WO2015049743A1 - ３レベルインバータ - Google Patents

３レベルインバータ Download PDF

Info

Publication number
WO2015049743A1
WO2015049743A1 PCT/JP2013/076859 JP2013076859W WO2015049743A1 WO 2015049743 A1 WO2015049743 A1 WO 2015049743A1 JP 2013076859 W JP2013076859 W JP 2013076859W WO 2015049743 A1 WO2015049743 A1 WO 2015049743A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor switch
diode
level inverter
voltage
module
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/076859
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
山田　隆二
丸山　宏二
田中　孝明
Original Assignee
富士電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士電機株式会社 filed Critical 富士電機株式会社
Priority to EP13895036.5A priority Critical patent/EP2966768A4/en
Priority to CN201380075396.XA priority patent/CN105379098B/zh
Priority to JP2015540306A priority patent/JP6086157B2/ja
Priority to PCT/JP2013/076859 priority patent/WO2015049743A1/ja
Publication of WO2015049743A1 publication Critical patent/WO2015049743A1/ja
Priority to US14/877,318 priority patent/US9705313B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a configuration of a three-level inverter that enables improvement of power conversion efficiency and downsizing and cost reduction of an apparatus.
  • FIG. 6 shows a circuit for one phase of the three-level inverter disclosed in Patent Document 1.
  • reference numeral 1 denotes a DC power source such as a solar cell
  • the semiconductor switches (hereinafter also simply referred to as switches) 4 to 7 made of MOSFETs can control the forward current conduction / cutoff, and are always in the conduction state with respect to the reverse current.
  • the switches 6 and 7 are connected in series in opposite directions to constitute a bidirectional switch capable of controlling current conduction / cutoff in both forward and reverse directions.
  • the switches 4 and 5 are referred to as upper and lower arms, and the series circuit of the switches 6 and 7 is referred to as an intermediate arm.
  • the reactor 8 and the capacitor 9 form an LC filter, and output terminals at both ends of the capacitor 9 are connected to the power system 300 via the transformer 100.
  • the U point (AC terminal) in FIG. 6 has the same potential as point P when the switch 4 is turned on, point N when the switch 5 is turned on, and point M when the switches 6 and 7 are turned on.
  • this circuit can output three voltage levels depending on the ON state of the switches 4 to 7, and the withstand voltage of the switches 6 and 7 constituting the bidirectional switch may be 1/2 that of the switches 4 and 5.
  • Figure 7 shows the output voltage waveform of the circuit, and controls the output voltage V o is passed through a pulse train of U-M voltage with three voltage levels above the LC filter to a sine wave.
  • the voltage E of the DC power source (solar cell) 1 varies greatly depending on environmental conditions.
  • the AC output voltage V o is matched with the system voltage V s by the transformer 100.
  • the system voltage V s varies within a small range, it is generally constant, and the transformation ratio of the transformer 100 is also constant unless tap switching or the like is performed. Therefore, the AC output voltage V o is proportional to the system voltage V s . It is necessary to keep the value almost constant.
  • Circuit of Figure 6 is a kind of voltage source inverter, the AC output voltage V o is therefore the peak value can be controlled within a range equal to or less than the DC input voltage, as shown in FIG. 7, the V o positive peak E 1 or less, the negative peak is E 2 or less. Therefore, V o is a voltage that can be output even if E 1 and E 2 are the minimum values within the operating range, and the transformation ratio of the transformer 100 is determined based on the magnitude of this V o , and E 1 , When E 2 is small, the PWM control pulse width is wide (FIG. 7A), and when E 1 and E 2 are large, the pulse width is narrowed (FIG. 7B), and V o is constant. It keeps in.
  • Figure 8 shows the phase relationship between the AC output voltage V o and the current I.
  • the current paths (1) to (4) shown in FIG. 6 (a) are for the case of power factor 1 in which the polarities of the output voltage and output current match, and (1) and (3) are the voltages in FIG. pathway in application period T a, (2), ( 4) is a pathway in refluxing period T b.
  • the DC voltage, as shown in FIG. 7 (a) is low, especially time ratio is increased to switch 4 or 5 is conducting in the vicinity of the peak of V o, conduction loss ratio in the upper and lower arms is increased.
  • the DC voltage is high as shown in FIG. 7B, the ratio of time during which the switches 6 and 7 are conducted increases, and the conduction loss ratio in the intermediate arm increases.
  • FIG. 7C when the DC voltage is always set to be high using a voltage fluctuation compensation circuit described later, the conduction loss ratio in the upper and lower arms is the same as in FIG. 7A. growing.
  • the transition from the path (1) to (2) in FIG. 6 (a) is performed by turning off the switch 4.
  • the transition from the path (2) to (1) is performed by turning on the gate of the switch 7 and turning off the gate of the switch 6 in advance and switching the switch 4 ⁇ same 6 (MOSFET main body part) ⁇ short circuit current in the same path. This is done by turning on the gate of the switch 4.
  • the antiparallel diode of the switch 6 cuts off the current by reverse recovery.
  • the transition from the paths (3) to (4) and (4) to (3) is the same because of the symmetrical operation. Therefore, in FIG. 6A, the switch 4 or 5 causes a turn-on loss and a turn-off loss, and the switch 6 or 7 causes a reverse recovery loss.
  • the switch 6 or 7 causes a turn-on loss and a turn-off loss
  • the switch 4 or 5 causes a reverse recovery loss.
  • the ratio of the conduction loss generated by each semiconductor switch and the content of the switching loss differ depending on the operating conditions.
  • JP 2010-288415 A (FIG. 3 etc.)
  • SiC-MOSFETs semiconductor switching elements capable of high-speed operation
  • SiC-MOSFETs MOSFETs
  • This type of new element is capable of high-speed switching compared to conventional silicon (silicon) IGBTs (insulated gate bipolar transistors), has less conduction loss for both forward and reverse currents, and has a switching frequency of If the height is increased, there is an advantage that the LC filter can be reduced in size.
