(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格のコンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記直流回路の中性点とレグ中点の間に接続され、２ｎ個の同一電圧定格の半導体素子が直列接続された中性点スイッチと、
前記正及び負の直流母線からそれぞれ数えてｋ番目（ｋは自然数）と（ｋ＋１）番目のコンデンサの相互接続点と、ｋ番目と（ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点との間に直列に接続されるｋ個の半導体素子で構成されたコンデンサ・レグ間スイッチと、を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
【請求項２】
前記レグ、中性点スイッチ及びコンデンサ・レグ間スイッチを構成する半導体素子は互いに同一電圧定格であって、各半導体素子としてＩＧＢＴを含む一方向性半導体素子が用いられることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格の直流コンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記直流回路の中性点とレグ中点の間に接続され、２ｎ個の同一電圧定格の半導体素子が直列接続された中性点スイッチと、
前記レグの正及び負の母線から共にｋ番目（ｋは自然数）とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点と、前記中性点スイッチを構成する半導体素子相互の接続点との間に接続されたレグ・スイッチ間第１及び第２コンデンサと、
を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
【請求項４】
前記中性点スイッチは、互いに異なる方向の２つの半導体素子の直列回路が１以上直列に接続され、前記第１及び第２コンデンサの前記中性点スイッチ側接続点が同一であることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記中性点スイッチは、互いに同一方向の２つの半導体素子の直列回路が１以上直列に接続され、前記第１及び第２コンデンサの前記中性点スイッチ側接続点が、互いに異なることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【請求項６】
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格の直流コンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記直流回路の中性点と、前記レグの正の母線から数えてｋ番目（ｋは自然数）とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続され、半導体素子がｎ個直列に接続された第１スイッチと、
前記第１スイッチの半導体素子相互接続点と、前記レグの正の母線からｋ番目とｋ―１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続された第１コンデンサと、
前記直流回路の中性点と、前記レグの負の母線から数えてｋ番目とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続され、半導体素子がｎ個直列に接続された第２スイッチと、
前記第２スイッチの半導体素子相互接続点と、前記レグの負の母線からｋ番目とｋ―１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続された第２コンデンサと、
を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧の電力を変換するモーター駆動用インバータや周波数変換装置などに適用される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、３レベルの電圧を出力する変換装置として、ダイオードクランプ回路を用いた変換装置、中性点スイッチを用いた変換装置は、論文等で開示されている。これら回路の基本構成を図１３、１４に示す。
【０００３】
まず、従来技術の動作を図１３を用いて説明する。
【０００４】
図１３は、電力変換器の１相分の構成を示すものであり、単相出力ではこの構成を１組（ハーフブリッジ単相出力回路）あるいは２組（フルブリッジ単相出力回路）用い、三相出力では３組用いる。Ｕは電力変換器の交流出力であり、レグ１内の半導体１０１〜１０４のオンオフにより、直流回路２により維持される直流電圧＋Ｅ、０、−Ｅの３つのレベルの電圧が出力される。その電圧ステップの幅をＰＷＭ制御により調整し、所望の周波数・電圧の交流電圧を負荷に与える。
【０００５】
Ｕ相に＋Ｅの電圧を出力する場合は、半導体素子１０１、１０２をオンする。０電圧を出力するには、半導体素子１０２、１０３をオンする。この状態では、ダイオードクランプ回路３を通じて、直流中性点Ｃと交流出力端子Ｕとが接続する。−Ｅの電圧を出力する場合は、半導体素子１０３、１０４をオンする。このようにして、３つのレベルの電圧が出力される。
【０００６】
次に、他の従来技術を図１４を用いて説明する。
【０００７】
