JP2021016242A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】 実施形態による電力変換装置は、正側直流端と負側直流端との間に接続された第２回路４００と、第２回路４００と交流端との間に接続された第１回路３００と、を備え、第１回路３００は、インバータセル１００と、第１スイッチング素子１ＵＮと、第１ダイオード４ＵＮと、第１コンデンサ３ＵＮと、を備えた第１スイッチ回路１０１Ｎを、一または複数直列に接続して構成された、上アームと、第２スイッチング素子１ＸＭと、第２ダイオード４ＸＭと、第２コンデンサ３ＸＭと、を備えた第２スイッチ回路１０２Ｍを、一または複数直列に接続して構成された下アームと、インバータセル１００の低電位側端と第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端とを接続し、インバータセル１００の高電位側端と第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端とを接続する回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

例えば、スイッチングループに存在する寄生インダクタンスと、スイッチングにより生じるサージ電圧とを抑制するスナバ回路を備えた電力変換装置によれば、スナバ回路に吸収されたサージ電圧のエネルギーを直流電源に回生することにより、エネルギー効率を改善することが可能である。

また、近年、複数レベルの電圧出力が可能なマルチレベル電力変換装置が提案されている。マルチレベル電力変換器では、出力電圧を多レベル化することにより、スイッチング速度を高速にすることなく、スイッチング損失を抑制することが可能である。

特開平７−２１３０７６号公報

しかしながら、上記のスナバ回路を備えた電力変換装置は、スイッチング速度を高速にしたことにより生じるサージ電圧のエネルギーをスナバ回路に吸収させるものであって、スイッチング速度が低速であるときにスイッチングによる損失を抑制することが困難であった。

また、ダイオードクランプ型のマルチレベル変換装置や、フライングキャパシタ型のマルチレベル変換装置においては、スイッチング素子の１素子当たりの印加電圧を下げることによりスイッチングスピードを高くせずにスイッチング損失を減らすことができる。ただし、ダイオードクランプ型およびフライングキャパシタ型のマルチレベル電力変換装置は、スイッチングループ内の寄生インダクタンスが従来の２レベルの電力変換装置よりも大きくなり、より大きなサージ電圧が発生することがある。この場合には、スイッチング速度を更に低くしてサージ電圧を抑制しなければならず、スイッチング損失の低減効果を十分に生かすことができなかった。

また、モジュラー型のマルチレベル変換装置は２直列のスイッチングデバイスに並列接続された直流コンデンサで構成される１モジュール内でスイッチングループが閉じた構成を備える。この構成により寄生インダクタンスが大きくなることはないため、サージ電圧を抑制するためにスイッチング速度を低くする必要はない。一方で、直流コンデンサに交流周波数の１次成分（基本波成分）、または、２次成分の電流が流れるため、直流コンデンサを大きくする必要があり、電力変換装置を小型化することが困難であった。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態による電力変換装置は、高電位側端にて正側直流端に電気的に接続され、低電位側端にて中間端に電気的に接続された上側高耐圧インバータセルと、高電位側端にて中間端に電気的に接続され、低電位側端にて負側直流端に電気的に接続された下側高耐圧インバータセルと、交流端と高電位側端との間に接続された上側スイッチング素子と、交流端と低電位側端との間に接続された下側スイッチング素子と、高電位側端と低電位側端との間において前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子に対して並列に接続されたフローティングコンデンサと、を有するインバータセルと、前記インバータセルの高電位側端と前記上側高耐圧インバータセルの出力端との間に接続され、第１スイッチング素子を有する第１スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された上アームと、前記インバータセルの低電位側端と前記下側高耐圧インバータセルの出力端との間に接続され、第２スイッチング素子を有する第２スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された下アームと、を備え、前記上側高耐圧インバータセルおよび前記下側高耐圧インバータセルは、高電位側端と出力端との間に接続された上側高耐圧スイッチング素子と、低電位側端と出力端との間に接続された下側高耐圧スイッチング素子と、高電位側端と低電位側端との間に接続された直流コンデンサと、を備え、前記第１スイッチ回路の少なくとも１つが、前記第１スイッチング素子の低電位側端にカソードが接続された第１ダイオードと、前記第１ダイオードのアノードと前記第１スイッチング素子の高電位側端との間に接続された第１コンデンサと、を有するときは、前記インバータセルの低電位側端と前記第１コンデンサの低電位側端とを接続する第１回生整流回路を有し、前記第２スイッチ回路の少なくとも１つが、前記第２スイッチング素子の高電位側端にアノードが接続された第２ダイオードと、前記第２ダイオードのカソードと前記第２スイッチング素子の低電位側端との間に接続された第２コンデンサと、を有するときは、前記インバータセルの高電位側端と前記第２コンデンサの高電位側端とを接続する第２回生整流回路を有する。

図１は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図２は、第１実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。 図３は、一実施形態の電力変換装置の第１回路の動作の一例を説明するための図である。 図４は、一実施形態の電力変換装置の第１回路の動作の他の例を説明するための図である。 図５Ａは、従来の２レベルインバータにおいて、スイッチング素子がターンオンすることにより生じる損失の一例を比較例として示す図である。 図５Ｂは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオンすることによりアームに生じる損失の一例を示す図である。 図５Ｃは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオンすることにより素子毎に生じる損失の一例を示す図である。 図６Ａは、従来の２レベルインバータにおいて、スイッチング素子がターンオフすることにより生じる損失の一例を比較例として示す図である。 図６Ｂは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオフすることによりアームに生じる損失の一例を示す図である。 図６Ｃは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオフすることにより素子毎に生じる損失の一例を示す図である。 図７Ａは、従来の２レベルインバータにおいて生じるリカバリ損失の一例を比較例として示す図である。 図７Ｂは、一実施形態の電力変換装置において生じるリカバリ損失の一例を示す図である。 図８は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図９は、第２実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。 図１０は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図１１は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図１２は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図１３は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図１４は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図１５は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図１６は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。

以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００と、第２回路４００と、正側直流端２０９と、負側直流端２１０と、交流端２１２と、を備えている。

第１回路３００は、インバータセル１００と、上アームと、下アームと、ｎ個（ｎは２以上の整数）の第１回生整流回路（回生整流ダイオード６ＵＮおよび第１抵抗器５ＵＮ）と、ｍ個（ｍは２以上の整数）の第２回生整流回路（回生整流ダイオード６ＸＭおよび第２抵抗器５ＸＭ）と、を備えている。ここで、ＮとＭはそれぞれＮ＝２〜ｎ、Ｍ＝２〜ｍであり、以後、他の定義が示されていなければ同様とする。

本実施形態の電力変換装置の上アームは、ｎ個のスイッチ回路（電圧型クランプ型スイッチ回路）１０１Ｎを備える。本実施形態の電力変換装置の下アームは、ｍ個のスイッチ回路（電圧型クランプ型スイッチ回路）１０２Ｍを備える。

なお、本実施形態の電力変換装置には、正側直流端２０９と負側直流端２１０との間（若しくは、正側直流端２０９と中間端２１１との間および中間端２１１と負側直流端２１０との間）に直流コンデンサ（図示せず）が電気的に接続される。直流コンデンサは、電力変換装置に含まれていてもよく、電力変換装置の外部に取り付けられても構わない。

インバータセル１００は、スイッチング素子（上側スイッチング素子）１Ｕと、スイッチング素子（下側スイッチング素子）１Ｘと、フローティングコンデンサ２と、正側セル端子（高電位側端）２００と、負側セル端子（低電位側端）２０１と、セル交流端子（交流端）２０２と、を備えている。なお、正側セル端子２００と、負側セル端子２０１と、セル交流端子２０２とは、これらの端子の位置にて回路が電気的に接続可能な構成であればよく、端子は省略されても構わない。

スイッチング素子１Ｕとスイッチング素子１Ｘとは、例えばＭＯＳＦＥＴ（半導体電界効果トランジスタ：metal-oxide semiconductor field-effect transistor）である。スイッチング素子１Ｕのドレイン（高電位側端）は正側セル端子２００と電気的に接続され、ソース（低電位側端）はスイッチング素子１Ｘのドレイン（高電位側端）と電気的に接続されている。スイッチング素子１Ｘのソース（低電位側端）は負側セル端子２０１と電気的に接続されている。スイッチング素子１Ｕとスイッチング素子１Ｘとの間は、セル交流端子２０２と電気的に接続されている。

フローティングコンデンサ２は、スイッチング素子１Ｕおよびスイッチング素子１Ｘと並列に接続している。フローティングコンデンサ２の一端は、スイッチング素子１Ｕのドレインおよび正側セル端子２００と電気的に接続し、フローティングコンデンサ２の他端はスイッチング素子１Ｘのソースおよび負側セル端子２０１と電気的に接続されている。

ｎ個のスイッチ回路（第１スイッチ回路）１０１Ｎのそれぞれは、スイッチング素子（第１スイッチング素子）１ＵＮと、ダイオード（第１ダイオード）４ＵＮと、コンデンサ（第１コンデンサ）３ＵＮと、スナバ端子２０５Ｎと、正側端子２０３Ｎと、負側端子２０４Ｎと、を備えている。

なお、スナバ端子２０５Ｎと、正側端子２０３Ｎと、負側端子２０４Ｎとは、これらの端子の位置において回路が電気的に接続可能な構成であればよく、端子を省略しても構わない。また、スイッチ回路１０１Ｎは、複数のスイッチング素子１ＵＮを備えていてもよい。その場合、複数のスイッチング素子１ＵＮは、正側端子２０３Ｎと負側端子２０４Ｎとの間において、コンデンサ３ＵＮおよびダイオード４ＵＮに対して並列に接続される。複数のスイッチング素子１ＵＮは互いに直列に接続されてもよく、互いに並列に接続されてもよい。

スイッチング素子１ＵＮは、例えばＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１ＵＮのドレイン（高電位側端）は正側端子２０３Ｎと電気的に接続され、スイッチング素子１ＵＮのソース（低電位側端）は負側端子２０４Ｎと電気的に接続されている。

ダイオード４ＵＮは、カソードがスイッチング素子１ＵＮのソースおよび負側端子２０４Ｎと電気的に接続され、アノードがスナバ端子２０５Ｎと電気的に接続されている。なお、ダイオード４ＵＮは、リカバリ損失が低いファストリカバリ特性を備えることが望ましく、例えば、リカバリ特性のよいショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）やワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を利用した素子を使用することが望ましい。

