(57)【要約】【課題】５レベル電力変換装置において、スイッチング損失を低減し、スイッチングデバイスの寿命の向上、電力変換装置の効率の向上、装置の小型化、コストの低減を図る。【解決手段】５レベル電力変換装置において、出力電圧の正負でゲートオン／ゲートオフとなるスイッチングデバイスを正負対称にし、各々の出力電圧レベルに遷移する際にスイッチングするスイッチングデバイス数を低減させる。これにより、スイッチング回数を低減し、スイッチング損失を低減する。【選択図】図１
2016101044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された２個の直流電圧源のうち上段の直流電圧源の負極端に一端が接続された各相共通の第１共通スイッチと、
直列接続された２個の直流電圧源のうち下段の直流電圧源の正極端に一端が接続された各相共通の第２共通スイッチと、
第１共通スイッチの他端に一端が接続された各相共通の第１フライングキャパシタと、
第２共通スイッチの他端に一端が接続された各相共通の第２フライングキャパシタと、
前記上段の直流電圧源の正極端と第１共通スイッチの他端との間に順次直列接続された各相の第１スイッチングデバイス，第２スイッチングデバイス，第３スイッチングデバイスと、
第１スイッチングデバイス，第２スイッチングデバイスの共通接続点と第１フライングキャパシタの他端との間に介挿された各相の第４スイッチングデバイスと、
第２共通スイッチの他端と下段の直流電圧源の負極端との間に順次直列接続された各相の第５スイッチングデバイス，第６スイッチングデバイス，第７スイッチングデバイスと、
第６スイッチングデバイスと第７スイッチングデバイスの共通接続点と第２フライングキャパシタの他端との間に介挿された各相の第８スイッチングデバイスと、
第２スイッチングデバイスと第３スイッチングデバイスの共通接続点に一端が接続された各相の第９スイッチングデバイスと、
第５スイッチングデバイスと第６スイッチングデバイスの共通接続点に一端が接続された各相の第１０スイッチングデバイスと、を備え、
各相の第９スイッチングデバイスの他端と第１０スイッチングデバイスの他端が接続された共通接続点を出力端子とした５レベル電力変換装置の制御方法であって、 
上段の直流電圧源と下段の直流電圧源の共通接続点と出力端子間の電圧を、
表２の２Ｅ、Ｅ、一Ｅ、−２Ｅの行におけるスイッチングパターンと、
表３の±０ａと±０ｂの行におけるスイッチングパターンのうち少なくとも一方のスイッチングパターンと、
で制御することを特徴とする５レベル電力変換装置の制御方法。
【表２】
2016101044.tif 000009
ただし、表中の１はゲートオン状態、０はゲートオフ状態を示す
＊はどちらでも可能であることを示す。 
【表３】
2016101044.tif 000010
【請求項２】
前記上段の直流電圧源と下段の直流電圧源の共通接続点と出力端子間の電圧を、
表２の２Ｅ、Ｅ、一Ｅ、−２Ｅの行におけるスイッチングパターンと、
表３の±０ａと±０ｂの行におけるスイッチングパターンと、
で制御することを特徴とする請求項１記載の５レベル電力変換装置の制御方法。
【請求項３】
第１スイッチングデバイスのゲートオン信号と第２スイッチングデバイスのゲートオン信号間にデットタイムを設け、
第７スイッチングデバイスのゲートオン信号と第８スイッチングデバイスのゲートオン信号間にデットタイムを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の５レベル電力変換装置の制御方法。
【請求項４】
前記第１〜第１０スイッチングデバイスの一部、または、全てを直列数２以上としたことを特徴とする請求項１〜３のうち何れかに記載の５レベル電力変換装置の制御方法。
【請求項５】
