JP6658135B2 - マルチレベル電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチレベル電力変換装置に係り、特に、スイッチングパターンの制御に関する。

図１に、特許文献１の［実施形態１５］で開示した単相マルチレベル電力変換装置を示す。図１に示す単相マルチレベル電力変換装置は、第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮと、第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂと、相モジュール２と、を備える。

第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂは第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮと、８つの第１〜第８半導体スイッチＳａ〜Ｓｈと、を有する。

また、相モジュール２は１０個の第１〜第８スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ，Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８と、４つの第１，第２ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂと、を有する。図１では、第１〜第８半導体スイッチＳａ〜Ｓｈ，第１〜第８スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８として、ＩＧＢＴを示しているが、他のスイッチでもよい。

また、図３は、前記相モジュール２を三相分設けた三相のマルチレベル電力変換装置を示している。

第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮの電圧を２Ｅ［Ｖ］，第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂの第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧をＥ［Ｖ］に保ち、相モジュール２にて直流モジュール１ａ，１ｂの電位を選択することで５つの電位を出力する。ここで、出力端子Ｏに流れる電流をＩとする。

従来の５レベル電力変換装置における第１〜第８半導体スイッチＳａ〜Ｓｈ，第１〜第８スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８のスイッチングパターンを表１に示す。

表１によれば、これらのゲート信号の組合せにより、５つの電位が出力に可能になる。ここで相モジュール２の電圧出力指令を［＋２Ｅ］，［＋Ｅ］，［ＮＰ］，［−Ｅ］，［−２Ｅ］とし、第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂの電圧出力指令を［ＤＤ］，［ＣＤ］，［ＤＣ］，［ＣＣ］とする。相モジュール２の電圧出力指令［＋２Ｅ］は、中性点端子Ｎに対しての出力端子Ｏの電圧が＋２Ｅであることを意味する。［＋Ｅ］，［−Ｅ］，［−２Ｅ］も同様である。相モジュール２の電圧出力指令［ＮＰ］は、中性点端子Ｎに対しての出力端子Ｏの電圧が０であることを意味する。

さらに、相モジュール２の出力電圧は正弦波に近似させる。よって、相モジュール２の電圧出力指令の遷移の条件は、 ［＋２Ｅ］←→［＋Ｅ］←→［ＮＰ］←→［−Ｅ］←→［−２Ｅ］ に限定される。

また、第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂの電圧出力指令の［Ｄ］は電流Ｉが正のときの放電指令、［Ｃ］は充電指令を意味する。第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂの電圧出力指令の１つ目は第１フライングキャパシタＦＣＰに対する指令、２つ目は第２フライングキャパシタＦＣＮに対する指令である。

たとえば、第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂの電圧出力指令［ＣＤ］の場合、第１フライングキャパシタＦＣＰは充電指令、第２フライングキャパシタＦＣＮは放電指令を意味する。また、表１中の１はゲートオン、０はゲートオフを意味する。第１〜第８半導体スイッチＳａ〜Ｓｈ，第１〜第８スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８は、ゲートオン時にオン状態、ゲートオフ時にオフ状態となる。

相モジュール２の電圧出力指令［＋２Ｅ］，［＋Ｅ］，［ＮＰ］，［−Ｅ］，［−２Ｅ］時のマルチレベル電力変換装置の動作を図４に示す。丸印で囲まれた半導体スイッチ、スイッチングデバイスおよびダイオードがオン状態となり、図４に示す経路で電流が流れ、電圧出力指令と等しい電圧が出力端子Ｏに出力される。

特開２０１５−４７０５６号公報

特許文献１では５レベルのスイッチングパターンを示しているが、各々のレベルを遷移する際にスイッチング回数が多く、スイッチング損失が大きくなってしまっていた。

表１にて囲まれた箇所はスイッチング遷移（スイッチングパターンが０→１または１→０に変化すること）が必要な箇所である。特に第２，第７スイッチングデバイスＳ２，Ｓ７が他のスイッチングデバイスに比べてスイッチング回数が多いことがわかる。このため、第２，第７スイッチングデバイスＳ２，Ｓ７は他のスイッチングデバイスと比較してスイッチング損失も大きくなる。

これにより、スイッチングデバイスの短寿命化、装置の効率低下等の問題が あった。さらに、スイッチング損失が大きいことで装置の冷却機構を大きくする必要があるため、装置が大型化・高コスト化する問題があった。

以上示したようなことから、マルチレベル電力変換装置において、スイッチング損失を低減し、スイッチングデバイスの長寿命化および装置の高効率化、小型化，低コスト化を図ることが課題となる。