コンデンサ３ＵＮは、一端（高電位側端）がスイッチング素子１ＵＮのドレインおよび正側端子２０３Ｎと電気的に接続され、他端（低電位側端）がダイオード４ＵＮのアノードと電気的に接続するとともにスナバ端子２０５Ｎと電気的に接続されている。

ｎ個のスイッチ回路１０１Ｎは、直列に接続されている。すなわち、スイッチ回路１０１Ｎの正側端子（高電位側端）２０３Ｎは高電位側にて隣り合うスイッチ回路１０１Ｎの負側端子（低電位側端）２０４Ｎと電気的に接続され、最も高電位側のスイッチ回路１０１Ｎの正側端子２０３Ｎ（Ｎ＝ｎ）は、第２回路４００と電気的に接続されている。スイッチ回路１０１Ｎの負側端子２０４Ｎは低電位側にて隣り合うスイッチ回路１０１Ｎの正側端子２０３Ｎと電気的に接続され、最も低電位側のスイッチ回路１０１Ｎの負側端子２０４Ｎ（Ｎ＝１）は、インバータセル１００の正側セル端子２００と電気的に接続されている。

ｎ個の回生整流ダイオード６ＵＮ（Ｎ＝１〜ｎ）は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、スイッチング素子１Ｘの低電位側の端子（インバータセル１００の低電位側端）と最も低電位側に配置された第１スイッチ回路１０１１のコンデンサ３Ｕ１の低電位側端との間、および、隣接した第１スイッチ回路１０１Ｎのコンデンサ３ＵＮの低電位側端の間にそれぞれ接続され、互いに直列に接続されている。

回生整流ダイオード（第１回生整流ダイオード）６ＵＮ（Ｎ＝１〜ｎ）それぞれのカソードは、スイッチ回路１０１Ｎのスナバ端子２０５Ｎ（Ｎ＝１〜ｎ）および高電位側にて隣接する回生整流ダイオード６ＵＮ（Ｎ＝１〜ｎ）のアノードと電気的に接続されている。例えば、回生整流ダイオード６Ｕｋ（１≦ｋ≦ｎ−１）のカソードは、スイッチ回路１０１ｋのスナバ端子２０５ｋおよび回生整流ダイオード６Ｕ（ｋ＋１）のアノードと電気的に接続されている。

抵抗器５ＵＮは、一端において、ダイオード４ＵＮとコンデンサ３ＵＮとの並列回路に直列に接続されている。抵抗器５ＵＮの他端は、低電位側に接続されたスイッチ回路１０１Ｎのコンデンサ３ＵＮと抵抗器５ＵＮとが直列に接続された回路と、回生整流ダイオード６ＵＮを介して電気的に接続される。最も低電位側に配置されたスイッチ回路１０１Ｎ（Ｎ＝１）の抵抗器５ＵＮの他端は、スナバ端子２０５Ｎおよび回生整流ダイオード６ＵＮを介して、インバータセル１００の負側セル端子２０１と電気的に接続されている。

ｍ個のスイッチ回路（第２スイッチ回路）１０２Ｍのそれぞれは、スイッチング素子（第２スイッチング素子）１ＸＭと、ダイオード(第２ダイオード)４ＸＭと、コンデンサ（第２コンデンサ）３ＸＭと、スナバ端子２０８Ｍと、正側端子２０６Ｍと、負側端子２０７Ｍと、を備えている。

なお、正側端子２０６Ｍと、負側端子２０７Ｍと、スナバ端子２０８Ｍとは、これらの端子の位置にて回路が電気的に接続可能な構成であればよく、端子を省略しても構わない。また、スイッチ回路１０２Ｍは、複数のスイッチング素子１ＸＭを備えていてもよい。その場合、複数のスイッチング素子１ＸＭは、正側端子２０６Ｍと負側端子２０７Ｍとの間において、コンデンサ３ＸＭおよびダイオード４ＸＭに対して並列に接続される。複数のスイッチング素子１ＸＭは互いに直列に接続されてもよく、互いに並列に接続されてもよい。

スイッチング素子１ＸＭは、例えばＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１ＸＭのドレイン（高電位側端）は、正側端子２０６Ｍと電気的に接続され、ソース（低電位側端）は負側端子２０７Ｍと電気的に接続されている。

ダイオード４ＸＭは、アノードがスイッチング素子１ＸＭのドレインおよび正側端子２０６Ｍと電気的に接続し、カソードがスナバ端子２０８Ｍと電気的に接続している。なお、ダイオード４ＸＭは、リカバリ損失が低いファストリカバリ特性を備えることが望ましく、例えば、リカバリ特性のよいショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）やワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を利用した素子を使用することが望ましい。

コンデンサ３ＸＭは、一端（低電位側端）がスイッチング素子１ＸＭのソースおよび負側端子２０７Ｍと電気的に接続され、他端（高電位側端）がダイオード４ＸＭのカソード電気的に接続されているとともにスナバ端子２０８Ｍと電気的に接続している。

ｍ個のスイッチ回路１０２Ｍは、直列に接続している。すなわち、スイッチ回路１０２Ｍの正側端子２０６Ｍは高電位側にて隣り合うスイッチ回路１０２Ｍの負側端子２０７Ｍと電気的に接続し、最も高電位側のスイッチ回路１０２Ｍの正側端子２０６Ｍ（Ｍ＝１）は、インバータセル１００の負側セル端子２０１と電気的に接続する。スイッチ回路１０２Ｍの負側端子２０７Ｍは低電位側にて隣り合うスイッチ回路１０２Ｍの正側端子２０６Ｍと電気的に接続し、最も低電位側のスイッチ回路１０２Ｍの負側端子２０７Ｍ（Ｍ＝ｍ）は、第２回路４００と電気的に接続する。

ｍ個の回生整流ダイオード（第２回生整流ダイオード）６ＸＭ（Ｍ＝１〜ｍ）は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、隣接した第２スイッチ回路１０２Ｍのコンデンサ３ＸＭの高電位側端の間、および、スイッチング素子１Ｕの高電位側の端子（インバータセル１００の高電位側端）と最も高電位側に配置された第２スイッチ回路１０２１のコンデンサ３Ｘ１との高電位側端の間にそれぞれ接続され、互いに直列に接続されている。

回生整流ダイオード６ＸＭ（Ｍ＝１〜ｍ）それぞれのアノードは、スイッチ回路１０２Ｍのスナバ端子２０８Ｍ（Ｍ＝１〜ｍ）および低電位側にて隣接する回生整流ダイオード６ＸＭ（Ｍ＝１〜ｍ）のカソードと電気的に接続されている。例えば、回生整流ダイオード６Ｘｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）のアノードは、スイッチ回路１０２ｊのスナバ端子２０８ｊおよび回生整流ダイオード６Ｘ（ｊ＋１）のカソードと電気的に接続されている。

抵抗器５ＸＭは、一端において、ダイオード４ＸＭとコンデンサ３ＸＭとの並列回路と直列に接続されている。抵抗器５ＸＭの他端は、高電位側に接続されたスイッチ回路１０２Ｍのコンデンサ３ＸＭと抵抗器５ＸＭとが直列に接続された回路と、回生整流ダイオード６ＸＭを介して電気的に接続される。最も高電位側に配置されたスイッチ回路１０２Ｍ（Ｍ＝１）の抵抗器５ＸＭの他端は、スナバ端子２０８Ｍおよび回生整流ダイオード６ＸＭを介して、インバータセル１００の正側セル端子２００と電気的に接続されている。

すなわち、本実施形態の電力変換装置は、第１スイッチ回路１０１Ｎの少なくとも１つが第１スイッチング素子１ＵＮの低電位側端にカソードが接続された第１ダイオード４ＵＮと、第１ダイオード４ＵＮのアノードと第１スイッチング素子１ＵＮの高電位側端との間に接続された第１コンデンサ３ＵＮと、を備えるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端および上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端とを接続する回生整流回路を備えている。

また、本実施形態の電力変換装置は、第２スイッチ回路１０２Ｘの少なくとも１つが第２スイッチング素子１ＸＭの高電位側端にアノードが接続された第２ダイオード４ＸＭと、第２ダイオード４ＸＭのカソードと第２スイッチング素子１ＸＭの低電位側端との間に接続された第２コンデンサ３ＸＭと、を備えるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の高電位側端および下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端を接続する回生整流回路を備えている。

なお、本実施形態の電力変換装置において、スイッチ回路１０１Ｎの数ｎとスイッチ回路１０２Ｍの数ｍとは、同じであることが望ましいが、ｎとｍとは異なる数であっても構わない。

また、本実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子１Ｕ、１Ｘ、１ＵＮ、１ＸＭは、ＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar transistor）や機械スイッチなどでも構わない。

また、電圧定格や電流定格が異なる素子をスイッチング素子１Ｕ、１Ｘ、１ＵＮ、１ＸＭとして用いた場合であっても本実施形態の効果を得ることができるが、電圧定格や電流定格が同一である素子をスイッチング素子１Ｕ、１Ｘ、１ＵＮ、１ＸＭとして用いることが望ましい。
また、第１回路３００が備えている第１抵抗器５ＵＮおよび第２抵抗器５ＸＭを、リアクトル若しくはインダクタンス素子に置き換えても構わない。

第２回路４００は、上側高耐圧インバータセル１０６ｐと、下側高耐圧インバータセル１０６ｎと、を備えている。
上側高耐圧インバータセル１０６ｐと下側高耐圧インバータセル１０６ｎとは、正側直流端２０９と負側直流端２１０との間に直列に接続されている。上側高耐圧インバータセル１０６ｐと下側高耐圧インバータセル１０６ｎとの間は、本実施形態の電力変換装置の全体の回路の中間端子２１１と電気的に接続されている。

上側高耐圧インバータセル１０６ｐは、高耐圧スイッチング素子８ｐｕ、８ｐｘと、直流コンデンサ９ｐと、を備えている。高耐圧スイッチング素子８ｐｕと高耐圧スイッチング素子８ｐｘとは、例えば高耐圧のＭＯＳＦＥＴである。
高耐圧スイッチング素子（上側高耐圧スイッチング素子）８ｐｕ、８ｎｕは、高耐圧インバータセル１０６ｐ、１０６ｎの高電位側端と出力端との間に接続されている。高耐圧スイッチング素子（下側高耐圧スイッチング素子）８ｐｘ、８ｎｘは、高耐圧インバータセル１０６ｐ、１０６ｎの低電位側端と出力端との間に接続されている。

