JP7012609B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光給電装置を備える電力変換装置に関する。

装置内の高電位部に存在する制御装置に電力を供給する方式の一つとして、自己給電方式がある。具体的な例を挙げて説明すると、例えば、系統用電力変換装置、半導体遮断器、高圧モータドライブ装置などの装置においては、装置内の高電位部に、コントローラまたはゲート駆動装置などの各種制御装置が存在する。自己給電方式は、高電位部内に、電力を供給する給電回路を直接設置して、これらの各種制御装置に当該給電回路から電力を供給する。このように、自己給電方式においては、高電位部内に給電回路を直接設置するようにしたことから、給電回路に必要な絶縁耐圧が大幅に低減できる利点がある。

特許文献１に記載の電力変換装置は、複数のセルをカスケード接続して構成されている。各セルは、内部に、直流コンデンサと複数のスイッチング素子とから構成された主回路と、スイッチング素子を駆動するためのゲートパルスを生成するセル制御装置と、セル制御装置に電源を供給するための自給電源とを備えている。特許文献１では、セル制御装置は、自給電源を電力供給源としている。

特開２０１１－１９３６１５号公報

特許文献１に記載の電力変換装置においては、自給電源の動作を開始するためには、主回路に高電圧を印加する必要がある。そのため、セル制御装置のみを動作させたいときも、主回路に高電圧を印加しなければならないという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、主回路に高電圧を印加させることなく、制御装置への給電を可能にする、電力変換装置を得ることを目的とする。

本発明は、互いに直列にカスケード接続された複数のセル変換器を有するカスケード接続電力変換部と、各前記セル変換器に接続された光給電装置とを備え、各前記セル変換器は、スイッチング素子および前記スイッチング素子に並列接続されたコンデンサを含む主回路と、前記スイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート信号を生成する制御装置と、前記制御装置からのゲート信号に基づいて、前記スイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動装置とを有し、前記光給電装置は、外部電源からの電力を光に変換して発光する発光素子と、前記発光素子に対して離間して配置され、前記発光素子が発光した前記光を受光して電力に変換し、前記電力を前記制御装置および前記ゲート駆動装置に供給する受光素子とを有し、前記主回路に電圧が印加されていない状態で、前記受光素子から前記制御装置および前記ゲート駆動装置に前記電力を供給可能に構成された電力変換装置である。

本発明に係る電力変換装置によれば、外部電源からの電力を光に変換して発光する発光素子と、前記発光素子に対して離間して配置され、前記発光素子が発光した前記光を受光して電力に変換し、前記電力を前記制御装置および前記ゲート駆動装置に供給する受光素子とを有する光給電装置を備えるようにしたので、主回路に高電圧を印加することなく、制御装置およびゲート駆動装置への給電ができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 図１で示した電力変換装置に設けられた、複数のセル変換器のうちの１つと、受光素子と、外部端子との配置を示した斜視図である。 図１で示した電力変換装置の光給電装置全体の配置を示した斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態６に係る電力変換装置の光給電装置の構成と反射板の配置とを示す断面図である。 本発明の実施の形態７に係る電力変換装置の光給電装置の構成とレンズの配置とを示す断面図である。 本発明の実施の形態７に係る電力変換装置の光給電装置の構成に対してレンズの配置を変化させた場合の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の実施の形態９に係る電力変換装置の構成を示す回路構成図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する構成については、同一符号を付して示し、重複する説明については省略することとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。電力変換装置は、セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，・・・を備えたカスケード接続変換器から構成されている。セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，・・・は、互いに直列にカスケード接続されている。これらのセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，・・・は、カスケード接続電力変換部を構成している。

なお、図１では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａの内部構成のみを図示しているが、セル変換器１００ｂおよびセル変換器１００ｃは、セル変換器１００ａと同様の構成を有している。以下では、代表して、セル変換器１００ａを、セル変換器１００として、その構成について説明する。

また、以下の説明において、複数個のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，・・・を示す場合は、代表として、セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃの３つを示して説明する。但し、セル変換器１００の個数は、３個に限定されることなく、任意の個数であってよい。セル変換器１００の個数については、特に指定しない限り、後述する実施の形態２以降に関しても同様である。

実施の形態１では、セル変換器１００の構成がチョッパセルであると仮定する。ただし、本発明は、チョッパセル以外の回路構成を有するセル変換器においても同様に適用可能である。

図１に示すように、セル変換器１００は、主回路２０と、ゲート駆動装置３と、制御装置９とを備えて構成されている。

主回路２０は、２つのスイッチング素子１Ｐ，１Ｎとコンデンサ２とを備えて構成されている。スイッチング素子１Ｐ，１Ｎは、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのオンオフ制御可能なスイッチング素子から構成されている。スイッチング素子１Ｐ，１Ｎは、互いに直列に接続され、直列体を形成している。コンデンサ２は、当該直列体に対して並列に接続されている。また、各スイッチング素子１Ｐ，１Ｎには、それぞれ、ダイオードが逆並列に接続されている。

