(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022176828
(43)【公開日】2022-11-30
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20221122BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 Z
H02M7/48 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021083470
(22)【出願日】2021-05-17
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000925
【氏名又は名称】弁理士法人信友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】永田 寛
(72)【発明者】
【氏名】大原 春樹
(72)【発明者】
【氏名】澤畠 達大
(72)【発明者】
【氏名】野田 和志
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770AA23
5H770BA01
5H770CA02
5H770DA03
5H770DA33
5H770GA01
5H770QA01
5H770QA08
5H770QA27
(57)【要約】
【課題】電力変換主回路の構造を同一としながら、実装するパワー半導体素子を、同一寸法で所望の定格仕様のパワー半導体素子に換装するだけで、様々な出力電圧、電流特性を実現することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる電力変換装置２００であって、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎおよび当該パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路１００を備える。電力変換主回路１００の配線構造は、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定される。また、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎとして、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される。
【選択図】図２
【解決手段】複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる電力変換装置２００であって、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎおよび当該パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路１００を備える。電力変換主回路１００の配線構造は、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定される。また、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎとして、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる電力変換装置であって、
パワー半導体素子および前記パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路を備え、
前記電力変換主回路の配線構造は、前記電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定され、
前記パワー半導体素子として、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される、
電力変換装置。
パワー半導体素子および前記パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路を備え、
前記電力変換主回路の配線構造は、前記電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定され、
前記パワー半導体素子として、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される、
電力変換装置。
【請求項2】
前記パワー半導体素子として、同一寸法ながら異なる定格仕様のモジュール型のパワー半導体素子を適用して、様々な出力電圧、出力電流の特性を実現する複数の電力変換装置群を構築するとき、
前記複数の電力変換装置群は、各々の出力電圧と出力電流との掛け算値である皮相電力が同じである、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記複数の電力変換装置群は、各々の出力電圧と出力電流との掛け算値である皮相電力が同じである、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記配線構造は、前記パワー半導体素子に電気的に繋がる導体を含み、
前記導体の寸法は、前記複数の電力変換装置群における出力電流の最大値を許容する寸法である、
請求項２に記載の電力変換装置。
前記導体の寸法は、前記複数の電力変換装置群における出力電流の最大値を許容する寸法である、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記配線構造は、前記導体の絶縁距離を含み、
前記導体の絶縁距離は、前記複数の電力変換装置群における出力電圧の最大値を許容する距離である、
請求項３に記載の電力変換装置。
前記導体の絶縁距離は、前記複数の電力変換装置群における出力電圧の最大値を許容する距離である、
請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記電力変換主回路は、前記パワー半導体素子を冷却する冷却器を有し、
前記冷却器の寸法は、前記パワー半導体素子の支配的な発生損失となるスイッチング損失に基づいて決定される、
請求項２に記載の電力変換装置。
前記冷却器の寸法は、前記パワー半導体素子の支配的な発生損失となるスイッチング損失に基づいて決定される、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記冷却器の寸法は、前記複数の電力変換装置群において同一寸法である、
請求項５に記載の電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
商用周波数の交流電圧を直流電圧に順方向変換し、可変電圧・可変周波数の交流電圧に逆変換することが可能な、即ち、交流－直流－交流変換が可能な電力変換装置がある。この種の電力変換装置は、受電する交流電源の電圧および変換後の直流、交流の電圧に対応した電力変換主回路を用いることによって構成される。電力変換装置に用いられる電力変換主回路としては、当該電力変換主回路に接続される負荷の定格電圧および定格電流に適合する電圧および電流を出力できる構成のものが最適である。
【0003】
