(57)【要約】【課題】５レベル電力変換装置において、コンデンサ数を低減し、かつ、スイッチングデバイスの導通数を低減する。【解決手段】直流電圧源の正負極ＰＮ間にコンデンサＣ１〜Ｃ４を順次直列接続する。コンデンサＣ２の両端子間にスイッチングデバイスＳ７，Ｓ８を順次直列接続し、コンデンサＣ３の両端子間にスイッチングデバイスＳ９，Ｓ１０を順次直列接続する。直流電圧源の正極ＰとスイッチングデバイスＳ７，Ｓ８の共通接続点間にスイッチングデバイスＳ３，Ｓ４を順次直列接続し、スイッチングデバイスＳ９，Ｓ１０の共通接続点と、直流電圧源の負極Ｎ間にスイッチングデバイスＳ５，Ｓ６を順次直列接続する。スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点とスイッチングデバイスＳ５，Ｓ６の共通接続点との間にスイッチングデバイスＳ１，Ｓ２を順次直列接続する。【選択図】図１
2015181325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、
直流電圧源の正負極間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、
第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、
第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、
直流電圧源の正極端と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、
第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、
を備え、
第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする５レベル電力変換装置。
【請求項２】
直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、
直流電圧源の第１正極端子と第１負極端子間に順次直列接続された第２，第３コンデンサと、
直流電圧源の第１正極端子と第２正極端子間に接続された第１コンデンサと、
直流電圧源の第１負極端子と第２負極端子間に接続された第４コンデンサと
直流電圧源の第２正極端子と第２，第３コンデンサの共通接続点間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、
第２，第３コンデンサの共通接続点と直流電圧源の第２負極端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、
直流電圧源の第１正極端子と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に、順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と直流電圧源の第１負極端子との間に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、
第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、
を備え、
第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする５レベル電力変換装置。
【請求項３】
直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、
直流電圧源の第１正極端子と第１負極端子間に順次直列接続された第１，第４コンデンサと、
直流電圧源の第２正極端子と第１，第４コンデンサの共通接続点との間に接続された第２コンデンサと、
第１，第４コンデンサの共通接続点と直流電圧源の第２負極端子との間に接続された第３コンデンサと、
第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、
第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、
直流電圧源の第１正極端子と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と直流電圧源の第１負極端子との間に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、
第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、を備え、
第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする５レベル電力変換装置。
【請求項４】
直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、
直流電圧源の正負極間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、
第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７スイッチングデバイス，第１ダイオードと、
第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第２ダイオード，第１０スイッチングデバイスと、
直流電圧源の正極端と第７スイッチングデバイス，第１ダイオードの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
第２ダイオード，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、
第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、
を備え、
第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする５レベル電力変換装置。
【請求項５】
前記第１〜第４コンデンサに対して、前記電圧選択回路を三相並列接続し、三相交流出力としたことを特徴とする請求項１〜４のうち何れかに記載の５レベル電力変換装置。
【請求項６】
前記第１〜第４コンデンサに対して、前記電圧選択回路を２相並列接続し、単相交流出力としたことを特徴とする請求項１〜４のうち何れかに記載の５レベル電力変換装置。
【請求項７】
前記第１〜第４コンデンサに対して、電圧選択回路を、さらに三相追加して並列接続し、三相交流−三相交流変換、または、三相交流−単相交流変換としたことを特徴とする請求項５または６記載の５レベル電力変換装置。
【請求項８】
前記第１〜第４コンデンサに対して、電圧選択回路を、さらに二相追加して並列接続し、単相交流−三相交流変換、または、単相交流−単相交流変換としたことを特徴とする請求項５または６記載の５レベル電力変換装置。
【請求項９】
前記第１〜第４コンデンサに対して、さらに第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、
第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、
直流電圧源の正極端と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、を追加して接続し、
