JP2014128154A - 直列多重電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の利用率を高めてコスト上の無駄をなくすようにした直列多重電力変換装置を提供する。
【解決手段】Ｎ（Ｎは正の整数）個の単相インバータセル３１と１個の単相片アームインバータセル３２Ａとに、互いに絶縁された電源電圧を入力すると共に、インバータセル３１，３２Ａの出力電圧が加算されるようにインバータセル３１，３２Ａを直列に接続して一相分の電力変換器を構成し、この電力変換器の一方の交流出力端子を中性点Ｏとし、かつ、他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子として、Ｍ（Ｍは２以上の整数）台の電力変換器をスター結線することにより、Ｍ相の交流電圧を出力可能とする。複数の単相インバータセルのみを直列接続する場合に対して、所望の出力電圧をインバータセルの最適な直列接続数によって得ることができ、各インバータセルの能力を無駄にすることなく装置の利用率を向上させ、部品数の減少及びコストの低減を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相インバータセルと単相片アームインバータセルとを直列に接続して構成される直列多重電力変換装置に関するものである。

図５は、複数の単相インバータセルを直列に接続して構成された従来の直列多重電力変換装置を示しており、１は三相交流電源、２は互いに絶縁された複数の二次巻線(三相)を有する変圧器、３１〜３９は単相３レベルインバータセルを示している。ここで、単相３レベルインバータセル３１〜３９は２系統の交流入力端子が変圧器２の二次巻線にそれぞれ接続されている。また、インバータセル３１，３２，３３の交流出力端子が直列に接続されてＵ相電力変換器を構成し、インバータセル３４，３５，３６の交流出力端子が直列に接続されてＶ相電力変換器を構成していると共に、インバータセル３７，３８，３９の交流出力端子が直列に接続されてＷ相電力変換器を構成している。
これらのＵ相電力変換器、Ｖ相電力変換器、Ｗ相電力変換器は中性点Ｏによりスター結線され、インバータセル３３，３６，３９の各一方の交流出力端子がＵ，Ｖ，Ｗ各相の出力端子となっている。

上記構成の直列多重電力変換装置は、三相の高電圧を出力可能な電力変換装置として知られており、例えば特許文献１、特許文献２には、図５とほぼ同様に構成された直列多重電力変換装置が記載されている。
すなわち、図６は、特許文献１，２に記載された直列多重電力変換装置を概略的に示したもので、３０は直流電圧を交流電圧に変換する単相３レベルインバータセル、４０はバッテリーやコンデンサ等の直流電圧源、Ｍは三相交流電動機等の負荷である。この直列多重電力変換装置は、単相３レベルインバータセル３０の入力が直流電圧である点を除けば、基本的な動作は図５と同一である。

ここで、図５に示した単相３レベルインバータセル（例えば３１）の構成は、図７に示すとおりであり、このインバータセルの主要部は、前述した特許文献１の図１２（ｂ）や特許文献２の図６にも記載されている。
図７において、１０１は前記変圧器２の二次巻線に接続される第１の交流入力端子、１０２は第１の順変換器（整流器）、１０３は第１の平滑コンデンサ、１０４は前記二次巻線とは絶縁された別系統の二次巻線に接続される第２の交流入力端子、１０５は第２の順変換器、１０６は第２の平滑コンデンサ、１０７〜１１４はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、１１５〜１２２は還流ダイオード、１２３〜１２６はクランプダイオード、１２７は第１の交流出力端子、１２８は第２の交流出力端子である。
ここで、スイッチング素子１０７〜１１０を有する上下アーム部を第１の上下アーム部といい、スイッチング素子１１１〜１１４を有する上下アーム部を第２の上下アーム部という。また、スイッチング素子１０７，１０８からなる上アームを第１上アーム、同１０９，１１０からなる下アームを第１下アーム、同１１１，１１２からなる上アームを第２上アーム、同１１３，１１４からなる下アームを第２下アームという。

