(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記コア部は、
第１及び第２の環状鉄心と、バイパス鉄心とを含み、
前記複数の一次側巻線及び二次側巻線は、前記第１及び第２の環状鉄心の両方に巻回され、
前記バイパス鉄心は、前記第１及び第２の環状鉄心の各々において、前記複数の一次側巻線のうちの１つと他の１つとの間、及び、前記複数の二次側巻線のうちの１つと他の１つとの間を磁気的に分離する経路を設けるように配置され、
前記バイパス鉄心の断面積は、前記バイパス鉄心における最大の磁束密度が前記第１及び第２の環状鉄心における最大の磁束密度以下となる範囲内において、前記第１及び第２の環状鉄心の断面積よりも小さい、電力変換装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の環状鉄心の各々は、
前記複数の一次側巻線及び二次側巻線が巻回される第１の鉄心脚と、
前記第１の鉄心脚に沿った方向に延在するように配置された、前記複数の一次側巻線及び二次側巻線が巻回されない第２の鉄心脚と、
前記第１及び第２の鉄心脚の端部同士を接続する第１及び第２の継鉄とを含む、請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記バイパス鉄心は、前記第１の鉄心脚の、前記複数の一次側巻線及び二次側巻線のうちの１つずつ一次側巻線及び二次側巻線が巻回される部位と、他の一次側巻線及び二次側巻線が巻回される部位との間、及び、前記第２の鉄心脚との間を接続するように配置される、請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線のうちの一方の巻線の各々は、分割して前記コア部に巻回され、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線のうちの他方の巻線の各々は、前記コア部のうちの、前記一方の巻線のうちの対応する１つの分割された巻回部位に挟まれた部位に巻回される、電力変換装置。
【請求項５】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の各々、及び、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々は、半導体スイッチング素子のオンオフ制御によって電力変換を実行し、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の各々の前記半導体スイッチング素子は、前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の各々の前記交流ノードに出力される交流電圧の周波数、位相、及び最大値が一致するように、同じ位相でオンオフ制御され、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々の前記半導体スイッチング素子は、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々の前記交流ノードに出力される交流電圧の周波数、位相、及び最大値が一致するように、同じ位相でオンオフ制御される、電力変換装置。
【請求項６】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の各々、及び、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々は、半導体スイッチング素子のオンオフ制御によって電力変換を実行し、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の前記半導体スイッチング素子は、前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の各々の前記交流ノードに出力される交流電圧の周波数及び最大値が一致するように前記ＤＣ／ＡＣ変換器毎に個別にオンオフ制御され、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の前記半導体スイッチング素子は、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々の前記交流ノードに出力される交流電圧の周波数及び最大値が一致するように前記ＡＣ／ＤＣ変換器毎に個別にオンオフ制御される、電力変換装置。
【請求項７】
各前記半導体スイッチング素子は、６１Ｈｚ以上の周波数でオンオフ制御される、請求項５又は６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線は、１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線が、他の一次側巻線及び二次側巻線よりも近接するように前記コア部に巻回され、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器のうちの、前記１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線と接続された１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器が、ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットを構成し、
前記電力変換装置は、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器及び前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器のうちの、前記第１又は第２の直流端子間に直列接続された少なくとも一方の変換器の各々に対応して、前記直流ノード間に電気的に接続された短絡装置と、
前記短絡装置が配置された前記ＡＣ／ＤＣ変換器又は前記ＤＣ／ＡＣ変換器において、前記交流ノードと当該交流ノードに接続される前記一次側巻線又は前記二次側巻線の間に電気的に接続された交流遮断装置とをさらに備え、
各前記短絡装置は、正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される一方で、前記１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器の少なくとも一方が故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて短絡状態に制御され、
各前記交流遮断装置は、前記正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて導通状態に制御される一方で、前記故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される、電力変換装置。
【請求項９】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線は、１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線が、他の一次側巻線及び二次側巻線よりも近接するように前記コア部に巻回され、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器のうちの、前記１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線と接続された１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器が、ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットを構成し、
前記電力変換装置は、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器及び前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器のうちの、前記第１又は第２の直流端子間に直列接続された少なくとも一方の変換器の各々に対応して、前記直流ノード間に電気的に接続された短絡装置と、
前記短絡装置が配置された前記ＡＣ／ＤＣ変換器又は前記ＤＣ／ＡＣ変換器において、前記直流ノードに対して直列に接続される直流遮断装置とをさらに備え、
各前記短絡装置は、正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される一方で、前記１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器の少なくとも一方が故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて短絡状態に制御され、
各前記直流遮断装置は、前記正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて導通状態に制御される一方で、前記故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される、電力変換装置。
【請求項１０】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記コア部は、
第１及び第２の環状鉄心と、バイパス鉄心とを含み、
前記複数の一次側巻線及び二次側巻線は、前記第１及び第２の環状鉄心の両方に巻回され、
前記バイパス鉄心は、前記第１及び第２の環状鉄心の各々において、前記複数の一次側巻線のうちの１つと他の１つとの間、及び、前記複数の二次側巻線のうちの１つと他の１つとの間を磁気的に分離する経路を設けるように配置され、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線のうちの１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線は、前記コア部のうちの前記バイパス鉄心によって磁気的に分離された領域毎に巻回され、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器のうちの、前記１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線と接続された１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器が、ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットを構成し、
前記電力変換装置は、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器及び前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器のうちの、前記第１又は第２の直流端子間に直列接続された少なくとも一方の変換器の各々に対応して、前記直流ノード間に電気的に接続された短絡装置をさらに備え、
