JP6106072B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、電力変換装置として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている。ＭＭＣは、複数のチョッパーセル（単位変換器）で構成された電力変換装置である。チョッパーセルは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子とコンデンサで構成されている。

また、パワー半導体モジュールのパワー半導体及びダイオードを保護するために、電流が閾値を上回ったときに溶解する可溶性の電線を設けることが開示されている（特許文献１参照）。

特表２０１０−５０３２２１号公報

しかしながら、正常時は、コンデンサの電圧を制御できるが、異常によりコンデンサの電圧が制御できない場合、コンデンサが保護できなくなる。具体的には、コンデンサの電圧が制御できなくなると、コンデンサが充電し続ける可能性がある。この場合、コンデンサが適正な満充電状態を超えて過電圧状態になる。

そこで、本発明の目的は、コンデンサが過電圧保護される電力変換装置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は、電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子が直列に接続された素子直列回路と、前記素子直列回路と並列に接続されたコンデンサと、前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段とを備え、前記保護手段は、前記コンデンサが過電圧になると降伏し、前記スイッチング素子がオンするように設けられたアクティブクランプ回路である。

本発明によれば、コンデンサが過電圧保護される電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る単位変換器の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る変換器の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る単位変換器の構成を示す構成図。 本発明の第４の実施形態に係る単位変換器の構成を示す構成図。 本発明の第５の実施形態に係る単位変換器の構成を示す構成図。 本発明の第６の実施形態に係る単位変換器の構成を示す構成図。 本発明の第７の実施形態に係る単位変換器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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る単位変換器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。

単位変換器１は、ＭＭＣ（電力変換装置）を構成する最小単位の電力変換器（チョッパーセル）である。複数の単位変換器１が直列に接続（カスケード接続）されることで、ＭＭＣが構成される。単位変換器１は、２つのスイッチング素子２、２つのダイオード３、直流コンデンサ４、２つのゲート駆動回路５、及び２つのアクティブクランプ回路６を備える。

２つのスイッチング素子２は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子２の接続点は、単位変換器１の１つの端子Ｔ１となる。直列に接続された２つのスイッチング素子２の一端は、単位変換器１のもう１つの端子Ｔ２となる。スイッチング素子２は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。

２つのダイオード３は、それぞれ２つのスイッチング素子２に逆並列に接続されている。２つのゲート駆動回路５は、２つのスイッチング素子２にそれぞれ対応して設けられている。直流コンデンサ４は、直列に接続された２つのスイッチング素子２と並列に接続されている。２つのアクティブクランプ回路６は、２つのスイッチング素子２のそれぞれのコレクタ−ゲート間に接続されている。スイッチング素子２は、ゲート駆動回路５から入力されたゲート信号（ゲート電圧）により駆動（スイッチング）する。スイッチング素子２が駆動することにより、電力変換が行われる。

アクティブクランプ回路６は、ツェナーダイオード６１、ダイオード６２、及び抵抗６３を備える。

ツェナーダイオード６１のカソードは、スイッチング素子２のコレクタ及び直流コンデンサ４に接続されている。ツェナーダイオード６１のアノードは、ダイオード６２のアノードに接続されている。即ち、ダイオード６２は、ツェナーダイオード６１と逆通電方向に直列に接続されている。ダイオード６２のカソードは、抵抗６３の一端が接続されている。抵抗６３のもう一端は、スイッチング素子２のゲートに接続されている。ツェナーダイオード６１は、直流コンデンサ４の電圧が過電圧と判断される電圧以上になると、降伏するような降伏電圧のものが選ばれている。即ち、ツェナーダイオード６１の降伏電圧は、直流コンデンサ４の電圧が過電圧と判断されない最大の電圧（又は、過電圧と判断される最小の電圧）であることが理想とされる。

次に、アクティブクランプ回路６の動作について説明する。

まず、単位変換器１の外部にある制御装置等から直流コンデンサ４の電圧が制御できない状態（例えば、ゲート電圧の喪失など）になり、直流コンデンサ４が充電し続けたとする。