高耐圧スイッチング素子８ｐｕは、ドレインにて正側直流端２０９と電気的に接続され、ソースにて高耐圧スイッチング素子８ｐｘのドレインと電気的に接続されている。高耐圧スイッチング素子８ｐｘは、ソースにて下側高耐圧インバータセル１０６ｎと電気的に接続されている。
直流コンデンサ９ｐは、高耐圧スイッチング素子８ｐｕのドレインと、高耐圧スイッチング素子８ｐｘのソースとの間に接続されている。

上側高耐圧インバータセル１０６ｐは、高耐圧スイッチング素子８ｐｕと高耐圧スイッチング素子８ｐｘとの間において、ｎ番目のスイッチ回路（第１スイッチ回路）１０１ｎの正側端子２０３ｎと電気的に接続されている。

下側高耐圧インバータセル１０６ｎは、高耐圧スイッチング素子８ｎｕ、８ｎｘと、直流コンデンサ９ｎと、を備えている。高耐圧スイッチング素子８ｐｕと高耐圧スイッチング素子８ｐｘとは、例えば高耐圧のＭＯＳＦＥＴである。

高耐圧スイッチング素子８ｎｕ（上側高耐圧スイッチング素子）は、ドレインにて上側高耐圧インバータセル１０６ｐと電気的に接続され、ソースにて高耐圧スイッチング素子８ｎｘのドレインと電気的に接続されている。高耐圧スイッチング素子（下側高耐圧スイッチング素子）８ｎｘは、ソースにて負側直流端２１０と電気的に接続されている。
直流コンデンサ９ｎは、高耐圧スイッチング素子８ｎｕのドレインと、高耐圧スイッチング素子８ｎｘのソースとの間に接続されている。

下側高耐圧インバータセル１０６ｎは、高耐圧スイッチング素子８ｎｕと高耐圧スイッチング素子８ｎｘとの間において、ｍ番目のスイッチ回路（第２スイッチ回路）１０２ｍの負側端子２０７ｍと電気的に接続されている。
なお、本実施形態の電力変換装置において、高耐圧スイッチング素子８ｐｕ、８ｐｘ、８ｎｕ、８ｎｘは、ＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar transistor）や機械スイッチなどでも構わない。

本実施形態の電力変換装置では、正側直流端２０９と、負側直流端２１０と、正側直流端２０９と中間端子２１１との間および負側直流端２１０と中間端子２１１との間に接続された直流コンデンサ（図示せず）と、を介して閉回路が構成される。この閉回路に寄生する寄生インダクタンス（図示せず）によりサージ電圧が発生するときがある。このとき、本実施形態の電力変換装置では、コンデンサ３ＵＮ、３ＸＭにより発生したサージ電圧を抑制することが可能である。

次に、本実施形態の電力変換装置の動作の一例について説明する。
図２は、第１実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。
ここでは、第２回路４００の高耐圧スイッチング素子８ｐｕ、８ｐｘ、８ｎｕ、８ｎｘのゲート信号の波形と、第１回路３００の出力電圧波形と、第２回路４００の出力電圧波形と、電力変換装置（インバータ）の出力電圧波形との一例を示している。

図２に示す例では、上側高耐圧インバータセル１０６ｐと下側高耐圧インバータセル１０６ｎとは同様の動作を行う。すなわち、上側高耐圧インバータセル１０６ｐの上側の高耐圧スイッチング素子８ｐｕのゲート信号Ｓｐｕと、下側高耐圧インバータセル１０６ｎの上側の高耐圧スイッチング素子８ｎｕのゲート信号Ｓｎｕとは同じ波形である。上側高耐圧インバータセル１０６ｐの下側の高耐圧スイッチング素子８ｐｘのゲート信号Ｓｐｘと、下側高耐圧インバータセル１０６ｎの下側の高耐圧スイッチング素子８ｎｘのゲート信号Ｓｎｘとは同じ波形である。

本実施形態の電力変換装置では、第２回路４００の上側高耐圧インバータセル１０６ｐと下側高耐圧インバータセル１０６ｎとのそれぞれにおいて、上側の高耐圧スイッチング素子８ｐｕ、８ｎｕをオンすることにより電力変換装置の出力電圧の極性が正となり、下側の高耐圧スイッチング素子８ｐｘ、８ｎｘをオンすることにより電力変換装置の出力電圧の極性が負となる。

第１回路３００は、ＰＷＭ変調（Pulse Width Modulation）することで，任意の波形を作り出すことができる。図２に示す例では、例えば、正弦波と第２回路４００の出力電圧との差分を出力する電圧指令値と三角波とを比較することにより、第１回路３００の上アームのゲート信号と下アームのゲート信号とを生成している。

本実施形態の電力変換装置では、上記のように第２回路４００と第１回路３００とを動作させることにより、任意の波形（例えば正弦波）を出力することができる。

次に、本実施形態の電力変換装置における第１回路３００の動作の一例について説明する。
本実施形態の電力変換装置では、第１回路３００の上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとを、それぞれ、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

インバータセル１００のスイッチング素子１Ｕ、１Ｘと、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとの全てがオフしている状態において、交流端２１２から電流が出力されているときには、電流は、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｘの寄生ダイオードと、スイッチ回路１０２Ｍのスイッチング素子１ＸＭの寄生ダイオードとに通流している。

この状態において、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｕをオンすると、電流は、下アームのスイッチ回路１０２Ｍの複数のスイッチング素子１ＸＭの寄生ダイオードを通流するとともに、インバータセル１００においてフローティングコンデンサ２を放電する方向に通流し、スイッチング素子１Ｕを通流して交流端２１２へ流れる。

続いて、上アームのスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮのいずれかをオンする。ここでは、スイッチ回路１０１ｎのスイッチング素子１Ｕｎをオンした場合について説明する。

スイッチング素子１Ｕｎをオンすると、複数のスイッチ回路１０１Ｎの１つに印加されていた電圧が、複数のスイッチ回路１０２Ｍの直列数（＝ｍ）に分圧されて、複数のスイッチ回路１０２Ｍのそれぞれに印加される。このため、複数のスイッチ回路１０２Ｍのスイッチング素子１ＸＭの寄生ダイオードのリカバリ時に印加される電圧が小さくなり、リカバリ時に発生する損失（リカバリ損失）が低減される。さらに、複数のスイッチ回路１０２Ｍの直列数に応じて増加するスイッチングループの寄生インダクタンスによって、リカバリ電流の変化量が少なくなり、その結果、リカバリ電荷が減少し、リカバリ損失が低減される。

スイッチ回路１０２Ｍに電圧が印加されると、電流は、スイッチング素子１ＸＭの寄生ダイオードを通流することができなくなり、スイッチ回路１０１Ｎへ転流する。したがって、スイッチ回路１０１ｎでは、オンされているスイッチング素子１Ｕｎに電流が通流し、スイッチ回路１０１１〜１０１（ｎ−１）では、コンデンサ３Ｕ１〜３Ｕ（ｎ−１）とダイオード４Ｕ１〜４Ｕ（ｎ−１）とに電流が通流する。

上記電流が通流する状態が遷移することにより、例えば従来の２レベルインバータではスイッチング損失として熱に変換されるエネルギーが、本実施形態の電力変換装置では、コンデンサ３Ｕ１〜３Ｕ（ｎ−１）に蓄えられることとなる。すなわち、本実施形態の電力変換装置におけるスイッチング損失は、複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮのスイッチングに伴う損失分のみであり、従来の２レベルインバータと比較して十分に小さくなる。
また、例えば、スイッチング素子１Ｕｎがオンすることで、スイッチ回路１０１ｎのダイオード４Ｕｎとコンデンサ３Ｕｎとが並列接続される。

抵抗器５Ｕｎの一端は、ダイオード４Ｕｎとコンデンサ３Ｕｎとの並列回路と直列に接続される。抵抗器５Ｕｎの他端は、スイッチ回路１０１（ｎ−１）のコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）と抵抗器５Ｕ（ｎ−１）とが直列に接続された回路と、回生整流ダイオード６Ｕｎを介して電気的に接続される。このことにより、コンデンサ３Ｕｎに蓄えられたエネルギーは、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）に放電される。上記放電は、コンデンサ３Ｕｎとコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）との電圧が等しくなったときに終了する。

なお、上記の例において、コンデンサ３Ｕｎの電圧がコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）の電圧よりも高いときに、コンデンサ３Ｕｎが放電される。また、コンデンサ３Ｕｎの電圧とコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）の電圧との差が、コンデンサ３Ｕｎ、３Ｕ（ｎ−１）それぞれの電圧よりも十分小さいため、放電されるエネルギーの経路に抵抗器５Ｕｎ、５Ｕ（ｎ−１）が介在していても、高効率に放電することができる。

複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮが順次オンされて全てのスイッチング素子１ＵＮがオンされると、コンデンサ３ＵＮに蓄えられたエネルギーが順次放電されて、放電されたエネルギーがフローティングコンデンサ２へ蓄積される。この状態で、電力変換装置の上アームのスイッチング素子がオンされた状態となる。

その後、複数のスイッチング素子１ＵＮを順次オフさせて、複数のスイッチング素子１ＵＮの全てがオフされた状態となると、フローティングコンデンサ２が放電され、スイッチングにより生じるエネルギーを効率よく回生することが可能である。その後、スイッチング素子１Ｕがオフされた状態となり、電力変換装置の上アームがオフされた状態となる。

また、スイッチング素子１Ｘおよび複数のスイッチ回路１０２Ｍについても同様に動作させることにより、スイッチングにより生じるエネルギーを、複数のコンデンサ３ＸＭを介してフローティングコンデンサ２へ蓄積させることが可能であり、フローティングコンデンサ２を放電することによりスイッチングにより生じるエネルギーを効率よく回生することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置では、例えば従来の２レベルインバータでは損失であったスイッチング時のエネルギーの大部分を、コンデンサ３ＵＮ、３ＸＭを介してフローティングコンデンサ２に蓄積させることが可能であり、フローティングコンデンサ２を放電することにより、スイッチング速度を速くすることなく、スイッチング損失を低減することが可能である。また、スイッチング素子１ＵＮ、１ＸＭの寄生ダイオードのリカバリ時にスイッチング素子１ＵＮ、１ＸＭに低電圧を印加することにより、リカバリ損失を低減することができる。