従来は、接続される負荷の特性毎に個別に設計された電力変換主回路を構築していた。具体的には、電力変換装置に必要とされる出力電圧および出力電流を処理できるパワー半導体素子を選定し、それに必要とされる絶縁耐力および電流容量から周辺回路の絶縁距離および導体寸法を決定していた。その上で、さらに、パワー半導体素子の発生損失に合わせた冷却器を決定し、それらから構成される電力変換主回路を収納する電力変換装置の全体寸法を決定していた（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平０５－１０４２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、上記のように、接続される負荷の特性毎に個別に設計し、電力変換主回路を構築すると、電力変換主回路の出力電圧、出力電流の特性毎にその配線構造や冷却器構造が異なることになるため、装置寸法が異なる多種多様な電力変換装置が存在することになる。その結果、個々の電力変換装置毎に設計仕様、組立手順、構成部品の寸法が異なることになるため、それらに対応できる技術者、作業者、製造場所を設定せねばならず、結果として、生産コストを増加させる要因になっていた。
【0006】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電力変換主回路の構造を同一としながら、実装するパワー半導体素子を、同一寸法で所望の定格仕様のパワー半導体素子に換装するだけで、様々な出力電圧、電流特性を実現することができる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】
【0007】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる電力変換装置であって、パワー半導体素子および当該パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路を備える。
そして、電力変換主回路の配線構造は、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定される。また、パワー半導体素子として、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる電力変換装置であって、パワー半導体素子および当該パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路を備える。
そして、電力変換主回路の配線構造は、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定される。また、パワー半導体素子として、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、パワー半導体素子を換装するだけで、電力変換主回路の構造を同一としながら、様々な出力電圧、出力電流の特性を実現する電力変換装置群を構築することができる。その結果、個々の電力変換装置毎の仕様に応じた技術者、作業者、製造場所の設定が不要となるため、生産コストの低減を図ることができる。
【0009】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が適用される電力変換システムの構成例を示すブロック図である。
【図2】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路の構成例を示す回路図である。
【図3】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路におけるパワー半導体素子のスイッチング動作について説明する波形図である。
【図4】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路におけるパワー半導体素子のスイッチング理想波形について説明する波形図である。
【図5】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路におけるクランプダイオードのスイッチング理想波形について説明する波形図である。
【図6】本発明の第２実施形態に係る電力変換装置が適用される電力変換システムの構成例を示すブロック図である。
【図7】本発明の第２実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路の構成例を示す回路図である。
【図8】本発明の第２実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路におけるパワー半導体素子の駆動信号について説明する波形図である。
【図9】本発明の第２実施形態に係る電力変換装置を構築する電力変換主回路におけるパワー半導体素子のスイッチング理想波形について説明する波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明を実施するための形態（実施形態）について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
【0012】
《本発明の電力変換装置》
本発明の電力変換装置は、パワー半導体素子および当該パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路を備え、複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる。電力変換装置において、電力変換主回路の配線構造は、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定される。また、実装するパワー半導体素子として、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される。
本発明の電力変換装置は、パワー半導体素子および当該パワー半導体素子に電気的に繋がる配線構造を有する電力変換主回路を備え、複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の各電力変換装置として用いられる。電力変換装置において、電力変換主回路の配線構造は、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定される。また、実装するパワー半導体素子として、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子が適用される。
【0013】
電力変換主回路の配線構造について、電力変換装置群の出力電圧、出力電流の最大値に基づいて決定することで、その最大値の範囲内の出力電圧、出力電流の特性の電力変換装置群を構築する際には、パワー半導体素子を換装するだけで、電力変換主回路の構造を同一としながら、様々な出力電圧、出力電流の特性を実現する電力変換装置群を構築することができる。ここで、「構造を同一」とは、厳密に構造が同一である場合の他、実質的に構造が同一である場合も含む意味であり、設計上あるいは製造上生ずる種々のばらつきの存在は許容される。
【0014】
上記のように、複数の電力変換装置によって構築される電力変換装置群において、実装するパワー半導体素子の定格仕様を変更し、パワー半導体素子を換装するだけで、電力変換主回路の構造を同一としながら、様々な出力電圧、出力電流の特性を実現できる。これにより、本発明の電力変換装置によって構築される電力変換装置群について、定格仕様以外は同一仕様、同一構造かつ同一寸法となることから、個々の電力変換装置毎の仕様に応じた技術者、作業者、製造場所の設定が不要となるため、効率良く生産することができ、生産コストの低減を図ることができる。
【0015】
ここで、「電力変換装置群」とは、電力変換主回路の構造を同一としながら出力電圧、出力電流の特性が異なる複数の電力変換装置の集合である。一例として、出力電圧αの電力変換装置Ａ、出力電圧２×αの電力変換装置Ｂ、出力電圧３×αの電力変換装置Ｃという３種類の電力変換装置を有する電力変換装置群を構築する場合、電力変換装置Ａは出力電流β、電力変換装置Ｂは出力電流１／２×β、電力変換装置Ｃは出力電流１／３×βとして、出力電圧と出力電流の掛け算値となる皮相電力がα×βの一定値になる電力変換装置群が構築されることになる。
【0016】