次に、図７の回路の動作を簡単に説明する。
変圧器２の２系等の二次巻線から交流入力端子１０１，１０４にそれぞれ三相交流電圧を印加した状態でスイッチング素子１０７，１０８を導通させ、スイッチング素子１０９，１１０を非導通にすると、交流出力端子１２７からは直流回路の高電位側の電圧（コンデンサ１０３の正側出力電圧）が出力される。また、スイッチング素子１０７，１１０を非導通にしてスイッチング素子１０８，１０９を導通させると、クランプダイオード１２３，１２４の作用により、交流出力端子１２７からは中性点電位（コンデンサ１０３，１０６同士の接続点の電圧）が出力される。更に、スイッチング素子１０７，１０８を非導通にしてスイッチング素子１０９，１１０を導通させると、交流出力端子１２７からは低電位側の電圧（コンデンサ１０６の負側出力電圧）が出力される。

上記の動作を繰り返すことにより、交流出力端子１２７から３レベルの交流電圧を出力することができる。同様にして、交流出力端子１２８については、スイッチング素子１１１〜１１４の導通・非導通を制御することにより３レベルの交流電圧を出力することができる。このため、交流出力端子１２７，１２８間の電圧は、５つのレベルで変化することになり、一般に単相３レベルインバータセルをｎ（ｎは２以上の整数）個直列接続すると、出力電圧のレベル数は最大で４ｎ＋１となる。
このように、単相３レベルインバータセルを複数個直列接続する方式は、単相２レベルインバータセルを複数個直列接続する方式と比較して、１セル当りの出力電圧が大きくなり、少ないセル数で高電圧を出力できる利点がある。

特開２００６−３２０１０３号公報（図１，図１１，図１９等） 特開２０１２−１４７５５９号公報（図１等）

さて、図５に示したように、各相につき単相３レベルインバータセルを３個直列接続した場合の出力電圧に対して、その１／２の出力電圧が必要な場合、理論的には単相３レベルインバータセルを１．５個、直列に接続すれば良いが、物理的にそのような回路構成は実現不可能である。特に、多様な大きさの系統電圧に単相３レベルインバータセルを連系させる場合には、インバータセルの最適な直列接続数を選択できない事態が生じる。

このため、例えばインバータセルの理論的な直列接続数が１．５個である場合には、図８に示すように、各相につきインバータセルの直列接続数を２個にしてその出力電圧の範囲内で所望の出力電圧（インバータセルの直列接続数が１．５個分の出力電圧）を得る必要がある。
しかしながら、図８の直列多重電力変換装置では、各相の出力可能な電圧は図５の直列多重電力変換装置の２／３であるのに対して、実際に使用する電圧は図５の直列多重電力変換装置の１／２となる。すなわち、図８の直列多重電力変換装置が出力可能な電圧を意図的に低減して使用せざるを得ないため装置の利用率が低く、出力電圧を低減させる分だけコストを無駄にしていることになる。
そこで、本発明の解決課題は、装置の利用率を高めてコスト上の無駄をなくすようにした直列多重電力変換装置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、Ｎ（Ｎは正の整数）個の単相インバータセルと単一の単相片アームインバータセルとに、互いに絶縁された電源電圧を入力し、単相インバータセルの出力電圧と単相片アームインバータセルの出力電圧とが加算されるように全てのインバータセルを直列に接続して一相分の電力変換器を構成する。そして、この電力変換器の一方の交流出力端子を中性点とし、かつ、他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子とすると共に、Ｍ（Ｍは２以上の整数）台の電力変換器を中性点にて接続してスター結線することにより、Ｍ相の交流電圧を出力可能としたものである。
ここで、単相インバータセルは、複数の半導体スイッチング素子を直列に接続してなる上下アーム部を２個、並列に接続し、前記上下アーム部の上アームと下アームとの接続点から交流電圧を出力する。
また、単相片アームインバータセルは、複数の半導体スイッチング素子を直列に接続してなる単一の上下アーム部と２個の平滑コンデンサの直列回路とを並列に接続し、前記単一の上下アーム部の各アーム同士の接続点と２個の平滑コンデンサ同士の接続点とから交流電圧を出力する。

