(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流と直流間で電力を授受する電力変換装置であって、
前記交流側に接続される交流端子と、
前記直流側に接続される直流端子と、
前記交流端子と前記直流端子との間に接続された複数の変換器セルと
を備え、
各前記変換器セルは、
第１の半導体スイッチング素子と前記第１の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第１のダイオードとから構成される第１のアームと、
前記第１のアームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第２のダイオードとから構成される第２のアームと
から構成されるレグを少なくとも１つ有し、
前記レグにおける一方向が正方向と定義され、前記レグにおける前記一方向と反対の方向が負方向と定義され、前記第１および第２のダイオードは、前記負方向に導通可能に構成され、
前記第１の半導体スイッチング素子は、前記正方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第２の半導体スイッチング素子は、前記正方向および前記負方向に導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、
複数の変換器セルは、定常状態で前記交流側から前記直流側に電力を送電する整流器動作を行うように制御され、
前記定常状態で前記第１のアームに流れる前記正方向の電流は、定常状態で前記第１のアームに流れる前記負方向の電流よりも大きく、
前記定常状態で前記第２のアームに流れる前記負方向の電流は、定常状態で前記第２のアームに流れる前記正方向の電流よりも大きく、
前記第２のダイオードが導通状態のときに前記第２の半導体スイッチング素子も同時に導通状態とする、
電力変換装置。
【請求項２】
定常状態で前記第１のアームに流れる前記正方向の電流の最大値は、定常状態で前記第２のアームに流れる前記正方向の電流の最大値よりも大きく、
定常状態で前記第２のアームに流れる前記負方向の電流の最大値は、定常状態で前記第１のアームに流れる前記負方向の電流の最大値よりも大きい、
請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記変換器セルは、前記第１および第２のアームから構成されるレグと並列に接続されたエネルギー蓄積素子をさらに含み、
前記第１のアームの一端および前記第２のアームの一端がそれぞれ前記エネルギー蓄積素子に接続され、
前記第１のアームの他端と前記第２のアームとの第１の接続点が第１の出力端子に接続され、前記第２のアームの他端と前記エネルギー蓄積素子との第２の接続点が第２の出力端子に接続され、
前記第１の半導体スイッチング素子は、前記エネルギー蓄積素子から前記第１の接続点への方向にのみ導通可能に構成され、
前記第２の半導体スイッチング素子は、前記第１の接続点から前記第２の出力端子への方向に導通可能でかつ前記第２の接続点から前記第１の接続点への方向に導通可能に構成される、
請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記変換器セルは、前記変換器セルの電圧出力がオフの場合に、前記第２のダイオードが導通状態のときに前記第２の半導体スイッチング素子も同時に導通状態となる、
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。
【請求項５】
前記第１のアームに入力する第１のゲート信号および前記第２のアームに入力する第２のゲート信号を生成するセル制御部をさらに備え、
前記セル制御部は、前記第１のアームに入力される前記第１のゲート信号を論理反転することにより前記第２のアームに入力される前記第２のゲート信号を生成する、
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記変換器セルは、
前記第１および第２のアームから構成されるレグを第１のレグとして有するとともに、
第３および第４のアームから構成されるレグを第２のレグとして有し、
前記第３のアームは、第３の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第３のダイオードとから構成され、
前記第４のアームは、前記第３のアームに直列接続され、第４の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第４のダイオードとから構成され、
前記変換器セルは、
前記第１のレグと並列でかつ前記第２のレグと並列に接続されたエネルギー蓄電素子をさらに含み、
前記第１のアームと前記第２のアームとの接続点が第３の出力端子に接続され、前記第３のアームと前記第４のアームとの接続点が第４の出力端子に接続され、
前記第３および第４の半導体スイッチング素子の各々は、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成される、請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項７】
交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する１以上の第１の電力変換装置と、直流系統と交流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電する１以上の第２の電力変換装置とから構成される直流送電システムであって、
前記第１の電力変換装置は、
第１の交流系統に接続される第１の交流端子と、
第１の直流系統に接続される第１の直流端子と、
前記第１の交流端子と前記第１の直流端子との間に接続された複数の第１の変換器セルと
を備え、
各前記第１の変換器セルは、
第１の半導体スイッチング素子と前記第１の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第１のダイオードとから構成される第１のアームと、
前記第１のアームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第２のダイオードとから構成される第２のアームと
から構成されるレグを少なくとも１つ有し、
前記レグにおける一方向が正方向と定義され、前記レグにおける前記一方向と反対の方向が負方向と定義され、前記第１および第２のダイオードは、前記負方向に導通可能に構成され、
前記第１の半導体スイッチング素子は、前記正方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第２の半導体スイッチング素子は、前記正方向および前記負方向に導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、
定常状態で前記第１のアームに流れる前記正方向の電流は、定常状態で前記第１のアームに流れる前記負方向の電流よりも大きく、
定常状態で前記第２のアームに流れる前記負方向の電流は、定常状態で前記第２のアームに流れる前記正方向の電流よりも大きく、
前記第２のダイオードが導通状態のときに前記第２の半導体スイッチング素子も同時に導通状態とする、
直流送電システム。
【請求項８】
定常状態で前記第１のアームに流れる前記正方向の電流の最大値は、定常状態で前記第２のアームに流れる前記正方向の電流の最大値よりも大きく、
定常状態で前記第２のアームに流れる前記負方向の電流の最大値は、定常状態で前記第１のアームに流れる前記負方向の電流の最大値よりも大きい、
請求項７記載の直流送電システム。
【請求項９】
