特許 5977282 マルチレベルインバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5977282

(24)【登録日】2016年7月29日

(45)【発行日】2016年8月24日

(54)【発明の名称】マルチレベルインバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20160817BHJP

   H02M 7/487 20070101ALI20160817BHJP

   H02M 5/45 20060101ALI20160817BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/483

   H02M7/487

   H02M5/45 A

【請求項の数】14

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2014-79928(P2014-79928)

(22)【出願日】2014年4月9日

(65)【公開番号】特開2014-207853(P2014-207853A)

(43)【公開日】2014年10月30日

【審査請求日】2014年4月9日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0038940

(32)【優先日】2013年4月10日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】593121379

【氏名又は名称】エルエス産電株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＬＳＩＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100165191

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 章

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】ユ アンノ

【審査官】 仲村 靖

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０５０６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２２９４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１４５３３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１９３７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００７３９７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００１４３８４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８３

Ｈ０２Ｍ ５／４５

Ｈ０２Ｍ ７／４８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３相入力電圧の入力を受けて１次結線と２次結線によって位相偏移された第１位相電圧を供給する第１モジュールと、前記３相入力電圧の入力を受けて、前記第１モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第２位相電圧を供給する第２モジュールと、前記３相入力電圧の入力を受けて、前記第１モジュール及び第２モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第３位相電圧を供給する第３モジュールと、位相偏移された位相電圧を供給するように構成された複数のモジュールを含むモジュール型位相偏移変圧器と、
前記複数のモジュールのうちいずれか一つのモジュールから第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、複数の第１グループ単位電力セルと、
前記複数のモジュールのうちいずれか一つのモジュールから第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、複数の第２グループ単位電力セルと、
前記複数のモジュールのうちいずれか一つのモジュールから第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、複数の第３グループ単位電力セルと、を備え、
前記第１グループ単位電力セルのうち一つと、前記第２グループ単位電力セルのうち一つと、前記第３グループ単位電力セルのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成され、
前記モジュール型位相偏移変圧器において、前記第２モジュールの第１次結線は３相Ｙ結線であり、前記第２モジュールの第２次結線は予定された三つの位相を有するように結線され、前記第１モジュール及び前記第３モジュールの第１次結線は、絶対値が同じ位相値を有し、各々正及び負の位相を有するように結線され、
前記複数の第１グループ単位電力セルは、各々前記第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１単位電力セル乃至第３単位電力セルを含み、
前記複数の第２グループ単位電力セルは、各々前記第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第４単位電力セル乃至第６単位電力セルを含み、
前記複数の第３グループ単位電力セルは、各々前記第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電力を供給する、第７単位電極セル乃至第９単位電力セルを含み、
前記第１単位電力セル乃至前記第３単位電力セルのうち一つと、前記第４単位電極セル乃至第６単位電力セルのうち一つと、第７単位電力セル乃至第９単位電力セルのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給し、
前記第１単位電力セルは、
前記第１位相電圧の第１相の入力を受けて整流した第１整流電圧を供給する整流部と、
前記整流部で整流された第１整流電圧の入力を受けて、互いに異なる第１ノード乃至第３ノードに各々異なるレベルの電圧で供給するための平滑部と、
前記平滑部で供給される三つのレベルの電圧を伝達するために複数のスイッチ部を備えてインバータ部と、を含み、
前記インバータ部は、
前記第１ノードと第１出力端との間に備えられる第１スイッチ部と、前記第２ノードと前記第１出力端との間に備えられる第２スイッチ部と、前記第３ノードと前記第１出力端との間に備えられる第３スイッチ部と、
前記第１ノードと第２出力端との間に備えられる第４スイッチ部と、前記第２ノードと前記第２出力端との間に備えられる第５スイッチ部と、前記第３ノードと前記第２出力端との間に備えられる第６スイッチ部と、を含むことを特徴とするマルチレベルインバータ。

【請求項2】

前記第１モジュール乃至前記第３モジュールは対称になるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項3】

前記第１スイッチ部乃至前記第６スイッチ部は、電力用半導体及びダイオードを備えることを特徴とする、請求項１に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項4】

前記第２スイッチ部は、
前記第２ノードから前記第１出力端に電流方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体と、
前記第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、
前記第１電力用半導体とは逆の電流方向性を有し、前記第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体と、を含むことを特徴とする、請求項１又は３に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項5】

前記第１スイッチ部は
前記第１出力端から前記第１ノードに電流方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体と、を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項6】

前記第３スイッチ部は、
前記第３ノードから前記第１出力端に電流方向性を有する第２ダイオードと、
前記第２ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体と、を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項7】

前記第５スイッチ部は、
前記第２ノードから前記第２出力端に電流方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体と、
前記第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、
前記第１電力用半導体とは逆の電流方向性を有し、前記第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体と、を含むことを特徴とする、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項8】

前記第４スイッチ部は、
前記第２出力端から前記第１ノードに電流方向性を有する第１ダイオードと、
前記第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体と、を含むことを特徴とする、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項9】

前記第６スイッチ部は、
前記第３ノードから前記第２出力端に電流方向性を有する第２ダイオードと、
前記第２ダイオードとは逆の電流方向性を有し、前記第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体と、を含むことを特徴とする、請求項８に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項10】

前記平滑部は、
直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサを備え、
前記第１コンデンサ及び第２コンデンサは、一端と他端とを介して前記第１整流電圧の印加を受け、前記第１コンデンサ及び第２コンデンサの一端と共通ノード及び他端ノードが、各々前記第１ノード乃至第３ノードであることを特徴とする、請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項11】

前記整流部は、
前記第１コンデンサ及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに前記第１位相電圧の第１相電圧の供給を受ける第１ダイオード及び第２ダイオードと、
前記第１コンデンサ及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに前記第１位相電圧の第２相電圧の供給を受ける第３ダイオード及び第４ダイオードと、
前記第１コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに前記第１位相電圧の第３相電圧の供給を受ける第５ダイオード及び第６ダイオードと、を備えることを特徴とする、請求項１０に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項12】

前記インバータ部は、単相Ｔ型中性点クランプ（ＮＰＣ）インバータを含むことを特徴とする、請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項13】

前記モジュール型位相偏移変圧器は、
前記３相入力電圧の入力を受けて、前記第１モジュール乃至第３モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備え、位相偏移された第４位相電圧を供給する第４モジュールと、
前記第４モジュールから前記第４位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、複数の第４グループ単位電力セルと、を更に含み、
前記第１グループ単位電力セルのうち一つと、前記第２グループ単位電力セルのうち一つと、前記第３グループ単位電力セルのうち一つと、前記第４グループ単位電力セルのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【請求項14】

