JP6345379B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

一実施形態の電力変換装置は、互いに直列に接続された複数のサブモジュールを（４０）備える。各サブモジュール（４０）において、第１の端子（４３）、第２の端子（４２）、および第３の端子（４４）は、パッケージ（４１）の表面上または表面から突出するように設けられる。第１の半導体スイッチング素子（４５）は、パッケージ（４１）に内蔵され、第１の端子（４３）と第２の端子（４２）との間に接続される。第２の半導体スイッチング素子（４６）は、パッケージ（４１）に内蔵され、第２の端子（４２）と第３の端子（４４）との間に接続される。直流コンデンサ（４９）は、パッケージ（４１）に内蔵され、第１の端子（４３）と第３の端子（４４）との間に接続される。

Description

本開示は、複数の変換器セルがカスケードに接続されることによって構成された自励式の電力変換装置に関し、たとえば、高圧直流送電、周波数変換器などに好適に用いられるものである。

電力系統に接続される大容量の電力変換装置としてモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）が知られている。モジュラーマルチレベル変換器は、交流の各相に対して、高電位側直流ノードに接続された上アーム（arm）回路と低電位側直流ノードに接続された下アーム回路とを有する。各アーム回路は、多数の変換器セルがカスケードに接続されることによって構成されている。

各変換器セルは、エネルギー蓄積器としてのコンデンサと、第１および第２の入出力ノードと、これらの入出力ノードとコンデンサとの間を接続または非接続に切替えるためのブリッジ回路とを備える。ブリッジ回路として、ハーフブリッジ型またはフルブリッジ型などが用いられる。

実際の高電圧変換器では、複数個の変換器セルでブロックを構成し、このブロックを上下方向に積み上げることによってタワーを構成する方法がよく用いられる（たとえば、特許文献１（国際公開第２０１６／１６２９１５号）の図５を参照）。この文献の場合、各ブロックは、絶縁体のトレイ（tray）内に配置されている。

国際公開第２０１６／１６２９１５号

ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルを混在させることによって各アーム回路を構成する場合がある。一例として、各アーム回路を構成する複数の変換器セルのうち半数をフルブリッジ型で構成し、半数をハーフブリッジ型で構成する場合が考えられる。この場合には、フルブリッジ型の変換器セルのみで構成されたタワーと、ハーフブリッジ型の変換器セルのみで構成されたタワーとを設けることができる。

ところが、他の例として、各アーム回路に少数（たとえば、２〜３個）のフルブリッジ型の変換器セルしか含まれていない場合には、１つのタワー内にハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを混在させなければならない。そうすると、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとでは大きさが異なるので、スペース効率の点で問題が生じる。

この開示は、上記の問題点を考慮したものであり、その目的は、スペースを効率良く使用してハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを配置することが可能なＭＭＣ方式の電力変換装置を提供することである。

なお、上記では極端な例を示したが、本開示の電力変換装置は、個数に関係なく、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとが混在している場合に広く適用することができる。

一実施形態の電力変換装置は、互いに直列に接続された複数のサブモジュールを備える。複数のサブモジュールの各々は、第１の端子、第２の端子、第３の端子、第１の半導体スイッチング素子、第２の半導体スイッチング素子、および直流コンデンサを備える。第１の端子、第２の端子、および第３の端子は、パッケージの表面上または表面から突出するように設けられる。第１の半導体スイッチング素子は、パッケージに内蔵され、第１の端子と第２の端子との間に接続される。第２の半導体スイッチング素子は、パッケージに内蔵され、第２の端子と第３の端子との間に接続される。直流コンデンサは、パッケージに内蔵され、第１の端子と第３の端子との間に接続される。複数のサブモジュールは、互いに隣接する第１のサブモジュールおよび第２のサブモジュールを含む。第１のサブモジュールの第１の端子と第２のサブモジュールの第１の端子とは、配線を介して相互に接続される。第１のサブモジュールの第３の端子と第２のサブモジュールの第３の端子とは、配線を介して相互に接続される。

上記の実施形態によれば、単一サブモジュールはハーフブリッジ型の変換器セルとして用いることができ、隣接する２つのサブモジュールは、端子間を相互に接続することよってフルブリッジ型の変換器セルとして使用することができる。したがって、スペースを効率良く使用してハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを配置することが可能になる。

