WO2014162591A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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伸三 玉井
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Definitions

  • the present invention relates to a power converter, and more particularly, to a power converter capable of outputting a plurality of different voltage levels.
  • a power conversion device has been proposed in which the stack of DC voltages from a plurality of DC power sources is changed during one cycle to convert DC power into AC power.
  • This power conversion device does not generate a constant pulse voltage like an inverter having one DC power supply, but stacks a plurality of DC voltages having different potentials to convert DC power into AC power. For this reason, this power conversion device converts DC power into AC power with less harmonics than a power conversion device having one DC power supply by finely stacking a plurality of DC voltages with different potentials without waste. Can do.
  • Patent Document 1 discloses a multi-level inverter that is the above-described power converter.
  • the multilevel inverter disclosed in Patent Document 1 is a redox flow type secondary battery that is connected in series and forms a multilevel terminal voltage, and an inverter unit that forms AC power by controlling the stacking of the potentials of the multilevel terminals. And.
  • the inverter unit includes a total of eight switching elements and six diodes, and controls opening and closing of the switching elements according to instructions from the control unit.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a conventional power conversion device disclosed in Patent Document 1.
  • the power conversion device 100 shown in FIG. 5 is a 5-level inverter that can output five different voltage levels.
  • the power conversion apparatus 100 includes four DC power supplies V, eight switch elements S101 to S108, and six diodes D101 to D106.
  • the power converter 100 sets the middle point of the four DC power sources V as the middle point V0, and sets the voltage level at the middle point V0 to “0V”. Therefore, in the power conversion apparatus 100, the voltage level of the positive potential is “+ 1V” for one DC power source V from the middle point V0, and the voltage level of the positive potential is “+ 1V” for two DC power sources V from the middle point V0. + 2V ". On the contrary, in the power conversion apparatus 100, the voltage level of the minus potential for one DC power source V from the middle point V0 becomes “ ⁇ 1V”, and the voltage level of the minus potential for two DC power sources V from the middle point V0. Becomes “ ⁇ 2V”.
  • the power conversion device 100 outputs the potential of the voltage level of “+ 2V” to the output terminal by turning on the switch elements S101, S102, S103, and S104, and turns on the switch elements S102, S103, S104, and S105. As a result, a potential of a voltage level of “+1 V” can be output to the output terminal. Further, the power conversion device 100 can output a potential of a voltage level of “0 V” to the output terminal by turning on the switch elements S103, S104, S105, and S106.
  • the power conversion device 100 outputs the potential of the voltage level of “ ⁇ 1V” to the output terminal by turning on the switch elements S104, S105, S106, and S107, and switches the switch elements S105, S106, S107, and S108. By turning it on, a potential of “ ⁇ 2 V” voltage level can be output to the output terminal. Therefore, the power conversion apparatus 100 can output five different voltage levels (“ ⁇ 2V”, “ ⁇ 1V”, “0V”, “+ 1V”, “+ 2V”) from the output terminal.
  • the switch elements S105, S106, S107, and S108 are turned on in order to output the potential of the voltage level of “ ⁇ 2V” from the output terminal, the anode terminals of the diodes D102, D104, and D106
  • the voltage level of the diode D102 is “ ⁇ 2V”
  • the cathode terminal of the diode D102 is connected to the voltage level of “+ 1V”, so that a voltage corresponding to three DC power sources V is applied.
  • the voltage for two DC power sources V is applied to the diode D104
  • the voltage for one DC power source V is applied to the diode D106.
  • the switch elements S101, S102, S103, and S104 are turned on in order to output the potential of the voltage level of “+ 2V” from the output terminal, the anode terminals of the diodes D101, D103, and D105 are turned on. Since the voltage level is “+2 V” and the cathode terminal of the diode D105 is connected to the voltage level of “ ⁇ 1 V”, a voltage corresponding to three DC power sources V is applied. Similarly, a voltage for two DC power sources V is applied to the diode D103, and a voltage for one DC power source V is applied to the diode D101.
  • the multilevel inverter disclosed in Patent Document 1 has a withstand voltage that is three times higher than that of the diodes D101 and D106 in the diodes D102 and D105 that connect the DC power supply and the switching element, and the diodes D103 and D104.
  • a double withstand voltage is required for each of the diodes D101 and D106. Therefore, in the multilevel inverter disclosed in Patent Document 1, it is necessary to use diodes with different withstand voltages, or to connect two or three diodes in series to increase the withstand voltage, and the device becomes complicated, which is manufactured. It was difficult.
  • the multilevel inverter disclosed in Patent Document 1 requires a higher withstand voltage to the diode as the number of output voltage levels increases, and the configuration of the diode connected between the DC power supply and the switch element is increased. Complicated and difficult to manufacture.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a power converter having a configuration that can be easily manufactured.
