(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチレベルインバータであって、当該マルチレベルインバータは、直流入力電源に接続されるように構成され、且つ、直流入力ユニットと、インバータユニットと、第１の双方向スイッチと、第２の双方向スイッチと、第３のキャパシタＣ３とを有し、
前記直流入力ユニットは、前記直流入力電源の正極と負極との間に直列に接続される第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２を有し、
前記インバータユニットは、第１のスイッチング管Ｑ１と、第２のスイッチング管Ｑ２と、第３のスイッチング管Ｑ３と、第４のスイッチング管Ｑ４とを有し、これら４つのスイッチング管が、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、及びＱ４の順に、前記直流入力電源の前記正極と前記負極との間に、同じ向きで直列に接続され、
前記第１の双方向スイッチの一方の端子が、前記第３のスイッチング管Ｑ３と前記第４のスイッチング管Ｑ４との間の接続点に接続され、且つ、前記第１の双方向スイッチの他方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の接続点に接続されて、前記第１の双方向スイッチの２つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第２の双方向スイッチの一方の端子が、前記第１のスイッチング管Ｑ１と前記第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続され、且つ、前記第２の双方向スイッチの他方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の前記接続点に接続されて、前記第２の双方向スイッチの２つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第３のキャパシタＣ３の正極が、前記第１のスイッチング管Ｑ１と前記第２のスイッチング管Ｑ２との間の前記接続点に接続され、前記第３のキャパシタＣ３の負極が、前記第３のスイッチング管Ｑ３と前記第４のスイッチング管Ｑ４との間の前記接続点に接続され、且つ
前記スイッチング管Ｑ１−Ｑ４の各々が、ダイオードに逆並列接続される、
マルチレベルインバータ。
【請求項２】
前記第１の双方向スイッチは、逆直列接続された第５のスイッチング管Ｑ５及び第６のスイッチング管Ｑ６を有し、前記第５のスイッチング管Ｑ５の一方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の前記接続点に接続され、前記第５のスイッチング管Ｑ５の他方の端子が、前記第６のスイッチング管Ｑ６の一方の端子に接続され、前記第６のスイッチング管Ｑ６の他方の端子が、前記第３のスイッチング管Ｑ３と前記第４のスイッチング管Ｑ４との間の前記接続点に接続される、請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項３】
前記第２の双方向スイッチは、逆直列接続された第７のスイッチング管Ｑ７及び第８のスイッチング管Ｑ８を有し、前記第７のスイッチング管Ｑ７の一方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の前記接続点に接続され、前記第７のスイッチング管Ｑ７の他方の端子が、前記第８のスイッチング管Ｑ８の一方の端子に接続され、前記第８のスイッチング管Ｑ８の他方の端子が、前記第１のスイッチング管Ｑ１と前記第２のスイッチング管Ｑ２との間の前記接続点に接続される、請求項１又は２に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項４】
前記第１の双方向スイッチ又は前記第２の双方向スイッチのいずれか内の各スイッチング管が、ダイオードに逆並列接続される、請求項３に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項５】
当該マルチレベルインバータは更に、第１のスイッチＳ１と、第２のスイッチＳ２と、抵抗Ｒｃとを有し、前記第１のスイッチＳ１は、前記第１のスイッチング管Ｑ１の２つの端子に並列に接続され、前記第２のスイッチＳ２は、前記抵抗Ｒｃに直列に接続された後に前記第４のスイッチング管Ｑ４の２つの端子に並列に接続される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項６】
当該マルチレベルインバータは更にＤＣ／ＤＣコンバータを有し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２つの入力端子が、それぞれ、前記直流入力ユニットの２つの端子に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２つの出力端子が、それぞれ、前記第３のキャパシタＣ３の２つの端子に接続される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項７】
当該マルチレベルインバータは更にフィルタユニットを有し、前記フィルタユニットの入力端子が、前記第２のスイッチング管Ｑ２と前記第３のスイッチング管Ｑ３との間の接続点に接続される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項８】
直流入力電源と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、マルチレベルインバータとを有する電源システムであって、前記直流入力電源の出力端子が前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子が前記マルチレベルインバータの入力端子に接続され、前記マルチレベルインバータの出力端子が送電網に接続されるように構成されて、前記マルチレベルインバータから前記送電網に交流を運ぶようにされ、
