JP5556703B2

JP5556703B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5556703B2
Application number: JP2011049079A
Authority: JP
Inventors: 康阿部; 眞橋井; 潔高橋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-03-07
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Description

本発明は、３レベル電力変換装置を構成するスイッチングデバイスの電力損失を均等化する電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力にまたは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置において、３レベル電力変換装置が採用されている。３レベル電力変換装置は、交流電圧の波形ひずみを低減することができ、低騒音化、低ノイズ化が可能である。

図９に特許文献１に開示されている３レベル電力変換装置の回路を示す。図９において、１は第１の直流電源、２は第２の直流電源、Ｍ１０，Ｍ２０はスイッチングデバイス、Ｑ１〜Ｑ４は第１〜第４の半導体スイッチング素子である。

第１の直流電源１と第２の直流電源２とは直列に接続され、直流電圧源直列回路を構成する。直流電圧源直列回路の一端は第１の端子Ｐであり、他端は第２の端子Ｎである。第１の直流電源１と第２の直流電源２との接続点は、第３の端子Ｃである。第１の直流電源１の電圧値と第２の直流電源２の電圧値とは、通常、同じ電圧値である。それぞれの電圧値をＥ／２［Ｖ］とすると、直流電圧源直列回路の両端の電圧値（第１の端子Ｐと第２の端子Ｎとの間の電圧値）はＥ［Ｖ］である。

スイッチングデバイスＭ１０は、半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２との直列回路（第１の直列回路）で構成される。半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２との直列回路の両端は、第１の端子Ｐと第２の端子Ｎとに接続されている。また、半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２との接続点は第４の端子ＡＣに接続されている。

一方、スイッチングデバイスＭ２０は、半導体スイッチング素子Ｑ３とＱ４との直列回路（第２の直列回路）で構成される。半導体スイッチング素子Ｑ３とＱ４との直列回路の両端は、第３の端子Ｃと半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２との接続点に接続されている。

第１〜第４の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、例えば自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などであり、その両端にはダイオードが逆並列に接続されている。

図９の回路において、半導体スイッチング素子Ｑ１のＩＧＢＴがオンし、半導体スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ４のＩＧＢＴがオフしているとき、第４の端子ＡＣにはＥ［Ｖ］の電圧が出力される。半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のＩＧＢＴがオフし、半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のＩＧＢＴのいずれかがオンしているとき、第４の端子ＡＣにはＥ／２［Ｖ］の電圧が出力される。半導体スイッチング素子Ｑ２のＩＧＢＴがオンし、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４のＩＧＢＴがオフしているとき、第４の端子ＡＣには０［Ｖ］の電圧が出力される。

これにより、図９に示した電力変換装置は、０［Ｖ］、Ｅ／２［Ｖ］、Ｅ［Ｖ］の３レベルの電位からなる交流電圧を生成することができる。

特開２００２−２４７８６２号公報

上述した従来技術の電力変換装置では、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１０で構成されている。また、半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を直列接続した第２の直列回路は、スイッチングデバイスＭ２０で構成されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に発生するスイッチング損失は、半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に発生するスイッチング損失の概ね２倍となる。そのため、一般に、スイッチングデバイスＭ１０で発生する損失の大きさは、スイッチングデバイスＭ２０で発生する損失の大きさに比べて約１．５倍となる。

したがって、スイッチングデバイスＭ１０とスイッチングデバイスＭ２０とを最適に冷却するためには、冷却性能が異なる２種類の冷却フィンを必要とする。その結果、冷却フィンの設計、製作、冷却性能の評価等において２倍の工数を要することになる。一方、同一の冷却性能を有する冷却フィンでスイッチングデバイスＭ１０とＭ２０とを冷却する場合には、冷却フィンの冷却性能はより大きな損失を発生するスイッチングデバイスＭ１０の損失特性に基づいて定められる。そのため、スイッチングデバイスＭ２０の冷却について考えると、冷却フィンの冷却性能はオーバースペックとなる。この場合には、電力変換装置の小型化、低コスト化の妨げとなる。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、スイッチングデバイスの発生損失を均等化することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によって提供される電力変換装置は、第１の直流電圧源と第２の直流電圧源とを直列接続してなる直流電圧源直列回路と、前記直流電圧源直列回路の正側端子に接続される第１の端子と、負側端子に接続される第２の端子と、前記第１の直流電圧源と第２の直流電圧源との接続点に接続される第３の端子と、ダイオードをそれぞれに逆並列接続した第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子とを直列接続してなる直列回路と、前記直列回路の第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子の接続点に接続される第４の端子と、第３の半導体スイッチング素子と第４の半導体スイッチング素子とを逆並列接続してなるスイッチ回路と、を備え、前記直列回路の両端は前記第１の端子と第２の端子とに接続され、前記並列回路の両端は前記第３の端子と第４の端子とに接続される電力変換装置において、前記第１の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とを第１のスイッチングデバイスで構成し、前記第２の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とを第２のスイッチングデバイスで構成するようにしたものである。