前記第１〜第１０スイッチングデバイスの一部、または、全部を並列数２以上としたことを特徴とする請求項１〜４のうち何れかに記載の５レベル電力変換装置の制御方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れかに記載の制御方法により制御することを特徴とする５レベル電力変換装置。
【請求項７】
請求項１〜５のうち何れかに記載の制御方法により制御し、第１〜第１０スイッチングデバイスを３つずつ備えたことを特徴とする三相の５レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 高圧大容量向け５レベル電力変換装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に特許文献１で示された三相５レベル電力変換装置の回路構成，図２にその単相分のみの回路構成を示す。図１，図２に示すように、三相５レベル電力変換装置は、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２と、第１〜第１０スイッチングデバイスＳＷ１〜ＳＷ１０を備える。図１では、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２をＵ相，Ｖ相，Ｗ相で共通化している。
【０００３】
図２において入力部の電位をそれぞれＰ，ＦＣｐ＋，ＦＣｐ−，ＮＰ，ＦＣｎ＋，ＦＣｎ−，Ｎとし、出力端子をＯとする。（Ｐ）−（ＮＰ），（ＮＰ）−（Ｎ）端子間電圧は２Ｅであり、（ＦＣｐ＋）−（ＦＣｐ−），（ＦＣｎ＋）−（ＦＣｎ−）の端子間電圧はＥである。特許文献１で示されたスイッチングパターンを表１に示す。なお、表１において、０／ＳＷの行の１〜Ｓ２は、第１〜第１０スイッチングデバイスと、第１，第２共通スイッチを示し、０／ＳＷの列の＋２Ｅ〜−２Ｅは直流電圧源ＤＣＣ１とＤＣＣ２の共通接続点ＮＰと出力端子間の電圧を示す。
【０００４】
【表１】
2016101044.tif 000003
【０００５】
ただし、表１中の１はスイッチングデバイスのゲートオン状態、０はゲートオフ状態を示す。○で囲んだ箇所がスイッチング遷移箇所である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願２０１３−１３２２６１号
【特許文献２】特願２０１４−１０００５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、５レベルのスイッチングパターンを示している。しかしながら、特許文献１では、各々の出力電圧レベルに遷移する際にスイッチング（０→１または１→０への変換）を行うスイッチングデバイスが多い。出力電圧を＋Oに選択するスイッチングパターンではゲートオン状態、ゲートオフ状態となっているスイッチングデバイスが正負対称でないため、出力電圧が＋Oから−Ｅに遷移する場合、スイッチング回数が特に多い。スイッチング回数の増加は、スイッチング損失の増加につながる。このことは、電力変換装置の効率低下や冷却機能の増大、すなわち装置の大型化や高コスト化につながるため好ましくない。
【０００８】
また、スイッチングデバイスの特性やゲート駆動回路の特性のばらつきによって、直流短絡が発生する恐れがある。一般的に直流短絡を防止するため、ゲートオン信号にデッドタイムを設けるが、特許文献１はデッドタイムについて示唆していない。
【０００９】
表１の場合、スイッチングパターン＋２Ｅから＋Ｅへ遷移する場合、デッドタイムを設けずにスイッチングデバイスＳＷ１とＳＷ４が同時にオンする期間が発生すると、直流短絡が発生する。同様に、スイッチングパターン−Ｅから−２Ｅへ遷移する場合、デッドタイムを設けずにスイッチングデバイスＳＷ７とＳＷ８が同時にオンする期間が発生すると、直流短絡が発生する。
【００１０】
直流短絡の発生によって、スイッチングデバイスに過電流が流れ、装置の信頼性が低下する。そのため、デッドタイムを設けることが望ましい。
