JP2013258863A - Multilevel power converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multilevel power converter that supports a higher voltage with fewer elements and dispenses with a separate voltage regulation circuit.SOLUTION: The multilevel power converter includes: a DC power supply V; capacitors C3, C4 connected in series between positive and negative ends of V; switching elements S5, S6, S1-S4, S7, S8 connected in series between the positive and negative ends of V; diodes D1, D2 connected in series between a common junction of S1, S2 and a common junction of S3, S4; C1, C2 connected in series between a common junction of S1, S6 and a common junction of S4, S7; a series circuit of S9, S10; C5 connected in parallel with the series circuit; a series circuit of S11, S12 connected in parallel with C5; and control means for controlling on/off S1-S12 to switch a multilevel voltage. A common junction of S2, S3 and a common junction of C3, C4, S9, S10 are AC output terminals A, B.

Description

本発明は、マルチレベルの相電圧が出力可能で、且つ1個の直流電圧源で動作する電力変換回路に係り、直流電圧源から複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換器に関する。   The present invention relates to a power conversion circuit capable of outputting a multi-level phase voltage and operating with a single DC voltage source, and outputs the AC voltage converted from a DC voltage source into a plurality of voltage levels. Related to the vessel.

従来、マルチレベル電力変換器として、例えば特許文献1に記載の9つの電圧レベルを出力する電力変換装置が提案されている。図4は特許文献1に記載の9レベルインバータの主回路1相分(U相)の構成図を示している。   Conventionally, as a multilevel power converter, for example, a power conversion device that outputs nine voltage levels described in Patent Document 1 has been proposed. FIG. 4 shows a configuration diagram of one phase (U phase) of the main circuit of the 9-level inverter described in Patent Document 1.

図4の回路において、直流電源Eの正、負極端間にコンデンサC1,C2の直列回路と、半導体スイッチS1,S2の直列回路とを並列に接続し、半導体スイッチS5,S6の直列回路と、コンデンサC3と、半導体スイッチS7,S8の直列回路と、双方向の耐圧を備えた双方向スイッチS3D,S4Dの直列回路とを並列に接続し、半導体スイッチS1,S2の共通接続点を半導体スイッチS5,S6の共通接続点に接続し、コンデンサC1,C2の共通接続点(中点M)を双方向スイッチS3D,S4Dの共通接続点に接続し、半導体スイッチS7,S8の共通接続点と双方向スイッチS3D,S4Dの共通接続点を共通に接続してU相出力端としている。 In the circuit of FIG. 4, a positive DC power source E, is connected a series circuit of a capacitor C 1, C 2 between the negative electrode, and a series circuit of semiconductor switches S 1, S 2 in parallel, the semiconductor switches S 5, S 6 series circuit, capacitor C 3 , series circuit of semiconductor switches S 7 and S 8 , and bidirectional switch S 3D , S 4D series circuit having bidirectional breakdown voltage are connected in parallel to form a semiconductor switch The common connection point of S 1 and S 2 is connected to the common connection point of the semiconductor switches S 5 and S 6 , and the common connection point (middle point M) of the capacitors C 1 and C 2 is connected to the bidirectional switches S 3D and S 4D . Connected to the common connection point, the common connection point of the semiconductor switches S 7 and S 8 and the common connection point of the bidirectional switches S 3D and S 4D are connected in common to form a U-phase output terminal.

上記のように構成された電力変換装置において、直流電源Eの電圧をEd、コンデンサC1の電圧をVC1、コンデンサC2の電圧をVC2、コンデンサC3の電圧をVC3とすると、中点Mから観測した出力電圧VUMと各スイッチS1,S2,S3D,S4D,S5〜S8のオンオフ状態との関係は図5のように示される。 In the power converter configured as described above, when the voltage of the DC power source E is E d , the voltage of the capacitor C 1 is V C1 , the voltage of the capacitor C 2 is V C2 , and the voltage of the capacitor C 3 is V C3 , The relationship between the output voltage V UM observed from the middle point M and the on / off states of the switches S 1 , S 2 , S 3D , S 4D , S 5 to S 8 is shown in FIG.

図5では、各スイッチS1,S2,S3D,S4D,S5〜S8のオンオフ状態に応じた動作モードを、それぞれモード1〜12としている。 In FIG. 5, the operation modes corresponding to the on / off states of the switches S 1 , S 2 , S 3D , S 4D , and S 5 to S 8 are Modes 1 to 12, respectively.

尚図5において、「電流極性」は負荷電流iUの極性であり、図4の矢印の方向を+としており、コンデンサC3の充電(c)と放電(d)における電圧値を出力電圧VUMの欄の右側に示している。 In FIG. 5, “current polarity” is the polarity of the load current i U , the direction of the arrow in FIG. 4 is +, and the voltage value at the charge (c) and discharge (d) of the capacitor C 3 is the output voltage V Shown on the right side of the UM column.

この図5に基づいて、図4における適切なスイッチを選択してオンオフすると、出力電圧VUMは図6に示すように9つの電圧レベル(VC1+VC3,VC1,VC1−VC3,VC3,0,−VC3,−VC2+VC3,−VC2,−VC2−VC3)を持ち、かつ、平均電圧が正弦波状の波形となる。 When an appropriate switch in FIG. 4 is selected and turned on / off based on FIG. 5, the output voltage V UM is divided into nine voltage levels (V C1 + V C3 , V C1 , V C1 −V C3 , V C3 , 0, −V C3 , −V C2 + V C3 , −V C2 , −V C2 −V C3 ), and the average voltage is a sinusoidal waveform.

図4の構成によれば、少ない素子数(双方向スイッチS3D,S4Dを各々2直列のIGBTで構成した場合10個の半導体素子と1個のコンデンサ(C3))によって、多レベル電圧(9レベル相当)の出力が可能な電力変換回路を実現している。 According to the configuration of FIG. 4, a multi-level voltage is generated by a small number of elements (10 semiconductor elements and one capacitor (C 3 ) when each of the bidirectional switches S 3D and S 4D is constituted by two series IGBTs). A power conversion circuit capable of outputting (equivalent to 9 levels) is realized.