  • the present invention provides first to fourth switch elements connected in series, a first connection point between the first switch element and the second switch element, and a third switch element. And a second connection point between the first switch element and the fourth switch element, two diodes connected in series, a third connection point connecting the diodes, and a first switch element connected between the first switch element and the second switch point.
  • a configuration is provided that includes a series three-level inverter group in which a plurality of three-level inverters are connected in series, and at least one switch circuit that selects the outputs of the plurality of three-level inverters.
  • FIG. 1 It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a wave form diagram which shows the waveform of the voltage level which the power converter device shown in FIG. 1 outputs. It is a circuit diagram which shows another circuit structure of the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a wave form diagram which shows the waveform of the voltage level which the power converter device shown in FIG. 3 outputs. It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the conventional power converter device currently disclosed by patent document 1.
  • FIG. 1 It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a wave form diagram which shows the waveform of the voltage level which the power converter device shown in FIG. 1 outputs. It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the conventional power converter device currently disclosed by patent document 1.
  • FIG. 1 It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the power converter device which concerns on Embodiment 1
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the power conversion device 10 shown in FIG. 1 is a 5-level inverter that can output five different voltage levels.
  • the power conversion device 10 includes four DC power supplies V, ten switch elements S1 to S10, four diodes D1 to D4, and an output terminal.
  • the power conversion apparatus 10 includes two three-level inverters 10a and 10b that can output three different voltage levels, and one switch circuit 11 that selects the outputs of the two three-level inverters 10a and 10b.
  • the three-level inverter 10a includes four switch elements S1 to S4 connected in series, diodes D1 and D2 connected in series, and capacitors C1 and C2 that are DC power supplies V connected in series.
  • the three-level inverter 10a connects diodes D1 and D2 in series between a connection point P1 between the switch elements S1 and S2 and a connection point P2 between the switch elements S3 and S4.
  • the three-level inverter 10a connects the capacitor C1 between the connection point P3 connecting the diodes D1 and D2 and the switch element S1, and connects the capacitor C2 between the connection point P3 and the switch element S4. Since 3-level inverter 10b has the same circuit configuration as 3-level inverter 10a, detailed description will not be repeated.
  • the switch circuit 11 includes a switch element S9 and a switch element S10, and selects the output of the three-level inverter 10a or the three-level inverter 10b when the switch element S9 or the switch element S10 is turned on.
  • the three-level inverter 10a can output the positive potential “+ 2V” of the capacitor C1 in the capacitors C1 and C2 connected in series by turning on the switch elements S1 and S2, and the switch elements S2 and S3 By turning it on, the potential “+1 V” at the connection point P4 between the capacitors C1 and C2 connected in series can be output. Further, the three-level inverter 10a can output the negative potential “0V” of the capacitor C2 in the capacitors C1 and C2 connected in series by turning on the switch elements S3 and S4. Therefore, the three-level inverter 10a can output three voltage levels of “0V”, “+ 1V”, and “+ 2V”.
  • the 3-level inverter 10b can perform the same operation as the 3-level inverter 10a, it can output three voltage levels of “0V”, “ ⁇ 1V”, and “ ⁇ 2V”.
  • the power conversion device 10 selects one output of the three-level inverters 10a and 10b connected in series by switching the ON state of the switch element S9 and the switch element S10 of the switch circuit 11. Five different voltage levels (“-2V”, “-1V”, “0V”, “+ 1V”, “+ 2V”) can be output from the output terminal.
  • the negative potential of the capacitor C2 and the positive potential of the capacitor C3 are the same potential “0V”.
  • FIG. 2 is a waveform diagram showing a waveform of a voltage level output from the power conversion device 10 shown in FIG.
  • the power converter 10 turns on the switch elements S3 and S4, turns on the switch element S9 of the switch circuit 11 (the switch element S10 is turned off), and outputs the voltage level “0 V” from the output terminal. Thereafter, at time t1, the power converter 10 turns on the switch elements S2 and S3 and turns on the switch element S9 of the switch circuit 11, and outputs a voltage level “+1 V” from the output terminal.
  • the power conversion device 10 turns on the switch elements S1 and S2 and turns on the switch element S9 of the switch circuit 11, and outputs the voltage level “+2 V” from the output terminal. Thereafter, the power conversion device 10 decreases the voltage level from the output terminal in order of “+1” and “0”.
  • the power conversion device 10 may output the voltage level “0 V” from the output terminal by turning on the switch elements S5 and S6 and turning on the switch element S10 of the switch circuit 11.
  • the power converter 10 turns on the switch elements S6 and S7 and turns on the switch element S10 of the switch circuit 11 at time t3, and outputs the voltage level “ ⁇ 1V” from the output terminal.
  • the power converter 10 turns on the switch elements S7 and S8 and turns on the switch element S10 of the switch circuit 11, and outputs the voltage level “ ⁇ 2V” from the output terminal. Thereafter, the power conversion device 10 increases the voltage level from the output terminal in the order of “ ⁇ 1” and “0”.
