特開 2024-114624 ハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＨＭＭＣ）とモジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＭＭＣ）

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024114624

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】ハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＨＭＭＣ）とモジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＭＭＣ）

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20240816BHJP

   H02M 7/487 20070101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

H02M7/487

【審査請求】未請求

【請求項の数】24

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024007131

(22)【出願日】2024-01-22

(31)【優先権主張番号】18/167,727

(32)【優先日】2023-02-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】513132966

【氏名又は名称】ジーイー エナジー パワー コンバージョン テクノロジー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｈｏｕｓｔｏｎ Ｗａｙ， Ｏｆｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｒｉｖｅ， Ｒｕｇｂｙ， Ｗａｒｗｉｃｋｓｈｉｒｅ， ＣＶ２１ １ＢＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(72)【発明者】

【氏名】ツィ・ヂォゥ

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA01

5H770BA11

5H770CA04

5H770DA03

5H770DA23

5H770DA33

5H770DA41

5H770DA44

5H770JA10X

5H770JA18X

(57)【要約】

【課題】モジュラー・マルチレベル・コンバータ及びハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータを提供する。
【解決手段】モジュラー・マルチレベル・コンバータ及びハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータの各々は、サブモジュールを含む。各サブモジュールは、第１の接続部、第２の接続部、第３の接続部、及び第４の接続部を有する第１のハーフブリッジコンバータ、第２のハーフブリッジコンバータ、及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータを含む。第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続と相互接続される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＡＢＣのＮ相構造を有するモジュール型マルチレベル・コンバータ（ＭＭＣ）であって、
Ｎ組の同一の上側アーム及び下側アームを含み、各上側アーム及び下側アームはＸ個のサブモジュールで構成され、Ｘは整数であり、各サブモジュールは、第１の接続部を含む第１のハーフブリッジコンバータ、第２の接続部を含む第２のハーフブリッジコンバータ、及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータを含み、第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続部と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続部と相互接続される、モジュール型マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）。

【請求項2】

ハーフブリッジコンバータの各々は、Ｓｉ ＩＧＢＴで形成された２つの半導体スイッチを含む、請求項１に記載のＭＭＣ。

【請求項3】

ハーフブリッジコンバータの各々は、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ及び／又はＧａＮ ＭＯＳＦＥＴで形成された２つの半導体スイッチを含む、請求項１に記載のＭＭＣ。

【請求項4】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータは、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ又はＧａＮ ＭＯＳＦＥＴで形成された半導体スイッチを含む、請求項１に記載のＭＭＣ。

【請求項5】

中性点クランプトポロジー（ＮＰＣ）又は能動中性点クランプトポロジー（ＡＮＰＣ）に基づくハイブリッドモジュラー型マルチレベルコンバータ（ＨＭＭＣ）であって、
Ｎ組の同一の上側アーム及び下側アームを含むＡＢＣ Ｎ相構造を有し、各上側アーム及び下側アームは、Ｘ個のサブモジュール及びＹ組のスイッチから構成され、Ｘ及びＹは整数であり、各サブモジュールは、第１のハーフブリッジコンバータ、第２のハーフブリッジコンバータ、及び第１の接続部、第２の接続部、第３の接続部、及び第４の接続部を含むデュアル能動ブリッジコンバータを含み、ハイブリッドモジュラー型マルチレベルコンバータ、各サブモジュールは、第１のハーフブリッジコンバータ、第２のハーフブリッジコンバータ、及び第１の接続部、第２の接続部、第３の接続部、及び第４の接続部を含むデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータから構成され、第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続部と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続部と相互接続される、ＨＭＭＣ。

【請求項6】

各ハーフブリッジコンバータは、Ｓｉ ＩＧＢＴで形成された２つの半導体スイッチを含む、請求項５に記載のＨＭＭＣ。

【請求項7】

各ハーフブリッジコンバータは、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ及び／又はＧａＮ ＭＯＳＦＥＴで形成された２つの半導体スイッチを含む、請求項５に記載のＨＭＭＣ。

【請求項8】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータは、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ又はＧａＮ ＭＯＳＦＥＴで形成された複数の半導体スイッチを含む、請求項５に記載のＨＭＭＣ。

【請求項9】

各セット内の複数のスイッチがカスケード接続され、直列に接続されている、請求項５記載のＨＭＭＣ。

【請求項10】

Ｙ組の各スイッチ内のスイッチはＩＧＢＴで形成されている、請求項５記載のＨＭＭＣ。

【請求項11】

Ｙ組の各スイッチ内のスイッチは、ダイオードで形成されている、請求項５記載のＨＭＭＣ。

【請求項12】

Ｙ組の各スイッチ内の複数のスイッチがＳＣＲで形成されている、請求項５記載のＨＭＭＣ。

【請求項13】

一組の半導体スイッチの少なくとも１つは、逆極性のＩＧＢＴで形成されている、請求項５記載のＨＭＭＣ。

【請求項14】

Ｙ組の各スイッチ内の複数のスイッチは、逆極性のＩＧＢＴで形成されている、請求項１３記載のＨＭＭＣ。

【請求項15】

中性点パイロットトポロジー（ＮＰＰ）に基づき、ＡＢＣ Ｎ相構造を有する、ハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＨＭＭＣ）であって、
Ｎ組の同一の上側アーム及び下側アームを含み、各上側アーム及び下側アームは、Ｘ個のサブモジュールとＹ組のスイッチから構成され、Ｘ及びＹは整数であり、各サブモジュールは、第１のハーフブリッジコンバータと、第２のハーフブリッジコンバータと、第１の接続部、第２の接続部、第３の接続部及び第４の接続部を含むデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータとを含み、第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続部と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続部と相互接続される、ＨＭＭＣ。

【請求項16】

各ハーフブリッジコンバータは、Ｓｉ ＩＧＢＴで形成された２つの半導体スイッチを含む、請求項１５に記載のＨＭＭＣ。

【請求項17】

各ハーフブリッジコンバータは、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ及び／又はＧａＮ ＭＯＳＦＥＴで形成された２つの半導体スイッチを含む、請求項１５に記載のＨＭＭＣ。

