JP6337659B2 - 5-level power converter - Google Patents

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本発明は、直流電圧から交流電圧への5レベル変換、または、交流電圧から直流電圧への5レベル変換を行う5レベル電力変換装置に関する。   The present invention relates to a five-level power converter that performs five-level conversion from DC voltage to AC voltage or five-level conversion from AC voltage to DC voltage.

5つの電圧レベルを選択して任意に変換する5レベル電力変換装置として、特許文献1が開示されている。特許文献1の5レベル電力変換装置は、1相分の変換回路として、2つの直流電源と、8つの半導体スイッチング素子と、2つのコンデンサC1,C2で構成されている。5レベルの電圧に変換するためのスイッチングパターンのうち、導通する半導体スイッチング素子数の最大は4つである。また、特許文献1の5レベル電力変換装置は、動作の対称性によって、コンデンサC1,C2のコンデンサ電圧VC1=VC2=+1Eを保っている。   Patent Document 1 is disclosed as a five-level power conversion device that selects and arbitrarily converts five voltage levels. The five-level power conversion device of Patent Document 1 includes two DC power supplies, eight semiconductor switching elements, and two capacitors C1, C2 as a conversion circuit for one phase. The maximum number of semiconductor switching elements to be conducted is four among the switching patterns for converting the voltage into five levels. Further, the 5-level power converter of Patent Document 1 maintains the capacitor voltage VC1 = VC2 = + 1E of the capacitors C1 and C2 due to the symmetry of operation.

特開2012−253981号公報JP 2012-253981 A

しかしながら、 特許文献1の5レベル電力変換装置は、コンデンサC1,C2を任意に充放電するスイッチングパターンが存在しないため、半導体スイッチング素子特性のばらつき等による回路特性のばらつき,経年変化等によってコンデンサ電圧VC1=VC2=+1Eとはならなくなり、均一な電圧レベルでの5レベルの相電圧を出力できなくなるおそれがある。   However, the 5-level power conversion device of Patent Document 1 does not have a switching pattern for arbitrarily charging and discharging the capacitors C1 and C2. Therefore, the capacitor voltage VC1 is caused by variations in circuit characteristics due to variations in semiconductor switching element characteristics, aging, etc. = VC2 = + 1E is not established, and there is a possibility that the five-level phase voltage at a uniform voltage level cannot be output.

以上示したようなことから、5レベル電力変換装置において、電圧均一回路を用いることなく、各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくすることが課題となる。   As described above, in the five-level power converter, it is a problem to make the average value of the capacitor voltage of each phase equal without using a voltage uniform circuit.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電圧から交流電圧への5レベル変換、または、交流電圧から直流電圧への5レベル変換を行う5レベル電力変換装置であって、直流電源の正負極端間に直列接続され、両端子間の直流電圧を1/2に分圧し、この分圧点を第1中性点とする複数の直流コンデンサと、直流電源の正極端に一端が接続された第1半導体スイッチング素子と、直流電源の負極端に一端が接続された第2半導体スイッチング素子と、第1半導体スイッチング素子の他端と第2半導体スイッチング素子の他端間に直列接続され、両他端間の電圧を1/2に分圧し、この分圧点を第2中性点とする複数のコンデンサと、第1中性点と第2中性点との間に介挿された双方向スイッチと、第1半導体スイッチング素子の他端と、第2中性点との間に順次直列接続された第3,第4半導体スイッチング素子と、第3,第4半導体スイッチング素子の共通接続点と、第2半導体スイッチング素子の他端間に順次直列接続され、この共通接続点を出力端子とする第5,第6半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。   The present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and one aspect thereof is a five-level conversion that performs a five-level conversion from a DC voltage to an AC voltage or a five-level conversion from an AC voltage to a DC voltage. A power converter, which is connected in series between the positive and negative terminals of a DC power source, divides a DC voltage between both terminals by half, and a plurality of DC capacitors having the voltage dividing point as a first neutral point; A first semiconductor switching element having one end connected to the positive electrode end of the DC power supply, a second semiconductor switching element having one end connected to the negative electrode end of the DC power supply, the other end of the first semiconductor switching element, and the second semiconductor switching element Are connected in series between the other ends of the two capacitors, the voltage between the other ends is divided by half, a plurality of capacitors having the voltage dividing point as the second neutral point, and the first neutral point and the second neutral point. A bidirectional switch interposed between the point and the first semiconductor Third and fourth semiconductor switching elements sequentially connected in series between the other end of the switching element and the second neutral point, a common connection point of the third and fourth semiconductor switching elements, and a second semiconductor switching element And fifth and sixth semiconductor switching elements having the common connection point as an output terminal.