前記モジュール型位相偏移変圧器は、
前記３相入力電圧の入力を受けて、前記第１モジュール乃至第４モジュールとは異なるように予定されただけ位相を偏移させるための１次結線及び２次結線を備え、位相偏移された第５位相電圧を供給する第５モジュールと、
前記第５モジュールから前記第５位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、複数の第５グループ単位電力セルと、を更に含み、
前記第１グループ単位電力セルのうち一つと、前記第２グループ単位電力セルのうち一つと、前記第３グループ単位電力セルのうち一つと、前記第４グループ単位電力セルと、
前記第５グループ単位電力セルのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至１３のうちいずれか一項に記載のマルチレベルインバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インバータに関し、より詳しくは単位電力セルを利用する高圧マルチレベルインバータに関する。

【背景技術】

【0002】

マルチレベル高圧インバータ（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｄｉｕｍ−ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は、線間電圧実効値が６００Ｖ以上の入力電源を有するインバータであり、出力相電圧は多くのレベルを有する。高圧インバータは、一般に数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するために用いられ、ファン、ポンプ、圧縮機、牽引機、ホイスト、コンベヤのような分野で主に用いられる。

【0003】

通常の電圧型高圧インバータは、縦続接続型Ｈブリッジインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を利用したり、これを変形した縦続接続型中性点クランプ（ＮＰＣ）インバータを利用したりする。最近使用され始めた縦続接続型ＮＰＣインバータは、従来の縦続接続型Ｈブリッジインバータと比較して、その体積が小さいという点が大きく注目されている。

【0004】

種々の分野で適用されるマルチレベル高圧インバータの場合、より小さい素子で構成され、より高い効率を有することが求められる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、より効率的な構造を有するマルチレベル高圧インバータを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によれば、３相入力電圧の入力を受けて位相偏移された位相電圧を供給するように構成された複数のモジュールを含むモジュール型位相偏移変圧器と、複数のモジュールのうちいずれか一つのモジュールから第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する複数の第１グループ単位電力セルと、複数のモジュールのうちいずれか一つのモジュールから第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する複数の第２グループ単位電力セルと、複数のモジュールのうちいずれか一つのモジュールから第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する複数の第３グループ単位電力セルとを含み、第１グループ単位電力セルのうち一つと、第２グループ単位電力セルのうち一つと、第３グループ単位電力セルのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成されたマルチレベルインバータが提供される。

【0007】

モジュール型位相偏移変圧器は、３相入力電圧の入力を受けて１次結線及び２次結線によって位相偏移された第１位相電圧を供給する第１モジュールと、３相入力電圧の入力を受けて第１モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第２位相電圧を供給する第２モジュールと、３相入力電圧の入力を受けて第１及び第２モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第３位相電圧を供給する第３モジュールとを含んでもよい。

【0008】

第２モジュールの第１次結線は３相Ｙ結線であり、第２モジュールの第２次結線は予定された三つの位相を有するように結線されていて、第１及び第３モジュールの第１次結線は絶対値が同じ位相値を有し、各々正及び負の位相を有するように結線されてもよい。

【0009】

また、第１モジュール乃至第３モジュールは対称になるように構成されてもよい。

【0010】

また、各単位電力セルは、第１位相電圧の第１相の入力を受けて整流した第１整流電圧を供給する整流部と、整流部で整流された第１整流電圧の入力を受けて互いに異なる第１乃至第３ノードに各々異なるレベルの電圧で供給するための平滑部と、平滑部で供給される三つのレベルの電圧を伝達するために複数のスイッチ部を備えたインバータ部とを含み、インバータ部は、第１ノードと第１出力端との間に備えられる第１スイッチ部と、第２ノードと第１出力端との間に備えられる第２スイッチ部と、第３ノードと第１出力端との間に備えられる第３スイッチ部と、第１ノードと第２出力端との間に備えられる第４スイッチ部と、第２ノードと第２出力端との間に備えられる第５スイッチ部と、第３ノードと第２出力端との間に備えられる第６スイッチ部とを含んでもよい。

【0011】

また、第１乃至第６スイッチ部は、電力用半導体及びダイオードを含んでもよい。

【0012】

また、第２スイッチ部は、第２ノードから第１出力端に電流方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体と、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、第１電力用半導体とは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体とを含んでもよい。

【0013】

また、第１スイッチ部は、第１出力端から第１ノードに電流方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体とを含んでもよい。

【0014】

また、第３スイッチ部は、第３ノードから第１出力端に電流方向性を有する第２ダイオードと、第２ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体とを含んでもよい。

【0015】

また、第５スイッチ部は、第２ノードから第２出力端に電流方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体と、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードと直列接続された第２ダイオードと、第１電力用半導体とは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体とを含んでもよい。

【0016】

また、第４スイッチ部は、第２出力端から第１ノードに電流方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体とを含んでもよい。

【0017】

また、第６スイッチ部は、第３ノードから第２出力端に電流方向性を有する第２ダイオードと、第２ダイオードとは逆の電流方向性を有して、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体とを含んでもよい。

【0018】

また、平滑部は、直列接続された第１及び第２コンデンサを含み、第１及び第２コンデンサは、一端及び他端を介して第１整流電圧の印加を受けて、第１及び第２コンデンサの一端ノード、共通ノード及び他端ノードが各々第１乃至第３ノードであってもよい。

【0019】

また、整流部は、第１及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第１相電圧の供給を受ける第１及び第２ダイオードと、第１及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第２相電圧の供給を受ける第３及び第４ダイオードと、第１コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第３相電圧の供給を受ける第５及び第６ダイオードとを含んでもよい。

【0020】

また、本発明の他の態様によると、３相入力電圧の入力を受けて、１次結線及び２次結線によって位相偏移された第１位相電圧を供給する第１モジュールと、３相入力電圧の入力を受けて第１モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第２位相電圧を供給する第２モジュールと、３相入力電圧の入力を受けて第１及び第２モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第３位相電圧を供給する第３モジュールと、３相入力電圧の入力を受けて、第１乃至第３モジュールとは異なるように予定されただけ位相をシフトするための１次結線及び２次結線を備えて位相偏移された第４位相電圧を供給する第４モジュールとを含むモジュール型位相偏移変圧器と、各々第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する第１乃至第３単位電力セルと、各々第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する第４乃至第６単位電力セルと、各々第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する第７乃至第９単位電力セルと、各々第４位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて、予定された変換動作を行って、予定された相の出力電圧を供給する第１０乃至第１２単位電力セルとを含み、第１乃至第３単位電力セルのうち一つと、第４乃至第６単位電力セルのうち一つと、第７乃至第９単位電力セルのうち一つと、第１０乃至第１２単位電力セルのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するマルチレベル高電圧インバータが提供される。

