JP6933558B2

JP6933558B2 - 電力変換器および電力変換装置

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Publication number: JP6933558B2
Application number: JP2017212828A
Authority: JP
Inventors: 卓郎新井; 宏餅川; 洋一森島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: JP2019088056A

Description

本発明の実施形態は、電力変換器および電力変換装置に関する。

従来、例えば、交流を直流または直流を交流に変換する電力変換器には、３相２レベル変換器が採用されてきた。３相２レベル変換器は、直流から３相交流を出力する電力変換器を構成する上で必要最小限の半導体スイッチング素子６個で構成されるため、小型低コスト化を図ることが出来る。

一方、その出力電圧波形は、入力直流電圧をＶｄｃとしたとき、相ごとに、＋Ｖｄｃ／２と、−Ｖｄｃ／２との２値の切替（スイッチング）をＰＷＭ（パルス幅変調）で行い、擬似的に交流波形が生成された波形となっており、多分にスイッチングに起因する高調波電圧を含んでいる。このため、スイッチング高調波を低減するために、３相交流出力にリアクトルやコンデンサで構成されるフィルタを挿入する対策が取られる。しかしながら、電力系統に流れ出す高調波成分が他の機器に悪影響を及ぼさないレベルまで十分低減するためには、このフィルタ容量を大きくする必要があり、コスト上昇と、重量増加を招いていた。

また、上記フィルタを小型化することを目的に、スイッチングを高周波化することもあるが、スイッチングに伴う損失が増大し、電力ロスが大きくなるのみならず、電力変換器の冷却性能を上げる必要が生じる。屋外等で冷却ファンの設置が困難な環境で使われる場合には、その冷却部が大型化する。

これに対し、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のように、単位変換器を多段接続し、電力系統、配電系統電圧と同等な高電圧を変換できる電力変換器の研究開発も進められている。モジュラー・マルチレベル変換器によれば、多レベル化により出力電圧・電流波形が正弦波に近づけることができるため、高調波フィルタが不要となる。さらに、各単位変換器のスイッチングタイミングをずらすことにより、より低周波のスイッチングで同じ高調波含有量となるため、スイッチング損失を低減することも可能になる。

特許第５８８１３８６号公報

萩原誠、赤木泰文著、「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，２００８ Fang Zheng Peng, "A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 37, NO. 2, MARCH/APRIL 2001 pp. 611-618

モジュラー・マルチレベル変換器を構成する単位変換器は、多レベルの電圧を出力するために、それぞれがコンデンサを有する必要がある。そのため、複数の単位変換器のコンデンサ電圧を適切な電圧に制御するために、１つの単位変換器ごとにフィードバック制御など、複雑な制御を多数実装する必要があった。

さらに、単位変換器が出力する電圧および流れる電流によって、コンデンサには主に交流周波数の成分をもつ電圧脈動が発生し、単位変換器の半導体素子の耐圧を超えてしまう恐れがあり、半導体素子の耐圧を考慮して十分な容量のコンデンサを搭載すると、機器を小型化することが困難であった。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、複雑な制御を行う必要がなく、かつ、小型な電力変換器および電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態に電力変換器は、高電位側の主回路配線と、低電位側の主回路配線と、複数相の交流端子と、前記高電位側の主回路配線と前記低電位側の主回路配線との間に直列に接続された正側アームおよび負側アームをそれぞれ備えた複数相のアームユニットと、を備え、前記正側アームと前記負側アームとの接続部は対応する前記交流端子と電気的に接続し、前記正側アームと前記負側アームとのそれぞれは、直列に接続された一対のスイッチング素子と、一対の前記スイッチング素子と並列に接続した蓄電部と、をそれぞれ備えた複数の単位変換器と、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部を並列に接続する経路に設けられた少なくとも１つの補助スイッチング素子と、を備え、前記高電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部は、他相のアームユニットの、前記高電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部と並列に接続され、前記低電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部は、他相のアームユニットの、前記低電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部と並列に接続されている。

図１は、第１実施形態の電力変換器および電力変換装置の構成を概略的に示す図である。図２Ａは、図１に示す電力変換装置の補助スイッチング素子の動作の一例を説明するための図である。図２Ｂは、図１に示す電力変換装置の補助スイッチング素子の動作の一例を説明するための図である。図２Ｃは、図１に示す電力変換装置の補助スイッチング素子の動作の一例を説明するための図である。図３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で発生する交流周波数の成分を含むコンデンサ電圧の一例を示す図である。図４は、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。図５は、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置の隣接した単位変換器の動作の一例を説明するための図である。図６は、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置の隣接した単位変換器の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。図７は、第２実施形態の電力変換装置におけるキャリア信号の周波数の一例について説明するための図である。

