(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流正母線、直流負母線および直流中性点母線と交流ラインの間に設けられ、直流電力および交流電力のうちの一方の電力を他方の電力に変換する３レベルの電力変換装置であって、
第１の電極が前記直流正母線に接続された第１の半導体スイッチング素子と、
第１の電極が前記第１の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、第２の電極が前記直流中性点母線に接続された第２の半導体スイッチング素子と、
第１の電極が前記第１の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、第２の電極が前記交流ラインに接続された第３の半導体スイッチング素子と、
第１の電極が前記交流ラインに接続され、第２の電極が前記直流負母線に接続された第４の半導体スイッチング素子と、
それぞれ前記第１〜第４の半導体スイッチング素子に逆並列に接続された第１〜第４のダイオードとを備える、電力変換装置。
【請求項２】
さらに、前記直流正母線と前記交流ラインを接続する場合は前記第１および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、前記直流中性点母線と前記交流ラインを接続する場合は前記第２および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、前記直流負母線と前記交流ラインを接続する場合は前記第４の半導体スイッチング素子をオンさせる制御回路を備える、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
交流電源から第１の交流ラインを介して供給される第１の交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、
前記３レベルコンバータから直流正母線、直流負母線および直流中性点母線を介して供給される直流電力を第２の交流電力に変換し、第２の交流ラインを介して負荷に供給する３レベルインバータとを備え、
前記３レベルコンバータは第１〜第４の半導体スイッチング素子および第１〜第４のダイオードを含み、前記３レベルインバータは第５〜第８の半導体スイッチング素子および第５〜第８のダイオードを含み、
前記第１および第５の半導体スイッチング素子の第１の電極はともに前記直流正母線に接続され、
前記第２および第６の半導体スイッチング素子の第１の電極はそれぞれ前記第１および第５の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、それらの第２の電極はともに前記直流中性点母線に接続され、
前記第３および第７の半導体スイッチング素子の第１の電極はそれぞれ前記第１および第５の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、それらの第２の電極はそれぞれ前記第１および第２の交流ラインに接続され、
前記第４および第８の半導体スイッチング素子の第１の電極はそれぞれ前記第１および第２交流ラインに接続され、それらの第２の電極はともに前記直流負母線に接続され、
第１〜第８のダイオードは、それぞれ前記第１〜第８の半導体スイッチング素子に逆並列に接続されている、電力変換装置。
【請求項４】
さらに、前記第１の交流ラインを前記直流正母線に接続する場合は前記第１および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、前記第１の交流ラインを前記直流中性点母線に接続する場合は前記第２および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、前記第１の交流ラインを前記直流負母線に接続する場合は前記第４の半導体スイッチング素子をオンさせ、
前記直流正母線を前記第２の交流ラインに接続する場合は前記第５および第７の半導体スイッチング素子をオンさせ、前記直流中性点母線を前記第２の交流ラインに接続する場合は前記第６および第７の半導体スイッチング素子をオンさせ、前記直流負母線を前記第２の交流ラインに接続する場合は前記第８の半導体スイッチング素子をオンさせる制御回路を備える、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
さらに、前記交流電源から前記第１の交流電力が供給されている場合は、前記３レベルコンバータで生成された直流電力を電力貯蔵装置に与え、前記交流電源からの前記第１の交流電力の供給が停止された場合は、前記電力貯蔵装置から前記直流正母線、前記直流負母線および前記直流中性点母線を介して前記３レベルインバータに直流電力を与える切換回路を備える、請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電力変換装置に関し、特に、３レベルインバータ、３レベルコンバータ、あるいはそれらの両方を備えた３レベルの電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の３レベルインバータとしては、直列接続された４つの半導体スイッチング素子と、それぞれ４つの半導体スイッチング素子に逆並列に接続された４つのダイオードと、２つのクランプダイオードとを備えたものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の他の３レベルインバータとしては、直列接続された２つの半導体スイッチング素子と、それぞれ２つの半導体スイッチング素子に逆並列に接続された２つのダイオードと、交流スイッチ素子とを備えたものがある（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１５０４５号公報
