JP6942269B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

１又は複数のスイッチング素子を備え、直流電力と交流電力との間で電力を変換する電力変換装置が知られている。このような電力変換装置には、電力変換装置の制御系回路の電源喪失に伴い電力の変換を停止するものがある。その際に、電力の変換に係るスイッチング素子が安定して制御されることが望ましい場合がある。

日本国再公表ＷＯ２０１３／１２５００４号公報

本発明が解決しようとする課題は、電力変換装置の制御系回路の電源喪失に伴い電力変換装置が電力の変換を停止する際に、電力の変換に係るスイッチング素子をより安定して制御することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、電力変換ユニットと、第１コンデンサと、ゲート回路と、バイパス回路と、放電回路と、を持つ。前記電力変換ユニットは、ゲートを有した複数のスイッチング素子を含み、備える直流入力端子に供給される直流電力から交流電力を生成する。前記第１コンデンサは、前記電力変換ユニットの直流入力側に設けられている。前記ゲート回路は、前記複数のスイッチング素子のなかの１又は複数のスイッチング素子のゲートに供給されるゲート駆動信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路に供給される電力の電源電圧を平滑化する第２コンデンサとを含む。前記バイパス回路は、制御系回路の電源喪失時に、前記第１コンデンサに蓄えられた電力の一部を前記第２コンデンサに充電させ、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせる。前記放電回路の放電時定数は、前記第２コンデンサによって、前記ゲートを負バイアスに維持できる電圧保持時間よりも小さい。

実施形態の電力変換装置を示す構成図。 実施形態のゲート回路を示す構成図。 実施形態のＤＣＤＣ変換器の入力電圧変動に対する出力電圧の安定性を説明するための図。 実施形態の電力変換装置の動作を示すタイミングチャート。 実施形態の放電回路に放電を開始させる電圧について説明するための等価回路図。

以下、実施形態の電力変換装置について説明する。
以下の説明では_、「ゲート駆動信号」とは、電力変換装置が有するスイッチング素子のゲートを駆動する信号として、ゲートに供給される信号のことである。「ゲート駆動用電力」とは、スイッチング素子の前段に設けられる「ゲート回路」が、「ゲート駆動信号」を所望の電圧でスイッチング素子のゲートに供給することを可能にする電力のことである。上記の所望の電圧には、パルスを形成する電圧のほか、パルスの送出が停止された状態の直流電圧が含まれる。「ゲートデブロック」とは、電力変換装置を動作させるために、電力変換装置が有するスイッチング素子を導通状態にするためのゲート駆動信号がゲートに連続的またはパルス的に供給される制御状態のことである。「ゲートブロック」とは、電力変換装置が有するスイッチング素子を導通状態にするためのゲート駆動信号がスイッチング素子のゲートに連続的に供給されない制御状態のことである。したがって、ゲートブロックにおいてはスイッチング素子はオフ状態を継続することになる。本実施形態の「電力線」とは、ケーブル、バスバーなどの接続導体のことである。

本明細書では、電気的に接続されることを、単に「接続される」ということがある。本明細書で言う「ＸＸに基づく」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。さらに、「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば、任意の情報）である。

図１は、実施形態の電力変換装置１を示す構成図である。図１に示す電力変換装置１は、例えば、昇圧チョッパユニット１０（直流電源ユニット）と、電力変換ユニット２０と、制御電源ユニット４０と、電力分配ユニット５０（電力中継回路）と、バイパス回路６０と、不足電圧検出部７０と、放電回路８０と、制御部９０（制御装置）とを備える。

昇圧チョッパユニット１０の直流入力端子（入力側）には、直流電力を供給する直流電源装置ＤＣが接続される。昇圧チョッパユニット１０の直流出力端子（出力側）には、母線（主回路直流リンク）と、母線を介して電力変換ユニット２０の直流入力端子（直流入力側）とが接続されている。電力変換ユニット２０の交流出力端子（交流出力側）には負荷ＬＤが接続されている。昇圧チョッパユニット１０から電力変換ユニット２０までの範囲を主回路と呼ぶ。なお、制御電源ユニット４０と、電力分配ユニット５０と、不足電圧検出部７０と、制御部９０を制御系回路と呼ぶ。

昇圧チョッパユニット１０は、例えば、インダクタ１１と、ダイオード１２と、スイッチング素子１３とを備える。昇圧チョッパユニット１０は、昇圧チョッパユニット１０の直流入力端子に掛かる入力電圧を昇圧して出力する。

昇圧チョッパユニット１０は、さらに、コンデンサ１４（第１コンデンサ）と、放電抵抗１５とを備えてもよい。なお、コンデンサ１４と、放電抵抗１５は、昇圧チョッパユニット１０の外部に設けられていてもよい。例えば、コンデンサ１４は、昇圧チョッパユニット１０と電力変換ユニット２０の間に設けられていてよい。

コンデンサ１４と放電抵抗１５は、昇圧チョッパユニット１０の直流出力端子における正極端子と負極端子とに夫々接続されている。コンデンサ１４と放電抵抗１５は、互いに並列に接続されている。コンデンサ１４と放電抵抗１５とが設けられている位置は電力変換ユニット２０の直流入力側である。コンデンサ１４は、平滑コンデンサである。放電抵抗１５は、コンデンサ１４に蓄積された電荷を放電させる。放電抵抗１５を経由して放電させる場合の時定数τ１は、放電抵抗１５のインピーダンスと、コンデンサ１４の容量とに基づいて規定される。上記の時定数τ１は、一般的には比較的長く設定される。

昇圧チョッパユニット１０の直流出力端子に接続される主回路直流リンクとは、昇圧チョッパユニット１０の直流出力端子と電力変換ユニット２０の直流入力端子とを繋ぐ正極母線９３と負極母線９４の組のことである。例えば、主回路直流リンクの定格電圧を直流４００ボルトと仮定する。主回路直流リンクの電圧をＶＭで表す。

電力変換ユニット２０の直流入力端子は、主回路直流リンクに接続されている。電力変換ユニット２０は、電力変換ユニット２０の直流入力端子に供給される直流電力から交流電力を生成する。電力変換ユニット２０は、生成した交流電力を負荷ＬＤに供給する。

例えば、電力変換ユニット２０は、複数のスイッチング素子２１と、ゲート回路３０とを備える。例えば、電力変換ユニット２０は、２つのスイッチング素子２がカスケード接続されたレグを２対含む。このような電力変換ユニット２０は、単相型インバータと呼ばれる。図に示す電力変換ユニット２０の構成は、その一例を示すものでありこれに制限されることはなく、他の形態のものであってよい。例えば、電力変換ユニット２０は、スイッチング素子の個数が上記のものとは異なるが、３相型のものであってもよい。

各スイッチング素子２１は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの電力用半導体である。スイッチング素子２１には、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いたＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴなどが含まれる。例えば、後述のゲート回路３０が、スイッチング素子２１の制御端子であるゲート２１ｇに負のバイアスを掛けることにより、スイッチング素子２１のオフ状態を安定化させることができる。以下の説明では、ＩＧＢＴを例示して説明する。

ゲート回路３０は、電力変換ユニット２０のスイッチング素子２１に対応させて設けられている。ゲート回路３０は、後述する制御部９０から供給されるゲートパルスを受けて、スイッチング素子２１に対して、スイッチング素子２１のゲート駆動信号を供給する。

なお、ゲート回路３０は、電力変換ユニット２０とは別体で形成されていてもよい。ゲート回路３０は、複数のスイッチング素子２１に対して、各スイッチング素子２１のゲート駆動信号を供給してもよい。

各ゲート回路３０の基準電位は、対応するスイッチング素子２１のエミッタ側の端子の電位と等電位になる。例えば、ゲート回路３０は、ゲート駆動信号の論理値を、制御部９０から供給されるゲートパルスの論理値に一致させる。ゲート回路３０は、スイッチング素子２１をオン状態にする場合にＨ（ハイ）レベルのゲート駆動信号を、スイッチング素子２１に供給し、スイッチング素子２１をオフ状態にする場合にＬ（ロー）レベルのゲート駆動信号を、スイッチング素子２１に供給する。なお、実施形態のゲート駆動信号は、バイポーラの信号である。ゲート回路３０は、Ｌレベルのゲート駆動信号をスイッチング素子２１に供給することにより、スイッチング素子２１のゲート２１ｇを負の電圧にバイアスさせる。これにより電力変換ユニット２０の耐ノイズ性が高まる。

