(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータに連結された直流電源にかかる電圧を検出する段階を備え、
前記インバータは、
前記直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、
前記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、
第１の３レベル導電パスおよび第１の５レベル導電パスを含む第１の変換ステージと、
第２の３レベル導電パスおよび第２の５レベル導電パスを含む第２の変換ステージと、
出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含み、
前記出力フィルタの出力における電圧の第１のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第１の端子における電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値より大きい場合、前記第１の３レベル導電パスを有効にする段階と、
前記第１のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第１の端子における前記電圧より大きい場合、前記第１の５レベル導電パスを有効にする段階と、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第２のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧より大きい場合、前記第２の３レベル導電パスを有効にする段階と、
前記第２のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、前記第２の５レベル導電パスを有効にする段階と、を備え、
前記第１の３レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と、前記直流電源の前記第１の端子との間に連結された第１のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第１の端子との間に連結された第２のスイッチおよび第３のスイッチと、によって形成され、
前記第１の５レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第１の端子との間に連結された前記第１のスイッチと、前記第１のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第４のスイッチと、直列に接続され、前記第１のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第２のスイッチおよび第５のスイッチと、によって形成され、
前記第２の３レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第２の端子との間に連結された第６のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第２の端子との間に連結された第７のスイッチおよび第８のスイッチと、によって形成され、
前記第２の５レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第２の端子との間に連結された前記第６のスイッチと、前記第２のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第９のスイッチと、直列に接続され、前記第２のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第７のスイッチおよび第１０のスイッチと、によって形成される、
前記インバータを制御するための方法。
【請求項２】
インバータに連結された直流電源にかかる電圧を検出する段階を備え、
前記インバータは、
前記直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、
前記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、
第１の３レベル導電パスおよび第１の５レベル導電パスを含む第１の変換ステージと、
第２の３レベル導電パスおよび第２の５レベル導電パスを含む第２の変換ステージと、
出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含み、
前記出力フィルタの出力における電圧の第１のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第１の端子における電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値より大きい場合、前記第１の３レベル導電パスを有効にする段階と、
前記第１のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第１の端子における前記電圧より大きい場合、前記第１の５レベル導電パスを有効にする段階と、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第２のハーフサイクルにおいて、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧より大きい場合、前記第２の３レベル導電パスを有効にする段階と、
前記第２のハーフサイクルにおいて、前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、前記第２の５レベル導電パスを有効にする段階と、を備え、
前記第１の３レベル導電パスは、前記直流電源の前記第１の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第１のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの第２のスイッチと、によって形成され、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチは並列に接続され、
前記第１の５レベル導電パスは、前記第１のスイッチと、前記第１のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第３のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの前記第２のスイッチと、によって形成され、
前記第２の３レベル導電パスは、前記直流電源の前記第２の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第４のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの第５のスイッチと、によって形成され、前記第５のスイッチおよび前記第４のスイッチは並列に接続され、
前記第２の５レベル導電パスは、前記第４のスイッチと、前記第２のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第６のスイッチと、前記フリーホイールネットワークの前記第５のスイッチと、によって形成される、
前記インバータを制御するための方法。
【請求項３】
前記第１のスイッチをオンにする前に、前記第３のスイッチをオンにする段階と、
前記第３のスイッチをオフにする前に、前記第１のスイッチをオフにする段階と、
前記第６のスイッチをオンにする前に、前記第８のスイッチをオンにする段階と、
前記第８のスイッチをオフにする前に、前記第６のスイッチをオフにする段階と、をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のスイッチをオンにする前に、前記第３のスイッチをオンにする段階と、
前記第１のスイッチがオンにされた後、前記第３のスイッチをオフにする段階と、
前記第１のスイッチをオフにする前に、前記第３のスイッチをオンにする段階と、
前記第３のスイッチがオンにされた後、前記第１のスイッチをオフにする段階と、