主回路２０には、一対の外部端子Ｘ１，Ｘ２が設けられている。主回路２０は、外部端子Ｘ１，Ｘ２を介して、他のセル変換器１００ｂ，１００ｃの主回路２０と直列に接続されている。外部端子Ｘ１の一端は、スイッチング素子１Ｐとスイッチング素子１Ｎとの接続点に接続されている。外部端子Ｘ１の他端は、他のセル変換器１００ｂの外部端子Ｘ２に接続されている。また、外部端子Ｘ２の一端は、コンデンサ２の一端に接続されている。外部端子Ｘ２の他端は、他のセル変換器１００ｃの外部端子Ｘ１に接続されている。

さらに、セル変換器１００ａには、光給電装置２００ａが接続されている。図１では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａに接続された光給電装置２００ａのみが図示されているが、セル変換器１００ｂには光給電装置２００ｂが接続され、セル変換器１００ｃには光給電装置２００ｃが接続されている。光給電装置２００ｂおよび光給電装置２００ｃは、光給電装置２００ａと同様の構成を有している。以下の説明においては、代表して、光給電装置２００ａの構成について説明する。

光給電装置２００ａは、外部電源４に接続されている。光給電装置２００ａは、外部電源４を電力供給源としている。光給電装置２００ａは、外部電源４からの電力を用いて、ゲート駆動装置３および制御装置９などのセル変換器１００内に設けられた各機器に対して給電を行う。

光給電装置２００ａは、図１に示すように、発光素子６と受光素子７とを備えて構成されている。発光素子６は、外部電源４から第一給電線５を介して電力が供給される。発光素子６は、供給された電力を光に変換して、受光素子７に向けて発光する。受光素子７は、発光素子６に対向し、且つ、発光素子６から離間して配置されている。受光素子７は、発光素子６から発光される光を受光し、受光した光を、再び、電力へ変換する。受光素子７は、当該電力を、第二給電線８を介して、セル変換器１００ａの制御装置９およびゲート駆動装置３に供給する。

上述したように、制御装置９には、光給電装置２００ａから第二給電線８を介して電力が供給される。制御装置９は、供給された電力を用いて、電力変換装置が必要とされる電力を外部に対して出力できるように、スイッチング素子１Ｐ，１Ｎをオンオフ制御するためのゲート信号を生成し、ゲート信号線１０を介して、ゲート駆動装置３へ送信する。

ゲート駆動装置３は、制御装置９からゲート信号線１０を介してゲート信号を受け取る。また、ゲート駆動装置３には、光給電装置２００ａから第二給電線８を介して電力が供給される。ゲート駆動装置３は、供給された電力を用いて、受信したゲート信号に基づいて、スイッチング素子１Ｐ，１Ｎをオンオフ駆動する。これにより、一対の外部端子Ｘ１，Ｘ２とコンデンサ２との間で電力変換が行われ、外部端子Ｘ１，Ｘ２の間に、コンデンサ２の電圧または零電圧が出力される。

本実施の形態１においては、以上の構成により、高電圧が印加される主回路２０に高電圧を印加することなく、接地電位にある外部電源４から、ゲート駆動装置３および制御装置９へ電力を供給することができる。なお、この場合、高電圧とは、例えば、１００ｋＶ以上の電圧をいう。

図２は、図１で示した電力変換装置に設けられた複数のセル変換器のうちの１つのセル変換器１００と、受光素子７および外部端子Ｘ１，Ｘ２との配置を示す斜視図である。なお、図２および後述する図３を用いて説明する以下の構成は、実施の形態１だけでなく、実施の形態２以降でも基本的に同じであるため、実施の形態２以降では、当該構成の説明については省略する。

図２に示すように、セル変換器１００は、筐体１０１を有している。筐体１０１は、例えば、直方体の形状を有している。図１に示したセル変換器１００の各構成、すなわち、主回路２０、ゲート駆動装置３、および、制御装置９は、筐体１０１内に収納されている。以下では、筐体１０１と筐体１０１内に収納された各構成とを含めて、セル変換器１００とする。なお、図２では、セル変換器１００の筐体１０１として、直方体の筐体を用いているが、本発明はこれに限るものではなく、他の形状の筐体でも同様に適用することができる。

外部端子Ｘ１，Ｘ２は、セル変換器１００の筐体１０１の一つの面１０２に設けられている。また、受光素子７は、外部端子Ｘ１，Ｘ２が設けられている面１０２以外の他方の面１０３に配置されている。受光素子７は、発光素子６から光を受光するための受光面１０７を有している。受光素子７の受光面１０７は、筐体１０１側と反対側の外側に向けて配置される。なお、図２においては、面１０２と面１０３とが互いに対向する位置に配置されているが、これに限定されない。すなわち、外部端子Ｘ１，Ｘ２が配置されている面１０２と、受光素子７が配置されている面１０３とが、互いに異なる面であれば、いずれの面でもよい。これにより、外部端子Ｘ１，Ｘ２ならびに受光素子７の受光面１０７の配置が自由になり、当該配置の自由度が向上する。

