(57)【要約】  ３相３レベルインバータ１と、３相３レベルインバータ１の各相の出力に直列に接続された３台の単相５レベルインバータ２と、相毎に、３レベルインバータ１と当該相の単相５レベルインバータ２にゲートパルスを供給するパルス幅制御手段８とで構成する。パルス幅制御手段８で作成された電圧レベルの変遷に基づいて３レベルインバータ１のスイッチングレグの出力、単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの出力を決定する状態遷移手段８４は、電圧レベルが正のときは、３レベルインバータ１、単相５レベルインバータ２の外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または正となるようにし、電圧レベルが負のときは、これら３つのレグの出力の何れもが０または負となるようにし、電圧レベルが０のとき、これら３つのレグの出力の何れもが０となるようにする。
2015001597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３レベルの第１の直流電源の直流を交流に変換する３相３レベルインバータと、
各々第１の直流電源と同電圧を有する第２の３レベルの直流電源の直流を交流に変換し、その出力が前記３相３レベルインバータの各相の出力に直列に接続された３台の単相５レベルインバータと、
各相毎に、与えられた電圧基準をパルス幅制御して前記３レベルインバータの当該相と当該相の前記単相５レベルインバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するパルス幅制御手段とを具備した７レベルインバータ装置であって、
前記パルス幅制御手段は、
前記電圧基準をパルス幅変調された当該相の電圧レベルに変換する手段と、
この電圧レベルの変遷に基づいて前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグの出力、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの出力を決定する状態遷移手段と
を有し、
前記状態遷移手段は、
前記電圧レベルが正のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または正となるようにし、
前記電圧レベルが負のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または負となるようにし、
前記電圧レベルが０のとき、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０となるようにすることを特徴とする７レベルインバータ装置。
【請求項２】
前記状態遷移手段は、
前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電圧差が所定の閾値以内で、且つ前記３レベルインバータの当該相のスイチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の組合せの選択肢が複数あるとき、
過去最も長時間スイッチングを行っていないスイチングレグをスイッチングする組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の７レベルインバータ装置。
【請求項３】
前記状態遷移手段は、
前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電圧差が所定の閾値を超え、且つ前記３レベルインバータの当該相のスイチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の組合せの選択肢が複数あるとき、
スイッチングによって前記電圧差が小さくなるような組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の７レベルインバータ装置。
【請求項４】
前記状態遷移手段は、
スイッチングによって前記電圧差が小さくなるような組合せが複数あるとき、当該相の電流が正であれば電圧の大きい方の直流電源の電荷が放電する組合せを選択し、当該相の電流が負であれば電圧の小さい方の直流電源に電荷を充電する組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の７レベルインバータ装置。
【請求項５】