  • new devices such as SiC-MOSFETs are more expensive than conventional products, and if this type of new device is used for all the switches 4 to 7, there is a problem that the cost of the device increases.
  • An object of the present invention is to provide a three-level inverter that enables high efficiency and miniaturization while reducing costs by using a conventional inexpensive element as a part of a semiconductor switch. is there.
  • the invention according to claim 1 is capable of controlling on / off of forward current by applying an on signal or an off signal to a control terminal, and is always in a conducting state with respect to a reverse current.
  • One end of a bidirectional switch capable of controlling conduction / cut-off of current in both forward and reverse directions is connected to a series connection point of the first capacitor and the second capacitor, and the first semiconductor switch and the second semiconductor switch The other end of the bidirectional switch is connected to the series connection point of The bidirectional switch is It is possible to control conduction / cutoff of forward current by applying ON signal or OFF signal to the control terminal, and it is always conduction state or always interruption state for reverse current, or non-conduction state without withstand voltage
  • a three-level inverter capable of outputting three voltage levels by the operation of the first to fourth semiconductor switches, At least one of the conditions where the peak value of the AC output voltage is 80% or more of the voltage of the first capacitor or the second capacitor or the condition where the output power factor is 0.8 or more is satisfied. To drive.
  • the invention according to claim 2 is the three-level inverter according to claim 1, wherein the first semiconductor switch and the second semiconductor switch are configured by a semiconductor switching element made of SiC (silicon carbide), or from SiC.
  • the semiconductor switching element is composed of an anti-parallel circuit of a SiC Schottky barrier diode (SiC-SBD).
  • an IGBT or MOSFET made of silicon is used as the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch, and the first diode As the second diode, a diode having a reverse recovery time equal to or shorter than the switching time of the first semiconductor switch or the second semiconductor switch is used.
  • the invention according to claim 4 is the three-level inverter according to claim 3, wherein the first diode and the second diode are SiC-SBD.
  • the series fluctuation is compensated for the voltage fluctuation of the DC power supply between the DC power supply and the series circuit of the first capacitor and the second capacitor.
  • a voltage fluctuation compensation circuit for stabilizing the voltage across the circuit is provided.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch are housed in a first module
  • the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are housed in a second module
  • the first diode and the second diode may be housed in a third module
  • the first to third modules may be connected by a low inductance conductor bar.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch may be housed in a first module, and the third semiconductor switch, the first diode, the fourth semiconductor switch, and the second A diode may be housed in a fourth module, and the first module and the fourth module may be connected by a low-inductance conductor bar.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch are housed in a first module
  • the third semiconductor switch and the first diode are housed in a fifth module
  • the first semiconductor switch is housed in a fifth module.
  • the semiconductor switch and the second diode may be housed in a sixth module, and the first, fifth, and sixth modules may be connected by a low-inductance conductor bar.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. It is a circuit diagram which shows 2nd Embodiment of this invention. It is a circuit diagram which shows the structural example of the intermediate
  • FIG. 3 is a circuit diagram for one phase of a three-level inverter disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 7 is a waveform diagram of a voltage between UM and an AC output voltage of the circuit of FIG. 6.
  • FIG. 7 is a waveform diagram showing a phase relationship between an AC output voltage and a current in the circuit of FIG. 6.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
  • a direct current power source 1 voltage is assumed to be E
  • the series circuit of the semiconductor switches 4 and 5 is referred to as the upper and lower arms.
  • reference numerals 4 and 5 are described as MOSFETs.
  • a series circuit of the reactor 8 and the capacitor 9 constituting the LC filter is connected.
  • the primary winding 101 of the transformer 100 is connected to both ends.
  • the secondary winding 102 of the transformer 100 is connected to the power system 300.
  • the diodes 10 and 11 are high-speed diodes having a small reverse recovery loss and a reverse recovery time equal to or shorter than the switching time of the semiconductor switch 4 or the semiconductor switch 5.
  • SiC-SBD or the like can be used.
  • it is a high-speed diode with a small reverse recovery loss, it may not be SiC-SBD.
  • the circuit of FIG. 1 is configured to output a single-phase AC voltage, but the upper and lower arms composed of semiconductor switches 4 and 5 are connected in parallel for three phases, and the semiconductor switches 4 and 5 of each upper and lower arm are connected.
  • a three-phase AC voltage may be output by connecting an intermediate arm composed of semiconductor switches 12 and 13 between the series connection point and the M point.
  • the voltage variation width of the DC power source 1 can be reduced by some means, therefore that there is no need to set low the rated values of the AC output voltage V o consideration of decrease of the DC voltage.
  • an amount that is reduced by the voltage drop in the upper limit and the circuit of the pulse width in the U point be within 10 [%]
  • the peak value of the AC output voltage V o It is assumed that the operation is performed by setting the DC voltage E 1 or E 2 to be 80% or more of the DC voltage E 1 or E 2 .
  • FIG. 1 is larger than FIG.
  • the upper and lower arms generate turn-on loss and turn-off loss
  • the intermediate arm generates reverse recovery loss by the same operation as in FIG.
