(57)【要約】【課題】マルチレベル電力変換装置において、直流電圧のリプルを低減する。【解決手段】マルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流部１と、２相以上の相モジュール２と、を備える。直流部１は、４つ直列接続された第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２と、２つの第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮと、を有する。相モジュール２は第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８を有し、第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８をＯＮ／ＯＦＦすることにより、直流部１の電位を選択して出力する。【選択図】図２
2019075915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つ直列接続された第１〜第４直流リンクキャパシタと、２つの第１，第２フライングキャパシタと、を有する各相共通の直流部と、半導体スイッチを有し、前記半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記直流部の電位を選択して出力する２相以上の相モジュールと、を備えたマルチレベル電力変換装置であって、
前記相モジュールは、
前記第１直流リンクキャパシタの正極端と前記第１フライングキャパシタの一端との間に順次直列接続された第１，第２半導体スイッチと、
前記第１フライングキャパシタの他端と前記第２，第３直流リンクキャパシタの共通接続点との間に順次直列接続された第７，第８半導体スイッチと、
前記第２，第３直流リンクキャパシタの共通接続点と前記第２フライングキャパシタの一端との間に順次直列接続された第１１，第１２半導体スイッチと、
前記第２フライングキャパシタの他端と前記第４直流リンクキャパシタの負極端との間に順次直列接続された第１７，１８半導体スイッチと、
前記第１，第２半導体スイッチの共通接続点と前記第７，第８半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４半導体スイッチと、
前記第３，第４半導体スイッチに対して並列接続された第５，第６半導体スイッチと、
前記第１１，第１２半導体スイッチの共通接続点と前記第１７，第１８半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第１３，第１４半導体スイッチと、
前記第１３，第１４半導体スイッチに対して並列接続された第１５，第１６半導体スイッチと、
前記第５，第６半導体スイッチの共通接続点と前記第１５，第１６半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第９，第１０半導体スイッチと、
を備え、前記第３，第４半導体スイッチの共通接続点は前記第１，第２直流リンクキャパシタの共通接続点に接続され、前記第１３，第１４半導体スイッチの共通接続点は前記第３，第４直流リンクキャパシタの共通接続点に接続され、前記第９，第１０半導体スイッチの共通接続点を出力端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
【請求項２】
前記第１〜第１８半導体スイッチを以下の表２に示すスイッチングパターンで制御することで、前記第１，第２フライングキャパシタの電圧をそれぞれＥに制御しつつ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅのいずれかの電圧を出力することを特徴とする請求項１記載のマルチレベル電力変換装置。
【表２】
2019075915.tif 000006
Ｓ１〜Ｓ１８：第１〜第１８半導体スイッチ
Ｅ：第１〜第４直流リンクキャパシタに印加する電圧
［ＬＬ］，［ＬＦ］，［ＬＨ］，［ＦＬ］，［ＦＦ］，［ＦＨ］，［ＨＬ］，［ＨＦ］，［ＨＨ］：第１〜第４直流リンクキャパシタ、第１，第２フライングキャパシタの接続パターン
１：半導体スイッチＯＮ
０：半導体スイッチＯＦＦ
＊：半導体スイッチＯＮでもＯＦＦでも可
【請求項３】
前記相モジュールを３相分有することを特徴とする請求項１または２記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項４】
４つ直列接続された第１〜第４直流リンクキャパシタと、２つの第１，第２フライングキャパシタと、を有する各相共通の直流部と、半導体スイッチを有し、前記半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記直流部の電位を選択して出力する２相以上の相モジュールと、を備えたマルチレベル電力変換装置の制御方法であって、
前記相モジュールは、
前記第１直流リンクキャパシタの正極端と前記第１フライングキャパシタの一端との間に順次直列接続された第１，第２半導体スイッチと、
前記第１フライングキャパシタの他端と前記第２，第３直流リンクキャパシタの共通接続点との間に順次直列接続された第７，第８半導体スイッチと、