【００１１】
以上示したようなことから、５レベル電力変換装置において、スイッチング損失を低減し、スイッチングデバイスの寿命の向上、電力変換装置の効率の向上、装置の小型化、コストの低減を図ることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、直列接続された２個の直流電圧源のうち上段の直流電圧源の負極端に一端が接続された各相共通の第１共通スイッチと、直列接続された２個の直流電圧源のうち下段の直流電圧源の正極端に一端が接続された各相共通の第２共通スイッチと、第１共通スイッチの他端に一端が接続された各相共通の第１フライングキャパシタと、第２共通スイッチの他端に一端が接続された各相共通の第２フライングキャパシタと、前記上段の直流電圧源の正極端と第１共通スイッチの他端との間に順次直列接続された各相の第１スイッチングデバイス，第２スイッチングデバイス，第３スイッチングデバイスと、第１スイッチングデバイス，第２スイッチングデバイスの共通接続点と第１フライングキャパシタの他端との間に介挿された各相の第４スイッチングデバイスと、第２共通スイッチの他端と下段の直流電圧源の負極端との間に順次直列接続された各相の第５スイッチングデバイス，第６スイッチングデバイス，第７スイッチングデバイスと、第６スイッチングデバイスと第７スイッチングデバイスの共通接続点と第２フライングキャパシタの他端との間に介挿された各相の第８スイッチングデバイスと、第２スイッチングデバイスと第３スイッチングデバイスの共通接続点に一端が接続された各相の第９スイッチングデバイスと、第５スイッチングデバイスと第６スイッチングデバイスの共通接続点に一端が接続された各相の第１０スイッチングデバイスと、を備え、各相の第９スイッチングデバイスの他端と第１０スイッチングデバイスの他端が接続された共通接続点を出力端子とした５レベル電力変換装置の制御方法であって、 上段の直流電圧源と下段の直流電圧源の共通接続点と出力端子間の電圧を、表２の２Ｅ、Ｅ、一Ｅ、−２Ｅの行におけるスイッチングパターンと、表３の±０ａと±０ｂの行におけるスイッチングパターンのうち少なくとも一方のスイッチングパターンと、で制御することを特徴とする。
【００１３】
【表２】
2016101044.tif 000004
【００１４】
ただし、表中の１はゲートオン状態、０はゲートオフ状態を示す
＊はどちらでも可能であることを示す。 
【００１５】
【表３】
2016101044.tif 000005
【００１６】
また、その一態様として、前記上段の直流電圧源と下段の直流電圧源の共通接続点と出力端子間の電圧を、表２の２Ｅ、Ｅ、一Ｅ、−２Ｅの行におけるスイッチングパターンと、表３の±０ａと±０ｂの行におけるスイッチングパターンと、で制御することを特徴とする。
【００１７】
また、その一態様として、第１スイッチングデバイスのゲートオン信号と第２スイッチングデバイスのゲートオン信号間にデットタイムを設け、第７スイッチングデバイスのゲートオン信号と第８スイッチングデバイスのゲートオン信号間にデットタイムを設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、その一態様として、前記第１〜第１０スイッチングデバイスの一部、または、全てを直列数２以上としたことを特徴とする。
【００１９】
また、他の態様として、前記第１〜第１０スイッチングデバイスの一部、または、全部を並列数２以上としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、５レベル電力変換装置において、スイッチング損失を低減し、スイッチングデバイスの寿命の向上、電力変換装置の効率の向上、装置の小型化、コストの低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における三相５レベル電力変換装置を示す回路構成図。
