JP6131778B2 - 交流−交流変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流入力電圧を複数レベルの交流出力電圧に変換する交流−交流変換装置に関する。

従来、交流−交流変換装置の一例として非特許文献１に記載のものが提案されていた。非特許文献１に示されているモジュラーマトリックスコンバータは、三相交流電源Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相にリアクトルＬを介して単位変換器を入力し、三相交流Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を出力する交流−交流変換器である。

図９に、モジュラーマトリックスコンバータに用いる単位変換器を示す。図９において、単位変換器は、４個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をブリッジ接続し、橋絡点間に１個のコンデンサＣ１を接続してＨブリッジ回路を構成し、そのＨブリッジ回路を相毎に多段接続して構成されている。

Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各入力端子に前記Ｈブリッジ回路をＮ個カスケード接続し、３相の各最終段のＨブリッジ回路の出力をＹ結線し、その中点を出力端子ＯＵＴに接続している。

図中のＳ５〜Ｓ８は最終段のスイッチング素子であり、Ｃ２は最終段のコンデンサである。

図９の単位変換器において、カスケード接続段数Ｎ＝２の場合でのＲ端子〜ＯＵＴ端子間の電圧Ｖｏｕｔ−Ｒのレベル数について説明する。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電圧をともにＥとする。この時のオンするスイッチング素子とＶｏｕｔ−Ｒとの関係は表１となる。

表１において、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７がオンするモードではコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧が加算されて２Ｅとなる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７がオンするモード、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７がオンするモード、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８がオンするモードではコンデンサＣ２又はＣ１のどちらかのみの電圧が出現するためＥとなる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７がオンするモード、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８がオンするモードでは、電流がスイッチング素子のみを通過するため零となる。

またスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８がオンするモード、Ｓ１、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７がオンするモードではコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧が相殺されるため零となる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８がオンするモードではコンデンサＣ２の電圧のみが出現するため−Ｅとなる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７がオンするモード、Ｓ１、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８がオンするモードではコンデンサＣ１の電圧のみが出現するため−Ｅとなる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８がオンするモードではコンデンサＣ２、Ｃ１の電圧が加算されて−２Ｅとなる。

このように、表１より、Ｖｏｕｔ−Ｒの電圧レベルは、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルである。また、カスケード接続段数＝Ｎの場合では、電圧レベル数＝２Ｎ＋１と表せる。Ｖｏｕｔ−Ｓ、Ｖｏｕｔ−Ｔについても同様の電圧レベル数となる。

図９の単位変換器を３組用いることにより、図１０のように三相交流−三相交流変換器を実現できる。図１０は非特許文献１に示されているモジュラーマトリックスコンバータと同じ構成である。

ここで、図１０における三相交流−三相交流変換器の出力線間電圧Ｖｏｕｔ−ＵＶの電圧レベルについて説明する。Ｒ端子〜ＯＵＴ−Ｕ端子間の電圧＝Ｖ−ＵＲ、Ｒ端子〜ＯＵＴ−Ｖ端子間の電圧＝Ｖ−ＶＲとすると、Ｖｏｕｔ−ＵＶ＝Ｖ−ＵＲ−Ｖ−ＶＲと表せる。

一方、表１からわかるように、Ｖ−ＵＲおよびＶ−ＶＲの電圧レベル数はそれぞれ、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの（２Ｎ＋１）レベルである。したがって、出力線間電圧Ｖｏｕｔ−ＵＶの電圧レベル数は、４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅの（４Ｎ＋１）レベルである。

他の出力線間電圧Ｖｏｕｔ−ＶＷ，Ｖｏｕｔ−ＷＵ，および入力線間電圧Ｖｉｎ−ＲＳ，Ｖｉｎ−ＳＴ，Ｖｉｎ−ＴＲの電圧レベルも、同様に（４Ｎ＋１）レベルとなる。

宗島正和、他４名、「モジュラーマトリックスコンバータの制御」、平成２４年度産業応用部門大会、論文番号１−４８，Ｉ−２３７−２４０、２０１２年８月

図１０のようなモジュラーマトリックスコンバータは、Ｈブリッジ回路をＮ段カスケード接続した場合に、三相交流−三相交流変換器を実現するためにはコンデンサを９Ｎ個必要とする。

したがって、コンデンサが変換器に占める体積の割合が大きいため、交流変換器の体積が大きくなるという問題点があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、コンデンサの個数を低減して装置の小型化を図った交流−交流変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の交流−交流変換装置は、交流入力電圧を複数レベルの交流出力電圧に変換する交流−交流変換装置であって、第１および第２のスイッチング素子の直列体と、第１のコンデンサと、第３および第４のスイッチング素子の直列体とを並列に接続した回路であり、前記第１および第３のスイッチング素子を正側と定義し、前記第２および第４のスイッチング素子を負側と定義してＨブリッジ回路を構成し、前記Ｈブリッジ回路を入力側と出力側に各々設け、入力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第５および第６のスイッチング素子を逆方向に直列に接続し、入力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第７および第８のスイッチング素子を逆方向に直列に接続し、前記第５および第６のスイッチング素子の共通接続点と第７および第８のスイッチング素子の共通接続点の間に還流ダイオードを接続し、前記入力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を入力端子とし、入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点とを中性点とし、前記出力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を出力端子として構成した主単位変換器を備え、さらに、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を交流入力側に接続して構成した入力補助回路と、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を交流出力側に接続して構成した出力補助回路のうち、少なくともいずれか一方を備えたことを特徴としている。

また請求項２に記載の交流−交流変換装置は、前記入力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記交流入力側に接続して構成され、前記出力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記交流出力側に接続して構成されていることを特徴としている。

