(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の接続端子および複数のスイッチ要素を有するコンデンサモジュールを含む装置を提供する。【解決手段】各スイッチ要素は、対応する接続端子２２５、２２９、２３５、２４１に結合される、少なくとも１つのスイッチ端子２０５、２２８、２３２を有し、スイッチ要素は、制御デバイス１４０を介して、相互に排他的に動作するよう構成される。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の接続端子（２２５、２２９、２３５、２４１）を有するコンデンサモジュールと、
それぞれが前記接続端子（２２５、２２９、２３５、２４１）の対応する端子に結合される少なくとも１つのスイッチ端子を有する複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）とを備え、
前記スイッチ要素（２０５、２２８、２３２）が、制御デバイス（１４０）を介して、互いに排他的に動作するよう構成される、装置。
【請求項２】
前記コンデンサモジュールが、フライングコンデンサ（２６１、２６３）を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コンデンサモジュールが、ＤＣリンクコンデンサを形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の動作が、実質的に重複しない、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記装置が、第１のセル構造を形成し、前記第１のセル構造が、第２のセル構造を組み込むよう構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２のセル構造内の構成要素が、前記第１のセル構造内の構成要素と、実質的に同一である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２のセルが、多重化構造を形成する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２のセル構造が、マルチレベル出力を協働的に生成するよう構成される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記マルチレベル出力が、３以上のレベルを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の少なくとも１つが、共に直列に結合される２つ以上の電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）で形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記直列接続された電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）が、耐欠陥性動作を提供する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記スイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の少なくとも１つが、双方向スイッチである、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の少なくとも１つが、双方向電流を伝導するよう構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つまたは複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）が、（ｉ）１つまたは複数の電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）で構成され、（ｉｉ）前記１つまたは複数の電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）のすべてが作動した場合にのみ作動状態になる、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
（ｉ）前記スイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の特定の１つが非作動状態になる前に、他のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の前記１つまたは複数の電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）の１つが、作動状態になる、および（ｉｉ）前記スイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の前記特定の１つが非作動状態になった後、他のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）の前記１つまたは複数の電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）の別の１つが、作動状態になる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記電力スイッチ（２３４、２３６、２４４、２４６）のすべてが作動状態になった場合、他のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）が作動状態になる、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、第１のセル構造が、第２のセル構造と多重化となるよう構成されて形成され、
前記第１のセル構造が、前記第２のセル構造と異なる、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記制御デバイス（１４０）が、制御信号を介して、前記複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）を連続的に制御するよう構成され、
前記制御デバイス（１４０）が、前記コンデンサモジュール間の電圧を制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の接続端子（２２５、２２９、２３５、２４１）が、少なくとも３つの接続端子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数のスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）が、少なくとも３つのスイッチ要素（２０５、２２８、２３２）を含む、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力変換デバイスのためのマルチレベルトポロジに関する。特に、本発明は、高電力用途における、より効率的なマルチレベルトポロジに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスでは、電力品質、電力密度、および効率が、ある形式から他の形式への電力の変換を最適化する際に、最も重要な要因に含まれる。例えば、電力品質は、電気グリッドと電気機械とを接続する場合に、重要な要因となる。高電力品質を維持することは、高電流高調波ならびにｄｖ／ｄｔストレスによる、電磁妨害（ＥＭＩ）汚染、フリッカ、および電気機械の短寿命化などの問題を避けるのに重要であろう。電力変換器は、この処理において、重要な役割を果たす。
【０００３】
パワーエレクトロニクスにおいて、高電力品質および密度を実現するのには、一般に、２つの方法が存在する。すなわち、スイッチング周波数を高めること、およびマルチレベルトポロジである。スイッチング周波数を高めることには限界があり、特に、高電力および／または中電圧変換器の場合に限界がある。それは、比較的高いスイッチング周波数と関連する電力半導体の比較的高い損失および高電圧ならびに高電力半導体デバイスに対するスイッチング速度の固有限界によるものである。したがって、高電圧および高電力用途の場合には、マルチレベルトポロジが、スイッチング周波数を高めることよりも、より有効なアプローチである。
【０００４】
マルチレベル変換器トポロジは、より高い効率で、高電力品質および高密度を、より容易に達成する。公共送電網および電気機械などの、ＡＣ電源および／または負荷と通信することで、マルチレベル変換器は、変換器の出力で複数の電圧レベルをもたらすことによって、交流電流（ＡＣ）出力波形をエミュレートする。したがって、マルチレベル出力の結果として出力高調波が低くなるため、スイッチング周波数を低くすることができる。いくつかの従来のマルチレベルトポロジおよび制御方法が、当業界で広く使用されている。
【０００５】
従来のマルチレベルトポロジの１つは、３レベル中性点クランプ式（ＮＰＣ）トポロジであり、特に、３．３ｋＶ未満の出力電圧の場合に、十年以上の間、当業界の主力であった。しかし、３レベルを超える拡張ＮＰＣ技術は、より高い電力品質を実現するために、またはより高い電力用途に対して、著しく複雑度を増すため、幅広い産業用途に対しては非実用的である。