前記第１の変換器セルは、前記第１の変換器セルの電圧出力がオフの場合に、前記第２のダイオードが導通状態のときに前記第２の半導体スイッチング素子も同時に導通状態となる、
請求項７または８に記載の直流送電システム。
【請求項１０】
前記第１の電力変換装置は、
前記第１のアームに入力する第１のゲート信号および前記第２のアームに入力する第２のゲート信号を生成するセル制御部をさらに備え、
前記セル制御部は、前記第１のアームに入力される前記第１のゲート信号を論理反転することにより前記第２のアームに入力される前記第２のゲート信号を生成する、
請求項９に記載の直流送電システム。
【請求項１１】
前記第１の変換器セルは、チョッパ回路またはフルブリッジ回路から構成される、
請求項７から１０までのいずれか１項に記載の直流送電システム。
【請求項１２】
交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する１以上の第１の電力変換装置と、直流系統と交流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電する１以上の第２の電力変換装置とから構成される直流送電システムであって、
前記第１の電力変換装置は、
第１の交流系統に接続される第１の交流端子と、
第１の直流系統に接続される第１の直流端子と、
前記第１の交流端子と前記第１の直流端子との間に接続された複数の第１の変換器セルと
を備え、
各前記第１の変換器セルは、
第１の半導体スイッチング素子と前記第１の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第１のダイオードとから構成される第１のアームと、
前記第１のアームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第２のダイオードとから構成される第２のアームと
から構成されるレグを少なくとも１つ有し、
前記第１の半導体スイッチング素子は、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第２の半導体スイッチング素子は、逆導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、
前記第２の電力変換装置は、
前記第１の直流系統を介して前記第１の電力変換装置の前記第１の直流端子に接続される第２の直流端子と、
第２の交流系統に接続される第２の交流端子と、前記第２の直流端子と前記第２の交流端子との間に接続された複数の第２の変換器セルと
を備え、
各前記第２の変換器セルは、
第３の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第３のダイオードとから構成される第３のアームと、
前記第３のアームに直列接続され、第４の半導体スイッチング素子と前記第４の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第４のダイオードとから構成される第４のアームと
から構成されるレグを少なくとも１つ有し、
前記第３の半導体スイッチング素子及び前記第４の半導体スイッチング素子は、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成されている、
直流送電システム。
【請求項１３】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置に接続され、モータを駆動するインバータと
を備えた、モータドライブシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置および直流送電システムに関し、特に、複数台の変換器セルから構成された電力変換装置およびそれを用いた直流送電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力系統などの高圧用途に用いられる電力変換装置として、マルチレベル変換器の実用化が図られている。マルチレベル変換器とは、複数台の変換器セルを直列接続し、さらに、それらの直列体を多重接続して構成した電力変換器である。それらの変換器は、モジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）、カスケード・マルチレベルコンバータ（ＣＭＣ）などと呼ばれている。【０００３】
また、マルチレベル変換器において、ＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子を用いて変換器セルを構成することが知られている（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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、２００８年、１２８巻、７号、ｐｐ．９５７−９６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの電力変換装置が交流系統から直流系統へ電力を送電する整流器としての動作を行う場合、変換器セル内のダイオードに流れる電流が大きくなるため、ダイオードにおいて発生する損失が大きくなる。そのため、変換器セルを冷却するための冷却器の大型化を招く場合があった。【０００６】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、変換器セル内のダイオードにおいて発生する損失を抑え、冷却器の小型化を可能する、電力変換装置および直流送電システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、交流と直流間で電力を授受する電力変換装置であって、前記交流側に接続される交流端子と、前記直流側に接続される直流端子と、前記交流端子と前記直流端子との間に接続された複数の変換器セルとを備え、各前記変換器セルは、第１の半導体スイッチング素子と前記第１の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第１のダイオードとから構成される第１のアームと、前記第１のアームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第２のダイオードとから構成される第２のアームとから構成されるレグを少なくとも１つ有し、前記レグにおける一方向が正方向と定義され、前記レグにおける前記一方向と反対の方向が負方向と定義され、前記第１および第２のダイオードは、前記負方向に導通可能に構成され、前記第１の半導体スイッチング素子は、前記正方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第２の半導体スイッチング素子は、前記正方向および前記負方向に導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、複数の変換器セルは、定常状態で前記交流側から前記直流側に電力を送電する整流器動作を行うように制御され、前記定常状態で前記第１のアームに流れる前記正方向の電流は、定常状態で前記第１のアームに流れる前記負方向の電流よりも大きく、前記定常状態で前記第２のアームに流れる前記負方向の電流は、定常状態で前記第２のアームに流れる前記正方向の電流よりも大きく、前記第２のダイオードが導通状態のときに前記第２の半導体スイッチング素子も同時に導通状態とする、電力変換装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ダイオードに大きな電流が流れる側のアームにおいて、半導体スイッチング素子とダイオードとを同時に導通状態にできるため、アーム