JP7358021B2

JP7358021B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7358021B2
Application number: JP2021027548A
Authority: JP
Inventors: 弥川村
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2023-10-10
Anticipated expiration: 2041-02-24
Also published as: JP2022129022A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

複数の変換器を直列に接続した電力変換装置がある。各変換器は、複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、複数のスイッチング素子を駆動する駆動回路と、電荷蓄積素子の直流電圧から各スイッチング素子を駆動するための駆動電源を生成し、駆動回路などに供給する主回路給電回路と、を有する。また、各変換器は、一対の接続端子を有し、一対の接続端子を介して直列に接続される。

各変換器では、電源の絶縁の制約などから、上記のように、内部の電荷蓄積素子の直流電圧を主回路給電回路によって適切な電圧に変換することにより、駆動電源を確保している。

このように、主回路給電回路によって駆動電源を確保する場合に、主回路給電回路が故障して駆動電源を喪失してしまうと、各スイッチング素子がオフ状態となり、複数の変換器の直列接続体に流れる電流によって該当する変換器の電荷蓄積素子の電圧が上昇し、変換器が故障してしまう可能性がある。

このため、過電圧保護回路を設け、電荷蓄積素子の過電圧の発生時に、過電圧保護回路によって複数のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を駆動することにより、一対の接続端子間を短絡させるように、所定のスイッチング素子をオン状態に切り替えることが行われている。これにより、直列接続体に流れる電流による電荷蓄積素子の電圧の上昇を抑制することができる。このように、一対の接続端子間を短絡させることは、バイパスと呼ばれる場合がある。

過電圧保護回路の駆動により、変換器をバイパスした状態では、電荷蓄積素子の電圧が、主回路給電回路による電力消費、スイッチング素子の漏れ電流などに起因して徐々に低下する。このため、変換器をバイパスした状態のままにしていると、電荷蓄積素子の電圧の低下により、予期せぬタイミングで過電圧保護回路による駆動が不能となり、所定のスイッチング素子が低速でオン状態からオフ状態に切り替わってしまう可能性がある。こうした低速のスイッチングは、過大なスイッチング損失を発生し得るため、素子破壊のリスクがある。

このため、過電圧保護回路は、電荷蓄積素子の電圧が下限値まで低下した際に、所定のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えることを行っている。換言すれば、過電圧保護回路は、電荷蓄積素子の電圧が下限値まで低下した際に、変換器のバイパス状態を解除している。過電圧保護回路は、直列接続体に流れる電流により、電荷蓄積素子の電圧が上限値（過電圧検出レベル）まで上昇した際に、再び変換器をバイパスする。これにより、主回路給電回路が故障した際にも、電荷蓄積素子の電圧を上限値と下限値との間に維持し、直列に接続された別の変換器で電力変換装置の運転を継続することができる。

しかしながら、上記のように構成された過電圧保護回路には、所定のスイッチング素子のターンオフ速度、及び定常損失の観点において、検討の余地が残されていた。

スイッチング素子は、制御端子を有し、制御端子の電圧が低い状態の時にオフ状態となり、制御端子の電圧が高い状態の時にオン状態となる。制御端子には、浮遊容量が存在し、素子破壊を抑制しつつスイッチング素子を安全にオン状態からオフ状態に切り替えるためには、浮遊容量に蓄積された電荷を十分な速度で放電する必要がある。

主回路給電回路からの給電に基づいて各スイッチング素子の通常の駆動を行う駆動回路は、一般に、トーテムポール出力で構成されており、各スイッチング素子を十分な速度でオン状態からオフ状態に切り替えることができる。

一方で、過電圧保護回路は、駆動回路による通常時の各スイッチング素子の駆動に支障がなく、かつ過電圧保護動作時は所定のスイッチング素子のオン状態への切り替え（バイパス）が優先されるように、整流素子を介して所定のスイッチング素子の制御端子と接続される。このため、過電圧保護回路によってスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替える際に、制御端子の浮遊容量に蓄積された電荷の放電が、整流素子によって阻害され、スイッチング素子を十分な速度でオン状態からオフ状態に切り替えることができない可能性がある。

これを抑制するため、スイッチング素子の制御端子に放電抵抗を接続することも提案されている。スイッチング素子の制御端子に放電抵抗を接続し、過電圧保護回路がスイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えた際に、制御端子の浮遊容量に蓄積された電荷を放電抵抗に放電する。これにより、過電圧保護回路でスイッチング素子をターンオフさせる際にも、十分な速度でスイッチング素子をターンオフさせることができる。

しかしながら、放電抵抗は、通常時も制御端子に接続されているため、駆動回路でスイッチング素子を駆動する際にも、放電抵抗に常時電流が流れてしまう。一般に、大容量のスイッチング素子の制御端子の浮遊容量は、比較的大きく、この浮遊容量に蓄積された電荷をターンオフに支障のない十分な速度で放電するためには、放電抵抗の抵抗値を比較的小さくする必要がある。従って、制御端子に放電抵抗を接続した場合には、通常時に放電抵抗に常時流れる電流により、定常損失が増加してしまう。また、これにともなって、駆動回路の電源容量を増加させる必要が生じたり、駆動回路の放熱設計が困難になったりする可能性も生じてしまう。

このため、複数の変換器を直列に接続した電力変換装置では、定常損失の増加を抑制しつつ、過電圧保護回路によって十分な速度でスイッチング素子をターンオフできるようにすることが望まれる。

