【手続補正書】
【提出日】平成27年3月17日(2015.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】マルチレベル電力変換装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力変換装置の技術に関するもので、特に、複数の電圧レベルを直接出力するマルチレベル電力変換回路の構成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に、特許文献１に示された従来の技術を用いた７レベル電力変換回路例を示す。本回路は７レベル（マルチレベル）変換回路の１相分で、この回路を２回路用いると単相変換回路を、３回路用いると３相変換回路を構成できる。図７において、直流単電源ｂ１１〜ｂ１３、ｂ２１〜ｂ２３が直列に接続された直流組電源ＢＡ２は、７個の電圧レベルを持った端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｍ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を備え、正極端子Ｐ３と負極端子Ｎ３との間には、半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）Ｑ１〜Ｑ１２の直列回路が接続され、その半導体スイッチＱ６とＱ７の接続点が交流端子Ｕに接続されている。また半導体スイッチＱ１とＱ２の接続点と半導体スイッチＱ７とＱ８の接続点との間には、ダイオードＤ１とＤ２とを直列接続したダイオードアーム対ＤＡ１が接続され、このダイオードアーム対ＤＡ１の中点端子は直流単電源ｂ１１とｂ１２の接続点に接続されている。
【０００３】
同様に、半導体スイッチＱ２とＱ３の接続点と半導体スイッチＱ８とＱ９の接続点との間には、ダイオードＤ３とＤ４を直列接続したダイオードアーム対ＤＡ２が接続され、このダイオードアーム対ＤＡ２の中点端子は直流単電源ｂ１２とｂ１３の接続点に接続され、半導体スイッチＱ３とＱ４の接続点と半導体スイッチＱ９とＱ１０の接続点との間には、ダイオードＤ５とＤ６を直列接続したダイオードアーム対ＤＡ３の外側端子が接続され、このダイオードアーム対ＤＡ３の中点端子は直流単電源ｂ１３とｂ２１の接続点に接続され、半導体スイッチＱ４とＱ５の接続点と半導体スイッチＱ１０とＱ１１の接続点との間には、ダイオードＤ７とＤ８を直列接続したダイオードアーム対ＤＡ４が接続され、このダイオードアーム対ＤＡ４の中点端子は直流単電源ｂ２１とｂ２２の接続点に接続され、半導体スイッチＱ５とＱ６の接続点と半導体スイッチＱ１１とＱ１２の接続点との間には、ダイオードＤ９とＤ１０を直列接続したダイオードアーム対ＤＡ５が接続され、このダイオードアーム対ＤＡ５の中点端子は直流単電源ｂ２２とｂ２３の接続点に接続されている。
【０００４】
この様な回路構成において、半導体スイッチＱ１〜Ｑ６をオンさせ、Ｑ７〜Ｑ１２をオフにすると、交流端子Ｕには＋３Ｅの電圧が、半導体スイッチＱ２〜Ｑ７がオンでＱ８〜Ｑ１２及びＱ１をオフとすると、交流端子Ｕには＋２Ｅの電圧が、半導体スイッチＱ３〜Ｑ８がオンでＱ９〜Ｑ１２及びＱ１とＱ２をオフとすると、交流端子Ｕには+１Ｅの電圧が、半導体スイッチＱ４〜Ｑ９がオンでＱ１〜Ｑ３及びＱ１０〜Ｑ１２をオフとすると、交流端子Ｕにはゼロ電圧が、半導体スイッチＱ５〜Ｑ１０がオンでＱ１１、Ｑ１２及びＱ１〜Ｑ４をオフとすると、交流端子Ｕには−１Ｅの電圧が、半導体スイッチＱ６〜Ｑ１１がオンでＱ１２及びＱ１〜Ｑ５をオフとすると、交流端子Ｕには−２Ｅの電圧が、半導体スイッチＱ７〜Ｑ１２がオンでＱ１〜Ｑ６をオフとすると、交流端子Ｕには−３Ｅの電圧が、各々出力される。
この様に、各半導体スイッチＱ１〜Ｑ１２のオンオフを調節することにより、交流端子Ｕには、７レベルの電圧出力が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６４５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７の従来回路においては、直流組電源ＢＡ２から交流端子Ｕの間で出力電流が通過する半導体スイッチの数が最大６直列となる。そのため、半導体スイッチにおける定常オン損失が大きくなり、装置全体の変換効率の低下を招き、小形化と低価格化が困難となる問題がある。
また、図７に示したような従来のマルチレベル電力変換回路においては、交流端子Ｕから出力される電圧、電流が正負対称な交流波形の場合においても直流単電源ｂ１１〜ｂ１３及びｂ２１〜ｂ２３のそれぞれが分担する電力は原理的に同じとならないため、各々独立した直流単電源を必要とする。そのため、入力となる直流組電源ＢＡ２には、独立に電力を供給できる６個の単電源を必要とするため、装置を製作する上で大きな制約となってしまう。この直流電源のアンバランスの問題については、例えば、ＩＥＥＥ−ＰＥＳＣ‘９５のカンファレンスレコードpp1144〜1150の「A multi-level voltage-source converter system with balanced DC voltage」に紹介されている。
従って、本発明の課題は、従来に比べ出力電流が通過する半導体スイッチの数の低減により発生損失を低減可能で、且つ直流電源として２つの単電源で動作可能なマルチレベル電力変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、第１の発明においては、第１及び第２の直流電源が直列接続され、正極、零極及び負極の３つの端子を備えた直流電源回路と、前記直流電源回路の正極と負極との間に接続される、それぞれダイオードを逆並列接続した第1〜第6の半導体スイッチをこの順に直列接続した第１の半導体スイッチ直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第５の半導体スイッチと前記第６の半導体スイッチとの接続点との間に接続される、第１の双方向スイッチとそれぞれダイオードを逆並列接続した第７及び第８の半導体スイッチと第２の双方向スイッチとをこの順に直列接続した第２の半導体スイッチ直列回路と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの直列回路と並列接続される第１のコンデンサと、前記第２の半導体スイッチ直列回路と並列接続される第２のコンデンサと、を備え、前記第７の半導体スイッチと前記第８の半導体スイッチとの接続点を前記直流電源回路の零極に接続し、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点を交流端子とする。
【０００８】
第２の発明においては、第１の発明における前記第１の半導体スイッチ又は前記第６の半導体スイッチは、各々が同一機能を有する複数の半導体スイッチを直列接続して構成し、前記直列接続された半導体スイッチは各々個別の制御信号により駆動する。
