JP6206118B2 - マルチレベル電力変換装置 - Google Patents
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Description
図29に示す従来技術における相電圧0を出力するパターンの例を、図1に示す。図29に示す従来技術においては、ダイオード素子Su9〜Su12を用いて、相電圧0を出力しているが、ほかの手段で相電圧0を出力することができれば、これらのダイオード素子Su9〜Su12は省略できる。
図4に実施形態2におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。本実施形態2は実施形態1と回路構成は同一であるが、直流電圧源DCC1,DCC2とフライングキャパシタFC1,FC2,キャパシタFC1u,FC1v,FC1wの電圧比を変えたものである。なお、相電圧の基準点は端子0とする。
図6に、本実施形態3におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。本実施形態3におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源DCC1〜DCC4を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子U,V,Wから出力する。相モジュールは、U相において、スイッチング素子Su1〜Su8,キャパシタFC1uを備える。
図7に、本実施形態4におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
図8に、本実施形態5におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
図9に、本実施形態6におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
図10に、本実施形態7におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
図11に、本実施形態8におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
また、レベル数が増加することから、実施形態7と比較すると、出力電圧・電流高調波を抑制でき、高調波抑制フィルタを小型化できる。
図12に本実施形態9におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
図14に本実施形態10におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
図15に、本実施形態11におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
実施形態6は、本実施形態11をN=1,M=3とし、図13(d)の相モジュールを使用し、図15の直流電圧源DCC1〜DCCNの電圧を3.5E、フライングキャパシタFC1、FC4Nの電圧をE、フライングキャパシタFC2N、FC2N+1の電圧を1.5E、図13の相モジュールのキャパシタFCM0の電圧を2Eに制御した場合の例である。
図16に、本実施形態12におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
図17に、本実施形態13におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
実施形態14〜17におけるマルチレベル電力変換装置で用いる基本セルを図18に示す。基本セルはフライングキャパシタFC1と半導体素子(例えば、IGBT)Sf1,Sf2,Sf3,Sf4とを備え、M相で共通化する。以上のように、各相共通の基本セルを設けることで、使用するスイッチング素子(半導体素子含む)数を低減することが可能となる。
本実施形態15におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図23に示す。以下、本実施形態15におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図23に基づいて説明する。本実施形態15におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源DCC1,DCC2,第1,第2基本セル10a,10bを備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子U,V,Wから出力する。
本実施形態16におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図25に示す。以下、本実施形態16におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図25に基づいて説明する。本実施形態16におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源DCC1,DCC2,第1,第2基本セル10a,10bを備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子U,V,Wから出力する。
本実施形態17におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図27示す。この回路は、フライングキャパシタFC1〜FCNを三相で共通化している。
また、ある直流電圧群の電圧レベル2Eと、その1つ上段の直流電圧群の電圧レベル0は、相モジュールの出力端子から見ると同じ相電圧となる。直流電圧群がN段ある構成では、上記のように電圧レベルが重なる部位が(N−1)箇所ある。したがって、図27において、出力端子OUT1〜OUTMには、(3N−(N−1))=(2N+1)レベルの電圧を出力できる。
FC1〜FC4N…フライングキャパシタ
FC1u,FC1v,FC1w…キャパシタ
Su1〜Su16,Sv1〜Sv16,Sw1〜Sw16…スイッチング素子
Claims (13)
- 直流電圧源、フライングキャパシタ、およびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
N個(N≧1)直列接続された各相共通の直流電圧源と、
各直流電圧源の負極端に一端が接続された各相共通の第1フライングキャパシタと、
各直流電圧源の正極端に一端が接続された各相共通の第2フライングキャパシタと、
第1フライングキャパシタの正極端,負極端,第2フライングキャパシタの正極端,負極端を入力端子とし、
各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う2つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が2つになる最終段まで繰り返し、最終段の2つのスイッチング素子の他端間に2つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の2つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算,減算した電位を出力端子から出力するM相(M≧2)の相モジュールと、
を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
N個(N≧2)の直列接続された各相共通の直流電圧源と、
第n直流電圧源(n:奇数)と第n+1直流電圧源(n+1:偶数)の共通接続点に正極端が接続された第1フライングキャパシタと、
各n直流電圧源と第n+1直流電圧源の共通接続点に負極端が接続された第2フライングキャパシタと、
第n直流電圧源の負極端,第1フライングキャパシタの負極端,第n+1直流電圧源の正極端,第2フライングキャパシタの正極端を入力端子とし、
各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う2つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が2つになる最終段まで繰り返し、最終段の2つのスイッチング素子の他端間に2つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の2つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算,減算した電位を出力端子から出力するM相(M≧2)の相モジュールと、
を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
2個直列接続された各相共通の直流電圧源と、
