特許 7299628 交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-20

(45)【発行日】2023-06-28

(54)【発明の名称】交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20230621BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2020549162

(86)(22)【出願日】2019-09-20

(86)【国際出願番号】 JP2019037111

(87)【国際公開番号】W WO2020059880

(87)【国際公開日】2020-03-26

【審査請求日】2022-09-09

(31)【優先権主張番号】P 2018178007

(32)【優先日】2018-09-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 修治

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 良和

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 哲郎

【審査官】麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１３３９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１２８８４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－５９７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２２９２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１５９７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも１つ備え、
前記単位変換器が、
第１スイッチと第２スイッチとが直列に接続された第１スイッチアームと、
第３スイッチと第４スイッチとが直列に接続された第２スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記第１スイッチアームの前記第１スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第３スイッチ側端部とが接続され、前記第１スイッチアームの前記第２スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第４スイッチ側端部とが接続されて、前記第１スイッチアーム、前記第２スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第１スイッチ及び前記第３スイッチ、又は、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。

【請求項2】

前記電力貯蔵器が二次電池である
請求項１に記載の交流電圧出力システム。

【請求項3】

所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも１つ備え、
前記単位変換器が、
第１スイッチと第２スイッチとが直列に接続された第１スイッチアームと、
第３スイッチと第４スイッチとが直列に接続された第２スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記単位変換器の直流電圧が３０Ｖ以下であり、
前記第１スイッチアームの前記第１スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第３スイッチ側端部とが接続され、前記第１スイッチアームの前記第２スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第４スイッチ側端部とが接続されて、前記第１スイッチアーム、前記第２スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第１スイッチ及び前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチ又は前記第１スイッチ、前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチが、駆動用電源を喪失した際にスイッチがオン状態となるスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。

【請求項4】

前記スイッチング素子が、二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いて構成されている
請求項３に記載の交流電圧出力システム。

【請求項5】

前記スイッチング素子が、窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いて構成されている
請求項３に記載の交流電圧出力システム。

【請求項6】

前記電界効果型トランジスタがシリコン上に形成されている
請求項５に記載の交流電圧出力システム。

【請求項7】

前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ又は前記第４スイッチの少なくとも１つ以上を駆動する回路の少なくとも一部の素子が前記シリコン上に実装されている
請求項６に記載の交流電圧出力システム。

【請求項8】

前記スイッチング素子が、ノーマリーオフ型のスイッチング素子に対して、前記駆動用電源を喪失した際に、ノーマリーオンとなるように構成されている
請求項３～７のいずれか１項に記載の交流電圧出力システム。

【請求項9】

交流配電系統又は交流送電系統に接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統への出力を制御する制御装置を有する
請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システム。

【請求項10】

交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、
前記系統制御装置が、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に接続された請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システムの出力を制御する
電力系統制御システム。

【請求項11】

交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統に、請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流電圧出力システムの出力が制御される
電力系統。

【請求項12】

並列に接続された複数の交流配電系統又は複数の交流送電系統の一方に接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する制御装置を備える
請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システム。

【請求項13】

交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、
前記電力系統は、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記系統制御装置が、前記交流電圧出力システムの出力を制御することで、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する
電力系統制御システム。

【請求項14】

交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記交流電圧出力システムの出力により、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流が制御される
電力系統。

【請求項15】

２つの前記アームが直列に接続されたレグを少なくとも１つ備え、
前記レグは、直流電力を授受するための直流端子を両端にそれぞれ備え、交流電力を授受するための交流端子を前記アーム同士の接続点に備える
請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システム。

【請求項16】

請求項１５に記載の交流電圧出力システムを備え、
前記直流端子に直流送電線が接続され、
前記直流送電線から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する
直流送電システム。

【請求項17】

請求項１５に記載の交流電圧出力システムを備え、
前記直流端子に有効電力源が接続され、
前記有効電力源から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する
発電システム。

【請求項18】

請求項１～８のいずれか１項に記載の交流電圧出力システムを備える
バッテリシステム。

【請求項19】

無停電電源装置又は電気自動車用のバッテリである
請求項１８に記載のバッテリシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

高効率に電力変換可能な蓄電システムとして、スイッチ回路（電力変換回路）と直流電源（蓄電器）とを接続して構成した単位変換器が、複数、直列に接続されてなり、各単位変換器の電源回路の出力電圧を合成して出力するように構成された多重化インバータ方式の蓄電システムが知られている（特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に開示されている蓄電システムでは、複数の単位変換器が直列に接続されているため、制御装置が故障したり、スイッチ駆動用の電源が故障したり、電力の供給線が切断されたりして、１つの単位変換器のスイッチの駆動用電源が喪失し、当該単位変換器が動作できなくなると、他の単位変換器も運転をやめ、蓄電システムの運転をとめなくてはならなくなる。

【0004】

特許文献１に開示されている蓄電システムのような複数の単位変換器が直列に接続されたシステムにおいて、複数の単位変換器の内の１つの単位変換器の電源が喪失したときもシステムを継続運転させる手法として、特許文献２には、短絡スイッチを各単位変換器に設け、単位変換器が電源喪失したときに、短絡スイッチをオンにして電源喪失した単位変換器を短絡することが開示されている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００６－１７４６６３号公報

【文献】特開２０１１－１９３６１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の蓄電システムでは、スイッチの駆動用電源が喪失したときに交流電圧出力システムを継続運転するためには、単位変換器に短絡スイッチを設け、電源喪失した単位変換器を短絡する必要があった。短絡スイッチはサイズが大きいため、交流電圧出力システムのサイズも大きくなってしまう。また、短絡スイッチを設けることでコストも増大する。そのため、短絡スイッチを設ける必要のない、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転できる交流電圧出力システムが求められている。

【0007】

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転できる、交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステム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】

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも１つ備え、前記単位変換器が、第１スイッチと第２スイッチとが直列に接続された第１スイッチアームと、第３スイッチと第４スイッチとが直列に接続された第２スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第１スイッチアームの前記第１スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第３スイッチ側端部とが接続され、前記第１スイッチアームの前記第２スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第４スイッチ側端部とが接続されて、前記第１スイッチアーム、前記第２スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第１スイッチ及び前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチ又は前記第１スイッチ、前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている。

【0009】

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも１つ備え、前記単位変換器が、第１スイッチと第２スイッチとが直列に接続された第１スイッチアームと、第３スイッチと第４スイッチとが直列に接続された第２スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第１スイッチアームの前記第１スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第３スイッチ側端部とが接続され、前記第１スイッチアームの前記第２スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第４スイッチ側端部とが接続されて、前記第１スイッチアーム、前記第２スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第１スイッチ及び前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチ又は前記第１スイッチ、前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチが二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されている。

【0010】

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも１つ備え、前記単位変換器が、第１スイッチと第２スイッチとが直列に接続された第１スイッチアームと、第３スイッチと第４スイッチとが直列に接続された第２スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第１スイッチアームの前記第１スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第３スイッチ側端部とが接続され、前記第１スイッチアームの前記第２スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第４スイッチ側端部とが接続されて、前記第１スイッチアーム、前記第２スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第１スイッチ及び前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチ又は前記第１スイッチ、前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチが窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されている。