【0021】

また、第１単位電力セルは、３相の第１位相電圧の入力を受けて各々整流した第１整流電圧を供給する整流部と、整流部で整流された第１整流電圧の入力を受けて、互いに異なる第１乃至第３ノードに各々異なるレベルの電圧で供給するための平滑部と、平滑部で供給される三つのレベルの電圧を伝達するために複数のスイッチ部を備えたインバータ部とを含み、インバータ部は、第１ノードと第１出力端との間に備えられる第１スイッチ部と、第２ノードと第１出力端との間に備えられる第２スイッチ部と、第３ノードと第１出力端との間に備えられる第３スイッチ部と、第１ノードと第２出力端との間に備えられる第４スイッチ部と、第２ノードと第２出力端との間に備えられる第５スイッチ部と、第３ノードと第２出力端との間に備えられる第６スイッチ部とを含んでもよい。

【0022】

また、平滑部は、直列接続された第１乃至第４コンデンサを含み、第１及び第２コンデンサの一端と他端とが、各々第１及び第２ノードであり、第４コンデンサの他端が、第３ノードであり、第１乃至第４コンデンサの一端と他端とを介して、第１乃至第４整流電圧の供給を受けてもよい。

【0023】

また、整流部は、第１及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第１相電圧の供給を受ける第１及び第２ダイオードと、第１及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第２相電圧の供給を受ける第３及び第４ダイオードと、第１コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第３相電圧の供給を受ける第５及び第６ダイオードとを含んでもよい。

【発明の効果】

【0024】

本発明のマルチレベルインバータは、システム設計時の自由度を増加させ、システム全体の体積及び重さを減少させることができる。これは、マルチレベル高圧インバータの入力端に用いられる位相偏移変圧器の構造のモジュール化と、単位電力セルの入力端を６パルスのダイオードで構成することとによって達成される。

【0025】

また、本発明のマルチレベルインバータは、モジュール化された位相偏移変圧器を用いることによって、システム全体の冗長性を増大させることができる。

【0026】

また、本発明のマルチレベルインバータは動作効率も増加させるが、これは変更されたインバータ部の構造によって平均的に導通する電力半導体素子の数を減らすことによって達成される。マルチレベルインバータの導通損失が低下すると、放熱設計が容易になり、システム全体の体積及びコストを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明を説明するための、マルチレベルインバータを含むインバータシステムを示したブロック図である。

【図2】図１に示された各単位電力セルの構造を示した回路図である。

【図3】他のインバータを含むインバータシステムを示したブロック図である。

【図4】図２に示された各単位電力セルの構造を示したブロック図である。

【図5】図２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図6】図２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図7】図２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図8】図２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図9】図２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図10】図２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図11】本発明の第１実施形態のインバータシステムを示した回路図である。

【図12】図１１の単位電力セルを示した回路図である。

【図13】本発明の第２実施形態及び第３実施形態を示すインバータシステムを示したブロック図である。

【図14】本発明の第２実施形態及び第３実施形態を示すインバータシステムを示したブロック図である。

【図15】図１２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図16】図１２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図17】図１２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図18】図１２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図19】図１２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【図20】図１２に示されたインバータ部の動作を示した回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施できるよう詳細に説明するために、本発明の最も好ましい実施形態を添付された図面を参照して説明する。

【0029】

図１は、本発明を説明するためのもので、マルチレベルインバータを含むインバータシステムを示すブロック図である。

【0030】

図１を参照すると、位相偏移変圧器及びマルチレベル高圧インバータを含むインバータシステム１０１は、入力３相電源１０２、３相電動機１０３、位相偏移変圧器１０４、及び単位電力セル（１０５ａ〜１０５ｆ）を含む。

【0031】

入力３相電源１０２は、線間電圧実効値が６００Ｖ以上の電圧が供給されている入力電力を意味する。３相電動機１０３は、インバータシステムの負荷である。位相偏移変圧器１０４の１次側巻線は３相Ｙ結線の形態を有し、２次側巻線は１次側巻線に対して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が三つずつ、併せて１２個で構成される。２次側巻線の構造は、単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの電力セル数によって決定される。

【0032】

単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの各出力電圧は、５レベルである。負荷で動作する３相電動機１０３の各相当たり２個の単位電力セルで構成されており、必要に応じて単位電力セルの数は拡張可能である。単位電力セル１０５ａ及び１０５ｂの出力は、直列に接続されて、負荷３相電動機のａ相電圧を出力して、単位電力セル１０５ｃ及び１０５ｄはｂ相電圧を、単位電力セル１０５ｅ及び１０５ｆはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅは、位相偏移変圧器１０４の出力中、−１５度及び０度の位相を有する出力と接続され、単位電力セル１０５ｂ、１０５ｄ、１０５ｆは、位相偏移変圧器１０４の出力中、１５度及び３０度の位相を有する出力と接続される。

【0033】

図２は、図１に示された各単位電力セルの構造を示したブロック図である。

【0034】

図２を参照すると、単位電力セルは、ダイオード整流部２０１、平滑部２０２、及び出力電圧を合成するインバータ部２０３を備える。ダイオード整流部２０１は二つの３相電源の入力を受け、入力電源は、図１に示された位相偏移変圧器１０４の出力電圧である。ダイオード整流部２０１の出力は、直列接続された二つのＤＣリンクコンデンサに伝達され、二つのＤＣリンクコンデンサは、同じ電気容量を有する。インバータ部２０３は、出力電圧を合成するためのものであり、出力線間電圧が５レベルになる。

【0035】

図３は、他のインバータを含むインバータシステムを示すブロック図である。

【0036】

図３を参照すると、インバータシステム３０１は、入力３相電源３０２、３相電動機３０３、位相偏移変圧器３０４、及び単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃを含む。

【0037】

入力３相電源３０２は、線間電圧実効値が、６００Ｖ以上の電圧が供給されている入力電力を意味する。３相電動機３０３は、インバータシステムの負荷である。位相偏移変圧器３０４の１次側巻線は３相Ｙ結線の形態を有していて、２次側巻線は１次側巻線に対して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が三つずつ、併せて１２個で構成される。２次側巻線の構造は、単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃの電力セル数によって決定される。単位電力セル３０５ａ〜３０５ｃは、５レベルの出力電圧を合成することができ、単位電力セル３０５ａは負荷電動機３０３のａ相電圧を出力し、単位電力セル３０５ｂはｂ相電圧を出力し、単位電力セル３０５ｃはｃ相電圧を出力する。