ゲート回路３０は、上記のバイポーラのゲート駆動信号を生成するための正と負の電源をゲート回路３０の内部で生成する。ゲート回路３０の具体例は後述する。なお、制御部９０からゲート回路３０までの信号線の記載を省略している。

制御電源ユニット４０は、後述する電力分配ユニット５０を介して、各ゲート回路３０にゲート駆動用電力を供給する。制御電源ユニット４０は、例えば、図示されない制御用外部電源からの電力を変換して、制御電源ユニット４０の出力側に供給する。例えば、制御電源ユニット４０によって生成される電力の定格電圧を直流１００ボルトと仮定する。

電力分配ユニット５０は、例えば、制御電源ユニット４０に接続される第１直流入力端子対５１０と、バイパス回路６０に接続される第２直流入力端子対５２０とを備える。

第１直流入力端子対５１０は、第１正極端子５１１と、第１負極端子５１２とを備える。制御電源ユニット４０の出力側の正極端子は、第１正極端子５１１に接続される。制御電源ユニット４０の出力側の負極端子は、第１負極端子５１２に接続される。

電力分配ユニット５０は、例えば制御電源ユニット４０から電力の供給を受ける。電力分配ユニット５０は、絶縁回路を介して電力を中継し、制御電源ユニット４０から供給される電力の一部を、各ゲート回路３０に分配する。電力分配ユニット５０は、ゲート回路３０のゲート駆動用電力として、分配先のゲート回路３０に対して上記の分配後の電力を供給する。上記の通り、電力分配ユニット５０は、電力中継回路の一例である。

第２直流入力端子対５２０は、第２正極端子５２１（入力端子の正極）と、第２負極端子５２２（入力端子の負極）とを備える。第２正極端子５２１には、後述するバイパス回路６０の正極母線９７Ａが接続される。第２負極端子５２２には、バイパス回路６０の負極母線９８Ａが接続される。

電力分配ユニット５０は、第２直流入力端子対５２０に接続されるバイパス回路６０を経て主回路側から電力の供給を受けることがある。電力分配ユニット５０は、バイパス回路６０を経て供給を受ける電力の一部を、上記の制御電源ユニット４０の場合と同様に分配する。

例えば、電力分配ユニット５０は、ダイオード５１と、スイッチング素子５２と、コンデンサ５３と、絶縁用高周波変圧器５４と、ダイオード５５と、抵抗５６と、定電圧ダイオード５７と、発信器５８（第４検出部）と、正極母線９５と、負極母線９６とを備える。絶縁用高周波変圧器５４は、絶縁回路の一例である。

第１正極端子５１１は、ダイオード５１のアノードに接続される。ダイオード５１のカソードは、正極母線９５を介して絶縁用高周波変圧器５４の１次巻線の第１端子に接続される。

第２正極端子５２１は、ダイオード５５のアノードに接続される。第２正極端子５２１は「接続点」の一例である。ダイオード５５のカソードは、正極母線９５を介して絶縁用高周波変圧器５４の１次巻線の第１端子に接続される。さらに第２正極端子５２１は、定電圧ダイオード５７のカソードと抵抗５６の各第１端子に接続される。定電圧ダイオード５７のアノードと抵抗５６の各第２端子は、負極母線９６を介して第２負極端子５２２に接続される。例えば、定電圧ダイオード５７のツェナー電圧は、制御電源ユニット４０の出力側の定格電圧よりも少し高く規定される。上記のツェナー電圧は、例えば制御電源ユニット４０の出力側の定格電圧に対してダイオード５５の順電圧降下分ほど高く規定してもよい。定電圧ダイオード５７は、第２正極端子５２１の電圧を、定電圧ダイオード５７のツェナー電圧以下に制限する。抵抗５６と定電圧ダイオード５７の作用の詳細は、後述する。尚、定電圧ダイオード５７は単品の定電圧ダイオードで構成する代わりに複数の定電圧ダイオードの組み合わせや、比較的小容量の定電圧ダイオードと比較的大容量のトランジスタの組み合わせにより、端子間の電圧の上限を制限する定電圧回路で構成してもよい。

スイッチング素子５２は、例えば、高周波スッチング用のｎｐｎ型トランジスタであってよい。第１負極端子５１２と第２負極端子５２２は、負極母線９６を介してスイッチング素子５２のエミッタに接続され、スイッチング素子５２のコレクタが絶縁用高周波変圧器５４の１次巻線の第２端子に接続される。スイッチング素子５２のベースには、周期性のパルスを含むベース駆動信号が発信器５８から供給される。スイッチング素子５２は、ベース駆動信号のパルスに応じてスイッチングすることにより、絶縁用高周波変圧器５４の１次側に流れる電流を調整する。

発信器５８は、絶縁用高周波変圧器５４の２次巻線の線間電圧に基づいた周期性のパルスを含むベース駆動信号を生成する。例えば、発信器５８は、検出した線間電圧が所望の電圧になるように、スイッチング素子５２のベース駆動信号のパルスのＤＵＴＹを調整する。発信器５８は、そのＤＵＴＹでスイッチング素子５２をスイッチングさせる。発信器５８は、正極母線９５と負極母線９６に接続され、コンデンサ５３を電源としてもよい。

コンデンサ５３は、正極母線９５と負極母線９６とに接続される。コンデンサ５３は、上記の正極母線９５と負極母線９６に掛かる電圧を平滑する。

絶縁用高周波変圧器５４は、例えば、１つの１次巻線と、複数のセンタータップ付き２次巻線とを備える。上記の１つの１次巻線と複数の２次巻線との全ての巻線は、互いに絶縁され、かつ互いに磁気結合されている。絶縁用高周波変圧器５４の１次側は、バイパス回路６０を介してコンデンサ１４に接続される。図に示す絶縁用高周波変圧器５４は、４つの２次巻線を備えるものの一例である。絶縁用高周波変圧器５４の各２次巻線は、その２次巻線に対になるゲート回路３０の電源端子に接続される。

なお、ダイオード５１と、スイッチング素子５２と、コンデンサ５３と、絶縁用高周波変圧器５４と、後述するゲート回路３０の電源回路３４（図２）との組み合わせは、第１ＤＣＤＣ変換器の一例である。上記の第１ＤＣＤＣ変換器は、電力分配ユニット５０が制御電源ユニット４０から電力の供給を受ける場合に適用される。また、ダイオード５５と、スイッチング素子５２と、コンデンサ５３と、絶縁用高周波変圧器５４と、電源回路３４との組み合わせは、第２ＤＣＤＣ変換器の一例である。上記の第２ＤＣＤＣ変換器は、電力分配ユニット５０が後述のバイパス回路６０を経て電力の供給を受ける場合に適用される。第１ＤＣＤＣ変換器と第２ＤＣＤＣ変換器を区別することなく説明する場合には、単にＤＣＤＣ変換器１００（図２）という。

バイパス回路６０は、例えば、第１リレー６１（第１開閉器）と、第２リレー６２（第２開閉器）と、抵抗６３（電流制限抵抗）と、正極母線９７、９７Ａと、負極母線９８、９８Ａとを備える。

第１リレー６１は、双極型であり、例えば、正極用の接点６１１と負極用の接点６１２とを備える。同じく第２リレー６２は、双極型であり、例えば、正極用の接点６２１と負極用の接点６２２とを備える。第１リレー６１と第２リレー６２は、後述の不足電圧検出部７０による検出結果に連動して、主回路直流リンクと第２直流入力端子対５２０を導通させるか、又は、主回路直流リンクと第２直流入力端子対５２０を絶縁させるかが択一的に選択される。なお、第１リレー６１と第２リレー６２を単極型にする場合には、負極側の接点を省略することができる。

抵抗６３と、第１リレー６１の接点６１１と、第２リレー６２の接点６２１は、コンデンサ１４の正極端子と電力分配ユニット５０との間を接続するように、正極母線９７と正極母線９７Ａの間に設けられる。第１リレー６１の接点６１２と、第２リレー６２の接点６２２は、コンデンサ１４の負極端子と電力分配ユニット５０との間を接続するように、負極母線９８と負極母線９８Ａの間に設けられる。

例えば、第１リレー６１の接点６１１の第１端子は、後述する抵抗６３に直列に接続され、さらに正極母線９７を介し主回路直流リンクの正極母線９３に接続される。接点６１１の第２端子は、正極母線９７Ａに接続され、さらに、第２正極端子５２１を介してダイオード５５のアノードに接続され、ダイオード５５を介して正極母線９５に接続される。第１リレー６１の接点６１２の第１端子は負極母線９８を介し、主回路直流リンクの負極母線９４に接続される。接点６１２の第２端子は、負極母線９８Ａを介し、第２負極端子５２２に接続され、さらに負極母線９６に接続される。第１リレー６１は、後述の電圧検出器７１からの信号により導通状態になる。

