(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主回路スイッチング素子と主回路蓄電要素とを備える主回路と、前記主回路を制御する主回路制御装置と、前記主回路蓄電要素から前記主回路制御装置へ制御電源を供給する主回路給電装置と、を備える電力変換装置において、
前記主回路給電装置は、直列接続された複数の分圧用蓄電要素と、
前記複数の分圧用蓄電要素に接続され、前記複数の分圧用蓄電要素間の電力の授受により、前記複数の分圧用蓄電要素の電圧をそれぞれ調整する電圧調整回路と、
前記複数の分圧用蓄電要素のうち、少なくとも１個の前記分圧用蓄電要素に接続され、前記制御電源を供給する、少なくとも１個のＤＣ／ＤＣコンバータと、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記主回路給電装置は、直列接続された３個以上の前記分圧用蓄電要素と、複数の前記電圧調整回路とを備え、
前記電圧調整回路は、３個以上の前記分圧用蓄電要素のうち、少なくとも２個からなる前記分圧用蓄電要素の組に接続され、
前記電圧調整回路が接続される前記分圧用蓄電要素の組の一部と、他の前記電圧調整回路が接続される少なくとも２個の前記分圧用蓄電要素の一部とが互いに重複する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記主回路給電装置は、Ｎを３以上の整数とし、直列接続されたＮ個の前記分圧用蓄電要素と、２以上（Ｎ−１）以下の個数の前記電圧調整回路を備え、
直列接続されたＮ個の前記分圧用蓄電要素は、前記主回路蓄電要素と並列に接続され、
前記分圧用蓄電要素の組は、ｎは２≦ｎ≦（Ｎ−１）となる整数であるｎ個の前記分圧用蓄電要素から構成され、
ｋは１≦ｋ≦（Ｎ−１）となる整数であり、前記主回路蓄電要素の正極側から第ｋ番目の前記電圧調整回路は、前記主回路蓄電要素の正極側から第ｋ番目の前記分圧用蓄電要素から第（ｋ＋ｎ−１）番目の前記分圧用蓄電要素までによって構成される前記分圧用蓄電要素の組に接続される請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電圧調整回路は、少なくとも２個の電圧調整用スイッチング素子と、少なくとも１個の磁気素子と、を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
すべての前記電圧調整回路において、前記電圧調整用スイッチング素子のそれぞれは、オン時間とオフ時間を同じにする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電圧調整回路は、少なくとも１個の信号絶縁部を備え、前記電圧調整回路の外部で生成された前記電圧調整用スイッチング素子のオンオフ信号を、前記信号絶縁部を経由して、前記電圧調整回路へ伝送する請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
少なくとも１個の前記電圧調整回路は、少なくとも１個の前記分圧用蓄電要素の電圧を検出する電圧検出回路を備え、前記電圧検出回路によって得られた電圧値に基づいて、前記分圧用蓄電要素の電圧を一定の値に制御する回路を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
少なくとも１個の前記電圧調整回路は、少なくとも１個の前記分圧用蓄電要素の電圧を検出する電圧検出回路を備え、前記電圧検出回路によって得られた電圧値に基づいて、前記分圧用蓄電要素の電圧を一定の値に制御する回路を備える請求項４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９】
前記分圧用蓄電要素の電圧を検出する電圧検出回路を備える前記電圧調整回路の他のすべての前記電圧調整回路は、少なくとも２個の前記電圧調整用スイッチング素子を有し、前記電圧調整用スイッチング素子のそれぞれは、オン時間とオフ時間を同じにする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも１個のトランスを備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記トランスは、３巻線以上の多巻線トランスである請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記主回路給電装置は、前記分圧用蓄電要素のそれぞれと並列に、直列接続された保護回路スイッチと保護回路抵抗と、を備える請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
すべての前記保護回路スイッチは、前記主回路制御装置の動作開始時にオフとなる請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記保護回路スイッチは、前記保護回路スイッチと前記保護回路抵抗の直列体に対して並列に接続されている前記分圧用蓄電要素の電圧が、前記分圧用蓄電要素を接続する前記電圧調整回路の有する電圧調整用スイッチング素子の耐電圧の接続される前記分圧用蓄電要素の個数の２倍の逆数倍以上になった時にオンとなる請求項１２または請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記保護回路スイッチは、前記主回路給電装置が供給する電力を用いて駆動される、請求項１２から請求項１４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】
本願は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
系統用電力変換装置などにおいて、装置内の高電位部に存在する制御装置に電力を供給する方式として主回路給電方式がある。主回路給電方式は、制御装置に電力を供給する回路を高電位部内に設置するため、給電回路に必要な絶縁耐圧が大幅に低減できる利点がある。
高電圧の主回路からゲート駆動用の電源に電力を供給する回路として、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力を直列接続し、出力を並列接続とした回路が開示されている。（例えば、特許文献１）。【０００３】
また、直列接続されたコンデンサとこれに並列接続されたスイッチと抵抗によってコンデンサ電圧が過電圧にならないように制御し、分圧コンデンサの一つからＤＣ／ＤＣコンバータを用いてゲート駆動用電源へ電力を供給する回路が開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９５３７号公報（段落［０００９］、［００１０］−［００１２］および図１、２）
【特許文献２】特開２００４−２３８３４号公報（段落［０００６］、［０００７］および図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の開示回路では、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側と出力側は異電位となり、トランスを用いて絶縁する必要があるため、給電回路が大型化する問題がある。【０００６】
また、特許文献２の開示回路では、分圧コンデンサの電圧に関して、抵抗を用いた回路によって放電を行うため、損失が大きくなる問題がある。【０００７】
本願は、上記の問題を解決するためになされたものであり、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置は、主回路スイッチング素子と主回路蓄電要素とを備える主回路と、主回路を制御する主回路制御装置と、主回路蓄電要素から主回路制御装置へ制御電源を供給する主回路給電装置と、を備える電力変換装置において、主回路給電装置は、直列接続された複数の分圧用蓄電要素と、複数の分圧用蓄電要素に接続され、複数の分圧用蓄電要素間の電力の授受により、複数の分圧用蓄電要素の電圧をそれぞれ調整する電圧調整回路と、複数の分圧用蓄電要素のうち、少なくとも１個の分圧用蓄電要素に接続され、制御電源を供給する、少なくとも１個のＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置によれば、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減を可能にすることを実現する電力変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１による電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１による電力変換装置に係る主回路の別の構成を示す回路構成図である。