本発明によれば、5レベル電力変換装置において、電圧均一回路を用いることなく、各相のコンデンサ電圧の平均値を等しくすることが可能となる。   According to the present invention, in the five-level power converter, it is possible to equalize the average value of the capacitor voltage of each phase without using a voltage uniform circuit.

実施形態1における5レベル電力変換装置の回路構成図。FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the five-level power conversion device according to the first embodiment. 実施形態2における5レベル電力変換装置の回路構成図。The circuit block diagram of the 5 level power converter device in Embodiment 2. FIG. 実施形態2における5レベル電力変換装置の制御方法を示すブロック図。The block diagram which shows the control method of the 5 level power converter device in Embodiment 2. FIG.

以下、本願発明における5レベル電力変換装置の実施形態1,2を図1〜図3に基づいて説明する。   Hereinafter, Embodiments 1 and 2 of a five-level power converter according to the present invention will be described with reference to FIGS.

[実施形態1]
図1は、本実施形態1における5レベル電力変換装置の回路構成図である。図1に示すように、直流電源の正負極端PN間に直流コンデンサCa,Cbが直列接続される。この直流コンデンサCa,Cbは、正負極端PN間の直流電圧を1/2に分圧する。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a five-level power converter according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, DC capacitors Ca and Cb are connected in series between the positive and negative terminals PN of the DC power supply. The DC capacitors Ca and Cb divide the DC voltage between the positive and negative terminals PN by half.

また、この分圧点を第1中性点NPとする。ここで、本実施形態1では、2つの直流コンデンサCa,Cbにより、正負極端PN間の直流電圧を1/2に分圧しているが、2つ以上の直流コンデンサで1/2に分圧してもよい。   This partial pressure point is defined as a first neutral point NP. Here, in the first embodiment, the DC voltage between the positive and negative electrode terminals PN is divided into two by the two DC capacitors Ca and Cb. However, the voltage is divided into two by two or more DC capacitors. Also good.

直流電源の正極端Pには第1半導体スイッチング素子S1の一端が接続され、直流電圧源の負極端Nには第2半導体スイッチング素子S2の一端が接続される。第1半導体スイッチング素子S1の他端と、第2半導体スイッチング素子S2の他端間には、両他端間の電圧を1/2に分圧するコンデンサCc,Cdが設けられる。この分圧点を第2中性点NP’とする。   One end of the first semiconductor switching element S1 is connected to the positive terminal P of the DC power source, and one end of the second semiconductor switching element S2 is connected to the negative terminal N of the DC voltage source. Capacitors Cc and Cd are provided between the other end of the first semiconductor switching element S1 and the other end of the second semiconductor switching element S2 to divide the voltage between the other ends by half. This partial pressure point is defined as a second neutral point NP ′.

第1半導体スイッチング素子S1の他端と、第2中性点NP’との間には、第3,第4半導体スイッチング素子S3,S4が順次直列接続される。また、第3,第4半導体スイッチング素子S3,S4の共通接続点と第2スイッチング素子の他端間には、順次第5,第6半導体スイッチング素子S5,S6が順次直列接続される。ここで、第5,第6半導体スイッチング素子S5,S6の共通接続点を出力端子OUTとする。   The third and fourth semiconductor switching elements S3 and S4 are sequentially connected in series between the other end of the first semiconductor switching element S1 and the second neutral point NP ′. The fifth and sixth semiconductor switching elements S5 and S6 are sequentially connected in series between the common connection point of the third and fourth semiconductor switching elements S3 and S4 and the other end of the second switching element. Here, the common connection point of the fifth and sixth semiconductor switching elements S5 and S6 is defined as an output terminal OUT.

また、第1中性点NPと第2中性点NP’との間には、双方向スイッチが設けられる。本実施形態1では、半導体スイッチング素子S7とS8とを逆方向に接続することにより、双方向スイッチを構成している。   Further, a bidirectional switch is provided between the first neutral point NP and the second neutral point NP ′. In Embodiment 1, a bidirectional switch is configured by connecting the semiconductor switching elements S7 and S8 in the reverse direction.

なお、直流コンデンサCa,Cbは2Eの電圧が充電され、コンデンサCc,CdはEの電圧が充電される。   The DC capacitors Ca and Cb are charged with a voltage of 2E, and the capacitors Cc and Cd are charged with a voltage of E.

図1に示す破線部分は1相分の変換回路1を示し、1つの直流電源の正極端P,負極端N,分圧した第1中性点NPを入力とし、半導体スイッチング素子S1〜S8の8つ,コンデンサCc,Cdの2つで構成される。   The broken line part shown in FIG. 1 shows the conversion circuit 1 for one phase, and inputs the positive terminal P, the negative terminal N, and the divided first neutral point NP of one DC power source, and the semiconductor switching elements S1 to S8. Eight capacitors and two capacitors Cc and Cd are used.