【請求項18】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータは、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ又はＧａＮ ＭＯＳＦＥＴで形成された複数の半導体スイッチを含む、請求項１５に記載のＨＭＭＣ。

【請求項19】

各セット内の複数の半導体スイッチがカスケード接続され、直列に接続されている、請求項１５記載のＨＭＭＣ。

【請求項20】

Ｙ組の各スイッチ内の複数のスイッチは、複数のＩＧＢＴで形成されている、請求項１５記載のＨＭＭＣ。

【請求項21】

Ｙ組の各スイッチ内の複数のスイッチは、複数のダイオードで形成されている、請求項１５記載のＨＭＭＣ。

【請求項22】

Ｙ組の各スイッチ内のスイッチは、複数のＳＣＲで形成されている、請求項１５記載のＨＭＭＣ。

【請求項23】

一組のスイッチの少なくとも１つは、複数の逆極性のＩＧＢＴで形成されている、請求項１６記載のＨＭＭＣ。

【請求項24】

Ｙ組の各スイッチ内のスイッチは、複数の逆極性のＩＧＢＴで形成されている、請求項１６記載のＨＭＭＣ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

以下の開示は、一般に、モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＭＭＣ：modular multilevel converters）に関する。

【背景技術】

【0002】

ハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＨＭＭＣ：Hybrid modular multi-level converters）又はモジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＭＭＣ：modular multi-level converters）は、サブモジュール（ＳＭ：submodules）及びスイッチから構成される。

【0003】

しかし、ＨＭＭＣ及び従来のＭＭＣは、それ自体ではガルバニック絶縁を内蔵していない（do not have built-in galvanic isolation：内蔵ガルバニック絶縁を有していない）。

【0004】

ＨＭＭＣ又はＭＭＣは、トランスレス用途（transformerless applications）に使用することができる。

【0005】

ガルバニック絶縁を提供するために、必要なガルバニック絶縁を提供する外部標準スタンドアロン従来型基本周波数変圧器（external standard stand-alone conventional fundamental frequency transformer to provide the required galvanic isolation）を追加することが知られている。

【0006】

しかし、１つの欠点は、そのような変圧器を追加すると、サイズが大きくなり、重量が重くなる傾向があり、したがって、ＨＭＭＣ又はＭＭＣとそのような変圧器とを含む電力システム全体の電力密度（lower power density）が低くなることである。

【0007】

定置ユーティリティ（stationary utility）又は電力網（electric power grid）の用途では、体積が大きく重量が重いことは問題ではないかもしれない。しかし、動力用途（例えば、海洋推進：marine propulsion）では、コストに加えて、体積、重量、及び出力密度が重要な要件となる。

【発明の概要】

【0008】

前述の欠陥（foregoing deficiencies）を考慮すると、従来のガルバニック絶縁ＭＭＣ又はＨＭＭＣソリューション（traditional galvanic isolated MMC or HMMC solutions）と比較して、フットプリント／体積、重量、及びコスト（footprint/volume, weight, and costs）を低減するためのＭＭＣ又はＨＭＭＣのシステム及び方法が必要である。このような方法及びシステムは、ＨＭＭＣ及びＭＭＣのモジュール性、拡張性、及び電力品質性能（modularity, scalability, and power quality performance）を維持すべきである。

【0009】

特定の状況において、実施形態は、ＡＢＣ Ｎ相構造（ABC N-phase structure）を有するモジュール式マルチレベル・コンバータ（ＭＭＣ）を含む。

【0010】

ＭＭＣは、Ｎ組の同一の上側アーム及び下側アーム（N pairs of identical upper and lower arms）を含み、上側アーム及び下側アームのそれぞれは、Ｘ個のサブモジュールから構成される（composed of X submodules）。

【0011】

各サブモジュールは、第１のハーフブリッジコンバータ、第２のハーフブリッジコンバータ、及び第１の接続、第２の接続、第３の接続、及び第４の接続を含むデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ（dual active bridge converter）から構成される。

【0012】

第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続部と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続部と相互接続される。

【0013】

別の実施形態は、中性点クランプ形ポロジー（ＮＰＣ：neutral point clamped topology）又は能動中性点クランプ形ポロジー（ＡＮＰＣ：」active neutral point clamped topology）に基づき、ＡＢＣ Ｎ相構造（ABC N-phase structure）を有するハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＨＭＭＣ：hybrid modular multilevel converter）を含む。

【0014】

ＨＭＭＣは、Ｎ組の同一の上側アーム及び下側アーム（N pairs of identical upper and lower arms）を含み、各上側アーム及び下側アームは、Ｘ組のサブモジュール及びＹ組のスイッチから構成される。

【0015】

各サブモジュールは、第１のハーフブリッジコンバータ、第２のハーフブリッジコンバータ、及び第１の接続、第２の接続、第３の接続、及び第４の接続を含むデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ（dual active bridge converter）から構成される。

【0016】

第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続部と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続部と相互接続される。

【0017】

別の実施形態は、中性点パイロットトポロジー（ＮＰＰ：neutral point pilot topology）に基づき、ＡＢＣ Ｎ相構造（ABC N-phase structure）を有するハイブリッド・モジュラー・マルチレベル・コンバータ（ＨＭＭＣ：hybrid modular multilevel converter）を含む。

【0018】

ＨＭＭＣは、Ｎ組の同一の上側アーム及び下側アーム（N pairs of identical upper and lower arms）を含み、各上側アーム及び下側アームは、Ｘ個のサブモジュール及びＹ組のスイッチ（X submodules and Y sets of switches）から構成される。

【0019】

各サブモジュールは、第１のハーフブリッジコンバータ、第２のハーフブリッジコンバータ、及び第１の接続、第２の接続、第３の接続、及び第４の接続を含むデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ（dual active bridge converter）から構成される。

【0020】

第１のハーフブリッジコンバータは、第１のハーフブリッジに含まれる第１のコンデンサを介して第１及び第２の接続部と相互接続され、第２のハーフブリッジコンバータは、第２のハーフブリッジに含まれる第２のコンデンサを介して第３及び第４の接続部と相互接続される。