これを三相に拡張すると30個の半導体スイッチ、3個のコンデンサで三相のマルチレベル変換器(9レベル相当)を実現することができる。   When this is expanded to three phases, a three-phase multilevel converter (corresponding to nine levels) can be realized with 30 semiconductor switches and three capacitors.

特開2010−246189号公報JP 2010-246189 A

前記図4に示される回路では、少ない素子数でマルチレベル変換器を実現することが可能であるが、直流電源Eの電圧Edがスイッチング素子S1とS2に加わるため、電圧Edがスイッチング素子S1とS2を直列接続した直列体の耐電圧よりも高い場合には素子数を増やす必要がある。 In the circuit shown in FIG. 4, a multi-level converter can be realized with a small number of elements. However, since the voltage Ed of the DC power supply E is applied to the switching elements S 1 and S 2 , the voltage Ed is changed to the switching element. When the withstand voltage of the series body in which S 1 and S 2 are connected in series is higher, the number of elements needs to be increased.

また、直流電圧Edに対して出力電圧VUMは3Ed/4〜−3Ed/4となり、交流電圧を入力して整流器にて整流した場合には交流入力電圧とマルチレベル変換器の交流出力電圧とは1:1にならず、電圧の調整が必要になる問題がある。 本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、少ない素子数で高電圧化に対応でき、且つ交流電圧を入出力するシステムにおいて、入出力間の電圧を1:1にする電圧調整回路を別途設ける必要がないマルチレベル電力変換器を提供することにある。 Further, the output voltage V UM against DC voltage E d is 3E d / 4~-3E d / 4 , and the AC of the AC input voltage and the multi-level converter when the rectified in by entering the AC voltage rectifier There is a problem that the output voltage is not 1: 1 and voltage adjustment is required. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to adjust the voltage between input and output to 1: 1 in a system that can cope with a high voltage with a small number of elements and that inputs and outputs an alternating voltage. An object of the present invention is to provide a multi-level power converter that does not require a separate circuit.

上記課題を解決するための請求項1記載のマルチレベル電力変換器は、直流電圧を複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換器であって、第1〜第4のスイッチング素子を順次直列接続した第1のスイッチング素子直列回路と、前記第1のスイッチング素子直列回路の第1のスイッチング素子側端と第4のスイッチング素子側端との間に順次直列接続された第1および第2のコンデンサと、前記第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の共通接続点と、第3のスイッチング素子および第4のスイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続された第1および第2のダイオードと、前記第1のコンデンサおよび第1のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第5のスイッチング素子と、前記第2のコンデンサおよび第4のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第6のスイッチング素子と、正極端が前記第5のスイッチング素子の他端に接続され、負極端が前記第6のスイッチング素子の他端に接続された直流電圧源と、前記直流電圧源の正、負極端間に直列接続された第3および第4のコンデンサと、第7および第8のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第1および第2のコンデンサの共通接続点と第1および第2のダイオードの共通接続点に接続された第2のスイッチング素子直列回路と、第9および第10のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第3および第4のコンデンサの共通接続点に接続された第3のスイッチング素子直列回路と、前記第7および第9のスイッチング素子を共通接続した共通接続点と第8および第10のスイッチング素子を共通接続した共通接続点との間に接続された第5のコンデンサと、前記第1〜第10のスイッチング素子をオン、オフ制御することによって複数の電圧レベルを出力させる制御手段とを備え、前記第2および第3のスイッチング素子の共通接続点と、前記第3および第4のコンデンサの共通接続点とを複数の電圧レベルの交流出力端としたことを特徴としている。   The multilevel power converter according to claim 1 for solving the above-mentioned problem is a multilevel power converter that outputs an AC voltage obtained by converting a DC voltage into a plurality of voltage levels, and includes first to fourth switching. A first switching element series circuit in which elements are sequentially connected in series, and a first switching element in series connected between a first switching element side end and a fourth switching element side end of the first switching element series circuit. And a second capacitor, a first common connection point between the first switching element and the second switching element, and a second common connection point between the third switching element and the fourth switching element. And a fifth switching element having one end connected to a common connection point of the first capacitor and the first switching element. A sixth switching element having one end connected to a common connection point of the second capacitor and the fourth switching element; a positive end connected to the other end of the fifth switching element; and a negative end connected to the sixth switching element. The DC voltage source connected to the other end of the switching element, the third and fourth capacitors connected in series between the positive and negative terminals of the DC voltage source, and the seventh and eighth switching elements are connected in series. And a second switching element series circuit whose common connection point is connected to the common connection point of the first and second capacitors and the common connection point of the first and second diodes, and the ninth and tenth circuits A third switching element series circuit in which the common connection point is connected to the common connection point of the third and fourth capacitors; A fifth capacitor connected between a common connection point where the first and ninth switching elements are commonly connected and a common connection point where the eighth and tenth switching elements are commonly connected; and the first to tenth switching points Control means for outputting a plurality of voltage levels by controlling on and off of the element, a common connection point of the second and third switching elements, and a common connection point of the third and fourth capacitors Is an AC output terminal having a plurality of voltage levels.

