JP5910333B2 - 5 level power converter - Google Patents

5 level power converter Download PDF

Info

Publication number
JP5910333B2
JP5910333B2 JP2012131465A JP2012131465A JP5910333B2 JP 5910333 B2 JP5910333 B2 JP 5910333B2 JP 2012131465 A JP2012131465 A JP 2012131465A JP 2012131465 A JP2012131465 A JP 2012131465A JP 5910333 B2 JP5910333 B2 JP 5910333B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
capacitor
common connection
connection point
switching elements
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012131465A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013258790A (en
Inventor
正和 宗島
正和 宗島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meidensha Corp
Original Assignee
Meidensha Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meidensha Corp filed Critical Meidensha Corp
Priority to JP2012131465A priority Critical patent/JP5910333B2/en
Publication of JP2013258790A publication Critical patent/JP2013258790A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5910333B2 publication Critical patent/JP5910333B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、1つの直流電圧源における正負極間の直流電圧を5つの電圧レベルに変換した交流電圧を出力する5レベル電力変換器に関する。   The present invention relates to a 5-level power converter that outputs an AC voltage obtained by converting a DC voltage between positive and negative electrodes in one DC voltage source into five voltage levels.

図3は、特許文献1において開示された5レベル電力変換器における主回路を示す回路構成図である。 図3に示す5レベル電力変換器は、5レベルインバータINV2の直流側に接続される直流電源の電圧を4分圧するために4つのコンデンサCdc1,Cdc2,Cdc3,Cdc4が直列接続されており、このコンデンサCdc1〜Cdc4に蓄えられたエネルギーを用いて5レベルの電位を有する交流出力が生成される。 FIG. 3 is a circuit configuration diagram showing a main circuit in the five-level power converter disclosed in Patent Document 1. In the 5-level power converter shown in FIG. 3, four capacitors C dc1 , C dc2 , C dc3 , C dc4 are connected in series in order to divide the voltage of the DC power source connected to the DC side of the 5-level inverter INV2. An AC output having a five-level potential is generated using the energy stored in the capacitors C dc1 to C dc4 .

原理上、5レベルインバータINV2には有効電力が流入もしくは流出するため、コンデンサCdc2,Cdc3の充放電がコンデンサCdc1,Cdc4の充放電より多くなり、4つのコンデンサCdc1〜Cdc4に生じる電圧の各平均値が等しくならないという問題が発生する。 In principle, since active power flows into or out of the five-level inverter INV2, charging and discharging of the capacitors C dc2 and C dc3 is more than charging and discharging of the capacitors C dc1 and C dc4 , and the four capacitors C dc1 to C dc4 The problem arises that the average values of the resulting voltages are not equal.

交流出力における各レベル間の波高を全て等しく(均一)にするためには、各コンデンサCdc1〜Cdc4に生じる直流電圧の平均値が全て等しくなるよう制御する必要がある。そこで、特許文献1では、各コンデンサCdc1〜Cdc4における直流電圧の平均値が全て等しくなるよう制御するための電圧均一回路(Voltage−barancing circuit)vbcが、5レベルインバータINV2の直流側に接続されている。 In order to make all the wave heights between the levels in the AC output equal (uniform), it is necessary to control so that the average values of the DC voltages generated in the capacitors C dc1 to C dc4 are all equal. Therefore, in Patent Document 1, a voltage-balancing circuit vbc for controlling all the average values of the DC voltages in the capacitors C dc1 to C dc4 to be equal is connected to the DC side of the five-level inverter INV2. Has been.

5レベル電力変換器に備えられた5レベルインバータINV2では、出力端をAとすると、以下(1)〜(5)に示すスイッチングモードにより、端子AM間には以下(1)〜(5)に示す5レベルの電圧が出力される。
(1)スイッチング素子S11,S12,S13,S14がオン、スイチング素子S15,S16,S17,S18がオフの時:「電圧2E」
(2)スイッチング素子S12,S13,S14,S15がオン、スイッチング素子S11,S16,S17,S18がオフの時:「電圧E」
(3)スイッチング素子S13,S14,S15,S16がオン、スイッチング素子S11,S12,S17,S18がオフの時:「電圧0」
(4)スイッチング素子S14,S15,S16,S17がオン、スイッチング素子S11,S12,S13,S18がオフの時:「電圧−E」
(5)スイッチング素子S15,S16,S17,S18がオン,スイッチング素子S11,S12,S13,S14がオフの時:「電圧−2E」
In the 5-level inverter INV2 provided in the 5-level power converter, when the output terminal is A, the following (1) to (5) are applied between the terminals AM by the switching modes shown in (1) to (5) below. The five-level voltage shown is output.
(1) When switching elements S11, S12, S13, S14 are on and switching elements S15, S16, S17, S18 are off: “Voltage 2E”
(2) When switching elements S12, S13, S14, S15 are on and switching elements S11, S16, S17, S18 are off: "Voltage E"
(3) When switching elements S13, S14, S15, and S16 are on and switching elements S11, S12, S17, and S18 are off: “Voltage 0”
(4) When switching elements S14, S15, S16, and S17 are on and switching elements S11, S12, S13, and S18 are off: “Voltage-E”
(5) When switching elements S15, S16, S17, and S18 are on, and switching elements S11, S12, S13, and S14 are off: “Voltage-2E”

特開2010−220364号公報JP 2010-220364 A 特開2011−72118号公報JP 2011-72118 A

図3に示す特許文献1の5レベル電力変換器では、電圧均一回路vbcを用いることで,リアクトルLcや素子数が増加し、装置の大形化及びコストアップに繋がるという問題があった。さらに、図3に示す5レベルインバータは、クランプ用のダイオードを多く必要とするという問題があった。   In the 5-level power converter of Patent Document 1 shown in FIG. 3, there is a problem that the use of the voltage uniform circuit vbc increases the reactor Lc and the number of elements, leading to an increase in size and cost of the device. Further, the 5-level inverter shown in FIG. 3 has a problem that a large number of clamping diodes are required.

