JP6011197B2 - マルチレベル電力変換装置 - Google Patents
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図1は、本発明におけるマルチレベル電力変換装置に用いる基本セル1を示す回路図である。基本セル1は、1個のフライングキャパシタと2個のスイッチング素子(例えば、IGBT:以下、同様)で構成される。
図5は、本実施形態1におけるマルチレベル電力変換装置の構成を示す概略図である。図5に示すように、本実施形態1におけるマルチレベル電力変換装置は、図2に示す基本回路,および図3に示す拡張回路,さらに図4に示す電圧選択回路を用いて構成したM相N段Kステージのマルチレベル電力変換装置である。また、ここでMは相数を示す。
次に、本実施形態2におけるマルチレベル電力変換装置を図6に基づいて説明する。図6に示すように、本実施形態2におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態1におけるM相N段Kステージのマルチレベル電力変換装置の拡張回路を省略し、M相N段の構成にしたものである。すなわち、実施形態1におけるマルチレベル電力変換装置において、K=0とした構成である。その他の構成は実施形態1と同様である。
次に、本実施形態3におけるマルチレベル電力変換装置を図7に基づいて説明する。図7に示すように、本実施形態3におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態2におけるマルチレベル電力変換装置に対して、各直流キャパシタCDC1,…,CDCNの両端端子1,3,…,2N−1,2N+1を冗長的に各相の相モジュール41,42,…,4Mに接続した構成である。
(1)回路構成
次に、本実施形態4におけるマルチレベル電力変換装置を図8,9に基づいて説明する。本実施形態4におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態2におけるマルチレベル電力変換回路において、N=2,M=3としたものである。
ここで、本実施形態4におけるマルチレベル電力変換装置の動作について説明する。
端子4’は2E,端子4はE,端子2’は0,端子2は−Eの電位となる。
端子4’は2E,端子4はE,端子2’は−E,端子2は−2Eの電位となる。
端子4’はE,端子4は0,端子2’は0,端子2は−Eの電位となる。
端子4’はE,端子4は0,端子2’は−E,端子2は−2Eの電位となる。
次に、本実施形態5におけるマルチレベル電力変換装置を図10に基づいて説明する。本実施形態5におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態4におけるマルチレベル電力変換装置に対し、各基本セルの端子2nと2n’の間に、スイッチング素子Sn,3を挿入した構成である。換言すると、フライングキャパシタCFCnの両端端子のうち一方と、電圧選択回路の入力端子との間にスイッチング素子Sn.3を挿入した構成である。
次に、本実施形態6におけるマルチレベル電力変換装置を図11に基づいて説明する。
上記のような場合、各端子の電位は、4’:2E、4:E、3:0、2’:−E、2:−2Eとなる。また、スイッチング素子Su11,Su12,Sv5,Sv9,Sw8,Sw10をONとし、その他のスイッチング素子をOFFさせることにより、各出力端子において、OUT_U=0,OUT_V=2E,OUT_W=−2Eを出力することが可能となる。
(1)回路構成
次に、本実施形態7におけるマルチ(7)レベル電力変換装置を図12に基づいて説明する。
本実施形態7におけるマルチレベル電力変換装置の動作について説明する。ここで、直流キャパシタCDC1,CDC2,CDC3の電圧を2E、フライングキャパシタCFC1,CFC2,CFC3の電圧をEに制御する。なお、電位の基準点は端子1とする。
端子2はE,端子2’は2E,端子4は3E,端子4’は4E,端子6は5E,端子6’は6Eの電位となる。
端子2はE,端子2’は2E,端子4は2E,端子4’は3E,端子6は5E,端子6’は6Eの電位となる。
端子2はE,端子2’は2E,端子4は3E,端子4’は4E,端子6は4E,端子6’は5Eの電位となる。
端子2はE,端子2’は2E,端子4は2E,端子4’は3E,端子6は4E,端子6’は5Eの電位となる。
端子2は0,端子2’はE,端子4は3E,端子4’は4E,端子6は5E,端子6’は6Eの電位となる。
端子2は0,端子2’はE,端子4は2E,端子4’は3E,端子6は5E,端子6’は6Eの電位となる。
端子2は0,端子2’はE,端子4は3E,端子4’は4E,端子6は4E,端子6’は5Eの電位となる。
端子2は0,端子2’はE,端子4は2E,端子4’は3E,端子6は4E,端子6’は5Eの電位となる。
次に、本実施形態8におけるマルチレベル電力変換装置を図13に基づいて説明する。
本実施形態8におけるマルチレベル電力変換装置の動作について説明する。ここで、直流キャパシタCDC1,CDC2,CDC3,CDC4の電圧を2E、フライングキャパシタCFC1,CFC2,CFC3,CFC4の電圧をEに制御する。なお、電位の基準点は端子5とする。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−E,端子4’は0,端子6はE,端子6’は2E,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−E,端子4’は0,端子6はE,端子6’は2E,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−E,端子4’は0,端子6は0,端子6’はE,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−E,端子4’は0,端子6は0,端子6’はE,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6はE,端子6’は2E,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6はE,端子6’は2E,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