【手続補正書】
【提出日】平成28年2月26日(2016.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
図１０に示す５レベル変換回路を７レベルに拡張した例を図１１に示す。直流単電源DPとDNを直列接続して構成した３つの端子正極P、零極M、負極Nの端子を備えた直流電源から７レベルの電圧を出力する回路構成である。直流電源の正極Pと負極Nとの間にはダイオードとＩＧＢＴを逆並列接続した半導体スイッチＳ１〜Ｓ６の直列回路が、半導体スイッチＳ２〜Ｓ５の直列回路と並列に半導体スイッチＳ７とＳ８との直列回路とコンデンサＣ２とが、半導体スイッチＳ３とＳ４の直列回路と並列にコンデンサＣ１が各々接続される。さらに、半導体スイッチＳ７とＳ８との接続点と直流電源の中間電位点である零極Ｍとの間には逆方向にも耐圧を備えた逆阻止形ＩＧＢＴＳ１５とＳ１６を逆並列接続した交流スイッチＳａｃが接続され、半導体スイッチＳ３とＳ４との接続点を交流端子Ｕとしている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図１１に示す構成の７レベル変換回路においては、半導体スイッチＳ７又はＳ８がスイッチングする場合は、電圧変動が２単位（２Ｅ）となる。一般に高い電圧変動が出力波形に現れると、負荷側の交流電動機にはその電圧に応じた高いマイクロサージ電圧が発生し、その結果として絶縁破壊の問題が発生するおそれがある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
さらに、半導体スイッチＳ３の高電位側端子と半導体スイッチＳ４の低電位側端子との間にはコンデンサＣ１が、半導体スイッチＳ８の高電位側端子と半導体スイッチＳ９の低電位側端子との間にはコンデンサＣ３が接続される。これらのコンデンサＣ１〜Ｃ３はフライングキャパシタと呼ばれる。なお、交流スイッチＳａｃは、図１２に示すように逆耐圧を有する半導体スイッチＳ１５、Ｓ１６を逆並列接続する構成の他に、図１３（ａ）〜１３（ｃ）に示すように逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードを組合せても構成できる。図１３（ａ）はダイオードとＩＧＢＴの直列回路を逆並列接続した構成、図１３（ｂ）と１３（ｃ）はダイオードとＩＧＢＴの逆並列接続回路を直列接続した構成である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
図１２に示す回路構成の中で直流単電源ＤＰ、ＤＮの電圧の大きさを各々３Ｅとする。図１１に示す従来例と同様に、コンデンサＣ１〜Ｃ３の電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３を充電あるいは放電させることで、平均値としてＶｃ１＝Ｅ、Ｖｃ２＝２Ｅ、Ｖｃ３＝Ｅに保持する。零極端子Ｍの電位を零として、交流端子Ｕの出力電圧をＶｕとすると、出力電圧Ｖｕは半導体スイッチをオンオフさせることで、±３Ｅ、±２Ｅ、±１Ｅ、０の７レベル出力を実現する。
例えば、半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１６をオンさせ、それ以外の半導体スイッチをオフさせた場合（図１４（ａ））、直流単電源ＤＰのＰ点電位（＋３Ｅ）が交流端子Ｕに出力される。
半導体スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１６をオンさせ、それ以外の半導体スイッチをオフさせた場合（図１４（ｂ））、直流単電源ＤＰ（＋３Ｅ）からコンデンサ電圧Ｖｃ２（＋２Ｅ）を減算し、さらにコンデンサ電圧Ｖｃ１（＋Ｅ）を加算することで、電圧＋２Ｅが交流端子Ｕに出力される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１２に示したように、３レベルの電位を備えた直流電源から７レベルの出力電圧Ｖｕを得る変換回路としては、半導体スイッチのオンオフにより、直流単電源ＤＰ、ＤＮの電圧Ｅｄｃｐ、Ｅｄｃｎの電圧、コンデンサＣ１〜Ｃ３の電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３を組合せることで実現される。７レベルの出力を実現するためには、平均値としてコンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１＝Ｅ、コンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２＝２Ｅ、コンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３＝Ｅでなければならないが、実際に回路を動作させれば回路を流れる電流によってコンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３は変動する。これを平均値に保持するためには、半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０、及び交流スイッチＳａｃのオンオフの組合せにより、任意の電圧を出力すると同時に、コンデンサＣ１〜Ｃ３の充電あるいは放電を制御する方法が一般的である。
しかし、そのためにはコンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３を検出する手段が必要であるが、各コンデンサには共通電位部分がないため、電圧検出回路に絶縁機能が必要となるなど、コストアップの要因となる。