また、特許文献2の図1に示す回路では、スイッチング素子8個、コンデンサ2個で構成できる。しかし、特許文献2の図1に示す回路は、コンデンサC1,C2の電圧を調節できず、出力電圧波形にひずみが生じてしまう恐れがある。また、段落[0016]〜[0018]に記載されているとおり、スイッチング素子に2Eの電圧がかかる場合もある。この場合には、耐圧の高いスイッチング素子を使用するか、もしくは、耐圧の高いスイッチング素子がない等の理由により、スイッチング素子を2個直列に接続する必要がある。そのため、耐圧の高いスイッチング素子を使用した場合はコストアップに繋がり、スイッチング素子を2個直列に接続した場合は、回路を構成する素子数が増えてしまう問題があった。   Further, the circuit shown in FIG. 1 of Patent Document 2 can be configured with eight switching elements and two capacitors. However, the circuit shown in FIG. 1 of Patent Document 2 cannot adjust the voltages of the capacitors C1 and C2, and the output voltage waveform may be distorted. Further, as described in paragraphs [0016] to [0018], a voltage of 2E may be applied to the switching element. In this case, it is necessary to connect two switching elements in series for the reason that a switching element with a high breakdown voltage is used or there is no switching element with a high breakdown voltage. Therefore, when a switching element having a high withstand voltage is used, the cost increases. When two switching elements are connected in series, the number of elements constituting the circuit increases.

以上示したようなことから、電圧均一回路を用いることなく各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくすることにより装置の小型化およびコストの低減を図ると共に、少ない素子数で5レベル電力変換器を実現することが課題となる。   As described above, it is possible to reduce the size and cost of the device by equalizing the average value of the capacitor voltage of each phase without using a voltage uniform circuit, and to reduce the cost of the 5-level power converter with a small number of elements. Realization is a challenge.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電圧を複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成する5レベル電力変換器であって、直流電圧源と、前記直流電圧源の正負極端間に順次直列接続された第3,第4コンデンサと、前記直流電圧源の正負極間に第6スイッチング素子と第1,第2コンデンサと第7スイッチング素子を順次直列接続した第1直列回路と、第6スイッチング素子と第1コンデンサとの共通接続点と第2コンデンサと第7スイッチング素子との共通接続点との間に第1,第2,第3,第4スイッチング素子を順次直列接続した第2直列回路と、第6スイッチング素子と第1コンデンサとの共通接続点と第2コンデンサと第7スイッチング素子との共通接続点との間に第3ダイオードと第9,第10スイッチング素子と第4ダイオードを順次直列接続した第3直列回路と、前記第1,第2スイッチング素子の共通接続点と第3,第4スイッチング素子との共通接続点との間に介挿された第1,第2ダイオードと、第3ダイオードと第9スイッチング素子との共通接続点と第10スイッチング素子と第4ダイオードとの共通接続点との間に介挿された第5,第6ダイオードと、を有する5レベルインバータと、前記第1〜第4,第6,第7,第9,第10スイッチング素子をオンオフ制御することにより5つの電圧レベルを出力させる制御手段と、を備え、第5,第6ダイオードの共通接続点と第3,第4コンデンサの第1中性点を接続して該第1中性点を出力端子Bとし、第9,第10スイッチング素子の共通接続点と第1,第2コンデンサの第2中性点と第1,第2ダイオードの共通接続点とを接続し、第2,第3スイッチング素子の共通接続点を出力端子Aとすることを特徴とする。   The present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and one aspect thereof is a five-level power converter that generates an AC output obtained by converting a DC voltage into a plurality of voltage levels, and includes a DC voltage source. And third and fourth capacitors sequentially connected in series between the positive and negative terminals of the DC voltage source, and a sixth switching element, a first capacitor, a second capacitor, and a seventh switching element between the positive and negative electrodes of the DC voltage source. A first series circuit connected in series, a first connection point between the common connection point of the sixth switching element and the first capacitor, and a common connection point of the second capacitor and the seventh switching element. A third diode between a second series circuit in which the fourth switching elements are sequentially connected in series, a common connection point between the sixth switching element and the first capacitor, and a common connection point between the second capacitor and the seventh switching element; 9th A third series circuit in which a tenth switching element and a fourth diode are sequentially connected in series, and a common connection point between the first and second switching elements and a common connection point between the third and fourth switching elements are interposed. Fifth and sixth interposed between a common connection point of the first and second diodes, the third diode and the ninth switching element, and a common connection point of the tenth switching element and the fourth diode. A five-level inverter having a diode, and control means for outputting five voltage levels by on-off controlling the first to fourth, sixth, seventh, ninth, and tenth switching elements, A common connection point of the fifth and sixth diodes and a first neutral point of the third and fourth capacitors are connected to be the output terminal B, and a common connection point of the ninth and tenth switching elements. And first and second Second neutral point of the first capacitor, and a common connection point of the second diode is connected, characterized by a second, output terminals A common connection point of the third switching element.