第２リレー６２の接点６２１は、第１リレー６１の接点６１１に並列に接続される。第２リレー６２の接点６２２は、第１リレー６１の接点６１２に並列に接続される。第２リレー６２の各接点の詳細な接続関係については、第１リレー６１の各接点の接続関係の説明を参照する。第２リレー６２は、後述の電圧検出器７２からの信号により導通状態になる。

上記の回路によれば、コンデンサ１４の正極は、正極母線９３と、正極母線９３に接続された抵抗６３とを介して、第１リレー６１の接点６１１の第１端子と、第２リレー６２の接点６２１の第１端子とに接続される。さらに、第１リレー６１の接点６１１の第２端子と、第２リレー６２の接点６２１の第２端子とが、第２正極端子５２１に夫々接続される。第１リレー６１と第２リレー６２の何れかがオン状態になることにより抵抗６３と抵抗５６は、直列に接続され、その両端が主回路直流リンクの正極母線９３と負極母線９４とに接続される。抵抗６３は、電流制限抵抗である。

上記のバイパス回路６０は、不足電圧検出部７０から出力される信号に応じて、第１リレー６１と第２リレー６２の接点を閉じる。第１リレー６１と第２リレー６２の何れかの接点が閉じられることにより、コンデンサ１４に蓄えられた電力の一部が、後述するコンデンサ３４２、３４３に供給される。上記のバイパス回路６０は、制御系回路の電源喪失時に、コンデンサ１４に蓄えられた電力の一部をコンデンサ３４２、３４３に充電させる。バイパス回路６０は、コンデンサ３４２、３４３に電力を蓄えることによって、ゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせる。

不足電圧検出部７０は、制御系回路の電源喪失時を検出する。例えば、不足電圧検出部７０は、電圧検出器７１（第１検出部）と、電圧検出器７２（第２検出部）と、を備える。
電圧検出器７１は、制御電源ユニット４０の入力端子間に並列に電気的に接続され、制御電源ユニット４０の入力電圧（入力側の電圧）を検出し、制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値に満たないことを検知する。例えば、電圧検出器７１は、制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値に満たないことを検知することで、制御電源ユニット４０から少なくともゲートデブロック中にゲート回路３０に供給する電力量が満たない可能性があることを検知する。電圧検出器７１は、上記の場合に、バイパス回路６０の第１リレー６１を導通状態にする。制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値に満たない状態は、制御系回路の電源喪失の検出結果の一例である。

電圧検出器７２の入力側は、制御電源ユニット４０の出力側の正極端子と負極端子とに並列になるように電気的に接続される。電圧検出器７２は、制御電源ユニット４０の出力電圧（出力側の電圧）を検出し、制御電源ユニット４０の出力電圧が第２閾値に満たないことを検知する。例えば、電圧検出器７２は、制御電源ユニット４０の出力電圧が第２閾値に満たないことを検知することで、制御電源ユニット４０から少なくともゲートデブロック中にゲート回路３０に供給する電力量が満たない可能性があることを検知する。電圧検出器７２は、上記の場合に、バイパス回路６０の第２リレー６２を導通状態にする。制御電源ユニット４０の出力電圧が第２閾値に満たない状態は、制御系回路の電源喪失の検出結果の一例である。

上記のように、不足電圧検出部７０は、制御電源ユニット４０の入力電圧と出力電圧の何れかの電圧に基づいて、制御電源ユニット４０から少なくともゲート回路３０に供給する電力量が満たないことを検出する。これにより、不足電圧検出部７０は、ゲート駆動用電力の電力が不足した状態を検出する。バイパス回路６０は、不足電圧検出部７０の検出結果に基づいて、バイパス回路６０の第１リレー６１又は第２リレー６２の接点を導通状態にして、バイパス回路６０を導通させる。

放電回路８０は、例えば、電圧検出器８１（第３検出部）と、電流制限抵抗８２（放電抵抗）と、放電用半導体スイッチ８３（第３開閉器）とを備える。

電圧検出器８１は、主回路直流リンクの両極間に接続され、主回路直流リンクから動作用の電力を受けるとともに、主回路直流リンクの正極母線９３と負極母線９４との電位差（電圧ＶＭ）を検出する。正極母線９３と負極母線９４との電位差は、電力変換ユニット２０の入力電圧（直流入力端子に掛かる電圧）になる。電圧検出器８１は、不足電圧検出部７０がゲート駆動用電力の電力不足状態を検出し、且つ主回路直流リンクの電圧ＶＭが予め定められた第３閾値よりも低下した場合に、後段の放電用半導体スイッチ８３にトリガ信号を出力する。上記のトリガ信号は、放電用半導体スイッチ８３に放電を開始させる信号であり、放電開始信号の一例である。

なお、電圧検出器８１は、コンデンサ３４２、３４３に蓄えられた電力によってゲート駆動信号が負バイアスに維持された状態にあるなかで、コンデンサ１４に蓄えられた電力を放電させる。例えば、電圧検出器８１が、放電用半導体スイッチ８３に放電開始信号のトリガ信号を出力するタイミングは、コンデンサ３４２、３４３に蓄えられた電力が不足することによって前記ゲート駆動信号が負バイアスに維持されない状態に至る前になる。

電流制限抵抗８２は、コンデンサ１４に蓄えた電力を放電させる。その放電の際の放電電流は、電流制限抵抗８２のインピーダンス等によって制限される。

放電用半導体スイッチ８３は、例えば、平常時には非導通状態にあり、トリガ信号を受けて導通するサイリスタである。放電用半導体スイッチ８３は、電圧検出器８１からのトリガ信号を受け、導通状態になり、電流制限抵抗８２をコンデンサ１４に並列に接続させる。これにより、放電用半導体スイッチ８３は、電流制限抵抗８２を介したコンデンサ１４の放電を開始させる。

上記のように、コンデンサ１４に蓄えられた直流電力の一部を、バイパス回路６０を経てゲート回路３０に供給することによる放電に、放電回路８０による放電を組み合わせて、コンデンサ１４に蓄えられた電力の放電時間を短縮する。

なお、放電回路８０は、電力分配ユニット５０による電力の分配先には含まれていない。このような放電回路８０の各部は、主回路直流リンクの電力を利用して機能するように構成される。上記のような放電回路８０は、例えば、所定の電圧に主回路直流リンクの電圧ＶＭが低下すると、制御系電源から電力が供給されることなく、コンデンサ１４に蓄えられた電力を放電させることができる。

図２を参照して、より具体的なゲート回路の一例について説明する。図２は、実施形態のゲート回路３０を示す構成図である。

ゲート回路３０は、例えば、信号絶縁回路３１と、駆動回路３２と、電源回路３４とを備える。

例えば、ゲート回路３０には、後述する制御部９０からゲートパルスが供給される。ゲートパルスは、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により変調されたものであってよい。ゲート回路３０は、下記する段階を経てゲートパルスに基づいたゲート駆動信号を生成して、ゲート駆動信号をスイッチング素子２１のゲート２１ｇに供給する。

信号絶縁回路３１は、例えば、図示されないフォトカプラなどを含み、入力端子側と出力端子側を電気的に絶縁する。信号絶縁回路３１の入力端子は、制御部９０の出力端子に接続されている。信号絶縁回路３１は、制御部９０から供給されたゲートパルスに対応する絶縁ゲート信号を生成して、信号絶縁回路３１の後段に接続される駆動回路３２に絶縁ゲート信号を供給する。なお、絶縁ゲート信号は、例えば、ゲートパルスと同じ論理値を持つ信号である。

駆動回路３２には、後述の電源回路３４から正電圧ＶＰと負電圧ＶＮが供給される。駆動回路３２は、負電圧ＶＮから正電圧ＶＰまでの電圧範囲内の信号として、スイッチング素子２１のゲート２１ｇを駆動するゲート駆動信号を生成する。

