(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第５の５レベルの直流電位に分割された５レベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と第５の直流電位との間に第１〜第６の逆導通スイッチが順次直列に接続され、第３の逆導通スイッチと第４の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とすると共に、
第１の逆導通スイッチと第２の逆導通スイッチとの接続点と第２の直流電位との間に第７の逆導通スイッチが接続され、
第２の逆導通スイッチと第３の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第８の逆導通スイッチが接続され、
第４の逆導通スイッチと第５の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第９の逆導通スイッチが接続され、
第５の逆導通スイッチと第６の逆導通スイッチとの接続点と第４の直流電位との間に第１０の逆導通スイッチが接続されることを特徴とする５レベルコンバータ。
【請求項２】
交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第５の５レベルの直流電位に分割された５レベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と第５の直流電位との間に第１〜第６の逆導通スイッチが順次直列に接続され、第３の逆導通スイッチと第４の逆導通スイッチの接続点を交流入出力端子とすると共に、
第１の逆導通スイッチと第２の逆導通スイッチとの接続点と第２の直流電位との間に第７の逆導通スイッチが接続され、
第２の逆導通スイッチと第３の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第１のダイオードが接続され、
第４の逆導通スイッチと第５の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第２のダイオードが接続され、
第５の逆導通スイッチと第６の逆導通スイッチとの接続点と第４の直流電位との間に第１０の逆導通スイッチが接続されることを特徴とする５レベルコンバータ。
【請求項３】
交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第２Ｍ−１（Ｍは４以上の整数）の直流電位に分割されたマルチレベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と交流入出力端子との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第１組のスイッチ群が接続され、
前記交流入出力端子と第２Ｍ−１の直流電位との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第２組のスイッチ群が接続され、
第１組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第２〜第Ｍの直流電位との間に、第３組のスイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチがそれぞれ接続され、
第２組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第Ｍ〜第２Ｍ−２の直流電位との間に、第４組のスイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチがそれぞれ接続されることを特徴とするマルチレベルコンバータ。
【請求項４】
交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第２Ｍ−１（Ｍは４以上の整数）の直流電位に分割されたマルチレベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と交流入出力端子との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第１組のスイッチ群が接続され、
前記交流入出力端子と第２Ｍ−１の直流電位との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第２組のスイッチ群が接続され、
第１組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第２〜第Ｍの直流電位との間に、第３組のスイッチ群を構成する複数の半導体スイッチがそれぞれ接続され、
第２組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第Ｍ〜第２Ｍ−２の直流電位との間に、第４組のスイッチ群を構成する複数の半導体スイッチがそれぞれ接続され、
第３組及び第４組のスイッチ群を構成する半導体スイッチのうち、第Ｍの直流電位に接続される半導体スイッチをダイオードとし、その他の半導体スイッチを逆導通スイッチとしたことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
【請求項５】
請求項１に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第１〜第３の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第９，第１０の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第１の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第７の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第２の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第８の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第３の逆導通スイッチがオン状態の時に第４の逆導通スイッチにオン信号を与えてから所定の遅延時間後に第３の逆導通スイッチにオフ信号を与える第３の制御と、
第９の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第５の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
第１０の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第６の逆導通スイッチにオン信号を与える第５の制御と、
のうち、何れかの制御を行うことを特徴とするコンバータの制御方法。
【請求項６】
請求項１に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第４〜第６の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第７，第８の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第６の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第１０の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第５の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第９の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第４の逆導通スイッチがオン状態の時に第３の逆導通スイッチにオン信号を与えてから所定の遅延時間後に第４の逆導通スイッチにオフ信号を与える第３の制御と、