電流を半導体スイッチング素子とダイオードとに分流して流すことで、ダイオードにて発生する導通損失が大幅に低減され、変換器セルの冷却器の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における変換器セルの構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における変換器セルのゲート信号を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置におけるセル制御部の構成を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における変換器セルの電流波形を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置における変換器セルの構成を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置及び直流送電システムの構成を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３におけるインバータ端の電力変換装置の変換器セルの構成を示す回路図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置及びモータドライブシステムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００１１】
実施の形態１．
本実施の形態１では、本発明の電力変換装置の一実施形態として、三相電力系統と直流電力系統との間を連系する電力変換装置を例に挙げて説明する。本実施の形態に係る電力変換装置の定常状態の動作、すなわち、通常運転時の動作は、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する整流器動作である。従って、本実施の形態１に係る電力変換装置は、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する直流送電システムにおいて、インバータ端ではなく、整流器端に設置することが望ましい。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の構成を示した構成図である。図１を参照して、本実施の形態における電力変換装置の構成について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態に係る電力変換装置は、３つの交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、２つの直流端子Ｐ、Ｎとを備えている。交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｐ、Ｎとの間には、複数の変換器セル１から構成された複数の相アームが設けられている。
【００１４】
各相アームは、変換器セル１が複数台ずつ直列に接続されて構成されている。本実施の形態においては、変換器セル１が３台ずつ直列接続されて各相アームを構成しているが、これに限定されるものではない。各相アームに含まれる変換器セル１の個数は、任意の個数でよいため、適宜決定してよい。
【００１５】
図１においては、６個の相アームが設けられている。すなわち、各交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｐとの間に、それぞれ、１個の相アームが接続され、同様に、各交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｎとの間に、それぞれ、１個の相アームが接続されている。
【００１６】
なお、本実施の形態に係る電力変換装置は、三相電力系統に連系されるものであるので交流端子がＵ、Ｖ、Ｗの３つの端子で構成される例を示しているが、単相電力系統に連系される場合には交流端子を２端子とし、多相電力系統へ連系される場合には４端子以上の構成とすることも同様に可能である。
【００１７】
また、各交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと各直流端子Ｐ、Ｎとの各々の間には、リアクトル２が接続されている。
【００１８】
本実施の形態では、リアクトル２は、各交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと各相アームとの間に接続した例を示しているが、これに限定されない。例えば、リアクトル２は、各直流端子Ｐ、Ｎと各相アームとの間に接続してもよい。また、リアクトル２は、各交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｐとの間のみに設ける構成とすることも可能であり、同様に、各交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｎとの間のみに設ける構成とすることも可能である。また、リアクトル２は必ずしもコイル形状を有している必要は無く、例えば、意図的に長い配線長としたケーブルからリアクトル２を構成することも可能である。
【００１９】
図２は、変換器セル１の構成を示した構成図である。図２を用いて、変換器セル１の構成について説明する。
【００２０】
各変換器セル１は、チョッパ回路の構成を有している。各変換器セル１は、図２に示すように、上アーム１３ｕと、下アーム１３ｂと、エネルギー蓄積素子１４と、出力端子１５と、出力端子１６とから構成されている。
【００２１】
上アーム１３ｕは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子１１ｕと、半導体スイッチング素子１１ｕに逆並列接続されたダイオード１２ｕとから構成されている。半導体スイッチング素子１１ｕには、例えば、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off Thyristor）などの半導体素子を使用する。
【００２２】
一方、下アーム１３ｂは、逆導通が可能な半導体スイッチング素子１１ｂと、半導体スイッチング素子１１ｂに逆並列接続されたダイオード１２ｂとから構成されている。半導体スイッチング素子１１ｂには、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、逆導通型ＩＧＢＴ、逆導通サイリスタなどの、逆導通が可能な半導体素子を使用する。
【００２３】
上アーム１３ｕと下アーム１３ｂとは直列接続されてレグを構成している。エネルギー蓄積素子１４はレグと並列接続されている。エネルギー蓄積素子１４は、例えばコンデンサから構成される。当該コンデンサには、電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどが使用可能であり、その他のタイプのコンデンサも使用することができる。このように、各変換器セル１は、少なくとも１つのレグを有している。
【００２４】
上アーム１３ｕの一端と下アーム１３ｂの一端とを直列に接続している接続点には、出力端子１５が接続されている。以下では、この接続点を、上アーム１３ｕと下アーム１３ｂとの中点と呼ぶこととする。また、上アーム１３ｕの他端は、上述したエネルギー蓄積素子１４の一端に接続されている。また、下アーム１３ｂの他端は、エネルギー蓄積素子１４の他端に接続されるとともに、出力端子１６に接続されている。
【００２５】
