JP2022504566A - モジュール式マルチレベルコンバータの動作 - Google Patents

Abstract

ＭＭＣを動作させる方法は、複数の連続する期間の間に、ＭＭＣのアームＡの複数のサブモジュールＳＭ１，．．．，ＳＭＮを制御する工程を有する。この複数のサブモジュールの各々は、それぞれコンデンサＣを有する。この制御工程は、これらの期間の各々の間に、基準電圧の値をサンプリングする工程と、サンプリング値の近似に必要な整数ｎ個のサブモジュールを決定する工程とを有する。部分集合のｎ個のサブモジュールの各々に関して、サブモジュールを特徴付ける温度が決定される。この部分集合の一つのサブモジュールを除く全てのサブモジュールが挿入される。この決定された温度に応じて、デューティ比が決定される。この残るサブモジュールは、このデューティ比によって与えられる時間長の間挿入される。

Description

本発明は、モジュール式マルチレベルコンバータ及びその動作方法に関する。

モジュール式マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、例えば、中高電圧の電力伝送分野で実現可能な技術を提示する。ＭＭＣの拡張性と優れた出力波形は、低い周波数においても特に有利である。

ＭＭＣを制御するために、例えば、キャリアベースのパルス幅変調（ＰＷＭ）方式、例えば、位相シフトキャリア式パルス幅変調（ＰＳＣ－ＰＷＭ）方式が使用されている。しかし、これらの方式は、コンバータのアーム当たりのセル数が中程度又は多い場合に、特に好ましくない比較的大きなスイッチング損失を生じさせる。他方、最近接レベル制御（ＮＬＣ）などのキャリアレスソート方式は、特に、アーム当たりのセル数が少ない又は中程度の場合に、精度の低下のみを引き起こす。精度の低下は、特に、全高調波歪（ＴＨＤ）の上昇を引き起こす。ＮＬＣも、それ以外のアプローチも、アーム内においてセルの熱不平衡を伴い、それは、全体的にＭＭＣの寿命と信頼性の低下を、或いは破壊さえも引き起こす。

従って、ＭＭＣの精度又は寿命を低下させること無くスイッチング損失の低減を実現する、ＭＭＣを動作させるための改善された設計思想を提供することを課題とする。

この課題は、独立請求項の対象によって実現される。更なる実現形態及び実施形態は、従属請求項の対象である。

この改善された設計思想は、修正された最近接レベル制御（ＮＬＣ）手順を適用することによって、変調方式によりＭＭＣを動作させるとの考えに基づいている。そこでは、一つのサブモジュールを除く全てのサブモジュールが、ＮＬＣ方式により挿入される一方、残るサブモジュールは、サブモジュールと関連する温度に応じたデューティ比によりパルス幅変調（ＰＷＭ）方式に基づき挿入される。

このようにして、ＮＬＣの利点が得られる一方、その欠点は、著しい温度不平衡を生じさせること無く、大幅に回避される。

この改善された設計思想に基づき、モジュール式マルチレベルコンバータを動作させる方法を提供する。この方法は、複数の連続する期間の間に、ＭＭＣのアームの複数のサブモジュールを制御する工程を有する。これらの複数のサブモジュールの各々は、それぞれコンデンサを有する。この制御工程は、これらの期間毎に、基準電圧の値をサンプリングする工程と、複数のサブモジュールの中から、この電圧のサンプリング値の近似に必要な整数ｎ個のサブモジュールを決定する工程とを有する。このｎ個のサブモジュールの部分集合は、前記の複数のサブモジュールから選定される。この部分集合のサブモジュール毎に、温度が決定され、その温度は、当該サブモジュールを特徴付ける。次に、この部分集合の一つのサブモジュールを除く全てのサブモジュール、即ち、ｎ－１個のサブモジュールが、特に、当該期間全体の間、アームに挿入される。ｎ番目のサブモジュールは、残るサブモジュールと称される。決定された温度に応じて、この残るサブモジュールに関するデューティ比が決定される。次に、残るサブモジュールが、このデューティ比により与えられる時間長の間、アームに挿入される。特に、残るサブモジュールが挿入される時間長は、デューティ比と当該時間期間の時間長の積によって与えられる。

ここで、電圧のサンプリング値の近似は、大きい方から見てサンプリング値に近い、電圧のサンプリング値に等しいか、或いはそれよりも大きい、アームに関して実現可能な電圧レベルを決定することを意味する。

この方法の幾つかの実現形態では、このデューティ比は、サブモジュールの部分集合のｎ個のサブモジュールの全てのコンデンサを介する全電圧が、例えば、許容値以内で、サンプリングされた基準電圧に合致するように決定される。

