(57)【要約】【課題】従来回路は、簡易な構成で４レベルの電圧が出力可能な４レベル電力変換回路であるが、コンデンサに必要となる耐圧が直流側入力電圧の２／３倍必要になり、低耐圧の安価なコンデンサの適用が難しく、電力変換装置全体としても、高価で大形化する。【解決手段】直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路において、直流電源と並列接続される半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路とを備え、第１アーム対の中点端子と第２アーム対の中点端子との間にコンデンサ直並列切替回路を接続する。【選択図】図１
2013172627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路であって、
前記直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、２個のコンデンサと前記２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路と、を備え、
前記第１アーム対の中点端子と前記第２アーム対の中点端子との間に前記コンデンサ直並列切替回路が接続され、前記アーム対直列回路内部の直列接続点を交流端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換回路。
【請求項２】
第１及び第２の直流電源を直列接続し、３つの端子を備え、零を含む互いに異なる３つの電圧レベルを持つ直流組電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路であって、
前記直流組電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、
前記第１アーム対の中点端子と前記第２アーム対の中点端子との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列に接続した第３アーム対と、前記第３アーム対の中点端子と前記直流組電源の直列接続点との間に接続される交流スイッチと、前記第１アーム対の中点端子と前記第２アーム対の中点端子との間に接続される２個のコンデンサと前記２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数個の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路と、を備え、前記アーム対直列回路内部の直列接続点を交流端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換回路。
【請求項３】
第１及び第２の直流電源を直列接続し、３つの端子を備え、零を含む互いに異なる３つの電圧レベルを持つ直流組電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路であって、
前記第１の直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列接続した第３アーム対と、前記第２の直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列接続した第４アーム対と、前記第３アーム対の中点端子と前記第４アーム対の中点端子との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、前記第１アーム対の中点端子と前記第２アーム対の中点端子との間に接続される２個のコンデンサと前記２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数個の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路と、を備え、前記アーム対直列回路内部の直列接続点を交流端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換回路。
【請求項４】
前記コンデンサ直並列切替回路は、それぞれダイオードを逆並列接続した第１〜第３の半導体スイッチと第１及び第２のコンデンサとを備え、
前記第１〜第３の半導体スイッチはこの順に直列接続され、
前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの直列回路と並列に前記第１のコンデンサが、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの直列回路と並列に前記第２のコンデンサが、各々接続され、前記第１及び第３の半導体スイッチをオンし前記第２の半導体スイッチをオフすると、前記第１及び第２のコンデンサは並列接続となり、前記第２の半導体スイッチをオンし前記第１及び第３の半導体スイッチをオフすると、前記第１及び第２コンデンサは直列接続となる機能を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のマルチレベル電力変換回路。
【請求項５】
直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路であって、
前記直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第１〜第６の半導体スイッチをこの順に直列に接続した半導体スイッチ６直列回路と、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点と前記第４の半導体スイッチと前記第５の半導体スイッチとの接続点との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第７〜第９の半導体スイッチをこの順に直列接続した半導体スイッチ３直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第８の半導体スイッチと前記第９の半導体スイッチとの接続点との間に接続する第１のコンデンサと、
前記第５の半導体スイッチと前記第６の半導体スイッチとの接続点と前記第７の半導体スイッチと前記第８の半導体スイッチとの接続点との間に接続する第２のコンデンサと、
を備え、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチの直列接続点を交流端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換回路。
【請求項６】
前記第２、第５、第７〜第９の半導体スイッチのオンオフ制御により前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサを任意に直列接続又は並列接続に切替えることを特徴とする請求項５に記載のマルチレベル電力変換回路。
【請求項７】
直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路であって、
前記直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第１〜第６の半導体スイッチをこの順に直列に接続した半導体スイッチ６直列回路と、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点と前記第４の半導体スイッチと前記第５の半導体スイッチとの接続点との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第７〜第９の半導体スイッチをこの順に直列接続した半導体スイッチ３直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第１０の半導体スイッチと第１１の半導体スイッチとの直列回路と、前記第４の半導体スイッチと前記第５の半導体スイッチとの接続点と前記第５の半導体スイッチと前記第６の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第１２の半導体スイッチと第１３の半導体スイッチとの直列回路と、前記第１０の半導体スイッチと前記第１１の半導体スイッチとの接続点と前記第８の半導体スイッチと前記第９の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第１のコンデンサと、前記第１２の半導体スイッチと前記第１３の半導体スイッチとの接続点と前記第７の半導体スイッチと前記第８の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第２のコンデンサと、を備え、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの直列接続点を交流端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換回路。
【請求項８】
第１及び第２の直流電源を直列接続し、３つの端子を備え、零を含む互いに異なる３つの電圧レベルを持つ直流組電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路であって、
前記第1の直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列接続した第１アーム対と、前記第２の直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列接続した第２アーム対と、前記第１アーム対の中点端子と前記第２アーム対の中点端子との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第１〜第６の半導体スイッチをこの順に直列に接続した半導体スイッチ６直列回路と、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点と前記第４の半導体スイッチと前記第５の半導体スイッチとの接続点との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第７〜第９の半導体スイッチをこの順に直列接続した半導体スイッチ３直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第８の半導体スイッチと前記第９の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第１のコンデンサと、前記第５の半導体スイッチと前記第６の半導体スイッチとの接続点と前記第７の半導体スイッチと前記第８の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第２のコンデンサと、を備え、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの直列接続点を交流端子とすることを特徴とするマルチレベル電力変換回路。
【請求項９】
前記直流電源の電圧レベルを３Eとした時、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの電圧の大きさを共に１Eに保持し、