【０００９】
第３の発明においては、第１又は第２の発明における前記第１又は第２の双方向スイッチは、逆耐圧のある半導体デバイスを逆並列接続した構成とし、前記逆並列接続した半導体デバイスの各々は個別の制御信号により駆動する。
【００１０】
第４の発明においては、第１又は第２の発明における前記第１又は第２の双方向スイッチは、それぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを逆直列接続した構成とし、前記逆直列接続した半導体デバイスの各々は個別の制御信号により駆動する。
【００１１】
第５の発明においては、第１〜第４の発明における前記直流電源回路の３つの端子の電圧レベルを各々＋３E、０、−３Eとした時、前記第１のコンデンサの電圧を１Eに、前記第２のコンデンサの電圧を２Eに保持し、前記直流電源回路、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの各電圧を用いて、＋３E、＋２E、＋１E、０、−１E、−２E、−３Eの７レベルの電圧を生成し、任意にその電圧レベルを選択して前記交流端子に出力する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の回路を使用すると、入力となる直流電源から交流端子（出力）に至る経路で電流が通過する半導体スイッチの数が従来最大６個であったものが最大４個に減少し、損失を低減することが可能となる。結果として、装置の高効率化、低価格化、小形化が可能となる。さらに入力直流電源を単電源２つの組合せとすることが出来、従来回路に比べその適用上の制約が少なくなり、装置製作が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図である。
【図２】第１の実施例回路での動作モードと動作波形例である。
【図３】第１の実施例回路での各半導体スイッチの動作図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す回路図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示す回路図である。
【図６】本発明の第３の実施例での各半導体スイッチの動作図である。
【図７】従来例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の要点は、正極、零極及び負極の３つの端子を備えた直流電源回路の正極と負極との間に、第1〜第6の半導体スイッチをこの順に直列接続した第１の半導体スイッチ直列回路を接続し、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第５の半導体スイッチと前記第６の半導体スイッチとの接続点との間に、第１の双方向スイッチと第７及び第８の半導体スイッチと第２の双方向スイッチとをこの順に直列接続した第２の半導体スイッチ直列回路を接続し、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの直列回路と並列に第１のコンデンサを、前記第２の半導体スイッチ直列回路と並列に第２のコンデンサを接続し、前記第７の半導体スイッチと前記第８の半導体スイッチとの接続点を前記直流電源回路の零極に接続し、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点を交流端子としている点である。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１はマルチレベル電力変換回路の１相分であり、直流単電源ｂ１とｂ２が直列に接続された構成の正極、零極及び負極の３つの端子を持つ直流組電源ＢＡ１が直流電源回路として用いられる。このマルチレベル電力変換回路では、半導体スイッチＱ１〜Ｑ６が直列に接続された第１の半導体スイッチ直列回路が直流電源回路BA1の正極Ｐと負極Ｎとの間に接続され、半導体スイッチＱ３とＱ４との直列回路と並列に第１のコンデンサとしてのコンデンサＣ１が接続される。また半導体スイッチＱ１とＱ２の接続点と半導体スイッチＱ５とＱ６との接続点との間には第２のコンデンサとしてのコンデンサＣ２と、双方向スイッチＳＷ１、半導体スイッチＱ７、Ｑ８及び双方向スイッチＳＷ２を直列接続した第２の半導体スイッチ直列回路とが、各々接続される。また、半導体スイッチＱ７とＱ８と接続点は直流電源回路ＢＡ１の零極端子Ｍに、半導体スイッチＱ３とＱ４との接続点は交流端子Ｕに、各々接続される。
【００１６】
このような回路構成における動作を図２、図３に基づいて以下に説明する。ここでは７レベル電力変換回路を前提にし、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１を３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２を−３Ｅ、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を１Ｅ、コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を２Ｅとした場合について説明する。
【００１７】
スイッチングモードは図２及び図３に示すように１６通りある。
スイッチングモード１は交流端子Ｕに＋３Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ１、Ｑ２及びＱ３をオンさせ、半導体スイッチＱ４と双方向スイッチＳＷ１のＱＲ１をオフさせるモードである。出力電流は、直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１→半導体スイッチＱ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Uの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ１、Ｑ２及びＱ３の３個である。この時、半導体スイッチＱ５、Ｑ６、Ｑ７と双方向スイッチＳＷ２のＱＲ３をオフしておくことで、半導体スイッチＱ４に印加される電圧はコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１（１Ｅ）となる。
【００１８】