電力変換装置の一例を示す概略構成図である。 交流回路と各レグ回路との接続部の変形例を示す図である。 交流回路と各レグ回路との接続部の他の変形例を示す図である。 サブモジュールの回路構成の一例を示す図である。 サブモジュールの物理的な外観を模式的に示す斜視図である。 高電位側アーム回路の構成の一例を示す回路図である。 アーム回路の物理的な外観を模式的に示す斜視図である。 アーム回路を構成するサブモジュール間の接続を説明するための図である。 図８に示すサブモジュールの配列を、ハーフブリッジ型の変換器セルおよびフルブリッジ型の変換器セルの配列に置き替えて示した図である。 図８のサブモジュール４０＿３〜４０＿６の相互の接続を模式的に示す外観図である。 図８のサブモジュール４０＿１１〜４０＿１４の相互の接続を模式的に示す外観図である。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

実施の形態１．
［電力変換装置の概略構成］
図１は、電力変換装置の一例を示す概略構成図である。図１を参照して、電力変換装置は、主回路であるレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（総称する場合または不特定のものを示す場合、レグ回路４と記載する）と、これらのレグ回路４を制御する中央制御装置３とを備える。

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各相ごとに設けられる。レグ回路４は、交流回路２０と直流回路２１との間に接続され、両回路間で電力変換を行う。図１には交流回路２０が三相交流の場合が示され、ｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられる。

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流ノード（node）Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器２２を介して交流回路２０に接続される。交流回路２０は、たとえば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流ノードＮｖ，Ｎｗと連系変圧器２２との間の接続は図示していない。

各レグ回路４に共通に設けられた直流ノードＮｐ，Ｎｎ（すなわち、高電位側直流ノードＮｐ，低電位側直流ノードＮｎ）は、直流回路２１に接続される。直流回路２１は、高圧直流送電（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）システムにおける直流電力系統、またはＢＴＢ（Back To Back）システムにおける他の電力変換装置との接続配線に相当する。

なお、ＨＶＤＣシステムは、高電圧の交流電力を直流電力に変換してから直流長距離送電を行うものである。この場合の交流／直流変換に、図１の電力変換装置１が利用される。また、ＢＴＢシステムは、交流を直流に変換する順変換と、直流を交流に変換する逆変換とを行うことによって、２つの交流回路間で電力融通を行うものである。順変換および逆変換に図１の電力変換装置１が利用される。

図１の連系変圧器２２を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流回路２０に接続した構成としてもよい。また、図２および図３に示すように、交流回路２０と各レグ回路４は、交流的に接続されていてもよい。この場合の交流回路２０と各レグ回路４との接続部の詳細な構成については後述する。

レグ回路４ｕは、高電位側直流ノードＮｐから交流ノードＮｕまでの高電位側アーム回路（上アーム回路または１次アーム回路とも称する）１０と、低電位側直流ノードＮｎから交流ノードＮｕまでの低電位側アーム回路（下アーム回路または２次アーム回路とも称する）１１とに区分される。高電位側アーム回路１０と低電位側アーム回路１１との接続点Ｎｕが変圧器２２と接続される。高電位側直流ノードＮｐおよび低電位側直流ノードＮｎが直流回路２１に接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有しているので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。

高電位側アーム回路１０は、複数のハーフブリッジ（ＨＢ：Half Bridge）型の変換器セル５と、一つまたは複数のフルブリッジ（ＦＢ：Full Bridge）型の変換器セル６と、リアクトル７ａとを含む。複数の変換器セル５と、少なくとも１つの変換器セル６と、リアクトル７ａとは互いに直列接続されている。以下、簡単のために変換器セルを単にセルと称する場合がある。ハーフブリッジ型の変換器セル５とフルブリッジ型の変換器セル６とはどのような並び順で接続されていても構わない。

同様に、低電位側アーム回路１１は、複数のハーフブリッジ型の変換器セル５と、一つまたは複数のフルブリッジ型の変換器セル６と、リアクトル７ｂとを含む。複数の変換器セル５と、少なくとも１つの変換器セル６と、リアクトル７ｂとは互いに直列接続されている。ハーフブリッジ型の変換器セル５とフルブリッジ型の変換器セル６とはどのような並び順で接続されていても構わない。

リアクトル７ａ，７ｂは、レグ回路中のセルがオンもしくはオフとなって出力電圧が急激に変化する瞬間に、または交流回路２０または直流回路２１などの故障時に、アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｎが急激に変化しないように設けられている。