【特許文献２】特開２００８−１９３７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の３レベルインバータでは、半導体スイッチング素子とダイオードを備えた汎用の半導体モジュールに加えて、クランプダイオードを備えた特別な半導体モジュールや、交流スイッチを備えた特別な半導体モジュールが必要であった。このため、装置がコスト高になり、また、特別な半導体モジュールの信頼性の検証が不足し、装置の信頼性が低くなる、と言う問題があった。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、低価格で信頼性の高い電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電力変換装置は、直流正母線、直流負母線および直流中性点母線と交流ラインの間に設けられ、直流電力および交流電力のうちの一方の電力を他方の電力に変換する３レベルの電力変換装置であって、第１の電極が直流正母線に接続された第１の半導体スイッチング素子と、第１の電極が第１の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、第２の電極が直流中性点母線に接続された第２の半導体スイッチング素子と、第１の電極が第１の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、第２の電極が交流ラインに接続された第３の半導体スイッチング素子と、第１の電極が交流ラインに接続され、第２の電極が直流負母線に接続された第４の半導体スイッチング素子と、それぞれ第１〜第４の半導体スイッチング素子に逆並列に接続された第１〜第４のダイオードとを備えたものである。
【０００８】
好ましくは、さらに、直流正母線と交流ラインを接続する場合は第１および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、直流中性点母線と交流ラインを接続する場合は第２および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、直流負母線と交流ラインを接続する場合は第４の半導体スイッチング素子をオンさせる制御回路を備える。
【０００９】
また、この発明に係る他の電力変換装置は、交流電源から第１の交流ラインを介して供給される第１の交流電力を直流電力に変換する３レベルコンバータと、３レベルコンバータから直流正母線、直流負母線および直流中性点母線を介して供給される直流電力を第２の交流電力に変換し、第２の交流ラインを介して負荷に供給する３レベルインバータとを備えたものである。３レベルコンバータは第１〜第４の半導体スイッチング素子および第１〜第４のダイオードを含み、３レベルインバータは第５〜第８の半導体スイッチング素子および第５〜第８のダイオードを含む。第１および第５の半導体スイッチング素子の第１の電極はともに直流正母線に接続される。第２および第６の半導体スイッチング素子の第１の電極はそれぞれ第１および第５の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、それらの第２の電極はともに直流中性点母線に接続される。第３および第７の半導体スイッチング素子の第１の電極はそれぞれ第１および第５の半導体スイッチング素子の第２の電極に接続され、それらの第２の電極はそれぞれ第１および第２の交流ラインに接続される。第４および第８の半導体スイッチング素子の第１の電極はそれぞれ第１および第２交流ラインに接続され、それらの第２の電極はともに直流負母線に接続される。第１〜第８のダイオードは、それぞれ第１〜第８の半導体スイッチング素子に逆並列に接続されている。
【００１０】
好ましくは、さらに、第１の交流ラインを直流正母線に接続する場合は第１および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、第１の交流ラインを直流中性点母線に接続する場合は第２および第３の半導体スイッチング素子をオンさせ、第１の交流ラインを直流負母線に接続する場合は第４の半導体スイッチング素子をオンさせ、直流正母線を第２の交流ラインに接続する場合は第５および第７の半導体スイッチング素子をオンさせ、直流中性点母線を第２の交流ラインに接続する場合は第６および第７の半導体スイッチング素子をオンさせ、直流負母線を第２の交流ラインに接続する場合は第８の半導体スイッチング素子をオンさせる制御回路を備える。
【００１１】
