JP5642294B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、３レベルインバータ方式により直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置に関し、特に高電圧での電力変換を行う電力変換装置に関するものである。

理解を容易にするため、３レベルインバータ方式の電力変換装置の構成を簡単に説明する。

変換対象である直流電源の正極端及び負極端の間に、等しい容量値の２つのコンデンサの直列回路が配置されるとともに、その変換対象である直流電源の正極端及び負極端に、３レベルインバータのスイッチング回路の正極母線及び負極母線が接続されている。この正極母線及び負極母線の間に、４つのスイッチング素子が直列に配置される。三相出力の例で言えば、その４つのスイッチング素子の直列回路が３つ並列に配置されている。

つまり、３レベルインバータのスイッチング回路における正極母線及び負極母線の間の母線電圧は、等しい容量値の２つのコンデンサの直列回路が、変換対象である直流電源の出力電圧により充電されることにより形成される。直列接続される２つのコンデンサは、直流電源の出力電圧を均等に分担するので、その直列接続される２つのコンデンサの接続端には、直流電源の中間電位が出力される。

直列接続される２つのコンデンサの接続端と正極母線側において直列接続される２つのスイッチング素子の接続端との間が上アームクランプ用のダイオードで接続され、直列接続される２つのコンデンサの接続端と負極母線側において直列接続される２つのスイッチング素子の接続端との間が下アームクランプ用のダイオードで接続されている。この直列に接続した４つのスイッチング素子のうち、当該正極母線側における２つのスイッチング素子による直列回路と当該負極母線側における２つのスイッチング素子による直列回路との接続端がインバータ出力端を構成している。

３レベルインバータ方式の電力変換装置は、このような構成により、電源電圧と０Ｖの他に電源電圧の半分の電圧の３つの電圧レベルをスイッチングするので、変換出力交流電圧の波形を、電源電圧と０Ｖとをスイッチング制御する２レベルインバータ方式の電力変換装置よりも正弦波形に近づけることができる。

この３レベルインバータ方式の電力変換装置は、太陽電池や燃料電池を用いる直流発電設備が発生する高電圧を電力変換する電力変換装置としても用いられている。なお、高電圧を発生する直流発電設備には、その他、風力発電機や地熱発電機などの交流発電機にコンバータを適用して直流電力を出力できるようにした直流発電設備がある。この直流発電設備は、商用電力系統と連系する発電システムで用いられるものと、自家発電システムで用いるものとがある。

ここで、この明細書では、系統連系も行える太陽光発電システムにおいてパワーコンディショナとして使用される３レベルインバータ方式の電力変換装置を念頭に説明する。この系統連系も行える太陽光発電システムには、システムエネルギー効率向上のため、太陽電池パネルの直列数増による高電圧化が進められ、最大ＤＣ１０００Ｖに達するシステムもある。

そのような高電圧での電力変換を行う３レベルインバータ方式の電力変換装置では、スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子をそれぞれオン・オフさせる複数の半導体駆動回路は、それぞれ個々に絶縁された駆動用電源から駆動電力を供給する必要があるので、半導体駆動回路毎に絶縁トランスが用いられる。しかし、太陽電池パネルが発生する直流電圧が高電圧になると、絶縁トランスの１次巻線と２次巻線との間でコロナ放電が発生し、絶縁トランスを劣化させる。そのため、絶縁トランスは、信頼性を確保するためにコロナ放電を考慮した耐電圧の設計が必要であり、コストの低減や小型化が困難である。

絶縁の低減を図る先行例として、例えば特許文献１では、直列接続した２つのコンデンサの接続端の電位が太陽電池パネルの出力直流電圧の中間電位を与えるので、その直列接続した２つのコンデンサの接続端と収納ケースとを接続するとともに、制御回路や制御電源の基準電位を該直流中間電位に固定することで、電力変換装置と収納ケースとの間、及び各機器相互間の耐電圧値を低下させる方法が提案されている。