駆動回路３２は、例えば、電圧増幅回路３２１と、電流増幅回路３２２とを備える。電圧増幅回路３２１は、信号絶縁回路３１から供給される絶縁ゲート信号の電圧を増幅する。電流増幅回路３２２は、電圧増幅回路３２１によって電圧が増幅された絶縁ゲート信号の電流を増幅して絶縁ゲート信号に基づくゲート駆動信号を生成して、ゲート駆動信号を出力する。電流増幅回路３２２は、例えば、コンプリメンタリ・トランジスタによるプッシュプル型回路で構成される。これにより、ゲート回路３０は、ゲートパルスがハイレベルのときには正極性のゲート駆動信号を出する。また、ゲートブロック中を含むゲートパルスがローレベルのときには、ゲート回路３０はゲート駆動信号を負バイアス状態とし、スイッチング素子２１を確実にオフ状態とすることができる。

電源回路３４は、電力分配ユニット５０から分配された電力に基づいて、少なくとも駆動回路３２に供給する電力を生成する。電源回路３４は、例えば、基準電位に対する正電圧ＶＰと負電圧ＶＮを生成する。

電源回路３４は、例えば、整流ユニット３４１（整流回路）と、コンデンサ３４２、３４３（第２コンデンサ）とを備える。例えば、整流ユニット３４１は、４つのダイオードで構成される半波整流回路である。整流ユニット３４１は、絶縁用高周波変圧器５４の１つの２次巻線に接続される。

整流ユニット３４１は、例えば、ダイオード３４１１、３４１２、３４１３、３４１４を備える。整流ユニット３４１は、半波整流回路を形成し、スイッチング素子５２のスイッチングにより絶縁用高周波変圧器５４の２次巻線に誘起される電流を整流する。整流ユニット３４１は、ダイオード３４１１、３４１２を用いた半波整流により正電圧ＶＰを生成し、他の２つのダイオード３４１３、３４１４を用いた半波整流により負電圧ＶＮを生成する。

コンデンサ３４２は、整流ユニット３４１が整流することにより生じる電圧の変動分を吸収し、絶縁用高周波変圧器５４の２次側電圧の正電圧ＶＰを平滑する。コンデンサ３４３は、整流ユニット３４１が整流することにより生じる電圧の変動分を吸収し、絶縁用高周波変圧器５４の２次側電圧の負電圧ＶＮを平滑する。このようなコンデンサ３４２、３４３は、駆動回路３２に供給される電力の電源電圧である正電圧ＶＰと負電圧ＶＮを平滑化するとともに、電力を蓄積する。

なお、コンデンサ３４２、３４３の容量は、整流ユニット３４１からの電力の供給が停止してから所望の期間が経過するまでの期間に所望の電圧を供給可能にする容量を超える容量に規定される。コンデンサ３４２、３４３が所望の電圧を供給する期間は、後述の放電回路８０の放電時定数τ２より長くなるように規定される。これの詳細については後述する。

なお、前述の通り、電源回路３４は、電力分配ユニット５０との組み合わせによりＤＣＤＣ変換器１００として作用する。ＤＣＤＣ変換器１００は、電力分配ユニット５０に供給されるゲート駆動用電力に基づいて、正電圧ＶＰと負電圧ＶＮを供給する。

例えば、電力分配ユニット５０は、図示しない検出器によって検出された絶縁用高周波変圧器５４の２次巻線の電圧に基づいて、絶縁用高周波変圧器５４の１次巻線の電流を調整する。仮に絶縁用高周波変圧器５４の１次巻線側の電圧に変動が生じても、その変動の大きさが許容される変動範囲内であれば、電源回路３４は、上記のように調整されることにより、所望の電圧の正電圧ＶＰと負電圧ＶＮを供給することができる。

これにより、ゲート回路３０から電力変換ユニット２０に供給されるゲート駆動信号は、基準電圧に対して負の電位になる負電圧ＶＮから、正の電位になる正電圧ＶＰまでの範囲内の電圧になる。なお、ゲート回路３０の基準電位は、ゲート回路３０毎に夫々設定される。例えば、ゲート回路３０の基準電位は、ゲート回路３０に対応する電力変換ユニット２０のスイッチング素子２１のエミッタ２１ｅの電位である。

図３を参照して、ＤＣＤＣ変換器１００の入力電圧変動に対する出力電圧の安定性について説明する。図３は、実施形態のＤＣＤＣ変換器１００の入力電圧変動に対する出力電圧の安定性を説明するための図である。ＤＣＤＣ変換器１００の入力電圧とは、電力分配ユニット５０の入力側に供給される電圧のことである。ＤＣＤＣ変換器１００の出力電圧とは、ゲート回路３０の駆動回路３２に供給される電圧のことである。

この図３に示すグラフは、スイッチング素子２１にゲートパルスが供給された状態において、ＤＣＤＣ変換器１００の入力電圧を横軸に、ＤＣＤＣ変換器１００出力電圧を縦軸にして、入力と出力の関係を示したものである。図に示す入力電圧は、規格化されており、定格入力電圧を１ＰＵで示す。入力電圧を１ＰＵから０ＰＵまで変化させる場合、１ＰＵから０．５ＰＵ程度までは、出力電圧に大きな変動は見られず既定の電圧（正電圧ＶＰと負電圧ＶＮ）を出力する。さらに入力電圧を低下させて０．３ＰＵ程度まで下げると、出力電圧の規定の電圧からの乖離が大きくなる。さらに入力電圧を低下させて０．２ＰＵより下げると、出力電圧を発生させることができなくなり、出力電圧が０ＰＵになる。

なお、ＤＣＤＣ変換器１００の構成や、ゲート回路３０の消費電力などによって、この図に示す特性とは異なる特性になる場合がある。抵抗値や各種判定値は、ＤＣＤＣ変換器１００として必要とされる特性に基づいて規定されてよい。

図４を参照して、実施形態の電力変換装置１の動作について説明する。図４は、実施形態の電力変換装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図４中の（ａ）に、直流電源装置ＤＣから昇圧チョッパユニット１０に供給される電圧（ＶＤＣ）をグラフにして示す。図４中の（ｂ）に、制御電源ユニット４０の入力電圧（ＶＣ＿１）をグラフにして示す。図４中の（ｃ）に、制御電源ユニット４０の出力電圧（ＶＣ＿２）をグラフにして示す。図４中の（ｄ）に、電圧検出器７１の検出結果（ＤＥＴ＿１）を示す。既定の第１閾値に満たない場合をＨレベで示す。図４中の（ｅ）に、電圧検出器７２の検出結果（ＤＥＴ＿２）を示す。既定の第２閾値に満たない場合をＨレベルで示す。

図４中の（ｆ）に、昇圧チョッパユニット１０に供給されるゲート駆動信号（ＧＤＳ＿１３）を示す。図４中の（ｇ）に、電力変換ユニット２０に供給されるゲート駆動信号（ＧＤＳ＿２１）を示す。図４中の（ｈ）に、主回路直流リンクの電圧ＶＭをグラフにして示す。図４中の（ｉ）に、バイパス回路６０の状態（Ｉ＿６０）を導通状態と絶縁状態に２値化して示す。接点のオン状態は、電圧検出器７１と電圧検出器７２の何れかの検出結果がＨレベルである場合に対応する。図４中の（ｊ）に、電力分配ユニット５０の入力側に、制御電源ユニット４０又はバイパス回路６０から電力が供給され、その電力によって充電されたコンデンサ５３の端子間に生じる電圧（ＶＣ＿３）を示す。以下、コンデンサ５３の端子間に生じる電圧のことを電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３という。図４中の（ｋ）に、スイッチング素子５２に供給されるベース駆動信号（ＧＤＳ＿５２）の状態を示す。図４中の（ｌ）に、電圧検出器８１の検出結果（ＤＥＴ＿３）を示す。図４中の（ｍ）に、放電回路８０による放電電流（Ｉ＿８０）を示す。図４中の（ｎ）に、ゲート回路３０において生成される電圧ＶＰを示す。なお、図４における電圧ＶＮの記載を省略する。電圧ＶＮは、電圧ＶＰと同様の傾向を示し、電圧ＶＰとは極性が異なる。

この図４に示す時刻ｔ１０から時刻ｔ２４に至るまでの電力変換装置１のゲート駆動用電力消失時の処理について説明する。この図４に示す初期状態は、電力変換装置１が稼働中（ゲートデブロック中）の状況にある。時刻ｔ１０に至るまでは、各信号などの状態は下記の通りである。

電力変換装置１の主回路には、直流電源装置ＤＣから直流電力が供給されている。図４中の（ａ）に示すように、なお、直流電源装置ＤＣから供給される電圧は、図に示す期間内では大きく変化することはない。