また、その一態様として、前記制御手段のオンオフ制御は、同一電圧レベル出力時に、前記第1,第2コンデンサを充電させる制御モードと、放電させる制御モードを有していることを特徴とする。   Also, as one aspect thereof, the on / off control of the control means has a control mode for charging the first and second capacitors and a control mode for discharging when the same voltage level is output.

また、その一態様として、前記5レベルインバータをU相,V相,W相にそれぞれ備え、前記出力端子Bを三相の5レベルインバータの第1中性点として共通接続し、前記出力端子AをU相,V相,W相の各出力端とすることを特徴とする。   Further, as one aspect thereof, the 5-level inverter is provided for each of the U-phase, V-phase, and W-phase, and the output terminal B is commonly connected as the first neutral point of the three-phase 5-level inverter, and the output terminal A Are the output ends of the U-phase, V-phase, and W-phase.

本発明によれば、電圧均一回路を用いることなく各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくすることにより装置の小型化およびコストの低減を図ると共に、少ない素子数で5レベル電力変換器を実現することが可能となる。   According to the present invention, the average value of the capacitor voltage of each phase is made equal without using a voltage uniform circuit, thereby reducing the size and cost of the device and realizing a 5-level power converter with a small number of elements. It becomes possible.

本実施形態1における5レベル電力変換器の主回路を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows the main circuit of the 5-level power converter in this Embodiment 1. 本実施形態2における5レベル電力変換器の主回路を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows the main circuit of the 5-level power converter in this Embodiment 2. 特許文献1における5レベル電力変換器の主回路を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows the main circuit of the 5-level power converter in patent document 1. FIG.

以下、実施形態1,2における5レベル電力変換器を図1,図2に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the 5-level power converter according to Embodiments 1 and 2 will be described in detail with reference to FIGS.

[実施形態1]
図1は、本実施形態1における5レベル電力変換器1の主回路を示す回路構成図である。図1に示すように、本実施形態1における5レベル電力変換器1は、直流電源VDCの正負極端間に第3,第4コンデンサC3,C4を直列接続し、その第3,第4コンデンサC3,C4の共通接続点を第1中性点NPとする。ここで、第1中性点NPを出力端子Bとする。また、以下の説明では、直流電源VDCの正極端をP、負極端をNと表現する。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram illustrating a main circuit of the five-level power converter 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the 5-level power converter 1 according to the first embodiment has third and fourth capacitors C3 and C4 connected in series between positive and negative terminals of a DC power source V DC , and the third and fourth capacitors. A common connection point of C3 and C4 is defined as a first neutral point NP. Here, the first neutral point NP is defined as the output terminal B. In the following description, the positive electrode end of the DC power supply V DC is expressed as P, and the negative electrode end is expressed as N.

前記Pから第5,第6スイッチング素子S5,S6,第1コンデンサC1を順次直列に接続する。前記Nから、第8,第7スイッチング素子S8,S7,第2コンデンサC2を順次直列に接続する。また、第1,第2コンデンサC1とC2は直列に接続し、第5,第6スイッチング素子S5,S6,第1,第2コンデンサC1,C2,第7,第8スイッチング素子S7,S8で第1直列回路を構成する。第1コンデンサC1と第2コンデンサC2の共通接続点を第2中性点NP´とする。   The P to the fifth and sixth switching elements S5 and S6 and the first capacitor C1 are sequentially connected in series. From N, the eighth and seventh switching elements S8 and S7 and the second capacitor C2 are sequentially connected in series. The first and second capacitors C1 and C2 are connected in series, and the fifth and sixth switching elements S5 and S6, the first and second capacitors C1, C2, the seventh and eighth switching elements S7 and S8 1 series circuit is constituted. A common connection point of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is defined as a second neutral point NP ′.

ここで、図1では、耐圧を考慮して2つのスイッチング素子(第5,第6スイッチング素子S5とS6および第7,第8スイッチング素子S7とS8)を直列接続している零を示しているが、1つのスイッチング素子の耐圧以下で使用する場合には、それぞれ1つのスイッチング素子でよい。   Here, FIG. 1 shows zero in which two switching elements (the fifth and sixth switching elements S5 and S6 and the seventh and eighth switching elements S7 and S8) are connected in series in consideration of the breakdown voltage. However, in the case where it is used below the breakdown voltage of one switching element, one switching element is sufficient.

第1,第2,第3,第4スイッチング素子S1,S2,S3,S4を順次直列接続し、第2直列回路を構成する。前記第1スイッチング素子S1は第6スイッチング素子S6と第1コンデンサC1との共通接続点に接続し、前記第4スイッチング素子S4は、第2コンデンサC2と第7スイッチング素子S7との共通接続点に接続する。ここで、第2直列回路の中点(第2,第3スイッチング素子S2,S3の共通接続点)を出力端子Aとする。また、第1,第2スイッチング素子S1,S2の共通接続点と、第3,第4スイッチング素子S3,S4の共通接続点と、の間に第1,第2ダイオードD1,D2を介挿し、第1,第2ダイオードD1,D2の共通接続点は、第2中性点NP´と接続される。   The first, second, third, and fourth switching elements S1, S2, S3, and S4 are sequentially connected in series to form a second series circuit. The first switching element S1 is connected to a common connection point between the sixth switching element S6 and the first capacitor C1, and the fourth switching element S4 is connected to a common connection point between the second capacitor C2 and the seventh switching element S7. Connecting. Here, the middle point of the second series circuit (common connection point of the second and third switching elements S2 and S3) is defined as the output terminal A. Also, the first and second diodes D1 and D2 are inserted between the common connection point of the first and second switching elements S1 and S2 and the common connection point of the third and fourth switching elements S3 and S4. The common connection point of the first and second diodes D1 and D2 is connected to the second neutral point NP ′.