特開２００３−３２４９７２号公報（図１）

しかし、上記特許文献１に記載の技術では、半導体駆動回路の基準電位を、直列接続した２つのコンデンサの接続端の電位（直流中間電位）に固定しているので、半導体駆動回路毎に設ける絶縁トランスの１次巻線と２次巻線との間の耐電圧は、その直流中間電位以下にはならない。太陽電池パネルの発生直流電圧が最大ＤＣ１０００Ｖにもなるシステムでの適用を考慮すると、直列接続した２つのコンデンサの接続端の電位は、ＤＣ５００Ｖになる。パッシェンの法則によれば、絶縁トランスの１次巻線と２次巻線との間の電位がＤＣ３３０Ｖ以上であると、コロナ放電は発生するので、このＤＣ５００Ｖの電位はコロナ放電が発生する電位である。よって、上記特許文献１に記載の技術では、課題を解決できず、絶縁トランスは、従前の通りにコロナ放電を考慮した耐電圧の設計が必要である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、変換対象の電源電圧が高電圧になる状況下において、半導体駆動回路用の絶縁トランスの耐電圧を低下させ、長期信頼性を確保できる電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、変換対象の直流電圧を出力する直流主回路の正極側及び負極側の間に、当該直流電圧を４等分に分担するように直列に接続される４つの主回路コンデンサと、前記４つの主回路コンデンサの直列回路の正極端側及び負極端側に接続される正極母線及び負極母線の間に直列に接続した４つのスイッチング素子であって、当該正極母線側及び当該負極母線側における２つのスイッチング素子による直列回路同士の接続端にインバータ出力端が形成される４つのスイッチング素子と、前記４つのスイッチング素子と前記４つの主回路コンデンサとの間において、前記正極母線側及び負極母線側における２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端と前記正極母線側において直列に接続された２つのスイッチング素子同士の接続端との間に配置される上アームクランプ用ダイオード、及び前記正極母線側及び負極母線側における２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端と前記負極母線側において直列に接続された２つのスイッチング素子同士の接続端との間に配置される下アームクランプ用ダイオードとによる構成を単位構成とし、この単位構成を少なくとも１つ備える３レベルインバータスイッチング回路と、前記３レベルインバータスイッチング回路における複数のスイッチング素子を駆動する複数の半導体駆動回路であって、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち、前記負極母線に一方の信号端子が接続されるスイッチング素子についての半導体駆動回路は、前記単位構成が複数になっても共通に１つ設けられ、前記負極母線から前記正極母線に向かって２つ目から４つ目までの各スイッチング素子についての半導体駆動回路は、前記単位構成が複数になっても１対１の関係で個別に設けられる複数の半導体駆動回路と、前記複数の半導体駆動回路のそれぞれと１対１の関係で設けられる複数の絶縁トランスであって、それぞれの２次巻線に、整流回路を介して前記複数の半導体駆動回路の対応する半導体駆動回路が接続される複数の絶縁トランスと、１次巻線に前記４つの主回路コンデンサの直列回路が形成する前記直流主回路の出力電圧をスイッチングしたパルス電圧が印加されるフライバックトランスと、１次巻線と４つの２次巻線とを有し、前記１次巻線に前記フライバックトランスの複数の２次巻線のそれぞれに接続される整流回路のうちの１つの整流回路の出力電圧をスイッチングしたパルス電圧が印加され、前記４つの２次巻線のそれぞれに少なくとも１つの前記絶縁トランスの１次巻線が接続されるインバータトランスとを備える電力変換装置であって、前記複数の半導体駆動回路の基準電位として、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち、前記負極母線に一方の信号端子が接続されるスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記負極母線の電位であり、前記負極母線から前記正極母線に向かって２つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記４つの主回路コンデンサのうち前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端の電位であり、前記負極母線から前記正極母線に向かって３つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサの直列回路及び前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端の電位であり、前記負極母線から前記正極母線に向かって４つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端の電位であり、前記４つの主回路コンデンサの直列回路の負極端側と前記負極母線との接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線に一方の信号端子が接続されるスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続され、前記４つの主回路コンデンサのうち前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線から前記正極母線に向かって２つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続され、前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側及び前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線から前記正極母線に向かって３つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続され、前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線から前記正極母線に向かって４つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、各半導体駆動回路の基準電位と、対応する半導体駆動回路に絶縁された直流電力を供給するための各絶縁トランスの１次側及びインバータトランスの２次側間の基準電位とは、共に、４つの主回路コンデンサの各接続端の中の同じ接続端から供給される。したがって、複数の絶縁トランスの各１次側−２次側間の基準電位の電位差は、変換対象の電源電圧が、例えばＤＣ１０００Ｖのように高電圧になっても、０Ｖである。よって、変換対象の電源電圧が、例えばＤＣ１０００Ｖのように高電圧になる状況下においても、絶縁トランスの１次側−２次側間にコロナ放電は起こらないので、絶縁劣化は起こらず、絶縁トランスの長期信頼性が向上する。そして、絶縁トランスの耐電圧を考慮した設計を大幅に緩和できるので、原価の低減と小型化が図れるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施例による電力変換装置の構成を示すブロック図である。

