(57)【要約】      （修正有）【課題】３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法を提供する。【解決手段】中性点クランプ型３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法において、サンプリングによって中性点電圧を取得し、該中性点電圧の絶対値が閾値を超えた場合、１つの相のゼロレベルデューティ比を調整することで中性点電圧のバランスを維持し、かつ該相の正レベル、負レベルデューティ比を配分することで、該相のブリッジアームの出力電圧が少なくとも１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを有するようにする。【選択図】図１Ａ
2019106874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性点クランプ型３レベル回路に用いられる３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法であって、
キャパシタンスブリッジアームと、該キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、
前記３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換し、前記キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力するために少なくとも４つのスイッチング素子を備え、
前記３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法は、
第１中性点電圧を得ることで、前記上キャパシタと下キャパシタの電圧差を表示するステップ１１と、
ｘ相の要変調基準電圧及び前記直流電圧からｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１数値範囲を取得し、ｘは、前記３レベル回路が備える前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち何れか１つを表し、かつ前記第１数値範囲内において前記ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値を予め設定するステップ１２と、
前記第１中性点電圧の絶対値が第１閾値を超えるとき、前記第１設定値を調整して調整後の前記第１設定値を前記第１数値範囲内に収め、調整後の前記第１設定値に基づいて前記ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の第２設定値及び前記ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の第３設定値を配分し、かつ調整後の前記第１設定値、前記第２設定値及び前記第３設定値に基づいて前記ｘ相スイッチブリッジアームの前記スイッチング素子を変調することで、前記第１中性点電圧の絶対値を前記第１閾値未満にするステップ１３と、
を備えることを特徴とする、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項２】
前記ステップ１２は、
下記式に基づいて前記ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の前記第１数値範囲における最大値ｄｘｏｍａｘを取得し、
【数１】
2019106874.tif 000014
そのうち、ｕｘｒｅｆは、前記ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、前記直流電圧であり、
前記第１数値範囲内（０，ｄｘｏｍａｘ）内においてｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を予め設定するステップ１２１と、
前記第１設定値を、前記ｘ相の前記第１数値範囲の最大値ｄｘｏｍａｘに予め設定するステップ１２２と、
を更に備える、請求項１に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項３】
前記３レベル回路は、前記三相交流電圧を負荷に出力し、
前記ステップ１３は、
前記第１中性点電圧に基づいて前記上キャパシタの電圧が前記下キャパシタの電圧を超えると判定された場合、ｘ相の電流が前記３レベル回路から前記負荷へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を減らし、ｘ相の電流が前記負荷から前記３レベル回路へ流れるとき、前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を増やし、又は、
前記第１中性点電圧から、前記上キャパシタの電圧が前記下キャパシタの電圧より低いと判定された場合、ｘ相の電流が前記３レベル回路から前記負荷へ流れるとき、前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を増やし、ｘ相の電流が前記負荷から前記３レベル回路へ流れるとき、前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を減らすステップ１３１を更に備える、請求項１に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項４】
前記ステップ１３は、下記式を利用して第１設定値ｄｘｏを調整し、
【数２】
2019106874.tif 000015
そのうち、ｋｐは、比例制御パラメータであり、ｕｏは、前記第１中性点電圧であり、ｉｘは、前記ｘ相の出力電流であり、ｕｔｈは、前記第１閾値であり、ｕｘｒｅｆは、前記ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、前記直流電圧であるステップ１３２と、
調整後の前記第１設定値がｄｘｏである場合、下記式で表される前記ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の第２設定値ｄｘｐ、及び前記ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の第３設定値ｄｘｎを配分し、
【数３】
2019106874.tif 000016
そのうち、ｕｘｒｅｆは、前記ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、前記直流電圧であるステップ１３３と
を更に備える、請求項１に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項５】
前記ｘ相スイッチブリッジアームの前記第１設定値、前記第２設定値及び前記第３設定値は、少なくとも１つのスイッチング周期内に何れもゼロでなく、前記ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内に正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを含み、
前記３レベル回路の前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの少なくとも２つの相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において何れも正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを含み、
前記ａ、ｂ、ｃ相の要変調基準電圧が異なるとき、前記ａ、ｂ、ｃ相のゼロレベルデューティ比が異なる、請求項１に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項６】
前記３レベル回路が三相３線式電気システムに用いられる場合、前記３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法は、
前記第１中性点電圧の絶対値が第２閾値より小さいとき、零相電圧を注入し、そのうち、前記第２閾値が前記第１閾値以下であるステップ１４を更に備える、請求項１に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項７】
請求項１に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を用いる３レベル回路であって、
前記３レベル回路は、前記キャパシタンスブリッジアームと、前記キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、
前記３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、前記３レベル回路は、前記直流電圧を三相交流電圧に変換し、前記キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する前記上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうちの何れか１つを出力する少なくとも４つの前記スイッチング素子を備えることを特徴とする、３レベル回路。
【請求項８】
前記キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、前記上キャパシタの第１端子と前記第１直流入力端子は電気的に接続され、前記上キャパシタの第２端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第１端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第２端子と前記第２直流入力端子は電気的に接続され、
前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、並びに、第１ダイオード及び第２ダイオードを備え、前記第１スイッチング素子の第１端子は、前記上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、前記第１スイッチング素子の第２端子は、前記第２スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第２端子は、前記第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第３スイッチング素子の第２端子は、前記第４スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第４スイッチング素子の第２端子は、前記下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、前記第１ダイオードの陽極は、前記第２ダイオードの陰極に電気的に接続されかつ前記中性点レベル端子に電気的に接続され、前記第１ダイオードの陰極は、前記第１スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、前記第２ダイオードの陽極は、前記第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続される、請求項７に記載の３レベル回路。
【請求項９】
前記キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、前記上キャパシタの第１端子と前記第１直流入力端子は電気的に接続され、前記上キャパシタの第２端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第１端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第２端子と前記第２直流入力端子は電気的に接続され、
前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子を備え、前記第１スイッチング素子の第１端子は、前記上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、前記第１スイッチング素子の第２端子は、前記第４スイッチング素子の第１端子及び該第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第１端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第２端子は、前記中性点レベル端子に電気的に接続され、前記第４スイッチング素子の第２端子は、前記下キャパシタの第２端子に電気的に接続される、請求項７に記載の３レベル回路。
【請求項１０】
前記キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、前記上キャパシタの第１端子と前記第１直流入力端子は電気的に接続され、前記上キャパシタの第２端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第１端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第２端子と前記第２直流入力端子は電気的に接続され、
