JP2018530306A - マルチレベルインバータ - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、直流入力電源Eと負荷RLとの間に、本発明のこの実施形態にて提供されるマルチレベルインバータ100が配置され得る。直流入力電源Eの電圧はEであり、直流入力電源Eは、ソーラーパネルアレイ、又は例えば充電式バッテリ又は燃料電池などのエネルギー蓄積装置とし得る。
表1に示すように、スイッチング管Q1−Q8のターンオン及びターンオフを制御することによって、ノードVaから異なる電圧が出力される。表中の5つのレベルの電圧出力について、スイッチング管は1つ又は2つの状態にあり、0はターンオフを表し、1はターンオンを表す。表中の状態0(Mode0)は、第3のキャパシタC3が充電又は放電の状態にないモードを指し示し、状態1(Mode1)は、第3のキャパシタC3が放電状態にあるモードを指し示し、状態2(Mode2)は、第3のキャパシタC3が充電状態にあるモードを指し示す。現在のスイッチング状態は、先のスイッチング状態に従って選択され得る。すなわち、先のスイッチング状態が第3のキャパシタC3の充電状態に対応している場合、第3のキャパシタC3の放電状態に対応するスイッチング状態が現在のスイッチング状態として選択され得るなどである。
また、負荷が一般的な抵抗又は電力消費装置である場合、マルチレベルインバータ100は正の仕事量を維持し、出力電流及び出力電圧の双方が0より大きい。負荷が送電網であるとき、正弦波電圧又は電流伝送方式が送電網内で使用され、異なる時点で位相が異なる。故に、さらに、有効(active)出力と無効(reactive)出力という2つの状態が、マルチレベルインバータ100の各電圧出力状態に含められる必要がある。有効出力では出力電流iが0より大きく、無効出力では出力電流iが0より小さい。
表1、図2a、及び図2bを参照するに、図2a及び図2bのスイッチング管の上のスラッシュはターンオフを表しており、すなわち、スイッチング管Q1、Q2、Q5、及びQ8がターンオンされ、スイッチング管Q3、Q4、Q6、及びQ7がターンオフされる。このとき、2つの双方向スイッチング管104及び106の双方がターンオフされ、第3のスイッチング管Q3及び第4のスイッチング管Q4の双方がターンオフされ、その結果、第3のキャパシタC3及び第2のキャパシタC2の双方がターンオフされて、ノードVaに電圧を生成することができない。故に、ノードVa上の出力電圧は、この場合にはE/2である。別のレベルの電圧出力は、スイッチング管のターンオン及びターンオフによって電圧出力が調節されるという同じ原理に基づく。具体的な制御原理について、以下で詳細を再度説明したりはしない。
更に言及しておくべきことには、図4a及び図4bから学び得ることに、io>0又はio<0のとき、第3のキャパシタC3は、Mode1及びMode2という2つのスイッチングモードで、それぞれ、充電状態及び放電状態にある。すなわち、電流ioの状態にかかわらず、ノードVa上の電圧出力がE/4に維持されるとき、スイッチング管の状態を調整することによって第3のキャパシタC3の充放電状態を制御することができ、また、第2のスイッチング管Q2及び第3のスイッチング管Q3の最大の耐電圧がE/4であるように、C3の2つの端子における電圧が更に制御され且つE/4に維持される。すなわち、5レベルインバータ100が最大で1500Vを出力する場合、第2のスイッチング管Q2及び第3のスイッチング管Q3の耐電圧は600V未満となり、最適性能、非常に多くのモデル選択肢、及び600ボルトの耐電圧を持つスイッチング管を使用し得る。斯くして、コストを削減することができるとともに、性能を確保することができる。以下に記載されるMode1及びMode2の2つのモードにおける電圧出力の状況では、Mode1及びMode2の2つのスイッチングモードは、それぞれ、第3のキャパシタC3の放電状態及び充電状態に対応し、第3のキャパシタC3の電圧はE/4に維持される。以下で詳細を再度説明したりはしない。
第3のキャパシタC3の存在のため、システムが稼働し始めるとき、第3のスイッチング管Q3及び第4のスイッチング管Q4が過電圧に耐えなければならないことを防止するため、第3のキャパシタC3の2つの端子がプリチャージされる必要がある。図10に示すように、システム内の全てのスイッチング管が閉じられているとき、経路は存在せず、結果として、第3のキャパシタC3に電荷は存在しない。第3のキャパシタC3の2つの端子における電圧Vcは極めて低くて0に近いと考えることができる。この場合、E/2が出力される状態がVaに対して必要であるとすると、第1のスイッチング管Q1及び第2のスイッチング管Q2がターンオンされ、第3のスイッチング管Q3及び第4のスイッチング管Q4がターンオフされるが、キャパシタンス及び電圧は急激に変化することはできず、すなわち、Vcは0に近い。そして、入力電圧が第1のスイッチング管Q1及び第3のキャパシタC3(Vc=0)を通り抜けて、直に、第4のスイッチング管Q4の2つの端子に印加される。この場合、第4のスイッチング管Q4は、上述した3E/4を上回る直流入力電圧E全体に耐えることになり、これが、第4のスイッチング管Q4に過電圧ダメージを生じさせる。この問題を回避するために、スイッチング動作が実行される前に、第3のキャパシタC3が充電される必要があり、第3のキャパシタC3の2つの端子における電圧が、充電によってE/4まで上昇される必要がある。
