多電平轉換電路的制作方法
【專利摘要】在使用稱為飛跨電容器的電容器和交流開關的多電平轉換電路中，通過適當地切換半導體開關的動作將電容器的電壓控制為所期望的值，然而由于需要檢測出沒有公共電位的多個電容器的電壓，因此存在電路復雜，高成本的問題。本發明的電路結構為：通過采用在多個電容器之間連接由二極管、反向阻斷型半導體開關、電阻等構成的結合單元的結構、以及設置將電容器的電壓箝位在規定值的電路，來檢測出電容器的電壓并適當地切換半導體開關的動作，從而構成如下那樣的電路，該電路中減少了要控制成所期望的值的電容器個數，使得所有電容器的電壓均變為所期望的值。
【專利說明】多電平轉換電路
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多電平轉換電路中的電容器充電電路，該多電平轉換電路能夠輸出多 電平的電壓，并使用稱為飛跨電容的電容器。
【背景技術】
[0002] 圖10中示出專利文獻1所記載的使用飛跨電容器的5電平轉換電路。由直流電 源輸出5電平的電壓，該直流電源包括由直流單電源DP和DN串聯連接而成的三個端子(正 極P、零極M、負極N)。在直流電源的正極P和負極N之間連接有半導體開關S1?S4的串 聯電路，該半導體開關S1?S4由二極管和IGBT反向并聯連接而成，半導體開關S2和S3的 串聯電路與半導體開關S5和S6的串聯電路、以及稱為飛跨電容器的電容器C1并聯連接。 并且，在半導體開關S5和S6的連接點與直流電源的中間電位點即零極Μ之間連接有交流 開關Sac，該交流開關Sac由在反方向也具有耐壓的反向阻斷型IGBTS15和S16反向并聯連 接而成，半導體開關S2和S3的連接點設為交流端子U。
[0003] 在這種電路結構中，將直流單電源DP、DN的電壓Edcp、Eden分別設為2E，若將電 容器C1的電壓Vcl控制為E，則交流端子U可輸出5個電平的電壓。例如，若半導體開關 SI、S2、S6、S16導通，則交流端子U輸出電壓2E，若半導體開關S1、S3、S6、S16導通或半導 體開關S2、S6和交流開關Sac導通，則交流端子U輸出電壓E，若半導體開關S3、S6和交流 開關Sac導通或半導體開關S2、S5和交流開關Sac導通，則交流端子U輸出電壓零，若半導 體開關S2、S4、S5、S15導通或S3、S5及交流開關Sac導通，則交流端子U輸出電壓-E，若半 導體開關S3、S4、S5、S15導通，則交流端子U輸出電壓-2E。
[0004] 上述動作中，在交流端子U輸出電壓E的模式下，假設電流向負載流動，則存在有 從半導體開關S1 -電容器C1 -半導體開關S3的路徑1，以及從交流開關Sac -半導體開 關S6 -電容器C1 -半導體開關S2的路徑2,電容器C1利用路徑1進行充電動作，利用路 徑2進行放電動作。通過檢測出電容器C1的電壓，并且為了能使其平均電壓達到E，對路徑 進行適當地選擇，能夠將電容器C1的平均電壓控制為E。此外，在交流端子U輸出電壓-E 的模式下也同樣存在有兩條路徑，也能將電容器C1的電壓控制為E。
[0005] 圖11示出將圖10所示的5電平轉換電路擴大到7電平的例子。由直流電源輸出 7電平的電壓，該直流電源包括由直流單電源DP和DN串聯連接而成的三個端子即正極P、 零極M、負極N的端子。在直流電源的正極P和負極N之間連接有半導體開關S1?S6的串 聯電路，該半導體開關S1?S6由二極管和IGBT反向并聯連接而成，半導體開關S2?S5 的串聯電路與半導體開關S7和S8的串聯電路、以及電容器C2并聯連接，半導體開關S3和 S4的串聯電路與電容器C1并聯連接。并且，在半導體開關S7和S8的連接點與直流電源的 中間電位點即零極Μ之間連接有交流開關Sac，該交流開關Sac由在反方向也具有耐壓的反 向阻斷型IGBTS15和S16反向并聯連接而成，半導體開關S3和S4的連接點設為交流端子 U。