以下に図面を参照して本発明にかかる電力変換装置の実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例による電力変換装置の構成を示すブロック図である。なお、図１では、三相４線式の商用電力系統１００に連系する太陽光発電システムにおいて用いられる３レベルインバータ方式の電力変換装置（パワーコンディショナ）に本発明を適用した場合の構成例が示されている。

図１において、直流主回路１は、正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に、変換対象である直流電圧（例えば、ＤＣ１０００Ｖ）を生成する。直流主回路１は、太陽電池パネル２と、主回路コンデンサ３と、バイパスダイオード４と、昇圧チョッパ５とで構成される。直流主回路１の負極ラインＮは、太陽電池パネル２の負極端に接続されている。

太陽電池パネル２は、太陽光を受けて直流電圧を発生する直流発電設備である。主回路コンデンサ３は、太陽電池パネル２の正極端及び負極端（直流主回路１の負極ラインＮ）の間に配置され、太陽電池パネル２の出力電圧を平滑保持する作用を営む。太陽電池パネル２の出力電圧は、日照や湿度などの環境条件によって変動する。そのため、太陽電池パネル２の正極端及び負極端と直流主回路１の正極ラインＰ及び負極ラインＮとの間に、バイパスダイオード４と昇圧チョッパ５とが並列に配置されている。

バイパスダイオード４は、アノード端子が太陽電池パネル２の正極端に接続され、カソード端子が直流主回路１の正極ラインＰに接続されている。昇圧チョッパ５は、リアクトル５ａと、スイッチング素子Ｄ２と、逆流阻止ダイオード５ｂとで構成される。リアクトル５ａは、一端が太陽電池パネル２の正極端に接続され、他端がスイッチング素子Ｄ２の一方の信号端子と逆流阻止ダイオード５ｂのアノード端子との接続端に接続されている。スイッチング素子Ｄ２の他方の信号端子は負極ラインＮに接続され、逆流阻止ダイオード５ｂのカソード端子は正極ラインＰに接続されている。なお、スイッチング素子Ｄ２は、例えばＩＧＢＴであり環流ダイオードが逆並列に接続されている。

次に、直流主回路１の正極ラインＰ及び負極ラインＮは、それぞれ３レベルインバータスイッチング回路６の正極母線及び負極母線を形成し、その正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に、従前の２個直列接続の主回路コンデンサに代えて、４個の主回路コンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが直列に配置されている。４個の主回路コンデンサ７ａ〜７ｄの容量値は、それぞれ同じ値である。

つまり、３レベルインバータスイッチング回路７の正極母線及び負極母線の間の母線電圧は、直流主回路１が正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に出力する直流電圧を４個の主回路コンデンサ７ａ〜７ｄの直列回路が平滑保持することにより形成される。このとき、主回路コンデンサ７ａ〜７ｄのそれぞれは、直流主回路１が正極ラインＰ及び負極ラインＮ間に出力する直流電圧を４等分割するように作用する。

図１に示す３レベルインバータスイッチング回路６は、三相出力の構成であり、正極母線及び負極母線を形成する直流主回路１の正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に、直列に接続した４つのスイッチング素子の３組（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１）（Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ１）（Ａ３，Ｂ３，Ｃ３，Ｄ１）が並列に接続されている。なお、スイッチング素子Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ１，Ａ３，Ｂ３，Ｃ３，Ｄ１は、いずれも、例えばＩＧＢＴであり、環流ダイオードが逆並列に接続されている。