前記第２，第３直流リンクキャパシタの共通接続点と前記第２フライングキャパシタの一端との間に順次直列接続された第１１，第１２半導体スイッチと、
前記第２フライングキャパシタの他端と前記第４直流リンクキャパシタの負極端との間に順次直列接続された第１７，１８半導体スイッチと、
前記第１，第２半導体スイッチの共通接続点と前記第７，第８半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４半導体スイッチと、
前記第３，第４半導体スイッチに対して並列接続された第５，第６半導体スイッチと、
前記第１１，第１２半導体スイッチの共通接続点と前記第１７，第１８半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第１３，第１４半導体スイッチと、
前記第１３，第１４半導体スイッチに対して並列接続された第１５，第１６半導体スイッチと、
前記第５，第６半導体スイッチの共通接続点と前記第１５，第１６半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第９，第１０半導体スイッチと、
を備え、前記第３，第４半導体スイッチの共通接続点は前記第１，第２直流リンクキャパシタの共通接続点に接続され、前記第１３，第１４半導体スイッチの共通接続点は前記第３，第４直流リンクキャパシタの共通接続点に接続され、前記第９，第１０半導体スイッチの共通接続点を出力端子とし、
前記第１〜第１８半導体スイッチを以下の表２に示すスイッチングパターンで制御することで、前記第１，第２フライングキャパシタの電圧をそれぞれＥに制御しつつ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅのいずれかの電圧を出力することを特徴とするマルチレベル電力変換装置の制御方法。
【表２】
2019075915.tif 000007
Ｓ１〜Ｓ１８：第１〜第１８半導体スイッチ
Ｅ：第１〜第４直流リンクキャパシタに印加する電圧
［ＬＬ］，［ＬＦ］，［ＬＨ］，［ＦＬ］，［ＦＦ］，［ＦＨ］，［ＨＬ］，［ＨＦ］，［ＨＨ］：第１〜第４直流リンクキャパシタ、第１，第２フライングキャパシタの接続パターン
１：半導体スイッチＯＮ
０：半導体スイッチＯＦＦ
＊：半導体スイッチＯＮでもＯＦＦでも可
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性点を有するマルチレベル電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７，図８，図９に、特許文献１の［実施形態１５］で開示されたマルチレベル電力変換装置を示す。
【０００３】
このマルチレベル電力変換装置は、直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮとフライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧を出力する直流部１ａ、１ｂと、直流部１ａ，１ｂの電位を選択してマルチレベル電力変換装置の出力電圧を生成する相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃと、を有する。
【０００４】
このマルチレベル電力変換装置では、ダイオード整流器やＰＷＭコンバータ等の交流直流変換器（図示省略）を直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮに接続することで、直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮに２Ｅの電圧を印加する。また、直流部１ａ，１ｂの各半導体スイッチのオンオフによる充放電動作によって、フライングキャパシタＦＣＰ、ＦＣＮにＥの電圧を印加する。
【０００５】
そして、相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃの各半導体スイッチのオンオフ動作によって、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルの出力電圧を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−４７０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１０に、特許文献１における＋Ｅ，−Ｅ出力時の直流部１ａ，１ｂの簡略図およびその時の電圧波形の概略図を示す。
【０００８】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、特許文献１では、＋Ｅ，−Ｅ出力時にそれぞれ２つのスイッチングパターンが存在する。この２つのスイッチングパターンはフライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧を制御するために半導体スイッチを用いて制御している。
【０００９】
