JP2020503830A

JP2020503830A - 三相中性点クランプインバータに基づく変調方法および装置

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Publication number: JP2020503830A
Application number: JP2019535249A
Authority: JP
Inventors: ウー，チャオジン; リ，シジュン; チャン，チャオ; ウー，チャオミ
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US20190280615A1; WO2018122002A1; EP3563478A1; CN108270366A

Abstract

本発明の実施形態は、三相中性点クランプインバータに基づく変調方法および装置を開示する。本方法は、３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、２つのブリッジアームを第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の第１の入力端に接続されたスイッチ要素および第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、非導通状態になるよう制御する際に、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御するための制御信号を出力することを含む。本発明の実施形態によって提供される方式は、比較的小さい電流リップル、より小さいスイッチ管損失、およびより小さいインダクタ損失を有し、インバータの効率を改善する。【選択図】図３

Description

本発明はインバータ技術に関し、詳細には、三相中性点クランプ（ｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔｃｌａｍｐｅｄ、ＮＰＣ）インバータに基づく変調方法および装置に関する。

エネルギー蓄積インバータの市場がますます成熟するのに従って、グリッド接続インバータが単相スイッチング電力供給（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ、ＳＰＳ）機能を有するよう求める市場の要求も高まってきている。それらの市場の競争力を確実にするために、インバータ製造業者は、ハードウェアコストを増大させることなく市場の要求を満足させなければならない。加えて、単相動作モードにおけるインバータの効率もまた、市場における製品の競争力を確実にする主要因子である。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、従来の三相および３レベルＮＰＣトポロジーの概略図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、従来の三相および３レベルＮＰＣトポロジーは、入力端の間に直列に接続された２つのバスキャパシタ、１２個のスイッチ管からなる３つのブリッジアーム、３つの出力インダクタ、および３つの出力キャパシタを含み、３つの出力キャパシタの中性点はバスキャパシタの中性点に接続されている。

図１（ａ）に示されるように、インバータの３つの相の要素リンク関係が同じであるため、１つの相のリンク関係のみが例として説明される。Ａ相を例にとってみると、直列に接続されたＱ１ａおよびＱ４ａは２つのバスキャパシタの両端部において並列に接続されており、Ｑ２ａの一方の端部はＱ１ａおよびＱ４ａの接続点に接続されており、Ｑ２ａの他方の端部はＱ３ａの一方の端部に接続されており、Ｑ３ａの他方の端部はバスキャパシタの中性点Ｍに接続されており、インダクタＬの一方の端部はＱ１ａおよびＱ４ａの接続点に接続されており、インダクタＬの他方の端部は出力端に接続されており、キャパシタＣの一方の端部は出力端に接続されており、キャパシタＣの他方の端部はバスキャパシタの中性点Ｍに接続されている。

図１（ｂ）に示されるように、インバータの３つの相の要素リンク関係が同じであるため、１つの相のリンク関係のみが例として説明される。Ａ相を例にとってみると、直列に接続されたＱ１ａ、Ｑ２ａ、Ｑ３ａ、およびＱ４ａは２つのバスキャパシタの両端部において並列に接続されており、直列に接続された２つのダイオードはＱ２ａおよびＱ３ａの両端部において並列に接続されており、２つのダイオードの接続点はバスキャパシタの中性点Ｍに接続されており、インダクタＬの一方の端部はＱ２ａおよびＱ３ａの接続点に接続されており、インダクタＬの他方の端部は出力端に接続されており、キャパシタＣの一方の端部は出力端に接続されており、キャパシタＣの他方の端部はバスキャパシタの中性点Ｍに接続されている。

上述された技術的問題を解決するために、本発明は、単相インバータおよび三相インバータの統合機能を実施するための三相ＮＰＣインバータに基づく変調方法および装置を提供する。

本発明の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、三相中性点クランプインバータに基づく変調方法において、三相中性点クランプインバータが、スイッチ要素からなる３つのブリッジアーム、および３つのインダクタを含み、インダクタの一方の端部がインバータの出力端に接続されており、ブリッジアームの各々が４つのスイッチ要素を含み、ブリッジアームの各々のスイッチ要素が同じ仕方で接続されており、ブリッジアームの各々において、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第１の入力端に接続されており、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第２の入力端に接続されており、本方法が、
３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、２つのブリッジアームを第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の第１の入力端に接続されたスイッチ要素および第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、非導通状態になるよう制御する際に、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御するための制御信号を出力すること、
を含むことを特徴とする方法を提供する。

