マルチレベルインバータ：NPC・フライングキャパシタ・MMC

なぜ「段数を増やす」と高耐圧・低歪みになるのか

通常の2レベルインバータは、出力点を直流母線の上（+Vdc）か下（0）の二択に切り替えるだけです。出力線間電圧は +Vdc / 0 / -Vdc の3値しか取れず、各瞬間の電圧変化（ステップ）は母線電圧そのものの大きさになります。これは /power/inverter-dc-ac-spwm/ で見たフルブリッジの動作そのものです。

ここで問題が二つ生じます。第一に、高圧（数kV以上）の系統やモータを駆動しようとすると、1個のスイッチに母線電圧の全部がかかります。耐圧の高い半導体は高価で損失も大きく、単純な直列接続では各素子の電圧分担が揃わず壊れやすい。第二に、毎回フルスイングするためスイッチング時の電圧変化率 dv/dt が極端に大きくなります。dv/dtが大きいと、モータ巻線の絶縁を傷め、長いケーブルでサージ反射を起こし、放射ノイズ（EMI）も増えます。

マルチレベルインバータは、出力を2段ではなく3段・5段・……N段の「階段状」に作ることでこの両方を解決します。中間電圧を作れると何が起きるかを整理します。

要点は、段数を N 段にすると各スイッチには母線電圧の 1/(N-1) しかかからず、1回のスイッチングで動く電圧も 1/(N-1) で済むことです。耐圧の低い素子（同じIGBTでも低耐圧品は速くて安い）を使え、dv/dtが下がり、階段が細かいぶん出力波形がもともと正弦波に近いのでTHDが小さく、フィルタを小型化できます。代償は、素子数・コンデンサ数・制御の複雑さの増加です。

NPC ── 中性点クランプで中点を作る

最も古典的な3レベル方式が NPC（Neutral-Point-Clamped、中性点クランプ） です。直流母線を2個のコンデンサで分割して中点（中性点 O）を作り、その中点をクランプダイオードを介して出力に接続できるようにします。

NPC 3レベル（1相分、片側アーム）

   +Vdc/2 ──┬── [S1]
            │     │
           [Cu]   ├──[D_u]──┐
            │     │         │
    O(中点)─┼─────┤      出力 A（+Vdc/2, 0, -Vdc/2）
            │     │         │
           [Cl]   ├──[D_l]──┘
            │     │
   -Vdc/2 ──┴── [S4]   （S2,S3 は中段スイッチ）

  出力 = +Vdc/2 : S1,S2 オン
  出力 = 0      : S2,S3 オン（中点 O にクランプ）
  出力 = -Vdc/2 : S3,S4 オン

各相は4個のスイッチ（S1〜S4）と2個のクランプダイオードで構成され、出力は +Vdc/2、0（中点）、-Vdc/2 の3レベルを取ります。中段の2スイッチをオンにすると出力が中点に「クランプ」されて0Vが得られるのが名の由来です。オフ状態のスイッチにはクランプダイオードによって母線の半分（Vdc/2）だけがかかるため、2レベルの半分の耐圧で済みます。

フライングキャパシタ ── 浮遊コンデンサで中間電圧を作る

フライングキャパシタ（FC、Flying Capacitor、浮遊コンデンサ） 方式は、クランプダイオードの代わりに、Vdc/2 に充電した浮遊コンデンサを中間電圧源として使います。

フライングキャパシタ 3レベル（1相分の概念）

   +Vdc ──[S1]──┬──[S2]──┐
                │        │
              [Cfc]    出力 A
            (Vdc/2に充電) │
                │        │
    0V ──[S1']─┴──[S2']──┘

  S1,S2'      : 出力 = +Vdc を Cfc 経由で分圧 → 中間レベル生成
  状態の組合せで +Vdc / +Vdc/2 / 0 の3レベルを合成

浮遊コンデンサ Cfc を Vdc/2 に保てば、スイッチの組み合わせで出力に Vdc、Vdc/2、0 の中間値を作れます。NPCと違い、同じ中間レベルを作るスイッチ状態が複数あり（コンデンサを充電する組み合わせと放電する組み合わせ）、この冗長性を使ってコンデンサ電圧を Vdc/2 近傍に自然に均せるのが利点です。クランプダイオードが不要で、レベル数を増やしてもダイオード段数問題が起きにくく、3レベルを超える拡張がNPCより素直です。

カスケードHブリッジ ── 絶縁直流源を直列に積む

カスケードHブリッジ（CHB、Cascaded H-Bridge） は、それぞれ独立した直流電源を持つHブリッジ（/power/inverter-dc-ac-spwm/ のフルブリッジ）を直列に積み重ねて出力電圧を足し合わせる方式です。

カスケードHブリッジ（1相に3セル直列の例）

  [セル1: Hブリッジ + 絶縁DC源] ── 出力 +E/0/-E
        │（直列）
  [セル2: Hブリッジ + 絶縁DC源] ── 出力 +E/0/-E
        │（直列）
  [セル3: Hブリッジ + 絶縁DC源] ── 出力 +E/0/-E
        │
       相出力 = 各セル出力の総和（最大 ±3E、7レベル）