[0006] 在這種電路結構中，將直流單電源DP、DN的電壓Edcp、Edcn分別設為3E，若將電容 器Cl的電壓Vcl控制為E，電容器C2的電壓Vc2控制為2E，則交流端子U可輸出7個電平 的電壓。例如，若半導體開關S1?S3導通，則交流端子U輸出電壓3E，若半導體開關S1、 S2及S4導通，則交流端子U輸出電壓2E，若半導體開關SI、S5及S4導通，則交流端子U輸 出電壓E，若交流開關Sac和半導體開關S7、S2及S3或交流開關Sac和半導體開關S8、S5 及S4導通，則交流端子U輸出電壓零，若交流開關Sac和半導體開關S7、S2及S4導通，則 交流端子U輸出電壓-E，若交流開關Sac和半導體開關S7、S5及S4導通，則交流端子U輸 出電壓-2E，若半導體開關S4?S6導通，則交流端子U輸出電壓-3E。具體而言，除上述內 容以外還存在有其他的多種控制方式，但由于是圖11所示電路的擴展動作，因此省略詳細 說明。
[0007] 上述動作中，在交流端子U輸出電壓E的模式下，存在有從半導體開關S1 -電容 器C2 -半導體開關S5 -半導體開關S4的路徑1，以及從交流開關Sac -半導體開關S8 - 電容器C2 -半導體開關S2 -電容器C1 -半導體開關S4的路徑2,電容器C2利用路徑1 進行充電動作，利用路徑2進行放電動作。通過檢測出電容器C2的電壓，并且為了能使其 平均值達到2E，對路徑進行適當地選擇，能夠將電容器C2的平均電壓控制為2E。此外，在 交流端子U輸出電壓-E的模式下也同樣存在有兩條路徑，也能通過適當地選擇路徑來將電 容器C2的電壓控制為2E。
[0008] 此外，在交流端子U輸出電壓2E的模式下，存在有從半導體開關S1 -半導體開關 S2 -電容器C1 -半導體開關S4的路徑1，以及從半導體開關S1 -電容器C2 -半導體開 關S5 -電容器C1 -半導體開關S3的路徑2,電容器C1利用路徑1進行充電動作，利用路 徑2進行放電動作。通過檢測出電容器C1的電壓，并且對路徑進行適當地選擇，能夠將電 容器C1的平均電壓控制為E。此外，在交流端子U輸出電壓-2E的模式下也同樣存在有兩 條路徑，也同樣能將電容器C1的電壓控制為E。
[0009] 在圖11所示結構的7電平轉換電路中，在切換半導體開關S7或S8的情況下，電 壓變動為2個單位（2E)。一般情況下，若在輸出波形中出現較大的電壓變動，則負載側的例 如交流電動機中會產生與該電壓相應的較高的微浪涌電壓，其結果是有可能發生絕緣破壞 的問題。
[0010] 為解決這個問題， 申請人:提出了專利文獻2所記載的電路。 圖12示出其電路結構。在圖12中，從高電位側開始，將直流單電源DP與DN串聯連 接而成的直流電源的端子設為正極端子P、零極端子M、負極端子N。另外，將端子Μ設為基 準(零)，將其電位定義為〇。此外，作為半導體開關，以與二極管反向并聯連接的IGBT為例 進行說明，當然也可以應用其他的半導體開關元件。在正極端子Ρ和負極端子Ν之間連接 有半導體開關S1?S6的串聯電路，半導體開關S3和S4的連接點設為交流端子U。此外， 在半導體開關S1和S2的連接點與半導體開關S5和S6的連接點之間連接有由半導體開關 S7?S10的串聯電路與電容器C2構成的并聯電路，在零極端子Μ與半導體開關S8和S9的 連接點之間連接有交流開關Sac，該交流開關Sac由反向阻斷型IGBTS15和S16反向并聯連 接而構成。
[0011] 并且，在半導體開關S3的高電位側端子與半導體開關S4的低電位側端子之間連 接有電容器C1，在半導體開關S8的高電位側端子與半導體開關S9的低電位側端子之間連 接有電容器C3。這些電容器C1?C3稱為飛跨電容器。另外，交流開關Sac如圖12所示由 具有反向耐壓的半導體開關S15、S16反向并聯連接而構成，除此之外，也可以如圖13(a)? 13(c)所示由不具有反向耐壓的IGBT和二極管組合而構成。圖13 (a)是二極管與IGBT的 串聯電路反向并聯連接的結構，圖13(b)和圖13 (c)是二極管與IGBT的反向并聯連接電 路串聯連接的結構。
[0012] 在圖12所示的電路結構中，將直流單電源DP、DN的電壓的大小分別設為3E。與圖 11所示的現有例相同，通過使電容器C1?C3的電壓Vcl?Vc3充電或放電，能夠將電容器 C1?C3的電壓的平均值保持為Vcl=E、Vc2=2E、Vc3=E。若將零極端子Μ的電位設為零，交 流端子U的輸出電壓設為Vu，則利用輸出電壓Vu使半導體開關導通截止，從而實現±3Ε、 ±2Ε、±1Ε、0的7電平輸出。例如，在使半導體開關SI、S2、S3、S9、S10、S16導通，其他半 導體開關截止時（圖14(a))，從交流端子U輸出直流單電源DP的Ρ點電位（+3Ε)。在使半 導體開關31、53、55、59、510、516導通，其他半導體開關截止的情況下（圖14(13))，通過從 直流單電源DP (+3Ε)中減去電容器電壓Vc2 (+2Ε)，再加上電容器電壓Vcl (+Ε)，使得從 交流端子U輸出電壓+2E。