前記追加した第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間にリアクトルと直流電源を直列接続したことを特徴とする請求項５または６記載の５レベル電力変換装置。
【請求項１０】
前記第１〜第４コンデンサに対して、さらに第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、
第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、
直流電圧源の正極端と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、を追加して接続し、
前記追加した第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間にリアクトルと直流電源を直列接続したことを特徴とする請求項７または８記載の５レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入出力に多レベル電圧を出力できる直流−交流電力変換装置および交流−交流電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１（特許文献１）および図１２（特許文献２）に、従来の５レベル電力変換装置の代表構成例を示す。
【０００３】
図１１は、３相出力の５レベル電力変換装置を示している。表１は、図１１に示す５レベル電力変換装置のスイッチングデバイスＳｕ１〜Ｓｕ１０のスイッチングパターンおよび出力相電圧ＶＯＵＴ−NPの一例である。
【０００４】
【表１】
2015181325.tif 000003
【０００５】
表１に示す出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは、出力端子ＯＵＴと、中性点ＮＰ間の電圧である。ここで、表内の「１」はスイッチングデバイスがＯＮの状態を表し、「０」はスイッチングデバイスがＯＦＦの状態を表す。また、直流コンデンサＣ１〜Ｃ４の各印加電圧をＥとする。
【０００６】
図１２は、特許文献２における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図１２では、１相出力回路のみを図示しているが、多相回路への応用も可能である。表２は、図１２に示す５レベル電力変換装置のスイッチングデバイスのスイッチングパターンおよび出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰの一例である。
【０００７】
【表２】
2015181325.tif 000004
【０００８】
ここでは、表内の「１」はスイッチングデバイスがＯＮの状態を表し、「０」はスイッチングデバイスがＯＦＦの状態を表す。また、直流コンデンサ６1，６2の印加電圧を２Ｅ、直流コンデンサＣ３，Ｃ４の印加電圧をＥとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−２５３９２７号公報
【特許文献２】ＦＵ０６９５８３２４＿２００５１０２５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、 図１１に示す５レベル電力変換装置において、主の直流電圧の正側から出力端子ＯＵＴ、または、負側から出力端子ＯＵＴに対して電圧を出力する場合、スイッチングデバイスの導通数は３つである。表１のすべてのスイッチングパターンにおいてＯＮ状態のスイッチングデバイスが３つであることがこれを説明している。
【００１１】
スイッチングデバイスの導通数を低減することにより、スイッチングデバイスの導通損失を低減できることが、電力変換装置の効率の面で望ましい。
【００１２】
また、図１２の５レベル電力変換装置を用いた場合には、表２からわかるように主の直流電圧の正側から出力端子ＯＵＴ、または、負側から出力端子ＯＵＴに対して電圧を出力する際のスイッチングデバイスの導通数は２個である。図１１の構成よりも、スイッチングデバイスの導通損失を低減できる。しかし、この回路構成では、直流コンデンサ６1，６2の他に一相の電力変換装置内に２個の直流コンデンサＣ３，Ｃ４を設ける必要がある。
【００１３】
このため、三相の電力変換装置では６個の電力変換装置内蔵の直流コンデンサＣ３，Ｃ４と、２つの直流コンデンサ６1，６2、合計８個のコンデンサが必要である。電力変換装置の小型化の面において、コンデンサ数の多い図１２の回路構成は望ましくない。
【００１４】
以上示したように、５レベル電力変換装置において、スイッチングデバイスの導通数を低減すると共に、コンデンサ数を低減し、スイッチングデバイスの導通損失を低減すると共に、装置の小型化を図ることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、直流電圧源の正負極間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、直流電圧源の正極端と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、を備え、第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする。
【００１６】
また、他の態様として、直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、直流電圧源の第１正極端子と第１負極端子間に順次直列接続された第２，第３コンデンサと、直流電圧源の第１正極端子と第２正極端子間に接続された第１コンデンサと、直流電圧源の第１負極端子と第２負極端子間に接続された第４コンデンサと、直流電圧源の第２正極端子と第２，第３コンデンサの共通接続点間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、第２，第３コンデンサの共通接続点と直流電圧源の第２負極端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、直流電圧源の第１正極端子と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に、順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と直流電圧源の第１負極端子との間に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、を備え、第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする。
【００１７】
また、他の態様として、直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、直流電圧源の第１正極端子と第１負極端子間に順次直列接続された第１，第４コンデンサと、直流電圧源の第２正極端子と第１，第４コンデンサの共通接続点との間に接続された第２コンデンサと、第１，第４コンデンサの共通接続点と直流電圧源の第２負極端子との間に接続された第３コンデンサと、第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、直流電圧源の第１正極端子と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と直流電圧源の第１負極端子との間に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、を備え、第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする。