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、直列接続された第１，第２直流電圧源と、前記第１，第２直流電圧源に接続された各相共通の第１，第２直流モジュールと、前記第１，第２直流電圧源と前記第１，第２直流モジュールに接続され、前記第１，第２直流電圧源と前記第１，第２直流モジュールと出力端子間にそれぞれスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスを選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御する各相の相モジュールと、を備え、前記第１直流モジュールは、前記第１直流電圧源の正極端に一端が接続された第１半導体スイッチと、前記第１直流電圧源の負極端に一端が接続された第４半導体スイッチと、前記第１半導体スイッチの他端と前記第４半導体スイッチの他端との間に接続された第１フライングキャパシタと、前記第１半導体スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第２半導体スイッチと、一端が前記第１フライングキャパシタと前記第４半導体スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第２半導体スイッチの他端と接続された第３半導体スイッチと、を有し、前記第２直流モジュールは、前記第２直流電圧源の正極端に一端が接続された第５半導体スイッチと、前記第２直流電圧源の負極端に一端が接続された第８半導体スイッチと、前記第５半導体スイッチの他端と前記第８半導体スイッチの他端との間に接続された第２フライングキャパシタと、前記第５半導体スイッチと前記第２フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第６半導体スイッチと、一端が前記第２フライングキャパシタと前記第８半導体スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第６半導体スイッチの他端に接続された第７半導体スイッチと、を有し、前記相モジュールは各相に、前記第１半導体スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第１スイッチングデバイスと、前記第２，第３半導体スイッチの共通接続点に一端が接続された第２スイッチングデバイスと、前記第６，第７半導体スイッチの共通接続点に一端が接続された第７スイッチングデバイスと、前記第２直流電圧源と前記第８半導体スイッチの共通接続点に一端が接続された第８スイッチングデバイスと、前記第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と前記第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４，第５，第６スイッチングデバイスと、前記第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と前記第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２ダイオードと、を有し、前記第４，第５半導体スイッチの共通接続点と前記第１，第２ダイオードの共通接続点を接続し、前記第４，第５スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたマルチレベル電力変換装置であって、前記直流モジュールの半導体スイッチと、相モジュールのスイッチングデバイスを以下の表４のスイッチングパターンにより制御することを特徴とする。

ただし、表４中の１はゲートオン、０はゲートオフとする。

また、その一態様として、前記相モジュールを３相に設けても良い。

本発明によれば、マルチレベル電力変換装置において、スイッチング損失を低減し、スイッチングデバイスの長寿命化および装置の高効率化、小型化，低コスト化を図ることが可能となる。

実施形態におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路図。 実施形態におけるマルチレベル電力変換装置の動作を示す図。 相モジュールを３相分設けたマルチレベル電力変換装置を示す回路図。 従来のマルチレベル電力変換装置の動作を示す図。

以下、本願発明に係るマルチレベル電力変換装置の実施形態を図１〜図３に基づいて詳述する。

［実施形態］
本実施形態のマルチレベル電力変換装置の回路構成は従来技術で説明した図１と同様である。以下、本実施形態におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図１に基づいて説明する。

本実施形態におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮと、各相共通の第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂと、各相にそれぞれ設けられた相モジュール２と、を備え、相モジュール２により、電圧を選択して出力端子Ｏから出力するものである。

以下、具体的な回路構成を説明する。第１，第２直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＰ，ＤＣＮが直列に接続され、この第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮの共通接続点（中性点）を中性点端子Ｎとしている。

第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂは、第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮの正極端に一端が接続された第１，第５半導体スイッチＳａ，Ｓｅと、第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮの負極端に一端が接続された第４，第８半導体スイッチＳｄ，Ｓｈと、第１，第５半導体スイッチＳａ，Ｓｅの他端と第４，第８半導体スイッチＳｄ，Ｓｈの他端との間に接続された第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮと、第１，第５半導体スイッチＳａ，Ｓｅと第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの共通接続点に一端が接続された第２，第６半導体スイッチＳｂ，Ｓｆと、一端が第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮと第４，第８半導体スイッチの共通接続点に接続され、他端が第２，第６半導体スイッチＳｂ，Ｓｆの他端に接続された第３，第７半導体スイッチＳｃ，Ｓｇと、を備えている。

第１，第２直流モジュール１ａ，１ｂは、第１，第５半導体スイッチＳａ，Ｓｅと第３，第７半導体スイッチＳｃ，ＳｇをＯＮ、または、第４，第８半導体スイッチＳｄ，Ｓｈと第２，第６半導体スイッチＳｂ，ＳｆをＯＮすることにより、Ｅ，−Ｅレベルの電圧を相モジュール２に出力する。