図４中の（ｂ）に示すように、制御電源ユニット４０に所望の定格入力電圧で直流電力が供給されている。図４中の（ｃ）に示すように、制御電源ユニット４０は、定格出力電圧を出力している。例えば、制御電源ユニット４０の定格入力電圧より低い第１閾値と、制御電源ユニット４０の定格出力電圧より低い第２閾値とが規定される。電圧検出器７１は、制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値より高いことを検出し、図４中の（ｄ）に示すように、第１リレー６１の接点６１１、６１２をオフ状態（ＯＦＦ）にしている。電圧検出器７２は、制御電源ユニット４０の出力電圧が第２閾値より高いことを検出し、図４中の（ｅ）に示すように、第２リレー６２の接点６２１、６２２をオフ状態（ＯＦＦ）にしている。

図４中の（ｆ）に示すように、昇圧チョッパユニット１０には、制御部９０からパルス状のゲート駆動信号が周期的に供給されている。昇圧チョッパユニット１０は、電力変換をしている。図４中の（ｇ）に示すように、電力変換ユニット２０には、ゲート回路３０からパルス状のゲート駆動信号が周期的に供給されている。電力変換ユニット２０は、電力変換をしている。

図４中の（ｈ）に示すように、主回路直流リンクの電圧ＶＭは、定格値である。主回路直流リンクの電圧ＶＭの定格値は、例えば、４００ボルトであると仮定する。図４中の（ｉ）に示すように、バイパス回路の状態は絶縁状態にある。図４中の（ｊ）に示すように、電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３は、制御電源ユニット４０の定格出力電圧に相当する定格値になる。図４中の（ｋ）に示すように、スイッチング素子５２に、発信器５８からパルス状のベース駆動信号が周期的に供給されている。

図４中の（ｌ）に示すように、主回路直流リンクの電圧ＶＭが第３閾値以上である。図４中の（ｍ）に示すように、放電回路８０を流れる電流はない。図４中の（ｎ）に示すように、ゲート回路３０の電圧は所望の電圧になっている。

ここで、時刻ｔ１０に制御電源ユニット４０の入力電圧を喪失した事象が生じてその事象が継続した場合を仮定する。時刻ｔ１０から制御電源ユニット４０の入力電圧の低下が始まり、時刻ｔ１１において定格電圧から低下したことが検出される（図４中の（ｂ））。この場合、電圧検出器７１は、制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値よりも低下していることを検出する。電圧検出器７１は、図４中の（ｄ）に示すように、第１リレー６１の接点６１１、６１２をオン状態（ＯＮ）にする（時刻ｔ１１）。これにより、図４中の（ｉ）に示すように、バイパス回路６０を通して、主回路側とゲート回路用電源回路側が電気的に接続される。コンデンサ１４から、バイパス回路６０を通して、電力分配ユニット５０の入力側に電力の供給が始まる。

なお、制御電源ユニット４０が入力電圧を喪失しても、一般的に制御電源ユニット４０内に設けられたコンデンサ（不図示）に蓄積された電力があることにより、制御電源ユニット４０の出力電圧がすぐに低下することはない。また、制御電源ユニット４０が入力電圧を喪失しても、コンデンサ５３に蓄積された電力があることにより、電力分配ユニット５０の入力電圧がすぐに低下することはない。

なお、実際の第１リレー６１等には応答遅延が生じるものがあるが、応答遅延を０と見做して図示している。例えば、第１リレー６１等の応答遅延による影響を補償するような容量を、電力分配ユニット５０以降のコンデンサに設けるとよい。

また、制御部９０は、電圧検出器７１の検出結果を取得して、制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値よりも低下していることを電圧検出器７１の検出結果に基づいて識別する。制御部９０は、これに応じて、図４中の（ｆ）と（ｇ）とに示すように、昇圧チョッパユニット１０と電力変換ユニット２０とに対し、ゲートブロックを行うので、スイッチング素子１３とスイッチング素子２１のゲートパルスを含む信号の供給が停止されている。上記のゲートブロックに伴い、昇圧チョッパユニット１０と電力変換ユニット２０は、電力変換を停止する。

また、制御電源ユニット４０の入力電圧が定格電圧から低下した後、図４中の（ｃ）に示すように、制御電源ユニット４０の出力電圧も低下する。例えば、時刻ｔ１２から制御電源ユニット４０の出力電圧の低下が始まり、時刻ｔ１３において定格電圧から低下したことが検出される（図４中の（ｃ））。これにより、制御電源ユニット４０から電力分配ユニット５０に、ゲート駆動用電力が供給されなくなる（時刻ｔ１２）。なお、この時点ですでに、バイパス回路６０の第１リレー６１を通して、コンデンサ１４から電力分配ユニット５０に電力が供給されている。

図４中の（ｅ）に示すように、電圧検出器７２は、制御電源ユニット４０の出力電圧が第２閾値よりも低下していることを検出し、第２リレー６２の接点６２１、６２２をオン状態（ＯＮ）にする（時刻ｔ１３）。すでに、バイパス回路６０の第１リレー６１を通して、主回路側とゲート回路用電源回路側が電気的に接続されているが、第２リレー６２についても第１リレー６１と同様に、第２リレー６２を通して、主回路側とゲート回路用電源回路側が電気的に接続される。

なお、上記の段階の主回路直流リンクの電圧ＶＭは、主回路直流リンクのほぼ定格電圧にあり、制御電源ユニット４０の出力側の定格電圧或いは実際の出力電圧に比べても十分に高い状況にある。そのため、第１リレー６１と第２リレー６２が導通状態になったことにより、バイパス回路６０の抵抗６３を通して、コンデンサ１４から電力分配ユニット５０に電流が流れる。これにより、コンデンサ１４から一部の電力がバイパス回路６０を通して電力分配ユニット５０に供給される。電力分配ユニット５０は、コンデンサ１４から電力分配ユニット５０に供給される電力を、電力分配ユニット５０からゲート回路３０に供給し、ゲート回路３０のコンデンサを充電させる。これにより、電力分配ユニット５０は、コンデンサ１４から供給される電力を、ゲート駆動用電力に利用することを可能にする。

なお、コンデンサ１４からバイパス回路６０を通して電力分配ユニット５０に電力が供給されると、第２正極端子５２１の電圧は、定電圧ダイオード５７によって上限が定格値に制限される。上記のように、時刻ｔ１０に制御電源ユニット４０が入力電圧を喪失しても、図４中の（ｊ）に示すように電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３は、時刻ｔ１０以降も定格値で保持される。

ここで、電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３に関連する第２正極端子５２１の電圧について説明する。定電圧ダイオード５７は、ツェナー電圧以上の電圧で逆バイアスされると導通する。そのため、負極母線９６の電位を基準にした第２正極端子５２１の電圧は、定電圧ダイオード５７の作用により、定電圧ダイオード５７のツェナー電圧になる。この状態は、時刻ｔ１３以降も主回路直流リンクの電圧ＶＭが低下し、抵抗５６の端子間電圧が定電圧ダイオード５７のツェナー電圧以下に低下するまで続く。

時刻ｔ１４になると、抵抗５６の端子間電圧が定電圧ダイオード５７のツェナー電圧以下に低下する。定電圧ダイオード５７は、ツェナー電圧以下の電圧で逆バイアスされても非導通になる。そのため、これに応じて定電圧ダイオード５７が第２正極端子５２１の電圧を制限しなくなる。よって、主回路直流リンクの電圧ＶＭが降下するとそれに伴い第２正極端子５２１の電圧も降下する。図４中の（ｊ）に示すように第２正極端子５２１の電圧の変化に応じて、コンデンサ１４から電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３も低下する。

上記の時刻ｔ１４を過ぎても時刻ｔ２１になるまで、ゲート回路３０内の電源電圧ＶＰとＶＮの電圧には、図４中の（ｎ）に示すように変化はなく、その安定性は確保されている。

次に、この図４に示す時刻ｔ２１から時刻ｔ２４に至るまでの電力変換装置１の主回路直流リンクの電圧ＶＭが低下したときの処理について説明する。

時刻ｔ２１に主回路直流リンクの電圧ＶＭが第３閾値よりも低下したと仮定する。
電圧検出器８１は、電力変換ユニット２０の入力電圧に基づいて、電力変換ユニット２０の入力電圧が第３閾値に満たないことを検出する。図４中の（ｌ）に示すように電圧検出器８１の検出結果がＨレベルになり放電用半導体スイッチ８３が導通する（ＯＮ状態）。これにより、電流制限抵抗８２と放電用半導体スイッチ８３とを経由させた、放電回路８０によるコンデンサ１４の放電が始まる（時刻ｔ２１）。