そして、正極ラインＰ側において直列に接続された主回路コンデンサ７ａ，７ｂの直列回路と負極ラインＮ側において直列に接続された主回路コンデンサ７ｃ，７ｄの直列回路との接続端８と、正極ラインＰ側において直列に接続された２つのスイッチング素子の３組（Ａ１，Ｂ１）（Ａ２，Ｂ２）（Ａ３，Ｂ３）それぞれの接続端との間にクランプ用ダイオード１１，１２，１３がそれぞれ配置されている。また、接続端８と、負極ラインＮ側において直列に接続された２つのスイッチング素子の３組（Ｃ１，Ｄ１）（Ｃ２，Ｄ１）（Ｃ３，Ｄ１）それぞれの接続端との間にクランプ用ダイオード１４，１５，１６がそれぞれ配置されている。

直列に接続した４つのスイッチング素子の３組（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１）（Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ１）（Ａ３，Ｂ３，Ｃ３，Ｄ１）では、スイッチング素子Ｂ１，Ｃ１の接続端、スイッチング素子Ｂ２，Ｃ２の接続端及びスイッチング素子Ｂ３，Ｃ３の接続端は、それぞれ出力端を構成し、リアクトルＡＣフィルタ１７を介して三相４線式の商用電力系統１００に接続されている。なお、ＡＣフィルタ１７は、３レベルインバータスイッチング回路６の出力端と商用電力系統１００との間に配置されるリアクトル１８と、リアクトル１８と接続端８との間に配置されるコンデンサ１９とで構成される。つまり、ＡＣフィルタ１７の基準電位は、接続端８の電位（直流主回路１が生成する直流電圧の中間電位）である。また、商用電力系統１００は、中性点が直接大地に接地されている。

そして、当該３レベルインバータ方式電力変換装置の制御系に直流電力を供給する制御電源は、フライバックトランス２０、インバータトランス２１及び絶縁トランスであるパルストランス２２〜３１を介して形成される。

まず、フライバックトランス２０は、１次巻線に対し２次巻線が例えば３つ設けられている。フライバックトランス２０の１次巻線の巻き始め端は、スイッチング素子３２を介して負極ラインＮに接続され、１次巻線の巻き終わり端は、正極ラインＰに接続されている。フライバックトランス２０の３つの２次巻線のうち、１つ目の二次側巻線には、整流回路３３を介してアナログ回路用電源３４が接続され、２つ目の二次側巻線には、整流回路３５を介してディジタル回路用電源３６が接続され、３つ目の二次側巻線には、整流回路３７を介してインバータトランス２１の一次側が接続されている。なお、スイッチング素子３２は、例えばＩＧＢＴであり、環流ダイオードが逆並列に接続されている。

次に、インバータトランス２１は、１次巻線が中間タップ付きであり、この１次巻線に対し２次巻線が例えば４つ設けられている。インバータトランス２１の１次巻線の中間タップが整流回路３７の正極端に接続されている。そして、１次巻線の一方の巻き始め端がスイッチング素子３８を介して、また１次巻線の他方の巻き始め端がスイッチング素子３９を介して、それぞれ整流回路３７の負極端と一緒に負極ラインＮに接続されている。なお、スイッチング素子３８，３９は、いずれも、例えばＩＧＢＴであり、環流ダイオードが逆並列に接続されている。

このインバータトランス２１の４つの２次巻線では、１つ目の二次側巻線に、パルストランス２２，２６，２９の１次巻線が並列に接続され、２つ目の二次側巻線に、パルストランス２３，２７，３０の１次巻線が並列に接続され、３つ目の二次側巻線に、パルストランス２４，２８，３１の１次巻線が並列に接続され、４つ目の二次側巻線に、１つのパルストランス２５の１次巻線が接続されている。

