JP5938202B2 - 電力変換装置用部品 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に用いる部品に関する。

一般に、電力変換装置の回路として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)回路が知られている。ＭＭＣ回路は、複数の単位モジュールが直列に接続される構成であるため、ＭＭＣ回路に印加される直流電力は高電圧になる。このため、この高電圧の直流電力を、制御電源として各単位モジュールに直接供給することは困難である。そこで、各単位モジュールで、制御電源を作る主回路給電方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、単位モジュールは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子が故障した場合、電力変換装置の運転を継続するためには、スイッチング素子が故障した単位モジュールの端子間を短絡する必要がある。そこで、単位モジュールの出力間に機械スイッチを設け、スイッチング素子が故障した場合に、この機械スイッチを投入する回路が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特表２００９−５１９６９２号公報 特開２０１１−１９３６１５号公報

しかしながら、主回路給電方式の単位モジュール（電力変換装置用部品）で、スイッチング素子が故障した場合に、単位モジュール内の制御電源の供給を継続することについて考慮されたものは知られていない。このため、スイッチング素子が故障しても、このような単位モジュールは、制御電源が作り出せない。このため、制御電源が落ちることにより、スイッチング素子による故障に対応する動作ができない。従って、故障した単位モジュールを切り離すために機械スイッチが必要となる。しかし、このように機械スイッチを設けた場合、単位モジュールの大型化又はコストの増大を招く。

そこで、本発明の目的は、複数のスイッチング素子が直列に接続された回路を備え、スイッチング素子が故障しても制御電源の供給を継続することのできる電力変換装置用部品を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置用部品は、直列に接続された４つのスイッチング素子と、４つの前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するための４つの駆動回路と、正極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続された第１のコンデンサと、負極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続された第２のコンデンサと、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第２のコンデンサに印加される電圧に基づいて、正極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給し、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第１のコンデンサに印加される電圧に基づいて、負極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給する電源供給手段とを備えている。

本発明によれば、複数のスイッチング素子が直列に接続された回路を備え、スイッチング素子が故障しても制御電源の供給を継続することのできる電力変換装置用部品を提供することができる。

本発明の実施形態に係る単位モジュールの構成を示す構成図。 実施形態に係る単位モジュールを用いた電力変換装置の構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る単位モジュール１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

単位モジュール１は、電力変換装置に用いられる部品である。電力変換装置は、上位制御装置２０により制御される。

単位モジュール１は、４つのスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、４つの還流ダイオード３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、４つの駆動回路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、４つの故障検出回路５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、２つのコンデンサ６ａ，６ｂと、主回路給電回路７ａ，７ｂと、モジュール内電源８と、素子制御回路９とを備えている。

４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄは、直列に接続されている。スイッチング素子２ａは、最も正極側に位置している。スイッチング素子２ｂは、２番目に正極側に位置している。スイッチング素子２ｃは、２番目に負極側に位置している。スイッチング素子２ｄは、最も負極側に位置している。従って、スイッチング素子２ａ及びスイッチング素子２ｄは、外側に位置する外側素子である。スイッチング素子２ｂ及びスイッチング素子２ｃは、内側に位置する内側素子である。スイッチング素子２ａ〜２ｄは、圧接型（平型）パッケージのＩＧＢＴである。

ここで、圧接型パッケージは、配線など（例えば、ワイヤーボンディング）を使わずに、２つの電極板をスイッチング素子本体の両面から圧接するような構造になっている。従って、圧接型パッケージのスイッチング素子は、スイッチング素子の内部で損傷が生じると、電極間が短絡した状態になる。

正極側に設けられた２つのスイッチング素子２ａ，２ｂの接続点は、正極側に設けられた他の単位モジュール１の負極側と接続される。負極側に設けられた２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄの接続点は、負極側に設けられた他の単位モジュール１の正極側と接続される。

４つの還流ダイオード３ａ〜３ｄは、それぞれ４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄと逆並列に接続されている。