  • the power conversion apparatus 10 performs an operation of switching and outputting five different voltage levels (“ ⁇ 2V”, “ ⁇ 1V”, “0V”, “+ 1V”, “+ 2V”). 2 can be output, and direct current power can be converted into alternating current power.
  • the switch elements S1 to S8 and the diodes D1 to D4 that constitute the three-level inverters 10a and 10b only one capacitor voltage is applied to both ends of each element when the switch elements are off. .
  • the switch elements S9 and S10 that constitute the switch circuit 11 when “+2 V” is output from the output terminal, the switch element S9 is turned on and the switch element S10 is turned off. Minute capacitor voltage is applied. Further, when “ ⁇ 2V” is output from the output terminal in the switch elements S9 and S10 that constitute the switch circuit 11, the switch element S10 is turned on and the switch element S9 is turned off. Two capacitor voltages are applied to the capacitor.
  • the power conversion device 10 includes a series of three level inverters in which two high level inverters 10a and 10b are connected in series and an element with a particularly high withstand voltage is unnecessary.
  • an element to which a high voltage is applied can be limited to an element configuring the switch circuit 11. That is, the power conversion device 10 can be manufactured simply by connecting two three-level inverters using existing withstand voltage elements in series and providing a switch circuit for selecting the output of the three-level inverter. It can be.
  • the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention is not limited to a power conversion device that can output five different voltage levels, but a three-level inverter and a switch connected in series. By increasing the number of circuits, the number of output voltage levels can be easily increased.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing another circuit configuration of the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the power conversion device 20 shown in FIG. 3 is a 9-level inverter that can output nine different voltage levels.
  • the power conversion apparatus 20 includes eight DC power supplies V, 22 switch elements S1 to S22, and 8 diodes D1 to D8. A free wheel diode is connected to each of the switch elements S1 to S22.
  • the power conversion device 20 includes a series three-level inverter group in which four three-level inverters 20a, 20b, 20c, and 20d are connected in series, and one switch circuit that selects the outputs of the two three-level inverters 20a and 20b. 21, one switch circuit 22 for selecting the outputs of the two three-level inverters 20 c and 20 d, and the output of the two switch circuits 21 and 22 connected in the previous stage
  • the switch circuit 23 of the next stage is provided.
  • the midpoint of the eight DC power supplies V is the midpoint V0, and the voltage level of the midpoint V0 is “0V”. Therefore, the voltage levels at the connection points of the four DC power supplies V above the midpoint V0 are “+ 1V”, “+ 2V”, “+ 3V” in order from the midpoint V0 side, and 4 below the midpoint V0.
  • the voltage level at the connection point of each DC power supply V is “ ⁇ 1V”, “ ⁇ 2V”, and “ ⁇ 3V” in order from the middle point V0 side.
  • the voltage level at the connection point between the DC power supply V and the switch element S1 is “+4 V”, and the voltage level at the connection point between the DC power supply V and the switch element S18 is “ ⁇ 4 V”.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing a waveform of a voltage level output from the power conversion device 20 shown in FIG.
  • the power converter 20 turns on the switch elements S7 and S8, turns on the switch element S10 of the switch circuit 21, turns on the switch element S21 of the switch circuit 23, and sets the voltage level “0V” from the output terminal. Output. Thereafter, at time t1, the power conversion device 20 turns on the switch elements S6 and S7, turns on the switch element S10 of the switch circuit 21, turns on the switch element S21 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. “+ 1V” is output.
  • the power converter 20 turns on the switch elements S5 and S6, turns on the switch element S10 of the switch circuit 21, turns on the switch element S21 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. Outputs “+ 2V”.
  • the power converter 20 turns on the switch elements S3 and S4, turns on the switch element S9 of the switch circuit 21, turns on the switch element S21 of the switch circuit 23, and sets the voltage level “+2 V” from the output terminal. It may be output.
  • the power conversion device 20 turns on the switch elements S2 and S3, turns on the switch element S9 of the switch circuit 21, turns on the switch element S21 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. Outputs “+ 3V”.
  • the power conversion device 20 turns on the switch elements S1 and S2, turns on the switch element S9 of the switch circuit 21, turns on the switch element S21 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. Outputs “+ 4V”. Thereafter, the power conversion device 20 decreases the voltage level from the output terminal in the order of “+3 V”, “+2 V”, “+1 V”, and “0 V”.
  • the power converter 20 turns on the switch elements S11 and S12, turns on the switch element S19 of the switch circuit 22, turns on the switch element S22 of the switch circuit 23, and sets the voltage level “0V” from the output terminal. It may be output.
  • the power conversion device 20 turns on the switch elements S12 and S13, turns on the switch element S19 of the switch circuit 22, turns on the switch element S22 of the switch circuit 23, and sets the voltage level “ ⁇ ” from the output terminal. 1V "is output.