任意選択的に、第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、第１のスイッチ要素の一方の端部および第５のスイッチ要素の一方の端部が第１の入力端に接続されており、第１のスイッチ要素の他方の端部が第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第２のスイッチ要素の他方の端部が第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第５のスイッチ要素の他方の端部が第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第６のスイッチ要素の他方の端部が第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第４のスイッチ要素の一方の端部および第８のスイッチ要素の一方の端部が第２の入力端に接続されており、
他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流がインバータから負荷へ流れる際に、第１のスイッチ要素および第８のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御し、第４のスイッチ要素および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御すること、
を含む。

任意選択的に、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流がインバータから負荷へ流れる際に、第１のスイッチ要素、第８のスイッチ要素、第４のスイッチ要素、および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第３のスイッチ要素および第６のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

任意選択的に、第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、第１のスイッチ要素の一方の端部および第５のスイッチ要素の一方の端部が第１の入力端に接続されており、第１のスイッチ要素の他方の端部が第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第２のスイッチ要素の他方の端部が第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第５のスイッチ要素の他方の端部が第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第６のスイッチ要素の他方の端部が第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第４のスイッチ要素の一方の端部および第８のスイッチ要素の一方の端部が第２の入力端に接続されており、
他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が負荷からインバータへ流れる際に、第１のスイッチ要素および第８のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第４のスイッチ要素および第５のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

任意選択的に、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアーム上の誘導電流が負荷からインバータへ流れる際に、第１のスイッチ要素、第８のスイッチ要素、第４のスイッチ要素、および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第２のスイッチ要素および第７のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

本発明の一実施形態は、三相中性点クランプインバータに基づく変調装置において、三相中性点クランプインバータが、スイッチ要素からなる３つのブリッジアーム、および３つのインダクタを含み、インダクタの一方の端部がインバータの出力端に接続されており、ブリッジアームの各々が４つのスイッチ要素を含み、ブリッジアームの各々のスイッチ要素が同じ仕方で接続されており、ブリッジアームの各々において、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第１の入力端に接続されており、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第２の入力端に接続されており、変調装置が、
制御信号を生成するように構成された制御信号生成モジュールと、
制御信号をインバータのスイッチ要素へ出力し、３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、２つのブリッジアームを、それぞれ、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の第１の入力端に接続されたスイッチ要素および第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、非導通状態になるよう制御する際に、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御するように構成された制御信号出力モジュールと、
を備えることを特徴とする変調装置をさらに提供する。

従来技術と比べて、本発明の実施形態において提供される三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相および３レベル変調方法では、ブリッジアーム内のＱ２スイッチ管およびＱ３スイッチ管を、誘導電流のための還流ループになるよう用いることによって、第３のレベル、「ゼロレベル」が形成される。これにより、スイッチ管の損失が低減され、インバータの動作効率が改善される。従来のフルブリッジＨ４変調モードと比べて、本発明に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相および３レベル変調方法は、比較的小さい電流リップル、より小さいスイッチ管損失、およびより小さいインダクタ損失を有する。それゆえ、伝統的なフルブリッジＨ４変調モードと比べて、本発明の実施形態に係る変調方法はインバータの動作効率を改善することになる。加えて、本発明の実施形態に係る方式は、追加のハードウェアデバイスおよび回路を必要としない。すなわち、従来の三相インバータの３レベルＮＰＣトポロジーのみが必要とされる。このおかげで、ハードウェア回路のコストを増大させることなく、単相および三相インバータの統合機能を効率的に実施することが可能になり、その結果、従来のインバータが機能的革新の可能性をより多く有するようになる。

本発明の他の特徴および利点が以下の説明において述べられ、一部は説明から明らかになるか、または本発明の実施によって知られ得る。本発明の目的および他の利点は、明細書、請求項、および図面において個別に指摘される構造によって実現され、達成され得る。

