(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移相変圧器と、
前記移相変圧器を電動機に接続する複数の電力セルと、を有し、
前記複数の電力セルのそれぞれは、
入力された三相の第１位相電圧を整流した整流電圧を供給する整流部と、
入力された前記整流電圧を異なる第１〜第３ノードに異なるレベルの電圧で供給する平滑部と、
前記平滑部から供給される３つのレベルの電圧を印加するために複数のスイッチ部を有するインバータ部と、を有し、
前記平滑部は、
直列に接続された第１および第２コンデンサを有し、
前記第１および第２コンデンサは一側と他側から前記整流電圧が印加され、
前記第１および第２コンデンサの一側ノード、共通ノードおよび他側ノードがそれぞれ前記第１〜第３ノードであり、
前記インバータ部は、
前記第１ノードと第１出力端との間に有される第１スイッチ部と、
前記第２ノードと前記第１出力端との間に有される第２スイッチ部と、
前記第３ノードと前記第１出力端との間に有される第３スイッチ部と、
前記第１ノードと第２出力端との間に有される第４スイッチ部と、
前記第２ノードと前記第２出力端との間に有される第５スイッチ部と、
前記第３ノードと前記第２出力端との間に有される第６スイッチ部と、を有し、
前記複数の電力セルの１つの電力セルによる反転電圧は、前記複数の電力セルの他の電力セルによる他の反転電圧と合成されることによって、前記合成された電圧が前記電動機を駆動するのに必要な高い電力を供給し、
前記整流部は、６パルスのダイオードで構成され、該６パルスのダイオードは、
前記第１および第２コンデンサの一側と他側とを接続し、共通ノードから前記第１位相電圧の第１相電圧が印加される第１および第２ダイオードと、
前記第１および第２コンデンサの一側と他側とを接続し、共通ノードから前記第１位相電圧の第２相電圧が印加される第３および第４ダイオードと、
前記第１および第２コンデンサの一側と他側とを接続し、共通ノードから前記第１位相電圧の第３相電圧が印加される第５および第６ダイオードと、を有する、マルチレベルインバータ。
【請求項２】
前記第１〜第６スイッチ部は、電力用半導体とダイオードとを有することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項３】
前記第２スイッチ部は、
前記第２ノードから前記第１出力端への電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、
前記第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第１ダイオードと直列に接続された第２ダイオードと、
前記第１電力用半導体とは逆の電流の方向性を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項４】
前記第１スイッチ部は、
前記第１出力端から前記第１ノードへの電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項５】
前記第３スイッチ部は、
前記第３ノードから前記第１出力端への電流の方向性を有する第２ダイオードと、
前記第２ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有することを特徴とする請求項４に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項６】
前記第５スイッチ部は、
前記第２ノードから前記第２出力端への電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、
前記第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第１ダイオードと直列に接続された第２ダイオードと、
前記第１電力用半導体とは逆の電流の方向性を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項７】
前記第４スイッチ部は、
前記第２出力端から前記第１ノードへの電流の方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項８】
前記第６スイッチ部は、
前記第３ノードから前記第２出力端への電流の方向性を有する第２ダイオードと、
前記第２ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、前記第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有することを特徴とする請求項７に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項９】
前記整流部、前記平滑部、および前記インバータ部を有する単位電力セルを複数有し、三相の位相電圧が印加されて前記単位電力セルに所定の位相を有する電源信号を供給する移相変圧器をさらに有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータに関し、特に、単位電力セルを用いるマルチレベル高圧インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチレベル高圧インバータ（multi-level medium-voltage inverter）は、入力される線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の入力電源を有するインバータであって、相電圧を複数レベルに切り替えて出力することができる。高圧インバータは、一般に数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するのに用いられ、主にファン、ポンプ、圧縮機、牽引（トラクション）、昇降（ホイスト）、コンベアなどの分野において用いられている。
