JP2014204457A

JP2014204457A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014204457A
Application number: JP2013075902A
Authority: JP
Inventors: 伸三玉井; Shinzo Tamai
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-10-27
Also published as: US20140292089A1

Abstract

【課題】本発明は、高い耐圧性を有する素子を用いることなく、製造するのが容易な構成の電力変換装置を提供する。【解決手段】本発明は、異なる３個の電圧レベルを出力することが可能な複数のレベルインバータ１０ａ，１０ｂと、複数のレベルインバータ１０ａ，１０ｂの出力を選択する少なくとも１つのスイッチ回路１１とを備える電力変換装置１０である。そして、レベルインバータ１０ａ，１０ｂは、直列に接続したスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ５〜Ｓ８と、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に、直列に接続したスイッチ素子Ｓ９〜Ｓ１０，Ｓ１１〜Ｓ１２と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを備え、接続点Ｐ３と接続点Ｐ４とを接続してある。【選択図】図１

Description

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イッチ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（コンデンサＣ１〜Ｃ４）、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Ｖ_０とし、中点Ｖ_０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Ｖ_０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Ｖ_０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Ｖ_０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Ｖ_０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、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、２^ｎ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る。３レベルインバータは、直列に接続した第１のスイッチ素子から第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、直列に接続した第５のスイッチ素子および第６のスイッチ素子と、第２のスイッチ素子と第３のスイッチ素子との第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電荷蓄積要素とを含み、第３接続点と、第１電荷蓄積要素と第２電荷蓄積要素との第４接続点とを接続し、第１のスイッチ素子から第４のスイッチ素子のオン状態とオフ状態とを組合わせることにより、３個の電圧レベルを出力することが可能に構成される。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５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６接続点との接続を繰返して２^ｎ個の３レベルインバータを直列に接続する。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２^ｎ−１個接続する。スイッチ回路が２個以上の場合、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、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態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、１４個のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１４、出力端子Ｏｕｔを備えている。なお、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１４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、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３に対して並列に接続されたスイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０、直列接続された直流電源ＶであるコンデンサＣ１（第１電荷蓄積要素），Ｃ２（第２電荷蓄積要素）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（第１接続点）と、スイッチ素子Ｓ３とスイッチ素子Ｓ４との接続点Ｐ２（第２接続点）との間にスイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０を直列に接続する。さらに、３レベルインバータ１０ａは、スイッチ素子Ｓ２とスイッチ素子Ｓ３との接続点Ｐ３（第３接続点）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。また、３レベルインバータ１０ａは、接続点Ｐ３と、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点Ｐ４（第４接続点）とを接続してある。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、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４がスイッチ素子Ｓ５〜Ｓ８に、スイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０がスイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１２に、コンデンサＣ１，Ｃ２がコンデンサＣ３，Ｃ４にそれぞれ対応するため、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Ｓ１３およびスイッチ素子Ｓ１４で構成され、スイッチ素子Ｓ１３またはスイッチ素子Ｓ１４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をオン状態にし、スイッチ素子Ｓ９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る。また、スイッチ素子Ｓ２をオン状態にし、スイッチ素子Ｓ９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。なお、スイッチ素子Ｓ３をオン状態にし、スイッチ素子Ｓ１０をオン状態にすることによっても、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Ｓ４をオン状態にし、スイッチ素子Ｓ１０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Ｓ１３とスイッチ素子Ｓ１４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Ｏｕｔ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Ｓ４およびＳ１０をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態（スイッチ素子Ｓ１４はオフ状態）にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“０Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置１０は、時刻ｔ_１に、スイッチ素子Ｓ２およびＳ９をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。もしくは、スイッチ素子Ｓ３およびＳ１０をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。

そして、電力変換装置１０は、時刻ｔ_２に、スイッチ素子Ｓ１およびＳ９をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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Ｏｕｔ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およびＳ１１をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“０Ｖ”を出力してもよい。

電力変換装置１０は、時刻ｔ_３に、スイッチ素子Ｓ６およびＳ１１をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“−１Ｖ”を出力する。もしくは、スイッチ素子Ｓ７およびＳ１２をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“−１Ｖ”を出力する。

そして、電力変換装置１０は、時刻ｔ_４に、スイッチ素子Ｓ８およびＳ１２をオン状態、スイッチ回路１１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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Ｏｕｔ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〜Ｓ１２がオフ状態のときにそれぞれのスイッチ素子の両端にコンデンサ１個分の電圧が印加されるのみである。たとえば、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ９がオン状態で、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ１０がオフ状態のとき、オフしているスイッチ素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ１０にはコンデンサＣ１またはＣ２の１個分の電圧が印加されるのみである。なお、スイッチ回路１１は、構成するスイッチ素子Ｓ１３，Ｓ１４において、出力端子Ｏｕｔから“＋２Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ１３がオン状態、スイッチ素子Ｓ１４がオフ状態となり、このときスイッチ素子Ｓ５，Ｓ１１をオン状態にすることで、スイッチ素子Ｓ１４の両端にコンデンサ２個分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Ｓ１３，Ｓ１４において、出力端子Ｏｕｔから“−２Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ１４がオン状態、スイッチ素子Ｓ１３がオフ状態となり、このときスイッチ素子Ｓ４，Ｓ１０をオン状態にすることで、スイッチ素子Ｓ１３の両端にコンデンサ２個分の電圧が印加される。

以上のように、本発明の実施の形態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（コンデンサＣ１〜Ｃ８）、３０個のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ３４，Ｓ４１，Ｓ４２を備えている。なお、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ３４，Ｓ４１，Ｓ４２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。

