(57)【要約】【課題】マルチレベル電力変換器において、 スイッチングデバイス数とキャパシタ数を低減させる。【解決手段】直流端子Ｐ，Ｎ間に接続された直流コンデンサＣ１，Ｃ２と、直流端子Ｐ，Ｎ間に直列接続されたスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ４と、一端がスイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点に接続されたスイッチングデバイスＳ５と、一端がスイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点に接続されたスイッチングデバイスＳ６と、スイッチングデバイスＳ５の他端とスイッチングデバイスＳ６の他端との間に接続されたフライングキャパシタＣ３と、スイッチングデバイスＳ５の他端とスイッチングデバイスＳ６の他端とに直流側が接続されたフルブリッジ回路１と、フルブリッジ回路１の交流側に１次巻線と２次巻線の一端が接続され、１次巻線と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする高周波トランスＨＦＴと、を各相に設ける。【選択図】図２
2016208744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極側の直流端子と負極側の直流端子間に直列接続された各相共通の２つの直流コンデンサと、
前記２つの直流コンデンサに対して並列、かつ、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に順次直列接続された各相の第１〜第４スイッチングデバイスと、
一端が第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第５スイッチングデバイスと、
一端が第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第６スイッチングデバイスと、
第５スイッチングデバイスの他端と第６スイッチングデバイスの他端との間に接続された各相のフライングキャパシタと、
第５スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、第６スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、に直流側が接続された各相のフルブリッジ回路と、
フルブリッジ回路の交流側に１次巻線と２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、
を備え、
前記第１〜第６スイッチングデバイスと前記フライングキャパシタと前記フルブリッジ回路と前記高周波トランスの相数は１以上であり、第２、第３スイッチングデバイスの共通接続点を２つの直流コンデンサの共通接続点に接続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】
正極側の直流端子と負極側の直流端子間に接続された各相共通の直流コンデンサと、
一端が正極側の直流端子に接続された各相の第５スイッチングデバイスと、
一端が負極側の直流端子に接続された各相の第６スイッチングデバイスと、
第５スイッチングデバイスの他端と第６スイッチングデバイスの他端との間には接続された各相のフライングキャパシタと、
第５スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、第６スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、に直流側が接続された各相のフルブリッジ回路と、
フルブリッジ回路の交流側に１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、
を備え、前記第５、第６スイッチングデバイスと前記フライングキャパシタと前記フルブリッジ回路と前記高周波トランスの相数は１以上であることを特徴とするマルチレベル電力変換器。
【請求項３】
正極側の直流端子と負極側の直流端子間に直列接続された各相共通の２つの直流コンデンサと、
前記２つの直流コンデンサに対して並列、かつ、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に順次直列接続された各相の第１〜第４スイッチングデバイスと、
第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と、に直流側が接続された各相のフルブリッジ回路と、
フルブリッジ回路の交流側に１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、
を備え、
前記第１〜第４スイッチングデバイスと前記フルブリッジ回路と前記高周波トランスの相数は１以上であり、第２、第３スイッチングデバイスの共通接続点を２つの直流コンデンサの共通接続点に接続したことを特徴とするマルチレベル電力変換器。
【請求項４】
正極側の直流端子と負極側の直流端子間に直列接続された各相共通の２つの直流コンデンサと、
前記２つの直流コンデンサに対して並列、かつ、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に順次直列接続された各相の第１〜第４スイッチングデバイスと、
第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された各相の第１１，第１２スイッチングデバイスと、