【００１８】
また、他の態様として、直流電圧から交流電圧への電圧変換、または、交流電圧から直流電圧への電圧変換を行う５レベル電力変換装置であって、直流電圧源の正負極間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７スイッチングデバイス，第１ダイオードと、第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第２ダイオード，第１０スイッチングデバイスと、直流電圧源の正極端と第７スイッチングデバイス，第１ダイオードの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第２ダイオード，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１，第２スイッチングデバイスと、を有する電圧選択回路と、を備え、第２，第３コンデンサの共通接続点を中性点とし、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子としたことを特徴とする。
【００１９】
また、その一態様として、前記第１〜第４コンデンサに対して、前記電圧選択回路を三相並列接続し、三相交流出力としたことを特徴とする。
【００２０】
また、他の態様として、前記第１〜第４コンデンサに対して、前記電圧選択回路を２相並列接続し、単相交流出力としたことを特徴とする。
【００２１】
また、他の態様として、前記第１〜第４コンデンサに対して、電圧選択回路を、さらに三相追加して並列接続し、三相交流−三相交流変換、または、三相交流−単相交流変換としたことを特徴とする。
【００２２】
また、他の態様として、前記第１〜第４コンデンサに対して、電圧選択回路を、さらに二相追加して並列接続し、単相交流−三相交流変換、または、単相交流−単相交流変換としたことを特徴とする。
【００２３】
また、他の態様として、前記第１〜第４コンデンサに対して、さらに第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、直流電圧源の正極端と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、を追加して接続し、前記追加した第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間にリアクトルと直流電源を直列接続したことを特徴とする。
【００２４】
また、他の態様として、前記第１〜第４コンデンサに対して、さらに第２コンデンサの両端子間に順次直列接続された第７，第８スイッチングデバイスと、第３コンデンサの両端子間に順次直列接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、直流電圧源の正極端と第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第９，第１０スイッチングデバイスの共通接続点と、直流電圧源の負極端に順次直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、を追加して接続し、前記追加した第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点との間にリアクトルと直流電源を直列接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、５レベル電力変換装置において、スイッチングデバイスの導通数を低減すると共に、コンデンサ数を低減し、スイッチングデバイスの導通損失を低減すると共に、装置の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図２】実施形態２における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図３】実施形態３における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図４】実施形態４における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図５】実施形態５における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図６】実施形態６における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図７】実施形態７における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図８】実施形態８における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図９】実施形態９における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図１０】実施形態１０における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図１１】特許文献１における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図１２】特許文献２における５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［実施形態１］
図１は、本実施形態１における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図１に示すように、直流電圧源の正極Ｐ，負極Ｎ間に第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４を順次直列接続する。この第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４により直流電圧を４分圧する。また、第２，第３コンデンサＣ２，Ｃ３の共通接続点を中性点ＮＰとする。
【００２８】
第２コンデンサＣ２の両端子間に第７，第８スイッチングデバイスＳ７，Ｓ８を直列接続し、正極Ｐと第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点間に第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４を順次直列接続する。
【００２９】
