JP6921319B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、直列接続された単位変換器であるサブモジュールを複数備える電力変換装置に関する。

モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのオン／オフ制御が可能なパワー半導体とコンデンサ等の電気エネルギー蓄積要素を備えるサブモジュールが複数個直列接続されることによって構成される。

ＭＭＣは、高電圧、大電力容量に適した電力変換装置であり、高電圧のモータドライブ装置または直流送電システム（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）への応用が考えられる。

ＭＭＣは、サブモジュール内で故障等の異常が発生した場合に、異常サブモジュールをバイパス部によってバイパスさせ、全体のシステムを運転継続させることが可能である。

例えば、特許文献１には、複数の単位変換器（サブモジュール）が直列接続された電力変換装置が記載されている。単位変換器は主回路給電装置を備える。それぞれの単位変換器がバイパス部としてノーマリーオンの特性を有する機械スイッチを備える。単位変換器において異常が検出されたときに、機械スイッチが短絡することによって、電力変換装置の運転継続が可能となる。

特開２０１６−１６３３９１

しかしながら、特許文献１に記載されているバイパス部は、機械スイッチであるため、電力変換装置が大型化するとともに、半導体スイッチと比較して、バイパス動作に要する時間が長い。

一方、バイパス部として、ノーマリーオフのパワー半導体を使用し、主回路給電装置からの電力供給でバイパス部を動作させた場合には、主回路給電装置からの電力供給が途絶えた場合に、バイパス動作を継続することができない。

それゆえに、本発明の目的は、主回路給電装置からの電力供給が途絶えた場合でも、バイパス動作を継続することができる電力変換装置を提供することである。

本発明の電力変換装置は、直列接続された電力変換を行うサブモジュールを複数個備える。サブモジュールは、オン／オフ制御によって電力変換を行う直列接続された２つの主パワー半導体と、直列接続された２つの主パワー半導体の経路と並列に接続された電気エネルギー蓄積要素とを含むブリッジ回路と、バイパス用パワー半導体を含むバイパス部と、バイパス部を駆動するバイパス部駆動装置と、第１の外部端子と第２の外部端子とを含む。第１の外部端子と第２の外部端子の間にバイパス部が配置され、第１の外部端子と、２つの主パワー半導体の間のノードとが接続される。電力変換装置は、さらに、バイパス部駆動装置を給電するための光による給電系を備える。

本発明によれば、主回路給電装置からの電力供給が途絶えた場合でも、バイパス動作を継続することができる。

実施の形態１の電力変換装置１０４の主回路構成図である。 実施の形態１におけるサブモジュール１０１ａの構成を示す図である。 一般的なパワー半導体に関する定格電圧と故障率の関係を示した概念図である。 パワーモジュール４０１の端子配置の一例および構成の一例を説明するための図である。 サブモジュール１０１ａの第２のハーフブリッジ回路２０４ｂで異常が検出された場合を表わす図である。 実施の形態１における、サブモジュール１０１ａ内における異常検出から異常が検出されたハーフブリッジ回路のバイパスが完了するまでの動作手順を表わすフローチャートである。 実施の形態２のサブモジュール１０１ｂの構成を表わす図である。 短絡電流の経路の一例を表わす図である。 短絡電流の経路の別例を表わす図である。 実施の形態３のサブモジュール１０１ｃの構成を表わす図である。 実施の形態３における、サブモジュール１０１ｃ内における異常検出から異常が検出されたハーフブリッジ回路のバイパスが完了するまでの動作手順を表わすフローチャートである。 電力変換装置の起動前に各バイパス用パワー半導体に対して行う処理を示したフローチャートである。 実施の形態５のサブモジュール１０１ｄの構成を表わす図である。

実施の形態１．
実施の形態１では、２つのハーフブリッジ回路が直列に接続されることによって１つのサブモジュールが構成される。サブモジュールが外部端子を介して他のサブモジュールと直列接続される。

図１は、実施の形態１の電力変換装置１０４の主回路構成図である。
電力変換装置１０４は、複数個のサブモジュール１０１と、複数個のリアクトル１０２とを備える。

複数個のサブモジュール１０１と、リアクトル１０２とが直列接続されることによって、１つのアームが構成される。

１つの相の上アームのリアクトル１０２と下アームのリアクトル１０２との接続ノードが、電力変換装置の１つの相の出力端となる。

中央コントローラ１０３は、各サブモジュール１０１の動作を制御する。
１つの相の出力端は負荷１０５に接続されるとともに、出力端とならないアームの他方の端子は直流電圧源１０６の両端にそれぞれ接続される。

電力変換装置１０４は、たとえば、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）と呼ばれる。ＭＭＣは、基本的な構成要素としてサブモジュール１０１とリアクトル１０２とを含む。電力変換装置１０４は、３ｋＶ以上のような高圧で駆動されるモータの駆動装置等に用いられる。なお、図１の電力変換装置１０４は、本実施の形態の電力変換装置の一例である。本実施の形態の電力変換装置は、サブモジュールを複数個直列接続される回路構成であればよい。

図２は、実施の形態１におけるサブモジュール１０１ａの構成を示す図である。
サブモジュール１０１ａは、第１のハーフブリッジ回路２０４ａと、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂと、主回路給電装置２１３ａと、主回路給電装置２１３ｂと、ゲート駆動装置２１１ａと、ゲート駆動装置２１１ｂと、個別コントローラ２１０と、バイパス部２０６と、バイパス部駆動装置２１２とを備える。

第１のハーフブリッジ回路２０４ａは、直列接続された主パワー半導体２０１ａと主パワー半導体２０１ｂと、直列接続された主パワー半導体２０１ａと主パワー半導体２０１ｂの経路と並列に接続された電気エネルギー蓄積要素２０３ａとを備える。第１のハーフブリッジ回路２０４ａは、さらに、主パワー半導体２０１ａに逆並列に接続された還流ダイオード２０２ａと、主パワー半導体２０１ｂに逆並列に接続された還流ダイオード２０２ｂとを備える。

第２のハーフブリッジ回路２０４ｂは、直列接続された主パワー半導体２０１ｃと主パワー半導体２０１ｄと、直列接続された主パワー半導体２０１ｃと主パワー半導体２０１ｄの経路と並列に接続された電気エネルギー蓄積要素２０３ｂとを備える。第２のハーフブリッジ回路２０４ｂは、さらに、主パワー半導体２０１ｃに逆並列に接続された還流ダイオード２０２ｃと、主パワー半導体２０１ｄに逆並列に接続された還流ダイオード２０２ｄとを備える。

主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄはオン／オフ制御が可能なパワー半導体であり、例えばＩＧＢＴによって構成される。

第１のハーフブリッジ回路２０４ａの主パワー半導体２０１ｂと、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂの主パワー半導体２０１ｃとは、中間端子２０９で接続される。

このように、一つのサブモジュール１０１内に２つのハーフブリッジ回路２０４ａ、２０４ｂを備えることによって、１つのサブモジュール１０１内に１つのハーフブリッジ回路２０４を備える場合と比較して、必要なサブモジュール１０１の総数を削減することができる。

主パワー半導体２０１ａと主パワー半導体２０１ｂとの間のノードＮＤＡは、サブモジュール１０１ａの外部端子２０５Ｐと接続される。主パワー半導体２０１ｃと主パワー半導体２０１ｄとの間のノードＮＤＢは、サブモジュール１０１ａの外部端子２０５Ｎと接続される。

バイパス部２０６は、外部端子２０５Ｐおよび外部端子２０５Ｎと接続され、外部端子２０５Ｐと外部端子２０５Ｎとの間に配置される。

外部端子２０５Ｐは、他のサブモジュール１０１またはリアクトル１０２と接続される。外部端子２０５Ｎは、別の他のサブモジュール１０１またはリアクトル１０２と接続される。