各前記短絡装置は、正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される一方で、前記１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器の少なくとも一方が故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて短絡状態に制御され、
前記電力変換装置は、
前記短絡装置が配置された前記ＡＣ／ＤＣ変換器又は前記ＤＣ／ＡＣ変換器において、前記交流ノードと当該交流ノードに接続される前記一次側巻線又は前記二次側巻線の間に電気的に接続された交流遮断装置をさらに備え、
各前記交流遮断装置は、前記正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて導通状態に制御される一方で、前記故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される、電力変換装置。
【請求項１１】
一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する電力変換装置であって、
前記第１の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記第２の直流端子間に並列又は直列に接続された直流ノードを有する複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備え、
前記多重変圧器は、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の一次側巻線と、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続された複数の二次側巻線と、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線が巻回されたコア部とを備え、
前記コア部は、前記複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、前記複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成され、
前記コア部は、
第１及び第２の環状鉄心と、バイパス鉄心とを含み、
前記複数の一次側巻線及び二次側巻線は、前記第１及び第２の環状鉄心の両方に巻回され、
前記バイパス鉄心は、前記第１及び第２の環状鉄心の各々において、前記複数の一次側巻線のうちの１つと他の１つとの間、及び、前記複数の二次側巻線のうちの１つと他の１つとの間を磁気的に分離する経路を設けるように配置され、
前記複数の一次側巻線及び前記複数の二次側巻線のうちの１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線は、前記コア部のうちの前記バイパス鉄心によって磁気的に分離された領域毎に巻回され、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器のうちの、前記１個ずつの一次側巻線及び二次側巻線と接続された１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器が、ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットを構成し、
前記電力変換装置は、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器及び前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器のうちの、前記第１又は第２の直流端子間に直列接続された少なくとも一方の変換器の各々に対応して、前記直流ノード間に電気的に接続された短絡装置をさらに備え、
各前記短絡装置は、正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される一方で、前記１個ずつのＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器の少なくとも一方が故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて短絡状態に制御され、
前記電力変換装置は、
前記短絡装置が配置された前記ＡＣ／ＤＣ変換器又は前記ＤＣ／ＡＣ変換器において、前記直流ノードに対して直列に接続される直流遮断装置をさらに備え、
各前記直流遮断装置は、前記正常な前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて導通状態に制御される一方で、前記故障した前記ＤＣ／ＤＣ変換器ユニットにおいて開放状態に制御される、電力変換装置。
【請求項１２】
前記多重変圧器の各前記一次側巻線及び各前記二次側巻線は、素線絶縁を備えた導体素線を複数より合わせたリッツ線を含む、請求項１〜１１のいずれか１項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、直流電力変換（ＤＣ／ＤＣ変換）を実行する電力変換装置に関し、より特定的には、変圧器を介してＤＣ／ＤＣ変換を実行する絶縁型の電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
変圧器を介して入出力間が絶縁されたＤＣ／ＤＣ変換を実行する電力変換装置の一例として、特開２０１７−１１９６４号公報（特許文献１）には、風力発電システムに好適な小型化された構成が記載されている。【０００３】
特許文献１の電力変換装置では、風力発電機の出力側に並列接続された複数のＤＣ／ＡＣ変換器の出力毎に、二次側巻線が複数個に分割された多巻式変圧器を接続し、各多巻式変圧器の二次側巻線毎に配置されたＡＣ／ＤＣ変換器の出力を直列接続することで、風力発電システムに好適な構成が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１１９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、変圧器の巻数比を高くする代わりに、多巻式変圧器の各二次側巻線に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器の出力を直列接続することで、必要な昇圧比の確保が容易となる。特に、多巻式変圧器の二次側巻線の配置数を増やすことで、並列配置される単位モジュール数、すなわち、一次側（風力発電設備側）で並列接続されるＤＣ／ＡＣ変換器の数を抑制することができる点が記載されている。【０００６】
しかしながら、高電圧大容量のＤＣ／ＤＣ変換用途では、電流容量の確保のために、変圧器の一次側で多数のＤＣ／ＡＣ変換器を並列配置することが必要になる。このため、特許文献１の構成を大容量の用途に適用すると、比較的大型の傾向にある多重式変圧器を多数配置されることにより、小型化が困難となることが懸念される。【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、変圧器を介してＤＣ／ＤＣ変換を実行する電力変換装置について、高電圧及び／又は大容量化の用途で小型化に適した構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある局面では、電力変換装置は、一対の第１の直流端子及び一対の第２の直流端子との間で直流電圧変換を実行する。電力変換装置は、複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、複数のＡＣ／ＤＣ変換器と、複数のＤＣ／ＡＣ変換器及び複数のＡＣ／ＤＣ変換器の間に接続された多重変圧器とを備える。各ＤＣ／ＡＣ変換器は、直流ノード及び交流ノードの間でＤＣ／ＡＣ電力変換を実行する。各ＡＣ／ＤＣ変換器は、交流ノード及び直流ノードの間でＡＣ／ＤＣ電力変換を実行する。直流ノードを有する複数のＤＣ／ＡＣ変換器の直流ノードは、第１の直流端子間に並列又は直列に接続される。複数のＡＣ／ＤＣ変換器は、第２の直流端子間に並列又は直列に接続される。多重変圧器は、複数の一次側巻線、複数の二次側巻線、及び、複数の一次側巻線及び複数の二次側巻線が巻回されたコア部を含む。複数の一次側巻線は、複数のＤＣ／ＡＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続される。複数の二次側巻線は、複数のＡＣ／ＤＣ変換器の交流ノードとそれぞれ接続される。コア部は、複数の一次側巻線間で磁路が共通であり、かつ、複数の二次側巻線間で磁路が共通となるように構成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１及び第２の直流端子間に、複数のＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器を直列又は並列に接続することにより、高電圧及び／又は大電流に適した構成にすることができるとともに、ＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器と同数の一次側巻線および二次側巻線間で磁路を共通化する多重変圧器を用いることにより、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】図１に示されたＤＣ／ＤＣ変換ユニットの構成例を示す回路図である。
【図３】図２に示されたＤＣ／ＤＣ変換ユニットの動作波形図の一例である。
【図４】図１に示された多重変圧器の実施の形態１における構成例を説明する概念図である。
【図５】実施の形態１における多重変圧器の磁気回路モデルの一例を説明する概念図である。
【図６】実施の形態２に係る電力変換装置におけるＤＣ／ＤＣ変換ユニットでの電圧制御波形図である。
【図７】実施の形態２に係る電力変換装置に適用される多重変圧器の構成例を説明する概念図である。
【図８】実施の形態２における多重変圧器の磁気回路モデルの一例を説明する概念図である。
【図９】バイパス鉄心を介して隣接する２個の一次側巻線における磁束挙動を説明するための概念的な波形図である。
【図１０】実施の形態３の比較例に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図１１】実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図１２】実施の形態３の変形例に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図１３】実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図１４】実施の形態４の第１の変形例に係る電力変換装置の構成を説明する回路図である。
【図１５】実施の形態４の第２の変形例に係る電力変換装置の構成を説明する回路図である。
【図１６】実施の形態５に係る多重変圧器の巻線導線の一例を概略的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰り返さない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１０ａの構成の一例を示す回路図である。
【００１３】