【図３】実施の形態１による電力変換装置に係る主回路給電装置の回路構成図である。
【図４】実施の形態１による電力変換装置に係る主回路給電装置の変形例の回路構成図である。
【図５】実施の形態１による電力変換装置に係る主回路給電装置の変形例の回路構成図である。
【図６】実施の形態１による電力変換装置に係る主回路給電装置の変形例の回路構成図である。
【図７】実施の形態１による電力変換装置に係る電圧調整回路の基本構成図である。
【図８】実施の形態１による電力変換装置に係る電圧調整回路の回路構成図である。
【図９】実施の形態１による電力変換装置に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。
【図１０】実施の形態２による電力変換装置に係る電圧調整回路の回路構成図である。
【図１１】実施の形態３による電力変換装置に係る電圧調整回路の回路構成図である。
【図１２】実施の形態４による電力変換装置に係る主回路給電装置の回路構成図である。
【図１３】実施の形態４による電力変換装置に係る保護回路例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
実施の形態１は、主回路スイッチング素子と主回路蓄電要素とを備える主回路と、主回路を制御する主回路制御装置と、主回路蓄電要素から主回路制御装置へ制御電源を供給する主回路給電装置とを備え、主回路給電装置は、直列接続された複数の分圧用蓄電要素と、複数の分圧用蓄電要素に接続され、複数の分圧用蓄電要素間の電力の授受により、複数の分圧用蓄電要素の電圧をそれぞれ調整する電圧調整回路と、複数の分圧用蓄電要素のうち、少なくとも１個の分圧用蓄電要素に接続され、制御電源を供給する、少なくとも１個のＤＣ／ＤＣコンバータとを備える電力変換装置に関するものである。
【００１２】
以下、実施の形態１に係る電力変換装置の構成および動作について、電力変換装置の概略構成を示すブロック図である図１、主回路の別の構成を示す回路構成図である図２、主回路給電装置の回路構成図である図３、主回路給電装置の変形例の回路構成図である図４から図６、電圧調整回路の基本構成図である図７、電圧調整回路の回路構成図である図８、およびＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である図９に基づいて説明する。
【００１３】
実施の形態１の電力変換装置の構成および機能を図１に基づいて説明する。
電力変換装置１は、主回路給電装置１００、主回路制御装置２００、および主回路３００を備える。
主回路３００は主回路スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、および主回路蓄電要素ＣＭを備える。また、主回路制御装置２００は、ゲート駆動回路２１０、および制御信号生成回路２２０を備える。
【００１４】
本実施の形態１における主回路スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔоｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｌｅｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＣＴ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−оｆｆ）、およびサイリスタなどの任意の自己消弧型の半導体スイッチング素子を用いることができる。そして、これらの自己消弧型の半導体スイッチング素子に対して、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を逆並列に接続する構成としている。
【００１５】
半導体スイッチング素子は、Ｓｉを材料とした素子に限らず、ＳｉＣまたはＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体を材料とした素子（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてもよい。ＦＷＤは半導体スイッチング素子の寄生ダイオードを用いてもよい。
【００１６】
本実施の形態１における主回路３００は、モジュラーマルチレベル変換器に用いられる一つの単位変換器である。その構成は図１に示すハーフブリッジセルを想定しているが、図２に示す主回路スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を備えるフルブリッジセルでもよい。
なお、主回路３００は、他の単位変換器と接続するための主回路端子ＴＣａ、ＴＣｂを備えている。
【００１７】
主回路３００の構成は、主回路蓄電要素ＣＭを備え、その主回路蓄電要素ＣＭの電圧、エネルギをスイッチング素子によって電力変換を行う回路であれば、目的、用途に限定されずどのような回路であってもよい。その際、スイッチング素子の数、その他の素子の種類、および数に関しても限定されない。
【００１８】
実施の形態１の主回路給電装置１００は、主回路蓄電要素ＣＭから主回路３００、および主回路制御装置２００に電力を供給するように構成される。
【００１９】
主回路制御装置２００において、ゲート駆動回路２１０は主回路３００の主回路スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を駆動し、制御信号生成回路２２０は、ゲート駆動回路２１０に制御信号を出力する。
【００２０】
本実施の形態１では、主回路制御装置２００は、ゲート駆動回路２１０および制御信号生成回路２２０を備えているが、主回路制御装置２００は主回路３００内のスイッチング素子および機械スイッチを駆動、または制御に用いる装置全般を指し、その構成要素はゲート駆動回路２１０および制御信号生成回路２２０に限定されない。また、構成要素の数も限定されない。
【００２１】
次に主回路給電装置１００の構成、動作について、主回路給電装置１００の回路構成図である図３に基づいて説明する。
主回路給電装置１００は、分圧用蓄電要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、電圧調整回路ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３、ＢＣ４、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を備える。
【００２２】
また、主回路給電装置１００は、主回路給電装置入力端子Ｔ１ａ、Ｔ１ｂと、制御信号生成回路電源端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂと、ゲート駆動回路電源端子Ｔ３ａ、Ｔ３ｂとを備える。
なお、記載の簡素化を図るため、例えば、主回路給電装置入力端子Ｔ１ａを入力端子Ｔ１ａと、制御信号生成回路電源端子Ｔ２ａを電源端子Ｔ２ａと、ゲート駆動回路電源端子Ｔ３ａを電源端子Ｔ３ａと適宜記載する。
【００２３】
分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５は、入力端子Ｔ１ａおよび入力端子Ｔ２ａの間に直列に接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、その入力が一つの分圧用蓄電要素Ｃ５に接続され、出力は電源端子Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、および電源端子Ｔ３ａ、Ｔ３ｂに接続されている。