本発明によれば、スイッチングデバイスの発生損失を均等化することが可能な電力変換装置を提供することができる。

本発明に係る電力変換装置の第１の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第２の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第３の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第４の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第５の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第６の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第７の実施の形態を説明するための図である。本発明に係る電力変換装置の第８の実施の形態を説明するための図である。従来の電力変換装置を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図８を参照しながら説明する。なお、図１〜図８において、第１の直流電源１と第２の直流電源２および半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２は図９に示した電力変換装置の構成要素と同じである。したがって、それぞれの構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。また、電力変換装置を構成する第１の直列回路が半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２とを直列に接続した回路からなる点も同じである。

一方、図１〜図８において、第３の端子Ｃと第４の端子ＡＣとの間には、半導体スイッチング素子Ｑ３ａとＱ４ａとが逆並列に接続されたスイッチ回路が接続されている。半導体スイッチング素子Ｑ３ａとＱ４ａは、ＲＢ−ＩＧＢＴ（逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの逆耐圧を有しかつ自己消弧能力を有する半導体スイッチング素子である。そして、スイッチングデバイスＭ１１〜Ｍ１８は半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ３ａとで構成されている。また、スイッチングデバイスＭ２１〜Ｍ２８は半導体スイッチング素子Ｑ２とＱ４ａとで構成されている。これらが、図９に示した電力変換装置の構成と異なる部分の概要である。

図１は、本発明に係る電力変換装置の第１の実施形態を説明するための図である。
図１において、スイッチングデバイスＭ１１は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１，Ｃ３，Ｅ３の４端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｅ１はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ３はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

スイッチングデバイスＭ２１は外部回路と接続するための端子Ｃ２，Ｅ２，Ｃ４，Ｅ４の４端子を有している。端子Ｃ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と接続され、端子Ｅ２はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ４はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１１の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２１の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｅ１とスイッチングデバイスＭ２１の端子Ｃ２とが接続されている。この接続点が第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｃ１が第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２１の端子Ｅ２が第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１１の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２１の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２１の端子Ｅ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２１の端子Ｃ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２１の端子Ｅ４との接続点は、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｅ１とスイッチングデバイスＭ２１の端子Ｃ２との接続点に接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ１１の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２１の端子Ｃ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１１とＭ２１とを組み合わせて、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図２は、本発明に係る電力変換装置の第２の実施形態を説明するための図である。

図２において、スイッチングデバイスＭ１２は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１Ｃ３，Ｅ３の３端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｅ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのエミッタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ１２の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ１のエミッタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｅ１Ｃ３に接続されている。

スイッチングデバイスＭ２２は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｅ４，Ｅ２，Ｃ４の３端子を有している。端子Ｅ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のエミッタ端子に接続され、端子Ｃ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ２２の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ４ａのエミッタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｅ４に接続されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１２の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２２の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１２の端子Ｅ１Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２２の端子Ｃ２Ｅ４とが接続されている。この接続点は、第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１２の端子Ｃ１は第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２２の端子Ｅ２は第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１２の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２２の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１２の端子Ｅ１Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２２の端子Ｃ２Ｅ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１２の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２２の端子Ｃ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１２の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２２の端子Ｃ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１２とＭ２２とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図３は、本発明に係る電力変換装置の第３の実施形態を説明するための図である。

図３において、スイッチングデバイスＭ１３は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１，Ｃ３，Ｅ３の４端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｅ１はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ３はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

スイッチングデバイスＭ２３は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｅ４，Ｅ２，Ｃ４の３端子を有している。端子Ｅ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のエミッタ端子に接続され、端子Ｃ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ２３の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ４ａのエミッタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｅ４に接続されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１３の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２３の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｅ１とスイッチングデバイスＭ２３の端子Ｃ２Ｅ４とが接続されている。この接続点は、第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｃ１は第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２３の端子Ｅ２は第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１３の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２３の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２３の端子Ｃ２Ｅ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２３の端子Ｃ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２３の端子Ｃ２Ｅ４との接続点が、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｅ１に接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ１３の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２３の端子Ｃ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１３とＭ２３とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図４は、本発明に係る電力変換装置の第４の実施形態を説明するための図である。