負荷は交流電動機であることを特徴とする請求項１に記載の７レベルインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、３相３レベルインバータの各相に単相５レベルインバータを直列接続して構成した７レベルインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量のインバータ装置はその応用を拡大し、産業分野を主体に広く用いられている。大容量のインバータ装置の場合、その総合的な効率を良くすることが重要であり、このため、出力電圧を高圧化してケーブル等の配線損失も含めた全体損失を低減させている。また、このような高圧出力のインバータ装置として、複数台のインバータ装置を多重化したものが使用され、所謂パルス幅制御を用いて出力波形の改善を行うのが普通である。【０００３】
この一例として、３相インバータの各相に単相インバータを直列接続した多重インバータ装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５０６４３号公報（第３−４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された手法は、３相２レベルインバータの各相の出力に単相インバータを直列接続した構成であるが、更に大容量とするためには、これを３相３レベルインバータの各相の出力に単相５レベルインバータを直列接続した所謂７レベルインバータの構成とすることが考えられる。ただし、この７レベルインバータの場合、どのスイッチング素子を選択して所望の電圧を得るためのパルス幅制御を行うかという観点でみると、多様な選択が可能であるため、制御が複雑となるばかりでなく、場合によってはその動作が不安定となってしまう。【０００６】
本発明は上記に鑑みて為されたもので、比較的簡単な構成で安定な制御特性を有する７レベルインバータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の７レベルインバータ装置は、３レベルの第１の直流電源の直流を交流に変換する３相３レベルインバータと、各々第１の直流電源と同電圧を有する第２の３レベルの直流電源の直流を交流に変換し、その出力が前記３相３レベルインバータの各相の出力に直列に接続された３台の単相５レベルインバータと、各相毎に、与えられた電圧基準をパルス幅制御して前記３レベルインバータの当該相と当該相の前記単相５レベルインバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するパルス幅制御手段とを具備した７レベルインバータ装置であって、前記パルス幅制御手段は、前記電圧基準をパルス幅変調された当該相の電圧レベルに変換する手段と、この電圧レベルの変遷に基づいて前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグの出力、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの出力を決定する状態遷移手段とを有し、前記状態遷移手段は、前記電圧レベルが正のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または正となるようにし、前記電圧レベルが負のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または負となるようにし、前記電圧レベルが０のとき、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０となるようにすることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、比較的簡単な構成で安定な制御特性を有する７レベルインバータ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例に係る７レベルインバータ装置のブロック構成図。
【図２】本発明の一実施例に係る７レベルインバータ装置の３レベルインバータ部の内部構成図。
【図３】本発明の一実施例に係る７レベルインバータ装置の単相５レベルインバータ部の内部構成図。
【図４】本発明の一実施例に係る７レベルインバータ装置の主制御部の内部ブロック構成図。
【図５】本発明の一実施例に係る７レベルインバータ装置の主制御部のパルス幅制御部の内部ブロック構成図。
【図６】パルス幅制御部のＰＷＭパルス生成に関する動作説明図。