【０００３】
通常の電圧形高圧インバータとしては、カスケードＨブリッジインバータ（Cascaded H-bridge inverter）や、これを変形したカスケードＮＰＣインバータ（Cascaded Neutral Point Clamped inverter）が使用されている。近年使用され始めたカスケードＮＰＣインバータは、カスケードＨブリッジインバータに比べて体積が小さいという点で脚光を浴びている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
様々な分野に適用されているマルチレベル高圧インバータには、より小さい素子で構成され、より高い効率性を有することが要求される。
【０００５】
そこで、本発明は、より効率的な構造を有するマルチレベル高圧インバータ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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、入力された三相の第１位相電圧を整流した整流電圧を供給する整流部と、入力された整流電圧を異なる第１〜第３ノードに異なるレベルの電圧で供給する平滑部と、平滑部から供給される３つのレベルの電圧を印加するために複数のスイッチ部を有するインバータ部と、を有し、インバータ部は、第１ノードと第１出力端との間に有される第１スイッチ部と、第２ノードと第１出力端との間に有される第２スイッチ部と、第３ノードと第１出力端との間に有される第３スイッチ部と、第１ノードと第２出力端との間に有される第４スイッチ部と、第２ノードと第２出力端との間に有される第５スイッチ部と、第３ノードと第２出力端との間に有される第６スイッチ部と、を有する、マルチレベルインバータを提供する。
【０００７】
また、第１〜第６スイッチ部は、電力用半導体とダイオードとを有してもよい。
【０００８】
また、第２スイッチ部は、第２ノードから第１出力端への電流の方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第１ダイオードと直列に接続された第２ダイオードと、第１電力用半導体とは逆の電流の方向性を有し、第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有してもよい。
【０００９】
また、第１スイッチ部は、第１出力端から第１ノードへの電流の方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を有してもよい。
【００１０】
また、第３スイッチ部は、第３ノードから第１出力端への電流の方向性を有する第２ダイオードと、第２ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有してもよい。
【００１１】
また、第５スイッチ部は、第２ノードから第２出力端への電流の方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第１ダイオードと直列に接続された第２ダイオードと、第１電力用半導体とは逆の電流の方向性を有し、第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有してもよい。
【００１２】
また、第４スイッチ部は、第２出力端から第１ノードへの電流の方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第１ダイオードの一側と他側とを接続する第１電力用半導体と、を有してもよい。
【００１３】
また、第６スイッチ部は、第３ノードから第２出力端への電流の方向性を有する第２ダイオードと、第２ダイオードとは逆の電流の方向性を有し、第２ダイオードの一側と他側とを接続する第２電力用半導体と、を有してもよい。
【００１４】
また、平滑部は、直列に接続された第１および第２コンデンサを有し、第１および第２コンデンサの一側ノード、共通ノードおよび他側ノードがそれぞれ第１〜第３ノードであり、第１および第２コンデンサは一側と他側から整流電圧が印加されてもよい。
【００１５】
また、整流部は、第１および第２コンデンサの一側と他側とを接続し、共通ノードから第１位相電圧の第１相電圧が印加される第１および第２ダイオードと、第１および第２コンデンサの一側と他側とを接続し、共通ノードから第１位相電圧の第２相電圧が印加される第３および第４ダイオードと、第１および第２コンデンサの一側と他側とを接続し、共通ノードから第１位相電圧の第３相電圧が印加される第５および第６ダイオードと、を有してもよい。
【００１６】
また、マルチレベルインバータは、整流部、平滑部、およびインバータ部を有する単位電力セルを複数有し、三相の位相電圧が印加されて単位電力セルに所定の位相を有する電源信号を供給する移相変圧器をさらに有してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るマルチレベル高圧インバータは、従来のマルチレベル高圧インバータに比べて、電力半導体素子の数が少なく、導通損失が少ないことから、効率を向上させ、コストおよび体積を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】マルチレベルインバータを有するインバータシステムの一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す各単位電力セルの内部回路図である。
【図３】マルチレベルインバータを有するインバータシステムの他の例を示すブロック図である。
【図４】図３に示す各単位電力セルの内部回路図である。