図４において、スイッチングデバイスＭ１４は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１Ｃ３，Ｅ３の３端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｅ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのエミッタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ１４の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ１のエミッタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｅ１Ｃ３に接続されている。

スイッチングデバイスＭ２４は外部回路と接続するための端子Ｃ２，Ｅ２，Ｃ４，Ｅ４の４端子を有している。端子Ｃ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と接続され、端子Ｅ２はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ４はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１４の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２４の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１４の端子Ｅ１Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２４の端子Ｃ２とが接続されている。この接続点は、第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１４の端子Ｃ１は第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２４の端子Ｅ２は第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１４の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２４の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１４の端子Ｅ１Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２４の端子Ｅ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１４の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２４の端子Ｃ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１４の端子Ｅ１Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２４の端子Ｅ４との接続点は、スイッチングデバイスＭ２４の端子Ｃ２に接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ１４の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２４の端子Ｃ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１４とＭ２４とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図５は、本発明に係る電力変換装置の第５の実施形態を説明するための図である。

図５において、スイッチングデバイスＭ１５は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１，Ｃ３，Ｅ３の４端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｅ１はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ３はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

スイッチングデバイスＭ２５は外部回路と接続するための端子Ｃ２，Ｅ２，Ｃ４，Ｅ４の４端子を有している。端子Ｃ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と接続され、端子Ｅ２はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ４はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１５の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２５の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｅ１とスイッチングデバイスＭ２５の端子Ｃ２とが接続されている。この接続点が第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｃ１が第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２５の端子Ｅ２が第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１５の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２５の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２５の端子Ｃ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２５の端子Ｅ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２５の端子Ｃ４との接続点は、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｅ１とスイッチングデバイスＭ２５の端子Ｃ２との接続点に接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ１５の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２５の端子Ｅ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１５とＭ２５とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図６は、本発明に係る電力変換装置の第６の実施形態を説明するための図である。

図６において、スイッチングデバイスＭ１６は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１Ｅ３，Ｃ３の３端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｃ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ１６の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ１のエミッタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ３ａのエミッタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｅ１Ｅ３に接続されている。

スイッチングデバイスＭ２６は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｃ４，Ｅ２，Ｅ４の３端子を有している。端子Ｅ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のエミッタ端子に接続され、端子Ｅ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのエミッタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ２６の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｃ４に接続されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１６の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２６の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１６の端子Ｅ１Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２６の端子Ｃ２Ｃ４とが接続されている。この接続点は、第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１６の端子Ｃ１は第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２６の端子Ｅ２は第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１６の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２６の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１６の端子Ｅ１Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２６の端子Ｃ２Ｃ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１６の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２６の端子Ｅ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１６の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２６の端子Ｅ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１６とＭ２６とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図７は、本発明に係る電力変換装置の第７の実施形態を説明するための図である。

図７において、スイッチングデバイスＭ１７は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１，Ｃ３，Ｅ３の４端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｅ１はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ３はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

スイッチングデバイスＭ２７は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｃ４，Ｅ２，Ｅ４の３端子を有している。端子Ｅ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のエミッタ端子に接続され、端子Ｅ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのエミッタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ２７の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｃ２Ｃ４に接続されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１７の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２７の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｅ１とスイッチングデバイスＭ２７の端子Ｃ２Ｃ４とが接続されている。この接続点は、第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｃ１は第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２７の端子Ｅ２は第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１７の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２７の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２７の端子Ｃ２Ｃ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２７の端子Ｅ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑ３ａと半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｅ３とスイッチングデバイス２７の端子Ｃ２Ｃ４との接続点が、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｅ１に接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ１７の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２７の端子Ｅ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１７とＭ２７とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
図８は、本発明に係る電力変換装置の第８の実施形態を説明するための図である。

図８において、スイッチングデバイスＭ１８は外部回路と接続するための端子Ｃ１，Ｅ１Ｅ３，Ｃ３の３端子を有している。端子Ｃ１は半導体スイッチング素子Ｑ１のコレクタ端子に接続され、端子Ｃ３は半導体スイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ端子に接続されている。そして、スイッチングデバイスＭ１８の内部において、半導体スイッチング素子Ｑ１のエミッタ端子と半導体スイッチング素子Ｑ３ａのエミッタ端子とが接続されている。この接続点は外部回路と接続するための端子Ｅ１Ｅ３に接続されている。