添付の図面は、本発明の技術方式のさらなる理解をもたらし、明細書の一部をなすために用いられ、本出願の実施形態と共に本発明の技術方式を説明することが意図されており、本発明の技術方式を限定するものではない。

図１（ａ）は、従来の三相インバータ３レベルＮＰＣトポロジーの概略図である。図１（ｂ）は、従来の三相インバータ３レベルＮＰＣトポロジーの概略図である。図２は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が正である）の概略図である。図３は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が正であり、還流している）の概略図である。図４は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が負である）の概略図である。図５は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が正であり、還流している）の概略図である。図６は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相３レベル変調方法の様々なスイッチ管の駆動信号の概略図である。図７は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法の電圧および電流波形の概略図である。図８は、本発明の一実施形態に係る三相中性点クランプインバータに基づく変調装置のブロック図である。

本発明の目的、技術方式および利点をより明確にするために、本発明の実施形態が以下において添付の図面と併せてより詳細に説明される。本出願における実施形態、および実施形態の特徴は、対立することなく、互いに任意に組み合わせられ得ることに留意されたい。

添付の図面のフローチャートに示されるステップは、コンピュータ実行可能命令のセットなどのコンピュータシステムにおいて実行され得る。論理シーケンスがフローチャートに示されているが、場合によっては、図示または説明されているステップは、本明細書に記載されているものとは異なる順序で実行され得る。

本発明の一実施形態は、三相中性点クランプインバータに基づく変調方法において、三相中性点クランプインバータが、スイッチ要素からなる３つのブリッジアーム、および３つのインダクタを含み、インダクタの一方の端部がインバータの出力端に接続されており、ブリッジアームの各々が４つのスイッチ要素を含み、ブリッジアームの各々のスイッチ要素が同じ仕方で接続されており、ブリッジアームの各々において、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第１の入力端に接続されており、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第２の入力端に接続されており、本方法が、
３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、２つのブリッジアームを、それぞれ、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の第１の入力端に接続されたスイッチ要素および第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、非導通状態になるよう制御する際に、制御信号が、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるようさらに制御するための制御信号を出力すること、
を含むことを特徴とする方法を提供する。

制御信号は周期制御信号であることに留意されたい。制御信号はスイッチ要素の駆動信号を含む。スイッチ要素は、スイッチ管、または同じ機能を達成する能力を有する他のスイッチングデバイスもしくはスイッチングデバイス回路であり得る。

第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームは、インバータの３つのブリッジアームのうちの任意の２つであり得る。

本発明の一実施形態では、第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、第１のスイッチ要素の一方の端部および第５のスイッチ要素の一方の端部が第１の入力端に接続されており、第１のスイッチ要素の他方の端部が第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第２のスイッチ要素の他方の端部が第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第５のスイッチ要素の他方の端部が第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第６のスイッチ要素の他方の端部が第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第４のスイッチ要素の一方の端部および第８のスイッチ要素の一方の端部が第２の入力端に接続されており、
他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流がインバータから負荷へ流れる際に、第１のスイッチ要素および第８のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御し、第４のスイッチ要素および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御すること、
を含む。

本発明の一実施形態では、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流がインバータから負荷へ流れる際に、第１のスイッチ要素、第８のスイッチ要素、第４のスイッチ要素、および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第３のスイッチ要素および第６のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。その時点において、第３のスイッチ要素および第６のスイッチ要素ならびに２つのインダクタは電流ループを構成する。

本発明の一実施形態では、第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、第１のスイッチ要素の一方の端部および第５のスイッチ要素の一方の端部が第１の入力端に接続されており、第１のスイッチ要素の他方の端部が第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第２のスイッチ要素の他方の端部が第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第５のスイッチ要素の他方の端部が第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第６のスイッチ要素の他方の端部が第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第４のスイッチ要素の一方の端部および第８のスイッチ要素の一方の端部が第２の入力端に接続されており、
他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が負荷からインバータへ流れる際に、第１のスイッチ要素および第８のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第４のスイッチ要素および第５のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

