JP6319824B2 - マルチレベルインバータデバイスおよび動作方法 - Google Patents

マルチレベルインバータデバイスおよび動作方法 Download PDF

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Description

[関連出願への相互参照]
本願は、2014年3月17日に、ディアンボ フ氏により出願された、米国非仮特許出願第14/217,013号(発明の名称「マルチレベルインバータデバイスおよび動作方法」)に基づく優先権を主張し、当該出願は参照により本明細書にその全体が再現されるかのように組み込まれる。本発明は、マルチレベルインバータデバイスおよび方法、特定の実施形態において、5レベルインバータに関する。
再生可能エネルギー源には、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギー等が含まれる。ソーラーパネル変換システムは、直列または並列に接続された複数のソーラーパネルを含み得る。当該複数のソーラーパネルの出力は、時刻、位置および太陽追跡能力といった様々な要因に応じ、変わりやすい直流電圧を生成し得る。ソーラーパネルの出力を調節すべく、ソーラーパネルの出力は、直流/直流コンバータの出力における調節された出力電圧を実現すべく、直流/直流コンバータに連結され得る。また、ソーラーパネルは、バッテリー充電制御装置を介してバックアップバッテリーシステムに接続されてよい。日中に、バックアップバッテリは、ソーラーパネルの出力を介して充電される。電力会社が機能しない、またはソーラーパネルがオフグリッド電力システムである場合、バックアップバッテリは、ソーラーパネルに連結された負荷に電気を提供する。
適用の大半が120ボルトの交流電力で稼働するよう設計され得るので、太陽光発電モジュールの可変直流出力を120ボルトの交流電源に変換するソーラーインバータが使用される。太陽エネルギーからユーティリティ電気への高効率変換に加え、高出力を実現すべく、複数のマルチレベルインバータトポロジが使用され得る。特に、階段電圧波形を合成することにより、複数の低電圧直流電源を高電力交流出力に変換する一連の電力半導体スイッチを使用することにより、高電力交流出力が実現され得る。
トポロジの差異に従って、マルチレベルインバータは3つのカテゴリ、すなわち、ダイオードクランプマルチレベルインバータ、フライングコンデンサマルチレベルインバータおよびカスケード式Hブリッジマルチレベルインバータに分けられ得る。さらに、マルチレベルインバータは、異なるパルス幅変調(PWM)技術、例えば、正弦波PWM(SPWM)、選択的高調波除去PWM、空間ベクトル変調等を使用し得る。マルチレベルインバータは、再生可能電力源、柔軟な交流送電システム、中電圧モータドライブシステム等のためのユーティリティインタフェースといった、高電力および中電力の用途のための共通の電力トポロジである。
ダイオードクランプマルチレベルインバータは一般的に、3レベルニュートラルポイントクランプ(NPC)インバータと称される。3レベルNPCインバータは、複数の入力直流バスの間に連結された2つの直列接続されたコンデンサを必要とする。各コンデンサは、同電位に充電される。さらに、3レベルNPCインバータは、4つのスイッチ素子および2つのクランプダイオードを含み得る。クランプダイオードは、スイッチ素子における電圧ストレスを1つのコンデンサ電圧レベルに低減するのに役立つ。
PCインバータは、交流出力を生成するための階段波形を利用する。そのような階段波形は、所望の正弦波形に類似する。結果的に、NPCインバータの出力電圧は、低い全高調波歪(THD)のものであり得る。また、階段波形は、電圧ストレスを低減し得る。結果的に、NPCインバータの電磁両立性(EMC)性能が改善され得る。また、同一のTHDを実現すべく、NPCインバータは、より低い切り替え周波数で動作し得る。そのようなより低い切り替えは、切り替え周波数損失を低減し、その結果、効率的な電力変換システムを実現することに役立つ。
ソーラー用途における複数のマルチレベルインバータから成る装置を提供する本発明の複数の好ましい実施形態によって、これらの課題および他の課題は概して解決または回避され、技術的な利点が概して実現される。
一実施形態によると、方法は、インバータに連結された直流電源にかかる電圧を検出する段階を備え、上記インバータは、上記直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、上記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、第1の3レベル導電パスおよび第1の5レベル導電パスを含む第1の変換ステージと、第2の3レベル導電パスおよび第2の5レベル導電パスを含む第2の変換ステージと、出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含む。
上記方法はさらに、上記出力フィルタの出力における電圧の第1のハーフサイクルにおいて、上記直流電源の上記第1の端子における電圧が、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の瞬時値より大きい場合、上記第1の3レベル導電パスを有効にする段階と、上記第1のハーフサイクルにおいて、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値が、上記直流電源の上記第1の端子における上記電圧より大きい場合、上記第1の5レベル導電パスを有効にする段階と、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の第2のハーフサイクルにおいて、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値が、上記直流電源の上記第2の端子における上記電圧より大きい場合、上記第2の3レベル導電パスを有効にする段階と、上記第2のハーフサイクルにおいて、上記直流電源の上記第2の端子における上記電圧が、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値より大きい場合、上記第2の5レベル導電パスを有効にする段階と、を備える。
別の実施形態によると、方法は直流電源に連結されたインバータを提供する段階を備え、上記インバータは、上記直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、上記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、上記直流電源の上記第1の端子に連結された第1の3レベル導電パスおよび上記直流電源の上記第1の端子と上記第1のブースト装置の出力とに連結された第1の5レベル導電パスを含む第1の変換ステージと、上記直流電源の上記第2の端子に連結された第2の3レベル導電パスおよび上記直流電源の上記第2の端子と上記第2のブースト装置の出力とに連結された第2の5レベル導電パスを含む第2の変換ステージと、出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含み、上記直流電源にかかる電圧が上記出力フィルタの出力における電圧のピークツゥピーク値より大きい場合、上記第1のブースト装置および上記第2のブースト装置をバイパスすべく、複数のリレーをオンにする段階を備える。
さらなる別の実施形態によると、インバータデバイスは、直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、上記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、出力フィルタの入力と上記第1のブースト装置とに連結された第1の変換ステージと、上記出力フィルタの上記入力に連結された第2の変換ステージと、上記出力フィルタの上記入力と接地との間に連結されたフリーホイール装置と、を備え、上記第1の変換ステージは、上記直流電源の上記第1の端子における電圧が、上記出力フィルタの出力における電圧の瞬時値より大きい場合、第1の3レベル導電パスが、上記直流電源の上記第1の端子と上記出力フィルタの上記入力との間に連結され、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値が、上記直流電源の上記第1の端子における上記電圧より大きい場合、第1の5レベル導電パスが、上記直流電源の上記第1の端子と上記第1のブースト装置の出力とに連結されるように構成されている。