【0038】

図４は、図３に示された単位電力セルの内部回路図である。ダイオード整流部４０１、平滑部４０２、及び出力電圧を合成するインバータ部４０３を備える。図４の場合には、入力端ダイオード整流部４０１が四つで構成されて、インバータ部４０３の動作は、図２と実質的に同様である。ただし、図２及び図４の単位電力セルは、要求される出力によって単位電力セルに用いられる電力素子の定格電圧及び定格電流の値が変わる場合がある。単位電力セルの出力電圧は、５レベルまで現れる。

【0039】

図５乃至図１０は、図１及び図２に示されたインバータ部の動作を示す回路図である。次に、図１乃至図１０を参照して、インバータ部の動作に対して説明する。特に、図１及び図２に示されたインバータ部の動作を中心に説明する。

【0040】

図２に示されたインバータ部２０３の一つの分岐（ｌｅｇ）は、四つのスイッチ部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄが直列接続されていて、スイッチ部の動作によって出力電圧が規定される。

【0041】

スイッチ部２０３ａ及び２０３ｃの動作は、互いに相補的であり、スイッチ部２０３ｂ及び２０３ｄのスイッチング動作も相補的である。したがって、直列接続されている平滑部２０２の電圧が各々Ｅと規定される場合、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂがオンになっているときは、スイッチ部２０３ｃ、２０３ｄはオフになって、このとき出力される極電圧（ｐｏｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ）はＥとなる。また、スイッチ部２０３ａ、２０３ｃがオンになっているとき、スイッチ部２０３ｂ、２０３ｄはオフになり、この場合出力極電圧は０になる。同様に、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂがオフになっているとき、スイッチ部２０３ｃ、２０３ｄはオンになり、この場合出力極電圧は−Ｅが出力される。

【0042】

このように規定される出力極電圧を利用すると、各単位セルの出力線間電圧は、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルを有する。各セルの出力線間電圧が、５レベルで規定されることによって、図３の単位電力セル３０５ａ、３０５ｂが合成することができる電圧は、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅの９レベルを有し、負荷電動機３０３の出力線間電圧は、８Ｅ、７Ｅ、６Ｅ、５Ｅ、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅ、−５Ｅ、−６Ｅ、−７Ｅ、−８Ｅの１７レベルを有することができる。

【0043】

マルチレベル高圧インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）方法は、三角搬送波の形態によって大きく位相偏移ＰＷＭとレベル偏移ＰＷＭとに分かれるが、本発明で説明する単相ＮＰＣインバータを利用したマルチレベルインバータは、主にレベル偏移ＰＷＭ方法で作動する。また、レベル偏移ＰＷＭは、三角搬送波の位相によって同相配置（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＩＰＤ）、交番位相反転配置（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＰＯＤ）、及び位相反転配置（Ｐｈａｓｅ ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＯＤ）に分かれるが、通常、ＩＰＤ方式が出力電圧の高調波の点で最も優れる。したがって、本発明では、マルチレベル高圧インバータの電圧合成方法として、ＩＰＤ方式のレベル偏移ＰＷＭ方法が主に利用される。

【0044】

続いて説明すると、出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定されたとき、電流の方向による電力半導体の導通状態は、図５乃至図１０に示されたとおりである。

【0045】

図５は、出力極電圧が０で出力電流が正の場合、図６は、出力極電圧がＥで出力電流が正の場合、図７は、出力極電圧が−Ｅで出力電流が正の場合に、導通するスイッチ部を表示したものである。図５では、ダイオード一つ、スイッチ部一つが、図６ではスイッチ部二つ、図７ではダイオード二つが導通する。

【0046】

図８は、出力極電圧が０で出力電流が負の場合、図９は、出力極電圧がＥで出力電流が負の場合、図１０は、出力極電圧が−Ｅで出力電流が負の場合に、導通するスイッチ部を表示したものである。図８では、ダイオード一つ、スイッチ部一つが、図９では、ダイオード二つ、図１０ではスイッチ部二つが導通する。

【0047】

次に、図１の位相偏移変圧器１０４及び図３の位相偏移変圧器３０４の動作について説明する。

【0048】

位相偏移変圧器１０４、３０４は、入力３相電源１０２から各単位電力セルに電気的に絶縁された３相電源を印加する。このとき、位相偏移変圧器１０４、３０４の１次側巻線はＹ（ｗｙｅ）結線又はデルタ（Ｄ）結線を有し、２次側巻線は１次側から位相偏移された電源を出力して、このとき単位電力セルの要求に合う適切な大きさの電圧が出力される。

【0049】

位相偏移変圧器１０４、３０４の２次側出力は、単位電力セルのダイオード整流器数と同じであり、次の関係を有する。
Ｎｓｅｃ＝３Ｎｕｎｉｔ＊Ｎｄｉｏｄｅ （１）

【0050】

ここで、Ｎｓｅｃは位相偏移変圧器の２次側出力数であり、Ｎｕｎｉｔは負荷電動機各相当たり接続される単位電力セルの数であり、Ｎｄｉｏｄｅは一つの単位電力セルに設置されているダイオード整流器の数である。例えば、図１のような構造では、Ｎｕｎｉｔは２であり、Ｎｄｉｏｄｅは２になってＮｓｅｃは１２となり、図３のような構造では、Ｎｕｎｉｔは１であり、Ｎｄｉｏｄｅは４になってＮｓｅｃは１２となる。

【0051】

位相偏移変圧器の２次側巻線の位相偏移角は次の関係から求めることができる。
α_sec＝３６０／２Ｎｓｅｃ［度］ （２）

【0052】

ここで、α_secは２次側巻線間の位相偏移角である。例えば、図１及び図３のようにＮｓｅｃが１２になると、２次側巻線間の位相偏移角は１５度となる。各々の２次側巻線の出力電圧は、このように決定された２次側巻線間の位相偏移角に基づいて、１次側入力電源電圧に対して位相が位相偏移角だけ変わることになる。

【0053】

今まで説明したマルチレベル高圧インバータの入力端位相偏移変圧器は、１次側巻線が一つの３相電源だけで構成され、単位電力セルに接続される２次側巻線が共に一つの変圧器から出力される構造の単一ユニットである。このような単一ユニットで構成されている位相偏移変圧器は、要求される出力電力が、一つの変圧器で満たされなければならない。したがって、変圧器自身の体積及び重さが増大するだけでなく、機構設計上の自由度がないため、システム全体の体積を増大させる問題点があって、変圧器の１次側巻線に問題が発生すると、システム全体の運転が不可能になる短所がある。