【図５】図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図６】図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図７】図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図８】図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図９】図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図１０】図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る単位電力セルを示す回路図である。
【図１２】図１１の単位電力セルを用いたＴ形ＮＰＣインバータの第１実施形態を示すブロック図である。
【図１３】図１１の単位電力セルを用いたＴ形ＮＰＣインバータの第２実施形態を示すブロック図である。
【図１４】図１１の単位電力セルを用いたＴ形ＮＰＣインバータの第３実施形態を示すブロック図である。
【図１５】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図１６】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図１７】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図１８】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図１９】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図２０】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図２１】図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図である。
【図２２】図１１に示すインバータ部の動作を示す波形図である。
【図２３】図１１に示すインバータ部の動作を示す波形図である。
【図２４】図１１に示すインバータ部の動作を示す波形図である。
【図２５】図１１に示すインバータ部の動作を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、マルチレベルインバータを有するインバータシステムの一例を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示すように、マルチレベル高圧インバータを有するインバータシステムは、入力三相電源１０２、三相電動機１０３、移相変圧器１０４および単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆを有する。
【００２２】
入力三相電源１０２は、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の電圧を印加する。三相電動機１０３は、インバータシステムの負荷である。移相変圧器１０４は、１次側巻線が三相Ｙ結線の形態を有し、２次側巻線は、１次側巻線に対して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が３つずつの計１２個の巻線で構成される。２次側巻線の構造は、単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの電力セル数に応じて決定される。
【００２３】
単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの各出力電圧は５レベルである。負荷として動作する三相電動機１０３は、１相当たり２つの単位電力セルで構成され、必要に応じて単位電力セルの数は増加させることができる。単位電力セル１０５ａ、１０５ｂは直列に接続されて負荷の三相電動機１０３のａ相電圧を出力し、単位電力セル１０５ｃ、１０５ｄはｂ相電圧を出力し、単位電力セル１０５ｅ、１０５ｆはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅは、移相変圧器１０４の出力のうち−１５度および０度の位相を有する出力に接続され、単位電力セル１０５ｂ、１０５ｄ、１０５ｆは、移相変圧器１０４の出力のうち１５度および３０度の位相を有する出力に接続される。
【００２４】
図２は、図１に示す各単位電力セルの内部回路図である。
【００２５】
図２に示すように、単位電力セルは、ダイオード整流部２０１、平滑部２０２、および出力電圧を合成するインバータ部２０３を有する。ダイオード整流部２０１には２つの三相電源が入力され、その入力電源は図１に示す移相変圧器１０４の出力電圧である。ダイオード整流部２０１の出力は、直列に接続された２つの直流リンクコンデンサに入力され、その２つの直流リンクコンデンサは同じキャパシタンスを有する。インバータ部２０３は、出力電圧を合成するためのものであって、出力線間電圧が５レベルとなる。
【００２６】
図３は、マルチレベルインバータを有するインバータシステムの他の例を示すブロック図である。
【００２７】
図３に示すように、インバータシステムは、入力三相電源３０２、三相電動機３０３、移相変圧器３０４および単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃを有する。
【００２８】
