JP6336050B2 - マルチレベルコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲のプリアンブルに記載された特徴事項を有するマルチレベルコンバータに関する。

この種のマルチレベルコンバータは、非特許文献１に記載されている。公知のマルチレベルコンバータは、直列接続された複数のサブモジュールを備えており、それらのサブモジュールはそれぞれ、第１スイッチと第２スイッチとコンデンサとを有し、放電位相ではそのコンデンサにより電流を外側へ放出し、充電位相ではそのコンデンサの充電のための電流を受け入れる。中央装置は、マルチレベルコンバータの動作モードを制御するために用いられる。

公知のマルチレベルコンバータでは、サブモジュールの１つが故障した際に、例えば、サブモジュールの両スイッチが誤って投入されてコンデンサが突然に放電した際に、サブモジュールが破壊し、サブモジュールハウジングの破裂が起こり得るという問題が存在する。このようなサブモジュールハウジングの破裂は、隣接する他のサブモジュールを巻き添えにすることがあり、その結果、それらの隣接サブモジュールが機械的作用により同様に故障して、それらの側で短絡電流を生じる。換言するならば、連鎖反応が起こり、それによってマルチレベルコンバータの全てのサブモジュールが破壊され得る。

サブモジュールハウジングの破裂という上記の問題を防止するべく、もしくはサブモジュールの破壊の連鎖反応を防止するべく、公知のマルチレベルコンバータにおいては格別に安定なサブモジュールハウジングを装備している。しかし、このことが、マルチレベルコンバータの非常に重い重量と非常に多い材料使用量をもたらすこととなる。

それに代えて、サブモジュールにおける短絡電流の際に発生する負担を僅かなものに止めて、サブモジュールハウジングの破裂が回避されるようにするべく、サブモジュールのコンデンサ容量として小さなものを選定する、ということが公知である。

ミュンヘン連邦軍大学、電気駆動技術、パワーエレクトロニクスおよび制御研究所のRainer Marquardt、Anton LesnicarおよびJuerden Hildinger著、"Modulares Stromrichterkonzept fuer Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen（高圧での電源接続用途のためのモジュール形式の変換器コンセプト）"、２００２年バートナウハイムでのETC専門会議のパワーエレクトロニクス部品およびその応用に関する論文集に掲載

本発明の課題は、サブモジュールの破壊という上記問題が格別に簡単にかつ低コストで回避される、もしくは少なくとも低減される、マルチレベルコンバータを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１記載の特徴事項を有するマルチレベルコンバータによって解決される。本発明によるマルチレベルコンバータの有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

それによると、本発明に従って、少なくとも１つサブモジュールが、２つの互いに電気的接続（galvanische Verbindung）された部分モジュールを有するか、又は２つの互いに電気的接続された部分モジュールによって構成されており、それらの部分モジュールは、それぞれ第１スイッチと第２スイッチとコンデンサと第１および第２の部分モジュール端子とを有し、２つの部分モジュール間の電気的接続部が、少なくとも１つの誘導性要素を含む。

本発明によるマルチレベルコンバータの主要な利点は、少なくとも１つのサブモジュールが、好ましくは全てのサブモジュールが、次の部分モジュールによって構成されていることにある。すなわち、それらの部分モジュールは、互いに電気的接続によってたしかに接続されているので、その点では部分モジュール間での放電電流を可能にするが、しかし、本発明に従って部分モジュール間の電気的接続部中に設けられている付加的な誘導性要素によって、短絡時の電流の流れが制限されるようになっている。すなわち、本発明の技術的思想は、１つのサブモジュールを、そのサブモジュールに必要とされる電気的特性を共有する複数の部分モジュールであってそれら各部分モジュールが１つのサブモジュールとして機能するべく、たしかに互いに電気的接続されている（従って、電流が流れる）が、しかし、それらの部分モジュールの１つが故障した際に、その他の部分モジュールが制限的にしか打撃を受けない程度にまで、その電気的接続部中の少なくとも１つの誘導性要素によって、互いに電気的に分離されるようにする、ということにある。

１つ又は複数のサブモジュールの部分モジュールは、同一構成とすることが好ましい。

各部分モジュールの第１スイッチは、コンデンサと直列に接続されていることが好ましい。而して各部分モジュールの第２スイッチは、第１スイッチとコンデンサとからなる直列回路に並列に接続されている。各部分モジュールの第１の部分モジュール端子は、各部分モジュールにおける両スイッチ間の電気的な接続個所によって形成されており、各部分モジュールの第２の部分モジュール端子は、コンデンサと第２スイッチとの間の電気的な接続個所によって形成されていることが好ましい。

複数の部分モジュールうちの１つの故障が残りの１つ又は複数の部分モジュールに対して過度に影響を及ぼすことのないように、それら部分モジュール同士を十分に分離するべく、２つの部分モジュール間の電気的接続部における１つの誘導性要素のインダクタンス又は複数の誘導性要素のインダクタンスの合計値が、２つの部分モジュールにおいて作用する寄生インダクタンスの合計値の少なくとも５倍、さらに望ましくは少なくとも１０倍であると、有利である。このような誘導性要素のインダクタンスの大きさの選定は、一般的に、部分モジュール同士の十分な電気的分離を保証する。