【図２】５レベル電力変換装置の一相のみの回路を示す図。
【図３】スイッチングデバイスのゲートオン信号を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明では、特許文献１で示された回路構成のスイッチングパターンに関するものであるため、主回路構成は図１，図２と同様である。図２で出力可能な電圧状態は５レベルであるが、スイッチングパターンは表１に示す５つに限定されない。なぜならば、出力電圧＝０（すなわち、ＮＰ端子とＯ端子が同電位）を出力するスイッチングパターンは一意に決定されず複数存在する。すなわち、スイッチングパターンの選択はその思想により自由に設計できる。ここで本実施形態１，２におけるスイッチングパターン設計思想を下記に示す。
【００２３】
［スイッチング回数を最小にする］、かつ、［出力電圧の正負でゲートオン／ゲートオフとなっているスイッチングデバイスを正負対称にする］。
【００２４】
以下、本発明に係る５レベル電力変換装置の実施形態１，２を図１〜図３に基づいて詳述する。
【００２５】
［実施形態１］
まず、本実施形態１における５レベル電力変換装置の回路構成を図１，図２に基づいて説明する。
【００２６】
直列接続された２個の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２のうち上段の直流電圧源ＤＣＣ１の負極端に各相共通の第１共通スイッチＳ１の一端を接続する。また、直列接続された２個の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２のうち下段の直流電圧源ＤＣＣ２の正極端に各相共通の第２共通スイッチＳ２の一端を接続する。
【００２７】
第１共通スイッチＳ１の他端に各相共通の第１フライングキャパシタＦＣ１の一端を接続し、第２共通スイッチＳ２の他端に各相共通の第２フライングキャパシタＦＣ２の一端を接続する。
【００２８】
上段の直流電圧源ＤＣＣ１の正極端と第１共通スイッチＳ１の他端との間に各相の第１スイッチングデバイスＳＷｕ１，第２スイッチングデバイスＳＷｕ２，第３スイッチングデバイスＳＷｕ３（ＳＷｕ３ａ，ＳＷｕ３ｂ）が順次直列接続される。
【００２９】
第１スイッチングデバイスＳＷｕ１，第２スイッチングデバイスＳＷｕ２の共通接続点と第１フライングキャパシタＦＣ１の他端との間に各相の第４スイッチングデバイスＳＷｕ４が介挿される。
【００３０】
第２共通スイッチＳ２の他端と下段の直流電圧源ＤＣＣ２の負極端との間に第５スイッチングデバイスＳＷｕ５（ＳＷ５ａ，ＳＷ５ｂ），第６スイッチングデバイスＳＷｕ６，第７スイッチングデバイスＳＷｕ７が順次直列接続される。
【００３１】
第６スイッチングデバイスＳＷｕ６と第７スイッチングデバイスＳＷｕ７の共通接続点と第２フライングキャパシタＦＣ２の他端との間に各相の第８スイッチングデバイスＳＷｕ８が介挿される。
【００３２】
第２スイッチングデバイスＳＷｕ２と第３スイッチングデバイスＳＷｕ３の共通接続点に第９スイッチングデバイスＳＷｕ９（ＳＷ９ａ，ＳＷ９ｂ）の一端が接続される。第５スイッチングデバイスＳＷｕ５と第６スイッチングデバイスＳＷｕ６の共通接続点に各相の第１０スイッチングデバイスＳＷ１０（ＳＷ１０ａ，ＳＷ１０ｂ）の一端が接続される。
【００３３】
そして、各相の第９スイッチングデバイスＳＷｕ９（ＳＷ９ｂ）の他端と第１０スイッチングデバイスＳＷｕ１０（ＳＷ１０ｂ）の他端が接続された共通接続点を出力端子Ｏとする。なお、Ｕ相についてのみ説明したが、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
【００３４】
