JP2015517797A - 高電圧高電力多重レベルドライブ構造 - Google Patents

Abstract

高電圧高電力多重レベルドライブ構造は、一緒に積み重ねられている中性点パイロット型（ＮＰＰ）コンバータセルを備えている。少なくとも１つのクランプダイオードは、中性点パイロットクランプ型（ＮＰＰＣ）コンバータ構造を提供するように、１つまたは多数のＮＰＰコンバータセルに接続されている。ＮＰＰＣコンバータ構造に接続されているフライングキャパシタは、中性点クランプ型フライングキャパシタコンバータセル構造を得る。【選択図】図９

Description

本開示のこの主題は、多数の入力位相および出力位相を有する、高電圧高電力多重レベルドライブ構造に関し、より詳しくは、旧知の多重レベル中性点クランプ型（ＮＰＣ）および多重レベル中性点パイロット型（ＮＰＰ）のコンバータ接続形態を組み合わせる多重レベルドライブ構造に関する。

多数の多重レベルドライブ構造が、提案されている。１つの公知の多重レベルドライブ構造は、図１に示されるような旧知の３レベル中性点クランプ型コンバータ１０である。別の公知の多重レベルドライブ構造は、図２に示されるような３レベル中性点パイロット型コンバータ２０である。既知のＮＰＣおよびＮＰＰのコンバータ構造は、多くの用途において有利であることが判明しているにもかかわらず、これらの既知のコンバータ構造は、動作効率および波形品質の両方において改善の余地を残している。

しかし、他の既知の多重レベルドライブ構造３０が、図３に示されている。図３に示される多重レベルコンバータ構造３０は、ＮＰＣおよびＮＰＰのコンバータ構造を越える改善を提供しているにもかかわらず、それは、まだ、動作効率ならびに信頼性における向上の余地がある。

さらに別の既知の多重レベルドライブ構造が、５レベル中性点パイロット型コンバータ構造４０を示す図４に示されている。図４に示されているコンバータ構造４０は、フライングキャパシタ（ＦＣ）系の多重レベルコンバータを提供するために、フライングキャパシタ４２、４４を採用している。このようなコンバータ接続形態は、特定の高電圧高電力ドライブ用途において有利であることが証明されているが、動作効率における改善の余地を残し続けている。

図５から図８は、さらに、縦続型ブリッジ（ｃａｓｃａｄｅｄ ｂｒｉｄｇｅ）コンバータ構造５０、モジュール式多重レベルコンバータ構造６０、および能動中性点コンバータ構造７０およびハイブリッドコンバータ構造８０を備えている当分野で公知の旧知のコンバータ接続構造を示している。既知のＮＰＣおよびＮＰＰのコンバータ構造と同様に、これらの旧知のコンバータ構造は、動作効率、および／または波形品質および／または信頼性における向上の余地を残し続けている。

米国特許出願公開第２０１０／２１９６９２号明細書

上記に鑑みて、既知の多重レベルコンバータ構造によってもたらされるものを超える動作効率および／または波形品質および／または信頼性におけるさらなる改善を提供する、高電圧高電力多重レベルドライブ接続形態を提供する必要がある。

本開示の例示的な実施形態は、高電圧高電力（ＨＶＨＰ）多重レベルドライブ構造を対象としている。例示的なＨＶＨＰの実施形態は、ゼロ出力電圧レベルを達成するように、一緒に積み重ねられかつクランプダイオードを用いて構成されている複数の中性点パイロット型コンバータセルを備えている。

別の実施形態は、中性点パイロットクランプ型（ＮＰＰＣ）コンバータ構造を提供するように、一緒に積み重なられている複数の中性点パイロット型（ＮＰＰ）コンバータセルと、各ＮＰＰコンバータセルに接続されている少なくとも１つのクランプダイオードとを備えている高電圧高電力（ＨＶＨＰ）多重レベルドライブ構造を対象としている。