【図７】パルス幅制御部の状態遷移ルールに関する説明図。
【図８】パルス幅制御部の状態遷移に関する説明図。
【図９】パルス幅制御部の状態遷移フローチャート。
【図１０】パルス幅制御部の動作説明図。（図９ＳＴ７の状態遷移説明）
【図１１】パルス幅制御部の動作説明図。（図９ＳＴ８の状態遷移説明）
【図１２】デッドタイム導通状態決定器の動作説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施例に係る７レベルインバータ装置のブロック構成図である。
【００１２】
図１において３相３レベルインバータ１は３レベルの直流電圧を出力し、その３相出力は各々単相５レベルインバータ２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗを介して交流電動機３を駆動するように接続されている。すなわち、３相３レベルインバータ１の各々の相電圧は、単相５レベルインバータ２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗの出力電圧で昇圧され、夫々交流電動機３のＵ、Ｖ、Ｗ相の端子に接続されている。
【００１３】
３相３レベルインバータ１及び単相５レベルインバータ２Ｕ、２Ｖ及び２Ｗを構成するスイッチング素子のゲート信号は主制御装置４から与えられている。また、制御用のフィードバック信号として、３相３レベルインバータ１内に３レベルの直流電圧信号を検出する電圧検出器５が設けられ、その検出電圧を主制御装置４に与えている。同様に単相５レベルインバータ２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ内に３レベルの直流電圧信号を検出する電圧検出器５Ｕ、５Ｖ、５Ｗが夫々設けられ、それらの検出電圧を主制御装置４に与えている。また、交流電動機３のＵ相及びＷ相の入力電流は夫々電流検出器６Ｕ、６Ｗで検出され、これらの検出電流Ｉｕ及びＩｗも主制御装置４に与えられている。
【００１４】
図２は３相３レベルインバータ１の内部構成図である。正側直流電源１０Ｐと負側直流電源１０Ｎの直列回路で構成される３レベルの直流電源と並列にスイッチングレグ１１Ｕ、１１Ｖ及び１１Ｗが接続されている。スイッチングレグ１１Ｕは直列接続されたスイッチング素子ＣＵ１、ＣＵ２、ＣＵ３、及びＣＵ４から構成されている。各々のスイッチグ素子には還流ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子ＣＵ１とＣＵ２の接続点、スイッチング素子ＣＵ３とＣＵ４の接続点は夫々正側及び負側のクランプダイオードにより中点の電位にクランプされている。そしてスイッチング素子ＣＵ２とＣＵ３の接続点がＵ相の交流出力端子ＵＣとなる。スイッチングレグ１１Ｖ、１１Ｗの構成は基本的にスイッチングレグ１１Ｕと同一であるのでこれらの説明は省略する。
【００１５】
３レベル電圧のうち、正側直流電圧ＶｄｃＰ及び負側直流電圧ＶｄｃＮは電圧検出器５で検出され、その検出電圧を主制御装置４に与えている。また、スイッチング素子ＣＵ１、ＣＵ２、ＣＵ３、及びＣＵ４に対して主制御装置４からゲート信号Ｇａｔｅ-Ｕが、スイッチング素子ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ３、及びＣＶ４に対して主制御装置４からゲート信号Ｇａｔｅ-Ｖが、スイッチング素子ＣＷ１、ＣＷ２、ＣＷ３、及びＣＷ４に対して主制御装置４からゲート信号Ｇａｔｅ-Ｗが夫々与えられている。
【００１６】
図３は単相５レベルインバータ２Ｕの内部構成図である。この単相５レベルインバータ２Ｕは、前述の３相３レベルインバータ１のＵ相の出力端子ＵＣと出力端子ＵＡを接続し、この出力を昇圧して相出力端子ＵＢを得る所謂昇圧インバータである。単相５レベルインバータ２Ｖ、２Ｗは基本的に単相５レベルインバータ２Ｕと同一の内部構成であるので、その図示、説明は省略し、以下単相５レベルインバータ２Ｕの内部構成について説明する。
【００１７】
正側直流電源２０ＵＰと負側直流電源２０ＵＮの直列回路で構成される３レベルの直流電源と並列に、スイッチングレグ２１ＵＯ、２１ＵＩが接続されている。スイッチングレグ２１ＵＯは直列接続されたスイッチング素子ＢＵ１、ＢＵ２、ＢＵ３、及びＢＵ４から構成されている。各々のスイッチグ素子には還流ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子ＢＵ１とＢＵ２の接続点、スイッチング素子ＢＵ３とＢＵ４の接続点は夫々正側及び負側のクランプダイオードにより中点の電位にクランプされている。そしてスイッチング素子ＢＵ２とＢＵ３の接続点がＵ相の出力端子ＵＢとなり、交流電動機３のＵ相端子に接続されている。