また請求項３に記載の交流−交流変換装置は、前記入力補助回路および出力補助回路のうち少なくともいずれか一方と、前記主単位変換器は各々３相分併設され、３相分の主単位変換器の各中性点どうしはＹ結線又はデルタ結線で接続されていることを特徴としている。

また請求項４に記載の交流−交流変換装置は、前記主単位変換器の還流ダイオードは第１および第２のダイオードの直列体で構成され、該第１および第２のダイオードの共通接続点は、前記入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と前記出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点のうち、少なくとも一方に接続されていることを特徴としている。

また請求項５に記載の交流−交流変換装置は、交流入力電圧を複数レベルの交流出力電圧に変換する交流−交流変換装置であって、第１および第２のスイッチング素子の直列体と、第１のコンデンサと、第３および第４のスイッチング素子の直列体とを並列に接続した回路であり、前記第１および第３のスイッチング素子を正側と定義し、前記第２および第４のスイッチング素子を負側と定義してＨブリッジ回路を構成し、前記Ｈブリッジ回路を入力側と出力側に各々設け、入力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第５および第６のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、入力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第７および第８のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、前記第５および第６のスイッチング素子の共通接続点と第７および第８のスイッチング素子の共通接続点の間に還流ダイオードを接続し、前記入力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を入力端子とし、入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点とを中性点とし、前記出力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を出力端子として構成した主単位変換器を備え、さらに、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有した第１入力補助回路であって、該Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、該第１入力補助回路のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続して構成した第１入力補助回路か、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有した第１出力補助回路であって、該Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続し、該第１出力補助回路のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続して構成した第１出力補助回路かの少なくともいずれか一方を備えたことを特徴としている。

また請求項請求項６に記載の交流−交流変換装置は、前記第１入力補助回路のＨブリッジ回路は、１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続し、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続して構成され、前記第１出力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続し、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続して構成されていることを特徴としている。

また請求項７に記載の交流−交流変換装置は、前記第１入力補助回路、前記第１出力補助回路および前記主単位変換器は各々３相分併設され、３相分の主単位変換器の各中性点どうしはＹ結線又はデルタ結線で接続されていることを特徴としている。

また請求項８に記載の交流−交流変換装置は、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を交流入力側に接続して構成した第２入力補助回路か、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を交流出力側に接続して構成した第２出力補助回路かの少なくともいずれか一方を備えたことを特徴としている。

また請求項９に記載の交流−交流変換装置は、前記第２入力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記交流入力側に接続して構成され、前記第２出力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記交流出力側に接続して構成されていることを特徴としている。

また請求項１０に記載の交流−交流変換装置は、前記第１入力補助回路、第１出力補助回路、第２入力補助回路、第２出力補助回路および前記主単位変換器は各々３相分併設され、３相分の主単位変換器の各中性点どうしはＹ結線又はデルタ結線で接続されていることを特徴としている。

また請求項１１に記載の交流−交流変換装置は、前記主単位変換器の還流ダイオードは第１および第２のダイオードの直列体で構成され、該第１および第２のダイオードの共通接続点は、前記第１入力補助回路のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と前記第１出力補助回路のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点のうち、少なくとも一方に接続されていることを特徴としている。

また請求項１２に記載の交流−交流変換装置は、前記各Ｈブリッジ回路のうち、少なくとも１回路は、前記第１のスイッチング素子は第９および第１０のスイッチング素子の直列体により構成され、第２のスイッチング素子は第１１および第１２のスイッチング素子の直列体により構成され、前記第９および第１０のスイッチング素子の共通接続点と第１１および第１２のスイッチング素子の共通接続点の間には第２のコンデンサが接続されていることを特徴としている。

また請求項１３に記載の交流−交流変換装置は、前記各Ｈブリッジ回路のうち、少なくとも１回路は、前記第１のコンデンサは第３および第４のコンデンサの直列体により構成され、前記第１および第２のスイッチング素子の共通接続点と前記第３および第４のコンデンサの共通接続点の間には第１３および第１４のスイッチング素子が直列に接続され、前記第３および第４のコンデンサの共通接続点と前記第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と間には第１５および第１６のスイッチング素子が直列に接続されていることを特徴としている。

本発明によれば、従来方式の装置に比較してコンデンサの個数を低減することができ、装置を小型化することができる。

本発明の実施例１の単位変換器の構成図。 本発明の実施例２の三相交流−三相交流変換器の構成図。 本発明の実施例３の三相交流−三相交流変換器の構成図。 本発明の実施例４の変換器の例を示す回路図。 本発明の実施例１〜４における変形例を示す回路図。 本発明の実施例５の単位変換器の構成図。 本発明の実施例６の単位変換器の構成図。 本発明の実施例５、６における変形例を示す回路図。 従来のモジュラーマトリックスコンバータの単位変換器の構成図。 従来の三相交流−三相交流変換器の一例を示す構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態では、モジュラーマトリックスコンバータに着目して、スイッチ数を増加させてコンデンサ数を低減する回路方式とし、これにより、電力変換装置の体積を低減し小型化を図った。

図１は、本実施例１の単位変換器の構成を示している。図１の単位変換器は、主単位変換器１００と、その入力側に設けた入力補助回路１０１と、出力側に設けた出力補助回路１０２とを備えている。

Ｂｍｉは入力側Ｈブリッジ回路であり、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の直列回路と、コンデンサＣ１（第１のコンデンサ）と、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の直列回路とを並列に接続して構成されている。

Ｂｍｏは出力側Ｈブリッジ回路であり、第１および第２のスイッチング素子Ｓ９，Ｓ１０の直列回路と、コンデンサＣ２（第１のコンデンサ）と、第３および第４のスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の直列回路とを並列に接続して構成されている。

