JP6352904B2 - 高電圧高電力多重レベルドライブ構造 - Google Patents

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Description

本開示のこの主題は、多数の入力位相および出力位相を有する、高電圧高電力多重レベルドライブ構造に関し、より詳しくは、旧知の多重レベル中性点クランプ型(NPC)および多重レベル中性点パイロット型(NPP)のコンバータ接続形態を組み合わせる多重レベルドライブ構造に関する。
多数の多重レベルドライブ構造が、提案されている。1つの公知の多重レベルドライブ構造は、図1に示されるような旧知の3レベル中性点クランプ型コンバータ10である。別の公知の多重レベルドライブ構造は、図2に示されるような3レベル中性点パイロット型コンバータ20である。既知のNPCおよびNPPのコンバータ構造は、多くの用途において有利であることが判明しているにもかかわらず、これらの既知のコンバータ構造は、動作効率および波形品質の両方において改善の余地を残している。
しかし、他の既知の多重レベルドライブ構造30が、図3に示されている。図3に示される多重レベルコンバータ構造30は、NPCおよびNPPのコンバータ構造を越える改善を提供しているにもかかわらず、それは、まだ、動作効率ならびに信頼性における向上の余地がある。
さらに別の既知の多重レベルドライブ構造が、5レベル中性点パイロット型コンバータ構造40を示す図4に示されている。図4に示されているコンバータ構造40は、フライングキャパシタ(FC)系の多重レベルコンバータを提供するために、フライングキャパシタ42、44を採用している。このようなコンバータ接続形態は、特定の高電圧高電力ドライブ用途において有利であることが証明されているが、動作効率における改善の余地を残し続けている。
図5から図8は、さらに、縦続型ブリッジ(cascaded bridge)コンバータ構造50、モジュール式多重レベルコンバータ構造60、および能動中性点コンバータ構造70およびハイブリッドコンバータ構造80を備えている当分野で公知の旧知のコンバータ接続構造を示している。既知のNPCおよびNPPのコンバータ構造と同様に、これらの旧知のコンバータ構造は、動作効率、および/または波形品質および/または信頼性における向上の余地を残し続けている。
米国特許出願公開第2010/219692号明細書
上記に鑑みて、既知の多重レベルコンバータ構造によってもたらされるものを超える動作効率および/または波形品質および/または信頼性におけるさらなる改善を提供する、高電圧高電力多重レベルドライブ接続形態を提供する必要がある。
本開示の例示的な実施形態は、高電圧高電力(HVHP)多重レベルドライブ構造を対象としている。例示的なHVHPの実施形態は、ゼロ出力電圧レベルを達成するように、一緒に積み重ねられかつクランプダイオードを用いて構成されている複数の中性点パイロット型コンバータセルを備えている。
別の実施形態は、中性点パイロットクランプ型(NPPC)コンバータ構造を提供するように、一緒に積み重なられている複数の中性点パイロット型(NPP)コンバータセルと、各NPPコンバータセルに接続されている少なくとも1つのクランプダイオードとを備えている高電圧高電力(HVHP)多重レベルドライブ構造を対象としている。
本発明の前述のおよびその他の特徴、観点および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかであり、図面を通じて同一の文字は、同一部分を表している。
当分野で公知の3レベルNPCコンバータ構造を示す簡略図である。 当分野で公知の他の3レベルNPPコンバータ構造を示す簡略図である。 当分野で公知の高電圧高電力多重レベルコンバータ構造を示す図である。 当分野で公知の別の高電圧高電力多重レベルコンバータ構造を示す図である。 当分野で公知の縦続型ブリッジコンバータ構造を示す簡略図である。 当分野で公知のモジュール式多重レベルコンバータ構造を示す図である。 当分野で公知の能動中性点コンバータ構造を示す図である。 当分野で公知のハイブリッドコンバータ構造を示す図である。 一実施形態に係る、5レベル中性点パイロットクランプ型コンバータ構造を示す図である。 一実施形態に係る、7レベル中性点クランプ型フライングキャパシタ(NPCFC)コンバータ構造を示す図である。 一実施形態に係る、nレベルNPCFCコンバータ構造を示す図である。
上記で特定される図面は、代替の実施形態を説明しているが、上記議論で述べたように、本発明の他の実施形態も、検討されている。全ての場合において、本開示は、例示であって限定ではない目的で、本発明の実施形態を示している。本発明の原理の範囲および精神に含まれる多数の他の修正および実施形態が、当業者によって考案され得る。