【０００６】
３を超えるマルチレベル出力を実現するために、複数の変換器を結合するための方法を発見する必要がある。複数の変換器を結合するには、基本的に、２つの方法がある。すなわち、（ａ）磁気部品を介して結合する、または（ｂ）（フライング）コンデンサを介して結合することである。
【０００７】
マルチレベル変換器を実現するために、磁気部品を介して複数の変換器を結合する場合には、２つのアプローチ（すなわち、トポロジ）が存在する。第１のアプローチは、一般には並列に接続され、相間リアクトルまたは変圧器と結合される、複数の変換器を含む。この第１のアプローチは、インターリーブパルス幅変調（ＰＷＭ）で制御され、複数の出力電圧レベルを生成する。このアプローチの欠点は、並列に結合されたコンバータ間での循環電流、最終的に比較的高い損失につながること、半導体利用の低下、制御の複雑さの増加が挙げられる。
【０００８】
第２のアプローチとして、直列（または、カスケード）接続された複数の単相Ｈブリッジ（２レベルまたは３レベルＨブリッジ）が挙げられ、それらの単相Ｈブリッジのそれぞれは、絶縁ＤＣリンクに接続される。多巻線変圧器によってもたらされるガルバニック絶縁のため、Ｈブリッジは、カスケード接続で、互いに直接結合され、それに対応して、マルチレベル出力電圧を生成することができる。しかしながら、多巻線変圧器は、複雑で、大きい。また、このアプローチは、４象限動作に合わせるのには、困難で、高価である。
【０００９】
一般に、同じ量の電力を処理するために、コンデンサおよび電力半導体は、磁気部品の場合よりも、密度がより高く、コストがより低くなる傾向がある。したがって、複数の変換器を磁気部品と結合する場合に比べて、複数の変換器を（フライング）コンデンサと結合することは、より低コストで、より良好な電力密度および効率をもたらす。
【００１０】
モジュラマルチレベル変換器（ＭＭＣ）は、依然、さらなる、広く使用される、コンデンサベースのトポロジである。多くのモジュラＨブリッジが直接カスケード接続され、複数の出力電圧レベルをもたらし、それぞれが、独自の浮動ＤＣリンクコンデンサを有する。これらのＤＣリンクの電圧レベルは、カスケード接続されたブリッジ脚の多相間での負荷電流を使用して、厳重に調節される。ＤＣリンクコンデンサのサイズは、対応するＡＣ端子の基本周波数に反比例する。したがって、この解決法は、相当に大型の浮動ＤＣリンクコンデンサのため、モータドライブなどの、低および可変周波数用途に対しては最適ではない。
【００１１】
上述した従来のアプローチよりも良好なアプローチには、フライングコンデンサを介して複数の変換器を共に結合し、複数の出力電圧レベルをもたらすことが挙げられる。フライングコンデンサ間の電圧は、スイッチングサイクル毎に調節される。したがって、コンデンサのサイズは、ＡＣ源または負荷の基本周波数の代わりに、スイッチング周波数に反比例する。スイッチング周波数は、典型的に、基本周波数より３０から５０倍を超える高さであるため、浮動またはフライングコンデンサのサイズを、効率的に減らすことができる。したがって、電力密度のさらなる増加、およびコストの削減を実現することができる。
【発明の概要】
【００１２】
上記の欠陥の場合、改善方法およびシステムが、電力変換マルチレベル出力をもたらすために、必要となる。より詳しくは、電力を、ある形式から他の形式に変換するための、改良コンデンサベースの方法およびシステムに対する必要性が存在する。
【００１３】
ある環境下では、電力変換モジュールは、複数の接続端子および複数のスイッチ要素を有するコンデンサモジュールを含む。各スイッチ要素は、対応する接続端子に結合される、少なくとも１つのスイッチ端子を有し、スイッチ要素は、制御デバイスを介して、相互に排他的に動作するよう構成される。
【００１４】
本発明の実施形態は、少なくとも１つの多重化中性点操作（ＮＰＰ）セルで、効果的なマルチレベル電圧出力を提供する。さらに、本実施形態により構成されるシステムは、特有な制御システムに加えて、少なくとも１つの、比較的単純な、３レベルＮＰＰ構造を含む。これらのＮＰＰ構造は、多重化方式で構造を単純に複製することによって、３を超えるレベルの出力を必要とする、より高い電圧用途に適応可能である。
【００１５】
多重化ＮＰＰ構造内のフライングコンデンサは、それぞれの電圧レベルを維持するために、１つまたは複数のスイッチングサイクル内で、能動的に制御または均衡される。このような方法で、コンデンサのサイズは、ＡＣ端子の基本周波数ではなく、スイッチング周波数に反比例する。このアプローチを使用すると、電力品質および電力密度の増加を実現することができる。本実施形態は、直列デバイスでの故障冗長性、フライングキャパシタの均衡、およびより堅実／高速な短絡ならびにデバイス過電圧の検出などの、他の利点を含む。いくつかの実施形態では、重複スイッチング状態を使用して、異なるスイッチ位置での、フライングコンデンサ電圧の調節および／または電力半導体スイッチの熱応力の均衡などの、さらなる制御特徴を実現することができる。
【００１６】
他の実施形態は、高精度セル制御に加えて、３レベルＮＰＰセルを含む。例えば、セルは、単方向および双方向スイッチングデバイスの組み合わせで形成される３つのスイッチ要素を含むことができる。これらのセルにおけるＤＣリンクコンデンサが、６個以上の接続端子に加えて設けられ、内側セルおよび外側セルを有する多重化構成を容易にする。
【００１７】
各スイッチ要素は、直列に接続される複数の電力半導体デバイスで形成することができる。直列接続は、各スイッチ要素の電圧定格を拡張することができ、各電力半導体デバイスの電圧ストレスを減らすことによって、信頼性を向上することができる。耐欠陥性動作は、故障した半導体デバイスを単純にバイパスすることによってもたらされる。開示する制御技術の副産物は、電力半導体スイッチの脱飽和および過電圧などの欠陥を、より速く検出することである。
【００１８】
他の実施形態において、ＮＰＰモジュールの多重化構造は、ハイブリッド構成で実現することができ、外側セルの少なくとも１つが多重化ＮＰＰセルであり、一方、内側セルは、３レベルＮＰＣセルまたは２レベルセルなどの、異なるトポロジおよび／または出力レベルを有してもよい。ハイブリッド構成はまた、異なるタイプおよび／またはサイズの電力スイッチを有する、内側セルおよび外側セルを含んでもよい。他の実施形態において、ＮＰＰセルの多重化構造は、多相電力変換システムで実現することができる。多重化ＮＰＰセルを有する多相（例えば、三相）変換器は、例えば、１つのＤＣリンクを共有して、三相ＤＣ−ＡＣ、ＡＣ−ＤＣ、またはＤＣ−ＤＣ変換器をもたらすことができる。さらなる特徴ならびに利点およびさまざまな実施形態の構造ならびに動作は、添付図面を参照して、以下に詳細に説明する。本発明は、本明細書で説明する特定の実施形態に限定されないことに留意されたい。そのような実施形態は、本明細書では、例示目的のみのために提示される。さらなる実施形態は、本明細書に含まれる教示に基づき、当業者には明らかであろう。
【００１９】
本発明は、添付図面に図示され、添付図面全体を通して、同一の参照番号は、さまざまな図において、対応するか、または同様の部品を示すことができる。図面は、好適な実施形態を説明する目的のみのためにあり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。本図面の以下の可能な説明により、本発明の新規な態様が、当業者に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明の実施形態により構成される、例示的な電力変換システムの単一の変換器内に含まれる、例示的なＮＰＰセルのブロック図である。
【図１Ｂ】本実施形態による、図１Ａに示した内側セルへの制御のために生成された信号に対する例示的なタイミング図のグラフである。
【図２Ａ】本実施形態により構成される、内側ＮＰＰセルの、例示的なブロック図である。
【図２Ｂ】制御のために生成された信号に対するタイミング図および図２Ａで図示した内側セルの例示的実装態様のグラフである。
【図２Ｃ】本実施形態による、図２Ａに図示した例示的なＮＰＰセルにおけるスイッチ要素内で使用される電力スイッチの一実装態様のブロック図である。
【図３】本実施形態により構成される、外側ＮＰＰセルの、例示的なブロック図である。
【図４】図２Ａおよび図３の多重化組み合わせから構成される単一の５レベル多重化ＮＰＰ単相セルの、より詳細なブロック図である。
【図５Ａ】図４に図示した例示的な多重化ＮＰＰ単相セルを制御するために使用されるスイッチング状態の例示的な状態図である。
【図５Ｂ】図４に示した多重化セル構造を制御するための、例示的スイッチング状態の表である。
【図５Ｃ】図５Ａおよび図５Ｂのスイッチング状態と関連した、例示的な出力波形を併記した、例示的タイミング図を示す図である。
【図５Ｄ】図４による他の例示的なタイミング図を示す図である。
【図６Ａ】本実施形態による、内側および外側３レベルＮＰＰセルを通る第１のスイッチング状態フローパスの図である。
