を任意にオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の電圧を調整するときは前記第２のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の任意の直列接続点と負極との間の電圧を調整するときは前記第２のスイッチング素子群内の各スイッチング素子を任意にオン・オフ制御することができる（請求項４の発明）。

また、上記請求項３の発明においては、前記第５のダイオードと第６のダイオードには、それぞれスイッチング素子を逆並列に接続することができる（請求項５の発明）。
上記請求項１，３または５のいずれかに記載の電力変換装置は、インバータと組み合わせて用いることができる（請求項６の発明）。

この発明によれば、必要最小限の素子を用いてマルチレベル（特に５レベル）電力変換装置を構成するようにしたので、配線の簡素化、装置の小型，低コスト化が可能となる利点が得られる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図で、ｎ＝２直列の場合である。
これは、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２からなる直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第１，第２，第３および第４のダイオード群Ｄｕ１１，Ｄｕ１２〜Ｄｘ２１，Ｄｘ２２を直列に接続し、第１と第２のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第１のスイッチング素子群Ｑｕ１，Ｑｕ２を接続するとともに、第３と第４のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第２のスイッチング素子群Ｑｘ１，Ｑｘ２を接続し、かつ第１のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第３のスイッチング素子Ｑｕ３を、さらに第４のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第４のスイッチング素子Ｑｘ３を接続して構成されている。

図１の動作について、図２〜図３を参照して説明する。なお、図２〜図３の太実線矢印は電流経路を示す。
図２は、電流が流入する場合を示す。図２（ａ）ではＱｕ１，Ｑｕ２を同時にオンしている場合を示し、電源入力端子ｖｉよりＤｕ２２→Ｄｕ２１→Ｑｕ１→Ｑｕ２の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はＣ電位となる。図２（ｂ）ではＱｕ１，Ｑｕ２はオフ、Ｑｕ３がオンしている場合であり、電源入力端子ｖｉよりＤｕ２２→Ｄｕ２１→Ｄｕ１２→Ｑｕ３の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はＰ’電位となる。次に、図２（ｃ）では、Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｕ３がオフしている場合であり、Ｄｕ２２→Ｄｕ２１→Ｄｕ１２→Ｄｕ１１の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はＰ電位となる。

図３は、電流が流出する場合を示す。図３（ａ）はＱｘ１，Ｑｘ２がオンしている場合であり、電源入力端子ｖｉよりＤｕ２２→Ｄｕ２１→Ｑｕ１→Ｑｕ２の経路で電流が流れる。したがって、Ｑｘ１→Ｑｘ２→Ｄｘ１２→Ｄｘ１の経路で電流が流れ、整流器の入力端子はＣ電位となる。
また、図３（ｂ）はＱｘ３がオンしている場合であり、Ｑｘ３→Ｄｘ２１→Ｄｘ１２→Ｄｘ１１の経路で電流が流れ、整流器の入力端子はＮ’電位となる。

さらに、図３（ｃ）はＱｘ１，Ｑｘ２，Ｑｘ３がオフしている場合であり、Ｄｘ２２→Ｄｘ２１→Ｄｘ１２→Ｄｘ１１の経路で電流が流れ、整流器の入力端子はＮ電位となる。
このように、図２，図３に示す各ＩＧＢＴを適宜オン・オフ制御することでＰ，Ｐ’，Ｃ，Ｎ’，Ｎの５レベルの電位を得ることができる。したがって、ダイオード８個とスイッチング素子６個を用いて安価な５レベル整流器を実現可能となる。

また、図２，図３から明らかなように、Ｐ’−Ｃ間の電圧を調整するときには、Ｑｕ１とＱｕ２とＱｕ３のオン・オフ指令で制御でき、また、Ｐ−Ｃ間の電圧を調整するときには、Ｑｕ１とＱｕ２のオン・オフ制御のみでも可能であり、これにＱｕ３のオン・オフを加えてもよい。同様に、Ｃ−Ｎ’ 間の電圧を調整するときには、Ｑｘ１とＱｘ２のオン・オフ制御のみでも可能であり、これにＱｘ３のオン・オフを加えてもよい。
また、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＱｕ１，Ｑｕ２とＤｕ２１，Ｄｕ２の位置、Ｑｘ１，Ｑｘ２とＤｘ１１，Ｄｘ１２の位置をそれぞれ変更した場合を示すが、図１（ａ）と同様の動作を行なうものである。