バイパス部２０６は、サブモジュール１０１ａ内で異常が検出された場合に、第１のハーフブリッジ回路２０４ａおよび第２のハーフブリッジ回路２０４ｂのうち異常と判定された方をバイパスさせるために設けられる。ここでバイパスするというのは、故障したハーフブリッジ回路を主回路から切り離することを意味する。目的は、故障部を切り離すことによって、電力変換装置１０４が運転を継続することである。

バイパス部２０６は、直列接続されたバイパス用パワー半導体２０７ａおよびバイパス用パワー半導体２０７ｂと、バイパス用パワー半導体２０７ａと逆並列に接続された還流ダイオード２０８ａと、バイパス用パワー半導体２０７ｂと逆並列に接続された還流ダイオード２０８ｂとを備える。

バイパス用パワー半導体２０７ａと、バイパス用パワー半導体２０７ｂとは、中間端子２０９で接続される。

個別コントローラ２１０は、中央コントローラ１０３の制御に従って、バイパス部駆動装置２１２およびゲート駆動装置２１１ａ，２１１ｂを制御する。

中央コントローラ１０３と個別コントローラ２１０との間の信号の伝送は、光ファイバーＦＢ５を通じて行われる。個別コントローラ２１０とゲート駆動装置２１１ａとの間の信号の伝送は、光ファイバーＦＢ４ａを通じて行われる。個別コントローラ２１０とゲート駆動装置２１１ｂとの間の信号の伝送は、光ファイバーＦＢ４ｂを通じて行われる。個別コントローラ２１０とバイパス部駆動装置２１２との間の信号の伝送は、光ファイバーＦＢ３を通じて行われる。中央コントローラ１０３とバイパス部駆動装置２１２との間の信号の伝送は、光ファイバーＦＢ２を通じて行われる。

バイパス部２０６は、サブモジュール１０１ａが正常時には開放モードに設定される。開放モードは、電流が遮断されている状態である。たとえば、バイパス用パワー半導体２０７ａおよびバイパス用パワー半導体２０７ｂがＩＧＢＴで構成される場合に、開放モードにおいて、バイパス用パワー半導体２０７ａおよびバイパス用パワー半導体２０７ｂにゲート電圧が印可されていない状態、または負バイアスへ電圧が印可されている状態（オフ指令状態）に設定される。

個別コントローラ２１０またはゲート駆動装置２１１に含まれる異常検出手段（図示しない）が、第１のハーフブリッジ回路２０４ａまたは第２のハーフブリッジ回路２０４ｂの異常を検出したときに、個別コントローラ２１０または中央コントローラ１０３からの信号に基づき、バイパス部駆動装置２１２が制御される。バイパス部駆動装置２１２は、バイパス部２０６に含まれるバイパス用パワー半導体２０７ａおよびバイパス用パワー半導体２０７ｂのうちの一方または両方を短絡させる。

外部端子２０５Ｐと中間端子２０９との間、および中間端子２０９と外部端子２０５Ｎの間を独立に短絡させることができる。本構成によって、異常が発生した第１のハーフブリッジ回路２０４ａまたは第２のハーフブリッジ回路２０４ｂを電力変換装置１０４から切り離すことができるので、電力変換装置１０４は運転継続が可能となる。

バイパス用パワー半導体２０７ａおよびバイパス用パワー半導体２０７ｂは、バイパス部駆動装置２１２によって、必要に応じてオン状態と設定される。

バイパス用パワー半導体２０７ａおよびバイパス用パワー半導体２０７ｂをオン状態とするためのバイパス部駆動装置２１２への給電は、接地電位と接続される中央コントローラ１０３から光ファイバーＦＢ１で伝送される光によって行われる。

一方、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂに蓄積され、主回路給電装置２１３ａ、２１３ｂから供給される電力によって、個別コントローラ２１０およびゲート駆動装置２１１ａ、２１１ｂが動作する。

ここで、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂとしては、一般的にコンデンサが使用される。また、主回路給電装置２１３については公知の技術（例えば特許文献１）を適用することができる。

ゲート駆動装置２１１ａは、個別コントローラ２１０から光ファイバーＦＢ４ａを通じて供給される制御信号に基づき、主パワー半導体２０１ａ，２０１ｂのオン／オフを制御する。ゲート駆動装置２１１ｂは、個別コントローラ２１０から光ファイバーＦＢ４ｂを通じて供給される制御信号に基づき、主パワー半導体２０１ｃ，２０１ｄのオン／オフを制御する。

これによって、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂの電力の流出入が制御されて電力変換が行われる。

一般に、高電位に接続されるサブモジュール１０１に比較的大きな電力を伝送する場合、サブモジュール１０１の電位と接地電位との絶縁設計が困難で、給電システムの大型化を招く。よって、主回路給電装置によって、サブモジュール１０１と同電位、または電位差の小さい電位で電力を供給する給電系を備えることが知られている。一方で、光による給電手段を用いれば、絶縁の確保は容易であるが、制御信号程度の小さな電力しか伝送できない。バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂは主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄと比較して連続したオン／オフ動作が行われず、バイパス指令が与えられた場合にのみ連続したオン状態となるだけであるから、駆動するための消費電力が小さい。従って、バイパス部駆動装置２１２への給電方法として光による給電手段を使用することが可能である。給電手段を光とすることによって、比較的容易に中央コントローラ１０３からの給電系を構築できるため、主回路給電装置２１３の状態に依存することなくバイパス用パワー半導体２０７をオン状態とすることができる。

サブモジュール１０１ａ内のバイパス動作によって、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂの電圧が低下する。バイパス部駆動装置２１２への給電を主回路給電装置２１３ａ，２１３ｂからの電力とした場合には、主回路給電装置２１３ａ，２１３ｂによる給電が不可能となった時に、一般的にノーマリーオフの特性を持つ主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄのオン状態が維持できなくなる。その結果、電力変換装置１０４の運転継続が不可能となるおそれがある。

一方で、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂを駆動させるために、個別コントローラ２１０は、第１の制御信号ＣＬ１を光ファイバーＦＢ３（第１の伝達経路）を通じてバイパス部駆動装置２１２へ伝送し、中央コントローラ１０３は、第２の制御信号ＣＬ２を光ファイバーＦＢ２（第２の伝達経路）を通じてバイパス部駆動装置２１２へ伝送する。

サブモジュール１０１ａの異常検出から第１の制御信号ＣＬ１が、個別コントローラ２１０から第１の伝達経路（光ファイバーＦＢ３）を通じてバイパス部駆動装置２１２へ伝達されるまでの時間ＴＸは、１０マイクロ秒以下である。サブモジュール１０１ａの異常検出から第２の制御信号ＣＬ２が、中央コントローラ１０３から第２の伝達経路（光ファイバーＦＢ２）を通じてバイパス部駆動装置２１２へ伝達されるまでの時間ＴＹは、１０マイクロ秒以上である。したがって、ＴＸ＜ＴＹである。

従って、個別コントローラ２１０からの第１の制御信号ＣＬ１によって、高速なバイパス動作指令が実施される。中央コントローラ１０３からの第２の制御信号ＣＬ２によって、主回路給電装置２１３が動作不可となった場合にバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂをオンに維持させる指令が実施される。これによって、サブモジュール１０１ａ内における異常の影響を小さくすることが可能となる。

また、異常発生時の初動として第１の伝達経路（光ファイバーＦＢ３）を用いてバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂを迅速にオンし、その後に、第２の伝達経路（光ファイバーＦＢ２）を用いてバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂのオンを維持することが可能となる。この場合、初動用と維持用とで役割が分担された個別コントローラ２１０と中央コントローラ１０３とを別個に用いることができるので、サブモジュール１０１ａ内において異常の影響を小さくすることが可能となる。

