(57)【要約】マルチレベル電力変換回路は、出力レベル数を増やすほど、出力高調波や電磁ノイズを低減できる。しかし、回路を構成する素子数が多くなり、実装の難易度の増加、コストの増大、信頼性の低下を招いてしまう。素子数が多いマルチレベル電力変換回路を低コストで実現する回路構成、設計方法、実装方法を提供する必要がある。電力変換回路を単位モジュールとして、主回路にそれぞれ開放状態で実装された入出力端子を具備し、それらは他の同一のモジュールの入出力端子と柔軟に相互接続可能な機構を有する。この拡張性の高い電力変換回路モジュールを複数個用い、様々な接続方法で組み合わせることで、様々な構成のマルチレベル電力変換回路を実現する。これにより、レベル数や電圧、電流、電力、相数等の電力変換回路の性能、特徴をモジュールの組み換えだけで変更することができ、様々なアプリケーションに最適なマルチレベル電力変換回路を低コストで提供する。
2015037537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上のキャパシタと２つ以上の主回路スイッチ素子からなる主回路、および当該各主回路スイッチ素子を駆動するためのゲート駆動回路からなる単位電力変換回路であって、
前記主回路は、
キャパシタの一端にハイサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子が接続され、
当該キャパシタの他端にローサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子が接続され、当該ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子および当該ローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子がそれぞれ開放され、前記各ゲート駆動回路は信号絶縁、電源絶縁された最小回路、
または、
当該最小回路が複数個、一のハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子を次のハイサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子に一のローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子を次のローサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子に接続し、これを２以上繰り返して多段に接続され、当該ハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子および当該ローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子がそれぞれ開放され、前記各ゲート駆動回路は信号絶縁、電源絶縁された回路、
であることを特徴とする単位電力変換回路。
【請求項２】
請求項１に記載する単位電力変換回路は，さらに当該主回路のキャパシタの両端子および当該主回路のハイサイドの主回路スイッチ素子の開放された低電位側端子および同ローサイドの主回路スイッチ素子の開放された高電位側端子の少なくとも４端子を備えて、
前記４端子および該単位電力変換回路の全てが一枚の基板上乃至一つの絶縁体で覆われたパッケージ乃至一つの絶縁体と金属で覆われたパッケージ乃至一つの半導体等にまとめてモジュールとして実装されていることを特徴とする電力変換装置のためのモジュール。
【請求項３】
前記４端子は、接続機構を有し、当該端子はそれぞれ、他の同一の単位電力変換回路の４端子のいずれとも接続できることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置のためのモジュール。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一のモジュールが２つ以上組み合わされてフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載するフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置において、一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、次のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に、一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、次のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、これを２以上繰り返して複数の当該モジュールが接続され、
最終端モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を接続し出力端とする、
フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項４に記載するマルチレベル電力変換装置。
【請求項６】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一の当該モジュールが３つ以上組み合わされてアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
【請求項７】
前記アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、
第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
また、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを接続して出力端とする、
アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項６に記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項８】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一の当該モジュールが４つ以上組み合わされてハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
【請求項９】
前記ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、
第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
また、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し、
また、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し出力端とする、
ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項８に記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項１０】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一の当該モジュールが４つ以上組み合わされてスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
【請求項１１】
前記スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置であって
第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子との間にキャパシタを接続し、
