JP6611954B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
また、上記単相フルブリッジ変換器の代わりに三相ブリッジ変換器を2台使用し、各々の交流端子を三相変圧器を介して接続することでも同様にDC/DC変換が可能な電力変換装置が実現される(例えば、特許文献1)。
上記第1、第2スイッチング回路の上記各レグ内の少なくとも1つの半導体スイッチング素子のゲート駆動回路は、該半導体スイッチング素子の故障を検知する故障検知部を有する。上記制御回路は、通常運転モードと、上記第1スイッチング回路内の上記半導体スイッチング素子を全てオフする保護モードと、上記第2スイッチング回路内の所定のレグ内の上記半導体スイッチング素子をオンして上記コンデンサを放電させる放電モードと、上記二次側端子間を短絡させて上記コンデンサをバイパスするバイパスモードとを備える。上記各DC/DCコンバータにおいて、上記故障検知部が上記半導体スイッチング素子の上記故障を検知すると、上記制御回路は、上記通常運転モードを停止して、上記第1スイッチング回路を上記保護モードで制御すると共に、上記第2スイッチング回路を上記放電モードで制御した後、上記バイパスモードで制御する。
以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の概略構成を示す図である。図に示すように、電力変換装置100は、一次側直流端子11a、11bと二次側直流端子12a、12bとの間に、DC/DCコンバータとしてのサブモジュール10を複数台備える。複数のサブモジュール10は、一次側端子1a、1bが並列接続されて一次側直流端子11a、11bと接続され、二次側端子2a、2bが二次側直流端子12a、12b間で直列接続される。
このように電力変換装置100は、一次側において、サブモジュール10を並列接続することで、大電流の電力を取り扱うことができ、二次側において、サブモジュール10を直列接続することで、高電圧の電力を取り扱うことができる。そして、低電圧の直流電力を高電圧の直流電力に変換することができる。
なお、サブモジュール10の数は、複数であれば良い。
各サブモジュール10は、このように構成されて一次側と二次側との間で電力変換を行う。なお、電力伝送方向については自由に制御可能である。
また、これ以後、サブモジュール10を図示する際、特に必要がない場合は、制御回路20の図示を便宜上省略する。
第1スイッチング回路4は、それぞれダイオードD11〜D16が逆並列接続された複数の半導体スイッチング素子Q11〜Q16(以下、単にQ11〜Q16あるいは半導体スイッチング素子Q1と称す)を有する三相ブリッジ回路で、各相2つの半導体スイッチング素子Q1を直列接続した3つのレグ(Q11,Q12)、(Q13,Q14)、(Q15,Q16)から成る。各レグの両端(直流端)はコンデンサ6に接続され、各レグの中間点(交流端)はトランス3の一次巻線に接続される。
第2スイッチング回路5は、それぞれダイオードD21〜D26が逆並列接続された複数の半導体スイッチング素子Q21〜Q26(以下、単にQ21〜Q26あるいは半導体スイッチング素子Q2と称す)を有する三相ブリッジ回路で、各相2つの半導体スイッチング素子Q2を直列接続した3つのレグ(Q21,Q22)、(Q23,Q24)、(Q25,Q26)から成る。各レグの両端(直流端)はコンデンサ7に接続され、各レグの中間点(交流端)はトランス3の二次巻線に接続される。
なお、トランス3の漏れインダクタンスのみを電力変換に使用するものに限らず、追加のインダクタンスを接続してもよい。
トランス3の巻数比は、一次側直流電圧であるコンデンサ6の電圧と、二次側直流電圧であるコンデンサ7の電圧との比率に合わせるのが好ましい。例えば、サブモジュール10の入力電圧が1kVで出力電圧が3kVの場合、トランス3の巻数比は1:3とする。
また、第2スイッチング回路5内の半導体スイッチング素子Q2は、防爆構造で構成されるのが望ましい。この防爆構造とは、半導体スイッチング素子Q2が故障、例えば爆発しても、故障により飛び散る破損片で他の半導体素子が破損するのを防止する構造である。具体的には、例えば、半導体スイッチング素子Q2の半導体モジュールを金属や樹脂などの機械的強度の強いもので覆う。
図3は、第1、第2スイッチング回路4、5内の半導体スイッチング素子Q1、Q2のゲート駆動回路の例である。第1スイッチング回路4内の半導体スイッチング素子Q1のゲート駆動回路30aを図3(a)に、第2スイッチング回路5内の半導体スイッチング素子Q2のゲート駆動回路30bを図3(b)に示す。
図3(a)に示すように、第1スイッチング回路4内の半導体スイッチング素子Q1のゲート駆動回路30aは、制御回路20からの駆動信号21aに基づいてゲート信号を生成する信号生成部31と、半導体スイッチング素子Q1の故障を検知する故障検知部32と、故障を検知すると半導体スイッチング素子Q1を遮断する遮断部33とを備える。
