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WO2015015885A1 - マルチレベル電力変換装置 - Google Patents

マルチレベル電力変換装置 Download PDF

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Publication number
WO2015015885A1
WO2015015885A1 PCT/JP2014/064105 JP2014064105W WO2015015885A1 WO 2015015885 A1 WO2015015885 A1 WO 2015015885A1 JP 2014064105 W JP2014064105 W JP 2014064105W WO 2015015885 A1 WO2015015885 A1 WO 2015015885A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching elements
voltage
phase
output
terminal
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/064105
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
長谷川　勇
貴志 小玉
猛 近藤
正太 漆畑
博巳 迫
賢司 小堀
鎮教 濱田
圭一 小太刀
Original Assignee
株式会社明電舎
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社明電舎 filed Critical 株式会社明電舎
Priority to EP14832709.1A priority Critical patent/EP3029824A4/en
Priority to BR112016002128-2A priority patent/BR112016002128B1/pt
Priority to RU2016105213A priority patent/RU2634910C2/ru
Priority to SG11201600761VA priority patent/SG11201600761VA/en
Priority to US14/908,884 priority patent/US9948206B2/en
Priority to CA2920079A priority patent/CA2920079C/en
Priority to CN201480043665.9A priority patent/CN105453406B/zh
Publication of WO2015015885A1 publication Critical patent/WO2015015885A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4837—Flying capacitor converters
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
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    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Definitions

  • the present invention relates to a multiphase multilevel power converter, and more particularly to a multilevel power converter using a flying capacitor in common in each phase.
  • FIG. 29 is a circuit configuration diagram showing a multilevel power conversion device in Patent Document 1.
  • controlling DC voltage sources DCC1 and DCC2 to 2E, and flying capacitors FC1 and FC2 to E output terminals U, V, W to 2E, E, 0, -E, -2E Can output phase voltage of 5 levels.
  • the maximum applied voltage of each of the switching elements Su1 to Su8, Sv1 to Sv8, and Sw1 to Sw8 and each of the diode elements Su9 to Su12, Sv9 to Sv12, and Sw9 to Sw12 is E.
  • Su6b and Su8 are configured in series. The same applies to switching elements Su7 and Su5b, Sv6b and Sv8, Sv7 and Sv5b, Sw6b and Sw8, Sw7 and Sw5b, Su9 and Su10, Su11 and Su12, Sv9 and Sv10, Sv11, Sv12, Sw9 and Sw10, Sw11 and Sw12. .
  • FIG. 30 a multilevel power converter as shown in FIG. 30 has been proposed.
  • the number of capacitors used is reduced by making the DC voltage sources DCC1 and DCC2 used and the flying capacitors FC1 and FC2 common to three phases, thereby achieving downsizing of the device.
  • the circuit of FIG. 29 can output phase voltages of five levels, and is configured of 10 switching elements and 4 diode elements per phase. If FIG. 29 is considered as a three-phase DC / AC converter, the number of switching elements used is 30, the number of diode elements is 12, and the total number is 42. As described above, the conventional multilevel power conversion device uses a large number of elements, resulting in high cost and large size of the device.
  • the multilevel power conversion device shown in FIG. 30 can arbitrarily select the charge / discharge pattern of the common flying capacitor regardless of the phase voltage level to be output.
  • components other than the DC voltage sources DCC1 and DCC2 and the flying capacitors FC1 and FC2 are used independently in each phase, the number of switching elements is large, and the cost and size of the apparatus has been increased.
  • the three-phase five-level power converter shown in FIG. 30 as many as 48 switching elements are required per three phases.
  • the total number of switching elements used can be reduced by providing switching elements S1 and S2 common to M phases, but the charge and discharge patterns of the flying capacitors FC1 and FC2 common to each phase There is a drawback that you can not choose any.
  • FIG. 32 shows switching patterns of the output phase voltage levels E and -E.
  • FIG. 33 shows an example of a charge / discharge pattern which can not be selected arbitrarily for the flying capacitor FC2.
  • (circle) in the figure represents the switching element in conduction.
  • the output phase voltage levels E and -E each have two patterns of output method, the pattern of E charges and discharges the flying capacitor FC2, and the pattern of -E charges the flying capacitor FC1, It is possible to discharge.
  • the output pattern of (b) of FIG. 32 is not applicable and is limited to the output pattern of (a) of FIG. Understand that it If the charge / discharge pattern is limited in this way, the charge / discharge of the flying capacitors FC1 and FC2 can not be switched arbitrarily, which causes a problem that the control method becomes complicated.
  • the multiphase multilevel power conversion device it is an object to reduce the number of elements used and to reduce the cost and size of the device.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and one aspect thereof is multilevel power generating an AC output converted from a voltage of a DC voltage source, a flying capacitor, and a capacitor to a plurality of voltage levels
  • a converter comprising N (N ⁇ 2) series-connected DC voltage sources common to respective phases, a first flying capacitor common to each phase whose one end is connected to the negative terminal of each DC voltage source, and A second flying capacitor common to each phase, one end of which is connected to the positive terminal of the DC voltage source, a positive terminal, a negative terminal of the first flying capacitor, a positive terminal of the second flying capacitor, and a negative terminal are input terminals.
  • One end of the switching element is connected to the terminal, the other ends of two adjacent switching elements are connected, and the other end is connected to a common connection point of the switching elements. Connect the ends, repeat this to the final stage where the number of switching elements will be two, connect the switching elements of the two output stages in series between the other ends of the two switching elements of the final stage, and switch the two switching elements of the output stage.
  • the capacitors are connected in parallel to each other, the common connection point of the switching elements in the output stage is used as an output terminal, and the switching elements are selectively turned on and off to control the potential of any one of the input terminals.
  • the phase module of M phase (M ⁇ 2) which outputs the potential obtained by adding and subtracting the voltage of the capacitor to the potential of any one of the input terminals from the output terminal. .
  • the present invention relates to a multilevel power conversion device that generates an AC output converted from a voltage of a DC voltage source, a flying capacitor and a capacitor to a plurality of voltage levels, and N (N22) series connected
  • a DC voltage source common to each phase a first flying capacitor whose positive terminal is connected to a common connection point of an nth DC voltage source (n: odd) and an n + 1 DC voltage source (n + 1: even);
  • a second flying capacitor whose negative end is connected to a common connection point of the direct current voltage source and the (n + 1) th direct current voltage source; a negative end of the nth direct current voltage source; a negative end of the first flying capacitor;
  • the positive terminal of the second flying capacitor is used as an input terminal, one end of the switching element is connected to each input terminal, the other ends of two adjacent switching elements are connected, and the other ends are connected to each other.
  • One end of the switching element is connected to the common connection point of the connected switching elements, and this is repeated to the final stage where the number of switching elements is two, and switching elements of two output stages between the other ends of the two switching elements in the final stage Are connected in series, capacitors are connected in parallel to the two switching elements in the output stage, and the common connection point of the switching elements in the output stage is used as the output terminal, and each switching element is selectively turned ON and OFF.
  • An M phase module that outputs from the output terminal the potential obtained by adding and subtracting the voltage of the capacitor to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals; It is characterized by having.
  • the present invention relates to a multilevel power conversion device that generates an AC output converted from a voltage of a DC voltage source, a flying capacitor and a capacitor to a plurality of voltage levels, wherein two DCs connected in series are common A first DC voltage source and a second DC voltage source, wherein the voltage source, N number of first to Nth flying capacitors common to respective phases, whose negative terminals are sequentially connected in series to the negative terminal of the first DC voltage source;
  • the negative terminal is connected in series to the common connection point of N number N 2nd to Nth +1 flying capacitors common to each phase in which the positive electrode end is sequentially connected in series to the common connection point, and the first DC voltage source and the second DC voltage source N common second N + 1 to third N flying capacitors common to each phase, and N fourth to third N + 1 flying capacitors common to each phase in which positive terminals are sequentially connected in series to the positive terminal of the second DC voltage source
  • the switching elements are connected in series, and capacitors are connected in parallel to the two switching elements in the output stage.
  • the common connection point of the stage switching elements is used as an output terminal, and each switching element is selectively turned on and off to control the potential of any one of the input terminals or any of the input terminals.
  • a phase module of M phase for outputting from the output terminal the potential obtained by adding and subtracting the voltage of the capacitor to the potential of the terminal.
  • the present invention relates to a multilevel power conversion device that generates an AC output converted from a voltage of a DC voltage source, a flying capacitor and a capacitor to a plurality of voltage levels, wherein two DCs connected in series are common A voltage source, N number of first to Nth flying capacitors common to respective phases sequentially connected in series on the negative electrode side of the first DC voltage source, and a positive electrode terminal on the positive electrode side of the second DC voltage source Are sequentially connected in series to N common N + 1th to 2Nth flying capacitors common to each phase, positive and negative terminals of the first flying capacitor, positive terminals of the second to Nth flying capacitors, and N + 1 to 2N-1
  • the negative terminal of the flying capacitor and the positive and negative terminals of the second N flying capacitor are used as input terminals, one end of the switching element is connected to each input terminal, and two adjacent switching elements are connected.
  • the other end of the switching element is connected to the other end, and one end of the switching element is connected to the common connection point of the switching elements connected to the other end. This is repeated until the final stage where two switching elements are formed.
  • the switching elements of the two output stages are connected in series between the other ends of the capacitors, capacitors are connected in parallel to the two switching elements of the output stage, and the common connection point of the switching elements of the output stage is an output terminal.
  • first DC voltage source and the second DC voltage source may be integrated into one DC voltage source.
  • the present invention relates to a multilevel power converter for generating an AC output obtained by converting a voltage of a DC voltage source and a capacitor to a plurality of voltage levels, wherein 2N + 2 series connected DC voltage sources common to each phase
  • the positive and negative terminals of the first and second N + 2 DC voltage sources, the positive terminals of the second to Nth DC voltage sources, and the negative terminals of the N + 3 and second N + 1 DC voltage sources are input terminals, and switching elements are provided at each input terminals.
  • the other end of two adjacent switching elements is connected, and one end of the switching element is connected to the common connection point of the switching elements whose other ends are connected.
  • the switching elements of the two output stages are connected in series between the other ends of the two switching elements of the final stage, and for the two switching elements of the output stage,
  • the capacitors are connected in parallel, the common connection point of the switching elements in the output stage is used as an output terminal, and the switching elements are selectively turned on and off to control the potential of any one of the input terminals or
  • a phase module of M phase is provided, which outputs the potential obtained by adding and subtracting the voltage of the capacitor to the potential of any one of the input terminals from the output terminal.
  • the (N + 1) th DC voltage source and the (N + 2) th DC voltage source may be integrated into one DC voltage source.
  • the present invention relates to a multilevel power converter for generating an AC output obtained by converting a DC voltage to a plurality of voltage levels, wherein N (N ⁇ 2) series connected DC voltage sources common to respective phases and A first semiconductor element whose one end is connected to the positive terminal of each DC voltage source, a second semiconductor element whose one end is connected to the negative terminal of each DC voltage source, the other end of the first semiconductor element, a second A flying capacitor connected between the other end of the semiconductor element and a third connection point between a common connection point of the first semiconductor element and the flying capacitor and a common connection point of the second semiconductor element and the flying capacitor; A common cell having a fourth semiconductor element common to each phase, at least one of the one end of the first semiconductor element and the one end of the second semiconductor element, and a common connection point of the third and fourth semiconductor elements Input terminal, each input end And a switching element between the output terminals, selectively ON the switching elements, characterized by comprising a phase module of M phase OFF control (M ⁇ 3), the
  • the phase module connects one end of the switching element to each input terminal, connects the other ends of two adjacent switching elements, and connects the other ends to a common connection point of the switching elements Connect one end of the switching element to the final stage where the number of switching elements becomes two, and connect the switching elements of two output stages in series between the other ends of the two switching elements of the final stage.
  • Capacitors are connected in parallel to the two switching elements, and the common connection point of the switching elements of the output stage is used as an output terminal, and each of the switching elements is selectively turned on and off to control any of the input terminals. Whether the potential at the terminal of V or the potential at which the voltage of the capacitor is added or subtracted from the potential of any one of the input terminals is the output terminal And outputs.
  • one end of the first switching element is connected to one of the one end of the first semiconductor element and one end of the second semiconductor element, and the third and fourth semiconductor elements are commonly connected Connecting one end of the second switching element to a point, connecting the other ends of the first and second switching elements, and connecting one end of the third switching element to a common connection point of the first and second switching elements;
  • One end of a series circuit in which a fourth switching element and a fifth switching element are connected in series is connected to the other end of the three switching elements, and one common connecting point of one end of the first semiconductor element and one end of the second semiconductor element
  • the cathode of the first diode and the anode of the second diode are connected to each other, and the fourth switching element and the fifth switching element are connected in series in parallel to the first diode and the second diode.
  • the series circuit is connected, and the common connection point of the fourth and fifth switching elements is used as the output terminal, or when there are multiple fourth and fifth switching elements, the common connection point of the fourth and fifth switching elements One end of the switching element is connected, the other end of two adjacent switching elements are connected, the switching element is connected to the common connection point of the switching elements connected the other ends, and this becomes two switching elements Repeating up to the output stage, using the common connection point of the two switching elements of the output stage as the output terminal, and selectively controlling the switching elements ON and OFF, the potential of any one of the input terminals is output. It is characterized by outputting from.
  • one end of the first switching element is connected to one of the one end of the first semiconductor element and one end of the second semiconductor element, and the third and fourth semiconductor elements are commonly connected Connecting one end of the second switching element to a point, connecting the other ends of the first and second switching elements, and connecting one end of the third switching element to a common connection point of the first and second switching elements;
  • One end of a bidirectional switch is connected to the other end of one semiconductor element and one end of the second semiconductor element, the other end of the third switching element is connected to the other end of the bidirectional switch, and the third switching element Using the common connection point of the bi-directional switch as an output terminal, and selectively turning on and off each switching element to output the potential of any one of the input terminals from the output terminal.
  • two switching elements are connected in series between the other ends of the two adjacent switching elements other than the final stage, and capacitors are connected in parallel to the two switching elements connected in series, and two switches connected in series
  • One end of the switching element in the next stage is connected to the common connection point of the elements, and each switching element is selectively turned ON / OFF to control the potential of any one of the input terminals or the input terminal.
  • the voltage of a capacitor connected in parallel to the switching element of the output stage or a capacitor connected in parallel to the switching element connected in series between adjacent switching elements other than the final stage is added to or subtracted from the potential of any one of the terminals
  • the output potential may be output from the output terminal.
  • each DC voltage source may be divided into two or more in series.
  • part or all of the switching elements may be divided into two or more in series, or part or all of the switching elements may be divided into two or more in parallel.
  • the present invention in the multiphase multilevel power conversion device, it is possible to reduce the number of elements used and to reduce the cost and size of the device.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an operation example according to output voltage in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic view showing an operation example according to output voltage in the second embodiment.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a fifth embodiment.
  • FIG. FIG. 14 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a seventh embodiment.
  • FIG. 18 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to an eighth embodiment.
  • FIG. FIG. 24 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a thirteenth embodiment.
  • FIG. 24 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a fourteenth embodiment. Schematic which shows the switching pattern of a basic cell.
  • FIG. 21 is a schematic view illustrating a voltage-specific switching pattern of the multilevel power conversion device according to a fourteenth embodiment.
  • FIG. 21 is a circuit diagram showing a multilevel power conversion device according to a fifteenth embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic view showing a voltage-specific switching pattern of the multilevel power conversion device according to a fifteenth embodiment;
  • the circuit block diagram which shows the multilevel power converter device in Embodiment 16.
  • FIG. The schematic which shows the switching pattern according to voltage of the multilevel power converter device in Embodiment 16.