特開２０２０－０１０５６４号公報

本発明の実施形態は、直列に接続された複数の変換器において、定常損失の増加を抑制しつつ、過電圧保護回路によって十分な速度でスイッチング素子をターンオフすることができる電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、直列に接続された複数の変換器を有し、前記複数の変換器の動作により、電力の変換を行う主回路部と、前記主回路部の動作を制御する制御装置と、を備え、前記複数の変換器のそれぞれは、一対の接続端子と、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、前記制御装置からの制御信号に応じて、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する複数の駆動回路と、前記電荷蓄積素子に蓄積された電荷を基に、前記複数の駆動回路の駆動電源を生成し、前記駆動電源を前記複数の駆動回路に供給する主回路給電回路と、前記電荷蓄積素子の直流電圧を検出し、前記電荷蓄積素子の直流電圧が上限値以上になった際に、過電圧保護動作を行う過電圧保護回路と、を有し、前記一対の接続端子を介して直列に接続されるとともに、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記電荷蓄積素子の電圧を前記一対の接続端子間に出力する出力状態と、前記一対の接続端子間を導通させたバイパス状態と、前記複数のスイッチング素子をオフ状態とした停止状態と、を切り替え可能であり、前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子と、制御端子と、を有し、前記制御端子の電圧が高い状態において前記一対の主端子間に電流を流せるようにするオン状態となり、前記制御端子の電圧が低い状態において前記一対の主端子間に流れる電流を遮断するオフ状態となり、前記過電圧保護回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が前記上限値以上になった際に、前記変換器を前記バイパス状態に切り替えるとともに、前記バイパス状態に切り替えた後、前記電荷蓄積素子の直流電圧が下限値未満になった際に、前記停止状態に切り替えるように前記複数のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子の前記オン状態及び前記オフ状態を切り替える駆動部と、前記駆動部から前記所定のスイッチング素子の前記制御端子に向かう方向に電流の流れを整流する整流素子と、前記所定のスイッチング素子の前記制御端子の浮遊容量に蓄積された電荷を放電するための放電抵抗と、前記所定のスイッチング素子の前記制御端子から前記放電抵抗への電流の流れを許容する第１状態と、前記所定のスイッチング素子の前記制御端子から前記放電抵抗への電流の流れを抑制する第２状態と、を切り替える切替回路と、を有し、前記切替回路は、前記駆動回路及び前記駆動部のそれぞれが前記所定のスイッチング素子を前記オフ状態に切り替える状態の時に、前記第１状態に切り替え、前記駆動回路及び前記駆動部の少なくとも一方が前記所定のスイッチング素子を前記オン状態に切り替える状態の時に、前記第２状態に切り替える電力変換装置が提供される。

直列に接続された複数の変換器において、定常損失の増加を抑制しつつ、過電圧保護回路によって十分な速度でスイッチング素子をターンオフすることができる電力変換装置が提供される。

実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。変換器を模式的に表すブロック図である。駆動回路及び過電圧保護回路を模式的に表すブロック図である。過電圧保護回路の参考例を模式的に表すブロック図である。変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、主回路部１２と、制御装置１４と、を備える。電力変換装置１０は、例えば、直流送電システムに用いられる。電力変換装置１０は、直流送電システムにおいて、交流電力系統２及び一対の直流送電線３、４に接続される。

直流送電システムは、例えば、変圧器６を有する。電力変換装置１０の主回路部１２は、変圧器６を介して交流電力系統２に接続される。交流電力系統２の交流電力は、三相交流電力である。より詳しくは、対称三相交流電力である。変圧器６は、交流電力系統２の三相交流電力を主回路部１２に対応した交流電力に変換する。変圧器６は、主回路部１２に合わせて三相交流電力の各相の実効値を変化させる。変圧器６は、三相変圧器である。変圧器６は、必要に応じて設けられ、省略可能である。主回路部１２には、交流電力系統２の三相交流電力を直接供給してもよい。

電力変換装置１０は、交流電力系統２から供給された三相交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電力を直流送電線３、４に供給する。また、電力変換装置１０は、直流送電線３、４から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力を交流電力系統２に供給する。このように、電力変換装置１０は、交流から直流への交直変換、及び、直流から交流への交直変換を行う。

例えば、直流送電線３は、直流電力の高圧側の送電線であり、直流送電線４は、直流電力の低圧側の送電線である。電力変換装置１０は、直流送電線３側が高圧、直流送電線４側が低圧となるように、変換後の直流電力を直流送電線３、４に出力する。

主回路部１２は、交流電力系統２と各直流送電線３、４との間に設けられる。主回路部１２は、三相交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から三相交流電力への変換を行う。主回路部１２は、例えば、直列に接続された複数の変換器を有するマルチレベル電力変換器である。主回路部１２は、例えば、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）型の電力変換器である。ＭＭＣ型の主回路部１２は、直列に接続された複数の変換器を有する。各変換器は、ハーフブリッジ接続又はフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子に並列に接続された電荷蓄積素子と、を有する。主回路部１２は、複数の変換器の動作により、電力の変換を行う。主回路部１２は、例えば、複数の変換器の各スイッチング素子のスイッチングにより、交直変換を行う。

制御装置１４は、主回路部１２に接続されている。制御装置１４は、各スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、主回路部１２による三相交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から三相交流電力への変換を制御する。

主回路部１２は、第１及び第２の一対の直流端子２０ａ、２０ｂと、第１～第３の３つの交流端子２１ａ～２１ｃと、第１～第６の６つのアーム部２２ａ～２２ｆと、を有する。

第１直流端子２０ａは、高圧側の直流送電線３に接続される。第２直流端子２０ｂは、低圧側の直流送電線４に接続される。これにより、主回路部１２によって変換された直流電力が直流送電線３、４に供給されるとともに、直流送電線３、４から供給された直流電力が主回路部１２に入力される。

第１アーム部２２ａは、第１直流端子２０ａに接続される。第２アーム部２２ｂは、第１アーム部２２ａと第２直流端子２０ｂとの間に接続される。第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂは、各直流端子２０ａ、２０ｂの間に直列に接続される。

第３アーム部２２ｃは、第１直流端子２０ａに接続される。第４アーム部２２ｄは、第３アーム部２２ｃと第２直流端子２０ｂとの間に接続される。第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄは、第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂに対して並列に接続される。

第５アーム部２２ｅは、第１直流端子２０ａに接続される。第６アーム部２２ｆは、第５アーム部２２ｅと第２直流端子２０ｂとの間に接続される。すなわち、第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆは、第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂに対して並列に接続されるとともに、第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄに対して並列に接続される。

主回路部１２では、第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂによって第１レグＬＧ１が構成され、第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄによって第２レグＬＧ２が構成され、第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆによって第３レグＬＧ３が構成される。すなわち、この例において、主回路部１２は、３レグ、６アームの三相インバータである。第１アーム部２２ａ、第３アーム部２２ｃ及び第５アーム部２２ｅは、上側アームである。第２アーム部２２ｂ、第４アーム部２２ｄ及び第６アーム部２２ｆは、下側アームである。このように、主回路部１２は、複数のスイッチング素子によって構成される複数のアーム部及び複数のレグを有する。主回路部１２は、例えば、２レグ、４アームの単相インバータなどでもよい。アーム部及びレグの数は、上記に限ることなく、任意の数でよい。

第１アーム部２２ａは、直列に接続された複数の変換器ＵＰ１、ＵＰ２…ＵＰＭ_１を有する。第２アーム部２２ｂは、直列に接続された複数の変換器ＵＮ１、ＵＮ２…ＵＮＭ_２を有する。第３アーム部２２ｃは、直列に接続された複数の変換器ＶＰ１、ＶＰ２…ＶＰＭ_３を有する。第４アーム部２２ｄは、直列に接続された複数の変換器ＶＮ１、ＶＮ２…ＶＮＭ_４を有する。第５アーム部２２ｅは、直列に接続された複数の変換器ＷＰ１、ＷＰ２…ＷＰＭ_５を有する。第６アーム部２２ｆは、直列に接続された複数の変換器ＷＮ１、ＷＮ２…ＷＮＭ_６を有する。