前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、第４スイッチング素子、第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子を備え、前記第１スイッチング素子の第１端子は、前記上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、前記第１スイッチング素子の第２端子は、前記第２スイッチング素子の第１端子及び前記第５スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第２端子は、前記第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第３スイッチング素子の第２端子は、前記第４スイッチング素子の第１端子及び前記第６スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、前記第４スイッチング素子の第２端子は、前記下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、前記第５スイッチング素子の第２端子は、前記第６スイッチング素子の第１端子及び前記中性点レベル端子に接続される、請求項７に記載の３レベル回路。
【請求項１１】
星形結線状態の少なくとも３つのフィルタキャパシタを備えるＬＣフィルタに電気的に接続され、これらのフィルタキャパシタの接続中性点は、前記３レベル回路の上キャパシタと下キャパシタの接続点に電気的に接続される、請求項７に記載の３レベル回路。
【請求項１２】
中性点クランプ型３レベル回路に用いられる３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法であって、
３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアームと、前記キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、前記３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、前記３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換し、前記キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力するために少なくとも４つのスイッチング素子を備え、
前記３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法は、
第１中性点電圧を得ることで、前記上キャパシタと下キャパシタの電圧差を表示するステップ２１と、
ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値を調整し、かつ同一のスイッチング周期内において前記ａ、ｂ、ｃ相の要変調基準電圧が異なるとき、前記ａ、ｂ、ｃ相のゼロレベルデューティ比が異なるようにし、そのうち、ｘは、前記３レベル回路に含まれる前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち何れか１つを表示するステップ２２と、
前記第１設定値に基づいて前記ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の第２設定値及び前記ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の第３設定値を配分し、かつ前記第１設定値、前記第２設定値及び前記第３設定値に基づいて前記ｘ相スイッチブリッジアームの前記スイッチング素子を変調し、前記ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧が少なくとも１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを有するようにすることによって、前記第１中性点電圧の絶対値を第１閾値未満にするステップ２３と
を備えることを特徴とする、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項１３】
前記ステップ２２は、下記式を利用してｘ相ゼロレベルデューティ比の調整可能範囲における最大値ｄｘｏｍａｘを取得し、
【数４】
2019106874.tif 000017
そのうち、ｕｘｒｅｆは、ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、前記直流電圧であり、
数値範囲（０，ｄｘｏｍａｘ）内において前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を予め設定し、かつ調整後の前記第１設定値を前記数値範囲内に収めるステップ２２１を更に備え、
前記ステップ２２１において、前記数値範囲内で前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を予め設定するとき、前記ｘ相の第１設定値を前記数値範囲内における最大値ｄｘｏｍａｘに予め設定するステップ２２２を更に備え、
前記ステップ２３において、前記第１設定値に基づいて前記ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の前記第２設定値、及び前記ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の前記第３設定値を配分するとき、
前記第１設定値をｄｘｏとし、下記式を利用して前記ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の第２設定値ｄｘｐ、及び前記ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の第３設定値ｄｘｎを配分し、
【数５】
2019106874.tif 000018
そのうち、ｕｘｒｅｆは、前記ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、前記直流電圧であるステップ２３１を更に備える、請求項１２に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項１４】
前記３レベル回路は、前記三相交流電圧を負荷に出力し、前記ステップ２２は、
前記第１中性点電圧に基づき前記上キャパシタの電圧が前記下キャパシタの電圧を超えると判定された場合、ｘ相の電流が前記３レベル回路から前記負荷へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を減らし、前記ｘ相の電流が前記負荷から前記３レベル回路へ流れるとき、前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を増やし、又は、
前記第１中性点電圧に基づき前記上キャパシタの電圧が前記下キャパシタの電圧より低いと判定された場合、ｘ相の電流が前記３レベル回路から前記負荷へ流れるとき、前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を増やし、前記ｘ相の電流が前記負荷から前記３レベル回路へ流れるとき、前記ｘ相ゼロレベルデューティ比の前記第１設定値を減らすステップ２２３を更に備える、請求項１２に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項１５】
前記３レベル回路は、三相３線式電気システムに用いられ、前記３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法は、
前記第１中性点電圧の絶対値が第２閾値より小さいとき、零相電圧を注入し、前記第２閾値が前記第１閾値より小さいステップ２４を更に備える、請求項１２に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を用いる３レベル回路であって、
前記３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアームと、前記キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、
前記３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、前記３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換し、前記キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する前記上キャパシタと下キャパシタを備え、各スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力するために少なくとも４つのスイッチング素子を備えることを特徴とする、３レベル回路。
【請求項１７】
前記キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、前記上キャパシタの第１端子と前記第１直流入力端子は電気的に接続され、前記上キャパシタの第２端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第１端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第２端子と前記第２直流入力端子は電気的に接続され、
前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、並びに、第１ダイオード及び第２ダイオードを備え、前記第１スイッチング素子の第１端子は、前記上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、前記第１スイッチング素子の第２端子は、前記第２スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第２端子は、前記第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第３スイッチング素子の第２端子は、前記第４スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第４スイッチング素子の第２端子は、前記下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、前記第１ダイオードの陽極は、前記第２ダイオードの陰極に電気的に接続されかつ前記中性点レベル端子に電気的に接続され、前記第１ダイオードの陰極は、前記第１スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、前記第２ダイオードの陽極は、前記第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続される、請求項１６に記載の３レベル回路。
【請求項１８】
前記キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、前記上キャパシタの第１端子と前記第１直流入力端子は電気的に接続され、前記上キャパシタの第２端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第１端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第２端子と前記第２直流入力端子は電気的に接続され、
前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子を備え、前記第１スイッチング素子の第１端子は、前記上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、前記第１スイッチング素子の第２端子は、前記第４スイッチング素子の第１端子及び前記第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第１端子は、前記第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第２端子は、前記中性点レベル端子に電気的に接続され、前記第４スイッチング素子の第２端子は、前記下キャパシタの第２端子に電気的に接続される、請求項１６に記載の３レベル回路。
【請求項１９】
前記キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、前記上キャパシタの第１端子と前記第１直流入力端子は電気的に接続され、前記上キャパシタの第２端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第１端子と前記中性点レベル端子は電気的に接続され、前記下キャパシタの第２端子と前記第２直流入力端子は電気的に接続され、
前記ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、第４スイッチング素子、第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子を備え、前記第１スイッチング素子の第１端子は、前記上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、前記第１スイッチング素子の第２端子は、前記第２スイッチング素子の第１端子及び前記第５スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第２スイッチング素子の第２端子は、前記第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、前記第３スイッチング素子の第２端子は、前記第４スイッチング素子の第１端子及び前記第６スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、前記第４スイッチング素子の第２端子は、前記下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、前記第５スイッチング素子の第２端子は、前記第６スイッチング素子の第１端子及び前記中性点レベル端子に電気的に接続される、請求項１６に記載の３レベル回路。