【0054】

単位電力セルの場合、インバータ部がダイオード四つ、能動スイッチが八つで構成されていて、電圧合成時に常に二つの電力半導体が導通して、インバータ部の損失が相対的に大きい。また、単位電力セルの３相ダイオード整流器が二つ以上で構成されるため、位相偏移変圧器２次側出力端の数が増加し、位相偏移変圧器の体積が増加する。

【0055】

本発明では、一つのユニットだけで構成されているマルチレベル高圧インバータの位相偏移変圧器の構造がモジュール構造を有するようにして、機構設計上の自由度を提供し、システム全体の体積及び重さを減少させられるようにする。また、モジュール化された位相偏移変圧器を用いることによって、一つの変圧器モジュールが故障状態になったときも、負荷電動機は出力が低下した（ｄｅｒａｔｉｎｇ）状態で連続的に運転が可能であるという長所がある。

【0056】

また、本発明のインバータシステムに用いられる単位電力セルは、従来の単位電力セルに比べて導通損失を低減させることができる縦続接続型Ｔ型ＮＰＣインバータ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｔ−ｔｙｐｅ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）を提案する。提案された単位電力セルは、６パルスのダイオード整流器を用いることによって位相偏移変圧器の２次側出力数を減らせるため、位相偏移変圧器の体積を減少させることができ、これによってシステム全体の体積が減少することになる。

【0057】

図１１は、本発明の第１実施形態のインバータシステムを示す回路図である。

【0058】

図１１を参照すると、本実施形態で提案する位相偏移変圧器を利用したマルチレベル高圧インバータシステムは、電動機１１０３一相当たり三つの単位電力セルを用いる。

【0059】

第１実施形態のマルチレベルインバータシステム１１０１は、九つの単位電力セル１１０５ａ〜１１０５ｉ及び位相偏移変圧器１１０４を含む。電圧供給部１１０２は、電圧実効値が６００Ｖ以上の電圧を供給する。３相電動機１１０３は、インバータシステム１１０１の負荷の３相電動機である。位相偏移変圧器１１０４の適用方法によって位相角は変動する場合がある。

【0060】

本実施形態に適用されたモジュール型位相偏移変圧器１１０４は、三つのモジュールで構成されている。

【0061】

すなわち、モジュール型位相偏移変圧器１１０４は、３相入力電圧１１０２の入力を受けて位相偏移された位相電圧を供給するように構成された複数のモジュール１１０４ａ、１１０４ｂ、１１０４ｃを含んでもよい。

【0062】

第１モジュール１１０４ａは、１次側巻線が−６．７度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は−２０度、０度、２０度の位相を有する三つの絶縁された３相結線である。第２モジュール１１０４ｂは、１次側巻線が３相Ｙ結線であり、２次側巻線は第１モジュール１１０４ａと同一である。第３モジュール１１０４ｃは、１次側巻線が６．７度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は第１モジュール１１０４ａと同一である。単位電力セル１１０５ａ〜１１０５ｉの出力電圧は、５レベルである。負荷電動機１１０３の各相当たり三つの単位電力セルが対応し、必要に応じて単位電力セルの数は拡張が可能である。

【0063】

一方、単位電力セル１１０５ａ〜１１０５ｉは、第１グループ単位電力セル１１０５ａ、１１０５ｄ、１１０５ｇ、第２グループ単位電力セル１１０５ｂ、１１０５ｅ、１１０５ｈ、第３グループ単位電力セル１１０５ｃ、１１０５ｆ、１１０５ｉに区分することができる。

【0064】

第１グループ単位電力セル１１０５ａ、１１０５ｄ、１１０５ｇは、第１モジュール１１０４ａから第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１乃至第３単位電力セル１１０５ａ、１１０５ｄ、１１０５ｇである。

【0065】

第２グループ単位電力セル１１０５ｂ、１１０５ｅ、１１０５ｈは、第２モジュール１１０４ｂから第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第４乃至第６単位電力セル１１０５ｂ、１１０５ｅ、１１０５ｈである。

【0066】

第３グループ単位電力セル１１０５ｃ、１１０５ｆ、１１０５ｉは、第３モジュール１１０４ｃから第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第７乃至第９単位電力セル１１０５ｃ、１１０５ｆ、１１０５ｉである。

【0067】

このとき、第１グループ単位電力セル１１０５ａ、１１０５ｄ、１１０５ｇのうち一つと、第２グループ単位電力セル１１０５ｂ、１１０５ｅ、１１０５ｈのうち一つと、第３グループ単位電力セル１１０５ｃ、１１０５ｆ、１１０５ｉのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成される。

【0068】

すなわち、単位電力セル１１０５ａ、１１０５ｂ、１１０５ｃの出力は、直列に接続されて負荷３相電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１１０５ｄ、１１０５ｅ、１１０５ｆはｂ相電圧を、単位電力セル１１０５ｇ、１１０５ｈ、１１０５ｉはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１１０５ａ、１１０５ｄ、１１０５ｇは第１モジュール１１０４ａの出力と接続され、単位電力セル１１０５ｂ、１１０５ｅ、１１０５ｈは第２モジュール１１０４ｂの出力と接続され、単位電力セル１１０５ｃ、１１０５ｆ、１１０５ｉは、第３モジュール１１０４ｃの出力と接続される。

【0069】

図１２は、図１１の単位電力セルを示す回路図である。

【0070】

図１２を参照すると、単位電力セルは、３相のダイオード整流器１２０１、平滑部１２０２、及びインバータ部１２０３を含む。平滑部１２０２は、二つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を含み、ダイオード整流器１２０１の出力に接続されており、ここでは直列接続されているが、直／並列接続で構成してもよい。インバータ部１２０３は、単相Ｔ型ＮＰＣインバータ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ Ｔ−ｔｙｐｅ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）である。スイッチ部１２０３ａ、１２０３ｂ、１２０３ｃ、１２０３ｄが一つの分岐を構成して、スイッチ部１２０３ｅ、１２０３ｆ、１２０３ｇ、１２０３ｈがもう一つの分岐を構成し、二つの分岐の間の電位差に従って出力電圧（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）が合成される。