図３は、一実施形態の電力変換装置の第１回路の動作の一例を説明するための図である。
ここでは、スイッチング素子１Ｕのゲート信号Ｓｕと上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮのゲート信号Ｓｕ（Ｎ）とのターンオンタイミングおよびターンオフタイミングの一例を示すタイミングチャートと、複数のコンデンサ３ＵＮに通流する電流ｉｃｕ（Ｎ）と、フローティングコンデンサ２に通流する電流ｉｃｆとの関係の一例を示している。なお、図３では、電流ｉｃｕ（Ｎ）と電流ｉｃｆとは、交流端２１２から出力される方向を正としている。また、図３に示した期間において、スイッチング素子１Ｘと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとはオフされている状態である。

最初に、スイッチング素子１Ｕと、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮとがオフされている状態から、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｕがターンオンされる。これにより、フローティングコンデンサ２に電流ｉｃｆが通流し、蓄えられたエネルギーが放電される。

続いて、上アームの複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮが順次ターンオンされる。複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮをターンオンする順序は、限定されるものではない。ここでは、スイッチ回路１０１ｎのスイッチング素子１Ｕｎから順に、インバータセル１００に近い側のスイッチ回路１０１１のスイッチング素子１Ｕ１まで、順次、ターンオンされる例について説明する。

スイッチング素子１Ｕｎがターンオンされると、第１回路３００の負側端子（スイッチ回路１０２ｍの負側端子２０７ｍ）から下アームの複数のスイッチ回路１０２Ｍのスイッチング素子１ＸＭの寄生ダイオードを通流していた電流が、第１回路３００の正側端子（スイッチ回路１０１ｎの正側端子２０３ｎ）へ流れるように転流する。これにより、フローティングコンデンサ２の放電は終了する。

電流が正側端子２０３ｎへ転流すると、ターンオンされたスイッチング素子１Ｕｎと、オフされているスイッチング素子１Ｕ１〜１Ｕ（ｎ−１）に並列に接続されたコンデンサ３Ｕ１〜３Ｕ（ｎ−１）およびダイオード４Ｕ１〜４Ｕ（ｎ−１）に電流が通流する。

また、ターンオンされたスイッチング素子１Ｕｎと並列に接続されたコンデンサ３Ｕｎと、低電位側に接続されたスイッチ回路１０１（ｎ−１）のコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）とが回生整流ダイオード６Ｕｎを介して接続され、コンデンサ３Ｕｎに蓄えられたエネルギーがコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）へ放電される。

次に、スイッチ回路１０１ｎの低電位側に接続されたスイッチ回路１０１（ｎ−１）のスイッチング素子１Ｕ（ｎ−１）がターンオンされると、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）に通流していた電流がスイッチング素子１Ｕ（ｎ−１）へ転流し、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）への充電が終了する。

続いて、スイッチ回路１０１（ｎ−１）のスイッチング素子１Ｕ（ｎ−１）がターンオンされると、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）と、低電位側に接続されたスイッチ回路１０１（ｎ−２）のコンデンサ３Ｕ（ｎ−２）とが、回生整流ダイオード６Ｕ（ｎ−１）を介して接続され、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）に蓄えられたエネルギーがコンデンサ３Ｕ（ｎ−２）へ放電される。

図３に示す例では、コンデンサ３Ｕｎからコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）への放電と、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）からコンデンサ３Ｕ（ｎ−２）への放電との、２度の放電動作のタイミングが示されているが、コンデンサ３ＵＮ間の放電はコンデンサ３ＵＮの電圧関係に応じて変わるため、この例に限定されるものではない。例えば、コンデンサ３Ｕｎの電圧が、コンデンサ３Ｕ（ｎ−１）およびコンデンサ３Ｕ（ｎ−２）よりも高いときには、コンデンサ３Ｕｎに蓄えられたエネルギーがコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）およびコンデンサ３Ｕ（ｎ−２）へ放電される。すなわち、コンデンサ３Ｕｎに蓄えられたエネルギーは、より電圧の低い１又は複数の他のコンデンサ３ＵＮに放電され得る。

例えば図３に示すように、スイッチング素子１Ｕをターンオンし、スイッチング素子１Ｕｎからスイッチング素子１Ｕ１まで、順次、ターンオンさせると、電力変換装置の上アームのスイッチング素子が全てターンオンされ、コンデンサ３Ｕｎからコンデンサ３Ｕ１へ順次放電されたエネルギーが、最終的にフローティングコンデンサ２に充電される。

続いて、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｕと、複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮとが順次ターンオフされる。なお、スイッチング素子１ＵＮをターンオフする順序は、限定されるものではない。ここでは、インバータセル１００に近い側（電位が低い側）のスイッチ回路１０１１のスイッチング素子１Ｕ１から順に、スイッチ回路１０１ｎのスイッチング素子１Ｕｎまで、順次、ターンオフされる例について説明する。スイッチング素子１Ｕは、複数のスイッチング素子１ＵＮが全てターンオフされた後にターンオフされる。

スイッチング素子１Ｕと、スイッチング素子１ＵＮとが全てオンされている状態において、例えばスイッチング素子１Ｕ１がターンオフされると、スイッチング素子１Ｕ１に通流していた電流はコンデンサ３Ｕ１へ流れ、コンデンサ３Ｕ１が充電される。このとき、例えば従来の２レベルインバータではスイッチング損失として熱となるエネルギーがコンデンサ３Ｕ１に充電されるため、高効率なスイッチング動作を行うことが可能となる。

上記のターンオフの動作が、スイッチング素子１Ｕ１から順にスイッチング素子１Ｕｎまで順次行われる。これにより、コンデンサ３Ｕ１〜３Ｕ（ｎ−１）に充電されたエネルギーは、順次コンデンサ３Ｕｎまで放電される。続いて、スイッチング素子１Ｕｎがターンオフされると、最終的に、コンデンサ３Ｕｎに蓄えられたエネルギーがフローティングコンデンサ２に充電される。

上記ターンオフの動作が終了すると、スイッチング素子１Ｕがオンされ、複数のスイッチング素子１ＵＮが全てオフされた状態となり、フローティングコンデンサ２に充電されたエネルギーが放電される。このことにより、フローティングコンデンサ２に蓄えられたエネルギーを効率よく回生することができる。
その後、スイッチング素子１Ｕがターンオフされると、フローティングコンデンサ２の放電が終了する。

なお、上記スイッチング素子１Ｕ、１ＵＮのスイッチング動作によれば、最初にターンオンされたスイッチング素子１Ｕｎに並列に接続されたコンデンサ３Ｕｎに流れる充電電流は少なく、最後にターンオンされたスイッチング素子１Ｕ１に並列に接続されたコンデンサ３Ｕ１に流れる充電電流が多くなる。

また、最初にターンオフされたスイッチング素子１Ｕ１に並列に接続されたコンデンサ３Ｕ１に流れる充電電流は多く、最後にターンオフされたスイッチング素子１Ｕｎに並列に接続されたコンデンサ３Ｕｎに流れる充電電流は少なくなる。

したがって、ターンオンされるタイミングがより遅く、ターンオフされるタイミングがより早いスイッチング素子１ＵＮと並列に接続されたコンデンサ３ＵＮに流れる充電電流が増加し、その責務が多くなる傾向にある。その責務に合わせて、コンデンサ３ＵＮの静電容量を調整することで、コンデンサ３ＵＮ自体の発熱や電圧上昇を抑えることができる。

図４は、一実施形態の電力変換装置の第１回路の動作の他の例を説明するための図である。
ここでは、スイッチング素子１Ｕのゲート信号Ｓｕと上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮのゲート信号Ｓｕ（Ｎ）とのターンオンタイミングおよびターンオフタイミングの一例を示すタイミングチャートと、複数のコンデンサ３ＵＮに通流する電流ｉｃｕ（Ｎ）と、フローティングコンデンサ２に通流する電流ｉｃｆとの関係の一例を示している。なお、図４では、電流ｉｃｕ（Ｎ）と電流ｉｃｆとは、交流端２１２から出力される方向を正としている。また、図４に示す期間において、スイッチング素子１Ｘと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとはオフされている状態である。

本実施形態の電力変換装置の動作は、複数のスイッチング素子１ＵＮをターンオフさせる順序が上述の第１実施形態と異なっている。この例では、複数のスイッチング素子１ＵＮをターンオンさせた順序と同じ順序で、複数のスイッチング素子１ＵＮがターンオフされる。例えば図４に示す例では、スイッチング素子１Ｕがターンオンされた後、スイッチ回路１０１ｎのスイッチング素子１Ｕｎから順に、インバータセル１００に近い側（電位が低い側）のスイッチ回路１０１１のスイッチング素子１Ｕ１まで、順次、ターンオンされ、これと同じ順序で、スイッチング素子１Ｕｎからスイッチング素子１Ｕ１までターンオフされる。スイッチング素子１Ｕは、複数のスイッチング素子１ＵＮが全てターンオフされた後にターンオフされる。

ここでは、複数のスイッチング素子１ＵＮをターンオフする動作について説明する。
スイッチング素子１Ｕと、スイッチング素子１ＵＮとが全てオンされている状態において、例えばスイッチング素子１Ｕｎがターンオフされると、スイッチング素子１Ｕｎに通流していた電流はコンデンサ３Ｕｎへ流れ、コンデンサ３Ｕｎが充電される。

上記のターンオフの動作が、スイッチング素子１Ｕｎから順にスイッチング素子１Ｕ１まで順次行われる。これにより、コンデンサ３Ｕｎに充電されたエネルギーは、順次コンデンサ３Ｕ１へ放電され、最終的にフローティングコンデンサ２に充電される。

複数のスイッチング素子１ＵＮの上記ターンオフの動作が終了すると、スイッチング素子１Ｕがオンされ、複数のスイッチング素子１ＵＮが全てオフされた状態となり、フローティングコンデンサ２に充電されたエネルギーが放電される。このことにより、フローティングコンデンサ２に蓄えられたエネルギーが効率よく回生される。