直流コンデンサ４が許容量を超える充電をし、直流コンデンサ４の電圧が過電圧になると、アクティブクランプ回路６が動作する。具体的には、ツェナーダイオード６１が降伏することで、スイッチング素子２に、直流コンデンサ４からゲート電圧が印加される。これにより、スイッチング素子２がオンされ、直流コンデンサ４が放電される。直流コンデンサ４が放電されることで、直流コンデンサ４の電圧が下がる。

ここで、一般的なアクティブクランプ回路は、サージ電圧を抑制するために設けられているが、本実施形態に係るアクティブクランプ回路６では、正常時のスイッチング素子２の駆動時のサージ電圧を抑制するような効果はほとんどない。これは、ツェナーダイオード６１が直流コンデンサ４の電圧が過電圧となるような電圧で降伏するようになっており、正常時では、スイッチング素子２の動作で、ツェナーダイオード６１の降伏電圧を超えるような電圧が印加されないためである。換言すれば、正常時であれば直流コンデンサ４の電圧は過電圧とはならない。また、正常時のスイッチング素子２の動作で、アクティブクランプ回路６が動作すると、単位変換器１の損失となるため、却って好ましくない。なお、本実施形態のように、直流コンデンサ４が設けられている電力変換器では、直流コンデンサ４にスイッチング素子２のサージ電圧を抑制する効果もあるため、サージ電圧を抑制するために、アクティブクランプ回路を設ける必要もない。

本実施形態によれば、２つのスイッチング素子２にそれぞれアクティブクランプ回路６を設けることで、直流コンデンサ４の電圧が制御できない状態になっても、直流コンデンサ４を過電圧状態から保護することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る変換器１Ａの構成を示す構成図である。

変換器１Ａは、第１の実施形態に係る単位変換器１に相当する２つの単位変換器１ａ，１ｂを直列に接続して、サブモジュールとして構成したものである。具体的には、一方の単位変換器１ａの直列に接続された２つのスイッチング素子２の負極側（下側）に、もう一方の単位変換器１ｂの直列に接続された２つのスイッチング素子２の正極側（上側）を接続したものである。単位変換器１ａ，１ｂのそれぞれの２つのスイッチング素子２の接続点は、変換器１Ａの２つの端子Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａとなる。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、サブモジュール化した変換器１Ａにおいて、各スイッチング素子２にアクティブクランプ回路６を設けることで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る単位変換器１Ｂの構成を示す構成図である。

単位変換器１Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る単位変換器１において、各スイッチング素子２に設けられたアクティブクランプ回路６の代わりに、ヒューズ７を設けた構成である。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

ヒューズ７は、直流コンデンサ４と直列に接続されている。ヒューズ７の直流コンデンサ４と接続されていないもう一端は、直列に接続された２つのスイッチング素子２の一端と接続されている。図３では、ヒューズ７は、正極側（上側）のスイッチング素子２のコレクタ側に接続されているが、負極側（下側）のスイッチング素子２のエミッタ側に接続されていてもよい。ヒューズ７は、健全なスイッチング素子２が短絡破損する電流以上の電流で溶断される溶断特性を有する。

次に、単位変換器１Ｂの外部にある制御装置等から直流コンデンサ４の電圧が制御できなくなった場合（例えば、ゲート電圧が喪失した場合など）の単位変換器１Ｂの動作について説明する。

直流コンデンサ４の電圧が制御できなくなると、正極側のダイオード３を通って直流コンデンサ４が充電され続ける。直流コンデンサ４が適正な満充電を超えて更に充電されると、直流コンデンサ４の電圧は過電圧となる。直流コンデンサ４の電圧は、直列に接続された２つのスイッチング素子２に印加される。従って、直流コンデンサ４の電圧が過電圧になると、２つのスイッチング素子２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ印加される電圧も過電圧となる。

スイッチング素子２のコレクタ−エミッタ間が過電圧になると、スイッチング素子２のオン期間に過電流が流れる。２つのスイッチング素子２のうち１つのスイッチング素子２のコレクタ−エミッタ間が短絡破損すると、もう１つの健全なスイッチング素子２のオン期間に、単位変換器１Ｂ内（直流コンデンサ４）の正極と負極との短絡による短絡電流が流れる。これにより、健全なスイッチング素子２も短絡破損する。