前記第３のスイッチをオフにする段階と、
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第６のスイッチをオンにする前に、前記第８のスイッチをオンにする段階と、
前記第６のスイッチがオンにされた後、前記第８のスイッチをオフにする段階と、
前記第６のスイッチをオフにする前に、前記第８のスイッチをオンにする段階と、
前記第８のスイッチがオンにされた後、前記第６のスイッチをオフにする段階と、
前記第８のスイッチをオフにする段階と、
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第４のスイッチをオンにする前に、前記第５のスイッチをオンにする段階と、
前記第５のスイッチをオフにする前に、前記第４のスイッチをオフにする段階と、
前記第９のスイッチをオンにする前に、前記第１０のスイッチをオンにする段階と、
前記第１０のスイッチをオフにする前に、前記第９のスイッチをオフにする段階と、をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧のピークツゥピーク値を検出する段階と、
前記ピークツゥピーク値を前記直流電源にわたる電圧と比較する段階と、
前記直流電源にかかる前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記ピークツゥピーク値より大きい場合、前記第１のブースト装置および前記第２のブースト装置をバイパスすべく、第１のリレー、第２のリレー、第３のリレー、および第４のリレーをオンにする段階と、をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、
前記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、
出力フィルタの入力と前記第１のブースト装置とに連結された第１の変換ステージと、
前記出力フィルタの前記入力に連結された第２の変換ステージと、
前記出力フィルタの前記入力と接地との間に連結されたフリーホイール装置と、を備え、
前記第１の変換ステージは、
前記直流電源の前記第１の端子における電圧が、前記出力フィルタの出力における電圧の瞬時値より大きい場合、第１の３レベル導電パスが、前記直流電源の前記第１の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第１の端子における前記電圧より大きい場合、第１の５レベル導電パスが、前記直流電源の前記第１の端子と前記第１のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
前記第２の変換ステージは、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第２の端子における電圧より大きい場合、第２の３レベル導電パスが、前記直流電源の前記第２の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、第２の５レベル導電パスが、前記直流電源の前記第２の端子と前記第２のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
前記第１の３レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と、前記直流電源の前記第１の端子との間に連結された第１のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第１の端子との間に連結された第２のスイッチおよび第３のスイッチと、によって形成され、
前記第１の５レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第１の端子との間に連結された前記第１のスイッチと、前記第１のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第４のスイッチと、直列に接続され、前記第１のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第２のスイッチおよび第５のスイッチと、によって形成され、
前記第２の３レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第２の端子との間に連結された第６のスイッチと、直列に接続され、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第２の端子との間に連結された第７のスイッチおよび第８のスイッチと、によって形成され、
前記第２の５レベル導電パスは、前記出力フィルタの前記入力と前記直流電源の前記第２の端子との間に連結された前記第６のスイッチと、前記第２のブースト装置の出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第９のスイッチと、直列に接続され、前記第２のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された前記第７のスイッチおよび第１０のスイッチと、によって形成される、
インバータデバイス。
【請求項９】
直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、
前記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、
出力フィルタの入力と前記第１のブースト装置とに連結された第１の変換ステージと、
前記出力フィルタの前記入力に連結された第２の変換ステージと、
前記出力フィルタの前記入力と接地との間に連結されたフリーホイール装置と、を備え、
前記第１の変換ステージは、
前記直流電源の前記第１の端子における電圧が、前記出力フィルタの出力における電圧の瞬時値より大きい場合、第１の３レベル導電パスが、前記直流電源の前記第１の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第１の端子における前記電圧より大きい場合、第１の５レベル導電パスが、前記直流電源の前記第１の端子と前記第１のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
前記第２の変換ステージは、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第２の端子における電圧より大きい場合、第２の３レベル導電パスが、前記直流電源の前記第２の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結され、
前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、第２の５レベル導電パスが、前記直流電源の前記第２の端子と前記第２のブースト装置の出力とに連結されるように構成され、
前記第１の３レベル導電パスは、前記直流電源の前記第１の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第１のスイッチと、前記フリーホイール装置の第２のスイッチと、によって形成され、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチは並列に接続され、
前記第１の５レベル導電パスは、前記第１のスイッチと、前記第１のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第３のスイッチと、前記フリーホイール装置の前記第２のスイッチと、によって形成され、
前記第２の３レベル導電パスは、前記直流電源の前記第２の端子と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第４のスイッチと、前記フリーホイール装置の第５のスイッチと、によって形成され、前記第５のスイッチおよび前記第４のスイッチは並列に接続され、
前記第２の５レベル導電パスは、前記第４のスイッチと、前記第２のブースト装置の前記出力と前記出力フィルタの前記入力との間に連結された第６のスイッチと、前記フリーホイール装置の前記第５のスイッチと、によって形成される、