リアクトル７ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの高電位側アーム回路１０のいずれの位置であってもよく、リアクトル７ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの低電位側アーム回路１１のいずれの位置であってもよい。リアクトル７ａ，７ｂはそれぞれ複数個あってもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、高電位側アーム回路１０のリアクトル７ａのみ、もしくは、低電位側アーム回路１１のリアクトル７ｂのみを設けてもよい。

図１の電力変換装置１は、さらに、制御に使用される電気量（すなわち、電流および電圧）を計測する検出器として、交流電圧検出器２３と、交流電流検出器２４と、直流電圧検出器２５ｐ，２５ｎと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂとを含む。これらの検出器によって検出された信号は、中央制御装置３に入力される。

具体的に、交流電圧検出器２３は、交流回路２０のＵ相の電圧値Ｖａｃｕ、Ｖ相の電圧値Ｖａｃｖ、およびＷ相の電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器２４は、交流回路２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器２５ｐは、直流回路２１に接続された高電位側直流ノードＮｐの電圧を検出する。直流電圧検出器２５ｎは、直流回路２１に接続された低電位側直流ノードＮｎの電圧を検出する。

また、Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、高電位側アーム回路１０に流れるアーム電流Ｉｐｕおよび低電位側アーム回路１１に流れるアーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、高電位側アーム電流Ｉｐｖおよび低電位側アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、高電位側アーム電流Ｉｐｗおよび低電位側アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。これらのアーム電流に基づいて、直流回路２１を流れる直流電流Ｉｄｃおよび各レグ回路間を循環する循環電流を計算することができる。

上記の検出器によって検出された信号は、中央制御装置３に入力される。中央制御装置３は、さらに、各セル５，６からセルキャパシタ電圧の検出値を表す信号を受信する。中央制御装置３は、上記の各検出器の検出信号とセルキャパシタ電圧の情報とに基づいて、各セル５，６の運転状態を制御するための制御指令ならびに各セル５，６を保護するための運転／停止指令（運転指令または停止指令）を各セル５，６に出力する。

なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から中央制御装置３に入力される信号の信号線ならびに中央制御装置３と各セル５との間で伝送される信号の信号線は一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびセル５，６ごとに個別に設けられている。各セル５，６と中央制御装置３との間の信号線は、送信用と受信用とが別個に設けられていてもよい。また、本実施の形態の場合、これらの信号線は耐ノイズ性の観点から光ファイバによって構成される。

中央制御装置３は、回路によって構成され、たとえば、少なくとも１つのマイクロコンピュータ、または少なくとも１つのＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、または少なくとも１つのＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって構成することができる。もしくは、中央制御装置３は、上記のいずれかを組み合わせることによって構成されていてもよい。マイクロコンピュータは、少なくとも１つのプロセッサ（たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））を含む。プロセッサは、少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能な非一時的な記憶媒体（たとえば、ハードディスクなどの磁気媒体、ＣＤ（Compact Disk）およびＤＶＤ（Digital Video Disk）などの光学媒体、半導体メモリなど）から１つ以上の命令を読み取ることによって、中央制御装置３の機能の全部または一部を実行することができる。

［交流回路と各レグ回路との接続部の変形例］
図１では、レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流ノードＮｕ，Ｎｖ，Ｎｗを介して、交流回路２０と電力変換回路部２とが直流的に接続される例を示した。これに代えて、交流回路２０と各レグ回路４は、変圧器を介して交流的に接続されていてもよい。以下、図２および図３を参照していくつかの具体例を説明する。

図２は、交流回路と各レグ回路との接続部の変形例を示す図である。図２を参照して、交流回路２０とレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗとは、三相変圧器８０Ｂを介して接続される。

図２に示すように、三相変圧器８０Ｂでは、一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗがΔ結線されている。具体的に、三相変圧器８０Ｂの一次巻線８１ｕは、交流回路２０のＵ相とＶ相の間に接続される。三相変圧器８０Ｂの一次巻線８１ｖは、交流回路２０のＶ相とＷ相との間に接続される。三相変圧器８０Ｂの一次巻線８１ｗは、交流回路２０のＷ相とＵ相との間に接続される。

三相変圧器８０Ｂの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗは、それぞれ共通の鉄心を介して一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗと磁気結合する。さらに、二次巻線８２ｕはＵ相のアーム回路１０ｕ，１１ｕと直列に接続され、二次巻線８２ｖはＶ相のアーム回路１０ｖ，１１ｖと直列に接続され、二次巻線８２ｗはＷ相のアーム回路１０ｗ，１１ｗと直列に接続される。