【0011】

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも１つ備え、前記単位変換器が、第１スイッチと第２スイッチとが直列に接続された第１スイッチアームと、第３スイッチと第４スイッチとが直列に接続された第２スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第１スイッチアームの前記第１スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第３スイッチ側端部とが接続され、前記第１スイッチアームの前記第２スイッチ側端部と前記第２スイッチアームの前記第４スイッチ側端部とが接続されて、前記第１スイッチアーム、前記第２スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第１スイッチ及び前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチ又は前記第１スイッチ、前記第３スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチが、窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されており、前記電界効果型トランジスタがシリコン上に形成されている。

【0012】

本発明による電力系統制御システムは、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、前記系統制御装置が、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に接続された上記のいずれかの交流電圧出力システムの出力を制御する。

【0013】

本発明による電力系統は、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に、上記いずれかの交流電圧出力システムが接続され、前記交流発電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流電圧出力システムの出力が制御される。

【0014】

本発明による電力系統制御システムは、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、前記電力系統は、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に上記のいずれかの交流電圧出力システムが接続され、前記系統制御装置が、前記交流電圧出力システムの出力を制御することで、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する。

【0015】

本発明による電力系統は、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に上記のいずれかの交流電圧出力システムが接続され、前記交流電圧出力システムの出力により、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流が制御される。

【0016】

本発明による直流送電システムは、上記のいずれかの交流電圧出力システムを備え、前記直流端子に直流送電線が接続され、前記直流送電線から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する。

【0017】

本発明による発電システムは、上記のいずれかの交流電圧出力システムを備え、前記直流端子に有効電力源が接続され、前記有効電力源から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する。

【0018】

本発明のバッテリシステムは、上記のいずれかの交流電圧出力システムを備える。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、単位変換器のスイッチの駆動用電源が喪失したとき、当該単位変換器が短絡された状態となるので、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の交流電圧出力システムの構成を示す概略図である。

【図2】本発明の交流電圧出力システムの単位変換器の構成を示す概略図である。

【図3】図３Ａは、ＧａＮで構成したＦＥＴの一例を示す概略断面図であり、図３Ｂは、同一のシリコン基板上にＧａＮ－ＦＥＴと、Ｇａｎ－ＦＥＴを駆動するゲートドライバや単位変換器の制御回路を設けた場合の一例を示す概略断面図である。

【図4】図４Ａは、ノーマリーオン型のスイッチング素子をノーマリーオフ型に改良したスイッチング素子の構成の一例を示す概略図であり、図４Ｂは、図４Ａのノーマリーオフ型のスイッチング素子をノーマリーオン型に改良したスイッチング素子の一例を示す概略図である。

【図5】変形例の配電系統安定化装置を示す概略図である。

【図6】変形例の交流電圧出力システムの構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

（１）本発明の実施形態の交流電圧出力システムの全体構成
図１に示すように、本実施形態の交流電圧出力システム１は、交流配電系統（以下、単に配電系統という）５１０との間で電力を授受し、配電系統５１０を安定化させる配電系統安定化装置として用いられる。この場合、交流電圧出力システム１は、電力系統５０と負荷５６の間の配電系統５１０の配電線に接続される。電力系統５０は、電圧源を示す回路記号に集約したが、様々な系統構成がありうる。例えば、国内の電力系統等と同様に電力需要と供給の関係によって周波数が変化する系統であったりする。図示しない発電機への機械エネルギーの入力や光エネルギーなどの入力が発電機出力よりも大きければ、周波数が高くなり、低ければ、周波数が低くなる系統であったりする。また、前記とは異なり、電力変換器を介した発電機しか接続されていない系統も電力系統５０の例の１つである。交流電圧出力システム１は、アームとして、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔとを備えている。Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔは、それぞれ、所定電圧を出力する単位変換器３を４つ備え、４つの単位変換器３が直列に接続されている。Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔは、一端がリアクトル１５０Ｒ、１５０Ｓ、１５０Ｔを介して、配電系統５１０の配電線５７ｕ、５７ｖ、５７ｗの端子５３ｕ、５３ｖ、５３ｗにそれぞれ接続され、他端が接続点ＮＰでスター結線されている。このように、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔは、接続点ＮＰと配電系統５１０の間で並列に接続されている。

【0022】

図２に示すように、単位変換器３は、第１スイッチ１３Ｈと第２スイッチ１３Ｌとが直列に接続された第１スイッチアーム１３と、第３スイッチ１４Ｈと第４スイッチ１４Ｌとが直列に接続された第２スイッチアーム１４と、充放電できる電力貯蔵器１５とを備えている。電力貯蔵器１５は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びニッケルカドミウム電池などの二次電池で構成されている。なお、電力貯蔵器１５は、電力を充放電可能であれば特に限定されず、コンデンサや電気二重層キャパシタ、直流のフライホイールなどであってもよい。

【0023】

このように、交流電圧出力システム１は、各単位変換器３が電力を充放電できる電力貯蔵器１５を備えているので、各電力貯蔵器１５を充電することで電気エネルギーを蓄えることができ、電力貯蔵装置として用いることができる。

【0024】

単位変換器３は、第１スイッチアーム１３の第１スイッチ１３Ｈ側の端部と、第２スイッチアーム１４の第３スイッチ１４Ｈ側の端部と電力貯蔵器１５の一の端子（本実施形態ではプラス側）とが接続され、第１スイッチアーム１３の第２スイッチ１３Ｌ側の端部と第２スイッチアーム１４の第４スイッチ１４Ｌ側の端部と電力貯蔵器１５の他の端子（本実施形態では、マイナス側）とが接続されている。このように、単位変換器３は、第１スイッチアーム１３、第２スイッチアーム１４及び電力貯蔵器１５が並列に接続されたフルブリッジ回路構成をしている。

【0025】

単位変換器３は、図示しない制御回路が接続されており、第１スイッチ１３Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ、第３スイッチ１４Ｈ及び第４スイッチ１４Ｌに、各スイッチのオン・オフを制御する駆動電圧（例えば、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）で構成されたスイッチング素子の場合はゲート電圧）を供給する。

【0026】

単位変換器３は、第１スイッチアーム１３の第１スイッチ１３Ｈと第２スイッチ１３Ｌとの接続点１０から第１端子ＦＴが引き出され、第２スイッチアーム１４の第３スイッチ１４Ｈと第４スイッチ１４Ｌとの接続点１２から第２端子ＳＴが引き出されている。単位変換器３は、電力貯蔵器１５の電圧をＶとすると、第１スイッチ１３Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ、第３スイッチ１４Ｈ及び第４スイッチ１４Ｌのオン・オフを切り替えることにより、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間に、±Ｖ、ゼロの３レベルの電圧を出力できる。なお、各単位変換器３が、同じ電圧を出力するように構成してもよく、各単位変換器３の電力貯蔵器１５の構成（電池の容量など）を適宜変更することで異なる電圧を出力するように構成してもよい。