  Nセル直列 → 相電圧は (2N+1) レベル

各セルは +E / 0 / -E の3値を出せ、これを直列に足すと、Nセルで (2N+1) レベルの相電圧が得られます（3セルなら7レベル）。素子の耐圧は1セルの直流電圧 E 分でよく、セルを増やすだけで簡単に多レベル化・高耐圧化できる拡張性の高さが最大の長所です。各セルが独立した小容量で構造が同一なのでモジュール量産にも向きます。

代償として、セルごとに絶縁された独立直流源が必要です。実機では多巻線（位相シフト）変圧器の二次側を各セルの整流器につなぐ構成が一般的で、この変圧器が大きく重くなります。太陽光のように各セルに別々のパネル列をつなげる用途では、この絶縁源要件がむしろ自然にMPPT分散と噛み合い、相性が良くなります。

MMC ── ハーフブリッジセルの直列、HVDCの主役

MMC（Modular Multilevel Converter、モジュラーマルチレベル変換器） は、各相のアームを多数の**サブモジュール（セル）**の直列接続で構成する方式です。各セルは典型的にハーフブリッジ（2スイッチ）＋1個のコンデンサからなり、外から見ると「コンデンサ電圧 Vc を挿入する（投入）」か「短絡してバイパスする（除外）」かの二状態を取ります。

MMC の1相（上下アーム各 N セル）

   +Vdc ─┬─[上アーム: SM1..SMn 直列]─┐
         │                         (各 SM はハーフブリッジ＋C)
         │                          ├── 相出力（中点）
         │                         │
   -Vdc ─┴─[下アーム: SM1..SMn 直列]─┘

  上アームで投入するセル数 + 下アームで投入するセル数 ≈ N（一定）
  → 投入セル数を上下で配分して中点電圧を階段状に動かす
  → 各セルが1段ずつ寄与するので N が大きいほど階段が細かい

相出力電圧は、上下アームで「投入する（コンデンサを挿入する）セル数」の配分で決まります。投入セル数を時間とともに正弦波状に増減させると、セル1個ぶん（Vdc/N）ずつの非常に細かい階段で出力が動きます。セルを数十〜数百段積めば、出力はほぼ連続的な正弦波になり、出力フィルタが原理的に不要になります。

ハーフブリッジセルは構造が簡単で効率が高い反面、直流側短絡（DC地絡）電流を遮断できません。HVDCで直流線路故障に対処するため、各セルをフルブリッジ化して逆電圧を出せるようにし、故障電流を抑える構成も使われます（コストは増えます）。

なぜHVDCと産業ドライブで選ばれるのか

マルチレベル化のメリットが最も効くのが、HVDC送電と高圧の産業ドライブです。

HVDCでは、交流系統と直流線路の間で数百kV・数百MW〜GW級を変換します。MMCは数百段のセルで出力がほぼ純粋な正弦波になるため、従来の2レベル/3レベル自励式変換に必須だった大型の交流フィルタが要らず、損失も低く、各セルへの分圧で超高耐圧を実現できます。直流送電そのものの利点（/power/hvdc-48v-datacenter/ で扱う直流配電の考え方と同じく、長距離・大容量で交流より有利）と相まって、自励式HVDCは現在ほぼMMC一択です。

産業ドライブでは、3.3kVや6.6kVといった中圧モータを駆動します。2レベルで作ると素子の耐圧が足りず、無理に直列接続しても電圧分担と高dv/dtの問題が出ます。NPCやCHBなら各素子に分圧してかかり、出力が階段状で正弦波に近いため、昇圧変圧器を介さずモータへ直結でき、低dv/dtでモータ巻線の絶縁劣化と長ケーブルのサージ反射を抑えられます。高調波の評価と低減の一般論は /power/harmonics-fourier-analysis/、各方式の主役であるスイッチ素子の構造は /power/igbt-structure-operation/ を参照してください。

まとめ

• マルチレベル化は出力を N 段の階段波にする。各スイッチには母線電圧の 1/(N-1) だけが分圧してかかり高耐圧化でき、1回の電圧ステップが小さくなってdv/dtとTHDが下がり、フィルタを小型化できる。代償は素子・コンデンサ・制御の増加。
• NPCは2個のコンデンサで中点を作りクランプダイオードで3レベルを得る。課題は出力電流による中性点電位の変動で、冗長スイッチ状態で補正する。実用は3レベル中心。
• フライングキャパシタは浮遊コンデンサを Vdc/2 に保ち中間電圧を作る。冗長状態でコンデンサ電圧を均しやすく多レベル拡張が素直だが、プリチャージと大容量コンデンサが必要。
• カスケードHブリッジは絶縁直流源付きHブリッジを直列に積み (2N+1) レベルを得る。拡張性とモジュール性が高いが、各セルに独立絶縁直流源（多巻線変圧器など）が要る。
• MMCはハーフブリッジセルを多数直列にし、セルコンデンサ電圧のソート均一化と循環電流制御で運転する。数百レベルでフィルタレスの正弦波が作れ、冗長運転も可能なためHVDCの標準。
• 採用理由：HVDCはMMCで超高耐圧・低歪み・フィルタ不要を実現。中圧産業ドライブはNPC/CHBで変圧器なし直結と低dv/dtによるモータ・ケーブル保護を得る。
• 関連：基礎の2レベルインバータは /power/inverter-dc-ac-spwm/、高調波評価は /power/harmonics-fourier-analysis/、スイッチ素子は /power/igbt-structure-operation/、直流配電の考え方は /power/hvdc-48v-datacenter/。