前記マルチレベルインバータは、直流入力ユニットと、インバータユニットと、第１の双方向スイッチと、第２の双方向スイッチと、第３のキャパシタＣ３とを有し、
前記直流入力ユニットは、前記直流入力電源の正端子と負端子との間に直列に接続される第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２を有し、
前記インバータユニットは、第１のスイッチング管Ｑ１と、第２のスイッチング管Ｑ２と、第３のスイッチング管Ｑ３と、第４のスイッチング管Ｑ４とを有し、これら４つのスイッチング管は、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、及びＱ４の順に、前記直流入力電源の正極と負極との間に、同じ向きで直列に接続され、
フィルタユニットの入力端子が、前記第２のスイッチング管Ｑ２と前記第３のスイッチング管Ｑ３との間の接続点に接続され、前記フィルタユニットの出力端子が、前記送電網に接続されるように構成され、
前記第１の双方向スイッチの一方の端子が、前記第３のスイッチング管Ｑ３と前記第４のスイッチング管Ｑ４との間の接続点に接続され、且つ、前記第１の双方向スイッチの他方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の接続点に接続されて、前記第１の双方向スイッチの２つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第２の双方向スイッチの一方の端子が、前記第１のスイッチング管Ｑ１と前記第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続され、且つ、前記第２の双方向スイッチの他方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の前記接続点に接続されて、前記第２の双方向スイッチの２つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、
前記第３のキャパシタＣ３の正端子が、前記第１のスイッチング管Ｑ１と前記第２のスイッチング管Ｑ２との間の前記接続点に接続され、前記第３のキャパシタＣ３の負端子が、前記第３のスイッチング管Ｑ３と前記第４のスイッチング管Ｑ４との間の前記接続点に接続され、且つ
前記スイッチング管Ｑ１−Ｑ４の各々が、ダイオードに逆並列接続される、
電源システム。
【請求項９】
前記第１の双方向スイッチは、逆直列接続された第５のスイッチング管Ｑ５及び第６のスイッチング管Ｑ６を有し、前記第５のスイッチング管Ｑ５の一方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の前記接続点に接続され、前記第５のスイッチング管Ｑ５の他方の端子が、前記第６のスイッチング管Ｑ６の一方の端子に接続され、前記第６のスイッチング管Ｑ６の他方の端子が、前記第３のスイッチング管Ｑ３と前記第４のスイッチング管Ｑ４との間の前記接続点に接続される、請求項８に記載の電源システム。
【請求項１０】
前記第２の双方向スイッチは、逆直列接続された第７のスイッチング管Ｑ７及び第８のスイッチング管Ｑ８を有し、前記第７のスイッチング管Ｑ７の一方の端子が、前記第１のキャパシタＣ１と前記第２のキャパシタＣ２との間の前記接続点に接続され、前記第７のスイッチング管Ｑ７の他方の端子が、前記第８のスイッチング管Ｑ８の一方の端子に接続され、前記第８のスイッチング管Ｑ８の他方の端子が、前記第１のスイッチング管Ｑ１と前記第２のスイッチング管Ｑ２との間の前記接続点に接続される、請求項８又は９に記載の電源システム。
【請求項１１】
前記第１の双方向スイッチ又は前記第２の双方向スイッチのいずれか内の各スイッチング管が、ダイオードに逆並列接続される、請求項１０に記載の電源システム。
【請求項１２】
前記直流入力電源は、ソーラーパネル又は太陽電池パックを有する、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源技術の分野に属し、具体的にはマルチレベルインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギー、特に太陽光発電エネルギーが、ますます注目を集めており、例えば欧州、北米、及びアジアなどの地域で大規模に適用されてきている。太陽エネルギーが送電網におけるエネルギーへと変換されるよう、典型的な太陽光発電システムは、１つ以上の太陽光発電パネルを直列又は並列に接続することによって、太陽エネルギーを、特定の電圧及び電流を持つ直流に変換し、次いで、太陽光発電インバータを用いて、その直流を交流に変換し、そして、その交流を送電網に送る。許容可能な絶縁の範囲内で、パネルによって出力される直流の電圧は、一般に、パネルを直列に接続することによって増大される。斯くして、同じ電流（ケーブル径）の場合に、より大きい電力を出力して、システムコストを低減することができる。現在、大規模に使用されている三相グリッド接続太陽光発電システムでは、直列接続されたパネルによって出力される最大電圧は１０００Ｖに至っており、その耐能力が１５００Ｖであるパネルが発売されてきている。この場合、システムコストが更に低減されることが期待される。しかしながら、パネルによって出力される電圧が高まるにつれて、インバータの電力変換部内のスイッチ半導体デバイスの性能に、より高い要求が課されている。現在、主流のパワー半導体デバイスでは、耐電圧が１２００Ｖ未満のとき、スイッチング損失特性が比較的良好であり、そして、比較的高いスイッチング周波数の場合に比較的理想的な変換効率を達成することができる。比較的高いスイッチング周波数の場合、フィルタ回路の大きさ及び重量を減ずることができる。これは、システムの小型化を容易にする。
【０００３】