前記スイッチング素子Ｓ１およびＳ３の共通接続点とスイッチング素子Ｓ９およびＳ１１の共通接続点との間には、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第５および第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ７が逆方向に直列に接続されている。

前記スイッチング素子Ｓ２およびＳ４の共通接続点とスイッチング素子Ｓ１０およびＳ１２の共通接続点との間には、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第７および第８のスイッチング素子Ｓ６，Ｓ８が逆方向に直列に接続されている。

前記スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７の共通接続点とスイッチング素子Ｓ６，Ｓ８の共通接続点の間には図示極性のダイオードＤ１，Ｄ２（還流ダイオード）が直列に接続されている。

前記入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点は主単位変換器１００の入力端とされ、出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏのスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の共通接続点は主単位変換器１００の出力端とされている。

前記スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点とスイッチング素子Ｓ９，Ｓ１０の共通接続点とダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続点は、中性点ＭＰに接続されている。

前記スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８はコンデンサＣ２の電圧を制御するために設けられたもので、その接続は、スイッチング素子が例えばＩＧＢＴの場合、Ｓ５とＳ７の接続はエミッタ同士が接続され、Ｓ６とＳ８はコレクタ同士が接続されている。すなわち、Ｈブリッジ回路Ｂｍｉ−Ｂｏ間を流れる電流は、スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８の何れかの制御信号によってオン・オフ制御が可能となるように接続されている。

入力補助回路１０１の入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓｉは前記Ｈブリッジ回路Ｂｍｉ，Ｂｍｏと同様に、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４の直列回路と、コンデンサＣ３（第１のコンデンサ）と、第３および第４のスイッチング素子Ｓ１５，Ｓ１６の直列回路とを並列に接続して構成されている。

入力補助回路側Ｈブリッジ回路ＢｓｉはＮ−１個（Ｎは２以上の正数）カスケード接続され、初段（最も主単位変換器１００寄り）のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子（図示Ｓ１５およびＳ１６）の共通接続点を前記主単位変換器１００の入力端であるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点に接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子（図示Ｓ１３およびＳ１４）の共通接続点を交流入力端子ＩＮに接続している。

出力補助回路側Ｈブリッジ回路ＢｓｏはＮ−１個（Ｎは２以上の正数）カスケード接続され、初段（最も主単位変換器１００寄り）のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子（図示省略）の共通接続点を、前記主単位変換器１００の出力端であるスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の共通接続点に接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子（図示省略）の共通接続点を交流出力端子ＯＵＴに接続している。

尚、図１では入力補助回路１０１と出力補助回路１０２を両方設けているが、これに限らずいずれか一方のみを設けるように構成してもよい。また、入力補助回路１０１と出力補助回路１０２の個数は、例えば入力補助回路数＝１、出力補助回路数＝Ｎのように任意に決定されるものである。

図１の主単位変換器１００は３レベルの相電圧を出力でき、入力補助回路１０１又は出力補助回路１０２の少なくともいずれか一方のＨブリッジ回路をＮ−１個追加し、各コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の電圧をそれぞれＥに制御することで、ＭＰ端子〜ＯＵＴ端子間の電圧ＶＯＵＴ、および、ＭＰ端子〜ＩＮ端子間の電圧ＶＩＮの電圧レベル数を２Ｎ＋１レベルに増加することができる。

例として、Ｎ＝２（入力補助回路のＨブリッジ回路数＝１）の場合のＭＰ端子〜ＩＮ端子間の電圧ＶＩＮの電圧レベル数について説明する。次の表２に、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態時におけるＶＩＮを示す。

表２において、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ１３、Ｓ１６がオンするモードではコンデンサＣ１、Ｃ３の電圧が加算されて２Ｅとなる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ１３、Ｓ１５がオンするモード、Ｓ１、Ｓ４、Ｓ１４、Ｓ１６がオンするモード、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ１３、Ｓ１６がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ１３、Ｓ１６がオンするモードではコンデンサＣ３又はＣ１のどちらかのみの電圧が出現するためＥとなる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ１３、Ｓ１５がオンするモード、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ１４、Ｓ１６がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ１３、Ｓ１５がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ１４、Ｓ１６がオンするモードでは、電流がスイッチング素子のみを通過するため零となる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ１４、Ｓ１５がオンするモード、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１３、Ｓ１６がオンするモードではコンデンサＣ１、Ｃ３の電圧が相殺されるため零となる。

またスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ１４、Ｓ１５がオンするモード、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ１４、Ｓ１５がオンするモードではコンデンサＣ３の電圧のみが出現するため−Ｅとなる。

またスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１３、Ｓ１５がオンするモード、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１４、Ｓ１６がオンするモードではコンデンサＣ１の電圧のみが出現するため−Ｅとなる。

またスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１４、Ｓ１５がオンするモードではコンデンサＣ３、Ｃ１の電圧が加算されて−２Ｅとなる。

表２からわかるように、ＶＩＮの電圧レベルは、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５種類である。補助回路のＨブリッジ回路数＝１は、Ｎ＝２と等価であるので、上記の電圧レベル数２Ｎ＋１と適合している。尚、ＭＰ端子〜ＯＵＴ端子間の電圧ＶＯＵＴについても前記と同様の動作となる。

電圧レベル数＝２Ｎ＋１の条件でのコンデンサの個数を比較すると、本発明の実施例１の単位変換器では２Ｎである。一方、従来の図９の単位変換器でのコンデンサの個数は３Ｎである。このように本実施例１では、図９の従来回路と比べてコンデンサの個数が低減されている。