【００２４】
以下、説明を分かり易くし、記載の簡素化を図るため、直列接続された分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれをＣｋ（ｋは１≦ｋ≦５の範囲内の整数）と記載する。
また、主回路給電装置１００の要素Ｘ１〜Ｘ５（ここで、Ｘは要素のシンボルであり、分圧用蓄電要素Ｃおよび後述する保護回路スイッチＳ、保護回路抵抗Ｒ等を表す）に対し、高電位側からｋ番目の要素ＸをＸｋと記載する。
【００２５】
図３において、電圧調整回路ＢＣｋは、３個の電圧調整回路端子ｔｋａ、ｔｋｂ、ｔｋｃ（具体的には、ｔ１ａ、ｔ１ｂ、ｔ１ｃ、ｔ２ａ、ｔ２ｂ、ｔ２ｃ、ｔ３ａ、ｔ３ｂ、ｔ３ｃ、ｔ４ａ、ｔ４ｂ、ｔ４ｃ）を備えており、２個の分圧用蓄電要素Ｃｋ、Ｃ（ｋ＋１）に接続される。
なお、記載の簡素化のために、例えば、電圧調整回路端子ｔｋａを端子ｔｋａと記載する。
電圧調整回路ＢＣｋの高圧側の端子ｔｋａと低圧側の端子ｔｋｃとを除く端子ｔｋｂは、他の電圧調整回路ＢＣ（ｋ−１）の低圧側の端子ｔ（ｋ−１）ｃ、あるいは電圧調整回路ＢＣ（ｋ＋１）の高圧側の端子ｔ（ｋ＋１）ａ、またはその両方に接続される。
このように接続することで、すべての電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４に対し、２つの電圧調整回路ＢＣｋ、ＢＣ（ｋ＋１）は、共通して分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）に接続される。
分かり易くするために参照符号を省略して記載すると、各電圧調整回路は、直列接続された３個以上の分圧用蓄電要素のうち、少なくとも２個からなる分圧用蓄電要素の組に接続され、一の電圧調整回路が接続される分圧用蓄電要素の組の一部と、他の電圧調整回路が接続される少なくとも２個の分圧用蓄電要素の一部とが互いに重複する。
【００２６】
したがって、分圧用蓄電要素Ｃ１は電圧調整回路ＢＣ１を介して分圧用蓄電要素Ｃ２と電力を授受する。そして電力を授受された分圧用蓄電要素Ｃ２は、電圧調整回路ＢＣ２を介して分圧用蓄電要素Ｃ３と電力を授受する。分圧用蓄電要素Ｃ３は、電圧調整回路ＢＣ３を介して分圧用蓄電要素Ｃ４と電力を授受する。分圧用蓄電要素Ｃ４は、電圧調整回路ＢＣ４を介して分圧用蓄電要素Ｃ５と電力を授受する。
このように、すべての分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の間で電力の授受を可能とし、結果として、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５すべての電圧を調整することができる。
【００２７】
次に、主回路給電装置１００の変形例について、図４から図６に基づいて説明する。
図４、および図５における電圧調整回路ＢＣａｋは、４個の電圧調整回路端子ｔｋａ〜ｔｋｄを備える。
なお、図３の３個の端子ｔｋａ〜ｔｋｃを備える電圧調整回路ＢＣｋと区別するため、４個の端子ｔｋａ〜ｔｋｄ（具体的には、ｔ１ａ、ｔ１ｂ、ｔ１ｃ、ｔ１ｄ、ｔ２ａ、ｔ２ｂ、ｔ２ｃ、ｔ２ｄ、ｔ３ａ、ｔ３ｂ、ｔ３ｃ、ｔ３ｄ、ｔ４ａ、ｔ４ｂ、ｔ４ｃ、ｔ４ｄ）を備える電圧調整回路を電圧調整回路ＢＣａｋとしている。図４の主回路給電装置を主回路給電装置１００Ａと図５の主回路給電装置を主回路給電装置１００Ｂと区別している。
【００２８】
図４では、電圧調整回路ＢＣａｋは分圧用蓄電要素Ｃ（２ｋ−１）〜Ｃ（２ｋ＋１）の３個に接続される。ここで、電圧調整回路ＢＣａ１と電圧調整回路ＢＣａ２は共通して分圧用蓄電要素Ｃ３に接続される。
【００２９】
図５では電圧調整回路ＢＣａｋは分圧用蓄電要素Ｃｋ〜Ｃ（ｋ＋２）の３個に接続される。ここで、電圧調整回路ＢＣａ１と電圧調整回路ＢＣａ２は共通して分圧用蓄電要素Ｃ２とＣ３に接続されている。また、電圧調整回路ＢＣａ２と電圧調整回路ＢＣａ３は共通して分圧用蓄電要素Ｃ３とＣ４に接続されている。
【００３０】
図４、および図５における主回路給電装置１００の変形例において、電圧調整回路ＢＣａｋが接続されている分圧用蓄電要素のいずれかが他の電圧調整回路ＢＣａ（ｋ＋１）にも接続されている。
このようの構成することで、電圧調整回路ＢＣａｋのそれぞれが接続されている分圧用蓄電要素の電圧調整を独立に行うことができる。他の電圧調整回路ＢＣａｋと少なくとも１個の分圧用蓄電要素を共通して電圧調整するため、結果としてすべての分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の間で電力の授受が行われ、すべての分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧を調整できる。
【００３１】
さらに、図６に主回路給電装置１００の別の変形例を示す。
図３の電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４は分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の間の電圧を調整する機能を有するため、図６に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ１１０はどの分圧用蓄電要素Ｃｋに接続してもよい。図６においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、分圧用蓄電要素Ｃ４に接続されている。
なお、図６において、主回路給電装置を主回路給電装置１００Ｃと区別している。
【００３２】
図４〜図６に主回路給電装置のいくつかの変形例を示したが、本実施の形態の範囲内であれば分圧用蓄電要素Ｃｋ、電圧調整回路ＢＣｋ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のそれぞれの数およびその接続構成は限定されず、他の変形も可能である。
【００３３】
図３〜図６の主回路給電装置では、一つの分圧用蓄電要素（例えば、Ｃ５）にＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の入力を接続した。しかし、複数の分圧用蓄電要素の直列回路（例えば、Ｃ４およびＣ５の直列回路）にＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の入力を接続してもよい。
【００３４】
なお、以下の説明では、図３の主回路給電装置１００を適用することを想定している。
【００３５】
次に、電圧調整回路ＢＣｋの構成、動作について、図７、図８に基づいて説明する。
【００３６】
図７は実施の形態１による電圧調整回路の基本構成図である。
電圧調整回路ＢＣｋは電圧調整回路スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋ、および電圧調整回路磁気素子Ｌｋを備える。
なお、記載の簡素化を図るため、例えば、電圧調整回路スイッチング素子Ｑ１ｂｋをスイッチング素子Ｑ１ｂｋと、電圧調整回路磁気素子Ｌｋを磁気素子Ｌｋと適宜記載する。
【００３７】
スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋはＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴなどの任意の自己消弧型の半導体スイッチング素子を用いることができる。そして、これらの自己消弧型の半導体スイッチング素子に対して、ＦＷＤを逆並列に接続する構成としている。
【００３８】
スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋは直列に接続され、端子ｔｋａと端子ｔｋｃに接続されている。磁気素子Ｌｋは、スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋとの接続点の端子（スイッチング素子接続端子）ｔｋｍと端子ｔｋｂとの間に接続される。
なお、スイッチング素子接続端子ｔｋｍは、適宜接続端子ｔｋｍと記載する。
【００３９】