一端が第２，第１１スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第５スイッチングデバイスと、
一端が第３，第１２スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第６スイッチングデバイスと、
第５スイッチングデバイスの他端と第６スイッチングデバイスの他端との間には接続された各相のフライングキャパシタと、
第５スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、第６スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、の間に順次直列接続された各相の第７，第８スイッチングデバイスと、
第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点に１次巻線の一端が接続され、第１１，第１２スイッチングデバイスの共通接続点に２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端との共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、
を備え、
前記第１〜第８，第１１，第１２スイッチングデバイスと前記フライングキャパシタと前記高周波トランスの相数は１以上であり、第２、第３スイッチングデバイスの共通接続点を２つの直流コンデンサの共通接続点に接続したことを特徴とするマルチレベル電力変換器。
【請求項５】
前記各スイッチングデバイス、前記フライングキャパシタ、前記高周波トランスを三相に渡って設け、３相の電圧を出力することを特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項に記載のマルチレベル電力変換器。
【請求項６】
前記各スイッチングデバイスの一部または全てを、直列数および並列数のうち少なくとも一方を複数としたことを特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項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、マルチレベル電力変換器に係り、特に、出力電圧レベル数を増加させるために高周波変圧器を設けたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１，２には、図７に示すような５レベル電力変換器（ＡＮＰＣ−５Ｌ）が提案されている。この５レベル電力変換器は異なる５つのレベルの電圧を出力できるため、従来の２レベル電力変換器、３レベル電力変換器と比較して出力性能を向上させることができる。この５レベル電力変換器は、１相あたり１２個のスイッチングデバイスと１個のフライングキャパシタ、３相で３６個のスイッチングデバイスと３個のフライングキャパシタのみを必要とする。
【０００３】
図７の構成において、直流コンデンサＣｄｐ，Ｃｄｎの印加電圧をＵとし、フライングキャパシタＣの電圧をＵ／２に制御する。この条件においてスイッチングデバイスＳ２１〜Ｓ２８をオンオフ制御することにより、中性点ＮＰを基準として、＋Ｕ，＋Ｕ／２，０，−Ｕ／２，−Ｕの、５レベルの電圧を出力することができる。
【０００４】
なお、図７には示されていないが、各スイッチングデバイスのオンオフ制御を行うゲート駆動回路が各スイッチングデバイス各々に接続されている。
【０００５】
図８は図７を拡張したものである。出力電圧レベルは、点線内に示すフライングキャパシタＣとスイッチングデバイスからなる構成をカスケード接続することによって容易に増加させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−５５０８３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｐ．Ｂａｒｂｏｓａ，Ｐ．Ｓｔｅｉｍｅｒ，Ｊ．Ｓｔｅｒｎｋｅ，Ｍ．Ｗｉｎｋｅｌｎｋｅｍｐｅｒ，ａｎｄ  Ｎ．Ｃｅｌａｎｏｖｉｃ，‘‘Ａｃｔｉｖｅ  ｎｅｕｔｒａｌ−ｐｏｉｎｔ−ｃｌａｍｐｅｄ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，’’ｉｎ  Ｐｒｏｃ．ＥＰＥ，Ｓｅｐ．１１−１４，２００５，ｐ．１０．
【非特許文献２】Ｂａｒｂｏｓａ  Ｐｅｔｅｒ，Ｓｔｅｉｎｋｅ  Ｊｕｒｇｅｎ，Ｓｔｅｉｍｅｒ  Ｐｅｔｅｒ，Ｍｅｙｓｅｎｄ  Ｌｕｃ，Ｍｅｙｎａｒｄ  Ｔｈｉｅｒｒｙ，ＡＢＢ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＬＴＤ，ＵＳ２００６０５７５８５２，２００６０４１４，ＪＰ４３６９４２５，２００９１１１８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１，２で提案された構造は、カスケード接続を行うことにより、変換レベルを拡張することができる。しかし、出力電圧のレベルが９、または、それ以上の場合、スイッチングデバイスおよびフライングキャパシタを多数必要とする。
【０００９】
このスイッチングデバイス数の増加はゲート駆動回路数の増加につながる。また、スイッチングデバイス数とフライングキャパシタ数の増加は、マルチレベル電力変換器の大型化、高コスト化につながる。
【００１０】