第８の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第２の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
第７の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第１の逆導通スイッチにオン信号を与える第５の制御と、
のうち、何れかの制御を行うことを特徴とするコンバータの制御方法。
【請求項７】
請求項２に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第１〜第３の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第８の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第１の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第７の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第２の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第４の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第３の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第５の逆導通スイッチにオン信号を与える第３の制御と、
第８の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第６の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
のうち、何れかの制御を行うことを特徴とするコンバータの制御方法。
【請求項８】
請求項２に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第４〜第６の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第７の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第６の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第８の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第５の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第３の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第４の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第２の逆導通スイッチにオン信号を与える第３の制御と、
第７の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第１の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
のうち、何れかの制御を行うことを特徴とするコンバータの制御方法。
【請求項９】
請求項３に記載したマルチレベルコンバータを制御する制御方法において、
第１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第１組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのカソードに接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第１の制御と、
第２Ｍ−１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのアノードに接続された第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第２の制御と、
前記交流入出力端子に接続された第１組または第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、第Ｍの直流電位に接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチ及び第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチの両方にオン信号が与えられている第３の制御と、
のうち、何れかの制御を行うことを特徴とするコンバータの制御方法。
【請求項１０】
請求項４に記載したマルチレベルコンバータを制御する制御方法において、
第１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第１組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのカソードに接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第１の制御と、
第２Ｍ−１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのアノードに接続された第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第２の制御と、
前記交流入出力端子に接続された第１組または第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、第Ｍ−１の直流電位に接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチと第Ｍ＋１の直流電位に接続された第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチとの両方にオン信号が与えられている第３の制御と、
のうち、何れかの制御を行うことを特徴とするコンバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を直流電力に、または直流電力を交流電力に変換するコンバータであって、直流側に複数の電位レベルが存在するマルチレベルコンバータとその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、特許文献１記載の回路により構成した３相４レベルコンバータの回路図である。一点鎖線で囲んだブロック１０１，１０２，１０３はコンバータの１相分を示しており、それぞれ同一の回路で構成されている。なお、本件出願において、コンバータとは、交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを包含する電力変換器の意味で使用する。以下、図１１のコンバータ１相分の回路（例えばブロック１０１）の構成を説明する。
【０００３】
直流電位Ｖ＋＋とＶ−−との間にコンデンサＣ１〜Ｃ３が直列に接続され、それぞれのコンデンサ電圧は略等しいとする。このことにより、直流回路は電位の高い方から順に、Ｖ＋＋，Ｖ＋，Ｖ−，Ｖ−−の４レベルの電位をもつ。半導体スイッチＱ１〜Ｑ６は、ＩＧＢＴなどの自己消弧可能な可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対（半導体スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６）、または、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を更に複数直列に接続した組Ｑ２，Ｑ３で構成されており、以下ではこれらを逆導通スイッチと称することにする。なお、Ｑ２ａ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ａ，Ｑ３ｂは組Ｑ２，Ｑ３を構成する半導体スイッチである。
