(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を変換する変換器セルが複数個、直列に接続されるとともに、各変換器セルが正常であるか否かを検知する検知部を備えた電力変換装置であって、
前記変換器セルは、複数の半導体素子と、電気エネルギー蓄積要素と、出力端子と、この出力端子に一端を接続されたバイパス要素と、を有し、
前記変換器セルの異常が検知された場合に、前記バイパス要素を閉じるとともに、前記バイパス要素を閉じると同時、あるいはそれ以前に、前記バイパス要素の閉路が確立されるまでの期間、前記複数の半導体素子のうち、前記バイパス要素と並列に、このバイパス要素を含まない電流経路を継続的に形成するように選択した半導体素子をオン状態にすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力を変換する変換器セルが複数個、直列に接続されるとともに、各変換器セルが正常であるか否かを検知する検知部を備えた電力変換装置であって、
前記変換器セルは、複数の半導体素子と、電気エネルギー蓄積要素と、出力端子と、この出力端子に一端を接続されたバイパス要素と、を備えるとともに、
前記変換器セルの異常が検知された場合に継続的にオンに制御される半導体素子を有し、前記複数の半導体素子のうち、前記継続的にオンに制御される半導体素子以外の一部の半導体素子のゲートを駆動させるゲート駆動部にのみ、当該一部の半導体素子を短絡電流による破損から保護するアーム短絡保護部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記半導体素子のうち、異常検知時にオン状態に制御しない半導体素子のゲートを駆動させるゲート駆動部にのみ、当該半導体素子を短絡電流による破損から保護するアーム短絡保護部を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記アーム短絡保護部は、前記半導体素子の短絡電流を検知してから１０μｓ以内に、前記半導体素子を遮断することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記変換器セルに複数のバイパス要素を有する電力変換装置であって、前記変換器セルの異常を検知した場合に、前記複数のバイパス要素の全てを閉じることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記各変換器セルのうち何れかの変換器セルの異常を検知した場合に、異常を検知された変換器セルの前記バイパス要素を閉じても、電力変換の動作ができるように冗長設計されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記バイパス要素における、閉路指令から実際に閉路するまでの閉路応答時間が、前記半導体素子における、オン指令から実際にオンするまでのオン応答時間より長くなるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記バイパス要素は、閉指令を与えてから数十μｓ以上を要して閉となる特性を有し、前記半導体素子は、数μｓでオン／オフのスイッチングを行う特性を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記各変換器セルの異常を検知する故障検知器を備え、この故障検知器が検知した異常が、前記半導体素子の短絡故障によるものであるか否かを峻別することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記故障検知器が検知した異常が前記半導体素子の短絡故障によるものであるときに、前記バイパス要素と並列に接続された半導体素子をオン状態にすることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記各変換器セルの前記半導体素子は、上下２つのアームからなるレグを２つ備え合計４つのアームで構成し、前記４つのアームの全てが、スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列接続されたダイオード素子とからなることを特徴とする請求項１または請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記各変換器セルの前記半導体素子は、上下２つのアームからなるレグを２つ備え合計４つのアームで構成し、前記４つのアームの内いずれか３つのアームは、スイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列接続されたダイオード素子とからなり、前記４つのアームの内残りの１つのアームは、前記ダイオード素子からなることを特徴とする請求項１または請求項１０に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の変換器セルが直列に接続された電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧用途の電力変換装置においては、マルチレベル変換器の実用化が図られている。交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｐ、Ｎとの間に、複数台の変換器セルを直列に接続し、変換器セルに内在する半導体スイッチング素子のオン／オフ制御により、交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗには交流電圧を直流端子Ｐ、Ｎには直流電圧を発生させる回路構成のマルチレベル変換器が開示されている（例えば非特許文献１、２参照）。非特許文献１ではチョッパセルと呼ばれるハーフブリッジの変換器セルを使用している。また、非特許文献２では、ハーフブリッジのものに加え、２つのレグ（脚）を用いた、いわゆるフルブリッジに構成した変換器セルも使用している。【０００３】
一方、変換器セル（サブモジュール）に異常が発生した時に、この異常の発生した変換器セル（サブモジュール）の出力端子をバイパス要素（短絡装置）によってバイパスし、継続運転を可能にする電力変換装置がある（例えば特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】萩原  誠・赤木  泰文「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻、７号、ｐｐ．９５７−９６５、２００８年（９５８頁、図１、２）
【非特許文献２】J．Dorn，etc．“Transformation  of  the  Energy  System  in  Germany−Enhancement  of  System  Stability  by  Integration  of  innovative  Multilevel  HVDC  in  the  AC  Grid”，International  ETG−Kongress  ２０１３．
【非特許文献３】萩原  誠・  前田  亮・赤木  泰文「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ−ＳＤＢＣ）のＳＴＡＴＣＯＭへの応用」、電気学会論文誌Ｄ、１３１巻、１２号、ｐｐ．１４３３−１４４１
【非特許文献４】柴野  勇士・太田  ジョン  豊・赤木  泰文「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ−ＳＳＢＣ）を用いた位相シフトＰＷＭ  ＳＴＡＴＣＯＭ」、電気学会論文誌Ｄ、１３３巻、９号、ｐｐ．９３６−９４２
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／１２５４９４号（図２）
【特許文献２】特表２０１０−５２４４２６号公報（図２等）
【特許文献３】特開平９−１８２２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、高圧の電力線路に適用される、複数の変換器セルを互いに直列に接続してなる電力変換装置にあっては、いずれかの変換器セルに異常が発生した場合、故障した変換器セルの出力端子を閉路することで、この故障した変換器セルを直列回路から除くバイパス要素は、その確実な閉路動作が電力変換装置としての運転の継続を補償するものであるので、電力運用上、重要な役割を担っているものと言える。【０００７】
