(57)【要約】【課題】製造が容易な構成の電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、この順に直列に接続された２ｎ個の電荷蓄積要素と、第１の電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第１のスイッチ素子および第１のダイオードと、第２ｎの電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子と、第２〜第２ｎ−１の電荷蓄積要素の各々の端子間にこの順に直列に接続された第３および第４のダイオードと、第１のスイッチ素子および第１のダイオードの接続点、各第３のダイオードおよび第４のダイオードの接続点、および、第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子の接続点にそれぞれ接続される２ｎ本の引き出し線と、２ｎ本の引き出し線に出力される出力のうちのいずれか１つを選択するための２ｎ−１個のスイッチ回路とを備える。【選択図】図１
2014204548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
この順に直列に接続された第１から第２ｎの電荷蓄積要素と、
前記第１の電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第１のスイッチ素子および第１のダイオードと、
前記第２ｎの電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子と、
前記第２から第２ｎ−１の電荷蓄積要素の各々の端子間にこの順に直列に接続された第３および第４のダイオードと、
前記第１のスイッチ素子および前記第１のダイオードの接続点、各前記第３のダイオードおよび前記第４のダイオードの接続点、および、前記第２のダイオードおよび前記第２のスイッチ素子の接続点にそれぞれ接続される２ｎ本の引き出し線と、
前記２ｎ本の引き出し線に出力される出力のうちのいずれか１つを選択するための２ｎ−１個のスイッチ回路とを備え、
前記２ｎ−１個のスイッチ回路は、隣り合う２本の前記引き出し線のうちのいずれか一方を選択するように２ｎ−１個の前記スイッチ回路が接続されるとともに、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のいずれか一方を次段の前記スイッチ回路が選択するように残りの前記スイッチ回路が順に接続される、電力変換装置。
【請求項２】
前記第１のスイッチ素子および前記第１の電荷蓄積要素の間、前記第２のスイッチ素子および前記第２の電荷蓄積要素の間、前記第３および第４のダイオードと前記第２から第２ｎ−１の電荷蓄積要素の間に、電流の急変を抑制するための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。
【請求項３】
前記スイッチ回路を構成するスイッチ素子がオフ状態のときに、該スイッチ素子にかかる電圧が最小になるように該スイッチ素子が接続されているスイッチ素子のオンまたはオフ状態を選択する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、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される。特許文献１によれば、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ィッチング素子の開閉を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４１９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５は、特許文献１に開示され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を参照して、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、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。
【０００６】
電力変換装置１００は、４個の直流電源Ｖの中間点を中点Ｖ０とし、中点Ｖ０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Ｖ０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Ｖ０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Ｖ０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Ｖ０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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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のカソード端子の電圧レベルが“＋２Ｖ”となり、ダイオードＤ１０５は、アノード端子が“−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。
【００１０】