図４にこの発明の別の実施の形態を示す。
これは、図１（ａ）のＱｕ３，Ｑｘ３の代わりに、Ｑｕ１とＱｕ２の接続点と、直流電源の正極と中性点間の任意の点（ここではＰ’）との間にＤｕ３を、また、Ｑｘ１とＱｘ２の接続点と、直流電源の中性点と負極間の任意の点（ここではＮ’）との間にＤｘ３をそれぞれ設けた点が特徴である。この図４の動作について、図５，図６を参照して以下に説明する。

図５は電流が流入する場合を示す。図５（ａ）はＱｕ１，Ｑｕ２が同時にオンしている場合であり、電源入力端子ｖｉよりＤｕ２２→Ｄｕ２１→Ｑｕ１→Ｑｕ２の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はＣ電位となる。また、図５（ｂ）はＱｕ１がオン、Ｑｕ２がオフしている場合であり、電源入力端子ｖｉよりＤｕ２２→Ｄｕ２１→Ｑｕ１→Ｄｕ３の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はＰ’電位となる。次に、図５（ｃ）はＱｕ１，Ｑｕ２がともにオフしている場合であり、電源入力端子ｖｉよりＤｕ２２→Ｄｕ２１→Ｄｕ１２→Ｄｕ１１の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はＰ電位となる。

同様に、図６は電流が流出する場合を示す。図６（ａ）はＱｘ１，Ｑｘ２がオンしている場合であり、Ｑｘ１→Ｑｘ２→Ｄｘ１２→Ｄｘ１１の経路で電流が流れて、整流器の入力端子はＣ電位となる。また、図６（ｂ）はＱｘ１がオフ、Ｑｘ２がオンしている場合であり、Ｄｘ３→Ｑｘ２→Ｄｘ１２→Ｄｘ１１の経路で電流が流れて、整流器の入力端子はＮ’電位となる。次に、図６（ｃ）はＱｘ１１，Ｑｘ１２がともにオフしている場合であり、Ｄｘ２２→Ｄｘ２１→Ｄｘ１２→Ｄｘ１１の経路で電流が流れて、整流器の入力端子はＮ電位となる。

このように、図５，６のようにＩＧＢＴを適宜オン・オフ制御することによりＰ，Ｐ’，Ｃ，Ｎ’，Ｎの５レベルの電位を得ることができる。したがって、ダイオード１０個とスイッチング素子４個を用いて安価な５レベル整流器を実現可能となる。
また、図５，６から明らかなように、Ｐ’−Ｃ間の電圧を調整するときには、Ｑｕ１をオンし、Ｑｕ２のオン・オフ制御により、また、Ｐ−Ｃ間の電圧を調整するときには、Ｑｕ１とＱｕ２のオン・オフ制御により、同様に、Ｃ−Ｎ’ 間の電圧を調整するときには、Ｑｘ２をオンし、Ｑｘ１のオン・オフ制御により、さらにＣ−Ｎ 間の電圧を調整するときには、Ｑｘ１とＱｘ２のオン・オフ制御により、それぞれ調整するものとする。

図７に図４の変形例を示す。
これは、図４のダイオードＤｕ３，Ｄｘ３を、それぞれＩＧＢＴを逆並列に接続したスイッチング素子Ｑｕ３，Ｑｘ３で置き換えたものである。こうすることにより、図８（ａ）のようにＱｕ３は双方向に電流を流すことができ、同様に図８（ｂ）のようにＱｘ３が双方向に電流を流すことができるため、直流電圧のバランス制御をより容易にすることが可能となる。