そして、絶縁トランスであるパルストランス２２〜３１は、それぞれ１つの１次巻線に対し１つの２次巻線を有している。パルストランス２２，２６，２９の各２次巻線には、整流回路４０，４４，４７を介して、スイッチング素子Ａ１，Ａ２，Ａ３を駆動するＡ１半導体駆動回路５０，Ａ２半導体駆動回路５４，Ａ３半導体駆動回路５７がそれぞれ接続されている。パルストランス２３，２７，３０の各２次巻線には、整流回路４１，４５，４８を介して、スイッチング素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を駆動するＢ１半導体駆動回路５１，Ｂ２半導体駆動回路５５，Ｂ３半導体駆動回路５８がそれぞれ接続されている。パルストランス２４，２８，３１の各２次巻線には、整流回路４２，４６，４９を介して、スイッチング素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を駆動するＣ１半導体駆動回路５２，Ｃ２半導体駆動回路５６，Ｃ３半導体駆動回路５９がそれぞれ接続されている。パルストランス２５の２次巻線には、整流回路４３を介して、スイッチング素子Ｄ１，Ｄ２を駆動するＤ１・Ｄ２半導体駆動回路５３が接続されている。

以上の構成において、正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に直列接続した４つの主回路コンデンサ７ａ〜７ｄのうち、主回路コンデンサ７ａ，７ｂの接続端６０はインバータトランス２１の１つ目の２次巻線の巻き終わり端とパルストランス２２の１次巻線の巻き終わり端との接続ラインに接続されている。主回路コンデンサ７ｂ，７ｃの接続端８はインバータトランス２１の２つ目の２次巻線の巻き終わり端とパルストランス２３の１次巻線の巻き終わり端との接続ラインに接続されている。主回路コンデンサ７ｃ，７ｄの接続端６１はインバータトランス２１の３つ目の２次巻線の巻き終わり端とパルストランス２４の１次巻線の巻き終わり端との接続ラインに接続されている。主回路コンデンサ７ｄと負極ラインＮとの接続端６２はインバータトランス２１の４つ目の２次巻線の巻き終わり端とパルストランス２５の１次巻線の巻き終わり端との接続ラインに接続されている。

そして、接続関係は図示してないが、Ａ１半導体駆動回路５０，Ａ２半導体駆動回路５４及びＡ３半導体駆動回路５７の各基準電位は、主回路コンデンサ７ａ，７ｂの接続端６０の電位である。Ｂ１半導体駆動回路５１，Ｂ２半導体駆動回路５５及びＢ３半導体駆動回路５８の各基準電位は、主回路コンデンサ７ｂ，７ｃの接続端８の電位である。Ｃ１半導体駆動回路５２，Ｃ２半導体駆動回路５６及びＣ３半導体駆動回路５９の基準電位は、主回路コンデンサ７ｃ，７ｄの接続端６１の電位である。Ｄ１，Ｄ２半導体駆動回路５３の基準電位は、主回路コンデンサ７ｄと負極ラインＮとの接続端６２の電位である。

次に、動作について説明する。太陽光発電システムの立ち上げ時などでは、昇圧チョッパ５は、スイッチング素子Ｄ２がオフしていて昇圧動作を停止しているので、太陽電池パネル２が発生した直流電圧が、バイパスダイオード４を介して直流主回路１の正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に出力され、主回路コンデンサ７ａ〜７ｄの直列回路に印加される。主回路コンデンサ７ａ〜７ｄの直列回路が充電され、その充電電圧が、太陽電池パネル２が発生した直流電圧に向かって上昇する。

主回路コンデンサ７ａ〜７ｄの直列回路の電圧が、所定電圧まで上昇すると、スイッチング素子３２がオン・オフ動作を開始し、フライバックトランス２１の３つの二次巻線のそれぞれに交流電圧が発生する。１つ目の２次巻線に発生した交流電圧は、整流回路３３にて整流・平滑され、アナログ回路用電源３４に供給される。２つ目の２次巻線に発生した交流電圧は、整流回路３５にて整流・平滑され、ディジタル回路用電源３６に供給される。３つ目の２次側巻線に発生した交流電圧は、整流回路３７にて整流・平滑され、インバータトランス２１の１次側に供給される。

インバータトランス２１の１次側では、２つのスイッチング素子３８，３９が交互にオン・オフ動作することで、インバータトランス２１の４つの２次巻線から交流電圧がパルストランス２２〜３１へ並列に供給される。