４つの駆動回路４ａ〜４ｄは、それぞれ４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄに対応して設けられている。駆動回路４ａ〜４ｄは、対応するスイッチング素子２ａ〜２ｄをオン・オフするための回路である。

４つの故障検出回路５ａ〜５ｄは、それぞれ４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄに対応して設けられている。故障検出回路５ａ〜５ｄは、対応するスイッチング素子２ａ〜２ｄの故障を検出するための回路である。なお、故障検出回路５ａ〜５ｄは、スイッチング素子２ａ〜２ｄの故障をどのように検出してもよい。例えば、故障検出回路５ａ〜５ｄは、スイッチング素子２ａ〜２ｄの電圧又は電流に基づいて故障を検出する。

コンデンサ６ａは、正極側に位置する直列接続された２つのスイッチング素子２ａ，２ｂの両端に接続されている。コンデンサ６ｂは、負極側に位置する直列接続された２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄの両端に接続されている。

２つの主回路給電回路７ａ，７ｂは、それぞれコンデンサ６ａ，６ｂの両端子と接続されている。主回路給電回路７ａ，７ｂは、コンデンサ６ａ，６ｂに印加される直流の高電圧をモジュール内電源８に供給するための低電圧に一定に制御する。

モジュール内電源８は、２つの主回路給電回路７ａ，７ｂから供給される電力を４つの駆動回路４ａ〜４ｄ及び素子制御回路９に電源として供給するための電力に変換する。モジュール内電源８は、変換した電力を４つの駆動回路４ａ〜４ｄに供給する。モジュール内電源８は、変圧器などを介して駆動回路４ａ〜４ｄに電力を供給することで、４つの駆動回路４ａ〜４ｄの互いの絶縁を確保する。

素子制御回路９は、４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄを駆動するための制御をする。素子制御回路９は、上位制御装置２０から受信する光信号に基づいて、スイッチング素子２ａ〜２ｄに対応する駆動回路４ａ〜４ｄにそれぞれ駆動信号を送信することで、スイッチング素子２ａ〜２ｄの駆動を制御する。スイッチング素子２ａ〜２ｄは、駆動信号に応じて、オン又はオフされる。素子制御回路９は、故障検出回路５ａ〜５ｄにより検出された故障信号に基づいて、故障に対応するようにスイッチング素子２ａ〜２ｄの駆動を制御する。

次に、スイッチング素子２ａ〜２ｄが故障した場合における素子制御回路９の制御による単位モジュール１の動作について説明する。

今、スイッチング素子２ａが破損したとする。スイッチング素子２ａは、圧接型パッケージの構造であるため、端子間が短絡された状態になる。

しかし、スイッチング素子２ａの破損により、隣接するスイッチング素子２ｂに短絡電流が流れても、スイッチング素子２ｂが必ずしも破損するとは限らない。

そこで、素子制御回路９は、スイッチング素子２ａが故障したことを検出すると、スイッチング素子２ｂを常時オンにするための駆動信号を出力する。これにより、正極側に隣接する単位モジュール１から流入する電流は、スイッチング素子２ｂに流れる。スイッチング素子２ｂに流れた電流は、オン時のスイッチング素子２ｃを流れて、負極側に隣接する単位モジュール１に流れる。同様に、素子制御回路９は、スイッチング素子２ｄが故障したことを検出すると、スイッチング素子２ｃを常時オンにするための駆動信号を出力する。

即ち、素子制御回路９は、外側に位置するスイッチング素子２ａ，２ｄの故障を検出すると、その故障したスイッチング素子２ａ，２ｄと接続されている内側に位置するスイッチング素子２ｂ，２ｃを常時オンにするための駆動信号を出力する。

また、素子制御回路９は、内側に位置するスイッチング素子２ｂ，２ｃの故障を検出した場合も、その故障したスイッチング素子２ｂ，２ｃを常時オンにするための駆動信号を出力する。これにより、故障した内側に位置するスイッチング素子２ｂ，２ｃを確実に短絡状態にすることができる。