本発明の一実施形態の利点は、3レベルインバータ構造および5レベルインバータ構造を含むハイブリッドインバータを使用して、階段波形を生成することである。そのようなハイブリッドインバータは、マルチレベルインバータの効率性、信頼性およびコストの改善に役立つ。
上記内容により、以下に続く本発明に係る詳細な説明をより良く理解できるよう、本発明の特徴および技術的な利点をかなり広範に概説した。本発明の特許請求の範囲に係る主題を形成する本発明の追加の特徴および利点について以下記載する。当業者であれば、開示された概念および特定の実施形態は、本発明の同一の目的を遂行するための他の構造またはプロセスを変更または設計するための基礎として容易に活用できることを理解すべきである。また、当業者であれば、そのような均等な構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱しないことを認識すべきである。
本発明およびその利点のより完全な理解を期して、次の添付図面と共に、以下の詳細な説明への参照がなされる。
別途指定されない限り、異なる図面における対応する番号および記号は概して、対応する部分を示す。図面は様々な実施形態に係る関連の態様を明確に示すよう描かれており、必ずしも縮尺通りではない。
本開示の様々な実施形態による、マルチレベルインバータのブロック図を示す。
本開示の様々な実施形態による、図1に示されるマルチレベルインバータの概略図を示す。
本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。
本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータの3レベルインバータの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。
本開示の様々な実施形態による、図4に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。
本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータの5レベルの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。
本開示の様々な実施形態による、図6に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。
本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータの別のシステム構成の概略図を示す。
現在好ましい実施形態の作成および使用について、以下に詳細に記載されている。しかしながら、本発明は、広範な特定の文脈において具現化可能な多くの適用可能な発明の概念を提供することを理解すべきである。記載される特定の実施形態は、本発明を作成および使用するための特定の方法の例示にすぎず、本発明の範囲を限定しない。
本発明は、特定の文脈、すなわち5レベルインバータにおける好ましい実施形態に関し、記載される。しかしながら、また、本発明はマルチレベル整流器、マルチレベルインバータ、マルチレベル交流‐交流コンバータ等を含む、様々な電力コンバータに適用可能である。さらにまた、本発明は、様々な3フェーズマルチレベルインバータに適用可能である。
図1は、本開示の様々な実施形態による、マルチレベルインバータのブロック図を示す。マルチレベルインバータ100は、直流電源PV1、直流電源PV1の第1の端子と接地との間に連結された第1のブースト装置112、直流電源PV1の第2の端子と接地との間に連結された第2のブースト装置114、フリーホイール装置106、第1の変換ステージ102および第2の変換ステージ104を含む。
図1に示される直流電源PV1は、ソーラーパネルとして実装されてよい。より具体的には、いくつかの実施形態において、図1は単一の直流電源PV1を示す一方で、直流電源PV1は、直列、並列、それらの任意の組み合わせ等で接続された複数のソーラーパネルを含んでよい。2つの入力コンデンサC1およびC2は直列に接続される。図1に示される通り、直列接続された入力コンデンサC1およびC2は、直流電源PV1の出力連結される。いくつかの実施形態において、入力コンデンサC1およびC2の共通ノードは、図1に示される通り、接地に接続される。
マルチレベルインバータ100は、5つの電圧レベル(例えば、V1、−V1、V2、−V2および接地)を含む。直流電源PV1の第1の端子は、出力電圧V1の端子である。直流電源PV1の第2の端子は、出力電圧−V1の端子である。第1のブースト装置112および第2のブースト装置114は、直流電源PV1の第1の端子および第2の端子にそれぞれ連結される。また、図1に示される通り、第1のブースト装置112および第2のブースト装置114は、直流電源PV1の第1の端子および第2の端子の出力電圧V1および−V1を、それぞれV2および−V2に変換する。
第1のブースト装置112および第2のブースト装置114は、ブースト直流/直流コンバータ等のステップアップ回路を使用して、実装されてよい。ブースト直流/直流コンバータは、入力インダクタ、ローサイドスイッチおよびブロッキングダイオードによって形成される。ブースト直流/直流コンバータの詳細な構成は、図2を参照して後述される。
図1は、2つのブースト装置(例えば、第1のブースト装置112および第2のブースト装置114)を持つマルチレベルインバータ100を示す一方で、マルチレベルインバータ100は、任意の数のブースト装置を収容可能であることに留意すべきである。本明細書に示されるブースト装置の数は、様々な実施形態の発明の態様を明確に示す目的のためにのみ限定される。本発明は、いかなる特定数のブースト装置にも限定されない。当業者は、多数の変形例、代替例、および変更例を認識するであろう。例えば、追加の電圧レベル有する出力階段波形を実現すべく、追加のブースト装置が使用されてよい。
マルチレベルインバータ100は、インダクタLoおよびコンデンサCoによって形成される出力フィルタおよび複数のスイッチQ1およびQ2をさらに含んでよい。図1に示される通り、出力フィルタの入力は、スイッチQ1およびQ2の共通ノードに連結される。図1は、スイッチQ1およびQ2はV2および−V2にそれぞれ連結され得ることを示す一方、スイッチQ1およびQ2は、第1の変換ステージ102および第2の変換ステージ104を介して、それぞれV1および−V1に連結されてよい。第1の変換ステージ102および第2の変換ステージ104の詳細な動作原理は、図3から図8を参照して詳細に後述される。
一実施形態によると、複数のスイッチ(例えば、スイッチQ1およびQ2)は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)デバイスであってよい。代替的に、スイッチ素子は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)デバイス、集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)デバイス、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)デバイス、シリコン制御整流器(SCR)デバイス、接合ゲート電界効果トランジスタ(JFET)デバイス、MOS制御サイリスタ(MCT)デバイス等のような任意の制御可能なスイッチであり得る。
