JP5843976B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、それぞれ半導体スイッチング素子を備えた複数のセル変換器がカスケード接続された電力変換装置に関するものであり、特に、半導体スイッチング素子の駆動回路に電源供給する自己給電装置を各セル変換器が備えた電力変換装置に関するものである。

モジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子を使用し、上記スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる回路方式であり、直流送電システム（ＨＶＤＣ）や無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）などへの応用が期待されている回路方式である。
従来の電力変換装置は、上記ＭＭＣに適用可能なもので、複数のセル変換器をカスケード接続して構成されている。セル変換器の主回路は、高電圧側スイッチング素子、低電圧側スイッチング素子および直流コンデンサからなる双方向チョッパ回路である。各セル変換器は、セル制御回路と自給電源を備えており、自給電源は、直流コンデンサと並列に接続されて直流コンデンサから電力を供給される。また、短絡スイッチをセル変換器の出力に並列に接続し、短絡スイッチの駆動電力を上記自給電源から供給する。この短絡スイッチは、セル変換器が故障した場合、セル変換器の出力を短絡する手段であり、自給電源から駆動電力がない場合、セル変換器の出力を短絡するＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型のスイッチである。自給電源が停止すると短絡スイッチによって異常セル変換器の出力は短絡されるため、セル変換器が故障してもシステムとして運転継続させることが可能である（例えば特許文献１）。

特開２０１１−１９３６１５号公報

従来の電力変換装置では、自給電源が停止すると短絡スイッチによって異常セル変換器の出力が短絡される。このため、複数のセル変換器がカスケード接続された電力変換装置の出力電圧は低下し、所望の出力を得ることができないという問題点があった。また、回路に冗長性を持たせても、冗長分の個数以上の自給電源が停止してセル変換器が短絡すると同様の問題が発生すると共に、回路構成が複雑となる。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、それぞれ自己給電装置を有する複数のセル変換器がカスケード接続された回路方式で、自己給電装置の異常時にも所望の出力を継続して得ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明による電力変換装置は、半導体スイッチング素子およびコンデンサを有する主回路と、上記半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、上記主回路から電力供給されて上記駆動回路に電源供給する自己給電装置とを備えたセル変換器が複数カスケード接続される。そして、上記各自己給電装置には、自身のセル変換器内の上記駆動回路に電源供給するための第１の給電線と他のセル変換器内の上記駆動回路に電源供給するための第２の給電線とが接続され、上記各駆動回路は、自身のセル変換器内の上記自己給電装置から上記第１の給電線を介して電源供給されると共に、他のセル変換器内の上記自己給電装置から上記第２の給電線を介して電源供給可能に構成されたものである。

この発明による電力変換装置は上記のように構成されているため、セル変換器の自己給電装置が異常時に、セル変換器の駆動回路には、他のセル変換器内の自己給電装置から電源供給でき、所望の出力を継続して得ることができ、信頼性良く運転継続できる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の別例による実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。図１に示すように、電力変換装置は、複数のセル変換器２０ａ〜２０ｃがカスケード接続されて成る。即ち、複数のセル変換器２０ａ〜２０ｃの出力端子が直列接続される。ここではセル変換器２０ａのみ詳述するが、各セル変換器２０ａ〜２０ｃは同様の構成である。

セル変換器２０ａは、例えばＩＧＢＴから成る半導体スイッチング素子１ａ、１ｂを２個直列接続した直列回路にコンデンサ２ａを並列接続して構成されるチョッパ回路を主回路３ａとする。そして、高電圧側の半導体スイッチング素子１ａと低電圧側の半導体スイッチング素子１ｂとの接続点と、低電圧側の半導体スイッチング素子１ｂとコンデンサ２ａとの接続点とを、セル変換器２０ａの２つの出力端子とする。
なお、各半導体スイッチング素子１ａ、１ｂにはダイオードが逆並列接続されている。また、半導体スイッチング素子１ａ、１ｂには、ＩＧＢＴ以外にＭＯＳＦＥＴ等、他の半導体スイッチング素子を用いても良い。
そして、複数のセル変換器２０ａ〜２０ｃが、各セル変換器２０ａ〜２０ｃの出力端子でカスケード接続され、電力変換装置は、半導体スイッチング素子１ａ、１ｂの耐圧以上の高い電圧を出力できる。

