(57)【要約】【課題】改良されたトポロジーを有するコンバータを提供する。【解決手段】コンバータは、少なくとも３つのスイッチユニット、少なくとも３つの入力カスケード端子、および少なくとも３つの出力カスケード端子を含む。３つの入力カスケード端子は、他のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子、または直流（ＤＣ）リンクの対応する端子にそれぞれ結合される。３つの出力カスケード端子は、入れ子構造を有するマルチレベルコンバータデバイスを形成するように、他のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子にそれぞれ結合され、または一つに束ねられる。３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うよう制御される。３つの出力カスケード端子からもたらされる異なる出力電圧のそれぞれは、３つのスイッチユニットの少なくとも１つのターンオン状態と排他的に関連付けられる。【選択図】 図１
2015139365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つのスイッチユニットと、
少なくとも３つの入力カスケード端子と、
少なくとも３つの出力カスケード端子と、
を備え、
前記３つの入力カスケード端子が別のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子、または直流（ＤＣ）リンクの対応する端子にそれぞれ結合され、前記３つの出力カスケード端子は、入れ子構造を有するマルチレベルコンバータデバイスが形成されるように、別のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子にそれぞれ結合され、または一つに束ねられ、
前記３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うように制御され、
前記３つの出力カスケード端子からもたらされる異なる出力電圧のそれぞれは、前記３つのスイッチユニットの少なくとも１つのターンオン状態と排他的に関連付けられている、コンバータモジュール。
【請求項２】
前記コンバータモジュールは、前記マルチレベルコンバータデバイスの最も外側に置かれたコンバータモジュールであり、前記最も外側のコンバータモジュールの前記３つの入力カスケード端子は、第１の端子、第２の端子、および前記ＤＣリンクのＤＣ中間端子にそれぞれ結合され、前記最も外側のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子は、別のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子に結合され、前記少なくとも３つのスイッチユニットは、
第１のスイッチユニットと、
第２のスイッチユニットと、
第３のスイッチユニットと、
を備え、
前記最も外側のコンバータモジュールの第１の出力カスケード端子は、前記第１のスイッチユニットがオンにされ、かつ、前記第２および第３のスイッチユニットがオフにされたとき、第１のレベルの出力電圧をもたらし、
前記最も外側のコンバータモジュールの第２の出力カスケード端子は、前記第２のスイッチユニットがオンにされ、かつ、前記第１および第３のスイッチユニットがオフにされたとき、第２のレベルの出力電圧をもたらし、
前記最も外側のコンバータモジュールの第３の出力カスケード端子は、前記第３のスイッチユニットがオンにされ、かつ、前記第１および第２のスイッチユニットがオフにされたとき、第３のレベルの出力電圧をもたらす、
請求項１に記載のコンバータモジュール。
【請求項３】
前記コンバータモジュールは、前記マルチレベルコンバータデバイスの最も内側に置かれたコンバータモジュールであり、前記最も内側のコンバータモジュールの前記３つの入力カスケード端子は、別のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子にそれぞれ結合され、前記最も内側のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子は、前記マルチレベルコンバータデバイスの出力端子に共通して結合され、前記少なくとも３つのスイッチユニットは、
第１のスイッチユニットと、
第２のスイッチユニットと、
第３のスイッチユニットと、
を備え、
前記最も内側のコンバータモジュールの第１の出力カスケード端子は、前記第１のスイッチユニットがオンにされ、かつ、前記第２および第３のスイッチユニットがオフにされたとき、第１のレベルの出力電圧をもたらし、
前記最も内側のコンバータモジュールの第２の出力カスケード端子は、前記第２のスイッチユニットがオンにされ、かつ、前記第１および第３のスイッチユニットがオフにされたとき、第２のレベルの出力電圧をもたらし、
前記最も内側のコンバータモジュールの第３の出力カスケード端子は、前記第３のスイッチユニットがオンにされ、かつ、前記第１および第２のスイッチユニットがオフにされたとき、第３のレベルの出力電圧をもたらす、
請求項１に記載のコンバータモジュール。
【請求項４】
前記コンバータモジュールは、長手方向アームと、前記長手方向アームと実質的に垂直であるトランスバースアームとを備え、前記３つのスイッチユニットのうちの少なくとも２つが前記長手方向アームに置かれ、前記３つのスイッチユニットのうちの少なくとも１つが前記トランスバースアームに置かれている、請求項１に記載のコンバータモジュール。
【請求項５】
前記トランスバースアームに置かれた前記スイッチユニットは、双方向制御可能なスイッチを備える、請求項４に記載のコンバータモジュール。
【請求項６】
前記少なくとも３つのスイッチユニットは、第１のスイッチユニット、第２のスイッチユニット、および第３のスイッチユニットを備え、前記第３のスイッチユニットは、第１のサブスイッチおよび第２のサブスイッチを備え、前記第１および第２のサブスイッチは、単方向制御可能なスイッチであり、前記第１および第２のサブスイッチの制御可能な方向が逆である、請求項１に記載のコンバータモジュール。
【請求項７】
前記第１および第２のサブスイッチに印加された制御信号の一方は、前記第１のスイッチユニットまたは前記第２のスイッチユニットに印加された前記制御信号と相対的に、１つ以上の信号遷移エッジで、先行期間または遅延期間を有し、前記第１および第２のサブスイッチに印加された前記制御信号のもう一方は、前記第１のスイッチユニットまたは前記第２のスイッチユニットに印加された前記制御信号と相対的に、１つ以上の信号遷移エッジで、遅延期間または先行期間を有する、請求項６に記載のコンバータモジュール。
【請求項８】
第１のコンバータモジュールと、
第２のコンバータモジュールと、
を備え、
前記第１および第２のコンバータモジュールのそれぞれは、少なくとも３つのスイッチユニットと、少なくとも３つの入力カスケード端子と、少なくとも３つの出力カスケード端子とを備え、
前記第１のコンバータモジュールの前記３つの入力カスケード端子は、前記第２のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子にそれぞれ結合され、それによって、コンバータデバイスが入れ子構造を有するように構成され、
前記第１のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うように制御され、前記第１のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットのターンオン状態のそれぞれは、前記第１のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子でもたらされた３つの出力電圧のそれぞれに排他的に対応し、
前記第２のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うように制御され、前記第２のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットのターンオン状態のそれぞれは、前記第２のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子でもたらされた３つの出力電圧のそれぞれに排他的に対応している、
コンバータデバイス。
【請求項９】
前記第１のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子は、前記コンバータデバイスの出力端子に共通して結合されている、請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１０】
前記第１および第２のコンバータモジュールのそれぞれは、第１のスイッチユニット、第２のスイッチユニット、および第３のスイッチユニットを備え、少なくとも前記第３のスイッチユニットは、双方向制御可能なスイッチを備える、請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１１】
前記第１および第２のコンバータモジュールのそれぞれは、第１のスイッチユニット、第２のスイッチユニット、および第３のスイッチユニットを備え、前記第３のスイッチユニットは、第１のサブスイッチおよび第２のサブスイッチを備え、前記第１および第２のサブスイッチは、単方向制御可能なスイッチを備え、前記第１および第２のサブスイッチの制御可能な方向が逆である、請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１２】
前記第１および第２のサブスイッチに印加された制御信号の一方は、前記第１のスイッチユニットまたは前記第２のスイッチユニットに印加された前記制御信号と相対的に、１つ以上の信号遷移エッジで、先行期間または遅延期間を有し、前記第１および第２のサブスイッチに印加された前記制御信号のもう一方は、前記第１のスイッチユニットまたは前記第２のスイッチユニットに印加された前記制御信号と相対的に、１つ以上の信号遷移エッジで、遅延期間または先行期間を有する、請求項１１に記載のコンバータデバイス。
【請求項１３】
第１のフライングコンデンサと、
前記第１のフライングコンデンサと直列に結合された第２のフライングコンデンサと、
をさらに備え、
前記第１のフライングコンデンサおよび前記第２のフライングコンデンサの電圧が前記コンバータデバイスの出力冗長状態を選択的に使用することにより１つ以上のスイッチング制御サイクルにおいて実質的に均衡させられる、請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１４】
前記第１のコンバータモジュールは、前記第２のコンバータモジュールと実質的に同じ構造を有し、ここで、ｎ1およびｎ2が１以上であり、かつ、ｎ1がｎ2と等しいとして、前記第１のコンバータモジュールは、２ｎ1＋１個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成され、前記第２のコンバータモジュールは、２ｎ2＋１個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成されている、請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１５】