  • the power conversion device 20 turns on the switch elements S13 and S14, turns on the switch element S19 of the switch circuit 22, turns on the switch element S22 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. Outputs "-2V".
  • the power converter 20 turns on the switch elements S15 and S16, turns on the switch element S20 of the switch circuit 22, turns on the switch element S22 of the switch circuit 23, and sets the voltage level “ ⁇ 2V” from the output terminal. May be output.
  • the power conversion device 20 turns on the switch elements S16 and S17, turns on the switch element S20 of the switch circuit 22, turns on the switch element S22 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. "-3V" is output.
  • the power conversion device 20 turns on the switch elements S17 and S18, turns on the switch element S20 of the switch circuit 22, turns on the switch element S22 of the switch circuit 23, and sets the voltage level from the output terminal. Outputs "-4V”. Thereafter, the power conversion device 20 increases the voltage level from the output terminal in order of “ ⁇ 3V”, “ ⁇ 2V”, “ ⁇ 1V”, and “0V”.
  • the power converter 20 has nine different voltage levels (“ ⁇ 4 V”, “ ⁇ 3 V”, “ ⁇ 2 V”, “ ⁇ 1 V”, “0 V”, “+1 V”, “+2 V”, “ By performing the operation of switching and outputting (+ 3V ",” + 4V "), it is possible to output an alternating voltage as shown by a broken line in FIG. 4, and to convert direct current power into alternating current power.
  • the power conversion device As described above, the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention generally increases the number of output voltage levels by increasing the number of level inverters and switch circuits connected in series as follows. Can be expressed.
  • the power conversion device selects the outputs of 2 n series 3-level inverters connected in series, and two 3-level inverters out of the series 3 level inverters. At least one switch circuit. Then, 2 n-1 switch circuits are connected so that either one of the outputs of two adjacent three level inverters of the series three level inverter group can be selected, and two switch circuits are provided. In the above case, the switch circuit in the next stage is connected in order so that either one of the outputs of the two switch circuits connected in the previous stage can be selected, and the power conversion device outputs one output. obtain.
  • the number of times of selecting the voltage level in one cycle of AC is limited. However, switching is performed a plurality of times in one cycle of AC. Then, by selecting the voltage level a plurality of times, a finer alternating voltage can be output, and a power conversion device with fewer high frequencies can be obtained.
  • the capacitor is used as the charge storage element.
  • the present invention is not limited to this, and for example, a DC power supply may be connected.
  • the charge storage element and the switch element or the diode are directly connected.
  • the present invention is not limited to this.
  • the switch element is turned on and off.
  • a configuration in which a snubber circuit or the like that suppresses a sudden change in current in a transient state may be provided.

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Abstract