その後、スイッチング素子１Ｕがターンオフされると、フローティングコンデンサ２の放電が終了する。

上記スイッチング素子１Ｕ、１ＵＮのスイッチング動作によれば、最初にターンオンされたスイッチング素子１Ｕｎに並列に接続されたコンデンサ３Ｕｎに流れる充電電流は少なく、最後にターンオンされたスイッチング素子１Ｕ１に並列に接続されたコンデンサ３Ｕ１に流れる充電電流が多くなる。

また、最初にターンオフされたスイッチング素子１Ｕｎに並列に接続されたコンデンサ３Ｕｎに流れる充電電流は多く、最後にターンオフされたスイッチング素子１Ｕ１に並列に接続されたコンデンサ３Ｕ１に流れる充電電流は少なくなる。

したがって、複数のコンデンサ３ＵＮそれぞれに流れる充電電流がほぼ等しくなり、複数のコンデンサ３ＵＮの責務も略等しくなる。これにより、複数のコンデンサ３ＵＮの静電容量を等しくすることで、コンデンサ３ＵＮ自体の発熱や電圧上昇を抑えることができる。

上記のことから、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の図３に示す例と同様に、高速なスイッチングを行うことなくスイッチング損失を抑制することを実現することができ、電力変換装置が大型化することを回避することが可能である。

以下、本実施形態の電力変換装置の効果の一例について説明する。
図５Ａ乃至図７Ｂは、一実施形態の電力変換装置の効果の一例を説明するための図である。
図５Ａは、従来の２レベルインバータにおいて、スイッチング素子がターンオンすることにより生じる損失の一例を比較例として示す図である。
図５Ｂは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオンすることによりアームに生じる損失の一例を示す図である。
図５Ｃは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオンすることにより素子毎に生じる損失の一例を示す図である。

例えば図５Ａに示すように、従来の２レベルインバータでは、スイッチング素子がターンオンするタイミングにて、スイッチング素子に流れる電流が上昇し、スイッチング素子に印加される電圧が降下する。スイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子に印加される電圧によりスイッチング素子にて生じるエネルギーは他の素子にて吸収されることなく熱となり、スイッチング損失となる。

これに対し、本実施形態の電力変換装置では、図５Ｃに示すように、スイッチング素子毎に見ると、従来と同様にターンオン時にエネルギーが発生しているが、図５Ｂに示すように、アーム全体として見ると、スイッチング時に生じるエネルギーがコンデンサ３ＵＮに吸収されている。コンデンサ３ＵＮに蓄えられたエネルギーは、フローティングコンデンサ２へ放電され、フローティングコンデンサ２の放電エネルギーとして回生される。このため、スイッチング素子１Ｕ、１ＵＮがターンオンする際生じるエネルギーのうち、アーム全体としての損失となるのは一部であり、エネルギー効率が改善されることとなる。

図６Ａは、従来の２レベルインバータにおいて、スイッチング素子がターンオフすることにより生じる損失の一例を比較例として示す図である。
図６Ｂは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオフすることによりアームに生じる損失の一例を示す図である。
図６Ｃは、一実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子がターンオフすることにより素子毎に生じる損失の一例を示す図である。

例えば図６Ａに示すように、従来の２レベルインバータでは、スイッチング素子がターンオフするタイミングにて、スイッチング素子に印加される電圧が上昇し、スイッチング素子に流れる電流が降下する。このようにスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子に印加される電圧によりスイッチング素子にて生じるエネルギーは他の素子に吸収されることなく熱となり、スイッチング損失となる。

これに対し、本実施形態の電力変換装置では、図６Ｃに示すように、スイッチング素子毎に見ると、従来と同様にターンオフ時にエネルギーが発生しているが、図６Ｂに示すように、アーム全体として見ると、スイッチング時に生じるエネルギーがコンデンサ３ＵＮに吸収され、フローティングコンデンサ２の放電エネルギーとして回生されている。このため、スイッチング素子１Ｕ、１ＵＮがターンオフする際生じるエネルギーのうち、アーム全体としての損失となるのは一部であり、エネルギー効率が改善されることとなる。

図７Ａは、従来の２レベルインバータにおいて生じるリカバリ損失の一例を比較例として示す図である。
図７Ｂは、一実施形態の電力変換装置において生じるリカバリ損失の一例を示す図である。

例えば図７Ａに示すように、従来の２レベルインバータにおいて、下アームのスイッチング素子がターンオンされるとき、上アームのスイッチング素子の寄生ダイオードのリカバリ時に寄生ダイオードに流れる電流と印加される電圧とによりリカバリ損失が発生する。

これに対し本実施形態の電力変換装置では、例えばスイッチング素子１ＸＭのいずれかがターンオンされると、図７Ｂに示すように、複数のスイッチ回路１０２Ｍの１つに印加されていた電圧が、複数のスイッチ回路１０１Ｎの直列数（＝ｎ）に分圧されて、複数のスイッチ回路１０１Ｎのそれぞれに印加される。このため、複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮの寄生ダイオードのリカバリ時に印加される電圧が小さくなり、リカバリ時に発生する損失（リカバリ損失）が低減される。

なお、本実施形態では、電力変換装置の上アーム（複数のスイッチ回路１０１Ｎ）の動作について説明したが、下アーム（複数のスイッチ回路１０１Ｍ）についても同様である。すなわち、下アームをターンオンする際には、最初にインバータセル１００のスイッチング素子１Ｘをターンオンした後、複数のスイッチング素子１ＸＭを所定の時間間隔を空けて順次ターンオンさせる。下アームをターンオフする際には、複数のスイッチング素子１ＸＭを順次ターンオフした後、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｘをターンオフさせる。このことにより、高速にスイッチングすることなく、スイッチング素子１Ｘ、１ＸＭのスイッチング損失およびリカバリ損失を低減することが可能となる。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、高速なスイッチングを行うことなくスイッチング損失を抑制することを実現することができる。また、本実施形態の電力変換装置では、スナバコンデンサ相当の小さい容量のコンデンサを使用し、容量の大きなコンデンサを備える必要がなく、電力変換装置が大型化することを回避することが可能である。

すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。
なお、本実施形態の電力変換装置において、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮを同時にスイッチングすること、および、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭを同時にスイッチングすることで、高耐圧かつ高ｄｖ／ｄｔを実現し、かつ、コンデンサ３ＵＮおよびコンデンサ３ＸＭにおける高ｄｉ／ｄｔと寄生インダクタンスによるサージ電圧を抑制する動作を行うことも可能である。

また、本実施形態の電力変換装置では、高耐圧インバータセル１０６ｐ、１０６ｎの高耐圧スイッチング素子８ｐｕ、８ｐｘ、８ｎｕ、８ｎｘを切り替えることで、電力変換装置の出力電圧を３レベルに切り替えることが可能であり、出力電力のさらなる低ノイズ化を実現することができる。この場合、第１回路３００の上アームのスイッチ回路１０１Ｎと、下アームのスイッチ回路１０２Ｍとの直列数を半分にすることができ、電力変換装置を小型化することができる。

次に、第２実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図８は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、第３回路５００と、第４回路６０１と、第５回路６０２と、を備えている。第３回路５００と、第４回路６０１と、第５回路６０２とは、上述の第１実施形態の第１回路３００と同様の構成である。
第４回路６０１のスイッチ回路１０１ｎの正側端子は、正側直流端２０９と電気的に接続されている。第４回路６０１のインバータセル１００のセル交流端子２０２は、第３回路５００のスイッチ回路１０１ｎの正側端子と電気的に接続されている。

第５回路６０２のスイッチ回路１０２ｍの負側端子は、負側直流端２１０と電気的に接続されている。第５回路６０２のインバータセル１００のセル交流端子２０２は、第３回路５００のスイッチ回路１０２ｍの負側端子と電気的に接続されている。

第４回路６０１のスイッチ回路１０２ｍの負側端子と、第５回路６０２のスイッチ回路１０１ｎの正側端子とは、中間端子２１１と電気的に接続されている。
なお、本実施形態の電力変換装置において、第４回路６０１と第５回路６０２とは、第３回路５００と同じ構成であったがこれに限定されるものではない。例えば、第４回路６０１と第５回路６０２とは、後述する第３乃至第９実施形態のいずれかの電力変換装置の第１回路３００と同じ構成であってもよく、第４回路６０１と第５回路６０２とが異なる構成であっても構わない。

図９は、第２実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。
本実施形態では、第３回路５００は、第４回路６０１の出力端（インバータセル１００の中間端）と交流端２１２との接続状態、および、第５回路６０２の出力端（インバータセル１００の中間端）と交流端２１２との接続状態を切り替える接続切換部として動作する。
図９では、第３回路５００のスイッチング素子のゲート信号波形Ｓｕ、Ｓｕ（１）−Ｓｕ（ｎ）、Ｓｘ、Ｓｘ（１）−Ｓｘ（ｍ）と、第４回路６０１および第５回路６０２の出力に合成される第３回路５００のみの出力波形と、第４回路６０１および第５回路６０２の出力波形と、電力変換装置の出力波形と、の一例を示している。

第３回路５００において、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｕと、複数のスイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮとのゲート信号は同じ波形である。第３回路５００のスイッチング素子１Ｕと、複数のスイッチング素子１ＵＮとがオンされている期間において、第４回路６０１の出力端と交流端２１２とが、第３回路５００を介して電気的に接続される。

第３回路５００において、インバータセル１００のスイッチング素子１Ｘと、複数のスイッチ回路１０２Ｍのスイッチング素子１ＸＭとのゲート信号は同じ波形である。第３回路５００のスイッチング素子１Ｘと、複数のスイッチング素子１ＸＭとがオンされている期間において、第４回路６０２の出力端と交流端２１２とが、第３回路５００を介して電気的に接続される。