１つ目のスイッチングパターンは、図１０（ａ）に示すように、フライングキャパシタＦＣＰ、ＦＣＮの電圧を＋Ｅ端子または−Ｅ端子より出力する。２つ目のスイッチングパターンは、図１０（ｂ）に示すように、直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮとフライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの差分を＋Ｅ端子または−Ｅ端子より出力する。（＋Ｅ端子、−Ｅ端子の電圧の基準点はＮＰ端子とする。）
特許文献１のような直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮとフライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮを有する電力変換装置では、それぞれのキャパシタに電圧リプルが発生する。図１０（ｃ），（ｄ），（ｅ）に、キャパシタ電圧の波形例を示す。図１０（ｃ）は直流リンクキャパシタＤＣＰの電圧波形、図１０（ｄ）はフライングキャパシタＦＣＰの電圧波形、図１０（ｅ）は直流リンクキャパシタＤＣＰとフライングキャパシタＦＣＰの電圧差の波形である。
【００１０】
この場合、直流リンクキャパシタＤＣＰとフライングキャパシタＦＣＰは逆位相の電圧リプルをもっているため、図１０（ａ）の２Ｅ〜＋Ｅ間に印加される電圧（または、図１０（ｂ）のＮＰ〜−Ｅ間に印加される電圧）は、図１０（ｅ）のような大きな電圧リプルをもつ電圧波形となる。
【００１１】
この電圧波形が相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃの半導体スイッチに印加されることになる。このような大きなリプルをもつ電圧が半導体スイッチに印加されると、過電圧により半導体スイッチが破壊しやすくなる。
【００１２】
また、この電圧リプルは、電力変換装置の出力電圧にも重畳される。電圧リプルの影響で出力電圧の電圧精度が低下し、負荷に悪影響を与える。
【００１３】
電圧リプルを抑制する方法の１つに、直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮ、および、フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの静電容量を大きくする方法がある。しかし、この場合、各キャパシタの寸法が大きくなるため、電力変換装置が大型化、高コスト化してしまうという問題がある。
【００１４】
また、特許文献１では、５レベルを選択する相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃと、５つの電位を生成する直流部１ａ，１ｂと、の半導体スイッチを有する２つの構成要素がある。直流部１ａ，１ｂと相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃをそれぞれ別な筺体から成るユニットとした場合、２種類のユニットの両方に半導体スイッチがあるため、保守交換のコストが大きくなる。
【００１５】
以上示したようなことから、マルチレベル電力変換装置において、直流電圧のリプルを低減することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、４つ直列接続された第１〜第４直流リンクキャパシタと、２つの第１，第２フライングキャパシタと、を有する各相共通の直流部と、半導体スイッチを有し、前記半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記直流部の電位を選択して出力する２相以上の相モジュールと、を備えたマルチレベル電力変換装置であって、前記相モジュールは、前記第１直流リンクキャパシタの正極端と前記第１フライングキャパシタの一端との間に順次直列接続された第１，第２半導体スイッチと、前記第１フライングキャパシタの他端と前記第２，第３直流リンクキャパシタの共通接続点との間に順次直列接続された第７，第８半導体スイッチと、前記第２，第３直流リンクキャパシタの共通接続点と前記第２フライングキャパシタの一端との間に順次直列接続された第１１，第１２半導体スイッチと、前記第２フライングキャパシタの他端と前記第４直流リンクキャパシタの負極端との間に順次直列接続された第１７，１８半導体スイッチと、前記第１，第２半導体スイッチの共通接続点と前記第７，第８半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４半導体スイッチと、前記第３，第４半導体スイッチに対して並列接続された第５，第６半導体スイッチと、前記第１１，第１２半導体スイッチの共通接続点と前記第１７，第１８半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第１３，第１４半導体スイッチと、前記第１３，第１４半導体スイッチに対して並列接続された第１５，第１６半導体スイッチと、前記第５，第６半導体スイッチの共通接続点と前記第１５，第１６半導体スイッチの共通接続点との間に順次直列接続された第９，第１０半導体スイッチと、を備え、前記第３，第４半導体スイッチの共通接続点は前記第１，第２直流リンクキャパシタの共通接続点に接続され、前記第１３，第１４半導体スイッチの共通接続点は前記第３，第４直流リンクキャパシタの共通接続点に接続され、前記第９，第１０半導体スイッチの共通接続点を出力端子とすることを特徴とする。
【００１７】
