(57)【要約】  電圧コンバータ（４）および電圧コンバータシステムが提供される。電圧コンバータ（４）は、複数の第１電導パスを通して、２つの第１出力端子（Ａ，Ｂ）の１つで、複数レベルを有する第１電圧を出力するように適合されたマルチレベル電圧コンバータ（４０）と、第１エネルギー蓄積素子（４１）と、第１出力端子（Ａ、Ｂ）に直接接続されるように配置され、かつ、第１エネルギー蓄積素子（４１）の電圧のレベルを第１電圧のレベルと結合させ、第２出力端子（Ｃ）での第２電圧出力とするように、第１エネルギー蓄積素子（４１）を、第１電導パスにまたは第１電導パスから切り替えるように適合された、第１スイッチング素子（４２）と、を備える。上のような接続形態を有することによって、パワー半導体の数を変更することなく、各パワー半導体の電圧クラスをより低く保つことができ、各パワー半導体のピーク繰返しオフ電圧が低減され、それによって、コストが低減され、かつ、信頼性が増加する。【選択図】    図５
2013533729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧源コンバータであり、
マルチレベル電圧源コンバータであって、複数の第１電導パスを通して、２つの第１出力端子の１つで複数レベルの第１電圧を出力するように適合された、マルチレベル電圧源コンバータと、
第１エネルギー蓄積素子と、
第１スイッチング素子であって、前記第１出力端子と直接接続するように配置され、かつ、前記第１エネルギー蓄積素子の電圧のレベルを前記第１電圧のレベルと結合させ、第２出力端子での第２電圧出力とするように、前記第１エネルギー蓄積素子を、前記第１電導パスにまたは前記第１電導パスから、切り替えるように適合された、第１スイッチング素子と、
を備える、電圧源コンバータ。
【請求項２】
前記マルチレベル電圧源コンバータが、
第２エネルギー蓄積素子と、
前記第２エネルギー蓄積素子と直列に接続されるように配置された第３エネルギー蓄積素子と、
直列に接続されるように配置された第１、第２、第３および第４パワー半導体であって、前記第１パワー半導体が前記第２エネルギー蓄積素子に接続されるように配置され、前記第４パワー半導体が前記第３エネルギー蓄積素子に接続されるように配置され、前記第２エネルギー蓄積素子と前記第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントが前記第２パワー半導体と前記第３パワー半導体との間の接合ポイントに接続されている、第１、第２、第３および第４パワー半導体と、
第５パワー半導体であって、前記第１パワー半導体と前記第２パワー半導体との間の接続ポイントと前記複数の第１出力端子の１つとの間に、かつ前記第１パワー半導体と直列に、接続されるように配置された、第５パワー半導体と、
第６パワー半導体であって、前記第３パワー半導体と前記第４パワー半導体との間の接合ポイントと前記複数の第１出力端子の他の１つとの間に、かつ前記第４パワー半導体と直列に、接続されるように配置された、第６パワー半導体と、
を備え、
前記第１、第２、第３、第４、第５および第６パワー半導体の各々が、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチである、
請求項１に記載の電圧源コンバータ。
【請求項３】
前記マルチレベル電圧源コンバータが、
第２エネルギー蓄積素子と、
前記第２エネルギー蓄積素子と直列に接続されるように配置された第３エネルギー蓄積素子と、
逆直列に接続されるように配置された第１および第２パワー半導体と、
逆直列に接続されるように配置された第３および第４パワー半導体であって、前記第２および第３パワー半導体が直列に接続され、前記第１パワー半導体が前記第２エネルギー蓄積素子に接続されるように配置され、前記第４パワー半導体が前記第３エネルギー蓄積素子に接続されるように配置され、前記第２エネルギー蓄積素子と前記第３エネルギー蓄積素子との間の前記接合ポイントが前記第２パワー半導体と前記第３パワー半導体との間の前記接合ポイントに接続されている、第３および第４パワー半導体と、
第５パワー半導体であって、前記第１パワー半導体と前記複数の第１出力端子の１つとの間に、かつ前記第１パワー半導体と直列に、接続されるように配置された、第５パワー半導体と、
第６パワー半導体であって、前記第４パワー半導体と前記複数の第１出力端子の他の１つとの間に、かつ前記第４パワー半導体と直列に、接続されるように配置された、第６パワー半導体と、
を備え、
前記第１、第４、第５および第６パワー半導体の各々が、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチであり、かつ、前記第２および第３パワー半導体のいずれかが、非制御の一方向性電流通過方向半導体である、
請求項１に記載の電圧源コンバータ。
【請求項４】
前記第１電導パスが、
前記第２エネルギー蓄積素子と前記第１パワー半導体との間の接合ポイントと、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第１パワー半導体と、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第５パワー半導体と、前記第１出力端子、または、
前記第２エネルギー蓄積素子と前記第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントと、前記フリーホイーリング第２パワー半導体と、前記スイッチングオン第５パワー半導体と、前記第１出力端子、または、
前記第２エネルギー蓄積素子と前記第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントと、前記フリーホイーリング第３パワー半導体と、前記スイッチングオン第６パワー半導体と、前記第１出力端子、または
前記第３エネルギー蓄積素子と前記第４パワー半導体との間の接合ポイントと、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第４パワー半導体と、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第６パワー半導体と、前記第１出力端子、
を通り抜けるように適合された、
請求項２または請求項３に記載の電圧源コンバータ。
【請求項５】
前記第１スイッチング素子が、直列に接続された第７および第８半導体を備え、
前記第７および第８半導体のいずれかが、逆並列で非制御の一方向性パワー半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチであり、かつ、
前記第１エネルギー蓄積素子が、前記２つの第１出力端子の間で前記第１スイッチング素子と並列に接続されるように配置される、
請求項１または請求項２または請求項３に記載の電圧源コンバータ。
【請求項６】
前記第１電導パスが、
前記第１エネルギー蓄積素子と、前記スイッチングオン第８パワー半導体と、第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第７パワー半導体と、前記第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第８パワー半導体と、前記第２出力端子、または、
前記第１エネルギー蓄積素子と、前記スイッチングオン第７パワー半導体と、前記第２出力端子と、
前記第７半導体と前記第８半導体との間の接合上に配置され、かつ前記第２電圧を出力するように適合された前記第２出力端子と、
をさらに通り抜けるように適合された、
請求項５に記載の電圧源コンバータ。