しかるに、このバイパス要素は、その閉路動作に伴い、過電流などの過酷な状態に晒される恐れがあり、この過酷な使用により損傷すると、異常が発生した変換器セルを確実にバイパスできない場合がある。これにより、その後の確実な開閉動作が出来なくなり、電力変換装置としての運転の継続を補償することができないという課題があった。【０００８】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、変換器セルの異常発生時、その出力端子を閉路するバイパス要素を、その閉路動作に伴う損傷から確実に防止し、運転の継続を可能とする電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る電力変換装置は、
電力を変換する変換器セルが複数個、直列に接続されるとともに、各変換器セルが正常であるか否かを検知する検知部を備えた電力変換装置であって、
前記変換器セルは、複数の半導体素子と、電気エネルギー蓄積要素と、出力端子と、この出力端子に一端を接続されたバイパス要素と、を有し、
前記変換器セルの異常が検知された場合に、前記バイパス要素を閉じるとともに、前記バイパス要素を閉じると同時、あるいはそれ以前に、前記バイパス要素の閉路が確立されるまでの期間、前記複数の半導体素子のうち、前記バイパス要素と並列に、このバイパス要素を含まない電流経路を継続的に形成するように選択した半導体素子をオン状態にすることを特徴とするものである。
【００１０】
また、この発明に係る電力変換装置は、
電力を変換する変換器セルが複数個、直列に接続されるとともに、各変換器セルが正常であるか否かを検知する検知部を備えた電力変換装置であって、
前記変換器セルは、複数の半導体素子と、電気エネルギー蓄積要素と、出力端子と、この出力端子に一端を接続されたバイパス要素と、を備えるとともに、
前記変換器セルの異常が検知された場合に継続的にオンに制御される半導体素子を有し、前記複数の半導体素子のうち、前記継続的にオンに制御される半導体素子以外の一部の半導体素子のゲートを駆動させるゲート駆動部にのみ、当該一部の半導体素子を短絡電流による破損から保護するアーム短絡保護部を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、バイパス要素に流れる過電流を抑制でき、信頼性の高い電力変換装置を実現することができる。
この結果、小型・軽量で安価なバイパス要素の採用が可能となり、いずれかの変換器セルに異常が発生した場合にも運転の継続が可能となる小型で安価な電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の主回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】本発明の主回路構成の他の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の主回路構成の他の一例を示す回路図である。
【図４】本発明の主回路構成の他の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の変換器セルの一例を示す回路図である。
【図６】変換器セルに生じる問題点の一例を説明する回路図である。
【図７】本発明の変換器セルの第１の異常時の動作を説明するブロック図である。
【図８】本発明の変換器セルの第２の異常時の動作を説明するブロック図である。
【図９】短絡電流を検知する電流センサの一例を示す回路図である。
【図１０】短絡電流を検知する検知部と短絡電流を遮断する遮断部の一例を示す回路図である。
【図１１】本発明の他の変換器セルの一例を示す回路図である。
【図１２】本発明の主回路構成の他の一例を示す回路図である。
【図１３】本発明の主回路構成の他の一例を示す回路図である。
【図１４】他の変換器セルに生じる問題点の一例を説明する回路図である。
【図１５】バイパス要素ＢＰに過酷な第１のケースに対処する保護動作を説明するフローを示す図である。
【図１６】保護動作の対象を一部異にする、図１５と同趣旨の保護動作を説明するフローを示す図である。
【図１７】保護動作の対象を一部異にする、図１５と同趣旨の保護動作を説明するフローを示す別の図である。
【図１８】誤動作でバイパス要素ＢＰが閉路し過電流が流れるケースを説明する図である。
【図１９】誤動作でバイパス要素ＢＰが閉路し過電流が流れるケースを説明する図である。
【図２０】保護動作の対象を一部異にする、図１９と同趣旨の保護動作を説明するフローを示す図である。
【図２１】保護動作の条件を一部異にする、図１９と同趣旨の保護動作を説明するフローを示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態３における電力変換装置の変換器セルの内部構成を示す回路図である。
【図２３】半導体素子が短絡故障の状態でバイパス要素ＢＰが閉路するケースを説明する図である。
【図２４】本発明の実施の形態４における電力変換装置の変換器セルの内部構成を示す回路図である。
【図２５】半導体素子が短絡故障の状態でバイパス要素ＢＰが閉路するケースを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
実施の形態１は、複数台の変換器セルが直列に接続される電力変換装置に関するものであって、変換器セルは、故障した際にバイパスするバイパス要素を有しており、バイパス要素と並列に接続した半導体素子を同時あるいはそれよりも以前に閉とすることを特徴とする。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態１の電力変換装置に関する主回路構成の一例を示す。図１はあくまでも一例であって、変換器セルが直列に接続された回路構成であれば、本発明の係る範囲となる。なお、変換器セルが直列に接続された回路構成としては、一般に、カスケード変換器と呼ばれるものや、ＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、モジュラーマルチレベル変換器）、チェーン接続変換器とも呼ばれる。要は直列に接続した変換器である。なお、変換器セルは、２つ以上の半導体素子と１つ以上のエネルギー蓄積要素から構成されると定義する。
図１においては、交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、直流端子Ｐ、Ｎとの間に複数の変換器セル１０が直列に接続されており、その間にリアクトル３０１Ｐ、３０１Ｎを有している。
【００１５】
図１とは別の構成として、図２に示す電力変換装置においても本発明を適用することができる。図２の電力変換装置は、図１のリアクトル３０１Ｐと、３０１Ｎとを磁気結合させてリアクトル３０１としている。
【００１６】
さらに、図１とは別の構成として、図３に示す電力変換装置においても本発明を適用することができる。図３の電力変換装置は、図１のリアクトルを負極側（直流端子Ｎの側）に集中させてリアクトル３０１Ｎのみを接続している。
【００１７】
さらに、図１とは別の構成として、図４に示す電力変換装置においても本発明を適用することができる。図４の電力変換装置は、リアクトルを有していないが、配線インダクタンスなどの寄生インダクタンスを有しており、図１のリアクトルの代替の働きを有する。
【００１８】
図１から図４においては、図５（ａ）あるいは（ｂ）に示すような変換器セル１０が使用される。変換器セル１０は、２つ以上の半導体素子２１、２２あるいは、３１、３２と、エネルギー蓄積要素ＥＳ、バイパス要素ＢＰを有する。エネルギー蓄積要素ＥＳには、例としてコンデンサを使用する。バイパス要素ＢＰには、例として機械スイッチや半導体素子によって構成された半導体スイッチを使用する。
【００１９】
