JP2020529184A - インバータシステム - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態によるインバータシステムの単位電力セルは、互いに直列に連結される第１のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の連結点と平滑部との間で、互いに直列に連結される第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオード、第２のダイオード、第３のダイオード、第４のダイオードを含む第１レッグ、及び互いに直列に連結される第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子と、前記第５のスイッチング素子及び前記第６のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第５のダイオード及び第６のダイオードを含み、前記第１レッグと並列に連結される第２レッグを含む。

Description

本発明は、インバータシステムに関し、より詳細には、新しいトポロジーを有するインバータで構成されるインバータシステムに関する。
高圧インバータシステムは、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上である入力電源を用いるシステムであって、通常、数百ｋＷ〜数十ＭＷ用量の大容量の電動機を駆動するために用いられており、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（ｈｏｉｓｔ）、コンベア（ｃｏｎｖｅｙｏｒ）のような分野で主に使用される。
このようなインバータシステムは、主に３レベル以上の出力電圧を発生させる直列型マルチレベルインバータ（ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）形態に具現される。マルチレベルインバータを構成する単位電力セル数によって、インバータシステムの出力電圧レベルの大きさと個数が決定され、各々の単位電力セルは、絶縁した入力電圧を用いる。
インバータシステムでは、複数の単位電力セルが直列に連結されて各相を構成し、インバータの多相出力電圧は、各相を構成する単位電力セルの出力電圧の和によって決定される。このとき、各々の単位電力セルを構成するインバータは、多様なトポロジーで構成されてもよい。
図１は、従来技術によるトポロジーを有するインバータで構成される単位電力セルの構成を示す。
図１を参照すれば、従来技術によるトポロジーを有するインバータで構成される単位電力セルは、整流部１０２、平滑部１０４、出力電圧を合成するインバータ部１０６とを含む。
整流部１０２は、入力電源から出力される２つの３相電源電圧を受信する。整流部１０２は、複数のダイオードで構成され、整流した直流端電圧の大きさは、整流部１０２の入力電力と単位電力セルの出力電力との差の関係から決定される。
整流部１０２の出力は、直列に連結された２つの直流端キャパシタ（ＤＣ−ｌｉｎｋ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）Ｃ１、Ｃ２で構成される平滑部１０４へ伝達される。直流端キャパシタＣ１、Ｃ２は、入出力端の瞬時的な電力不均衡を解消する機能を行う。図１における各々のキャパシタＣ１、Ｃ２は、互いに同じ電圧（Ｅ）を示す。
インバータ部１０６は、整流部１０２及び直流端キャパシタＣ１、Ｃ２を経て提供される嫡流電圧を用いて出力電圧を合成する。図１に示したように、インバータ部１０６は、従来技術によるＴ型（Ｔ−ｔｙｐｅ）トポロジーによって構成されたものであり、複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８及び複数のダイオードＤ１〜Ｄ１２を含む。
インバータ部１０６に含まれたスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８は、対応するダイオードＤ１〜Ｄ８と逆並列に連結される。本明細書におけるスイッチング素子とダイオードの「逆並列」とは、ダイオードを介して流れる電流の方向と、スイッチング素子がターンオンされたとき、スイッチング素子を介して流れる電流の方向が互いに反対であることを意味する。
図１に示した従来のインバータ部１０６のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ５とスイッチング素子Ｓ３、Ｓ７は、互いに相補的にターンオン及びターンオフされ、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ６とスイッチング素子Ｓ４、Ｓ８は、互いに相補的にターンオン及びターンオフされる。
例えば、直流端キャパシタＣ１、Ｃ２の電圧がそれぞれＥであるとき、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２がターンオンされると、スイッチング素子Ｓ３及びスイッチング素子Ｓ４は、ターンオフされ、このときに出力される極電圧（ｐｏｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ）（ＶＵ）は 、Ｅとなる。
また、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がターンオンされると、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４は、ターンオフされて、このとき、出力極電圧は、０となる。同様、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２がターンオフされると、スイッチング素子Ｓ３及びスイッチング素子Ｓ４は、ターンオンされて、このとき、出力極電圧は、−Ｅとなる。
同様、スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８の相補的なターンオン及びターンオフ動作に従って、３レベルの極電圧（ＶＶ）が出力される。このように出力される２つの出力極電圧の組み合わせによって、図１の単位電力セルは、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５ステップ電圧レベルを示し得る。