また、セル変換器２０ａは、各半導体スイッチング素子１ａ、１ｂのゲート電極にゲート信号を与える駆動回路４ａと、駆動回路４ａに電源供給する、即ち各半導体スイッチング素子１ａ、１ｂの駆動電力を供給するための自己給電装置５ａとを備える。
自己給電装置５ａには、第１の給電線６ａと第２の給電線７ａとが接続され、第２の給電線７ａには、後述する絶縁入出力回路９ａが設けられる。また、駆動回路４ａにはゲート給電線８ａが接続される。

主回路３ａのコンデンサ２ａは、コンデンサ２ａに電流が流入することで電圧が上昇し蓄積されている。自己給電装置５ａは、ＤＣ／ＤＣ電力変換部を有し、コンデンサ２ａの電圧を、コンデンサ２ａの両端から取り込んでＤＣ／ＤＣ電力変換する。そして、駆動回路４ａの電源に適した電圧値に変換し、第１、第２の給電線６ａ、７ａに出力する。
他の各セル変換器２０ｂ、２０ｃもセル変換器２０ａと同様であり、それぞれ主回路３ｂ、３ｃ、駆動回路４ｂ、４ｃ、自己給電装置５ｂ、５ｃ、第１の給電線６ｂ、６ｃ、第２の給電線７ｂ、７ｃ、ゲート給電線８ｂ、８ｃ、絶縁入出力回路９ｂ、９ｃを備える。

第１の給電線６ａは、自己給電装置５ａが、自身のセル変換器２０ａの駆動回路４ａに電源供給するための給電線である。第２の給電線７ａは、自己給電装置５ａが、隣接するセル変換器２０ｂの駆動回路４ｂに電源供給するための給電線であり、絶縁入出力回路９ａを介して隣接するセル変換器２０ｂ内に接続される。
また、セル変換器２０ｂとは反対側に隣接するセル変換器２０ｃから、第２の給電線７ｃが絶縁入出力回路９ｃを介してセル変換器２０ａ内に接続される。そして、第１の給電線６ａと、隣接するセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃからの第２の給電線７ｃとを介して供給される電力は、ゲート給電線８ａを介して駆動回路４ａに接続される。

これにより駆動回路４ａは、自身のセル変換器２０ａの自己給電装置５ａと、隣接するセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃとの双方から電源供給される。
また、セル変換器２０ｂの駆動回路４ｂは、セル変換器２０ｂ内の自己給電装置５ｂから第１の給電線６ｂを介して電源供給されると共に、セル変換器２０ｂに隣接するセル変換器２０ａ内の自己給電装置５ａから第２の給電線７ａを介して電源供給される。
電力変換装置内の複数のセル変換器２０ａ〜２０ｃが３個である場合、セル変換器２０ｂとセル変換器２０ｃとは、カスケード接続の両端となる。この場合、セル変換器２０ｂから、第２の給電線７ｂが絶縁入出力回路９ｂを介してセル変換器２０ｃ内に接続される。そして、セル変換器２０ｃでは、第１の給電線６ｃと、セル変換器２０ｂからの第２の給電線７ｂとを介して供給される電力が、駆動回路４ｃに接続される。

第２の給電線７ａは、隣接するセル変換器２０ｂの駆動回路４ｂに自己給電装置５ａが電源供給するためのものであり、２つのセル変換器２０ａ、２０ｂ間で給電を遣り取りする。自己給電装置５ａの第２の給電線７ａに設けられる絶縁入出力回路９ａは、給電を遣り取りするセル変換器２０ａ、２０ｂ同士の電位差以上の絶縁耐量を持つものであり、絶縁トランス等で構成する。
複数のセル変換器２０ａ〜２０ｃはカスケード接続されるため、各々の主回路３ａ〜３ｃの基準電位が異なる。このため、セル変換器２０ａの駆動回路４ａに対し、他のセル変換器２０ｃの主回路３ｃのコンデンサ２に蓄積された電圧から変換した給電電圧を直接与えるとすると、駆動回路４ａに対して過電圧を印加して損傷させる懸念がある。

この実施の形態では、給電を遣り取りするセル変換器同士の電位差以上の絶縁耐量を持つ絶縁入出力回路９ａを第２の給電線７ａに設けたため、第２の給電線７ａを介して駆動回路４ｂに供給される電源電圧も、駆動回路４ｂに適した電圧となる。
なお、絶縁入出力回路９ｂ、９ｃについても同様である。

この実施の形態による電力変換装置は以上のように構成され、いずれかのセル変換器２０（２０ａ〜２０ｃ）の自己給電装置５（５ａ〜５ｃ）が停止しても、他のセル変換器２０の自己給電装置５からも駆動回路４（４ａ〜４ｃ）に電源供給されているため、駆動電力を供給して主回路３（３ａ〜３ｃ）を継続して駆動できる。このため、自己給電装置５の異常により主回路３の出力を短絡させる必要がなく、電力変換装置は、出力低下を招くことなく所望の出力で信頼性良く継続運転できる。