残るサブモジュールを除く全てのサブモジュールを全期間の間挿入するとともに、残るサブモジュールをデューティ比により与えられる時間長の間挿入することによって、既知のキャリアレス方式の精度が限定されるとの欠点が回避される。前記の限定された精度は、サンプリング電圧が一般的に全てのｎ個のコンデンサを介した電圧降下全体に正確には一致しないとの事実から生じる。適切に調整されたデューティ比が残るサブモジュールを挿入するために使用されるので、電圧が一致し、従って、ＭＭＣの精度が著しく改善される。同じ理由で、複数のサブモジュールに関する平均的なスイッチング速度が全体として低減される。従って、特に、ＰＳＣ－ＰＷＭに関して、スイッチング損失が低減される。

ここで、サブモジュールの挿入とは、コンデンサがサブモジュールの入力端子と出力端子の間に直列に電気接続されるように、当該サブモジュールのコンデンサを接続することを意味する。アームの一端のサブモジュールでは、それは、コンデンサが隣接するサブモジュールとアームの一端の間に直列に電気接続されることを意味する。それ以外のサブモジュールでは、それは、コンデンサが二つの隣接するサブモジュールの間に直列に電気接続されることを意味する。

幾つかの実現形態では、この整数ｎは、基準電圧のサンプリング値と各コンデンサの定格電圧に応じて決定される。特に、全てのコンデンサの定格電圧が同じである場合、この整数ｎは、定格電圧値に対するサンプリング値の比率によって与えられ、この比率は、次のより大きな整数に丸められる。特に、コンデンサの定格電圧値が互いに異なる場合、この整数ｎは、定格電圧値の平均に対するサンプリング値の比率によって与えられ、この比率は、次のより大きな整数に丸められる。

幾つかの実現形態では、この方法は、各コンデンサを介する電圧に応じて、昇順又は降順に複数のサブモジュールを並び替える工程と、この並べ替えに基づくサブモジュールの並べ替えリストを作成する工程とを有する。ｎ個のサブモジュールの部分集合は、この並べ替えリストの最初のｎ個の登録サブモジュールに対応する。

幾つかの実現形態では、このサブモジュールの部分集合は、アームを流れる電流の方向に応じて、複数のサブモジュールの中のサブモジュールである、並べ替えリストの中の各コンデンサを介する電圧が低い方のｎ個の登録サブモジュール又は並べ替えリストの中の各コンデンサを介する電圧が高い方のｎ個の登録サブモジュールに対応する。特に、挿入されるサブモジュールのコンデンサが充電されているか、或いは挿入時に充電される場合、この部分集合は、コンデンサの電圧が低い方のｎ個の登録サブモジュールに対応し、挿入されるサブモジュールのコンデンサが放電されているか、或いは挿入時に放電される場合、この部分集合は、コンデンサの電圧が高い方のｎ個の登録サブモジュールに対応する。このようにして、挿入されるサブモジュールの電圧の不平衡が最小化される。

幾つかの実現形態では、決定された温度の中の最小温度が特定されて、この最小温度に応じて、デューティ比が決定される。

幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの各サブモジュールが、当該サブモジュールの挿入、バイパス及び／又はブロックのためのスイッチング装置を有する。

幾つかの実現形態では、各サブモジュールを特徴付ける温度は、当該サブモジュールのスイッチング素子、特に、当該サブモジュールのスイッチング装置の接合部温度によって与えられる。

幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの中の一つ、特に、複数のサブモジュールの各々のスイッチング装置は、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子を有する。当該サブモジュールの第一及び第二のスイッチング素子とコンデンサは、ハーフブリッジ型トポロジーにより配置される。

幾つかの実現形態では、第二のスイッチング素子は、第一のスイッチング素子及びコンデンサの直列構成に対して並列に配置される。

幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの中の一つ、特に、複数のサブモジュールの各々のスイッチング装置は、第三のスイッチング素子と第四のスイッチング素子を有する。当該サブモジュールの第一、第二、第三及び第四のスイッチング素子とコンデンサは、フルブリッジ型トポロジーにより配置される。

幾つかの実現形態では、各サブモジュールを特徴付ける温度は、同じサブモジュールのそれ以外の全てのスイッチング素子に対して最小の接合部温度を有する、当該サブモジュールのスイッチング素子の接合部温度によって与えられる。

幾つかの実現形態では、各サブモジュールを特徴付ける温度は、当該サブモジュールの第一のスイッチング素子の接合部温度によって与えられる。

幾つかの実現形態では、各サブモジュールを特徴付ける温度は、当該サブモジュールの第二のスイッチング素子の接合部温度によって与えられる。

如何なる接合部温度がサブモジュールを特徴付ける温度を表すのかは、例えば、ＭＭＣの特定の用途、動作モード及び／又は負荷に依存する。例えば、ハーフブリッジ型トポロジーにおける、例えば、第二のスイッチング素子のスイッチング速度が、第一のスイッチング素子のスイッチング速度よりも著しく速い場合、第二のスイッチング素子の接合部温度が、この特徴付ける温度を表すか、或いはその逆である。

