JP2017163622A

JP2017163622A - マルチレベル電力変換器の制御方法およびマルチレベル電力変換器

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Publication number: JP2017163622A
Application number: JP2016042935A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　勇; Isamu Hasegawa; 勇長谷川
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-07
Also published as: JP6728789B2

Abstract

【課題】フライングキャパシタの電圧リプルを抑制し、フライングキャパシタの電圧を制御する。【解決手段】第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点の負荷電流Ｉｄ１と、第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点の負荷電流Ｉｄ２を検出もしくは推定し、負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２，第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，キャパシタ電圧指令値Ｅに基づいて、第１，第２，第３，第４共通スイッチＳｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３，Ｓｆ４のＯＮ，ＯＦＦのパターンを選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、多相電力変換器に係り、特に各相の変換器が共通の直流電圧源およびフライングキャパシタを用いるマルチレベル電力変換器の制御方法に関する。

マルチレベル電力変換器の構成例として、特許文献１や非特許文献１が知られている。図４は、特許文献１の構成を示す回路図である。図４に示すように、特許文献１の回路構成は、第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４と共通モジュール１と複数の相モジュール２に分かれて構成されている点に特徴がある。共通モジュール１は、基本セル３ａ，３ｂを直列接続することにより構成される。

前記相モジュールは、第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４と共通モジュール１と出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間にそれぞれスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスを選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御する。

図５に基本セル３ａの回路構成を示す。基本セル３ａは、第１直流電圧源Ｃ３の正極端に一端が接続された第１共通スイッチＳｆ１と、第１直流電圧源Ｃ３の負極端に一端が接続された第２共通スイッチＳｆ２と、第１共通スイッチＳｆ１の他端と第２共通スイッチＳｆ２の他端との間に接続された第１フライングキャパシタＣ１と、第１共通スイッチＳｆ１と第１フライングキャパシタＣ１の共通接続点に一端が接続された第３共通スイッチＳｆ３と、第１フライングキャパシタＣ１と第２共通スイッチＳｆ２の共通接続点に一端が接続された第４共通スイッチＳｆ４と、を有する。また、第３共通スイッチＳｆ３の他端と第４共通スイッチＳｆ４の他端は接続される。また、基本セル３ｂも第２フライングキャパシタＣ２と第５〜第８共通スイッチＳｆ５〜Ｓｆ８により同様に構成される。

基本セル３ａ，３ｂには、図５（ｂ），図５（ｃ）に示すように２種類のスイッチングパターンがある。図中の丸印は導通している共通スイッチを表す。図４の回路構成において、第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４の電圧を２Ｅ、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧をＥとすると、共通モジュール１の各共通スイッチおよび相モジュール２の各スイッチングデバイスのオンオフ動作によって、Ｎ端子を基準とする出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧は、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルの電圧となる。

特開２０１５−０４７０５６号公報

ＺｈｉｇｕｏＰａｎ；ＦａｎｇＺｈｅｎｇＰｅｎｇ，‘‘ＡＳｉｎｕｓｏｉｄａｌＰＷＭＭｅｔｈｏｄＷｉｔｈＶｏｌｔａｇｅＢａｌａｎｃｉｎｇＣａｐａｂｉｌｉｔｙｆｏｒＤｉｏｄｅ−ＣｌａｍｐｅｄＦｉｖｅ−ＬｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，’’ＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎ，ｖｏｌ．４５，ｎｏ．３，ｐｐ．１０２８，１０３４，Ｍａｙ−ｊｕｎｅ２００９

第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧を一定に制御するためには、図５（ｂ），（ｃ）の２種類のスイッチングパターンを第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電流方向（充電方向または放電方向）に応じて適切に選択する必要がある。