また好ましくは、さらに、交流電源から第１の交流電力が供給されている場合は、３レベルコンバータで生成された直流電力を電力貯蔵装置に与え、交流電源からの第１の交流電力の供給が停止された場合は、電力貯蔵装置から直流正母線、直流負母線および直流中性点母線を介して３レベルインバータに直流電力を与える切換回路を備える。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、この発明によれば、互いに逆並列に接続された半導体スイッチング素子およびダイオードを備えた汎用の半導体モジュールのみを用いて３レベルの電力変換装置を構成することができる。したがって、特別な半導体モジュールを必要としないので、低価格で信頼性の高い電力変換装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の一実施の形態による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した３レベルコンバータおよび３レベルインバータの構成を示す回路図である。
【図３】図２に示した３レベルコンバータおよび３レベルインバータの動作を示すタイムチャートである。
【図４】実施の形態の変更例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施の形態による無停電電源装置１００は、図１に示すように、入力フィルタ２と、３レベルコンバータ３と、３レベルインバータ４と、出力フィルタ５と、直流電圧変換器（図中「ＤＣ／ＤＣ」と示す）７と、制御装置１０と、直流正母線１３と、直流負母線１４と、コンデンサ１５，１６と、直流中性点母線１７と、電圧センサ３１，３６と、電流センサ３２，３７と、停電検出回路３３と、Ｒ相ラインＲＬと、Ｓ相ラインＳＬと、Ｔ相ラインＴＬと、Ｕ相ラインＵＬと、Ｖ相ラインＶＬと、Ｗ相ラインＷＬとを備える。
【００１５】
入力フィルタ２は、３レベルコンバータ３で発生した高調波が商用交流電源１に流出することを防止する。商用交流電源１は三相交流電源である。入力フィルタ２は、コンデンサ１１（コンデンサ１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔ）およびリアクトル１２（リアクトル１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔ）により構成された三相のＬＣフィルタ回路である。
【００１６】
３レベルコンバータ３は、商用交流電源１から入力フィルタ２を介して供給される三相交流電力を直流電力に変換して、直流正母線１３、直流負母線１４および直流中性点母線１７を介して３レベルインバータ４にその直流電力を供給する。３レベルインバータ４は、３レベルコンバータ３からの直流電力を三相交流電力に変換する。
【００１７】
コンデンサ１５，１６は、直流正母線１３と直流負母線１４との間に直列に接続されて、直流正母線１３と直流負母線１４との間の電圧を平滑化する。コンデンサ１５，１６の接続点である中性点２１には、直流中性点母線１７が接続される。
【００１８】
３レベルインバータ４で生成された交流電力は、出力フィルタ５を介して負荷６に供給される。出力フィルタ５は、３レベルインバータ４の動作により生じた高調波を除去する。出力フィルタ５は、リアクトル１８（リアクトル１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ）およびコンデンサ１９（コンデンサ１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗ）により構成された三相のＬＣフィルタ回路である。
【００１９】
直流電圧変換器７は、直流正母線１３と直流負母線１４との間の直流電圧と蓄電池８の電圧とを相互に変換する。なお、直流電圧変換器７には充放電可能な電力貯蔵装置が接続されていればよく、たとえば電気二重層キャパシタが直流電圧変換器７に接続されていてもよい。さらに本実施の形態では、蓄電池８は無停電電源装置１００の外部に設置されているが、蓄電池８は無停電電源装置１００に内蔵されていてもよい。
【００２０】
電圧センサ３１は、Ｒ相ラインの電圧ＶＲ、Ｓ相ラインの電圧ＶＳおよびＴ相ラインの電圧ＶＴを検出し、電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを示す三相電圧信号を制御装置１０および停電検出回路３３に出力する。電流センサ３２は、Ｒ相ラインの電流ＩＲ、Ｓ相ラインの電流ＩＳおよびＴ相ラインの電流ＩＴを検出し、電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴを示す三相電流信号を制御装置１０に出力する。
【００２１】
停電検出回路３３は、電圧センサ３１からの三相電圧信号に基づいて商用交流電源１の停電を検出する。停電検出回路３３は、商用交流電源１の停電を示す停電信号を制御装置１０に出力する。電圧センサ３６は、蓄電池８の正負極間の電圧ＶＢを検出して、電圧ＶＢを示す信号を制御装置１０に出力する。電流センサ３７は、蓄電池８に対して入出力される電流ＩＢを検出して、電流ＩＢを示す信号を制御装置１０に出力する。
【００２２】
制御装置１０は、３レベルコンバータ３、３レベルインバータ４、直流電圧変換器７の動作を制御する。後に詳細に説明するが、３レベルコンバータ３および３レベルインバータ４の各々は、半導体スイッチング素子を含む半導体スイッチにより構成される。なお本実施の形態では、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）が用いられる。また、本実施の形態では半導体スイッチング素子の制御方式としてＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御を適用することができる。制御装置１０は、電圧センサ３１からの三相電圧信号、電流センサ３２からの三相電流信号、停電検出回路３３からの停電信号、電圧センサ３６が検出した電圧ＶＢを示す信号、電流センサ３７が検出した電流ＩＢを示す信号等を受けてＰＷＭ制御を実行する。