詳細な動作は後述するが、電圧調整回路ＢＣｋが接続されている分圧用蓄電要素Ｃｋ、Ｃ（ｋ＋１）の電圧とスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋのオンオフによって接続端子ｔｋｍに発生する平均電圧は決定され、分圧用蓄電要素Ｃｋと分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）との間で電力の授受が行われる。これにより、分圧用蓄電要素Ｃｋと分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）のそれぞれの電圧を調整できる。
【００４０】
したがって、電圧調整回路ＢＣｋは、抵抗を用いずに分圧用蓄電要素間の電力の授受によって電圧を調整するため、損失を抑えることができる。
【００４１】
図８は実施の形態１による電圧調整回路ＢＣｋの構成図である。
電圧調整回路ＢＣｋは、図７の基本回路構成で説明したスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋおよび磁気素子Ｌｋの他に、電圧調整回路ゲート駆動回路Ｇｄｋおよびパルス信号生成回路Ｐｌｓｋを備える。
なお、電圧調整回路ゲート駆動回路Ｇｄｋを、ゲート駆動回路Ｇｄｋと適宜記載する。
ゲート駆動回路Ｇｄｋは、パルス信号生成回路Ｐｌｓｋからの信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋを駆動する。
パルス信号生成回路Ｐｌｓｋは、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋを駆動するための信号を生成し、ゲート駆動回路Ｇｄｋに伝送する。
【００４２】
次に、電圧調整回路ＢＣｋの詳細な動作を説明する。
スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋは交互にオンとオフを繰り返す。分圧用蓄電要素Ｃｋの電圧がＶＣｋ、分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）の電圧がＶＣ（ｋ＋１）の時、スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋのオン時間とオフ時間を等しくすると、接続端子ｔｋｃから見た、スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋの接続点の端子ｔｋｍの平均的な電位は、（ＶＣｋ＋ＶＣ（ｋ＋１））／２となる。
したがって、電圧調整回路ＢＣｋは、接続している分圧用蓄電要素Ｃｋと分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）の電圧がその平均値となるように分圧用蓄電要素Ｃｋと分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）の間で電力の授受を行う。
【００４３】
結果として、分圧用蓄電要素Ｃｋと分圧用蓄電要素Ｃ（ｋ＋１）の平均電圧は常に等しくなる。この時、スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋのゲートには、オン時間とオフ時間が等しくなるような信号を与えればよい。
したがって、パルス信号生成回路Ｐｌｓｋは、オン時間とオフ時間が等しくなるようなパルスを生成すればよい。このため、電圧を監視してフィードバックする制御を行う必要がない。したがって、電圧センサ等を必要とせず、簡素な構成で回路を実現できる。
【００４４】
図８において、パルス信号生成回路Ｐｌｓｋがゲート駆動回路Ｇｄｋに出力している信号は１つになっている。ゲート駆動回路Ｇｄｋ内では、パルス信号生成回路Ｐｌｓｋのオンオフ信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋのオンオフが交互になるようにゲート信号を生成している。
しかし、パルス信号生成回路Ｐｌｓｋがオンオフ交互になっている２つの信号をゲート駆動回路Ｇｄｋに伝送してもよい。
なお、ゲート駆動回路Ｇｄｋがスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋを駆動するための電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、または分圧用蓄電要素Ｃｋから図示しない電力変換器によって供給される。
【００４５】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の構成、動作について、図９に基づいて説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータトランスＴｒ１、ＤＣ／ＤＣコンバータダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、ＤＣ／ＤＣコンバータスイッチング素子Ｑ１ｆ、ＤＣ／ＤＣコンバータ蓄電要素Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ｂを備える。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータトランスＴｒ１はトランス一次側巻線Ｔｒ１ａ、トランス二次側巻線Ｔｒ１ｂ、トランス三次側巻線Ｔｒ１ｃ、トランス四次側巻線Ｔｒ１ｄを備える。
【００４６】
なお、記載の簡素化を図るため、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータトランスＴｒ１をトランスＴｒ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータダイオードＤ１をダイオードＤ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータスイッチング素子Ｑ１ｆをスイッチング素子Ｑ１ｆと、ＤＣ／ＤＣコンバータ蓄電要素Ｃ１ｂを蓄電要素Ｃ１ｂと適宜記載する。また、例えば、トランス一次側巻線Ｔｒ１ａを一次側巻線Ｔｒ１ａと適宜記載する。
【００４７】
トランスＴｒ１の一次側巻線Ｔｒ１ａ、二次側巻線Ｔｒ１ｂ、三次側巻線Ｔｒ１ｃ、および四次側巻線Ｔｒ１ｄはそれぞれ絶縁されている。スイッチング素子Ｑ１ｆは、トランス一次巻線Ｔｒ１ａに直列接続されている。
スイッチング素子Ｑ１ｆは、任意の自己消弧型の半導体スイッチング素子を用いることができ、これにＦＷＤを逆並列に接続している。
【００４８】
電源端子Ｔ２ａと電源端子Ｔ２ｂの間には蓄電要素Ｃ１ｂが接続され、電源端子Ｔ３ａと電源端子Ｔ３ｂの間には蓄電要素Ｃ２ｂが接続されている。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御電源端子Ｔｃと分圧用蓄電要素Ｃ５の下端の間に蓄電要素Ｃ３ｂが接続されている。
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御電源端子Ｔｃを、適宜制御電源端子Ｔｃと記載する。
ここで、制御電源端子Ｔｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を駆動、制御する制御ＩＣ駆動用の電源の端子である。
【００４９】
以下にＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作を説明する。
スイッチング素子Ｑ１ｆのオン期間において、トランスＴｒ１に分圧用蓄電要素Ｃ５から供給されるエネルギが蓄積され、オフ期間にそのエネルギが出力側へと電力として伝達される。
蓄電要素Ｃ１ｂ〜Ｃ３ｂにエネルギが伝達されることで、出力電圧が発生し、主回路制御装置２００とＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御電源として使用される。
この構成において、トランスＴｒ１の各巻線Ｔｒ１ａ〜Ｔｒ１ｄの巻き数比が各々の電源に必要な電圧に合わせたトランスＴｒ１を用いることで、各電源において異なる電圧が必要な場合でも、１個のＤＣ／ＤＣコンバータ１１０で電力供給を可能とするとともに、必要なトランスが１個になる。
【００５０】