インバータデバイス。
【請求項１０】
前記第１の３レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第２のスイッチと直列に接続された第７のスイッチをさらに含み、前記第７のスイッチは前記第１のスイッチのオンの前に、オンにされ、
前記第１の５レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第２のスイッチと直列に接続された第８のスイッチをさらに含み、前記第８のスイッチは、前記第３のスイッチのオンの前に、オンにされ、
前記第２の３レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第５のスイッチと直列に接続された第９のスイッチをさらに含み、前記第９のスイッチは、前記第４のスイッチのオンの前に、オンにされ、
前記第２の５レベル導電パスは、前記フリーホイール装置の前記第５のスイッチと直列に接続された第１０のスイッチをさらに含み、前記第１０のスイッチは、前記第６のスイッチのオンの前に、オンにされる、請求項９に記載のインバータデバイス。
【請求項１１】
前記直流電源にかかる電圧が前記出力フィルタの前記出力における前記電圧のピークツゥピーク値より大きい場合、前記第１のブースト装置および前記第２のブースト装置がバイパスされるように、前記第１の変換ステージおよび前記第２の変換ステージが構成される、請求項８から１０のいずれか一項に記載のインバータデバイス。
【請求項１２】
前記第１のブースト装置は、第１の入力インダクタと、第１のローサイドスイッチと、第１のブロッキングダイオードとを含み、
前記第２のブースト装置は、第２の入力インダクタと、第２のローサイドスイッチと、第２のブロッキングダイオードとを含む、請求項８から１１のいずれか一項に記載のインバータデバイス。
【請求項１３】
前記直流電源の前記第１の端子における電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値より大きい場合、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第１のハーフサイクルにおいて、前記第１の３レベル導電パスは有効にされ、
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の瞬時値が前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧より大きい場合、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の第２のハーフサイクルにおいて、前記第２の３レベル導電パスは有効にされる、請求項９に記載のインバータデバイス。
【請求項１４】
前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値が、前記直流電源の前記第１の端子における前記電圧より大きい場合、前記第１のハーフサイクルにおいて、前記第１の５レベル導電パスは有効にされ、
前記直流電源の前記第２の端子における前記電圧が、前記出力フィルタの前記出力における前記電圧の前記瞬時値より大きい場合、前記第２のハーフサイクルにおいて、前記第２の５レベル導電パスは有効にされる、請求項１３に記載のインバータデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
本願は、２０１４年３月１７日に、ディアンボ  フ氏により出願された、米国非仮特許出願第１４／２１７，０１３号（発明の名称「マルチレベルインバータデバイスおよび動作方法」）に基づく優先権を主張し、当該出願は参照により本明細書にその全体が再現されるかのように組み込まれる。本発明は、マルチレベルインバータデバイスおよび方法、特定の実施形態において、５レベルインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー源には、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギー等が含まれる。ソーラーパネル変換システムは、直列または並列に接続された複数のソーラーパネルを含み得る。当該複数のソーラーパネルの出力は、時刻、位置および太陽追跡能力といった様々な要因に応じ、変わりやすい直流電圧を生成し得る。ソーラーパネルの出力を調節すべく、ソーラーパネルの出力は、直流／直流コンバータの出力における調節された出力電圧を実現すべく、直流／直流コンバータに連結され得る。また、ソーラーパネルは、バッテリー充電制御装置を介してバックアップバッテリーシステムに接続されてよい。日中に、バックアップバッテリは、ソーラーパネルの出力を介して充電される。電力会社が機能しない、またはソーラーパネルがオフグリッド電力システムである場合、バックアップバッテリは、ソーラーパネルに連結された負荷に電気を提供する。
【０００３】
適用の大半が１２０ボルトの交流電力で稼働するよう設計され得るので、太陽光発電モジュールの可変直流出力を１２０ボルトの交流電源に変換するソーラーインバータが使用される。太陽エネルギーからユーティリティ電気への高効率変換に加え、高出力を実現すべく、複数のマルチレベルインバータトポロジが使用され得る。特に、階段電圧波形を合成することにより、複数の低電圧直流電源を高電力交流出力に変換する一連の電力半導体スイッチを使用することにより、高電力交流出力が実現され得る。
【０００４】
トポロジの差異に従って、マルチレベルインバータは３つのカテゴリ、すなわち、ダイオードクランプマルチレベルインバータ、フライングコンデンサマルチレベルインバータおよびカスケード式Ｈブリッジマルチレベルインバータに分けられ得る。さらに、マルチレベルインバータは、異なるパルス幅変調（ＰＷＭ）技術、例えば、正弦波ＰＷＭ（ＳＰＷＭ）、選択的高調波除去ＰＷＭ、空間ベクトル変調等を使用し得る。マルチレベルインバータは、再生可能電力源、柔軟な交流送電システム、中電圧モータドライブシステム等のためのユーティリティインタフェースといった、高電力および中電力の用途のための共通の電力トポロジである。
【０００５】
ダイオードクランプマルチレベルインバータは一般的に、３レベルニュートラルポイントクランプ（ＮＰＣ）インバータと称される。３レベルＮＰＣインバータは、複数の入力直流バスの間に連結された２つの直列接続されたコンデンサを必要とする。各コンデンサは、同電位に充電される。さらに、３レベルＮＰＣインバータは、４つのスイッチ素子および２つのクランプダイオードを含み得る。クランプダイオードは、スイッチ素子における電圧ストレスを１つのコンデンサ電圧レベルに低減するのに役立つ。
【０００６】
ＮＰＣインバータは、交流出力を生成するための階段波形を利用する。そのような階段波形は、所望の正弦波形に類似する。結果的に、ＮＰＣインバータの出力電圧は、低い全高調波歪（ＴＨＤ）のものであり得る。また、階段波形は、電圧ストレスを低減し得る。結果的に、ＮＰＣインバータの電磁両立性（ＥＭＣ）性能が改善され得る。また、同一のＴＨＤを実現すべく、ＮＰＣインバータは、より低い切り替え周波数で動作し得る。そのようなより低い切り替えは、切り替え周波数損失を低減し、その結果、効率的な電力変換システムを実現することに役立つ。
【発明の概要】
【０００７】
ソーラー用途における複数のマルチレベルインバータから成る装置を提供する本発明の複数の好ましい実施形態によって、これらの課題および他の課題は概して解決または回避され、技術的な利点が概して実現される。
【０００８】
一実施形態によると、方法は、インバータに連結された直流電源にかかる電圧を検出する段階を備え、上記インバータは、上記直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、上記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、第１の３レベル導電パスおよび第１の５レベル導電パスを含む第１の変換ステージと、第２の３レベル導電パスおよび第２の５レベル導電パスを含む第２の変換ステージと、出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含む。