ここで、請求項２に記載するように、前記単相インバータセルを、各交流出力端子の電位が３つのレベルを持ち、請求項３のように構成された単相３レベルインバータセルとし、前記単相片アームインバータセルを、出力可能な交流電圧が単相３レベルインバータセルの出力電圧の１／２であって、請求項４のように構成された単相片アーム３レベルインバータセルとすることができる。

また、請求項５に記載するように、一相分の前記電力変換器において、Ｎ個の単相３レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線から、位相差が順次、６０°／（２Ｎ＋１）ずつずれた交流電圧を各単相３レベルインバータセルにそれぞれ入力し、単相片アーム３レベルインバータセルには、別の二次巻線から、隣接する単相３レベルインバータセルへの入力電圧との位相差が６０°／（２Ｎ＋１）であって互いに同位相の交流電圧を入力することが望ましい。
この場合、請求項６に記載するように、Ｎ個の単相３レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線の容量に対して、単相片アーム３レベルインバータセルに接続された別の二次巻線の容量を５０〜６０％にすることができる。

更に、請求項７に記載するように、前記単相インバータセルを、各交流出力端子の電位が２つのレベルを持ち、請求項８のように構成された単相２レベルインバータセルとし、前記単相片アームインバータセルを、出力可能な交流電圧が単相２レベルインバータセルの出力電圧の１／２であって、請求項９のように構成された単相片アーム２レベルインバータセルとしても良い。

本発明によれば、Ｎ個の単相インバータセルと１個の単相片アームインバータセルとを直列接続して一相分の電力変換器を構成することにより、複数の単相インバータセルのみを直列接続する場合に比べて、要求される出力電圧を最適な直列接続数によって得ることができる。このため、各インバータセルの能力を無駄にすることなく装置の利用率を向上させ、部品数の減少及びコストの低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成図である。 図１における単相片アーム３レベルインバータセルの構成図である。 単相２レベルインバータセルの構成図である。 単相片アーム２レベルインバータセルの構成図である。 直列多重電力変換装置の従来技術を示す構成図である。 特許文献１，２に記載された直列多重電力変換装置の概略的な構成図である。 単相３レベルインバータセルの構成図である。 単相３レベルインバータセルを２個直列接続した一相分の電力変換器を有する直列多重電力変換装置の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成図である。図１において、前記同様に１は三相交流電源、２は一次巻線２１が三相交流電源１に接続され、かつ、互いに絶縁された複数の二次巻線(三相)２３１ａ，２３１ｂ，２３４ａ，２３４ｂ，２３７ａ，２３７ｂ，２３２ａ，２３２ｂ，２３５ａ，２３５ｂ，２３８ａ，２３８ｂを有する変圧器である。また、３１，３４，３７は、二組の交流入力端子が各２系統の二次巻線２３１ａ，２３１ｂ，２３４ａ，２３４ｂ，２３７ａ，２３７ｂにそれぞれ接続された単相３レベルインバータセルであり、その回路構成は図７に示した通りである。
更に、３２Ａ，３５Ａ，３８Ａは、二組の交流入力端子が各２系統の二次巻線２３２ａ，２３２ｂ，２３５ａ，２３５ｂ，２３８ａ，２３８ｂにそれぞれ接続された単相片アーム３レベルインバータセルである。なお、これらのインバータセル３２Ａ，３５Ａ，３８Ａの回路構成については後述する。

単相３レベルインバータセル３１及び単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａの交流出力端子は直列に接続されてＵ相電力変換器を構成し、単相３レベルインバータセル３４及び単相片アーム３レベルインバータセル３５Ａの交流出力端子は直列に接続されてＶ相電力変換器を構成し、単相３レベルインバータセル３７及び単相片アーム３レベルインバータセル３８Ａの交流出力端子は直列に接続されてＷ相電力変換器を構成している。
そして、単相３レベルインバータセル３１，３４，３７の各一方の交流出力端子は中性点Ｏにて共通接続され、単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａ，３５Ａ，３８Ａの各一方の交流出力端子（インバータセル３１，３４，３７とは反対側の交流出力端子）がＵ，Ｖ，Ｗ各相の出力端子となっている。
なお、各相の単相３レベルインバータセルの個数は１個に限らず、複数個を直列に接続しても良く、一般にＮ（Ｎは正の整数）個であれば良い。