また、第6スイッチング素子S6と第1コンデンサC1との共通接続点と、第2コンデンサC2と第7スイッチング素子S7との共通接続点と、の間には、第3ダイオードD3,第9,第10スイッチング素子S9,S10,第4ダイオードD4を順次直列接続した第3直列回路が接続される。前記第9スイッチング素子S9と第10スイッチング素子S10との共通接続点は第2中性点NP´と接続される。第3ダイオードD3と第9スイッチング素子S9との共通接続点と、第10スイッチング素子S10と第4ダイオードD4との共通接続点との間に、第5,第6ダイオードD5,D6を介挿し、第5,第6ダイオードD5,D6の共通接続点は、第1中性点NPと接続される。   Further, between the common connection point of the sixth switching element S6 and the first capacitor C1 and the common connection point of the second capacitor C2 and the seventh switching element S7, the third diode D3, the ninth, A third series circuit in which 10 switching elements S9 and S10 and a fourth diode D4 are sequentially connected in series is connected. The common connection point of the ninth switching element S9 and the tenth switching element S10 is connected to the second neutral point NP ′. Between the common connection point of the third diode D3 and the ninth switching element S9 and the common connection point of the tenth switching element S10 and the fourth diode D4, the fifth and sixth diodes D5 and D6 are interposed, The common connection point of the fifth and sixth diodes D5 and D6 is connected to the first neutral point NP.

図1に示す5レベルインバータINV1は、直流電源1個,スイッチング素子10個(スイッチング素子の耐圧が許容できる場合には第5,第6スイッチング素子S5,S6および第7,第8スイッチング素子S7,S8をそれぞれ1のスイッチング素子とすることができ、スイッチング素子は8個となる),ダイオード6個,コンデンサ2個により構成することができる。   A five-level inverter INV1 shown in FIG. 1 includes one DC power source and ten switching elements (if the switching element can withstand a voltage, the fifth, sixth switching elements S5 and S6 and the seventh and eighth switching elements S7, S8 can be one switching element, and there are eight switching elements), six diodes, and two capacitors.

前記5レベル電力変換器1は、第1,第2コンデンサC1,C2の電圧がE,第3,第4コンデンサC3,C4の電圧が2Eの時、図示省略の制御手段において、前記スイッチング素子S1〜S10を下記表1に示すモード1〜7のスイッチングパターンに従ってオンオフ制御することにより、出力端子AB間に5レベルの電圧2E,E,0,−E,−2Eを出力できる。また、表1には、出力端子Aに出力する電流IAを正としたときの第1,第2コンデンサC1とC2の充放電状態の有無を示している。 When the voltage of the first and second capacitors C1 and C2 is E, and the voltage of the third and fourth capacitors C3 and C4 is 2E, the five-level power converter 1 includes the switching element S1 By performing ON / OFF control of .about.S10 in accordance with the switching patterns of modes 1 to 7 shown in Table 1 below, five levels of voltages 2E, E, 0, -E, and -2E can be output between the output terminals AB. Further, Table 1 shows a first, presence or absence of the charge and discharge state of the second capacitor C1 and C2 when the current I A to be output to the output terminal A was positive.

Figure 0005910333
Figure 0005910333

ここで、表1のスイッチングパターンの各モード1〜7と出力端子A,B間の電流IAの経路について説明する。 Here, the path of the current I A between the modes 1 to 7 of the switching pattern of Table 1 and the output terminals A and B will be described.

〈モード1〉
第3,第4,第7,第8,第9,第10スイッチング素子S3,S4,S7,S8,S9,S10がオフ,第1,第2,第5,第6スイッチング素子S1,S2,S5,S6がオンとなり、電流IAは出力端子B→第1中性点NP→第3コンデンサC3→P→S5→S6→S1→S2→出力端子Aの経路で流れる。出力端子AB間には第3コンデンサC3の負側→正側が接続され、出力端子A,B間の電圧は2Eとなる。
<Mode 1>
The third, fourth, seventh, eighth, ninth, tenth switching elements S3, S4, S7, S8, S9, S10 are off, the first, second, fifth, sixth switching elements S1, S2, S5 and S6 are turned on, and the current I A flows through the path of the output terminal B → first neutral point NP → third capacitor C3 → P → S5 → S6 → S1 → S2 → output terminal A. The negative side → positive side of the third capacitor C3 is connected between the output terminals AB, and the voltage between the output terminals A and B is 2E.