フリーホイール装置106は、出力フィルタの入力と接地との間に連結されてよい。いくつかの実施形態において、第1のフリーホイールルートは、複数のスイッチ(例えば、スイッチQ1)がオフにされた後、複数のスイッチ内を流れる電流のための導電パスを提供してよい。フリーホイール装置106の詳細な構造は、図2を参照して後述される。
第1の変換ステージ102および第2の変換ステージ104は、複数のスイッチを備えてよい。複数のスイッチの異なる組み合わせを使用することによって、階段波形がフィルタの入力において生成されるよう、各スイッチは構成される。いくつかの実施形態において、変換ステージの一部が有効化されてよい。変換ステージは、3レベルインバータ構造として機能する。代替的な複数の実施形態においては、直流電源PV1の出力における電圧に応じ、変換ステージの別の部分がアクティブ化されてよい。変換ステージは、3レベルインバータ構造および5レベルインバータ構造の両方を備えてよい。第1の変換ステージ102および第2の変換ステージ104の詳細な動作が、図2から図8を参照して後述される。
図2は、本開示の様々な実施形態による、図1に示されるマルチレベルインバータの概略図を示す。マルチレベルインバータ100は、直流電源PV1からの入力電圧V1より高い出力電圧V2を生成する第1のブースト装置112を備える。さらに、負電圧−V2を生成するために第2のブースト装置114が使用される。
第1のブースト装置112および第2のブースト装置114の両方は、ブースト直流/直流コンバータとして実装される。簡略化のため、第1のブースト装置112のみについて詳細に後述する。
図2に示される通り、第1のブースト装置112は、入力インダクタL1、ローサイドスイッチスイッチQ11、ブロッキングダイオードD1および出力コンデンサC3によって形成される。コントローラ(不図示)は、出力コンデンサC3にかかる出力電圧V2を調節すべく、ローサイドスイッチQ11のターンオンデューティサイクルを制御してよい。ブースト直流/直流コンバータの詳細な動作原理は本分野において周知であるので、不要な繰り返しを回避すべく、さらに詳細に記載はしない。
ブースト直流/直流コンバータは、第1のブースト装置112および第2のブースト装置114を実装する一例に過ぎないことに留意すべきである。複数の他のブーストトポロジも、本発明の目的とする範囲内である。ブースト直流/直流コンバータは、直流電源(例えば、V1)からより高い電圧を生成する単なる一態様であり、他の実施形態および代替的な実施形態のブーストトポロジが使用可能(スイッチコンデンサ電圧ダブラを使用する等)であり、他の回路(例えば、チャージポンプ電圧ダブラ等)をこの機能のために使用可能である。
第1の変換ステージ102は、スイッチQ15、Q17およびQ19、リレーRL1およびRL3、並びにダイオードD5を含む。第1の変換ステージ102は、出力交流波形Voの第1のハーフサイクル中にアクティブ化される。第2の変換ステージ104は、スイッチQ16、Q18およびQ20、リレーRL2およびRL4、並びにダイオードD6を含む。第2の変換ステージ104は、出力交流波形Voの第2のハーフサイクル中にアクティブ化される。
第1の変換ステージ102は、第1の変換ステージ102の複数のスイッチを構成することによって、3レベルインバータ構造または5レベルインバータ構造のいずれかとして機能してよい。特に、出力電圧Voのピーク電圧がV1より大きい場合、第1の変換ステージ102は、V1の電圧に応じ、3レベルインバータの動作モードまたは5レベルインバータの動作モードのいずれかに入ってよい。より具体的には、1つの全サイクルにおいて、V1がVoの瞬時値より大きい場合、第1の変換ステージ102は、3レベルインバータの動作モードに入ってよい。それ以外の場合、第1の変換ステージ102は、5レベルインバータの動作モードに入ってよい。
3レベルインバータの動作モードにおいて、Q1およびQ19はオフにされる。Q13、Q17およびQ15はオンにされる。RL1およびRL3はオフにされる。ダイオードD5は順方向バイアスされる。オンにされたQ13、Q17およびQ15は、第1のハーフサイクル中、3レベルインバータ構造を形成する。一方で、5レベルインバータの動作モードにおいて、Q17はオフにされる。Q1、Q15、Q13およびQ19はオンにされる。ダイオードD5は順方向バイアスされる。RL1およびRL3はオフにされる。第1のブースト装置112はアクティブ化される。オンにされたQ1、Q13、Q15およびQ19は、第1のハーフサイクル中、5レベルインバータ構造を形成する。
同様に、第2の変換ステージ104は、第2の変換ステージ104の複数のスイッチを構成することによって、3レベルインバータ構造または5レベルインバータ構造のいずれかとして機能してよい。より具体的には、第2のハーフサイクルにおいて、Voの瞬時値が−V1より大きい場合、第2の変換ステージ104は、3レベルインバータの動作モードに入ってよい。それ以外の場合、第2の変換ステージ104は、5レベルインバータの動作モードに入ってよい。
3レベルインバータの動作モードにおいて、Q2およびQ20はオフにされる。Q14、Q18およびQ16はオンにされる。RL2およびRL4はオフにされる。ダイオードD6は順方向バイアスされる。オンにされたQ14、Q18およびQ16は、第2のハーフサイクル中、3レベルインバータ構造を形成する。一方で、5レベルインバータの動作モードにおいて、Q18はオフにされる。Q2、Q16、Q14およびQ20はオンにされる。ダイオードD6は順方向バイアスされる。RL2およびRL4はオフにされる。第2のブースト装置114はアクティブ化される。オンにされたQ2、Q14、Q16およびQ20は、第2のハーフサイクル中、5レベルインバータ構造を形成する。
一実施形態によると、マルチレベルインバータ100の切り替え損失を改善すべく、スイッチQ17、Q18、Q19およびQ20はMOSFETとして実装されてよい。代替的に、スイッチQ17、Q18、Q19およびQ20は、IGBT等の他の好適なデバイスとして実装されてよい。
フリーホイール装置106は、スイッチQ13およびQ14、並びにダイオードD3およびD4を備えてよい。図2に示される通り、ダイオードD3およびスイッチQ13は、出力フィルタの入力と接地との間に接続された第1のフリーホイールルートを形成してよい。いくつかの実施形態において、第1のフリーホイールルートは、スイッチQ1がオフにされた後、スイッチQ1内を流れる電流のための導電パスを提供してよい。
同様に、ダイオードD4およびスイッチQ14は、出力フィルタの入力と接地との間に接続された第2のフリーホイールルートを形成してよい。いくつかの実施形態において、第2のフリーホイールルートは、スイッチQ2がオフにされた後、スイッチQ2内を流れる電流のための導電パスを提供してよい。
上記のフリーホイール装置106の概略図は、一例の構造にすぎず、現在の実施形態を限定する意図ではないことを留意すべきである。当業者は、多数の変形例、代替例、および変更例を認識するであろう。例えば、ダイオードD3およびD4は、2つのスイッチによってそれぞれ置換されてよい。また、図2はスイッチQ13およびQ14はIGBTトランジスタとして実装されてよいものとして示すものの、スイッチQ13およびQ14は、MOSFETデバイス、IGCTデバイス、GTOデバイス、SCRデバイス、JFETデバイス、MCTデバイス、それらの任意の組み合わせ等のような任意の制御可能なスイッチであり得る。
1つの追加の動作モードを提供するためのリレーRL1、RL2、RL3およびRL4が含まれる。特に、入力電圧(例えば、V1)がVoのピーク電圧より高い場合、第1のブースト装置112および第2のブースト装置114は、リレーRL1、RL2、RL3およびRL4をオンにすることによって、バイパスされてよい。それゆえ、マルチレベルインバータ100の合計の電力損失は低減されてよい。