スイッチングデバイスＭ２８は外部回路と接続するための端子Ｃ２，Ｅ２，Ｃ４，Ｅ４の４端子を有している。端子Ｃ２は半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子と接続され、端子Ｅ２はエミッタ端子に接続されている。また、端子Ｃ４は半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子と接続され、端子Ｅ４はエミッタ端子に接続されている。そして、半導体スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子とエミッタ端子および半導体スイッチング素子Ｑ４ａのコレクタ端子とエミッタ端子とはそれぞれ絶縁されている。

次に、第１の直列回路は、スイッチングデバイスＭ１８の半導体スイッチング素子Ｑ１とスイッチングデバイスＭ２８の半導体スイッチング素子Ｑ２とが直列に接続された回路である。この第１の直列回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１８の端子Ｅ１Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２８の端子Ｃ２とが接続されている。この接続点は、第４の端子ＡＣに接続されている。また、スイッチングデバイスＭ１８の端子Ｃ１は第１の端子Ｐに接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ２８の端子Ｅ２は第２の端子Ｎに接続されている。

スイッチ回路は、スイッチングデバイスＭ１８の半導体スイッチング素子Ｑ３ａとスイッチングデバイスＭ２８の半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続された回路である。このスイッチ回路を構成するため、スイッチングデバイスＭ１８の端子Ｅ１Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２８の端子Ｃ４とが接続され、スイッチングデバイスＭ１８の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２８の端子Ｅ４とが接続されている。これにより、半導体スイッチング素子Ｑａ３と半導体スイッチング素子Ｑ４ａとが逆並列に接続される。また、スイッチングデバイスＭ１８の端子Ｅ１Ｅ３とスイッチングデバイスＭ２８の端子Ｃ４との接続点は、スイッチングデバイスＭ２８の端子Ｃ２に接続されている。さらに、スイッチングデバイスＭ１８の端子Ｃ３とスイッチングデバイスＭ２８の端子Ｅ４との接続点は、第３の端子Ｃに接続されている。

このようにスイッチングデバイスＭ１８とＭ２８とを組み合わせても、３レベル電力変換装置を構成することができる。
上記図１〜図８に示した電力変換装置において、半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２とで発生する損失は同じである。また、半導体スイッチング素子Ｑ３ａとＱ４ａとで発生する損失は同じである。したがって、スイッチングデバイスＭ１１〜Ｍ１８とＭ２１〜Ｍ２８とで発生する損失は同じである。すなわち、図１〜図８に示したスイッチングデバイスＭ１１〜Ｍ１８とＭ２１〜Ｍ２８とを用いて電力変換装置を構成することにより、スイッチングデバイスＭ１１〜Ｍ１８とＭ２１〜Ｍ２８とで発生する損失を均等にすることができる。

また、図１〜図８に示すように、半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２には、第１の直流電圧源１の電圧値Ｅ／２［Ｖ］と第２の直流電圧源２の電圧値Ｅ／２［Ｖ］とを足し合わせた電圧値Ｅ［Ｖ］が印加される。また、半導体スイッチング素子Ｑ３ａとＱ４ａには、第１の直流電圧源１の電圧値Ｅ／２［Ｖ］または第２の直流電圧源２の電圧値Ｅ／２［Ｖ］が印加される。

したがって、より好ましい実施形態においては、半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２には、Ｅ［Ｖ］よりも高い順方向耐圧を有する半導体スイッチング素子を使用する。
そして、図１〜図４に示した半導体スイッチング素子Ｑ３ａには、第１の直流電圧源１の電圧値Ｅ／２［Ｖ］よりも高い順方向耐圧を有し、かつ半導体スイッチング素子Ｑ１よりも低い順方向耐圧を有する半導体スイッチング素子を使用する。一方、半導体スイッチング素子Ｑ４ａには、第２の直流電圧源１の電圧値Ｅ／２［Ｖ］よりも高い順方向耐圧を有し、かつ半導体スイッチング素子Ｑ２よりも低い順方向耐圧を有する半導体スイッチング素子を使用する。

また、図５〜図８に示した半導体スイッチング素子Ｑ３ａには、第２の直流電圧源２の電圧値Ｅ／２［Ｖ］よりも高い順方向耐圧を有し、かつ半導体スイッチング素子Ｑ１よりも低い順方向耐圧を有する半導体スイッチング素子を使用する。一方、半導体スイッチング素子Ｑ４ａには、第１の直流電圧源１の電圧値Ｅ／２［Ｖ］よりも高い順方向耐圧を有し、かつ半導体スイッチング素子Ｑ２よりも低い順方向耐圧を有する半導体スイッチング素子を使用する。