　本発明は、３レベルインバータ（１０ａ，１０ｂ）を、２ｎ個直列に接続してある直列３レベルインバータ群と、直列３レベルインバータ群のうちの２個の前記３レベルインバータの出力を選択する少なくとも１個のスイッチ回路（１１）とを備える電力変換装置（１０）である。スイッチ回路（１１）は、前記直列３レベルインバータ群の隣合う２個の３レベルインバータ（１０ａ，１０ｂ）の出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように２ｎ－１個接続し、スイッチ回路が２個以上の場合、前段に接続された２個のスイッチ回路の出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように次段のスイッチ回路を順に接続して１つの出力を得る。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置に関し、特に、異なる複数の電圧レベルを出力することが可能な電力変換装置に関する。
　複数の直流電源から直流電圧の積重ねを１周期の間で変化させ、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が提案されている。この電力変換装置は、１つの直流電源を持つインバータのように一定のパルス状の電圧を生成するのではなく、電位の異なる複数の直流電圧を積重ねて、直流電力を交流電力に変換する。そのため、この電力変換装置は、電位の異なる複数の直流電圧をきめ細かく無駄なく積重ねることで、１つの直流電源を持つ電力変換装置に比べて、直流電力を高調波の少ない交流電力に変換することができる。
　具体的に、特開２０００－３４１９６４号公報（特許文献１）に、前述の電力変換装置であるマルチレベルインバータが開示してある。
　特許文献１に開示してあるマルチレベルインバータは、直列に接続されマルチレベル端子電圧を構成するレドックスフロー型２次電池と、マルチレベル端子の電位の積重ねを制御して交流電力を構成するインバータ部とを備えている。インバータ部は、合計８個のスィッチング素子と、６個のダイオードとを備え、制御部の指示によってスィッチング素子の開閉を制御している。
特開２０００－３４１９６４号公報
　図５は、特許文献１に開示してある従来の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。図５に示す電力変換装置１００は、異なる５個の電圧レベルを出力することが可能な５レベルインバータである。電力変換装置１００は、４個の直流電源Ｖ、８個のスイッチ素子Ｓ１０１～Ｓ１０８、６個のダイオードＤ１０１～Ｄ１０６を備えている。
　電力変換装置１００は、４個の直流電源Ｖの中間点を中点Ｖ０とし、中点Ｖ０の電圧レベルを“０Ｖ”とする。そのため、電力変換装置１００は、中点Ｖ０より１個の直流電源Ｖ分だけプラス電位の電圧レベルが“＋１Ｖ”となり、中点Ｖ０より２個の直流電源Ｖ分だけプラス電位の電圧レベルが“＋２Ｖ”となる。逆に、電力変換装置１００は、中点Ｖ０より１個の直流電源Ｖ分だけマイナス電位の電圧レベルが“－１Ｖ”となり、中点Ｖ０より２個の直流電源Ｖ分だけマイナス電位の電圧レベルが“－２Ｖ”となる。
　電力変換装置１００は、スイッチ素子Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０３，Ｓ１０４をオン状態にすることで出力端子に“＋２Ｖ”の電圧レベルの電位を出力し、スイッチ素子Ｓ１０２，Ｓ１０３，Ｓ１０４，Ｓ１０５をオン状態にすることで出力端子に“＋１Ｖ”の電圧レベルの電位を出力することができる。また、電力変換装置１００は、スイッチ素子Ｓ１０３，Ｓ１０４，Ｓ１０５，Ｓ１０６をオン状態にすることで出力端子に“０Ｖ”の電圧レベルの電位を出力することができる。さらに、電力変換装置１００は、スイッチ素子Ｓ１０４，Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０７をオン状態にすることで出力端子に“－１Ｖ”の電圧レベルの電位を出力し、スイッチ素子Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８をオン状態にすることで出力端子に“－２Ｖ”の電圧レベルの電位を出力することができる。したがって、電力変換装置１００は、出力端子から異なる５個の電圧レベル（“－２Ｖ”，“－１Ｖ”，“０Ｖ”，“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”）を出力することができる。
　しかし、電力変換装置１００では、出力端子から“－２Ｖ”の電圧レベルの電位を出力するために、スイッチ素子Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８をオン状態にすると、ダイオードＤ１０２，Ｄ１０４，Ｄ１０６のアノード端子の電圧レベルが“－２Ｖ”となり、ダイオードＤ１０２は、カソード端子が“＋１Ｖ”の電圧レベルに接続されているので、３個の直流電源Ｖ分の電圧が印加されることになる。同様に、ダイオードＤ１０４には、２個の直流電源Ｖ分の電圧が印加され、ダイオードＤ１０６には、１個の直流電源Ｖ分の電圧が印加されることになる。
　また、電力変換装置１００では、出力端子から“＋２Ｖ”の電圧レベルの電位を出力するために、スイッチ素子Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０３，Ｓ１０４をオン状態にすると、ダイオードＤ１０１，Ｄ１０３，Ｄ１０５のアノード端子の電圧レベルが“＋２Ｖ”となり、ダイオードＤ１０５は、カソード端子が“－１Ｖ”の電圧レベルに接続されているので、３個の直流電源Ｖ分の電圧が印加されることになる。同様に、ダイオードＤ１０３には、２個の直流電源Ｖ分の電圧が印加され、ダイオードＤ１０１には、１個の直流電源Ｖ分の電圧が印加されることになる。
　このように、特許文献１に開示してあるマルチレベルインバータは、直流電源とスイッチ素子との間を接続するダイオードＤ１０２，Ｄ１０５にダイオードＤ１０１，Ｄ１０６に比べて３倍の耐圧、ダイオードＤ１０３，Ｄ１０４にダイオードＤ１０１，Ｄ１０６に比べて２倍の耐圧がそれぞれ必要である。そのため、特許文献１に開示してあるマルチレベルインバータでは、耐圧の異なるダイオードを使用するか、ダイオードを２個または３個直列に接続して耐圧を高める必要があり、装置が複雑になるので製造が困難であった。
　また、特許文献１に開示してあるマルチレベルインバータは、出力する電圧レベルの数がより多くなると、ダイオードにさらに高い耐圧が必要となり、直流電源とスイッチ素子との間に接続するダイオードの構成が複雑となり、さらに製造が困難になる。
　それゆえに、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、製造が容易な構成の電力変換装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は、直列に接続した第１から第４のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子との第１接続点と、第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子との第２接続点との間に、直列に接続した２個のダイオードと、ダイオード同士を接続する第３接続点と、第１のスイッチ素子との間に接続した第１電荷蓄積要素と、第３接続点と、第４のスイッチ素子との間に接続した第２電荷蓄積要素とを備え、第１から第４のスイッチ素子のオン状態とオフ状態とを組合わせ、３個の電圧レベルを出力することが可能な３レベルインバータを、ｎを１以上の整数とした場合に、２ｎ個直列に接続してある直列３レベルインバータ群と、直列３レベルインバータ群のうちの２個の３レベルインバータの出力を選択する少なくとも１個のスイッチ回路とを備える電力変換装置であって、直列３レベルインバータ群は、隣合う一方の３レベルインバータの第４のスイッチ素子と第２電荷蓄積要素との第４接続点と、隣合う他方の３レベルインバータの第１のスイッチ素子と第１電荷蓄積要素との第５接続点との接続を繰返して２ｎ個の３レベルインバータを直列に接続し、スイッチ回路は、直列３レベルインバータ群の隣合う２個の３レベルインバータの出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように２ｎ－１個接続し、スイッチ回路が２個以上の場合、前段に接続された２個のスイッチ回路の出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように次段のスイッチ回路を順に接続して１つの出力を得る。