また、請求項2記載のマルチレベル電力変換器は、請求項1において、前記第1〜第3のスイッチング素子直列回路と、第1および第2のダイオードと、第1および第2および第5のコンデンサとによってマルチレベル電圧変換部を構成し、前記マルチレベル電圧変換部を三相交流の各相に各々設け、前記三相各相のマルチレベル電圧変換部の第9および第10のスイッチング素子の共通接続点どうしを中性点として共通接続し、前記第2および第3のスイッチング素子の共通接続点をU相、V相、W相の各出力端としたことを特徴としている。   A multilevel power converter according to claim 2 is the multilevel power converter according to claim 1, wherein the first to third switching element series circuits, the first and second diodes, the first, second, and fifth A multi-level voltage conversion unit is configured with a capacitor, the multi-level voltage conversion unit is provided in each phase of the three-phase AC, and the ninth and tenth switching elements of the multi-phase voltage conversion unit of the three-phase each phase A common connection point is defined as a neutral point, and the common connection point of the second and third switching elements is used as an output terminal of each of the U phase, V phase, and W phase.

上記構成によれば、直流電圧源の正、負極端間には、第5のスイッチング素子、第1〜第4のスイッチング素子および第6のスイッチング素子が直列に存在するため、これらのスイッチング素子の合計耐電圧まで高電圧化することが容易となる。これによって、少ない素子数で高電圧化に対応可能で、且つ電圧調整回路を別途設けずに交流入出力電圧を1:1に出来るマルチレベル電力変換器が実現される。   According to the above configuration, the fifth switching element, the first to fourth switching elements, and the sixth switching element exist in series between the positive and negative terminals of the DC voltage source. It becomes easy to increase the voltage to the total withstand voltage. As a result, a multi-level power converter that can cope with a high voltage with a small number of elements and can make the AC input / output voltage 1: 1 without providing a separate voltage adjusting circuit is realized.

(1)請求項1に記載の発明によれば、少ない素子数で高電圧化に対応可能で、且つ電圧調整回路を別途設けることなく、交流入出力電圧を1:1に出来るマルチレベル電力変換器を提供することができる。
(2)請求項2に記載の発明によれば、少ない素子数で高電圧化に対応可能で、且つ電圧調整回路を別途設けることなく、交流入出力電圧を1:1に出来る三相のマルチレベル電力変換器を提供することができる。
(1) According to the invention described in claim 1, multilevel power conversion that can cope with a high voltage with a small number of elements and that can provide an AC input / output voltage of 1: 1 without providing a separate voltage adjustment circuit. Can be provided.
(2) According to the invention described in claim 2, a three-phase multi-function which can cope with a high voltage with a small number of elements and can make the AC input / output voltage 1: 1 without separately providing a voltage adjusting circuit. A level power converter can be provided.

本発明の実施例1の9レベル電力変換器の回路図。1 is a circuit diagram of a 9-level power converter according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施例1の9レベル電力変換器におけるスイッチングパターンのモードと出力端子間の電圧の関係を表す電圧特性図。The voltage characteristic view showing the relationship between the mode of the switching pattern in the 9 level power converter of Example 1 of this invention, and the voltage between output terminals. 本発明の実施例2の9レベル電力変換器の回路図。The circuit diagram of the 9 level power converter of Example 2 of this invention. 従来のマルチレベル電力変換器の一例を示す回路図。The circuit diagram which shows an example of the conventional multilevel power converter. 図4における各スイッチのオンオフ状態、出力電圧、負荷電流極性、コンデンサC3の充放電の関係を示す図。OFF states of the switches in FIG. 4, the output voltage, the load current polarity, diagram showing the relationship between charging and discharging of the capacitor C 3. 図4における出力電圧VUMの波形図。FIG. 5 is a waveform diagram of the output voltage V UM in FIG. 4.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。以下に示す実施例1、2は、本発明を9レベル電力変換器(9レベルインバータ)に適用した実施例である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. Examples 1 and 2 shown below are examples in which the present invention is applied to a 9-level power converter (9-level inverter).

図1に本発明の実施例1の9レベル電力変換器100を示す。図1において、S1〜S4は順次直列接続された第1〜第4のスイッチング素子であり、本発明の第1のスイッチング素子直列回路を構成している。   FIG. 1 shows a nine-level power converter 100 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, S1 to S4 are first to fourth switching elements sequentially connected in series, and constitute a first switching element series circuit of the present invention.

この第1のスイッチング素子直列回路の両端間には、コンデンサC1,C2が直列に接続されている。スイッチング素子S1,S2の共通接続点とS3,S4の共通接続点との間にはダイオードD1,D2が直列に接続されている。   Capacitors C1 and C2 are connected in series between both ends of the first switching element series circuit. Diodes D1, D2 are connected in series between the common connection point of the switching elements S1, S2 and the common connection point of S3, S4.

DCは直流電源であり、C3,C4は直流電源VDCの電圧が充電又は放電されるコンデンサである。 V DC is a DC power source, and C3 and C4 are capacitors to which the voltage of the DC power source V DC is charged or discharged.

直流電源VDCの正極端PとコンデンサC1およびスイッチング素子S1の共通接続点との間には、スイッチング素子S5,S6が直列に接続され、コンデンサC2およびスイッチング素子S4の共通接続点と直流電源VDCの負極端Nとの間には、スイッチング素子S7,S8が直列に接続されている。 Switching elements S5 and S6 are connected in series between the positive terminal P of the DC power source V DC and the common connection point of the capacitor C1 and the switching element S1, and the common connection point of the capacitor C2 and the switching element S4 and the DC power source V are connected. Switching elements S7 and S8 are connected in series with the negative electrode terminal N of DC .

前記スイッチング素子S5,S6は本発明の第5のスイッチング素子を構成し、スイッチング素子S7,S8は本発明の第6のスイッチング素子を構成している。尚、耐圧を考慮して、前記第5のスイッチング素子、第6のスイッチング素子は各々1個のスイッチング素子で構成してもよい。   The switching elements S5 and S6 constitute a fifth switching element of the present invention, and the switching elements S7 and S8 constitute a sixth switching element of the present invention. In consideration of the withstand voltage, each of the fifth switching element and the sixth switching element may be composed of one switching element.

