JP4742229B2

JP4742229B2 - ５レベルインバータとその駆動方法

Info

Publication number: JP4742229B2
Application number: JP2005031228A
Authority: JP
Inventors: 壮章田畑; 英俊海田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-08
Also published as: JP2006223009A

Description

この発明は電力変換装置、特に３つ以上の複数の電圧を出力できる５レベルインバータとその駆動方法に関する。

図９に、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いた一般的な電力変換装置（インバータ）の１相分を示す。
図９（ａ）は２レベルインバータ、同（ｂ）は３レベルインバータ、同（ｃ）は５レベルインバータをそれぞれ示している。各ＩＧＢＴ素子Ｑｕ，Ｑｘを任意にオン・オフさせることにより、出力電圧Ｖｏを図９（ａ）ではＰ，Ｎの２電位、図９（ｂ）ではＰ，Ｃ，Ｎの３電位、図９（ｃ）ではＰ，Ｐ’，Ｃ，Ｎ’，Ｎの５電位をそれぞれ出力することができる。３つ以上の電位を出力できるインバータを総称して、マルチレベルインバータと呼ばれることがある。

各ＩＧＢＴのオン・オフ信号は、例えば特許文献１にも示されるように、出力したい電圧波形Ｖｓと三角波Ｖｃとの比較結果により決定するのが一般的である。三角波Ｖｃの周波数はスイッチング周波数またはキャリア周波数と呼ばれ、この周波数を高くすることでインバータから出力される電流リップルが抑えられるが、ＩＧＢＴのスイッチング時に発生する損失が増大するというトレードオフがある。また、２レベルインバータよりもマルチレベルインバータとすることで、スイッチング周波数を高めることなく出力電流のリップルが抑えられるが、使用素子数が増加することや配線が複雑になるというトレードオフがある。

一方、直流電圧が１素子あたりの耐圧より大きいときには、ＩＧＢＴを複数個直列に接続して使用する。例えば、図１０（ａ）のＱｕ１を図１０（ｂ）のようにｎ個直列に接続する。同様に、Ｑｕ２，Ｑｘ１，Ｑｘ２，Ｄｕ，Ｄｘもｎ個直列に接続する。したがって、例えば、図１０（ａ）の３レベルインバータにおいて２個直列に接続する場合は、図１０（ｃ）のような構成となる。例えば図９において、Ｐ−Ｎ間の直流電圧Ｅｄが（ａ）〜（ｃ）とも同じで、かつ適用されるＩＧＢＴの耐圧が同じであれば、図１１に示すように同図（ａ）の２レベルインバータでは４直列、同図（ｂ）の３レベルインバータでは２直列必要となる。さらに、３レベルインバータではクランプダイオードＤｃｎ（ｎ＝１〜４）がそれぞれ直列接続され、５レベルインバータではダイオードＤｕｎ（ｎ＝１〜４），Ｄｘｎ（ｎ＝１〜４）が追加接続される。

図１２は、３レベルインバータの動作説明図である。
図１２（ａ）において、Ｑｕ１１〜Ｑｕ２２をオンさせると、出力電圧ＶｏはＶｏ＝Ｐとなり、図１２（ｂ）のようにＱｕ２１，Ｑｕ２２，Ｑｘ１１，Ｑｘ１２をオンさせると、出力電圧ＶｏはＶｏ＝Ｃとなり、図１２（ｃ）のようにＱｘ１１〜Ｑｘ２２をオンさせると、出力電圧ＶｏはＶｏ＝Ｎとなる。これらのオン・オフ信号は、図９（ｂ）の出力したい電圧波形Ｖｓと三角波Ｖｃ１，Ｖｃ２との比較結果により決定される。また、Ｑｕ１１とＱｕ１２，Ｑｕ２１とＱｕ２２、Ｑｘ１１とＱｘ１２，Ｑｘ２１とＱｘ２２はそれぞれ同時にオンさせることが必要である。同時にオン・オフさせる方式には種々あるが、例えば特許文献２に示すものがある。

