JP5978927B2 - 5 level power converter - Google Patents

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Description

本発明は、交流電圧を5レベルの電圧に変換する5レベル電力変換器に関する。   The present invention relates to a five-level power converter that converts an alternating voltage into a five-level voltage.

5レベル電力変換器、例えばPWMAC/DC変換器は、IGBTなどのスイッチング素子のオン、オフ動作により交流電圧を直流電圧に変換しつつ、交流入力電流の高調波電流を抑制する装置である。従来のPWMAC/DC変換器において、12スイッチ5レベルタイプの回路構成の代表例を図10に示す。   A five-level power converter, such as a PWM AC / DC converter, is a device that suppresses harmonic currents of an AC input current while converting an AC voltage into a DC voltage by turning on and off a switching element such as an IGBT. FIG. 10 shows a typical example of a 12-switch 5-level type circuit configuration in a conventional PWM AC / DC converter.

図10において、三相交流電源100の各相に対して電圧変換部110R,110S,110Tが設けられている。電圧変換部110Rは、直列接続されたスイッチング素子SR1,SR2,SR3,SR4(例えばIGBTからなる)と、アノードがスイッチング素子SR1に接続されたダイオードDR1と、カソードがスイッチング素子SR4に接続されたダイオードDR1´と、スイッチング素子SR1およびSR2の共通接続点とスイッチング素子SR3およびSR4の共通接続点との間に接続されたフライングキャパシタC1と、ダイオードDR1およびスイッチング素子SR1の共通接続点とダイオードDR1´およびスイッチング素子SR4の共通接続点との間に接続されたフライングキャパシタC3と、フライングキャパシタC3に並列に接続され、ダイオードDR2およびDR2´を直列接続してなるダイオード直列回路とを備えて構成されている。電圧変換部110S,110Tも前記電圧変換部110Rと同様に構成されている。   In FIG. 10, voltage conversion units 110 </ b> R, 110 </ b> S, and 110 </ b> T are provided for each phase of the three-phase AC power supply 100. The voltage converting unit 110R includes switching elements SR1, SR2, SR3, SR4 (for example, made of IGBT) connected in series, a diode DR1 having an anode connected to the switching element SR1, and a diode having a cathode connected to the switching element SR4. DR1 ′, a flying capacitor C1 connected between a common connection point of switching elements SR1 and SR2 and a common connection point of switching elements SR3 and SR4, a common connection point of diode DR1 and switching element SR1, and diode DR1 ′ and A flying capacitor C3 connected between a common connection point of the switching element SR4 and a diode series circuit connected in parallel to the flying capacitor C3 and formed by connecting diodes DR2 and DR2 ′ in series. To have. The voltage converters 110S and 110T are configured in the same manner as the voltage converter 110R.

電圧変換部110R,110S,110TのダイオードDR1,DS1,DT1の各カソードは、クランプキャパシタC2およびC2´を直列接続してなるクランプキャパシタ直列回路のクランプキャパシタC2側端に接続され、ダイオードDR1´,DS1´,DT1´の各アノードは、前記クランプキャパシタC2´側端に接続されている。前記クランプキャパシタ直列回路の両端間には負荷120が接続されている。   The cathodes of the diodes DR1, DS1, and DT1 of the voltage converters 110R, 110S, and 110T are connected to the clamp capacitor C2 side end of the clamp capacitor series circuit formed by connecting the clamp capacitors C2 and C2 ′ in series, and the diodes DR1 ′, Each anode of DS1 'and DT1' is connected to the end of the clamp capacitor C2 '. A load 120 is connected between both ends of the clamp capacitor series circuit.

電圧変換部110Rのスイッチング素子SR2およびSR3の共通接続点は、リアクトルLRを介して交流電源100のR相に接続され、電圧変換部110Sのスイッチング素子SS2およびSS3の共通接続点は、リアクトルLSを介して交流電源100のS相に接続され、電圧変換部110Tのスイッチング素子ST2およびST3の共通接続点は、リアクトルLTを介して交流電源100のT相に接続されている。   The common connection point of switching elements SR2 and SR3 of voltage conversion unit 110R is connected to the R phase of AC power supply 100 via reactor LR, and the common connection point of switching elements SS2 and SS3 of voltage conversion unit 110S is connected to reactor LS. The common connection point of the switching elements ST2 and ST3 of the voltage converter 110T is connected to the T phase of the AC power supply 100 via the reactor LT.

電圧変換部110RのダイオードDR2およびDR2´の共通接続点と、電圧変換部110SのダイオードDS2およびDS2´の共通接続点と、電圧変換部110TのダイオードDT2およびDT2´の共通接続点は、クランプキャパシタC2およびC2´の共通接続点である端子M(中性点)に共通に接続されている。   The common connection point of the diodes DR2 and DR2 ′ of the voltage conversion unit 110R, the common connection point of the diodes DS2 and DS2 ′ of the voltage conversion unit 110S, and the common connection point of the diodes DT2 and DT2 ′ of the voltage conversion unit 110T are clamp capacitors. Commonly connected to a terminal M (neutral point) which is a common connection point of C2 and C2 ′.

尚、図10では、電圧変換部110Rのスイッチング素子SR2およびSR3の共通接続点を端子Aとしている。   In FIG. 10, the common connection point of the switching elements SR2 and SR3 of the voltage conversion unit 110R is a terminal A.

図10の回路では、スイッチング素子SR1〜SR4、SS1〜SS4、ST1〜ST4のオン、オフ動作により、三相交流入力相電圧(VinR,VinS,VinT)を直流電圧Vdcに変換する。   In the circuit of FIG. 10, the three-phase AC input phase voltages (VinR, VinS, VinT) are converted into the DC voltage Vdc by turning on and off the switching elements SR1 to SR4, SS1 to SS4, and ST1 to ST4.

クランプキャパシタ(C2,C2´)は、直流電圧Vdcを中性点Mで均等分圧するために設けられている。各キャパシタの印加電圧(Vc2,Vc2´)は、Vc2=Vc2´=Vdc/2に保つように制御する。この制御は、従来技術として例えば特許文献1に開示されている。   The clamp capacitors (C2, C2 ′) are provided to evenly divide the DC voltage Vdc at the neutral point M. The applied voltage (Vc2, Vc2 ′) of each capacitor is controlled to be kept at Vc2 = Vc2 ′ = Vdc / 2. This control is disclosed, for example, in Patent Document 1 as a conventional technique.

フライングキャパシタ(C1,C1´,C1″)の電圧(Vc1,Vc1´Vc1″)は、Vc1=Vc1´=Vc1″=Vdc/4に保つように制御する。この制御は、フライングキャパシタ電圧の検出、およびスイッチング素子のオン、オフ動作によって、フライングキャパシタを充放電させて行なう。   The voltage (Vc1, Vc1′Vc1 ″) of the flying capacitors (C1, C1 ′, C1 ″) is controlled to be kept at Vc1 = Vc1 ′ = Vc1 ″ = Vdc / 4. This control is performed by detecting the flying capacitor voltage. , And the switching element is turned on and off to charge and discharge the flying capacitor.

表1に、図10の回路でのスイッチングパターン(NO.1〜NO.8)、フライングキャパシタC1の充放電状態および端子A,M間の電圧を示す(R相の場合)。   Table 1 shows the switching pattern (NO. 1 to NO. 8), the charging / discharging state of the flying capacitor C1, and the voltage between the terminals A and M in the circuit of FIG. 10 (in the case of the R phase).

