(57)【要約】【課題】スイッチまたはダイオードに故障が発生した場合でも、コンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することが可能な３レベルチョッパ装置を提供する。【解決手段】この３レベルチョッパ装置は、スイッチ１０１およびダイオード１０３のうちの少なくとも一方、または、スイッチ１０２およびダイオード１０４のうちの少なくとも一方の故障時に、コンデンサ４０２、または、コンデンサ４０１に過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更するように制御可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
第１のダイオードおよび第２のダイオードと、
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、
リアクトルと、
接続経路と、
保護スイッチ回路とを備え、
前記第１のダイオードと、前記第１のコンデンサと、前記第２のコンデンサと、前記第２のダイオードと、前記第２のスイッチと、前記第１のスイッチとは、この順で一巡に直列に接続されており、
前記直流電源は、前記リアクトルを介して、前記第１のダイオードと前記第１のスイッチとの接続点と、前記第２のスイッチと前記第２のダイオードとの接続点との間に並列に接続されており、
前記接続経路は、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの接続点と、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点とを接続するように構成されており、
前記保護スイッチ回路は、前記第１のスイッチ、または、前記第２のスイッチの故障時に、前記第２のコンデンサ、または、前記第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更する制御が可能であるように構成されている、３レベルチョッパ装置。
【請求項２】
前記保護スイッチ回路は、前記接続経路に直列に接続されている双方向保護スイッチである、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項３】
前記双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードを含む、請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項４】
前記双方向保護スイッチを構成するダイオードは、炭化珪素ダイオードを含む、請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項５】
前記双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードを含む、請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項６】
前記保護スイッチ回路は、前記双方向保護スイッチに並列に接続された第１の抵抗をさらに含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項７】
前記保護スイッチ回路は、前記双方向保護スイッチに並列に接続された第１の保護コンデンサをさらに含む、請求項２〜６のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項８】
前記保護スイッチ回路は、
前記第１のスイッチと前記接続経路との間に直列に接続される第１の保護スイッチと、
前記第２のスイッチと前記接続経路との間に直列に接続される第２の保護スイッチと、
前記第１のスイッチと前記第１の保護スイッチとの接続点と、
前記第２の保護スイッチと前記第２のスイッチとの接続点との間に、並列に接続される第２の抵抗とを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項９】
前記保護スイッチ回路は、
前記第１のスイッチと前記接続経路との間に直列に接続される第３の保護スイッチと、
前記第２のスイッチと前記接続経路との間に直列に接続される第４の保護スイッチと、
前記第１のスイッチと前記第３の保護スイッチとの接続点と、前記第４の保護スイッチと前記第２のスイッチとの接続点との間に、並列に接続される第２の保護コンデンサとを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１０】
前記保護スイッチ回路は、
前記第１のコンデンサと前記接続経路との間に直列に接続される第５の保護スイッチと、
前記第２のコンデンサと前記接続経路との間に直列に接続される第６の保護スイッチと、
前記第１のコンデンサと前記第５の保護スイッチとの接続点と、前記第６の保護スイッチと前記第２のコンデンサとの接続点との間に、並列に接続される第３の抵抗とを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１１】
前記第３の抵抗の抵抗値をＲａとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサのうちの容量の小さい方の容量をＣとした場合に、前記第３の抵抗の抵抗値Ｒａは、下記の式（１）を満たす、請求項１０に記載の３レベルチョッパ装置。
Ｒａ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（１）
【請求項１２】
前記保護スイッチ回路は、
前記第１のコンデンサと前記接続経路との間に直列に接続される第７の保護スイッチと、
前記第２のコンデンサと前記接続経路との間に直列に接続される第８の保護スイッチと、
前記第１のコンデンサと前記第７の保護スイッチとの接続点と、前記第８の保護スイッチと前記第２のコンデンサとの接続点との間に、並列に接続される第３の保護コンデンサとを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１３】
前記保護スイッチ回路は、
前記リアクトルに直列に接続される第９の保護スイッチと、
前記第９の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の抵抗とを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１４】
前記第４の抵抗の抵抗値をＲｂとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサのうちの容量の小さい方の容量をＣとしたとき、前記第４の抵抗の抵抗値Ｒｂは、下記の式（２）を満たす、請求項１３に記載の３レベルチョッパ装置。
Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（２）
【請求項１５】
前記保護スイッチ回路は、
前記リアクトルに直列に接続される第１０の保護スイッチと、
前記第１０の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の保護コンデンサとを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１６】
前記保護スイッチ回路は、
前記第１のスイッチ、または、前記第２のコンデンサ、または、前記第１のダイオード、または、前記接続経路に直列に接続されている第１の保護スイッチ部分回路と、
前記第２のスイッチ、または、前記第１のコンデンサ、または、前記第２のダイオードまたは、前記接続経路に直列に接続されている第２の保護スイッチ部分回路との両方を含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１７】
前記第１の保護スイッチ部分回路は、第１１の保護スイッチを含み、前記第１のスイッチ、または、前記第１のダイオード、または、前記接続経路に直列に接続されている、請求項１６に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１８】
前記第１の保護スイッチ部分回路は、第１２の保護スイッチと、前記第１２の保護スイッチに並列接続された第５の抵抗とを含む、請求項１６に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１９】
前記第１の保護スイッチ部分回路は、前記第２のコンデンサに直列に接続されており、前記第５の抵抗の抵抗値をＲｃとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第２のコンデンサの容量をＣ２としたとき、前記第５の抵抗の抵抗値Ｒｃは、下記の式（３）を満たす、請求項１８に記載の３レベルチョッパ装置。
Ｒｃ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（３）
【請求項２０】
前記第１の保護スイッチ部分回路は、第１３の保護スイッチと、前記第１３の保護スイッチに並列接続された第５の保護コンデンサとを含む、請求項１６に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項２１】
前記第２の保護スイッチ部分回路は、第１４の保護スイッチを含むとともに、前記第２のスイッチ、または、前記第２のダイオード、または、前記接続経路に直列に接続されている、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項２２】
前記第２の保護スイッチ部分回路は、第１５の保護スイッチと、前記第１５の保護スイッチに並列接続された第６の抵抗とを含む、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項２３】
前記第２の保護スイッチ部分回路は、前記第１のコンデンサに直列に接続されており、
前記第６の抵抗の抵抗値をＲｄとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第１のコンデンサの容量をＣ１としたとき、前記第６の抵抗の抵抗値Ｒｄは、下記の式（４）を満たす、請求項２２に記載の３レベルチョッパ装置。
Ｒｄ≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2  ・・・（４）
【請求項２４】
前記第２の保護スイッチ部分回路は、第１６の保護スイッチと、前記第１６の保護スイッチに並列接続された第６の保護コンデンサとを含む、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、３レベルチョッパ装置に関し、特に、直列に接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを備える３レベルチョッパ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直列に接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを備える３レベルチョッパ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１では、直流電源と、リアクトルと、トランジスタ等で構成される第１のスイッチおよび第２のスイッチと、直列接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、第１のダイオードおよび第２のダイオードとを備える、誘導電動機の速度制御装置が開示されている。この速度制御装置では、直流電源に、リアクトルと、第１のスイッチおよび第２のスイッチとが直列に接続されている。そして、第１のスイッチの両端に、第１のダイオードと第１のコンデンサとから構成される直列回路が接続され、第２スイッチの両端に、第２のコンデンサと第２のダイオードとから構成される直列回路が接続されている。また、この速度制御装置には、第１のスイッチと第２のスイッチとの接続点と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの接続点とを接続する接続経路が設けられている。
【０００４】
また、上記特許文献１に記載のような従来の速度制御装置では、第１のコンデンサと第２のコンデンサとが直列接続されている点の電位（以下、中点電位という）を検出して、検出した中点電位に基づいて、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの故障を検出する故障検出手段が設けられている。そして、一般的に、従来の速度制御装置では、この速度制御装置に故障が発生したときは、速度制御装置の第１のスイッチおよび第２のスイッチがオフされるか、または、速度制御装置と負荷との間に設けられたインバータの半導体スイッチ素子がオフされることにより、負荷（誘導電動機）への電流が阻止される。この結果、速度制御装置が保護される。たとえば、従来の速度制御装置では、直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチのうちの一方のスイッチ（たとえば、第１のスイッチ）が短絡故障した場合、インバータの半導体スイッチ素子がオフされることにより負荷が速度制御装置から切り離され、速度制御装置の他方のスイッチ（たとえば、第２のスイッチ）がオフされる制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３５５８９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、従来の速度制御装置（チョッパ装置）では、一方のスイッチに短絡故障が発生した際には、インバータの半導体スイッチ素子がオフされることにより負荷が速度制御装置から切り離される。そして、この速度制御装置では、速度制御装置の他方のスイッチをオフした場合には、短絡故障した一方のスイッチと接続経路とを介して、直流電源に接続されるリアクトルと他方のコンデンサとに直列共振電流が流れる。このため、他方のコンデンサは、直流電源の電圧よりも高い電圧まで充電され、過電圧になるという問題点がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、スイッチに故障が発生した場合でも、コンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することが可能な３レベルチョッパ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による３レベルチョッパ装置は、直流電源と、第１のスイッチおよび第２のスイッチと、第１のダイオードおよび第２のダイオードと、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、リアクトルと、接続経路と、保護スイッチ回路とを備え、第１のダイオードと、第１のコンデンサと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、第２のスイッチと、第１のスイッチとは、この順で一巡に直列に接続されており、直流電源は、リアクトルを介して、第１のダイオードと第１のスイッチとの接続点と、第２のスイッチと第２のダイオードとの接続点との間に並列に接続されており、接続経路は、第１のスイッチと第２のスイッチとの接続点と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの接続点とを接続するように構成されており、保護スイッチ回路は、第１のスイッチ、または、第２のスイッチの故障時に、第２のコンデンサ、または、第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更する制御が可能であるように構成されている。