図９にこの発明のさらに別の実施の形態を示す。
これは、図１に示す整流器Ｒｅｃを３相電源に接続し、整流器Ｒｅｃにより変換された直流電圧を、５レベルインバータＩｎｖで交流電圧に変換し交流負荷（例えばモータ）Ｍを駆動する例である。ＲｅｃとＩｎｖとを組合わせることで直流電圧の調整をより容易にするとともに、電源側および負荷側に高調波の少ない電力供給が可能となる。

なお、図９では整流器Ｒｅｃに図１の回路を用いたが、図４や図７に示すものを用いても同様なのは勿論であり、Ｉｎｖについても５レベルインバータに限らず３レベルインバータや２レベルインバータを用いても良い。
また、図４，７，９では直列数ｎをｎ＝２としたが、ｎ＝３，４，…と増やしても、その機能・動作はｎ＝２の場合と同様なのは云うまでもない。

この発明の実施の形態を示す回路図 図１の第１の動作説明図 図１の第２の動作説明図 この発明の別の実施の形態を示す回路図 図４の第１の動作説明図 図４の第２の動作説明図 図４の変形例を示す回路図 図７の動作説明図 この発明のさらに別の実施の形態を示す回路図 従来のインバータの説明図 素子直列接続例を示す回路図 レベルの異なる各種インバータを示す回路図 インバータシステム構成例図 ３レベル整流器の例を示す回路図 ５レベルのインバータと整流器を示す回路図

符号の説明

Ｑｕ１１〜Ｑｕ２２，Ｑｕ３，Ｑｘ１１〜Ｑｘ２２，Ｑｘ３…スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、Ｄｕ１１，Ｄｕ１２、Ｄｕ２１，Ｄｕ２２、Ｄｘ１，Ｄｘ２…ダイオード、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２…直流電源、Ｖｓ…交流電源、Ｒｅｃ…整流器、Ｉｎｖ…インバータ。

Claims (6)

1. 交流電源に接続され、この交流電源の交流電圧を３レベル以上の直流電圧に変換する電力変換装置において、
   前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第１，第２，第３および第４のダイオード群を直列に接続し、前記第１と第２のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第１のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第３と第４のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第２のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第１のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第３のスイッチング素子を、さらに前記第４のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の負極側と中性点間の任意の接続点との間に第４のスイッチング素子を接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記直流電圧の正極と中性点間の電圧を調整するときは前記第１のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の正極と中性点間の任意の直列接続点と中性点との間の電圧を調整するときは前記第３のスイッチング素子群のみか、または、第１と第３のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の電圧を調整するときは前記第２のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の任意の直列接続点と負極との間の電圧を調整するときは前記第４のスイッチング素子群のみか、または、第２と第４のスイッチング素子群をオン・オフ制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の駆動方法。
3. 交流電源に接続され、この交流電源の交流電圧を３レベル以上の直流電圧に変換する電力変換装置において、
   前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第１，第２，第３および第４のダイオード群を直列に接続し、前記第１と第２のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第１のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第３と第４のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第２のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第１のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第５のダイオードを、さらに前記第２のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と直流電圧の負極側と中性点間の任意の接続点との間に第６のダイオードを接続したことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記直流電圧の正極と中性点間の電圧を調整するときは前記第１のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の正極と中性点間の任意の直列接続点と中性点との間の電圧を調整するときは前記第１のスイッチング素子群内の各スイッチング素子を任意にオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の電圧を調整するときは前記第２のスイッチング素子群をオン・オフ制御し、直流電圧の中性点と負極間の任意の直列接続点と負極との間の電圧を調整するときは前記第２のスイッチング素子群内の各スイッチング素子を任意にオン・オフ制御することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置の駆動方法。
5. 前記第５のダイオードと第６のダイオードには、それぞれスイッチング素子を逆並列に接続することを特徴とする請求項３項に記載の電力変換装置。
6. 前記請求項１，３，５のいずれかに記載の電力変換装置をインバータと組み合わせて用いることを特徴とする電力変換装置。

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