図３は、一般的なパワー半導体に関する定格電圧と故障率の関係を示した概念図である。図３には、同一定格電流で異なる定格電圧の２つのパワー半導体の故障率を示している。図３に示すように、印加電圧が大きくなるほど故障率が大きくなる。また、低定格電圧パワー半導体の方が、高定格電圧パワー半導体よりも、故障率が大きい。

サブモジュール１０１ａにおいて、２つの電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂの両端の間の電圧をそれぞれＶＣＤＣとおいた場合、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄに印加される電圧は最大でＶＣＤＣとなる。一方で、外部端子２０５Ｐと外部端子２０５Ｎの間に現れる電圧、つまりバイパス部２０６の両端に印加される電圧は、最大で２×ＶＣＤＣとなる。

バイパス部２０６では、バイパス用パワー半導体２０７ａとバイパス用パワー半導体２０７ｂとが中間端子２０９を介して直列接続される構成であるため、バイパス用パワー半導体２０７ａとバイパス用パワー半導体２０７ｂとに印加される電圧は、均等に分圧されると仮定する。よって、バイパス用パワー半導体２０７ａとバイパス用パワー半導体２０７ｂとにそれぞれ印加される電圧は、最大でＶＣＤＣである。

したがって、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂの耐電圧が、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｂの耐電圧と同程度でも破壊されることは無い。しかしながら、バイパス部２０６は、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄの故障をはじめとした異常時に確実に動作する必要がある。主パワー半導体２０１とバイパス用パワー半導体２０７とを同一のパワー半導体で構成すると、これらの故障率が同程度となってしまう。つまり、バイパス部２０６の信頼性が十分に確保されているとは言えなくなる。

本実施の形態に係る電力変換装置１０４では、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄよりも定格電圧が高い、すなわち耐電圧が高いパワー半導体を使用する。これによって、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂにより高い破壊耐量を持たせることができる。一般に、パワー半導体は、印加される電圧のパワー半導体の定格電圧に対する割合が小さい程、故障率が下がる。従って、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄとバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに同じ電圧が印加されても、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂとしてより定格電圧の高いパワー半導体を使用することによって、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄと比較して、故障率を大幅に下げることができる。その結果、バイパス部２０６の信頼性を高くすることができる。

次に、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂを駆動するためのバイパス部駆動装置２１２への光による給電手段の一例を説明する。

光による給電手段には、たとえば、受電手段として光を電力に変換するフォトダイオードと、光の伝送手段として光ファイバーとがある。一般にフォトダイオードで扱える電力としては数１００ｍＷであり、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄのようなオン／オフを繰り返すパワー半導体の駆動電力を供給するのは困難である。

以下に、パワー半導体をオン／オフさせる場合の駆動電力Ｐｄｒｉｖｅは、スイッチング周波数ｆｓｗ、パワー半導体のゲートの入力容量Ｃｉｓｓ、ゲート電圧ＶＧによって、以下の式を表わされる。

Pdrive = 2×(0.5×Ciss×VG×VG）×fsw…(1)
従って、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂをオフ状態からオン状態に変化させるのに必要な瞬時電力は、スイッチング周波数ｆｓｗを１とし、２で除算した値である。２で除算するのは、式（１）において、右辺を２で乗算してオン／オフを考慮しているのに対して、バイパス動作はオンのみだからである。この電力は、例えばスイッチング周波数ｆｓｗが１０００Ｈｚの場合の電力と比較すると、２０００分の１である。

また、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂをオン状態を維持するためには、入力容量に蓄えられた電荷の漏れ分の電力のみを供給すればよいため、フォトダイオードが取り扱う電力と比較すると小さい。上記の理由より、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂの駆動には、主回路給電装置２１３を使用することなく、光ファイバーＦＢ１を通じて、基準電位である接地電位から中央コントローラ１０３を介して行われる。これによって、装置の大型化を招くことなく容易に給電可能となる。

主回路給電装置２１３ａ，２１３ｂは、サブモジュール１０１ａに電流が流れることによって電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂに蓄積された電圧を個別コントローラ２１０とゲート駆動装置２１１とが動作するのに適した電圧へ変換し、各々に電力を供給する。ただし、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂが一定の電圧に満たない場合、主回路給電装置２１３ａ，２１３ｂは、個別コントローラ２１０およびゲート駆動装置２１１へ給電できなくなってしまう。例えば、バイパス部２０６が動作して、サブモジュール１０１ａ全体がバイパスされた場合には、それ以降、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂは充電されなくなるため、電気エネルギー蓄積要素２０３の電圧は低下し、やがて主回路給電装置２１３による給電が不可となる。

図４は、パワーモジュール４０１の端子配置の一例および構成の一例を説明するための図である。

パワーモジュールとは、複数のパワー半導体をパッケージングしたものであり、個別のパワー半導体を使用する場合と比較して、省スペース化や配置の簡便化が為される。パワーモジュール４０１は、直列接続された第１のパワー半導体および第２のパワー半導体と、第１のパワー半導体に逆並列に接続された第１の還流ダイオードと、第２のパワー半導体に逆並列に接続された第２の還流ダイオードとを備える。パワーモジュール４０１は、第１のパワー半導体の一端と接続される端子ＴＰと、第２のパワー半導体の一端と接続される端子ＴＮと、第１のパワー半導体の他端および第２のパワー半導体の他端と接続される端子ＴＣとを備える。

パワーモジュール４０１によって、バイパス部２０６のバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂと、還流ダイオード２０８ａ，２０８ｂとを構成することができる。

具体的には、パワーモジュール４０１のＴＰ端子をサブモジュール１０１ａの外部端子２０５Ｐと接続させ、パワーモジュール４０１のＴＮ端子をサブモジュール１０１ａの外部端子２０５Ｎと接続させ、パワーモジュール４０１のＴＣ端子をサブモジュール１０１ａの中間端子２０９と接続させる。

以上によって、バイパス部２０６を単一のパワーモジュール４０１で構成することが可能となり、サブモジュール１０１ａの小型化が為される。

次に、実施の形態１に係る電力変換装置１０４において、サブモジュール１０１ａ内で異常が検出された場合に、サブモジュール１０１ａ内のハーフブリッジ回路２０４をバイパスさせる動作手順について説明する。

図５は、サブモジュール１０１ａの第２のハーフブリッジ回路２０４ｂで異常が検出された場合を表わす図である。

第２のハーフブリッジ回路２０４ｂで異常が検出された場合に、個別コントローラ２１０の指令に基づき、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂに対応するバイパス用パワー半導体がオン状態となり、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂがバイパスされる。

ここで、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂに対応するバイパス用パワー半導体とは、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂの主パワー半導体２０１ｃと並列に接続されたバイパス用パワー半導体２０７ｂである。このとき、健全判定を受けた第１のハーフブリッジ回路２０４ａについては、動作を継続させるため、バイパス用パワー半導体２０７ａのオフ状態が継続される。

なお、第１のハーフブリッジ回路２０４ａにおいて異常が検出された場合は、同様の動作が第１のハーフブリッジ回路２０４ａにおいて実施される。ここで、第１のハーフブリッジ回路２０４ａに対応するバイパス用パワー半導体とは、第１のハーフブリッジ回路２０４ａの主パワー半導体２０１ｂと並列に接続されたバイパス用パワー半導体２０７ａである。

一般に、バイパス後に運転範囲に制限を設けることなく運転継続をさせるためにはサブモジュール１０１の直列接続数に適切な冗長性を持たせる必要がある。上記のように、サブモジュール１０１ａ単位でバイパスさせるのではなくハーフブリッジ回路２０４単位でバイパスさせることで必要となる冗長サブモジュール数を低減させることができ、小型化を実現できる。