しかし、特許文献１にはその具体的な制御方法が記載されていなかった。

以上示したようなことから、図４に示す回路構成におけるマルチレベル電力変換器の制御方法において、フライングキャパシタの電圧リプルを抑制し、フライングキャパシタの電圧を制御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、直列接続された第１，第２直流電圧源と、前記第１，第２直流電圧源に接続された各相共通の共通モジュールと、前記第１，第２直流電圧源と前記共通モジュールに接続され、前記第１，第２直流電圧源と前記共通モジュールと出力端子間にそれぞれスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスを選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御する各相の相モジュールと、を備え、前記共通モジュールは、前記第１直流電圧源の正極端に一端が接続された第１共通スイッチと、前記第１直流電圧源の負極端に一端が接続された第２共通スイッチと、前記第１共通スイッチの他端と前記第２共通スイッチの他端との間に接続された第１フライングキャパシタと、前記第１共通スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第３共通スイッチと、一端が前記第１フライングキャパシタと前記第２共通スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第３共通スイッチの他端と接続された第４共通スイッチと、前記第２直流電圧源の正極端に一端が接続された第５共通スイッチと、前記第２直流電圧源の負極端に一端が接続された第６共通スイッチと、前記第５共通スイッチの他端と前記第６共通スイッチの他端との間に接続された第２フライングキャパシタと、前記第５共通スイッチと前記第２フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第７共通スイッチと、一端が前記第２フライングキャパシタと前記第６共通スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第７共通スイッチの他端に接続された第８共通スイッチと、を有するマルチレベル電力変換器の制御方法であって、前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＮ、前記第１，第４共通スイッチをＯＦＦし、前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＦＦ、前記第１，第４共通スイッチをＯＮし、前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＦＦ、前記第１，第４共通スイッチをＯＮし、前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＮ、前記第１，第４共通スイッチをＯＦＦし、前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＮ、前記第５，第８共通スイッチをＯＦＦし、前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＦＦ、前記第５，第８共通スイッチをＯＮし、前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＦＦ、前記第５，第８共通スイッチをＯＮし、前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＮ、前記第５，第８共通スイッチをＯＦＦすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記各相の相モジュールは、前記第１直流電圧源の正極端と前記第３，第４共通スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、前記第７，第８共通スイッチの共通接続点と前記第２直流電圧源の負極端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、前記第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と前記第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第５，第６，第７，第８スイッチングデバイスと、前記第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点と前記第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２ダイオードと、を有し、前記第１，第２ダイオードの共通接続点を前記第１，第２直流電圧源の共通接続点と接続し、前記第６，第７スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流と前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流を電流センサで検出することを特徴とする。

また、その一態様として、前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流と前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流を（１）〜（６）式に基づいて推定することを特徴とする。

本発明によれば、図４に示す回路構成におけるマルチレベル電力変換器の制御方法において、フライングキャパシタの電圧リプルを抑制し、フライングキャパシタの電圧を制御することが可能となる。

実施形態１における電圧制御に用いる電流の検出方法とパターン毎のフライングキャパシタの状態を示す図。実施形態１における選択信号生成回路を示すブロック図。Ｄｃ２ｎとＤｃ（２ｎ−１）を示すタイムチャート。実施形態１におけるマルチレベル電力変換器を示す回路図。基本セルと２種類のスイッチングパターンを示す図。

本願発明では図４に示す回路構成のマルチレベル電力変換器のフライングキャパシタ電圧制御法を説明する。負荷電流を用いることでフライングキャパシタに流れる電流を検出もしくは推定し、フライングキャパシタの電圧を制御する点に特長がある。これにより、負荷電流に応じて正確なパターン選択ができるようになり、電圧リプルを効果的に抑えられるようになる。

以下、本願発明に係るマルチレベル電力変換器の制御方法の実施形態１〜２を図１〜図５に基づいて詳述する。

［実施形態１］
まず、図４に基づいて、実施形態１におけるマルチレベル電力変換器を説明する。図４に示すように、本実施形態１におけるマルチレベル電力変換器は、第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４と、共通モジュール１と、各相の相モジュール２と、を有する。本実施形態１では、３相のマルチレベル電力変換器について説明するが、２相以上のマルチレベル電力変換器であればよい。

第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４は、直列に接続される。第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４の共通接続点をＮとする。

共通モジュール１は、基本セル３ａ，３ｂを直列接続して成る。基本セル３ａは、第１直流電圧源Ｃ３の正極端に一端が接続された第１共通スイッチＳｆ１と、第１直流電圧源Ｃ３の負極端に一端が接続された第２共通スイッチＳｆ２と、第１共通スイッチＳｆ１の他端と第２共通スイッチＳｆ２の他端との間に介挿された第１フライングキャパシタＣ１と、第１共通スイッチＳｆ１と第１フライングキャパシタＣ１との共通接続点に一端が接続された第３共通スイッチＳｆ３と、第１フライングキャパシタＣ１と第２共通スイッチＳｆ２との共通接続点に一端が接続された第４共通スイッチＳｆ４と、を有する。第３共通スイッチＳｆ３の他端と第４共通スイッチＳｆ４の他端は接続される。