また、第３コンデンサＣ３の両端子間に第９，第１０スイッチングデバイスＳ９，Ｓ１０を順次直列接続し、第９，第１０スイッチングデバイスＳ９，Ｓ１０と負極Ｎ間に第５，第６スイッチングデバイスＳ５，Ｓ６を順次直列接続する。また、第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点と第５，第６スイッチングデバイスＳ５，Ｓ６の共通接続点との間に第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２を順次直列接続する。この第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点を出力端子ＯＵＴとする。なお、第１〜第１０スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１０により電圧選択回路４を構成する。
【００３０】
上記のように、本実施形態１によれば、一相あたりスイッチングデバイス数１０個で５レベル電力変換装置を実現することが可能となる。また、一般的なスイッチングデバイスを２直列接続した２ｉｎ１モジュールを利用することができる。
【００３１】
第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧をそれぞれＥとすると、中性点ＮＰを基準とした出力端子ＯＵＴへの出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰとスイッチングパターンの関係は表３のようになる。
【００３２】
【表３】
2015181325.tif 000005
【００３３】
ここで、表３のスイッチングパターンの各出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰと電流経路を以下に説明する。
【００３４】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝２Ｅ＞
第１，第３スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３が各々ＯＮ、第２，第４〜第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ２→Ｃ１→Ｓ３→Ｓ１→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは２Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第３，第１スイッチングデバイスＳ３，Ｓ１の２個のスイッチングデバイスを導通する。
【００３５】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝Ｅ＞
第１，第４，第７スイッチングデバイスＳ１，Ｓ４，Ｓ７が各々ＯＮ、第２，第３，第５，第６，第８〜第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ２→Ｓ７→Ｓ４→Ｓ１→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰはＥとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第７，第４，第１スイッチングデバイスＳ７，Ｓ４，Ｓ１の３個のスイッチングデバイスを導通する。
【００３６】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０＞
（１）第１，第４，第８スイッチングデバイスＳ１，Ｓ４，Ｓ８が各々ＯＮ、第２，第３，第５，第６，第７，第９，第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ９，Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｓ８→Ｓ４→Ｓ１→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは０となる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第８，第４，第１スイッチングデバイスＳ８，Ｓ４，Ｓ１の３個のスイッチングデバイスを導通する。
【００３７】
（２）第２，第５，第９スイッチングデバイスＳ２，Ｓ５，Ｓ９が各々ＯＮ、第１，第３，第４，第６，第７，第８，第１０スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｓ９→Ｓ５→Ｓ２→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは０となる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第９，第５，第２スイッチングデバイスＳ９，Ｓ５，Ｓ２の３個のスイッチングデバイスを導通する。
【００３８】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−Ｅ＞
第２，第５，第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ５，Ｓ１０が各々ＯＮ、第１，第３，第４，第６〜第９スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６〜ＳＳ９が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ３→Ｓ１０→Ｓ５→Ｓ２→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは−Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第１０，第５，第２スイッチングデバイスＳ１０，Ｓ５，Ｓ２の３個のスイッチングデバイスを導通する。
【００３９】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−２Ｅ＞
第２，第６スイッチングデバイスＳ２，Ｓ６が各々ＯＮ、第１，第３〜第５，第７〜第１０スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３〜Ｓ５，Ｓ７〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ３→Ｃ４→Ｓ６→Ｓ２→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは−２Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第６，第２スイッチングデバイスＳ６，Ｓ２の２個のスイッチングデバイスを導通する。
【００４０】
以上示したように、２Ｅおよび−２Ｅを出力するときのスイッチングデバイスの導通数は２個であり、それ以外のスイッチングパターンは３個となる。したがって、図８の回路構成と比較して、２Ｅおよび−２Ｅを出力するときにはスイッチングデバイスの導通数が低減することになり、導通損失を低減できる。すなわち、Ｅ，０，−Ｅを出力するときは、スイッチングデバイスの導通数は３個で図８に示す回路構成と変わらないため、導通損失も変わらない。しかし、高力率条件下においては２Ｅや−２Ｅを出力するときに電流の絶対値は大きくなるため、２Ｅや−２Ｅを出力するときにスイッチングデバイスの導通数が低減する本実施形態１の電力変換装置は、電力変換装置全体の導通損失の低減、すなわち、電力変換装置の高効率化に大きな効果をもたらす。 
【００４１】