但し、以下では、各変換器ＵＰ１、ＵＰ２…ＵＰＭ_１、ＵＮ１、ＵＮ２…ＵＮＭ_２、ＶＰ１、ＶＰ２…ＶＰＭ_３、ＶＮ１、ＶＮ２…ＶＮＭ_４、ＷＰ１、ＷＰ２…ＷＰＭ_５、ＷＮ１、ＷＮ２…ＷＮＭ_６をまとめて呼称する場合に、「変換器ＣＥＬ」と称す。

各アーム部２２ａ～２２ｆにおいて、Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４、Ｍ_５、Ｍ_６は、直列接続された変換器ＣＥＬの台数を表す。各アーム部２２ａ～２２ｆにおいて、直列接続される変換器ＣＥＬの台数は、例えば、１００台～１２０台程度である。但し、直列接続される変換器ＣＥＬの台数は、これに限ることなく、任意の台数でよい。

各アーム部２２ａ～２２ｆに設けられる変換器ＣＥＬの台数は、実質的に同じである。例えば、多数の各変換器ＣＥＬが接続される場合には、主回路部１２の動作に影響のない範囲において、各アーム部２２ａ～２２ｆに設けられる変換器ＣＥＬの台数が異なってもよい。例えば、１つのアーム部に１００台の変換器ＣＥＬを直列に接続する場合、別のアーム部に設ける変換器ＣＥＬの台数は、１～２台異なってもよい。

各アーム部２２ａ～２２ｆのそれぞれは、バッファリアクトル２３ａ～２３ｆと、複数の電流検出器２４ａ～２４ｆと、をさらに有する。また、電力変換装置１０は、電圧検出部２５をさらに有する。

各バッファリアクトル２３ａ～２３ｆは、各アーム部２２ａ～２２ｆのそれぞれにおいて、各変換器ＣＥＬに直列に接続される。第１アーム部２２ａのバッファリアクトル２３ａは、交流端子２１ａと第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂとの接続点と変換器ＵＰ１との間に設けられる。第２アーム部２２ｂのバッファリアクトル２３ｂは、交流端子２１ａと第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂとの接続点と変換器ＵＮ１との間に設けられる。第３アーム部２２ｃのバッファリアクトル２３ｃは、交流端子２１ｂと第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄとの接続点と変換器ＶＰ１との間に設けられる。第４アーム部２２ｄのバッファリアクトル２３ｄは、交流端子２１ｂと第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄとの接続点と変換器ＶＮ１との間に設けられる。第５アーム部２２ｅのバッファリアクトル２３ｅは、交流端子２１ｃと第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆとの接続点と変換器ＷＰ１との間に設けられる。第６アーム部２２ｆのバッファリアクトル２３ｆは、交流端子２１ｃと第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆとの接続点と変換器ＷＮ１との間に設けられる。

電流検出器２４ａは、第１アーム部２２ａに設けられ、第１アーム部２２ａに流れる電流を検出する。すなわち、電流検出器２４ａは、第１アーム部２２ａのアーム電流を検出する。電流検出器２４ａは、図示を省略した配線などを介して制御装置１４に接続されている。電流検出器２４ａは、検出した第１アーム部２２ａの電流値を制御装置１４に入力する。これにより、制御装置１４には、第１アーム部２２ａの電流値が入力される。

以下同様に、電流検出器２４ｂは、第２アーム部２２ｂに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｃは、第３アーム部２２ｃに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｄは、第４アーム部２２ｄに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｅは、第５アーム部２２ｅに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｆは、第６アーム部２２ｆに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。

電圧検出部２５は、交流電力系統２の各相の交流電圧（相電圧）を検出し、検出値を制御装置１４に入力する。電圧検出部２５は、変圧器６の一次側に接続してもよいし、二次側に接続してもよい。

主回路部１２では、第１アーム部２２ａと第２アーム部２２ｂとの接続点、第３アーム部２２ｃと第４アーム部２２ｄとの接続点、及び、第５アーム部２２ｅと第６アーム部２２ｆとの接続点のそれぞれが、交流出力点となる。

第１交流端子２１ａは、第１アーム部２２ａと第２アーム部２２ｂとの接続点に接続される。第２交流端子２１ｂは、第３アーム部２２ｃと第４アーム部２２ｄとの接続点に接続される。第３交流端子２１ｃは、第５アーム部２２ｅと第６アーム部２２ｆとの接続点に接続される。各交流端子２１ａ～２１ｃは、例えば、変圧器６に接続される。

各変換器ＣＥＬは、信号線２６を介して制御装置１４と接続される。制御装置１４は、信号線２６を介して変換器ＣＥＬに制御信号を入力することにより、変換器ＣＥＬの動作を制御する。また、変換器ＣＥＬは、例えば、変換器ＣＥＬの制御及び動作保護に関する制御信号や保護信号を図示されていない別の信号線を介して制御装置１４に入力する。

図２は、変換器を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、変換器ＣＥＬは、複数のスイッチング素子４１、４２と、複数の整流素子５１、５２と、複数の駆動回路６１、６２と、一対の接続端子７１、７２と、電荷蓄積素子７４と、主回路給電回路７６と、過電圧保護回路７８と、を有する。

各スイッチング素子４１、４２は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、一対の主端子間に流れる電流を制御する。各スイッチング素子４１、４２には、例えば、ＩＧＢＴなどの自己消弧素子が用いられる。一対の主端子は、例えば、エミッタ及びコレクタであり、制御端子は、例えば、ゲートである。

各スイッチング素子４１、４２は、一対の主端子間に電流を流せるようにするオン状態と、一対の主端子間に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。オフ状態は、一対の主端子間に完全に電流が流れない状態に限ることなく、例えば、変換器ＣＥＬの動作に影響の無い程度の微弱な電流が一対の主端子間に流れる状態でもよい。オフ状態は、換言すれば、一対の主端子間に流れる電流を十分に小さくした状態である。

各スイッチング素子４１、４２には、例えば、ノーマリオフ型の半導体素子が用いられる。各スイッチング素子４１、４２は、制御端子の電圧が高い状態においてオン状態となり、制御端子の電圧が低い状態においてオフ状態となる。各スイッチング素子４１、４２は、制御端子の電圧がオン状態よりも低い状態において、オフ状態となる。各スイッチング素子４１、４２は、例えば、制御端子に正電圧を印加した際にオン状態となり、制御端子の電圧を０Ｖに設定した際又は制御端子に負電圧を印加した際にオフ状態となる。