このように、特許文献１に開示され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に開示され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、さらに、２つのコンデンサの接続点から上記２種類の耐圧のダイオードを介して直列に接続されたスイッチ素子の正側および負側の端子に配線を接続する必要があり、装置が複雑になるので製造が困難であった。
【００１１】
また、特許文献１に開示され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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明のある局面では、電力変換装置は、異なる２ｎ＋１（ｎは１以上の自然数）個の電圧レベルを出力可能な電力変換装置であって、この順に直列に接続された第１から第２ｎの電荷蓄積要素と、第１の電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第１のスイッチ素子および第１のダイオードと、第２ｎの電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子と、第２から第２ｎ−１の電荷蓄積要素の各々の端子間にこの順に直列に接続された第３および第４のダイオードと、第１のスイッチ素子および第１のダイオードの接続点、各第３のダイオードおよび第４のダイオードの接続点、および、第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子の接続点にそれぞれ接続される２ｎ本の引き出し線と、２ｎ本の引き出し線に出力される出力のうちのいずれか１つを選択するための２ｎ−１個のスイッチ回路とを備える。そして、２ｎ−１個のスイッチ回路は、隣り合う２本の引き出し線のうちのいずれか一方を選択するように２ｎ−１個のスイッチ回路が接続されるとともに、前段に接続された２個のスイッチ回路の出力のうちのいずれか一方を次段のスイッチ回路が選択するように残りのスイッチ回路が順に接続される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る電力変換装置によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態による電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【図２】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。
【図３】本発明の実施の形態による電力変換装置の別の回路構成を示す回路図である。
【図４】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。
【図５】特許文献１に開示される従来の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態によ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。
【００１８】
図１を参照して、電力変換装置１０は、４個の直流電源Ｖと、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６と、８個のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８と、出力端子とを備える。なお、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８の各々には、フリーホイールダイオードが接続される。
【００１９】
４個の直流電源Ｖは、この順に直列に接続される。直流電源Ｖは、電荷蓄積要素であり、一例としてコンデンサＣ１〜Ｃ４が適用される。二次電池などのコンデンサ以外の電荷蓄積要素によって、直流電源Ｖを構成してもよい。コンデンサＣ１〜Ｃ４の各々の端子間電圧は１Ｖであり、コンデンサＣ１〜Ｃ４の中間点の電位をＶ０とする。
【００２０】
６個のダイオードＤ１〜Ｄ６は、この順に直列に接続される。４個のコンデンサＣ１〜Ｃ４の直列回路と、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６の直列回路とは、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２によって並列に接続される。
【００２１】
コンデンサＣ１の端子間には、スイッチ素子Ｓ１およびダイオードＤ１がこの順に直列に接続される。コンデンサＣ２の端子間には、ダイオードＤ２およびＤ３がこの順に直列に接続される。コンデンサＣ３の端子間には、ダイオードＤ４およびＤ５がこの順に直列に接続される。コンデンサＣ４の端子間には、ダイオードＤ６およびスイッチ素子Ｓ２がこの順に直列に接続される。
【００２２】
スイッチ素子Ｓ１およびダイオードＤ１の接続点Ｐ１に接続される引き出し線Ｌ１と、ダイオードＤ２およびＤ３の接続点Ｐ２に接続される引き出し線Ｌ２との間には、スイッチ素子Ｓ３およびＳ４がこの順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ３およびＳ４は、スイッチ回路１４を構成する。スイッチ回路１４は、スイッチ素子Ｓ３およびＳ４のいずれか一方が導通状態となることにより、引き出し線Ｌ１に出力される電位および引き出し線Ｌ２に出力される電位のいずれか一方を選択する。
【００２３】