次に、単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａ，３５Ａ，３８Ａの回路構成を図２に基づいて説明する。なお、これらのインバータセル３２Ａ，３５Ａ，３８Ａの構成はすべて同一であるため、ここではインバータセル３２Ａを例に挙げて説明する。
図２において、２０１は変圧器２の二次巻線２３２ａに接続される第３の交流入力端子、２０２は第３の順変換器（整流器）、２０３は第３の平滑コンデンサ、２０４は変圧器２の二次巻線２３２ｂに接続される第４の交流入力端子、２０５は第４の順変換器、２０６は第４の平滑コンデンサ、２０７〜２１０は互いに直列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、２１５〜２１８はスイッチング素子２０７〜２１０にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、２２３，２２４はクランプダイオード、２２７は第３の交流出力端子、２２８は第４の交流出力端子である。なお、交流出力端子２２７は図１におけるＵ相の出力端子となり、交流出力端子２２８は単相３レベルインバータセル３１の一方の交流出力端子に接続される。
ここで、スイッチング素子２０７〜２１０を有する上下アーム部を第３の上下アーム部といい、スイッチング素子２０７，２０８からなる上アームを第３上アーム、同２０９，２１０からなる下アームを第３下アームという。
図２から明らかなように、単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａは、図７に示した単相３レベルインバータセル３１の第１，第２の上下アーム部の一方及びそのクランプダイオードを除去した構成に相当する。

上記構成において、クランプダイオード２２３，２２４の直列回路はスイッチング素子２０７，２０８同士の接続点とスイッチング素子２０９，２１０同士の接続点との間に接続されている。また、スイッチング素子２０８，２０９同士の接続点は第３の交流出力端子２２７に接続されると共に、順変換器２０２，２０５同士の接続点と、平滑コンデンサ２０３，２０６同士の接続点と、クランプダイオード２２３，２２４同士の接続点とは、全て第４の交流出力端子２２８に接続されている。

次いで、この実施形態の動作を説明する。
図１における単相３レベルインバータセル３１，３４，３７の動作は、図７に示した単相３レベルインバータセル３１の動作と同様であり、各インバータセル３１，３４，３７の交流出力端子から３レベルの交流電圧が出力される。

図２に示した単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａ（３５Ａ，３８Ａも同様）の動作は、以下の通りである。
前記二次巻線２３２ａ，２３２ｂから交流入力端子２０１，２０４にそれぞれ三相交流電圧を印加した状態でスイッチング素子２０７，２０８を導通させ、スイッチング素子２０９，２１０を非導通にすると、交流出力端子２２７からは高電位側の電圧（コンデンサ２０３の正側出力電圧）が出力される。また、スイッチング素子２０７，２１０を非導通にしてスイッチング素子２０８，２０９を導通させると、クランプダイオード２２３，２２４の作用により、交流出力端子２２７からは中性点電位（コンデンサ２０３，２０６同士の接続点の電圧）が出力される。更に、スイッチング素子２０７，２０８を非導通にしてスイッチング素子２０９，２１０を導通させると、交流出力端子２２７からは低電位側の電圧（コンデンサ２０６の負側出力電圧）が出力される。

上記の動作を繰り返すことにより、交流出力端子２２７からは３レベルの交流電圧が出力されるが、図７の単相３レベルインバータセル３１と比べると交流出力端子２２８の電位が中性点電位によって固定されているので、交流出力端子２２７，２２８間に出力可能な電圧の大きさは図７の単相３レベルインバータセル３１に対して１／２となる。このことは、他の単相片アーム３レベルインバータセル３５Ａ，３８Ａについても同様である。
従って、図１の実施形態によれば、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相が出力可能な電圧は単相３レベルインバータセル３１，３４，３７のそれぞれ１．５倍となる。