以上示したようなことから、マルチレベル電力変換器において、 スイッチングデバイス数とフライングキャパシタ数を低減させることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に直列接続された各相共通の２つの直流コンデンサと、前記２つの直流コンデンサに対して並列、かつ、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に順次直列接続された各相の第１〜第４スイッチングデバイスと、一端が第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第５スイッチングデバイスと、一端が第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第６スイッチングデバイスと、第５スイッチングデバイスの他端と第６スイッチングデバイスの他端との間に接続された各相のフライングキャパシタと、第５スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、第６スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、に直流側が接続された各相のフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路の交流側に１次巻線と２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、を備え、前記第１〜第６スイッチングデバイスと前記フライングキャパシタと前記フルブリッジ回路と前記高周波トランスの相数は１以上であり、第２、第３スイッチングデバイスの共通接続点を２つの直流コンデンサの共通接続点に接続したことを特徴とする。
【００１２】
また、他の態様として、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に接続された各相共通の直流コンデンサと、一端が正極側の直流端子に接続された各相の第５スイッチングデバイスと、一端が負極側の直流端子に接続された各相の第６スイッチングデバイスと、第５スイッチングデバイスの他端と第６スイッチングデバイスの他端との間には接続された各相のフライングキャパシタと、第５スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、第６スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、に直流側が接続された各相のフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路の交流側に１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、を備え、前記第５、第６スイッチングデバイスと前記フライングキャパシタと前記フルブリッジ回路と前記高周波トランスの相数は１以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、他の態様として、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に直列接続された各相共通の２つの直流コンデンサと、前記２つの直流コンデンサに対して並列、かつ、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に順次直列接続された各相の第１〜第４スイッチングデバイスと、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点と、に直流側が接続された各相のフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路の交流側に１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、を備え、前記第１〜第４スイッチングデバイスと前記フルブリッジ回路と前記高周波トランスの相数は１以上であり、第２、第３スイッチングデバイスの共通接続点を２つの直流コンデンサの共通接続点に接続したことを特徴とする。
【００１４】
また、他の態様として、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に直列接続された各相共通の２つの直流コンデンサと、前記２つの直流コンデンサに対して並列、かつ、正極側の直流端子と負極側の直流端子間に順次直列接続された各相の第１〜第４スイッチングデバイスと、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と、第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された各相の第１１，第１２スイッチングデバイスと、一端が第２，第１１スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第５スイッチングデバイスと、一端が第３，第１２スイッチングデバイスの共通接続点に接続された各相の第６スイッチングデバイスと、第５スイッチングデバイスの他端と第６スイッチングデバイスの他端との間には接続された各相のフライングキャパシタと、第５スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、第６スイッチングデバイスとフライングキャパシタの共通接続点と、の間に順次直列接続された各相の第７，第８スイッチングデバイスと、第７，第８スイッチングデバイスの共通接続点に１次巻線の一端が接続され、第１１，第１２スイッチングデバイスの共通接続点に２次巻線の一端が接続され、１次巻線の他端と２次巻線の他端との共通接続点を出力端子とする各相の高周波トランスと、を備え、前記第１〜第８，第１１，第１２スイッチングデバイスと前記フライングキャパシタと前記高周波トランスの相数は１以上であり、第２、第３スイッチングデバイスの共通接続点を２つの直流コンデンサの共通接続点に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マルチレベル電力変換器において、 スイッチングデバイス数とフライングキャパシタ数を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】フルブリッジ回路と高周波トランスを示す回路図。