少なくとも１つの誘導性要素の配置に関しては、両部分モジュールの第１の部分モジュール端子が、それぞれサブモジュールの第１のサブモジュール端子に電気的接続されていると共に、互いに電気的接続されており、両部分モジュールの第２の部分モジュール端子が、それぞれサブモジュールの第２のサブモジュール端子に電気的接続されていると共に、互いに電気的接続されており、両第１の部分モジュール端子間および／または両第２の部分モジュール端子間の電気的接続部が、少なくとも１つの誘導性要素を含むと、有利である。この誘導性要素の配置の場合にも、両第１の部分モジュール端子間および／または両第２の部分モジュール端子間の電気的接続部における、１つの誘導性要素のインダクタンス又は複数の誘導性要素のインダクタンスの合計値が、前述の両部分モジュールにおいて作用する寄生インダクタンスの合計値の少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍であると、格別に有利である。

前述の両部分モジュールのコンデンサのコンデンサ電圧が常に少なくともほぼ等しい大きさであることを達成するためには、それら両部分モジュールがそれぞれ第３の部分モジュール端子を有し、かつ、両部分モジュールのコンデンサがそれらの第３の部分モジュール端子を介して互いに高オーム抵抗および／または高インダクタンスで以て電気的接続されているようにすることが、有利である。第３の部分モジュール端子を介して両部分モジュールのコンデンサ間に均等化電流が生じ得るが、しかし第３の部分モジュール端子間の高オーム抵抗もしくは高インダクタンスに基づいて、１つの部分モジュールの故障時にも、残りの部分モジュールが十分に保護されることが保証される。

第３の部分モジュール端子同士を互いに高オーム抵抗で接続する場合には、２つの部分モジュールのコンデンサ間のオーム抵抗の数値が、２つの部分モジュール間の１つ又は複数の電気的接続部における１つ誘導性要素の通常５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統周波数でのインピーダンスの数値又は複数の誘導性要素の系統周波数でのインピーダンスの合計の数値の少なくとも１０⁵ 倍よりも大きい数値であると、有利である。

サブモジュールが格別に高い出力を供給するべく設定されている場合には、そのサブモジュールを２つよりも多い部分モジュールから構成することが有利であり、従って、格別に好ましい実施形態では、少なくとも１つのサブモジュールが、２つの部分モジュールの他に、それぞれ第１スイッチと第２スイッチとコンデンサと第１および第２の部分モジュール端子とを有するさらなる部分モジュールを有し、そのさらなる部分モジュールにおける第１の部分モジュール端子がそれぞれ当該サブモジュールの第１のサブモジュール端子に電気的接続されており、かつそのさらなる部分モジュールの第２の部分モジュール端子がそれぞれ当該サブモジュールの第２のサブモジュール端子に電気的接続されており、かつそのさらなる部分モジュールの第１の部分モジュール端子と第１のサブモジュール端子との間の電気的接続部および／またはそのさらなる部分モジュールの第２の部分モジュール端子と第２のサブモジュール端子との間の電気的接続部が、それぞれ少なくとも１つの誘導性要素を含むように設定される。

従って、換言するならば、少なくとも１つのサブモジュールが、それぞれ第１スイッチと第２スイッチとコンデンサと第１および第２の部分モジュール端子とを備えた複数の部分モジュールを有し、これらの部分モジュールの第１の部分モジュール端子が、それぞれ当該サブモジュールの第１のサブモジュール端子に電気的接続されており、これらの部分モジュールの第２の部分モジュール端子が、それぞれ当該サブモジュールの第２のサブモジュール端子に電気的接続されており、これらの部分モジュールの第１の部分モジュール端子と第１のサブモジュール端子との間の電気的接続部と、これらの部分モジュールの第２の部分モジュール端子と第２のサブモジュール端子との間の電気的接続部とが、それぞれ少なくとも１つの誘導性要素を含むように設定される。

複数の部分モジュールのコンデンサ電圧を均等化するという観点からすれば、複数の部分モジュールのコンデンサが高オーム抵抗で電気的接続されており、それぞれ２つの互いに接続された部分モジュールのコンデンサ間のオーム抵抗の数値が、これらの２つの部分モジュールとサブモジュール端子との間の電気的接続部に配置されている誘導性要素の５０Ｈｚでのインピーダンスの合計の数値の少なくとも１０⁵ 倍よりも大きい数値であと、有利である。

複数の部分モジュールのそれぞれについて、第１の部分モジュール端子と第１のサブモジュール端子との間の電気的接続および第２の部分モジュール端子と第２のサブモジュール端子との間の電気的接続における、誘導性要素のインダクタンスの合計値を、それらの部分モジュールにおいて作用する寄生インダクタンスの合計値の、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍、の大きさにすることが望ましい。