図６は、実施の形態１における、サブモジュール１０１ａ内における異常検出から異常が検出されたハーフブリッジ回路のバイパスが完了するまでの動作手順を表わすフローチャートである。

この説明における記号については、図２に対応している。また、図６中の二重線（Ｐａｒａｌｌｅｌ）で挟まれたプロセスは並列に処理されることを意味しており、それぞれ独立に作用する。

ステップＳ１において、個別コントローラ２１０またはゲート駆動装置２１１に含まれる異常検出手段（図示しない）が、第１のハーフブリッジ回路２０４ａの異常の有無を検出する。

第１のハーフブリッジ回路２０４ａの異常が検出された場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、処理がステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、個別コントローラ２１０は、バイパス用パワー半導体２０７ａにオン指令を与えると同時に、バイパス用パワー半導体２０７ａと並列接続された主パワー半導体２０１ｂ（第２の主パワー半導体）にオン指令を与え、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）にオフ指令を与える。

ステップＳ３において、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）が短絡故障している場合には（Ｓ３：Ｙｅｓ）、処理がステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）が短絡故障し、かつ電気エネルギー蓄積要素２０３ａの両端が短絡されるため短絡電流が流れ、電気エネルギー蓄積要素２０３ａが放電されて、第１のハーフブリッジ回路２０４ａのバイパスが完了する。主パワー半導体２０１ｂ（第２の主パワー半導体）がオンに設定されているので、短絡電流が分流する。バイパスが完了すると、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）には、電流が流れることはないが、主パワー半導体２０１ｂ（第２の主パワー半導体）が正常でオン状態となる場合には、主パワー半導体２０１ｂ（第２の主パワー半導体）とバイパス用パワー半導体２０７ａとで電流が分担される。

ステップＳ３において、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）が短絡故障していない場合（Ｓ３：Ｎｏ）、処理がステップＳ５に進む。ここで、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）が短絡故障していない場合とは、主パワー半導体２０１ｂ（第２の主パワー半導体）が短絡故障している場合、給電系の異常の場合、制御信号の異常の場合などが含まれる。

ステップＳ５において、電気エネルギー蓄積要素２０３ａの両端の電圧は主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）が担うため、短絡電流は流れず電気エネルギー蓄積要素２０３ａは充電されたまま、第１のハーフブリッジ回路２０４ａのバイパスが完了する。

ステップＳ６において、個別コントローラ２１０またはゲート駆動装置２１１に含まれる異常検出手段（図示しない）が、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂの異常の有無を検出する。

第２のハーフブリッジ回路２０４ｂの異常が検出された場合には（Ｓ６：ＹＥＳ）、処理がステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、個別コントローラ２１０は、バイパス用パワー半導体２０７ｂにオン指令を与えると同時に、バイパス用パワー半導体２０７ｂと並列接続された主パワー半導体２０１ｃ（第３の主パワー半導体）にオン指令を与え、主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）にオフ指令を与える。

ステップＳ８において、主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）が短絡故障している場合には（Ｓ８：Ｙｅｓ）、処理がステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）が短絡故障し、かつ電気エネルギー蓄積要素２０３ｂの両端が短絡されるため短絡電流が流れ、電気エネルギー蓄積要素２０３ｂが放電されて、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂのバイパスが完了する。

主パワー半導体２０１ｃ（第３の主パワー半導体）がオンに設定されているので、短絡電流が分流する。バイパスが完了すると、主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）には、電流が流れることはないが、主パワー半導体２０１ｃ（第３の主パワー半導体）が正常でオン状態となる場合には、主パワー半導体２０１ｃ（第３の主パワー半導体）とバイパス用パワー半導体２０７ｂとで電流が分担される。

ステップＳ８において、主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）が短絡故障していない場合（Ｓ８：Ｎｏ）、処理がステップＳ１０に進む。ここで、主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）が短絡故障していない場合とは、主パワー半導体２０１ｃ（第３の主パワー半導体）が短絡故障している場合、給電系の異常の場合、制御信号の異常の場合などが含まれる。

ステップＳ１０において、電気エネルギー蓄積要素２０３ｂの両端の電圧は主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）が担うため、短絡電流は流れず電気エネルギー蓄積要素２０３ｂは充電されたまま、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂのバイパスが完了する。

以上のように、異常が検出された場合に、バイパス用パワー半導体２０７ａまたは２０７ｂに短絡電流が流れる状況を主パワー半導体２０１ａまたは２０１ｄが短絡故障した場合に限定することができる。短絡電流が非常に大きいため、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに短絡電流が流れると、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂが故障する可能性がある。主パワー半導体２０１ａまたは２０１ｄが短絡故障した場合に限り、バイパス用パワー半導体２０７ａまたは２０７ｂに短絡電流が流れるようにすることによって、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂが故障しないようにすることができる。

第１のハーフブリッジ回路２０４ａのバイパスが完了すると、バイパス部２０６のバイパス用パワー半導体２０７ａはオン状態を維持する。これによって、主パワー半導体２０１ａ（第１の主パワー半導体）および主パワー半導体２０１ｂ（第２の主パワー半導体）の状態に係らず、第１のハーフブリッジ回路２０４ａは、電力変換装置１０４から実質的に切り離されたことになる。

第２のハーフブリッジ回路２０４ｂのバイパスが完了すると、バイパス部２０６のバイパス用パワー半導体２０７ｂはオン状態を維持する。これによって、主パワー半導体２０１ｃ（第３の主パワー半導体）および主パワー半導体２０１ｄ（第４の主パワー半導体）の状態に係らず、第２のハーフブリッジ回路２０４ｂは、電力変換装置１０４から実質的に切り離されたことになる。

以上のように、実施の形態１は、サブモジュール１０１ａを複数個直列接続された構成の電力変換装置１０４において、サブモジュール１０１ａ内部の異常を検出した場合に、ハーフブリッジ回路２０４をバイパスすることで、電力変換装置１０４全体を運転継続させることができる。サブモジュール１０１ａは２つのハーフブリッジ回路２０４ａ，２０４ｂから成り、バイパス部２０６にパワー半導体を使用する。バイパス部として機械式のスイッチではなく、パワー半導体を用いることによって、バイパス部のコストを低くすることができる。

また、実施の形態１では、主パワー半導体２０１よりも高い定格電圧のバイパス用パワー半導体２０７を使用することによってバイパス部２０６の信頼性を向上させることができる。

また、実施の形態１では、光ファイバーによる接地電位からの給電によって主回路給電装置からの電力供給が途絶えた場合にも、バイパス動作を継続することができる。

また、実施の形態１では、バイパス動作の制御を電力変換装置の主回路の状態に関わらず制御することができる。また、実施の形態１では、主回路からの給電系ではない他の手法（変圧器絶縁方式や非接触給電方式など）と比較した場合に、給電系が小型で安価に実現できる。

実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、図２に示す実施の形態１のサブモジュール１０１ａの構成に加えて、中間端子２０９にインピーダンス要素を新たに挿入する。

これによって、より確実にバイパス用パワー半導体を電気エネルギー蓄積要素の短絡電流による破壊から保護することができる。従って、追加で挿入するインピーダンス要素以外の構成要素については実施の形態１と同様である。

図７は、実施の形態２のサブモジュール１０１ｂの構成を表わす図である。
サブモジュール１０１ｂは、２つのバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂの接続点ＮＸ１と２つのハーフブリッジ回路２０４ａ，２０４ｂの接続点ＮＸ２との間に配置されたインピーダンス要素７０１を備える。