〈モード2〉
第1,第4,第7,第8,第9,第10スイッチング素子S1,S4,S7,S8,S9,S10がオフ,第2,第3,第5,第6スイッチング素子S2,S3,S5,S6がオンとなり、電流IAは、出力端子B→第1中性点NP→第3コンデンサC3→P→S5→S6→第1コンデンサC1→第2中性点NP´→D1→S2→出力端子Aの経路で流れる。出力端子AB間には第3コンデンサC3の負側→正側→第1コンデンサC1の正側→負側が直列に接続され、出力端子AB間の電圧は2E−E=Eとなる。このモード2では電流IA>0のとき第1コンデンサC1は充電される。
<Mode 2>
The first, fourth, seventh, eighth, ninth and tenth switching elements S1, S4, S7, S8, S9 and S10 are off, the second, third, fifth and sixth switching elements S2, S3 S5 and S6 are turned on, and the current I A is output terminal B → first neutral point NP → third capacitor C3 → P → S5 → S6 → first capacitor C1 → second neutral point NP ′ → D1 → S2. → Flows along the path of output terminal A. Between the output terminals AB, the negative side of the third capacitor C3 → the positive side → the positive side of the first capacitor C1 → the negative side is connected in series, and the voltage between the output terminals AB becomes 2E−E = E. In this mode 2, the first capacitor C1 is charged when the current I A > 0.

〈モード3〉
第3,第4,第5,第6,第7,第8スイッチング素子S3,S4,S5,S6,S7,S8はオフ,第1,第2,第9,第10スイッチング素子S1,S2,S9,S10はオンとなり、電流IAは出力端子B→第1中性点NP→D5→S9→第2中性点NP´→第1コンデンサC1→S1→S2→出力端子A(または、電流IAが負の時、出力端子B→第1中性点NP→D6→S10→第2中性点NP´→第1コンデンサC1→S1→S2→出力端子A)の経路で流れる。出力端子AB間には第1コンデンサC1の負側→正側が接続され、出力端子AB間の電圧はEとなる。このモード3では電流IA>0のとき第1コンデンサC1は放電される。
<Mode 3>
The third, fourth, fifth, sixth, seventh, and eighth switching elements S3, S4, S5, S6, S7, and S8 are off, and the first, second, ninth, and tenth switching elements S1, S2, and S8 are off. S9 and S10 are turned on, and the current I A is output terminal B → first neutral point NP → D5 → S9 → second neutral point NP ′ → first capacitor C1 → S1 → S2 → output terminal A (or current when I a is negative, flow in a path of the output terminal B → first neutral point NP → D6 → S10 → second neutral point NP' → first capacitor C1 → S1 → S2 → output terminal a). The negative side → positive side of the first capacitor C1 is connected between the output terminals AB, and the voltage between the output terminals AB becomes E. In this mode 3, the first capacitor C1 is discharged when the current I A > 0.

〈モード4〉
第1,第4,第5,第6,第7,第8スイッチング素子S1,S4,S5,S6,S7,S8はオフ,第2,第3,第9,第10スイッチング素子S2,S3,S9,S10がオンとなり、電流IAは出力端子B→第1中性点NP→D5→S9→第2中性点NP´→D1→S2→出力端子A(または、電流IAが負の時、出力端子B→第1中性点NP→D6→S10→第2中性点NP´→D2→S3→出力端子A)の経路で流れる。出力端子AB間には第9,第2スイッチング素子S9,S2(または、電流IAが負の時、第10,第3スイッチング素子S10,S3)を介して直送され、出力端子AB間の電圧は0となる。
<Mode 4>
The first, fourth, fifth, sixth, seventh and eighth switching elements S1, S4, S5, S6, S7 and S8 are off, the second, third, ninth and tenth switching elements S2, S3 S9 and S10 are turned on, and the current I A is output terminal B → first neutral point NP → D5 → S9 → second neutral point NP ′ → D1 → S2 → output terminal A (or current I A is negative) The output terminal B → the first neutral point NP → D6 → S10 → the second neutral point NP ′ → D2 → S3 → the output terminal A). The voltage between the output terminals AB is sent directly between the output terminals AB via the ninth and second switching elements S9 and S2 (or the tenth and third switching elements S10 and S3 when the current I A is negative). Becomes 0.

〈モード5〉
第1,第2,第5,第6,第7,第8スイッチング素子S1,S2,S5,S6,S7,S8はオフ,第3、第4,第9,第10スイッチング素子S3,S4,S9,S10がオンとなり、電流IAは出力端子B→第1中性点NP→D5→S9→第2中性点NP´→第2コンデンサC2→S4→S3→出力端子A(または、電流IAが負の時、出力端子B→第1中性点NP→D6→S10→第2中性点NP´→第2コンデンサC2→S4→S3→出力端子A)の経路で流れる。出力端子AB間には、第2コンデンサC2の正側→負側が接続され、出力端子AB間の電圧は、−Eとなる。このモード5では、電流IA>0のとき第2コンデンサC2は放電される。
<Mode 5>
The first, second, fifth, sixth, seventh and eighth switching elements S1, S2, S5, S6, S7 and S8 are off, the third, fourth, ninth and tenth switching elements S3, S4 S9 and S10 are turned on, and the current I A is output terminal B → first neutral point NP → D5 → S9 → second neutral point NP ′ → second capacitor C2 → S4 → S3 → output terminal A (or current when I a is negative, flow in a path of the output terminal B → first neutral point NP → D6 → S10 → second neutral point NP' → second capacitor C2 → S4 → S3 → output terminal a). Between the output terminals AB, the positive side → the negative side of the second capacitor C2 is connected, and the voltage between the output terminals AB becomes −E. In this mode 5, the second capacitor C2 is discharged when the current I A > 0.