ところが、図１に示したような従来のトポロジーによるインバータは、多過ぎるスイッチング素子とダイオードで構成される。このように、各々の単位電力セルが多くの素子で構成される場合、使われる素子数が増加するにつれて、各素子の故障可能性が増えるようになる。このような故障可能性の増加は、図１のようなインバータを含む高圧インバータシステム全体の信頼性低下を引き起こすようになる。
特に、スイッチング素子数が増えると、スイッチング素子のスイッチング動作（ターンオン／ターンオフ）の繰り返しによる発熱量が増える。このような発熱量の増加は、単位電力セル及びインバータシステムの故障可能性を高める原因になる。
また、図１のように、多過ぎる素子で構成されたインバータを用いる場合、高圧インバータシステムの大きさ及び嵩が増加するようになる問題もある。
本発明は、従来のトポロジーによるインバータに比べ内部素子数を減らすことで、故障可能性を低くすることのできる新しいトポロジーが適用されたインバータ及びインバータシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、従来のトポロジーによるインバータに比べ内部素子数を減らすことで、従来に比べて、大きさ及び嵩が減少したインバータシステムを提供することを他の目的とする。
本発明の目的は、以上に言及した目的に制限されないし、言及していない本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解されるし、本発明の実施形態によってより明らかに理解される。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせによって実現できることが分かりやすい。
課題を解決しようとする手段
本発明の一実施形態によるインバータシステムは、電源部から入力される電源電圧の位相と大きさを変換して出力する位相置換変圧器、前記位相置換変圧器から出力される電圧を用いて相電圧を出力する複数の単位電力セルとを含み、前記単位電力セルは、互いに直列に連結される第１のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子の連結点と平滑部との間で、互いに直列に連結される第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオード、第２のダイオード、第３のダイオード、第４のダイオードを含む第１レッグ、及び互いに直列に連結される第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子と、前記第５のスイッチング素子及び前記第６のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第５のダイオード及び第６のダイオードを含み、前記第１レッグと並列に連結される第２レッグを含む。
また、本発明の他の実施形態によるインバータシステムは、電源部から入力される電源電圧の位相と大きさを変換して出力する位相置換変圧器、前記位相置換変圧器から出力される電圧を用いて相電圧を出力する複数の単位電力セルを含み、前記単位電力セルは、互いに直列に連結される第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオード、第２のダイオード、第３のダイオード、第４のダイオードと、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の連結点と前記第３のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子の連結点との間で、互いに直列に連結される第７のダイオード及び第８のダイオードを含む第１レッグ、及び互いに直列に連結される第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子と、前記第５のスイッチング素子及び前記第６のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第５のダイオード及び第６のダイオードを含み、前記第１レッグと並列に連結される第２レッグを含む。
本発明による新しいトポロジーが適用されたインバータ及びインバータシステムは、従来のトポロジーによるインバータに比べ内部素子数が減少して、故障可能性が低くなる長所がある。
また、本発明によるインバータシステムは、従来のトポロジーによるインバータに比べ内部素子数が減少することで、従来に比べて、大きさ及び嵩が減少する長所がある。
従来技術によるトポロジーを有するインバータで構成される単位電力セルの構成を示す図面。 本発明の一実施形態によるインバータシステムの構成を示す図面。 本発明の一実施形態によるインバータシステムを構成する単位電力セルの回路図。 図３に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン／ターンオフ状態による出力極電圧の波形を示す図面。 図３に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。 図３に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。 図３に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。 本発明の他の実施形態によるインバータシステムを構成する単位電力セルの回路図。 図９に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。 図９に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。 図９に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。 図９に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す図面。
前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これにより、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術思想を容易に実施することができる。本発明の説明において、本発明に係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には詳細な説明を省略する。以下では、添付の図面を参照して、本発明による好ましい実施形態を詳説する。図面における同じ参照符号は、同一又は類似の構成要素を示す。