Figure 0005978927
Figure 0005978927

表1において、
<入力相電圧(VinR):正の期間>
スイッチングパターンNO.1では、SR1,SR2がオン、SR3,SR4がオフ制御され、端子A,M間には電圧+Vdc/2が出力される。
In Table 1,
<Input phase voltage (VinR): positive period>
Switching pattern NO. 1, SR1 and SR2 are turned on, SR3 and SR4 are turned off, and a voltage + Vdc / 2 is output between terminals A and M.

スイッチングパターンNO.2では、SR1,SR3がオン、SR2,SR4がオフ制御され、端子A,M間には電圧+Vdc/4が出力される。   Switching pattern NO. 2, SR1 and SR3 are turned on, SR2 and SR4 are turned off, and a voltage + Vdc / 4 is output between the terminals A and M.

スイッチングパターンNO.3では、SR2,SR4がオン、SR1,SR3がオフ制御され、端子A,M間には電圧+Vdc/4が出力される。   Switching pattern NO. 3, SR2 and SR4 are turned on, and SR1 and SR3 are turned off, and the voltage + Vdc / 4 is output between the terminals A and M.

スイッチングパターンNO.4では、SR3,SR4がオン、SR1,SR2がオフ制御され、端子A,M間には電圧0が出力される。   Switching pattern NO. 4, SR3 and SR4 are turned on and SR1 and SR2 are turned off, and a voltage 0 is output between the terminals A and M.

<入力相電圧(VinR):負の期間>
スイッチングパターンNO.5では、SR1,SR2がオン、SR3,SR4がオフ制御され、端子A,M間には電圧0が出力される。
<Input phase voltage (VinR): negative period>
Switching pattern NO. 5, SR1 and SR2 are turned on, SR3 and SR4 are turned off, and a voltage 0 is output between the terminals A and M.

スイッチングパターンNO.6では、SR1,SR3がオン、SR2,SR4がオフ制御され、端子A,M間には電圧−Vdc/4が出力される。   Switching pattern NO. 6, SR1 and SR3 are turned on and SR2 and SR4 are turned off, and a voltage −Vdc / 4 is output between the terminals A and M.

スイッチングパターンNO.7では、SR2,SR4がオン、SR1,SR3がオフ制御され、端子A,M間には電圧−Vdc/4が出力される。   Switching pattern NO. 7, SR2 and SR4 are turned on and SR1 and SR3 are turned off, and a voltage −Vdc / 4 is output between the terminals A and M.

スイッチングパターンNO.8では、SR3,SR4がオン、SR1,SR2がオフ制御され、端子A,M間には電圧−Vdc/2が出力される。   Switching pattern NO. 8, SR3 and SR4 are turned on, SR1 and SR2 are turned off, and a voltage −Vdc / 2 is output between the terminals A and M.

上記NO.1〜NO.8のスイッチングパターンの選択により端子A,M間には、図11に示すような5レベルの電圧が得られる。図11の波形が高調波成分の低い正弦波に近似した波形になるほど、交流入力電流の高調波電流を抑制することができる。上記の動作はS相、T相の場合も同様となる。   No. above. 1-NO. By selecting the switching pattern of 8, a 5-level voltage as shown in FIG. 11 is obtained between the terminals A and M. As the waveform in FIG. 11 approximates a sine wave having a lower harmonic component, the harmonic current of the AC input current can be suppressed. The above operation is the same for the S-phase and T-phase.

特開平07−75345号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-75345

図10の回路は、1相あたりダイオード4個、スイッチング素子4個、キャパシタ2個で構成される。単相の構成とした場合では、直流出力に接続されるクランプキャパシタ(C2,C2´)2個を含めると、ダイオード8個、スイッチング素子8個、キャパシタ6個が必要となる。   The circuit of FIG. 10 includes four diodes, four switching elements, and two capacitors per phase. In the case of a single-phase configuration, if two clamp capacitors (C2, C2 ′) connected to the DC output are included, eight diodes, eight switching elements, and six capacitors are required.

また、三相の構成とした場合では、直流出力に接続されるクランプキャパシタ(C2,C2´)2個を含めると、ダイオード12個、スイッチング素子12個、キャパシタ8個が必要となる。このためキャパシタの必要個数が多くなって装置が大型化してしまう。   In the case of a three-phase configuration, if two clamp capacitors (C2, C2 ′) connected to the DC output are included, twelve diodes, twelve switching elements, and eight capacitors are required. For this reason, the required number of capacitors increases and the apparatus becomes larger.

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、キャパシタの部品点数を削減して装置の小型化を図った5レベル電力変換器を提供することにある。   The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a five-level power converter that reduces the number of components of the capacitor and reduces the size of the device.

上記課題を解決するための請求項1記載の5レベル電力変換器は、交流電圧を入力とし、5レベルの電圧を出力する5レベル電力変換器であって、第1〜第4のダイオードを順次直列接続して成るダイオード直列回路と、前記第1および第2のダイオードの共通接続点と第3および第4のダイオードの共通接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、前記フライングキャパシタの両端間に直列接続された第1および第2のスイッチング素子と、一端が前記第2および第3のダイオードの共通接続点に接続され、互いに逆の耐圧方向に制御できるスイッチング手段と、によって構成された5レベル電圧変換部を複数個設け、前記複数の5レベル電圧変換部のうち少なくとも1つの5レベル電圧変換部の、前記第1および第2のスイッチング素子の共通接続点と交流電源の間に接続されたリアクトルと、直列接続された第1および第2のクランプキャパシタを有し、第1のクランプキャパシタ側端部が前記複数の5レベル電圧変換部の各ダイオード直列回路の一端に各々接続され、第2のクランプキャパシタ側端部が前記各ダイオード直列回路の他端に各々接続され、第1および第2のクランプキャパシタの共通接続点である中性点が、前記複数の5レベル電圧変換部の各スイッチング手段の他端に各々接続されたクランプキャパシタ直列回路と、複数のスイッチングパターンにより前記第1および第2のスイッチング素子とスイッチング手段をオン、オフ制御することによって、前記第1および第2のスイッチング素子の共通接続点と前記中性点との間に5レベルの電圧を出力させる制御手段と、を備えたことを特徴としている。   The 5-level power converter according to claim 1 for solving the above-mentioned problem is a 5-level power converter that receives an AC voltage and outputs a 5-level voltage, wherein the first to fourth diodes are sequentially arranged. A series-connected diode series circuit; a flying capacitor connected between a common connection point of the first and second diodes and a common connection point of the third and fourth diodes; and both ends of the flying capacitor The first and second switching elements connected in series between each other, and switching means having one end connected to the common connection point of the second and third diodes and capable of controlling in the reverse withstand voltage directions. A plurality of 5-level voltage converters are provided, and the first and second switches of at least one 5-level voltage converter among the plurality of 5-level voltage converters Having a reactor connected between the common connection point of the switching elements and the AC power supply, and first and second clamp capacitors connected in series, and the first clamp capacitor side end is the plurality of five-level voltage conversions Are connected to one end of each diode series circuit, and the second clamp capacitor side end is connected to the other end of each diode series circuit, and is a common connection point of the first and second clamp capacitors. The point is that the first and second switching elements and the switching means are turned on by a clamp capacitor series circuit connected to the other end of each switching means of the plurality of five-level voltage converters, and a plurality of switching patterns, By controlling off, a voltage of 5 levels is output between the common connection point of the first and second switching elements and the neutral point. It is characterized by and a control means for.