前記直流電源、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの各電圧を用いて３E、２E、１E、０の４個のレベルの電圧を生成し、任意にその電圧レベルを選択して出力することを特徴とする請求項１、４又は５の何れか１項に記載のマルチレベル電力変換回路。
【請求項１０】
前記直流組電源の３つの端子の電圧レベルを、各々＋３E、０、−３Eとした時、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの電圧の大きさを共に１Eに保持し、
前記直流組電源、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの各電圧を用いて＋３E、＋２E、＋１E、０、−１E、−２E、−３Eの７個のレベルの電圧を生成し、任意にその電圧レベルを選択して出力することを特徴とする請求項２、３又は７の何れか１項に記載のマルチレベル電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力変換装置の主回路技術に関するもので、特に、複数の電圧レベルを直接出力するマルチレベル電力変換回路の構成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１９に、非特許文献１に示されている従来の技術を用いた４レベル（マルチレベル）変換回路の１相分を示す。本回路を３回路用いると３相の電力変換装置が、２回路用いると単相の電力変換装置を構成できる。図１９において、直流電源Ｂの正極Ｐと負極Ｎとの間には、半導体スイッチＱ１〜Ｑ６をこの順に直列接続した直列回路が接続され、その半導体スイッチＱ３とＱ４の接続点が交流端子Ｕに接続される。また、半導体スイッチＱ２とＱ３の接続点と半導体スイッチＱ４とＱ５の接続点との間にはコンデンサＣ１が、半導体スイッチＱ１とＱ２の接続点と半導体スイッチＱ５とＱ６の接続点との間にはコンデンサＣ２が、各々接続される。
【０００３】
この様な回路構成における動作を以下に説明する。動作モードとしては８種類のモードがある。動作モード１は、半導体スイッチＱ１〜Ｑ３をオンさせ、半導体スイッチＱ４〜Ｑ６をオフとして、交流端子Ｕに直流電源Ｂの電圧Ｖｂを出力するモードである。動作モード２は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２及びＱ４をオンさせ、半導体スイッチＱ３、Ｑ５及びＱ６をオフとして、交流端子Ｕに直流電源Ｂの電圧ＶｂからコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ１）を出力するモードである。動作モード３は、半導体スイッチＱ１、Ｑ５及びＱ３をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４及びＱ６をオフとして、交流端子Ｕに直流電源Ｂの電圧ＶｂからコンデンサＣ２の電圧（Ｃ２を減算し、さらにコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を加算した電圧（Ｖｂ-ＶＣ２+ＶＣ１）を出力するモードである。動作モード４は、半導体スイッチＱ２、Ｑ３及びＱ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ４及びＱ５をオフとして、交流端子ＵにコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を出力するモードである。動作モード５は、半導体スイッチＱ１、Ｑ４及びＱ５をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ３及びＱ６をオフさせて、交流端子Ｕに直流電源Ｂの電圧ＶｂからコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ２）を出力するモードである。動作モード６は、半導体スイッチＱ２、Ｑ４及びＱ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３及びＱ５をオフさせて、交流端子ＵにコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２からコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を減算した電圧（ＶＣ２−ＶＣ１）を出力するモードである。動作モード７は、半導体スイッチＱ３、Ｑ５及びＱ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２及びＱ４をオフさせて、交流端子ＵにコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を出力するモードである。動作モード８は、半導体スイッチＱ４〜Ｑ６をオンさせ、半導体スイッチＱ１〜Ｑ３をオフさせて、交流端子Ｕに零電圧を出力するモードである。
【０００４】
ここで、直流電源Ｂの電圧Ｖｂ、コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２及びコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１の大きさを、各々３Ｅ、２Ｅ、１Ｅとすると、動作モード１〜８における交流端子Ｕの出力電圧は、各々３Ｅ、２Ｅ、２Ｅ、２Ｅ、１Ｅ、１Ｅ、１Ｅ、０となる。
この様に、各半導体スイッチＱ１〜Ｑ６のオンオフを調節することにより、交流端子Ｕには、３Ｅ、２Ｅ、１Ｅ、０の４個のレベルの電圧出力が可能となる。
【０００５】
さらに、電圧２Ｅを出力する動作モード２〜４において、出力電流が正の時を考えると、動作モード２ではコンデンサＣ１を充電し、動作モード３ではコンデンサＣ２を充電してコンデンサＣ１を放電し、動作モード４ではコンデンサＣ２を放電する。そのため、電圧２Ｅを出力する間、動作モード２〜４からモードを適宜選択することにより、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１及びコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を任意の大きさに制御することが可能となり、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を２Ｅに、各々保持することができる。
【０００６】
同様に電圧１Ｅを出力する動作モード５〜７において、動作モード５ではコンデンサＣ２を充電し、動作モード６ではコンデンサＣ２を放電かつコンデンサＣ１を充電し、動作モード７ではコンデンサＣ１を放電する。このため、動作モードを適宜選択することにより、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を１Ｅに、コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を２Ｅに、各々保持することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Sibylle Dieckerhoff, et al. : "Power Loss Oriented Evaluation of High Voltage IGBTs and Multilevel Converters in TransformerlessTraction Applications", IEEE Transactions on POWER ELECTRONICS, Vol.2, No.6, pp. 1328(2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１９に示す従来回路は、簡易な構成で４レベルの電圧が出力可能な４レベル電力変換回路であるが、コンデンサＣ２に必要となる耐圧が直流側入力電圧の２／３倍必要になる。例えば、直流電源Ｂの電圧が１２００Ｖの時を考えるとコンデンサＣ２の耐圧は８００Ｖとなる。一般的にＤＣ８００Ｖ耐圧のコンデンサには安価で小形、大容量な電解コンデンサの適用が難しくなり、高価で大型となるフィルムコンデンサ等の適用が必要となる。そのため、電力変換装置全体としても、高価で大形化するといった問題がある。
従って本発明の課題は、従来に比べ必要とするコンデンサの耐圧を半減することにより、安価で小形のコンデンサを適用可能とし、安価で小形の電力変換装置を実現できるマルチレベル電力変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路において、
直流電源と並列接続される半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、２個のコンデンサとこの２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路とを備え、第１アーム対の中点端子と第２アーム対の中点端子との間にコンデンサ直並列切替回路が接続され、アーム対直列回路内部の直列接続点を交流端子とする。
【００１０】
第２の発明においては、第１及び第２の直流電源を直列接続し、３つの端子を備え、零を含む互いに異なる３つの電圧レベルを持つ直流組電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路において、
直流組電源と並列接続される半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、第１アーム対の中点端子と第２アーム対の中点端子との間に接続される半導体スイッチを２個直列に接続した第３アーム対と、第３アーム対の中点端子と直流組電源の直列接続点との間に接続される交流スイッチと、第１アーム対の中点端子と第２アーム対の中点端子との間に接続される２個のコンデンサとこの２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数個の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路とを備え、アーム対直列回路内部の直列接続点を交流端子とする。
【００１１】
第３の発明においては、第１及び第２の直流電源を直列接続し、３つの端子を備え、ゼロを含む互いに異なる３つの電圧レベルを持つ直流組電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路において、
第１の直流電源と並列接続される半導体スイッチを２個直列接続した第３アーム対と、第２の直流電源と並列接続される半導体スイッチを２個直列接続した第４アーム対と、第３アーム対の中点端子と第４アーム対の中点端子との間に接続される半導体スイッチを２個直列に接続した第１及び第２アーム対を２組直列接続したアーム対直列回路と、第１アーム対の中点端子と第２アーム対の中点端子との間に接続される２個のコンデンサとこの２個のコンデンサを直列接続又は並列接続に任意に切替え可能な複数個の半導体スイッチとからなるコンデンサ直並列切替回路とを備え、アーム対直列回路内部の直列接続点を交流端子とする