なお、本実施の形態では、出力端子１５、１６が、下アーム１３ｂの両端に接続されているが、その場合に限定されない。出力端子１５、１６を、上アーム１３ｕの両端に接続して、チョッパ回路を構成することも可能である。その場合、上アーム１３ｕは、逆導通が可能な半導体スイッチング素子１１ｕと、半導体スイッチング素子１１ｕに逆並列接続されたダイオード１２ｕとから構成し、下アーム１３ｂは、単一方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子１１ｂと、半導体スイッチング素子１１ｂに逆並列接続されたダイオード１２ｂとから構成する。
【００２６】
また、本実施の形態では、変換器セル１に、ダイオード１２ｕ及びダイオード１２ｂを設けているが、これらは、必ずしも設ける必要はない。例えば、半導体スイッチング素子１１ｕがダイオードを含む素子から構成されている場合には、ダイオード１２ｕは省略することが可能である。同様に、半導体スイッチング素子１１ｂがダイオードが含まれている素子から構成されている場合には、ダイオード１２ｂは省略することが可能である。
【００２７】
また、本実施の形態では、上アーム１３ｕにおいて、１つの半導体スイッチング素子１１ｕと、１つのダイオード１２ｕとを使用する例を示している。同様に、下アーム１３ｂにおいて、１つの半導体スイッチング素子１１ｂと、１つのダイオード１２ｂとを使用する例を示している。以下では、このことを、１直列１並列と呼ぶこととする。本実施の形態は、１直列１並列の場合に限定されず、電力変換装置の大容量化のために、上アーム１３ｕおよび下アーム１３ｂのそれぞれにおいて、複数直列複数並列にしてもよい。すなわち、上アーム１３ｕおよび下アーム１３ｂのそれぞれにおいて、半導体スイッチング素子を複数個直列接続し、ダイオードも複数個用いるようにしてもよい。
【００２８】
続いて、変換器セル１のスイッチング動作について説明する。図２に示すように、各変換器セル１には、セル制御部４０からゲート信号Ｇ１、Ｇ２が入力される。上アーム１３ｕに入力されるゲート信号を「ゲート信号Ｇ１」とし、下アーム１３ｂに入力されるゲート信号を「ゲート信号Ｇ２」とする。
【００２９】
図３に、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２を示す。図３には、さらに、電圧指令値信号４１、キャリア信号４２、ダイオード１２ｂの導通状態が示されている。図３の横軸は、すべて時間である。
【００３０】
上アーム１３ｕに与えるゲート信号Ｇ１は、セル制御部４０においてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調により生成される。以下に、セル制御部４０におけるゲート信号Ｇ１の生成方法について説明する。図４に、セル制御部４０の構成を示す。セル制御部４０には、電圧指令値生成部４３と、キャリア信号生成部４４と、比較器４５と、ＮＯＴ回路４６とが設けられている。電圧指令値生成部４３には、制御装置５０から、所望の電力を得るための電力指令が入力される。電圧指令値生成部４３は、電力指令に基づいて、電圧指令値信号４１を生成し、比較器４５に入力する。比較器４５には、キャリア信号生成部４４で生成されたキャリア信号４２も入力される。キャリア信号４２は、図３に示されるような三角波信号である。比較器４５では、電圧指令値信号４１とキャリア信号４２とを比較する。このとき、図３に示すように、電圧指令値信号４１がキャリア信号４２よりも大きければ、ゲート信号Ｇ１としてオン指令を出力し、電圧指令値信号４１がキャリア信号よりも小さければ、ゲート信号Ｇ１としてオフ指令を出力する。このようにして、ゲート信号Ｇ１は生成される。ゲート信号Ｇ１のオン指令およびオフ指令に基づいて、半導体スイッチング素子１１ｕがオン・オフ動作する。
【００３１】
一方、下アーム１３ｂに与えるゲート信号Ｇ２は、上アーム１３ｕに与えるゲート信号Ｇ１をＮＯＴ回路４６で論理反転することにより生成される。ゲート信号Ｇ２のオン指令およびオフ指令に基づいて、半導体スイッチング素子１１ｂがオン・オフ動作する。
【００３２】
このようにして下アーム１３ｂに与えるゲート信号Ｇ２を生成することにより、下アーム１３ｂが導通する際に、半導体スイッチング素子１１ｂがオン状態となる。このため、下アーム１３ｂに流れる電流の極性が、ダイオード１２ｂが導通する極性の場合には、ダイオード１２ｂが導通状態となるのに同期して、半導体スイッチング素子１１ｂも導通状態とすることができる。
【００３３】
上記の半導体スイッチング素子１１ｂの同期動作は、出力端子１５、１６が下アーム１３ｂに接続されていることから、変換器セル１が出力オフの状態の場合に、ダイオード１２ｂが導通状態となるのに同期して半導体スイッチング素子１１ｂも導通状態となると換言することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、図３に示すように、キャリア信号４２として三角波信号を用いた例を示しているが、キャリア信号４２として、のこぎり波信号などの他の信号を使用することも可能である。
【００３５】
また、本実施の形態では、上アーム１３ｕに与えるゲート信号Ｇ１をＰＷＭ変調により生成する例を示したが、ＰＤＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調など他の変調方法を使用することも可能である。
【００３６】
また、本実施の形態では、上アーム１３ｕと下アーム１３ｂとにそれぞれ与えるゲート信号Ｇ１、Ｇ２には、デットタイムが設けられていない例を示したが、既存のデットタイムの生成方法を用いることにより、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２にデットタイムを付与して動作させることも可能である。なお、デットタイムとは、上アーム１３ｕと下アーム１３ｂとが共にオン状態となってアーム短絡となることを防ぐために設けられる上アーム１３ｕと下アーム１３ｂとが共にオフ状態となる期間のことである。
【００３７】
なお、制御装置５０のハードウェア構成としては、入力部としての受信装置と、出力部としてのディスプレイ装置とを有する。また、制御装置５０の電力指令を生成する電力指令生成部の機能は、処理回路により実現される。すなわち、制御装置５０は、電力指令を生成するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）であってもよい。
【００３８】
処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。
【００３９】
処理回路がＣＰＵの場合、電力指令生成部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアや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。処理回路は、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、電力指令生成部の機能を実現する。すなわち、制御装置５０は、処理回路により実行されるときに、電力指令を生成するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリを備える。また、これらのプログラムは、電力指令生成部の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。
【００４０】
なお、電力指令生成部の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
【００４１】
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の制御装置５０の機能を実現することができる。
【００４２】