基本セル３ｂは、第２直流電圧源Ｃ４の正極端に一端が接続された第５共通スイッチＳｆ５と、第２直流電圧源Ｃ４の負極端に一端が接続された第６共通スイッチＳｆ６と、第５共通スイッチＳｆ５の他端と第６共通スイッチＳｆ６の他端との間に介挿された第２フライングキャパシタＣ２と、第５共通スイッチＳｆ５と第２フライングキャパシタＣ２との共通接続点に一端が接続された第７共通スイッチＳｆ７と、第２フライングキャパシタＣ２と第６共通スイッチＳｆ６との共通接続点に一端が接続された第８共通スイッチＳｆ８と、を有する。第７共通スイッチＳｆ７の他端と第８共通スイッチＳｆ８の他端は接続される。

次に、相モジュール２について説明する。ここでは、Ｕ相の相モジュール２について説明するが、Ｖ相，Ｗ相も同様である。

第１直流電圧源Ｃ３の正極端と第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスＳＵ１，ＳＵ２と、第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点と第２直流電圧源Ｃ４の負極端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスＳＵ３，ＳＵ４と、第１，第２スイッチングデバイスＳＵ１，ＳＵ２の共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスＳＵ３，ＳＵ４の共通接続点との間に順次直列接続された第５，第６，第７，第８スイッチングデバイスＳＵ５，ＳＵ６ａ，ＳＵ６ｂ，ＳＵ７ａ，ＳＵ７ｂ，ＳＵ８と、第５，第６スイッチングデバイスＳＵ５，ＳＵ６ａの共通接続点と第７，第８スイッチングデバイスＳＵ７ａ，ＳＵ８の共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２ダイオードＤＵ１ａ，ＤＵ１ｂ，ＤＵ２ａ，ＤＵ２ｂと、を有する。第６スイッチングデバイスＳＵ６ｂと第７スイッチングデバイスＳＵ７ａの共通接続点が出力端子Ｕとなる。第１，第２ダイオードＤＵ１ｂ，ＤＵ２ａの共通接続点は第１，第２直流電圧源Ｃ３，Ｃ４の共通接続点に接続される。なお、第６スイッチングデバイスＳＵ６ａ，ＳＵ６ｂおよび第７スイッチングデバイスＳＵ７ａ，ＳＵ７ｂはスイッチングデバイスの耐電圧のために２つのスイッチングデバイスを直列接続しているが、耐電圧の問題を解消すれば１つのスイッチングデバイスでも良い。また、第１ダイオードＤＵ１ａ，ＤＵ１ｂおよび第２ダイオードＤＵ２ａ，ＤＵ２ｂもダイオードの耐電圧のために２つのダイオードを直列接続しているが、耐電圧の問題を解消すれば１つのダイオードでも良い。

次に、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧制御に用いる電流の検出方法および選択信号生成方法について説明する。

図１に示すように、基本セル３ａの第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点の負荷電流Ｉｄ１を電流センサ４により測定することで、負荷電流Ｉｄ１を検出することができる。第２フライングキャパシタＣ２を有するもう一方の基本セル３ｂでも同様に、第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点を流れる負荷電流Ｉｄ２を検出することができる。

図１中の破線の矢印は第１フライングキャパシタＣ１に流れる電流を表す。負荷電流Ｉｄ１は図１の矢印の向きを正とする。基本セル３ｂも同様にして負荷電流Ｉｄ２を検出できる。第１フライングキャパシタＣ１の電圧をＶｃ１、第２フライングキャパシタＣ２の電圧をＶｃ２、電圧Ｖｃ１のキャパシタ電圧指令値および電圧Ｖｃ２のキャパシタ電圧指令値をＥとすると、第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１と負荷電流Ｉｄ１，第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２と負荷電流Ｉｄ２，Ｍｏｄｅ１，Ｍｏｄｅ２の関係はそれぞれ表１、表２に示すようになる。