【請求項７】
前記第１スイッチング素子が、
第１接合ポイントで直列接続されるように配置された第７および第８パワー半導体と、
第２接合ポイントで直列接続されるように配置された第９および第１０パワー半導体と、
第３接合ポイントで逆直列接続されるように配置された第１１および第１２パワー半導体と、
を備え、かつ、
前記第１１パワー半導体が、前記第１接合ポイントと前記複数の第１出力端子の１つとの両方に接続されるように配置され、かつ、前記第１２パワー半導体が、前記第２接合ポイントと前記複数の第１出力端子の他の１つとの両方に接続されるように配置され、かつ、
前記第１エネルギー蓄積素子と、前記第７および第８パワー半導体と、前記第９および第１０パワー半導体とが並列に接続されるように配置され、
前記第７、第８、第９、第１０、第１１および第１２パワー半導体の各々が、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチである、
請求項１または請求項２または請求項３に記載の電圧源コンバータ。
【請求項８】
前記第１電導パスが、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第８パワー半導体と、前記第１エネルギー蓄積素子と、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第９および第１２パワー半導体と、前記第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第１１半導体と、第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第７パワー半導体と、前記第１エネルギー蓄積素子と、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第１０および第１２パワー半導体と、前記第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第７、第１１、第１０パワー半導体と、前記第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第１２半導体と、前記第２出力端子、または、
前記スイッチングオン／フリーホイーリング第９パワー半導体と、第１エネルギー蓄積素子と、前記スイッチングオン／フリーホイーリング第８および第１１パワー半導体と、前記第２出力端子と、
前記２つの第９パワー半導体の間の接合上に配置され、かつ前記第２電圧を出力するように適合された、前記第２出力端子と、
をさらに通り抜けるように適合された、
請求項７に記載された電圧源コンバータ。
【請求項９】
前記第２エネルギー蓄積素子と前記第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントと前記第２出力端子との間に接続されるように配置された、充電変圧器をさらに備える、請求項２または請求項３に記載の電圧源コンバータ。
【請求項１０】
前記第１スイッチング素子が、直列に接続された第７および第８半導体を備え、前記第７および第８半導体のいずれかが、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチであり、かつ、
前記第１エネルギー蓄積素子が、前記２つの第１出力端子の間で、前記第１スイッチング素子と並列に接続されるように配置され、
前記第２エネルギー蓄積素子と前記第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントと前記第２出力端子との間に接続されるように配置される、充電変圧器をさらに備える、請求項２または請求項３に記載の電圧源コンバータ。
【請求項１１】
前記充電パスが、
前記フリーホイーリング第８パワー半導体と、前記第１エネルギー蓄積素子と、前記フリーホイーリング第５パワー半導体と、前記フリーホイーリング第１パワー半導体と、前記第２エネルギー蓄積素子、または、
前記第３エネルギー蓄積素子と、前記フリーホイーリング第４パワー半導体と、前記フリーホイーリング第６パワー半導体と、前記第１エネルギー蓄積素子と、前記フリーホイーリング第７パワー半導体、
を通り抜けるように適合された、
請求項１０に記載の電圧源コンバータ。
【請求項１２】
電圧源コンバータシステムであり、
請求項１〜１１の各々に記載された電圧源コンバータであって、複数の前記第１電導パスにおける２つの第２出力端子の１つで前記第２電圧の複数レベルを出力するように適合された、電圧源コンバータと、
第４エネルギー蓄積素子と、
第２スイッチング素子であって、前記第２出力端子に直接接続されるように配置され、かつ、前記第４エネルギー蓄積素子の電圧のレベルを、前記第２電圧のレベルと結合させ、第３出力端子での第３電圧出力とするように、前記第４エネルギー蓄積素子を、前記第１電導パスにまたは前記第１電導パスから切り替えるように適合された、第２スイッチング素子と、
を備える、電圧源コンバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧源コンバータの分野に関し、特にマルチレベル電圧源コンバータ（ＶＳＣ)に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、マルチレベル電圧源コンバータ（multi-level voltage source converter）が広く使用されているが、これは等価的にスイッチング周波数を低減し、かつ、出力波形品質を改善することができる。
【０００３】
図１は、従来のマルチレベル電圧コンバータによる接続形態（topology）を示す図であり、ここにおいて、スイッチング装置セル（switching gear cell）１は、例えば５つの電圧レベルを切り替えるためのパワー半導体と直列に接続された第１エネルギー蓄積素子１００および第２エネルギー蓄積素子（energy store）１０１を含む。第１、第２、第３および第４パワー半導体１１０、１１１、１１２、１１３は直列に接続され、第５および第６パワー半導体１１４、１１５は直列に接続される。第１および第４パワー半導体１１０、１１４は、それぞれ第１および第２エネルギー蓄積素子１００、１０１に接続され、かつ、第１エネルギー蓄積素子１００と第２エネルギー蓄積素子１０１との間の接合ポイント（junction point）Ａ、第５パワー半導体１１４と第６パワー半導体１１５との間の接合ポイントＢ、および第２パワー半導体１１１と第３パワー半導体１１２との間の接合ポイントＣは、お互いに接続される。スイッチング装置セルは、直列に接続された第７、第８、第９および第１０パワー半導体１１６、１１７、１１８、１１９と、直列に接続された第１１および第１２パワー半導体１２０、１２１とをさらに含む。第７および第１０パワー半導体１１６、１１９はそれぞれ第１および第２エネルギー蓄積素子１００、１０１に接続され、かつ、第１エネルギー蓄積素子１００と第２エネルギー蓄積素子１０１との間の接合ポイントＡ、第１１パワー半導体１２０と第１２パワー半導体１２１との間の接合ポイントＤは、お互いに接続される。第８パワー半導体１１７と第９パワー半導体１１８との間の接合ポイントは、例えば図１の右側に示されるように、５レベル電圧のマルチレベル電圧を出力するための出力端子のために配置されている。第１、第２、第３、第４、第７、第８、第９および第１０パワー半導体１１０、１１１、１１２、１１３、１１６、１１７、１１８、１１９の各々は、ＩＧＣＴまたはＩＧＢＴなどのような逆並列（anti-paralleled）で非制御（uncontrolled）の一方向性電流通過半導体（current-carrying semiconductor）を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチであり、かつ、第５、第６、第１１および第１２パワー半導体の各々は、パワー・ダイオードのような非制御の一方向性電流通過方向（direction）パワー半導体である。