本発明の一実施形態では、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御することが、
示されるとおりの第１の単相ブリッジアーム上の誘導電流が負荷端からインバータへ流れる際に、第１のスイッチ要素、第８のスイッチ要素、第４のスイッチ要素、および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第２のスイッチ要素および第７のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。その時点において、第２のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および２つのインダクタは電流ループを構成する。

従来技術と比べて、本発明の実施形態において提供される三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相および３レベル変調方法では、ブリッジアーム内のＱ２スイッチ管およびＱ３スイッチ管を、誘導電流のための還流ループになるよう用いることによって、第３のレベル、「ゼロレベル」が形成される。これにより、スイッチ管の損失が低減され、インバータの動作効率が改善される。

従来のフルブリッジＨ４変調モードと比べて、本発明に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相および３レベル変調方法は、比較的小さい電流リップル、より小さいスイッチ管損失、およびより小さいインダクタ損失を有する。それゆえ、従来のフルブリッジＨ４変調方法と比べて、本発明の実施形態に係る変調方法はインバータの動作効率を改善することになる。

加えて、本発明の実施形態に係る変調方法は、追加のハードウェアデバイスおよび回路を必要としない。すなわち、従来の三相インバータの３レベルＮＰＣトポロジーのみが必要とされる。このおかげで、ハードウェア回路のコストを増大させることなく、単相および三相インバータの統合機能を効率的に実施することが可能になり、その結果、従来のインバータが機能的革新の可能性をより多く有するようになる。

特定の実施形態を通じて本発明をさらに説明する。

以下の実施形態では、図１（ａ）に示される三相ＮＰＣインバータが例として説明される。本発明の実施形態の方式は、図１（ａ）に示されるインバータに限定されず、図１（ｂ）に示されるインバータ、ならびに図１（ａ）および図１（ｂ）におけるものの変形体である他の同様のインバータなどの、他の三相ＮＰＣインバータも用いられ得ることに留意されたい。加えて、以下の実施形態では、Ａ相およびＢ相によって出力される単相電力が例として説明される。Ａ相およびＣ相あるいはＢ相およびＣ相によって出力される単相電力を用いることもでき、スイッチ管を、Ａ相およびＣ相、あるいはＢ相およびＣ相における対応するスイッチ管に変更することによって同様に実施することができることに留意されたい。

図２は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が正である）の概略図である。図２に示されるように、単相負荷がインバータのＡ相およびＢ相の出力の間に取り付けられており、インバータは単相電力を出力する必要がある。誘導電流または負荷電流が正である時には（図２に示されるように、その時点において、Ａ相誘導電流はインバータから負荷へ流れる）、Ａ相ブリッジアームのＱ１ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ４ｂスイッチ管は、閉じられるように制御され、Ａ相ブリッジアームのＱ４ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ１ｂスイッチ管は、開かれるように制御され、この時点において、Ａ相ブリッジアームおよびＢ相ブリッジアームのＱ２およびＱ３スイッチ管の状態は、閉じられているか、または開かれていることができ、出力電圧および電流は影響を受けない。Ｃ相ブリッジアームの全てのスイッチ管は開かれる。このような動作モードでは、インダクタ上の電圧差は正のバス電圧である。

図３は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が正であり、還流している）の概略図である。図３に示されるように、Ａ相ブリッジアームのＱ１ａおよびＱ４ａスイッチ管ならびにＢ相ブリッジアームのＱ１ｂおよびＱ４ｂスイッチ管が、開かれるように制御されると、インダクタ上にエネルギーが存在し、誘導電流を突然変更することができないため、この時点において、誘導電流のためのループを提供するために、Ａ相ブリッジアームのＱ３ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ２ｂスイッチ管が、閉じられるように制御される。誘導電流の方向は正である（Ａ相誘導電流はインバータから負荷へ流れる）。このような動作モードでは、インダクタ内の電圧差はゼロ電圧である。

図４は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が負である）の概略図である。図４に示されるように、誘導電流または負荷電流が負である時には（Ａ相誘導電流が負荷からインバータへ流れる）、Ａ相ブリッジアームのＱ４ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ１ｂスイッチ管は、閉じられるように制御され、Ａ相ブリッジアームのＱ１ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ４ｂスイッチ管は、開かれるように制御される。Ａ相ブリッジアームおよびＢ相ブリッジアームのＱ２およびＱ３スイッチ管の状態は、閉じられているか、または開かれていることができ、出力電圧および電流は影響を受けない。このような動作モードでは、インダクタ上の電圧差は負のバス電圧である。