各相の相モジュール２には、第１半導体スイッチＳａと第１直流電圧源ＤＣＰの共通接続点と、第２，第３半導体スイッチＳｂ，Ｓｃの共通接続点と、第４，第５半導体スイッチＳｄ，Ｓｅの共通接続点と、第６，第７半導体スイッチＳｆ，Ｓｇの共通接続点と、第８半導体スイッチＳｄと第２直流電圧源ＤＣＮの共通接続点と、が入力端子として接続される。

前記相モジュール２は、第１半導体スイッチＳａと第１直流電圧源ＤＣＰの共通接続点に第１スイッチングデバイスＳ１の一端を接続し、第８半導体スイッチＳｈと第２直流電圧源ＤＣＮの共通接続点に第８スイッチングデバイスＳ８の一端を接続する。第２，第３半導体スイッチＳｂ，Ｓｃの共通接続点に第２スイッチングデバイスＳ２の一端を接続し、第６，第７半導体素子Ｓｆ，Ｓｇの共通接続点に第７スイッチングデバイスＳ７の一端を接続する。

第１スイッチングデバイスＳ１と第２スイッチングデバイスＳ２，第７スイッチングデバイスＳ７と第８スイッチングデバイスＳ８の他端同士を接続し、第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点と第７，第８スイッチングデバイスＳ７，Ｓ８の共通接続点との間に第３〜第６スイッチングデバイスＳ３〜Ｓ６を順次直列接続する。

第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４ａの共通接続点と、第５，第６スイッチングデバイスＳ５ｂ，Ｓ６の共通接続点との間に第１，第２ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂを順次直列接続する。

第４，第５半導体スイッチＳｄ，Ｓｅの共通接続点と、第１，第２ダイオードＤ１ｂ，Ｄ２ａの共通接続点と、を接続する。また、第４，第５スイッチングデバイスＳ４ｂ，Ｓ５ｂの共通接続点を出力端子Ｏとする。

ここで、耐電圧のために第４スイッチングデバイスＳ４ａ，Ｓ４ｂおよび第５スイッチングデバイスＳ５ａ，Ｓ５ｂを直列接続しているが、耐電圧の問題を解消すれば第４，第５スイッチングデバイスＳ４ｂ，Ｓ５ｂは省略可能である。また、同様に、耐電圧のために第１ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂおよび第２ダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂを直列接続しているが、耐電圧の問題を解消すれば第１，第２ダイオードＤ１ｂ，Ｄ２ｂは省略可能である。

このような回路構成において、第１，第２直流電圧源ＤＣＰ，ＤＣＮの電圧を２Ｅ［Ｖ］，第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧をＥ［Ｖ］に制御し、各第１〜第８半導体スイッチＳ１〜Ｓ８，各第１〜第８スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、＋２Ｅ，＋Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの電圧のうち何れかの電圧を出力することができる。

図１に示すマルチレベル電力変換装置の出力可能な電圧状態は５レベルであるが、スイッチングパターンは５つに限定されない。例えば、＋２Ｅ，＋Eを出力している際に第７スイッチングデバイスＳ７のゲート信号は「１」もしくは「０」のどちらの場合でも出力可能である。

このように図１の回路構成では、複数のスイッチングパターンが一意に決定されず複数存在する。よって、スイッチングパターンの選択はその思想により自由に設計できる。本実施形態でのスイッチングパターン設計思想は、スイッチング回数を最小にし、スイッチング損失を低下することである。

まず、表２に電圧出力可能なスイッチングパターンの一覧を示す。

電圧出力に影響しないスイッチングデバイスも存在するため、表２中では出力電圧に影響しないスイッチングデバイスを＊と表記した。図４の［０出力時］，［−Ｅ出力時］，［−２Ｅ出力時］に示すように、第２スイッチングデバイスＳ２のオンオフの状態は、［０出力時］，［−Ｅ出力時］，［−２Ｅ出力時］の電圧出力に関係しないことがわかる。よって、表２の第２スイッチングデバイスＳ２の［ＮＰ］，［−Ｅ］，［−２Ｅ］の欄は、「＊」となる。第７スイッチングデバイスＳ７についても電圧出力に影響しない［＋２Ｅ］，［＋Ｅ］，［ＮＰ］の欄を「＊」としている。

次に、表２において「＊」とした箇所を、スイッチング状態の遷移の回数が最小となるように選択した場合を表３に示す。具体的には、第２スイッチングデバイスＳ２の［ＮＰ］，［−Ｅ］，［−２Ｅ］の欄を「１」とし、第７スイッチングデバイスＳ７の［＋２Ｅ］，［＋Ｅ］，［ＮＰ］の欄を「１」としている。