ただし、受光素子７は、セル変換器１００の筐体１０１が設置されている平坦な設置面１０４に対して、受光面１０７が垂直になるように配置される。なお、設置面１０４は、必ずしも、平坦でなくてもよい。

このように配置することにより、受光素子７の受光面１０７に塵または埃が溜まることを防ぎ、受光面１０７の受光量の減少を抑制できる。

図３は、セル変換器１００と光給電装置２００ａとの配置を示す斜視図である。図３に示すように、光給電装置２００ａにおいては、受光素子７の受光面１０７に対し、発光素子６の発光面１０６が対向するように配置される。

ここで、セル変換器１００の最大対地電圧をＶｄｃ（ｋＶ）、発光素子６と受光素子７との間の距離をＲ（ｃｍ）とする。このとき、気中放電は距離Ｒ（ｃｍ）に比例して絶縁破壊電圧が決定されるため、距離Ｒ（ｃｍ）は、最大対地電圧Ｖｄｃ（ｋＶ）に対して、下式（１）の条件を満たすように決定することが望ましい。

Ｒ≧０．３×Ｖｄｃ （１）

このように、発光素子６と受光素子７との間の距離Ｒが上式（１）を満たすように、発光素子６と受光素子７とを配置することにより、発光素子６と受光素子７とは絶縁距離が保持される。

なお、ここで、本実施の形態１に係る電力変換装置の用途を考慮すると、光の強度が保てなくなる程、距離Ｒが大きくなることはないため、上記（１）式では、距離Ｒの上限値については特に限定していない。例を挙げて説明すると、例えば、本実施の形態１に係る電力変換装置の使用が考えられるＨＶＤＣプロジェクトのバルブホールの長手方向の距離は２００ｍ以下が一般的である。ゆえに発光素子６と受光素子７とが２００ｍを超える距離だけ離れるとバルブホールに入らないので、距離Ｒは、２００ｍ以下とすることが望ましい。その場合、上記（１）式は、２０，０００≧Ｒ≧０．３×Ｖｄｃとなる。

以上のように、本実施の形態１に係る電力変換装置は、複数のセル変換器１００を有するカスケード接続電力変換部と、カスケード接続電力変換部に給電する光給電装置２００とを備えている。また、光給電装置２００ａは、電力を光に変換して発する発光素子６と、発光素子６の光を受光して電力に変換する受光素子７とを備えている。

このように、本実施の形態１においては、発光素子６と受光素子７とを離間して設けることにより、発光素子６と受光素子７との間は絶縁が確保される。そのため、主回路２０の動作時に、セル変換器１００に設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３へ外部電源４からの給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、接地電位にある外部電源４から、ゲート駆動装置３および制御装置９に給電することが可能になる。

また、本実施の形態１においては、セル変換器１００において、一方の面１０２に主電流を流す外部端子Ｘ１，Ｘ２を設け、他方の面１０３に受光素子７を設けている。これにより、外部端子Ｘ１，Ｘ２ならびに受光素子７の受光面１０７の配置が自由になる。

また、本実施の形態１においては、受光素子７は、セル変換器１００の設置面１０４に対して垂直に配置される。これにより、受光素子７に塵または埃が溜まることなく、常に最大限受光することを可能にする。

また、本実施の形態１においては、セル変換器１００の最大対地電位をＶｄｃ(ｋＶ)としたとき、発光素子６と受光素子７との間の距離Ｒ（ｃｍ）が、Ｒ≧０．３×Ｖｄｃを満たすように、発光素子６および受光素子７を配置することが望ましい。それにより、発光素子６と受光素子７との間は、給電距離を保ちつつ、絶縁距離も確保することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態２では、図４に示すように、複数のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対して、共通の１つの光給電装置２００Ａが接続されている。

すなわち、実施の形態２では、セル変換器１００ｂおよび１００ｃに対して給電する光給電装置２００ｂおよび２００ｃが、光給電装置２００Ａ内に設けられた受光素子７ｂ，７ｃおよび第二給電線８ｂ，８ｃのみで構成されている。従って、受光素子７ａ，７ｂ，７ｃに対して、共通の１つの発光素子６が設けられている。

以下、光給電装置２００Ａの構成について説明する。

本実施の形態２においては、図４に示すように、光給電装置２００Ａは、１つの発光素子６と、３つの受光素子７ａ，７ｂ，７ｃとを備えて構成されている。発光素子６は、外部電源４から第一給電線５を介して供給された電力を光に変換する。各受光素子７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれ、発光素子６から発光された光を受光し、受光した光を、再び、電力へ変換する。各受光素子７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれの第二給電線８ａ，８ｂ，８ｃを介して、セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃへと給電する。

他の構成および動作については、実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

以上の構成および動作によって、本実施の形態２においては、各セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対して、光給電装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃを設ける代わりに、１つの光給電装置２００Ａを設けるようにした。これにより、１つの外部電源４、１つの第一給電線５、および、１つの発光素子６で、セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対する給電動作が可能となるため、システムを小型化かつ簡略化することができる。