図3は、本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。Voは図2に示される出力フィルタの出力における電圧波形である。図2に示される通り、出力フィルタは、出力インダクタLoおよび出力コンデンサCoによって形成される。出力フィルタは、図3に示されるような正弦波形を取得すべく、マルチレベルPWM電圧(出力フィルタの入力における電圧)をフィルタするのに役立つ。
正弦波形Voにより、タイミングチャートは2つの部分、すなわち、第1のハーフサイクルおよび第2のハーフサイクルに分割可能である。第1のハーフサイクルは、t0から開始し、t3で終了する。第2のハーフサイクルは、t3から開始し、t6で終了する。さらに、第1のハーフサイクルは、V1とVoとの間の関係に従い、3つの部分に分割可能である。より具体的には、第1の部分はt0から開始し、t1で終了する。第1の部分において、V1は、Voの瞬時値より大きい。第2の部分は、t1から開始し、t2で終了する。第2の部分において、Voの瞬時値はV1より大きい。第3の部分は、t2から開始し、t3で終了する。第3の部分において、V1は、Voの瞬時値より大きい。
詳細な説明を通して、第1のハーフサイクルの第1の部分および第3の部分の間における動作モードは、代替的に、第1のハーフサイクルの3レベルインバータの動作モードと称されてよい。同様に、第1のハーフサイクルの第2の部分の間における動作モードは、代替的に、第1のハーフサイクルの5レベルインバータの動作モードと称される。
同様に、第2のハーフサイクルは、V1とVoとの間の関係に従い、3つの部分に分割可能である。より具体的には、第2のハーフサイクルの第1の部分は、t3から開始し、t4で終了する。第2のハーフサイクルの第1の部分において、Voの瞬時値は、−V1より大きい。第2のハーフサイクルの第2の部分は、t4から開始し、t5で終了する。第2の部分において、−V1は、Voの瞬時値より大きい。第2のハーフサイクルの第3の部分は、t5から開始し、t6で終了する。第3の部分において、Voの瞬時値は−V1より大きい。
詳細な説明を通して、第2のハーフサイクルの第1の部分および第3の部分の間における動作モードは、代替的に、第2のハーフサイクルの3レベルインバータの動作モードと称されてよい。第2のハーフサイクルの第2の部分の間における動作モードは、代替的に、第2のハーフサイクルの5レベルインバータの動作モードと称される。各部分の詳細な動作原理が、図4〜図7を参照して後述される。
図4は、本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータの3レベルインバータの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。第1のハーフサイクル中、直流電源の第1の端子における電圧が、Voの瞬時値より大きい場合、マルチレベルインバータ100は、3レベルインバータの動作モードに入る。図4に図示の矢印402および404によって示される通り、第1の導電パスが有効にされる。
第1の導電パスは、オンにされたQ13、Q15およびQ17によって形成される。Q15は、出力フィルタの入力と直流電源PV1の第1の端子との間に連結される。Q13およびQ17は直列で接続され、出力フィルタの入力と直流電源PV1の第1の端子との間に連結される。電流は、2つの電流パスを介して、直流電源PV1の第1の端子から出力フィルタへ流れる。第1の電流パスは、Q15を備える。第2の電流パスは、Q17およびQ13を備える。図4に示される通り、これら2つの電流パスは並列に接続される。さらに、第2の電流パスのQ17は、Q15がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ってよい。ゼロ電圧切り替えプロセスは、図5を参照して後述される。
第2のハーフサイクル中、Voの瞬時値が直流電源PV1の第2の端子(例えば、−V1)における電圧より大きい場合、マルチレベルインバータ100は、3レベルインバータの動作モードに入る。図4に図示の矢印406および408によって示される通り、第2の導電パスが有効にされる。
第2の導電パスは、Q16、Q14およびQ18によって形成される。Q16は、出力フィルタの入力と直流電源PV1の第2の端子との間に連結される。Q14およびQ18は、直列で接続され、出力フィルタの入力と直流電源PV1の第2の端子との間に連結される。第2の導電パスの動作原理は、上記の第1の導電パスのものと類似しているので、繰り返しを回避するため、本明細書に詳細に記載はしない。
図5は、本開示の様々な実施形態による、図4に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。図4に関し上記した通り、マルチレベルインバータ100は、t0からt1への時間間隔、t2からt3への時間間隔、t3からt4への時間間隔およびt5からt6への時間間隔の間、3レベルインバータの動作モードに入る。これら4つの時間間隔における複数のゲートドライブ信号は、類似する。簡略化のため、t0からt1への時間間隔におけるゲート信号についてのみ、詳細に後述する。
t0からt1への時間間隔中、Q15がt7においてオンにされる前に、Q17がt0においてオンにされる。図5に示される通り、Q13はこの時間間隔中、常にオンである。結果的に、図4に示されるように、オンにされたQ17およびQ13は直列に接続され、ゼロ電圧切り替え補助回路を形成する。t8において、Q15がオフにされている場合、Q17およびQ13の両方がオンにされ、その結果、Q15にかかる電圧は、およそゼロに等しい。つまり、そのようなゼロ電圧切り替え補助回路は、Q15がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立つ。同様に、t9およびt10において、Q15は、ゼロ電圧切り替えを実現可能である。
t7からt8への時間間隔中にQ17をオンに維持する代わりに、スイッチQ17はオフにされてよいことに留意すべきである。より具体的には、Q15がゼロ電圧オン遷移を実現し、t8におけるQ15のオフの前にオンになった後、Q17はオフにされてよい。Q18は、Q16が第2のハーフサイクル中にゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ち得ることにさらに留意されたい。Q16のゼロ電圧切り替え遷移は、Q15のゼロ電圧切り替え遷移と類似であるので、繰り返しを回避するため、本明細書においてさらに詳細に記載しない。
図6は、本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータの5レベルの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。第1のハーフサイクル中、Voの瞬時値が直流電源PV1の第1の端子(例えば、V1)における電圧より大きい場合、マルチレベルインバータは、5レベルインバータの動作モードに入る。図6に図示の矢印602、603、および604によって示される通り、2つの導電パスが有効にされる。
第1の導電パスは、Q15によって形成される。図6に示される通り、Q15は、出力フィルタの入力と直流電源PV1の第1の端子との間に連結される。第2の導電パスは、Q1、O13およびQ19を備える。Q13およびQ19は直列で接続され、出力フィルタの入力と第1のブースト装置112の出力との間に連結される。Q1は、出力フィルタの入力と第1のブースト装置112の出力との間に連結される。電流は、Q15を介して、直流電源PV1の第1の端子ら、出力フィルタへ流れてよい。代替的に、オンにされたQ1、Q17およびQ13を介して、電流は、第1のブースト装置112の出力から、出力フィルタへ流れる。
第2の導電パスを介する電流の流れがある場合、ダイオードD5は、Q15を介して流れる電流を防止してよいことに留意すべきである。第2の電流パスのQ19は、Q1がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ってよいことにさらに留意すべきである。Q1のゼロ電圧切り替えプロセスは、図7を参照して後述される。