【0027】

図１に示す交流電圧出力システム１では、一の単位変換器３の第１端子ＦＴと、他の単位変換器３の第２端子ＳＴとが接続されて、複数の単位変換器３が直列に接続されている。そのため、交流電圧出力システム１は、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ及びＴ相アーム２Ｔにおいて、電圧を出力する単位変換器３の数をそれぞれ切り替えることで、単位変換器３の数に応じた多段階の電圧を各アームが出力できる。また、交流電圧出力システム１は、各単位変換器３の制御回路を統括する制御装置を備えている。制御装置は、各単位変換器の制御回路に、制御回路が各単位変換器のスイッチのオン・オフを制御するための指令を送出し、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ及びＴ相アーム２Ｔから多段階の交流電圧を出力させる。なお、本実施形態では、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ及びＴ相アーム２Ｔがそれぞれ４つの単位変換器３を備えている場合につて説明したが、各アームが備える単位変換器３の数は限定されない。各アームが備える単位変換器３の数が多いと、交流電圧出力システム１が出力する交流電圧の段数が多くなり、各スイッチング素子のスイッチング周波数が低くても交流電圧の波形をより正弦波に近い波形にできる。したがって、半導体のスイッチング損失を低減できる。また、正弦波に近い電圧波形を出力できることから、高調波フィルタを削除もしくは、簡素化できるメリットがある。さらに、多段とすることで高電圧を出力できるので、システムによっては、昇降圧トランスを省略できるメリットがある。

【0028】

単位変換器３では、第１スイッチアーム１３と第２スイッチアーム１４とが並列に接続されていることから、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間では、第１スイッチ１３Ｈと第３スイッチ１４Ｈが直列（逆直列）に接続され、第２スイッチ１３Ｌと第４スイッチ１４Ｌが直列に接続された構成になっている。ここで、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴ間で直列に接続されたスイッチの一方（第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ）を第１スイッチ群１６とし、直列に接続されたスイッチの他方（第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ）を第２スイッチ群１７とする。

【0029】

単位変換器３は、第１スイッチ群１６の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ）、第２スイッチ群１７の各スイッチ（第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ）又は第１スイッチ群１６及び第２スイッチ群１７の各スイッチ（第１スイッチ、第３スイッチ、第２スイッチ及び第４スイッチ）をノーマリーオン型のスイッチング素子で構成する。ここで、本明細書でいうノーマリーオン型のスイッチング素子は、スイッチのオン・オフを制御する駆動電圧がゼロのとき、スイッチがオン状態であるスイッチング素子をいう。なお、ノーマリーオフ型のスイッチング素子は、駆動電圧がゼロのとき、スイッチがオフ状態であるスイッチング素子であり、パワーエレクトロニクス分野でスイッチとして一般に用いられている、例えば、シリコンで形成された金属酸化物半導体ＦＥＴ（Ｓｉ－ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（Gate Turn-Off thyristor：ＧＴＯ）、ゲート転流型ターンオフサイリスタ（Gate Commutated Turn-off thyristor：ＧＣＴ）などである。

【0030】

本実施形態では、単位変換器３は、第１スイッチ群１６の各スイッチがノーマリーオフ型のスイッチング素子であるＩＧＢＴで構成され、第２スイッチ群１７の各スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子である高電子移動度トランジスタ（以下、ＨＥＭＴともいう）で構成されている。さらに、本実施形態では、ＨＥＭＴとして、ＧａＮ（窒化ガリウム）で構成されたＦＥＴ（以下、ＧａＮ－ＦＥＴともいう）を用いている。このＧａＮ－ＦＥＴは、Ｓｉ（シリコン）の上に、例えば、Ｓｉ基板に形成されたＧａＮ－ＦＥＴである。なお、ＨＥＭＴは、半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとし、ゲートに電圧を印加してオンにする通常のＦＥＴより低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタである。ＨＥＭＴは、オン電圧が低いのでスイッチのオン・オフの切り替えによる消費電力を削減でき、さらに高耐圧のＦＥＴであるので、１００Ｖ～６．６ｋＶ程度の配電系統やさらに高電圧の送電系統に接続する交流電圧出力システム１に適している。特に、ＧａＮ－ＦＥＴは、高電圧領域においてＳｉよりもスイッチング損失が低いので、高電圧を扱う交流電圧出力システム１により適している。さらに、本実施形態の場合、ＧａＮ－ＦＥＴがＳｉ基板上に形成されているので、ＧａＮ基板にＧａＮ－ＦＥＴを形成する場合より安価に作製することができ、さらに好ましい。なお、二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子としては、ノーマリーオン型であるデプレッションモードのＭＯＳ－ＦＥＴも用いることができる。

【0031】

本実施形態に用いたＧａＮ－ＦＥＴの構成を説明する。図３Ａに示すように、ＧａＮ－ＦＥＴ２０は、Ｓｉ基板２１に形成されている。ＧａＮ－ＦＥＴ２０は、Ｓｉ基板２１上に形成されたＧａＮ層２２と、ＧａＮ層２２に接して形成されたＡｌＧａＮ層２３と、ＡｌＧａＮ層２３に接して形成されたソース電極２４、ドレイン電極２５及びゲート絶縁層２７と、ゲート絶縁層２７と接して形成されたゲート電極２６とを備えている。ＧａＮ－ＦＥＴ２０では、ＡｌＧａＮ層２３とＧａＮ層２２の界面に２次元電子気体層が生じ、当該２次元電子気体層が導電チャネルとなるので、ゲート電極２６に印加される電圧がゼロでもソース電極２４－ドレイン電極２５間に電流を流すことが可能である。そのため、ＧａＮ－ＦＥＴ２０で構成されたスイッチング素子は、ゲート電極２６に印加される駆動電圧がゼロでもオン状態であり、ノーマリーオン型となる。なお、ＧａＮ－ＦＥＴ２０で構成されたスイッチング素子では、ゲート電極２６に負の駆動電圧を印加することで、ソース電極２４－ドレイン電極２５間に電流が流れなくなり、オフ状態にできる。

【0032】

また、図３Ｂに示すように、ＧａＮ－ＦＥＴ２０で構成されたスイッチング素子としては、ＧａＮ－ＦＥＴ２０を駆動するゲートドライバ２８や単位変換器３の制御回路（第１スイッチ１３Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ、第３スイッチ１４Ｈ及び第４スイッチ１４Ｌを駆動する制御回路）１９などが同じＳｉ基板２１上に実装されたものでもよい。なお、図２では、説明の便宜上、ＧａＮ－ＦＥＴ２０を大きく示している。また、ＧａＮ－ＦＥＴは、Ｓｉ基板に限らず、例えば、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板などに形成されていてもよい。また、本実施形態では、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４ＬにＳｉ基板に形成されたＧａＮ－ＦＥＴのスイッチング素子を用い、第２スイッチ１３Ｌ用のスイッチング素子と、第４スイッチ１４Ｌ用のスイッチング素子が別体である。しかし、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ用のスイッチング素子は一体に形成されていてもよく、例えば、１枚のＳｉ基板に第２スイッチ１３Ｌ用のＧａＮ－ＦＥＴと第４スイッチ１４Ｌ用のＧａＮ－ＦＥＴが形成されたものを用いてもよい。さらに、第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈも第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌと一体（同一基板上）に形成してもよい。