　本発明に係る電力変換装置によれば、複数の３レベルインバータを直列に接続した直列３レベルインバータ群と、複数の３レベルインバータの出力を選択する少なくとも１個のスイッチ回路とを備える構成にすることで、出力する電圧レベルの数によらず、耐圧の必要な素子をスイッチ回路に集中させることができるため、製造が容易な構成とすることができる。
本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す回路図である。 図１に示す電力変換装置が出力する電圧レベルの波形を示す波形図である。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の別の回路構成を示す回路図である。 図３に示す電力変換装置が出力する電圧レベルの波形を示す波形図である。 特許文献１に開示してある従来の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す回路図である。図１に示す電力変換装置１０は、異なる５個の電圧レベルを出力することが可能な５レベルインバータである。電力変換装置１０は、４個の直流電源Ｖ、１０個のスイッチ素子Ｓ１～Ｓ１０、４個のダイオードＤ１～Ｄ４、出力端子を備えている。
　電力変換装置１０は、異なる３個の電圧レベルを出力することが可能な２個の３レベルインバータ１０ａ，１０ｂと、２個の３レベルインバータ１０ａ，１０ｂの出力を選択する１個のスイッチ回路１１とを備える。３レベルインバータ１０ａは、直列接続された４個のスイッチ素子Ｓ１～Ｓ４、直列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２、直列接続された直流電源ＶであるコンデンサＣ１，Ｃ２を含んでいる。３レベルインバータ１０ａは、スイッチ素子Ｓ１とスイッチ素子Ｓ２との接続点Ｐ１と、スイッチ素子Ｓ３とスイッチ素子Ｓ４との接続点Ｐ２との間にダイオードＤ１，Ｄ２を直列に接続する。さらに、３レベルインバータ１０ａは、ダイオードＤ１，Ｄ２同士を接続する接続点Ｐ３とスイッチ素子Ｓ１との間にコンデンサＣ１を接続し、接続点Ｐ３とスイッチ素子Ｓ４との間にコンデンサＣ２を接続する。なお、３レベルインバータ１０ｂも、３レベルインバータ１０ａと同じ回路構成であるため、詳細な説明を繰返さない。
　スイッチ回路１１は、スイッチ素子Ｓ９およびスイッチ素子Ｓ１０で構成され、スイッチ素子Ｓ９またはスイッチ素子Ｓ１０がオン状態となることで、３レベルインバータ１０ａまたは３レベルインバータ１０ｂの出力を選択する。
　３レベルインバータ１０ａは、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２をオン状態にすることで、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２におけるコンデンサＣ１のプラス側電位“＋２Ｖ”を出力することができ、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオン状態にすることで、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２同士の接続点Ｐ４の電位“＋１Ｖ”を出力することができる。さらに、３レベルインバータ１０ａは、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４をオン状態にすることで、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２におけるコンデンサＣ２のマイナス側電位“０Ｖ”を出力することができる。したがって、３レベルインバータ１０ａは、“０Ｖ”，“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”の３つの電圧レベルを出力することができる。
　３レベルインバータ１０ｂは、３レベルインバータ１０ａと同じ動作が可能であるため、“０Ｖ”，“－１Ｖ”，“－２Ｖ”の３つの電圧レベルを出力することができる。
　よって、電力変換装置１０は、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ９とスイッチ素子Ｓ１０とのオン状態を切替えることで、直列接続された３レベルインバータ１０ａ，１０ｂのいずれか一方の出力を選択することで、出力端子から異なる５個の電圧レベル（“－２Ｖ”，“－１Ｖ”，“０Ｖ”，“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”）を出力することができる。なお、コンデンサＣ２のマイナス側電位と、コンデンサＣ３のプラス側電位とは、同電位“０Ｖ”である。
　次に、電力変換装置１０の動作について説明する。図２は、図１に示す電力変換装置１０が出力する電圧レベルの波形を示す波形図である。
　まず、電力変換装置１０は、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ９をオン状態（スイッチ素子Ｓ１０はオフ状態）にして、出力端子から電圧レベル“０Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置１０は、時間ｔ１に、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ９をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。
　そして、電力変換装置１０は、時間ｔ２に、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ９をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋２Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置１０は、出力端子から電圧レベルを“＋１”、“０”と順に下げる。
　なお、電力変換装置１０は、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ６をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１０をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“０Ｖ”を出力してもよい。
　電力変換装置１０は、時間ｔ３に、スイッチ素子Ｓ６，Ｓ７をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１０をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－１Ｖ”を出力する。