パルストランス２２に供給された交流電圧は、整流回路４０にて絶縁された直流電圧となり、Ａ１半導体駆動回路５０に供給される。パルストランス２３に供給された交流電圧は、整流回路４１にて絶縁された直流電圧となり、Ｂ１半導体駆動回路５１に供給される。パルストランス２４に供給された交流電圧は、整流回路４２にて絶縁された直流電圧となり、Ｃ１半導体駆動回路５２に供給される。パルストランス２５に供給された交流電圧は、整流回路４３にて絶縁された直流電圧となり、Ｄ１・Ｄ２半導体駆動回路５３に絶縁された直流電圧を供給される。パルストランス２６に供給された交流電圧は、整流回路４４にて絶縁された直流電圧となり、Ａ２半導体駆動回路５４に供給される。

パルストランス２６に供給された交流電圧は、整流回路４５にて絶縁された直流電圧となり、Ｂ２半導体駆動回路５５に供給される。パルストランス２８に供給された交流電圧は、整流回路４６にて絶縁された直流電圧となり、Ｃ２半導体駆動回路５６に供給される。パルストランス２９に供給された交流電圧は、整流回路４７にて絶縁された直流電圧となり、Ａ３半導体駆動回路５７に供給される。パルストランス３０に供給された交流電圧は、整流回路４８にて絶縁された直流電圧となり、Ｂ３半導体駆動回路５８に供給される。パルストランス３１に供給された交流電圧は、整流回路４９にて絶縁された直流電圧となり、Ｃ３の半導体駆動回路５９に供給される。

半導体駆動回路５０〜５９に電力が供給されると、太陽電池パネル２が発生する直流電圧は、昇圧チョッパ５によって設定電圧まで昇圧され、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路が充電される。そして、太陽電池パネル２が発生する直流電圧が上昇し、設定電位よりも高くなると、昇圧チョッパ５が動作を停止し、バイパスダイオード４を介して主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路が充電される。

３レベルインバータスイッチング回路６は、直流主回路１が正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に出力する電源電圧である主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路が形成する直流電圧（母線電圧）と、負極ラインＮの電位（＝０Ｖ）と、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路における接続点８に出力される中間電位（電源電圧の半分の電圧）とをスイッチングして交流電圧を発生し、ＡＣフィルタ１７を経て商用電力系統１００へ同期した交流電力を供給する。

ここで、太陽電池パネル２が発生する直流電圧が、例えば最大ＤＣ１０００Ｖである場合、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路では、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂのそれぞれが最大１０００Ｖを等分に分担するので、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂのそれぞれにＤＣ２５０Ｖが印加される。したがって、接続端８に出力される中間電位は、電源電圧ＤＣ１０００Ｖの半分の電圧５００Ｖである。この点は、直流主回路１の正極ラインＰ及び負極ラインＮの間に配置される主回路コンデンサが、２個直列接続したものである従来の３レベルインバータ方式電力変換装置においても同様である。

そのような従来の３レベルインバータ方式電力変換装置では、特許文献１に示されるように、制御回路や制御電源、半導体駆動用回路の基準電位を直流主回路の出力電圧の中間電位に接続していたので、半導体駆動回路に絶縁された直流電力の供給に必要なパルストランスの１次側−２次側間電圧の電位差は、中間電位であるＤＣ５００Ｖ以下にはならない。パッシェンの法則によれば、パルストランスの１次側−２次側間にコロナ放電が起こる電位は、ＤＣ３３０Ｖ以上である。したがって、変換対象の電源電圧が、例えばＤＣ１０００Ｖのような高電圧になると、従来ではパルストランスの絶縁劣化を回避するため、耐電圧を考慮した設計を行う必要があり、コストアップの要因となり、また、小型化が困難であった。

また、従来の３レベルインバータ方式電力変換装置では、インバータトランス２１の２次巻線の巻き終わり端と各パルストランスの１次巻線の巻き終わり端との接続ラインは、フローティングの状態であったので、インバータトランスの寄生容量やパルストランスの寄生容量に起因するノイズの影響を受け易く、３レベルインバータスイッチング回路６が誤動作する虞があった。

本実施例によれば、この２つの課題が同時に解決される。

まず、第１の課題に対しては、各半導体駆動回路の基準電位と、対応する半導体駆動回路に絶縁された直流電力を供給するための各パルストランスの１次側及びインバータトランスの２次側間の基準電位とは、共に、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの接続端６０，８，６１，６２の中の同じ接続端から供給される。