なお、遮断部33の抵抗39は、半導体スイッチング素子Q1を通常のオフ制御する際に用いられる抵抗(図示省略)に比べて、抵抗値を大きく設定する。これにより、遮断時に発生するサージ電圧を抑制するソフト遮断を実現できる。
1つのレグにおいて、一方の半導体スイッチング素子が故障すると、その故障した半導体スイッチング素子は導通状態を継続し、他方の健全な半導体スイッチング素子がオンした際に、コンデンサを短絡してしまうことで大きな過電流が発生する。そして、このような過電流が10μs継続すると、健全な半導体スイッチング素子も故障して導通状態を継続し、コンデンサを短絡し続けてしまう。
「アーム短絡保護」とは、この過電流を検出することで半導体スイッチング素子の故障を検知し、健全な半導体スイッチング素子を故障する前にオフすることで、過電流から健全な半導体スイッチング素子を保護し、コンデンサの短絡状態を解消する。
サブモジュール10内の制御回路20は、駆動信号21a、21bを生成して上記第1、第2スイッチング回路4、5内の半導体スイッチング素子Q1、Q2のオン/オフを制御することで、送電電力を制御することができる。通常運転時の制御は、例えば公知の位相シフト制御を用いる。この通常運転時の制御方法については、例えば、非特許文献「R.W.A.A.De Doncker,D.M.Divan,and M.H.Kheraluwala,“A Three−phase Soft−Switched High−Power−Density dc/dc Converter for High−Power Applications” IEEE Transactions on Industry Applications,vol.27,no.1,January/February,1991.」などに記載されているので、詳細な説明は省略する。
電力変換装置100内の複数のサブモジュール10は一次側が並列接続されているので、何れかのサブモジュール10内において、故障によりレグがアーム短絡してしまうと、他の健全なサブモジュール10の一次側端子1a、1bも短絡されてしまう。即ち、一次側直流端子11a、11bの端子電圧が零となって継続運転できない。
このため、故障した半導体スイッチング素子Q1、Q2を含むサブモジュール10の一次側のレグをすべて開放(オフ)することにより、一次側の入出力を全体の電力変換装置100から切り離す。即ち、故障が検知されたサブモジュール10において、制御回路20は保護モードにより、第1スイッチング回路4内の第1半導体スイッチング素子Q1を全てオフする。なお、故障によりオフできずにオン状態を継続する半導体スイッチング素子Q1は、他の半導体スイッチング素子Q1がオフすることにより電流が遮断される。
このため、故障したサブモジュール10の二次側端子2a、2b間を短絡してコンデンサ7をバイパスさせることにより、二次側の入出力を全体の電力変換装置100から切り離す。但し、以下に示すように、コンデンサ7をバイパスさせるのに先立って、コンデンサ7を放電させる。
この際、コンデンサ7の蓄積エネルギはすべて放電レグ内の半導体スイッチング素子Q2に流入するため、半導体スイッチング素子Q2は爆発する可能性がある。上述したように、第2スイッチング回路5内の半導体スイッチング素子Q2に防爆構造を採用することで、他の素子および部品が破損するのが防止できる。
なお、放電レグには、故障した半導体スイッチング素子Q2を含まない健全レグを用いるが、放電に用いた後には故障する。
例えば、故障したサブモジュール10の第2スイッチング回路5の駆動電源を、近接する他のサブモジュール10の二次側のコンデンサ7から供給してもよい。この場合、故障したサブモジュール10の第2スイッチング回路5のゲート駆動回路30bの電位と、近接する他のサブモジュール10のコンデンサ7の電位が近いので、電源回路を低い絶縁で実現することができる。
あるいは、故障したサブモジュール10の第2スイッチング回路5の駆動電源を、同じサブモジュール10内の一次側のコンデンサ6から供給してもよい。この場合、電源回路は一次側と二次側との電位差の絶縁が必要とされるが、一次側のコンデンサ6には常に電圧が印加されているので、信頼性を高めることができる。
通常運転モードでサブモジュール10が動作中に、第1スイッチング回路4内のQ11が故障すると(図4)、Q11と直列接続されるQ12のゲート駆動回路30aの故障検知部32が短絡電流を検知して検知信号40を制御回路20に送信すると共に、Q12はオフ動作(ソフト遮断)に移行する(図5)。
