(57)【要約】【課題】各ゲートドライブ回路に個別の専用電源を使用せずに各ゲートドライブ回路に電源の供給を実現する。【解決手段】各スイッチにそれぞれ接続されるゲートドライバおよびインターフェース回路から構成される専用電源を必要としない個別ゲートドライブ部と、これらのゲートドライブ部に電力を供給する共用電源から構成される電力変換器ゲートドライブを備え、インターフェース回路に設けられた１つまたは複数の電力供給端子を介して、スイッチ数よりも少ない共用電源または主回路から電力を供給することを可能にする。また、信号源からゲートドライバへの信号の絶縁を取ることで信号伝達を可能にする。【選択図】図１
2009177951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主回路が複数スイッチから構成される電力変換装置において、
複数の各スイッチにそれぞれ接続されるゲートドライバおよびインターフェース回路から構成される専用電源を必要としない個別ゲートドライブ部を備え、
前記インターフェース回路にそれぞれ設けられた１つまたは複数の電力供給端子を介して、スイッチ数よりも少ない共用電源又は主回路から前記ゲートドライブ部に電力を供給し、
前記ゲートドライブ部に信号を伝達する信号源を備えて、該信号源から各ゲートドライバへの信号を、それぞれ絶縁を取って伝達することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成した請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を２乃至３並列接続した単相乃至三相マルチレベル電力変換器の各相を構成した請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａと電源供給端子２−ｂを備え、第（２ｍ−３）スイッチに接続される第（２ｍ−３）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−３）−ａと電源供給端子（２ｍ−３）−ｂを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａを備え、
共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと共用電源の接地側端子１−ｂを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ｂと共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第３インターフェース回路の電源供給端子３−ｂを接続し、第（２ｍ−４）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−４）−ａと第（２ｍ−３）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−３）−ｂを接続し、第（２ｍ−３）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−３）−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａを接続し、
１つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａと電源供給端子２−ｂを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａと電源供給端子（２ｍ−２）−ｂを備え、
共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ｂと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ｂと共用電源の接地側端子１−ｂを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａと共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、
１つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブを備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａを備え、第３スイッチに接続される第３インターフェース回路は電源供給端子３−ａを備え、第（ｍ−１）スイッチに接続される第（ｍ−１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ−１）−ａを備え、第ｍスイッチに接続される第ｍインターフェース回路は電源供給端子ｍ−ａと電源供給端子ｍ−ｂを備え、第（ｍ＋１）スイッチに接続される第（ｍ＋１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ＋１）−ａを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａを備え、
共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと共用電源の接地側端子１−ｂを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第（ｍ−１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ−１）−ａと第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ｂと共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ａと第（ｍ＋１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ＋１）−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａを接続し、
１つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａを備え、第３スイッチに接続される第３インターフェース回路は電源供給端子３−ａを備え、第（ｍ−１）スイッチに接続される第（ｍ−１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ−１）−ａを備え、第ｍインターフェース回路は電源供給端子ｍ−ａと電源供給端子ｍ−ｂと電源供給端子ｍ−ｃを備え、第（ｍ＋１）スイッチに接続される第（ｍ＋１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ＋１）−ａを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａを備え、
共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと共用電源の接地側端子１−ｂと第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ｃを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第（ｍ−１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ−１）−ａと第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ｂと共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ａと第（ｍ＋１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ＋１）−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａを接続し、
１つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項８】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａと電源供給端子２−ｂを備え、第（ｍ−１）スイッチに接続される第（ｍ−１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ−１）−ａと電源供給端子（ｍ−１）−ｂを備え、第ｍスイッチに接続される第ｍインターフェース回路は電源供給端子ｍ−ａを備え、第（ｍ＋１）スイッチに接続される第（ｍ＋１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ＋１）−ａを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａを備え、