具体的には、スイッチング素子Ａ１，Ａ２．Ａ３を駆動するＡ１半導体駆動回路５０、Ａ２半導体駆動回路５４及びＡ３半導体駆動回路５７の各半導体駆動回路の基準電位は、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路における接続端６０の電位である。また、それらの各半導体駆動回路に絶縁された直流電力を供給するパルストランス２２，２６，２９の各１次巻線の巻き終わり端と対応するインバータトランス２１の１番目の２次巻線の巻き終わり端との接続ラインは、接続端６０に接続されている。

次のスイッチング素子Ｂ１，Ｂ２．Ｂ３を駆動するＢ１半導体駆動回路５１、Ｂ２半導体駆動回路５５及びＢ３半導体駆動回路５８の各半導体駆動回路の基準電位は、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路における接続端８の電位である。それらの各半導体駆動回路に絶縁された直流電力を供給するパルストランス２３，２７，３０の各１次巻線の巻き終わり端と対応するインバータトランス２１の２番目の２次巻線の巻き終わり端と接続ラインは、接続端８に接続されている。

次のスイッチング素子Ｃ１，Ｃ２．Ｃ３を駆動するＣ１半導体駆動回路５２、Ｃ２半導体駆動回路５６及びＣ３半導体駆動回路５９の各半導体駆動回路の基準電位は、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路における接続端６１の電位である。それらの各半導体駆動回路に絶縁された直流電力を供給するパルストランス２４，２８，３１の各１次巻線の巻き終わり端と対応するインバータトランス２１の３番目の２次巻線の巻き終わり端と接続ラインは、接続端６１に接続されている。

次のスイッチング素子Ｄ１，Ｄ２を駆動するＤ１・Ｄ２半導体駆動回路５３の基準電位は、主回路コンデンサ７ａ〜７ｂの直列回路における接続端６２の電位（負極ラインＮの電位＝０Ｖ）である。Ｄ１・Ｄ２半導体駆動回路５３に絶縁された直流電力を供給するパルストランス２５の１次巻線の巻き終わり端と対応するインバータトランス２１の４番目の２次巻線の巻き終わり端と接続ラインは、接続端６２に接続されている。

したがって、パルストランス２２〜３１の各１次側−２次側間の基準電位の電位差は、変換対象の電源電圧が、例えばＤＣ１０００Ｖのように高電圧になっても、０Ｖである。よって、変換対象の電源電圧が、例えばＤＣ１０００Ｖのように高電圧になる状況下においても、パルストランス２２〜３１の１次側−２次側間にコロナ放電は起こらないので、絶縁劣化は起こらず、パルストランス２２〜３１の長期信頼性が向上する。そして、パルストランス２２〜３１の耐電圧を考慮した設計を大幅に緩和できるので、原価の低減と小型化が図れる。

また、第２の課題に対しては、インバータトランス２１の２次巻線の巻き終わり端と各パルストランスの１次巻線の巻き終わり端との接続ラインは、コンデンサを介して接地される構成とすることで、インバータトランスの寄生容量やパルストランスの寄生容量に起因するノイズを低減させ得る。したがって、３レベルインバータスイッチング回路６の誤動作を防止できるという効果も得られる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、変換対象の電源電圧が高電圧になる状況下において、半導体駆動回路用の絶縁トランスの耐電圧を低下させ、長期信頼性を確保できる３レベルインバータ方式の電力変換装置として有用である。

１ 直流主回路
２ 太陽電池パネル（直流発電設備）
３ 主回路コンデンサ
４ バイパスダイオード
５ 昇圧チョッパ
５ａ リアクトル
５ｂ 逆流阻止ダイオード
６ ３レベルインバータスイッチング回路
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 主回路コンデンサ
８，６０，６１，６２ 接続端
１１〜１６ クランプ用ダイオード
１７ ＡＣフィルタ
１８ リアクトル
１９ コンデンサ
２０ フライバックトランス
２１ インバータトランス
２２〜３１ パルストランス（絶縁トランス）
３２，３８，３９ スイッチング素子
３３，３５，３７，４０〜４９ 整流回路
３４ アナログ回路用電源
３６ ディジタル回路用電源
５０ Ａ１半導体駆動回路
５１ Ｂ１半導体駆動回路
５２ Ｃ１半導体駆動回路
５３ Ｄ１，Ｄ２半導体駆動回路
５４ Ａ２半導体駆動回路
５５ Ｂ２半導体駆動回路
５６ Ｃ２半導体駆動回路
５７ Ａ３半導体駆動回路
５８ Ｂ３半導体駆動回路
５９ Ｃ３半導体駆動回路
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３，Ｄ１，Ｄ２ スイッチング素子