図１を参照して、電力変換装置１０ａは、正極電源ラインＰＬ０及び負極電源ラインＮＬ０と接続された一対の第１のＤＣ端子２０と、正極電源ラインＰＬ３及び負極電源ラインＮＬ３と接続された一対の第２のＤＣ端子３０と、ｎ個（ｎ：ｎ≧２の自然数）のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０と、多重変圧器３００ａとを備える。電力変換装置１０ａは、第１のＤＣ端子２０と第２のＤＣ端子３０との間で、直流電圧変換のための電力変換（ＤＣ／ＤＣ変換）を実行する。
【００１４】
各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は、ＤＣ端子１０２及びＤＣ端子２０２を有する。ｎ個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０にそれぞれ対応するｎ個のＤＣ端子１０２は、正極電源ラインＰＬ０及び負極電源ラインＮＬ０を経由して、ＤＣ端子２０間に接続される。
【００１５】
これに対して、ｎ個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０にそれぞれ対応するｎ個のＤＣ端子２０２は、正極電源ラインＰＬ３及び負極電源ラインＮＬ３の間に直列に接続される。すなわち、ｎ個のＤＣ端子２０２は、ＤＣ端子３０間に直列に接続される。
【００１６】
次に、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の構成を説明する。ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は、ＤＣ端子１０２，２０２に加えて、ＤＣ／ＡＣ変換器１００と、ＡＣ端子１０１，２０１と、ＡＣ／ＤＣ変換器２００とを含む。ＡＣ端子１０１は、多重変圧器３００ａの１つの一次側巻線３０１と接続される。ＡＣ端子２０１は、多重変圧器３００ａの１つの二次側巻線３０２と接続される。
【００１７】
図２は、図１に示されたＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の構成例を示す回路図である。
図２を参照して、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は、ＤＣ端子１０２及びＡＣ端子１０１の間に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器１００と、ＡＣ端子２０１及びＤＣ端子２０２の間に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器２００とを有する。
【００１８】
ＤＣ／ＡＣ変換器１００は、直流キャパシタＣｄｃ１と、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４とを有する。直流キャパシタＣｄｃ１は、直流ノードＮｄｃ１１，Ｎｄｃ１２間に接続されて、ＤＣ端子１０２に対して並列に接続される。半導体スイッチング素子Ｑ１１及びＱ１２は、交流ノードＮａｃ１１を介して、直流ノードＮｄｃ１１及びＮｄｃ１２の間に直列に接続される。同様に、半導体スイッチング素子Ｑ１３及びＱ１４は、交流ノードＮａｃ１２を介して、直流ノードＮｄｃ１１及びＮｄｃ１２の間に直列に接続される。
【００１９】
同様に、ＡＣ／ＤＣ変換器２００は、直流キャパシタＣｄｃ２と、半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４とを有する。直流キャパシタＣｄｃ２は、直流ノードＮｄｃ２１，Ｎｄｃ２２間に接続されて、ＤＣ端子２０２に対して並列に接続される。半導体スイッチング素子Ｑ２１及びＱ２２は、交流ノードＮａｃ２１を介して、直流ノードＮｄｃ１１及びＮｄｃ１２の間に直列に接続される。同様に、半導体スイッチング素子Ｑ２２及びＱ２４は、交流ノードＮａｃ２２を介して、直流ノードＮｄｃ２１及びＮｄｃ２２の間に直列に接続される。
【００２０】
これにより、ＤＣ／ＡＣ変換器１００において、半導体スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１３を正極側、半導体スイッチング素子Ｑ１２，Ｑ１４を負極側とする２つのスイッチングレグにより、フルブリッジ回路が構成される。同様に、ＡＣ／ＤＣ変換器２００においても、半導体スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２３を正極側、半導体スイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２４を負極側とする２つのスイッチングレグにより、フルブリッジ回路が構成される。
【００２１】
半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４には、例えば、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等の、自己消孤機能を有する任意の半導体スイッチング素子を適用することができる。各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４は、電流容量に応じて、複数の半導体スイッチング素子を並列に組み合わせて使用してもよい。
【００２２】
駆動回路６０は、電力変換装置１０ａを制御する図示しない制御器からの制御信号に従って、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のオンオフを制御するためのゲート信号６１と、半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４のオンオフを制御するためのゲート信号６２とを生成する。各半導体スイッチング素子の制御電極（ゲート）の電圧が対応するゲート信号６１，６２に従って制御されることにより、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４がスイッチング制御される。駆動回路６０は、公知の一般的なゲート駆動回路によって構成することが可能である。
【００２３】
図３は、図２に示されたＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の動作波形図の一例である。
図３を参照して、ＤＣ／ＡＣ変換器１００の各レグにおいて、正極側の半導体スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１４は、負極側の半導体スイッチング素子Ｑ１２，Ｑ１３と相補にオンオフされる。また、正極側の半導体スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１４のオン期間と、負極側の半導体スイッチング素子Ｑ１２，Ｑ１３のオン期間との間には、同一レグ内での直流ノードＮｄｃ１１及びＮｄｃ１２の間の短絡を防止するためのデッドタイムＴＤが設けられる。半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４のスイッチング制御により、直流ノードＮｄｃ１１，Ｎｄｃ１２間の直流電圧と、交流ノードＮａｃ１１，Ｎａｃ１２間、すなわち、ＡＣ端子１０１間の交流電圧Ｖ１との間で、ＤＣ／ＡＣ電力変換が実行される。
【００２４】
同様に、ＡＣ／ＤＣ変換器２００の各レグにおいて、正極側の半導体スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４は、負極側の半導体スイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２３と相補にオンオフされる。また、正極側の半導体スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４のオン期間と、負極側の半導体スイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２３のオン期間との間には、同様のデッドタイムＴＤが設けられる。半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４のスイッチング制御により、ＡＣ端子２０１間、すなわち、交流ノードＮａｃ２１，Ｎａｃ２２間の交流電圧Ｖ２と、直流ノードＮｄｃ２１，Ｎｄｃ２２間の直流電圧との間で、ＡＣ／ＤＣ電力変換が実行される。
【００２５】
なお、同一のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０のＡＣ端子１０１及び１０２と接続される、一次側巻線３０１および二次側巻線３０２は、多重変圧器３００ａのコア部に巻回されて磁気結合される。これにより、ＡＣ端子１０１間の交流電圧Ｖ１の振幅（Ｖｄｃ１）と、ＡＣ端子２０１間の交流電圧Ｖ２の振幅（Ｖｄｃ２）との電圧比は、一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２の巻数比に従った値となる。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０では、ＤＣ／ＡＣ変換器１００が出力する交流電圧Ｖ１とＡＣ／ＤＣ変換器２００が出力する交流電圧Ｖ２の間の位相差φを制御することによって、送電電力を制御することができる。位相差φは、駆動回路６０へ入力される制御信号によって制御することができる。具体的には、送電電力制御のための位相差φが設定された上記制御信号に従って、駆動回路６０は、ＤＣ／ＡＣ変換器１００及びＡＣ／ＤＣ変換器２００の間での、正極側の半導体スイッチング素子のターンオンタイミング（すなわち、Ｑ１１，Ｑ１４及びＱ２１、Ｑ２４間のターンオンタイミング）、及び、負極側の半導体スイッチング素子のターンオフタイミング（すなわち、Ｑ１２，Ｑ１３及びＱ２２、Ｑ２３間のターンオフタイミング）を調整するように、各半導体スイッチング素子のゲート信号６１，６２を生成する。
【００２７】
なお、小型化の各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４のスイッチング周波数を高周波化（例えば、商用交流電源の周波数よりも高い６１Ｈｚ以上）すると、多重変圧器３００ａの損失の増加が懸念されるが、この際には、アモルファス（非晶質）材を鉄心材料とすることで、高周波化による損失増加を抑制することが可能である。
【００２８】
なお、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４にスナバキャパシタＣＳが並列に接続されることにより、スナバキャパシタＣＳと交流ノードＮａｃ１１〜Ｎａｃ２２のインダクタンスＬＳとの作用による共振現象を利用して、各半導体スイッチング素子の電圧波形を正弦波状とすることができる。これより、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４のオンオフにおいて、いわゆるゼロ電圧スイッチングの適用による、ソフトスイッチングが可能となる。ソフトスイッチングを適用すると、スイッチング損失及び電磁ノイズが低減できるため、動作周波数を高めることで、後述する多重変圧器３００ａの小型化を図ることができる。なお、インダクタンスＬＳは、一次側巻線３０１および二次側巻線３０２の漏れインダクタンスを利用することが可能である。