共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと共用電源の接地側端子１−ｂを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ｂと第３インターフェース回路の電源供給端子３−ｂと第（ｍ−１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ−１）−ｂと第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ａと共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第（ｍ＋１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ＋１）−ａを接続し、第３インターフェース回路の電源供給端子３−ａと第（ｍ＋２）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ＋２）−ａを接続し、第（ｍ−１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ−１）−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａを接続し、
１つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａと電源供給端子２−ｂと電源供給端子２−ｃを備え、第３スイッチに接続される第３インターフェース回路は電源供給端子３−ａと電源供給端子３−ｂと電源供給端子３−ｃを備え、第（２ｍ−３）スイッチに接続される第（２ｍ−３）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−３）−ａと電源供給端子（２ｍ−３）−ｂと電源供給端子（２ｍ−３）−ｃを備え、第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａと電源供給端子（２ｍ−２）−ｂを備え、
共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂと接地側端子１−ｃを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと共用電源の接地側端子１−ｃを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ｃと共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第３インターフェース回路の電源供給端子３−ｃを接続し、第（２ｍ−４）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−４）−ａと第（２ｍ−３）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−３）−ｃを接続し、第（２ｍ−３）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−３）−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ｂを接続し、第２インターフェース回路の電源供給端子２−ｂと第３インターフェース回路の電源供給端子３−ｂと第（２ｍ−３）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−３）−ｂと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａと共用電源の接地側端子１−ｂを接続し、
１つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａと電源供給端子１−ｂを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａを備え、第３スイッチに接続される第３インターフェース回路は電源供給端子３−ａを備え、第（ｍ−１）スイッチに接続される第（ｍ−１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ−１）−ａを備え、第ｍスイッチに接続される第ｍインターフェース回路は電源供給端子ｍ−ａと電源供給端子ｍ−ｂを備え、第（ｍ＋１）スイッチに接続される第（ｍ＋１）インターフェース回路は電源供給端子（ｍ＋１）−ａを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａを備え、
第１の共用電源は高圧側端子１−ａと接地側端子１−ｂを備え、第２の共用電源は高圧側端子２−ａと接地側端子２−ｂを備え、
第１インターフェース回路の電源供給端子１−ｂと共用電源の接地側端子１−ｂを接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａと第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａと第（ｍ−１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ−１）−ａと第１の共用電源の高圧側端子１−ａを接続し、主回路の第ｍスイッチの低電位側と第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ｂと第２の共用電源の接地側端子２−ｂを接続し、第ｍインターフェース回路の電源供給端子ｍ−ａと第（ｍ＋１）インターフェース回路の電源供給端子（ｍ＋１）−ａと第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａと第２の共用電源の高圧側端子２−ａを接続し、
２つの共用電源から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
第１スイッチ〜第（２ｍ−２）スイッチからなる前記複数スイッチにより、変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換器を構成し、
第１スイッチに接続される第１インターフェース回路は電源供給端子１−ａを備え、第２スイッチに接続される第２インターフェース回路は電源供給端子２−ａを備え、第（２ｍ−２）スイッチに接続される第（２ｍ−２）インターフェース回路は電源供給端子（２ｍ−２）−ａを備え、
主回路の第１スイッチの高電位側と第１インターフェース回路の電源供給端子１−ａを接続し、主回路の第２スイッチの高電位側と第２インターフェース回路の電源供給端子２−ａを接続し、主回路の第（２ｍ−２）スイッチの高電位側と第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子（２ｍ−２）−ａを接続し、
共用電源を使わず、主回路から複数インターフェース回路を通し、各ゲートドライバに電源を供給するゲートドライブ回路を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に複数スイッチから構成される電力変換器の高電力密度化またはパワー集積回路を実現する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２〜５は、従来の２レベル電力変換回路の構成図であり、図２は三相インバータ、図３は単相インバータ、図４はＤＣ／ＤＣコンバータ、図５は三相−三相電力変換器を示している。いずれの場合も、直流電源電圧Ｖｄｃを６個乃至４個乃至２個の半導体素子のオンオフで２レベルに切り換え、さらにその出力に受動フィルタを接続することにより、三相乃至単相の交流出力や直流出力を得るものである。このような２レベル電力変換回路を対象にして、従来の電力変換器の高電力密度化は、その体積を減少させることにより達成され、その方法は、（１）電力変換装置の損失を低減して冷却装置体積を小型化する、（２）スイッチング周波数を増加させ、インダクタやコンデンサにより構成される受動フィルタ等の受動部品体積を小型化する、の２通りであった（非特許文献１、２参照）。しかし、２レベル電力変換回路は高調波が必ず含まれるために、受動フィルタが不可欠であり、スイッチング周波数の増加は半導体素子のスイッチング時に発生するスイッチング損失を増大して冷却装置が増大するため、高電力密度化に限界が生じる。
【０００３】