第４の発明においては、第１〜第３の発明におけるコンデンサ直並列切替回路は、第１〜第３の半導体スイッチと第１及び第２のコンデンサとを備え、第１〜第３の半導体スイッチはこの順に直列接続され、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとの直列回路と並列に第１のコンデンサが、第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチとの直列回路と並列に第２のコンデンサが、各々接続され、第１及び第３の半導体スイッチをオンし第２の半導体スイッチをオフすると、第１及び第２のコンデンサは並列接続となり、第２の半導体スイッチをオンし第１及び第３の半導体スイッチをオフすると、第１及び第２コンデンサは直列接続となる機能を備える。
【００１２】
第５の発明においては、直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路において、直流電源と並列接続される第１〜第６の半導体スイッチをこの順に直列に接続した半導体スイッチ６直列回路と、第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチとの接続点と第４の半導体スイッチと第５の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第７〜第９の半導体スイッチをこの順に直列接続した半導体スイッチ３直列回路と、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとの接続点と第８の半導体スイッチと第９の半導体スイッチとの接続点との間に接続する第１のコンデンサと、第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチとの接続点と第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチとの接続点との間に接続する第２のコンデンサとを備え、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチの直列接続点を交流端子とする。
【００１３】
第６の発明においては、第５の発明における第２、第５、第７〜第９の半導体スイッチのオンオフ制御により第１のコンデンサと第２のコンデンサを任意に直列接続又は並列接続に切替える。
【００１４】
第７の発明においては、直流電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路において、直流電源と並列接続される第１〜第６の半導体スイッチをこの順に直列に接続した半導体スイッチ６直列回路と、第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチとの接続点と第４の半導体スイッチと第５の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第７〜第９の半導体スイッチをこの順に直列接続した半導体スイッチ３直列回路と、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとの接続点と第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第１０の半導体スイッチと第１１の半導体スイッチとの直列回路と、第４の半導体スイッチと第５の半導体スイッチとの接続点と第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第１２の半導体スイッチと第１３の半導体スイッチとの直列回路と、第１０の半導体スイッチと第１１の半導体スイッチとの接続点と第８の半導体スイッチと第９の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第１のコンデンサと、第１２の半導体スイッチと第１３の半導体スイッチとの接続点と第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチとの接続点との間に接続した第２のコンデンサとを備え、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチとの直列接続点を交流端子とする。
【００１５】
第８の発明においては、第１及び第２の直流電源を直列接続し、３つの端子を備え、零を含む互いに異なる３つの電圧レベルを持つ直流組電源から複数の電圧レベルを生成し、その複数の電圧レベルを選択して出力するマルチレベル電力変換回路おいて、第1の直流電源と並列接続される半導体スイッチを２個直列接続した第１アーム対と、第２の直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個直列接続した第２アーム対と、第１アーム対の中点端子と第２アーム対の中点端子との間に接続される第１〜第６の半導体スイッチをこの順に直列に接続した半導体スイッチ６直列回路と、第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチとの接続点と第４の半導体スイッチと第５の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第７〜第９の半導体スイッチをこの順に直列接続した半導体スイッチ３直列回路と、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとの接続点と第８の半導体スイッチと第９の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第１のコンデンサと、第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチとの接続点と第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチとの接続点との間に接続される第２のコンデンサとを備え、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチとの直列接続点を交流端子とする。
【００１６】
第９の発明においては、第１、第４及び第５の発明における直流電源の電圧レベルを３Eとした時、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの電圧の大きさを共に１Eに保持し、
直流電源、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの各電圧を用いて３E、２E、１E、０の４個のレベルの電圧を生成し、任意にその電圧レベルを選択して出力するマルチレベルの電力変換回路とする。
【００１７】
第１０の発明においては、第２、第３及び第７の発明における直流組電源の３つの端子の電圧レベルを、各々＋３E、０、−３Eとした時、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの電圧の大きさを共に１Eに保持し、直流組電源、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの各電圧を用いて＋３E、＋２E、＋１E、０、−１E、−２E、−３Eの７個のレベルの電圧を生成し、任意にその電圧レベルを選択して出力するマルチレベルの電力変換回路とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、マルチレベル電力変換回路に用いる１個のコンデンサの代わりに、２個のコンデンサと複数の半導体スイッチとを用いることで、コンデンサの接続状態を直列接続と並列接続とに切替可能とする。この結果、必要となるコンデンサの耐圧を従来の１／２にすることが可能で、特に高圧の装置においてはコンデンサの小形・低価格化が可能となり、また電力変換装置の製作が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図である。
【図２】第１の実施例回路の動作波形例である。
【図３】第１の実施例回路の各半導体スイッチの動作例を示す。
【図４】本発明の第２の実施例を示す回路図である。
【図５】第２の実施例回路の動作波形例である。
【図６】第２の実施例回路の各半導体スイッチの動作例を示す。
【図７】本発明の第３の実施例を示す回路図である。
【図８】第３の実施例回路の動作波形例である。
【図９】第３の実施例回路の各半導体スイッチの動作例を示す。
【図１０】本発明の第４の実施例を示す回路図である。
【図１１】第４の実施例回路の動作波形例である。
【図１２】第４の実施例回路の各半導体スイッチの動作例を示す。
【図１３】本発明の第５の実施例を示す回路図である。
【図１４】第５の実施例回路の動作波形例である。
【図１５】第５の実施例回路の各半導体スイッチの動作例を示す。
【図１６】本発明の第６の実施例を示す回路図である。
【図１７】第６の実施例回路の動作波形例である。
【図１８】第６の実施例回路の各半導体スイッチの動作例を示す。
【図１９】従来例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の要点は、１個又は２個の直流電源からマルチレベルの電圧を出力する電力変換回路において、複数の半導体スイッチとフライイングキャパシタと呼ばれる複数のコンデンサを用いる場合に、１個のコンデンサの代わりに２個のコンデンサと複数の半導体スイッチを用いて、２個のコンデンサを並列接続又は直列接続に切替えるようにしている点である。
【実施例１】
【００２１】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１はマルチレベル変換回路の１相分であり、直流電源Ｂが直流側入力として接続されている。このマルチレベル変換回路では、半導体スイッチＱ１、Ｑ２からなるアーム対ＱＡ１と半導体スイッチＱ３、Ｑ４からなるアーム対ＱＡ２との直列回路が直流電源Bの正極Ｐと負極Ｎの間に接続され、アーム対 ＱＡ１の中点端子とアーム対ＱＡ２の中点端子との間には、コンデンサ直並列切替回路Ｓ１が接続された回路構成であり、アーム対ＱＡ１とＱＡ２の接続点が交流端子Uに接続されている。コンデンサ直並列切替回路Ｓ１の回路構成はダイオードが逆並列接続された半導体スイッチＱＳ１〜ＱＳ３が直列に接続され、半導体スイッチＱＳ１とＱＳ２の直列接続回路と並列にコンデンサＣ１が、半導体スイッチＱＳ２とＱＳ３の直列接続回路と並列にコンデンサＣ２が、各々接続されている。
【００２２】
この回路構成における動作を、図２と図３に示す。図２が４レベル電圧の動作波形例で、図３がその各半導体スイッチのオンオフ動作図である。動作モードは6種類ある。動作モード１は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、ＱＳ１、ＱＳ３をオンさせ、Ｑ３、Ｑ４、ＱＳ２をオフさせるモードで、出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１、Ｑ２→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流電源Bの電圧Ｖｂが出力される。