このため、従来であれば、図８に示したように単相３レベルインバータセルを２個、直列に接続して得られる電圧の範囲内で実現していた１．５個分の出力電圧を、単相３レベルインバータセルと単相片アーム３レベルインバータセルとの直列接続回路によって実現することができる。
言い換えれば、二つのインバータセルが有する出力能力をそれぞれ１００％利用して所望の出力電圧を得ることができ、装置の利用率を向上させると共に、図８の従来技術に対して使用部品数が少なくなり、回路構成の簡略化、コストの低減が可能になる。

なお、電力変換装置には入力高調波を低減させる要求がある。例えば、図５の回路構成では、Ｕ相の単相３レベルインバータセル３１〜３３に入力される各２系統、全６系統の交流電圧（６個の二次巻線の出力電圧）の位相を６０°／６＝１０°ずつずらすことが入力高調波を低減する上で有効である。これは、Ｖ相、Ｗ相の単相３レベルインバータセル３４〜３６，３５〜３８についてもそれぞれ同様である。
上記と同じ観点から、図８の回路構成では、単相３レベルインバータセル３１，３２に入力される全４系統の交流電圧（４個の二次巻線の出力電圧の位相を６０°／４＝１５°ずつずらすことが有効であり、これは、Ｖ相、Ｗ相の単相３レベルインバータセル３４，３６、及び３７，３８についても同様である。
変圧器２の二次巻線の出力電力が同一である場合には、上記のように二次巻線の出力電圧の位相角を順次ずらして入力高調波を低減することが可能であるが、図１の場合は、変圧器２の二次側に単相３レベルインバータセル３１，３４，３７及び単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａ，３５Ａ，３８Ａが混在しており、各二次巻線の出力電力が同一ではないため、上述したように変圧器２の二次巻線の出力電圧の位相角をずらす方式を採ることができない。

そこで、まず、図２に示した単相片アーム３レベルインバータセルが出力可能な電圧は図７の単相３レベルインバータセルに対して１／２であるため、図１のように単相３レベルインバータセルと単相片アーム３レベルインバータセルとを直列接続した場合には、単相片アーム３レベルインバータセルの出力電圧が単相３レベルインバータセルの出力電圧の１／２になるように制御する。この場合、図１に示す接続状態では、単相片アーム３レベルインバータセルと単相３レベルインバータセルとの出力電流が共通であるため、各インバータセルの出力電力は上述した出力電圧の比に比例することになり、単相片アーム３レベルインバータセルの出力電力は単相３レベルインバータセルの１／２となる。
従って、図１における単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａ，３５Ａ，３８Ａに接続される変圧器２の二次巻線２３２ａ，２３２ｂ，２３５ａ，２３５ｂ，２３８ａ，２３８ｂの容量を、単相３レベルインバータセル３１，３４，３７に接続される二次巻線２３１ａ，２３１ｂ，２３４ａ，２３４ｂ，２３７ａ，２３７ｂの容量の約１／２程度（約５０％〜６０％）にすることができる。

これにより、単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａに接続される二次巻線２３２ａ，２３２ｂの出力電力合計値と、単相３レベルインバータセル３１に接続される二次巻線２３１ａ，２３１ｂのそれぞれの出力電力とはほぼ等しくなる。同様に、単相片アーム３レベルインバータセル３５Ａに接続される二次巻線２３５ａ，２３５ｂの出力電力合計値と単相３レベルインバータセル３４に接続される二次巻線２３４ａ，２３４ｂのそれぞれの出力電力、単相片アーム３レベルインバータセル３８Ａに接続される二次巻線２３８ａ，２３８ｂの出力電力合計値と単相３レベルインバータセル３７に接続される二次巻線２３７ａ，２３７ｂのそれぞれの出力電力は、それぞれほぼ等しくなる。