[0013] 在使半導體開關S3、S5、S9、S10、S15、S16導通，其他半導體開關截止的情況下（圖 14 (c))，從交流端子U輸出直流電源的Μ點電位（0)加上電容器電壓Vcl (+E)而得到的電 壓+E。在使半導體開關S4、S5、S9、S10、S15、S16導通，其他半導體開關截止時（圖14(d))， 從交流端子U輸出直流電源的Μ點電位（0)。在使半導體開關S3、S5、S7、S9、S15、S16導 通，其他半導體開關截止的情況下（圖14 (e))，通過將直流電源的Μ點電位（0)與電容器電 壓Vc3 (+1Ε)相加，再減去電容器電壓Vc2 (+2Ε)，再加上電容器電壓Vcl (+1Ε)，使得從交 流端子U輸出電壓0。
[0014] 在如上述那樣使半導體開關導通截止，電流從直流電源的端子P、M、N流向交流端 子U的情況下，電流沿著如圖14 (a)?圖14 (e)所述的路徑流過，電容器進行充電或放電。 與圖10所不的5電平轉換電路或圖11所不的7電平轉換電路一樣，對于從交流輸出端輸 出相同電壓的模式，也存在有多條路徑。通過檢測出各電容器的電壓，并且為了使該電壓變 成所期望的值，對路線進行適當地選擇，能夠將圖12所示電路的電容器C1和C3的電壓控 制為E，將電容器C2的電壓控制為2E。利用其他的路徑組合也可以輸出電壓，使電容器充 電或放電，但此處省略其詳細說明。 現有技術文獻 專利文獻
[0015] 專利文獻1 :日本專利特開2012 - 182974號公報 專利文獻2 :日本專利申請2012 - 004723號公報
【發明內容】
發明所要解決的技術問題
[0016] 如圖12所示，作為從具備3個電平的直流電源得到7個電平的輸出電壓Vu的轉 換電路，能夠通過利用半導體開關的導通截止，對直流電源DP、DN的電壓Edcp、Edcn，電容 器Cl?C3的電壓Vcl?Vc3進行組合來實現。為實現7電平的輸出，應該將電容器Cl的 電壓的平均值設為Vcl=E，電容器C2的電壓的平均值設為Vc2=2E，電容器C3的電壓的平均 值設為Vc3=E，但實際上若電路進行工作，則電容器電壓Vcl?Vc3會因流過電路的電流而 發生變動。為將這些電壓保持在平均值，通常采用以下方法，即通過組合半導體開關S1? S10,及交流開關Sac的導通截止，在輸出任意電壓的同時，對電容器C1?C3的充電或放電 進行控制。然而，為此就需要具有檢測電容器電壓Vcl?Vc3的電路單元，但由于各電容器 沒有公共電位部分，因此電壓檢測電路需要具有絕緣功能等即成為成本增加的主要原因。 因此，本發明的課題在于提供一種低成本的多電平轉換電路，該多電平轉換電路無需對所 有的電容器使用多電平轉換電路中所使用的電容器電壓檢測電路，一部分電容器不需要檢 測電路，就能將電容器電壓控制為所期望的值。 解決技術問題所采用的技術方案
[0017] 為解決上述問題，第1發明的多電平轉換電路從直流電源生成多個電壓電平，在 該多個電壓電平中進行選擇并輸出，其中，所述直流電源被分割為2個，具備3個端子，且具 有包括零在內的互不相同的3個電壓電平，該多電平轉換電包括：第1及第2開關組，該第 1及第2開關組由η (η為3以上的整數)個與二極管反向并聯連接的半導體開關串聯連接 而構成；第3及第4開關組，該第3及第4開關組由η-1個半導體開關串聯連接而構成；以 及交流開關，該交流開關由具有反向耐壓的半導體開關相組合而構成，在所述直流電源的 電位最高的第1直流端子與電位最低的第3直流端子之間，從所述第1直流端子開始依次 連接有所述第1開關組和第2開關組的串聯電路，在構成所述第1開關組的第1個半導體 開關的負側端子與構成所述第2開關組的第η個半導體開關的正側端子之間，從所述第1 