図２の場合、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗの各々は、各相のリアクトル７ａ，７ｂを兼ねている。図２の場合と異なり、リアクトル７ａ，７ｂとは別に三相変圧器８０Ｂの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗを設けてもよい。

なお、鉄心内に生じる直流磁束は、Δ結線された一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗに直流成分を流すことによって打ち消すことができる。

図３は、交流回路と各レグ回路との接続部の他の変形例を示す図である。図３を参照して、交流回路２０とレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗとは、３巻線の三相変圧器８０Ｃを介して接続される。

具体的に、図３の三相変圧器８０Ｃの一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗの各一端は、交流回路２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各送電線と連系変圧器２２を介してそれぞれ接続される。三相変圧器８０Ｃの一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗの各他端は共通の中性点８４と接続される。すなわち、図３の場合、一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗはＹ結線されている。

三相変圧器８０Ｃの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗは、それぞれ共通の鉄心を介して一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗと磁気結合する。図３の三相変圧器８０Ｃでは、さらに、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗとそれぞれ直列に接続された三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗが設けられている。各相の二次巻線と対応する三次巻線とは逆極性になるように接続され、共通の鉄心に巻回される。また、各相の二次巻線と対応する三次巻線との接続点は共通の中性点８１０に接続される。

さらに、二次巻線８２ｕおよび三次巻線８３ｕはＵ相のアーム回路１０ｕ，１１ｕと直列に接続される。二次巻線８２ｖおよび三次巻線８３ｖはＶ相のアーム回路１０ｖ，１１ｖと直列に接続される。二次巻線８２ｗおよび三次巻線８３ｗはＷ相のアーム回路１０ｗ，１１ｗと直列に接続される。図３の場合、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗの各々および三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗの各々は、各相のリアクトル７ａ，７ｂを兼ねている。リアクトル７ａ，７ｂとは別に三相変圧器８０Ｃの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗおよび三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗを設けてもよい。

図３の三相変圧器８０Ｃによれば、各相のアーム電流（Ｕ相：Ｉｐｕ，Ｉｎｕ、Ｖ相：Ｉｐｖ，Ｉｎｖ、Ｗ相：Ｉｐｗ，Ｉｎｗ）によって二次巻線に生じる直流起電力と三次巻線に生じる起電力とは互いに打ち消し合うため、鉄心内に直流磁束が生じないというメリットがある。

［変換器セルの具体的構成例］
本実施の形態において、ハーフブリッジ型の変換器セル５は、パッケージングされた単一のサブモジュール４０として構成される。フルブリッジ型の変換器セル６は、サブモジュール４０を２個組み合わせることによって構成される。これによって、同一形状および大きさのサブモジュール４０のみによって、ハーフブリッジ型とフルブリッジ型とが混在したアーム回路１０，１１を構成することができるというメリットがある。以下、図面を参照して説明する。

図４は、サブモジュールの回路構成の一例を示す図である。図４（Ａ）は、２個のサブモジュール４０＿１，４０＿２を組み合わせて１個のフルブリッジ型の変換器セルを構成した例を示す。なお、図４（Ａ）に示すように、複数のサブモジュール４０およびそれらの構成要素を相互に区別する場合には、参照符号の後にアンダーバーおよび識別番号を付す。

図４（Ａ）を参照して、各サブモジュール４０は、パッケージ４１、交流端子４２、正側端子４３、負側端子４４、半導体スイッチング素子４５，４６、ダイオード４７，４８、およびエネルギー蓄積器としての直流コンデンサ４９を備える。

パッケージ４１は、サブモジュール４０を構成する各種部品（半導体スイッチング素子４５，４６、ダイオード４７，４８、および直流コンデンサ４９など）を内蔵する。パッケージ４１は、たとえば、樹脂製のケースを含む。交流端子４２、正側端子４３、および負側端子４４は、パッケージ４１の表面上または表面から突出するように設けられる。

半導体スイッチング素子４５は、正側端子４３と交流端子４２と間に接続される。半導体スイッチング素子４６は、交流端子４２と負側端子４４との間に接続される。半導体スイッチング素子４５，４６として、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）などの自励式の半導体スイッチング素子が用いられる。