前記第１のコンバータモジュールは、前記第２のコンバータモジュールとは異なる構造を有し、ここで、ｎ1およびｎ2が１以上であり、かつ、ｎ1がｎ2とは異なるとして、前記第１のコンバータモジュールは、２ｎ1＋１個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成され、前記第２のコンバータモジュールは、２ｎ2＋１個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成されている、請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１６】
前記コンバータデバイスは、
少なくとも１つの第１のスイッチユニットおよび少なくとも１つの第２のスイッチユニットを備える長手方向アームと、
少なくとも１つの第３のスイッチユニットを備えるトランスバースアームと、
を備え、
Ｎ、Ｍ、およびＫが３以上であるとして、前記少なくとも１つの第１のスイッチユニットは、直列に接続されたＮ個のスイッチデバイスを備え、前記少なくとも１つの第２のスイッチユニットは、直列に接続されたＭ個のスイッチデバイスを備え、前記少なくとも１つの第３のスイッチユニットは、直列に接続されたＫ個のスイッチを備える、
請求項８に記載のコンバータデバイス。
【請求項１７】
２つのスイッチデバイスの各々がそれぞれのスナバ回路と共に配置され、前記スナバ回路は、前記スイッチデバイスがオンまたはオフにされるプロセスの間に前記少なくとも２つのスイッチデバイスが同じ電圧を実質的に共有することを確保するように構成されている、請求項１６に記載のコンバータデバイス。
【請求項１８】
電力変換を行い、電力を負荷にもたらす電力変換システムであって、
入力電力を直流（ＤＣ）電力に変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータに結合され、前記ＤＣ電力を出力電力に変換し、前記出力電力を前記負荷にもたらす第２のコンバータと、
を備え、
前記第１および第２のコンバータの少なくとも一方は、
第１のコンバータモジュールと、
第２のコンバータモジュールと、
を備え、
前記第１のコンバータおよび前記第２のコンバータのそれぞれは、少なくとも３つのスイッチユニットと、少なくとも３つの入力カスケード端子と、少なくとも３つの出力カスケード端子とを備え、
前記第１のコンバータモジュールの前記３つの入力カスケード端子が前記第２のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子にそれぞれ結合され、それによって、前記第１のコンバータまたは前記第２のコンバータが入れ子構造を有するように構成され、
前記第１のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットは、独立してスイッチング動作を行うように制御され、
前記第２のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットは、独立してスイッチング動作を行うように制御されている、
電力変換システム。
【請求項１９】
前記入力電力は、交流（ＡＣ）電力またはＤＣ電力を備え、前記出力電力は、ＡＣ電力またはＤＣ電力を備える、請求項１８に記載の電力変換システム。
【請求項２０】
前記第１のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子は、前記第１のコンバータまたは前記第２のコンバータに共通して結合されている、請求項１８に記載の電力変換システム。
【請求項２１】
前記第１のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットのターンオン状態のそれぞれは、前記第１のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子でもたらされる前記３つの出力電圧のそれぞれに排他的に対応し、前記第２のコンバータモジュールの前記３つのスイッチユニットのターンオン状態のそれぞれは、前記第２のコンバータモジュールの前記３つの出力カスケード端子でもたらされる前記３つの出力電力のそれぞれに排他的に対応している、請求項１８に記載の電力変換システム。
【請求項２２】
前記第１のコンバータは、完全に制御可能な整流デバイスを備える、請求項１８に記載の電力変換システム。
【請求項２３】
前記第１のコンバータは、完全に制御可能ではない整流デバイスを備える、請求項１８に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、新規に提案する電力コンバータを使用する電力変換のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の既知のコンバータが、ある形態から他の形態に電力を変換する電力変換デバイスとして使用されている。特に、マルチレベルコンバータは、高電力品質波形および高電圧能力の利点のため、広範囲の用途で電力変換を行うために、ますます使用されている。例えば、マルチレベルコンバータまたはマルチレベルインバータは、これらに限定されないが、石油化学、製紙、採掘、電力生産、および水処理などの産業領域で使用されており、電力（例えば、ＡＣ電力）をもたらし、ＡＣ電気モータなどの１つまたは複数の負荷を駆動する。
【０００３】
通常は、コンバータは、３レベルＮＰＣトポロジーおよびＨブリッジカスケードトポロジーなどの、特定のトポロジーを有するよう構成されている。しかしながら、コンバータで使用されるこれらのトポロジーは、依然として、理想的な入力／出力波形をもたらすことができない。したがって、現在のシステムおよび方法の上記した限界の１つまたは複数に対処するために、新規の、または改良されたトポロジーを有するシステムおよび方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の一態様によれば、コンバータが提供される。本コンバータは、少なくとも３つのスイッチユニット、少なくとも３つの入力カスケード端子、および少なくとも３つの出力カスケード端子を含む。３つの入力カスケード端子は、それぞれ、他のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子に結合され、または直流（ＤＣ）リンクの対応する端子に結合される。３つの出力カスケード端子は、それぞれ、他のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子に結合され、入れ子構造を有するマルチレベルコンバータデバイスを形成する。３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うよう制御される。３つの出力カスケード端子からもたらされる異なる出力電圧のそれぞれは、３つのスイッチユニットの、少なくとも１つのターンオン状態と排他的に関連付けられる。
【０００５】
本開示の他の態様によれば、コンバータデバイスが提供される。本コンバータデバイスは、第１のコンバータモジュールと、第２のコンバータモジュールとを含む。第１および第２のコンバータモジュールのそれぞれは、少なくとも３つのスイッチユニット、少なくとも３つの入力カスケード端子、および少なくとも３つの出力カスケード端子を備える。第１のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子は、それぞれ、第２のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子に結合され、それにより、コンバータデバイスは、入れ子構造を有するように構成される。第１のコンバータモジュールの３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うよう制御される。第１のコンバータモジュールの３つのスイッチユニットのターンオン状態のそれぞれは、第１のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子でもたらされる３つの出力電圧のそれぞれに排他的に対応している。第２のコンバータモジュールの３つのスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うよう制御される。第２のコンバータモジュールの３つのスイッチユニットのターンオン状態のそれぞれは、第２のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子でもたらされる３つの出力電圧のそれぞれに排他的に対応している。
【０００６】
本開示の他の態様によれば、電力変換を行い、負荷に電力をもたらす電力変換システムが提供される。本電力変換システムは、入力電力を、直流（ＤＣ）電力に変換するための第１のコンバータ、および第１のコンバータに結合される第２のコンバータを含む。第２のコンバータは、ＤＣ電力を出力電圧に変換し、出力電圧を負荷にもたらすよう構成される。第１および第２のコンバータの少なくとも一方は、第１のコンバータモジュールと、第２のコンバータモジュールとを含む。第１および第２のコンバータモジュールのそれぞれは、少なくとも３つのスイッチユニット、少なくとも３つの入力カスケード端子、および少なくとも３つの出力カスケード端子を備える。第１のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子は、それぞれ、第２のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子に結合され、それにより、第１のコンバータまたは第２のコンバータは、入れ子構造を有するように構成される。第１のコンバータモジュールの３つのスイッチユニットは、独立してスイッチング動作を行うよう制御される。第２のコンバータモジュールの３つのスイッチユニットは、独立してスイッチング動作を行うよう制御される。
【０００７】
本開示のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むと、より理解されるであろう。添付図面において、同様の参照符号は、図面を通じて、同様の項目を意味する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の例示的実施形態によるシステムのブロック図である。
【図２】本開示の例示的実施形態による、図１に示すシステムのコンバータの詳細図である。
【図３】本開示の例示的実施形態による、図２に示すコンバータの単相脚の概略図である。本開示の例示的実施形態による、図３ａに示す第１のコンバータモジュールおよび関連するゲートドライバの等価回路図である。本開示の例示的実施形態による、図３ａに示す単相脚コンバータの第１のコンバータモジュールおよび関連するゲートドライバの概略図である。本開示の例示的実施形態による、図３ａに示す単相脚コンバータの第２のコンバータモジュールおよび関連するゲートドライバの概略図である。