  • high-speed elements such as SiC-MOSFET are used for the upper and lower arms, ie, the semiconductor switches 4 and 5
  • high-speed elements such as SiC-SBD are used for the diodes 10 and 11 of the intermediate arms. Any loss in the arms and intermediate arms is reduced.
  • the IGBTs 12 and 13 of the intermediate arms generate turn-on loss and turn-off loss by the same operation as that in FIG. Although these losses are larger than those due to the SiC-MOSFET, the polarity mismatch period T c is short as shown in FIG. 8B, and the instantaneous value of the output current I is relatively small during this period T c . Again, the impact on overall loss is small.
  • the output power factor is high condition, without hardly increasing the loss, of the semiconductor switch in the circuit half (in four in the example of FIG. 1 2) can be replaced with inexpensive conventional elements such as IGBTs.
  • the cost can be further reduced by replacing the anti-parallel diode of the MOSFET 4 or 5 with an element that is inferior in reverse recovery characteristics but inexpensive.
  • the voltage fluctuation compensation circuit 20 is connected to the DC power supply 1. It is connected between a series circuit of capacitors 2 and 3.
  • 21 is a semiconductor switch made of, for example, a MOSFET
  • 22 is a diode connected in series with the semiconductor switch 21, and 23 is connected between the positive electrode of the DC power supply 1 and the anode of the diode 22.
  • This voltage fluctuation compensation circuit 20 constitutes a well-known DC / DC conversion circuit called a step-up chopper, and the DC voltage between PN even when there is voltage fluctuation in the DC power source 1 due to the switching operation of the semiconductor switch 21. Can be kept constant.
  • the voltage fluctuation compensation circuit in this embodiment may have any configuration as long as it can always output a constant DC voltage even when the DC power supply voltage fluctuates.
  • FIGS. 1 and 2 the intermediate arm is configured except that the series connection point between the IGBTs 12 and 13 is connected to the M point and the series connection point between the diodes 10 and 11 is connected to the U point.
  • the configuration shown in FIG. 3 may be used.
  • FIG. 3A shows a connection point between the collector of the IGBT 12 and the cathode of the diode 11 at the point M, and a connection point between the collector of the IGBT 13 and the cathode of the diode 10 at the point U.
  • FIG. 3A shows a connection point between the collector of the IGBT 12 and the cathode of the diode 11 at the point M, and a connection point between the collector of the IGBT 13 and the cathode of the diode 10 at the point U.
  • Is such that the connection point between the emitter of the IGBT 13 and the anode of the diode 10 is connected to the M point, and the connection point between the emitter of the IGBT 12 and the anode of the diode 11 is connected to the U point.
  • the collectors of the IGBTs 12 and 13 in FIG. 3B may be connected to each other.
  • the diodes 10 and 11 are also used as antiparallel diodes for preventing reverse voltage as protection means for the IGBTs 12 and 13 having no reverse breakdown voltage.
  • FIG. 4 is a configuration diagram in which semiconductor switches and diodes used in the circuit of FIG. 1 or FIG. 2 are modularized.
  • 4A shows a first module 201 containing upper and lower arm MOSFETs 4 and 5
  • FIG. 4B shows a second module 202 containing an intermediate arm diode section (diodes 10 and 11), and
  • FIG. 4C Is a third module 203 containing the IGBT part (IGBTs 12 and 13) of the intermediate arm.
  • FIG. 4D shows a fourth module 210 in which the intermediate arm diodes 10 and 11 and the IGBTs 12 and 13 are housed together, and corresponds to the circuit shown in FIG.
  • FIGS. 4E and 4F are examples in which the IGBT 13 and the diode 11 constituting the intermediate arm are accommodated in the fifth module 220 and the IGBT 12 and the diode 10 are similarly accommodated in the sixth module 221.
  • FIG. 5A shows an arrangement / wiring structure using the modules 201, 202, and 203 shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • the first module 201 for the upper and lower arms, the second module 202 for the diode part, and the third module 203 for the IGBT part are all formed in the same shape.
  • 204 is a wiring bar connected to the point P
  • 205 is a wiring bar connected to the N point
  • 206 is a wiring bar connected to the U point.
  • Reference numeral 207 denotes a wiring bar corresponding to the connection point between the diode 11 of the intermediate arm and the IGBT 13
  • 208 denotes a wiring bar corresponding to the connection point between the diode 10 of the intermediate arm and the IGBT 12
  • 209 denotes a wiring bar corresponding to the potential at the M point. It is.
  • the current flowing from the P and N points via the U point is covered with the M point potential which is the return path.
  • FIG. 5A It is well known that when the wiring bars are arranged in parallel, the magnetic flux generated by the current reciprocating in the opposite direction is canceled and the inductance is reduced, and the structure of FIG. 5A is for realizing this. It is.
  • Such a structure has an advantage that a module having a configuration generally used in a two-level circuit as shown in FIGS. 4A to 4C can be used as it is.
  • FIG. 5B shows an arrangement / wiring structure using the modules 201 and 210 shown in FIGS. 4A and 4D.
  • 211 is a wiring bar connected to the P point
  • 212 is the N point.
  • 213 is a wiring bar connected to the point M
  • 214 is a wiring bar connected to the point U.
  • the wiring bar 213 and the other wiring bars 211, 212, and 214 are arranged on the modules 201 and 210 so as to overlap in parallel. According to this structure, there is an advantage that the distance of one circuit can be shortened as compared with FIG.
  • FIG. 5C shows an arrangement / wiring structure using the modules 201, 220, and 221 of FIGS. 4A, 4E, and 4F.
  • 222 is a wiring bar connected to the point P, 223.
  • 224 is a wiring bar connected to the M point
  • 225 is a wiring bar connected to the U point.
  • the wiring bar 224 and the other wiring bars 222, 223, and 225 are arranged on the modules 201, 220, and 221 so as to overlap in parallel. Needless to say, the configuration of the module and the shape of the wiring bar are not limited to those described above.