【０００４】
図２は、別の従来のマルチレベル電圧コンバータによる接続形態を示す図である。図２に示すように、スイッチング装置セル２は、段階配列された（cascaded）Ｈ−ブリッジを用いている。スイッチング装置セル２の第１Ｈ−ブリッジは、第１エネルギー蓄積素子２００と、直列に接続された第１および第２パワー半導体２１０、２１１と、直列に接続された第３および第４パワー半導体２１２、２１３とを含む。そして、第１エネルギー蓄積素子２００、第１パワー半導体２１０および第３パワー半導体２１２は、接合ポイントＡでお互いに接続され、第１エネルギー蓄積素子２００、第２パワー半導体２１１および第４パワー半導体２１３は、接合ポイントＢでお互いに接続されている。スイッチング装置セル２の第２ブリッジは、第１Ｈ−ブリッジと同様な接続形態を有し、これは、第２エネルギー蓄積素子２０１と、第５、第６、第７および第８パワー半導体２１４、２１５、２１６、２１７とを有する。第１パワー半導体２１０と第２パワー半導体２１１との間の接合ポイントおよび第５パワー半導体２１４と第６パワー半導体２１５との間の接合ポイントは、お互いに接続されている。電圧は、第３パワー半導体と第４パワー半導体との間の接合ポイントと、第７パワー半導体と第８パワー半導体との間の接合ポイントとの間に、出力される。出力電圧波形は、図２の右側に示されている。第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８パワー半導体の各々は、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチである。
【０００５】
図３は、別の従来のマルチレベル電圧コンバータによる接続形態を示す。図３に示すように、これにおいては、スイッチング装置セル３は、例えば５電圧レベルをスイッチングさせるためのパワー半導体と直列に接続された第１エネルギー蓄積素子３００および第２エネルギー蓄積素子３０１を含む。第１、第２、第３および第４パワー半導体４０１、４１１、４１２、４１３は直列に接続され、第５および第６パワー半導体４１４、４１５は直列に接続されている。第１および第４パワー半導体４１０、４１３は、それぞれ第１および第２エネルギー蓄積素子４００、４０１に接続され、かつ、第１エネルギー蓄積素子４００と第２エネルギー蓄積素子４０１との間の接合ポイントＡ、第５パワー半導体４１４と第６パワー半導体４１５との間の接合ポイントＢは、お互いに接続されている。スイッチング装置セルは、第３エネルギー蓄積素子４０２と、直列に接続された第７および第８パワー半導体４１６、４１７と、直列に接続された第９および第１０パワー半導体４１８、４１９とをさらに含む。第３エネルギー蓄積素子４０２の１つの端部、第７および第９パワー半導体４１６、４１８はお互いに接続され、かつ、第３エネルギー蓄積素子４０２の他の端部、第８および第１０パワー半導体４１７、４１９は互いに接続されている。さらに、第２パワー半導体４１１と第３パワー半導体４１２との間の接合ポイントは、第９パワー半導体４１８と第１０パワー半導体４１９との間の接合ポイントに接続されている。電圧は、第７パワー半導体４１６と第８パワー半導体４１７との間の接合ポイントに出力される。第１、第２、第３、第４、第７、第８、第９および第１０パワー半導体の各々は、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチであり、かつ、第５および第６パワー半導体の各々は、非制御の一方向性電流通過方向パワー半導体である。これの出力波形は、図３の右側に示されている。
【０００６】
図１、図２および図３の各々によるマルチレベル電圧コンバータの解析から、そのような従来の接続形態は、少なくとも以下のような欠点を有している。すなわち、それは比較的多数のパワー半導体を必要とし、このことは、マルチレベル電圧コンバータのコストを増加させ、しかし、信頼性を低下させる。加えて、図１〜図３によるパワー半導体の各々のピーク繰返しオフ電圧は、ＶＤＲＭ＝（１．８〜２．２）Ｖｄｃとして説明される。
【０００７】
別の従来のマルチレベル電圧コンバータは、米国特許第７，６３９，５１５号明細書に開示されている。スイッチ装置は、直列に接続された第１エネルギー蓄積素子および第２エネルギー蓄積素子、直列に接続された第１、第２、第３および第４パワー半導体スイッチを有する。第１および第４パワー半導体は、第１エネルギー蓄積素子および第２エネルギー蓄積素子にそれぞれ接続されている。第３エネルギー蓄積素子は、第１パワー半導体と第２パワー半導体との間の接合と、第３半導体と第４半導体との間の接合とに接続されている。さらに、それは、第２パワー半導体と第３パワー半導体との間の接合ポイントと、第１エネルギー蓄積素子と第２エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントとに直接接続されたスイッチング素子を含む。これの出力の大きさの推定は、Ｖｄｃに関する割当て（ration）の表現に必要であり、Ｖｏｕｔ＝２×Ｖｄｃ／１．４１４／１．１となる。米国特許第７，６３９，５１５号明細書は少なくとも次のような欠点を有している。
【０００８】
１．ＶｏｕｔとＶｄｃの間のより低い割当てにより、それはパワー半導体、パワー・コンデンサおよび直流リンクに関するコンバータの全ての部品のより高い電圧クラスを必要とする。パワー半導体、パワー・コンデンサおよび全ての関連部品のより高い電圧クラスは、電圧コンバータのより高いコストにつながる。
【０００９】
２．それは比較的多数のパワー半導体を必要とし、このことはまたマルチレベル電圧コンバータのコストを増加させ、しかし信頼性を減少させる。
【発明の概要】
【００１０】
従って、本発明の目的は、電圧源コンバータおよびこれを統合する電圧源コンバータシステムを提供することである。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、電圧源コンバータは、複数の第１電導パス（conducting paths）を通って、２つの第１出力端子の１つに、第１電圧の複数のレベルを出力するように適合されたマルチレベル電圧源コンバータと、第１エネルギー蓄積素子と、第１スイッチング素子であって、第１出力端子に直接接続するように配置され、かつ、第１エネルギー蓄積素子の電圧のレベルを第１電圧のレベルと結合させ、第２出力端子での第２電圧出力とするように、第１エネルギー蓄積素子を、第１電導パスにまたは第１電導パスから切り替えるように適合された、第１スイッチング素子と、を備える。上記のように接続形態を有することによって、各パワー半導体の電圧クラスは、パワー半導体の数を変更することなく、より低く保つことができる。そのほか、従来の接続形態と比べて、ＶＤＲＭが低く抑えられる。これは、コストの低減および信頼性の増加をもたらす。
【００１２】