【００２３】
動作モード２は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、QＳ１、ＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、QＳ２をオフさせるモードで、出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１、ＱＳ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路と、直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１コンデンサＣ１半導体スイッチＱＳ３、Ｑ３→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流出力点Ｕには直流電源電圧からコンデンサ１の電圧を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ１）が出力される。コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態になっているため、コンデンサ１の電圧ＶＣ１とコンデンサ２の電圧ＶＣ２は等しくなっている。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源の電圧Ｖｂが＋３Eの時、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を直流電源Bの電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００２４】
動作モード３は、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、QＳ２をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、QＳ１、QＳ３をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ４→コンデンサＣ２→半導体スイッチQＳ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２→交流端子Uの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧とコンデンサＣ２の電圧との和の電圧（ＶＣ１＋ＶＣ２）が出力される。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源Ｂの電圧Ｖｂを＋３Eとし、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流電源Ｂの電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流出力点Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００２５】
動作モード４は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、QＳ２をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、QＳ１、QＳ３をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１コンデンサＣ１→半導体スイッチＱＳ２→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには（Ｖｂ−ＶＣ１−ＶＣ２）の電圧が出力される。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源B の電圧Ｖｂを＋３Eとして、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流電源B の電圧Ｖｂの（１／３）に相当する1Eの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００２６】
動作モード５は、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、QＳ１、ＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、QＳ２をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ４→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱＳ１、Ｑ２→交流端子Ｕの経路と、直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ４、ＱＳ３コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が出力される。ここで、Ｃ１とＣ２は並列接続状態になっているため、ＶＣ１＝ＶＣ２となっている。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源B の電圧Ｖｂを＋３Eとし、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を直流電源B の電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００２７】
動作モード６は、半導体スイッチＱ３、Ｑ４、QＳ１、ＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、QＳ２をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ４、Ｑ３交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには（０）の電圧が出力される。
４レベル変換回路として直流電源B の電圧Ｖｂを＋３Eとし、前記動作モード１から６により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、＋１Ｅ、０の４レベルの電圧が出力可能となる。
ここで、４レベル電力変換回路として動作する時、動作モード２と動作モード３は同じ＋２Ｅの出力となっているが、動作モード２においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１及びＣ２は並列接続状態で共に充電され、動作モード３ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電される。交流端子Ｕが＋１Ｅの電圧を出力する時の動作モード４と動作モード５についても、交流出力電流ｉの向きが負の時は、動作モード４ではコンデンＣ１及びＣ２は直列接続状態で共に放電され、動作モード５ではコンデンサＣ１及びＣ２が並列接続状態でともに充電される。即ち、交流端子Ｕに+２Ｅの電圧を出力する時には動作モード２と動作モード３を、＋１Ｅの電圧を出力する時には動作モード４と動作モード５を、各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１とＣ２が同じ静電容量であれば、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を同じ値で同時に調整することが可能になり、共に＋１Ｅに制御することができる。また、動作モード１と動作モード６の時は、コンデンサＣ１、Ｃ２には電流は流れないため、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２に変化は生じない。
【実施例２】
【００２８】
図４に、本発明の第２の実施例を示す。図４はマルチレベル電力変換回路の１相分であり、直流単電源ｂ１とｂ２が直列に接続された構成の正極Ｐ、零極Ｍ及び負極Ｎの３つの端子を持つ直流組電源ＢＡ１が直流電源として接続されている。このマルチレベル変換回路では、半導体スイッチＱ１、Ｑ２からなるアーム対ＱＡ１と半導体スイッチＱ３、Ｑ４からなるアーム対ＱＡ２との直列回路が、直流組電源ＢＡ１の正極Ｐと負極Ｎの間に接続され、アーム対ＱＡ１の中点端子とアーム対ＱＡ２の中点端子との間には、コンデンサＣ１、Ｃ２と３個の半導体スイッチＱＳ１〜ＱＳ３からなるコンデンサ直並列切替回路Ｓ１と、半導体スイッチＱ５、Ｑ６からなるアーム対ＱＡ３が並列に接続される。アーム対ＱＡ３の中点端子と直流電源ＢＡ１の零極Ｍの間には逆耐圧特性を持つ半導体スイッチＱＲ１とＱＲ２を逆並列接続した交流スイッチＳＷ１が接続された回路構成であり、アーム対ＱＡ１とＱＡ２の接続点が交流端子Uに接続される。コンデンサ直並列切替回路Ｓ１の構成と機能は実施例１と同じであるので、説明は省略する。
【００２９】
この回路構成における動作を、図５と図６に示す。図５が７レベル電圧の動作波形例で、図６がその各半導体スイッチのオンオフ動作図である。動作モードは１２種類ある。
動作モード１は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ６、ＱＳ１、ＱＳ３及びＱＲ２をオンさせ、半導体スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、ＱＳ２及びＱＲ１をオフさせるモードである。交流端子Ｕには直流組電源ＢＡ１の正極端子の電圧Ｖｂ１が出力される。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１、Ｑ２→交流端子Uの経路で流れる。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当するｂ１の大きさに保持しておれば、交流端子Uの電位は＋３Eとなる。
【００３０】
動作モード２は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ６、ＱＳ１、ＱＳ３、及びＱＲ２をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ５、QＱ２及びＱＲ１をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱＳ３、Ｑ３→交流端子Ｕの経路と直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１、ＱＳ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕには直流単電源ｂ１の電圧からコンデンサＣ１の電圧を減算した電圧（Ｖｂ１−ＶＣ１）が出力される。ここで、コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態になっているため、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とＣ２の電圧ＶＣ２は等しくなっている。ここで７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２を各々＋３Eと−３Eとする直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサの電圧ＶＣ１、ＶＣ２を直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流出力点Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００３１】