S11,S12は本発明の第7、第8のスイッチング素子であり、これらスイッチング素子S11,S12は直列接続されて本発明の第2のスイッチング素子直列回路を構成している。   S11 and S12 are the seventh and eighth switching elements of the present invention, and these switching elements S11 and S12 are connected in series to form the second switching element series circuit of the present invention.

S9,S10は本発明の第9、第10のスイッチング素子であり、これらスイッチング素子S9,S10は直列接続されて本発明の第3のスイッチング素子直列回路を構成している。   S9 and S10 are the ninth and tenth switching elements of the present invention, and these switching elements S9 and S10 are connected in series to form a third switching element series circuit of the present invention.

前記スイッチング素子S9,S11の共通接続点とスイッチング素子S10,S12の共通接続点との間には、コンデンサC5が接続されている。   A capacitor C5 is connected between the common connection point of the switching elements S9 and S11 and the common connection point of the switching elements S10 and S12.

前記スイッチング素子S9,S10の共通接続点はコンデンサC3,C4の共通接続点(中点NP)に接続され、前記スイッチング素子S11、S12の共通接続点と、コンデンサC1,C2の共通接続点と、ダイオードD1,D2の共通接続点は、共通に接続されている。   The common connection point of the switching elements S9 and S10 is connected to the common connection point (middle point NP) of the capacitors C3 and C4, the common connection point of the switching elements S11 and S12, the common connection point of the capacitors C1 and C2, Common connection points of the diodes D1 and D2 are connected in common.

前記スイッチング素子S2、S3の共通接続点を出力端子Aとし、前記コンデンサC3,C4の共通接続点を出力端子Bとしている。   The common connection point of the switching elements S2 and S3 is an output terminal A, and the common connection point of the capacitors C3 and C4 is an output terminal B.

図1の破線で囲まれた、スイッチング素子S1〜S12、コンデンサC1,C2,C5およびダイオードD1,D2によってマルチレベル電圧変換部200が構成されている。   A multilevel voltage conversion unit 200 is configured by the switching elements S1 to S12, the capacitors C1, C2, and C5 and the diodes D1 and D2 that are surrounded by a broken line in FIG.

前記スイッチング素子S1〜S12は、例えばIGBT等の半導体スイッチで構成されている。スイッチング素子S1〜S12は、図示省略の制御部(制御手段)によって、9レベルの電圧を出力するためのスイッチングパターンに従ってオン、オフ制御され、その結果出力端子A,B間に9レベルの電圧が出力されるものである。   The switching elements S1 to S12 are constituted by semiconductor switches such as IGBTs, for example. The switching elements S1 to S12 are on / off controlled by a control unit (control means) (not shown) in accordance with a switching pattern for outputting a 9 level voltage. As a result, a 9 level voltage is applied between the output terminals A and B Is output.

尚、前記直流電源VDCの電源電圧は固定でも可変でもよい。 The power source voltage of the DC power source V DC may be fixed or variable.

上記構成において、スイッチング素子S1〜S12のオン、オフは、例えば表1に示すモード1〜モード13を有するスイッチングパターンに従って制御される。   In the above configuration, on / off of the switching elements S1 to S12 is controlled, for example, according to a switching pattern having modes 1 to 13 shown in Table 1.

Figure 2013258863
Figure 2013258863

表1はスイッチング素子S1〜S12のオン・オフのモード1〜13(表1中ではMode1〜13と表記している)により出力端子A,B間に出力される電圧VABとコンデンサC1,C2,C5の充放電の有無を示している。 Table 1 shows the voltage V AB output between the output terminals A and B and the capacitors C1 and C2 according to the ON / OFF modes 1 to 13 of the switching elements S1 to S12 (shown as Modes 1 to 13 in Table 1). , C5 indicates the presence or absence of charge / discharge.

直流電源VDCの電圧が4E,コンデンサC3,C4の電圧が2E,コンデンサC1,C2の電圧がE,コンデンサC5の電圧がE/2であるとすると、出力端子A,B間の電圧は2E,3E/2,E,E/2,0,−E/2,−E,−3E/2,−2Eの9レベルの電圧を出力可能である。 If the voltage of the DC power supply V DC is 4E, the voltages of the capacitors C3 and C4 are 2E, the voltages of the capacitors C1 and C2 are E, and the voltage of the capacitor C5 is E / 2, the voltage between the output terminals A and B is 2E. , 3E / 2, E, E / 2, 0, -E / 2, -E, -3E / 2, and -2E can be output.

次に、表1のスイッチングパターンの各モード1〜モード13と出力端子A,B間の電流Iの経路を以下に説明する。尚表1は電流I>0のときを示している。   Next, the path of the current I between each mode 1 to mode 13 of the switching pattern in Table 1 and the output terminals A and B will be described below. Table 1 shows the case where the current I> 0.

<モード1>
このモード1は、スイッチング素子S10又はS11をオンする場合とオフする場合の2通りあるが、どちらの場合も電流Iの経路は同一である。
<Mode 1>
There are two modes 1 when the switching element S10 or S11 is turned on and when it is turned off. In both cases, the path of the current I is the same.

すなわち、スイッチング素子S3,S4,S7〜S9,S12が各々オフ、スイッチング素子S1,S2,S5,S6が各々オン、スイッチング素子S10がオフ又はオン、スイッチング素子S11がオン又はオフとなり、電流Iは、出力端子B→NP→C3→P→S5→S6→S1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード1ではコンデンサC1,C2,C5の充放電はなく、出力端子A,B間の電圧は+2Eとなる。   That is, switching elements S3, S4, S7 to S9, S12 are each off, switching elements S1, S2, S5, S6 are each on, switching element S10 is off or on, switching element S11 is on or off, and current I is , The output terminal B, NP, C3, P, S5, S6, S1, S2, and the output terminal A. In mode 1, the capacitors C1, C2 and C5 are not charged / discharged, and the voltage between the output terminals A and B is + 2E.