開關組的第1個半導體開關的負側端子開始依次連接有所述第3開關組和第4開關組的串 聯電路，在所述第3開關組和所述第4開關組的連接點、與成為所述直流電源的中間電位的 第2直流端子之間，連接有所述交流開關，在構成所述第1開關組的第n-m(m為從0到η-3 的整數)個半導體開關的正側端子、與構成所述第2開關組的第k (k為從1到η-2的整數） 個半導體開關的負側端子之間，連接有第j個（j為從1到η-2的整數）電容器，在所述第3 開關組的正側端子與第4開關組的負側端子之間，連接有第η-1個電容器，在構成所述第3 開關組的第n-m-1個半導體開關的正側端子、與構成所述第4開關組的第k個半導體開關 的負側端子之間，連接有第i個（i為從η到2n-3的整數）電容器，所述第1開關組與所述 第2開關組的連接點設為交流端子，所述第j個電容器的端子與所述第i個電容器的端子 通過結合單元相連接。
[0018] 在第2發明中，在第1發明的多電平轉換電路中，在所述第j個電容器的正側端子 與所述第i個電容器的負側端子之間連接有第j個二極管，在所述第i個電容器的正側端 子與所述第j個電容器的負側端子之間連接有第i-Ι個二極管，作為所述結合單元。
[0019] 在第3發明中，在第1發明的多電平轉換電路中，在所述第j個電容器的正側端 子與所述第i個電容器的負側端子之間連接有第j個二極管和第j個電阻的串聯電路，在 所述第i個電容器的正側端子與所述第j個電容器的負側端子之間連接有第i-Ι個二極管 和第i-Ι個電阻的串聯電路，作為所述結合單元。
[0020] 在第4發明中，在第1發明的多電平轉換電路中，在所述第j個電容器的正側端子 與所述第i個電容器的負側端子之間連接有具有反向耐壓的第j個半導體開關，在所述第 i個電容器的正側端子與第j個電容器的負側端子之間連接有具有反向耐壓的第i-Ι個半 導體開關，作為所述結合單元。
[0021] 在第5發明中，在第1發明的多電平轉換電路中，在所述第j個電容器的正側端子 與所述第i個電容器的正側端子之間連接有第j個阻抗元件，在所述第j個電容器的負側 端子與所述第i個電容器的負側端子之間連接有第i-Ι個阻抗元件，作為所述結合單元。
[0022] 在第6發明中，在第2?第5發明的多電平轉換電路中，將齊納二極管與所述第j 個電容器、或第n-1個電容器、或第i個電容器并聯連接。 發明效果
[0023] 本發明在飛跨電容器型的多電平轉換電路中，通過在飛跨電容器（電容器）之間連 接結合單元，從而能夠不必檢測出所有電容器的電壓，就能使電容器電壓成為所期望的值。 其結果是，能夠削減電容器電壓檢測電路，從而可實現低成本化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是表示本發明的第1實施例的電路圖。 圖2 (a)是第1實施例的動作說明圖（a)。 圖2 (b)是第1實施例的動作說明圖（b)。 圖3是表示本發明的第2實施例的電路圖。 圖4是表示本發明的第3實施例的電路圖。 圖5是表示本發明的第4實施例的電路圖。 圖6是表示本發明的第5實施例的電路圖。 圖7是表示本發明的第6實施例的電路圖。 圖8是本發明的第6實施例的動作說明圖。 圖9是表示本發明的第7實施例的電路圖。 圖10是作為現有例的5電平轉換電路圖。 圖11是作為現有例的7電平轉換電路圖。 圖12是作為現有例的改進型7電平轉換電路圖。 圖13是受流開關電路圖不例。 圖14 (a)是改進型7電平轉換電路的動作說明圖（a)。 圖14 (b)是改進型7電平轉換電路的動作說明圖（b)。 圖14 (c)是改進型7電平轉換電路的動作說明圖（c)。 圖14 (d)是改進型7電平轉換電路的動作說明圖（d)。 圖14 (e)是改進型7電平轉換電路的動作說明圖（e)。
【具體實施方式】