動作モード３は、半導体スイッチＱ２、Ｑ６、QＳ２及び交流スイッチＳＷをオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、QＳ1及びＱＳ３をオフさせるモードである。出力電流は交流スイッチＳＷ→半導体スイッチＱ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチQＳ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２→交流端子Uの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧とＣ２の電圧との和の電圧（ＶＣ１＋ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源の電圧Ｖｂ１とＶｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流単電源の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００３２】
動作モード４は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ６、QＳ２及びＱＲ２をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ５、QＳ１、ＱＳ３及びＱＲ１をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱＳ２→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流単電源の電圧からコンデンサＣ１の電圧とコンデンサＣ２の電圧を減算した電圧（Ｖｂ１−ＶＣ１−ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベルの電力変換回路として動作する場合、直流単電源の電圧Ｖｂ１とＶｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００３３】
動作モード５は、交流スイッチＳＷ、半導体スイッチＱ２、Ｑ６、ＱＳ１及びＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５及びQＳ２をオフさせるモードである。出力電流は交流スイッチＳＷ→半導体スイッチＱ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱＳ１、Ｑ２→交流端子Ｕの経路と、交流スイッチＳＷ→半導体スイッチＱ６、ＱＳ３→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕにはコンデンサ電圧（ＶＣ１＝ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源の電圧Ｖｂ１とＶｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサ電圧（ＶＣ１＝ＶＣ２）を直流単電源の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しおいれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００３４】
動作モード６は、交流スイッチＳＷ１、半導体スイッチＱ３、Ｑ６、QＳ１及びＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ５及びＧＳ２をオフさせるモードで、出力電流は交流スイッチＳＷ１→半導体スイッチＱ６、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流組電源ＢＡ１の零極Mの０電位が出力される。
【００３５】
回路の対象性より、動作モード７〜１２についても同様な動作のため、その説明を省略するが、各々における交流端子Ｕの電位は、順に０、−１Ｅ、−１Ｅ、−２Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅとなる。
【００３６】
７レベル変換回路として直流単電源の電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が各々＋３E、−３Ｅの時、上記の動作モード１〜１２により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、＋１Ｅ、０、−１Ｅ、−２Ｅ、−３Eの７レベルの電圧が出力可能になる。
ここで、７レベル電力変換回路として動作する時、動作モード２と３は同じ＋２Ｅの出力となっているが、動作モード２においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１及びＣ２は並列接続状態で共に充電され、動作モード３ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電される。交流端子Ｕの電位が＋１Ｅの時の動作モード４と５についても、交流出力電流ｉにより動作モード４ではコンデンサＣ１及びＣ２は直列接続状態で共に充電され、動作モード５ではコンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態で共に放電される。即ち、交流端子Ｕに+２Ｅの電圧を出力する時には動作モード２又は３を、＋１Ｅの電圧を出力する時には動作モード４又は５を各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１とＣ２が同じ静電容量であれば、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を同じ値で同時に調整することが可能になり、共に＋１Ｅに保持することが可能になる。また、動作モード１と６の時はコンデンサＣ１、Ｃ２には電流は流れないため、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２に変化は生じない。回路の対象性から、動作モード７〜１２についても同じ関係が成り立つ。
【実施例３】
【００３７】
図７に、本発明の第３の実施例を示す。図７はマルチレベル電力変換回路の１相分であり、直流単電源ｂ１とｂ２が直列に接続された構成の正極、零極及び負極の３つの端子を持つ直流組電源ＢＡ１が直流側電源として接続されている。このマルチレベル変換回路では、半導体スイッチＱ５、Ｑ６からなるアーム対ＱＡ３が直流単電源ｂ１と、半導体スイッチQ７、Q８からなるアーム対ＱＡ４が直流単電源ｂ２と、各々並列に接続される。アーム対ＱＡ３の中点端子とアーム対ＱＡ４の中点端子との間には、アーム対ＱＡ１とＱＡ２の直列回路が接続され、さらにアーム対ＱＡ１の中点端子とアーム対ＱＡ２の中点端子との間には、コンデンサＣ１，Ｃ２と半導体スイッチＱＳ１〜ＱＳ３とからなるコンデンサ直並列切替回路Ｓ１が接続された回路構成であり、アーム対ＱＡ１とＱＡ２の接続点が交流端子Uに接続される。
【００３８】
この様な回路構成における動作モードは１２種類ある。以下図８と図９に基づいて動作モードを説明する。図８は７レベル電力変換時の波形例を、図９は各動作モードにおける半導体スイッチのオンオフ状態を、各々示す。
【００３９】
動作モード１は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ５、Ｑ７、ＱＳ１及びＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８及びＱＳ２をオフさせるモードである。交流端子Ｕには直流組電源ＢＡ１の正極端子の電圧が出力される。出力電流は半導体スイッチＱ５、Ｑ１、Ｑ２→交流端子Uの経路で流れる。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源の電圧Ｖｂ１とＶｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を共にＶｂ１の（１／３）に相当する電圧＋１Ｅに保持しておれば、交流端子Uの電位は＋３Eとなる。
【００４０】
動作モード２は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Q７、ＱＳ１及びＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ６、Q８及びQＳ２をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ５、Ｑ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱＳ３、Ｑ３→交流端子Ｕの経路と、直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ５、Ｑ１、ＱＳ１→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕには直流単電源ｂ１の電圧からコンデンサＣ１の電圧を減算した電圧（Ｖｂ１−ＶＣ１）が出力される。ここで、コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態になっているため、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は等しくなっている。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２が直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００４１】
動作モード３は、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ５、Q７及びＱＳ２をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ６、Q８、QＳ1及びＱＳ３をオフさせるモードである。出力電流は半導体スイッチＱ７、Ｑ４→コンデンサＣ２→半導体スイッチQＳ２→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２→交流端子Uの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧とコンデンサＣ２の電圧との和の電圧（ＶＣ１＋ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル電力変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが、各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流出力点Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００４２】