表２に電圧出力可能なスイッチングパターン一覧を示す。なお、０／ＳＷの行に示す１〜Ｓ２と、０／ＳＷの列に示す＋２Ｅ〜−２Ｅは、表１と同様のものを示す。表１と比較して、出力電圧＝０のスイッチングパターンに「±０」を設定した。また、電圧出力に影響しないスイッチングデバイスも存在したため、表中では＊と表記した。表１では出力電圧の正負でゲートオン／ゲートオフとなるスイッチングデバイスが正負非対称であったが、表２のスイッチングパターンでは出力電圧の正負で、ゲートオン／ゲートオフとなるスイッチングデバイスが正負対称となる。
【００３５】
【表２】
2016101044.tif 000006
【００３６】
ただし、表中の１はゲートオン状態、０はゲートオフ状態を示す
＊はどちらでも可能であることを示す。
【００３７】
「±０」：２種類のスイッチングパターンがある。表３に、２種類のスイッチングパターン（±０ａ，±０ｂ）を示す。なお、０／ＳＷの行に示す１〜Ｓ２と、０／ＳＷの列に示す＋２Ｅ〜−２Ｅは、表１と同様のものを示す。
【００３８】
【表３】
2016101044.tif 000007
【００３９】
±０ａは、図２において第３，第５スイッチングデバイスＳＷ３ａ，ＳＷ３ｂ、ＳＷ５ａ，ＳＷ５ｂをゲートオンさせたスイッチングパターンである。５レベル電力変換装置の出力電流Ｉｏの極性が正（図２の矢印の方向）であれば、ＮＰ→Ｓ２→ＳＷ５ａ→ＳＷ５ｂ→ＳＷ１０ａ→ＳＷ１０ｂ→Ｏの経路で出力電流が流れ、端子Ｏは端子ＮＰと同電位となる。出力電流Ｉｏの極性が負（図２の矢印と逆方向）であれば、Ｏ→ＳＷ９ｂ→ＳＷ９ａ→ＳＷ３ａ→ＳＷ３ｂ→Ｓ１→ＮＰの経路で出力電流が流れ、端子Ｏは端子ＮＰと同電位となる。
【００４０】
±０ｂは、スイッチングデバイスＳＷ３ａ，ＳＷ３ｂ，ＳＷ５ａ，ＳＷ５ｂをゲートオフさせたスイッチングパターンである。この場合、スイッチングデバイスＳＷ３ａ，ＳＷ３ｂ，ＳＷ５ａ，ＳＷ５ｂの逆並列ダイオードに出力電流Ｉｏが流れる。５レベル電力変換装置の出力電流Ｉｏの極性が正（図２の矢印の方向）であれば、ＮＰ→Ｓ１→ＳＷ３ｂ→ＳＷ３ａ→ＳＷ９ａ→ＳＷ９ｂ→Ｏの経路で出力電流が流れ、端子Ｏは端子ＮＰと同電位となる。出力電流Ｉｏの極性が負（図２の矢印と逆方向）であれば、Ｏ→ＳＷ１０ｂ→ＳＷ１０ａ→ＳＷ５ｂ→ＳＷ５ａ→Ｓ２→ＮＰの経路で出力電流が流れ、端子Ｏは端子ＮＰと同電位となる。
【００４１】
このように、±０ａ、±０ｂのいずれのスイッチングパターンを選択して、も、端子Ｏは端子ＮＰと同電位となり、零電圧を出力できる。
【００４２】
次に、±０ｂのスイッチングパターンを適用することによりスイッチングを行うスイッチングデバイス数が最小になることを表４に示す。なお、０／ＳＷの行に示す１〜Ｓ２と、０／ＳＷの列に示す＋２Ｅ〜−２Ｅは、表１と同様のものを示す。また、表４の±０ｂでは、ＳＷ４＝１，ＳＷ８＝１とする。
【００４３】
【表４】
2016101044.tif 000008
【００４４】
表４に示すように、出力電圧の正負でゲートオン／ゲートオフとなるスイッチングパターンが正負対称になっている。すなわち、出力電圧が＋２Ｅのとき第１，第２，第８，第９スイッチングデバイスＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ８，ＳＷ９ａ，ＳＷ９ｂ，第１，第２共通スイッチＳ１，Ｓ２がゲートオンとなっているのに対し、出力電圧が−２Ｅのときはそのスイッチングデバイスと正負対称の第４，第６，第７，第１０スイッチングデバイスＳＷ４，ＳＷ６，ＳＷ７，ＳＷ１０ａ，ＳＷ１０ｂ，第１，第２共通スイッチＳ１，Ｓ２がゲートオンとなっている。
【００４５】
また、出力電圧が＋Ｅのとき第２，第４，第８，第９スイッチングデバイスＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ８，ＳＷ９ａ，ＳＷ９ｂ，第１，第２共通スイッチＳ１，Ｓ２がゲートオンとなっているのに対し、出力電圧−Ｅのときは、そのスイッチングデバイスと正負対称の第４，第６，第８，第１０スイッチングデバイスＳＷ４，ＳＷ６，ＳＷ８，ＳＷ１０ａ，ＳＷ１０ｂ，第１，第２共通スイッチＳ１，Ｓ２がゲートオンとなっている。