少なくとも負極側のスイッチング素子２が短絡破損すれば、単位変換器１Ｂの出力端子間は短絡される。複数の単位変換器１Ｂがカスケード接続されたＭＭＣの場合、単位変換器１Ｂの出力端子間が短絡されていると、変換器電流は、単位変換器１Ｂの出力端子間を単に通過するだけとなる。従って、出力端子間が短絡されている単位変換器１Ｂが実質的に取り除かれた状態で、ＭＭＣは運転継続可能となる。

２つのスイッチング素子２が共に短絡破損し、なおも２つのスイッチング素子２に短絡電流が流れ続けると、ヒューズ７が溶断する。ヒューズ７が溶断されることで、直流コンデンサ４が充電されなくなる。これにより、直流コンデンサ４が保護される。

本実施形態によれば、ヒューズ７を設けることで、直流コンデンサ４の電圧が制御できない状態になっても、直流コンデンサ４を過電圧状態から保護することができる。また、ヒューズ７をスイッチング素子２が短絡破損する電流以上の電流で溶断するようにすることで、直流コンデンサ４が過電圧になった場合に、スイッチング素子２が短絡破損して、単位変換器１Ｂの出力端子間を短絡状態にすることができる。これにより、単位変換器１Ｂで構成されるＭＭＣの運転を継続させることができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る単位変換器１Ｃの構成を示す構成図である。

単位変換器１Ｃは、図３に示す第３の実施形態に係る単位変換器１Ｂにおいて、ヒューズ７及び直流コンデンサ４をコンデンサ装置８として構成したものである。その他の点は、第３の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、第３の実施形態による作用効果に加え、ヒューズ７及び直流コンデンサ４をコンデンサ装置８として一体化することで、単位変換器１Ｃの小型化及び生産性を向上することができる。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る単位変換器１Ｄの構成を示す構成図である。

単位変換器１Ｄは、図４に示す第４の実施形態に係る単位変換器１Ｃにおいて、コンデンサ装置８を複数備えるようにしたものである。その他の点は、第４の実施形態と同様である。

単位変換器１Ｄは、コンデンサ容量を増加させるように、複数のコンデンサ装置８を並列接続したものである。コンデンサ装置８の個数は、適用するＭＭＣの仕様に合わせて決定される。

本実施形態によれば、第４の実施形態による作用効果に加え、複数のコンデンサ装置８を並列接続することで、単位変換器１Ｄの直流コンデンサを任意の容量に増加することができる。

（第６の実施形態）
図６は、本発明の第６の実施形態に係る単位変換器１Ｅの構成を示す構成図である。

単位変換器１Ｅは、図５に示す第５の実施形態に係る単位変換器１Ｄにおいて、複数のコンデンサ装置８を並列接続したコンデンサ装置９を備えるようにしたものである。その他の点は、第５の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、第５の実施形態による作用効果に加え、複数の直流コンデンサ４及び複数のヒューズ７をコンデンサ装置９として一体化することで、単位変換器１Ｅの小型化及び生産性を向上することができる。

（第７の実施形態）
図７は、本発明の第７の実施形態に係る変換器１Ｆの構成を示す構成図である。

変換器１Ｆは、第３の実施形態に係る単位変換器１Ｂに相当する２つの単位変換器１Ｂａ，１Ｂｂを直列に接続して、サブモジュールとして構成したものである。具体的には、一方の単位変換器１Ｂａの直列に接続された２つのスイッチング素子２の負極側（下側）に、もう一方の単位変換器１Ｂｂの直列に接続された２つのスイッチング素子２の正極側（上側）を接続したものである。単位変換器１Ｂａ，１Ｂｂのそれぞれの２つのスイッチング素子２の接続点は、変換器１Ｆの２つの端子Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａとなる。その他の点は、第３の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、サブモジュール化した変換器１Ｆにおいて、各直流コンデンサ４にヒューズ７を設けることで、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。ここでは、第３の実施形態に係る単位変換器１Ｂを２つ用いてサブモジュール化した変換器１Ｆを構成したが、第４から第６の実施形態に係る単位変換器１Ｃ〜１Ｅを用いてサブモジュール化した変換器を構成してもよい。