半導体素子２１、２２、３１、３２は、スイッチング素子２１ｓ、２２ｓ、３１ｓ、３２ｓと、各々逆並列に接続されたダイオード素子２１ｄ、２２ｄ、３１ｄ、３２ｄとで構成される。前記スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＣＴ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を使用する。なお、前記半導体素子は、電流容量に応じて、複数の半導体素子を並列に接続してもよい。
【００２０】
図５（ａ）において、半導体素子２１、２２の接続点には変換器セル１０の出力端子Ｐｏを、半導体素子２２の負極側には変換器セル１０の出力端子Ｎｏを設ける。
図５（ｂ）において、半導体素子３１の正極側には変換器セル１０の出力端子Ｐｏを、半導体素子３１、３２の接続点には変換器セル１０の出力端子Ｎｏを設ける。
図５（ａ）、（ｂ）において、スイッチング素子をオン、オフさせることで、変換器セルの出力端子間には、零電圧か、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の電圧か、のいずれかを出力することができる。
【００２１】
図１から図４の定常動作（変換器セルに異常が起きていない場合の電力変換の動作）の制御に関しては公知な技術を適用することができるので、ここでは説明を省略する。例えば、非特許文献１に記載の「モジュラー・マルチレベル変換器のＰＷＭ制御方法」が適用できる。
【００２２】
定常動作以外の動作として、異常時の動作がある。例えば、変換器セル１０のいずれかで異常（例えば素子故障、半導体素子のゲート駆動部に用いる制御電源の異常など）を検知した場合、異常を検知した変換器セルのバイパス要素ＢＰを閉じてバイパスする。変換器セルの数を、定常動作（変換器セルに異常が起きていない場合の電力変換の動作）と同等の動作が得られるように、冗長設計（例えば１セル以上多く直列接続する設計）をしていれば、いずれかの変換器セルが異常となっても、その変換器セルをバイパスすることで、継続的に電力変換の動作をすることができる。
【００２３】
しかしながら、図６で示すような問題がある。図６（ａ）は、バイパス要素ＢＰが接続されていない上側の半導体素子２１が短絡状態において、バイパス要素ＢＰが閉となった場合に流れるエネルギー蓄積要素ＥＳの短絡電流を示している。本来、バイパス要素ＢＰは、通常の電力変換動作時に変換器セルに流れる電流値で設計する。通常、この電流は数ｋＡ以下である。一方、前記短絡電流は数十から数百ｋＡに達する。故に、この短絡電流によって、バイパス要素ＢＰが破損する可能性があり、その場合、電力変換装置は継続的に電力変換の動作をすることができない。言い換えると、信頼性が低下する。
【００２４】
このような短絡電流が流れるケースとして、２つのケースが考えられ、これを回避する動作が本発明の含むところである。
図６（ａ）を例に説明すると、まず第１のケースが、バイパス要素ＢＰが並列に接続されていない上側の半導体素子２１が短絡故障（故障して短絡状態になっている状態を意味する）している場合、半導体素子２１の短絡故障に関連する異常（ゲート駆動部に用いる制御電源の異常など）を検知して、バイパス要素ＢＰを閉とした場合である。これを回避する目的で、本発明では、バイパス要素ＢＰを閉とすると同時あるいはそれよりも以前に、バイパス要素ＢＰと並列に接続された半導体素子２２をオンとする。この結果、バイパス要素ＢＰと並列に、このバイパス要素ＢＰが含まれない別の電流経路（図６（ａ）中に記号Ｎと名付けた、半導体素子２２を通るＰ０からＮ０に至る点線の経路）が形成される。
通常、バイパス要素ＢＰに「閉」となる信号を与えたとしても、機械スイッチの場合は数ｍｓ以上を要するのが一般的であるのに対し、半導体素子は数μｓでオンとすることができる。なお、上記機械スイッチ以外のバイパス要素ＢＰを用いた場合には、閉指令を与えてから数十μｓ以上の値で閉となるものを用いてもよい。
上記の異常の具体的な例として、制御電源（図示せず）の異常がある。制御電源とは、半導体素子をオン／オフするためのゲート駆動部に供給される電源や、オン／オフのロジックを決定する制御基板に供給される電源を意味する。この異常の検知方法としては、制御電源の電圧を検知して、それが正常動作範囲の電圧か否かをコンパレータ（比較器）で判断する方法がある。この方法により異常を検知することができる。
【００２５】
バイパス要素ＢＰを閉とするためには、バイパス要素ＢＰの制御端子（図示せず）あるいは制御コイル（図示せず）に制御電圧を供給する必要がある。
すなわち、エネルギー蓄積要素ＥＳは、バイパス要素ＢＰで短絡されるよりも前に、バイパス要素ＢＰと並列に接続された半導体素子２２によって、短絡される。この短絡によって、エネルギー蓄積要素ＥＳに蓄積されたエネルギーは消費されるため、バイパス要素ＢＰが実際に閉となる時点では、十分にエネルギーがない状態になる。よって、バイパス要素ＢＰに過電流が流れて破損されることなく、閉となる。
【００２６】
なお、図６（ｂ）では、バイパス要素ＢＰを閉とすると同時あるいはそれよりも以前に、バイパス要素ＢＰと並列に接続された半導体素子３１をオンとすることで、バイパス要素ＢＰは破損されることなく、閉となる。
【００２７】
本発明においては、バイパス要素ＢＰを閉とする場合、バイパス要素ＢＰを閉とすると同時、あるいはそれよりも以前に、バイパス要素ＢＰと並列に接続された半導体素子をオンとすることで、バイパス要素ＢＰを破損から守り、異常が発生した変換器セルを適切にバイパスすることができる。なお、図７にそのロジックを示す。図７では、まず、変換器セルが異常か否かを判別する。異常であれば、変換器セルをバイパスする必要があるため、バイパス要素に閉指令を与えるとともにバイパス要素と並列の半導体素子に閉指令（オン指令）を与える。そのように処理することで、バイパス要素と並列の半導体素子が導通し、それと同時、あるいはその後に、バイパス要素が閉となる。
【００２８】
次に、図６（ａ）を例に、２つ目のケースについて説明する。２つ目のケースは、バイパス要素ＢＰが並列に接続されていない上側の半導体素子２１がオン状態に制御されている時に、バイパス要素ＢＰがノイズなどの誤動作により閉となる場合である。バイパス要素ＢＰが誤動作により閉となった場合、半導体素子２１とバイパス要素ＢＰとでエネルギー蓄積要素ＥＳが短絡される。半導体素子２１が故障していない場合は、短絡電流は飽和電流と呼ばれる値（通常数ｋＡ程度）に制限される。しかしながら、半導体素子２１は一般的に数十μｓで故障に至り完全に短絡状態になり、バイパス要素ＢＰの電流は瞬時に数十ｋＡから数百ｋＡに上昇してしまう。これを防止するために、半導体素子２１を駆動するゲート駆動部にアーム短絡保護部を備える。なお、アーム短絡保護部とは、半導体素子を介してエネルギー蓄積要素ＥＳが短絡することにより流れる短絡電流から、半導体素子を保護する部分を意味する。アーム短絡保護部は、半導体素子に短絡電流が流れたことを直接的、あるいは間接的に検知し、半導体素子２１を遮断する。これを半導体素子が故障に至るまでの数十μｓ以内に実現することで、短絡電流を除去する。好ましくは、図１のような回路で使用される高圧の半導体素子は、一般的に１０μｓ以内であれば短絡電流に対して耐量特性（壊れない特性）を有しているため、短絡が発生してから１０μｓ以内に遮断することで、確実に保護できる。この動作によって、半導体素子２１は故障しないので、バイパス要素ＢＰに数十ｋＡから数百ｋＡの電流が流れることを防止できる。よって、バイパス要素ＢＰの故障を防止することができる。
【００２９】
ここで、アーム短絡保護部により、半導体素子を遮断する場合、通常制御する場合のスイッチング動作よりも遅いスイッチング動作により、遮断させる「ソフト遮断」という動作をさせてもよい。これは、半導体素子の飽和電流は通常制御する電流よりも大きいため、遮断時に半導体素子の両端に発生するサージ電圧を抑制させるためである。
なお、図６（ｂ）では、バイパス要素ＢＰが並列に接続されていない半導体素子３２を駆動するゲート駆動部にアーム短絡保護部を備える。
【００３０】