入力三相電源３０２は、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の電圧を印加する。三相電動機３０３は、インバータシステムの負荷である。移相変圧器３０４は、１次側巻線が三相Ｙ結線の形態を有し、２次側巻線は１次側巻線に対して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が３つずつの計１２個の巻線で構成される。２次側巻線の構造は、単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃの電力セル数に応じて決定される。
【００２９】
単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃは、５レベルの出力電圧を合成することができ、単位電力セル３０５ａは負荷の三相電動機３０３のａ相電圧を出力し、単位電力セル３０５ｂはｂ相電圧を出力し、単位電力セル３０５ｃはｃ相電圧を出力する。
【００３０】
図４は、図３に示す各単位電力セルの内部回路図である。
【００３１】
図４に示すように、単位電力セルは、ダイオード整流部４０１、平滑部４０２、および出力電圧を合成するインバータ部４０３を有する。図４においては、入力端のダイオード整流部４０１が４つで構成され、インバータ部４０３の動作は図２のインバータ部２０３と実質的に同様である。なお、図２および図４の単位電力セルに用いられる電力素子の定格電圧および定格電流の値は、要求される出力に応じて変化する。単位電力セルの出力電圧は５レベルである。
【００３２】
図５〜図１０は、図１および図２に示すインバータ部の動作を示す回路図である。以下、図１〜図１０を参照してインバータ部の動作を説明するが、特に図１および図２に示すインバータ部の動作を中心に説明する。
【００３３】
図２に示すインバータ部２０３の１つのレグは、４つのスイッチ部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄが直列に接続されており、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄの動作に基づいて出力電圧が決定される。
【００３４】
スイッチ部２０３ａ、２０３ｃのスイッチング動作は互いに相補的（complementary）であり、スイッチ部２０３ｂ、２０３ｄのスイッチング動作も互いに相補的である。つまり、直列に接続された平滑部２０２のコンデンサの電圧をそれぞれＥと定義すると、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂがオンになった場合は、スイッチ部２０３ｃ、２０３ｄがオフになり、このとき出力される極電圧（pole voltage）はＥとなる。また、スイッチ部２０３ａ、２０３ｃがオンになった場合は、スイッチ部２０３ｂ、２０３ｄがオフになり、このとき出力される極電圧は０となる。同様に、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂがオフになった場合は、スイッチ部２０３ｃ、２０３ｄがオンになり、このとき出力される極電圧は−Ｅとなる。
【００３５】
このように決定される出力極電圧を用いる場合、各単位電力セルの出力線間電圧は２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルを有する。各単位電力セルの出力線間電圧が５レベルを有することから、図３の単位電力セル３０５ａ、３０５ｂが合成できる電圧は、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅの９レベルを有し、負荷の三相電動機３０３の出力線間電圧は、８Ｅ、７Ｅ、６Ｅ、５Ｅ、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅ、−５Ｅ、−６Ｅ、−７Ｅ、−８Ｅの１７レベルを有する。
【００３６】
マルチレベル高圧インバータのＰＷＭ方法は、三角搬送波（triangular carrier）の形態によって、大きく、位相シフトＰＷＭ（Phase shifted PWM）方法とレベルシフトＰＷＭ（Level shifted PWM）方法とに分けられるが、本発明における単相ＮＰＣインバータを用いたマルチレベルインバータは、主にレベルシフトＰＷＭ方法で動作する。また、レベルシフトＰＷＭは、三角搬送波の位相によってＩＰＤ（In-phase disposition（同位相配置））、ＡＰＯＤ（Alternative phase opposite disposition（選択的逆位相配置））、ＰＯＤ（Phase opposite disposition（逆位相配置））に分けられるが、通常、ＩＰＤ方式が出力電圧の高調波の面で最も優れている。よって、本発明においては、主にＩＰＤ方式のレベルシフトＰＷＭ方法を用いるマルチレベル高圧インバータの電圧合成方法について詳細に説明する。
【００３７】
出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定された場合における電流の方向に応じた電力半導体の導通状態は、図５〜図１０に示す通りである。
【００３８】
図５は、出力極電圧が０、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示し、図６は、出力極電圧がＥ、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示し、図７は、出力極電圧が−Ｅ、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示す。図５では１つのダイオードおよび１つのスイッチ部が導通し、図６では２つのスイッチ部が導通し、図７では２つのダイオードが導通する。
【００３９】
