JP5824111B2 - マルチレベルインバータ - Google Patents
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Description
本発明は、インバータに関し、より詳しくは、高圧のマルチレベル（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ）インバータに関するものである。
マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力線間電圧（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の実効値（ｒｏｏｔ ｍｅａｎｓ ｑｕａｒｅ）が６００Ｖ以上の入力電源を有するインバータであって、出力相電圧（ｏｕｔｐｕｔ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ）は、複数のステップを有する。高圧インバータは、一般に、数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するのに用いられており、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（ｈｏｉｓｔ）、コンベヤー（ｃｏｎｖｅｙｏｒ）などの分野で主に用いられる。
通常の電圧型の高圧インバータは、直列接続型のＨ−ブリッジインバータ（ＣａｓｃａｄｅｄＨ−ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を用いるか、これを変形した直列接続型のＮＰＣインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を用いる。最近、使用を開始した直列接続型のＮＰＣインバータは、従来の直列接続型のＨ−ブリッジインバータに比べて、その体積が小さいという点が大きくクローズアップされている。
様々な分野においてインバータが適用されるマルチレベル高圧インバータの場合、より小さな素子で構成され、より高い効率を有することが望まれる。
本発明は、導通損失（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）を減少させて効率の向上に適する構造を有するマルチレベル高圧インバータを提供する。
本発明は、３相の第１位相電圧を入力して整流した第１整流電圧と、３相の第２相電圧を入力して整流した第２整流電圧とを提供する整流部と、前記整流部で整流した第１整流電圧と第２整流電圧とを入力して、互いに異なる第１乃至第３ノードにそれぞれ異なるレベルの電圧で提供するための平滑部と、前記平滑部で提供される３つのレベルの電圧を伝達するために、複数のスイッチ部を有するインバータ部と、を備え、前記インバータ部は、前記第１ノードと第１出力端との間に設けられる第１スイッチ部と、前記第２ノードと前記第１出力端との間に設けられる第２スイッチ部と、前記第３ノードと前記第１出力端との間に設けられる第３スイッチ部と、前記第１ノードと第２出力端との間に設けられる第４スイッチ部と、前記第２ノードと前記第２出力端との間に設けられる第５スイッチ部と、前記第３ノードと前記第２出力端との間に設けられる第６スイッチ部と、を備えるマルチレベルインバータを提供する。
また、前記第１乃至第６スイッチ部は、電力用半導体とダイオードとを備える。
また、前記第２スイッチ部は、前記第２ノードから前記第１出力端に電流の方向性を有する第１ダイオードと、前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、前記第１電力用半導体と逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える。
また、前記第１スイッチ部は、前記第１出力端から前記第１ノードに電流の方向性を有する第１ダイオードと、前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を備える。
また、前記第３スイッチ部は、前記第３ノードから前記第１出力端に電流の方向性を有する第２ダイオードと、前記第２ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える。
また、前記第５スイッチ部は、前記第２ノードから前記第２出力端に電流の方向性を有する第１ダイオードと、前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、及び前記第１電力用半導体と逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える。
また、前記第４スイッチ部は、前記第２出力端から前記第１ノードに電流の方向性を有する第１ダイオードと、前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を備える。
また、前記第６スイッチ部は、前記第３ノードから前記第２出力端に電流の方向性を有する第２ダイオードと、前記第２ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える。
また、前記平滑部は、直列接続された第１及び第２キャパシタを備え、前記第１キャパシタは、前記第１整流電圧を一側と他側を介して印加され、前記第２キャパシタは、前記第２整流電圧を一側と他側を介して印加され、前記第１及び第２キャパシタの一側と、共通ノード及び他側のノードが、それぞれ、前記第１乃至第３ノードである。