また、その一態様として、前記第１〜第１８半導体スイッチを以下の表２に示すスイッチングパターンで制御することで、前記第１，第２フライングキャパシタの電圧をそれぞれＥに制御しつつ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅのいずれかの電圧を出力することを特徴とする。
【００１８】
【表２】
2019075915.tif 000003
【００１９】
Ｓ１〜Ｓ１８：第１〜第１８半導体スイッチ
Ｅ：第１〜第４直流リンクキャパシタに印加する電圧
［ＬＬ］，［ＬＦ］，［ＬＨ］，［ＦＬ］，［ＦＦ］，［ＦＨ］，［ＨＬ］，［ＨＦ］，［ＨＨ］：第１〜第４直流リンクキャパシタ、第１，第２フライングキャパシタの接続パターン
１：半導体スイッチＯＮ
０：半導体スイッチＯＦＦ
＊：半導体スイッチＯＮでもＯＦＦでも可
また、その一態様として、前記相モジュールを３相分有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、マルチレベル電力変換装置において、直流電圧のリプルを低減すること可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】パターンＬＬ，ＦＦ，ＨＨにおける直流部の簡略図。
【図２】実施形態１におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成図。
【図３】パターンＬＬ時の５レベル出力のスイッチングパターンを示す図。
【図４】パターンＬＦ時の５レベル出力のスイッチングパターンを示す図。
【図５】パターンＬＨ時の５レベル出力のスイッチングパターンを示す図。
【図６】実施形態２におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成図。
【図７】特許文献１におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成図。
【図８】特許文献１における５レベル出力のスイッチングパターンを示す図。
【図９】特許文献１におけるＥ，−Ｅの出力パターンを示す図。
【図１０】特許文献１における＋Ｅ，−Ｅ出力時の直流部の簡略図および電圧波形の簡略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
まず、本願発明の基本構成を図１に基づいて説明する。図１に本願のマルチレベル電力変換装置のパターンＬＬ，ＦＦ，ＨＨにおける直流部１の簡略図を示す。本願発明では、直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮを直列に２分割し、第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２として順次直列接続する。第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２の中点を＋Ｅ端子，第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２の中点を−Ｅ端子に接続する。
【００２３】
また、図１の第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２の静電容量は、図１０の直流リンクキャパシタＤＣＰ、ＤＣＮの静電容量の２倍にする。
【００２４】
これにより、図１０の＋２Ｅ〜ＮＰ端子間（またはＮＰ端子〜−２Ｅ端子間）の直流リンクキャパシタＤＣＰ（またはＤＣＮ）の静電容量と、図１の＋２Ｅ〜ＮＰ端子間（またはＮＰ端子〜−２Ｅ端子間）の第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２（またはＤＣＮ１，ＤＣＮ２）の静電容量の合計は変わらなくなる。よって、図１０の直流リンクキャパシタＤＣＰ（またはＤＣＮ）の体積と、図１の第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２（またはＤＣＮ１，ＤＣＮ２）の体積の合計もほぼ同じになる。
【００２５】
本願発明では、図１に示すように、＋Ｅ、−Ｅ出力時にそれぞれ各キャパシタの接続パターンがそれぞれ３つ存在する。これらは第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２や第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧を制御するために半導体スイッチを用いて切り換える。
【００２６】
１つ目のパターン［ＬＬ］は、第１フライングキャパシタＦＣＰを＋Ｅ端子とＮＰ端子に接続して電圧を出力し、第２フライングキャパシタＦＣＮを−Ｅ端子とＮＰ端子に接続して電圧を出力する。
【００２７】
２つ目のパターン［ＦＦ］は、第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２の中点と第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２の中点を＋Ｅ，−Ｅとして出力する。
【００２８】
３つ目のパターン［ＨＨ］は、第１フライングキャパシタＦＣＰを＋２Ｅ端子と＋Ｅ端子に接続して電圧を出力し、第２フライングキャパシタＦＣＮを−２Ｅ端子と−Ｅ端子に接続して電圧を出力する。