【図２】実施形態１における９レベル電力変換器を示す図。
【図３】実施形態１における９レベル電力変換器の出力電圧を示すタイムチャート。
【図４】実施形態２における５レベル電力変換器を示す図。
【図５】実施形態３における５レベル電力変換器を示す図。
【図６】実施形態４における９レベル電力変換器を示す図。
【図７】従来の５レベル電力変換器の一例を示す図。
【図８】図７を拡張した図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本願発明においては、図１に示すように、フルブリッジ回路１と高周波トランスＨＦＴとを組み合わせた２レベルの電圧を出力する回路が採用される。図１に示すように、高周波トランスＨＦＴにおける一次巻線の一方の接続端子（●有側）はフルブリッジ回路１の一方の交流出力端子Ａに接続され、高周波トランスＨＦＴにおける二次巻線の一方の接続端子（●無側）はフルブリッジ回路１の他方の交流出力端子Ｂに接続されている。高周波トランスＨＦＴにおける一次巻線の他方の接続端子（●無側）と二次巻線の他方の接続端子（●有側）との共通接続点がマルチレベル電力変換器の出力端子Ｏとなる。
【００１８】
高周波トランスＨＦＴは数百Ｈｚから数ｋＨｚで使用することができる。したがって、従来の５０Ｈｚや６０Ｈｚで使用するＡＣ変圧器と比べて、小型化およびコストの削減を図ることができる。
【００１９】
図１の電力変換器および他の２レベルまたはマルチレベルの電力変換器を組み合わせることにより、簡単な構造で、容易に出力電圧レベルを２倍にすることができる。
【００２０】
高周波トランスＨＦＴの変圧比は１：１である。よって、以下の（１）式，（２）式となる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
ここで、ＶAOはＯ点を基準点としたＡ点とＯ点との電位差、ＶOBはＢ点を基準点としたＯ点とＢ点との電位差、ＶABはＢ点を基準点としたＡ点とＢ点との電位差、ｉAO，ｉBOはそれぞれ図１に示すような経路を流れる１次巻線、２次巻線の電流を示し、ＩOは出力電流を示す。
【００２３】
高周波トランスＨＦＴの １次巻線（ＶAO側の巻線）の巻数と２次巻線（ＶBO側の巻線）の巻数を等しくすることによって、（１）式が成り立つ。また、（１）式が成り立つことによって、１次巻線の電流ｉAOと２次巻線の電流ｉBOが等しくなり、（２）式が成り立つ。
【００２４】
マルチレベル電力変換器に高周波トランスＨＦＴを適用した場合、以下の２つの利点がある。
１．高周波トランスＨＦＴといくつかの構成要素だけで容易に電圧レベル数を倍にすることができる。
２．（２）式のように、電流分担制御なしで負荷電流を等分割することができる。
【００２５】
なお、高周波トランスＨＦＴを用いる電力変換器の従末枝術として、特許文献１が開示されており、特許文献１の相間リアクトルＬが、本願発明の高周波トランスＨＦＴに相当する。
【００２６】
９レベルおよび５レベルの電力変換器をそれぞれ２つずつ例にとって説明する。
【００２７】
［実施形態１］
図２は、本実施形態１におけるマルチレベル電力変換器を示す回路図である。２つの直流コンデンサＣ１，Ｃ２は、正極側の直流端子Ｐ，負極側の直流端子Ｎ間に直列接続されている。直流コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点がマルチレベル電力変換器の中性点ＮＰとなる。
【００２８】
前記直流コンデンサＣ１，Ｃ２に対して並列に、かつ、正極側の直流端子Ｐ，負極側の直流端子Ｎ間にスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ４が直列接続され、スイッチングデバイスＳ２，Ｓ３の共通接続点が中性点ＮＰに接続される。スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点にはスイッチングデバイスＳ５の一端が接続され、スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点にはスイッチングデバイスＳ６の一端が接続される。スイッチングデバイスＳ５の他端とスイッチングデバイスＳ６の他端との間にはフライングキャパシタＣ３が接続される。
【００２９】
また、スイッチングデバイスＳ５とフライングキャパシタＣ３との共通接続点とスイッチングデバイスＳ６とフライングキャパシタＣ３の共通接続点は、スイッチングデバイスＳ７〜Ｓ１０から成るフルブリッジ回路１の直流側が接続される。フルブリッジ回路１の交流側には、高周波トランスＨＦＴの１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続される。高周波トランスＨＦＴの１次巻線の他端と２次巻線の他端の共通接続点が出力端子Ｏとなる。
【００３０】