【0033】

このように、単位変換器３では、第１スイッチ群１６の各スイッチがノーマリーオフ型のスイッチング素子であり、第２スイッチ群１７の各スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子であるので、第１スイッチ１３Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ、第３スイッチ１４Ｈ及び第４スイッチ１４Ｌに制御回路が駆動電圧を供給するためのスイッチ駆動用の電源が故障したり、単位変換器３の制御回路自体が故障したり、電力の供給線が切断したりして、単位変換器３の各スイッチ（スイッチング素子）の駆動用電源が喪失したとき、各スイッチの駆動電圧がゼロとなり、第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈがオフ状態となり、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌがオン状態となる。すなわち、第２端子ＳＴから、第４スイッチ１４Ｌ、第２スイッチ１３Ｌとこの順に経由した第１端子ＦＴへの短絡経路が形成される。よって、単位変換器３は、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡された状態となる。

【0034】

単位変換器を直列に接続した構成を有する変換器の従来技術では、単位変換器のすべてのスイッチがノーマリーオフ型のスイッチング素子で構成されているため、スイッチの駆動用電源が喪失したとき、すべてのスイッチがオフ状態となり、第１端子と第２端子との間が絶縁され、当該単位変換器及び当該単位変換器の属するアームに電流が流れなくなり、運転を停止しなくてはならなかった。そのため、従来の交流電圧出力システムは、第１端子と第２端子との間を短絡する短絡スイッチが必要であった。

【0035】

これに対して本実施形態の交流電圧出力システム１は、単位変換器３の各スイッチの駆動用電源が喪失したとき、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡され、当該単位変換器３が短絡された状態となり、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間に電流が流れるので、当該単位変換器の属するアームに電流が流れなくなることがなく、継続運転することができる。また、交流電圧出力システム１は、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡された状態となるので、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴの間に単位変換器３を短絡する短絡スイッチを設ける必要がない。単位変換器３が、第１スイッチ群１６の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ）又は第１スイッチ群１６及び第２スイッチ群１７の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ）をノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されていても同様の効果を奏する。

【0036】

第１スイッチ群１６の各スイッチをノーマリーオン型のスイッチング素子とし、第２スイッチ群１７の各スイッチをノーマリーオフ型のスイッチング素子とした場合、単位変換器３の各スイッチ（スイッチング素子）の駆動用電源が喪失したとき、各スイッチの駆動電圧がゼロとなり、第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈがオン状態となり、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌがオフ状態となる。すなわち、第２端子ＳＴから、第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈとこの順に経由した第１端子ＦＴへの短絡経路が形成される。よって、単位変換器３は、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡された状態となる。

【0037】

また、第１スイッチ群１６及び第２スイッチ群１７の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ）をノーマリーオン型のスイッチング素子とした場合、単位変換器３の各スイッチ（スイッチング素子）の駆動用電源が喪失したとき、各スイッチの駆動電圧がゼロとなり、すべてのスイッチがオン状態となる。その結果、第２端子ＳＴから、第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈとこの順に経由した第１端子ＦＴへの短絡経路と、第２端子ＳＴから、第２スイッチ１３Ｌ、第４スイッチ１４Ｌとこの順に経由した第１端子ＦＴへの短絡経路とが形成され、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡された状態となる。

【0038】

このように、交流電圧出力システム１は、単位変換器３が、第１スイッチ群１６の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ）又は第１スイッチ群１６及び第２スイッチ群１７の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ）をノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されていても、単位変換器３の各スイッチの駆動用電源が喪失したとき、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡され、当該単位変換器３が短絡された状態となる。そして、交流電圧出力システム１は、駆動用電源が喪失した単位変換器３の第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間に電流が流れるので、当該単位変換器３の属するアームに電流が流れなくなることがなく、継続運転することができる。

【0039】

次に、配電系統安定化装置としての交流電圧出力システム１を、配電系統５１０の周波数を安定させる周波数安定化装置として使用したときの効果について説明する。図１に示すように、交流電圧出力システム１は、配電系統５１０に接続されている。配電系統５１０は、電力系統５０と負荷５６との間を配電線５７ｕ、５７ｖ、５７ｗによって接続し、電力系統５０から負荷５６へと電力を供給する。ここで、電力系統５０は、国内の電力系統と同じく、図示しない発電機への機械エネルギーの入力や光エネルギーなどの入力が発電機出力よりも大きければ、周波数が高くなり、低ければ、周波数が低くなる系統であるとする。配電線５７ｕは、一端が電力系統５０のｕ相に接続され、他端が負荷５６のＲ相に接続されている。配電線５７ｖは、一端が電力系統５０のｖ相に接続され、他端が負荷５６のＳ相に接続されている。配電線５７ｗは、一端が電力系統５０のｗ相に接続され、他端が負荷５６のＴ相に接続されている。ここで、電力系統５０は、発電機などの発電設備、交流送電系統などの送電設備、変圧器などの変電設備、交流配電系統などの配電設備及び負荷などの需要家設備などが含まれる電力の送配電ネットワークであり、指令所などに備えられた電力系統制御システム（図１には不図示）によって制御されている。配電系統５１０及び負荷５６はこのような電力系統５０に接続されている。

【0040】

また、配電線５７ｕは、端子５３ｕを有し、端子５３ｕに交流電圧出力システム１のＲ相アーム２Ｒが接続されている。配電線５７ｖは、端子５３ｖを有し、端子５３ｖに交流電圧出力システム１のＳ相アーム２Ｓが接続されている。配電線５７ｗは、端子５３ｗを有し、端子５３ｗに交流電圧出力システム１のＴ相アーム２Ｔが接続されている。このように交流電圧出力システム１は、配電系統５１０に接続されている。なお、負荷５６は、例えば、工場などの需要家又は需要家の有する機械や製造装置などである。また、図１中の５２ｕ、５２ｖ、５２ｗと５１ｕ、５１ｖ、５１ｗは、端子５３ｕ、５３ｖ、５３ｗより電力系統５０側の配電線５７ｕ、５７ｖ、５７ｗのリアクタン成分及び抵抗成分を模式的に表したものであり、５４ｕ、５４ｖ、５４ｗと５５ｕ、５５ｖ、５５ｗは、端子５３ｕ、５３ｖ、５３ｗより負荷５６側の配電線５７ｕ、５７ｖ、５７ｗのリアクタン成分及び抵抗成分を模式的に表したものである。