【００２３】
次に、この無停電電源装置１００の動作について説明する。商用交流電源１が正常に交流電力を供給している場合、３レベルコンバータ３は商用交流電源１からの交流電力を直流電力に変換し、３レベルインバータ４はその直流電力を交流電力に変換して負荷６に供給する。直流電圧変換器７は、３レベルコンバータ３からの直流電圧を蓄電池８の充電に好適な電圧に変換して蓄電池８を充電する。一方、商用交流電源１が停電した場合には、制御装置１０は停電検出回路３３からの停電信号に基づいて３レベルコンバータ３を停止させる。さらに制御装置１０は、蓄電池８から３レベルインバータ４に直流電力が供給されるよう直流電圧変換器７を動作させて３レベルインバータ４による交流電力の供給を継続させる。この場合、直流電圧変換器７は、蓄電池８の電圧を３レベルインバータ４の入力電圧として好適な電圧に変換する。これにより交流負荷に安定して交流電力を供給することができる。
【００２４】
図２は、図１に示した３レベルコンバータ３および３レベルインバータ４の構成を詳細に説明する回路図である。図２を参照して、３レベルコンバータ３は、６個の汎用の半導体モジュールＭ１Ｒ，Ｍ２Ｒ，Ｍ１Ｓ，Ｍ２Ｓ，Ｍ１Ｔ，Ｍ２Ｔを含む。半導体モジュールＭ１ＲはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ２ＲおよびダイオードＤ１Ｒ，Ｄ２Ｒを含み、半導体モジュールＭ２ＲはＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｒ，Ｑ４ＲおよびダイオードＤ３Ｒ，Ｄ４Ｒを含む。半導体モジュールＭ１ＳはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓ，Ｑ２ＳおよびダイオードＤ１Ｓ，Ｄ２Ｓを含み、半導体モジュールＭ２ＳはＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｓ，Ｑ４ＳおよびダイオードＤ３Ｓ，Ｄ４Ｓを含む。半導体モジュールＭ１ＴはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｔ，Ｑ２ＴおよびダイオードＤ１Ｔ，Ｄ２Ｔを含み、半導体モジュールＭ２ＴはＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｔ，Ｑ４ＴおよびダイオードＤ３Ｔ，Ｄ４Ｔを含む。
【００２５】
また、３レベルインバータ４は６個の汎用の半導体モジュールＭ１Ｕ，Ｍ２Ｕ，Ｍ１Ｖ，Ｍ２Ｖ，Ｍ１Ｗ，Ｍ２Ｗを含む。半導体モジュールＭ１ＵはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ２ＵおよびダイオードＤ１Ｕ，Ｄ２Ｕを含み、半導体モジュールＭ２ＵはＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕ，Ｑ４ＵおよびダイオードＤ３Ｕ，Ｄ４Ｕを含む。半導体モジュールＭ１ＶはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｖ，Ｑ２ＶおよびダイオードＤ１Ｖ，Ｄ２Ｖを含み、半導体モジュールＭ２ＶはＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｖ，Ｑ４ＶおよびダイオードＤ３Ｖ，Ｄ４Ｖを含む。半導体モジュールＭ１ＷはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｗ，Ｑ２ＷおよびダイオードＤ１Ｗ，Ｄ２Ｗを含み、半導体モジュールＭ２ＷはＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｗ，Ｑ４ＷおよびダイオードＤ３Ｗ，Ｄ４Ｗを含む。
【００２６】
以下では、３レベルコンバータ３の各相のＩＧＢＴ素子およびダイオードと、３レベルインバータ４の各相のＩＧＢＴ素子およびダイオードとを総括的に説明するため符号Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘのコレクタは、直流正母線１３に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｘのコレクタはＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘのエミッタに接続され、そのエミッタは直流中性点母線１７に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ３ｘのコレクタはＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘのエミッタに接続され、そのエミッタはｘ相ライン（交流ライン）ｘＬに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｘのコレクタはｘＬ相ラインｘＬに接続され、そのエミッタは直流負母線１４に接続される。ダイオードＤ１ｘ〜Ｄ４ｘは、それぞれＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘ〜Ｑ４ｘに逆並列に接続される。
【００２７】