以下、一実施形態の電力変換装置について、図面を参照して説明する。
図１は、第１実施形態の電力変換器および電力変換装置の構成を概略的に示す図である。

本実施形態の電力変換装置ＣＶは、電力変換器１００とコントローラ２００とを備えている。電力変換器１００は、正側直流端子Ｐと負側直流端子Ｎに接続される直流側と３相交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される交流側との間に接続される。

電力変換器１００は、複数のアームユニットＵＮＴを備えている。複数のアームユニットＵＮＴのそれぞれは、正側アーム１０と負側アーム２０とを備えている。以下では、一例としてＵ相のアームユニットＵＮＴの構成について説明するが、他の相のアームユニットＵＮＴも同様の構成である。

正側アーム１０は、一端で正側直流端子Ｐと電気的に接続し、負側アーム２０は一端で負側直流端子Ｎと電気的に接続している。正側アーム１０と負側アーム２０とは、他端同士で互いに電気的に接続される。正側直流端子Ｐ及び負側直流端子Ｎに接続された、正側アーム１０と負側アーム２０との端部が直流端子であり、正側アーム１０と負側アーム２０との接続点が各相の交流端子である。

正側アーム１０および負側アーム２０のそれぞれは複数の単位変換器１１−１３、２１−２３を備えている。正側アーム１０の複数の単位変換器１１−１３は直列に接続している。負側アーム２０の単位変換器２１−２３は直列に接続している。本実施形態の電力変換器１００は、正側アーム１０および負側アーム２０のそれぞれにおいて、複数の単位変換器１１−１３、２１−２３のスイッチングタイミングが互いにずれることにより、階段状の交流電圧等の任意の電圧を出力することができる。

正側アーム１０は、３つの単位変換器１１−１３を備えている。単位変換器１１は、直列接続された２つの（一対の）スイッチング素子Ｓ_Ｐ１、Ｓ_Ｎ１と、２つのスイッチング素子Ｓ_Ｐ１、Ｓ_Ｎ１に対して並列接続された蓄電部（例えばコンデンサ）Ｃ１と、を備えている。単位変換器１２は、直列接続された２つの（一対の）スイッチング素子Ｓ_Ｐ２、Ｓ_Ｎ２と、２つのスイッチング素子Ｓ_Ｐ２、Ｓ_Ｎ２に対して並列接続された蓄電部（例えばコンデンサ）Ｃ２と、を備えている。単位変換器１３は、直列接続された２つの（一対の）スイッチング素子Ｓ_Ｐ３、Ｓ_Ｎ３と、２つのスイッチング素子Ｓ_Ｐ３、Ｓ_Ｎ３に対して並列接続された蓄電部（例えばコンデンサ）Ｃ３と、を備えている。

正側アーム１０は２つの補助スイッチング素子ＳＣ１、ＳＣ２を更に備えている。例えば、隣り合う単位変換器１１、１２、１３の蓄電部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３同士は、補助スイッチング素子ＳＣ１、ＳＣ２を介して、電気的に並列に接続可能である。補助スイッチング素子ＣＳ１、ＣＳ２は、コントローラ２００からの制御信号Ｇｕｃ１、Ｇｕｃ２により動作を制御される。

補助スイッチング素子ＳＣ１は、蓄電部Ｃ１の負側端子と蓄電部Ｃ２の負側端子とを電気的に接続する経路に設けられ、蓄電部Ｃ１と蓄電部Ｃ２とを並列に接続する経路の電気的接続状態を切り替え可能である。

補助スイッチング素子ＳＣ２は、蓄電部Ｃ２の負側端子と蓄電部Ｃ３の負側端子とを電気的に接続する経路に設けられ、蓄電部Ｃ２と蓄電部Ｃ３とを並列に接続する経路の電気的接続状態を切り替え可能である。