また、請求項2記載の5レベル電力変換器は、請求項1において、前記5レベル電圧変換部は三相交流の各相に各々設けられ、前記各5レベル電圧変換部の第1および第2のスイッチング素子の共通接続点は、前記リアクトルを各々介して三相交流電源のU相、V相、W相に各々接続されていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a five-level power converter according to the first aspect, wherein the five-level voltage converter is provided in each phase of a three-phase alternating current, and the first and second of the respective five-level voltage converters. The common connection points of the switching elements are respectively connected to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-phase AC power supply through the reactors.

上記構成によれは、装置の構成部品点数、特にキャパシタの部品点数を削減し、装置構成の簡素化を図ることができる。   According to the above configuration, the number of component parts of the device, in particular, the number of capacitor components can be reduced, and the device configuration can be simplified.

本発明によれば、部品点数を削減して装置構成の小型化を図った5レベル電力変換器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the 5-level power converter which reduced the number of parts and aimed at size reduction of an apparatus structure can be provided.

本発明の一実施形態例の回路図。The circuit diagram of the example of one embodiment of the present invention. 図1における、電流が正の時の電流経路を示す要部回路図。The principal part circuit diagram which shows the electric current path when the electric current in FIG. 1 is positive. 図1における、電流が負の時の電流経路を示す要部回路図。The principal part circuit diagram which shows the electric current path | route in case the electric current is negative in FIG. 本発明の一実施形態例の制御ブロック図。The control block diagram of one example of embodiment of this invention. 本発明の一実施形態例における電圧指令値と三角波キャリア信号との比較を表す説明図。Explanatory drawing showing the comparison with the voltage command value and triangular wave carrier signal in one Example of this invention. 図1の回路におけるO−NP間の電圧波形図。FIG. 2 is a voltage waveform diagram between O and NP in the circuit of FIG. 1. 本発明の他の実施形態例の回路図。The circuit diagram of the other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態例の制御ブロック図。The control block diagram of the other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態例における電圧指令値と三角波キャリア信号との比較を表す説明図。Explanatory drawing showing the comparison with the voltage command value and triangular wave carrier signal in the other Example of this invention. 従来の5レベル電力変換器の一例を示す回路図。The circuit diagram which shows an example of the conventional 5 level power converter. 図10の回路におけるA,M間の電圧波形図。FIG. 11 is a voltage waveform diagram between A and M in the circuit of FIG. 10.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments.

図1に本発明の実施例1の5レベル電力変換器を示す。図1において、D1〜D4は順次直列接続された第1〜第4のダイオードであり、本発明のダイオード直列回路を構成している。ダイオードD1およびD2の共通接続点とダイオードD3およびD4の共通接続点との間にはフライングキャパシタC1が接続されている。フライングキャパシタC1の両端間には第1および第2のスイッチング素子S1,S2が直列に接続されている。第2および第3のダイオードD2,D3の共通接続点には、本発明のスイッチング手段としてのスイッチング素子S3,S4が互いに逆の耐圧方向に直列に接続されている(S3,S4によって双方向スイッチを構成している)。   FIG. 1 shows a five-level power converter according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, D1 to D4 are first to fourth diodes sequentially connected in series, and constitute a diode series circuit of the present invention. A flying capacitor C1 is connected between a common connection point of the diodes D1 and D2 and a common connection point of the diodes D3 and D4. The first and second switching elements S1, S2 are connected in series between both ends of the flying capacitor C1. Switching elements S3 and S4 as switching means of the present invention are connected in series in the reverse voltage directions opposite to each other at the common connection point of the second and third diodes D2 and D3 (bidirectional switch by S3 and S4). Is configured).

前記スイッチング素子S1〜S4、ダイオードD1〜D4およびフライングキャパシタC1によって5レベル電圧変換部200を構成している。   The switching elements S1 to S4, the diodes D1 to D4, and the flying capacitor C1 constitute a five-level voltage conversion unit 200.

D1´〜D4´は順次直列接続された第1〜第4のダイオードであり、本発明のダイオード直列回路を構成している。ダイオードD1´およびD2´の共通接続点とダイオードD3´およびD4´の共通接続点との間にはフライングキャパシタC1´が接続されている。フライングキャパシタC1´の両端間には第1および第2のスイッチング素子S1´,S2´が直列に接続されている。第2および第3のダイオードD2´,D3´の共通接続点には、本発明のスイッチング手段としてのスイッチング素子S3´,S4´が互いに逆の耐圧方向に直列に接続されている(S3´,S4´によって双方向スイッチを構成している)。   D1 ′ to D4 ′ are first to fourth diodes sequentially connected in series, and constitute a diode series circuit of the present invention. A flying capacitor C1 ′ is connected between a common connection point of the diodes D1 ′ and D2 ′ and a common connection point of the diodes D3 ′ and D4 ′. First and second switching elements S1 ′ and S2 ′ are connected in series between both ends of the flying capacitor C1 ′. Switching elements S3 ′ and S4 ′ as switching means of the present invention are connected in series in opposite breakdown voltage directions to the common connection point of the second and third diodes D2 ′ and D3 ′ (S3 ′, S4 'constitutes a bidirectional switch).

前記スイッチング素子S1´〜S4´、ダイオードD1´〜D4´およびフライングキャパシタC1´によって5レベル電圧変換部200´を構成している。   The switching elements S1 ′ to S4 ′, the diodes D1 ′ to D4 ′, and the flying capacitor C1 ′ constitute a five-level voltage converter 200 ′.

120は負荷であり、負荷120の両端間にはクランプキャパシタC2,C3が直列に接続されている。前記ダイオードD1,D1´のカソードはクランプキャパシタC2および負荷120の共通接続点Pに各々接続され、前記ダイオードD4,D4´のアノードはクランプキャパシタC3および負荷120の共通接続点Nに各々接続されている。   Reference numeral 120 denotes a load, and clamp capacitors C <b> 2 and C <b> 3 are connected in series between both ends of the load 120. The cathodes of the diodes D1 and D1 ′ are connected to the common connection point P of the clamp capacitor C2 and the load 120, respectively, and the anodes of the diodes D4 and D4 ′ are connected to the common connection point N of the clamp capacitor C3 and the load 120, respectively. Yes.

前記スイッチング素子S4,S4´の端部はクランプキャパシタC2およびC3の共通接続点(中性点)NPに各々接続されている。前記スイッチング素子S1およびS2の共通接続点OはリアクトルLを介して入力端子Aに接続され、スイッチング素子S1´およびS2´の共通接続点は入力端子Bに接続されている。入力端子A,B間には単相交流電源の電圧Vinが印加される。   The ends of the switching elements S4 and S4 'are connected to a common connection point (neutral point) NP of the clamp capacitors C2 and C3, respectively. The common connection point O of the switching elements S1 and S2 is connected to the input terminal A via the reactor L, and the common connection point of the switching elements S1 ′ and S2 ′ is connected to the input terminal B. A voltage Vin of a single-phase AC power supply is applied between the input terminals A and B.

尚、前記リアクトルLは、入力端子A側に代えて、スイッチング素子S1´およびS2´の共通接続点と入力端子Bの間に接続しても良く、また、入力端子A側、B側の両方に接続しても良い。   The reactor L may be connected between the common connection point of the switching elements S1 ′ and S2 ′ and the input terminal B instead of the input terminal A side, and both the input terminal A side and the B side are connected. You may connect to.