また、電力変換主回路の構造は、パワー半導体素子の寸法、それらを結線する導体の寸法と電気的な絶縁距離、および、パワー半導体素子を冷却可能な能力をもつ冷却器の寸法で決定される。そこで、本発明の電力変換装置によって構築される電力変換装置群には、同一寸法ながら定格電圧、定格電流の定格仕様が多種類存在するモジュール型のパワー半導体素子を適用することが好ましい。パワー半導体素子としては、たとえば、電圧駆動型のパワー半導体素子を用いることができる。また、電圧駆動型のパワー半導体素子としては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ等を例示することができる。
【0017】
電力変換主回路の配線構造を構成する導体の寸法は、本発明の電力変換装置によって構築される電力変換装置群の出力電流の最大値に基づいて決定される。導体の電気的な絶縁距離は、電力変換装置群の出力電圧の最大値に基づいて決定される。前述の３種類の電力変換装置の例では、電力変換装置群の出力電圧の最大値は３×α、出力電流の最大値はαとなる。
【0018】
パワー半導体素子を冷却する冷却器の寸法は、パワー半導体素子の支配的な発生損失となるスイッチング損失に基づいて決定される。ここで、スイッチング損失は、パワー半導体素子に印加される電圧と電流の掛け算値に比例する。パワー半導体素子に印加される電圧と電流は、電力変換装置の出力電圧と出力電流に比例する。したがって、本発明の電力変換装置によって構築される電力変換装置群は、その出力電圧と出力電流の掛け算値となる皮相電力が一定であるため、定格仕様が異なるパワー半導体素子を適用しても、スイッチング損失はほぼ同じになる。
【0019】
定格仕様が異なるパワー半導体素子には特性差が存在し、これがスイッチング損失の差を生じさせる。スイッチング損失については、たとえば、ＩＧＢＴのような電圧駆動型のパワー半導体素子の場合、そのゲート入力に印加する正、負の矩形電圧（ゲート電圧）の立ち上がりおよび立ち下がりの急峻さでスイッチング１回当りのスイッチング損失を調節することができる。具体的には、パワー半導体素子とその駆動回路とを接続する回路の抵抗値を変更することで、パワー半導体素子のゲート電圧の立ち上がりおよび立ち下がりの急峻さを調節することができる。これでもスイッチング損失の差を調整できない場合は、スイッチング周波数の変更による単位時間当たりのスイッチング損失発生回数を調節するようにすればよい。これにより、適用されるパワー半導体素子の定格仕様に関係なくスイッチング損失は一定となるため、電力変換装置群の各電力変換装置冷却器の寸法が１種類になる。
【0020】
上述したように、本発明の電力変換装置によれば、同一寸法ながら定格仕様が多種類存在するパワー半導体素子の中から、所望の定格仕様のパワー半導体素子を選択し、パワー半導体素子を換装するだけで、電力変換主回路の構造を同一としながら、様々な出力電圧、出力電流の特性を実現する電力変換装置群を構築することができる。その結果、電力変換装置群を構築する電力変換装置の個々の仕様に応じた技術者、作業者、製造場所の設定が不要となるため、効率良く生産することができる。
【0021】
以下に、上記の作用、効果を奏する本発明の電力変換装置の具体的な実施形態について説明する。
【0022】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が適用される電力変換システムの構成例を示すブロック図である。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が適用される電力変換システムの構成例を示すブロック図である。
【0023】
図１に示すように、本電力変換システムは、たとえば２つの電力変換装置２００，２００によって構築された電力変換装置群を有し、商用電源５００の交流電圧を直流電圧に順方向変換し、可変電圧・可変周波数の交流電圧に逆変換することが可能な（即ち、交流－直流－交流変換が可能な）構成となっている。ここで、商用電源５００側の電力変換装置２００は、商用周波数の交流電圧を直流電圧に順方向変換するコンバータであり、交流電動機４００側の電力変換装置２００は、可変電圧・可変周波数の交流電圧に逆変換するインバータである。
【0024】
図１において、２つの電力変換装置２００，２００は、正極母線Ｐ、負極母線Ｎ、および、中間電位母線ＣＯＭのそれぞれを、それぞれが内蔵する後述するパワー半導体素子（図２参照）を介して出力点ＡＣに電気的に接続する構成を備えている。中間電位母線ＣＯＭの電位は、正極母線Ｐの電位と負極母線Ｎの電位との中間電位である。
【0025】
２つの電力変換装置２００，２００は、それぞれが内蔵するパワー半導体素子をスイッチング動作させることで、実質的に交流電圧を作り出す。図１の例では、商用電源５００から変圧器３００を介して与えられる交流電圧を、商用電源５００側の電力変換装置２００（即ち、コンバータ）で直流電圧Ｅｐ，Ｅｎに変換する。さらに、商用電源５００側の電力変換装置２００で得られた直流電圧Ｅｐ，Ｅｎを、交流電動機４００側の電力変換装置２００（即ち、インバータ）で任意の周波数および振幅の交流電圧に変換して交流電動機４００に供給する。この交流－直流－交流変換によって３相の交流電動機４００を可変速制御することができる。
【0026】
また、２つの電力変換装置２００，２００が内蔵するパワー半導体素子のスイッチング動作により、交流電動機４００からの交流電圧を、交流電動機４００側の電力変換装置２００で直流電圧Ｅｐ，Ｅｎに変換し、さらに、変換して得られた直流電圧Ｅｐ，Ｅｎを、商用電源５００側の電力変換装置２００で商用周波数の交流電圧へ変換することにより、変圧器３００を介して商用電源５００に電力を回生することができる。これにより、３相の交流電動機４００の速度を減速制御することができる。
【0027】
（第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力変換主回路）
図２は、第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力変換主回路の構成例を示す回路図である。ここでは、３相の交流電動機４００に対応して電力変換主回路１００が３相分設けられ、直流電圧が３レベル（正極母線Ｐ、負極母線Ｎ、および、中間電位母線ＣＯＭの各電圧）の電力変換装置の場合を例示している。
図２は、第１実施形態に係る電力変換装置を構成する電力変換主回路の構成例を示す回路図である。ここでは、３相の交流電動機４００に対応して電力変換主回路１００が３相分設けられ、直流電圧が３レベル（正極母線Ｐ、負極母線Ｎ、および、中間電位母線ＣＯＭの各電圧）の電力変換装置の場合を例示している。
【0028】
図２において、第１実施形態に係る電力変換装置２００を構成する電力変換主回路１００は、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に、直列に接続された４つのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎを有している。ここでは、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎとして、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）を用いる場合を例示している。
【0029】
４つのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎには、フリーホイールダイオード１０２ｐ，１０２ｐｃ，１０２ｎｃ，１０２ｎが逆方向並列接続されている。パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎの各ゲートは、抵抗素子１０３ｐ，１０３ｐｃ，１０３ｎｃ，１０３ｎを経由して駆動回路１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎに電気的に接続されている。そして、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎは、駆動回路１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎから各ゲートに与えられる駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎに応答してスイッチング動作を繰り返す。
【0030】
駆動回路１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎには、制御回路１０５からスイッチング指令信号が与えられる。制御回路１０５は、たとえばＰＷＭ変調によって生成したスイッチング指令信号を駆動回路１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎのそれぞれに与える。なお、制御回路１０５は、３相回路の１相毎に１回路が構成される場合もあれば、３相回路毎に１回路が構成される場合もある。ここでは、１相毎に１回路が構成される場合を例示している。
【0031】
中間電位母線ＣＯＭと、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃの共通接続ノードＮｐとの間には、クランプダイオード１０６ｐが接続されている。また、中間電位母線ＣＯＭと、パワー半導体素子１０１ｎｃ，１０１ｎの共通接続ノードＮｎとの間には、クランプダイオード１０６ｎが接続されている。クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎは、中間電位母線ＣＯＭの電圧をクランプするダイオードである。
【0032】
電力変換主回路１００には、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎを冷却する冷却器１０７（１０７-1，１０７-2）が設けられている。冷却器１０７は、１つのパワー半導体素子毎に１つ設けられる場合もあれば、複数のパワー半導体素子毎に１つ設けられる場合もある。ここでは、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ、フリーホイールダイオード１０２ｐ，１０２ｐｃ、および、クランプダイオード１０６ｐの回路単位毎に、ならびに、パワー半導体素子１０１ｎ，１０１ｎｃ、フリーホイールダイオード１０２ｎ，１０２ｎｃ、および、クランプダイオード１０６ｎの回路単位毎に、冷却器１０７が１つずつ設けられる構成の場合を例示している。
【0033】
図２に示す第１実施形態に係る電力変換装置２００において、直流電圧Ｅｐ，Ｅｎは、直流母線、即ち、正極母線Ｐ、負極母線Ｎ、および、中間電位母線ＣＯＭを介して電力変換主回路１００に印加される。ここで、直流電圧Ｅｐ，Ｅｎは、通常の回路動作中においてはＥｐ＝Ｅｎとなっている。
【0034】
電力変換主回路１００において、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎは、制御回路１０５による制御の下に、任意の時間幅および周期でスイッチング動作を行う。このとき、制御回路１０５は、複数のパワー半導体素子が同時にオンしないように、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎのスイッチング制御を行う。
【0035】
また、クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎは、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのスイッチング動作に連動して動作する。具体的には、パワー半導体素子１０１ｐがオフ状態からオン状態に移行するとき、その移行速度に合わせてクランプダイオード１０６ｐは導通状態で逆バイアスが印加され、パワー半導体素子１０１ｐがオン状態からオフ状態に移行するとき、その移行速度に合わせてクランプダイオード１０６ｐは逆バイアスが印加されて導通となる。同様に、パワー半導体素子１０１ｎがオフ状態からオン状態に移行するとき、その移行速度に合わせてクランプダイオード１０６ｎは導通状態で逆バイアスが印加され、パワー半導体素子１０１ｎがオン状態からオフ状態に移行するとき、その移行速度に合わせてクランプダイオード１０６ｎは逆バイアスが印加されて導通となる。
【0036】
（パワー半導体素子のスイッチング動作について）
図３は、第１実施形態に係る電力変換装置２００を構成する電力変換主回路１００におけるパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎのスイッチング動作について説明する波形図である。図３には、出力点ＡＣに対する交流電圧指令信号Ｖ＊、出力点ＡＣの実際の出力電圧（インバータ出力電圧）ＶAC、および、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎの各波形の一例を図示している。
図３は、第１実施形態に係る電力変換装置２００を構成する電力変換主回路１００におけるパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎのスイッチング動作について説明する波形図である。図３には、出力点ＡＣに対する交流電圧指令信号Ｖ＊、出力点ＡＣの実際の出力電圧（インバータ出力電圧）ＶAC、および、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎの各波形の一例を図示している。
【0037】
制御回路１０５において、任意周波数および振幅の交流電圧指令信号Ｖ＊は、周波数ｆcの搬送波Ｃｒ３１，Ｃｒ３２とその振幅が比較される。制御回路１０５は、その振幅の大小関係に基づいて、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎを生成する。そして、制御回路１０５は、生成した駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎに基づいて、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎをスイッチング駆動する。これにより、出力点ＡＣには、交流電圧指令信号Ｖ＊と等価な出力電圧ＶACが出力される。
【0038】
ここで、ＰＷＭ変調の変調率をＫとすると、出力点ＡＣの出力電圧ＶACの実効値は、Ｋ×Ｅｐ／√２（または、Ｋ×Ｅｎ／√２）となり、電力変換主回路１００の直流電圧に比例する電圧となる。
【0039】
また、交流電圧指令信号Ｖ＊は、電力変換主回路１００に出力させたい出力電流ＩACに応じて波高値が決定され、搬送波Ｃｒ３１または搬送波Ｃｒ３２と交流電圧指令信号Ｖ＊の最大波高値の比が、ＰＷＭ変調の変調率Ｋとなる。
【0040】
パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎがＩＧＢＴのような電圧駆動型のパワー半導体素子の場合、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎは電圧信号となる。
【0041】
図１に示すように、２つの電力変換装置２００，２００の出力点ＡＣには、負荷回路（具体的には、交流電動機４００あるいは変圧器３００）が接続されている。そして、当該負荷回路に対して、直流電圧と任意周波数および振幅の交流電圧との間を順または逆変換することで、電力の供給および回収をすることができる。
【0042】
（電力変換主回路の構造について）
