(57)【要約】【課題】少素子数で高電圧化に対応可能で、別途電圧調整回路が不要なマルチレベル電力変換器を提供する。【解決手段】直流電源ＶDCと、該ＶDCの正、負極端間に直列接続されたコンデンサＣ３，Ｃ４と、前記ＶDCの正、負極端間に直列接続されたスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６，Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８と、Ｓ１，Ｓ２の共通接続点とＳ３，Ｓ４の共通接続点の間に直列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２と、Ｓ１，Ｓ６の共通接続点とＳ４，Ｓ７の共通接続点の間に直列接続されたＣ１，Ｃ２と、Ｓ９，Ｓ１０の直列回路と、該直列回路に並列接続されたＣ５と、該Ｃ５に並列接続されたＳ１１，Ｓ１２の直列回路と、前記Ｓ１〜Ｓ１２のオン、オフ制御によってマルチレベル電圧を切り換える制御手段とを備え、前記Ｓ２，Ｓ３の共通接続点と、Ｃ３，Ｃ４，Ｓ９，Ｓ１０の共通接続点とを交流出力端子Ａ，Ｂとする。【選択図】図１
2013258863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換器であって、
第１〜第４のスイッチング素子を順次直列接続した第１のスイッチング素子直列回路と、
前記第１のスイッチング素子直列回路の第１のスイッチング素子側端と第４のスイッチング素子側端との間に順次直列接続された第１および第２のコンデンサと、
前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の共通接続点と、第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続された第１および第２のダイオードと、
前記第１のコンデンサおよび第１のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第５のスイッチング素子と、
前記第２のコンデンサおよび第４のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第６のスイッチング素子と、
正極端が前記第５のスイッチング素子の他端に接続され、負極端が前記第６のスイッチング素子の他端に接続された直流電圧源と、
前記直流電圧源の正、負極端間に直列接続された第３および第４のコンデンサと、
第７および第８のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第１および第２のコンデンサの共通接続点と第１および第２のダイオードの共通接続点に接続された第２のスイッチング素子直列回路と、
第９および第１０のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第３および第４のコンデンサの共通接続点に接続された第３のスイッチング素子直列回路と、
前記第７および第９のスイッチング素子を共通接続した共通接続点と第８および第１０のスイッチング素子を共通接続した共通接続点との間に接続された第５のコンデンサと、
前記第１〜第１０のスイッチング素子をオン、オフ制御することによって複数の電圧レベルを出力させる制御手段とを備え、
前記第２および第３のスイッチング素子の共通接続点と、前記第３および第４のコンデンサの共通接続点とを複数の電圧レベルの交流出力端としたことを特徴とするマルチレベル電力変換器。
【請求項２】
前記第１〜第３のスイッチング素子直列回路と、第１および第２のダイオードと、第１および第２および第５のコンデンサとによってマルチレベル電圧変換部を構成し、
前記マルチレベル電圧変換部を三相交流の各相に各々設け、
前記三相各相のマルチレベル電圧変換部の第９および第１０のスイッチング素子の共通接続点どうしを中性点として共通接続し、前記第２および第３のスイッチング素子の共通接続点をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各出力端としたことを特徴とする請求項１に記載のマルチレベル電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチレベルの相電圧が出力可能で、且つ１個の直流電圧源で動作する電力変換回路に係り、直流電圧源から複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マルチレベル電力変換器として、例えば特許文献１に記載の９つの電圧レベルを出力する電力変換装置が提案されている。図４は特許文献１に記載の９レベルインバータの主回路１相分（Ｕ相）の構成図を示している。
【０００３】
図４の回路において、直流電源Ｅの正、負極端間にコンデンサＣ1，Ｃ2の直列回路と、半導体スイッチＳ1，Ｓ2の直列回路とを並列に接続し、半導体スイッチＳ5，Ｓ6の直列回路と、コンデンサＣ3と、半導体スイッチＳ7，Ｓ8の直列回路と、双方向の耐圧を備えた双方向スイッチＳ3D，Ｓ4Dの直列回路とを並列に接続し、半導体スイッチＳ1，Ｓ2の共通接続点を半導体スイッチＳ5，Ｓ6の共通接続点に接続し、コンデンサＣ1，Ｃ2の共通接続点（中点Ｍ）を双方向スイッチＳ3D，Ｓ4Dの共通接続点に接続し、半導体スイッチＳ7，Ｓ8の共通接続点と双方向スイッチＳ3D，Ｓ4Dの共通接続点を共通に接続してＵ相出力端としている。
【０００４】
上記のように構成された電力変換装置において、直流電源Ｅの電圧をＥd、コンデンサＣ1の電圧をＶC1、コンデンサＣ2の電圧をＶC2、コンデンサＣ3の電圧をＶC3とすると、中点Ｍから観測した出力電圧ＶUMと各スイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ3D，Ｓ4D，Ｓ5〜Ｓ8のオンオフ状態との関係は図５のように示される。
【０００５】
図５では、各スイッチＳ1，Ｓ2，Ｓ3D，Ｓ4D，Ｓ5〜Ｓ8のオンオフ状態に応じた動作モードを、それぞれモード１〜１２としている。
【０００６】