図1の回路は、図示省略の制御回路(制御手段)がスイッチング素子S1〜S4、S1´〜S4´をオン、オフ制御することにより、端子P,Nに直流電圧を発生させる回路となっている。   The circuit shown in FIG. 1 is a circuit that generates a DC voltage at terminals P and N by turning on and off switching elements S1 to S4 and S1 ′ to S4 ′ by a control circuit (control means) (not shown). Yes.

図1の回路では、主電流経路にダイオードを用いているため、入力電圧の極性により出力可能な電圧レベルが変化する。表2に、図1の5レベル電圧変換部200側の回路でのスイッチングパターン(NO.1〜NO.8)、フライングキャパシタC1の充放電状態および端子O−NP間の電圧VO-NPの一例を示す。 In the circuit of FIG. 1, since a diode is used in the main current path, the output voltage level changes depending on the polarity of the input voltage. Table 2 shows the switching pattern (NO.1 to NO.8), the charging / discharging state of the flying capacitor C1 and the voltage V O-NP between the terminals O-NP in the circuit on the 5-level voltage converter 200 side in FIG. An example is shown.

Figure 0005978927
Figure 0005978927

表2に示すように、図1の回路は入力電圧の極性ごとに1種類のゼロレベルを含む5レベルの電圧を出力する。   As shown in Table 2, the circuit of FIG. 1 outputs 5 levels of voltage including one type of zero level for each polarity of the input voltage.

ここで、前記表1で述べた従来回路と同様に、クランプキャパシタC2,C3にかかる電圧VC2,VC3はVdc/2に制御する。また従来回路と同様、スイッチングパターンNO.2,3とNO.6,7を使い分ける充放電制御によって、フライングキャパシタ電圧VC1,VC1´をVdc/4に制御する。   Here, as in the conventional circuit described in Table 1, the voltages VC2 and VC3 applied to the clamp capacitors C2 and C3 are controlled to Vdc / 2. As with the conventional circuit, the switching pattern NO. 2, 3 and NO. Flying capacitor voltages VC1 and VC1 ′ are controlled to Vdc / 4 by charge / discharge control using 6 and 7 separately.

次に、1相での動作を説明する。まず図1の中性点NPを基準とした時の端子Oに出力される電圧(出力電圧VO-NP)について説明する。図2は、表2に示す入力電圧の極性が正の場合の電流経路を示し、図3は、表2に示す入力電圧が負の場合の電流経路を示している。なお、本実施形態例では力率1制御を行なっているため、入力電圧Vinと入力電流Iinは同位相とみなしている。 Next, the operation in one phase will be described. First, the voltage (output voltage V O-NP ) output to the terminal O when the neutral point NP in FIG. 1 is used as a reference will be described. 2 shows a current path when the polarity of the input voltage shown in Table 2 is positive, and FIG. 3 shows a current path when the input voltage shown in Table 2 is negative. In this embodiment, since the power factor 1 control is performed, the input voltage Vin and the input current Iin are considered to be in phase.

出力する電圧と電流経路は以下のとおりである。   The output voltage and current path are as follows.

<入力電圧(Vin):正の期間>
スイッチングパターンNO.1では、スイッチング素子S1のみをオン制御する。端子O→S1→D1→端子Pとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは+Vdc/2を出力する。
<Input voltage (Vin): positive period>
Switching pattern NO. 1, only the switching element S1 is turned on. A current flows through a path from the terminal O → S1 → D1 → terminal P, and the output voltage V O-NP outputs + Vdc / 2.

スイッチングパターンNO.2では、スイッチング素子S1、S3をオン制御する。端子O→S1→C1→D3→S3→S4→端子NPとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは+Vdc/4を出力する。 Switching pattern NO. 2, the switching elements S1 and S3 are turned on. A current flows through a path from the terminal O → S1 → C1 → D3 → S3 → S4 → terminal NP, and the output voltage V O-NP outputs + Vdc / 4.

スイッチングパターンNO.3では、スイッチング素子S2のみをオン制御する。端子O→S2→C1→D1→端子Pとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは+Vdc/4を出力する。 Switching pattern NO. 3, only the switching element S2 is turned on. A current flows through a path from the terminal O → S 2 → C 1 → D 1 → terminal P, and the output voltage V O-NP outputs + Vdc / 4.

スイッチングパターンNO.4では、スイッチング素子S2、S3、S4をオン制御する。端子O→S2→D3→S3→S4→端子NPとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは0を出力する。 Switching pattern NO. 4, the switching elements S2, S3 and S4 are turned on. A current flows through a route of terminal O → S2 → D3 → S3 → S4 → terminal NP, and the output voltage V O-NP outputs 0.

<入力相電圧(Vin):負の期間>
スイッチングパターンNO.5では、スイッチング素子S1、S3、S4をオン制御する。端子NP→S4→S3→D2→S1→端子Oとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは0を出力する。
<Input phase voltage (Vin): negative period>
Switching pattern NO. 5, the switching elements S1, S3, and S4 are turned on. A current flows through a route of terminal NP → S4 → S3 → D2 → S1 → terminal O, and output voltage V O-NP outputs 0.

スイッチングパターンNO.6では、スイッチング素子S1のみをオン制御する。端子N→D4→C1→S1→端子Oとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは−Vdc/4を出力する。 Switching pattern NO. 6, only the switching element S1 is turned on. A current flows through a route of terminal N → D4 → C1 → S1 → terminal O, and the output voltage V O-NP outputs −Vdc / 4.

スイッチングパターンNO.7では、スイッチング素子S2、S4をオン制御する。端子NP→S4→S3→D2→C1→S2→端子Oとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは−Vdc/4を出力する。 Switching pattern NO. 7, the switching elements S2 and S4 are turned on. A current flows through a route of terminal NP → S4 → S3 → D2 → C1 → S2 → terminal O, and output voltage V O-NP outputs −Vdc / 4.

スイッチングパターンNO.8では、スイッチング素子S2のみをオン制御する。端子N→D4→S2→端子Oとなる経路で電流が流れ、出力電圧VO-NPは−Vdc/2を出力する。 Switching pattern NO. At 8, only the switching element S2 is turned on. A current flows through a route of terminal N → D4 → S2 → terminal O, and the output voltage V O-NP outputs −Vdc / 2.

このようにして、図1の回路は、中性点NPを基準とした時の端子Oに、2極性で2種類のゼロレベル(各極性ごとに1種類のゼロレベル)を含む5レベルの電圧を出力することができる。   In this way, the circuit of FIG. 1 has a 5-level voltage including two types of zero levels (one type of zero level for each polarity) at the terminal O when the neutral point NP is used as a reference. Can be output.

次に、フライングキャパシタの充電について説明する。フライングキャパシタ(C1,C1´)は、充電モード・放電モードの2つのうちいずれかを選択してスイッチングさせることで、フライングキャパシタ電圧(VC1,VC1´)を一定値に制御する。   Next, charging of the flying capacitor will be described. The flying capacitor (C1, C1 ′) controls the flying capacitor voltage (VC1, VC1 ′) to a constant value by selecting and switching one of the charge mode and the discharge mode.

フライングキャパシタC1を充放電する経路は以下のとおりである。   The path for charging and discharging the flying capacitor C1 is as follows.

<入力電圧(Vin):正の期間>
スイッチングパターンNO.2(C1充電モード)では、S1オン、S2オフ、S3オン、S4オフとすることにより、端子O→S1→C1→D3→S3→S4→端子NPとなる経路で電流が流れ、C1を充電する。
<Input voltage (Vin): positive period>
Switching pattern NO. 2 (C1 charging mode), by turning S1 on, S2 off, S3 on, and S4 off, current flows through the path from terminal O → S1 → C1 → D3 → S3 → S4 → terminal NP, charging C1 To do.