【０００４】
Ｖ＋＋とＶ−−との間には逆導通スイッチＱ１〜Ｑ４が直列に接続され、Ｑ２とＱ３との接続点ＡＣが交流入出力端子となる。また、Ｑ１，Ｑ２の接続点とＶ＋との間にＱ５が接続され、Ｑ３，Ｑ４の接続点とＶ−との間にＱ６が接続されている。なお、Ｑ２，Ｑ３には定常的に他の逆導通スイッチの２倍の電圧が印加されるため、２直列された逆導通スイッチで構成されている。
【０００５】
図１２は、図１１の１相分のブロック１０１のみを示した回路図である。この図１２を用いて、特許文献１に記載された回路の動作を説明する。なお、交流入出力端子ＡＣに接続される交流回路には図示されていないインダクタンス分が存在すると仮定し、逆導通スイッチのスイッチング時における交流電流はほぼ一定であるとする。
【０００６】
図１２の回路において、Ｑ１，Ｑ２がオンすると、交流入出力端子ＡＣの電位はＶ＋＋となる。Ｖ＋＋→Ｑ１→Ｑ２→ＡＣの経路で電流が流れている場合、Ｑ１をオフするとＶ＋→Ｑ５の環流ダイオード（以下、Ｑ５（ダイオード）のように示す）→Ｑ２→ＡＣの経路で電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋となる。このときの転流電流は、Ｑ１→Ｃ１→Ｑ５→Ｑ１のループＬＰ１を流れる。
【０００７】
次に、Ｑ６に予めオン信号を入力しておいてＱ２をオフすると、Ｖ−→Ｑ６→Ｑ３（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−となる。このときの転流電流は、Ｑ２→Ｑ５→Ｃ２→Ｑ６→Ｑ３→Ｑ２のループＬＰ２を流れる。
次に、Ｑ６をオフすると、Ｖ−−→Ｑ４（ダイオード）→Ｑ３（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−−となる。この時の転流電流は、Ｑ６→Ｃ３→Ｑ４→Ｑ６のループＬＰ３を流れる。
【０００８】
次いで、図１３は、非特許文献１に記載されている従来の３相５レベルインバータの回路図を示している。一点鎖線で囲んだブロック１１１，１１２，１１３はコンバータの１相分を示しており、それぞれ同一の回路で構成されている。以下、図１３のコンバータ１相分の回路（例えばブロック１１１）の構成を説明する。
【０００９】
直流電位Ｖ＋＋とＶ−−との間にコンデンサＣ１〜Ｃ４が直列に接続され、それぞれのコンデンサ電圧は略等しいとする。このことにより、直流回路は電位の高い方から順に、Ｖ＋＋、Ｖ＋、Ｖ０、Ｖ−、Ｖ−−の５レベルの電位をもつ。Ｖ＋＋とＶ−−との間には逆導通スイッチＱ１〜Ｑ８が直列に接続され、Ｑ４とＱ５との接続点ＡＣを交流入出力端子とする。
【００１０】
また、Ｑ１，Ｑ２の接続点とＶ＋との間にダイオードＤ１が接続され、Ｑ２，Ｑ３の接続点とＶ０との間にダイオードＤ２が接続され、Ｑ３，Ｑ４の接続点とＶ−との間にダイオードＤ３が接続され、Ｑ５，Ｑ６の接続点とＶ＋との間にダイオードＤ４が接続され、Ｑ６，Ｑ７の接続点とＶ０との間にダイオードＤ５が接続され、Ｑ７，Ｑ８の接続点とＶ−との間にダイオードＤ６が接続されている。なお、ダイオードＤ２〜Ｄ５は定常的に他の半導体スイッチの２倍または３倍の電圧が印加されているので、複数のダイオードを直列に接続している。ここで、半導体スイッチとは、逆導通スイッチとダイオードとを包括した名称とする。
【００１１】
次に、この回路の動作について説明する。
図１３の回路において、Ｑ１〜Ｑ４がオンすると、交流入出力端子ＡＣの電位はＶ＋＋となる。Ｖ＋＋→Ｑ１→Ｑ２→Ｑ３→Ｑ４→ＡＣの経路で電流が流れている場合、Ｑ１をオフとするとＶ＋→Ｄ１→Ｑ２→Ｑ３→Ｑ４→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋となる。このときの転流電流は、Ｑ１→Ｃ１→Ｄ１→Ｑ１のループを流れる。
次にＱ２をオフすると、Ｖ０→Ｄ２→Ｑ３→Ｑ４→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ０となる。このときの転流電流は、Ｑ２→Ｄ１→Ｃ２→Ｄ２→Ｑ２のループを流れる。
次にＱ３をオフすると、Ｖ−→Ｄ３→Ｑ４→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−となる。このときの転流電流は、Ｑ３→Ｄ２→Ｃ３→Ｄ３→Ｑ３のループを流れる。
次いでＱ４をオフすると、Ｖ−−→Ｑ８（ダイオード）→Ｑ７（ダイオード）→Ｑ６（ダイオード）→Ｑ５（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−−となる。この時の転流電流は、Ｑ４→Ｄ３→Ｃ４→Ｑ８→Ｑ７→Ｑ６→Ｑ５→Ｑ４のループＬＰ０を流れる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−８７２５７号公報（段落［００３５］〜［００４５］、図２，図７〜図１０等）
【非特許文献１】石田  尚ほか４名，「５レベル順変換・逆変換装置の直流電圧可変形ＰＷＭ制御法」，平成１４年電気学会産業応用部門大会論文集２１２，ｐ．９２３〜ｐ．９２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に記載された４レベルコンバータでは、図１２に示すように転流回路がループＬＰ１〜ＬＰ３に限定される特徴がある。一般に、半導体スイッチがターンオフするときには、ターンオフする半導体スイッチには定常的な印加電圧に、転流ループのインダクタンスと転流電流の変化率との積で決まる跳ね上がり電圧が加算されて、大きな過渡電圧が印加される。この過渡電圧が所定値を超えると半導体スイッチが破壊される場合がある。
【００１４】
図１２において、ループＬＰ１，ＬＰ３に存在する逆導通スイッチは何れも２個であり、これらのループのインダクタンスは小さい。従って、ループＬＰ１またはＬＰ２で転流する場合の過渡電圧は小さく、容易に安全な転流を行うことができる。
一方、ループＬＰ２には半導体スイッチが６個存在して配線長が長くなるため、このループのインダクタンスは大きくなり、過渡電圧が大きくなる。しかるに、このループで転流するのはＱ２またはＱ３がターンオフする場合であるが、Ｑ２，Ｑ３は２直列された逆導通スイッチによって構成されている。このため過大な過渡電圧が生じても、その電圧が２直列された逆導通スイッチに印加されることになり、個々の逆導通スイッチに印加される過渡電圧はほぼ半減されるという特徴がある。
【００１５】
これに対し、非特許文献１に記載された５レベルインバータでは、過渡電圧が大きくなる欠点がある。前述したように、図１３のＱ４がターンオフする時の転流ループはＬＰ０であり、このループＬＰ０に存在する半導体スイッチは、Ｑ４（１直列）、Ｄ３（３直列）、Ｑ５〜Ｑ８（計４直列）の合計８個である。このため、転流回路のインダクタンスが大きくなって、ターンオフするＱ４に過大な過渡電圧が印加され、過電圧によりＱ４が破壊される危険性が高くなる。
Ｑ４を２直列構成にすればこの問題は回避できるが、この場合の２直列構成と特許文献１の２直列構成とでは基本的に大きな違いがある。以下にその理由を説明する。
【００１６】
図１２において、コンデンサＣ１〜Ｃ３の電圧はそれぞれＶｃであるとする。Ｑ３，Ｑ４がオンしている場合、Ｑ１，Ｑ２の直列回路にはＣ１〜Ｃ３の直列回路の電圧、すなわち３Ｖｃが印加される。Ｑ１には定常的にＣ１の電圧、すなわちＶｃが印加される。従って、Ｑ２には２Ｖｃの電圧が印加されるため、Ｑ２（及びＱ３）は２直列構成となる。