実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０としてフライバックコンバータを一例として挙げているが、トランスを用いたＤＣ／ＤＣコンバータならば、フォワードコンバータ等、公知の方式に置き換えることができる。
実施の形態１では、トランスＴｒ１の一つの巻線が一つの電源に電力を供給するような一対一の関係としているが、各々の電源の電圧が等しい場合、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と主回路制御装置２００との間に直流電圧を変化させる別の電力変換器が存在する場合には、トランスＴｒ１の一つの巻線から各々の電源へと電力を供給する方式でもよい。
また、ダイオードＤ１は任意のＦＷＤが並列に逆接続された半導体スイッチング素子に置き換えることができる。
【００５１】
主回路給電装置１００に１個のＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を備える構成を説明したが、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えて、それぞれ必要な電源を供給する構成としてもよい。
【００５２】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置は、主回路スイッチング素子と主回路蓄電要素とを備える主回路と、主回路を制御する主回路制御装置と、主回路蓄電要素から主回路制御装置へ制御電源を供給する主回路給電装置とを備え、主回路給電装置は、直列接続された複数の分圧用蓄電要素と、複数の分圧用蓄電要素に接続され、複数の分圧用蓄電要素間の電力の授受により、複数の分圧用蓄電要素の電圧をそれぞれ調整する電圧調整回路と、複数の分圧用蓄電要素のうち、少なくとも１個の分圧用蓄電要素に接続され、制御電源を供給する、少なくとも１個のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えるものである。
したがって、実施の形態１の電力変換装置は、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減を可能にすることができる。
【００５３】
実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、各電圧調整回路に電圧調整回路スイッチング素子を駆動するオンオフ信号を発生する共通のパルス信号生成回路を主回路給電装置内に設けたものである。
【００５４】
実施の形態２の電力変換装置について、電圧調整回路の回路構成図である図１０に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態２の構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
【００５５】
実施の形態１では、電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４のそれぞれがパルス信号生成回路Ｐｌｓ１〜Ｐｌｓ４を備えていた。それぞれのパルス信号生成回路Ｐｌｓｋがオン時間とオフ時間が等しくなるようなパルスを生成して、それぞれのゲート駆動回路Ｇｄｋに信号を伝送し、その信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋを駆動させていた。
【００５６】
パルス信号生成回路Ｐｌｓ１〜Ｐｌｓ４が同位相の信号を送った場合は、分圧用蓄電要素Ｃｋに対して、電圧調整回路スイッチング素子Ｑ１ｂｋがオンの時は、スイッチング素子Ｑ２ｂ（ｋ−１）はオフ、スイッチング素子Ｑ１ｂｋがオフの時は、スイッチング素子Ｑ２ｂ（ｋ−１）はオンというように、動作するため、スイッチング一周期において分圧用蓄電要素Ｃｋに過剰な電力の供給などが発生せず、リプルは一定となる。
【００５７】
しかし、パルス信号生成回路Ｐｌｓ１〜Ｐｌｓ４が異なる信号を送った場合は、分圧用蓄電要素Ｃｋに対して、スイッチング素子Ｑ１ｂｋがオンの時に、スイッチング素子Ｑ２ｂ（ｋ−１）もオン、または同時にオフといった状態が発生する可能性がある。
この場合、分圧用蓄電要素Ｃｋが過剰に放電、または充電するため、リプルが大きくなる。リプルが大きい場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御の安定性が悪化したり、リプルに対して過電圧検出を行う可能性がある。
【００５８】
実施の形態２の電力変換装置は、このような問題に対応するものである。
【００５９】
図１０は実施の形態２の電圧調整回路ＢＣｂｋの構成図である。
以下に実施の形態２における電圧調整回路ＢＣｂｋ、ならびに主回路給電装置１０１の構成について説明する。
なお、実施の形態１と区別するために、電圧調整回路ＢＣｂｋとし、主回路給電装置１０１としている。
【００６０】
実施の形態２における電圧調整回路ＢＣｂｋは、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋを駆動するゲート駆動回路Ｇｄｋと、信号絶縁部Ｉｎｓｋを備える。信号絶縁部Ｉｎｓｋは電圧調整回路ＢＣｂｋの外部の信号を電気的に絶縁された状態でゲート駆動回路Ｇｄｋへ伝送する。すなわち、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋのオンオフ信号を、信号絶縁部Ｉｎｓｋを経由して、電圧調整回路ＢＣｂｋへ伝送する。
実施の形態１では電圧調整回路ＢＣｋそれぞれがパルス信号生成回路Ｐｌｓｋを備えていたが、実施の形態２では、電圧調整回路ＢＣｂｋはパルス信号生成回路Ｐｌｓｋを備えない。
実施の形態２においては、パルス信号生成回路Ｐｌｓは１つのみで、主回路給電装置１０１内に備える。
しかし、一つの電圧調整回路ＢＣｂｋがパルス信号生成回路Ｐｌｓを備えてもよい。例えば、電圧調整回路ＢＣ４がパルス信号生成回路Ｐｌｓを備える構成としてもよい。
【００６１】
パルス信号生成回路Ｐｌｓは、その出力を各電圧調整回路ＢＣｂ１、ＢＣｂ２、ＢＣｂ３、ＢＣｂ４の有する信号絶縁部Ｉｎｓ１、Ｉｎｓ２、Ｉｎｓ３、Ｉｎｓ４に伝送する。パルス信号生成回路Ｐｌｓ一つで各電圧調整回路ＢＣｂ１〜ＢＣｂ４にオンオフ信号を伝送できるため、同期のとれたオン時間とオフ時間の等しいパルス信号を伝送することができる。
したがって、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧リプルおよび磁気素子Ｌｋの電流リプルを抑制できる。
【００６２】
信号絶縁部Ｉｎｓｋはフォトカプラを代表とする光送受信素子および光ファイバで構成された光伝送回路、あるいは交流結合素子を通して信号を伝送するデジタルアイソレータ等である。デジタルアイソレータは、磁気結合方式のカプラ、または静電容量結合方式のカプラを含む。
【００６３】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置は、各電圧調整回路に電圧調整回路スイッチング素子を駆動するオンオフ信号を発生する共通のパルス信号生成回路を主回路給電装置内に設けたものである。
したがって、実施の形態２の電力変換装置は、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減を可能にすることができる。さらに、分圧用蓄電要素の電圧リプルおよび磁気素子Ｌｋの電流リプルを抑制することができる。
【００６４】
実施の形態３．
実施の形態３の電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧を一定にすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータの設計を容易化したものである。
【００６５】
実施の形態３の電力変換装置について、電圧調整回路の回路構成図である図１１に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。なお、適宜実施の形態１の図面を参照する。
実施の形態３の構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