マルチレベルコンバータの全てのサブモジュールが、上記において説明したように構成されていること、すなわち複数の部分モジュールから構成されていることが、格別に好ましい。それに従って、マルチレベルコンバータの全てのサブモジュールがそれぞれ少なくとも２つの部分モジュールを有するか、又は少なくとも２つの部分モジュールによって構成されており、これらの少なくとも２つの部分モジュールが、それぞれ第１スイッチと第２スイッチとコンデンサと第１および第２の部分モジュール端子とを有するようにすることが、有利である。

１つ又は複数の誘導性要素がリアクトルによって構成されていることが、好ましい。あるいは、１つ又は複数の誘導性要素が部分モジュール間の電気的接続部中の寄生インダクタンスによって構成されるようにすることも可能である。

複数の部分モジュールのスイッチの駆動制御は、誘導的に減結合された状態で行われることが望まれる。

前述の駆動制御における誘導的な減結合に関しては、少なくとも１つのサブモジュール又は全てのサブモジュールが、それぞれ第１のサブモジュール固有の駆動回路および第２のサブモジュール固有の駆動回路を有しており、複数の部分モジュールの第１スイッチが第１のサブモジュール固有の駆動回路によって誘導的に減結合されて駆動制御され、複数の部分モジュールの第２スイッチが第２のサブモジュール固有の駆動回路によって誘導的に減結合された状態で駆動制御されるようにすることが、有利である。

各第１スイッチと第１のサブモジュール固有の駆動回路との間に、誘導的な減結合のために、それぞれ１つの電流補償リアクトルが配置されており、かつ、各第２スイッチと第２のサブモジュール固有の駆動回路との間に、誘導的な減結合のために、それぞれ１つの電流補償リアクトルが配置されていると、格別に有利である。

本発明は、さらに、上記において説明したマルチレベルコンバータのための、サブモジュールに関する。本発明によれば、サブモジュールが、２つの互いに電気的接続された部分モジュールを有するか、又は２つの互いに電気的接続された部分モジュールによって構成されており、それらの部分モジュールが、それぞれ第１スイッチと第２スイッチとコンデンサと第１および第２の部分モジュール端子とを有し、それらの２つの部分モジュール間の電気的接続部が、少なくとも１つの誘導性要素を含む。

本発明によるサブモジュールの利点については、上記の本発明によるマルチレベルインバータに関する説明を参照されたい。

以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。

多数のサブモジュールを備えたマルチレベルコンバータの一実施例を示す図である。 図１によるマルチレベルコンバータに用いられて公知のマルチレベルコンバータを構成することが可能な公知のサブモジュールの一般的な説明のための図である。 図１によるマルチレベルコンバータに用いられることで発明によるマルチレベルコンバータが提供される、本発明によるサブモジュールの一実施例を示す図である。 ２つの誘導性要素を有する、本発明によるサブモジュールの一実施例を示す図である。 ２つの誘導性要素を有する、本発明によるサブモジュールの、他の一実施例を示す図である。 ４つの誘導性要素を有する、本発明によるサブモジュールの一実施例を示す図である。 両極性出力電圧の発生を可能にする、本発明によるサブモジュールの一実施例を示す図である。 図３から７によるサブモジュールのスイッチの駆動制御のための一実施例を示す図である。

上記の各図においては、図面を見易くするために、同一又は類似の構成要素に対して常に同一の参照符号が使用されている。

図１に、３相マルチレベルコンバータ１０の実施例を示す。このマルチレベルコンバータは、交流電流の供給または放出もしくは取出しのための交流電圧端子Ｗ１０を有する。さらに、このマルチレベルコンバータ１０は、直流電圧端子と称する２つの電圧端子Ｇ１０ａ，Ｇ１０ｂを備えている。

マルチレベルコンバータ１０は、３つの並列接続された直列回路ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３を有し、それらの直列回路の外側端子Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１は、直流電圧端子Ｇ１０ａに接続されている。外側端子Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ３２は、直流電圧端子Ｇ１０ｂに接続されている。従って、換言するならば、３つの直列回路ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３の外側端子は、マルチレベルコンバータ１０の直流電圧側を成している。

３つの直列回路ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３は、それぞれ、多数の直列接続されたサブモジュールＳＢと、２つのインダクタンスＤとを備えている。それぞれ、２つのインダクタンスＤの間に、中間端子Ｚが配置されており、それら各中間端子Ｚは、電位的に、図１における上側のサブモジュールと図１における下側のサブモジュールとの間にあって、マルチレベルコンバータ１０の３つの交流電圧端子Ｗ１０の１つを成している。３つの交流電圧端子Ｗ１０は、例えば発電機１５に接続されるようにすることが可能である。

図１には、さらに、サブモジュールＳＢの接続端子もしくは接続構成の代表例が示されている。各サブモジュールＳＢは、それぞれ第１のサブモジュール端子ＳＢ１と第２のサブモジュール端子ＳＢ２とを備えている。

図１によるマルチレベルコンバータ１０において、サブモジュールＳＢの駆動制御は、中央装置２０によって行われる。その中央装置２０による駆動制御のためにその中央装置２０と個々のサブモジュールＳＢとの間に設けられた配線は、図面を見易いものとするという理由から、図１においては示さずに、線２１で以て模式的にのみ示してある。