また、本実施形態１によれば、直流コンデンサ４個と一相あたりのスイッチングデバイス数１０個で５レベル電力変換装置を実現できるため、特許文献２と比較して、装置の小型化を図ることが可能となる。また、一般的な２ｉｎ１モジュールを利用することができるため、小型かつ高効率な５レベル電力変換装置を実現することが可能となる。
【００４２】
［実施形態２］
図２は、本実施形態２における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図２に示すように、本実施形態２では、第１正極端子Ｐ１，第１負極端子Ｎ１間に第２，第３コンデンサＣ２，Ｃ３を順次直列接続し、第１正極端子Ｐ１と第２正極端子Ｐ２間に第１コンデンサＣ１を接続し、第１負極端子Ｎ１と第２負極端子Ｎ２間に第４コンデンサＣ４を接続している。なお、本実施形態２では、第１，第４コンデンサＣ１，Ｃ４の充電電圧をＥ、第２，第３コンデンサＣ２，Ｃ３の充電電圧を２Ｅとしている。
【００４３】
スイッチングパターンは表３と同じである。ここで、実施形態２における電流経路を以下に説明する。
【００４４】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝２Ｅ＞
第１，第３スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３が各々ＯＮ、第２，第４〜第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ２→Ｓ３→Ｓ１→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは２Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第３，第１スイッチングデバイスＳ３，Ｓ１の２個のスイッチングデバイスを導通する。
【００４５】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝Ｅ＞
第１，第４，第７スイッチングデバイスＳ１，Ｓ４，Ｓ７が各々ＯＮ、第２，第３，第５，第６，第８〜第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ２→Ｃ１→Ｓ７→Ｓ４→Ｓ１→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは２Ｅ−Ｅ＝Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第７，第４，第１スイッチングデバイスＳ７，Ｓ４，Ｓ１の３個のスイッチングデバイスを導通する。
【００４６】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０＞
出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０のときの電流経路は実施形態１と同様である。
【００４７】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−Ｅ＞
第２，第５，第１０スイッチングデバイスＳ２，Ｓ５，Ｓ１０が各々ＯＮ、第１，第３，第４，第６〜第９スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６〜ＳＳ９が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ３→Ｃ４→Ｓ１０→Ｓ５→Ｓ２→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは−２Ｅ＋Ｅ＝−Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第１０，第５，第２スイッチングデバイスＳ１０，Ｓ５，Ｓ２の３個のスイッチングデバイスを導通する。
【００４８】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−２Ｅ＞
第２，第６スイッチングデバイスＳ２，Ｓ６が各々ＯＮ、第１，第３〜第５，第７〜第１０スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３〜Ｓ５，Ｓ７〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ３→Ｓ６→Ｓ２→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは−２Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第６，第２スイッチングデバイスＳ６，Ｓ２の２個のスイッチングデバイスを導通する。
【００４９】
したがって、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
【００５０】
［実施形態３］
図３は、本実施形態３における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図３に示すように、本実施形態３では、第１正極端子Ｐ１，中性点ＮＰ間に第１コンデンサＣ１を接続し、第２正極端子Ｐ２と中性点ＮＰ間に第２コンデンサＣ２を接続し、第１負極端子Ｎ１と中性点ＮＰ間に第４コンデンサＣ４を接続し、第２負極端子Ｎ２と中性点ＮＰ間に第３コンデンサＣ３を接続している。なお、本実施形態２では、第１，第４コンデンサＣ１，Ｃ４の電圧を２Ｅ、第２，第３コンデンサＣ２，Ｃ３の電圧をＥとしている。その他は、実施形態１と同様である。
【００５１】
スイッチングパターンは表３と同じである。ここで、本実施形態３における電流経路を以下に説明する。
【００５２】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝２Ｅ＞
出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝２Ｅのときの電流経路は、実施形態２と同様である。
【００５３】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝Ｅ＞
出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝Ｅのときの電流経路は、実施形態１と同様である。
【００５４】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０＞
出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０のときの電流経路は、実施形態１，２と同様である。
【００５５】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−Ｅ＞
出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−Ｅのときの電流経路は、実施形態１の電流経路と同様である。
【００５６】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝−２Ｅ＞