【００１８】
同様に、スイッチングレグ２１ＵＩは直列接続されたスイッチング素子ＡＵ１、ＡＵ２、ＡＵ３、及びＡＵ４から構成されている。各々のスイッチグ素子には還流ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子ＡＵ１とＡＵ２の接続点、スイッチング素子ＡＵ３とＡＵ４の接続点は夫々正側及び負側のクランプダイオードにより中点の電位にクランプされている。そしてスイッチング素子ＡＵ２とＡＵ３の接続点が出力端子ＵＡとなって３レベルインバータ１のＵ相の出力端子ＵＣと接続ざれている。
【００１９】
単相５レベルインバータ２Ｕの３レベル電圧のうち、正側直流電圧ＶｄｃｕＰ及び負側直流電圧ＶｄｃｕＮは電圧検出器５Ｕで検出され、その検出電圧を主制御装置４に与えている。また、スイッチング素子ＢＵ１、ＢＵ２、ＢＵ３、ＢＵ４、並びにスイッチング素子ＡＵ１、ＡＵ２、ＡＵ３、及びＡＵ４に対して主制御装置４からゲート信号Ｇａｔｅ-ｕが与えられている。
【００２０】
以上説明した３相３レベルインバータ１の３相出力の各々を単相５レベルインバータ２Ｕ、２Ｖ、２Ｗによって昇圧したインバータの相電圧について考える。今、正側直流電圧ＶｄｃＰ及び正側直流電圧ＶｄｃｕＰが同一の＋Ｅ、負側直流電圧ＶｄｃＮ及び負側直流電圧ＶｄｃｕＮが同一の−Ｅである場合を想定すると、３相３レベルインバータ１のスイッチングレグ１１ＵのＵ相出力電圧の取り得る値は＋Ｅ、０、−Ｅの３通りとなる。そして、単相５レベルインバ−タ２Ｕのスイッチングレグ２１ＵＩ及びスイッチングレグ２１ＵＯのＵ相出力電圧の取り得る値は夫々＋Ｅ、０、−Ｅの３通りとなる。従って昇圧されたインバータのＵ相出力電圧の取り得る値は＋３Ｅ、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅの７通りとなる。Ｖ相、Ｗ相についても同様となるので、３相３レベルインバータ１の３相出力の各々を単相５レベルインバータ２Ｕ、２Ｖ、２Ｗによって昇圧したインバータは７レベルインバータとなることが分かる。また、ここで単相５レベルインバ−タ２Ｕのスイッチングレグ２１ＵＩ及びスイッチングレグ２１ＵＯのＵ相出力電圧の取り得る値は夫々＋Ｅ、０、−Ｅの３通りとなるので単相５レベルインバ−タ２Ｕの相出力電圧は、＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５通りとなることも分かる。以下においては、単相５レベルインバ−タを単に５レベルインバータと呼称する。
【００２１】
次に７レベルインバータの制御、特にパルス幅制御について図４乃至図１２を参照して説明する。図４は主制御装置４の内部構成図である。電動機制御部７によって得られた３相の電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦ、ＶＶ＿ＲＥＦ、ＶＷ＿ＲＥＦは夫々パルス幅制御部８Ｕ、８Ｖ、８Ｗに与えられる。電動機制御部７は、例えば交流電動機３を速度制御する場合、交流電動機３の速度フィードバック信号が所望の速度基準となるように速度制御を行い、その出力である電流基準に電流フィードバック信号が一致するような電圧基準を出力するような電流制御を行うのが普通であるが、これらの図示は省略している。
【００２２】
パルス幅制御部８Ｕには３相３レベルインバータ１の正側直流電圧ＶｄｃＰ及び負側直流電圧ＶｄｃＮ、５レベルインバ−タ２Ｕの正側直流電圧ＶｄｃｕＰ及び負側直流電圧ＶｄｃｕＮ、Ｕ相電流Ｉｕが与えられ、３相３レベルインバータ１用のゲート信号Ｇａｔｅ-Ｕ及び５レベルインバ−タ２Ｕ用のゲート信号Ｇａｔｅ-ｕを出力する。同様にパルス幅制御部８Ｗには３相３レベルインバータ１の正側直流電圧ＶｄｃＰ及び負側直流電圧ＶｄｃＮ、５レベルインバ−タ２Ｗの正側直流電圧ＶｄｃｗＰ及び負側直流電圧ＶｄｃｗＮ、Ｗ相電流Ｉｗが与えられ、３相３レベルインバータ１用のゲート信号Ｇａｔｅ-Ｗ及び５レベルインバ−タ２Ｗ用のゲート信号Ｇａｔｅ-ｗを出力する。また、パルス幅制御部８Ｖには３相３レベルインバータ１の正側直流電圧ＶｄｃＰ及び負側直流電圧ＶｄｃＮ、５レベルインバ−タ２Ｖの正側直流電圧ＶｄｃｗＰ及び負側直流電圧ＶｄｃｗＮ、Ｖ相電流Ｉｖが与えられ、３相３レベルインバータ１用のゲート信号Ｇａｔｅ-Ｖ及び５レベルインバ−タ２Ｖ用のゲート信号Ｇａｔｅ-ｖを出力する。ここでＶ相電流ＩｖはＩｖ＝−Ｉｕ―Ｉｗの関係から演算によって求める。