【０００９】
この発明の一の局面による３レベルチョッパ装置では、上記のように、保護スイッチ回路を、第１のスイッチ、または、第２のスイッチの故障時に、第２のコンデンサ、または、第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路が、過電圧とならない電流経路へと変更される制御が可能であるように構成する。これにより、第１のスイッチまたは第２のスイッチのいずれかに故障が発生した場合でも、保護スイッチ回路により、第２のコンデンサ、または、第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路が、過電圧とならない電流経路へと変更されるので、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することができる。
【００１０】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、接続経路に直列に接続されている双方向保護スイッチである。ここで、第１のスイッチ、または、第２のスイッチが故障した場合には、接続経路が、第２のコンデンサ、または、第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路となる。この点に着目して、本発明では、保護スイッチ回路を、接続経路に直列に接続されている双方向保護スイッチとして構成する。これにより、双方向保護スイッチにより第１のコンデンサまたは第２のコンデンサに過電圧が印加される電流経路となっている接続経路から、過電圧とならない電流経路に、容易に変更することができる。
【００１１】
この場合、好ましくは、双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードを含む。このように構成すれば、たとえば、炭化珪素ダイオードに比べてオン電圧が小さくなるので、その分、電力損失の増大を抑制することができる。
【００１２】
上記双方向保護スイッチを備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、双方向保護スイッチを構成するダイオードは、炭化珪素ダイオードを含む。このように構成すれば、シリコンダイオードに比べて順方向回復電圧を小さくすることができる。その結果、順方向回復電圧が小さくなることにより、電圧のリプル（脈動）が小さくなり、ノイズを小さくすることができる。
【００１３】
上記双方向保護スイッチを備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードを含む。このように構成すれば、オン電圧を小さくすることができるとともに、順方向回復電圧を小さくすることができるので、電力損失の増大を抑制しながら、ノイズを小さくすることができる。
【００１４】
上記双方向保護スイッチを備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、双方向保護スイッチに並列に接続された第１の抵抗をさらに含む。このように構成すれば、たとえば、第１のスイッチが短絡故障した場合で、かつ、双方向保護スイッチをオフする制御がなされた場合には、直流電源と、リアクトルと、短絡故障した第１のスイッチと、第１の抵抗と、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、直流電源とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路に第１の抵抗が含まれるので、この経路がＬＣＲ直列共振回路を形成する。このＬＣＲ直列共振回路に流れる共振電流は減衰振動となる。その結果、第２のコンデンサに流れ込む電荷が少なくなるので、第２のコンデンサが過電圧になるのを抑制することができる。なお、本願明細書では、「スイッチをオンする」という記載を、スイッチにより電流を導通させる状態を意味するものとし、「スイッチをオフする」という記載を、スイッチにより導通経路を遮断する状態（電流の流れを阻止する状態）を意味するものとする。
【００１５】
上記双方向保護スイッチを備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、双方向保護スイッチに並列に接続された第１の保護コンデンサをさらに含む。このように構成すれば、たとえば、第１のスイッチが短絡故障した場合で、かつ、双方向保護スイッチをオフする制御がなされた場合には、直流電源と、リアクトルと、短絡故障した第１のスイッチと、第１の保護コンデンサと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、直流電源とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路において、第１の保護コンデンサおよび第２のコンデンサにより、互いに電荷を分担しながら充電されるので、第２のコンデンサのみに充電される場合に比べて、第２のコンデンサが過電圧になるのを抑制することができる。
【００１６】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のスイッチと接続経路との間に直列に接続される第１の保護スイッチと、第２のスイッチと接続経路との間に直列に接続される第２の保護スイッチと、第１のスイッチと第１の保護スイッチとの接続点と、第２の保護スイッチと第２のスイッチとの接続点との間に、並列に接続される第２の抵抗とを含む。このように構成すれば、たとえば、第１のスイッチが短絡故障した場合で、かつ、第１の保護スイッチをオフするとともに、第２の保護スイッチをオンする制御が行われる場合に、直流電源と、リアクトルと、短絡故障した第１のスイッチと、第２の抵抗と、第２の保護スイッチと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、直流電源とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路に第２の抵抗が含まれるので、この経路がＬＣＲ直列共振回路を形成する。このＬＣＲ直列共振回路に流れる共振電流は減衰振動となる。その結果、第２のコンデンサに流れ込む電荷が少なくなるので、第２のコンデンサが過電圧になるのを、より抑制することができる。
【００１７】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のスイッチと接続経路との間に直列に接続される第３の保護スイッチと、第２のスイッチと接続経路との間に直列に接続される第４の保護スイッチと、第１のスイッチと第３の保護スイッチとの接続点と、第４の保護スイッチと第２のスイッチとの接続点との間に、並列に接続される第２の保護コンデンサとを含む。このように構成すれば、たとえば、第１のスイッチが短絡故障した場合で、かつ、第３の保護スイッチをオフするとともに、第４の保護スイッチをオンする制御が行われる場合には、直流電源と、リアクトルと、短絡故障した第１のスイッチと、第２の保護コンデンサと、第４の保護スイッチと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、直流電源とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路において、第２の保護コンデンサおよび第２のコンデンサにより、互いに電荷を分担しながら充電されるので、第２のコンデンサのみに充電される場合に比べて、第２のコンデンサが過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【００１８】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のコンデンサと接続経路との間に直列に接続される第５の保護スイッチと、第２のコンデンサと接続経路との間に直列に接続される第６の保護スイッチと、第１のコンデンサと第５の保護スイッチとの接続点と、第６の保護スイッチと第２のコンデンサとの接続点との間に、並列に接続される第３の抵抗とを含む。このように構成すれば、たとえば、第１のスイッチが短絡故障した場合で、かつ、第２のスイッチをオフし、第５の保護スイッチをオンし、第６の保護スイッチをオフする制御が行われる場合に、直流電源と、リアクトルと、短絡故障した第１のスイッチと、第５の保護スイッチと、第３の抵抗と、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、直流電源とに一巡する経路において、ＬＣＲ直列共振回路が形成される。その結果、第２のコンデンサに流れ込む電荷が少なくなるので、第２のコンデンサが過電圧になるのを、より効果的に抑制することができる。
【００１９】
この場合、好ましくは、第３の抵抗の抵抗値をＲａとし、リアクトルのインダクタンスをＬとし、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサのうちの容量の小さい方の容量をＣとした場合に、第３の抵抗の抵抗値Ｒａは、下記の式（１）を満たす。
Ｒａ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（１）
このように構成すれば、抵抗値Ｒａを有する第３の抵抗を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【００２０】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のコンデンサと接続経路との間に直列に接続される第７の保護スイッチと、第２のコンデンサと接続経路との間に直列に接続される第８の保護スイッチと、第１のコンデンサと第７の保護スイッチとの接続点と、第８の保護スイッチと第２のコンデンサとの接続点との間に、並列に接続される第３の保護コンデンサとを含む。このように構成すれば、たとえば、第１のスイッチが短絡故障した場合で、かつ、第２のスイッチをオフし、第７の保護スイッチをオンし、第８の保護スイッチをオフする制御が行われる場合には、直流電源と、リアクトルと、短絡故障した第１のスイッチと、第７の保護スイッチと、第３の保護コンデンサと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、直流電源とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路において、第３の保護コンデンサおよび第２のコンデンサにより、互いに電荷を分担しながら充電されるので、第２のコンデンサのみに充電される場合に比べて、第２のコンデンサが過電圧になるのを抑制することができる。
【００２１】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、リアクトルに直列に接続される第９の保護スイッチと、第９の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の抵抗とを含む。このように構成すれば、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第９の保護スイッチをオフする制御を行うことにより、電流経路に、第４の抵抗を加えることができる。その結果、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した際の電流経路をＬＣＲ直列共振回路として形成することができるので、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧となるのを抑制することができる。
【００２２】
この場合、好ましくは、第４の抵抗の抵抗値をＲｂとし、リアクトルのインダクタンスをＬとし、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサのうちの容量の小さい方の容量をＣとしたとき、第４の抵抗の抵抗値Ｒｂは、下記の式（２）を満たす。
Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（２）
このように構成すれば、抵抗値Ｒｂを有する第４の抵抗を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【００２３】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、リアクトルに直列に接続される第１０の保護スイッチと、第１０の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の保護コンデンサとを含む。このように構成すれば、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１０の保護スイッチをオフする制御を行うことにより、電流経路に、第４の保護コンデンサを加えることができる。この場合、この経路において、第４の保護コンデンサと、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサのうちの一方とにより、互いに電荷を分担しながら充電されるので、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサのみに充電される場合に比べて、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのを抑制することができる。
【００２４】
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のスイッチまたは第２のコンデンサまたは第１のダイオードまたは接続経路に直列に接続されている第１の保護スイッチ部分回路と、第２のスイッチまたは第１のコンデンサまたは第２のダイオードまたは接続経路に直列に接続されている第２の保護スイッチ部分回路との両方を含む。このように構成すれば、第１の保護スイッチ部分回路および第２の保護スイッチ部分回路により、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサに過電圧が印加される電流経路から、過電圧とならない電流経路に効果的に変更することができる。
【００２５】