【0041】

配電系統安定化装置としての交流電圧出力システム１は、配電系統５１０の周波数を安定化させることができる。例えば、制御装置（図１には不図示）が、配電系統５１０に設けられた周波数測定器（図１には不図示）から三相一括又は各相の周波数の検出結果を受け取るなどし、配電系統５１０の周波数を監視する。通常の三相の電力系統は、三相発電機から電力供給を受けるので、各相の周波数は同じである。ここでは、個々の相に単相発電機のみが接続されることも物理的には可能であることを考慮して、各相の周波数が必ずしも同じではないというかなり非常識な想定もありうるという前提で説明する。各相の周波数が違うと、相順が入れ替わるなど別の深刻な問題が生じるが、周波数のみに注目して説明する。制御装置は、いずれかの相の周波数が高くなったことを検出したとき、周波数が高くなった相（配電線）から電力を吸収し、いずれかの相の周波数が低下したことを検出したとき、周波数が低下した相に電力を放出するように、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔの単位変換器３を制御する。例えば、配電系統５１０のｕ相の周波数が高くなった場合、制御装置は、Ｒ相アーム２Ｒの単位変換器３の各スイッチを制御し、ｕ相の電圧により電力貯蔵器１５を充電するようにしてｕ相から電力を吸収し、ｕ相の周波数を低下させる。また、配電系統５１０のｕ相の周波数が低下した場合、制御装置は、Ｒ相アーム２Ｒの単位変換器３の各スイッチを制御し、電力貯蔵器１５がｕ相に放電するようにしてＲ相アーム２Ｒからｕ相に電力を放出し、ｕ相の周波数を上昇させる。このように、交流電圧出力システム１を用いた配電系統安定化装置は、配電系統５１０の周波数を安定化できる。

【0042】

配電系統５１０の周波数は、落雷などによる系統事故時に電力需給バランスが崩れることにより変動し、極端な場合は、電力系統５０の図示していない発電機が脱調してしまう。本来であれば、交流電圧出力システム１がそのような事態を防ぐのであるが、落雷などは、交流電圧出力システム１にもダメージを与えやすく、単位変換器３の各スイッチなどの駆動用電源を喪失してしまう場合もある。交流電圧出力システム１が本発明によるものであれば、駆動用電源を一部喪失した状態でも運転継続できるので、周波数変動や発電機脱調に対するロバスト性を向上できる。

【0043】

なお、ここでは、交流電圧出力システム１の制御装置が、交流電圧出力システム１が接続された配電系統５１０の各相の周波数に基づいて、配電系統５１０への出力を相毎に制御し、配電系統５１０の各相の周波数を安定させたことについて説明した。しかし、本発明はこれに限られず、配電系統５１０が接続された電力系統５０を制御する上記の電力系統制御システムの系統制御装置（図１には不図示）が、配電系統５１０の各相の周波数を安定化する制御を行ってもよい。この場合、系統制御装置は、配電系統５１０の各相の周波数に基づいて、配電系統５１０に接続された交流電圧出力システム１の出力を相毎に制御し、配電系統５１０の各相の周波数を安定化させる。周波数安定化の制御手法は、交流電圧出力システム１の制御装置の場合と同じなので説明は省略する。

【0044】

次いで、配電系統安定化装置としての交流電圧出力システム１を配電系統５１０の相間の電力調整装置として使用した時の効果について説明する。例えば、ｕ相が負荷５６の電力需要に対して電力不足で、ｗ相が負荷５６の電力需要に対して電力過剰であるように配電系統５１０のｕ相、ｖ相、ｗ相で必要な電力がアンバランスなとき、制御装置が、Ｓ相アーム２Ｓの各単位変換器３のスイッチを制御し、ｗ相の電圧で単位変換器３の電力貯蔵器１５を充電するようにして、ｗ相から電力を吸収して電力過剰を解消する。そして、制御装置は、Ｒ相アーム２Ｒの各単位変換器３のスイッチを制御し、電力貯蔵器１５がｕ相に放電するようにしてＲ相アーム２Ｒがｕ相に電力を放出して電力不足を解消する。このように、配電系統安定化装置は、電力不足のｕ相には電力を供給し、電力過剰のｗ相からは電力を吸収し、相間の電力のアンバランスを調整し、配電系統５１０を安定化できる。

【0045】

配電系統安定化装置は、配電系統５１０の配電線５７ｕ、５７ｗ、５７ｖ間の線間電圧をバランスすることもできる。例えば、制御装置（図１には不図示）が配電系統５１０の各相の電圧を監視する。制御装置は、各相の電圧から線間電圧のアンバランスを検出したとき、交流電圧出力システム１が、電圧が高くなった相に高い電圧を出力し、電圧が低下した相に低い電圧を出力するように、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔの単位変換器３を制御する。例えば、配電系統５１０のｗ相の電圧が高く、配電系統５１０のｕ相の電圧が低い場合、制御装置は、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓの各単位変換器３のスイッチを制御し、ｕ相に高い電圧を出力し、ｗ相に低い電圧を出力し、配電線５７ｕ及び配電線５７ｗ間の線間電圧をバランスする。このように、配電系統安定化装置は、配電系統５１０の配電線５７ｕ、５７ｗ、５７ｖ間の線間電圧をバランスし、配電系統５１０を安定化できる。

【0046】

なお、落雷の影響が配電系統５１０の相間で異なり、特定相のみ地絡などが生じて、負荷が脱落した時などにも相間電圧のアンバランスが生じる。また、該落雷の影響で、同時に、交流電圧出力システム１の該当相の駆動用電源も喪失してしまう場合もある。交流電圧出力システム１が本発明によるものであれば、駆動用電源を一部喪失した状態でも運転継続できるので、周波数変動や発電機脱調に対するロバスト性を向上できる。

【0047】

以上より、交流電圧出力システム１を用いた配電系統安定化装置は、各相の周波数を制御したり、相間で電力の過不足を調整したり、相間の電圧のアンバランスを解消したりでき、配電系統５１０を安定化できる。さらに、配電系統安定化装置は、交流電圧出力システム１を備えているので、交流電圧出力システム１の単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。なお、交流電圧出力システム１は、交流配電系統５１０に変えて、電力系統間を接続する交流送電系統に接続し、交流送電系統の安定化装置として適用することもできる。また、交流電圧出力システム１は、三相交流用であったが、１つのアームを除去して単相用とすることもできる。さらに、２つのアームを除去して残った１アームを連系点の単相端子間に接続することによっても単相用とすることができる。

【0048】

（２）作用及び効果
以上の構成において、交流電圧出力システム１は、所定電圧を出力する複数の単位変換器３が直列に接続されたアームを少なくとも１つ（Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔ）備え、単位変換器３が、第１スイッチ１３Ｈと第２スイッチ１３Ｌとが直列に接続された第１スイッチアーム１３と、第３スイッチ１４Ｈと第４スイッチ１４Ｌとが直列に接続された第２スイッチアーム１４と、充放電できる電力貯蔵器１５とを備え、第１スイッチアーム１３の第１スイッチ１３Ｈ側端部と第２スイッチアーム１４の第３スイッチ１４Ｈ側端部とが接続され、第１スイッチアーム１３の第２スイッチ１３Ｌ側端部と第２スイッチアーム１４の第４スイッチ１４Ｌ側端部とが接続されて、第１スイッチアーム１３、第２スイッチアーム１４及び電力貯蔵器１５が並列に接続された構成をし、第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ又は第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されているようにした。