以上のように、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００に設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態２においては、各セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対して、共通の１つの光給電装置２００Ａだけを設ける構成にした。これにより、セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対して、１つの外部電源４、１つの第一給電線５、および、１つの発光素子６での動作が可能となるため、システムを小型化かつ簡略化することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態３では、図５に示すように、複数のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対し、１つの光給電装置２００ａが接続されている。本実施の形態３においては、図５に示すように、共通の１つの光給電装置２００ａが、３方向に分岐した第二給電線８を介して、３つのセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに接続されている。

光給電装置２００ａの構成については、実施の形態１で説明した通りである。すなわち、光給電装置２００ａは、実施の形態１で説明したように、１つの発光素子６と、１つの受光素子７とを備えて構成されている。発光素子６は、外部電源４から第一給電線５を介して供給された電力を光に変換する。受光素子７は、発光素子６から発光された光を受光し、受光した光を、再び、電力へ変換する。受光素子７は、当該電力を、第二給電線８を介して、セル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃの制御装置９およびゲート駆動装置３にそれぞれ供給する。

このように、本実施の形態３においては、複数のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対し、１つの外部電源４、１つの第一給電線５、１つの発光素子６、１つの受光素子７で、給電動作が可能である。

このように、本実施の形態３では、１つの受光素子７から、第二給電線８によって、複数のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃのそれぞれへの給電が行われる。

以上のように、本実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、光給電装置２００ａ内に設置した発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００に設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態３においては、複数のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに対し、１つの光給電装置２００ａのみで動作できる構成にしたため、システムを小型化かつ簡略化することができる。

ただし、本実施の形態３においては、受光素子７から第二給電線８を介して複数のセル変換器１００ａ，１００ｂ，１００ｃに給電するため、セル変換器間の電位は等しくなければならない。

なお、実施の形態３は実施の形態２と組み合わせることができる。すなわち、複数のセル変換器をいくつかのグループに分け、或るグループには、実施の形態２で示した光給電装置２００Ａを接続し、他の或るグループには、実施の形態３で示した光給電装置２００ａを接続するようにしてもよい。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態４に係る電力変換装置では、セル変換器１００ａＡにおいて、上述した実施の形態１で示したセル変換器１００ａの構成に対し、自己給電装置１１が追加されている点が、実施の形態１と異なる。他の構成および動作については、実施の形態１と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。

なお、図６では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａＡの内部構成のみを図示しているが、セル変換器１００ｂＡおよびセル変換器１００ｃＡは、セル変換器１００ａＡと同様の構成を有している。以下では、代表して、セル変換器１００ａＡを、セル変換器１００Ａとして、その構成について説明する。

また、図６では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａＡに接続された光給電装置２００ａのみが図示されているが、セル変換器１００ｂＡには光給電装置２００ｂが接続され、セル変換器１００ｃＡには光給電装置２００ｃが接続されている。光給電装置２００ｂおよび光給電装置２００ｃは、光給電装置２００ａと同様の構成を有している。以下の説明においては、代表して、光給電装置２００ａの構成について説明する。

図６に示すように、セル変換器１００Ａにおいて、コンデンサ２に対して、自己給電装置１１が並列に接続されている。自己給電装置１１は、コンデンサ２を電力供給源としている。自己給電装置１１は、第三給電線１８を介して、第二給電線８に接続されている。

自己給電装置１１は、コンデンサ２に蓄積されたエネルギーに基づいて、予め設定された適当な電圧および電流を有する電力を生成し、第三給電線１８を介して第二給電線８へ供給する。

なお、自己給電装置１１は、主回路２０の動作によって変動するコンデンサ２の高電圧を、安定した一定の低電圧に変換するための、ＤＣ／ＤＣコンバータを備えて構成されている。しかしながら、本実施の形態４は、ＤＣ／ＤＣコンバータに限定されるものではなく、一定の低電圧を保ちつつ電力を供給できるシステムであれば、自己給電装置１１として、いずれのシステムを用いるようにしてもよい。

以上の構成により、制御装置９およびゲート駆動装置３への給電として、光給電装置２００ａによる給電と、自己給電装置１１による給電とを、併用または選択することができる。

すなわち、光給電装置２００ａまたは自己給電装置１１の一方が故障した場合にも、他方の装置によって給電することが可能となり、セル変換器１００Ａの運転を継続することができる。

具体的には、例えば、通常時は光給電装置２００ａから給電を行い、光給電装置２００ａが故障した場合にのみ、自己給電装置１１から給電を行うようにしてもよい。あるいは、その逆でもよい。