第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを入力端子とし、
第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と当該四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを出力端子とし、
スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項１０に記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項１２】
前記同一の前記モジュールにおいて、各モジュールの各端子を互いに接続するための前記機構は、各モジュールにおいて前記キャパシタの両端と他の２端子は表面と裏面に各々について対称かつ互いについて点対称に配置され、または前記キャパシタの両端と他の２端子は片面ずつに互いについて点対称に配置されており、モジュールを垂直方向に積み重ねることで多段接続乃至並列接続を実現できる構造を具備することを特徴とする請求項４乃至請求項５のいずれか１項に記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項１３】
前記同一の前記モジュールにおいて、各モジュールの各端子を互いに接続するための前記機構は、複数のモジュールを接続するための装置と接続できる機構を有することを特徴とする請求項４乃至請求項１１のいずれか１項に記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項１４】
前記同一の前記モジュールにおいて、各主回路スイッチ素子の高電位側端子と低電位側端子との間に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項４乃至請求項５のいずれか１項に記載のマルチレベル電力変換装置。
【請求項１５】
前記同一の前記モジュールにおいて、ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子とローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子との間にキャパシタが接続されていることを特徴とする請求項４乃至請求項５のいずれか１項に記載のマルチ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、マルチレベル電力変換回路に関するものであり、電力変換回路の実装を低コストで実現する回路技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電力変換装置における電力変換回路には、２値の電圧を出力することのできる２レベル電力変換回路が用いられている。【０００３】
２レベル電力変換回路における問題として以下の３つが挙げられる。まず一つ目の問題として、出力電圧に高調波が多く含まれ、高調波成分の少ない良好な交流または直流を出力するための大きな高調波フィルタが必要されることが挙げられる。二つ目として、スイッチングに伴い多くの電磁ノイズが発生することが挙げられる。三つ目の問題は、スイッチング損失が大きいため、効率向上に限界がある。【０００４】
２レベル電力変換回路における上記の問題を解決するため、３値以上の電圧を出力することのできるマルチレベル電力変換回路の研究開発が行われており、一部で実用化されている。マルチレベル電力変換回路では、レベル数を増やすに従い、より交流または直流に近い電圧波形を出力することが出来るため、２レベル変換回路と比較して、高調波フィルタの小型化が可能になる。また、主回路スイッチング素子一つ当たりに印加される電圧が低くなるため、電磁ノイズの低減、およびスイッチング損失の低減が可能となる。【０００５】
分散電源が大量に導入される電力ネットワークシステムにおいては、各電源、各負荷に電力変換装置が接続され、数が膨大となるため、各電力変換装置が発生する電磁ノイズや高調波は極力減らしたいという要求がある。【０００６】
したがって、これまで主流であった２レベルの電力変換装置に対して、飛躍的にレベル数を増やしたクリーンなマルチレベル電力変換装置への期待が高まっている。【０００７】
しかしながら、マルチレベル電力変換回路における課題として、回路を構成する素子の数が多くなる問題が挙げられる。素子が多くなると、実装の難易度が上がり、コストの増大、信頼性の低下を招いてしまう。【０００８】
マルチレベル電力変換装置を構成する素子数は出力する電圧の段数(レベル数)を多くするほど増加してしまう。従来方式の三相２レベル電力変換回路は主回路スイッチ素子６つで構成されるのに対し、代表的なカスケード接続Ｈブリッジ方式、ダイオードクランプ方式、フライングキャパシタ方式の三相マルチレベル電力変換回路においては、レベル数ｎに対して、６(ｎ−１)個の主回路スイッチ素子が必要である。【０００９】
各主回路スイッチ素子にはそれぞれゲート駆動回路が必要になるため、レベル数を多くするほどそれらの周辺回路の素子数も膨大になってしまう。特許文献１では、マルチレベル電力変換回路のゲート駆動回路を構成する素子数を減らす方式が提案されている。
また、実装方法が適切でない場合、電力変換回路内に寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスが含まれ、それが電磁ノイズ増加の原因となってしまう。さらに、素子の放熱の考慮も必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１７７９５１
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｔｏｄｄ Ｂｅｇａｌｋｅ： “Ａ Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｓ ａ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｂｌｏｃｋ (ＰＥＢＢ)”, ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ (ＰＥＳＣ) ２００８, ｐｐ.３８９４−３９００, ２００８−６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
マルチレベル電力変換回路においては、出力レベル数を増やすに伴って、回路を構成する素子数が多くなり、実装の難易度の増加、コストの増大、信頼性の低下を招いてしまう。【００１３】
本発明の課題は、素子数が多いマルチレベル電力変換装置を低コストで実現する回路構成とそれに用いる素子の実装方法を提供することである。【００１４】
非特許文献１では、様々な構成の電力変換システムを個々の要素に分けてモジュール化することが検討されている。しかしながら、これは電力変換器に加えて、電源、負荷、フィルタ等のシステム構成を組み換えることを主眼にしており、電力変換回路そのものの構成を変える観点からは、拡張性に欠けている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、マルチレベル電力変換回路において、拡張性の高い単位電力変換回路からなるモジュールを様々な接続方法で複数組み合わせることで、レベル数や電圧、電流、電力、相数等をモジュールの組み換えだけで変更可能なマルチレベル電力変換回路を提供するものであり、具体的には、次のようなマルチレベル電力変換回路を提供することにより、上記の課題は解決される。【００１６】
ここでいうモジュールとは、全ての素子が一つの基板上乃至絶縁体でモールドされたパッケージ乃至一つの絶縁体と金属からなるパッケージ乃至一つの半導体等にまとめて実装され所定のレベル数、電圧、電流、電力等の仕様を有し所望の電力変換装置を同一仕様のモジュールを組み合わせて構成し得る電力変換装置のための機器である。
モジュールを構成する基本的な単位電力変換回路を次に示す。【００１７】