【００２９】
１つ目のパターン［ＬＬ］は、第２直流リンクキャパシタＤＣＰ２と第１フライングキャパシタＦＣＰ，第３直流リンクキャパシタＤＣＮ１と第２フライングキャパシタＦＣＮが並列した接続となる。また、３つ目のパターン［ＨＨ］は、第１直流リンクキャパシタＤＣＰ１と第１フライングキャパシタＦＣＰ，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ２と第２フライングキャパシタＦＣＮが並列した接続となる。そのため、並列接続した端子間（パターン［ＬＬ］の＋Ｅ端子とＮＰ端子間およびＮＰ端子と−Ｅ端子、パターン［ＨＨ］の＋２Ｅと＋Ｅ端子間および−Ｅと−２Ｅ端子間）では、さらに静電容量が大きくなる。
【００３０】
特許文献１と比較して静電容量が大きくなるため、直流電圧に含まれるリプル成分は小さくなる。特許文献１においてすべての直流リンクキャパシタＤＣＰ，ＤＣＮ，フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの静電容量が等しいとした場合、本実施形態１は特許文献１の２倍もしくは３倍の静電容量になる。そのため、直流電圧のリプルも２分の１もしくは３分の１になる。特許文献１に対する各パターン［ＬＬ］，［ＦＦ］，［ＨＨ］の静電容量の倍数を以下の表１に示す。
【００３１】
【表１】
2019075915.tif 000004
【００３２】
このように、パターン［ＬＬ］とパターン［ＨＨ］の両方を設けることで、すべての端子間（＋２Ｅ〜＋Ｅ間、＋Ｅ〜ＮＰ間、ＮＰ〜−Ｅ間、−Ｅ〜−２Ｅ間）で特許文献１に対して静電容量が３倍となるモードが存在する。
【００３３】
逆に、直流電圧のリプルを特許文献１と同等の値に許容する場合は、第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２の静電容量を小さくすることが可能である。
【００３４】
これ以降、１つ目のパターンをＬ、２つ目のパターンをＦ、３つ目のパターンをＨと呼称する。直流部のパターン選択できる機構は第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２側と第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２側の２つある。図１では、第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２側も第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２側も同じパターンで記載したが、それぞれ独立して３つのパターンを選択可能である。
【００３５】
例えば、第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２側がパターンＨ、第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２側がパターンＬを選択する場合、これらをまとめてパターン［ＨＬ］と呼称する。直流部のパターンは全部で９通りあり、それぞれのパターンを［ＬＬ］，［ＬＦ］，［ＬＨ］，［ＦＬ］，［ＦＦ］，［ＦＨ］，［ＨＬ］，［ＨＦ］，［ＨＨ］と呼称する。
【００３６】
以下、本願発明におけるマルチレベル電力変換装置の実施形態１，２を図２〜図６に基づいて詳述する。
【００３７】
［実施形態１］
図２に本実施形態１における一相分のマルチレベル電力変換装置を示す。図２に示すように、本実施形態１のマルチレベル電力変換装置は、直流部１と相モジュール２と、を備える。直流部１は各相共通であり、相モジュール２は各相ごと（２相以上）に設けられる。
【００３８】
直流部１は、４つの第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２と、２つの第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮと、を有する。
【００３９】
また、相モジュール２は、１８個の第１〜第１８半導体スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８を有する。図２において、第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８はＩＧＢＴと逆並列に接続されたダイオードを例に挙げている。相モジュール２は、第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８をＯＮ／ＯＦＦすることにより、直流部１の電位を選択して出力する。
【００４０】
相モジュール２において、第１直流リンクキャパシタＤＣＰ１の正極端と第１フライングキャパシタＦＣＰの一端との間に第１，第２半導体スイッチＳ１，Ｓ２を順次直列接続する。第１フライングキャパシタＦＣＰの他端と第２，第３直流リンクキャパシタＤＣＰ２，ＤＣＮ１の共通接続点との間に第７，第８半導体スイッチＳ７，Ｓ８が順次直列接続される。
【００４１】