本発明においては、バイパス要素ＢＰが並列に接続されていない半導体素子を駆動するゲート駆動部にアーム短絡保護部を備えることで、バイパス要素ＢＰを破損から守り、異常が発生した変換器セルを適切にバイパスすることができる。なお、図８にそのロジックを示す。図８では、まず、誤動作によりバイパス要素が閉となると短絡電流が発生するので、この短絡電流検知のために、バイパス要素が並列に接続されていない半導体素子のゲート駆動部が短絡電流を検知するか否かを判断する。次に、短絡電流を検知した場合、バイパス要素が並列に接続されていない半導体素子を遮断（オフ）する。その結果、短絡電流は除去される。この図に示すスタートから短絡電流除去までのフローの動作が、アーム短絡保護部の動作でもある。
【００３１】
図９に短絡電流を検知する方法の１つとして電流センサを図示している。
電流センサは電流センサ５０１のようにエネルギー蓄積要素と素子の両端に接続しても良いし、電流センサ５０２のように半導体素子２１の直近あるいはモジュール型素子の場合には半導体素子２１に内蔵してもよい。また、電流センサ５０３のように半導体素子とバイパス要素との接続部に接続してもよい。なお、図９（ｂ）においては、電流センサ５０１は電流センサ６０１に、電流センサ５０２は電流センサ６０２に、電流センサ５０３は電流センサ６０３に対応した電流を検知し、電流検知機能は図９（ａ）と同等である。
【００３２】
また、半導体素子に短絡電流が流れたことを検知し、半導体を遮断する具体的な方法に関しては、公知な例がある。例えば、特許文献３の「電力用半導体トランジスターの過電流保護回路」を適用することができる。図１０は特許文献３から要点を抜粋した回路図を記載している。図１０は、対象とする半導体素子５１０に対して、短絡電流を検知する検知部５１１と、短絡電流を検知した場合に遮断動作を行う遮断部５１２とを示している。
【００３３】
短絡電流を検知する検知部５１１は、半導体素子５１０にオン信号が入っている場合にコレクタ電位が所定の電圧以上であるかを検知する。短絡時には、エネルギー蓄積要素ＥＳの電圧が半導体素子の両端に印加されている状態であり、オン状態の電圧は上昇する。一方、短絡状態でない場合には、半導体素子の電圧降下は数Ｖである。検知部５１１は、コレクタ電位を検知して、コンパレータで比較することで短絡電流が流れている状態か否かを判断している。
【００３４】
一方、遮断部５１２は、検知部５１１からの信号を受けて遮断をする。前述の通り、遮断時には定常動作の遮断時よりも大きな抵抗を介して遮断を実施することで「ソフト遮断」という動作を実現している。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態１では、ハーフブリッジの変換器セルを用いた電力変換装置について説明した。実施の形態２では、上下２つのアームからなるレグを２つ備えたフルブリッジの変換器セルを用いる場合について説明する。
【００３６】
図１１に実施の形態２における変換器セルの一例を示す。図１１（ａ）を例に説明すると、変換器セル１０は４つ以上の半導体素子を用いてフルブリッジの構成をとる。半導体素子２１と２２との直列体がエネルギー蓄積要素ＥＳと並列に接続されており、半導体素子２１と２２との接続点には変換器セルの出力端子Ｐｏを備える。半導体素子２２と並列に第１のバイパス要素ＢＰ１を備える。一方、半導体素子２３と２４との直列体がエネルギー蓄積要素ＥＳと並列に接続されており、半導体素子２３と２４との接続点には変換器セルの出力端子Ｎｏを備える。半導体素子２４と並列に第２のバイパス要素ＢＰ２を備える。
【００３７】
一方、図１１（ｂ）においては、半導体素子３１と３２との直列体がエネルギー蓄積要素ＥＳと並列に接続されており、半導体素子３１と３２との接続点には変換器セルの出力端子Ｐｏを備える。半導体素子３１と並列に第１のバイパス要素ＢＰ１を備える。一方、半導体素子３３と３４との直列体がエネルギー蓄積要素ＥＳと並列に接続されており、半導体素子３３と３４との接続点には変換器セルの出力端子Ｎｏを備える。半導体素子３３と並列に第２のバイパス要素ＢＰ２を備える。
【００３８】
また、図１１（ｃ）は、さらに、バイパス要素の異常を検知するための故障検知器３０と半導体素子を駆動するゲート駆動部４０の構成要素が加わったものである。この図において、上下２つの各アームは、それぞれ半導体素子２１、２２、２３、２４で構成され、これらにエネルギー蓄積要素ＥＳおよびバイパス要素ＢＰが図に示すように接続されている。
エネルギー蓄積要素ＥＳには、例として、コンデンサを使用する。バイパス要素ＢＰには、例として、真空スイッチ等の機械スイッチや半導体素子によって構成された半導体スイッチを使用する。
【００３９】
半導体素子２１、２２、２３、２４は、スイッチング素子２１ｓ、２２ｓ、２３ｓ、２４ｓと、各々に逆並列に接続されたダイオード素子２１ｄ、２２ｄ、２３ｄ、２４ｄとで構成される。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＣＴ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を使用する。なお、これら各アームは、電流容量に応じて、複数の半導体素子を並列に接続した構成のものしてもよく、また、電圧耐量に応じて、複数の半導体素子を直列に接続した構成のものとしてもよい。
【００４０】
図１１（ｃ）において、半導体素子２１、２２の接続点には変換器セル１０の出力端子Ｐｏを、半導体素子２３、２４の接続点には変換器セル１０の出力端子Ｎｏを設ける。
各スイッチング素子２１ｓ〜２４ｓは、ゲート駆動部４０からのゲート駆動信号に基づきオンオフ制御される。そして、スイッチング素子２１ｓ〜２４ｓをオンオフ制御して一対の出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間とエネルギー蓄積要素ＥＳとの間で電力の変換を行うことで、変換器セル１０の出力端子間には、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の正の電圧か、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の負の電圧か、零電圧かのいずれかを出力することができる。
【００４１】
非特許文献１では、変換器セルにレグが１つしかない、いわゆるハーフブリッジで構成した変換器セルを用いている。ハーフブリッジの変換器セルは、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の正の電圧か、零電圧の２通りの出力電圧しか出せない。
一方、非特許文献２では、２つのレグを備えたフルブリッジで構成しているため、エネルギー蓄積要素ＥＳの負の電圧も出力可能で制御の自由度が向上する。
【００４２】
図１に示した主回路構成を持つこの種の電力変換装置の定常時の動作については、先に挙げた文献例等で公知であるので、その説明は省略し、本願発明が着目する異常時、即ち、いずれかの変換器セル１０に異常が発生した場合の動作について以下に説明する。
【００４３】
なお、ここでは、先の図１１（ｃ）に示した、フルブリッジで構成した変換器セル１０を対象に説明するものとするが、本願発明の要部である変換器セルの異常時の保護部分の構成については、ハーフブリッジで構成した変換器セルの場合にも同様に適用可能である。
【００４４】
定常動作以外の動作として、異常時の動作がある。このため、図１１（ｃ）に示すように、故障検知器３０を備え、変換器セル１０のいずれかで異常（例えば、半導体素子の故障やスイッチング素子にゲート駆動信号を送出するゲート駆動部４０に用いる制御電源の異常など）を検知した場合、異常を検知した変換器セル１０のバイパス要素ＢＰを閉路して当該変換器セル１０をバイパスする。
【００４５】
定常動作（変換器セル１０に異常が起きていない場合の電力変換の動作）と同等の動作が可能なように、変換器セル１０の直列数に余裕を持たせた冗長設計（例えば、１セル以上多く直列接続する設計）をしていれば、いずれかの変換器セル１０が異常となっても、その変換器セル１０をバイパスすることで、継続的に電力変換の動作をすることができる。
【００４６】
もっとも、このような冗長設計を施しても、このバイパス要素ＢＰは、その閉路動作に伴い過酷な条件に晒される恐れがあり、この過酷な使用により損傷すると、その後の確実な開閉動作が出来なくなり、電力変換装置としての運転の継続を補償することができない。