（１）１つ以上のキャパシタと２つ以上の主回路スイッチ素子からなる主回路２、および各主回路スイッチ素子を駆動するためのゲート駆動回路３からなる単位電力変換回路１であって、
主回路２は、
キャパシタ１０の一端にハイサイドの主回路スイッチ素子８の高電位側端子４が接続され、キャパシタ１０の他端にローサイドの主回路スイッチ素子９の低電位側端子５が接続され、ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子６およびローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子７がそれぞれ開放され、各ゲート駆動回路３は信号絶縁、電源絶縁された最小回路、
または、
該最小回路が複数個、一のハイサイドの主回路スイッチ素子８の低電位側端子６を次のハイサイドの主回路スイッチ素子８の高電位側端子４に一のローサイドの主回路スイッチ素子９の高電位側端子７を次のローサイドの主回路スイッチ素子９の低電位側端子５に接続し、これを２以上繰り返して多段に接続され、当該ハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子６および当該ローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子７がそれぞれ開放され、各ゲート駆動回路３は信号絶縁、電源絶縁された回路であることを特徴とする単位電力変換回路１である。【００１８】
（２）(１)に記載する単位電力変換回路１は、さらに主回路のキャパシタの両端およびハイサイドの主回路スイッチ素子の開放された低電位側端子およびローサイドの主回路スイッチ素子の開放された高電位側端子の少なくとも４端子を備えて、
該４端子と該単位電力変換回路の全て(素子・配線等)が一枚の基板上乃至一つの絶縁体で覆われたパッケージ乃至一つの絶縁体と金属で覆われたパッケージ乃至一つの半導体等にまとめて実装されていることを特徴とする電力変換装置のためのモジュールである。
このモジュールを適切に設計することにより、様々な構成のマルチレベル電力変換装置を単位モジュールの組み合わせを変えて容易に低コストで実現することができるようになる。
さらに接続機構を備えることにより、モジュール構成がより柔軟、かつ、拡張が容易になる。
（３）前記４端子は、接続機構を有し、当該端子はそれぞれ、他の同一の単位電力変換回路の４端子のいずれとも接続できることを特徴とする(２)に記載の電力変換装置のためのモジュールである。【００１９】
（４）(２)または(３)の同一の前記モジュールが２つ以上組み合わされてフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置である。
これにより、単位モジュールの組み合わせでフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
次のように多段に構成することができる。
（５）前記フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置において、一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、次のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に、一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、次のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、これを２以上繰り返して複数の当該モジュールが接続され、
最終端モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を接続し出力端とする、
フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(４)に記載するマルチレベル電力変換装置。【００２０】
（６）(２)の同一の前記モジュールが３つ以上組み合わされてアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置である。
これにより、単位モジュールの組み合わせでアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
つぎのような４モジュール構成のアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器を提供できる。
（７）前記アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、
［１］第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
［２］また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
［３］また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
［４］また、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを接続して出力端とする、
アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(６)に記載のマルチレベル電力変換装置。【００２１】
（８）(２)または(３)の同一の前記モジュールが４つ以上組み合わされてハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置である。
これにより、単位モジュールの組み合わせでハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
次のような４モジュール構成のハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器を提供できる。
（９）前記ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、
［１］第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
［２］また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
［３］また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
［４］第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
［５］また、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し、
［６］また、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し出力端とする、
ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(８)に記載のマルチレベル電力変換装置。【００２２】
（１０）(２)または(３)の同一の前記モジュールが４つ以上組み合わされてスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置である。
これにより、単位モジュールの組み合わせでスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
次のような４モジュール構成のスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換器を提供できる。
（１１）前記スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置であって