この接合部温度は、例えば、オンチップ検知ダイオードを用いた、例えば、温度測定によって決定される。それに代わって、或いはそれに追加して、この接合部温度は、温度感知電気パラメータ（ＴＳＥＰ）の測定に基づき、或いは熱モデルに基づき決定される。

負荷に電力を供給するＭＭＣでは、残るサブモジュールを除く全てのサブモジュールを期間全体の間挿入する工程と残るサブモジュールをデューティ比により与えられる時間長の間挿入する工程とは、基本的に他に先んじて或る種の熱応力式スイッチング素子を使用する。残るサブモジュールに対して温度に応じたデューティ比を使用することによって、そのような不平衡が回避又は低減される。

幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの中の一つを挿入するために、当該サブモジュールのコンデンサがアーム内の電流の方向に応じて充放電されるように、当該サブモジュールの第一のスイッチング素子が閉じられるとともに、当該サブモジュールの第二のスイッチング素子が開かれる。サブモジュールが挿入されると、電流が、コンデンサを充電するために、サブモジュールの入力端子から第一のスイッチを介してサブモジュールのコンデンサに流れて、コンデンサからサブモジュールの出力端子に流れる。コンデンサを放電させるためには、電流の流れが反転される。

幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの中の一つをバイパスするために、当該サブモジュールのコンデンサがアームから効果的に遮断されるように、当該サブモジュールの第一のスイッチング素子が開かれるとともに、当該サブモジュールの第二のスイッチング素子が閉じられる。

幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの中の一つをブロックするために、当該サブモジュールの第一と第二のスイッチング素子の両方が開かれる。第一のスイッチング素子がフリーホイールダイオードを有する場合、当該サブモジュールのコンデンサは、アーム内の電流の方向に応じて充電されるか、或いは充電されない。

ここで、開かれたスイッチング素子とは、高抵抗状態であるオフ状態にあることを意味する。更に、閉じられたスイッチング素子とは、低抵抗状態であるオン状態にあることを意味する。「スイッチング素子を開く」との用語は、スイッチング素子を開かれたままにすることをも包含することに留意されたい。同様に、「スイッチング素子を閉じる」との用語は、スイッチング素子を閉じられたままにすることをも包含する。

幾つかの実現形態では、この方法は、更に、サブモジュールを特徴付ける決定された温度の中の最小温度と並べ替えリストの基準サブモジュールを特徴付ける決定された温度の間の温度差を決定する工程を有する。この基準サブモジュールは、例えば、並べ替えリストの中のｎ番目のサブモジュールに対応する。この温度差が予め決定された閾値よりも大きい場合、残るサブモジュールは、この最小温度が決定されたサブモジュールによって与えられる。

幾つかの実現形態では、この温度差が予め決定された閾値よりも小さい場合、残るサブモジュールは、基準サブモジュールによって与えられる。

幾つかの実現形態では、この温度差が予め決定された閾値よりも大きい場合、デューティ比は、次の式により決定される。

ここで、ｄはデューティ比であり、Ｖ_ｒｅｆは基準電圧のサンプリング値であり、この和はサブモジュールの部分集合の全てのサブモジュールに渡り、Ｖ_ｉはｉ番目のサブモジュールのコンデンサを介する電圧であり、Ｖ_ｍｉｎは最小温度が決定されたサブモジュールのコンデンサを介する電圧である。