第４回路６０１と第５回路６０２とは、ＰＷＭ制御により任意の出力電圧波形を実現することができる。図８に示す例では、第４回路６０１と第５回路６０２と出力電圧の波形は、正弦波と第３回路５００の出力電圧波形との差分である。第４回路６０１と第５回路６０２とは、それぞれの出力電圧に対応する電圧指令値と三角波とを比較することにより、上アームのゲート信号と下アームのゲート信号とを生成することができる。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、任意の出力電圧を実現することが可能であって、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第３実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１０は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１乃至第２実施形態のいずれかと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００のインバータセル１００の構成が上述の第１実施形態と異なっている。本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００が、コンデンサ３Ｕ０、３Ｘ０と、ダイオード４Ｕ０、４ＵＸと、抵抗器５Ｕ０、５Ｘ０と、回生整流ダイオード６Ｕ０、６Ｘ０と、を更に備えている。

ダイオード（上側ダイオード）４Ｕ０は、カソードがスイッチング素子１Ｕのソースおよび交流端２１２と電気的に接続し、アノードが抵抗器５Ｕ０と電気的に接続する。なお、ダイオード４Ｕ０は、リカバリ損失が低いファストリカバリ特性を備えることが望ましく、例えば、リカバリ特性のよいショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）やワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を利用した素子を使用することが望ましい。

コンデンサ（上側コンデンサ）３Ｕ０は、一端がスイッチング素子１Ｕのドレインと電気的に接続し、他端がダイオード４Ｕ０のアノードおよび抵抗器５Ｕ０と電気的に接続されている。

抵抗器（上側抵抗器）５Ｕ０の一端は、ダイオード４Ｕ０のアノードとコンデンサ３Ｕ０の他端とに電気的に接続されている。抵抗器５Ｕ０の他端は、回生整流ダイオード６Ｕ１のアノードと、回生整流ダイオード６Ｕ０のカソードとに電気的に接続されている。

ダイオード（下側ダイオード）４Ｘ０は、アノードがスイッチング素子１Ｘのドレインおよび交流端２１２と電気的に接続し、カソードが抵抗器５Ｘ０と電気的に接続している。なお、ダイオード４Ｘ０は、リカバリ損失が低いファストリカバリ特性を備えることが望ましく、例えば、リカバリ特性のよいショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）やワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）を利用した素子を使用することが望ましい。

コンデンサ（下側コンデンサ）３Ｘ０は、一端がスイッチング素子１Ｘのソースと電気的に接続され、他端がダイオード４Ｘ０のカソードおよび抵抗器５ＸＭと電気的に接続されている。
抵抗器（下側抵抗器）５Ｘ０の一端は、ダイオード４Ｘ０のカソードとコンデンサ３Ｘ０の他端とに電気的に接続されている。抵抗器５Ｘ０の他端は、回生整流ダイオード６Ｘ０のアノードと、回生整流ダイオード６Ｘ１のカソードとに電気的に接続されている。

上記のように、本実施形態の電力変換装置は、インバータセル１００の上側のアームが、スイッチ回路１０１Ｎと同様の構成を備えた電圧型クランプ型スイッチ回路であり、インバータセル１００の下側のアームが、スイッチ回路１０２Ｍと同様の構成を備えた電圧型クランプ型スイッチ回路である。したがって、本実施形態では、インバータセル１００の上側のアームと下側のアームとは、スイッチ回路１０１Ｎ、１０２Ｍと同様のスイッチ回路として共通の回路を用いることができる。

本実施形態において、複数の第１回生整流回路は、最も低電位側の第１スイッチ回路の第１コンデンサと上側コンデンサとの間、及び、上側コンデンサと下側スイッチング素子の低電位側の端子との間にさらに接続されている。

また、本実施形態において、複数の第２回生整流回路は、最も高電位側の第２スイッチ回路の第２コンデンサと下側コンデンサとの間、及び、下側コンデンサと上側スイッチング素子の高電位側の端子との間にさらに接続されている。

本実施形態の電力変換装置の動作は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、第１回路３００において、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとを、それぞれ、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第４実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１１は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の回生整流ダイオード６Ｕ１、６Ｘ１が省略されている。また、回生整流ダイオード６Ｕ２のアノードは、スイッチング素子１Ｘのソースと電気的に接続されることなく、回生整流ダイオード６Ｘ２のカソードと電気的に接続されている。回生整流ダイオード６Ｘ２のカソードは、スイッチング素子１Ｕのドレインと接続されることなく、回生整流ダイオード６Ｕ２のアノードと電気的に接続されている。

すなわち、本実施形態の電力変換装置は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、隣接したスイッチ回路１０１Ｎ間、及び、隣接したスイッチ回路１０２Ｍ間にそれぞれ接続され、互いに直列に接続された複数の回生整流ダイオード６ＵＮ、６ＸＭ（Ｎ＝２〜ｎ、Ｍ＝２〜ｍ）と、を備えている。

本実施形態では、回生整流回路が、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、隣接した第１スイッチ回路の第１コンデンサ間、及び、隣接した第２スイッチ回路の第２コンデンサ間にそれぞれ接続され、複数の回生整流回路が互いに直列に接続されている。

すなわち、本実施形態の電力変換装置は、第１スイッチ回路１０１Ｎの少なくとも１つが第１スイッチング素子１ＵＮの低電位側端にカソードが接続された第１ダイオード４ＵＮと、第１ダイオード４ＵＮのアノードと第１スイッチング素子１ＵＮの高電位側端との間に接続された第１コンデンサ３ＵＮと、を備えるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端および上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端とを接続する回生整流回路を備えている。

また、本実施形態の電力変換装置は、第２スイッチ回路１０２Ｘの少なくとも１つが第２スイッチング素子１ＸＭの高電位側端にアノードが接続された第２ダイオード４ＸＭと、第２ダイオード４ＸＭのカソードと第２スイッチング素子１ＸＭの低電位側端との間に接続された第２コンデンサ３ＸＭと、を備えるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の高電位側端および下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端を接続する回生整流回路を備えている。

なお、本実施形態において、インバータセル１００の構成は、第１実施形態と同様であってもよく、第３実施形態と同様であってもよい。インバータセル１００が第３実施形態と同様の構成である場合には、回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端、上側コンデンサ３Ｕ０の低電位側端、および、上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端を接続し、かつ、インバータセル１００の高電位側端、下側コンデンサ３Ｘ０の高電位側端、および、下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端を接続する回路を備える。

本実施形態の電力変換装置の動作は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、第１回路３００において、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとを、それぞれ、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第５実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１２は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１乃至第４実施形態のいずれかと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の回生整流回路が抵抗器７Ｃ、７ＵＮ（Ｎ＝２〜ｎ）、７ＸＭ（Ｍ＝２〜ｍ）を更に備えている点において上述の第４実施形態の電力変換装置と異なる。

抵抗器７ＵＮ（Ｎ＝２〜ｎ）は、スイッチ回路１０１（Ｎ−１）のスナバ端子２０５（Ｎ−１）と回生整流ダイオード６ＵＮとを電気的に接続する経路において、回生整流ダイオード６ＵＮと直列に接続されている。

抵抗器７ＸＭ（Ｍ＝２〜ｍ）は、スイッチ回路１０２Ｍのスナバ端子２０８Ｍと回生整流ダイオード６ＸＭとを電気的に接続する経路において、回生整流ダイオード６ＸＭと直列に接続されている。

抵抗器７Ｃは、スイッチ回路１０１１のスナバ端子２０５１と、スイッチ回路１０２１のスナバ端子２０８１との間を電気的に接続する経路において、スナバ端子２０５１およびスナバ端子２０８１に直列に接続されている。

上記のように、本実施形態の電力変換装置は、回生整流ダイオード６ＵＮ、６ＸＭと直列に接続された抵抗器７Ｃ、７ＵＮ（Ｎ＝２〜ｎ）、７ＸＭ（Ｍ＝２〜ｍ）を備える構成であり、スナバ端子２０５Ｎ、２０８Ｍを介してスイッチ回路１０１Ｎ、１０２Ｍのコンデンサ３ＵＮ、３ＸＭ間を電気的に接続する経路に介在する抵抗器の数を減らすことができる。例えば、図１に示す構成では、コンデンサ３Ｕｎとコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）とがスナバ端子２０５ｎ、２０５（ｎ−１）を介して電気的に接続される経路には、抵抗器５Ｕｎと抵抗器５Ｕ（ｎ−１）とが介在している。これに対し、図１１に示す構成では、コンデンサ３Ｕｎとコンデンサ３Ｕ（ｎ−１）とがスナバ端子２０５ｎ、２０５（ｎ−１）を介して電気的に接続される経路には、抵抗器７ｎが介在している。これにより、スイッチ回路１０１Ｎ間およびスイッチ回路１０２Ｍ間を電気的に接続する経路を介して充電されるエネルギーを、より効率よく回生することができる。

なお、本実施形態において、インバータセル１００の構成は、第１実施形態と同様であってもよく、第３実施形態と同様であってもよい。インバータセル１００が第５実施形態と同様の構成である場合には、回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端、上側コンデンサ３Ｕ０の低電位側端、および、上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端を接続し、かつ、インバータセル１００の高電位側端、下側コンデンサ３Ｘ０の高電位側端、および、下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端を接続する回路を備える。

本実施形態の電力変換装置の動作は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、第１回路３００において、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとを、それぞれ、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第６実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１３は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１乃至第４実施形態のいずれかと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、上述の第４実施形態の電力変換装置において、第１回路３００が回生整流ダイオード６Ｃを更に備えた構成である。
回生整流ダイオード６Ｃは、スイッチ回路１０１１のスナバ端子２０５１と抵抗器７Ｃとの間を電気的に接続する経路において、抵抗器７Ｃと直列に接続されている。

また、本実施形態の電力変換装置では、抵抗器７ＸＭは、回生整流ダイオード６ＸＭとスイッチ回路１０２（Ｍ−１）のスナバ端子２０８（Ｍ−１）との間において、回生整流ダイオード６ＸＭと直列に接続されている。
本実施形態の電力変換装置は、上記構成以外は上述の第５実施形態の電力変換装置と同様の構成である。

本実施形態では、上述の第５実施形態と同様に、スナバ端子２０５Ｎ、２０８Ｍを介してスイッチ回路１０１Ｎ、１０２Ｍのコンデンサ３ＵＮ、３ＸＭ間を電気的に接続する経路に介在する抵抗器の数を減らすことができる。これにより、スイッチ回路１０１Ｎ間およびスイッチ回路１０２Ｍ間を電気的に接続する経路を介して充電されるエネルギーを、より効率よく回生することができる。