［１］第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
［２］第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
［３］第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
［４］第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
［５］第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
［６］第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子との間にキャパシタを接続し、
［７］第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを入力端子とし、
［８］第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と当該四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを出力端子とし、
スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(１０)に記載のマルチレベル電力変換装置。【００２３】
（１２）前記同一の前記モジュールにおいて、各モジュールの各端子を互いに接続するための前記機構は、各モジュールにおいて前記キャパシタの両端と他の２端子はそれぞれ表面と裏面に各々について対称かつ互いについて点対称に配置され、または前記キャパシタの両端と他の２端子は片面ずつに互いについて点対称に配置されており、モジュールを互い違いに配置して垂直方向に積み重ねることで多段接続を実現できる構造を具備することを特徴とする(４)または(５)のマルチレベル電力変換装置である。
これにより、複数モジュールの接続において、電磁ノイズの原因となるモジュール間の配線距離を過剰に長くせずに接続することが可能となる。コンパクトに接続できるため、実現したフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の小型化に寄与する。【００２４】
（１３）前記同一の前記モジュールにおいて、各モジュールの各端子を互いに接続するための前記機構は、さらに複数のモジュールを接続するための装置と接続できる機構を有することを特徴とする(４)乃至(１１)のマルチレベル電力変換装置である。複数のモジュールを接続するための装置を用いることにより、単位モジュールの回路構成や構造に依らず、ありとあらゆる組み合わせで複数モジュールを接続することが可能になるため、拡張性、汎用性が飛躍的に高まる。【００２５】
（１４）前記同一の前記モジュールにおいて、各主回路スイッチ素子の高電位側端子と低電位側端子との間に抵抗が接続されていることを特徴とする(４)または(５)のマルチレベル電力変換装置である。
これにより、本モジュールを複数個多段接続してフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換器を構築した際に、上記抵抗が各キャパシタの電圧のアンバランスを補正するように補償電流を流す働きをするため、電力変換器のより安定な動作を提供する。【００２６】
（１５）前記同一の前記モジュールにおいて、ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子とローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子との間にキャパシタが接続されていることを特徴とする(４)または(５)のマルチレベル電力変換装置である。
これにより、本モジュールを複数個多段接続してフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換器を構築した際に、モジュール間の配線の寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスにより発生した電磁ノイズやスイッチングサージを上記キャパシタが吸収できるため、発生する電磁ノイズを低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、従来方式に対して回路素子数が多くなってしまうマルチレベル電力変換回路において、実装が問題とならない標準的な電力変換回路モジュールを複数組み合わせて、任意のレベル数のマルチレベル電力変換回路を作製することが可能である。すなわち、従来方式に対して高調波や電磁ノイズを大幅に低減できる超多レベルインバータの作製が可能となる。【００２８】
また、モジュールの接続方法の変更のみで、回路方式や電力変換器が扱える電圧、電流、電力、相数、出力波形等を変えることができる。すなわち、様々なアプリケーションに最適な電力変換器を規格化された拡張性の高いモジュールの組み合わせのみで作製することができ、大幅なコスト削減が可能となる。【００２９】
標準化されたモジュールの組み換えにより様々な回路構成が実現できるため、電源側や負荷側の構成に合わせて、電力変換回路を低コストで設計、製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は本発明における、単位モジュールの最小単位の回路構成である。
【図２】図２は本発明における、単位モジュールの変形であり、キャパシタを追加した場合の最小単位の回路構成である。
【図３】図３は本発明における、単位モジュールの変形であり、抵抗を追加した場合の最小単位の回路構成である。
【図４】図４は従来技術のモジュールと本発明の単位モジュールの回路構成の比較である。
【図５】図５は従来技術と本発明それぞれにおいて、２つ以上のモジュールを接続する際の直列接続、並列接続の可否を表したものである。
【図６】図６は本発明における、１モジュール以上で実現する３レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図７】図７は本発明における、２モジュール以上で実現する３レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図８】図８は本発明における、２モジュール以上で実現する３レベルカスケード接続方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図９】図９は本発明における、３モジュール以上で実現する３レベルスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図１０】図１０は本発明における、３モジュール以上で実現する３レベルアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図１１】図１１は本発明における、４モジュール以上で実現する５レベルハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図１２】図１２は本発明における、４モジュール以上で実現する５レベルスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換回路の最小構成である。
【図１３】図１３は本発明における、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせ、入力端子乃至出力端子を並列接続することで実現したマルチレベル電力変換回路である。
【図１４】図１４は本発明における、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせ、入力端子乃至出力端子を直列接続することで実現したマルチレベル電力変換回路である。