尚図５において、「電流極性」は負荷電流ｉUの極性であり、図４の矢印の方向を＋としており、コンデンサＣ3の充電（ｃ）と放電（ｄ）における電圧値を出力電圧ＶUMの欄の右側に示している。
【０００７】
この図５に基づいて、図４における適切なスイッチを選択してオンオフすると、出力電圧ＶUMは図６に示すように９つの電圧レベル（ＶC1＋ＶC3，ＶC1，ＶC1−ＶC3，ＶC3，０，−ＶC3，−ＶC2＋ＶC3，−ＶC2，−ＶC2−ＶC3）を持ち、かつ、平均電圧が正弦波状の波形となる。
【０００８】
図４の構成によれば、少ない素子数（双方向スイッチＳ3D，Ｓ4Dを各々２直列のＩＧＢＴで構成した場合１０個の半導体素子と１個のコンデンサ（Ｃ3））によって、多レベル電圧（９レベル相当）の出力が可能な電力変換回路を実現している。
【０００９】
これを三相に拡張すると３０個の半導体スイッチ、３個のコンデンサで三相のマルチレベル変換器（９レベル相当）を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２４６１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記図４に示される回路では、少ない素子数でマルチレベル変換器を実現することが可能であるが、直流電源Ｅの電圧Ｅｄがスイッチング素子Ｓ1とＳ2に加わるため、電圧Ｅｄがスイッチング素子Ｓ1とＳ2を直列接続した直列体の耐電圧よりも高い場合には素子数を増やす必要がある。
【００１２】
また、直流電圧Ｅdに対して出力電圧ＶUMは３Ｅd／４〜−３Ｅd／４となり、交流電圧を入力して整流器にて整流した場合には交流入力電圧とマルチレベル変換器の交流出力電圧とは１：１にならず、電圧の調整が必要になる問題がある。  本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、少ない素子数で高電圧化に対応でき、且つ交流電圧を入出力するシステムにおいて、入出力間の電圧を１：１にする電圧調整回路を別途設ける必要がないマルチレベル電力変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための請求項１記載のマルチレベル電力変換器は、直流電圧を複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換器であって、第１〜第４のスイッチング素子を順次直列接続した第１のスイッチング素子直列回路と、前記第１のスイッチング素子直列回路の第１のスイッチング素子側端と第４のスイッチング素子側端との間に順次直列接続された第１および第２のコンデンサと、前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の共通接続点と、第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子の共通接続点との間に順次直列接続された第１および第２のダイオードと、前記第１のコンデンサおよび第１のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第５のスイッチング素子と、前記第２のコンデンサおよび第４のスイッチング素子の共通接続点に一端が接続された第６のスイッチング素子と、正極端が前記第５のスイッチング素子の他端に接続され、負極端が前記第６のスイッチング素子の他端に接続された直流電圧源と、前記直流電圧源の正、負極端間に直列接続された第３および第４のコンデンサと、第７および第８のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第１および第２のコンデンサの共通接続点と第１および第２のダイオードの共通接続点に接続された第２のスイッチング素子直列回路と、第９および第１０のスイッチング素子を直列接続するとともに、その共通接続点が前記第３および第４のコンデンサの共通接続点に接続された第３のスイッチング素子直列回路と、前記第７および第９のスイッチング素子を共通接続した共通接続点と第８および第１０のスイッチング素子を共通接続した共通接続点との間に接続された第５のコンデンサと、前記第１〜第１０のスイッチング素子をオン、オフ制御することによって複数の電圧レベルを出力させる制御手段とを備え、前記第２および第３のスイッチング素子の共通接続点と、前記第３および第４のコンデンサの共通接続点とを複数の電圧レベルの交流出力端としたことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載のマルチレベル電力変換器は、請求項１において、前記第１〜第３のスイッチング素子直列回路と、第１および第２のダイオードと、第１および第２および第５のコンデンサとによってマルチレベル電圧変換部を構成し、前記マルチレベル電圧変換部を三相交流の各相に各々設け、前記三相各相のマルチレベル電圧変換部の第９および第１０のスイッチング素子の共通接続点どうしを中性点として共通接続し、前記第２および第３のスイッチング素子の共通接続点をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各出力端としたことを特徴としている。
【００１５】
上記構成によれば、直流電圧源の正、負極端間には、第５のスイッチング素子、第１〜第４のスイッチング素子および第６のスイッチング素子が直列に存在するため、これらのスイッチング素子の合計耐電圧まで高電圧化することが容易となる。これによって、少ない素子数で高電圧化に対応可能で、且つ電圧調整回路を別途設けずに交流入出力電圧を１：１に出来るマルチレベル電力変換器が実現される。
【発明の効果】
【００１６】
（１）請求項１に記載の発明によれば、少ない素子数で高電圧化に対応可能で、且つ電圧調整回路を別途設けることなく、交流入出力電圧を１：１に出来るマルチレベル電力変換器を提供することができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、少ない素子数で高電圧化に対応可能で、且つ電圧調整回路を別途設けることなく、交流入出力電圧を１：１に出来る三相のマルチレベル電力変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１の９レベル電力変換器の回路図。