【００６６】
実施の形態１では、主回路蓄電要素ＣＭの電圧をすべての電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４によって均等にしている。したがって、主回路蓄電要素ＣＭの電圧が変化する場合、それに伴って各分圧用蓄電要素Ｃｋの電圧も変化する。
【００６７】
実施の形態１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、その動作を２つのモードに分けることができる。それらを電流連続モードと電流不連続モードと称する。
電流連続モードは、トランスＴｒ１にエネルギが蓄積されている状態でスイッチング素子Ｑ１ｆがオフ状態からオン状態になるモードである。スイッチング素子Ｑ１ｆがオフからオンになる瞬間、スイッチング素子Ｑ１ｆに電流が流れるため、スイッチング素子Ｑ１ｆのスイッチング損失が大きくなる。
【００６８】
電流不連続モードは、スイッチング素子Ｑ１ｆのオフ状態の時にトランスＴｒ１のエネルギが全て出力側へ送られ、トランスＴｒ１の蓄積エネルギが０の状態で、スイッチング素子Ｑ１ｆがオフ状態からオン状態になるモードである。スイッチング素子Ｑ１ｆがオフからオンになる瞬間のスイッチング素子Ｑ１ｆに流れる電流は０であるため、スイッチング素子Ｑ１ｆのスイッチング損失は小さくなる。ただし、エネルギを蓄積するために電流ピーク値を大きくする必要があるため、トランスＴｒ１が大型化し易い。
【００６９】
電流連続モードも電流不連続モードも入力電圧、出力電圧、および出力電力の仕様からトランスＴｒ１の励磁インダクタンス、スイッチング素子Ｑ１ｆのスイッチング周波数を設計することによって決定できる。すなわち、損失の低減、あるいはサイズの低減などの目的に応じて、定常動作時の動作モードを決定し、スイッチング周波数および励磁インダクタンスを設計する。
【００７０】
しかし、入力電圧、出力電圧、および出力電力のいずれかが定常動作時において大きく変化する場合、それらの変化する範囲を考慮して動作モードを決定する必要がある。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータの設計が困難になる場合がある。
【００７１】
すなわち、実施の形態１では、各分圧用蓄電要素Ｃｋの電圧が変化するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の入力電圧であるＣ５の電圧ＶＣ５も変化する。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の設計が困難になる可能性がある。
【００７２】
実施の形態３の電力変換装置はこのような問題に対応するものである。
【００７３】
図１１は実施の形態３の電圧調整回路ＢＣｃ４の構成図である。
以下に実施の形態３における電圧調整回路ＢＣｃ４、ならびに主回路給電装置１０２の構成について説明する。
なお、実施の形態１と区別するために、電圧調整回路ＢＣｃ４とし、主回路給電装置１０２としている。
【００７４】
実施の形態３における電圧調整回路ＢＣｃ４は、スイッチング素子Ｑ１ｂ４、Ｑ２ｂ４を駆動する電圧調整回路ゲート駆動回路Ｇｄ４、電圧検出回路Ｓｅｎｓ４、および電圧制御回路Ｃｔｒｌ４を備える。さらに、電圧調整回路ＢＣｃ４は、磁気素子Ｌ４を備える。
なお、電圧調整回路ゲート駆動回路Ｇｄ４は、ゲート駆動回路Ｇｄ４と適宜記載する。
電圧検出回路Ｓｅｎｓ４は、分圧用蓄電要素Ｃ５の電圧を検出する。電圧制御回路Ｃｔｒｌ４は、この検出した電圧の値に基づいてスイッチングパターンを変化させる。
【００７５】
スイッチングパターンを変化させる電圧制御回路Ｃｔｒｌ４については、ソフトウェア処理あるいはハードウェア処理の少なくとも一方によって実現される。また、他の電圧調整回路ＢＣｃ１〜ＢＣｃ３に関しては、実施の形態１と同様にスイッチング素子Ｑ１ｂｋとスイッチング素子Ｑ２ｂｋのオン時間とオフ時間が等しくなるような信号を与える。
【００７６】
次に、電圧調整回路ＢＣｃ４を含めた主回路給電装置１０２の動作について説明する。
電圧検出回路Ｓｅｎｓ４は、分圧用蓄電要素Ｃ５の電圧ＶＣ５を検出する。電圧制御回路Ｃｔｒｌ４は、この検出された分圧用蓄電要素Ｃ５の電圧ＶＣ５に基づいて、ゲート駆動するためのスイッチングパターンの信号をゲート駆動回路Ｇｄ４に出力する。ゲート駆動回路Ｇｄ４は、スイッチング素子Ｑ１ｂ４、Ｑ２ｂ４を制御することで、分圧用蓄電要素Ｃ５の電圧ＶＣ５を一定にする。
このとき、残りの分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ４の電圧ＶＣ１〜ＶＣ４はオン時間とオフ時間の割合が同等の電圧調整回路ＢＣｃ１〜ＢＣｃ３が接続されている。
【００７７】
このため、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ４の電圧ＶＣ１〜ＶＣ４は、
ＶＣｋ＝（ΣＶＣｋ−ＶＣ５）／４
となる。ここで、ΣＶＣｋは分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧の総和である。
【００７８】
したがって、分圧用蓄電要素Ｃ５の電圧値を一定にしながら、他の分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ４の電圧は均一化され、過電圧を発生させることなく安定して動作することができる。
また、分圧用蓄電要素Ｃ５の電圧値を一定にすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の設計が容易になる。
【００７９】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧を一定にすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータの設計を容易化したものである。
したがって、実施の形態３の電力変換装置は、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減を可能にすることができる。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータの設計を容易化することができる。
【００８０】
実施の形態４．
実施の形態４の電力変換装置は、電圧調整回路に過電圧防止用の保護回路を設けたものである。
【００８１】
実施の形態４の電力変換装置について、主回路給電装置の構成図である図１２、および電圧調整回路の保護回路例の構成図である図１３に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態４の構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
【００８２】
実施の形態１では、電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４は、すべての分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの電圧を調整した。しかし、いずれかの電圧調整回路ＢＣｋの故障、あるいは外乱等の影響によって、電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４による電圧調整が不可能になってしまう場合、いずれかの分圧用蓄電要素Ｃｋが過電圧となって、分圧用蓄電要素Ｃｋ、あるいは電圧調整回路ＢＣｋ内に含まれるスイッチング素子の耐圧を超過する可能性がある。
【００８３】
実施の形態４はこのような問題に対応するものである。
【００８４】
図１２は実施の形態４の主回路給電装置１０３の構成図である。
以下に実施の形態４の主回路給電装置１０３の構成について説明する。
なお、実施の形態１と区別するために、主回路給電装置１０３としている。
【００８５】