本発明の別の実施形態によれば、電圧源コンバータシステムは、前の請求項の各々による電圧源コンバータであって、複数の第１電導パスにおける２つの第２出力端子の１つで、第２電圧の複数のレベルを出力するように適合された、電圧源コンバータと、第４エネルギー蓄積素子と、第２スイッチング素子であって、第２出力端子に直接接続するように配置され、かつ、第４エネルギー蓄積素子の電圧のレベルを、第２電圧のレベルと結合させ、第３出力端子での第３電圧出力とするように、第４エネルギー蓄積素子を、第１電導パスにまたは第１電導パスから切り替えるように適合された、第２スイッチング素子と、を備える。上のような接続形態を有することによって、各パワー半導体の電圧クラスは、出力電圧レベルの数に対してパワー半導体の数を変更することなく、より低く保つことができる。加えて、次の段階の（第２スイッチング素子および第４エネルギー蓄積素子のような）さらなるスイッチング素子を追加しても、前の段階のコンバータの接続形態に依存しないので、出力電圧のレベルの数は、前の段階に対応する変更無しに次の段階のためのより多くのスイッチング素子を合体することによって、上げることができる。これは、コストの低減および信頼性の増加をもたらす。
【００１３】
本発明の主題は、図面に示された好ましい典型的な実施形態に関して、次の本文でより詳細に説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、従来のマルチレベル電圧コンバータによる接続形態を示す。
【図２】図２は、別の従来のマルチレベル電圧コンバータによる接続形態を示す。
【図３】図３は、別の従来のマルチレベル電圧コンバータによる接続形態を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態による接続形態を示す。
【図５】図５は、図４の実施形態に対する代替的接続形態を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｅ】図５Ｅは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｆ】図５Ｆは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｇ】図５Ｇは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図５Ｈ】図５Ｈは、図５の実施形態に対する接続形態のスイッチング状態を示す。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態による接続形態を示す。
【図７】図７は、図４による本発明の実施形態のための充電接続形態を示す。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態による接続形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面で用いられる参照符号およびこれらの意味は、参照符号のリストの中に要約の形であげられている。原則として、同一部分は、図の中で同じ参照符号を備えている。
【００１６】
図４は、本発明の実施形態による接続形態を示す。図４に示すように、電圧源コンバータは、マルチレベル電圧源コンバータ４０と、第１エネルギー蓄積素子４１と、第１スイッチング素子４２とを備える。マルチレベル電圧源コンバータ４０は、複数レベルの第１電圧を出力することができる。第１電圧は、複数の第１電導パスＰ１を通して、２つの第１出力端子ＡおよびＢの１つで出力されるように配置されている。マルチレベル電圧源コンバータの各スイッチング状態に従って、第１電導パスＰ１の１つが、これの中で使用されているパワー半導体のいくつかをスイッチオンすることで選択されるが、このことについては後で詳しく説明されるであろう。第１エネルギー蓄積素子４１は、パワー・コンデンサのように、電気エネルギーを蓄積できる。第１スイッチング素子４２は、第１出力端子ＡおよびＢに直接接続されており、かつ、これは、第１エネルギー蓄積素子の電圧のレベルを第１電圧のレベルと結合させ、第２出力端子Ｃでの第２電圧出力とするように、第１エネルギー蓄積素子４１を、第１電導パスＰ１にまたは第１電導パスＰ１から、切り替えることができる。例えば、第１エネルギー蓄積素子の電圧レベルがＶｄｃ、かつ第１電圧の電圧レベルがＶｄｃ、０、または−Ｖｄｃであるならば、その場合、第２電圧出力は２Ｖｄｃ、Ｖｄｃ、０、または−Ｖｄｃ、または−２Ｖｄｃであり、これは５レベル出力である。
【００１７】
マルチレベル電圧源コンバータ４０は、第２エネルギー蓄積素子４００と、第３エネルギー蓄積素子４０１と、を備える。第２エネルギー蓄積素子４００および第３エネルギー蓄積素子４０１は、接合ポイントＤで直列に接続されている。それらは、パワー・コンデンサとなり得、かつ、電圧を同一のまたは異なるレベルで保持することができる。例えば、エネルギー素子のいずれかをまたぐ電圧レベルは、Ｖｄｃであり得る。マルチレベル電圧源コンバータ４０はまた、第１、第２、第３および第４パワー半導体４０２、４０３、４０４、４０５を含み、これらは直列に接続されている。第１パワー半導体４０２は、接合ポイントＤの反対のポイントで第２エネルギー蓄積素子４００に接続されており、かつ、第４パワー半導体４０５は、接合ポイントＤの反対のポイントで第３エネルギー蓄積素子４０１に接続されている。第２エネルギー蓄積素子４００と第３エネルギー蓄積素子４０１との間の接合ポイントＤは、第２パワー半導体４０３と第３パワー半導体４０４との間の接合ポイントＥに接続されている。マルチレベル電圧源コンバータ４０は、第５パワー半導体４０６と第６パワー半導体４０７とを備える。第５パワー半導体４０６は、第１パワー半導体４０２と第２パワー半導体４０３との間の接合ポイントＦと第１出力端子Ａの１つとの間に、かつ第１パワー半導体と直列に接続されており、しかも、第６パワー半導体４０７は、第３パワー半導体４０４と第４パワー半導体４０５との間の接合ポイントＧと第１出力端子Ｂの他の１つとの間に、かつ第４パワー半導体と直列に接続されている。
【００１８】
第１、第２、第３、第４、第５および第６パワー半導体の各々は、ＩＧＣＴまたはＩＧＢＴなどのような、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチである。
【００１９】
各パワー半導体のスイッチング状態に基づいて、第１電導パスＰ１は、以下を通り抜けることができる。すなわち、
１．第２エネルギー蓄積素子４００と第１パワー半導体４０２との間の接合ポイントと、スイッチングオン（switching-on）第１パワー半導体４０２と、スイッチングオン第５パワー半導体４０６と、第１出力端子Ａとを通り抜けることができ、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは、第２エネルギー蓄積素子４００の電圧レベル、例えばＶｄｃ、である。
【００２０】
２．第２エネルギー蓄積素子４００と第１パワー半導体４０２との間の接合ポイントと、フリーホイーリング（free-wheeling）第１パワー半導体４０２と、フリーホイーリング第５パワー半導体４０６と、第１出力端子Ａとを通り抜けることができ、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは、第２エネルギー蓄積素子４００の電圧レベル、例えばＶｄｃ、である。
【００２１】
３．第２エネルギー蓄積素子４００と第３エネルギー蓄積素子４０１との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第２パワー半導体４０３と、スイッチングオン第５パワー半導体４０６と、第１出力端子Ａとを通り抜けることができ、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。
【００２２】