　そして、電力変換装置１０は、時間ｔ４に、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ８をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１０をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－２Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置１０は、出力端子から電圧レベルを“－１”、“０”と順に上げる。
　電力変換装置１０は、前述のように異なる５個の電圧レベル（“－２Ｖ”，“－１Ｖ”，“０Ｖ”，“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”）を切替え出力する動作を行なうことで、図２に示す破線のような交流電圧を出力することができ、直流電力を交流電力に変換することができる。
　３レベルインバータ１０ａ，１０ｂは、構成するスイッチ素子Ｓ１～Ｓ８、ダイオードＤ１～Ｄ４において、スイッチ素子がオフ状態のときにそれぞれの素子の両端に１個分のコンデンサの電圧が印加されるのみである。スイッチ回路１１は、構成するスイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０において、出力端子から“＋２Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ９をオン状態、スイッチ素子Ｓ１０をオフ状態となるので、スイッチ素子Ｓ１０の両端に２個分のコンデンサの電圧が印加される。また、スイッチ回路１１は、構成するスイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０において、出力端子から“－２Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ１０をオン状態、スイッチ素子Ｓ９をオフ状態となるので、スイッチ素子Ｓ９の両端に２個分のコンデンサの電圧が印加される。
　以上のように、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１０は、３レベルインバータ１０ａ，１０ｂが２つ直列に接続された特別に耐圧の大きな素子が不要な直列３レベルインバータ群と、スイッチ回路１１とを備える構成とすることで、高い電圧が印加される素子をスイッチ回路１１を構成する素子に限定することができる。すなわち、電力変換装置１０は、既存の耐圧の素子を用いた３レベルインバータを２個直列に接続し、３レベルインバータの出力を選択するスイッチ回路を設けるだけで製造できるため、製造が容易な構成とすることができる。
　なお、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、異なる５個の電圧レベルを出力することが可能な電力変換装置に限定されるものではなく、直列に接続された３レベルインバータおよびスイッチ回路を増やすことで、出力する電圧レベルの数を容易に増やすことができる。
　具体的に、図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の別の回路構成を示す回路図である。図３に示す電力変換装置２０は、異なる９個の電圧レベルを出力することが可能な９レベルインバータである。電力変換装置２０は、８個の直流電源Ｖ、２２個のスイッチ素子Ｓ１～Ｓ２２、８個のダイオードＤ１～Ｄ８を備えている。なお、スイッチ素子Ｓ１～Ｓ２２には、フリーホイールダイオードをそれぞれ接続してある。
　電力変換装置２０は、４個の３レベルインバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが直列接続された直列３レベルインバータ群と、２個の３レベルインバータ２０ａ，２０ｂの出力を選択する１個のスイッチ回路２１と、２個の３レベルインバータ２０ｃ，２０ｄの出力を選択する１個のスイッチ回路２２と、前段に接続された２個のスイッチ回路２１，２２の出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように次段のスイッチ回路２３とを備える。
　８個の直流電源Ｖの中間点を中点Ｖ０とし、中点Ｖ０の電圧レベルを“０Ｖ”とする。そのため、中点Ｖ０より上側の４個の直流電源Ｖの接続点の電圧レベルは、中点Ｖ０の側から順に“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”，“＋３Ｖ”となり、中点Ｖ０より下側の４個の直流電源Ｖの接続点の電圧レベルは、中点Ｖ０の側から順に“－１Ｖ”，“－２Ｖ”，“－３Ｖ”となる。また、直流電源Ｖとスイッチ素子Ｓ１との接続点の電圧レベルは“＋４Ｖ”となり、直流電源Ｖとスイッチ素子Ｓ１８との接続点の電圧レベルは“－４Ｖ”となる。
　次に、電力変換装置２０の動作について説明する。図４は、図３に示す電力変換装置２０が出力する電圧レベルの波形を示す波形図である。
　まず、電力変換装置２０は、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ８をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１０をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“０Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置２０は、時間ｔ１に、スイッチ素子Ｓ６，Ｓ７をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１０をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。
　そして、電力変換装置２０は、時間ｔ２に、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ６をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１０をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋２Ｖ”を出力する。
　なお、電力変換装置２０は、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ９をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋２Ｖ”を出力してもよい。
　その後、電力変換装置２０は、時間ｔ３に、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ９をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋３Ｖ”を出力する。
　そして、電力変換装置２０は、時間ｔ４に、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ９をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２１をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋４Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置２０は、出力端子から電圧レベルを“＋３Ｖ”、“＋２Ｖ”、“＋１Ｖ”、“０Ｖ”と順に下げる。