第２，第６スイッチングデバイスＳ２，Ｓ６が各々ＯＮ、第１，第３〜第５，第７〜第１０スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３〜Ｓ５，Ｓ７〜Ｓ１０が各々ＯＦＦとなり、電流は、中性点ＮＰ→Ｃ４→Ｓ６→Ｓ２→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。中性点ＮＰと出力端子ＯＵＴ間の出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰは−２Ｅとなる。このスイッチングパターンにおいて、電流は第６，第２スイッチングデバイスＳ６，Ｓ２の２個のスイッチングデバイスを導通する。
【００５７】
したがって、実施形態１，２と同様の作用効果を奏する。
【００５８】
［実施形態４］
図４は、本実施形態４における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図４に示すように、実施形態１における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、実施形態１における電圧選択回路４を三相並列接続している。
【００５９】
なお、図４では、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対し、電圧選択回路４を三相並列接続しているが、電圧選択回路４を２相並列接続してもよい。また、図４では、実施形態１における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４および電圧選択回路４を適用しているが、実施形態２または３の第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４および電圧選択回路４を適用してもよい。
【００６０】
以上示したように、本実施形態４によれば、実施形態１〜３の５レベル電力変換装置を３相並列接続、または、２相並列接続することにより、直流−三相交流５レベル電力変換装置、または、直流−単相交流５レベル電力変換装置を実現することが可能となる。
【００６１】
［実施形態５］
図５は、本実施形態５における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図５に示すように、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、実施形態１における電圧選択回路４を６組並列接続し、三組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを三相交流電源、他の三組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを三相負荷に接続することにより、三相交流−三相交流電力変換装置を構成することが可能となる。
【００６２】
なお、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、実施形態１における電圧選択回路４を４組並列接続し、二組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを単相交流電源に接続し、他の二組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを単相負荷に接続することにより、単相交流−単相交流電力変換装置を構成することが可能となる。
【００６３】
また、図５では、実施形態１における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４および電圧選択回路４を適用しているが、実施形態２または３の第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４および電圧選択回路４を適用してもよい。
【００６４】
［実施形態６］
図６は、本実施形態６における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図６に示すように、本実施形態６における５レベル電力変換装置は、実施形態４における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、電圧選択回路の第３〜第１０スイッチングデバイスＳ３〜Ｓ１０と、リアクトルＬと、直流電源ＶＤＣを設けたものである。
【００６５】
具体的には、第２コンデンサＣ２の両端子間に第７，第８スイッチングデバイスＳ７，Ｓ８を直列接続し、第１正極端子Ｐ１と第７，第８スイッチングデバイスＳ７，Ｓ８の共通接続点間に第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４を順次直列接続する。
【００６６】
また、第３コンデンサＣ３の両端子間に第９，第１０スイッチングデバイスＳ９，Ｓ１０を順次直列接続し、第９，第１０スイッチングデバイスＳ９，Ｓ１０と第１負極端子Ｎ１間に第５，第６スイッチングデバイスＳ５，Ｓ６を順次直列接続する。
【００６７】
また、第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点と、第５，第６スイッチングデバイスＳ５，Ｓ６の共通接続点との間にリアクトルＬと、直流電源ＶＤＣを直列接続する。
【００６８】
すなわち、第１正極端子Ｐ１，第２正極端子Ｐ２，中性点ＮＰ，第２負極端子Ｎ２，第１負極端子Ｎ１より左側の回路では、実施形態１の第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２を省略した電圧選択回路４と、リアクトルＬと直流電源ＶＤＣを接続する。
【００６９】
以上示したように、本実施形態６では、直流電源ＶＤＣを昇圧して直流−三相交流変換を行える。すなわち、高い電圧を三相交流負荷１に給電できることが特徴である。
【００７０】
なお、図６において三相交流負荷１の代わりに三相交流電源を接続し、直流電源ＶＤＣを充放電する電力変換装置にも応用が可能である。
【００７１】
また、図６では、実施形態１における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４および電圧選択回路４および第３〜第１０スイッチングデバイスＳ３〜Ｓ１０を適用しているが、実施形態２または３の第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４および電圧選択回路４、および、第３〜第１０スイッチングデバイスＳ３〜Ｓ１０を適用してもよい。また、電圧選択回路４を二組とし、直流−単相交流５レベル電力変換装置としてもよい。
【００７２】
［実施形態７］
図７は、本実施形態７における５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７における５レベル電力変換装置は、実施形態５における交流−交流電力変換装置の第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対し、実施形態６における第３〜第１０スイッチングデバイスＳ３〜Ｓ１０と、リアクトルＬ，直流電源ＶＤＣを設けたものである。
【００７３】
本実施形態７によれば、（１）三相交流電源３の正常時には、三相交流電源３から電力変換器装置を経て三相交流負荷１に給電し、かつ、かつ直流電源ＶＤＣを充電する。