スイッチングパターンNO.3(C1放電モード)では、S1オフ、S2オン、S3オフ、S4オフとすることにより、端子O→S2→C1→D1→端子Pとなる経路で電流が流れ、C1を放電する。   Switching pattern NO. In 3 (C1 discharge mode), S1 is turned off, S2 is turned on, S3 is turned off, and S4 is turned off, so that a current flows through a route from terminal O → S2 → C1 → D1 → terminal P, and C1 is discharged.

<入力相電圧(Vin):負の期間>
スイッチングパターンNO.6(C1放電モード)では、S1オン、S2オフ、S3オフ、S4オフとすることにより、端子N→D4→C1→S1→端子Oとなる経路で電流が流れ、C1を放電する。
<Input phase voltage (Vin): negative period>
Switching pattern NO. In 6 (C1 discharge mode), S1 is turned on, S2 is turned off, S3 is turned off, and S4 is turned off, whereby a current flows through a route from terminal N → D4 → C1 → S1 → terminal O, and C1 is discharged.

スイッチングパターンNO.7(C1充電モード)では、S1オフ、S2オン、S3オフ、S4オンとすることにより、端子NP→S4→S3→D2→C1→S2→端子Oとなる経路で電流が流れ、C1を充電する。   Switching pattern NO. 7 (C1 charging mode), by turning S1 off, S2 on, S3 off, and S4 on, current flows through the path from terminal NP → S4 → S3 → D2 → C1 → S2 → terminal O, charging C1 To do.

このように、同一の電圧レベルを保ちながらフライングキャパシタC1の充電・放電モードを切り替えることができるため、スイッチングパターンを使い分けることにより、C1の充放電制御が可能となり、C1の電圧VC1をVdc/4に一定制御することができる。   Thus, since the charge / discharge mode of the flying capacitor C1 can be switched while maintaining the same voltage level, the charge / discharge control of C1 becomes possible by properly using the switching pattern, and the voltage VC1 of C1 is set to Vdc / 4. Can be controlled constant.

上記の動作(出力電圧、電流経路、フライングキャパシタの充放電)は、5レベル電圧変換部200´についても同様となる。   The above operations (output voltage, current path, and charging / discharging of the flying capacitor) are the same for the five-level voltage converter 200 '.

次に、実施例1の5レベル電力変換器の制御回路を説明する。図4は本実施例の制御回路のブロック図であり、図1と同一部分は同一符号をもって示している。   Next, a control circuit of the 5-level power converter according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a block diagram of the control circuit of this embodiment, and the same parts as those in FIG.

図4において、電源(Vsource)は図1の端子A,B間に接続される単相交流電源であり、5レベルPWM回路は5レベル電圧変換部200,200´を含んでいる。   In FIG. 4, a power source (Vsource) is a single-phase AC power source connected between terminals A and B in FIG. 1, and a 5-level PWM circuit includes 5-level voltage converters 200 and 200 ′.

クランプキャパシタC2,C3の直流電圧検出値Vdc_detは直流電圧制御部210の加算器211に導入され、直流電圧指令値Vdc_setとの偏差がとられる。   The DC voltage detection value Vdc_det of the clamp capacitors C2 and C3 is introduced into the adder 211 of the DC voltage control unit 210, and a deviation from the DC voltage command value Vdc_set is taken.

PI制御器212は加算器211の偏差出力に対してPI(AVR)制御をかけてq軸電流指令値Iq_setを得る。   The PI controller 212 performs PI (AVR) control on the deviation output of the adder 211 to obtain a q-axis current command value Iq_set.

計器用変圧器PT、ゼロクロス検出器221および位相計算器222によって、単相交流電源Vsourceの電源位相角θを求めている。   The power transformer phase angle θ of the single-phase AC power supply Vsource is obtained by the instrument transformer PT, the zero cross detector 221 and the phase calculator 222.

また、計器用変圧器PTおよび実効値検出器223によって入力電圧Vinの実効値Vin_detを求めている。   Further, the effective value Vin_det of the input voltage Vin is obtained by the instrument transformer PT and the effective value detector 223.

入力電流制御部230の回転座標変換部231は、位相計算器222で求められた電源位相角θを用いて、変流器CTを介して検出した入力電流Iinをd軸電流検出値Id_detとq軸電流検出値Iq_detに回転座標変換する。   The rotational coordinate conversion unit 231 of the input current control unit 230 uses the power source phase angle θ obtained by the phase calculator 222 to convert the input current Iin detected via the current transformer CT into the d-axis current detection values Id_det and q The rotational coordinate is converted to the shaft current detection value Iq_det.

q軸電流検出値Iq_detは加算器232において、前記q軸電流指令値Iq_setとの偏差がとられ、その偏差に対してPI制御器233がPI(ACR)制御をかけ、さらに加算器234において前記入力電圧Vinの実効値検出値Vin_detを加算し、q軸電圧指令値Vq*を得る。   The adder 232 takes a deviation of the q-axis current detection value Iq_det from the q-axis current command value Iq_set, and the PI controller 233 applies PI (ACR) control to the deviation. The effective value detection value Vin_det of the input voltage Vin is added to obtain a q-axis voltage command value Vq *.

一方、本実施例ではd軸電流指令値Id_set=0とすることで入力力率1制御を行なう。前記d軸電流検出値Id_detは加算器235においてId_set=0との偏差がとられ、PI制御器236は加算器235の偏差出力に対してPI(ACR)制御をかけてd軸電圧指令値Vd*を得る。   On the other hand, in this embodiment, the input power factor 1 control is performed by setting the d-axis current command value Id_set = 0. The d-axis current detection value Id_det is deviated from Id_set = 0 in the adder 235, and the PI controller 236 applies PI (ACR) control to the deviation output of the adder 235 to provide the d-axis voltage command value Vd. Get *.

回転座標逆変換部237は、前記電圧指令値Vd*、Vq*を、前記電源位相角θを用いて回転座標逆変換し、図1の回路のO端子およびNP端子間の電圧指令値VR*と、B端子およびNP端子間の電圧指令値VS*を得る(VS*=−VR*)。   The rotation coordinate reverse conversion unit 237 performs the reverse rotation conversion of the voltage command values Vd * and Vq * using the power supply phase angle θ, and the voltage command value VR * between the O terminal and the NP terminal of the circuit of FIG. Then, a voltage command value VS * between the B terminal and the NP terminal is obtained (VS * = − VR *).

240はスイッチングパターン選択部であり、前記電圧指令値VR*、VS*、キャリア信号生成器241から出力される三角波キャリア信号、ゼロクロス検出器221の検出信号および前記フライングキャパシタC1,C1´の検出電圧VC1,VC1´が各々入力される。   Reference numeral 240 denotes a switching pattern selection unit, which includes the voltage command values VR * and VS *, a triangular wave carrier signal output from the carrier signal generator 241, a detection signal of the zero cross detector 221, and a detection voltage of the flying capacitors C1 and C1 ′. VC1 and VC1 ′ are respectively input.

スイッチングパターン選択部240は、電圧指令値と三角波キャリア信号との比較を表した図5に示すVR*,VS*と三角波キャリア信号(Carrier1〜4)との振幅比較により、5レベルのパルス電圧指令値を得、このパルス電圧指令値と同じレベルの電圧を出力するスイッチングパターンを選択する。   The switching pattern selection unit 240 compares the voltage command value with the triangular wave carrier signal and compares the amplitudes of the VR *, VS * and the triangular wave carrier signals (Carrier 1 to 4) shown in FIG. A switching pattern that obtains a value and outputs a voltage at the same level as the pulse voltage command value is selected.

