平成 25 年電気学会産業応用部門大会

1-23

インダクタモジュールマルチレベル電流形インバータの一般化に関する検討
池上憲

野口季彦（静岡大学）

Study on Generalized Inductor Module Based Multilevel Current-Source Inverter
Akira Ikegami, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
This paper discusses a generalized inductor module topology based multilevel current-source inverter. Component count of the
proposed and the conventional circuit topologies is compared, where the proposed circuit makes component count reduction
possible. The simulation result shows that the proposed circuit can properly generate a seven-level current.
キーワード：電流形インバータ，インダクタモジュール，マルチレベル，トポロジー
Keywords：current-source inverter, inductor module, multilevel, topologyと提案回路の部品点数を数え上げた結果を表 2 に示す。た1. まえがきだし，インダクタモジュール数を N とおいた。提案回路はマルチレベルインバータは，電圧形インバータとその双対回路である電流形インバータ（CSI）に分けられ，多段のNI
N +1

電圧または電流波形を出力することができる。2 レベルインバータと比較すると，マルチレベルインバータは dv/dt，di/dt

2I
N +1が小さいので EMI ノイズを低減できると同時に出力高調波

I
N +1を改善することができる。これまで，CSI でもマルチレベル化する手法が幾つか提案されている(1)。例えば，図 1 の並列
H ブリッジ CSI や図 2 のマルチセル CSI が挙げられる。しかし，これらのトポロジーは部品点数が多いという問題点がある。そこで，筆者らは H ブリッジ CSI を基にインダクI
N +1タモジュール方式を提案した(2)。本稿ではこれを一般化し2I
N +1て，提案回路と従来回路のトポロジーを比較検討し，7 レベNI
N +1

ル電流を出力する場合についてシミュレーションを行った
図1ので報告する。

並列 H ブリッジ CSI

Fig. 1. Parallel H-bridge CSI.

2. 回路構成と動作原理

図2

マルチセル CSI

Fig. 2. Multicell CSI.

図 3 に提案回路を示す。この回路は H ブリッジ CSI を主インバータとして，図 4 に示すスイッチング素子，ダイオード，インダクタで構成されたインダクタモジュールを組み合わせたものである。インダクタモジュールの充電モードと放電モードを切り換えることでインダクタ電流を一定に保ちつつマルチレベル電流を出力する。k 番目のインダクタモジュールの電流を ILk とおくと，ILk は次のような漸化式で表わすことができる。
II Lk = I L(k −1) +N +1

k = 1, 2L N

I L0 = 0

7 レベル電流を出力する場合について，提案回路のスイッチング状態を表 1 に示す。ここで，電流源は図 5 に示すよう図3に降圧チョッパを電流制御することで構成した。従来回路

Fig. 3. Inductor module based current-source inverter.

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インダクタモジュール電流形インバータⒸ 2013 IEE Japan平成 25 年電気学会産業応用部門大会

1-23I L2 =図42I
3I L1 =1I
3インダクタモジュール

Fig. 4. Inductor module.
表17 レベルインダクタモジュール CSI のスイッチング状態

図5Table 1. Switching states of seven-level inductor module based CSI.
Q1Q2

Q3Q4Q5Q6Q7Q8

Qm1

Qm2

電流源をチョッパで構成した提案回路

Fig. 5. Proposed circuit with chopper based DC current-source.

出力表200110

1

100

1+I

10

100

1

100

1+2I/3

010

10

1

100

1+2I/3Circuit configuration

00

1101

10

10+2I/3

0

10

10

1

10

10+I/3

1

1

0

00

1

100

1+I/3

10

100

1

10

10+I/3

Switching device
DiodeInductor
Gate drive
power supply
DC voltage-source

1

1

0

00

10

1

100

1

100

10

10

100

10

10

100

1

10－I/3

1100

100

10

1－I/30101100110－I/3

0011100110－2I/30101100101－2I/3

1010100101－2I/3

0011100

10

1－I

部品点数の比較

Table 2. Comparison of component count.

io (A)

ParallelH-bridge5(N+1)
5(N+1)
N+1

Inductormodule2N+72N+7
N+1

Multicell
4N+5
4N+5
2N+12(N+1)

N+45

N+1

1

1

6
420-2-4-6150
10050
vo (V) 0-50-100-150

IL1 (A)

65432
10IL2 (A)6543210

最も少ない部品点数で構成できることがわかる。また，提案回路はレベル数を上げても必要なゲートドライブ電源は5 個で一定であることもわかる。

3. シミュレーション結果
7 レベル出力の提案回路について動作特性をシミュレー

Time 10 (ms/div)

ションで検証した。電流源は 6 A，三角波比較法により PWM

図6されたスイッチング周波数と出力基本波周波数はそれぞれ提案回路のシミュレーション結果

Fig. 6. Simulation waveforms of proposed circuit.

10 kHz，50 Hz とし，インダクタは 10 mH とした。負荷は抵抗のみで 24 Ωとし，39 μF のフィルタキャパシタを接続している。図 6 のシミュレーション結果は，上から出力電流 io，回路の部品点数を比較し，提案回路は最も少ない部品点数

負荷電圧 vo，インダクタ電流 IL1，IL2 を表している。これかで構成可能であることを示した。シミュレーションで提案

ら，提案回路は 7 レベルの電流波形を適切に出力している

回路は 7 レベルの電流波形を出力できることを確認した。

ことがわかる。また，負荷電圧はフィルタキャパシタによって歪の少ない正弦波となっており，IL1 は 2 A，IL2 は 4 A

文を保つように制御できていることもわかる。

献(１) T. Noguchi and Suroso: “Review of Novel Multilevel Current-Source
Inverters with H-Bridge and Common-Emitter Based Topologies”, IEEE
Energy Conversion Congress and Exposition, Vol. 5, pp. 4006-4011(2010)(２) 池上 憲 野口季彦：「インダクタモジュール電流形インバータの提案」，平成 25 年電気学会全国大会，Vol. 4，pp. 61-62 (2013)

4. まとめ
本稿では，一般化したインダクタモジュール CSI と従来

I - 140Ⓒ 2013 IEE Japan