【００２３】
パルス幅制御部８Ｕ、８Ｖ、８Ｗは基本的に同一の動作を行う。従って以下、Ｕ相のパルス幅制御部８Ｕについて説明し、他相の説明は省略する。
【００２４】
図５はパルス幅制御部８Ｕの内部ブロック構成図である。そして図６はパルス幅制御部８ＵのＰＷＭパルス生成に関する動作説明図である。図６の上段に示すような正弦波のＵ相電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦが図５の電圧補正部８１に与えられる。通常の７レベルインバータのパルス幅制御においては、図６の上段に示すように、同位相の三角波キャリアに直流オフセットを加えたものを６段並べた仮想三角波キャリアを用いる。このような仮想三角波キャリアによって各スイッチング素子のゲートパルスを得ることも可能であるが、スイッチング素子毎に三角波キャリアを割り当てることになり、制御が複雑となる。このため、図６の２段目以降に示したように、１つの三角波キャリアでゲートパルスが得られるようにＵ相電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦを±１の範囲で正規化補正する。このように補正された電圧基準Ｖｕ＿ＲＥＦ＿Ｔを用い、図５における三角波比較器８２によって得られたＰＷＭパターンＶｕ＿ＰＷＭに対し、キャリア選択ＣＡＲｕ＿ＳＥＬを、図５における加算器８３で加算することによって、図６の最下段に示すようなＰＷＭ電圧レベルＶｕ＿ＬＶを得る。ここで、キャリア選択ＣＡＲｕ＿ＳＥＬは、電圧補正部８１で求められ、Ｕ相電圧基準ＶＵ＿ＲＥＦの大きさに応じて、図６の上段及び下から２段目に示すように、−３から２までの７段階の整数となる。そして、補正された電圧基準Ｖｕ＿ＲＥＦ＿Ｔは、以下の式で表わせる。
【００２５】
Ｖｕ＿ＲＥＦ＿Ｔ＝６・ＶＵ＿ＲＥＦ−２・ＣＡＲｕ＿ＳＥＬ−１  ・・・（１）
ＰＷＭ電圧レベルＶｕ＿ＬＶは、状態遷移器８４に与えられる。この状態遷移器８４においては、与えられたＰＷＭ電圧レベルＶｕ＿ＬＶを出力するための３相３レベルインバータ１のスイッチングレグ１１Ｕ及び５レベルインバータ２Ｕの各スイッチング素子のスイッチング状態を順次決定する。状態遷移器８４が各スイッチング素子のスイッチング状態を決定するための条件として、正側直流電圧ＶｄｃｕＰ及び負側直流電圧ＶｄｃｕＮを平均値回路８５Ａで平均化したＶＤＣ５ｕ、正側直流電圧ＶｄｃＰ及び負側直流電圧ＶｄｃＮを平均値回路８５Ｂで平均化したＶＤＣ３、及びＵ相電流Ｉｕを正負判定回路８６で正負判定した信号が状態遷移器８４に与えられている。
【００２６】
以下、状態遷移器８４の動作について説明する。まず、３相３レベルインバータ１のスイッチングレグ１１Ｕ並びに５レベルインバータ２Ｕの外側スイッチングレグ２１ＵＯ及び内側スイッチングレグ２１ＵＩが取りうるスイッチング状態について考える。この取りうる状態は、前述の通り、各々が＋Ｅ、０、−Ｅの３通りとなるので、３の３乗で２７通りとなる。ここで、３相３レベルインバータ１のスイッチングレグ１１Ｕ及び５レベルインバータ２Ｕの外側スイッチングレグ２１ＵＯの出力電圧が正のとき７レベルインバータのＵ相電圧は正に加算されるが、５レベルインバータ２Ｕの内側スイッチングレグ２１ＵＩの出力電圧が正のときには７レベルインバータのＵ相電圧が減算されるように見える。しかし、本願においてはスイッチングレグ２１ＵＩの出力電圧が正のとき７レベルインバータのＵ相電圧が正に加算されるように出力電圧の極性を定める。
【００２７】
そして、図７に示すように状態遷移ルールを定める。すなわち、ある相の出力電圧が正であるときには、３レベルインバータ当該相のスイッチングレグ並びに当該相の５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの全ての出力を＋Ｅまたは０とし、−Ｅとなる状態は除外する。同様に、ある相の出力電圧が負であるときには、３レベルインバータ当該相のスイッチングレグ並びに当該相の５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの全ての出力を０または−Ｅとし、＋Ｅとなる状態は除外する。そしてある相の出力電圧が０であるときには、３レベルインバータ当該相のスイッチングレグ並びに当該相の５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの全ての出力を０とし、＋Ｅまたは−Ｅとなる状態を除外する。このような状態遷移ルールを定めることにより、３つのスイッチングレグの出力電力の変動が抑えられ、正負の電圧アンバランスによる制御の乱れも減少する。また、制御ロジックも簡略化される。