正側アーム１０の最も高電位側にある単位変換器１１の蓄電部Ｃ１は、正側端子が、高電位側の主回路を介して他相の高電位側の単位変換器の蓄電部の正側端子と電気的に接続し、負側端子が、他相の高電位側の単位変換器の蓄電部の負側端子と電気的に接続している。すなわち、複数相の正側アーム１０の最も高電位側に配置された単位変換器１１の蓄電部Ｃ１は、互いに電気的に接続している。

負側アーム２０も同様に、３つの単位変換器２１−２３を備えている。単位変換器２１は、直列接続された２つの（一対の）スイッチング素子Ｓ_Ｐ４、Ｓ_Ｎ４と、２つのスイッチング素子Ｓ_Ｐ４、Ｓ_Ｎ４に対して並列接続された蓄電部（例えばコンデンサ）Ｃ４と、を備えている。単位変換器２２は、直列接続された２つの（一対の）スイッチング素子Ｓ_Ｐ５、Ｓ_Ｎ５と、２つのスイッチング素子Ｓ_Ｐ５、Ｓ_Ｎ５に対して並列接続された蓄電部（例えばコンデンサ）Ｃ５と、を備えている。単位変換器２３は、直列接続された２つの（一対の）スイッチング素子Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ６と、２つのスイッチング素子Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ６に対して並列接続された蓄電部（例えばコンデンサ）Ｃ６と、を備えている。

負側アーム２０は２つの補助スイッチング素子ＳＣ３、ＳＣ４を更に備えている。例えば、隣り合う単位変換器２１、２２、２３の蓄電部Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６同士は、補助スイッチング素子ＳＣ３、ＳＣ４を介して、その一端が電気的に並列に接続可能である。補助スイッチング素子ＣＳ３、ＣＳ４は、コントローラ２００からの制御信号Ｇｕｃ３、Ｇｕｃ４により動作を制御される。

補助スイッチング素子ＳＣ３は、蓄電部Ｃ４の正側端子と蓄電部Ｃ５の正側端子とを電気的に接続する経路に設けられ、蓄電部Ｃ４と蓄電部Ｃ５とを並列に接続する経路の電気的接続状態を切り替え可能である。

補助スイッチング素子ＳＣ４は、蓄電部Ｃ５の正側端子と蓄電部Ｃ６の正側端子とを電気的に接続する経路に設けられ、蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６とを並列に接続する経路の電気的接続状態を切り替え可能である。

負側アーム２０の最も低電位側にある単位変換器２１の蓄電部Ｃ４は、負側端子が、低電位側の主回路を介して他相の低電位側の単位変換器の蓄電部の負側端子と電気的に接続し、正側端子が、他相の低電位側の単位変換器の蓄電部の正側端子と電気的に接続している。すなわち、複数相の負側アーム２０の最も低電位側に配置された単位変換器２１の蓄電部Ｃ４は、互いに電気的に接続している。

単位変換器１１−１３、２１−２３のスイッチング素子Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ１−Ｓ_Ｎ６は、例えばＩＥＧＴ（injection Enhanced Gate transistor）の自己消弧型のスイッチング素子と、ＩＥＧＴに逆並列接続された帰還ダイオードとを備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、ＧＴＯ（gate turn-off thyristor）、ＧＣＴ（gate communicated turn-off thyristor）、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等、素子のオン（導通状態）とオフ（非導通状態）とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。スイッチング素子Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ１−Ｓ_Ｎ６は、コントローラ２００からの制御信号Ｇ_ｕｐ１−Ｇ_ｕｐ６、Ｇ_ｕｎ１−Ｇ_ｕｎ６によりその動作を制御される。

各相の正側アーム１０は、リアクトルＬ１を更に備え、リアクトルＬ１を介して対応する３相交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと電気的に接続している。各相の負側アーム２０は、リアクトルＬ２を更に備え、リアクトルＬ２を介して対応する３相交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗと電気的に接続している。

コントローラ２００は、例えば外部から供給されたデューティ信号（出力指令）に基づいて、所望の出力が得られるように各相の正側アーム１０および負側アーム２０の動作を制御する。コントローラ２００は、各相のアームユニットＵＮＴへ、スイッチング素子Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ１−Ｓ_Ｎ６の制御信号Ｇ_ｕｐ＃、Ｇ_ｕｎ＃、Ｇ_ｖｐ＃、Ｇ_ｖｎ＃、Ｇ_ｗｐ＃、Ｇ_ｗｎ＃（＃：１〜６）と、補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４の制御信号Ｇ_ｕｃ＃、Ｇ_ｖｃ＃、Ｇ_ｗｃ＃（＃：１〜４）を出力する。