図１４は、電力変換器の１相分の構成を示すものであり、単相出力では上記同様にこの構成を１組（ハーフブリッジ単相出力回路）あるいは２組（フルブリッジ単相出力回路）用い、三相出力では３組用いる。動作は、図１３の例とほぼ同様であるが、０電圧を出力するには、中性点スイッチ６をオンすることで、直流中性点Ｃと交流出力端子Ｕとを接続する点が異なる。従来技術を示す図１３の構成では、中性点スイッチをダイオード３０１、３０２とトランジスタ１０２、１０３をそれぞれ直列した回路を並列接続して構成しているが、図１４のようにダイオードとトランジスタを逆並列接続した構成６Ａ、６Ｂを直列接続しても、同じ機能が実現される。一般的なＩＧＢＴ素子は、トランジスタとダイオードが逆並列接続されているので、それを用いてスイッチを構成するのが実用的である。したがって図１４では、ＩＧＢＴを互いに逆方向に向けて直列接続することでスイッチを構成した例を示した。
【０００８】
これらの技術に用いられる半導体素子として、実用的に使われるのは自励式（自己消弧可能な）ＩＧＢＴ素子などであり、経済的に入手できる半導体素子の電圧定格は、千Ｖ程度のものが多く、これらの技術は、数百Ｖ程度の出力の電力変換器に適用されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter”, Akira Nabae他、IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. IA-17, No.5 September/October 1981 pp.518-523
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
省エネ及びＣＯ２削減などのため、ポンプやファンの電動機をインバータで可変速駆動する技術が広く用いられている。しかし、それらのインバータは、先に説明した理由から定格電圧が数百Ｖ程度のものが大半であり、大規模なプラントなどで用いられる高電圧電動機は、複数の低電圧インバータを変圧器を介して直列接続した構成のインバータを適用している。しかし、このような構成では、変圧器を必要とすることから、重量や寸法が大きくなり、据付場所などの制約が大きいなどの問題があった。
【００１１】
実施形態は上記課題を解決するため、半導体素子の直列構成を中心的な構成とし、変圧器を使用することなく高電圧及び多出力レベルを扱える電力変換器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する手段の一例は下記のとおりである。
【００１３】
高電圧を扱うため、電圧形変換器のレグを複数の半導体素子の直列接続で構成する。経済性に考慮し同一定格の半導体素子を用いる。また、直流回路も高電圧となるので、直流コンデンサの直列接続で構成する。この構成において、レグを構成する半導体素子相互間の接続点と、直流コンデンサ相互間の接続点を、レグを構成する半導体素子と同じ定格を有する半導体素子から構成されるスイッチにより接続する構成とする。直流回路の直列接続されたコンデンサの数に応じたレベル数の出力電圧が発生される。
【００１４】
すなわち、実施形態に係る電力変換装置は、ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、複数の同一電圧定格のコンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、前記正及び負の直流母線からそれぞれ数えてｋ番目（ｋは自然数）と（ｋ＋１）番目のコンデンサの相互接続点と、ｋ番目と（ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点との間に直列に接続されるｋ個の半導体素子で構成されたスイッチと、レグの中点から正および負の母線側に共にｎ番目と（ｎ＋１）番目の半導体素子の相互接続点の間に直列接続された同一方向及び偶数個のダイオードを含み、前記偶数個のダイオードの中点が前記直流回路の中性点に接続されたダイオードクランプ回路とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る電圧形自励式の電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図３】第３実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図４】第４実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図５】第５実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図６】第６実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図７】第７実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図８】第８実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図９】第９実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１０】第１０実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１１】第１１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１２】第１２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１３】従来の電力変換装置の構成を示す図である。
【図１４】従来の電力変換装置の他の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態の構成及び作用を図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
[第１実施形態]
