(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力の交流電力を直流電力または交流電力に変換して出力する電力変換器セルを複数備え、少なくとも前記各電力変換器セルの交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、前記各電力変換器セルの内部に、スイッチング素子が電路を開放するような故障が発生したとき、その交流入力側を短絡する短絡用スイッチを設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記各電力変換器セルは、その直流または交流の出力端を並列接続して直流負荷または交流負荷に接続するものであ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３】
前記各電力変換器セルは、その直流または交流の出力端を直列接続して直流負荷または交流負荷に接続するものであ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】
前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの入力側の交流−直流電力変換器の直流出力端を短絡する半導体スイッチ素子であることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの交流入力端を短絡する双方向半導体スイッチであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの交流入力端を短絡する機械的スイッチであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記各電力変換器セルの出力端に、これを短絡する短絡用スイッチを設けたことを特徴とする請求項３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、系統の交流電源から供給される交流電力を直接直流電力、または交流電力に変換して出力する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力変換装置は、系統の交流電源の電圧が高い場合には、電力変換装置を複数台設け、これら電力変換装置の交流側入力端を系統の交流電源に直列接続して使用することが多い。これは、各電力変換装置を構成する半導体スイッチ素子に定格電圧の低い半導体スイッチ素子使用することにより装置のコスト低減を実現する。
【０００３】
特許文献１にこの種の従来の電力変換装置が示されている。
【０００４】
図６に、その第1の従来例を示す。図６は、複数の電力変換器セル５０−１〜５０−ｎを備えた電力変換装置の回路構成を概略的に示すものである。各電力変換器セルは、単相交流および直流相互間の変換を行う第１の交流−直流電力変換器５１、この変換器５１の直流電圧を平滑するコンデンサＣ１、このコンデンサＣ１の両端の直流電力を高周波の交流電力に変換する第１の直流−交流流電力変換器５２、この第１の直流−交流流電力変換器５２の出力の高周波の交流電力の電圧を変成する高周波変圧器５３、この高周波変圧器５３の出力の交流電力を直流電力に変換する第２の交流−直流電力変換器５４、この第２の交流−直流電力変換器５４の直流出力電圧を平滑するコンデンサＣ２、コンデンサＣ２の両端の直流電力を交流電力に変換する第２の直流−交流流電力変換器５５により構成される。
【０００５】
電力変換器セル５０−１〜５０−ｎの交流入力端は、互いに直列に接続して系統の交流電源５９に接続される。そして、電力変換器セル５０−１〜５０−ｎの交流出力端は互いに直列接続して図示しない負荷に接続することができる。
【０００６】
直列接続される電力変換器セル５０−１〜５０−ｎの段数が多くなるほど、各セルの電圧定格を低減できるとともに、交流出力電圧を多レベル（マルチレベル）化することができる。
【０００７】
図７に第２の従来例を示す。この第２の従来例における各電力変換器セル５０−１〜５０−ｎは、前記の第１の従来例における電力変換器セル５０−１〜５０−ｎの最終段の直流−交流流電力変換器５５を省いて、直流電力を出力するようにしたものであり、最終段の交流−直流電力変換器５４の直流出力端を直列に接続する。
【０００８】
この第２の従来例によれば、ｎ段の電力変換器セル５０−１〜５０−ｎにより１段の電力変換器セル５０の定格直流出力電圧のｎ倍の直流電圧を得ることができる。