第２，第３直流リンクキャパシタＤＣＰ２，ＤＣＮ１の共通接続点と第２フライングキャパシタＦＣＮの一端との間に第１１，第１２半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が順次直列接続される。第２フライングキャパシタＦＣＮの他端と第４直流リンクキャパシタＤＣＮの負極端との間に第１７，第１８半導体スイッチＳ１７，Ｓ１８が順次直列接続される。
【００４２】
第１，第２半導体スイッチＳ１，Ｓ２の共通接続点と第７，第８半導体スイッチＳ７，Ｓ８の共通接続点との間に第３，第４半導体スイッチＳ３，Ｓ４が順次直列接続される。第３，第４半導体スイッチＳ３，Ｓ４に対して第５，第６半導体スイッチＳ５，Ｓ６が並列接続される。
【００４３】
第１１，第１２半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２の共通接続点と第１７，第１８半導体スイッチＳ１７，Ｓ１８の共通接続点との間に第１３，第１４半導体スイッチＳ１３，Ｓ１４が順次直列接続される。第１３，第１４半導体スイッチＳ１３，Ｓ１４に対して第１５，第１６半導体スイッチＳ１５，Ｓ１６が並列接続される。
【００４４】
第５，第６半導体スイッチＳ５，Ｓ６の共通接続点と第１５，第１６半導体スイッチＳ１５，Ｓ１６の共通接続点との間に第９，第１０半導体スイッチＳ９，Ｓ１０が直列接続される。
【００４５】
第３，第４半導体スイッチＳ３，Ｓ４の共通接続点は第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２の共通接続点に接続される。第１３，第１４半導体スイッチＳ１３，Ｓ１４の共通接続点は第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２の共通接続点に接続される。第９，第１０半導体スイッチＳ９，Ｓ１０の共通接続点を出力端子とする。
【００４６】
直流部１では、第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２と第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの平均電圧が、相モジュール２の第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８や第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２に接続される交流／直流変換器（図示省略）の動作によって、Ｅ［Ｖ］に保たれる。
【００４７】
相モジュール２は、大別して３つの機能がある。１つ目は直流部１の５つの電位（＋２Ｅ，＋Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ）を選択して出力する機能である。２つ目は第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，第１フライングキャパシタＦＣＰの接続を制御するためのパターンＬ，Ｆ，Ｈを選択する機能である。３つ目は第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２，第２フライングキャパシタＦＣＮの接続を制御するためのパターンＬ，Ｆ，Ｈを選択する機能である。
【００４８】
相モジュール２は上記の三つの機能に対して、それぞれ独立して制御を行う。スイッチングパターンは、５レベル出力が５通り（このパターンは各相の出力電圧指令に基づいて選択される）、第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，第１フライングキャパシタＦＣＰの接続を制御するパターンが３通り、第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２，第２フライングキャパシタＦＣＮの接続を制御するパターンが３通りあるため、スイッチングパターンの組合せは５×３×３＝４５通り存在する。スイッチングパターンに従ってゲート信号（第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８のオンオフ信号）を制御することでマルチレベル電力変換装置を実現する。
【００４９】
なお、出力電圧レベル（＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ）のみで考えると、二つ目の機構と三つ目の機構では、パターンＬ，Ｆ，Ｈのいずれを選択してもよい。しかし、第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧をＥに制御するためには、パターンＬ，Ｆ，Ｈを組み合わせが必要となる。
【００５０】
また、表１に示すように、パターンＬは他のパターンと比較して、＋Ｅ端子〜ＮＰ端子間およびＮＰ端子〜−Ｅ端子間の静電容量を大きくできる（つまり、電圧リプルを低減できる）特長がある。パターンＨは他のパターンと比較して、＋２Ｅ端子〜＋Ｅ端子間および−Ｅ端子〜−２Ｅ端子間の静電容量を大きくできる特長がある。
【００５１】
一方、パターンＦは他のパターンと比較して、半導体スイッチのオン導通数が少なくなる。例えば、表２の＋２Ｅ出力時スイッチングパターンでの半導体スイッチのオン導通数は、［ＬＬ］では５個、［ＨＨ］では４個だが、［ＦＦ］では３個である。そのため、パターンＦは、半導体スイッチの損失を低減させ、電力変換装置の効率を向上できる特長をもつ。