図５は、本実施の形態に係る電力変換装置が定常状態で動作している場合における、変換器セル１を流れる変換器セル１電流Ｉｃｅｌｌと、上アーム１３ｕを流れる上アーム１３ｕ電流Ｉｕと、下アーム１３ｂを流れる下アーム１３ｂ電流Ｉｂとを示している。なお、各々の電流の向きは図２に示している。
【００４３】
本実施の形態に係る電力変換装置においては、定常状態において、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する整流器動作を行うことから、変換器セル１電流Ｉｃｅｌｌは、交流成分に負の直流成分が重畳した波形となる。このため、上アーム１３ｕ電流Ｉｕと下アーム１３ｂ電流Ｉｂにも直流成分が重畳し、半導体スイッチング素子１１ｕ、１１ｂに流れる電流とダイオード１２ｕ、１２ｂに流れる電流とに偏りが生じる。
【００４４】
図５の例では、変換器セル１電流Ｉｃｅｌｌの値の絶対値は、極性が負の場合の最大値が、極性が正の場合の最大値よりも大きくなっている。
【００４５】
また、上アーム１３ｕ電流Ｉｕと下アーム１３ｂ電流Ｉｂの極性が正の場合には、半導体スイッチング素子１１ｕ、１１ｂに電流が流れ、一方、上アーム１３ｕ電流Ｉｕと下アーム１３ｂ電流Ｉｂの極性が負の場合には、ダイオード１２ｕ、１２ｂに電流が流れる。
【００４６】
すなわち、半導体スイッチング素子が、単方向のみ導通可能なＩＧＢＴなどから構成されている場合には、ダイオードに電流が流れている場合には、半導体スイッチング素子は非導通状態となっている。
【００４７】
一般的な従来の電力変換装置においては、上アームの半導体スイッチング素子も、下アームの半導体スイッチング素子も、共に、単方向のみに導通可能な半導体スイッチング素子から構成されている。そのため、上アーム電流および下アーム電流の極性が負の場合には、ダイオードにのみ電流が流れる。また、上述したように、定常運転時の動作が整流器動作となる電力変換装置においては、下アーム側のダイオードに定常的に大きな電流が流れることが知られている。そのため、下アーム側のダイオードに大きな導通損失が発生してしまう。
【００４８】
そこで、本実施の形態に係る電力変換装置においては、下アーム１３ｂ電流Ｉｂが負の場合に、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとが同時に導通状態となるように、下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂを逆導通が可能な半導体スイッチング素子で構成するようにしたため、下アーム１３ｂ電流Ｉｂは、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流して流れる。このため、ダイオード１２ｂに大きな電流が流れることがないため、ダイオード１２ｂにて発生する導通損失が大幅に低減され、変換器セル１に設けられる冷却器の小型化が可能となる。
【００４９】
また、上アーム１３ｕは、下アーム１３ｂとは逆に、半導体スイッチング素子１１ｕに定常的に大きな電流が通流する。このため、上アーム１３ｕにおいては、半導体スイッチング素子１１ｕとして、大電流通流時に導通損失が小さい素子を使用することが望ましい。よって、上アーム１３ｕにおいては、半導体スイッチング素子１１ｕに、オン電圧が飽和特性を持つ単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子を用いる。これにより、上アーム１３ｕにて発生する導通損失を低減することが可能となり、冷却器に必要な容量を低減することが出来る。
【００５０】
以上の説明においては、本実施の形態に係る電力変換装置を、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する整流器端に適用する例について説明した。しかしながら、直流電力系統から交流電力系統へ電力を送電するインバータ端に適用することも考えられる。その場合には、上述した本実施の形態の場合とは逆に、下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂに大きな電流が通流し、ダイオード１２ｂに流れる電流は小さくなるため、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとの同時導通による損失低減効果は限定的なものとなる。一方で、一般に、電力系統向けの電力変換装置に適用される高耐圧・大電流の半導体スイッチング素子においては、逆導通が可能なものを適用すると、コストが増大する場合がある。
【００５１】
このため、本実施の形態においては、本実施の形態に係る電力変換装置を整流器端に適用し、かつ、当該電力変換装置の下アーム１３ｂにおいて、逆導通が可能な半導体スイッチング素子を用いて、下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとで同時導通動作を行うことにより、整流器端およびインバータ端を含む直流送電システム全体において、逆導通スイッチング素子適用に起因するコスト増を抑えつつ、効果的に発生損失を抑えることが出来る。
【００５２】
以上のように、本実施の形態においては、交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電するための電力変換装置が、交流系統に接続される交流端子Ｕ，Ｖ、Ｗと、直流系統に接続される直流端子Ｐ、Ｎと、交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流端子Ｐ、Ｎとの間に接続された複数の変換器セル１とを備えている。
変換器セル１のうちの少なくとも１つは、半導体スイッチング素子１１ｕと半導体スイッチング素子１１ｕに逆並列接続されたダイオード１２ｕとから構成される上アーム１３ｕと、上アーム１３ｕに直列接続され、半導体スイッチング素子１１ｂと半導体スイッチング素子１１ｂに逆並列接続されたダイオード１２ｂとから構成される下アーム１３ｂとを有している。
また、半導体スイッチング素子１１ｕは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、半導体スイッチング素子１１ｂは、逆導通が可能な半導体スイッチング素子から構成されている。そうして、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとを同時に導通状態にする。
当該構成により、ダイオードに流れる電流が大きい側の下アーム１３ｂにおいて、ダイオード１２ｂに流れる電流を半導体スイッチング素子１１ｂに分流できるため、ダイオード１２ｂに発生する損失が低減される。それにより、冷却器の小型化が可能である。
【００５３】
また、本実施の形態においては、上アーム１３ｕに入力する第１のゲート信号Ｇ１および下アーム１３ｂに入力する第２のゲート信号Ｇ２を生成するセル制御部４０をさらに備え、セル制御部４０は、上アーム１３ｕに入力される第１のゲート信号Ｇ１を論理反転することにより、下アーム１３ｂに入力される第２のゲート信号Ｇ２を生成する。これにより、ＰＷＭ変調またはＰＤＭ変調などを用いた既存のゲート信号生成方法を用いて、同期整流を実現することができる。
【００５４】
また、本実施の形態においては、変換器セル１は、チョッパ回路から構成する例について示したが、その場合に限定されない。例えば、変換器セル１をフルブリッジ回路から構成してもよい。このように、本実施の形態においては、変換器セルの構成として、既存のチョッパ回路構成またはフルブリッジ回路構成を用いながら、ダイオードに発生する損失を低減することができる。なお、変換器セル１をフルブリッジ回路で構成した例については、実施の形態２で後述する。