一般に、順方向耐圧の低い半導体スイッチング素子は、順方向耐圧が高い半導体スイッチング素子に比べて、スイッチング動作時に発生する損失が少ない。したがって、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ａ，Ｑ４ａに同じ順方向耐圧を有する半導体スイッチング素子を使用する場合に比べて、スイッチングデバイスＭ１１〜Ｍ１８とＭ２１〜Ｍ２８の損失を少なくすることができる。

１・・・第１の直流電源、２・・・第２の直流電源、Ｍ１０，Ｍ１１〜Ｍ１８・・・第１のスイッチングデバイス、Ｍ２０，Ｍ２１〜Ｍ２８・・・第２のスイッチングデバイス、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ３ａ，Ｑ４ａ・・・半導体スイッチング素子、Ｐ・・・第１の端子、Ｎ・・・第２の端子、Ｃ・・・第３の端子、ＡＣ・・・第４の端子。

Claims

第１の直流電圧源と第２の直流電圧源とを直列接続してなる直流電圧源直列回路と、
前記直流電圧源直列回路の正側端子に接続される第１の端子と、負側端子に接続される第２の端子と、前記第１の直流電圧源と第２の直流電圧源との接続点に接続される第３の端子と、
ダイオードをそれぞれに逆並列接続した第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子とを直列接続してなる直列回路と、
前記直列回路の第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子の接続点に接続される第４の端子と、
第３の半導体スイッチング素子と第４の半導体スイッチング素子とを逆並列接続してなるスイッチ回路と、
を備え、
前記直列回路の両端は前記第１の端子と第２の端子とに接続され、
前記並列回路の両端は前記第３の端子と第４の端子とに接続され
る電力変換装置において、
前記第１の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とを第１のスイッチングデバイスで構成し、
前記第２の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とを第２のスイッチングデバイスで構成する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記第１の半導体スイッチング素子の端子と前記第３の半導体スイッチング素子の端子とは前記第１のスイッチングデバイスにおいて電気的に絶縁され、
前記第２の半導体スイッチング素子の端子と前記第４の半導体スイッチング素子の端子とは前記第２のスイッチングデバイスにおいて電気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とは前記第１のスイッチングデバイスの内部において直列に接続され、
前記第２の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とは前記第２のスイッチングデバイスの内部において直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とは前記第１のスイッチングデバイスの内部において逆直列に接続され、
前記第２の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とは前記第２のスイッチングデバイスの内部において逆直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とは前記第１のスイッチングデバイスの内部において直列または逆直列に接続され、
前記第２の半導体スイッチング素子の端子と前記第４の半導体スイッチング素子の端子とは前記第２のスイッチングデバイスの内部において電気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の半導体スイッチング素子の端子と前記第３の半導体スイッチング素子の端子とは前記第１のスイッチングデバイスの内部において電気的に絶縁され、
前記第２の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とは前記第２のスイッチングデバイスの内部において直列または逆直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の直流電圧源に対して前記第１の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とが直列に接続され、前記第２の直流電圧源に対して前記第２の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とが直列に接続された請求項１，２，３，５，６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子とは前記直流電圧源直列回路の両端電圧よりも高い順方向耐圧を有し、
前記第３の半導体スイッチング素子の順方向耐圧は前記第１の直流電圧源の電圧よりも高くかつ前記第１の半導体スイッチング素子の順方向耐圧よりも低く、
前記第４の半導体スイッチング素子の順方向耐圧は前記第２の直流電圧源の電圧よりも高くかつ前記第２の半導体スイッチング素子の順方向耐圧よりも低い
ことを特徴とする電力変換装置。
前記第１の直流電圧源に対して前記第１の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子とが直列に接続され、前記第２の直流電圧源に対して前記第２の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子とが直列に接続された請求項１，２，４，５，６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子とは前記直流電圧源直列回路の両端電圧よりも高い順方向耐圧を有し、
前記第３の半導体スイッチング素子の順方向耐圧は前記第２の直流電圧源の電圧よりも高くかつ前記第１の半導体スイッチング素子の順方向耐圧よりも低く、
前記第４の半導体スイッチング素子の順方向耐圧は前記第１の直流電圧源の電圧よりも高くかつ前記第２の半導体スイッチング素子の順方向耐圧よりも低い
ことを特徴とする電力変換装置。