図１は第１実施形態に係る電圧形自励式の電力変換装置の構成を示す図である。図１は直流コンデンサを６つ直列接続した構成を示す。
【００１８】
直流電圧が全体では、＋３Ｅ、−３Ｅと高い電圧になるため、その電圧に見合うよう半導体素子の直列数を定める。各コンデンサの容量及び定格電圧は同一で、「Ｅ」はコンデンサの定格電圧を示す。図１では、スイッチング素子（ＩＧＢＴ等）及びダイオードを逆並列接続した１２個の半導体素子１０１〜１１２を直列して、レグ１を構成する。本明細書では、このスイッチング素子及びダイオードを逆並列接続した回路要素を半導体素子と呼ぶ。ダイオードクランプ回路３を構成するダイオードも電圧に合わせ直列構成としている。電圧定格の高いダイオードを１つで構成しても良い。
【００１９】
レグ１、ダイオードクランプ回路３を用いることで、従来と同様、交流出力端子Ｕに、＋３Ｅ、０、−３Ｅの３つの電圧レベルを出力可能である。しかし、負荷から見ると、レグのスイッチングに伴う電圧レベルの変化が３Ｅと大きくなり、ケーブルでの反射による電圧サージなどが発生することがある。つまり出力電圧波形と、負荷を反射した電圧波形が重畳して過電圧が発生し、負荷にとってはストレスが大きくなるおそれがある。
【００２０】
そこで図１においては、半導体素子１０１と１０２との接続点Ａ、直流コンデンサ２０１と２０２との接続点Ｂの間をスイッチ４１で接続し、半導体素子１０２と１０３との接続点Ｃ’、直流コンデンサ２０２と２０３との接続点Ｄの間をスイッチ４２で接続し、半導体素子１１０と１１１との接続点Ｅ’、直流コンデンサ２０４と２０５との接続点Ｆの間をスイッチ４３で接続し、半導体素子１１１と１１２との接続点Ｇ、直流コンデンサ２０５と２０６との接続点Ｈの間をスイッチ４４で接続する。このような構成とすることで、直流コンデンサ電圧Ｅの＋２Ｅ、＋Ｅ、−Ｅ、−２Ｅが、交流出力端子Ｕに発生でき、＋３Ｅ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅという７レベルの電圧を出力できる。これにより、スイッチングに伴う電圧変化はＥとなるので、負荷の電圧ストレスは小さくなる。
【００２１】
７レベルの電圧の出力は、次のように行う。＋３Ｅの出力は、半導体素子１０１〜１０６を全てオンし、他の半導体素子をオフする（以下、冗長な説明を避けるため、オンする半導体素子またはスイッチのみを示し、他の半導体素子またはスイッチをオフする記載は省略する）。＋２Ｅの出力は、スイッチ４１と半導体素子１０２〜１０６をオンする。＋Ｅの出力は、スイッチ４２と半導体素子１０３〜１０６をオンする。０の出力は、半導体素子１０４〜１０９をオンしダイオードクランプ回路３経由で中性点Ｃと交流出力端子Ｕを接続する。−Ｅの出力は、スイッチ４３と半導体素子１０７〜１１０をオンする。−２Ｅの出力は、半導体素子１０７〜１１１とスイッチ４４をオンする。−３Ｅの出力は、半導体素子１０７〜１１２を全てオンする。尚、以上のようなスイッチングのシーケンスはルックアップテーブル等で行い、パルス幅はＰＷＭ等を用いて決定される。
【００２２】
ここで、スイッチ４１〜４４は、レグとの接続点を適宜選定することで、レグを構成する半導体素子と同じ電圧定格の半導体素子、かつ一方向性の半導体素子で構成することができる。つまり、例えば＋３Ｅを出力している場合、スイッチ４１のコレクタ電位は＋３Ｅ、エミッタ電位は＋２Ｅであるので、スイッチ４１の端子間には電圧Ｅがかかる。ここで、レグを構成する半導体素子は、電圧Ｅを扱えるものが用いられているので、同じ半導体素子が適用できる。次に、＋Ｅを出力している場合は、スイッチ４１のエミッタ電位は＋２Ｅで、交流出力端子Ｕは＋Ｅであり、スイッチ４１と半導体素子１０２にて＋Ｅの電圧を背負う。０を出力している場合は、スイッチ４１のエミッタ電位は＋２Ｅで、交流出力端子Ｕは０であり、スイッチ４１と半導体素子１０２、１０３にて＋２Ｅの電圧を背負う。いずれも半導体素子１つあたりの電圧はＥ以下である。スイッチ４２〜４４についても同様である。
【００２３】
また、別の観点から言えば、図１に示した接続構成とすることで、レグを構成する半導体素子の直列数を有効に活用、すなわち高耐圧及び多レベル出力を実現できる。
【００２４】
図１では、半導体素子１つで、対応する直流コンデンサ電圧Ｅを扱えるものとして、直列数を１２個で説明した。直流コンデンサ電圧を２つの半導体素子の直列構成で扱うなど、直列数が更に増加しても、同様である。また図１では、直流電圧レベルを７で説明したが、同様な考えで更に高電圧多レベルの電力変換装置を実現できる。
【００２５】
以上のように本実施形態に係る電力変換装置は、ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子とし、複数の同一電圧定格のコンデンサ２０１〜２０６が２ｎ個（図１ではｎ＝３）直列接続された直流回路２と、複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグ１と、前記正及び負の直流母線Ｐ、Ｎから数えてｋ番目（ｋは自然数）と（ｋ＋１）番目のコンデンサの相互接続点と、ｋ番目と（ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点との間に直列に接続されるｋ個の半導体素子で構成されたスイッチ４１〜４４と、レグの中点から正および負の母線側に共にｎ番目と（ｎ＋１）番目の半導体素子の相互接続点の間に直列接続された同一方向及び偶数個のダイオード３０１〜３０６を含み、前記偶数個のダイオードの中点が前記直流回路の中性点Ｃに接続されたダイオードクランプ回路３とを具備する。
【００２６】
（効果）