また、前記整流部は、前記第１キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第１位相電圧の第１相電圧を受ける第１及び第２ダイオードと、前記第１キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第１位相電圧の第２相電圧を受ける第３及び第４ダイオードと、前記第１キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第１位相電圧の第３相電圧を受ける第５及び第６ダイオードと、前記第２キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第２位相電圧の第１相電圧を受ける第７及び第８のダイオードと、前記第２キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第２位相電圧の第２相電圧を受ける第９及び第１０ダイオードと、及び前記第２キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第２位相電圧の第３相電圧を受ける第１１及び第１２のダイオードを備える。
また、前記平滑部は、直列接続された第１乃至第４キャパシタを備え、前記第１及び第２キャパシタの一側と他側がそれぞれ前記第１及び第２ノードであり、前記第４キャパシタの他側が前記第３ノードであり、前記第１キャパシタ及び第２キャパシタの一側と他側を介して前記第１整流電圧を提供し、前記第３キャパシタ及び第４キャパシタを一側と他側を介して前記第２整流電圧を提供する。
また、本発明は、前記整流部、前記平滑部、及び前記インバータ部を備えた単位電力セルを複数備え、３相の位相電圧を入力され、前記単位電力セルに、予定された位相を有する電源信号を提供する位相置換変圧器を備えるマルチレベルインバータを提供する。
本発明の新たな高圧インバータは、新しいタイプのマルチレベルインバータを使用する方式であって、直列接続型のＮＰＣインバータに比べて、パワー半導体素子の数が少なく、導通損失が小さいため、従来のマルチレベル高圧インバータに比べて効率が増大し、コストと体積を節減することができる。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が、本発明の技術的思想を容易に実施できる程度に詳細に説明するために、本発明の最も好ましい実施例について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明を説明するためのものであって、インバータを含む電力変換回路を示すブロック図である。
図１を参照すると、位相置換変圧器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）とマルチレベルの高圧インバータとを含む電力変換回路１０１は、入力３相電源１０２、３相電動機１０３、位相置換変圧器１０４、単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆを含む。
入力３相電源１０２は、線間電圧（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の実効値（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）が６００Ｖ以上の電圧が供給されていることを意味する。３相電動機１０３は、電力変換回路の負荷（ｌｏａｄ）である。位相置換変圧器１０４の１次巻線（ｐｒｉｍａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、３相のＹ結線の形態を有しており、２次巻線（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、１次巻線に比して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が各３個ずつ、計１２個で構成される。２次巻線の構造は、単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの電力セルの数によって決定される。
単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの各単位セルの出力電圧は、５レベル（５−ｌｅｖｅｌ）である。負荷で動作する電動機の各相（ｐｈａｓｅ）に対し、２つの単位電力セルで構成されており、必要に応じて、単位電力セルの数は、拡張が可能である。単位電力セル１０５ａ及び１０５ｂの出力は、直列に接続されて、負荷３相電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１０５ｃ及び１０５ｄはｂ相電圧を、単位電力セル１０５ｅ及び１０５ｆはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１０５ａ，１０５ｃ，１０５ｅは、位相置換変圧器１０４の出力中、−１５度と０度の位相を有する出力と接続され、単位電力セル１０５ｂ，１０５ｄ，１０５ｆは、位相置換変圧器１０４の出力のうち、１５度と３０度の位相を有する出力と接続される。
図２は、図１に示された各ユニットの電力セルの構造を示すブロック図である。