[0025] 本發明的要點在于，在從具有3個電壓電平的直流電源生成多個電壓電平的多電 平轉換電路中，由η (η為3以上的整數）個半導體開關串聯連接而成的第1及第2開關組 的串聯電路連接在直流電源的正極和負極之間，由η-I個半導體開關串聯連接而成的第3 及第4開關組的串聯電路連接在構成所述第1開關組的從正側的第1個半導體開關的負側 端子與構成所述第2開關組的從正側的第η個半導體開關的正側端子之間，在所述第3開 關組和所述第4開關組的連接點與所述直流電源的中間端子之間連接有交流開關，在構成 所述第1開關組的第n-m (m為從0到η-3的整數)個半導體開關的正側端子與構成所述第 2開關組的第k (k為從1到η-2的整數）個半導體開關的負側端子之間連接有第j (j為 從1到n-2的整數)個電容器，在所述第3開關組的正側端子與第4開關組的負側端子之間 連接有第n-1個電容器，在構成所述第3開關組的第n-m-1個半導體開關的正側端子與構 成所述第4開關組的第k個半導體開關的負側端子之間連接有第i (i為從η開始到2n-3 的整數）個電容器，所述第1開關組與所述第2開關組之間的連接點設為交流端子，所述第 j個電容器的端子與所述第i個電容器的端子至少通過一個結合單元相連接。
[實施例1]
[0026] 圖1表示本發明的第1實施例。第1實施例是權利要求中η = 3的情況下的實施 例，是7電平轉換電路的應用例。在電路結構中，從高電位側，將直流單電源DP與DN串聯 連接而成的直流電源的端子設為正極端子Ρ、零極端子Μ、負極端子Ν。另外，將端子Μ設為 基準(零)，將其電位定義為0。此外，作為半導體開關，以與二極管反向并聯連接的IGBT為 例進行說明，當然也可以應用其他的半導體開關元件。在正極端子Ρ和負極端子Ν之間連 接有半導體開關S1?S6的串聯電路，半導體開關S3和S4的連接點設為交流端子U。此 夕卜，在半導體開關S1和S2的連接點、與半導體開關S5和S6的連接點之間連接有由半導 體開關S7?S10的串聯電路與電容器C2構成的并聯電路，在零極端子Μ、與半導體開關S8 和S9的連接點之間連接有交流開關Sac，該交流開關Sac由作為半導體開關的反向阻斷型 IGBTS15和S16反向并聯連接而成。
[0027] 并且，在半導體開關S3的高電位側端子與半導體開關S4的低電位側端子之間連 接有電容器C1，在半導體開關S8的高電位側端子與半導體開關S9的低電位側端子之間連 接有電容器C3。此外，在電容器C1的高電位側端子與電容器C3的低電位側端子之間連接 有作為結合單元的二極管D1，在電容器C3的高電位側端子與電容器C1的低電位側端子之 間連接有作為結合單元的二極管D2。
[0028] 在這種電路結構中，若分別將直流單電源DP、DN的電壓設為3E，將電容器C1的電 壓設為E，將電容器C2的電壓設為2E，將電容器C3的電壓設為E，則在使半導體開關S1、S2、 S3、S9、S10、S16導通，使其他半導體開關截止的情況下，從交流端子U輸出+3E的電壓。此 時，若電容器C1?C3的電壓Vcl?Vc3的關系為Vc2>Vcl+Vc3,則電容器C2進行放電，對 電容器C1和C3進行充電，以使得Vc2=Vcl+Vc3。在電容器C1?C3間流動的電流Ic形成 如圖2(a)中虛線所示的路徑，即從電容器C2 -半導體開關S2 -電容器C1 -二極管D2 - 電容器C3 -半導體開關S10 -電容器C2。除了圖2 (a)所示的例子，在至少將半導體開關 S2和S10設為導通，從而可構成從電容器C2到電容器C1和C3的充電路徑的情況下，電容 器C1的電壓Vcl和電容器C3的電壓Vc3的和也被箝位至電容器C2的電壓Vc2。
[0029] 此外，在使圖1所示的半導體開關S3、S5、S7、S9、S15、S16導通，其他半導體開 關截止的情況下，從交流端子u輸出電壓0。此時，若電容器電壓Vcl?Vc3的關系為 Vc2>Vcl+Vc3,則電容器C2進行放電，對電容器C1和C3進行充電，以使得Vc2=Vcl+Vc3。在 電容器C1?C3間流動的電流Ic形成如圖2 (b)中虛線所示的路徑，即從電容器C2 -半 導體開關S7 -電容器C3 -二極管D1 -電容器C1 -半導體開關S5 -電容器C2,電容器 C1的電壓Vcl和電容器C3的電壓Vc3的和被箝位至電容器C2的電壓Vc2。除了圖2 (b) 所示的例子，在至少將半導體開關S5和S7設為導通，從而可構成從電容器C2到電容器Cl 和C3的充電路徑的情況下，電容器Cl的電壓Vcl和電容器C3的電壓Vc3的和也被箝位至 電容器C2的電壓Vc2。這里，與現有技術相同，利用適當選擇路徑的方法將電容器C1的電 壓控制為E，將電容器C2的電壓控制為2E，由此電容器C3的電壓即成為E。也就是說，不需 要檢測電路來檢測電容器C3的電壓，從而可實現低成本化。