あるいは、光給電装置２００ａによる給電と自己給電装置１１による給電とを常に併用するようにしてもよい。

あるいは、第三給電線１８にスイッチを設けておき、制御装置９からの制御信号により、当該スイッチのオンオフ制御を行って、選択的に、自己給電装置１１から給電を行うようにしてもよい。なお、この場合、光給電装置２００ａから供給される電力量を検出するセンサを第二給電線８に設けておき、当該センサで検出した電力量が閾値より低い場合に、スイッチをオンにして、自己給電装置１１からも給電するようにすればよい。

以上のように、各セル変換器１００ａＡ，１００ｂＡ，１００ｃＡが、自己給電装置１１を備えるようにしたので、光給電装置２００ａによる給電と、自己給電装置１１による給電とを併用または選択することができる。

このように、本実施の形態４においては、光給電装置２００ａの他に、コンデンサ２を電力供給源とする自己給電装置１１を設けるようにしたので、セル変換器１００Ａが、２つの給電方法を有することが可能となる。

また、本実施の形態４において、第三給電線１８にスイッチを設けておき、選択的に、自己給電装置１１からの給電を行うようにしてもよい。その場合には、光給電装置２００ａまたは自己給電装置１１の一方が故障した場合にも、他方の装置によって給電することが可能となり、セル変換器１００Ａの運転を継続することができる。

以上のように、本実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００Ａに設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態４においては、各セル変換器１００ａＡ，１００ｂＡ，１００ｃＡが、自己給電装置１１を備えるようにしたので、光給電装置２００ａによる給電と、自己給電装置１１による給電とを併用または選択することができる。

なお、実施の形態４は、実施の形態２乃至３のいずれかと組み合わせることができる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態５に係る電力変換装置では、セル変換器１００ａＢにおいて、上述した実施の形態１で示したセル変換器１００ａの構成に対し、バイパス１２とエネルギー蓄積装置１３とが追加されている点が、実施の形態１と異なる。他の構成および動作については、実施の形態１と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。

なお、図７では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａＢの内部構成のみを図示しているが、セル変換器１００ｂＢおよびセル変換器１００ｃＢは、セル変換器１００ａＢと同様の構成を有している。以下では、代表して、セル変換器１００ａＢを、セル変換器１００Ｂとして、その構成について説明する。

また、図７では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａＢに接続された光給電装置２００ａのみが図示されているが、セル変換器１００ｂＢには光給電装置２００ｂが接続され、セル変換器１００ｃＢには光給電装置２００ｃが接続されている。光給電装置２００ｂおよび光給電装置２００ｃは、光給電装置２００ａと同様の構成を有している。以下の説明においては、代表して、光給電装置２００ａの構成について説明する。

バイパス１２は、外部端子Ｘ１と外部端子Ｘ２との間に配置されている。また、エネルギー蓄積装置１３は、バイパス１２に接続され、バイパス１２を駆動するエネルギーの供給源となっている。

エネルギー蓄積装置１３には、第二給電線８が接続されており、光給電装置２００ａから電力が供給される。

セル変換器１００Ｂが正常である時、バイパス１２は開放状態である。セル変換器１００Ｂの故障または直流短絡事故が起きた時、制御装置９が、それらを検出して、バイパス１２を閉成させることで、外部端子Ｘ１と外部端子Ｘ２との間を短絡させる。このとき、バイパス１２は、エネルギー蓄積装置１３から駆動電力が供給されて動作する。

本実施の形態５では、セル変換器１００Ｂの動作前に、外部電源４から光給電装置２００ａと第二給電線８を介して、エネルギー蓄積装置１３に対して、バイパス１２の駆動が可能なエネルギー量を供給および蓄積し、その後、セル変換器１００Ｂを動作する。

以上の構成および動作により、本実施の形態５においては、セル変換器１００Ｂの故障または直流短絡事故が起きた時に、外部端子Ｘ１と外部端子Ｘ２との間を短絡させるためのバイパス１２を設けるようにした。これにより、セル変換器１００Ｂの動作時に、セル変換器１００Ｂが故障または直流短絡事故が発生した場合には、バイパス１２を閉成させることで、主回路２０の保護動作が可能となる。

以上のように、本実施の形態５においても、実施の形態１と同様に、発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００Ｂに設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態５においては、外部端子Ｘ１と外部端子Ｘ２との間を短絡させるためのバイパス１２を設けるようにしたので、セル変換器１００Ｂの動作時に、セル変換器１００Ｂの故障または直流短絡事故が発生した場合には、バイパス１２を閉成させることで、主回路２０の保護動作が可能となる。また、セル変換器１００Ｂの復旧後に、バイパス１２を開放することで、通常動作が可能になるので、セル変換器１００Ｂの不具合に対して迅速かつ適切な対応を行うことを可能にする。

なお、実施の形態５は、実施の形態２乃至４のいずれかと組み合わせることができる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る電力変換装置の光給電装置２００の構成を示す側断面図である。実施の形態６に係る電力変換装置は、図８に示すように、光給電装置２００の受光素子７の周囲に、反射板１４を設けた点が、実施の形態１に係る電力変換装置と異なる。他の構成および動作については、実施の形態１と同じである。