一般に、Ｖ＋＋とＡＣ間、及びＡＣとＶ−−間に接続される逆導通スイッチの数は直流電圧の分割数、すなわちコンデンサの数に一致し、特許文献１はこの原則に従っている。一方、非特許文献１では直列接続されるコンデンサが４個であり、図１３ではＶ＋＋とＡＣ間には逆導通スイッチＱ１〜Ｑ４が４直列に接続され、ＡＣとＶ−−の間にも逆導通スイッチＱ５〜Ｑ８が４直列に接続され、前述した原則に従っている。ところが、非特許文献１において、過渡電圧を低減するためにだけ逆導通スイッチを２直列構成にすると、前記原則から外れて半導体スイッチ数が増え、装置を大形・高コスト化する要因となる。
【００１７】
マルチレベルコンバータでは、大容量化と共に交流入出力端子ＡＣの高調波を低減できる特長があり、電圧のレベル数を大きくするほど大容量のコンバータを構成でき、かつ高調波の低減効果を高めることができる。
しかるに、特許文献１では、電圧レベル数が偶数であることが条件となっており、電圧レベル数が奇数の場合の回路構成やその制御方法は開示されていない。このため、例えば４レベルコンバータでは装置容量が少し不足する場合や、所望する高調波の低減効果が少し不足する場合には６レベルコンバータとする必要があり、必要以上に装置が大形化する問題がある。
【００１８】
従って、特許文献１のごとく転流時における過渡電圧の低減を図りながら、直流側に奇数レベルを持つマルチレベルコンバータ及びその制御方法の実現が要請されている。
そこで、本発明の解決課題は、転流時の過渡電圧が小さい特許文献１の効果を有すると共に、奇数レベルを実現可能なマルチレベルコンバータ及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した５レベルコンバータは、交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第５の５レベルの直流電位に分割された５レベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と第５の直流電位との間に第１〜第６の逆導通スイッチが順次直列に接続され、第３の逆導通スイッチと第４の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とすると共に、
第１の逆導通スイッチと第２の逆導通スイッチとの接続点と第２の直流電位との間に第７の逆導通スイッチが接続され、第２の逆導通スイッチと第３の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第８の逆導通スイッチが接続され、第４の逆導通スイッチと第５の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第９の逆導通スイッチが接続され、第５の逆導通スイッチと第６の逆導通スイッチとの接続点と第４の直流電位との間に第１０の逆導通スイッチが接続されるものである。
【００２０】
請求項２に記載した５レベルコンバータは、交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第５の５レベルの直流電位に分割された５レベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と第５の直流電位との間に第１〜第６の逆導通スイッチが順次直列に接続され、第３の逆導通スイッチと第４の逆導通スイッチの接続点を交流入出力端子とすると共に、
第１の逆導通スイッチと第２の逆導通スイッチとの接続点と第２の直流電位との間に第７の逆導通スイッチが接続され、第２の逆導通スイッチと第３の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第１のダイオードが接続され、第４の逆導通スイッチと第５の逆導通スイッチとの接続点と第３の直流電位との間に第２のダイオードが接続され、第５の逆導通スイッチと第６の逆導通スイッチとの接続点と第４の直流電位との間に第１０の逆導通スイッチが接続されるものである。
【００２１】
請求項３に記載したマルチレベルコンバータは、交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第２Ｍ−１（Ｍは４以上の整数）の直流電位に分割されたマルチレベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と交流入出力端子との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第１組のスイッチ群が接続され、前記交流入出力端子と第２Ｍ−１の直流電位との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第２組のスイッチ群が接続され、第１組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第２〜第Ｍの直流電位との間に、第３組のスイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチがそれぞれ接続され、第２組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第Ｍ〜第２Ｍ−２の直流電位との間に、第４組のスイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチがそれぞれ接続されるものである。
【００２２】
請求項４に記載したマルチレベルコンバータは、交流電力と直流電力との相互間で電力変換を行うコンバータであって、直流側が電位の高い順に第１〜第２Ｍ−１（Ｍは４以上の整数）の直流電位に分割されたマルチレベルコンバータにおいて、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、第１の直流電位と交流入出力端子との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第１組のスイッチ群が接続され、前記交流入出力端子と第２Ｍ−１の直流電位との間に、複数の逆導通スイッチを直列に接続してなる第２組のスイッチ群が接続され、第１組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第２〜第Ｍの直流電位との間に、第３組のスイッチ群を構成する複数の半導体スイッチがそれぞれ接続され、第２組のスイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と、第Ｍ〜第２Ｍ−２の直流電位との間に、第４組のスイッチ群を構成する複数の半導体スイッチがそれぞれ接続され、第３組及び第４組のスイッチ群を構成する半導体スイッチのうち、第Ｍの直流電位に接続される半導体スイッチをダイオードとし、その他の半導体スイッチを逆導通スイッチとしたものである。
【００２３】
請求項５に記載したコンバータの制御方法は、請求項１に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第１〜第３の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第９，第１０の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第１の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第７の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第２の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第８の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第３の逆導通スイッチがオン状態の時に第４の逆導通スイッチにオン信号を与えてから所定の遅延時間後に第３の逆導通スイッチにオフ信号を与える第３の制御と、