【請求項２０】
星形結線状態の少なくとも３つのフィルタキャパシタを備えるＬＣフィルタに接続され、これらのフィルタキャパシタの接続中性点は、前記３レベル回路の前記上キャパシタと下キャパシタの接続点に電気的に接続される、請求項１６に記載の３レベル回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力・電子技術分野に関し、具体的には、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法及び該３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を用いる３レベル回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータは、直流を交流に変換することを実現するデバイスであり、多種類のトボロジ構造を有する。そのうち、３レベルトボロジ構造は、出力容量が大きく、出力電圧が高く、電流の高調波の含有量が少ないというメリットがある。このため、交流モーターの速度調整、新エネルギー発電、エネルギー蓄積、静止型無効電力補償、フレキシブル交流送電等の分野で幅広く応用されている。中性点クランプ（ＮＰＣ，Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｐｏｉｎｔ  Ｃｌａｍｐｅｄ）の３レベルインバータは、よく見られる３レベルトボロジ構造のインバータであり、ダイオードクランプ型ＮＰＣ、Ｔ型ＮＰＣ、ＡＮＰＣ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｐｏｉｎｔ  Ｃｌａｍｐｅｄ）等を含む。図１Ａは、三相ダイオードクランプ型ＮＰＣの３レベルトボロジ構造を示しており、該トボロジの直流側は、容量が何れもＣであり、直列接続する２つ（群）のキャパシタからなるキャパシタンスブリッジアームであり、上キャパシタ、下キャパシタは、それぞれ１つ又は複数のキャパシタ部材により構成されている。該３レベルトボロジ構造には、中性点電圧がアンバランスであり、即ち、上キャパシタ、下キャパシタの電圧が異なるという現象があるが、該中性点電圧がアンバランスであるという問題がなかなか解決できず、特に、純無効電力、アンバランス、非線形等の交流負荷の動作状態では、直流側の中性点の電圧のアンバランス現象がより現れやすい。このような現象を抑制しないと、出力電圧が段々と悪くなり、出力電流が更に悪化するので、直流の過電圧又は交流の過電流が生じて故障による運行停止になってしまう。従って、特許文献１にも開示されているように、合理的な制御方法を提供して中性点電圧のアンバランスを抑制することは、３レベルトボロジを幅広く応用するためにはとても重要な意味を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した問題を解決するために、本発明は、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法および３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を用いる３レベル回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
具体的には、本発明は、中性点クランプ型３レベル回路に用いられる３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を提供し、該３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアームと、該キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、該３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、該３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換するために用いられ、該キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各々の該スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力するために、少なくとも４つのスイッチング素子を備える。
【０００６】
該３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法は、第１中性点電圧を得ることで、該上キャパシタと下キャパシタの電圧差を表示するステップ１１と、ｘ相の要変調基準電圧及び該直流電圧から該ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１数値範囲を取得し、ｘは、該３レベル回路が備える該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち何れか１つを表し、かつ該第１数値範囲において該ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値を予め設定するステップ１２と、該第１中性点電圧の絶対値が第１閾値を超えるとき、該第１設定値を調整して調整後の該第１設定値を、該第１数値範囲内に収め、調整後の該第１設定値に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の第２設定値及び該ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の第３設定値を配分し、かつ調整後の該第１設定値、該第２設定値及び該第３設定値に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの該スイッチング素子を変調することで、該第１中性点電圧の絶対値を該第１閾値未満にするステップ１３とを備える。
【０００７】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法のステップ１２は、
【０００８】
【数１】
2019106874.tif 000003
【０００９】
によって該ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の該第１数値範囲の最大値ｄｘｏｍａｘを取得し、ｕｘｒｅｆは、該ｘ相の該要変調基準電圧であり、ｕｄは、該直流電圧であり、該第１数値範囲内（０，ｄｘｏｍａｘ）において該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を予め設定するステップ１２１を更に備える。
【００１０】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法のステップ１２は、該第１設定値を、該ｘ相の該第１数値範囲の最大値ｄｘｏｍａｘに予め設定するステップ１２２を更に備える。
【００１１】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該３レベル回路が該三相交流電圧を負荷に出力し、ステップ１３は、該第１中性点電圧に基づいて該上キャパシタの電圧が該下キャパシタの電圧を超えると判定された場合、ｘ相の電流が該３レベル回路から該負荷へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を減らし、ｘ相の電流が該負荷から該３レベル回路へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を増やし、又は、該第１中性点電圧から、該上キャパシタの電圧が該下キャパシタの電圧より低いと判定された場合、ｘ相の電流が該３レベル回路から該負荷へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を増やし、ｘ相の電流が該負荷から該３レベル回路へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を減らすステップ１３１と、
下記式を利用して該第１設定値ｄｘｏを調整し、
【００１２】
【数２】
2019106874.tif 000004
【００１３】
なお、ｋｐは、中性点電圧の比例制御パラメータであり、ｕｏは、該第１中性点電圧であり、ｉｘは、該ｘ相の出力電流であり、ｕｔｈは、該第１閾値であり、ｕｘｒｅｆは、該ｘ相の該要変調基準電圧であり、ｕｄは、該直流電圧であるステップ１３２と、
調整後の該第１設定値がｄｘｏである場合、面積等価原理に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の該第２設定値ｄｘｐと該ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の該第３設定値ｄｘｎを以下のように配分し、
【００１４】
【数３】
2019106874.tif 000005
【００１５】
なお、ｕｘｒｅｆは、該ｘ相の該要変調基準電圧であり、ｕｄは、該直流電圧であるステップ１３３とを備える。
【００１６】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該ｘ相スイッチブリッジアームの該第１設定値、該第２設定値及び該第３設定値は、少なくとも１つのスイッチング周期内に何れもゼロでなく、該ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内に正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを含む。
【００１７】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該３レベル回路の該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの少なくとも２つの相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において何れも正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを含む。
【００１８】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該ａ、ｂ、ｃ相の要変調基準電圧が異なるとき、該ａ、ｂ、ｃ相のゼロレベルデューティ比が異なる。
【００１９】
本発明による３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該３レベル回路が三相３線式電気システムに用いられている場合、該第１中性点電圧の絶対値が第２閾値より小さいとき、零相電圧を注入し、そのうち、該第２閾値が該第１閾値以下であるステップ１４を更に備える。
【００２０】
本発明は、さらに３レベル回路に係り、該３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアームと、該キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、該３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、該３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換し、該キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各々の該スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力する、少なくとも４つのスイッチング素子を備える。また、該３レベル回路は、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を用いる。
【００２１】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、該上キャパシタの第１端子と該第１直流入力端子は電気的に接続され、該上キャパシタの第２端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第１端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第２端子と該第２直流入力端子は電気的に接続され、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、並びに、第１ダイオード及び第２ダイオードを備え、該第１スイッチング素子の第１端子は、該上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、該第１スイッチング素子の第２端子は、該第２スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第２端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第３スイッチング素子の第２端子は、該第４スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第４スイッチング素子の第２端子は、該下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、該第１ダイオードの陽極と該第２ダイオードの陰極は電気的に接続され、かつ該中性点レベル端子に電気的に接続され、該第１ダイオードの陰極は、該第１スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第２ダイオードの陽極は、該第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続される。