反射板１４は、受光素子７の受光面１０７に対して垂直に配置される。反射板１４は、例えば、角筒型の形状を有している。なお、反射板１４の反射面１１４は内側を向くように配置される。

反射板１４は、鏡または蛍光灯反射板などの反射率の高い板を用いて構成される。

発光素子６の発した光を受光素子７の受光面１０７へと照射すると、発光素子６の発する光は距離を増すごとに徐々に拡散する。

発光素子６と受光素子７と間の距離が、予め設定された閾値よりも大きく離れている場合、発光素子６の発する光は、受光素子７の受光面１０７に届く前に拡散され、全ての光が受光面１０７で受光されない。

また、発光素子６の発光面１０６の形状と受光素子７の受光面１０７の形状とが同じであっても、光の形状は光の拡散とともに変化する。そのため、発光素子６と受光素子７との間の距離を調整したとしても、光が受光面１０７に達するときには、受光面１０７の形状と実際に照射された光の形状とが等しくならない。

そのため、本実施の形態６では、受光素子７の受光面１０７の周りに反射板１４を配置することによって、拡散される光を反射板１４で反射して、受光素子７の受光面１０７へと受光させる。これにより、本来は受光素子７の受光面１０７の外に拡散してしまう光を反射板１４で反射させて、受光素子７の受光面１０７へと集約できるので、外部電源４からの給電効率を向上させることができる。

以上のように、反射板１４の作用により、発光素子６の発光した光を、漏れなく、受光素子７に受光させることができるので、受光の効率が向上する。これにより、外部電源４からの電力を無駄なく効率よく用いて、制御装置９およびゲート駆動装置３へ給電することができる。

以上のように、本実施の形態６においても、実施の形態１と同様に、光給電装置２００内に設置された発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００に設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態６においては、受光素子７の周囲に反射板１４を配置するようにしたので、発光素子６の発光した光を、漏れなく、受光素子７に受光させることができるので、受光の効率が向上する。これにより、外部電源４からの電力を無駄なく効率よく用いて、制御装置９およびゲート駆動装置３へ給電することができる。

なお、実施の形態６は実施の形態２乃至５のいずれかと組み合わせることができる。

実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る電力変換装置の光給電装置２００の構成を示す図である。実施の形態７に係る電力変換装置は、図９に示すように、光給電装置２００の発光素子６と受光素子７との間にレンズ１５を配置した点が、実施の形態１と異なる。他の構成および動作は、実施の形態１と同じである。

レンズ１５は、凸レンズから構成されている。

実施の形態１において、発光素子６と受光素子７との距離が、予め設定された閾値より短い場合、発光素子６の発する光は拡散しきらずに、全ての光が受光素子７の受光面１０７に照射される。

しかしながら、受光素子７の受光面１０７の一部には光が当たらないため、出力特性が制限され、効率が悪くなる。

そのため、実施の形態７では、発光素子６と受光素子７との間にレンズ１５を挿入する構成とした。それにより、発光素子６の発光面１０６からの光を、レンズ１５を通すことで、受光素子７の受光面１０７に対し拡大投影することができる。

すなわち、発光素子６の発光面１０６の形状を、受光素子７の受光面１０７と同じ形状にすることで、発光面１０６から発光された光の形状が、レンズ１５により拡大投影され、さらに、拡散する分の光については、レンズ１５を通ることにより並行光化するため、発光素子６の発光面の形がぼやけず、結果として、受光素子７の受光面１０７に満遍なく光が照射される。

また、レンズ１５の焦点距離、および、発光素子６とレンズ１５との間の距離を変更することによって、発光素子６と受光素子７との距離がいかなる時にも発光素子６の発する光を受光素子７の受光面１０７に満遍なく照射できる。

これにより、受光素子７の出力特性が制限されることなく、また、発光した光が受光素子７の受光面１０７に全て照射され、受光効率が向上する。

さらに、図１０に示すように、発光素子６の軸と受光素子７の軸とがずれていた場合、レンズ１５の中心を発光素子６の中心に対してずらすことによって、受光素子７の受光面１０７に照射される光の位置を調整できる。

これにより、発光素子６の軸と受光素子７の軸とがずれていても、受光素子７の受光面１０７に照射される光の漏れを抑制でき、効率が向上する。

以上のように、本実施の形態７においても、実施の形態１と同様に、発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００に設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態７においては、発光素子６と受光素子７との間にレンズ１５を配置するようにしたので、発光素子６から発光された光を、漏れなく、受光素子７に受光させることができるので、受光の効率が向上する。これにより、外部電源４からの電力を無駄なく効率よく用いて、制御装置９およびゲート駆動装置３へ給電することができる。このように、本実施の形態７においては、レンズ１５による発光面１０６からの光の拡大投影により、光の形状を変化させずに、受光面１０７と同じ形状および同じ大きさで受光面１０７に受光させることができるので、給電効率を向上させることができる。