表1に各Modeにおける半導体スイッチング素子S1〜S8のスイッチングパターンと、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧,および出力端子OUTに出力する電流Iを正としたときのコンデンサCcとCdの充放電状態を示す。   Table 1 shows the switching pattern of the semiconductor switching elements S1 to S8 in each mode, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT, and the capacitor Cc when the current I output to the output terminal OUT is positive. The charge / discharge state of Cd is shown.

Figure 0006337659
Figure 0006337659

各Modeにおける第1中性点NP−出力端子OUT間の電流Iの経路は以下の通りである。   The path of the current I between the first neutral point NP and the output terminal OUT in each Mode is as follows.

<Mode1>
第1中性点NP→Ca→P→S1→S3→S5→出力端子OUT
このとき、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は+2Eとなる。また、電流Iは3つの半導体スイッチング素子S1,S3,S5を導通する。
<Mode 1>
First neutral point NP → Ca → P → S1 → S3 → S5 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT is + 2E. The current I conducts the three semiconductor switching elements S1, S3 and S5.

<Mode2>
第1中性点NP→Ca→P→S1→Cc→S4→S5→出力端子OUT
このとき、中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は+Eとなる。電流Iが正のとき、コンデンサCcは充電される。また、電流Iは3つの半導体スイッチング素子S1,S4,S5を導通する。
<Mode2>
First neutral point NP → Ca → P → S1 → Cc → S4 → S5 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the neutral point NP and the output terminal OUT is + E. When the current I is positive, the capacitor Cc is charged. The current I conducts the three semiconductor switching elements S1, S4 and S5.

< Mode3>
第1中性点NP→S8→S7→Cc→S3→S5→出力端子OUT
このとき、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は+Eとなる。電流Iが正のとき、コンデンサCcは放電される。また、電流Iは4つの半導体スイッチング素子S8,S7,S3,S5を導通する。
<Mode3>
First neutral point NP → S8 → S7 → Cc → S3 → S5 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT is + E. When the current I is positive, the capacitor Cc is discharged. The current I conducts the four semiconductor switching elements S8, S7, S3 and S5.

<Mode4>
第1中性点NP→S8→S7→S4→S5→出力端子OUT
このとき、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は0となる。また、電流Iは、4つの半導体スイッチング素子S8,S7,S4,S5を導通する。
<Mode 4>
First neutral point NP → S8 → S7 → S4 → S5 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT becomes zero. Further, the current I conducts the four semiconductor switching elements S8, S7, S4, and S5.

<Mode5>
第1中性点NP→S8→S7→Cd→S6→出力端子OUT
このとき、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は−Eとなる。電流Iが正のとき、コンデンサCdは充電される。また、電流Iは、3つの半導体スイッチング素子S8,S7,S6を導通する。
<Mode5>
First neutral point NP → S8 → S7 → Cd → S6 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT is −E. When the current I is positive, the capacitor Cd is charged. Further, the current I conducts the three semiconductor switching elements S8, S7, and S6.

<Mode6>
第1中性点NP→Cb→N→S2→Cd→S4→S5→出力端子OUT
このとき、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は−Eとなる。電流Iが正のとき、コンデンサCdは放電される。また、電流Iは、3つの半導体スイッチング素子S2,S4,S5を導通する。
<Mode 6>
First neutral point NP → Cb → N → S2 → Cd → S4 → S5 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT is −E. When the current I is positive, the capacitor Cd is discharged. The current I conducts the three semiconductor switching elements S2, S4, S5.

<モード7>
第1中性点NP→Cb→N→S2→S6→出力端子OUT
このとき、第1中性点NP−出力端子OUT間の相電圧は−2Eとなる。また、電流Iは、2つの半導体スイッチング素子S2,S6を導通する。
<Mode 7>
First neutral point NP → Cb → N → S2 → S6 → output terminal OUT
At this time, the phase voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT is −2E. Further, the current I conducts the two semiconductor switching elements S2 and S6.

以上のように、表1のスイッチングパターンにおける7つのModeにより、2E,E,0,−E,−2Eの5レベルの相電圧を出力することができる。特に、相電圧を0として出力するModeは、Mode4の1つだけで良く、制御を簡単化することが可能である。   As described above, five levels of phase voltages 2E, E, 0, −E, and −2E can be output by the seven modes in the switching pattern of Table 1. In particular, the Mode that outputs the phase voltage as 0 is only one of Mode 4, and the control can be simplified.