[實施例2]
[0030] 圖3表示本發明的第2實施例。第2實施例是使用電阻作為阻抗元件的實施例。 第2實施例是分別將電阻R1與二極管D1串聯連接，電阻R2與二極管D2串聯連接來作為結 合單元，以取代第1實施例中的二極管的實施例。半導體開關的動作和電容器電壓Vcl? Vc3的關系與第1實施例相同，不需要檢測電容器C3的電壓。通過連接電阻，可對充電時間 進行調整。此外，如果連接電感器來代替電阻，還可抑制浪涌電流。
[實施例3]
[0031] 圖4表示本發明的第3實施例。本實施例是在第1實施例中的所有半導體開關 及二極管的耐壓均相等的情況下的實施例（η = 3的情況)。該結構是將圖1中的半導體開 關S1及S6設為由4個半導體開關串聯連接(半導體開關Sla?Sld、S6a?S6d)而成的電 路。此外，作為結合單元的圖1的二極管D1及D2設為由2個二極管串聯連接(二極管Dla 和Dlb、D2a和D2b)而成。半導體開關的動作和電容器電壓Vcl?Vc3的關系與第1實施 例相同，不需要檢測電容器C3的電壓。在本實施例中，由于所有的半導體開關及二極管的 耐壓均相等，因此在簡化了裝置結構的同時，還可獲得元器件管理變得方便的優點。
[實施例4]
[0032] 圖5表示本發明的第4實施例。本實施例中，將第1實施例中的二極管Dl、D2替 換成分別具有反向耐壓的半導體開關Srl、Sr2。圖5所示的電路結構中，作為具有反向耐壓 的半導體開關，由二極管和不具有反向耐壓的IGBT串聯連接而構成，但如果使用具有反向 耐壓的反向阻斷型IGBT，則不需要與二極管串聯連接。如果使半導體開關Srl、Sr2始終保 持導通，則可獲得與第1實施例相同的效果。在第1實施例中無法保持電容器C1及C3的 電壓為E、電容器C2的電壓為2E的關系的情況下，如果對半導體開關Sri或Sr2的導通截 止進行控制，則能夠將各電容器電壓控制為規定的值。此外，半導體開關Srl、Sr2導通時的 動作與第1實施例相同。與現有技術相同，利用適當選擇路徑的方法將電容器C1的電壓控 制為E，將電容器C2的電壓控制為2E，由此對于電容器C3的電壓，可不設置檢測電路，就能 使其成為所期望的值E。此外，若在具有反向耐壓的半導體開關Sri、Sr2上連接電阻或電 感，則能獲得與第2實施例相同的效果。
[實施例5]
[0033] 圖6表示本發明的第5實施例。第5實施例具有將齊納二極管ZD1與第1實施例 中的電容器C3并聯連接而成的電路結構。與現有技術相同，利用適當選擇路徑的方法將電 容器C1的電壓控制為E，將電容器C2的電壓控制為2E，由此對于電容器C3的電壓，可不設 置電壓檢測電路，就能使其成為所期望的值E。然而，在第1實施例中，如圖2a、圖2b所示， 僅對電容器C1、C3進行充電。因此，存在變為過電壓的可能性，此時需要使其放電。作為這 種放電方法，通過將齊納二極管與電容器并聯連接，將電容器電壓箝位于齊納電壓，不僅可 進行充電，還可進行放電。另外，在本實施例中將齊納二極管與電容器C3并聯連接，但也可 以將齊納二極管與C1?C3中的任意一個或多個或全部并聯連接。
[實施例6]
[0034] 圖7表示本發明的第6實施例。在圖12所示的現有例的電容器C1的正電位側與 電容器C3的正電位側之間連接有電阻R1，在電容器Cl的負電位側與電容器C3的負電位側 之間連接有電阻R2。對電容器Cl、C3進行充電或放電，能夠使電容器C1的電壓Vcl與電 容器C3的電壓Vc3相等。當電容器電壓Vcl與Vc3的關系滿足Vcl>Vc3時，如圖8中虛線 所示的那樣，電流沿著電容器C1 -電阻R1 -電容器C3 -電阻R2 -電容器C1流動，從而 Vcl=Vc3。此外，當電容器電壓Vcl與Vc3的關系滿足Vcl〈Vc3時，電流沿著電容器C3 -電 阻R1 -電容器C1 -電阻R2 -電容器C3流動，從而Vcl=Vc3。與現有技術相同，利用適當 選擇路徑的方法將電容器C1的電壓控制為E，將電容器C2的電壓控制為2E，由此對于電容 器C3的電壓，可不設置電壓檢測電路，就能使其成為所期望的值E。在本實施例中，即使將 所有的半導體開關均設為截止，也能通過電阻對電容器電壓Vcl和Vc3進行均壓。此外，本 結構可適用于原本就要將電壓設為相等的電容器之間。