  • FIG. Schematic which shows a phase module.
  • the circuit block diagram which shows an example of the conventional multi-level power converter device.
  • the circuit block diagram which shows the other example of the conventional multi-level power converter device.
  • the circuit block diagram which shows the other example of the conventional multi-level power converter device.
  • Schematic which shows the switching pattern of output phase voltage E of the conventional multilevel power converter device, and -E. Schematic which shows the switching pattern which can not be selected.
  • Embodiment 1 An example of a pattern for outputting the phase voltage 0 in the prior art shown in FIG. 29 is shown in FIG.
  • the phase voltage 0 is output using the diode elements Su9 to Su12, but if the phase voltage 0 can be output by other means, these diode elements Su9 to Su12 are It can be omitted.
  • the diode elements Su9 to Su12, Sv9 to Sv12, and Sw9 to Sw12 are omitted, and The number is reduced.
  • the multilevel power conversion device includes DC voltage sources DCC1 and DCC2 and flying capacitors FC1 and FC2 common to the respective phases, and the voltage is selected by the phase modules respectively provided to the respective phases, and the output terminal U is selected. , V, W output.
  • the phase module includes switching elements Su1 to Su8 and a capacitor FC1 u in the U phase.
  • Direct-current voltage sources direct-current capacitors or direct-current power sources
  • DCC1 and DCC2 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the direct-current voltage sources DCC1 and DCC2 is a terminal 0.
  • the negative terminal of the flying capacitor FC1 common to each phase is connected to the negative terminal of the DC voltage source DCC1, and the positive terminal of the flying capacitor FC2 is connected to the positive terminal of the DC voltage source DCC2.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the flying capacitor FC1, and the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the flying capacitor FC2 are connected as input terminals to the phase module of each phase.
  • each of the switching elements Su1 to Su4 is connected to each input terminal, and the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2 and Su3 and Su4 are connected to each other.
  • One end of the switching elements Su5a and Su6a is connected to the common connection point between adjacent switching elements Su1 and Su2, Su3 and Su4, and the other end is output via the switching elements Su5b and Su6b between the other ends of the switching elements Su5a and Su6a.
  • the stage switching elements Su7 and Su8 are sequentially connected in series.
  • a capacitor FC1u is connected in parallel to the switching elements Su7 and Su8 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su7 and Su8 of the output stage is an output terminal U.
  • the switching elements Su5b and Su6b are connected in series to the switching elements Su5a and Su6a for withstand voltage.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • the output terminals U, V, W to 2E It can output phase voltages of five levels E, 0, -E and -2E.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • 30 switching elements and 0 diode elements are used.
  • diode elements Su9-Su12, Sv9-Sv12, Sw9-Sw12 of the prior art can be used. Can be omitted, and the number of diode elements used can be reduced by 12 as compared with the conventional circuit configuration shown in FIG.
  • the number of diode elements can be reduced to zero without changing the number of switching elements.
  • a typical switching pattern of the U phase is shown in Table 1 and FIG.
  • Table 1 A typical switching pattern of the U phase is shown in Table 1 and FIG.
  • Table 1 By switching according to the pattern of Table 1, it is possible to output phase voltages of five levels of 2E, E, 0, -E and -2E through the path shown in FIG.
  • the circle in the figure represents a switching element in conduction.
  • the applied voltage of each flying capacitor will be described.
  • the flying capacitor FC2 is charged in the patterns (2) and (3) of FIG. Further, the capacitor FC1 u is charged in the pattern of (3) of FIG. 3. Furthermore, although not shown in FIG. 3, there is also a pattern in which the flying capacitor FC1 is charged, and a pattern in which the flying capacitors FC1 and FC2 and the capacitor FC1u are discharged. By performing these charging and discharging, the voltages of the flying capacitors FC1 and FC2 and the flying capacitor FC1 u can be controlled to E while outputting the phase voltage.
  • the maximum applied voltage at steady state of each switching element is E. This is the same value as that of the conventional circuit shown in FIG.
  • the number of elements can be reduced in a multiphase multilevel power conversion device, and the cost and size of the device can be reduced.
  • FIG. 4 shows a circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the second embodiment.
  • the second embodiment has the same circuit configuration as the first embodiment, but changes the voltage ratio of the DC voltage sources DCC1 and DCC2, the flying capacitors FC1 and FC2, and the capacitors FC1u, FC1v and FC1w.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • the output terminals U, V It can output phase voltage of six levels of 2.5E, 1.5E, 0.5E, -0.5E, -1.5E, -2.5E from W.
  • An operation example and current paths for each output voltage are shown in FIG.
  • the number of levels can be expanded as compared with the first embodiment by changing the voltage ratio between the DC voltage sources DCC1 and DCC2, the flying capacitors FC1 and FC2, and the capacitors FC1u, FC1v and FC1w.
  • the number of levels can be increased as compared to the first embodiment while keeping the number of switching elements the same, so that harmonics of output voltage and current can be suppressed.
  • FIG. 6 shows the circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the third embodiment.
  • the multilevel power conversion device according to the third embodiment includes DC voltage sources DCC1 to DCC4 common to the respective phases, and the voltages are selected by the phase modules respectively provided to the respective phases and output from the output terminals U, V, W Do.
  • the phase module includes switching elements Su1 to Su8 and a capacitor FC1 u in the U phase.
  • DC voltage sources DC capacitors or DC power sources
  • DCC1 to DCC4 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the DC voltage sources DCC2 and DCC3 is a terminal 0.
  • the positive and negative extremes of the DC voltage source DCC1 and the positive and negative extremes of the DC voltage source DCC4 are connected as input terminals to the phase module of each phase.
  • each of the first switching elements Su1 to Su4 is connected to each input terminal, and the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2 and Su3 and Su4 are connected to each other.
  • One end of the switching elements Su5a and Su6a is connected to the common connection point between adjacent switching elements Su1 and Su2, Su3 and Su4, and the other end is output via the switching elements Su5b and Su6b between the other ends of the switching elements Su5a and Su6a.
  • the stage switching elements Su7 and Su8 are sequentially connected in series.
  • a capacitor FC1u is connected in parallel to the switching elements Su7 and Su8 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su7 and Su8 of the output stage is an output terminal U.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • phase voltages of five levels are output from output terminals U, V, and W. be able to.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • 0 can be output from the output terminals U, V, W by using the flying capacitors FC1u, FC1v, FC1w as in the first embodiment.
  • the diode elements Su9 to Su12, Sv9 to Sv12, and Sw9 to Sw12 of the prior art (FIG. 18) can be omitted, and the number of diode elements used can be reduced by 12 as compared with the conventional circuit configuration shown in FIG.
  • the maximum applied voltage of each switching element in steady state is E as in the first and second embodiments.
  • the number of levels can be expanded by changing the voltage ratio as in the second embodiment.
  • the voltages of the DC voltage sources DCC1 and DCC4 are controlled to E
  • the voltages of DCC2 and DCC3 to 1.5 E
  • the capacitors Fc1 u, FC1 v and FC1 w to 2 E the respective output terminals U, V and W to 2.5 E
  • And can output phase voltages of six levels, that is, 1.5E, 0.5E, -0.5E, -1.5E, and 2.5E.
  • FIG. 7 shows a circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the fourth embodiment.
  • the multilevel power conversion device includes DC voltage sources DCC1 and DCC2 and flying capacitors FC1 and FC2 common to the respective phases, and the voltage is selected by the phase modules respectively provided to the respective phases, and the output terminal U is selected. , V, W output.
  • the phase module includes switching elements Su1 to Su8 and a capacitor FC1 u in the U phase.
  • Direct-current voltage sources direct-current capacitors or direct-current power sources
  • DCC1 and DCC2 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the direct-current voltage sources DCC1 and DCC2 is a terminal 0.
  • the positive terminal of the flying capacitor FC1 and the negative terminal of the flying capacitor FC2 are connected to the common connection point of the DC voltage sources DCC1 and DCC2.
  • the negative terminal of the DC voltage source DCC1, the negative terminal of the flying capacitor FC1, the positive terminal of the DC voltage source DCC2, and the positive terminal of the flying capacitor FC2 are connected as input terminals.
  • each of the first switching elements Su1 to Su4 is connected to each input terminal, and the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2 and Su3 and Su4 are connected to each other.
  • One end of the switching elements Su5a and Su6a is connected to the common connection point between adjacent switching elements Su1 and Su2, Su3 and Su4, and the other end is output via the switching elements Su5b and Su6b between the other ends of the switching elements Su5a and Su6a.
  • the stage switching elements Su7 and Su8 are sequentially connected in series.
  • a capacitor FC1u is connected in parallel to the switching elements Su7 and Su8 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su7 and Su8 of the output stage is an output terminal U.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • 0 can be output from the output terminals U, V, W by using the capacitors FC1u, FC1v, FC1w, as in the first embodiment.
  • the diode elements Su9 to Su12, Sv9 to Sv12 and Sw9 to Sw12 of the prior art (FIG. 29) can be omitted, and the number of diode elements to be used can be reduced by 12 as compared with the conventional circuit configuration shown in FIG.
  • the maximum applied voltage of each switching element in steady state is E as in the first and second embodiments.
  • the number of levels can be expanded by changing the voltage ratio as in the second embodiment.
  • the voltage of DC voltage sources DCC1 and DCC2 is 2.5E
  • the voltage of flying capacitors FC1 and FC2 is 1.5E
  • the voltages of capacitors Fc1u, FC1v and FC1w are 2E, 2.5E, 1.5E
  • It can output phase voltages of six levels of 0.5E, -0.5E, -1.5E, and -2.5E.
  • FIG. 8 shows a circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the fifth embodiment.
  • the multilevel power converter according to the fifth embodiment has two stages of the flying capacitors FC1 and FC2 common to the respective phases in the multilevel power converter according to the first embodiment. That is, a phase module provided with DC voltage sources DCC1 and DCC2 common to each phase, flying capacitors FC1, FC2, FC3 and FC4 and provided for each phase selects a voltage and outputs from output terminals U, V and W Do.
  • the phase module includes switching elements Su1 to Su12 and a flying capacitor FC1u in the U phase.
  • Direct-current voltage sources direct-current capacitors or direct-current power sources
  • DCC1 and DCC2 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the direct-current voltage sources DCC1 and DCC2 is a terminal 0.
  • the negative terminal of the flying capacitor FC1 is connected to the negative terminal of the DC voltage source DCC1.
  • a flying capacitor FC2 is connected in series to the flying capacitor FC1.
  • the positive terminal of the flying capacitor FC4 is connected to the positive terminal of the DC voltage source DCC2.
  • a flying capacitor FC3 is connected in series to the flying capacitor FC4.
  • the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC1, the positive terminal of the flying capacitor FC2, the negative terminal of the flying capacitor FC3, and the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC4 are connected as input terminals.
  • each of the switching elements Su1 to Su4, Su6 and Su7 is connected to each input terminal, and the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2 and Su3 and Su4 are connected to each other.
  • One end of each of the switching elements Su5 and Su8 is connected to the common connection point between the adjacent switching elements Su1 and Su2, and Su3 and Su4.
  • the other ends of the adjacent switching elements Su5 and Su6, Su7 and Su8 are connected to each other, and one end of the switching elements Su9a and Su10a is connected to a common connection point of the adjacent switching elements Su5 and Su6, Su7 and Su8.
  • the switching elements Su11 and Su12 of the output stage are sequentially connected in series between the other ends of the switching elements Su9a and Su10a of the final stage via the switching elements Su9b and Su10b.
  • a capacitor FC1u is connected in parallel to the switching elements Su11 and Su12 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su11 and Su12 of the output stage is an output terminal U.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • the output terminals U, V, W are controlled by controlling the voltage of the DC voltage sources DCC1, DCC2 to 3.5 E, the voltages of the flying capacitors FC1, FC2, FC3, FC4 to E, and the voltages of the capacitors FC1 u, FC1 v, FC1 w to 2 E.
  • eight phase voltages of 3.5 E, 2.5 E, 1, 5 E, 0.5 E, -0.5 E, -1.5 E, -2.5 E, and -3.5 E can be output.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • Table 2 shows representative switching patterns in the fifth embodiment.
  • the maximum applied voltage of each switching element in steady state is E as in the first and second embodiments.
  • the number of phase voltage levels that can be output is increased, and the number of switching elements required is increased.
  • the flying capacitors common to the respective phases of the first embodiment are configured in multiple stages, Compared to the circuit system, the number of diode elements can be reduced without changing the number of switching elements. Further, since the number of levels increases, harmonics of the output voltage and current can be suppressed and the harmonics suppression filter can be miniaturized as compared with the first to third embodiments.
  • FIG. 9 shows a circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the sixth embodiment.
  • a phase module provided with DC voltage sources DCC1 and DCC2 common to the respective phases, flying capacitors FC1, FC2, FC3 and FC4 and provided respectively in the respective phases selects voltages and outputs them from the output terminals U, V and W.
  • the phase module includes switching elements Su1 to Su12 and a capacitor FC1 u in the U phase.
  • Direct-current voltage sources direct-current capacitors or direct-current power sources
  • DCC1 and DCC2 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the direct-current voltage sources DCC1 and DCC2 is a terminal 0.
  • the negative terminal of the flying capacitor FC1 is connected to the negative terminal of the DC voltage source DCC1.
  • the positive terminal of the flying capacitor FC2 and the negative terminal of the flying capacitor FC3 are connected to a common connection point of the DC voltage source DCC1 and the DC voltage source DCC2.
  • the positive terminal of the flying capacitor FC4 is connected to the positive terminal of the DC voltage source DCC2.
  • the phase module is connected with the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC1, the negative terminal of the flying capacitor FC2, the positive terminal of the flying capacitor FC3, and the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC4 as input terminals.
  • each of the switching elements Su1 to Su4, Su6 and Su7 is connected to each input terminal, and the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2 and Su3 and Su4 are connected to each other.
  • One end of each of the switching elements Su5 and Su8 is connected to the common connection point between the adjacent switching elements Su1 and Su2, and Su3 and Su4.
  • the other ends of the adjacent switching elements Su5 and Su6, Su7 and Su8 are connected to each other, and one end of the switching elements Su9a and Su10a is connected to a common connection point of the adjacent switching elements Su5 and Su6, Su7 and Su8.
  • the switching elements Su11 and Su12 of the output stage are sequentially connected in series between the other ends of the switching elements Su9a and Su10a of the final stage via the switching elements Su9b and Su10b.
  • a capacitor FC1u is connected in parallel to the switching elements Su11 and Su12 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su11 and Su12 of the output stage is an output terminal U.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • Output by controlling the voltage of DC voltage sources DCC1 and DCC2 to 3.5 E, the voltage of flying capacitors FC1 and FC4 to E, the voltage of FC2 and FC3 to 1.5 E, and the voltage of capacitors FC1 u, FC1 v and FC1 w to 2 E Outputs phase voltage of eight levels from terminals U, V, W to 3.5E, 2.5E, 1, 5E, 0.5E, -0.5E, -1.5E, -2.5E, -3.5E. it can.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • the sixth embodiment increases the number of levels that can be output, and thus the number of switching elements required increases.
  • the flying capacitors common to the respective phases of the first embodiment are multi-staged, the conventional configuration shown in FIG.
  • the number of diode elements can be reduced similarly without changing the number of switching elements, as compared to the case where the number of levels is extended.
  • output voltage and current harmonics can be suppressed and the harmonics suppression filter can be miniaturized as compared with the first to third embodiments.
  • FIG. 10 shows a circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the seventh embodiment.