サブモジュール１０１ｂの異常の現象の一つに、主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄのいずれかの短絡故障がある。主パワー半導体２０１ａまたは主パワー半導体２０１ｄが短絡故障し、サブモジュール１０１ｂが、短絡故障した主パワー半導体２０１ａまたは２０１ｄを有するハーフブリッジ回路２０４ａまたは２０４ｂに対応したバイパス用パワー半導体２０７ａまたは２０７ｂをオン状態とすると、電気エネルギー蓄積要素２０３ａまたは２０３ｂの両端が短絡された状態となる。その結果、短絡電流が流れてバイパス用パワー半導体２０７ａまたは２０７ｂが破壊される可能性がある。

本実施の形態においては、バイパス用パワー半導体２０７ａまたは２０７ｂ、およびそれに並列に接続された主パワー半導体２０１ｂまたは２０１ｃによって、短絡電流を分流し、インピーダンス要素７０１によって、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに流れる短絡電流を低減することによって、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂを短絡電流から保護する。

図８は、短絡電流の経路の一例を表わす図である。
図８には、ハーフブリッジ回路２０４ａにおいて、主パワー半導体２０１ａが短絡故障して、バイパス用パワー半導体２０７ａがオン状態となった場合の短絡電流の経路が示される。

バイパス用パワー半導体２０７ａがオン状態となる場合、図６に示すフローチャートに従って、ゲート駆動装置２１１ａは、バイパス用パワー半導体２０７ａと並列に接続された主パワー半導体２０１ｂもオン状態にする。一方で、ゲート駆動装置２１１ａは、バイパス用パワー半導体２０７ａと並列に接続されていない主パワー半導体２０１ａはオフ状態にする。主パワー半導体２０１ｂをオン状態とすることによって、主パワー半導体２０１ａで短絡故障が発生してバイパス用パワー半導体２０７ａがオン状態となった場合に、短絡電流が主パワー半導体２０１ｂとバイパス用パワー半導体２０７ａとで分流する。インピーダンス要素７０１によって、バイパス用パワー半導体２０７ａに流れる短絡電が低減する。また、主パワー半導体２０１ａはオフ状態とすることで、主パワー半導体２０１ａで短絡故障が発生していないがハーフブリッジ回路２０４ａで異常が発生し、バイパス用パワー半導体２０７ａがオン状態となった場合に、バイパス用パワー半導体２０７ａに短絡電流が流れるのを防止する。

図９は、短絡電流の経路の別例を表わす図である。
図９には、ハーフブリッジ回路２０４ｂにおいて主パワー半導体２０１ｄが短絡故障して、バイパス用パワー半導体２０７ｂがオン状態となった場合の短絡電流の経路が示される。

バイパス用パワー半導体２０７ｂがオン状態となる場合、図６に示すフローチャートに従って、ゲート駆動装置２１１ｂは、バイパス用パワー半導体２０７ｂと並列に接続された主パワー半導体２０１ｃもオン状態にする。一方で、ゲート駆動装置２１１ｂは、バイパス用パワー半導体２０７ｂと並列に接続されていない主パワー半導体２０１ｄはオフ状態にする。

主パワー半導体２０１ｃをオン状態とすることによって、主パワー半導体２０１ｄで短絡故障が発生しバイパス用パワー半導体２０７ｂがオン状態となった場合に、短絡電流が主パワー半導体２０１ｃとバイパス用パワー半導体２０７ｂとで分流する。インピーダンス要素７０１によって、バイパス用パワー半導体２０７ｂに流れる短絡電流が低減する。また、主パワー半導体２０１ｄはオフ状態とすることで、主パワー半導体２０１ｄで短絡故障が発生していないがハーフブリッジ回路２０４ｂで異常が発生し、バイパス用パワー半導体２０７ｂがオン状態となった場合に、バイパス用パワー半導体２０７ｂに短絡電流が流れるのを防止する。

インピーダンス要素７０１は、リアクトル等で実現することができる。
一方、３つの図４に示すパワーモジュール４０１を用いることによって、インピーダンス要素７０１を実現できる。すなわち、主パワー半導体２０１ａ，２０１ｂおよび還流ダイオード２０２ａ，２０２ｂを第１のパワーモジュールで構成し、主パワー半導体２０１ｃ，２０１ｄおよび還流ダイオード２０２ｃ，２０２ｄを第２のパワーモジュールで構成し、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂおよび還流ダイオード２０８ａ，２０８ｂを第３のパワーモジュールで構成する。これらの３つのパワーモジュールを導体で接続すると、パワーモジュール内部の配線によるインピーダンスと比較して、パワーモジュール外部の導体の配線によるインピーダンスの方が大きくなる。この特性を用いて、インピーダンス要素７０１を実現することができる。ただし、この方式によるバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂの短絡電流流入の抑制効果は、リアクトル等でインピーダンスを構成する場合と比較すると劣る。

サブモジュール１０１ｂ内において異常を検出した場合に、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂおよび主パワー半導体２０１ａ〜２０１ｄのオン／オフを制御することによって、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに短絡電流が流れる可能性があるのは、主パワー半導体２０１ａまたは２０１ｄが短絡故障した場合に限定することができる。

さらに、インピーダンス要素７０１を設けることによって、図８および図９の点線で示す経路の短絡電流を低減し、バイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂを破壊から確実に保護することが可能となる。なお、インピーダンス要素７０１は、短絡電流のような数百ｋＨｚの周波数成分に対してインピーダンスが大きくなり、数１０Ｈｚである基本波成分に対しての影響は限りなく小さくなるような特性とすることが好ましい。

以上の説明のように、実施の形態２は、バイパス用パワー半導体を短絡電流から保護することができる。インピーダンス要素７０１を２つのバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂの接続点と、２つのハーフブリッジ回路２０４ａ，２０４ｂの接続点との間に挿入することによって、電気エネルギー蓄積要素２０３ａ，２０３ｂの短絡電流によってバイパス用パワー半導体２０７が破壊されるのをより確実に防止することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３の電力変換装置では、サブモジュールが１つのハーフブリッジ回路を有し、サブモジュールが、外部端子を介して他のサブモジュールと直列接続される。

図１０は、実施の形態３のサブモジュール１０１ｃの構成を表わす図である。
サブモジュール１０１ｃは、ハーフブリッジ回路１００４と、主回路給電装置１０１２と、ゲート駆動装置１０１０と、個別コントローラ１００９と、バイパス部１００６と、バイパス部駆動装置１０１１とを備える。

ハーフブリッジ回路１００４は、直列接続された主パワー半導体１００１ａ（第１の主パワー半導体）および主パワー半導体１００１ｂ（第２の主パワー半導体）と、主パワー半導体１００１ａおよび主パワー半導体１００１ｂの経路と並列に接続された電気エネルギー蓄積要素１００３とを備える。

主パワー半導体１００１ａ，１００１ｂには、それぞれ逆並列に還流ダイオード１００２ａ，１００２ｂが接続される。

電気エネルギー蓄積要素１００３と並列に主回路給電装置１０１２が接続される。
主パワー半導体１００１ａ，１００１ｂとの間のノードＮＤＣが外部端子１００５Ｐと接続される。主パワー半導体１００１ｂと電気エネルギー蓄積要素１００３との接続点が外部端子１００５Ｎと接続される。

バイパス部１００６は、外部端子１００５Ｐおよび外部端子１００５Ｎと接続され、外部端子１００５Ｐと外部端子１００５Ｎとの間に配置される。

バイパス部１００６は、バイパス用パワー半導体１００７と、バイパス用パワー半導体１００７に逆並列に接続された還流ダイオード１００８によって構成される。

バイパス部１００６は、サブモジュール１０１ｃが正常時には開放モードとなっている。たとえば、バイパス用パワー半導体１００７がＩＧＢＴで構成される場合に、開放モードにおいて、バイパス用パワー半導体１００７にゲート電圧が印可されていない状態、または負バイアスへ電圧が印可されている状態（オフ指令状態）に設定される。