Abstract

　直流電源１に、コンデンサ２，３の直列回路、及び、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ４，５の直列回路を並列に接続し、コンデンサ２，３の直列接続点（Ｍ点）に、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ１２，１３及びＳｉＣ－ＳＢＤ等のダイオード１０，１１からなる双方向スイッチの一端を接続すると共に、その他端を、半導体スイッチ４，５の直列接続点に接続することにより、半導体スイッチ４，５，１２，１３の動作により３つの電圧レベルを出力可能な３レベルインバータを構成する。交流出力電圧Ｖｏのピーク値がコンデンサ２，３の電圧の８０％以上の値となる条件、または、出力力率が０．８以上となる条件、のうち少なくとも一方の条件を満たすように運転する。これにより、半導体スイッチの一部に従来型の安価な素子を利用可能とし、コストを低減しつつ高効率化、小型化を図る。

Description

３レベルインバータ
　本発明は、電力変換効率の向上及び装置の小型化、低価格化を可能にする３レベルインバータの構成に関するものである。
　図６は、特許文献１に開示された３レベルインバータの一相分の回路を示している。
　図６において、１は太陽電池等の直流電源であり、その電圧Ｅは、直列に接続されたコンデンサ２，３により電圧Ｅ１，Ｅ２（通常はＥ１＝Ｅ２）に分圧される。
　ＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチ（以下、単にスイッチともいう）４～７は、順方向電流の導通／遮断を制御可能であり、逆方向電流に対しては常に導通状態となる。スイッチ６，７は互いに逆方向に直列接続され、順逆両方向の電流の導通／遮断を制御可能な双方向スイッチを構成している。ここでは、便宜的にスイッチ４，５を上下アーム、スイッチ６，７の直列回路を中間アームという。なお、リアクトル８及びコンデンサ９によりＬＣフィルタが構成され、コンデンサ９の両端の出力端子は変圧器１００を介して電力系統３００に連系している。
　図６のＵ点（交流端子）は、スイッチ４のオンによりＰ点と、スイッチ５のオンによりＮ点と、スイッチ６，７のオンによりＭ点と、それぞれ同電位になる。すなわち、この回路はスイッチ４～７のオン状態によって３つの電圧レベルを出力可能であり、双方向スイッチを構成するスイッチ６，７の耐圧はスイッチ４，５の１／２で良いという特徴がある。
　図７は、この回路の出力電圧波形を示しており、前述した３つの電圧レベルを有するＵ－Ｍ間電圧のパルス列をＬＣフィルタに通過させて出力電圧Ｖｏを正弦波に制御している。
　図６の回路を太陽光発電用の連系インバータとして用いる場合、直流電源（太陽電池）１の電圧Ｅは環境条件によって大きく変動する。
　一方、交流出力電圧Ｖｏは、変圧器１００により系統電圧Ｖｓとの間で整合がとられている。系統電圧Ｖｓは僅かな範囲内で変動するが概ね一定であり、変圧器１００の変圧比も、タップ切替等を行わなければ一定であるため、交流出力電圧Ｖｏは系統電圧Ｖｓに比例したほぼ一定値に保つ必要がある。
　図６の回路は電圧形インバータの一種であり、交流出力電圧Ｖｏは、そのピーク値が直流入力電圧以下となる範囲で制御可能であるため、図７に示すように、Ｖｏの正のピークはＥ１以下、負のピークはＥ２以下である。
　従って、ＶｏはＥ１，Ｅ２が運転範囲内の最小値であっても出力可能な電圧とし、このＶｏの大きさに基づいて変圧器１００の変圧比を決定すると共に、Ｅ１，Ｅ２が小さい場合にはＰＷＭ制御のパルス幅を広く（図７（ａ））、Ｅ１，Ｅ２が大きい場合にはパルス幅を狭くして（図７（ｂ））、Ｖｏを一定に保っている。
　図８は、交流出力電圧Ｖｏと電流Iとの位相関係を示している。
　太陽光発電用の連系インバータでは、その発電電力を電力系統３００に供給するため、図８（ａ）のように系統電圧Ｖｓの位相すなわち出力電圧Ｖｏの位相と出力電流Ｉの位相とが概ね一致する力率１運転を行うが、意図的に無効電力を注入することにより、図８（ｂ）のごとく極性不一致期間Ｔｃを作って力率を低下させ、連系点の電圧調整を行う場合もある。
　前述した図６（ａ）に示す電流経路（１）～（４）は、出力電圧及び出力電流の極性が一致する力率１の場合であり、（１），（３）は図７の電圧印加期間Ｔａにおける経路、（２），（４）は還流期間Ｔｂにおける経路である。
　図７（ａ）のように直流電圧が低い場合、特にＶｏのピーク付近ではスイッチ４または５が導通する時間比率が大きくなり、上下アームでの導通損失比率が大きくなる。図７（ｂ）のように直流電圧が高い場合は、スイッチ６，７が導通する時間比率が大きくなり、中間アームでの導通損失比率が大きくなる。なお、図７（ｃ）のように、後述する電圧変動補償回路を用いて直流電圧が常に高くなるように設定した場合には、図７（ａ）と同様に上下アームでの導通損失比率が大きくなる。
　図６（ａ）の経路（１）から（２）への移行は、スイッチ４のターンオフによって行われる。また、経路（２）から（１）への移行は、スイッチ７のゲートをオンし、スイッチ６のゲートを予めオフしてスイッチ４→同６（ＭＯＳＦＥＴ本体部分）→同７の経路の短絡電流を阻止した上で、スイッチ４のゲートをオンして行われる。また、スイッチ４のターンオンに伴い、スイッチ６の逆並列ダイオードが逆回復により電流を遮断する。経路（３）から（４）、（４）から（３）への移行も、対称的な動作のため同様である。従って、図６（ａ）では、スイッチ４または５がターンオン損失及びターンオフ損失を生じ、スイッチ６または７が逆回復損失を生じる。
　一方、図６（ｂ）に示す経路（５）～（８）は、出力電圧及び出力電流の極性が不一致の場合であり、（５），（７）は図７の電圧印加期間Ｔａの経路、（６），（８）は還流期間Ｔｂの経路である。詳述は省略するが、図６（ｂ）では、スイッチ６または７がターンオン損失及びターンオフ損失を生じ、スイッチ４または５が逆回復損失を生じる。
　以上のように、この従来技術では、動作条件によって各半導体スイッチの発生する導通損失の比率やスイッチング損失の内容が異なっている。
特開２０１０－２８８４１５号公報（図３等）
　図６の回路に適用される半導体スイッチとして、近年、ＳｉＣ(炭化珪素)からなるＭＯＳＦＥＴ（以下、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴという）等の高速動作可能な半導体スイッチング素子が実用化されつつある。この種の新型素子は、従来のシリコン（珪素）からなるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）に比べて、高速スイッチングが可能であり、順・逆両方向の電流に対して導通損失が少なく、スイッチング周波数を高くすればＬＣフィルタを小型化できる等の利点もある。
　しかしながら、ＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴ等の新型素子は、従来品に比べて高価であり、この種の新型素子を全てのスイッチ４～７に使用すると、装置のコストが上昇するという問題がある。
　そこで、本発明の解決課題は、半導体スイッチの一部に従来型の安価な素子を利用することにより、コストを低減しつつ高効率化、小型化を可能にした３レベルインバータを提供することにある。
　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、制御端子にオン信号またはオフ信号を印加して順方向電流の導通／遮断を制御可能であり、逆方向電流に対しては常に導通状態となる第１半導体スイッチ及び第２半導体スイッチを備え、
　直流電源に第１コンデンサと第２コンデンサとの直列回路、及び、前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチとの直列回路を並列に接続し、
　前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの直列接続点に、順逆両方向の電流の導通／遮断を制御可能な双方向スイッチの一端を接続すると共に、前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチとの直列接続点に前記双方向スイッチの他端を接続し、
　前記双方向スイッチは、
　制御端子にオン信号またはオフ信号を印加して順方向電流の導通／遮断を制御可能であり、逆方向電流に対しては常に導通状態または常に遮断状態、もしくは耐圧を持たない非導通状態の何れかとなる第３半導体スイッチ及び第４半導体スイッチと、前記第３半導体スイッチに直列接続される第１ダイオードと、前記第４半導体スイッチに直列接続される第２ダイオードと、を有し、前記第３半導体スイッチと前記第１ダイオードとの直列回路、及び、前記第４半導体スイッチと前記第２ダイオードとの直列回路を逆方向に並列接続して構成され、