表１では、Ｖｃ１−Ｅ＞０の時に「１」、Ｖｃ１−Ｅ≦０の時に「０」となる。また、Ｉｄ１＞０の時に「１」、Ｉｄ１≦０の時に「０」となる。表２についても同様である。また、選択信号Ａ，Ｂは「０」のときＭｏｄｅ１を選択し、「１」のときＭｏｄｅ２を選択する。

この表１，表２に示す通りにＭｏｄｅ１，Ｍｏｄｅ２のパターンを選択することで第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１，第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２をキャパシタ電圧指令値Ｅに制御することが可能となる。例えば、表１の最上位の行の状態（Ｖｃ１−Ｅ≦０，Ｉｄ１＜０）では、Ｉｄ１＜０の電流極性で第１フライングキャパシタＣ１を充電する必要がある。そこで、図１に示すようなＭｏｄｅ２（充電）が選択される。

具体的には、第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１がキャパシタ電圧指令値Ｅ以下であり（Ｖｃ１−Ｅ≦０）、第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点の負荷電流Ｉｄ１が０以下（Ｉｄ１≦０）の場合、選択信号Ａは１（Ｍｏｄｅ２）となり、第２，第３共通スイッチＳｆ２，Ｓｆ３をＯＮ、第１，第４共通スイッチＳｆ１，Ｓｆ４をＯＦＦする。

第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１がキャパシタ電圧指令値Ｅ以下であり（Ｖｃ１−Ｅ≦０）、第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点の負荷電流Ｉｄ１が０よりも大きい（Ｉｄ１＞０）場合、選択信号Ａは０（Ｍｏｄｅ１）となり、第２，第３共通スイッチＳｆ２，Ｓｆ３をＯＦＦ、第１，第４共通スイッチＳｆ４をＯＮする。

第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１がキャパシタ電圧指令値Ｅよりも大きく（Ｖｃ１−Ｅ＞０）第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点の負荷電流Ｉｄ１が０以下（Ｉｄ１≦０）の場合、選択信号Ａは０（Ｍｏｄｅ１）となり、第２，第３共通スイッチＳｆ２，Ｓｆ３をＯＦＦ、第１，第４共通スイッチＳｆ１，Ｓｆ４をＯＮする。

第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１がキャパシタ電圧指令値Ｅよりも大きく（Ｖｃ１−Ｅ＞０）第３，第４共通スイッチＳｆ３，Ｓｆ４の共通接続点の負荷電流Ｉｄ１が０よりも大きい（Ｉｄ１＞０）場合、選択信号Ａは１（Ｍｏｄｅ２）となり、第２，第３共通スイッチＳｆ２，Ｓｆ３をＯＮ、第１，第４共通スイッチＳｆ１，Ｓｆ４をＯＦＦする。

第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２がキャパシタ電圧指令値Ｅ以下であり（Ｖｃ２−Ｅ≦０）第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点の負荷電流Ｉｄ２が０以下（Ｉｄ２≦０）の場合、選択信号Ｂは１（Ｍｏｄｅ２）となり、第６，第７共通スイッチＳｆ６，Ｓｆ７をＯＮ、第５，第８共通スイッチＳｆ５，Ｓｆ８をＯＦＦする。

第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２がキャパシタ電圧指令値Ｅ以下であり（Ｖｃ２−Ｅ≦０）第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点の負荷電流Ｉｄ２が０よりも大きい（Ｉｄ２＞０）場合、選択信号Ｂは０（Ｍｏｄｅ１）となり、第６，第７共通スイッチＳｆ６，Ｓｆ７をＯＦＦ、第５，第８共通スイッチＳｆ５，Ｓｆ８をＯＮする。

第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２がキャパシタ電圧指令値Ｅよりも大きく（Ｖｃ２−Ｅ＞０）第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点の負荷電流Ｉｄ２が０以下（Ｉｄ２≦０）の場合、選択信号Ｂは０（Ｍｏｄｅ１）となり、第６，第７共通スイッチＳｆ６，Ｓｆ７をＯＦＦ、第５，第８共通スイッチＳｆ５，Ｓｆ８をＯＮする。

第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２がキャパシタ電圧指令値Ｅよりも大きく（Ｖｃ２−Ｅ＞０）第７，第８共通スイッチＳｆ７，Ｓｆ８の共通接続点の負荷電流Ｉｄ２が０よりも大きい（Ｉｄ２＞０）場合、選択信号Ｂは１（Ｍｏｄｅ２）となり、第６，第７共通スイッチＳｆ６，Ｓｆ７をＯＮ、第５，第８共通スイッチＳｆ５，Ｓｆ８をＯＦＦする。