制御回路20は、検知信号40を受信してサブモジュール10は故障したと判断し、全ての半導体スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に制御する(図6)。なお、この場合、一旦、一次側および二次側の全ての半導体スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に制御しているが、この制御は省略しても良い。
コンデンサ7の放電が完了すると、制御回路20は、第1スイッチング回路4では保護モードを継続させ、第2スイッチング回路5では、バイパスモードに移行し、即ち、バイパスレグ(Q23,Q24)のQ23、Q24をオン状態に制御する。これにより、二次側端子2a、2bはバイパスレグ(Q23,Q24)を通るバイパス経路BPにより短絡されコンデンサ7はバイパスされる(図8)。なお、バイパスレグは、第2スイッチング回路5内の故障していないレグを用いる。放電レグは放電に用いた後に故障するため、バイパスレグには用いない。
例えば、サブモジュール10の合計台数をn台、故障したサブモジュール10の合計台数をm(m<n)台とすると、電力変換装置100の二次側直流端子12a、12bの端子電圧は、故障がない場合に対して(n−m)/n倍になり、電力変換装置100の送電電力も、故障がない場合に対して(n−m)/n倍になる。このため、m台のサブモジュール10が故障した際には、他の健全な(n−m)台のサブモジュール10は、それぞれ二次側端子2a、2bの電圧指令値をn/(n−m)倍に制御する、あるいは、それぞれの電力指令値をn/(n−m)倍に制御する。これにより、電力変換装置100は所望の運転を継続できる。
またこの場合、バイパスレグについては必ず健全レグを用いるが、放電レグについては、故障した半導体スイッチング素子Q2を含むレグを用いることも可能である。半導体スイッチング素子の故障の多くの場合は、オン状態を継続するものであり、その場合、故障した半導体スイッチング素子Q2を含むレグを放電レグに用いることができる。
また、上記実施の形態では、故障検知部32は短絡電流を検知する例を示したが、半導体スイッチング素子Q1、Q2にオン信号が入力してもオンしない故障等、他の故障も検知でき、同様の効果を得られる。
次に、この発明の実施の形態2について説明する。
上記実施の形態1では、三相ブリッジ回路から成る第1、第2スイッチング回路4、5を有するサブモジュール10を用いたが、この実施の形態2では、サブモジュールの第1、第2スイッチング回路に単相フルブリッジ回路を用いる。
各サブモジュール10aは、単相のトランス3aと、トランス3aと一次側端子1a、1bとの間に接続されて直流/交流間で電力変換する第1スイッチング回路4aと、トランス3aと二次側端子2a、2bとの間に接続されて直流/交流間で電力変換する第2スイッチング回路5aと、一次側端子1a、1bに並列接続されたコンデンサ6と、二次側端子2a、2bに並列接続されたコンデンサ7とを備える。各サブモジュール10aは、さらに制御回路20aを備え、制御回路20aが駆動信号21a、21bを生成して第1スイッチング回路4aおよび第2スイッチング回路5aを制御する。
これ以後、サブモジュール10aを図示する際、特に必要がない場合は、制御回路20aの図示を便宜上省略する。
第2スイッチング回路5aは、それぞれダイオードD21〜D24が逆並列接続された複数の半導体スイッチング素子Q21〜Q24(以下、単にQ21〜Q24あるいは半導体スイッチング素子Q2と称す)を有する単相フルブリッジ回路で、各相2つの半導体スイッチング素子Q2を直列接続した2つのレグ(Q21,Q22)、(Q23,Q24)から成る。各レグの両端(直流端)はコンデンサ7に接続され、各レグの中間点(交流端)はトランス3aの二次巻線に接続される。また、各半導体スイッチング素子Q2のゲート駆動回路30bは、上記実施の形態1と同様の構成とする。
その他の構成は、上記実施の形態1と同様である。
通常運転モードでサブモジュール10aが動作中に、第2スイッチング回路5a内のQ21が故障すると(図10)、Q21と直列接続されるQ22がオン状態に移行すると、Q22のゲート駆動回路30bの故障検知部32が短絡電流を検知して検知信号40を制御回路20aに送信する。そして、コンデンサ7はQ21、Q22を介して放電を開始する。そして、このQ21、Q22から成るレグ(Q21,Q22)が放電レグとなる(図11)。
コンデンサ7の放電が完了すると、制御回路20aは、第1スイッチング回路4aでは保護モードを継続させ、第2スイッチング回路5aでは、バイパスモードに移行し、即ち、バイパスレグ(Q23,Q24)のQ23、Q24をオン状態に制御する。これにより、二次側端子2a、2bはバイパスレグ(Q23,Q24)を通るバイパス経路BPにより短絡されコンデンサ7はバイパスされる(図13)。なお、バイパスレグは、第2スイッチング回路5内の健全レグ、即ち放電レグとは異なるレグを用いる。