なお、実施の形態７は実施の形態２乃至６のいずれかと組み合わせることができる。

実施の形態８．
図１１は、本発明の実施の形態８に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態８における電力変換装置は、上述の実施の形態１におけるセル変換器１００内に設けられた制御装置９を、セル変換器１００内ではなく、外部に設け、接地電位に配置した点が実施の形態１と異なる。また、発光素子６と制御装置９との間にはゲート信号線１０Ｋが接続され、受光素子７とゲート駆動装置３との間にはゲート信号線１０Ｌが接続される。ゲート信号線１０Ｋ，１０Ｌは、制御装置９からのゲート信号をゲート駆動装置３に伝える。

なお、図１１では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａＣの内部構成のみを図示しているが、セル変換器１００ｂＣおよびセル変換器１００ｃＣは、セル変換器１００ａＣと同様の構成を有している。以下では、代表して、セル変換器１００ａＣを、セル変換器１００Ｃとして、その構成について説明する。

また、図１１では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａＣに接続された光給電装置２００ａのみが図示されているが、セル変換器１００ｂＣには光給電装置２００ｂが接続され、セル変換器１００ｃＣには光給電装置２００ｃが接続されている。光給電装置２００ｂおよび光給電装置２００ｃは、光給電装置２００ａと同様の構成を有している。以下の説明においては、代表して、光給電装置２００ａの構成について説明する。

実施の形態８においては、図１１に示すように、セル変換器１００Ｃは、主回路２０と、ゲート駆動装置３とを備えて構成されている。

本実施の形態８では、発光素子６は、第一給電線５を介した外部電源４による電力だけでなく、ゲート信号線１０Ｋを介した制御装置９のゲート信号も受け取る。発光素子６は、受信した電力およびゲート信号をそれぞれ光へと変換する。そして、受光素子７によってその光が受光される。受光素子７は、受光した光を、電力とゲート信号それぞれに再び変換し、第二給電線８とゲート信号線１０Ｌとを介して、ゲート駆動装置３にそれぞれ送信する。

以上の構成および動作により、制御装置９を接地電位に配置することができ、外部から制御をおこなうことが可能になる。

以上のように、本実施の形態８においても、実施の形態１と同様に、発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００Ｃに設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態８においては、制御装置９を接地電位に配置するようにして、光給電装置２００ａを介して、電力とともに制御信号も同時に送信するようにしたので、制御信号を送信するシステムを別途設ける必要がなく、システムを小型化することが可能である。

なお、実施の形態８は実施の形態２乃至７のいずれかと組み合わせることができる。

実施の形態９．
図１２は、本発明の実施の形態９に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態９に係る電力変換装置は、図１２に示すように、上述した実施の形態１における電力変換装置の構成に対して、生体検知部１６と発光停止部１７とを追加した点が、実施の形態１と異なる。他の構成および動作については、実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

なお、図１２では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａの内部構成のみを図示しているが、セル変換器１００ｂおよびセル変換器１００ｃは、セル変換器１００ａと同様の構成を有している。以下では、代表して、セル変換器１００ａを、セル変換器１００として、その構成について説明する。

また、図１２では、図の簡略化のために、セル変換器１００ａに接続された光給電装置２００ａのみが図示されているが、セル変換器１００ｂには光給電装置２００ｂが接続され、セル変換器１００ｃには光給電装置２００ｃが接続されている。光給電装置２００ｂおよび光給電装置２００ｃは、光給電装置２００ａと同様の構成を有している。以下の説明においては、代表して、光給電装置２００ａの構成について説明する。

なお、生体検知部１６と発光停止部１７とは、それぞれ、１つのセル変換器１００ごとに、１つずつ設けるようにしてもよいが、あるいは、複数のセル変換器１００に対して、１つの生体検知部１６および１つの発光停止部１７を設けるようにしてもよい。

生体検知部１６は、電力変換装置の周囲に生体が存在した場合に、当該生体を検知して、検知信号を出力する。生体検知部１６は、例えば、赤外線センサなどの生体が検知できる生体センサを備えて構成される。発光停止部１７は、生体検知部１６から検知信号を受信した場合に、発光素子６に対して停止信号を送信することで、発光素子６の発光を停止させる。

本実施の形態９においては、電力変換装置の動作時、生体検知部１６が、電力変換装置の周囲で生体を検知したとき、発光停止部１７に検知信号を送信し、ただちに、発光素子６の発光を停止させることで、ゲート駆動装置３および制御装置９への電力供給を停止させる。電力供給が停止することで、スイッチング素子１Ｐ，１Ｎのスイッチがオフされ、セル変換器１００の動作が停止する。

以上の構成および動作により、接地電位が１００ｋＶ以上の高電圧のセル変換器１００を備える電力変換装置に対して、生体が近づいた状態で、電力変換装置が動作することを防ぎ、事故を防止する。

以上のように、本実施の形態９においても、実施の形態１と同様に、発光素子６と受光素子７との間の絶縁を確保するようにしたので、接地電位にある外部電源４を用いて、主回路２０の動作時に、セル変換器１００に設けられた制御装置９およびゲート駆動装置３への給電を可能にすることができる。その結果、主回路２０に高電圧を印加することなく、外部電源４から制御装置９およびゲート駆動装置３に給電を行うことができる。