ここで、図２を用いて、電力変換主回路１００の構造について説明する。
ここで、図２を用いて、電力変換主回路１００の構造について説明する。
【0043】
本実施形態に係る電力変換装置２００によって構築される電力変換装置群は、共通構造の３つの電力変換主回路１００に対して様々な出力仕様を付与でき、それらが適用される負荷仕様に応じて出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACの各々の最大値を設定する。そして、出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACの各々の最大値に基づいて、電力変換主回路１００の各導体ＣＤＰ，ＣＤＰ１，ＣＤＡＣ，ＣＤＣＯＭ，ＣＤＮ１，ＣＤＮと大地ＧＮＤとの間、および、異電位の導体間の絶縁距離ＩＤＰ，ＩＤＰ１，ＩＤＡＣ，ＩＤＣＯＭ，ＩＤＮ１，ＩＤＮ、ならびに、各導体ＣＤＰ，ＣＤＰ１，ＣＤＡＣ，ＣＤＣＯＭ，ＣＤＮ１，ＣＤＮの寸法（サイズ）を決定する。
【0044】
ここで、導体ＣＤＰは、正極母線Ｐを含む導体であり、導体ＣＤＮは、負極母線Ｎを含む導体であり、導体ＣＤＣＯＭは、中間電位母線ＣＯＭを含む導体である。また、導体ＣＤＰ１は、クランプダイオード１０６ｐとパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃとを電気的に接続する配線Ｐ１を含む導体であり、導体ＣＤＮ１は、クランプダイオード１０６ｎとパワー半導体素子１０１ｎｃ，１０１ｎとを電気的に接続する配線Ｎ１を含む導体であり、導体ＣＤＡＣは、出力点ＡＣにつながる配線ＡＣ１を含む導体である。すなわち、導体ＣＤＰ，ＣＤＰ１，ＣＤＡＣ，ＣＤＣＯＭ，ＣＤＮ１，ＣＤＮは、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎに電気的に繋がる導体であり、電力変換主回路１００の配線構造を構成している。
【0045】
本実施形態に係る電力変換装置２００によって構築される電力変換装置群には、個々の電力変換装置２００の定格出力時の出力電圧ＶACと出力電流ＩACとの掛け算値である皮相電力が同じという制約が設けられる。この制約により、出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACは、その積（掛け算値）が一定値かつその大小関係が相反する関係になる。
【0046】
一方、電力変換主回路１００に適用されるパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎ、および、クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎには、電力変換主回路１００の動作において、各々に印加される直流電圧Ｅｐまたは直流電圧Ｅｎに比例する必要電圧Ｖｒと、電力変換主回路１００の出力電流ＩACに比例する必要電流Ｉｒの各々を許容する定格仕様のものが適用される。
【0047】
前述のとおり、出力電圧ＶACは、直流電圧Ｅｐまたは直流電圧Ｅｎと比例関係にあるため、直流電圧Ｅｐまたは直流電圧Ｅｎと比例関係にある必要電圧Ｖｒも出力電圧ＶACと比例関係にある。
【0048】
以上より、必要電圧Ｖｒおよび必要電流Ｉｒは、それらと比例関係にある出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACと同様に、その積（掛け算値）が一定値かつその大小関係が相反する関係になる。
【0049】
図４に、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎのスイッチング理想波形を示す。パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎのスイッチング波形は、電力変換主回路１００の回路動作上、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎとパワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃとが同じとなるため、図４には２組の波形が図示されている。
【0050】
ここで、必要電圧Ｖｒ、必要電流Ｉｒのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオン時の印加電圧の時間傾斜をｄｖon、同時期の通流電流の時間傾斜をｄｉon、必要電圧Ｖｒ、必要電流Ｉｒのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオフ時の印加電圧の時間傾斜をｄｖoff、同時期の通流電流の時間傾斜をｄｉoffとする。また、必要電圧Ｖｒ、必要電流Ｉｒのパワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃのオン時の印加電圧の時間傾斜をｄｖｃon、同時期の通流電流の時間傾斜をｄｉｃon、必要電圧Ｖｒ、必要電流Ｉｒのパワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃのオフ時の印加電圧の時間傾斜をｄｖｃoff、同時期の通流電流の時間傾斜をｄｉｃoffとする。このとき、時刻tのスイッチング損失は次式で表される。
【0051】
●パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオン時
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖon×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉon×ｔ－ｄｖon×ｄｉon×ｔ2)ｄｔ …（１）
●パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉoff×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖoff×ｔ－ｄｉoff×ｄｖoff×ｔ2)ｄｔ …（２）
●パワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃのオン時
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖｃon×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉｃon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉｃon×ｔ－ｄｖｃon×ｄｉｃon×ｔ2)ｄｔ …（３）
●パワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉｃoff×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖｃoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖｃoff×ｔ－ｄｉｃoff×ｄｖｃoff×ｔ2)ｄｔ …（４）
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖon×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉon×ｔ－ｄｖon×ｄｉon×ｔ2)ｄｔ …（１）
●パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉoff×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖoff×ｔ－ｄｉoff×ｄｖoff×ｔ2)ｄｔ …（２）
●パワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃのオン時
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖｃon×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉｃon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉｃon×ｔ－ｄｖｃon×ｄｉｃon×ｔ2)ｄｔ …（３）
●パワー半導体素子１０１ｐｃ，１０１ｎｃのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉｃoff×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖｃoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖｃoff×ｔ－ｄｉｃoff×ｄｖｃoff×ｔ2)ｄｔ …（４）
【0052】
【0053】
クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎは、前述したように、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎと連動して動作する。その関係性より、クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのオン時の印加電圧の時間傾斜はｄｖoffとなり、同時期の通流電流の時間傾斜はｄｉoffとなる。同様に、クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのオフ時の印加電圧の時間傾斜はｄｖonとなり、同時期の通流電流の時間傾斜はｄｉonとなる。必要電圧をＶｒ、必要電流をＩｒとすると、時刻tのクランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのスイッチング損失は次式で表される。
【0054】
●クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのオン時
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖoff×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉoff×ｔ－ｄｖoff×ｄｉoff×ｔ2)ｄｔ …（５）
●クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉon×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖon×ｔ－ｄｉon×ｄｖon×ｔ2)ｄｔ …（６）
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖoff×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉoff×ｔ－ｄｖoff×ｄｉoff×ｔ2)ｄｔ …（５）
●クランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉon×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖon×ｔ－ｄｉon×ｄｖon×ｔ2)ｄｔ …（６）
【0055】
上記の式（１）～（６）より、各損失式は、必要電圧Ｖｒと必要電流Ｉｒとの積を括り出せる。前述した通り、必要電圧Ｖｒと必要電流Ｉｒとの積は一定値となるため、この部分は、電力変換装置２００を構築する際に選定するパワー半導体素子の定格仕様の種類によらず一定値となる。
【0056】
一方、式（１）～（６）の時間積分の部分は、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎのスイッチング動作時の各種時間傾斜が係数となっている。電力変換装置２００を構築する際に選定するパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎは、その定格仕様により各種時間傾斜が異なる。よって、図４、図５に示す理想波形で想定する時間傾斜と、選定したパワー半導体素子のスイッチング動作時の時間傾斜との間に差があると、スイッチング損失は式（１）～（６）と異なる値となる。
【0057】
そこで、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎを駆動する駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎによって時間傾斜を調整する。具体的には、選定されたパワー半導体素子の印加電圧の時間傾斜が理想波形の時間傾斜と同じになるように、駆動回路１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎに対して直列に接続された抵抗素子１０３ｐ，１０３ｐｃ，１０３ｎｃ，１０３ｎの各抵抗値を調整して、駆動信号Ｇｐ，Ｇｐｃ，Ｇｎｃ，Ｇｎの波形形状を調節する。
【0058】
以上により、選定されたパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎおよびクランプダイオード１０６ｐ，１０６ｎのスイッチング損失について、式（１）～（６）と同じにすることができる。そして、式（１）～（６）の損失値に基づき冷却器１０７-1，１０７-2（図２参照）の構造を決定することで、実現する個々の電力変換装置２００における冷却器１０７-1，１０７-2のサイズを同一することができる。
【0059】
選定するパワー半導体素子によっては、駆動回路１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎに対して直列に接続された抵抗素子１０３ｐ，１０３ｐｃ，１０３ｎｃ，１０３ｎの抵抗値の調整で理想波形の時間傾斜と等価にできない場合もある。この場合は、式（１）～（６）において括り出せる搬送波の周波数ｆcを調整し、スイッチング損失を同じにすればよい。
【0060】
［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置が適用される電力変換システムの構成例を示すブロック図である。
図６は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置が適用される電力変換システムの構成例を示すブロック図である。
【0061】
図６に示すように、本電力変換システムは、たとえば２つの電力変換装置２０００，２０００によって電力変換装置群を構築し、商用電源５００の交流電源を直流に順方向変換し、可変電圧・可変周波数の交流に逆変換することが可能な構成となっている。すなわち、本電力変換システムにおいて、商用電源５００側の電力変換装置２０００は、商用周波数の交流電圧を直流に順方向変換するコンバータであり、交流電動機４００側の電力変換装置２０００は、可変電圧・可変周波数の交流に逆変換するインバータである。
【0062】
【0063】
２つの電力変換装置２０００，２０００は、それぞれが内蔵するパワー半導体素子をスイッチング動作させることで、実質的に交流電圧を作り出す。図６の例では、商用電源５００から変圧器３００を介して与えられる交流電圧を、商用電源５００側の電力変換装置２０００（即ち、コンバータ）で直流電圧Ｅに変換する。さらに、商用電源５００側の電力変換装置２０００で得られた直流電圧Ｅを、交流電動機４００側の電力変換装置２０００（即ち、インバータ）で任意の周波数および振幅の交流電圧に変換して交流電動機４００に供給する。この交流－直流－交流変換によって３相の交流電動機４００を可変速制御することができる。