このため、単相片アーム３レベルインバータセルの２系統の二次巻線の出力電圧の位相を同一として、単相３レベルインバータセルに入力される各二次巻線の出力電圧の位相を順次ずらすことにより、入力高調波を低減することができる。例えば、単相片アーム３レベルインバータセル３２Ａに接続される２系統の二次巻線２３２ａ，２３２ｂの出力電圧の位相を同一とし、この位相に対して、単相３レベルインバータセル３１に接続される二次巻線２３１ａ，２３１ｂの出力電圧の位相を順次２０°ずつずらせばよい。
一般に、１個の単相片アーム３レベルインバータセルに直列に接続される単相３レベルインバータセルがＮ個（Ｎは正の整数）の場合には、単相片アーム３レベルインバータセルに接続される２系統の二次巻線の出力電圧の位相を同一とし、この１個の位相と、Ｎ個の単相３レベルインバータセルに接続される二次巻線の総数である２Ｎ個の出力電圧の位相との合計値である（２Ｎ＋１）個の位相について、それぞれの位相差が６０°／（２Ｎ＋１）となるように二次巻線の出力電圧の位相をずらすことによって入力高調波を低減することができる。

なお、図１に示した実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電力変換器が、図７の単相３レベルインバータセルと図２の単相片アーム３レベルインバータセルとを直列に接続して構成されているが、これらに代えて、単相２レベルインバータセルと単相片アーム２レベルインバータセルとを直列に接続して構成しても良い。
図３は単相２レベルインバータセル５１の構成図を示しており、３０１は第５の交流入力端子、３０３は第５の順変換器、３０４は第５の平滑コンデンサ、３０５〜３０８は半導体スイッチング素子、３０９〜３１２は還流ダイオード、３１３，３１４は第５，第６の交流出力端子である。なお、半導体スイッチング素子３０７，３０８を有する上下アーム部を第４の上下アーム部といい、半導体スイッチング素子３０５，３０６を有する上下アーム部を第５の上下アーム部という。
また、図４は単相片アーム２レベルインバータセル５２Ａの構成図を示しており、３３１は第６の交流入力端子、３３３は第６の順変換器、３１５，３１６は第６，第７の平滑コンデンサ、３１７，３１８は半導体スイッチング素子、３１９，３２０は還流ダイオード、３２１，３２２は第７，第８の交流出力端子である。ここで、半導体スイッチング素子３１７，３１８を有する上下アーム部を第６の上下アーム部という。

良く知られているように、これらのインバータセル５１，５２Ａはそれぞれの交流出力端子３１３，３１４，３２１，３２２の電位が正または負の２レベルに変化するものであり、単相片アーム２レベルインバータセル５２Ａの交流出力端子３２１，３２２間に出力可能な電圧の大きさは、単相２レベルインバータセル５１の交流出力端子３１３，３１４間に出力可能な電圧に対して１／２となる。
従って、一次巻線が交流電源に接続された変圧器の二つの二次巻線を互いに絶縁し、これらの二次巻線に単相２レベルインバータセル５１の交流入力端子３０１と単相片アーム２レベルインバータセル５２Ａの交流入力端子３３１とをそれぞれ接続すると共に、単相２レベルインバータセル５１の一方の交流出力端子３１４を中性点Оに接続し、他方の交流出力端子３１３を単相片アーム２レベルインバータセル５２Ａの一方の交流出力端子３２２に接続して他方の交流出力端子３２１から一相分の出力を得れば良い。また、同様に単相２レベルインバータセルと単相片アーム２レベルインバータセルとを直列接続して他相の電力変換器を構成し、例えば三相分の電力変換器をスター結線して三相の直列多重電力変換装置を構成することができる。

このように単相２レベルインバータセルと単相片アーム２レベルインバータセルとを直列に接続した場合にも、複数のインバータセルが有する出力能力をそれぞれ１００％利用して所望の出力電圧を得ることができ、装置の利用率を向上させると共に、単相２レベルインバータセルのみを複数、直列に接続する場合に比べて部品数を減少させ、回路構成の簡略化、コストの低減が可能になる。