図８は、出力極電圧が０、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示し、図９は、出力極電圧がＥ、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示し、図１０は、出力極電圧が−Ｅ、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示す。図８では１つのダイオードおよび１つのスイッチ部が導通し、図９では２つのダイオードが導通し、図１０では２つのスイッチ部が導通する。
【００４０】
次に、図２および図４のダイオード整流部の動作について説明する。図２および図４のダイオード整流部２０１、４０１は、それぞれ図１および図３の移相変圧器１０４、３０４の２次側に接続されて平滑部２０２、４０２のコンデンサに供給される電源電圧を一定に維持する役割を果たす。図１および図３に示すように構成されたインバータシステムにおいては、図２および図４の平滑部２０２、４０２が有するコンデンサがそれぞれ整流部２０１、４０１の出力に直接接続されているので、各コンデンサの電圧は無負荷状態で平均的に次の数式による値を有する。
【００４１】
【数１】
0005977287.tif 000002
【００４２】
ここで、Ｖは整流部２０１、４０１の入力電源の相電圧の大きさである。数式１の関係を有する直流リンク電源電圧が図１では２つ、図３では４つ発生し、整流部の数に応じて移相変圧器１０４、３０４の出力数が決定される。
【００４３】
図１〜図１０を参照して説明したカスケードＮＰＣインバータにおいては、常に２つの電力半導体が導通することが分かる。図１〜図１０を参照して説明したカスケードＮＰＣインバータは、カスケードＨブリッジインバータに比べて体積が小さいという利点があるが、電圧を合成する際に常に２つの電力半導体を導通させなければならないので、効率の向上が難しく、したがって、放熱装置を相対的に大きくしなければならないという欠点がある。
【００４４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、単位電力セルの入力部は６パルスのダイオード整流部で構成し、単位電力セルのインバータ部は従来の３レベルＮＰＣインバータよりも導通損失を減少させて単位電力セルの効率を向上させるようにしたマルチレベル高圧インバータを提案する。
【００４５】
従来の高圧インバータにおいては、単位電力セルのインバータ部がＨブリッジインバータまたは単相ＮＰＣインバータで構成され、単位電力セルの出力が直列に接続されているのに対して、本発明において提案するマルチレベル高圧インバータの単位電力セルは、単相Ｔ形ＮＰＣインバータで構成される。単相Ｔ形ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルは、従来の単位電力セルに比べて導通損失が少ないので、放熱設計に有利である。また、単相Ｔ形ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルは、単相ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルに比べて、動作時に用いられる電力半導体素子の数が少ないという利点がある。
【００４６】
また、本発明に用いられたＴ形ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルの入力端は、６パルス、１２パルス、２４パルスのダイオード整流部で構成してもよいが、６パルスのダイオード整流部を用いると、１２パルスまたは２４パルスのダイオード整流部を用いる場合に比べて、入力端の移相変圧器の構造を簡単にすることができる。
【００４７】
図１１は、本発明の一実施形態に係る単位電力セルを示す回路図である。
【００４８】
図１１に示すように、本発明の一実施形態に係る単位電力セルは、整流部１１０１、平滑部１１０２およびインバータ部１１０３を有する。整流部１１０１は、印加されるＡＣ電圧を整流するためのものであり、６つのダイオードを用いて三相の入力電圧を整流して整流電圧を平滑部１１０２に供給する。平滑部１１０２は、コンデンサを有し、整流部１１０１からの整流電圧を異なる第１〜第３ノードＡ、Ｂ、Ｃに異なるレベルの電圧で供給するためのものである。インバータ部１１０３は、平滑部１１０２から供給される３つのレベルの電圧を印加するために複数のスイッチ部１１０３ａ〜１１０３ｈを有する。インバータ部１１０３は、第１ノードＡと第１出力端ＯＵＴ１との間に有される第１スイッチ部１１０３ａと、第２ノードＢと第１出力端ＯＵＴ１との間に有される第２スイッチ部１１０３ｃ、１１０３ｄと、第３ノードＣと第１出力端ＯＵＴ１との間に有される第３スイッチ部１１０３ｂと、第１ノードＡと第２出力端ＯＵＴ２との間に有される第４スイッチ部１１０３ｅと、第２ノードＢと第２出力端ＯＵＴ２との間に有される第５スイッチ部１１０３ｇ、１１０３ｈと、第３ノードＣと第２出力端ＯＵＴ２との間に有される第６スイッチ部１１０３ｆと、を有する。１つのスイッチ部は、ダイオードと、ダイオードを有する電力用半導体とが逆方向の電流方向を有するように有される。電力用半導体は、ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴを有する。
【００４９】
平滑部１１０２が有するコンデンサは、整流部１１０１に接続されており、さらに整流部１１０１の出力端にコンデンサが直列／並列に接続されるように構成してもよい。インバータ部１１０３は、単相Ｔ形ＮＰＣインバータである。スイッチ部１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃ、１１０３ｄが１つのレグを構成し、スイッチ部１１０３ｅ、１１０３ｆ、１１０３ｇ、１１０３ｈが他の１つのレグを構成するようにし、２つのレグ間の電位差により出力電圧を合成する。
【００５０】
図１２〜図１４は、図１１の単位電力セルを用いたＴ形ＮＰＣインバータの実施形態をそれぞれ示すブロック図である。