【００２２】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、該上キャパシタの第１端子と該第１直流入力端子は電気的に接続され、該上キャパシタの第２端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第１端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第２端子と該第２直流入力端子は電気的に接続され、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子を備え、該第１スイッチング素子の第１端子は、該上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、該第１スイッチング素子の第２端子は、該第４スイッチング素子の第１端子及び該第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第１端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第２端子は、該中性点レベル端子に電気的に接続され、該第４スイッチング素子の第２端子は、該下キャパシタの第２端子に電気的に接続される。
【００２３】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、該上キャパシタの第１端子と該第１直流入力端子は電気的に接続され、該上キャパシタの第２端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第１端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第２端子と該第２直流入力端子は電気的に接続され、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、第４スイッチング素子、第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子を備え、該第１スイッチング素子の第１端子は、該上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、該第１スイッチング素子の第２端子は、該第２スイッチング素子の第１端子及び該第５スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第２端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第３スイッチング素子の第２端子は、該第４スイッチング素子の第１端子及び該第６スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第４スイッチング素子の第２端子は、該下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、該第５スイッチング素子の第２端子は、該第６スイッチング素子の第１端子及び該中性点レベル端子に接続される。
【００２４】
本発明に記載の３レベル回路においては、該３レベル回路は、三相３線式電気システムあるいは三相４線式電気システムに用いられる。
【００２５】
本発明に記載の３レベル回路においては、星形結線状態の少なくとも３つのフィルタキャパシタを備えるＬＣフィルタに接続され、これらのフィルタキャパシタの接続中性点は、上キャパシタ及び下キャパシタの接続点に電気的に接続される。
【００２６】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームと電気的に接続し、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームと同じトボロジを有する第４スイッチブリッジアームを更に備える。
【００２７】
本発明は、さらに中性点クランプ型３レベル回路に用いられる３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法に係り、該３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアームと、該キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備え、該３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、該３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換し、該キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各々の該スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力するために、少なくとも４つのスイッチング素子を備える。該バランス制御方法は、第１中性点電圧を得ることで、該上キャパシタ及び下キャパシタの電圧差を表示するステップ２１と、該ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値を調整し、かつ同一のスイッチング周期内において該ａ、ｂ、ｃ相の要変調基準電圧が異なるとき、該ａ、ｂ、ｃ相のゼロレベルデューティ比が異なるようにし、そのうち、ｘは、該３レベル回路に含まれる該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち何れか１つを表示するステップ２２と、該第１設定値に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の第２設定値及び該ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の第３設定値を配分し、かつ該第１設定値、該第２設定値及び該第３設定値に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの該スイッチング素子を変調し、ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧が少なくとも１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを有するようにすることによって、該第１中性点電圧の絶対値を第１閾値未満にするステップ２３とを備える。
【００２８】
本発明の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、ステップ２２は、
【００２９】
【数４】
2019106874.tif 000006
【００３０】
によって該ｘ相の該ゼロレベルデューティ比の調整可能範囲の最大値ｄｘｏｍａｘを取得し、ｕｘｒｅｆは、該ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、該直流電圧であり、数値範囲（０，ｄｘｏｍａｘ）において該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を予め設定し、かつ調整後の該第１設定値を該数値範囲内に収めるステップ２２１と、該ステップ２２１において、該数値範囲内で該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を予め設定するとき、該ｘ相の該第１設定値を該数値範囲の最大値ｄｘｏｍａｘに予め設定するステップ２２２と、該第１中性点電圧に基づき該上キャパシタの電圧が該下キャパシタの電圧を超えると判定された場合、ｘ相の電流が該３レベル回路から該負荷へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を減らし、ｘ相の電流が該負荷から該３レベル回路へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を増やし、又は、該第１中性点電圧に基づき該上キャパシタの電圧が該下キャパシタの電圧より低いと判定された場合、ｘ相の電流が該３レベル回路から該負荷へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を増やし、該ｘ相の電流が該負荷から該３レベル回路へ流れるとき、該ｘ相ゼロレベルデューティ比の該第１設定値を減らすステップ２２３とを更に備える。
【００３１】
本発明の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、ステップ２３における、上述した該第１設定値に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の該第２設定値と該ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の該第３設定値を配分することは、具体的には、該第１設定値がｄｘｏであるとき、面積等価原理に基づいて該ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比用の該第２設定値ｄｘｐと該ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比用の該第３設定値ｄｘｎを下記式になるように配分するステップ２３１を備え、
【００３２】
【数５】
2019106874.tif 000007
【００３３】
そのうち、ｕｘｒｅｆは、該ｘ相の該要変調基準電圧であり、ｕｄは、該直流電圧である。
【００３４】
本発明の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該３レベル回路の該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの少なくとも２つの相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において何れも正レベル、負レベル、ゼロレベルの３つのレベルを含む。
【００３５】
本発明の３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法においては、該３レベル回路が三相３線式電気システムに用いられている場合、前記制御方法は、該第１中性点電圧の絶対値が第２閾値より小さいとき、零相電圧を注入するステップ２４を更に備え、なお、該第２閾値は該第１閾値以下である。
【００３６】
本発明は、キャパシタンスブリッジアームと、該キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームとを備える３レベル回路に係る。該３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、該３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換し、該キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを備え、各々の該スイッチブリッジアームは、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうち何れか１つを出力するために、少なくとも４つのスイッチング素子を備える。また、該３レベル回路は、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を用いる。
【００３７】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、該上キャパシタの第１端子と該第１直流入力端子は電気的に接続され、該上キャパシタの第２端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第１端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第２端子と該第２直流入力端子は電気的に接続され、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、並びに、第１ダイオード及び第２ダイオードを備え、該第１スイッチング素子の第１端子は、該上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、該第１スイッチング素子の第２端子は、該第２スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第２端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第３スイッチング素子の第２端子は、該第４スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第４スイッチング素子の第２端子は、該下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、該第１ダイオードの陽極と該第２ダイオードの陰極は電気的に接続され、該中性点レベル端子に電気的に接続され、該第１ダイオードの陰極は、該第１スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第２ダイオードの陽極は、該第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続される。