本発明の前述のおよびその他の特徴、観点および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかであり、図面を通じて同一の文字は、同一部分を表している。

当分野で公知の３レベルＮＰＣコンバータ構造を示す簡略図である。 当分野で公知の他の３レベルＮＰＰコンバータ構造を示す簡略図である。 当分野で公知の高電圧高電力多重レベルコンバータ構造を示す図である。 当分野で公知の別の高電圧高電力多重レベルコンバータ構造を示す図である。 当分野で公知の縦続型ブリッジコンバータ構造を示す簡略図である。 当分野で公知のモジュール式多重レベルコンバータ構造を示す図である。 当分野で公知の能動中性点コンバータ構造を示す図である。 当分野で公知のハイブリッドコンバータ構造を示す図である。 一実施形態に係る、５レベル中性点パイロットクランプ型コンバータ構造を示す図である。 一実施形態に係る、７レベル中性点クランプ型フライングキャパシタ（ＮＰＣＦＣ）コンバータ構造を示す図である。 一実施形態に係る、ｎレベルＮＰＣＦＣコンバータ構造を示す図である。

上記で特定される図面は、代替の実施形態を説明しているが、上記議論で述べたように、本発明の他の実施形態も、検討されている。全ての場合において、本開示は、例示であって限定ではない目的で、本発明の実施形態を示している。本発明の原理の範囲および精神に含まれる多数の他の修正および実施形態が、当業者によって考案され得る。

図９は、一実施形態に係る、５レベル中性点パイロットクランプ型（ＮＰＰＣ）コンバータ構造９０を示している。ＮＰＰＣコンバータ９０は、とりわけ、多相可変周波数ドライブ用途のために特に有用である。ＮＰＰＣコンバータ９０は、図１および図２に示されるもののような旧知の３レベル中性点クランプ型（ＮＰＣ）および３レベル中性点パイロット型（ＮＰＰ）の多重レベルコンバータ接続形態のアーキテクチャを組み合わせることが理解され得る。本発明者らは、ＮＰＰＣコンバータ９０が、旧知のＮＰＣとＮＰＰのコンバータと比較した場合、半導体のスイッチング損失を約４０％減少させ、実質的に良好な電気波形品質を有することを、発見した。

１つの観点によれば、ＮＰＰＣコンバータ９０は、有利には、２つの中電圧ＮＰＰコンバータセル９２、９４を積み重ねることにより、高電圧出力／電力を提供する。ＮＰＰコンバータセル９２、９４は、出力ノード９３に中央ノード９５を接続することにより、ゼロ出力電圧レベルを達成するために、それぞれ、１つ以上のダイオード９６、９８のそれぞれにクランプされる。出力電圧レベル＋１および−１は、中間アーム９７、９９を使用することによって達成される。有利には、２つのデバイスのみが、１＜｜Ｖ０｜＜２の範囲に出力電圧を達成するように切り替えられ、低いスイッチング損失をもたらす。

高電圧ＮＰＰＣコンバータ構造９０は、旧知の高電圧ＮＰＰセル構造と比較すると、各アーム９７、９９におけるより少ない数の半導体デバイスをもたらす中電圧ＮＰＰセル９２、９４を使用している。また、高電圧ＮＰＰＣコンバータ９０は、有利には、旧知のＮＰＰ構造では実現不可能である＋１および−１ボルトの出力電圧レベルを達成する。旧知の高電圧ＮＰＰコンバータセルは、４つのデバイスが１＜｜Ｖ０｜＜２の範囲に出力電圧を達成するように切り替えられることを必要とし、高いスイッチング損失をもたらしている。ＮＰＰＣコンバータ９０は、有利にも、ここに述べたように、２つのデバイスのみが１＜｜Ｖ０｜＜２の範囲に出力電圧を実現するように切り替えられることを必要とする。