フライングキャパシタＣ３の電圧を直流コンデンサＣ１，Ｃ２の半分に制御することにより、１相あたり９つの異なる電圧レベルを出力することができる。本実施形態１では、直流コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧を２Ｅ、フライングキャパシタＣ３の電圧をＥとしている。中性点ＮＰを基準とすると、出力電圧ＶOのレベルは、２Ｅ，３Ｅ／２，Ｅ，Ｅ／２，０，−Ｅ／２，−Ｅ，−３Ｅ／２，−２Ｅとなる。図２に示すマルチレベル電力変換器は、１０個のスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１０と、２つの直流コンデンサＣ１，Ｃ２と、１つのフライングキャパシタＣ３と、１個の高周波トランスＨＦＴとで、構成することができる。
【００３１】
（動作原理）
表１はスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１０のスイッチングパターンと、中性点ＮＰを基準とした出力端子Ｏの出力電圧ＶO、フライングキャパシタＣ３の充放電状態の電流ｉC，ＶABの電圧レベルを示している。表１の「１」がスイッチングデバイスのＯＮ状態、「０」がスイッチングデバイスのＯＦＦ状態を示している。なお、表１のｉｃの極性は図２に示されている向きを正とする。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
図２に示すマルチレベル電力変換器は、１６のスイッチングモードで９レベルの電圧を出力することができる。正極側の直流端子Ｐ，負極側の直流端子Ｎまたは中性点ＮＰから出力端子Ｏに電流が流れると仮定し、中性点ＮＰを基準として出力電圧ＶOを印加すると、フライングキャパシタＣ３を充電，放電することができる。各Ｍｏｄｅにおける中性点ＮＰを基準とした出力端子Ｏの出力電圧ＶO、フライングキャパシタＣ３の充放電電流の状態は、次のようになる。
【００３４】
（Ｍｏｄｅ１）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＰ→Ｓ１→Ｓ５→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｐ→Ｓ１→Ｓ５→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは２Ｅとなる。
【００３５】
（Ｍｏｄｅ２）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＰ→Ｓ１→Ｓ５→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｐ→Ｓ１→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ１０→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは３Ｅ／２となり、フライングキャパシタＣ３にはｉO／２の充電電流が流れる。
【００３６】
（Ｍｏｄｅ３）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＰ→Ｓ１→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｐ→Ｓ１→Ｓ５→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは３Ｅ／２となり、フライングキャパシタＣ３にはｉO／２の充電電流が流れる。
【００３７】
（Ｍｏｄｅ４）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＰ→Ｓ１→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｐ→Ｓ１→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ１０→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOはＥとなり、フライングキャパシタＣ３にはＩOの充電電流が流れる。
【００３８】
（Ｍｏｄｅ５）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOはＥとなり、フライングキャパシタＣ３にはＩOの放電電流が流れる。
【００３９】
（Ｍｏｄｅ６）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOはＥ／２となり、フライングキャパシタＣ３にはＩO／２の放電電流が流れる。
【００４０】
（Ｍｏｄｅ７）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｓ１０→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOはＥ／２となり、フライングキャパシタＣ３にはＩO／２の放電電流が流れる。
【００４１】
（Ｍｏｄｅ８）
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ３→Ｓ６→Ｓ１０→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは０となる。
【００４２】
（Ｍｏｄｅ９）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは０となる。
【００４３】
（Ｍｏｄｅ１０）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ１０→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−Ｅ／２となり、フライングキャパシタＣ３にＩO／２の充電電流が流れる。