〈モード6〉
第1,第4,第5,第6,第9,第10スイッチング素子S1,S4,S5,S6,S9,S10はオフ,第2,第3,第7,第8スイッチング素子S2,S3,S7,S8がオンとなり、電流IAは出力端子B→第1中性点NP→第4コンデンサC4→N→S8→S7→第2コンデンサC2→第2中性点NP´→D1→S2→出力端子A(または、電流IAが負の時、出力端子B→第1中性点NP→第4コンデンサC4→N→S8→S7→第2コンデンサC2→第2中性点NP´→D2→S3→出力端子A)の経路で流れる。出力端子AB間には第4コンデンサC4の正側→負側→第2コンデンサC2の負側→正側が直列に接続され、出力端子AB間の電圧は、−2E+E=Eとなる。このモード6では、電流IA>0のとき第2コンデンサC2は充電される。
<Mode 6>
The first, fourth, fifth, sixth, ninth and tenth switching elements S1, S4, S5, S6, S9 and S10 are off, the second, third, seventh and eighth switching elements S2, S3 S7 and S8 are turned on, and the current I A is output terminal B → first neutral point NP → fourth capacitor C4 → N → S8 → S7 → second capacitor C2 → second neutral point NP ′ → D1 → S2 → output terminal a (or, when the current I a is negative, the output terminal B → first neutral point NP → fourth capacitor C4 → N → S8 → S7 → second capacitor C2 → second neutral points NP' → D2 → S3 → Output terminal A) Between the output terminals AB, the positive side of the fourth capacitor C4 → the negative side → the negative side of the second capacitor C2 → the positive side is connected in series, and the voltage between the output terminals AB is −2E + E = E. In this mode 6, the second capacitor C2 is charged when the current I A > 0.

〈モード7〉
第1,第2,第5,第6,第9,第10スイッチング素子S1,S2,S5,S6,S9,S10はオフ,第3,第4,第7,第8スイッチング素子S3,S4,S7,S8はオンとなり、電流IAは出力端子B→第1中性点NP→第4コンデンサC4→N→S8→S7→S4→S3→出力端子Aの経路で流れる。出力端子AB間には、第4コンデンサC4の正側→負側が接続され、出力端子AB間の電圧は−2Eとなる。
<Mode 7>
The first, second, fifth, sixth, ninth and tenth switching elements S1, S2, S5, S6, S9 and S10 are off, the third, fourth, seventh and eighth switching elements S3, S4 S7 and S8 are turned on, and the current I A flows through the path of the output terminal B → the first neutral point NP → the fourth capacitor C4 → N → S8 → S7 → S4 → S3 → the output terminal A. Between the output terminals AB, the positive side → the negative side of the fourth capacitor C4 is connected, and the voltage between the output terminals AB is −2E.

第1,第2コンデンサC1,C2の電圧は、5レベル電力変換器の出力電圧がEまたは−Eのとき充電または放電するスイッチングパターン(表1のMode2,3,5,6)を利用して制御することができる。すなわち、モード2とモード3の出力電圧 はどちらも+Eであるが、第1コンデンサC1を充電または放電が可能であるため、第1コンデンサC1の電圧を調節することが可能である。同様に、モード5とモード6の出力電圧はどちらも−Eであるが、第2コンデンサC2を充電または放電が可能であるため、第2コンデンサC2の電圧を調節することが可能である。   The voltages of the first and second capacitors C1 and C2 are obtained by using switching patterns (Modes 2, 3, 5, and 6 in Table 1) that are charged or discharged when the output voltage of the five-level power converter is E or -E. Can be controlled. That is, although the output voltages of mode 2 and mode 3 are both + E, since the first capacitor C1 can be charged or discharged, the voltage of the first capacitor C1 can be adjusted. Similarly, although the output voltages of mode 5 and mode 6 are both −E, the voltage of the second capacitor C2 can be adjusted because the second capacitor C2 can be charged or discharged.

また、表1に示すとおり、零電圧のスイッチングパターンがモード4の1つであり、零電圧のスイッチングパターンが複数個ある回路に比べてスイッチングパターンの総数が少なく制御負荷を軽減することが可能である。   Also, as shown in Table 1, the zero voltage switching pattern is one of mode 4, and the total number of switching patterns is smaller than that of a circuit having a plurality of zero voltage switching patterns, and the control load can be reduced. is there.

以上示したように、本実施形態1の5レベル電力変換器によれば、1つの直流電源をコンデンサで2分圧した正極,負極,第1中性点による直流入力に対して少ない素子数(スイッチング素子10個(素子の耐圧によっては8個),ダイオード6個,コンデンサ2個)で、かつ、コンデンサ電圧の調節が可能な5レベルインバータを実現できる。   As described above, according to the five-level power converter of the first embodiment, the number of elements is smaller than the DC input by the positive electrode, the negative electrode, and the first neutral point obtained by dividing one DC power supply by a capacitor by two ( It is possible to realize a five-level inverter having ten switching elements (eight depending on the breakdown voltage of the element), six diodes, and two capacitors and capable of adjusting the capacitor voltage.

また、第1コンデンサC1の電圧がゼロのとき、P−NP間は、第5,第6スイッチング素子S5,S6,第3,第5ダイオードD3,D5の4個の素子で短絡を防止することができる。また、第2コンデンサC2の電圧がゼロのとき、NP−N間は、第8,第7スイッチング素子S8,S7,第4,第6ダイオードD4,D6の4個の素子で短絡を防止することができる。このため、第3,第4コンデンサC3,C4の電圧が2Eであっても、これら4個の素子に加わる電圧ストレスは2E/4=E/2とすることができ、少ない素子数で高電圧用途の負荷に適用できる。   Further, when the voltage of the first capacitor C1 is zero, the short circuit between P and NP is prevented by four elements of the fifth, sixth switching elements S5, S6, and the third and fifth diodes D3 and D5. Can do. Further, when the voltage of the second capacitor C2 is zero, the short circuit between NP and N is prevented by four elements of the eighth and seventh switching elements S8 and S7, and the fourth and sixth diodes D4 and D6. Can do. For this reason, even if the voltages of the third and fourth capacitors C3 and C4 are 2E, the voltage stress applied to these four elements can be 2E / 4 = E / 2. Applicable to application load.