また、入力補助回路１０１のＨブリッジ回路Ｂｓｉの個数と出力補助回路１０２のＨブリッジ回路Ｂｓｏの個数は必ずしも同一である必要はない。入力補助回路１０１と出力補助回路１０２の各Ｈブリッジ回路の個数を変えることにより、入力（ＩＮ）と出力（ＯＵＴ）の電圧レベル数を任意に変更することが可能となる。

図１の単位変換器を３組用い、三相交流電源Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相をリアクトルＬを介して各単位変換器に入力し、三相交流Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を出力し、Ｙ結線の中性点を３組の単位変換器で接続することにより、交流−交流変換器を実現できる。

本実施例２では、実施例１においてＮ＝２としたときの単位変換器を３組用い、各相の中性点ＭＰでスター結線して図２の三相交流−三相交流変換器を構成した。

図２において、図１と同一部分は同一符号をもって示している。図２において、３相各相の単位変換器は１相分のみを代表して示しており、図１の単位変換器と同様に構成されている。

３相の各単位変換器の入力側は配電網Ｇｒｉｄ（交流電源側）に接続され、中性点ＭＰどうしは共通に接続され、出力側は負荷ＲＬに接続されている。

尚、出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓｏは、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１７，Ｓ１８の直列回路と、コンデンサＣ４（第１のコンデンサ）と、第３および第４のスイッチング素子Ｓ１９，Ｓ２０の直列回路とを並列に接続して構成されている。

また、前記各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ２０のオン・オフ制御は図１と同様になされる。

図２の回路構成では、入力と出力の相電圧（ＭＰを基準点とする）を５レベルとすることができる。また、このときの入力線間電圧および出力線間電圧は、５レベルの２つの相電圧同士の減算となるため、９レベルとなる。

入出力線間電圧レベル数＝９の条件でのコンデンサの個数を比較すると、本実施例２の三相交流−三相交流変換器ではコンデンサの個数は１２である。一方図１０の従来の三相交流−三相交流変換器のコンデンサの個数は１８である。このように、本実施例２では、図１０の従来回路と比べて、コンデンサの個数を低減できる。

本実施例３では、図３に示すように、実施例２における各単位変換器の、入力補助回路側Ｈブリッジ回路ＢｓｉをＮ−１個（Ｂｓｉ１〜Ｂｓｉｚ）設け、出力補助回路側Ｈブリッジ回路ＢｓｏをＮ−１個（Ｂｓｏ１〜Ｂｓｏｚ）設けて三相交流−三相交流変換器を構成した。

図３において図２と同一部分は同一符号をもって示している。図３において、Ｎ−１個の入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓｉ１〜Ｂｓｉｚはカスケード接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓｉ１の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点は入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点に接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓｉ１の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点は次段のＨブリッジ回路Ｂｓｉ２の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続され、同様に順次接続されて、最終段のＨブリッジ回路Ｂｓｉｚの第１および第２のスイッチング素子の共通接続点は交流入力側に接続されている。

Ｎ−１個の出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓｏ１〜Ｂｓｏｚはカスケード接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓｏ１の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点は出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏのスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の共通接続点に接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓｏ１の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点は次段のＨブリッジ回路Ｂｓｏ２の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続され、同様に順次接続されて、最終段のＨブリッジ回路Ｂｓｏｚの第３および第４のスイッチング素子の共通接続点は交流出力側（負荷側）に接続されている。

図３におけるその他の部分は図２と同様に構成され、図２と同様の動作となる。

入出力相電圧レベル数＝２Ｎ＋１、つまり入出力線間電圧レベル数＝４Ｎ＋１の条件でのコンデンサの個数を比較すると、本実施例３の三相交流−三相交流変換器ではコンデンサの個数は６Ｎである。

一方、図１０の従来の三相交流−三相交流変換器のコンデンサの個数は９Ｎである。このように本実施例３では、図１０の従来回路と比べて、コンデンサの個数を低減できる。

尚、図３の中性点ＭＰでの結線は、スター結線だけでなくデルタ結線などを用いることも可能である。

また、入力補助回路側Ｈブリッジ回路および出力補助回路側Ｈブリッジ回路の個数は、例えば入力補助回路側Ｈブリッジ回路数＝１、出力補助回路側Ｈブリッジ回路数＝Ｎのように任意に決定されるものである。

本実施例４では、図３の主単位変換器１００、入力補助回路１０１および出力補助回路１０２内の各Ｈブリッジ回路Ｂｍｉ，Ｂｍｏ，Ｂｓｉ１〜Ｂｓｉｚ，Ｂｓｏ１〜Ｂｓｏｚを、図４（ａ）もしくは図４（ｂ）に示す変換器に置き換えて構成した。

図４（ａ）の変換器（Ｈブリッジ回路）は、第１のスイッチング素子に相当する第９および第１０のスイッチング素子Ｓ２１，Ｓ２２の直列体と、第２のスイッチング素子に相当する第１１および第１２のスイッチング素子Ｓ２３，Ｓ２４の直列体とを直列接続した回路と、第１のコンデンサＣ１と、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を直列接続した回路とを並列に接続し、前記スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２２の共通接続点とＳ２３，Ｓ２４の共通接続点との間に第２のコンデンサＣ５を接続し、スイッチング素子Ｓ２２，Ｓ２３の共通接続点を入力側の端子Ａとし、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点を端子Ｂとしている。