コントローラ２００は、直列に接続された複数の単位変換器１１−１３、２１−２３の隣接した蓄電部Ｃ１−Ｃ６を並列に接続する経路に介在するスイッチング素子Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ２、Ｓ_Ｎ４−Ｓ_Ｎ５がオンであるときに、対応する補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４をオンとし、スイッチング素子Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ２、Ｓ_Ｎ４−Ｓ_Ｎ５がオフであるときに、対応する補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４をオフとする。

コントローラ２００は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、プロセッサにより実行されるプログラムが格納されたメモリと、を備えた演算装置である。

図２Ａ乃至図２Ｃは、図１に示す電力変換装置の補助スイッチング素子の動作の一例を説明するための図である。
ここでは、たとえば、負側アーム２０の２つの隣接する単位変換器２２、２３の蓄電部Ｃ５、Ｃ６の電圧をバランスさせる方法を説明する。コントローラ２００は、隣接する単位変換器２２、２３の蓄電部Ｃ５、Ｃ６の正側端子同士および負側端子同士が接続されるように、補助スイッチング素子ＳＣ４を動作させる。これにより、負側アーム２０の隣接する蓄電部Ｃ５、Ｃ６の電圧を一致させることができる。

単位変換器２２、２３のスイッチング素子Ｓ_Ｐ５、Ｓ_Ｎ５、Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ６は、所望の電力変換が行えるように制御されており、それぞれ独立に制御されている。ただし、基本的にはスイッチング素子Ｓ_Ｐ５とスイッチング素子Ｓ_Ｎ５とは相補動作となり、スイッチング素子Ｓ_Ｐ６とスイッチング素子Ｓ_Ｎ６とは相補動作となる。

図２Ａでは、スイッチング素子Ｓ_Ｐ６がオフ（自己消弧型のスイッチング素子の非導通状態）、スイッチング素子Ｓ_Ｎ６がオン（自己消弧型のスイッチング素子の導通状態）、スイッチング素子Ｓ_Ｐ５がオン、スイッチング素子Ｓ_Ｎ５がオフとなっている状態を示している。このとき、コントローラ２００は、補助スイッチング素子ＳＣ４をオフに制御する。

仮に、このときに、コントローラ２００が補助スイッチング素子ＳＣ４をオンとすると、蓄電部Ｃ６が補助スイッチング素子ＳＣ４およびスイッチング素子Ｓ_Ｐ５によって短絡されてしまう。そのため、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｐ５と、補助スイッチング素子ＳＣ４との両方が、オンである期間が生じないように制御を行う。

図２Ｂでは、スイッチング素子Ｓ_Ｐ６がオフ、スイッチング素子Ｓ_Ｎ６がオン、スイッチング素子Ｓ_Ｐ５がオフ、スイッチング素子Ｓ_Ｎ５がオンとなっている状態を示している。このとき、コントローラ２００は、補助スイッチング素子ＳＣ４をオンに制御する。

この状態では、蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６とは、補助スイッチング素子ＳＣ４とスイッチング素子Ｓ_Ｎ５とによって並列に接続され、蓄電部Ｃ５の電圧Ｖ_Ｃ５と蓄電部Ｃ６の電圧Ｖ_Ｃ６とが等しくなる。

図２Ｃでは、スイッチング素子Ｓ_Ｐ６がオン、スイッチング素子Ｓ_Ｎ６がオフ、スイッチング素子Ｓ_Ｐ５がオフ、スイッチング素子Ｓ_Ｎ５がオンとなっている状態を示している。このとき、コントローラ２００は、図２Ｂに示した場合と同様に、補助スイッチング素子ＳＣ４をオンに制御する。

すなわち、負側アーム２０は、第３単位変換器（例えば単位変換器２２）と、単位変換器２２の正側に隣接した第４単位変換器（例えば単位変換器２３）と、を備え、第３単位変換器の蓄電部（例えば蓄電部Ｃ５）と第４単位変換器の蓄電部（例えは蓄電部Ｃ６）とは、補助スイッチング素子（例えば補助スイッチング素子ＳＣ４）と、第３単位変換器の負側のスイッチング素子（例えばスイッチング素子Ｓ_Ｎ５）とを介して並列に接続可能である。