図２を参照すると、単位電力セルは、ダイオード整流部２０１、キャパシタ２０２、及び出力電圧を合成するインバータ部２０３を備える。ダイオード整流部２０１は、２つの３相電源入力を受け、入力電源は、図１に示された位相置換変圧器１０４の出力電圧である。ダイオード整流部２０１の出力は、直列接続（ｓｅｒｉｅｓ−ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）された直流端キャパシタ（ＤＣ−ｌｉｎｋ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）に伝達され、２つの直流端キャパシタは、それぞれ同じキャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を有する。インバータ部２０３は、出力電圧を合成するためのものであって、出力線間電圧が５レベルとなる。
図３は、さらに他のインバータを含む電力変換回路を示すブロック図である。
図３を参照すると、電力変換回路は、入力３相電源３０２、３相電動機３０３、位相置換変圧器３０４、及び単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃを含む。
図３を参照すると、電力変換回路は、入力３相電源３０２、３相電動機３０３、位相置換変圧器３０４、及び単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃを含む。
入力３相電源３０２は、線間電圧（ｌｉｎｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の実効値（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）が６００Ｖ以上の電圧が供給されていることを意味する。３相電動機３０３は、電力変換回路の負荷（ｌｏａｄ）である。位相置換変圧器３０４の１次巻線（ｐｒｉｍａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、３相のＹ結線の形態を有しており、２次巻線（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）は、１次巻線に比して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が各３個ずつ、計１２個で構成される。２次巻線の構造は、単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃの電力セルの数によって決定される。単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃは、５レベルの出力電圧を合成することができ、単位電力セル３０５ａは負荷電動機３０３のａ相電圧を出力し、単位電力セル３０５ｂはｂ相電圧を出力し、単位電力セル３０５ｃはｃ相電圧を出力する。
図４は、図３に示された単位電力セルの内部回路図である。ダイオード整流部４０１、キャパシタ４０２、及び出力電圧を合成するインバータ部４０３を備える。図４の場合には、入力端のダイオード整流部４０１が４つで構成され、インバータ部４０３の動作は、図２と実質的に同様である。ただし、図２と図４の単位電力セルは、要求される出力によって、単位電力セルに用いられるパワー素子の定格電圧（ｒａｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）と定格電流（ｒａｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）の値が異なる場合がある。単位電力セルの出力電圧は、５レベルまで表される。
図５乃至図１０は、図１と図２に示されたインバータ部の動作を示す回路図である。続いて、図１乃至図１０を参照して、インバータ部の動作について説明する。特に、図１及び図２に示されたインバータ部の動作を中心に説明する。
図２に示されたインバータ部２０３の一つのレッグ（ｌｅｇ）は、４つのスイッチ部２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄが直列接続されており、スイッチ部の動作によって出力電圧が定義される。
スイッチ部２０３ａ及び２０３ｃの動作は、互いに相補的（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）であり、スイッチ部２０３ｂ及び２０３ｄのスイッチング動作もまた、互いに相補的である。したがって、直列接続されている直流端キャパシタ２０２の電圧がそれぞれＥであると定義するとき、スイッチ部２０３ａ，２０３ｂがオンする場合、スイッチ部２０３ｃ及び２０４ｄはオフし、このとき、出力される極電圧（ｐｏｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ）は、Ｅとなる。また、スイッチ部２０３ａ及び２０３ｃがオンする場合、スイッチ部２０３ｂ，２０３ｄはオフし、このとき、出力極電圧は０となる。同様に、スイッチ部２０３ａ，２０３ｂがオフした状態では、スイッチ部２０３ｃ及び２０３ｄはオンし、この場合、出力極電圧は、−Ｅが出力される。