【図６Ｂ】図６Ａの内側および外側３レベルＮＰＰセルを通る第２の（重複）スイッチング状態フローパスの図である。
【図７】本実施形態による多相変換器で使用される例示的５レベル多重化セル構造のブロック図である。
【図８】本発明の代替実施形態による例示的７レベル多重化ＮＰＰセルの図である。
【図９】本発明の実施形態を実施することができる、例示的電力変換システムの、例示的なブロック図である。
【図１０】本発明の代替実施形態により構成される、制御デバイスおよび多重化セル構造のブロック図である。
【図１１】本発明の一実施形態を実施する例示的方法のフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態の態様を実現することができる例示的コンピュータシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、特定の用途に対する例示的な実施形態を用いて本明細書で説明するが、本発明は、それらに限定されないことを理解すべきである。本明細書で提供する教示を利用できる当業者は、追加の変形、用途、および実施形態が、本発明の範囲内であること、および本発明が非常に有用であるさらなる分野を認識するであろう。
【００２２】
別段の定めがない限り、本明細書で使用される技術的用語および科学的用語は、本発明が属する当業者により一般的に理解されるのと同じ意味である。「第１の」および「第２の」などの用語は、本明細書で使用される場合、何らかの順序、数量、または重要性を意味せず、ある要素を他の要素から区別するために使用される。また、「ａ」および「ａｎ」という単語は、数量を限定する意味はなく、参照項目が少なくとも１つは存在することを意味する。「または」という単語は、包括的であることを意味し、列挙項目の任意の、いくつかの、またはすべてを意味する。
【００２３】
本明細書での「含む」「備える」もしくは「有する」、およびそれらの変化形の使用は、その後に列挙される項目、その均等物ならびに追加項目を包含することを意味する。「接続される」および「結合される」という用語は、物理的もしくは機械的接続もしくは結合に制限されず、直接的もしくは間接的な、電気的接続もしくは電気的結合を含むことができる。「回路」「回路素子」および「制御器」という用語は、単一構成要素または複数の構成要素を含むことができ、アクティブおよび／またはパッシブ構成要素であり、任意選択的に接続されるか、または説明する機能を提供するよう互いに結合される。
【００２４】
さまざまな実施形態において、マルチレベル電力変換は、低コストで、従来のアプローチより高い電力品質および密度をもたらす方法で、実現される。一実施形態において、マルチレベル（例えば、３レベル）ＮＰＰ多重化セルトポロジを、複数出力電圧レベルを実現するために提供する。制御信号、すなわち、制御器からの出力は、内部変換器構成要素を選択的に作動／停止し、電圧出力レベルを制御し、レベルを、５、７、９、１１、またはそれ以上に増やす。
【００２５】
多重化セルトポロジは、個々のセル構造を複製し、あるセルを他のセルの周りに配置し、内側セルを外側セル内に多重化して形成することによって生成する。これらの多重化セル構造において、スイッチデバイス、ＤＣリンクコンデンサ、および他の内部構成要素は、要求される複数の出力レベルを生成するカスケード方式で動作するよう構成することができる。
【００２６】
制御器は、スイッチ要素の動作を制御するよう構成することができ、すなわち、一度に１つの、スイッチ要素内の電力スイッチを、作動（起動）および停止（終了）する。電力スイッチが作動するたび、出力電圧レベルは、セルの１つで示される。電力スイッチを作動および停止することにより、変換器から出力される電力レベルの精密な制御が可能となる。
セル構造の要旨
図１Ａは、例示的電力変換システムにおける変換器の１つ内で動作するよう構成される、例示的な基本３レベルセル２００（例えば、ＮＰＰ）のブロック図である。例示目的のため、実施形態、および実施形態を表す図が、ＮＰＰセルの文脈内で説明される。したがって、図１Ａは、本実施形態による、ＮＰＰセルの基本動作原理を提供する。
【００２７】
図１Ａの例において、３レベルＮＰＰセル２００は、スイッチ要素２０５、２２８、および２３２を含み、スイッチ要素２０５、２２８、および２３２は、制御デバイス１４０を介して制御可能である。制御デバイス１４０は、制御信号１０６を介して、ＮＰＰセル２００の動作を制御する。当業者によって理解されるように、制御デバイス１４０は、無線、光学、または他の同様の通信リンクを通じて、ＮＰＰセル２００に結合することができる。
【００２８】
フライングコンデンサ２６１および２６３は、コンデンサモジュール（例えば、ＤＣリンク２２６）を形成する。本実施形態において、ＮＰＰセル２００は、同一ＮＰＰセルなどの、２つまたは３つの接続端子を有する他のセルと、カスケード構成で多重化可能、すなわち、接続可能である。当業者によって理解されるであろうように、本発明の実施形態は、３つのスイッチ要素に限定されず、２つのフライングコンデンサにも限定されない。
【００２９】
スイッチ要素２２８は、それぞれの端に、接続端子２２５（セル２００に対し内部方向）および２３５（セル２００に対し外部方向であり、要素２２８の方向）を含む。同様に、スイッチ要素２３２は、それぞれの端に、接続端子２２９（例えば、内部）および２４１（例えば、外部）を含む。
【００３０】
スイッチ要素２０５は、それぞれの端に、接続端子２２７（内部）および２３９（外部）を含む。接続端子２３９は、フライングコンデンサ２６１および２６３の接続部を介して形成される。そのような接続部の１つは、フライングコンデンサ２６１および２６３の直列接続によって形成されるパスに沿う。フライングコンデンサ２６１の他の端子は、接続端子２３５に結合される。同様に、フライングコンデンサ２６３の他の端子は、接続端子２４１に結合される。本明細書で使用される「内部」および「外部」という用語は、例示目的のみのためであり、さまざまな実施形態の範囲を限定しない。
【００３１】
セルＮＰＰ２００の制御は、制御信号１０６に応じてスイッチ要素２０５、２２８、および２３２の操作を通じて実現される。スイッチ要素２０５、２２８、および２３２のスイッチング状態は、互いに排他的に生じる。すなわち、セル内のあるスイッチ要素が作動した（ＯＮ）場合、そのセル内の他のスイッチ要素が停止し（ＯＦＦ）、実質的に、さまざまなスイッチング要素間でオーバーラップが起こらない。この互いに排他的なスイッチングにより、異なるレベルの出力電圧を効果的に生成することが容易になる。
【００３２】
例えば、スイッチ要素２２８がＯＮである場合、スイッチ要素２０５および２３２がＯＦＦとなり、第１の出力カスケード端子２２５が、第１のレベルの出力電圧Ｖｐを生成する。スイッチ要素２３２がＯＮである場合、スイッチ要素２０５および２２８がＯＦＦとなり、出力カスケード端子２２９が、第２のレベルの出力電圧Ｖｎを生成する。
【００３３】
同様に、スイッチ要素２０５がＯＮである場合、スイッチ要素２２８および２３２がＯＦＦとなり、出力カスケード端子２２７が、第３のレベルの出力電圧Ｖｍｉｄを生成し、ここで、出力レベルは、互いに異なる。すなわち、異なるレベルの出力電圧（Ｖｐ、Ｖｎ、およびＶｍｉｄ）のそれぞれが、各ＯＮスイッチ要素と排他的に関連付けられる。この制御処理は、以下で、さらにより詳細に説明する。このような方法で、ＮＰＰセル２００は、３レベルＮＰＰセルトポロジを表す。
【００３４】
一つの例にすぎず、限定するものではないが、スイッチ要素２０５、２２８、および２３２のそれぞれは、電力スイッチとしてそれぞれ実現することができ、それぞれが、双方向電流を可能にするよう制御可能である。スイッチ要素２２８および２３２は、単方向電圧をブロックすることができ、一方、スイッチ要素２０５は、双方向電圧をブロックすることができる。あるいは、以下の図２Ａの例で示すように、スイッチ要素２２８および２３２の１つまたは複数は、直列に接続された２つ以上の単方向電力スイッチとして実現することができる。スイッチ要素２０５は、逆の極性で直列に接続された２つ以上の単方向電力スイッチで実現することができる。当業者によって理解されるであろうように、直列に接続された複数の低電圧デバイスは、一般に、必要な用途に対して適切な能力に耐える、より高い総電圧をもたらす。
【００３５】
本実施形態において、各スイッチ要素内の電力スイッチの数は、個々の変換器の生産コストおよび容量を考慮した経済的要因である。したがって、本発明は、１つまたは２つの電力スイッチのみを含むスイッチ要素に限定されない。
【００３６】
図１Ｂは、以下の図４で示す、内側セル２００を制御するよう生成されるタイミング信号の例示的タイミング図１９０のグラフである。図１Ｂでは、例えば、時刻ｔ0では、電力スイッチ２０５が作動し（ＯＮ状態）、すなわち、「０」から「１」になり、電力スイッチ２２８が停止する（ＯＦＦ状態）、すなわち、「１」から「０」になる。時刻ｔ1では、電力スイッチ２０５が停止し、すなわち、「１」から「０」になり、電力スイッチ２３２が、作動する、すなわち、「０」から「１」になる。作動および停止は、制御デバイス１４０などの、単一の制御デバイスによって生成することができる駆動信号（以下でより詳細に説明する）を介して制御される。本発明の実施形態はまた、すべての電力スイッチが、オフになる、すなわち、他のすべての接続端子から切断される、浮動状態を作り出すことができる。