ダイオードＤ４およびＤ５の接続点Ｐ３に接続される引き出し線Ｌ３と、ダイオードＤ６およびスイッチ素子Ｓ２の接続点Ｐ４に接続される引き出し線Ｌ４との間には、スイッチ素子Ｓ５およびＳ６がこの順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ５およびＳ６は、スイッチ回路１６を構成する。スイッチ回路１６は、スイッチ素子Ｓ５およびＳ６のいずれか一方が導通状態となることにより、引き出し線Ｌ３に出力される電位および引き出し線Ｌ４に出力される電位のいずれか一方を選択する。
【００２４】
スイッチ素子Ｓ７およびＳ８は、スイッチ素子Ｓ３およびＳ４の接続点と、スイッチ素子Ｓ５およびＳ６の接続点との間に、この順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ７およびＳ８は、スイッチ回路１８を構成する。スイッチ回路１８は、前段に接続された２個のスイッチ回路１４，１６の出力のうち、いずれか一方を選択する。
【００２５】
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。
【００２６】
まず、電力変換装置１０は、スイッチ素子Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“０Ｖ”を出力する。すなわち、電力変換装置１０から出力端子に電流が出力する方向（以下、単に「出力方向」と称する）に電流が流れている場合、ダイオードＤ３およびスイッチ素子Ｓ４，Ｓ７が導通する。また、出力端子から電力変換装置１０に電流が入力する方向（以下、単に「入力方向」と称する）に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ８、スイッチ素子Ｓ５のダイオード、およびダイオードＤ４が導通する。その後、電力変換装置１０は、時刻ｔ１に、スイッチ素子Ｓ８をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ１およびスイッチ素子Ｓ３，Ｓ７が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ４およびダイオードＤ２が導通する。
【００２７】
次に、電力変換装置１０は、時刻ｔ２に、スイッチ素子Ｓ４をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ７をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋２Ｖ“を出力する。その後、電力変換装置１０は、出力端子の電圧レベルを“＋１Ｖ”、“０Ｖ”と順に下げる。
【００２８】
電力変換装置１０は、時刻ｔ３に、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“−１Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ５およびスイッチ素子Ｓ５，Ｓ８が導通する、また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ８，Ｓ６およびダイオードＤ６が導通する。その後、電力変換装置１０は、時刻ｔ４に、スイッチ素子Ｓ５をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ６，Ｓ８をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“−２Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置１０は、出力端子の電圧レベルを“−１Ｖ”，”０Ｖ”と順に上げる。
【００２９】
このようにして、電力変換装置１０は、異なる５個の電圧レベル（−２Ｖ，−１Ｖ，０Ｖ，＋１Ｖ，＋２Ｖ）を切替えて出力する動作を行なうことにより、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。
【００３０】
ここで、電力変換装置１０において、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２およびダイオードＤ１〜Ｄ６には、スイッチ素子がオフ状態のときにそれぞれの素子の両端に１個分のコンデンサの電圧が印加されるのみである。スイッチ回路１４は、端子Ｐ１と端子Ｐ２との電位差が高々２Ｖであるので、２Ｖ以下の電圧が印加される。スイッチ回路１６も同様である。スイッチ回路１８は、出力端子から“＋２Ｖ”を出力する場合、スイッチ素子Ｓ７をオン状態とし、スイッチ素子Ｓ８をオフ状態し、スイッチ素子Ｓ５をオン状態とすることで、＋２Ｖの電位から引き出し線Ｌ３の電位の差の電圧（すなわち２Ｖ以上３Ｖ以下）が印加される。
【００３１】
以上のように、本発明の実施の形態による電力変換装置１０によれば、４個の直流電源Ｖの直列回路と６個のダイオードの直列回路とを２つのスイッチ素子によって並列に接続し、スイッチ素子およびダイオードの接続点および隣合う２個のダイオードの接続点にそれぞれ接続される４本の引き出し線に出力される電位のいずれか１つをスイッチ回路１４，１６，１８により選択する構成とすることにより、高い電圧が印加される素子をスイッチ回路１４，１６，１８を構成する素子に限定することができ、また、それらの接続は単純である。したがって、従来の電力変換装置（図５）と比較して、高い耐圧を必要とする素子の数をスイッチ回路に集中させることができ、接続が容易な構成であるため、製造が容易な構成とすることができる。
【００３２】