第2のハーフサイクル中、直流電源PV1の第2の端子おける電圧が、Voの瞬時値より大きい場合、マルチレベルインバータ100は、5レベルインバータの動作モードに入る。図6に図示の矢印606、607および608によって示される通り、2つの導電パスが有効にされる。
第1の導電パスはQ16によって形成される。Q16は、出力フィルタの入力と直流電源PV1の第2の端子(−V1)との間に連結される。第2の導電パスは、Q2、Q14およびQ20を備える。図6に示される通り、Q14およびQ20は直列で接続され、出力フィルタの入力と第2のブースト装置114の出力との間に連結される。Q1は、出力フィルタの入力と第2のブースト装置114の出力との間に連結される。第2のハーフサイクルにおける導電パスの動作原理は、第1のハーフサイクルの動作原理と類似であるので、本明細書に詳細に記載はしない。
図7は、本開示の様々な実施形態による、図6に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。図6に関し上記した通り、マルチレベルインバータシステムは、t1からt2への時間間隔およびt4からt5への時間間隔の間、5レベルインバータの動作モードに入る。これら2つの時間間隔における複数のゲートドライブ信号は類似する。簡略化のため、t1からt2への時間間隔におけるゲート信号についてのみ、詳細に後述する。
t1からt2への時間間隔中、Q1がt11においてオンにされる前に、Q19がt1においてオンにされる。図7に示される通り、Q13はこの時間間隔中、常にオンである。結果的に、オンにされたQ17およびQ13は直列に接続され、ゼロ電圧切り替え補助回路を形成する。t12において、Q1がオフにされている場合、Q19およびQ13の両方が依然としてオンであり、その結果、Q1にかかる電圧は、およそゼロに等しい。Q19がt13においてオフにされてよい。つまり、Q19は、Q1がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立つ。
t11からt12への時間間隔中にQ19をオンに維持する代わりに、スイッチQ19はオフにされてよいことに留意すべきである。より具体的には、Q1がゼロ電圧オン遷移を実現し、t12におけるQ1のオフの前に再度オンになった後、Q19はオフにされてよい。Q20は、Q2が第2のハーフサイクル中にゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ち得ることにさらに留意されたい。Q2のゼロ電圧切り替え遷移は、Q1のゼロ電圧切り替え遷移と類似であるので、繰り返しを回避するため、本明細書においてさらに詳細に記載しない。
図8は、本開示の様々な実施形態による、図2に示されるマルチレベルインバータの別のシステム構成の概略図を示す。直流電源PV1にかかる電圧がVoのピークツゥピーク値より大きい場合、第1のブースト装置112および第2のブースト装置114はバイパスされる。矢印802および804によって示される通り、第1のハーフサイクル中、エネルギーは、Q1およびQ15を介して出力フィルタに供給される。より具体的には、オンにされたリレーRL1およびRL3が、並列に接続された2つの導電パスを形成する。第2のハーフサイクル中、矢印806および808によって示される通り、エネルギーは、Q2およびQ16を介して出力フィルタに供給される。リレーRL1、RL2、RL3およびRL4を有することの1つの有利な特徴は、第1のブースト装置112および第2のブースト装置114をオフにすることによって、電力損失が低減できることである。結果的に、マルチレベルインバータ100の信頼性に加え効率性が改善され得る。
第1の3レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第1の端子との間に連結されたQ15と、出力フィルタの入力と直流電源の第1の端子との間に直列に接続された、連結されたQ13およびQ17と、によって形成される。第1の5レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第1の端子との間に連結されたQ15と、第1のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたQ1と、第1のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結されたQ13およびQ19と、によって形成される。第2の3レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第2の端子との間に連結されたQ16と、出力フィルタの入力と直流電源の第2の端子との間に直列に接続された、連結されたQ14およびQ18と、によって形成される。第2の5レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第2の端子との間に連結されたQ16と、第2のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたQ2と、第2のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結されたQ14およびQ20と、によって形成される。
第1の3レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第1の端子との間に連結された第1のスイッチと、出力フィルタの入力と直流電源の第1の端子との間に直列に接続された、連結された第2のスイッチおよび第3のスイッチと、によって形成される。第1の5レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第1の端子との間に連結された第1のスイッチと、第1のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第4のスイッチと、第1のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結された第2のスイッチおよび第5のスイッチと、によって形成される。第2の3レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第2の端子との間に連結された第6のスイッチと、出力フィルタの入力と直流電源の第2の端子との間に直列に接続された、連結された第7のスイッチおよび第8のスイッチと、によって形成される。第2の5レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第2の端子との間に連結された第6のスイッチと、第2のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第9のスイッチと、第2のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結された第7のスイッチおよび第10のスイッチと、によって形成される。
第1の3レベル導電パスは、直流電源の第1の端子と出力フィルタの入力との間に連結されたQ15およびフリーホイール装置のQ13によって形成され、ここでQ15およびQ13は並列に接続される。第1の5レベル導電パスは、Q15と、第1のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたQ1と、フリーホイール装置のQ13と、によって形成される。第2の3レベル導電パスは、直流電源の第2の端子と出力フィルタの入力との間に連結されたQ16およびフリーホイール装置のQ14によって形成され、ここでQ14およびQ16は並列に接続される。第2の5レベル導電パスは、Q16と、第2のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたQ2と、フリーホイール装置のQ14と、によって形成される。