【０００９】
図８に第３の従来例を示す。第３の従来例は、第２の従来例において複数の電力変換器セル５０−１〜５０−ｎの直流出力端を直列接続する代わりに、並列接続したものである。
【００１０】
この第３の従来例によれば、電力変換器セル５０−１〜５０−ｎをｎ段とすることにより、出力の電流容量を１段の電力変換器セル５０の定格電流容量のｎ倍の電流用容量に増大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−０７３３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記のような複数の電力変換器セルを備えた従来の電力変換装置は、何れも、各電力変換器セルの交流入力端を直列接続して系統の交流電源に接続するので、電圧の高いに系統の交流電源の交流電力を、変圧器等を使用しないで直接、交流電力または直流電力に変換することができる。
【００１３】
しかし、複数の電力変換器セルの何れか１つのセルの内部のスイッチング素子に電路を開放するような故障が発生すると、全電力変換器セルへの入力電力の供給が遮断されるため、電力変換装置全体が運転停止しとなり、負荷への電力の供給ができなくなる。このため、従来の電力変換装置は信頼性に欠ける問題がある。
【００１４】
この発明は、このような問題点を解決するため、複数の電力変換器セルの少なくとも交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、電力変換器セルの１つに電路を開放するような故障（開放故障）が発生した場合、この故障した電力変換器セルだけを運転停止にして、残りの正常な電力変換器セルで運転を継続することにより、電力変換装置の全体の運転が停止されることのない信頼性の高い電力変換装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の課題を解決するため、この発明は、入力の交流電力を直流電力または交流電力に変換して出力する電力変換器セルを複数備え、少なくとも前記各電力変換器セルの交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、前記各電力変換器セルの内部に、スイッチング素子が電路を開放するような故障が発生したとき、その交流入力側を短絡する短絡用スイッチを設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
この発明おいて、前記各電力変換器セルは、その直流または交流の出力端を並列接続するか、あるいは直列接続して直流負荷または交流負荷に接続することができる。
【００１７】
前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、当該電力変換器セルの入力側の交流−直流電力変換器の直流出力端を短絡する半導体スイッチ素子により構成してもよい。
【００１８】
また、前記電力変換器セルの交流入力側を短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの交流入力端を短絡する双方向半導体スイッチによって構成することができる。
【００１９】
さらに、前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの交流入力端を短絡する機械的スイッチによって構成することもできる。
【００２０】
前記複数の電力変換器セルの出力端を直列接続した場合は、前記各電力変換器セルの出力端に、これを短絡する短絡用スイッチを設けるのがよい。
【発明の効果】
【００２１】
複数の電力変換器セルの少なくとも交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、前記複数の電力変換器セルのいずれか１つに、内部のスイッチング素子が電路を開放するような開放故障を発生した場合、この発明によれば、故障した電力変換器セルを運転停止にして、交流入力側を、短絡用スイッチをオンにして短絡することにより、故障した電力変換器セル以外の健全なセルへの交流電力の供給を継続することができるので、電力変換装置は負荷への電力供給を停止することなく継続して行うことができる。
【００２２】
したがって、この発明による電力変換装置は、複数の電力変換セルの１つが故障した場合でも、全体の運転が停止されることなく、残りの健全な電力変換セルの運転が継続され、負荷への電力供給を継続することができるので、電力変換装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の第１の実施例による電力変換装置を示す回路構成図。