【0071】

整流部１２０１は、第１位相電圧の第１相の入力を受けて整流した第１整流電圧を供給する。平滑部１２０２は、整流部１２０１で整流された第１整流電圧の入力を受けて、互いに異なる第１乃至第３ノードに各々異なるレベルの電圧で供給する。インバータ部１２０３は、平滑部１２０２で供給される三つのレベルの電圧を伝達するために、複数のスイッチ部を備えてもよい。インバータ部１２０３は、第１ノードと第１出力端（ＯＵＴ１）との間に備えられる第１スイッチ部１２０３ａと、第２ノードと第１出力端（ＯＵＴ１）との間に備えられる第２スイッチ部１２０３ｃ、１２０３ｄと、第３ノードと第１出力端（ＯＵＴ１）との間に備えられる第３スイッチ部１２０３ｂと、第１ノードと第２出力端（ＯＵＴ２）との間に備えられる第４スイッチ部１２０３ｅと、第２ノードと第２出力端（ＯＵＴ２）との間に備えられる第５スイッチ部１２０３ｇ、１２０３ｈと、第３ノードと第２出力端（ＯＵＴ２）との間に備えられる第６スイッチ部１２０３ｆと、を含んでもよい。

【0072】

第１乃至第６スイッチ部１２０３ａ、１２０３ｂ、１２０３ｃ、１２０３ｄ、１２０３ｅ、１２０３ｆ、１２０３ｇは、電力用半導体及びダイオードを含んで具現することができる。

【0073】

第２スイッチ部１２０３ｃ、１２０３ｄは、第２ノードから第１出力端（ＯＵＴ１）に電流方向性を有する第１ダイオード１２０３ｃと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体１２０３ｃと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードと直列接続された第２ダイオード１２０３ｄと、第１電力用半導体とは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体１２０３ｄとを含んで具現することができる。

【0074】

第１スイッチ部１２０３ａは、第１出力端（ＯＵＴ１）から第１ノードに電流方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体とを含んで具現することができる。

【0075】

第３スイッチ部１２０３ｂは、第３ノードから第１出力端（ＯＵＴ１）に電流方向性を有する第２ダイオードと、第２ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体とを含んでもよい。

【0076】

第５スイッチ部１２０３ｇ、１２０３ｈは、第２ノードから第２出力端（ＯＵＴ２）に電流の方向性を有する第１ダイオード１２０３ｇと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体１２０３ｇと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードと直列接続された第２ダイオード１２０３ｆと、第１電力用半導体とは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体１２０３ｆとを含んでもよい。

【0077】

第４スイッチ部１２０３ｅは、第２出力端（ＯＵＴ２）から第１ノードに電流方向性を有する第１ダイオードと、第１ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第１ダイオードの一端と他端とを接続する第１電力用半導体とを含んでもよい。

【0078】

第６スイッチ部１２０３ｆは、第３ノードから第２出力端（ＯＵＴ２）に電流方向性を有する第２ダイオードと、第２ダイオードとは逆の電流方向性を有し、第２ダイオードの一端と他端とを接続する第２電力用半導体とを備えてもよい。

【0079】

平滑部１２０２は、直列接続された第１及び第２コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を備えてもよい。第１及び第２コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は、第１整流電圧を一端と他端とを介して印加を受けて、第１及び第２コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の一端ノード、共通ノード及び他端ノードが、第１乃至第３ノードになるように配置される。

【0080】

整流部１２０１は、第１及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第１相電圧の供給を受ける第１及び第２ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、第１及び第２コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第２相電圧の供給を受ける第３及び第４ダイオード（Ｄ３、Ｄ４）と、第１コンデンサの一端と他端とを接続して、共通ノードに第１位相電圧の第３相電圧の供給を受ける第５及び第６ダイオード（Ｄ５、Ｄ６）とを含んでもよい。

【0081】

図１３及び図１４は、本発明の第２実施形態及び第３実施形態を示すインバータシステムを示すブロック図である。図１３は、図１２の単位電力セルを利用して電動機の各相当たり四つの単位電力セルを構成したインバータシステムを示す。

【0082】

図１３を参照すると、インバータシステム１３０１は、位相偏移変圧器１３０４と、単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｌとを含む。位相偏移変圧器１３０４は、３相電源供給部１３０２から来る電圧の印加を受けて、単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｌに供給する。電動機は、インバータシステム１３０１の負荷（ｌｏａｄ）である３相電動機１３０３である。３相電源供給部１３０２は、線間電圧実効値が６００Ｖ以上の３相電源である。

【0083】

本実施形態に適用された位相偏移変圧器１３０４は、四つのモジュールで構成されている。第１モジュール１３０４ａは、１次側巻線が−５度の位相を有する３相結線になっていて、２次側巻線は−２０度、０度、２０度の位相を有する三つの絶縁された３相結線である。第２モジュール１１０４ｂは、１次側巻線が３相Ｙ結線であり、２次側は第１モジュール１３０４ａと同じである。第３モジュール１３０４ｃは、１次側巻線が５度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は第１モジュール１３０４ａと同じである。第４モジュール１３０４ｄは、１次側巻線が１０度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は第１モジュール１３０４ａと同じである。単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｌの出力電圧は５レベルである。

【0084】

負荷電動機１３０３の各相当り三つの単位電力セルで構成され、必要に応じて単位電力セルの数は拡張が可能である。

【0085】

単位電力セル１３０５ａ〜１３０５ｌは、第１グループ単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｅ、１３０５ｇ、第２グループ単位電力セル１３０５ｂ、１３０５ｆ、１３０５ｊ、第３グループ単位電力セル１３０５ｃ、１３０５ｇ、１３０５ｋ、及び第４グループ単位電力セル１３０５ｄ、１３０５ｈ、１３０５ｌに区分することができる。

【0086】

第１グループ単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｅ、１３０５ｉは、第１モジュール１３０４ａから第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１乃至第３単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｅ、１３０５ｉである。

【0087】

第２グループ単位電力セル１３０５ｂ、１３０５ｆ、１３０５ｊは、第２モジュール１３０４ｂから第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第４乃至第６単位電力セル１３０５ｂ、１３０５ｆ、１３０５ｊである。

【0088】

第３グループ単位電力セル１３０５ｃ、１３０５ｇ、１３０５ｋは、第３モジュール１３０４ｃから第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第７乃至第９単位電力セル１３０５ｃ、１３０５ｇ、１３０５ｋである。

【0089】

第４グループ単位電力セル１３０５ｄ、１３０５ｈ、１３０５ｌは、第４モジュール１３０４ｄから第４位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１０乃至第１２単位電力セル１３０５ｄ、１３０５ｈ、１３０５ｌである。

【0090】

このとき、第１グループ単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｅ、１３０５ｉのうち一つと、第２グループ単位電力セル１３０５ｂ、１３０５ｆ、１３０５ｊのうち一つと、第３グループ単位電力セル１３０５ｃ、１３０５ｇ、１３０５ｋのうち一つと、第４グループ単位電力セル１３０５ｄ、１３０５ｈ、１３０５ｌのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成される。