【図２】本発明の実施例１の９レベル電力変換器におけるスイッチングパターンのモードと出力端子間の電圧の関係を表す電圧特性図。
【図３】本発明の実施例２の９レベル電力変換器の回路図。
【図４】従来のマルチレベル電力変換器の一例を示す回路図。
【図５】図４における各スイッチのオンオフ状態、出力電圧、負荷電流極性、コンデンサＣ3の充放電の関係を示す図。
【図６】図４における出力電圧ＶUMの波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。以下に示す実施例１、２は、本発明を９レベル電力変換器（９レベルインバータ）に適用した実施例である。
【実施例１】
【００１９】
図１に本発明の実施例１の９レベル電力変換器１００を示す。図１において、Ｓ１〜Ｓ４は順次直列接続された第１〜第４のスイッチング素子であり、本発明の第１のスイッチング素子直列回路を構成している。
【００２０】
この第１のスイッチング素子直列回路の両端間には、コンデンサＣ１，Ｃ２が直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点とＳ３，Ｓ４の共通接続点との間にはダイオードＤ１，Ｄ２が直列に接続されている。
【００２１】
ＶDCは直流電源であり、Ｃ３，Ｃ４は直流電源ＶDCの電圧が充電又は放電されるコンデンサである。
【００２２】
直流電源ＶDCの正極端ＰとコンデンサＣ１およびスイッチング素子Ｓ１の共通接続点との間には、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が直列に接続され、コンデンサＣ２およびスイッチング素子Ｓ４の共通接続点と直流電源ＶDCの負極端Ｎとの間には、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８が直列に接続されている。
【００２３】
前記スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は本発明の第５のスイッチング素子を構成し、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８は本発明の第６のスイッチング素子を構成している。尚、耐圧を考慮して、前記第５のスイッチング素子、第６のスイッチング素子は各々１個のスイッチング素子で構成してもよい。
【００２４】
Ｓ１１，Ｓ１２は本発明の第７、第８のスイッチング素子であり、これらスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２は直列接続されて本発明の第２のスイッチング素子直列回路を構成している。
【００２５】
Ｓ９，Ｓ１０は本発明の第９、第１０のスイッチング素子であり、これらスイッチング素子Ｓ９，Ｓ１０は直列接続されて本発明の第３のスイッチング素子直列回路を構成している。
【００２６】
前記スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１１の共通接続点とスイッチング素子Ｓ１０，Ｓ１２の共通接続点との間には、コンデンサＣ５が接続されている。
【００２７】
前記スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１０の共通接続点はコンデンサＣ３，Ｃ４の共通接続点（中点ＮＰ）に接続され、前記スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２の共通接続点と、コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点と、ダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続点は、共通に接続されている。
【００２８】
前記スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３の共通接続点を出力端子Ａとし、前記コンデンサＣ３，Ｃ４の共通接続点を出力端子Ｂとしている。
【００２９】
図１の破線で囲まれた、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５およびダイオードＤ１，Ｄ２によってマルチレベル電圧変換部２００が構成されている。
【００３０】
前記スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２は、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチで構成されている。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２は、図示省略の制御部（制御手段）によって、９レベルの電圧を出力するためのスイッチングパターンに従ってオン、オフ制御され、その結果出力端子Ａ，Ｂ間に９レベルの電圧が出力されるものである。
【００３１】
尚、前記直流電源ＶDCの電源電圧は固定でも可変でもよい。
【００３２】
上記構成において、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン、オフは、例えば表１に示すモード１〜モード１３を有するスイッチングパターンに従って制御される。
【００３３】
【表１】
2013258863.tif 000003
【００３４】
表１はスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２のオン・オフのモード１〜１３（表１中ではＭｏｄｅ１〜１３と表記している）により出力端子Ａ，Ｂ間に出力される電圧ＶABとコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５の充放電の有無を示している。
【００３５】