幾つかの実現形態では、この温度差が予め決定された閾値よりも小さい場合、デューティ比は、次の式により決定される。

ここで、Ｖ_ｒは基準サブモジュールのコンデンサを介する電圧である。

幾つかの実現形態では、式（１）の結果が負のデューティ比となる場合、デューティ比は、式（２）により決定される。

幾つかの実現形態では、式（１）の結果が負のデューティ比となる場合、残るサブモジュールは基準サブモジュールにより与えられる。

幾つかの実現形態では、予め決められた閾値は、十数分の１ケルビンのオーダー、或いは１又は数ケルビンのオーダーである。

改善された設計思想では、モジュール式マルチレベルコンバータも提供される。このＭＭＣは、制御ユニットと、複数のサブモジュールを備えたアームとを有し、複数のサブモジュールのサブモジュールは、特に、互いに直列に配置される。複数のサブモジュールの各々は、それぞれコンデンサを有する。この制御ユニットは、複数の連続する期間毎に、基準電圧の値をサンプリングして、複数のサブモジュールの中から、このサンプリング値の近似に必要な整数ｎ個のサブモジュールを決定するように構成される。この制御ユニットは、更に、複数のサブモジュールの中の部分集合のｎ個のサブモジュールの各々に関して、各サブモジュールを特徴付ける温度を決定するように構成される。この制御ユニットは、更に、一つの残るサブモジュールを除くｎ個のサブモジュールの部分集合の全てのサブモジュールをアームに挿入し、決定された温度に応じてデューティ比を決定し、このデューティ比によって与えられる時間長の間、残るサブモジュールをアームに挿入するように構成される。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、複数のサブモジュールの各々は、それぞれ当該サブモジュールの挿入、バイパス及びブロックのために設計されたスイッチング装置を有する。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、各スイッチング装置は、第一と第二のスイッチング素子を有する。サブモジュールの中の一つの第一及び第二のスイッチング素子と各コンデンサは、ハーフブリッジ型トポロジーにより配置される。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、制御ユニットは、各サブモジュールを挿入するために、当該サブモジュールのコンデンサが充電又は放電されるように、当該サブモジュールの第一のスイッチング素子を閉じるとともに、第二のスイッチング素子を開くように構成される。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、制御ユニットは、各サブモジュールをバイパスするために、当該サブモジュールのコンデンサが遮断されるように、当該サブモジュールの第一のスイッチング素子を開くとともに、第二のスイッチング素子を閉じるように構成される。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、制御ユニットは、各サブモジュールをブロックするために、当該サブモジュールの第一と第二のスイッチング素子を開くように構成される。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、サブモジュールの中の一つのスイッチング装置、特に、第一及び／又は第二のスイッチング素子は、少なくとも一つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有する。

このＭＭＣの幾つかの実現形態では、制御ユニットは、スイッチング装置、特に、スイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴを制御するためのゲート駆動部を有する。

改善された設計思想によるＭＭＣの更なる実現形態及び実施形態は、改善された設計思想による方法の様々な実現形態及び実施形態から容易に得られる。特に、ＭＭＣに関して述べた個々又は幾つかのコンポーネント又は装置は、改善されたシステムによる方法に対して相応に実現される。

以下において、実施例に関して、図面を参照して本発明を詳しく説明する。機能的に同じであるか、或いは同じ作用効果を有するコンポーネントは、同じ符号によって表される。同じコンポーネント、或いは同じ機能又は作用効果を有するコンポーネントは、それらが最初に現れる図面に関してのみ述べる。それらの記述は、それ以降の図面では必ずしも繰り返されない。

改善された設計思想によるＭＭＣの実施例のブロック図 改善された設計思想によるＭＭＣの別の実施例のアームのブロック図 改善された設計思想によるＭＭＣの別の実施例のサブモジュールのブロック図 改善された設計思想によるＭＭＣの別の実施例のサブモジュールの特徴的な温度を時間に関して表した一連の曲線のグラフ図 ＭＭＣのサブモジュールの特徴的な温度を時間に関して表した一連の曲線のグラフ図

図１ａは、改善された設計思想によるＭＭＣの実施例のブロック図を図示している。このＭＭＣは、幾つかの上方アーム、本発明を制限しない特別な例では、三つの上方アームＡｕ１，．．．Ａｕ３と、同じ数の下方アーム、本発明を制限しない特別な例では、三つの下方アームＡｌ１，．．．Ａｌ３とを有する。各対の上方アームと下方アームは、例えば、Ａｕ１／Ａｌ１，Ａｕ２／Ａｌ２及びＡｕ３／Ａｌ３の組として直列に接続されている。ＭＭＣのＡＣポートＰＡＣの各端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、直列に接続されたアームの各々との間に接続されている。この図示された例では、各上方誘導コンポーネントＬｕ１，Ｌｕ２，Ｌｕ３は、上方アームＡｕ１，Ａｕ２，Ａｕ３の各々と当該端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の間に接続されている。同様に、各下方誘導コンポーネントＬｌ１，Ｌｌ２，Ｌｌ３は、下方アームＡｌ１，Ａｌ２，Ａｌ３の各々と当該端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の間に接続されている。直列に接続された各対の上方及び下方アームＡｕ１／Ａｌ１，Ａｕ２／Ａｌ２，Ａｕ３／Ａｌ３は、当該上方及び下方誘導コンポーネントＬｕ１／Ｌｌ１，Ｌｕ２／Ｌｌ２，Ｌｕ３／Ｌｌ３と共に、ＭＭＣの分岐部を形成する。

上方及び下方誘導コンポーネントＬｕ１，．．．，Ｌｕ３，Ｌｌ１，．．．，Ｌｌ３に代わって、或いはそれらに追加して、（図示されていない）各誘導コンポーネントが端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と当該分岐部の間に接続される。