図２は、本発明の一実施形態によるインバータシステムの構成を示す。
図２に示したように、本発明の一実施形態によるインバータシステム２０４は、電源部２０２から入力される電源を変換して３相電動機２１０に提供する。例えば、電源部２０２は、実効値が６００Ｖ以上である３相電源をインバータシステム２０４に供給することができる。また、３相電動機２１０は、インバータシステム２０４に連結される負荷であって、誘導電動機や同期電動機であってもよく、実施形態に従って３相電動機２１０ではない他の負荷がインバータシステム２０４に連結されてもよい。
さらに図２を参照すれば、インバータシステム２０４は、位相置換変圧器２０６及び複数の単位電力セル２０ａ１、２０ａ２、２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｃ１、２０ｃ２を含む。
位相置換変圧器２０６は、電源部２０２から入力される電源電圧の位相と大きさを変換して、複数の単位電力セル２０ａ１、２０ａ２、２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｃ１、２０ｃ２に提供することができる。このような位相置換を介して入力電流の全高調波歪（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ＴＨＤ）を改善することができる。
単位電力セル２０ａ１、２０ａ２、２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｃ１、２０ｃ２は、位相置換変圧器２０６から出力される出力電圧を受信して、負荷例えば、３相電動機２１０に適した相電圧を出力する。
図２では、単位電力セル２０ａ１、２０ａ２、２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｃ１、２０ｃ２が３相電動機２１０のための３相電圧を出力する。すなわち、直列に連結された２つの単位電力セル２０ａ１、２０ａ２がａ相電圧を出力し、直列に連結された２つの単位電力セル２０ｂ１、２０ｂ２がｂ相電圧を出力し、直列に連結された２つの単位電力セル２０ｃ１、２０ｃ２がｃ相電圧を出力する。図２には、各相別に２つの単位電力セルが連結される例を示しているが、インバータシステム２０４の出力電圧によって各相別に連結される単位電力セル数は、異なってくる。
図２に示したインバータシステム２０４の単位電力セル２０ａ１、２０ａ２、２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｃ１、２０ｃ２によって出力される各々の相電圧の大きさは、同様であり、位相は、１２０度の差である。また、インバータシステム２０４を構成する単位電力セル数の増加と、様々なスイッチング方式によって出力電圧のＴＨＤと電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）を改善することができる。
以下では、図３〜図７を参照して、本発明による新しいトポロジーを有するインバータで構成される単位電力セルの構成及び動作について詳説する。
図３は、本発明の一実施形態によるインバータシステムを構成する単位電力セルの回路図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施形態によるインバータシステムを構成する単位電力セルは、整流部３０２、平滑部３０４、出力電圧を合成するインバータ部３０６とを含む。
整流部３０２は、入力電源から出力される２つの３相電源電圧を受信する。整流部３０２は、複数のダイオードで構成され、整流された直流端電圧の大きさは、整流部３０２の入力電力と単位電力セルの出力電力との差の関係から決定される。
整流部３０２の出力は、直列に連結された２つの直流端キャパシタＣ１、Ｃ２で構成される平滑部３０４へ伝達される。直流端キャパシタＣ１、Ｃ２は、入出力端の瞬時的な電力不均衡を解消する機能を行う。
以下の実施形態において、キャパシタＣ１、Ｃ２が示す電圧の大きさは、それぞれＥと仮定する。参考に、各々のキャパシタＣ１、Ｃ２が示す電圧の大きさは、実施形態によって異なる。
インバータ部３０６は、整流部３０２及び直流端キャパシタＣ１、Ｃ２を経て提供される直流電圧を用いて出力電圧を合成する。図３に示したように、インバータ部３０６は、互いに並列に連結される第１レッグ３０８及び第２レッグ３１０を含む。
第１レッグ３０８は、互いに直列に連結される第１のスイッチング素子Ｓ１及び第４のスイッチング素子Ｓ４と、第１のスイッチング素子Ｓ１及び第４のスイッチング素子Ｓ４の連結点Ｎ２と整流部３０４の連結点Ｎ１との間で直列に連結される第２のスイッチング素子Ｓ２、及び第３のスイッチング素子Ｓ３とを含む。また、図３に示したように、第１レッグ３０８は、第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３、第４のダイオードＤ４とを含む。
第１レッグ３０８に含まれた第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２は、互いに同じ方向に連結される。また、第３のダイオードＤ３及び第４のダイオードＤ４は、互いに同じ方向に連結される。
さらに図３を参照すれば、第２レッグ３１０は、互いに直列に連結される第５のスイッチング素子Ｓ５及び第６のスイッチング素子Ｓ６と、第５のスイッチング素子Ｓ５及び第６のスイッチング素子Ｓ６と、それぞれ逆並列に連結される第５のダイオードＤ５及び第６のダイオードＤ６とを含む。第２レッグ３１０に含まれた第５のダイオードＤ５及び第６のダイオードＤ６は、互いに同じ方向に連結される。
かかる構成を有するインバータ部３０６は、後述するようなスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作を介して４レベル、すなわち、第１の電圧レベル、第２の電圧レベル、第３の電圧レベル、第４の電圧レベルの極電圧を出力することができる。