図２には、この後に続く説明をより理解しやすいものとするために、先に挙げた非特許文献１から公知のマルチレベルコンバータに使用されるようなサブモジュールＳＢが示されている。このサブモジュールＳＢは、第１スイッチ１１０と、第２スイッチ１２０と、コンデンサ１３０と、第１のサブモジュール端子ＳＢ１と、第２のサブモジュール端子ＳＢ２とを有する。このサブモジュールにおいて、一方のスイッチ１１０又は１２０が故障した際に、コンデンサ１３０に蓄積された全エネルギーが放出され、それによって、このサブモジュールＳＢの機械的破壊が生じ、場合によっては、隣接するサブモジュールの機械的破壊が生じることとなる。

図３は、本発明によるサブモジュールＳＢの、第１の実施例を示す。このサブモジュールＳＢは、２つの部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２を有しており、本発明によるマルチレベルコンバータを構成するべく、図１に示したマルチレベルコンバータ１０に使用することができる。

部分モジュールＴＭ１は、第１スイッチＳ１と、第２スイッチＳ２と、コンデンサＣ１と、オーム抵抗Ｒ１とを有する。前述の両スイッチＳ１およびＳ２は、それぞれ、主に１つのトランジスタとそのトランジスタに並列に接続されたダイオードとから構成されたものとすることが、好ましい。

第１スイッチＳ１は、コンデンサＣ１と直列に接続されている。そのスイッチＳ１とコンデンサＣ１とからなる直列回路は、第２スイッチＳ２に並列に接続されている。

部分モジュールＴＭ１の第１の部分モジュール端子Ａ１は、両スイッチＳ１およびＳ２間の接続点に電気的に接続されている。第２の部分モジュール端子Ａ２は、第２スイッチＳ２とコンデンサＣ１との接続点に電気的に接続されている。

図３による実施例において、部分モジュールＴＭ１は、さらに、第３の部分モジュール端子Ａ３を備えている。この第３の部分モジュール端子Ａ３は、電気的に、部分モジュールＴＭ１のオーム抵抗Ｒ１に接続され、このオーム抵抗Ｒ１を介して、コンデンサＣ１に接続されている。

部分モジュールＴＭ２は部分モジュールＴＭ１と同一の構成であるとよい。従って、部分モジュールＴＭ２は、同様に、第１スイッチＳ３と、第２スイッチＳ４と、コンデンサＣ２と、オーム抵抗Ｒ２とを有することが好ましい。両スイッチＳ３およびＳ４と、コンデンサＣ２と、オーム抵抗Ｒ２とが、部分モジュールＴＭ１の場合と同様に接続された構成となっている。従って、部分モジュールＴＭ２の構成要素の接続構成に関しては、部分モジュールＴＭ１の構成要素の接続構成に関する上記説明を参照されたい。

両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２においてそれぞれ、図３に参照符号Ｌｐ１およびＬｐ２を付して示した寄生インダクタンスが作用する。

部分モジュールＴＭ１の第１の部分モジュール端子Ａ１と部分モジュールＴＭ２の第１の部分モジュール端子Ａ１とが、電気的接続されていると共に、サブモジュールＳＢの第１のサブモジュール端子ＳＢ１を成している。部分モジュールＴＭ１の第１の部分モジュール端子Ａ１とサブモジュールＳＢの第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間の電気的接続線は、図３においては参照符号Ｖ１を付して示されている。部分モジュールＴＭ２の第１の部分モジュール端子Ａ１と第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間の電気的接続線は、図３においては参照符号Ｖ２を付して示されている。

両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第２の部分モジュール端子Ａ２同士もまた、接続線Ｖ３およびＶ４を介して互いに接続されていると共に、第２のサブモジュール端子ＳＢ２に接続されている。

両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の第３の部分モジュール端子Ａ３同士は、接続線Ｖ５を介して接続されている。

図３によるサブモジュールＳＢの通常動作時に、両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第１スイッチＳ１およびＳ３は、それぞれ共通にオフおよびオンされる。これと同様のことが両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第２スイッチＳ２およびＳ４についても当てはまる。両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の第１スイッチおよび第２スイッチのオンおよびオフは、次のように交互に行われる。すなわち、両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２のそれぞれにおいて、第１スイッチＳ１もしくはＳ３、または、第２スイッチＳ２もしくはＳ４の、いずれか一方のスイッチがオンされ、その際、それぞれ他方のスイッチがオフされる。このような駆動制御は、各部分モジュールのコンデンサが当該部分モジュールの各スイッチによって短絡されて突然に放電させられることを防止する。

サブモジュールＳＢの通常動作においては、両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両コンデンサＣ１およびＣ２がそれぞれ同じコンデンサ電圧Ｕｃ１もしくはＵｃ２を有することを達成するために、両オーム抵抗Ｒ１およびＲ２を介して両コンデンサＣ１およびＣ２間の均等化電流を可能にする接続線Ｖ５が設けられている。その均等化電流は、換言するならば、両コンデンサ電圧Ｕｃ１およびＵｃ２が少なくともほぼ等しい大きさとなる、ということをもたらす。