図４（ｂ）の変換器（Ｈブリッジ回路）は、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を直列接続した回路と、第１のコンデンサに相当する、コンデンサＣ６（第３のコンデンサ）およびコンデンサＣ７（第４のコンデンサ）の直列体と、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を直列接続した回路とを並列に接続し、前記スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の共通接続点とコンデンサＣ６，Ｃ７の共通接続点との間に第１３および第１４のスイッチング素子Ｓ２５，Ｓ２６を互いに逆方向に直列に接続し、コンデンサＣ６，Ｃ７の共通接続点とスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点の間に、第１５および第１６のスイッチング素子Ｓ２７，Ｓ２８を互いに逆方向に直列に接続し、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点を入力側の端子Ａとし、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点を端子Ｂとしている。

図３の三相交流−三相交流変換器において、図４（ａ）の変換器を適用し、入力補助回路数＝出力補助回路数＝１とした場合の、入力相電圧および出力相電圧の電圧レベルについて説明する。

図４（ａ）の変換器は、コンデンサＣ５の印加電圧＝Ｅ、コンデンサＣ１の印加電圧＝２Ｅに制御可能である。この場合、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ２１〜Ｓ２４のオン、オフ動作によって、端子Ａと端子Ｂ間の電圧は、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルとなる。

主単位変換器１００および入、出力の補助回路１０１，１０２に図４（ａ）の変換器を適用している場合、入力端子ＩＮとＭＰ間の電圧レベルは、４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅの９レベルとなる。

出力側も同様の構成をとると、出力端子ＯＵＴとＭＰ間の電圧レベルも９レベルとなる。したがって、入力線間電圧および出力線間電圧の電圧レベルは、８Ｅ，７Ｅ，６Ｅ，５Ｅ，４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅ，−６Ｅ，−７Ｅ，−８Ｅの１７レベルである。

またこのときの１相あたりのコンデンサ数＝８個であるので、三相交流−三相交流変換器では、８×３＝２４個のコンデンサ数で１７レベルの電圧が可能となる。

また図３の三相交流−三相交流変換器において、図４（ｂ）の変換器を適用し、入力補助回路数＝出力補助回路数＝１とした場合、図４（ｂ）の変換器は、コンデンサＣ６の印加電圧＝Ｅ、コンデンサＣ７の印加電圧＝Ｅに制御可能である。 この場合、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ２５〜Ｓ２８のオン、オフ動作によって、端子Ａと端子Ｂ間の電圧は、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルとなる。したがって、三相交流−三相交流変換器の入力線間電圧および出力線間電圧の電圧レベルは、上述の図４（ａ）の変換器の適用時と同じく１７レベルである。またコンデンサの個数も同じく２４個である。

一方、図１０の従来方式で入力線間電圧および出力線間電圧の電圧レベル数＝１７の場合、カスケード接続段数Ｎ＝４となる。このときの三相交流−三相交流変換器のコンデンサの個数は４×３×３＝３６個である。したがって、本実施例４では、図１０の従来回路と比べて、コンデンサの個数を低減できる。

尚、上記実施例１〜実施例４において、主単位変換器１００は図５（ｂ）〜（ｄ）のように構成してもよい。

図５は主単位変換器１００の種別を示しており、図５（ａ）は入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉの中性点ＭＰ１と出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏの中性点ＭＰ２を共通とした回路構成であり、図１の構成と同じである。

図５（ｂ）は前記中性点ＭＰ１，ＭＰ２を各々個別に接続し、出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏの中性点を還流ダイオードＤ１，Ｄ２でクランプした構成である。

図５（ｃ）は前記中性点ＭＰ１，ＭＰ２を各々個別に接続し、入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉの中性点を還流ダイオードＤ１，Ｄ２でクランプした構成である。

図５（ｄ）は前記中性点ＭＰ１，ＭＰ２を各々個別に接続し、各中性点を還流ダイオードでクランプしない（１個のダイオードＤ１のみを接続した）構成である。

図５（ｂ），（ｃ），（ｄ）の主単位変換器を三相交流−三相交流変換器に適用する場合は、ＭＰ１端子どうしをスター結線もしくはデルタ結線とし、ＭＰ２端子どうしをスター結線もしくはデルタ結線とする。

また、図５（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す主単位変換器内のＨブリッジＢｍｉ，Ｂｍｏは、図４（ａ），（ｂ）の回路に置き換えてもよい。

図６は本実施例５の単位変換器の構成を示している。本実施例５では、実施例１（図１）における入力補助回路１０１、出力補助回路１０２を除去し、主単位変換器１００の中性点ＭＰ（図６では中性点端子Ｃ）と入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉの間に第１入力補助回路１１１を接続し、中性点端子Ｃと出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏの間に第１出力補助回路１１２を接続して構成した。入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉの入力端子をＡ、出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏの出力端子をＢとしており、その他の部分は実施例１（図１）と同一に構成されている。

第１入力補助回路１１１および第１出力補助回路１１２は、前記Ｈブリッジ回路Ｂｍｉと同様に、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の直列回路と、コンデンサＣ１と第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の直列回路とを並列に接続して構成したＨブリッジ回路を各々備えている。

第１入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ１ＩはＮ−１個（Ｎは２以上の正数）カスケード接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓ１Ｉ１の第３および第４のスイッチング素子Ｓ３,Ｓ４の共通接続点を主単位変換器１００の中性点Ｃに接続し、最終段のＨブリッジ回路Ｂｓ１ＩＺの第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の共通接続点を入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉの第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の共通接続点に接続している。

第１出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ１ＯはＮ−１個（Ｎは２以上の正数）カスケード接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓ１Ｏ１の第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点を主単位変換器１００の中性点Ｃに接続し、最終段のＨブリッジ回路Ｂｓ１ＯＺの第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の共通接続点を出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏの第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の共通接続点に接続している。