個別コントローラ１００９またはゲート駆動装置１０１０に含まれる異常検出手段（図示しない）が、主パワー半導体１００１の短絡故障などのハーフブリッジ回路１００４の異常を検出したときに、個別コントローラ１００９または中央コントローラ１０３の信号に基づき、バイパス部駆動装置１０１１が制御される。バイパス部駆動装置１０１１は、バイパス部１００６に含まれるバイパス用パワー半導体１００７を短絡させる。

本構成によって、異常が発生したサブモジュール１０１ｃを電力変換装置１０４から切り離し、電力変換装置１０４は運転継続が可能となる。

本実施の形態のゲート駆動装置１０１０およびバイパス部駆動装置１０１１と、個別コントローラ１００９および中央コントローラ１０３間の制御信号の通信手段および給電方法については、実施の形態１と同様である。

外部端子１００５Ｐ，１００５Ｎの両端に現れる最大の電圧は電気エネルギー蓄積要素１００３の両端の電圧ＶＣＤＣに等しい。従って、バイパス用パワー半導体１００７に印加される最大の電圧は基本的には実施の形態１で、図２において述べたバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに印加される最大の電圧と等しい。

したがって、実施の形態３においても、実施の形態１のバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂと同様に、バイパス用パワー半導体１００７を、主パワー半導体１００１ａ，１００１ｂよりも高い定格電圧のパワー半導体を用いる。これによって、バイパス部１００６の信頼性を向上させることが可能となる。

図１１は、実施の形態３における、サブモジュール１０１ｃ内における異常検出から異常が検出されたハーフブリッジ回路のバイパスが完了するまでの動作手順を表わすフローチャートである。

ステップＳ１１において、個別コントローラ１００９またはゲート駆動装置１０１０に含まれる異常検出手段（図示しない）が、ハーフブリッジ回路１００４の異常の有無を検出する。

ハーフブリッジ回路１００４の異常を検出した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、処理がステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、個別コントローラ１００９は、バイパス用パワー半導体１００７と、バイパス用パワー半導体１００７と並列接続された主パワー半導体１００１ｂ（第２の主パワー半導体）に同時にオン指令を与え、主パワー半導体１００１ａ（第１の主パワー半導体）にはオフ指令を与える。

ステップＳ１３において、第１の主パワー半導体が短絡故障している場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、処理がステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、電気エネルギー蓄積要素１００３の両端が短絡されるため短絡電流が流れ、電気エネルギー蓄積要素１００３が放電されて、バイパスが完了する。

ステップＳ１３において、第１の主パワー半導体が短絡故障していない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、処理がステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、電気エネルギー蓄積要素１００３の両端の電圧は、第１の主パワー半導体が担うため、短絡電流は流れず電気エネルギー蓄積要素１００３は充電されたままバイパスが完了する。

なお、上述の短絡電流は、主パワー半導体１００１ｂ（第２の主パワー半導体）とバイパス用パワー半導体１００７とで分流するが、以下のようにして、バイパス用パワー半導体１００７の短絡電流を抑制することができる。主パワー半導体１００１ａ，１００１ｂおよび還流ダイオード１００２ａ，１００２ｂを第１のパワーモジュールで構成し、バイパス用パワー半導体１００７ａおよび還流ダイオード１００８を第２のパワーモジュールで構成する。これらの２つのパワーモジュールを導体で接続する。バイパス用パワー半導体１００７を通る短絡電流の経路の配線のインピーダンスに対して、主パワー半導体１００１ｂ（第２の主パワー半導体）を通る短絡電流の経路の配線のインピーダンスの方が小さくなる。その結果、バイパス用パワー半導体１００７の短絡電流を抑制し、バイパス用パワー半導体１００７の短絡電流による破壊を効果的に防ぐことができる。

以上で説明したように、実施の形態３のサブモジュール１０１ｃは、１つのハーフブリッジ回路で構成される。実施の形態３では、実施の形態１で述べたバイパス用パワー半導体の信頼性向上、およびバイパス用パワー半導体への給電方法については同様としつつ、サブモジュール１０１ｃは１つのハーフブリッジ回路で構成されるため、サブモジュール１つあたりのサイズをより小さくすることができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、異常サブモジュールが存在する電力変換装置の起動方法に係るものである。例えば、異常サブモジュールが常に開放状態となっているような場合、この異常サブモジュールを含んだ状態では、電力変換装置の初期充電が完了できない。従って、異常サブモジュールを含んだ状態で電力変換装置を起動させる場合には、予め確実に異常サブモジュールをバイパスして、電力変換装置から切り離しておくことが要求される。

図１を用いて、実施の形態４における電力変換装置の起動前の各バイパス用パワー半導体に対する処理について説明する。実施の形態４は、電力変換装置の起動方法に係るものであり、実施の形態１〜３のいずれの電力変換装置に対しても適用することが可能である。従って、本実施の形態のサブモジュールの基本的な構成については、図２または図１０で説明したものと同様である。

図１２は、電力変換装置の起動前に各バイパス用パワー半導体に対して行う処理を示したフローチャートである。

ステップＳ１６において、ハーフブリッジ回路が、中央コントローラ１０３に異常検出が記憶されているハーフブリッジ回路の場合に（Ｓ１６：ＹＥＳ）、処理がステップＳ１７に進み、中央コントローラ１０３に異常検出が記憶されてないハーフブリッジ回路の場合に（Ｓ１６：ＮＯ）、処理がステップＳ１８に進む。

ステップＳ１７において、電力変換装置１０４から、異常が検出されたハーフブリッジ回路を切り離す必要があるため、バイパス部駆動装置２１２は、接地電位からの光給電によって対応するバイパス用パワー半導体をオン状態とする。

ステップＳ１８において、対応するバイパス用パワー半導体をオフ状態とする。
なお、ハーフブリッジ回路２０４ａの主パワー半導体２０１ａ，２０１ｂ、ハーフブリッジ回路２０４ｂ内の主パワー半導体２０１ｃ，２０１ｄは、電力変換装置の起動前なので、オフに設定されている。

なお、各ハーフブリッジ回路に対応するバイパス用パワー半導体とは、各ハーフブリッジ回路と並列に接続されているバイパス用パワー半導体である。すなわち、ハーフブリッジ回路２０４ａに対応するのが、バイパス用パワー半導体２０７ａであり、ハーフブリッジ回路２０４ｂに対応するのが、バイパス用パワー半導体２０７ｂである。

以上のように、異常が検出されたハーフブリッジ回路を中央コントローラが記憶し、起動前に異常が検出されたハーフブリッジ回路を予め電力変換装置１０４から切り離すことによって、より確実に電力変換装置１０４を起動することが可能となる。言い換えると、より信頼性の高い電力変換装置を供給することが可能となる。

実施の形態５．
実施の形態５の電力変換装置のサブモジュールは、フルブリッジ回路を備える。フルブリッジ回路は、２つのハーフブリッジ回路を組み合わせることによって構成される。このサブモジュールは、外部端子を介して他のサブモジュールと直列接続される。

図１３は、実施の形態５のサブモジュール１０１ｄの構成を表わす図である。
サブモジュール１０１ｄは、フルブリッジ回路１３０４を備える。

フルブリッジ回路１３０４は、直列接続された主パワー半導体１３０１ａ（第１の主パワー半導体）と主パワー半導体１３０１ｂ（第２の主パワー半導体）と、直列接続された主パワー半導体１３０１ｃ（第３の主パワー半導体）と主パワー半導体１３０１ｄ（第４の主パワー半導体）と、電気エネルギー蓄積要素１３０３とを含む。直列接続された主パワー半導体１３０１ａと主パワー半導体１３０１ｂの経路と、直列接続された主パワー半導体１３０１ｃと主パワー半導体１３０１ｄの経路と、電気エネルギー蓄積要素１３０３の経路とは並列に接続される。