ダイオード４７，４８は、半導体スイッチング素子４５，４６とそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続される。ダイオード４７，４８は対応する半導体スイッチング素子４５，４６に逆方向電圧が印加されたときの電流経路確保のために設けられている。

直流コンデンサ４９は、正側端子４３と負側端子４４との間に接続される。したがって、直流コンデンサ４９は、互いに直列接続された半導体スイッチング素子４５，４６と並列に接続される。

図示のように、２個のサブモジュール４０＿１，４０＿２によってフルブリッジ型の変換器セル６が構成される場合、一方のサブモジュール４０＿１の正側端子４３＿１と他方のサブモジュール４０＿２の正側端子４３＿２とが配線６０を介して接続される。さらに、一方のサブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１と他方のサブモジュール４０＿２の負側端子４４＿２とが配線６１を介して接続される。サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１およびサブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２は低電位側で隣接する他の素子等との接続に用いられる。

上記の配線６０，６１として、たとえば、ブスバーと称される導体棒または導体板を用いることができるが、これに限定されるものではない。たとえば、裸電線、金属パイプなどを用いてもよい。

図４（Ｂ）は図４（Ａ）に対応する等価回路図である。図４（Ｂ）の等価回路図では、図４（Ａ）に示す互いに連結された正側端子４３＿１，４３＿２は、１つの正側ノード４３Ａに置換されている。図４（Ａ）に示す互いに連結された負側端子４４＿１，４４＿２は、１つの負側ノード４４Ａに置換されている。図４（Ａ）に示す並列接続された直流コンデンサ４９＿１，４９＿２は、１個の直流コンデンサ５０に置換されている。図４（Ｂ）から明らかなように、図４（Ａ）に示す端子間の接続によってフルブリッジ型の変換器セル６が構成できていることがわかる。

図５は、サブモジュールの物理的な外観を模式的に示す斜視図である。以下の説明において、前後方向をＸ方向と、左右方向（または横方向）をＹ方向とし、上下方向（または縦方向）をＺ方向とする。

図５（Ａ）は、単一のサブモジュール４０の外観の一例を示す。図５（Ａ）の例では、サブモジュール４０は、Ｘ方向が長手方向である略直方体形状のパッケージ４１を有する。パッケージ４１の正面（＋Ｘ方向側の面）に交流端子４２、正側端子４３、負側端子４４が設けられている。図５（Ａ）の場合には、上から正側端子４３、交流端子４２、負側端子４４の順に並んでいる。ただし、この並び順は一例であって、これに限定されるものではない。

図５（Ｂ）は、２個のサブモジュール４０＿１，４０＿２を組み合わせて１個のフルブリッジ型の変換器セルを構成した場合の外観図を示す。

図５（Ｂ）を参照して、サブモジュール４０＿１，４０＿２は左右方向に並んで配置される。これによって、各サブモジュール４０に設けられた端子は共通の正面側に向けて配置される。図示のように、一方のサブモジュール４０＿１の正側端子４３＿１と他方のサブモジュール４０＿２の正側端子４３＿２とが配線６０を介して接続される。さらに、一方のサブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１と他方のサブモジュール４０＿２の負側端子４４＿２とが配線６１を介して接続される。図５（Ｂ）の場合、配線６０，６１としてブスバーと称される導体棒が用いられている。

上述した図５の構成は一例であって、サブモジュール４０のパッケージ４１の形状、およびパッケージ４１の表面上での交流端子４２、正側端子４３、および負側端子４４の配置は図５の例に限定されるものでない。たとえば、後述するように正側端子４３はフルブリッジ型の変換器セルを構成する２個のサブモジュール４０間の接続だけにしか用いられない。したがって、図５（Ａ）において、交流端子４２および負側端子４４をパッケージ４１の正面（＋Ｘ側の面）に配置し、正側端子４３をパッケージ４１の背面（−Ｘ側の面）に配置してもよい。

［アーム回路の具体的構成例］
次に、複数のサブモジュールを連結することによって構成されるアーム回路の構成例について説明する。

図６は、高電位側アーム回路の構成の一例を示す回路図である。図６（Ａ）の回路図は、フルブリッジ型の変換器セルが直流回路２１に接続される高電位側の直流線路２６ｐに近接して配置された例を示す。図６（Ｂ）の回路図は、フルブリッジ型の変換器セルが交流回路２０に接続される交流線路２７に近接して配置された例を示す。図６（Ｃ）の回路図は、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとが混在して配置された例を示す。また、いずれの例においても、高電位側からサブモジュール４０＿１，４０＿２，４０＿３，…の順番で、複数のサブモジュール４０が配列されている。