【００２９】
また、直流キャパシタＣｄｃ１，Ｃｄｃ２には、電解コンデンサやフィルムコンデンサ等を用いることができる。直流キャパシタＣｄｃ１、Ｃｄｃ２には高周波の電流が流れるが、フィルムコンデンサを用いる場合は、高周波の電流による劣化を抑制できるので、長寿命化を図ることができる。
【００３０】
なお、図２に示された、ＤＣ／ＡＣ変換器１００及びＡＣ／ＤＣ変換器２００の構成は一例であって、半導体スイッチング素子のオンオフによって、同様のＤＣ／ＡＣ変換及びＡＣ／ＤＣ変換を実行可能であれば、任意の回路構成の適用が可能である。また、複数個（ｎ個）のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の各々を同等の構成とすれば、試験の簡略化及び製造性の向上を図ることができる。
【００３１】
再び図１を参照して、電力変換装置１０ａ全体では、ｎ個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０にそれぞれ対応して、ＤＣ／ＡＣ変換器１００及びＡＣ／ＤＣ変換器２００がｎ個ずつ配置される。多重変圧器３００ａは、一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２をｎ個ずつ有する。
【００３２】
上述のように、図１の構成例では、ｎ個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は、ＤＣ端子２０側では並列接続されており、ＤＣ端子３０側では直列接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を並列に接続することで、大電流を扱うことができる。一方で、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を直列に接続することで、高電圧を扱うことが可能になる。したがって、図１の構成例では、電力変換装置１０ａは、ＤＣ端子２０間の直流電圧を昇圧してＤＣ端子３０間に出力する、高電圧及び大電流の用途に好適である。
【００３３】
なお、図１の構成例において、ＤＣ端子２０側でｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００を直列接続する一方で、ＤＣ端子３０側でｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００を並列接続する構成とすることも可能である。又は、ＤＣ端子２０側およびＤＣ端子３０側の両方でｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００及びｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００を直列接続する構成、或いは、ＤＣ端子２０側およびＤＣ端子３０側の両方でｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００及びｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００を並列接続する構成とすることも可能である。
【００３４】
図４には、実施の形態１における多重変圧器３００ａの構成例が示される。
図４を参照して、多重変圧器３００ａは、「コア部」を構成する２個の環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙを有する。各環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙは、薄帯状の磁性材を、図４の紙面垂直方向に複数枚積層することで構成することができる。以下では、矩形環鉄心３０３ｘ、３０３ｙを包括的に表記する場合には、単に環状矩形鉄心３０３とも表記する。
【００３５】
環状矩形鉄心３０３は、紙面上下方向に沿って延在する鉄心脚３０４及び３０５と、鉄心脚３０４及び３０５の端部同士を接続する継鉄部３０６及び３０７とを有する。環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙの２本ずつの鉄心脚のうちの隣接する鉄心脚には、多重変圧器３００ａの一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２が巻回される。以下では、環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙの各々について、一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２が巻回される一方の鉄心脚を符号３０４で示し、巻線が巻回されていない他方の鉄心脚を符号３０５で示すものとする。
【００３６】
ｎ個の各一次側巻線３０１及びｎ個の二次側巻線３０２は、共通の環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙに巻回される。したがって、ｎ個の一次側巻線３０１間で磁路は共通であり、かつ、ｎ個の二次巻線間３０２間で磁路は共通であることが理解される。
【００３７】
各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０（図２）において、一次側巻線３０１はＡＣ端子１０１と接続され、二次側巻線３０２はＡＣ端子２０１と接続される。一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２の間は、環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙによって磁気結合される。また、同一のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０と接続される１個ずつの一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２は、他のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０と接続される一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２と比較して、互いに近接するように、環状矩形鉄心３０３ｘ，３０３ｙに巻回される。
【００３８】
一次側巻線３０１と環状矩形鉄心３０３との間、二次側巻線３０２と環状矩形鉄心３０３との間、及び、一次側巻線３０１と二次側巻線３０２との間の各々には、両者の電位差に応じた絶縁距離が確保されている。必要な絶縁距離は、電位差の増加に対して、比例関係ではなく非線形に増加することが知られている。
【００３９】
図１に示されるように、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０が直列接続される二次側では、ＤＣ端子３０間に発生される高電圧によって、ＡＣ端子２０１を経由して二次側巻線３０２に印加される電位も高くなる。したがって、二次側巻線３０２および環状矩形鉄心３０３の間に必要となる絶縁距離が大きくなることによって、環状矩形鉄心３０３の寸法（特に、図４の紙面上下方向の寸法）の増加によって多重変圧器３００ａの大型化が懸念される。
【００４０】
このため、図４の構成例では、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応した巻線構成において、一次側巻線３０１は、複数に分割配置される。分割された各巻線は、ＡＣ端子１０１に並列に接続される。さらに、二次側巻線３０２は、分割された一次側巻線３０１に挟まれるように配置される。
【００４１】
この結果、環状矩形鉄心３０３の端部において、二次側巻線３０２は、継鉄部３０６及び３０７に対して、一次側巻線３０１を挟んで配置されることになる。二次側巻線３０２が高電圧である場合には、二次側巻線３０２および鉄心（接地電位）の間に必要となる絶縁距離Ｄ１は、二次側巻線３０２および一次側巻線３０１の間に必要な絶縁距離Ｄ２、及び、一次側巻線３０１および鉄心（接地電位）の間に必要な絶縁距離Ｄ３と比較して、かなり大きくなる（Ｄ１＞＞Ｄ２，Ｄ３、かつ、Ｄ１＞（Ｄ２＋Ｄ３））。このため、図４のような配置とすることにより、環状矩形鉄心３０３（鉄心脚３０４，３０５）の紙面上下方向の寸法を抑制することが可能となる。なお、図４の構成例では、異なるＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の間で、分割された一次側巻線３０１同士が隣接するが、これらの一次側巻線３０１は同電位である。したがって、一次側巻線３０１の分割によって、絶縁距離の確保のために環状矩形鉄心３０３の寸法が大幅に増加することを回避できる。
【００４２】
なお、図１の構成例では、一次側巻線３０１を分割して、二次側巻線３０２を挟むように配置したが、これは、一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２のうち、鉄心（接地電位）に対しては、二次側巻線３０２が相対的に高電位となるためである。したがって、電力変換装置１０ａにおいて、一次側巻線３０１の方が、二次側巻線３０２よりも高電位となるような構成である場合には、図４の例とは反対に、二次側巻線３０２を分割して、一次側巻線３０１を挟むように配置してもよい。
【００４３】
図５は、実施の形態１における多重変圧器３００ａの磁気回路モデルの一例を説明する概念図である。図５では、説明を簡略化するために、漏れ磁束は無視し、かつ、一次側巻線３０１を励磁した場合に、片側の環状矩形鉄心３０３に形成される磁気回路のみを図示している。
【００４４】
また、図５では、一次側巻線３０１を３個（ｎ＝３）としたときの磁気回路モデルが示されており、磁気抵抗Ｒ１〜Ｒ１０は、多重変圧器３００ａの環状矩形鉄心３０３に生じている。
【００４５】
図５を参照して、３個の一次側巻線３０１に電流が流れることにより、磁束φ１、φ２及びφ３を作る起磁力Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３が発生する。起磁力Ｆ１は、磁路Ｍ１１を介して、磁束φ１を作る。磁路Ｍ５、Ｍ１２、及びＭ１は、磁束φ１の経路となる。同様に、起磁力Ｆ２は、磁路Ｍ１２を介して磁束φ２を作る。磁路Ｍ６、Ｍ２３、及びＭ２は、磁束φ２の経路となる。また、起磁力Ｆ３は、磁路Ｍ２３を介して磁束φ３を作る。磁路Ｍ７、Ｍ３３、及びＭ３は、磁束φ２の経路となる。
【００４６】
ここで、鉄心中の磁束φは下記の式（１）で計算することができる。
φ（θ）＝［１／（Ｎ×ｆ）］×∫Ｖ（θ）ｄθ    …（１）
式（１）において、Ｖ（θ）は一次側巻線３０１に印可される交流電圧であり、θ及びｆは、当該交流電圧の位相及び周波数を示す。また、Ｎは、一次側巻線３０１の巻数を示す。
【００４７】
式（１）から磁束φの最大値φｍａｘは、下記の式（２）で求められる。
φｍａｘ＝Ｋ×Ｖｒｍｓ×［１／（Ｎ×ｆ）］    …（２）
式（２）中において、Ｖｒｍｓは一次側巻線３０１に印可される交流電圧の実効値であり、Ｋは比例定数である。交流電圧Ｖ（θ）が正弦波の時は、Ｋ＝１／４．４４となり、矩形波の時は、Ｋ＝１／４となる。