図9は、一実施形態に係る、5レベル中性点パイロットクランプ型(NPPC)コンバータ構造90を示している。NPPCコンバータ90は、とりわけ、多相可変周波数ドライブ用途のために特に有用である。NPPCコンバータ90は、図1および図2に示されるもののような旧知の3レベル中性点クランプ型(NPC)および3レベル中性点パイロット型(NPP)の多重レベルコンバータ接続形態のアーキテクチャを組み合わせることが理解され得る。本発明者らは、NPPCコンバータ90が、旧知のNPCとNPPのコンバータと比較した場合、半導体のスイッチング損失を約40%減少させ、実質的に良好な電気波形品質を有することを、発見した。
1つの観点によれば、NPPCコンバータ90は、有利には、2つの中電圧NPPコンバータセル92、94を積み重ねることにより、高電圧出力/電力を提供する。NPPコンバータセル92、94は、出力ノード93に中央ノード95を接続することにより、ゼロ出力電圧レベルを達成するために、それぞれ、1つ以上のダイオード96、98のそれぞれにクランプされる。出力電圧レベル+1および−1は、中間アーム97、99を使用することによって達成される。有利には、2つのデバイスのみが、1<|V0|<2の範囲に出力電圧を達成するように切り替えられ、低いスイッチング損失をもたらす。
高電圧NPPCコンバータ構造90は、旧知の高電圧NPPセル構造と比較すると、各アーム97、99におけるより少ない数の半導体デバイスをもたらす中電圧NPPセル92、94を使用している。また、高電圧NPPCコンバータ90は、有利には、旧知のNPP構造では実現不可能である+1および−1ボルトの出力電圧レベルを達成する。旧知の高電圧NPPコンバータセルは、4つのデバイスが1<|V0|<2の範囲に出力電圧を達成するように切り替えられることを必要とし、高いスイッチング損失をもたらしている。NPPCコンバータ90は、有利にも、ここに述べたように、2つのデバイスのみが1<|V0|<2の範囲に出力電圧を実現するように切り替えられることを必要とする。
図3に示されている多重レベルコンバータセル構造30は、高電圧NPPCコンバータ構造90に似ているにもかかわらず、2つの構造30、90の間には有意な差がある。トランジスタQ2、Q5またはQ3、Q6がオンに切り替えられかつQ1、Q4およびSW1、SW2がオフに切り替えられる場合、ゼロ電圧が、多重レベルコンバータ30のAC出力端子32に出力され、2つの半導体スイッチQ2、Q5またはQ3、Q6を通過する電流をもたらす。対照的に、NPPCコンバータセル構造90は、SW1・97のオフ切り替えが十分であるので、対応する半導体スイッチを切り替えることなくゼロ出力電圧を実現する。代わりに、クランプダイオード96、98は、自動的に導通し、出力端子93でのゼロ出力電圧をもたらす。このように、NPPCコンバータセル構造90は、多重レベルコンバータ30で達成可能なものを超えて、損失の低下および信頼性の増加をもたらす。
図10は、一実施形態に係る、7レベル中性点クランプ型フライングキャパシタ(NPCFC)コンバータ構造100を示している。コンバータ構造100は、図9に示されるNPPC接続形態に、7レベルNPCFCコンバータ100を提供するように、フライングキャパシタ(FC)系の多重レベルコンバータ接続形態を、組み合わせる。NPCFCコンバータセル100は、図4に示されるような5レベルNPPコンバータセルとして同数のフライングキャパシタを用いて、出力相電圧波形における7つのレベルを有利に生成し、より高い波形品質、低減したフィルタ要件およびより高い効率をもたらす。
図11は、一実施形態に係る、nレベルNPCFCコンバータセル構造110を示している。図9に示される5レベルNPPCコンバータ90が、任意のフライングキャパシタなしに、nレベルNPCFCコンバータセル構造110の特別な場合であることを、理解することができる。
要約した説明では、多相可変周波数ドライブ、DC/AC、AC/ACまたはAC/DC/AC電力変換の用途のための高電圧高電力(HVHP)多重レベルドライブ接続形態が、本明細書に記載されている。HVHP多重レベルドライブ接続形態は、動作効率の向上および/またはより高い波形品質および/または信頼性の向上を提供するために、旧知の中性点クランプ型および中性点パイロット型の多重レベルコンバータ接続形態のアーキテクチャを組み合わせる。HVHP多重レベルドライブ接続形態は、既知の多重レベルコンバータセル接続形態を越える追加的な利点を有する新規のnレベル中性点クランプ型フライングキャパシタ(NPCFC)コンバータ接続形態を提供するために、フライングキャパシタ系の多重レベルコンバータ接続形態に組み合わせられ得る。