【００５５】
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１と同様に、三相電力系統と直流電力系統との間を連系し、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する整流器端に適用される電力変換装置について、変換器セルの回路構成が実施の形態１とは異なる例について説明する。
【００５６】
なお、本実施の形態の説明については、実施の形態１と異なる点についてのみ説明し、同一または同等の部分については説明を省略する。
【００５７】
図６は、本実施の形態に係る電力変換装置における変換器セル１Ａの構成を示した図である。図６に示すように、本実施の形態においては、変換器セル１Ａの回路構成が、フルブリッジ回路構成となっている。なお、このようなフルブリッジ回路構成の変換器セル１Ａを用いると、直流事故電流の抑制が可能といった利点がある。
【００５８】
図６に示すように、変換器セル１Ａは、正相上アーム２３ｐｕと、正相下アーム２３ｐｂと、負相上アーム２３ｎｕと、負相下アーム２３ｎｂと、エネルギー蓄積素子２４と、出力端子２５と、出力端子２６とから構成されている。
【００５９】
正相上アーム２３ｐｕは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子２１ｐｕと、半導体スイッチング素子２１ｐｕに逆並列接続されたダイオード２２ｐｕとから構成されている。
【００６０】
正相下アーム２３ｐｂは、逆導通が可能な半導体スイッチング素子２１ｐｂと、半導体スイッチング素子２１ｐｂに逆並列接続されたダイオード２２ｐｂとから構成されている。
【００６１】
負相上アーム２３ｎｕは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子２１ｎｕと、半導体スイッチング素子２１ｎｕに逆並列接続されたダイオード２２ｎｕとから構成されている。
【００６２】
負相下アーム２３ｎｂは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子２１ｎｂと、半導体スイッチング素子２１ｎｂに逆並列接続されたダイオード２２ｎｂとから構成されている。
【００６３】
正相上アーム２３ｐｕと正相下アーム２３ｐｂとは直列接続されて正相レグを構成し、負相上アーム２３ｎｕと負相下アーム２３ｎｂとは直列接続されて負相レグを構成している。このように、変換器セル１Ａは、少なくとも１つの正相レグと、少なくとも１つの負相レグとを有している。
【００６４】
正相レグと負相レグとエネルギー蓄積素子２４とは並列接続されている。
【００６５】
出力端子２５は、正相上アーム２３ｐｕと正相下アーム２３ｐｂとの中点に接続され、出力端子２６は、負相上アーム２３ｎｕと負相下アーム２３ｎｂとの中点に接続されている。
【００６６】
本実施の形態では、半導体スイッチング素子２１ｐｂに、ＭＯＳＦＥＴ、逆導通型ＩＧＢＴ、逆導通サイリスタなどの逆導通が可能な半導体素子を用いる。
【００６７】
また、本実施の形態では、半導体スイッチング素子２１ｐｕ、２１ｎｕ、２１ｎｂに、例えば、ＩＧＢＴ、ＧＣＴなどの半導体素子を使用する。
【００６８】
また、本実施の形態では、半導体スイッチング素子２１ｐｕ、２１ｐｂ、２１ｎｕ、２１ｎｂの各々に逆並列接続されたダイオードが含まれている場合には、ダイオード２２ｐｕ、２２ｐｂ、２２ｎｕ、２２ｎｂは各々省略することも可能である。
【００６９】
また、本実施の形態では、前記半導体スイッチング素子２１ｐｕ、２１ｐｂ、２１ｎｕ、２１ｎｂおよびダイオード２２ｐｕ、２２ｐｂ、２２ｎｕ、２２ｎｂを、１直列１並列で使用する例を記載しているが、電力変換装置の大容量化のために、各アームにおいて、半導体スイッチング素子およびダイオードを複数直列複数並列して使用することも可能である。
【００７０】
続いて、変換器セル１Ａのスイッチング動作について説明する。
【００７１】
本実施の形態においては、電力変換装置が定常運転を行なっている場合には、半導体スイッチング素子２１ｎｕは常時非導通状態とし、半導体スイッチング素子２１ｎｂは常時導通状態とする。さらに、半導体スイッチング素子２１ｐｕ、２１ｐｂは実施の形態１と同様のＰＷＭ変調により各半導体スイッチング素子の導通、非導通状態を切り替える。以上のようなスイッチング動作を行うことにより、本実施の形態に係る電力変換装置は、回路動作としては実施の形態１と同一の動作を行うことになる。よって、正相下アーム２３ｐｂでは、半導体スイッチング素子２１ｐｂとダイオード２２ｐｂとが同時に導通状態となる。
【００７２】
これにより、本実施の形態に係る電力変換装置においては、実施の形態１と同様に、正相下アーム２３ｐｂのダイオード２２ｐｂに定常的に流れる大きな電流を、半導体スイッチング素子２１ｐｂとダイオード２２ｐｂとに分流することができるため、ダイオード２２ｐｂにて発生する導通損失が大幅に低減され、冷却器の小型化が可能となる。
【００７３】
以上により、本実施の形態に係る電力変換装置においても、変換器セル１Ａが、上述の実施の形態１の変換器セル１と同様に動作するため、同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態においては、図６に示すように、変換器セル１Ａをフルブリッジ回路構成にしたので、直流事故電流の抑制が可能であるといった効果が得られる。
【００７４】
実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態１または実施の形態２で説明した電力変換装置を用いて構成される直流送電システムについて説明する。本実施の形態においては、交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する整流器端電力変換装置と、交流系統と直流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電するインバータ端電力変換装置から構成される２端子の直流送電システムの例について説明する。
【００７５】
なお、本実施の形態の説明については、実施の形態１，２と異なる点についてのみ説明し、同一または相当する部分については説明を省略する。
【００７６】
図７は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置及び直流送電システムの構成を示した構成図である。
【００７７】
図７に示すように、本実施の形態に係る直流送電システムは、交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する電力変換装置３と、交流系統と直流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電する電力変換装置４とから構成され、電力変換装置３と電力変換装置４とは直流系統側にて互いに接続されている。
【００７８】
電力変換装置３は、図１に示した電力変換装置と同じ構成を有している。すなわち、電力変換装置３は、実施の形態１または２で説明した電力変換装置が適用される。電力変換装置３の構成について簡単に説明すると、電力変換装置３は、３つの交流端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、２つの直流端子Ｐ１、Ｎ１とを備え、交流端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と直流端子Ｐ１、Ｎ１との各々の間に、変換器セル５が複数台直列に接続されて構成された複数の相アームを有する。変換器セル５から構成される相アームの構成については、図１に示した変換器セル１から構成された相アームの構成と同じであるため、ここでは、説明を省略する。
