(57)【要約】      （修正有）【課題】ゲート駆動回路部へ給電する給電装置を備える電力変換装置において、絶縁トランスの容量を大きくすることなく、給電抵抗を用いない回路方式で、かつ給電時に絶縁トランスで発生する損失を低減可能な給電装置を備える電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、第１交流出力端子ａと、第２交流出力端子ｂを含むインバータ部１０ａ〜１０ｃと、複数のスイッチング素子４ａ〜７ａ、４ｂ〜７ｂ、４ｃ〜７ｃを駆動するゲート駆動回路部８ａ〜８ｃと、を含む複数のインバータセル１０２ａ〜１０２ｃと、ゲート駆動回路部に電力を給電する給電回路部９と、を備える。給電回路部は、複数のインバータセルのいずれかの第１交流出力端子及び複数のインバータセルのいずれかの第２交流出力端子から供給される交流電力を直流電力に変換してゲート駆動回路部に給電する。【選択図】図３
2020088953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子で構成され、第１交流出力端子および第２交流出力端子を有するインバータ部、および前記複数のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路部を含む複数のインバータセルと、
前記ゲート駆動回路部に電力を給電する給電回路部と、
を備え、
前記給電回路部は、
前記複数のインバータセルのいずれかの前記第１交流出力端子及び前記複数のインバータセルのいずれかの前記第２交流出力端子から供給される交流電力を直流電力に変換して前記ゲート駆動回路部に給電すること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記複数のインバータセルは互いに直列接続して単相アーム部を構成し、
前記給電回路部は、
前記単相アームに含まれる前記複数のインバータセルのいずれかの前記第１交流出力端子及び前記複数のインバータセルのいずれかの前記第２交流出力端子から供給される交流電力を直流電力に変換して前記ゲート駆動回路部に給電すること
を特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記給電回路部は、
前記単相アーム部に含まれる前記複数のインバータセルのうち、隣接して直列に接続している２つの前記インバータセルにおいて、一方の前記インバータセルの第１交流出力端子及び他方の前記インバータセルの前記第２交流出力端子から供給される交流電力を直流電力に変換して前記ゲート駆動回路部に給電すること
を特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記給電回路部は、
前記単相アーム部に含まれる前記複数のインバータセルのうち、１の前記インバータセルの第１交流出力端子及び前記第２交流出力端子から供給される交流電力を直流電力に変換して前記ゲート駆動回路部に給電すること
を特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記給電回路部は、
前記第１交流出力端子及び前記第２交流出力端子に１次側端子が接続される絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの２次側端子と入力側が接続され、出力側が前記ゲート駆動回路部に接続されるコンバータ部と、
を備えること
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記複数の単相アーム部は、
リアクトルを介してスター結線またはデルタ結線され、
前記結線した接続点が系統に各々連系されること
を特徴とする請求項１から５記載のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記給電回路部は、
前記インバータセルの運転・停止に関わらず、前記ゲート駆動回路部に給電可能なように構成される
を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記インバータセルは、
前記インバータ部に直流電力を供給するコンデンサ部と、
を更に含み、
前記給電回路部は、
前記インバータセルが運転中の際は、前記インバータセルの出力電力に応じて前記コンバータ部を制御し、
前記インバータセルが停止中の際は、前記系統の電圧値と、前記直流コンデンサ部の電圧値に応じて前記コンバータ部を制御すること
を特徴とする請求項６または７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置、特にインバータセルを多段接続したモジュラーマルチレベルコンバータ回路におけるゲート駆動回路への給電装置を備える電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年多くの技術分野で電力変換装置が利用されている。特に高電圧を取り扱う分野において利用されている回路構成の１つに、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌｅｒ  Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ））がある。
図１にＭＭＣの回路構成の一例を示す。電力変換装置１０１は、Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４、リアクトル１０５を含む。
Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４の各相アーム部は、複数のインバータセル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを含む。
【０００３】
各相アーム部はリアクトル１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを介してデルタ結線されており、系統に連系している。系統への連系は、図示しない変圧器を介してもよい。なお、図１ではデルタ結線を例として示すが、Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４は、スター結線されていてもよい。
【０００４】
インバータセル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、単位変換器であり、インバータセルを複数直列接続して各相アーム部を構成している。各インバータセルは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を含む電力変換回路と、該スイッチング素子をオンオフする ためのゲート駆動回路部を備えている。
【０００５】
電力変換装置１０１は、各インバータセルが互いに異なる位相で電圧波形を出力することで、前記スイッチング素子の耐圧以上の電圧、かつ高調波の少ないマルチレベル電圧波形が出力可能である。そのため、電力変換装置１０１は、特高系統に直接連系する無効電力補償装置や高圧インバータなどに適用されている。
一般的にスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路部は、専用電源から絶縁トランスを介して給電される。しかしながら、電力変換装置１０１を構成するインバータセル内のスイッチング素子の場合、相アーム部内の電位差は最大で数ｋＶから数百ｋＶ程度であり、絶縁トランスはこれと同等以上の絶縁耐圧を確保する必要がある。このため、絶縁トランスの容量が大きくなり、装置が大型化してしまう。
【０００６】
これに対して、特許文献１では、主回路を構成するスイッチング素子のコレクタ端子から、給電抵抗を介してゲート駆動回路部へ非絶縁で給電する回路方式が提案されている。
このような回路方式において、スイッチング素子のコレクタ端子から給電抵抗を介してゲート駆動回路部に接続することで、絶縁トランスを使用しなくとも給電可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６３８１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の回路方式では、高圧側のコレクタ端子側から給電抵抗を介してゲート駆動回路部へ給電するため、給電抵抗で発生する損失が大きくなってしまう懸念があった。
本発明は、ゲート駆動回路部へ給電する給電装置を備える電力変換装置において、絶縁トランスの容量を大きくすることなく、給電抵抗を用いない回路方式で、かつ給電時に絶縁トランスで発生する損失を低減可能な給電装置を備える電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の技術的特徴を有する。
【００１０】
複数のスイッチング素子と、第１交流出力端子と、第２交流出力端子を含むインバータ部と、前記複数のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路部と、
を含む複数のインバータセルと、前記ゲート駆動回路部に電力を給電する給電回路部と、を備え、前記給電回路部は、前複数のインバータセルのいずれかの前記第１交流出力端子及び前記複数のインバータセルのいずれかの前記第２交流出力端子から供給される交流電力を直流電力に変換して前記ゲート駆動回路部に給電することを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１１】
上記のような構成とすることで、絶縁トランスの容量を大きくすることなく、給電抵抗を用いない方式で、かつ絶縁トランスで発生する損失の低減を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態を説明するための電力変換装置１０１の概略構成である。
【図２】本発明の第１の実施形態を説明するためのインバータセルと給電回路部の回路構成である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る１相分のアーム部の回路構成である。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するためのインバータセルと給電回路部の回路構成である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る１相分のアーム部の回路構成である。
【図６】本発明の第１の実施形態の給電回路部における電圧波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１４】
図１〜図６を参照して、本発明の実施形態によるゲート駆動装置の構成について説明する。また、図１〜図６において同様の機能、略相当する箇所は、同じ番号を付与し、説明を省略する。
＜第１の実施形態＞