直流電源ＶDCの電圧が４Ｅ，コンデンサＣ３，Ｃ４の電圧が２Ｅ，コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧がＥ，コンデンサＣ５の電圧がＥ／２であるとすると、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は２Ｅ，３Ｅ／２，Ｅ，Ｅ／２，０，−Ｅ／２，−Ｅ，−３Ｅ／２，−２Ｅの９レベルの電圧を出力可能である。
【００３６】
次に、表１のスイッチングパターンの各モード１〜モード１３と出力端子Ａ，Ｂ間の電流Ｉの経路を以下に説明する。尚表１は電流Ｉ＞０のときを示している。
【００３７】
＜モード１＞
このモード１は、スイッチング素子Ｓ１０又はＳ１１をオンする場合とオフする場合の２通りあるが、どちらの場合も電流Ｉの経路は同一である。
【００３８】
すなわち、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７〜Ｓ９，Ｓ１２が各々オフ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６が各々オン、スイッチング素子Ｓ１０がオフ又はオン、スイッチング素子Ｓ１１がオン又はオフとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｃ３→Ｐ→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード１ではコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５の充放電はなく、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は＋２Ｅとなる。
【００３９】
＜モード２＞
スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ９，Ｓ１２が各々オフ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ１０→Ｃ５→Ｓ１１→Ｃ１→Ｓ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード２ではコンデンサＣ５，Ｃ１が放電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は＋３Ｅ／２となる。
【００４０】
＜モード３＞
このモード３は、スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１１をオンし、Ｓ１０，Ｓ１２をオフする場合と、スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１１をオフし、Ｓ１０，Ｓ１２をオンする場合の２通りがあり、電流の経路は相違する。
【００４１】
すなわち、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１２を各々オフ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ９，Ｓ１１を各々オンとした場合、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ９→Ｓ１１→Ｃ１→Ｓ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。
【００４２】
また、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ９，Ｓ１１を各々オフ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１０，Ｓ１２を各々オンとした場合、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ１０→Ｓ１２→Ｃ１→Ｓ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。
【００４３】
このモード３ではコンデンサＣ１が放電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は＋Ｅとなる。
【００４４】
＜モード４＞
このモード４は、スイッチング素子Ｓ１０又はＳ１１をオンする場合とオフする場合の２通りあるが、どちらの場合も電流Ｉの経路は同一である。
【００４５】
すなわち、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ７〜Ｓ９，Ｓ１２が各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６が各々オン、スイッチング素子Ｓ１０がオフ又はオン、スイッチング素子Ｓ１１がオン又はオフとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｃ３→Ｐ→Ｓ５→Ｓ６→Ｃ１→Ｄ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード４ではコンデンサＣ１が充電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は＋Ｅとなる。
【００４６】
＜モード５＞
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４〜Ｓ９，Ｓ１２が各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ１０→Ｃ５→Ｓ１１→Ｄ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード５ではコンデンサＣ５が放電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は＋Ｅ／２となる。
【００４７】
＜モード６＞
スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オフ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ９，Ｓ１２が各々オンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ９→Ｃ５→Ｓ１２→Ｃ１→Ｓ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード６ではコンデンサＣ５が充電、Ｃ１が放電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は＋Ｅ／２となる。
【００４８】
＜モード７＞
このモード７は、スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１１をオンし、Ｓ１０，Ｓ１２をオフする場合と、スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１１をオフし、Ｓ１０，Ｓ１２をオンする場合の２通りがあり、電流の経路は相違する。
【００４９】
すなわち、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１２を各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ９，Ｓ１１を各々オンとした場合、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ９→Ｓ１１→Ｄ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。
【００５０】
また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４〜Ｓ９，Ｓ１１を各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ１０，Ｓ１２を各々オンとした場合、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ１０→Ｓ１２→Ｄ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。
【００５１】
このモード７ではコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５の充放電はなく、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は０となる。
【００５２】
＜モード８＞
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５〜Ｓ９，Ｓ１２が各々オフ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ１０→Ｃ５→Ｓ１１→Ｃ２→Ｓ４→Ｓ３→出力端子Ａの経路で流れる。このモード８ではコンデンサＣ５が放電、Ｃ２が充電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は−Ｅ／２となる。
【００５３】
＜モード９＞
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ９，Ｓ１２が各々オンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ９→Ｃ５→Ｓ１２→Ｄ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード９ではコンデンサＣ５が充電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は−Ｅ／２となる。
【００５４】
＜モード１０＞
このモード１０は、スイッチング素子Ｓ９又はＳ１２をオンする場合とオフする場合の２通りあるが、どちらの場合も電流Ｉの経路は同一である。
【００５５】
すなわち、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４〜Ｓ６，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ７，Ｓ８が各々オン、スイッチング素子Ｓ９がオン又はオフ、スイッチング素子Ｓ１２がオフ又はオンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｃ４→Ｓ８→Ｓ７→Ｃ２→Ｄ１→Ｓ２→出力端子Ａの経路で流れる。このモード１０ではコンデンサＣ２が放電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は−Ｅとなる。
【００５６】
＜モード１１＞
このモード１１は、スイッチング素子Ｓ１０，Ｓ１２をオンし、Ｓ９，Ｓ１１をオフする場合と、スイッチング素子Ｓ１０，Ｓ１２をオフし、Ｓ９，Ｓ１１をオンする場合の２通りがあり、電流の経路は相違する。
【００５７】
すなわち、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４〜Ｓ９，Ｓ１１を各々オフ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ１０，Ｓ１２を各々オンとした場合、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ１０→Ｓ１２→Ｃ２→Ｓ４→Ｓ３→出力端子Ａの経路で流れる。
【００５８】
また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１２を各々オフ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ９，Ｓ１１を各々オンとした場合、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ９→Ｓ１１→Ｃ２→Ｓ４→Ｓ３→出力端子Ａの経路で流れる。
【００５９】
このモード１１ではコンデンサＣ２が充電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は−Ｅとなる。
【００６０】
＜モード１２＞