第1の3レベル導電パスは、直流電源の第1の端子と出力フィルタの入力との間に連結された第1のスイッチおよびフリーホイール装置の第2のスイッチによって形成され、ここで第1のスイッチおよび第2のスイッチは並列に接続される。第1の5レベル導電パスは、第1のスイッチと、第1のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第3のスイッチと、フリーホイール装置の第2のスイッチと、によって形成される。第2の3レベル導電パスは、直流電源の第2の端子と出力フィルタの入力との間に連結された第4のスイッチおよびフリーホイール装置の第5のスイッチによって形成され、ここで第5のスイッチおよび第4のスイッチは並列に接続される。第2の5レベル導電パスは、第4のスイッチと、第2のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第6のスイッチと、フリーホイール装置の第5のスイッチと、によって形成される。
第1の3レベル導電パスは、フリーホイール装置のQ13と直列に接続されたQ17をさらに含み、ここで、Q17はQ15のオンより前に、オンにされるよう構成される。第1の5レベル導電パスは、フリーホイール装置のQ13と直列に接続されたQ19をさらに含み、ここで、Q19はQ1のオンより前に、オンにされるよう構成される。第2の3レベル導電パスは、フリーホイール装置のQ14と直列に接続されたQ18をさらに含み、ここで、Q18はQ16のオンより前に、オンにされるよう構成される。第2の5レベル導電パスは、フリーホイール装置のQ14と直列に接続されたQ20をさらに含み、ここで、Q20はQ2のオンより前に、オンにされるよう構成される。
第1の3レベル導電パスは、フリーホイール装置の第2のスイッチと直列に接続された第7のスイッチをさらに含み、ここで、第7のスイッチは第1のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。第1の5レベル導電パスは、フリーホイール装置の第2のスイッチと直列に接続された第8のスイッチをさらに含み、ここで、第8のスイッチは第3のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。第2の3レベル導電パスは、フリーホイール装置の第5のスイッチと直列に接続された第9のスイッチをさらに含み、ここで、第9のスイッチは第4のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。第2の5レベル導電パスは、フリーホイール装置の第5のスイッチと直列に接続された第10のスイッチをさらに含み、ここで、第10のスイッチは第6のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。
本発明の複数の実施形態およびその利点が詳細に記載されたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更形態、置換形態、および代替形態が本明細書に対しなされ得ることを理解されたい。さらに、本願の範囲は、本明細書に記載のプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法および段階に係る特定の実施形態に限定されることを意図していない。当業者が本発明の開示から容易に理解する通り、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同一の機能を実行する、または実質的に同一結果を実現する、現存のまたは後に開発されることになるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法または段階は、本発明に従い利用できる。従って、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法または段階をその範囲に包含する意図である。

Claims (14)

  1. インバータに連結された直流電源にかかる電圧を検出する段階を備え、
    前記インバータは、
    前記直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、
    前記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、
    第1の3レベル導電パスおよび第1の5レベル導電パスを含む第1の変換ステージと、
    第2の3レベル導電パスおよび第2の5レベル導電パスを含む第2の変換ステージと、
    出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含み、
    前記出力フィルタの出力における電圧の第1のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第1の端子における電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値より大きい場合、前記第1の3レベル導電パスを有効にする段階と、
    前記第1のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第1の端子における前記電圧より大きい場合、前記第1の5レベル導電パスを有効にする段階と、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第2のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧より大きい場合、前記第2の3レベル導電パスを有効にする段階と、
    前記第2のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、前記第2の5レベル導電パスを有効にする段階と、を備え
    前記第1の3レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と、前記直流電源の前記第1の端子との間に連結された第1のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第1の端子との間に連結された第2のスイッチおよび第3のスイッチと、によって形成され、
    前記第1の5レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第1の端子との間に連結された前記第1のスイッチと、前記第1のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第4のスイッチと、直列に接続され、前記第1のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第2のスイッチおよび第5のスイッチと、によって形成され、
    前記第2の3レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第2の端子との間に連結された第6のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第2の端子との間に連結された第7のスイッチおよび第8のスイッチと、によって形成され、
    前記第2の5レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第2の端子との間に連結された前記第6のスイッチと、前記第2のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第9のスイッチと、直列に接続され、前記第2のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第7のスイッチおよび第10のスイッチと、によって形成される、
    前記インバータを制御するための方法。
  2. インバータに連結された直流電源にかかる電圧を検出する段階を備え、
    前記インバータは、
    前記直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、
    前記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、
