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平成 27 年電気学会全国大会

インダクタモジュールを利用したマルチレベル電流形インバータの新規トポロジー
Tran Thi Lam Quyen，野口 季彦 (静岡大学)

Novel Topology of Multilevel Current-Source Inverter Using Inductor Modules
Tran Thi Lam Quyen, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)

１．まえがきI/2

一般に，インバータは電圧形インバータ（VSI）と電流形

Q4Q1インバータ（CSI）に分類され，それぞれにマルチレベル波形を出力する回路トポロジーが存在する。2 レベルインバー

LoadQ2タと比較すると，マルチレベルインバータはスイッチング

Q3I

素子の耐圧または許容電流を低減できること，出力高調波Q7Q6を改善できること，dv/dt や di/dt が小さいので EMI ノイズを低減できること，フィルタの大きさを低減できることな

I/2Q5Q8どが利点として挙げられる。これまで多くのマルチレベル
図 2 5 レベルマルチセル CSIFig. 2. Five-level multicell CSI.

CSI のトポロジーが発表されてきた。例えば，図 1 の H ブ
リッジ CSI を並列に接続した回路や図 2 のマルチセル CSIが挙げられる(1) (2)。しかし，マルチレベルインバータはレベル数を増やすほど必要なスイッチング素子の数も多くなり，全体のシステムが複雑化するという問題がある。そこで本稿では，筆者らが既に発表したコモンエミッタ CSI とインダクタモジュールを組み合わせた新規トポロジーを提案し，従来回路との比較検討を行った(3) (4)。また，シミュレーションで提案回路（5 レベル）の動作を検証したので報告する。

２．回路構成と動作原理
図 3 に提案するトポロジーを示す。この回路はコモンエミッタ CSI を主インバータとして，図 4 のインダクタモジ

図 3 コモンエミッタ CSI とインダクタモジュールを組み合わせた 5 レベル CSI
Fig. 3. Five-level CSI with combination of common emitter CSI andinductor module.

ュールを組み合わせたものである。スイッチング状態の冗長性に着目して，インダクタの充電，放電，保持モードをIL
Qm1

切り換えることで，インダクタ電流を中間レベル+I/2 に保Qm2

図 4 インダクタモジュール
Fig. 4. Inductor module.

LoadQ100001111

図 1 5 レベル並列 H ブリッジ CSI
Fig. 1. Five-level parallel H-bridge CSI.

2015/3/24～26 東京-248( 第 4 分冊 )表 1 提案する 5 レベル CSI のスイッチング状態
Table 1. Switching states of proposed five-level CSI.
Q2
Q3
Q4Q5Q6
Qm1
Qm2
io1
100101+I1
100110+I/2
1101001+I/211010100001010100010110－I/2
0011001－I/2
0011010－I©2015 IEE Japan

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Q3

Q3

ioI/2
Q5

Q1
Q2

Q6

ioI/2

Qm1

Q1

Q5

Q2

Qm2

Qm1
Q6

Qm2

I/2

I/2
Q4

Q4

(a) 電流保持モード（io = +I）(a) Current holding mode (io = +I).

(b) 充電モード（io = +I/2）(b) Charging mode (io = +I/2).
Q3

図 6 提案する M レベル CSI
Fig. 6. Proposed M-level CSI.

ioI/2
Q1Q2Q5Qm1

Q6Qm2

表 2 部品点数の比較
Table 2. Comparison of component count.
CircuitParallelMulticell
Inductor
configuration
H-bridge CSICSI
module CSI
Switching device2(M-1)
2(M-1)
M+3
Diode2(M-1)
2(M-1)
M+3
Inductor
0M-3(M-3)/2
DC current source(M-1)/2
1
2

I/2
Q4

(c) 放電モード（io = +I/2）(c) Discharging mode (io = +I/2).

(d) 電流保持モード（io = 0）(d) Current holding mode (io = 0).

図 5 提案する 5 レベル CSI の動作モード
Fig. 5. Operation modes of proposed five-level CSI.

42
io (A) 0-2-4ちつつ 5 レベル電流を出力する。
提案回路のスイッチング状態を表 1 に示す。また，図 5に正サイクルにおける 4 つの動作モードを示す。図 5(a)の電流保持モードではインダクタ両端に電位差がないのでイ42i (A) 0Load-2-4ンダクタ電流は保持され，最大レベル+I を出力する。図 5(b)の充電モードでは負荷とインダクタが並列接続されるため，インダクタは直接電流源からエネルギーを供給される。図5(c)の放電モードでは電流源が短絡しており，負荷はインダ4クタが放出するエネルギーを受け取る。図 5(d)の保持モードではインダクタは短絡されるのでインダクタ電流を保持IL (A) 2しながらゼロレベルを出力する。インダクタの電流は図 5(b)0と同図(c)のモードを交互に切り換えることによりほぼ I/2Time 10 (ms/div)

図 7 提案する 5 レベル CSI のシミュレーション結果
Fig. 7. Simulation waveforms of proposed five-level CSI.に保たれる。ここで，提案したトポロジーを一般化し，Mレベルのトポロジーとしたものを図 6 に示す。これと従来回路の部品点数を比較した結果を表 2 に示した。提案するインダクタモジュール方式は，従来回路と比べて出力レベル数が高いほど部品点数が少ないことがわかる。

４．まとめ
本稿では，コモンエミッタ CSI とインダクタモジュールを

３．シミュレーション結果組み合わせたマルチレベル CSI の新規トポロジーを提案し，

図 3 に示した提案回路の動作をシミュレーション（PSIM）

従来トポロジーとの回路構成を比較評価した。また，シミで検証した。電流源は 4 A，インダクタは 5 mH，負荷は抵ュレーションで 5 レベル提案回路の動作特性を検証し，所抗のみで 18 Ωとし 56 μF のフィルタキャパシタを接続した。

望の 5 レベル電流波形を出力できることを確認した。

スイッチング周波数は 10 kHz，出力基本波周波数は 50 Hzとし，三角波比較法によりパルス幅変調されたスイッチン
グ信号を生成する。図 7 のシミュレーション結果は，上から出力電流，負荷電流，インダクタ電流を表している。提文

献(1) パワーエレクトロニクスハンドブック，R&D プランニング(2) McGrath B.P., Holmes D.G., IEEE Trans. on Pow. Elec., vol.
23, no. 3, pp. 1239-1246 (2008)

案回路は良好な 5 レベル電流波形を出力していること，ま(3) Suroso, T. Noguchi, IEEJ Trans. on Ind. Appl., vol. 129, no. 5,

た，フィルタキャパシタによって歪の少ない負荷電流が得

pp. 505-510 (2009)

られていること，インダクタ電流は中間レベルである 2 A(4) 池 上 ・ 野 口 ： 電 力 ・ 系 統 ・ 半 電 変 研 究 会 ， PE-14-43 ，を保っていることが確認できる。

PSE-14-43， SPC-14-78 (2014)2015/3/24～26 東京-249( 第 4 分冊 )©2015 IEE Japan