<モード2>
スイッチング素子S3〜S9,S12が各々オフ、スイッチング素子S1,S2,S10,S11が各々オンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→S10→C5→S11→C1→S1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード2ではコンデンサC5,C1が放電され、出力端子A,B間の電圧は+3E/2となる。
<Mode 2>
Switching elements S3 to S9 and S12 are turned off, switching elements S1, S2, S10 and S11 are turned on, and current I is output terminal B → NP → S10 → C5 → S11 → C1 → S1 → S2 → output terminal A. It flows in the route. In this mode 2, the capacitors C5 and C1 are discharged, and the voltage between the output terminals A and B becomes + 3E / 2.

<モード3>
このモード3は、スイッチング素子S9,S11をオンし、S10,S12をオフする場合と、スイッチング素子S9,S11をオフし、S10,S12をオンする場合の2通りがあり、電流の経路は相違する。
<Mode 3>
In this mode 3, there are two ways of switching on the switching elements S9 and S11 and turning off S10 and S12, and turning off the switching elements S9 and S11 and turning on S10 and S12, and the current paths are different. To do.

すなわち、スイッチング素子S3〜S8,S10,S12を各々オフ、スイッチング素子S1,S2,S9,S11を各々オンとした場合、電流Iは、出力端子B→NP→S9→S11→C1→S1→S2→出力端子Aの経路で流れる。   That is, when switching elements S3 to S8, S10, and S12 are turned off and switching elements S1, S2, S9, and S11 are turned on, current I is output terminal B → NP → S9 → S11 → C1 → S1 → S2. → Flows along the path of output terminal A.

また、スイッチング素子S3〜S9,S11を各々オフ、スイッチング素子S1,S2,S10,S12を各々オンとした場合、電流Iは、出力端子B→NP→S10→S12→C1→S1→S2→出力端子Aの経路で流れる。   When switching elements S3 to S9 and S11 are turned off and switching elements S1, S2, S10 and S12 are turned on, current I is output from output terminal B → NP → S10 → S12 → C1 → S1 → S2 → output. It flows through the route of terminal A.

このモード3ではコンデンサC1が放電され、出力端子A,B間の電圧は+Eとなる。   In mode 3, the capacitor C1 is discharged, and the voltage between the output terminals A and B becomes + E.

<モード4>
このモード4は、スイッチング素子S10又はS11をオンする場合とオフする場合の2通りあるが、どちらの場合も電流Iの経路は同一である。
<Mode 4>
There are two modes 4 when the switching element S10 or S11 is turned on and when the switching element S10 is turned off. In either case, the path of the current I is the same.

すなわち、スイッチング素子S1,S4,S7〜S9,S12が各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S5,S6が各々オン、スイッチング素子S10がオフ又はオン、スイッチング素子S11がオン又はオフとなり、電流Iは、出力端子B→NP→C3→P→S5→S6→C1→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード4ではコンデンサC1が充電され、出力端子A,B間の電圧は+Eとなる。   That is, switching elements S1, S4, S7 to S9, and S12 are each off, switching elements S2, S3, S5, and S6 are each on, switching element S10 is off or on, switching element S11 is on or off, and current I is The output terminal B, NP, C3, P, S5, S6, C1, D1, S2, and the output terminal A flow. In this mode 4, the capacitor C1 is charged, and the voltage between the output terminals A and B becomes + E.

<モード5>
スイッチング素子S1,S4〜S9,S12が各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S10,S11が各々オンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→S10→C5→S11→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード5ではコンデンサC5が放電され、出力端子A,B間の電圧は+E/2となる。
<Mode 5>
Switching elements S1, S4 to S9, S12 are turned off, switching elements S2, S3, S10, S11 are turned on, and current I is output terminal B → NP → S10 → C5 → S11 → D1 → S2 → output terminal A. It flows in the route. In this mode 5, the capacitor C5 is discharged, and the voltage between the output terminals A and B becomes + E / 2.

<モード6>
スイッチング素子S3〜S8,S10,S11が各々オフ、スイッチング素子S1,S2,S9,S12が各々オンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→S9→C5→S12→C1→S1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード6ではコンデンサC5が充電、C1が放電され、出力端子A,B間の電圧は+E/2となる。
<Mode 6>
Switching elements S3 to S8, S10, and S11 are turned off, switching elements S1, S2, S9, and S12 are turned on, and current I is output from output terminal B → NP → S9 → C5 → S12 → C1 → S1 → S2 → output. It flows through the route of terminal A. In this mode 6, the capacitor C5 is charged, C1 is discharged, and the voltage between the output terminals A and B becomes + E / 2.

<モード7>
このモード7は、スイッチング素子S9,S11をオンし、S10,S12をオフする場合と、スイッチング素子S9,S11をオフし、S10,S12をオンする場合の2通りがあり、電流の経路は相違する。
<Mode 7>
In this mode 7, there are two cases, when switching elements S9 and S11 are turned on and S10 and S12 are turned off, and when switching elements S9 and S11 are turned off and S10 and S12 are turned on, and current paths are different. To do.

すなわち、スイッチング素子S1,S4〜S8,S10,S12を各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S9,S11を各々オンとした場合、電流Iは、出力端子B→NP→S9→S11→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。   That is, when switching elements S1, S4 to S8, S10, and S12 are turned off and switching elements S2, S3, S9, and S11 are turned on, current I is output terminal B → NP → S9 → S11 → D1 → S2. → Flows along the path of output terminal A.

また、スイッチング素子S1,S4〜S9,S11を各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S10,S12を各々オンとした場合、電流Iは、出力端子B→NP→S10→S12→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。   When switching elements S1, S4 to S9, S11 are turned off and switching elements S2, S3, S10, S12 are turned on, current I is output from output terminal B → NP → S10 → S12 → D1 → S2 → output. It flows through the route of terminal A.