なお、電力変換装置は、主回路３の各半導体スイッチング素子１ａ、１ｂへのゲート信号を生成する制御回路（図示省略）を備え、通常、制御回路のための電源も有しているが、セル変換器２０の自己給電装置５が制御回路に電源供給することもできる。

また図２に示すように、第１の給電線６ａには、ゲート給電線８ａに向かう電流を通過させ上記第２の給電線７ｃからの電流を阻止する第１のダイオード１４ａを接続し、第２の給電線７ｃには、ゲート給電線８ａに向かう電流を通過させ第１の給電線６ａからの電流を阻止する第２のダイオード１５ｃを接続して突き合わせダイオード構成とすることで、第１の給電線６ａと第２の給電線７ｃとの間で流れる電流を阻止できる。このように各セル変換器２０（２０ａ〜２０ｃ）に同様に、第１のダイオード１４ａ〜１４ｃと第２のダイオード１５ａ〜１５ｃを設けて突き合わせダイオード構成とすることで、各自己給電装置５ａ〜５ｃが他の自己給電装置５ａ〜５ｃから充電されるのが防止できる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の構成を示す図である。
上記実施の形態１では、駆動回路４ａは、自身のセル変換器２０ａの自己給電装置５ａと、隣接するセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃとの双方から電源供給されていたが、この実施の形態２では、切替器１２ａを設けて、駆動回路４ａへの給電線を、第１の給電線６ａと第２の給電線７ｃとの間で切り替える。その他の構成は、上記実施の形態１と同様である。
なお、他の各セル変換器２０ｂ、２０ｃもセル変換器２０ａと同様であり、便宜上、図示は省略するが、それぞれ切替器１２ｂ、１２ｃを有し同様に動作する。

図３に示すように、セル変換器２０ａにおいて、切替器１２ａは、入力側の第１の給電線６ａあるいは第２の給電線７ｃの一方を選択して出力側のゲート給電線８ａに接続する。これにより、駆動回路４ａは、自己給電装置５ａから第１の給電線６ａを介して、あるいは隣接するセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃから第２の給電線７ｃを介して電源供給される。具体的には、切替器１２ａは通常時に第１の給電線６ａを選択し、自身のセル変換器２０ａの自己給電装置５ａの動作異常時に第２の給電線７ｃを選択するように切り替え動作を行う。

切替器１２ａは、第１の給電線６ａ側のａ接点と、第２の給電線７ｃ側のｂ接点とを切り替えるもので、ｂ接点側に高速半導体スイッチング素子から成るＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型スイッチを備え、ａ接点側に通常のスイッチ（ＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＦＦ型）を備える。
そして切替器１２ａがａ接点を選択して、自己給電装置５ａから第１の給電線６ａを介した電源供給を行い、自己給電装置５ａの異常により第１の給電線６ａを介した給電がなくなると、自動的にｂ接点に切り替わる。これにより他のセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃから第２の給電線７ｃを介した電源供給に移行する。

この場合、切替器１２ａの電源は自己給電装置５ａから供給され、自己給電装置５ａからの電圧が低下し動作不能の場合には、ａ接点側のスイッチはオフし、ｂ接点側のＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型スイッチが自動オンして他のセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃに第２の給電線７ｃを介して接続される。また自身のセル変換器２０ａの自己給電装置５ａからの電圧が充分高くなると、逆にａ接点側のスイッチがオンして、ｂ接点側のＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型スイッチはオフする。

この実施の形態では、いずれかのセル変換器２０の自己給電装置５が停止しても、駆動回路４には、他のセル変換器２０の自己給電装置５から電源供給されるように自動的に切り替わり、主回路３を継続して駆動できる。このため、上記実施の形態１と同様に、自己給電装置５の異常により主回路３の出力を短絡させる必要がなく、電力変換装置は、出力低下を招くことなく所望の出力で信頼性良く継続運転できる。