さらに、図３には、電気的接続線Ｖ１中に設けられた誘導性要素Ｉ１が示されている。誘導性要素Ｉ１は、リアクトルであってよい。誘導性要素Ｉ１の働きは、両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２のうちの１つが誤動作又は故障した際に、両部分モジュール間の放電電流を低減することにある。以下において、このことを一例に基づいてさらに詳細に説明する。

以下においては例示として、両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第１スイッチＳ１およびＳ３がオンされており、かつ、両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第２スイッチＳ２およびＳ４がオフされているという状態から出発する。ここで、部分モジュールＴＭ１の第２スイッチＳ２が故障して、その第２スイッチＳ２が導通すると、部分モジュールＴＭ１のコンデンサＣ１が、既にオンしている第１スイッチＳ１と故障した第２スイッチＳ２とを介して短絡されて、放電させられる。従って、部分モジュールＴＭ１においては、放電電流Ｉｆ１が第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２を通して流れる。コンデンサＣ１の容量は、部分モジュールＴＭ１において両スイッチＳ１およびＳ２を通して流れる放電電流Ｉｆ１が部分モジュールＴＭ１の完全な機械的破壊をもたらさないように選定されていることが好ましい。

第２の部分モジュールＴＭ２は、部分モジュールＴＭ１の故障によって同様に打撃を受ける。すなわち、部分モジュールＴＭ１の第２スイッチＳ２の故障によって放電電流Ｉｆ２が可能にされ、この放電電流により、部分モジュールＴＭ２のコンデンサＣ２が放電させられる。この放電電流Ｉｆ２は、部分モジュールＴＭ２の第１スイッチＳ３と電気的接続線Ｖ２およびＶ１とを介して、部分モジュールＴＭ１の第２のスイッチＳ２を通り、続いて、接続線Ｖ３およびＶ４を介して、再び部分モジュールＴＭ２に戻る。その放電電流Ｉｆ２は、電気的接続線Ｖ１中に設けられていて、放電電流Ｉｆ２の高さを危機的でないレベルにとどめる誘導性要素Ｉ１によって、効果的に制限されることとなる。その放電電流Ｉｆ２は、部分モジュールＴＭ２の破壊が回避され得る値に制限されることが好ましい。

上述の電流制限作用を誘導性要素Ｉ１によって達成するために、誘導性要素Ｉ１のインダクタンスＬ１は、２つの部分モジュール内で作用する寄生インダクタンスＬｐ１およびＬｐ２の合計値の少なくとも５倍の大きさ、特に好ましくは少なくとも１０倍の大きさであるとよい。すなわち、
［数１］
Ｌ１＞５・Ｌｐ１、但し、Ｌｐ１≒Ｌｐ２
であるとよい。

放電電流Ｉｆ２の他に、接続線Ｖ５に基づいて、コンデンサＣ２を通ってオーム抵抗Ｒ２を介して放電させられる放電電流Ｉｆ３も生じ得る。この放電電流Ｉｆ３は、オーム抵抗Ｒ２と接続線Ｖ５とを介して部分モジュールＴＭ１へ流れ、両接続線Ｖ３およびＶ４を介して再び部分モジュールＴＭ２へ戻り得る。この放電電流Ｉｆ３の十分な制限を保証するためには、両オーム抵抗Ｒ１およびＲ２は、両コンデンサＣ１およびＣ２間のオーム抵抗Ｒｇｅｓの値が、すなわち、両オーム抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗の合計の数値が、一般に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである系統周波数における誘導性要素Ｉ１のインピーダンスの数値の１０⁵ 倍よりも大きい値であるとよい。すなわち、
［数２］
Ｒｇｅｓ＝Ｒ１＋Ｒ２＞１０⁵ ×｜２×π×５０Ｈｚ×Ｌ１｜
もしくは、
［数３］
Ｒｇｅｓ＞１０⁵ ×｜２π×５０Ｈｚ×５×Ｌｐ１｜
であるとよい。

要約すると、両オーム抵抗Ｒ１およびＲ２と誘導性要素Ｉ１とは、部分モジュールの１つが故障して電気的な短絡が生じた際に、部分モジュール間の放電電流を制限するために利用されるものである。

図４は、部分モジュールの１つが故障した際に電流制限のために共に利用される２つの誘導性要素Ｉ１およびＩ２を有するサブモジュールＳＢの一実施例を示す。図４による実施例では、第１の誘導性要素Ｉ１が、部分モジュールＴＭ１の第１の部分モジュール端子Ａ１とサブモジュールＳＢの第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間の電気的接続線Ｖ１中に配置され、第２の誘導性要素Ｉ２が、部分モジュールＴＭ２の第１の部分モジュール端子Ａ１とサブモジュールＳＢの第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間の電気的接続線Ｖ２中に配置されている。

両誘導性要素Ｉ１およびＩ２は、上記において図３との関連で既に詳細に説明した如く、一方の故障した部分モジュールにてその故障が発生した際に、他方の故障していない部分モジュールにて放電電流を低減する。従って、図３と関連した上記の説明は、図４によるサブモジュールにも同様に当てはまる。