　なお、電力変換装置２０は、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１２をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ１９をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“０Ｖ”を出力してもよい。
　電力変換装置２０は、時間ｔ５に、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ１９をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－１Ｖ”を出力する。
　そして、電力変換装置２０は、時間ｔ６に、スイッチ素子Ｓ１３，Ｓ１４をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ１９をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－２Ｖ”を出力する。
　なお、電力変換装置２０は、スイッチ素子Ｓ１５，Ｓ１６をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ２０をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－２Ｖ”を出力してもよい。
　その後、電力変換装置２０は、時間ｔ７に、スイッチ素子Ｓ１６，Ｓ１７をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ２０をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－３Ｖ”を出力する。
　そして、電力変換装置２０は、時間ｔ８に、スイッチ素子Ｓ１７，Ｓ１８をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ２０をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ２２をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“－４Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置２０は、出力端子から電圧レベルを“－３Ｖ”、“－２Ｖ”、“－１Ｖ”、“０Ｖ”と順に上げる。
　電力変換装置２０は、前述のように異なる９個の電圧レベル（“－４Ｖ”，“－３Ｖ”，“－２Ｖ”，“－１Ｖ”，“０Ｖ”，“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”，“＋３Ｖ”，“＋４Ｖ”）を切替え出力する動作を行なうことで、図４に示す破線のような交流電圧を出力することができ、直流電力を交流電力に変換することができる。
　前述したように、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、直列に接続されるレベルインバータおよびスイッチ回路を増やすことで、出力する電圧レベルの数を増やすことについて、以下のように一般化して表わすことができる。
　つまり、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、２ｎ個直列に接続してある直列３レベルインバータ群と、直列３レベルインバータ群のうちの２個の３レベルインバータの出力を選択する少なくとも１個のスイッチ回路とを備える。そして、スイッチ回路は、直列３レベルインバータ群の隣合う２個の３レベルインバータの出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように２ｎ－１個接続し、スイッチ回路が２個以上の場合、前段に接続された２個のスイッチ回路の出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように次段のスイッチ回路を順に接続して、電力変換装置が１つの出力を得る。
　なお、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、スイッチ動作の説明を簡単にするため、交流１周期に電圧レベルを選択する回数を限定して説明したが、交流１周期に複数回スイッチングして電圧レベルを複数回選択することで、よりきめ細かい交流電圧を出力することができ、高周波のより少ない電力変換装置とすることができる。
　また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、電荷蓄積要素としてコンデンサを用いたが、これに限定されるものではなく、たとえば直流電源を接続してもよい。
　さらに、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、電荷蓄積要素とスイッチ素子またはダイオードとの間を直結しているが、これに限定されるものではなく、たとえばスイッチ素子がオン－オフの過渡状態の電流の急変を抑制するスナバ回路などを設ける構成であってもよい。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１０，２０　電力変換装置、１０ａ，１０ｂ，２０ａ～２０ｄ　レベルインバータ、１１，２１～２３　スイッチ回路、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４　コンデンサ、Ｄ１～Ｄ８　ダイオード。

Claims (2)

  1. 　直列に接続した第１から第４のスイッチ素子と、
    　第１の前記スイッチ素子と第２の前記スイッチ素子との第１接続点と、第３の前記スイッチ素子と第４の前記スイッチ素子との第２接続点との間に、直列に接続した２個のダイオードと、
    　前記ダイオード同士を接続する第３接続点と、第１の前記スイッチ素子との間に接続した第１電荷蓄積要素と、
    　前記第３接続点と、第４の前記スイッチ素子との間に接続した第２電荷蓄積要素とを備え、第１から第４の前記スイッチ素子のオン状態とオフ状態とを組合わせ、３個の電圧レベルを出力することが可能な３レベルインバータを、ｎを１以上の整数とした場合に、２ｎ個直列に接続してある直列３レベルインバータ群と、
    　前記直列３レベルインバータ群のうちの２個の前記３レベルインバータの出力を選択する少なくとも１個のスイッチ回路と
    　を備える電力変換装置であって、
    　前記直列３レベルインバータ群は、隣合う一方の前記３レベルインバータの第４の前記スイッチ素子と前記第２電荷蓄積要素との第４接続点と、隣合う他方の前記３レベルインバータの第１の前記スイッチ素子と前記第１電荷蓄積要素との第５接続点との接続を繰返して２ｎ個の前記３レベルインバータを直列に接続し、
    　前記スイッチ回路は、前記直列３レベルインバータ群の隣合う２個の前記３レベルインバータの出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように２ｎ－１個接続し、
    　前記スイッチ回路が２個以上の場合、前段に接続された２個の前記スイッチ回路の出力のうち、いずれか一方を選択することが可能なように次段の前記スイッチ回路を順に接続して１つの出力を得る、電力変換装置。
  2. 　前記スイッチ素子と前記第１電荷蓄積要素または第２電荷蓄積要素との間、前記ダイオードと前記第１電荷蓄積要素または第２電荷蓄積要素との間に、電流の急変を抑制するスナバ回路をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
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