表３は表１に比べて囲まれた箇所（スイッチング状態の遷移を行う箇所）が少ない。具体的には、第２スイッチングデバイスＳ２の［＋Ｅ］←→［ＮＰ］のスイッチングパターン遷移時と、第７スイッチングデバイスＳ７の［−Ｅ］←→［ＮＰ］のスイッチングパターン遷移時に、スイッチングが行われなくなる。

表３に示す本実施形態における電圧出力指令［＋２Ｅ］，［＋Ｅ］，［ＮＰ］，［−Ｅ］，［−２Ｅ］の時のマルチレベル電力変換装置の動作を図２に示す。丸印で囲まれた半導体スイッチ，スイッチングデバイスおよびダイオードがオン状態となり、図２の矢印に示す経路で電流が流れ、電圧出力指令と等しい電圧が出力端子Ｏに出力される。

なお、本実施形態は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路のマルチレベル電力変換装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路のマルチレベル電力変換装置の両方に適用できる。

また、本実施形態は、図３に示すような相モジュール２を三相分設けた回路にも適用可能である。

以上示したように、本実施形態によれば、マルチレベル電力変換装置のスイッチングデバイスのスイッチング回数を減少できるため、スイッチング損失を低減することが可能となる。これにより、スイッチングデバイスを長寿命化すると共に、マルチレベル電力変換装置の効率を上げることができる。また、スイッチング損失の低減により、マルチレベル電力変換装置の冷却機構を縮小でき、マルチレベル電力変換装置の小型化・低コスト化を実現できる。

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。

ＤＣＰ，ＤＣＮ…第１，第２直流電圧源
ＦＣＰ，ＦＣＮ…第１，第２フライングキャパシタ
Ｓａ〜Ｓｈ…第１〜第８半導体スイッチ
Ｓ１〜Ｓ８…第１〜第８スイッチングデバイス
Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ…第１，第２ダイオード
１ａ，１ｂ…第１，第２直流モジュール
２…相モジュール

Claims (2)

1. 直列接続された第１，第２直流電圧源と、前記第１，第２直流電圧源に接続された各相共通の第１，第２直流モジュールと、前記第１，第２直流電圧源と前記第１，第２直流モジュールに接続され、前記第１，第２直流電圧源と前記第１，第２直流モジュールと出力端子間にそれぞれスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスを選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御する各相の相モジュールと、を備え、
   前記第１直流モジュールは、
   前記第１直流電圧源の正極端に一端が接続された第１半導体スイッチと、
   前記第１直流電圧源の負極端に一端が接続された第４半導体スイッチと、
   前記第１半導体スイッチの他端と前記第４半導体スイッチの他端との間に接続された第１フライングキャパシタと、
   前記第１半導体スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第２半導体スイッチと、
   一端が前記第１フライングキャパシタと前記第４半導体スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第２半導体スイッチの他端と接続された第３半導体スイッチと、を有し
   前記第２直流モジュールは、
   前記第２直流電圧源の正極端に一端が接続された第５半導体スイッチと、
   前記第２直流電圧源の負極端に一端が接続された第８半導体スイッチと、
   前記第５半導体スイッチの他端と前記第８半導体スイッチの他端との間に接続された第２フライングキャパシタと、
   前記第５半導体スイッチと前記第２フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第６半導体スイッチと、
   一端が前記第２フライングキャパシタと前記第８半導体スイッチの共通接続点に接続され、他端が前記第６半導体スイッチの他端に接続された第７半導体スイッチと、を有し、
   前記相モジュールは各相に、
   前記第１半導体スイッチと前記第１フライングキャパシタの共通接続点に一端が接続された第１スイッチングデバイスと、
   前記第２，第３半導体スイッチの共通接続点に一端が接続された第２スイッチングデバイスと、
   前記第６，第７半導体スイッチの共通接続点に一端が接続された第７スイッチングデバイスと、
   前記第２直流電圧源と前記第８半導体スイッチの共通接続点に一端が接続された第８スイッチングデバイスと、
   前記第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と前記第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４，第５，第６スイッチングデバイスと、
   前記第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と前記第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２ダイオードと、
   を有し、
   前記第４，第５半導体スイッチの共通接続点と前記第１，第２ダイオードの共通接続点を接続し、前記第４，第５スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたマルチレベル電力変換装置であって、
   前記直流モジュールの半導体スイッチと、相モジュールのスイッチングデバイスを以下の表４のスイッチングパターンにより制御することを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
   

   

   ただし、表４中の１はゲートオン、０はゲートオフとする。
2. 前記相モジュールが三相に設けられたことを特徴とする請求項１記載のマルチレベル電力変換装置。

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