【図１５】図１５は本発明における、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせて実現した単相フルブリッジ構成のマルチレベル電力変換回路である。
【図１６】図１６は本発明における、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせて実現した多相構成のマルチレベル電力変換回路である。
【図１７】図１７は本発明における、単位モジュール設計のための、主回路スイッチ素子およびキャパシタの耐圧利用率と主回路スイッチ数、モジュール多段接続数の関係を表した図である。
【図１８】図１８は本発明における実施例であり、主回路スイッチ素子８つとキャパシタ５つからなる５レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置として作製した単位モジュールの回路構成図である。
【図１９】図１９は本発明における実施例であり、試作した単位モジュールの外観である。
【図２０】図２０は本発明におけるモジュールを垂直方向に互い違いにスタックする実施例であり、試作した単位モジュールが具備するコネクタの配置である。
【図２１】図２１は本発明におけるモジュールを同じ向きでスタックする実施例であり、単位モジュールが具備するコネクタの配置の変形例である。
【図２２】図２２は本発明における実施例であり、試作した単位モジュールの実験波形である。
【図２３】図２３は本発明における実施例であり、６モジュールで構成した三相９レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の外観である。
【図２４】図２４は本発明における実施例であり、６モジュールで構成した三相９レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の実験波形である。
【図２５】図２５は本発明における実施例であり、６モジュールで構成した単相フルブリッジ構成１３レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の外観である。
【図２６】図２６は本発明における実施例であり、６モジュールで構成した単相フルブリッジ構成１３レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の実験波形である。
【図２７】図２７は本発明における実施例であり、４モジュールで構成した単相ハーフブリッジ構成１７レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の外観である。
【図２８】図２８は本発明における実施例であり、４モジュールで構成した単相ハーフブリッジ構成１７レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の実験波形である。
【図２９】図２９は本発明における、複数のモジュールを接続するコネクタとそれらコネクタ間の配線を具備したモジュール接続装置に複数の単位モジュールを接続したマルチレベル電力変換装置である。
【図３０】図３０は本発明における、単位モジュールの回路構成の一般形である。
【図３１】図３１は本発明における、単位モジュールの変形であり、キャパシタを追加した場合の回路構成の一般形である。
【図３２】図３２は本発明における、単位モジュールの変形であり、抵抗を追加した場合の回路構成の一般形である。
【図３３】図３３は従来技術と本発明それぞれにおいて、２つ以上のモジュールを接続する際のカスケード接続、多段接続の可否を表したものである。
【図３４】図３４は本発明における、２モジュール以上で実現するフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路の一般構成である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、まず本発明を実施するための形態(以下、実施の形態)について説明を行う。次に、実施例では、フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路モジュールの設計例および実装例を示し、試作機による測定結果を示す。
【００３２】
本発明における、電力変換回路単位モジュールは、図１および図３０のように少なくとも２つ以上の主回路スイッチ素子と１つ以上のキャパシタおよび各主回路スイッチ素子を駆動するゲート駆動回路からなる。この単位モジュールを複数接続することで、様々な構成のマルチレベル電力変換回路を同一の単位モジュールの組み換えのみで実現することができる。
【００３３】
上記単位モジュールは、図２および図３１のようにハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子とローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子の間にキャパシタを追加した構成とすることも可能である。この場合、モジュールを複数個多段接続した際に、モジュール間の配線の寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスが原因で発生する電磁ノイズを低減することができる。以下では、上記出力端子間のキャパシタを接続しないモジュールについてのみ述べるが、出力端子間のキャパシタを接続した場合でも同様のことが成り立つ。
【００３４】
上記単位モジュールは、図３および図３２のように各主回路スイッチ素子の高電位側端子と低電位側端子の間に抵抗を追加した構成とすることも可能である。この場合、モジュールを複数個多段接続し、フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路を実現した際に、この抵抗が各キャパシタの電圧のアンバランスを補償する働きをする。これにより、電力変換回路の安定動作が可能となる。以下では、上記出力端子間のキャパシタを接続しないモジュールについてのみ述べるが、端子間の抵抗を接続した場合でも同様のことが成り立つ。
【００３５】
上記電力変換回路単位モジュールにおいて、主回路スイッチ素子には、半導体パワーデバイスであるＭＯＳＦＥＴ(絶縁ゲート電界効果型トランジスタ)、ＭＩＳＦＥＴ(絶縁ゲート電界効果型トランジスタ)、ＨＦＥＴ(ヘテロ接合電界効果型トランジスタ)、ＪＦＥＴ(接合型電界効果型トランジスタ)、ＢＴ(バイポーラトランジスタ)、ＩＧＢＴ(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、ＩＥＧＴ(注入促進形絶縁ゲート型トランジスタ)、およびＧＴＯサイリスタ(ゲートターンオフサイリスタ)等を用いることができる。これらパワーデバイスの半導体材料はＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の種類を問わない。キャパシタには、セラミックコンデンサ、アルミ電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、半導体コンデンサ等の各種コンデンサを用いることができる。
【００３６】
本発明の特徴は、単位モジュールにおける、キャパシタの両端および主回路のハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子とローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子の各２端子、計４端子がそれぞれ開放状態で、それぞれが相互接続可能であり、さらに他の同一のモジュールの各端子とも相互接続が可能な接続機構を具備することである。さらに、各ゲート駆動回路は信号および制御電源がそれぞれ絶縁されている。
【００３７】
上記信号絶縁は、フォトカプラ、磁気カプラ、トランス、レベルシフト回路等によって実現される。また、上記電源絶縁は、トランス、絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータ、絶縁形ＡＣ／ＤＣコンバータ、ブートストラップ回路、チャージポンプ回路、自己給電回路等によって実現される。