なお、切替器１２（１２ａ〜１２ｃ）が切り替え動作を行う際、駆動回路４には瞬時給電中断が発生するものであるが、ｂ接点側のＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型スイッチおよびａ接点側のスイッチを、高速スイッチング動作するＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子で構成することにより、瞬時給電中断は、電力変換装置の制御に影響を与えない程度に抑えられる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の構成を示す図である。
上記実施の形態２では、切替器１２は自動で切り替え動作を行うものであったが、この実施の形態３では、外部から切り替え制御される切替器１３（１３ａ〜１３ｃ）を備える。
図４に示すように、セル変換器２０ａは、切替器１３ａと、コンデンサ２ａの両端に接続してコンデンサ２ａの電圧を検出する電圧センサ１０ａと、電圧センサ１０ａで検出した電圧値に応じて切替器１３ａを操作するコントローラ１１とを備える。この場合、コントローラ１１はセル変換器２０ａの外部に設けられ、自己給電装置５ａ以外から電源供給され切替器１３ａを駆動する。その他の構成は、上記実施の形態２と同様である。

他の各セル変換器２０ｂ、２０ｃもセル変換器２０ａと同様であり、便宜上、図示は省略するが、それぞれ切替器１３ｂ、１３ｃと、電圧センサ１０ｂ、１０ｃと、コントローラ１１を有し同様に動作する。なお、コントローラ１１は、複数のセル変換器２０で共通の１つとしても良い。

セル変換器２０ａにおいて、コントローラ１１は、電圧センサ１０ａで検出したコンデンサ２ａの電圧が規定値より高い場合、切替器１３ａがａ接点を選択するよう制御して、自己給電装置５ａから第１の給電線６ａを介して駆動回路４ａに電源供給する。そして、電圧センサ１０ａで検出したコンデンサ２ａの電圧が規定値以下になると、ａ接点からｂ接点に切り替えるように切替器１３ａを制御する。これにより他のセル変換器２０ｃの自己給電装置５ｃから第２の給電線７ｃを介して駆動回路４ａに電源供給するように切り替わる。

この実施の形態においても、いずれかのセル変換器２０の自己給電装置５が停止しても、駆動回路４には、他のセル変換器２０の自己給電装置５から電源供給されるように切り替えるため、主回路３を継続して駆動できる。このため、上記実施の形態１、２と同様に、自己給電装置５の異常により主回路３の出力を短絡させる必要がなく、電力変換装置は、出力低下を招くことなく所望の出力で信頼性良く継続運転できる。

なお、上記各実施の形態では、第２の給電線７（７ａ〜７ｃ）に設けられる絶縁入出力回路９（９ａ〜９ｃ）は、電源供給する側のセル変換器２０が備えるものとしたが、電源供給される側のセル変換器２０内に配置されても良い。

また、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (8)

1. 半導体スイッチング素子およびコンデンサを有する主回路と、上記半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、上記主回路から電力供給されて上記駆動回路に電源供給する自己給電装置とを備えたセル変換器が複数カスケード接続された電力変換装置において、
   上記各自己給電装置には、自身のセル変換器内の上記駆動回路に電源供給するための第１の給電線と他のセル変換器内の上記駆動回路に電源供給するための第２の給電線とが接続され、
   上記各駆動回路は、自身のセル変換器内の上記自己給電装置から上記第１の給電線を介して電源供給されると共に、他のセル変換器内の上記自己給電装置から上記第２の給電線を介して電源供給可能に構成された
   電力変換装置。
2. 上記第２の給電線を介して電源供給される側と電源供給する側との２つのセル変換器の電位差以上の絶縁耐量を有する絶縁入出力回路を上記第２の給電線に設けた
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記各セル変換器は、上記セル変換器内の上記自己給電装置の動作異常時に、上記駆動回路への給電線を、上記第１の給電線から上記第２の給電線に切り替える切替器を備えて、切り替えにより上記他のセル変換器内の上記自己給電装置から上記第２の給電線を介して上記駆動回路に電源供給する
   請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記切替器は、上記第１の給電線からの給電停止時に自動的に上記第２の給電線側に切り替わるＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型スイッチを備えた
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 上記ＮＯＲＭＡＬＬＹ ＯＮ型スイッチを半導体スイッチング素子で構成した
   請求項４に記載の電力変換装置。
6. 上記主回路内の上記コンデンサの電圧を検出する電圧センサと、上記コンデンサの電圧に応じて上記切替器を操作するコントローラとを備えた
   請求項３に記載の電力変換装置。
7. 上記各駆動回路は、上記自身のセル変換器内の上記自己給電装置と上記他のセル変換器内の上記自己給電装置との双方から電源供給される
   請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
8. 上記各第１の給電線に逆電流防止用の第１のダイオードが接続され、上記各第２の給電線に逆電流防止用の第２のダイオードが接続され、上記第１の給電線と上記第２の給電線との間で流れる電流が阻止される
   請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

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