【0021】

複数の実施形態では、必要なガルバニック絶縁を提供するための外部標準スタンドアロン従来型基本周波数変圧器（external standard stand-alone conventional fundamental frequency transformers）に関連するＨＭＭＣ又はＭＭＣの体積が大きく、重量が重く、コストが高いという課題を克服する。

【0022】

様々な実施形態の追加の特徴、動作モード、利点、及び他の態様（modes of operations, advantages, and other aspects）を、添付の図面を参照して以下に説明する。本開示は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されないことに留意されたい。これらの実施形態は、例示のみを目的として提示されている。追加の実施形態、又は開示された実施形態の改変は、提供された教示に基づいて、関連技術の当業者には容易に明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【0023】

例示的な実施形態は、様々な構成要素及び構成要素の配置において形態をとることができる。例示的な実施形態は、添付の図面に示されており、全体を通して、同様の参照数字は、様々な図面において対応する又は同様の部分を示す場合がある。図面は、実施形態を説明するためのものであり、本開示を限定するものとして解釈されるものではない。以下の可能な図面の説明を考慮すれば、本開示の新規な態様は、関連する技術分野における通常の技術者に明らかになるはずである。

【図1】本開示の実施形態に従って電力変換を実行するための例示的なシステムのブロック図を示す。

【図2】実施形態による例示的なＳＭのブロック図を示す。

【図3A】実施形態による、シリコン（Ｓｉ）絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有する例示的なハイブリッド半導体スイッチのブロック図を示す。

【図3B】実施形態による、炭化ケイ素（ＳｉＣ）金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を有する例示的なハイブリッド半導体スイッチのブロック図を示す。

【図3C】実施形態に従った、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）及び逆並列ダイオードを 有する例示的なハイブリッド半導体スイッチのブロック図を示す。

【図3D】実施形態による、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）及び反平行同一ＳＣＲを有する例示的なハイブリッド半導体スイッチのブロック図を示す。

【図4】実施形態による例示的なデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータのブロック図を示す。

【図5】２レベルＭＭＣのブロック図を示す。

【図6A】本開示の様々な実施形態による３レベルＡＮＰＣ ＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図6B】本開示の様々な実施形態による３レベルＡＮＰＣ ＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図6C】本開示の様々な実施形態による３レベルＡＮＰＣ ＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図7A】実施形態による、逆極性アンチブロッキングスイッチを使用する３レベルＡＮＰＣベースのＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図7B】実施形態による、逆極性アンチブロッキングスイッチを使用する３レベルＮＰＣベースＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図7C】実施形態による３レベルＮＰＣベースのＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図8A】実施形態による、３レベルＮＰＰベースのＨＭＭＣのブロック図を示す。

【図8B】実施形態による、各相アームブランチにおいてアンチブロッキングスイッチを使用する、３レベルＮＰＰベースのＨＭＭＣのブロック図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

例示的な実施形態は、特定の用途のために本明細書に記載されているが、本開示はそれに限定されないことが理解されるべきである。当業者であって、本明細書で提供される教示にアクセスできる者は、その範囲内の追加の用途、変更、及び実施形態、ならびに本開示が重要な有用性を有するであろう追加の分野を認識するであろう。

【0025】

図１は、電力を変換するためのシステム１００を含む。一実施形態では、システム１００は、ソース１０２、電力コンバータ１０４、及びソース／負荷１０６を含む。本明細書で使用するソースという用語は、再生可能電源、非再生可能電源、発電機、グリッド、燃料電池、エネルギー貯蔵（放電時）など（a renewable power source, a non-renewable power source, a generator, a grid, a fuel cell, an energy storage (when discharged), and the like）を指す。また、本明細書で使用する負荷という用語は、モータ、電気器具、エネルギー貯蔵（再充電時）など（a motor, an electrical appliance, an energy storage (when re-charged) and the like）を指す場合がある。

【0026】

さらに、電力コンバータ１０４は、マルチレベルコンバータであってもよい。一実施形態では、ソース１０２は、電力コンバータ１０４の第１の端子（図示せず）に動作可能に結合され得る。電力コンバータ１０４の第２の端子（図示せず）は、ソース／負荷（source/load）１０６に動作可能に結合されてもよい。第１の端子及び第２の端子は、電力コンバータ１０４の入力端子又は出力端子として交互に採用されてもよい。

【0027】

システム１００は、コントローラ１０８をさらに含む。コントローラ１０８は、実施形態に係る電力コンバータ１０４の動作を制御するように構成される。例示に過ぎず、限定するものではないが、コントローラ１０８は、電力コンバータ１０４内の複数の半導体スイッチ及びサブモジュール（ＳＭ：submodules）のスイッチングを制御することによって、電力コンバータ１０４の動作を制御するように構成され得る。

【0028】

背景として、上述したように、２レベルコンバータは、ＭＭＣの基本的な構成要素（fundamental component ）である。

【0029】

図２は、実施形態による例示的なＳＭ２００のブロック図である。図２の例示的なＳＭ２００は、２つの端子２０１、２０２、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６、２つの平滑コンデンサ（smoothing capacitors）２０７、２０８、及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ（dual active bridge converter）２０９を含む。

【0030】

各半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６は、第１の接続部２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａ、第２の接続部２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ、２０６ｂ、及び第３の接続部２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃを含む。

【0031】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９は、第１の接続部２０９ａ、第２の接続部２０９ｂ、第３の接続部２０９ｃ及び第４の接続部２０９ｄを含む。

【0032】

第１の半導体スイッチ２０３の第１の接続部２０３ａは、第１の平滑コンデンサ２０７の第１の端部及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第１の接続部２０９ａに接続される。

【0033】

第１の半導体スイッチ２０３の第２の接続部２０３ｂ及び第２の半導体スイッチ２０４の第１の接続部２０４ａは、ＳＭ２００の第１の端子２０１に接続される。

【0034】

第２の半導体スイッチ２０４の第２の接続部２０４ｂは、第１の平滑コンデンサ２０７の第２の端部及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第２の接続部２０９ｂに接続される。