各部分モジュールの第１の部分モジュール端子Ａ１と第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間の各接続線中にそれぞれ誘導性要素を配置することは、特に、サブモジュールＳＢが２つの部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２を有する場合のみならず、さらに別の部分モジュールを有する場合にも、つまり多数の部分モジュールを有する場合にも有利である。第１の部分モジュール端子Ａ１と第１のサブモジュール端子との間の接続線ごとに誘導性要素を配置することは、部分モジュールの１つの故障時に残りの部分モジュールの放電電流が少なくとも２つの誘導性要素によって制限されることを、常に保証する。

図５は、本発明によるサブモジュールＳＢの、他の一実施例であって、故障時の電流制限のために２つの誘導性要素Ｉ１およびＩ２を有するものを示している。図５によるサブモジュールＳＢの場合には、図４による実施例とは異なり、それとは別の両誘導性要素Ｉ１およびＩ２の配置の仕方が選ばれている。すなわち、両誘導性要素Ｉ１およびＩ２が、部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第１の部分モジュール端子Ａ１と第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間に配置されているのではなくて、その代わりに、第２の部分モジュール端子Ａ２と第２のサブモジュール端子ＳＢ２との間の接続を形成している接続線Ｖ３およびＶ４中に配置されている。両誘導性要素Ｉ１およびＩ２の動作態様に関しては、図４による誘導性要素Ｉ１およびＩ２に関しての、または、図３による誘導性要素Ｉ１に関しての、上記説明を参照されたい。

各部分モジュールの第２の部分モジュール端子Ａ２と第２のサブモジュール端子ＳＢ２との間の各接続線中にそれぞれ誘導性要素を配置することは、特に、サブモジュールＳＢが２つの部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２を有する場合のみならず、さらに別の部分モジュールを有する場合にも、つまり多数の部分モジュールを有する場合にも、有利である。第２の部分モジュール端子Ａ２と第２のサブモジュール端子ＳＢ２との間の接続線ごとに誘導性要素を配置することは、部分モジュールの１つが故障した際に、残りの部分モジュールの放電電流が少なくとも２つの誘導性要素によって制限されることを、常に保証する。

図６は、各電気的接続線Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が、それぞれ１つの誘導性要素Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を備えた、本発明によるサブモジュールＳＢの一実施例を示している。４つの誘導性要素Ｉ１〜Ｉ４は、図３乃至図５との関連で上記において既に説明したように、部分モジュールの１つが故障した際の、電流制限のために利用される。

各部分モジュールの第１の部分モジュール端子Ａ１と第１のサブモジュール端子ＳＢ１との間の各接続線中と、各部分モジュールの第２の部分モジュール端子Ａ２と第２のサブモジュール端子ＳＢ１との間の各接続線中とに、それぞれ誘導性要素を配置することは、特に、サブモジュールＳＢが２つの部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２を有する場合のみならず、さらに別の部分モジュールを有する場合にも、つまり多数の部分モジュールを有する場合にも、有利である。部分モジュールごとに２つの誘導性要素を配置することは、部分モジュールの１つが故障した際に、残りの部分モジュールの放電電流が、少なくとも４つの誘導性要素によって制限される、ということを保証する。

図７は、両極性の出力電圧を発生させるのに適したサブモジュールＳＢの実施例を示している。図７に示されているとおり、部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の、第１および第２の部分モジュール端子Ａ１もしくはＡ２への、両サブモジュール端子ＳＢ１およびＳＢ２の接続は、他とは異なった仕方が選ばれており、それによって、両サブモジュール端子ＳＢ１およびＳＢ２における正および負のモジュール出力電圧の提供が可能となる。

電気的接続線Ｖ１〜Ｖ４中に設けられた誘導性要素Ｉ１〜Ｉ４は、部分モジュールの１つが故障した際に発生し得る放電電流の電流制限のために利用される。このことに関しては、上記説明を参照されたい。

図３乃至７によるサブモジュールにおいては、故障の生じたサブモジュールを短絡することができる（例えば機械的スイッチ形式の）緊急スイッチを設けるようにすることも可能である。なお、そのような緊急スイッチは、図の見易さの理由から、図示されていない。

図８は、図３乃至図７による両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２のスイッチＳ１〜Ｓ４の実現可能な駆動制御部を、さらに詳細に、しかも両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第１スイッチＳ１およびＳ３の駆動制御に基づいて、例示している。すなわち、サブモジュールＳＢが、サブモジュール固有の駆動回路２００を備えており、その駆動回路２００が誘導的な減結合で以て部分モジュールＴＭ１の第１スイッチＳ１にも部分モジュールＴＭ２の第１スイッチＳ３にも接続されている。そのサブモジュール固有の駆動回路は、両第１スイッチＳ１およびＳ３の同期したオンおよびオフを可能とし、その駆動制御は、誘導的に減結合された状態で行われる。その誘導的な減結合は、図８において、そこに参照符号２１０を付して示されているように、電流補償リアクトルに基づくものとすることが好ましい。その電流補償リアクトル２１０は、軟磁性コアを有するとよい。