通常運転モードでサブモジュール10aが動作中に、第1スイッチング回路4a内のQ11が故障すると(図14)、Q11と直列接続されるQ12のゲート駆動回路30aの故障検知部32が短絡電流を検知して検知信号40を制御回路20aに送信すると共に、Q12はオフ動作(ソフト遮断)に移行する(図15)。
制御回路20aは、検知信号40を受信してサブモジュール10aは故障したと判断し、全ての半導体スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に制御する(図16)。なお、この場合、一旦、一次側および二次側の全ての半導体スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に制御しているが、この制御は省略しても良い。
コンデンサ7の放電が完了すると、制御回路20aは、第1スイッチング回路4aでは保護モードを継続させ、第2スイッチング回路5aでは、バイパスモードに移行し、即ち、バイパスレグ(Q23,Q24)のQ23、Q24をオン状態に制御する。これにより、二次側端子2a、2bはバイパスレグ(Q23,Q24)を通るバイパス経路BPにより短絡されコンデンサ7はバイパスされる(図18)。なお、バイパスレグは、第2スイッチング回路5a内の健全レグ、即ち放電レグとは異なるレグを用いる。
次に、この発明の実施の形態3について説明する。
この実施の形態3では、各サブモジュールが、二次側端子2a、2bを短絡させて二次側のコンデンサ7をバイパスするバイパススイッチを備える。
図19は、この実施の形態3の電力変換装置100内のサブモジュール10bの詳細構成を示す回路図である。
図に示すように、各サブモジュール10bは、上記実施の形態2と同様のトランス3aと、第1、第2スイッチング回路4a、5aと、コンデンサ6、7とを備え、さらに、二次側のコンデンサ7に並列接続されるバイパススイッチ8を備える。このバイパススイッチ8は導通状態でラッチするような機械スイッチを用いる。
各サブモジュール10bは、さらに制御回路20bを備え、制御回路20bは、駆動信号21a、21bを生成して第1スイッチング回路4aおよび第2スイッチング回路5aを制御すると共に、制御信号21cを生成してバイパススイッチ8の導通状態を制御する。
その他の構成は、上記実施の形態2と同様である。
これ以後、サブモジュール10bを図示する際、特に必要がない場合は、制御回路20bの図示を便宜上省略する。
通常運転モードでサブモジュール10bが動作中に、第1スイッチング回路4a内のQ11が故障すると(図20)、Q11と直列接続されるQ12のゲート駆動回路30aの故障検知部32が短絡電流を検知して検知信号40を制御回路20bに送信すると共に、Q12はオフ動作(ソフト遮断)に移行する(図21)。
制御回路20bは、検知信号40を受信してサブモジュール10bは故障したと判断し、全ての半導体スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に制御する(図22)。なお、この場合、一旦、一次側および二次側の全ての半導体スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に制御しているが、この制御は省略しても良い。
コンデンサ7の放電が完了すると、制御回路20bは、第1スイッチング回路4aでは保護モードを継続させ、第2スイッチング回路5aでは、バイパスモードに移行し、即ち、バイパススイッチ8を導通状態に制御する。これにより、二次側端子2a、2bはバイパススイッチ8を通るバイパス経路BPにより短絡されコンデンサ7はバイパスされる(図24)。
この場合も、上記実施の形態3と同様の効果を得ることができる。
次に、この発明の実施の形態4について説明する。
図26は、この実施の形態4の電力変換装置100内のサブモジュール10dの詳細構成を示す回路図である。実施の形態4は、先に説明した実施の形態3に類似しており、以下、実施の形態3に対する実施の形態4の相違点を中心に説明する。
Claims (15)
- 複数のDC/DCコンバータを一次側端子を並列接続し二次側端子を直列接続し、
上記各DC/DCコンバータは、
トランスと、
それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を有する複数のレグによるブリッジ回路で構成され、上記一次側端子と上記トランスの一次巻線との間に接続されて、直流/交流間で電力変換する第1スイッチング回路と、
それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を有する複数のレグによるブリッジ回路で構成され、上記二次側端子と上記トランスの二次巻線との間に接続されて、直流/交流間で電力変換する第2スイッチング回路と、