  • the multilevel power conversion device according to the seventh embodiment is the multilevel power conversion device according to the first embodiment in which the flying capacitors FC1 and FC2 common to the respective phases in the multilevel power conversion device are four stages of FC1, FC2, FC3 and FC4. That is, a phase module provided with DC voltage sources DCC1 and DCC2 common to each phase, flying capacitors FC1, FC2, FC3 and FC4 and provided for each phase selects a voltage and outputs from output terminals U, V and W Do.
  • the phase module includes switching elements Su1 to Su16 and a capacitor FC1 u in the U phase.
  • Direct-current voltage sources direct-current capacitors or direct-current power sources
  • DCC1 and DCC2 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the direct-current voltage sources DCC1 and DCC2 is a terminal 0.
  • the negative terminal of the DC voltage source DCC1 is connected to the negative terminal of the flying capacitor FC1, and the positive terminal of the DC voltage source DCC1 is connected to the positive terminal of the flying capacitor FC2.
  • the negative terminal of the flying capacitor FC3 is connected to the negative terminal of the DC voltage source DCC2, and the positive terminal of the flying capacitor FC4 is connected to the positive terminal of the DC voltage source DCC2.
  • the phase module uses the positive and negative ends of the flying capacitors FC1 to FC4 as input terminals.
  • One end of the first switching elements Su1 to Su8 is connected to each input terminal, the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2, Su3 and Su4, Su5 and Su6, Su7 and Su8 are connected, and the adjacent switching elements Su1 and Su8 One end of each of the switching elements Su9 to Su12 is connected to a common connection point of Su2, Su3 and Su4, Su5 and Su6, and Su7 and Su8.
  • the other ends of the adjacent switching elements Su9 and Su10 and Su11 and Su12 are connected to each other, and the switching elements Su13 and Su14 are connected to the common connection point between the adjacent switching elements Su9 and Su10 and Su11 and Su12.
  • the switching elements Su15 and Su16 of the output stage are sequentially connected in series between the other ends of the switching elements Su13 and Su14 of the final stage.
  • a capacitor FC1 u is connected in parallel to the switching elements Su15 and Su16 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su15 and Su16 of the output stage is an output terminal U.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • phase voltages of nine levels, 3E, 2E, 1E, 0, -1E, -2E, -3E and -4E.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • Table 3 shows representative switching patterns in the seventh embodiment.
  • the seventh embodiment increases the number of levels that can be output, and thus the number of switching elements required increases.
  • the flying capacitors common to the respective phases of the first embodiment are multi-tiered, the level shown in FIG.
  • the number of diode elements can be reduced without changing the number of switching elements, as compared to the case where the number is expanded.
  • output voltage and current harmonics can be suppressed and the harmonics suppression filter can be miniaturized as compared with the first to third embodiments.
  • FIG. 11 shows a circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the eighth embodiment.
  • the multilevel power conversion device includes switching elements Su17, Su18, Su19, Su20 between the switching elements Su9 and Su10 and Su11 and Su12 in the multilevel power conversion apparatus according to the seventh embodiment, and the switching elements
  • a capacitor FC3u is connected in parallel to Su17 and Su18 and a capacitor FC2u is connected in parallel to switching elements Su19 and Su20, and one end of the switching element Su13 and Su14 in the next stage is connected to the common connection point of switching elements Su17 and Su18 and Su19 and Su20. It is connected. That is, in the eighth embodiment, a parallel connection circuit of a switching element and a capacitor is provided in addition to the switching element of the final stage.
  • the capacitors FC1u, FC2u, and FC3u are set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element.
  • the potential obtained by adding and subtracting the voltage of is output from the output terminal.
  • the voltages of DC voltage sources DCC1 and DCC2 are 5E
  • the voltages of flying capacitors FC1, FC2, FC3 and FC4 are E
  • E By controlling the voltage to E, it is possible to output phase voltages of 11 levels of 5E, 4E, 3E, 2E, E, 0, -E, -2E, -3E, -4E, and -5E.
  • the reference point of the phase voltage is terminal 0.
  • Table 4 shows a typical switching pattern of the U phase.
  • the number of diode elements is zero. Further, since the number of levels increases, output voltage and current harmonics can be suppressed and the harmonics suppression filter can be miniaturized as compared with the seventh embodiment.
  • FIG. 12 shows a multilevel power converter in the ninth embodiment.
  • FIG. 12 is a multilevel power converter device in which the circuit of one phase of the multilevel power converter of Embodiment 1 is expanded to M phases and N stages.
  • the negative terminals of the flying capacitors FC1, FC3, ..., FC2N-1 are connected to the negative terminals of the DC voltage sources DCC1 to DCCN, respectively, and the flying capacitors FC2, FC4, ..., FC2N are connected to the positive terminals of the DC voltage sources DCC1 to DCCN.
  • the positive terminal is connected.
  • FIG. 13 (a) to 13 (d) The structural example of the phase module used for the multilevel power converter of this Embodiment 9 is shown in FIG.
  • FIGS. 13 (a) to 13 (d) in all of (a) to (d), flying capacitors FCM0 of respective phases are provided in parallel with the switching elements of the output stage.
  • 13 (a) and 13 (b) are configuration examples when the number of input terminals of the phase module is a multiple of 4
  • FIGS. 13 (c) and 13 (d) are configuration examples when the number of input terminals of the phase module is an even number other than a multiple of 4 is there.
  • the difference between FIG. 13 (a) and FIG. 13 (b) and the difference between FIG. 13 (c) and FIG. 13 (d) are the capacitors other than the capacitor FCM0 connected in parallel to the switching element of the output stage. It is the presence or absence of FCM1 to FCMN.
  • each input terminal of the phase module is connected to the positive and negative ends of the flying capacitors FC1 to FCN common to each phase.
  • the number of levels of the phase voltage depends on the type of phase module to be applied and the DC voltage sources DCC1 to DCCN, the flying capacitors FC1 to FC2N common to each phase, and the applied voltage of the capacitors FCM0 and FCM1 to FCMN in the phase module.
  • the voltages of the DC voltage sources DCC1 to DCCN of FIG. 12 are 4E
  • the voltages of the flying capacitors FC1 to FC2N are 4E
  • the number of the flying capacitor FCM0 of the phase module of FIG. By controlling to, the number of phase voltage levels becomes (4N + 1).
  • the voltage of DC voltage sources DCC1 to DCCN of FIG. 12 is controlled to 4E
  • the voltage of flying capacitors FC1 to FC2N is controlled to E
  • the DC voltage sources DCC1 to DCCN may be divided in each.
  • FIG. 14 shows a multilevel power converter in the tenth embodiment.
  • the multilevel power conversion device differs from the ninth embodiment in the connection configuration of the flying capacitors FC1 to FC2N.
  • 2N is a series number of DC voltage sources, and DC voltage sources DCC1 to DCC2N are connected in series.
  • the number of flying capacitors FC1 to FC2N is also 2N, and the first flying capacitors FC1, FC3,..., FCn-1 are connected to the common connection point of each DC voltage source DCCn (n: odd) and DCCn + 1 (n + 1: even).
  • the positive ends are connected, and the negative ends of the flying capacitors FC2, FC4,..., FC2N are connected to the common connection point of the DC voltage sources DCCn (n: odd) and DCCn + 1 (n + 1: even).
  • the number of series connected DC voltage sources DCC1 to DCC2N and the number of flying capacitors FCC1 to FCC2N common to each phase are even. Note that M ⁇ 2.
  • the negative terminal of the DC voltage source DCCn (n: odd number), the negative terminal of the flying capacitor FCn, the positive terminal of the DC voltage source DCCn + 1, and the positive terminal of the flying capacitor FCn + 1 are input terminals.
  • the number of levels of the phase voltage depends on the type of phase module to be applied and the DC voltage sources DCC1 to DCCN, the flying capacitors FC1 to FC2N common to each phase, and the applied voltage of the capacitors of each phase in the phase module.
  • the flying capacitors FC1 to FC2N common to each phase, and the voltage of the capacitor FCM0 of the phase module shown in FIG. Is (4N + 1).
  • the DC voltage sources DCC1 to DCC2N may be divided in each.
  • FIG. 15 shows a multilevel power converter in the eleventh embodiment.
  • the DC voltage sources DCC1 and DCC2 are connected in series.
  • the connection configuration of the flying capacitors FC1 to FC4N is different from that of the ninth and tenth embodiments.
  • the negative terminals of the flying capacitors FC1 to FCN are sequentially connected in series to the negative terminal of the DC voltage source DCC1, and the positive terminals of the flying capacitors FC2N to FCN + 1 are sequentially connected in series to the common connection point of the DC voltage sources DCC1 and DCC2.
  • the negative terminals of the flying capacitors FC2N + 1 to FC3N are sequentially connected in series to the common connection point of DCC1 and DCC2, and the positive terminals of the flying capacitors FC4N to FC3N + 1 are sequentially connected in series to the positive terminal of the DC voltage source DCC2.
  • the phase module includes the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC1, the positive terminal of the flying capacitors FC2 to FCN, the negative terminal of the flying capacitors FCN + 1 to FC2N, the positive terminal of the flying capacitors FC2N + 1 to FC3N, and the negative terminal of the flying capacitors FC3N + 1 to FC4N-1.
  • the extreme and the positive and negative ends of the flying capacitor FC4N are input terminals.
  • the number of flying capacitors FC1 to FC4N is a multiple of four. Note that M ⁇ 2.
  • the DC voltage sources DCC1 to DCC2 may be divided in each.
  • FIG. 16 shows a multilevel power converter in the twelfth embodiment.
  • the DC voltage sources DCC1 and DCC2 are connected in series.
  • the twelfth embodiment is an M-phase to N-stage multi-level conversion device in which the flying capacitors FC1 to FC2N are shared in the M-phase.
  • the connection configuration of the flying capacitors FC1 to FC2N is different from the ninth to eleventh embodiments.
  • the negative terminals of the flying capacitors FC1 to FCN are sequentially connected in series to the negative terminal of the DC voltage source DCC1, and the positive terminals of the flying capacitors FC2N to FCN + 1 are sequentially connected in series to the positive terminal of the DC voltage source DCC2.
  • 2N is the number of flying capacitors FC1 to FC2N. Therefore, in the present configuration, the number of flying capacitors FC1 to FC2N is an even number. Note that M ⁇ 2.
  • the phase module uses the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC1, the positive terminals of the flying capacitors FC2 to FCN, the negative terminals of the flying capacitors FCN + 1 to FC2N-1, and the positive terminal and the negative terminal of the flying capacitor FC2N as input terminals.
  • the number 2N + 2 of input terminals of the phase module may not be a multiple of four.
  • the phase module shown in FIGS. 13A and 13B is applied, and when the number 2N + 2 of input terminals of the phase module is an even multiple of 4, FIG. c) Apply a phase module with the number of input terminals as shown in (d).
  • the number of levels of the phase voltage depends on the type of phase module to be applied and the DC voltage sources DCC1 to DCC2, the flying capacitors FC1 to FC4N, and the applied voltage of each capacitor in the phase module.
  • the voltage of the capacitor FCM0 of the phase module of FIG. 13 is controlled to 2E.
  • the DC voltage sources DCC1 to DCC2 may be divided in each.
  • the DC voltage sources DCC1 and DCC2 may be integrated into one DC voltage source.
  • FIG. 17 shows the multilevel power conversion device in the thirteenth embodiment.
  • Each input terminal of the phase module is connected to DC voltage sources DCC1 to DCC2N + 2.
  • positive terminals and negative terminals of DC voltage sources DCC1 and DCC2N + 2 positive terminals of DC voltage sources DCC2 to DCCN, and negative terminals of DC voltage sources DCCN + 3 to DCC2N + 1 are input terminals. That is, among the common connection points of the DC voltage sources, only the connection point of the DC voltage sources DCCN + 1 and DCCN + 2 is not connected to the phase module. Note that M ⁇ 2.
  • the number 2N + 2 of input terminals of the phase module may not be a multiple of four.
  • the phase module shown in FIGS. 13A and 13B is applied, and when the number 2N + 2 of input terminals of the phase module is an even multiple of 4, FIG. c) Apply a phase module with the number of input terminals as shown in (d).
  • the number of levels of the phase voltage depends on the type of phase module to be applied, the DC voltage sources DCC1 to DCC2N + 2, and the applied voltage of each capacitor in the phase module.
  • the direct current voltage sources DCC1 to DCC2N + 2 may be divided. Also, the DC voltage sources DCCN + 1 and DCCN + 2 may be integrated into one DC voltage source.
  • Embodiment 14 A basic cell used in the multilevel power conversion device in the fourteenth to seventeenth embodiments is shown in FIG.
  • the basic cell includes a flying capacitor FC1 and semiconductor elements (for example, IGBTs) Sf1, Sf2, Sf3 and Sf4 and is shared by M phases.
  • semiconductor elements for example, IGBTs
  • Sf1, Sf2, Sf3 and Sf4 semiconductor elements
  • Terminal 3 is connected to the positive terminal of a DC voltage source (capacitor or DC power supply) of the device, and terminal 1 is connected to the negative terminal of a DC voltage source (capacitor or DC power supply) of the device.
  • Terminal 2 is connected to the phase module of the device. The phase module will be described later.
  • FIG. 19 shows a configuration in which N basic cells of FIG. 18 are connected in series. Here, it is assumed that N ⁇ 2.
  • a DC voltage source (capacitor or DC power supply) is connected to the terminals 2N + 1, 2N-1.
  • the phase module is connected to the terminal 2N.
  • FIG. 19 The circuit configuration of the multilevel power conversion device in the fourteenth embodiment using the basic cell of FIG. 19 is shown in FIG.
  • the multilevel power conversion device according to the fourteenth embodiment includes DC voltage sources DCC1 and DCC2 common to the respective phases and the first and second basic cells 10a and 10b, and the voltage is selected by the phase modules respectively provided in the respective phases. And output from the output terminals U, V, W.
  • Direct-current voltage sources direct-current capacitors or direct-current power sources
  • DCC1 and DCC2 are connected in series, and a common connection point (neutral point) of the direct-current voltage sources DCC1 and DCC2 is a terminal 0.
  • the first and second basic cells 10a and 10b have semiconductor elements Sf1a and Sf1b whose one ends are connected to the positive terminals of the DC voltage sources DCC1 and DCC2, and one ends are connected to the negative terminals of the DC voltage sources DCC1 and DCC2.
  • Flying capacitors FC1 and FC2 connected between the semiconductor elements Sf2a and Sf2b, the other ends of the semiconductor elements Sf1a and Sf1b, and the other ends of the semiconductor elements Sf2a and Sf2b, the semiconductor elements Sf1a and Sf1b, and the flying capacitors FC1 and FC2
  • the semiconductor elements Sf3a, Sf4a, Sf3b, and Sf4b connected in series between the common connection point of FC2 and the common connection point of the semiconductor elements Sf2a and Sf2b and the flying capacitors FC1 and FC2 are provided.
  • the basic cells 10a and 10b output voltages E and -E to the phase module by turning on the semiconductor elements Sf1a and Sf1b and Sf4a and Sf4b, or Sf2a and Sf2b and Sf3a and Sf3b.
  • one end of the semiconductor element Sf2a, the common connection point of the semiconductor elements Sf3a and Sf4a, the common connection point of the semiconductor elements Sf3b and Sf4b, and one end of the semiconductor element Sf1b are connected as input terminals Ru.
  • each of the switching elements Su1 to Su4 is connected to each input terminal, and the other ends of the adjacent switching elements Su1 and Su2 and Su3 and Su4 are connected to each other.
  • One end of the switching elements Su5a and Su6a is connected to the common connection point between adjacent switching elements Su1 and Su2, Su3 and Su4, and the other end is output via the switching elements Su5b and Su6b between the other ends of the switching elements Su5a and Su6a.