【0049】

よって本発明の交流電圧出力システム１は、単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失したとき、第１端子ＦＴと第２端子ＳＴとの間が短絡され、当該単位変換器３が短絡された状態となるので、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転することができる。そのため、交流電圧出力システム１は、短絡スイッチを省略できる。
さらに、単位変換器３をバッテリのＳＯＣ（state of charge）やＳＯＨ（state of health）などを測定する制御手段と一緒に一つのケースに収納すると、変換器を内蔵したバッテリパックとして機能するのでバッテリが劣化した際の交換などをスムーズに行える。
また、単位変換器３の直流電圧が約３０Ｖ以下のように低いときは、複数の単位変換器３を防爆機能低い一つのケースに内蔵してもよい。直流電圧が低いと、単位変換器３の第１スイッチ１３Ｈと第２スイッチ１３Ｌが誤ってオン状態となり、ＰＮ短絡となっても電圧が低いのでスイッチング素子が爆発するリスクは十分に低く、防爆機能の低い一つのケース内に内蔵できる。
また、各ケースに凹部と凸部を設け、一つのケースの凹部に他のケースの凸部を挿入できるようにすると、多数のバッテリパックを多段に接続するのが容易になる。特に、一つの単位変換器３と他の単位変換器３が該挿入により電気的に接続できるようにできるとなお好ましい。

【0050】

（３）変形例
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。上記の実施形態では、ノーマリーオン型のスイッチング素子であるＨＥＭＴを、第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ又は第１スイッチ１３Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ、第３スイッチ１４Ｈ及び第４スイッチ１４Ｌ（図２参照）に用いることを説明した。実際には、ＨＥＭＴのようなノーマリーオン型のスイッチング素子は、ノーマリーオフ化する回路を付加されて、ノーマリーオフ型のスイッチング素子として市販されていることが多い。

【0051】

このようなノーマリーオフ化されたノーマリーオン型のスイッチング素子（以下、説明の便宜上、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子ということとする）も、後述する回路を付加して駆動用電源が喪失したときにノーマリーオン化することで、ノーマリーオン型のスイッチング素子として上記の実施形態のスイッチ（第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、第４スイッチ）に用いることができる。以下では、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子の回路の一例及びＮ－ＯＦＦスイッチング素子をノーマリーオン化する回路の一例について説明する。

【0052】

図４Ａは、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子の一例を示す図である。図４Ａに示すＮ－ＯＦＦスイッチング素子３０は、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９（例えば、ＨＥＭＴであるＧａＮ－ＦＥＴ）と、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１（例えば、Ｓｉ－ＭＯＳＦＥＴ）とがカスコード接続された構成をしている。図４Ａ中のＳは、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０のソース側端子であり、Ｄは、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０のドレイン側端子である。ノーマリーオン型のスイッチング素子２９がドレイン端子Ｄ側に配置され、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１がソース側に配置されている。ノーマリーオン型のスイッチング素子２９のゲート２９Ｇは、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１よりもソース側の配線に接続されている。ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１のゲート３１Ｇは、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０の制御回路（図４Ａには不図示）に接続されており、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１を駆動する駆動電圧が、制御回路からゲート３１Ｇに印加されるようになされている。

【0053】

Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０では、制御回路からゲート３１Ｇに正の駆動電圧が印加されている場合、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１はオン状態となり、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９はゲート２９Ｇに印加された電圧が当該スイッチング素子２９のソース電圧と等しくなるので、スイッチング素子２９はオン状態となる。

【0054】

一方で、制御回路からゲート３１Ｇに駆動電圧が印加されていない場合、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１はオフ状態となる。このとき、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９のゲート電圧は、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９のソース電圧より低いので、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９もオフ状態となる。その結果、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０は、ソース端子Ｓとドレイン端子Ｄの間に電流が流れることができず、オフ状態となる。このように、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０は、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９とノーマリーオフ型のスイッチング素子３０をカスコード接続することで、ノーマリーオン型のスイッチング素子２９をノーマリーオフ化している。

【0055】

ノーマリーオン型のスイッチング素子２９をノーマリーオフ化したスイッチング素子であるＮ－ＯＦＦスイッチング素子３０を、駆動用電源が喪失したときにノーマリーオン化する本発明の一手法について図４Ｂを参照して説明する。ここで、説明の便宜上、Ｎ－ＯＦＦスイッチング素子３０をノーマリーオン化したスイッチング素子をＮ－ＯＮスイッチング素子ということとする。

【0056】

図４Ｂに示すように、Ｎ－ＯＮスイッチング素子３７は、直列に接続されたノーマリーオン型のスイッチング素子２９及びノーマリーオフ型のスイッチング素子３１（図４Ａに示したＮ－ＯＦＦスイッチング素子３０に相当）と、抵抗３２と、ツェナーダイオード３３と、駆動電圧供給用スイッチング素子３４とを備えている。抵抗３２は、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１のゲート３１Ｇとドレイン端子Ｄの間に挿入されている。ツェナーダイオード３３は、ゲート３１Ｇとソース端子Ｓの間に挿入され、アノードがソース端子Ｓ側に接続され、カソードがゲート３１Ｇ側に接続されている。本実施形態では、接続点３５で、ゲート３１Ｇと抵抗３２とツェナーダイオード３３とが接続されている。なお、抵抗３２及びツェナーダイオード３３のスペックは、ノーマリーオフ型のスイッチング素子３１の閾値電圧などに応じて適宜設定する。

【0057】

さらに、接続点３５には、駆動電圧供給用スイッチング素子３４のドレインが接続されている。駆動電圧供給用スイッチング素子３４は、ソースにノーマリーオフ型のスイッチング素子３１の駆動電圧を供給するＮ－ＯＮスイッチング素子３７の制御回路（図４Ｂには図示せず）が接続されている。駆動電圧供給用スイッチング素子３４は、電源喪失時に、制御回路と接続点３５とを遮断するために設けている。駆動電圧供給用スイッチング素子３４は、通常、ゲート３４ＧがＯＮ状態である。駆動電圧供給用スイッチング素子３４はＮ－ＯＮスイッチング素子３７の制御回路の電源回路に接続されている。駆動電圧供給用スイッチング素子３４がＯＮ状態であれば、制御回路によって、ゲート３４Ｇを駆動できる。

【0058】

一方で、Ｎ－ＯＮスイッチング素子３７の駆動用電源が喪失した場合は、駆動電圧供給用スイッチング素子３４がオフ状態となり、接続点３５が制御回路から遮断される。その結果、接続点３５の電圧がツェナーダイオード３３が許容する電圧まで上昇する。上昇した接続点３５の電圧が、スイッチング素子３１のゲート３１Ｇに印加され、スイッチング素子３１の駆動電圧より高いので、スイッチング素子３１がオン状態となる。その結果、Ｎ－ＯＮスイッチング素子３７がオン状態となる。このように、Ｎ－ＯＮスイッチング素子３７は、駆動用電源が喪失し、駆動電圧が供給されなくなったときにオン状態となる。よって、Ｎ－ＯＮスイッチング素子３７をノーマリーオン型のスイッチング素子として、上記の実施形態の単位変換器３のスイッチに用いても、上記の実施形態と同様の効果を奏する。