第1直流電圧源の負極端に、負極端が順次直列接続された各相共通のN個の第1〜第Nフライングキャパシタと、
第1直流電圧源と第2直流電圧源の共通接続点に正極端が順次直列接続された各相共通のN個の第2N〜第N+1フライングキャパシタと、
第1直流電圧源と第2直流電圧源の共通接続点に負極端が順次直列接続された各相共通のN個の第2N+1〜第3Nフライングキャパシタと、
第2直流電圧源の正極端に、正極端が順次直列接続された各相共通のN個の第4N〜第3N+1フライングキャパシタと、
第1フライングキャパシタの正極端,負極端,第2〜第Nフライングキャパシタの正極端,第N+1〜第2Nフライングキャパシタの負極端,第2N+1〜第3Nフライングキャパシタの正極端,第3N+1〜第4N−1フライングキャパシタの負極端,第4Nフライングキャパシタの正極端,負極端を入力端子とし、
各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う2つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が2つになる最終段まで繰り返し、最終段の2つのスイッチング素子の他端間に2つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の2つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算,減算した電位を出力端子から出力するM相(M≧2)の相モジュールと、
を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
2個直列接続された各相共通の直流電圧源と、
第1直流電圧源の負極側に、負極端が順次直列接続された各相共通のN個の第1〜第Nフライングキャパシタと、
第2直流電圧源の正極側に、正極端が順次直列接続された各相共通のN個の第N+1〜第2Nフライングキャパシタと、
第1フライングキャパシタの正,負極端,第2〜第Nフライングキャパシタの正極端,第N+1〜第2N−1フライングキャパシタの負極端,第2Nフライングキャパシタの正,負極端を入力端子とし、
各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う2つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が2つになる最終段まで繰り返し、最終段の2つのスイッチング素子の他端間に2つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の2つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算,減算した電位を出力端子から出力するM相(M≧2)の相モジュールと、
を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 第1直流電圧源と第2直流電圧源を1つの直流電圧源に統合したことを特徴とする請求項4に記載のマルチレベル電力変換装置。
- 直流電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
N個(N≧2)直列接続された各相共通の直流電圧源と、
各直流電圧源の正極端に一端が接続された第1半導体素子と、各直流電圧源の負極端に一端が接続された第2半導体素子と、第1半導体素子の他端と、第2半導体素子の他端との間に接続されたフライングキャパシタと、第1半導体素子とフライングキャパシタの共通接続点と第2半導体素子とフライングキャパシタの共通接続点との間に直列接続された第3,第4半導体素子と、を有する各相共通の基本セルと、
第1半導体素子の一端と第2半導体素子の一端とのうち少なくとも一方と、第3,第4半導体素子の共通接続点と、を入力端子とし、各入力端子と出力端子間にスイッチング素子を有し、各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御するM相(M≧3)の相モジュールと、
を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 前記相モジュールは、
各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う2つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が2つになる最終段まで繰り返し、最終段の2つのスイッチング素子の他端間に2つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の2つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算,減算した電位を出力端子から出力することを特徴とする請求項6記載のマルチレベル電力変換装置。 - 前記相モジュールは、
第1半導体素子の一端と第2半導体素子の一端とのうち一方に第1スイッチング素子の一端を接続し、第3,第4半導体素子の共通接続点に第2スイッチング素子の一端を接続し、第1,第2スイッチング素子の他端同士を接続し、第1,第2スイッチング素子の共通接続点に第3スイッチング素子の一端を接続し、
第3スイッチング素子の他端に、第4スイッチング素子と第5スイッチング素子とを直列接続した直列回路の一端を接続し、
第1半導体素子の一端と第2半導体素子の一端のうち他方の共通接続点に、第1ダイオードのカソードと第2ダイオードのアノードを接続し、第1ダイオードと第2ダイオードに対して並列に第4スイッチング素子と第5スイッチング素子とを直列接続した直列回路を接続し、
第4,第5スイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、または、第4,第5スイッチング素子が複数ある場合は、第4,第5スイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う2つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子を接続し、これをスイッチング素子が2つになる出力段まで繰り返し、出力段の2つのスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力することを特徴とする請求項6記載のマルチレベル電力変換装置。 - 前記相モジュールは、
第1半導体素子の一端と第2半導体素子の一端とのうち一方に第1スイッチング素子の一端を接続し、第3,第4半導体素子の共通接続点に第2スイッチング素子の一端を接続し、第1,第2スイッチング素子の他端同士を接続し、第1,第2スイッチング素子の共通接続点に第3スイッチング素子の一端を接続し、
第1半導体素子の一端と第2半導体素子の一端のうち他方の共通接続点に、双方向スイッチの一端を接続し、双方向スイッチの他端に第3スイッチング素子の他端を接続し、
第3スイッチング素子と、双方向スイッチの共通接続点を出力端子とし、
各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力することを特徴とする請求項6記載のマルチレベル電力変換装置。 - 最終段以外の隣り合う2つのスイッチング素子の他端間に2つのスイッチング素子を直列接続し、その直列接続された2つのスイッチング素子にキャパシタを並列接続し、直列接続された2つのスイッチング素子の共通接続点に次段のスイッチング素子の一端を接続し、各スイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位に、出力段のスイッチング素子に並列接続されたキャパシタや、最終段以外の隣り合うスイッチング素子間に直列接続されたスイッチング素子に並列接続されたキャパシタの電圧を加算,減算した電位を出力端子から出力することを特徴とする請求項1〜5,7のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
- 各直流電圧源を直列数2以上に分割したことを特徴とする請求項1〜10のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
- スイッチング素子および半導体素子の一部または全てを直列数2以上に分割したことを特徴とする請求項1〜11のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
- スイッチング素子および半導体素子の一部または全てを並列数2以上に分割したことを特徴とする請求項1〜12のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
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