  • the stage switching elements Su7 and Su8 are sequentially connected in series.
  • a capacitor FC1u is connected in parallel to the switching elements Su7 and Su8 of the output stage, and a common connection point of the switching elements Su7 and Su8 of the output stage is an output terminal U.
  • the switching elements Su5b and Su6b are connected in series to the switching elements Su5a and Su6a for withstand voltage.
  • the voltage of the capacitor FC1u is set to the potential of any one of the input terminals or the potential of any one of the input terminals by selectively turning on and off each switching element of this phase module.
  • the potential obtained by addition and subtraction can be output from the output terminal U.
  • the output terminals U, V, W to 2E It can output phase voltages of five levels E, 0, -E and -2E.
  • a typical switching pattern of the U phase is shown in FIG. Circles in the figure represent conducting semiconductor elements and switching elements. It is possible to output phase voltages of five levels of 2E, E, 0, -E and -2E through the path shown in FIG.
  • the number of switching elements (including the semiconductor elements Sf1a to Sf4a and Sf1b to Sf4b) to be used can be reduced to 38.
  • the number of switching elements in the conventional circuit in FIG. 30 is 48, and the number of switching elements in the conventional circuit in FIG. 31 is 44.
  • the gate drive circuit for driving the switching elements can be reduced. Therefore, cost reduction can be realized.
  • the voltage levels at the common connection points of switching elements Sf3a and Sf4a, Sf3b and Sf4b of basic cells 10a and 10b are limited to E and -E (the voltage reference point is the negative terminal of each DC voltage source DCC1 to DCCN).
  • the degree of freedom of charge and discharge can be secured, so that the control can be simplified.
  • ⁇ represents a conducting element.
  • the basic cells 10a and 10b common to each phase perform only two patterns of switching as shown in FIG. Therefore, when outputting any voltage level, semiconductor elements Sf1 and Sf2 are not simultaneously turned on, so that a short circuit does not occur between DC voltage source DCC1 and flying capacitor FC1, and DC voltage source DCC2 and flying capacitor FC2.
  • the connection pattern of the flying capacitors FC1 and FC2 can be switched. Since the current flowing into and out of the flying capacitors FC1 and FC2 can be switched by switching the connection pattern according to the current, charging and discharging can be performed, and it is understood that the freedom of charging and discharging of the flying capacitors FC1 and FC2 can be secured.
  • the circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the fifteenth embodiment is shown in FIG.
  • the multilevel power conversion device according to the fifteenth embodiment includes DC voltage sources DCC1 and DCC2 common to the respective phases and the first and second basic cells 10a and 10b, and the voltage is selected by the phase modules respectively provided in the respective phases. And output from the output terminals U, V, W.
  • the phase module of each phase includes one end of the semiconductor element Sf2a, the common connection point of the semiconductor elements Sf3a and Sf4a, the common connection point of the semiconductor elements Sf3b and Sf4b, one end of the semiconductor element Sf1b, and the semiconductor elements Sf1a and Sf2b.
  • the common connection point is connected as an input terminal.
  • one end of the switching element Su1a is connected to one end of the semiconductor element Sf2a, and the switching element Su1b is connected to one end of the semiconductor element Sf1b.
  • One end of the switching element Su2a is connected to the common connection point of the semiconductor elements Sf3a and Sf4a, and the switching element Su2b is connected to the common connection point of the semiconductor elements Sf3b and Sf4b.
  • the other ends of the switching elements Su1a and Su2a, Su1b and Su2b are connected to each other, and one end of the switching elements Su3a and Su3b is connected to a common connection point of the switching elements Su1a and Su2a, Su1b and Su2b.
  • the switching element Su4a is connected to the other end of the switching element Su3a, and the other end of the switching element Su3b is connected to the switching element Su5a.
  • the switching elements Su4a, Su4b, Su5b, and Su5a are connected in series to form a series circuit.
  • the cathode of the diode Du1a and the anode of the diode Du2a are connected to the common connection point of the semiconductor element Sf1a and the semiconductor element Sf2b, and the switching elements Su4a, Su4b, Su5b, Su5a are connected in series in parallel to the diode Du1a and the diode Du2a The circuit is connected.
  • the diodes Du1b and Du2b and the switching elements Su4b and Su5b are connected in series to the diodes Du1a and Du2a and the switching elements Su4a and Su5a for withstand voltage.
  • the common connection point of the switching elements Su4b and Su5b is used as an output terminal, and the switching elements are selectively turned ON and OFF to output the potential of any one of the input terminals from the output terminal.
  • the output terminals U, V, W to 2E, E, 0, -E It can output phase voltage of 5 levels of -2E.
  • a typical switching pattern of the U phase is shown in FIG. Circles in the figure represent conducting semiconductor elements and switching elements. It is possible to output phase voltages of five levels of 2E, E, 0, -E and -2E through the path shown in FIG.
  • the number of switching elements (including semiconductor elements) used can be reduced to 38.
  • the number of switching elements in the conventional circuit in FIG. 30 is 48.
  • the number of switching elements in the conventional circuit in FIG. 31 is 44.
  • the circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the sixteenth embodiment is shown in FIG.
  • the multilevel power conversion device according to the sixteenth embodiment includes DC voltage sources DCC1 and DCC2 common to the respective phases and the first and second basic cells 10a and 10b, and the voltage is selected by the phase modules respectively provided in the respective phases. And output from the output terminals U, V, W.
  • the phase module of each phase includes one end of the semiconductor element Sf2a, the common connection point of the semiconductor elements Sf3a and Sf4a, the common connection point of the semiconductor elements Sf3b and Sf4b, one end of the semiconductor element Sf1b, and the semiconductor elements Sf1a and Sf2b.
  • the common connection point is connected as an input terminal.
  • one end of the switching element Su1a is connected to one end of the semiconductor element Sf2a, and the switching element Su1b is connected to one end of the semiconductor element Sf1b.
  • One end of the switching element Su2a is connected to the common connection point of the semiconductor elements Sf3a and Sf4a, and the switching element Su2b is connected to the common connection point of the semiconductor elements Sf3b and Sf4b.
  • the other ends of the switching elements Su1a and Su2a, Su1b and Su2b are connected to each other, and one end of the switching elements Su3a and Su3b is connected to a common connection point of the switching elements Su1a and Su2a, Su1b and Su2b.
  • bidirectional switch One end of the bidirectional switch is connected to the common connection point of the semiconductor element Sf1a and the semiconductor element Sf2b, and the other end of the bidirectional switch is connected to the other end of the switching elements Su3a and Su3b.
  • a bidirectional switch is configured by reversely connecting the switching elements Su4 and Su5.
  • a common connection point between the switching elements Su3a and Su3b and the bi-directional switch is used as an output terminal, and each switching element (including a semiconductor element) is selectively turned on and off to control any one of the input terminals. Output the potential from the output terminal.
  • the output terminals U, V, W to 2E, E, 0, -E It can output phase voltage of 5 levels of -2E.
  • a typical switching pattern of the U phase is shown in FIG. Circles in the figure represent conducting semiconductor elements and switching elements. It is possible to output phase voltages of five levels of 2E, E, 0, -E and -2E through the path shown in FIG.
  • the number of switching elements (including semiconductor elements) to be used can be reduced to 32. Furthermore, since a gate drive circuit or the like for driving the switching element can be reduced, cost reduction can be realized.
  • the degree of freedom of charge and discharge can be secured by limiting the voltage levels output from the basic cells 10a and 10b to E and -E by using the basic cells 10a and 10b, thus simplifying control. Is possible.
  • FIG. 7 The circuit configuration of the multilevel power conversion device according to the seventeenth embodiment is shown in FIG. This circuit shares the flying capacitors FC1 to FCN in three phases.
  • N DC voltage sources DCC1 to DCCN common to each phase are connected in series.
  • One ends of the semiconductor elements Sf1a to Sf1n are connected to positive terminals of the DC voltage sources DCC1 to DCCN, and one ends of the semiconductor elements Sf2a to Sf2n are connected to negative terminals of the DC voltage sources DCC1 to DCCN.
  • the configuration of the basic cells 10a to 10n is the same as that of the fourteenth embodiment.
  • Terminals 1, 2, 3,..., 2N-1, 2N, and 2N + 1 of the basic cells 10a to 10n are input terminals of the phase module.
  • the terminal 3 and the terminal 2N-1 may not necessarily be connected to each phase module.
  • the fourteenth embodiment is an example in which the terminal 3 and the terminal 2N-1 in FIG. 27 are not connected to each phase module.
  • FIG. FIG. 28 (a) is similar to FIG. 13 (c), and FIG. 28 (d) is similar to FIG. 13 (d).
  • one end of the switching element S1a, S2a, S2b, S1b is connected to the terminal 1, 2, 2N, 2N + 1, and the other ends of two adjacent switching elements S1a and S2a, S2b and S1b are connected.
  • one end of the switching elements S3a and S3b is connected to a common connection point between the switching elements S1a and S2a, and S2b and S1b whose other ends are connected to each other.
  • switching element S3a is connected to one end of a series circuit in which switching element S4a and switching element S5a are connected in series
  • switching element S3b is a series circuit in which switching element S4b and switching element S5b are connected in series. Connecting.
  • the cathodes of the diodes D11 and D1 n and the anodes of the diodes D21 and D2 n are connected to the terminals 3 and 2N-1.
  • a series circuit in which switching elements S4a and S5a are connected in series and a series circuit in which S4b and S5b are connected in series are connected to the diodes D11 and D21 and D1n and D2n.
  • One end of the switching elements S8 and S7 is connected to a common connection point between the switching elements S4a and S5a, and S4b and S5b.
  • the other ends of the switching elements S7 and S8 are connected to each other, and a common connection point thereof is used as an output terminal.
  • the terminal 3 and the terminal 2N-1 are one, and the common connection point of the switching elements S4b and S5b is an output terminal U. Further, in order to make the withstand voltage, diodes Du1a and Du1b, Du2a and Du2b, Su4a and Su4b, and Su5a and Su5b are connected in series.
  • one end of the switching elements S1a and S1b is connected to the terminals 1 and 2N + 1
  • one end of the switching elements S2a and S2b is connected to the terminals 2 and 2N
  • others of the switching elements S1a and S2a, S1b and S2b are connected to each other, and one end of the switching elements 3a and 3b is connected to the common connection point of the switching elements S1a and S2a and S1b and S2b.
  • one end of the bidirectional switch is connected to the terminals 3 and 2N-1
  • the other end of the bidirectional switch is connected to the other end of the switching elements S3a and S3b
  • the switching elements S3a and S3b are commonly connected to the bidirectional switch. Let point be an output terminal.
  • the terminals 3 and 2N-1 are one.
  • the phase module has a function of selectively connecting any one of the input terminals 1, 2,..., 2N + 1 to the output terminal OUT by the ON / OFF operation of the switching element therein.
  • the circuit groups that is, DC voltage sources DCC1 to DCCN and basic cells 10a to 10n
  • the circuit groups from the DC voltage sources DCC1 to DCCN to the phase module of each phase are divided into DC voltage groups 1 to Let's say N.
  • the voltage levels input from one DC voltage group 1 to N to the phase module are three levels of 0, E and 2E.
  • the voltage reference point is the negative terminal of the DC voltage source DCC1 to DCCN of the DC voltage group.
  • the voltage level 2E of a certain DC voltage group and the voltage level 0 of the DC voltage group one upper stage thereof become the same phase voltage when viewed from the output terminal of the phase module.
  • the fourteenth embodiment is an example using the phase module of FIG. 28 (d), the fifteenth embodiment is the phase module of FIG. 28 (b), and the sixteenth embodiment is a phase module of FIG. 28 (c). Since the number N of direct current voltage groups in the fourteenth to sixteenth embodiments is 2, the number of output voltage levels is five.