【００２８】
図８は各相共通のパルス幅制御部の状態遷移に関する説明図である。相電圧の出力電圧レベルは−３Ｅから３Ｅまで７レベルあり、この各レベルに対応して取りうる状態の組合せを図の凡例に示したように図示している。すなわち、３レベルインバータのスイッチングレグ出力、５レベルインバータの外側スイッチングレグ出力、５レベルインバータの内側スイッチングレグ出力を、示された出力電圧レベル＋２Ｅに対応して（＋Ｅ、＋Ｅ、０）のように記述している。出力電圧レベルが−３Ｅ、０、＋３Ｅのときは、取りうる状態の組合せの選択肢は１つしかない。これに対して、出力電圧レベルが−２Ｅ、−Ｅ、＋Ｅ、＋２Ｅのときの選択肢は各々３通りある。尚、前述した状態遷移ルールを定めることによって、出力電圧レベルが０の選択肢が６通り、出力電圧レベルが−Ｅ、＋Ｅのときの選択肢が各々３通り除外されて上記１５通りとなっている。また、図８において、どのスイッチングレグをスイッチングすると次の電圧レベルに遷移するかについても示している。すなわち、３は３レベルインバータ、５ｏは５レベルインバータの外側、５ｉは５レベルインバータの内側を示している。
【００２９】
この実施例の状態遷移器８４においては、選択肢が３通りある場合、例えば図５に示したＵ相５レベルインバータの直流電圧の平均値ＶＤＣ５ｕと３レベルインバータの直流電圧平均値ＶＤＣ３の差電圧が少なくなるように各スイッチングレグの状態の組合せを選択するようにする。この選択の方法を図９のフローチャートに示す。
【００３０】
まず、前回状態に対して、ＶｕＬＶが大きいか、小さいかで今回の電圧レベルを決定する(ＳＴ１)。次に前回から今回の電圧レベルへ変遷するためにどのスイッチングレグをスイッチングさせるかの選択肢が複数あるかチェックする（ＳＴ２）。そして選択肢が唯一であれば、その選択肢を選択し（ＳＴ３）、今回の状態とスイッチングを行ったレグの情報を記憶して（ＳＴ９）フローを抜ける。ステップＳＴ２で選択肢が複数あるときには、ＶｄｃｘＰ、ＶｄｃｘＮの平均値（Ｖｄｃ５ｘ）と、ＶｄｃＰ、ＶｄｃＮの平均値（Ｖｄｃ３）の差が閾値より大きいかどうか判定する（ステップＳＴ４）。ステップＳＴ２で差が閾値より小さければ、２乃至３通りの選択肢のうち、過去最も長時間スイッチングを行っていないレグをスイッチングする選択肢を選択する（ＳＴ５）。そして、ステップＳＴ４で電圧差が閾値より大きい場合は、ＶｄｃｘＰ、ＶｄｃｘＮの平均値（Ｖｄｃ５ｘ）がＶｄｃＰ、ＶｄｃＮの平均値（Ｖｄｃ３）より大きいかどうかをチェックする（ＳＴ６）。そしてステップＳＴ６でＹＥＳの場合はＶｄｘＰ、ＶｄｃｘＮを放電、またはＶｄｃＰ、ＶｄｃＮを充電する状態を選択する(ＳＴ７)。逆にＮＯの場合はＶｄｘＰ、ＶｄｃｘＮを充電、またはＶｄｃＰ、ＶｄｃＮを放電する状態を選択する(ＳＴ８)。
【００３１】
上記において、ステップＳＴ７及びＳＴ８では直流電圧のバランスを制御するために、電圧の大きい側のスイッチングレグの電圧を下げる選択と電圧の小さい側のスイッチンレグの電圧を上げる選択があることになる。この場合何れを選択するかはその時点の相電流の極性に従うようにする。これを図１０及び図１１で説明する。
【００３２】
図１０は、出力電圧レベルが＋２Ｅから＋Ｅに遷移するとき、直流電圧の電圧差が閾値以上あってＶＤＣ３＜Ｖｄｃ５ｘの場合、すなわちステップＳＴ７の遷移例を示したものである。図示するように、相電流が正の場合は３のルートすなわち、３レベルインバータのレグ出力を＋Ｅから０に遷移させることによって５レベルインバータ側の直流電荷を放電させ、逆に相電流が負の場合は５ｉのルートすなわち、５レベルインバータの内側レグ出力を＋Ｅから０に遷移させることによって３レベルインバータ側の直流電荷を充電する。
【００３３】
図１１は、出力電圧レベルが＋２Ｅから＋Ｅに遷移するとき、直流電圧の電圧差が閾値以上あってＶＤＣ３＞Ｖｄｃ５ｘの場合、すなわちステップＳＴ８の遷移例を示したものである。図示するように、相電流が正の場合は５ｉのルートすなわち、すなわち、５レベルインバータの内側レグ出力を＋Ｅから０に遷移させて３レベルインバータ側の直流電荷を放電させ、逆に相電流が負の場合は３のルートすなわち、３レベルインバータのレグ出力を＋Ｅから０に遷移させて５レベルインバータ側の直流電荷を充電する。