時刻ｔ２１を過ぎると、コンデンサ１４の放電電流が増えることにより、主回路直流リンクの電圧ＶＭの低下速度が速まり、図４中の（ｈ）に示すように主回路直流リンクの電圧ＶＭが急速に低下して、時刻ｔ２２になるとその電圧が０になる。なお、この主回路直流リンクの電圧ＶＭの変化に応じて、図４中の（ｊ）に示すように電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３も変化して、０になる。

その後、図４中の（ｎ）に示すようにゲート回路３０により生成される電圧ＶＰが低下し始めて（時刻ｔ２３）、ゲート回路３０はゲート駆動信号の電圧を負バイアスさせることを維持できなくなり、ゲート駆動信号の電圧ＶＭが０になる（時刻ｔ２４）。

なお、時刻ｔ２３になる前に、すでに主回路直流リンクの電圧ＶＭがほぼ０になっているため、ゲート駆動信号の電圧が負バイアスされなくなったとしても、電力変換ユニット２０のスイッチング素子２１が誤ターンオンしても、主回路の直流リンクの残留エネルギーにより、スイッチング素子２１が損傷することはない。

なお、上記の放電の手順を実現する放電回路８０の放電特性は、例えば、下記のように規定される。放電回路８０の放電特性には、放電時の時定数τ２と、電流二乗時間積と、放電開始電圧とが含まれる。時定数τ２は、放電回路の放電時定数の一例である。まず、放電時の時定数τ２について説明する。放電時の時定数τ２は、例えば、電流制限抵抗８２のインピーダンスが放電抵抗１５のインピーダンスよりも十分小さいので、電流制限抵抗８２のインピーダンスと、コンデンサ１４の容量とに基づいてほぼ規定される。なお、放電時の時定数τ２は、放電時定数の一例である。時定数τ２は、前述の時定数τ１に比べて短い。

例えば、この放電時の時定数τ２は、電力変換ユニット２０のスイッチング素子２１のゲート２１ｇが負にバイアスされている間に、放電によりコンデンサ１４の電荷がなくなるような大きさにするとよい。換言すれば、電力変換ユニット２０のスイッチング素子２１のゲート２１ｇが負にバイアスされている間に、主回路直流リンクの電圧ＶＭがスイッチング素子２１に損傷を与えない程度の電圧まで低下するように、時定数τ２の大きさが規定されるとよい。

より具体的には、ゲート回路３０の電源回路３４におけるコンデンサ３４２、３４３がゲートブロック状態で所望の電圧を継続して保持している期間に、コンデンサ１４の電圧を、スイッチング素子２１により定まる所定の電圧まで低下させるような時定数τ２が規定される。この場合、放電時の時定数τ２は、コンデンサ３４２、３４３の電力によって、ゲート２１ｇを負バイアスに維持できる電圧保持時間よりも小さくなるように規定される。上記のように放電特性の時定数τ２が規定できれば、コンデンサ３４２、３４３が所望の電圧を保持している間に、コンデンサ１４の放電を完了させることができ、これに伴い、電力変換ユニット２０の入力電圧を略０ボルトまで低下させることができる。

なお、放電回路８０の特性を示す電流二乗時間積については、例えば、放電開始時の主回路直流リンクの電圧ＶＭと、コンデンサ１４の容量とに基づいて規定される。放電回路８０による放電の経路に設けられる各素子の耐量は、上記の電流二乗時間積の値より大きなものに規定される。

尚、例えば主回路直流リンクの定格電圧を直流４００ボルトとし、定電圧ダイオード５７のツェナー電圧を５０Ｖとし、放電回路８０の放電開始電圧を約１００Ｖとすると、電力変換ユニット２０が動作を停止した直後の主回路直流リンクの電圧の約１／４の電圧が放電回路８０の放電開始電圧となり、放電回路８０の電流二乗時間積を、直流４００ボルトから放電を開始する場合に比べて約１／１６の小な値とすることができる。

図５を参照して、実施形態の放電回路８０に放電を開始させる電圧（第３閾値、閾値電圧）について説明する。図５は、実施形態の放電回路８０に放電を開始させる電圧について説明するための等価回路図である。

この図の上段側が主回路直流リンクを示す。その主回路直流リンクの電圧は上述の通りＶＭである。抵抗６３のインピーダンスをＲＤ１で示す。抵抗５６のインピーダンスをＲＤ２で示す。この図の下段側がゲート駆動用電力を供給する制御系回路を示す。制御系回路におけるＤＣＤＣ変換器１００の入力電圧許容変動範囲の下限電圧をＶＣ＿３Ｌで示す。ＤＣＤＣ変換器１００の入力電圧は、前述の電力分配ユニット５０の入力電圧ＶＣ＿３に相当する。

ゲート回路３０がゲートブロックの状態にあり、かつ発信器５８がスイッチング素子５２にベース駆動信号を供給している状態において、絶縁用高周波変圧器５４の１次側から見たゲート回路３０側の回路を等価した等価負荷回路のインピーダンスをＲＤ３で示す。

なお、この図に示す等価回路では、コンデンサ１４に並列に設けられている放電抵抗１５と、放電回路８０とを省略している。

バイパス回路６０の接点が閉じることにより、コンデンサ１４からの電力がバイパス回路６０を経て電力分配ユニット５０に供給され、コンデンサ１４からの放電電流が第２正極端子５２１に流れ込む。なお、以下の解析の条件として、抵抗５６の端子間電圧は、定電圧ダイオード５７のツェナー電圧以下になっているものとする。また、各ダイオードの順電圧降下は微小であり、これを無視する。

上記の関係から、電圧ＶＣ＿３Ｌは、次の式（１）で表すことができる。

ＶＣ＿３Ｌ＝ＶＭ×ＲＰ／（ＲＰ＋ＲＤ１） ・・・（１）

なお、上記の式（１）におけるＲＰは、式（２）に示すように、インピーダンスＲＤ２とインピーダンスＲＤ３を並列接続した際の合成インピーダンスである。

ＲＰ＝（ＲＤ２×ＲＤ３）／（ＲＤ２＋ＲＤ３） ・・・（２）

上記の式（１）を変換して得られる式（３）から、電圧ＶＣ＿３が電圧ＶＣ＿３Ｌになった場合の電圧ＶＭを得ることができる。

ＶＭ＝（ＲＰ＋ＲＤ１）×ＶＣ＿３Ｌ／ＲＰ ・・・（３）

例えば、電圧ＶＣ＿３が、ＤＣＤＣ変換器１００としての入力電圧許容変動範囲の下限値（例えば５０Ｖ）まで低下したと仮定する。その場合の電圧ＶＭを、電圧検出器８１が検出すれば、その時点から放電回路８０による放電を開始することができる。よって第３閾値を式（３）を下回らない値とすればよい。

図５に示す等価回路において、コンデンサ１４から電力分配ユニット５０に供給される電力により電流が流れる回路のうち、第２正極端子５２１からコンデンサ１４と第２負極端子５２２とを通って電力分配ユニット５０の１次側の負極までの範囲の回路の第１インピーダンスを、ＲＤ１と定める。図５に示す等価回路では、ＲＤ１を、抵抗６３のインピーダンス（直流抵抗）と見做してもよい。

また、上記の等価回路において、電力分配ユニット５０の第２直流入力端子対５２０よりもゲート回路３０側の回路の等価インピーダンスは、ＲＤ３と規定される。なお、ＲＤ２は、電力分配ユニット５０の抵抗５６のインピーダンスである。上記のＲＤ３の等価インピーダンスと、上記のＲＤ３とＲＤ２の並列回路のインピーダンスは、第２インピーダンスの一例である。

上記の式（３）は、ＲＤ１からＲＤ３までを変数に含む。なお、抵抗５６を設けない場合、ＲＤ２の大きさがＲＤ３より十分に大きい場合などの場合には、式（３）からＲＤ２を省略して、ＲＤ１とＲＤ３を変数に含む式に代えてもよい。

上記から、第３閾値は、少なくとも、上記の第１インピーダンスと、上記の第２インピーダンスとに基づいて規定されていてよい。

このような関係式を利用することにより、ゲート回路３０から負にバイアスされたゲート駆動信号が電力変換ユニット２０に供給されている間に、放電回路８０は、電力変換ユニット２０の入力側に供給される電力を、スイッチング素子２１に実質的に影響がない値まで低減させることができる。