図３に示されている多重レベルコンバータセル構造３０は、高電圧ＮＰＰＣコンバータ構造９０に似ているにもかかわらず、２つの構造３０、９０の間には有意な差がある。トランジスタＱ２、Ｑ５またはＱ３、Ｑ６がオンに切り替えられかつＱ１、Ｑ４およびＳＷ１、ＳＷ２がオフに切り替えられる場合、ゼロ電圧が、多重レベルコンバータ３０のＡＣ出力端子３２に出力され、２つの半導体スイッチＱ２、Ｑ５またはＱ３、Ｑ６を通過する電流をもたらす。対照的に、ＮＰＰＣコンバータセル構造９０は、ＳＷ１・９７のオフ切り替えが十分であるので、対応する半導体スイッチを切り替えることなくゼロ出力電圧を実現する。代わりに、クランプダイオード９６、９８は、自動的に導通し、出力端子９３でのゼロ出力電圧をもたらす。このように、ＮＰＰＣコンバータセル構造９０は、多重レベルコンバータ３０で達成可能なものを超えて、損失の低下および信頼性の増加をもたらす。

図１０は、一実施形態に係る、７レベル中性点クランプ型フライングキャパシタ（ＮＰＣＦＣ）コンバータ構造１００を示している。コンバータ構造１００は、図９に示されるＮＰＰＣ接続形態に、７レベルＮＰＣＦＣコンバータ１００を提供するように、フライングキャパシタ（ＦＣ）系の多重レベルコンバータ接続形態を、組み合わせる。ＮＰＣＦＣコンバータセル１００は、図４に示されるような５レベルＮＰＰコンバータセルとして同数のフライングキャパシタを用いて、出力相電圧波形における７つのレベルを有利に生成し、より高い波形品質、低減したフィルタ要件およびより高い効率をもたらす。

図１１は、一実施形態に係る、ｎレベルＮＰＣＦＣコンバータセル構造１１０を示している。図９に示される５レベルＮＰＰＣコンバータ９０が、任意のフライングキャパシタなしに、ｎレベルＮＰＣＦＣコンバータセル構造１１０の特別な場合であることを、理解することができる。

要約した説明では、多相可変周波数ドライブ、ＤＣ／ＡＣ、ＡＣ／ＡＣまたはＡＣ／ＤＣ／ＡＣ電力変換の用途のための高電圧高電力（ＨＶＨＰ）多重レベルドライブ接続形態が、本明細書に記載されている。ＨＶＨＰ多重レベルドライブ接続形態は、動作効率の向上および／またはより高い波形品質および／または信頼性の向上を提供するために、旧知の中性点クランプ型および中性点パイロット型の多重レベルコンバータ接続形態のアーキテクチャを組み合わせる。ＨＶＨＰ多重レベルドライブ接続形態は、既知の多重レベルコンバータセル接続形態を越える追加的な利点を有する新規のｎレベル中性点クランプ型フライングキャパシタ（ＮＰＣＦＣ）コンバータ接続形態を提供するために、フライングキャパシタ系の多重レベルコンバータ接続形態に組み合わせられ得る。

本発明の特定の特徴のみが例示されかつ説明されてきたが、多くの修正および変更が当業者には思い浮かぶであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神内に含まれるこのような全ての修正および変更を含むことを意図していることが、理解されるべきである。

３０ 多重レベルコンバータセル構造
３２ ＡＣ出力端子
９０ ５レベルＮＰＰＣコンバータ構造
９２、９４ 中電圧ＮＰＰコンバータセル
９３ 出力ノード
９５ 中央ノード
９６、９８ クランプダイオード
９７ 中間アーム（ＳＷ１）
１００ ７レベルＮＰＣＦＣコンバータ構造
１１０ ｎレベルＮＰＣＦＣコンバータセル構造

Claims (18)

1. 複数の入力位相および出力位相を有する高電圧高電力（ＨＶＨＰ）多重レベルドライブであって、
   一緒に積み重ねられている複数の多重レベル中性点パイロット型（ＮＰＰ）コンバータセル（９２、９４）と、
   複数のクランプダイオード（９６、９８）であって、各多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）は、多重レベル中性点パイロットクランプ型（ＮＰＰＣ）コンバータ（９０）を提供するように、少なくとも１つの対応するクランプダイオード（９６、９８）によって共通の中性点に接続されている、複数のクランプダイオード（９６、９８）と、
   を備えているＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
2. 前記複数の多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）は、中電圧多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）を備えている、請求項１に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
3. 各多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）は、３レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）を備えている、請求項１に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
4. 前記ＨＶＨＰ多重レベルドライブは、５レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）を備えている、請求項３に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
5. 前記５レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）は、単位当たりで、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖおよび＋２Ｖからなる出力電圧レベルを備えている、請求項４に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
6. 前記多重レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）は、単位当たりで、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖおよび＋２Ｖからなる出力電圧レベルを備えている、請求項１に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
7. 複数のフライングキャパシタをさらに備えており、各多重レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）は、前記フライングキャパシタから選択される少なくとも１つのフライングキャパシタを備えており、さらに、前記複数のフライングキャパシタ、前記複数の多重レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）および前記複数のクランプダイオード（９６、９８）は、一緒に、中性点クランプ型フライングキャパシタ（ＮＰＣＦＣ）コンバータセル構造（１００、１１０）を提供している、請求項１に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
8. 前記ＮＰＣＦＣコンバータセル（１００、１１０）は、７レベル出力セル（１００）を備えている、請求項７に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
9. 前記ＮＰＣＦＣコンバータセル（１００、１１０）は、Ｎレベル出力セル（１１０）を備えており、Ｎは、出力電圧レベルの数である、請求項７に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
10. 高電圧高電力（ＨＶＨＰ）多重レベルドライブであって、
    一緒に積み重ねられている複数の多重レベル中性点パイロット型（ＮＰＰ）コンバータセル（９２、９４）と、
    複数のクランプダイオード（９６、９８）であって、各多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）は、前記ＨＶＨＰ多重レベルドライブに対してゼロ出力電圧レベルノードを提供するように、前記複数のクランプダイオード（９６、９８）から選択される少なくとも１つの対応するクランプダイオード（９６、９８）によって共通の中性点に接続されている、複数のクランプダイオード（９６、９８）と、
    を備えているＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
11. 前記複数の多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）は、中電圧多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）を備えている、請求項１０に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
12. 各多重レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）は、３レベルＮＰＰコンバータセル（９２、９４）を備えている、請求項１０に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
13. 前記ＨＶＨＰ多重レベルドライブは、５レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）を備えている、請求項１２に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
14. 前記５レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）は、単位当たりで、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖおよび＋２Ｖからなる出力電圧レベルを備えている、請求項１３に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
15. 前記多重レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）は、単位当たりで、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖおよび＋２Ｖからなる出力電圧レベルを備えている、請求項１０に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
16. 複数のフライングキャパシタをさらに備えており、各多重レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）は、前記複数のフライングキャパシタから選択される少なくとも１つのフライングキャパシタを備えており、さらに、前記複数のフライングキャパシタ、前記複数の多重レベルＮＰＰＣコンバータ（９０）および前記複数のクランプダイオード（９６、９８）は、一緒に、中性点クランプ型フライングキャパシタ（ＮＰＣＦＣ）コンバータセル構造（１００、１１０）を提供している、請求項１０に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
17. 前記ＮＰＣＦＣコンバータセル（１００、１１０）は、７レベル出力セル（１００）を備えている、請求項１６に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。
18. 前記ＮＰＣＦＣコンバータセル（１００、１１０）は、Ｎレベル出力セル（１１０）を備えており、Ｎは１つの出力位相における出力電圧レベルの数である、請求項１６に記載のＨＶＨＰ多重レベルドライブ。