スイッチング素子４２の一対の主端子は、スイッチング素子４１の一対の主端子に対して直列に接続される。この例において、変換器ＣＥＬは、直列に接続された２つのスイッチング素子４１、４２を有する。この例において、変換器ＣＥＬは、ハーフブリッジ構成の変換器である。

整流素子５１は、スイッチング素子４１の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子５１の順方向は、スイッチング素子４１の一対の主端子間に流れる電流の向きに対して逆向きである。同様に、整流素子５２は、スイッチング素子４２の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子５１、５２は、いわゆる還流ダイオードである。

接続端子７１は、スイッチング素子４１とスイッチング素子４２との間に接続される。接続端子７２は、スイッチング素子４１のスイッチング素子４２に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。

同一アーム部内の複数の変換器ＣＥＬは、一対の接続端子７１、７２を介して直列に接続される。変換器ＣＥＬに対する電力の供給は、各接続端子７１、７２を介して行われる。スイッチング素子４１は、いわゆるローサイドスイッチであり、スイッチング素子４２は、いわゆるハイサイドスイッチである。

駆動回路６１は、スイッチング素子４１の制御端子に接続されている。駆動回路６２は、スイッチング素子４２の制御端子に接続されている。駆動回路６１、６２には、各スイッチング素子４１、４２のスイッチングを制御するための制御信号が入力される。制御信号は、信号線２６を介して制御装置１４から駆動回路６１、６２に入力される。駆動回路６１、６２は、入力された制御信号に基づいて、各スイッチング素子４１、４２のオン状態とオフ状態とを切り替える。これにより、制御装置１４からの制御信号に応じて、各スイッチング素子４１、４２のスイッチングが制御される。制御装置１４は、各変換器ＣＥＬ毎に制御信号を生成し、各変換器ＣＥＬのそれぞれの各スイッチング素子４１、４２のスイッチングを制御する。これにより、制御装置１４は、主回路部１２による電力の変換を制御する。

電荷蓄積素子７４は、スイッチング素子４１及びスイッチング素子４２に対して並列に接続される。電荷蓄積素子７４は、例えば、コンデンサである。

スイッチング素子４１がオフ状態で、スイッチング素子４２がオン状態の時には、電荷蓄積素子７４の電圧が各接続端子７１、７２間に現れる。スイッチング素子４１がオン状態で、スイッチング素子４２がオフ状態の時には、各接続端子７１、７２間が導通し、各接続端子７１、７２間の電圧は、実質的にゼロになる。

このように、変換器ＣＥＬは、制御装置１４からの制御信号に基づく各スイッチング素子４１、４２のスイッチングにより、電荷蓄積素子７４の電圧を各接続端子７１、７２間に出力する出力状態と、各接続端子７１、７２間を導通させたバイパス状態と、各スイッチング素子４１、４２をオフ状態とした停止状態と、を切り替える。

各アーム部２２ａ～２２ｆにおいては、出力状態となった変換器ＣＥＬの合計の電圧が、各アーム部２２ａ～２２ｆの電圧となる。主回路部１２及び制御装置１４は、出力状態とする変換器ＣＥＬの台数を制御することにより、マルチレベルの電力変換を行う。

各スイッチング素子４１、４２がともにオフ状態の時（変換器ＣＥＬが停止状態の時）には、アーム電流の向きによって各接続端子７１、７２間の電圧が決まる。例えば、接続端子７２から接続端子７１に向かう向きにアーム電流が流れている時には、整流素子５１がオンし、各接続端子７１、７２間の電圧は、実質的にゼロになる。反対に、接続端子７１から接続端子７２に向かう向きにアーム電流が流れている時には、整流素子５２がオンし、電荷蓄積素子７４が充電され、各接続端子７１、７２間には、電荷蓄積素子７４の電圧が現れる。

主回路給電回路７６は、電荷蓄積素子７４に対して並列に接続されている。主回路給電回路７６は、電荷蓄積素子７４に蓄積された電荷を基に、駆動回路６１、６２の駆動電源を生成し、生成した駆動電源を駆動回路６１、６２に供給する。駆動回路６１、６２は、主回路給電回路７６からの駆動電源の供給に応じて動作する。

過電圧保護回路７８は、電荷蓄積素子７４に対して並列に接続されている。過電圧保護回路７８は、電荷蓄積素子７４の直流電圧を検出し、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、過電圧保護動作を行う。過電圧保護回路７８は、電荷蓄積素子７４の直流電圧を検出し、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えるように、各スイッチング素子４１、４２のオン状態及びオフ状態を切り替える。この例では、過電圧保護回路７８は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、スイッチング素子４１をオン状態に切り替えることにより、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替える。

例えば、主回路給電回路７６が故障し、主回路給電回路７６から駆動回路６１、６２への駆動電源の供給が停止すると、スイッチング素子４１、４２がともにオフ状態となり、前述のように、アーム電流の向きによって電荷蓄積素子７４が充電され、電荷蓄積素子７４の電圧が上昇する。こうした電荷蓄積素子７４の電圧の上昇は、スイッチング素子４１、４２や電荷蓄積素子７４などの変換器ＣＥＬの各部の故障の要因となってしまう。

このため、過電圧保護回路７８は、電荷蓄積素子７４の直流電圧を検出し、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替える。これにより、電荷蓄積素子７４の電圧の上昇による変換器ＣＥＬの故障を抑制することができるとともに、主回路給電回路７６の故障した変換器ＣＥＬをバイパスしつつ、同一アーム部内の残りの変換器ＣＥＬで電力変換装置１０の運転を継続することができる。

図３は、駆動回路及び過電圧保護回路を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、駆動回路６１は、電源生成回路１００と、駆動部１０２と、を有する。電源生成回路１００は、主回路給電回路７６から供給された駆動電源を駆動部１０２に応じた電源に変換し、変換後の電源を駆動部１０２に供給する。

電源生成回路１００は、例えば、主回路給電回路７６から供給された駆動電源から正電圧＋Ｖｏｎと負電圧－Ｖｏｆｆとを生成し、生成した正電圧及び負電圧を駆動部１０２に供給する。なお、正電圧及び負電圧の電圧値は、上記に限ることなく、スイッチング素子４１のオン状態及びオフ状態を切り替えられる任意の電圧値でよい。

駆動部１０２は、電源生成回路１００から電源の供給を受ける。駆動部１０２は、例えば、電源生成回路１００から正電圧及び負電圧の供給を受ける。駆動部１０２は、スイッチング素子４１の制御端子と接続されている。また、駆動部１０２には、制御装置１４からの制御信号が入力される。駆動部１０２は、電源生成回路１００から供給された電源を基に動作し、入力された制御信号に応じてスイッチング素子４１のオン状態及びオフ状態を切り替える。