このように定義される出力極電圧を用いると、各単位セルの出力線間電圧は、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５つのステップを有するようになる。各セルの出力線間電圧が５レベルに定義されることにより、図３の単位電力セル３０５ａ及び３０５ｂが合成可能な電圧は、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅの９つのステップを有するようになり、負荷電動機３０３の出力線間電圧は、８Ｅ、７Ｅ、６Ｅ、５Ｅ、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅ、−５Ｅ、−６Ｅ、−７Ｅ、−８Ｅの１７レベルを有することができる。
出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定されたとき、電流の方向によるパワー半導体の導通（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）の状態は、図５乃至図１０に示すとおりである。
図５は、出力極電圧が０で、出力電流が正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）であるとき、図６は、出力極電圧がＥで、出力電流が正であるとき、図７は、出力極電圧が−Ｅで、出力電流が正であるときに、導通されるスイッチ部を示したものである。図５では、ダイオード１個、スイッチ部１個が、図６では、スイッチ部２個、図７では、ダイオード２個が、導通される。
図８は、出力極電圧が０で、出力電流が負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）であるとき、図９は、出力極電圧がＥで、出力電流が負であるとき、図１０は、出力極電圧が−Ｅで、出力電流が負であるときに、導通されるスイッチ部を示したものである。図８では、ダイオード１個、スイッチ部１個が、図９では、ダイオード２個、図１０では、スイッチ部２個が、導通される。
図５から図１０まで調べた結果、常に、２つのパワー半導体（ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉ−ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が導通されることを確認することができる。図１乃至図１０に通じて説明した直列接続型のＮＰＣインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、直列接続型のＨ−ブリッジインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）に比べて体積が小さいという利点を有するが、電圧合成において、常に２つのパワー半導体を導通させなければならないため、効率の向上が難しく、これにより、放熱装置が相対的に大きくなる欠点がある。
本発明は、直列接続型のＮＰＣインバータと同様の性能を有しながら、必要なパワー半導体素子を減らし、導通損失を低減させることができる直列接続型のＴ−ｔｙｐｅ ＮＰＣインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｔ−ｔｙｐｅ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を提供する。本発明による直列接続型のＴ−ｔｙｐｅ ＮＰＣインバータは、変更されたインバータ部の構造により、平均的に導通されるパワー半導体素子の数を減らし、放熱設計を容易にして、導通損失率を減らすことができる。そのため、システムの大きさ及びコストを低減させることができる。本発明で提案された単位電力セルは、図１と図３のシステムに適用が可能である。
図１１は、本発明の第１実施例に係る単位電力セルの回路図を示す。
図１１に示すように、単位電力セルは、整流部１１０１、平滑部１１０２、インバータ部１１０３を含む。整流部１１０１は、提供されるＡＣ電圧を整流するためのものである。平滑部１１０２は、キャパシタを備えており、整流部１１０１で整流された電圧を別々の第１乃至第３ノードＡ、Ｂ、Ｃに異なるレベルの電圧で提供するためのものである。インバータ部１１０３は、平滑部１１０２で提供される３つのレベルの電圧を伝達するために、複数のスイッチ部１１０３ａ〜１１０３ｈを備える。インバータ部１１０３は、第１ノードＡと第１出力端ＯＵＴ１との間に設けられる第１スイッチ部１１０３ａと、第２ノードＢと第１出力端ＯＵＴ１との間に設けられる第２スイッチ部１１０３ｂと、第３ノードＣと第１出力端ＯＵＴ１との間に設けられる第３スイッチ部１１０３ｃと、第１ノードＡと第２出力端ＯＵＴ２との間に設けられる第４スイッチ部１１０３ｄと、第２ノードＢと第２出力端ＯＵＴ２との間に設けられる第５スイッチ部１１０３ｅと、第３ノードＣと第２出力端ＯＵＴ２との間に設けられる第６スイッチ部１１０３ｆとを備える。一つのスイッチ部は、ダイオードと電力用半導体が互いに逆方向の電流方向を有して備えられる。ここで、電力用半導体は、ＩＧＢＴやＰｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴを含んでもよい。
平滑部１１０２に備えられたキャパシタは、整流部１１０１に接続されており、整流部１１０１の出力端に、直／並列でキャパシタがさらに接続されて構成されてもよい。インバータ部１１０３は、単相Ｔ−ｔｙｐｅ ＮＰＣインバータ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ Ｔ−ｔｙｐｅ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）である。スイッチ部１１０３ａ，１１０３ｂ，１１０３ｃ，１１０３ｄが一つのレッグ（ｌｅｇ）を構成し、スイッチ部１１０３ｅ，１１０３ｆ，１１０３ｇ，１１０３ｈがもう一つのレッグを構成して、両方のレッグ間の電位差で出力電圧を合成（ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ）する。