以上のことより、コントローラ２００は、補助スイッチング素子ＳＣ４を制御することにより、電力変換器１００の通常の電力変換動作に影響を与えることなく、単位変換器２２の蓄電部Ｃ５の電圧Ｖ_Ｃ５と、単位変換器２３の蓄電部Ｃ６の電圧Ｖ_Ｃ６とをバランス（等しく）させることが出来る。

また、例えば、単位変換器２１の蓄電部Ｃ４と単位変換器２２の蓄電部Ｃ５との電圧をバランスさせるときには、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｐ４がオンされている状態にて、補助スイッチング素子ＳＣ３をオフするように制御を行う。これは、スイッチング素子Ｓ_Ｐ４と補助スイッチング素子ＳＣ３との両方がオンとなると、補助スイッチング素子ＳＣ３とスイッチング素子Ｓ_Ｐ４とにより蓄電部Ｃ５が短絡されてしまうためである。

また、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｎ４がオンされている状態にて、補助スイッチング素子ＳＣ３をオンするように制御を行う。この状態では、蓄電部Ｃ４と蓄電部Ｃ５とは、補助スイッチング素子ＳＣ３とスイッチング素子Ｓ_Ｎ４とによって並列に接続され、蓄電部Ｃ４の電圧と蓄電部Ｃ５の電圧とが等しくなる。

他の、単位変換器１１−１３についても、同様に補助スイッチング素子ＳＣ１、ＳＣ２の動作を制御することにより隣接した蓄電部Ｃ１−Ｃ３の電圧をバランスさせることが出来る。たとえば、正側アーム１０の２つの隣接する単位変換器１２、１３の蓄電部Ｃ２、Ｃ３の電圧をバランスさせるときには、コントローラ２００は、隣接する単位変換器１２、１３の蓄電部Ｃ２、Ｃ３の正側端子同士および負側端子同士が接続されるように、補助スイッチング素子ＳＣ２とスイッチング素子Ｓ_Ｐ２とが同じタイミングでオンおよびオフするように動作させる。これにより、正側アーム１０の隣接する蓄電部Ｃ２、Ｃ３の電圧をバランスさせることができる。

単位変換器１２、１３のスイッチング素子Ｓ_Ｐ２、Ｓ_Ｎ２、Ｓ_Ｐ３、Ｓ_Ｎ３は、所望の電力変換が行えるように制御されており、それぞれ独立に制御されている。ただし、基本的にはスイッチング素子Ｓ_Ｐ２とスイッチング素子Ｓ_Ｎ２とは相補動作となり、スイッチング素子Ｓ_Ｐ３とスイッチング素子Ｓ_Ｎ３とは相補動作となる。

例えば、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｎ２がオンとなっているときに、補助スイッチング素子ＳＣ２をオフとするように制御を行う。仮に、このときに、コントローラ２００が、補助スイッチング素子ＳＣ２をオンとすると、蓄電部Ｃ３が補助スイッチング素子ＳＣ２およびスイッチング素子Ｓ_Ｎ２によって短絡されてしまう。そのため、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｎ２と、補助スイッチング素子ＳＣ４とが同時にオンとならないように制御を行う。

コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｐ２がオンとなっているときに、補助スイッチング素子ＳＣ２をオンとするように制御を行う。この状態では、蓄電部Ｃ２と蓄電部Ｃ３とは、補助スイッチング素子ＳＣ２とスイッチング素子Ｓ_Ｐ２とによって並列に接続され、蓄電部Ｃ２の電圧と蓄電部Ｃ３の電圧とが等しくなる。

すなわち、正側アーム１０は、第１単位変換器（例えば単位変換器１２）と、第１単位変換器の負側に隣接した第２単位変換器（例えば単位変換器１３）と、を備え、第１単位変換器の蓄電部（例えば蓄電部Ｃ２）と第２単位変換器の蓄電部（例えば蓄電部Ｃ３）とは、補助スイッチング素子（例えば補助スイッチング素子ＳＣ２）と、第１単位変換器の正側のスイッチング素子Ｓ_Ｐ２（例えばスイッチング素子Ｓ_Ｐ２）とを介して並列に接続可能である。

以上のことより、コントローラ２００は、補助スイッチング素子ＳＣ２を制御することにより、電力変換器１００の通常の電力変換動作に影響を与えることなく、単位変換器１２の蓄電部Ｃ２の電圧と、単位変換器１３の蓄電部Ｃ３の電圧とをバランスさせることが出来る。