【００４７】
これらの変換器セルは、ハーフブリッジの変換器セルと比較して、プラスのエネルギー蓄積要素の電圧と、マイナスのエネルギー蓄積要素の電圧と、零電圧の３つの出力電圧を選択して出力することができるので制御の自由度が向上する。
【００４８】
故に、図１から図４の電力変換装置に加えて、図１２や図１３のような電力変換装置にも適用することができる。図１２は、複数の変換器セル１０を直列に接続し、それをスター結線状に接続した電力変換装置であり、スター結線カスケード変換器などと呼ばれる。一方、図１３は、複数の変換器セル１０を直列に接続し、それをデルタ結線状に接続した電力変換装置であり、デルタ結線カスケード変換器などと呼ばれる。図１２、図１３において、４０１はリアクトルである。図１２や図１３の定常動作（変換器セルに異常が起きていない場合の電力変換の動作）の制御に関しては、公知な技術を用いることができる。例えば、非特許文献３、非特許文献４を使用することができるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４９】
一方、異常時の動作を考えた場合、図１１の変換器セルにおいて、図１４に示すように、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２にエネルギー蓄積要素ＥＳの短絡電流が流れて、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２が破損する恐れがある。基本的には、実施の形態１のハーフブリッジの変換器セルと同様に考えることができる。つまり、冗長設計を施した場合でも、このバイパス要素ＢＰは、その閉路動作に伴い過酷な使用条件に晒される恐れがあり、この過酷な使用により損傷すると、その後の確実な開閉動作が出来なくなり、電力変換装置としての運転の継続を補償することができない。
【００５０】
短絡電流が流れる第１のケースとして、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２が並列に接続されていない半導体素子が短絡故障している状態において、バイパス要素ＢＰ１あるいはＢＰ２を閉とした場合が考えられる。この場合は、バイパス要素ＢＰ１あるいはＢＰ２を閉とする場合に、閉とするバイパス要素と並列に接続されている半導体素子２２、２４、３１、３３を同時あるいは先にオンとすることで、バイパス要素の破損を防ぐ。具体的には、図１４において、半導体素子２１、２３、３２、３４が破損して短絡状態になっている場合、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２を投入するとエネルギー蓄積要素ＥＳの短絡電流が流れて、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２が破損する恐れがあるため、オフ状態にあるバイパス要素と並列に接続されている半導体素子２２、２４、３１、３３を閉としてから、バイパス要素ＢＰ１あるいはＢＰ２を閉とする。つまり、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２と並列に、これらのバイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２が含まれない別の電流経路（図１４（ａ）中に記号Ｎと名付けた半導体素子２２、２４を通るＰ０からＮ０に至る点線の経路）が形成され、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２の破損を防ぐ。
【００５１】
上記の異常の具体的な例として、制御電源（図６では図示せず）の異常がある。制御電源とは、半導体素子をオン／オフするためのゲート駆動部に供給される電源や、オン／オフのロジックを決定する制御基板に供給される電源を意味する。この異常の検知方法としては、制御電源の電圧を検知して、それが正常動作範囲の電圧か否かコンパレータ（比較器）で判断する方法がある。この方法を用いて異常を検知することができる。
バイパス要素ＢＰを閉とするためには、バイパス要素ＢＰの制御端子（図示せず）あるいは制御コイル（図示せず）に制御電圧を供給する。
【００５２】
また、短絡電流が流れる第２のケースとして、バイパス要素ＢＰ１あるいはＢＰ２のノイズなどによる誤動作により閉となる場合である。この場合は、バイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２と並列に接続されていない半導体素子のゲート駆動部にアーム短絡保護部を備えることで、バイパス要素ＢＰ１あるいはＢＰ２の破損を防ぐことができる。
【００５３】
以上に述べたバイパス要素に短絡電流が流れて、このバイパス要素が破損する恐れのある具体的な過酷条件について、以下でさらに詳しく説明する。
この過酷な条件とは、大きく分けて２つのケースがあり、第１のケースは、故障検知器３０が変換器セル１０の異常を検知し、それに基づきバイパス要素ＢＰが閉路する、いわば、バイパス要素ＢＰとしては、本来の正常な閉路動作であるが、この変換器セル１０の異常が半導体素子２１〜２４のいずれかの短絡故障である場合は、後段で詳述するように、エネルギー蓄積要素ＥＳに充電されたエネルギー電荷により、この短絡故障した半導体素子を介して、閉路したバイパス要素ＢＰに非常に過大な電流が流れて当該バイパス要素ＢＰがその過大電流により損傷する可能性がある場合である。
【００５４】
また、第２のケースは、故障検知器３０が変換器セル１０の異常を検知していない状態でバイパス要素ＢＰが閉路する、いわば、誤動作によりバイパス要素ＢＰが閉路動作する場合である。この場合は、後段で詳述するように、エネルギー蓄積要素ＥＳに充電された電荷により、そのときオン状態にある半導体素子を介して当該誤動作で閉路したバイパス要素ＢＰに放電電流が流れるが、これを放置すると当該半導体素子が短絡状態に発展し、それに伴い、この放電電流が急激に増大して当該バイパス要素ＢＰを損傷させる可能性がある場合である。
【００５５】
先ず、第１のケースについて、図１４（ｃ）を参照して説明する。ここでは、故障検知器３０は、想定される、変換器セル１０の異常の全般を検知するものとする。
図１４（ｃ）の太線矢印は、対角位置にある半導体素子２１、２４が短絡状態にあるときに、バイパス要素ＢＰが閉路した場合に流れる、エネルギー蓄積要素ＥＳから短絡状態の半導体素子２１、２４を介してバイパス要素ＢＰに流れる短絡電流を示している。
【００５６】
本来、バイパス要素ＢＰは、通常の電力変換動作時に変換器セル１０に流れる電流値で設計する。通常、この電流は数ｋＡ以下である。一方、上述の短絡電流は、数十から数百ｋＡに達する。故に、この短絡電流によって、当該閉路したバイパス要素ＢＰが破損する可能性があり、その場合、電力変換装置は継続的に電力変換の動作をすることができない。言い換えると、信頼性が低下する。なお、同じく対角位置にある半導体素子２２、２３が短絡状態にある場合も同様である。
【００５７】
そこで、故障検知器３０が変換器セル１０の異常を検知した場合、半導体素子が上述の短絡状態にあり、閉路するバイパス要素ＢＰとして最も過酷となる状態が発生し得ると想定し、これを回避する目的で、本発明では、バイパス要素ＢＰを閉路とすると同時またはそれより前に、上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓをオン状態とする。
上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓをオン状態に制御することで、出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間は、半導体素子で短絡される。この結果、バイパス要素ＢＰと並列に、このバイパス要素ＢＰが含まれない別の電流経路（図１４（ｃ）中に記号Ｎと名付けた、スイッチング素子２１ｓ、２３ｓを通るＰ０からＮ０に至る点線の経路）が形成される。
なお、短絡状態にある半導体素子２１は既にオン状態になっているため、実質的にオンに制御されるのは故障していないスイッチング素子２３ｓのみになる。