図１２は、本発明の第２実施例に係る単位電力セルの回路図である。
図１２に示すように、第２実施例に係る単位電力セルは、整流部１２０１、平滑部１２０２、及びインバータ部１２０３を備える。第２実施形態に係る単位電力セルのインバータ部１２０３は、第１実施例に係る単位電力セルのインバータ部１１０３のような構成で実現され、整流部１２０１が異なって構成されている。
本発明の実施例で提示する直列接続型のＴ−ｔｙｐｅ ＮＰＣインバータの構成は、図１及び図３に示したような動作原理を有しており、電動機の相（ｐｈａｓｅ）に対し、単位電力セルを３つ以上に構成する場合、図１の位相置換変圧器１０４と、図３の位相置換変圧器３０４の２次巻線（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗｉｎｄｉｎｇ）の位相角と出力端の数を、これに応じて適切に変更しなければならない。
図１３と図１４は、それぞれ、単位電力セルを３個と５個ずつ用いて、電力変換回路を実現したブロック図である。
図１３を参照すると、電力変換回路は、マルチレベルインバータ１３０１、３相電圧供給部１３０２、及び３相電動機１３０３を含む。３相電圧供給部１３０２は、入力線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の電圧を提供する。３相電動機１３０３は、電力変換回路の負荷である３相電動機である。マルチレベルインバータ１３０１は、位相置換変圧器１３０４と、単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｉとを含む。位相置換変圧器１３０４は、適用方法によって位相角が変動し得る。単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｉは、５レベルの出力電圧を合成することができる。
単位電力セル１３０５ａ，１３０５ｂ，１３０５ｃは、電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１３０５ｄ，１３０５ｅ，１３０５ｆは、ｂ相電圧を出力し、単位電力セル１３０５ｇ，１３０５ｈ，１３０５ｉは、ｃ相電圧を出力する。
図１４は、図１１の単位電力セルを用いて、電動機の相（ｐｈａｓｅ）に対し、単位電力セルを５つに設計した場合である。
電力変換回路は、マルチレベルインバータ１４０１、３相電圧供給部１４０２、及び３相電動機１４０３を含む。マルチレベルインバータ１４０１は、単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏと、位相置換変圧器１４０４とを含む。３相電圧供給部１４０２は、入力線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の電圧を提供する。３相電動機１４０３は、電力変換回路の負荷である３相電動機である。位相置換変圧器１４０４は、適用方法によって位相角が変動し得る。単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏは、５レベルの出力電圧を合成することができる。
単位電力セル１４０５ａ，１４０５ｂ，１４０５ｃ，１４０５ｄ，１４０５ｅは、電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１４０５ｆ，１４０５ｇ，１４０５ｈ，１４０５ｉ，１４０５ｊは、ｂ相電圧を出力し、単位電力セル１４０５ｋ，１４０５ｌ，１４０５ｍ，１４０５ｎ，１４０５ｏは、ｃ相電圧を出力する。
また、図１２の単位電力セルを用いて、図１３と図１４のようなシステムを実現することもできる。
図１５乃至図２０は、図１１と図１２に示されたインバータ部の動作を示す回路図である。続いて、図１１乃至図２０を参照して、本実施例に係るマルチレベル高圧インバータの動作について説明する。
図１１と図１２に示されているように、本実施例で説明するインバータ部は、単相Ｔ−ｔｙｐｅ ＮＰＣインバータで実現される。
図１１のインバータ部の一つのレッグは、４つのスイッチ部１１０３ａ，１１０３ｂ，１１０３ｃ，１１０３ｄで構成され、その動作によって出力極電圧が定義される。スイッチ部１１０３ａ及び１１０３ｃは、同時にオンできず、スイッチ部１１０３ｂ及び１１０３ｄもまた、同時にオンすることはできない。また、スイッチ部１１０３ａ及び１１０３ｂの動作は、互いに独立して要求される出力極電圧が正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）である場合、スイッチ部１１０３ａ及び１１０３ｃが動作し、出力極電圧の指令が負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）である場合、スイッチ部１１０３ｂ及び１１０３ｄが動作する。