　前記第１～第４半導体スイッチの動作により３つの電圧レベルを出力可能な３レベルインバータであって、
　交流出力電圧のピーク値が前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサの電圧の８０％以上の値となる条件、または、出力力率が０．８以上となる条件、のうち少なくとも一方の条件を満たすように運転するものである。
　請求項２に係る発明は、請求項１に記載した３レベルインバータにおいて、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを、ＳｉＣ（炭化珪素）からなる半導体スイッチング素子により構成し、または、ＳｉＣからなる半導体スイッチング素子とＳｉＣからなるショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ－ＳＢＤ）との逆並列回路によって構成したものである。
　請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載した３レベルインバータにおいて、前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチとしてシリコンからなるＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを用い、かつ、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードとして、逆回復時間が前記第１半導体スイッチまたは前記第２半導体スイッチのスイッチング時間と同等以下であるものを用いたものである。
　請求項４に係る発明は、請求項３に記載した３レベルインバータにおいて、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードが、ＳｉＣ－ＳＢＤであることを特徴とする。
　請求項５に係る発明は、直流電源に電圧変動がある場合、直流電源と、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの直列回路との間に、前記直流電源の電圧変動を補償して前記直列回路の両端電圧を安定化する電圧変動補償回路を備えたものである。
　なお、請求項６に記載するように、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを第１モジュールに収納し、前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチを第２モジュールに収納し、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを第３モジュールに収納し、前記第１～第３モジュール間を低インダクタンスの導体バーにより接続しても良い。
　また、請求項７に記載するように、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを第１モジュールに収納し、前記第３半導体スイッチ，前記第１ダイオード，前記第４半導体スイッチ及び前記第２ダイオードを第４モジュールに収納し、前記第１モジュールと前記第４モジュールとの間を低インダクタンスの導体バーにより接続しても良い。
　更に、請求項８に記載するように、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを第１モジュールに収納し、前記第３半導体スイッチ及び前記第１ダイオードを第５モジュールに収納し、前記第４半導体スイッチ及び前記第２ダイオードを第６モジュールに収納し、前記第１，第５，第６モジュール間を低インダクタンスの導体バーにより接続しても良い。
　本発明によれば、３レベルインバータを構成する半導体スイッチの半数に安価な従来型素子を使用した場合でも、その全てに新型素子を用いた場合とほぼ同等の効率を得ることができ、これに伴って電力変換効率の低下や装置の大型化を招くおそれもない。
本発明の第１実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。 各実施形態における中間アームの構成例を示す回路図である。 各実施形態における半導体スイッチやダイオードをモジュール化した構成図である。 図４のモジュールを用いた配置・配線構造の説明図である。 特許文献１に開示された３レベルインバータの一相分の回路図である。 図６の回路のＵ－Ｍ間電圧及び交流出力電圧の波形図である。 図６の回路の交流出力電圧と電流との位相関係を示す波形図である。
　以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１において、例えば太陽電池等の直流電源１（電圧をＥとする）には、第１コンデンサ２及び第２コンデンサ３（各コンデンサの電圧はＥ１＝Ｅ２とする）の直列回路と、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ等の高速動作が可能な第１半導体スイッチ４及び第２半導体スイッチ５の直列回路とが、並列に接続されている。なお、図６と同様に、半導体スイッチ４，５の直列回路を上下アームと称する。
　また、以下では、符号４，５をＭＯＳＦＥＴとして説明する。
　ＭＯＳＦＥＴ４，５の直列接続点（Ｕ点）とコンデンサ２，３の直列接続点（Ｍ点）との間には、ＬＣフィルタを構成するリアクトル８とコンデンサ９との直列回路が接続され、コンデンサ９の両端には変圧器１００の一次巻線１０１が接続されている。また、変圧器１００の二次巻線１０２は電力系統３００に接続されている。
　前記Ｍ点とＵ点との間には、第３半導体スイッチ１２と第１ダイオード１０との直列回路と、第４半導体スイッチ１３と第２ダイオード１１との直列回路とが、互いに並列に接続されており、これらの半導体スイッチ１２，１３及びダイオード１０，１１によって中間アームが構成されている。ここで、半導体スイッチ１２，１３は、順方向電流の導通／遮断を制御可能であって逆方向電流に対する特性は問わない素子であり、例えば、シリコンからなるＩＧＢＴが用いられる。なお、以下では、符号１２，１３をＩＧＢＴとして説明する。
　ダイオード１０，１１は逆回復損失が小さく、逆回復時間が半導体スイッチ４または半導体スイッチ５のスイッチング時間と同等以下である高速のダイオードであり、例えば、ＳｉＣ－ＳＢＤ等を用いることができる。勿論、逆回復損失が小さい高速のダイオードであれば、ＳｉＣ－ＳＢＤでなくても良い。
　ここで、図１の回路は単相交流電圧を出力する構成となっているが、半導体スイッチ４，５からなる上下アームを三相分並列に接続すると共に、各上下アームの半導体スイッチ４，５の直列接続点とＭ点との間に半導体スイッチ１２，１３からなる中間アームをそれぞれ接続することにより、三相交流電圧を出力させるように構成しても良い。
　この回路の適用条件として、直流電源１の電圧変動幅を何らかの手段により小さくでき、従って直流電圧の低下を考慮して交流出力電圧Ｖｏの定格値を低く設定する必要がないものとする。この場合、直流電圧の変動幅を１０［％］以内、Ｕ点におけるパルス幅の上限や回路内の電圧降下により低減される分を１０［％］以内として、交流出力電圧Ｖｏのピーク値が直流電圧Ｅ１またはＥ２の８０［％］以上となるように設定して運転するものとする。
　この時のＵ－Ｍ間電圧及び交流出力電圧Ｖｏは、前述した図７（ｃ）に示すようになり、中間アームが導通する還流期間Ｔｂは図７（ｂ）より著しく短くなる。ここで、図１のように中間アームをＩＧＢＴとダイオードとの直列回路によって構成した場合、素子２個分の順電圧降下を生じる。この事情は図６の回路でも同様であり、中間アームにＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを使用する場合には順・逆両方向に対して抵抗特性を示すため、並列接続数を増やすことにより順電圧降下を下げることができる。
　一方、ＩＧＢＴやダイオードは、順電圧降下特性に、電流に依存しない定電圧成分があるので、並列接続数を増やしても順電圧降下の低減には限度がある。従って、同じ電流に対する中間アームの導通損失について見る限り、図６よりも図１の方が大きくなる。
　しかしながら、図１の回路構成において、上述したように中間アームが導通する還流期間Ｔｂの時間比率を小さくすることにより、導通損失の増加が全体損失に与える影響を小さくすることができる。
