JP5843052B2 - インバータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、DC/ACインバータ装置に関し、特にマルチレベル回路を備えたインバータ装置に関するものである。
近年、太陽光発電システム等の発電システムが普及しつつあり、その高効率化と小型化の観点から、電力系統(以下、単に「系統」)連系インバータはマルチレベル化することが有効である。マルチレベルインバータにおいて正弦波電圧を発生するために(正弦波電流を系統へ注入するために)、3つ以上の複数の電圧を出力するマルチレベル回路を備えたインバータ装置が、例えば特許文献1に示されている。
特許文献1には、直流電源の正負極端子間に4つのコンデンサの直列回路、および8つのスイッチ素子の直列回路が設けられ、これらのコンデンサの接続点とスイッチ素子の接続点との間にスイッチ素子またはダイオードが接続された、5レベルインバータの構成が開示されている。
特開2006−223009号公報
マルチレベル回路は、レベル数をnとすれば、少なくとも2(n−1)個のスイッチ素子を必要とする。例えば、特許文献1に記載の5レベルインバータの場合、計10個のスイッチ素子が用いられている。この特許文献1の場合、さらに高次レベルの出力を得るためには、スイッチ素子数を増やす必要があり、回路の小型化が妨げられるといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、スイッチ素子を増やすことなく、高次レベルの出力を得ることができるインバータ装置を提供することにある。
本発明は、直流電圧が入力される二つの端子に直列接続された複数のスイッチ素子を有し、前記複数のスイッチ素子それぞれのスイッチングによってnレベルの電位を出力し、かつ、直列接続された第1および第2のマルチレベル回路と、前記第1および第2のマルチレベル回路に接続され、前記第1および第2のマルチレベル回路から出力される前記nレベルの電位の極性を反転するブリッジ回路と、平滑作用が生じる少なくとも1つのインダクタと、前記第1のマルチレベル回路が有する前記複数のスイッチ素子と、前記第2のマルチレベル回路が有する前記複数のスイッチ素子とを、360°/2(n−1)の位相差でスイッチング制御するスイッチング制御回路とを備える特徴とする。
この構成では、位相差をもって二つのマルチレベル回路をスイッチング制御することで、少ないスイッチ素子で高次レベルのインバータ装置を実現できる。例えば、マルチレベル回路が3レベルの電圧(電位)を出力する場合、二つのマルチレベル回路のスイッチ素子を90度の位相差でスイッチング制御することで、5レベルの電位を生成でき、ブリッジ回路で出力電圧の極性を反転させることで、9レベルの電圧を出力できる。
また、マルチレベル回路からの出力をブリッジ回路にて極性反転させ、接続される系統へ正弦波状の電流を出力するため、ブリッジ回路の各後段スイッチ素子は、系統の電源周波数(50Hz又は60Hz)によりスイッチング制御される。したがって、インバータ装置は、スイッチ素子を、例えばキャリア周波数20kHzでPWM制御するのに対し、後段スイッチ素子を、50Hz又は60Hzでスイッチング制御する。この結果、スイッチング損失を低減することができる。
前記インダクタは、前記ブリッジ回路の入力側または出力側に設けられていることが好ましい。
この構成では、スイッチング動作による系統へ流れる電流のリプルの抑制とTHD(TotalHarmonic Distortion:全高調波歪)の低減ができる。
前記マルチレベル回路は、直流電圧が入力される第1入力端と第2入力端との間に直列接続された第1、第2、第3および第4のスイッチ素子と、前記第1のスイッチ素子と前記第2のスイッチ素子との接続点に第1端が接続され、前記第3のスイッチ素子と前記第4のスイッチ素子との接続点に第2端が接続されたフローティングキャパシタとを有することが好ましい。
この構成では、単一極性の直流電圧を入力して、中間電圧を損失なく発生させることができる。
本発明によれば、位相差をもって二つのマルチレベル回路をスイッチング制御することで、少ないスイッチ素子で高次レベルのインバータ装置を実現できる。また、スイッチング損失を低減できるインバータ装置を実現できる。
実施形態に係るインバータ装置の回路図 第1の3レベル回路の4つのスイッチ素子の状態と出力電圧(電位)との関係を示す図 図2に示す4つの状態における第1の3レベル回路の等価回路図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比12.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比12.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 図4および図5に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 図4および図5に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比25.0%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比25.0%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比37.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比37.