この場合、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第１１の保護スイッチを含み、第１のスイッチ、または、第１のダイオード、または、接続経路に直列に接続されている。これにより、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１１の保護スイッチをオフすることにより、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサに過電圧が印加される電流経路から、過電圧とならない電流経路に変更することができる。
【００２６】
上記第１の保護スイッチ部分回路を備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第１２の保護スイッチと、第１２の保護スイッチに並列接続された第５の抵抗とを含む。このように構成すれば、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１２の保護スイッチをオフする制御を行うことにより、電流経路に、第５の抵抗を加えることができる。その結果、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した際の電流経路を第５の抵抗を含むＬＣＲ直列共振回路として形成することができるので、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧となるのを抑制することができる。
【００２７】
この場合、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第２のコンデンサに直列に接続されており、第５の抵抗の抵抗値をＲｃとし、リアクトルのインダクタンスをＬとし、第２のコンデンサの容量をＣ２としたとき、第５の抵抗の抵抗値Ｒｃは、下記の式（３）を満たす。
Ｒｃ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（３）
このように構成すれば、抵抗値Ｒｃを有する第５の抵抗を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【００２８】
上記第１の保護スイッチ部分回路を備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第１３の保護スイッチと、第１３の保護スイッチに並列接続された第５の保護コンデンサとを含む。このように構成すれば、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１３の保護スイッチをオフすることにより、電流経路において、第５の保護コンデンサと、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサとにより、互いに電荷を分担しながら充電されるので、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサのみに充電される場合に比べて、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのを抑制することができる。
【００２９】
上記第２の保護スイッチ部分回路を備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１４の保護スイッチを含むとともに、第２のスイッチ、または、第２のダイオード、または、接続経路に直列に接続されている。このように構成すれば、第１の保護スイッチ部分回路により、第１２の保護スイッチを含む場合と同様に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧となるのを抑制することができる。
【００３０】
上記第２の保護スイッチ部分回路を備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１５の保護スイッチと、第１５の保護スイッチに並列接続された第６の抵抗とを含む。このように構成すれば、第１の保護スイッチ部分回路により、第１２の保護スイッチおよび第５の抵抗を含む場合と同様に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧となるのを抑制することができる。
【００３１】
この場合、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１のコンデンサに直列に接続されており、第６の抵抗の抵抗値をＲｄとし、リアクトルのインダクタンスをＬとし、第１のコンデンサの容量をＣ１としたとき、第６の抵抗の抵抗値Ｒｄは、下記の式（４）を満たす。
Ｒｄ≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2  ・・・（４）
このように構成すれば、抵抗値Ｒｄを有する第６の抵抗を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、第１のスイッチまたは第２のスイッチが短絡故障した場合に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのをより確実に抑制することができる。
【００３２】
上記第２の保護スイッチ部分回路を備える３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１６の保護スイッチと、第１６の保護スイッチに並列接続された第６の保護コンデンサとを含む。このように構成すれば、上記の第１の保護スイッチ部分回路に、第１３の保護スイッチと、第１３の保護スイッチに並列接続された第５の保護コンデンサとを設ける場合と同様に、第１のコンデンサまたは第２のコンデンサが過電圧になるのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、上記のように、スイッチに故障が発生した場合でも、コンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図３】本発明の第２、第３および第４実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態の変形例、第３実施形態、および、第４実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図６】本発明の第６実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図７】本発明の第７実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図８】本発明の第８実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図９】本発明の第９実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１０】本発明の第１０実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１１】本発明の第１１実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１２】本発明の第１２実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１３】本発明の第１３実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１４】本発明の第１４実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１５】本発明の第１５実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１６】本発明の第１６実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１７】本発明の第１７実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１８】本発明の第１８実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図１９】本発明の第１９実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
【図２０】本発明の第６実施形態と第９実施形態を組み合わせた形態の３レベルチョッパ装置の回路構成の一例図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３６】
［第１実施形態］
第１実施形態による３レベルチョッパ装置１００の構成について説明する。
【００３７】
（第１実施形態による３レベルチョッパ装置の構成）
図１に示すように、この第１実施形態の３レベルチョッパ装置１００は、直流電源８の電圧ＶＥを、３つのレベルの直流電圧に変換して高電位出力端Ｐｏ、中間電位出力端Ｍｏおよび低電位出力端Ｎｏから出力するように構成されている。また、３レベルチョッパ装置１００は、産業分野、鉄道分野、発電分野などで使用される電力変換装置として構成されている。
【００３８】
そして、第１実施形態では、図１に示すように、３レベルチョッパ装置１００は、直流電源８と、スイッチ１０１および１０２と、ダイオード１０３および１０４と、コンデンサ４０１および４０２と、チョッパリアクトル７０１（以下、「リアクトル７０１」とする）と、接続経路１３と、保護スイッチ２０１と、制御回路１ａとを備える。なお、スイッチ１０１およびスイッチ１０２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１のスイッチ」および「第２のスイッチ」の一例である。また、コンデンサ４０１および４０２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１のコンデンサ」および「第２のコンデンサ」の一例である。また、ダイオード１０３および１０４は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１のダイオード」および「第２のダイオード」の一例である。また、保護スイッチ２０１は、特許請求の範囲の「保護スイッチ回路」の一例である。
【００３９】
そして、ダイオード１０３と、コンデンサ４０１と、コンデンサ４０２と、ダイオード１０４と、スイッチ１０２と、スイッチ１０１とは、この順で一巡に直列に接続されている。直流電源８は、リアクトル７０１を介して、ダイオード１０３とスイッチ１０１との接続点Ｎ１と、スイッチ１０２とダイオード１０４との接続点Ｎ２との間に並列に接続されている。
【００４０】
また、接続経路１３は、スイッチ１０１とスイッチ１０２との接続点Ｎ３と、コンデンサ４０１とコンデンサ４０２との接続点Ｎ４とを接続するように構成されている。ここで、第１実施形態では、保護スイッチ２０１は、スイッチ１０１、または、スイッチ１０２の故障時に、コンデンサ４０２、または、コンデンサ４０１に過電圧が印加される電流経路Ｒ１を、過電圧とならない電流経路Ｒ２へと変更する制御が可能であるように構成されている。以下、具体的に説明する。
【００４１】
３レベルチョッパ装置１００では、直流電源８の正極Ｐと負極Ｎとの間には、直列に接続されたリアクトル７０１を介して、スイッチ直列回路１１が接続されている。スイッチ直列回路１１は、トランジスタ等の半導体スイッチ素子により構成されたスイッチ１０１とスイッチ１０２とが直列接続されて構成されている。
【００４２】
なお、図１では、直流電源の正極Ｐ側のみに、リアクトル７０１が接続されている一方、図２（ａ）に示すように、３レベルチョッパ装置１００では、負極Ｎ側のみに、リアクトル７０２が接続されていてもよい。また、図２（ｂ）に示すように、３レベルチョッパ装置１００では、正極Ｐおよび負極Ｎの両側に、それぞれ、リアクトル７０１および７０２が接続されていてもよい。また、３レベルチョッパ装置１００は、リアクトル７０１および７０２が直流電源８の正極Ｐおよび負極Ｎの両側にそれぞれ接続されている場合は、図２（ｃ）に示すように、２つのリアクトル７０１および７０２を磁気的に結合するように構成されていてもよい。
【００４３】
スイッチ直列回路１１の両端には、コンデンサ４０１および４０２が直列接続されて構成されているコンデンサ直列回路４１が、両端のそれぞれにダイオード１０３および１０４を介して接続されている。
【００４４】
スイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２が互いに接続された接続点Ｎ３と、コンデンサ直列回路４１のコンデンサ４０１および４０２が互いに接続された接続点Ｎ４との間に、保護スイッチ２０１が接続されている。
【００４５】
ここで、第１実施形態では、保護スイッチ２０１は、接続経路１３に直列に接続されている双方向保護スイッチである。すなわち、保護スイッチ２０１は、機械的開閉接点で構成されたスイッチや、２個の半導体スイッチを逆並列または逆直列に接続して構成された半導体双方向スイッチにより構成されており、双方向の電流の通流を制御することのできるスイッチである。
【００４６】
コンデンサ直列回路４１の両端の出力端Ｐｏ、Ｎｏに、インバータ９１と電動機９２とにより構成された負荷９が接続されている。また、インバータ９１は、図１に示すように、２レベルインバータであってもよいし、３レベルインバータであってもよい。
【００４７】
制御回路１ａは、たとえば、ＣＰＵおよびメモリ等からなり、メモリに格納されたプログラム等を実行することにより、各部の制御を行うことが可能に構成されている。たとえば、制御回路１ａは、スイッチ１０１、スイッチ１０２および保護スイッチ２０１に接続されており、制御信号をスイッチ１０１、スイッチ１０２および保護スイッチ２０１に伝達することにより、各スイッチのオンオフを制御するように構成されている。
【００４８】
また、制御回路１ａは、故障検出部としての機能を有する。たとえば、制御回路１ａは、図示しない電圧検出部を含み、コンデンサ４０１とコンデンサ４０２とが直列接続されている接続点Ｎ４（中点電位）の検出結果を取得して、取得した検出結果に基づいて、スイッチ１０１および１０２の故障を検出する制御を行うように構成されている。たとえば、制御回路１ａは、中点電位の値が予め設定された範囲を超えた場合、スイッチ１０１または１０２が短絡故障していると判断する制御を行うように構成されている。または、たとえば、制御回路１ａは、図示しない電流検出部を含み、接続経路１３に流れる電流値を取得して、取得した電流値に基づいて、スイッチ１０１および１０２の故障を検出する制御を行うように構成されている。
【００４９】
（３レベルチョッパ装置の通常時の動作）
図１を参照して、３レベルチョッパ装置１００の通常に運転する際の動作を説明する。なお、３レベルチョッパ装置１００では、制御回路１ａにより制御処理が行われる。図１に示すように、３レベルチョッパ装置１００の通常の運転時では、保護スイッチ２０１をオンにする。そして、まず、スイッチ１０１および１０２を共にオンにすると、スイッチ１０１および１０２を介して、直流電源８からリアクトル７０１に電流が流れて、リアクトル７０１にエネルギが蓄積される。