図５は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法（誘導電流が正であり、還流している）の概略図である。図５に示されるように、Ａ相ブリッジアームのＱ１ａおよびＱ４ａスイッチ管ならびにＢ相ブリッジアームのＱ１ｂおよびＱ４ｂスイッチ管が開かれると、インダクタ上にエネルギーが存在し、誘導電流を突然変更することができないため、誘導電流のためのループを提供するために、Ａ相ブリッジアームのＱ２ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ３ｂスイッチ管が、閉じられるように制御される必要がある。誘導電流の方向は負である（Ａ相誘導電流は負荷からインバータへ流れる）。このような動作モードでは、インダクタ内の電圧差はゼロ電圧である。

本発明の実施形態に係る方式は、ハードウェア回路を変更することなく、単相変調モードを実施することができ、３レベル変調モードを通じてスイッチ管損失を低減し、単相モードにおけるインバータの動作効率を改善することができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相３レベル変調方法の様々なスイッチ管の駆動信号の概略図である。Ｃ相ブリッジアームの全てのスイッチ管は開モードになっており、図６には示されていない。図６に示されるように、Ａ相ブリッジアームのＱ１ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ４ｂスイッチ管の駆動信号は同じであり、Ａ相ブリッジアームのＱ２ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ３ｂスイッチ管の駆動信号は同じであり、Ａ相ブリッジアームのＱ３ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ２ｂスイッチ管の駆動信号は同じであり、Ａ相ブリッジアームのＱ４ａスイッチ管およびＢ相ブリッジアームのＱ１ｂスイッチ管の駆動信号は同じである。

図７は、本発明の一実施形態に係る三相ＮＰＣトポロジーに基づく単相変調方法の電圧および電流波形の概略図である。図７に示されるように、第１のチャンネル７０１はインバータの出力相電圧のＰＶ−のための出力電圧であり、第２のチャンネル７０２は出力インダクタ間の電圧差であり、第３のチャンネル７０３はインバータの出力電圧であり、第４のチャンネル７０４は負荷電流であり、負荷はＲ負荷である。図７から、本発明の実施形態に係る変調方法における出力電圧および誘導電圧は３つのレベルを明白に示すことが分かる。

図８に示されるように、本発明の一実施形態は、三相中性点クランプインバータに基づく変調装置において、三相中性点クランプインバータが、スイッチ要素からなる３つのブリッジアーム、および３つのインダクタを含み、インダクタの一方の端部がインバータの出力端に接続されており、ブリッジアームの各々が４つのスイッチ要素を含み、ブリッジアームの各々のスイッチ要素が同じ仕方で接続されており、ブリッジアームの各々において、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第１の入力端に接続されており、１つのスイッチ要素が三相中性点クランプインバータの第２の入力端に接続されている、変調装置をさらに提供する。変調装置は、
制御信号を生成するように構成された制御信号生成モジュール８０１と、
制御信号をインバータのスイッチ要素へ出力し、３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、２つのブリッジアームを第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の第１の入力端に接続されたスイッチ要素および第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、非導通状態になるよう制御する際に、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御するように構成された制御信号出力モジュール８０２と、
を含む。

本発明の一実施形態では、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流がインバータから負荷へ流れる際に、第１のスイッチ要素、第８のスイッチ要素、第４のスイッチ要素、および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第３のスイッチ要素および第６のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

本発明の一実施形態では、第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、第１のスイッチ要素の一方の端部および第５のスイッチ要素の一方の端部が第１の入力端に接続されており、第１のスイッチ要素の他方の端部が第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第２のスイッチ要素の他方の端部が第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第５のスイッチ要素の他方の端部が第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第６のスイッチ要素の他方の端部が第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、第４のスイッチ要素の一方の端部および第８のスイッチ要素の一方の端部が第２の入力端に接続されており、
他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアームに接続された電流インダクタが負荷からインバータへ流れる際に、第１のスイッチ要素および第８のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第４のスイッチ要素および第５のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