次にR相(5レベル電圧変換部200側の相)のパルス電圧指令値とスイッチングパターンについて図5および表2とともに説明する。
(1)「VR*>Carrier1」となる場合は、パルス電圧指令値=+Vdc/2となり、スイッチングパターン(NO.1)が選択される。
(2)「VR*<Carrier1かつVR*>Carrier2」となる場合は、パルス電圧指令値=+Vdc/4となり、スイッチングパターン(NO.2またはNO.3)が選択される。フライングキャパシタC1が充電モードの時はNO.2、放電モードの時はNO.3が選択される。充電モードと放電モードは、フライングキャパシタ電圧(VC1)と指令値(Vdc/4)を比較し、VC1が指令値よりも大きければ放電モード、小さければ充電モードが選択される。
(3)「VR*<Carrier2かつVR*>Carrier3」となる場合は、パルス電圧指令値=0となり、スイッチングパターン(NO.4またはNO.5)が選択される。入力電圧Vinの極性が正の時はNO.4、負の時はNO.5が選択される。
(4)「VR*<Carrier3かつVR*>Carrier4」となる場合は、パルス電圧指令値=−Vdc/4となり、スイッチングパターン(NO.6またはNO.7)が選択される。フライングキャパシタC1が充電モードの時はNO.7、放電モードの時はNO.6が選択される。充電モードと放電モードは、フライングキャパシタ電圧(VC1)と指令値(Vdc/4)を比較し、VC1が指令値よりも大きければ放電モード、小さければ充電モードが選択される。
(5)「VR*<Carrier4」となる場合は、パルス電圧指令値=−Vdc/2となり、スイッチングパターン(NO.8)が選択される。
Next, the pulse voltage command value and switching pattern of the R phase (phase on the 5-level voltage converter 200 side) will be described with reference to FIG.
(1) When “VR *> Carrier1”, the pulse voltage command value = + Vdc / 2, and the switching pattern (NO.1) is selected.
(2) When “VR * <Carrier1 and VR *> Carrier2”, the pulse voltage command value = + Vdc / 4, and the switching pattern (NO. 2 or NO. 3) is selected. When the flying capacitor C1 is in the charging mode, NO. 2. NO. 3 is selected. In the charge mode and the discharge mode, the flying capacitor voltage (VC1) is compared with the command value (Vdc / 4), and the discharge mode is selected if VC1 is larger than the command value, and the charge mode is selected if smaller.
(3) When “VR * <Carrier2 and VR *> Carrier3”, the pulse voltage command value = 0, and the switching pattern (NO.4 or NO.5) is selected. When the polarity of the input voltage Vin is positive, NO. 4. When negative, NO. 5 is selected.
(4) When “VR * <Carrier3 and VR *> Carrier4”, the pulse voltage command value = −Vdc / 4, and the switching pattern (NO.6 or NO.7) is selected. When the flying capacitor C1 is in the charging mode, NO. 7. NO. 6 is selected. In the charge mode and the discharge mode, the flying capacitor voltage (VC1) is compared with the command value (Vdc / 4), and the discharge mode is selected if VC1 is larger than the command value, and the charge mode is selected if smaller.
(5) When “VR * <Carrier4”, the pulse voltage command value = −Vdc / 2, and the switching pattern (NO. 8) is selected.

上記の制御動作により、O端子とNP端子間の電圧VO-NPは、図6に示すような5レベルの交流電圧波形となる。図11に示す従来回路での電圧波形と同様に、5レベルの電圧を得ることが可能である。 With the above control operation, the voltage V O-NP between the O terminal and the NP terminal becomes a five-level AC voltage waveform as shown in FIG. Similar to the voltage waveform in the conventional circuit shown in FIG. 11, it is possible to obtain a voltage of five levels.

S相(5レベル電圧変換部200´側の相)についても同様に、VS*と三角波キャリア信号(Carrier1〜4)との振幅比較によりスイッチングパターンを選択する。   Similarly, for the S phase (phase on the 5-level voltage converter 200 ′ side), the switching pattern is selected by comparing the amplitudes of VS * and the triangular wave carrier signals (Carriers 1 to 4).

尚、図6に示す5レベルの交流電圧を得られるのであれば、図4以外の制御ブロックを適用してもよい。   Note that control blocks other than those shown in FIG. 4 may be applied as long as the five-level AC voltage shown in FIG. 6 can be obtained.

以上のように実施例1によれば、一方向のパワーフローを行なう単相5レベルAC/DCPWM変換器において、ダイオード8個、スイッチング素子8個、キャパシタ4個で構成されるため、単相の場合キャパシタ6個を必要とする従来回路と比べて、キャパシタの部品点数の削減が可能となり小型化することができる。   As described above, according to the first embodiment, the single-phase five-level AC / DC PWM converter that performs unidirectional power flow includes eight diodes, eight switching elements, and four capacitors. In this case, the number of components of the capacitor can be reduced and the size can be reduced as compared with the conventional circuit that requires six capacitors.

実施例1が単相回路であったのに対し、実施例2では図7に示すように、三相交流電源100に対して図1の5レベル電圧変換部200を三相分(200R,200S,200T)設けて直流電圧を出力するように構成した。図7において、図1と同一部分は同一符号をもって示している。   Whereas the first embodiment is a single-phase circuit, in the second embodiment, as shown in FIG. 7, the five-level voltage converter 200 of FIG. , 200T) and configured to output a DC voltage. In FIG. 7, the same parts as those of FIG.

5レベル電圧変換部200R,200S,200Tの各入力端子R,S,TはリアクトルLR,LS,LTを介して三相交流電源100のR相、S相、T相に各々接続されている。   The input terminals R, S, and T of the five-level voltage converters 200R, 200S, and 200T are connected to the R phase, the S phase, and the T phase of the three-phase AC power supply 100 through the reactors LR, LS, and LT, respectively.

5レベル電圧変換部200R,200S,200Tの第1のダイオードD1,D1´,D1″のカソードは負荷120およびクランプキャパシタC2の共通接続点Pに各々接続され、第4のダイオードD4,D4´,D4″のアノードは負荷120およびクランプキャパシタC3の共通接続点Nに各々接続されている。   The cathodes of the first diodes D1, D1 ′, D1 ″ of the five-level voltage converters 200R, 200S, 200T are respectively connected to the common connection point P of the load 120 and the clamp capacitor C2, and the fourth diodes D4, D4 ′, The anode of D4 ″ is connected to a common connection point N of the load 120 and the clamp capacitor C3.

5レベル電圧変換部200R,200S,200Tのスイッチング素子S4,S4´,S4″の各端部はクランプキャパシタC2およびC3の共通接続点NP(中性点)に接続されている。   Each end of the switching elements S4, S4 ′, S4 ″ of the five-level voltage converters 200R, 200S, 200T is connected to a common connection point NP (neutral point) of the clamp capacitors C2 and C3.

図7における5レベル電圧変換部200R,200S,200Tの動作は図1の5レベル電圧変換部200と同様である。   The operations of the five level voltage converters 200R, 200S, and 200T in FIG. 7 are the same as those of the five level voltage converter 200 in FIG.