【００５０】
次に、下段のスイッチ１０２をオフにする。これにより、直流電源８−リアクトル７０１−スイッチ１０１−保護スイッチ２０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路に電流が流れる。これにより、コンデンサ４０２が、直流電源８とリアクトル７０１の蓄積されたエネルギとにより充電されるので、コンデンサ４０２は、直流電源８の電圧ＶＥより高い所定の電圧まで充電される。
【００５１】
その後、スイッチ１０２をオンにして、リアクトル７０１にエネルギを蓄積した状態で、上段のスイッチ１０２をオフにする。これにより、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−保護スイッチ２０１−スイッチ１０２−直流電源８の経路に電流が流れ、直流電源８とリアクトル７０１のエネルギとによりコンデンサ４０１が直流電源８の電圧ＶＥより高い所定の電圧まで充電される。
【００５２】
これを繰り返すことにより、コンデンサ４０１および４０２に充電される電圧が調整され、負荷９に出力端Ｐｏ、Ｎｏから２レベルの電圧、または、出力端Ｐｏ、Ｍｏ、Ｎｏから３レベルの電圧を取り出すことができる。
【００５３】
また、この３レベルチョッパ装置１００は、下記の動作によっても直流電圧の変換を行うことができる。
【００５４】
まず、スイッチ１０１および１０２を共にオフすることにより、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路に電流が流れ、コンデンサ４０１および４０２が充電される。
【００５５】
次に、下段のスイッチ１０２をオンにする。この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−保護スイッチ２０１−スイッチ１０２−直流電源８の経路に流れる電流により、一方のコンデンサ４０１が充電される。
【００５６】
この状態から、スイッチ１０２をオフにし、さらに、上段のスイッチ１０１をオンにして、直流電源８−リアクトル７０１−スイッチ１０１−保護スイッチ２０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路に流れる電流によりコンデンサ４０２が充電される状態とする。スイッチ１０１および１０２のオンオフを制御して、これらを繰り返すことによって、コンデンサ４０１および４０２に充電される電圧を調整することができる。この場合はＰｏとＭｏと間の電圧、ＭｏとＮｏと間の電圧は直流電源８の電圧ＶＥよりも低いものになるが、ＰｏとＮｏと間の電圧はＶＥよりも高くなる。
【００５７】
（３レベルチョッパ装置の故障時の動作）
次に、図１を参照して、３レベルチョッパ装置１００のスイッチ直列回路１１の一部が故障した際の動作を説明する。なお、３レベルチョッパ装置１００では、制御回路１ａにより制御処理が行われる。たとえば、スイッチ１０１が短絡故障して、導通状態（たとえば、全導通）となった場合について説明する。
【００５８】
スイッチ１０１が短絡故障して、全導通となった時には、故障後、直ちに、もう一方のスイッチ１０２をオフにして、かつ、インバータ９１の動作を停止することにより、３レベルチョッパ装置から負荷９を切り離すとともに、保護スイッチ２０１をオフにする。
【００５９】
この状態では、保護スイッチ２０１がオフされているので、電流経路Ｒ１には、電流が流れずに、直流電源８−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の電流経路Ｒ２に、リアクトル７０１とコンデンサ４０１および４０２とによるＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流によって、コンデンサ４０１および４０２が充電される。このため、リアクトル７０１に蓄積されたエネルギ分、コンデンサ４０１および４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥよりも高くなる。しかしながら、２つのコンデンサ４０１および４０２により電圧が分担されるので、保護スイッチ２０１により、接続経路１３を遮断しない場合（電流経路Ｒ１）に比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧となるのが抑制される。
【００６０】
ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生した場合でも、保護スイッチ２０１をオフすることにより、接続経路１３が遮断されているので、コンデンサ４０１の両端が、短絡故障したダイオード１０３およびスイッチ１０１と、接続経路１３とによって短絡されることが抑制される。これにより、コンデンサ４０１が短絡電流によって故障するのを抑制することができる。
【００６１】
［第１実施形態の効果］
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００６２】
第１実施形態では、上記のように、保護スイッチ２０１を、スイッチ１０１の故障時に、コンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ１が、過電圧とならない電流経路Ｒ２へと変更される制御が可能であるように構成する。好ましくは、保護スイッチ２０１を、制御回路１ａにより、スイッチ１０１の故障時に、コンデンサ４０１またはコンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ１を遮断するようにオンオフが制御されるように構成する。これにより、スイッチ１０１に故障が発生した場合でも、保護スイッチ２０１により、コンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ１が、過電圧とならない電流経路Ｒ２へと変更されるので、コンデンサ４０２の充電電圧が過電圧になるのを抑制することができる。
【００６３】
また、第１実施形態では、上記のように、保護スイッチ２０１を、接続経路１３に直列に接続されている双方向保護スイッチとして構成する。ここで、スイッチ１０１、または、スイッチ１０２が故障した場合には、接続経路１３が、コンデンサ４０２、または、コンデンサ４０１に過電圧が印加される電流経路Ｒ１となる。この点に着目して、第１実施形態では、保護スイッチ２０１を、接続経路１３に直列に接続されている双方向保護スイッチとして構成することにより、双方向保護スイッチによりコンデンサ４０１またはコンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ１となっている接続経路から、過電圧とならない電流経路Ｒ２に、容易に変更することができる。
【００６４】
また、第１実施形態では、スイッチ１０１、または、スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障を発生した場合について説明したが、スイッチ１０２や、ダイオード１０４が短絡故障を発生した場合も、同様に、保護スイッチ２０１をオフすることによって、コンデンサ４０１および４０２の過電圧や、故障を抑制することができる。以下の実施形態においても、スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障を発生した場合を例にして説明する。
【００６５】
［第２実施形態］
次に、図３および図４を参照して、第２実施形態による３レベルチョッパ装置２００について説明する。
【００６６】
第２実施形態では、図３に示すように、３レベルチョッパ装置２００は、スイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１との中間点（接続点Ｎ４）を接続する接続経路１３に挿入する保護スイッチ２０１ａを備える。
【００６７】
ここで、第２実施形態では、保護スイッチ２０１ａは、接続経路１３に直列に接続されている双方向保護スイッチとして構成されている。なお、保護スイッチ２０１ａは、特許請求の範囲の「保護スイッチ回路」および「双方向保護スイッチ」の一例である。
【００６８】
たとえば、図３に示すように、保護スイッチ２０１ａは、それぞれ、ダイオード３０３および３０４が互いに逆並列に接続された２個のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３０１および３０２を含む。そして、このＩＧＢＴ３０１および３０２は、互いに、逆直列接続されている。すなわち、保護スイッチ２０１ａは、双方向スイッチとして構成されている。また、制御回路１ｂは、制御信号を保護スイッチ２０１ａに伝達することにより、保護スイッチ２０１ａを制御するように構成されている。
【００６９】
なお、保護スイッチ２０１ａに用いる双方向スイッチは、図４（ａ）に示すように、それぞれ、ダイオード３０３および３０４を順方向に直列接続した２個のＩＧＢＴ３０１および３０２を逆並列接続することにより構成されていてもよい。また、保護スイッチ２０１ａは、ＩＧＢＴ３０１および３０２ではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やバイポーラトランジスタにより構成してもよい。
【００７０】
また、第２実施形態では、ダイオード３０３および３０４は、シリコンダイオードからなるか、炭化珪素ダイオードからなるか、または、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードからなる。
【００７１】
また、ダイオード３０３および３０４がシリコンダイオードからなる場合、具体的には、ダイオード３０３および３０４は、シリコン基材で形成されたシリコンＰＮ接合ダイオード（以下Ｓｉ−ｐｎダイオードと称する）からなる。また、ダイオード３０３および３０４が炭化珪素ダイオードからなる場合には、ダイオード３０３および３０４は、ＳｉＣ−ＳＢ（ショットキーバリア）ダイオードからなる。また、ダイオード３０３および３０４が、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードからなる場合には、ダイオード３０３および３０４は、Ｓｉ−ｐｎダイオードとＳｉＣ−ＳＢダイオードとが並列接続されたダイオードからなる。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００７２】
（第２実施形態の通常時の動作）
次に、図３を参照にして、第２実施形態による３レベルチョッパ装置２００の通常動作時について説明する。なお、３レベルチョッパ装置２００の制御処理は、制御回路１ｂにより行われる。まず、３レベルチョッパ装置２００では、保護スイッチ２０１ａのＩＧＢＴ３０１および３０２をゲートオン（制御回路１ｂからゲートにオン信号を加えた状態）にして、共にオン状態にする。そして、スイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオンオフを切換える制御を行うことにより、上記第１実施形態と同様に、直流電圧を変換することができる。
【００７３】
この場合、スイッチ１０１をオンにするとともに、スイッチ１０２をオフにしてコンデンサ４０２を充電する。この状態の時は、保護スイッチ２０１ａのＩＧＢＴ３０２は、順方向となるのでオンにして電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなるＩＧＢＴ３０１は、電流がダイオード３０３を流れるのでオフにしてもよいしオンにしてもよい。
【００７４】
また、スイッチ１０１をオフにし、スイッチ１０２をオンにしてコンデンサ４０１を充電する。この状態では、保護スイッチ２０１ａのＩＧＢＴ３０１は、順方向となるのでゲートオンにして電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなるＩＧＢＴ３０２は、電流がダイオード３０４を流れるのでオフにしてもよいし、オンにしてもよい。
【００７５】
また、スイッチ１０１および１０２が共にオンまたはオフになるモード（期間）は、保護スイッチ２０１ａには電流が流れない。この期間は、保護スイッチ２０１ａの２つのＩＧＢＴ３０１および３０２は、ゲートオフにする。このように、３レベルチョッパ装置２００の通常動作時における保護スイッチ２０１ａに電流が流れない期間に、保護スイッチ２０１ａの２つのＩＧＢＴ３０１および３０２をゲートオフにすることにより、保護スイッチ２０１ａのＩＧＢＴ３０１および３０２のゲートに電荷が蓄積されるのを抑制することができる。ＩＧＢＴ３０１および３０２をゲートオフにする場合は、スイッチ１０１および１０２のオン、オフの切換えから適当な切り替え時間の経過後に行うようにすると、チョッパ動作への影響を抑制しながら、ゲートに電荷が蓄積されるのを抑制することができる。
【００７６】
また、ダイオード３０３および３０４がシリコンダイオードを含む場合、上記通常運転時に、スイッチ１０１および１０２を切り換えることによりダイオード３０３および３０４の電流が遮断される時、瞬間的ではあるが電流が転流し、これらに逆バイアスがかかる。しかし、その逆バイアスはＩＧＢＴ３０１および３０２の飽和電圧程度の数Ｖ程度であり、過渡応答が終わった定常状態ではバイアスがかからない。この場合、第２実施形態による３レベルチョッパ装置２００では、逆回復損失がほとんど発生しない。
【００７７】
また、ダイオード３０３および３０４が炭化珪素ダイオードを含む場合、Ｓｉ−ｐｎダイオードを用いる場合よりも、上記通常運転時において、順方向回復電圧を小さくすることができる。これにより、電圧リプル（脈動）が小さくなり、ノイズを小さくすることができる。
【００７８】
（第２実施形態の故障時の動作）
次に、図３を参照して、３レベルチョッパ装置１００のスイッチ直列回路１１の一部が故障した際の動作を説明する。なお、３レベルチョッパ装置１００では、制御回路１ｂにより制御処理が行われる。たとえば、スイッチ１０１が短絡故障して、全導通となった場合について説明する。
【００７９】
第２実施形態では、スイッチ直列回路１１のスイッチ１０１が短絡故障した時は、ＩＧＢＴ３０１および３０２をゲートオフすることにより、保護スイッチ２０１ａをオフ状態にする。これにより、接続経路１３が遮断され、コンデンサ４０２とリアクトル７０１とのＬＣ直列共振電流によるコンデンサ４０２への充電を抑制することができる。これにより、コンデンサ４０２に対する過電圧充電を抑制することができる。特に、この時、順バイアスとなる保護スイッチ２０１ａのＩＧＢＴ３０２をゲートオフする必要があるが、ＩＧＢＴ３０１および３０２の両方を共に、ゲートオフにしても問題はない。
【００８０】
［第２実施形態の効果］
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００８１】