本発明の一実施形態では、インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御することが、
第１の単相ブリッジアーム上の誘導電流が負荷からインバータへ流れる際に、第１のスイッチ要素、第８のスイッチ要素、第４のスイッチ要素、および第５のスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、第２のスイッチ要素および第７のスイッチ要素を、導通状態になるよう制御すること、
を含む。

本発明の一実施形態は、上述の変調装置を含むインバータをさらに提供する。

本発明によって開示される実施形態が以上のように説明されたが、説明された内容は、単に、本発明を容易に理解するために採用された実施形態にすぎず、本発明を限定することを意図されていない。任意の変更および変形が、本発明が関係する当業者によって、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、実施された形態および細部において行われ得る。しかし、本発明の特許保護の範囲は、依然として、添付の請求項によって定義される範囲に従う。

Claims

三相中性点クランプインバータに基づく変調方法において、前記三相中性点クランプインバータが、スイッチ要素からなる３つのブリッジアーム、および３つのインダクタを含み、前記インダクタの一方の端部が前記インバータの出力端に接続されており、前記ブリッジアームの各々が４つのスイッチ要素を含み、前記ブリッジアームの各々の前記スイッチ要素が同じ仕方で接続されており、前記ブリッジアームの各々において、１つのスイッチ要素が前記三相中性点クランプインバータの第１の入力端に接続されており、１つのスイッチ要素が前記三相中性点クランプインバータの第２の入力端に接続されており、前記方法が、
前記３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームのスイッチ要素の状態を、前記三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、前記２つのブリッジアームを第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の前記第１の入力端に接続されたスイッチ要素および前記第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、前記非導通状態になるよう制御する際に、前記インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御するための制御信号を出力すること、
を含むことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、
前記第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、前記第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、前記第１のスイッチ要素の一方の端部および前記第５のスイッチ要素の一方の端部が前記第１の入力端に接続されており、前記第１のスイッチ要素の他方の端部が前記第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第２のスイッチ要素の他方の端部が前記第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第５のスイッチ要素の他方の端部が前記第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第６のスイッチ要素の他方の端部が前記第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第４のスイッチ要素の一方の端部および前記第８のスイッチ要素の一方の端部が前記第２の入力端に接続されており、
前記他の２つのブリッジアームの前記スイッチ要素の状態を、前記三相中性点クランプインバータに前記単相信号を出力させるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が前記インバータから負荷へ流れる際に、前記第１のスイッチ要素および前記第８のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御し、前記第４のスイッチ要素および前記第５のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする方法。
請求項２に記載の方法において、前記インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、前記導通状態になるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が前記インバータから前記負荷へ流れる際に、前記第１のスイッチ要素、前記第８のスイッチ要素、前記第４のスイッチ要素、および前記第５のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御し、前記第３のスイッチ要素および前記第６のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、
前記第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、前記第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、前記第１のスイッチ要素の一方の端部および前記第５のスイッチ要素の一方の端部が前記第１の入力端に接続されており、前記第１のスイッチ要素の他方の端部が前記第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第２のスイッチ要素の他方の端部が前記第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第５のスイッチ要素の他方の端部が前記第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第６のスイッチ要素の他方の端部が前記第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第４のスイッチ要素の一方の端部および前記第８のスイッチ要素の一方の端部が前記第２の入力端に接続されており、
前記他の２つのブリッジアームの前記スイッチ要素の状態を、前記三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が前記負荷から前記インバータへ流れる際に、前記第１のスイッチ要素および前記第８のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御し、前記第４のスイッチ要素および前記第５のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする方法。