次に、実施例2の5レベル電力変換器の制御回路を説明する。図8は本実施例の制御回路のブロック図であり、図7と同一部分は同一符号をもって示している。   Next, a control circuit for the five-level power converter according to the second embodiment will be described. FIG. 8 is a block diagram of the control circuit of this embodiment, and the same parts as those in FIG.

図8において、電源(Vsource)は図7の三相交流電源100であり、5レベルPWM回路は5レベル電圧変換部200R,200S,200Tを含んでいる。   In FIG. 8, the power source (Vsource) is the three-phase AC power source 100 of FIG. 7, and the 5-level PWM circuit includes 5-level voltage converters 200R, 200S, and 200T.

クランプキャパシタC2,C3の直流電圧検出値Vdc_detは直流電圧制御部310の加算器311に導入され、直流電圧指令値Vdc_setとの偏差がとられる。   The DC voltage detection value Vdc_det of the clamp capacitors C2 and C3 is introduced into the adder 311 of the DC voltage control unit 310, and a deviation from the DC voltage command value Vdc_set is taken.

PI制御器312は加算器311の偏差出力に対してPI(AVR)制御をかけてq軸電流指令値Iq_setを得る。   The PI controller 312 performs PI (AVR) control on the deviation output of the adder 311 to obtain a q-axis current command value Iq_set.

計器用変圧器PT、ゼロクロス検出器321および位相計算器322によって、三相交流電源Vsourceの電源位相角θを求めている。   The power transformer phase angle θ of the three-phase AC power source Vsource is obtained by the instrument transformer PT, the zero cross detector 321 and the phase calculator 322.

また、計器用変圧器PTおよび実効値検出器323によって入力電圧VinR,VinS,VinTの平均実効値検出値Vin_detを求めている。   Further, the average effective value detected value Vin_det of the input voltages VinR, VinS, and VinT is obtained by the instrument transformer PT and the effective value detector 323.

入力電流制御部330の回転座標変換部331は、位相計算器322で求められた電源位相角θを用いて、変流器CTを介して検出した入力電流IinR,IinS,IinTをd軸電流検出値Id_detとq軸電流検出値Iq_detに回転座標変換する。   The rotational coordinate conversion unit 331 of the input current control unit 330 uses the power source phase angle θ obtained by the phase calculator 322 to detect the input currents IinR, IinS, and IinT detected through the current transformer CT as d-axis current detection. The rotational coordinates are converted into a value Id_det and a q-axis current detection value Iq_det.

q軸電流検出値Iq_detは加算器332において、前記q軸電流指令値Iq_setとの偏差がとられ、その偏差に対してPI制御器333がPI(ACR)制御をかけ、さらに加算器334において前記入力電圧VinR,VinS,VinTの平均実効値検出値Vin_detを加算し、q軸電圧指令値Vq*を得る。   The adder 332 takes a deviation of the q-axis current detection value Iq_det from the q-axis current command value Iq_set. The PI controller 333 applies PI (ACR) control to the deviation, and the adder 334 further adds the deviation to the q-axis current command value Iq_det. The average effective value detection value Vin_det of the input voltages VinR, VinS, and VinT is added to obtain a q-axis voltage command value Vq *.

一方、本実施例ではd軸電流指令値Id_set=0とすることで入力力率1制御を行なう。前記d軸電流検出値Id_detは加算器335においてId_set=0との偏差がとられ、PI制御器336は加算器335の偏差出力に対してPI(ACR)制御をかけてd軸電圧指令値Vd*を得る。   On the other hand, in this embodiment, the input power factor 1 control is performed by setting the d-axis current command value Id_set = 0. The d-axis current detection value Id_det is deviated from Id_set = 0 in the adder 335, and the PI controller 336 applies PI (ACR) control to the deviation output of the adder 335 to provide the d-axis voltage command value Vd. Get *.

回転座標逆変換部337は、前記電圧指令値Vd*、Vq*を、前記電源位相角θを用いて回転座標逆変換し、図7の回路のR端子およびNP端子間の電圧指令値VR*と、S端子およびNP端子間の電圧指令値VS*と、T端子およびNP端子間の電圧指令値VT*とを得る。   The rotation coordinate reverse conversion unit 337 performs reverse rotation conversion of the voltage command values Vd * and Vq * using the power supply phase angle θ, and the voltage command value VR * between the R terminal and the NP terminal of the circuit of FIG. And a voltage command value VS * between the S terminal and the NP terminal and a voltage command value VT * between the T terminal and the NP terminal.

340はスイッチングパターン選択部であり、前記電圧指令値VR*、VS*、VT*、キャリア信号生成器341から出力される三角波キャリア信号、ゼロクロス検出器321の検出信号および前記フライングキャパシタC1,C1´,C1″の検出電圧VC1,VC1´VC1″が各々入力される。   Reference numeral 340 denotes a switching pattern selection unit, which includes the voltage command values VR *, VS *, VT *, a triangular wave carrier signal output from the carrier signal generator 341, a detection signal from the zero cross detector 321 and the flying capacitors C1, C1 ′. , C1 ″ detection voltages VC1, VC1′VC1 ″, respectively.

スイッチングパターン選択部340は、電圧指令値と三角波キャリア信号との比較を表した図9に示すVR*,VS*,VT*と三角波キャリア信号(Carrier1〜4)との振幅比較により、5レベルのパルス電圧指令値を得、このパルス電圧指令値と同じレベルの電圧を出力するスイッチングパターンを選択する。   The switching pattern selector 340 compares the amplitudes of VR *, VS *, VT * and the triangular wave carrier signals (Carriers 1 to 4) shown in FIG. A pulse voltage command value is obtained, and a switching pattern that outputs a voltage at the same level as the pulse voltage command value is selected.

次にR相のパルス電圧指令値とスイッチングパターンについて図9および表2とともに説明する。
(1)「VR*>Carrier1」となる場合は、パルス電圧指令値=+Vdc/2となり、スイッチングパターン(NO.1)が選択される。
(2)「VR*<Carrier1かつVR*>Carrier2」となる場合は、パルス電圧指令値=+Vdc/4となり、スイッチングパターン(NO.2またはNO.3)が選択される。フライングキャパシタC1が充電モードの時はNO.2、放電モードの時はNO.3が選択される。充電モードと放電モードは、フライングキャパシタ電圧(VC1)と指令値(Vdc/4)を比較し、VC1が指令値よりも大きければ放電モード、小さければ充電モードが選択される。
(3)「VR*<Carrier2かつVR*>Carrier3」となる場合は、パルス電圧指令値=0となり、スイッチングパターン(NO.4またはNO.5)が選択される。入力電圧Vinの極性が正の時はNO.4、負の時はNO.5が選択される。
(4)「VR*<Carrier3かつVR*>Carrier4」となる場合は、パルス電圧指令値=−Vdc/4となり、スイッチングパターン(NO.6またはNO.7)が選択される。フライングキャパシタC1が充電モードの時はNO.7、放電モードの時はNO.6が選択される。充電モードと放電モードは、フライングキャパシタ電圧(VC1)と指令値(Vdc/4)を比較し、VC1が指令値よりも大きければ放電モード、小さければ充電モードが選択される。
(5)「VR*<Carrier4」となる場合は、パルス電圧指令値=−Vdc/2となり、スイッチングパターン(NO.8)が選択される。
Next, the R-phase pulse voltage command value and the switching pattern will be described with reference to FIG.
(1) When “VR *> Carrier1”, the pulse voltage command value = + Vdc / 2, and the switching pattern (NO.1) is selected.
(2) When “VR * <Carrier1 and VR *> Carrier2”, the pulse voltage command value = + Vdc / 4, and the switching pattern (NO. 2 or NO. 3) is selected. When the flying capacitor C1 is in the charging mode, NO. 2. NO. 3 is selected. In the charge mode and the discharge mode, the flying capacitor voltage (VC1) is compared with the command value (Vdc / 4), and the discharge mode is selected if VC1 is larger than the command value, and the charge mode is selected if smaller.
(3) When “VR * <Carrier2 and VR *> Carrier3”, the pulse voltage command value = 0, and the switching pattern (NO.4 or NO.5) is selected. When the polarity of the input voltage Vin is positive, NO. 4. When negative, NO. 5 is selected.
(4) When “VR * <Carrier3 and VR *> Carrier4”, the pulse voltage command value = −Vdc / 4, and the switching pattern (NO.6 or NO.7) is selected. When the flying capacitor C1 is in the charging mode, NO. 7. NO. 6 is selected. In the charge mode and the discharge mode, the flying capacitor voltage (VC1) is compared with the command value (Vdc / 4), and the discharge mode is selected if VC1 is larger than the command value, and the charge mode is selected if smaller.
(5) When “VR * <Carrier4”, the pulse voltage command value = −Vdc / 2, and the switching pattern (NO. 8) is selected.