次に、具体的な選択信号Ａ，Ｂの生成方法について述べる。

選択信号Ａ，Ｂは図５の２種類のＭｏｄｅ１，Ｍｏｄｅ２を選択するための信号である。

図２に表１と表２の真理値表を具体的な回路で表したものを示す。図２の演算器５ａ，５ｂでは第１フライングキャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１とキャパシタ電圧指令値Ｅとの偏差と、第２フライングキャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２とキャパシタ電圧指令値Ｅとの偏差をそれぞれ計算する。その偏差と負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２から表１，表２の真理値表にしたがって選択信号Ａ，Ｂを出力することで選択信号ＡまたはＢを選択する。

なお、図２の演算器５ａでは、Ｖｃ１−Ｅ＞０の時に「１」（ｈｉｇｈ）を出力し、Ｖｃ１−Ｅ≦０のとき「０」（ｌｏｗ）を出力する。図２の演算器５ｂでは、Ｖｃ２−Ｅ＞０の時に「１」（ｈｉｇｈ）を出力し、Ｖｃ２−Ｅ≦０の時に「０」（ｌｏｗ）を出力する。

負荷電流Ｉｄ１はＩｄ１＞０のとき「１」（ｈｉｇｈ）とし、Ｉｄ１≦０のとき「０」（ｌｏｗ）とする。負荷電流Ｉｄ２はＩｄ２＞０のとき「１」（ｈｉｇｈ）とし、Ｉｄ２≦０のとき「０」（ｌｏｗ）とする。

ＮＯＴ回路６ａは演算器５ａの出力を反転して出力し、ＮＯＴ回路６ｂは負荷電流Ｉｄ１を反転して出力し、ＮＯＴ回路６ｃは演算器５ｂの出力を反転して出力し、ＮＯＴ回路６ｄは負荷電流Ｉｄ２を反転して出力する。

ＡＮＤ回路７ａはＮＯＴ回路６ａ，６ｂの出力を入力し、その演算結果を出力する。ＡＮＤ回路７ｂは演算器５ａの出力と負荷電流Ｉｄ１を入力し、その演算結果を出力する。ＡＮＤ回路７ｃはＮＯＴ回路６ｃ，６ｄの出力を入力し、その演算結果を出力する。ＡＮＤ回路７ｄは演算器５ｂの出力と負荷電流Ｉｄ２を入力し、その演算結果を出力する。

ＯＲ回路８ａはＡＮＤ回路７ａ，７ｂの出力を入力し、その演算結果を出力する。ＯＲ回路８ｂはＡＮＤ回路７ｃ，７ｄの出力を入力し、その演算結果を出力する。

図２の選択信号生成回路は、表１、表２の通りに動作し、選択信号ＡがＭｏｄｅ２を選択する必要があるとき「１」（ｈｉｇｈ）となり、Ｍｏｄｅ１を選択する必要があるときは「０」（ｌｏｗ）となる。

同様に、選択信号ＢがＭｏｄｅ２を選択する必要があるとき「１」（ｈｉｇｈ）となり、Ｍｏｄｅ１を選択する必要があるときは「０」（ｌｏｗ）となる。これにより、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２を制御できる。

以上示したように、本実施形態１によれば、図４に示す回路構成のマルチレベル電力変換器において、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２に流れ込む電流を検出し、その電流の極性に応じて共通モジュール１の基本セル３ａ，３ｂのスイッチングパターンのＭｏｄｅを選択することにより、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧リプルを抑制しつつ、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧を制御することが可能となる。

［実施形態２］
本実施形態２では、図４の第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２に流れる負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２の推定方法とパターン選択信号生成方法について説明する。

まず、どのように第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電流を推定するかについて説明する。非特許文献１では負荷電流を用いて、すべての相の負荷電流のうち、第１フライングキャパシタＣ１を使って電圧を出力している期間に、負荷に流れる電流の合計値Ｉｄ１を推定していた。

本実施形態２では、この非特許文献１に記載している負荷電流Ｉｄ１の推定方法を用いる。負荷電流Ｉｄ１は具体的には下記のようにして求められる。

各相の電圧指令値Ｖ_nが（１）式、相電流ｉ_nが（２）式で定義される場合、非特許文献１ではデューティＤｃ（２ｎ−１）およびデューティＤｃ２ｎは（３）式，（４）式のように定義されている。