【００５８】
以上のように、半導体素子２３、２４がオン状態ないし短絡状態となってエネルギー蓄積要素ＥＳがこれら半導体素子２３、２４を介して短絡放電される。換言すると、バイパス要素ＢＰが投入される前に半導体素子を用いて出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間を短絡することで、バイパス要素ＢＰよりも先に半導体素子を犠牲にし、過電流から保護する。具体的には、出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間が半導体素子を介して短絡されるようにスイッチング素子を制御することで、エネルギー蓄積要素ＥＳが半導体素子を介して短絡されるので、エネルギー蓄積要素ＥＳに充電されたエネルギー電荷が消費されエネルギー蓄積要素ＥＳからバイパス要素ＢＰに流入する電流がゼロまたは大幅に減少し、バイパス要素ＢＰに流れる電流は、電力変換装置としての本来の負荷電流と同程度の値に留まり、その損傷が確実に防止されるわけである。
【００５９】
なお、通常、バイパス要素ＢＰに「閉」となる信号を与えたとしても、真空スイッチ等の機械スイッチの場合は数ｍｓ以上を要するのが一般的であるのに対し、スイッチング素子は数μｓでオンとすることができる。
即ち、バイパス要素ＢＰにおける、閉路指令から実際に閉路するまでの閉路応答時間が、スイッチング素子における、オン指令から実際にオンするまでのオン応答時間より長くなるようにすることは、比較的容易であり、従って、バイパス要素ＢＰを閉路とする前に、半導体素子２１、２３をオン状態とすることは、比較的容易に実現し得る。
【００６０】
また、以上の説明では、上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓをオン状態にするとしたが、これは、後述する第２のケースを想定した、スイッチング素子をオフ状態とする保護動作を同一の装置で採用するため、オン状態とする保護動作を上アームの素子で、オフ状態とする保護動作を下アームの素子でそれぞれ区分けして行うようにしたためである。従って、前者のオン状態にする保護動作を下アームの素子で、後者のオフ状態とする保護動作を上アームの素子で担うようにしてもよい。
また、前者のオン状態にする保護動作のみを行う場合は、上下両アームの素子で担うようにしてもよい。この場合、エネルギー蓄積要素ＥＳから半導体素子に流れる放電電流が、２回路に分流されるので、各半導体素子に流入する電流が低減する。
【００６１】
次に、以上に述べたバイパス要素に短絡電流が流れて、このバイパス要素が破損する恐れのある具体的な過酷条件から、バイパス要素を保護する動作について、図１５を用いて説明する。
【００６２】
図１５は、バイパス要素の保護動作のフローチャートを示す。図１５において、故障検知器３０で変換器セル１０が異常か否かを判別し（ステップＳ１）、異常であれば（ステップＳ１でＹｅｓ）、変換器セル１０をバイパスする必要があるため、バイパス要素ＢＰに閉指令を与えるとともに、上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓにオン指令を与える（ステップＳ２）。そのように処理することで、上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓがオン状態となり（ステップＳ３）、それと同時またはその後に、バイパス要素ＢＰが閉となる（ステップＳ４）。
前述した、オン状態にする保護動作を下アームの素子で担う場合のフローチャートは図１６の通りとなる。
【００６３】
なお、先の図１４（ｃ）で、バイパス要素ＢＰの閉路に先駆けて上アームのスイッチング素子２３ｓをオン状態にすると、既に短絡状態にあるスイッチング素子２４ｓと新たにオンしたスイッチング素子２３ｓには、バイパス要素ＢＰを介した場合より更に大きな、エネルギー蓄積要素ＥＳからの直接の放電短絡電流が流入し、この短絡電流でスイッチング素子２３ｓも損傷する可能性が大きい。
【００６４】
しかし、たとえ、異常が検知された変換器セル１０内の、そのときには正常であったスイッチング素子がそれをオン状態にする保護動作に伴い損傷するに至ったとしても、あくまでも変換器セル１０の異常に伴うバイパス要素ＢＰの損傷を確実に防止して当該バイパス要素ＢＰのバイパス機能を補償することで、変換器セル１０の異常発生からその後電力変換装置を計画的に停止できる迄の期間における電力変換装置の継続運転を実現することが、この発明の意図するところであり、上述のスイッチング素子の損傷は、この発明の考慮する範囲内の事象である。
【００６５】
以上のように、図１５で説明したスイッチング素子をオン状態とする保護動作は、故障検知器３０が変換器セル１０の異常を検知すれば、その検知された異常事象の種別に関係なく、バイパス要素ＢＰにとって最も過酷となる、上述した第１のケースを想定して実行し、バイパス要素ＢＰを損傷から確実に防止しようとするものである。
【００６６】
なお、故障検知時に半導体素子により出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間を短絡するという保護動作は、故障検知器３０が検知した異常が、半導体素子の短絡故障ではなく当該変換器セル１０内の他の種別の異常事象であっても適用可能である。すなわち、半導体素子の短絡故障ではなく当該変換器セル１０内の他の種別の異常事象であった場合、出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間を上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓをオン状態に制御することで短絡しても、エネルギー蓄積要素ＥＳが短絡される経路が存在しないため、エネルギー蓄積要素ＥＳに充電されたエネルギー電荷は消費されない。一方で、バイパス要素ＢＰよりも先に半導体素子が出力端子Ｐｏ、Ｎｏを短絡するので、早期にバイパス状態に移行できる。故に、より確実な電力変換装置の運転継続が可能となる。
【００６７】
ところで、この第１のケースで想定する、半導体素子、特に、スイッチング素子の短絡故障としては、半導体部が破損してゲート酸化膜の絶縁が破壊され、ゲート・エミッタ間がほぼ短絡状態となるのが典型的な事象である。この異常は、ゲート駆動部４０の制御電源の状態から検知することができることは既に簡単に説明したが、この内容について、以下で具体例をもとにして、さらに詳しく説明する。
【００６８】
図１７は、図１５の場合とは異なり、故障検知器３０として、変換器セル１０の異常を、半導体素子の短絡故障とその他の故障とを峻別して検知可能なものを採用し、上述の第１のケースを想定した、スイッチング素子をオン状態とする保護動作を、検知した故障が半導体素子の短絡故障である場合に限定して実行する場合の保護動作を示すフローチャートである。
【００６９】
図１７において、故障検知器３０で変換器セル１０が異常か否かを判別し（ステップＳ１）、異常であれば（ステップＳ１でＹｅｓ）、更に、半導体素子の短絡故障であるか否かを判別する（ステップＳ５）。半導体素子の短絡故障である場合は（ステップＳ５でＹｅｓ）、バイパス要素ＢＰに閉指令を与えるとともに、上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓにオン指令を与える（ステップＳ２）。そのように処理することで、上アームのスイッチング素子２１ｓ、２３ｓがオン状態となり（ステップＳ３）、それと同時またはその後に、バイパス要素ＢＰが閉となる（ステップＳ４）。
【００７０】
ステップＳ５で、検知した故障が半導体素子の短絡故障でないと判別された場合は（ステップＳ５でＮｏ）、バイパス要素ＢＰに閉指令を与えるのみの処理を行い（ステップＳ６）、スイッチング素子のオン動作を指令することなく、バイパス要素ＢＰが閉となる（ステップＳ７）。
これにより、保護動作に伴う処理数を減少させることができ、保護制御に係る部分を小型化することが出来る。
【００７１】