【００３８】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、該上キャパシタの第１端子と該第１直流入力端子は電気的に接続され、該上キャパシタの第２端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第１端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第２端子と該第２直流入力端子は電気的に接続され、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子を備え、該第１スイッチング素子の第１端子は、該上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、該第１スイッチング素子の第２端子は、該第４スイッチング素子の第１端子及び該第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第１端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第２端子は、該中性点レベル端子に電気的に接続され、該第４スイッチング素子の第２端子は、該下キャパシタの第２端子に電気的に接続される。
【００３９】
本発明に記載の３レベル回路においては、該キャパシタンスブリッジアームは、第１直流入力端子と、中性点レベル端子と、第２直流入力端子とを備え、該上キャパシタの第１端子と該第１直流入力端子は電気的に接続され、該上キャパシタの第２端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第１端子と該中性点レベル端子は電気的に接続され、該下キャパシタの第２端子と該第２直流入力端子は電気的に接続され、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち任意１つの相スイッチブリッジアームは、何れも第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、第４スイッチング素子、第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子を備え、該第１スイッチング素子の第１端子は、該上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、該第１スイッチング素子の第２端子は、該第２スイッチング素子の第１端子及び該第５スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第２スイッチング素子の第２端子は、該第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、該第３スイッチング素子の第２端子は、該第４スイッチング素子の第１端子及び該第６スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、該第４スイッチング素子の第２端子は、該下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、該第５スイッチング素子の第２端子は、該第６スイッチング素子の第１端子及び該中性点レベル端子に接続される。
【００４０】
本発明に記載の３レベル回路においては、該３レベル回路は、三相３線式電気システムあるいは三相４線式電気システムに用いられる。
【００４１】
本発明に記載の３レベル回路においては、星形結線状態の少なくとも３つのフィルタキャパシタを備えるＬＣフィルタに電気的に接続され、これらのフィルタキャパシタの接続中性点は、該３レベル回路の上キャパシタ及び下キャパシタの接続点に電気的に接続する。
【００４２】
本発明に記載の３レベル回路においては、該３レベル回路は、該キャパシタンスブリッジアームと電気的に接続し、該ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームと同じトボロジを有する第４スイッチブリッジアームを更に備える。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように、本発明による３レベル制御方法及び３レベル回路では、中性点のアンバランスを抑制する性能が従来技術に比べてより優れており、実現しやすくなり、３レベルのトボロジが様々な運転状況に応用されるのに非常に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係るＤＮＰＣ３レベル回路のトボロジ図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係るＴ型ＮＰＣの３レベル回路のトボロジ図である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態に係るＡＮＰＣの３レベル回路のトボロジ図である。
【図１Ｄ】本発明の実施形態に係る三相４ブリッジアームＮＰＣの３レベル回路のトボロジ図である。
【図２】本発明の実施形態に係る３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法におけるｘ相の正レベル、負レベル、ゼロレベルデューティ比を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態の流れ図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態の流れ図である。
【図４Ａ】本発明の第２実施形態の流れ図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施形態の流れ図である。
【図５】本発明の第３実施形態の流れ図である。
【図６】本発明の第４実施形態の流れ図である。
【図７】本発明の第５実施形態の流れ図である。
【図８】本発明の第６実施形態の流れ図である。
【図９】本発明の第６実施形態に係るａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち２相のスイッチブリッジアームの出力電圧が１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル及びゼロレベルを有することを示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第８実施形態の流れ図である。
【図１０Ｂ】本発明の第８実施形態の流れ図である。
【図１１Ａ】本発明の第９実施形態の流れ図である。
【図１１Ｂ】本発明の第９実施形態の流れ図である。
【図１２Ａ】本発明の第９実施形態に係るａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの要変調基準電圧の変化を示す図である。
【図１２Ｂ】本発明の第９実施形態に係るａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の変化を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の第１０実施形態の流れ図である。
【図１３Ｂ】本発明の第１０実施形態の流れ図である。
【図１４Ａ】本発明の第１１実施形態の流れ図である。
【図１４Ｂ】本発明の第１１実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、図面を参照しながら本発明を更に詳しく説明する。
【００４６】
中性点電圧のアンバランス現象については、現在、業界でよく用いられる３レベル制御方法は、空間ベクトルに基づく制御方法及びキャリア波に基づく制御方法に分かれており、空間ベクトル法は実現するのが複雑であり、変調度が比較的高く、パワーファクタが低い場合の変調効果が良くない。キャリア波に基づく制御方法のうち零相電圧注入法が良く使われ、該零相電圧注入法は、空間ベクトル法に比べて実現しやすい。しかしながら、空間ベクトル法及び零相電圧注入法の何れも三相４線式電気システムには適用しない。従来のアルゴリズムの幾つかの不備を補うために、本発明では、３レベル回路中性点電圧のバランス制御方法を開示している。
【００４７】
本発明の制御方法が適用されるハードウェア回路のトボロジは、中性点クランプ型３レベル回路であっても良く、例えば、図１Ａに示すダイオード中性点クランプ型（ＤＮＰＣ）３レベル回路トボロジである。３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換するために用いられる。３レベル回路は、直流側のキャパシタンスブリッジアーム及び交流側の少なくとも３つのスイッチブリッジアームを含み、３レベル回路の各スイッチブリッジアームは、少なくとも４つのスイッチング素子を含むことで、正レベル、ゼロレベル及び負レベルの何れか１つを出力し、キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを含み、上キャパシタ及び下キャパシタは、それぞれ実際に１つ又は複数のキャパシタ素子を含んでも良いが、本発明は、これに限らない。上キャパシタＣｄ１及び下キャパシタＣｄ２の容量が同じであり、中性点電圧のアンバランス現象は、上キャパシタの電圧及び下キャパシタの電圧が等しくない現象を指している。
【００４８】
中性点クランプ型３レベル回路の交流側のスイッチブリッジアームは、ａ、ｂ、ｃ相に分かれ、変量ｘでａ、ｂ、ｃ相の何れか１つを表し、ｘ相は、１つの変調周期（又はスイッチング周期）Ｔにおけるゼロレベルデューティ比がｄｘｏであり、正レベルデューティ比がｄｘｐであり、負レベルデューティ比がｄｘｎであり、それらの和が１であり、図２に示すように、即ち、次の式を満たす。
ｄｘｏ＋ｄｘｐ＋ｄｘｎ＝１        （１）
ｕｘｒｅｆでｘ相の要変調基準電圧を表し、要変調基準電圧は、制御システムが予め設計されたものであっても良く、外部からフィードバックを受けて算出して得られても良く、外部の指令を受けて得られても良い。ｕｄで直流電圧を表し、例えば、図１Ａ等に示すように、ｕｄは、上キャパシタと下キャパシタの電圧の和に等しくても良い。面積等価原理によって、各相の正レベル、負レベル、ゼロレベルデューティ比が満たす関係は、次の通りである。
【００４９】
【数６】
2019106874.tif 000008
【００５０】
ゼロレベルデューティ比であるｄｘｏがゼロと設定される場合、３レベルインバータが完全に２レベルインバータに劣化し、高調波及びレベルのスキップの幅が小さいという３レベルインバータが有するメリットがなくなるので、本発明においては、ゼロレベルデューティ比であるｄｘｏをゼロにしない。  
【００５１】
式（１）及び式（２）には、ｄｘｏ、ｄｘｐ、ｄｘｎという３つの未知数があり、さらに、ｄｘｏ＞０、ｄｘｐ≧０、ｄｘｎ≧０であるので、ゼロレベルデューティ比であるｄｘｏは、ある１つの数値範囲内に調整可能である。
【００５２】
中性点電圧ｕｏは、通常３レベル回路のアンバランスの程度を表し、該上キャパシタ及び該下キャパシタの電圧差を表示することができる。図示する回路トボロジにおいては、一般的には、中性点電圧ｕｏが満たしている数学モデルは、
【００５３】
【数７】
2019106874.tif 000009
【００５４】
式（３）の右側は、１つのスイッチング周期内にキャパシタのブリッジアームの中性点レベル端子Ｏから流出する平均電流ｉＮＰであり、ｉｘは、ｘ相ブリッジアームの交流出力電流であり、定義ｉｘ＞０は、電流がインバータから負荷へ流れることを表し、ｉｎは、中線電流を表し、中線がなければ、ｉｎ＝０である。式（３）によって、ゼロレベルデューティ比であるｄｘｏの大きさを調整することで、中性点電圧ｕｏを調整することができ、即ち、ゼロレベルデューティ比であるｄｘｏの大きさを調整することで、中性点電圧のアンバランスの現象を抑制する。
【００５５】
図３Ａは、本発明の第１の実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図３Ａに示すように、本実施形態は、
第１中性点電圧ｕｏを取得し、様々な方法で第１中性点電圧ｕｏを取得することができ、例えば、直流端の上キャパシタ電圧ｕｄ１及び下キャパシタ電圧ｕｄ２をサンプリングすることで、第１中性点電圧ｕｏ＝（ｕｄ１−ｕｄ２）／２が得られ、又は、他の既存の方法で第１中性点電圧ｕｏを取得し、例えば、ｕｏ＝ｕｄ１−ｕｄ２、ｕｏ＝ｕｄ−２＊ｕｄ２等であり、上キャパシタ及び下キャパシタの電圧差を表示することができれば良い、即ち、３レベル回路のアンバランスの程度を表示することができれば良いステップＳ１１と、
ｘ相の要変調基準電圧ｕｘｒｅｆ及び直流電圧ｕｄ，によってｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏの数値範囲を取得し、数値範囲内にある１つの値を第１設定値ｄｘｏの予め設定した値とするステップＳ１２と、
第１中性点電圧ｕｏに対してバランス制御を行う必要があるかどうかを判断し、具体的には、第１中性点電圧ｕｏが第１閾値ｕｔｈを超えるかどうかを判断するように設定し、第１中性点電圧ｕｏの絶対値が第１閾値ｕｔｈより小さい場合、第１中性点電圧ｕｏがバランス状態であると見なしてもよく、このとき、対処をしないか、ゼロシーケンスを注入する伝統的な方法で制御を行っても良く、本発明では、これに限らないが、第１中性点電圧ｕｏの絶対値が第１閾値ｕｔｈを超える場合、後続する制御方法で第１中性点電圧ｕｏのバランス制御を行うステップＳ１３と、