　この効果は、出力力率が１またはそれに近い値、例えば０．８以上となるように設定すると、更に顕著となる。このように出力力率が１またはそれに近い値である場合には、図７における電圧印加期間Ｔａが長くなる期間と出力電流の瞬時値が大きくなる期間とが概ね一致する。逆に言うと、中間アームの導通期間が長くなるのは電流の瞬時値が小さいゼロクロス付近であるから、そのときに順電圧降下が大きくなっても全体損失の増加は小さくなる。
　次に、出力力率が高い条件におけるスイッチング損失について説明する。
　出力電圧と出力電流との極性が一致する期間では、前述した図６（ａ）と同様の動作により、上下アームがターンオン損失及びターンオフ損失を発生し、中間アームが逆回復損失を発生する。この実施形態では、上下アームすなわち半導体スイッチ４，５にＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ等の高速の素子を用いており、中間アームのダイオード１０，１１にＳｉＣ－ＳＢＤ等の高速の素子を用いているので、上下アーム及び中間アームにおける何れの損失も小さくなる。
　出力電圧と出力電流との極性が一致しない期間では、前述した図６（ｂ）と同様の動作により、中間アームのＩＧＢＴ１２，１３がターンオン損失及びターンオフ損失を発生する。これらの損失はＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴによるものより大きくなるが、図８（ｂ）に示したように極性不一致期間Ｔｃは短く、更にこの期間Ｔｃは出力電流Ｉの瞬時値が比較的小さいので、やはり全体損失への影響は小さくなる。
　以上により、交流出力電圧Ｖｏのピークが直流電圧に近く、出力力率が高い条件においては、損失をほとんど増加させることなく、回路内の半導体スイッチの半数（図１の例では４個中の２個）をＩＧＢＴ等の安価な従来型の素子に置き換えることができる。
　なお、同様の原理より、ＭＯＳＦＥＴ４または５の逆並列ダイオードを、逆回復特性が劣るが安価な素子に置き換えることにより、コストを一層低減することも可能である。
　次に、本発明の第２実施形態を図２に基づいて説明する。
　この第２実施形態では、インバータの直流入力電圧変動が小さいという条件を、例えば太陽電池のような実際の直流電源１の特性に関わらず実現するために、電圧変動補償回路２０を直流電源１とコンデンサ２，３の直列回路との間に接続してある。
　図２の電圧変動補償回路２０において、２１は例えばＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチ、２２は半導体スイッチ２１に直列に接続されたダイオード、２３は直流電源１の正極とダイオード２２のアノードとの間に接続されたリアクトルである。この電圧変動補償回路２０は、昇圧チョッパと呼ばれる周知の直流／直流変換回路を構成しており、半導体スイッチ２１のスイッチング動作により、直流電源１に電圧変動がある場合でもＰ－Ｎ間の直流電圧を一定値に保つことができる。
　この実施形態における電圧変動補償回路は、直流電源電圧が変動しても常に一定の直流電圧を出力可能な回路であれば、いかなる構成であっても良い。
　なお、中間アームの構成としては、図１、図２に示したようにＩＧＢＴ１２，１３同士の直列接続点をＭ点に接続し、ダイオード１０，１１同士の直列接続点をＵ点に接続する以外に、図３に示すような構成であっても構わない。
　図３（ａ）は、ＩＧＢＴ１２のコレクタとダイオード１１のカソードとの接続点をＭ点に接続し、ＩＧＢＴ１３のコレクタとダイオード１０のカソードとの接続点をＵ点に接続したもの、図３（ｂ）はＩＧＢＴ１３のエミッタとダイオード１０のアノードとの接続点をＭ点に接続し、ＩＧＢＴ１２のエミッタとダイオード１１のアノードとの接続点をＵ点に接続したものである。
　また、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）におけるＩＧＢＴ１２，１３のコレクタ同士を接続しても良い。この図３（ｃ）は、逆方向耐圧を持たないＩＧＢＴ１２，１３の保護手段として、ダイオード１０，１１を逆電圧防止用の逆並列ダイオードとして兼用したものである。
　第１実施形態及び第２実施形態では、例えば、図１のＭＯＳＦＥＴ４→ダイオード１０→ＩＧＢＴ１２のように、直流一巡電流経路において種類の異なる３つの半導体素子が直列に存在することになる。一方、高速でスイッチングする素子を用いた回路では、その電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が大きいため、回路上に存在するインダクタンスによりサージ電圧を生じ、素子に対する過電圧の印加がしばしば問題となる。これを防止するためには、上述したような直流一巡電流経路のインダクタンスをできる限り小さくする必要がある。
　一方、大電流を扱う半導体スイッチング素子では、配線用の端子や絶縁用のケースを持つ、ブロック状のモジュールに素子を収納することが多い。
　図４は、図１または図２の回路に用いる半導体スイッチやダイオードをモジュール化した構成図である。
　図４（ａ）は上下アームのＭＯＳＦＥＴ４，５を収納した第１モジュール２０１、図４（ｂ）は中間アームのダイオード部（ダイオード１０，１１）を収納した第２モジュール２０２、図４（ｃ）は中間アームのＩＧＢＴ部（ＩＧＢＴ１２，１３）を収納した第３モジュール２０３である。なお、図４（ｂ），（ｃ）に示したモジュール２０２，２０３は、Ｐ点同士、Ｎ点同士、ＡＣ（Ｕ）点同士を互いに接続して使用される。また、図４（ｄ）は、中間アームのダイオード１０，１１及びＩＧＢＴ１２，１３をまとめて収納した第４モジュール２１０であり、前述した図３（ｃ）の回路に相当している。
　更に、図４（ｅ），（ｆ）は、中間アームを構成するＩＧＢＴ１３及びダイオード１１を第５モジュール２２０に収納し、同じくＩＧＢＴ１２及びダイオード１０を第６モジュール２２１に収納した例である。
　次に、図５（ａ）は図４（ａ），（ｂ），（ｃ）のモジュール２０１，２０２，２０３を用いた配置・配線構造を示している。上下アーム用の第１モジュール２０１、ダイオード部の第２モジュール２０２、ＩＧＢＴ部の第３モジュール２０３は全て同一形状に形成されている。
　図５（ａ）において、２０４はＰ点に接続される配線バー、２０５はＮ点に接続される配線バー、２０６はＵ点に接続される配線バーである。また、２０７は中間アームのダイオード１１とＩＧＢＴ１３との接続点に相当する配線バー、２０８は中間アームのダイオード１０とＩＧＢＴ１２との接続点に相当する配線バー、２０９はＭ点電位に相当する配線バーである。
　この配置・配線構造においては、Ｐ，Ｎ点からＵ点を経由して流れる電流が、帰路であるＭ点電位で覆われている。配線バーを平行に配置すると、往復で逆方向になる電流によって発生する磁束が相殺され、インダクタンスが小さくなることはよく知られており、図５（ａ）の構造はこれを実現するためのものである。このような構造では、図４（ａ）～（ｃ）のような２レベルの回路で一般的に用いられる構成のモジュールをそのまま利用できる利点がある。
　また、図５（ｂ）は図４（ａ），（ｄ）のモジュール２０１，２１０を用いた配置・配線構造を示しており、２１１はＰ点に接続される配線バー、２１２はＮ点に接続される配線バー、２１３はＭ点に接続される配線バー、２１４はＵ点に接続される配線バーである。配線バー２１３と他の配線バー２１１，２１２，２１４はモジュール２０１，２１０上で平行に重なり合うように配置される。この構造によれば、図５（ａ）に比べて一巡回路の距離を短縮できる利点がある。
　図５（ｃ）は図４（ａ），（ｅ），（ｆ）のモジュール２０１，２２０，２２１を用いた配置・配線構造を示しており、２２２はＰ点に接続される配線バー、２２３はＮ点に接続される配線バー、２２４はＭ点に接続される配線バー、２２５はＵ点に接続される配線バーである。配線バー２２４と他の配線バー２２２，２２３，２２５はモジュール２０１，２２０，２２１上で平行に重なり合うように配置される。
　なお、モジュールの構成や配線バーの形状は、上述したものに限定されないことは言うまでもない。
１：直流電源
２，３，９：コンデンサ
４，５：半導体スイッチ
８：リアクトル
１０，１１：ダイオード
１２，１３：半導体スイッチ
２０：電圧変動補償回路（昇圧チョッパ）
２１：半導体スイッチ
２２：ダイオード
２３：リアクトル
１００：変圧器
１０１：一次巻線
１０２：二次巻線
２０１，２０２，２０３，２１０，２２０，２２１：モジュール
２０４，２０５，２０６，２０７，２０８，２０９，２１１，２１２，２１３，２１４，２２２，２２３，２２４，２２５：配線バー
３００：電力系統