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 図10および図11に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 図10および図11に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比50.0%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比50.0%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比62.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比62.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 図16および図17に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 図16および図17に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比75.0%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比75.0%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比87.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 第1の3レベル回路および第2の3レベル回路のスイッチ素子を、オンデューティ比87.5%とした場合における、第1の3レベル回路の出力電圧、第2の3レベル回路の出力電圧、および端子U−Wの出力電圧の関係を示す図 図22および図23に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 図22および図23に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図 出力電圧の目標値の波形図
以下、本発明に係るマルチレベルインバータ装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は本実施形態に係るインバータ装置の回路図である。本実施形態は、9レベルインバータ装置として説明する。
実施形態1に係るインバータ装置101は、直流電源に接続される第1入力端IN1および第2入力端IN2と、交流電圧を出力する第1出力端OUT1および第2出力端OUT2とを備えている。第1入力端IN1および第2入力端IN2には、例えば太陽光発電パネルにより発電された直流電圧を昇圧したものが印加される。第1出力端OUT1および第2出力端OUT2からは、中性線NPと共に単相三線式の交流電圧が出力される。出力電圧が200Vrmsの場合、単相三線式配電線に連系して注入する。
図1においてSu,SwはU相とW相を有する単相三線式系統を表している。第1出力端OUT1と中性点NPとの間からは実効電圧100Vの交流電圧が出力され、中性点NPと第2出力端OUT2との間からは実効電圧100Vの交流電圧が出力され、第1出力端OUT1と第2出力端OUT2との間からは実効電圧200Vの交流電圧が出力される。
第1入力端IN1とグランドとの間、および第2入力端IN2とグランドとの間それぞれには、入力コンデンサC1,C2が接続されている。また、第1入力端IN1とグランドとの間に第1の3レベル回路10が接続されていて、第2入力端IN2とグランドとの間に第2の3レベル回路20が接続されている。
第1の3レベル回路10は、第1入力端IN1とグランドとの間に直列接続された第1〜第4のスイッチ素子SP1〜SP4と、第1のスイッチ素子SP1と第2のスイッチ素子SP2との接続点に第1端が接続され、第3のスイッチ素子SP3と第4のスイッチ素子SP4との接続点に第2端が接続されたフローティングキャパシタCf1とで構成されている。
また、第2の3レベル回路20は、第2入力端IN2とグランドとの間に直列接続された第1〜第4のスイッチ素子SM1〜SM4と、第1のスイッチ素子SM1と第2のスイッチ素子SM2との接続点に第1端が接続され、第3のスイッチ素子SM3と第4のスイッチ素子SM4との接続点に第2端が接続されたフローティングキャパシタCf2とで構成されている。
第1の3レベル回路10の各スイッチ素子SP1〜SP4、および第2の3レベル回路20の各スイッチ素子SM1〜SM4は、スイッチング制御回路40により、駆動信号が供給され、スイッチング制御される。
第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20はいずれも、入力されるH(ハイ)側の電位からL(ロー)側の電位の範囲内の電位を出力する。第1入力端IN1にはVinが印加され、第2入力端IN2には−Vinが印加される。したがって、第1の3レベル回路10は、そのH(ハイ)側の電位がVin、L(ロー)側の電位が0であるので、第1の3レベル回路10の出力端VPの電位はVin〜0の範囲をとる。また、第2の3レベル回路20は、そのH(ハイ)側の電位が0、L(ロー)側の電位が−Vinであるので、第2の3レベル回路20の出力端VMの電位は0〜−Vinの範囲をとる。
以下に、第1の3レベル回路10を例に挙げて、第1の3レベル回路10の出力端の電位について説明する。第2の3レベル回路20は、第1の3レベル回路10と同様に説明できるため、その説明は省略する。