なお、本実施形態において、インバータセル１００の構成は、第１実施形態と同様であってもよく、第３実施形態と同様であってもよい。インバータセル１００が第３実施形態と同様の構成である場合には、回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端、上側コンデンサ３Ｕ０の低電位側端、および、上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端を接続し、かつ、インバータセル１００の高電位側端、下側コンデンサ３Ｘ０の高電位側端、および、下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端を接続する回路を備える。

本実施形態の電力変換装置の動作は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、第１回路３００において、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとを、それぞれ、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第７実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１４は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１乃至第６実施形態のいずれかと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の下アームの構成が上述の第１実施形態と異なっている。
本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の負側端子（スイッチ回路１０２ｍの負側端子２０７ｍ）とインバータセル１００との間の経路にスイッチング素子１ＸＨが接続されている。なお、スイッチング素子１ＸＨは、スイッチ回路１０１Ｎのスイッチング素子１ＵＮよりも高耐圧の素子を用いることが望ましい。また、図１３では、電力変換装置は、下アームに１つのスイッチング素子１ＸＨを備えているが、下アームにおいて複数のスイッチング素子１ＸＨを直列に接続しても構わない。なお、電力変換方向は一方方向になるが、下アームは、スイッチング素子１ＸＨに代えて高耐圧のダイオード（受動半導体素子）を備えていてもよい。

上記のように、本実施形態の電力変換装置は、下アームの構成が第１実施形態と異なっているものであって、第１スイッチ回路１０１Ｎの少なくとも１つが第１スイッチング素子１ＵＮの低電位側端にカソードが接続された第１ダイオード４ＵＮと、第１ダイオード４ＵＮのアノードと第１スイッチング素子１ＵＮの高電位側端との間に接続された第１コンデンサ３ＵＮと、を備えるとき、および、第２スイッチ回路１０２Ｘの少なくとも１つが第２スイッチング素子１ＸＭの高電位側端にアノードが接続された第２ダイオード４ＸＭと、第２ダイオード４ＸＭのカソードと第２スイッチング素子１ＸＭの低電位側端との間に接続された第２コンデンサ３ＸＭと、を備えるときの少なくとも一方であるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端および上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端と、インバータセル１００の高電位側端および下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端と、の少なくともいずれか一方を接続する回生整流回路を備えている。

なお、本実施形態において、インバータセル１００の構成は、第１実施形態と同様であってもよく、第３実施形態と同様であってもよい。インバータセル１００が第３実施形態と同様の構成である場合には、回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端、上側コンデンサ３Ｕ０の低電位側端、および、上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端を接続するとともに、インバータセル１００の高電位側端および下側コンデンサ３Ｘ０の高電位側端を接続する回路を備える。

本実施形態の電力変換装置は、上アームは上述の第１実施形態と同様の動作となり、下アームは、スイッチング素子１Ｘとスイッチング素子１ＸＨとを同時にスイッチングすることにより、従来の２レベルインバータと同様に動作させることが可能である。したがって、本実施形態の電力変換装置では、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮを、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第８実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１５は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１乃至第７実施形態のいずれかと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の上アームの構成が上述の第１実施形態と異なっている。
本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の正側端子（スイッチ回路１０１ｎの正側端子２０３ｎ）とインバータセル１００との間の経路にスイッチング素子１ＵＨが接続されている。なお、スイッチング素子１ＵＨは、スイッチ回路１０２Ｍのスイッチング素子１ＸＭよりも高耐圧の素子を用いることが望ましい。また、図１４では、電力変換装置は、上アームに１つのスイッチング素子１ＵＨを備えているが、上アームにおいて複数のスイッチング素子１ＵＨを直列に接続しても構わない。なお、電力変換方向は一方方向になるが、上アームは、スイッチング素子１ＵＨに代えて高耐圧のダイオード（受動半導体素子）を備えていてもよい。

上記のように、本実施形態の電力変換装置は、上アームの構成が第１実施形態と異なっているものであって、第１スイッチ回路１０１Ｎの少なくとも１つが第１スイッチング素子１ＵＮの低電位側端にカソードが接続された第１ダイオード４ＵＮと、第１ダイオード４ＵＮのアノードと第１スイッチング素子１ＵＮの高電位側端との間に接続された第１コンデンサ３ＵＮと、を備えるとき、および、第２スイッチ回路１０２Ｘの少なくとも１つが第２スイッチング素子１ＸＭの高電位側端にアノードが接続された第２ダイオード４ＸＭと、第２ダイオード４ＸＭのカソードと第２スイッチング素子１ＸＭの低電位側端との間に接続された第２コンデンサ３ＸＭと、を備えるときの少なくとも一方であるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端および上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端と、インバータセル１００の高電位側端および下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端と、の少なくともいずれか一方を接続する回生整流回路を備えている。

なお、本実施形態において、インバータセル１００の構成は、第１実施形態と同様であってもよく、第３実施形態と同様であってもよい。インバータセル１００が第５実施形態と同様の構成である場合には、回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端および上側コンデンサ３Ｕ０の低電位側端を接続するとともに、インバータセル１００の高電位側端、下側コンデンサ３Ｘ０の高電位側端、および、下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端を接続する回路を備える。

本実施形態の電力変換装置は、下アームは上述の第１実施形態と同様の動作となり、上アームは、スイッチング素子１Ｕとスイッチング素子１ＵＨとを同時にスイッチングすることにより、従来の２レベルインバータと同様に動作させることが可能である。したがって、本実施形態の電力変換装置では、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭを、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能である。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

次に、第９実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１６は、一実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
なお、以下の説明において、上述の第１乃至第８実施形態のいずれかと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置は、第１回路３００の回生整流回路の構成が上述の第１実施形態と異なっている。
複数の第１回生整流回路は、それぞれ回生整流ダイオード６ＵＮと抵抗器５ＵＮとを備えている。回生整流ダイオード６ＵＮは、インバータセル１００の負側セル端子２０１からスイッチ回路１０１Ｎのスナバ端子２０５Ｎへ向かう方向を順方向として、負側セル端子２０１とスナバ端子２０５Ｎとの間に接続されている。抵抗器５ＵＮは、回生整流ダイオード６ＵＮのカソードとスナバ端子２０５Ｎとの間を電気的に接続する経路において、回生整流ダイオード６ＵＮと直列に接続されている。すなわち、複数の回生整流ダイオード６ＵＮのアノードは、他の回生整流ダイオード６ＵＮを介さずに、インバータセル１００の負側セル端子２０１と電気的に接続されている。

すなわち、本実施形態において、複数の第１回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、下側スイッチング素子の低電位側の端子（インバータセル１００の低電位側端）と複数の第１スイッチ回路の第１コンデンサの低電位側端との間にそれぞれ接続されている。

上記のように、本実施形態の電力変換装置は、第１スイッチ回路１０１Ｎの少なくとも１つが第１スイッチング素子１ＵＮの低電位側端にカソードが接続された第１ダイオード４ＵＮと、第１ダイオード４ＵＮのアノードと第１スイッチング素子１ＵＮの高電位側端との間に接続された第１コンデンサ３ＵＮと、を備えるとき、および、第２スイッチ回路１０２Ｘの少なくとも１つが第２スイッチング素子１ＸＭの高電位側端にアノードが接続された第２ダイオード４ＸＭと、第２ダイオード４ＸＭのカソードと第２スイッチング素子１ＸＭの低電位側端との間に接続された第２コンデンサ３ＸＭと、を備えるときの少なくとも一方であるとき、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端および上アームの第１コンデンサ３ＵＮの低電位側端と、インバータセル１００の高電位側端および下アームの第２コンデンサ３ＸＭの高電位側端と、の少なくともいずれか一方を接続する回生整流回路を備えている。

複数の第２回生整流回路は、それぞれ回生整流ダイオード６ＸＭと抵抗器５ＸＭとを備えている。回生整流ダイオード６ＸＭは、スイッチ回路１０２Ｍのスナバ端子２０８Ｍからインバータセル１００の正側セル端子２００へ向かう方向を順方向として、スナバ端子２０８Ｍと正側セル端子２００との間に接続されている。抵抗器５ＸＭは、回生整流ダイオード６ＸＭのアノードとスナバ端子２０８Ｍとの間を電気的に接続する経路において、回生整流ダイオード６ＸＭと直列に接続されている。すなわち、複数の回生整流ダイオード６ＸＭのカソードは、他の回生整流ダイオード６ＸＭを介さずに、インバータセル１００の正側セル端子２００と電気的に接続されている。

すなわち、本実施形態において、複数の第２回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、上側スイッチング素子の高電位側の端子（インバータセル１００の高電位側端）と複数の第２スイッチ回路の第２コンデンサの高電位側端との間にそれぞれ接続されている。

なお、本実施形態において、インバータセル１００の構成は、第１実施形態と同様であってもよく、第３実施形態と同様であってもよい。インバータセル１００が第３実施形態と同様の構成である場合には、回生整流回路は、低電位側から高電位側へ向かう方向を順方向として、インバータセル１００の低電位側端と上側コンデンサ３Ｕ０の低電位側端との間に接続された回路と、インバータセル１００の高電位側端と下側コンデンサ３Ｘ０の高電位側端との間にそれぞれ接続された回路と、をさらに備える。

本実施形態の電力変換装置において、スイッチング素子１Ｕ、１Ｘと、複数のスイッチング素子１ＵＮと複数のスイッチング素子１ＸＭとのスイッチング動作は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、上アームの複数のスイッチング素子１ＵＮと、下アームの複数のスイッチング素子１ＸＭとを、それぞれ、所定の時間間隔をあけて順次スイッチングさせる。

本実施形態では、上記スイッチング動作および回生整流ダイオード６ＵＮ、６ＸＭの構成により、スイッチ回路１０１Ｎ、１０２Ｍのコンデンサ３ＵＮ、３ＸＭに蓄えられたエネルギーは、複数の回生整流ダイオード６ＵＮ、６ＸＭを介すことなくフローティングコンデンサ２へ充電される。

したがって、本実施形態の電力変換装置によれば、ターンオン損失、ターンオフ損失、および、リカバリ損失などの損失を低減することが可能であるとともに、コンデンサ３ＵＮ、３ＸＭからフローティングコンデンサ２へエネルギーを放電する経路において、エネルギーの損失が少なくなり、より効率的にエネルギーを回生することが可能となる。