第２実施形態では、上記のように、保護スイッチ２０１ａに、シリコンダイオードを設ける。これにより、保護スイッチ２０１ａに炭化珪素ダイオードを設ける場合に比べてオン電圧が小さくなるので、その分、電力損失の増大を抑制することができる。
【００８２】
また、第２実施形態では、上記のように、保護スイッチ２０１ａに、炭化珪素ダイオードを設ける。これにより、保護スイッチ２０１にシリコンダイオードを設ける場合に比べて、順方向回復電圧を小さくすることができる。その結果、３レベルチョッパ装置２００において、順方向回復電圧が小さくなることにより、電圧のリプル（脈動）が小さくなり、ノイズを小さくすることができる。
【００８３】
また、第２実施形態では、上記のように、保護スイッチ２０１ａに、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードを設ける。これにより、３レベルチョッパ装置２００において、オン電圧を小さくすることができるとともに、順方向回復電圧を小さくすることができるので、電力損失の増大を抑制しながら、ノイズを小さくすることができる。
【００８４】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００８５】
［第３実施形態］
次に、図３および図４（ｂ）を参照して、第３実施形態による３レベルチョッパ装置３００について説明する。
【００８６】
第３実施形態では、図４（ｂ）に示すように、３レベルチョッパ装置３００は、スイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１との中間点（接続点Ｎ４）を接続する接続経路１３に挿入する保護スイッチ２０１ｂと、制御回路１ｃ（図３参照）とを備える。
【００８７】
そして、第３実施形態では、保護スイッチ２０１ｂは、２個の逆阻止型ＩＧＢＴ３０５および３０６を逆並列接続されることにより構成されている。また、制御回路１ｃは、短絡検出部としての機能を備える。そして、制御回路１ｃは、スイッチ１０１が短絡故障した時に、スイッチ１０１の短絡故障を検出するとともに、保護スイッチ２０１ｂの逆阻止型ＩＧＢＴ３０６をゲートオフにして、接続経路１３を遮断する制御を行うように構成されている。なお、第３実施形態のその他の構成および動作は、上記第２実施形態と同様である。
【００８８】
［第３実施形態の効果］
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００８９】
第３実施形態では、上記のように、保護スイッチ２０１ｂを、逆阻止型ＩＧＢＴ３０５および３０６を逆並列接続されることにより構成する。これにより、上記第２実施形態（ＩＧＢＴとダイオードとを逆並列に設ける構成）においては、保護スイッチ２０１ａがオン状態となるとき、必ず２つの素子、すなわち一方のＩＧＢＴと他方のダイオードとを通して電流が流れる。一方、第３実施形態による保護スイッチ２０１ｂでは、２個の逆阻止機能を有するＩＧＢＴ３０５および３０６が逆並列接続されて構成されているため、電流が１個の素子にしか流れない。これにより、３レベルチョッパ装置３００における電力損失を、第２実施形態の３レベルチョッパ装置２００に比べて小さくすることができる。
【００９０】
また、第３実施形態では、上記のように、制御回路１ｃに、短絡検出部としての機能を設ける。この短絡検出部には、短絡故障したスイッチ素子を検知する手段（回路）が組み込まれている。そして、制御回路１ｃを、スイッチ１０１が短絡故障した時に、保護スイッチ２０１ｂの逆阻止型ＩＧＢＴ３０６をゲートオフにして、接続経路１３を遮断する制御を行うように構成する。これにより、スイッチ１０１が短絡故障した時に、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３０５がゲートオンされるので、ゲートオフする場合に比べて漏れ電流をより小さくすることができる。
【００９１】
また、３レベルチョッパ装置に、短絡検出部としての制御回路１ｃに短絡故障したスイッチ素子を検知する手段を組み込んで、故障したスイッチ素子を検知するようにすれば、スイッチ素子の故障時に、保護スイッチ２０１ｂの逆阻止型ＩＧＢＴ３０５および３０６の何れかをオンにし、何れかをオフにするかを容易に制御することができる。なお、第３実施形態のその他の構成および動作は、上記第２実施形態と同様である。
【００９２】
［第４実施形態］
次に、図３および図４（ｃ）を参照して、第４実施形態による３レベルチョッパ装置４００について説明する。
【００９３】
第４実施形態では、図４（ｃ）に示すように、３レベルチョッパ装置４００におけるスイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１の中間点（接続点Ｎ４）との間に、ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８を逆直列接続して構成した保護スイッチ２０１ｃが配置されている。なお、ＭＯＳＦＥＴのかわりに逆導通型ＩＧＢＴを用いても同様の作用を奏する。１チップの中にＩＧＢＴと還流ダイオードの機能を併せ持つ逆導通型ＩＧＢＴを使用すれば、第２実施形態のダイオード３０３および３０４を接続する必要がないため、３レベルチョッパ装置４００の小型化が可能となる。
【００９４】
また、３レベルチョッパ装置４００は、制御回路１ｄを備える。ここで、第４実施形態では、制御回路１ｄは、３レベルチョッパ装置４００において接続経路１３に電流を流す期間に、ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８により同期整流する制御を行うように構成されている。なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００９５】
（第４実施形態による３レベルチョッパ装置の動作）
第４実施形態による３レベルチョッパ装置４００の制御処理は、制御回路１ｄにより実行される。３レベルチョッパ装置４００の通常動作時は、保護スイッチ２０１ｃのＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８をともにゲートオンにして、保護スイッチ２０１ｃをオン状態にする。スイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１の中間点（接続点Ｎ４）とを接続する接続経路１３に電流を流す動作モード（動作期間）の時、保護スイッチ２０１ｃの順バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ３０７または３０８は、ゲートオンにして電流が流れるようにし、逆バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ３０７または３０８もゲートオンにして導通状態として、同期整流を行うようにする。なお、逆バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ３０７または３０８をゲートオフにした場合には、電流は、ＭＯＳＦＥＴ３０７または３０８のボディダイオードを流れるが、電力損失が大きくなるため、ゲートオンにすることが好ましい。
【００９６】
３レベルチョッパ装置の接続経路１３に電流を流さない動作モード（動作期間）のときは、保護スイッチ２０１ｃは、ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８はゲートオフにしてオフ状態にしてもよい。通常動作時にも、チョッパ装置の動作に影響のない期間には、保護スイッチ２０１ｃのＭＯＳＦＥＴ  ３０７および３０８をゲートオフにすると、ゲートに電荷が蓄積されることが抑制することが可能である。ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８をゲートオフとする場合は、スイッチ１０１および１０２の切換えから適当な切り替え時間を設けることにより、３レベルチョッパ装置４００の動作に影響がないようにすることが可能である。ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８の同期整流機能を利用するとダイオードを逆並列接続したＭＯＳＦＥＴモジュールを用いた場合に比べてダイオード素子を減らすことができるため、３レベルチョッパ装置４００の構造を簡素化することができる。
【００９７】
３レベルチョッパ装置のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生したときは、保護スイッチ２０１ｃはＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８をゲートオフにしてオフ状態にして、接続経路１３を遮断する。このとき、特に、保護スイッチ２０１ｃの順バイアスとなるＭＯＳＦＥＴは、必ずゲートオフしてオフ状態とする必要がある。ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８の両方をゲートオフにすれば、制御が容易となる。
【００９８】
［第４実施形態の効果］
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００９９】
第４実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置４００におけるスイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１の中間点（接続点Ｎ４）との間に、ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８を逆直列接続して構成した保護スイッチ２０１ｃを配置する。これにより、保護スイッチ２０１ｃの順バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ３０７または３０８を、ゲートオンにして電流が流れるようにし、逆バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ３０７または３０８もゲートオンにして導通状態として、同期整流を行うようにすることができるので、保護スイッチ２０１ｃにおける電力損失を低減することができる。
【０１００】
また、第４実施形態では、上記のように、制御回路１ｄを、３レベルチョッパ装置４００において接続経路１３に電流を流す期間に、ＭＯＳＦＥＴ３０７および３０８により同期整流する制御を行うように構成する。ここで、一般的に、ＭＯＳＦＥＴの同期整流機能を利用する場合で、かつ、これをインバータやチョッパのスイッチ素子に適用した場合は、スイッチングの切換え時に短絡しないように、スイッチングの前後にデッドタイムを設けて、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードのみ導通している期間を設ける必要がある。一方、第４実施形態の用途では、ボディダイオードのみ導通させる期間を設けるためのデッドタイムを設ける必要がないため、同期整流を行う場合でも、制御処理は複雑化しない。なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０１】
［第５実施形態］
次に、図５を参照して、第５実施形態による３レベルチョッパ装置５００について説明する。
【０１０２】
第５実施形態では、図５に示すように、３レベルチョッパ装置５００には、スイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１の中間点（接続点Ｎ４）との間に挿入された保護スイッチ２０１と、保護スイッチ２０１に対して並列接続された抵抗６０１とが設けられている。
【０１０３】
そして、第５実施形態では、３レベルチョッパ装置５００は、制御回路１ｅを含む。そして、３レベルチョッパ装置５００は、スイッチ１０１またはスイッチ１０２の故障時に、コンデンサ４０１またはコンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ１１を、過電圧とならない電流経路Ｒ１２およびＲ１３へと変更するように、制御回路１ｅにより制御されるように構成されている。なお、抵抗６０１は、特許請求の範囲の「第１の抵抗」の一例である。
【０１０４】
なお、保護スイッチ２０１は、図３に示す上記第２実施形態の保護スイッチ２０１ａと同様に、ＩＧＢＴとダイオードとをそれぞれ逆並列したものを逆直列に接続して構成した双方向スイッチにより構成することが可能である。また、第２実施形態と同様に、この双方向スイッチのダイオードとして、Ｓｉ−ｐｎダイオード、またはＳｉＣ-ＳＢダイオードあるいは、両ダイオードを並列接続したものを使用することが可能である。また、保護スイッチ２０１を、第３実施形態の保護スイッチ２０１ｂ、または、第４実施形態の保護スイッチ２０１ｃの構成にすることも可能である。
【０１０５】
また、第５実施形態では、３レベルチョッパ装置５００は、抵抗６０１の抵抗値をＲｅ、リアクトル７０１のインダクタンスをＬ、コンデンサ４０２の容量をＣ２とし、抵抗値Ｒｅが下記の式（５）または（６）を満たすように構成されている。
Ｒｅ＝２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（５）
Ｒｅ＞２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（６）
【０１０６】
ここで、インダクタンスＬとしては、リアクトル７０１として正負両回路に設けたリアクトルやそれらを結合して構成した結合リアクトルを用いた場合は、このリアクトルの自己インダクタンスや相互インダクタンスを合計した大きさが用いられる。また、コンデンサ直列回路４１の２つのコンデンサ４０１および４０２は通常は等しい容量のものを使用する。一方、異なる容量のものを用いた場合は、コンデンサ４０１および４０２の容量のうちの小さい方の容量値Ｃを用いて、抵抗６０１の抵抗値Ｒｅを、下記の式（７）を満たすようにすれば、スイッチ１０１および１０２のどちらが短絡故障した時でも、形成されるＬＣＲ直列共振回路を、臨界減衰、または過減衰とすることが可能となる。
Ｒｅ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（７）
【０１０７】
なお、第５実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０８】
（第５実施形態による３レベルチョッパ装置の動作）
第５実施形態による３レベルチョッパ装置５００の制御処理は、制御回路１ｅにより実行される。この第５実施形態の３レベルチョッパ装置の通常動作時は、保護スイッチ２０１はオン状態とし、抵抗６０１に電流が流れないようにする。保護スイッチ２０１を上記第２、第３、または、第４実施形態の構成と同様にするときは、同様の動作とすることができる。
【０１０９】