本実施形態によれば、電力変換器の扱う電圧を高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。
【００２７】
[第２実施形態]
（構成）
図２は第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は、図１のダイオードクランプ回路３の代わりに、中性点スイッチ６を用いた構成である。
【００２８】
中性点スイッチ６は、従来は異なり、扱う直流電圧が高くなるので、スイッチ６１、６２の直列接続から構成されている。また、スイッチ６１、６２は夫々、半導体素子６１Ａ、６１Ｂおよび６２Ａ、６２Ｂから構成されている。これらの半導体素子は、レグを構成する半導体素子と同じ電圧定格の半導体素子を適用できる。
【００２９】
（作用）
図２では、直流コンデンサを４つ直列接続した構成を示す。直流電圧が全体では、＋２Ｅ、−２Ｅと高い電圧になるため、その電圧に見合うよう半導体素子の直列数を定める。図２では、１０１〜１０８の８つの半導体素子を直列して、レグ１を構成する。半導体素子１０１と１０２との接続点Ｉ、直流コンデンサ２０１と２０２との接続点Ｊの間をスイッチ４１で接続し、半導体素子１０７と１０８との接続点Ｋ、直流コンデンサ２０３と２０４との接続点Ｌの間をスイッチ４２で接続する。＋２Ｅの出力は、半導体素子１０１〜１０４を全てオンする。＋Ｅの出力は、スイッチ４１と半導体素子１０２〜１０４をオンする。０の出力は、中性点スイッチ６をオンにする。−Ｅの出力は、半導体素子１０５〜１０７とスイッチ４２をオンする。−２Ｅの出力は、半導体素子１０５〜１０８を全てオンする。
【００３０】
図２に示す箇所にスイッチを接続することで、スイッチ４１、４２のように、一方向性半導体素子でスイッチを構成でき、またレグを構成する半導体素子の直列数を有効に活用できる。
【００３１】
以上のように本実施形態に係る電力変換装置は、ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子とし、複数の同一電圧定格のコンデンサ２０１〜２０４が２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路２と、複数の同一電圧定格の半導体素子１０１〜１０８を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグ１と、前記直流回路２の中性点とレグ中点の間に接続され、２ｎ個の同一電圧定格の半導体素子が直列接続された中性点スイッチ６と、前記正及び負の直流母線Ｐ、Ｎから数えてｋ番目（本例ではｋ＝１）と（ｋ＋１）番目のコンデンサの相互接続点と、ｋ番目と（ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点との間に直列に接続されるｋ個の半導体素子で構成されたコンデンサ・レグ間スイッチ４１、４２とを具備する。
【００３２】
（効果）
第２実施形態によれば、電力変換器の扱う電圧を高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。
【００３３】
また、図２では中性点スイッチ６１、６２をＩＧＢＴの逆直列接続で構成する例を示したが、逆方向阻止ができる半導体素子（例えばＩＧＢＴとダイオードの直列回路）を、電流方向を逆にして並列に接続しても良いし、またダイオードブリッジとＩＧＢＴとの組合せで構成するなど、他の等価な回路構成としてもかまわない。
【００３４】
[第３実施形態]
（構成）
図３は第３実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は、図１のダイオードクランプ回路の代わりに、中性点スイッチ６を用いた他の構成である。
【００３５】
中性点スイッチ６は、前述の図１２の構成とは異なり、扱う直流電圧が高くなるので、スイッチ６１、６２、６３の直列接続から構成されている。スイッチの構成は図２と同様である。
【００３６】
（作用）
図３において、交流電圧出力端子Ｕに０を出力する場合は、中性点スイッチ６をオンすることが図１の場合と異なるが、その他の動作と作用は図１の回路と同様である。
【００３７】
図３に示す箇所にスイッチ４１、４４を接続することで、一方向性半導体素子でスイッチを構成でき、またレグを構成する半導体素子の直列数を有効に活用できることは、図１の例と同様である。
【００３８】
（効果）
第３実施形態によれば、図１の実施形態と同様、電力変換器の扱う電圧を更に高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。
【００３９】
尚、図２、図３では、直流電圧レベルを５レベル、７レベルで説明したが、同様な考えで、更に高電圧多レベルの電力変換装置を実現できる。
【００４０】
[第４実施形態]
（構成）
図４は第４実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【００４１】
高電圧を扱うため、前述した図１４の電圧形変換器のレグおよび中性点スイッチを複数の半導体素子の直列接続で構成する。経済性に考慮し、定格電圧および定格電流が全て同一の半導体素子を用いる。また、直流回路も高電圧となるので、直流コンデンサの直列接続で構成する。また、この構成において、レグを構成する半導体素子相互の接続点Ｍ、Ｎと、中性点スイッチ相互の接続点Ｏを、コンデンサ７、８でそれぞれ接続する。
【００４２】
（作用）
作用を図４を用いて説明する。
【００４３】
図４では、直流コンデンサを４つ直列接続した構成を示す。
【００４４】
直流電圧が全体では、＋２Ｅ、−２Ｅと高い電圧になるため、その電圧に見合うよう半導体素子の直列数を定める。図４では、１０１〜１０８の８つの半導体素子を直列して、レグ１を構成する。中性点スイッチ６を構成するスイッチも電圧に合わせ直列構成としている。スイッチの構成は、図２と同様である。