（２）一方、三相交流電源３の停電時には、直流電源ＶＤＣから５レベル電力変換装置を経て三相交流負荷１に給電する機能を有する。
【００７４】
また、本実施形態７における５レベル電力変換装置は、パワーコンデショナー、ＵＰＳなどに応用可能である。
【００７５】
［実施形態８］
図８は、本実施形態８における５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８における５レベル電力変換装置は、実施形態１における第８スイッチングデバイスＳ８をダイオードＤ１に置き換え、第９スイッチングデバイスＳ９をダイオードＤ２に置き換えたものである。
【００７６】
表４に実施形態８におけるスイッチパターンを示す。
【００７７】
【表４】
2015181325.tif 000006
【００７８】
コンデンサＣ１〜Ｃ４の印加電圧をＥとしたときに、５つのモードによって、中性点ＮＰを基準とした出力端子ＯＵＴへの出力電圧を２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルとすることができる。
【００７９】
Ｍｏｄｅ１，２，４，５（出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ）のスイッチングパターンについては実施形態１と同様であるためここでの説明は省略し、Ｍｏｄｅ３（出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０）についてのみ説明する。
【００８０】
＜出力相電圧ＶＯＵＴ−ＮＰ＝０＞
第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２が各々ＯＮ、第３〜第７，第１０スイッチングデバイスＳ３〜Ｓ７，Ｓ１０が各々ＯＦＦとなる。
【００８１】
（１）電流が正の場合
電流は中性点ＮＰ→Ｄ１→Ｓ４のフライホイールダイオード→Ｓ１→出力端子ＯＵＴの経路で流れる。
【００８２】
（２）電流が負の場合
電流は出力端子ＯＵＴ→Ｓ２→Ｓ５のフライホイールダイオード→Ｄ２→中性点ＮＰの経路で流れる。
【００８３】
以上示したように、本実施形態８は実施形態１と同様の作用効果を奏する。
【００８４】
また、実施形態１では、一相当たりスイッチング素子の数は１０個である。本実施形態８では、スイッチングデバイスが８個，ダイオードが２個であるため、スイッチングデバイスを駆動するためのゲート駆動回路数を低減することが可能となる。
【００８５】
さらに、どのスイッチングパターンのときも、スイッチングデバイスの導通数が２つになるため、導通損失を低減できる。
【００８６】
［実施形態９］
図９は、本実施形態９における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図９に示すように、実施形態９における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、実施形態８における電圧選択回路４を三相並列接続している。
【００８７】
なお、図９では、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対し、電圧選択回路４を三相並列接続しているが、電圧選択回路４を２相並列接続してもよい。
【００８８】
以上示したように、本実施形態９によれば、実施形態８の５レベル電力変換装置を３相並列接続、または、２相並列接続することにより、直流−三相交流５レベル電力変換装置、または、直流−単相交流５レベル電力変換装置を実現することが可能となる。
【００８９】
また、電圧選択回路４を三相並列接続した場合は、スイッチング素子数２４個，ダイオード数６個、および、４分割したコンデンサから５レベル電力変換装置を構成することが可能となり、従来と比べて装置の小型化が図れる。
【００９０】
［実施形態１０］
図１０は、本実施形態１０における５レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図１０に示すように、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、実施形態８における電圧選択回路４を６組並列接続し、三組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを三相交流電源、他の三組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを三相負荷に接続することにより、三相交流−三相交流電力変換装置を構成することが可能となる。
【００９１】
なお、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、実施形態８における電圧選択回路４を４組並列接続し、二組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを単相交流電源に接続し、他の二組の電圧選択回路４の出力端子ＯＵＴを単相負荷に接続することにより、単相交流−単相交流電力変換装置を構成することが可能となる。
【００９２】
また、電圧選択回路４を三相並列接続した場合は、スイッチング素子数４８個，ダイオード数１２個、および、４分割したコンデンサから５レベル電力変換装置を構成することが可能となる。
【００９３】
［実施形態１１］
実施形態６（図６）における５レベル電力変換装置のインバータ回路側のスイッチング素子Ｓ８，Ｓ９を、実施形態８と同様に、ダイオードＤ１，Ｄ２に置き換えることも可能である。
【００９４】
なお、チョッパ回路側のスイッチング素子Ｓ８，Ｓ９をダイオードに替えることはできない。
【００９５】
これにより、実施形態８と同様にスイッチング素子数を低減することが可能となる。
【００９６】
［実施形態１２］
実施形態７（図７）における５レベル電力変換装置のインバータ回路側のスイッチング素子Ｓ８，Ｓ９を、実施形態８と同様に、ダイオードＤ１，Ｄ２に置き換えることも可能である。
【００９７】
なお、チョッパ回路側のスイッチング素子Ｓ８，Ｓ９をダイオードに替えることはできない。
【００９８】
これにより、実施形態８と同様にスイッチング素子数を低減することが可能となる。
【００９９】
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】
【０１００】
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ１０…スイッチングデバイス
４…電圧選択回路
ＮＰ…中性点
ＯＵＴ…出力端子
Ｐ…正極端
Ｎ…負極端
【図１】
2015181325.tif 000007
【図２】
2015181325.tif 000008
【図３】
2015181325.tif 000009
【図４】
2015181325.tif 000010
【図５】
2015181325.tif 000011
【図６】
2015181325.tif 000012
【図７】
2015181325.tif 000013
【図８】
2015181325.tif 000014
【図９】
2015181325.tif 000015
【図１０】
2015181325.tif 000016
【図１１】
2015181325.tif 000017
【図１２】
2015181325.tif 000018