【図４】本開示の例示的実施形態による、図３ａで示す第１の相脚における８つのスイッチユニットに供給されるスイッチング信号の波形および出力電圧波形を示す図である。本開示の例示的実施形態による、図３ａに示す単相脚コンバータの複数のスイッチユニットに供給される制御信号の波形を示す図である。本開示の他の例示的実施形態による、図３ａに示す単相脚コンバータの複数のスイッチユニットに供給される制御信号の波形を示す図である。
【図５】本開示の例示的実施形態による、図２に示すコンバータの出力電圧波形を示す図である。
【図６】本開示の例示的実施形態による、図２に示すコンバータで使用される第１の種類のスイッチユニットの概略図である。
【図７】本開示の他の例示的実施形態による、図２に示すコンバータで使用される第１の種類のスイッチユニットの概略図である。
【図８】本開示の例示的実施形態による、図２に示すコンバータで使用される第２の種類のスイッチユニットの概略図である。
【図９】本開示の他の例示的実施形態による、図２に示すコンバータで使用される第２の種類のスイッチユニットの概略図である。
【図１０】本開示の他の例示的実施形態による、コンバータの１つの相脚の概略図である。
【図１１】本開示の例示的実施形態によるコンバータを動作させる方法の実装態様を概説するフローチャートである。
【図１２】本開示の例示的実施形態による、電力変換方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
これらの実施形態に関する簡潔な説明を提供するために、実際の実装態様に関するすべての特徴について１つまたは複数の特定の実施形態で説明するわけではない。いずれのそのような実際の実装態様の開発において、任意のエンジニアリングもしくは設計プロジェクトの場合と同様に、多数の実装形態特有の決定を、ある実装態様から他の実装態様に変更するなどの、システム関連の制約およびビジネス関連の制約との適合などの、開発者の特定の目的を達成するために行わなければならないことを認識すべきである。さらに、そのような開発努力は、複雑であり、時間を消費するものであろうが、本開示の利点を有する当業者とって、設計、製作、および製造の日常的な仕事であろうことを認識すべきである。
【００１０】
別段の定めがない限り、本明細書で使用される技術的用語および科学的用語は、本開示が属する当業者により一般的に理解されるのと同じ意味である。「第１の」および「第２の」などの用語は、本明細書で使用される場合、何らかの順序、数量、または重要性を意味せず、ある要素を他の要素から区別するために使用される。また、「ａ」および「ａｎ」という単語は、数量を限定する意味はなく、参照項目が少なくとも１つは存在することを意味する。「または」という単語は、包括的であることを意味し、リスト項目の任意の、いくつかの、またはすべてを意味する本明細書での「含む」「備える」もしくは「有する」、およびそれらの変化形の使用は、その後に列挙される項目、その均等物ならびに追加項目を包含することを意味する。「接続される」および「結合される」という用語は、物理的もしくは機械的接続もしくは結合に制限されず、直接的もしくは間接的な、電気的接続もしくは電気的結合を含むことができる。「回路」「回路素子」および「制御器」という用語は、単一コンポーネントまたは複数のコンポーネントを含むことができ、アクティブおよび／またはパッシブコンポーネントであり、任意選択的に接続されるか、または説明する機能を提供するよう互いに結合される。
【００１１】
本明細書で開示する実施形態は、一般に、電力変換を実施して、ある形式の電力（例えば、ＤＣまたはＡＣ電力）を、他の形式の電力（ＤＣまたはＡＣ電力）に、単方向または双方向に変換するよう構成することができる、コンバータに関する。特に、いくつかの実施形態において、本開示の発明者は、コンバータで使用するための、新規のコンバータトポロジーまたは改善された入れ子型中性点操作（ＮＰＰ）トポロジーを提案するよう共に働いた。そのような新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーを使用することの技術的利点または利益は、コンバータを動作させ、より良好な出力波形をもたらし、それにより、出力電圧リプルを著しく抑制することができ、フィルタの大きさまたは重さを低減することができ、さらにコンバータの電力性能を向上することができることである。本明細書で使用する場合、「入れ子型ＮＰＰ」は、同じか、または異なる構造を有する少なくとも２つのコンバータモジュールが、より高い出力レベルを実現するために、フライングコンデンサの使用と関連して、内側から外側へ、または外側から内側へ（左から右へ、または右から左へ、と見ることもできる）、共に結合またはカスケード接続され得る構造を意味する。一例において、５レベルコンバータは、ある３レベルコンバータモジュールを、他の３レベルコンバータモジュールと入れ子にすることによって、構成することができる。他の例において、７レベルコンバータは、３レベルコンバータモジュールを、５レベルコンバータモジュールと入れ子にすることによって、構成することができる。また、７レベルコンバータは、３つの３レベルコンバータモジュールを、一つずつ入れ子にすることによって、構成することができる。より高い出力レベルをもたらすことを可能にするコンバータを、より多くのコンバータモジュールを共に入れ子にすることによって構成することができることは明らかである。
【００１２】
いくつかの実施形態において、提案する新規の、または改良されたネスト型ＮＰＰトポロジーを用いるコンバータモジュールは、複数のスイッチユニットを有するよう構成することができる。例えば、３レベルコンバータモジュールは、長手方向アームに少なくとも２つのスイッチユニットならびに少なくとも１つの双方向性制御可能スイッチユニットまたはトランスバースアームに少なくとも２つの単方向性制御可能スイッチユニットを有するよう構成することができる。いくつかの実施形態において、様々なスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を行うよう制御される。特に、いくつかの実施形態において、コンバータモジュールの異なる出力電圧レベルのそれぞれは、ターンオンスイッチユニットの１つと排他的に関連付けられる。依然として、いくつかの実施形態において、トランスバースアームにおける２つのスイッチユニットは、同期してスイッチング動作を行うよう制御される（すなわち、２つのスイッチユニットは、同時にＯＮになるか、または同時にＯＦＦになる）。実際の用途において、長手方向アームにおけるスイッチユニットの適切な整流を確実にするために、およびデッドタイムを確実にするために、スイッチング駆動信号は、トランスバースアームにおける２つのスイッチユニットの１つのスイッチングを進めるか、または長手方向アームにおけるスイッチユニットに対してトランスバースアームにおける２つのスイッチユニットの他の１つのスイッチングを遅らせるように調整される。
【００１３】
いくつかの実施形態において、提案する新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーを用いるコンバータの１つまたは複数のスイッチング制御サイクルでは、複数のスイッチユニットに供給されるスイッチング駆動信号の重複するスイッチング状態を選択的に使用して、コンバータに配置されるフライングコンデンサの電圧を均衡させることができる。
【００１４】
いくつかの実施形態において、提案する新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーを用いるコンバータモジュールに配置されるスイッチユニットの少なくとも一部は、複数の直列接続されたスイッチデバイスによって形成される構造を有するよう構成することができる。いくつかの実施形態において、複数の直列接続されたスイッチデバイスは、低電圧定格スイッチデバイスを使用することができ、スイッチデバイスの具体的な数は、スイッチデバイスのＤＣリンク電圧および定格電圧などの、コンバータの関連する動作パラメータの少なくとも一部に基づいて決定することができる。
【００１５】
依然として、いくつかの実施形態において、複数の直列接続されたスイッチデバイスの同期スイッチングを確実にするために、複数の駆動回路が、スイッチング駆動信号を複数のスイッチデバイスに供給するよう設けられる。さらに、いくつかの実施形態において、各スイッチデバイスは、スイッチデバイスの処理がスイッチＯＮおよび／またはＯＦＦである間に、複数のスイッチデバイスが、同じ電圧を実質的に共有することができることを確実にするよう、スナバ回路と共に配置される。
【００１６】
本明細書で提案するような新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーは、ＡＣ−ＤＣコンバータ（整流器とも称することもできる）として具体的に実現され、単相、三相、または多相交流電流電圧を、ＤＣ電圧に変換することができることが、当業者には明らかである。さらに、本明細書で提案するような新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーは、ＤＣ−ＡＣコンバータ（インバータと称することもできる）として具体的に実現され、ＤＣ電圧を、単相、三相、または多相交流電流電圧に変換することができ、三相ＡＣ電気モータなどの、１つまたは複数の特定の負荷を駆動して、作動することができる。
【００１７】
図１は、本開示の例示的実施形態によるシステム１００のブロック図を示す。システム１００は、本明細書で開示するような、新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーを実現するよう構成され得る、任意の適切なコンバータベースシステムとすることができる。いくつかの実施形態において、システム１００は、高電力および高電圧用途に適切な、マルチレベルコンバータベースシステムとしてもよい。例えば、システム１００は、これらに限定されないが、石油化学、製紙、採掘、電力生産、および水処理などを含む領域で使用され、ポンプ、ファン、または搬送デバイスなどの１つまたは複数の特定の負荷を駆動することができる。
【００１８】
図１に示したように、システム１００は、一般に、電力変換デバイス１２０および、電力変換デバイス１２０と通信するよう結合される制御デバイス１４０を含む。一実施形態において、制御デバイス１４０は、電力変換デバイス１２０と電気通信するよう配置され、制御信号１０６を、例えば、１つまたは複数の電気リンクまたは配線により、電力変換デバイス１２０に送信することができる。他の実施形態において、制御デバイス１４０は、電力変換デバイス１２０と光通信することができ、制御信号１０６を、例えば、１つまたは複数の光ファイバなどの光通信リンクにより、電力変換デバイス１２０に送信することができる。制御デバイス１４０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブル論理制御器（ＰＬＣ）、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの、任意の適切なプログラマブル回路またはデバイスを含むことができる。電力変換デバイス１２０は、制御デバイス１４０から送信された制御信号１０６に応じて、第１の電力デバイス１１０と第２の電力デバイス１３０との間で、単方向または双方向電力変換を行うよう動作することができる。