第１中性点電圧ｕｏの絶対値が第１閾値ｕｔｈを超える場合、第１数値範囲内においてｘ相の第１設定値ｄｘｏを調整し、調整後の該第１設定値は、依然として第１数値範囲内にあり、調整後の第１設定値に基づいてｘ相の正レベルデューティ比の第２設定値ｄｘｐとｘ相の負レベルデューティ比の第３設定値ｄｘｎを配分し、１つ又は複数のスイッチング周期内において調整後の第１設定値ｄｘｏ、第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎでｘ相スイッチング素子に対して変調することで、第１中性点電圧ｕｏの絶対値を減らすステップＳ１４と、
第１中性点電圧ｕｏの絶対値が第１閾値ｕｔｈより小さくなった場合、第１中性点電圧ｕｏがバランス状態になったと見なしても良いステップＳ１５とを備える。
【００５６】
上述したステップに対して組み合わせ又は分割を行っても、同じ方法の内容だと見なされる。例えば、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５は、それぞれ説明しやすくさせるためのものであり、１つのステップＳ１３’に併合しても良い。図３Ｂに示すように、即ち、該第１中性点電圧の絶対値が第１閾値を超える場合、第１設定値を調整し、調整後の該第１設定値は該第１数値範囲内にあり、かつ調整後の第１設定値に基づいてｘ相の正レベルデューティ比の第２設定値とｘ相の負レベルデューティ比の第３設定値を配分し、さらに調整後の第１設定値、第２設定値及び第３設定値でｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子に対して変調することで、第１中性点電圧の絶対値が第１閾値未満にする。
【００５７】
図４Ａは、本発明の第２実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図４Ａに示すように、本実施形態においては、ステップＳ１１、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５は、第１実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５もステップＳ１３’に併合しても良く、図４Ｂに示す通り、ここで繰り返して説明しない。本実施形態と第１実施形態の区別は、ステップＳ１１の後にあり、即ち、第１中性点電圧ｕｏを取得したあと、ステップＳ１２−１を行い、具体的には、式（４）でｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比ｄｘｏの第１数値範囲（０、ｄｘｏｍａｘ）的最大値ｄｘｏｍａｘを取得する。
【００５８】
【数８】
2019106874.tif 000010
【００５９】
なお、ｕｘｒｅｆは、該ｘ相の要変調基準電圧であり、ｕｄは、３レベル回路の直流側が受ける直流電圧であり、さらに得られた第１数値範囲（０、ｄｘｏｍａｘ）内においてある１つの値を、第１設定値ｄｘｏの予め設定した値とする。
【００６０】
もう１つの実施形態は、第２実施形態の展開であり、図４Ａの点線で囲まれている枠の部分に示すように、第２実施形態に比べ、ステップＳ１２−１が行われると、ステップＳ１２−２が行われ、即ち、ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比ｄｘｏの第１数値範囲（０、ｄｘｏｍａｘ）的最大値ｄｘｏｍａｘを取得すると、第１設定値ｄｘｏを第１数値範囲的最大値ｄｘｏｍａｘとなるように予め設定する。調整可能の領域内において任意のある１つの値を予め設定した値として選択する場合に比べ、ゼロレベルデューティ比ｄｘｏを最大値ｄｘｏｍａｘとなるように予め設定した上でゼロレベルデューティ比ｄｘｏを減らすことは、３種類のレベルの間の切替回数を減らすことができる。よって、スイッチの消耗を低減することができる。
【００６１】
図５は、本発明の第３実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図５に示すように、本実施形態においては、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１５は、第１実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５を併合しても良く、ここでは繰り返して説明しない。本実施形態と第１実施形態の区別は、ステップＳ１４を更に細かくすることができる。第１中性点電圧ｕｏが第１閾値ｕｔｈを超える場合、ステップＳ１４−１を行い、第１中性点電圧とｘ相の電流の流れの方向に基づいてｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを調整し、具体的には、キャパシタンスブリッジアームの上キャパシタの電圧が下キャパシタの電圧を超えると判断された場合、ｘ相の電流が３レベル回路から負荷へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを減らし、ｘ相の電流が負荷から３レベル回路へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを増やすが、キャパシタンスブリッジアームの上キャパシタの電圧が下キャパシタの電圧より低いと判断された場合、ｘ相の電流が３レベル回路から負荷へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを増やし、ｘ相の電流が負荷から３レベル回路へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを減らす。
【００６２】
ステップＳ１４−１の後にステップＳ１４−３を行うことができ、調整後の第１設定値ｄｘｏに基づいてｘ相の第２設定値ｄｘｐ及びｘ相の第３設定値ｄｘｎを配分し、調整後の第１設定値ｄｘｏ、第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎでｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子を変調する。
【００６３】
図６は、本発明の第４実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図６を示すように、本実施形態においては、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１５は、第１実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５を併合しても良く、ここで繰り返して説明しない。本実施形態と第１実施形態の区別は、ステップＳ１４を更に細かくすることができる点にあり、第１中性点電圧ｕｏが第１閾値ｕｔｈを超える場合、ステップＳ１４−２を行い、式（５）に基づいてｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを調整する。
【００６４】
【数９】
2019106874.tif 000011
【００６５】
その後に、ステップＳ１４−３を行い、調整後の第１設定値ｄｘｏに基づいてｘ相の第２設定値ｄｘｐ及びｘ相の第３設定値ｄｘｎを配分し、調整後の第１設定値ｄｘｏ、第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎでｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子を変調する。
【００６６】
本実施形態においては、ｋｐは、比例制御パラメータであり、該比例制御パラメータｋｐの値が大きければ大きいほど、アンバランスの抑制速度が速いが、一般的には、中性点電圧を抑制する安定性及びスピード性から折衷して選択するので、幾つかの実施形態においては、
【００６７】
【数１０】
2019106874.tif 000012
【００６８】
にすることができ、なお、Ｉｍは、３レベル回路システムにおいて許与できる最大電流である。また、他の幾つかの実施形態においては、例えば、比例積分、比例共振等のコントローラでゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを調整することができるが、これらの方法は、従来技術に属し、ここで繰り返して説明しない。
【００６９】
式（５）を用いるメリットは、次の通りである。調整可能の領域内において任意のある１つの値を予め設定した値として選択する場合に比べ、式（５）はゼロレベルデューティ比ｄｘｏを最大値ｄｘｏｍａｘとなるように予め設定してゼロレベルデューティ比ｄｘｏを減らすことができ、ｘ相の出力電流ｉｘと中性点電圧ｕｏの符号が異なるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比ｄｘｏを変化させる必要がなく、このようにｘ相の正レベルデューティ比ｄｘｐ及び負レベルデューティ比ｄｘｎだけを調整すれば良いので、３種類のレベルの間の切替回数を減らすことができる。よって、スイッチの消耗を低減することができる。
【００７０】
図７は、本発明の第５実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図７に示すように、本実施形態においては、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４−１、Ｓ１５は、上述した実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ１３−ステップＳ１５を併合しても良く、ここで繰り返して説明しない。本実施形態と第１実施形態の区別は、ステップＳ１４を更に細かくすることができる点にあり、ステップＳ１４−１の後にステップＳ１４−４に入り、即ち、ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを調整した後、面積等価原理に基づいて式（６）により該ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第２設定値ｄｘｐ及び該ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第３設定値ｄｘｎを次のように配分する。
【００７１】
【数１１】
2019106874.tif 000013
【００７２】
ステップＳ１４−４の後に、ステップＳ１４−５を行い、調整後の第１設定値ｄｘｏ、第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎに基づいて、ｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子を変調する。
【００７３】
本発明の各実施形態の方法が用いられる場合、第１設定値の違い及び配分する第２設定値、第３設定値の違いに従って、少なくとも１つのスイッチング周期内において、少なくとも１つのブリッジアームの出力電圧は、正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含んでも良く、図９の（ａ）及び（ｃ）に示すように、２つのブリッジアームの出力電圧は、ある１つのスイッチング周期内において何れも正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含む。同じく、図９から分かるように、１つから複数のスイッチング周期内において、ａ、ｂ、ｃの三相の要変調基準電圧が異なるとき、ａ、ｂ、ｃの三相のゼロレベルデューティ比が異なる。これらの特徴も方法の中のステップの形式を用いて更に説明することができる。
【００７４】
図８は、本発明の第６実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図８に示すように、本実施形態においては、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５は、第１実施形態の対応するステップと同じであり、ここで繰り返して説明しない。ある１つのスイッチング周期においては、ステップＳ１４の後に、第１中性点電圧ｕｏが第１閾値ｕｔｈを超える場合、第１設定値ｄｘｏを調整し、調整後の第１設定値ｄｘｏに基づいて第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎを配分し、これによりｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子を変調する。ステップＳ１４−６に記載のように、このときｘ相スイッチブリッジアームの調節された後の第１設定値ｄｘｏ、第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎは、何れもゼロにならないので、ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含む。更に、第７実施形態においては、第６実施形態を展開し、図８の点線に囲まれている枠の部分に示すように、ステップＳ１４−６の後に、即ち、ｘ相スイッチブリッジアームの調節された後の第１設定値ｄｘｏ、第２設定値ｄｘｐ及び第３設定値ｄｘｎは、何れもゼロにならないので、ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含むときに、ステップＳ１４−７の記述の通り、３レベル回路のａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームのうち、ｘ相スイッチブリッジアームが含まれる少なくとも２つの相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において何れも正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含み、図９は、その結果を示している。