本発明の特定の特徴のみが例示されかつ説明されてきたが、多くの修正および変更が当業者には思い浮かぶであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神内に含まれるこのような全ての修正および変更を含むことを意図していることが、理解されるべきである。
30 多重レベルコンバータセル構造
32 AC出力端子
90 5レベルNPPCコンバータ構造
92、94 中電圧NPPコンバータセル
93 出力ノード
95 中央ノード
96、98 クランプダイオード
97 中間アーム(SW1)
100 7レベルNPCFCコンバータ構造
110 nレベルNPCFCコンバータセル構造

Claims (18)

  1. 複数の入力位相および出力位相を有する高電圧高電力(HVHP)多重レベルドライブであって、
    一緒に積み重ねられている複数の中性点パイロット型(NPP)コンバータセルと、
    複数のクランプダイオードと、
    を備え、
    前記複数のNPPコンバータセルは、第1のNPPコンバータセルと第2のNPPコンバータセルの共通の出力ノードで前記第2のNPPコンバータセルに直に接続された前記第1のNPPコンバータセルを備え、
    前記第1のNPPコンバータセルは、前記出力ノードに直に接続された第1のトランジスタ出力と、第1の複数のスイッチングトランジスタの一端に直に接続された第1のトランジスタ入力とを有し、
    前記第2のNPPコンバータセルは、前記出力ノードに直に接続された第2のトランジスタ出力と、第2の複数のスイッチングトランジスタの一端に直に接続された第2のトランジスタ入力とを有し、
    前記第1の複数のスイッチングトランジスタおよび前記第2の複数のスイッチングトランジスタのそれぞれは、直列に接続された複数のスイッチングトランジスタを有し、
    前記複数のクランプダイオードは直列に接続され、前記複数のクランプダイオードの第1端が前記第1のトランジスタ入力に直に接続され、前記第1端の反対側の第2端が前記第2のトランジスタ入力に直に接続され、
    前記第1のトランジスタ入力と前記第2のトランジスタ入力のそれぞれが、前記複数のクランプダイオードのうちの少なくとも1つの対応するクランプダイオードによって共通の中性点に電気的に結合され、多重レベル中性点パイロットクランプ型コンバータ(多重レベルNPPCコンバータ)を提供し、
    前記第1の複数のスイッチングトランジスタの他端は前記複数の入力位相の一端に、前記第2の複数のスイッチングトランジスタの他端は前記複数の入力位相の他端に、前記共通の中性点が前記複数の前記入力位相の前記一端と前記他端の間の中性点に接続される、
    HVHP多重レベルドライブ。
  2. 前記複数のNPPコンバータセルは、中電圧多重レベルNPPコンバータセルを備えている、請求項1に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  3. 各NPPコンバータセルは、3レベルNPPコンバータセルを備えている、請求項1に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  4. 前記HVHP多重レベルドライブは、5レベルNPPCコンバータを備えている、請求項3に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  5. 前記5レベルNPPCコンバータは、単位当たりで、−2V、−1V、0V、+1Vおよび+2Vからなる出力電圧レベルを備えている、請求項4に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  6. 前記多重レベルNPPCコンバータは、単位当たりで、−2V、−1V、0V、+1Vおよび+2Vからなる出力電圧レベルを備えている、請求項1に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  7. 複数のフライングキャパシタをさらに備えており、
    前記多重レベルNPPCコンバータは、前記フライングキャパシタから選択される少なくとも1つのフライングキャパシタを備えており、
    前記複数のフライングキャパシタ、前記多重レベルNPPCコンバータおよび前記複数のクランプダイオードは、一緒に、中性点クランプ型フライングキャパシタコンバータセル(NPCFCコンバータセル)を提供している、
    請求項1から6のいずれかに記載のHVHP多重レベルドライブ。