第９の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第５の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
第１０の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第６の逆導通スイッチにオン信号を与える第５の制御と、
のうち、何れかの制御を行うものである。
【００２４】
請求項６に記載したコンバータの制御方法は、請求項１に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、第４〜第６の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第７，第８の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第６の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第１０の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第５の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第９の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第４の逆導通スイッチがオン状態の時に第３の逆導通スイッチにオン信号を与えてから所定の遅延時間後に第４の逆導通スイッチにオフ信号を与える第３の制御と、
第８の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第２の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
第７の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第１の逆導通スイッチにオン信号を与える第５の制御と、
のうち、何れかの制御を行うものである。
【００２５】
請求項７に記載したコンバータの制御方法は、請求項２に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第１〜第３の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第８の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第１の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第７の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第２の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第４の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第３の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第５の逆導通スイッチにオン信号を与える第３の制御と、
第８の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第６の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
のうち、何れかの制御を行うものである。
【００２６】
請求項８に記載したコンバータの制御方法は、請求項２に記載した５レベルコンバータを制御する制御方法において、
第４〜第６の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時は第７の逆導通スイッチにもオン信号が与えられており、
第６の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第８の逆導通スイッチにオン信号を与える第１の制御と、
第５の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第３の逆導通スイッチにオン信号を与える第２の制御と、
第４の逆導通スイッチがオン状態の時に当該逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第２の逆導通スイッチにオン信号を与える第３の制御と、
第７の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定の遅延時間後に第１の逆導通スイッチにオン信号を与える第４の制御と、
のうち、何れかの制御を行うものである。
【００２７】
請求項９に記載したコンバータの制御方法は、請求項３に記載したマルチレベルコンバータを制御する制御方法において、
第１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第１組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのカソードに接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第１の制御と、
第２Ｍ−１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのアノードに接続された第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第２の制御と、
前記交流入出力端子に接続された第１組または第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、第Ｍの直流電位に接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチ及び第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチの両方にオン信号が与えられている第３の制御と、
のうち、何れかの制御を行うものである。
【００２８】
請求項１０に記載したコンバータの制御方法は、請求項４に記載したマルチレベルコンバータを制御する制御方法において、
第１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第１組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのカソードに接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第１の制御と、
第２Ｍ−１の直流電位に接続される逆導通スイッチを除いた第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチを構成するダイオードのアノードに接続された第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチにオン信号が与えられている第２の制御と、
前記交流入出力端子に接続された第１組または第２組のスイッチ群内の逆導通スイッチをオフする時には、第Ｍ−１の直流電位に接続された第３組のスイッチ群内の逆導通スイッチと第Ｍ＋１の直流電位に接続された第４組のスイッチ群内の逆導通スイッチとの両方にオン信号が与えられている第３の制御と、
のうち、何れかの制御を行うものである。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に係る５レベルコンバータに対して請求項５または６に係る制御方法を適用し、あるいは、請求項２に係る５レベルコンバータに対して請求項７または８に係る制御方法を適用することにより、転流ループに存在する半導体スイッチの数を減少させて転流ループのインダクタンスを小さくし、または転流ループ内に定常電圧となるコンデンサが含まれないようにして、過渡電圧を小さくすることができる。