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Abstract

　Ｎ個（Ｎ≧１）直列接続された各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮと、各直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの負極端に一端が接続された各相共通の第１フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ３，…，ＦＣ２Ｎ－１と、各直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの正極端に一端が接続された各相共通の第２フライングキャパシタＦＣ２，ＦＣ４，…，ＦＣ２Ｎと、第１フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ３，…，ＦＣ２Ｎ－１の正極端，負極端，第２フライングキャパシタＦＣ２，ＦＣ４，…，ＦＣ２Ｎの正極端，負極端を入力端子とする相モジュールと、を備える。相モジュールには、出力段の２つのスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続する。これにより、多相のマルチレベル電力変換装置において、使用する素子の数を減少させ、装置におけるコストの低減，小型化を図る。

Description

マルチレベル電力変換装置
　本発明は、多相のマルチレベル電力変換装置に係り、特に、各相においてフライングキャパシタを共通に用いたマルチレベル電力変換装置に関する。
　図２９は、特許文献１におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図である。相電圧基準点を端子０とし、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２を２Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力できる。
　なお、図２９において、各スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ８，Ｓｖ１～Ｓｖ８，Ｓｗ１～Ｓｗ８と各ダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２，Ｓｖ９～Ｓｖ１２，Ｓｗ９～Ｓｗ１２の定常時の最大印加電圧はＥである。この最大印加電圧を全スイッチング素子とダイオード素子で等しくするために、Ｓｕ６ｂとＳｕ８は２直列で構成している。スイッチング素子Ｓｕ７とＳｕ５ｂ，Ｓｖ６ｂとＳｖ８，Ｓｖ７とＳｖ５ｂ，Ｓｗ６ｂとＳｗ８，Ｓｗ７とＳｗ５ｂ，Ｓｕ９とＳｕ１０，Ｓｕ１１とＳｕ１２，Ｓｖ９とＳｖ１０，Ｓｖ１１とＳｖ１２，Ｓｗ９とＳｗ１０，Ｓｗ１１とＳｗ１２についても同様である。
　また、図３０に示すようなマルチレベル電力変換装置が提案されている。図２９，図３０に示す回路は使用する直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を３相共通にすることで使用するキャパシタの数を削減し、装置の小型化を図っている。
特願２０１３－１３２２６１号
　図２９の回路は、５レベルの相電圧を出力でき、１相あたり１０個のスイッチング素子と４個のダイオード素子から構成される。図２９を三相ＤＣ／ＡＣ変換器で考えると、使用するスイッチング素子数が３０個、ダイオード素子数が１２個で、合計数は４２個となる。このように、従来のマルチレベル電力変換装置は、使用する素子の数が多く、装置が高コスト，大型化してしまっていた。
　図３０に示すマルチレベル電力変換装置は、出力する相電圧レベルに関係なく、共通のフライングキャパシタの充放電パターンを任意に選ぶことが可能である。しかし、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２以外を各相で独立して使用しているためスイッチング素子の数が多く、装置が高コスト，大型化してしまっていた。たとえば、図３０に示す３相の５レベル電力変換装置では、３相あたり４８個もスイッチング素子が必要となる。
　また、図３１に示すように、Ｍ相共通のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を設けることにより、使用するスイッチング素子の総数を削減することができるが、各相共通のフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の充放電パターンを任意に選ぶことができないという欠点があった。
　図３２に出力相電圧レベルＥ，－Ｅのスイッチングパターンを示す。また、図３３にフライングキャパシタＦＣ２に、任意に選ぶことのできない充放電パターン例を示す。また、図中の○は導通しているスイッチング素子を表す。
　図３２に示すように、出力相電圧レベルＥ，－Ｅにはそれぞれ２パターンずつの出力方法があり、ＥのパターンではフライングキャパシタＦＣ２の充電、放電、－ＥのパターンではフライングキャパシタＦＣ１の充電、放電を行うことが可能である。
　しかし、図３３に示すようにＵ相がＥ，Ｖ相が０，Ｗ相が－Ｅの時に、図３２の（ｂ），（ｄ）のパターンを同時に使用すると、スイッチング素子Ｓｕ４，Ｓｕ１４，Ｓ１が同時に導通してしまうため、直流電圧源ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ２が短絡を起こしてしまう。
　したがって、直流電圧源ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ２の短絡を回避してＥを出力するためには、図３２の（ｂ）の出力パターンは適用できずに図３２の（ａ）の出力パターンに制限されてしまうことがわかる。このように充放電のパターンが制限されてしまうと、フライングキャパシタＦＣ１とＦＣ２の充放電が任意に切り換えることができなくなり、制御方式が複雑になるという問題が発生する。
　以上示したようなことから、多相のマルチレベル電力変換装置において、使用する素子の数を減少させ、装置におけるコストの低減，小型化を図ることが課題となる。
　本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電圧源、フライングキャパシタ、およびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、Ｎ個（Ｎ≧２）直列接続された各相共通の直流電圧源と、各直流電圧源の負極端に一端が接続された各相共通の第１フライングキャパシタと、各直流電圧源の正極端に一端が接続された各相共通の第２フライングキャパシタと、第１フライングキャパシタの正極端，負極端，第２フライングキャパシタの正極端，負極端を入力端子とし、各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相（Ｍ≧２）の相モジュールと、を備えたことを特徴とする。
　また、別の態様として、直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、Ｎ個（Ｎ≧２）の直列接続された各相共通の直流電圧源と、第ｎ直流電圧源（ｎ：奇数）と第ｎ＋１直流電圧源（ｎ＋１：偶数）の共通接続点に正極端が接続された第１フライングキャパシタと、各ｎ直流電圧源と第ｎ＋１直流電圧源の共通接続点に負極端が接続された第２フライングキャパシタと、第ｎ直流電圧源の負極端，第１フライングキャパシタの負極端，第ｎ＋１直流電圧源の正極端，第２フライングキャパシタの正極端を入力端子とし、各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相の相モジュールと、を備えたことを特徴とする。
　また、別の態様として、直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、２個直列接続された各相共通の直流電圧源と、第１直流電圧源の負極端に、負極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第１～第Ｎフライングキャパシタと、第１直流電圧源と第２直流電圧源の共通接続点に正極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第２Ｎ～第Ｎ＋１フライングキャパシタと、第１直流電圧源と第２直流電圧源の共通接続点に負極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第２Ｎ＋１～第３Ｎフライングキャパシタと、第２直流電圧源の正極端に、正極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第４Ｎ～第３Ｎ＋１フライングキャパシタと、第１フライングキャパシタの正極端，負極端，第２～第Ｎフライングキャパシタの正極端，第Ｎ＋１～第２Ｎフライングキャパシタの負極端，第２Ｎ＋１～第３Ｎフライングキャパシタの正極端，第３Ｎ＋１～第４Ｎ－１フライングキャパシタの負極端，第４Ｎフライングキャパシタの正極端，負極端を入力端子とし、各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相の相モジュールと、を備えたことを特徴とする。
　また、別の態様として、直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、２個直列接続された各相共通の直流電圧源と、第１直流電圧源の負極側に、負極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第１～第Ｎフライングキャパシタと、第２直流電圧源の正極側に、正極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第Ｎ＋１～第２Ｎフライングキャパシタと、第１フライングキャパシタの正，負極端，第２～第Ｎフライングキャパシタの正極端，第Ｎ＋１～第２Ｎ－１フライングキャパシタの負極端，第２Ｎフライングキャパシタの正，負極端を入力端子とし、各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相の相モジュールと、を備えたことを特徴とする。
　また、第１直流電圧源と第２直流電圧源を１つの直流電圧源に統合してもよい。
　また、別の態様として、直流電圧源およびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、２Ｎ＋２個直列接続された各相共通の直流電圧源と、第１，第２Ｎ＋２直流電圧源の正極端，負極端，第２～第Ｎ直流電圧源の正極端，第Ｎ＋３～第２Ｎ＋１直流電圧源の負極端を入力端子とし、各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相の相モジュールと、を備えたことを特徴とする。
　また、第Ｎ＋１直流電圧源と第Ｎ＋２直流電圧源を１つの直流電圧源に統合しても良い。
　また、別の態様として、直流電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、Ｎ個（Ｎ≧２）直列接続された各相共通の直流電圧源と、各直流電圧源の正極端に一端が接続された第１半導体素子と、各直流電圧源の負極端に一端が接続された第２半導体素子と、第１半導体素子の他端と、第２半導体素子の他端との間に接続されたフライングキャパシタと、第１半導体素子とフライングキャパシタの共通接続点と第２半導体素子とフライングキャパシタの共通接続点との間に直列接続された第３，第４半導体素子と、を有する各相共通の基本セルと、第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち少なくとも一方と、第３，第４半導体素子の共通接続点と、を入力端子とし、各入力端子と出力端子間にスイッチング素子を有し、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御するＭ相（Ｍ≧３）の相モジュールと、を備えたことを特徴とする。
　また、その一態様として、前記相モジュールは、各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力することを特徴とする。
　また、別の態様として、前記相モジュールは、第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち一方に第１スイッチング素子の一端を接続し、第３，第４半導体素子の共通接続点に第２スイッチング素子の一端を接続し、第１，第２スイッチング素子の他端同士を接続し、第１，第２スイッチング素子の共通接続点に第３スイッチング素子の一端を接続し、第３スイッチング素子の他端に、第４スイッチング素子と第５スイッチング素子とを直列接続した直列回路の一端を接続し、第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端のうち他方の共通接続点に、第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードを接続し、第１ダイオードと第２ダイオードに対して並列に第４スイッチング素子と第５スイッチング素子とを直列接続した直列回路を接続し、第４，第５スイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、または、第４，第５スイッチング素子が複数ある場合は、第４，第５スイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子を接続し、これをスイッチング素子が２つになる出力段まで繰り返し、出力段の２つのスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力することを特徴とする。
　また、別の態様として、前記相モジュールは、第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち一方に第１スイッチング素子の一端を接続し、第３，第４半導体素子の共通接続点に第２スイッチング素子の一端を接続し、第１，第２スイッチング素子の他端同士を接続し、第１，第２スイッチング素子の共通接続点に第３スイッチング素子の一端を接続し、第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち他方に、双方向スイッチの一端を接続し、双方向スイッチの他端に第３スイッチング素子の他端を接続し、第３スイッチング素子と、双方向スイッチの共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力することを特徴とする。
　また、最終段以外の前記隣り合う２つのスイッチング素子の他端間に２つのスイッチング素子を直列接続し、その直列接続された２つのスイッチング素子にキャパシタを並列接続し、直列接続された２つのスイッチング素子の共通接続点に次段のスイッチング素子の一端を接続し、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位に、出力段のスイッチング素子に並列接続されたキャパシタや、最終段以外の隣り合うスイッチング素子間に直列接続されたスイッチング素子に並列接続されたキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力してもよい。
　さらに、各直流電圧源を直列数２以上に分割してもよい。
　また、スイッチング素子の一部または全てを直列数２以上に分割してもよく、スイッチング素子の一部または全てを並列数２以上に分割してもよい。
　本発明によれば、多相のマルチレベル電力変換装置において、使用する素子の数を減少させ、装置におけるコストの低減，小型化を図ることが可能となる。
従来回路の０出力時パターンを示す概略図。 実施形態１におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態１における出力電圧別動作例を示す概略図。 実施形態２におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態２における出力電圧別動作例を示す概略図。 実施形態３におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態４におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態５におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態６におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態７におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態８におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態９におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 相モジュールを示す概略図。 実施形態１０におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態１１におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態１２におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態１３におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 基本セルの構成を示す回路構成図。 基本セルを直列接続した回路構成図。 実施形態１４におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 基本セルのスイッチングパターンを示す概略図。 実施形態１４におけるマルチレベル電力変換装置の電圧別スイッチングパターンを示す概略図。 実施形態１５におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態１５におけるマルチレベル電力変換装置の電圧別スイッチングパターンを示す概略図。 実施形態１６におけるマルチレベル電力変換装置を示す回路構成図。 実施形態１６におけるマルチレベル電力変換装置の電圧別スイッチングパターンを示す概略図。 実施形態１６におけるマルチレベル電力変換装置を示すブロック図。 相モジュールを示す概略図。 従来のマルチレベル電力変換装置の一例を示す回路構成図。 従来のマルチレベル電力変換装置の他例を示す回路構成図。 従来のマルチレベル電力変換装置の他例を示す回路構成図。 従来のマルチレベル電力変換装置の出力相電圧Ｅ，－Ｅのスイッチングパターンを示す概略図。 選択できないスイッチングパターンを示す概略図。
　以下、本願発明におけるマルチレベル電力変換装置の実施形態１～１７を図１～２８に基づいて詳細に説明する。
　［実施形態１］
　図２９に示す従来技術における相電圧０を出力するパターンの例を、図１に示す。図２９に示す従来技術においては、ダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２を用いて、相電圧０を出力しているが、ほかの手段で相電圧０を出力することができれば、これらのダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２は省略できる。
　本実施形態１は、図２に示すように、新たなフライングキャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗを各相に接続することにより、ダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２，Ｓｖ９～Ｓｖ１２，Ｓｗ９～Ｓｗ１２を省略し、素子の数を低減したものである。
　以下、本実施形態１におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２に基づいて説明する。本実施形態１におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。相モジュールは、Ｕ相において、スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ８，キャパシタＦＣ１ｕを備える。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続され、この直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　直流電圧源ＤＣＣ１の負極端に各相共通のフライングキャパシタＦＣ１の負極端が接続され、直流電圧源ＤＣＣ２の正極端にフライングキャパシタＦＣ２の正極端が接続される。
　各相の相モジュールには、フライングキャパシタＦＣ１の正極端，負極端，フライングキャパシタＦＣ２の正極端，負極端が入力端子として接続される。
　各入力端子にスイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ４の一端を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の他端同士を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの一端を接続し、最終段のスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの他端間にスイッチング素子Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ６ｂを介して、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８の共通接続点を出力端子Ｕとする。なお、スイッチング素子Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ６ｂは耐電圧のためにスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａに直列接続されたものである。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　このような回路構成において、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を２Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力できる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。また、三相ＤＣ／ＡＣ変換器を考えると、使用するスイッチング素子は３０個、ダイオード素子は０個となる。
　キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗを使用することによって、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから０電圧を出力できるようになるため、従来技術（図１）のダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２，Ｓｖ９～Ｓｖ１２，Ｓｗ９～Ｓｗ１２を省略でき、図２９に示す従来の回路構成よりも使用するダイオード素子の数を１２個低減することができる。
　したがって、図２９に示す回路構成と比べて、スイッチング素子数を変えずにダイオード素子数を０個に低減できる。
　　　　　　　　　　　　Ｕ相の代表的なスイッチングパターンを表1、図３に示す。表１のパターンでスイッチングすることにより、図３に示した経路で２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力することが可能である。図中の○は導通中のスイッチング素子を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　各フライングキャパシタの印加電圧について説明する。図３の（２）、（３）のパターン時にフライングキャパシタＦＣ２は充電される。また、図３の（３）のパターン時にキャパシタＦＣ１ｕは充電される。さらに図３には示していないが、フライングキャパシタＦＣ１が充電されるパターン，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２およびキャパシタＦＣ１ｕが放電されるパターンもある。これらの充放電を行うことで、相電圧を出力しつつ、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２およびフライングキャパシタＦＣ１ｕの電圧をＥに制御することができる。
　なお、図２に示す実施形態１において、各スイッチング素子の定常時の最大印加電圧はＥである。これは、図２９に示す従来回路と同じ値である。
　以上示したように、本実施形態１によれば、多相のマルチレベル電力変換装置において、素子の数を減少させることができ、装置の低コスト化・小型化を図ることが可能となる。
　［実施形態２］
　図４に実施形態２におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。本実施形態２は実施形態1と回路構成は同一であるが、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧比を変えたものである。なお、相電圧の基準点は端子０とする。