【００３８】
単位モジュールを上記の構成とすることで、複数のモジュールを様々な構成で組み合わせることで、様々なマルチレベル電力変換回路が実現できる。
【００３９】
図４は従来技術と本発明の比較である。従来技術においては、主回路の出力２端子が短絡しており、モジュール単体で動作することを目的としているため、それ以外の構成への柔軟な拡張が出来なかった。本発明は、主回路の出力２端子を開放したものを単位モジュールとすることで、従来技術では不可能であった、多段接続を可能とし、高い拡張性、汎用性を提供する。
【００４０】
図５および図３３は従来技術と本発明それぞれにおいて、２つ以上のモジュールを接続する際の接続方法の可否を表したものである。本発明の上記構成により、接続の自由度が多くなっていることがわかる。
【００４１】
上記、複数のモジュールを様々な構成で組み合わせて実現されるマルチレベル電力変換回路(以下、モジュール結合マルチレベル電力変換装置とする)は、回路方式、出力レベル数、扱える電圧、扱える電流、扱える電力、扱える周波数、相数等のうち１つ以上がモジュールの接続の仕方で変えられる。
【００４２】
前記単位モジュールを用いて、マルチレベル電力変換回路を実現する方法について述べる。まず、１つの単位モジュールにおいて、図６のように主回路スイッチ素子数を４つ以上、キャパシタを２つ以上用いることによって、モジュール単体でフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。このときの出力レベル数ｎは、
【数１】
2015037537.tif 000003
となる。
ただし、単位モジュールにおいて、高電位側(回路図の上側)または低電位側(回路図の下側)の主回路スイッチ素子の数をｋとする。
【００４３】
単位モジュールを２つ以上組み合わせることで、フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。図７はその最小構成図、図３４は一般形である。
【００４４】
単位モジュールを２つ以上組み合わせることで、カスケード接続方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。図８はその最小構成図である。
【００４５】
単位モジュールを２つ以上組み合わせることで、モジュラーマルチレベル方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。図９はその最小構成図である。
【００４６】
主回路スイッチ素子数２ｋ(＝２)の単位モジュールを３つ以上組み合わせることで、アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。図１０はその最小構成図である。
【００４７】
主回路スイッチ素子数２ｋ(＝２)の単位モジュールを４つ以上組み合わせることで、ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。図１１はその最小構成図である。
【００４８】
主回路スイッチ素子数２ｋ(＝２)の単位モジュールを４つ以上組み合わせることで、スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換回路を実現することができる。図１２はその最小構成図である。
【００４９】
図１３のように、前記モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせ、入力端子乃至出力端子を並列接続することでマルチレベル電力変換回路を実現することができる。この場合、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を並列接続した数に比例して扱える電流および電力を大きくすることができる。
【００５０】
図１４のように、前記モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせ、入力端子乃至出力端子を直列接続することでマルチレベル電力変換回路を実現することができる。この場合、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を直列接続した数に比例して扱える電圧および電力を大きくすることができる。
【００５１】
図１５のように、前記モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせ、単相フルブリッジ構成のマルチレベル電力変換回路を実現することができる。この場合、モジュール結合マルチレベル電力変換装置の２倍の電圧および電力を出力することができる。
【００５２】
図１６のように、前記モジュール結合マルチレベル電力変換装置を、少なくとも２つ以上組み合わせ、多相構成として接続することで多相のマルチレベル電力変換装置を実現することができる。この場合、モジュール結合マルチレベル電力変換装置を接続した数の相数のマルチレベル電力変換装置を実現でき、相数に比例して扱える電力を大きくすることができる。
【００５３】
上記単位モジュールを組み合わせて実現されるマルチレベル電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣ変換、ＤＣ／ＡＣ変換、およびＡＣ／ＤＣ変換用の電力変換装置として使用することができる。
【００５４】
上記単位モジュールを組み合わせて実現されるマルチレベル電力変換装置を、さらに組み合わせることにより、ＤＣ／ＡＣ／ＤＣ変換、ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ変換、およびＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換用等の電力変換装置として使用することができる。
【００５５】
以上のように、拡張性、汎用性の高いモジュールの組み合わせで実現されるマルチレベル電力変換装置は、電源側や負荷側の構成によっても柔軟にその回路構成を変えることができ、非常に幅広く応用することができる。
【００５６】
単位モジュールを組み合わせて実現されるマルチレベル電力変換装置において、主回路スイッチ素子の短絡故障が起こった際には、その故障素子が含まれる単位モジュールの全ての主回路スイッチ素子をオンに制御することにより、出力レベル数や扱える電圧や電力等は小さくなるが、電力変換器の応急運転が可能である。
【００５７】
また、マルチレベル電力変換装置を単位モジュールの組み合わせとして構築した場合、どこかのモジュールが故障した際に、そのモジュールのみを交換すればよいため、従来よりも故障時のコストも最低限に抑えることができる。
【００５８】
また、電力変換装置においては、動作条件や制御方法により、素子に印加される電圧や流れる電流が素子毎に異なる。そのため、温度にムラが生じるため、各素子の寿命が異なるのが一般的である。したがって、経年劣化によって交換が必要になった際には、モジュール毎に新しいものに交換することができ、全体を一度に入れ替える必要がないため、長期的なメンテナンスのコストも抑えることができる。
【００５９】
以下では、本発明における単位モジュールの設計指針について述べる。単位モジュールの設計において重要なのは、単位モジュールを用いて実現されるマルチレベル電力変換装置が扱う電圧に対して、単位モジュールの耐電圧をどのように設計するかということである。それを決定する要素として、単位モジュールにおける、主回路スイッチ数２ｋ、各主回路スイッチとして用いる半導体パワーデバイスの耐電圧ＶrT、用いる各キャパシタの耐電圧ＶrCである。また、その単位モジュールを何個多段接続もしくは直列接続して用いるかも考慮する必要がある。
【００６０】