以下同様に半導体スイッチＱ５に印加される電圧はコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２（２Ｅ）からコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１（１Ｅ）を減算した電圧（ＶＣ２−ＶＣ１＝１Ｅ）に、半導体スイッチＱ６に印加される電圧は（直流単電源ｂ２の電圧−Ｖｂ２＋直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２＝４Ｅ）の電圧となる。また、双方向スイッチＳＷ２に印加される電圧は（直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２＝１Ｅ）の電圧となる。半導体スイッチＱ７と双方向スイッチＳＷ１との直列回路に印加される電圧は直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１＝３Ｅとなる。ここで、半導体スイッチＱ７と双方向スイッチＳＷ１との直列回路において各々の耐圧の大きさが凡そ２：１の関係であれば、半導体スイッチＱ７に印加される電圧は２Ｅに、双方向スイッチＳＷ１に印加される電圧は１Ｅになる。
【００１９】
以上の説明のように、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Ｅ、の直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を２Ｅに保持していれば、交流端子Uの電圧は＋３Eとなり、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２及び各半導体スイッチＱ４、Ｑ５、Q６、Ｑ７に印加される電圧は、各々１E、１E、１E、１E、４E、２Ｅとなる。
【００２０】
スイッチングモード２は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに＋２Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ１、Ｑ２及びＱ４をオンさせ、半導体スイッチＱ３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７及び双方向スイッチＳＷ１のＱＲ１、ＳＷ２のＱＲ３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１→半導体スイッチＱ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ４→交流端子Uの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ１、Ｑ２及びＱ４の３個である。交流端子Ｕには（直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１＝２Ｅ）の電圧が出力される。この時、半導体スイッチＱ３に印加される電圧はＶＣ１＝１Ｅ、半導体スイッチＱ５に印加される電圧は（コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２−コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１＝１Ｅ）の電圧、半導体スイッチＱ６に印加される電圧は（直流単電源ｂ２の電圧−Ｖｂ２＋直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２＝４Ｅ）の電圧、ＳＷ２に印加される電圧は（直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２＝１Ｅ）の電圧、半導体スイッチＱ７と双方向スイッチＳＷ１の直列回路に印加される電圧は直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の電圧に、各々クランプされる。
【００２１】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流出力点Ｕの電位は＋２Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２及び各半導体スイッチＱ３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７に印加される電圧は、各々１E、１E、１E、１E、４E、２Eとなる。
【００２２】
スイッチングモード３は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに＋２Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ１、Ｑ３及びＱ５をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７及び双方向スイッチＳＷ１のＱＲ１、ＳＷ２のＱＲ３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ１、Ｑ５及びＱ３の３個である。交流端子Ｕには（直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２＋コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１）の電圧が出力される。
【００２３】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流出力点Ｕの電位は＋２Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２及び各半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７のクランプ電圧は、各々１E、１E、１E、１E、４E、２Eとなる。
【００２４】
スイッチングモード４は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに＋２Ｅを出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２及び半導体スイッチＱ２、Ｑ３、Ｑ８をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源のＭ点→半導体スイッチＱ８→双方向スイッチＳＷ２→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＳＷ２、Ｑ８、Ｑ２及びＱ３の４個である。交流端子ＵにはコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が直接出力される。
【００２５】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流出力点Ｕの電位は＋２Ｅとなり、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７のクランプ電圧は、各々１E、１E、１E、３E、２Eとなる。
【００２６】