駆動部１０２は、例えば、正負電圧の間に２つのスイッチング素子を直列に接続したトーテムポール出力に構成されている。駆動部１０２は、例えば、制御信号がスイッチング素子４１をオン状態に設定する状態の時に、正電圧をスイッチング素子４１の制御端子に供給することにより、スイッチング素子４１をオン状態に設定する。そして、駆動部１０２は、例えば、制御信号がスイッチング素子４１をオフ状態に設定する状態の時に、負電圧をスイッチング素子４１の制御端子に供給することにより、スイッチング素子４１をオフ状態に設定する。

これにより、駆動回路６１では、スイッチング素子４１の制御端子に比較的大きな浮遊容量４１ｃが存在する場合にも、スイッチング素子４１のターンオフの際に、浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を十分な速度で放電させ、十分な速度でスイッチング素子４１をターンオフさせることができる。スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃは、より詳しくは、スイッチング素子４１の制御端子と低電位側の主端子との間の浮遊容量である。スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃは、例えば、ゲート・エミッタ間の浮遊容量である。

駆動回路６２の構成は、例えば、駆動回路６１の構成と実質的に同じである。但し、駆動回路６１、６２の構成は、上記に限ることなく、入力された制御信号に基づいて、スイッチング素子４１、４２のオン状態とオフ状態とを切り替え可能な任意の構成でよい。駆動回路６２の構成は、駆動回路６１の構成と必ずしも同じでなくてもよい。

過電圧保護回路７８は、電源生成回路１１０と、信号生成部１１２と、駆動部１１４と、整流素子１１６と、放電抵抗１１８と、切替回路１２０と、を有する。

電源生成回路１１０は、電荷蓄積素子７４と接続されている。電源生成回路１１０は、電荷蓄積素子７４の直流電圧を過電圧保護回路７８の各部に応じた電圧に変換し、変換後の電圧を過電圧保護回路７８の各部に供給する。電源生成回路１１０は、例えば、電荷蓄積素子７４の直流電圧を電源生成回路１００の正電圧＋Ｖｏｎと同程度の直流電圧＋Ｖｏｎ’に変換し、変換後の直流電圧を過電圧保護回路７８の各部に供給する。

信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４及び駆動部１１４と接続されている。信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧を検出する。信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧の検出結果を基に、スイッチング素子４１のスイッチングを切り替えるための駆動信号を生成し、生成した駆動信号を駆動部１１４に入力する。

信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧に対して、下限値Ｖ１及び上限値Ｖ２を設定する。信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値Ｖ２以上か否かを判定する。信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値Ｖ２未満である場合には、スイッチング素子４１をオフ状態に設定する駆動信号を駆動部１１４に出力し、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値Ｖ２以上である場合には、スイッチング素子４１をオン状態に設定する駆動信号を駆動部１１４に出力する。

また、信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値Ｖ２以上であると判定し、スイッチング素子４１をオン状態に設定する駆動信号を駆動部１１４に出力した後、電荷蓄積素子７４の直流電圧が下限値Ｖ１以上か否かを判定する。

信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が下限値Ｖ１以上である場合には、スイッチング素子４１をオン状態に設定する駆動信号の出力を維持し、電荷蓄積素子７４の直流電圧が下限値Ｖ１未満になった際に、スイッチング素子４１をオン状態に設定する状態からスイッチング素子４１をオフ状態に設定する状態に駆動信号を変化させる。

そして、信号生成部１１２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が再び上限値Ｖ２以上になった際に、スイッチング素子４１をオフ状態に設定する状態からスイッチング素子４１をオン状態に設定する状態に駆動信号を変化させる。

駆動部１１４は、電源生成回路１１０から電圧の供給を受ける。駆動部１１４は、電源生成回路１１０から供給された電源を基に動作し、信号生成部１１２から入力された駆動信号に応じてスイッチング素子４１のオン状態及びオフ状態を切り替える。

これにより、過電圧保護回路７８では、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値Ｖ２以上になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替え、電荷蓄積素子７４の電圧の上昇による変換器ＣＥＬの故障を抑制することができる。

また、過電圧保護回路７８では、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子７４の直流電圧が下限値Ｖ１未満になった際に、変換器ＣＥＬを停止状態に切り替える。これにより、電荷蓄積素子７４の直流電圧の低下により、予期せぬタイミングで過電圧保護回路７８による駆動が不能となり、スイッチング素子４１が低速でオン状態からオフ状態に切り替わってしまうことを抑制することができる。過電圧保護回路７８は、上記のように変換器ＣＥＬのバイパス状態及び停止状態を切り替えることにより、主回路給電回路７６の故障などが発生した際にも、電荷蓄積素子７４の直流電圧を下限値Ｖ１と上限値Ｖ２との間に維持する。

駆動部１１４は、整流素子１１６を介してスイッチング素子４１の制御端子と接続される。整流素子１１６の一端は、駆動部１１４の出力端子と接続されている。整流素子１１６の他端は、スイッチング素子４１の制御端子、及び駆動回路６１（駆動部１０２）の出力端子と接続されている。整流素子１１６の一端は、例えば、ダイオードのアノードであり、整流素子１１６の他端は、例えば、ダイオードのカソードである。整流素子１１６は、駆動部１１４からスイッチング素子４１の制御端子に向かう方向に電流の流れを整流することにより、駆動回路６１による通常時のスイッチング素子４１、４２の駆動に支障がなく、かつ過電圧保護動作時はスイッチング素子４１のオン状態への切り替え（バイパス）が優先されるようにする。

このように、過電圧保護回路７８では、スイッチング素子４１の制御端子から駆動部１１４に向かう電流の流れが、整流素子１１６によって阻害される。従って、過電圧保護回路７８では、駆動部１１４の出力を負電圧に設定したとしても、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を駆動部１１４側に放電することができない。

このため、駆動部１１４は、例えば、駆動信号がスイッチング素子４１をオン状態に設定する状態の時に、正電圧をスイッチング素子４１の制御端子に供給することにより、スイッチング素子４１をオン状態に設定し、制御信号がスイッチング素子４１をオフ状態に設定する状態の時に、スイッチング素子４１の制御端子の電位を共通電位（例えばグランド電位）に設定することにより、スイッチング素子４１をオフ状態に設定する。