【0059】

上記の実施形態では、図２に示した単位変換器３の第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌに、ノーマリーオン型のスイッチング素子として、Ｓｉ基板に形成されたＧａＮ－ＦＥＴ（図３Ａ参照）を用いた場合について説明した。このとき、ノーマリーオン型のスイッチング素子としては、１枚のＳｉ基板に第２スイッチ１３Ｌ用のＧａＮ－ＦＥＴと第４スイッチ１４Ｌ用のＧａＮ－ＦＥＴとを一体に形成したものであってもよいことも説明した。本発明はさらに、例えば、単位変換器３の制御回路をＳｉ上に実装されたＳｉ基板に第２スイッチ１３Ｌ用のＧａＮ－ＦＥＴと第４スイッチ１４Ｌ用のＧａＮ－ＦＥＴとを形成したものをノーマリーオン型のスイッチング素子として用いてもよい。Ｓｉ基板上に実装する回路としては、他には、例えば、交流電圧出力システム１の各単位変換器３の制御回路を統括する制御装置に相当する回路、ゲートドライバに相当する回路などがある。なお、第１スイッチ１３Ｈと第３スイッチ１４Ｈとをノーマリーオン型のスイッチング素子とした場合は、回路が形成されたＳｉ基板上に、第１スイッチ１３Ｈ用のＧａＮ－ＦＥＴと第３スイッチ１４Ｈ用のＧａＮ－ＦＥＴとを形成する。また、ノーマリーオン型のスイッチング素子を用いたスイッチ以外のスイッチに用いるノーマリーオフ型のスイッチング素子についても、回路形成したＳｉ基板上に形成してもよい。単位変換器３の制御回路や交流電圧出力システム１の各単位変換器３の制御回路を統括する制御装置に相当する回路、ゲートドライバに相当する回路など、単位変換器３の各スイッチ（第１スイッチ１３Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ、第３スイッチ１４Ｈ及び第４スイッチ１４Ｌ）の少なくとも１つを駆動する回路を構成するすべての素子や全てのスイッチをＳｉ上に実装してもよく、その一部の素子のみＳｉ上に実装するようにしてもよい。

【0060】

上記の実施形態では、図１に示すように交流電圧出力システム１が、三相交流用として用いられた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、交流電圧出力システムのアームを１つにして単相交流用として用いることもできる。

【0061】

また、上記の実施形態では、図１に示したように、電力系統と負荷の間の配電系統の配電系統安定化装置として交流電圧出力システム１を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図５に示すように、交流電圧出力システム１を、電力系統５０及び電力系統５９間で並列に接続された配電系統５１０、６１０の潮流制御に用いることができる。図５に示す例では、電力系統５０と電力系統５９とが、配電系統５１０と配電系統６１０とによって連系されている。配電系統６１０の両端が配電系統５１０に接続されて、配電系統５１０と配電系統６１０とが並列に接続されている。交流電圧出力システム１は、配電系統５１０の各相の端子５３ｕ、５３ｖ、５３ｗに接続されている。なお、配電系統５１０及び配電系統６１０には、それぞれ負荷（図５には不図示）が接続されている。

【0062】

このような場合も、配電系統安定化装置は、図１に示した配電系統安定化装置と同様に、各相の周波数を制御したり、相間で電力の過不足を調整したり、相間の電圧のアンバランスを解消したりできる。さらに、配電系統安定化装置は、電力系統５０と電力系統５９との間の潮流が配電系統５１０及び配電系統６１０でアンバランスであることを解消できる。例えば、配電系統５１０の潮流が過剰なときは、配電系統５１０の電圧により、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔの単位変換器３の電力貯蔵器１５を充電し配電系統５１０の電力を吸収することで、潮流を減少させる。

【0063】

一方で、配電系統５１０の潮流が不足なとき（図５に不図示の負荷に必要な電力を供給できていないとき）は、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔの単位変換器３の電力貯蔵器１５を放電して配電系統５１０に電力を供給することにより、潮流を増加させる。また、出力電圧（連系点の電圧）を高くすることでも、潮流を増加できる。

【0064】

このように、配電系統５１０との間で電力を授受する交流電圧出力システム１は、配電系統の潮流の過不足を解消できる。さらに、交流電圧出力システム１を用いた配電系統安定化装置は、交流電圧出力システム１の単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。なお、交流電圧出力システム１は、配電系統５１０のかわりに配電系統６１０に接続されていてもよい。複数の交流電圧出力システム１を用意し、配電系統５１０及び配電系統６１０の両方にそれぞれ交流電圧出力システム１を接続するようにしてもよい。

【0065】

ここでは、並列に接続された複数の配電系統５１０、６１０の一方（配電系統５１０）に接続された交流電圧出力システム１の制御装置が、配電系統５１０及び配電系統６１０の潮流を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。配電系統５１０が接続された電力系統５０、電力系統５９又は両方を制御する電力系統制御システムの系統制御装置が、複数の配電系統５１０に接続された交流電圧出力システム１の出力を制御し、配電系統５１０及び配電系統６１０潮流を制御するようにしてもよい。潮流の制御手法は、交流電圧出力システム１の制御装置が潮流を制御する場合と同じであるので、説明を省略する。交流電圧出力システム１は、配電系統５１０に変えて、電力系統間を接続する交流送電系統に接続し、交流送電系統の安定化装置として適用することもできる。

【0066】

（４）交流電圧出力システムの他の用途
本発明の交流電圧出力システム１は、各単位変換器３が充放電可能な電力貯蔵器１５を有しており、電力を貯蔵し、所定のタイミングで貯蔵した電力を交流電圧として出力することができるので、配電系統安定化装置以外に、例えば、ＵＰＳ（無停電電源装置）及び電気自動車のバッテリなど各種バッテリシステムや直流送電用の変換器などに用いることができる。

【0067】

交流電圧出力システム１は、ＵＰＳとしても用いることができる。例えば、図１に示すように、交流電圧出力システム１は、商用交流電源に接続され、商用交流電源から電力を受け取る受電部と、受電部が受け取った電力を蓄電する蓄電部と、蓄電部に蓄えられた電力を電気機器や電子機器に供給する給電部とを備えている。交流電圧出力システムは、当該蓄電部として用いられＵＰＳとして機能する。該ＵＰＳとして機能する交流電圧出力システム１は、商用交流電源からの電力により交流電圧出力システムの各単位変換器の電力貯蔵器を充電しておき、商用交流電源が遮断されたとき、交流電圧出力が交流電圧を出力し、給電部を介して電気機器や電子機器に交流電圧を供給する。ＵＰＳは、本発明の交流電圧出力システムを備えているので、交流電圧出力システムの単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。