なお、本発明の実施の形態による電力変換装置は、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、直列接続される直流電源およびダイオード、並びにスイッチ回路の個数を増やすことによって、出力する電圧レベルの数を容易に増やすことができる。
【００３３】
図３は、本発明の実施の形態によ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。
【００３４】
図３を参照して、電力変換装置２０は、８個の直流電源Ｖと、１４個のダイオードＤ１〜Ｄ１４と、１６個のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１６と、出力端子とを備える。なお、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１６の各々には、フリーホイールダイオードが接続される。
【００３５】
８個の直流電源Ｖは、この順に直列に接続される。直流電源Ｖは、電荷蓄積要素であり、一例としてコンデンサＣ１〜Ｃ８が適用される。コンデンサＣ１〜Ｃ８の各々の端子間電圧は１Ｖであり、コンデンサＣ１〜Ｃ８の中間点の電位をＶ０とする。
【００３６】
１４個のダイオードＤ１〜Ｄ１４は、この順に直列に接続される。８個のコンデンサＣ１〜Ｃ８の直列回路と、１４個のダイオードＤ１〜Ｄ１４の直列回路とは、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２によって並列に接続される。
【００３７】
コンデンサＣ１の端子間には、スイッチ素子Ｓ１およびダイオードＤ１がこの順に直列に接続される。コンデンサＣ２の端子間には、ダイオードＤ２およびＤ３がこの順に直列に接続される。コンデンサＣ３の端子間には、ダイオードＤ４およびＤ５がこの順に直列に接続される。同様にして、コンデンサＣ４〜Ｃ７の各々の端子間には、２個のダイオードが直列に接続される。コンデンサＣ８の端子間には、ダイオードＤ１４およびスイッチ素子Ｓ２がこの順に直列に接続される。
【００３８】
スイッチ素子Ｓ１およびダイオードＤ１の接続点Ｐ１に接続される引き出し線Ｌ１と、ダイオードＤ２およびＤ３の接続点Ｐ２に接続される引き出し線Ｌ２との間には、スイッチ素子Ｓ３およびＳ４がこの順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ３およびＳ４は、スイッチ回路２４を構成する。スイッチ回路２４は、スイッチ素子Ｓ３およびＳ４のいずれか一方が導通状態となることにより、引き出し線Ｌ１に出力される電位および引き出し線Ｌ２に出力される電位のいずれか一方を選択する。
【００３９】
ダイオードＤ４およびＤ５の接続点Ｐ３に接続される引き出し線Ｌ３と、ダイオードＤ６およびスイッチ素子Ｓ２の接続点Ｐ４に接続される引き出し線Ｌ４との間には、スイッチ素子Ｓ５およびＳ６がこの順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ５およびＳ６は、スイッチ回路２６を構成する。スイッチ回路２６は、スイッチ素子Ｓ５およびＳ６のいずれか一方が導通状態となることにより、引き出し線Ｌ３に出力される電位および引き出し線Ｌ４に出力される電位のいずれか一方を選択する。
【００４０】
スイッチ素子Ｓ１１およびＳ１２は、スイッチ素子Ｓ３およびＳ４の接続点と、スイッチ素子Ｓ５およびＳ６の接続点との間に、この順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ１１およびＳ１２は、スイッチ回路３２を構成する。スイッチ回路３２は、前段に接続された２個のスイッチ回路２４，２６の出力のうち、いずれか一方を選択する。
【００４１】
ダイオードＤ８およびＤ９の接続点Ｐ５に接続される引き出し線Ｌ５と、ダイオードＤ１０およびＤ１１の接続点Ｐ６に接続される引き出し線Ｌ６との間には、スイッチ素子Ｓ７およびＳ８がこの順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ７およびＳ８は、スイッチ回路２８を構成する。スイッチ回路２８は、スイッチ素子Ｓ７およびＳ８のいずれか一方が導通状態となることにより、引き出し線Ｌ５に出力される電位および引き出し線Ｌ６に出力される電位のいずれか一方を選択する。
【００４２】
ダイオードＤ１２およびＤ１３の接続点Ｐ７に接続される引き出し線Ｌ７と、ダイオードＤ１４およびスイッチ素子Ｓ２の接続点Ｐ８に接続される引き出し線Ｌ８との間には、スイッチ素子Ｓ９およびＳ１０がこの順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ９およびＳ１０は、スイッチ回路３０を構成する。スイッチ回路３０は、スイッチ素子Ｓ９およびＳ１０のいずれか一方が導通状態となることにより、引き出し線Ｌ７に出力される電位および引き出し線Ｌ８に出力される電位のいずれか一方を選択する。
【００４３】
スイッチ素子Ｓ１３およびＳ１４は、スイッチ素子Ｓ７およびＳ８の接続点と、スイッチ素子Ｓ９およびＳ１０の接続点との間に、この順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ１３およびＳ１４は、スイッチ回路３４を構成する。スイッチ回路３４は、前段に接続された２個のスイッチ回路２８，３０の出力のうち、いずれか一方を選択する。
【００４４】