上記単位モジュールの設計においては、各主回路スイッチ素子および各キャパシタは、電磁ノイズやサージ電圧等の影響による素子の破壊を防ぐため、各素子に印加される最大電圧に対して耐電圧のマージンを確保して素子を選定する必要がある。
【００６１】
一般に、半導体パワーデバイスは耐電圧の高い素子ほど、オン抵抗が大きく、スイッチングが遅いため、損失が大きくなってしまう。キャパシタは、耐電圧が高いものほど体積当たりの静電容量が小さい。つまり、耐圧のマージンを大きくすると、実現されるマルチレベル電力変換装置の性能が低下してしまう。そのため、安全動作を実現した上で、電力変換の性能を損なわないための最適な単位モジュール設計が必要である。
【００６２】
以下では、単位モジュールを複数個多段接続してフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を実現する場合について、単位モジュールの設計指針について述べる。
【００６３】
単位モジュールにおいて、高電位側(回路図の上側)または低電位側(回路図の下側)の主回路スイッチ素子の数ｋを用いて、単位モジュールをＭ個多段接続したフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路の出力レベル数ｎは、
【数２】
2015037537.tif 000004
となる。
【００６４】
各主回路スイッチ素子に印加される最大電圧は、単位モジュール内の主回路スイッチ素子数ｋとモジュールの接続個数Ｍによって変わり、モジュールの多段接続によって実現されるフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の入力電圧をＥdとすると、
【数３】
2015037537.tif 000005
で表される。
【００６５】
一方、単位モジュールをいくつ多段接続しても、最も入力端に近いキャパシタには必ず電力変換器の入力電圧が印加される。すなわち、接続するモジュール数に関係なく、実現されるフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の扱える電圧は、単位モジュールに搭載するキャパシタの耐圧が上限となる。
【００６６】
そこで、単位モジュールの設計のため、主回路スイッチ素子およびキャパシタの耐圧利用率を導入し、設計の指針を得る。主回路スイッチ素子の耐圧利用率λT、キャパシタの耐圧利用率λCは以下のように定義する。
【数４】
2015037537.tif 000006
【数５】
2015037537.tif 000007
ただし、ＶrTは主回路スイッチ素子の耐電圧、ＶrCはキャパシタの耐電圧である。
【００６７】
以上の(１)〜(４)式を基に、フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路の所要レベル数、扱う電圧等から、単位モジュール当たりの主回路スイッチ素子数２ｋ、主回路スイッチ素子の耐圧ＶrT、キャパシタの耐圧ＶrCを適切な耐圧利用率を選択しながら単位モジュールを設計することができる。
【００６８】
この単位モジュールの設計の際、モジュール接続数Ｍを変えることで実現されるマルチレベル電力変換装置における出力レベル数や扱える電圧、電力等を変えられることを考慮し、想定されるモジュール接続数の全てにおいて、現実的な耐圧利用率を実現できるように、モジュール接続数Ｍも考慮して設計することで、汎用性または拡張性を調整することができる。
【００６９】
以上の指針を基にして、単位モジュールを設計することにより、安全動作と高い電力変換効率を実現するマルチレベル電力変換回路モジュールが作製可能である。
【００７０】
上記単位モジュールは、個別のディスクリート素子を用いてプリント基板上乃至絶縁体でモールドされたパッケージ内などに集積化して形成することが出来る。また、究極的には半導体または絶縁体の基板上に、半導体１チップで集積化して形成することが最も望ましい。
【００７１】
上記パッケージに使用する絶縁体には、合成樹脂、プラスチック、セラミック、ガラス、ゴム等を使用することができる。
【００７２】
上記半導体１チップで単位モジュールを実現する場合において、半導体チップはチップ面積が大きいほど歩留まりが悪く、コストが増大してしまう。本発明は、マルチレベル電力変換回路に用いられる多くの素子を一定の単位で分け、それを実装したモジュールを複数接続するという形態を取ることで、モジュール１つ当たりの半導体チップ面積を小さくすることができる。すなわち、モジュール１つ当たりのコストを大幅に削減し、それを大量生産することで、さらにコストを低減することができる。
【００７３】
このように、コストの問題を抑えて多数の回路素子を実装することが可能になるため、非常に高性能な電力変換回路を実現することができる。具体的には、従来方式である２レベル電力変換回路に対して、高調波や電磁ノイズを低減し、変換効率を向上することができる。これにより、高調波フィルタやノイズフィルタ、冷却装置等の電力変換器付属の構成要素を小型化することが可能である。
【実施例１】
【００７４】
図１７は、上記(２)〜(５)式に基づいて、ｋ＝４としたときの主回路スイッチ素子およびキャパシタの耐圧利用率を各モジュール接続数Ｍごとに図示したものである。入力電圧を変えることで、動作点が直線上を動く。これを基にして、実現するマルチレベル電力変換回路の所要レベル数、扱う電圧等から、単位モジュール当たりの主回路スイッチ素子数２ｋ、モジュール接続数Ｍ、主回路スイッチ素子の耐圧ＶrT、キャパシタの耐圧ＶrCを適切な耐圧利用率を選択しながら決定することができる。【００７５】
本試作では、最大で直流電圧３００Ｖ入力のインバータ(ＤＣ／ＡＣ変換器)を設計、試作することを目的とし、以下のように単位モジュールを設計した。
まず、回路構成は、ｋ＝４で前記出力端にキャパシタを追加した構成、すなわち主回路スイッチ素子８つとキャパシタ５つからなる図１８の５レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路とした。所要レベル数は５〜１７レベルで、モジュール数接続数Ｍを１〜４程度で使用することとした。これより、図１７を基にして主回路スイッチ素子の耐圧利用率λTを４０％以下、キャパシタの耐圧利用率λCを７５％以下と決め、市販されているＳｉ−ＭＯＳＦＥＴおよびセラミックコンデンサの中から選定し、それぞれの耐電圧をＶrT＝６０ＶおよびＶrC＝４５０Ｖとした。この設計においては、モジュール接続数Ｍを４、入力電圧を３００Ｖとした場合、主回路スイッチ素子の実際の耐圧利用率λTは３１.３％、キャパシタの耐圧利用率λCは６６.７％となった。Ｍ＝１〜４における動作点は図１７に示した黒い点である。【００７６】
図１９は実際に試作した単位モジュールである。両面基板上に全ての素子を実装した。この単位モジュールは、電力変換回路として機能するための上記素子に加え、各ＭＯＳＦＥＴを駆動するためのゲート駆動回路および他のモジュールと接続するためのコネクタを表裏面に具備している。【００７７】
各ゲート駆動回路は、ゲートドライバＩＣ内蔵のレベルシフト回路による信号絶縁、ブートストラップ回路による電源絶縁を備えており、モジュールの接続方法によらず、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作が可能である。【００７８】
コネクタは、図２０のように表裏面対象、表面または裏面で点対象になるよう実装した。すなわち、表面側にキャパシタ両端の２端子、裏面側にハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子およびローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子の２端子を実装した。これにより、モジュールを垂直方向に互い違いにスタックすることで図３３の右下に示すような多段接続を実現でき、フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路の小型化を実現している。【００７９】