また、例えば、単位変換器１１、１２の蓄電部Ｃ１、Ｃ２をバランスさせるときには、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｎ１がオンされている状態にて、補助スイッチング素子ＳＣ１をオフするように制御を行う。スイッチング素子Ｓ_Ｎ１と補助スイッチング素子ＳＣ１との両方がオンとなると、補助スイッチング素子ＳＣ１とスイッチング素子Ｓ_Ｎ１とにより蓄電部Ｃ２が短絡されてしまう。

また、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｐ１がオンされている状態にて、補助スイッチング素子ＳＣ１をオンするように制御を行う。この状態では、蓄電部Ｃ１と蓄電部Ｃ２とは、補助スイッチング素子ＳＣ１とスイッチング素子Ｓ_Ｐ１とによって並列に接続され、蓄電部Ｃ１の電圧と蓄電部Ｃ２の電圧とが等しくなる。

上記のように、本実施形態の電力変換器および電力変換装置では、複数の正側アーム１０のそれぞれにおいて、蓄電部Ｃ１−Ｃ３の電圧をバランスさせることができ、複数の負側アーム２０のそれぞれにおいて、蓄電部Ｃ４−Ｃ６の電圧をバランスさせることが出来る。

なお、補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４をオンして、隣り合う蓄電部を並列に接続した際に、電位差に伴う突入電流が流れ、スイッチング素子の耐電流を超え、スイッチング素子が故障する恐れがあった。突入電流を制限してスイッチング素子を保護するために、スイッチング素子と直列に接続するように抵抗器（図示せず）を挿入しもよい。また、スイッチング素子のオン抵抗などを利用して、スイッチング素子に流れる電流の変化を緩やかにしてもよい。

次に、アームの端部に接続された単位変換器の動作について説明する。
例えば、負側アーム２０の端部（低電位側の主回路）と電気的に接続された単位変換器２１の蓄電部Ｃ４は、他相において端部と接続された単位変換器の蓄電部と並列接続されている。これにより、複数相において負側アーム２０の端部と接続された、複数の単位変換器２１の蓄電部Ｃ４同士は、電圧が等しくなる。

正側アーム１０についても同様に、例えば、正側アーム１０の端部（高電位側の主回路）と電気的に接続された単位変換器１１の蓄電部Ｃ１は、他相において端部と接続された単位変換器の蓄電部と並列接続されている。これにより、複数相において正側アーム１０の端部と接続された、複数の単位変換器１１の蓄電部Ｃ１同士は、電圧が等しくなる。

図３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相で発生する交流周波数の成分を含むコンデンサ電圧の一例を示す図である。
図３のように、各相で発生する交流周波数の成分をもつ電圧脈動は、Ｕ相とＶ相とＷ相とで位相が１２０度ずつずれている。各相のコンデンサを並列に接続すると、この電圧脈動がそれぞれ打ち消し合うことになるため、複数相にて正側アーム１０および負側アーム２０の端部と接続された単位変換器１１、２１の蓄電部Ｃ１、Ｃ４の電圧脈動は相殺される。

また、各相において、正側アーム１０の複数の単位変換器１１−１３の蓄電部Ｃ１―Ｃ３および負側アーム２０の複数の単位変換器２１−２３の蓄電部Ｃ４−Ｃ６についても、各アーム内にて、補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４を介して、上述の通り電圧を等しくさせることができる。したがって、複数の正側アーム１０内の蓄電部の電圧脈動を相殺することができ、複数の負側アーム２０内の蓄電部の電圧脈動を相殺することができる。

上記のように、本実施形態の電力変換器および電力変換装置によれば、複数の単位変換器の蓄電部の電圧を制御するために、複雑な制御を行う必要がなくなる。また、本実施形態の電力変換器および電力変換装置によれば、蓄電部の電圧脈動が相殺されるため、必要な蓄電部の容量を低減することができ、電力変換器および電力変換装置の小型化を実現することができる。

次に、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置について図面を参照して説明する。
図４は、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の電力変換器１００は、複数のアームユニットＵＮＴのそれぞれにおいて、補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４と直列接続された補助リアクトル（限流素子）ＬＣ１−ＬＣ４を更に備えている。