【００１９】
一実施形態において、図１に示すように、電力変換デバイス１２０は、第１のコンバータ１２２、ＤＣリンク１２４、および第２のコンバータ１２６を含むことができる。一実施形態において、第１のコンバータ１２２は、第１の電力デバイス１１０（例えば、電力グリッド）からもたらされる第１の電力１０２（例えば、第１のＡＣ電力）を、ＤＣ電力１２３（例えば、ＤＣ電圧）に変換するよう構成される、ＡＣ−ＤＣコンバータとすることができる。いくつかの特定の実施形態において、第１のコンバータ１２２は、複数のダイオードによって構成される整流器ブリッジ構造を有し、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するよう構成してもよい。あるいは、第１のコンバータ１２２は、図２を参照して以下に詳細に説明する、入れ子型ＮＰＰトポロジーを使用してもよい。一実施形態において、ＤＣリンク１２４は、第１のコンバータ１２２からもたらされる第１のＤＣ電圧１２３をフィルタリングし、第２のＤＣ電圧１２５を第２のコンバータ１２６に供給するよう構成される、複数のコンデンサを含むことができる。一実施形態において、第２のコンバータ１２６は、第２のＤＣ電圧１２５を第２のＡＣ電圧１０４に変換し、第２のＡＣ電圧１０４を第２の電力デバイス１３０（例えば、ＡＣ電気モータ）に供給するよう構成される、ＤＣ−ＡＣコンバータとすることができる。一実施形態において、第２のコンバータ１２６は、図２を参照して以下に詳細に説明する入れ子型ＮＰＰトポロジーを有するよう構成される、制御されたスイッチデバイスで構成することができる。図１には図示しないが、いくつかの実施形態において、システム１００は、１つまたは複数の他のデバイスおよびコンポーネントを含んでもよい。例えば、１つまたは複数のフィルタおよび／または回路遮断器を、第１の電力デバイス１１０と電力変換デバイス１２０との間に設置することができる。また、１つまたは複数のフィルタおよび／または回路遮断器を、電力変換デバイス１２０と第２の電力デバイス１３０との間に設置することができる。
【００２０】
他の実施形態において、本明細書で開示する新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーを有して構成されるシステム１００はまた、発電システムで使用することができ、そのような発電システムには、これらに限定されないが、風力発電システム、太陽光／光起電力発電システム、水力発電システム、およびそれらの任意の適切な組み合わせを含む。一実施形態において、第１の電力デバイス１１０は、可変周波数電力をもたらすよう構成される、１つまたは複数の風力タービンを含むことができる。第１のコンバータ１２２は、ＡＣ−ＤＣコンバータとすることができ、第２のコンバータ１２６は、ＤＣ−ＡＣコンバータとすることができ、可変周波数電力１０２は、固定周波数電力１０４、例えば、５０ヘルツまたは６０ヘルツＡＣ電力に変換することができる。固定周波数電力１０４は、送信および／または配信するための電力グリッドなどの第２の電力デバイス１３０に供給することができる。いくつかの実施形態において、第２の電力デバイス１３０は、第２の電力１０４により駆動することができる、車両、ファン、またはポンプで使用される電気モータなどの負荷を含むことができる。いくつかの実施形態において、システム１００が、太陽光発電システムとして実現された場合、第１のコンバータ１２２は、ＤＣ電力変換を行うためのＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。いくつかの実施形態において、第１のコンバータ１２２は、省略することができ、第２のコンバータまたはＤＣ−ＡＣコンバータ１２６が、第１の電力デバイス１１０（例えば、１つまたは複数の太陽光パネル）からもたらされるＤＣ電力の、ＡＣ電力への変換を担うことができる。
【００２１】
いくつかの他の実施形態において、システム１００はまた、連続的な電力供給を維持するため、無停電電源装置（ＵＰＳ）を使用することが望ましい領域で使用することができる。そのような用途において、システム１００の電力変換デバイス１２０はまた、新規の、または改善された入れ子型ＮＰＰトポロジーを有する用構成してもよい。一実施形態において、第１のコンバータ１２２は、第１の電力デバイス１１０（例えば、電力グリッド）からもたらされる第１のＡＣ電力を、ＤＣ電力に変換するよう構成される、ＡＣ−ＤＣコンバータとすることができる。システム１００はまた、第１のコンバータ１２２からもたらされるＤＣ電力を受け取り、蓄えるよう構成される、エネルギーストレージデバイス１２７を含んでもよい。一実施形態において、第２のコンバータ１２６は、第１のコンバータ１２２からもたらされるＤＣ電力またはエネルギーストレージデバイス１２７から得られるＤＣ電力を、第２のＡＣ電力に変換し、第２の電力を、第２の電力デバイス１３０（例えば、負荷）に供給するよう構成される、ＤＣ−ＡＣコンバータとすることができる。
【００２２】
図２を参照すると、本開示の例示的実施形態による、コンバータ２００の詳細な回路図が示される。一実施形態において、コンバータ２００は、第２のコンバータ１２６として使用することができ、より詳しくは、ＤＣ−ＡＣコンバータとして使用することができる。一実施形態において、コンバータ２００は、第１のポート２０２と第２のポート２０４とを含み、そのどちらも、第１のコンバータ１２２からもたらされるＤＣ電圧１２３（図１参照）などのＤＣ電圧を受け取るよう構成される。第１のポート２０２は、第１のＤＣライン２０６に電気的に結合され、第２のポート２０４は、第２のＤＣライン２０８に電気的に結合される。ＤＣリンク２１０はまた、第１のポート２０２と第２のポート２０４との間に電気的に結合され、受け取ったＤＣ電圧に対してフィルタリング動作を行い、結合された後続のスイッチデバイスに対して、実質的に一定の電圧を維持する。一実施形態において、ＤＣリンク２１０は、第１のＤＣライン２０６と第２のＤＣライン２０８との間に直列に結合される、第１のコンデンサ２１２と第２のコンデンサ２１４とを含む。ＤＣ中間ポイント２１６は、第１のコンデンサ２１２と第２のコンデンサ２１４との間に規定される。他の実施形態において、ＤＣリンク２１０は、３つ以上のコンデンサを含んでもよく、コンデンサの少なくとも一部は、直列または並列に結合することができる。
【００２３】
引き続き図２を参照すると、コンバータ２００は、第１の相脚２２０、第２の相脚２５０、および第３の相脚２８０を備える。３つの相脚２２０、２５０、２８０のそれぞれは、第１のＤＣライン２０６と第２のＤＣライン２０８との間に電気的に結合され、ＤＣリンク２１０からもたらされるＤＣ電圧を受け取り、それぞれの対応する出力ポートに出力電圧をもたらす。より具体的には、一実施形態において、第１の相脚２２０は、第１の出力ポート２３５を通じて第１の相ＡＣ電圧をもたらし、第２の相脚２５０は、第２の出力ポート２６５と通じて第２の相ＡＣ電圧をもたらし、第３の相脚２８０は、第３の出力ポート２９５を通じて第３の相ＡＣ電圧をもたらす。第１の相ＡＣ電圧、第２の相ＡＣ電圧、および第３の相ＡＣ電圧は、１２０度ずつ互いにオフセットさせられる。コンバータ２００がＡＣ−ＤＣコンバータとして実装されるとき、３つの出力ポート２３５、２６５、２９５は、入力ＡＣ電圧を受け取るように構成することができることが理解されるべきである。したがって、３つの出力ポート２３５、２６５、２９５は、全体的にＡＣポートと呼ばれ得る。同様に、第１のポート２０２および第２のポート２０４は、ＤＣ電圧を出力するように構成されることもでき、この場合、２つのポート２０２、２０４は、全体的にＤＣポートと呼ばれ得る。
【００２４】
図２および図３ａを併せて参照すると、一実施形態において、第１の相脚２２０は、同じ構造を有するように構成された少なくとも２つのコンバータモジュールを含む。２つのコンバータモジュールは、高いレベルの相脚を達成するために入れ子方式で一緒に結合されている。より具体的には、第１の相脚２２０は、入れ子方式で一緒に結合された第１のコンバータモジュール２２２および第２のコンバータモジュール２２４を含む。一実施形態において、第１のコンバータモジュール２２２は、２ｎ1＋１個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成することができ、第２のコンバータモジュール２２４は、２ｎ2＋１個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成することができ、ここで、ｎ1およびｎ2は、両方共に１以上であり、ｎ1は、ｎ2に等しい。別の実施形態において、ｎ1は、ｎ2と異なるように配置され得る。例示された実施形態において、第１のコンバータモジュール２２２および第２のコンバータモジュール２２４は、５レベルの出力電圧をもたらすように配置される。特に、第１および第２のコンバータモジュール２２２、２２４のそれぞれは、他のコンバータモジュールの対応する接続端子と接続する目的のため６個の接続端子を有するように構成される。
【００２５】
より具体的には、一実施形態において、第１のコンバータモジュール２２２は、第１の長手方向アーム２０１、第２の長手方向アーム２０３、およびトランスバースアーム２０５を含む。本明細書で使用される「長手方向」および「トランスバース」は、参照だけのため使用され、本発明の範囲を具体的な方向に制限することを目的としないことに注目すべきである。第１の長手方向アーム２０１は、一方の端部に第１の長手方向アームの第１の接続端子２３７およびもう一方の端部に第１の長手方向アームの第２の接続端子２１８と一体になった第１のスイッチユニット２２８を含む。第２の長手方向アーム２０３は、第１のスイッチユニット２２８と同じ方向に配置された第２のスイッチユニット２３２を含む。第２のスイッチユニット２３２は、一方の端部に第２の長手方向アームの第１の接続端子２４１およびもう一方の端部に第２の長手方向アームの第２の接続端子２２９を有する。トランスバースアーム２０５は、逆向き直列に結合された第３のスイッチユニット２３４および第４のスイッチユニット２３６を含む。第３のスイッチユニット２３４は、一方の端部にトランスバースアームの第１の接続端子２２６を有し、第４のスイッチユニット２３６は、一方の端部にトランスバースアームの第２の接続端子２３９を有する。一実施形態において、トランスバースアームの第２の接続端子２３９は、第１のフライングコンデンサ２２５と第２のフライングコンデンサ２２７との間に規定されたフライングコンデンサ中間ポイント２２３に電気的に接続される。さらに、第１のフライングコンデンサ２２５の両端部は、２つの接続端子２３７、２３９にそれぞれ電気的に接続され、第２のフライングコンデンサ２２７の両端部は、２つの接続端子２４１、２３９にそれぞれ電気的に接続される。
【００２６】