また、Mode2とMode3における第1中性点NP−出力端子OUT間の出力電圧はどちらも+Eであるが、コンデンサCcを充電または放電が可能であるため、コンデンサCcの電圧を調節することが可能である。   Further, although the output voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT in Mode 2 and Mode 3 is both + E, the voltage of the capacitor Cc can be adjusted because the capacitor Cc can be charged or discharged. It is.

同様に、Mode5とMode6における第1中性点NP−出力端子OUT間の出力電圧はどちらも−Eであるが、コンデンサCdを充電または放電が可能であるため、コンデンサCdの電圧を調節することが可能である。   Similarly, the output voltage between the first neutral point NP and the output terminal OUT in Mode 5 and Mode 6 is both -E, but the capacitor Cd can be charged or discharged, so the voltage of the capacitor Cd is adjusted. Is possible.

このように、コンデンサCcとCdを充放電できるスイッチングパターンのMode2,Mode3,Mode5,Mode6を備えているため、回路を構成する素子の特性のばらつきや経年変化が生じても、コンデンサCcとCdの電圧を任意に制御でき、常に均一な電圧レベルでの5レベルの相電圧を出力することが可能となる。   As described above, since the switching patterns Mode2, Mode3, Mode5, and Mode6 that can charge and discharge the capacitors Cc and Cd are provided, even if the characteristics of the elements constituting the circuit vary or changes over time, the capacitors Cc and Cd The voltage can be arbitrarily controlled, and it is possible to output a five-level phase voltage at a uniform voltage level.

また、電圧均一回路を用いていないため、装置の小型化およびコストの低減を図ることが可能となる。   In addition, since the voltage uniform circuit is not used, it is possible to reduce the size and cost of the apparatus.

さらに、常に4つの半導体スイッチング素子に電流Iが導通するのではなく、Modeにより、電流Iが導通する半導体スイッチング素子数が2つ,3つ,または4つとなるため、半導体スイッチング素子における導通損失を低減することが可能となる。   Furthermore, the current I does not always conduct to the four semiconductor switching elements, but the number of semiconductor switching elements through which the current I conducts is two, three, or four due to Mode. It becomes possible to reduce.

また、特許文献1では、直流電源2つ,半導体スイッチング素子8つ,コンデンサ2つで,5レベル電力変換装置を構成していたが、本実施形態1では、直流電源1つ,半導体スイッチング素子8つ,コンデンサ2つの少ない素子数で5レベル電力変換装置を実現することができる。さらに、少ない素子数で5レベル電力変換装置を実現することにより、装置の小型化,コストの低減を図ることが可能となる。   In Patent Document 1, a five-level power conversion device is configured by two DC power supplies, eight semiconductor switching elements, and two capacitors. However, in the first embodiment, one DC power supply and semiconductor switching element 8 are used. In addition, a five-level power conversion device can be realized with a small number of two capacitors. Furthermore, by realizing a five-level power conversion device with a small number of elements, it is possible to reduce the size and cost of the device.

[実施形態2]
図2は、本実施形態2におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成図である。図2に示すように、本実施形態2におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態1の1相分の変換回路1を3相(U相,V相,W相)にわたって設けたものである。これにより、本実施形態2では、U相,V相,W相の三相に2E,E,0,−E,−2Eの5レベルの相電圧を出力することができる。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the multilevel power conversion device according to the second embodiment. As shown in FIG. 2, the multilevel power conversion device according to the second embodiment is provided with the conversion circuit 1 for one phase of the first embodiment over three phases (U phase, V phase, and W phase). Thereby, in the second embodiment, five-level phase voltages 2E, E, 0, -E, and -2E can be output to the three phases of the U phase, the V phase, and the W phase.

図3の本実施形態2における5レベル電力変換装置の制御方法を示すブロック図に基づいて、制御方法の一例を説明する。   An example of a control method will be described based on a block diagram illustrating a control method of the five-level power conversion device according to the second embodiment in FIG.

図3に示すように、制御部2には、三相の電圧指令値VU *,VV *,VW *と、各相のコンデンサCcのコンデンサ電圧VCcU1,VCcV1,VCcW1と、各相のコンデンサCdのコンデンサ電圧VCdU2,VCdV2,VCdW2が入力される。 As shown in FIG. 3, the control unit 2 includes three-phase voltage command values V U * , V V * , and V W *, and capacitor voltages V CcU1 , V CcV1 , and V CcW1 of capacitors Cc of each phase, Capacitor voltages V CdU2 , V CdV2 and V CdW2 of the capacitor Cd of each phase are input.