【００４８】
各一次側巻線３０１に印可される交流電圧の最大値、周波数、及び、位相が一致していた場合、磁路Ｍ１２の磁束φ１２＝φ１−φ２＝０となり、かつ、磁路Ｍ２３の磁束φ２３＝φ２−φ３＝０となる。したがって、磁束は、磁路Ｍ１２、磁路Ｍ２３以外を通ることになり、磁路Ｍ１２及び磁路Ｍ２３を形成するための鉄心は不要となる。したがって、図４の構成例のように、異なるＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応する、一次側巻線３０１（及び二次側巻線３０２）の巻回部分の間に、図５中に点線で示された磁路Ｍ１２，Ｍ２３に相当する磁路を形成するための鉄心（以下、バイパス鉄心とも称する）の配置が不要となる。
【００４９】
このようなバイパス鉄心の配置を不要とすることで、環状矩形鉄心３０３の小型化を通じて、多重変圧器の小型化が可能となる。また、以下では、環状矩形鉄心３０３において、磁束φ１〜φ３が通る鉄心部分（図５における、磁路Ｍ１〜Ｍ３，Ｍ１１，Ｍ５〜Ｍ７，Ｍ３３に相当する部分）を「主鉄心」とも称する。
【００５０】
一方で、仮に、一次側巻線３０１の間で、印可される交流電圧の最大値、周波数、及び位相が一致しない場合、磁束φ１２及びφ２３が零とならないため、磁束φ１〜φ３は互いに干渉し合うことになる。このような現象が発生すると、本来個別に制御される各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０での送電電力Ｐが、互いに干渉してしまう。例えば、いずれかのＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の電力が、他のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に流れてしまう、いわゆる「横流」が発生することになる。横流が発生すると、他のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０から電力が流入したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０では、本来の送電すべき電力よりも大きい電力を送電している状態になっているため、電力損失が増加してしまう。
【００５１】
言い換えると、各一次側巻線３０１に印可される交流電圧の最大値、周波数、及び位相を一致させることができれば、多重変圧器３００ａは、主鉄心及び各巻線（一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２）のみの簡素な構成で実現することが可能となり、多重変圧器３００ａの小型化と、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０における電力変換の電力損失の抑制とが可能となる。
【００５２】
ここで、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は同等に構成され、通常、同一の周波数で使用される。また、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を同等に動作させるために、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０間で、一次側巻線３０１に印可される交流電圧の最大値は同等とされる。同様に、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０間で、二次側巻線３０２に印可される交流電圧の最大値も同等とされる。
【００５３】
一方で、図２に示したように、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は、電力変換装置１０ａの制御回路（図示せず）からの制御信号に従って、駆動回路６０がゲート信号６１及び６２を生成することで動作している。したがって、上記制御信号に従って、複数のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の間で、ＤＣ／ＡＣ変換器１００のゲート信号６１を共通化し、かつ、ＡＣ／ＤＣ変換器２００のゲート信号６２を共通化することによって、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０は同一の位相で動作することができる。具体的には、ｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００間において、交流ノードＮａｃ１１，Ｎａｃ１２間の交流電圧Ｖ１の最大値、周波数、及び位相を一致させるように、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４をそれぞれ同じ位相でオンオフすることができる。同様に、ｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００間においても、交流ノードＮａｃ２１，Ｎａｃ２２間の交流電圧Ｖ２の最大値、周波数、及び位相を一致させるように、半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４をそれぞれ同じ位相でオンオフすることができる。
【００５４】
なお、図２では、ゲート信号６１及び６２を共通化する制御を例示した。ただし、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４がそれぞれ同じ位相でオンオフすることで、交流電圧Ｖ１の最大値、周波数、及び位相が一致する限り、ＤＣ／ＡＣ変換器１００間でゲート信号６１を別個とすることも可能である。例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器１００間でのゲート信号６１の伝達経路での遅延時間を細密に調整して、交流電圧Ｖ１の一致性を高めることができる。同様に、半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４がそれぞれ同じ位相でオンオフすることで、交流電圧Ｖ２の最大値、周波数、及び位相が一致する限り、ＡＣ／ＤＣ変換器２００間でゲート信号６２を別個とすることも可能である。
【００５５】
このように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、高電圧及び／又は大電流の用途のために複数のＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器を、変圧器の一次側及び二次側において、直列又は並列に接続する構成において、ＤＣ／ＡＣ変換器及びＡＣ／ＤＣ変換器と同数の一次側巻線および二次側巻線間で磁路を共通化する多重変圧器３００ａを用いることにより、装置の小型化を図ることができる。
【００５６】
さらに、図４に示したように、一次側巻線及び二次側巻線のうちの相対的に低電圧の一方の巻線を分割配置し、高電圧の他方の巻線を挟むように配置することで、鉄心の小型化により、多重変圧器をさらに小型化することができる。
【００５７】
また、複数のＤＣ／ＡＣ変換器の半導体スイッチング素子を同じ位相でオンオフ制御し、かつ、複数のＡＣ／ＤＣ変換器の半導体スイッチング素子を同じ位相でオンオフ制御することによって、バイパス鉄心を設けることなく小型化された多重変圧器を用いた構成において、電力損失の増大を抑制することができる。
【００５８】
なお、実施の形態１で用いた半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４は、通常、珪素（Ｓｉ）を使用して形成されるが、バンドギャップが珪素（Ｓｉ）より大きいワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンド等を使用した半導体スイッチング素子を適用することも可能である。これにより、各ＤＣ／ＡＣ変換器１００及び各ＡＣ／ＤＣ変換器２００が入出力する電圧を高くすることができるので、さらに高電圧用途に適した構成とすることができる。また、半導体スイッチング素子のスイッチング周波数の高周波化が可能となるため、多重変圧器３００ａのさらなる小型化を図ることができる。
【００５９】
実施の形態２．
実施の形態２では、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の各々が同等に動作することで、横流の発生による電力損失の増加を抑制する構成及び制御を説明した。しかしながら、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の構成部品の個体差が存在すると、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０間で位相及び交流電圧の最大値は必ずしも一致しない。一方で、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の部品を共通化するためには、電圧の最大値は同等にする必要がある。このため、実施の形態２では、構成部品の個体差に対応するための構成及び制御について説明する。
【００６０】
図６には、実施の形態２に係る電力変換装置における電圧制御波形図が示される。
図６（ａ）には、ｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００のＡＣ端子１０１間の交流電圧Ｖ１１，Ｖ１２，…Ｖ１ｎが示される。図６（ｂ）には、ｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００のＡＣ端子２０１間の交流電圧Ｖ２１，Ｖ２２，…Ｖ２ｎが示される。
【００６１】
実施の形態１では、共通のゲート信号６１に従って各ＤＣ／ＡＣ変換器１００が共通に動作するため、ｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００の間で、交流電圧Ｖ１の位相は同一である。また、共通のゲート信号６２に従って各ＡＣ／ＤＣ変換器２００が共通に動作するため、ｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００の間で、交流電圧Ｖ２の位相は同一である。
【００６２】
一方で、実施の形態２では、交流電圧Ｖ１１〜Ｖ１ｎの間で振幅（最大電圧Ｖｄｃ１）を同一にし、かつ、交流電圧Ｖ２１〜Ｖ２ｎの間で振幅（最大電圧Ｖｄｃ２）を同一にするために、ｎ個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０による送電電力は、個別に調整される。したがって、図３で説明した位相差φは、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０毎に個別に設定される。
【００６３】
この結果、駆動回路６０は、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０毎に設定された位相差φに従って、ゲート信号６１，６２を、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０毎に個別に生成する。この結果、図６（ａ）に示されるように、交流電圧Ｖ１１〜Ｖ１ｎの間で位相が一致しなくなるともに、図６（ｂ）に示されるように、交流電圧Ｖ２１〜Ｖ２ｎの間で位相が一致しなくなる。