なお、３レベルインバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、図１に示した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。

８個の直流電源Ｖの中間点を中点Ｖ_０とし、中点Ｖ_０の電圧レベルを“０Ｖ”とする。そのため、中点Ｖ_０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Ｖ_０の側から順に“＋１Ｖ”，“＋２Ｖ”，“＋３Ｖ”となり、中点Ｖ_０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Ｖ_０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Ｓ８およびＳ１２をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“０Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置２０は、時刻ｔ_１に、スイッチ素子Ｓ６およびＳ１１をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。もしくは、スイッチ素子Ｓ７およびＳ１２をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。

そして、電力変換装置２０は、時刻ｔ_２に、スイッチ素子Ｓ５およびＳ１１をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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Ｓ４およびＳ１０をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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、時刻ｔ_３に、スイッチ素子Ｓ２およびＳ９をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“＋３Ｖ”を出力する。もしくは、スイッチ素子Ｓ３およびＳ１０をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“＋３Ｖ”を出力する。

そして、電力変換装置２０は、時刻ｔ_４に、スイッチ素子Ｓ１およびＳ９をオン状態、スイッチ回路２１のスイッチ素子Ｓ１３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４１をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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Ｏｕｔ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Ｓ２１およびＳ２９をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“０Ｖ”を出力してもよい。

電力変換装置２０は、時刻ｔ_５に、スイッチ素子Ｓ２２およびＳ２９をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“−１Ｖ”を出力する。もしくは、スイッチ素子Ｓ２３およびＳ３０をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“−１Ｖ”を出力する。

そして、電力変換装置２０は、時刻ｔ_６に、スイッチ素子Ｓ２４およびＳ３０をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３３をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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Ｓ２５およびＳ３１をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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、時刻ｔ_７に、スイッチ素子Ｓ２６およびＳ３１をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“−３Ｖ”を出力する。もしくは、スイッチ素子Ｓ２７およびＳ３２をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔから電圧レベル“−３Ｖ”を出力する。

そして、電力変換装置２０は、時刻ｔ_８に、スイッチ素子Ｓ２８およびＳ３２をオン状態、スイッチ回路２２のスイッチ素子Ｓ３４をオン状態、スイッチ回路２３のスイッチ素子Ｓ４２をオン状態にして、出力端子Ｏｕｔ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Ｏｕｔ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。

ここで、電力変換装置２０においても、図１に示した電力変換装置１０と同様に、３レベルインバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、構成するスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ３２がオフ状態のときにそれぞれのスイッチ素子の両端にコンデンサ１個分の電圧が印加されるのみである。

また、スイッチ回路２１は、構成するスイッチ素子Ｓ１３，Ｓ１４において、出力端子Ｏｕｔから“＋４Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ１３がオン状態、スイッチ素子Ｓ１４がオフ状態となり、このとき、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ１１をオンすることで、スイッチ素子Ｓ１４の両端に最大でコンデンサ２個分の電圧が印加されるように制限することが可能である。スイッチ回路２２についても、スイッチ素子Ｓ３３の両端に同様に最大でコンデンサ２個分の電圧が印加されるように制限することが可能である。

なお、スイッチ回路２３は、出力端子Ｏｕｔから“＋４Ｖ”または“−４Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ４１またはスイッチ素子Ｓ４２の両端にコンデンサ４個分の電圧が印加される。すなわち、スイッチ回路２３は、スイッチ素子の両端に最大でスイッチ回路２１または２２に印加される電圧の２倍の電圧が印加されるように制限することが可能である。

前述したように、本発明の実施の形態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に係る電力変換装置は、２^ｎ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２^ｎ−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、コンデンサとスイッチ素子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、特許請求の範囲によって示され、特許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、Ｓ１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ３４，Ｓ４１，Ｓ４２スイッチ素子。

Claims

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、２^ｎ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、
前記３レベルインバータは、
直列に接続した第１のスイッチ素子から第４のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子との第１接続点と、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子との第２接続点との間に、直列に接続した第５のスイッチ素子および第６のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子と前記第３のスイッチ素子との第３接続点と、前記第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、
前記第３接続点と、前記第４のスイッチ素子との間に接続した第２電荷蓄積要素とを含み、前記第３接続点と、前記第１電荷蓄積要素と前記第２電荷蓄積要素との第４接続点とを接続し、前記第１のスイッチ素子から前記第４のスイッチ素子のオン状態とオフ状態とを組合わせることにより、３個の電圧レベルを出力することが可能に構成され、
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前記第４のスイッチ素子と前記第２電荷蓄積要素との第５接続点と、隣合う他方の前記３レベルインバータの前記第１のスイッチ素子と前記第１電荷蓄積要素との第６接続点との接続を繰返して２^ｎ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２^ｎ−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。
前記第１のスイッチ素子または前記第２のスイッチ素子と前記第１電荷蓄積要素との間、前記第３のスイッチ素子または前記第４のスイッチ素子と第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。
前記隣合う２個の３レベルインバータの出力を選択するための前記スイッチ回路には、前記第１電荷蓄積要素の電圧および前記第２電荷蓄積要素の電圧の合計値以下の電圧が印加されるように、かつ、前記前段に接続された２個の前記スイッチ回路の出力を選択するための前記スイッチ回路には、前記前段に接続された前記スイッチ回路に印加される電圧の２倍以下の電圧が印加されるように、前記第１のスイッチ素子から前記第４のスイッチ素子のオンオフ状態を選択することを特徴とする、請求項１または２に記載の電力変換装置。