上記実施形態では、単相（３レベルまたは２レベル）インバータセルと単相片アーム（３レベルまたは２レベル）インバータセルとを直列に接続して一相分の電力変換器を構成し、この電力変換器を３個、スター結線することにより三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）出力の直列多重電力変換装置を構成する例について説明した。
しかしながら、本発明は三相出力に限定されるものではなく、一般に、複数の単相（３レベルまたは２レベル）インバータセルと単相片アーム（３レベルまたは２レベル）インバータセルとを直列に接続してなる電力変換器をＭ個（Ｍは３以上の整数）、スター結線することにより、Ｍ相出力の直列多重電力変換装置を構成することができる。

１：三相交流電源
２：変圧器
２１：一次巻線
２３１ａ，２３１ｂ，２３４ａ，２３４ｂ，２３７ａ，２３７ｂ，２３２ａ，２３２ｂ，２３５ａ，２３５ｂ，２３８ａ，２３８ｂ：二次巻線
３１，３４，３７：単相３レベルインバータセル
３２Ａ，３５Ａ，３８Ａ：単相片アーム３レベルインバータセル
５１：単相２レベルインバータセル
５２Ａ：単相片アーム２レベルインバータセル
１０１，１０４：交流入力端子
１０２，１０５：順変換器
１０３，１０６：平滑コンデンサ
１０７〜１１４：半導体スイッチング素子
１１５〜１２２：還流ダイオード
１２３，１２６：クランプダイオード
１２７，１２８：交流出力端子
２０１，２０４：交流入力端子
２０２，２０５：順変換器
２０３，２０６：平滑コンデンサ
２０７〜２１０：半導体スイッチング素子
２１５〜２１８：還流ダイオード
２２３，２２４：クランプダイオード
２２７，２２８：交流出力端子
３０１，３３１：交流入力端子
３０３，３３３：順変換器
３０４，３１５，３１６：平滑コンデンサ
３０５〜３０８，３１７，３１８：半導体スイッチング素子
３０９〜３１２，３１９，３２０：還流ダイオード
３１３，３１４，３２１，３２２：交流出力端子

Claims (9)