デューティＤｃ（２ｎ−１）は、各相の電圧指令値Ｖ_nのうち第１フライングキャパシタＣ１を使って電圧を出力する期間のｄｕｔｙ割合を表しており、デューティＤｃ２ｎは第２フライングキャパシタＣ２を使って電圧を出力する期間のｄｕｔｙ割合を表している。

２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルの電圧をＰＷＭ制御によって出力する場合、デューティＤｃ（２ｎ−１）はＥの電圧を出力する期間のｄｕｔｙと同義であり、デューティＤｃ２ｎは−Ｅを出力する期間のｄｕｔｙと同義である。具体的には、デューティＤｃ２ｎおよびデューティＤｃ（２ｎ−１）は図３の破線と一点破線で表される。このとき各相の電圧指令値Ｖ_nの周波数よりも、三角波状のキャリア信号の周波数の方が十分に高いものとする。

この時、ｎは自然数であると同時に相の数を表している。また、Ｍは変調率（０＜Ｍ＜１）、θ_nは位相、φ_nは電流と電圧の位相差、Ｍｎは変調率、Ｉ_nは平均電流を表している。

第１フライングキャパシタＣ１および第２フライングキャパシタＣ２の電圧を出力している間に流れる負荷電流Ｉ_d1，Ｉ_d2は（５）式，（６）式で定義される。

（５）式においてｎ＝３とした場合は、Ｉ_d1＝ｉ₁＊Ｄ_c1＋ｉ₂＊Ｄ_c3＋ｉ₃＊Ｄ_c5となる。

なお、（２）式のｉ_nは、図４の相モジュール２の各出力に電流センサを設けることによって検出する。

したがって、負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２の検出値を（５）式，（６）式の負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２に置き換えることで、電流センサ４を用いて図２の負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２を検出することなく、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２を制御できる。その他は実施形態１と同様である。

以上示したように、本実施形態２によれば、図４に示す回路構成のマルチレベル電力変換器において、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２に流れ込む負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２を推定し、その負荷電流Ｉｄ１，Ｉｄ２の極性に応じて共通モジュール１の基本セル３ａ，３ｂのスイッチングパターンのＭｏｄｅを選択することにより、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧リプルを抑制しつつ、第１，第２フライングキャパシタＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２を制御することが可能となる。

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。

Ｃ１，Ｃ２…第１，第２フライングキャパシタ
Ｃ３，Ｃ４…第１，第２直流電圧源
１…共通モジュール
Ｓｆ１〜Ｓｆ８…第１〜第８共通スイッチ
２…相モジュール
ＳＵ１〜ＳＵ８，ＳＶ１〜ＳＶ８，ＳＷ１〜ＳＷ８…スイッチングデバイス
Ｖｃ１，Ｖｃ２…第１，第２フライングキャパシタの電圧
Ｉｄ１，Ｉｄ２…負荷電流
Ｅ…キャパシタ電圧指令値