図１に示した従来のインバータ部１０６は、８個のスイッチング素子及び１２個のダイオードで構成される反面、図３に示した本発明の単位電力セルのインバータ部３０６は、６個のスイッチング素子及び６個のダイオードで構成される。このように、本発明による単位電力セルは、従来に比べて、さらに少ない数のスイッチング素子で構成されるため、故障可能性が相対的に低くなり、スイッチング素子の配置による単位電力セルの大きさ及び嵩も、従来に比べて減少する長所がある。これにより、図３のような単位電力セルで構成される図２のインバータシステム２０４の故障可能性、大きさ及び嵩も従来に比べて減少するようになる。
図４は、図３に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン／ターンオフ状態による出力極電圧の波形を示す。
図４において、Ｖｇ１〜Ｖｇ６は、各々のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲート端子に印加されるゲート信号を意味する。すなわち、Ｖｇ１〜Ｖｇ６が黒い陰影で表された場合、対応するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、ターンオンされ、そうでない場合、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、ターンオフされる。
また、図４の上端に表された＋Ｅ、Ｏ、−Ｅは、各々相電圧の大きさを示す。
図４に示したように、本発明による単位電力セルの各相（Ｕ、Ｖ）は、各スイッチング素子のスイッチング動作によるターンオン／ターンオフ状態によって３レベルの相電圧（＋Ｅ、０、−Ｅ）を出力することができる。そして、各相（Ｕ、Ｖ）の相電圧（ＶＵＮ１、ＶＶＮ１）の組み合わせによって単位電力セルは、４レベル（＋２Ｅ、＋Ｅ、−Ｅ、−２Ｅ）の極電圧（ＶＵＶ）を示すことができる。
以下では、図４、図５〜図８を参照して、各スイッチング素子のスイッチング動作による相電圧（ＶＵＮ１、ＶＶＮ１）及び相電圧（ＶＵＮ１、ＶＶＮ１）の組み合わせによる単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）の出力について詳説する。
図５〜図８は、図３に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す。
先ず、図５は、単位電力セルが第１の電圧レベル、すなわち、＋２Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（５０２）を示す。
図４及び図５を参照すれば、インバータ部３０６に含まれる第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、＋Ｅを示す。また、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、−Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、＋Ｅ−（−Ｅ）＝＋Ｅとなる。
結局、インバータ部３０６に含まれる第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされ、第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第１の電圧レベル、すなわち、＋２Ｅで表される。この場合、図５に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ１、Ｃ２、第１のスイッチング素子Ｓ１、第６のスイッチング素子Ｓ６を経て流れるようになる（５０２）。
次に、図６は、単位電力セルが第２の電圧レベル、すなわち、＋Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（６０２）を示す。
図４及び図６を参照すれば、インバータ部３０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２及び第３のスイッチング素子Ｓ３がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、０を示す。また、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンドされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、−Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、０−（−Ｅ）＝＋Ｅとなる。
結局、インバータ部３０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第２の電圧レベル、すなわち、＋Ｅで表される。この場合、図６に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第２のダイオードＤ２、第６のスイッチング素子Ｓ６を経て流れるようになる（６０２）。
次に、図７は、単位電力セルが第３の電圧レベル、すなわち、−Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（７０２）を示す。
図４及び図７を参照すれば、インバータ部３０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２及び第３のスイッチング素子Ｓ３がターンオンドされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、０を示す。また、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンドされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、＋Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、０−（＋Ｅ）＝−Ｅとなる。
結局、インバータ部３０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１、第４のスイッチング素子Ｓ４、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第３の電圧レベル、すなわち、−Ｅで表される。この場合、図７に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ１、第３のスイッチング素子Ｓ３、第２のダイオードＤ２、第５のスイッチング素子Ｓ５を経て流れるようになる（７０２）。