【００４６】
また、出力電圧が±０ｂのときも第４，第９スイッチングデバイスＳＷ４，ＳＷ９ａ，ＳＷ９ｂ，第１共通スイッチＳ１と、そのスイッチングデバイスと正負対称の第８，第１０スイッチングデバイスＳＷ８，ＳＷ１０ａ，ＳＷ１０ｂ，第２共通スイッチＳ２がゲートオンとなっている。
【００４７】
このように、出力電圧が±０ｂのときゲートオン／ゲートオフとなっているスイッチングデバイスが正負対称であるため、出力電圧が＋Ｅへ遷移する際も−Ｅへ遷移する際もスイッチングするスイッチングデバイス数を低減することができる。
【００４８】
表４は表１に比べて○で囲まれた箇所が少なくなっている。 表４のスイッチングパターンの適用によって、表１の従来のスイッチングパターンと比べて、スイッチングを行うスイッチングデバイス数が低滅される。
【００４９】
以上示したように、本実施形態１によれば、出力電圧が各々のレベルに遷移する際、スイッチングを行うスイッチングデバイス数が低減するため、全体のスイッチング回数が減少し、スイッチングデバイスのスイッチング損失が低減する。また、スイッチングデバイスのスイッチング損失が低減するため、スイッチングデバイスの温度上昇が抑制され、スイッチングデバイスの寿命が延びる。
【００５０】
また、スイッチングデバイスのスイッチング損失が減少するため、電力変換装置の効率の上昇を図ることができる。また、スイッチングデバイスのスイッチング損失が減少するため、電力変換装置の冷却機構を縮小でき、装置全体の小型化を図ることが可能となる。
【００５１】
さらに、装置全体を小型化できるため、コストを低減できる。
【００５２】
［実施形態２］
図３は、スイッチングデバイスＳＷ１とＳＷ４のゲートオン信号を示すタイムチャートである。本実施形態２では、スイッチングデバイスのゲートオン信号に付与するデッドタイムの生成法について説明する。
【００５３】
図３に示すように、ゲートオン信号のオフ状態→オン状態変化時にデッドタイムＴｄを付与すればよい。
【００５４】
スイッチングデバイスＳＷ１とＳＷ４のゲートオン信号にデッドタイムＴｄを設けることにより、スイッチングデバイスＳＷ１とＳＷ４が同時にオン状態となることを確実に回避し、スイッチングデバイスＳＷ１とＳＷ４の同時オン状態がもたらすＰ→ＳＷ１→ＳＷ４→ＦＣｐ＋のループによる直流短絡発生を防止することができる。
【００５５】
なお、本実施形態２では、第１，第４スイッチングデバイスＳＷ１，ＳＷ４について説明したが、第７，第８スイッチングデバイスＳＷ７とＳＷ８についても同様である。
【００５６】
以上示したように、本実施形態２における５レベル電力変換装置によれば、
ゲートオン信号にデッドタイムＴｄを付加することにより、スイッチングデバイスやゲート駆動回路の特性にばらつきがあっても、直流短絡の発生を抑制できる。
【００５７】
これにより、スイッチングデバイスの短絡による過電流を抑制でき、装置の安全な運転が可能になる。
【００５８】
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。
【００５９】
例えば、第１〜第１０スイッチングデバイスＳＷ１〜１０の一部、または、全てを直列数２以上としても良く、並列数２以上としても良い。
【符号の説明】
【００６０】
ＤＣＣ１，ＤＣＣ２…直流電圧源
Ｓ１，Ｓ２…共通スイッチ
ＳＷ１〜ＳＷ１０…スイッチングデバイス
ＦＣ１，ＦＣ２…フライングキャパシタ
【図１】
2016101044.tif 000011
【図２】
2016101044.tif 000012
【図３】
2016101044.tif 000013