このモード7ではコンデンサC1,C2,C5の充放電はなく、出力端子A,B間の電圧は0となる。   In this mode 7, the capacitors C1, C2, and C5 are not charged / discharged, and the voltage between the output terminals A and B becomes zero.

<モード8>
スイッチング素子S1,S2,S5〜S9,S12が各々オフ、スイッチング素子S3,S4,S10,S11が各々オンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→S10→C5→S11→C2→S4→S3→出力端子Aの経路で流れる。このモード8ではコンデンサC5が放電、C2が充電され、出力端子A,B間の電圧は−E/2となる。
<Mode 8>
Switching elements S1, S2, S5 to S9, and S12 are turned off, switching elements S3, S4, S10, and S11 are turned on, and current I is output terminal B → NP → S10 → C5 → S11 → C2 → S4 → S3. → Flows along the path of output terminal A. In this mode 8, the capacitor C5 is discharged, the C2 is charged, and the voltage between the output terminals A and B becomes -E / 2.

<モード9>
スイッチング素子S1,S4〜S8,S10,S11が各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S9,S12が各々オンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→S9→C5→S12→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード9ではコンデンサC5が充電され、出力端子A,B間の電圧は−E/2となる。
<Mode 9>
Switching elements S1, S4 to S8, S10, and S11 are turned off, switching elements S2, S3, S9, and S12 are turned on, and current I is output from output terminal B → NP → S9 → C5 → S12 → D1 → S2 → output. It flows through the route of terminal A. In this mode 9, the capacitor C5 is charged, and the voltage between the output terminals A and B becomes -E / 2.

<モード10>
このモード10は、スイッチング素子S9又はS12をオンする場合とオフする場合の2通りあるが、どちらの場合も電流Iの経路は同一である。
<Mode 10>
There are two modes 10 when the switching element S9 or S12 is turned on and when it is turned off. In either case, the path of the current I is the same.

すなわち、スイッチング素子S1,S4〜S6,S10,S11が各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S7,S8が各々オン、スイッチング素子S9がオン又はオフ、スイッチング素子S12がオフ又はオンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→C4→S8→S7→C2→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。このモード10ではコンデンサC2が放電され、出力端子A,B間の電圧は−Eとなる。   That is, switching elements S1, S4 to S6, S10, S11 are each off, switching elements S2, S3, S7, S8 are each on, switching element S9 is on or off, switching element S12 is off or on, and current I is The output terminal B, NP, C4, S8, S7, C2, D1, S2, and the output terminal A flow. In this mode 10, the capacitor C2 is discharged, and the voltage between the output terminals A and B becomes -E.

<モード11>
このモード11は、スイッチング素子S10,S12をオンし、S9,S11をオフする場合と、スイッチング素子S10,S12をオフし、S9,S11をオンする場合の2通りがあり、電流の経路は相違する。
<Mode 11>
In this mode 11, there are two ways of switching on the switching elements S10 and S12 and turning off the S9 and S11, and turning off the switching elements S10 and S12 and turning on the S9 and S11, and the current paths are different. To do.

すなわち、スイッチング素子S1,S2,S4〜S9,S11を各々オフ、スイッチング素子S3,S4,S10,S12を各々オンとした場合、電流Iは、出力端子B→NP→S10→S12→C2→S4→S3→出力端子Aの経路で流れる。   That is, when the switching elements S1, S2, S4 to S9, and S11 are turned off and the switching elements S3, S4, S10, and S12 are turned on, the current I is output from the output terminals B → NP → S10 → S12 → C2 → S4. → S3 → Output terminal A

また、スイッチング素子S1,S2,S5〜S8,S10,S12を各々オフ、スイッチング素子S2,S3,S9,S11を各々オンとした場合、電流Iは、出力端子B→NP→S9→S11→C2→S4→S3→出力端子Aの経路で流れる。   When the switching elements S1, S2, S5 to S8, S10, and S12 are turned off and the switching elements S2, S3, S9, and S11 are turned on, the current I is output from the output terminals B → NP → S9 → S11 → C2. → S4 → S3 → Output terminal A

このモード11ではコンデンサC2が充電され、出力端子A,B間の電圧は−Eとなる。   In this mode 11, the capacitor C2 is charged and the voltage between the output terminals A and B becomes -E.

<モード12>
スイッチング素子S1,S2,S5〜S8,S10,S11が各々オフ、スイッチング素子S3,S4,S9,S12が各々オンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→S9→C5→S12→C2→S4→S3→出力端子Aの経路で流れる。このモード12ではコンデンサC5,C2が充電され、出力端子A,B間の電圧は−3E/2となる。
<Mode 12>
Switching elements S1, S2, S5 to S8, S10, and S11 are turned off, switching elements S3, S4, S9, and S12 are turned on, and current I is output terminal B → NP → S9 → C5 → S12 → C2 → S4. → S3 → Output terminal A In this mode 12, the capacitors C5 and C2 are charged, and the voltage between the output terminals A and B becomes -3E / 2.

<モード13>
このモード13は、スイッチング素子S9又はS12をオンする場合とオフする場合の2通りあるが、どちらの場合も電流Iの経路は同一である。
<Mode 13>
There are two modes 13 when the switching element S9 or S12 is turned on and when it is turned off. In either case, the path of the current I is the same.

すなわち、スイッチング素子S1,S2,S5,S6,S10,S11が各々オフ、スイッチング素子S3,S4,S7,S8が各々オン、スイッチング素子S9がオン又はオフ、スイッチング素子S12がオフ又はオンとなり、電流Iは、出力端子B→NP→C4→S8→S7→S4→S3→出力端子Aの経路で流れる。このモード13ではコンデンサC1,C2,C5の充放電はなく、出力端子A,B間の電圧は−2Eとなる。   That is, switching elements S1, S2, S5, S6, S10, and S11 are each off, switching elements S3, S4, S7, and S8 are each on, switching element S9 is on or off, and switching element S12 is off or on. I flows through the path of the output terminal B → NP → C4 → S8 → S7 → S4 → S3 → output terminal A. In this mode 13, the capacitors C1, C2 and C5 are not charged / discharged, and the voltage between the output terminals A and B is -2E.