４．第２エネルギー蓄積素子４００と第３エネルギー蓄積素子４０１との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第３パワー半導体４０４と、スイッチングオン第６パワー半導体４０７と、第１出力端子Ｂとを通り抜けることができ、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。
【００２３】
５．第３エネルギー蓄積素子４０１と第４パワー半導体４０５との間の接合ポイントと、スイッチングオン第４パワー半導体４０５と、スイッチングオン第６パワー半導体４０７と、第１出力端子Ｂとを通り抜けることができ、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、第２エネルギー蓄積素子４００の電圧レベル、例えば−Ｖｄｃ、である。
【００２４】
または、
６．第３エネルギー蓄積素子４０１と第４パワー半導体４０５との間の接合ポイントと、フリーホイーリング第４パワー半導体４０５と、フリーホイーリング第６パワー半導体４０７と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、第２エネルギー蓄積素子４００の電圧レベル、例えば、−Ｖｄｃ、である。
【００２５】
そのような構成およびスイッチング状態を有することによって、マルチレベル電圧源コンバータ４０は、これとともに下方に段階配列された（cascaded down）コンバータの構成およびスイッチング状態と独立して、３レベル電圧を出力することができる。そのほか、パワー半導体の数が低減される。さらに、各パワー半導体のピーク繰返しオフ電圧が低減される。
【００２６】
図５は、図４の実施形態に対する代替的接続形態を示す。それらの間の相違は、第２パワー半導体４０３および第３パワー半導体４０４が、パワー・ダイオードのような非制御の一方向性電流通過方向パワー半導体に置き換えられることである。第２パワー半導体４０３は、第１パワー半導体４０２と逆直列に接続されており、かつ、第３パワー半導体４０４は第４パワー半導体４０５と逆直列に接続されている。
【００２７】
そのような置き換えを有することによって、正当な状態を失うことなく、電圧源コンバータのコストが低減される。
【００２８】
図４および図５に示すように、第１スイッチング素子４２は、接合ポイントＣで直列に接続された第７および第８半導体４２０、４２１を備える。加えて、第７パワー半導体４２０は、接合ポイントＡで第５パワー半導体４０６と逆直列に接続されており、かつ、第８パワー半導体４２１は、接合ポイントＢで第６パワー半導体４０７と逆直列に接続されている。従って、第１エネルギー蓄積素子４１は、２つの第１出力端子ＡとＢとの間で、第１スイッチング素子と並列に接続されている。第７および第８パワー半導体のいずれかは、逆並列で非制御の一方向性電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチである。
【００２９】
スイッチング素子の構成を有することによって、第１電導パスは以下をさらに通り抜けることができる。すなわち、
１．第１エネルギー蓄積素子４１、スイッチングオン第８パワー半導体４２１および第２出力端子Ｃ。
【００３０】
２．スイッチングオン第７パワー半導体４２０および第２出力端子Ｃ。
【００３１】
３．スイッチングオン第８半導体４２１および第２出力端子Ｃ。
【００３２】
または、
４．第１エネルギー蓄積素子４１、スイッチングオン第７パワー半導体４２０および第２出力端子Ｃ。
【００３３】
５．第２出力端子Ｃは、第２電圧を出力することになっており、これは電圧源コンバータの出力とみなされる。
【００３４】
図５Ａから図５Ｈは、図５の実施形態による正当な状態の各々における第１電導パスを示す。各図における矢印は、電導パスＰ１を表す。読む上での便宜から、第１、第４、第５、第６、第７および第８パワー半導体はＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５およびＶ６として参照され、第２および第３パワー半導体はＤ１、Ｄ２として参照される。出力電圧は、第２出力端子Ｃで出力され、かつ、仕様の目的のために、第１、第２および第３エネルギー蓄積素子４１、４００、４０１の各々の電圧レベルは、図中で表された電圧極性を有するＶｄｃである。「電圧」の列は、各スイッチング状態の下で、各パワー半導体をまたぐ電圧を示す。
【００３５】
図５Ａによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表Ｉにおけるように説明される。
【表１】
2013533729.tif 000003
【００３６】
表Ｉのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は、両方向性である。図５Ａに示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第１パワー半導体Ｖ１との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第１パワー半導体Ｖ１と、スイッチングオン／フリーホイーリング第５パワー半導体Ｖ３と、第１出力端子Ａとを通り抜け、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルはＶｄｃである。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、第１エネルギー蓄積素子４１と、スイッチングオン／フリーホイーリング第８パワー半導体Ｖ６と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は２Ｖｄｃである。
【００３７】
図５Ｂによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表ＩＩにおけるように説明される。
【表２】
2013533729.tif 000004
【００３８】
表ＩＩのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図５Ｂに示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第１パワー半導体Ｖ１との間の接合ポイントと、スイッチングオン第１パワー半導体Ｖ１と、スイッチングオン第５パワー半導体Ｖ３と、第１出力端子Ａとを通り抜け（leads through）、出力端子Ａでの第１電圧レベルはＶｄｃである。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン第７パワー半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力はＶｄｃである。
【００３９】
図５Ｃによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表ＩＩＩにおけるように説明される。
【表３】
2013533729.tif 000005
【００４０】
表ＩＩＩのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図５Ｂに示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第２パワー半導体と、スイッチングオン第５パワー半導体Ｖ３と、第１出力端子Ａとを通り抜け、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは０である。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、第１エネルギー蓄積素子４１と、スイッチングオン第８パワー半導体Ｖ６と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力はＶｄｃである。