両部分モジュールＴＭ１およびＴＭ２の両第２スイッチＳ２およびＳ４の駆動制御は、相応のサブモジュール固有の駆動回路によって行われる。

本発明の詳細を、好ましい実施例によって仔細に図示および説明したが、本発明は、そのような開示された例には限定されず、当業者によって、本発明の保護範囲を逸脱することなしに、他の変形例が導き出され得る。

１０ マルチレベルコンバータ
１５ 発電機
２０ 中央装置
２１ 線
１１０ スイッチ
１２０ スイッチ
１３０ コンデンサ
２００ 駆動回路
２１０ リアクトル
Ａ１ 第１の部分モジュール端子
Ａ２ 第２の部分モジュール端子
Ａ３ 第３の部分モジュール端子
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｄ インダクタンス
Ｇ１０ａ 電圧端子
Ｇ１０ｂ 電圧端子
Ｉ１ 誘導性要素
Ｉ２ 誘導性要素
Ｉ３ 誘導性要素
Ｉ４ 誘導性要素
Ｉｆ１ 放電電流
Ｉｆ２ 放電電流
Ｉｆ３ 放電電流
Ｌ１ インダクタンス
Ｌｐ１ インダクタンス
Ｌｐ２ インダクタンス
ＲＥ１ 直列回路
Ｒ１１ 直列回路ＲＥ１の外側端子
Ｒ１２ 直列回路ＲＥ１の外側端子
ＲＥ２ 直列回路
Ｒ２１ 直列回路ＲＥ２の外側端子
Ｒ２２ 直列回路ＲＥ２の外側端子
ＲＥ３ 直列回路
Ｒ３１ 直列回路ＲＥ３の外側端子
Ｒ３２ 直列回路ＲＥ３の外側端子
Ｒ１ オーム抵抗
Ｒ２ オーム抵抗
ＳＢ サブモジュール
ＳＢ１ 第１のサブモジュール端子
ＳＢ２ 第２のサブモジュール端子
Ｓ１ 第１スイッチ
Ｓ２ 第２スイッチ
Ｓ３ 第１スイッチ
Ｓ４ 第２スイッチ
ＴＭ１ 部分モジュール
ＴＭ２ 部分モジュール
Ｕｃ１ コンデンサ電圧
Ｕｃ２ コンデンサ電圧
Ｖ１ 接続線
Ｖ２ 接続線
Ｖ３ 接続線
Ｖ４ 接続線
Ｖ５ 接続線
Ｗ１０ 交流電圧端子
Ｚ 中間端子

Claims (14)