また、テーブル3には、コンデンサ電圧の指令値VDC/2とコンデンサ電圧VCcU1,VCcV1,VCcW1の偏差と、コンデンサ電圧の指令値VDC/2とコンデンサ電圧VCdU2,VCdV2,VCdW2の偏差と、三相の電圧指令値VU *,VV *,VW *が入力される。このテーブル3には、予め、三相の電圧指令値VU *,VV *,VW *,コンデンサ電圧の指令値VDC/2とコンデンサ電圧VCcU1,VCcV1,VCcW1の偏差,コンデンサ電圧の指令値VDC/2とコンデンサ電圧VCdU2,VCdV2,VCdW2の偏差に対応したスイッチングパターンが設定されており、これらの入力値に基づいて表1に示すスイッチングパターンを決定し、半導体スイッチング素子S1〜S8のゲート指令を出力する。 Further, the table 3, the deviation between the command value V DC / 2 and the capacitor voltage V CcU1, V CcV1, V CcW1 the capacitor voltage instruction value V DC / 2 and the capacitor voltage V of the capacitor voltage CdU2, V CdV2, V The deviation of CdW2 and the three-phase voltage command values V U * , V V * , and V W * are input. In this table 3, the three-phase voltage command values V U * , V V * , V W * , the deviation between the capacitor voltage command value V DC / 2 and the capacitor voltages V CcU1 , V CcV1 , V CcW1 , capacitor A switching pattern corresponding to the deviation between the voltage command value V DC / 2 and the capacitor voltages V CdU2 , V CdV2 , and V CdW2 is set. Based on these input values, the switching pattern shown in Table 1 is determined, and the semiconductor The gate command of switching element S1-S8 is output.

本実施形態2における5レベル電力変換装置によれば、直流電源1個,半導体スイッチング素子24個,コンデンサ6個の少ない素子数で三相の5レベル電力変換装置を実現できる。   According to the five-level power conversion device of the second embodiment, a three-phase five-level power conversion device can be realized with a small number of elements including one DC power source, 24 semiconductor switching elements, and 6 capacitors.

また、実施形態1と同様の作用効果を奏する。   In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.

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

P…直流電源の正極端
N…直流電源の負極端
Ca,Cb…直流コンデンサ
Cc,Cd…コンデンサ
S1〜S8…半導体スイッチング素子
P ... Positive terminal of DC power supply N ... Negative terminal of DC power supply Ca, Cb ... DC capacitor Cc, Cd ... Capacitor S1-S8 ... Semiconductor switching element

Claims (1)

直流電圧から交流電圧への5レベル変換、または、交流電圧から直流電圧への5レベル変換を行う5レベル電力変換装置であって、
直流電源の正負極端間に直列接続され、両端子間の直流電圧を1/2に分圧し、この分圧点を第1中性点とする複数の直流コンデンサと、
直流電源の正極端に一端が接続された第1半導体スイッチング素子と、
直流電源の負極端に一端が接続された第2半導体スイッチング素子と、
第1半導体スイッチング素子の他端と第2半導体スイッチング素子の他端間に直列接続され、両他端間の電圧を1/2に分圧し、この分圧点を第2中性点とする複数のコンデンサと、
第1中性点と第2中性点との間に介挿された双方向スイッチと、
第1半導体スイッチング素子の他端と、第2中性点との間に順次直列接続された第3,第4半導体スイッチング素子と、
第3,第4半導体スイッチング素子の共通接続点と、第2半導体スイッチング素子の他端間に順次直列接続され、この共通接続点を出力端子とする第5,第6半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする5レベル電力変換装置。
A five-level power conversion device that performs five-level conversion from DC voltage to AC voltage, or five-level conversion from AC voltage to DC voltage,
A plurality of DC capacitors connected in series between the positive and negative terminals of the DC power source, dividing the DC voltage between the two terminals in half, and using this voltage dividing point as a first neutral point;
A first semiconductor switching element having one end connected to a positive electrode end of a DC power supply;
A second semiconductor switching element having one end connected to the negative electrode end of the DC power supply;
A plurality of terminals are connected in series between the other end of the first semiconductor switching element and the other end of the second semiconductor switching element, the voltage between the other ends is divided in half, and the divided point is set as a second neutral point. With a capacitor of
A bidirectional switch interposed between the first neutral point and the second neutral point;
Third and fourth semiconductor switching elements sequentially connected in series between the other end of the first semiconductor switching element and the second neutral point;
A common connection point of the third and fourth semiconductor switching elements, and fifth and sixth semiconductor switching elements connected in series between the other ends of the second semiconductor switching element and having the common connection point as an output terminal. A five-level power converter characterized by the above.
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