図６の回路は、各Ｈブリッジ回路Ｂｍｉ、Ｂｓ１Ｉ１〜Ｂｓ１ＩＺ、Ｂｓ１Ｏ１〜Ｂｓ１ＯＺ、Ｂｍｏの各コンデンサ電圧を充放電することで電圧の加減算を行い、端子Ｃを基準として端子Ａおよび端子Ｂに多レベルの電圧を出力できる回路構成となっている。

第１入力補助回路１１１と第１出力補助回路１１２のＨブリッジ回路の個数を共に（Ｎ−１）（Ｎは２以上）とし、Ｃ１、Ｃ２を含むそれぞれのコンデンサの電圧をＥとすると、２Ｎ＋１レベルの電圧を端子Ｃ−Ａ間、端子Ｃ−Ｂ間に各々発生させることができる。

電圧レベル数＝２Ｎ＋１の条件でのコンデンサの個数を比較すると、本発明の実施例５の単位変換器では２Ｎである。一方、従来の図９の単位変換器でのコンデンサの個数は３Ｎである。このように本実施例５では、図９の従来回路と比べてコンデンサの個数が低減されている。

また、第１入力補助回路１１１および第１出力補助回路１１２の個数は、例えば第１入力補助回路数＝１、第１出力補助回路数＝０のように任意に決定されるものである。

また、第１入力補助回路１１１と第１出力補助回路１１２の各Ｈブリッジ回路の個数は、例えば第１入力補助回路のＨブリッジ回路数＝１、第１出力補助回路のＨブリッジ回路数＝Ｎのように任意に決定されるものである。

図７は本実施例６の単位変換器の構成を示している。本実施例６では、実施例５（図６）の主単位変換器１００、第１入力補助回路１１１、第１出力補助回路１１２の構成に、さらに、第２入力補助回路１２１、第２出力補助回路１２２を設けて構成した。

第２入力補助回路１２１および第２出力補助回路１２２は、前記Ｈブリッジ回路Ｂｍｉと同様に、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の直列回路と、コンデンサＣ１と第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の直列回路とを並列に接続して構成したＨブリッジ回路を各々備えている。

第２入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ２ＩはＮ−１個（Ｎは２以上の正数）カスケード接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓ２Ｉ１の第３および第４のスイッチング素子Ｓ３,Ｓ４の共通接続点を入力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｉの第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の共通接続点に接続し、最終段のＨブリッジ回路Ｂｓ２ＩＺの第１および第２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の共通接続点を入力端子Ａに接続している。

第２出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ２ＯはＮ−１個（Ｎは２以上の正数）カスケード接続され、初段のＨブリッジ回路Ｂｓ２Ｏ１の第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点を出力側Ｈブリッジ回路Ｂｍｏの第３および第４のスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２の共通接続点に接続し、最終段のＨブリッジ回路Ｂｓ２ＯＺの第３および第４のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の共通接続点を出力端子Ｂに接続している。

図７の回路は、各Ｈブリッジ回路Ｂｓ２Ｉ１〜Ｂｓ２ＩＺ、Ｂｍｉ、Ｂｓ１Ｉ１〜Ｂｓ１ＩＺ、Ｂｓ１Ｏ１〜Ｂｓ１ＯＺ、Ｂｍｏ、Ｂｓ２Ｏ１〜Ｂｓ２ＯＺの各コンデンサ電圧を充放電することで電圧の加減算を行い、端子Ｃを基準として端子Ａおよび端子Ｂに多レベルの電圧を出力できる回路構成となっている。

第１入力補助回路１１１および第２入力補助回路１２１と、第１出力補助回路１１２および第２出力補助回路１２２のＨブリッジ回路の個数を共に（Ｎ−１）（Ｎは３以上）とし、Ｃ１、Ｃ２を含むそれぞれのコンデンサの電圧をＥとすると、２Ｎ＋１レベルの電圧を端子Ｃ−Ａ間、端子Ｃ−Ｂ間に各々発生させることができる。

電圧レベル数＝２Ｎ＋１の条件でのコンデンサの個数を比較すると、本発明の実施例６の単位変換器では２Ｎである。一方、従来の図９の単位変換器でのコンデンサの個数は３Ｎである。このように本実施例６では、図９の従来回路と比べてコンデンサの個数が低減されている。

また、第１入力補助回路１１１、第２入力補助回路１２１、第１出力補助回路１１２および第２出力補助回路１２２の各Ｈブリッジ回路の個数は、例えば第１入力補助回路数＝１、第２入力補助回路数＝１、第１出力補助回路数＝０、第２出力補助回路数＝１のようにしてもよく、また例えば第１入力補助回路数＝０、第２入力補助回路数＝Ｎ、第１出力補助回路数＝１、第２出力補助回路数＝Ｎのように、任意に決定してよい。

本実施例７では、実施例５（図６）又は実施例６（図７）の単位変換器を３組併設し、図３と同様に三相交流電源Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相をリアクトルＬを介して各単位変換器の入力端子Ａに入力し、三相交流Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を出力端子Ｂから出力し、３組の単位変換器の各中性点端子ＣどうしをＹ結線又はデルタ結線で接続して三相交流−三相交流変換器を構成した。このように三相交流−三相交流変換器を構成した場合も、前記と同様に、従来回路よりもコンデンサの個数が低減される。

本実施例８では、図６、図７の主単位変換器１００、第１入力補助回路１１１、第２入力補助回路１２１、第１出力補助回路１１２、第２出力補助回路１２２内の各Ｈブリッジ回路Ｂｍｉ、Ｂｍｏ、Ｂｓ１Ｉ１〜Ｂｓ１ＩＺ、Ｂｓ２Ｉ１〜Ｂｓ２ＩＺ、Ｂｓ１Ｏ１〜Ｂｓ１ＯＺ、Ｂｓ２Ｏ１〜Ｂｓ２ＯＺを、図４（ａ）もしくは図４（ｂ）に示す変換器に置き換えて構成した。