インバータのフィルタ部の大きさ及び重量を減ずるために、高電圧及び高出力の領域に適用されるマルチレベルコンバータが、パワーエレクトロニクス産業において大きな注目を集めている。パワーエレクトロニクス装置の電圧能力の制約のため、従来の２レベル周波数コンバータは通常、変圧器を用いて電圧を低下及び上昇させることによる“高−低−高”手法にて高電圧及び高出力を得ており、又は、多巻線変圧器の複数の巻線によって複数の小容量インバータユニットを直列に接続することによって高電圧及び高出力を得ている。これは、システムの効率及び信頼性を低下させてしまう。
【発明の概要】
【０００４】
この出願は、より多くのレベルを出力し、それによりシステム効率及び信頼性を確保するマルチレベルインバータを提供する。
【０００５】
上述の目的を達成するために、以下の技術的ソリューションが本発明の実施形態で使用される。
【０００６】
第１の態様によれば、直流入力ユニット及びインバータユニットを含むマルチレベルインバータが提供され、マルチレベルインバータは更に、第１の双方向スイッチ、第２の双方向スイッチ、及び第３のキャパシタＣ３を含み、直流入力ユニットは、第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２を含み、第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２は、直流入力電源の正端子と負端子との間に直列に接続され、インバータユニットは、直流入力電源の正端子と負端子との間に同じ向きで直列に接続される４つのスイッチング管を含み、これら４つのスイッチング管は、第１のスイッチング管Ｑ１、第２のスイッチング管Ｑ２、第３のスイッチング管Ｑ３、及び第４のスイッチング管Ｑ４を含み、これら４つのスイッチング管が、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、及びＱ４の順に、直流入力電源の正極と負極との間に、同じ向きで直列に接続され、第１の双方向スイッチの一方の端子が、第３のスイッチング管Ｑ３と第４のスイッチング管Ｑ４との間の接続点に接続され、且つ、第１の双方向スイッチの他方の端子が、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタとの間の接続点に接続されて、第１の双方向スイッチの２つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、第２の双方向スイッチの一方の端子が、第１のスイッチング管Ｑ１と第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続され、且つ、第２の双方向スイッチの他方の端子が、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタとの間の接続点に接続されて、第２の双方向スイッチの２つの端子間での双方向の電流のターンオン及びターンオフ制御を実現し、第３のキャパシタＣ３の正端子が、第１のスイッチング管Ｑ１と第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続され、第３のキャパシタＣ３の負端子が、第３のスイッチング管Ｑ３と第４のスイッチング管Ｑ４との間の前記接続点に接続され、且つ、スイッチング管Ｑ１−Ｑ４の各々が、ダイオードに逆並列接続される。
【０００７】
上記第１の態様を参照するに、上記第１の態様の第１の実装において、第１の双方向スイッチは、逆直列接続された第５のスイッチング管Ｑ５及び第６のスイッチング管Ｑ６を含み、第５のスイッチング管Ｑ５の一方の端子が、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２との間の接続点に接続され、第５のスイッチング管Ｑ５の他方の端子が、第６のスイッチング管Ｑ６の一方の端子に接続され、第６のスイッチング管Ｑ６の他方の端子が、第３のスイッチング管Ｑ３と第４のスイッチング管Ｑ４との間の接続点に接続される。
【０００８】
上記第１の態様又は上記第１の態様の上記第１の実装を参照するに、上記第１の態様の第２の実装において、第２の双方向スイッチは、逆直列接続された第７のスイッチング管Ｑ７及び第８のスイッチング管Ｑ８を含み、第７のスイッチング管Ｑ７の一方の端子が、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２との間の接続点に接続され、第７のスイッチング管Ｑ７の他方の端子が、第８のスイッチング管Ｑ８の一方の端子に接続され、第８のスイッチング管Ｑ８の他方の端子が、第１のスイッチング管Ｑ１と第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続される。
【０００９】
上記第１の態様又は上記第１の態様の上記第１の実装又は上記第１の態様の上記第２の実装を参照するに、上記第１の態様の第３の実装において、第１の双方向スイッチ又は第２の双方向スイッチのいずれか内の各スイッチング管が、ダイオードに逆並列接続される。
【００１０】
上記第１の態様又は上記第１の態様の上述の３つの実装のいずれか１つを参照するに、上記第１の態様の第４の実装において、マルチレベルインバータは更に、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２、及び抵抗Ｒｃを含み、第１のスイッチＳ１は、第１のスイッチング管Ｑ１の２つの端子に並列に接続され、第２のスイッチＳ２は、抵抗Ｒｃに直列に接続された後に第４のスイッチング管Ｑ４の２つの端子に並列に接続される。
【００１１】
上記第１の態様又は上記第１の態様の上述の４つの実装のいずれか１つを参照するに、上記第１の態様の第５の実装において、マルチレベルインバータは更にＤＣ／ＤＣコンバータを含み、ＤＣ／ＤＣコンバータの２つの入力端子が、それぞれ、直流入力ユニットの２つの端子に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータの２つの出力端子が、それぞれ、第３のキャパシタＣ３の２つの端子に接続される。
【００１２】