【００４４】
（Ｍｏｄｅ１１）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−Ｅ／２となり、フライングキャパシタＣ３にＩO／２の充電電流が流れる。
【００４５】
（Ｍｏｄｅ１２）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ８→出力端子Ｏ、および、ＮＰ→Ｓ２→Ｓ５→Ｃ３→Ｓ１０→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−Ｅとなり、フライングキャパシタＣ３にＩOの充電電流が流れる。
【００４６】
（Ｍｏｄｅ１３）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮ→Ｓ４→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ７→出力端子Ｏ、および、Ｎ→Ｓ４→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ９→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−Ｅとなり、フライングキャパシタＣ３にＩOの放電電流が流れる。
【００４７】
（Ｍｏｄｅ１４）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮ→Ｓ４→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ７→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｎ→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ１０→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−３Ｅ／２となり、フライングキャパシタＣ３にＩO／２の放電電流が流れる。
【００４８】
（Ｍｏｄｅ１５）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ９がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮ→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｎ→Ｓ４→Ｓ６→Ｃ３→Ｓ９→ＨＦＴ→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−３Ｅ／２となり、フライングキャパシタＣ３にＩO／２の放電電流が流れる。
【００４９】
（Ｍｏｄｅ１６）
スイッチングデバイスＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ１０がＯＮとなり、出力電流ＩOはＮ→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ８→ＨＦＴ→出力端子Ｏ、および、Ｎ→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ１０→出力端子Ｏの経路で流れる。中性点ＮＰを基準とした出力電圧ＶOは−２Ｅとなる。
【００５０】
表１に示す 各モードの代表として、Ｍｏｄｅ１とＭｏｄｅ２の出力電圧ＶOについて説明する。
【００５１】
Ｍｏｄｅ１では、スイッチングデバイスＳ１，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９がＯＮ状態であるため、中性点ＮＰを基準とするＡ点の電圧は、直流コンデンサＣ１の印加電圧である２Ｅとなる。また、同様に、中性点ＮＰを基準とするＢ点の電圧は直流コンデンサＣ１の印加電圧である２Ｅとなる。よって、ＶABが０となるため、（１）式よりＶAOも０となる。よって、出力電圧ＶOは、Ａ点の電圧（２Ｅ）からＶAO（０）を減算した値、すなわち、２Ｅ−０＝２Ｅとなる。
【００５２】
Ｍｏｄｅ２では、中性点ＮＰを基準とするＡ点の電圧は、直流コンデンサＣ１の印加電圧である２Ｅとなる。中性点ＮＰを基準とするＢ点の電圧は、直流コンデンサＣ１印加電圧である２ＥからフライングキャパシタＣ３の印加電圧であるＥを減算した値、すなわち２Ｅ−Ｅ＝Ｅとなる。このとき、ＶAB＝２Ｅ−Ｅ＝Ｅとなる。 さらに、（１）式によりＶAO＝ＶOB＝１／２ＶAB＝Ｅ／２となるため、出力電圧ＶO（Ｏ点の電圧）はＡ点の電圧（２Ｅ）からＶAO（Ｅ／２）を減算した値、すなわち、２Ｅ−Ｅ／２＝３Ｅ／２となる。
【００５３】
他のモードも同様に、表１に示す出力電圧ＶOとなる。ＶOの電圧レベルは、２Ｅ，３Ｅ／２，Ｅ，Ｅ／２，０，−Ｅ／２，−Ｅ，−３Ｅ／２，−２Ｅの９レベルとなる。また、表１において、ｉｃ＝ｉO／２およびｉｃ＝ｉOであるモードでは、フライングキャパシタＣ３を充電する。ｉｃ＝−ｉO／２およびｉｃ＝−ｉOであるモードでは、フライングキャパシタＣ３を放電する。
【００５４】
フライングキャパシタＣ３を充電するモードと放電するモードの２種類があるため、フライングキャパシタＣ３の印加電圧をＥに制御することが可能である。 
【００５５】
また、本実施形態１のマルチレベル電力変換器は、図３に示すように、９レベルの電圧波形を出力することができる。
【００５６】
［実施形態２］