図２に本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０１のＵ相アーム部１０２のインバータセル１０２ａと給電回路部９を説明するための図を示す。なお、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４はＵ相アーム部１０２と同じ構成であるため説明を省略する。
【００１５】
インバータセル１０２ａは、インバータ部１０ａ、コンデンサ部３ａ、ゲート駆動回路部８ａ（ＧＤＵ（Ｇａｔｅ  Ｄｉｒｉｖｅ  Ｕｎｉｔ））を含む。インバータ部１０ａは、それぞれダイオードが逆並列に接続されたスイッチング素子４ａ〜７ａを含む。
給電回路部９は、絶縁トランス１、コンバータ部２を含む。
インバータセル１０２ａに含まれるスイッチング素子４ａ〜７ａは、ＩＧＢＴであり、該スイッチング素子４ａ〜７ａにダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素は、直列接続することで単相のインバータ部の上下アームを構成している。上下アームの接続点には、第１の交流出力端子ａと、第２の交流出力端子ｂが設けられている。
なお、本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴやサイリスタ等のスイッチング機能を有するスイッチング素子を用いてもよい。
また、インバータ部１０ａに含まれるスイッチング素子の少なくとも１つのスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を含むスイッチング素子であってよい。例えば、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド、ダイヤモンド等を基材としたスイッチング素子を含む。
【００１６】
ゲート駆動回路部８ａは、スイッチング素子４ａ〜７ａのゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅに接続されており、スイッチング素子４ａ〜７ａのオンオフを制御するようにゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅ間に電圧を印加する。
コンデンサ部３ａは、インバータ部１０ａの直流側に正側端子Ｐと負側端子Ｎがそれぞれ接続される。
【００１７】
絶縁トランス１の１次側端子は、インバータ部の第１の交流出力端子と第２の交流出力端子に接続され、２次側端子が、コンバータ部２の交流入力側に接続されている。コンバータ部２は、直流側がゲート駆動回路部８ａに接続されている。
以下、電力変換装置１０１の動作について説明する。
＜系統正常時＞
系統２００が正常時の場合、電力変換装置１０１に含まれる複数のインバータセル（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）は、インバータ動作を行わず停止している。各インバータセルの第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂには、リアクトル１０５を介して系統２００に接続されているため、系統２００からの交流電圧が印加される。
したがって、給電回路部９の入力側には、上記系統２００から供給される電圧が印加される。図６（ａ）にインバータセル停止時における第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂに印加される電圧波形を示している。
【００１８】
図６（ａ）の電圧波形では、期間ｔで一定電圧となっている。これは、コンデンサ部３ａが充電されるためである。コンデンサ部３ａは理想的には系統から供給される交流電圧のピーク値と等しい電圧で充電されているため、一定電圧とはならない。しかしながら実際上コンデンサ部３ａは、わずかに放電してしまうため、系統２００の電圧がコンデンサ部３ａの電圧Ｅｄｓを超える期間ｔでコンデンサ部３ａが充電される。
このとき、インバータ部１０ａは、スイッチング素子４ａ、５ａ，６ａ，７ａはオフされ、各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードにより整流回路として動作する。
【００１９】
絶縁トランス１は、第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂから供給される交流電圧を所定の電圧に変圧して、２次側端子からコンバータ部２へ出力する。
コンバータ部２は、絶縁トランス１の２次側端子から供給される交流電圧を直流電圧に変換して、ゲート駆動回路部８ａに供給する。
なお、電力変換装置１０１は、図示しない制御部を備えており、該制御部は、図示しない電圧検出器で第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂ間の検出した電圧に応じて、コンバータ部２を制御する。
【００２０】
給電回路部９を上記構成とすることで、専用の電源を設けることなく、かつ絶縁トランスの容量を大きくすることなく、絶縁トランスで発生する損失を低減することができる。
＜系統異常時＞
系統２００が異常時の場合、例えば、系統２００の電圧が低下した場合、インバータセルを動作させる。具体的には、図示しない制御部が、ゲート駆動回路部８ａにＰＷＭ制御の信号を出力する。ゲート駆動回路部８ａは、インバータセルに含まれるスイッチング素子をオンオフさせる。インバータセルは、所定の電圧を第１の交流出力端子ａ、第２の交流出力端子ｂに出力する。このとき出力される電圧が絶縁トランス１の１次側に印加される。
【００２１】