さらに、本実施の形態９においては、生体を検知する生体検知部１６を設けて、電力変換装置の周囲に存在する生体を検知した場合に、ただちに、発光素子６の発光を停止させることで、ゲート駆動装置３および制御装置９への電力供給を停止させ、セル変換器１００の動作を停止させるようにしたので、生体が近づいた状態で、電力変換装置が動作することを防ぎ、事故を防止する。

なお、実施の形態９は実施の形態２乃至８のいずれかと組み合わせることができる。

なお、実施の形態１～９において、制御装置９は、コントローラを備えて構成されている。コントローラは、プロセッサとメモリとを備えている。制御装置９を構成する各部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、または、それらの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリに格納される。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置９の各部の機能を実現する。また、ゲート駆動装置３は、スイッチング素子１Ｐ，１Ｎのゲートに適切な電圧を印加することを可能にする専用のハードウェアから構成されている。

１Ｐ，１Ｎ スイッチング素子、２ コンデンサ、３ ゲート駆動装置、４ 外部電源、５ 第一給電線、６ 発光素子、７ 受光素子、８ 第二給電線、９ 制御装置、１０ ゲート信号線、１１ 自己給電装置、１２ バイパス、１３ エネルギー蓄積装置、１４ 反射板、１５ レンズ、１６ 生体検知部、１７ 発光停止部、１８ 第三給電線、２０ 主回路、１００ セル変換器、２００ａ 光給電装置、Ｘ１，Ｘ２ 外部端子。

Claims (12)

1. 互いに直列に接続された複数のセル変換器を有するカスケード接続電力変換部と、
   各前記セル変換器に接続された光給電装置と
   を備え、
   各前記セル変換器は、
   スイッチング素子および前記スイッチング素子に並列接続されたコンデンサを含む主回路と、
   前記スイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート信号を生成する制御装置と、
   前記制御装置からのゲート信号に基づいて、前記スイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動装置と
   を有し、
   前記光給電装置は、
   外部電源からの電力を光に変換して発光する発光素子と、
   前記発光素子に対して離間して配置され、前記発光素子が発光した前記光を受光して電力に変換し、前記電力を前記制御装置および前記ゲート駆動装置に供給する受光素子と
   を有し、
   前記主回路に電圧が印加されていない状態で、前記受光素子から前記制御装置および前記ゲート駆動装置に前記電力を供給可能に構成された
   電力変換装置。
2. 各前記セル変換器は、
   筐体と、
   前記筐体に設けられた外部端子と
   を有し、
   前記受光素子と前記外部端子とは前記筐体の異なる面にそれぞれ配置されている、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記受光素子は、各前記セル変換器の前記筐体が設置されている設置面に対して垂直になるように配置されている、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 各前記セル変換器の最大対地電位をＶｄｃ(ｋＶ)とし、前記発光素子と前記受光素子との間の距離をＲ（ｃｍ）としたとき、
   Ｒ≧０．３×Ｖｄｃ
   の関係を満足するように、前記発光素子と前記受光素子との間の距離Ｒ（ｃｍ）を設定して前記発光素子と前記受光素子とが配置される、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 複数の前記セル変換器に対して、共通の１つの前記光給電装置が接続される、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 各前記セル変換器は、さらに、
   前記コンデンサに接続され、前記コンデンサに蓄積されたエネルギーに基づいて、前記制御装置および前記ゲート駆動装置に電力を供給する自己給電装置と
   を有する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 各前記セル変換器は、さらに、
   前記光給電装置と前記自己給電装置とに接続され、前記制御装置および前記ゲート駆動装置に供給する電力を前記光給電装置と前記自己給電装置との間で切り替えるスイッチをさらに備え、
   前記スイッチは、前記制御装置からの制御信号により切り替えられる、
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 各前記セル変換器は、さらに、
   前記スイッチング素子に接続された第１の外部端子と、
   前記コンデンサの一端に接続された第２の外部端子と、
   前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間に接続され、前記制御装置の制御により、通常時は前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間を開放し、異常時は前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間を短絡させる、バイパスと、
   前記光給電装置から供給された電力を蓄積し、異常時に前記バイパスに電力を供給する、エネルギー蓄積部と
   を有する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記受光素子の周囲に配置された反射板をさらに備えた、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記発光素子と前記受光素子との間に配置されたレンズをさらに備えた、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 前記制御装置は、前記セル変換器の外部に配置され、前記光給電装置を介して前記ゲート信号を前記ゲート駆動装置に送信する、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. 前記電力変換装置の周囲に存在する生体を検知して検知信号を出力する生体検知部と、
    前記生体検知部から前記検知信号を受信した場合に、前記発光素子に停止信号を送信して、前記発光素子の前記発光を停止させる発光停止部と
    をさらに備えた、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電力変換装置。

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