【００６４】
なお、ｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器１００では、個別のゲート信号６１によって、交流ノードＮａｃ１１，Ｎａｃ１２間の交流電圧Ｖ１１〜Ｖ１ｎの間で最大値及び周波数が一致するように、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４は個別にオンオフ制御される。同様に、ｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器２００においても、交流ノードＮａｃ２１，Ｎａｃ２２間の交流電圧Ｖ２の最大値及び周波数が一致するように、半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４は個別にオンオフ制御される。
【００６５】
この結果、一次側巻線３０１間及び二次側巻線３０２間で交流電圧の位相が一致しなくなるため、図５に示した磁気回路モデルにおいて、磁路Ｍ１２の磁束φ１２（φ１−φ２）及び磁路Ｍ２３の磁束φ２３（φ２−φ３）が零ではなくなり、起磁力Ｆ１による磁束φ１が、磁束φ２およびφ３に干渉する。同様に、起磁力Ｆ２による磁束φ２が磁束φ１およびφ３に干渉するとともに、起磁力Ｆ３による磁束φ３が磁束φ１およびφ２に干渉する。この結果、本来個別に制御されている各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０での送電電力が互いに干渉してしまい、上述した横流の発生に至る。横流の発生により、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０での電力損失の増加、制御性の低下、及び、動作信頼性の低下が懸念される。
【００６６】
したがって、実施の形態２に係る電力変換装置では、図４に示された多重変圧器３００ａに代えて、図７に示される多重変圧器３００ｂが適用される。すなわち、図１に示された電力変換装置１０ａにおいて、多重変圧器３００ａを図７に示される多重変圧器３００ｂに置換して、各ＡＣ端子１０１を多重変圧器３００ｂの各一次側巻線３０１と接続するとともに、各ＡＣ端子２０１を多重変圧器３００ｂの各二次側巻線３０２と接続することによって、実施の形態２に係る電力変換装置を構成することができる。
【００６７】
図７を参照して、実施の形態２に係る多重変圧器３００ｂは、実施の形態１に係る多重変圧器３００ａ（図４）と比較して、「コア部」が、環状矩形鉄心３０３ｘ、３０３ｙの各々において、鉄心脚３０４及び３０５の間に配置されたバイパス鉄心３１０をさらに含む点で異なる。多重変圧器３００ｂのその他の構成については、多重変圧器３００ａと同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
【００６８】
図７に示されるように、同一のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応する一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２は隣接して巻回される。そして、異なるＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の間に発生する、鉄心脚３０４における一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２の非巻回領域を、鉄心脚３０５と接続するように、バイパス鉄心３１０は配置される。例えば、ｎ個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０が配置される構成では、バイパス鉄心３１０は、（ｎ−１）個配置される。すなわち、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に接続される一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２は、鉄心脚３０４及び３０５において、バイパス鉄心３１０によって磁気的に分離された領域毎に巻回される。
【００６９】
図８には、多重変圧器３００ｂの磁気回路モデルが示される。
図８を参照して、図７に示された多重変圧器３００ｂでは、図５では点線で示された磁路Ｍ１２及びＭ２３が、バイパス鉄心３１０の配置によって実際に形成される。これにより、各バイパス鉄心３１０は、異なるＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応する、一次側巻線３０１同士の間、及び、二次側巻線３０２同士の間を磁気的に分離するための経路を形成する。バイパス鉄心３１０が設けられることにより、磁気抵抗Ｒ８及びＲ９は、図５の場合よりも小さくなる。
【００７０】
したがって、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０間で交流電圧振幅が均一でない場合、又は、電圧振幅を均一化する制御によって交流電圧の位相が一致しなくなった場合でも、図８に示された磁束φ１〜φ３は、バイパス鉄心３１０を経由して、起磁力Ｆ１〜Ｆ３を生み出している一次側巻線３０１（磁路Ｍ１〜Ｍ３）へ戻ることができるので、他の一次側巻線３０１に干渉することがない。この結果、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、横流を発生することなく、一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２を磁気結合させることができる。
【００７１】
したがって、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、バイパス鉄心を有する多重式変圧器を用いることによって、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０間での横流の発生を防止して、電力損失の抑制、並びに、制御性及び動作信頼性の向上を図ることができる。
【００７２】
なお、バイパス鉄心３１０の寸法については、以下の解析によって最小化を図ることができる。
【００７３】
図９は、バイパス鉄心を介して隣接する２個の一次側巻線における磁束挙動を説明するための概念的な波形図である。
【００７４】
図９を参照して、隣接する一次側巻線３０１の交流電圧Ｖ１１およびＶ１２の間に位相差Δθおよび電圧差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｄｃ１−Ｖｄｃ２）が生じているものとする。
【００７５】
交流電圧Ｖ１１，Ｖ１２に従って、図８に示された磁気回路モデルにおいて起磁力Ｆ１，Ｆ２が生じることにより、図８中の磁束φ１，φ２が生じる。磁束φ１は、交流電圧Ｖ１１と同位相で振幅φ１ｍａｘの三角波で示され、磁束φ２は、交流電圧Ｖ１２と同位相で振幅φ２ｍａｘの三角波で示される。したがって、交流電圧Ｖ１２が−Ｖｄｃ２２からＶｄｃ２２に変化するタイミング（θ＝θ０）において、磁束φ２の振幅が最大となっている。このとき、バイパス鉄心３１０に相当する磁路Ｍ１２における磁束φ１２は、下記の式（３）によって示される。
【００７６】
φ１２＝φ１ｍａｘ／（２π・Ｄ）×Δθ―Ｋ×｛ΔＶ／（Ｎ×ｆ）}    …（３）
式（３）において、Ｄは、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０における半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４のオンデューティである。また、Ｋは、式（２）と共通の比例定数である。
【００７７】
また、式（３）におけるφ１ｍａｘは、式（２）に示したφｍａｘに相当する。式（２）において、Δθ／（２π・Ｄ）は、通常、１より小さいため、式（３）で示されるφ１２は、φｍａｘ、すなわち、主鉄心における最大磁束よりも小さくなる。
【００７８】
ここで、主鉄心における薄帯状磁性材の積層高さをｈとし、バイパス鉄心３１０の幅をＷｐとすると、バイパス鉄心３１０の断面積Ｓｐは、下記の式（４）で求めることができる。なお、式（４）中において、ＬＦは鉄心材料の占積率を示す。
【００７９】
Ｓｐ＝Ｗｐ×ｈ×ＬＦ    …  （４）
バイパス鉄心３１０内に発生する最大の磁束密度Ｂｐｍａｘ＝φ１２／Ｓｐで示される。一方で、主鉄心内の最大の磁束密度Ｂｍａｘは、主鉄心の断面積Ｓｍを用いて、Ｂｍａｘ＝φｍａｘ／Ｓｍで示される。上述のように、φ１２＜φｍａｘであるため、バイパス鉄心３１０内に発生する最大の磁束密度Ｂｐｍａｘを、主鉄心内の最大の磁束密度Ｂｍａｘと同等にするために必要な断面積Ｓｐは、主鉄心の断面積Ｓｍよりも小さくなる。
【００８０】
ここで、バイパス鉄心３１０における積層高さｈを主鉄心と揃えた下でＢｐｍａｘ≦Ｂｍａｘを満足するためには、バイパス鉄心３１０の幅Ｗｐは、下記の式（５）で求めることができる。式（５）中のφ１２は、式（４）と共通である。
【００８１】
Ｗｐ≧φ１２×１／（ｈ×ＬＦ）×１／Ｂｍａｘ    …（５）
式（５）に、Ｂｍａｘ＝φｍａｘ／Ｓｍを代入すると、下記の式（６）が得られる。
【００８２】
Ｗｐ≧（φ１２／φｍａｘ）×Ｓｍ／（ｈ×ＬＦ）    …（６）
式（６）中において、Ｓｍ／（ｈ×ＬＦ）は、主鉄心内の最大の磁束密度Ｂｍａｘに対応する主鉄心の幅に相当するので、バイパス鉄心３１０の幅Ｗｐは、（φ１２／φｍａｘ）＜１．０に従って、主鉄心の幅よりも狭くすることが可能である。この結果、バイパス鉄心３１０を備えた多重変圧器３００ｂの小型化を図ることができる。
【００８３】
以上説明したように、実施の形態２では、バイパス鉄心３１０を配置した多重変圧器３００ｂを用いることにより、巻線間での磁気干渉による横流の発生を防止することができる。一方で、多重変圧器３００ｂは、多重変圧器３００ａよりも大型化することが懸念される。このため、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の構成部品を十分に選別することで、個体差ばらつきに起因する横流の発生を実機上問題のないレベルまで抑制することにより、多重変圧器３００ａを備える実施の形態１の構成を用いることも可能である。一方で、このような選別により、製造コストの増加及び製造工程の長時間化が懸念される。したがって、実施の形態１及び２に係る電力変換装置のいずれを選択するかについては、要求されるコストや信頼性に応じて適宜判断することができる。
【００８４】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１に係る電力変換装置において、複数のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の一部が故障した際に、残りの正常なＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を用いて運転を継続するための構成について説明する。
【００８５】