【００５２】
そこで、直流電圧リプルと半導体スイッチの損失の両方を所望の値以下となるような、パターンＬ，Ｆ，Ｈの選択パターンを事前に設定しておく。この選択パターンは、出力電圧の１周期内に出力電圧の位相に同期して数回変化する。そして、設定した選択パターンに基づいて、スイッチングパターンにおいてどのパターン（Ｌ，Ｆ，Ｈ）を選択するのかを決定する。
【００５３】
相モジュール２が一相のみの場合、スイッチングパターンの制約は特にないが、複数の相の場合は短絡防止をする必要がある。複数相を考慮した（短絡防止を考慮した）場合のスイッチングパターンを表２に示す。表２中の１はゲートオン（オン指令）、０はゲートオフ（オフ指令）、＊はどちらでも良いことを示す。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
図３，図４，図５にパターン［ＬＬ］、［ＬＦ］、［ＬＨ］のときのスイッチングパターンを示す。図３，図４，図５中の丸印はゲートオンしている半導体スイッチであることを示す。図３，図４，図５に示すように、本実施形態１は５レベル出力と二つの第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの制御を同時に行っている。
【００５６】
このように、第１〜第１８半導体スイッチを表２に示すスイッチングパターンで制御することで、第１，第２フライングキャパシタの電圧をそれぞれＥに制御しつつ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅのいずれかの電圧を出力端子より出力することができる。
【００５７】
以上示したように、本実施形態１におけるマルチレベル電力変換装置は、従来技術と比較して、キャパシタの静電容量が等価的に２倍もしくは３倍になるため、直流電圧のリプルを低減できる。
【００５８】
また、直流電圧のリプルが小さいため、第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８に印加される（リプル分に相当する）過電圧が抑制される。よって、第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８が過電圧破壊しにくくなるため、電力変換装置の信頼性が向上する。さらに、直流電圧のリプルが小さいため、電力変換装置の出力電圧精度が向上する。
【００５９】
また、直流電圧のリプルを従来技術と同等の値とする場合、第１〜第４直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２の大きさを小さくすることが可能である。よって、電力変換装置の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００６０】
また、直流部１に半導体スイッチがないため、直流部１と相モジュール２をそれぞれ別な筺体からなるユニットとした場合に、直流部１の保守、メンテナンスの費用が低減できる。
【００６１】
また、直流部１に半導体スイッチがないため、相モジュール２の第１〜第１８半導体スイッチＳ１〜Ｓ１８の制御のみで、２つの第１，第２フライングキャパシタＦＣＰ，ＦＣＮの電圧制御ができる。これにより、電力変換装置全体の制御が容易となる。
【００６２】
［実施形態２］
図６は、本実施形態２のマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図である。本実施形態２は実施形態１におけるマルチレベル電力変換装置を三相に拡張したものである。図６に示すように、本実施形態２のマルチレベル電力変換装置は、一つの直流部１と、三つの相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃと、を有する。
【００６３】
直流部１の９つの接続点（第１直流リンクキャパシタＤＣＰ１の正極端、第１フライングキャパシタＦＣＰの一端，他端，第１，第２直流リンクキャパシタＤＣＰ１，ＤＣＰ２の共通接続点，第２，第３直流リンクキャパシタＤＣＰ２，ＤＣＮ１の共通接続点，第２フライングキャパシタＦＣＮの一端，他端，第３，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ１，ＤＣＮ２の共通接続点，第４直流リンクキャパシタＤＣＮ２の負極端）に対し、各相モジュール２ａ，２ｂ，２ｃを並列接続した構成である。
【００６４】
本実施形態２におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
【００６５】
本実施形態２では、３相の電力変換回路を示したが、本願発明は２相以上のマルチレベル電力変換装置に適用できる。
【００６６】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００６７】
１…直流部
２，２ａ，２ｂ，２ｃ…相モジュール
ＤＣＰ１，ＤＣＰ２，ＤＣＮ１，ＤＣＮ２…第１〜第４直流リンクキャパシタ
ＦＣＰ，ＦＣＮ…第１，第２フライングキャパシタ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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