　本実施形態２では、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を２．５Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の電圧をＥ，キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧を２Ｅに制御することで出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２．５Ｅ，１．５Ｅ，０．５Ｅ，－０．５Ｅ，－１．５Ｅ，－２．５Ｅの６レベルの相電圧を出力できる。各出力電圧別の動作例および電流経路を図５に示す。
　このように、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧比を変えることにより、実施形態１と比較して、レベル数を拡張することができる。その結果、スイッチング素子の個数を同一のまま、実施形態１と比べてレベル数を増加できるため、出力電圧・電流の高調波を抑制できる。
　［実施形態３］
　図６に、本実施形態３におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。本実施形態３におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ４を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。相モジュールは、Ｕ相において、スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ８，キャパシタＦＣ１ｕを備える。
　以下、具体的な回路構成を、Ｕ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１～ＤＣＣ４が直列に接続され、直流電圧源ＤＣＣ２，ＤＣＣ３の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　各相の相モジュールには、直流電圧源ＤＣＣ１の正負極端，直流電圧源ＤＣＣ４の正負極端が入力端子として接続される。
　各入力端子に第１スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ４の一端を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の他端同士を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの一端を接続し、最終段のスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの他端間にスイッチング素子Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ６ｂを介して、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８の共通接続点を出力端子Ｕとする。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　このような回路構成において、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ４の電圧をＥ，キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから５レベルの相電圧を出力することができる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。
　本実施形態３におけるマルチレベル電力変換装置によれば、実施形態１と同様に、フライングキャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗを使用することによって、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから０を出力できるようになるため、従来技術（図１８）のダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２，Ｓｖ９～Ｓｖ１２，Ｓｗ９～Ｓｗ１２を省略でき、図１８に示す従来の回路構成よりも使用するダイオード素子の数を１２個低減することができる。
　なお、各スイッチング素子の定常時の最大印加電圧は、実施形態１、実施形態２と同様にＥである。
　また、実施形態２と同様に電圧比を変更することにより、レベル数を拡張することができる。例えば、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ４の電圧をＥ，ＤＣＣ２，ＤＣＣ３の電圧を１．５Ｅ，キャパシタＦｃ１ｕ，ＦＣ１ｖ、ＦＣ１ｗの電圧を２Ｅに制御する場合、各出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２．５Ｅ，１．５Ｅ，０．５Ｅ，－０．５Ｅ，－１．５Ｅ，２．５Ｅの６レベルの相電圧を出力できる。
　［実施形態４］
　図７に、本実施形態４におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
　以下、本実施形態４におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を説明する。本実施形態４におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。相モジュールは、Ｕ相において、スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ８，キャパシタＦＣ１ｕを備える。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続され、この直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　各直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点にフライングキャパシタＦＣ１の正極端，フライングキャパシタＦＣ２の負極端が接続されている。
　相モジュールには、直流電圧源ＤＣＣ１の負極端，フライングキャパシタＦＣ１の負極端，直流電圧源ＤＣＣ２の正極端，フライングキャパシタＦＣ２の正極端が入力端子として接続される。
　各入力端子に第１スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ４の一端を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の他端同士を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの一端を接続し、最終段のスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの他端間にスイッチング素子Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ６ｂを介して、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８の共通接続点を出力端子Ｕとする。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２を２Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２をＥ、キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗをＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力できる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。
　本実施形態４におけるマルチレベル電力変換装置によれば、実施形態１と同様に、キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗを使用することによって、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから０を出力できるようになるため、従来技術（図２９）のダイオード素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２，Ｓｖ９～Ｓｖ１２，Ｓｗ９～Ｓｗ１２を省略でき、図２９に示す従来の回路構成よりも使用するダイオード素子の数を１２個低減することができる。
　なお、各スイッチング素子の定常時の最大印加電圧は、実施形態１、実施形態２と同様にＥである。
　また、実施形態２と同様に電圧比を変更することにより、レベル数を拡張することができる。例えば、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を２．５Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の電圧を１．５Ｅ，キャパシタＦｃ１ｕ，ＦＣ１ｖ、ＦＣ１ｗの電圧を２Ｅに制御する場合、２．５Ｅ，１．５Ｅ，０．５Ｅ，－０．５Ｅ，－１．５Ｅ，－２．５Ｅの６レベルの相電圧を出力できる。
　［実施形態５］
　図８に、本実施形態５におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
　以下、本実施形態５におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を説明する。本実施形態５におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態１のマルチレベル電力変換装置における各相共通のフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２をそれぞれ２段にしたものである。すなわち、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。相モジュールは、Ｕ相において、スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ１２，フライングキャパシタＦＣ１ｕを備える。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続され、この直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　直流電圧源ＤＣＣ１の負極端に、フライングキャパシタＦＣ１の負極端が接続される。フライングキャパシタＦＣ１には、フライングキャパシタＦＣ２が直列に接続される。
　直流電圧源ＤＣＣ２の正極端に、フライングキャパシタＦＣ４の正極端が接続される。フライングキャパシタＦＣ４には、フライングキャパシタＦＣ３が直列接続される。
　相モジュールには、フライングキャパシタＦＣ１の正極端，負極端，フライングキャパシタＦＣ２の正極端，フライングキャパシタＦＣ３の負極端，フライングキャパシタＦＣ４の正極端，負極端が入力端子として接続される。
　各入力端子にスイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ４，Ｓｕ６，Ｓｕ７の一端が接続され、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の他端同士を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ５，Ｓｕ８の一端を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ５とＳｕ６，Ｓｕ７とＳｕ８の他端同士を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ５とＳｕ６，Ｓｕ７とＳｕ８の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ９ａ，Ｓｕ１０ａの一端が接続される。最終段のスイッチング素子Ｓｕ９ａ，Ｓｕ１０ａの他端間に、スイッチング素子Ｓｕ９ｂ，Ｓｕ１０ｂを介して、出力段のスイッチング素子Ｓｕ１１，Ｓｕ１２を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ１１，Ｓｕ１２に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ１１，Ｓｕ１２の共通接続点を出力端子Ｕとする。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を３．５Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４の電圧をＥ、キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧を２Ｅに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから３．５Ｅ，２．５Ｅ，１，５Ｅ，０．５Ｅ，－０．５Ｅ，－１．５Ｅ，－２．５Ｅ，－３．５Ｅの８レベルの相電圧を出力できる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。
　表２に本実施形態５における代表的なスイッチングパターンを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　なお、各スイッチング素子の定常時の最大印加電圧は、実施形態１、実施形態２と同様にＥである。
　本実施形態５は出力できる相電圧レベル数が増加するため、必要なスイッチング素子数は増加するが、実施形態１の各相共通のフライングキャパシタを多段化した構成なので、同じ相電圧レベル数の従来回路方式と比較して、スイッチング素子数を変えずにダイオード素子の数を低減できる。また、レベル数が増加することから、実施形態１～３と比較して、出力電圧・電流の高調波を抑制でき高調波抑制フィルタを小型化できる。
　［実施形態６］
　図９に、本実施形態６におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
　以下、本実施形態６におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を説明する。各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。相モジュールは、Ｕ相において、スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ１２，キャパシタＦＣ１ｕを備える。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続され、この直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　直流電圧源ＤＣＣ１の負極端に、フライングキャパシタＦＣ１の負極端が接続される。直流電圧源ＤＣＣ１と直流電圧源ＤＣＣ２の共通接続点にフライングキャパシタＦＣ２の正極端とフライングキャパシタＦＣ３の負極端が接続される。直流電圧源ＤＣＣ２の正極端に、フライングキャパシタＦＣ４の正極端が接続される。
　相モジュールには、フライングキャパシタＦＣ１の正極端，負極端，フライングキャパシタＦＣ２の負極端，フライングキャパシタＦＣ３の正極端，フライングキャパシタＦＣ４の正極端，負極端が入力端子として接続される。
　各入力端子にスイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ４，Ｓｕ６，Ｓｕ７の一端が接続され、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の他端同士を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ５，Ｓｕ８の一端を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ５とＳｕ６，Ｓｕ７とＳｕ８の他端同士を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ５とＳｕ６，Ｓｕ７とＳｕ８の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ９ａ，Ｓｕ１０ａの一端が接続される。最終段のスイッチング素子Ｓｕ９ａ，Ｓｕ１０ａの他端間に、スイッチング素子Ｓｕ９ｂ，Ｓｕ１０ｂを介して、出力段のスイッチング素子Ｓｕ１１，Ｓｕ１２を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ１１，Ｓｕ１２に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ１１，Ｓｕ１２の共通接続点を出力端子Ｕとする。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を３．５Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ４の電圧をＥ，ＦＣ２，ＦＣ３の電圧を１．５Ｅ、キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧を２Ｅに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから３．５Ｅ，２．５Ｅ，１，５Ｅ，０．５Ｅ，－０．５Ｅ，－１．５Ｅ，－２．５Ｅ，－３．５Ｅの８レベルの相電圧を出力できる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。
　本実施形態６は出力できるレベル数が増加するため、必要なスイッチング素子数は増加するが、実施形態１の各相共通のフライングキャパシタを多段化した構成であるので従来構成の図２９を同等のレベル数まで拡張した場合と比較すると、同様にスイッチング素子数を変えずにダイオード素子の数を低減できる。また、レベル数が増加することから、実施形態１～３と比較すると、出力電圧・電流高調波を抑制でき、高調波抑制フィルタを小型化できる。
　［実施形態７］
　図１０に、本実施形態７におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
　以下、本実施形態７におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を説明する。本実施形態７におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態１のマルチレベル電力変換装置における各相共通のフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２をＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４の４段にしたものである。すなわち、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４を備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。相モジュールは、Ｕ相において、スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ１６，キャパシタＦＣ１ｕを備える。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続され、この直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　直流電圧源ＤＣＣ１の負極端にフライングキャパシタＦＣ１の負極が接続され、直流電圧源ＤＣＣ１の正極端にフライングキャパシタＦＣ２の正極端が接続される。直流電圧源ＤＣＣ２の負極端にフライングキャパシタＦＣ３の負極端が接続され、直流電圧源ＤＣＣ２の正極端に、フライングキャパシタＦＣ４の正極端が接続される。
　相モジュールは、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ４の正極端，負極端を入力端子とする。
　各入力端子に第１スイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ８の一端を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４，Ｓｕ５とＳｕ６，Ｓｕ７とＳｕ８の他端同士を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４，Ｓｕ５とＳｕ６，Ｓｕ７とＳｕ８の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ９～Ｓｕ１２の一端が接続される。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ９とＳｕ１０，Ｓｕ１１とＳｕ１２の他端同士を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ９とＳｕ１０，Ｓｕ１１とＳｕ１２の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ１３，Ｓｕ１４が接続される。最終段のスイッチング素子Ｓｕ１３，Ｓｕ１４の他端間に、出力段のスイッチング素子Ｓｕ１５，Ｓｕ１６を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ１５，Ｓｕ１６に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ１５，Ｓｕ１６の共通接続点を出力端子Ｕとする。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を４Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４の電圧をＥ、キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，１Ｅ，０，－１Ｅ，－２Ｅ，－３Ｅ，－４Ｅの９レベルの相電圧を出力できる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。
　表３に本実施形態７における代表的なスイッチングパターンを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施形態７は出力できるレベル数が増加するため、必要なスイッチング素子数は増加するが、実施形態１の各相共通のフライングキャパシタを多段化した構成であるので従来構成の図２９を同等のレベル数まで拡張した場合と比較すると、同様にスイッチング素子数を変えずにダイオード素子の数を低減できる。また、レベル数が増加することから、実施例１～３と比較すると、出力電圧・電流高調波を抑制でき、高調波抑制フィルタを小型化できる。
　［実施形態８］
　図１１に、本実施形態８におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を示す。
　以下、本実施形態８におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を説明する。本実施形態８におけるマルチレベル電力変換装置は、実施形態７のマルチレベル電力変換装置におけるスイッチング素子Ｓｕ９とＳｕ１０，Ｓｕ１１とＳｕ１２との間にスイッチング素子Ｓｕ１７，Ｓｕ１８，Ｓｕ１９，Ｓｕ２０を介挿し、スイッチング素子Ｓｕ１７，Ｓｕ１８に対してキャパシタＦＣ３ｕ，スイッチング素子Ｓｕ１９，Ｓｕ２０に対してキャパシタＦＣ２ｕを並列に接続し、スイッチング素子Ｓｕ１７とＳｕ１８，Ｓｕ１９とＳｕ２０の共通接続点に次段のスイッチング素子Ｓｕ１３，Ｓｕ１４の一端を接続したものである。すなわち、本実施形態８は最終段のスイッチング素子以外にもスイッチング素子とキャパシタの並列接続回路を設けたものである。
　相モジュールにおいて、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ２ｕ，ＦＣ３ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力する。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　本実施形態８では、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を５Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４の電圧をＥ、キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ２ｕ，ＦＣ３ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ２ｖ，ＦＣ３ｖ，ＦＣ１ｗ，ＦＣ２ｗ，ＦＣ３ｗの電圧をＥに制御することで５Ｅ，４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅ，－３Ｅ，－４Ｅ，－５Ｅの１１レベルの相電圧を出力できる。なお、相電圧の基準点は端子０とする。Ｕ相の代表的なスイッチングパターンを表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　本実施形態８は、実施形態７と同様にダイオード素子数が０である。