平滑部に直列接続されているキャパシタの両端にかかる電圧を、それぞれＥと定義し、出力極電圧が正であるとき、スイッチ部１１０３ａがオンし、スイッチ部１１０３ｃがオフした場合には、出力極電圧はＥを出力することになり、また、スイッチ部１１０３ａがオフし、スイッチ部１１０３ｃがオンした場合には、出力極電圧が０となる。出力極電圧の指令が負であるとき、スイッチ部１１０３ｂがオンし、スイッチ部１１０３ｄがオフした場合には、出力極電圧は−Ｅを出力し、スイッチ部１１０３ｂがオフし、スイッチ部１１０３ｄがオンした場合には、出力極電圧が０となる。このように定義される出力極電圧を用いると、各単位セルの出力線間電圧は、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５つのステップを有するようになる。出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定されたとき、電流の方向によるパワー半導体の導通をみると、図１５から図２０に示されている。
図１５は、出力極電圧が０で、出力電流が正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）であるとき、図１６は、出力極電圧がＥで、出力電流が正であるとき、図１７は、回転出力極電圧が−Ｅで、出力電流が正であるときに、導通されるスイッチ部を示したものである。図１５では、ダイオード１個、スイッチ部１個が、図１６では、スイッチ部１個、図１７では、ダイオード１個が、導通される。
図１８は、出力極電圧が０で、出力電流が負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）であるとき、図１９は、出力極電圧がＥで、出力電流が負であるとき、図２０は、出力極電圧が−Ｅで、出力電流が負であるときに、導通されるスイッチ部を示したものである。図１８では、ダイオード１個、スイッチ部１個が、第１９図では、ダイオード１個、図２０では、スイッチ部１個が、導通される。
また、図１５と図１８では、スイッチ部１個、ダイオード１個が導通されるが、残りの場合には、ダイオード１個またはスイッチ部１個のみ導通し、平均的に導通されるパワー半導体素子の数が、図５から図１０までの場合に比べて減少することが分かる。このように、本実施の形態に係るインバータを用いる場合、動作時ターンオンされる素子の数が減るため、電力用半導体で発生する損失が減少することができ、それにより、システム全体の効率が増大する。また、これにより、放熱のための付属品の大きさを減少させることができる。
以上から分かるように、本発明の新たな高圧インバータは、新しいタイプのマルチレベルインバータを用いる方法であって、直列接続型のＮＰＣインバータに比べて、動作時に用いられるパワー半導体素子の数が少なく、導通損失が小さいため、従来のマルチレベル高圧インバータに比べて効率が増大し、その結果、コストと体積を節減することができる。これは、変更されたインバータ部の構造の変化により、平均的に導通されるパワー半導体素子の数を減らすことによって達成され、導通損失の低下は、放熱設計を容易にすることで実現することができる。
以上の代表的な実施例を挙げて本発明について詳細に説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、上述した実施例に対して本発明の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることを理解することができる。したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施例に限定されて定めなければならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものにより定めなければならない。
１０１ 電力変換回路
１０２ 入力３相電源
１０３ ３相電動機
１０４，１３０４、１４０４ 位相置換変換器
１０５ａ〜１０５ｆ、３０５ａ〜３０５ｃ 単位電力セル
２０１，４０１ ダイオード整流器
２０２，４０２ キャパシタ
２０３、４０３，１１０３，１２０３ インバータ部
２０３ａ〜２０３ｄ、１１０３ａ〜１１０３ｆ スイッチ部
１１０１，１２０１ 整流部
１１０２，１２０２ 平滑部
１３０１，１４０１ マルチレベルインバータ
１３０２，１４０２ ３相電圧供給部
１３０３，１４０３ ３相電動機
１０２ 入力３相電源
１０３ ３相電動機
１０４，１３０４、１４０４ 位相置換変換器
１０５ａ〜１０５ｆ、３０５ａ〜３０５ｃ 単位電力セル
２０１，４０１ ダイオード整流器
２０２，４０２ キャパシタ
２０３、４０３，１１０３，１２０３ インバータ部
２０３ａ〜２０３ｄ、１１０３ａ〜１１０３ｆ スイッチ部
１１０１，１２０１ 整流部
１１０２，１２０２ 平滑部
１３０１，１４０１ マルチレベルインバータ
１３０２，１４０２ ３相電圧供給部
１３０３，１４０３ ３相電動機
Claims (12)
- ３相の第１位相電圧を入力して整流した第１整流電圧と、３相の第２相電圧を入力して整流した第２整流電圧とを提供する整流部と、
前記整流部で整流した第１整流電圧と第２整流電圧とを入力し、互いに異なる第１乃至第３ノードにそれぞれ異なるレベルの電圧を提供するための平滑部と、
前記平滑部で提供される３つのレベルの電圧を伝達するための、複数のスイッチ部を有するインバータ部と、を備えており、
前記インバータ部は、
前記第１ノードと第１出力端との間に設けられる第１スイッチ部と、前記第２ノードと前記第１出力端との間に設けられる第２スイッチ部と、前記第３ノードと前記第１出力端との間に備えられる第３スイッチ部と、
前記第１ノードと第２出力端との間に設けられる第４スイッチ部と、前記第２ノードと前記第２出力端との間に設けられる第５スイッチ部と、前記第３ノードと前記第２出力端との間に設けられる第６スイッチ部と、