【0035】

第１の半導体スイッチ２０３、第２の半導体スイッチ２０４、及び第１の平滑コンデンサ２０７は、第１のハーフブリッジコンバータ２１０ａを形成する。

【0036】

第３の半導体スイッチ２０５の第１の接続部２０５ａは、第２の平滑コンデンサ２０８の第１の端部及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第３の接続部２０９ｃに接続される。

【0037】

第３の半導体スイッチ２０５の第２の接続部２０５ｂ及び第４の半導体スイッチ２０６の第１の接続部２０６ａは、ＳＭ２００の第２の端子２０２に接続される。

【0038】

第４の半導体スイッチ２０６の第２の接続部２０６ｂは、第２の平滑コンデンサ２０８の第２の端部及びデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第４の接続部２０９ｄに接続される。

【0039】

第３の半導体スイッチ２０５、第４の半導体スイッチ２０６、及び第２の平滑コンデンサ２０８は、第２のハーフブリッジコンバータ２１１ａを形成する。

【0040】

半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第３の接続部２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃは、コントローラ１０８に接続される。

【0041】

図３Ａは、シリコン（Ｓｉ）ＩＧＢＴ及びパワーダイオードに基づく例示的な半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６のブロック図である。

【0042】

各半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６は、パワーダイオード２１０及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor IGBT）２１１を含む。

【0043】

トランジスタ２１１のドレイン及びパワーダイオード２１０のカソードは、制御可能スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第１の端部２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａに接続される。

【0044】

トランジスタ２１１のソース及びパワーダイオード２１０のアノードは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第２の端部２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ、２０６ｂに接続される。

【0045】

トランジスタ２１１のゲートは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第３の接続部２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃに接続される。

【0046】

図３Ｂは、炭化ケイ素（ＳｉＣ：silicon carbide）ＭＯＳＦＥＴに基づく別の例示的な半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６のブロック図である。

【0047】

各半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６は、パワーダイオード２１２及びＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ２１３から構成される。

【0048】

トランジスタ２１３のドレイン及びパワーダイオード２１２のカソードは、制御可能スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第１の端部２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａに接続される。

【0049】

トランジスタ２１３のソース及びパワーダイオード２１２のアノードは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第２の端部２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ、２０６ｂに接続される。

【0050】

トランジスタ２１３のゲートは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第３の接続部２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃに接続される。

【0051】

変形例では、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistors）、注入促進ゲートトランジスタ（ＩＥＧＴ：injection enhanced gate transistors）、窒化ガリウム（gallium nitride）ベースのスイッチ、ガリウムヒ素（gallium arsenide）ベースのスイッチ、又はそれらの等価物で形成され得る。

【0052】

図３Ｃは、シリコン制御整流器（ＳＣＲ：silicon controlled rectifiers）及び逆並列ダイオード（antiparallel diodes）を有する別の例示的な半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６のブロック図である。

【0053】

各半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６は、逆並列ダイオード３００とシリコン制御整流器３０１とを含む。

【0054】

逆並列ダイオード３００のカソード及びシリコン制御整流器３０１のアノードは、制御可能スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第１の端部２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａに接続される。

【0055】

逆並列ダイオード３００のアノード及びシリコン制御整流器３０１のカソードは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第２の端部２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ、２０６ｂに接続される。

【0056】

シリコン制御整流器３０１のゲートは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第３の接続部２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃに接続される。

【0057】

図３Ｄは、実施形態に従った、シリコン制御整流器（ＳＣＲ：silicon controlled rectifiers）及び逆並列同一ＳＣＲ（antiparallel identical SCRs）を有する別の例示的なハイブリッド半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６のブロック図である。

【0058】

各半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６は、シリコン制御整流器３０２と、シリコン制御整流器３０２と同一の逆並列シリコン制御整流器３０３とを含む。

【0059】

シリコン制御整流器３０２のアノード及び逆並列シリコン制御整流器３０３のカソードは、制御可能スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第１の端部２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａに接続される。

【0060】

シリコン制御整流器３０２のカソード及び逆並列シリコン制御整流器３０３のアノードは、制御可能スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第２の端部２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ、２０６ｂに接続される。

【0061】

シリコン制御整流器３０２のゲートは、半導体スイッチ２０３、２０４、２０５、２０６の第３の接続部２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃに接続される。

【0062】

逆並列シリコン制御整流器３０３のゲートは、コントローラ１０８に接続される。

【0063】

図４は、例示的なデュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９のブロック図である。

【0064】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９は、８個の半導体スイッチ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８と、一次回路（primary circuit）４０９ａと二次回路（secondary circuit）４０９ｂとを含む高周波トランス（high frequency transformer：高周波変圧器）４０９とを含む。

【0065】

第１及び第２の半導体スイッチ４０１、４０２は第１のレグ（first leg）を形成し、第３及び第４の半導体スイッチ４０３、４０４は第２のレグを形成し、第５及び第６の半導体スイッチ４０５、４０６は第３のレグを形成し、第７及び第８の半導体スイッチ４０７、４０８は第４のレグを形成する。

【0066】

第１及び第２のレグは、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第１の接続部２０９ａと第２の接続部２０９ｂとの間に延び、一次回路４０９ａの異なる端部（different end）に接続される。

【0067】

第３及び第４のレグは、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第３の接続部２０９ｃと第４の接続部２０９ｄとの間に延び、二次回路４０９ｂの異なる端部に接続される。

【0068】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９は、２つのコンデンサ４１０、４１１をさらに含み得る。

【0069】

それぞれの半導体スイッチ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８は、第１の接続部４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０６ａ、４０７ａ、４０８ａ、第２の接続部４０１ｂ、４０２ｂ、４０３ｂ、４０４ｂ、４０５ｂ、４０６ｂ、４０７ｂ、４０８ｂ、第３の接続部４０１ｃ、４０２ｃ、４０３ｃ、４０４ｃ、４０５ｃ、４０６ｃ、４０７ｃ、４０８ｃ、パワーダイオード４１２、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ４１３を含む。

【0070】

トランジスタ４１３のドレイン及びパワーダイオード４１２のカソードは、制御可能スイッチ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８の第１の接続部４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０６ａ、４０７ａ、４０８ａに接続される。