6は0,端子6’はE,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−3E,端子2’は−2E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6は0,端子6’はE,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−E,端子4’は0,端子6はE,端子6’は2E,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−E,端子4’は0,端子6はE,端子6’は2E,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−E,端子4’は0,端子6はE,端子6’は2E,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−E,端子4’は0,端子6は0,端子6’はE,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−E,端子4’は−E,端子6はE,端子6’は2E,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6はE,端子6’は2E,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6は0,端子6’はE,端子8は3E,端子8’は4Eの電位となる。
端子2は−4E,端子2’は−3E,端子4は−2E,端子4’は−E,端子6は0,端子6’はE,端子8は2E,端子8’は3Eの電位となる。
次に、本実施形態9におけるマルチレベル電力変換装置を図14に基づいて説明する。
本実施形態9におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態3におけるマルチレベル電力変換装置において、基本セルを2つ直列に接続した基本回路(N=2)とし、この基本回路に対して3相の電圧選択回路を接続したものである。なお、接続線L1,L5を接続しL3を未接続としている。
本実施形態9におけるマルチレベル電力変換装置によれば、実施形態5,6と同様に、2E,0,−2Eの同時出力パターンが可能となる。
次に、本実施形態10におけるマルチレベル電力変換装置を図15に基づいて説明する。
本実施形態10におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態1におけるマルチレベル電力変換装置において、基本セルを2つ直列に接続した基本回路(N=2)とし、この基本回路に対して1ステージの拡張回路(K=1)と電圧選択回路から構成された相モジュールを3相(M=3)接続したものである。
ここで、本実施形態10におけるマルチレベル電力変換装置の動作について説明する。直流キャパシタCDC1,CDC2の電圧を2E,基本回路のフライングキャパシタCFC1,CFC2の電圧をE、拡張回路のフライングキャパシタCU1,CU2,CV1,CV2,CW1,CW2をE/2に制御する。なお、電位の基準点は端子3とする。
端子2_2は−E,端子2_2’は−E/2,端子4_2はE,端子4_2’は3E/2の電位となる。
端子2_2は−E/2,端子2_2’は0,端子4_2はE,端子4_2’は3E/2の電位となる。
端子2_2は−E,端子2_2’は−E/2,端子4_2は3E/2,端子4_2’は2Eの電位となる。
端子2_2は−E/2,端子2_2’は0,端子4_2は3E/2,端子4_2’は2Eの電位となる。
端子2_2は−E,端子2_2’は−E/2,端子4_2は0,端子4_2’はE/2の電位となる。
端子2_2は−E/2,端子2_2’は0,端子4_2は0,端子4_2’はE/2の電位となる。
端子2_2は−E,端子2_2’は−E/2,端子4_2はE/2,端子4_2’はEの電位となる。
端子2_2は−E/2,端子2_2’は0,端子4_2はE/2,端子4_2’はEの電位となる。
端子2_2は−2E,端子2_2’は−3E/2,端子4_2はE,端子4_2’は3E/2の電位となる。
端子2_2は−3E/2,端子2_2’は−E,端子4_2はE,端子4_2’は3E/2の電位となる。
端子2_2は−2E,端子2_2’は−3E/2,端子4_2は3E/2,端子4_2’は2Eの電位となる。
端子2_2は−3E/2,端子2_2’は−E,端子4_2は3E/2,端子4_2’は2Eの電位となる。
端子2_2は−2E,端子2_2’は−3E/2,端子4_2は0,端子4_2’はE/2の電位となる。
端子2_2は−3E/2,端子2_2’は−E,端子4_2は0,端子4_2’はE/2の電位となる。
端子2_2は−2E,端子2_2’は−3E/2,端子4_2はE/2,端子4_2’はEの電位となる。
端子2_2は−3E/2,端子2_2’は−E,端子4_2はE/2,端子4_2’はEの電位となる。
S1.1,S1.2,S2.1,S2.2,Su1〜Su48…スイッチング素子
CFC1〜CFCN,C1〜CK…フライングキャパシタ
1…基本セル
2…基本回路
3…拡張回路
5…電圧選択回路
41〜4M…相モジュール
1〜2N+1…基本回路における基本セルの両端(直流電圧源の両端)端子
2,2’〜2N,2N’…フライングキャパシタの両端端子
2_1,2_1’〜2N_1,2N_1’…拡張回路の入力端子
2_2,2_2’〜2N_2,2N_2’…拡張回路の出力端子
2_3,2_3’〜2N_3,2N_3’…電圧選択回路の入力端子
OUT1〜OUTM,OUT_U,OUT_V,OUT_W…出力端子
Claims (8)
- 直流電圧源の電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
直列接続された3個の直流電圧源の各正,負極間に、それぞれ順次スイッチング素子,フライングキャパシタ,スイッチング素子が直列接続された3個の第1基本セルを有する基本回路と、