を備えており、
前記第１スイッチ部と前記第２スイッチ部と前記第３スイッチ部とを含む第１レグと、前記第４スイッチ部と前記第５スイッチ部と前記第６スイッチ部とを含む第２レグとの間の電位差で出力電圧を合成することを特徴とするマルチレベルインバータ。 - 前記第１乃至第６スイッチ部は、電力用半導体とダイオードとを備える、請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
- 前記第２スイッチ部は、
前記第２ノードから前記第１出力端に電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、
前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、
前記第１電力用半導体と逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える、請求項１または２に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記第１スイッチ部は、
前記第１出力端から前記第１ノードに電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記第３スイッチ部は、
前記第３ノードから前記第１出力端に電流の方向性を有する第２ダイオードと、
前記第２ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える、請求項４に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記第５スイッチ部は、
前記第２ノードから前記第２出力端に電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、
前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、
前記第１電力用半導体と逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記第４スイッチ部は、
前記第２出力端から前記第１ノードに電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記第６スイッチ部は、
前記第３ノードから前記第２出力端に電流の方向性を有する第２ダイオードと、
前記第２ダイオードと逆方向性の電流を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を備える、請求項７に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記平滑部は、
直列接続された第１及び第２キャパシタを備え、
前記第１キャパシタは、前記第１整流電圧を一側と他側を介して印加され、前記第２キャパシタは、前記第２整流電圧を一側と他側を介して印加され、前記第１及び第２キャパシタの一側と、共通ノード及び他側のノードが、それぞれ、前記第１乃至第３ノードである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記整流部は、
前記第１キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第１位相電圧の第１相電圧を受ける第１及び第２ダイオードと、
前記第１キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第１位相電圧の第２相電圧を受ける第３及び第４ダイオードと、
前記第１キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第１位相電圧の第３相電圧を受ける第５及び第６ダイオードと、
前記第２キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第２位相電圧の第１相電圧を受ける第７及び第８のダイオードと、
前記第２キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第２位相電圧の第２相電圧を受ける第９及び第１０ダイオードと、
前記第２キャパシタの一側と他側とを接続し、共通ノードで前記第２位相電圧の第３相電圧を受ける第１１及び第１２のダイオードと、を備える、請求項９に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記平滑部は、
直列接続された第１乃至第４キャパシタを備え、前記第１及び第２キャパシタの一側と他側がそれぞれ前記第１及び第２ノードであり、前記第４キャパシタの他側が前記第３ノードであり、前記第１キャパシタ及び第２キャパシタの一側と他側を介して前記第１整流電圧を提供し、前記第３キャパシタ及び第４キャパシタの一側と他側を介して前記第２整流電圧を提供する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。 - 前記整流部、前記平滑部、及び前記インバータ部を備えた単位電力セルを複数備え、３相の位相電圧を入力され、前記単位電力セルに、予定された位相を有する電源信号を提供する位相置換変圧器を備える、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
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