【００４５】
レグ１、中性点スイッチ６を用いることで、従来例と同様、交流出力端子Ｕに、＋２Ｅ、０、−２Ｅの３つの電圧レベルを出力可能である。しかし、負荷から見ると、レグのスイッチングに伴う電圧レベルの変化が２Ｅと大きくなり、ケーブルでの反射による電圧サージなど負荷にとってはストレスが大きくなるおそれがある。
【００４６】
そこで図４においては、半導体素子１０１と１０２との接続点Ｍ、中性点スイッチ６１と６２との接続点Ｏの間をコンデンサ７で接続し、半導体素子１０７と１０８との接続点Ｎ’、中性点スイッチ６１と６２との接続点Ｏの間をコンデンサ８で接続する。このような構成とし、コンデンサ７、８の電圧をＥとすることで、直流コンデンサ電圧Ｅあるいは−Ｅが、交流出力端子Ｕに発生でき、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅという５レベルの電圧が出力できる。これにより、スイッチングに伴う電圧変化はＥとなるので、負荷の電圧ストレスは小さくなる。尚、コンデンサ７の電圧＋Ｅおよびコンデンサ８の電圧−Ｅは、装置起動時に充電するものとする。
【００４７】
５レベルの電圧出力は、次のように行う。
【００４８】
＋２Ｅの出力は、半導体素子１０１〜１０４を全てオンする。＋Ｅの出力は２通りある。すなわち、中性点スイッチ６１と半導体素子１０２、１０３、１０４をオンする。あるいは、半導体素子１０１と中性点スイッチ６２をオンする。０の出力は、中性点スイッチ６１、６２を両方オンする。−Ｅの出力は２通りある。すなわち、中性点スイッチ６１と半導体素子１０５、１０６、１０７をオンする。あるいは、半導体素子１０８と中性点スイッチ６２をオンする。＋２Ｅの出力は、半導体素子１０５〜１０８を全てオンする。
【００４９】
また、図４に示す点Ｍ、Ｎ、Ｏにコンデンサを接続することで、レグを構成する半導体素子の直列数を有効に活用できる。例えば、−２Ｅを出力している場合、交流出力端子Ｕの電位は−２Ｅである。このとき、コンデンサ７を接続している点Ｍの電位は＋Ｅであり、その電位差は３Ｅとなるが、その２点間には半導体素子１０２、１０３、１０４の３つが直列されている。半導体素子１つで電圧Ｅを扱えるので、３つの直列により３Ｅの電圧を扱うことができ問題ない。
【００５０】
図４では、半導体素子の直列数を８個で説明したが、直列数が更に増加しても同様である。
【００５１】
以上のように本実施形態に係る電力変換装置は、ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子とし、複数の同一電圧定格の直流コンデンサ２０１〜２０４が２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路２と、複数の同一電圧定格の半導体素子１０１〜１０８を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線Ｐ、Ｎにより前記直流回路と並列に接続されたレグ１と、前記直流回路２の中性点とレグ中点の間に接続され、２ｎ個の同一電圧定格の半導体素子が直列接続された中性点スイッチ６と、前記レグの正の母線Ｐからｋ番目（ｋは自然数）とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点と前記中性点スイッチ６を構成する半導体素子相互の接続点との間に接続されたレグ・スイッチ間第１コンデンサ７と、前記レグ１の負の母線Ｎからｋ番目とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点と前記中性点スイッチ６を構成する半導体素子相互の前記接続点との間に接続されたレグ・スイッチ間第２コンデンサ８とを具備する。
【００５２】
（効果）
第４実施形態によれば、他の実施例と同様、電力変換器の扱う電圧を高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。
【００５３】
[第５実施形態]
（構成）
図５は第５実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は図４と同様であるが、コンデンサのレグ側接続点が異なる構成である。
【００５４】
コンデンサ７は半導体素子１０２と１０３の接続点Ｐ’と中性点スイッチ６１と６２の接続点Ｏの間、コンデンサ８は半導体素子１０６と１０７の接続点Ｑと中性点スイッチ６１と６２の接続点Ｏの間に接続される。
【００５５】
（作用）
このような構成としても、図４と同じ作用が実現できる。
【００５６】
（効果）
また、このような構成としても、図４と同じ効果が得られる。
【００５７】
[第６実施形態]
（構成）
図６は第６実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は図５と同様であるが、中性点スイッチ６２の代わりに、ダイオードクランプ回路３を設けている点が異なる構成である。
【００５８】
（作用）
このような構成としても、図５と同じ作用が実現できる。
【００５９】
（実施例の効果）
また、この構成としても、図５と同じ効果が得られる。
【００６０】
[第７実施形態]
（構成）
図７は第７実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は図４と同様であるが、直流コンデンサを６つ用いており、更に扱う直流電圧が高くなるので、中性点スイッチ６はスイッチ６１、６２、６３の直列接続から構成されている。スイッチの構成は図２と同様である。
【００６１】