フルブリッジ回路１３０４は、さらに、主パワー半導体１３０１ａに逆並列に接続された還流ダイオード１３０２ａと、主パワー半導体１３０１ｂに逆並列に接続された還流ダイオード１３０２ｂと、主パワー半導体１３０１ｃに逆並列に接続された還流ダイオード１３０２ｃと、主パワー半導体１３０１ｄに逆並列に接続された還流ダイオード１３０２ｄとを備える。

サブモジュール１０１ｄは、実施の形態１と同様に、主回路給電装置１３１２と、ゲート駆動装置１３１０と、個別コントローラ１３０９と、バイパス部１３０６と、バイパス部駆動装置１３１１とを備える。

電気エネルギー蓄積要素１３０３と並列に主回路給電装置１３１２が接続される。主パワー半導体１３０１ａと、主パワー半導体１３０１ｂとの間のノードＮＤＰが外部端子１３０５Ｐと接続される。主パワー半導体１３０１ｃと主パワー半導体１３０１ｄの間のノードＮＤＡが外部端子１３０５Ｎと接続される。

バイパス部１３０６は、外部端子１３０５Ｐおよび外部端子１３０５Ｎと接続され、外部端子１３０５Ｐと外部端子１３０５Ｎとの間に配置される。

バイパス部１３０６は、直列接続されたバイパス用パワー半導体１３０７ａおよびバイパス用パワー半導体１３０７ｂと、バイパス用パワー半導体１３０７ａと逆並列に接続された還流ダイオード１３０８ａと、バイパス用パワー半導体１３０７ｂと逆並列に接続された還流ダイオード１３０８ｂとを備える。

バイパス用パワー半導体１３０７ａと、バイパス用パワー半導体１３０７ｂとは互いに逆向きに接続される。つまり、例えば、バイパス用パワー半導体１３０７ａおよびバイパス用パワー半導体１３０７ｂがＩＧＢＴで構成される場合には、図１３に示すように、バイパス用パワー半導体１３０７ａのエミッタと、バイパス用パワー半導体１３０７ｂのエミッタとが接続される。あるいは、バイパス用パワー半導体１３０７ａのコレクタと、バイパス用パワー半導体１３０７ｂのコレクタとが接続されるものとしてもよい。これは、単一のハーフブリッジ回路と異なり、フルブリッジ回路１３０４は、正極性に加え、負極性の電圧が出力可能となるためである。正常時（非バイパス時）に、フルブリッジ回路１３０４からいずれの極性の電圧が出力されても、フルブリッジ回路１３０４の動作を継続することができる。

バイパス部１３０６は、サブモジュール１０１ｄが正常時には開放モードとなっている。たとえば、バイパス用パワー半導体１３０７ａおよびバイパス用パワー半導体１３０７ｂがＩＧＢＴで構成される場合に、開放モードにおいて、バイパス用パワー半導体１３０７ａおよびバイパス用パワー半導体１３０７ｂにゲート電圧が印可されていない状態、または負バイアスへ電圧が印可されている状態（オフ指令状態）に設定される。

個別コントローラ１３０９またはゲート駆動装置１３１０に含まれる異常検出手段（図示しない）が、主パワー半導体１３０１ａ〜１３０１ｄの短絡故障などのフルブリッジ回路１３０４の異常を検出したときに、個別コントローラ１３０９は、主パワー半導体１３０１ａ，１３０１ｂ，１３０１ｃ，１３０１ｄにオフ指令を与える。また、個別コントローラ１３０９または中央コントローラ１０３の信号に基づき、バイパス部駆動装置１３１１が制御される。バイパス部駆動装置１３１１は、バイパス部１３０６に含まれるバイパス用パワー半導体１３０７ａ、およびバイパス用パワー半導体１３０７ｂを短絡させる。

本構成によって、異常が発生したサブモジュール１０１ｄを電力変換装置１０４から切り離し、電力変換装置１０４は運転継続が可能となる。

本実施の形態における、ゲート駆動装置１３１０およびバイパス部駆動装置１３１１と、個別コントローラ１３０９および中央コントローラ１０３の間の制御信号の通信手段および給電方法については、実施の形態１と同様である。

外部端子１３０５Ｐ，１３０５Ｎの両端に現れる最大の電圧は電気エネルギー蓄積要素１３０３の両端の電圧ＶＣＤＣに等しい。従って、バイパス用パワー半導体１３０７ａ，１３０７ｂに印加される最大の電圧は基本的には実施の形態１で、図２において説明したバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂに印加される最大の電圧と等しい。

したがって、実施の形態５においても、実施の形態１のバイパス用パワー半導体２０７ａ，２０７ｂと同様に、バイパス用パワー半導体１３０７を、主パワー半導体１３０１ａ，１３０１ｂ，１３０１ｃ，１３０１ｄよりも高い定格電圧のパワー半導体を用いる。これによって、バイパス部１３０６の信頼性を向上させることが可能となる。

個別コントローラ１３０９またはゲート駆動装置１３１０に含まれる異常検出手段（図示しない）が、フルブリッジ回路１３０４の異常の有無を検出する。

フルブリッジ回路１３０４の異常を検出した場合、個別コントローラ１３０９は、バイパス用パワー半導体１３０７ａ，１３０７ｂにオン指令を与え、主パワー半導体１３０１ａ，１３０１ｂ，１３０１ｃ，１３０１ｄにはオフ指令を与える。

以上のように、すべての主パワー半導体１３０１ａ，１３０１ｂ，１３０１ｃ，１３０１ｄにオフ指令を与えることによって、主パワー半導体１３０１ａ，１３０１ｄの両方が短絡故障した場合、および、主パワー半導体１３０１ｂ，１３０１ｃの両方が短絡故障した場合を除いて電気エネルギー蓄積要素１３０３は充電されたまま、バイパスが完了する。

一方で、主パワー半導体１３０１ａ，１３０１ｄの両方が短絡故障した場合、または、主パワー半導体１３０１ｂ，１３０１ｃの両方が短絡故障した場合に、バイパス動作を実施すると、電気エネルギー蓄積要素１３０３が短絡し、短絡電流がバイパス用パワー半導体１３０７ａ，１３０７ｂに流れて、故障してしまう可能性がある。

従って、更に信頼性を向上させるためには、例えば、バイパス部駆動装置１３１１にバイパス用パワー半導体１３０８ａ，１３０８ｂの短絡に対する保護手段を実装するなどの対策が可能である。

以上で説明したように、実施の形態５のサブモジュール１０１ｄは、２つのハーフブリッジ回路が組み合わされたフルブリッジ回路によって構成される。実施の形態５のサブモジュールは、実施の形態１と同様に、バイパス用パワー半導体の信頼性を向上することができ、実施の形態１と同様のバイパス用パワー半導体への給電方法を有する。

実施の形態５のサブモジュール１０１ｄは、フルブリッジ回路で構成されるため、負極性の電圧が出力可能となるので、電力変換装置の１０４の運転範囲を拡大することが可能となる。

さらに、実施の形態５のサブモジュール１０１ｄでは、２つの主パワー半導体１３０１ａおよび１３０１ｄ、または２つの主パワー半導体１３０１ｂおよび１３０１ｃが同時に短絡故障した場合を除いて、任意の１つの主パワー半導体が短絡した場合であっても、電気エネルギー蓄積要素が短絡されることなく、確実にバイパスを完了することができる。

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。本開示の範囲は上記した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およ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。