Claims (8)

  1. 　制御端子にオン信号またはオフ信号を印加して順方向電流の導通／遮断を制御可能であり、逆方向電流に対しては常に導通状態となる第１半導体スイッチ及び第２半導体スイッチを備え、
    　直流電源に、第１コンデンサと第２コンデンサとの直列回路、及び、前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチとの直列回路を並列に接続し、
    　前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの直列接続点に、順逆両方向の電流の導通／遮断を制御可能な双方向スイッチの一端を接続すると共に、前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチとの直列接続点に前記双方向スイッチの他端を接続し、
    　前記双方向スイッチは、
    　制御端子にオン信号またはオフ信号を印加して順方向電流の導通／遮断を制御可能であり、逆方向電流に対しては常に導通状態または常に遮断状態、もしくは耐圧を持たない非導通状態の何れかとなる第３半導体スイッチ及び第４半導体スイッチと、前記第３半導体スイッチに直列接続される第１ダイオードと、前記第４半導体スイッチに直列接続される第２ダイオードと、を有し、前記第３半導体スイッチと前記第１ダイオードとの直列回路、及び、前記第４半導体スイッチと前記第２ダイオードとの直列回路を逆方向に並列接続して構成され、
    　前記第１～第４半導体スイッチの動作により３つの電圧レベルを出力可能な３レベルインバータであって、
    　交流出力電圧のピーク値が前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサの電圧の８０％以上の値となる条件、または、出力力率が０．８以上となる条件、のうち少なくとも一方の条件を満たすように運転することを特徴とする３レベルインバータ。
  2. 　請求項１に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを、炭化珪素からなる半導体スイッチング素子により構成し、または、炭化珪素からなる半導体スイッチング素子と炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードとの逆並列回路によって構成したことを特徴とする３レベルインバータ。
  3. 　請求項１または請求項２に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチとしてシリコンからなるＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを用い、かつ、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードとして、逆回復時間が前記第１半導体スイッチまたは前記第２半導体スイッチのスイッチング時間と同等以下であるものを用いたことを特徴とする３レベルインバータ。
  4. 　請求項３に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードが、炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードであることを特徴とする３レベルインバータ。
  5. 　請求項１～４の何れか１項に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記直流電源と、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの直列回路との間に、前記直流電源の電圧変動を補償して前記直列回路の両端電圧を安定化する電圧変動補償回路を備えたことを特徴とする３レベルインバータ。
  6. 　請求項１～４の何れか１項に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを第１モジュールに収納し、前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチを第２モジュールに収納し、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを第３モジュールに収納し、前記第１～第３モジュール間を低インダクタンスの導体バーにより接続したことを特徴とする３レベルインバータ。
  7. 　請求項１～４の何れか１項に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを第１モジュールに収納し、前記第３半導体スイッチ，前記第１ダイオード，前記第４半導体スイッチ及び前記第２ダイオードを第４モジュールに収納し、前記第１モジュールと前記第４モジュールとの間を低インダクタンスの導体バーにより接続したことを特徴とする３レベルインバータ。
  8. 　請求項１～４の何れか１項に記載した３レベルインバータにおいて、
    　前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチを第１モジュールに収納し、前記第３半導体スイッチ及び前記第１ダイオードを第５モジュールに収納し、前記第４半導体スイッチ及び前記第２ダイオードを第６モジュールに収納し、前記第１，第５，第６モジュール間を低インダクタンスの導体バーにより接続したことを特徴とする３レベルインバータ。
PCT/JP2013/076859 2013-10-02 2013-10-02 ３レベルインバータ WO2015049743A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13895036.5A EP2966768A4 (en) 2013-10-02 2013-10-02 Three-level inverter
CN201380075396.XA CN105379098B (zh) 2013-10-02 2013-10-02 三电平逆变器
JP2015540306A JP6086157B2 (ja) 2013-10-02 2013-10-02 ３レベルインバータ
PCT/JP2013/076859 WO2015049743A1 (ja) 2013-10-02 2013-10-02 ３レベルインバータ
US14/877,318 US9705313B2 (en) 2013-10-02 2015-10-07 Three-level inverter employing a bidirectional switch, and modular structure therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2013/076859 WO2015049743A1 (ja) 2013-10-02 2013-10-02 ３レベルインバータ

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/877,318 Continuation US9705313B2 (en) 2013-10-02 2015-10-07 Three-level inverter employing a bidirectional switch, and modular structure therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015049743A1 true WO2015049743A1 (ja) 2015-04-09

Family

ID=52778356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/076859 WO2015049743A1 (ja) 2013-10-02 2013-10-02 ３レベルインバータ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9705313B2 (ja)
EP (1) EP2966768A4 (ja)
JP (1) JP6086157B2 (ja)
CN (1) CN105379098B (ja)
WO (1) WO2015049743A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2016031042A1 (ja) * 2014-08-29 2017-04-27 東芝三菱電機産業システム株式会社 コンバータおよびそれを用いた電力変換装置
JPWO2016031037A1 (ja) * 2014-08-29 2017-06-01 東芝三菱電機産業システム株式会社 インバータ
JP2017189026A (ja) * 2016-04-06 2017-10-12 富士電機株式会社 ３レベル電力変換回路
JP2018182944A (ja) * 2017-04-18 2018-11-15 富士電機株式会社 電力変換装置
US10418801B2 (en) * 2016-04-14 2019-09-17 Fuji Electric Co., Ltd. Three-level chopper apparatus
DE102022111100A1 (de) 2021-07-02 2023-01-05 Mitsubishi Electric Corporation Halbleitervorrichtung, Halbleitermodul und Leistungsumwandlungseinrichtung

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3014734B8 (en) * 2013-06-28 2022-04-27 BYD Company Limited Power system for electric vehicle,electric vehicle and motor controller
EP2966768A4 (en) * 2013-10-02 2017-03-01 Fuji Electric Co., Ltd. Three-level inverter
JP6160780B2 (ja) * 2014-08-26 2017-07-12 富士電機株式会社 ３レベル電力変換装置
JP6304017B2 (ja) * 2014-12-18 2018-04-04 三菱電機株式会社 半導体装置
US10439516B2 (en) * 2015-06-23 2019-10-08 Nissan Motor Co., Ltd. Inverter with charging capability
JP6613883B2 (ja) * 2015-12-25 2019-12-04 富士電機株式会社 ３レベル電力変換回路
JP6690280B2 (ja) * 2016-02-12 2020-04-28 株式会社豊田自動織機 半導体モジュール
WO2017175394A1 (ja) * 2016-04-08 2017-10-12 東芝三菱電機産業システム株式会社 マルチレベル電力変換装置
JP6602263B2 (ja) * 2016-05-30 2019-11-06 株式会社東芝 半導体装置、半導体装置の製造方法、インバータ回路、駆動装置、車両、及び、昇降機
JP6575450B2 (ja) * 2016-07-15 2019-09-18 株式会社デンソー 回転電機装置
DE102017100530A1 (de) * 2017-01-12 2018-07-12 Danfoss Silicon Power Gmbh Drei-Stufen-Leistungsmodul
WO2018135159A1 (ja) * 2017-01-18 2018-07-26 富士電機株式会社 ３レベル・インバータ
CN109391161A (zh) * 2017-08-10 2019-02-26 台达电子企业管理（上海）有限公司 电力电子变换单元及系统
JP6977469B2 (ja) * 2017-10-18 2021-12-08 富士電機株式会社 炭化珪素ｍｏｓｆｅｔインバータ回路
DE102019203982B4 (de) * 2019-03-22 2020-12-31 Siemens Aktiengesellschaft Schalteinrichtung für einen Gleichspannungsstromkreis
CN110401357A (zh) * 2019-07-30 2019-11-01 江苏舾普泰克自动化科技有限公司 一种低损耗节能型船用逆变器
CN111064371B (zh) * 2019-12-26 2024-04-05 杭州电子科技大学 混合五电平双向dc/dc变流器及其电压匹配调制方法
US10965221B1 (en) * 2020-09-01 2021-03-30 King Abdulaziz University Switched capacitor based boost inverter topology with a higher number of levels and higher voltage gain
US11159095B1 (en) * 2020-11-12 2021-10-26 King Abdulaziz University 11-level boost active neutral point clamped inverter topology with higher voltage gain