図４は、本実施形態２におけるマルチレベル電力変換器を示す回路図である。正極側の直流端子Ｐ，負極側の直流端子Ｎ間に直流コンデンサＣ１が接続される。正極側の直流端子ＰにスイッチングデバイスＳ５の一端が接続され、負極側の直流端子ＮにスイッチングデバイスＳ６の一端が接続される。スイッチングデバイスＳ５の他端とスイッチングデバイスＳ６の他端との間にはフライングキャパシタＣ３が接続される。また、スイッチングデバイスＳ５とフライングキャパシタＣ３の共通接続点とスイッチングデバイスＳ６とフライングキャパシタＣ３の共通接続点には、スイッチングデバイスＳ７〜Ｓ１０から成るフルブリッジ回路１の直流側が接続される。フルブリッジ回路１の交流側には、高周波トランスＨＦＴの１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続される。また、高周波トランスＨＦＴの１次巻線の他端と２次巻線の他端との共通接続点が出力端子Ｏとなる。
【００５７】
フライングキャパシタＣ３の電圧を直流コンデンサＣ１の電圧の半分に設定することにより、１相あたり、５レベルの出力電圧を実現することができる。本実施形態２では直流コンデンサＣ１の電圧を４Ｅ、フライングキャパシタＣ３の電圧を２Ｅとしている。このマルチレベル電力変換器は直流端子Ｎを基準として、４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ、０の電圧を出力できる。
【００５８】
（動作原理）
表２は、スイッチングデバイスＳ５〜Ｓ１０のスイッチングパターンと、直流端子Ｎを基準とした出力端子Ｏの出力電圧ＶO、フライングキャパシタＣ３の充放電状態時の電流ｉC，ＶABの電圧を示している。なお、表２のｉｃの極性は、図４に示されている向きを正とする。
【００５９】
【表２】
2016208744.tif 000005
【００６０】
表２ の各モードでは、実施形態１と同様にＡ点またはＢ点の電圧に高周波トランスＨＦＴの電圧であるＶAOまたはＶOBが加減算されて、表２に示す出力電圧ＶOとなる。また、表２において、Ｉｃ＝ｉO／２およびｉｃ＝ｉOであるモードでは、フライングキャパシタＣ３を充電する。ｉｃ＝−ｉO／２およびｉｃ＝−ｉOであるモードでは、フライングキャパシタＣ３を放電する。フライングキャパシタＣ３を充電するモードと放電するモードの２種類があるため、フライングキャパシタＣ３の印加電圧を２Ｅに制御することが可能である。
【００６１】
［実施形態３］ 
図５は、本実施形態３のマルチレベル電力変換器を示す回路図である。正極側の直流端子Ｐ，負極側の直流端子Ｎ間に、直流コンデンサＣ１，Ｃ２が直列接続され、直流コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点が中性点ＮＰとなる。また、直流コンデンサＣ１，Ｃ２に対して並列、かつ、正極側の直流端子Ｐ，負極側の直流端子Ｎ間には、スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が順次直列接続される。スイッチングデバイスＳ２，Ｓ３の共通接続点は中性点ＮＰに接続される。
【００６２】
フルブリッジ回路１の直流側は、スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点とスイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点とに接続される。フルブリッジ回路１の交流側は高周波トランスＨＦＴの１次巻線の一端と２次巻線の一端が接続される。高周波トランスＨＦＴの１次巻線の他端と２次巻線の他端との共通接続点が出力端子Ｏとなる。
【００６３】
本実施形態３では、直流コンデンサＣ１，Ｃ２を２Ｅとする。本実施形態３のマルチレベル電力変換器は、１相あたり、中性点ＮＰを基準として２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルの電圧を出力することができる。
【００６４】
（動作原理）
表３は、スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ４，Ｓ７〜Ｓ１０のスイッチングパターンと、中性点ＮＰを基準とした出力端子Ｏの出力電圧ＶOと、ＶABの電圧レベルを示している。
【００６５】
【表３】
2016208744.tif 000006
【００６６】
各モードでは、実施形態２と同様に、Ａ点またはＢ点の電圧に高周波トランスＨＦＴの電圧であるＶAOまたはＶOBが加減算されて表３に示す出力電圧ＶOとなる。
【００６７】
［実施形態４］
図６は、本実施形態４におけるマルチレベル電力変換器を示す回路図である。本実施形態４は実施形態１の他例を示している。
【００６８】
２つの直流コンデンサＣ１，Ｃ２は、正極側の直流端子Ｐと負極側の直流端子Ｎ間に直列接続されている。直流コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点がマルチレベル電力変換器の中性点ＮＰとなる。
【００６９】
前記２つの直流コンデンサＣ１，Ｃ２に対して並列、かつ、正極側の直流端子Ｐと負極側の直流端子Ｎ間にスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ４が順次直列接続される。スイッチングデバイスＳ２，Ｓ３の共通接続点を中性点ＮＰに接続する。
【００７０】
スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点と、スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点との間にスイッチングデバイスＳ１１，Ｓ１２が順次直列接続される。スイッチングデバイスＳ２，Ｓ１１の共通接続点にスイッチングデバイスＳ５の一端が接続され、スイッチングデバイスＳ３，Ｓ１２の共通接続点にスイッチングデバイスＳ６の一端が接続される。