図６の変換器において、図４（ａ）の変換器を適用し、入力補助回路数＝出力補助回路数＝１とした場合の、入力相電圧および出力相電圧の電圧レベルについて説明する。

図４（ａ）の変換器は、コンデンサＣ５の印加電圧＝Ｅ、コンデンサＣ１の印加電圧＝２Ｅに制御可能である。この場合、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ２１〜Ｓ２４のオン、オフ動作によって、端子Ａと端子Ｂ間の電圧は、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルとなる。

主単位変換器１００および入、出力の補助回路１１１，１１２に図４（ａ）の変換器を適用している場合、入力端子Ａと中性点端子Ｃ間の電圧レベルは、４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅの９レベルとなる。

出力側も同様の構成をとると、出力端子Ｂと中性点端子Ｃ間の電圧レベルも９レベルとなる。この構成を実施例７の三相交流−三相交流変換器に適用する場合を考える。この場合、入力線間電圧および出力線間電圧の電圧レベルは、８Ｅ，７Ｅ，６Ｅ，５Ｅ，４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅ，−６Ｅ，−７Ｅ，−８Ｅの１７レベルである。

またこのときの１相あたりのコンデンサ数＝８個であるので、三相交流−三相交流変換器では、８×３＝２４個のコンデンサ数で１７レベルの電圧が可能となる。

また図６の変換器において、図４（ｂ）の変換器を適用し、入力補助回路数＝出力補助回路数＝１とした場合、図４（ｂ）の変換器は、コンデンサＣ６の印加電圧＝Ｅ、コンデンサＣ７の印加電圧＝Ｅに制御可能である。 この場合、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ２５〜Ｓ２８のオン、オフ動作によって、端子Ａと端子Ｂ間の電圧は、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルとなる。したがって、三相交流−三相交流変換器の入力線間電圧および出力線間電圧の電圧レベルは、上述の図４（ａ）の変換器の適用時と同じく１７レベルである。またコンデンサの個数も同じく２４個である。

一方、図１０の従来方式で入力線間電圧および出力線間電圧の電圧レベル数＝１７の場合、カスケード接続段数Ｎ＝４となる。このときの三相交流−三相交流変換器のコンデンサの個数は４×３×３＝３６個である。したがって、本実施例８では、図１０の従来回路と比べて、コンデンサの個数を低減できる。

尚、上記実施例５〜実施例８において、主単位変換器１００は図８（ｂ）〜（ｄ）のように構成してもよい。

図８は主単位変換器１００の種別を示しており、図８（ａ）は中性点Ｃを共通とした回路構成であり、図６の構成と同じである。

図８（ｂ）は中性点Ｃｉ、Ｃｏを各々個別に接続し、第１出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ１Ｏ１の中性点Ｃｏを還流ダイオードＤ１，Ｄ２でクランプした構成である。

図８（ｃ）は中性点Ｃｉ、Ｃｏを各々個別に接続し、第１入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ１Ｉ１の中性点Ｃｉを還流ダイオードＤ１，Ｄ２でクランプした構成である。

図８（ｄ）は中性点Ｃｉ、Ｃｏを各々個別に接続し、各中性点を還流ダイオードでクランプしない（１個のダイオードＤ１のみを接続した）構成である。

図８（ｂ），（ｃ），（ｄ）の主単位変換器を三相交流−三相交流変換器に適用する場合は、Ｃｉ端子どうしをスター結線もしくはデルタ結線とし、Ｃｏ端子どうしをスター結線もしくはデルタ結線とする。

また、第１入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ１Ｉ１〜Ｂｓ１ＩＺ、第２入力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ２Ｉ１〜Ｂｓ２ＩＺの個数と、第１出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ１Ｏ１〜Ｂｓ１ＯＺ、第２出力補助回路側Ｈブリッジ回路Ｂｓ２Ｏ１〜Ｂｓ２ＯＺの個数は必ずしも同一である必要はない。これら入力補助回路側と出力補助回路側の各Ｈブリッジ回路の個数を変えることにより、入力（Ａ）と出力（Ｂ）の電圧レベル数を任意に変更することが可能となる。

１００…主単位変換器
１０１…入力補助回路
１０２…出力補助回路
１１１…第１入力補助回路
１１２…第１出力補助回路
１２１…第２入力補助回路
１２２…第２出力補助回路
Ｂｍｉ…入力側Ｈブリッジ回路
Ｂｍｏ…出力側Ｈブリッジ回路
Ｂｓｉ，Ｂｓｉ１〜Ｂｓｉｚ…入力補助回路側Ｈブリッジ回路
Ｂｓｏ，Ｂｓｏ１〜Ｂｓｏｚ…出力補助回路側Ｈブリッジ回路
Ｂｓ１Ｉ１〜Ｂｓ１ＩＺ…第１入力補助回路側Ｈブリッジ回路
Ｂｓ１Ｏ１〜Ｂｓ１ＯＺ…第１出力補助回路側Ｈブリッジ回路
Ｂｓ２Ｉ１〜Ｂｓ２ＩＺ…第２入力補助回路側Ｈブリッジ回路
Ｂｓ２Ｏ１〜Ｂｓ２ＯＺ…第２出力補助回路側Ｈブリッジ回路
Ｃ１〜Ｃ７…コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２…還流ダイオード
Ｓ１〜Ｓ２８…スイッチング素子

Claims (13)