任意選択として、ＭＭＣは、各端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から各分岐部を遮断するために、分岐部の各々と各端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の間にそれぞれ配置されたスイッチｋ１，ｋ２，ｋ３を有する。

上方アームＡｕ１，Ａｕ２，Ａｕ３は、互いに接続されるとともに、ＤＣポートＰＤＣと接続されている。下方アームＡｌ１，Ａｌ２，Ａｌ３は、互いに接続されるとともに、ＤＣポートＰＤＣと接続されている。

このＭＭＣは、更に、上方アームＡｕ１，Ａｕ２，Ａｕ３とＤＣポートＰＤＣの間に接続された抵抗Ｒを有する。それに代わって、この抵抗Ｒは、下方アームＡ１１，Ａｌ２，Ａｌ３とＤＣポートＰＤＣの間に接続されるか、或いは（図示されていない）別の抵抗が、下方アームＡ１１，Ａｌ２，Ａｌ３とＤＣポートＰＤＣの間に接続される。

任意選択として、このＭＭＣは、抵抗Ｒをバイパスするための別のスイッチｋを有する。

このＭＭＣは、アームＡｕ１，．．．，Ａｕ３，Ａｌ１，．．．，Ａｌ３の各々と接続された制御ユニットＣＵを有する。任意選択として、制御ユニットＣＵは、スイッチｋ，ｋ１，．．．ｋ３と接続されており、それらの各々を開閉する。

図１ｂは、改善された設計思想によるＭＭＣの別の実施例のアームＡのブロック図を図示している。例えば、このアームＡは、図１ａに図示されたアームＡｕ１，．．．，Ａｕ３，Ａｌ１，．．．，Ａｌ３の中の一つを表す。

このアームＡは、互いに直列に接続された複数のサブモジュールＳＭ１，ＳＭ２，ＳＭ３，ＳＭＮを有する。図示されている四つの数のサブモジュールは、本発明を制限しない例として理解されたい。特に、改善された設計思想の実現形態では、アームＭは、図１ｂで破線により表示されている通り、２に等しいか、或いはそれよりも多い数のサブモジュールを有する。

図１ｃは、改善された設計思想によるＭＭＣの別の実施例のサブモジュールＭのブロック図を図示している。例えば、このサブモジュールＭは、図１ｂに図示されたＳＭ１，．．．，ＳＭＮの中の一つを表す。

本発明を制限しない例として、サブモジュールＳＭは、ハーフブリッジ型トポロジーにより実現される。別の実施形態では、サブモジュールは、それと異なる形で、例えば、フルブリッジ型トポロジーにより実現される。

ハーフブリッジ型トポロジーでは、サブモジュールは、一方の端子を第一のスイッチング素子Ｓ１を介してサブモジュールＳＭの入力端子Ｔ１と接続されたコンデンサＣを有する。このコンデンサＣの他方の端子は、サブモジュールの出力端子Ｔ２と接続されている。第二のスイッチング素子Ｓ２は、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２の間に接続されている。

第一及び第二のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、例えば、それぞれ各トランジスタＩ２，Ｉ２、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴを有する。これらのトランジスタＩ１，Ｉ２は、図１ｃでは、ノーマリーオンのｎ型トランジスタとして図示されている。当業者に明らかな通り、それ以外の選択肢も可能である。

第一のスイッチング素子Ｓ１は、第一のトランジスタＩ１のコレクタ端子を介してコンデンサと接続され、第一のトランジスタＩ１のエミッタ端子を介して入力端子Ｔ１と接続される。任意選択として、第一のダイオードＤ１は、このダイオードＤ１のカソードが第一のトランジスタＴ１のコレクタ端子と接続され、このダイオードＤ１のアノードが第一のトランジスタＴ１のエミッタ端子と接続されるように、第一のトランジスタＴ１と接続される。第二のスイッチング素子Ｓ２は、第二のトランジスタＩ２のアノード端子を介してコンデンサと接続され、第二のトランジスタＩ２のコレクタ端子を介して入力端子Ｔ１と接続される。任意選択として、第二のダイオードＤ２は、このダイオードＤ２のカソードが第二のトランジスタＴ２のコレクタ端子と接続され、このダイオードＤ２のアノードが第二のトランジスタＴ２のエミッタ端子と接続されるように、第二のトランジスタＴ２と接続される。これらのトランジスタＴ１，Ｔ２の各ゲート端子は、制御ユニットＣＵと接続されており、この制御ユニットによって制御される。