【0071】

トランジスタ４１３のソース及びパワーダイオード４１２のアノードは、半導体スイッチ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８の第２の接続部４０１ｂ、４０２ｂ、４０３ｂ、４０５ｂ、４０６ｂ、４０７ｂ、４０８ｂに接続される。

【0072】

トランジスタ４１３のゲートは、半導体スイッチ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８の第３の接続部４０１ｂ、４０２ｂ、４０３ｂ、４０４ｂ、４０５ｂ、４０６ｂ、４０７ｂ、４０８ｂに接続される。

【0073】

変形例では、半導体スイッチ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistors）、注入促進ゲートトランジスタ（ＩＥＧＴ：injection enhanced gate transistors）、窒化ガリウムベースのスイッチ、ガリウムヒ素ベースのスイッチ、又はそれらの等価物で形成され得る。

【0074】

第１及び第３の半導体スイッチ４０１、４０３の第１の接続部４０１ａ、４０３ａは、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第１の接続部２０９ａに接続される。

【0075】

第２及び第４の半導体スイッチ４０２、４０４の第２の接続部４０２ａ、４０４ａは、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第２の接続部２０９ｂに接続される。

【0076】

第１の半導体スイッチ４０１の第２の接続部４０１ｂ及び第２の半導体スイッチ４０２の第１の接続部４０２ａは、一次回路４０９ａの第１の接続部に接続される。

【0077】

第３の半導体スイッチ４０３の第２の接続部４０３ｂ及び第４の半導体スイッチ４０４の第１の接続部４０４ａは、第１のコンデンサ４１０を介して一次回路４０９ａの第２の接続部に接続される。

【0078】

第５及び第７の半導体スイッチ４０５、４０７の第１の接続部４０５ａ、４０７ａは、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第３の接続部２０９ｃに接続される。

【0079】

第６及び８半導体スイッチ４０６、４０８の第２の接続部４０６ｂ、４０８ｂは、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９の第４の接続部２０９ｄに接続される。

【0080】

第７の半導体スイッチ４０７の第２の接続部４０７ｂ及び第８の半導体スイッチ４０８の第１の接続部４０８ａは、二次回路４０９ｂの第１の接続部に接続される。

【0081】

第５の半導体スイッチ４０５の第２の接続部４０５ｂ及び第６の半導体スイッチ４０６の第１の接続部４０６ａは、第２のコンデンサ４１１を介して２次回路４０９ｂの第２の接続部に接続される。

【0082】

各サブモジュールは、当該サブモジュールがガルバニック絶縁機能を備える（equipped with galvanic isolation functionality）ように、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９を含む。

【0083】

以下に表されるように、前記サブモジュールは、ＭＭＣ、（Ａ）ＮＰＣベース及びＮＰＰベースのＨＭＭＣ（MMCs, (A)NPC-based and NPP-based HMMCs）に実装され得る。

【0084】

図２～４に描かれているＳＭの様々な組合せを直列に接続して、従来のＭＭＣにおいて任意の望ましい数の変換レベル（any desirable number of conversion levels）を生成することができる。

【0085】

図５は、直列に接続された複数のＳＭ２００を使用する、説明されるようなＭＭＣ５００のブロック図である。

【0086】

図５において、ＭＭＣ５００は、それぞれ正及び負のＤＣ電圧レール（positive and negative DC voltage rails）５０２及び５０４を含むＡＢＣ３相構造を有する。正及び負レール５０２及び５０４は、ＤＣ端子（DC terminals）５０５を形成する。３相（Ａ、Ｂ、Ｃ）の各々は、位相レグ（phase legs）５０６、５０８、５１０のうちの１つに対応する。位相レグ５０６、５０８、５１０は、それぞれ交流端子５１２Ａ、５１２Ｂ、５１２Ｃに接続されている。

【0087】

一例として、位相レグ５１０は、上側アーム５１６Ａ及び同一の下側アーム５１６Ｂを含む。図５の例では、上側アーム及び下側アーム（５１６Ａ及び５１６Ｂ）は、ＡＣ端子５１２Ｃに１つのリードで一緒に接続され、それぞれ電流抑制のためのアームインダクタ（arm inductors）５１８Ａ及び５１８Ｂを含む。上側アーム５１６Ａと下側アーム５１６Ｂは、対向するリード（opposing leads）で、それぞれ正レール５０２と負レール５０４に接続されている。

【0088】

位相レグ５１０に関する説明（discussion）は、位相レグ５０６及び５０８にも同様に適用される。各位相レグ５０６、５０８、及び５１０の上側アーム及び下側アームは、直列に接続された２レベルサブモジュール（2-level submodules）ＳＭ１～ＳＭｎを含む。各２レベルサブモジュールＳＭ１～ＳＭｎは、図２に示されるサブモジュール２００である。

【0089】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９を使用してガルバニック絶縁を内蔵したサブモジュールを含むＭＭＣ５００コンバータは、従来技術から知られている独立型変圧器（stand-alone transformer）及びＭＭＣコンバータ（MMC converter）を含むシステムとしてより高い電力密度を有し、よりコンパクトである。

【0090】

さらに、内蔵されたガルバニック絶縁（built-in galvanic isolation）は、軍／海軍用途（military/Navy applications）などの特定の用途に必要とされる可能性がある故障処理及び保護（fault-handling and protection）のための追加機能を提供する。デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９を使用するガルバニック絶縁を内蔵したサブモジュールは、ＤＣ側又はＡＣ側で障害が検出されると、ＤＣ端子５０５で構成されるＤＣ側を、ＡＣ端子５１２Ａ、５１２Ｂ、及び５１２Ｃで構成されるＡＣ側から絶縁する。

【0091】

図６Ａ～６Ｃは、アクティブ中性点クランプトポロジー（ＡＮＰＣ：active neutral point clamped topology）に基づくＨＭＭＣとも呼ばれるＳＭ２００を含む３レベルアクティブ中性点クランプ（ＡＮＰＣ：3-level active neutral-point clamped）コンバータ６００の実施形態を示す。