【図２】この発明の第２の実施例による電力変換装置を示す回路構成図。
【図３】この発明の第３の実施例による電力変換装置を示す回路構成図。
【図４】この発明の第４の実施例による電力変換装置を示す回路構成図。
【図５】この発明の第１の実施例による電力変換装置を示す回路構成図。
【図６】従来の電力変換装置の第１例を示すブロック回路構成図。
【図７】従来の電力変換装置の第２例を示すブロック回路構成図。
【図８】従来の電力変換装置の第３例を示すブロック回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１はこの発明の第１の実施例の電力変換装置の構成を示すものである。
【００２６】
図１において、１０−１〜１０−ｎは、同じ構成のｎ個（ｎは２以上の自然数）の電力変換器セルである。各電力変換器セル１０は、交流電力を直流電力に変換するダイオードで構成されたコンバータ回路ＣＮ１と平滑用のコンデンサＣ１で構成された交流−直流電力変換器１１と、この交流−直流電力変換器１１の直流出力を所定の電圧の直流電力に変換する直流−直流電力変換器１２を備える。
【００２７】
直流−直流電力変換器１２は、交流−直流電力変換器１１の出力の直流電力を、高周波の交流電力に変換するインバータ回路ＩＮ１と、このインバータ回路ＩＮ１の交流出力電圧を所定の交流電圧に変成する高周波変圧器Ｔと、高周波変圧器Ｔから出力される交流電力を所定の電圧の直流電力に変換するトランジスタで構成されたコンバータ回路ＣＮ２と、コンバータ回路ＣＮ２の直流出力電圧を平滑するための直流リアクトルＬ２およびコンデンサＣ２とで構成される。
【００２８】
そして、交流−直流電力変換器１１のコンバータ回路ＣＮ１の直流出力端を短絡するために、これに並列に、ＩＧＢＴ等のトランジスタＴｒとダイオードＤ１を逆並列接続して構成した半導体スイッチＳ１を接続している。この半導体スイッチＳ１は、電力変換器セル１０が正常に動作しているときは、オフにされ、コンバータ回路ＣＮ１の直流出力端を開放する。そして、セル内の直流−直流電力変換器１２のコンバータ回路ＣＮ２を構成するスイッチングトランジスタが電路を開放する故障を生じた際に、半導体スイッチＳ１は、オンにされ、コンバータ回路ＣＮ１の直流出力端を短絡する動作をする。
【００２９】
このように構成したｎ個の電力変換器セル１０−１〜１０−ｎの入力段の交流−直流電力変換器１１の交流入力端は、互いに直列に接続されて系統の交流電源１８に接続される。そして、電力変換器セル１０−１〜１０−ｎの出力段の直流−直流電力変換器１２の直流出力端は互いに並列に接続して直流の負荷１９に接続して、各電力変換器セルから直流電力を負荷１９に並列に供給する。
【００３０】
このように構成した電力変換装置は、交流電源１８が高電圧であっても、ｎ個の電力変換器セル１０で電圧を分担するので、各電力変換器セルは、電圧定格の低いセルで構成することができる。そして、負荷１９へはｎ個の電力変換器セル１０から並列に直流電力を供給するので、負荷１９の電流容量を増大することができる。このため、この発明の電力変換装置は、データセンタ等におけるサーバ用電源のような、直流の低電圧で大電流を必要とする電源として使用するのが最適である。
【００３１】
この電力変換装置は、全ての電力変換器セルが健全に動作しているときは、各電力変換器セルの短絡用の半導体スイッチＳ１は、図示しない制御装置から、オフ指令が与えられ、オフ（不導通）にされている。これにより、各電力変換器セル１０のコンバータ回路ＣＮ１の直流出力端が開放されるので、交流電源１８から供給される交流電力が、交流−直流電力変換器１１で直流電力に変換されて、直流−直流電力変換器１２に供給され、この直流−直流電力変換器１２でこの直流電力が所定の電圧の直流電力に変換されて負荷１９に並列に供給される。
【００３２】
ここで、例えば、電力変換器セル１０−１で、直流−直流電力変換器１２のインバータ回路ＩＮ１を構成するスイッチングトランジスタの１つに、電路を開放するような開放故障が発生すると、全電力変換器セル１０−１〜１０−ｎに交流電源１８から直列に供給される入力電流が、この電力変換器セル１０−１のインバータ回路ＩＮ１の故障したスイッチングトランジスタで遮断されることにより、全電力変換器セルが電力供給を停止し、負荷１９への電力供給ができなくなる。