図１７では、以上のように、バイパス要素ＢＰが閉路すると同時またはそれより前にスイッチング素子をオン状態にするという動作を、故障検知器３０が検知した異常が半導体素子の短絡故障によるものであるときに制限して実行するようにしたので、このスイッチング素子をオン状態にする保護動作の頻度を最小限に留め、保護制御に係る部分を小型化することができる。
【００７２】
次に、バイパス要素ＢＰに過酷な条件として設定した、今ひとつの第２のケースについて、図１８および図１９を参照して説明する。ここでは、故障検知器３０は、想定される、変換器セル１０の異常の全般を検知するものとする。
この第２のケースは、図１８に示すように、例えば、対角位置にある半導体素子２１、２４がオン状態に制御されているときに、故障検知器３０が異常を検知していない状態で、即ち、誤動作で、バイパス要素ＢＰが閉路した場合である。なお、図１８では、オン状態に制御されている半導体素子２１、２４は実線で、オフ状態に制御されている半導体素子２２、２３は点線で図示している。
【００７３】
この場合、閉路したバイパス要素ＢＰとオン状態の半導体素子２１、２４とでエネルギー蓄積要素ＥＳが短絡される。短絡経路内の半導体素子が故障していない場合は、短絡電流は飽和電流と呼ばれる値（通常数ｋＡ程度）に制限される。しかしながら、これを放置すると、上述したように、半導体素子は一般的に数十μｓで故障に至り完全な短絡状態となり、バイパス要素ＢＰの電流は、その時点で数十ｋＡから数百ｋＡに上昇してバイパス要素ＢＰを損傷する恐れがある。
【００７４】
これを防止するため、ここでは、下アームのスイッチング素子２２ｓ、２４ｓを駆動するゲート駆動部４０にアーム短絡保護部を備える。なお、ここでアーム短絡保護部とは、図１８では５０２Ａ、５０２Ｂ等で示す電流センサと、この電流センサの検知出力から半導体素子の過電流を検知する過電流検知器と、この過電流を検知したときスイッチング素子をオフ状態とすることで、誤動作で閉路したバイパス要素ＢＰおよび半導体素子２１、２４を介して形成されるエネルギー蓄積要素ＥＳの短絡状態を解除する駆動部とからなるものを称している。
なお、前記では「アーム短絡保護部」と記載したが、出力端子よりも外側の短絡から素子を保護する部分として「負荷短絡保護部」と記載される場合もある。ここでは、半導体素子を短絡電流から保護する部分の総称として「アーム短絡保護部」という用語を用いている。
【００７５】
アーム短絡保護部は、半導体素子に短絡電流が流れたことを直接的あるいは間接的に検知し、下アームのスイッチング素子２２ｓ、２４ｓを遮断する。従って、電流センサとしては、図１８に示す、電流センサ５０１のようにエネルギー蓄積要素ＥＳと半導体素子２１、２３の両端に接続してもよいし、電流センサ５０２Ａ、５０２Ｂのように下アームの半導体素子２２、２４の直近あるいはモジュール型素子の場合には半導体素子２２、２４に内蔵してもよい。また、電流センサ５０３のように半導体素子とバイパス要素ＢＰとの接続部に接続してもよい。
【００７６】
以上の説明では、下アームのスイッチング素子２２ｓ、２４ｓをオフ状態にするとしたが、これは、前述した第１のケースを想定した、スイッチング素子をオン状態とする保護動作を同一の装置で採用するため、オン状態とする保護動作を上アームの素子で、オフ状態とする保護動作を下アームの素子でそれぞれ区分けして行うようにしたためである。
従って、前者のオン状態にする保護動作を下アームの素子で、後者のオフ状態とする保護動作を上アームの素子で担うようにしてもよい。
また、後者のオフ状態にする保護動作のみを行う場合は、上下両アームの素子で担うようにしてもよい。
【００７７】
図１９は、以上の保護動作のフローチャートを示す。図１９において、故障検知器３０が変換器セル１０の異常を検知していない状態で、アーム短絡保護部が過電流を検知すると（ステップＳ８でＹｅｓ）、下アームのスイッチング素子２２ｓ、２４ｓにオフ指令を与え、これらスイッチング素子２２ｓ、２４ｓをオフ状態とする（ステップＳ９）。これにより、短絡電流が除去される（ステップＳ１０）。
なお、前述したオフ状態にする保護動作を上アームの素子で担う場合のフローチャートは図２０の通りとなる。
【００７８】
このスイッチング素子のオフ動作を、半導体素子が故障に至るまでの数十μｓ以内に実現することで、エネルギー蓄積要素ＥＳの短絡状態を解除して短絡電流を除去することができる。好ましくは、図１のような回路で使用される高圧の半導体素子は、一般的に、１０μｓ以内であれば短絡電流に対して耐量特性（壊れない特性）を有しているため、短絡が発生してから１０μｓ以内にオフ遮断することで、確実に保護できる。この保護動作によって、半導体素子は故障しないので、バイパス要素ＢＰに数十ｋＡから数百ｋＡの電流が流れることを防止できる。よって、バイパス要素ＢＰの故障を防止することができる。
【００７９】
ところで、アーム短絡保護部（図１０参照）により、半導体素子を遮断する場合、通常制御する場合のスイッチング動作よりも遅いスイッチング動作により、遮断させる「ソフト遮断」という動作をさせてもよい。これは、半導体素子の飽和電流は通常制御する電流よりも大きいため、遮断時に半導体素子の両端に発生するサージ電圧を抑制させるためである。
【００８０】
アーム短絡保護部自体は、公知であるので、詳しい説明は省略するが、以下、図１０（特許文献３参照）を用いて簡単に説明する。
図１０は、同公報から要点を抜粋した回路図である。対象とする半導体素子５１０に対して、短絡電流を検知する検知部５１１と、短絡電流を検知した場合に遮断動作を行う遮断部５１２とを示している。
【００８１】
短絡電流を検知する検知部５１１は、半導体素子５１０にオン信号が入っている場合にコレクタ電位が所定の電圧以上であるかを検知する。短絡時には、エネルギー蓄積要素ＥＳの電圧が半導体素子の両端に印加されている状態であり、オン状態の電圧は上昇する。一方、短絡状態でない場合には、半導体素子の電圧降下は数Ｖである。検知部５１１は、コレクタ電位を検知して、コンパレータで比較することで短絡電流が流れている状態か否かを判断している。
【００８２】
一方、遮断部５１２は、検知部５１１からの信号を受けて遮断をする。前述の通り、遮断時には定常動作の遮断時よりも大きな抵抗を介して遮断を実施することで「ソフト遮断」という動作を実現している。
【００８３】
なお、図１９の保護動作では、変換器セル１０の異常が検知されていない状態で、半導体素子の過電流が検知されたときに下アームのスイッチング素子をオフして短絡電流を除去するようにすることで、バイパス要素ＢＰの保護に影響を与えない範囲で、不要な保護動作を抑制するようにしたが、図２１に示すように、過電流検知の要件を課さないようにしてもよい。
【００８４】
即ち、図２１のフローチャートでは、故障検知器３０が変換器セル１０の異常を検知していない状態で、バイパス要素ＢＰが閉路したことを検知すると（ステップＳ１１でＹｅｓ）、下アームのスイッチング素子２２ｓ、２４ｓにオフ指令を与え、これらスイッチング素子２２ｓ、２４ｓをオフ状態とする（ステップＳ９）。これにより、閉路したバイパス要素ＢＰおよび半導体素子を介して形成されるエネルギー蓄積要素ＥＳの短絡状態が解除される（ステップＳ１２）。
なお、バイパス要素ＢＰの閉路動作は、バイパス要素ＢＰの両端の電圧を検知するか、バイパス要素ＢＰの主接点と同じ開閉動作をする補助接点を監視することで検知することができる。
この場合、スイッチング素子をオフ状態とする保護動作の頻度は多くなるが、バイパス要素ＢＰを確実に保護する中で、保護回路の構成動作を簡便なものとすることが出来る。
【００８５】
なお、実施の形態１とは異なり、実施の形態２では、フルブリッジで変換器セルを構成しているので、変換器セル内で異常を検知すると、両方のバイパス要素ＢＰ１、ＢＰ２を閉とする。その際、それらと並列に接続されている半導体素子も同時あるいはそれ以前にオンとする。そうすることで、異常が発生した変換器セルを確実にバイパスすることができる。また、このスイッチング素子をオン状態にする保護動作の頻度を最小限に留め、保護制御に係る部分を小型化することができる。
【００８６】
実施の形態３．
図２２は、本発明の実施の形態３における電力変換装置に用いる変換器セル１０Ｂの内部構成例を示す回路図である。先の実施の形態１、２では、変換器セル１０の全ての半導体素子に、スイッチング素子とダイオード素子とを用いていたが、この実施の形態３では、２つのレグの内、１つのレグの下アームの半導体素子がダイオード素子のみで構成されている点が異なる。以下、この異なる点を中心に説明する。