[實施例7]
[0035] 圖9表示本發明的第7實施例。第7實施例是權利要求范圍中η = 4的情況下的 實施例，是9電平轉換電路的應用例。在9電平的飛跨電容器型轉換電路中，從高電位側， 將直流單電源DP與DN串聯連接而成的直流電源的端子設為正極端子Ρ、零極端子Μ、負極 端子Ν。另外，將端子Μ設為基準(零)，將其電位定義為0。此外，作為半導體開關，以將二 極管反向并聯連接的IGBT為例進行說明，當然也可以應用其他的半導體開關元件。在正極 端子Ρ和負極端子Ν之間連接有半導體開關S1?S8的串聯電路，半導體開關S4和S5的 連接點設為交流端子U。此外，在半導體開關S1和S2的連接點、與半導體開關S7和S8的 連接點之間連接有由半導體開關S9?S14的串聯電路與電容器C3構成的并聯電路，在零 極端子Μ、與半導體開關S11和S12的連接點之間連接有交流開關Sac，該交流開關Sac由 反向阻斷型IGBTS15和S16反向并聯連接而構成。
[0036] 并且，在半導體開關S3的高電位側端子與半導體開關S6的低電位側端子之間連 接有電容器C2,在半導體開關S4的高電位側端子與半導體開關S5的低電位側端子之間連 接有電容器C1，在半導體開關S10的高電位側端子與半導體開關S13的低電位側端子之間 連接有電容器C4,在半導體開關S11的高電位側端子與半導體開關S12的低電位側端子之 間連接有電容器C5。這些電容器C1?C5稱為飛跨電容器。另外，交流開關Sac如圖9所 示由具有反向耐壓的半導體開關S15、S16反向并聯連接而構成，除此之外的結構也可以如 圖13 (a)?（c)所示由不具有反向耐壓的IGBT和二極管相組合而構成。圖13 (a)是二 極管與IGBT的串聯電路反向并聯連接的結構，圖13(b)和圖13 (c)是二極管與IGBT的反 向并聯連接電路串聯連接的結構。
[0037] 此外，在電容器C1的高電位側端子與電容器C4的低電位側端子之間連接有作為 結合單元的二極管D1，在電容器C2的高電位側端子與電容器C5的低電位側端子之間連接 有作為結合單元的二極管D2,在電容器C4的高電位側端子與電容器C1的低電位側端子之 間連接有作為結合單元的二極管D3,在電容器C5的高電位側端子與電容器C2的低電位側 端子之間連接有作為結合單元的二極管D4。
[0038] 在圖9所示的電路結構中，將直流單電源DP、DN的電壓的大小分別設為4E。通過對 電容器C1?C5的電壓Vcl?Vc5進行充電或放電，將電壓的平均值保持為Vcl=E、Vc2=2E、 Vc3=3E、Vc4=2E、Vc5=E。若將零極端子Μ的電位設為零，交流端子U的輸出電壓設為Vu，則 利用輸出電壓Vu使半導體開關導通截止，從而實現±4E、±3E、±2E、± 1E、0這9電平輸 出。
[0039] 在上述結構中，分別連接有作為結合單元的二極管D1?D4,從而使得電容器Cl的 電壓Vcl與電容器C4的電壓Vc4的和成為電容器C3的電壓Vc3,且電容器C5的電壓Vc5 與電容器C2的電壓Vc2的和成為電容器C3的電壓Vc3。具體動作可與第1實施例相同地 來進行考慮，因此省略說明。于是，電容器C1的電壓Vcl與電容器C4的電壓Vc4的和被箝 位至電容器C3的電壓Vc3,且電容器C5的電壓Vc5與電容器C2的電壓Vc2的和被箝位至 電容器C3的電壓Vc3。在這種結構中，與現有技術相同，通過檢測出電容器C1?C3的電 壓，并適當地選擇電容器的充放電路徑，來分別將電容器C1的電壓控制為E，將電容器C2的 電壓控制為2E，將電容器C3的電壓控制為3E。其結果是，不檢測電容器C4的電壓，就能使 電容器C4的電壓成為2E。此外，不檢測電容器C5的電壓，就能使電容器C5的電壓成為E。 因此，對電容器C4和C5不需要設置檢測電路，從而能夠實現低成本化。此外，在本實施例 的9電平轉換電路中，可應用實施例2?6的電路。
[0040] 此外，在上述各實施例中，示出了 7電平轉換電路和9電平轉換電路的應用例，但 對于11電平以上的多電平轉換電路也同樣適用。此外，示出了適用IGBT作為開關元件的 例子，但在使用MOSFET、GT0等的情況下也能夠實現。 工業上的實用性