【００３７】
図２Ａは、図１Ａに示す内側セル２００の一実装態様の詳細なブロック図である。図２Ａはまた、スイッチ要素２２８、２３２、および２０５と関連したゲートドライバを示す。内側セル２００内の複数の電力スイッチはまた、互いに排他的に、スイッチング動作を実行するよう制御される。図２Ａに示すように、スイッチ要素２２８は、ゲートドライバ３０１からもたらされる駆動信号３０９に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。スイッチ要素２３２は、ゲートドライバ３０７からもたらされる駆動信号３１５に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。
【００３８】
電力スイッチ２３４（サブスイッチとも称する）は、第３のゲートドライバ３０３からもたらされるスイッチング駆動信号３１１に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。電力スイッチ２３６（第２のサブスイッチとも称する）は、ゲートドライバ３０５からもたらされるスイッチング駆動信号３１３に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。いくつかの実施形態において、図２Ｃに図示したように、電力スイッチ２３４および２３６に供給される駆動信号３１１および３１３は、同期的に動作する。
【００３９】
図２Ｂでは、時刻ｔ0で、第１の駆動信号３０９は、スイッチ要素２２８（Ｓ１）がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化していることを示す、立ち下がりを有する。時刻ｔ0-y0では、「ｙ０−ｙ７」は、時刻「ｔ」の前または後に起こる有限タイムクォンタムである。例えば、ｔ0-y0は、ｔ0の前に生じ、スイッチ要素２０５（Ｓ２）の第１の位置（例えば、電力スイッチ２３６）は、第２の駆動信号３１３を介して作動する。
【００４０】
実際には、当業者によって理解されるであろうように、時刻ｔ0-y0では、スイッチ要素２０５は、依然として、ＯＦＦ状態に制御される。スイッチ要素２０５は、サブスイッチ２３４および２３６の両方が起動された場合のみに、ＯＮ状態に制御される。ｔ0後の限られた時間で、例えば、ｔ0+y1で、スイッチ要素２０５の第２の部分（例えば、電力スイッチ２３４）が、第３の駆動信号３１１を介して起動する。時刻ｔ0+y1で、スイッチ要素２０５は、正式に、ＯＮ状態に変化する。
【００４１】
同様に、時刻ｔ1-y2では、スイッチ要素２０５（Ｓ２）の第１の部分（電力スイッチ２３６）が、第２の駆動信号３１３を介して、ＯＦＦ状態中に停止する。時刻ｔ1では、第４の駆動信号３１５により、スイッチ要素２３２（Ｓ４）がＯＮ状態になる。時刻ｔ1+y3では、スイッチ要素２０５（Ｓ３）の第２の部分（スイッチ要素２３４）が、第３の駆動信号３１１を介して、正式にＯＦＦ状態になる。本実施形態において、タイムクォンタムｙ0-y7は、すべて異なる値とすることができることが、当業者によって理解されるであろう。上記の処理は、状態ｔ２からｔ３である間、繰り返される。このような方法により、２２８、２０５、および２３２の立ち上がりおよび立ち下がりは、実質的にオーバーラップしない。
【００４２】
図２Ｃは、本実施形態による、図２Ａの電力スイッチ２２８のブロック図である。一実施形態において、スイッチ要素２２８は、（スイッチ要素の内部に）任意の種類の電力スイッチを含むよう構成することができる。例えば、スイッチ要素２３８、２２８、２３２、２４２は、スイッチ要素２２８の構成に、正確に一致するよう構成することができる。
【００４３】
すなわち、一実施形態において、スイッチ要素２２８は、電力スイッチ３１６、電力スイッチ３１８、および第ｎ電力スイッチ３２２を含み、ここで、ｎは、２以上である。例えば、電力スイッチ３１６および３１８は、各逆並列ダイオード３２４および３２６と並列に接続される。第ｎ電力スイッチ３２２は、第ｎ逆並列ダイオード３２８と並列に接続される。条件によっては、各電力スイッチは、対応する逆並列ダイオードと一体化され、単一スイッチを形成することができる。
【００４４】
電力スイッチ３１６、３１８、および第ｎ電力スイッチ３２２は、ＤＣライン２０６および２０８の間に直列に接続されるので、各スイッチには、ＤＣ電圧の一部が印加される。したがって、低定格電圧スイッチを使用して、高定格電圧を有する、単一の電力スイッチ３１２を交換することができる。図２Ｃに示すように、単一の電力スイッチ３１２はまた、逆並列ダイオード３１４に一体化される。さらに、より多くの電力スイッチが、より高いレベルの重複をもたらす。
【００４５】
例えば、限定するものではないが、本実施形態で説明する電力スイッチは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、および統合ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）などで形成することができる。
【００４６】
図３は、本実施形態による、上述した外側セル２０１のブロック図である。図３はまた、スイッチ要素２３８、２４２、および２７１のそれぞれの中の電力スイッチと関連したゲートドライバを示す。上記のように、外側セル２０１内の複数の電力スイッチは、互いに排他的に、スイッチング動作を実行するよう制御される。
【００４７】
すなわち、スイッチ要素２３８は、ゲートドライバ３１７からもたらされるスイッチング駆動信号３２５に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。スイッチ要素２４２は、ゲートドライバ３１９からもたらされるスイッチング駆動信号３２７に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。電力スイッチ２４４は、スイッチ要素２７１内にあり、ゲートドライバ３２１からもたらされるスイッチング駆動信号３２９に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。電力スイッチ２４６は、ゲートドライバ３２３からもたらされる駆動信号３３１に従って、スイッチをオン／オフするよう構成される。
【００４８】
いくつかの実施形態において、スイッチング駆動信号３２９および３３１は、同期的に動作し、単一の制御器から生成される。スイッチ要素２３８または２４２による適切な整流を確実にするために、およびフライングコンデンサの短絡を避けるためのデッドタイムを確実にするために、駆動信号３２９および３３１のスイッチング時間が調整される。例えば、駆動信号３２９および３３１は、スイッチ要素２３８または２４２に供給される駆動信号に対する実質的に小さいタイムクォンタムにおけるスイッチ要素２７１内のサブスイッチ２４６および／または２４４の推進スイッチングまたは遅延スイッチングに応じて調整することができる。
【００４９】
図４は、図１Ａの相脚２２０の１つの、より詳細なブロック図である。上記のように、第１の相脚２２０は、内側セル２００の周りに配置された外側セル２０１を含む多重化構造で形成される。内側セル２００および外側セル２０１の構成部品、構造、および動作挙動は、実質的に同一である。この技術により、基本ＮＰＰセルの３レベルトポロジの拡張が、５レベル（第１の相脚２２０の場合）、または７、９、１１、もしくはそれ以上のレベルを有する出力を実現することを可能にする。
【００５０】
例えば、本発明の他の実施形態において、多重化構造は、例えば、３レベルＮＰＰセルが周辺配置された２レベルセルまたは３レベルＮＰＣセルを有する、ハイブリッドとすることができる。他の多くのハイブリッド多重化構造が可能であり、本発明の主旨および範囲内である。
【００５１】
図４では、外側セル２０１は、コンデンサ２１２および２１４を含む。図４において、コンデンサ２１２および２１４は、ＤＣリンク２１０を形成する。他の実施形態において、コンデンサ２１２および２１４は、ＤＣリンクを形成するよう構成される必要はない。コンデンサ２１２および２１４は、「フライング」コンデンサとして、内側セル２００のコンデンサ２６１および２６３と本質的に同一である。同様に、外側セル２０１の電力スイッチ２３８、２４２、２４４、および２４６は、内側セル２００の電力スイッチ２２８、２３２、２３４、および２３６と本質的に同一である。
【００５２】
図４において、スイッチ要素２０５は、双方向電流を伝導し、双方向電圧をブロックする、双方向スイッチである。２つの逆に結合された単方向電力スイッチ２３４および２３６として実現することができる。しかしながら、本発明は、この特定の電力スイッチ実装態様に限定されない。図４の例において、電力スイッチ２３４および２３６は、制御デバイス１４０を介して制御可能であり、方向が逆の電流が流れるのを可能にする。スイッチ要素２２８および２３２は、双方向電流を伝導し、単方向電圧をブロックすることができる。