【００４１】
図５Ｄによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表ＩＶにおけるように説明される。
【表４】
2013533729.tif 000006
【００４２】
表ＩＶのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図５Ｄに示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第２パワー半導体Ｄ１と、スイッチングオン第５パワー半導体Ｖ３と、第１出力端子Ａとを通り抜ける。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン第７パワー半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００４３】
図５Ｅによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表Ｖにおけるように説明される。
【表５】
2013533729.tif 000007
【００４４】
表Ｖのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図５Ｅに示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤ、フリーホイーリング第３パワー半導体Ｄ２、スイッチングオン第６パワー半導体Ｖ４および第１出力端子Ｂを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、フリーホイーリング第８パワー半導体Ｖ６と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００４５】
図５Ｆによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表ＶＩにおけるように説明される。
【表６】
2013533729.tif 000008
【００４６】
表ＶＩのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図５Ｆに示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第３パワー半導体Ｄ２と、スイッチングオン第６パワー半導体Ｖ４と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、第１エネルギー蓄積素子４１と、スイッチングオン第７パワー半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は−Ｖｄｃである。
【００４７】
図５Ｇによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表ＶＩＩにおけるように説明される。
【表７】
2013533729.tif 000009
【００４８】
表ＶＩＩのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性（bidirectional）である。図５Ｇに示すように、第１電導パスＰ１は、第３エネルギー蓄積素子４０１と第４パワー半導体Ｖ２との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第４パワー半導体Ｖ２と、スイッチングオン／フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ４と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、フリーホイーリング／スイッチングオン第８パワー半導体Ｖ６と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は−Ｖｄｃである。
【００４９】
図５Ｈによる各パワー半導体のスイッチング状態は、表ＶＩＩＩにおけるように説明される。
【表８】
2013533729.tif 000010
【００５０】
表ＶＩＩＩのスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図５Ｈに示すように、第１電導パスＰ１は、第３エネルギー蓄積素子４０１と第４パワー半導体Ｖ２との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第４パワー半導体Ｖ２と、スイッチングオン／フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ４と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン第７パワー半導体と、第２出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば−Ｖｄｃ、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、フリーホイーリング／スイッチングオン第７パワー半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は−２Ｖｄｃである。
【００５１】
上のような接続形態を有することによって、各パワー半導体の電圧クラスは、パワー半導体の数を変更することなく、より低く保つことができる。そのほか、ＶＤＲＭは、従来の接続形態に比べて低く抑えられる。これは、コストの低減および信頼性の増加をもたらす。
【００５２】
図５による接続形態と比較すると、図４による接続形態は、以下のように、いくつかの冗長なスイッチング状態を有するように適合している。
【００５３】
ａ．第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、スイッチングオン第２パワー半導体と、フリーホイーリング第５パワー半導体Ｖ３と、第１出力端子Ａとを通り抜け、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは０である。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、第１エネルギー蓄積素子４１と、フリーホイーリング第８パワー半導体Ｖ６と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力はＶｄｃである。
【００５４】
ｂ．第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、スイッチングオン第２パワー半導体Ｄ１と、フリーホイーリング第５パワー半導体Ｖ３と、第１出力端子Ａとを通り抜ける。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、フリーホイーリング第７パワー半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００５５】
ｃ．第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、スイッチングオン第３パワー半導体Ｄ２と、フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ４と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン第８パワー半導体Ｖ６と、第２出力端子とＣを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００５６】