【0091】

すなわち、単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｂ、１３０５ｃ、１３０５ｄの出力は、直列に接続されて負荷３相電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１３０５ｅ、１３０５ｆ、１３０５ｇ、１３０５ｈはｂ相電圧を、単位電力セル１３０５ｉ、１３０５ｊ、１３０５ｋ、１３０５ｌはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１３０５ａ、１３０５ｅ、１３０５ｉは第１モジュール１３０４ａの出力と接続され、単位電力セル１３０５ｂ、１３０５ｆ、１３０５ｊは第２モジュール１３０４ｂの出力と接続され、単位電力セル１３０５ｃ、１３０５ｇ、１３０５ｋは第３モジュール１３０４ｃの出力と接続され、単位電力セル１３０５ｄ、１３０５ｈ、１３０５ｌは第４モジュール１３０４ｄの出力と接続される。

【0092】

図１４は、図１２の単位電力セルを利用して、電動機の各相当たり五つの単位電力セルを構成したインバータシステムである。

【0093】

図１４を参照すると、インバータシステム１４０１は、位相偏移変圧器１４０４と、単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏを含む。位相偏移変圧器１４０４は、３相電源供給部１４０２から電圧を受けて単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏに供給する。電動機は、インバータシステム１４０１の負荷の３相電動機１４０３である。３相電源供給部１４０２は、線間電圧実効値が６００Ｖ以上の３相電源である。

【0094】

本実施形態に適用された位相偏移変圧器１４０４は、五つのモジュールで構成されている。第１モジュール１４０４ａは、１次側巻線が−８度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は−２０度、０度、２０度の位相を有する三つの絶縁された３相結線である。第２モジュール１１０４ｂは、１次側巻線が−４度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は第１モジュール１３０４ａと同じである。第３モジュール１３０４ｃは、１次側巻線が３相Ｙ結線であり、２次側巻線は第１モジュール１３０４ａと同じである。第４モジュール１４０４ｄは、１次側巻線が４度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は第１モジュール１４０４ａと同じである。第５モジュール１４０４ｅは、１次側巻線が４度の位相を有する３相結線であり、２次側巻線は第１モジュール１４０４ａと同じである。単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏの出力電圧は５レベルである。負荷電動機１４０３の各相当たり五つの単位電力セルで構成されているが、必要に応じて単位電力セルの数は拡張可能である。

【0095】

単位電力セル１４０５ａ〜１４０５ｏは、第１グループ単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｆ、１４０５ｋと、第２グループ単位電力セル１４０５ｂ、１４０５ｇ、１４０５ｌと、第３グループ単位電力セル１４０５ｃ、１４０５ｈ、１４０５ｍと、第４グループ単位電力セル１４０５ｄ、１４０５ｉ、１４０５ｎと、第５グループ単位電力セル１４０５ｅ、１３０５ｊ、１４０５ｏとに区分することができる。

【0096】

第１グループ単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｆ、１４０５ｋは、第１モジュール１４０４ａから第１位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１乃至第３単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｆ、１４０５ｋである。

【0097】

第２グループ単位電力セル１４０５ｂ、１４０５ｇ、１４０５ｌは、第２モジュール１４０４ｂから第２位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第４乃至第６単位電力セル１４０５ｂ、１４０５ｇ、１４０５ｌである。

【0098】

第３グループ単位電力セル１４０５ｃ、１４０５ｈ、１４０５ｍは、第３モジュール１４０４ｃから第３位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第７乃至第９単位電力セル１４０５ｃ、１４０５ｈ、１４０５ｍである。

【0099】

第４グループ単位電力セル１４０５ｄ、１４０５ｉ、１４０５ｎは、第４モジュール１４０４ｄから第４位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１０乃至第１２単位電力セル１４０５ｄ、１４０５ｉ、１４０５ｎである。

【0100】

第５グループ単位電力セル１４０５ｅ、１３０５ｊ、１４０５ｏは、第５モジュール１４０４ｅから第５位相電圧の各相に対応する信号の供給を受けて予定された変換動作を行い、予定された相の出力電圧を供給する、第１３乃至第１５単位電力セル１４０５ｅ、１３０５ｊ、１４０５ｏである。

【0101】

このとき、第１グループ単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｆ、１４０５ｋのうち一つと、第２グループ単位電力セル１４０５ｂ、１４０５ｇ、１４０５ｌのうち一つと、第３グループ単位電力セル１４０５ｃ、１４０５ｈ、１４０５ｍのうち一つと、第４グループ単位電力セル１４０５ｄ、１４０５ｉ、１４０５ｎのうち一つと、第５グループ単位電力セル１４０５ｅ、１４０５ｊ、１４０５ｏのうち一つとが組になって、同相の出力電圧を供給するように構成される。

【0102】

すなわち、単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｂ、１４０５ｃ、１４０５ｄ、１４０５ｅの出力は、直列に接続されて負荷３相電動機のａ相電圧を出力し、単位電力セル１４０５ｆ、１４０５ｇ、１４０５ｈ、１４０５ｉ、１４０５ｊはｂ相電圧を、単位電力セル１４０５ｋ、１４０５ｌ、１４０５ｍ、１４０５ｎ、１４０５ｏはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１４０５ａ、１４０５ｆ、１４０５ｋは第１モジュール１４０４ａの出力と接続され、単位電力セル１４０５ｂ、１４０５ｇ、１４０５ｌは第２モジュール１４０４ｂの出力と接続され、単位電力セル１４０５ｃ、１４０５ｈ、１４０５ｍは第３モジュール１４０４ｃの出力と接続され、単位電力セル１４０５ｄ、１４０５ｉ、１４０５ｎは第４モジュール１４０４ｄの出力と接続され、第５単位電力セル１４０５ｅ、１４０５ｊ、１４０５ｏは第５モジュール１４０４ｅの出力と接続される。

【0103】

今まで説明した本実施形態のインバータシステムは、従来の単一ユニットの位相偏移変圧器をモジュール化して、単位電力セルを有するマルチレベル高圧インバータに用いている。本実施形態で提案するモジュール型位相偏移変圧器の２次側巻線の位相偏移角は、式１及び式２によって決定される。

【0104】

また、本発明で提案するモジュール型位相偏移変圧器の１次側巻線の位相偏移角は、次の関係によって決定される。
αｐｒｉｍ＝３６０／Ｎｍ＿Ｔ*１／Ｎｓｅｃ＿ｏｕｔ*１／Ｎｄｉｏｄｅ＿ｐｕｌｓｅ ［度］ （３）