【００３４】
このように電流が正の場合は放電による電圧バランス制御、負の場合は充電による電圧バランス制御を選択することによって電位の変動を抑制する方向の制御が可能となる。
【００３５】
以上説明した状態遷移器８４の動作によって今回の状態が定まり、５レベルインバータ正側スイッチングレグのＡ＿ｓｔｓ、負側のスイッチングレグのＢ＿ｓｔｓ及び３レベルインバータのＵ相スイッチングレグのＣ＿ｓｔｓの各状態信号が得られ、これらの信号をデッドタイム導通状態決定器８７へ与える。デッドタイム導通状態決定器８７においては、図１２に示すように各々のスイッチング素子のオンオフ状態が変化するときにデッドタイム期間としてＯＦＦの期間を設けるようにする。そしてデッドタイム期間を付与されたＡ＿ｓｔｓとＢ＿ｓｔｓとで５レベルインバータのゲート信号Ｇａｔｅ−ｕが、Ｃ＿ｓｔｓから３レベルインバータのゲート信号Ｇａｔｅ−Ｕが得られる。以上Ｕ相について説明したが、Ｖ相、Ｗ相についても全く同一である。
【００３６】
以上、本発明の実施例ついて説明したが、この実施例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。この新規な実施例は、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。この実施例やその変形は、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。
【００３７】
例えば、７レベルインバータの負荷は交流電動機に限らない。また、状態遷移器８４については、３レベルインバータと５レベルインバータの直流電圧の差を少なくなるような遷移ルールを説明したが、これに限らず各々のスイッチングレグのスイッチング頻度の均等化を図るように遷移ルールを定めても良い。また３レベルインバータと５レベルインバータの直流電源は各々電池の記号で表示したが、交流からコンバータ回路を介して得る構成の直流電源であっても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１  ３相３レベルインバータ
２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ  単相５レベルインバータ（５レベルインバータ）
３  交流電動機
４  主制御装置
５、５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ  電圧検出器
６Ｕ、６Ｗ  電流検出器
７  電動機制御部
８Ｕ、８Ｖ、８Ｗ  パルス幅制御部
１０Ｐ  正側直流電源
１０Ｎ  負側直流電源
１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ  スイッチングレグ
２０ＵＰ  正側直流電源
２０ＵＮ  負側直流電源
２１ＵＯ  外側スイッチングレグ
２１ＵＩ  内側スイッチングレグ
８１  電圧補正部
８２  三角波比較器
８３  加算器
８４  状態遷移器
８５Ａ、８５Ｂ  平均値回路
８６  正負判定回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年12月9日(2016.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の７レベルインバータ装置は、３レベルの第１の直流電源の直流を交流に変換する３相３レベルインバータと、各々第１の直流電源と同電圧を有する第２の３レベルの直流電源の直流を交流に変換し、その出力が前記３相３レベルインバータの各相の出力に直列に接続された３台の単相３レベルインバータと、各相毎に、与えられた電圧基準をパルス幅制御して前記３レベルインバータの当該相と当該相の前記単相３レベルインバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するパルス幅制御手段とを具備した７レベルインバータ装置であって、前記パルス幅制御手段は、三角波キャリア比較方式を用いて前記電圧基準をパルス幅変調された当該相の電圧レベルに変換する手段と、この電圧レベルの変遷に基づいて前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグの出力、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの出力を決定する状態遷移手段とを有し、前記状態遷移手段は、前記電圧レベルが正のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または正となるようにし、前記電圧レベルが負のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または負となるようにし、前記電圧レベルが０のとき、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０となるようにすることを特徴としている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３レベルの第１の直流電源の直流を交流に変換する３相３レベルインバータと、
各々第１の直流電源と同電圧を有する第２の３レベルの直流電源の直流を交流に変換し、その出力が前記３相３レベルインバータの各相の出力に直列に接続された３台の単相３レベルインバータと、
各相毎に、与えられた電圧基準をパルス幅制御して前記３レベルインバータの当該相と当該相の前記単相３レベルインバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを供給するパルス幅制御手段とを具備した７レベルインバータ装置であって、
前記パルス幅制御手段は、
三角波キャリア比較方式を用いて前記電圧基準をパルス幅変調された当該相の電圧レベルに変換する手段と、
この電圧レベルの変遷に基づいて前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグの出力、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの出力を決定する状態遷移手段と
を有し、
前記状態遷移手段は、
前記電圧レベルが正のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または正となるようにし、
前記電圧レベルが負のときは、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０または負となるようにし、
前記電圧レベルが０のとき、前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相３レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の何れもが０となるようにすることを特徴とする７レベルインバータ装置。
【請求項２】
前記状態遷移手段は、
前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電圧差が所定の閾値以内で、且つ前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の組合せの選択肢が複数あるとき、
過去最も長時間スイッチングを行っていないスイッチングレグをスイッチングする組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の７レベルインバータ装置。
【請求項３】
前記状態遷移手段は、
前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の電圧差が所定の閾値を超え、且つ前記３レベルインバータの当該相のスイッチングレグ、前記単相５レベルインバータの外側及び内側のスイッチングレグの３つの出力の組合せの選択肢が複数あるとき、
スイッチングによって前記電圧差が小さくなるような組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の７レベルインバータ装置。
【請求項４】
前記状態遷移手段は、
スイッチングによって前記電圧差が小さくなるような組合せが複数あるとき、当該相の電流が正であれば電圧の大きい方の直流電源の電荷が放電する組合せを選択し、当該相の電流が負であれば電圧の小さい方の直流電源に電荷を充電する組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の７レベルインバータ装置。
【請求項５】
負荷は交流電動機であることを特徴とする請求項１に記載の７レベルインバータ装置。
【国際調査報告】
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