放電抵抗１１８は、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を放電するための抵抗である。

上記のように、過電圧保護回路７８では、スイッチング素子４１のターンオフの際に、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を駆動部１１４側に放電することができない。このため、過電圧保護回路７８では、スイッチング素子４１のターンオフの際に、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を放電抵抗１１８に放電できるようにする。これにより、過電圧保護回路７８によってスイッチング素子４１をターンオフさせる際にも、十分な速度でスイッチング素子４１をターンオフさせることができる。

切替回路１２０は、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを許容する第１状態と、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを抑制する第２状態と、を切り替える。

第２状態は、例えば、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを遮断する状態である。第２状態は、例えば、放電抵抗１１８に流れる電流による損失を十分抑えることが可能な微弱な電流が放電抵抗１１８に流れる状態でもよい。第２状態は、放電抵抗１１８に流れる電流を必ずしも完全に遮断した状態でなくてもよい。第２状態は、換言すれば、放電抵抗１１８に流れる電流を第１状態よりも小さくした状態である。

切替回路１２０は、駆動回路６１及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４１をオフ状態に切り替える状態の時に、第１状態に切り替え、駆動回路６１及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時に、第２状態に切り替える。

切替回路１２０は、例えば、切替スイッチ１２１と、駆動部１２２と、整流素子１２３、１２４と、抵抗素子１２５と、を有する。

切替スイッチ１２１は、スイッチング素子４１の制御端子と放電抵抗１１８との間に設けられる。切替スイッチ１２１は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。切替スイッチ１２１の一方の主端子は、スイッチング素子４１の制御端子、及び駆動回路６１（駆動部１０２）の出力端子と接続されている。切替スイッチ１２１の他方の主端子は、放電抵抗１１８と接続されている。

これにより、切替スイッチ１２１をオン状態とすることにより、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れが許容され、切替回路１２０が第１状態となる。そして、切替スイッチ１２１をオフ状態とすることにより、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れが抑制され、切替回路１２０が第２状態となる。このように、切替回路１２０は、例えば、切替スイッチ１２１のオン状態とオフ状態との切り替えにより、第１状態と第２状態とを切り替える。

切替スイッチ１２１には、例えば、ＰＮＰ形のトランジスタが用いられる。切替スイッチ１２１は、ＰＮＰ形のトランジスタの代わりにＰ型ＭＯＳトランジスタなどを用いることもできる。スイッチング素子４１の制御端子及び駆動回路６１の出力端子と接続された切替スイッチ１２１の一方の主端子は、例えば、ＰＮＰトランジスタのエミッタである。放電抵抗１１８と接続された切替スイッチ１２１の他方の主端子は、例えば、ＰＮＰトランジスタのコレクタである。但し、切替スイッチ１２１は、これに限ることなく、オン状態及びオフ状態を切り替え可能な任意のスイッチング素子でよい。

駆動部１２２は、駆動回路６１の電源生成回路１００から電源の供給を受ける。駆動部１２２は、例えば、電源生成回路１００から正電圧の供給を受ける。また、駆動部１２２には、制御装置１４からの制御信号が入力される。駆動部１２２は、電源生成回路１００から供給された電源を基に動作し、入力された制御信号に応じて出力端子の電位を変化させる。

駆動部１２２は、例えば、制御信号がスイッチング素子４１をオン状態に設定する状態の時に、正電圧を出力端子に出力し、制御信号がスイッチング素子４１をオフ状態に設定する状態の時に、出力端子の電位を共通電位（例えばグランド電位）に設定する。

整流素子１２３の一端は、駆動部１１４と整流素子１１６との間に接続されている。これにより、整流素子１２３には、駆動部１１４の出力が入力される。整流素子１２３の他端は、切替スイッチ１２１の制御端子と接続されている。

整流素子１２４の一端は、駆動部１２２の出力端子と接続されている。これにより、整流素子１２４には、駆動部１２２の出力が入力される。整流素子１２４の他端は、切替スイッチ１２１の制御端子、及び整流素子１２３の他端と接続されている。

抵抗素子１２５の一端は、切替スイッチ１２１の制御端子と整流素子１２３の他端と整流素子１２４の他端との接続点に接続されている。抵抗素子１２５の他端の電位は、共通電位（例えばグランド電位）に設定される。

駆動回路６１がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時には、駆動部１２２の出力端子から整流素子１２４を介して切替スイッチ１２１の制御端子に正電圧が印加され、切替スイッチ１２１がオフ状態となる。

そして、駆動部１１４がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時には、駆動部１１４の出力端子から整流素子１２３を介して切替スイッチ１２１の制御端子に正電圧が印加され、切替スイッチ１２１がオフ状態となる。

これにより、切替回路１２０では、駆動回路６１及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時に、切替スイッチ１２１がオフ状態となり、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを抑制する第２状態となる。

一方、駆動回路６１及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４１をオフ状態に切り替える状態の時には、切替スイッチ１２１の制御端子に正電圧が印加されず、抵抗素子１２５を介して切替スイッチ１２１の制御端子の電位が共通電位に設定される。従って、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに電荷が蓄積されている状態の時には、切替スイッチ１２１にベース電流が流れ、切替スイッチ１２１がオン状態となる。

これにより、切替回路１２０では、駆動回路６１及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４１をオフ状態に切り替える状態の時に、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを許容する第１状態となる。

主回路給電回路７６が正常に動作している場合には、駆動部１１４の出力端子の電位が共通電位に設定され、駆動部１２２の出力に基づいて、第１状態及び第２状態が切り替えられる。一方、切替回路１２０では、駆動部１２２が、駆動回路６１の電源生成回路１００から電源の供給を受ける。このため、主回路給電回路７６が故障し、主回路給電回路７６からの電源供給が停止した場合には、駆動部１２２の出力端子の電位が共通電位に設定され、駆動部１１４の出力に基づいて、第１状態及び第２状態が切り替えられる。

なお、切替回路１２０の構成は、上記に限ることなく、駆動回路６１及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４１をオフ状態に切り替える状態の時に、第１状態に切り替え、駆動回路６１及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時に、第２状態に切り替えることができる任意の構成でよい。

図４は、過電圧保護回路の参考例を模式的に表すブロック図である。
なお、図３に表したものと機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は、省略する。
図４に表したように、参考例の過電圧保護回路７８ａでは、切替回路１２０が省略され、放電抵抗１１８が、スイッチング素子４１の制御端子に直接的に接続されている。

このように構成された過電圧保護回路７８ａでは、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷の駆動部１１４側への放電が、整流素子１１６によって阻害されている場合にも、過電圧保護回路７８ａがスイッチング素子４１をオン状態からオフ状態に切り替えた際に、制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を放電抵抗１１８に放電することができ、過電圧保護回路７８ａでスイッチング素子４１をターンオフさせる際にも、十分な速度でスイッチング素子４１をターンオフさせることができる。