【0105】

ここで、Ｎｍ＿Ｔは位相偏移変圧器のモジュール数、Ｎｓｅｃ＿ｏｕｔは一つの位相偏移変圧器モジュールの２次側出力数、Ｎｄｉｏｄｅ＿ｐｕｌｓｅはダイオード整流器のパルス（ｐｕｌｓｅ）数である。例えば、図１１の場合、Ｎｍ＿Ｔは３、Ｎｓｅｃ＿ｏｕｔは６、Ｎｄｉｏｄｅ＿ｐｕｌｓｅは６になって、αｐｒｉｍは６．７度となる。位相偏移変圧器の１次側巻線は、０度を基準に倍数の形態で位相をずらすことが望ましい。

【0106】

本実施形態で提案するモジュール型位相偏移変圧器の容量は、従来の単一ユニット型位相偏移変圧器の容量と次の関係を有する。
Ｓｍ＿Ｔ＝Ｓｃｏｎｖ／Ｎｍ＿Ｔ （４）

【0107】

ここで、Ｓｍ＿Ｔは、モジュール型位相偏移変圧器の個当たり皮相電力であり、Ｓｃｏｎｖは、単一ユニット型位相偏移変圧器の皮相電力である。モジュール型位相偏移変圧器は、従来の単一ユニット型位相偏移変圧器に比べて容量が小さいため、変圧器巻線が占める面積（ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）が減って全体積及び重さが減少し、位相偏移変圧器の体積と重さが低減されるにつれて、システム全体の大きさ及び体積が減る。

【0108】

また、モジュール型位相偏移変圧器は、Ｎｍ＿Ｔだけの変圧器数を有するが、これは、結果的にシステム全体の割付上の自由度及び設計上の柔軟性を提供する。

【0109】

また、従来の単位ユニット型位相偏移変圧器は、１次側巻線が故障状態になると、全体システムの運転が不可能になるが、本実施形態で提案するモジュール型位相偏移変圧器を用いる場合、あるモジュールの位相偏移変圧器の１次側巻線が故障状態になると、故障状態のモジュールと接続された電力変換回路を迂回して出力を低減させた状態で連続運転を可能にする。このような構造上の特徴によって、モジュール型位相偏移変圧器を用いる場合、全体システムの冗長性が増大する。入力端に電流歪み現象が生じることもある。

【0110】

次に、本実施形態のインバータシステムに適用される単位電力セルのインバータ部について説明する。図１２に示されたように、本発明で用いられるインバータ部は、単相Ｔ型ＮＰＣインバータで構成される。

【0111】

図１２を参照すると、単位電力セルのインバータ部１２０３の一つの分岐は、四つのスイッチ部１２０３ａ、１２０３ｂ、１２０３ｃ、１２０３ｄで構成されて、これらの動作によって出力極電圧が規定される。

【0112】

スイッチ部１２０３ａ及び１２０３ｃは同時にオンになることがなく、スイッチ部１２０３ｂ及び１２０３ｄも同時にオンになることはない。また、スイッチ部１２０３ａ及び１２０３ｂの動作は、独立に要求される出力極電圧が正の場合には、スイッチ部１２０３ａ及び１２０３ｃが動作し、出力極電圧指令が負の場合には、スイッチ部１２０３ｂと１２０３ｄが動作する。

【0113】

平滑部１２０２の直列接続されているＤＣリンクコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の電圧を各々Ｅと規定したとき、出力極電圧指令が正の場合、スイッチ部１２０３ａがオンになって、スイッチ部１２０３ｃがオフになったときは出力極電圧はＥを出力し、スイッチ部１２０３ａがオフになり、スイッチ部１２０３ｃがオンになったときは出力極電圧が０になる。出力極電圧指令が負の場合、スイッチ部１２０３ｂがオンになり、スイッチ部１２０３ｄがオフになったときは、出力極電圧は−Ｅを出力し、スイッチ部１２０３ｂがオフになり、スイッチ部１２０３ｄがオンになったときは、出力極電圧が０になる。このように規定される出力極電圧を利用すると、各単位パワーセルの出力線間電圧は、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルを有する。

【0114】

出力極電圧が、Ｅ、０、−Ｅに決定されたとき、電流の方向による電力半導体の導通を調べると、図１５から図２０のとおりである。

【0115】

図１５乃至図２０は、図１２に示されたインバータ部の動作を示す回路図である。

【0116】

図１５は、出力極電圧が０で出力電流が正の場合、図１６は、出力極電圧がＥで出力電流が正の場合、図１７は、出力極電圧が−Ｅで出力電流が正の場合に、導通するスイッチ部を表示したものである。図１５では、ダイオード一つ、スイッチ一つが、図１６では、スイッチ部一つ、図１７ではダイオード一つが導通する。図１８は、出力極電圧が０で出力電流が負の場合、図１９は、出力極電圧がＥで出力電流が負の場合、図２０は、出力極電圧が−Ｅで出力電流が負の場合に、導通するスイッチ部を表示したものである。図１８では、ダイオード一つ、スイッチ部一つが、図１９では、ダイオード一つ、図２０では、スイッチ部一つが導通する。

【0117】

図１５及び図１８では、スイッチ一つ、ダイオード一つが導通するが、残りの場合には、ダイオード一つ又はスイッチ一つだけが導通して、平均的に導通される電力半導体素子の数が図５乃至図１０までの場合と比較して減ることが分かり、このことから電力用半導体で発生する損失が減少して全体システムの効率が増大し、これによって放熱部の大きさが減ることになる。本実施形態では、電力用半導体は、ＩＧＢＴ又は電力用ＭＯＳＦＥＴを含む。

【0118】

今まで説明した本発明のインバータシステムは、システム設計時の自由度が増加し、システム全体の体積及び重さが減少する。これは、マルチレベル高圧インバータの入力端に用いられる位相偏移変圧器の構造のモジュール化と、単位電力セルの入力端を６パルスのダイオードで構成することとで達成される。

【0119】

また、本発明のインバータシステムは、モジュール化された位相偏移変圧器を用いることによって、全体システムの冗長性が増大する。また、本発明のインバータシステムは、動作効率も増加するが、これは変更されたインバータ部の構造によって平均的に導通する電力半導体素子の数を減らすことによって達成される。インバータシステムの導通損失が低下すると、放熱設計が容易になり、システム全体の体積及びコストを低減させることができる。

【0120】

以上、代表的な実施形態によって本発明に対して詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、上述した実施形態に対し本発明の範疇から逸脱しない限度内で多様な変形が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定してはならず、後述する特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲の均等物などによって定めなければならない。

【符号の説明】

【0121】

１０１ インバータシステム
１０２ 入力３相電源
１０３ ３相電動機
１０４ 位相偏移変圧器
１０５ａ〜１０５ｆ 単位電力セル
２０１ ダイオード整流部
２０２ 平滑部
２０３ インバータ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】