高いスイッチング周波数による電力変換装置の駆動は、主回路配線の寄生インダクタンスによる誘導電圧および寄生キャパシタンスによる変位電流を引き起こして半導体素子損失増加および電磁ノイズの原因となる。該電磁ノイズは、ゲートドライブ回路の誤動作、電力変換器に接続するモータの絶縁劣化やベアリングの電食を引き起こす等様々な問題を発生させる。したがって、スイッチング周波数を増加させないで、受動フィルタ除去および半導体素子損失低減を同時に達成する高電力密度電力変換回路が必要になる。
【０００４】
高いスイッチング周波数による電力変換装置の駆動により、電力変換回路のコモンモード電圧が振動するため、周囲の機器に悪影響を及ぼす。このため、コモンモードチョークコイルやＥＭＩフィルタ等のノイズ抑制フィルタが必要となる。
【０００５】
スイッチング周波数を増加させずに受動フィルタの除去を実現するため、図６〜図８に示すマルチレベル電力変換器のレベル数ｍを増加させて、電力変換器自体の出力電圧の高調波含有率を低減する方法が挙げられる（特許文献１参照）。マルチレベル電力変換器の出力電圧高調波成分はレベル数の増加とともに減少し、１７レベルでは出力相電圧の総合ひずみ率は５％以内、２５レベルでは出力相電圧の総合ひずみ率は３％以内、３５レベルでは出力相電圧は２％以内となる。このことにより、レベル数ｍを増加させることで受動フィルタが不要となる。しかし、１７レベル電力変換器の半導体素子数は一相あたり３２個、逆並列ダイオード数は３２個、２５レベル電力変換器の半導体素子数は一相あたり４８個、逆並列ダイオード数は４８個、３５レベル電力変換器の半導体素子数は一相あたり６８個、逆並列ダイオード数は６８個となるため、電力変換器主回路および主回路スイッチに接続するゲートドライブ回路が大規模になり、電力変換器の実装が困難となる。
【０００６】
図６〜図８はそれぞれマルチレベル電力変換回路の代表的な方式であり、図６はダイオードクランプ型マルチレベル電力変換器の三相インバータ、図７はフライングキャパシタ型マルチレベル電力変換器の三相インバータ、図８はカスケード接続型マルチレベル電力変換器の三相インバータを示している。それぞれ三相インバータを示しているが、三相のＡＣ／ＤＣ電力変換、単相インバータ、単相のＡＣ／ＤＣ電力変換、ＤＣ／ＤＣコンバータ，ＡＣ／ＡＣコンバータとして構成し、使用することも可能である。
【０００７】
図６〜図８に示すマルチレベル電力変換回路は、個々のスイッチング半導体素子に対してゲート駆動回路を必要とするため、レベル数が増えるとともにゲートドライブ回路が増える。図６〜８に示すｍレベル電力変換回路では一相あたり（２ｍ−２）個のゲートドライブ回路を必要とする。
【０００８】
図９は、従来のマルチレベル電力変換回路の一相の構成図であり、直列に接続されるスイッチと各スイッチに接続されるゲートドライバおよび専用電源を示している。直列に接続される各スイッチの低電位側の電位は、スイッチごとに異なるため、専用電源はそれぞれ絶縁を取る必要がある。このため、専用電源にはトランス等が用いられるため、集積化が困難となる。
【０００９】
ＬＳＩ技術を用いたワンチップパワーＩＣやインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）が開発され、様々な分野で応用されている。前記技術を用いたゲートドライブ回路を備える集積化２レベル電力変換器が提案されているが、マルチレベル電力変換器において増加するゲートドライブ回路の絶縁電源も含めたパワー集積回路は提案されていない。
【特許文献１】特開２００７−３２５４８０号公報
【非特許文献１】Y. Hayashi, K. Takao, K. Adachi, and H. Ohashi, “Design Consideration for High Output Power Density (OPD) Converter Based on Power-Loss Limit Analysis Method,” in Proc. CD-ROM, EPE, 2005.
【非特許文献２】M. Tsukuda, I. Omura, W Saito, and T. Ogura, “Demonstration of High Output Power Density (30W/cc) Converter using 600V SiC-SBD and Low Impedance Gate Driver,” in Proc. CD-ROM, IPEC Niigata, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の２レベル電力変換器を用いた高電力密度化電力変換装置は、スイッチング周波数を増加させてフィルタの小型化を図るため、半導体素子のスイッチング時に発生するスイッチング損失が増大し、電力変換装置の高電力密度化に限界が訪れる。
【００１１】
高いスイッチング周波数による電力変換装置の駆動は、主回路配線の寄生インダクタンスによる誘起電圧および寄生キャパシタンスによる変位電流を引き起こし、また電力変換回路のコモンモード電圧の振動を引き起こすため、大量の電磁ノイズを発生する。このため、コモンモードチョークコイルやＥＭＩフィルタ等のノイズ抑制フィルタが必要となり、電力変換装置の高電力密度化に限界が訪れる。
【００１２】
高いスイッチング周波数による電力変換装置の駆動は、電磁ノイズを大量に発生するため、該電力変換装置に接続されるモータの高速回転を実現することができず、モータの高出力密度化に限界が訪れる。
【００１３】
上記手法とは全く異なった手法、即ち、スイッチング周波数を増加させずに受動フィルタの小型化を達成することで、高密度化電力変換器を実現することが提案されているが（特許文献１参照）、ゲートドライブ回路の絶縁電源も含めたマルチレベル電力変換回路による電力変換装置の高電力密度化またはパワー集積回路の提案はされていない。
【００１４】
ゲートドライブ回路の絶縁電源にトランス等により構成される専用電源を必要とするため、電力変換装置の出力電力容量が数１０ｋＶＡ以下では、スイッチを多数使った電力変換装置は実現されていない。
【００１５】
ゲートドライブ回路の絶縁電源にトランス等により構成される専用電源を必要とするため、電力変換装置の出力電力容量が数１０ｋＶＡ以下では、受動フィルタなしで相電圧のひずみ率が１０％以下の電力変換装置は実現されていない。
【００１６】
ゲートドライブ回路の絶縁電源にトランス等により構成される専用電源を必要とするため、電力変換装置の出力電力容量が数１０ｋＶＡ以下では、ノイズ抑制フィルタなしで周囲に電磁ノイズの影響を及ぼさない電力変換装置は実現されていない。
【００１７】
本発明は、係る問題点を解決するため、各ゲートドライブ回路に個別の専用電源を使用せずに各ゲートドライブ回路に電源の供給を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決し上記目的を達成するために、複数の各スイッチにそれぞれ接続されるゲートドライバおよびインターフェース回路から構成される専用電源を必要としない個別ゲートドライブ部と、これらのゲートドライブ部に電力を供給する共用電源から構成される電力変換器ゲートドライブを備え、インターフェース回路に設けられた１つまたは複数の電力供給端子を介して、スイッチ数よりも少ない共用電源または主回路から電力を供給することを可能にし、また信号源からゲートドライバへの信号の絶縁を取ることで信号伝達を可能にした電力変換器ゲートドライブ回路により実現される電力変換装置またはパワー集積回路を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、上記マルチレベル電力変換器による電力変換装置またはパワー集積回路を実現することにより、受動フィルタを使わず、また低損失化による冷却装置の小型化を図り、従来の２レベル電力変換装置の限界であった電力変換装置の高電力密度化を提供する。
【００２０】
本発明は、上記マルチレベル電力変換器による電力変換装置またはパワー集積回路を実現することにより、受動フィルタなしで相電圧ひずみ率が１０％以下の電力変換装置を提供する。
【００２１】
本発明は、上記マルチレベル電力変換器による電力変換装置またはパワー集積回路を実現することにより、ノイズ抑制フィルタを必要としない、電磁ノイズが非常に少ない電力変換装置を提供する。
【００２２】
本発明は、上記マルチレベル電力変換器による電力変換装置またはパワー集積回路を提供することにより、主回路配線の寄生インダクタンスによる誘起電圧および寄生キャパシタンスによる変位電流による電磁ノイズをなくし、ゲートドライブ回路の誤動作や、電力変換装置に接続するモータの絶縁劣化およびベアリングの電食等様々な問題を起こさない電力変換装置を提供する。