特開２００３−３１９６６２号公報特開２００２−２０４５７８号公報

ところで、５レベルインバータは３レベルインバータに比べて出力できる電位の数が多いため、ＩＧＢＴのスイッチング周波数を高めることなく、出力電流のリップルをより小さくすることが容易になる。しかし、５レベルインバータは使用する素子数が多くなって配線等が複雑化し、大型化するだけでなくコストアップとなる。
したがって、この発明の課題は、使用する素子数をできるだけ少なくして簡素化と低コスト化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、第１の直流電源群と第２の直流電源群との直列接続回路からなる正極・負極間に、第１，第２，第３および第４のスイッチング素子群を直列に接続し、第１と第２のスイッチング素子群の接続点と第１と第２の直流電源群の接続点としての中性点との間に第１のダイオード群を接続するとともに、第３と第４のスイッチング素子群の接続点と第１と第２の直流電源群の接続点としての中性点との間に第２のダイオード群を接続し、かつ第１のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と第１の直流電源群内の任意の電源接続点との間に第５のスイッチング素子を、さらに第４のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と第２の直流電源群内の任意の電源接続点との間に第６のスイッチング素子を接続したことを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記第５のスイッチング素子および第６のスイッチング素子を、それぞれ複数のスイッチング素子の直列接続回路から構成することができ（請求項２の発明）、または、前記第１のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と第５のスイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と第６のスイッチング素子は、それぞれ交互にオン・オフさせることができる（請求項３の発明）。

また、上記請求項１の発明においては、前記第２および第３のスイッチング素子群は各群毎に各スイッチング素子をそれぞれ同時にオン・オフさせ、前記第１および第４のスイッチング素子群は各群毎に各スイッチング素子をそれぞれ同時にオン・オフさせるか、第１のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と第５のスイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と第６のスイッチング素子を交互にオン・オフさせるかのいずれか一方とすることができる（請求項４の発明）。上記請求項２の発明においては、前記第１のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第５のスイッチング素子の全スイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第６のスイッチング素子の全スイッチング素子は、それぞれ交互にオン・オフさせることができる（請求項５の発明）。

また、上記請求項２の発明においては、前記第２および第３のスイッチング素子群は各群毎にそれぞれ同時にオン・オフさせ、前記第１および第４のスイッチング素子群はそれぞれ同時にオン・オフさせるか、第１のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第５のスイッチング素子の全スイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第６のスイッチング素子の全スイッチング素子を交互にオン・オフさせるかのいずれか一方とすることができる（請求項６の発明）。

この発明によれば、必要最小限の素子を用いてマルチレベル（特に５レベル）インバータを構成するようにしたので、配線の簡素化、装置の小型，低コスト化が可能となる利点が得られる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図で、ｎ＝２直列の場合である。
これは、第１の直流電源群Ｃ１１，Ｃ１２と第２の直流電源群Ｃ２１，Ｃ２２との直列接続回路からなる正極・負極間に、第１，第２，第３および第４のスイッチング素子群を直列に接続し、第１と第２のスイッチング素子群の接続点と第１と第２の直流電源群の接続点との間に第１のダイオード群Ｄｕ１，Ｄｕ２を接続するとともに、第３と第４のスイッチング素子群の接続点と第１と第２の直流電源群の接続点との間に第２のダイオード群Ｄｘ１，Ｄｘ２を接続し、かつ第１のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と第１の直流電源群内の任意の電源接続点との間に第５のスイッチング素子Ｑｕ３を、さらに第４のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と第２の直流電源群内の任意の電源接続点との間に第６のスイッチング素子Ｑｘ３を接続して構成されている。

図１の動作について、図２〜図４を参照して説明する。なお、図２〜図４の太実線矢印は電流の流出経路を、また点線矢印は電流の流入経路を示す。
図２において、Ｑｕ１１，Ｑｕ１２，Ｑｕ２１，Ｑｕ２２をオンさせると、出力電圧はＶｏ＝Ｐとなる（図２（ａ）参照）。また、Ｑｕ２１，Ｑｕ２２，Ｑｘ１１，Ｑｘ１２をオンさせると、出力電圧はＶｏ＝Ｃとなり（図２（ｂ）参照）、Ｑｘ１１，Ｑｘ１２，Ｑｘ２１，Ｑｘ２２をオンさせると、出力電圧はＶｏ＝Ｎとなる（図２（ｃ）参照）。ここまでの動作は、図１２の３レベルインバータの動作と同じである。