上記の制御動作により、R端子とNP端子間の電圧VR-NPは、図6に示すような5レベルの交流電圧波形となる。図11に示す従来回路での電圧波形と同様に、5レベルの電圧を得ることが可能である。 By the above control operation, the voltage V R-NP between the R terminal and the NP terminal becomes a five-level AC voltage waveform as shown in FIG. Similar to the voltage waveform in the conventional circuit shown in FIG. 11, it is possible to obtain a voltage of five levels.

S相についても同様に、VS*と三角波キャリア信号(Carrier1〜4)との振幅比較によりスイッチングパターンを選択する。   Similarly, for the S phase, the switching pattern is selected by comparing the amplitudes of VS * and the triangular wave carrier signals (Carriers 1 to 4).

T相についても同様に、VT*と三角波キャリア信号(Carrier1〜4)との振幅比較によりスイッチングパターンを選択する。   Similarly, for the T phase, the switching pattern is selected by comparing the amplitudes of VT * and the triangular wave carrier signals (Carriers 1 to 4).

尚、図6に示す5レベルの交流電圧を得られるのであれば、図8以外の制御ブロックを適用してもよい。   Note that control blocks other than those shown in FIG. 8 may be applied as long as the five-level AC voltage shown in FIG. 6 can be obtained.

以上のように実施例2によれば、一方向のパワーフローを行なう三相5レベルAC/DCPWM変換器において、ダイオード12個、スイッチング素子12個、キャパシタ5個で構成されるため、三相の場合キャパシタ8個を必要とする従来回路と比べて、キャパシタの部品点数の削減が可能となり小型化することができる。   As described above, according to the second embodiment, the three-phase five-level AC / DC PWM converter that performs unidirectional power flow is configured by twelve diodes, twelve switching elements, and five capacitors. In this case, compared with a conventional circuit that requires eight capacitors, the number of components of the capacitor can be reduced and the size can be reduced.

100…三相交流電源
120…負荷
200,200´200R,200S,200T…5レベル電圧変換部
210,310…直流電圧制御部
230,330…入力電流制御部
240,340…スイッチングパターン選択部
S1〜S4,S1´〜S4´,S1″〜S4″…スイッチング素子
C1,C1´,C1″…フライングキャパシタ
C2,C3…クランプキャパシタ
D1〜D4,D1´〜D4´,D1″〜D4″…ダイオード
L,LR,LS,LT…リアクトル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Three-phase alternating current power supply 120 ... Load 200,200'200R, 200S, 200T ... 5 level voltage conversion part 210,310 ... DC voltage control part 230,330 ... Input current control part 240,340 ... Switching pattern selection part S1- S4, S1'-S4 ', S1 "-S4" ... Switching elements C1, C1', C1 "... Flying capacitors C2, C3 ... Clamp capacitors D1-D4, D1'-D4 ', D1" -D4 "... Diode L , LR, LS, LT ... Reactor

Claims (2)

交流電圧を入力とし、5レベルの電圧を出力する5レベル電力変換器であって、
第1〜第4のダイオードを順次直列接続して成るダイオード直列回路と、前記第1および第2のダイオードの共通接続点と第3および第4のダイオードの共通接続点との間に接続されたフライングキャパシタと、前記フライングキャパシタの両端間に直列接続された第1および第2のスイッチング素子と、一端が前記第2および第3のダイオードの共通接続点に接続され、互いに逆の耐圧方向に制御できるスイッチング手段と、によって構成された5レベル電圧変換部を複数個設け、
前記複数の5レベル電圧変換部のうち少なくとも1つの5レベル電圧変換部の、前記第1および第2のスイッチング素子の共通接続点と交流電源の間に接続されたリアクトルと、
直列接続された第1および第2のクランプキャパシタを有し、第1のクランプキャパシタ側端部が前記複数の5レベル電圧変換部の各ダイオード直列回路の一端に各々接続され、第2のクランプキャパシタ側端部が前記各ダイオード直列回路の他端に各々接続され、第1および第2のクランプキャパシタの共通接続点である中性点が、前記複数の5レベル電圧変換部の各スイッチング手段の他端に各々接続されたクランプキャパシタ直列回路と、
複数のスイッチングパターンにより前記第1および第2のスイッチング素子とスイッチング手段をオン、オフ制御することによって、前記第1および第2のスイッチング素子の共通接続点と前記中性点との間に5レベルの電圧を出力させる制御手段と、を備えたことを特徴とする5レベル電力変換器。
A 5-level power converter that receives an AC voltage and outputs a 5-level voltage,
A diode series circuit formed by sequentially connecting the first to fourth diodes in series, and a common connection point between the first and second diodes and a common connection point between the third and fourth diodes. A flying capacitor, first and second switching elements connected in series between both ends of the flying capacitor, and one end connected to a common connection point of the second and third diodes, and controlled in reverse withstand voltage directions. A plurality of five-level voltage converters configured by switching means capable of
A reactor connected between a common connection point of the first and second switching elements and an AC power supply of at least one 5-level voltage conversion unit among the plurality of 5-level voltage conversion units;
A first clamp capacitor connected in series; a first clamp capacitor side end connected to one end of each diode series circuit of the plurality of five-level voltage converters; and a second clamp capacitor A side end is connected to the other end of each of the diode series circuits, and a neutral point that is a common connection point of the first and second clamp capacitors is the switching means of the plurality of five-level voltage converters. A clamp capacitor series circuit connected to each end;
By turning on and off the first and second switching elements and the switching means by a plurality of switching patterns, there are five levels between the common connection point of the first and second switching elements and the neutral point. A five-level power converter, comprising:
前記5レベル電圧変換部は三相交流の各相に各々設けられ、前記各5レベル電圧変換部の第1および第2のスイッチング素子の共通接続点は、前記リアクトルを各々介して三相交流電源のU相、V相、W相に各々接続されていることを特徴とする請求項1に記載の5レベル電力変換器。 The five-level voltage converter is provided in each phase of the three-phase AC, and the common connection point of the first and second switching elements of the five-level voltage converter is a three-phase AC power source through the reactor. The five-level power converter according to claim 1, wherein the five-level power converter is connected to each of the U phase, the V phase, and the W phase.
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