【００２３】
本発明は、上記マルチレベル電力変換器による電力変換装置またはパワー集積回路を実現することにより、該変換装置に接続されるモータの高速回転を実現し、モータの高出力密度化を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、複数スイッチを使ったマルチレベル電力変換器を例として説明するが、本発明では、これに限定されず、直流から交流、交流から直流、直流から直流、交流から交流を変換するあらゆる電力変換装置、および多重化、多並列化の電力変換装置、さらにこれらを組み合わせた電力変換装置としても適用することができる。
【００２５】
（一相のマルチレベル電力変換回路）
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、第１から第（２ｍ−２）スイッチ（メインスイッチ）の直列接続１により構成される変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換回路の一相である。複数の各スイッチにそれぞれ接続されるゲートドライバおよびインターフェース回路から構成される専用電源を必要としない個別ゲートドライブ部２、これらのゲートドライブ部に電力を供給する共用電源３、信号源から各信号について絶縁を取り、各スイッチに接続されるゲートドライバへと信号を伝達する信号出力部４を備えている。
【００２６】
図１は、第１から第（２ｍ−２）スイッチの直列接続１により構成される変換レベル数ｍのマルチレベル電力変換回路の一相である。この一相を２並列にすることで単相のマルチレベル電力変換回路を実現する。また、この一相を３並列にすることで三相のマルチレベル電力変換回路を実現する。また、この一相を６並列にすることで三相交流から三相交流に変換するマルチレベル電力変換回路を実現する。
【００２７】
図１に示したように、各インターフェース回路はそれぞれ電源供給端子を備えている。各インターフェース回路は、その電源供給端子を、詳細は後述するように、他の電源供給端子、及び共用電源と接続することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、これらの電源供給端子を第１から第（２ｍ−２）スイッチの直列接続１により構成される主回路と接続することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、これらの電源供給端子を他の電源供給端子、共用電源、主回路を接続することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。共用電源は０または１または（２ｍ−２）未満の複数用いることで、インターフェース回路を介してゲートドライバ部に電力を供給する。主回路とは第１から第（２ｍ−２）スイッチの直列接続１により構成されており、電力変換装置の入出力間の電力を扱う部分である。
【００２８】
インターフェース回路とは、それぞれ１または複数の電源供給端子を備え、これらの接続により共用電源３または第１から第（２ｍ−２）スイッチの直列接続１からゲートドライバ部に電力を供給する回路である。インターフェース回路の詳細は後述するが（図１２〜図３６参照）、インターフェース回路に２レベルでも使用されるブートストラップ回路を適用することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、インターフェース回路に２レベルでも使用されるチャージポンプ回路を適用することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、インターフェース回路に２レベルでも使用されるブートストラップ回路およびチャージポンプ回路を併用することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、インターフェース回路に２レベルでも使用される主回路から電源を供給する、自己給電方式を適用することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、インターフェース回路に２レベルでも使用される主回路から電源を供給する、自己給電方式とブートストラップ回路を併用することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、インターフェース回路に２レベルでも使用される主回路から電源を供給する、自己給電方式とチャージポンプ回路を併用することで、ゲートドライバ部に電源を供給する。また、インターフェース回路に２レベルでも使用される主回路から電源を供給する、自己給電方式とブートストラップ回路とチャージポンプ回路を併用することでゲートドライバ部に電源を供給する。
【００２９】
図１に示したように、本発明の電力変換装置は信号源を備えている。信号源と各スイッチに接続するゲートドライバを接続し、間で信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバに信号を伝達する。この信号絶縁は、レベルシフト回路または磁気カップリングまたは光絶縁により取ることができる（詳細は図３７〜図４２参照）。
【００３０】
図１に示した電力変換装置は、全体を１つのチップとして集積化する。また、複数のチップに分けて集積化し、基板に載せて実装する。また、電力変換装置の一部分を集積化し、集積化した部分と個別の部品を基板上で組み合わせて実装する。これらの集積化は、シリコン、窒化ガリウム、炭化珪素、ダイヤモンド等の１つの材料または複数の材料を組み合わせて実現する。
【００３１】
（単相マルチレベル電力変換器）
図１０は、図１に示した複数直列スイッチおよびゲートドライバ部の一相分を２並列にし、単相マルチレベル電力変換器としたものである。図１０は、第１から第（２ｍ−２）スイッチの直列接続１と５、複数の各スイッチにそれぞれ接続されるゲートドライバおよびインターフェース回路から構成される専用電源を必要としない個別ゲートドライブ部２と６、これらのゲートドライブ部に電力を供給する共用電源３、信号源から各信号について絶縁を取り、各スイッチに接続されるゲートドライバへと信号を伝達する信号出力部４を備えている。ゲートドライバ部２と６は相ごとに必要となるが、共用電源３はゲートドライバ部２と６で共用することが可能なため、直列スイッチを２並列にし、単相マルチレベル電力変換器としても共用電源の数を増加する必要はない。
【００３２】
（三相マルチレベル電力変換器）
図１１は、図１に示した複数直列スイッチおよびゲートドライバ部の一相分を３並列にし、三相マルチレベル電力変換器としたものである。図１１は、第１から第（２ｍ−２）スイッチの直列接続１と５と７、複数の各スイッチにそれぞれ接続されるゲートドライバおよびインターフェース回路から構成される専用電源を必要としない個別ゲートドライブ部２と６と８、これらのゲートドライブ部に電力を供給する共用電源３、信号源から各信号について絶縁を取り、各スイッチに接続されるゲートドライバへと信号を伝達する信号出力部４を備えている。ゲートドライバ部は相ごとに必要となるが、共用電源３はゲートドライバ部２と６と８で共用することが可能なため、直列スイッチを３並列にし、三相マルチレベル電力変換器としても共用電源の数を増加する必要はない。
【００３３】
（ゲートドライバへの電源供給例１）
図１２は、図１に示したインターフェース回路を、１つの共用電源９乃至他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子１０と共用電源９の接地側端子１１を接続し、共用電源の高圧側端子１２と第１インターフェース回路の電源供給端子１３と第２インターフェース回路の電源供給端子１４を接続する。さらに、第２インターフェース回路の電源供給端子１５と上段の電源供給端子を接続していくことで、１つの共用電源９から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００３４】
図１３は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図１２に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路とは、ダイオードの整流作用により、変換回路内部に複数の電圧源を持つ、マルチレベル電力変換回路である。また、ブートストラップ回路とは、ダイオードとコンデンサの組み合わせにより、低圧側の電源またはコンデンサから高圧側のコンデンサに電荷を充電する回路である。１つの共用電源１６から、ダイオード１７を介してコンデンサ１８を充電し、第２ゲートドライバへと電源を供給する。同様に直列に並んでいるダイオードを介して共用電源１６および下段のコンデンサから上段のコンデンサを充電する。これにより、主回路のスイッチングによる各メインスイッチの低圧側電位の変動により、低圧側から上段にあるインターフェース回路内のコンデンサに電荷を充電でき、インターフェース回路内に能動素子が不要になり、１つの共用電源１から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００３５】