図６（ｂ）にインバータセル運転中の第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂ間の電圧波形を示している。
絶縁トランス１は、第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂから供給される交流電圧を所定の電圧に変圧して、２次側端子から出力する。
コンバータ部２は、絶縁トランス１の２次側端子から供給される交流電圧を直流電圧に変換して、ゲート駆動回路部８ａに供給する。
なお、電力変換装置１０１は、図示しない制御部を備えており、該制御部は、図示しない電圧検出器で第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂ間の検出した電圧に応じて、コンバータ部２を制御する。
【００２２】
給電回路部９を上記構成とすることで、専用の電源を設けることなく、かつ絶縁トランスの容量を大きくすることなく、絶縁トランスで発生する損失を低減することができる。
また、給電回路９は、インバータセルの運転、停止に関わらず、ゲート駆動回路部８ａに電力を供給することができる。
【００２３】
図３は、図２に示した給電回路部９をＵ相アーム部１０２に適用した場合の実施例を示している。この実施例では、給電回路部９は、接続されている第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂのインバータセル内のゲート駆動回路部８ａに給電しているが、Ｕ相アーム部１０２に含まれるインバータセルの一部または全部のゲート駆動回路部８に電力を供給してもよい。なお、Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４で給電回路部９と第１、第２の交流出力端子との接続関係は同じでなくてよい。また、給電回路部９は、接続されている第１の交流出力端子ａと第２の交流出力端子ｂのインバータセル以外のインバータセル内のゲート駆動回路部８ａに給電してもよい。さらに、給電回路部９は、接続している第１の交流出力端子ａを備えるインバータセルとは別のインバータセルの第２の交流出力端子ｂに接続されてもよい。
＜第２の実施形態＞
図４に本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１０１のＵ相アーム部１０２のインバータセル１０２ａ、１０２ｂと給電回路部９を説明するための図を示す。
【００２４】
図２に示す第１の実施形態と構成は同じであるが、給電回路９がインバータセル１０２ａだけでなく１０２ｂ内のゲート駆動回路８ｂにも接続され、電力を供給している。また、給電回路９は、インバータセル１０２ａの第１の交流出力端子に接続され、インバータセル１０２ｂの第２の交流出力端子に接続されている。また、インバータセル１０２ａの第２の交流出力端子は、インバータセル１０２ｂの第１の交流出力端子に接続されている。
【００２５】
本実施形態の動作は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
給電回路部９を上記構成とすることで、専用の電源を設けることなく、かつ絶縁トランスの容量を大きくすることなく、絶縁トランスで発生する損失を低減することができる。
また、給電回路９は、インバータセルの運転時、停止時に関わらず、ゲート駆動回路部８に電力を供給することができる。
さらに、２つのインバータセルに給電することで、給電回路部９の数を減らすことができる。
【００２６】
図５は、図４に示した給電回路部９をＵ相アーム部１０２に適用した場合の実施例を示している。この実施例では、インバータセル１０２ａ、１０２ｂに接続している給電回路９と、インバータセル１０２ｂ、１０２ｃに接続している給電回路９が設けられている。
給電回路部９を上記構成とすることで、専用の電源を設けることなく、かつ絶縁トランスの容量を大きくすることなく、絶縁トランスで発生する損失を低減することができる。
また、給電回路９は、インバータセルの運転時、停止時に関わらず、ゲート駆動回路部８に電力を供給することができる。
さらに、２つのインバータセルに給電することで、給電回路部９自体の数を減らすことができる。
【００２７】
以上、本発明を実施形態に沿って説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、変更または改良を加えることが可能であることは当業者には明らかである。
【符号の説明】
【００２８】
１  絶縁トランス
２  コンバータ部
３  コンデンサ部
４、５、６、７  スイッチング素子
８  ゲート駆動回路部
９  給電回路部
１０  インバータ部
１０１  電力変換装置
１０２  Ｕ相アーム部
１０３  Ｖ相アーム部
１０４  Ｗ相アーム部
１０５  リアクトル
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ  インバータセル
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ  
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ  
２００  系統
【図１】
2020088953.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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