なお、上記の実施形態によれば、実際に放電回路８０が放電を開始する時刻の主回路直流リンクの電圧ＶＭは、主回路直流リンクの定格電圧に比べて低い値に規定される。

例えば、不足電圧検出部７０により電圧低下が検出された時点で放電回路８０の放電を開始する場合には、主回路直流リンクの定格電圧に基づいて放電回路８０の電流二乗時間積が規定される。これに対して、実施形態では、電圧ＶＣ＿３を基準に定められた主回路直流リンクの電圧ＶＭに基づいた電流二乗時間積を基準にして、放電回路８０の放電電流耐量が規定される。電圧ＶＣ＿３を基準に定まる主回路直流リンクの電圧ＶＭを、低くするほど放電回路８０の耐量を低くすることが可能になる。

上記の実施形態によれば、放電回路８０は、少なくともバイパス回路６０を経てゲート回路３０に電力が供給された後、主回路直流リンクの電圧ＶＭが、上記の第３閾値よりも低下したことが電圧検出器８１によって検出された場合に、コンデンサ１４の放電を開始して速やかに放電を完了させる。この放電完了により、コンデンサ１４にはスイッチング素子２１に損傷を与えるような電力が残っていない。電力変換装置１は、電力変換装置１の制御系回路の電源喪失時に電力の変換を停止することができる。

また、不足電圧検出部７０は、制御電源ユニット４０への入力電圧が第１閾値に満たない場合に、制御電源ユニット４０から少なくともゲート回路３０に供給する電力量が満たないことを検出してもよい。これにより、制御電源ユニット４０の出力電圧を検出する場合より早く、ゲート回路３０に供給する電力量が満たないことを検出できる。なお、第１閾値は、制御電源ユニット４０の入力電圧の許容変動範囲の下限値より大きく、制御用外部電源の電源電圧変動の下限より小さな値に定めるとよい。

さらに、バイパス回路６０の第１リレー６１は、制御電源ユニット４０への入力電圧が第１閾値に満たないことが電圧検出器７１によって検出された場合に、正極母線９７に設けられた接点６１１と負極母線９８に設けられた接点６１２とを導通させる。上記の導通によって、コンデンサ１４に蓄えられた直流電力の一部がゲート回路３０に供給される。これにより、コンデンサ１４に蓄えられた直流電力によって、ゲート回路３０に供給する電力量が満たない状態に至らずに、ゲート回路３０は、ゲート駆動信号を電力変換ユニット２０に供給することができる。

また、不足電圧検出部７０は、制御電源ユニット４０からの出力電圧が第２閾値に満たない場合に、制御電源ユニット４０から少なくともゲート回路３０に供給する電力量が満たないことを検出してもよい。これにより、制御電源ユニット４０に入力される電力が消失する場合に限らず、制御電源ユニット４０の故障などによりゲート回路３０に供給する電力量が満たないことを検出できる。なお、第２閾値は、制御電源ユニット４０の出力電圧の許容変動範囲の下限値に関連する値に定めるとよい。制御電源ユニット４０の出力電圧の許容変動範囲の下限値に関連する値とは、制御電源ユニット４０の出力電圧の許容変動範囲の下限値から所定の大きさ小さな値であって、上記の下限値以下の値かつ電圧ＶＣ＿３Ｌ以上に定めるとよい。

さらに、バイパス回路６０の第２リレー６２は、制御電源ユニット４０からの出力電圧が第２閾値に満たないことが電圧検出器７２によって検出された場合に、正極母線９７に設けられた接点６２１と負極母線９８に設けられた接点６２２とを導通させることにより、ゲート回路３０に供給する電力量が満たない状態を解消することができる。これにより、コンデンサ１４に蓄えられた直流電力の一部がゲート回路３０に供給され、ゲート回路３０は、コンデンサ１４に蓄えられた直流電力に基づいて、ゲート駆動信号を電力変換ユニットに供給することができる。

また、制御部９０は、制御電源ユニット４０の入力電圧が第１閾値に満たないことが検出されたとき、或いは制御電源ユニット４０からの出力電圧が第２閾値に満たないことが検出され、制御電源ユニット４０からゲート回路３０に供給する電力が不足することを識別すると、昇圧チョッパユニット１０から電力変換ユニット２０への電力の供給を止める。放電抵抗１５は、コンデンサ１４に蓄えられた電力を放電させる。その結果、電力変換ユニット２０の入力電圧が徐々に低下する。電力変換ユニット２０の入力電圧を反映する処理に用いられる第３閾値は、制御電源ユニット４０の出力電圧の定格値よりも低い値に規定される。

（実施形態の第１変形例）
実施形態の第１変形例について説明する。上記の実施形態の電力分配ユニット５０は、その内部に絶縁された絶縁用高周波変圧器５４を備える。本変形例は、これに代えて、ゲート回路３０は絶縁用高周波変圧器を備え、絶縁用高周波変圧器を介して電力を中継する。これに合わせて、電力分配ユニット５０の絶縁用高周波変圧器５４を省略する。

ゲート回路３０における絶縁用高周波変圧器は、１次巻線と２次巻線とを有する。絶縁用高周波変圧器の１次巻線と２次巻線とが磁気結合される。ゲート回路３０における絶縁用高周波変圧器の１次巻線は、電力分配ユニット５０の入力側の正極母線９５に接続される。絶縁用高周波変圧器の２次巻線に電源回路３４が接続される。

上記の実施形態の変形例によれば、電子回路用電源を絶縁するユニットが異なるものの第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（実施形態の第２変形例）
実施形態の第２変形例について説明する。上記の実施形態の電力分配ユニット５０は、その内部に絶縁された絶縁用高周波変圧器５４を備える。本変形例は、これに代えて、ゲート回路３０は、さらに貫通型の変成器を備え、絶縁用高周波変圧器を介して電力を中継する。これに合わせて、電力分配ユニット５０の絶縁用高周波変圧器５４を省略する。

変成器は、母線に流れる電流を検出する巻線を備え、母線と巻線が互いに絶縁されている。ゲート回路３０における変成器は、母線と巻線（２次巻線）とが磁気結合される。例えば、上記の母線は、電力分配ユニット５０の入力側の正極母線９５である。電源回路３４の入力は、変成器３６の巻線に接続される。

電力分配ユニット５０の入力側の正極母線９５は、外部に延長され、その延長先で、前述の変成器が複数設けられる。電力分配ユニット５０の入力側の正極母線９５に流れる高周波電流が、各ゲート回路３０内の変成器によって変換され、各ゲート回路３０に電力が分配される。

上記の実施形態の変形例によれば、電子回路用電源を絶縁するユニットが異なるものの第１の実施形態と同様の効果を奏する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、バイパス回路は、制御系回路の電源喪失時に、第１コンデンサに蓄えられた電力の一部を前記第２コンデンサに充電させ、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によってゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせる。放電回路は、少なくともバイパス回路を経てゲート回路に電力が供給された後、主回路直流リンクの電圧ＶＭが第３閾値よりも低下したことが第２検出部によって検出された場合に、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号が負バイアスに維持された状態で、前記第１コンデンサに蓄えられた電力を放電させる。これにより、電力変換装置は、電力変換装置の制御系回路の電源喪失に伴い電力変換装置が電力の変換を停止する際に、電力の変換に係るスイッチング素子をより安定して制御可能にする。

上記の電力変換装置は、その少なくとも一部を、ＣＰＵなどのプロセッサがプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部で実現してもよく、全てをＬＳＩ等のハードウェア機能部で実現してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、制御部９０は、各電圧検出器の検出結果等に基づいて、バイパス回路６０、放電回路８０などを制御してもよい。

１…電力変換装置、１０…昇圧チョッパユニット（直流電源ユニット）、１４…コンデンサ（第１コンデンサ）、１３、２１、５２…スイッチング素子、２０…電力変換ユニット（電力変換ユニット）、３０…ゲート回路、４０…制御電源ユニット、５０…電力分配ユニット（電力中継回路）、５８…発信器（第４検出部）、６０…バイパス回路、７０…不足電圧検出部、７１…電圧検出器（第１検出部）、７２…電圧検出器（第２検出部）、８０…放電回路、８１…電圧検出器（第３検出部）、８３…放電用半導体スイッチ、９０…制御部、９１、９３、９５、９７…正極母線（電力線）、９２、９４、９６、９８…負極母線（電力線）、１００…ＤＣＤＣ変換器、３４２、３４３…コンデンサ（第２コンデンサ）