【００３３】
このような負荷１９への電力供給が停止されることがないようにするため、この発明では、前記のような開放故障が発生すると、図示しない制御装置がこれを検知し、直ちに、故障の発生した電力変換器セル１０−１に運転を停止する指令を与え、かつ、短絡用半導体スイッチＳ１にオン指令を与える。これにより、電力変換器セル１０−１は運転を停止し、電力変換動作を停止するとともに、半導体スイッチＳ１がオンするので、これによって電力変換器セル１０−１のコンバータ回路ＣＮ１の直流出力端が短絡される。
【００３４】
これによって、交流電源１８から電力変換装置へ供給される入力電流は、故障した電力変換器セル１０−１のコンバータ回路ＣＮ１および半導体スイッチＳ１を通して、故障した電力変換器セルと直列に接続されたその他の健全な電力変換器セルに流れるので、健全な電力変換器セルから負荷１９への直流電力の供給を継続することができる。
【実施例２】
【００３５】
図２は、この発明の第２の実施例の構成を示すものである。
【００３６】
図１の第１の実施例では、電力変換器セル１０のコンバータ回路ＣＮ１に電路を開放するような開放故障が発生した場合は、バックアップすることができないので、第２の実施例はこれを改善するものである。
【００３７】
第２の実施例の電力変換装置は、各電力変換器セル１０の構成、およびｎ個の電力変換器セル１０−１〜１０−ｎの接続構成は、図１に示す第１の実施例の電力変換装置と同じである。しかし、短絡用半導体スイッチＳ１の代わりに、スイッチングトランジスタとダイオードとを逆並列接続して構成した半導体スイッチを２個、逆直列接続して構成した双方向半導体スイッチ（いわゆる交流スイッチ）Ｓ２を使用する点が異なる。
【００３８】
この双方向半導体スイッチＳ２は、各電力変換器セル１０の交流入力端にそれぞれ並列に接続される。このため、この双方向半導体スイッチＳ２は、それぞれの電力変換器セル１０が健全に動作しているときは、オフ(不導通)にされ、その内部に電路を開放するような開放故障が発生したときは、オン(導通)にされて、それぞれの電力変換器セル１０の交流入力端を短絡する動作をする。
【００３９】
この第２の実施例の電力変換装置も、第１の実施例の電力変換装置と同様に、全ての電力変換器セルが健全に動作しているときは、各電力変換器セルの短絡用の双方向スイッチＳ２は、図示しない制御装置から、オフ指令が与えられ、オフ（不導通）にされている。これにより、各電力変換器セル１０のコンバータ回路ＣＮ１の交流入力端が開放されるので、交流電源１８から供給される交流電流が、各電力変換器セル１０のコンバータ回路ＣＮ１に直列に流れる。これにより供給される交流電力が、各電力変換器セル１０において、交流−直流電力変換器１１で直流電力に変換されて、直流−直流電力変換器１２に供給され、この直流−直流電力変換器１２でこれが所定の電圧の直流電力に変換されて負荷１９に並列に供給される。
【００４０】
ここで、例えば、電力変換器セル１０−１で、直流−交流変換器１１のコンバータ回路ＣＮ１を構成するダイオードの１つに、電路を開放するような開放故障が発生すると、交流電源１８から全電力変換器セル１０−１〜１０−ｎに直列に供給される入力電流が、この電力変換器セル１０−１のコンバータ回路ＣＮ１の開放故障したダイオードで遮断される。これにより、全電力変換器セルへの電力供給が停止され、負荷１９への電力供給ができなくなる。
【００４１】
このような負荷１９への電力供給が停止されるのを防止するため、この実施例２では、前記のような開放故障が発生すると、図示しない制御装置がこれを検知し、直ちに、故障の発生した電力変換器セル１０−１に運転を停止する指令を与え、かつ、短絡用双方向スイッチＳ２にオン指令を与える。これにより、電力変換器セル１０−１は電力変換動作を停止するとともに、双方向半導体スイッチＳ２がオンするので、これによって電力変換器セル１０−１のコンバータ回路ＣＮ１の交流入力端が短絡される。
【００４２】
このため、交流電源１８から電力変換装置へ供給される入力電流は、故障した電力変換器セル１０−１の交流入力端の双方向半導体スイッチＳ２を通して、故障した電力変換器セルをバイパスして、これと直列に接続されたその他の健全な電力変換器セルに流れるので、健全な電力変換器セルから負荷１９への直流電力の供給を継続することができる。
【実施例３】
【００４３】
図３は、この発明の第３の実施例の構成を示すものである。
【００４４】