図2は、第1の3レベル回路10の4つのスイッチ素子SP1〜SP4の状態と出力電圧(電位)VPとの関係を示す図である。ここでは4つのスイッチ素子SP1〜SP4は4つの状態H,Mc,Md,Lを採る。図3は、図2に示す4つの状態における第1の3レベル回路10の等価回路図である。
スイッチ素子SP1,SP2がON、スイッチ素子SP3,SP4がOFFである状態Hでは、出力電圧VPはVinである。スイッチ素子SP3,SP4がON、スイッチ素子SP1,SP2がOFFである状態Lでは、出力電圧VPは0である。スイッチ素子SP1,SP3がON、スイッチ素子SP2,SP4がOFFである状態Mcでは、出力電圧VPはVin−Vcである。ここでVcはフローティングキャパシタCf1の充電電圧である。Vc=Vin/2であるとすると、出力電圧VP=Vin/2である。スイッチ素子SP2,SP4がON、スイッチ素子SP1,SP3がOFFである状態Mdでは、出力電圧VPはVcである。ここでVc=Vin/2であるとすると、出力電圧VP=Vin/2である。
フローティングキャパシタCf1の充電電荷量と放電電荷量とは等しいものと見なせるので、状態Mcでの出力電圧VPと状態Mdでの出力電圧VPとは等しい。すなわちフローティングキャパシタCf1の充電電圧VcはVinの1/2であるVin/2を平均として充放電される。フローティングキャパシタCf1に対する充放電時定数がスイッチング周波数に対して十分に大きければ、上記充電電圧Vcの変動幅は小さく、Vc≒Vin/2と見なせる。
このように、第1の3レベル回路10は、フローティングキャパシタCf1を設けることにより、Vinの中間電圧であるVin/2を出力でき、0、Vin/2、Vinの3つの電圧レベルを出力することができる。−Vinが印加される第2の3レベル回路20は、同様に、0、−Vin/2、−Vinの3つの電圧レベルを出力することができる。
第1の3レベル回路10と第2の3レベル回路20との出力側にはブリッジ回路30が接続されている。ブリッジ回路30は、第1〜第4の端子S,T,U,Wに対してブリッジ接続された第1〜第4の後段スイッチ素子SB1〜SB4を備えている。第2のスイッチ素子SP2と第3のスイッチ素子SP3との接続点に第1の端子Sが接続され、第2のスイッチ素子SM2と第3のスイッチ素子SM3との接続点に第2の端子Tが接続されている。また、第1のスイッチ素子SB1と第2のスイッチ素子SB2との接続点に第3の端子Uが接続され、第3のスイッチ素子SB3と第4のスイッチ素子SB4との接続点に第4の端子Wが接続されている。
ブリッジ回路30は、第1の3レベル回路10の出力を、インダクタL1を介して第1出力端OUT1へ接続し、且つ第2の3レベル回路20の出力を、インダクタL2を介して第2出力端OUT2へ接続する状態(第1状態)と、第1の3レベル回路20の出力を、インダクタL2を介して第2出力端OUT2へ接続し、且つ第2の3レベル回路20の出力を、インダクタL1を介して第1出力端OUT1へ接続する状態(第2状態)とを切り替える。第1状態は系統の電源周波数の前半サイクル、第2状態は系統の電源周波数の後半サイクルに対応する。
ブリッジ回路30の出力側にインダクタL1,L2を設けることで、スイッチング動作による電圧変動の影響を減少することができる。また、第1のインダクタL1と第2のインダクタL2とは、ブリッジ回路30の入力側、すなわち、3レベル回路10,20とブリッジ回路30との間に設けられていてもよい。
スイッチ素子SP1〜SP4およびスイッチ素子SM1〜SM4、ならびにスイッチ素子SB1〜SB4はいずれもMOS−FETであり、図1ではボディダイオードも図示している。3レベル回路10,20を直列に接続しているので、スイッチ素子SP1〜SP4およびスイッチ素子SM1〜SM4のそれぞれに低耐圧のスイッチ素子を用いることができる。そのため、これらスイッチ素子SP1〜SP4およびスイッチ素子SM1〜SM4をIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)ではなく、MOS−FETで構成することができる。
上述のように、第1の3レベル回路10は、0、Vin/2、Vinの3つの電圧レベルを出力し、第2の3レベル回路20も同様に、0、−Vin/2、−Vinの3つの電圧レベルを出力する。仮に、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20を同位相で動作させた場合、ブリッジ回路30が上述した第1状態と第2状態とを切り替える(極性反転する)ことで、インバータ装置101は5レベルの電圧を出力する。本実施形態では、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20を90度の位相差を持つキャリア波によるPWM制御で動作させることで、インバータ装置101は9レベルの電圧を出力することができる。90度の位相差は360°/2(n−1)の関係において、3レベル回路の「3」をnに代入して求められている。すなわち、インバータ装置101は、5レベルの場合とスイッチ素子数を増やすことなく、高次レベルの電圧を出力することができ、スイッチ素子数の増加に伴う大型化、およびスイッチング損失の増大を回避できる。
また、スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4は、3レベルインバータ回路10,20からの出力が、系統へ注入される電流の正弦波の半波状となるように、例えばキャリア周波数20kHzでPWM制御される。また、ブリッジ回路30のスイッチ素子SB1〜SB4は、系統の電源周波数(50Hz又は60Hz)の前半サイクルと後半サイクルとで、3レベル回路10,20からの出力の極性を反転する。つまり、ブリッジ回路30のスイッチ素子SB1〜SB4のスイッチング周波数は、スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4のスイッチング周波数よりも低い。