【0092】

デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９を使用してガルバニック絶縁を内蔵したサブモジュールを含む開示されたＡＮＰＣ ＨＭＭＣコンバータ（ANPC HMMC converters）は、先行技術から知られているスタンドアロン変圧器及びＨＭＭＣコンバータを含むシステムとしてより高い電力密度を有し、よりコンパクトである。

【0093】

さらに、内蔵されたガルバニック絶縁は、軍事／海軍用途などの特定の用途に必要とされる可能性のある故障処理及び保護のための追加機能を提供する。

【0094】

図６Ａは、ＳＭ２００の第１の端子２０１が別の隣接するＳＭ２００の第２の端子２０２に接続されるように直列に接続された複数のＳＭ２００を使用する、３レベル能動中性点クランプ（ＡＮＰＣ：active neutral-point clamped）コンバータ６００の第１の実施形態のブロック図である。

【0095】

ＡＮＰＣコンバータ６００は、それぞれ正及び負のＤＣ電圧レール６０２及び６０４を含むＡＢＣ３相構造を含む。正レール６０２及び負レール６０４は、ＤＣ端子６０６を形成する。３相（Ａ、Ｂ、Ｃ）の各々は、対応する位相レグ６０８、６１０、６１２を含む。位相レグ６０８、６１０、６１２はそれぞれＡＣ端子６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃに接続され、ＡＣ側６１６を形成する。ＡＮＰＣコンバータ６００は、ＤＣ中点ノード（DC midpoint node）６２０を含む。

【0096】

位相レグ６０８は、それぞれアームインダクタ６１９Ａ及び６１９Ｂとともに、上側アーム６１８Ａ及び下側アーム６１８Ｂを含む。一例として、上側アーム６１８Ａは、１つのスイッチ６２２Ａと、中点ノード６２０を能動的に制御して接続するための別のスイッチ６２４Ａとを含む。また、第３のスイッチ６２６Ａも含まれる。上側アーム６１８Ａと対称である下側アーム６１８Ｂは、スイッチ６２２Ｂ、６２４Ｂ、６２６Ｂを含む。

【0097】

スイッチ６２２Ａ及び６２４Ａは、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、又は３Ｄに示されるような半導体スイッチを含み得る。

【0098】

位相レグ６０８の上側アーム６１８Ａのスイッチ６２６Ａは、ＳＭ１－Ａ及びＳＭ２－Ａを含む複数のＳＭを含む。

【0099】

２レベルのサブモジュールＳＭ１－Ａ及びＳＭ２－Ａの各々は、図２に示されるサブモジュール２００である。

【0100】

同様に、位相レグ６０８の下側アーム６１８Ｂのスイッチ６２６Ｂは、ＳＭ１－Ｂ及びＳＭ２－Ｂを含む複数のＳＭを含む。

【0101】

残りの位相レグ６１０及び６１２は、位相レグ６０８と対称（symmetrical to）であり、位相レグ６０８と同じ配置（same arrangement）を含む。

【0102】

モジュール性の均一性の目的（purposes of modularity uniformity）のために、複数のＳＭ６２６Ａ内のＳＭ１－Ａ及びＳＭ２－Ａのような配置内のＳＭは、典型的には、実質的に等しい値である。しかしながら、特定の実施形態では、ＳＭ１－Ａ及びＳＭ２－Ａ、又は同様の配置内の他のＳＭが、不均等な（例えば、混合された：mixed）値（values）であることが必要とされる場合がある。

【0103】

サブモジュールＳＭは、ＤＣ側又はＡＣ側で故障が検出されると、ＤＣ端子６０６を含むＤＣ側をＡＣ側６１６から絶縁する。

【0104】

図６Ｂは、ＨＭＭＣ ＡＮＰＣ６００の第２の実施形態を示す。

【0105】

ＨＭＭＣＡＮＰＣ６００の第２の実施形態は、スイッチ６２６Ａ及び６２６Ｂが、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、又は図３Ｄに図示されるような半導体スイッチを含むことができ、位相レグ６０８の上側アーム６１８Ａのスイッチ６２４Ａが、ＳＭ１－Ａ及びＳＭ２－Ａを含む複数のＳＭで置き換えられる点で、ＨＭＭＣＡＮＰＣ６００の第１の実施形態と異なる。同様に、下側アーム６１８Ｂは、スイッチ６２４ＢをＳＭ１－Ｂ及びＳＭ２－Ｂを含む複数のＳＭに置き換える。

【0106】

残りの位相レグ６１０及び６１２は、位相レグ６０８と対称であり、個々のスイッチとサブモジュールとの対応する置き換え（corresponding replacement）を反映する。

【0107】

図６Ｃは、ＨＭＭＣ ＡＮＰＣ６００の第３の実施形態を示す。

【0108】

ＨＭＭＣＡＮＰＣ６００の第３の実施形態は、スイッチ６２６Ａ及び６２６Ｂが、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ又は３Ｄに図示されるような半導体スイッチを含むことができる点で、ＨＭＭＣＡＮＰＣ６００の第１の実施形態と異なる。位相レグ６０８の上側アーム６１８Ａのスイッチ６２２Ａは、ＳＭ１－Ａ及びＳＭ２－Ａを含む複数のＳＭに置き換えられる。同様に、下側アーム６１８Ｂは、スイッチ６２２ＢをＳＭ１－Ｂ及びＳＭ２－Ｂを含む複数のＳＭに置き換える。

【0109】

残りの位相レグ６１０及び６１２は、位相レグ６０８に対して対称であり、個々のスイッチとサブモジュールとの対応する置き換えを反映する。

【0110】

図７Ａは、本開示のさらに別の実施形態のブロック図を示す。図７Ａにおいて、３レベルＡＮＰＣ ＨＭＭＣ７００は、図６Ａのスイッチ６２２Ａ、６２４Ａ、及び６２６Ａのうちの１つなどの単一のスイッチを、直列に接続され、逆極性（opposite polarity）の２つのアンチブロッキングスイッチ（two anti-blocking switches）で置き換える。例えば、ＡＮＰＣ ＨＭＭＣ７００は、直列に接続された逆極性であるスイッチ７０２Ａ及び７０２Ｂのアンチブロッキングペア７０２を含み、スイッチ６２４Ａはスイッチ７０４によって置き換えられ、スイッチ６２６Ａはスイッチ７０７によって置き換えられる。スイッチ７０４は、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、又は図３Ｄに示されるような半導体スイッチを含むことができる。スイッチ７０４は、図２に例示したＳＭ２００を含む複数のＳＭを含む。スイッチ７０７は、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、又は図３Ｄに示されるような複数の半導体スイッチを含んでもよい。

【0111】

この構成の利点は、逆極性（opposite polarity）であるスイッチ７０２Ａ及び７０２Ｂが、ＡＣ側７０５からのより高い電圧がＤＣ側７０６のＤＣリンクにフィードバックするのを遮断することによって、短絡絶縁保護（short circuit isolation protection）を提供することである。一例として、ＨＭＭＣ７００は、中性点（neutral point）７０８に接続するための半導体モジュール７０７（各相アームに）を含む。図７Ａでは、半導体モジュール７０７は、必要に応じて中性点７０８に能動的に接続する能動スイッチとして機能するＩＧＢＴである。

【0112】

図７Ｂは、実施形態による、逆極性アンチブロッキングスイッチを使用する３レベルＮＰＣベースのＨＭＭＣ７０１のブロック図を示す。ＨＭＭＣ７０１は、中性点７０８に接続するための半導体モジュールとして受動ダイオード（passive diode）７０９（各位相アームにおいて）を使用することによって、図７ＡのＨＭＭＣ７００とは異なる。

【0113】

図７Ｃは、直列で同じ極性を有するＩＧＢＴ、ＳＣＲ、又はダイオードスイッチとして実装されたスイッチ７１０（各位相アームにおいて）を含む、３レベルＮＰＣベースのＨＭＭＣ７０３のブロック図を示す。

【0114】

サブモジュールＳＭは、ＤＣ側又はＡＣ側で故障が検出されると、ＤＣ側７０６をＡＣ側７０５から絶縁する。

【0115】

ＮＰＰの概念を紹介し、ＮＰＰの概念に焦点を当てることによって、図８Ａは、本開示のさらなる実施形態のブロック図を示す。ＮＰＰ ＨＭＭＣ８１０を使用する図８Ａの実施形態は、図７ＡのＡＮＰＣ ＨＭＭＣ７００と同様の分離機能（similar isolation functionality）を提供する。例えば、ＮＰＰ ＨＭＭＣ８１０は、実施形態に従って、逆極性であり直列に接続されたスイッチ８１４Ａ及び８１４Ｂのアンチブロッキングペア８１４を含む。図７ＡのＡＮＰＣコンバータ７００において実現されるように、ＮＰＰ ＨＭＭＣ８１０はまた、ＡＣ側８０６からのより高い電圧がＤＣリンク中性点にフィードバックされるのを遮断するように構成される。スイッチ８１２は、図２に図示されたＳＭ２００を含む複数のＳＭを含む。

【0116】

図８Ｂは、図８ＡのＮＰＰコンバータ８１０と類似点を共有する３レベルＮＰＰ ＨＭＭＣ８３０の詳細ブロック図を示す。しかしながら、以下でより詳細に説明されるように、ＮＰＰ ＨＭＭＣ８３０は、位相アームの両方のブランチ（both branches）上にアンチブロッキングペアのスイッチを提供する。したがって、アンチブロッキングスイッチを使用することにより、ＮＰＰ ＨＭＭＣ８３０は、ＤＣリンクの短絡のブロッキングも提供する。

【0117】

限定ではなく便宜上、アンチブロッキングスイッチは、図７Ａ～７Ｂ及び図８Ａ～８Ｂにのみ図示されている。しかしながら、ＡＣ側からのより高い電圧がＤＣリンクにフィードバックされるのを防止するためにアンチブロッキングスイッチを使用するという概念は、図６Ａ～６Ｃの例示的な実施形態にも同様に適用されることに留意されたい。

【0118】

図８Ｂの例示的なＨＭＭＣ８３０は、正側８３１及び負側８３２のＤＣ電圧レールを含む。ＡＣ側８３３は、ＡＣ相Ａ、Ｂ、及びＣにそれぞれ対応するＡＣ出力端子８３４Ａ、８３４Ｂ、及び８３４Ｃを含む。ＡＣ位相レグ８３６、８３８、８４０もそれぞれＡＣ相Ａ、Ｂ、Ｃに対応し、中性点（neutral point）８４２に電気的に結合されている。ＨＭＭＣ８３０のＡＢＣ構造は３つのＡＣ相を示しているが、実施形態は、（Ｎ）個のＡＣ相を含むシステムに適用することができる。

【0119】

位相レグ８３６、８３８、及び８４０は、正レール８３１及び負レール８３２の間に接続される。位相レグ８３６、８３８、及び８４０の各々は、上側アーム及び下側アームを含む。例えば、位相レグ８３６は、上側アーム８４４Ａと下側アーム８４４Ｂとを含む。以下の説明では、上側アーム８４４Ａに焦点を当てるが、説明する概念は、下側アーム８４４Ｂ、ならびに位相レグ８３８及び８４０の上側アーム及び下側アームにも同様に適用される。

【0120】

ＨＭＭＣ８３０は、ＤＣリンクコンデンサＣ１及びＣ２を含む。コンデンサＣ１及びＣ２のそれぞれのリード線は、一緒に接続され、中性点８４２に接続される。コンデンサＣ１及びＣ２の反対側のリード線は、それぞれ、正レール（positive rail）８３１及び負レール８３２に接続される。

【0121】

図８Ｂに描かれているように、上側アーム８４４Ａは、カスケード接続され、好ましくは逆極性で直列接続された半導体スイッチ８４６の第１の組を含む。スイッチ対（switch pair：スイッチペア）８４６の一方のリードはＡＣ電圧端子８３４Ａに結合され、他方のリードは中性点８４２に接続される。上側アーム８４４Ａはまた、反対の極性で描かれた第２の組の半導体スイッチ８４８を含む。半導体スイッチ８４８は逆極性で示されているが、実施形態はそれほど限定されない。スイッチ対８４８の開放リード（open lead）は、正レール８３１に結合される。

【0122】

上側アーム８４４Ａはまた、複数の直列接続されたＳＭ８５０を含み、したがって、ＨＭＭＣ位相レグの上側アーム及び下側アーム内にＳＭ及び半導体スイッチの混合のハイブリッドアプローチを導入する。ＳＭｓ８５０は、図２に示されるＳＭｓ２００を含む。直列接続されたＳＭ８５０の一方のリードはスイッチペア８４８のリードに結合され、他方のリードはアームインダクタ８５４に結合される。アームインダクタ８５４の他方のリードは、ＡＣ端子８３４Ａに結合されている。

【0123】

開示された、デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ２０９を使用してガルバニック絶縁を内蔵したサブモジュールを構成するＮＰＰ ＨＭＭＣコンバータは、より高い電力密度を有し、先行技術から公知のスタンドアロン変圧器及びＨＭＭＣコンバータを含むシステムとしてよりもコンパクトである。

【0124】

さらに、内蔵のガルバニック絶縁は、軍用／海軍用途などの特定の用途に必要とされる可能性がある故障処理及び保護のための追加機能を提供する。サブモジュールＳＭは、ＤＣ側又はＡＣ側で障害が検出されると、ＤＣ側をＡＣ側から絶縁する。

【0125】

本開示の様々な実施形態は、真に可変のＤＣリンク電圧レベル（truly variable DC link voltage levels）、特にＡＣ側の電圧よりも低いレベルを可能にする。

【0126】

本開示のＨＭＭＣの様々な実施形態は、ＤＣリンク電圧が可変であり、ＡＣ入力電圧よりも低いことを必要とする用途、例えば、ＡＣモータ駆動／インバータとインターフェースするアクティブフロントエンド（ＡＦＥ：active front end）コンバータの場合によく適している。

【0127】

各ＡＣ端子におけるピーク又は最大位相－ニュートラル電圧値（peak or maximum phase to neutral voltage values）は、ＤＣリンク電圧値よりも低くても高くてもよい。

【0128】

本明細書における説明は、当業者が本開示を製造又は使用できるようにするために提供される。本開示の様々な修正は当業者には明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の変形例に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書に記載された実施例及び設計に限定されるものではなく、本明細書に開示された原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられる。

【符号の説明】

【0129】

１００：システム １０２：ソース １０４：電力コンバータ １０６：ソース／負荷 １０８：コントローラ ２００：サブモジュール（ＳＭ） ２０１：第１の端子 ２０２：第２の端子 ２０３、２０４、２０５、２０６：半導体スイッチ ２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａ：第１の接続部 ２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ、２０６ｂ：第２の接続部 ２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ、２０６ｃ：第３の接続部 ２０７、２０８：平滑コンデンサ ２０９：デュアル・アクティブ・ブリッジ・コンバータ ２０９ａ：第１の接続部 ２０９ｂ：第２の接続部 ２０９ｃ：第３の接続部 ２０９ｄ：第４の接続部 ２１０：パワーダイオード ２１０ａ：第１のハーフブリッジコンバータ ２１１：絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ ２１１ａ：第２のハーフブリッジコンバータ ２１２：パワーダイオード ２１３：ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ ３００：逆並列ダイオード ３０１：シリコン制御整流器 ３０２：シリコン制御整流器 ３０３：逆並列シリコン制御整流器 ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８：半導体スイッチ ４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０６ａ、４０７ａ、４０８ａ：第１の接続部 ４０１ｂ、４０２ｂ、４０３ｂ、４０４ｂ、４０５ｂ、４０６ｂ、４０７ｂ、４０８ｂ：第２の接続部 ４０１ｃ、４０２ｃ、４０３ｃ、４０４ｃ、４０５ｃ、４０６ｃ、４０７ｃ、４０８ｃ：第３の接続部 ４０９：高周波トランス ４０９ａ：一次回路 ４０９ｂ：二次回路 ４１０、４１１：コンデンサ ４１２：パワーダイオード ４１３：ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ ５００：ＭＭＣ ５０２、６０２：正のＤＣ電圧レール ５０４、６０４：負のＤＣ電圧レール ５０５、６０６：ＤＣ端子 ５０６、５０８、５１０：位相レグ ５１２Ａ、５１２Ｂ、５１２Ｃ：交流端子 ５１６Ａ、６１８Ａ：上側アーム ５１６Ｂ、６１８Ｂ：下側アーム ５１８Ａ、５１８Ｂ：アームインダクタ ６００：３レベルアクティブ中性点クランプコンバータ／ＨＭＭＣ ＡＮＰＣ ６０８、６１０、６１２：位相レグ ６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃ：ＡＣ端子 ６１６：ＡＣ側 ６１９Ａ、６１９Ｂ：アームインダクタ ６２０：ＤＣ中点ノード ６２２Ａ、６２４Ａ、６２６Ａ、６２２Ｂ、６２４Ｂ、６２６Ｂ：スイッチ ６２６：ＳＭ ７００：３レベルＡＮＰＣ ＨＭＭＣ ７０１、７０３：ＨＭＭＣ ７０２：アンチブロッキングペア ７０２Ａ、７０２Ｂ：スイッチ ７０４、７０７、７１０：スイッチ ７０５：ＡＣ側 ７０６：ＤＣ側 ７０７：半導体モジュール ７０８：中性点 ７０９：受動ダイオード ８０６：ＡＣ側 ８１０：ＮＰＰ ＨＭＭＣ ８１２：スイッチ ８１４：アンチブロッキングペア ８１４Ａ、８１４Ｂ：スイッチ ８３０：３レベルＮＰＰ ＨＭＭＣ ８３１：正側ＤＣ電圧レール ８３２：負側ＤＣ電圧レール ８３３：ＡＣ側 ８３６、８３８、８４０：位相レグ ８３４Ａ：ＡＣ電圧端子 ８４２：中性点 ８４４Ａ：上側アーム ８４４Ｂ：下側アーム ８４６、８４８：半導体スイッチペア ８５０：ＳＭ ８５４：アームインダクタ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【外国語明細書】