補助リアクトルＬＣ１は、補助スイッチング素子ＳＣ１と直列接続されている。蓄電部Ｃ１の負側端子と蓄電部Ｃ２の負側端子とは、補助スイッチング素子ＳＣ１および補助リアクトルＬＣ１を介して電気的に接続可能である。

補助リアクトルＬＣ２は、補助スイッチング素子ＳＣ２と直列接続されている。蓄電部Ｃ２の負側端子と蓄電部Ｃ２の負側端子とは、補助スイッチング素子ＳＣ１および補助リアクトルＬＣ２を介して電気的に接続可能である。

補助リアクトルＬＣ３は、補助スイッチング素子ＳＣ３と直列接続されている。蓄電部Ｃ４の正側端子と蓄電部Ｃ５の正側端子とは、補助スイッチング素子ＳＣ３および補助リアクトルＬＣ３を介して電気的に接続可能である。

補助リアクトルＬＣ４は、補助スイッチング素子ＳＣ４と直列接続されている。蓄電部Ｃ５の正側端子と蓄電部Ｃ６の正側端子とは、補助スイッチング素子ＳＣ４および補助リアクトルＬＣ４を介して電気的に接続可能である。

本実施形態の電力変換器１００および電力変換装置ＣＶは、上述の構成以外は第１実施形態と同様である。

例えば、隣り合う単位変換器１１−１３、２１−２２の蓄電部Ｃ１−Ｃ６を並列に接続すると、原理的に電力損失が発生することとなる。そこで、本実施形態の電力変換器および電力変換装置では、補助リアクトルＬＣ１−ＬＣ４を介して隣接した蓄電部Ｃ１−Ｃ６を並列接続することにより、単位変換器１１−１３、２１−２３の蓄電部Ｃ１−Ｃ６と共振回路を構成している。

図５は、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置の隣接した単位変換器の動作の一例を説明するための図である。
図６は、第２実施形態の電力変換器および電力変換装置の隣接した単位変換器の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
ここでは、隣接した単位変換器２２、２３、および、補助スイッチング素子ＳＣ４の動作について、一例として説明する。

上述の第１実施形態と同様に、コントローラ２００は、外部から供給されるデューティ信号に基づいて、所望の電力出力が得られるように、必要なタイミングでスイッチング素子Ｓ_Ｐ５、Ｓ_Ｎ５、Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ６をオンおよびオフするように制御を行う。

また、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｓ_Ｎ５がオンされているときに補助スイッチング素子ＳＣ４をオンし、スイッチング素子Ｓ_Ｎ５がオフされているときに補助スイッチング素子ＳＣ４をオフするように制御を行う。

補助スイッチング素子ＳＣ４およびスイッチング素子Ｓ_Ｎ５がオンされているときに、蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６とが２つの単位変換器のコンデンサがリアクトルを介して並列接続される。

補助スイッチング素子ＳＣ４がオンしている期間は、蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６との電圧差がリアクトルに印加され、共振電流が流れる。ここで、補助スイッチング素子ＳＣ４がオン状態である期間を共振回路の共振周期Ｔｒの１／２とすると、蓄電部Ｃ５の電圧Ｖ_Ｃ５と蓄電部Ｃ６の電圧Ｖ_Ｃ６とが入れ替わった状態となり、蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６との電圧をバランスさせることができる。さらに、蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６との電圧をバランスさせる前後で電力損失はなく、効率よく蓄電部Ｃ５と蓄電部Ｃ６と電圧をバランスさせることが可能となる。

図７は、第２実施形態の電力変換装置におけるキャリア信号の周波数の一例について説明するための図である。
図７は、上段にデューティ信号（信号波）と、キャリア信号（変調波）とを示し、中段に補助スイッチング素子のゲート信号を示し、下段にキャリア信号の周波数（スイッチング周波数）を示している。

本実施形態では、スイッチング素子Ｓ_Ｎ５と補助スイッチング素子ＳＣ４とがオンとなっている期間を、一定（蓄電部Ｃ１−Ｃ６と補助リアクトルＬＣ１−ＬＣ４とにより構成される共振回路の共振周期Ｔｒの１／２）とするために、デューティ信号の値に応じてキャリア信号の周波数を変更している。例えば、デューティ信号の値が大きくなると、キャリア信号の周波数は小さくなり、デューティ信号の値が小さくなるとキャリア信号の周波数は大きくなる。