【００７９】
また、交流端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と直流端子Ｐ１、Ｎ１との各々の間にリアクトル６が接続されている。リアクトル６の構成についても、図１に示したリアクトル２の構成と同じであるため、ここでは説明を省略する。
【００８０】
電力変換装置３の変換器セル５の回路構成は、実施の形態１にて図２に示した変換器セル１の回路構成と同一、あるいは、実施の形態２にて図６に示した変換器セル１Ａの回路構成と同一であるため、説明は省略する。
【００８１】
一方、電力変換装置４は、３つの交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と、２つの直流端子Ｐ２、Ｎ２とを備え、交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｐ２、Ｎ２との各々の間に、変換器セル７が複数台直列に接続されて構成された相アームを有する。
【００８２】
また、交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｐ２、Ｎ２との各々の間にリアクトル８が接続されている。本実施の形態では、リアクトル８は、各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と各相アームとの間に接続した例を示しているが、これに限定されない。例えば、リアクトル８は、各直流端子Ｐ２、Ｎ２と各相アームとの間に接続してもよい。また、リアクトル８は、各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｐ２との間のみに設ける構成とすることも可能であり、同様に、各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｎ２との間のみに設ける構成とすることも可能である。また、リアクトル８は必ずしもコイル形状を有している必要は無く、例えば、意図的に長い配線長としたケーブルからリアクトル８を構成することも可能である。
【００８３】
電力変換装置４の各相アームは、変換器セル７が複数台ずつ直列に接続されて構成されている。本実施の形態においては、変換器セル７が３台ずつ直列接続されて各相アームを構成しているが、これに限定されるものではない。各相アームに含まれる変換器セル７の個数は、任意の個数でよいため、適宜決定してよい。
【００８４】
図７においては、電力変換装置４において、６個の相アームが設けられている。すなわち、直流端子Ｐ２と各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２との間に、それぞれ、１個の相アームが接続され、同様に、直流端子Ｎ２と各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２との間に、それぞれ、１個の相アームが接続されている。
【００８５】
なお、本実施の形態に係る電力変換装置３，４は、三相電力系統に連系されるものであるので交流端子がＵ１、Ｖ１、Ｗ１、および、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２のそれぞれ３つずつの端子で構成される例を示しているが、単相電力系統に連系される場合には交流端子を２端子とし、多相電力系統へ連系される場合には４端子以上の構成とすることも同様に可能である。
【００８６】
変換器セル７の回路構成を図８に示す。
【００８７】
図８に示すように、変換器セル７は、チョッパ回路の構成を有している。変換器セル７は、上アーム３３ｕと、下アーム３３ｂと、エネルギー蓄積素子３４と、出力端子３５と、出力端子３６とから構成される。
【００８８】
上アーム３３ｕは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子３１ｕと、半導体スイッチング素子３１ｕに逆並列接続されたダイオード３２ｕとから構成されている。
【００８９】
下アーム３３ｂは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子３１ｂと、半導体スイッチング素子３１ｂに逆並列接続されたダイオード３２ｂとから構成されている。
【００９０】
半導体スイッチング素子３１ｕと半導体スイッチング素子３１ｂとは、ＩＧＢＴ、ＧＣＴなどの半導体素子を使用する。
【００９１】
上アーム３３ｕと下アーム３３ｂとは直列接続されてレグを構成している。エネルギー蓄積素子３４は、当該レグと並列接続されている。このように、変換器セル７は、少なくとも１つのレグを有している。
【００９２】
エネルギー蓄積素子３４は、例えばコンデンサから構成される。当該コンデンサには、電解コンデンサ、フィルムコンデンサなどが使用可能であり、その他のタイプのコンデンサも使用することができる。
【００９３】
上アーム３３ｕの一端と下アーム３３ｂの一端とを直列に接続している接続点には、出力端子３５が接続されている。以下では、この接続点を、上アーム３３ｕと下アーム３３ｂとの中点と呼ぶこととする。また、上アーム３３ｕの他端は、上述したエネルギー蓄積素子３４に接続されている。また、下アーム３３ｂの他端は、エネルギー蓄積素子３４に接続されるとともに、出力端子３６に接続されている。
【００９４】
なお、本実施の形態では、出力端子３５、３６が、下アーム３３ｂの両端に接続されているが、その場合に限定されない。例えば、出力端子３５、３６を、上アーム３３ｕの両端に接続して、チョッパ回路を構成することも可能である。
【００９５】
電力変換装置３の変換器セル５のゲート信号の生成方法については、実施の形態１にて図３及び図４に示した方法を適用する。すなわち、変換器セル５において、図３に示すゲート信号Ｇ１、Ｇ２が、上アーム１３ｕおよび下アーム１３ｂにそれぞれ入力される。
【００９６】
このため、電力変換装置３においては、実施の形態１で説明した電力変換装置と同様に、定常状態において、整流器端動作を行うことから、ダイオード１２ｂに大きな電流が通流することになるが、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとが同時に導通状態となるため、下アーム電流は半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流して流れる。このため、ダイオード１２ｂにて発生する導通損失が大幅に低減されるため、冷却器の小型化が可能となる。
【００９７】
変換器セル７のゲート信号の生成方法については、変換器セル５と同様に、実施の形態１にて図３、図４に示した方法を適用する。すなわち、変換器セル７において、図３に示すゲート信号Ｇ１、Ｇ２が、上アーム３３ｕおよび下アーム３３ｂにそれぞれ入力される。
【００９８】
但し、この場合、変換器セル７では上アーム３３ｕ及び下アーム３３ｂが共に単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子３１ｕ，３１ｂを使用しているため、変換器セル５のような半導体スイッチング素子とダイオードの同時導通は発生しない。
【００９９】
電力変換装置４は、インバータ端動作を行うため、実施の形態１にて説明したように、下アーム３３ｂの半導体スイッチング素子３１ｂに大きな電流が通流し、ダイオード３２ｂに流れる電流は小さくなるため、半導体スイッチング素子３１ｂとダイオード３２ｂの同時導通による損失低減効果は限定的なものとなる。従って、電力変換装置４の下アーム３３ｂの半導体スイッチング素子３１ｂには、コストの高い逆導通が可能な半導体スイッチング素子を使用せずに、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子を用いる。