入力端子Ｔ１は、例えば、特別なサブモジュールの直列接続部内のそのサブモジュールの位置に応じて、直に、或いは同じアームの一つ又は複数の別のサブモジュールを介して、ＡＣポートＰＡＣ又はアームの各誘導素子と接続される。出力端子Ｔ２は、例えば、特別なサブモジュールの直列接続部内のそのサブモジュールの位置に応じて、直に、或いは抵抗Ｒ及び／又は同じアームの一つ又は複数の別のサブモジュールを介して、ＤＣポートＰＤＣと接続される。

ＭＭＣの動作中に、以下に述べる所与のサンプリング期間に関する工程が周期的に実行される。以下では、動作モードを説明し、その際、ＭＭＣは、ＡＣポートＰＡＣに加わる三相ＡＣ入力電圧をＤＣ出力ポートＰＤＣに加わる出力電圧に変換するために使用される。同様に、ＭＭＣは、ＤＣポートＰＤＣに加わるＤＣ入力電圧をＡＣポートＰＡＣに供給される出力電圧に変換するために使用される。更に、以下の記述は、主に代表的な例としての第一の上方アームＡｕ１のサブモジュールに関する。ＭＭＣのそれ以外のアームに関する動作は同様である。第一の上方アームＡｕ１の全てのモジュールが図１ｃにより実現されており、このアームＡｕ１内のサブモジュールの全てのコンデンサＣが同じ定格電圧を有すると仮定する。ここで、定格電圧は、コンデンサの充電を許容する予め決められた最大電圧によって与えられ、典型的には、コンデンサの誘電部の絶縁耐力によって与えられる。

サンプリング期間において、ＡＣポートＰＡＣの端子Ｐ１に加わる基準電圧が測定されて、制御ユニットＣＵに供給される。次に、制御ユニットＣＵは、アームＡｕ１の如何なる数のサブモジュールがサンプリングされた基準電圧を近似するために必要であるのかを決定する。必要なサブモジュールの数ｎは、ｎ＝［Ｖ_ｒｅｆ／Ｖ_ｒａｔｅ］^＋によって与えられ、ここで、Ｖ_ｒｅｆはサンプリングされた基準電圧の絶対値であり、Ｖ_ｒａｔｅはコンデンサの定格電圧であり、［．．．］^＋は、引数が整数でない場合に、次のより大きな整数を表し、それ以外の場合に、引数自体を表す。

次に、制御ユニットＣＵは、アームＡｕ１のｎ個のサブモジュールの部分集合を決定する。そのために、制御ユニットＣＵは、アームＡｕ１のサブモジュールの並べ替えリストを作成し、このリストは、コンデンサを介する実際の電圧値の昇順又は降順によりサブモジュールを並び替えたリストである。アームＡｕ１における実際の電流方向に応じて、この部分集合は、アームＡｕ１におけるコンデンサ電圧の不平衡を最小化又は回避するために、コンデンサを介する電圧が高い方又は低い方のｎ個のサブモジュールから構成される。例えば、アームＡｕ１へのモジュールの挿入がコンデンサの充電を引き起こす場合、コンデンサを介する電圧が低い方のｎ個のサブモジュールがｎ個のサブモジュールの部分集合を構成する。他方、アームＡｕ１へのモジュールの挿入がコンデンサの放電を引き起こす場合、コンデンサを介する電圧が高い方のｎ個のサブモジュールがｎ個のサブモジュールの部分集合を構成する。

次に、部分集合のｎ個の全てのサブモジュールに関して、各サブモジュールを特徴付ける温度が決定されて、制御ユニットＣＵに供給される。この温度は、各サブモジュールのスイッチング素子、例えば、トランジスタＩ１，Ｉ２の中の一つの接合部温度に対応する。ＭＭＣの特定の用途又は動作モードに応じて、この特徴付ける温度は、第一のトランジスタ１の接合部温度、第二のトランジスタＩ２の接合部温度又は第一及び第二のトランジスタの接合部温度の中の最小接合部温度によって与えられる。

次に、部分集合のｎ個のサブモジュールの中の一つを除く全てのサブモジュールが、特に、サンプリング期間全体の間、一つの残るサブモジュールを除いて、アームＡｕ１に挿入される。

この残るサブモジュールは、例えば、並べ替えリスト内の位置に基づき決定される。例えば、この残るサブモジュールは、並べ替えリスト内のｎ番目のサブモジュールである。例えば、並べ替えリストがコンデンサの電圧に関して昇順に並べ替えられている場合、この残るサブモジュールは、部分集合のｎ個のサブモジュールの中のコンデンサ電圧が最も大きなサブモジュールである。例えば、並べ替えリストがコンデンサの電圧に関して降順に並べ替えられている場合、この残るサブモジュールは、部分集合のｎ個のサブモジュールの中のコンデンサ電圧が最も小さいサブモジュールである。