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010252450A (ja) * 2009-04-13 2010-11-04 Fuji Electric Systems Co Ltd 電力変換装置
JP2010288415A (ja) 2009-06-15 2010-12-24 Fuji Electric Systems Co Ltd ３レベル電力変換装置
JP2013102674A (ja) * 2011-10-14 2013-05-23 Meidensha Corp マルチレベル電力変換器
JP5339018B1 (ja) * 2012-10-02 2013-11-13 富士電機株式会社 電力変換器、この電力変換器を備えるインバータ装置

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE523523C2 (sv) * 2001-09-21 2004-04-27 Abb Ab Strömriktare samt förfarande för styrning därav
TW200709544A (en) * 2005-08-29 2007-03-01 Ind Tech Res Inst Transformer-free power conversion circuit for parallel connection with commercial electricity system
WO2007087732A1 (de) * 2006-02-01 2007-08-09 Abb Research Ltd Schaltzelle sowie umrichterschaltung zur schaltung einer vielzahl von spannungsniveaus
DE102006016502A1 (de) * 2006-04-07 2007-10-18 Siemens Ag Wechselrichter
US7602228B2 (en) * 2007-05-22 2009-10-13 Semisouth Laboratories, Inc. Half-bridge circuits employing normally on switches and methods of preventing unintended current flow therein
DE102009002332A1 (de) * 2009-04-09 2010-10-14 Infineon Technologies Ag Mehrstufenumrichter mit selbstleitenden Transistoren
US8611120B2 (en) * 2009-06-19 2013-12-17 Mitsubishi Electric Corporation Power conversion apparatus
JP2011109789A (ja) * 2009-11-17 2011-06-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd 電力変換装置
EP2413489B1 (en) * 2010-07-30 2013-09-11 Vinotech Holdings S.à.r.l. Highly efficient half-bridge DC/AC converter
JP2012044824A (ja) * 2010-08-23 2012-03-01 Fuji Electric Co Ltd 電力変換装置
KR101510181B1 (ko) * 2010-09-06 2015-04-10 삼성전자 주식회사 전원공급회로
DK2456059T3 (en) * 2010-11-17 2018-08-27 Abb Schweiz Ag Switch branch module for a three level converter and method for controlling this switch branch
CN201947194U (zh) * 2010-12-28 2011-08-24 威海华东电源有限公司 并联boost单相并网逆变器
DE102011017082B4 (de) * 2011-04-14 2021-05-20 Texas Instruments Deutschland Gmbh Stromversorgungseinheit und Verfahren für ihren Betrieb
JP5800133B2 (ja) 2011-07-07 2015-10-28 富士電機株式会社 電力変換装置およびこれを用いたインバータ装置
US8675379B2 (en) * 2011-08-08 2014-03-18 General Electric Company Power converting apparatus having improved electro-thermal characteristics
JP5849586B2 (ja) * 2011-10-06 2016-01-27 富士電機株式会社 ３レベル電力変換回路システム
JP5726055B2 (ja) 2011-12-01 2015-05-27 三菱電機株式会社 電力変換装置
CN102611342B (zh) * 2012-03-13 2014-10-08 华为技术有限公司 三电平逆变器
WO2013145854A1 (ja) * 2012-03-30 2013-10-03 富士電機株式会社 電力変換装置
JP6098207B2 (ja) * 2013-02-13 2017-03-22 富士電機株式会社 電力変換装置
DE102013104081B3 (de) * 2013-04-23 2014-05-15 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg 3-Level-Stromrichterhalbbrücke
EP2966768A4 (en) * 2013-10-02 2017-03-01 Fuji Electric Co., Ltd. Three-level inverter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010252450A (ja) * 2009-04-13 2010-11-04 Fuji Electric Systems Co Ltd 電力変換装置
JP2010288415A (ja) 2009-06-15 2010-12-24 Fuji Electric Systems Co Ltd ３レベル電力変換装置
JP2013102674A (ja) * 2011-10-14 2013-05-23 Meidensha Corp マルチレベル電力変換器
JP5339018B1 (ja) * 2012-10-02 2013-11-13 富士電機株式会社 電力変換器、この電力変換器を備えるインバータ装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2966768A4

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2016031042A1 (ja) * 2014-08-29 2017-04-27 東芝三菱電機産業システム株式会社 コンバータおよびそれを用いた電力変換装置
JPWO2016031037A1 (ja) * 2014-08-29 2017-06-01 東芝三菱電機産業システム株式会社 インバータ
US10116228B2 (en) 2014-08-29 2018-10-30 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Converter and power conversion device manufactured using the same
JP2017189026A (ja) * 2016-04-06 2017-10-12 富士電機株式会社 ３レベル電力変換回路
US10418801B2 (en) * 2016-04-14 2019-09-17 Fuji Electric Co., Ltd. Three-level chopper apparatus
JP2018182944A (ja) * 2017-04-18 2018-11-15 富士電機株式会社 電力変換装置
DE102022111100A1 (de) 2021-07-02 2023-01-05 Mitsubishi Electric Corporation Halbleitervorrichtung, Halbleitermodul und Leistungsumwandlungseinrichtung
US11936305B2 (en) 2021-07-02 2024-03-19 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device, semiconductor module, and power conversion apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP6086157B2 (ja) 2017-03-01
JPWO2015049743A1 (ja) 2017-03-09
CN105379098A (zh) 2016-03-02
EP2966768A4 (en) 2017-03-01
EP2966768A1 (en) 2016-01-13
CN105379098B (zh) 2018-09-21
US9705313B2 (en) 2017-07-11
US20160028224A1 (en) 2016-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6086157B2 (ja) ３レベルインバータ
Wang et al. Overview of silicon carbide technology: Device, converter, system, and application
US8861235B2 (en) Power converting apparatus
US20170294850A1 (en) Multilevel converter
JP6191965B2 (ja) 電力変換装置、およびそれを用いたパワーコンディショナ
US9130476B2 (en) Power semiconductor device and power conversion system using the device
EP3174190A1 (en) Three level converter
JP6454936B2 (ja) 電力変換装置、およびそれを用いたパワーコンディショナ
JP5369922B2 (ja) ３レベル電力変換装置
US20170324316A1 (en) Semiconductor device
EP2833537A2 (en) Multilevel converter system
US10554150B2 (en) Three-level inverter
EP2728734A1 (en) A three-level neutral-point-clamped inverter
JP5929277B2 (ja) ３レベル電力変換装置
KR20140013863A (ko) 3-레벨 중성점 클램핑 다이오드 인버터 회로 및 이의 펄스폭 제어 방법
JP5726055B2 (ja) 電力変換装置
US11848620B2 (en) Three-level power conversion device
JP6455793B2 (ja) 電力変換装置、及びそれを用いたパワーコンディショナ
JP5488244B2 (ja) パワー半導体モジュール
US11750109B2 (en) Power conversion device
Etxeberria-Otadui et al. Analysis of IGCT current clamp design for single phase H-bridge converters
US20230261562A1 (en) Power conversion device and control method thereof
KR20220004412A (ko) 전력 변환 장치 및 그 제어 방법
JP5879705B2 (ja) 電力変換装置
CN103219909B (zh) 一种集成门极换向晶闸管五电平功率模块

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13895036

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015540306

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013895036

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE