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JP2006087257A - Multilevel converter and its control method - Google Patents

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JP2006087257A JP2004270947A JP2004270947A JP2006087257A JP 2006087257 A JP2006087257 A JP 2006087257A JP 2004270947 A JP2004270947 A JP 2004270947A JP 2004270947 A JP2004270947 A JP 2004270947A JP 2006087257 A JP2006087257 A JP 2006087257A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high performance multilevel converter which has many output voltage levels and a low high-frequency voltage with the number of devices fewer than a conventional one, thereby preventing the device from being damaged by an excessive voltage and simplifying the control of the multilevel converter by avoiding loss concentrated on a specified device without using a specified means. <P>SOLUTION: First to third capacitors C1 to C3 are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of a DC power source, a controllable device and a diode are connected inversely parallel with each other to constitute a reverse conduction switch, and first to fourth reverse conduction switches Q1 to Q4 are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode. The junction point of the Q2, Q3 is made to be an AC input/output terminal AC, a fifth reverse conduction switch Q5 is connected between the junction point of the Q1, Q2 and the junction point of the capacitors C1, C2, and a sixth reverse conduction switch Q6 is connected between the junction point of the Q3, Q4 and the junction point of the capacitors C2, C3. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換し、または直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、交流電力側に複数の電圧レベルをもつマルチレベルコンバータ(マルチレベル整流器またはマルチレベルインバータ)及びその制御方法に関するものである。   The present invention relates to a power converter that converts AC power into DC power or converts DC power into AC power, and is a multilevel converter (multilevel rectifier or multilevel inverter) having a plurality of voltage levels on the AC power side. ) And its control method.

図16は、可制御デバイスとしてIGBTを使用した3レベルコンバータの最小単位(以下、単位コンバータと言う)の回路図である。
図16において、直流電源の正極Pと負極Nに対し、中性点Mの電位は正極Pと負極Nの略中間の電位をもち、正極Pと中性点Mとの間にはコンデンサC1が接続され、中性点Mと負極Nとの間にはコンデンサC2が接続されている。
正極Pと負極Nとの間には、IGBT T1,T2,T3,T4が順次直列に接続され、各IGBTには逆並列にダイオードD1,D2,D3,D4が接続されている。ここで、IGBT T2,T3の接続点は交流入出力端子ACとなっている。
FIG. 16 is a circuit diagram of a minimum unit (hereinafter referred to as a unit converter) of a three-level converter using an IGBT as a controllable device.
In FIG. 16, the potential at the neutral point M is approximately halfway between the positive electrode P and the negative electrode N with respect to the positive electrode P and the negative electrode N of the DC power supply, and a capacitor C1 is interposed between the positive electrode P and the neutral point M. A capacitor C2 is connected between the neutral point M and the negative electrode N.
IGBTs T1, T2, T3, and T4 are sequentially connected in series between the positive electrode P and the negative electrode N, and diodes D1, D2, D3, and D4 are connected in antiparallel to each IGBT. Here, the connection point of the IGBTs T2 and T3 is an AC input / output terminal AC.

IGBT T1,T2の接続点と中性点Mとの間、IGBT T3,T4の接続点と中性点Mとの間には、IGBT T5,T6がそれぞれ接続され、これらのIGBTと逆並列にダイオードD5,D6がそれぞれ接続されている。
IGBT等の可制御デバイスとダイオードとを互いに逆並列接続してなる対は、ダイオードの作用により可制御デバイスの逆電圧方向に対して導通状態となるので、本発明では、説明の便宜上、上記の対を逆導通スイッチと言うものとし、図16に示すようにこれらの逆導通スイッチを符号Q1〜Q6にて表すものとする。
なお、必要に応じて逆導通スイッチQ1,Q4を外側スイッチ、Q2,Q3を内側スイッチ、Q5,Q6をクランプスイッチと言い、特にクランプスイッチQ5,Q6のダイオードD5,D6をクランプダイオードと言う。
IGBTs T5 and T6 are connected between the connection points of the IGBTs T1 and T2 and the neutral point M, and between the connection points of the IGBTs T3 and T4 and the neutral point M, respectively. Diodes D5 and D6 are connected to each other.
A pair formed by connecting a controllable device such as IGBT and a diode in reverse parallel to each other is in a conductive state with respect to the reverse voltage direction of the controllable device due to the action of the diode. The pair is called a reverse conduction switch, and these reverse conduction switches are represented by reference numerals Q1 to Q6 as shown in FIG.
If necessary, the reverse conduction switches Q1 and Q4 are called outer switches, Q2 and Q3 are called inner switches, Q5 and Q6 are called clamp switches, and the diodes D5 and D6 of the clamp switches Q5 and Q6 are particularly called clamp diodes.

マルチレベルコンバータを高圧大容量化するために、可制御デバイスやダイオード等のスイッチングデバイスを複数直列に接続して直列逆導通スイッチを構成する場合がある。
図17は、図16に示した逆導通スイッチをそれぞれ2個直列接続して逆導通スイッチQ1A〜Q6Aを構成した従来の3レベル単位コンバータの回路図である。
なお、これらの逆導通スイッチQ1A〜Q6Aをn直列(図17の例では2直列)逆導通スイッチと言うこともある。
In order to increase the high-voltage and large-capacity of the multilevel converter, there are cases where a series reverse conduction switch is configured by connecting a plurality of switching devices such as controllable devices and diodes in series.
FIG. 17 is a circuit diagram of a conventional three-level unit converter in which two reverse conduction switches shown in FIG. 16 are connected in series to constitute reverse conduction switches Q1A to Q6A.
Note that these reverse conduction switches Q1A to Q6A are sometimes referred to as n series (two series in the example of FIG. 17) reverse conduction switches.

マルチレベルコンバータとして、整流器の場合もインバータの場合も本発明に関してその原理は変わらないため、以下では、マルチレベルインバータを例に挙げて説明する。
図18は、図16または図17に示した単位コンバータ(以下、単位インバータINVと言う)を2個並列接続して構成された単相3レベルインバータの構成図であり、図19は単位インバータINVを3個並列接続して構成された3相3レベルインバータの構成図である。
インバータの相数に関しては本発明の原理に関わらないので、以下では単位インバータについて説明する。
Since the principle of the present invention does not change in the case of a rectifier or an inverter as a multilevel converter, a multilevel inverter will be described below as an example.
18 is a configuration diagram of a single-phase three-level inverter configured by connecting two unit converters (hereinafter referred to as unit inverter INV) shown in FIG. 16 or FIG. 17 in parallel, and FIG. 19 is a diagram illustrating a unit inverter INV. It is a block diagram of the three-phase three-level inverter comprised by connecting three in parallel.
Since the number of phases of the inverter is not related to the principle of the present invention, the unit inverter will be described below.

3レベルインバータとしては、図16または図17のクランプスイッチから可制御デバイスを除いてクランプダイオードのみにより構成した3レベルインバータが一般的である。
これに対して、クランプスイッチに可制御デバイスを備えたケースでは、可制御デバイスを常にオフしてクランプダイオードの機能のみを利用する場合や、オフ状態にある外側スイッチと内側スイッチとに印加される電圧をほぼ等しくするために、クランプスイッチを使用するのが一般的である。
しかし、クランプスイッチをより有効利用するために、従来から下記のような提案もなされている。
As the three-level inverter, a three-level inverter constituted by only a clamp diode except for a controllable device from the clamp switch of FIG. 16 or FIG. 17 is generally used.
On the other hand, in the case where the clamp switch includes a controllable device, the controllable device is always turned off to use only the function of the clamp diode, or applied to the outer switch and the inner switch in the off state. It is common to use a clamp switch to make the voltages approximately equal.
However, in order to use the clamp switch more effectively, the following proposals have been conventionally made.

特許文献1では、外側スイッチとクランプスイッチとをそれぞれインバータの出力電圧指令に同期してスイッチングし、2つの内側スイッチを所定のスイッチング周波数で交互にオン、オフ制御している。これにより、外側スイッチとクランプスイッチとはパルス幅変調しないでも目的の出力電圧が得られため、外側スイッチ及びクランプスイッチに安価で低速な可制御デバイスを適用できる利点が生じる。
特許文献2では、内側スイッチがターンオフする時に発生する過電圧を低減する目的で、内側スイッチをターンオフさせる直前にクランプスイッチをターンオンさせている。
特許文献3では、例えば図16における内側スイッチQ3とクランプスイッチQ5、及び、内側スイッチQ2とクランプスイッチQ6を同時またはほぼ同時に導通制御することにより、転流ループのインダクタンスを小さくし、これにより、内側スイッチがターンオフする時に生じる過電圧を低減する。
In Patent Document 1, the outer switch and the clamp switch are switched in synchronization with the output voltage command of the inverter, and the two inner switches are alternately turned on and off at a predetermined switching frequency. As a result, since the target output voltage can be obtained without pulse width modulation between the outer switch and the clamp switch, there is an advantage that an inexpensive and low-speed controllable device can be applied to the outer switch and the clamp switch.
In Patent Document 2, the clamp switch is turned on immediately before the inner switch is turned off in order to reduce an overvoltage generated when the inner switch is turned off.
In Patent Document 3, for example, the inner switch Q3 and the clamp switch Q5 in FIG. 16 and the inner switch Q2 and the clamp switch Q6 are controlled to conduct at the same time or almost simultaneously, thereby reducing the inductance of the commutation loop. Reduce the overvoltage that occurs when the switch turns off.

また、非特許文献1では、3レベルコンバータの出力限界を大きくする目的で、それぞれのスイッチングデバイスの発生損失を均等化するように可制御デバイスのゲート信号を制御している。   In Non-Patent Document 1, for the purpose of increasing the output limit of the three-level converter, the gate signal of the controllable device is controlled so as to equalize the generated loss of each switching device.

特開平5−211776号公報(段落[0009]〜[0011]、図1、図2等)JP-A-5-211776 (paragraphs [0009] to [0011], FIG. 1, FIG. 2, etc.) 特開平6−165511号公報(段落[0014]、図1、図2等)JP-A-6-165511 (paragraph [0014], FIG. 1, FIG. 2, etc.) 特開2003−88138号公報(段落[0008],[0013],[0140]、図1、図3等)JP 2003-88138 A (paragraphs [0008], [0013], [0140], FIG. 1, FIG. 3, etc.) 米国特許出願公開2003/0165071号明細書(段落[0012]〜[0020]、Fig.2〜Fig.5等)US Patent Application Publication No. 2003/0165071 (paragraphs [0012] to [0020], FIGS. 2 to 5 etc.)

ここで、本発明の解決課題及び基本的着想を明確にするため、インバータの出力電圧がゼロ値の場合における出力電流の経路を、図16または図17の従来技術を用いて説明する。
図16または図17において出力電流Iが正値の場合では、出力電流の経路は逆導通スイッチQ5,Q2を流れる経路(以下、上側経路と言う)と、逆導通スイッチQ6,Q3を流れる経路(以下、下側経路と言う)との2つの経路を、可制御デバイスのゲート制御によって選択できる。出力電流Iが負値の場合も同様に、逆導通スイッチQ2,Q5を流れる上側経路と、逆導通スイッチQ3,Q6を流れる下側経路との2つの経路が選択できる。前述した非特許文献1では、上記2つの電流経路を適宜選択することによって各スイッチングデバイスの損失を平衡化し、インバータの出力限界の拡大を図っている。
Here, in order to clarify the problem to be solved and the basic idea of the present invention, the path of the output current when the output voltage of the inverter is zero will be described using the prior art of FIG. 16 or FIG.
16 or 17, when the output current Io is a positive value, the path of the output current is a path that flows through the reverse conduction switches Q5 and Q2 (hereinafter referred to as an upper path) and a path that flows through the reverse conduction switches Q6 and Q3. (Hereinafter referred to as the lower path) can be selected by gate control of the controllable device. Similarly, when the output current Io is a negative value, two paths can be selected: an upper path through the reverse conduction switches Q2 and Q5 and a lower path through the reverse conduction switches Q3 and Q6. In Non-Patent Document 1 described above, the loss of each switching device is balanced by appropriately selecting the two current paths, and the output limit of the inverter is expanded.

ところで、図16または図17に示した従来技術では、クランプスイッチQ5,Q6またはQ5A,Q6Aは何れも中性点Mに接続されているので、前記上側経路が選択されても下側経路が選択されても出力電圧はゼロ値であり、これが出力電圧のレベル数の増加を阻害している。また、図17では全ての逆導通スイッチが直列逆導通スイッチにより構成されているため、スイッチングデバイスの数が多く、インバータの大形化を招く原因となっている。   By the way, in the prior art shown in FIG. 16 or FIG. 17, since the clamp switches Q5, Q6 or Q5A, Q6A are all connected to the neutral point M, the lower path is selected even if the upper path is selected. However, the output voltage has a zero value, which hinders an increase in the number of levels of the output voltage. Moreover, in FIG. 17, since all reverse conducting switches are constituted by series reverse conducting switches, the number of switching devices is large, which causes an increase in the size of the inverter.

そこで本発明は、図16や図17に示したように2つのクランプスイッチが同一電位である中性点に接続されていることやスイッチングデバイスの数が多いことが、マルチレベルコンバータの性能の向上や小形化を阻害していることに鑑みてなされたものである。
すなわち、本発明の解決課題は、次の通りである。
(1)従来より少ないスイッチングデバイス数で、出力電圧レベル数が多く、高調波電圧が少ない高性能なマルチレベルコンバータを提供する。
(2)可制御デバイスのスイッチング時に発生する過電圧を複数のスイッチングデバイスにて分担させることにより、スイッチングデバイスが過電圧で破損するのを防止する。
(3)特定のスイッチングデバイスに損失が集中するのを特別な手段を用いることなく回避可能として、マルチレベルコンバータの制御を簡略化する。
Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 16 and 17, the two clamp switches are connected to a neutral point having the same potential, and the large number of switching devices improves the performance of the multilevel converter. In view of the fact that the miniaturization is hindered.
That is, the problems to be solved by the present invention are as follows.
(1) To provide a high-performance multilevel converter with a smaller number of switching devices than before, a large number of output voltage levels, and a low harmonic voltage.
(2) The overvoltage generated at the time of switching of the controllable device is shared by the plurality of switching devices, thereby preventing the switching device from being damaged by the overvoltage.
(3) The control of the multilevel converter is simplified by making it possible to avoid loss concentration on a specific switching device without using special means.

上記課題を解決するため、請求項1に記載したマルチレベルコンバータは、
直流電源の正極と負極との間に第1〜第3のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、前記正極と負極との間に第1〜第4の逆導通スイッチを順次直列に接続し、
第2の逆導通スイッチと第3の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とし、
第1の逆導通スイッチと第2の逆導通スイッチとの接続点と、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの接続点との間に第5の逆導通スイッチを接続し、
第3の逆導通スイッチと第4の逆導通スイッチとの接続点と、第2のコンデンサと第3のコンデンサとの接続点との間に第6の逆導通スイッチを接続したものである。
In order to solve the above-mentioned problem, a multilevel converter according to claim 1 is:
The first to third capacitors are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply,
A controllable device and a diode are connected in antiparallel to form a reverse conduction switch, and first to fourth reverse conduction switches are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode,
The connection point between the second reverse conduction switch and the third reverse conduction switch is an AC input / output terminal,
A fifth reverse conduction switch is connected between a connection point between the first reverse conduction switch and the second reverse conduction switch and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
A sixth reverse conduction switch is connected between a connection point between the third reverse conduction switch and the fourth reverse conduction switch and a connection point between the second capacitor and the third capacitor.

請求項2に記載したマルチレベルコンバータは、
直流電源の正極と負極との間に第1〜第3のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対により、またはこの対を複数直列に接続することにより逆導通スイッチを構成すると共に、前記正極と負極との間に第1〜第4の逆導通スイッチを順次直列に接続し、
第1〜第4の逆導通スイッチのうち少なくとも2つは可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を複数直列に接続して構成し、
第2の逆導通スイッチと第3の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とし、
第1の逆導通スイッチと第2の逆導通スイッチとの接続点と、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの接続点との間に第5の逆導通スイッチを接続し、
第3の逆導通スイッチと第4の逆導通スイッチとの接続点と、第2のコンデンサと第3のコンデンサとの接続点との間に第6の逆導通スイッチを接続したものである。
The multi-level converter according to claim 2 is:
The first to third capacitors are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply,
A reverse conduction switch is configured by a pair of controllable devices and diodes connected in antiparallel, or by connecting a plurality of pairs in series, and the first to fourth reverse conductions between the positive electrode and the negative electrode Connect the switches in series,
At least two of the first to fourth reverse conducting switches are configured by connecting a plurality of pairs in which a controllable device and a diode are connected in antiparallel, connected in series,
The connection point between the second reverse conduction switch and the third reverse conduction switch is an AC input / output terminal,
A fifth reverse conduction switch is connected between a connection point between the first reverse conduction switch and the second reverse conduction switch and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
A sixth reverse conduction switch is connected between a connection point between the third reverse conduction switch and the fourth reverse conduction switch and a connection point between the second capacitor and the third capacitor.

請求項3に記載したマルチレベルコンバータは、請求項2において、
第2及び第3の逆導通スイッチを、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を2つ直列に接続して構成すると共に、第1〜第3のコンデンサの電圧を略等しくしたものである。
The multi-level converter according to claim 3 is characterized in that in claim 2,
The second and third reverse conducting switches are configured by connecting two pairs of controllable devices and diodes connected in antiparallel in series, and the voltages of the first to third capacitors are substantially equal. It is.

請求項4に記載したマルチレベルコンバータは、請求項2において、
第2及び第3の逆導通スイッチを、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を3つ直列に接続して構成すると共に、第1のコンデンサの電圧を第3のコンデンサの電圧と略等しくし、第2のコンデンサの電圧を第1または第3のコンデンサの電圧の略2倍としたものである。
A multi-level converter according to claim 4 is the method of claim 2,
The second and third reverse conduction switches are configured by connecting three pairs of controllable devices and diodes connected in antiparallel in series, and the voltage of the first capacitor is set to the voltage of the third capacitor. The voltage of the second capacitor is approximately equal to the voltage of the first or third capacitor.

請求項5に記載したマルチレベルコンバータは、請求項2において、
第2及び第3の逆導通スイッチを、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を4つ直列に接続して構成すると共に、第1のコンデンサの電圧を第3のコンデンサの電圧と略等しくし、第2のコンデンサの電圧を第1または第3のコンデンサの電圧の略3倍としたものである。
The multi-level converter according to claim 5 is the method of claim 2,
The second and third reverse conducting switches are configured by connecting four pairs of controllable devices and diodes connected in antiparallel in series, and the voltage of the first capacitor is set to the voltage of the third capacitor. The voltage of the second capacitor is approximately equal to the voltage of the first or third capacitor.

請求項6に記載した制御方法は、請求項1〜請求項5の何れか1項のマルチレベルコンバータにおいて、
第1または第2の逆導通スイッチがオン状態の時に第6の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第1の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第5の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第2の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第3の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第6の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第4の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、の何れかを有するものである。
The control method according to claim 6 is the multilevel converter according to any one of claims 1 to 5,
An ON signal is given to the sixth reverse conduction switch when the first or second reverse conduction switch is in the ON state;
A mode in which an ON signal is applied to the fifth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the first reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the third reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the second reverse conduction switch;
And a mode in which an ON signal is supplied to the fourth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is supplied to the sixth reverse conduction switch.

請求項7に記載した制御方法は、請求項1〜請求項5の何れか1項のマルチレベルコンバータにおいて、
第3または第4の逆導通スイッチがオン状態の時に第5の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第4の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第6の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第3の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第2の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第5の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第1の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、の何れかを有するものである。
The control method according to claim 7 is the multilevel converter according to any one of claims 1 to 5,
An ON signal is given to the fifth reverse conduction switch when the third or fourth reverse conduction switch is in the ON state,
A mode in which an ON signal is applied to the sixth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the fourth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the second reverse conducting switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the third reverse conducting switch;
And a mode in which an ON signal is applied to the first reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the fifth reverse conduction switch.

請求項8に記載した制御方法は、請求項6または7において、
第2または第3の逆導通スイッチをスイッチングする時に、第5及び第6の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられていることを特徴とする。
The control method according to claim 8 is the control method according to claim 6 or 7,
When the second or third reverse conducting switch is switched, an ON signal is given to both the fifth and sixth reverse conducting switches.

請求項9に記載したマルチレベルコンバータは、
直流電源の正極と負極との間に第1〜第5のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対により、またはこの対を複数直列に接続することにより逆導通スイッチを構成すると共に、前記正極と負極との間に第1〜第6の逆導通スイッチを順次直列に接続し、
第3の逆導通スイッチと第4の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とし、
第1の逆導通スイッチと第2の逆導通スイッチとの接続点と、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの接続点との間に第7の逆導通スイッチを接続し、
第2の逆導通スイッチと第3の逆導通スイッチとの接続点と、第2のコンデンサと第3のコンデンサとの接続点との間に第8の逆導通スイッチを接続し、
第4の逆導通スイッチと第5の逆導通スイッチとの接続点と、第3のコンデンサと第4のコンデンサとの接続点との間に第9の逆導通スイッチを接続し、
第5の逆導通スイッチと第6の逆導通スイッチとの接続点と、第4のコンデンサと第5のコンデンサとの接続点との間に第10の逆導通スイッチを接続したものである。
The multi-level converter according to claim 9 is:
The first to fifth capacitors are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power source,
A reverse conduction switch is formed by a pair of controllable devices and diodes connected in antiparallel or by connecting a plurality of pairs in series, and first to sixth reverse conductions between the positive electrode and the negative electrode Connect the switches in series,
The connection point between the third reverse conduction switch and the fourth reverse conduction switch is an AC input / output terminal,
A seventh reverse conduction switch is connected between a connection point between the first reverse conduction switch and the second reverse conduction switch and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
An eighth reverse conduction switch is connected between a connection point between the second reverse conduction switch and the third reverse conduction switch and a connection point between the second capacitor and the third capacitor;
A ninth reverse conduction switch is connected between a connection point between the fourth reverse conduction switch and the fifth reverse conduction switch and a connection point between the third capacitor and the fourth capacitor;
The tenth reverse conduction switch is connected between the connection point of the fifth reverse conduction switch and the sixth reverse conduction switch and the connection point of the fourth capacitor and the fifth capacitor.

請求項10に記載した制御方法は、請求項9のマルチレベルコンバータにおいて、
第1〜第3の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時に第9及び第10の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第1の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第7の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第2の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第8の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第3の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第4の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第9の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第5の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第10の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第6の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、の何れかを有するものである。
The control method according to claim 10 is the multilevel converter according to claim 9,
An ON signal is given to the ninth and tenth reverse conduction switches when any of the first to third reverse conduction switches is in an ON state,
A mode in which an ON signal is supplied to the seventh reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is supplied to the first reverse conduction switch, and a predetermined delay time after the OFF signal is supplied to the second reverse conduction switch A mode in which an ON signal is given to the eighth reverse conduction switch after the elapse of time, a mode in which an ON signal is given to the fourth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal has been given to the third reverse conduction switch, A mode in which an ON signal is applied to the fifth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the reverse conduction switch 9 and a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the tenth reverse conduction switch And a mode in which an ON signal is applied to the sixth reverse conduction switch later.

請求項11に記載した制御方法は、請求項9のマルチレベルコンバータにおいて、
第4〜第6の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時に第7及び第8の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第6の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第10の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第5の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第9の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第4の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第3の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第8の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第2の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、第7の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第1の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、の何れかを有するものである。
The control method according to claim 11 is the multilevel converter according to claim 9,
An ON signal is given to the seventh and eighth reverse conduction switches when any of the fourth to sixth reverse conduction switches is in an ON state,
A mode in which an ON signal is supplied to the tenth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is supplied to the sixth reverse conduction switch, and a predetermined delay time after the OFF signal is supplied to the fifth reverse conduction switch A mode in which an ON signal is applied to the ninth reverse conducting switch after the elapse of time, a mode in which an ON signal is applied to the third reverse conducting switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the fourth reverse conducting switch, A mode in which an ON signal is applied to the second reverse conducting switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the 8 reverse conducting switch, and a predetermined delay time has elapsed after the OFF signal is applied to the seventh reverse conducting switch. And a mode in which an ON signal is applied to the first reverse conduction switch later.

請求項12に記載した制御方法は、請求項10または11において、
第2の逆導通スイッチをオフする時に第7の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第5の逆導通スイッチをオフする時に第10の逆導通スイッチにオン信号が与えられているモードと、第3または第4の逆導通スイッチをオフする時に第8及び第9の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられているモードと、の何れかを有するものである。
The control method according to claim 12 is the control method according to claim 10 or 11,
An on signal is given to the seventh reverse conduction switch when the second reverse conduction switch is turned off,
A mode in which an ON signal is given to the tenth reverse conduction switch when turning off the fifth reverse conduction switch, and an eighth and ninth reverse conduction switch when turning off the third or fourth reverse conduction switch Both have a mode in which an ON signal is given.

請求項13に記載したマルチレベルコンバータは、
直流電源の正極と負極との間に複数のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続してなる対により、またはこの対を複数直列に接続することにより逆導通スイッチを構成すると共に、
前記正極と交流入出力端子との間に、前記逆導通スイッチを複数直列に接続してなる第1の逆導通スイッチ群を接続し、
交流入出力端子と前記負極との間に、前記逆導通スイッチを複数直列に接続してなる第2の逆導通スイッチ群を接続し、
第1の逆導通スイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と前記コンデンサ同士の接続点との間に、第3の逆導通スイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチをそれぞれ接続し、
第2の逆導通スイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と前記コンデンサ同士の接続点との間に、第4の逆導通スイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチをそれぞれ接続し、
前記コンデンサ同士の接続点の電位を何れも異なる電位としたものである。
The multi-level converter according to claim 13 is:
Connect a plurality of capacitors in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply,
A reverse conduction switch is formed by a pair formed by connecting a controllable device and a diode in antiparallel, or by connecting a plurality of pairs in series.
A first reverse conduction switch group formed by connecting a plurality of the reverse conduction switches in series is connected between the positive electrode and the AC input / output terminal.
A second reverse conduction switch group formed by connecting a plurality of the reverse conduction switches in series between an AC input / output terminal and the negative electrode;
A plurality of reverse conduction switches constituting a third reverse conduction switch group are respectively connected between a connection point between the reverse conduction switches constituting the first reverse conduction switch group and a connection point between the capacitors,
A plurality of reverse conduction switches constituting the fourth reverse conduction switch group are respectively connected between a connection point between the reverse conduction switches constituting the second reverse conduction switch group and a connection point between the capacitors,
The potentials at the connection points of the capacitors are different from each other.

請求項14に記載した制御方法は、請求項13のマルチレベルコンバータにおいて、
直流電源の正極に接続される逆導通スイッチを除いた第1の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチをオフする時に、当該逆導通スイッチの前記正極側の端子に接続された第3の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
直流電源の負極に接続される逆導通スイッチを除いた第2の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチをオフする時に、当該逆導通スイッチの前記負極側の端子に接続された第4の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチにオン信号が与えられているモードと、
第1または第2の逆導通スイッチ群に属する逆導通スイッチのうち、交流入力端子に接続された逆導通スイッチをスイッチングする時に、当該逆導通スイッチに接続された第3及び第4の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられているモードと、の何れかを有するものである。
The control method according to claim 14 is the multilevel converter according to claim 13,
The third reverse conduction switch connected to the positive terminal of the reverse conduction switch when turning off the reverse conduction switch of the first reverse conduction switch group excluding the reverse conduction switch connected to the positive electrode of the DC power supply ON signal is given to the reverse conduction switch of the group,
The fourth reverse conduction switch connected to the negative terminal of the reverse conduction switch when turning off the reverse conduction switch of the second reverse conduction switch group excluding the reverse conduction switch connected to the negative electrode of the DC power supply A mode in which an ON signal is given to the reverse conduction switch of the group;
Of the reverse conduction switches belonging to the first or second reverse conduction switch group, the third and fourth reverse conduction switches connected to the reverse conduction switch when switching the reverse conduction switch connected to the AC input terminal. And a mode in which an ON signal is applied to the reverse conducting switches of the group.

請求項15に記載した単相または多相マルチレベルコンバータは、請求項1〜5,9,13の何れか1項のマルチレベルコンバータを単位コンバータとして用い、この単位コンバータを複数並列に接続して構成したものである。   A single-phase or multi-phase multilevel converter according to claim 15 uses the multilevel converter according to any one of claims 1 to 5, 9, and 13 as a unit converter, and a plurality of the unit converters are connected in parallel. It is composed.

本発明によれば、従来の3レベルコンバータや3レベルを超えるマルチレベルコンバータに対して、下記の効果を得ることができる。
(1)直流電源電圧をコンデンサにより複数の直流電位に分割し、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した逆導通スイッチによりクランプスイッチを構成し、これらのスイッチをそれぞれ異なった前記直流電位に接続することにより、同一の出力容量のもとで従来よりも使用するスイッチングデバイス数を低減できるため、コンバータの小形化が可能であり、しかも交流電圧のレベル数が多く、電圧高調波の少ない高性能なマルチレベルコンバータを提供することができる。
(2)交流入出力端子に接続される逆導通スイッチのスイッチング時に、クランプスイッチによって前記逆導通スイッチに印加される電圧が定常電圧より低い電圧を有するコンデンサ電圧にクランプされるように可制御デバイスを制御することにより、スイッチング時の過電圧を低減可能である。
(3)インバータの出力電圧が低電圧かつ低周波時において、出力半周期の期間に特定の逆導通スイッチのみに電流が集中する問題がなく、従来のマルチレベルインバータよりも出力容量を大きくすることができる。また、クランプスイッチを適用した従来の3レベルインバータのように、電流集中を回避するために電流経路を選択制御する必要がないので、可制御デバイスの制御の簡素化が可能になる。
According to the present invention, the following effects can be obtained with respect to a conventional three-level converter or a multi-level converter exceeding three levels.
(1) A DC power supply voltage is divided into a plurality of DC potentials by a capacitor, and a clamp switch is configured by a reverse conduction switch in which a controllable device and a diode are connected in antiparallel, and these switches are set to different DC potentials. By connecting, it is possible to reduce the number of switching devices to be used under the same output capacity than before, so the size of the converter can be reduced, and the number of AC voltage levels is large, and voltage harmonics are high. A high-performance multi-level converter can be provided.
(2) At the time of switching of the reverse conduction switch connected to the AC input / output terminal, the controllable device is arranged so that the voltage applied to the reverse conduction switch is clamped to the capacitor voltage having a voltage lower than the steady voltage by the clamp switch. By controlling, overvoltage at the time of switching can be reduced.
(3) When the output voltage of the inverter is low and low frequency, there is no problem that current is concentrated only on a specific reverse conduction switch during the half-cycle of the output, and the output capacity is made larger than that of the conventional multilevel inverter. Can do. In addition, unlike the conventional three-level inverter to which the clamp switch is applied, it is not necessary to selectively control the current path in order to avoid current concentration, so that control of the controllable device can be simplified.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本発明の第1実施形態における単位コンバータの回路図であり、請求項1に相当している。図1において、直流電源の正極Pと負極Nとの間には、コンデンサC1,C2,C3が順次直列に接続されている。また、正極Pと負極Nとの間には、可制御デバイスとしてのIGBT T1,T2,T3,T4が順次直列に接続され、各IGBTには逆並列にダイオードD1,D2,D3,D4が接続されている。ここで、IGBT T2,T3の接続点は交流入出力端子ACとなっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram of a unit converter according to a first embodiment of the present invention, and corresponds to claim 1. In FIG. 1, capacitors C1, C2, and C3 are sequentially connected in series between a positive electrode P and a negative electrode N of a DC power source. Further, IGBTs T1, T2, T3, and T4 as controllable devices are sequentially connected in series between the positive electrode P and the negative electrode N, and diodes D1, D2, D3, and D4 are connected in antiparallel to each IGBT. Has been. Here, the connection point of the IGBTs T2 and T3 is an AC input / output terminal AC.

IGBT T1,T2の接続点とコンデンサC1,C2の接続点との間にはIGBT T5が接続され、IGBT T3,T4の接続点とコンデンサC2,C3の接続点との間にはIGBT T6が接続されていると共に、IGBT T5,T6には逆並列にダイオードD5,D6がそれぞれ接続されている。   The IGBT T5 is connected between the connection point of the IGBTs T1 and T2 and the connection point of the capacitors C1 and C2, and the IGBT T6 is connected between the connection point of the IGBTs T3 and T4 and the connection point of the capacitors C2 and C3. In addition, diodes D5 and D6 are connected in reverse parallel to the IGBTs T5 and T6, respectively.

この実施形態においても、IGBTとダイオードとを逆並列に接続したQ1〜Q6を逆導通スイッチと言い、必要に応じてQ1,Q4を外側スイッチ、Q2,Q3を内側スイッチ、Q5,Q6をクランプスイッチと言う。また、クランプスイッチQ5,Q6のダイオードD5,D6をクランプダイオードと言うものとする。   Also in this embodiment, Q1 to Q6 in which the IGBT and the diode are connected in antiparallel are referred to as reverse conduction switches, and Q1 and Q4 are outside switches, Q2 and Q3 are inside switches, and Q5 and Q6 are clamp switches as necessary. Say. The diodes D5 and D6 of the clamp switches Q5 and Q6 are referred to as clamp diodes.

単位コンバータを図1のように構成することにより、直流電源の電位は図1に付記した正極Pの正電位V++と、この正電位V++より低い正電位(コンデンサC1,C2の接続点電位)V+と、負極Nの負電位V−−と、この負電位V−−より高い負電位(コンデンサC2,C3の接続点電位)V−とが存在する。
インバータの場合を例にとると、出力端子ACの電位は、逆導通スイッチQ1,Q2をオン状態にすることによりV++となり、逆導通スイッチQ5,Q2をオン状態にすることによりV+となり、逆導通スイッチQ6,Q3をオン状態にすることによりV−となり、逆導通スイッチQ4,Q3をオン状態にすることによりV−−となる。すなわち、インバータは4レベルの電圧を出力可能となる。
By configuring the unit converter as shown in FIG. 1, the potential of the direct-current power source is such that the positive potential V ++ of the positive electrode P shown in FIG. 1 and a positive potential lower than the positive potential V ++ (the potential at the connection point of the capacitors C1 and C2) V +. In addition, there is a negative potential V−− of the negative electrode N and a negative potential higher than the negative potential V−− (connection potential of the capacitors C2 and C3) V−.
Taking the case of an inverter as an example, the potential of the output terminal AC becomes V ++ when the reverse conduction switches Q1 and Q2 are turned on, and becomes V + when the reverse conduction switches Q5 and Q2 are turned on. When the switches Q6 and Q3 are turned on, V− is obtained, and when the reverse conduction switches Q4 and Q3 are turned on, V−− is obtained. That is, the inverter can output four levels of voltage.

ここで、図20はクランプダイオードを用いた従来の4レベル単位コンバータの構成を示している。この単位コンバータは、直流電源の正極Pと負極Nとの間に逆導通スイッチQ1〜Q6を順次直列に接続して逆導通スイッチQ3,Q4の接続点を交流入出力端子とし、コンデンサC1,C2の接続点と逆導通スイッチQ1,Q2の接続点との間、及び、コンデンサC1,C2の接続点と逆導通スイッチQ4,Q5の接続点との間にそれぞれダイオードD7,D8を接続すると共に、コンデンサC2,C3の接続点と逆導通スイッチQ2,Q3の接続点との間、及び、コンデンサC2,C3の接続点と逆導通スイッチQ5,Q6の接続点との間にそれぞれダイオードD9,D10を接続して構成されている。
図1の単位コンバータと図20の単位コンバータとを比較すると、図1の実施形態の方がダイオードの数が少なくて済み、図20に比べて少ないスイッチングデバイス数で4レベルコンバータ(インバータ)を構成することができる。
Here, FIG. 20 shows the configuration of a conventional 4-level unit converter using a clamp diode. In this unit converter, reverse conduction switches Q1 to Q6 are sequentially connected in series between a positive electrode P and a negative electrode N of a DC power supply, and a connection point of the reverse conduction switches Q3 and Q4 is used as an AC input / output terminal, and capacitors C1, C2 are connected. And diodes D7 and D8, respectively, between the connection point of the capacitor and the connection points of the reverse conduction switches Q1 and Q2, and between the connection point of the capacitors C1 and C2 and the connection point of the reverse conduction switches Q4 and Q5, respectively. Diodes D9 and D10 are respectively connected between the connection point of the capacitors C2 and C3 and the connection point of the reverse conduction switches Q2 and Q3, and between the connection point of the capacitors C2 and C3 and the connection point of the reverse conduction switches Q5 and Q6. Connected and configured.
Comparing the unit converter of FIG. 1 and the unit converter of FIG. 20, the embodiment of FIG. 1 requires fewer diodes, and a four-level converter (inverter) is configured with a smaller number of switching devices than FIG. can do.

ただし、図1の実施形態では、逆導通スイッチQ2,Q3に印加される定常状態の最大電圧値が、他の逆導通スイッチに印加される最大電圧値よりも高くなるため、コンデンサC2の電圧を他のコンデンサC1,C3の電圧よりも低く設計する等の方法により、逆導通スイッチQ2,Q3への印加電圧を軽減することが望ましい。   However, in the embodiment of FIG. 1, the steady state maximum voltage value applied to the reverse conduction switches Q2 and Q3 is higher than the maximum voltage value applied to the other reverse conduction switches. It is desirable to reduce the voltage applied to the reverse conduction switches Q2 and Q3 by a method such as designing the voltage lower than that of the other capacitors C1 and C3.

次に、図2は本発明の第2実施形態における単位コンバータの回路図であり、請求項2,3に相当している。
この実施形態は、図1に示した逆導通スイッチQ1〜Q6のうち少なくとも2つを2直列逆導通スイッチにより構成して個々の逆導通スイッチへの印加電圧を低減したものであり、図2の例では、内側スイッチQ2A,Q3Aがそれぞれ2直列逆導通スイッチにより構成されている。
Next, FIG. 2 is a circuit diagram of a unit converter according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to claims 2 and 3.
In this embodiment, at least two of the reverse conduction switches Q1 to Q6 shown in FIG. 1 are constituted by two series reverse conduction switches to reduce the voltage applied to each reverse conduction switch. In the example, the inner switches Q2A and Q3A are each composed of two series reverse conducting switches.

図7〜図10は、上記第2実施形態の動作説明図であり、インバータの出力電圧が正電位V++から負電位V−−まで変化する時の出力電流の経路を実線で示している。
なお、図7〜図10において、コンデンサC1〜C3の電圧は略同一値(V++とV+との電位差、V+とV−との電位差、V−とV−−との電位差は略同一値)であり、後述するように、逆導通スイッチQ1〜Q6には定常状態において最大でコンデンサC1,C2またはC3の電圧が印加されるようにスイッチングが行われ、それに対応して可制御デバイスの順阻止電圧やダイオードの逆阻止電圧が選定されるものとする。
これらの図において、実線は電流が流れている部分を、破線は電流が流れていない部分を表し、また、実線で表したスイッチングデバイスはオン信号が与えられているIGBTとオンしているダイオード、破線で表したスイッチングデバイスはオフ信号が与えられているIGBTとオフしているダイオードを表している。
FIGS. 7 to 10 are operation explanatory diagrams of the second embodiment, and the path of the output current when the output voltage of the inverter changes from the positive potential V ++ to the negative potential V−− is indicated by a solid line.
7 to 10, the voltages of the capacitors C1 to C3 are substantially the same value (the potential difference between V ++ and V +, the potential difference between V + and V-, and the potential difference between V- and V-- are substantially the same value). As will be described later, the reverse conduction switches Q1 to Q6 are switched so that the maximum voltage of the capacitor C1, C2 or C3 is applied in the steady state, and the forward blocking voltage of the controllable device is correspondingly applied. And the reverse blocking voltage of the diode shall be selected.
In these drawings, a solid line represents a portion where current flows, a broken line represents a portion where current does not flow, and a switching device represented by a solid line represents an IGBT to which an ON signal is given and a diode that is turned on, A switching device indicated by a broken line represents an IGBT to which an off signal is applied and a diode that is turned off.

図7では逆導通スイッチQ1,Q2AのIGBTがオンしており、出力電圧がV++である。この時、逆導通スイッチQ6のIGBTにはオン信号が与えられており、逆導通スイッチQ4はコンデンサC3の電圧にクランプされる。また、2直列逆導通スイッチである逆導通スイッチQ3Aには、コンデンサC1,C2の電圧の和が印加される。
前記のようにコンデンサC1〜C3の電圧は略同一であり、逆導通スイッチQ3Aを構成する個々の逆導通スイッチには一つのコンデンサ電圧、すなわち、コンデンサC1またはC2の電圧に略等しい電圧が印加されるので、過大な電圧が阻止電圧として印加されるおそれはない。
In FIG. 7, the IGBTs of the reverse conduction switches Q1 and Q2A are on, and the output voltage is V ++. At this time, an ON signal is given to the IGBT of the reverse conduction switch Q6, and the reverse conduction switch Q4 is clamped to the voltage of the capacitor C3. The sum of the voltages of the capacitors C1 and C2 is applied to the reverse conduction switch Q3A which is a two series reverse conduction switch.
As described above, the voltages of the capacitors C1 to C3 are substantially the same, and one capacitor voltage, that is, a voltage substantially equal to the voltage of the capacitor C1 or C2, is applied to each reverse conduction switch constituting the reverse conduction switch Q3A. Therefore, there is no possibility that an excessive voltage is applied as the blocking voltage.

次に、図8は、図7の状態において逆導通スイッチQ1のIGBTにオフ信号が与えられ、所定のディレータイム経過後に、逆導通スイッチQ5のIGBTにオン信号が与えられた状態を表している。
この時、電流は逆導通スイッチQ1から逆導通スイッチQ5に転流するので、出力電圧はV++からV+に変化する。ターンオフする逆導通スイッチQ1の電圧はコンデンサC1の電圧にクランプされる。また、逆導通スイッチQ3AはコンデンサC2の電圧にクランプされ、逆導通スイッチQ4はコンデンサC3の電圧にクランプされる。
なお、以下では、例えば逆導通スイッチQ1のIGBTにオン信号を与えることを単に逆導通スイッチQ1にオン信号を与えると言い、同じくQ1のIGBTにオフ信号を与えることを単にQ1にオフ信号を与えると言う。
Next, FIG. 8 shows a state in which an off signal is given to the IGBT of the reverse conduction switch Q1 in the state of FIG. 7, and an on signal is given to the IGBT of the reverse conduction switch Q5 after a predetermined delay time elapses. .
At this time, since current flows from the reverse conduction switch Q1 to the reverse conduction switch Q5, the output voltage changes from V ++ to V +. The voltage of the reverse conducting switch Q1 that is turned off is clamped to the voltage of the capacitor C1. The reverse conduction switch Q3A is clamped to the voltage of the capacitor C2, and the reverse conduction switch Q4 is clamped to the voltage of the capacitor C3.
In the following description, for example, giving an ON signal to the IGBT of the reverse conduction switch Q1 is simply referred to as giving an ON signal to the reverse conduction switch Q1, and similarly giving an OFF signal to the IGBT of Q1 simply gives an OFF signal to Q1. Say.

図9では、図8の状態において逆導通スイッチQ2Aにオフ信号が与えられ、所定のディレータイム経過後に、逆導通スイッチQ3Aにオン信号が与えられた状態を表している。この時、電流は逆導通スイッチQ5,Q2Aから逆導通スイッチQ6,Q3Aに転流し、出力電圧はV+からV−に変化する。ターンオフする逆導通スイッチQ2Aの電圧は、コンデンサC2の電圧にクランプされる。   FIG. 9 shows a state in which an off signal is given to the reverse conduction switch Q2A in the state of FIG. 8, and an on signal is given to the reverse conduction switch Q3A after a predetermined delay time elapses. At this time, the current is commutated from the reverse conduction switches Q5 and Q2A to the reverse conduction switches Q6 and Q3A, and the output voltage changes from V + to V-. The voltage of the reverse conducting switch Q2A that is turned off is clamped to the voltage of the capacitor C2.

また、図10では、図9の状態において逆導通スイッチQ6にオフ信号が与えられ、所定のディレータイム経過後に、逆導通スイッチQ4にオン信号が与えられた状態を表している。この時、電流は逆導通スイッチQ6から逆導通スイッチQ4に転流し、出力電圧はV−からV−−に変化する。ターンオフする逆導通スイッチQ6の電圧は、コンデンサC3の電圧にクランプされる。   FIG. 10 shows a state in which an off signal is given to the reverse conduction switch Q6 in the state of FIG. 9, and an on signal is given to the reverse conduction switch Q4 after a predetermined delay time elapses. At this time, the current is commutated from the reverse conduction switch Q6 to the reverse conduction switch Q4, and the output voltage changes from V− to V−−. The voltage of the reverse conducting switch Q6 that is turned off is clamped to the voltage of the capacitor C3.

上記のように、ターンオフする逆導通スイッチまたは直列逆導通スイッチは、転流後にコンデンサC1〜C3の何れかの電圧にクランプされ、安定した転流が行われる。
特に、2直列逆導通スイッチQ2Aのターンオフ時には、このスイッチQ2AがコンデンサC2の電圧にクランプされるため、従来の直列逆導通スイッチをターンオフする時のように、個々の逆導通スイッチの電圧がアンバランスになって特定の逆導通スイッチに過電圧が印加されるような問題は発生しない。なぜならば、コンデンサC2の電圧は1つの逆導通スイッチに定常的に印加される電圧であり、2直列逆導通スイッチQ2AにコンデンサC2の電圧が印加される場合には、電圧分担が多少アンバランスになってもそれ自体では特に問題にならないためである。
As described above, the reverse conducting switch or series reverse conducting switch that is turned off is clamped to any voltage of the capacitors C1 to C3 after commutation, and stable commutation is performed.
In particular, when the two series reverse conducting switch Q2A is turned off, the switch Q2A is clamped to the voltage of the capacitor C2, so that the voltages of the individual reverse conducting switches are unbalanced as when the conventional series reverse conducting switch is turned off. Thus, there is no problem that an overvoltage is applied to a specific reverse conducting switch. This is because the voltage of the capacitor C2 is a voltage that is constantly applied to one reverse conduction switch, and when the voltage of the capacitor C2 is applied to the two series reverse conduction switch Q2A, the voltage sharing is somewhat unbalanced. This is because it will not be a problem in itself.

ここで、図2の実施形態における出力電圧波形は、図20に示したクランプダイオードを用いた従来の4レベルインバータ(4レベル単位コンバータ)の場合と同様であるが、図20の4レベルインバータには次のような問題がある。
すなわち、インバータの出力電圧が定格電圧より十分低い場合には、4レベルインバータではV+とV−とを交互に出力するのが望ましい。図20に示す従来の4レベルインバータにおいては、出力電流Iが正値の場合には、出力電圧としてV+が選択されてもV−が選択されても出力電流Iは逆導通スイッチQ3を経由して流れ(V+の場合はダイオードD7、逆導通スイッチQ2,Q3の経路、V−の場合はダイオードD9、逆導通スイッチQ3の経路をとる)、出力電流Iが負値の場合には、出力電圧としてV+が選択されてもV−が選択されても出力電流は逆導通スイッチQ4を経由して流れる(V+の場合は逆導通スイッチQ4、ダイオードD8の経路、V−の場合は逆導通スイッチQ4,Q5、ダイオードD10の経路をとる)。
Here, the output voltage waveform in the embodiment of FIG. 2 is the same as that of the conventional 4-level inverter (4-level unit converter) using the clamp diode shown in FIG. Has the following problems.
That is, when the output voltage of the inverter is sufficiently lower than the rated voltage, it is desirable that the four-level inverter outputs V + and V− alternately. In the conventional four-level inverter shown in FIG. 20, when the output current Io is a positive value, the output current Io is applied to the reverse conduction switch Q3 regardless of whether V + is selected as the output voltage or V− is selected. When the output current Io is a negative value, the flow is via (the diode D7 for V +, the path of reverse conduction switches Q2 and Q3, the path of the diode D9 for V-, and the reverse conduction switch Q3). Regardless of whether V + is selected as the output voltage or V− is selected, the output current flows through the reverse conduction switch Q4 (in the case of V +, the reverse conduction switch Q4, the path of the diode D8, the reverse in the case of V−. The path of the conduction switches Q4 and Q5 and the diode D10 is taken).

このため、例えば電動機負荷のように低電圧かつ低周波の電圧により負荷を運転する場合には、インバータの出力半周期における逆導通スイッチQ3,Q4の損失のみが他の逆導通スイッチより大きくなり、これらの損失によってインバータの出力容量を低減しなければならないという問題がある。   For this reason, for example, when the load is operated with a low voltage and a low frequency voltage such as an electric motor load, only the loss of the reverse conduction switches Q3 and Q4 in the output half cycle of the inverter is larger than the other reverse conduction switches, There is a problem that the output capacity of the inverter must be reduced due to these losses.

一方、図2に示した4レベルインバータでは、出力電流Iが正値の場合において、出力電圧としてV+が選択された時には出力電流は逆導通スイッチQ2Aを経由して流れ、V−が選択された時には出力電流は逆導通スイッチQ3Aを経由して流れる。同様に、出力電流Iが負値の場合にも、出力電圧としてV+が選択された時は出力電流は逆導通スイッチQ2Aを経由して流れ、V−が選択された時には出力電流は逆導通スイッチQ3Aを経由して流れる。 On the other hand, in the 4-level inverter shown in FIG. 2, when the output current Io is positive, when V + is selected as the output voltage, the output current flows via the reverse conduction switch Q2A, and V− is selected. Output current flows through the reverse conduction switch Q3A. Similarly, when the output current Io is negative, the output current flows via the reverse conduction switch Q2A when V + is selected as the output voltage, and the output current is reverse conduction when V− is selected. It flows via switch Q3A.

従って、図2の実施形態では、従来の4レベルインバータのように、出力半周期において電流が特定の逆導通スイッチのみに集中することによってインバータの出力容量を低減せざるを得なくなるような事態を生じない。
なお、前述した非特許文献1では、3レベルコンバータのみを対象とし、出力電圧の制御の他に電流経路を選択制御して3レベルコンバータの電流集中を回避することを特徴としているが、図2の実施形態では電流経路の選択が不要であるため、ゲート制御を簡略化することができる。
Therefore, in the embodiment of FIG. 2, a situation in which the output capacity of the inverter has to be reduced by concentrating the current only on a specific reverse conduction switch in the output half cycle as in the conventional four-level inverter. Does not occur.
Note that the above-mentioned Non-Patent Document 1 targets only the three-level converter and is characterized by avoiding current concentration of the three-level converter by selecting and controlling the current path in addition to the output voltage control. In this embodiment, since it is not necessary to select a current path, gate control can be simplified.

次いで、図3は本発明の第3実施形態における単位コンバータの回路図であり、請求項2,4に相当している。
この実施形態は、図1に示した逆導通スイッチQ1〜Q6のうち少なくとも2つを3直列逆導通スイッチにより構成して高電圧を出力可能としたものであり、図3の例では、内側スイッチQ2B,Q3Bがそれぞれ3直列逆導通スイッチにより構成されている。
また、これに対応して、コンデンサC1の電圧とコンデンサC3の電圧とを略等しくし、かつ、コンデンサC2の電圧をコンデンサC1またはC3の電圧の略2倍にしてある。これにより、V++とV+との電位差、V−とV−−との電位差は略同一値であり、V+とV−との電位差は前記電位差の略2倍となる。
Next, FIG. 3 is a circuit diagram of a unit converter according to a third embodiment of the present invention, and corresponds to claims 2 and 4.
In this embodiment, at least two of the reverse conduction switches Q1 to Q6 shown in FIG. 1 are constituted by three series reverse conduction switches so that a high voltage can be output. In the example of FIG. Q2B and Q3B are each composed of three series reverse conducting switches.
Correspondingly, the voltage of the capacitor C1 and the voltage of the capacitor C3 are made substantially equal, and the voltage of the capacitor C2 is made almost twice the voltage of the capacitor C1 or C3. As a result, the potential difference between V ++ and V + and the potential difference between V− and V−− are substantially the same value, and the potential difference between V + and V− is approximately twice the potential difference.

この実施形態では、3直列逆導通スイッチQ2B,Q3Bのスイッチング時にはこれらのスイッチが上記2倍の電圧をもつコンデンサC2の電圧にクランプされる。この実施形態においても、直列接続された個々の逆導通スイッチに印加される電圧を従来に比べて低減することができ、図2の実施形態よりも更に高圧大容量のマルチレベルコンバータを構成することができる。   In this embodiment, when the three series reverse conducting switches Q2B and Q3B are switched, these switches are clamped to the voltage of the capacitor C2 having the double voltage. Also in this embodiment, the voltage applied to the individual reverse conduction switches connected in series can be reduced as compared with the prior art, and a higher-voltage and large-capacity multilevel converter can be configured than in the embodiment of FIG. Can do.

なお、図3の実施形態と、従来技術として図17に示した3レベルコンバータとを比較すると、本実施形態の特徴が一層明らかになる。
すなわち、図3と図17とを比較すると、それぞれの外側スイッチQ1,Q4及びQ1A,Q4A、並びに内側スイッチQ2B,Q3B及びQ2A,Q3Aを構成するスイッチングデバイスの直列数は異なるが、直流電源の正極Pと負極Nとの間に接続される逆導通スイッチの総数は何れも8個である。
このため、同一のスイッチングデバイスを用いた場合には、図3及び図17の直流電源の電圧はほぼ同一の電圧値に設計され、インバータの容量は図3の場合と図17の場合とでほぼ同一となる。
Note that when the embodiment of FIG. 3 is compared with the three-level converter shown in FIG.
That is, when FIG. 3 is compared with FIG. 17, the number of switching devices constituting the outer switches Q1, Q4 and Q1A, Q4A and the inner switches Q2B, Q3B and Q2A, Q3A is different, but the positive electrode of the DC power supply is different. The total number of reverse conduction switches connected between P and the negative electrode N is eight.
Therefore, when the same switching device is used, the voltage of the DC power source in FIGS. 3 and 17 is designed to be almost the same voltage value, and the capacity of the inverter is almost the same in the case of FIG. 3 and FIG. It will be the same.

上記の前提を考慮して、図3と実施形態と図17の従来技術とを比較すると、本実施形態における次の特徴が明らかになる。
(1)クランプスイッチを構成するスイッチングデバイスの直列数に着目すると、図17のクランプスイッチQ5A,Q6Aでは何れも2個であるのに対し、図3のクランプスイッチQ5,Q6では何れも1個に減少している。
(2)図17ではクランプスイッチQ5A,Q6Aが同一電位である中性点Mに接続されているため出力電圧は正値、ゼロ値、負値の3レベルであるのに対し、図3ではクランプスイッチQ5,Q6がV+の電位点及びV−の電位点にそれぞれ接続されているため、正電位がV++,V+、負電位がV−,V−−というように出力可能な電圧レベルが4レベルに増加し、高調波電圧の少ない高性能なマルチレベルコンバータを構成することができる。
Considering the above premise, the following features of the present embodiment will become clear when FIG. 3 is compared with the embodiment and the prior art of FIG.
(1) Focusing on the series number of switching devices constituting the clamp switch, the number of clamp switches Q5A and Q6A in FIG. 17 is two, whereas the number of clamp switches Q5 and Q6 in FIG. 3 is one. is decreasing.
(2) In FIG. 17, since the clamp switches Q5A and Q6A are connected to the neutral point M having the same potential, the output voltage is three levels of positive value, zero value, and negative value, whereas in FIG. Since the switches Q5 and Q6 are connected to the potential point of V + and the potential point of V-, respectively, there are four voltage levels that can be output such that the positive potential is V ++, V + and the negative potential is V-, V--. Therefore, a high-performance multilevel converter with a small harmonic voltage can be configured.

なお、図3では、コンデンサC2として2つのコンデンサを直列接続した場合を示しているが、これはコンデンサC2の電圧がコンデンサC1またはC3の電圧のほぼ2倍であることを概念的に図示したものであり、必ずしもコンデンサの構成を示すものではなく、例えばコンデンサC2が単一であっても構わない。この点は、他の図においても同様である。   FIG. 3 shows a case where two capacitors are connected in series as the capacitor C2. This is a conceptual illustration showing that the voltage of the capacitor C2 is almost twice the voltage of the capacitor C1 or C3. However, the configuration of the capacitor is not necessarily shown. For example, the capacitor C2 may be single. This is the same in other drawings.

次に、図4は本発明の第4実施形態における単位コンバータの回路図であり、請求項2,5に対応している。
この実施形態では、内側スイッチQ2C,Q3Cを4直列逆導通スイッチにより構成し、コンデンサC1の電圧をコンデンサC3の電圧と略等しくすると共に、コンデンサC2の電圧をコンデンサC1またはC3の電圧の略3倍にしたものである。
Next, FIG. 4 is a circuit diagram of a unit converter according to the fourth embodiment of the present invention, and corresponds to claims 2 and 5.
In this embodiment, the inner switches Q2C and Q3C are constituted by 4 series reverse conducting switches, the voltage of the capacitor C1 is made substantially equal to the voltage of the capacitor C3, and the voltage of the capacitor C2 is made approximately three times the voltage of the capacitor C1 or C3. It is a thing.

この実施形態では、全ての逆導通スイッチに印加される定常状態の最大電圧値を略等しく設計でき、しかも、図3の場合より更に高圧大容量のマルチレベルコンバータを構成することができる。また、この構成によれば、V+とV++との電位差、V−とV−−との電位差は略等しく、V+とV−との電位差は前記電位差の略3倍となる。その他の構成は図1と同様であるため、説明を省略する。   In this embodiment, the maximum voltage value in the steady state applied to all the reverse conduction switches can be designed to be substantially equal, and a multi-level converter having a higher voltage and a larger capacity than that in the case of FIG. 3 can be configured. Further, according to this configuration, the potential difference between V + and V ++ and the potential difference between V− and V−− are substantially equal, and the potential difference between V + and V− is approximately three times the potential difference. Other configurations are the same as those in FIG.

図2〜図4の各実施形態では、内側スイッチをn直列逆導通スイッチにより構成したが、請求項2の他の実施形態として、図5に示す第5実施形態の構成も採ることができる。
図5の実施形態では、外側スイッチQ1A,Q4A及びクランプスイッチQ5A,Q6Aが2直列逆導通スイッチであり、内側スイッチQ2B,Q3Bが3直列逆導通スイッチにより構成されている。また、コンデンサC1,C3の電圧はコンデンサC2の電圧の略2倍である。
In each of the embodiments of FIGS. 2 to 4, the inner switch is configured by an n series reverse conduction switch. However, as another embodiment of the second aspect, the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 5 can also be adopted.
In the embodiment of FIG. 5, the outer switches Q1A and Q4A and the clamp switches Q5A and Q6A are two series reverse conducting switches, and the inner switches Q2B and Q3B are constituted by three series reverse conducting switches. Further, the voltages of the capacitors C1 and C3 are approximately twice the voltage of the capacitor C2.

この場合、全ての逆導通スイッチに印加される定常状態の最大電圧値を略等しく設計することができる。また、この実施形態ではV+とV++との電位差、V−とV−−との電位差はV+とV−との電位差の略2倍となる。その他の構成は図1の場合と同様であるため説明を省略する。   In this case, the maximum voltage value in the steady state applied to all the reverse conduction switches can be designed to be substantially equal. In this embodiment, the potential difference between V + and V ++ and the potential difference between V− and V−− are approximately twice the potential difference between V + and V−. Other configurations are the same as those in FIG.

次いで、図6は本発明の第6実施形態における単位コンバータの回路図であり、請求項9に相当している。
図6の実施形態では、直流電源の正極Pと負極Nとの間にコンデンサC1〜C5が順次直列に接続されていると共に、逆導通スイッチQ1,Q2、3直列逆導通スイッチQ3B,Q4B、逆導通スイッチQ5,Q6が直列に接続され、3直列逆導通スイッチQ3B,Q4Bの接続点が交流入出力端子ACとなっている。
更に、逆導通スイッチQ1,Q2の接続点とコンデンサC1,C2の接続点との間に逆導通スイッチQ7が接続され、逆導通スイッチQ2,Q3Bの接続点とコンデンサC2,C3の接続点との間に2直列逆導通スイッチQ8Aが接続され、逆導通スイッチQ4B,Q5の接続点とコンデンサC3,C4の接続点との間に2直列逆導通スイッチQ9Aが接続され、逆導通スイッチQ5,Q6の接続点とコンデンサC4,C5の接続点との間に逆導通スイッチQ10が接続されている。
Next, FIG. 6 is a circuit diagram of a unit converter according to the sixth embodiment of the present invention, and corresponds to claim 9.
In the embodiment of FIG. 6, capacitors C1 to C5 are sequentially connected in series between the positive electrode P and the negative electrode N of the DC power supply, and reverse conduction switches Q1, Q2, 3 series reverse conduction switches Q3B, Q4B, reverse The conduction switches Q5 and Q6 are connected in series, and the connection point of the three series reverse conduction switches Q3B and Q4B is an AC input / output terminal AC.
Further, a reverse conduction switch Q7 is connected between the connection point of the reverse conduction switches Q1 and Q2 and the connection point of the capacitors C1 and C2, and the connection point between the reverse conduction switches Q2 and Q3B and the connection point of the capacitors C2 and C3. Two series reverse conduction switches Q8A are connected between them, and two series reverse conduction switches Q9A are connected between the connection points of the reverse conduction switches Q4B and Q5 and the connection points of the capacitors C3 and C4. A reverse conduction switch Q10 is connected between the connection point and the connection point of the capacitors C4 and C5.

この実施形態において、出力電圧は図6に付記したV+++,V++,V+,V−,V−−,V−−−の6レベルとなる。また、コンデンサC1〜C5の電圧をそれぞれ略等しい値にすると、全ての逆導通スイッチに印加される定常状態の最大電圧値が略等しくなるように設計することが可能である。   In this embodiment, the output voltage has six levels of V ++++, V ++, V +, V−, V−−, and V −−− shown in FIG. Further, when the voltages of the capacitors C1 to C5 are set to substantially equal values, it is possible to design so that the maximum voltage values in the steady state applied to all the reverse conduction switches are substantially equal.

次に、前述した図7〜図10に対応するゲート制御のタイムチャートとしての図11を参照しながら、本発明にかかる制御方法の実施形態を詳細に説明する。
図11は、前述した図1〜図5の実施形態(第1〜第5実施形態)のゲート制御に適用され、インバータの出力電圧がV++からV−−まで変化する場合のタイムチャートの例であり、請求項6,8に相当する。
Next, an embodiment of the control method according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 11 as a time chart of gate control corresponding to the above-described FIGS.
FIG. 11 is an example of a time chart when the output voltage of the inverter changes from V ++ to V−−, which is applied to the gate control of the above-described embodiments of FIGS. 1 to 5 (first to fifth embodiments). Yes, corresponding to claims 6 and 8.

図11において、Vはインバータの出力電圧指令であり、V++とV+,V+とV−,V−とV−−の電位差が全て等しくなる図2の場合を代表例として示している。また、G1〜G6はそれぞれ逆導通スイッチQ1〜Q6(図2における2直列逆導通スイッチQ2A,Q3Aを含む)のゲート信号を示しており、ハイレベルの時にオン信号が、ローレベルの時にオフ信号がそれぞれ可制御デバイスに与えられる。 In Figure 11, V o is the output voltage command of the inverter indicates V ++ and V +, V + and V-, V- and V-- where potential difference is all equal 2 as a representative example. G1 to G6 indicate gate signals of the reverse conduction switches Q1 to Q6 (including the two series reverse conduction switches Q2A and Q3A in FIG. 2), respectively, and the on signal is high when it is low and the off signal when it is low. Is given to each controllable device.

図11の期間(1)では、出力電圧指令VがV++であり、これに対応して少なくとも逆導通スイッチQ1,Q2Aをオンする。同時に逆導通スイッチQ6にもオン信号が与えられ、逆導通スイッチQ4の電圧はコンデンサC3の電圧にクランプされる。逆導通スイッチQ3Aの電圧は、前述したようにコンデンサC1またはC2の電圧に略等しくなる。 In the period (1) in FIG. 11, the output voltage command V o is V ++, to turn on at least the reverse conducting switch Q1, Q2A correspondingly. At the same time, an ON signal is given to the reverse conduction switch Q6, and the voltage of the reverse conduction switch Q4 is clamped to the voltage of the capacitor C3. As described above, the voltage of the reverse conduction switch Q3A is substantially equal to the voltage of the capacitor C1 or C2.

出力電圧指令VがV++からV+に変化すると、逆導通スイッチQ1にオフ信号を与えて期間(2)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ5にオン信号を与える。この状態では、逆導通スイッチQ5,Q2Aがオンして出力電圧はV+となる。
出力電圧指令VがV+からV−に変化すると、逆導通スイッチQ2Aにオフ信号を与えて期間(3)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ3Aにオン信号を与える。逆導通スイッチQ6には予めオン信号が与えられているので、この状態では逆導通スイッチQ6,Q3Aがオンして出力電圧はV−となる。
なお、上記の期間(2),(3)は、前述した図8、図9にそれぞれ対応している。
When the output voltage command V o changes from V ++ to V +, the process proceeds to the period (2) gives off signals to the reverse-conducting switches Q1, giving an ON signal to the reverse conducting switch Q5 after a predetermined delay time Td elapses. In this state, the reverse conduction switches Q5 and Q2A are turned on, and the output voltage becomes V +.
When the output voltage command V o changes from V + to V−, an off signal is given to the reverse conduction switch Q2A and the period (3) is started, and an on signal is given to the reverse conduction switch Q3A after a predetermined delay time Td has elapsed. Since the ON signal is given to the reverse conduction switch Q6 in advance, in this state, the reverse conduction switches Q6 and Q3A are turned on and the output voltage becomes V-.
Note that the above periods (2) and (3) correspond to FIGS. 8 and 9, respectively.

このように、期間(2)から期間(3)に移行する時、すなわち内側スイッチQ2AまたはQ3Aがスイッチングする時に逆導通スイッチQ5,Q6に共にオン信号が与えられている制御方法が、請求項8の実施形態に相当する。
図8に示したように、逆導通スイッチQ2Aを構成するIGBTに電流が流れているとする。この時、このIGBTをターンオフさせると逆導通スイッチQ2Aのインピーダンスが大きくなって逆導通スイッチQ2Aの電圧が上昇する。この電圧がコンデンサC2の電圧より上昇すると、逆導通スイッチQ3Aのダイオードに順電圧が印加され、逆導通スイッチQ2AからQ3Aへの転流が開始される。この時、逆導通スイッチQ5,Q6にオン信号が与えられているので、転流開始から転流完了後においても、Q2A→Q5→C2→Q6→Q3Aの転流ループが形成され、安全に転流が行われる。
Thus, the control method in which the ON signal is given to both the reverse conduction switches Q5 and Q6 when the period (2) is shifted to the period (3), that is, when the inner switch Q2A or Q3A is switched, is provided. This corresponds to the embodiment.
As shown in FIG. 8, it is assumed that a current flows through the IGBT constituting the reverse conduction switch Q2A. At this time, when the IGBT is turned off, the impedance of the reverse conduction switch Q2A increases and the voltage of the reverse conduction switch Q2A rises. When this voltage rises above the voltage of the capacitor C2, a forward voltage is applied to the diode of the reverse conduction switch Q3A, and commutation from the reverse conduction switch Q2A to Q3A is started. At this time, since the ON signal is given to the reverse conduction switches Q5 and Q6, a commutation loop of Q2A → Q5 → C2 → Q6 → Q3A is formed even after commutation is completed from the start of commutation. The flow is done.

更に前述したように2直列逆導通スイッチQ2AはコンデンサC2の電圧にクランプされるので、ターンオフ時に逆導通スイッチQ2Aを構成する個々の逆導通スイッチに電圧のアンバランスが生じても、これらの逆導通スイッチが過電圧で破損されるのを回避することができる。
出力電圧指令VがV−からV−−に変化すると、逆導通スイッチQ6をオフして図11の期間(4)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ4をオンする。この状態では、逆導通スイッチQ4のオンによって出力電圧はV−−となる。
Further, as described above, since the two series reverse conduction switch Q2A is clamped to the voltage of the capacitor C2, even if voltage imbalance occurs in the individual reverse conduction switches constituting the reverse conduction switch Q2A at the time of turn-off, these reverse conduction It is possible to prevent the switch from being damaged by overvoltage.
When the output voltage command V o is changed to V-- from V-, and turns off the reverse conducting switch Q6 shifts to the period (4) in FIG. 11, and turns on the reverse conducting switch Q4 after a predetermined delay time Td elapses. In this state, the output voltage becomes V−− when the reverse conduction switch Q4 is turned on.

図12は、前述した図1〜図5の実施形態(第1〜第5実施形態)のゲート制御に適用され、インバータの出力電圧がV−−からV++まで変化する場合のタイムチャートの例であり、請求項7,8に相当する。図11と同様に、出力電圧指令VについてはV++とV+,V+とV−,V−とV−−の電位差が全て等しくなる図2の場合を代表例として示している。 FIG. 12 is an example of a time chart when the output voltage of the inverter changes from V−− to V ++, which is applied to the gate control of the above-described embodiments of FIGS. 1 to 5 (first to fifth embodiments). Yes, corresponding to claims 7 and 8. Similar to FIG. 11, the output voltage command V o shows a case of V ++ and V +, V + and V-, all equal potential difference V- and V-- 2 as a representative example.

図12の期間(1)では出力電圧指令VがV−−であり、これに対応して少なくとも逆導通スイッチQ3A,Q4をオンする。同時に逆導通スイッチQ5にもオン信号が与えられ、逆導通スイッチQ1の電圧はコンデンサC1の電圧にクランプされる。逆導通スイッチQ2Aの電圧は図11の場合と類似してコンデンサC2またはC3の電圧に略等しくなる。
出力電圧指令VがV−−からV−に変化すると、逆導通スイッチQ4にオフ信号を与えて期間(2)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ6にオン信号を与える。この状態では、逆導通スイッチQ6,Q3Aがオンして出力電圧はV−となる。
12 output voltage command V o in the period (1) of a V-, to turn on at least the reverse conducting switch Q3A, Q4 correspondingly. At the same time, an ON signal is given to the reverse conduction switch Q5, and the voltage of the reverse conduction switch Q1 is clamped to the voltage of the capacitor C1. Similar to the case of FIG. 11, the voltage of the reverse conduction switch Q2A becomes substantially equal to the voltage of the capacitor C2 or C3.
When the output voltage command V o is changed to V- from V-, moves to the period (2) gives off signals to the reverse-conducting switch Q4, gives an ON signal to the reverse conducting switch Q6 after a predetermined delay time Td elapses . In this state, the reverse conduction switches Q6 and Q3A are turned on and the output voltage becomes V-.

出力電圧指令がV−からV+に変化すると、逆導通スイッチQ3Aにオフ信号を与えて期間(3)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ2Aにオン信号を与える。逆導通スイッチQ5には予めオン信号が与えられているので、この状態では逆導通スイッチQ5,Q2Aがオンして出力電圧はV+となる。
この時、すなわち内側スイッチQ2AまたはQ3Aがスイッチングするときには逆導通スイッチQ5,Q6に共にオン信号が与えられている制御方法が、請求項8の実施形態に相当する。
When the output voltage command changes from V− to V +, an OFF signal is given to the reverse conduction switch Q3A, the process proceeds to the period (3), and an ON signal is given to the reverse conduction switch Q2A after a predetermined delay time Td has elapsed. Since the ON signal is given to the reverse conduction switch Q5 in advance, in this state, the reverse conduction switches Q5 and Q2A are turned on and the output voltage becomes V +.
At this time, that is, when the inner switch Q2A or Q3A is switched, the control method in which the ON signal is given to the reverse conduction switches Q5 and Q6 corresponds to the embodiment of claim 8.

図9に示したように、逆導通スイッチQ2Aにオン信号を与える直前では逆導通スイッチQ3Aを構成するダイオードに電流が流れているとする。この時、逆導通スイッチQ2Aをオンすると逆導通スイッチQ3Aのダイオードが逆回復して、2直列逆導通スイッチであるQ3Aの電圧分担の問題が一般には生じる。しかるに、前述と同様に2直列逆導通スイッチQ3AはコンデンサC2の電圧にクランプされるため、2直列逆導通スイッチQ3Aを構成する個々の逆導通スイッチが過電圧で破損されるのを回避することができる。
出力電圧指令がV+からV++に変化すると、逆導通スイッチQ5をオフして期間(4)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に列逆導通スイッチQ1をオンする。この状態では、逆導通スイッチQ1のオンによって出力電圧はV++となる。
As shown in FIG. 9, it is assumed that a current flows through the diode constituting the reverse conduction switch Q3A immediately before the ON signal is given to the reverse conduction switch Q2A. At this time, when the reverse conduction switch Q2A is turned on, the diode of the reverse conduction switch Q3A reversely recovers, and generally a problem of voltage sharing of the Q3A which is the two series reverse conduction switch occurs. However, since the 2-series reverse conduction switch Q3A is clamped to the voltage of the capacitor C2 as described above, it is possible to prevent the individual reverse conduction switches constituting the 2-series reverse conduction switch Q3A from being damaged by overvoltage. .
When the output voltage command changes from V + to V ++, the reverse conduction switch Q5 is turned off to shift to the period (4), and the column reverse conduction switch Q1 is turned on after a predetermined delay time Td has elapsed. In this state, the output voltage becomes V ++ by turning on the reverse conduction switch Q1.

次に、図13のタイムチャートについて説明する。
図13は、図6に示した実施形態(第6実施形態)のゲート制御に適用され、インバータの出力電圧がV+++からV−−−まで変化する場合のタイムチャートであって、請求項10に相当する。
図13において、G1〜G10はそれぞれ逆導通スイッチQ1〜Q10(図6における3直列逆導通スイッチQ3B,Q4B及び2直列逆導通スイッチQ8A,Q9Aを含む)のゲート信号を示しており、ハイレベルの時にオン信号がローレベルの時にオフ信号がそれぞれ可制御デバイスに与えられる。
Next, the time chart of FIG. 13 will be described.
FIG. 13 is a time chart when the output voltage of the inverter changes from V ++ to V −−−, which is applied to the gate control of the embodiment (sixth embodiment) shown in FIG. Equivalent to.
In FIG. 13, G1 to G10 indicate gate signals of the reverse conduction switches Q1 to Q10 (including the three series reverse conduction switches Q3B and Q4B and the two series reverse conduction switches Q8A and Q9A in FIG. 6), respectively. Sometimes an off signal is applied to each controllable device when the on signal is low.

図13の期間(1)では、出力電圧指令VがV+++であり、これに対応して少なくとも逆導通スイッチQ1,Q2及びQ3Bをオンする。同時に逆導通スイッチQ9A,Q10にもオン信号が与えられ、逆導通スイッチQ6の電圧はコンデンサC5に、逆導通スイッチQ5の電圧はコンデンサC4の電圧にクランプされる。
出力電圧指令がV+++からV++に変化すると、逆導通スイッチQ1にオフ信号を与えて期間(2)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ7にオン信号を与える。この状態では、逆導通スイッチQ7がオンして出力電圧はV++となる。
In the period (1) in FIG. 13, the output voltage command V o is V +++, to turn on at least the reverse conducting switch Q1, Q2 and Q3B correspondingly. At the same time, an ON signal is also applied to the reverse conduction switches Q9A and Q10. The voltage of the reverse conduction switch Q6 is clamped to the capacitor C5, and the voltage of the reverse conduction switch Q5 is clamped to the voltage of the capacitor C4.
When the output voltage command changes from V ++ to V ++, an OFF signal is given to the reverse conduction switch Q1 and the period (2) is started, and an ON signal is given to the reverse conduction switch Q7 after a predetermined delay time Td has elapsed. In this state, the reverse conduction switch Q7 is turned on and the output voltage becomes V ++.

出力電圧指令VがV++からV+に変化すると、逆導通スイッチQ2にオフ信号を与えて期間(3)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ8Aにオン信号を与える。この状態では逆導通スイッチQ8Aがオンして出力電圧はV+となる。
出力電圧指令がV+からV−に変化すると、逆導通スイッチQ3Bにオフ信号を与えて期間(4)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ4Bにオン信号を与える。逆導通スイッチQ9Aには予めオン信号が与えられているので、この状態では逆導通スイッチQ9A,Q4Bがオンして出力電圧はV−となる。
When the output voltage command V o changes from V ++ to V +, the process proceeds to the period (3) gives off signals to the reverse-conducting switch Q2, providing an ON signal to the reverse conducting switch Q8A after a predetermined delay time Td elapses. In this state, the reverse conduction switch Q8A is turned on and the output voltage becomes V +.
When the output voltage command changes from V + to V-, an off signal is given to the reverse conduction switch Q3B and the period (4) is started, and an on signal is given to the reverse conduction switch Q4B after a predetermined delay time Td has elapsed. Since the ON signal is given in advance to the reverse conduction switch Q9A, in this state, the reverse conduction switches Q9A and Q4B are turned on and the output voltage becomes V-.

出力電圧指令VがV−からV−−に変化すると、逆導通スイッチQ9Aにオフ信号を与えて期間(5)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ5にオン信号を与える。逆導通スイッチQ10には予めオン信号が与えられているので、この状態では逆導通スイッチQ10,Q5がオンして出力電圧はV−−となる。
出力電圧指令VがV−−からV−−−に移行すると、逆導通スイッチQ10にオフ信号を与えて期間(6)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ6にオン信号を与える。この状態では、逆導通スイッチQ6がオンして出力電圧はV−−−となる。
When the output voltage command V o is changed to V-- from V-, moves to the period (5) giving off signals in the reverse conducting switch Q9A, gives an ON signal to the reverse conducting switch Q5 after a predetermined delay time Td elapses . Since the ON signal is given to the reverse conduction switch Q10 in advance, the reverse conduction switches Q10 and Q5 are turned on in this state, and the output voltage becomes V−−.
When the output voltage command V o transitions from V-- the V ---, moves to the period (6) gives off signals to the reverse-conducting switches Q10, on signal to the reverse conducting switch Q6 after a predetermined delay time Td elapses give. In this state, the reverse conduction switch Q6 is turned on and the output voltage becomes V ---.

次に、図14のタイムチャートについて説明する。図14は、図6に示した実施形態(第6実施形態)のゲート制御に適用され、インバータの出力電圧がV−−−からV+++まで変化する場合のタイムチャートであって、請求項11に相当する。V及びG1〜G10の意味は図13と同様である。 Next, the time chart of FIG. 14 will be described. FIG. 14 is a time chart applied to the gate control of the embodiment (sixth embodiment) shown in FIG. 6 when the output voltage of the inverter changes from V −−− to V ++. Equivalent to. Meaning of V o and G1~G10 is similar to FIG 13.

図14の期間(1)では、出力電圧指令VがV−−−であり、これに対応して少なくとも逆導通スイッチQ4B,Q5及びQ6をオンする。同時に逆導通スイッチQ7,Q8Aにもオン信号が与えられ、逆導通スイッチQ1の電圧はコンデンサC1に、逆導通スイッチQ2の電圧はコンデンサC2の電圧にクランプされる。
出力電圧指令VがV−−−からV−−に変化すると、逆導通スイッチQ6にオフ信号を与えて期間(2)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ10にオン信号を与える。この状態では、逆導通スイッチQ10がオンして出力電圧はV−−となる。
In the period (1) in FIG. 14, the output voltage command V o is V ---, is turned on at least reverse conducting switch Q4B, Q5 and Q6 correspondingly. At the same time, an ON signal is given to the reverse conduction switches Q7 and Q8A, the voltage of the reverse conduction switch Q1 is clamped to the capacitor C1, and the voltage of the reverse conduction switch Q2 is clamped to the voltage of the capacitor C2.
When the output voltage command V o changes from V --- the V-, moves to the period (2) gives off signals to the reverse-conducting switch Q6, on signal to the reverse conducting switch Q10 after a predetermined delay time Td elapses give. In this state, the reverse conduction switch Q10 is turned on and the output voltage becomes V--.

出力電圧指令がV−−からV−に変化すると、逆導通スイッチQ5にオフ信号を与えて期間(3)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ9Aにオン信号を与える。この状態では逆導通スイッチQ9Aがオンして出力電圧はV−となる。出力電圧指令VがV−からV+に変化すると、逆導通スイッチQ4Bにオフ信号を与えて期間(4)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ3Bにオン信号を与える。逆導通スイッチQ8Aには予めオン信号が与えられているので、この状態では逆導通スイッチQ8A,Q3Bがオンして出力電圧はV+となる。 When the output voltage command changes from V-- to V-, an off signal is given to the reverse conduction switch Q5 and the period (3) is started, and an on signal is given to the reverse conduction switch Q9A after a predetermined delay time Td has elapsed. In this state, the reverse conduction switch Q9A is turned on and the output voltage becomes V-. When the output voltage command V o changes from V− to V +, an OFF signal is given to the reverse conduction switch Q4B and the period (4) is started, and an ON signal is given to the reverse conduction switch Q3B after a predetermined delay time Td has elapsed. Since the ON signal is given to the reverse conduction switch Q8A in advance, the reverse conduction switches Q8A and Q3B are turned on in this state, and the output voltage becomes V +.

出力電圧指令VがV+からV++に変化すると、逆導通スイッチQ8Aにオフ信号を与えて期間(5)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ2にオン信号を与える。逆導通スイッチQ7には予めオン信号が与えられているので、この状態では逆導通スイッチQ7,Q2がオンして出力電圧はV++となる。
出力電圧指令VがV++からV+++に移行すると、逆導通スイッチQ7にオフ信号を与えて期間(6)に移行し、所定のディレータイムTd経過後に逆導通スイッチQ1にオン信号を与える。この状態では、逆導通スイッチQ1がオンして出力電圧はV+++となる。
When the output voltage command V o changes from V + to V ++, moves to the period (5) giving off signals in the reverse conducting switch Q8A, gives an ON signal to the reverse conducting switch Q2 after a predetermined delay time Td elapses. Since the ON signal is given to the reverse conduction switch Q7 in advance, the reverse conduction switches Q7 and Q2 are turned on in this state, and the output voltage becomes V ++.
When the output voltage command V o is transferred to the V +++ from V ++, moves to the period (6) gives off signals to the reverse-conducting switch Q7, gives an ON signal to the reverse conducting switch Q1 after a predetermined delay time Td elapses. In this state, the reverse conduction switch Q1 is turned on and the output voltage becomes V ++++.

図13と図14のタイムチャートにおいて、その他の特徴的なことは下記のとおりである。
何れのタイムチャートでも、逆導通スイッチQ2をオフする時には逆導通スイッチQ7にオン信号が与えられており、逆導通スイッチQ5をオフする時には逆導通スイッチQ10にオン信号が与えられていると共に、内側スイッチである逆導通スイッチQ3BまたはQ4Bをスイッチングする時には、クランプスイッチである逆導通スイッチQ8A,Q9Aに共にオン信号が与えられている。このような着想が請求項12に相当するものであり、これによって転流中から転流後にかけて転流ループを確保することができ、安定な転流と転流後の過電圧低減が達成される。
Other characteristic features in the time charts of FIGS. 13 and 14 are as follows.
In any time chart, an ON signal is given to the reverse conduction switch Q7 when the reverse conduction switch Q2 is turned off, and an ON signal is given to the reverse conduction switch Q10 when the reverse conduction switch Q5 is turned off. When switching the reverse conduction switch Q3B or Q4B which is a switch, an ON signal is given to the reverse conduction switches Q8A and Q9A which are clamp switches. Such an idea corresponds to the twelfth aspect, whereby a commutation loop can be secured from the time of commutation to after commutation, and stable commutation and overvoltage reduction after commutation are achieved. .

次に、本発明にかかるマルチレベルコンバータを一般化すると、例えば6レベルを超えるマルチレベルコンバータにも適用することが可能である。なお、この着想は請求項13に相当する。また、前述した各実施形態の単位コンバータを複数並列に接続して構成された単相または多相マルチレベルコンバータが、請求項15に相当する。   Next, when the multilevel converter according to the present invention is generalized, it can be applied to, for example, a multilevel converter exceeding six levels. This idea corresponds to claim 13. Further, a single-phase or multi-phase multi-level converter configured by connecting a plurality of unit converters of the above-described embodiments in parallel corresponds to claim 15.

請求項13の発明の実施形態を説明すると、図15に示すように、まず、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続してなる単体の逆導通スイッチ、または、この逆導通スイッチを複数直列に接続してなるn直列逆導通スイッチ(何れも符号Qとする)を構成する。
そして、直流電源の正極Pと負極Nとの間に複数のコンデンサC,C,……を直列に接続し、前記正極Pと交流入出力端子ACとの間に、複数の逆導通スイッチQを直列接続してなる第1の逆導通スイッチ群QG1を接続すると共に、交流入出力端子ACと前記負極Nとの間に、複数の逆導通スイッチQを直列接続してなる第2の逆導通スイッチ群QG2を接続する。
An embodiment of the invention of claim 13 will be described. As shown in FIG. 15, first, a single reverse conduction switch formed by connecting a controllable device and a diode in antiparallel, or a plurality of reverse conduction switches in series. N series reverse conduction switch (all are set to the code | symbol Q) is comprised.
A plurality of capacitors C, C,... Are connected in series between the positive electrode P and the negative electrode N of the DC power source, and a plurality of reverse conduction switches Q are connected between the positive electrode P and the AC input / output terminal AC. A first reverse conduction switch group QG1 connected in series and a plurality of reverse conduction switches Q connected in series between the AC input / output terminal AC and the negative electrode N are connected to each other. Connect the group QG2.

また、第1の逆導通スイッチ群QG1を構成する逆導通スイッチQ同士の接続点とコンデンサC,C,……同士の接続点との間に、第3の逆導通スイッチ群QG3を構成する複数の逆導通スイッチQをそれぞれ接続し、第2の逆導通スイッチ群QG2を構成する逆導通スイッチQ同士の接続点とコンデンサC,C,……同士の接続点との間に、第4の逆導通スイッチ群QG4を構成する複数の逆導通スイッチQをそれぞれ接続する。ここで、コンデンサC,C,……同士の接続点の電位は、何れも異なっている。
本発明は、上記のような構成のマルチレベルコンバータ全般について適用可能である。
A plurality of third reverse conduction switch groups QG3 are formed between the connection points of the reverse conduction switches Q constituting the first reverse conduction switch group QG1 and the connection points of the capacitors C, C,... Are connected between the connection points of the reverse conduction switches Q and the connection points of the capacitors C, C,... Constituting the second reverse conduction switch group QG2. A plurality of reverse conduction switches Q constituting the conduction switch group QG4 are connected to each other. Here, the potential at the connection point between the capacitors C, C,... Is different.
The present invention is applicable to all multilevel converters having the above-described configuration.

最後に、本発明にかかる制御方法(ゲート制御方法)を一般化した場合の実施形態を説明する。この制御方法は、請求項14に相当しており、図15に示したマルチレベルコンバータを対象とするものである。   Finally, an embodiment when the control method (gate control method) according to the present invention is generalized will be described. This control method corresponds to claim 14 and is intended for the multilevel converter shown in FIG.

すなわち、直流電源の正極Pに接続される逆導通スイッチを除いた第1の逆導通スイッチ群QG1の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチの正極P側の端子(当該逆導通スイッチを構成するIGBTのコレクタ端子)に接続された第3の逆導通スイッチ群QG3の逆導通スイッチにオン信号が与えられている。例えば、前述した図6及び図13において、逆導通スイッチQ2やQ3Bをオフする時には、逆導通スイッチQ7にオン信号が与えられている。
また、直流電源の負極Nに接続される逆導通スイッチを除いた第2の逆導通スイッチ群QG2の逆導通スイッチをオフする時には、当該逆導通スイッチの負極N側の端子(当該逆導通スイッチを構成するIGBTのエミッタ端子)に接続された第4の逆導通スイッチ群QG4の逆導通スイッチにオン信号が与えられている。例えば、前述した図6及び図14において、逆導通スイッチQ5やQ4Bをオフする時には、逆導通スイッチQ10にオン信号が与えられている。
That is, when turning off the reverse conduction switch of the first reverse conduction switch group QG1 excluding the reverse conduction switch connected to the positive electrode P of the DC power source, the terminal on the positive electrode P side of the reverse conduction switch (the reverse conduction switch is An ON signal is given to the reverse conduction switch of the third reverse conduction switch group QG3 connected to the collector terminal of the IGBT to be configured). For example, in FIGS. 6 and 13 described above, when the reverse conduction switch Q2 or Q3B is turned off, an ON signal is given to the reverse conduction switch Q7.
When turning off the reverse conduction switch of the second reverse conduction switch group QG2 excluding the reverse conduction switch connected to the negative electrode N of the DC power supply, the terminal on the negative electrode N side of the reverse conduction switch (the reverse conduction switch is An ON signal is given to the reverse conduction switch of the fourth reverse conduction switch group QG4 connected to the emitter terminal of the IGBT to be configured). For example, in FIGS. 6 and 14 described above, when turning off the reverse conduction switches Q5 and Q4B, an ON signal is given to the reverse conduction switch Q10.

更に、第1または第2の逆導通スイッチ群QG1,QG2に属する逆導通スイッチのうち、交流入力端子ACに接続された逆導通スイッチをスイッチングする時には、当該逆導通スイッチに接続された第3及び第4の逆導通スイッチ群QG3,QG4の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられている。例えば、前述した図6及び図13において、逆導通スイッチQ3BやQ4Bをスイッチングする時には、逆導通スイッチQ8A,Q9Aにオン信号が与えられている。
このような制御方法をとることにより、転流中から転流後にかけて転流ループが確保され、安定した転流が行われると共に転流後に逆導通スイッチに過電圧が印加されるのを防止することができる。
Further, among the reverse conduction switches belonging to the first or second reverse conduction switch group QG1, QG2, when switching the reverse conduction switch connected to the AC input terminal AC, the third and the third conduction switches connected to the reverse conduction switch An ON signal is given to the reverse conduction switches of the fourth reverse conduction switch groups QG3 and QG4. For example, in FIGS. 6 and 13 described above, when the reverse conduction switches Q3B and Q4B are switched, ON signals are given to the reverse conduction switches Q8A and Q9A.
By adopting such a control method, a commutation loop is secured from commutation to after commutation, and stable commutation is performed and overvoltage is prevented from being applied to the reverse conduction switch after commutation. Can do.

本発明の第1実施形態を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 6th Embodiment of this invention. 第2実施形態の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of 2nd Embodiment. 第2実施形態の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of 2nd Embodiment. 第2実施形態の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of 2nd Embodiment. 第2実施形態の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of 2nd Embodiment. 第1〜第5実施形態におけるゲート制御を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the gate control in 1st-5th embodiment. 第1〜第5実施形態におけるゲート制御を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the gate control in 1st-5th embodiment. 第6実施形態におけるゲート制御を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the gate control in 6th Embodiment. 第6実施形態におけるゲート制御を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the gate control in 6th Embodiment. 本発明を一般化したマルチレベルコンバータの構成図である。It is a block diagram of the multilevel converter which generalized this invention. 従来の3レベル単位コンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the conventional 3 level unit converter. 従来の3レベル単位コンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the conventional 3 level unit converter. 従来の単相3レベルインバータの構成図である。It is a block diagram of the conventional single phase 3 level inverter. 従来の3相3レベルインバータの構成図である。It is a block diagram of the conventional 3 phase 3 level inverter. 従来の4レベル単位コンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the conventional 4-level unit converter.

符号の説明Explanation of symbols

Q1〜Q7,Q10:逆導通スイッチ
Q1A,Q2A,Q2B,Q2C,Q3A,Q3B,Q3C,Q4A,Q4B,Q5A,Q6A,Q8A,Q9A:直列逆導通スイッチ
Q:逆導通スイッチ
QG1〜QG4;第1〜第4の逆導通スイッチ群
T1〜T6:可制御デバイス(IGBT)
D1〜D6:ダイオード
C,C1〜C5:コンデンサ
P:正極
N:負極
AC:交流入出力端子
Q1-Q7, Q10: Reverse conduction switch Q1A, Q2A, Q2B, Q2C, Q3A, Q3B, Q3C, Q4A, Q4B, Q5A, Q6A, Q8A, Q9A: Series reverse conduction switch Q: Reverse conduction switch QG1-QG4; -4th reverse conduction switch group T1-T6: Controllable device (IGBT)
D1-D6: Diode C, C1-C5: Capacitor P: Positive electrode N: Negative electrode AC: AC input / output terminal

Claims (15)

交流電力と直流電力とを相互に変換し、交流側に複数の電圧レベルを生じさせるマルチレベルコンバータにおいて、
直流電源の正極と負極との間に第1〜第3のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続して逆導通スイッチを構成し、前記正極と負極との間に第1〜第4の逆導通スイッチを順次直列に接続し、
第2の逆導通スイッチと第3の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とし、
第1の逆導通スイッチと第2の逆導通スイッチとの接続点と、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの接続点との間に第5の逆導通スイッチを接続し、
第3の逆導通スイッチと第4の逆導通スイッチとの接続点と、第2のコンデンサと第3のコンデンサとの接続点との間に第6の逆導通スイッチを接続したことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
In a multi-level converter that converts AC power and DC power to each other and generates multiple voltage levels on the AC side,
The first to third capacitors are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply,
A controllable device and a diode are connected in antiparallel to form a reverse conduction switch, and first to fourth reverse conduction switches are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode,
The connection point between the second reverse conduction switch and the third reverse conduction switch is an AC input / output terminal,
A fifth reverse conduction switch is connected between a connection point between the first reverse conduction switch and the second reverse conduction switch and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
A sixth reverse conduction switch is connected between a connection point between the third reverse conduction switch and the fourth reverse conduction switch and a connection point between the second capacitor and the third capacitor. Multi-level converter.
交流電力と直流電力とを相互に変換し、交流側に複数の電圧レベルを生じさせるマルチレベルコンバータにおいて、
直流電源の正極と負極との間に第1〜第3のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対により、またはこの対を複数直列に接続することにより逆導通スイッチを構成すると共に、前記正極と負極との間に第1〜第4の逆導通スイッチを順次直列に接続し、
第1〜第4の逆導通スイッチのうち少なくとも2つは可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を複数直列に接続して構成し、
第2の逆導通スイッチと第3の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とし、
第1の逆導通スイッチと第2の逆導通スイッチとの接続点と、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの接続点との間に第5の逆導通スイッチを接続し、
第3の逆導通スイッチと第4の逆導通スイッチとの接続点と、第2のコンデンサと第3のコンデンサとの接続点との間に第6の逆導通スイッチを接続したことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
In a multi-level converter that converts AC power and DC power to each other and generates multiple voltage levels on the AC side,
The first to third capacitors are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply,
A reverse conduction switch is configured by a pair of controllable devices and diodes connected in antiparallel, or by connecting a plurality of pairs in series, and the first to fourth reverse conductions between the positive electrode and the negative electrode Connect the switches in series,
At least two of the first to fourth reverse conduction switches are configured by connecting a plurality of pairs in which a controllable device and a diode are connected in antiparallel, connected in series,
The connection point between the second reverse conduction switch and the third reverse conduction switch is an AC input / output terminal,
A fifth reverse conduction switch is connected between a connection point between the first reverse conduction switch and the second reverse conduction switch and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
A sixth reverse conduction switch is connected between a connection point between the third reverse conduction switch and the fourth reverse conduction switch and a connection point between the second capacitor and the third capacitor. Multi-level converter.
請求項2に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第2及び第3の逆導通スイッチを、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を2つ直列に接続して構成すると共に、
第1〜第3のコンデンサの電圧を略等しくしたことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
The multi-level converter according to claim 2,
The second and third reverse conducting switches are configured by connecting two pairs of controllable devices and diodes connected in antiparallel in series,
A multilevel converter characterized in that the voltages of the first to third capacitors are substantially equal.
請求項2に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第2及び第3の逆導通スイッチを、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を3つ直列に接続して構成すると共に、
第1のコンデンサの電圧を第3のコンデンサの電圧と略等しくし、第2のコンデンサの電圧を第1または第3のコンデンサの電圧の略2倍としたことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
The multi-level converter according to claim 2,
The second and third reverse conducting switches are configured by connecting three pairs of controllable devices and diodes connected in antiparallel in series,
A multi-level converter, characterized in that the voltage of the first capacitor is substantially equal to the voltage of the third capacitor, and the voltage of the second capacitor is approximately twice the voltage of the first or third capacitor.
請求項2に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第2及び第3の逆導通スイッチを、可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対を4つ直列に接続して構成すると共に、
第1のコンデンサの電圧を第3のコンデンサの電圧と略等しくし、第2のコンデンサの電圧を第1または第3のコンデンサの電圧の略3倍としたことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
The multi-level converter according to claim 2,
The second and third reverse conducting switches are configured by connecting four pairs of controllable devices and diodes connected in antiparallel in series,
A multi-level converter, characterized in that the voltage of the first capacitor is substantially equal to the voltage of the third capacitor, and the voltage of the second capacitor is approximately three times the voltage of the first or third capacitor.
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第1または第2の逆導通スイッチがオン状態の時に第6の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第1の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第5の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第2の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第3の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第6の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第4の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
の何れかを有することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
In the multi-level converter according to any one of claims 1 to 5,
An ON signal is given to the sixth reverse conduction switch when the first or second reverse conduction switch is in the ON state;
A mode in which an ON signal is applied to the fifth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the first reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the third reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the second reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the fourth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the sixth reverse conduction switch;
A control method for a multi-level converter, comprising:
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第3または第4の逆導通スイッチがオン状態の時に第5の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第4の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第6の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第3の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第2の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第5の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第1の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
の何れかを有することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
In the multi-level converter according to any one of claims 1 to 5,
An ON signal is given to the fifth reverse conduction switch when the third or fourth reverse conduction switch is in the ON state,
A mode in which an ON signal is applied to the sixth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the fourth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the second reverse conducting switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the third reverse conducting switch;
A mode in which an ON signal is applied to the first reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since an OFF signal is applied to the fifth reverse conduction switch;
A control method for a multi-level converter, comprising:
請求項6または7に記載したマルチレベルコンバータの制御方法において、
第2または第3の逆導通スイッチをスイッチングする時に、第5及び第6の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられていることを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
In the control method of the multilevel converter according to claim 6 or 7,
A control method for a multilevel converter, wherein when the second or third reverse conducting switch is switched, an ON signal is given to both the fifth and sixth reverse conducting switches.
交流電力と直流電力とを相互に変換し、交流側に複数の電圧レベルを生じさせるマルチレベルコンバータにおいて、
直流電源の正極と負極との間に第1〜第5のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続した対により、またはこの対を複数直列に接続することにより逆導通スイッチを構成すると共に、前記正極と負極との間に第1〜第6の逆導通スイッチを順次直列に接続し、
第3の逆導通スイッチと第4の逆導通スイッチとの接続点を交流入出力端子とし、
第1の逆導通スイッチと第2の逆導通スイッチとの接続点と、第1のコンデンサと第2のコンデンサとの接続点との間に第7の逆導通スイッチを接続し、
第2の逆導通スイッチと第3の逆導通スイッチとの接続点と、第2のコンデンサと第3のコンデンサとの接続点との間に第8の逆導通スイッチを接続し、
第4の逆導通スイッチと第5の逆導通スイッチとの接続点と、第3のコンデンサと第4のコンデンサとの接続点との間に第9の逆導通スイッチを接続し、
第5の逆導通スイッチと第6の逆導通スイッチとの接続点と、第4のコンデンサと第5のコンデンサとの接続点との間に第10の逆導通スイッチを接続したことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
In a multi-level converter that converts AC power and DC power to each other and generates multiple voltage levels on the AC side,
The first to fifth capacitors are sequentially connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power source,
A reverse conduction switch is formed by a pair of controllable devices and diodes connected in antiparallel or by connecting a plurality of pairs in series, and first to sixth reverse conductions between the positive electrode and the negative electrode Connect the switches in series,
The connection point between the third reverse conduction switch and the fourth reverse conduction switch is an AC input / output terminal,
A seventh reverse conduction switch is connected between a connection point between the first reverse conduction switch and the second reverse conduction switch and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
An eighth reverse conduction switch is connected between a connection point between the second reverse conduction switch and the third reverse conduction switch and a connection point between the second capacitor and the third capacitor;
A ninth reverse conduction switch is connected between a connection point between the fourth reverse conduction switch and the fifth reverse conduction switch and a connection point between the third capacitor and the fourth capacitor;
A tenth reverse conduction switch is connected between a connection point between the fifth reverse conduction switch and the sixth reverse conduction switch and a connection point between the fourth capacitor and the fifth capacitor. Multi-level converter.
請求項9に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第1〜第3の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時に第9及び第10の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第1の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第7の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第2の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第8の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第3の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第4の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第9の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第5の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第10の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第6の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
の何れかを有することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
The multi-level converter according to claim 9,
An ON signal is given to the ninth and tenth reverse conduction switches when any of the first to third reverse conduction switches is in an ON state,
A mode in which an ON signal is given to the seventh reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal was given to the first reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the eighth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the second reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is given to the fourth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is given to the third reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the fifth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since an OFF signal is applied to the ninth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the sixth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the tenth reverse conduction switch;
A control method for a multi-level converter, comprising:
請求項9に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
第4〜第6の何れかの逆導通スイッチがオン状態の時に第7及び第8の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第6の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第10の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第5の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第9の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第4の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第3の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第8の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第2の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
第7の逆導通スイッチにオフ信号を与えてから所定のディレータイム経過後に第1の逆導通スイッチにオン信号を与えるモードと、
の何れかを有することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
The multi-level converter according to claim 9,
An ON signal is given to the seventh and eighth reverse conduction switches when any of the fourth to sixth reverse conduction switches is in an ON state,
A mode in which an ON signal is applied to the tenth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the sixth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the ninth reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the fifth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the third reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the fourth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is applied to the second reverse conducting switch after a predetermined delay time has elapsed since the OFF signal is applied to the eighth reverse conducting switch;
A mode in which an ON signal is applied to the first reverse conduction switch after a predetermined delay time has elapsed since an OFF signal is applied to the seventh reverse conduction switch;
A control method for a multi-level converter, comprising:
請求項10または11に記載したマルチレベルコンバータの制御方法において、
第2の逆導通スイッチをオフする時に第7の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
第5の逆導通スイッチをオフする時に第10の逆導通スイッチにオン信号が与えられているモードと、
第3または第4の逆導通スイッチをオフする時に第8及び第9の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられているモードと、
の何れかを有することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
In the control method of the multilevel converter according to claim 10 or 11,
An on signal is given to the seventh reverse conduction switch when the second reverse conduction switch is turned off,
A mode in which an ON signal is given to the tenth reverse conduction switch when turning off the fifth reverse conduction switch;
A mode in which an ON signal is given to both the eighth and ninth reverse conduction switches when turning off the third or fourth reverse conduction switch;
A control method for a multi-level converter, comprising:
交流電力と直流電力とを相互に変換し、交流側に複数の電圧レベルを生じさせるマルチレベルコンバータにおいて、
直流電源の正極と負極との間に複数のコンデンサを順次直列に接続し、
可制御デバイスとダイオードとを逆並列に接続してなる対により、またはこの対を複数直列に接続することにより逆導通スイッチを構成すると共に、
前記正極と交流入出力端子との間に、前記逆導通スイッチを複数直列に接続してなる第1の逆導通スイッチ群を接続し、
交流入出力端子と前記負極との間に、前記逆導通スイッチを複数直列に接続してなる第2の逆導通スイッチ群を接続し、
第1の逆導通スイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と前記コンデンサ同士の接続点との間に、第3の逆導通スイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチをそれぞれ接続し、
第2の逆導通スイッチ群を構成する逆導通スイッチ同士の接続点と前記コンデンサ同士の接続点との間に、第4の逆導通スイッチ群を構成する複数の逆導通スイッチをそれぞれ接続し、
前記コンデンサ同士の接続点の電位を何れも異なる電位としたことを特徴とするマルチレベルコンバータ。
In a multi-level converter that converts AC power and DC power to each other and generates multiple voltage levels on the AC side,
Connect a plurality of capacitors in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply,
A reverse conduction switch is formed by a pair formed by connecting a controllable device and a diode in antiparallel, or by connecting a plurality of pairs in series.
A first reverse conduction switch group formed by connecting a plurality of the reverse conduction switches in series is connected between the positive electrode and the AC input / output terminal.
A second reverse conduction switch group formed by connecting a plurality of the reverse conduction switches in series between an AC input / output terminal and the negative electrode;
A plurality of reverse conduction switches constituting a third reverse conduction switch group are respectively connected between a connection point between the reverse conduction switches constituting the first reverse conduction switch group and a connection point between the capacitors,
A plurality of reverse conduction switches constituting the fourth reverse conduction switch group are respectively connected between a connection point between the reverse conduction switches constituting the second reverse conduction switch group and a connection point between the capacitors,
A multi-level converter characterized in that the potentials of the connection points of the capacitors are all different potentials.
請求項13に記載したマルチレベルコンバータにおいて、
直流電源の正極に接続される逆導通スイッチを除いた第1の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチをオフする時に、当該逆導通スイッチの前記正極側の端子に接続された第3の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチにオン信号が与えられており、
直流電源の負極に接続される逆導通スイッチを除いた第2の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチをオフする時に、当該逆導通スイッチの前記負極側の端子に接続された第4の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチにオン信号が与えられているモードと、
第1または第2の逆導通スイッチ群に属する逆導通スイッチのうち、交流入力端子に接続された逆導通スイッチをスイッチングする時に、当該逆導通スイッチに接続された第3及び第4の逆導通スイッチ群の逆導通スイッチに共にオン信号が与えられているモードと、
の何れかを有することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
The multi-level converter according to claim 13,
The third reverse conduction switch connected to the positive terminal of the reverse conduction switch when turning off the reverse conduction switch of the first reverse conduction switch group excluding the reverse conduction switch connected to the positive electrode of the DC power supply ON signal is given to the reverse conduction switch of the group,
The fourth reverse conduction switch connected to the negative terminal of the reverse conduction switch when turning off the reverse conduction switch of the second reverse conduction switch group excluding the reverse conduction switch connected to the negative electrode of the DC power supply A mode in which an ON signal is given to the reverse conduction switch of the group;
Of the reverse conduction switches belonging to the first or second reverse conduction switch group, the third and fourth reverse conduction switches connected to the reverse conduction switch when switching the reverse conduction switch connected to the AC input terminal. A mode in which an ON signal is given to the reverse conduction switch of the group;
A control method for a multi-level converter, comprising:
請求項1〜5,9,13の何れか1項に記載したマルチレベルコンバータを単位コンバータとして用い、この単位コンバータを複数並列に接続して構成したことを特徴とする単相または多相マルチレベルコンバータ。   A single-phase or multi-phase multi-level, wherein the multi-level converter according to any one of claims 1 to 5, 9, and 13 is used as a unit converter and a plurality of the unit converters are connected in parallel. converter.
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