しかしながら、過電圧保護回路７８ａの構成では、放電抵抗１１８が、通常時もスイッチング素子４１の制御端子に接続されているため、駆動回路６１でスイッチング素子４１を駆動する際にも、放電抵抗１１８に常時電流が流れてしまう。従って、過電圧保護回路７８ａの構成では、通常時に放電抵抗１１８に常時流れる電流により、定常損失が増加してしまう。

これに対して、本実施形態に係る電力変換装置１０では、切替回路１２０が、駆動回路６１及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時に、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを抑制する第２状態に切り替える。これにより、駆動回路６１又は駆動部１１４がスイッチング素子４１の制御端子に高い電圧を印加し、スイッチング素子４１をオン状態にする際に、放電抵抗１１８に電流が流れ、定常損失が増加してしまうことを抑制することができる。

そして、本実施形態に係る電力変換装置１０では、切替回路１２０が、駆動回路６１及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４１をオフ状態に切り替える状態の時に、スイッチング素子４１の制御端子から放電抵抗１１８への電流の流れを許容する第１状態に切り替える。これにより、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷の駆動部１１４側への放電が、整流素子１１６によって阻害されている場合にも、過電圧保護回路７８がスイッチング素子４１をオン状態からオフ状態に切り替えた際に、制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷を放電抵抗１１８に放電することができ、過電圧保護回路７８でスイッチング素子４１をターンオフさせる際にも、十分な速度でスイッチング素子４１をターンオフさせることができる。

また、本実施形態に係る電力変換装置１０では、駆動回路６１及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時に、切替回路１２０を第２状態に切り替え、放電抵抗１１８に電流が流れることを抑制することにより、図４に表した構成などと比べて、放電抵抗１１８をより低抵抗に設定することができる。結果として、スイッチング素子４１の制御端子の浮遊容量４１ｃに蓄積された電荷の放電速度をさらに向上することができる。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、定常損失の増加を抑制しつつ、過電圧保護回路７８によって十分な速度でスイッチング素子４１をターンオフすることができる。

図５は、変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図５に表したように、この例の変換器ＣＥＬａは、スイッチング素子４１、４２を有するとともに、スイッチング素子４３、４４をさらに有する。スイッチング素子４３、４４には、スイッチング素子４１、４２と実質的に同じ素子が用いられる。

スイッチング素子４３、４４は、直列に接続されている。スイッチング素子４３、４４の直列接続体は、スイッチング素子４１、４２の直列接続体に対して並列に接続されている。すなわち、この例において、変換器ＣＥＬａは、フルブリッジ接続された４つのスイッチング素子４１～４４を有する。この例において、変換器ＣＥＬａは、フルブリッジ構成の変換器である。

変換器ＣＥＬａは、整流素子５３、５４、及び駆動回路６３、６４をさらに有する。整流素子５３は、スイッチング素子４３に対して逆並列に接続されている。整流素子５４は、スイッチング素子４４に対して逆並列に接続されている。駆動回路６３は、入力された制御信号に基づいて、スイッチング素子４３のオン状態とオフ状態とを切り替える。駆動回路６４は、入力された制御信号に基づいて、スイッチング素子４４のオン状態とオフ状態とを切り替える。

変換器ＣＥＬａでは、接続端子７１が、スイッチング素子４１とスイッチング素子４２との間に接続されている。接続端子７２は、スイッチング素子４３とスイッチング素子４４との間に接続されている。この例において、接続端子７２は、スイッチング素子４３を介してスイッチング素子４１のスイッチング素子４２に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。

変換器ＣＥＬａでは、電荷蓄積素子７４の電圧をＶｃとする時に、スイッチング素子４１とスイッチング素子４４とをオン状態にし、スイッチング素子４２とスイッチング素子４３とをオフ状態にすることにより、各接続端子７１、７２間に＋Ｖｃの電圧が現れる。

また、スイッチング素子４２とスイッチング素子４３とをオン状態にし、スイッチング素子４１とスイッチング素子４４とをオフ状態にすることにより、各接続端子７１、７２間に－Ｖｃの電圧が現れる。

さらに、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３をオン状態にし、ハイサイド側のスイッチング素子４２、４４をオフ状態にする。もしくは、ハイサイド側のスイッチング素子４２、４４をオン状態にし、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３をオフ状態にする。これにより、各接続端子７１、７２間が導通され、各接続端子７１、７２間に実質的に０Ｖが現れる。

このように、この変換器ＣＥＬａでは、各接続端子７１、７２間に、＋Ｖｃ、０、－Ｖｃの３レベルの電圧を出力することができる。変換器ＣＥＬａは、複数のスイッチング素子４１～４４のスイッチングにより、＋Ｖｃの電圧を各接続端子７１、７２間に出力する第１出力状態と、－Ｖｃの電圧を各接続端子７１、７２間に出力する第２出力状態と、各接続端子７１、７２間を導通させたバイパス状態と、各スイッチング素子４１～４４をオフ状態とした停止状態と、を切り替えることができる。

過電圧保護回路７８は、例えば、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３をオン状態に切り替えることにより、変換器ＣＥＬａをバイパス状態に切り替える。

過電圧保護回路７８は、例えば、図３に表した電源生成回路１１０、信号生成部１１２、駆動部１１４、整流素子１１６、放電抵抗１１８、及び切替回路１２０をスイッチング素子４１、４３のそれぞれに対して設ける。換言すれば、変換器ＣＥＬａにおいては、過電圧保護回路７８が、図３に表したスイッチング素子４１に対する構成と同様の構成をスイッチング素子４３に対しても設ける。

一方の切替回路１２０は、駆動回路６１及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４１をオフ状態に切り替える状態の時に、第１状態に切り替え、駆動回路６１及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４１をオン状態に切り替える状態の時に、第２状態に切り替える。そして、他方の切替回路１２０は、駆動回路６３及び駆動部１１４のそれぞれがスイッチング素子４３をオフ状態に切り替える状態の時に、第１状態に切り替え、駆動回路６３及び駆動部１１４の少なくとも一方がスイッチング素子４３をオン状態に切り替える状態の時に、第２状態に切り替える。

これにより、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬａにおいても、ハーフブリッジ回路の変換器ＣＥＬと同様の効果を得ることができる。このように、変換器の構成は、ハーフブリッジ回路でもよいし、フルブリッジ回路でもよい。