上記第１の態様又は上記第１の態様の上述の５つの実装のいずれか１つを参照するに、上記第１の態様の第６の実装において、マルチレベルインバータは更にフィルタユニットを含み、フィルタユニットの入力端子が、第２のスイッチング管Ｑ２と第３のスイッチング管Ｑ３との間の接続点に接続される。
【００１３】
第２の態様によれば、本発明の一実施形態は、直流電源と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、第１の態様に従ったマルチレベルインバータとを含む電源システムを提供し、ＰＶソーラーパネルのような直流入力電源の出力端子がＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子がマルチレベルインバータの入力端子に接続され、そして、インバータ変換処理によりマルチレベルインバータによって得られた交流を送電網に運ぶよう、マルチレベルインバータの出力端子が送電網に接続される。
【００１４】
このマルチレベルインバータによれば、増加された出力電圧レベル数が出力波形における高調波含有量を低減させるように、より多くのレベルを出力するために、２グループの双方向スイッチを用いることによって直流入力ユニットとインバータユニットとがブリッジされるように設計された回路が用いられる。これは、システムの効率及び安定性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の実施形態における技術的ソリューションをいっそう明瞭に説明するため、以下、実施形態又は従来技術を説明するのに必要な添付の図を簡単に説明する。明らかなように、以下に説明される添付の図は、単に、本発明の幾つかの実施形態を示すものであり、当業者はなおも、創作努力なく、これら添付の図から他の図を得ることができる。
【図１】本発明の実施形態１に従ったマルチレベルインバータの回路図である。
【図２ａ】図２ａ及び図２ｂは、本発明の実施形態１に従った状態１におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図２ｂ】図２ａ及び図２ｂは、本発明の実施形態１に従った状態１におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図３ａ】図３ａ及び図３ｂは、本発明の実施形態１に従った状態２におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図３ｂ】図３ａ及び図３ｂは、本発明の実施形態１に従った状態２におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図４ａ】図４ａ及び図４ｂは、本発明の実施形態１に従った状態３におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図４ｂ】図４ａ及び図４ｂは、本発明の実施形態１に従った状態３におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図５ａ】図５ａ及び図５ｂは、本発明の実施形態１に従った状態４におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図５ｂ】図５ａ及び図５ｂは、本発明の実施形態１に従った状態４におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図６ａ】図６ａ及び図６ｂは、本発明の実施形態１に従った状態５におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図６ｂ】図６ａ及び図６ｂは、本発明の実施形態１に従った状態５におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図７ａ】図７ａ及び図７ｂは、本発明の実施形態１に従った状態６におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図７ｂ】図７ａ及び図７ｂは、本発明の実施形態１に従った状態６におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図８ａ】図８ａ及び図８ｂは、本発明の実施形態１に従った状態７におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図８ｂ】図８ａ及び図８ｂは、本発明の実施形態１に従った状態７におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図９ａ】図９ａ及び図９ｂは、本発明の実施形態１に従った状態８におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図９ｂ】図９ａ及び図９ｂは、本発明の実施形態１に従った状態８におけるマルチレベルインバータの回路制御図である。
【図１０】本発明の実施形態１に従ったマルチレベルインバータの回路制御状態図である。
【図１１】本発明の実施形態２に従ったマルチレベルインバータの第１の実装の回路図である。
【図１２】本発明の実施形態２に従ったマルチレベルインバータの第２の実装の回路図である。
【図１３】本発明の実施形態３に従った電源システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態内の添付図面を参照して、本発明の実施形態における技術的ソリューションを明瞭に説明する。明らかなように、説明される実施形態は、本発明の実施形態のうちの、単に一部であって、全てではない。本発明のこれらの実施形態に基づいて創作努力なく得られる他の実施形態は全て、本発明の保護範囲に入るものである。
【００１７】
実施形態１
図１に示すように、直流入力電源Ｅと負荷ＲＬとの間に、本発明のこの実施形態にて提供されるマルチレベルインバータ１００が配置され得る。直流入力電源Ｅの電圧はＥであり、直流入力電源Ｅは、ソーラーパネルアレイ、又は例えば充電式バッテリ又は燃料電池などのエネルギー蓄積装置とし得る。
【００１８】