スイッチングモード５は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに＋１Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ７、双方向スイッチのＱＲ１、ＱＲ３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ１、Ｑ５及びＱ４の３個である。交流端子Ｕには（直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１−コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２）が出力される。
【００２７】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２及び半導体スイッチＱ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ７のクランプ電圧は、各々１E、１E、１E、１E、４E、２Eとなる。
【００２８】
スイッチングモード６は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに＋１Ｅを出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ８をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ８→双方向スイッチＳＷ２→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ８、ＳＷ２、Ｑ２及びＱ４の４個である。交流端子Ｕには（コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２−コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１）が出力される。
【００２９】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなり、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７のクランプ電圧は、各々１E、１E、１E、３E、２Eとなる。
【００３０】
スイッチングモード７は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに＋１Ｅを出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ３、Ｑ５、Ｑ８をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ８→双方向スイッチＳＷ２→半導体スイッチＱ５→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＳＷ２、Ｑ８、Ｑ５及びＱ３の４個である。交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が出力される。
【００３１】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなり、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７のクランプ電圧は、各々１E、１E、１E、３E、２Eとなる。
【００３２】
スイッチングモード８は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに０を出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ４、Ｑ５、Ｑ８をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ７をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ８→双方向スイッチＳＷ２→半導体スイッチＱ５→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ８、ＳＷ２、Ｑ５及びＱ４の４個である。交流端子Ｕには直流組電源の零極Ｍの電位０が出力される。
【００３３】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は０となり、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ７のクランプ電圧は、各々１E、１E、１E、３E、２Eとなる。
【００３４】
スイッチングモード９は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに０を出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ２、Ｑ３、Ｑ７をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ８をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ７→双方向スイッチＳＷ１→半導体スイッチＱ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ７、ＳＷ１、Ｑ２及びＱ３の４個である。交流端子Ｕには直流組電源の零極Ｍの電位０が出力される。
【００３５】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は０となり、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ８のクランプ電圧は、各々３E、１E、１E、１E、２Eとなる。
【００３６】
スイッチングモード１０は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−１Ｅを出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ７をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ８をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ７→双方向スイッチＳＷ１→半導体スイッチＱ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ７、ＳＷ１、Ｑ２及びＱ４の４個である。交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧−ＶＣ１が出力される。
【００３７】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−１Ｅとなり、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ８のクランプ電圧は、各々３E、１E、１E、１E、２Eとなる。
【００３８】