【０００９】
上記方法はさらに、上記出力フィルタの出力における電圧の第１のハーフサイクルにおいて、上記直流電源の上記第１の端子における電圧が、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の瞬時値より大きい場合、上記第１の３レベル導電パスを有効にする段階と、上記第１のハーフサイクルにおいて、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値が、上記直流電源の上記第１の端子における上記電圧より大きい場合、上記第１の５レベル導電パスを有効にする段階と、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の第２のハーフサイクルにおいて、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値が、上記直流電源の上記第２の端子における上記電圧より大きい場合、上記第２の３レベル導電パスを有効にする段階と、上記第２のハーフサイクルにおいて、上記直流電源の上記第２の端子における上記電圧が、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値より大きい場合、上記第２の５レベル導電パスを有効にする段階と、を備える。
【００１０】
別の実施形態によると、方法は直流電源に連結されたインバータを提供する段階を備え、上記インバータは、上記直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、上記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、上記直流電源の上記第１の端子に連結された第１の３レベル導電パスおよび上記直流電源の上記第１の端子と上記第１のブースト装置の出力とに連結された第１の５レベル導電パスを含む第１の変換ステージと、上記直流電源の上記第２の端子に連結された第２の３レベル導電パスおよび上記直流電源の上記第２の端子と上記第２のブースト装置の出力とに連結された第２の５レベル導電パスを含む第２の変換ステージと、出力フィルタの入力と接地との間に連結されたフリーホイールネットワークと、を含み、上記直流電源にかかる電圧が上記出力フィルタの出力における電圧のピークツゥピーク値より大きい場合、上記第１のブースト装置および上記第２のブースト装置をバイパスすべく、複数のリレーをオンにする段階を備える。
【００１１】
さらなる別の実施形態によると、インバータデバイスは、直流電源の第１の端子に連結された入力を有する第１のブースト装置と、上記直流電源の第２の端子に連結された入力を有する第２のブースト装置と、出力フィルタの入力と上記第１のブースト装置とに連結された第１の変換ステージと、上記出力フィルタの上記入力に連結された第２の変換ステージと、上記出力フィルタの上記入力と接地との間に連結されたフリーホイール装置と、を備え、上記第１の変換ステージは、上記直流電源の上記第１の端子における電圧が、上記出力フィルタの出力における電圧の瞬時値より大きい場合、第１の３レベル導電パスが、上記直流電源の上記第１の端子と上記出力フィルタの上記入力との間に連結され、上記出力フィルタの上記出力における上記電圧の上記瞬時値が、上記直流電源の上記第１の端子における上記電圧より大きい場合、第１の５レベル導電パスが、上記直流電源の上記第１の端子と上記第１のブースト装置の出力とに連結されるように構成されている。
【００１２】
本発明の一実施形態の利点は、３レベルインバータ構造および５レベルインバータ構造を含むハイブリッドインバータを使用して、階段波形を生成することである。そのようなハイブリッドインバータは、マルチレベルインバータの効率性、信頼性およびコストの改善に役立つ。
【００１３】
上記内容により、以下に続く本発明に係る詳細な説明をより良く理解できるよう、本発明の特徴および技術的な利点をかなり広範に概説した。本発明の特許請求の範囲に係る主題を形成する本発明の追加の特徴および利点について以下記載する。当業者であれば、開示された概念および特定の実施形態は、本発明の同一の目的を遂行するための他の構造またはプロセスを変更または設計するための基礎として容易に活用できることを理解すべきである。また、当業者であれば、そのような均等な構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱しないことを認識すべきである。
【００１４】
本発明およびその利点のより完全な理解を期して、次の添付図面と共に、以下の詳細な説明への参照がなされる。
【００１５】
別途指定されない限り、異なる図面における対応する番号および記号は概して、対応する部分を示す。図面は様々な実施形態に係る関連の態様を明確に示すよう描かれており、必ずしも縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示の様々な実施形態による、マルチレベルインバータのブロック図を示す。
【００１７】
【図２】本開示の様々な実施形態による、図１に示されるマルチレベルインバータの概略図を示す。
【００１８】
【図３】本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。
【００１９】
【図４】本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータの３レベルインバータの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。
【００２０】
【図５】本開示の様々な実施形態による、図４に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。
【００２１】
【図６】本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータの５レベルの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。
【００２２】
【図７】本開示の様々な実施形態による、図６に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。
【００２３】
【図８】本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータの別のシステム構成の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
現在好ましい実施形態の作成および使用について、以下に詳細に記載されている。しかしながら、本発明は、広範な特定の文脈において具現化可能な多くの適用可能な発明の概念を提供することを理解すべきである。記載される特定の実施形態は、本発明を作成および使用するための特定の方法の例示にすぎず、本発明の範囲を限定しない。
【００２５】
本発明は、特定の文脈、すなわち５レベルインバータにおける好ましい実施形態に関し、記載される。しかしながら、また、本発明はマルチレベル整流器、マルチレベルインバータ、マルチレベル交流‐交流コンバータ等を含む、様々な電力コンバータに適用可能である。さらにまた、本発明は、様々な３フェーズマルチレベルインバータに適用可能である。
【００２６】
図１は、本開示の様々な実施形態による、マルチレベルインバータのブロック図を示す。マルチレベルインバータ１００は、直流電源ＰＶ１、直流電源ＰＶ１の第１の端子と接地との間に連結された第１のブースト装置１１２、直流電源ＰＶ１の第２の端子と接地との間に連結された第２のブースト装置１１４、フリーホイール装置１０６、第１の変換ステージ１０２および第２の変換ステージ１０４を含む。
【００２７】
図１に示される直流電源ＰＶ１は、ソーラーパネルとして実装されてよい。より具体的には、いくつかの実施形態において、図１は単一の直流電源ＰＶ１を示す一方で、直流電源ＰＶ１は、直列、並列、それらの任意の組み合わせ等で接続された複数のソーラーパネルを含んでよい。２つの入力コンデンサＣ１およびＣ２は直列に接続される。図１に示される通り、直列接続された入力コンデンサＣ１およびＣ２は、直流電源ＰＶ１の出力に連結される。いくつかの実施形態において、入力コンデンサＣ１およびＣ２の共通ノードは、図１に示される通り、接地に接続される。