[0041] 本發明可適用于使用如下那樣的轉換電路的高壓電動機驅動裝置、系統互連用電 力轉換裝置等，該轉換電路將由兩個直流單電源串聯連接而成的具有3個端子的直流電源 作為輸入，并輸出多電平電壓。 標號說明
[0042] S1 ?S14 · · ·半導體開關（IGBT) S15、S16· · ·反向阻斷型IGBT Sac · · ·交流開關 C1?C5 · · ·電容器 DP、DN· · ·直流單電源 R1、R2 · · ·電阻 ZD1 · · ·齊納二極管 01?04、01&、0113、023、0213***二極管 Srl、Sr2· · ·反向阻斷型開關
【權利要求】
1. 一種多電平轉換電路，從直流電源生成多個電壓電平，在該多個電壓電平中進行選 擇并輸出，其中，所述直流電源被分割為2個，具備3個端子，且具有包括零在內的互不相同 的3個電壓電平，該多電平轉換電路的特征在于， 包括：第1及第2開關組，該第1及第2開關組由η (η為3以上的整數)個與二極管反 向并聯連接的半導體開關串聯連接而構成；第3及第4開關組，該第3及第4開關組由η-1 個半導體開關串聯連接而構成；以及交流開關，該交流開關由具有反向耐壓的半導體開關 相組合而構成， 在所述直流電源的電位最高的第1直流端子與電位最低的第3直流端子之間，從所述 第1直流端子開始依次連接有所述第1開關組和第2開關組的串聯電路，在構成所述第1開 關組的第1個半導體開關的負側端子與構成所述第2開關組的第η個半導體開關的正側端 子之間，從所述第1開關組的第1個半導體開關的負側端子開始依次連接有所述第3開關 組和第4開關組的串聯電路，在所述第3開關組和所述第4開關組的連接點、與成為所述直 流電源的中間電位的第2直流端子之間，連接有所述交流開關，在構成所述第1開關組的第 n-m (m為從0到η-3的整數）個半導體開關的正側端子、與構成所述第2開關組的第k (k 為從1到n-2的整數）個半導體開關的負側端子之間，連接有第j個（j為從1到n-2的整 數）電容器，在所述第3開關組的正側端子與第4開關組的負側端子之間，連接有第η-1個 電容器，在構成所述第3開關組的第n-m-Ι個半導體開關的正側端子、與構成所述第4開關 組的第k個半導體開關的負側端子之間，連接有第i個（i為從η到2n-3的整數）電容器， 所述第1開關組與所述第2開關組的連接點設為交流端子，所述第j個電容器的端子 與所述第i個電容器的端子通過結合單元相連接。
2. 如權利要求1所述的多電平轉換電路，其特征在于， 在所述第j個電容器的正側端子與所述第i個電容器的負側端子之間連接有第j個二 極管，在所述第i個電容器的正側端子與所述第j個電容器的負側端子之間連接有第i-1 個二極管，作為所述結合單元。
3. 如權利要求1所述的多電平轉換電路，其特征在于， 在所述第j個電容器的正側端子與所述第i個電容器的負側端子之間連接有第j個二 極管和第j個電阻的串聯電路，在所述第i個電容器的正側端子與所述第j個電容器的負 側端子之間連接有第i-Ι個二極管和第i-Ι個電阻的串聯電路，作為所述結合單元。
4. 如權利要求1所述的多電平轉換電路，其特征在于， 在所述第j個電容器的正側端子與所述第i個電容器的負側端子之間連接有具有反向 耐壓的第j個半導體開關，在所述第i個電容器的正側端子與第j個電容器的負側端子之 間連接有具有反向耐壓的第i-Ι個半導體開關，作為所述結合單元。
5. 如權利要求1所述的多電平轉換電路，其特征在于， 在所述第j個電容器的正側端子與所述第i個電容器的正側端子之間連接有第j個阻 抗元件，在所述第j個電容器的負側端子與所述第i個電容器的負側端子之間連接有第i-1 個阻抗元件，作為所述結合單元。
6. 如權利要求2至5的任一項所述的多電平轉換電路，其特征在于， 齊納二極管與所述第j個電容器、或第η-I個電容器、或第i個電容器并聯連接。
【文檔編號】H02M7/483GK104113227SQ201410134740
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2013年4月22日
【發明者】桑原弘行 申請人:富士電機株式會社