Claims (10)

1. ゲートを有したスイッチング素子を含み、備える直流入力端子に供給される直流電力から交流電力を生成する電力変換ユニットと、
   前記電力変換ユニットの直流入力側に設けられた第１コンデンサと、
   前記スイッチング素子のゲートに供給されるゲート駆動信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路に供給される電力の電源電圧を平滑化する第２コンデンサとを含むゲート回路と、
   制御系回路の電源喪失時に、前記第１コンデンサに蓄えられた電力の一部を前記第２コンデンサに充電させ、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせるバイパス回路と、
   前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号が負バイアスに維持された状態で、前記第１コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電回路と、
   を備え、
   前記放電回路の放電時定数は、前記第２コンデンサによって、前記ゲートを負バイアスに維持できる電圧保持時間よりも小さい、
   電力変換装置。
2. １次側と２次側とを絶縁する絶縁回路を含み、前記絶縁回路を介して電力を中継する電力中継回路をさらに備え、
   前記絶縁回路の１次側が前記バイパス回路を介して前記第１コンデンサに接続され、前記絶縁回路の２次側が前記ゲート回路の前記第２コンデンサに接続される、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ゲート回路に電力を供給する制御電源ユニットと、
   前記制御電源ユニットへの入力電圧が第１閾値に満たないことを検出する第１検出部をさらに備え、
   前記バイパス回路は、
   第１接点が前記第１コンデンサと前記電力中継回路との間に設けられた第１開閉器を備え、
   前記第１開閉器は、
   前記制御電源ユニットへの入力電圧が第１閾値に満たないことが前記第１検出部によって検出された場合に前記第１接点を閉じる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電力中継回路を介して前記ゲート回路に電力を供給する制御電源ユニットと、
   前記制御電源ユニットからの出力電圧が第２閾値に満たないことを検出する第２検出部とをさらに備え、
   前記バイパス回路は、
   第２接点が前記第１コンデンサと前記電力中継回路との間に設けられた第２開閉器を備え、
   前記第２開閉器は、
   前記制御電源ユニットからの出力電圧が第２閾値に満たないことが前記第２検出部によって検出された場合に前記第２接点を閉じる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換ユニットの前記直流入力端子に直流電力を供給する直流電源ユニットと、
   少なくとも前記制御電源ユニットからの出力電圧が第２閾値に満たないことを検出すると、前記直流電源ユニットから前記電力変換ユニットへの電力の供給を止める制御装置と、
   前記電力変換ユニットの前記直流入力端子に掛かる電圧を検出し、前記電力変換ユニットの前記直流入力端子に掛かる電圧が第３閾値よりも低下した場合に、放電開始信号を出力する第３検出部と、
   を備える請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記放電回路は、
   前記第１コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電抵抗と、
   前記電力変換ユニットの前記直流入力端子に掛かる電圧を検出し、前記電力変換ユニットの前記直流入力端子に掛かる電圧が第３閾値よりも低下した場合に、放電開始信号を出力する第３検出部と、
   前記放電開始信号を受けて、前記放電抵抗を前記第１コンデンサに並列に接続させる第３開閉器と
   を備える請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記第３閾値は、
   少なくとも、前記第１コンデンサから前記電力中継回路に供給される電力に係る電流が流れる回路のうち、前記電力中継回路の入力端子の正極から前記第１コンデンサを通って前記電力中継回路の入力端子の負極までの範囲の回路の第１インピーダンスと、前記電力中継回路の入力端子よりも前記ゲート回路側の回路を等価した等価回路の第２インピーダンスとに基づいて規定される、
   請求項５記載の電力変換装置。
8. ゲートを有したスイッチング素子を含み、備える直流入力端子に供給される直流電力から交流電力を生成する電力変換ユニットと、
   前記電力変換ユニットの直流入力側に設けられた第１コンデンサと、
   前記スイッチング素子のゲートに供給されるゲート駆動信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路に供給される電力の電源電圧を平滑化する第２コンデンサとを含むゲート回路と、
   制御系回路の電源喪失時に、前記第１コンデンサに蓄えられた電力の一部を前記第２コンデンサに充電させ、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせるバイパス回路と、
   前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号が負バイアスに維持された状態で、前記第１コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電回路と、
   １次側と２次側とを絶縁する絶縁回路を含み、前記絶縁回路を介して電力を中継する電力中継回路と
   を備え、
   前記絶縁回路の１次側が前記バイパス回路を介して前記第１コンデンサに接続され、前記絶縁回路の２次側が前記ゲート回路の前記第２コンデンサに接続され、
   前記バイパス回路は、電流制限抵抗と、第１開閉器と、第２開閉器とを備え、
   前記第１コンデンサの正極は、前記電力変換ユニットの前記直流入力端子の正極に接続される正極母線と、前記正極母線に接続された前記電流制限抵抗とを介して、前記第１開閉器の接点の第１端子と、前記第２開閉器の接点の第１端子とに接続され、
   前記第１開閉器の接点の第２端子と、前記第２開閉器の接点の第２端子とが、接続点に夫々接続され、
   前記電力中継回路は、前記接続点の電圧の上限値を制限する定電圧回路を備え、
   前記定電圧回路の第１端子が、前記接続点に接続され、
   前記定電圧回路の第２端子が、前記電力変換ユニットの前記直流入力端子の負極に接続される負極母線を介して前記第１コンデンサの負極に接続される、
   電力変換装置。
9. ゲートを有したスイッチング素子を含み、備える直流入力端子に供給される直流電力から交流電力を生成する電力変換ユニットと、
   前記電力変換ユニットの直流入力側に設けられた第１コンデンサと、
   前記スイッチング素子のゲートに供給されるゲート駆動信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路に供給される電力の電源電圧を平滑化する第２コンデンサとを含むゲート回路と、
   制御系回路の電源喪失時に、前記第１コンデンサに蓄えられた電力の一部を前記第２コンデンサに充電させ、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせるバイパス回路と、
   前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号が負バイアスに維持された状態で、前記第１コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電回路と、
   １次側と２次側とを絶縁する絶縁回路を含み、前記絶縁回路を介して電力を中継する電力中継回路と、
   前記ゲート回路に電力を供給する制御電源ユニットと、
   前記制御電源ユニットへの入力電圧が第１閾値に満たないことを検出する第１検出部と、
   を備え、
   前記絶縁回路の１次側が前記バイパス回路を介して前記第１コンデンサに接続され、前記絶縁回路の２次側が前記ゲート回路の前記第２コンデンサに接続され、
   前記バイパス回路は、
   第１接点が前記第１コンデンサと前記電力中継回路との間に設けられた第１開閉器を備え、
   前記第１開閉器は、
   前記制御電源ユニットへの入力電圧が第１閾値に満たないことが前記第１検出部によって検出された場合に前記第１接点を閉じる、
   電力変換装置。
10. ゲートを有したスイッチング素子を含み、備える直流入力端子に供給される直流電力から交流電力を生成する電力変換ユニットと、
    前記電力変換ユニットの直流入力側に設けられた第１コンデンサと、
    前記スイッチング素子のゲートに供給されるゲート駆動信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路に供給される電力の電源電圧を平滑化する第２コンデンサとを含むゲート回路と、
    制御系回路の電源喪失時に、前記第１コンデンサに蓄えられた電力の一部を前記第２コンデンサに充電させ、前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号を負バイアスに維持できる状態にさせるバイパス回路と、
    前記第２コンデンサに蓄えられた電力によって前記ゲート駆動信号が負バイアスに維持された状態で、前記第１コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電回路と、
    １次側と２次側とを絶縁する絶縁回路を含み、前記絶縁回路を介して電力を中継する電力中継回路と、
    前記電力中継回路を介して前記ゲート回路に電力を供給する制御電源ユニットと、
    前記制御電源ユニットからの出力電圧が第２閾値に満たないことを検出する第２検出部と、
    を備え、
    前記絶縁回路の１次側が前記バイパス回路を介して前記第１コンデンサに接続され、前記絶縁回路の２次側が前記ゲート回路の前記第２コンデンサに接続され、
    前記バイパス回路は、
    第２接点が前記第１コンデンサと前記電力中継回路との間に設けられた第２開閉器を備え、
    前記第２開閉器は、
    前記制御電源ユニットからの出力電圧が第２閾値に満たないことが前記第２検出部によって検出された場合に前記第２接点を閉じる、
    電力変換装置。

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