【００７１】
スイッチングデバイスＳ５の他端とスイッチングデバイスＳ６の他端との間にはフライングキャパシタＣ３が接続される。
【００７２】
スイッチングデバイスＳ５とフライングキャパシタＣ３の共通接続点と、スイッチングデバイスＳ６とフライングキャパシタＣ３の共通接続点と、の間にスイッチングデバイスＳ７，Ｓ８が順次直列接続される。スイッチングデバイスＳ７，Ｓ８の共通接続点に高周波トランスＨＦＴの１次巻線の一端が接続され、スイッチングデバイスＳ１１，Ｓ１２の共通接続点に高周波トランスＨＦＴの２次巻線の一端が接続され、高周波トランスＨＦＴの１次巻線の他端と２次巻線の他端との共通接続点を出力端子Ｏとする。本実施形態４では、スイッチングデバイスＳ７，Ｓ８，Ｓ１１，Ｓ１２でフルブリッジ回路１を形成している。
【００７３】
直流コンデンサＣ１，Ｃ２を２Ｅ、フライングキャパシタＣ３をＥとし、フライングキャパシタＣ３の電圧を直流コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧の半分設定することにより、本実施形態４のマルチレベル電力変換器は、中性点ＮＰを基準として、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できる。
【００７４】
（動作原理）
表４はスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８，Ｓ１１，Ｓ１２のスイッチングパターン、中性点ＮＰを基準とした出力端子Ｏの出力電圧ＶO、フライングキャパシタＣ３の充放電時の電流ｉC，ＶABの電圧レベルを示している。
【００７５】
なお、表４のｉｃの極性は、図６に示されている向きを正とする。
【００７６】
【表４】
2016208744.tif 000007
【００７７】
表４の各モードでは、実施形態１〜３と同様にＡ点またはＢ点の電圧に高周波トランスＨＦＴの電圧であるＶAOまたはＶOBを加減算して、出力電圧ＶOとなる。また、表４において、ｉｃ＝ｉO／２であるモードでは、フライングキャパシタＣ３を充電する。ｉｃ＝−ｉO／２であるモードでは、フライングキャパシタＣ３を放電する。フライングキャパシタＣ３を充電するモードと放電するモードの２種類があるため、フライングキャパシタＣ３の印加電圧をＥに制御することが可能となる。
【００７８】
［発明の効果］
実施形態１〜４は、マルチレベル電力変換器の電圧レベルを増加させるフルブリッジ回路１と高周波トランスＨＦＴを組み合わせたものである。これにより、本実施形態１〜４は以下に示す効果を奏する。
【００７９】
他の同レベルのマルチレベル電力変換器と比較すると少ない部品で構成することが可能となる。
【００８０】
表５，表６に基づいて、１相あたりに必要となるＩＧＢＴ（スイッチングデバイス）等の構成要素の数を示す。なお、表５，表６に示すＣａｐａｃｉｔｏｒｓは、直流コンデンサの数とフライングキャパシタの数の合計数を示している。
【００８１】
【表５】
2016208744.tif 000008
【００８２】
【表６】
2016208744.tif 000009
【００８３】
実施形態１〜４とも、従来方式と比較してＩＧＢＴ数、直流コンデンサの数とフライングキャパシタの数の合計数の少なくとも一方の部品数が低減されている。また、ＩＧＢＴ数の低減はゲート駆動回路数の低減につながる。
【００８４】
なお、各実施形態で適用される高周波トランスＨＦＴは前述しているように、小型で低コストの部品である。したがって、本実施形態１〜４ではマルチレベル電力変換器の小型化、低価格化を図ることが可能となる。
【００８５】
また、負荷電流を高周波トランスＨＦＴの１次側と２次側とで２分割することができる。これにより、スイッチングデバイスの電流負担を低減することができ、スイッチングデバイスの長寿命化を図ることが可能となる。
【００８６】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００８７】
例えば、実施形態１〜４では、マルチレベル電力変換器の１相のみを示しているが、直流コンデンサを各相共通とし、スイッチングデバイス、フライングキャパシタ、高周波トランスを三相分設け、三相の電圧を出力するようにしてもよい。
【００８８】
また、実施形態１〜４では、各スイッチングデバイスが１つずつのみ場合を示しているが、各スイッチングデバイスの一部または全てを直列数もしくは並列数の少なくとも一方を複数にしてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
Ｐ，Ｎ…直流端子
Ｃ１，Ｃ２…直流コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ１２…スイッチングデバイス
Ｃ３…フライングキャパシタ
ＨＦＴ…高周波トランス
１…フルブリッジ回路
ＮＰ…中性点
【図１】
2016208744.tif 000010
【図２】
2016208744.tif 000011
【図３】
2016208744.tif 000012
【図４】
2016208744.tif 000013
【図５】
2016208744.tif 000014
【図６】
2016208744.tif 000015
【図７】
2016208744.tif 000016
【図８】
2016208744.tif 000017