上記モード1〜13のスイッチングパターンによるオン、オフ制御によって、直流電源VDCの電圧が4E,コンデンサC3,C4の電圧が2E,コンデンサC1,C2の電圧がE,コンデンサC5の電圧がE/2であるときに、出力端子A,B間には、2E,3E/2,E,E/2,0,−E/2,−E,−3E/2,−2Eの9レベルの電圧を出力することが可能である。 By the on / off control by the switching patterns in the modes 1 to 13, the voltage of the DC power source V DC is 4E, the voltages of the capacitors C3 and C4 are 2E, the voltages of the capacitors C1 and C2 are E, and the voltage of the capacitor C5 is E / 2. In this case, 9-level voltages of 2E, 3E / 2, E, E / 2, 0, -E / 2, -E, -3E / 2, and -2E are output between the output terminals A and B. Is possible.

図2は、上記モード1〜13と出力端子A,B間の電圧VABの関係を表し、スイッチングパターンによるオン、オフ制御によって出力可能な9レベルの電圧を各々示している。 FIG. 2 shows the relationship between the modes 1 to 13 and the voltage V AB between the output terminals A and B, and shows 9 levels of voltages that can be output by the on / off control by the switching pattern.

以上のように実施例1によれば、直流電源VDCの正、負極端P,N間に設けられたスイッチング素子12個(又は、スイッチング素子S5およびS6を1個、S7およびS8を1個で各々構成した場合は10個)、ダイオード2個、コンデンサ3個のみで、9レベルの電圧変換部200を実現することができる。 As described above, according to the first embodiment, twelve switching elements (or one switching element S5 and S6 and one S7 and S8) provided between the positive and negative ends P and N of the DC power source V DC are provided. The voltage conversion unit 200 of 9 levels can be realized with only two diodes and three capacitors.

また、直流電源VDCの正、負極端P,N間には8個のスイッチング素子(S5,S6,S1〜S4,S7,S8)が直列に存在しているため、これら8個分のスイッチング素子の耐電圧まで高電圧化することが容易である。これによって、少ない素子数で高電圧化に対応できる9レベルインバータが実現される。 Further, since eight switching elements (S5, S6, S1 to S4, S7, S8) exist in series between the positive and negative ends P, N of the DC power source V DC , switching for these eight units is performed. It is easy to increase the voltage to the withstand voltage of the element. As a result, a nine-level inverter that can cope with a high voltage with a small number of elements is realized.

さらに、直流電源VDCと同じ電圧範囲(直流電源VDCが4Eに対して交流電圧出力の波高値が±2E)の交流電圧を出力することができ、交流電圧を整流した直流電圧を得て、この直流電圧を交流電圧に逆変換するシステムで交流入出力電圧が1:1で別途電圧調整回路が不要となる。 Furthermore, (peak value of the AC voltage output to the DC power source V DC is 4E is ± 2E) DC power supply V DC the same voltage range as it is possible to output the AC voltage to obtain a DC voltage obtained by rectifying an AC voltage In this system, the DC voltage is inversely converted into AC voltage, and the AC input / output voltage is 1: 1, so that no separate voltage adjusting circuit is required.

図3に実施例2の回路構成を示す。本実施例2は、実施例1(図1)のスイッチング素子S1〜S12、ダイオードD1,D2およびコンデンサC1,C2,C5によって構成されるマルチレベル電圧変換部200を三相分(200U,200V,200W)設けて直流電源VDCに対してY結線に接続したものである。 FIG. 3 shows a circuit configuration of the second embodiment. In the second embodiment, the multilevel voltage conversion unit 200 including the switching elements S1 to S12, the diodes D1 and D2, and the capacitors C1, C2, and C5 of the first embodiment (FIG. 1) is divided into three phases (200U, 200V, 200 W) and connected to the Y power connection to the DC power source V DC .

図3において、図1と同一部分は同一符号をもって示している。   3, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

三相各相のマルチレベル電圧変換部200U,200V,200Wの、出力端子Bどうしを中性点NPとして共通接続し、出力端子Aを三相各相の出力端U,V,Wとしている。   The output terminals B of the multi-level voltage converters 200U, 200V, and 200W for each of the three phases are connected in common as a neutral point NP, and the output terminal A is used as the output terminals U, V, and W of the three-phase each phase.

図3の構成では、三相各々に個別の直流電源は不要であり、直流電源VDCは1個でよい。 In the configuration of FIG. 3, no separate DC power source is required for each of the three phases, and only one DC power source V DC is sufficient.

図3のマルチレベル電圧変換部200U,200V,200Wの各動作は図1の回路と同一である。   Each operation of the multilevel voltage converters 200U, 200V, and 200W in FIG. 3 is the same as that of the circuit in FIG.

図3の回路では、Y結線の中性点NPを基準に、三相U,V,Wに任意の9レベルの電圧(2E,3E/2,E,E/2,0,−E/2,−E,−3E/2,−2E)を出力することができる。   In the circuit of FIG. 3, with reference to the neutral point NP of the Y connection, any nine levels of voltages (2E, 3E / 2, E, E / 2, 0, −E / 2) are applied to the three phases U, V, and W. , -E, -3E / 2, -2E).

以上のように実施例2によれば、直流電源VDCの正、負極端P,N間に設けられたスイッチング素子36個、ダイオード6個、コンデンサ9個によって、三相の9レベルの電圧変換部を実現することができる。 As described above, according to the second embodiment, three-phase nine-level voltage conversion is achieved by 36 switching elements, six diodes, and nine capacitors provided between the positive and negative terminals P and N of the DC power supply V DC. Can be realized.