また、レベル数が増加することから、実施形態７と比較すると、出力電圧・電流高調波を抑制でき、高調波抑制フィルタを小型化できる。
　［実施形態９］
　図１２に本実施形態９におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
　図１２は、実施形態１のマルチレベル電力変換装置の一相分の回路を、Ｍ相Ｎ段に拡張したマルチレベル電力変換器装置である。段数Ｎ（Ｎ＝１，２，３…）は、直流電圧源の直列数であり、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮは直列に接続されている。
　この直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの負極端にフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ３，…，ＦＣ２Ｎ－１の負極端がそれぞれ接続され、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの正極端にフライングキャパシタＦＣ２，ＦＣ４，…，ＦＣ２Ｎの正極端が接続される。
　本実施形態９のマルチレベル電力変換装置に使用する相モジュールの構成例を図１３に示す。図１３（ａ）～（ｄ）に示すように、（ａ）～（ｄ）の全てにおいて、出力段のスイッチング素子に対して並列に各相のフライングキャパシタＦＣＭ０が設けられている。図１３（ａ），（ｂ）は相モジュールの入力端子数が４の倍数、図１３（ｃ），（ｄ）は相モジュールの入力端子数が４の倍数以外の偶数の場合の構成例である。図１３（ａ）と図１３（ｂ）との差異、および、図１３（ｃ）と図１３（ｄ）との差異は、出力段のスイッチング素子に対して並列接続されたキャパシタＦＣＭ０以外のキャパシタＦＣＭ１～ＦＣＭＮの有無である。
　本実施形態９の回路は、図１２に示すように、相モジュールの入力端子数は４Ｎで４の倍数であるため、図１３（ａ）または図１３（ｂ）が選択される。相モジュールの各入力端子は、各相共通のフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣＮの正負極端に接続される。
　また、相電圧のレベル数は、適用する相モジュールの種類および直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮ，各相共通のフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎ，および相モジュール内の各キャパシタＦＣＭ０，ＦＣＭ１～ＦＣＭＮの印加電圧による。図１３（ｂ）の相モジュールを用いた場合では、図１２の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を４Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎおよび図１３（ｂ）の相モジュールのフライングキャパシタＦＣＭ０の電圧をＥに制御することにより、相電圧レベル数は（４Ｎ＋１）となる。
　実施形態１は本実施形態９をＮ＝１，Ｍ＝３として、図１３の（ｂ）の相モジュールを適用した場合、実施形態７は本実施形態９をＮ＝２，Ｎ＝３として、図１３（ｂ）の相モジュールを適用し、図１２の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を４Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの電圧をＥ、図１３の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧をＥに制御した場合である。実施形態２は、本実施形態９をＮ＝１，Ｍ＝３として、図１３（ｂ）の相モジュールを適用し、図１２の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を５Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの電圧をＥ、図１３の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧を２Ｅに制御した場合である。実施形態８は本実施形態９をＮ＝２，Ｎ＝３として、図１３の（ａ）の相モジュールを適用した場合において、図１２の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を５Ｅ、図１２のフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣＮの電圧をＥ、図１３（ａ）の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０，ＦＣＭ１～ＦＣＭＮの電圧をＥに制御した場合である。
　なお、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮは、各々において分割してもよい。
　［実施形態１０］
　図１４に本実施形態１０におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
　本実施形態１０におけるマルチレベル電力変換装置は、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの接続構成が、実施形態９と異なっている。
　２Ｎは、直流電圧源の直列数であり、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎが直列に接続されている。また、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの個数も２Ｎであり、各直流電圧源ＤＣＣｎ（ｎ：奇数）とＤＣＣｎ＋１（ｎ＋１：偶数）の共通接続点に第１フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ３，…，ＦＣｎ－１の正極端が接続され、各直流電圧源ＤＣＣｎ（ｎ：奇数）とＤＣＣｎ＋１（ｎ＋１：偶数）の共通接続点にフライングキャパシタＦＣ２，ＦＣ４，…，ＦＣ２Ｎの負極端が接続される。
　したがって、本実施形態１０では直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎの直列数および各相共通のフライングキャパシタＦＣＣ１～ＦＣＣ２Ｎの個数は偶数となる。なお、Ｍ≧２である。
　相モジュールは、直流電圧源ＤＣＣｎ（ｎ：奇数）の負極端，フライングキャパシタＦＣｎの負極端，直流電圧源ＤＣＣｎ＋１の正極端，フライングキャパシタＦＣｎ＋１の正極端を入力端子とする。
　また、相電圧のレベル数は、適用する相モジュールの種類および直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮ，各相共通のフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎ、および相モジュール内の各相のキャパシタの印加電圧による。図１４における直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎの電圧を２Ｅ、各相共通のフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎおよび図１３（ｂ）に示す相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧をＥに制御することにより、相電圧レベル数は（４Ｎ＋１）となる。
　実施形態４は、本実施形態９をＮ＝１，Ｍ＝３とし、図１３（ｂ）の相モジュールを選択し、図１４の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を２Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの電圧をＥ、図１３の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧をＥに制御したものである。
　なお、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎは、各々において分割してもよい。
　［実施形態１１］
　図１５に、本実施形態１１におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
　直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続されている。
　フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ４Ｎの接続構成が、実施形態９，１０と異なっている。直流電圧源ＤＣＣ１の負極端にフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣＮの負極端が順次直列接続され、直流電圧源ＤＣＣ１とＤＣＣ２の共通接続点にフライングキャパシタＦＣ２Ｎ～ＦＣＮ＋１の正極端が順次直列接続され、直流電圧源ＤＣＣ１とＤＣＣ２の共通接続点にフライングキャパシタＦＣ２Ｎ＋１～ＦＣ３Ｎの負極端が順次直列接続され、直流電圧源ＤＣＣ２の正極端に、フライングキャパシタＦＣ４Ｎ～ＦＣ３Ｎ＋１の正極端が順次直列接続される。
　相モジュールは、フライングキャパシタＦＣ１の正極端，負極端，フライングキャパシタＦＣ２～ＦＣＮの正極端，フライングキャパシタＦＣＮ＋１～ＦＣ２Ｎの負極端，フライングキャパシタＦＣ２Ｎ＋１～ＦＣ３Ｎの正極端，フライングキャパシタＦＣ３Ｎ＋１～ＦＣ４Ｎ－１の負極端と、フライングキャパシタＦＣ４Ｎの正極端，負極端を入力端子とする。
　４Ｎは、フライングキャパシタの個数である。したがって、本実施形態１１ではフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ４Ｎの個数は４の倍数となる。なお、Ｍ≧２である。
　本実施形態１１の場合、相モジュールの入力端子数４Ｎ＋２が４の倍数とならない偶数であるため、図１３（ｃ），（ｄ）に示す相モジュールを適用する。
　また、出力相電圧のレベル数は、適用する相モジュールの種類および直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２、各相共通のフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ４Ｎ、および相モジュール内の各キャパシタＦＣＭ０，ＦＣＭ１～ＦＣＭＮの印加電圧による
　実施形態６は、本実施形態１１をＮ＝１，Ｍ＝３とし、図１３（ｄ）の相モジュールを使用し、図１５の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を３.５Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１、ＦＣ４Ｎの電圧をＥ、フライングキャパシタＦＣ２Ｎ、ＦＣ２Ｎ＋１の電圧を１.５Ｅ、図１３の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧を２Ｅに制御した場合の例である。
　なお、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２は、各々において分割してもよい。
　［実施形態１２］
　図１６に、本実施形態１２におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
　直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続されている。
　本実施形態１２は、Ｍ相でフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎを共通にしたＭ相Ｎ段マルチレベル変換装置である。実施形態９～実施形態１１とは、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの接続構成が異なっている。
　直流電圧源ＤＣＣ１の負極端に、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣＮの負極端が順次直列接続され、直流電圧源ＤＣＣ２の正極端に、フライングキャパシタＦＣ２Ｎ～ＦＣＮ＋１の正極端が順次直列接続される。
　２Ｎは、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの個数である。したがって、本構成ではフライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの個数は偶数となる。なお、Ｍ≧２である。
　相モジュールは、フライングキャパシタＦＣ１の正極端，負極端，フライングキャパシタＦＣ２～ＦＣＮの正極端，フライングキャパシタＦＣＮ＋１～ＦＣ２Ｎ－１の負極端，フライングキャパシタＦＣ２Ｎの正極端，負極端を入力端子とする。
　本実施形態１２の場合、相モジュールの入力端子数２Ｎ＋２が４の倍数とならない場合がある。相モジュールの入力端子数２Ｎ＋２が４の倍数の場合、図１３（ａ），（ｂ）に示す相モジュールを適用し、相モジュールの入力端子数２Ｎ＋２が４の倍数でない偶数の場合、図１３（ｃ），（ｄ）に示すような入力端子数が適合している相モジュールを適用する。
　また、相電圧のレベル数は、適用する相モジュールの種類および直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２，フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ４Ｎ、および相モジュール内の各キャパシタの印加電圧による。
　実施形態５は、図１６をＮ＝２、Ｍ＝３とし、図１３（ｄ）の相モジュールを使用し、図１５の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を３.５Ｅ、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣ２Ｎの電圧をＥ、図１３の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧を２Ｅに制御した場合の例である。
　なお、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２は、各々において分割してもよい。なお、直流電圧源ＤＣＣ１とＤＣＣ２を１つの直流電圧源に統合してもよい。
　［実施形態１３］
　図１７に、本実施形態１３におけるマルチレベル電力変換装置を示す。
　図１７は、Ｍ相共通の直流電圧源を（２Ｎ＋２）個に分割したマルチレベル変換装置である（Ｎ＝１，２，３，…）。すなわち、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎ＋２が直列接続されている。
　相モジュールの各入力端子は、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎ＋２と接続する。具体的には、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２Ｎ＋２の正極端，負極端，直流電圧源ＤＣＣ２～ＤＣＣＮの正極端，直流電圧源ＤＣＣＮ＋３～ＤＣＣ２Ｎ＋１の負極端を入力端子とする。すなわち、直流電圧源同士の共通接続点の中で、直流電圧源ＤＣＣＮ＋１とＤＣＣＮ＋２との接続点のみは相モジュールと接続しない。なお、Ｍ≧２である。
　本実施形態１３の場合、相モジュールの入力端子数２Ｎ＋２が４の倍数とならない場合がある。相モジュールの入力端子数２Ｎ＋２が４の倍数の場合、図１３（ａ），（ｂ）に示す相モジュールを適用し、相モジュールの入力端子数２Ｎ＋２が４の倍数でない偶数の場合、図１３（ｃ），（ｄ）に示すような入力端子数が適合している相モジュールを適用する。
　また、相電圧のレベル数は、適用する相モジュールの種類および直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎ＋２、および相モジュール内の各キャパシタの印加電圧による。
　実施形態３は、図１７をＮ＝１、Ｍ＝３とし、図１３（ｂ）の相モジュールを使用し、図１７の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎ＋２の電圧をＥ、図１３の相モジュールのキャパシタＦＣＭ０の電圧をＥに制御した場合の例である。
　なお、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣ２Ｎ＋２は、各々分割してもよい。また、直流電圧源ＤＣＣＮ＋１とＤＣＣＮ＋２を１つの直流電圧源に統合してもよい。
　［実施形態１４］
　実施形態１４～１７におけるマルチレベル電力変換装置で用いる基本セルを図１８に示す。基本セルはフライングキャパシタＦＣ１と半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）Ｓｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３，Ｓｆ４とを備え、Ｍ相で共通化する。以上のように、各相共通の基本セルを設けることで、使用するスイッチング素子（半導体素子含む）数を低減することが可能となる。
　端子３は装置の直流電圧源（キャパシタまたは直流電源）の正極と接続し、端子１は装置の直流電圧源（キャパシタまたは直流電源）の負極と接続する。端子２は装置の相モジュールと接続する。相モジュールに関しては、後述する。
　図１８の基本セルをＮ個直列に接続した構成が図１９である。ここで、Ｎ≧２とする。端子２Ｎ＋１，２Ｎ－１には直流電圧源（キャパシタまたは直流電源）を接続する。端子２Ｎには相モジュールを接続する。
　図１９の基本セルを使用した実施形態１４におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２０に示す。
　以下、本実施形態１４におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２０に基づいて説明する。本実施形態１４におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，第１，第２基本セル１０ａ，１０ｂを備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源（直流キャパシタまたは直流電源）ＤＣＣ１，ＤＣＣ２が直列に接続され、この直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の共通接続点（中性点）を端子０としている。
　第１，第２基本セル１０ａ，１０ｂは、各直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の正極端に一端が接続された半導体素子Ｓｆ１ａ，Ｓｆ１ｂと、各直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の負極端に一端が接続された半導体素子Ｓｆ２ａ，Ｓｆ２ｂと、半導体素子Ｓｆ１ａ，Ｓｆ１ｂの他端と、半導体素子Ｓｆ２ａ，Ｓｆ２ｂの他端との間に接続されたフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２と、半導体素子Ｓｆ１ａ，Ｓｆ１ｂとフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の共通接続点と、半導体素子Ｓｆ２ａ，Ｓｆ２ｂとフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の共通接続点と、の間に直列接続された半導体素子Ｓｆ３ａ，Ｓｆ４ａ，Ｓｆ３ｂ，Ｓｆ４ｂと、を備えている。基本セル１０ａ，１０ｂは、半導体素子Ｓｆ１ａ，Ｓｆ１ｂとＳｆ４ａ，Ｓｆ４ｂ、または、Ｓｆ２ａ，Ｓｆ２ｂとＳｆ３ａ，Ｓｆ３ｂをＯＮすることにより、Ｅ，－Ｅレベルの電圧を相モジュールに出力する。
　各相の相モジュールには、半導体素子Ｓｆ２ａの一端と、半導体素子Ｓｆ３ａ，Ｓｆ４ａの共通接続点と、半導体素子Ｓｆ３ｂ，Ｓｆ４ｂの共通接続点と、半導体素子Ｓｆ１ｂの一端と、が入力端子として接続される。
　各入力端子にスイッチング素子Ｓｕ１～Ｓｕ４の一端を接続し、隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の他端同士を接続する。隣り合うスイッチング素子Ｓｕ１とＳｕ２，Ｓｕ３とＳｕ４の共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの一端を接続し、最終段のスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａの他端間にスイッチング素子Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ６ｂを介して、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８を順次直列接続する。出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８に対してキャパシタＦＣ１ｕを並列に接続し、出力段のスイッチング素子Ｓｕ７，Ｓｕ８の共通接続点を出力端子Ｕとする。なお、スイッチング素子Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ６ｂは耐電圧のためにスイッチング素子Ｓｕ５ａ，Ｓｕ６ａに直列接続されたものである。
　この相モジュールの各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタＦＣ１ｕの電圧を加算，減算した電位を出力端子Ｕから出力することができる。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　このような回路構成において、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を２Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２，キャパシタＦＣ１ｕ，ＦＣ１ｖ，ＦＣ１ｗの電圧をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力できる。　Ｕ相の代表的なスイッチングパターンを図２１に示す。図中の○は導通している半導体素子，スイッチング素子を表す。図２１に示した経路で２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力することが可能である。
　本実施形態１４では、使用するスイッチング素子（半導体素子Ｓｆ１ａ～Ｓｆ４ａ，Ｓｆ１ｂ～Ｓｆ４ｂ含む）の数を３８個に削減できる。（図３０の従来回路のスイッチング素子の数は４８個であり、図３１の従来回路のスイッチング素子の数は４４個である。）さらに、スイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路などを削減できるため、低コスト化を実現できる。
　また、基本セル１０ａ，１０ｂのスイッチング素子Ｓｆ３ａとＳｆ４ａ，Ｓｆ３ｂとＳｆ４ｂの共通接続点の電圧レベルをＥ，－Ｅ（電圧基準点は各直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの負極端子とする）に限定することにより、充放電の自由度を確保できるため、制御の簡易化を図ることが可能となる。
　先行技術である図３１の回路はスイッチングパターンの中に、直流電圧源ＤＣＣ１とフライングキャパシタＦＣ１，直流電圧源ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ２を短絡してしまう組み合わせがあったが、本実施形態１４の構成では短絡するパターンが存在しない。
　その理由について図２２を用いて説明する。図中の○は導通している素子を表す。各相共通の基本セル１０ａ，１０ｂは、図２２のように２パターンのスイッチングしか行わない。したがって、どのような電圧レベルを出力する場合でも半導体素子Ｓｆ１，Ｓｆ２を同時にＯＮすることがないため、直流電圧源ＤＣＣ１とフライングキャパシタＦＣ１，直流電圧源ＤＣＣ２とフライングキャパシタＦＣ２の短絡が発生せずにフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の接続パターンを切り換えることができる。電流に応じて接続パターンを切り換えることでフライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２に流出入する電流を切り換え充放電が行えることから、フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の充放電の自由度が確保できていることがわかる。
　［実施形態１５］