図２は、本実施形態に係る単位モジュール１を用いた電力変換装置３０の構成を示す構成図である。

電力変換装置３０は、６つのアーム２１ｕｐ，２１ｕｍ，２１ｖｐ，２１ｖｍ，２１ｗｐ，２１ｗｍと、６つのバッファリアクトル２２ｕｐ，２２ｕｍ，２２ｖｐ，２２ｖｍ，２２ｗｐ，２２ｗｍと、直流電源２３とを備えている。

電力変換装置３０の交流側は、変圧器２４を介して、交流電力系統と接続されている。電力変換装置３０の直流側は、直流電源２３と接続されている。電力変換装置３０は、直流電源２３から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。

各アーム２１ｕｐ〜２１ｗｍは、複数の単位モジュール１が直列に接続された構成である。Ｕ相正極側アーム２１ｕｐとＵ相負極側アーム２１ｕｍは、三相交流のＵ相についての構成である。Ｖ相正極側アーム２１ｖｐとＶ相負極側アーム２１ｖｍは、三相交流のＶ相についての構成である。Ｗ相正極側アーム２１ｗｐとＷ相負極側アーム２１ｗｍは、三相交流のＷ相についての構成である。

各アーム２１ｕｐ〜２１ｗｍを構成する単位モジュール１は、シリアル通信方式で接続されている。シリアル通信方式は、各単位モジュール１を光ファイバーでシリアルに接続する。上位制御装置２０は、光ファイバーに複数の単位モジュール１の信号を乗せて送信する。各単位モジュール１は、受信した信号から自己に必要な信号を取り込む。

バッファリアクトル２２ｕｐ〜２２ｗｍは、電力変換装置３０の回路に一定の直流電流を流すためのインピーダンスである。

Ｕ相正極側バッファリアクトル２２ｕｐとＵ相負極側バッファリアクトル２２ｕｍは、直列に接続されている。Ｕ相正極側バッファリアクトル２２ｕｐとＵ相負極側バッファリアクトル２２ｕｍとの接続点は、三相交流のＵ相と接続される。Ｕ相正極側バッファリアクトル２２ｕｐの正極側には、Ｕ相正極側アーム２１ｕｐが接続されている。Ｕ相負極側バッファリアクトル２２ｕｍの負極側には、Ｕ相負極側アーム２１ｕｍが接続されている。

Ｖ相正極側バッファリアクトル２２ｖｐとＶ相負極側バッファリアクトル２２ｖｍは、直列に接続されている。Ｖ相正極側バッファリアクトル２２ｖｐとＶ相負極側バッファリアクトル２２ｖｍとの接続点は、三相交流のＶ相と接続される。Ｖ相正極側バッファリアクトル２２ｖｐの正極側には、Ｖ相正極側アーム２１ｖｐが接続されている。Ｖ相負極側バッファリアクトル２２ｖｍの負極側には、Ｖ相負極側アーム２１ｖｍが接続されている。

Ｗ相正極側バッファリアクトル２２ｗｐとＷ相負極側バッファリアクトル２２ｗｍは、直列に接続されている。Ｗ相正極側バッファリアクトル２２ｗｐとＷ相負極側バッファリアクトル２２ｗｍとの接続点は、三相交流のＷ相と接続される。Ｗ相正極側バッファリアクトル２２ｗｐの正極側には、Ｗ相正極側アーム２１ｗｐが接続されている。Ｗ相負極側バッファリアクトル２２ｗｍの負極側には、Ｗ相負極側アーム２１ｗｍが接続されている。

本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。

単位モジュール１には、２つの主回路給電回路７ａ，７ｂを設けている。２つの主回路給電回路７ａ，７ｂは、別々の２つのコンデンサ６ａ，６ｂに印加される電圧により、モジュール内電源８に電力を供給する。２つのコンデンサ６ａ，６ｂは、異なる２組の直列接続された２つのスイッチング素子２ａ〜２ｄにそれぞれ設けられている。