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オフ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ９，Ｓ１２が各々オンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｓ９→Ｃ５→Ｓ１２→Ｃ２→Ｓ４→Ｓ３→出力端子Ａの経路で流れる。このモード１２ではコンデンサＣ５，Ｃ２が充電され、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は−３Ｅ／２となる。
【００６１】
＜モード１３＞
このモード１３は、スイッチング素子Ｓ９又はＳ１２をオンする場合とオフする場合の２通りあるが、どちらの場合も電流Ｉの経路は同一である。
【００６２】
すなわち、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ１０，Ｓ１１が各々オフ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８が各々オン、スイッチング素子Ｓ９がオン又はオフ、スイッチング素子Ｓ１２がオフ又はオンとなり、電流Ｉは、出力端子Ｂ→ＮＰ→Ｃ４→Ｓ８→Ｓ７→Ｓ４→Ｓ３→出力端子Ａの経路で流れる。このモード１３ではコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５の充放電はなく、出力端子Ａ，Ｂ間の電圧は−２Ｅとなる。
【００６３】
上記モード１〜１３のスイッチングパターンによるオン、オフ制御によって、直流電源ＶDCの電圧が４Ｅ，コンデンサＣ３，Ｃ４の電圧が２Ｅ，コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧がＥ，コンデンサＣ５の電圧がＥ／２であるときに、出力端子Ａ，Ｂ間には、２Ｅ，３Ｅ／２，Ｅ，Ｅ／２，０，−Ｅ／２，−Ｅ，−３Ｅ／２，−２Ｅの９レベルの電圧を出力することが可能である。
【００６４】
図２は、上記モード１〜１３と出力端子Ａ，Ｂ間の電圧ＶABの関係を表し、スイッチングパターンによるオン、オフ制御によって出力可能な９レベルの電圧を各々示している。
【００６５】
以上のように実施例１によれば、直流電源ＶDCの正、負極端Ｐ，Ｎ間に設けられたスイッチング素子１２個（又は、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６を１個、Ｓ７およびＳ８を１個で各々構成した場合は１０個）、ダイオード２個、コンデンサ３個のみで、９レベルの電圧変換部２００を実現することができる。
【００６６】
また、直流電源ＶDCの正、負極端Ｐ，Ｎ間には８個のスイッチング素子（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８）が直列に存在しているため、これら８個分のスイッチング素子の耐電圧まで高電圧化することが容易である。これによって、少ない素子数で高電圧化に対応できる９レベルインバータが実現される。
【００６７】
さらに、直流電源ＶDCと同じ電圧範囲（直流電源ＶDCが４Ｅに対して交流電圧出力の波高値が±２Ｅ）の交流電圧を出力することができ、交流電圧を整流した直流電圧を得て、この直流電圧を交流電圧に逆変換するシステムで交流入出力電圧が１：１で別途電圧調整回路が不要となる。
【実施例２】
【００６８】
図３に実施例２の回路構成を示す。本実施例２は、実施例１（図１）のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５によって構成されるマルチレベル電圧変換部２００を三相分（２００Ｕ，２００Ｖ，２００Ｗ）設けて直流電源ＶDCに対してＹ結線に接続したものである。
【００６９】
図３において、図１と同一部分は同一符号をもって示している。
【００７０】
三相各相のマルチレベル電圧変換部２００Ｕ，２００Ｖ，２００Ｗの、出力端子Ｂどうしを中性点ＮＰとして共通接続し、出力端子Ａを三相各相の出力端Ｕ，Ｖ，Ｗとしている。
【００７１】
図３の構成では、三相各々に個別の直流電源は不要であり、直流電源ＶDCは１個でよい。
【００７２】
図３のマルチレベル電圧変換部２００Ｕ，２００Ｖ，２００Ｗの各動作は図１の回路と同一である。
【００７３】
図３の回路では、Ｙ結線の中性点ＮＰを基準に、三相Ｕ，Ｖ，Ｗに任意の９レベルの電圧（２Ｅ，３Ｅ／２，Ｅ，Ｅ／２，０，−Ｅ／２，−Ｅ，−３Ｅ／２，−２Ｅ）を出力することができる。
【００７４】
以上のように実施例２によれば、直流電源ＶDCの正、負極端Ｐ，Ｎ間に設けられたスイッチング素子３６個、ダイオード６個、コンデンサ９個によって、三相の９レベルの電圧変換部を実現することができる。
【００７５】
また、直流電源ＶDCの正、負極端Ｐ，Ｎ間には８個のスイッチング素子（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８）が直列に存在しているため、これら８個分のスイッチング素子の耐電圧まで高電圧化することが容易である。これによって、少ない素子数で高電圧化に対応できる三相の９レベルインバータが実現される。
【００７６】
さらに、直流電源ＶDCと同じ電圧範囲（直流電源ＶDCが４Ｅに対して交流電圧出力の波高値が±２Ｅ）の交流電圧を出力することができ、交流電圧を整流した直流電圧を得て、この直流電圧を交流電圧に逆変換するシステムで交流入出力電圧が１：１で別途電圧調整回路が不要となる。
【符号の説明】
【００７７】
１００…９レベル電力変換器
２００，２００Ｕ，２００Ｖ，２００Ｗ…マルチレベル電圧変換部
Ｓ１〜Ｓ１２…スイッチング素子
ＶDC…直流電源
Ｃ１〜Ｃ５…コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード
Ａ，Ｂ…出力端子
【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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