図１４は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図１２に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路とは、複数のコンデンサにより、変換回路内部に複数の電圧源を持つマルチレベル電力変換回路である。１つの共用電源１６から、ダイオード１７を介してコンデンサ１８を充電し、第２ゲートドライバへと電源を供給する。同様に直列に並んでいるダイオードを介して共用電源１６および下段のコンデンサから上段のコンデンサを充電する。これにより、主回路のスイッチングによる各メインスイッチの低圧側電位の変動により、低圧側から上段にあるインターフェース回路内のコンデンサに電荷を充電でき、インターフェース回路内に能動素子が不要になり、１つの共用電源１６から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００３６】
（ゲートドライバへの電源供給例２）
図１５は、図１に示したインターフェース回路を、１つの共用電源１９乃至他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子２１と第２インターフェース回路の電源供給端子２２と第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子２３と共用電源１９の接地側端子２０を接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子２５と第２インターフェース回路の電源供給端子２６と第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子２７と共用電源１９の共用電源の高圧側端子２４を接続する。これにより、１つの共用電源１９から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００３７】
図１６は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図１５に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサと半導体スイッチで構成されるチャージポンプ回路で実現したものである。チャージポンプ回路とは、内部に備える能動素子のスイッチングにより、低圧側の電源またはコンデンサから高圧側のコンデンサを充電する回路である。１つの共用電源２８から、チャージポンプ回路２９を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の各ゲートドライバもチャージポンプ回路を介して電源が供給される。これにより、主回路のスイッチングによる各メインスイッチの低圧側の電位変動に影響されず、低圧側から高圧側へのコンデンサに電荷を充電可能で、主回路の動作と関係なく、１つの共用電源１から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００３８】
図１７は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図１５に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサと半導体スイッチで構成されるチャージポンプ回路で実現したものである。１つの共用電源２８から、チャージポンプ回路２９を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の各ゲートドライバもチャージポンプ回路を介して電源が供給される。これにより、主回路のスイッチングによる各メインスイッチの低圧側の電位変動に影響されず、低圧側から高圧側へのコンデンサに電荷を充電可能で、主回路の動作と関係なく、１つの共用電源２８から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００３９】
（ゲートドライバへの電源供給例３）
図１８は、図１に示したインターフェース回路を、１つの共用電源３０乃至他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子３２と共用電源３０の接地側端子３１を接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子３４と第２インターフェース回路の電源供給端子３５と第ｍインターフェース回路の電源供給端子３６と共用電源３０の共用電源の高圧側端子３３を接続する。さらに、第ｍインターフェース回路の電源供給端子３７と上段の第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子３８までを接続する。これにより、１つの共用電源３０から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４０】
図１９は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図１８に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。１つの共用電源３９から、ブートストラップ回路４０を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第ｍゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。さらに、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへは、第ｍゲートドライバに接続されるブートストラップ回路４１内のコンデンサ４２から各段のブートストラップ回路を介して電源を供給する。これにより、各ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードの数をレベル数ｍとは無関係に１つまたは２つとすることができ、１つの共用電源３９から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４１】
図２０は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図１８に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。１つの共用電源３９から、ブートストラップ回路４０を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第ｍゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。さらに、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへは、第ｍゲートドライバに接続されるブートストラップ回路４１内のコンデンサ４２から各段のブートストラップ回路を介して電源を供給する。これにより、各ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードの数をレベル数ｍとは無関係に１つまたは２つとすることができ、１つの共用電源３９から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４２】
（ゲートドライバへの電源供給例４）
図２１は、図１に示したインターフェース回路を、１つの共用電源４３乃至他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子４５と第ｍインターフェース回路の電源供給端子４６と共用電源４３の接地側端子４４を接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子４８と第２インターフェース回路の電源供給端子４９と第ｍインターフェース回路の電源供給端子５０と共用電源４３の共用電源の高圧側端子４７を接続する。さらに、第ｍインターフェース回路の電源供給端子５１と上段の第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子５２までを接続する。これにより、１つの共用電源４３から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４３】