なお、本実施形態の電力変換装置では、上述の第１実施形態の電力変換装置の回路構成と比較して回生整流ダイオード６ＵＮ、６ＸＭに印加され電圧が高くなるため、回生整流ダイオード６ＵＮ、６ＸＭとして第１実施形態よりも高耐圧の素子を適用することが望ましい。

上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、エネルギー損失を低く抑え、かつ、大型化を回避することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ｕ、１Ｘ、１ＵＨ、１ＸＨ、１ＵＮ、１ＸＭ…スイッチング素子、１ＵＮＵ、１ＸＭＵ…正側スイッチング素子、１ＵＮＬ、１ＸＭＬ…負側スイッチング素子、２…フローティングコンデンサ、３ＵＮ、３ＸＭ…コンデンサ、４ＵＮ、４ＸＭ…ダイオード、５Ｕ、５ＵＮ、５ＸＭ…抵抗器、６、６Ｃ、６ＵＮ、６ＸＭ…回生整流ダイオード、７Ｃ、７ＵＮ、７ＸＭ…抵抗器、８ｐｕ、８ｐｘ、８ｎｕ、８ｎｘ…高耐圧スイッチング素子、９ｐ、９ｎ…直流コンデンサ、１００…インバータセル、１０１Ｎ、１０２Ｍ…スイッチ回路、１０６ｐ、１０６ｎ、６０１、６０２…高耐圧インバータセル、２０９…正側直流端、２１０…負側直流端、２１１…中間端子、２１２…交流端子（交流端）、３００…第１回路、４００…第２回路、５００…第３回路、６０１…第４回路、６０２…第５回路。

Claims (9)

1. 高電位側端にて正側直流端に電気的に接続され、低電位側端にて中間端に電気的に接続された上側高耐圧インバータセルと、
   高電位側端にて中間端に電気的に接続され、低電位側端にて負側直流端に電気的に接続された下側高耐圧インバータセルと、
   交流端と高電位側端との間に接続された上側スイッチング素子と、交流端と低電位側端との間に接続された下側スイッチング素子と、高電位側端と低電位側端との間において前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子に対して並列に接続されたフローティングコンデンサと、を有するインバータセルと、
   前記インバータセルの高電位側端と前記上側高耐圧インバータセルの出力端との間に接続され、第１スイッチング素子を有する第１スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された上アームと、
   前記インバータセルの低電位側端と前記下側高耐圧インバータセルの出力端との間に接続され、第２スイッチング素子を有する第２スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された下アームと、を備え、
   前記上側高耐圧インバータセルおよび前記下側高耐圧インバータセルは、高電位側端と出力端との間に接続された上側高耐圧スイッチング素子と、低電位側端と出力端との間に接続された下側高耐圧スイッチング素子と、高電位側端と低電位側端との間に接続された直流コンデンサと、を備え、
   前記第１スイッチ回路の少なくとも１つが、前記第１スイッチング素子の低電位側端にカソードが接続された第１ダイオードと、前記第１ダイオードのアノードと前記第１スイッチング素子の高電位側端との間に接続された第１コンデンサと、を有するときは、前記インバータセルの低電位側端と前記第１コンデンサの低電位側端とを接続する第１回生整流回路を有し、
   前記第２スイッチ回路の少なくとも１つが、前記第２スイッチング素子の高電位側端にアノードが接続された第２ダイオードと、前記第２ダイオードのカソードと前記第２スイッチング素子の低電位側端との間に接続された第２コンデンサと、を有するときは、前記インバータセルの高電位側端と前記第２コンデンサの高電位側端とを接続する第２回生整流回路を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 交流端と高電位側端との間に接続された上側スイッチング素子と、交流端と低電位側端との間に接続された下側スイッチング素子と、高電位側端と低電位側端との間において前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子に対して並列に接続されたフローティングコンデンサと、を有するインバータセルと、前記インバータセルの高電位側端に接続され、第１スイッチング素子を有する第１スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された上アームと、前記インバータセルの低電位側端に接続され、第２スイッチング素子を有する第２スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された下アームと、を備えた第３回路、第４回路及び第５回路を含み、
   前記第３回路、前記第４回路及び前記第５回路のそれぞれは、前記第１スイッチ回路の少なくとも１つが、前記第１スイッチング素子の低電位側端にカソードが接続された第１ダイオードと、前記第１ダイオードのアノードと前記第１スイッチング素子の高電位側端との間に接続された第１コンデンサと、を有するときは、前記インバータセルの低電位側端と前記第１コンデンサの低電位側端とを接続する第１回生整流回路を有し、
   前記第２スイッチ回路の少なくとも１つが、前記第２スイッチング素子の高電位側端にアノードが接続された第２ダイオードと、前記第２ダイオードのカソードと前記第２スイッチング素子の低電位側端との間に接続された第２コンデンサと、を有するときは、前記インバータセルの高電位側端と前記第２コンデンサの高電位側端とを接続する第２回生整流回路を有し、
   前記第４回路は、高電位側端にて正側直流端と電気的に接続され、低電位側端にて中間端と電気的に接続され、交流端にて前記第３回路の高電位側端と電気的に接続され、
   前記第５回路は、高電位側端に中間端と電気的に接続され、低電位側端にて負側直流端と電気的に接続され、交流端にて前記第３回路の低電位側端と電気的に接続される、ことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記第１回生整流回路は、一または複数直列に接続した第１回生整流ダイオードと、この一つの前記第１回生整流ダイオードのカソードと前記第１コンデンサの低電位側端との間に接続された第１抵抗器、または複数の前記第１回生整流ダイオードのカソードとそれぞれ対応する前記第１コンデンサの低電位側端との間に接続された複数の第１抵抗器と、を有し、
   前記第２回生整流回路は、一または複数直列に接続した第２回生整流ダイオードと、この一つの第２回生整流ダイオードのアノードと前記第２コンデンサの高電位側端との間に接続された第２抵抗器、または複数の前記第２回生整流ダイオードのアノードとそれぞれ対応する前記第２コンデンサの高電位側端との間に接続された複数の第２抵抗器と、を有する
   請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 一または複数直列に接続された前記第２スイッチ回路の前記第２スイッチング素子は、前記第１スイッチング素子よりも高耐圧、若しくは、一または複数直列に接続された前記第１スイッチ回路の前記第１スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子よりも高耐圧である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記第１抵抗器に代えて第１インダクタンス素子を備え、前記第２抵抗器に代えて第２インダクタンス素子を備える、ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記インバータセルは、前記上側スイッチング素子の低電位側端にカソードが接続された上側ダイオードと、前記上側ダイオードのアノードと前記上側スイッチング素子の高電位側端との間に接続された上側コンデンサと、前記下側スイッチング素子の高電位側端にアノードが接続された下側ダイオードと、前記下側ダイオードのカソードと前記下側スイッチング素子の低電位側端との間に接続された下側コンデンサと、を備え、
   前記第１回生整流回路は、前記上側コンデンサの低電位側端と前記インバータセルの低電位側端との間をさらに接続し、
   前記第２回生整流回路は、前記下側コンデンサの高電位側と前記インバータセルの高電位側端との間をさらに接続することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記上側スイッチング素子、および、前記下側スイッチング素子は、それぞれ、直列に接続された複数のスイッチング素子を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 複数の前記第１スイッチング素子および複数の前記第２スイッチング素子は、所定の時間間隔を空けて順次スイッチングされ、
   前記上アームにおいて、複数の前記第１コンデンサの静電容量は、ターンオンされてからターンオフされるまでの期間が短い前記第１スイッチング素子と接続された前記第１コンデンサよりも、ターンオンされてからターンオフされるまでの期間が長い前記第１スイッチング素子と接続された前記第１コンデンサが小さく、
   前記下アームにおいて、複数の前記第２コンデンサの静電容量は、ターンオンされてからターンオフされるまでの期間が短い前記第２スイッチング素子と接続された前記第２コンデンサよりも、ターンオンされてからターンオフされるまでの期間が長い前記第２スイッチング素子と接続された前記第２コンデンサが小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
9. 交流端と高電位側端との間に接続された上側スイッチング素子と、交流端と低電位側端との間に接続された下側スイッチング素子と、高電位側端と低電位側端との間において前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子に対して並列に接続されたフローティングコンデンサと、を有するインバータセルと、
   前記インバータセルの高電位側端に接続され、第１スイッチング素子を有する第１スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された上アームと、
   前記インバータセルの低電位側端に接続され、第２スイッチング素子を有する第２スイッチ回路を一または複数直列に接続して構成された下アームと、
   を備え、
   前記第１スイッチ回路の少なくとも１つは、前記第１スイッチング素子の低電位側端にカソードが接続された第１ダイオードと、前記第１ダイオードのアノードと前記第１スイッチング素子の高電位側端との間に接続された第１コンデンサと、を有し、
   前記第２スイッチ回路の少なくとも１つは、前記第２スイッチング素子の高電位側端にアノードが接続された第２ダイオードと、前記第２ダイオードのカソードと前記第２スイッチング素子の低電位側端との間に接続された第２コンデンサと、を有し、
   前記インバータセルの低電位側端と前記第１コンデンサの低電位側端とを接続する一または複数直列に接続した第１回生整流ダイオードと、この一つの前記第１回生整流ダイオードのカソードと前記第１コンデンサの低電位側端との間に接続された第１抵抗器、または複数の前記第１回生整流ダイオードのカソードとそれぞれ対応する前記第１コンデンサの低電位側端との間に接続された複数の第１抵抗器と、を有する、第１回生整流回路と、
   前記インバータセルの高電位側端と前記第２コンデンサの高電位側端とを接続する一または複数直列に接続した第２回生整流ダイオードと、この一つの前記第２回生整流ダイオードのアノードと前記第２コンデンサの高電位側端との間に接続された第２抵抗器、または複数の前記第２回生整流ダイオードのアノードとそれぞれ対応する前記第２コンデンサの高電位側端との間に接続された複数の第２抵抗器と、を有する第２回生整流回路と、を有し、
   最も低電位側の前記第１スイッチ回路の前記第１コンデンサの低電位側端と最も高電位側の前記第２スイッチ回路の前記第２コンデンサの高電位側端との間は、直接接続され、抵抗器を介して接続され、または、抵抗器および回生整流ダイオードを介して接続されていることを特徴とする電力変換装置。