同様に、第２のコンバータモジュール２２４は、第１の長手方向アーム２０７、第２の長手方向アーム２０９、およびトランスバースアーム２７１を含む。第１の長手方向アーム２０７は、一方の端部に第１の長手方向アームの第１の接続端子２１７およびもう一方の端部に第１の長手方向アームの第２の接続端子２１１と一体になった第５のスイッチユニット２３８を含む。第２の長手方向アーム２０９は、第５のスイッチユニット２３８と同じ方向に配置された第６のスイッチユニット２４２を含む。第６のスイッチユニット２４２は、一方の端部に第２の長手方向アームの第１の接続端子２２１およびもう一方の端部に第２の長手方向アームの第２の接続端子２１５を有する。トランスバースアーム２７１は、逆向き直列に結合された第７のスイッチユニット２４４および第８のスイッチユニット２４６を含む。第７のスイッチユニット２４４は、一方の端部にトランスバースアームの第１の接続端子２１９を有し、第８のスイッチユニット２４６は、一方の端部にトランスバースアームの第２の接続端子２１３を有する。一実施形態において、トランスバースアームの第２の接続端子２１３は、ＤＣリンク２１０の第１のコンデンサ２１２と第２のコンデンサ２１４との間に規定されたＤＣリンク中間ポイント２１６に電気的に接続される。さらに、第１のコンデンサ２１２の両端部は、２つの接続端子２１１、２１３にそれぞれ電気的に接続され、第２のコンデンサ２１４の両端部は、２つの接続端子２１３、２１５にそれぞれ電気的に接続される。
【００２７】
例示された実施形態において、入れ子型ＮＰＰ構造は、２つの接続端子２１７、２３７を電気的に接続し、２つの接続端子２１９、２３９を電気的に接続し、そして、２つの接続端子２４１、２２１を電気的に接続することによって形成されることがわかる。他の実施形態において、３つ以上の６端子コンバータモジュールを接続することによってより高いレベルのコンバータを形成するために同様な接続を行うことができることが理解できる。例示された実施形態において、第１のコンバータ２２２は、最も内側のブロックとして配置されているので、第１のコンバータ２２２の３つの接続端子２１８、２２６、２２９は、ＡＣポート２３５と共通して接続され、ＡＣ電圧を受け取るか、または、ＡＣ電圧をもたらす。さらに、第２のコンバータ２２４は、最も外側のブロックとして配置されているので、第１の長手方向アームの第２の接続端子２１１は、第１のＤＣライン２０６を通って第１のＤＣポート２０２に電気的に接続され、第２の長手方向アームの第２の接続端子２１５は、第２のＤＣライン２０８を通って第２のＤＣポート２０４に電気的に接続され、ＤＣ電圧を受け取る、または、ＤＣ電圧をもたらす。
【００２８】
引き続き図２を参照すると、第２の相脚２５０は、第１の相脚２２０と同様の構造を用いて構成される。例えば、第２の相脚２５０は、入れ子方式で一緒に結合された第１のコンバータモジュール２５２および第２のコンバータモジュール２５４をさらに含む。第１および第２のコンバータモジュール２５２、２５４のそれぞれは、他のコンバータモジュールの対応する端子に接続する６個の接続端子を有する。第１のコンバータモジュール２５２は、４つのスイッチユニット２５８、２６２、２６４、２６６を含み、第２のコンバータモジュール２５４は、４つのスイッチユニット２６８、２７２、２７４、２７６を含む。４つのスイッチユニット２５８、２６２、２６４、２６６は、長手方向アームを形成するために直列に接続され、別の４つのスイッチユニット２６８、２７２、２７４、２７６は、トランスバースアームを形成するために直列に接続される。長手方向アームの両端部は、第１のＤＣライン２０６および第２のＤＣライン２０８にそれぞれ電気的に接続される。トランスバースアームの一方の端部は、ＤＣ中間ポイント２１６に電気的に接続され、トランスバースアームのもう一方の端部は、２つのスイッチユニット２５８、２６２の間に規定された接合接続部２６３に電気的に接続される。さらに、第２の相脚２５０は、フライングコンデンサアームを形成するために直列に接続された２つのフライングコンデンサ２５５、２５７を含む。２つのフライングコンデンサ２５５、２５７は、２つのスイッチユニット２６６、２７４の間に規定された接合接続部に電気的に接続されたフライングコンデンサ中間ポイント２５３を規定する。第１のフライングコンデンサ２５５の別の端部は、２つのスイッチユニット２６８、２５８の間に規定された接合接続部に接続され、第２のフライングコンデンサ２５７の別の端部は、２つのスイッチユニット２６２、２７２の間に規定された接合接続部に電気的に接続される。
【００２９】
引き続き図２を参照すると、第３の相脚２８０は、第１の相脚２２０と同様の構造を用いて構成される。例えば、第３の相脚２８０は、入れ子方式で一緒に結合された第１のコンバータモジュール２８２および第２のコンバータモジュール２８４をさらに含む。第１および第２のコンバータモジュール２８２、２８４のそれぞれは、他のコンバータモジュールの対応する端子に接続する６個の接続端子を有する。第１のコンバータモジュール２８２は、４つのスイッチユニット２８８、２９２、２９４、２９６を含み、第２のコンバータモジュール２８４は、４つのスイッチユニット２９８、３０２、３０４、３０６を含む。４つのスイッチユニット２８８、２９８、２９２、３０２は、長手方向アームを形成するために直列に接続され、別の４つのスイッチユニット２９４、２９６、３０４、３０６は、トランスバースアームを形成するために直列に接続される。長手方向アームの両端部は、第１のＤＣライン２０６および第２のＤＣライン２０８にそれぞれ電気的に接続される。トランスバースアームの一方の端部は、ＤＣ中間ポイント２１６に電気的に接続され、トランスバースアームのもう一方の端部は、２つのスイッチユニット２８８、２９２の間に規定された接合接続部２９３に電気的に接続される。さらに、第３の相脚２８０は、フライングコンデンサアームを形成するために直列に接続された２つのフライングコンデンサ２８５、２８７を含む。２つのフライングコンデンサ２８５、２８７は、２つのスイッチユニット２９６、３０４の間に規定された接合接続部に電気的に接続されたフライングコンデンサ中間ポイント２８３を規定する。第１のフライングコンデンサ２８５の別の端部は、２つのスイッチユニット２９８、２８８の間に規定された接合接続部に接続され、第２のフライングコンデンサ２８７の別の端部は、２つのスイッチユニット２９２、３０２の間に規定された接合接続部に電気的に接続される。
【００３０】
図３ｂは、本開示の例示的実施形態による図３ａに表された第１のコンバータモジュール２２２または第２のコンバータモジュール２２４および関連するドライブ回路の等価回路図を例示する。図３ｂに表されるように、全体的に１５０として表されるコンバータモジュールは、入れ子型構造を有するマルチレベル電力コンバータを構築する基本コンバータモジュールとして使用され得る。一実施形態において、コンバータモジュール１５０は、第１のスイッチユニット１５２、第２のスイッチユニット１５６、および第３のスイッチユニット１５４を含む。他の実施形態において、コンバータモジュール１５０は、４つ以上のスイッチユニットを含むことがある。一実施形態において、第１および第２のスイッチユニット１５２、１５６は、単方向制御可能なスイッチユニットであり、第３のスイッチユニット１５４は、双方向制御可能なスイッチユニットである。双方向制御可能な第３のスイッチユニット１５４は、双方向電流がこの中を流れることを可能にさせるように制御される単一のスイッチデバイスであることがある。他の実施形態において、第３のスイッチユニット１５４は、２つのサブスイッチを含むことがある。２つのサブスイッチのそれぞれは、単方向制御可能なスイッチを含む。２つのサブスイッチは、反対方向を有する電流がこの中を流れることを可能にさせるために制御される。第１のスイッチユニット１５２の一方の端子は、ＤＣリンク１７４の一方の端子、またはより具体的には、第１のコンデンサ１５８の一方の端子に結合され、それによって、第１の入力カスケード端子１６８が形成される。第１の出力カスケード端子１８２としての機能を果たす第１のスイッチユニット１５２の別の端子は、コンバータモジュール１５０の出力端子に結合されることがある。第２のスイッチユニット１５６の一方の端子は、ＤＣリンク１７４の別の端子、またはより具体的には、ＤＣリンク１７４の第２のコンデンサ１６２の一方の端子に結合され、それによって、第２の入力カスケード端子１７２が形成される。第２の出力カスケード端子１８４としての機能を果たす第２のスイッチユニット１５６の別の端子は、コンバータモジュール１５０の出力端子に結合されることがある。第３のスイッチユニット１５４の一方の端子は、ＤＣリンク１７４のＤＣ中間ポイントに結合され、すなわち、第１のコンデンサ１５８と第２のコンデンサ１６２との間に規定された接続ポイント１６４に結合され、それによって、第３の入力カスケード端子１６４が形成される。第３の出力カスケード端子としての機能を果たす第３のスイッチユニット１５４の別の端子は、コンバータモジュール１５０の出力端子に結合されることがある。理解できるように、コンバータモジュール１５０の３つの入力カスケード端子１６４、１６８、１７２は、コンバータモジュール１５０と同様の構成を有する別のコンバータモジュールの３つの出力カスケード端子に結合されることがある。同様に、コンバータモジュール１５０の３つの出力カスケード端子１６６、１８２、１８４は、コンバータモジュール１５０と同様の構成を有する別のコンバータモジュールの３つの入力カスケード端子に結合されることがある。その結果、入れ子型構造を有するマルチレベルコンバータが形成される。
【００３１】
コンバータモジュール１５０の動作中に、３つのスイッチユニット１５２、１５４、１５６は、コンバータモジュール１５０に様々なレベルの出力電圧をもたらさせるように、互いに独立してスイッチング動作を実行するために制御ユニット１７６から送信された制御信号に従って制御され得る。より具体的には、第１のスイッチユニット１５２がオンにされるとき、第２および第３のスイッチユニット１５６、１５４がオフにされ、コンバータモジュール１５０の第１の出力カスケード端子１８２は、第１のレベルの出力電圧Ｖｐをもたらす。第２のスイッチユニット１５６がオンにされ、第１および第３のスイッチユニット１５２、１５４がオフにされるとき、コンバータモジュール１５０の第２の出力カスケード端子１８４は、第２のレベルの出力電圧Ｖｎを供給する。第３のスイッチユニット１５４がオンにされ、第１および第２のスイッチユニット１５２、１５６がオフにされるとき、コンバータモジュール１５０の第３の出力カスケード端子１６６は、第３のレベルの出力電圧Ｖｍｉｄをもたらし、ここで、Ｖｐ、Ｖｎ、およびＶｍｉｄは、互いに異なる。すなわち、異なったレベルの出力電圧のそれぞれは、オンにされたスイッチユニットに排他的に関連付けられる。
【００３２】
図２を再び参照すると、一実施形態において、第１の相脚２２０、第２の相脚２５０、および第３の相脚２８０のそれぞれは、５個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成される。特に、例示的実施形態による第１の相脚２２０におけるスイッチユニットのスイッチング状態は、以下の表１に表される。
【００３３】
【表１】