本実施の形態４における主回路給電装置１０３は、実施の形態１における主回路給電装置１００の構成に加え、保護回路スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、および保護回路抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を備える。さらに、主回路給電装置１０３は、過電圧検出回路Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２、Ｄｅｔ３、Ｄｅｔ４、Ｄｅｔ５を備える。
なお、記載の簡素化のために、例えば、保護回路スイッチＳ１をスイッチＳ１と、保護回路抵抗Ｒ１を抵抗Ｒ１と適宜記載する。
スイッチＳｋと抵抗Ｒｋとは直列に接続され、分圧用蓄電要素Ｃｋに並列に接続されている。さらに、過電圧検出回路Ｄｅｔｋは、分圧用蓄電要素Ｃｋの過電圧を検出する。なお、図１２において、過電圧検出回路をＶＤと記載している。
【００８６】
スイッチＳｋはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子、およびリレーなどの機械スイッチを用いることができる。
【００８７】
スイッチＳｋは、主回路制御装置２００が非動作時においてすべてオンとなる。また、主回路制御装置２００が動作時においても、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の内の一つの電圧が過電圧になった時にもオンとなる。このときは、電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ５のすべてと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作を停止させる。
すべての電圧調整回路ＢＣｋおよびＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作を停止させることで、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５それぞれの耐電圧を超過するような過電圧を防ぐことができる。
【００８８】
ここで、過電圧とは、分圧用蓄電要素Ｃｋの電圧がスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋの耐電圧の０．２５倍以上になった状態を意味する。
これは、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋに発生するサージ電圧は、そのスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋに印加されるサージ電圧を考慮しない時の電圧の２倍が最大値であることに基づく。すなわち、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋに通常印加される電圧は、分圧用蓄電要素ＣｋとＣ（ｋ＋１）それぞれの電圧の和であるから、サージ電圧も含めると、分圧用蓄電要素Ｃｋの電圧がスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋの耐電圧の０．２５倍以上になった時に過電圧となる可能性ある。
したがって、分圧用蓄電要素Ｃｋの電圧がスイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋの耐電圧の０．２５倍以上になった時を過電圧とする。
【００８９】
以上は、２つの分圧用蓄電要素に対して、１つの電圧調整回路が接続されている場合、すなわち、分圧用蓄電要素が２個であるから１／４＝０．２５となる。
これを一般化すると、スイッチング素子Ｑ１ｂｋ、Ｑ２ｂｋの耐電圧の（１／（２×接続される分圧用蓄電要素の個数）））になったとき、過電圧となる可能性がある。
ここで、（１／（２×接続される分圧用蓄電要素の個数））は、接続される分圧用蓄電要素の個数の２倍の逆数である。
【００９０】
以下に詳細の動作について記述する。
まず、スイッチＳｋがノーマリーオン型のスイッチである場合について説明する。
スイッチＳｋがノーマリーオン型のスイッチである場合、主回路制御装置２００が非動作時には信号を送らないことでスイッチＳｋはオンとなる。
主回路制御装置２００が動作時には、主回路給電装置１０３からの供給電力によってスイッチＳｋをオフにする。また、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の内一つの電圧が過電圧になった時は、電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４の全てと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作を停止する。この電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４およびＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作停止で、主回路給電装置１０３からの電力供給が失われるため、スイッチＳｋは自動的にオンとなる。
【００９１】
次に、スイッチＳｋがノーマリーオフ型のスイッチである場合について説明する。
スイッチＳｋがノーマリーオフ型のスイッチである場合、そのスイッチＳｋがオンとなるためには、電力の供給が必要となる。
図１３にノーマリーオフ型のスイッチを使用した場合、要求される動作を実現できる保護回路の一例を示す。
この場合、主回路給電装置１０３は、スイッチＳｋおよび抵抗Ｒｋに加えて、ノーマリーオフ型の保護回路スイッチＳｄｋ、保護回路抵抗Ｒｄｋ、保護回路ツェナーダイオードＺｋ、保護回路蓄電素子Ｃｄｋをさらに備える。
なお、記載の簡素化のために、保護回路スイッチＳｄｋをスイッチＳｄｋと、保護回路抵抗Ｒｄｋを抵抗Ｒｄｋと、保護回路ツェナーダイオードＺｋをツェナーダイオードＺｋと適宜記載する。
【００９２】
図１３のスイッチＳｋ、Ｓｄｋでは、代表してＭＯＳＦＥＴを記述しているが、ＩＧＢＴなどの機械スイッチを含む他のノーマリーオフ型のスイッチでも良い。
また、抵抗Ｒｄｋは抵抗Ｒｋの抵抗値と比べて非常に大きい。スイッチＳｄｋは図示しないゲート駆動部によって駆動され、ゲート駆動部が駆動するための電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、または分圧用蓄電要素Ｃｋから図示しない電力変換器によって供給される。
ここで、スイッチＳｋのゲート駆動電圧は、ツェナーダイオードＺｋの降伏電圧よりも低いものとする。スイッチＳｄｋのゲート信号は主回路制御装置２００、または図示しない制御装置から駆動される。
【００９３】
まず、主回路蓄電要素ＣＭの電圧が０Ｖ、または分圧用蓄電要素Ｃｋそれぞれに印加される電圧がツェナーダイオードＺｋの降伏電圧よりも電圧が低いとき、スイッチＳｋのゲート電圧は０Ｖとなる。したがってスイッチＳｋはオフとなる。
【００９４】
次に、分圧用蓄電要素Ｃｋに印加される電圧がツェナーダイオードＺｋよりも大きく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０が動作する範囲よりも小さいとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は動作しない。このため、スイッチＳｄｋに供給される電力は０となる。
このとき、スイッチＳｋはそのゲート駆動電圧がツェナーダイオードＺｋよりも小さいことから、ツェナーダイオードの降伏電圧が印加されて、オンとなる。
したがって、保護回路スイッチＳ１〜Ｓ５はオンとなり、保護回路抵抗Ｒ１〜Ｒ５によって分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧がバランスされる。
【００９５】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を含む、主回路給電装置１０３が正常に動作しているときは、主回路制御装置２００から、スイッチＳｄｋに対してオン信号を送る。スイッチＳｄｋはＤＣ／ＤＣコンバータ１１０から電力が供給されるため、駆動可能となり、スイッチＳｄｋはオンとなる。