動作モード４は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５、Q７及びＱＳ２をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ６、Q８、ＱＳ１及びＱ３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ５、Ｑ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱＳ２→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流単電源ｂ１の電圧からコンデンサＣ１とＣ２の電圧を減算した電圧（Ｖｂ１−ＶＣ１−ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが、各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００４３】
動作モード５は、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ７、ＱＳ１及びＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ６、Q８及びQＳ２をオフさせるモードである。出力電流は半導体スイッチＱ７、Ｑ４→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱＳ１、Ｑ２→交流端子Ｕの経路と、半導体スイッチＱ７、Ｑ４、ＱＳ３→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕにはコンデンサの電圧（ＶＣ１＝ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル電力変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが、各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００４４】
動作モード６は、半導体スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Q７、QＳ１及びＱＳ３をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ６、Q８及びＧＳ２をオフさせるモードである。出力電流は半導体スイッチＱ７、Ｑ４、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流組電源ＢＡ１の零極Mの０電位が出力される。
【００４５】
回路の対象性より、動作モード７〜１２についても同様な動作のため、その説明を省略するが、各々における交流端子Ｕの電位は、順に０、−１Ｅ、−１Ｅ、−２Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅとなる。
【００４６】
７レベル変換回路として直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２が、各々＋３E、−３Ｅの時、上記動作モード１〜１２により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、ｂ１、０、−１Ｅ、−２Ｅ、−３Eの７レベルの電圧が出力可能になる。
【００４７】
ここで、７レベル変換回路として動作する時、動作モード２と３は同じ＋２Ｅの出力となっているが、動作モード２においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１及びＣ２は並列接続状態で共に充電され、動作モード３ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電される。交流端子Ｕに＋１Ｅの電位を出力時の動作モード４と５についても、交流出力電流ｉにより動作モード４ではコンデンサＣ１及びＣ２は直列接続状態で共に充電され、動作モード５ではコンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態で共に放電される。即ち、交流端子Ｕに+２Ｅの電圧を出力する時には動作モード２又は３を、＋１Ｅの電圧を出力する時には動作モード４又は５を、各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１とＣ２が同じ静電容量であれば、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を同じ値に同時に調整することが可能になり、共に＋１Ｅに保持することができる。また、動作モード１と６の時はコンデンサＣ１とＣ２には電流は流れないため、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２に変化は生じない。回路の対象性から、動作モード７〜１２についても同じ関係が成り立つ。
【実施例４】
【００４８】
図１０に、本発明の第４の実施例を示す。図１０はマルチレベル変換回路の１相分であり、直流電源Ｂが直流側入力として接続されている。このマルチレベル変換回路では、半導体スイッチＱ１〜Ｑ６の直列回路が直流電源Bの正極Ｐと負極Ｎの間に接続され、半導体スイッチＱ２とＱ３の接続点と半導体スイッチＱ４とＱ５の接続点との間に半導体スイッチＱ７〜Ｑ９の直列回路が、半導体スイッチＱ１とＱ２の接続点と半導体スイッチＱ８とＱ９の接続点との間にコンデンサＣ１が、半導体スイッチＱ７とＱ８の接続点と半導体スイッチＱ５とＱ６の接続点との間にコンデンサＣ２が、各々接続された回路構成であり、半導体スイッチＱ３とQ４の接続点が交流端子Uに接続される。
【００４９】
この回路構成における動作を、図１１と図１２に示す。図１１は４レベル電力変換時の交流端子電圧波形例で、図１２は動作モード毎の半導体スイッチのオンオフ動作を示す。動作モードとしては、６種類のモードがある。
【００５０】
動作モード１は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７およびＱ９をオンさせ、半導体スイッチＱ４、Ｑ６、Ｑ８をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流電源Bの正極端子の電圧Ｖｂが出力される。
【００５１】
動作モード２は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ５、Q７及びＱ９をオンさせ、Q３、Q６及びQ８をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ７→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５、Ｑ４→交流端子Ｕの経路と、直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ９、Ｑ４→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕには直流電源Ｂの電圧からコンデンサＣ１の電圧を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ１）が出力される。コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態であるので、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は等しくなる。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源Ｂの電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を直流電源Ｂの電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００５２】
動作モード３は、半導体スイッチＱ２、Q３、Q６、Ｑ８及びＱ９をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Q４、Q５及びQ７をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチQ８→コンデンサC１→半導体スイッチＱ２、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２との和の電圧（ＶＣ１＋ＶＣ２）が出力される。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源の電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流電源の電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００５３】
動作モード４は、半導体スイッチＱ１、Q４、Ｑ５、Ｑ７及びＱ８をオンさせ、半導体スイッチＱ２、Q３、Q６及びQ９をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ８→コンデンサＣ２→半導体スイッチQ５、Ｑ４→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには電源電圧からコンデンサＣ１の電圧とコンデンサＣ２の電圧を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ１−ＶＣ２）が出力される。
ここで、４レベル電力変換回路として動作する場合、電源電圧Ｂの電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流電源Ｂの電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００５４】
動作モード５は、半導体スイッチＱ２、Q３、Q５、Ｑ６、Ｑ７及びＱ９をオンさせ、半導体スイッＱ１、Q４及びＱ８をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ７、Ｑ３→交流端子Ｕの経路と、直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ６、Ｑ５、Ｑ９→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２、Ｑ３→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧（ＶＣ１）が出力される。ここで、コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態になっているため、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２とは等しくなっている。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、電源電圧の電圧Ｖｂの大きさが＋３Ｅの直流電源Bを用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流電源Ｂの電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００５５】