　本実施形態１５におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２３に示す。以下、本実施形態１５におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２３に基づいて説明する。本実施形態１５におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，第１，第２基本セル１０ａ，１０ｂを備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２と基本セル１０ａ，１０ｂとの接続については、実施形態１４と同様である。
　各相の相モジュールには、半導体素子Ｓｆ２ａの一端と、半導体素子Ｓｆ３ａ，Ｓｆ４ａの共通接続点と、半導体素子Ｓｆ３ｂ，Ｓｆ４ｂの共通接続点と、半導体素子Ｓｆ１ｂの一端と、半導体素子Ｓｆ１ａ，Ｓｆ２ｂの共通接続点と、が入力端子として接続される。
　前記相モジュールは、半導体素子Ｓｆ２ａの一端にスイッチング素子Ｓｕ１ａの一端を接続、半導体素子Ｓｆ１ｂの一端にスイッチング素子Ｓｕ１ｂを接続する。半導体素子Ｓｆ３ａ，Ｓｆ４ａの共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ２ａの一端を接続し、半導体素子Ｓｆ３ｂ，Ｓｆ４ｂの共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ２ｂを接続する。
　スイッチング素子Ｓｕ１ａとＳｕ２ａ，Ｓｕ１ｂとＳｕ２ｂの他端同士を接続し、スイッチング素子Ｓｕ１ａとＳｕ２ａ，Ｓｕ１ｂとＳｕ２ｂの共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ３ａ，Ｓｕ３ｂの一端を接続する。
　スイッチング素子Ｓｕ３ａの他端に、スイッチング素子Ｓｕ４ａを接続し、スイッチング素子Ｓｕ３ｂの他端とスイッチング素子Ｓｕ５ａを接続する。ここで、スイッチング素子Ｓｕ４ａ，Ｓｕ４ｂ，Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ５ａを直列接続して直列回路を構成している。
　半導体素子Ｓｆ１ａと半導体素子Ｓｆ２ｂの共通接続点に、ダイオードＤｕ１ａのカソードとダイオードＤｕ２ａのアノードを接続し、ダイオードＤｕ１ａとダイオードＤｕ２ａに対して並列にスイッチング素子Ｓｕ４ａ，Ｓｕ４ｂ，Ｓｕ５ｂ，Ｓｕ５ａを直列接続した直列回路が接続される。なお、ダイオードＤｕ１ａ，Ｄｕ２ａ，スイッチング素子Ｓｕ４ａ，Ｓｕ５ａには、耐電圧のために、ダイオードＤｕ１ｂ，Ｄｕ２ｂ，スイッチング素子Ｓｕ４ｂ，Ｓｕ５ｂが直列接続される。
　スイッチング素子Ｓｕ４ｂ，Ｓｕ５ｂの共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力する。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　このような回路構成において、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を２Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の電圧をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力できる。Ｕ相の代表的なスイッチングパターンを図２４に示す。図中の○は導通している半導体素子，スイッチング素子を表す。図２４に示した経路で２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力することが可能である。
　本実施形態１４では、使用するスイッチング素子（半導体素子を含む）の数を３８個に削減できる。（図３０の従来回路のスイッチング素子の数は４８個である。図３１の従来回路のスイッチング素子の数は４４個である。）さらに、スイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路などを削減できるため、低コスト化を実現できる。
　また、基本セル１０ａ，１０ｂを使用し基本セル１０ａ，１０ｂから出力される電圧レベルをＥ，－Ｅに限定することにより、充放電の自由度を確保できるため、制御の簡易化を図ることが可能となる。
　また、図３３の回路と比較して共通部の損失低減が見込まれる。
　［実施形態１６］
　本実施形態１６におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２５に示す。以下、本実施形態１６におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２５に基づいて説明する。本実施形態１６におけるマルチレベル電力変換装置は、各相共通の直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２，第１，第２基本セル１０ａ，１０ｂを備え、各相にそれぞれ設けられた相モジュールにより、電圧を選択して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。
　以下、具体的な回路構成をＵ相を例にとって説明する。直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２と基本セル１０ａ，１０ｂとの接続については、実施形態１４，１５と同様である。
　各相の相モジュールには、半導体素子Ｓｆ２ａの一端と、半導体素子Ｓｆ３ａ，Ｓｆ４ａの共通接続点と、半導体素子Ｓｆ３ｂ，Ｓｆ４ｂの共通接続点と、半導体素子Ｓｆ１ｂの一端と、半導体素子Ｓｆ１ａ，Ｓｆ２ｂの共通接続点と、が入力端子として接続される。
　前記相モジュールは、半導体素子Ｓｆ２ａの一端にスイッチング素子Ｓｕ１ａの一端を接続し、半導体素子Ｓｆ１ｂの一端にスイッチング素子Ｓｕ１ｂを接続する。半導体素子Ｓｆ３ａ，Ｓｆ４ａの共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ２ａの一端を接続し、半導体素子Ｓｆ３ｂ，Ｓｆ４ｂの共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ２ｂを接続する。
　スイッチング素子Ｓｕ１ａとＳｕ２ａ，Ｓｕ１ｂとＳｕ２ｂの他端同士を接続し、スイッチング素子Ｓｕ１ａとＳｕ２ａ，Ｓｕ１ｂとＳｕ２ｂの共通接続点にスイッチング素子Ｓｕ３ａ，Ｓｕ３ｂの一端を接続する。
　半導体素子Ｓｆ１ａと半導体素子Ｓｆ２ｂの共通接続点に双方向スイッチの一端を接続し、双方向スイッチの他端とスイッチング素子Ｓｕ３ａ，Ｓｕ３ｂの他端を接続する。本実施形態１６では、スイッチング素子Ｓｕ４，Ｓｕ５を逆接続することにより、双方向スイッチが構成されている。スイッチング素子Ｓｕ３ａ，Ｓｕ３ｂと、双方向スイッチの共通接続点を出力端子とし、各スイッチング素子（半導体素子を含む）を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力する。
　なお、Ｖ相，Ｗ相についても同様に構成される。
　このような回路構成において、直流電圧源ＤＣＣ１，ＤＣＣ２の電圧を２Ｅ，フライングキャパシタＦＣ１，ＦＣ２の電圧をＥに制御することにより、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力できる。Ｕ相の代表的なスイッチングパターンを図２６に示す。図中の○は導通している半導体素子，スイッチング素子を表す。図２６に示した経路で２Ｅ，Ｅ，０，－Ｅ，－２Ｅの５レベルの相電圧を出力することが可能である。
　本実施形態１６では、使用するスイッチング素子（半導体素子を含む）の数を３２個に削減できる。さらに、スイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路などを削減できるため、低コスト化を実現できる。
　また、基本セル１０ａ，１０ｂを使用し、基本セル１０ａ，１０ｂから出力される電圧レベルをＥ，－Ｅに限定することにより、充放電の自由度を確保できるため、制御の簡易化を図ることが可能となる。
　［実施形態１７］
　本実施形態１７におけるマルチレベル電力変換装置の回路構成を図２７示す。この回路は、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣＮを三相で共通化している。
　図２７のマルチレベル電力変換装置は、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮと、図１８の基本セルをＮ段に拡張した回路と、Ｍ相の相モジュールを用いてＭ相Ｎ段に構成している。なお、Ｎ≧２，Ｍ≧３である。また、実施形態１４，１５，１６は図２７の回路においてＮ＝２、Ｍ＝３としたものである。
　各相共通のＮ個の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮを直列に接続する。直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの正極端に半導体素子Ｓｆ１ａ～Ｓｆ１ｎの一端が接続され、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの負極端に半導体素子Ｓｆ２ａ～Ｓｆ２ｎの一端が接続される。基本セル１０ａ～１０ｎの構成は実施形態１４と同様である。
　基本セル１０ａ～１０ｎの端子１，２，３，…，２Ｎ－１，２Ｎ，２Ｎ＋１を相モジュールの入力端子とする。なお、端子３,端子２Ｎ－１は必ずしも各相モジュールに接続しなくてもよい。実施形態１４は、図２７の端子３および端子２Ｎ－１を各相モジュールに接続していない例である。
　ここで、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの電圧を２Ｅとし、フライングキャパシタＦＣ１～ＦＣＮの電圧をＥに制御すると、２Ｎ＋１レベルの相電圧を出力することができる。
　相モジュールの例を図２８に示す。図２８（ａ）は図１３（ｃ）と同様であり、図２８（ｄ）は図１３（ｄ）と同様である。
　図２８（ｂ）は、端子１，２，２Ｎ，２Ｎ＋１にスイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ１ｂの一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子Ｓ１ａとＳ２ａ，Ｓ２ｂとＳ１ｂの他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子Ｓ１ａとＳ２ａ，Ｓ２ｂとＳ１ｂの共通接続点にスイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂの一端を接続する。
　スイッチング素子Ｓ３ａの他端に、スイッチング素子Ｓ４ａとスイッチング素子Ｓ５ａを直列接続した直列回路の一端を接続し、スイッチング素子Ｓ３ｂの他端に、スイッチング素子Ｓ４ｂとスイッチング素子Ｓ５ｂとを直列接続した直列回路を接続する。
　端子３，２Ｎ－１には、ダイオードＤ１１，Ｄ１ｎのカソードとダイオードＤ２１，Ｄ２ｎのアノードが接続される。ダイオードＤ１１とＤ２１，Ｄ１ｎとＤ２ｎには、並列にスイッチング素子Ｓ４ａとＳ５ａとを直列接続した直列回路，Ｓ４ｂとＳ５ｂとを直列接続した直列回路が接続される。スイッチング素子Ｓ４ａとＳ５ａ，Ｓ４ｂとＳ５ｂの共通接続点にスイッチング素子Ｓ８，Ｓ７の一端が接続される。スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の他端同士を接続し、その共通接続点を出力端子とする。
　実施形態１５では、端子３と端子２Ｎ－１を一つとし、スイッチング素子Ｓ４ｂ，Ｓ５ｂの共通接続点を出力端子Ｕとしている。また、耐電圧化のために、ダイオードＤｕ１ａとＤｕ１ｂ，Ｄｕ２ａとＤｕ２ｂ，Ｓｕ４ａとＳｕ４ｂ，Ｓｕ５ａとＳｕ５ｂを直列接続している。
　図２８（ｃ）は、端子１，２Ｎ＋１にスイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂの一端を接続し、端子２，２Ｎにスイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの一端を接続し、スイッチング素子Ｓ１ａとＳ２ａ，Ｓ１ｂとＳ２ｂの他端同士を接続し、スイッチング素子Ｓ１ａとＳ２ａ，Ｓ１ｂとＳ２ｂの共通接続点にスイッチング素子３ａ，３ｂの一端を接続する。
　また、端子３，２Ｎ－１に双方向スイッチの一端を接続し、双方向スイッチの他端とスイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂの他端を接続し、スイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂと、双方向スイッチの共通接続点を出力端子とする。なお、実施形態１６では、端子３と２Ｎ－１を１つとしている。
　相モジュールは、その内部のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作によって、入力端子１，２，…，２Ｎ＋１のいずれかを出力端子ＯＵＴに選択接続する機能を持つ。
　また、図２７に示すように直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮから各相の相モジュールへ入力するまでの回路群（すなわち、直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮと基本セル１０ａ～１０ｎ）を、直流電圧群１～Ｎとする。図２７において、１つの直流電圧群１～Ｎから相モジュールへ入力される電圧レベルは、０，Ｅ，２Ｅの３レベルである。（電圧基準点は、直流電圧群の直流電圧源ＤＣＣ１～ＤＣＣＮの負極端子とする。）
　また、ある直流電圧群の電圧レベル２Ｅと、その１つ上段の直流電圧群の電圧レベル０は、相モジュールの出力端子から見ると同じ相電圧となる。直流電圧群がＮ段ある構成では、上記のように電圧レベルが重なる部位が（Ｎ－１）箇所ある。したがって、図２７において、出力端子ＯＵＴ１～ＯＵＴＭには、（３Ｎ－（Ｎ－１））＝（２Ｎ＋１）レベルの電圧を出力できる。
　実施形態１４は図２８（ｄ）の相モジュール、実施形態１５は図２８（ｂ）の相モジュール、実施形態１６は図２８（ｃ）の相モジュールを使用した場合の例である。実施形態１４～１６の直流電圧群数Ｎ＝２なので、出力電圧のレベル数は５レベルとなっている。

Claims (15)

  1. 　直流電圧源、フライングキャパシタ、およびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
    　Ｎ個（Ｎ≧１）直列接続された各相共通の直流電圧源と、
    　各直流電圧源の負極端に一端が接続された各相共通の第１フライングキャパシタと、
    　各直流電圧源の正極端に一端が接続された各相共通の第２フライングキャパシタと、
    　第１フライングキャパシタの正極端，負極端，第２フライングキャパシタの正極端，負極端を入力端子とし、
    各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相（Ｍ≧２）の相モジュールと、
    　を備えたマルチレベル電力変換装置。
  2. 　直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
    　Ｎ個（Ｎ≧２）の直列接続された各相共通の直流電圧源と、
    　第ｎ直流電圧源（ｎ：奇数）と第ｎ＋１直流電圧源（ｎ＋１：偶数）の共通接続点に正極端が接続された第１フライングキャパシタと、
    　各ｎ直流電圧源と第ｎ＋１直流電圧源の共通接続点に負極端が接続された第２フライングキャパシタと、
    　第ｎ直流電圧源の負極端，第１フライングキャパシタの負極端，第ｎ＋１直流電圧源の正極端，第２フライングキャパシタの正極端を入力端子とし、
    各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相（Ｍ≧２）の相モジュールと、
    　を備えたマルチレベル電力変換装置。
  3. 　直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
    　２個直列接続された各相共通の直流電圧源と、
    　第１直流電圧源の負極端に、負極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第１～第Ｎフライングキャパシタと、
    　第１直流電圧源と第２直流電圧源の共通接続点に正極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第２Ｎ～第Ｎ＋１フライングキャパシタと、
    　第１直流電圧源と第２直流電圧源の共通接続点に負極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第２Ｎ＋１～第３Ｎフライングキャパシタと、
    　第２直流電圧源の正極端に、正極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第４Ｎ～第３Ｎ＋１フライングキャパシタと、
    　第１フライングキャパシタの正極端，負極端，第２～第Ｎフライングキャパシタの正極端，第Ｎ＋１～第２Ｎフライングキャパシタの負極端，第２Ｎ＋１～第３Ｎフライングキャパシタの正極端，第３Ｎ＋１～第４Ｎ－１フライングキャパシタの負極端，第４Ｎフライングキャパシタの正極端，負極端を入力端子とし、
    各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相（Ｍ≧２）の相モジュールと、
    　を備えたマルチレベル電力変換装置。
  4. 　直流電圧源、フライングキャパシタおよびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
    　２個直列接続された各相共通の直流電圧源と、
    　第１直流電圧源の負極側に、負極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第１～第Ｎフライングキャパシタと、
    　第２直流電圧源の正極側に、正極端が順次直列接続された各相共通のＮ個の第Ｎ＋１～第２Ｎフライングキャパシタと、
    　第１フライングキャパシタの正，負極端，第２～第Ｎフライングキャパシタの正極端，第Ｎ＋１～第２Ｎ－１フライングキャパシタの負極端，第２Ｎフライングキャパシタの正，負極端を入力端子とし、
    各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相（Ｍ≧２）の相モジュールと、
    　を備えたマルチレベル電力変換装置。
  5. 　第１直流電圧源と第２直流電圧源を１つの直流電圧源に統合した請求項４に記載のマルチレベル電力変換装置。
  6. 　直流電圧源およびキャパシタの電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
    　２Ｎ＋２個（Ｎ≧１）直列接続された各相共通の直流電圧源と、
    　第１，第２Ｎ＋２直流電圧源の正極端，負極端，第２～第Ｎ直流電圧源の正極端，第Ｎ＋３～第２Ｎ＋１直流電圧源の負極端を入力端子とし、
    各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力するＭ相（Ｍ≧２）の相モジュールと、
    　を備えたマルチレベル電力変換装置。
  7. 　第Ｎ＋１直流電圧源と第Ｎ＋２直流電圧源を１つの直流電圧源に統合した請求項６に記載のマルチレベル電力変換装置。
  8. 　直流電圧から複数の電圧レベルに変換した交流出力を生成するマルチレベル電力変換装置であって、
    　Ｎ個（Ｎ≧２）直列接続された各相共通の直流電圧源と、
    　各直流電圧源の正極端に一端が接続された第１半導体素子と、各直流電圧源の負極端に一端が接続された第２半導体素子と、第１半導体素子の他端と、第２半導体素子の他端との間に接続されたフライングキャパシタと、第１半導体素子とフライングキャパシタの共通接続点と第２半導体素子とフライングキャパシタの共通接続点との間に直列接続された第３，第４半導体素子と、を有する各相共通の基本セルと、
    　第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち少なくとも一方と、第３，第４半導体素子の共通接続点と、を入力端子とし、各入力端子と出力端子間にスイッチング素子を有し、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御するＭ相（Ｍ≧３）の相モジュールと、
    　を備えたマルチレベル電力変換装置。
  9. 　前記相モジュールは、
    各入力端子にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、これをスイッチング素子が２つになる最終段まで繰り返し、最終段の２つのスイッチング素子の他端間に２つの出力段のスイッチング素子を直列接続し、出力段の２つのスイッチング素子に対してキャパシタを並列に接続し、出力段のスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位にキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力する請求項８記載のマルチレベル電力変換装置。
  10. 　前記相モジュールは、
    　第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち一方に第１スイッチング素子の一端を接続し、第３，第４半導体素子の共通接続点に第２スイッチング素子の一端を接続し、第１，第２スイッチング素子の他端同士を接続し、第１，第２スイッチング素子の共通接続点に第３スイッチング素子の一端を接続し、
    　第３スイッチング素子の他端に、第４スイッチング素子と第５スイッチング素子とを直列接続した直列回路の一端を接続し、
    　第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端のうち他方の共通接続点に、第１ダイオードのカソードと第２ダイオードのアノードを接続し、第１ダイオードと第２ダイオードに対して並列に第４スイッチング素子と第５スイッチング素子とを直列接続した直列回路を接続し、
    　第４，第５スイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、または、第４，第５スイッチング素子が複数ある場合は、第４，第５スイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子の一端を接続し、隣り合う２つのスイッチング素子の他端同士を接続し、他端同士を接続したスイッチング素子の共通接続点にスイッチング素子を接続し、これをスイッチング素子が２つになる出力段まで繰り返し、出力段の２つのスイッチング素子の共通接続点を出力端子とし、
    　各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力する請求項８記載のマルチレベル電力変換装置。
  11. 　前記相モジュールは、
    　第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端とのうち一方に第１スイッチング素子の一端を接続し、第３，第４半導体素子の共通接続点に第２スイッチング素子の一端を接続し、第１，第２スイッチング素子の他端同士を接続し、第１，第２スイッチング素子の共通接続点に第３スイッチング素子の一端を接続し、
    　第１半導体素子の一端と第２半導体素子の一端のうち他方の共通接続点に、双方向スイッチの一端を接続し、双方向スイッチの他端に第３スイッチング素子の他端を接続し、
    　第３スイッチング素子と、双方向スイッチの共通接続点を出力端子とし、
    　各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位を出力端子から出力する請求項８記載のマルチレベル電力変換装置。
  12. 　最終段以外の隣り合う２つのスイッチング素子の他端間に２つのスイッチング素子を直列接続し、その直列接続された２つのスイッチング素子にキャパシタを並列接続し、直列接続された２つのスイッチング素子の共通接続点に次段のスイッチング素子の一端を接続し、各スイッチング素子を選択的にＯＮ，ＯＦＦ制御することにより、前記入力端子のうち何れかの端子の電位、または、前記入力端子のうち何れかの端子の電位に、出力段のスイッチング素子に並列接続されたキャパシタや、最終段以外の隣り合うスイッチング素子間に直列接続されたスイッチング素子に並列接続されたキャパシタの電圧を加算，減算した電位を出力端子から出力する請求項１～７，９のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
  13. 　各直流電圧源を直列数２以上に分割した請求項１～１２のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
  14. 　スイッチング素子および半導体素子の一部または全てを直列数２以上に分割した請求項１～１３のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
  15. 　スイッチング素子および半導体素子の一部または全てを並列数２以上に分割した請求項１～１４のうち何れかに記載のマルチレベル電力変換装置。
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