または、
ｄ．第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、スイッチングオン第３パワー半導体Ｄ２と、フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ４と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、第１エネルギー蓄積素子４１と、フリーホイーリング第７パワー半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は−Ｖｄｃである。
【００５７】
ｅ．これらの冗長なスイッチング状態は、電圧源コンバータの信頼性を増加させるために役立つ。
【００５８】
図６は、本発明の別の実施形態による接続形態を示す。接続形態は、スイッチング素子および第１エネルギー蓄積素子において、図４のそれと異なる。特に、図６に示すように、スイッチング素子４２は、第１接合ポイントで直列に接続された第７および第８パワー半導体４２２、４２３と、第２接合ポイントＢで直列に接続された第９および第１０パワー半導体４２４、４２５と、第３接合ポイントで逆直列に接続された第１１および第１２パワー半導体４２０、４２１とを備える。そして、第１１パワー半導体４２０は、第１接合ポイントと第１出力端子Ａの１つとの両方に接続されており、かつ、第１２パワー半導体４２１は、第２接合ポイントと第１出力端子Ｂの他の１つとの両方に接続されている。さらに、第１エネルギー蓄積素子４１と、第７および第８パワー半導体４２２、４２３と、第９および第１０パワー半導体４２４、４２５とは、並列に接続されるように配置されている。第７、第８、第９、第１１パワー半導体の各々は、ＩＧＣＴまたはＩＧＢＴなどのような、逆並列で非制御の一方向性パワー半導体電流通過半導体を有する、駆動可能な一方向性パワー半導体スイッチである。第１０および第１２パワー半導体の各々は、駆動可能な両方向性パワー半導体スイッチである。
【００５９】
図６による接続形態のスイッチング状態は、表ＩＸに示されている。読む上での便宜から、第１、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、第１１および第１２パワー半導体は、Ｖ１、Ｖ６、Ｖ２、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ５、Ｖ１０として参照され、第２および第３パワー半導体は、Ｄ１、Ｄ２として参照される。出力電圧は第２出力端子Ｃでの出力であり、かつ、仕様の目的のために、第１、第２および第３エネルギー蓄積素子４１、４００、４０１の各々の電圧レベルは、図に表された電圧極性を有するＶｄｃである。「電圧」の列は、各スイッチング状態の下で、各パワー半導体をまたぐ電圧を示す。
【表９】
2013533729.tif 000011
【００６０】
Ｓ１のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第１パワー半導体Ｖ１との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第１パワー半導体Ｖ１と、スイッチングオン／フリーホイーリング第５パワー半導体Ｖ２と、第１出力端子Ａとを通り抜ける。第１出力端子Ａでの電圧レベルはＶｄｃである。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第８パワー半導体Ｖ４と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン／フリーホイーリング第９および第１２パワー半導体Ｖ８、Ｖ１０と、第２出力端子とを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は２Ｖｄｃである。
【００６１】
Ｓ２のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第１パワー半導体Ｖ１との間の接続ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第１パワー半導体Ｖ１と、スイッチングオン／フリーホイーリング第５パワー半導体Ｖ２と、第１出力端子Ａとを通り抜ける。第１出力端子Ａでの電圧レベルはＶｄｃである。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第１１半導体Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力はＶｄｃである。
【００６２】
Ｓ３のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第２パワー半導体Ｄ１と、スイッチングオン第５パワー半導体Ｖ２と、第１出力端子Ａとを通り抜け、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは０である。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン第７パワー半導体Ｖ４と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン／フリーホイーリング第１０および第１２パワー半導体Ｖ８、Ｖ１０と、第２出力端子とを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力はＶｄｃである。
【００６３】
Ｓ４のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第２パワー半導体Ｄ１と、スイッチングオン第５パワー半導体Ｖ２と、第１出力端子Ａとを通り抜け、第１出力端子Ａでの第１電圧レベルは０である。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第１１半導体Ｖ５および第２出力端子Ｃと、第２出力端子とを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００６４】
Ｓ５のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第１パワー半導体Ｖ１との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第１パワー半導体Ｖ１と、スイッチングオン／フリーホイーリング第５パワー半導体Ｖ２と、第１出力端子Ａとを通り抜ける。第１出力端子Ａでの電圧レベルはＶｄｃである。さらに、第１出力端子Ａから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第７パワー半導体Ｖ３と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン／フリーホイーリング第１０および第１２パワー半導体Ｖ９、Ｖ１０と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００６５】