【００３０】
請求項３に係るマルチレベルコンバータに請求項９に係る制御方法を適用し、または、請求項４に係るマルチレベルコンバータに請求項１０に係る制御方法を適用することにより、５レベルを超える奇数の電圧レベルをもつマルチレベルコンバータに対して５レベルコンバータと同様に過渡電圧を減少させることが可能である。
【００３１】
総じて本発明によれば、半導体スイッチを過渡電圧によって破壊する危険性を低減し、安定した転流が可能な奇数レベルのマルチレベルコンバータを提供することができる。また、装置損失の増加を防ぎ、装置大型化の原因となる過電圧抑制用のスナバ回路を不要にして装置全体の高効率化、小型化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に係る発明の実施形態であり、マルチレベルコンバータ（５レベルコンバータ）の第１実施形態を示している。図１において、一点鎖線で囲んだブロック１１，１２，１３はそれぞれコンバータの１相分を示しており、何れも同一の回路で構成されている。また、各相のブロックの動作は基本的に同じであるため、以下では１相分のブロック１１の構成及び制御について説明する。
【００３３】
図１において、直流電位Ｖ＋＋とＶ−−との間にコンデンサＣ１〜Ｃ４が直列に接続され、それぞれのコンデンサ電圧は略等しいとする。これにより、直流回路は電位の高い方から順に、Ｖ＋＋、Ｖ＋、Ｖ０、Ｖ−、Ｖ−−の５レベルの電位をもつ。Ｖ＋＋とＶ−−との間には逆導通スイッチＱ１〜Ｑ６が直列に接続されており、Ｑ３とＱ４の接続点を交流入出力端子ＡＣとする。また、Ｑ１，Ｑ２の接続点とＶ＋との間に逆導通スイッチＱ７が接続され、Ｑ２，Ｑ３の接続点とＶ０との間に逆導通スイッチＱ８が接続され、Ｑ４，Ｑ５の接続点とＶ０との間に逆導通スイッチＱ９が接続され、Ｑ５，Ｑ６の接続点とＶ−との間に逆導通スイッチＱ１０が接続されている。
なお、Ｑ３，Ｑ４，Ｑ８，Ｑ９に印加される定常的な電圧は、他の逆導通スイッチに印加される電圧の２倍であるため、それぞれ２直列された逆導通スイッチＱ３ａ，Ｑ３ｂ、Ｑ４ａ，Ｑ４ｂ、Ｑ８ａ，Ｑ８ｂ、Ｑ９ａ，Ｑ９ｂにより構成されている。
【００３４】
図２は、図１のブロック１１の回路図であり、本実施形態の転流動作を説明するための図である。また、図３，図４はそれぞれ請求項５，請求項６に対応する制御方法の第１実施形態、第２実施形態を示し、信号Ｇ１〜Ｇ１０がそれぞれＱ１〜Ｑ１０のオン・オフ信号であり、Ｇ１〜Ｇ１０がハイレベルの時にＱ１〜Ｑ１０がオン、Ｇ１〜Ｇ１０がローレベルの時にＱ１〜Ｑ１０がオフする。
【００３５】
次に、図２〜図４を用いて制御方法の第１実施形態、第２実施形態を説明する。
図３は制御方法の第１実施形態であり、交流入出力端子ＡＣの電位をＶ＋＋からＶ−−に変化させるときのＱ１〜Ｑ１０のオン・オフ信号の関係を示している。
Ｑ１〜Ｑ３がオンすると、交流入出力端子ＡＣの電位はＶ＋＋となる。このとき、Ｑ９，Ｑ１０を予めオンしておく（モード１）。そして、Ｑ１をオフして所定の遅延時間Ｔｄ後にＱ７をオンする（モード２）。転流直前にＶ＋＋→Ｑ１→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路で電流が流れているとすると、Ｑ１をオフすることによりＶ＋→Ｑ７（ダイオード）→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路で電流が流れるため、ＡＣの電位はＶ＋となる。このときの転流電流は、Ｑ１→Ｃ１→Ｑ７→Ｑ１のループ（図２のループＬＰ１）を流れる。
【００３６】
次に、Ｑ２をオフして遅延時間後にＱ８をオンする（モード３）。すると、Ｖ０→Ｑ８（ダイオード）→Ｑ３→ＡＣの経路で電流が流れて、ＡＣの電位はＶ０となる。このときの転流電流は、Ｑ２→Ｑ７→Ｃ２→Ｑ８→Ｑ２のループ（図２のループＬＰ２）を流れる。
次いで、Ｑ４をオンして遅延時間Ｔｄ後にＱ３をオフする（モード４）。すると、Ｖ０→Ｑ９→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れるが、ＡＣの電位はＶ０のままであり、転流前後でＡＣの電位は変わらない。このときの転流電流は、Ｑ３→Ｑ８→Ｑ９→Ｑ４→Ｑ３のループ（図２のループＬＰ３）を流れる。
【００３７】
次に、Ｑ９をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ５をオンする（モード５）。すると、Ｖ−→Ｑ１０→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−となる。この時の転流電流は、Ｑ９→Ｃ３→Ｑ１０→Ｑ５→Ｑ９のループ（図２のループＬＰ４）を流れる。
次いで、Ｑ１０をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ６をオンする（モード６）。すると、Ｖ−−→Ｑ６（ダイオード）→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−−となる。このときの転流電流は、Ｑ１０→Ｃ４→Ｑ６→Ｑ１０のループ（図２のループＬＰ５）を流れる。
【００３８】
図４は制御方法の第２実施形態であり、交流入出力端子ＡＣの電位をＶ−−からＶ＋＋に変化させるときのＱ１〜Ｑ１０のオン・オフ信号の関係を示している。
Ｑ４〜Ｑ６がオンすると、交流入出力端子ＡＣの電位はＶ−−となる。このときＱ７，Ｑ８を予めオンしておく（モード６）。なお、このモードは図３のモード６と同一である。
Ｑ６をオフして所定の遅延時間Ｔｄ後にＱ１０をオンする（モード７）。転流直前にＶ−−→Ｑ６（ダイオード）→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路で電流が流れているとすると、Ｑ１０をオンすることにより、Ｖ−→Ｑ１０→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−となる。このときの転流電流は、Ｑ６→Ｃ４→Ｑ１０→Ｑ６のループ（図２のループＬＰ５）を流れる。
【００３９】
次に、Ｑ５をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ９をオンする（モード８）。すると、Ｖ０→Ｑ９→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路で電流が流れて、ＡＣの電位はＶ０となる。このときの転流電流は、Ｑ５→Ｑ１０→Ｃ３→Ｑ９→Ｑ５のループ（図２のループＬＰ４）を流れる。
次に、Ｑ３をオンして遅延時間Ｔｄ後にＱ４をオフする（モード９）。すると、Ｖ０→Ｑ８（ダイオード）→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れるが、ＡＣの電位はＶ０のままであり、転流前後でＡＣの電位は変わらない。このときの転流電流は、Ｑ４→Ｑ９→Ｑ８→Ｑ３→Ｑ４のループ（図２のループＬＰ３）を流れる。
次いで、Ｑ８をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ２をオンする（モード１０）。すると、Ｖ＋→Ｑ７（ダイオード）→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋となる。このときの転流電流は、Ｑ８→Ｃ２→Ｑ７→Ｑ２→Ｑ８のループ（図２のループＬＰ２）を流れる。
【００４０】
次に、Ｑ７をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ１をオンする（モード１）。すると、Ｖ＋＋→Ｑ１→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋＋となる。このときの転流電流は、Ｑ７→Ｃ１→Ｑ１→Ｑ７のループ（図２のループＬＰ１）を流れる。なお、このときのモードは図３のモード１と同一である。