【００５３】
スイッチ要素２２８の端子２３５の１つは、コンデンサモジュール２２６の端子に結合され、より具体的には、フライングコンデンサ２６１の端子に結合される。この結合により、端子２３５は、第１の入力カスケード端子として機能することが可能になる。スイッチ要素２２８の他の端子２２５は、第１の出力カスケード端子として機能し、出力端子２６０に結合することができる。
【００５４】
スイッチ要素２３２の端子の１つは、コンデンサモジュール２２６の他の端子に結合され、より具体的には、フライングコンデンサ２６３の端子の１つに結合され、それにより、端子２４１が、第２の入力カスケード端子として機能することを可能にする。接続端子２２９は、第２の出力カスケード端子として機能し、出力端子２６０に結合することもできる。
【００５５】
スイッチ要素２０５の端子２３９は、ＤＣリンク２２６の接続ポイント２３９に結合され、第３の入力カスケード端子として機能する。スイッチ要素２０５の他の端子２２７は、第３の出力カスケード端子として機能し、出力端子２６０に結合することもできる。
【００５６】
第１の例示的状況において、入力カスケード端子２３５、２３９、および２４１は、他のＮＰＰセル（例えば、セル２０１）の３つの出力カスケード端子にそれぞれ結合することができる。この第１の例示的状況では、上記のように、セル２００は、内側セルであり、セル２０１は、外側セルである。
【００５７】
第２の例示的状況において、出力カスケード端子２２５、２２７、および２２９は、他のセルの３つの入力カスケード端子にそれぞれ結合することができる。しかしながら、この第２の状況では、セル２００は、外側セルとして機能し、他のセルは、内側セルとして機能する。セル２０１は、内側セルと同様に機能する可能性がある。カスケード構成でＮＰＰセルを多重化することにより、実現可能な電圧出力レベルの数を拡張することが可能になる。
【００５８】
内側セル２００の動作および制御の間、スイッチ要素が作動すると、電圧がそこから出力される。例えば、（スイッチ要素２３２と同じ方向に配向された）スイッチ要素２２８が作動すると、端子２３５および２２５を互いに接続する。スイッチ要素２０５が作動すると、端子２３９および２２７を互いに接続する。同様に、スイッチ要素２３２が作動すると、端子２２９および２４１を互いに接続する。
【００５９】
本実施形態において、セルの制御は、一度に１つのスイッチ要素を作動および停止することによって実現される。例示のため、内側セル２００内の構成要素は、Ｓレベル指定を有し、外側セル２０１内の構成要素は、Ｔレベル指定を有する。各ＳおよびＴレベル内での、あるスイッチング状態から次のスイッチング状態への切り替えは、制御デバイス１４０から各セルにもたらされる制御信号１０６の調整を通じて実現される。
【００６０】
例えば、制御信号１０６のそれぞれは、特定のレベルにあるすべての電力スイッチに対して、各スイッチ要素の個々の電力スイッチ内のゲートドライバに同時に送信される複数の制御信号を含むことができる。例えば、スイッチ要素２２８（Ｓ１）内の電力スイッチへのある信号、２３２（Ｓ４）への他の信号、およびスイッチ要素２０５への第３の信号があり、電力スイッチ２３６／２３４（Ｓ２／Ｓ３）を含む。また、２３８（Ｔ１）へのある信号、２４２（Ｔ４）への他の信号、および２４４／２４６（Ｔ２／Ｔ３）への第３の信号がある。
【００６１】
この調整された信号制御により、Ｓレベル内側セル２００におけるただ１つのスイッチ要素が、ある時間にＯＮになる。同様に、Ｔレベル外側セル２０１におけるただ１つのスイッチ要素が、ある時間にＯＮになる。
【００６２】
相脚２２０内の多重化セル構造は、制御デバイス１４０の使用と組み合わされ、より高い電力品質および電力密度のマルチレベル出力電圧を生成する。これらの多重化セルの構造は、複製可能であり、各セルが、所定の数の出力を生成し、電圧出力レベルの数を拡張する。
【００６３】
例えば、図１Ａに関する上記の拡張として、内側セル２００は、３レベルを有する出力電圧をもたらすよう、構成および制御することができる。同様に、外側セル２０１は、３レベルを有する出力電圧をもたらすよう、構成および制御することができる。多重化セルを有する相脚の出力電圧レベルは、内側および外側セルの両方が３レベルセルである場合、２＊セル数＋１となる。
【００６４】
図４の例示では、内側セル２００および外側セル２０１は、５レベル出力電圧をもたらす。すなわち、一つの例にすぎず、限定するものではないが、各セル２００および２０１内のコンデンサおよびスイッチ要素は、６つの接続端子を有するよう構成される。あるセル構造の接続端子は、他のセル構造の対応する接続端子と接続する。
【００６５】
内側セル２００の構成と同様に、外側ＮＰＰセル２０１は、スイッチ要素２３８、２４２、および２７１を含む。スイッチ要素２３８は、一端に接続端子２３７（例えば、内部）、および他端に接続端子２１１（例えば、外部）を有する。例えば、スイッチ要素２４２は、スイッチ要素２３８と同じ方向に配向される。スイッチ要素２４２は、一端に接続端子２２１（内部）、および他端に接続端子２１５（外部）を有する。スイッチ要素２７１は、直列に逆結合される電力スイッチ２４４および２４６を含む。
【００６６】
さらに、スイッチ要素２７１は、一端に接続端子２１９（内部）を有する。スイッチ要素２７１の接続端子（外部）は、コンデンサモジュール２１０のコンデンサ２１２および２１４の間に画定される接続端子２１６に結合される。さらに、コンデンサ２１２の端は、それぞれ、２つの接続端子２１１および２１６に結合される。同様に、第２のコンデンサ２１４の２端は、それぞれ、２つの接続端子２１６および２１５に結合される。
【００６７】
検討により、多重化ＮＰＰセル構造は、接続端子２３７および２３５を共に結合することによって、接続端子２１９および２３９を共に結合することによって、および接続端子２４１および２２１を共に結合することによって、形成される。他の実施形態において、同様の接続は、３つ以上の６端子変換器モジュールを接続することによって、より高いレベルの変換器トポロジを形成するよう生成することができる。
【００６８】
図４では、内側セル２００の接続端子２２５、２２７、２２９（すなわち、内部端子）は、ＡＣポート２６０に接続され、ＡＣ電圧を受け取るか、またはもたらす。さらに、接続端子２１１は、第１のＤＣリンク２０６を介して、ＤＣポート２０２に結合される。接続端子２１５は、ＤＣリンク２０８を介して、ＤＣポート２０４に結合される。このような方法で、接続端子２１１および２１５は、ＤＣ電圧を受け取るか、またはもたらすよう構成される。
【００６９】
図５Ａは、２つの多重化セル構造（内側セル２００および外側セル２０１）に対する、例示的な状態機械電圧レベル図の図示である。図５Ａでは、各楕円形５６０内の第１の数字は、外側セル２０１の状態を表す。楕円形５６０内の第２の数字は、内側セル２００の状態を表す。図５Ａに示すように、例えば、２つの等しい有効状態は、それぞれ、同じ出力電圧レベル１および−１を生成するよう生じることができ、図５Ｂおよび図５Ｃを参照して、以下でより詳細に説明する。
【００７０】
図５Ｂは、図４の相脚２２０に構成される、図５Ａおよび図５Ｂの内側および外側セル構造２００および２０１を制御するための、例示的なスイッチング状態の表である。第１の相脚２２０は、５つの異なる電圧レベル５０１を有する出力電圧をもたらすよう制御することができる。電圧レベル５０１は、スイッチング状態５０２を介して外側セル２０１スイッチ（Ｔレベルスイッチ）を、スイッチング状態５０４を介して内側セル２００スイッチ（Ｓレベルスイッチ）を、選択的に制御することによって生成される。
【００７１】
図５Ｃは、例示的なタイミング信号５１２ならびに５１４およびその結果生じる出力電圧波形５１１を含むグラフである。図５Ｃでは、例えば、タイミング信号５１２は、外側セル２０１内の構成要素（図３）に対するスイッチング状態５０２（図５Ｂ参照）を表す。同様に、タイミング信号５１４は、内側セル２００内の構成要素（図５Ｂ）に対するスイッチング状態５０４を表す。
【００７２】
タイミング信号５１２および５１４の、外側および内側セル２０１および２００への順次適用により、複数のレベルおよび選択可能なパターンを有する出力電圧が生成される。すなわち、出力電圧５１１のパターンは、正弦波パターンに類似する可能性がある。波形５１１は、図５Ｃに示した、多相変換器７００（または、１２２）の第１の相脚２２０の、マルチレベル出力として生成される。他の非正弦波波形パターンを実現することができ、それは、本発明の主旨および範囲内である。
【００７３】
例えば、図５Ｃの例示では、タイミング信号５１２は、上記のように、各制御信号３２５、３２７、３２９、および３３１を介して印加される。同様に、タイミング信号５１４は、各制御信号３０９、３１５、３１１、および３１３を介して印加される。図５Ａおよび図５Ｂに示す制御信号は、制御信号１０６のサブ信号とすることができ、信号制御デバイス１４０によって生成される。あるいは、図５Ａおよび図５Ｂに示す制御信号は、複数の制御デバイスによって生成することができる。
【００７４】