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表１から知ることができるように、第１の相脚２２０は、第１の相脚２２０における８個のスイッチユニットのスイッチング状態を選択的に制御することにより５個の異なったレベル「２」、「１」、「０」、「−１」、「１」を有する出力電圧をもたらすように制御され得る。出力電圧レベルが「２」または「−２」であるとき、８個のスイッチユニットに対するスイッチング状態の１つの組み合わせが存在することも知ることができる。さらに、出力電圧レベルが「０」であるとき、８個のスイッチユニットのスイッチング状態の１つの組み合わせがさらに存在する。対照的に、出力電圧レベルが「１」および「−１」であるとき、８個のスイッチユニットに対するスイッチング状態の２つの組み合わせが存在する。いくつかの実施形態において、第１および第２のフライングコンデンサ２８５、２８７の電圧は、スイッチユニットの冗長スイッチング状態を選択的に使用して均衡させることができる。
【００３４】
本開示の一つの例示的実施形態による第１のコンバータモジュール２２２および関連するゲートドライバの概略図を表す図３ｃをさらに参照する。概して、第１のコンバータモジュール２２２の複数のスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を実行するために制御される。より具体的には、図３ｂに表されるように、第１のスイッチユニット２２８は、第１のゲートドライバ３０１からもたらされた第１のスイッチングドライブ信号３０９に従ってオン／オフにされるように構成される。第２のスイッチユニット２３２は、第２のゲートドライバ３０７からもたらされた第２のスイッチングドライブ信号３１５に従ってオン／オフにされるように構成される。第３のスイッチユニット２３４（第１のサブスイッチと呼ばれることもある）は、第３のゲートドライバ３０３から設けられた第３のスイッチングドライブ信号３１１に従ってオン／オフにされるように構成される。第４のスイッチユニット２３６（第２のサブスイッチと呼ばれることもある）は、第４のゲートドライバ３０５からもたらされた第４のスイッチングドライブ信号３１３に従ってオン／オフにされるように構成される。
【００３５】
より具体的には、第１のスイッチユニット２２８がオンにされ、第２、第３、および第４のスイッチユニット２３２、２３４、２３６がオフにされたとき、第１のコンバータモジュール２２２は、第１のレベルの出力電圧Ｖｐをもたらす。第２のスイッチユニット２３２がオンにされ、第１、第３、および第４のスイッチユニット２２８、２３４、２３６がオフにされたとき、第１のコンバータモジュール２２２は、第２のレベルの出力電圧Ｖｎをもたらす。第３および第４のスイッチユニット２３４、２３６がオンにされ、第１および第２のスイッチユニット２２８、２３２がオフにされたとき、第１のコンバータモジュール２２２は、第３のレベルの出力電圧Ｖｍｉｄをもたらす。
【００３６】
さらに、いくつかの実施形態において、トランスバースアーム２０５の中のスイッチユニットに供給された第３のスイッチングドライブ信号３１１および第４のスイッチングドライブ信号３１３（図３ａを参照）は、互いに同期するように配置される。例えば、図４ｂに表されるように、２つのスイッチングドライブ信号３１１、３１３は、期間ｔ0〜ｔ1の間に両方共にターンオン信号であり、期間ｔ1〜ｔ2の間に両方共にターンオフ信号である。いくつかの実施形態において、第３のスイッチングドライブ信号３１１および第４のスイッチングドライブ信号３１３は、単一のコントローラから発生させられる。実際的なアプリケーションにおいて、第１のスイッチユニット２２８または第２のスイッチユニット２３２の適切な通信を確保するために、かつ、フライングコンデンサの短絡を回避するため不感時間を確保するために、第３のスイッチングドライブ信号３１１および第４のスイッチングドライブ信号３１３のスイッチング時点が調整される。より具体的には、第３のスイッチユニット２３４に印加された第３のスイッチングドライブ信号３１１および／または第４のスイッチユニット２３６に印加された第４のスイッチングドライブ信号３１３は、第１のスイッチユニット２２８または第２のスイッチユニット２３２に供給されたスイッチングドライブ信号と相対的にスイッチングを進めるもしくはスイッチング遅らせるように調整される。図４ｃに表されるように、時点ｔ０で、第１のスイッチングドライブ信号３０９は、第１のスイッチユニットがオン状態からオフ状態に変化していることを指示する立ち下がりエッジを有する。ｔ０より前の時点ｔ４で、第３のスイッチングドライブ信号３１１は、第３のスイッチユニットがオフ状態からオンン状態に変化していることを指示する立ち上がりエッジを有する。ｔ０より後の時点ｔ５で、第４のスイッチングドライブ信号３１３は、第４のスイッチユニットがオフ状態からオン状態に変化していることを指示する立ち上がりエッジを有する。すなわち、第４のスイッチユニット２３６は、第１のスイッチユニット２２８がオフにされるより前にオンにされ、第３のスイッチユニット２３４は、第１のスイッチユニット２２８がオンにされるより後にオフにされる。
【００３７】
本開示の一つの例示的実施形態による第２のコンバータモジュール２２４および関連するゲートドライバの概略図を表す図３ｄをさらに参照する。概して、第２のコンバータモジュール２２４の複数のスイッチユニットは、互いに独立してスイッチング動作を実行するためにさらに制御される。より具体的には、図３ｄに表されるように、第５のスイッチユニット２３８は、第５のゲートドライバ３１７からもたらされた第５のスイッチングドライブ信号３２５に従ってオン／オフにされるように構成される。第６のスイッチユニット２４２は、第６のゲートドライバ３１９からもたらされた第６のスイッチングドライブ信号３２７に従ってオン／オフにされるように構成される。第７のスイッチユニット２４４は、第７のゲートドライバ３２１からもたらされた第７のスイッチングドライブ信号３２９に従ってオン／オフにされるように構成される。第８のスイッチユニット２４６は、第８のゲートドライバ３２３からもたらされた第８のスイッチングドライブ信号３３１に従ってオン／オフにされるように構成される。
【００３８】
図３ｃに表された第１のコンバータモジュール２２２と同様に、いくつかの実施形態において、トランスバースアーム２７１におけるスイッチユニットに供給された第７のスイッチングドライブ信号３２９および第８のスイッチングドライブ信号３３１（図３ａを参照）は、互いに同期するように配置される。いくつかの実施形態において、第７のスイッチングドライブ信号３２９および第８のスイッチングドライブ信号３３１は、単一のコントローラから発生させられる。実際的なアプリケーションにおいて、第５のスイッチユニット２３８または第６のスイッチユニット２４２の適切な通信を確保するために、かつ、フライングコンデンサの短絡を回避するため不感時間を確保するために、第７のスイッチングドライブ信号３２９および第８のスイッチングドライブ信号３３１のスイッチング時点が調整される。より具体的には、第７のスイッチングドライブ信号３２９および／または第８のスイッチングドライブ信号３３１は、第５のスイッチユニット２３８または第６のスイッチユニット２４２に供給されたスイッチングドライブ信号と相対的に第５のスイッチユニット２３８および／または第６のスイッチユニット２４２のスイッチングを進めるもしくはスイッチング遅らせるように調整される。
【００３９】
図５は、本開示の例示的実施形態による図２に表されたコンバータの出力電圧波形５６０を例示する。図５に表されるように、入れ子型ＮＰＰトポロジーを有するコンバータの使用を通じて、コンバータの１つの相脚は、優れた波形を伴う５個のレベルを有する電圧を出力することができる。
【００４０】
図６は、本開示の例示的実施形態による図２に表されたようにコンバータに収容された第１の種類のスイッチユニット３１０の概略図を例示する。一実施形態において、第１の種類のスイッチユニット３１０は、３つの相脚の長手方向アームにおけるスイッチユニットのいずれか１つであることができる。特別な実施形態において、第１の相脚２２０の長手方向アームにおける第１の４つのスイッチユニット２３８、２２８、２３２、２４２は、スイッチユニット３１０と全く同じであるように構成することができる。より具体的には、一実施形態において、スイッチユニット３１０は、第１のスイッチデバイス３１６、第２のスイッチデバイス３１８、および第ｎのスイッチデバイス３２２を含み、ここで、ｎは、２以上である。さらに、一実施形態において、第１のスイッチデバイス３１６は、第１の逆並列ダイオード３２４と並列に接続され、第２のスイッチデバイス３１８は、第２の逆並列ダイオード３２６と並列に接続され、第ｎのスイッチデバイス３２２は、第ｎの逆並列ダイオード３２８と並列に接続される。いくつかの条件において、各スイッチデバイスは、単一のデバイスを形成するために逆並列ダイオードと一体化できる。第１のスイッチデバイス３１６、第２のスイッチデバイス３１８、および第ｎのスイッチデバイス３２２は、ＤＣライン２０６、２０８の間に直列に接続されるので、スイッチデバイスのそれぞれは、ＤＣ電圧の一部が印加される。それ故に、低い公称電圧スイッチデバイスは、高い公称電圧を有する単一のスイッチデバイス３１２（図６に表されるように、単一のスイッチデバイス３１２は、逆並列ダイオード３１４とさらに一体化される）を置換するために使用できる。コンバータにおいて使用されることがあるスイッチデバイスの非限定的な実施例は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、および集積ゲート転流サイリスタ（ＩＧＣＴ）を含むことがある。
【００４１】
図７は、本開示の別の例示的実施形態による第１の種類のスイッチユニット３２０の概略図を例示する。図７に表された第１の種類のスイッチユニット３２０は、図６に表された第１の種類のスイッチユニット３１０に実質的に類似する。例えば、第１の種類のスイッチユニット３２０は、第１のスイッチデバイス３１６、第２のスイッチデバイス３１８、および第ｎのスイッチデバイス３２２をさらに含み、ここで、ｎは、２以上である。第１の種類のスイッチユニット３２０は、第１の逆並列ダイオード３２４、第２の逆並列ダイオード３２６、および第ｎの逆並列ダイオード３２８をさらに含み、これらのそれぞれは、対応するスイッチデバイスと並列に結合される。さらに、第１の種類のスイッチユニット３２０は、第１のスイッチデバイス３１６に関連して配置された第１のスナバ回路３２３、第２のスイッチデバイス３１８に関連して配置された第２のスナバ回路３２５、および第３のスイッチデバイス３２２に関連して配置された第３のスナバ回路３２７をさらに含む。特別な実施形態において、第１、第２、および第３のスナバ回路３２３、３２５、３２７は、コンデンサ、抵抗器などのような１つ以上のパッシブ電子デバイスによって形成することができる。これらのスナバ回路３２３、３２５、３２７を設ける目的は、電圧が動的スイッチングプロセス中にスイッチデバイス３１６、３１８、３２２の間で均等に分配されることを確実にすることである。
【００４２】