図６（Ａ）を参照して、サブモジュール４０＿１，４０＿２によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。さらに、サブモジュール４０＿３，４０＿４によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。サブモジュール４０＿５は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。

この場合、サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１は直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２とサブモジュール４０＿３の交流端子４２＿３とが配線を介して接続される。サブモジュール４０＿４の交流端子４２＿４とサブモジュール４０＿５の交流端子４２＿５とが配線を介して接続される。

図６（Ｂ）を参照して、サブモジュール４０＿１〜４０＿３は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。

この場合、サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１は直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１とサブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２とが配線を介して接続される。サブモジュール４０＿２の負側端子４４＿２とサブモジュール４０＿３の交流端子４２＿３とが配線を介して接続される。

このように、サブモジュール４０がハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる場合には、交流端子４２および負側端子４４が隣接する素子との接続に用いられる。正側端子４３は接続に用いられない。

図６（Ｃ）を参照して、サブモジュール４０＿１は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。サブモジュール４０＿２，４０＿３によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。サブモジュール４０＿４は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。

この場合、サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１は直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１とサブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２とが配線を介して接続される。サブモジュール４０＿３の交流端子４２＿３とサブモジュール４０＿４の交流端子４２＿４とが配線を介して接続される。

以上をまとめると、互いに隣接する２個のサブモジュール４０によってフルブリッジ型の変換器セルを構成した場合には、一方のサブモジュール４０の交流端子４２と他方のサブモジュール４０の交流端子４２とがそれぞれ隣接する外部の素子との接続に用いられる。また、図４および図５で説明したように、フルブリッジ型の変換器セルを構成する２個のサブモジュール４０では、正側端子４３同士が接続され、負側端子４４同士が接続される。

一方、単一のサブモジュール４０によってハーフブリッジ型の変換器セルを構成した場合には、交流端子４２および負側端子４４が隣接する外部の素子との接続に用いられる。正側端子４３は用いられない。

図７は、アーム回路の物理的な外観を模式的に示す斜視図である。図７の例では、複数のサブモジュール４０が横方向（Ｙ方向）に並べられることよってブロックが構成され、各ブロックはトレイ（tray）状の絶縁性容器３１内に配置されている。そして、複数の容器３１が上下方向に積み上げられることによってタワー３０が構成されている。

各絶縁性容器３１は、図７の例では、略長方形状の底板３５と、底板３５の周縁部から起立する側板３４によって構成される。最下段の絶縁性容器３１は、床面上に起立する複数の支柱３２によって支持されている。最下段よりも上段の絶縁性容器３１の各々は、一段下の絶縁性容器３１から起立する複数の支柱３３によって支持されている。

具体的に図７の例では、２個のタワー３０＿１，３０＿２によってアーム回路が構成される。タワー３０＿１は５個の絶縁性容器３１＿１〜３１＿５を備え、タワー３０＿２は５個の絶縁性容器３１＿１１〜３１＿１５を備える。各絶縁性容器３１には８個のサブモジュール４０が横方向（Ｙ方向）に並ぶように配置されている。無論、これらの個数は一例であってこれに限られるものではない。

図示のように、各サブモジュール４０の形状が同一であるので、スペースを有効に利用してサブモジュール４０を配置することができる。次に、具体例を挙げて、サブモジュール４０間の接続について詳しく説明する。

［アーム回路を構成するサブモジュール間の接続の具体例］
図８は、アーム回路を構成するサブモジュール間の接続を説明するための図である。

図８では、高電位側アーム回路１０が３段の絶縁性容器３１＿１〜３１＿３を備えるタワー３０によって構成される例が示されている。各絶縁性容器３１には６個のサブモジュール４０が配列されている。具体的に、絶縁性容器３１＿１には６個のサブモジュール４０＿１〜４０＿６が配列され、絶縁性容器３１＿２には６個のサブモジュール４０＿７〜４０＿１２が配列され、絶縁性容器３１＿３には６個のサブモジュール４０＿１３〜４０＿１８が配列される。サブモジュール４０＿１が最も高電位側であり、サブモジュール４０＿１８が最も低電位側である。

なお、各サブモジュール４０が横方向に配列されることによって、各サブモジュール４０の正面に端子（すなわち、正側端子４３、交流端子４２、負側端子４４）が設けられている。これによって、隣接するサブモジュール４０間の接続が容易になっている。