【００２８】
マルチレベルインバータ１００は、５つの電圧レベル（例えば、Ｖ１、−Ｖ１、Ｖ２、−Ｖ２および接地）を含む。直流電源ＰＶ１の第１の端子は、出力電圧Ｖ１の端子である。直流電源ＰＶ１の第２の端子は、出力電圧−Ｖ１の端子である。第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４は、直流電源ＰＶ１の第１の端子および第２の端子にそれぞれ連結される。また、図１に示される通り、第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４は、直流電源ＰＶ１の第１の端子および第２の端子の出力電圧Ｖ１および−Ｖ１を、それぞれＶ２および−Ｖ２に変換する。
【００２９】
第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４は、ブースト直流／直流コンバータ等のステップアップ回路を使用して、実装されてよい。ブースト直流／直流コンバータは、入力インダクタ、ローサイドスイッチおよびブロッキングダイオードによって形成される。ブースト直流／直流コンバータの詳細な構成は、図２を参照して後述される。
【００３０】
図１は、２つのブースト装置（例えば、第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４）を持つマルチレベルインバータ１００を示す一方で、マルチレベルインバータ１００は、任意の数のブースト装置を収容可能であることに留意すべきである。本明細書に示されるブースト装置の数は、様々な実施形態の発明の態様を明確に示す目的のためにのみ限定される。本発明は、いかなる特定数のブースト装置にも限定されない。当業者は、多数の変形例、代替例、および変更例を認識するであろう。例えば、追加の電圧レベルを有する出力階段波形を実現すべく、追加のブースト装置が使用されてよい。
【００３１】
マルチレベルインバータ１００は、インダクタＬｏおよびコンデンサＣｏによって形成される出力フィルタおよび複数のスイッチＱ１およびＱ２をさらに含んでよい。図１に示される通り、出力フィルタの入力は、スイッチＱ１およびＱ２の共通ノードに連結される。図１は、スイッチＱ１およびＱ２はＶ２および−Ｖ２にそれぞれ連結され得ることを示す一方、スイッチＱ１およびＱ２は、第１の変換ステージ１０２および第２の変換ステージ１０４を介して、それぞれＶ１および−Ｖ１に連結されてよい。第１の変換ステージ１０２および第２の変換ステージ１０４の詳細な動作原理は、図３から図８を参照して詳細に後述される。
【００３２】
一実施形態によると、複数のスイッチ（例えば、スイッチＱ１およびＱ２）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）デバイスであってよい。代替的に、スイッチ素子は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）デバイス、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）デバイス、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）デバイス、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）デバイス、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）デバイス、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）デバイス等のような任意の制御可能なスイッチであり得る。
【００３３】
フリーホイール装置１０６は、出力フィルタの入力と接地との間に連結されてよい。いくつかの実施形態において、第１のフリーホイールルートは、複数のスイッチ（例えば、スイッチＱ１）がオフにされた後、複数のスイッチ内を流れる電流のための導電パスを提供してよい。フリーホイール装置１０６の詳細な構造は、図２を参照して後述される。
【００３４】
第１の変換ステージ１０２および第２の変換ステージ１０４は、複数のスイッチを備えてよい。複数のスイッチの異なる組み合わせを使用することによって、階段波形がフィルタの入力において生成されるよう、各スイッチは構成される。いくつかの実施形態において、変換ステージの一部が有効化されてよい。変換ステージは、３レベルインバータ構造として機能する。代替的な複数の実施形態においては、直流電源ＰＶ１の出力における電圧に応じ、変換ステージの別の部分がアクティブ化されてよい。変換ステージは、３レベルインバータ構造および５レベルインバータ構造の両方を備えてよい。第１の変換ステージ１０２および第２の変換ステージ１０４の詳細な動作が、図２から図８を参照して後述される。
【００３５】
図２は、本開示の様々な実施形態による、図１に示されるマルチレベルインバータの概略図を示す。マルチレベルインバータ１００は、直流電源ＰＶ１からの入力電圧Ｖ１より高い出力電圧Ｖ２を生成する第１のブースト装置１１２を備える。さらに、負電圧−Ｖ２を生成するために第２のブースト装置１１４が使用される。
【００３６】
第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４の両方は、ブースト直流／直流コンバータとして実装される。簡略化のため、第１のブースト装置１１２のみについて詳細に後述する。
【００３７】
図２に示される通り、第１のブースト装置１１２は、入力インダクタＬ１、ローサイドスイッチスイッチＱ１１、ブロッキングダイオードＤ１および出力コンデンサＣ３によって形成される。コントローラ（不図示）は、出力コンデンサＣ３にかかる出力電圧Ｖ２を調節すべく、ローサイドスイッチＱ１１のターンオンデューティサイクルを制御してよい。ブースト直流／直流コンバータの詳細な動作原理は本分野において周知であるので、不要な繰り返しを回避すべく、さらに詳細に記載はしない。
【００３８】
ブースト直流／直流コンバータは、第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４を実装する一例に過ぎないことに留意すべきである。複数の他のブーストトポロジも、本発明の目的とする範囲内である。ブースト直流／直流コンバータは、直流電源（例えば、Ｖ１）からより高い電圧を生成する単なる一態様であり、他の実施形態および代替的な実施形態のブーストトポロジが使用可能（スイッチコンデンサ電圧ダブラを使用する等）であり、他の回路（例えば、チャージポンプ電圧ダブラ等）をこの機能のために使用可能である。
【００３９】
第１の変換ステージ１０２は、スイッチＱ１５、Ｑ１７およびＱ１９、リレーＲＬ１およびＲＬ３、並びにダイオードＤ５を含む。第１の変換ステージ１０２は、出力交流波形Ｖｏの第１のハーフサイクル中にアクティブ化される。第２の変換ステージ１０４は、スイッチＱ１６、Ｑ１８およびＱ２０、リレーＲＬ２およびＲＬ４、並びにダイオードＤ６を含む。第２の変換ステージ１０４は、出力交流波形Ｖｏの第２のハーフサイクル中にアクティブ化される。
【００４０】
第１の変換ステージ１０２は、第１の変換ステージ１０２の複数のスイッチを構成することによって、３レベルインバータ構造または５レベルインバータ構造のいずれかとして機能してよい。特に、出力電圧Ｖｏのピーク電圧がＶ１より大きい場合、第１の変換ステージ１０２は、Ｖ１の電圧に応じ、３レベルインバータの動作モードまたは５レベルインバータの動作モードのいずれかに入ってよい。より具体的には、１つの全サイクルにおいて、Ｖ１がＶｏの瞬時値より大きい場合、第１の変換ステージ１０２は、３レベルインバータの動作モードに入ってよい。それ以外の場合、第１の変換ステージ１０２は、５レベルインバータの動作モードに入ってよい。
【００４１】