図２２は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図２１に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路と、ダイオードとコンデンサと半導体スイッチで構成されるチャージポンプ回路の併用で実現したものである。１つの共用電源５３から、ブートストラップ回路５４を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第（ｍ−１）ゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。また、第ｍゲートドライバへはチャージポンプ回路５５により、主回路のスイッチングとは独立に電源が供給される。さらに、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへは、第ｍゲートドライバに接続されるチャージポンプ回路５５内のコンデンサ５６から各段のブートストラップ回路を介して電源を供給する。これにより、各ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードの数をレベル数ｍとは無関係に１つまたは３つとすることができ、さらに第ｍから第（２ｍ−２）ゲートドライバに安定して電荷を供給することができ、１つの共用電源５３から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４４】
図２３は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図２１に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路と、ダイオードとコンデンサと半導体スイッチで構成されるチャージポンプ回路の併用で実現したものである。１つの共用電源５３から、ブートストラップ回路５４を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第（ｍ−１）ゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。また、第ｍゲートドライバへはチャージポンプ回路５５により、主回路のスイッチングとは独立に電源が供給される。さらに、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへは、第ｍゲートドライバに接続されるチャージポンプ回路５５内のコンデンサ５６から各段のブートストラップ回路を介して電源を供給する。これにより、各ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードの数をレベル数ｍとは無関係に１つまたは３つとすることができ、さらに第ｍから第（２ｍ−２）ゲートドライバに安定して電荷を供給することができ、１つの共用電源５３から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４５】
（ゲートドライバへの電源供給例５）
図２４は、図１に示したインターフェース回路を、１つの共用電源５７乃至他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子５９と共用電源５７の接地側端子５８を接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子６１と第２インターフェース回路の電源供給端子６２と第ｍインターフェース回路の電源供給端子６３と共用電源５７の共用電源の高圧側端子６０を接続する。さらに、第２から第（ｍ−１）インターフェース回路とそれぞれ（ｍ−１）段上のインターフェース回路の電源供給端子を接続する。これにより、１つの共用電源５７から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４６】
図２５は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図２４に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。１つの共用電源６４から、ブートストラップ回路６５を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第ｍゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。また、第２から第（ｍ−１）ゲートドライバに接続されるブートストラップ回路内のコンデンサ６６や６７等から、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへとブートストラップ回路を介して電源が供給される。これにより、各ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードの数をレベル数ｍとは無関係に１つまたは２つとすることができ、１つの共用電源６４から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４７】
図２６は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図２４に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。１つの共用電源６４から、ブートストラップ回路６５を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第ｍゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。また、第２から第（ｍ−１）ゲートドライバに接続されるブートストラップ回路内のコンデンサ６６や６７等から、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへとブートストラップ回路を介して電源が供給される。これにより、各ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードの数をレベル数ｍとは無関係に１つまたは２つとすることができ、１つの共用電源６４から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４８】
（ゲートドライバへの電源供給例６）
図２７は、図１に示したインターフェース回路を、１つの共用電源１乃至他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。共用電源は３つの端子を備え、７４は電源の高圧側端子、６９は電源の接地側端子、７１はインターフェース回路の充放電を制御するスイッチング素子の高圧側に接続されており、該スイッチング素子の低圧側は接地側端子と共通電位である。第１インターフェース回路の電源供給端子７０と共用電源６８の接地側端子６９を接続し、第２インターフェース回路の電源供給端子７２から第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子７３までの各インターフェース回路の電源供給端子と共用電源６８の共用電源の接地側端子７１を接続する。また、第１インターフェース回路の電源供給端子７５と第２インターフェース回路の電源供給端子７６と共用電源６８の高圧側端子７４を接続する。さらに第２インターフェース回路から第（２ｍ−２）インターフェース回路まで１つずつ電源供給端子により接続する。これにより、１つの共用電源６８から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００４９】
図２８は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図２７に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサと半導体スイッチで構成されるチャージポンプ回路で実現したものである。１つの共用電源７８から、チャージポンプ回路７９を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第（２ｍ−２）ゲートドライバまでチャージポンプ回路を介して電源が供給される。チャージポンプ回路に必要な半導体スイッチ８０と信号発生器８１を共通で使用するために、共用電源部７７の内部に設置した。これにより、インターフェース回路に信号発生器を必要とせず、各インターフェース回路の構成が簡単になり、１つの共用電源７８から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５０】