請求項４に記載の方法において、前記インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、前記導通状態になるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアーム上の誘導電流が前記負荷から前記インバータへ流れる際に、前記第１のスイッチ要素、前記第８のスイッチ要素、前記第４のスイッチ要素、および前記第５のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御し、前記第２のスイッチ要素および前記第７のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする方法。
三相中性点クランプインバータに基づく変調装置において、前記三相中性点クランプインバータが、スイッチ要素からなる３つのブリッジアーム、および３つのインダクタを含み、前記インダクタの一方の端部が前記インバータの出力端に接続されており、前記ブリッジアームの各々が４つのスイッチ要素を含み、前記ブリッジアームの各々の前記スイッチ要素が同じ仕方で接続されており、前記ブリッジアームの各々において、１つのスイッチ要素が前記三相中性点クランプインバータの第１の入力端に接続されており、１つのスイッチ要素が前記三相中性点クランプインバータの第２の入力端に接続されており、前記変調装置が、
制御信号を生成するように構成された制御信号生成モジュールと、
前記制御信号を前記インバータの前記スイッチ要素へ出力し、前記３つのブリッジアームのうちの１つの全てのスイッチ要素を、非導通状態になるよう制御し、他の２つのブリッジアームの前記スイッチ要素の状態を、前記三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう制御し、前記２つのブリッジアームを第１の単相ブリッジアームおよび第２の単相ブリッジアームと呼ぶこととして、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の前記第１の入力端に接続されたスイッチ要素および前記第２の入力端に接続されたスイッチ要素の両方を、前記非導通状態になるよう制御する際に、前記インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、導通状態になるよう制御するように構成された制御信号出力モジュールと、
を備えることを特徴とする変調装置。
請求項６に記載の変調装置において、
前記第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、前記第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、前記第１のスイッチ要素の一方の端部および前記第５のスイッチ要素の一方の端部が前記第１の入力端に接続されており、前記第１のスイッチ要素の他方の端部が前記第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第２のスイッチ要素の他方の端部が前記第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第５のスイッチ要素の他方の端部が前記第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第６のスイッチ要素の他方の端部が前記第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第４のスイッチ要素の一方の端部および前記第８のスイッチ要素の一方の端部が前記第２の入力端に接続されており、
前記他の２つのブリッジアームの前記スイッチ要素の状態を、前記三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が前記インバータから負荷へ流れる際に、前記第１のスイッチ要素および前記第８のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御し、前記第４のスイッチ要素および前記第５のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする変調装置。
請求項７に記載の変調装置において、前記インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、前記導通状態になるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が前記インバータから前記負荷へ流れる際に、前記第１のスイッチ要素、前記第８のスイッチ要素、前記第４のスイッチ要素、および前記第５のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御し、前記第３のスイッチ要素および前記第６のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする変調装置。
請求項６に記載の変調装置において、前記第１の単相ブリッジアームが、第１のスイッチ要素、第２のスイッチ要素、第３のスイッチ要素、および第４のスイッチ要素を含み、前記第２の単相ブリッジアームが、第５のスイッチ要素、第６のスイッチ要素、第７のスイッチ要素、および第８のスイッチ要素を含み、前記第１のスイッチ要素の一方の端部および前記第５のスイッチ要素の一方の端部が前記第１の入力端に接続されており、前記第１のスイッチ要素の他方の端部が前記第２のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第２のスイッチ要素の他方の端部が前記第３のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第５のスイッチ要素の他方の端部が前記第６のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第６のスイッチ要素の他方の端部が前記第７のスイッチ要素の一方の端部に接続されており、前記第４のスイッチ要素の一方の端部および前記第８のスイッチ要素の一方の端部が前記第２の入力端に接続されており、
前記他の２つのブリッジアームの前記スイッチ要素の状態を、前記三相中性点クランプインバータに単相信号を出力させるよう前記制御することが、
前記第１の単相ブリッジアームに接続されたインダクタの電流が前記負荷から前記インバータへ流れる際に、前記第１のスイッチ要素および前記第８のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御し、前記第４のスイッチ要素および前記第５のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする変調装置。
請求項９に記載の変調装置において、前記インバータの誘導電流のための還流ループをもたらすべく、前記第１の単相ブリッジアームおよび前記第２の単相ブリッジアーム内の他のスイッチ要素のうちの２つを、前記導通状態になるよう前記制御することが、
示されるとおりの前記第１の単相ブリッジアーム上の誘導電流が前記負荷から前記インバータへ流れる際に、前記第１のスイッチ要素、前記第８のスイッチ要素、前記第４のスイッチ要素、および前記第５のスイッチ要素を、前記非導通状態になるよう制御し、前記第２のスイッチ要素および前記第７のスイッチ要素を、前記導通状態になるよう制御すること、
を含むことを特徴とする変調装置。