コンデンサ９、１０および１１、１２は扱う電圧を２Ｅとするため、２直列したものである。コンデンサ９、１０は半導体素子１０１と１０２の接続点Ｒと中性点スイッチ６１と６２の接続点Ｓの間、コンデンサ７は半導体素子１０２と１０３の接続点Ｔと中性点スイッチ６２と６３の接続点Ｕ’の間、コンデンサ８は半導体素子１１０と１１１の接続点Ｖと中性点スイッチ６２と６３の接続点Ｕ’の間、コンデンサ１１、１２は半導体素子１１１と１１２の接続点Ｗと中性点スイッチ６１と６２の接続点Ｓの間に接続される。
【００６２】
この構成を用いれば、＋３Ｅ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅの７レベルの出力が可能となる。図７に示した接続構成により、図５の場合と同様にレグを構成する半導体素子の直列数を有効に活用できる。
【００６３】
（作用）
図７において、出力レベルが７レベルとなっている点が図４の場合と異なるが、その他の動作と作用は図４の回路と同様である。
【００６４】
（効果）
本実施形態によれば、図３の実施形態と同様、電力変換器の扱う電圧を更に高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。
【００６５】
[第８実施形態）
（構成）
図８は第８実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態の構成は図６と同様であるが、コンデンサのレグ側接続点が異なる構成である。
【００６６】
コンデンサ９、１０は半導体素子１０２と１０３の接続点Ｔと中性点スイッチ６１と６２の接続点Ｓの間、コンデンサ７は半導体素子１０４と１０５の接続点Ｘと中性点スイッチ６２と６３の接続点Ｕ’の間に接続される。コンデンサ８は半導体素子１０８と１０９の接続点Ｙと中性点スイッチ６２と６３の接続点Ｕ’の間、コンデンサ１１、１２は半導体素子１１０と１１１の接続点Ｖと中性点スイッチ６１と６２の接続点Ｓの間に接続される。
【００６７】
（作用）
このよな構成としても、図７と同じ作用が実現できる。
【００６８】
尚、コンデンサのレグ側の接続は、複数のコンデンサ相互間で重複しない限り、図６、図７に示した接続以外の接続構成でも良い。
【００６９】
つまり本実施形態に係る電力変換装置は、中性点スイッチ６が２ｎ（ｎは自然数）個の同一電流電圧定格（同一定格）の半導体素子の直列接続から構成され、レグが複数の同一定格の半導体素子を４ｎ個の直列接続で構成されている場合、直流中性点Ｃから数えて第２ｋ番目と第（２ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点に、コンデンサの第１の端子を接続した場合、レグ１の正・負の直流母線から数えて第ｋ番目と第（ｋ＋１）番目の半導体素子相互接続点（図７）、またはレグ１の正・負の直流母線から数えて第２ｋ番目と第（２ｋ＋１）番目の半導体素子相互接続点（図８）との間にコンデンサの第２の端子が接続される。
【００７０】
（効果）
図８のような構成としても、図７と同じ効果が得られる。
【００７１】
[第９実施形態]
（構成）
図９は第９実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は図４と同様であるが、１つのパッケージに２つの半導体素子が同一方向に直列接続された組を収納した構造のものを適用する場合に有利な構成を示したものである。
【００７２】
この例では中性点スイッチ６は図２などとは異なり、直列半導体構成６４、６５がそれぞれ、同一方向の２つの半導体素子の直列接続で構成され、直列半導体構成６４、６５を互いに逆方向で直列接続した構成である点が異なる。直列半導体構成６４、６５はそれぞれ、半導体素子６４１と６４２の直列接続および半導体素子６５１と６５２の直列接続から構成される。レグ１も中性点スイッチと同様、２つの半導体素子を直列した直列半導体構成を用いて構成できる。
【００７３】
図９の構成で、図４と同様な動作を行うためには、コンデンサ７の中性点スイッチ側端子を、半導体素子６４１と６４２の接続点ａに接続する。コンデンサ８の中性点スイッチ側端子を、半導体素子６５１と６５２の接続点ｂに接続する。
【００７４】
図９に示した接続構成とすることで、レグと中性点スイッチを、同じ構成の半導体素子で構成することができる。
【００７５】
（作用）
図９において、＋２Ｅ、０、−２Ｅを出力する場合は、図４と同様な制御をすれば良い。
【００７６】
しかし、＋Ｅを出力する場合は、中性点スイッチの中の半導体６４２と１０２〜１０４オンするか、あるいは半導体素子１０１と半導体素子６４１、６５１、６５２をオンする。また、−Ｅを出力する場合、半導体素子６４１、６４２、６５１と半導体素子１０５をオンするか、あるいは半導体素子１０６〜１０８と半導体素子６５２をオンする。
【００７７】
（効果）
本実施形態によれば、図４の実施例と同様な効果が得られるとともに、レグと中性点を同一構成の半導体素子で構成でき、より経済的な電力変換装置を提供できる。
【００７８】
[第１０実施形態]
（構成）
図１０は第１０実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は図９と同様の構成であるが、コンデンサのレグ側接続点が異なる。
【００７９】
コンデンサ７は半導体素子１０２と１０３の接続点ｃ’と中性点スイッチ６４１と６４２の接続点ａの間、コンデンサ８は半導体素子１０６と１０７の接続点ｄと中性点スイッチ６５１と６５２の接続点ｂの間に接続される。
【００８０】
（作用）
このような構成としても、図９と同じ作用が実現できる。
【００８１】
尚、コンデンサのレグ側の接続は、複数のコンデンサ相互間で重複しない限り、図９、図１０に示した以外の他の接続の組合せでも良い。
【００８２】
（効果）
このような構成としても、図９と同じ効果が得られる。
【００８３】
尚、図４〜１０では直流電圧レベルを５レベル、７レベルで説明したが、同様な考えで更に高電圧の電力変換装置を実現できる。
【００８４】
[第１１実施形態]
（構成）
図１１は第１１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態はレグを構成する半導体素子相互の接続点と、中性点スイッチ相互の接続点をコンデンサで接続する。図１１では、直流コンデンサを４つ直列接続した構成を示す。
【００８５】
（作用）
直流電圧が全体では、＋２Ｅ、−２Ｅと高い電圧になるため、その電圧に見合うよう半導体素子の直列数を定める。図１１では、１０１〜１０８の８つの半導体素子を直列して、レグ１を構成する。図１１に示す位置にスイッチ４１、４２を設け直列コンデンサ２とレグ１間を接続する。更にコンデンサ７、８を設け、スイッチ４１、４２とレグ１を接続する。
【００８６】
レグ１、スイッチ４１、４２を用いることで、従来例と同様、交流出力端子Ｕに、＋２Ｅ、０、−２Ｅの３つの電圧レベルを出力可能である。コンデンサ７、８の電圧を起動時にＥに充電することで、＋Ｅの出力は、半導体素子１０１、４１２、１０３、１０４をオンする。または、半導体素子４１１、１０２、１０３、１０４をオンする。同様に−Ｅの出力は、１０８、４２２、１０６、１０５、または、４２１、１０７、１０６、１０５をオンする。これにより、直流コンデンサ電圧Ｅあるいは−Ｅが、交流出力端子Ｕに発生され、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅという５レベルの電圧を出力できる。
【００８７】
以上のように本実施形態に係る電力変換装置は、ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子とし、複数の同一電圧定格の直流コンデンサ２０１〜２０４が２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路２と、複数の同一電圧定格の半導体素子１０１〜１０８を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線Ｐ、Ｎにより前記直流回路２と並列に接続されたレグ１と、前記直流回路２の中性点Ｃと、前記レグの正の母線Ｐからｋ番目（ｋは自然数）とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点ｆとの間に接続され、半導体素子がｎ個直列に接続された第１スイッチ４１と、前記第１スイッチ４１の半導体素子相互接続点ｇと、前記レグの正の母線Ｐからｋ番目とｋ―１番目の半導体素子相互の接続点ｅとの間に接続された第１コンデンサ７と、前記直流回路の中性点Ｃと、前記レグの負の母線Ｎからｋ番目とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点ｈとの間に接続され、半導体素子がｎ個直列に接続された第２スイッチ４２と、前記第２スイッチ４２の半導体素子相互接続点ｉと、前記レグの負の母線Ｎからｋ番目とｋ―１番目の半導体素子相互の接続点ｊとの間に接続された第２コンデンサ８とを具備する。
【００８８】
（効果）
本実施形態によれば、他の実施形態と同様、電力変換器の扱う電圧を高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。
【００８９】
[第１２実施形態]
（構成）
図１２は第１２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態は、図１１と同様の構成であるが、直流コンデンサを６つ用い、更に扱う直流電圧が高くなるので、レグ１の半導体素子を１２個直列としている。スイッチ４１、４２は半導体素子４１１、４１２、４１３、４２１、４２２、４２３から構成されている。更にコンデンサ７、８を設け、スイッチ４１、４２とレグ１を接続する。
【００９０】
この構成を用いれば、＋３Ｅ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅの７レベルの出力が可能となる。
【００９１】
（作用）
レグ１、スイッチ４１、４２を用いることで、交流出力端子Ｕに、＋３Ｅ、０、−３Ｅの３つの電圧レベルを出力可能である。コンデンサ７、８の電圧をＥとすることで、＋２Ｅの出力は、半導体素子１０１、１０２、４１３、１０４、１０５、１０６をオンする。＋Ｅの出力は、半導体素子４１１、４１２、１０３、１０４、１０５、１０６をオンする。同様に−Ｅの出力は、半導体素子４２１、４２２、１１０、１０９、１０８、１０７を、−２Ｅの出力は、半導体素子１１２、１１１、４２３、１０９、１０８、１０７をオンする。これにより、交流出力端子Ｕに、＋３Ｅ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅという７レベルの電圧が出力できる。
【００９２】
（実施例の効果）
本発明によれば、図１１の実施例と同様、電力変換器の扱う電圧を更に高くするだけではなく、出力電圧レベルを増加させることができ、より滑らかな電圧出力が可能な電力変換装置を提供できる。尚、図１２の例では半導体素子の直列数を１２個で説明したが、直列数が更に増加しても、同様である。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に本件出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格のコンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記正及び負の直流母線からそれぞれ数えてｋ番目（ｋは自然数）と（ｋ＋１）番目のコンデンサの相互接続点と、ｋ番目と（ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点との間に直列に接続されるｋ個の半導体素子で構成されたスイッチと、