このとき、保護回路蓄電素子Ｃｄｋの電荷は引き抜かれるため、スイッチＳｋのゲート電圧は０Ｖ程度まで降下し、スイッチＳｋはオフとなる。
したがって、主回路給電装置１０３が正常に動作しているときは、抵抗Ｒｋに電流が流れず、高抵抗である抵抗Ｒｄｋにのみ流れ、抵抗による定常損失を抑えることができる。
【００９６】
分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５のいずれかが過電圧になったときは、すべての電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４とＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を停止させる。
過電圧検出回路Ｄｅｔ１〜Ｄｅｔ５が過電圧を検出したとき、主回路制御装置２００、または図示しないその他の制御装置からスイッチＳｄ１〜Ｓｄ５にオフ信号を送る。
まず、電圧調整回路ＢＣ１〜ＢＣ４およびＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の停止直後は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、または主回路制御装置２００に含まれる蓄電要素によって、すぐには電力は失われない。
このため、制御信号によって、スイッチＳｄｋをオフする必要がある。スイッチＳｄｋをオフすることで、スイッチＳｋがオンするため、各分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧は等しくなる。
【００９７】
時間が経過すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、または主回路制御装置２００の蓄電要素の電荷が失われる。このときは、スイッチＳｄｋへの駆動電力も失われるため、スイッチＳｄｋはオフ状態を保ち、分圧用蓄電要素Ｃｋに電圧が印加されている限り、スイッチＳｋはオンとなる。したがって、各分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧はバランスされる。
【００９８】
以上のように、ノーマリーオフ型のスイッチＳｋにおいても、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５に電圧が印加されている場合は、正常な動作時においては、オフになり、非動作時および過電圧時はオンになる。
したがって、いかなる時も分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５の電圧アンバランスを防ぐことができ、かつ定常損失を最低限に抑えることができる。
以上説明したように、分圧用蓄電要素Ｃｋの過電圧に対して、スイッチＳｋはノーマリーオン型、ノーマリーオフ型のどちらでも使用することができる。
【００９９】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置は、電圧調整回路に過電圧防止用の保護回路を設けたものである。
したがって、実施の形態４の電力変換装置は、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減を可能にすることができる。さらに、分圧用蓄電要素に過電圧が発生した場合でも、電圧調整回路内のスイッチング素子を保護することができる。
【０１００】
実施の形態１から実施の形態４において、分圧用蓄電要素Ｃ１〜Ｃ５、ＤＣ／ＤＣコンバータ蓄電要素Ｃ１ｂ〜Ｃ３ｂ、保護回路蓄電素子Ｃｄ１〜Ｃｄ５、主回路蓄電要素ＣＭは、電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサ、および電気二重層コンデンサ等の各種コンデンサを用いることができる。あるいは、二次電池でもよい。
【０１０１】
また、実施の形態１から実施の形態４において、電圧調整回路磁気素子Ｌｋはインダクタを用いることができる。この時、インダクタのコア材は限定されない。
【０１０２】
実施の形態１から実施の形態４において、主回路給電装置はＤＣ／ＤＣコンバータを１つのみ含む構成としているが、２以上のＤＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。
ただし、トランスの数を少なくするためには、ＤＣ／ＤＣコンバータの数を分圧コンデンサの数よりも少なくする必要がある。
【０１０３】
実施の形態１から実施の形態４において、主回路給電装置は複数の電圧調整回路を含むが、１つの電圧調整回路のみを含んでもよい。
例えば、主回路給電装置は、２つの分圧用蓄電要素と、その２つの分圧用蓄電要素に接続される１つの電圧調整回路とを備える構成であってもよい。この場合、一方の分圧用蓄電要素にＤＣ／ＤＣコンバータが接続される。
【０１０４】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組合せで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組合せる場合が含まれるものとする。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本願は、主回路給電装置の小型化を可能にし、かつ損失の低減を可能にすることができるため、電力変換装置に広く適用できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１  電力変換装置、１００，１００Ａ〜１００Ｂ，１００Ｃ，１０１〜１０３  主回路給電装置、１１０  ＤＣ／ＤＣコンバータ、２００  主回路制御装置、２１０  ゲート駆動回路、２２０  制御信号生成回路、３００  主回路、Ｑ１〜Ｑ４  主回路スイッチング素子、ＣＭ  主回路蓄電要素、Ｃ１〜Ｃ５，Ｃｋ  分圧用蓄電要素、ＢＣ１〜ＢＣ４，ＢＣａ１〜ＢＣａ３，ＢＣｋ，ＢＣｂｋ，ＢＣｃ４  電圧調整回路、Ｃ１ｂ，Ｃ２ｂ，Ｃ３ｂ  ＤＣ／ＤＣコンバータ蓄電要素、Ｃｔｒｌ４  電圧制御回路、Ｄｅｔ１〜Ｄｅｔ５  過電圧検出回路、Ｇｄ４  電圧調整回路ゲート駆動回路、Ｉｎｓｋ  信号絶縁部、Ｌｋ  電圧調整回路磁気素子、Ｐｌｓ，Ｐｌｓｋ  パルス信号生成回路、Ｑ１ｆ  ＤＣ／ＤＣコンバータスイッチング素子、Ｑ１ｂｋ，Ｑ２ｂｋ  電圧調整回路スイッチング素子、ｔｋａ〜ｔｋｄ  電圧調整回路端子、ｔｋｍ  スイッチング素子接続端子、Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ  主回路給電装置入力端子、Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ  制御信号生成回路電源端子、Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ  ゲート駆動回路電源端子、ＴＣａ，ＴＣｂ  主回路端子、Ｔｃ  ＤＣ／ＤＣコンバータ制御電源端子、Ｓ１〜Ｓ５  保護回路スイッチ、Ｒ１〜Ｒ５  保護回路抵抗、Ｒｄｋ  保護回路抵抗、Ｃｄｋ  保護回路蓄電素子、Ｓｄｋ  保護回路スイッチ、Ｓｅｎｓ４  電圧検出回路、Ｚｋ  保護回路ツェナーダイオード、Ｄ１〜Ｄ３  ＤＣ／ＤＣコンバータダイオード、Ｔｒ１  ＤＣ／ＤＣコンバータトランス、Ｔｒ１ａ  トランス一次側巻線、Ｔｒ１ｂ  トランス二次側巻線、Ｔｒ１ｃ  トランス三次側巻線、Ｔｒ１ｄ  トランス四次側巻線。
【要約】
主回路給電装置（１００）は、直列接続された複数の分圧用蓄電要素（Ｃ１−Ｃ５）と、複数の分圧用蓄電要素（Ｃ１−Ｃ５）間の電力の授受により、複数の分圧用蓄電要素（Ｃ１−Ｃ５）の電圧をそれぞれ調整する電圧調整回路（ＢＣ１−ＢＣ４）と、少なくとも１個の分圧用蓄電要素（Ｃ１−Ｃ５）に接続され、主回路（３００）を制御する主回路制御装置（２００）へ制御電源を供給する、少なくとも１個のＤＣ／ＤＣコンバータ（１１０）を備える。【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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