動作モード６は、半導体スイッチＱ２、Ｑ４、Q５、Ｑ６、Ｑ７及びＱ９をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Q３及びQ８をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチQ６、Q５、Ｑ４→交流端子Uの経路で流れ、交流出力点Ｕには零（０）の電圧が出力される。
【００５６】
４レベル変換回路として直流電源Ｂの電圧Ｖｂが＋３Eの時、上記動作モード１〜６により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、ｂ１、０の４レベルの電圧が出力可能になる。
ここで、４レベル変換回路として動作する時、動作モード２と３は同じ＋２Ｅの出力となっているが、動作モード２においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態で共に充電され、動作モード３ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電される。交流端子Ｕの電圧が＋１Ｅ出力時の動作モード４と５において、交流出力電流ｉの向きが負の時は、動作モード４ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電され、動作モード５ではコンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態で共に充電される。即ち、交流端子Ｕに+２Ｅの電圧を出力する動作モード２と３を、＋１Ｅの電圧を出力する時には動作モード４と５を、各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１とＣ２が同じ静電容量であれば、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を同じ値で同時に調整することが可能になり、共に＋１Ｅに制御することができる。また、動作モード１と６ではコンデンサＣ１、Ｃ２には電流が流れないためコンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２に変化は生じない。
【実施例５】
【００５７】
図１３に、本発明の第５の実施例を示す。図１０との相違点は、半導体スイッチＱ１０〜Ｑ１３が新たに追加となり、半導体スイッチＱ１０とＱ１１による直列回路が半導体スイッチＱ２と並列に接続され、半導体スイッチＱ１２とＱ１３による直列回路が半導体スイッチＱ５と並列に接続されている。これに従い、半導体スイッチＱ１とＱ２の接続点に接続されていたコンデンサＣ１の一端が半導体スイッチＱ１０とＱ１１の接続点への接続に変更となり、同様に半導体スイッチＱ５とＱ６の接続点に接続されていたコンデンサＣ２の一端がＱ１２とＱ１３の接続点への接続に変更となった点である。
【００５８】
この回路構成における動作を、図１４と図１５に示す。図１４は４レベル電力変換時の交流端子電圧波形例で、図１５は動作モード毎の半導体スイッチのオンオフ動作を示す。動作モードとしては、６個のモードがある。
【００５９】
動作モード１は、半導体スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ７及びＱ９〜Ｑ１２をオンさせ、半導体スイッチＱ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ８及びＱ１３をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流電源Bの正極端子の電圧Ｖｂが出力される。
【００６０】
動作モード２は、半導体スイッチＱ１、Q２、Ｑ４、Ｑ７及びQ９〜Ｑ１２をオンさせ、半導体スイッチQ３、Ｑ５、Q６、Ｑ８及びQ１３をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチQ1、Ｑ２、Ｑ７→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ１２、Ｑ４→交流端子Ｕの経路と直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ１、Ｑ１０→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ９、Ｑ４→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕには直流電源Ｂの電圧からコンデンサＣ１の電圧を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ１）が出力される。ここで、Ｃ１とＣ２は並列接続状態になっているため、ＶＣ１＝ＶＣ２となっている。
ここで、４レベル電力変換回路として動作する場合、直流電源の電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を直流電源の電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持していれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００６１】
動作モード３は、半導体スイッチQ２、Q３、Q６、Ｑ８〜Ｑ１１及びＱ１３をオンさせ、半導体スイッチQ１、Q４、Q５、Ｑ７及びQ１2をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ６、Ｑ１３→コンデンサＣ２→半導体スイッチQ８→コンデンサC１→半導体スイッチQ１１、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサC１の電圧とコンデンサC２の電圧の和の電圧（ＶＣ１＋ＶＣ２）が出力される。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源の電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流電源Ｂの電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持していれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００６２】
動作モード４は、半導体スイッチＱ１、Q４、Ｑ５、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ１０、Ｑ１２及びＱ１３をオンさせ、半導体スイッチQ２、Q３、Q６、Q９及びＱ１１をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチQ１、Ｑ１０→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ８→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ１２、Ｑ４→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流電源Ｂの電圧からコンデンサＣ１の電圧とＣ２の電圧を減算した電圧（Ｖｂ−ＶＣ１−ＶＣ２）が出力される。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源の電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流電源の電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００６３】
動作モード５は、半導体スイッチQ３、Q５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ９、Ｑ１１、Ｑ１２及びＱ１３をオンさせ、半導体スイッチQ１、Ｑ２、Q４及びＱ８をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→半導体スイッチQ６、Ｑ１３→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ７、Ｑ３→交流端子Ｕの経路と、直流電源Ｂ→半導体スイッチＱ６、Ｑ５、Ｑ９→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ１１、Ｑ３→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が出力される。コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態になっているため、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は等しくなっている。
ここで、４レベル変換回路として動作する場合、直流電源の電圧Ｖｂの大きさが＋３Eの直流電源Bを用い、コンデンサの電圧ＶＣ１とＶＣ２を直流電源の電圧Ｖｂの（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持していれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００６４】
動作モード６は、半導体スイッチＱ４〜Ｑ７、Q９、Q１１、Q１２及びＱ１３をオンさせ、半導体スイッチQ1、Ｑ２、Q３、Ｑ８及びQ１０をオフさせるモードである。出力電流は直流電源Ｂ→Q６、Q５、Ｑ４→Uの経路で流れ、交流端子Ｕには零（０）の電圧が出力される。
【００６５】
４レベル変換回路として直流電源の電圧Ｖｂが＋３Eの時、上記動作モード１〜６により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、ｂ１、０の４レベルの電圧が出力可能になる。
ここで、４レベル変換回路として動作する時、動作モード２と３は同じ＋２Ｅの出力となっているが、動作モード２においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１及びＣ２は並列接続状態で共に充電され、動作モード３ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電される。交流端子Ｕに＋１Ｅの電圧を出力する時には、動作モード４と５について、交流出力電流ｉの向きが負の時は、動作モード４ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電され、動作モード５ではコンデンサＣ１とＣ２が並列接続状態で共に充電される。即ち、交流端子Ｕに＋２Ｅの電圧を出力する時には動作モード２と３を、＋１Ｅの電圧を出力する時には動作モード４と５を、各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１とＣ２が同じ静電容量であれば、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を同じ値で同時に調整することが可能で、共に＋１Ｅに制御することができる。また、動作モード１と６の時はコンデンサＣ１とＣ２には電流は流れないためコンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２に変化は生じない。