1. それぞれ少なくとも第１スイッチと第２スイッチとコンデンサとを有し、放電位相では前記コンデンサより電流を外側へ放出し、充電位相では前記コンデンサの充電のために電流を受け入れる複数の直列接続されたサブモジュール（ＳＢ）を備えた、マルチレベルコンバータ（１０）において、
   少なくとも１つの前記サブモジュール（ＳＢ）が、互いに電気的接続された２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）を有するか、又は、互いに電気的接続された２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）によって構成されており、
   前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）が、それぞれ第１スイッチ（Ｓ１，Ｓ３）と第２スイッチ（Ｓ２，Ｓ４）とコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と第１および第２の部分モジュール端子（Ａ１，Ａ２）とを有し、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）間の前記電気的接続された部分である電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）に、誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を少なくとも１つ含み、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）間の前記電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）中の１つの前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）のインダクタンス（Ｌ１）又は複数の前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）のインダクタンスの合計値が、前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）において作用する寄生インダクタンス（Ｌｐ１，Ｌｐ２）の合計値の少なくとも５倍である
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
2. 請求項１に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）における前記第１の部分モジュール端子（Ａ１）が、それぞれ前記サブモジュール（ＳＢ）の第１のサブモジュール端子（ＳＢ１）に電気的接続されていると共に、互いに電気的接続されており、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）における前記第２の部分モジュール端子（Ａ２）が、それぞれ前記サブモジュール（ＳＢ）の第２のサブモジュール端子（ＳＢ２）に電気的接続されていると共に、互いに電気的接続されており、
   前記第１の部分モジュール端子（Ａ１）間および前記第２の部分モジュール端子（Ａ２）間のいずれか又は両方の前記電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）が、少なくとも１つの前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を含む
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
3. 請求項２に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   前記第１の部分モジュール端子（Ａ１）間および前記第２の部分モジュール端子（Ａ２）間のいずれか又は両方の前記電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）における１つの前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）のインダクタンス（Ｌ１）又は複数の前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）のインダクタンスの合計値が、前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）において作用する寄生インダクタンス（Ｌｐ１，Ｌｐ２）の合計値の少なくとも５倍である
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）が、それぞれ第３の部分モジュール端子（Ａ３）を有しており、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）が、前記第３の部分モジュール端子（Ａ３）を介して、互いに高オーム抵抗および高インダクタンスのいずれか又は両方で電気的接続されている
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
5. 請求項４に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）間が高オーム抵抗で電気的接続される場合、該オーム抵抗の数値が、前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）間の１つ又は複数の前記電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）における１つの前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）の５０Ｈｚでのインピーダンス値又は複数の前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）の５０Ｈｚでのインピーダンスの合計の数値の１０^５倍よりも大きい
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   少なくとも１つの前記サブモジュール（ＳＢ）が、前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の他に、それぞれ第１スイッチと第２スイッチとコンデンサと第１および第２の部分モジュール端子とを有する、更なる部分モジュールを備えており、
   前記更なる部分モジュールの前記第１の部分モジュール端子が、それぞれ当該サブモジュール（ＳＢ）の第１のサブモジュール端子（ＳＢ１）に電気的接続されると共に、前記更なる部分モジュールの前記第２の部分モジュール端子が、それぞれ当該サブモジュール（ＳＢ）の第２のサブモジュール端子（ＳＢ２）に電気的接続されており、
   前記更なる部分モジュールの前記第１の部分モジュール端子と前記第１のサブモジュール端子（ＳＢ１）との間の前記電気的接続された部分である電気的接続部、および、前記更なる部分モジュールの前記第２の部分モジュール端子と前記第２のサブモジュール端子（ＳＢ２）との間の前記電気的接続された部分である電気的接続部の少なくとも１つに、誘導性要素を少なくとも１つ含む
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   複数の前記サブモジュール（ＳＢ）が、それぞれ前記第１スイッチ（Ｓ１，Ｓ３）と前記第２スイッチ（Ｓ２，Ｓ４）と前記コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と前記第１および第２の部分モジュール端子（Ａ１，Ａ２）とを有する複数の前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）を備えていて、
   該複数の部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の各前記第１の部分モジュール端子（Ａ１）が、それぞれ前記サブモジュール（ＳＢ）の第１のサブモジュール端子（ＳＢ１）に電気的接続されていると共に、前記複数の部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の各前記第２の部分モジュール端子（Ａ２）が、前記サブモジュール（ＳＢ）の第２のサブモジュール端子（ＳＢ２）に電気的接続されており、
   前記複数の部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記第１の部分モジュール端子（Ａ１）と前記第１のサブモジュール端子（ＳＢ１）との間の電気的接続部と、前記複数の部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記第２の部分モジュール端子（Ａ２）と前記第２のサブモジュール端子（ＳＢ２）との間の電気的接続部とが、それぞれ少なくとも１つの前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を含む
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
8. 請求項７に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   前記複数の部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）が、互いに高オーム抵抗で電気的接続されており、
   互いに接続された２つの前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）同士の前記コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）間の前記高オーム抵抗の数値が、それぞれ、それら２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）と前記サブモジュール端子（ＳＢ１，ＳＢ２）との間の前記電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）に配置されている前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）の５０Ｈｚでのインピーダンスの合計の数値の１０^５倍よりも大きい
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
   複数の前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）のそれぞれについて、前記第１の部分モジュール端子（Ａ１）と前記サブモジュール（ＳＢ）の第１のサブモジュール端子（ＳＢ１）との間の前記電気的接続部および前記第２の部分モジュール端子（Ａ２）と前記サブモジュール（ＳＢ）の第２のサブモジュール端子（ＳＢ２）との間の前記電気的接続部における前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）のインダクタンスの合計値が、当該部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）において作用する寄生インダクタンス（Ｌｐ１，Ｌｐ２）の合計値の少なくとも５倍の大きさである
   ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
    １つ又は複数の前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）が、それぞれ別個の要素から構成されている
    ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
    １つ又は複数の前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）が、前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）間の前記電気的接続部における寄生インダクタンスによって形成されている
    ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
    複数の前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記第１および第２スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）の駆動制御が、誘導的に減結合された状態で行われる
    ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
13. 請求項１２に記載のマルチレベルコンバータ（１０）において、
    少なくとも１つの前記サブモジュール（ＳＢ）又は全ての前記サブモジュール（ＳＢ）が、それぞれ第１のサブモジュール固有の駆動回路（２００）および第２のサブモジュール固有の駆動回路を有していて、
    複数の前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記第１スイッチ（Ｓ１，Ｓ３）が、前記第１のサブモジュール固有の駆動回路（２００）によって誘導的に減結合されて駆動制御され、かつ、複数の前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）の前記第２スイッチ（Ｓ２，Ｓ４）が、前記第２のサブモジュール固有の駆動回路によって誘導的に減結合されて駆動制御される
    ことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマルチレベルコンバータ（１０）に用いられるサブモジュールであって、
    当該サブモジュール（ＳＢ）が、互いに電気的接続された２つの前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）を有する、又は、互いに電気的接続された２つの前記部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）によって構成されており、
    これら部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）が、それぞれ前記第１スイッチ（Ｓ１，Ｓ３）と前記第２スイッチ（Ｓ２，Ｓ４）と前記コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と前記第１および第２の部分モジュール端子（Ａ１，Ａ２）とを備えており、
    前記２つの部分モジュール（ＴＭ１，ＴＭ２）間の前記電気的接続された部分である前記電気的接続部（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４）に、前記誘導性要素（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を少なくとも１つ含む
    ことを特徴とするサブモジュール。

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