従って、正極側のコンデンサ６ａが設けられている２つのスイッチング素子２ａ，２ｂが故障しても、負極側のコンデンサ６ｂが設けられている２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄが正常であれば、主回路給電回路７ｂからモジュール内電源８に電力供給することができる。これにより、モジュール内電源８は、駆動回路４ａ〜４ｄ及び素子制御回路９に制御電源の供給を継続することができる。同様に、負極側のコンデンサ６ｂが設けられている２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄが故障しても、モジュール内電源８は、駆動回路４ａ〜４ｄ及び素子制御回路９に制御電源の供給を継続することができる。即ち、単位モジュール１は、一部のスイッチング素子２ａ〜２ｄが故障しても、単位モジュール１内の回路の制御電源をモジュール内電源８により確保することができる。従って、単位モジュール１は、内部の制御電源の冗長性が高い構成とすることができる。

また、スイッチング素子２ａ〜２ｄを圧接型パッケージにすることで、素子制御回路９の制御によらずに、スイッチング素子２ａ〜２ｄの故障時に端子間が短絡状態になる。これにより、スイッチング素子２ａ〜２ｄの故障時に、素子制御回路９による故障時の制御によらずに、電力変換装置３０の運転が継続できる。

さらに、単位モジュール１では、一部のスイッチング素子が故障しても、制御電源の供給を継続することができる。このため、単位モジュール１の端子間に、故障した場合に電力変換回路から自身を切り離すための機械スイッチなどを設ける必要がない。従って、単位モジュール１の小型化又は低コスト化を図ることができる。

なお、実施形態では、故障検出回路５ａ〜５ｄを駆動回路４ａ〜４ｄの外部に設ける構成としたが、駆動回路４ａ〜４ｄの内部に設けてもよい。また、この場合に、駆動回路４ａ〜４ｄの一機能として故障検出回路５ａ〜５ｄと同等の機能を有するのであれば、ハードウェアとして分離されていなくてもよい。

また、実施形態では、スイッチング素子２ａ〜２ｄは、圧接型パッケージとしたが、端子型パッケージ又はモジュール型パッケージなど、どのような構造でもよい。素子制御回路９に、上述したスイッチング素子２ａ〜２ｄの故障に対応する機能を設けることで、圧接型以外のパッケージでも、電力変換装置の運転を継続させることができる。

さらに、実施形態では、単位モジュール１を用いた電力変換装置３０は、直流電力を交流電力に変換する構成としたが、交流電力を直流電力に変換する構成としてもよいし、直流電力と交流電力を相互に変換する構成としてもよい。また、電力変換装置３０は、単相交流電力と直流電力との変換をする構成としてもよい。この場合、図２に示す電力変換装置３０の構成から１相分のアーム及びバッファリアクトルを取り除くことで、単相交流電力と直流電力との変換をする構成とすることができる。

また、実施形態では、主回路給電回路７ａ，７ｂ及びモジュール内電源８を別々の構成としたが、一体化させた構成としてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…単位モジュール、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…スイッチング素子、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…還流ダイオード、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…駆動回路、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…故障検出回路、６ａ，６ｂ…コンデンサ、７ａ，７ｂ…主回路給電回路、８…モジュール内電源、９…素子制御回路、２０…上位制御装置、２１ｕｐ，２１ｕｍ，２１ｖｐ，２１ｖｍ，２１ｗｐ，２１ｗｍ…アーム、２２ｕｐ，２２ｕｍ，２２ｖｐ，２２ｖｍ，２２ｗｐ，２２ｗｍ…バッファリアクトル、２３…直流電源、２４…変圧器、３０…電力変換装置。

Claims (9)