    第1の3レベル導電パスおよび第1の5レベル導電パスを含む第1の変換ステージと、
    第2の3レベル導電パスおよび第2の5レベル導電パスを含む第2の変換ステージと、
    出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含み、
    前記出力フィルタの出力における電圧の第1のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第1の端子における電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値より大きい場合、前記第1の3レベル導電パスを有効にする段階と、
    前記第1のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第1の端子における前記電圧より大きい場合、前記第1の5レベル導電パスを有効にする段階と、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第2のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧より大きい場合、前記第2の3レベル導電パスを有効にする段階と、
    前記第2のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、前記第2の5レベル導電パスを有効にする段階と、を備え、
    前記第1の3レベル導電パスは、前記直流電源の前記第1の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第1のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの第2のスイッチと、によって形成され、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチは並列に接続され、
    前記第1の5レベル導電パスは、前記第1のスイッチと、前記第1のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第3のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの前記第2のスイッチと、によって形成され、
    前記第2の3レベル導電パスは、前記直流電源の前記第2の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第4のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの第5のスイッチと、によって形成され、前記第5のスイッチおよび前記第4のスイッチは並列に接続され、
    前記第2の5レベル導電パスは、前記第4のスイッチと、前記第2のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第6のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの前記第5のスイッチと、によって形成される、
    前記インバータを制御するための方法。
  3. 前記第1のスイッチをオンにする前に、前記第3のスイッチをオンにする段階と、
    前記第3のスイッチをオフにする前に、前記第1のスイッチをオフにする段階と、
    前記第6のスイッチをオンにする前に、前記第8のスイッチをオンにする段階と、
    前記第8のスイッチをオフにする前に、前記第6のスイッチをオフにする段階と、をさらに備える、請求項に記載の方法。
  4. 前記第1のスイッチをオンにする前に、前記第3のスイッチをオンにする段階と、
    前記第1のスイッチがオンにされた後、前記第3のスイッチをオフにする段階と、
    前記第1のスイッチをオフにする前に、前記第3のスイッチをオンにする段階と、
    前記第3のスイッチがオンにされた後、前記第1のスイッチをオフにする段階と、
    前記第3のスイッチをオフにする段階と、
    をさらに備える、請求項に記載の方法。
  5. 前記第6のスイッチをオンにする前に、前記第8のスイッチをオンにする段階と、
    前記第6のスイッチがオンにされた後、前記第8のスイッチをオフにする段階と、
    前記第6のスイッチをオフにする前に、前記第8のスイッチをオンにする段階と、
    前記第8のスイッチがオンにされた後、前記第6のスイッチをオフにする段階と、
    前記第8のスイッチをオフにする段階と、
    をさらに備える、請求項に記載の方法。
  6. 前記第4のスイッチをオンにする前に、前記第5のスイッチをオンにする段階と、
    前記第5のスイッチをオフにする前に、前記第4のスイッチをオフにする段階と、
    前記第9のスイッチをオンにする前に、前記第10のスイッチをオンにする段階と、
    前記第10のスイッチをオフにする前に、前記第9のスイッチをオフにする段階と、をさらに備える、請求項に記載の方法。
  7. 前記出力フィルタの前記出力における前記電圧のピークツゥピーク値を検出する段階と、
    前記ピークツゥピーク値を前記直流電源にわたる電圧と比較する段階と、
    前記直流電源にかかる前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記ピークツゥピーク値より大きい場合、前記第1のブースト装置および前記第2のブースト装置をバイパスすべく、第1のリレー、第2のリレー、第3のリレー、および第4のリレーをオンにする段階と、をさらに備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、
    前記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、
    出力フィルタの入力と前記第1のブースト装置とに連結された第1の変換ステージと、
    前記出力フィルタの前記入力に連結された第2の変換ステージと、
    前記出力フィルタの前記入力と接地との間に連結されたフリーホイール装置と、を備え、
    前記第1の変換ステージは、
    前記直流電源の前記第1の端子における電圧が、前記出力フィルタの出力における電圧の瞬時値より大きい場合、第1の3レベル導電パスが、前記直流電源の前記第1の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第1の端子における前記電圧より大きい場合、第1の5レベル導電パスが、前記直流電源の前記第1の端子と前記第1のブースト装置の出力とに連結されるように構成され
    前記第2の変換ステージは、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第2の端子における電圧より大きい場合、第2の3レベル導電パスが、前記直流電源の前記第2の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
    前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、第2の5レベル導電パスが、前記直流電源の前記第2の端子と前記第2のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
    前記第1の3レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と、前記直流電源の前記第1の端子との間に連結された第1のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第1の端子との間に連結された第2のスイッチおよび第3のスイッチと、によって形成され、