Claims

直列接続された第１，第２直流電圧源と、前記第１，第２直流電圧源に接続された各相共通の共通モジュールと、前記第１，第２直流電圧源と前記共通モジュールに接続され、前記第１，第２直流電圧源と前記共通モジュールと出力端子間にそれぞれスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスを選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御する各相の相モジュールと、を備え、
前記共通モジュールは、
前記第１直流電圧源の正極端に一端が接続された第１共通スイッチと、
前記第１直流電圧源の負極端に一端が接続された第２共通スイッチと、
前記第１共通スイッチの他端と前記第２共通スイッチの他端との間に接続された第１フライングキャパシタと、
前記第１共通スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第３共通スイッチと、
一端が前記第１フライングキャパシタと前記第２共通スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第３共通スイッチの他端と接続された第４共通スイッチと、
前記第２直流電圧源の正極端に一端が接続された第５共通スイッチと、
前記第２直流電圧源の負極端に一端が接続された第６共通スイッチと、
前記第５共通スイッチの他端と前記第６共通スイッチの他端との間に接続された第２フライングキャパシタと、
前記第５共通スイッチと前記第２フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第７共通スイッチと、
一端が前記第２フライングキャパシタと前記第６共通スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第７共通スイッチの他端に接続された第８共通スイッチと、を有するマルチレベル電力変換器の制御方法であって、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＮ、前記第１，第４共通スイッチをＯＦＦし、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＦＦ、前記第１，第４共通スイッチをＯＮし、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＦＦ、前記第１，第４共通スイッチをＯＮし、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＮ、前記第１，第４共通スイッチをＯＦＦし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＮ、前記第５，第８共通スイッチをＯＦＦし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＦＦ、前記第５，第８共通スイッチをＯＮし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＦＦ、前記第５，第８共通スイッチをＯＮし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＮ、前記第５，第８共通スイッチをＯＦＦすることを特徴とするマルチレベル電力変換器の制御方法。
前記各相の相モジュールは、
前記第１直流電圧源の正極端と前記第３，第４共通スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、
前記第７，第８共通スイッチの共通接続点と前記第２直流電圧源の負極端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
前記第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と前記第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第５，第６，第７，第８スイッチングデバイスと、
前記第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点と前記第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２ダイオードと、を有し、前記第１，第２ダイオードの共通接続点を前記第１，第２直流電圧源の共通接続点と接続し、前記第６，第７スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする請求項１記載のマルチレベル電力変換器の制御方法。
前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流と前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流を電流センサで検出することを特徴とする請求項１または２記載のマルチレベル電力変換器の制御方法。
前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流と前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流を（１）〜（６）式に基づいて推定することを特徴とする請求項１または２記載のマルチレベル電力変換器の制御方法。
直列接続された第１，第２直流電圧源と、前記第１，第２直流電圧源に接続された各相共通の共通モジュールと、前記第１，第２直流電圧源と前記共通モジュールに接続され、前記第１，第２直流電圧源と前記共通モジュールと出力端子間にそれぞれスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスを選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御する各相の相モジュールと、を備え、
前記共通モジュールは、
前記第１直流電圧源の正極端に一端が接続された第１共通スイッチと、
前記第１直流電圧源の負極端に一端が接続された第２共通スイッチと、
前記第１共通スイッチの他端と前記第２共通スイッチの他端との間に接続された第１フライングキャパシタと、
前記第１共通スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第３共通スイッチと、
一端が前記第１フライングキャパシタと前記第２共通スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第３共通スイッチの他端と接続された第４共通スイッチと、
前記第２直流電圧源の正極端に一端が接続された第５共通スイッチと、
前記第２直流電圧源の負極端に一端が接続された第６共通スイッチと、
前記第５共通スイッチの他端と前記第６共通スイッチの他端との間に接続された第２フライングキャパシタと、
前記第５共通スイッチと前記第２フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第７共通スイッチと、
一端が前記第２フライングキャパシタと前記第６共通スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第７共通スイッチの他端に接続された第８共通スイッチと、を有するマルチレベル電力変換器であって、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＮ、前記第１，第４共通スイッチをＯＦＦし、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＦＦ、前記第１，第４共通スイッチをＯＮし、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＦＦ、前記第１，第４共通スイッチをＯＮし、
前記第１フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第３，第４共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第２，第３共通スイッチをＯＮ、前記第１，第４共通スイッチをＯＦＦし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＮ、前記第５，第８共通スイッチをＯＦＦし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値以下であり前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＦＦ、前記第５，第８共通スイッチをＯＮし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０以下の場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＦＦ、前記第５，第８共通スイッチをＯＮし、
前記第２フライングキャパシタの電圧がキャパシタ電圧指令値よりも大きく前記第７，第８共通スイッチの共通接続点の負荷電流が０よりも大きい場合、前記第６，第７共通スイッチをＯＮ、前記第５，第８共通スイッチをＯＦＦすることを特徴とするマルチレベル電力変換器。
前記各相の相モジュールは、
前記第１直流電圧源の正極端と前記第３，第４共通スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、
前記第７，第８共通スイッチの共通接続点と前記第２直流電圧源の負極端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
前記第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と前記第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第５，第６，第７，第８スイッチングデバイスと、
前記第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点と前記第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２ダイオードと、を有し、前記第１，第２ダイオードの共通接続点を前記第１，第２直流電圧源の共通接続点と接続し、前記第６，第７スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子とした請求項５記載のマルチレベル電力変換器。