【００７５】
また、本発明の上述した実施形態に開示する３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法では、正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルで変調を行うことによって、ｘ相の電圧のゼロレベルデューティ比が調節可能になり、調節可能なゼロレベルで中性点のアンバランスを抑制し、零相電圧を注入しなくても良く、三相３線式システム及び三相４線式システムに用いることができる。本発明の幾つかの実施形態においては、中性点のアンバランスの程度が比較的低いときに零相電圧を注入する方法を採用しても良く、本発明が三相３線式電気システムにおいてより顕著な技術効果が生じるように、例えば、スイッチの回数が減り、消耗が低減すること等が生じるようにさせることができる。
【００７６】
図１０Ａは、本発明の第８実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。本実施形態においては、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５は、第１実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ１３、ステップＳ１４、ステップＳ１５をステップＳ１３’として併合しても良く、図１０Ｂに示す通りであり、ここで繰り返して説明しない。本実施形態と第１実施形態の区別は、次の通りである。ステップＳ１１において第１中性点電圧ｕｏが得られると、ステップＳ１１−１を行い、第２閾値を設定し、第１中性点電圧ｕｏが第２閾値を超える場合、ステップＳ１２を行い、第１中性点電圧ｕｏが第２閾値より小さい場合、中性点のアンバランスの程度が比較的低いので、ステップＳ１６を行い、零相電圧を注入することによって、中性点電圧のバランス制御を実現する。一般的には、第２閾値がステップＳ１３の第１閾値以下であり、特に、第２閾値が第１閾値に等しいとき、ステップＳ１１−１をステップ１３に更に併合してもよく、例えば、第１中性点電圧ｕｏが第１閾値より小さい場合、ステップＳ１６を行って零相電圧を注入し、第１中性点電圧ｕｏが第１閾値を超える場合、ステップＳ１４等を行う。零相電圧を注入する可能性があるので、本実施形態は、三相３線式電気システムに適用する。本実施形態においては、上述した零相電圧を注入する方法は、従来技術であり、ここでは、繰り返して説明しない。
【００７７】
図１１Ａは、本発明の第９実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図１１Ａに示すように、本実施形態は、
上キャパシタ及び下キャパシタの電圧差を表示するために、第１中性点電圧を取得し、様々な方法で第１中性点電圧ｕｏを取得することができ、ここでは、繰り返して説明しないステップＳ２１と、
ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の数値範囲に基づいてｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを調整し、例えば、第１中性点電圧とｘ相の電流の流れの方向に基づいてｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを調整し、具体的には、キャパシタンスブリッジアームの上キャパシタの電圧が下キャパシタの電圧を超える場合、ｘ相の電流が３レベル回路から負荷へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを減らし、ｘ相の電流が負荷から３レベル回路へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを増やすが、キャパシタンスブリッジアームの上キャパシタの電圧が下キャパシタの電圧より小さい場合、ｘ相の電流が３レベル回路から負荷へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを増やし、ｘ相の電流が負荷から３レベル回路へ流れるとき、ｘ相ゼロレベルデューティ比の第１設定値ｄｘｏを減らすステップＳ２２と、
同じスイッチング周期において、第１設定値ｄｘｏを調整することによって、図１２Ａに示すようにａ、ｂ、ｃの相の要変調基準電圧ｕａｒｅｆ、ｕｂｒｅｆ、ｕｃｒｅｆが異なるとき、該スイッチング周期においては、図１２Ｂに示すように三相のゼロレベルデューティ比が異なり、ステップＳ２２及びステップＳ２３は、それぞれ説明しやすくするためのものであり、１つのステップに組み込んでも良いステップＳ２３と、
第１設定値ｄｘｏに基づいてｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比の第２設定値ｄｘｐ及びｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比の第３設定値ｄｘｎを配分し、これでｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子を変調し、例えば、面積等価原理に基づき、式（６）により該ｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比の第２設定値ｄｘｐ及び該ｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比の第３設定値ｄｘｎを配分した後に、ステップＳ２５を行うステップＳ２４と、
該ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期内において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含ませるステップＳ２５と、
該第１中性点電圧の絶対値を、第１閾値未満にするステップＳ２６と、を備える。
【００７８】
ステップＳ２２及びステップＳ２３は、それぞれ説明しやすくするものであり、ステップＳ２２’に併合しても良く、ステップＳ２４、Ｓ２５、Ｓ２６もステップＳ２４’に併合しても良い。図１１Ｂに示すように、例えば、第１設定値に基づいてｘ相スイッチブリッジアームの正レベルデューティ比の第２設定値及びｘ相スイッチブリッジアームの負レベルデューティ比の第３設定値を配分し、第１設定値、第２設定値及び第３設定値に基づいてｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子を変調することによって、ｘ相スイッチブリッジアームの出力電圧は、少なくとも１つのスイッチング周期において正レベル、負レベル、ゼロレベルの３種類のレベルを含むので、第１中性点電圧の絶対値が第１閾値より小さくなるようにさせる。
【００７９】
図１３Ａは、本発明の第１０実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図１３Ａに示すように、本実施形態においては、ステップＳ２１、ステップＳ２３、ステップＳ２４、ステップＳ２５、ステップＳ２６は、第９実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ２２、ステップＳ２３を併合しても良く、ステップＳ２４、Ｓ２５、Ｓ２６もステップＳ２４’に併合しても良い。図１３Ｂに示す通りであり、ここでは繰り返して説明しない。本実施形態と第９実施形態の区別は、ステップＳ２２を更に細かくすることができる。具体的には、ステップＳ２２−１においては、上述した式（４）を用いてｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比ｄｘｏの第１数値範囲（０，ｄｘｏｍａｘ）の最大値ｄｘｏｍａｘを取得し、得られた第１数値範囲（０，ｄｘｏｍａｘ）においてある１つの値を、第１設定値ｄｘｏの予め設定した値として選択し、ステップＳ２３を行う。
【００８０】
もう１つの実施形態は、第１０実施形態の展開であり、図１３Ａの点線に囲まれる枠の部分に示すように、第１０実施形態に比べ、ステップＳ２２−１が終わると、すなわち、ｘ相スイッチブリッジアームのゼロレベルデューティ比ｄｘｏの第１数値範囲（０，ｄｘｏｍａｘ）の最大値ｄｘｏｍａｘを得たあと、ステップＳ２２−２を更に備え、第１設定値ｄｘｏを、第１数値範囲（０，ｄｘｏｍａｘ）の最大値ｄｘｏｍａｘとなるように予め設定し、そのあとステップＳ２３を行う。
【００８１】
図１４Ａは、本発明の第１１実施形態の３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法の流れ図である。図１４Ａに示すように、本実施形態においては、ステップＳ２１、ステップＳ２２、ステップＳ２３、ステップＳ２４、ステップＳ２５、ステップＳ２６は、第９実施形態の対応するステップと同じであり、ステップＳ２２、ステップＳ２３をステップＳ２２’として併合しても良く、ステップＳ２４、Ｓ２５、Ｓ２６もステップＳ２４’として併合しても良く、図１４Ｂに示す通りであり、ここでは繰り返して説明しない。本実施形態と第９実施形態の区別は、次の通りである。ステップＳ２１において第１中性点電圧ｕｏが得られると、ステップＳ２１−１を行い、第２閾値を設定し、第１中性点電圧ｕｏが第２閾値を超える場合、ステップＳ２２を行い、第１中性点電圧ｕｏが第２閾値より小さい場合、ステップＳ２７を行い、零相電圧を注入することによって、中性点電圧のバランス制御を実現する。本実施形態は、三相３線式電気システムに適用する。本実施形態においては、上述した零相電圧を注入する方法は、従来技術であり、ここでは、繰り返して説明しない。
【００８２】
本発明の各実施形態に開示する３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法は、３レベル回路に適用する。３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアーム及びキャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する３つのスイッチブリッジアームを含み、３つのスイッチブリッジアームは、それぞれａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームであり、３レベル回路は、直流電圧を三相交流電圧に変換するために用いられ、キャパシタンスブリッジアームは、直列接続する上キャパシタ及び下キャパシタを含み、それぞれの該スイッチブリッジアームは、少なくとも４つのスイッチング素子を含み、正レベル、負レベル、ゼロレベルの何れか１つを出力する。異なる実施形態の具体的な応用によって、３レベル回路は、三相４線式電気システムに用いても良く、三相３線式電気システムに用いても良い。
【００８３】
１つの実施形態においては、３レベル回路は、星形結線状態の少なくとも３つのフィルタキャパシタを備えるＬＣフィルタに電気的に接続され、フィルタキャパシタの接続中性点は、該３レベル回路の上キャパシタ及び下キャパシタの接続点に電気的に接続する。
【００８４】
１つの実施形態においては、３レベル回路は、キャパシタンスブリッジアームに電気的に接続する第４スイッチブリッジアームを更に含み、第４スイッチブリッジアームはａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームと同じトボロジを有する。
【００８５】