図１０は、実施の形態３の比較例に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
図１０を参照して、比較例に係る電力変換装置１０ｂは、実施の形態１に係る電力変換装置１０ａ（図１）と比較して、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応して、短絡装置４００がさらに配置される点で異なる。電力変換装置１０ｂのその他の部分の構成は電力変換装置１０ａと同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
【００８６】
短絡装置４００は、直列接続された変換器のＤＣ端子、すなわち、図１０では、ＡＣ／ＤＣ変換器２００のＤＣ端子２０２に対応して配置される。各短絡装置４００は、通常時は開放状態である一方で、図示しない電力変換装置１０ｂの制御回路からの制御信号に応答して、短絡状態に制御される。これにより、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、短絡装置４００によってＤＣ端子２０２間を短絡することができる。
【００８７】
図１０では、ｎ番目のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０のみが故障した例を説明する。この場合に、電力変換装置１０ｂの運転を継続するために、対応する短絡装置４００が短絡状態に制御される。さらに、ｎ番目のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対するゲート信号６１，６２の供給が停止されるので、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４はオフに固定される。
【００８８】
これに対して、残りの（ｎ−１）個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０では、短絡装置４００は開放状態に維持されるとともに、ゲート信号６１，６２に応じた半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４のスイッチング制御により、ＡＣ／ＤＣ電力変換およびＤＣ／ＡＣ電力変換が実行される。
【００８９】
これにより、故障したｎ番目のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を解列するとともに、残りの（ｎ−１）個のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０のＤＣ端子２０２を、ＤＣ端子３０間に直列接続することができる。なお、ＤＣ端子２０間に並列接続されるＤＣ／ＡＣ変換器１００に対しては、短絡装置４００を配置する必要はない。
【００９０】
ｎ番目のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０では、ゲート信号６１，６２の停止により、ＤＣ／ＡＣ変換器１００及びＡＣ／ＤＣ変換器２００からＡＣ端子１０１及び２０１へ交流電圧が印可されなくなる。この結果、多重変圧器３００ａの各一次側巻線３０１及び各二次側巻線３０２の間で、印可される交流電圧の最大値及び位相が一致しなくなるため、巻線間での磁気干渉による横流が発生する。
【００９１】
このとき、ＤＣ／ＡＣ変換器１００及びＡＣ／ＤＣ変換器２００では、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４をオフに固定しても、各半導体スイッチング素子の逆並列ダイオードによって、ダイオード整流器（全波整流器）が構成された状態となる。ダイオード整流器として動作する、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の出力は、短絡装置４００が遮断状態であるため、電力変換を伴って正常に動作している他のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０と比較して小さくなる。
【００９２】
この状態で、電力変換装置１０ｂの運転を継続しようとすると、横流により、正常動作しているＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０から、遮断状態の短絡装置４００へ大きな電流が流入する可能性がある。この結果、正常動作しているＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に過電流による故障や保護停止が発生してしまうことによって、電力変換装置１０ｂの運転を継続できなくなることが懸念される。
【００９３】
図１１は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
図１１を参照して、実施の形態３に係る電力変換装置１０ｃは、実施の形態１に係る電力変換装置１０ａと比較して、比較例の電力変換装置１０ｂ（図１０）と同様の短絡装置４００と、ＡＣ遮断装置５００とをさらに備える。電力変換装置１０ｃにおいて、ＡＣ遮断装置５００以外の構成は、比較例の電力変換装置１０ｂ（図１０）と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
【００９４】
ＡＣ遮断装置５００は、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、二次側巻線３０２及びＡＣ／ＤＣ変換器２００（交流ノード）間に配置される。ＡＣ遮断装置５００は、通常時は導通状態である一方で、図示しない電力変換装置１０ｂの制御回路からの制御信号に応答して、開放状態に制御される。これにより、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、二次側巻線３０２及びＡＣ／ＤＣ変換器２００の間の電流経路を遮断できる。
【００９５】
これにより、故障の発生によりゲート信号６１，６２の供給が停止されているＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対して、正常動作するＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０からの横流を発生させる電流経路を遮断することができる。
【００９６】
したがって、実施の形態３によれば、バイパス鉄心３１０を設けない多重変圧器３００ａが適用された電力変換装置において、一部のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に故障が発生しても、短絡装置４００およびＡＣ遮断装置５００によって、残りの正常なＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を用いて電力変換装置の運転を継続することが可能となる。
【００９７】
なお、図１１の構成例において、二次側巻線３０２及びＡＣ／ＤＣ変換器２００の交流ノードの間に加えて、一次側巻線３０１及びＤＣ／ＡＣ変換器１００の交流ノードの間にもＡＣ遮断装置５００をさらに配置する構成とすることが可能である。これにより、ＤＣ／ＡＣ変換器１００側においても横流を抑制することができるので、さらに信頼性が向上する。
【００９８】
実施の形態３の変形例．
図１２は、実施の形態３の変形例に係る電力変換装置１０ｄの構成を示す回路図である。
【００９９】
図１２を参照して、実施の形態３の変形例に係る電力変換装置１０ｄは、実施の形態１に係る電力変換装置１０ａと比較して、比較例の電力変換装置１０ｂ（図１０）と同様の短絡装置４００と、ＤＣ遮断装置６００とをさらに備える。電力変換装置１０ｄにおいて、ＤＣ遮断装置６００以外の構成は、比較例の電力変換装置１０ｂ（図１０）と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。すなわち、電力変換装置１０ｄでは、実施の形態３に係る電力変換装置１０ｃと比較して、ＡＣ遮断装置５００に代えて、ＤＣ遮断装置６００が配置されている。
【０１００】
ＤＣ遮断装置６００は、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、ＡＣ／ＤＣ変換器２００の直流ノードに対して直列に接続される。ＤＣ遮断装置６００は、短絡装置４００よりもＡＣ／ＤＣ変換器２００側に接続される。
【０１０１】
ＤＣ遮断装置６００は、通常時は導通状態である一方で、図示しない電力変換装置１０ｂの制御回路からの制御信号に応答して、開放状態に制御される。故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、ＤＣ遮断装置６００は開放状態に制御される。
【０１０２】
このように配置されたＤＣ遮断装置６００を開放することによっても、実施の形態３と同様に、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対して、正常動作するＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０からの横流を発生させる電流経路を遮断することができる。
【０１０３】
したがって、実施の形態３の変形例によっても、バイパス鉄心３１０を設けない多重変圧器３００ａが適用された電力変換装置において、一部のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に故障が発生しても、残りの正常なＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を用いて、電力変換装置の運転を継続することが可能となる。
【０１０４】
なお、図１２の構成例において、ＡＣ／ＤＣ変換器２００の直流ノードに加えて、ＤＣ／ＡＣ変換器１００の直流ノードに対してもＤＣ遮断装置６００をさらに配置する構成とすることが可能である。ＤＣ遮断装置６００は、ＤＣ端子１０２及びＤＣ／ＡＣ変換器１００の間に接続することが好ましい。これにより、ＤＣ／ＡＣ変換器１００側においても横流を抑制することができるので、さらに信頼性が向上する。
【０１０５】
実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態２に係る電力変換装置、すなわち、バイパス鉄心３１０を有する多重変圧器３００ｂが適用された電力変換装置において、複数のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０の一部が故障した際に、実施の形態３と同様に運転を継続するための構成について説明する。
【０１０６】
図１３は、実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
図１３を参照して、実施の形態４に係る電力変換装置１０ｅは、実施の形態２に係る電力変換装置の構成と比較して、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応して、実施の形態３と同様に短絡装置４００がさらに配置される点で異なる。すなわち、電力変換装置１０ｅの構成は、多重変圧器３００ａに代えて多重変圧器３００ｂが適用される点を除けば、比較例の電力変換装置１０ｂ（図１０）と同様である。