  8. 前記NPCFCコンバータセルは、7レベル出力セルを備えている、請求項7に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  9. 前記NPCFCコンバータセルは、Nレベル出力セルを備えており、Nは、出力電圧レベルの数である、請求項7に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  10. 高電圧高電力(HVHP)多重レベルドライブであって、
    一緒に積み重ねられている複数の多重レベル中性点パイロット型(NPP)コンバータセルと、
    複数のクランプダイオードと、
    を備え、
    前記複数のNPPコンバータセルは、第1のNPPコンバータセルと第2のNPPコンバータセルの共通の出力ノードで前記第2のNPPコンバータセルに直に接続された前記第1のNPPコンバータセルを備え、
    前記第1のNPPコンバータセルは、前記出力ノードに直に接続された第1のトランジスタ出力と、第1の複数のスイッチングトランジスタの一端に直に接続された第1のトランジスタ入力とを有し、
    前記第2のNPPコンバータセルは、前記出力ノードに直に接続された第2のトランジスタ出力と、第2の複数のスイッチングトランジスタの一端に直に接続された第2のトランジスタ入力とを有し、
    前記第1の複数のスイッチングトランジスタおよび前記第2の複数のスイッチングトランジスタのそれぞれは、直列に接続された複数のスイッチングトランジスタを有し、
    前記複数のクランプダイオードは直列に接続され、前記複数のクランプダイオードの第1端が前記第1のトランジスタ入力に直に接続され、前記第1端の反対側の第2端が前記第2のトランジスタ入力に直に接続され、
    前記第1のトランジスタ入力と前記第2のトランジスタ入力のそれぞれが、前記複数のクランプダイオードのうちの少なくとも1つの対応するクランプダイオードによって共通の中性点に電気的に結合され、前記HVHP多重レベルドライブに対してゼロ出力電圧レベルノードを有する多重レベル中性点パイロットクランプ型コンバータ(多重レベルNPPCコンバータ)を提供し、
    前記第1の複数のスイッチングトランジスタの他端は前記複数の入力位相の一端に、前記第2の複数のスイッチングトランジスタの他端は前記複数の入力位相の他端に、前記共通の中性点が前記複数の前記入力位相の前記一端と前記他端の間の中性点に接続される、
    HVHP多重レベルドライブ。
  11. 前記複数のNPPコンバータセルは、中電圧NPPコンバータセルを備えている、請求項10に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  12. 各NPPコンバータセルは、3レベルNPPコンバータセルを備えている、請求項10に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  13. 前記HVHP多重レベルドライブは、5レベルNPPCコンバータを備えている、請求項12に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  14. 前記5レベルNPPCコンバータは、単位当たりで、−2V、−1V、0V、+1Vおよび+2Vからなる出力電圧レベルを備えている、請求項13に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  15. 前記多重レベルNPPCコンバータは、単位当たりで、−2V、−1V、0V、+1Vおよび+2Vからなる出力電圧レベルを備えている、請求項10に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  16. 複数のフライングキャパシタをさらに備えており、
    前記多重レベルNPPCコンバータは、前記複数のフライングキャパシタから選択される少なくとも1つのフライングキャパシタを備えており、
    前記複数のフライングキャパシタ、前記複数の多重レベルNPPCコンバータおよび前記複数のクランプダイオードは、一緒に、中性点クランプ型フライングキャパシタコンバータセル(NPCFCコンバータセル)を提供している、
    請求項10から15のいずれかに記載のHVHP多重レベルドライブ。
  17. 前記NPCFCコンバータセルは、7レベル出力セルを備えている、請求項16に記載のHVHP多重レベルドライブ。
  18. 前記NPCFCコンバータセルは、Nレベル出力セルを備えており、Nは1つの出力位相における出力電圧レベルの数である、請求項16に記載のHVHP多重レベルドライブ。
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