コントローラ２００は、デューティ信号の値に応じたキャリア信号の周波数を対応付けたテーブルを備えていてもよく、受信したデューティ信号の値に基づいてキャリア信号の周波数を演算するように構成されてもよい。コントローラ２００は、テーブルや演算式により得られるキャリア信号の周波数に基づいて、キャリア波を生成し、生成したキャリア波とデューティ信号とを比較して、各相のスイッチング素子Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ１−Ｓ_Ｎ６と補助スイッチング素子ＳＣ１−ＳＣ４とのゲート信号を生成し、各相のアームユニットＵＮＴに供給する。

上記のように、本実施形態の電力変換器および電力変換装置では、直列に接続された複数の単位変換器１１−１３、２１−２３の隣接した蓄電部Ｃ１−Ｃ６が並列に接続される期間を一定とすることができる。

したがって、本実施形態の電力変換器および電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、電力損失を低減し、効率よく電圧をバランスさせることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…正側アーム、１１−１３…単位変換器、２０…負側アーム、２１−２３…単位変換器、１００…電力変換器、２００…コントローラ、ＣＶ…電力変換装置、Ｃ１−Ｃ６…蓄電部、ＳＣ１−ＳＣ４…補助スイッチング素子、ＬＣ１−ＬＣ４…補助リアクトル（限流素子）、Ｓ_Ｐ１−Ｓ_Ｐ６、Ｓ_Ｎ１−Ｓ_Ｎ６…スイッチング素子。

Claims

高電位側の主回路配線と、
低電位側の主回路配線と、
複数相の交流端子と、
前記高電位側の主回路配線と前記低電位側の主回路配線との間に直列に接続された正側アームおよび負側アームをそれぞれ備えた複数相のアームユニットと、を備え、
前記正側アームと前記負側アームとの接続部は対応する前記交流端子と電気的に接続し、
前記正側アームと前記負側アームとのそれぞれは、直列に接続された一対のスイッチング素子と、一対の前記スイッチング素子と並列に接続した蓄電部と、をそれぞれ備えた複数の単位変換器と、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部を並列に接続する経路に設けられた少なくとも１つの補助スイッチング素子と、を備え、
前記高電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部は、他相のアームユニットの、前記高電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部と並列に接続され、
前記低電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部は、他相のアームユニットの、前記低電位側の主回路配線と接続した前記単位変換器の前記蓄電部と並列に接続されている、ことを特徴とする電力変換器。
前記正側アームは、第１単位変換器と、前記第１単位変換器の負側に隣接した第２単位変換器と、を備え、
前記第１単位変換器の前記蓄電部と前記第２単位変換器の前記蓄電部とは、前記補助スイッチング素子と、前記第１単位変換器の正側の前記スイッチング素子とを介して並列に接続可能であり、
前記負側アームは、第３単位変換器と、前記第３単位変換器の正側に隣接した第４単位変換器と、を備え、
前記第３単位変換器の前記蓄電部と前記第４単位変換器の前記蓄電部とは、前記補助スイッチング素子と、前記第３単位変換器の負側の前記スイッチング素子とを介して並列に接続可能である、ことを特徴とする請求項１記載の電力変換器。
複数相の前記アームユニットのそれぞれは、前記補助スイッチング素子と直列に接続した限流素子を更に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換器。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換器と、
外部から供給された前記電力変換器のデューティ信号に基づいて、複数相の前記アームユニットの前記スイッチング素子および前記補助スイッチング素子のゲート信号を生成して出力するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部を並列に接続する経路に介在する前記スイッチング素子がオンであるときに、前記補助スイッチング素子をオンとし、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部を並列に接続する経路に介在する前記スイッチング素子がオフであるときに、前記補助スイッチング素子をオフとする、ことを特徴とする電力変換装置。
請求項３記載の電力変換器と、
外部から供給された前記電力変換器のデューティ信号に基づいて、複数相の前記アームユニットの前記スイッチング素子および前記補助スイッチング素子のゲート信号を生成して出力するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部を並列に接続する経路に介在する前記スイッチング素子がオンであるときに、前記補助スイッチング素子をオンとし、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部を並列に接続する経路に介在する前記スイッチング素子がオフであるときに、前記補助スイッチング素子をオフとし、直列に接続された複数の前記単位変換器の隣接した前記蓄電部が並列に接続される期間を一定とする、ことを特徴とする電力変換装置。
前記期間は、前記限流素子と前記蓄電部とで構成される共振回路の共振周期の１／２である、ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。