この第３の実施例は、図２の第２の実施例における双方向半導体スイッチＳ２の代わりに、リレー等の機械式スイッチＳ３を使用したものである。このスイッチＳ３も、第２の実施例の電力変換装置と同様に、全ての電力変換器セルが健全に動作しているときは、オフにされ、電力変換器セルの内部に電路を開放するような開放故障が発生したときは、オンして各電力変換器セルの交流入力端を短絡するように動作する。
【００４５】
その他の構成は、実施例２の構成と変わるところがないので、詳細な説明は省略する。
【００４６】
この第３の実施例においても、電力変換器セル１０の１つに、内部で、電路を開放するような開放故障が発生すると、故障した電力変換器セル１０の動作が停止され、スイッチＳ３がオンにされ、その交流入力端を短絡する。これにより、故障した電力変換器セルと直列に接続されたその他の健全な電力変換器セル１０へ、入力電流が遮断されることなく継続して供給されるので、健全な電力変換器セル１０によって、負荷１９への直流電力の供給を継続することができる。
【実施例４】
【００４７】
図４は、この発明の第４の実施例の構成を示すものである。
【００４８】
この第４の実施例は、図１に示す第１の実施例における複数の電力変換器セル１０−１〜１０−ｎの直流出力端の接続を、直列接続に変更したものである。この第４の実施例によれば、直流出力端を直列接続しているので、出力電圧を高めることができる。
【００４９】
この第４の実施例においては、複数の電力変換器セル１０−１〜１０−ｎの直流出力端が直列接続されるので、直流−直流電力変換器１２の出力段のコンバータＣＮ２のトランジスタに電路を開放するような開放故障が発生したときの対策のために、各電力変換器セル１０の直流出力端に並列に、入力側の直流スイッチＳ１と同じ構成の直流スイッチＳ４を接続している。その他の構成は、第１の実施例と同じである。
【００５０】
各電力変換器セル１０の直流−直流電力変換器１２の入力段のインバータ回路ＩＮ１に電路を開放するような開放故障が発生した場合は、第１の実施例と同様に、入力側の半導体スイッチＳ１をオンにして交流入力端を短絡することにより、健全な電力変換器セル１０への交流電力の供給を継続し、電力変換装置全体の動作停止を回避する。
【００５１】
そして、各電力変換器セル１０の直流−直流電力変換器１２の出力段のコンバータ回路ＣＮ２に電路を開放するような開放故障が発生した場合は、出力側の直流スイッチＳ４をオンにして直流出力端を短絡することにより、健全な電力変換器セル１０から負荷への直流電力供給が遮断されるのを防止し、電力変換装置全体の動作停止を回避する。
【実施例５】
【００５２】
図５は、この発明の第５の実施例の構成を示すものである。
【００５３】
この第５の実施例は、図２に示す第２の実施例における各電力変換器セル１０の直流−直流電力変換器１２の直流出力端に、さらに直流電力を交流電力に変換するインバータ回路ＩＮ２を接続し、交流出力を得るようにしたものである。各電力変換器セル１０の交流出力端は並列に接続され、各電力変換器セル１０から交流負荷１９Ａへ交流電力を並列に供給する。その他の構成は、図２の第２の実施例と同じである。この第５の実施例によれば、電流容量の大きい大容量の交流負荷への給電が可能となる。
【００５４】
この第５の実施例においても、第２の実施例と同様に、複数の電力変換器セル１０−１〜１０−ｎの何れかにおいて、コンバータ回路ＣＮ１で、電路を開放するような開放故障が発生すると、故障した電力変換器セル１０の動作が停止されるとともに、交流入力端の双方向半導体スイッチＳ２をオンにして、その交流入力端を短絡する。これにより健全なその他の電力変換器セル１０へ、交流電源１８からの入力電流が遮断されることなく継続して流れるので、健全な電力変換器セル１０から負荷１９への直流電力の供給を継続することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０−１〜１０−ｎ：電力変換器セル
１１：交流−直流電力変換器
１２：直流−直流電力変換器
１８：系統交流電源
１９：直流負荷
１９Ａ：交流負荷
ＣＮ１、ＣＮ２：コンバータ回路
ＩＮ１，ＩＮ２：インバータ回路
Ｔ：高周波変圧器
Ｌ１，Ｌ２：リアクトル
Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ
【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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