【００５１】
図１２は、電動機の１相当たり３つの単位電力セル、計９つの単位電力セルで高圧インバータを構成した場合を示し、図１３は、電動機の１相当たり４つの単位電力セル、計１２個の単位電力セルで高圧インバータを構成した場合を示し、図１４は、電動機の１相当たり５つの単位電力セル、計１５個の単位電力セルで高圧インバータを構成した場合を示す。
【００５２】
図１２を参照すると、第１実施形態に係るマルチレベルインバータ１２０１は、９つの単位電力セル１２０５ａ〜１２０５ｉと移相変圧器１２０４とを有する。電圧印加部１２０２は、電圧実効値が６００Ｖ以上の電圧を印加する。電力変換回路１２０３は、インバータシステムの負荷である三相電動機である。移相変圧器１２０４は、１次側入力電圧に対して所定の位相差を有する電圧を２次側に出力するが、移相変圧器１２０４の出力する電圧の位相角は実施例によって変化させることができる。単位電力セル１２０５ａ〜１２０５ｉは、５レベルの出力電圧を合成することができる。単位電力セル１２０５ａ、１２０５ｂ、１２０５ｃは電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１２０５ｄ、１２０５ｅ、１２０５ｆはｂ相電圧を出力し、単位電力セル１２０５ｇ、１２０５ｈ、１２０５ｉはｃ相電圧を出力する。
【００５３】
図１３を参照すると、第２実施形態に係るマルチレベルインバータ１３０１は、１２個の単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｌと移相変圧器１３０４とを有する。電圧印加部１３０２は、電圧実効値が６００Ｖ以上の電圧を印加する。電力変換回路１３０３は、インバータシステムの負荷である三相電動機である。移相変圧器１３０４は、１次側入力電圧に対して所定の位相差を有する電圧を２次側に出力するが、移相変圧器１３０４の出力する電圧の位相角は実施例によって変化させることができる。単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｌは、５レベルの出力電圧を合成することができる。単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｂ、１３０５ｃ、１３０５ｄは電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１３０５ｅ、１３０５ｆ、１３０５ｇ、１３０５ｈはｂ相電圧を出力し、単位電力セル１３０５ｉ、１３０５ｊ、１３０５ｋ、１３０５ｌはｃ相電圧を出力する。
【００５４】
図１４を参照すると、第３実施形態に係るマルチレベルインバータ１４０１は、１５個の単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏと移相変圧器１４０４とを有する。電圧印加部１４０２は、電圧実効値が６００Ｖ以上の電圧を印加する。電力変換回路１４０３は、インバータシステムの負荷である三相電動機である。移相変圧器１４０４は、１次側入力電圧に対して所定の位相差を有する電圧を２次側に出力するが、移相変圧器１４０４の出力する電圧の位相角は実施例によって変化させることができる。単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏは、５レベルの出力電圧を合成することができる。単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｂ、１４０５ｃ、１４０５ｄ、１４０５ｅは電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１４０５ｆ、１４０５ｇ、１４０５ｈ、１４０５ｉ、１４０５ｊはｂ相電圧を出力し、単位電力セル１４０５ｋ、１４０５ｌ、１４０５ｍ、１４０５ｎ、１４０５ｏはｃ相電圧を出力する。
【００５５】
本実施形態で説明するインバータ部は、単相Ｔ形ＮＰＣインバータで実現され、単位電力セルが有するインバータは、図１１に示すように、１つのレグが４つのスイッチで構成され、スイッチ部１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃ、１１０３ｄの動作によって出力極電圧が決定される。スイッチ部１１０３ａとスイッチ部１１０３ｃとは同時にオンにすることができず、スイッチ部１１０３ｂとスイッチ部１１０３ｄとは同時にオンにすることができない。また、スイッチ部１１０３ａ、１１０３ｂの動作は互いに独立して行われ、出力極電圧指令が正の場合はスイッチ部１１０３ａ、１１０３ｃが動作し、出力極電圧指令が負の場合はスイッチ部１１０３ｂ、１１０３ｄが動作する。
【００５６】
直列に接続された平滑部１１０２の直流リンクコンデンサの電圧をそれぞれＥと定義すると、出力極電圧指令が正の場合、スイッチ部１１０３ａがオン、スイッチ部１１０３ｃがオフであると、出力極電圧はＥとなり、スイッチ部１１０３ａがオフ、スイッチ部１１０３ｃがオンであると、出力極電圧は０となる。出力極電圧指令が負の場合、スイッチ部１１０３ｂがオン、スイッチ部１１０３ｄがオフであると、出力極電圧は−Ｅとなり、スイッチ部１１０３ｂがオフ、スイッチ部１１０３ｄがオンであると、出力極電圧は０となる。このように決定される出力極電圧を用いる場合、各単位電力セルの出力線間電圧は２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルを有する。以下、図１５〜図２０を参照して、出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定された場合における電流の方向に応じた電力半導体の導通状態について説明する。
【００５７】
図１５〜図２１は、図１１に示すインバータ部の動作を示す回路図であり、図２２〜図２５は、図１１に示すインバータ部の動作を示す波形図である。
【００５８】
図１５は、出力極電圧が０、出力電流が正の場合に導通するスイッチを示し、図１６は、出力極電圧がＥ、出力電流が正の場合に導通するスイッチを示し、図１７は、出力極電圧が−Ｅ、出力電流が正の場合に導通するスイッチを示す。図１５では１つのダイオードおよび１つのスイッチが導通し、図１６では１つのスイッチが導通し、図１７では１つのダイオードが導通する。図１８は、出力極電圧が０、出力電流が負の場合に導通するスイッチを示し、図１９は、出力極電圧がＥ、出力電流が負の場合に導通するスイッチを示し、図２０は、出力極電圧が−Ｅ、出力電流が負の場合に導通するスイッチを示す。図１８では１つのダイオードおよび１つのスイッチが導通し、図１９では１つのダイオードが導通し、図２０では１つのスイッチが導通する。
【００５９】
つまり、図１５および図１８では１つのダイオードおよび１つのスイッチが導通するが、それ以外の場合は１つのダイオードまたは１つのスイッチのみ導通することから、図５〜図１０の場合と比較して導通する電力半導体素子の数が平均的に減少する。したがって、電力用半導体から発生する損失が減少してシステム全体の効率が向上し、それにより放熱装置の大きさを小さくすることができる。
【００６０】
次に、単位電力セルのダイオード整流部を６パルスで構成することにより発生し得る直流リンクコンデンサの不平衡の解消について説明する。
【００６１】
図１１において、整流部１１０１の平均出力電圧は次のように定義される。
【００６２】
【数２】
0005977287.tif 000003
【００６３】
ここで、Ｖは整流部１１０１の入力電源の相電圧の大きさである。図１１の平滑部１１０２のコンデンサ１１０２ａ、１１０２ｂの電圧をそれぞれＶｄｃ＿１、Ｖｄｃ＿２と定義すると、次の関係が成立する。
【００６４】
【数３】
0005977287.tif 000004
【００６５】
数式３から分かるように、コンデンサ１１０２ａ、１１０２ｂに印加される電圧の合計は常に一定であるが、Ｖｄｃ＿１の値とＶｄｃ＿２の値とは異なる。
【００６６】
一方、図１５〜図２０には、電流の方向に応じて合成された電圧を示す。図１５〜図２０に示すように、インバータ部１１０３は平滑部１１０２のコンデンサ１１０２ａ、１１０２ｂに印加される電圧を用いて極電圧を出力するが、負荷電流の経路は、平滑部１１０２のコンデンサ１１０２ａ、１１０２ｂの内部接続点を通過することがある。この場合、直流リンクの電圧に変化が発生する。
【００６７】
平滑部１１０２のコンデンサ１１０２ａ、１１０２ｂに印加される電圧の変化は、負荷電流の大きさ、方向やスイッチング状態と直流リンクコンデンサの容量とに影響されるが、直流リンクコンデンサの電圧の変化が累積されて整流部１１０１の直流リンク電源電圧の大きさが一致しなくなると、出力電圧に非対称性が生じ、出力電圧が歪む。もし、平滑部１１０２のコンデンサ１１０２ａ、１１０２ｂのそれぞれに印加される電圧の大きさが異なる場合、図１５〜図２０で定義されたインバータ部の出力状況に応じて、電圧Ｖｄｃ＿１またはＶｄｃ＿２のいずれか一方は０に収束し、他方はＶｄｃ＿ｃａｐに収束する。一方の直流リンクコンデンサの電圧が大きくなって直流リンクコンデンサの耐電圧を超えると、直流リンクコンデンサまたは電力半導体で構成されたスイッチに問題が生じ、インバータ部が故障（フォールト）状態となるので、それに対する解決策が必要である。
【００６８】
本発明においては、次の過程により直流リンクコンデンサの電圧均等化（バランシング）を行う。
【００６９】
図１１のインバータ部の１つのレグを図示すると図２１の通りである。図２１において、点線は図２２のような搬送波を形成し、実線は図２３のような搬送波を形成する。図２２および図２３において、符号２２０１、２３０１は図２１の極電圧指令であり、符号２２０２ａおよび２３０２ａは、それぞれ、図２１のスイッチ部１１０３ａ、１１０３ｂの搬送波であって、Ｖｄｃ＿１の値とＶｄｃ＿２の値とが同じ場合、最大値はＶｄｃ＿１、最小値は０の三角波であり、符号２２０２ｂ、２３０２ｂは、それぞれ図２１のスイッチ部１１０３ｃ、１１０３ｄの搬送波であって、Ｖｄｃ＿１の値とＶｄｃ＿２の値とが同じ場合、最大値は０、最小値は−Ｖｄｃ＿２である。符号２２０３ａ、２３０３ａはスイッチ部１１０３ａのスイッチング状態を示し、符号２２０３ｂ、２３０３ｂはスイッチ部１１０３ｂのスイッチング状態を示し、符号２２０３ｃ、２３０３ｃはスイッチ部１１０３ｃのスイッチング状態を示し、符号２２０３ｄ、２３０３ｄはスイッチ部１１０３ｄのスイッチング状態を示す。
【００７０】
図２２は、極電圧指令が正の場合であり、図２３は、極電圧指令が負の場合である。図２２のように極電圧指令が正の場合、スイッチ部１１０３ａ、１１０３ｂは上記極電圧指令を基準に三角搬送波と比較してオンまたはオフになり、スイッチ部１１０３ｃは常にオンであり、スイッチ部１１０３ｄは常にオフである。図２３のように極電圧指令が負の場合、スイッチ部１１０３ｃ、１１０３ｄは上記極電圧指令を基準に三角搬送波と比較してオンまたはオフになり、スイッチ部１１０３ａは常にオフであり、スイッチ部１１０３ｂは常にオンである。Ｖｄｃ＿１の値とＶｄｃ＿２の値とが異なる場合、図２２および図２３の三角搬送波は図２４および図２５のように変化する。
【００７１】