スイッチ素子Ｓ１５およびＳ１６は、スイッチ素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点と、スイッチＳ１３およびＳ１４の接続点との間に、この順に直列に接続される。スイッチ素子Ｓ１５およびＳ１６は、スイッチ回路３６を構成する。スイッチ回路３６は、前段に接続される２個のスイッチ回路３２，３４の出力のうち、いずれか一方を選択する。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、電力変換装置２０は、スイッチ素子Ｓ６，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“０Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ７、スイッチ素子Ｓ６，Ｓ１２，Ｓ１５が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１６、スイッチ素子Ｓ１３のダイオード、スイッチ素子Ｓ７のダイオード、およびダイオードＤ８が導通する。その後、電力変換装置２０は、時刻ｔ１に、スイッチ素子Ｓ１６をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ５，Ｓ６，Ｓ１２，Ｓ１５をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋１Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ５およびスイッチ素子Ｓ５，Ｓ１２，Ｓ１５が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１５，Ｓ１２，Ｓ６およびダイオードＤ６が導通する。
【００４７】
次に、電力変換装置２０は、時刻ｔ２に、スイッチ素子Ｓ５をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ４，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１５をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋２Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ３およびスイッチ素子Ｓ４，Ｓ１１，Ｓ１５が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１５，Ｓ１２、スイッチ素子Ｓ５のダイオード、およびダイオードＤ４が導通する。その後、電力変換装置２０は、時刻ｔ３に、スイッチ素子Ｓ１２をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ１１，Ｓ１５をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋３Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ１およびスイッチ素子Ｓ３，Ｓ１１，Ｓ１５が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１５，Ｓ１１，Ｓ４およびダイオードＤ２が導通する。さらに、電力変換装置２０は、時刻ｔ４に、スイッチ素子Ｓ４をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ１１，Ｓ１５をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“＋４Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置２０は、出力端子の電圧レベルを“＋３Ｖ”，“＋２Ｖ”，“＋１Ｖ”，“０Ｖ”と順に下げる。
【００４８】
電力変換装置２０は、時刻ｔ５に、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１３，Ｓ１６をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“−１Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ９およびスイッチ素子Ｓ７，Ｓ１３，Ｓ１６が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１６，Ｓ１３，Ｓ８およびダイオードＤ１０が導通する。その後、電力変換装置２０は、時刻ｔ６に、スイッチ素子Ｓ７をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ８，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１６をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“−２Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ１１およびスイッチ素子Ｓ８，Ｓ１３，Ｓ１６が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１６，Ｓ１４、スイッチ素子Ｓ９のダイオードおよびダイオードＤ１２が導通する。
【００４９】