【００４１】
上記のように、図１の５レベルコンバータを対象として図３または図４に示した制御を行うことにより、転流ループは図２に示したループＬＰ１〜ＬＰ５に限定される。ここで、ループＬＰ１，ＬＰ５に存在する半導体スイッチの数は２個であるため、転流ループのインダクタンスを小さく設計でき、過渡電圧を減少させることができる。
また、ループＬＰ２，ＬＰ４に存在する半導体スイッチの数は４個であるが、図１３に示した従来の５レベルコンバータにおける８個に対して半減するので、この従来技術よりも過渡電圧を減少させることができる。更に、ループＬＰ３に存在する半導体スイッチの数は８個であるが、この回路には定常電圧となるコンデンサが含まれないので、過渡電圧を微小にすることができる。
【００４２】
また、図１３の５レベルコンバータでは、コンバータから交流回路に電流が流出する場合に、ＡＣの電位がＶ＋＋、Ｖ＋、Ｖ０、Ｖ−の時に電流がＱ４を通過する。このため、コンバータをインバータとして動作させ、かつ出力周波数が低周波である場合には、Ｑ４（またはＱ５）に電流が集中し、出力可能な最大容量が低下する。これに対し、図１に示した５レベルコンバータではこのような問題を生じることがない。
【００４３】
次に、図５は請求項２に係る発明の実施形態であり、マルチレベルコンバータ（５レベルコンバータ）の第２実施形態を示している。本実施形態では電位Ｖ０に接続される半導体スイッチがダイオードである点に特徴がある。すなわち、図１における半導体スイッチＱ８，Ｑ９に代えて２個のダイオードを直列接続してなるダイオードＤ１，Ｄ２が設けられている。なお、その他の構成は図１と同一であるため、詳述を省略する。
図５において、２１，２２，２３はそれぞれ１相分のブロックであり、図６ではブロック２１のみを示してある。
【００４４】
図６は、本実施形態の転流動作を説明するための図である。図７，図８はそれぞれ請求項７，請求項８に対応する制御方法の第３実施形態、第４実施形態を示し、信号Ｇ１〜Ｇ８がそれぞれＱ１〜Ｑ８のオン・オフ信号であり、Ｇ１〜Ｇ８がハイレベルの時にＱ１〜Ｑ８がオン、Ｇ１〜Ｇ８がローレベルの時にＱ１〜Ｑ８がオフする。
【００４５】
次に、図６〜図８を用いて制御方法の第３実施形態、第４実施形態を説明する。
図７は制御方法の第３実施形態であり、交流入出力端子ＡＣの電位をＶ＋＋からＶ−−に変化させるときのＱ１〜Ｑ８のオン・オフ信号の関係を示している。
Ｑ１〜Ｑ３がオンすると、交流入出力端子ＡＣの電位はＶ＋＋となる。このとき、Ｑ８を予めオンしておく（モード１）。Ｑ１をオフして所定の遅延時間Ｔｄ後にＱ７をオンする（モード２）。転流直前にＶ＋＋→Ｑ１→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路で電流が流れているとすると、Ｑ１をオフすることにより、Ｖ＋→Ｑ７（ダイオード）→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋となる。このときの転流電流は、Ｑ１→Ｃ１→Ｑ７→Ｑ１のループ（図６のループＬＰ１）を流れる。
【００４６】
次に、Ｑ２をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ４をオンする（モード３）。すると、Ｖ０→Ｄ１→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ０となる。このときの転流電流は、Ｑ２→Ｑ７→Ｃ２→Ｄ１→Ｑ２のループ（図６のループＬＰ２）を流れる。
次いで、Ｑ３をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ５をオンする（モード４）。すると、Ｖ−−→Ｑ８→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−となる。このときの転流電流は、Ｑ３→Ｄ１→Ｃ３→Ｑ８→Ｑ５→Ｑ４→Ｑ３のループ（図６のループＬＰ３）を流れる。
次に、Ｑ８をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ６をオンする（モード５）。すると、Ｖ−−→Ｑ６（ダイオード）→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−−となる。このときの転流電流は、Ｑ８→Ｃ４→Ｑ６→Ｑ８のループ（図６のループＬＰ６）を流れる。
【００４７】
図８は制御方法の第４実施形態であり、交流入出力端子ＡＣをＶ−−からＶ＋＋に変化させるときのＱ１〜Ｑ８のオン・オフ信号の関係を示している。
Ｑ４〜Ｑ６がオンすると、交流入出力端子ＡＣの電位はＶ−−となる。このとき、Ｑ７を予めオンしておく（モード５）。なお、このモードは図７のモード５と同一である。Ｑ６をオフして所定の遅延時間Ｔｄ後にＱ８をオンする（モード６）。転流直前にＶ−−→Ｑ６（ダイオード）→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路の順に電流が流れているとすると、Ｑ８をオンすることによりＶ−→Ｑ８→Ｑ５（ダイオード）→Ｑ４（ダイオード）→ＡＣの経路で電流が流れて、ＡＣの電位はＶ−となる。このときの転流電流は、Ｑ６→Ｃ４→Ｑ８→Ｃ４→Ｑ６のループ（図６のループＬＰ６）を流れる。
【００４８】
次に、Ｑ５をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ３をオンする（モード７）。すると、Ｖ０→Ｄ１→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ０となる。このときの転流電流は、Ｑ５→Ｑ８→Ｃ３→Ｄ１→Ｑ３→Ｑ４→Ｑ５のループ（図６のループＬＰ３）を流れる。
次に、Ｑ４をオフして所定の遅延時間Ｔｄ後にＱ２をオンする（モード８）。すると、Ｖ＋→Ｑ７（ダイオード）→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋となる。このときの転流電流は、Ｄ１→Ｃ２→Ｑ７→Ｑ２→Ｄ１のループ（図６のループＬＰ２）を流れる。
次いで、Ｑ７をオフして遅延時間Ｔｄ後にＱ１をオフする（モード１）。すると、Ｖ＋＋→Ｑ１→Ｑ２→Ｑ３→ＡＣの経路に電流が流れて、ＡＣの電位はＶ＋＋となる。このときの転流電流は、Ｑ７→Ｃ１→Ｑ１→Ｑ７のループ（図６のループＬＰ１）を流れる。なお、このときのモードは図７のモード１と同一である。
【００４９】
次に、モード５からモード６に至る転流直前において、ＡＣ→Ｑ４→Ｑ５→Ｑ６→Ｖ−−の経路で電流が流れているとした時の転流動作について説明する。この場合には、Ｑ６をオフすることによりＡＣ→Ｑ４→Ｑ５→Ｑ８（ダイオード）→Ｖ−の経路に電流が流れる。次にモード６からモード７に至る転流では、Ｑ５をオフにすることによりＡＣ→Ｑ４→Ｄ２→Ｖ０の経路に電流が流れる。このときの転流電流は、Ｑ５→Ｄ２→Ｃ３→Ｑ８→Ｑ５のループ（図６のループＬＰ５）を流れる。次にモード７からモード８に至る転流では、Ｑ４をオフすることによりＡＣ→Ｑ３（ダイオード）→Ｑ２（ダイオード）→Ｑ７→Ｖ＋の経路に電流が流れる。このときの転流電流は、Ｑ４→Ｑ３→Ｑ２→Ｑ７→Ｃ２→Ｄ２→Ｑ４のループ（図６のループＬＰ４）を流れる。
【００５０】
以上のように、図５の５レベルコンバータを対象として図７または図８に示した制御を行うことにより、転流ループは図６に示したループＬ１〜Ｌ６に限定される。このうち、ループＬＰ１，ＬＰ６に存在する半導体スイッチの数は２個であるため転流ループのインダクタンスを小さく設計でき、過渡電圧を減少させることができる。また、ループＬＰ２，ＬＰ５のループに存在する半導体スイッチの数は４個であるが、図１３に示した従来の５レベルコンバータの８個に対して半減するので、この従来技術よりも過渡電圧を減少させることが可能である。更に、ループＬＰ３，ＬＰ４に存在する半導体スイッチの数は６個であるため過渡電圧はやや大きいが、このループで転流を行うのは２直列接続されたＱ３またはＱ４がオフする時であるため、個々の逆導通スイッチに印加される過渡電圧は小さくなる。