図３にＶｏ＝Ｐ’とする場合を示す。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ図２（ａ），（ｂ）と同じである。図３（ａ）でＱｕ１１をオフ、Ｑｕ３をオンすれば、出力電圧はＶｏ＝Ｐ’とすることができる（図３（ａ’）参照）。
図４にＶｏ＝Ｎ’とする場合を示す。図４（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図２（ｂ），（ｃ）と同じである。図４（ｃ）でＱｘ２２をオフ、Ｑｘ３をオンすれば、出力電圧はＶｏ＝Ｎ’とすることができる（図４（ｃ’）参照）。
以上、図３および図４のようにして５種類の電圧を出力させることができる。

なお、図３（ａ）から（ａ’）、または図３（ａ’）から（ａ）に状態を変化させるときは、図５（ａ），（ａ’）のようにＱｕ１１とＱｕ３を交互にオン・オフさせ、図４（ｃ）から（ｃ’）または図４（ｃ’）から（ｃ）に状態を変化させるときは、図６（ｃ’），（ｃ）に示すようにＱｘ２２とＱｘ３を交互にオン・オフさせることで、出力電圧を任意に調整することができる。

Ｑｕ１１とＱｕ３をオン・オフさせるためのスイッチング周波数Ｖｃ１’（図５（ａ”）参照）、およびＱｘ２２とＱｘ３をオン・オフさせるためのスイッチング周波数Ｖｃ２’（図６（ｃ”）は、Ｑｕ１１とＱｕ１２、Ｑｕ２１とＱｕ２２、Ｑｘ１１とＱｘ１２、Ｑｘ２１とＱｘ２２のオン・オフ信号を決定するスイッチング周波数Ｖｃ１またはＶｃ２と同じか、または異なる周波数とすれば、出力電圧を自由に変化させることができる。

図７にこの発明の別の実施の形態を示す。
図７（ａ）において、Ｑｕ１１とＱｕ１２、Ｑｕ２１とＱｕ２２、Ｑｘ１１とＱｘ１２、Ｑｘ２１とＱｘ２２は、出力電圧ＶｏをＰ⇔Ｃ⇔Ｎと切り換えて出力させる場合、それぞれ同時にオン・オフさせるためのバランス制御を実施する。一方、出力電圧ＶｏをＰ’，Ｎ’とするＱｕ１１とＱｕ１２のバランス制御機能を止め、Ｖｏ＝Ｐ⇔Ｐ’と切り換える場合はＱｕ１１とＱｕ３を交互にオン・オフさせ、またＶｏ＝Ｎ’⇔Ｎと切り換える場合はＱｘ２２とＱｘ３を交互にオン・オフさせる。この場合について、図７（ｂ）を参照して説明する。

図７（ｂ）では、ゲートのオン・オフ信号のタイミングを調整する手段として、Ｑｕ１１とＱｕ１２のゲート線に磁気結合回路ＧＴｒを設け、その一次，二次間にスイッチＳ１１，Ｓ１２を接続している。
この構成で、例えば制御装置からの切換信号に基き出力電圧ＶｏをＶｏ＝ＰまたはＣにする場合、Ｑｕ１１とＱｕ１２を同時にオン・オフさせるため、スイッチＳ１１，Ｓ１２はオフさせる。これにより、Ｑｕ１１とＱｕ１２はＧＴｒにより磁気結合されるため、同時にオン・オフすることになる。

次に、Ｑｕ１１とＱｕ３を交互にオン・オフさせるには、スイッチＳ１１，Ｓ１２をオンさせる。これにより、ＧＴｒの両端間が短絡され、Ｑｕ１１とＱｕ１２のゲートは互いに独立し、Ｑｕ１１のオン・オフはＱｕ１２に影響を与えない。その結果、図７（ｃ），（ｃ’）のようなタイムチャートとなり、Ｑｕ１１とＱｕ３をオン・オフさせることができるようになる。