    前記第1の5レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第1の端子との間に連結された前記第1のスイッチと、前記第1のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第4のスイッチと、直列に接続され、前記第1のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第2のスイッチおよび第5のスイッチと、によって形成され、
    前記第2の3レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第2の端子との間に連結された第6のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第2の端子との間に連結された第7のスイッチおよび第8のスイッチと、によって形成され、
    前記第2の5レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第2の端子との間に連結された前記第6のスイッチと、前記第2のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第9のスイッチと、直列に接続され、前記第2のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第7のスイッチおよび第10のスイッチと、によって形成される、
    インバータデバイス。
  9. 直流電源の第1の端子に連結された入力を有する第1のブースト装置と、
    前記直流電源の第2の端子に連結された入力を有する第2のブースト装置と、
    出力フィルタの入力と前記第1のブースト装置とに連結された第1の変換ステージと、
    前記出力フィルタの前記入力に連結された第2の変換ステージと、
    前記出力フィルタの前記入力と接地との間に連結されたフリーホイール装置と、を備え、
    前記第1の変換ステージは、
    前記直流電源の前記第1の端子における電圧が、前記出力フィルタの出力における電圧の瞬時値より大きい場合、第1の3レベル導電パスが、前記直流電源の前記第1の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第1の端子における前記電圧より大きい場合、第1の5レベル導電パスが、前記直流電源の前記第1の端子と前記第1のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
    前記第2の変換ステージは、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第2の端子における電圧より大きい場合、第2の3レベル導電パスが、前記直流電源の前記第2の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
    前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、第2の5レベル導電パスが、前記直流電源の前記第2の端子と前記第2のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
    前記第1の3レベル導電パスは、前記直流電源の前記第1の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第1のスイッチと、前記フリーホイール装置の第2のスイッチと、によって形成され、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチは並列に接続され、
    前記第1の5レベル導電パスは、前記第1のスイッチと、前記第1のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第3のスイッチと、前記フリーホイール装置の前記第2のスイッチと、によって形成され、
    前記第2の3レベル導電パスは、前記直流電源の前記第2の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第4のスイッチと、前記フリーホイール装置の第5のスイッチと、によって形成され、前記第5のスイッチおよび前記第4のスイッチは並列に接続され、
    前記第2の5レベル導電パスは、前記第4のスイッチと、前記第2のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第6のスイッチと、前記フリーホイール装置の前記第5のスイッチと、によって形成される、
    インバータデバイス。
  10. 前記第1の3レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第2のスイッチと直列に接続された第7のスイッチをさらに含み、前記第7のスイッチは前記第1のスイッチのオンの前に、オンにされ、
    前記第1の5レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第2のスイッチと直列に接続された第8のスイッチをさらに含み、前記第8のスイッチは、前記第3のスイッチのオンの前に、オンにされ、
    前記第2の3レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第5のスイッチと直列に接続された第9のスイッチをさらに含み、前記第9のスイッチは、前記第4のスイッチのオンの前に、オンにされ、
    前記第2の5レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第5のスイッチと直列に接続された第10のスイッチをさらに含み、前記第10のスイッチは、前記第6のスイッチのオンの前に、オンにされる、請求項に記載のインバータデバイス。
  11. 前記直流電源にかかる電圧が前記出力フィルタの前記出力における前記電圧のピークツゥピーク値より大きい場合、前記第1のブースト装置および前記第2のブースト装置がバイパスされるように、前記第1の変換ステージおよび前記第2の変換ステージが構成される、請求項8から10のいずれか一項に記載のインバータデバイス。
  12. 前記第1のブースト装置は、第1の入力インダクタと、第1のローサイドスイッチと、第1のブロッキングダイオードとを含み、
    前記第2のブースト装置は、第2の入力インダクタと、第2のローサイドスイッチと、第2のブロッキングダイオードとを含む、請求項8から11のいずれか一項に記載のインバータデバイス。
  13. 前記直流電源の前記第1の端子における電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値より大きい場合、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第1のハーフサイクルにおいて、前記第1の3レベル導電パスは有効にされ、
    前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値が前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧より大きい場合、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第2のハーフサイクルにおいて、前記第2の3レベル導電パスは有効にされる、請求項に記載のインバータデバイス。
  14. 前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第1の端子における前記電圧より大きい場合、前記第1のハーフサイクルにおいて、前記第1の5レベル導電パスは有効にされ、
    前記直流電源の前記第2の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、前記第2のハーフサイクルにおいて、前記第2の5レベル導電パスは有効にされる、請求項13に記載のインバータデバイス。
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