【００５１】
また、図１３の従来技術では１相当たりの逆導通スイッチ数は８個、ダイオード数は１２個であるのに対し、図５の５レベルコンバータでは逆導通スイッチ数が１０個となり、図１３よりも２個増加するが、ダイオード数が４個となって８個減少するので、全体としては半導体スイッチ数を減少させることができ、小形・安価な５レベルコンバータを構成することが可能である。
【００５２】
次に、図９は請求項３に係る発明の実施形態であり、マルチレベルコンバータの第３実施形態を示している。
図９では図面が複雑化するのを避けるため、逆導通スイッチＱ１１〜Ｑ１Ｍ−１，Ｑ２１〜Ｑ２Ｍ−１，Ｑ３１〜Ｑ３Ｍ−１，Ｑ４１〜Ｑ４Ｍ−１を機械的なスイッチのシンボルで書き表し、かつ１相分の回路のみを示している。直流回路は第１〜第２Ｍ−１（Ｍは４以上の整数）に分割されており、それぞれの電位を、電位の高い方から順にＶ１，Ｖ２，……，Ｖ２Ｍ−１とする。ＶＭの電位はＶ１とＶ２Ｍ−１との中間電位である。
【００５３】
Ｖ１と交流入出力端子ＡＣとの間に複数の逆導通スイッチＱ１１，Ｑ１２，……，Ｑ１Ｍ−１が順次直列に接続され、その組を第１組のスイッチ群３１とする。ＡＣとＶ２Ｍ−１との間に複数の逆導通スイッチＱ２１，Ｑ２２，……，Ｑ２Ｍ−１が順次直列に接続され、その組を第２組のスイッチ群３２とする。第１組のスイッチ群３１の逆導通スイッチ同士の接続点とＶ２〜ＶＭとの間に複数の逆導通スイッチＱ３１，Ｑ３２，……，Ｑ３Ｍ−１が接続されて第３組のスイッチ群３３が構成され、かつ、第２組のスイッチ群３２の逆導通スイッチ同士の接続点とＶＭ〜Ｖ２Ｍ−２との間に複数の逆導通スイッチＱ４１，Ｑ４２，……，Ｑ４Ｍ−１が接続されて第４組のスイッチ群３４が構成されている。なお、Ｃ１，Ｃ２，……，Ｃ２Ｍ−２はコンデンサである。
上記の回路構成により、奇数レベルをもつマルチレベルコンバータを構成することができる。
【００５４】
図１０は請求項４に係る発明の実施形態であり、マルチレベルコンバータの第４実施形態を示している。
図１０でも図面が複雑化するのを避けるため、逆導通スイッチＱ１１〜Ｑ１Ｍ−１，Ｑ２１〜Ｑ２Ｍ−１，Ｑ３１〜Ｑ３Ｍ−２，Ｑ４２〜Ｑ４Ｍ−１を機械的なスイッチのシンボルにより書き表し、かつ１相分の回路のみを示している。図９と同様に直流回路は第１〜２Ｍ−１（Ｍは４以上の整数）に分割され、それぞれの電位をＶ１，Ｖ２，……，Ｖ２Ｍ−１とする。ＶＭはＶ１とＶ２Ｍ−１との中間電位である。
【００５５】
この第４実施形態が図９の第３実施形態と異なる部分は、第３組，第４組のスイッチ群４３，４４において、中間電位Ｍに接続される半導体スイッチがダイオードＤ３Ｍ−２，Ｄ４１となっている点であり、その他の構成は図９の第３実施形態と同様である。
上記の回路構成により、奇数レベルをもつマルチレベルコンバータを構成することができる。
【００５６】
次いで、図９に示したマルチレベルコンバータの制御方法として、請求項９に対応する制御方法の第５実施形態を説明する。
図９において、５レベルコンバータと同様な転流ループを作るため、Ｑ１２をオフする時には少なくともＱ３１がオンしており、Ｑ２Ｍ−２をオフする時には少なくともＱ４Ｍ−１がオンしているように制御する。また、交流入出力端子ＡＣに接続されたＱ１Ｍ−１及びＱ２１をオフする時には、少なくともＶＭに接続されたＱ３Ｍ−１及びＱ４１がオンしているように制御する。
上記の制御方法により、５レベルコンバータと同様な効果をもち、かつ５レベルを超える奇数の電圧レベルをもつマルチレベルコンバータを構成することができる。
【００５７】
次に、図１０に示したマルチレベルコンバータの制御方法として、請求項１０に対応する制御方法の第６実施形態を説明する。
図１０において、５レベルコンバータと同様な転流ループを作るため、Ｑ１２をオフする時には少なくともＱ３１がオンしており、Ｑ２Ｍ−２をオフする時には少なくともＱ４Ｍ−１がオンしているように制御する。また、交流入出力端子ＡＣに接続されたＱ１Ｍ−１及びＱ２１をオフする時には、少なくともＶＭ−１に接続されたＱ３Ｍ−２及びＶＭ＋１に接続されたＱ４２がオンしているように制御する。
上記の制御方法により、５レベルコンバータと同様な効果をもち、かつ５レベルを超える奇数の電圧レベルをもつマルチレベルコンバータを構成することができる。
【００５８】
以上の説明では３相コンバータの構成例を示したが、単相コンバータや３相を超える多相コンバータにも本発明は適用可能である。また、複数の半導体スイッチを直列接続するのに代えて、高電圧な阻止能力をもつ半導体スイッチを入手可能であれば、当然、複数を直列接続することは不要になる。また、可制御デバイスとしてはＩＧＢＴを図示してあるが、他の可制御デバイスを用いても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係るマルチレベルコンバータの第１実施形態を示す回路図である。
【図２】図１における主要部の回路図である。
【図３】本発明に係るマルチレベルコンバータの制御方法の第１実施形態を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明に係るマルチレベルコンバータの制御方法の第２実施形態を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明に係るマルチレベルコンバータの第２実施形態を示す回路図である。
【図６】図５における主要部の回路図である。
【図７】本発明に係るマルチレベルコンバータの制御方法の第３実施形態を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明に係るマルチレベルコンバータの制御方法の第４実施形態を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明に係るマルチレベルコンバータの第３実施形態を示す回路図である。
【図１０】本発明に係るマルチレベルコンバータの第４実施形態を示す回路図である。
【図１１】従来技術を示す回路図である。
【図１２】図１１における主要部の回路図である。
【図１３】他の従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
【００６０】
１１，１２，１３，２１，２２，２３：ブロック
３１，３２，３３，３４，４３，４４：スイッチ群
Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ１〜ＣＭ−１，ＣＭ〜ＣＭ−２：コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ１０，Ｑ３ａ，Ｑ３ｂ、Ｑ４ａ，Ｑ４ｂ、Ｑ８ａ，Ｑ８ｂ、Ｑ９ａ，Ｑ９ｂ，Ｑ１１〜Ｑ１Ｍ−１，Ｑ２１〜Ｑ２Ｍ−１，Ｑ３１〜Ｑ３Ｍ−１，Ｑ４１〜Ｑ４Ｍ−１：逆導通スイッチ
Ｄ３Ｍ−２，Ｄ４１：ダイオード
ＡＣ：交流入出力端子
【図１】
0004759673.tif 000002
【図２】
0004759673.tif 000003
【図３】
0004759673.tif 000004
【図４】
0004759673.tif 000005
【図５】
0004759673.tif 000006
【図６】
0004759673.tif 000007
【図７】
0004759673.tif 000008
【図８】
0004759673.tif 000009
【図９】
0004759673.tif 000010
【図１０】
0004759673.tif 000011
【図１１】
0004759673.tif 000012
【図１２】
0004759673.tif 000013
【図１３】
0004759673.tif 000014