３レベルチョッパ装置５００のスイッチ直列回路１１において、たとえば、スイッチ１０１に短絡故障が発生した場合は、制御回路１ｅにより保護スイッチ２０１がオフ状態にされる。この状態では、スイッチ直列回路１１の中間点とコンデンサ直列回路４１の中間点との間に抵抗６０１が挿入された状態となる。
【０１１０】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−抵抗６０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の電流経路Ｒ１２と、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の電流経路Ｒ１３とにおいてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０１および４０２が充電される。
【０１１１】
そして、充電が進むにしたがって直流電源８からの電流が減少し始めると、抵抗６０１の電圧が低下する（両端の電位差が小さくなる）。ダイオード１０３の両端の電位差は略一定であるため、ダイオード１０３が抵抗６０１に比べて電圧差が大きい状態になり、電流は電流経路Ｒ１２のみを流れる状態になる。
【０１１２】
そして、コンデンサ４０１および４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態で、スイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、抵抗６０１を流れる電流の減少はコンデンサ４０２の電圧がＶＥに達するより前に起こる。抵抗６０１の抵抗値が比較的大きい場合、比較的早期に電流が減少し始め、コンデンサ４０１の電圧の上昇を抑制することが可能である。コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも高い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、直流電源８からの電流は増加することなく減少していくため、電流経路Ｒ１２のみでコンデンサ４０２が充電される。
【０１１３】
このとき、３レベルチョッパ装置５００におけるＬＣ直列共振回路は、抵抗６０１を含むため、減衰振動となる。抵抗６０１により電流が制限されることから、コンデンサ４０２に流れ込む電荷が少なくなり、コンデンサ４０２が過電圧となることを防ぐことが可能となる。さらに、第５実施形態では、抵抗値Ｒｅが上記式（５）を満たすとき、ＬＣＲ直列共振回路は、臨界減衰となる。そして、共振回路の振動が抑制される。また、抵抗値Ｒｅが上記式（６）を満たすとき、ＬＣＲ直列共振回路は過減衰となって、さらに振動が抑制される。
【０１１４】
ＬＣＲ直列共振回路が、臨界減衰または過減衰となると、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合に、コンデンサ４０２の電圧の到達する値は、直流電源８の電圧ＶＥを超えることはなく、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制される。なお、第５実施形態のその他の動作は、上記第１実施形態と同様である。
【０１１５】
［第５実施形態の効果］
第５実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１１６】
第５実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置５００に、保護スイッチ２０１に並列に接続された抵抗６０１を設ける。これにより、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合で、かつ、保護スイッチ２０１をオフする制御がなされた場合には、電流経路Ｒ１２において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、電流経路Ｒ１２に、抵抗６０１が含まれるので、この電流経路Ｒ１２がＬＣＲ直列共振回路を形成する。このＬＣＲ直列共振回路に流れる共振電流は減衰振動となる。その結果、コンデンサ４０２に流れ込む電荷が少なくなるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。なお、第５実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１１７】
［第６実施形態］
次に、図６を参照して、第６実施形態による３レベルチョッパ装置６００について説明する。
【０１１８】
第６実施形態では、図６に示すように、３レベルチョッパ装置６００は、スイッチ直列回路１１のスイッチ１０１に保護スイッチ２０２が直列接続されており、スイッチ直列回路１１のスイッチ１０２に保護スイッチ２０３が直列接続されている。また、３レベルチョッパ装置６００は、制御回路１ｆを備える。
【０１１９】
そして、第６実施形態では、保護スイッチ２０２および２０３は、スイッチ１０１またはスイッチ１０２の故障時に、コンデンサ４０１またはコンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ２１を、過電圧とならない電流経路Ｒ２２へと変更するように、制御回路１ｆにより制御されるように構成されている。なお、保護スイッチ２０２は、特許請求の範囲の「第１１の保護スイッチ」および「第１の保護スイッチ部分回路」の一例である。また、保護スイッチ２０３は、特許請求の範囲の「第１４の保護スイッチ」および「第２の保護スイッチ部分回路」の一例である。
【０１２０】
なお、保護スイッチ２０２および２０３としては、ＩＧＢＴや、ＭＯＳＦＥＴを単独で使用することができ、ダイオードの並列接続は省略することも可能である。また、第６実施形態において、それぞれ主となるスイッチ１０１および１０２と、保護スイッチ２０２および２０３との直列接続順序は、図６に示すものに限られず、それぞれどの順序で接続されていてもよい。また、スイッチ１０１の故障時に、スイッチ１０２をオフとする代わりに保護スイッチ２０３をオフとするように構成されていてもよい。なお、第６実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１２１】
（第６実施形態による３レベルチョッパ装置の動作）
第６実施形態による３レベルチョッパ装置６００の制御処理は、制御回路１ｆにより実行される。そして、３レベルチョッパ装置６００の通常動作時において、スイッチ１０１をオン状態にするときは、これに直列接続された保護スイッチ２０２を必ずオン状態として、チョッパ動作を行う。また、スイッチ１０２をオン状態にするときは、これに直列接続された保護スイッチ２０３を必ずオン状態として、チョッパ動作を行う。上記第１実施形態などと同様にスイッチ１０１および１０２のオン、オフ状態の切り換えを行うことにより、通常の３レベルチョッパの運転が可能となる。
【０１２２】
３レベルチョッパ装置６００のスイッチ直列回路１１において、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合、スイッチ１０２、保護スイッチ２０２はオフ状態にする。これにより、スイッチ直列回路１１が遮断されるので、直流電源８とリアクトル７０１とのエネルギとにより、コンデンサ４０１および４０２が充電される。このときの充電電流は、ＬＣ直列共振電流となるが、２つのコンデンサ４０１と４０２とに分担されて充電されるので、各コンデンサの電圧が過電圧となることが抑制される。
【０１２３】
［第６実施形態の効果］
第６実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１２４】
第６実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置６００に、スイッチ直列回路１１のスイッチ１０１に直列接続された保護スイッチ２０２と、スイッチ直列回路１１のスイッチ１０２に直列接続された保護スイッチ２０３との両方を設ける。これにより、保護スイッチ２０２および２０３により、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、コンデンサ４０１または４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ２１から、過電圧とならない電流経路Ｒ２２に効果的に変更することができる。
【０１２５】
また、第６実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置６００に、保護スイッチ２０２を設ける。そして、保護スイッチ２０２を、スイッチ１０１、および、接続経路１３に直列に接続する。これにより、スイッチ１０１が短絡故障した場合に、保護スイッチ２０２をオフすることにより、コンデンサ４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ２１から、過電圧とならない電流経路Ｒ２２に変更することができる。
【０１２６】
また、第６実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置６００に、保護スイッチ２０３を設ける。そして、保護スイッチ２０３を、スイッチ１０２、および、接続経路１３に直列に接続する。これにより、３レベルチョッパ装置６００に、保護スイッチ２０２を設ける場合と同様に、コンデンサ４０１に過電圧が印加されるのを抑制することができる。
【０１２７】
また、上記第２実施形態のように、接続経路１３に保護スイッチ２０１ａを設けた場合において、通常運転時に、コンデンサ４０１、４０２の片方だけ充電するときは、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴで構成した２つの素子が電流の通流経路に加わるのに対して、第６実施形態では、電流の通流経路に１つのスイッチ素子しか加わらないので、双方向スイッチを設けた上記第２実施形態に比較して導通損失を抑えることができる。これにより、３レベルチョッパ装置６００の効率を高めることができる。ただし、スイッチ１０１、１０２両方をオンとするモードの場合には、第１〜第５実施形態では保護スイッチ回路による損失はないが、第６実施形態では２つの保護スイッチによる損失が発生するため、第１〜第５実施形態にも利点がある。なお、第６実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１２８】
［第７実施形態］
次に、図７を参照して、第７実施形態による３レベルチョッパ装置７００について説明する。
【０１２９】
第７実施形態では、図７に示すように、３レベルチョッパ装置７００は、上記第６実施形態におけるスイッチ１０１および１０２に直列に接続した保護スイッチ２０２および２０３に、それぞれ抵抗６０２および６０３を並列接続して構成されている。また、３レベルチョッパ装置７００は、制御回路１ｇを備える。なお、保護スイッチ２０２および２０３は、第７実施形態においては、それぞれ、特許請求の範囲の「第１２の保護スイッチ」および「第１５の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６０２は、特許請求の範囲の「第５の抵抗」および「第１の保護スイッチ部分回路」の一例である。また、抵抗６０３は、特許請求の範囲の「第６の抵抗」および「第２の保護スイッチ部分回路」の一例である。
【０１３０】
第７実施形態では、保護スイッチ２０２および２０３は、スイッチ１０１または１０２の故障時に、コンデンサ４０１または４０２に過電圧が印加される電流経路Ｒ３１を、過電圧とならない電流経路Ｒ３２およびＲ３３へと変更する制御が、制御回路１ｇにより可能であるように構成されている。
【０１３１】
ここで、第７実施形態では、この抵抗６０２の抵抗値Ｒｃ１を第５実施形態と同様に、下記式（８）で示すような値に設定することにより、経路Ｒ３２の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることが可能となる。その結果、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することが可能となる。
Ｒｃ１≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（８）
【０１３２】
同様に、第７実施形態では、抵抗６０３については、その抵抗値Ｒｄ１を、下記式（９）を満たす値に設定することにより、スイッチ１０２の短絡故障時にコンデンサ４０１の電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
Ｒｄ１≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2  ・・・（９）
【０１３３】
また、第７実施形態による３レベルチョッパ装置７００は、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したときも、上記第５実施形態と同様に、抵抗６０２によって、コンデンサ４０２の過電圧やコンデンサ４０１の故障を抑制することが可能に構成されている。
【０１３４】
この第７実施形態においても、スイッチ１０１および１０２と、保護スイッチ２０２および２０３とは、どのような順序で接続してもよい。なお、第７実施形態のその他の構成は、上記第６実施形態と同様である。
【０１３５】
（第７実施形態による３レベルチョッパ装置の動作）
スイッチ１０１が短絡故障を発生したときは、スイッチ１０２、保護スイッチ２０２をオフ状態にする。この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−抵抗６０２−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路Ｒ３２と、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路Ｒ３３とにおいてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０１および４０２が充電される。第５実施形態と同様に、充電が進むにつれて、電流が減少すると経路Ｒ３３には電流が流れなくなり、経路Ｒ３２の減衰振動のＬＣＲ直列共振回路のみとなる。以上のことから抵抗６０２によってコンデンサ４０２へ流れる電荷が少なくなり、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制される。
【０１３６】
［第７実施形態の効果］
第７実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１３７】