レグの中点から正および負の母線側に共にｎ番目と（ｎ＋１）番目の半導体素子の相互接続点の間に直列接続された同一方向及び偶数個のダイオードを含み、前記偶数個のダイオードの中点が前記直流回路の中性点に接続されたダイオードクランプ回路と、を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
［２］
前記レグ及びスイッチを構成する半導体素子は互いに同一電圧定格であって、各半導体素子としてＩＧＢＴを含む一方向性半導体素子が用いられることを特徴とする［１］記載の電力変換装置。
［３］
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格のコンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記直流回路の中性点とレグ中点の間に接続され、２ｎ個の同一電圧定格の半導体素子が直列接続された中性点スイッチと、
前記正及び負の直流母線からそれぞれ数えてｋ番目（ｋは自然数）と（ｋ＋１）番目のコンデンサの相互接続点と、ｋ番目と（ｋ＋１）番目の半導体素子の相互接続点との間に直列に接続されるｋ個の半導体素子で構成されたコンデンサ・レグ間スイッチと、を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
［４］
前記レグ、中性点スイッチ及びコンデンサ・レグ間スイッチを構成する半導体素子は互いに同一電圧定格であって、各半導体素子としてＩＧＢＴを含む一方向性半導体素子が用いられることを特徴とする［３］記載の電力変換装置。
［５］
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格の直流コンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記直流回路の中性点とレグ中点の間に接続され、２ｎ個の同一電圧定格の半導体素子が直列接続された中性点スイッチと、
前記レグの正及び負の母線から共にｋ番目（ｋは自然数）とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点と、前記中性点スイッチを構成する半導体素子相互の接続点との間に接続されたレグ・スイッチ間第１及び第２コンデンサと、
を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
［６］
前記中性点スイッチは、互いに異なる方向の２つの半導体素子の直列回路が１以上直列に接続され、前記第１及び第２コンデンサの前記中性点スイッチ側接続点が同一であることを特徴とする［５］記載の電力変換装置。
［７］
前記中性点スイッチは、互いに同一方向の２つの半導体素子の直列回路が１以上直列に接続され、前記第１及び第２コンデンサの前記中性点スイッチ側接続点が、互いに異なることを特徴とする［５］記載の電力変換装置。
［８］
ダイオードとスイッチング素子の逆並列接続からなる回路要素が半導体素子として構成され、
複数の同一電圧定格の直流コンデンサが２ｎ個（ｎは自然数）直列接続された直流回路と、
複数の同一電圧定格の半導体素子を４ｎ個直列に接続した直列回路であって、正及び負の母線により前記直流回路と並列に接続されたレグと、
前記直流回路の中性点と、前記レグの正の母線から数えてｋ番目（ｋは自然数）とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続され、半導体素子がｎ個直列に接続された第１スイッチと、
前記第１スイッチの半導体素子相互接続点と、前記レグの正の母線からｋ番目とｋ―１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続された第１コンデンサと、
前記直流回路の中性点と、前記レグの負の母線から数えてｋ番目とｋ＋１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続され、半導体素子がｎ個直列に接続された第２スイッチと、
前記第２スイッチの半導体素子相互接続点と、前記レグの負の母線からｋ番目とｋ―１番目の半導体素子相互の接続点との間に接続された第２コンデンサと、
を具備することを特徴とする電圧形自励式の電力変換装置。
【符号の説明】
【００９４】
１…レグ、２…直流回路、３…ダイオードクランプ回路、６…中性点スイッチ、1４１〜４４…スイッチ。
【図１】
0005780907.tif 000002
【図２】
0005780907.tif 000003
【図３】
0005780907.tif 000004
【図４】
0005780907.tif 000005
【図５】
0005780907.tif 000006
【図６】
0005780907.tif 000007
【図７】
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【図８】
0005780907.tif 000009
【図９】
0005780907.tif 000010
【図１０】
0005780907.tif 000011
【図１１】
0005780907.tif 000012
【図１２】
0005780907.tif 000013
【図１３】
0005780907.tif 000014
【図１４】
0005780907.tif 000015