図８は、本開示の例示的実施形態による図２に表されたコンバータで使用される第２の種類のスイッチユニット３３０の概略図を例示する。一実施形態において、第２の種類のスイッチユニット３３０は、３つの相脚のトランスバースアームにおけるスイッチユニットのいずれか１つであることができる。特別な実施形態において、第１の相脚２２０のトランスバースアームにおける第１の４つのスイッチユニット２３４、２３６、２４４、２４６は、スイッチユニット３２０と全く同じであるように構成することができる。より具体的には、一実施形態において、スイッチユニット３２０は、第１のスイッチデバイス３３６、第２のスイッチデバイス３３８、および第ｍのスイッチデバイス３４２を含み、ここで、ｍは、２以上である。さらに、一実施形態において、第１のスイッチデバイス３３６は、第１の逆並列ダイオード３４４と並列に接続され、第２のスイッチデバイス３３８は、第２の逆並列ダイオード３４６と並列に接続され、第ｍのスイッチデバイス３４２は、第ｍの逆並列ダイオード３４８と並列に接続される。いくつかの条件において、各スイッチデバイスは、単一のデバイスを形成するために逆並列ダイオードと一体化できる。第１のスイッチデバイス３３６、第２のスイッチデバイス３３８、および第ｍのスイッチデバイス３４２は、ＤＣライン２０６、２０８の間に直列に接続されるので、スイッチデバイスのそれぞれは、ＤＣ電圧の一部が印加される。それ故に、低い公称電圧スイッチデバイスは、高い公称電圧を有する単一のスイッチデバイス３３２（図８に表されるように、単一のスイッチデバイス３３２は、逆並列ダイオード３１４とさらに一体化される）を置換するために使用できる。コンバータにおいて使用されることがあるスイッチデバイスの非限定的な実施例は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、および集積ゲート転流サイリスタ（ＩＧＣＴ）を含むことがある。
【００４３】
いくつかの実施形態において、第２の種類のスイッチユニット３３０におけるスイッチデバイス３３６、３３８、３４２は、スイッチデバイス３１６、３１８、３２２と同じであるように配置することができる。他の実施形態において、異なった定格電圧を有する異なったスイッチデバイスは、使用され得る。さらに、いくつかの実施形態において、第１の種類のスイッチユニット３１０の中に配置されたスイッチデバイスの個数は、第２の種類のスイッチユニット３３０の中に配置されたスイッチデバイスの個数と同じである、または、異なることができる。いくつかの実施形態において、第１または第２のスイッチユニット３１０、３３０で使用されるスイッチデバイスの正確な個数は、ＤＣリンク電圧およびスイッチデバイスの公称電圧のようなコンバータの関連した動作パラメータに基づいて決定され得る。
【００４４】
図９は、本開示の別の例示的実施形態による第２の種類のスイッチユニット３４０の概略図を例示する。図９に表された第２の種類のスイッチユニット３４０は、図８に表された第２の種類のスイッチユニット３３０と実質的に同様である。例えば、第２の種類のスイッチユニット３４０は、第１のスイッチデバイス３３６、第２のスイッチデバイス３３８、および第ｍのスイッチデバイス３４２をさらに含み、ここで、ｍは、２以上である。第２の種類のスイッチユニット３４０は、第１の逆並列ダイオード３４４、第２の逆並列ダイオード３４６、および第ｍの逆並列ダイオード３４８をさらに含み、これらのそれぞれは、対応するスイッチデバイスと並列に結合される。さらに、第２の種類のスイッチユニット３４０は、第１のスイッチデバイス３３６に関連して配置された第１のスナバ回路３４３、第２のスイッチデバイス３３８に関連して配置された第２のスナバ回路３４５、および第３のスイッチデバイス３４２に関連して配置された第３のスナバ回路３４７をさらに含む。特別な実施形態において、第１、第２、および第３のスナバ回路３４３、３４５、３４７は、コンデンサ、抵抗器などのような１つ以上のパッシブ電子デバイスによって形成され得る。これらのスナバ回路３４３、３４５、３４７を設ける目的は、電圧が動的スイッチングプロセス中にスイッチデバイス３３６、３３８、３４２の間で均等に分配されることを確実にすることである。
【００４５】
図１０は、本開示の別の例示的実施形態によるコンバータの１つの相脚の概略図を例示する。特に、図１０に表された単一の相脚４００は、図２に表された３つの相脚２２０、２５０、２８０の１つ以上を置換するために使用することができる。例示された実施形態において、単一の相脚４００は、７個のレベルを有する出力電圧をもたらすように構成される。図１０に表されるように、単一の相脚４００は、第１のポート４０２および第２のポート４０４を含み、ＤＣ電圧を受け取る、または、もたらす。単一の相脚４００は、ＤＣリンク４６０をさらに含み、ＤＣ電圧をフィルタリングし、実質的に定電圧をＤＣリンク４６０に接続されたスイッチユニットもしくはスイッチデバイスにもたらす。単一の相脚４００は、第３のポート４０５をさらに含み、ＡＣ電圧をもたらす、または、受け取る。一実施形態において、ＤＣリンク４６０は、第１のＤＣリンク４０６と第２のＤＣリンク４０８との間に電気的に結合され、第１のＤＣリンク４０６は、直列に接続された第１のコンデンサ４６２および第２のコンデンサ４６４を含む。
【００４６】
図１０を参照すると、単一の相脚４００は、図３に表された単一の相脚２２０と実質的に同様に入れ子方式で接続された第１のコンバータモジュール４１０、第２のコンバータモジュール４２０、および第３のコンバータモジュール４３０をさらに含む。例示された実施形態において、３つのコンバータモジュール４１０、４２０、４３０のそれぞれは、単一の相脚４００が７レベルの出力電圧をもたらすことができるように３つのレベルの出力電圧をもたらすように構成される。他の実施形態において、単一の相脚は、５レベルのコンバータモジュールを３レベルコンバータモジュールと入れ子にすることによりさらに構成することができる。図３に表された単一の相脚２２０と同様に、３つのコンバータモジュール４１０、４２０、４３０のそれぞれは、他のコンバータモジュールの対応する接続端子に接続するための６個の接続端子を有するように配置される。図１０に表されるように、第１のコンバータモジュール４１０は、４つのスイッチユニット４１２、４１４、４１６、４１８を含み、第２のコンバータモジュール４２０は、４つのスイッチユニット４２２、４２４、４２６、４２８を含み、第３のコンバータモジュール４３０は、４つのスイッチユニット４３２、４３４、４３６、４３８を含む。これらのスイッチユニットの中で、６個のスイッチユニット４３２、４２２、４１２、４１４、４２４、４３４は、直列に接続され、長手方向アームを形成し、別の６個のスイッチユニット４３８、４３６、４２８、４２６、４１８、４１６は、直列に接続され、トランスバースアームを形成する。トランスバースアームの一方の端部は、ＤＣリンク４６０のＤＣ中間ポイント４１２に電気的に接続され、トランスバースアームのもう一方の端部は、２つのスイッチユニット４１２、４１４の間に規定された接合接続部に電気的に接続される。単一の相脚４００は、直列に接続された第１のフライングコンデンサ４４２および第２のフライングコンデンサ４４４をさらに含み、第１のフライングコンデンサアーム４４０を形成する。単一の相脚４００は、直列に接続された第３のフライングコンデンサ４５２および第４のフライングコンデンサ４５４をさらに含み、第２のフライングコンデンサアーム４５０を形成する。第１のフライングコンデンサ４４２の一方の端部および第２のフライングコンデンサ４４４の一方の端部は、２つのスイッチユニット４１８、４２６の間に規定された接合接続部４４３に共通して接続される。第１のフライングコンデンサ４４２のもう一方の端部は、２つのスイッチユニット４２２、４１２の間に規定された接合接続部に接続され、第２のフライングコンデンサ４４４のもう一方の端部は、２つのスイッチユニット４１４、４２４の間に規定された接合接続部に接続される。第３のフライングコンデンサ４５２の一方の端部および第４のフライングコンデンサ４５４の一方の端部は、２つのスイッチユニット４３６、４２８の間に規定された接合接続部４５３に共通して接続される。第３のフライングコンデンサ４５２のもう一方の端部は、２つのスイッチユニット４３２、４２２の間に規定された接合接続部に接続され、第４のフライングコンデンサ４５４のもう一方の端部は、２つのスイッチユニット４２４、４３４の間に規定された接合接続部に接続される。
【００４７】
図１１は、コンバータ、より詳しくは、図２に表されるように入れ子型ＮＰＰトポロジーを有するように構成されたコンバータを駆動する方法５６０の実装を概説するフローチャートである。方法５６０において例示されたブロック／動作の少なくとも一部は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶されたソフトウェア命令を用いてプログラムされることがある。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、何らかの方法もしくは技術で実装された揮発性および不揮発性、着脱式および非着脱式の媒体を含むことがある。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、限定されることなく、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリもしくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）もしくは他の光学ストレージ、または、所望の情報を記憶するため使用することができ、かつ、１つ以上のプロセッサによってアクセスすることができる何らかの他の非一時的な媒体を含む。
【００４８】
一実施形態において、方法５６０は、ブロック５６２から実施を開始することがある。ブロック５６２で、第１のスイッチングドライブ信号が第１のスイッチユニットに独立して供給される。例えば、第１のスイッチングドライブ信号３０９は、第１のゲートドライバ３０１から第１のコンバータモジュール２２２の第１のスイッチユニット２２８に供給される。特に、第１のスイッチユニット２２８がオンにされ、第２、第３、および第４のスイッチユニット２３２、２３４、２３６がオフにされるとき、第１のコンバータモジュール２２２は、第１のレベルの出力電圧Ｖｐをもたらす。
【００４９】
一実施形態において、方法５６０は、ブロック５６４をさらに含む。ブロック５６４で、第２のスイッチングドライブ信号は、第２のスイッチユニットに独立して供給される。例えば、第２のスイッチングドライブ信号３１５は、第２のゲートドライバ３０７から第１のコンバータモジュール２２２の第２のスイッチユニット２３２に供給される。特に、第２のスイッチユニット２３２がオンにされ、第１、第３、および第４のスイッチユニット２２８、２３４、２３６がオフにされるとき、第１のコンバータモジュール２２２は、第２のレベルの出力電圧Ｖｎをもたらす。
【００５０】
一実施形態において、方法５６０は、ブロック５６６をさらに含む。ブロック５６６で、第３のスイッチングドライブ信号は、第３のスイッチユニットに独立して供給される。例えば、第３のスイッチングドライブ信号３１１は、第３のゲートドライバ３０３から第１のコンバータモジュール２２２の第３のスイッチユニット２３４に供給される。さらに、ブロック５６６で、第４のスイッチングドライブ信号は、第４のスイッチユニットに独立して供給される。例えば、第４のスイッチングドライブ信号３１３は、第４のゲートドライバ３０５から第１のコンバータモジュール２２２の第４のスイッチユニット２３６に供給される。特に、第３および第４のスイッチユニット２３４、２３６がオンにされ、第１および第２のスイッチユニット２２８、２３２がオフにされるとき、第１のコンバータモジュール２２２は、第３のレベルの出力電圧Ｖｍｉｄをもたらす。