次に、図８は、単位電力セルが第４の電圧レベル、すなわち、−２Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（７０２）を示す。
図４及び図８を参照すれば、インバータ部３０６に含まれる第３のスイッチング素子Ｓ３及び第４のスイッチング素子Ｓ４がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、−Ｅを示す。また、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、＋Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、−Ｅ−（＋Ｅ）＝−２Ｅとなる。
結局、インバータ部３０６に含まれる第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第４の電圧レベル、すなわち、−２Ｅで表される。この場合、図８に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ１、Ｃ２、第５のスイッチング素子Ｓ５、第４のスイッチング素子Ｓ４を経て流れるようになる（８０２）。
図９は、本発明の他の実施形態によるインバータシステムを構成する単位電力セルの回路図である。
図９を参照すれば、本発明の他の実施形態によるインバータシステムを構成する単位電力セルは、整流部９０２、平滑部９０４、出力電圧を合成するインバータ部９０６とを含む。
整流部９０２は、入力電源から出力される２つの３相電源電圧を受信する。整流部９０２は、複数のダイオードで構成され、整流された直流端電圧の大きさは、整流部９０２の入力電力と単位電力セルの出力電力との差の関係から決定される。
整流部９０２の出力は、直列に連結された２つの直流端キャパシタＣ１、Ｃ２で構成される平滑部９０４へ伝達される。直流端キャパシタＣ１、Ｃ２は、入出力端の瞬時的な電力不均衡を解消する機能を行う。
以下の実施形態において、キャパシタＣ１、Ｃ２が示す電圧の大きさは、それぞれＥと仮定する。参考に、各々のキャパシタＣ１、Ｃ２が示す電圧の大きさは、実施形態によって異なる。
インバータ部９０６は、整流部９０２及び直流端キャパシタＣ１、Ｃ２を経て提供される直流電圧を用いて出力電圧を合成する。図９に示したように、インバータ部９０６は、互いに並列に連結される第１レッグ９０８及び第２レッグ９１０を含む。
第１レッグ９０８は、互いに直列に連結される第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４とを含む。また、図９に示したように、第１レッグ９０８は、第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３、第４のダイオードＤ４とを含む。
また、第１レッグ９０８は、第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２の連結点Ｎ１と、第３のスイッチング素子Ｓ３及び第４のスイッチング素子Ｓ４の連結点Ｎ２との間で、互いに直列に連結される第７のダイオードＤ７及び第８のダイオードＤ８を含む。第７のダイオードＤ７及び第８のダイオードＤ８の連結点Ｎ４は、直流端キャパシタＣ１、Ｃ２の連結点Ｎ３と互いに連結される。
第１レッグ９０８に含まれた第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３、第４のダイオードＤ４は、互いに同じ方向に連結される。また、第１レッグ９０８に含まれた第７のダイオードＤ７及び第８のダイオードＤ８は、互いに同じ方向に連結される。
さらに図９を参照すれば、第２レッグ９１０は、互いに直列に連結される第５のスイッチング素子Ｓ５及び第６のスイッチング素子Ｓ６と、第５のスイッチング素子Ｓ５及び第６のスイッチング素子Ｓ６とそれぞれ逆並列に連結される第５のダイオードＤ５及び第６のダイオードＤ６とを含む。第２レッグ９１０に含まれた第５のダイオードＤ５及び第６のダイオードＤ６は、互いに同じ方向に連結される。
かかる構成を有するインバータ部９０６は、後述するようなスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作を介して４レベル、すなわち、第１の電圧レベル、第２の電圧レベル、第３の電圧レベル、第４の電圧レベルの極電圧を出力することができる。
図１に示した従来のインバータ部１０６は、８個のスイッチング素子及び１２個のダイオードで構成される反面、図９に示した本発明の単位電力セルのインバータ部９０６は、６個のスイッチング素子及び８個のダイオードで構成される。このように、本発明による単位電力セルは、従来に比べて、さらに少ない数のスイッチング素子で構成されるため、故障可能性が相対的に低くなり、スイッチング素子の配置による単位電力セルの大きさ及び嵩も、従来に比べて減少する長所がある。これにより、図９のような単位電力セルで構成されるインバータシステム２０４の故障可能性、大きさ及び嵩も従来に比べて減少するようになる。
以下では、図４、図１０〜図１３を参照して、各スイッチング素子のスイッチング動作による相電圧（ＶＵＮ１、ＶＶＮ１）及び相電圧（ＶＵＮ１、ＶＶＮ１）の組み合わせによる単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）の出力について詳説する。
図１０〜図１３は、図９に示した単位電力セルのインバータ部のスイッチング素子のターンオン及びターンオフ状態による電流の流れを示す。
先ず、図１０は、単位電力セルが第１の電圧レベル、すなわち、＋２Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（５０２）を示す。
図４及び図１０を参照すれば、インバータ部９０６に含まれる第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、＋Ｅを示す。また、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、−Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、＋Ｅ−（−Ｅ）＝＋２Ｅとなる。