図２９は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図２７に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサと半導体スイッチで構成されるチャージポンプ回路で実現したものである。１つの共用電源７８から、チャージポンプ回路７９を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第（２ｍ−２）ゲートドライバまでチャージポンプ回路を介して電源が供給される。チャージポンプ回路に必要な半導体スイッチ８０と信号発生器８１を共通で使用するために、共用電源７８の内部に設置した。これにより、主回路のスイッチングとは独立に、インターフェース回路に信号発生器を必要とせず、各インターフェース回路の構成が簡単になり、１つの共用電源７８から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５１】
（ゲートドライバへの電源供給例７）
図３０は、図１に示したインターフェース回路を、２つの共用電源８２乃至８３、または他のインターフェース回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子８５と共用電源８２の接地側端子８４を接続し、第１インターフェース回路の電源供給端子８７と第２インターフェース回路の電源供給端子８８と第ｍインターフェース回路の電源供給端子８９と共用電源８２の共用電源の高圧側端子８６を接続する。さらに、第ｍインターフェース回路の電源供給端子９１と共用電源８３の接地側端子９０を接続し、第ｍインターフェース回路の電源供給端子９３から第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子９４までと共用電源８３の共用電源の高圧側端子９２を接続する。これにより、２つの共用電源８２および８３から、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５２】
図３１は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図３０に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。共用電源９５から、ブートストラップ回路９６を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第（ｍ−１）ゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。さらに、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへは、第ｍゲートドライバに接続される共用電源９７から各段のブートストラップ回路を介して電源を供給する。これにより、ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードをレベル数ｍとは無関係に１つとすることができ、２つの共用電源９５および９７から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５３】
図３２は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図３０に示したインターフェース回路をダイオードとコンデンサで構成されるブートストラップ回路で実現したものである。共用電源９５から、ブートストラップ回路９６を介して第２ゲートドライバに電源を供給し、同様に他の第（ｍ−１）ゲートドライバまでブートストラップ回路を介して電源が供給される。さらに、第（ｍ＋１）から第（２ｍ−２）ゲートドライバへは、第ｍゲートドライバに接続される共用電源９７から各段のブートストラップ回路を介して電源を供給する。これにより、ゲートドライバに電力を供給する際に通過するダイオードをレベル数ｍとは無関係に１つとすることができ、２つの共用電源９５および９７から全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５４】
（ゲートドライバへの電源供給例８）
図３３は、図１に示したインターフェース回路を、共用電源なしで主回路と接続することで、ゲートドライバへ電源を供給するマルチレベル電力変換器ゲートドライブ回路である。第１インターフェース回路の電源供給端子９８と第１スイッチの高圧側９９を接続し、第２インターフェース回路の電源供給端子１００と第２スイッチの高圧側１０１を接続し、以上同様にして、第（２ｍ−２）インターフェース回路の電源供給端子１０２と第（２ｍ−２）スイッチの高圧側１０３を接続する。これにより、共用電源なしで、各インターフェース回路を介して全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５５】
図３４は、ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路に、図３３に示したインターフェース回路をダイオード、ツェナーダイオード、コンデンサ、半導体スイッチで構成される自己給電回路で実現したものである。自己給電回路とは、主回路の半導体スイッチのスイッチングに伴う電位変動により、専用電源を使わずに内部に備えるコンデンサを充電し、ゲートドライバに電力を供給する回路である。半導体スイッチの高圧側１０４と自己給電回路１０５を接続し、同様にして全ての半導体スイッチの高圧側と自己給電回路を接続する。これにより、主回路のスイッチングを利用して、共用電源を使わずに全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５６】
図３５は、フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路に、図３３に示したインターフェース回路をダイオード、ツェナーダイオード、コンデンサ、半導体スイッチで構成される自己給電回路で実現したものである。半導体スイッチの高圧側１０４と自己給電回路１０５を接続し、同様にして全ての半導体スイッチの高圧側と自己給電回路を接続する。これにより、主回路のスイッチングを利用して、共用電源を使わずに全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５７】
図３６は、カスケード接続型マルチレベル電力変換回路に、図３３に示したインターフェース回路をダイオード、ツェナーダイオード、コンデンサ、半導体スイッチで構成される自己給電回路で実現したものである。カスケード接続型マルチレベル電力変換器とは、２つの相から構成される単相フルブリッジ回路の出力端子を直列に接続することで実現するマルチレベル電力変換回路である。半導体スイッチの高圧側１０４と自己給電回路１０５を接続し、同様にして全ての半導体スイッチの高圧側と自己給電回路を接続する。これにより、主回路のスイッチングを利用して、共用電源を使わずに全てのゲートドライバへと電源供給を可能にする。
【００５８】
（信号絶縁例１）
図３７は、図１に示したインターフェース回路のダイオードクランプ型マルチレベル回路への適用例を示している。このとき、図に示すように、信号源１０６から共通の電位で出力された信号に、それぞれレベルシフト回路により信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバによるスイッチングを可能にする。
【００５９】
図３８は、図１に示したインターフェース回路のフライングキャパシタ型マルチレベル回路への適用例を示している。このとき、図に示すように、信号源１０６から共通の電位で出力された信号に、それぞれレベルシフト回路により信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバによるスイッチングを可能にする。
【００６０】
図３９は、図１に示したインターフェース回路のカスケード接続型マルチレベル回路への適用例を示している。このとき、図に示すように、信号源１０６から共通の電位で出力された信号に、それぞれレベルシフト回路により信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバによるスイッチングを可能にする。
【００６１】
（信号絶縁例２）