Claims (2)

1. 直流主回路の正極端側及び負極端側の間に、当該直流主回路が出力する変換対象の直流電圧を４等分に分担するように直列に接続される４つの主回路コンデンサと、
   前記４つの主回路コンデンサの直列回路の正極端側及び負極端側に接続される正極母線及び負極母線の間に直列に接続した４つのスイッチング素子と、前記４つのスイッチング素子と前記４つの主回路コンデンサとの間において、前記正極母線側及び負極母線側における２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端と前記正極母線側において直列に接続された２つのスイッチング素子同士の接続端との間に配置される上アームクランプ用ダイオード、及び、前記正極母線側及び負極母線側における２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端と前記負極母線側において直列に接続された２つのスイッチング素子同士の接続端との間に配置される下アームクランプ用ダイオードとで構成され、当該正極母線側及び当該負極母線側における２つのスイッチング素子による直列回路同士の接続端がインバータ出力端となる構成を単位構成とし、この単位構成を少なくとも１つ備える３レベルインバータスイッチング回路と、
   前記３レベルインバータスイッチング回路における複数のスイッチング素子を駆動する複数の半導体駆動回路であって、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち、前記負極母線に一方の信号端子が接続されるスイッチング素子についての半導体駆動回路は、前記単位構成が複数になっても共通に１つ設けられ、前記負極母線から前記正極母線に向かって２つ目から４つ目までの各スイッチング素子についての半導体駆動回路は、前記単位構成が複数になっても１対１の関係で個別に設けられる複数の半導体駆動回路と、
   前記複数の半導体駆動回路のそれぞれと１対１の関係で設けられる複数のパルストランスであって、それぞれの２次巻線に、整流回路を介して前記複数の半導体駆動回路の対応する半導体駆動回路が接続される複数の絶縁トランスと、
   １次巻線に前記２つのコンデンサの直列回路が形成する前記直流主回路の出力電圧をスイッチングしたパルス電圧が印加されるフライバックトランスと、
   １次巻線と４つの２次巻線とを有し、前記１次巻線に前記フライバックトランスの複数の２次巻線のそれぞれに接続される整流回路のうちの１つの整流回路の出力電圧をスイッチングしたパルス電圧が印加され、前記４つの２次巻線のそれぞれに少なくとも１つの前記絶縁トランスの１次巻線が接続されるインバータトランスと、
   を備え、
   前記複数の半導体駆動回路の基準電位として、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち、前記負極母線に一方の信号端子が接続されるスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記負極母線の電位であり、前記負極母線から前記正極母線に向かって２つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記４つの主回路コンデンサのうち前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端の電位であり、前記負極母線から前記正極母線に向かって３つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサの直列回路及び前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端の電位であり、前記負極母線から前記正極母線に向かって４つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路の基準電位は、前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端の電位であり、
   前記４つの主回路コンデンサの直列回路の負極端側と前記負極母線との接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線に一方の信号端子が接続されるスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続され、
   前記４つの主回路コンデンサのうち前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線から前記正極母線に向かって２つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続され、
   前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側及び前記負極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサの直列回路同士の接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線から前記正極母線に向かって３つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続され、
   前記４つの主回路コンデンサのうち前記正極母線側において直列接続された２つの主回路コンデンサ同士の接続端が、前記単位構成における４つのスイッチング素子のうち前記負極母線から前記正極母線に向かって４つ目のスイッチング素子についての半導体駆動回路に対応する前記絶縁トランスの１次巻線の片端に接続されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記インバータトランスの２次巻線の巻き終わり端と、前記各パルストランスの１次巻線の巻き終わり端との接続ラインは、コンデンサを介して接地されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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