結局、インバータ部９０６に含まれる第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされ、第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第１の電圧レベル、すなわち、＋２Ｅで表される。この場合、図１０に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ１、Ｃ２、第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第６のスイッチング素子Ｓ６を経て流れるようになる（５０２）。
次に、図１１は、単位電力セルが第２の電圧レベル、すなわち、＋Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（６０２）を示す。
図４及び図１１を参照すれば、インバータ部９０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２及び第３のスイッチング素子Ｓ３がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、０を示す。また、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、−Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、０−（−Ｅ）＝＋Ｅとなる。
結局、インバータ部９０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第２の電圧レベル、すなわち、＋Ｅで表される。この場合、図１１に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ２、第７のダイオードＤ７、第２のスイッチング素子Ｓ２、第６のスイッチング素子Ｓ６を経て流れるようになる（６０２）。
次に、図１２は、単位電力セルが第３の電圧レベル、すなわち、−Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（７０２）を示す。
図４及び図１２を参照すれば、インバータ部９０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２及び第３のスイッチング素子Ｓ３がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、０を示す。また、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、＋Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、０−（＋Ｅ）＝−Ｅとなる。
結局、インバータ部９０６に含まれる第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１、第４のスイッチング素子Ｓ４、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第３の電圧レベル、すなわち、−Ｅで表される。この場合、図１２に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ１、第７のダイオードＤ７、第２のスイッチング素子Ｓ２、第５のスイッチング素子Ｓ５を経て流れるようになる（７０２）。
次に、図１３は、単位電力セルが第４の電圧レベル、すなわち、−２Ｅの極電圧を出力する時の電流の流れ（７０２）を示す。
図４及び図１３を参照すれば、インバータ部９０６に含まれる第３のスイッチング素子Ｓ３及び第４のスイッチング素子Ｓ４がターンオンされるにつれて、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）は、−Ｅを示す。また、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされるにつれて、Ｖ相の相電圧（ＶＶＮ１）は、＋Ｅを示す。これにより、Ｕ相の相電圧（ＶＵＮ１）とＶ相の相電圧（ＶＶＮ１）との差（ＶＵＮ１−ＶＶＮ１）である単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、−Ｅ−（＋Ｅ）＝−２Ｅとなる。
結局、インバータ部９０６に含まれる第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５がターンオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２、第６のスイッチング素子Ｓ６がターンオフされると、単位電力セルの極電圧（ＶＵＶ）は、第４の電圧レベル、すなわち、−２Ｅで表される。この場合、図１３に示したように、電流は、直流端キャパシタＣ１、Ｃ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５を経て流れるようになる（８０２）。
前述したような本発明の新しいトポロジーによるインバータで構成される単位電力セルは、従来技術に比べて、より少ない数の素子を用いて４レベルの極電圧を出力することができる。このように、素子数を減らすことで、単位電力セル及びインバータシステムの故障可能性を低くして信頼性を向上させることができ、単位電力セル及びインバータシステムの大きさ及び嵩、製造費用を減らすことができる。
特に、インバータに用いられるスイッチング素子数が減少することで、スイッチング素子による発熱量も従来に比べて減少するようになる。このような発熱量の減少は、インバータシステム全体の故障可能性を低くする効果を引き起こす。また、インバータシステムの発熱を解消するための付加的な部品、例えば、ヒートシンクの大きさを減らすことができ、インバータシステムの大きさ及び嵩を減らすために役に立つ。
前述した本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって本発明の技術的思想を脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるため、前述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではない。