スイッチングモード１１は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−１Ｅを出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ３、Ｑ５、Ｑ７をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ７→双方向スイッチＳＷ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ７、ＳＷ１、Ｑ５及びＱ３の４個である。交流端子Ｕには（コンデンサＣ２の電圧−ＶＣ２＋コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１）が出力される。
【００３９】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−１Ｅとなり、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８のクランプ電圧は、各々３E、１E、１E、１E、２Eとなる。
【００４０】
スイッチングモード１２は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−１Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ２、Ｑ３、Ｑ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ８、ＱＲ１、双方向スイッチＳＷ２のＱＲ３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ２→半導体スイッチＱ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ６、Ｑ２、及びＱ３の３個である。交流端子Ｕには（直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２＋コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２）が出力される。
【００４１】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−１Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ８のクランプ電圧は、各々１E、１E、４E、１Ｅ、１E、２Eとなる。
【００４２】
スイッチングモード１３は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−２Ｅを出力するモードで、双方向スイッチＳＷ１、ＳＷ２、半導体スイッチＱ４、Ｑ５、Ｑ７をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ８をオフさせるモードである。出力電流は、直流組電源ＢＡ１のＭ点→半導体スイッチＱ７→双方向スイッチＳＷ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ７、ＳＷ１、Ｑ５、Ｑ４の４個である。交流端子Ｕには（コンデンサＣ２の電圧−ＶＣ２）が出力される。
【００４３】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−２Ｅとなり、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ８のクランプ電圧は、各々３E、１E、１E、１Ｅ、２Eとなる。
【００４４】
スイッチングモード１４は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−２Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ８、ＱＲ２、ＱＲ４をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ２→半導体スイッチＱ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ６、Ｑ２、Ｑ４の３個である。交流端子Ｕには（直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２＋コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２−コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１）が出力される。
【００４５】
ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−２Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ1、ＳＷ２、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ８のクランプ電圧は、各々１E、１E、４Ｅ、１E、１Ｅ、２Eとなる。
【００４６】
スイッチングモード１５は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−２Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ３、Ｑ５、Ｑ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ８、ＱＲ２、ＱＲ４をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ２→半導体スイッチＱ６→半導体スイッチＱ５→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ６、Ｑ５、Ｑ３の３個である。交流端子Ｕには（直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２＋コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１）が出力される。
【００４７】
ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−２Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ1、ＳＷ２、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ８のクランプ電圧は、各々１E、１E、４Ｅ、１E、１Ｅ、２Eとなる。
【００４８】
スイッチングモード１６は、上述の説明と同様に７レベル電力変換回路を前提とした場合、交流端子Ｕに−３Ｅを出力するモードで、半導体スイッチＱ４、Ｑ５、Ｑ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ８、ＱＲ２、ＱＲ４をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ２→半導体スイッチＱ６→半導体スイッチＱ５→半導体スイッチＱ４→交流端子Ｕの経路で流れ、電流が通過する半導体スイッチはＱ６、Ｑ５、Ｑ４の３個である。交流端子Ｕには直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が出力される。