マルチレベルインバータ１００は、直流入力ユニット１０２と、第１の双方向スイッチ１０４と、第２の双方向スイッチ１０６と、第３のキャパシタＣ３と、インバータユニット１０８とを含み、オプションでフィルタユニット１１０を含む。フィルタユニット１１０は、ノードＶａに接続するために使用される入力端子と、ノードＶｏに接続するために使用される出力端子とを有する。ノードＶｏは、負荷に接続するために使用される。
【００１９】
直流入力ユニット１０２は、直列に接続された２つの入力キャパシタを含み、これら２つの入力キャパシタは、第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２を含む。第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２は、直流入力電源Ｅの２つの出力端子間に直列に接続される。特定の用途において、第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２は、一般的に、同じキャパシタンス容量を有する。この場合、直流入力ユニット１０２に印加される直流電圧が、キャパシタＣ１の２つの端子とキャパシタＣ２の２つの端子とに等分に印加され、すなわち、第１のキャパシタＣ１の２つの端子における電圧はＥ／２であり、第２のキャパシタＣ２の２つの端子における電圧はＥ／２である。一般に、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２との間の中間接続点が、マルチレベルインバータ１００の中性点として参照される。中性点は、ゼロ電圧を持つ点である。特定の用途において、中性点は接地のために使用され得る。
【００２０】
インバータユニット１０８は、直流入力電源Ｅの２つの出力端子間に直列に接続される４つの電力スイッチング管（power  switching  tube）を含む。これら４つの電力スイッチング管は、第１のスイッチング管Ｑ１、第２のスイッチング管Ｑ２、第３スイッチング管Ｑ３、及び第４スイッチング管Ｑ４を含む。４つの電力スイッチング管は、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、及びＱ４の順に、直流入力電源Ｅの正極と負極との間に、同じ向きで直列に接続され、接続された２つの隣接し合うスイッチング管の間ごとに、それら２つのスイッチング管を接続する接続点が存在する。
【００２１】
フィルタユニット１１０の入力端子は、第２のスイッチング管Ｑ２と第３のスイッチング管Ｑ３との間の接続点に接続され、すなわち、フィルタユニット１１０の入力端子は、インバータユニット１０８によって形成されるブリッジレグの中点に接続される。フィルタユニット１１０は、インダクタ及びフィルタキャパシタを含む。インダクタの２つの端子は、それぞれ、ノードＶａ及びノードＶｏに接続するために使用される。フィルタキャパシタの一方の端子は点Ｖｏに接続され、フィルタキャパシタの他方の端子は接地される。フィルタユニット１１０は、ノードＶａから出力される電圧の波形内の不要な高調波をフィルタリング除去することが可能な、ＬＣフィルタ回路又は他のフィルタ回路とし得る。フィルタユニット１１０は、マルチレベルインバータ１００の中に統合されてもよいし、あるいは、ディスクリートコンポーネントとして外部接続されてもよく、また、正弦波の出力波形を形成するように、インバータユニット１０８によって出力される複数のレベルをフィルタリングするように構成される。
【００２２】
インバータユニット１０８は更に、４つのダイオードを含む。これら４つのダイオードは、それぞれ、４つのスイッチング管Ｑ１−Ｑ４に、一対一の逆並列方式にて接続され、第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３、及び第４のダイオードＤ４を含む。一対一の逆並列接続が意味することは、第１のダイオードＤ１が第１のスイッチング管Ｑ１の２つの端子に逆並列に接続され、第２のダイオードＤ２が第２のスイッチング管Ｑ２の２つの端子に逆並列に接続され、第３のダイオードＤ３が第３スイッチング管Ｑ３の２つの端子に逆並列に接続され、そして、第４のダイオードＤ４が第４スイッチング管Ｑ４の２つの端子に逆並列に接続されるということである。
【００２３】
第１の双方向スイッチ１０４は、逆直列接続された第５のスイッチング管Ｑ５及び第６のスイッチング管Ｑ６を含む。第１の双方向スイッチ１０４の一方の端子は、第３のスイッチング管Ｑ３と第４のスイッチング管Ｑ４との間の接続点に接続され、第１の双方向スイッチ１０４の他方の端子は、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２との間の接続点に接続される。
【００２４】
第２の双方向スイッチ１０６は、逆直列接続された第７のスイッチング管Ｑ７及び第８のスイッチング管Ｑ８を含む。第２の双方向スイッチ１０６の一方の端子は、第１のスイッチング管Ｑ１と第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続され、第２の双方向スイッチ１０６の他方の端子は、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２との間の接続点に接続される。各双方向スイッチの、直列に接続されたスイッチング管は各々、一対一の逆並列方式にて、１つのダイオードに接続される。例えば、第５のスイッチング管Ｑ５は、対応して第５のダイオードＤ５に逆並列接続され、第６のスイッチング管Ｑ６は、対応して第６のダイオードＤ６に逆並列接続され、第７のスイッチング管Ｑ７は、対応して第７のダイオードＤ７に逆並列接続され、第８のスイッチング管Ｑ８は、対応して第８のダイオードＤ８に逆並列接続される。
【００２５】