また、スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4のスイッチング周波数は、第1のインダクタL1と第2のインダクタL2により平滑作用が生じる周波数である。その結果、系統へは正弦波状の電流が注入されることになる。このように、ブリッジ回路30の4つのスイッチ素子SB1〜SB4は、キャリア周波数ではなく、系統の電源周波数でスイッチング制御されるため、スイッチング損失の低減が可能となる。
以下に、インバータ装置101が9レベルの電圧を出力する場合における、スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4の状態、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Vo(端子U−Wの電圧差)の関係について説明する。本実施形態では、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20は、5レベルの正電圧を出力し、ブリッジ回路30により、その正電圧を極性反転することで、インバータ装置101は9レベルの正弦波の電圧を出力する。以下、正弦波の正電圧の生成について説明する。また、以下では、正弦波の正電圧の生成するために、各スイッチ素子のオンデューティをT/8(T:スイッチング周期)単位で変化させている。
図4および図5は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比12.5%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Vo(端子U−Wの電圧差)の関係を示す図である。図6および図7は、図4および図5に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図である。
第1の3レベル回路10は、360°/(n−1)の位相シフトPWMによりスイッチング制御される。ここでnは3である。図4に示すように、第1の3レベル回路10では、スイッチ素子SP1,SP2は、それぞれ位相が180度異なる2つの三角波で変調された駆動信号が供給される。スイッチ素子SP3へは、スイッチ素子SP2への駆動信号の反転信号が入力される。スイッチ素子SP4へは、スイッチ素子SP1への駆動信号の反転信号が入力される。
第2の3レベル回路20は、360°/(n−1)の位相シフトPWMによりスイッチング制御される。ここでnは3である。第2の3レベル回路20では、スイッチ素子SM1,SM2は、それぞれ位相が180度異なる2つの三角波で変調された駆動信号が供給される。このスイッチ素子SM1,SM2は、第1の3レベル回路10のスイッチ素子SP1,SP2と90度の位相差をもってオンされる。スイッチ素子SM3へは、スイッチ素子SM2への駆動信号の反転信号が入力される。スイッチ素子SM4へは、スイッチ素子SM1への駆動信号の反転信号が入力される。
時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図6および図7に示す5つの状態のうち、状態CP1→CP2→CP3→CP2→CP4→CP2→CP5→CP2→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1またはSP2がオンのとき、第1の3レベル回路10は、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1またはSM2がオンのとき、第2の3レベル回路20は、−Vin/2の出力電圧VMを出力する。この場合、出力電圧Vo(VP−VM)の平均値はVin/4となる。
図8および図9は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比25.0%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Voの関係を示す図である。また、図8および図9に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図6および図7で表される。
この場合も図4の場合と同様に、スイッチ素子SP1,SP2は、それぞれ位相が180度異なる2つの三角波で変調された駆動信号が供給される。スイッチ素子SP3へは、スイッチ素子SP2への駆動信号の反転信号が入力されるスイッチ素子SP4は、スイッチ素子SP1への駆動信号の反転信号が入力される。また、スイッチ素子SM1,SM2は、それぞれ位相が180度異なる2つの三角波で変調された駆動信号が供給されて、オンされる。このスイッチ素子SM1,SM2は、第1の3レベル回路10のスイッチ素子SP1,SP2と90度の位相差をもってオンされる。スイッチ素子SM3へは、スイッチ素子SM2への駆動信号の反転信号が入力される。スイッチ素子SM4は、スイッチ素子SM1への駆動信号の反転信号が入力される。