【０１００】
このように、本実施の形態においては、整流器端の電力変換装置３にのみ、逆導通が可能な半導体スイッチング素子１１ｂを適用し、下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに同時導通動作を行うことにより、整流器端およびインバータ端を含む直流送電システム全体において、逆導通素子適用によるコスト増を抑えつつ、効果的に発生損失を抑えることが出来る利点がある。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態においては、直流送電システムにおいて、交流系統から直流系統に電力を送電する整流器端にて発生するダイオードの損失を低減することができる。そのため、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができ、冷却器の小型化を図ることができる。
【０１０２】
本実施の形態においては、変換器セル５をチョッパ回路から構成する例について示したが、その場合に限らず、実施の形態２で示した変換器セル１Ａを変換器セル５に適用させて、変換器セル５をフルブリッジ回路から構成するようにしてもよい。その場合には、実施の形態２と同様の効果が得られることは言うまでもない。また、同様に、変換器セル７をフルブリッジ回路から構成するようにしてもよい。但し、その場合には、フルブリッジ回路を構成するすべての半導体スイッチング素子を、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成するようにして、逆導通素子適用によるコスト増を抑えるようにする。
【０１０３】
実施の形態４．
上述した実施の形態１〜３では、電力系統および直流送電システムに適用される電力変換装置について述べた。本発明に係る電力変換装置は、電力系統および直流送電システム以外にも適用することが可能である。本実施の形態４では、その一例として、モータドライブシステムに適用される電力変換装置について説明を行う。
【０１０４】
なお、本実施の形態４の説明については、実施の形態１または実施の形態２と異なる点についてのみ説明し、同一または相当する部分については説明を省略する。
【０１０５】
図９は、本実施の形態４に係る電力変換装置及びモータドライブシステムの構成を示した構成図である。
【０１０６】
本実施の形態４に係るモータドライブシステムは、図９に示すように、電力変換装置４１とインバータ４２とを含んで構成される。
【０１０７】
本実施の形態４に係る電力変換装置４１の構成は、図１に示す電力変換装置の構成と同様である。なお、実施の形態１または実施の形態２では、直流端子Ｐ、Ｎは直流電力系統へ接続されていたが、本実施の形態４では、直流端子Ｐ１、Ｎ１は、モータ４３を駆動するインバータ４２に接続されている。一方、電力変換装置４１の交流端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、図１と同様に、交流系統に接続されている。
【０１０８】
インバータ４２は、３つの交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と、２つの直流端子Ｐ２、Ｎ２とを備えている。インバータ４２の直流端子Ｐ２、Ｎ２は、電力変換装置４１の直流端子Ｐ１、Ｎ１に接続されている。また、インバータ４２の交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、三相のモータ４３に接続されている。
【０１０９】
インバータ４２においては、交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｐ２、Ｎ２との各々の間に、６個の相アームが設けられている。すなわち、直流端子Ｐ２と各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２との間に、それぞれ、１個の相アームが接続され、同様に、直流端子Ｎ２と各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２との間に、それぞれ、１個の相アームが接続されている。各相アームは、変換器セル４４が複数台直列に接続されて構成されている。本実施の形態４においては、変換器セル４４が３台ずつ直列接続されて各相アームを構成しているが、これに限定されるものではない。各相アームに含まれる変換器セル４４の個数は、任意の個数でよいため、適宜決定してよい。また、変換器セル４４の構成は、例えば、図２に示した変換器セル１、図６に示した変換器セル１Ａ、図８に示した変換器セル７などと同様の構成とすればよい。
【０１１０】
また、交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｐ２、Ｎ２との各々の間にリアクトル４５が接続されている。本実施の形態では、リアクトル４５は、各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と各相アームとの間に接続した例を示しているが、これに限定されない。例えば、リアクトル４５は、各直流端子Ｐ２、Ｎ２と各相アームとの間に接続してもよい。また、リアクトル４５は、各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｐ２との間のみに設ける構成とすることも可能であり、同様に、各交流端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流端子Ｎ２との間のみに設ける構成とすることも可能である。また、リアクトル４５は必ずしもコイル形状を有している必要は無く、例えば、意図的に長い配線長としたケーブルからリアクトル４５を構成することも可能である。
【０１１１】
なお、本実施の形態４に係る電力変換装置４１およびインバータ４２は、それぞれ、三相の交流系統および三相のモータ４３に接続されるものであるので、交流端子がＵ１、Ｖ１、Ｗ１、および、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２のそれぞれ３つずつの端子で構成される例を示している。しかしながら、単相電力系統および単相モータに接続される場合には交流端子を２端子とし、多相電力系統および多相モータへ接続される場合には４端子以上の構成とすることも同様に可能である。
【０１１２】
電力変換装置４１の動作については、実施の形態１または実施の形態２に記載した電力変換装置の動作と同様である。よって、電力変換装置４１においては、大きい電流が流れる側のアームのダイオードに流れる電流を、当該ダイオードに並列に接続された半導体スイッチング素子に分流することができる。そのため、当該ダイオードにおいて発生する損失が低減され、冷却器の小型化が可能となる。
【０１１３】
なお、本実施の形態４では、インバータ４２の回路構成として電力変換装置４１と同様にＭＭＣ構成のインバータを採用したが、本発明はこれに限るものではない。例えば２レベルインバータ、または、ＮＰＣインバータといった既存の構成のインバータも適用することができる。また、本実施の形態４では、モータ４３として三相モータを用いる例を示したが、単相のモータまたは４相以上のモータも同様にモータ４３として用いることができる。
【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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