Claims (14)

  1. 電源部から入力される電源電圧の位相と大きさを変換して出力する位相置換変圧器；
    前記位相置換変圧器から出力される電圧を用いて相電圧を出力する複数の単位電力セルを含み、
    前記単位電力セルは、
    互いに直列に連結される第１のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子の連結点と平滑部との間で、互いに直列に連結される第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオード、第２のダイオード、第３のダイオード、第４のダイオードとを含む第１レッグ；及び、
    互いに直列に連結される第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子と、前記第５のスイッチング素子及び前記第６のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第５のダイオード及び第６のダイオードを含み、前記第１レッグと並列に連結される第２レッグを含む、
    インバータシステム。
  2. 前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオンされ、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第１の電圧レベルを示す、
    請求項１に記載のインバータシステム。
  3. 前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオンドされ、前記第１のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第２の電圧レベルを示す、
    請求項１に記載のインバータシステム。
  4. 前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオンされ、前記第１のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第３の電圧レベルを示す、
    請求項１に記載のインバータシステム。
  5. 前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオンされ、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第４の電圧レベルを示す、
    請求項１に記載のインバータシステム。
  6. 前記第２のダイオード及び前記第３のダイオードは、互いに異なる方向に連結される、
    請求項１に記載のインバータシステム。
  7. 前記第１のダイオード、前記第４のダイオード、前記第５のダイオード、前記第６のダイオードは、互いに同じ方向に連結される、
    請求項１に記載のインバータシステム。
  8. 電源部から入力される電源電圧の位相と大きさを変換して出力する位相置換変圧器；
    前記位相置換変圧器から出力される電圧を用いて相電圧を出力する複数の単位電力セルを含み、
    前記単位電力セルは、
    互いに直列に連結される第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第１のダイオード、第２のダイオード、第３のダイオード、第４のダイオードと、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の連結点と前記第３のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子の連結点との間で、互いに直列に連結される第７のダイオード及び第８のダイオードとを含む第１レッグ；及び、
    互いに直列に連結される第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子と、前記第５のスイッチング素子及び前記第６のスイッチング素子とそれぞれ逆並列に連結される第５のダイオード及び第６のダイオードを含み、前記第１レッグと並列に連結される第２レッグとを含む、
    インバータシステム。
  9. 前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオンされ、前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第１の電圧レベルを示す、
    請求項８に記載のインバータシステム。
  10. 前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオンされ、前記第１のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第２の電圧レベルを示す、
    請求項８に記載のインバータシステム。
  11. 前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオンされ、前記第１のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第３の電圧レベルを示す、
    請求項８に記載のインバータシステム。
  12. 前記第３のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、前記第５のスイッチング素子がターンオンされ、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第６のスイッチング素子がターンオフされると、前記単位電力セルの出力極電圧は、第４の電圧レベルを示す、
    請求項８に記載のインバータシステム。
  13. 前記第１のダイオード、前記第２のダイオード、前記第３のダイオード、前記第４のダイオード、前記第５のダイオード、前記第６のダイオードは、互いに同じ方向に連結される、
    請求項８に記載のインバータシステム。
  14. 前記第７のダイオード及び前記第８のダイオードは、互いに同じ方向に連結される、
    請求項８に記載のインバータシステム。
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