図５Ｄは、本実施形態による、多相変換器の出力電圧波形５５０の図である。図５Ｄに示すように、多重化セル構造および複数の相脚を有する変換器の使用を通じて、変換器の１つの相脚が、所望の交流波形に相当類似した形式で、５つ以上のレベルを有する出力電圧をもたらすことができる。
【００７５】
本実施形態では、フライングコンデンサ電圧は、重複スイッチング状態を用いて維持される。本明細書で使用される場合、「重複スイッチング状態」とは、同じ命令されたレベル出力が、異なる組み合わせのスイッチング状態を有するスイッチング信号を、変換器内の複数の電力スイッチ供給することによって、もたらされ得るという意味である。重複スイッチング状態を使用することにより、個々のパルス信号のパルスパターンを選択することが可能となり、追加の制御目標が、所望の出力電圧波形に加えて、実現される。それらの追加の制御目標には、（ａ）フライングコンデンサ電圧の、所定値への調整、および（ｂ）異なるスイッチ位置での、電力の熱応力の均衡を含むことができる。
【００７６】
例示的な実施形態において、多重化セル構造の出力電圧は、フライングコンデンサ２６１／２６３の間の電圧などの、フライングコンデンサの電圧が、所定の値に調節できる度合いに左右される。例えば、この調節は、重複スイッチング状態の使用を介して、フライングコンデンサを通って流れる電流を能動的に制御し、フライングコンデンサを充放電することによって実現される。これらの均衡技術は、例えば、２０１３年１０月２４日に出願された、代理人整理番号２６７３３３、米国特許「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」で実現することができ、その内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００７７】
すなわち、図６Ａは、他の実施形態による、図４の、相脚２２０と同様の、一般的な電力変換相脚６００を通る、第１段電流パスの図である。図６Ｂは、図６Ａの一般的な電力変換相脚６００を通る、第２段電流パスの図である。
【００７８】
背景として、図４の多重化構造２２０などの、多重化セル構造の最終電圧出力は、外側の３レベルセル２０１および内側の３レベルセル２００からの出力の合計である。すなわち、最終電圧出力は、２つの３レベルＮＰＰセルの状態の合計である。重複スイッチング状態の使用は、多重化セルの内部構造を活用し、フライングコンデンサ電圧の調節および／または電力スイッチの熱応力の均衡などの、追加の制御および動作目標を実現する。
【００７９】
例えば、出力２６０での電圧として「１」を生成するための構造２２０では、外側セル２０１および内側セル２００からの出力は、それぞれ、「１」および「０」とすることができる。あるいは、出力は、「０」および「１」とすることができ、同一の出力電圧レベルを生成する。しかしながら、対応するフライングコンデンサに向かう電流パスは、反対であるかもしれず、その結果、一方がフライングコンデンサ６０２を充電し、他方が放電する。
【００８０】
図６Ａでは、フライングコンデンサ６０２は、電圧などの、動作特性を調節するために必要となるコンデンサである。第１の電流パス６０４は、電流を、フライングコンデンサ６０２に流して、次いで、出力６０６に流すよう示される。すなわち、図６Ａでは、出力電圧レベル「１」は、出力ポート６０６で必要とされ、第１の電流パス６０４または第２の電流パス６０８のいずれかを選択することができる。複数のスイッチ要素を動作させるためのスイッチング状態重複のため、第１または第２の電流パス６０４および６０８（図６Ｂ参照）のいずれかは、フライングコンデンサ６０２を、その電圧の調節のために充電および／または放電することができるように形成することができる。
【００８１】
例えば、（以下で説明する）制御器１４０’によって受信されるフライングコンデンサ情報信号は、フライングコンデンサ６０２が、過電圧状態にあるか、または所定の電圧レベルより高い電圧を有することを示すことができる。結果として、制御器は、図６Ｂに示す、スイッチング状態の第１の組み合わせを有する個々のパルス信号を生成し、フライングコンデンサ６０２を放電することを可能にするよう構成される。
【００８２】
あるいは、制御器によって受信されたフライングコンデンサ電圧情報信号は、フライングコンデンサ６０２が、不足電圧状態であるか、または所定の値より低い電圧を有することを示す可能性がある。この場合、パルスパターン生成器は、図６Ａに示す、スイッチング状態の第２の組み合わせを有する個々のパルス信号を生成し、フライングコンデンサ６０２を充電することを可能にするよう構成される。したがって、フライングコンデンサ６０２およびフライングコンデンサ６１０での電圧は、スイッチングサイクル毎に、動的に調節することができる。
【００８３】
図７は、本実施形態による、３つの別々の相脚２２０、２５０、および２８０によって形成される、多相変換器７００の例示的なブロック図である。相脚２２０は、外側セル２０１が周辺配置される内側セルとして構成される、図１Ａの単一３レベルＮＰＰセル２００を含む。相脚２２０、２５０、および２８０のそれぞれは、多相変換器の単相（例えば、互いから１２０°位相シフト）である。例示および簡略化のために、図７は、変換器７００についての文脈内で説明する。より詳細な多重化セル構造は、上記の説明で提供されており、特に、上記の図４の説明で提供されている。
【００８４】
図７では、相脚２２０、２５０、２８０のそれぞれは、第１および第２のＤＣリンク２０６および２０８の間に結合され、ＤＣリンク２１０からのＤＣ電圧を受け取り、対応する出力ポート２６０、２６５、および２８５で出力電圧をもたらす。以下の詳細な説明では、主に、第１の相脚２２０について扱うが、その説明は、相脚２５０および２８０にも同様に関係する。したがって、相脚２５０および２８０についての詳細な説明は、本明細書では提供しない。
【００８５】
相脚２２０、２５０、および２８０は、それぞれ、出力ポート２６０、２６５、および２８５を介して、対応する第１、第２、および第３の位相ＡＣ電圧をもたらす。例えば、第１、第２、および第３の位相ＡＣ電圧は、１２０°毎に互いに相殺することができる。
【００８６】
変換器７００がＡＣ−ＤＣ変換器として実現される場合、出力ポート２６０、２６５、および２８５は、ＡＣ入力ポートとして代わりに構成され、入力ＡＣ電圧を受け取ることができる。同様に、第１および第２のポート２０２および２０４は、ＤＣ出力ポートとして構成され、ＤＣ電圧を出力することができる。ＤＣ−ＡＣおよびＤＣ−ＤＣ変換器の場合には、それらのポートは、同様の方式に従って構成および接続することができる。
【００８７】
例えば、図８は、本発明の代替実施形態による例示的７レベル多重化ＮＰＰ構造８００の図である。すなわち、ＮＰＰ構造（例えば、相脚）８００は、７レベル出力電圧を生成することを可能にする。ＮＰＰ構造８００は、上述したＮＰＰセル構造により、上述したセル２００および２０１を含む。しかしながら、構造８００はまた、第３のセル、すなわち、外部セル２０３を含む。したがって、構造８００は、多重化構成内に、３つの基本３レベルＮＰＰセルを含む。
【００８８】
図９は、本発明の実施形態を実施することができる、例示的電力変換システム９００の、ブロック図である。例えば、限定するものではないが、システム９００は、多重化ＮＰＰトポロジを含む。図９では、システム９００は、マルチレベル変換システムであり、より高い電力品質および電力密度を実現する。システム９００は、制御デバイス１４０に結合される、電力変換器モジュール１２０を含む。
【００８９】
例示的な電力変換器モジュール１２０は、第１の変換器１２２、ＤＣリンク／エネルギーストレージデバイス１２４、および第２の変換器７００を含む。一つの例にすぎないが、第１の変換器１２２は、電源１１０（例えば、電力グリッド）などの、第１の電力デバイスからの第１のＡＣ電力１０２を、ＤＣ電力１２３（例えば、ＤＣ電圧）に変換する。変換器１２２および７００は、図１Ａから図２Ｂを参照して上述したような、多重化トポロジで構成される、少なくとも１つの基本３レベルＮＰＰセルを含むことができる。
【００９０】
デバイス１２４内のＤＣリンク構成要素は、１つまたは複数のコンデンサを含み、第１の変換器１２２から出力されるＤＣ電圧１２３をフィルタリングして、フィルタリングされたＤＣ−ＡＣコンバータ電圧を、第２の変換器７００に供給することができる。例示的な電力変換器モジュール１２０では、第２の変換器７００は、フィルタリングされたＤＣ電圧を、第２のＡＣ電圧１０４（以下でより詳細に説明する）に変換する。第２のＡＣ電圧１０４は、電力負荷１３０（例えば、ＡＣ電気モータ）などの、第２の電力デバイスに出力される。
【００９１】
すなわち、電力変換システム９００は、高電力、および低ならびに可変周波数用途のための、より効果的なマルチレベル電力変換をもたらす多重化構造で構成される、少なくとも１つの３レベルＮＰＰセルを含む。図９の例において、固定周波数電力１０２（例えば、５０または６０ヘルツＡＣ）は、可変周波数電力１０４に変換される。可変周波数電力１０４は、電力負荷１３０（例えば、モータなど）に供給される。電力変換システム９００はまた、デバイス１２４内に、エネルギーストレージ構成要素を含み、第１の変換器１２２からもたらされるＤＣ電圧を蓄えることができる。