[実施形態2]
図2は、本実施形態2における5レベル電力変換器2を示す回路構成図である。図2において、図1と同一部分は同一符号をもって示し、その説明は省略する。本実施形態2における5レベル電力変換器は、実施形態1における5レベルインバータINV1を3相分設けてY結線に接続し、U相,V相,W相の三相に対して、5レベルの電圧(2E,E,0,−E,−2E)を出力可能にしたものである。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing the five-level power converter 2 in the second embodiment. 2, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The five-level power converter according to the second embodiment is provided with three levels of the five-level inverter INV1 according to the first embodiment and connected to the Y connection, and has five levels for the three phases U phase, V phase, and W phase. The voltage (2E, E, 0, -E, -2E) can be output.

本実施形態2における5レベル電力変換器2は、実施形態1における出力端子B(第1中性点NP)同士を接続し、各相の出力端子Aを三相各相の出力端子U,V,Wとしている。   The five-level power converter 2 in the second embodiment connects the output terminals B (first neutral points NP) in the first embodiment, and the output terminals A of the respective phases to the output terminals U and V of the three-phase respective phases. , W.

図2の5レベルインバータINV1の各動作は図1の5レベルインバータINV1と同一である。また、図2の5レベル電力変換器2では、第1中性点NPを基準に三相U,V,Wに5レベル電圧2E,E,0,−E,−2Eを出力することができる。   Each operation of the 5-level inverter INV1 of FIG. 2 is the same as that of the 5-level inverter INV1 of FIG. 2 can output the five-level voltages 2E, E, 0, −E, and −2E to the three phases U, V, and W based on the first neutral point NP. .

以上示したように、本実施形態2における5レベル電力変換器によれば、実施形態1の作用効果に加え、1つの直流電源をコンデンサで2分圧した正極,負極,第1中性点による直流入力に対して、スイッチング素子30個(スイッチング素子S5,S6およびS7,S8を1つにした場合は、24個)ダイオード18個,コンデンサ6個で、かつ、各相のコンデンサ電圧の調節が可能な5レベルインバータによる三相交流出力回路の適用が実現できる。   As described above, according to the five-level power converter in the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the positive, negative, and first neutral points obtained by dividing one DC power supply by a capacitor into two parts For DC input, 30 switching elements (24 when switching elements S5, S6 and S7, S8 are combined) are 18 diodes and 6 capacitors, and the capacitor voltage of each phase can be adjusted. Application of a three-phase AC output circuit with a possible five-level inverter can be realized.

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。   Although the present invention has been described in detail only for the specific examples described above, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Such variations and modifications are naturally within the scope of the claims.

例えば、実施形態1,2では、直流電圧源として直流電源VDCを使用した例を示したが、交流電源を整流した直流電圧とする構成でも良い。 For example, in the first and second embodiments, the DC power source V DC is used as the DC voltage source. However, the AC power source may be a rectified DC voltage.

1,2…5レベル電力変換器
INV1,INV2…5レベルインバータ
DC…直流電圧源
S1〜S10…第1〜第10スイッチング素子
C1〜C4…第1〜第4コンデンサ
D1〜D6…第1〜第6ダイオード
A,B…出力端子
1, 2, 5 level power converter INV 1, INV 2, 5 level inverter V DC, DC voltage source S 1 to S 10, 1st to 10th switching element C 1 to C 4, 1st to 4th capacitor 6th diode A, B ... Output terminal

Claims (3)