図２４は、Ｖｄｃ＿１よりＶｄｃ＿２の方が大きい場合であり、図２５は、Ｖｄｃ＿２よりＶｄｃ＿１の方が大きい場合である。図２４および図２５において、符号２４０１ａ、２５０１ａはスイッチ部１１０３ａ、１１０３ｂの三角搬送波であって、最大値は（Ｖｄｃ＿１＋Ｖｃｄ＿２）／２であり、最小値は（−Ｖｄｃ＿１＋Ｖｃｄ＿２）／２である。また、符号２４０１ｂ、２５０１ｂはスイッチ部１１０３ｃ、１１０３ｄの三角搬送波であって、最大値は（−Ｖｄｃ＿１＋Ｖｃｄ＿２）／２であり、最小値は（−Ｖｄｃ＿１−Ｖｃｄ＿２）／２である。図２４の場合、極電圧指令が正であれば、図１６および図１９の状態を維持する時間が短くなり、極電圧指令が負であれば、図１７および図２０の状態を維持する時間が長くなる。図２５の場合、極電圧指令が正であれば、図１６および図１９の状態を維持する時間が長くなり、極電圧指令が負の場合は、図１７および図２０の状態を維持する時間が短くなる。その結果、平滑部から印加される直流リンク電圧の大きさの小さいコンデンサの使用率を減少させ、直流リンク電圧の大きさの大きいコンデンサの使用率を増加させることにより、直流リンク電源電圧の不平衡を解消することができる。
【００７２】
以上説明したように、本発明は、単相３レベルインバータを単位電力セルとするマルチレベル高圧インバータを提供し、特に、単位電力セルの入力部は６パルスのダイオード整流部で構成し、単位電力セルのインバータ部は従来の３レベルＮＰＣインバータよりも導通損失を減少させて単位電力セルの効率を向上させるようにした。
【００７３】
従来の高圧インバータにおいては、単位電力セルのインバータ部がＨブリッジインバータまたは単相ＮＰＣインバータで構成され、単位電力セルの出力が直列に接続されているのに対して、本発明において提案するマルチレベル高圧インバータの単位電力セルは、単相Ｔ形ＮＰＣインバータで構成される。本発明において提案する単相Ｔ形ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルは、従来の単位電力セルに比べて導通損失が少ないので、放熱設計に有利であり、単相ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルに比べて、駆動時に用いられる電力半導体素子の数が少ない。したがって、本発明に係るマルチレベル高圧インバータは、従来のマルチレベル高圧インバータよりも、効率を向上させ、コストと体積を低減することができる。
【００７４】
また、本発明に用いられたＴ形ＮＰＣインバータで構成された単位電力セルの入力端は、６パルス、１２パルス、２４パルスのダイオード整流部で構成してもよいが、６パルスのダイオード整流部を用いると、１２パルスまたは２４パルスのダイオード整流部を用いる場合に比べて、入力端の移相変圧器の構造を簡単にすることができる。さらに、移相変圧器の２次側出力数の減少により単位電力セルの入力端を６パルスのダイオード整流部で構成した場合、平滑部のコンデンサに印加される直流リンク電圧の均等化は搬送波の大きさを変化させることにより達成することができる。
【００７５】
以上、代表的な実施形態により本発明を詳細に説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の範疇を逸脱しない限り、前述した実施形態から様々な変形が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の権利範囲は、前述した実施形態に限定されて定められてはならず、添付の特許請求の範囲およびその均等物により定められるべきである。
【符号の説明】
【００７６】
１１０１    整流部
１１０２    平滑部
１１０３    インバータ部
１１０３ａ    第１スイッチ部
１１０３ｂ    第３スイッチ部
１１０３ｃ、１１０３ｄ    第２スイッチ部
１１０３ｅ    第４スイッチ部
１１０３ｆ    第６スイッチ部
１１０３ｇ、１１０３ｈ    第５スイッチ部
１２０１    マルチレベルインバータ
１２０２    電圧印加部
１２０３    電力変換回路
１２０４    移相変圧器
１２０５ａ〜１２０５ｉ    単位電力セル
１３０１    マルチレベルインバータ
１３０２    電圧印加部
１３０３    電力変換回路
１３０４    移相変圧器
１３０５ａ〜１３０５ｌ    単位電力セル
１４０１    マルチレベルインバータ
１４０２    電圧印加部
１４０３    電力変換回路
１４０４    移相変圧器
１４０５ａ〜１４０５ｏ    単位電力セル
Ａ    第１ノード
Ｂ    第２ノード
Ｃ    第３ノード
ＯＵＴ１    第１出力端
ＯＵＴ２    第２出力端
【図１】
0005977287.tif 000005
【図２】
0005977287.tif 000006
【図３】
0005977287.tif 000007
【図４】
0005977287.tif 000008
【図５】
0005977287.tif 000009
【図６】
0005977287.tif 000010
【図７】
0005977287.tif 000011
【図８】
0005977287.tif 000012
【図９】
0005977287.tif 000013
【図１０】
0005977287.tif 000014
【図１１】
0005977287.tif 000015
【図１２】
0005977287.tif 000016
【図１３】
0005977287.tif 000017
【図１４】
0005977287.tif 000018
【図１５】
0005977287.tif 000019
【図１６】
0005977287.tif 000020
【図１７】
0005977287.tif 000021
【図１８】
0005977287.tif 000022
【図１９】
0005977287.tif 000023
【図２０】
0005977287.tif 000024
【図２１】
0005977287.tif 000025
【図２２】
0005977287.tif 000026
【図２３】
0005977287.tif 000027
【図２４】
0005977287.tif 000028
【図２５】
0005977287.tif 000029