【００９２】
図１０は、上述した重複スイッチング状態技術を実現するよう構成された、制御デバイス１４０’および多重化セル構造２２０のブロック図１０００である。図１０のシステムは、重複スイッチング状態を介して、コンデンサモジュール２２６のフライングコンデンサ２６１／２６３を通って流れる電流を、能動的に調節することによって、フライコンデンサ電圧を均衡するよう構成される。
【００９３】
図１０において、制御デバイス１４０’は、図１Ａおよび図９の制御デバイス１４０と同様である。しかしながら、制御デバイス１４０’は、追加の機能を含み、上述した重複状態を実現する。
【００９４】
制御デバイス１４０’は、１つまたは複数の変調方法によって、初期のマルチレベルパルス信号１００３を生成するよう構成される、高次変調器１００２を含む。初期のマルチレベルパルス信号１００３は、多重化相脚２２０を駆動するために直接送信されない。代わりに、初期にマルチレベルパルス信号１００３を使用して、相脚２２０の複数のスイッチ要素を駆動するために使用される個々のパルス信号を生成する。
【００９５】
このような方法で、相脚２２０は、初期のマルチレベルパルス信号１００３の波形に対応する波形を有する出力電圧および／または電流をもたらすことができる。例えば、高次変調器１００２は、相脚２２０の出力に対応する、５、７、９、１１、またはそれ以上のレベルを有する、初期のマルチレベルパルス信号１００３を生成するよう構成することができる。
【００９６】
一実施形態において、変調器１００２は、例えば、レベルシフトパルス幅変調（ＬＳＰＷＭ）方法などの、マルチキャリア変調方法によって、初期マルチレベルパルス信号１００３を生成するよう構成される。他の実施形態において、高次変調器１００２は、当分野で周知の、他の変調方法を使用して、初期マルチレベルパルス信号１００３を生成するよう構成することができる。
【００９７】
図１０では、変調器１００２は、命令信号生成器１００４からもたらされる命令信号１０６’を受信することができる。命令信号１０６’は、所望の電圧の波形に対応する波形を有する電圧命令信号を含むことができる。例えば、電圧命令信号１０６’は、多重化セル２２０の所望のＡＣ出力電圧に対応する正弦波波形を有することができる。命令信号１０６’はまた、所望の出力周波数を示す周波数命令信号を含むことができる。
【００９８】
本実施形態において、高次変調器１００２はまた、キャリア信号生成器１００６からもたらされる複数のキャリア信号１００８を受け取ることができる。例えば、キャリア信号生成器１００６は、複数のキャリア信号を生成することができ、各キャリア信号は、特定の波形形状（例えば、三角形、鋸歯など）を有する。ＬＳＰＷＭ方法の場合では、キャリア信号１００８は、互いに別々にシフトし、命令信号１０６’に対する線形変調範囲を規定する。
【００９９】
図１０の例示的システムでは、フライングコンデンサ２６１／２６３の電圧（Ｖfc212、Ｖfc214、Ｖfc261、およびＶfc263）は、フライングコンデンサと関連する１つまたは複数の電圧センサ（図示せず）を使用して、リアルタイムに直接取得することができる。これらのリアルタイム電圧は、電圧情報信号１０１０および１０１２を介して、制御器１４０’にもたらされる。他の実施形態において、フライングコンデンサ電圧（Ｖfc212、Ｖfc214、Ｖfc261、およびＶfc263）は、計算または予測を通じて、間接的に取得することができる。パルス生成器１０００は、それぞれ、第１および第２のレベル制御信号１０１４および１０１６をもたらし、多重化セル２００および２０１の動作を制御し、所望の出力電圧を合成し、一方、フライングコンデンサ間の電圧（Ｖfc212、Ｖfc214、Ｖfc261、およびＶfc263）の調整および／または電力スイッチの熱応力の均衡などの、追加の制御目標を実現する。
【０１００】
図１０の多重化構造２２０では、図５Ｃの電圧レベル５０１などの、多くの出力電圧レベルが望まれる場合、上述した重複スイッチング状態技術を適用することができる。例えば、内側セル２００および外側セル２０１内の電力スイッチを動作させるためのスイッチング状態重複のため、複数の電流パスを形成することができる。これらの電流パスにより、電流は、選択された回路スイッチを通って流れることが可能となり、フライングコンデンサ２６１／２６３が充電および／または放電されて、所定のレベルでそれらの電圧を維持することができる。この動作は、例えば、図５Ａおよび図５Ｂに関して上述した、ＳレベルおよびＬレベルスイッチングデバイスの動作原理内で行うことができる。
【０１０１】
図１１は、本発明の一実施形態を実施する例示的方法１１００のフローチャートである。図１１では、方法１１００は、２つ以上のセルを含む電力変換システムの出力を制御するために提供される。２つ以上のセルのそれぞれは、複数のスイッチ要素を備え、そのセルの少なくとも１つが、３レベルＮＰＰセルである。
【０１０２】
説明を簡単にするために、方法１１００に含まれる１つまたは複数のステップまたは動作を、ブロックにまとめた。だたし、各ブロックで説明する動作は、本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、独立して、連続的に、または同期的に実行することができることを、当業者は容易に理解するであろう。
【０１０３】
方法１１００は、第１の制御信号を介して、第１のセルで、複数のスイッチ要素のそれぞれを連続的に制御するステップを備える第１のブロック１１０２を含み、連続的に制御するステップは、第１のスイッチング状態に応じる。方法１１００はさらに、第２の制御信号を介して、第２のセルで、複数のスイッチ要素のそれぞれを連続的に制御するステップを備える第２のブロック１１０４を含み、第２のセルを制御するステップは、第２のスイッチング状態に応じる。方法１１００はさらに、ブロック１１０６を含み、第１または第２のセルのスイッチ要素の１つがＯＮである場合、各セル内のスイッチ要素の他のすべてがＯＦＦになる。
【０１０４】
図１２は、本発明の態様を実現することができる例示的コンピュータシステム１２００のブロック図である。コンピュータシステム１２００は、プロセッサ１２０４などの、１つまたは複数のプロセッサを含む。プロセッサ１２０４は、中央処理装置（ＣＰＵ）などの汎用プロセッサ、またはグラフィック処理装置（ＧＰＵ）などの専用プロセッサとすることができる。プロセッサ１２０４は、通信インフラ１２０６（例えば、通信バス、クロスオーバーバー、またはネットワーク）に接続される。さまざまなソフトウェア実施形態を、この例示的コンピュータシステムの点から説明する。この説明を読むことで、他のコンピュータシステムおよび／またはアーキテクチャを使用しての、本発明の実施方法が、当業者には明らかになるであろう。
【０１０５】
コンピュータシステム１２００は、関連するディスプレイ１２３０に画像を表示するための、物理シミュレーションおよびグラフィックス処理タスクを実行する、グラフィック処理システム１２０２を含むことができる。コンピュータシステム１２００はまた、好ましくは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）である、メインメモリ１２０８を含み、さらに二次メモリ１２１０を含んでもよい。
【０１０６】
二次メモリ１２１０は、例えば、ハードディスクドライブ１２１２および／またはリムーバブル・ストレージ・ドライブ１２１４を含むことができ、リムーバブル・ストレージ・ドライブ１２１４には、フロッピーディスクドライブ、磁気テープドライブ、および光学ディスクドライブなどがある。リムーバブル・ストレージ・ドライブ１２１４は、リムーバブル・ストレージ・ユニット１２１８から読み取る、および／またはリムーバブル・ストレージ・ユニット１２１８に書き込む。リムーバブル・ストレージ・ユニット１２１８は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ドライブ、フラッシュドライブ、磁気テープ、および光学ディスクなどがあり、リムーバブル・ストレージ・ドライブ１２１４によって読み書きされる。明らかであろうように、リムーバブル・ストレージ・ユニット１２１８は、コンピュータソフトウェアおよび／またはデータが格納されているコンピュータ利用可能ストレージメディアを含む。
【０１０７】
代替実施形態において、二次メモリ１２１０は、他の同様のデバイスを含むことができ、コンピュータプログラムまたは他の命令を、コンピュータシステム１２００にロードすることを可能にする。そのようなデバイスには、例えば、リムーバブル・ストレージ・ユニット１２２２およびインターフェース１２２０を含むことができる。それらの例には、プログラムカートリッジならびにカートリッジインターフェース、リムーバブル・メモリ・チップ（例えば、消去可能プログラマブル・リードオンリー・メモリ（ＥＰＲＯＭ）またはプログラマブル・リードオンリー・メモリ（ＰＲＯＭ）など）ならびに関連したソケット、および他のリムーバブル・ストレージ・ユニット１２２２およびインターフェース１２２０を含むことができ、ソフトウェアおよびデータを、リムーバブル・ストレージ・ユニット１２２２からコンピュータシステム１２００に転送することを可能にする。