負極側から見て3つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第13,第14スイッチング素子と、負極側から見て2つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第15,第16スイッチング素子と、負極側から見て1つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第17,第18スイッチング素子と、第13,第14スイッチング素子の共通接続点と第17,第18スイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続された第19,第20,第21,第22スイッチング素子と、第19,第20スイッチング素子の共通接続点と第21,第22スイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続された第1,第2ダイオードと、を有し、第15,第16スイッチング素子の共通接続点と、第1,第2ダイオードの共通接続点を接続し、前記各基本セルのフライングキャパシタにおける両端端子を入力端子とし、第13〜第22スイッチング素子を選択的のON,OFFすることにより、この入力端子のうち何れかの端子の電位を選択して出力端子から出力するM相(M≧3)の電圧選択回路と、を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 直流電圧源の電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
直列接続された4個の直流電圧源の各正,負極間に、それぞれ順次スイッチング素子,フライングキャパシタ,スイッチング素子が直列接続された4個の第1基本セルを有する基本回路と、
負極側から見て4つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第23,第24スイッチング素子と、負極側から見て3つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第25,第26スイッチング素子と、負極側から見て2つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第27,第28スイッチング素子と、負極側から見て1つ目のフライングキャパシタの両端子間に直列接続された第29,第30スイッチング素子と、第23,第24スイッチング素子の共通接続点と、第29,第30スイッチング素子の共通接続点の間に順次直列接続された第31,第32スイッチング素子と、第25,第26スイッチング素子の共通接続点と第31,第32スイッチング素子の共通接続点との間に接続された第1双方向スイッチと、第27,第28スイッチング素子の共通接続点と第31,第32スイッチング素子の共通接続点との間に接続された第2双方向スイッチとを有し、前記各第1基本セルのフライングキャパシタにおける両端端子を入力端子とし、この第23〜第32スイチング素子および第1,第2双方向スイッチを選択的にON,OFFすることにより、この入力端子のうち何れかの端子の電位を選択して出力端子から出力するM相(M≧3)の電圧選択回路と、を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 直流電圧源の電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
直列接続されたN個の直流電圧源の各正,負極間に、それぞれ順次スイッチング素子,フライングキャパシタ,スイッチング素子が直列接続されたN個(N≧2)の第1基本セルを有する基本回路と、
前記各第1基本セルのフライングキャパシタにおける両端端子と、各直流電圧源の両端端子の全て又は何れかの端子を入力端子とし、前記各入力端子と出力端子の間にそれぞれスイッチング素子を有し、このスイッチング素子を選択的にON,OFF制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力するM相(M≧3)の電圧選択回路と、を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 直流電圧源の電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
直列接続されたN個の直流電圧源の各正,負極間に、それぞれ順次スイッチング素子,フライングキャパシタ,スイッチング素子が直列接続されたN個(N≧2)の第1基本セルを有する基本回路と、
前記各第1基本セルのフライングキャパシタにおける両端端子を入力端子とし、前記各入力端子と出力端子の間にそれぞれスイッチング素子を有し、このスイチング素子を選択的にON,OFFすることにより、この入力端子のうち何れかの端子の電位を選択して出力端子から出力するM相(M≧3)の電圧選択回路と、を備え、
前記基本回路は、
各第1基本セルのフライングキャパシタの両端端子のうち一方と、電圧選択回路の入力端子と、の間にスイッチング素子を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 前記電圧選択回路は、
各第1基本セルのフライングキャパシタの両端端子と各直流電圧源の共通接続点を入力端子とし、
前記各共通接続点と電圧選択回路の出力端子との間のスイッチング素子は、互いに逆の耐圧方向に制御できる双方向スイッチであることを特徴とする請求項3記載のマルチレベル電力変換装置。 - 前記電圧選択回路は、
各第1基本セルのフライングキャパシタの両端端子と、各直流電圧源を直列接続した直列回路の両端端子を入力端子とし、前記入力端子のうち第1基本セルのフライングキャパシタにおける両端端子に接続されたスイッチング素子は、逆の耐圧方向に制御できる双方向スイッチであることを特徴とする請求項3記載のマルチレベル電力変換装置。 - 前記基本回路もしくは前記電圧選択回路もしくは前記拡張回路内のスイッチング素子の一部又は全てを、直列数を2以上としたことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
- 前記基本回路もしくは前記電圧選択回路もしくは前記拡張回路内のスイッチング素子の一部または全てを、並列数を2以上としたことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
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