図４０は、図１に示したインターフェース回路のダイオードクランプ型マルチレベル回路への適用例を示している。このとき、図に示すように、信号源１０６から共通の電位で出力された信号に、それぞれ磁気カップリングにより信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバによるスイッチングを可能にする。
【００６２】
図４１は、図１に示したインターフェース回路のフライングキャパシタ型マルチレベル回路への適用例を示している。このとき、図に示すように、信号源１０６から共通の電位で出力された信号に、それぞれ磁気カップリングにより信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバによるスイッチングを可能にする。
【００６３】
図４２は、図１に示したインターフェース回路のカスケード接続型マルチレベル回路への適用例を示している。このとき、図に示すように、信号源１０６から共通の電位で出力された信号に、それぞれ磁気カップリングにより信号絶縁を取ることで、各ゲートドライバによるスイッチングを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】複数のスイッチに専用電源を用いないインターフェース回路とゲートドライバにより構成されるゲートドライブ部と共用電源と信号源で構成される電力変換装置。
【図２】従来の２レベル三相インバータの構成図。
【図３】従来の２レベル単相インバータの構成図。
【図４】従来の２レベルＤＣＤＣコンバータの構成図。
【図５】従来の２レベル三相―三相電力変換器の構成図。
【図６】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路の三相インバータの構成図。
【図７】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路の三相インバータの構成図。
【図８】カスケード接続型マルチレベル電力変換回路の三相インバータの構成図。
【図９】マルチレベル電力変換回路のゲートドライブ回路の従来例の構成図。
【図１０】二相分の電源供給インターフェース回路の構成図。
【図１１】三相分の電源供給インターフェース回路の構成図。
【図１２】共用電源が１つで、インターフェース回路を直列接続する構成図。
【図１３】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図１４】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図１５】共用電源が１つで、各インターフェース回路へと並列に接続する構成図。
【図１６】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にチャージポンプ回路の並列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図１７】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にチャージポンプ回路の並列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図１８】共用電源が１つで、各インターフェース回路へと中間段を経由してゲート電源供給をする構成図。
【図１９】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続および直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２０】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続および直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２１】共用電源が１つで、各インターフェース回路へと中間段を経由してゲート電源供給をする構成図。
【図２２】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続およびチャージポンプ回路の併用によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２３】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続およびチャージポンプ回路の併用によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２４】共用電源が１つで、各インターフェース回路へと分散された中間段を経由してゲート電源供給をする構成図。
【図２５】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続および直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２６】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続および直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２７】共用電源が１つで、インターフェース回路を直列接続する構成図。
【図２８】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にチャージポンプ回路の直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図２９】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にチャージポンプ回路の直列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図３０】共用電源が２つで、各インターフェース回路へと並列に接続する構成図。
【図３１】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図３２】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路にブートストラップ回路の並列接続によりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図３３】共用電源を使わず、インターフェース回路を主回路に接続する構成図。
【図３４】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部に自己給電回路を接続することによりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図３５】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部に自己給電回路を接続することによりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図３６】カスケード接続型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部に自己給電回路を接続することによりゲート電源供給をする電力変換装置。
【図３７】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部への信号絶縁をレベルシフト回路により実現する電力変換装置。
【図３８】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部への信号絶縁をレベルシフト回路により実現する電力変換装置。
【図３９】カスケード接続型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部への信号絶縁をレベルシフト回路により実現する電力変換装置。
【図４０】ダイオードクランプ型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部への信号絶縁を磁気カップリングにより実現する電力変換装置。
【図４１】フライングキャパシタ型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部への信号絶縁を磁気カップリングにより実現する電力変換装置。
【図４２】カスケード接続型マルチレベル電力変換回路の各ゲートドライブ部への信号絶縁を磁気カップリングにより実現する電力変換装置。
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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