【実施例６】
【００６６】
図１６に、本発明の第６の実施例を示す。図１６はマルチレベル変換回路の１相分であり、直流単電源ｂ１とｂ２が直列に接続された構成の正極Ｐ、零極Ｍおよび負極Ｎの３つの端子を持つ直流組電源ＢＡ１が直流側電源として接続されている。第４の実施例を示した図１０との相違点は、直流電源が直流単電源ｂ１とｂ２の直列接続構成となり、半導体スイッチＱ１０とＱ１１によるアーム対ＱＡ５と半導体スイッチＱ１２とＱ１３によるアーム対ＱＡ６が新たに追加となっている点である。その構成は、アーム対ＱＡ５が直流単電源ｂ１と並列に、アーム対ＱＡ６が直流単電源ｂ２に並列に、各々接続され、アーム対ＱＡ５の中点端子とＱＡ６の中点端子との間に図１０に示した第４の実施例と同じ回路が接続されている。
【００６７】
この回路構成における動作を、図１７と図１８に示す。図１７は７レベル電力変換時の交流端子電圧波形例で、図１８は動作モード毎の半導体スイッチのオンオフ動作を示す。動作モードとしては、１２種類のモードがある。
【００６８】
動作モード１は、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０及びＱ１２をオンさせ、Ｑ４〜Ｑ７、Q１１及びＱ１３をオフさせるモードである。交流端子Ｕには直流組電源ＢＡ１の正極端子Ｐの電圧Ｖｂ１が出力される。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１０、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れる。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を共に直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する電圧＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Uの電圧は＋３Eとなる。
【００６９】
動作モード２は、半導体スイッチQ1、Q２、Ｑ４、Q５、Ｑ７、Ｑ９、Ｑ１０及びＱ１２をオンさせ、半導体スイッチQ３、Q６、Q８、Q１１及びQ１３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１０、Q1→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ９、Ｑ４→交流端子Ｕの経路と、直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１０、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５、Ｑ４→交流端子Ｕの２つの経路で流れ、交流端子Ｕには直流単電源ｂ１の電圧からコンデンサＣ１の電圧を減算した電圧（Ｖｂ１−ＶＣ１）が出力される。ここで、コンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態になっているため、コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１とコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は等しくなっている。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持していれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００７０】
動作モード３は、半導体スイッチQ２、Q３、Ｑ６、Q８、Ｑ９、Ｑ１０及びＱ１２をオンさせ、半導体スイッチQ１、Q４、Q５、Q７、Q１１及びＱ１３をオフさせるモードである。出力電流は半導体スイッチＱ１２、Q６→コンデンサC２→半導体スイッチQ８→コンデンサC１→半導体スイッチQ２、Ｑ３→交流端子Uの経路で流れ、交流端子ＵにはコンデンサＣ１の電圧とコンデンサＣ２の電圧との和の電圧（ＶＣ１＋ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサC１の電圧ＶＣ１とコンデンサC２の電圧ＶＣ２を共に直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋２Ｅとなる。
【００７１】
動作モード４は、半導体スイッチＱ１、Q４、Q５、Q７、Ｑ８、Ｑ１０及びＱ１２をオンさせ、半導体スイッチQ２、Q３、Q６、Q９、Ｑ１１及びＱ１３をオフさせるモードである。出力電流は直流単電源ｂ１→半導体スイッチＱ１０、Ｑ１→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ８→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ５、Ｑ４→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流単電源ｂ１の電圧からコンデンサＣ１の電圧とコンデンサＣ２の電圧を減算した電圧（Ｖｂ１−ＶＣ１−ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を共に直流単電源のｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持しておれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００７２】
動作モード５は、半導体スイッチQ２、Q３、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ９、Ｑ１０及びＱ１２をオンさせ、半導体スイッチQ１、Q４、Q８、Q１１及びQ１３をオフさせるモードである。出力電流は半導体スイッチＱ１２、Ｑ６→コンデンサＣ２→半導体スイッチＱ７、Ｑ３→交流端子Ｕの経路と、半導体スイッチＱ１２、Ｑ６、Ｑ５、Ｑ９→コンデンサＣ１→半導体スイッチＱ２、Ｑ３→交流端子Ｕの経路との２つの経路で流れ、交流端子Ｕにはコンデンサ電圧（ＶＣ１＝ＶＣ２）が出力される。ここで、７レベル変換回路として動作する場合、直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１と直流単電源ｂ２の電圧Ｖｂ２の大きさが各々＋３Eと−３Eの直流組電源ＢＡ１を用い、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を直流単電源ｂ１の電圧Ｖｂ１の（１／３）に相当する＋１Ｅの大きさに保持していれば、交流端子Ｕの電位は＋１Ｅとなる。
【００７３】
動作モード６は、半導体スイッチQ２、Ｑ４〜Q７、Q９及びＱ１２をオンさせ、半導体スイッチＱ１、Q３、Q８、Q１０、Ｑ１１及びＱ１３をオフさせるモードである。出力電流は半導体スイッチＱ１２、Q６、Q５、Ｑ４→交流端子Uの経路で流れ、交流端子Ｕには直流組電源ＢＡ１の零極Mの０電位が出力される。
【００７４】
回路の対象性より動作モード７〜１２についても同様な動作のため、その説明を省略するが、各々における交流端子Ｕの電位は、順に０、−１Ｅ、−１Ｅ、−２Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅとなる。
【００７５】
７レベル変換回路として直流単電源の電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が各々＋３E、−３Ｅの時、上記動作モード１〜１２により交流端子Ｕには＋３Ｅ、＋２E、ｂ１、０、−１Ｅ、−２Ｅ、−３Eの７レベルの出力電圧が可能になる。
【００７６】
ここで、７レベル変換回路として動作する時、動作モード２と３は同じ＋２Ｅの出力となっているが、動作モード２においては交流端子Ｕからの交流出力電流ｉの向きが正の時を考えると、その交流出力電流ｉによりコンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態で共に充電され、動作モード３ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に放電される。交流端子Ｕの電圧が＋１Ｅ出力時の動作モード４と５についても、交流出力電流ｉにより動作モード４ではコンデンサＣ１とＣ２は直列接続状態で共に充電され、動作モード５ではコンデンサＣ１とＣ２は並列接続状態で共に放電される。即ち、交流端子Ｕに+２Ｅの電圧を出力する時には動作モード２又は３を、＋１Ｅの電圧を出力する時には動作モード４又は５を、各々適宜選択することにより、コンデンサＣ１とＣ２が同じ静電容量であれば、コンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２を同じ値で同時に調整することができ、共に＋１Ｅに保持することが可能になる。また、動作モード１と６の時はコンデンサＣ１とＣ２には電流は流れないためコンデンサ電圧ＶＣ１とＶＣ２に変化は生じない。回路の対象性から、動作モード７〜１２についても同じ関係が成り立つ。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、フライイングキャパシタ（コンデンサ）を用いたマルチレベル電力変換回路に使用するコンデンサを直並列切替回路を用いて低耐圧のコンデンサの組合せで使用可能とした回路の提案であり、系統連系用電力変換装置、高圧電動機駆動用電力変換装置などへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００７８】
Ｂ・・・直流電源          ｂ１、ｂ２・・・直流単電源
ＢＡ１・・・直流組電源            Ｃ１，Ｃ２・・・コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ1３、ＱＳ１〜ＱＳ３・・・半導体スイッチ
ＱＡ１〜ＢＡ４・・・アーム対
ＱＲ１、ＱＲ２・・・逆阻止IGBT（半導体スイッチ）
ＳＷ１・・・：交流スイッチ          Ｓ１・・・コンデンサ直並列切替回路
【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６】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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