1. 交流入力電圧を複数レベルの交流出力電圧に変換する交流−交流変換装置であって、
   第１および第２のスイッチング素子の直列体と、第１のコンデンサと、第３および第４のスイッチング素子の直列体とを並列に接続した回路であり、前記第１および第３のスイッチング素子を正側と定義し、前記第２および第４のスイッチング素子を負側と定義してＨブリッジ回路を構成し、
   前記Ｈブリッジ回路を入力側と出力側に各々設け、入力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第５および第６のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、入力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第７および第８のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、
   前記第５および第６のスイッチング素子の共通接続点と第７および第８のスイッチング素子の共通接続点の間に還流ダイオードを接続し、前記入力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を入力端子とし、入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点とを中性点とし、前記出力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を出力端子として構成した主単位変換器を備え、
   さらに、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を交流入力側に接続して構成した入力補助回路と、
   前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を交流出力側に接続して構成した出力補助回路のうち、少なくともいずれか一方を備えたことを特徴とする交流−交流変換装置。
2. 前記入力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記交流入力側に接続して構成され、
   前記出力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記交流出力側に接続して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の交流−交流変換装置。
3. 前記入力補助回路および出力補助回路のうち少なくともいずれか一方と、前記主単位変換器は各々３相分併設され、３相分の主単位変換器の各中性点どうしはＹ結線又はデルタ結線で接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流−交流変換装置。
4. 前記主単位変換器の還流ダイオードは第１および第２のダイオードの直列体で構成され、該第１および第２のダイオードの共通接続点は、前記入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と前記出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点のうち、少なくとも一方に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流−交流変換装置。
5. 交流入力電圧を複数レベルの交流出力電圧に変換する交流−交流変換装置であって、
   第１および第２のスイッチング素子の直列体と、第１のコンデンサと、第３および第４のスイッチング素子の直列体とを並列に接続した回路であり、前記第１および第３のスイッチング素子を正側と定義し、前記第２および第４のスイッチング素子を負側と定義してＨブリッジ回路を構成し、
   前記Ｈブリッジ回路を入力側と出力側に各々設け、入力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第３のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第５および第６のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、入力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第２および第４のスイッチング素子の共通接続点の間に、互いに逆方向に流れる電流をオン・オフ制御する第７および第８のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、
   前記第５および第６のスイッチング素子の共通接続点と第７および第８のスイッチング素子の共通接続点の間に還流ダイオードを接続し、前記入力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を入力端子とし、入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点とを中性点とし、前記出力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を出力端子として構成した主単位変換器を備え、
   さらに、前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有した第１入力補助回路であって、該Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、該第１入力補助回路のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続して構成した第１入力補助回路か、
   前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有した第１出力補助回路であって、該Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続し、該第１出力補助回路のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続して構成した第１出力補助回路か、
   の少なくともいずれか一方を備えたことを特徴とする交流−交流変換装置。
6. 前記第１入力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続し、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力側Ｈブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続して構成され、
   前記第１出力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の中性点に接続し、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力側Ｈブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続して構成されていることを特徴とする請求項５に記載の交流−交流変換装置。
7. 前記第１入力補助回路、前記第１出力補助回路および前記主単位変換器は各々３相分併設され、３相分の主単位変換器の各中性点どうしはＹ結線又はデルタ結線で接続されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の交流−交流変換装置。
8. 前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を交流入力側に接続して構成した第２入力補助回路か、
   前記Ｈブリッジ回路と同一に構成されたＨブリッジ回路を有し、該Ｈブリッジ回路の、第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を交流出力側に接続して構成した第２出力補助回路か、
   の少なくともいずれか一方を備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の交流−交流変換装置。
9. 前記第２入力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の入力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記交流入力側に接続して構成され、
   前記第２出力補助回路のＨブリッジ回路は１個又は複数個設けられ、複数個設けられた場合は、初段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点を前記主単位変換器の出力端子に接続し、初段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点に接続し、次段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を次々段のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点へと順次接続し、最終段のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点を前記交流出力側に接続して構成されていることを特徴とする請求項８に記載の交流−交流変換装置。
10. 前記第１入力補助回路、第１出力補助回路、第２入力補助回路、第２出力補助回路および前記主単位変換器は各々３相分併設され、３相分の主単位変換器の各中性点どうしはＹ結線又はデルタ結線で接続されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の交流−交流変換装置。
11. 前記主単位変換器の還流ダイオードは第１および第２のダイオードの直列体で構成され、該第１および第２のダイオードの共通接続点は、前記第１入力補助回路のＨブリッジ回路の第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と前記第１出力補助回路のＨブリッジ回路の第１および第２のスイッチング素子の共通接続点のうち、少なくとも一方に接続されていることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１項に記載の交流−交流変換装置。
12. 前記各Ｈブリッジ回路のうち、少なくとも１回路は、前記第１のスイッチング素子は第９および第１０のスイッチング素子の直列体により構成され、第２のスイッチング素子は第１１および第１２のスイッチング素子の直列体により構成され、前記第９および第１０のスイッチング素子の共通接続点と第１１および第１２のスイッチング素子の共通接続点の間には第２のコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の交流−交流変換装置。
13. 前記各Ｈブリッジ回路のうち、少なくとも１回路は、前記第１のコンデンサは第３および第４のコンデンサの直列体により構成され、前記第１および第２のスイッチング素子の共通接続点と前記第３および第４のコンデンサの共通接続点の間には第１３および第１４のスイッチング素子が直列に接続され、前記第３および第４のコンデンサの共通接続点と前記第３および第４のスイッチング素子の共通接続点と間には第１５および第１６のスイッチング素子が直列に接続されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の交流−交流変換装置。

Images