３レベルインバータの動作モードにおいて、Ｑ１およびＱ１９はオフにされる。Ｑ１３、Ｑ１７およびＱ１５はオンにされる。ＲＬ１およびＲＬ３はオフにされる。ダイオードＤ５は順方向バイアスされる。オンにされたＱ１３、Ｑ１７およびＱ１５は、第１のハーフサイクル中、３レベルインバータ構造を形成する。一方で、５レベルインバータの動作モードにおいて、Ｑ１７はオフにされる。Ｑ１、Ｑ１５、Ｑ１３およびＱ１９はオンにされる。ダイオードＤ５は順方向バイアスされる。ＲＬ１およびＲＬ３はオフにされる。第１のブースト装置１１２はアクティブ化される。オンにされたＱ１、Ｑ１３、Ｑ１５およびＱ１９は、第１のハーフサイクル中、５レベルインバータ構造を形成する。
【００４２】
同様に、第２の変換ステージ１０４は、第２の変換ステージ１０４の複数のスイッチを構成することによって、３レベルインバータ構造または５レベルインバータ構造のいずれかとして機能してよい。より具体的には、第２のハーフサイクルにおいて、Ｖｏの瞬時値が−Ｖ１より大きい場合、第２の変換ステージ１０４は、３レベルインバータの動作モードに入ってよい。それ以外の場合、第２の変換ステージ１０４は、５レベルインバータの動作モードに入ってよい。
【００４３】
３レベルインバータの動作モードにおいて、Ｑ２およびＱ２０はオフにされる。Ｑ１４、Ｑ１８およびＱ１６はオンにされる。ＲＬ２およびＲＬ４はオフにされる。ダイオードＤ６は順方向バイアスされる。オンにされたＱ１４、Ｑ１８およびＱ１６は、第２のハーフサイクル中、３レベルインバータ構造を形成する。一方で、５レベルインバータの動作モードにおいて、Ｑ１８はオフにされる。Ｑ２、Ｑ１６、Ｑ１４およびＱ２０はオンにされる。ダイオードＤ６は順方向バイアスされる。ＲＬ２およびＲＬ４はオフにされる。第２のブースト装置１１４はアクティブ化される。オンにされたＱ２、Ｑ１４、Ｑ１６およびＱ２０は、第２のハーフサイクル中、５レベルインバータ構造を形成する。
【００４４】
一実施形態によると、マルチレベルインバータ１００の切り替え損失を改善すべく、スイッチＱ１７、Ｑ１８、Ｑ１９およびＱ２０はＭＯＳＦＥＴとして実装されてよい。代替的に、スイッチＱ１７、Ｑ１８、Ｑ１９およびＱ２０は、ＩＧＢＴ等の他の好適なデバイスとして実装されてよい。
【００４５】
フリーホイール装置１０６は、スイッチＱ１３およびＱ１４、並びにダイオードＤ３およびＤ４を備えてよい。図２に示される通り、ダイオードＤ３およびスイッチＱ１３は、出力フィルタの入力と接地との間に接続された第１のフリーホイールルートを形成してよい。いくつかの実施形態において、第１のフリーホイールルートは、スイッチＱ１がオフにされた後、スイッチＱ１内を流れる電流のための導電パスを提供してよい。
【００４６】
同様に、ダイオードＤ４およびスイッチＱ１４は、出力フィルタの入力と接地との間に接続された第２のフリーホイールルートを形成してよい。いくつかの実施形態において、第２のフリーホイールルートは、スイッチＱ２がオフにされた後、スイッチＱ２内を流れる電流のための導電パスを提供してよい。
【００４７】
上記のフリーホイール装置１０６の概略図は、一例の構造にすぎず、現在の実施形態を限定する意図ではないことを留意すべきである。当業者は、多数の変形例、代替例、および変更例を認識するであろう。例えば、ダイオードＤ３およびＤ４は、２つのスイッチによってそれぞれ置換されてよい。また、図２はスイッチＱ１３およびＱ１４はＩＧＢＴトランジスタとして実装されてよいものとして示すものの、スイッチＱ１３およびＱ１４は、ＭＯＳＦＥＴデバイス、ＩＧＣＴデバイス、ＧＴＯデバイス、ＳＣＲデバイス、ＪＦＥＴデバイス、ＭＣＴデバイス、それらの任意の組み合わせ等のような任意の制御可能なスイッチであり得る。
【００４８】
１つの追加の動作モードを提供するためのリレーＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３およびＲＬ４が含まれる。特に、入力電圧（例えば、Ｖ１）がＶｏのピーク電圧より高い場合、第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４は、リレーＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３およびＲＬ４をオンにすることによって、バイパスされてよい。それゆえ、マルチレベルインバータ１００の合計の電力損失は低減されてよい。
【００４９】
図３は、本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。Ｖｏは図２に示される出力フィルタの出力における電圧波形である。図２に示される通り、出力フィルタは、出力インダクタＬｏおよび出力コンデンサＣｏによって形成される。出力フィルタは、図３に示されるような正弦波形を取得すべく、マルチレベルＰＷＭ電圧（出力フィルタの入力における電圧）をフィルタするのに役立つ。
【００５０】
正弦波形Ｖｏにより、タイミングチャートは２つの部分、すなわち、第１のハーフサイクルおよび第２のハーフサイクルに分割可能である。第１のハーフサイクルは、ｔ０から開始し、ｔ３で終了する。第２のハーフサイクルは、ｔ３から開始し、ｔ６で終了する。さらに、第１のハーフサイクルは、Ｖ１とＶｏとの間の関係に従い、３つの部分に分割可能である。より具体的には、第１の部分はｔ０から開始し、ｔ１で終了する。第１の部分において、Ｖ１は、Ｖｏの瞬時値より大きい。第２の部分は、ｔ１から開始し、ｔ２で終了する。第２の部分において、Ｖｏの瞬時値はＶ１より大きい。第３の部分は、ｔ２から開始し、ｔ３で終了する。第３の部分において、Ｖ１は、Ｖｏの瞬時値より大きい。
【００５１】
詳細な説明を通して、第１のハーフサイクルの第１の部分および第３の部分の間における動作モードは、代替的に、第１のハーフサイクルの３レベルインバータの動作モードと称されてよい。同様に、第１のハーフサイクルの第２の部分の間における動作モードは、代替的に、第１のハーフサイクルの５レベルインバータの動作モードと称される。
【００５２】
同様に、第２のハーフサイクルは、Ｖ１とＶｏとの間の関係に従い、３つの部分に分割可能である。より具体的には、第２のハーフサイクルの第１の部分は、ｔ３から開始し、ｔ４で終了する。第２のハーフサイクルの第１の部分において、Ｖｏの瞬時値は、−Ｖ１より大きい。第２のハーフサイクルの第２の部分は、ｔ４から開始し、ｔ５で終了する。第２の部分において、−Ｖ１は、Ｖｏの瞬時値より大きい。第２のハーフサイクルの第３の部分は、ｔ５から開始し、ｔ６で終了する。第３の部分において、Ｖｏの瞬時値は−Ｖ１より大きい。
【００５３】
詳細な説明を通して、第２のハーフサイクルの第１の部分および第３の部分の間における動作モードは、代替的に、第２のハーフサイクルの３レベルインバータの動作モードと称されてよい。第２のハーフサイクルの第２の部分の間における動作モードは、代替的に、第２のハーフサイクルの５レベルインバータの動作モードと称される。各部分の詳細な動作原理が、図４〜図７を参照して後述される。
【００５４】
図４は、本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータの３レベルインバータの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。第１のハーフサイクル中、直流電源の第１の端子における電圧が、Ｖｏの瞬時値より大きい場合、マルチレベルインバータ１００は、３レベルインバータの動作モードに入る。図４に図示の矢印４０２および４０４によって示される通り、第１の導電パスが有効にされる。
【００５５】
第１の導電パスは、オンにされたＱ１３、Ｑ１５およびＱ１７によって形成される。Ｑ１５は、出力フィルタの入力と直流電源ＰＶ１の第１の端子との間に連結される。Ｑ１３およびＱ１７は直列で接続され、出力フィルタの入力と直流電源ＰＶ１の第１の端子との間に連結される。電流は、２つの電流パスを介して、直流電源ＰＶ１の第１の端子から出力フィルタへ流れる。第１の電流パスは、Ｑ１５を備える。第２の電流パスは、Ｑ１７およびＱ１３を備える。図４に示される通り、これら２つの電流パスは並列に接続される。さらに、第２の電流パスのＱ１７は、Ｑ１５がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ってよい。ゼロ電圧切り替えプロセスは、図５を参照して後述される。
【００５６】