1. 複数の半導体スイッチング素子が直列に接続された上下アーム部を２個、並列に接続し、前記上下アーム部の上アームと下アームとの接続点から交流電圧を出力するＮ（Ｎは正の整数）個の単相インバータセルと、
   複数の半導体スイッチング素子が直列に接続された単一の上下アーム部と２個の平滑コンデンサの直列回路とを並列に接続し、前記単一の上下アーム部の上アームと下アームとの接続点と前記平滑コンデンサ同士の接続点とから交流電圧を出力する１個の単相片アームインバータセルと、を備え、
   前記単相インバータセル及び前記単相片アームインバータセルに、互いに絶縁された電源電圧を入力し、
   前記単相インバータセルの出力電圧と前記単相片アームインバータセルの出力電圧とが加算されるように全てのインバータセルの交流出力側を直列に接続して一相分の電力変換器を構成すると共に、
   前記電力変換器の一方の交流出力端子を中性点とし、かつ、前記電力変換器の他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子とし、
   Ｍ（Ｍは２以上の整数）台の前記電力変換器を前記中性点によりスター結線してＭ相の交流電圧を出力可能としたことを特徴とする直列多重電力変換装置。
2. 請求項１に記載した直列多重電力変換装置において、
   前記単相インバータセルは、各交流出力端子の電位が３つのレベルを持つ単相３レベルインバータセルであり、
   前記単相片アームインバータセルは、出力可能な交流電圧が前記単相３レベルインバータセルの出力電圧の１／２の単相片アーム３レベルインバータセルであることを特徴とする直列多重電力変換装置。
3. 請求項２に記載した直列多重電力変換装置において、
   前記単相３レベルインバータセルは、
   第１の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の順変換器と、
   第１の順変換器の出力電圧を平滑する第１の平滑コンデンサと、
   第２の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第２の順変換器と、
   第２の順変換器の出力電圧を平滑し、かつ第１の平滑コンデンサと直列に接続される第２の平滑コンデンサと、
   第１の平滑コンデンサの高電位側と第１の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第１上アームと、
   第２の平滑コンデンサの低電位側と第１の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第１下アームと、
   前記第１上アーム及び第１下アームを構成する半導体スイッチング素子同士の接続点と第１，第２の平滑コンデンサ同士の接続点である中性点との間にそれぞれ接続されたダイオードと、
   第１の平滑コンデンサの高電位側と第２の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第２上アームと、
   第２の平滑コンデンサの低電位側と第２の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第２下アームと、
   前記第２上アーム及び第２下アームを構成する半導体スイッチング素子同士の接続点と前記中性点との間にそれぞれ接続されたダイオードと、
   を備えたことを特徴とする直列多重電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載した直列多重電力変換装置において、
   前記単相片アーム３レベルインバータセルは、
   第３の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第３の順変換器と、
   第３の順変換器の出力電圧を平滑する第３の平滑コンデンサと、
   第４の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第４の順変換器と、
   第４の順変換器の出力電圧を平滑し、かつ第３の平滑コンデンサと直列に接続される第４の平滑コンデンサと、
   第３の平滑コンデンサの高電位側と第３の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第３上アームと、
   第４の平滑コンデンサの低電位側と第３の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第３下アームと、
   前記第３上アーム及び第３下アームを構成する半導体スイッチング素子同士の接続点と第３，第４の平滑コンデンサ同士の接続点である中性点との間にそれぞれ接続されたダイオードと、
   を備え、
   前記中性点を第４の交流出力端子に接続したことを特徴とする直列多重電力変換装置。
5. 請求項２〜４の何れか１項に記載した直列多重電力変換装置において、一次巻線が交流電源に接続され、かつ、互いに絶縁された複数の二次巻線を有する変圧器を備え、
   一相分の前記電力変換器において、
   Ｎ個の前記単相３レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線から、位相差が順次、６０°／（２Ｎ＋１）ずつずれた交流電圧を各単相３レベルインバータセルにそれぞれ入力し、
   前記単相片アーム３レベルインバータセルには、別の二次巻線から、隣接する単相３レベルインバータセルへの入力電圧との位相差が６０°／（２Ｎ＋１）であって互いに同位相の交流電圧を入力することを特徴とする直列多重電力変換装置。
6. 請求項５に記載した直列多重電力変換装置において、
   Ｎ個の前記単相３レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線の容量に対して、前記単相片アーム３レベルインバータセルに接続された別の二次巻線の容量を、５０〜６０％にしたことを特徴とする直列多重電力変換装置。
7. 請求項１に記載した直列多重電力変換装置において、
   前記単相インバータセルは、各交流出力端子の電位が２つのレベルを持つ単相２レベルインバータセルであり、
   前記単相片アームインバータセルは、出力可能な交流電圧が前記単相２レベルインバータセルの出力電圧の１／２の単相片アーム２レベルインバータセルであることを特徴とする直列多重電力変換装置。
8. 請求項７に記載した直列多重電力変換装置において、
   前記単相２レベルインバータセルは、
   第５の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第５の順変換器と、
   第５の順変換器の出力電圧を平滑する第５の平滑コンデンサと、
   第５の平滑コンデンサの両端に一対の直流入力端子が接続され、前記一対の直流入力端子間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路が２個直列に接続された第４上下アーム部と、
   前記一対の直流入力端子間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路が２個直列に接続された第５上下アーム部と、
   を備え、
   前記第４上下アーム部を構成する半導体スイッチング素子同士の接続点を第５の交流出力端子に接続すると共に、前記第５上下アーム部を構成する半導体スイッチング素子同士の接続点を第６の交流出力端子に接続したことを特徴とする直列多重電力変換装置。
9. 請求項７または８に記載した直列多重電力変換装置において、
   前記単相片アーム２レベルインバータセルは、
   第６の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第６の順変換器と、
   第６の順変換器の出力電圧を平滑する第７，第８の平滑コンデンサの直列回路と、
   第７，第８の平滑コンデンサの直列回路に並列に接続され、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続してなる第６上下アーム部と、
   を備え、
   前記第６上下アーム部を構成する半導体スイッチング素子同士の接続点を第７の交流出力端子に接続すると共に、前記第７，第８の平滑コンデンサ同士の接続点を第８の交流出力端子に接続したことを特徴とする直列多重電力変換装置。

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