第１又は第２の双方向スイッチ１０４／１０６は、直列に接続された２つの一方向スイッチング管によって形成される。図１に示すように、図１中のスイッチング管Ｑ１−Ｑ８の何れのスイッチング管の矢印も、そのスイッチング管によってターンオン及びターンオフが制御され得る電流の向きを指し示しており、スイッチング管は、矢印の方向と反対方向ではターンオフされる。また、逆方向の過電圧でスイッチング管が破壊されることを防止するよう、各スイッチング管の２つの端子にダイオードが逆並列接続される。逆並列接続が意味することは、スイッチング管のターンオンを指し示す矢印の向きが、ダイオードのターンオンの方向とは反対であるということである。学び得ることには、双方向のターンオン及びターンオフ制御を実現することが可能な双方向スイッチは、逆直列接続された２つの一方向スイッチング管と、これら２つのスイッチング管に逆並列接続された２つのダイオードとを含むことができ、逆方向の過電圧での破壊が回避される。
【００２６】
第３のキャパシタＣ３の正端子は、第１のスイッチング管Ｑ１と第２のスイッチング管Ｑ２との間の接続点に接続され、第３のキャパシタＣ３の負端子は、第３のスイッチング管Ｑ３と第４のスイッチング管Ｑ４との間の接続点に接続される。特定の用途において、Ｃ３の２つの端子間における電圧の差は概してＥ／４に等しい。
【００２７】
マルチレベルインバータ１００に関し、特定の用途において、第２のスイッチング管Ｑ２及び第３のスイッチング管Ｑ３の制御信号は相補的であり、第１のスイッチング管Ｑ１及び第６のスイッチング管Ｑ６の制御信号は相補的であり、第４のスイッチング管Ｑ４及び第８のスイッチング管Ｑ８の制御信号は相補的であり、そして、第５のスイッチング管Ｑ５及び第７のスイッチング管Ｑ７の制御信号は相補的である。スイッチング管Ｑ１−Ｑ８のスイッチング状態を制御することにより、ノードＶａは、Ｅ／２、Ｅ／４、０、−Ｅ／４、及び−Ｅ／２を含む５レベルの電圧を出力することができる。信号が相補的であるとは、制御信号が逆であることを意味する。例えば、第２のスイッチング管Ｑ２及び第３のスイッチング管Ｑ３の制御信号が相補的であるということは、第２のスイッチング管Ｑ２の制御信号がターンオンされるとき、第３のスイッチング管Ｑ３の制御信号がターンオフされることを意味する。制御信号は、各スイッチング管のゲート電極（ベース）に与えられ得る。
【００２８】
以下、マルチレベルインバータ１００の制御及び出力原理を説明する。論理１はスイッチング管のターンオンを表し、論理０はスイッチング管のターンオフを表す。２つのスイッチング管の制御信号が相補的であるということは、２つのスイッチング管に対して出力される２つの制御信号の論理が［０，１］又は［１，０］であることを意味する。様々なスイッチング状態に対応するノードＶａ上の出力電圧を、以下の表１に示す。
【００２９】
【表１】
0006454056.tif 000002
表１に示すように、スイッチング管Ｑ１−Ｑ８のターンオン及びターンオフを制御することによって、ノードＶａから異なる電圧が出力される。表中の５つのレベルの電圧出力について、スイッチング管は１つ又は２つの状態にあり、０はターンオフを表し、１はターンオンを表す。表中の状態０（Ｍｏｄｅ０）は、第３のキャパシタＣ３が充電又は放電の状態にないモードを指し示し、状態１（Ｍｏｄｅ１）は、第３のキャパシタＣ３が放電状態にあるモードを指し示し、状態２（Ｍｏｄｅ２）は、第３のキャパシタＣ３が充電状態にあるモードを指し示す。現在のスイッチング状態は、先のスイッチング状態に従って選択され得る。すなわち、先のスイッチング状態が第３のキャパシタＣ３の充電状態に対応している場合、第３のキャパシタＣ３の放電状態に対応するスイッチング状態が現在のスイッチング状態として選択され得るなどである。
【００３０】
表１．１又は表１．２におけるスイッチング管に対応する欄は、グリッド周波数期間におけるそのスイッチング管のターンオン及びターンオフ制御状態を指し示している。
【００３１】
【表１．１】
0006454056.tif 000003
【００３２】
【表１．２】
0006454056.tif 000004
また、負荷が一般的な抵抗又は電力消費装置である場合、マルチレベルインバータ１００は正の仕事量を維持し、出力電流及び出力電圧の双方が０より大きい。負荷が送電網であるとき、正弦波電圧又は電流伝送方式が送電網内で使用され、異なる時点で位相が異なる。故に、さらに、有効（active）出力と無効（reactive）出力という２つの状態が、マルチレベルインバータ１００の各電圧出力状態に含められる必要がある。有効出力では出力電流ｉが０より大きく、無効出力では出力電流ｉが０より小さい。
【００３３】
各電圧の出力の具体的な制御論理は、以下のように説明される。
【００３４】
（１）ノードＶａ上の電圧がＥ／２であるとき、表２、図２ａ、及び図２ｂを参照されたい。
【００３５】
【表２】
0006454056.tif 000005
表２、図２ａ、及び図２ｂを参照するに、図２ａ及び図２ｂのスイッチング管の上のスラッシュはターンオフを表しており、すなわち、スイッチング管Ｑ１、Ｑ２、Ｑ５、及びＱ８がターンオンされ、スイッチング管Ｑ３、Ｑ４、Ｑ６、及びＱ７がターンオフされる。このとき、２つの双方向スイッチ１０４及び１０６の双方がターンオフされ、第３のスイッチング管Ｑ３及び第４のスイッチング管Ｑ４の双方がターンオフされ、その結果、第３のキャパシタＣ３及び第２のキャパシタＣ２の双方がターンオフされて、ノードＶａに電圧を生成することができない。故に、ノードＶａ上の出力電圧は、この場合にはＥ／２である。別のレベルの電圧出力は、スイッチング管のターンオン及びターンオフによって電圧出力が調節されるという同じ原理に基づく。具体的な制御原理について、以下で詳細を再度説明したりはしない。
【００３６】
（２）ノードＶａ上の電圧がＥ／４であり且つ状態がＭｏｄｅ１であるとき、表３、図３ａ、及び図３ｂを参照されたい。
【００３７】
【表３】
0006454056.tif 000006
（３）ノードＶａ上の電圧がＥ／４であり且つ状態がＭｏｄｅ２であるとき、表４、図４ａ、及び図４ｂを参照されたい。
【００３８】
【表４】
0006454056.tif 000007