第２のハーフサイクル中、Ｖｏの瞬時値が直流電源ＰＶ１の第２の端子（例えば、−Ｖ１）における電圧より大きい場合、マルチレベルインバータ１００は、３レベルインバータの動作モードに入る。図４に図示の矢印４０６および４０８によって示される通り、第２の導電パスが有効にされる。
【００５７】
第２の導電パスは、Ｑ１６、Ｑ１４およびＱ１８によって形成される。Ｑ１６は、出力フィルタの入力と直流電源ＰＶ１の第２の端子との間に連結される。Ｑ１４およびＱ１８は、直列で接続され、出力フィルタの入力と直流電源ＰＶ１の第２の端子との間に連結される。第２の導電パスの動作原理は、上記の第１の導電パスのものと類似しているので、繰り返しを回避するため、本明細書に詳細に記載はしない。
【００５８】
図５は、本開示の様々な実施形態による、図４に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。図４に関し上記した通り、マルチレベルインバータ１００は、ｔ０からｔ１への時間間隔、ｔ２からｔ３への時間間隔、ｔ３からｔ４への時間間隔およびｔ５からｔ６への時間間隔の間、３レベルインバータの動作モードに入る。これら４つの時間間隔における複数のゲートドライブ信号は、類似する。簡略化のため、ｔ０からｔ１への時間間隔におけるゲート信号についてのみ、詳細に後述する。
【００５９】
ｔ０からｔ１への時間間隔中、Ｑ１５がｔ７においてオンにされる前に、Ｑ１７がｔ０においてオンにされる。図５に示される通り、Ｑ１３はこの時間間隔中、常にオンである。結果的に、図４に示されるように、オンにされたＱ１７およびＱ１３は直列に接続され、ゼロ電圧切り替え補助回路を形成する。ｔ８において、Ｑ１５がオフにされている場合、Ｑ１７およびＱ１３の両方がオンにされ、その結果、Ｑ１５にかかる電圧は、およそゼロに等しい。つまり、そのようなゼロ電圧切り替え補助回路は、Ｑ１５がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立つ。同様に、ｔ９およびｔ１０において、Ｑ１５は、ゼロ電圧切り替えを実現可能である。
【００６０】
ｔ７からｔ８への時間間隔中にＱ１７をオンに維持する代わりに、スイッチＱ１７はオフにされてよいことに留意すべきである。より具体的には、Ｑ１５がゼロ電圧オン遷移を実現し、ｔ８におけるＱ１５のオフの前にオンになった後、Ｑ１７はオフにされてよい。Ｑ１８は、Ｑ１６が第２のハーフサイクル中にゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ち得ることにさらに留意されたい。Ｑ１６のゼロ電圧切り替え遷移は、Ｑ１５のゼロ電圧切り替え遷移と類似であるので、繰り返しを回避するため、本明細書においてさらに詳細に記載しない。
【００６１】
図６は、本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータの５レベルの動作モードであるシステム構成の概略図を示す。第１のハーフサイクル中、Ｖｏの瞬時値が直流電源ＰＶ１の第１の端子（例えば、Ｖ１）における電圧より大きい場合、マルチレベルインバータは、５レベルインバータの動作モードに入る。図６に図示の矢印６０２、６０３、および６０４によって示される通り、２つの導電パスが有効にされる。
【００６２】
第１の導電パスは、Ｑ１５によって形成される。図６に示される通り、Ｑ１５は、出力フィルタの入力と直流電源ＰＶ１の第１の端子との間に連結される。第２の導電パスは、Ｑ１、Ｏ１３およびＱ１９を備える。Ｑ１３およびＱ１９は直列で接続され、出力フィルタの入力と第１のブースト装置１１２の出力との間に連結される。Ｑ１は、出力フィルタの入力と第１のブースト装置１１２の出力との間に連結される。電流は、Ｑ１５を介して、直流電源ＰＶ１の第１の端子から、出力フィルタへ流れてよい。代替的に、オンにされたＱ１、Ｑ１７およびＱ１３を介して、電流は、第１のブースト装置１１２の出力から、出力フィルタへ流れる。
【００６３】
第２の導電パスを介する電流の流れがある場合、ダイオードＤ５は、Ｑ１５を介して流れる電流を防止してよいことに留意すべきである。第２の電流パスのＱ１９は、Ｑ１がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ってよいことにさらに留意すべきである。Ｑ１のゼロ電圧切り替えプロセスは、図７を参照して後述される。
【００６４】
第２のハーフサイクル中、直流電源ＰＶ１の第２の端子における電圧が、Ｖｏの瞬時値より大きい場合、マルチレベルインバータ１００は、５レベルインバータの動作モードに入る。図６に図示の矢印６０６、６０７および６０８によって示される通り、２つの導電パスが有効にされる。
【００６５】
第１の導電パスはＱ１６によって形成される。Ｑ１６は、出力フィルタの入力と直流電源ＰＶ１の第２の端子（−Ｖ１）との間に連結される。第２の導電パスは、Ｑ２、Ｑ１４およびＱ２０を備える。図６に示される通り、Ｑ１４およびＱ２０は直列で接続され、出力フィルタの入力と第２のブースト装置１１４の出力との間に連結される。Ｑ１は、出力フィルタの入力と第２のブースト装置１１４の出力との間に連結される。第２のハーフサイクルにおける導電パスの動作原理は、第１のハーフサイクルの動作原理と類似であるので、本明細書に詳細に記載はしない。
【００６６】
図７は、本開示の様々な実施形態による、図６に示されるマルチレベルインバータにおける様々な信号のタイミングチャートを示す。図６に関し上記した通り、マルチレベルインバータシステムは、ｔ１からｔ２への時間間隔およびｔ４からｔ５への時間間隔の間、５レベルインバータの動作モードに入る。これら２つの時間間隔における複数のゲートドライブ信号は類似する。簡略化のため、ｔ１からｔ２への時間間隔におけるゲート信号についてのみ、詳細に後述する。
【００６７】
ｔ１からｔ２への時間間隔中、Ｑ１がｔ１１においてオンにされる前に、Ｑ１９がｔ１においてオンにされる。図７に示される通り、Ｑ１３はこの時間間隔中、常にオンである。結果的に、オンにされたＱ１７およびＱ１３は直列に接続され、ゼロ電圧切り替え補助回路を形成する。ｔ１２において、Ｑ１がオフにされている場合、Ｑ１９およびＱ１３の両方が依然としてオンであり、その結果、Ｑ１にかかる電圧は、およそゼロに等しい。Ｑ１９がｔ１３においてオフにされてよい。つまり、Ｑ１９は、Ｑ１がゼロ電圧切り替えを実現するのに役立つ。
【００６８】
ｔ１１からｔ１２への時間間隔中にＱ１９をオンに維持する代わりに、スイッチＱ１９はオフにされてよいことに留意すべきである。より具体的には、Ｑ１がゼロ電圧オン遷移を実現し、ｔ１２におけるＱ１のオフの前に再度オンになった後、Ｑ１９はオフにされてよい。Ｑ２０は、Ｑ２が第２のハーフサイクル中にゼロ電圧切り替えを実現するのに役立ち得ることにさらに留意されたい。Ｑ２のゼロ電圧切り替え遷移は、Ｑ１のゼロ電圧切り替え遷移と類似であるので、繰り返しを回避するため、本明細書においてさらに詳細に記載しない。
【００６９】
図８は、本開示の様々な実施形態による、図２に示されるマルチレベルインバータの別のシステム構成の概略図を示す。直流電源ＰＶ１にかかる電圧がＶｏのピークツゥピーク値より大きい場合、第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４はバイパスされる。矢印８０２および８０４によって示される通り、第１のハーフサイクル中、エネルギーは、Ｑ１およびＱ１５を介して出力フィルタに供給される。より具体的には、オンにされたリレーＲＬ１およびＲＬ３が、並列に接続された２つの導電パスを形成する。第２のハーフサイクル中、矢印８０６および８０８によって示される通り、エネルギーは、Ｑ２およびＱ１６を介して出力フィルタに供給される。リレーＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３およびＲＬ４を有することの１つの有利な特徴は、第１のブースト装置１１２および第２のブースト装置１１４をオフにすることによって、電力損失が低減できることである。結果的に、マルチレベルインバータ１００の信頼性に加え効率性が改善され得る。
【００７０】
第１の３レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第１の端子との間に連結されたＱ１５と、出力フィルタの入力と直流電源の第１の端子との間に直列に接続された、連結されたＱ１３およびＱ１７と、によって形成される。第１の５レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第１の端子との間に連結されたＱ１５と、第１のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたＱ１と、第１のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結されたＱ１３およびＱ１９と、によって形成される。第２の３レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第２の端子との間に連結されたＱ１６と、出力フィルタの入力と直流電源の第２の端子との間に直列に接続された、連結されたＱ１４およびＱ１８と、によって形成される。第２の５レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第２の端子との間に連結されたＱ１６と、第２のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたＱ２と、第２のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結されたＱ１４およびＱ２０と、によって形成される。
【００７１】
第１の３レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第１の端子との間に連結された第１のスイッチと、出力フィルタの入力と直流電源の第１の端子との間に直列に接続された、連結された第２のスイッチおよび第３のスイッチと、によって形成される。第１の５レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第１の端子との間に連結された第１のスイッチと、第１のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第４のスイッチと、第１のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結された第２のスイッチおよび第５のスイッチと、によって形成される。第２の３レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第２の端子との間に連結された第６のスイッチと、出力フィルタの入力と直流電源の第２の端子との間に直列に接続された、連結された第７のスイッチおよび第８のスイッチと、によって形成される。第２の５レベル導電パスは、出力フィルタの入力と直流電源の第２の端子との間に連結された第６のスイッチと、第２のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第９のスイッチと、第２のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に直列に接続された、連結された第７のスイッチおよび第１０のスイッチと、によって形成される。
【００７２】
第１の３レベル導電パスは、直流電源の第１の端子と出力フィルタの入力との間に連結されたＱ１５およびフリーホイール装置のＱ１３によって形成され、ここでＱ１５およびＱ１３は並列に接続される。第１の５レベル導電パスは、Ｑ１５と、第１のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたＱ１と、フリーホイール装置のＱ１３と、によって形成される。第２の３レベル導電パスは、直流電源の第２の端子と出力フィルタの入力との間に連結されたＱ１６およびフリーホイール装置のＱ１４によって形成され、ここでＱ１４およびＱ１６は並列に接続される。第２の５レベル導電パスは、Ｑ１６と、第２のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結されたＱ２と、フリーホイール装置のＱ１４と、によって形成される。
【００７３】
第１の３レベル導電パスは、直流電源の第１の端子と出力フィルタの入力との間に連結された第１のスイッチおよびフリーホイール装置の第２のスイッチによって形成され、ここで第１のスイッチおよび第２のスイッチは並列に接続される。第１の５レベル導電パスは、第１のスイッチと、第１のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第３のスイッチと、フリーホイール装置の第２のスイッチと、によって形成される。第２の３レベル導電パスは、直流電源の第２の端子と出力フィルタの入力との間に連結された第４のスイッチおよびフリーホイール装置の第５のスイッチによって形成され、ここで第５のスイッチおよび第４のスイッチは並列に接続される。第２の５レベル導電パスは、第４のスイッチと、第２のブースト装置の出力と出力フィルタの入力との間に連結された第６のスイッチと、フリーホイール装置の第５のスイッチと、によって形成される。
【００７４】
第１の３レベル導電パスは、フリーホイール装置のＱ１３と直列に接続されたＱ１７をさらに含み、ここで、Ｑ１７はＱ１５のオンより前に、オンにされるよう構成される。第１の５レベル導電パスは、フリーホイール装置のＱ１３と直列に接続されたＱ１９をさらに含み、ここで、Ｑ１９はＱ１のオンより前に、オンにされるよう構成される。第２の３レベル導電パスは、フリーホイール装置のＱ１４と直列に接続されたＱ１８をさらに含み、ここで、Ｑ１８はＱ１６のオンより前に、オンにされるよう構成される。第２の５レベル導電パスは、フリーホイール装置のＱ１４と直列に接続されたＱ２０をさらに含み、ここで、Ｑ２０はＱ２のオンより前に、オンにされるよう構成される。
【００７５】
第１の３レベル導電パスは、フリーホイール装置の第２のスイッチと直列に接続された第７のスイッチをさらに含み、ここで、第７のスイッチは第１のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。第１の５レベル導電パスは、フリーホイール装置の第２のスイッチと直列に接続された第８のスイッチをさらに含み、ここで、第８のスイッチは第３のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。第２の３レベル導電パスは、フリーホイール装置の第５のスイッチと直列に接続された第９のスイッチをさらに含み、ここで、第９のスイッチは第４のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。第２の５レベル導電パスは、フリーホイール装置の第５のスイッチと直列に接続された第１０のスイッチをさらに含み、ここで、第１０のスイッチは第６のスイッチのオンより前に、オンにされるよう構成される。
【００７６】
本発明の複数の実施形態およびその利点が詳細に記載されたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更形態、置換形態、および代替形態が本明細書に対しなされ得ることを理解されたい。さらに、本願の範囲は、本明細書に記載のプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法および段階に係る特定の実施形態に限定されることを意図していない。当業者が本発明の開示から容易に理解する通り、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同一の機能を実行する、または実質的に同一結果を実現する、現存のまたは後に開発されることになるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法または段階は、本発明に従い利用できる。従って、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法または段階をその範囲に包含する意図である。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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