図９は、図８に示すサブモジュールの配列を、ハーフブリッジ型の変換器セルおよびフルブリッジ型の変換器セルの配列に置き替えて示した図である。図８および図９に示す例では、サブモジュール４０＿１，４０＿２によってフルブリッジ型の変換器セルが構成され、サブモジュール４０＿３，４０＿４によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。その他の各サブモジュール４０は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして使用される。

次に、図８を参照して、各サブモジュール間に接続について具体的に説明する。まず、フルブリッジ型の変換器セルを構成するサブモジュール４０＿１とサブモジュール４０＿２とは、正側端子４３同士が接続され、負側端子４４同士が接続される。サブモジュール４０＿１の交流端子４２は直流回路の高電位側の直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿２の交流端子４２は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿３の交流端子４２と接続される。

同様に、フルブリッジ型の変換器セルを構成するサブモジュール４０＿３とサブモジュール４０＿４とは、正側端子４３同士が接続され、負側端子４４同士が接続される。サブモジュール４０＿３の交流端子４２は、高電位側に隣接するサブモジュール４０＿２の交流端子４２と接続される。サブモジュール４０＿４の交流端子４２は低電位側に隣接するサブモジュール４０＿５の交流端子４２と接続される。

サブモジュール４０＿５〜４０＿１８の各々はハーフブリッジ型の変換器セルを構成する。この場合、各サブモジュール４０の交流端子４２は、高電位側に隣接するサブモジュール４０がハーフブリッジ型の変換器セルを構成する場合にはそのサブモジュール４０の負側端子４４に接続される。また、サブモジュール４０の交流端子４２は、高電位側に隣接するサブモジュール４０がフルブリッジ型の変換器セルを構成する場合にはそのサブモジュール４０の交流端子４２に接続される。

一方、ハーフブリッジ型の変換器セルを構成する各サブモジュール４０の負側端子４４は、低電位側に隣接するサブモジュール４０の交流端子４２に接続される。低電位側に隣接するサブモジュール４０がハーフブリッジ型の変換器セルを構成するか、フルブリッジ型の変換器セルを構成するかによる違いはない。場合も、なお、最も低電位側のサブモジュール４０＿１８の負側端子４４は、交流回路２０の交流線路２７と接続される。

図１０は、図８のサブモジュール４０＿３〜４０＿６の相互の接続を模式的に示す外観図である。

図８および図１０を参照して、フルブリッジ型の変換器セルを構成する互いに隣接するサブモジュール４０＿３および４０＿４に関して、正側端子４３＿３および４３＿４がブスバー６２を介して相互に接続されるともに、負側端子４４＿３および４４＿４がブスバー６３を介して相互に接続される。

サブモジュール４０＿４よりも低電位側のサブモジュール４０＿５，４０＿６の各々は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。この場合、サブモジュール４０＿５の交流端子４２＿５は、高電位側に隣接するフルブリッジ型変換器セルを構成するサブモジュール４０＿４の交流端子４２＿４とブスバー６４を介して接続される。サブモジュール４０＿５の負側端子４４＿５は、低電位側に隣接するハーフブリッジ型変換器セルを構成するサブモジュール４０＿６の交流端子４２＿６とブスバー６５を介して接続される。

図１１は、図８のサブモジュール４０＿１１〜４０＿１４の相互の接続を模式的に示す外観図である。

図８および図１１を参照して、サブモジュール４０＿１１〜４０＿１４の各々は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。この場合、サブモジュール４０＿１１の負側端子４４＿１１は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿１２の交流端子４２＿１２とブスバー６６を介して接続される。サブモジュール４０＿１２の負側端子４４＿１２は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿１３の交流端子４２＿１３とブスバー６７を介して接続される。サブモジュール４０＿１３の負側端子４４＿１３は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿１４の交流端子４２＿１４とブスバー６８を介して接続される。

ここで、サブモジュール４０＿１３は、サブモジュール４０＿１２が配置されている絶縁性容器３１＿２よりも下段の絶縁性容器３１＿３に配置されている。したがって、両者を接続するブスバー６７は絶縁性容器３１＿２の側板を迂回するように比較的長い経路で接続されている。