【００４９】
ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１が３Ｅ、直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧を２Ｅに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は−３Ｅとなり、双方向スイッチＳＷ1、ＳＷ２、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ８のクランプ電圧は、各々１E、１E、４Ｅ、１E、１Ｅ、２Eとなる。
【００５０】
ここで、７レベル変換回路として直流単電源の電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が共に＋３Eの時、上記「スイッチングモード１」から「スイッチングモード１６」により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、＋１Ｅ、０、−１Ｅ、−２Ｅ、−３Eの７レベルの電圧が出力可能となる。
【００５１】
ここで、７レベル変換回路として動作する時、「スイッチングモード２」から「スイッチングモード４」は同じ＋２Ｅの出力となっているが、「スイッチングモード２」においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１が充電され、「スイッチングモード３」ではコンデンサＣ１は放電され、コンデンサＣ２が充電される。さらに「スイッチングモード４」ではコンデンサＣ２が放電される。
【００５２】
交流端子Ｕが＋１Ｅ出力時の「スイッチングモード５」から「スイッチングモード７」においては、交流出力電流ｉにより「スイッチングモード５」ではコンデンサＣ２が充電され、「スイッチングモード６」ではコンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ２が放電される。「スイッチングモード７」ではコンデンサＣ１が放電される。すなわち、交流出力点Ｕに+２Ｅの電圧を出力する時には「スイッチングモード２」から「スイッチングモード４」、＋１Ｅの電圧を出力する時には「スイッチングモード５」から「スイッチングモード７」を各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を各々独立に調整することが可能になる。７レベルの電力変換回路の例では、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を２Eに制御している。
【００５３】
回路の対象性から、「スイッチングモード１０」から「スイッチングモード１５」についても同じ関係が成り立つ。また、「スイッチングモード１」、「スイッチングモード８」、「スイッチングモード９」、「スイッチングモード１６」ではコンデンサＣ１、Ｃ２に電流は流れないためコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２に変化は生じない。
【実施例２】
【００５４】
図４に、本発明の第２の実施例を示す。実施例１との相違点は、双方向スイッチＳＷ１及びＳＷ２の構成法の違いである。実施例１では、逆耐圧のある半導体スイッチＱＲ１〜ＱＲ４を用いて逆並列接続により双方向スイッチを構成しているが、実施例２では、逆耐圧のない半導体スイッチＱＳ１〜ＱＳ４を用いて逆直列接続により双方向スイッチを構成している点である。これらの動作では、ＱＳ１はＱＲ１と同じオンオフ動作で、同様にＱＳ２はＱＲ２と同じオンオフ動作で、ＱＳ３はＱＲ３と同じオンオフ動作で、ＱＳ４はＱＲ４と同じオンオフ動作で、各々スイッチングを行う。その結果、双方向スイッチＳＷ１とＳＷ２は、第１の実施例と第２の実施例で全く同一の動作と機能を持つことになる。
【実施例３】
【００５５】
図５に、本発明の第３の実施例の回路構成図を示す。第１の実施例との相違点は第１の実施例における半導体スイッチＱ１がＱ１ａとＱ１ｂとの直列接続回路に、半導体スイッチＱ６がＱ６ａとＱ６ｂとの直列接続回路に、各々変更になっている点である。
【００５６】
ここで、置き換えた各半導体スイッチの動作は図６に示すように、7レベルでの動作において、「スイッチングモード１」から「スイッチングモード３」と「スイッチングモード５」では、Ｑ１ａとＱ１ｂは両方ともオンで、Ｑ6ａとＱ６ｂは両方オフさせる。「スイッチングモード４」と「スイッチングモード６」から「スイッチングモード８」では、Ｑ１ａとＱ１ｂの一方だけオンで、Ｑ６ａとＱ６ｂは両方ともオフさせる。「スイッチングモード９」から「スイッチングモード１１」と「スイッチングモード１３」では、Ｑ１ａとＱ１ｂの両方ともオフで、Ｑ6ａとＱ６ｂの一方だけをオンさせる。「スイッチングモード１２」と「スイッチングモード１４」から「スイッチングモード１６」では、Ｑ１ａとＱ１ｂは両方ともオフで、Ｑ６ａとＱ６ｂは両方オンさせる。
【００５７】
このような動作とすることでＱ１ａとＱ１ｂ、Ｑ6ａとＱ６ｂは、各々図１におけるＱ１とＱ６に必要とされる原理的な最低耐圧４Ｅに対し半分程度の耐圧を持った半導体スイッチの直列接続回路に置き換えることが可能となる。この構成の場合、モード間の遷移において低い耐圧の半導体素子による個別のスイッチング動作となるため、スイッチング損失の低減が可能となり、装置の低損失化が可能となる。例えば数ｋＶ以上の高耐圧ＩＧＢＴを用いる場合、ある耐圧以上のＩＧＢＴでは極端にスイッチング特性や定常損失特性が悪化する場合があり、そのような場合にはこの技術を用いることで、特性の優れた低耐圧の素子が適用可能となり低損失化することが可能となる。
【００５８】
尚、上記実施例には直流を交流に変換するインバータ回路の例を示したが、交流を直流に変換するコンバータ回路への適用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、少ない数の直流単電源からマルチレベルの交流電圧を作り出す変換回路技術であり、高電圧の電動機駆動装置、系統連系用電力変換装置などへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
ｂ１、ｂ２、ｂ１１〜ｂ１３、ｂ２１〜ｂ２３・・・直流単電源
ＢＡ１、ＢＡ２・・・直流組電源（直流電源回路）
Ｑ１〜Ｑ１２、Ｑ１ａ、Ｑ１ｂ、Ｑ６ａ、Ｑ６ｂ・・・ＩＧＢＴ（半導体スイッチ）
ＱＳ１〜ＱＳ４・・・ＩＧＢＴ          ＱＲ１〜ＱＲ４・・・逆阻止形ＩＧＢＴ
ＳＷ１、ＳＷ２・・・双方向スイッチ          Ｃ１、Ｃ２・・・コンデンサ
ＤＡ１〜ＤＡ５・・・ダイオードアーム対