なお、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬａの場合には、上記のように、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３でバイパス状態とすることが好ましい。ローサイド側のスイッチング素子４１、４３の場合には、低電位側の主端子の電位が、スイッチング素子４１、４３のそれぞれで共通である。これに対し、ハイサイド側のスイッチング素子４２、４４の場合は、低電位側の主端子の電位が、スイッチング素子４２、４４のそれぞれで異なる可能性がある。従って、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３でバイパス状態とする方が、過電圧保護回路７８の構成を簡単にすることができる。例えば、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３でバイパス状態とする場合には、電源生成回路１１０、信号生成部１１２、及び駆動部１１４などをスイッチング素子４１、４３に対して共通に用いることもできる。換言すれば、整流素子１１６、放電抵抗１１８、及び切替回路１２０をスイッチング素子４１、４３のそれぞれに対応させて２つ設けることで、過電圧保護動作を行うことができる。

上記各実施形態では、主回路部１２にＭＭＣ型の電力変換器を用いている。主回路部１２は、ＭＭＣ型に限ることなく、例えば、ＭＶ（Medium Voltage）型の電力変換器など、複数の変換器ＣＥＬを直列に接続する他の方式の電力変換器でもよい。

電力変換装置１０は、直流送電システムに限ることなく、交流から直流への変換及び直流から交流への変換が必要な他の任意のシステムなどに適用してもよい。主回路部１２による交直変換は、交流から直流及び直流から交流の双方に限ることなく、交流から直流又は直流から交流の一方のみでもよい。また、主回路部１２は、例えば、交流交流直接変換回路などでもよい。

主回路部１２の構成は、例えば、複数のアーム部をスター結線、デルタ結線、あるいはマトリックス結線した構成などでもよい。主回路部１２は、例えば、モジュラーマトリックスコンバータなどでもよい。主回路部１２は、必ずしも複数のレグを有しなくてもよい。主回路部は、少なくとも複数のアーム部を有していればよい。主回路部の構成は、電力の変換が可能な任意の構成でよい。電力変換装置は、例えば、周波数変換装置、直流送電装置、無効電力補償装置、あるいは電力潮流制御装置などでもよい。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

２…交流電力系統、３、４…直流送電線、６…変圧器、１０…電力変換装置、１２…主回路部、１４…制御装置、２０ａ…第１直流端子、２０ｂ…第２直流端子、２１ａ…第１交流端子、２１ｂ…第２交流端子、２１ｃ…第３交流端子、２２ａ…第１アーム部、２２ｂ…第２アーム部、２２ｃ…第３アーム部、２２ｄ…第４アーム部、２２ｅ…第５アーム部、２２ｆ…第６アーム部、２３ａ～２３ｆ…バッファリアクトル、２４ａ～２４ｆ…電流検出器、２５…電圧検出部、２６…信号線、４１～４４…スイッチング素子、５１～５４…整流素子、６１～６４…駆動回路、７１、７２…接続端子と、７４…電荷蓄積素子、７６…主回路給電回路、７８、７８ａ…過電圧保護回路、１００…電源生成回路、１０２…駆動部、１１０…電源生成回路、１１２…信号生成部、１１４…駆動部、１１６…整流素子、１１８…放電抵抗、１２０…切替回路、１２１…切替スイッチ、１２２…駆動部、１２３、１２４…整流素子、１２５…抵抗素子、ＣＥＬ、ＣＥＬａ…変換器、ＬＧ１…第１レグ、ＬＧ２…第２レグ、ＬＧ３…第３レグ

Claims

直列に接続された複数の変換器を有し、前記複数の変換器の動作により、電力の変換を行う主回路部と、
前記主回路部の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記複数の変換器のそれぞれは、
一対の接続端子と、
複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、
前記制御装置からの制御信号に応じて、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する複数の駆動回路と、
前記電荷蓄積素子に蓄積された電荷を基に、前記複数の駆動回路の駆動電源を生成し、前記駆動電源を前記複数の駆動回路に供給する主回路給電回路と、
前記電荷蓄積素子の直流電圧を検出し、前記電荷蓄積素子の直流電圧が上限値以上になった際に、過電圧保護動作を行う過電圧保護回路と、
を有し、前記一対の接続端子を介して直列に接続されるとともに、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記電荷蓄積素子の電圧を前記一対の接続端子間に出力する出力状態と、前記一対の接続端子間を導通させたバイパス状態と、前記複数のスイッチング素子をオフ状態とした停止状態と、を切り替え可能であり、
前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子と、制御端子と、を有し、前記制御端子の電圧が高い状態において前記一対の主端子間に電流を流せるようにするオン状態となり、前記制御端子の電圧が低い状態において前記一対の主端子間に流れる電流を遮断するオフ状態となり、
前記過電圧保護回路は、
前記電荷蓄積素子の直流電圧が前記上限値以上になった際に、前記変換器を前記バイパス状態に切り替えるとともに、前記バイパス状態に切り替えた後、前記電荷蓄積素子の直流電圧が下限値未満になった際に、前記停止状態に切り替えるように前記複数のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子の前記オン状態及び前記オフ状態を切り替える駆動部と、
前記駆動部から前記所定のスイッチング素子の前記制御端子に向かう方向に電流の流れを整流する整流素子と、
前記所定のスイッチング素子の前記制御端子の浮遊容量に蓄積された電荷を放電するための放電抵抗と、
前記所定のスイッチング素子の前記制御端子から前記放電抵抗への電流の流れを許容する第１状態と、前記所定のスイッチング素子の前記制御端子から前記放電抵抗への電流の流れを抑制する第２状態と、を切り替える切替回路と、
を有し、
前記切替回路は、前記駆動回路及び前記駆動部のそれぞれが前記所定のスイッチング素子を前記オフ状態に切り替える状態の時に、前記第１状態に切り替え、前記駆動回路及び前記駆動部の少なくとも一方が前記所定のスイッチング素子を前記オン状態に切り替える状態の時に、前記第２状態に切り替える電力変換装置。
前記複数の変換器のそれぞれは、直列に接続された２つの前記スイッチング素子を有するハーフブリッジ回路であり、
前記駆動部は、ローサイド側の前記スイッチング素子を前記オン状態とすることにより、前記バイパス状態に切り替える請求項１記載の電力変換装置。
前記複数の変換器のそれぞれは、フルブリッジ接続された４つの前記スイッチング素子を有するフルブリッジ回路であり、
前記駆動部は、ローサイド側の２つの前記スイッチング素子を前記オン状態とすることにより、前記バイパス状態に切り替える請求項１記載の電力変換装置。
前記切替回路は、前記所定のスイッチング素子の前記制御端子と前記放電抵抗との間に設けられた切替スイッチを有し、前記切替スイッチのオン状態とオフ状態との切り替えにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り替える請求項１～３のいずれか１つに記載の電力変換装置。