1. 直列に接続された４つのスイッチング素子と、
   ４つの前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するための４つの駆動回路と、
   正極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続された第１のコンデンサと、
   負極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続された第２のコンデンサと、
   正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第２のコンデンサに印加される電圧に基づいて、正極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給し、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第１のコンデンサに印加される電圧に基づいて、負極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給する電源供給手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置用部品。
2. 前記電源供給手段は、
   前記第１のコンデンサに印加される電圧を変換する第１の電圧変換手段と、
   前記第２のコンデンサに印加される電圧を変換する第２の電圧変換手段と、
   前記第１の電圧変換手段又は前記第２の電圧変換手段の少なくとも１つにより変換された電圧に基づいて、４つの前記駆動回路に電源を供給する電源供給回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用部品。
3. ４つの前記スイッチング素子は、正極側の２つの前記スイッチング素子の接続点が正極側に接続され、負極側の２つの前記スイッチング素子の接続点が負極側に接続され、
   ４つの前記スイッチング素子のそれぞれの故障を検出する４つの故障検出手段と、
   ４つの前記故障検出手段により、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち負極側の前記スイッチング素子をオンにし、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち正極側の前記スイッチング素子をオンにする制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置用部品。
4. 前記スイッチング素子は、正極部及び負極部を本体の両面から圧接するような構造であること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置用部品。
5. ４つのスイッチング素子が直列に接続され、第１のコンデンサが正極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続され、第２のコンデンサが負極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続され、４つの前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するための４つの駆動回路が設けられた電力変換装置用部品の電源を供給する電源供給方法であって、
   正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第２のコンデンサに印加される電圧に基づいて、正極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給し、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第１のコンデンサに印加される電圧に基づいて、負極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給すること
   を特徴とする電力変換装置用部品の電源供給方法。
6. ４つのスイッチング素子が直列に接続され、第１のコンデンサが正極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続され、第２のコンデンサが負極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続され、４つの前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するための４つの駆動回路が設けられた電力変換装置用部品を制御する制御方法であって、
   正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第２のコンデンサに印加される電圧に基づいて、正極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給し、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障時に、前記第１のコンデンサに印加される電圧に基づいて、負極側の２つの前記スイッチング素子を駆動するための２つの前記駆動回路に電源を供給すること
   を特徴とする電力変換装置用部品の制御方法。
7. 正極側の２つの前記スイッチング素子の接続点が正極側に接続され、負極側の２つの前記スイッチング素子の接続点が負極側に接続され、
   ４つの前記スイッチング素子のそれぞれの故障を検出し、
   正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち負極側の前記スイッチング素子をオンにし、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち正極側の前記スイッチング素子をオンにすること
   を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置用部品の制御方法。
8. 正極側の２つのスイッチング素子の接続点が正極側に接続され、負極側の２つのスイッチング素子の接続点が負極側に接続され、直列に接続された４つのスイッチング素子と、
   ４つの前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するための４つの駆動回路と、
   正極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続された第１のコンデンサと、
   負極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続された第２のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサ又は前記第２のコンデンサの少なくとも１つに印加される電圧に基づいて、４つの前記駆動回路に電源を供給する電源供給手段と、
   ４つの前記スイッチング素子のそれぞれの故障を検出する４つの故障検出手段と、
   ４つの前記故障検出手段により、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち負極側の前記スイッチング素子をオンにし、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち正極側の前記スイッチング素子をオンにする制御手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置用部品。
9. ４つのスイッチング素子が直列に接続され、正極側の２つの前記スイッチング素子の接続点が正極側に接続され、負極側の２つの前記スイッチング素子の接続点が負極側に接続され、第１のコンデンサが正極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続され、第２のコンデンサが負極側の２つの前記スイッチング素子と並列に接続され、４つの前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するための４つの駆動回路が設けられた電力変換装置用部品を制御する制御方法であって、
   前記第１のコンデンサ又は前記第２のコンデンサの少なくとも１つに印加される電圧に基づいて、４つの前記駆動回路に電源を供給し、
   ４つの前記スイッチング素子のそれぞれの故障を検出し、
   正極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、正極側の２つの前記スイッチング素子のうち負極側の前記スイッチング素子をオンにし、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち少なくとも１つの故障を検出した場合、負極側の２つの前記スイッチング素子のうち正極側の前記スイッチング素子をオンにすること
   を特徴とする電力変換装置用部品の制御方法。

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