【０１０８】
コンピュータシステム１２００はまた、通信インターフェース１２２４を含んでもよい。通信インターフェース１２２４により、ソフトウェアおよびデータを、コンピュータシステム１２００と外部デバイスとの間で転送することを可能にする。通信インターフェース１２２４の例には、モデム、ネットワークインターフェース（例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔカード）、通信ポート、およびＰＣメモリカード国際協会（ＰＣＭＣＩＡ）スロットならびにカードなどを含むことができる。
【０１０９】
通信インターフェース１２２４を介して転送されるソフトウェアおよびデータは、信号１２２８の形式であり、信号１２２８は、電気信号、電磁気信号、光学信号、または通信インターフェース１２２４によって受信することが可能な他の信号とすることができる。これらの信号１２２８は、通信パス（例えば、チャネル）１２２６を介して、通信インターフェース１２２４にもたらされる。このチャネル１２２６は、信号１２２８を搬送し、ワイヤもしくはケーブル、光ファイバ、電話線、セルラーリンク、無線周波数（ＲＦ）リンク、および他の通信チャネルを使用して実現することができる。
【０１１０】
本明細書において、「コンピュータ・プログラム・メディア」および「コンピュータ利用可能メディア」という用語は、一般に、リムーバブル・ストレージ・ドライブ１２１４、ハードディスクドライブ１２１２に取り付けられたハードディスク、および信号１２２８などのメディアを意味するために使用される。これらのコンピュータプログラム製品は、ソフトウェアを、コンピュータシステム１２００にもたらす。
【０１１１】
コンピュータプログラム（コンピュータ制御ロジックとも称される）は、メインメモリ１２０８および／または二次メモリ１２１０に格納される。コンピュータプログラムはまた、通信インターフェース１２２４を介して受信してもよい。そのようなコンピュータプログラムは、実行されると、コンピュータシステム１２００が、本明細書で説明するような、本発明の特徴を実行することを可能にする。したがって、そのようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム１２００の制御器を意味する。
【０１１２】
本発明をソフトウェアを使用して実現する一実施形態において、ソフトウェアを、コンピュータプログラム商品に格納し、リムーバブル・ストレージ・ドライブ１２１４、ハードドライブ１２１２、または通信インターフェース１２２４を使用してコンピュータシステム１２００にロードすることができる。制御ロジック（ソフトウェア）は、プロセッサ１２０４によって実行されると、プロセッサ１２０４に、本明細書で説明するような、本発明の機能を実行させる。
結論
本明細書で提示する教示によってさらに包含されるであろう代替実施形態、実施例、および変形例は、特に、上記の詳細な説明に照らして、当業者によってなされ得る。さらに、本明細書で使用される用語は、限定ではなく説明のための言葉であることを意図することが理解されよう。
【０１１３】
当業者はまた、上述した好ましい実施形態および代替実施形態のさまざまな応用例および変形例は、本発明の範囲および主旨から逸脱せずに構成することができることを理解するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内で、本発明は、本明細書で特に説明したもの以外を実施することができることが理解されよう。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  システム
１０２  第１の電力／固定周波数電力
１０４  第２の電力／可変周波数電力
１０６  制御信号
１０６’  命令信号
１１０  電源
１２０  電力変換器モジュール
１２２  第１の変換器／多相変換器
１２３  ＤＣ電圧／ＤＣ電力
１２４  ＤＣリンク／エネルギーストレージデバイス
１３０  電力負荷
１４０  制御デバイス
１４０’  制御デバイス／制御器
１９０  例示的タイミング図
２００  内側セル／３レベルＮＰＰセル／Ｓレベル内側セル
２０１  外側セル／外側ＮＰＰセル／外側３レベルセル／Ｔレベル外側セル
２０２  第１のポート
２０３  第３のセル／外部セル
２０４  第２のポート
２０５  スイッチ要素／電力スイッチ
２０６  第１のＤＣリンク
２０８  第２のＤＣリンク
２１０  ＤＣリンク／コンデンサモジュール
２１１、２１５、２１６、２１９  接続端子
２１２  コンデンサ
２１４  コンデンサ２２０  第１の相脚／多重化相脚／多重化セル構造
２２１  接続端子
２２５  接続端子／出力カスケード端子
２２６  ＤＣリンク／コンデンサモジュール
２２７  接続端子／出力カスケード端子
２２８  スイッチ要素
２２９  接続端子／出力カスケード端子
２３２  スイッチ要素／電力スイッチ
２３４  スイッチ要素／電力スイッチ／サブスイッチ
２３５  接続端子
２３６  電力スイッチ／サブスイッチ
２３８  スイッチ要素／電力スイッチ
２３９  端子／接続ポイント
２４１  接続端子
２４２  スイッチ要素／電力スイッチ
２４４  電力スイッチ
２４６  電力スイッチ／サブスイッチ
２５０  相脚
２６０  出力端子／出力ポート
２６１  フライングコンデンサ
２６３  フライングコンデンサ
２６５  出力ポート
２７１  スイッチ要素
２８０  相脚
２８５  出力ポート
３０１  ゲートドライバ
３０３  ゲートドライバ
３０５  ゲートドライバ
３０７  ゲートドライバ
３０９  第１の駆動信号／制御信号
３１１  第３の駆動信号／スイッチング駆動信号／制御信号
３１３  第２の駆動信号／スイッチング駆動信号／制御信号
３１５  第４の駆動信号／制御信号
３１６  電力スイッチ
３１７  ゲートドライバ
３１８  電力スイッチ
３１９  ゲートドライバ
３２１  ゲートドライバ
３２２  第ｎ電力スイッチ
３２３  ゲートドライバ
３２４  逆並列ダイオード
３２５  スイッチング駆動信号／制御信号
３２６  逆並列ダイオード
３２７  スイッチング駆動信号／制御信号
３２８  第ｎ逆並列ダイオード
３２９  スイッチング駆動信号／制御信号
３３１  駆動信号／制御信号
５０１  電圧レベル
５０２  スイッチング状態
５０４  スイッチング状態
５１１  出力電圧波形
５１２  タイミング信号
５１４  タイミング信号
５５０  出力電圧波形
６００  電力変換相脚
６０２  フライングコンデンサ
６０４  第１の電流パス
６０６  出力ポート
６０８  第２の電流パス
６１０  フライングコンデンサ
７００  第２の変換器／多相変換器
８００  ７レベル多重化ＮＰＰ構造
９００  電力変換システム
１０００  パルス生成器（ブロック図）
１００２  高次変調器
１００３  マルチレベルパルス信号
１００４  命令信号生成器
１００６  キャリア信号生成器
１００８  キャリア信号
１０１０  電圧情報信号
１０１２  電圧情報信号
１０１４  レベル制御信号
１０１６  レベル制御信号
１１００  例示的方法
１１０２  ブロック
１１０４  ブロック
１１０６  ブロック
１２００  コンピュータシステム
１２０２  グラフィック処理システム
１２０４  プロセッサ
１２０６  通信インフラ
１２０８  メインメモリ
１２１０  二次メモリ
１２１２  ハードディスクドライブ
１２１４  リムーバブル・ストレージ・ドライブ
１２１８  リムーバブル・ストレージ・ユニット
１２２０  インターフェース
１２２２  リムーバブル・ストレージ・ユニット
１２２４  通信インターフェース
１２２６  通信パス／チャネル
１２２８  信号
１２３０  ディスプレイ
【図１Ａ】
2016178760.tif 000003
【図１Ｂ】
2016178760.tif 000004
【図２Ａ】
2016178760.tif 000005
【図２Ｂ】
2016178760.tif 000006
【図２Ｃ】
2016178760.tif 000007
【図３】
2016178760.tif 000008
【図４】
2016178760.tif 000009
【図５Ａ】
2016178760.tif 000010
【図５Ｂ】
2016178760.tif 000011
【図５Ｃ】
2016178760.tif 000012
【図５Ｄ】
2016178760.tif 000013
【図６Ａ】
2016178760.tif 000014
【図６Ｂ】
2016178760.tif 000015
【図７】
2016178760.tif 000016
【図８】
2016178760.tif 000017
【図９】
2016178760.tif 000018
【図１０】
2016178760.tif 000019
【図１１】
2016178760.tif 000020
【図１２】
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