【0064】
また、２つの電力変換装置２０００，２０００が内蔵するパワー半導体素子のスイッチング動作により、交流電動機４００からの交流電圧を、交流電動機４００側の電力変換装置２０００で直流電圧Ｅに変換し、さらに、変換して得られた直流電圧Ｅを、商用電源５００側の電力変換装置２０００で商用周波数の交流電圧へ変換することにより、変圧器３００を介して商用電源５００に電力を回生することができる。これにより、交流電動機４００の速度を減速制御することができる。
【0065】
（第２実施形態に係る電力変換装置を構成する電力変換主回路）
図７は、第２実施形態に係る電力変換装置を構成する電力変換主回路の構成例を示す回路図である。ここでは、直流電圧が２レベル（正極母線Ｐおよび負極母線Ｎの各電圧）の電力変換装置の場合を例示している。
図７は、第２実施形態に係る電力変換装置を構成する電力変換主回路の構成例を示す回路図である。ここでは、直流電圧が２レベル（正極母線Ｐおよび負極母線Ｎの各電圧）の電力変換装置の場合を例示している。
【0066】
図７において、第２実施形態に係る電力変換装置２０００を構成する電力変換主回路１０００は、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に、直列に接続された２つのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎを有している。ここでは、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎとして、ＩＧＢＴを用いる場合を例示している。
【0067】
２つのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎには、フリーホイールダイオード１０２ｐ，１０２ｎが逆方向並列接続されている。パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの各ゲートは、抵抗素子１０３ｐ，１０３ｎを経由して駆動回路１０４ｐ，１０４ｎに電気的に接続されている。そして、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎは、駆動回路１０４ｐ，１０４ｎから各ゲートに与えられる駆動信号Ｇｐ，Ｇｎに応答してスイッチング動作を繰り返す。
【0068】
駆動回路１０４ｐ，１０４ｎには、制御回路１０５からスイッチング指令信号が与えられる。制御回路１０５は、たとえばＰＷＭ変調によって生成したスイッチング指令信号を駆動回路１０４ｐ，１０４ｎのそれぞれに与える。なお、制御回路１０５は、３相回路の１相毎に１回路が構成される場合もあれば、３相回路毎に１回路が構成される場合もある。ここでは、１相毎に１回路が構成される場合を例示している。
【0069】
電力変換主回路１００には、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎを冷却する冷却器１０７（１０７-1，１０７-2）が設けられている。冷却器１０７は、１つのパワー半導体素子毎に１つ設けられる場合もあれば、複数のパワー半導体素子毎に１つ設けられる場合もある。ここでは、パワー半導体素子１０１ｐおよびフリーホイールダイオード１０２ｐの回路単位毎に、ならびに、パワー半導体素子１０１ｎおよびフリーホイールダイオード１０２ｎの回路単位毎に、冷却器１０７が１つずつ設けられる構成の場合を例示している。
【0070】
図７に示す第２実施形態に係る電力変換装置２０００において、直流電圧Ｅは、直流母線、即ち、正極母線Ｐおよび負極母線Ｎを介して電力変換主回路１０００に印加される。電力変換主回路１０００において、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎは、制御回路１０５による制御の下に、任意の時間幅と周期でスイッチング動作を行い、複数のパワー半導体素子が同時にオンしないように制御される。
【0071】
（パワー半導体素子のスイッチング動作について）
図８は、第２実施形態に係る電力変換装置２０００を構築する電力変換主回路１０００におけるパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｎについて説明する波形図である。図８には、出力点ＡＣに対する交流電圧指令信号Ｖ＊、出力点ＡＣの実際の出力電圧（インバータ出力電圧）ＶAC、および、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｎの各波形の一例を図示している。
図８は、第２実施形態に係る電力変換装置２０００を構築する電力変換主回路１０００におけるパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｎについて説明する波形図である。図８には、出力点ＡＣに対する交流電圧指令信号Ｖ＊、出力点ＡＣの実際の出力電圧（インバータ出力電圧）ＶAC、および、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｎの各波形の一例を図示している。
【0072】
制御回路１０５において、任意周波数および振幅の交流電圧指令信号Ｖ＊は、周波数ｆcの搬送波Ｃｒ３１，Ｃｒ３２とその振幅が比較される。制御回路１０５は、その振幅の大小関係に基づいて、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｎを生成する。そして、制御回路１０５は、生成した駆動信号Ｇｐ，Ｇｎに基づいて、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎをスイッチング駆動する。これにより、出力点ＡＣには、交流電圧指令信号Ｖ＊と等価な出力電圧ＶACが出力される。
【0073】
ここで、ＰＷＭ変調の変調率をＫとすると、出力点ＡＣの出力電圧ＶACの実効値は、Ｋ×Ｅ／√２となり、電力変換主回路１０００の直流電圧に比例する電圧となる。
【0074】
また、交流電圧指令信号Ｖ＊は、電力変換主回路１０００に出力させたい出力電流ＩACに応じて波高値が決定され、搬送波Ｃｒと交流電圧指令信号Ｖ＊の波高値の比が、ＰＷＭ変調の変調率Ｋとなる。
【0075】
パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎがＩＧＢＴのような電圧駆動型のパワー半導体素子の場合、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎの駆動信号Ｇｐ，Ｇｎは電圧信号となる。
【0076】
図６に示すように、２つの電力変換装置２０００，２０００の出力点ＡＣには、負荷回路（具体的には、交流電動機４００あるいは変圧器３００）が接続されている。そして、当該負荷回路に対して、直流電圧と任意周波数および振幅の交流電圧との間を順または逆変換することで、電力の供給および回収をすることができる。
【0077】
（電力変換主回路の構造について）
ここで、図７を用いて、電力変換主回路１０００の構造について説明する。
ここで、図７を用いて、電力変換主回路１０００の構造について説明する。
【0078】
本実施形態に係る電力変換装置２０００によって構築される電力変換装置群は、共通構造の３つの電力変換主回路１０００に対して様々な出力仕様を付与でき、それらが適用される負荷仕様に応じて出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACの各々の最大値を設定する。そして、出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACの各々の最大値に基づいて、電力変換主回路１００の各導体ＣＤＰ，ＣＤＡＣ，ＣＤＮと大地ＧＮＤとの間、および、異電位の導体間の絶縁距離ＩＤＰ，ＩＤＡＣ，ＩＤＮ、ならびに、各導体ＣＤＰ，ＣＤＡＣ，ＣＤＮの寸法を決定する。