次に、電力変換装置２０は、時刻ｔ７に、スイッチ素子Ｓ１３をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１４，Ｓ１６をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“−３Ｖ”を出力する。すなわち、出力方向に電流が流れている場合、ダイオードＤ１３およびスイッチ素子Ｓ９，Ｓ１４，Ｓ１６が導通する。また、入力方向に電流が流れている場合、スイッチ素子Ｓ１６，Ｓ１４，Ｓ１０およびダイオードＤ１４が導通する。その後、電力変換装置２０は、時刻ｔ８に、スイッチ素子Ｓ９をオフ状態にし、かつ、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ１０，Ｓ１４，Ｓ１６をオン状態にして、出力端子から電圧レベル“−４Ｖ”を出力する。その後、電力変換装置２０は、出力端子の電圧レベルを“−３Ｖ”，“−２Ｖ”，“−１Ｖ”，“０Ｖ”と順に上げる。
【００５０】
このようにして、電力変換装置２０は、異なる９個の電圧レベル（−４Ｖ，−３Ｖ，−２Ｖ，−１Ｖ，０Ｖ，＋１Ｖ，＋２Ｖ，＋３Ｖ，＋４Ｖ）を切替えて出力する動作を行なうことにより、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。
【００５１】
また、上記スイッチ動作の説明では、出力に関わるスイッチ素子のみを説明したが、電荷蓄積要素の両端が短絡しないようなスイッチング状態であれば他のスイッチ素子はどのような状態でも構わない。例えば、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ１１，Ｓ１５をオン状態にして出力端子に＋４Ｖの電圧レベルを出力している状態では、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１６をオンすることはできないが、スイッチ素子Ｓ５をオンすることでスイッチ素子Ｓ１２の片側の端子の電位を接続点Ｐ３の電位に固定することができる。もし、スイッチ素子Ｓ６をオンすると、スイッチ素子Ｓ１２の片側の端子の電位は接続点Ｐ４の電位となり、スイッチ素子Ｓ１２の両端の電圧が大きくなる。つまり、スイッチ素子Ｓ５をオンすることで、スイッチ素子Ｓ１２のオフ時の耐圧を下げることが可能である。同様に、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ１３をオンすると、スイッチ素子Ｓ１６の片側の端子の電位を接続点Ｐ５の電位に固定できるため、スイッチ素子Ｓ８やＳ１４などのスイッチ素子をオンするよりもスイッチ素子Ｓ１６の耐圧を小さくすることが可能になる。
【００５２】
以上に説明したように、本発明の実施の形態による電力変換装置は、直列接続される直流電源およびダイオード、並びにスイッチ回路の個数を増やすことで、出力する電圧レベルの数を増やすことができる。本発明の実施の形態による電力変換装置は、以下のように一般化して表わすことができる。
【００５３】
すなわち、本発明の実施の形態による電力変換装置は、異なる２ｎ＋１（ｎは１以上の自然数）個の電圧レベルを出力可能な電力変換装置であって、この順に直列に接続された第１から第２ｎの電荷蓄積要素と、第１の電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第１のスイッチ素子および第１のダイオードと、第２ｎの電荷蓄積要素の端子間にこの順に直列に接続された第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子と、第２から第２ｎ−１の電荷蓄積要素の各々の端子間にこの順に直列に接続された第３および第４のダイオードと、第１のスイッチ素子および第１のダイオードの接続点、各第３のダイオードおよび第４のダイオードの接続点、および、第２のダイオードおよび第２のスイッチ素子の接続点にそれぞれ接続される２ｎ本の引き出し線と、２ｎ本の引き出し線に出力される出力のうちのいずれか１つを選択するための２ｎ−１個のスイッチ回路とを備える。そして、２ｎ−１個のスイッチ回路は、隣り合う２本の引き出し線のうちのいずれか一方を選択するように２ｎ−１個のスイッチ回路が接続されるとともに、前段に接続された２個のスイッチ回路の出力のうちのいずれか一方を次段のスイッチ回路が選択するように残りのスイッチ回路が順に接続される。
【００５４】
なお、本発明の実施の形態による電力変換装置では、スイッチ素子のスイッチング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、高周波成分のより少ない電力変換装置とすることができる。
【００５５】
また、この電力変換装置は交流を出力するに止まらず、スイッチングの順序を適宜変更することによって、所望の直流電圧を得ることも可能である。
【００５６】
さらに、本発明の実施の形態による電力変換装置では、電荷蓄積要素とスイッチ素子またはダイオード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。
【００５７】
今回開示された実施の形態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。
【符号の説明】
【００５８】
１０，２０，１００  電力変換装置、１４，１６，１８，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６  スイッチ回路、Ｃ１〜Ｃ８  コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４，Ｄ１０１〜Ｄ１０６  ダイオード、Ｓ１〜Ｓ１６，Ｓ１０１〜Ｓ１０８  スイッチ素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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