また、直流電源VDCの正、負極端P,N間には8個のスイッチング素子(S5,S6,S1〜S4,S7,S8)が直列に存在しているため、これら8個分のスイッチング素子の耐電圧まで高電圧化することが容易である。これによって、少ない素子数で高電圧化に対応できる三相の9レベルインバータが実現される。 Further, since eight switching elements (S5, S6, S1 to S4, S7, S8) exist in series between the positive and negative ends P, N of the DC power source V DC , switching for these eight units is performed. It is easy to increase the voltage to the withstand voltage of the element. Thus, a three-phase 9-level inverter that can cope with a high voltage with a small number of elements is realized.

さらに、直流電源VDCと同じ電圧範囲(直流電源VDCが4Eに対して交流電圧出力の波高値が±2E)の交流電圧を出力することができ、交流電圧を整流した直流電圧を得て、この直流電圧を交流電圧に逆変換するシステムで交流入出力電圧が1:1で別途電圧調整回路が不要となる。 Furthermore, (peak value of the AC voltage output to the DC power source V DC is 4E is ± 2E) DC power supply V DC the same voltage range as it is possible to output the AC voltage to obtain a DC voltage obtained by rectifying an AC voltage In this system, the DC voltage is inversely converted into AC voltage, and the AC input / output voltage is 1: 1, so that no separate voltage adjusting circuit is required.

100…9レベル電力変換器
200,200U,200V,200W…マルチレベル電圧変換部
S1〜S12…スイッチング素子
DC…直流電源
C1〜C5…コンデンサ
D1,D2…ダイオード
A,B…出力端子
100 ... 9 level power converter 200, 200U, 200V, 200W ... multi-level voltage converter S1-S12 ... switching element V DC ... DC power source C1-C5 ... capacitor D1, D2 ... diode A, B ... output terminal

Claims (2)

直流電圧を複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換器であって、
第1〜第4のスイッチング素子を順次直列接続した第1のスイッチング素子直列回路と、
前記第1のスイッチング素子直列回路の第1のスイッチング素子側端と第4のスイッチング素子側端との間に順次直列接続された第1および第2のコンデンサと、
前記第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の共通接続点と、第3のスイッチング素子および第4のスイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続された第1および第2のダイオードと、
前記第1のコンデンサおよび第1のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第5のスイッチング素子と、
前記第2のコンデンサおよび第4のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第6のスイッチング素子と、
正極端が前記第5のスイッチング素子の他端に接続され、負極端が前記第6のスイッチング素子の他端に接続された直流電圧源と、
前記直流電圧源の正、負極端間に直列接続された第3および第4のコンデンサと、
第7および第8のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第1および第2のコンデンサの共通接続点と第1および第2のダイオードの共通接続点に接続された第2のスイッチング素子直列回路と、
第9および第10のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第3および第4のコンデンサの共通接続点に接続された第3のスイッチング素子直列回路と、
前記第7および第9のスイッチング素子を共通接続した共通接続点と第8および第10のスイッチング素子を共通接続した共通接続点との間に接続された第5のコンデンサと、
前記第1〜第10のスイッチング素子をオン、オフ制御することによって複数の電圧レベルを出力させる制御手段とを備え、
前記第2および第3のスイッチング素子の共通接続点と、前記第3および第4のコンデンサの共通接続点とを複数の電圧レベルの交流出力端としたことを特徴とするマルチレベル電力変換器。
A multi-level power converter that outputs an AC voltage obtained by converting a DC voltage into a plurality of voltage levels,
A first switching element series circuit in which the first to fourth switching elements are sequentially connected in series;
First and second capacitors sequentially connected in series between a first switching element side end and a fourth switching element side end of the first switching element series circuit;
First and second diodes sequentially connected in series between a common connection point of the first switching element and the second switching element and a common connection point of the third switching element and the fourth switching element ,
A fifth switching element having one end connected to a common connection point of the first capacitor and the first switching element;
A sixth switching element having one end connected to a common connection point of the second capacitor and the fourth switching element;
A DC voltage source having a positive end connected to the other end of the fifth switching element and a negative end connected to the other end of the sixth switching element;
A third and a fourth capacitor connected in series between the positive and negative terminals of the DC voltage source;
The seventh and eighth switching elements are connected in series, and the common connection point is connected to the common connection point of the first and second capacitors and the second connection point connected to the common connection point of the first and second diodes. A switching element series circuit;
A third switching element series circuit in which the ninth and tenth switching elements are connected in series and a common connection point thereof is connected to a common connection point of the third and fourth capacitors;
A fifth capacitor connected between a common connection point commonly connecting the seventh and ninth switching elements and a common connection point commonly connecting the eighth and tenth switching elements;
Control means for outputting a plurality of voltage levels by controlling on and off of the first to tenth switching elements;
A multi-level power converter characterized in that a common connection point of the second and third switching elements and a common connection point of the third and fourth capacitors are AC output terminals of a plurality of voltage levels.
前記第1〜第3のスイッチング素子直列回路と、第1および第2のダイオードと、第1および第2および第5のコンデンサとによってマルチレベル電圧変換部を構成し、
前記マルチレベル電圧変換部を三相交流の各相に各々設け、
前記三相各相のマルチレベル電圧変換部の第9および第10のスイッチング素子の共通接続点どうしを中性点として共通接続し、前記第2および第3のスイッチング素子の共通接続点をU相、V相、W相の各出力端としたことを特徴とする請求項1に記載のマルチレベル電力変換器。
The first to third switching element series circuits, the first and second diodes, and the first, second, and fifth capacitors constitute a multilevel voltage conversion unit,
The multi-level voltage converter is provided for each phase of the three-phase alternating current,
The common connection point of the ninth and tenth switching elements of the multi-phase voltage converter for each of the three phases is connected as a neutral point, and the common connection point of the second and third switching elements is the U phase. The multi-level power converter according to claim 1, wherein each of the output terminals is a V-phase and a W-phase.
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