【００８７】
変換器セル１０Ｂの各アームは、それぞれ半導体素子２１、２２Ｂ、２３、２４で構成され、これらにエネルギー蓄積要素ＥＳおよびバイパス要素ＢＰが図に示すように接続されている。これらのアームの内、半導体素子２２Ｂは、ダイオード素子のみで構成され、他の３つのアームは、スイッチング素子２１ｓ、２３ｓ、２４ｓと、各々に逆並列に接続されたダイオード素子２１ｄ、２３ｄ、２４ｄとで構成されている。
【００８８】
図２２において、半導体素子２１、２２Ｂの接続点には変換器セル１０Ｂの出力端子Ｐｏを、半導体素子２３、２４の接続点には変換器セル１０Ｂの出力端子Ｎｏを設ける。
各スイッチング素子２１ｓ、２３ｓ、２４ｓは、ゲート駆動部４０からのゲート駆動信号に基づきオンオフ制御される。そして、スイッチング素子２１ｓ、２３ｓ、２４ｓをオンオフ制御して一対の出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間とエネルギー蓄積要素ＥＳとの間で電力の変換を行うことで、変換器セル１０Ｂの出力端子間には、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の正の電圧か、零電圧、電流の極性によっては、半導体素子２２Ｂを導通させることができるので、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の負の電圧のいずれかを出力することができる。
【００８９】
図２２の変換器セル１０Ｂは、図１１（ｃ）の変換器セル１０と比較して制御性が劣るが、先の非特許文献１で開示されている定常動作を実現することができる。更に、図１１（ｃ）の変換器セル１０と比較して、スイッチング素子の数が少ないため、小型で安価な電力変換装置を実現できる。
【００９０】
図２２の変換器セル１０Ｂの場合も、そのバイパス要素ＢＰは、例えば、図２３に示すような、対角位置にある半導体素子２１、２４が短絡状態となり、故障検知器３０がこれを検知して閉路動作するとき等、先の実施の形態１で、第１のケースおよび第２のケースとして説明した過酷な条件に晒される可能性があり、それへの対処、即ち、この過酷な条件でバイパス要素ＢＰが損傷しないよう、保護動作が必要となる。
【００９１】
もっとも、これら保護動作の詳細は、先の実施の形態１で説明した通りであり、再度の説明は割愛する。
但し、この実施の形態２においては、４つの半導体素子の１つをダイオード素子のみで構成しスイッチング素子を使用していないので、先の第１のケースに関し、バイパス要素ＢＰが閉路すると同時またはそれより前に、出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間が半導体素子を介して短絡されるようにスイッチング素子をオン状態にする、とする保護動作において、オン状態にする対象のスイッチング素子としては、例えば、図２３の場合は、上アームのスイッチング素子２３ｓに限定されることになる。
【００９２】
以上のように、適用上一部制限されることを除けば、この実施の形態２に係る電力変換装置は、先の実施の形態１で説明したと同様、変換器セルの異常発生時、その出力端子を閉路するバイパス要素を、その閉路動作に伴う損傷から確実に防止し、運転の継続を可能とするという効果を奏し、かつ、実施の形態１の場合より装置が小型で安価となる利点がある。
【００９３】
実施の形態４．
図２４は、本発明の実施の形態４における電力変換装置に用いる変換器セル１０Ｃの内部構成例を示す回路図である。先の実施の形態１では、変換器セル１０の全ての半導体素子に、スイッチング素子とダイオード素子とを用いていたが、この実施の形態４では、２つのレグの内、１つのレグの上アームの半導体素子がダイオード素子のみで構成されている点が異なる。以下、この異なる点を中心に説明する。
【００９４】
変換器セル１０Ｃの各アームは、それぞれ半導体素子２１、２２、２３Ｂ、２４で構成され、これらにエネルギー蓄積要素ＥＳおよびバイパス要素ＢＰが図に示すように接続されている。これらのアームの内、半導体素子２３Ｂは、ダイオード素子のみで構成され、他の３つのアームは、スイッチング素子２１ｓ、２３ｓ、２４ｓと、各々に逆並列に接続されたダイオード素子２１ｄ、２３ｄ、２４ｄとで構成されている。
【００９５】
図２４において、半導体素子２１、２２の接続点には変換器セル１０Ｃの出力端子Ｐｏを、半導体素子２３Ｂ、２４の接続点には変換器セル１０Ｃの出力端子Ｎｏを設ける。
各スイッチング素子２１ｓ、２２ｓ、２４ｓは、ゲート駆動部４０からのゲート駆動信号に基づきオンオフ制御される。そして、スイッチング素子２１ｓ、２２ｓ、２４ｓをオンオフ制御して一対の出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間とエネルギー蓄積要素ＥＳとの間で電力の変換を行うことで、変換器セル１０Ｃの出力端子間には、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の正の電圧か、零電圧、電流の極性によっては、半導体素子２３Ｂを導通させることができるので、エネルギー蓄積要素ＥＳの両端の負の電圧のいずれかを出力することができる。
【００９６】
図２４の変換器セル１０Ｃは、図１１（ｃ）の変換器セル１０と比較して制御性が劣るが、スイッチング素子の数が少ないため、小型で安価な電力変換装置を実現できる。
【００９７】
図２４の変換器セル１０Ｃの場合も、そのバイパス要素ＢＰは、例えば、図２５に示すような、対角位置にある半導体素子２１、２４が短絡状態となり、故障検知器３０がこれを検知して閉路動作するとき等、先の実施の形態１で、第１のケースおよび第２のケースとして説明した過酷な条件に晒される可能性があり、それへの対処、即ち、この過酷な条件でバイパス要素ＢＰが損傷しないよう、保護動作が必要となる。
【００９８】
もっとも、これら保護動作の詳細は、先の実施の形態１で説明した通りであり、再度の説明は割愛する。
但し、この実施の形態４においては、４つの半導体素子の１つをダイオード素子のみで構成しスイッチング素子を使用していないので、先の第１のケースに関し、バイパス要素ＢＰが閉路すると同時またはそれより前に、出力端子Ｐｏ、Ｎｏ間が半導体素子を介して短絡されるようにスイッチング素子をオン状態にする、とする保護動作において、オン状態にする対象のスイッチング素子としては、例えば、図２５の場合は、下アームのスイッチング素子２２ｓに限定されることになる。
【００９９】
以上のように、適用上一部制限されることを除けば、この実施の形態４に係る電力変換装置は、先の実施の形態１、２で説明したと同様、変換器セルの異常発生時、その出力端子を閉路するバイパス要素を、その閉路動作に伴う損傷から確実に防止し、運転の継続を可能とするという効果を奏し、かつ、実施の形態１、２の場合より装置が小型で安価となる利点がある。
【０１００】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
ＢＰ、ＢＰ１、ＢＰ２  バイパス要素、ＥＳ  エネルギー蓄積要素、Ｐ、Ｎ  直流端子、Ｐｏ、Ｎｏ  セル出力端子、Ｕ、Ｖ、Ｗ  交流端子、
１０、１０Ｂ、１０Ｃ  変換器セル、２１、２２、２２Ｂ、２３、２３Ｂ、２４、３１、３２、３３、３４  半導体素子、２１ｓ、２２ｓ、２３ｓ、２４ｓ、３１ｓ、３２ｓ、３３ｓ、３４ｓ  スイッチング素子、２１ｄ、２２ｄ、２３ｄ、２４ｄ、３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄ  ダイオード素子、３０  故障検知器、４０  ゲート駆動部、３０１Ｐ、３０１Ｎ、３０１、４０１  リアクトル、５０１、５０２、５０２Ａ、５０２Ｂ、５０３、６０１、６０２、６０３  電流センサ。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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