なお、各実施形態において、変換器１〜１Ｅは、説明した回路構成でなくてもよい。例えば、３以上のスイッチング素子２が直列に接続された回路でもよい。また、直流コンデンサ４は、並列に接続されたものに限らず、直列に接続されていてもよいし、直並列に接続されていてもよい。この場合、第５及び第６の実施形態においては、直流コンデンサ４の並列数に合わせてヒューズ７を設けることで、各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

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…単位変換器、２…スイッチング素子、３…ダイオード、４…直流コンデンサ、５…ゲート駆動回路、６…アクティブクランプ回路、６１…ツェナーダイオード、６２…ダイオード、６３…抵抗。

Claims (9)

1. 電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子が直列に接続された素子直列回路と、
   前記素子直列回路と並列に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段とを備え、
   前記保護手段は、前記コンデンサが過電圧になると降伏し、前記スイッチング素子がオンするように設けられたアクティブクランプ回路であること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子が直列に接続された素子直列回路と、
   前記素子直列回路と並列に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段とを備え、
   前記保護手段は、前記コンデンサと直列に接続され、前記スイッチング素子が短絡破損する電流以上の電流で溶断されるヒューズであること
   を特徴とする電力変換装置。
3. 単位変換器が直列に接続された電力変換装置であって、
   前記単位変換器は、
   電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子が直列に接続された素子直列回路と、
   前記素子直列回路と並列に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段とを備え、
   前記保護手段は、前記コンデンサが過電圧になると降伏し、前記スイッチング素子がオンするように設けられたアクティブクランプ回路であること
   を特徴とする電力変換装置。
4. 単位変換器が直列に接続された電力変換装置であって、
   前記単位変換器は、
   電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子が直列に接続された素子直列回路と、
   前記素子直列回路と並列に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段とを備え、
   前記保護手段は、前記コンデンサと直列に接続され、前記スイッチング素子が短絡破損する電流以上の電流で溶断されるヒューズであること
   を特徴とする電力変換装置。
5. 前記コンデンサが複数並列に接続され、
   前記ヒューズは、前記コンデンサの並列数に応じて設けられたこと
   を特徴とする請求項２又は請求項４に記載の電力変換装置。
6. 電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子を直列に接続し、
   直列に接続された前記複数のスイッチング素子と並列にコンデンサを接続し、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段を設けることを含み、
   前記保護手段は、前記コンデンサが過電圧になると降伏し、前記スイッチング素子がオンするように設けられたアクティブクランプ回路であること
   を特徴とする電力変換装置の製造方法。
7. 電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子を直列に接続し、
   直列に接続された前記複数のスイッチング素子と並列にコンデンサを接続し、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段を設けることを含み、
   前記保護手段は、前記コンデンサと直列に接続され、前記スイッチング素子が短絡破損する電流以上の電流で溶断されるヒューズであること
   を特徴とする電力変換装置の製造方法。
8. 単位変換器が直列に接続された電力変換装置の製造方法であって、
   前記単位変換器の製造方法は、
   電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子を直列に接続し、
   直列に接続された前記複数のスイッチング素子と並列にコンデンサを接続し、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段を設けることを含み、
   複数の前記単位変換器を直列に接続することを含み、
   前記保護手段は、前記コンデンサが過電圧になると降伏し、前記スイッチング素子がオンするように設けられたアクティブクランプ回路であること
   を特徴とする電力変換装置の製造方法。
9. 単位変換器が直列に接続された電力変換装置の製造方法であって、
   前記単位変換器の製造方法は、
   電力を変換する変換回路を構成し、複数のスイッチング素子を直列に接続し、
   直列に接続された前記複数のスイッチング素子と並列にコンデンサを接続し、
   前記コンデンサを過電圧状態から保護する保護手段を設けることを含み、
   複数の前記単位変換器を直列に接続することを含み、
   前記保護手段は、前記コンデンサと直列に接続され、前記スイッチング素子が短絡破損する電流以上の電流で溶断されるヒューズであること
   を特徴とする電力変換装置の製造方法。

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