次に、制御ユニットＣＵは、決定された温度に応じて、残るサブモジュールに関するデューティ比を決定する。この点に関して、詳しくは、前の式（１）及び（２）を参照されたい。最小の特徴付ける温度は、必ずしもアームＡｕ１の全てのトランジスタの中の最も低い接合部温度と同じでないことを指摘しておきたい。例えば、ＭＭＣの特定の動作モード又は用途を考慮すると、所与のアームＡｕ１に関して、全ての第一のトランジスタＩ１がアームＡｕ１の第二のトランジスタＩ２の全ての接合部温度よりも高い接合部温度を有する。特徴付ける温度が第一のトランジスタＩ１の接合部温度によって与えられる場合、最小の特徴付ける温度は、第二のトランジスタＩ２の接合部温度よりも高い。

次に、残るサブモジュールが、決定されたデューティ比により、特に、サンプリング期間の時間長とデューティ比の積により与えられる時間長の間挿入される。

このようにして、サンプリングされた電圧が、大部分のサブモジュールの特に低いスイッチング速度により特に精確な手法で近似される。

同じ手法で、それ以外の全てのアームＡｕ２，Ａｕ３，Ａｌ１，Ａｌ２，Ａｌ３が制御される。ここで、幾つかのアームの残るサブモジュールは、例えば、互いに関して予め決められた位相シフトにより、例えば、ＰＳＣ式アプローチにより挿入される。

図２ａは、改善された設計思想によるＭＭＣのアームの摂氏単位の特徴付ける温度を秒単位の時間に関して図示している。

図示された例では、デューティ比を決定するために、式（１）が使用されており、残るサブモジュールの特徴付ける温度と最小の特徴付ける温度の間の温度差が１°Ｃよりも大きい場合、式（１）は正の結果を提供すると規定される。それ以外の場合、式（２）を使用した。図２ａの温度差が１ケルビンに限定されていると見ることができる。

比較のために、図２ｂは、ＭＭＣのアームの摂氏単位の特徴付ける温度を秒単位の時間に関して図示しており、デューティ比が、温度に依存する手法により決定されていない。むしろ、式（２）だけを使用している。ここで、温度差が著しく、即ち、約４ケルビンにまで大きくなっている。

この改善された設計思想によるＭＭＣ又は方法を用いて、ＰＳＣ－ＰＷＭ及びＮＬＣのような既知のアプローチの欠点、特に、低い精度、高いＴＨＤ、大きなスイッチング損失、温度不平衡、寿命の低下及びデバイスを破壊させる虞が克服される。この改善された設計思想の利点は、アーム当たりのサブモジュール又はセルの数のより大きな範囲に対して、ＭＭＣの効率的な動作を可能にする。特に、この改善された設計思想は、アーム当たりのサブモジュールの数が少ない、或いは中程度の場合に、例えば、アーム当たりのサブモジュールが５～１００個、アーム当たりのサブモジュールが５～５０又はアーム当たりのサブモジュールが１０～１５の場合に最も有益である。

そのため、この改善された設計思想は、制御可能性の大きな欠点無しにＭＭＣの制御可能性の利点を生かすことを可能にする。特に、ＭＭＣの信頼性及び寿命に関して致命的な熱応力の管理が有益な手法により行われる。

ＣＵ 制御ユニット
Ａ，Ａｕ１，Ａｕ２，Ａｕ３，Ａｌ１，Ａｌ２，Ａｌ３ アーム
Ｌｕ１，Ｌｕ２，Ｌｕ３、Ｌｌ１，Ｌｌ２，Ｌｌ３ 誘導コンポーネント
ｋ、ｋ１，ｋ２，ｋ３ スイッチ
Ｒ 抵抗
ＰＡＣ，ＰＤＣ ポート
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ ＡＣポートの端子
ＳＭ，ＳＭ１，ＳＭ２，ＳＭ３，ＳＭＮ サブモジュール
Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２ 入力端子と出力端子
Ｉ１，Ｉ２ トランジスタ
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｃ コンデンサ

Claims (13)