図３は、Ｒ相の交流電圧ＶＲとＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ〜Ｑ４Ｒ，Ｑ１Ｕ〜Ｑ４Ｕのオン／オフの関係を示す波形図である。まず、図３を用いて３レベルコンバータ３の動作について説明する。交流電圧ＶＲと参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ〜Ｑ４Ｒのオン／オフの組合せが決定される。
【００２８】
参照信号φ１Ｒは、交流電圧ＶＲの１０倍の周波数を有し、交流電圧ＶＲに同期した三角波信号である。参照信号φ１Ｒの最低値は０Ｖであり、その最高値は交流電圧ＶＲの正のピーク電圧よりも高い。参照信号φ２Ｒは参照信号φ１Ｒと同相の三角波信号であり、参照信号φ２Ｒの最低値は交流電圧ＶＲの負側のピーク電圧よりも低く、その最高値は０Ｖである。
【００２９】
交流電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルよりも高い期間（ｔ２，ｔ４，ｔ６，ｔ８）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ３Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ４Ｒがオフされ、Ｒ相ラインＲＬと直流正母線１３が接続される。
【００３０】
交流電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルの間にある期間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７，ｔ９，ｔ１１，ｔ１３，ｔ１５，ｔ１７）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ３Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ４Ｒがオフされ、Ｒ相ラインＲＬと直流中性点線１７が接続される。
【００３１】
交流電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルよりも低い期間（ｔ１０，ｔ１２，ｔ１４，ｔ１６，ｔ１８）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ４Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ３Ｒがオフされ、Ｒ相ラインＲＬと直流負母線１４が接続される。
【００３２】
また、交流電圧ＶＲのレベルが直流正母線１３の電圧よりも高い場合、Ｒ相ラインＲＬからダイオードＤ３Ｒ，Ｄ１Ｒを介して直流正母線１３に電流が流れる。また、交流電圧ＶＲのレベルが直流負母線１４の電圧よりも低い場合、直流負母線１４からダイオードＤ４Ｒを介してＲ相ラインＲＬに電流が流れる。
【００３３】
なお、実際には、たとえばＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒがオンの期間（たとえばｔ２）においても、ＩＧＢＴ素子ＱＩＲは交流電圧ＶＲよりも十分に高い周波数（たとえば１０ｋＨｚ）でオン／オフされ、電流計３２，３７および電圧計３１，３６の測定結果に基づいてオン期間とオフ期間の比が制御される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒがオフの期間（たとえばｔ１）では、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒはオフ状態に固定される。
【００３４】
また、Ｓ相の回路およびＴ相の回路の各々は、Ｒ相と位相が異なるだけであり、Ｒ相の回路と同様に動作する。Ｓ相では、交流電圧ＶＳと参照信号φ１Ｓ，φ２Ｓとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓ〜Ｑ４Ｓのオン／オフの組合せが決定される。Ｔ相では、交流電圧ＶＴと参照信号φ１Ｔ，φ２Ｔとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｔ〜Ｑ４Ｔのオン／オフの組合せが決定される。
【００３５】
この結果、コンデンサ１５，１６が充電され、直流正母線１３の電圧は交流電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴの正のピーク値になり、直流中性点母線１７の電圧は０Ｖとなり、直流負母線１４の電圧は交流電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴの負のピーク値になる。
【００３６】
次に、図３を用いて３レベルインバータ４の動作について説明する。交流電圧ＶＲと参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ〜Ｑ４Ｕのオン／オフの組合せが決定される。
【００３７】
交流電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルよりも高い期間（ｔ２，ｔ４，ｔ６，ｔ８）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ３Ｕがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ，Ｑ４Ｕがオフされ、Ｕ相ラインＵＬと直流正母線１３が接続される。
【００３８】