図13に示すように、本発明の実施形態3は電源システムを提供する。電源システムは、直流入力電源Eと、DC/DCコンバータと、マルチレベルインバータとを含む。
図1に示すように、直流入力電源Eと負荷RLとの間に、本発明のこの実施形態にて提供されるマルチレベルインバータ100が配置され得る。直流入力電源Eの電圧はEであり、直流入力電源Eは、ソーラーパネルアレイ、又は例えば充電式バッテリ又は燃料電池などのエネルギー蓄積装置とし得る。
第3のキャパシタC3の存在のため、システムが稼働し始めるとき、第3のスイッチング管Q3及び第4のスイッチング管Q4が過電圧に耐えなければならないことを防止するため、第3のキャパシタC3の2つの端子がプリチャージされる必要がある。図10に示すように、システム内の全てのスイッチング管が閉じられているとき、経路は存在せず、結果として、第3のキャパシタC3に電荷は存在しない。第3のキャパシタC3の2つの端子における電圧Vcは極めて低くて0に近いと考えることができる。この場合、E/2が出力される状態がVaに対して必要であるとすると、第1のスイッチング管Q1及び第2のスイッチング管Q2がターンオンされ、第3のスイッチング管Q3及び第4のスイッチング管Q4がターンオフされるが、電荷及び電圧は急激に変化することはできず、すなわち、Vcは0に近い。そして、入力電圧が第1のスイッチング管Q1及び第3のキャパシタC3(Vc=0)を通り抜けて、直に、第4のスイッチング管Q4の2つの端子に印加される。この場合、第4のスイッチング管Q4は、上述した3E/4を上回る直流入力電源E全体の電圧に耐えることになり、これが、第4のスイッチング管Q4に過電圧ダメージを生じさせる。この問題を回避するために、スイッチング動作が実行される前に、第3のキャパシタC3が充電される必要があり、第3のキャパシタC3の2つの端子における電圧が、充電によってE/4まで上昇される必要がある。
図13に示すように、本発明の実施形態3は電源システムを提供する。電源システムは、直流入力電源Eと、DC/DCコンバータと、マルチレベルインバータとを含む。
Claims (12)
- マルチレベルインバータであって、当該マルチレベルインバータは、直流入力電源に接続されるように構成され、且つ、直流入力ユニットと、インバータユニットと、第1の双方向スイッチと、第2の双方向スイッチと、第3のキャパシタC3とを有し、
前記直流入力ユニットは、前記直流入力電源の正極と負極との間に直列に接続されるように構成された第1のキャパシタC1及び第2のキャパシタC2を有し、
前記インバータユニットは、第1のスイッチング管Q1と、第2のスイッチング管Q2と、第3のスイッチング管Q3と、第4のスイッチング管Q4とを有し、これら4つのスイッチング管が、Q1、Q2、Q3、及びQ4の順に、前記直流入力電源の前記正極と前記負極との間に、同じ向きで直列に接続され、
前記第1の双方向スイッチの一方の端子が、前記第3のスイッチング管Q3と前記第4のスイッチング管Q4との間の接続点に接続され、且つ、前記第1の双方向スイッチの他方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の接続点に接続されて、前記第1の双方向スイッチの2つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第2の双方向スイッチの一方の端子が、前記第1のスイッチング管Q1と前記第2のスイッチング管Q2との間の接続点に接続され、且つ、前記第2の双方向スイッチの他方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の前記接続点に接続されて、前記第2の双方向スイッチの2つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第3のキャパシタC3の正極が、前記第1のスイッチング管Q1と前記第2のスイッチング管Q2との間の前記接続点に接続され、前記第3のキャパシタC3の負極が、前記第3のスイッチング管Q3と前記第4のスイッチング管Q4との間の前記接続点に接続され、且つ
前記スイッチング管Q1−Q4の各々が、ダイオードに逆並列接続される、
マルチレベルインバータ。 - 前記第1の双方向スイッチは、逆直列接続された第5のスイッチング管Q5及び第6のスイッチング管Q6を有し、前記第5のスイッチング管Q5の一方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の前記接続点に接続され、前記第5のスイッチング管Q5の他方の端子が、前記第6のスイッチング管Q6の一方の端子に接続され、前記第6のスイッチング管Q6の他方の端子が、前記第3のスイッチング管Q3と前記第4のスイッチング管Q4との間の前記接続点に接続される、請求項1に記載のマルチレベルインバータ。
- 前記第2の双方向スイッチは、逆直列接続された第7のスイッチング管Q7及び第8のスイッチング管Q8を有し、前記第7のスイッチング管Q7の一方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の前記接続点に接続され、前記第7のスイッチング管Q7の他方の端子が、前記第8のスイッチング管Q8の一方の端子に接続され、前記第8のスイッチング管Q8の他方の端子が、前記第1のスイッチング管Q1と前記第2のスイッチング管Q2との間の前記接続点に接続される、請求項1又は2に記載のマルチレベルインバータ。
- 前記第1の双方向スイッチ又は前記第2の双方向スイッチのいずれか内の各スイッチング管が、ダイオードに逆並列接続される、請求項3に記載のマルチレベルインバータ。