直流電圧を複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成する5レベル電力変換器であって、
直流電圧源と、
前記直流電圧源の正負極端間に順次直列接続された第3,第4コンデンサと、
前記直流電圧源の正負極間に第6スイッチング素子と第1,第2コンデンサと第7スイッチング素子を順次直列接続した第1直列回路と、第6スイッチング素子と第1コンデンサとの共通接続点と第2コンデンサと第7スイッチング素子との共通接続点との間に第1,第2,第3,第4スイッチング素子を順次直列接続した第2直列回路と、第6スイッチング素子と第1コンデンサとの共通接続点と第2コンデンサと第7スイッチング素子との共通接続点との間に第3ダイオードと第9,第10スイッチング素子と第4ダイオードを順次直列接続した第3直列回路と、前記第1,第2スイッチング素子の共通接続点と第3,第4スイッチング素子との共通接続点との間に介挿された第1,第2ダイオードと、第3ダイオードと第9スイッチング素子との共通接続点と第10スイッチング素子と第4ダイオードとの共通接続点との間に介挿された第5,第6ダイオードと、を有する5レベルインバータと、
前記第1〜第4,第6,第7,第9,第10スイッチング素子をオンオフ制御することにより5つの電圧レベルを出力させる制御手段と、を備え、
第5,第6ダイオードの共通接続点と第3,第4コンデンサの第1中性点を接続して該第1中性点を出力端子Bとし、第9,第10スイッチング素子の共通接続点と第1,第2コンデンサの第2中性点と第1,第2ダイオードの共通接続点とを接続し、第2,第3スイッチング素子の共通接続点を出力端子Aとすることを特徴とする5レベル電力変換器。
A five-level power converter that generates an AC output by converting a DC voltage into a plurality of voltage levels,
A DC voltage source;
Third and fourth capacitors sequentially connected in series between the positive and negative terminals of the DC voltage source;
A first series circuit in which a sixth switching element, first and second capacitors, and a seventh switching element are sequentially connected in series between the positive and negative electrodes of the DC voltage source; and a common connection point of the sixth switching element and the first capacitor; A second series circuit in which first, second, third, and fourth switching elements are sequentially connected in series between a common connection point of the second capacitor and the seventh switching element; a sixth switching element; and a first capacitor; A third series circuit in which a third diode, a ninth, a tenth switching element, and a fourth diode are sequentially connected in series between the common connection point of the second capacitor and the common connection point of the second capacitor and the seventh switching element; A first diode, a second diode, a third diode and a ninth switch interposed between a common connection point of the first and second switching elements and a common connection point of the third and fourth switching elements; A five-level inverter having a, a fifth, sixth diode interposed between a common connection point between the common connection point and the tenth switching element and the fourth diode the element,
Control means for outputting five voltage levels by on-off controlling the first to fourth, sixth, seventh, ninth and tenth switching elements;
A common connection point of the fifth and sixth diodes and a first neutral point of the third and fourth capacitors are connected to be the output terminal B, and a common connection point of the ninth and tenth switching elements. And the second neutral point of the first and second capacitors and the common connection point of the first and second diodes, and the common connection point of the second and third switching elements as the output terminal A, 5 level power converter.
前記制御手段のオンオフ制御は、同一電圧レベル出力時に、前記第1,第2コンデンサを充電させる制御モードと、放電させる制御モードを有していることを特徴とする請求項1記載の5レベル電力変換器。   2. The 5-level power according to claim 1, wherein the on / off control of the control means has a control mode for charging the first and second capacitors and a control mode for discharging when the same voltage level is output. converter. 前記5レベルインバータをU相,V相,W相にそれぞれ備え、
前記出力端子Bを三相の5レベルインバータの第1中性点として共通接続し、前記出力端子AをU相,V相,W相の各出力端とすることを特徴とする請求項1または2記載の5レベル電力変換器。
The 5-level inverter is provided for each of the U phase, V phase, and W phase,
2. The output terminal B is commonly connected as a first neutral point of a three-phase five-level inverter, and the output terminal A is an output terminal of each of a U phase, a V phase, and a W phase. 5. The 5-level power converter according to 2.
JP2012131465A 2012-06-11 2012-06-11 5 level power converter Expired - Fee Related JP5910333B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012131465A JP5910333B2 (en) 2012-06-11 2012-06-11 5 level power converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012131465A JP5910333B2 (en) 2012-06-11 2012-06-11 5 level power converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013258790A JP2013258790A (en) 2013-12-26
JP5910333B2 true JP5910333B2 (en) 2016-04-27

Family

ID=49954754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012131465A Expired - Fee Related JP5910333B2 (en) 2012-06-11 2012-06-11 5 level power converter

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5910333B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9941813B2 (en) 2013-03-14 2018-04-10 Solaredge Technologies Ltd. High frequency multi-level inverter
JP6341051B2 (en) * 2014-03-03 2018-06-13 株式会社明電舎 5-level power converter
US9318974B2 (en) 2014-03-26 2016-04-19 Solaredge Technologies Ltd. Multi-level inverter with flying capacitor topology
CN109831113A (en) * 2019-03-04 2019-05-31 易事特集团股份有限公司 Converter topology unit and converter device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5483231B2 (en) * 2009-03-16 2014-05-07 国立大学法人東京工業大学 Voltage uniform circuit
JP5593660B2 (en) * 2009-09-25 2014-09-24 富士電機株式会社 5 level inverter
JP5510146B2 (en) * 2010-07-21 2014-06-04 富士電機株式会社 Power converter control circuit

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013258790A (en) 2013-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6123219B2 (en) Multi-level power converter
JP5803683B2 (en) Multi-level power conversion circuit
JP5734672B2 (en) Semiconductor power converter
JP5974516B2 (en) 5-level power converter
US10355617B2 (en) Medium voltage transformerless multilevel converter and method for controlling a medium voltage transformerless multilevel converter
JP4898898B2 (en) Three-phase power converter
JP6232944B2 (en) Multi-level power converter
US10218285B2 (en) Medium voltage hybrid multilevel converter and method for controlling a medium voltage hybrid multilevel converter
JP6957196B2 (en) Power converter
JP5910333B2 (en) 5 level power converter
EP3038244A1 (en) Power conversion device and control method thereof
JP2013055753A (en) Multilevel power converter
JP2016226223A (en) Seven-level power converter
JP2012191761A (en) Ac-dc conversion circuit
JP6337659B2 (en) 5-level power converter
WO2015174454A1 (en) Control method for five-level power converter
KR102261327B1 (en) Inverter system
JP2017011805A (en) 9-level power conversion apparatus
JP6341051B2 (en) 5-level power converter
JP2013258863A (en) Multilevel power converter
JP5811806B2 (en) Multi-level power converter
JP2019075915A (en) Multilevel power conversion device and control method of the same
JP2002044953A (en) Rectifier of three-phase half-voltage output type
JP2013158077A (en) Multilevel power converter
JP5423264B2 (en) Power converter

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150317

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160218

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160301

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160314

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5910333

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees