JP2016015848A - ５レベル電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】５レベル電力変換装置において、電圧均一回路を用いることなく、各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくする。
【解決手段】直流電源の正負極端ＰＮ間に直流コンデンサＣａ，Ｃｂを直列接続し、正極端Ｐ，負極端Ｎに第１，第２半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端を接続する。第１半導体スイッチング素子Ｓ１の他端と、第２半導体スイッチング素子Ｓ２の他端間には、コンデンサＣｃ，Ｃｄが設けられる。第１半導体スイッチング素子Ｓ１の他端と、第２中性点ＮＰ’との間には、第３，第４半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４が順次直列接続される。また、第３，第４半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点と第２スイッチング素子Ｓ２の他端間には、順次第５，第６半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が接続される。第１中性点ＮＰと第２中性点ＮＰ’との間には、双方向スイッチＳ７，Ｓ８が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧から交流電圧への５レベル変換、または、交流電圧から直流電圧への５レベル変換を行う５レベル電力変換装置に関する。

５つの電圧レベルを選択して任意に変換する５レベル電力変換装置として、特許文献１が開示されている。特許文献１の５レベル電力変換装置は、１相分の変換回路として、２つの直流電源と、８つの半導体スイッチング素子と、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２で構成されている。５レベルの電圧に変換するためのスイッチングパターンのうち、導通する半導体スイッチング素子数の最大は４つである。また、特許文献１の５レベル電力変換装置は、動作の対称性によって、コンデンサＣ１，Ｃ２のコンデンサ電圧ＶＣ１＝ＶＣ２＝＋１Ｅを保っている。

特開２０１２−２５３９８１号公報

しかしながら、 特許文献１の５レベル電力変換装置は、コンデンサＣ１，Ｃ２を任意に充放電するスイッチングパターンが存在しないため、半導体スイッチング素子特性のばらつき等による回路特性のばらつき，経年変化等によってコンデンサ電圧ＶＣ１＝ＶＣ２＝＋１Ｅとはならなくなり、均一な電圧レベルでの５レベルの相電圧を出力できなくなるおそれがある。

以上示したようなことから、５レベル電力変換装置において、電圧均一回路を用いることなく、各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくすることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電圧から交流電圧への５レベル変換、または、交流電圧から直流電圧への５レベル変換を行う５レベル電力変換装置であって、直流電源の正負極端間に直列接続され、両端子間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第１中性点とする複数の直流コンデンサと、直流電源の正極端に一端が接続された第１半導体スイッチング素子と、直流電源の負極端に一端が接続された第２半導体スイッチング素子と、第１半導体スイッチング素子の他端と第２半導体スイッチング素子の他端間に直列接続され、両他端間の電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第２中性点とする複数のコンデンサと、第１中性点と第２中性点との間に介挿された双方向スイッチと、第１半導体スイッチング素子の他端と、第２中性点との間に順次直列接続された第３，第４半導体スイッチング素子と、第３，第４半導体スイッチング素子の共通接続点と、第２半導体スイッチング素子の他端間に順次直列接続され、この共通接続点を出力端子とする第５，第６半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、５レベル電力変換装置において、電圧均一回路を用いることなく、各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくすることが可能となる。

実施形態１における５レベル電力変換装置の回路構成図。 実施形態２における５レベル電力変換装置の回路構成図。 実施形態２における５レベル電力変換装置の制御方法を示すブロック図。

以下、本願発明における５レベル電力変換装置の実施形態１，２を図１〜図３に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１における５レベル電力変換装置の回路構成図である。図１に示すように、直流電源の正負極端ＰＮ間に直流コンデンサＣａ，Ｃｂが直列接続される。この直流コンデンサＣａ，Ｃｂは、正負極端ＰＮ間の直流電圧を１／２に分圧する。

また、この分圧点を第１中性点ＮＰとする。ここで、本実施形態１では、２つの直流コンデンサＣａ，Ｃｂにより、正負極端ＰＮ間の直流電圧を１／２に分圧しているが、２つ以上の直流コンデンサで１／２に分圧してもよい。

直流電源の正極端Ｐには第１半導体スイッチング素子Ｓ１の一端が接続され、直流電圧源の負極端Ｎには第２半導体スイッチング素子Ｓ２の一端が接続される。第１半導体スイッチング素子Ｓ１の他端と、第２半導体スイッチング素子Ｓ２の他端間には、両他端間の電圧を１／２に分圧するコンデンサＣｃ，Ｃｄが設けられる。この分圧点を第２中性点ＮＰ’とする。

第１半導体スイッチング素子Ｓ１の他端と、第２中性点ＮＰ’との間には、第３，第４半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４が順次直列接続される。また、第３，第４半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点と第２スイッチング素子の他端間には、順次第５，第６半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が順次直列接続される。ここで、第５，第６半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の共通接続点を出力端子ＯＵＴとする。

また、第１中性点ＮＰと第２中性点ＮＰ’との間には、双方向スイッチが設けられる。本実施形態１では、半導体スイッチング素子Ｓ７とＳ８とを逆方向に接続することにより、双方向スイッチを構成している。

なお、直流コンデンサＣａ，Ｃｂは２Ｅの電圧が充電され、コンデンサＣｃ，ＣｄはＥの電圧が充電される。

図１に示す破線部分は１相分の変換回路１を示し、１つの直流電源の正極端Ｐ，負極端Ｎ，分圧した第１中性点ＮＰを入力とし、半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８の８つ，コンデンサＣｃ，Ｃｄの２つで構成される。

表１に各Ｍｏｄｅにおける半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のスイッチングパターンと、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧，および出力端子ＯＵＴに出力する電流Ｉを正としたときのコンデンサＣｃとＣｄの充放電状態を示す。

各Ｍｏｄｅにおける第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の電流Ｉの経路は以下の通りである。

＜Ｍｏｄｅ１＞
第１中性点ＮＰ→Ｃａ→Ｐ→Ｓ１→Ｓ３→Ｓ５→出力端子ＯＵＴ
このとき、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は＋２Ｅとなる。また、電流Ｉは３つの半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５を導通する。

＜Ｍｏｄｅ２＞
第１中性点ＮＰ→Ｃａ→Ｐ→Ｓ１→Ｃｃ→Ｓ４→Ｓ５→出力端子ＯＵＴ
このとき、中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は＋Ｅとなる。電流Ｉが正のとき、コンデンサＣｃは充電される。また、電流Ｉは３つの半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５を導通する。

＜ Ｍｏｄｅ３＞
第１中性点ＮＰ→Ｓ８→Ｓ７→Ｃｃ→Ｓ３→Ｓ５→出力端子ＯＵＴ
このとき、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は＋Ｅとなる。電流Ｉが正のとき、コンデンサＣｃは放電される。また、電流Ｉは４つの半導体スイッチング素子Ｓ８，Ｓ７，Ｓ３，Ｓ５を導通する。

＜Ｍｏｄｅ４＞
第１中性点ＮＰ→Ｓ８→Ｓ７→Ｓ４→Ｓ５→出力端子ＯＵＴ
このとき、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は０となる。また、電流Ｉは、４つの半導体スイッチング素子Ｓ８，Ｓ７，Ｓ４，Ｓ５を導通する。

＜Ｍｏｄｅ５＞
第１中性点ＮＰ→Ｓ８→Ｓ７→Ｃｄ→Ｓ６→出力端子ＯＵＴ
このとき、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は−Ｅとなる。電流Ｉが正のとき、コンデンサＣｄは充電される。また、電流Ｉは、３つの半導体スイッチング素子Ｓ８，Ｓ７，Ｓ６を導通する。

＜Ｍｏｄｅ６＞
第１中性点ＮＰ→Ｃｂ→Ｎ→Ｓ２→Ｃｄ→Ｓ４→Ｓ５→出力端子ＯＵＴ
このとき、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は−Ｅとなる。電流Ｉが正のとき、コンデンサＣｄは放電される。また、電流Ｉは、３つの半導体スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５を導通する。

＜モード７＞
第１中性点ＮＰ→Ｃｂ→Ｎ→Ｓ２→Ｓ６→出力端子ＯＵＴ
このとき、第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の相電圧は−２Ｅとなる。また、電流Ｉは、２つの半導体スイッチング素子Ｓ２，Ｓ６を導通する。

以上のように、表１のスイッチングパターンにおける７つのＭｏｄｅにより、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルの相電圧を出力することができる。特に、相電圧を０として出力するＭｏｄｅは、Ｍｏｄｅ４の１つだけで良く、制御を簡単化することが可能である。

また、Ｍｏｄｅ２とＭｏｄｅ３における第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の出力電圧はどちらも＋Ｅであるが、コンデンサＣｃを充電または放電が可能であるため、コンデンサＣｃの電圧を調節することが可能である。

同様に、Ｍｏｄｅ５とＭｏｄｅ６における第１中性点ＮＰ−出力端子ＯＵＴ間の出力電圧はどちらも−Ｅであるが、コンデンサＣｄを充電または放電が可能であるため、コンデンサＣｄの電圧を調節することが可能である。

このように、コンデンサＣｃとＣｄを充放電できるスイッチングパターンのＭｏｄｅ２，Ｍｏｄｅ３，Ｍｏｄｅ５，Ｍｏｄｅ６を備えているため、回路を構成する素子の特性のばらつきや経年変化が生じても、コンデンサＣｃとＣｄの電圧を任意に制御でき、常に均一な電圧レベルでの５レベルの相電圧を出力することが可能となる。

また、電圧均一回路を用いていないため、装置の小型化およびコストの低減を図ることが可能となる。

さらに、常に４つの半導体スイッチング素子に電流Ｉが導通するのではなく、Ｍｏｄｅにより、電流Ｉが導通する半導体スイッチング素子数が２つ，３つ，または４つとなるため、半導体スイッチング素子における導通損失を低減することが可能となる。

また、特許文献１では、直流電源２つ，半導体スイッチング素子８つ，コンデンサ２つで，５レベル電力変換装置を構成していたが、本実施形態１では、直流電源１つ，半導体スイッチング素子８つ，コンデンサ２つの少ない素子数で５レベル電力変換装置を実現することができる。さらに、少ない素子数で５レベル電力変換装置を実現することにより、装置の小型化，コストの低減を図ることが可能となる。

［実施形態２］
図２は、本実施形態２におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成図である。図２に示すように、本実施形態２におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態１の１相分の変換回路１を３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）にわたって設けたものである。これにより、本実施形態２では、Ｕ相,Ｖ相，Ｗ相の三相に２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルの相電圧を出力することができる。

図３の本実施形態２における５レベル電力変換装置の制御方法を示すブロック図に基づいて、制御方法の一例を説明する。

図３に示すように、制御部２には、三相の電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*と、各相のコンデンサＣｃのコンデンサ電圧Ｖ_CcU1，Ｖ_CcV1，Ｖ_CcW1と、各相のコンデンサＣｄのコンデンサ電圧Ｖ_CdU2，Ｖ_CdV2，Ｖ_CdW2が入力される。

また、テーブル３には、コンデンサ電圧の指令値Ｖ_DC／２とコンデンサ電圧Ｖ_CcU1，Ｖ_CcV1，Ｖ_CcW1の偏差と、コンデンサ電圧の指令値Ｖ_DC／２とコンデンサ電圧Ｖ_CdU2，Ｖ_CdV2，Ｖ_CdW2の偏差と、三相の電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*が入力される。このテーブル３には、予め、三相の電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*，コンデンサ電圧の指令値Ｖ_DC／２とコンデンサ電圧Ｖ_CcU1，Ｖ_CcV1，Ｖ_CcW1の偏差，コンデンサ電圧の指令値Ｖ_DC／２とコンデンサ電圧Ｖ_CdU2，Ｖ_CdV2，Ｖ_CdW2の偏差に対応したスイッチングパターンが設定されており、これらの入力値に基づいて表１に示すスイッチングパターンを決定し、半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のゲート指令を出力する。

本実施形態２における５レベル電力変換装置によれば、直流電源１個，半導体スイッチング素子２４個，コンデンサ６個の少ない素子数で三相の５レベル電力変換装置を実現できる。

また、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Ｐ…直流電源の正極端
Ｎ…直流電源の負極端
Ｃａ，Ｃｂ…直流コンデンサ
Ｃｃ，Ｃｄ…コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ８…半導体スイッチング素子

Claims (1)

1. 直流電圧から交流電圧への５レベル変換、または、交流電圧から直流電圧への５レベル変換を行う５レベル電力変換装置であって、
   直流電源の正負極端間に直列接続され、両端子間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第１中性点とする複数の直流コンデンサと、
   直流電源の正極端に一端が接続された第１半導体スイッチング素子と、
   直流電源の負極端に一端が接続された第２半導体スイッチング素子と、
   第１半導体スイッチング素子の他端と第２半導体スイッチング素子の他端間に直列接続され、両他端間の電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第２中性点とする複数のコンデンサと、
   第１中性点と第２中性点との間に介挿された双方向スイッチと、
   第１半導体スイッチング素子の他端と、第２中性点との間に順次直列接続された第３，第４半導体スイッチング素子と、
   第３，第４半導体スイッチング素子の共通接続点と、第２半導体スイッチング素子の他端間に順次直列接続され、この共通接続点を出力端子とする第５，第６半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする５レベル電力変換装置。

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