さらに、図２１は各モジュールが表裏面それぞれにキャパシタ両端の２端子とハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子およびローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子の２端子を具備する。これにより、モジュールを垂直方向に互い違いにスタックし表面と裏面のそれぞれ一方の両端子を不導通とすることで図３３の右下に示すような多段接続を、モジュールを同じ向きでスタックすることで図５の右下に示すような並列接続を実現することができる。【００８０】
本発明においては、構造上、モジュール内の配線に比べ、モジュール間の配線距離が長くなってしまう。電力変換回路において、長い配線は電磁ノイズの原因となるため、このモジュール間の接続方法は極めて重要であるが、上記垂直方向に互い違いにスタックする実装方法は、モジュール間の配線距離を短くするための重要な構造である。【００８１】
図２２は上記試作した単位モジュールにより得られた実験波形であり、入力電圧７５Ｖで正常に５レベル電圧波形が得られた。【００８２】
図２３は上記試作した単位モジュールを１相当たり２個積み重ね、それを三相分用意し、計６モジュールで構成した三相９レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置である。図２４は得られた実験波形であり、入力電圧１５０Ｖで正常に動作することを確認した。【００８３】
図２５はモジュールを１相当たり３個積み重ね、それを２つ用意し、計６モジュールで構成した単相１３レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置である。図２６は得られた実験波形であり、上記９レベル電力変換回路の１．５倍の入力電圧２２５Ｖで正常に動作することを確認した。【００８４】
図２７はモジュールを１相当たり４個積み重ね、計４モジュールで構成した単相ハーフブリッジ１７レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置である。図２８は得られた実験波形であり、上記９レベル電力変換回路の２倍の入力電圧３００Ｖで正常に動作することを確認した。【００８５】
図１９〜２８より、モジュールのスタック数を多くするほど、モジュール結合マルチレベル電力変換回路の出力電圧の段数(レベル数)が増え、波形が正弦波交流に近づいていることが分かる。すなわち、モジュールのスタック数を増やすほど、電力変換器の出力高調波および電磁ノイズが低減できており、電力変換性能が向上しているといえる。【００８６】
以上のように、本試作では６つの単位モジュールを複数個組み合わせ、その接続方法を変えることで、レベル数９〜１７レベル、電圧６０Ｖ〜３００Ｖ、回路構成は三相、単相フルブリッジ、および単相ハーフブリッジの３つのフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を実現した。【００８７】
本実施例１では、前記モジュール同士をスタックして直接接続する方式を説明したが、モジュール間に別の装置を介して接続することにより、さらに汎用性を高くすることができる。図２９は、複数のモジュールを接続するコネクタとそれらコネクタ間の配線を具備したモジュール接続装置にキャパシタ両端の２端子とハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子およびローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子の２端子を具備した複数のモジュールを接続したマルチレベル電力変換装置である。また、さらにコネクタ間の配線をスイッチにより任意に変更する機構を具備することで、さらなる汎用性の向上が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、モータ駆動装置、太陽光発電や風力発電などの電源装置、無停電電源装置(ＵＰＳ)などの電源装置、および電子機器の電源装置などに用いることが出来る。【００８９】
本モジュールユニットから構成されるマルチレべル電力変換装置は、定格をモジュールユニットの各種接続の組みわせで構成するため、拡張性・柔軟性に優れ、各種電力変換において簡便かつきめ細かな方法を提供できる。
また、その場で定格のダイナミックな構成が可能なため、必要とされる範囲の定格に対応する大量のモジュールユニットさえ準備しておけば、震災等の非常時・緊急時の対応が可能となる。
【符号の説明】
【００９０】
１  ＵＭ  ：単位モジュール
２  ＰＣＣ：単位モジュールの主回路
３  ＧＤＣ：単位モジュールのゲート駆動回路
４  Ｔin+   ：単位モジュールのキャパシタの高電位側端子
５  Ｔin-   ：単位モジュールのキャパシタの低電位側端子
６  Ｔout+  ：単位モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子
７  Ｔout-  ：単位モジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子
８  Ｓｈｎ：単位モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子
９  Ｓｌｎ：単位モジュールのローサイドの主回路スイッチ素子
１０  Ｃ    ：キャパシタ
１１  Ｅd    ：入力直流電源
１２  ＬＤ  ：負荷
１３  Ｒ    ：抵抗
【図１】
2015037537.tif 000008
【図２】
2015037537.tif 000009
【図３】
2015037537.tif 000010
【図４】
2015037537.tif 000011
【図５】
2015037537.tif 000012
【図６】
2015037537.tif 000013
【図７】
2015037537.tif 000014
【図８】
2015037537.tif 000015
【図９】
2015037537.tif 000016
【図１０】
2015037537.tif 000017
【図１１】
2015037537.tif 000018
【図１２】
2015037537.tif 000019
【図１３】
2015037537.tif 000020
【図１４】
2015037537.tif 000021
【図１５】
2015037537.tif 000022
【図１６】
2015037537.tif 000023
【図１７】
2015037537.tif 000024
【図１８】
2015037537.tif 000025
【図１９】
2015037537.tif 000026
【図２０】
2015037537.tif 000027
【図２１】
2015037537.tif 000028
【図２２】
2015037537.tif 000029
【図２３】
2015037537.tif 000030
【図２４】
2015037537.tif 000031
【図２５】
2015037537.tif 000032
【図２６】
2015037537.tif 000033
【図２７】
2015037537.tif 000034
【図２８】
2015037537.tif 000035
【図２９】
2015037537.tif 000036
【図３０】
2015037537.tif 000037
【図３１】
2015037537.tif 000038
【図３２】
2015037537.tif 000039
【図３３】
2015037537.tif 000040
【図３４】
2015037537.tif 000041
【国際調査報告】
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