時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図6および図7に示す状態のうち、状態CP1→CP1→CP3→CP3→CP4→CP4→CP5→CP5→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1,SP2がオンのとき、第1の3レベル回路10は、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1,SM2がオンのとき、第2の3レベル回路20は、−Vin/2の出力電圧VMを出力する。そして、出力電圧Vo(VP−VM)はVin/2となる。
図10および図11は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比37.5%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Voの関係を示す図である。図12および図13は、図10および図11に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図である。
スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4へ供給される駆動信号は、オンデューティ比が異なる以外は、図8の場合と同様である。時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図12および図13に示す5つの状態のうち、状態CP1→CP2→CP3→CP4→CP5→CP6→CP7→CP8→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1,SP2がオンのとき、第1の3レベル回路10は、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1,SM2がオンのとき、第2の3レベル回路20は、−Vin/2の出力電圧VMを出力する。出力電圧Vo(VP−VM)の平均値は、3Vin/4となる。
図14および図15は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比50.0%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Voの関係を示す図である。図14および図15に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図12および図13で表される。
スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4へ供給される駆動信号は、オンデューティ比が異なる以外は、図8の場合と同様である。時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図12および図13に示す状態のうち、状態CP3→CP3→CP3→CP3→CP7→CP7→CP7→CP7→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1またはSP2がオンのとき、第1の3レベル回路10は、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1またはSM2がオンのとき、第2の3レベル回路20は、−Vin/2の出力電圧VMを出力する。出力電圧Vo(VP−VM)はVinとなる。
図16および図17は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比62.5%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Voの関係を示す図である。図18および図19は、図16および図17に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図である。
スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4へ供給される駆動信号は、オンデューティ比が異なる以外は、図8の場合と同様である。時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図18および図19に示す状態のうち、状態CP1→CP2→CP3→CP4→CP5→CP6→CP7→CP8→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1,SP2の両方がオンのとき、第1の3レベル回路10はVinの出力電圧VPを出力し、スイッチ素子SP1,SP2の一方がオンのとき、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1,SM2の両方がオンのとき、第2の3レベル回路20は−Vinの出力電圧VMを出力し、スイッチ素子SM1,SM2の一方がオンのとき−Vin/2の出力電圧VMを出力する。出力電圧Vo(VP−VM)の平均値は5Vin/4となる。
図20および図21は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比75.0%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Voの関係を示す図である。図20および図21に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図18および図19で表される。
スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4へ供給される駆動信号は、オンデューティ比が異なる以外は、図8の場合と同様である。時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図18および図19に示す状態のうち、状態CP3→CP3→CP5→CP5→CP7→CP7→CP1→CP1→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1,SP2の両方がオンのとき、第1の3レベル回路10はVinの出力電圧VPを出力し、スイッチ素子SP1,SP2の一方がオンのとき、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1,SM2の両方がオンのとき、第2の3レベル回路20は−Vinの出力電圧VMを出力し、スイッチ素子SM1,SM2の一方がオンのとき−Vin/2の出力電圧VMを出力する。出力電圧Vo(VP−VM)は3Vin/2となる。
図22および図23は、第1の3レベル回路10および第2の3レベル回路20のスイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4を、オンデューティ比87.5%とした場合における、第1の3レベル回路10の出力電圧VP、第2の3レベル回路20の出力電圧VM、および端子U−Wの出力電圧Voの関係を示す図である。図24および図25は、図22および図23に示した8つの時間区間I〜VIIIにおける電流経路を示す図である。
スイッチ素子SP1〜SP4,SM1〜SM4へ供給される駆動信号は、オンデューティ比が異なる以外は、図8の場合と同様である。時間区間I〜VIIIにおける電流経路は、図24および図25に示す状態のうち、状態CP1→CP2→CP1→CP3→CP1→CP4→CP1→CP5→・・・という状態遷移を繰り返す。そして、スイッチ素子SP1,SP2の両方がオンのとき、第1の3レベル回路10はVinの出力電圧VPを出力し、スイッチ素子SP1,SP2の一方がオンのとき、Vin/2の出力電圧VPを出力する。また、スイッチ素子SM1,SM2の両方がオンのとき、第2の3レベル回路20は−Vinの出力電圧VMを出力し、スイッチ素子SM1,SM2の一方がオンのとき−Vin/2の出力電圧VMを出力する。出力電圧Vo(VP−VM)の平均値は7Vin/4の範囲となる。
図26は出力電圧Voの目標値の波形図である。例えば、出力電圧Voの目標値が0〜Vin/2の範囲内であるとき、0とVin/2との2値でPWM変調され、目標値がVin/2〜Vinの範囲内であるとき、Vin/2とVinとの2値でPWM変調される。そして、二つの3レベル回路10,20をそれぞれ90度の位相差で動作させることで、二つの3レベル回路10,20からは、0、Vin/2、Vin、3Vin/2、2Vinの5レベルの電圧が出力される。
さらに、ブリッジ回路30により、二つの3レベル回路10,20からの出力電圧を極性反転することで、インバータ装置101は、図26に示す9レベルの電圧を出力する。このように、複数の電圧レベルを用いてPWM変調により正弦波電圧が生成されるため、インダクタL1,L2に流れるリップル電流が小さくなり、インダクタL1,L2による損失が低減される。また、必要なインダクタンス値が小さくてよい(原理上では16分の1でよい)ので、小型のインダクタL1,L2を用いることができる。
以上説明したように、本実施形態に係るインバータ装置101は、スイッチ素子数の増加に伴う大型化を回避しつつ、高次レベルの電圧を出力することができる。例えば、5レベルの場合と同じスイッチ素子数で9レベルの電圧を出力するインバータ装置101を実現できる。
10−第1の3レベル回路(第1のマルチレベル回路)
20−第2の3レベル回路(第2のマルチレベル回路)
30−ブリッジ回路
40−スイッチング制御回路
101−インバータ装置
NI1−第1入力端
NI2−第2入力端
OUT1−第1出力端
OUT2−第2出力端
SB1〜SB4−スイッチ素子
SM1〜SM4−スイッチ素子
SB1〜SB4−スイッチ素子
C1,C2−入力コンデンサ
Cf1,Cf2−フローティングキャパシタ
L1−第1のインダクタ
L2−第2のインダクタ
VP,VM,Vo−出力電圧

Claims (3)

  1. 直流電圧が入力される二つの端子に直列接続された複数のスイッチ素子を有し、前記複数のスイッチ素子それぞれのスイッチングによってnレベルの電位を出力し、かつ、直列接続された第1および第2のマルチレベル回路と、
    前記第1および第2のマルチレベル回路に接続され、前記第1および第2のマルチレベル回路から出力される前記nレベルの電位の極性を反転するブリッジ回路と、
    平滑作用が生じる少なくとも1つのインダクタと、
    前記第1のマルチレベル回路が有する前記複数のスイッチ素子と、前記第2のマルチレベル回路が有する前記複数のスイッチ素子とを、360°/2(n−1)の位相差でスイッチング制御するスイッチング制御回路と、
    を備えたインバータ装置。
  2. 前記インダクタは、前記ブリッジ回路の入力側または出力側に設けられている、請求項1に記載のインバータ装置
  3. 前記マルチレベル回路は、
    直流電圧が入力される第1入力端と第2入力端との間に直列接続された第1、第2、第3および第4のスイッチ素子と、
    前記第1のスイッチ素子と前記第2のスイッチ素子との接続点に第1端が接続され、前記第3のスイッチ素子と前記第4のスイッチ素子との接続点に第2端が接続されたフローティングキャパシタと、
    を有する、請求項1または2に記載のインバータ装置。
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