【０１０７】
電力変換装置１０ｅにおいても、短絡装置４００は、ＤＣ端子３０間に直列接続されたＡＣ／ＤＣ変換器２００のＤＣ端子２０２に対応して配置される。各短絡装置４００は、通常時は開放状態である一方で、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、短絡状態に制御される。
【０１０８】
電力変換装置１０ｅでは、多重変圧器３００ｂに配置されたバイパス鉄心３１０によって、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０間で、一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２が磁気的に分離される。したがって、図１１又は図１２に示されたＡＣ遮断装置５００又はＤＣ遮断装置６００を設けなくても、短絡装置４００によって解列された故障中のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対して、正常動作しているＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０からの横流が発生しない。
【０１０９】
この結果、バイパス鉄心３１０を有する多重変圧器３００ｂが適用された電力変換装置において、一部のＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に故障が発生しても、残りの正常なＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０を用いて、電力変換装置の運転を継続することが可能となる。
【０１１０】
実施の形態４の変形例．
実施の形態４で説明した回路構成に対して、実施の形態３及びその変形例で説明した、ＡＣ遮断装置５００及びＤＣ遮断装置６００をさらに配置することも可能である。
【０１１１】
図１４は、実施の形態４の第１の変形例に係る電力変換装置の構成を説明する回路図である。
【０１１２】
図１４を参照して、実施の形態４の第１の変形例に係る電力変換装置１０ｆは、実施の形態４に係る電力変換装置１０ｅ（図１３）の構成に加えて、ＡＣ遮断装置５００をさらに備える。
【０１１３】
ＡＣ遮断装置５００は、電力変換装置１０ｃ（図１１）と同様に、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において、二次側巻線３０２及びＡＣ／ＤＣ変換器２００（交流ノード）間に配置される。あるいは、一次側巻線３０１及びＤＣ／ＡＣ変換器１００の交流ノードの間にＡＣ遮断装置５００をさらに配置する構成とすることも可能である。
【０１１４】
各ＡＣ遮断装置５００は、通常時は導通状態である一方で、図示しない電力変換装置１０ｂの制御回路からの制御信号に応答して、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において開放状態に制御される。すなわち、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０では、短絡装置４００が短絡状態に制御されるとともに、ＡＣ遮断装置５００が開放状態に制御される。
【０１１５】
図１５は、実施の形態４の第２の変形例に係る電力変換装置の構成を説明する回路図である。
【０１１６】
図１５を参照して、実施の形態４の第１の変形例に係る電力変換装置１０ｇは、実施の形態４に係る電力変換装置１０ｅ（図１３）の構成に加えて、ＤＣ遮断装置６００をさらに備える。
【０１１７】
ＤＣ遮断装置６００は、電力変換装置１０ｄ（図１２）と同様に、各ＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応して、短絡装置４００よりもＡＣ／ＤＣ変換器２００側において、ＡＣ／ＤＣ変換器２００の直流ノードに対して直列に接続される。あるいは、ＤＣ遮断装置６００は、ＤＣ／ＡＣ変換器１００の直流ノードに対してさらに配置されてもよい。この場合には、ＤＣ遮断装置６００は、ＤＣ端子１０２及びＤＣ／ＡＣ変換器１００の間に接続することが好ましい。
【０１１８】
各ＤＣ遮断装置６００は、通常時は導通状態である一方で、図示しない電力変換装置１０ｂの制御回路からの制御信号に応答して、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０において開放状態に制御される。すなわち、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０では、短絡装置４００が短絡状態に制御されるとともに、ＤＣ遮断装置６００が開放状態に制御される。
【０１１９】
実施の形態４の第１又は第２の変形例のように、ＡＣ遮断装置５００又はＤＣ遮断装置６００をさらに配置することにより、バイパス鉄心３１０を有する多重変圧器３００ｂが適用された電力変換装置において、故障が発生したＤＣ／ＤＣ変換ユニット５０に対応する短絡装置４００の遮断によって運転を継続する場合に、横流の発生をさらに確実に防止して、信頼性をさらに向上することができる。
【０１２０】
なお、実施の形態３及び４並びにそれらの変形例では、多重変圧器３００ａ又は３００ｂを備えた電力変換装置において、短絡装置４００は、ＤＣ端子２０，３０間に直列接続された、ＤＣ／ＡＣ変換器１００及び／又はＡＣ／ＤＣ変換器２００に対応して配置される。したがって、図１１〜図１５の構成例と反対に、ＤＣ端子３０間に複数のＡＣ／ＤＣ変換器２００が並列接続される一方で、ＤＣ端子２０間に複数のＤＣ／ＡＣ変換器１００が直列接続された回路構成である場合には、各ＤＣ／ＡＣ変換器１００のＤＣ端子１０２に対応して短絡装置４００が配置される。また、ＤＣ端子２０及び３０の両方において、複数のＤＣ／ＡＣ変換器１００及び複数のＡＣ／ＤＣ変換器２００がそれぞれ直列接続されている回路構成であれば、各ＤＣ／ＡＣ変換器１００のＤＣ端子１０２及び各ＡＣ／ＤＣ変換器２００のＤＣ端子２０２の両方に対応して、短絡装置４００が配置される。
【０１２１】
また、ＡＣ遮断装置５００又はＤＣ遮断装置６００は、少なくとも、短絡装置４００が配置されたＤＣ／ＡＣ変換器１００及び／又はＡＣ／ＤＣ変換器２００に対応して配置される。
【０１２２】
実施の形態５.
実施の形態５では、実施の形態１〜４での多重変圧器３００ａ，３００ｂの一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２に適用される巻線導体の構成例を説明する。
【０１２３】
通常、大容量の多重変圧器の巻線には、素線絶縁を備えた細くて小さい導体素線を複数使用して構成したものが適用される。このような巻線を用いることにより、変圧器の漏れ磁束が巻線に鎖交することで、発生する巻線の渦電流損を小さくすることができる。しかしながら、上述のように、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４のスイッチング周波数を高周波化（例えば、商用交流電源の周波数よりも高い６１Ｈｚ以上）すると、一次側巻線３０１および二次側巻線３０２に入力される電流は６１Ｈｚよりも高周波となり、上述の巻線では、表皮効果の発生により、電流が導体素線の表面付近のみを通過することになる。この結果、導体素線の等価的な抵抗値が増加することで、多重変圧器３００ａ，３００ｂの損失が増加する虞がある。
【０１２４】
図１６は、実施の形態５に係る巻線導線７０の一例を説明するための概念的な断面図である。
【０１２５】
図１６を参照して、巻線導線７０は、素線絶縁７２を備えた導体素線７１を縒り合せた、いわゆるリッツ線によって構成される。リッツ線を用いることにより、高周波での表皮効果と近接効果を抑制することができるため、高周波化による損失増加を抑制することが可能である。
【０１２６】
実施の形態５では、多重変圧器３００ａ，３００ｂの一次側巻線３０１及び二次側巻線３０２に対して、リッツ線で構成された巻線導線７０を適用することにより、多重変圧器３００ａ，３００ｂの損失増加を抑制しつつ高周波化が可能となる。この結果、多重変圧器３００ａ，３００ｂの小型化を実現することができる。
【０１２７】
以上で説明した複数の実施の形態について、明細書内で言及されていない組み合わせを含めて、不整合や矛盾が生じない範囲内で、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている点についても、確認的に記載する。
【０１２８】
今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２９】
１０ａ〜，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ  電力変換装置、２０，３０  ＤＣ端子（電力変換装置）、５０  ＤＣ／ＤＣ変換ユニット、６０  駆動回路、６１，６２  ゲート信号、７０  巻線導線、７１  導体素線、７２  素線絶縁、１００  ＤＣ／ＡＣ変換器、１０１，１０２  ＤＣ端子（ＤＣ／ＤＣ変換ユニット）、２００  ＡＣ／ＤＣ変換器、２０１，２０２  ＡＣ端子（ＤＣ／ＤＣ変換ユニット）、３００ａ，３００ｂ  多重変圧器、３０１  一次側巻線、３０２  二次側巻線、３０３ｘ，３０３ｙ  環状矩形鉄心、３０４，３０５  鉄心脚、３０６  継鉄部、３１０  バイパス鉄心、４００  短絡装置、５００  ＡＣ遮断装置、６００  ＤＣ遮断装置、ＣＳ  スナバキャパシタ、Ｃｄｃ１，Ｃｄｃ２  直流キャパシタ、Ｆ１〜Ｆ３  起磁力、Ｍ１〜３，Ｍ５〜Ｍ７，Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２３，Ｍ３３  磁路、ＮＬ０〜ＮＬ３  負極電源ライン、Ｎａｃ１１，Ｎａｃ１２，Ｎａｃ２１，Ｎａｃ２２  交流ノード、Ｎｄｃ１１，Ｎｄｃ１２，Ｎｄｃ２１，Ｎｄｃ２２  直流ノード、ＰＬ０〜ＰＬ３  正極電源ライン、Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４  半導体スイッチング素子、Ｒ１〜Ｒ１０  磁気抵抗、ＴＤ  デッドタイム。
【要約】
電力変換装置（１０ａ）は、一対の第１のＤＣ端子（２０）及び一対の第２のＤＣ端子（３０）の間で直流電力変換を実行する。ｎ個のＤＣ／ＡＣ変換器（１００）の直流ノードは、第１のＤＣ端子（２０）間に並列又は直列に接続される。多重変圧器（３００ａ）は、ｎ個ずつの一次側巻線（３０１）及び二次側巻線（３０２）を有する。各ＤＣ／ＡＣ変換器（１００）の交流ノードは、各一次側巻線（３０１）と接続される。各ＡＣ／ＤＣ変換器（２００）の交流ノードは、各二次側巻線（３０２）と接続される。ｎ個のＡＣ／ＤＣ変換器（２００）の直流ノードは、第２のＤＣ端子（３０）間に直列又は並列に接続される。多重変圧器（３００ａ）は、ｎ個の一次側巻線（３０１）間で磁路が共通であり、かつ、ｎ個の二次側巻線（３０２）間で磁路が共通となるように構成される。【図１】
0006516942.tif 000002
【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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