第７実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置７００に、保護スイッチ２０２および２０３と、保護スイッチ２０２に並列接続された抵抗６０２と、保護スイッチ２０３に並列接続された抵抗６０３とを設ける。これにより、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、保護スイッチ２０２または２０３をオフする制御を行うことにより、電流経路（たとえば、電流経路Ｒ３２）に、抵抗６０２または６０３を加えることができる。その結果、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した際の電流経路を抵抗６０２または６０３を含むＬＣＲ直列共振回路として形成することができるので、コンデンサ４０１または４０２が過電圧となるのを抑制することができる。
【０１３８】
また、第７実施形態では、上記のように、抵抗６０２の抵抗値をＲｃ１とし、リアクトル７０１のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０２の容量をＣ２としたとき、抵抗６０２の抵抗値Ｒｃ１は、上記式（８）を満たす。また、抵抗６０３の抵抗値をＲｄ１とし、リアクトル７０１のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０１の容量をＣ１としたとき、抵抗６０３の抵抗値Ｒｄ１は、上記式（９）を満たす。これにより、抵抗値Ｒｃを有する抵抗６０２または抵抗値Ｒｄ１を有する抵抗６０３を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、コンデンサ４０１または４０２が過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。なお、第７実施形態のその他の効果は、上記第６実施形態と同様である。
【０１３９】
［第８実施形態］
次に、図８を参照して、第８実施形態による３レベルチョッパ装置８００について説明する。
【０１４０】
第８実施形態では、図８に示すように、３レベルチョッパ装置８００は、上記第６実施形態におけるスイッチ１０１および保護スイッチ２０２の接続点Ｎ１１と、スイッチ１０２および保護スイッチ２０３の接続点Ｎ１２との間に抵抗６０４が並列接続されたものである。なお、保護スイッチ２０２および２０３は、第８実施形態においては、それぞれ、特許請求の範囲の「第１の保護スイッチ」および「第２の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６０４は、特許請求の範囲の「第２の抵抗」の一例である。
【０１４１】
また、保護スイッチ２０２および２０３は、還流可能に構成されている。そして、保護スイッチ２０２および２０３は、ＭＯＳＦＥＴや、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴや、逆導通型ＩＧＢＴなどにより構成されている。また、３レベルチョッパ装置８００は、制御回路１ｈを備える。
【０１４２】
また、抵抗６０４の抵抗値Ｒａ１は、上記第５実施形態の場合と同様に、下記の式（１０）または式（１１）を満たすような値に設定されている。
Ｒａ１≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（１０）
Ｒａ１≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（１１）
【０１４３】
保護スイッチ２０２および２０３を、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子にダイオードを逆並列接続することによって還流可能としたものを用いる場合、接続する還流ダイオードは、スイッチ１０１等の故障時に保護スイッチ２０２および２０３をオフとしたときのみ導通し、通常運転時は、大きな逆バイアスがかからず、また、導通しないために逆回復損失の発生もないことから、安価なＳｉ−ｐｎダイオードを用いることが可能である。また、通常運転時の転流時のノイズを低減する必要がある場合には、接続する還流ダイオードとして、順回復特性が良好であるＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いるのが好ましい。
【０１４４】
なお、第８実施形態のその他の構成は、上記第６実施形態と同様である。
【０１４５】
（第８実施形態による３レベルチョッパ装置の動作）
この第８実施形態における保護スイッチ２０２および２０３は、上記第７実施形態と同様に動作する。すなわち、３レベルチョッパ装置の通常運転時には、保護スイッチ２０２および２０３は共に、オン状態となり、抵抗６０４を短絡するので、これらには電流は流れない。
【０１４６】
３レベルチョッパ装置のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０２がオフ状態にされる。
【０１４７】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−抵抗６０４−保護スイッチ２０３（還流）−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路Ｒ４１と、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路Ｒ４２とにおいてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０１および４０２が充電される。第５実施形態と同様に、充電が進むにつれて、電流が減少すると経路Ｒ４２には電流が流れなくなり、経路Ｒ４１の減衰振動の直列共振回路のみとなる。以上のことから抵抗６０４によってコンデンサ４０２へ流れる電荷が少なくなることから、コンデンサ４０２が過電圧となることを抑制することができる。
【０１４８】
そして、抵抗６０４の抵抗値Ｒａ１を、上記式（１０）を満たす値に設定することにより、経路Ｒ４１の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができ、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
【０１４９】
コンデンサ４０１および４０２の容量のうちの小さい方の容量値Ｃを用いて、抵抗６０４の抵抗値Ｒａ１を、上記式（１１）を満たすようにすれば、スイッチ１０１および１０２のどちらが短絡故障した時でも、形成されるＬＣＲ直列共振回路を、臨界減衰、または過減衰とすることができる。
【０１５０】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したときも、上記第５実施形態と同様に、抵抗６０４によって、コンデンサ４０２の過電圧やコンデンサ４０１の故障を抑制することができる。
【０１５１】
［第８実施形態の効果］
第８実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１５２】
第８実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置８００に、スイッチ１０１と接続経路１３の間に直列に接続される保護スイッチ２０２と、スイッチ１０２と接続経路１３との間に直列に接続される保護スイッチ２０３と、スイッチ１０１と保護スイッチ２０２の接続点Ｎ１１と、保護スイッチ２０３とスイッチ１０２の接続点Ｎ１２との間に、並列に接続される抵抗６０４とを設ける。これにより、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合で、かつ、保護スイッチ２０２をオフするとともに、保護スイッチ２０３をオンする制御が行われる場合に、直流電源８と、リアクトル７０１と、短絡故障したスイッチ１０１と、抵抗６０４と、保護スイッチ２０３と、コンデンサ４０２と、ダイオード１０４と、直流電源８とに一巡する電流経路Ｒ４２において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、電流経路Ｒ４２に、抵抗６０４が含まれるので、この電流経路Ｒ４２がＬＣＲ直列共振回路を形成する。このＬＣＲ直列共振回路に流れる共振電流は減衰振動となる。その結果、コンデンサ４０２に流れ込む電荷が少なくなるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを、より抑制することができる。
【０１５３】
また、第８実施形態では、上記のように、抵抗６０４の抵抗値Ｒａ１を、上記式（１０）または上記式（１１）を満たすように構成する。これにより、抵抗値Ｒａ１を有する抵抗６０４を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、コンデンサ４０１または４０２が過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【０１５４】
なお、第８実施形態のその他の効果は、上記第６実施形態と同様である。
【０１５５】
［第９実施形態］
次に、図９に示すように、第９実施形態による３レベルチョッパ装置９００について説明する。
【０１５６】
第９実施形態による３レベルチョッパ装置９００には、図９に示すように、コンデンサ直列回路４１に、保護スイッチ２０４と抵抗６０５との並列回路、および、保護スイッチ２０５と抵抗６０６との並列回路が設けられている。また、３レベルチョッパ装置９００は、制御回路１ｉを備える。なお、第９実施形態のその他の構成は、上記第７実施形態等と同様である。ただし、保護スイッチ２０４および２０５はコンデンサ４０１の側からコンデンサ４０２の側へ流れようとする電流のオンオフの切り替えができる必要があるが、その逆の向きの電流は導通可能であればよい。保護スイッチ２０４および２０５が還流可能な構成であることから、コンデンサ４０１、４０２から負荷９の側へ電流を流すことを妨げない。そのため、保護スイッチ２０４および２０５として、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴなどを使用することが可能である。なお、保護スイッチ２０４および２０５は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１５の保護スイッチ」および「第１２の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６０５および６０６は、それぞれ、特許請求の範囲の「第６の抵抗」および「第５の抵抗」の一例である。
【０１５７】
この第９実施形態の３レベルチョッパ装置９００では、通常動作時には、コンデンサ直列回路４１の保護スイッチ２０４および２０５をオン状態にして抵抗６０５および６０５を短絡して、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。
【０１５８】
３レベルチョッパ装置９００のスイッチ直列回路１１において、たとえば、スイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、および、保護スイッチ２０５がオフ状態にされて、コンデンサ４０２の充電経路に抵抗６０６が配置された状態になる。
【０１５９】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−抵抗６０６−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０２が充電される。以上のことから抵抗６０６によってコンデンサ４０２へ流れる電荷が少なくなることから、コンデンサ４０２が過電圧となることを防ぐことができる。
【０１６０】
この抵抗６０６の抵抗値Ｒｃ２を上記第７実施形態と同様に、下記の式（１２）で示すような値に設定することにより、上記経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。同様に抵抗６０５については、その抵抗値Ｒｄ２を下記の式（１３）のように設定すると、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０２の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０１の電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
Ｒｃ２≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（１２）
Ｒｄ２≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2  ・・・（１３）
【０１６１】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生した時、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に抵抗６０６が挿入された状態となる。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−抵抗６０６−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を防ぐことができる。そして、抵抗６０６の抵抗値Ｒｃ２を上記の式（１２）で示す値とし、抵抗６０５の抵抗値Ｒｄ２を式（１３）で示すような値に設定することにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
【０１６２】
第９実施形態においては、保護スイッチ２０４および２０５は双方向スイッチとすることもできる。その場合は双方向スイッチの構成は上記第２、３、４実施形態の保護スイッチ２０１ａ、２０１ｂ、２０２ｃと同様のものとする必要がある。しかし、通常運転中にもコンデンサ４０１、４０２を充電しないときは負荷に放電する必要があるため、上記第２、３、４実施形態のように、通常運転中にオフとする期間を設けることはできない。保護スイッチ２０４および２０５が双方向スイッチによる構成のときは、ダイオード１０３とスイッチ１０１との短絡破壊時には、ただちに保護スイッチ２０４をオフすることによって、抵抗６０５によりコンデンサ４０１の放電電流が制限されて、コンデンサ４０１の故障を抑制することもできる。
【０１６３】
この第９実施形態において、コンデンサ４０１と保護スイッチ２０４および抵抗６０５の並列回路との接続順序、および、コンデンサ４０２と保護スイッチ２０５および抵抗６０２の並列回路との接続順序は問わないので、どのような順序で接続してもよい。
【０１６４】
また、第９実施形態では常に保護スイッチによる損失が発生するが、電流の大きさは直流電源８からの充電と負荷９への放電の差となるので、他の経路に保護スイッチ回路を置いた場合よりも電流が小さいために、必ずしも損失において不利とはならない。保護スイッチ２０４および２０５を、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子にダイオードを逆並列接続することによって還流可能としたものを用いる場合、接続する還流ダイオードとして、通常運転時は、半導体素子が接続されているため大きな逆バイアスがかからず逆回復損失の発生もないことから、導通損失がＳｉＣ−ＳＢダイオードよりも小さな、安価なＳｉ−ｐｎダイオードを用いるのが好ましい。また、通常運転時の転流時のノイズを低減する必要がある場合は、接続する還流ダイオードとして、順回復特性が良好であるＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いてもよい。接続する還流ダイオードとして、Ｓｉ−ｐｎダイオードとＳｉＣ−ＳＢダイオードを並列したものを用いると、低損失かつ低ノイズとすることができる。