Ｓ６のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第３エネルギー蓄積素子と第４パワー半導体Ｖ６との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第４パワー半導体Ｖ６と、スイッチングオン／フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ７と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン第７パワー半導体と、第２出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば−Ｖｄｃ、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第７、第１１、第１０パワー半導体Ｖ３、Ｖ９、Ｖ５と、第２出力端子を通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００６６】
Ｓ７のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントＤと、フリーホイーリング第３パワー半導体Ｄ２と、スイッチングオン第６パワー半導体Ｖ７と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第１２半導体Ｖ１０と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は０である。
【００６７】
Ｓ８のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は一方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第２エネルギー蓄積素子と第３エネルギー蓄積素子との間の接合ポイントと、フリーホイーリング第３パワー半導体Ｄ２と、スイッチングオン第６パワー半導体Ｖ７と、第１出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば０、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第９パワー半導体Ｖ８と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン／フリーホイーリング第８および第１１パワー半導体Ｖ４、Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は−Ｖｄｃである。
【００６８】
Ｓ９のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第３エネルギー蓄積素子と第４パワー半導体Ｖ６との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第４パワー半導体Ｖ６と、スイッチングオン／フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ７と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン第７パワー半導体と、第２出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば−Ｖｄｃ、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第１２半導体Ｖ１０と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は−Ｖｄｃである。
【００６９】
Ｓ１０のスイッチング状態の下で、第１電導パスＰ１は両方向性である。図６に示すように、第１電導パスＰ１は、第３エネルギー蓄積素子と第４パワー半導体Ｖ６との間の接合ポイントと、スイッチングオン／フリーホイーリング第４パワー半導体Ｖ６と、スイッチングオン／フリーホイーリング第６パワー半導体Ｖ７と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン第７パワー半導体と、第２出力端子Ｂとを通り抜け、第１出力端子Ｂでの第１電圧レベルは、接合ポイントＤ（ＮＰ）での電圧レベル、例えば−Ｖｄｃ、である。さらに、第１出力端子Ｂから、第１電導パスＰ１は、スイッチングオン／フリーホイーリング第９パワー半導体Ｖ８と、第１エネルギー蓄積素子と、スイッチングオン／フリーホイーリング第８および第１１パワー半導体Ｖ４、Ｖ５と、第２出力端子Ｃとを通り抜ける。ポイントＮＰに関して、第２出力端子Ｃでの電圧出力は、−２Ｖｄｃである。
【００７０】
図６の接続形態およびこれのスイッチング状態を有することにより、各パワー半導体の電圧クラスは、より低く保つことができる。このことは、コストの低減および信頼性の増加をもたらす。また、動作中、第１エネルギー蓄積素子への、または第１エネルギー蓄積素子からの両方向性電流の流れにより、第１エネルギー蓄積素子の電圧は、自己バランスが保たれ得る。
【００７１】
図７は、図４による本発明の実施形態のための充電接続形態を示す。充電接続形態が、図５による実施形態のためにもまた使用され得ることは、当業者にとって明らかである。図７に示すように、充電変圧器４４は、第２エネルギー蓄積素子４００と第３エネルギー蓄積素子４０１との間の接合ポイントＤと、第２出力端子Ｃとの間に接続される。充電パスは、フリーホイーリング第８パワー半導体４２１と、第１エネルギー蓄積素子４１と、フリーホイーリング第５パワー半導体４０６と、フリーホイーリング第１パワー半導体４０２と、第２エネルギー蓄積素子４００とを、または、第３エネルギー蓄積素子４０１と、フリーホイーリング第４パワー半導体４０５と、フリーホイーリング第６パワー半導体４０７と、第１エネルギー蓄積素子４１と、フリーホイーリング第７パワー半導体４２０とを通り抜けることができる。
【００７２】
図８は、本発明の別の実施形態による接続形態を例示する。図８に示すように、図４から図６を含むがこれらには限定されない前の各実施形態による電圧源コンバータは、複数の第１電導パスＰ１における２つの出力端子の１つで、複数レベルの第２電圧を発生させることができる。第４エネルギー蓄積素子４５は、例えば電圧レベルＶｄｃを有するパワー・コンデンサとして、電気エネルギーを蓄積する。第２スイッチング素子４６は、第２出力端子に直接接続されており、かつ、第４エネルギー蓄積素子４５の電圧のレベルを第３出力端子での第３電圧出力としての第２電圧のレベルと結合させるように、第４エネルギー蓄積素子４５を、第１電導パスＰ１にまたは第１電導パスから、切り替えることができる。さらなるエネルギー蓄積素子およびさらなるスイッチング素子が、３Ｖｄｃ、４Ｖｄｃ、・・・および（ｎ＋１）Ｖｄｃとしての電圧レベルを出力するように、前の段階の出力端子に直接統合され得る。上のような接続形態を有することによって、各パワー半導体の電圧クラスは、出力電圧レベルの数に対してパワー半導体の数を変更することなく、より低く保つことができる。加えて、次の段階のさらなるスイッチング素子を追加することが、前の段階のコンバータの接続形態に依存しないので、出力電圧のレベル数は、次の段階のためのより多くのスイッチング素子を合体することで、これまでの段階に対応する変更をすることなく、上げることができる。このことは、コストの低減および信頼性の増加をもたらす。
【００７３】
本発明はいくつかの好ましい実施形態に基づいて説明されてきたが、当業者は、これらの実施形態が本発明の範囲を決して限定するべきではないことを、認識すべきである。本発明の精神および概念から逸脱することなく、実施形態に対するいかなる変形例および変更例も、この分野における通常の知識およびスキルを有する者の理解の範囲内にあり、かつ、従って、添付された請求項によって定義される本発明の範囲の一部となるべきである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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