【0079】
ここで、導体ＣＤＰは、正極母線Ｐを含む導体であり、導体ＣＤＮは、負極母線Ｎを含む導体であり、導体ＣＤＡＣは、出力点ＡＣにつながる配線ＡＣ１を含む導体である。すなわち、導体ＣＤＰ，ＣＤＡＣ，ＣＤＮは、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎに電気的に繋がる導体であり、電力変換主回路１０００の配線構造を構成している。
【0080】
本実施形態に係る電力変換装置２０００によって構築される電力変換装置群には、個々の電力変換装置２０００の定格出力時の出力電圧ＶACと出力電流ＩACとの掛け算値である皮相電力が同じという制約が設けられる。この制約により、出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACは、その積（掛け算値）が一定値かつその大小関係が相反する関係になる。
【0081】
一方、電力変換主回路１０００に適用されるパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎは、電力変換主回路１０００の動作において、各々に印加される直流電圧Ｅに比例する必要電圧Ｖｒと、電力変換主回路１０００の出力電流ＩACに比例する必要電流Ｉｒの各々を許容する定格仕様のものを適用する。
【0082】
前述のとおり、出力電圧ＶACは、直流電圧Ｅと比例関係にあるため、直流電圧Ｅと比例関係にある必要電圧Ｖｒも出力電圧ＶACと比例関係にある。
【0083】
以上より、必要電圧Ｖｒおよび必要電流Ｉｒは、それらと比例関係にある出力電圧ＶACおよび出力電流ＩACと同様に、その積（掛け算値）が一定値かつその大小関係が相反する関係になる。
【0084】
図９に、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのスイッチング理想波形を示す。パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのスイッチング波形は、電力変換主回路１０００の回路動作上同じとなるため、図９には１つの波形が記載されている。
【0085】
ここで、必要電圧Ｖｒ、必要電流Ｉｒのパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオン時の印加電圧の時間傾斜をｄｖon、同時期の通流電流の時間傾斜をｄｉon、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオフ時の印加電圧の時間傾斜をｄｖoff、同時期の通流電流の時間傾斜をｄｉoffとする。このとき、時刻tのスイッチング損失は次式で表される。
【0086】
●パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオン時
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖon×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉon×ｔ－ｄｖon×ｄｉon×ｔ2)ｄｔ …（１１）
●パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉoff×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖoff×ｔ－ｄｉoff×ｄｖoff×ｔ2)ｄｔ …（１２）
ｆc×∫{[Ｖｒ×(１－ｄｖon×ｔ)]×[Ｉｒ×ｄｉon×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｉon×ｔ－ｄｖon×ｄｉon×ｔ2)ｄｔ …（１１）
●パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのオフ時
ｆc×∫{[Ｉｒ×(１－ｄｉoff×ｔ)]×[Ｖｒ×ｄｖoff×ｔ]}ｄｔ
＝ｆc×Ｖｒ×Ｉｒ×∫(ｄｖoff×ｔ－ｄｉoff×ｄｖoff×ｔ2)ｄｔ …（１２）
【0087】
上記の式（１１），（１２）より、各損失式は、必要電圧Ｖｒと必要電流Ｉｒとの積を括り出せる。前述した通り、必要電圧Ｖｒと必要電流Ｉｒとの積は一定値となるため、この部分は、電力変換装置２０００を構築する際に選定するパワー半導体素子の定格仕様の種類によらず一定値となる。
【0088】
一方、式（１１），（１２）の時間積分の部分は、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのスイッチング時の各種時間傾斜が係数となっている。電力変換装置２０００を構築する際に選定するパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎは、その定格仕様により各種時間傾斜が異なる。よって、図９に示す理想波形で想定する時間傾斜と、選定したパワー半導体素子のスイッチング動作時の時間傾斜との間に差があると、スイッチング損失は式（１１），（１２）と異なる値となる。
【0089】
そこで、パワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎを駆動する駆動信号Ｇｐ，Ｇｎによって時間傾斜を調整する。具体的には、選定されたパワー半導体素子の時間傾斜が理想波形の時間傾斜と同じになるように、駆動回路１０４ｐ，１０４ｎにして直列に接続された抵抗素子１０３ｐ，１０３ｎの各抵抗値を調整して、駆動信号Ｇｐ，Ｇｎの波形形状を調節する。
【0090】
以上より、選定されたパワー半導体素子１０１ｐ，１０１ｎのスイッチング損失について、式（１１），（１２）と同じにすることができる。そして、式（１１），（１２）の損失値に基づき冷却器１０７-1，１０７-2（図７参照）の構造を決定することで、実現する個々の電力変換装置２０００における冷却器１０７-1，１０７-2を同一にすることができる。
【0091】
選定するパワー半導体素子によっては、駆動回路１０４ｐ，１０４ｎに対して直列に接続された抵抗素子１０３ｐ，１０３ｎの抵抗値の調整で理想波形の時間傾斜と等価にできない場合もある。この場合は、式（１１），（１２）において括り出せる搬送波の周波数ｆcを調整し、スイッチング損失を同じにすればよい。
【0092】
［変形例］
なお、本発明は上述した各実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために装置およびシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
なお、本発明は上述した各実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために装置およびシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
【符号の説明】
【0093】
１００，１０００…電力変換主回路、１０１ｐ，１０１ｐｃ，１０１ｎｃ，１０１ｎ…パワー半導体素子、１０２ｐ，１０２ｐｃ，１０２ｎｃ，１０２ｎ…フリーホイールダイオード、１０３ｐ，１０３ｐｃ，１０３ｎｃ，１０３ｎ…抵抗素子、１０４ｐ，１０４ｐｃ，１０４ｎｃ，１０４ｎ…駆動回路、１０５…制御回路、２００，２０００…電力変換装置、３００…変圧器、４００…交流電動機、５００…商用電源、ＣＤＰ，ＣＤＰ１，ＣＤＡＣ，ＣＤＣＯＭ，ＣＤＮ１，ＣＤＮ…導体、ＩＤＰ，ＩＤＰ１，ＩＤＡＣ，ＩＤＣＯＭ，ＩＤＮ１，ＩＤＮ…絶縁距離
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】