更に言及しておくべきことには、図４ａ及び図４ｂから学び得ることに、ｉ＿ｏ＞０又はｉ＿ｏ＜０のとき、第３のキャパシタＣ３は、Ｍｏｄｅ１及びＭｏｄｅ２という２つのスイッチングモードで、それぞれ、充電状態及び放電状態にある。すなわち、電流ｉ＿ｏの状態にかかわらず、ノードＶａ上の電圧出力がＥ／４に維持されるとき、スイッチング管の状態を調整することによって第３のキャパシタＣ３の充放電状態を制御することができ、また、第２のスイッチング管Ｑ２及び第３のスイッチング管Ｑ３の最大の耐電圧がＥ／４であるように、Ｃ３の２つの端子における電圧が更に制御され且つＥ／４に維持される。すなわち、マルチレベルインバータ１００が最大で１５００Ｖを出力する場合、第２のスイッチング管Ｑ２及び第３のスイッチング管Ｑ３の耐電圧は６００Ｖ未満となり、最適性能、非常に多くのモデル選択肢、及び６００ボルトの耐電圧を持つスイッチング管を使用し得る。斯くして、コストを削減することができるとともに、性能を確保することができる。以下に記載されるＭｏｄｅ１及びＭｏｄｅ２の２つのモードにおける電圧出力の状況では、Ｍｏｄｅ１及びＭｏｄｅ２の２つのスイッチングモードは、それぞれ、第３のキャパシタＣ３の放電状態及び充電状態に対応し、第３のキャパシタＣ３の電圧はＥ／４に維持される。以下で詳細を再度説明したりはしない。
【００３９】
（４）ノードＶａ上の電圧が０であり且つ状態がＭｏｄｅ１であるとき、表５、図５ａ、及び図５ｂを参照されたい。
【００４０】
【表５】
0006454056.tif 000008
（５）ノードＶａ上の電圧が０であり且つ状態がＭｏｄｅ２であるとき、表６、図６ａ、及び図６ｂを参照されたい。
【００４１】
【表６】
0006454056.tif 000009
（６）ノードＶａ上の電圧が−Ｅ／４であり且つ状態がＭｏｄｅ１であるとき、表７、図７ａ、及び図７ｂを参照されたい。
【００４２】
【表７】
0006454056.tif 000010
（７）ノードＶａ上の電圧が−Ｅ／４であり且つ状態がＭｏｄｅ２であるとき、表８、図８ａ、及び図８ｂを参照されたい。
【００４３】
【表８】
0006454056.tif 000011
（８）ノードＶａ上の電圧が−Ｅ／２であるとき、表９、図９ａ、及び図９ｂを参照されたい。
【００４４】
【表９】
0006454056.tif 000012
以上の様々なレベル出力状態に基づき、マルチレベルインバータ１００のスイッチング状態及び全てのスイッチング管の耐ストレス状態は、以下のようにまとめられる
【００４５】
【表１０】
0006454056.tif 000013
以上の様々な状況及び表１０のまとめから学び得ることには、マルチレベルコンバータ１００の４つのスイッチング管Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、及びＱ８の耐電圧はＥ／４であり、他の４つのスイッチング管Ｑ１、Ｑ４、Ｑ５、及びＱ７の最大耐電圧は３Ｅ／４である。１５００Ｖシステムの場合、４つのスイッチング管Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、及びＱ８には、６００Ｖの耐電圧を持つ半導体スイッチングデバイスが選択され、他の４つのスイッチング管Ｑ１、Ｑ４、Ｑ５、及びＱ７には、１２００Ｖの耐電圧を持つ半導体スイッチングデバイスが選択され得る。斯くして、２グループの双方向スイッチを用いることによって直流入力ユニット１０２とインバータユニット１０８とがブリッジされるように設計された回路では、マルチレベルインバータ１００は、１５００Ｖ直流システムのインバータ変換及びコンバータ変換を実現するとともに５つのレベルを出力するために、比較的優れた性能を持った、６００Ｖスイッチング管及び１２００Ｖスイッチング管の組み合わせを使用すればよい。
【００４６】
実施形態２
第３のキャパシタＣ３の存在のため、システムが稼働し始めるとき、第３のスイッチング管Ｑ３及び第４のスイッチング管Ｑ４が過電圧に耐えなければならないことを防止するため、第３のキャパシタＣ３の２つの端子がプリチャージされる必要がある。図１０に示すように、システム内の全てのスイッチング管が閉じられているとき、経路は存在せず、結果として、第３のキャパシタＣ３に電荷は存在しない。第３のキャパシタＣ３の２つの端子における電圧Ｖｃは極めて低くて０に近いと考えることができる。この場合、Ｅ／２が出力される状態がＶａに対して必要であるとすると、第１のスイッチング管Ｑ１及び第２のスイッチング管Ｑ２がターンオンされ、第３のスイッチング管Ｑ３及び第４のスイッチング管Ｑ４がターンオフされるが、電荷及び電圧は急激に変化することはできず、すなわち、Ｖｃは０に近い。そして、入力電圧が第１のスイッチング管Ｑ１及び第３のキャパシタＣ３（Ｖｃ＝０）を通り抜けて、直に、第４のスイッチング管Ｑ４の２つの端子に印加される。この場合、第４のスイッチング管Ｑ４は、上述した３Ｅ／４を上回る直流入力電源Ｅ全体の電圧に耐えることになり、これが、第４のスイッチング管Ｑ４に過電圧ダメージを生じさせる。この問題を回避するために、スイッチング動作が実行される前に、第３のキャパシタＣ３が充電される必要があり、第３のキャパシタＣ３の２つの端子における電圧が、充電によってＥ／４まで上昇される必要がある。
【００４７】
実施形態１を基礎として、本発明の実施形態２は、第３のキャパシタＣ３のプリチャージのための２つのソリューションを提供する。
【００４８】
第１のソリューションでは、図１１に示すように、第３のキャパシタＣ３をプリチャージする機能を実装するよう、本発明の実施形態１におけるマルチレベルインバータ１００に、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２、及び抵抗Ｒｃが追加される。第１のスイッチＳ１は、第１のスイッチング管Ｑ１の２つの端子及び第１のダイオードＤ１の２つの端子に並列に接続される。第２のスイッチＳ２は、抵抗Ｒｃに直列に接続された後に、第４のスイッチング管Ｑ４の２つの端子及び第４のダイオードＤ４の２つの端子に並列に接続される。
【００４９】
マルチレベルインバータ１００が稼働する前、全てのスイッチング管Ｑ１−Ｑ８がターンオフ状態にある。この場合に、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２が閉じられ、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２、及び抵抗Ｒｃを用いることにより、直流入力電源Ｅが第３のキャパシタＣ３を充電する。抵抗Ｒｃは、充電電流を制限するように構成される。Ｃ３の２つの端子における電圧が電圧閾値Ｖｃｔｈまで徐々に上昇されると、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２がターンオフされ、その後、回路が正常に稼働する。第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２は、パワー半導体デバイスであってもよいし、あるいは、ターンオン及びターンオフ機能を持つリレー又は光カップリングデバイスであってもよい。
【００５０】
第２のソリューションでは、図１２に示すように、実施形態１を基礎にして、ＤＣ／ＤＣコンバータが追加される。ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子は、それぞれ、直流電源Ｅの２つの端子に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子は、それぞれ、第３のキャパシタＣ３の２つの端子に接続される。マルチレベルインバータが稼働する前、全てのスイッチング管Ｑ１−Ｑ８はターンオフ状態にとどまる。この場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータが、直流入力電源から電力を得て、第３のキャパシタＣ３の２つの端子における電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｃｔｈまで上昇されるように第３のキャパシタＣ３を充電する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータがターンオフされ、マルチレベルインバータは正常に稼働することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、フォワードＤＣ／ＤＣコンバータ、フライバックＤＣ／ＤＣコンバータ、プッシュプルＤＣ／ＤＣコンバータ、又は別のＤＣ／ＤＣコンバータとし得る。
【００５１】
実施形態３
図１３に示すように、本発明の実施形態３は電源システムを提供する。電源システムは、直流入力電源Ｅと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、マルチレベルインバータとを含む。
【００５２】
この実施形態におけるマルチレベルインバータの回路構成及び制御原理は、実施形態１又は実施形態２におけるマルチレベルインバータのそれらと同じである。マルチレベルインバータの回路構成及び制御原理について、ここで詳細を再度説明したりはしない。
【００５３】
直流入力電源Ｅは、ソーラーパネルアレイ、又は例えば充電式バッテリパック又は燃料電池スタックなどのエネルギー蓄積装置とし得る。
【００５４】
ＤＣ／ＤＣコンバータに直流を運ぶよう、直流電源の出力端子がＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子に接続される。変換された電気エネルギーをマルチレベルインバータに伝えるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子がマルチレベルインバータの入力端子に接続される。マルチレベルインバータが、交流電源を実装すべく、直流電源から伝えられた直流を交流に変換し、そして、その交流を負荷又は送電網に出力する。
【００５５】
直流電源がソーラーパネルであるとき、ソーラーパネルが光エネルギーを電気エネルギーへと変換した後、ソーラーパネルの出力端子がＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子に接続される。整流によって得られた電流及び電圧をマルチレベルインバータに運ぶよう、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子がマルチレベルインバータの入力端子に接続される。インバータ変換によりマルチレベルインバータによって得られた交流を送電網に運ぶよう、そして更には電源及びグリッド接続を実装すべく、マルチレベルインバータの出力端子が送電網に接続される。
【００５６】
以上の説明は、単に、本発明の特定の実施形態であり、本発明の保護範囲を限定することを意図したものではない。本発明にて開示された技術範囲内で当業者によって容易に考え付かれる如何なる変形又は置換も、本発明の保護範囲に入るものである。故に、本発明の保護範囲は、請求項の保護範囲次第のものである。
【図１】
0006454056.tif 000014
【図２ａ】
0006454056.tif 000015
【図２ｂ】
0006454056.tif 000016
【図３ａ】
0006454056.tif 000017
【図３ｂ】
0006454056.tif 000018
【図４ａ】
0006454056.tif 000019
【図４ｂ】
0006454056.tif 000020
【図５ａ】
0006454056.tif 000021
【図５ｂ】
0006454056.tif 000022
【図６ａ】
0006454056.tif 000023
【図６ｂ】
0006454056.tif 000024
【図７ａ】
0006454056.tif 000025
【図７ｂ】
0006454056.tif 000026
【図８ａ】
0006454056.tif 000027
【図８ｂ】
0006454056.tif 000028
【図９ａ】
0006454056.tif 000029
【図９ｂ】
0006454056.tif 000030
【図１０】
0006454056.tif 000031
【図１１】
0006454056.tif 000032
【図１２】
0006454056.tif 000033
【図１３】
0006454056.tif 000034