上記二次側端子に並列接続されたコンデンサと、
上記第1スイッチング回路および上記第2スイッチング回路を制御する制御回路とを備えた電力変換装置において、
上記第1、第2スイッチング回路の上記各レグ内の少なくとも1つの半導体スイッチング素子のゲート駆動回路は、該半導体スイッチング素子の故障を検知する故障検知部を有し、
上記制御回路は、通常運転モードと、上記第1スイッチング回路内の上記半導体スイッチング素子を全てオフする保護モードと、上記第2スイッチング回路内の所定のレグ内の上記半導体スイッチング素子をオンして上記コンデンサを放電させる放電モードと、上記二次側端子間を短絡させて上記コンデンサをバイパスするバイパスモードとを備え、
上記各DC/DCコンバータにおいて、上記故障検知部が上記半導体スイッチング素子の上記故障を検知すると、上記制御回路は、上記通常運転モードを停止して、上記第1スイッチング回路を上記保護モードで制御すると共に、上記第2スイッチング回路を上記放電モードで制御した後、上記バイパスモードで制御する、
電力変換装置。 - 上記制御回路は、上記バイパスモードにおいて、上記第2スイッチング回路内で上記放電モードで用いた上記所定のレグと異なるレグ内の上記半導体スイッチング素子をオンして上記二次側端子間を短絡させる請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記バイパスモードにおいて、上記第2スイッチング回路で用いられる上記レグは、上記故障を検知された上記半導体スイッチング素子を含まない健全レグであり、該レグ内の全ての半導体スイッチング素子がオンする請求項2に記載の電力変換装置。
- 上記各DC/DCコンバータは、上記コンデンサに並列接続されるバイパススイッチを備え、
上記制御回路は、上記バイパスモードにおいて、上記バイパススイッチを導通状態に制御して上記バイパススイッチを介して上記二次側端子間を短絡させる請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記故障は上記半導体スイッチング素子が導通状態を維持する故障であって、
上記放電モードにおいて、上記第2スイッチング回路で用いられる上記所定のレグは上記故障を検知された上記半導体スイッチング素子を含み、該所定のレグ内の他の半導体スイッチング素子がオンする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記放電モードにおいて、上記第2スイッチング回路内の全レグを上記所定のレグとする請求項4に記載の電力変換装置。
- 上記故障検知部は、当該レグ内の2つのアームが短絡したことを上記故障として検知する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記第1スイッチング回路において、上記故障検知部を有する上記ゲート駆動回路は、当該半導体スイッチング素子を遮断する遮断部を有する請求項7に記載の電力変換装置。
- 上記保護モードにおいて、上記第1スイッチング回路内で上記故障が検知された半導体スイッチング素子を除く全ての上記半導体スイッチング素子がオフする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記放電モードにおいて上記コンデンサの放電が完了した後に上記バイパスモードに移行する請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記第2スイッチング回路内の上記半導体スイッチング素子は防爆構造を備える請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記複数のDC/DCコンバータ内の上記各制御回路は、他のDC/DCコンバータで上記故障が検知されると、自身のDC/DCコンバータの上記二次側端子の端子電圧を増加させて、全体の出力電圧低下を補償する請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記複数のDC/DCコンバータ内の上記各制御回路は、他のDC/DCコンバータで上記故障が検知されると、自身のDC/DCコンバータの送電電力を増加させて、全体の送電電力低下を補償する請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 過電流が流れたときに電流を遮断する開路部が、上記第1スイッチング回路と上記一次側端子との間に設けられる請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記開路部は、ヒューズにて構成される請求項14に記載の電力変換装置。
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