【0068】

電気自動車のバッテリに用いる場合、交流電圧出力システム１は、図１に示す電力系統５０に変えて三相交流用モーターの各相に接続される。また、各単位変換器３の電力貯蔵器１５は、大容量の二次電池を用いるのが好ましい。また、電気自動車の外部から電力貯蔵器１５を充電するための端子が、交流電圧出力システム１の各アームに接続されている。交流電圧出力システム１を備えるバッテリは、外部からの電力供給により電力貯蔵器１５が充電されて交流電圧出力システム１に蓄えられた電力を、交流電圧出力システム１が交流電圧に変換して三相交流用モーターの各相に供給して、モーターを回転させる。このとき、モーターで回生された電圧によって、交流電圧出力システム１の電力貯蔵器１５を充電することもできる。従来の電気自動車のバッテリは、リチウムイオン電池などの二次電池なので、二次電池が出力する直流電圧を交流電圧に変換するインバータが必要であった。一方で、電気自動車のバッテリにとして交流電圧出力システム１を用いることで、バッテリとインバータとを交流電圧出力システム１に置き換え、これらの構成を省略できる。さらに電気自動車のバッテリは、交流電圧出力システム１を備えているので、本発明の交流電圧出力システム１の単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。なお、交流電圧出力システム１は、電気自動車以外の自動車のバッテリにも適用できる。

【0069】

図１に示した交流電圧出力システム１は、Ｒ相アーム２Ｒ、Ｓ相アーム２Ｓ、Ｔ相アーム２Ｔの一端がスター結線され、他端がリアクトル１５０Ｒ、１５０Ｓ、１５０Ｔを介して配電系統の各相に接続された形式であったが、交流電圧出力システムの態様を種々変更できる。例えば、図６に示す交流電圧出力システム１１０のように、２つのアーム１１２Ｒが直列に接続されたレグ１１０Ｒ（Ｒ相レグともいう）、２つのアーム１１２Ｓが直列に接続されたレグ１１０Ｓ（Ｓ相レグともいう）及び２つのアーム１１２Ｔが直列に接続されたレグ１１０Ｔ（Ｔ相レグともいう）が、一端部同士及び他端部同士がそれぞれ接続されて、並列に接続されている交流電圧出力システム１１０であってもよい。

【0070】

図６に示す交流電圧出力システム１１０の各アーム１１２Ｒ、１１２Ｓ、１１２Ｔ（Ｒ相アーム、Ｓ相アーム、Ｔ相アームともいう）は、３つの単位変換器３とリアクトル１０３が、リアクトル１０３が端部に来るように直列に接続されている。図６に示す例では、各アーム１１２Ｒ、１１２Ｓ、１１２Ｔの構成は同じである。各レグ１１０Ｒ、１１０Ｓ、１１０Ｔは、各アーム１１２Ｒ、１１２Ｓ、１１２Ｔのリアクトル１０３同士が接続されて直列に接続されている。各レグ１１０Ｒ、１１０Ｓ、１１０Ｔは、両端に直流電力を授受するための直流端子Ｐ１、Ｎ１をそれぞれ備え、アーム同士の接続点に交流電力を授受するための交流端子１１３Ｒ、１１３Ｓ、１１３Ｔをそれぞれ備えている。交流電圧出力システム１１０では、各レグ１１０Ｒ、１１０Ｓ、１１０Ｔが、端部同士が接続されているので、１つの直流端子Ｐ１、Ｎ１を共有している。

【0071】

交流端子１１３Ｒ、１１３Ｓ、１１３Ｔは、それぞれ、電力系統５０のｕ相、ｖ相、ｗ相に接続されている。そのため、交流電圧出力システム１１０は、各レグ１１０Ｒ、１１０Ｓ、１１０Ｔが直流端子Ｐ１及び直流端子Ｎ１でスター結線された構成となっている。各アーム１１２Ｒ、１１２Ｓ、１１２Ｔの単位変換器３は、図２に示す単位変換器３であり、フルブリッジ回路構成をしている。

【0072】

交流電圧出力システム１１０は、各レグ１１０Ｒ、１１０Ｓ、１１０Ｔの直流端子Ｐ１と直流端子Ｎ１との間に、例えば原動機や太陽光発電装置、風力発電装置など有効電力源１０５を接続することで、例えば、原動機で発電された直流電力を単位変換器３の数に応じた多段階の交流電力に変換し、電力系統５０の各相に出力する発電システムに利用できる。また、交流電圧出力システム１１０は、直流端子Ｐ１と直流端子Ｎ１に直流送電線を接続することで、直流送電線から入力された直流電力を多段の交流電力に変換して電力系統５０の各相に出力する直流送電システムに利用できる。この直流送電システムは、逆に、交流電圧出力システム１１０は、電力系統５０から入力された交流電力を直流電力に変換し、直流送電線に出力して直流送電することもできる。公知情報であるが、単位変換器３がフルブリッジ構成の場合、落雷などによる直流短絡事故時に直流出力電圧を低下させて、短絡電流を抑制することができるメリットがある。

【0073】

このような交流電圧出力システム１１０は、所定電圧を出力する複数の単位変換器３が直列に接続されたアームを少なくとも１つ（アーム１１２Ｒ、１１２Ｓ、１１２Ｔ）備え、単位変換器３が、第１スイッチ１３Ｈと第２スイッチ１３Ｌとが直列に接続された第１スイッチアーム１３と、第３スイッチ１４Ｈと第４スイッチ１４Ｌとが直列に接続された第２スイッチアーム１４と、充放電できる電力貯蔵器１５とを備え、第１スイッチアーム１３の第１スイッチ１３Ｈ側端部と第２スイッチアーム１４の第３スイッチ１４Ｈ側端部とが接続され、第１スイッチアーム１３の第２スイッチ１３Ｌ側端部と第２スイッチアーム１４の第４スイッチ１４Ｌ側端部とが接続されて、第１スイッチアーム１３、第２スイッチアーム１４及び電力貯蔵器１５が並列に接続された構成をし、第１スイッチ１３Ｈ及び第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌ又は第１スイッチ１３Ｈ、第３スイッチ１４Ｈ、第２スイッチ１３Ｌ及び第４スイッチ１４Ｌがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている。

【0074】

交流電圧出力システム１１０の効果について説明する。例えば、落雷など発生した時に、交流電圧出力システム１１０は、単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失する可能性がある。しかし、交流電圧出力システム１１０は、単位変換器３のスイッチの駆動用電源が喪失したとき、当該単位変換器３が短絡された状態となるので、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転することができる。そのため、交流電圧出力システム１１０は、短絡スイッチを省略できる。

【0075】

図６に示した交流電圧出力システム１１０は、三相交流用であるが、レグを２つ除去することにより、単相用として用いることができる。また、各アーム１１２Ｒ、１１２Ｓ、１１２Ｔが有する単位変換器３の数は限定されない。この例では、交流電圧出力システム１１０は、電力系統５０に接続されているが、電力系統に接続された交流配電系統や直流配電系統に接続されてもよい。

【符号の説明】

【0076】

１ 交流電圧出力システム
２Ｒ Ｒ相アーム
２Ｓ Ｓ相アーム
２Ｔ Ｔ相アーム
３ 単位変換器
１３ 第１スイッチアーム
１３Ｈ 第１スイッチ
１３Ｌ 第２スイッチ
１４ 第２スイッチアーム
１４Ｈ 第３スイッチ
１４Ｌ 第４スイッチ
１５ 電力貯蔵器
２０ ＧａＮ－ＦＥＴ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】