具体的には、実施形態に開示する３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法は、様々な中性点クランプ（ＮＰＣ）式３レベル回路に適用する。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、図１Ａは、１つの実施形態におけるダイオード中性点クランプ（ＤＮＰＣ）式３レベル回路のトボロジを示している。該トボロジのキャパシタンスブリッジアームは、上キャパシタＣｄ１及び下キャパシタＣｄ２を含み、なお、Ｃｄ１とＣｄ２は、直列接続し、上キャパシタの第１端子は、第１直流入力端子に電気的に接続され、上キャパシタの第２端子は、中性点レベル端子に電気的に接続され、下キャパシタの第１端子は、中性点レベル端子に電気的に接続され、下キャパシタの第２端子は、第２直流入力端子に電気的に接続され、キャパシタンスブリッジアームの第一、第２直流入力端子は、直流側の入力ｕｄに電気的に接続する。３レベル回路は、正レベル、ゼロレベル及び負レベルのうちの何れか１つを出力するためのａ、ｂ、ｃ相の３つのスイッチブリッジアームを更に含む。例えば、ａ相スイッチブリッジアームを例としてあげて説明すると、ａ相スイッチブリッジアームは、４つのスイッチング素子を有し、本実施形態においては、これらのスイッチング素子は、ＩＧＢＴであり、それぞれは、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４及び２つのクランプダイオードＤａ１、Ｄａ２である。Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４は、順に直列接続した後にキャパシタンスブリッジアームと並列接続し、Ｄａ１、Ｄａ２は、順に直列接続した後にＳａ２、Ｓａ３に並列接続し、Ｄａ１、Ｄａ２の接続端子は、キャパシタンスブリッジアームの中性点（即ち、中性点レベル端子）Ｏに電気的に接続され、Ｓａ２、Ｓａ３の接続端子は、ａ相スイッチブリッジアームの交流出力端子である。ｂ相スイッチブリッジアームとｃ相スイッチブリッジアームの構造は、ａ相スイッチブリッジアームと同じであっても良く、図１Ａは、ｂ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４及びダイオードＤｂ１、Ｄｂ２、並びに、ｃ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４及びダイオードＤｃ１、Ｄｃ２を示している。即ち、ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの何れか１つの相スイッチブリッジアームは、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、並びに、第１ダイオード及び第２ダイオードを含む。第１スイッチング素子の第１端子は、上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、第１スイッチング素子の第２端子は、第２スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、第２スイッチング素子の第２端子は、第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、第３スイッチング素子の第２端子は、第４スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、第４スイッチング素子の第２端子は、下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、第１ダイオードの陽極は、第２ダイオードの陰極に電気的に接続する且つ該中性点レベル端子に電気的に接続され、第１ダイオードの陰極は、第１スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、第２ダイオードの陽極は、第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続される。
【００８６】
幾つかの実施形態においては、図１Ａに示すＤＮＰＣ式３レベル回路のトボロジは、係数サンプリングモジュール及びディジタル信号処理モジュールを更に備え、信号のサンプリング及びＰＷＭの生成に用いられる。図１Ａに示すように、係数サンプリングモジュールは、上キャパシタ電圧ｕｄ１、下キャパシタ電圧ｕｄ２、ｘ相の出力電流ｉｘ等のパラメータを採集し、ディジタル信号処理モジュールは、ｘ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子の駆動指令を変調する。
【００８７】
幾つかの実施形態においては、図１Ａに示すＤＮＰＣ式３レベル回路のトボロジは、１つのＬＣフィルタに更に接続し、図１Ａに示すように、該ＬＣフィルタは、星形結線状態の少なくとも３つのフィルタキャパシタと各相の交流出力端子のインタダンスＬを含む。該フィルタキャパシタＣの接続中性点ｎｃは、中性点レベル端子Ｏに電気的に接続して三相４線式電気システムに用いられても良く、接続せずに三相３線式電気システムに用いられても良いが、本発明は、これに限らず、例えば、三相４線式電気を提供する中で、負荷Ｚの中性点ｎから中性点レベル端子Ｏに電気的に接続しても良い。
【００８８】
実施形態に開示する３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法は、Ｔ型３レベル回路のトボロジに用いられても良い。図１Ｂに示すように、該トボロジのキャパシタンスブリッジアームは、ＤＮＰＣ式３レベル回路のトボロジと同じであり、ａ、ｂ、ｃの３つのスイッチブリッジアームを更に備え、例えば、ａ相スイッチブリッジアームは、４つのスイッチング素子を有し、例えばＩＧＢＴであり、それぞれは、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４である。Ｓａ１とＳａ４は、順に直列接続した後にキャパシタンスブリッジアームと並列接続し、Ｓａ２とＳａ３は、逆方向で直列接続した後、一端が中性点レベル端子Ｏに電気的に接続され、他端がＳａ１とＳａ４の接続端子に電気的に接続され、なお、Ｓａ１とＳａ４の接続端子は、ａ相スイッチブリッジアームの交流出力端子である。図１Ｂは、ｂ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４及びｃ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４を示している。即ち、ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの何れか１つの相スイッチブリッジアームは、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子を含む。第１スイッチング素子の第１端子は、上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、第１スイッチング素子の第２端子は、第４スイッチング素子の第１端子及び第３スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、第２スイッチング素子の第１端子は、第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、第２スイッチング素子の第２端子は、中性点レベル端子に電気的に接続され、第４スイッチング素子の第２端子は、下キャパシタの第２端子に電気的に接続される。
【００８９】
実施形態に開示する３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法は、ＡＮＰＣ式３レベル回路のトボロジに用いられても良い。図１Ｃに示すように、該トボロジのキャパシタンスブリッジアームは、ＤＮＰＣ式３レベル回路のトボロジと同じであり、ａ、ｂ、ｃの３つのスイッチブリッジアームを更に備え、例えば、ａ相スイッチブリッジアームは、６つのスイッチング素子を有し、例えばＩＧＢＴであり、それぞれは、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４  、Ｓａ５、Ｓａ６である。Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４は、順に直列接続した後にキャパシタンスブリッジアームと並列接続し、Ｓａ５とＳａ６は、順に直列接続した後にＳａ２とＳａ３に並列接続し、さらにＳａ５とＳａ６の接続端子は、中性点レベル端子Ｏに電気的に接続され、Ｓａ２とＳａ３の接続端子は、ａ相スイッチブリッジアームの交流接続端子である。ｂ相スイッチブリッジアームとｃ相スイッチブリッジアームの構造は、ｂ相スイッチブリッジアームと同じであっても良い。図１Ｂは、ｂ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４、Ｓｂ５、Ｓｂ６及びｃ相スイッチブリッジアームのスイッチング素子Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４、Ｓｃ５、Ｓｃ６を示している。即ち、ａ、ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの何れか１つの相スイッチブリッジアームは、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、第４スイッチング素子、第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子を含む。第１スイッチング素子の第１端子は、上キャパシタの第１端子に電気的に接続され、第１スイッチング素子の第２端子は、第２スイッチング素子の第１端子及び第５スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、第２スイッチング素子の第２端子は、第３スイッチング素子の第１端子に電気的に接続され、第３スイッチング素子の第２端子は、第４スイッチング素子の第１端子及び第６スイッチング素子の第２端子に電気的に接続され、第４スイッチング素子の第２端子は、下キャパシタの第２端子に電気的に接続され、第５スイッチング素子の第２端子は、第６スイッチング素子の第１端子及び中性点レベル端子に電気的に接続される。
【００９０】
幾つかの実施形態においては、本発明で開示する３レベル回路の中性点電圧のバランス制御方法は、三相４ブリッジアームの３レベル回路のトボロジに用いられ、該トボロジは、三相４線式電気システムに適用することができる。ダイオード中性点クランプ（ＤＮＰＣ）式３レベル回路のトボロジを例とすると、図１Ｄに示すように、ａ、ｂ、ｃ、ｎの４つのスイッチブリッジアームを含み、ａ相スイッチブリッジアームは、４つのＩＧＢＴを有し、それぞれは、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４及び２つのクランプダイオードＤａ１、Ｄａ２である。Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４は、順に直列接続した後にキャパシタンスブリッジアームと並列接続し、Ｄａ１、Ｄａ２は、順に直列接続した後にＳａ２、Ｓａ３に並列接続し、Ｄａ１、Ｄａ２の接続端子は、キャパシタンスブリッジアームの中性点レベル端子Ｏに電気的に接続され、Ｓａ２、Ｓａ３の接続端子は、ａ相スイッチブリッジアームの交流出力端子である。ｂ、ｃ相スイッチブリッジアームの構造は、ａ相スイッチブリッジアームと同じである。ｎ相スイッチブリッジアームは、４つのＩＧＢＴを有し、それぞれは、Ｓｎ１、Ｓｎ２、Ｓｎ３、Ｓｎ４及び２つのクランプダイオードＤｎ１、Ｄｎ２である。Ｓｎ１、Ｓｎ２、Ｓｎ３、Ｓｎ４は、順に直列接続した後にキャパシタンスブリッジアームと並列接続し、Ｄｎ１とＤｎ２は、順に直列接続した後にＳｎ２及びＳｎ３と並列接続し、Ｄｎ１とＤｎ２の接続端子は、中性点レベル端子Ｏに電気的に接続され、Ｓｎ２とＳｎ３の接続端子は、三相４線式電気システムの中線に電気的に接続する。本実施形態は、ＤＮＰＣ式３レベル回路のトボロジに用いられるが、これに限らず、Ｔ式及びＡＮＰＣ式３レベル回路に用いられても良い。本実施形態には、ＬＣフィルタ及び中線インタダンスＬ’を更に加えても良い。
【００９１】
上述した実施形態に開示する内容は、本発明の例示であり、本発明を制限しない。当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱しなければ、本発明に対して等価変更又は補正を行うことができるが、これらの等価変更又は補正は、何れも本発明の特許請求の範囲に属する。
【符号の説明】
【００９２】
Ｓ１１、Ｓ１１−１、Ｓ１２、Ｓ１２−１、Ｓ１２−２、Ｓ１３、Ｓ１３’、Ｓ１４、Ｓ１４−１、Ｓ１４−２、Ｓ１４−３、Ｓ１４−４、Ｓ１４−５、Ｓ１４−６、Ｓ１４−７、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ２１、Ｓ２１−１、Ｓ２２、Ｓ２２’、Ｓ２２−１、Ｓ２２−２、Ｓ２２−３、Ｓ２４、Ｓ２４’、Ｓ２４−１、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７・・・ステップ
Ｃｄ１・・・上キャパシタ
Ｃｄ２・・・下キャパシタ
Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５、Ｓａ６、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４、Ｓｂ５、Ｓｂ６、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４、Ｓｃ５、Ｓｃ６、Ｓｎ１、Ｓｎ２、Ｓｎ３、Ｓｎ４    スイッチング素子
Ｄａ１、Ｄａ２、Ｄｂ１、Ｄｂ２、Ｄｃ１、Ｄｃ２、Ｄｄ１、Ｄｄ２・・・ダイオード
Ｌ・・・ＬＣフィルタインダクタンス
Ｃ・・・ＬＣフィルタキャパシタ
Ｚａ、Ｚｂ、Ｚｃ・・・負荷
Ｌ’・・・負荷回路インダクタンス
ｎ・・・負荷接続中性点
ｎｃ・・・フィルタキャパシタ接続中性点
Ｏ・・・中性点レベル端子
ｕｄ・・・直流電圧
ｕｄ１・・・上キャパシタ電圧
ｕｄ２・・・下キャパシタ電圧
ｕｘ・・・ｘ相ブリッジアームの交流出力電圧
ｄｘｐ・・・ｘ相ブリッジアームの正レベルデューティ比
ｄｘｎ・・・ｘ相ブリッジアームの負レベルデューティ比
ｄｘｏ・・・ｘ相ブリッジアームのゼロレベルデューティ比
ｕａ、ｕｂ、ｕｃ・・・ａ、ｂ、ｃ相のブリッジアームの交流出力電圧
ｄａｐ、ｄａｎ、ｄａｏ・・・ａ相のブリッジアームの正レベル、負レベル、ゼロレベルデューティ比
ｄｂｐ、ｄｂｎ、ｄｂｏ・・・ｂ相のブリッジアームの正レベル、負レベル、ゼロレベルデューティ比
ｄｃｐ、ｄｃｎ、ｄｃｏ・・・ｃ相のブリッジアームの正レベル、負レベル、ゼロレベルデューティ比
ｉａ、ｉｂ、ｉｃ・・・ａ、ｂ、ｃ相のブリッジアームの出力電流
ｉＮＰ・・・キャパシタンスブリッジアームの中性点レベル端子Ｏから流出する平均電流
ｉｎ・・・中性電流
ｔ・・・時間
ａ、ｂ、ｃ、ｎ・・・ａ、ｂ、ｃ、ｎ相のブリッジアーム
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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