１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ サブモジュール、１０２ リアクトル、１０３ 中央コントローラ、１０４ 電力変換装置、１０５ 負荷、１０６ 直流電圧源、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，１００１ａ，１００１ｂ，１３０１ａ，１３０１ｂ，１３０１ｃ，１３０１ｄ 主パワー半導体、２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ，２０８ａ，２０８ｂ，１００２ａ，１００２ｂ，１００８，１３０２ａ，１３０２ｂ，１３０２ｃ，１３０２ｄ，１３０８ａ，１３０８ｂ 還流ダイオード、２０３ａ，２０３ｂ，１００３，１３０３ 電気エネルギー蓄積要素、２０４ａ，２０４ｂ，１００４ ハーフブリッジ回路、２０５Ｐ，２０５Ｎ，１００５Ｐ，１００５Ｎ，１３０５Ｐ，１３０５Ｎ 外部端子、２０６，１００６，１３０６ バイパス部、２０７ａ，２０７ｂ，１００７，１３０７ａ，１３０７ｂ バイパス用パワー半導体、２０９ 中間端子、２１０，１００９，１３０９ 個別コントローラ、２１１ａ，２１１ｂ，１０１０，１３１０ ゲート駆動装置、２１２，１０１１，１３１１ バイパス部駆動装置、２１３ａ，２１３ｂ，１０１２，１３１２ 主回路給電装置、４０１ パワーモジュール、７０１ インピーダンス要素、１３０４ フルブリッジ回路、ＦＢ１，ＦＢ２，ＦＢ３，ＦＢ４，ＦＢ４ａ，ＦＢ４ｂ，ＦＢ５ 光ファイバー。

Claims (16)

1. 電力変換装置であって、
   直列接続された電力変換を行うサブモジュールを複数個備え、
   前記サブモジュールは、
   オン／オフ制御によって電力変換を行う直列接続された２つの主パワー半導体と、前記直列接続された２つの主パワー半導体の経路と並列に接続された電気エネルギー蓄積要素とを含むブリッジ回路と、
   バイパス用パワー半導体を含むバイパス部と、
   前記バイパス部を駆動するバイパス部駆動装置と、
   第１の外部端子と第２の外部端子とを含み、
   前記第１の外部端子と前記第２の外部端子の間に前記バイパス部が配置され、前記第１の外部端子と、前記２つの主パワー半導体の間のノードとが接続され、
   前記電力変換装置は、さらに、
   前記バイパス部駆動装置を給電するための光による給電系を備える、電力変換装置。
2. 前記バイパス用パワー半導体は、前記主パワー半導体と比較して定格電圧の高いパワー半導体である、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記バイパス用パワー半導体をオン状態とするための信号を伝送するために第１の伝達経路と第２の伝達経路とを有する、請求項１または２記載の電力変換装置。
4. 前記第１の伝達経路による前記信号の伝達時間は、前記第２の伝達経路による信号の伝達時間よりも短い、請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記電気エネルギー蓄積要素で生成された電力によって駆動される個別コントローラと、
   接地電位と接続される中央コントローラとを備え、
   前記個別コントローラが前記第１の伝達経路を通じて、前記バイパス用パワー半導体をオン状態とするための第１の制御信号を前記バイパス部駆動装置へ送信し、
   前記中央コントローラが前記第２の伝達経路を通じて、前記バイパス用パワー半導体をオン状態とするための第２の制御信号を前記バイパス部駆動装置へ送信し、
   前記サブモジュールの異常検出から前記第１の制御信号が前記バイパス部駆動装置へ伝達されるまでの時間が、前記サブモジュールの異常検出から前記第２の制御信号が前記バイパス部駆動装置へ伝達されるまでの時間よりも短い、請求項３または４に記載の電力変換装置。
6. 前記光による給電系は、光ファイバーを用いた給電系である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記２つの主パワー半導体を駆動するゲート駆動装置と、
   前記バイパス部駆動装置および前記ゲート駆動装置を制御する個別コントローラと、
   前記電気エネルギー蓄積要素と並列に接続され、前記個別コントローラ、およびゲート駆動装置へ電力を供給する主回路給電装置とを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記個別コントローラは、前記ブリッジ回路に異常が検出された場合に、前記２つの主パワー半導体のうち、オン状態に設定するバイパス用パワー半導体と並列に接続された主パワー半導体をオン状態にする指令を出力し、前記２つの主パワー半導体のうち残りの主パワー半導体をオフ状態に設定する指令を伝送する、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記サブモジュールは、前記ブリッジ回路として、第１のハーフブリッジ回路と第２のハーフブリッジ回路を備え、
   前記第１のハーフブリッジ回路は、直列接続された第１の主パワー半導体と第２の主パワー半導体とを含み、
   前記第２のハーフブリッジ回路は、直列接続された第３の主パワー半導体と第４の主パワー半導体とを含み、
   前記バイパス部は、
   前記第２の主パワー半導体と並列に接続された第１のバイパス用パワー半導体と、前記第３の主パワー半導体と並列に接続された第２のバイパス用パワー半導体とを含み、前記第１の主パワー半導体と前記第２のバイパス用パワー半導体とが直列接続され、
   前記第２の主パワー半導体と前記第３の主パワー半導体との接続点と、前記第１のバイパス用パワー半導体と前記第２のバイパス用パワー半導体の接続点とが電気的に接続されている、請求項７に記載の電力変換装置。
10. 前記個別コントローラは、前記第１のハーフブリッジ回路に異常が検出された場合に、前記第２の主パワー半導体をオン状態にする指令を出力し、前記第１の主パワー半導体をオフ状態に設定する指令を伝送し、前記第２のハーフブリッジ回路に異常が検出された場合に、前記第３の主パワー半導体をオン状態にする指令を出力し、前記第４の主パワー半導体をオフ状態に設定する指令を伝送する、請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記第２の主パワー半導体と前記第３の主パワー半導体の接続点と、前記第１のバイパス用パワー半導体と前記第２のバイパス用パワー半導体の接続点とがインピーダンス要素を介して電気的に接続される、請求項９に記載の電力変換装置。
12. 前記第１のバイパス用パワー半導体と前記第２のバイパス用パワー半導体は、１つのパワー半導体モジュールによって構成される、請求項９に記載の電力変換装置。
13. 前記サブモジュールは、前記ブリッジ回路として、１つのハーフブリッジ回路を備え、
    前記ハーフブリッジ回路は、前記２つの主パワー半導体を備え、
    前記バイパス部は、前記バイパス用パワー半導体を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
14. 異常が検出された前記サブモジュールを記憶し、起動時に記憶されている前記サブモジュールを予めバイパスさせる中央コントローラを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
15. 前記サブモジュールは、前記ブリッジ回路として、フルブリッジ回路を備え、
    前記フルブリッジ回路は、
    直列接続された第１の主パワー半導体と第２の主パワー半導体と、
    直列接続された第３の主パワー半導体と第４の主パワー半導体と、
    前記電気エネルギー蓄積要素とを含み、
    前記直列接続された前記第１の主パワー半導体と前記第２の主パワー半導体の経路と、前記直列接続された前記第３の主パワー半導体と前記第４の主パワー半導体の経路と、前記電気エネルギー蓄積要素の経路とは並列に接続され、
    前記第１の外部端子は、前記第１の主パワー半導体と前記第２の主パワー半導体との間のノードに接続され、
    前記第２の外部端子は、前記第３の主パワー半導体と前記第４の主パワー半導体との間のノードに接続され、
    前記バイパス部は、直列接続された第１のバイパス用パワー半導体と第２のバイパス用パワー半導体とを備え、
    前記第１のバイパス用パワー半導体と、前記第２のバイパス用パワー半導体とは互いに逆向きに接続されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
16. 前記フルブリッジ回路に異常が検出された場合に、前記第１の主パワー半導体、前記第２の主パワー半導体、前記第３の主パワー半導体、および前記第４の主パワー半導体をオフ状態に設定する指令を出力し、前記第１のバイパス用パワー半導体および前記第２のバイパス用パワー半導体を短絡させる個別コントローラを備える、請求項１５に記載の電力変換装置。

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