［効果］
以上のとおり、本実施の形態の電力変換装置によれば、ハーフブリッジ型の変換器セルは、パッケージングされた単一のサブモジュール４０として構成され、フルブリッジ型の変換器セルは、上記のサブモジュール４０を２個組み合わせることによって構成される。これによって、同一形状および大きさのサブモジュール４０のみによって、ハーフブリッジ型とフルブリッジ型とが混在したアーム回路を構成することができる。このため、スペースを効率良く使用してハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを配置することが可能なＭＭＣ方式の電力変換装置を提供することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電力変換装置、２ 電力変換回路部、３ 中央制御装置、４ｕ，４ｖ，４ｗ レグ回路、５ ハーフブリッジ型の変換器セル、６ フルブリッジ型の変換器セル、７ａ，７ｂ リアクトル、９ａ，９ｂ アーム電流検出器、１０ 高電位側アーム回路、１１ 低電位側アーム回路、２０ 交流回路、２１ 直流回路、２２ 連系変圧器、２３ 交流電圧検出器、２４ 交流電流検出器、２５ｎ，２５ｐ 直流電圧検出器、３０ タワー、３１ 絶縁性容器、４０ サブモジュール、４１ パッケージ、４２ 交流端子、４３ 正側端子、４４ 負側端子、４５，４６ 半導体スイッチング素子、４７，４８ ダイオード、４９，５０ 直流コンデンサ、Ｎｎ 低電位側直流ノード、Ｎｐ 高電位側直流ノード、Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ 交流ノード。

Claims (6)

1. モジュラーマルチレベル変換方式の電力変換装置であって、
   互いにカスケードに接続された複数の変換器セルを備え、
   前記複数の変換器セルは、
   １つまたは複数のフルブリッジ型の変換器セルと、
   複数のハーフブリッジ型の変換器セルとを含み、
   前記複数のハーフブリッジ型の変換器セルの各々は１個のサブモジュールを含み、前記１つまたは前記複数のフルブリッジ型の変換器セルの各々は２個のサブモジュールを含み、
   各前記サブモジュールは、
   パッケージの表面上または表面から突出するように設けられた、第１の端子、第２の端子、および第３の端子と、
   前記パッケージに内蔵され、前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続された第１の半導体スイッチング素子と、
   前記パッケージに内蔵され、前記第２の端子と前記第３の端子との間に接続された第２の半導体スイッチング素子と、
   前記パッケージに内蔵され、前記第１の端子と前記第３の端子との間に接続された直流コンデンサとを備え、
   前記複数の変換器セルに含まれるフルブリッジ型の第１の変換器セルは、前記２個のサブモジュールとして、第１のサブモジュールおよび第２のサブモジュールを含み、
   前記第１のサブモジュールの前記第１の端子と前記第２のサブモジュールの前記第１の端子とは、配線を介して相互に接続され、
   前記第１のサブモジュールの前記第３の端子と前記第２のサブモジュールの前記第３の端子とは、配線を介して相互に接続され、
   前記第１のサブモジュールの前記第２の端子は、第２の変換器セルとの接続に用いられ、
   前記第２のサブモジュールの前記第２の端子は、前記第２の変換器セルと異なる第３の変換器セルとの接続に用いられる、電力変換装置。
2. 前記第３の変換器セルは、第３のサブモジュールを含むハーフブリッジ型の変換器セルであり、
   前記第２のサブモジュールの前記第２の端子と前記第３のサブモジュールの前記第２の端子とは、配線を介して相互に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第２の変換器セルは、第４のサブモジュールを含むハーフブリッジ型の変換器セルであり、
   前記第４のサブモジュールの前記第３の端子と前記第１のサブモジュールの前記第２の端子とは、配線を介して相互に接続される、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数の変換器セルは、さらに、
   第５のサブモジュールを含むハーフブリッジ型の第４の変換器セルと、
   前記第５のサブモジュールに隣接する第６のサブモジュールを含むハーフブリッジ型の第５の変換器セルとを含み、
   前記第５のサブモジュールの前記第３の端子と前記第６のサブモジュールの前記第２の端子とは、配線を介して相互に接続される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記複数の変換器セルは、複数のブロックに分割され、
   前記電力変換装置は、複数の絶縁性容器をさらに備え、
   各前記絶縁性容器には、対応する前記ブロックを構成する複数のサブモジュールが収納され、
   前記複数の絶縁性容器は上下方向に積み上げられることによってタワーを構成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記複数の絶縁性容器のうちの少なくとも１つに、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとが混在して収納される、請求項５に記載の電力変換装置。

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