図８に、この発明のさらに別の実施の形態を示す。これは、１アーム当りの素子をｎ個直列に接続した例である。
図８に示すように、例えばＱｕ１の直列群Ｑｕ１１，Ｑｕ１ｍ，Ｑｕ１（ｍ＋１），Ｑｕ１ｎのＱｕ１ｍとＱｕ１（ｍ＋１）との接続点と、第１の直流電源群Ｃ１１１，Ｃ１１２，Ｃ１１ｎ，Ｃ１２１，Ｃ１２２，Ｃ１２ｎのＣ１１ｎとＣ１２１との接続点との間に、Ｑｕ３の直列群Ｑｕ３１，第２のＱｕ３ｍを接続した例である。その動作は図２〜４と全く同様に行なわれ、さらなる高電圧化にも対応可能である。

この発明の実施の形態を示す回路図図１の第１の動作説明図図１の第２の動作説明図図１の第３の動作説明図図１の第４の動作説明図図１の第５の動作説明図この発明の別の実施の形態説明図この発明のさらに別の実施の形態を示す回路図従来例の説明図従来の素子直列接続例を示す回路図インバータの種々の例を示す説明図３レベルインバータの動作説明図

符号の説明

Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２…直流電源、Ｑｕ１１〜Ｑｕ２２，Ｑｘ１１〜Ｑｘ２２…スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、Ｄｕ１，Ｄｕ２、Ｄｘ１，Ｄｘ２…ダイオード、Ｖ₀…出力電圧。

Claims

第１の直流電源群と第２の直流電源群との直列接続回路からなる正極・負極間に、第１，第２，第３および第４のスイッチング素子群を直列に接続し、第１と第２のスイッチング素子群の接続点と第１と第２の直流電源群の接続点としての中性点との間に第１のダイオード群を接続するとともに、第３と第４のスイッチング素子群の接続点と第１と第２の直流電源群の接続点としての中性点との間に第２のダイオード群を接続し、かつ第１のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と第１の直流電源群内の任意の電源接続点との間に第５のスイッチング素子を、さらに第４のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と第２の直流電源群内の任意の電源接続点との間に第６のスイッチング素子を接続したことを特徴とする５レベルインバータ。
前記第５のスイッチング素子および第６のスイッチング素子を、それぞれ複数のスイッチング素子の直列接続回路から構成することを特徴とする請求項１に記載の５レベルインバータ。
前記第１のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と第５のスイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と第６のスイッチング素子は、それぞれ交互にオン・オフさせることを特徴とする請求項１に記載の５レベルインバータの駆動方法。
前記第２および第３のスイッチング素子群は各群毎に各スイッチング素子をそれぞれ同時にオン・オフさせ、前記第１および第４のスイッチング素子群は各群毎に各スイッチング素子をそれぞれ同時にオン・オフさせるか、第１のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と第５のスイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と第６のスイッチング素子を交互にオン・オフさせるかのいずれか一方とすること特徴とする請求項１に記載の５レベルインバータの駆動方法。
前記第１のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第５のスイッチング素子の全スイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群内の１つまたは複数のスイッチング素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第６のスイッチング素子の全スイッチング素子は、それぞれ交互にオン・オフさせることを特徴とする請求項２に記載の５レベルインバータの駆動方法。
前記第２および第３のスイッチング素子群は各群毎にそれぞれ同時にオン・オフさせ、前記第１および第４のスイッチング素子群はそれぞれ同時にオン・オフさせるか、第１のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第５のスイッチング素子の全スイッチング素子、および前記第４のスイッチング素子群のうちの１つまたは複数の素子と複数のスイッチング素子の直列接続回路からなる第６のスイッチング素子の全スイッチング素子を交互にオン・オフさせるかのいずれか一方とすること特徴とする請求項２に記載の５レベルインバータの駆動方法。