従って、本発明の課題は、マルチレベル変換回路に用いるコンデンサ電圧の検出回路を全てのコンデンサに対しては用いずに、一部を検出回路不要として、コンデンサ電圧を所望の値に制御できる低コストのマルチレベル変換回路を提供することである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また、図１に示す半導体スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１５、Ｓ１６がオンし、それ以外の半導体スイッチがオフしている場合には、交流端子Ｕに電圧０を出力する。この時、コンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３の関係が、Ｖｃ２＞Ｖｃ１＋Ｖｃ３の場合、Ｖｃ２＝Ｖｃ１＋Ｖｃ３となるようにコンデンサＣ２が放電し、コンデンサＣ１とＣ３が充電される。コンデンサＣ１〜Ｃ３に流れる電流Ｉｃは、図２（ｂ）に点線で示すように、コンデンサＣ２→半導体スイッチＳ７→コンデンサＣ３→ダイオードＤ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＳ５→コンデンサＣ２の経路となり、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１とコンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３との和はコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２にクランプされる。
図２（ｂ）に示した例だけでなく、少なくとも半導体スイッチＳ５とＳ７がオンし、コンデンサＣ２からコンデンサＣ１とＣ３の充電経路ができた場合、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１とコンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３との和はコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２にクランプされる。ここで、コンデンサＣ１の電圧をＥに、Ｃ２の電圧を２Ｅになるように、従来と同様に、経路を適宜選択する方法で制御すると、コンデンサＣ３の電圧は、Ｅとなる。即ち、コンデンサＣ３の電圧は検出回路が不要となり、低価格化が可能となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図３に、本発明の第２の実施例を示す。インピーダンス素子として抵抗を用いた実施例である。結合手段として、第１の実施例のダイオードの代わりに、ダイオードＤ１に抵抗Ｒ１を、ダイオードＤ２に抵抗Ｒ２を、各々直列接続した実施例である。半導体スイッチの動作とコンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３の関係は第１の実施例と同じで、コンデンサＣ３の電圧検出は不要である。抵抗が接続されることで、充電時間を調整することが可能である。また、抵抗の代わりにインダクターを接続すれば突入電流の抑制が可能となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図７に、本発明の第６の実施例を示す。図１２に示した従来例のコンデンサＣ１の正電位側とコンデンサＣ３の正電位側との間に抵抗Ｒ１を、コンデンサＣ１の負電位側とコンデンサＣ３の負電位側との間に抵抗Ｒ２を、各々接続した構成である。コンデンサＣ１，Ｃ３を充電又は放電し、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１とコンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３を同一とすることができる。コンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ３の関係が，Ｖｃ１＞Ｖｃ３の場合，図８に点線で示すように、電流は、コンデンサＣ１→抵抗Ｒ１→コンデンサＣ３→抵抗Ｒ２→コンデンサＣ１に流れ，Ｖｃ１＝Ｖｃ３となる。また，コンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ３の関係が，Ｖｃ１＜Ｖｃ３の場合，電流はコンデンサＣ３→抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→抵抗Ｒ２→コンデンサＣ３に流れ，Ｖｃ１＝Ｖｃ３となる。コンデンサＣ１の電圧をＥに、Ｃ２の電圧を２Ｅになるように、従来と同様に、経路を適宜選択する方法で制御すると、コンデンサＣ３の電圧は、電圧検出回路を設けることなく、所望の値Ｅとなる。本実施例では，全ての半導体スイッチをオフしていても，抵抗を経由してコンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ３をバランスさせることが可能である。尚、この構成は本来電圧を等しくすべきコンデンサ間に対して適用することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
さらに、半導体スイッチＳ３の高電位側端子と半導体スイッチＳ６の低電位側端子との間にはコンデンサＣ２が、半導体スイッチＳ４の高電位側端子と半導体スイッチＳ５の低電位側端子との間にはコンデンサＣ１が、半導体スイッチＳ１０の高電位側端子と半導体スイッチＳ１３の低電位側端子との間にはコンデンサＣ４が、半導体スイッチＳ１１の高電位側端子と半導体スイッチＳ１２の低電位側端子との間にはコンデンサＣ５が、各々接続される。これらのコンデンサＣ１〜Ｃ５はフライングキャパシタと呼ばれる。なお、交流スイッチＳａｃは、図９に示すように逆耐圧を有する半導体スイッチＳ１５、Ｓ１６を逆並列接続する構成の他に、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードを組合せても構成できる。図１３（ａ）はダイオードとＩＧＢＴの直列回路を逆並列接続した構成、図１３（ｂ）と１３（ｃ）はダイオードとＩＧＢＴの逆並列接続回路を直列接続した構成である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図９の回路構成の中で直流単電源ＤＰ、ＤＮの電圧の大きさを各々４Ｅとする。コンデンサＣ１〜Ｃ５の電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ５を充電あるいは放電させることで、平均値としてＶｃ１＝Ｅ、Ｖｃ２＝２Ｅ、Ｖｃ３＝３Ｅ、Ｖｃ４＝２Ｅ、Ｖｃ５＝Ｅに保持する。零極端子Ｍの電位を零として、交流端子Ｕの出力電圧をＶｕとすると、出力電圧Ｖｕは半導体スイッチをオンオフさせることで、±４Ｅ、±３Ｅ、±２Ｅ、±１Ｅ、０の９レベル出力を実現する。