交流電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルの間にある期間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７，ｔ９，ｔ１１，ｔ１３，ｔ１５，ｔ１７）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ３Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ４Ｕがオフされ、Ｕ相ラインＵＬと直流中性点線１７が接続される。
【００３９】
交流電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルよりも低い期間（ｔ１０，ｔ１２，ｔ１４，ｔ１６，ｔ１８）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ，Ｑ４Ｕがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ３Ｕがオフされ、Ｕ相ラインＵＬと直流負母線１４が接続される。
【００４０】
なお、実際には、たとえばＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕがオンの期間（たとえばｔ２）においても、ＩＧＢＴ素子ＱＩＵは交流電圧ＶＲよりも十分に高い周波数（たとえば１０ｋＨｚ）でオン／オフされ、電流計３２，３７および電圧計３１，３６の測定結果に基づいてオン期間とオフ期間の比が制御される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕがオフの期間（たとえばｔ１）では、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕはオフ状態に固定される。
【００４１】
また、Ｖ相の回路およびＷ相の回路の各々は、Ｕ相と位相が異なるだけであり、Ｕ相の回路と同様に動作する。Ｖ相では、交流電圧ＶＳと参照信号φ１Ｓ，φ２Ｓとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｖ〜Ｑ４Ｖのオン／オフの組合せが決定される。Ｗ相では、交流電圧ＶＴと参照信号φ１Ｔ，φ２Ｔとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｗ〜Ｑ４Ｗのオン／オフの組合せが決定される。
【００４２】
この結果、Ｕ相ラインＵＬ、Ｖ相ラインＶＬおよびＷ相ラインＷＬには、それぞれ交流電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴと同じ位相の３レベル（直流正母線１３の電圧、直流中性点母線１７の電圧、および直流負母線１４の電圧）の交流電圧が供給される。
【００４３】
以上のように、この実施の形態では、互いに逆並列に接続されたＩＧＢＴ素子ＱおよびダイオードＤを備えた汎用の半導体モジュールＭのみを用いて３レベルコンバータ３および３レベルインバータ４を構成することができる。したがって、特別な半導体モジュールを必要としないので、低価格で信頼性の高い無停電電源装置を実現できる。
【００４４】
なお、この実施の形態では、三相３線式の交流電源および負荷に適用可能な無停電電源装置を示したが、本発明は三相４線式の交流電源および負荷にも適用可能であり、三相４線の場合には、図４に示すように、コンデンサ１１，１９の中点と、中性点２１とを接続すればよい。また、交流電源および交流負荷は３相のものと限定されず単相のものであってもよい。この場合には３レベルコンバータおよび３レベルインバータの各々に２つのマルチレベル回路が含まれていればよい。
【００４５】
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。
【符号の説明】
【００４６】
１  商用交流電源、２  入力フィルタ、３  ３レベルコンバータ、４  ３レベルインバータ、５  出力フィルタ、６  負荷、７  直流電圧変換器、８  蓄電池、１０  制御装置、１１，１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔ，１５，１６，１９，１９Ｕ，１９Ｖ，１９Ｗ  コンデンサ、１２，１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔ，１８，１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ  リアクトル、１３  直流正母線、１４  直流負母線、１７  直流中性点母線、２１  中性点、３１，３６  電圧センサ、３２，３７  電流センサ、３３  停電検出回路、１００  無停電電源装置、Ｄ１Ｒ〜Ｄ４Ｒ，Ｄ１Ｓ〜Ｄ４Ｓ，Ｄ１Ｔ〜Ｄ４Ｔ，Ｄ１Ｕ〜Ｄ４Ｕ，Ｄ１Ｖ〜Ｄ４Ｖ，Ｄ１Ｗ〜Ｄ４Ｗ  ダイオード、Ｑ１Ｒ〜Ｑ４Ｒ，Ｑ１Ｓ〜Ｑ４Ｓ，Ｑ１Ｔ〜Ｑ４Ｔ，Ｑ１Ｕ〜Ｑ４Ｕ，Ｑ１Ｖ〜Ｑ４Ｖ，Ｑ１Ｗ〜Ｑ４Ｗ  ＩＧＢＴ素子、Ｍ１Ｒ，Ｍ２Ｒ，Ｍ１Ｓ，Ｍ２Ｓ，Ｍ１Ｔ，Ｍ２Ｔ，Ｍ１Ｕ，Ｍ２Ｕ，Ｍ１Ｖ，Ｍ２Ｖ，Ｍ１Ｗ，Ｍ２Ｗ  半導体モジュール、ＲＬ  Ｒ相ライン、ＳＬ  Ｓ相ライン、ＴＬ  Ｔ相ライン、ＵＬ  Ｕ相ライン、ＶＬ  Ｖ相ライン、ＷＬ  Ｗ相ライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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