- 当該マルチレベルインバータは更に、第1のスイッチS1と、第2のスイッチS2と、抵抗Rcとを有し、前記第1のスイッチS1は、前記第1のスイッチング管Q1の2つの端子に並列に接続され、前記第2のスイッチS2は、前記抵抗Rcに直列に接続された後に前記第4のスイッチング管Q4の2つの端子に並列に接続される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
- 当該マルチレベルインバータは更にDC/DCコンバータを有し、前記DC/DCコンバータの2つの入力端子が、それぞれ、前記直流入力ユニットの2つの端子に接続され、前記DC/DCコンバータの2つの出力端子が、それぞれ、前記第3のキャパシタC3の2つの端子に接続される、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
- 当該マルチレベルインバータは更にフィルタユニットを有し、前記フィルタユニットの入力端子が、前記第2のスイッチング管Q2と前記第3のスイッチング管Q3との間の接続点に接続される、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
- 直流入力電源と、DC/DCコンバータと、マルチレベルインバータとを有する電源システムであって、前記直流入力電源の出力端子が前記DC/DCコンバータの入力端子に接続され、前記DC/DCコンバータの出力端子が前記マルチレベルインバータの入力端子に接続され、前記マルチレベルインバータの出力端子が送電網に接続されるように構成されて、インバータ変換処理により前記マルチレベルインバータによって得られた交流を前記送電網に運ぶようにされ、
前記マルチレベルインバータは、直流入力ユニットと、インバータユニットと、第1の双方向スイッチと、第2の双方向スイッチと、第3のキャパシタC3とを有し、
前記直流入力ユニットは、前記直流入力電源の正端子と負端子との間に直列に接続される第1のキャパシタC1及び第2のキャパシタC2を有し、
前記インバータユニットは、第1のスイッチング管Q1と、第2のスイッチング管Q2と、第3のスイッチング管Q3と、第4のスイッチング管Q4とを有し、これら4つのスイッチング管は、Q1、Q2、Q3、及びQ4の順に、前記直流入力電源の正極と負極との間に、同じ向きで直列に接続され、
前記フィルタユニットの入力端子が、前記第2のスイッチング管Q2と前記第3のスイッチング管Q3との間の接続点に接続され、前記フィルタユニットの出力端子が、前記送電網に接続されるように構成され、
前記第1の双方向スイッチの一方の端子が、前記第3のスイッチング管Q3と前記第4のスイッチング管Q4との間の接続点に接続され、且つ、前記第1の双方向スイッチの他方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の接続点に接続されて、前記第1の双方向スイッチの2つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第2の双方向スイッチの一方の端子が、前記第1のスイッチング管Q1と前記第2のスイッチング管Q2との間の接続点に接続され、且つ、前記第2の双方向スイッチの他方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の前記接続点に接続されて、前記第2の双方向スイッチの2つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第3のキャパシタC3の正端子が、前記第1のスイッチング管Q1と前記第2のスイッチング管Q2との間の前記接続点に接続され、前記第3のキャパシタC3の負端子が、前記第3のスイッチング管Q3と前記第4のスイッチング管Q4との間の前記接続点に接続され、且つ
前記スイッチング管Q1−Q4の各々が、ダイオードに逆並列接続される、
電源システム。 - 前記第1の双方向スイッチは、逆直列接続された第5のスイッチング管Q5及び第6のスイッチング管Q6を有し、前記第5のスイッチング管Q5の一方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の前記接続点に接続され、前記第5のスイッチング管Q5の他方の端子が、前記第6のスイッチング管Q6の一方の端子に接続され、前記第6のスイッチング管Q6の他方の端子が、前記第3のスイッチング管Q3と前記第4のスイッチング管Q4との間の前記接続点に接続される、請求項8に記載の電源システム。
- 前記第2の双方向スイッチは、逆直列接続された第7のスイッチング管Q7及び第8のスイッチング管Q8を有し、前記第7のスイッチング管Q7の一方の端子が、前記第1のキャパシタC1と前記第2のキャパシタC2との間の前記接続点に接続され、前記第7のスイッチング管Q7の他方の端子が、前記第8のスイッチング管Q8の一方の端子に接続され、前記第8のスイッチング管Q8の他方の端子が、前記第1のスイッチング管Q1と前記第2のスイッチング管Q2との間の前記接続点に接続される、請求項8又は9に記載の電源システム。
- 前記第1の双方向スイッチ又は前記第2の双方向スイッチのいずれか内の各スイッチング管が、ダイオードに逆並列接続される、請求項10に記載の電源システム。
- 前記直流電源は、ソーラーパネル又は太陽電池パックを有する、請求項8乃至11のいずれか一項に記載の電源システム。
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