1. モジュール式マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）を動作させる方法であり、この方法が、複数の連続する期間の間にＭＭＣのアーム（Ａ）の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）を制御する工程を有し、これらの複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の各々がそれぞれコンデンサ（Ｃ）を有し、この制御工程が、各期間の各々の間に、
   基準電圧の値をサンプリングする工程と、
   これらの複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の中から、このサンプリング値の近似に必要な整数ｎ個のサブモジュールを決定する工程と、
   これらの複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）のｎ個のサブモジュールの部分集合のサブモジュール毎に、当該サブモジュールを特徴付ける温度を決定する工程と、
   一つの残るサブモジュールを除いて、ｎ個のサブモジュールの部分集合の全てのサブモジュールを挿入する工程と、
   この決定された温度に応じて、デューティ比を決定する工程と、
   このデューティ比によって与えられる時間長の間、この残るサブモジュールを挿入する工程とを有し、
   この決定された温度の中の最小温度が特定されて、この最小温度に応じて、デューティ比が決定される当該方法。
2. 前記の各サブモジュールを特徴付ける温度が、当該各サブモジュールのスイッチング素子の接合部温度によって与えられる請求項１に記載の方法。
3. 前記の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の各サブモジュールが、当該各サブモジュールの挿入、バイパス及び／又はブロックのためのスイッチング装置（Ｓ１，Ｓ２）を有する請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記の複数のサブモジュールの中の一つのスイッチング装置（Ｓ１，Ｓ２）が第一のスイッチング素子（Ｓ１）と第二のスイッチング素子（Ｓ２）を有し、
   当該各サブモジュールの第一及び第二のスイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２）とコンデンサ（Ｃ）がハーフブリッジ型トポロジーにより配置されている請求項３に記載の方法。
5. 前記の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の中の一つを挿入するために、当該各サブモジュールのコンデンサ（Ｃ）が充電又は放電されるように、当該各サブモジュールの第一のスイッチング素子（Ｓ１）が閉じられるとともに、当該各サブモジュールの第二のスイッチング素子（Ｓ２）が開かれる請求項４に記載の方法。
6. 前記の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）を、各コンデンサ（Ｃ）を介する電圧に関して昇順又は降順に並べ替える工程と、
   この並べ替えに基づくサブモジュールの並べ替えリストを作成する工程と、
   を更に有し、
   前記のｎ個のサブモジュールの部分集合が、この並べ替えリストの最初のｎ個の登録サブモジュールに対応する請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記の並べ替えリストの決定されたサブモジュールを特徴付ける温度の中の最小温度と決定された基準サブモジュールを特徴付ける温度との間の温度差を決定する工程を更に有し、
   この温度差が予め決められた閾値よりも大きい場合に、前記の残るサブモジュールが、最小温度を決定されたサブモジュールによって与えられる請求項６に記載の方法。
8. 前記の温度差が予め決められた閾値よりも小さい場合に、前記の残るサブモジュールが、基準サブモジュールによって与えられる請求項７に記載の方法。
9. 制御ユニット（ＣＵ）と、複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）を備えたアーム（Ａ）とを有するモジュール式マルチレベルコンバータであって、
   これらの複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の各々が、それぞれコンデンサ（Ｃ）を有し、
   この制御ユニット（ＣＵ）が、複数の連続する期間の各々の間に、
   基準電圧の値をサンプリングし、
   これらの複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の中から、サンプリング値の近似に必要な整数ｎ個のサブモジュールを決定し、
   これらの複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の中のｎ個のサブモジュールの部分集合のサブモジュール毎に、当該各サブモジュールを特徴付ける温度を決定し、
   一つの残るサブモジュールを除いて、ｎ個のサブモジュールの部分集合の全てのサブモジュールを挿入し、
   これらの決定された温度に応じて、デューティ比を決定し、
   このデューティ比によって与えられる時間長の間、残るサブモジュールを挿入する、
   ように構成されており、
   これらの決定された温度の中の最小温度が特定されて、このデューティ比が、この最小温度に応じて決定される当該モジュール式マルチレベルコンバータ。
10. 前記の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の各々が、それぞれ当該サブモジュールの挿入、バイパス及びブロックのために設計された各スイッチング装置（Ｓ１，Ｓ２）を有する請求項９に記載のモジュール式マルチレベルコンバータ。
11. 前記の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の中の一つのスイッチング装置（Ｓ１，Ｓ２）が第一と第二のスイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２）を有し、
    当該各サブモジュールの第一及び第二のスイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２）とコンデンサ（Ｃ）がハーフブリッジ型トポロジーにより配置されている請求項９又は１０に記載のモジュール式マルチレベルコンバータ。
12. 前記の制御ユニット（ＣＵ）は、当該各サブモジュールのコンデンサ（Ｃ）が充電又は放電されるように、前記の複数のサブモジュール（ＳＭ１，．．．，ＳＭＮ）の中の一つを挿入するために、当該各サブモジュールの第一のスイッチング素子（Ｓ１）を閉じるとともに、第二のスイッチング素子（Ｓ２）を開くように構成されている請求項１１に記載のモジュール式マルチレベルコンバータ。
13. 前記のサブモジュールの中の一つのスイッチング装置（Ｓ１，Ｓ２）が少なくとも一つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉ１，Ｉ２）を有する請求項９～１２のいずれか１項に記載のモジュール式マルチレベルコンバータ。

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