【００５１】
いくつかの実施形態において、第３のスイッチユニットに印加された第３のスイッチングドライブ信号および第４のスイッチユニットに印加された第４のスイッチングドライブ信号は、第１のスイッチユニットに印加された第１のスイッチングドライブ信号または第２のスイッチユニットに印加された第２のスイッチングドライブ信号と相対的にスイッチングを進める、または、スイッチングを遅らせるように調整されることがある。
【００５２】
図１２は、本開示の例示的実施形態による電力変換方法７００を例示する。いくつかの具体的な実施形態において、電力変換方法７００は、図２および３ａに表されたように新しいまたは改良された入れ子型ＮＰＰトポロジーを使って作られたコンバータを用いて実施されることがある。
【００５３】
一実施形態において、方法７００は、ブロック７０２から実施を開始することがある。ブロック７０２で、第１のコンバータ（例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ）は、電力グリッドのような電源からもたらされた第１のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するために使用される。特に、第１のコンバータは、ＡＣ−ＤＣ電力変換を実行するために入れ子型ＮＰＰトポロジーを有するように配置される。いくつかの他の実施形態において、第１のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するためにダイオードブリッジ構造を有するように形成された整流器のようなパッシブデバイスを使用することが可能である。
【００５４】
一実施形態において、方法７００は、ブロック７０４をさらに含むことがある。ブロック７０４で、第２のコンバータ（例えば、ＤＣ−ＡＣコンバータまたはインバータ）がＤＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するために使用される。いくつかの実施形態では、第２のコンバータは、ＤＣ−ＡＣ電力変換を実行するため入れ子型ＮＰＰトポロジーを有するようにさらに設計される。
【００５５】
一実施形態において、方法７００は、ブロック７０６をさらに含むことがある。ブロック７０６で、第２のＡＣ電圧がＡＣモータのような負荷に供給される。第２のＡＣ電圧が３相ＡＣ電圧であるとき、ＡＣモータは、３相ＡＣモータになり得る。
【００５６】
本発明は、例示的実施形態を参照して説明されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われることがあり、かつ、均等物が本発明の要素の代わりに使われることがあることが当業者によって理解されるであろう。さらに、当業者は、異なった実施形態からの様々な特徴の互換性を認めるであろう。同様に、記載された様々な方法ステップおよび特徴は、このような方法および特徴毎の他の知られた均等物と共に、本開示の原理に従って付加的な組立品および手法を構築するために当業者によって融合および適合させられ得る。その上、多くの変形が本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特別な状況または材料を本開示の教示に適合させるために行われることがある。その結果、本発明は、本発明を実施するため熟慮されたベストモードとして開示された特別な実施形態に限定されるのではなく、本発明が請求項の範囲に含まれるあらゆる実施形態を包含することになることが意図されている。
【符号の説明】
【００５７】
１０２  第１の電力（可変周波数電力）
１０４  第２の電力（固定周波数電力）
１０６  制御信号
１１０  第１の電力デバイス
１２０  電力変換デバイス
１２２  第１のコンバータ
１２３  第１のＤＣ電圧
１２４  ＤＣリンク
１２５  第２のＤＣ電圧
１２６  第２のコンバータ
１２７  エネルギーストレージデバイス
１３０  第２の電力デバイス
１４０  制御デバイス
１５０  コンバータモジュール
１５２  第１のスイッチユニット
１５４  第３のスイッチユニット
１５６  第２のスイッチユニット
１５８  第１のコンデンサ
１６２  第２のコンデンサ
１６４  接続ポイント
１６４  第３の入力カスケード端子／接続ポイント
１６６  第３の出力カスケード端子
１６８  第１の入力カスケード端子
１７２  第２の入力カスケード端子
１７４  ＤＣリンク
１８２  第１の出力カスケード端子
１８４  第２の出力カスケード端子
２００  コンバータ
２０１  第１の長手方向アーム
２０２  第１のポート
２０３  第２の長手方向アーム
２０４  第２のＤＣポート
２０５  トランスバースアーム
２０６  第１のＤＣライン
２０７  第１の長手方向アーム
２０８  第２のＤＣライン
２０９  第２の長手方向アーム
２１０  ＤＣリンク
２１１  第１の長手方向アームの第２の接続端子
２１２  第１のコンデンサ
２１３  トランスバースアームの第２の接続端子
２１４  第２のコンデンサ
２１５  第２の長手方向アームの第２の接続端子
２１６  ＤＣ中間ポイント
２１７  第１の長手方向アームの第１の接続端子
２１８  第１の長手方向アームの第２の接続端子
２１９  トラスバースアームの第１の接続端子
２２０  第１の相脚
２２１  第２の長手方向アームの第１の接続端子
２２２  第１のコンバータモジュール
２２４  第２のコンバータモジュール
２２５  第１のフライングコンデンサ
２２６  トランスバースアームの第１の接続端子
２２７  第２のフライングコンデンサ
２２８  第１のスイッチユニット
２２９  第２の長手方向アームの第２の接続端子
２３２  第２のスイッチユニット
２３４  第３のスイッチユニット
２３５  ＡＣポート
２３６  第４のスイッチユニット
２３７  第１の長手方向アームの第１の接続端子
２３８  第５のスイッチユニット
２３９  トランスバースアームの第２の接続端子
２４１  第２の長手方向アームの第１の接続端子
２４２  第６のスイッチユニット
２４４  第７のスイッチユニット
２４６  第８のスイッチユニット
２５０  第２の相脚
２５２  第１のコンバータモジュール
２５３  フライングコンデンサ中間ポイント
２５４  第２のコンバータモジュール
２５５  第１のフライングコンデンサ
２５７  第２のフライングコンデンサ
２５８  スイッチユニット
２６２  スイッチユニット
２６３  接合接続部
２６４  スイッチユニット
２６５  出力ポート
２６６  スイッチユニット
２６８  スイッチユニット
２７１  トランスバースアーム
２７２  スイッチユニット
２７４  スイッチユニット
２７６  スイッチユニット
２８０  第３の相脚
２８２  第１のコンバータモジュール
２８４  第２のコンバータモジュール
２８５  第１のフライングコンデンサ
２８７  第２のフライングコンデンサ
２８８  スイッチユニット
２９２  スイッチユニット
２９３  接合接続部
２９４  スイッチユニット
２９５  出力ポート
２９６  スイッチユニット
２９８  スイッチユニット
３０１  第１のゲートドライバ
３０２  スイッチユニット
３０３  第３のゲートドライバ
３０４  スイッチユニット
３０５  第４のゲートドライバ
３０６  スイッチユニット
３０７  第２のゲートドライバ
３０９  第１のスイッチングドライブ信号
３１０  第１の種類のスイッチユニット
３１１  第３のスイッチングドライブ信号
３１３  第４のスイッチングドライブ信号
３１５  第２のスイッチングドライブ信号
３１６  第１のスイッチデバイス
３１７  第５のゲートドライバ
３１８  第２のスイッチデバイス
３１９  第６のゲートドライバ
３２０  第１の種類のスイッチユニット
３２１  第７のゲートドライバ
３２２  第ｎのスイッチデバイス
３２３  第８のゲートドライバ／第１のスナバ回路
３２４  第１の逆並列ダイオード
３２５  第５のスイッチングドライブ信号／第２のスナバ回路
３２６  第２の逆並列ダイオード
３２７  第６のスイッチングドライブ信号／第３のスナバ回路
３２８  第ｎの逆並列ダイオード
３２９  第７のスイッチングドライブ信号
３３０  第２の種類のスイッチユニット
３３１  第８のスイッチングドライブ信号
３３６  第１のスイッチデバイス
３３８  第２のスイッチデバイス
３４０  第２の種類のスイッチユニット
３４２  第ｍのスイッチデバイス
３４３  第１のスナバ回路
３４４  第１の逆並列ダイオード
３４５  第２のスナバ回路
３４６  第２の逆並列ダイオード
３４７  第３のスナバ回路
３４８  第ｍの逆並列ダイオード
４００  相脚
４０２  第１のポート
４０４  第２のポート
４０５  第３のポート
４０６  第１のＤＣリンク
４０８  第２のＤＣリンク
４１０  第１のコンバータモジュール
４１２  スイッチユニット
４１２  ＤＣ中間ポイント
４１４  スイッチユニット
４１６  スイッチユニット
４１８  スイッチユニット
４２０  第２のコンバータモジュール
４２２  スイッチユニット
４２４  スイッチユニット
４２６  スイッチユニット
４２８  スイッチユニット
４３０  第３のコンバータモジュール
４３２  スイッチユニット
４３４  スイッチユニット
４３６  スイッチユニット
４３８  スイッチユニット
４４０  第１のフライングコンデンサアーム
４４２  第１のフライングコンデンサ
４４３  接合接続部
４４４  第２のフライングコンデンサ
４５０  第２のフライングコンデンサアーム
４５２  第３のフライングコンデンサ
４５３  接合接続部
４５４  第４のフライングコンデンサ
４６０  ＤＣリンク
４６２  第１のコンデンサ
４６４  第２のコンデンサ
５６０  出力電圧波形
５６０  コンバータを駆動する方法
５６２、５６４、５６６  ブロック
７００  電力変換方法
７０２、７０４、７０６  ブロック
【図１】
2015139365.tif 000004
【図２】
2015139365.tif 000005
【図３】
2015139365.tif 000006
【図４】
2015139365.tif 000007
【図５】
2015139365.tif 000008
【図６】
2015139365.tif 000009
【図７】
2015139365.tif 000010
【図８】
2015139365.tif 000011
【図９】
2015139365.tif 000012
【図１０】
2015139365.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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