【０１６５】
［第９実施形態の効果］
第９実施形態の効果は、上記第７実施形態と同様である。
【０１６６】
［第１０実施形態］
次に、図１０に示すように、第１０実施形態による３レベルチョッパ装置１０００について説明する。
【０１６７】
第１０実施形態の３レベルチョッパ装置１０００は、図１０に示すように、上記第９実施形態の図９における抵抗６０５、６０６のかわりに、コンデンサ４０１および保護スイッチ２０４の接続点Ｎ２１と、コンデンサ４０２および保護スイッチ２０５の接続点Ｎ２２との間に抵抗６０７を接続した構成である。また、３レベルチョッパ装置１０００は、制御回路１ｊを備える。なお、第１０実施形態のその他の構成は、上記第９実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０４、２０５は、第１０実施形態においては、特許請求の範囲の「第５の保護スイッチ」および「第６の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６０７は、特許請求の範囲の「第３の抵抗」の一例である。
【０１６８】
この第１０実施形態の３レベルチョッパ装置１０００では、通常動作時には、コンデンサ直列回路４１の保護スイッチ２０４および２０５をオン状態にして抵抗６０７を短絡して、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。また、保護スイッチ２０４および２０５は還流可能な構成であることから、コンデンサから負荷側へ電流を流すことを妨げない。
【０１６９】
３レベルチョッパ装置１０００のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に抵抗６０７を挿入する。
【０１７０】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護スイッチ２０４（還流）−抵抗６０７−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣＲ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０２が充電される。以上のことから抵抗６０７によってコンデンサ４０２へ流れる電荷が少なくなることから、コンデンサ４０２が過電圧となることを防ぐことができる。
【０１７１】
この抵抗６０７の抵抗値Ｒａ２を上記第５実施形態と同様に、下記の式（１４）で示すような値に選ぶことにより、上記経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
Ｒａ２≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（１４）
【０１７２】
コンデンサ４０１および４０２の容量のうちの小さい方の容量値Ｃを用いて、抵抗６０７の抵抗値Ｒａ２を、下記の式（１５）を満たすようにすれば、スイッチ１０１および１０２のどちらが短絡故障した時でも、形成されるＬＣＲ直列共振回路を、臨界減衰、または過減衰とすることができる。
Ｒａ２≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（１５）
【０１７３】
また、スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に抵抗６０７を挿入する。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護スイッチ２０４（還流）−抵抗６０７−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を防ぐことができ、抵抗６０７の抵抗値Ｒａ２を式（１４）または式（１５）で示すような値に選ぶことにより、上記経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
【０１７４】
［第１０実施形態の効果］
なお、第１０実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１７５】
第１０実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１０００に、コンデンサ４０１と接続経路１３との間に直列に接続される保護スイッチ２０４と、コンデンサ４０２と接続経路１３との間に直列に接続される保護スイッチ２０５と、コンデンサ４０１と保護スイッチ２０４との接続点Ｎ２１と、保護スイッチ２０５とコンデンサ４０２との接続点Ｎ２２との間に、並列に接続される抵抗６０７とを含む。これにより、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合に、制御回路１ｊにより、スイッチ１０２をオフし、保護スイッチ２０４をオンし、保護スイッチ２０５をオフする制御を行えば、直流電源８と、リアクトル７０１と、短絡故障したスイッチ１０１と、保護スイッチ２０４と、抵抗６０７と、コンデンサ４０２と、ダイオード１０４と、直流電源８とに一巡する経路において、ＬＣＲ直列共振回路が形成される。その結果、コンデンサ４０２に流れ込む電荷が少なくなるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを、より効果的に抑制することができる。
【０１７６】
また、第１０実施形態では、上記のように、抵抗６０７の抵抗値をＲａ２とし、リアクトル７０１のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０１および４０２のうちの容量の小さい方の容量をＣとした場合に、抵抗値Ｒａ２は、上記式（１５）を満たす。これにより、抵抗値Ｒａ２を有する抵抗６０７を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、コンデンサ４０１またはコンデンサ４０２が過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【０１７７】
第１０実施形態のその他の効果は、上記第８実施形態と同様である。
【０１７８】
［第１１実施形態］
次に、図１１に示すように、第１１実施形態による３レベルチョッパ装置１１００について説明する。
【０１７９】
第１１実施形態の３レベルチョッパ装置１１００は、図１１に示すように、ダイオード１０３および１０４に直列に、保護スイッチ２０６と抵抗６０８との並列回路、および、保護スイッチ２０７と抵抗６０９との並列回路を設けたものである。また、３レベルチョッパ装置１１００は、制御回路１ｋを備える。なお、第１１実施形態のその他の構成は、上記第７実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０６および２０７はスイッチがオンされている時には、ダイオード１０３および１０４の導通する向きに電流を流すことができれば良い。なお、保護スイッチ２０６および２０７は、特許請求の範囲の「第１４の保護スイッチ」および「第１２の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６０８および６０９は、それぞれ、特許請求の範囲の「第６の抵抗」および「第５の抵抗」の一例である。
【０１８０】
この第１１実施形態の３レベルチョッパ装置１１００では、通常動作時には、ダイオード１０３および１０４を導通させるときには、保護スイッチ２０６および２０７をオン状態にして、抵抗６０８および６０９を短絡する。すなわち、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。
【０１８１】
３レベルチョッパ装置のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、スイッチ１０２、保護スイッチ２０７をオフ状態にする。
【０１８２】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−抵抗６０９−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０２が充電される。以上のことから抵抗６０９によってコンデンサ４０２へ流れる電荷が少なくなることから、コンデンサ４０２が過電圧となることを防ぐことができる。
【０１８３】
この抵抗６０９の抵抗値Ｒｃ３を上記第７実施形態と同様に、下記の式（１６）で示すような値に選ぶことにより、上記経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。同様に抵抗６０８については、その抵抗値Ｒｄ３を下記の式（１７）のように選ぶと、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０２の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０１の電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
Ｒｃ３≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（１６）
Ｒｄ３≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2  ・・・（１７）
【０１８４】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したときも、スイッチ１０２および保護スイッチ２０７をオフ状態にすると、直流電源８から電流が流れる経路は、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−抵抗６０９−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１のみが故障したときと同じであるため、このときもコンデンサ４０２の過電圧を防ぐことができる。抵抗６０９の抵抗値Ｒｃ３を式（１６）で示すような値に選ぶことにより、経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができ、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態で短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
【０１８５】
また、コンデンサ４０１の放電は、保護スイッチ２０６が還流できる構成のスイッチであると放電は抵抗６０８を通じて行われないので、コンデンサ４０１の故障を抑制する効果は得られないが、保護スイッチ２０６および２０７は、逆阻止型ＩＧＢＴや、ダイオードとＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴ等からなる半導体スイッチを直列接続して構成すると、抵抗６０８を通じて電流が流れるためコンデンサ４０１の故障が抑制される。保護スイッチ２０６が逆阻止型ＩＧＢＴで構成されている場合は、そのゲートをオンにしておくと漏れ電流が小さくなる。また、保護スイッチ２０６を双方向スイッチにより構成して、ダイオード１０３の故障時に、ただちに保護スイッチ２０６をオフとすることで、コンデンサ４０１の放電を、抵抗６０８を通じて行われるようにすることも可能である。
【０１８６】
保護スイッチ２０６、２０７が還流できる構成のスイッチ、例えばＩＧＢＴなどにダイオードを逆並列に接続している場合は、通常運転時は、保護スイッチには大きな逆バイアスがかからず、また、導通しないために逆回復損失の発生もない。したがって、還流ダイオードを安価なＳｉ−ｐｎダイオードとすることで、損失を低減することができる。また、通常運転時の転流時のノイズを低減させる場合は、還流ダイオードとして、順回復特性が良好であるＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いても良い。さらに、Ｓｉ−ｐｎダイオードとＳｉＣ−ＳＢダイオードとを並列して還流ダイオードを構成すると、低損失で低ノイズとすることができる。
【０１８７】
上記第５実施形態などのように、接続経路１３に保護スイッチ２０１ａを設けた場合は、通常運転時にはコンデンサ４０１、４０２のうちの片方だけ充電するときは、保護スイッチ回路を持たない場合に比べてＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、ダイオードで構成した２つの素子が電流の通流経路に加わるのに対して、この第１１実施形態では、保護スイッチ２０６、２０７に還流可能なスイッチや、逆阻止型ＩＧＢＴを用いると、電流の通流経路に１つのスイッチ素子しか加わらないので、スイッチを逆直列に接続した保護スイッチ２０１ａ、２０２ｃを設けた上記第２、４実施形態に比較して導通損失を抑えることができる。これにより、３レベルチョッパ装置１１００の効率を高めることができる。ただし、スイッチ１０１、１０２両方をオフとするモードの場合には、上記第１〜第５の実施形態では保護スイッチ回路による損失はないが、第１１実施形態では２つの保護スイッチによる損失が発生する。
【０１８８】
この第１１実施形態において、ダイオード１０３と保護スイッチ２０６および抵抗６０８の並列回路との接続順序、ダイオード１０４と保護スイッチ２０７および６０９の並列回路との接続順序は問わないので、どのような順序で接続してもよい。
【０１８９】
［第１１実施形態の効果］
第１１実施形態の効果は、上記第７実施形態と同様である。
【０１９０】
［第１２実施形態］
次に、図１２に示すように、第１２実施形態による３レベルチョッパ装置１２００について説明する。
【０１９１】
第１２実施形態の３レベルチョッパ装置１２００は、図１２に示すように、上記第７実施形態における保護スイッチ２０２および２０３、抵抗６０２および６０３のかわりに、リアクトル７０１に、抵抗６１０が並列接続された保護スイッチ２０８を、直列接続したものである。また、３レベルチョッパ装置１２００は、制御回路１ｍを含む。なお、第１２実施形態のその他の構成は、上記第７実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０８は、特許請求の範囲の「第９の保護スイッチ」の一例である。なお、抵抗６１０は、特許請求の範囲の「第４の抵抗」の一例である。
【０１９２】
この第１２実施形態の３レベルチョッパ装置１２００では、通常動作時には、保護スイッチ２０８をオン状態にして抵抗６１０を短絡して、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。
【０１９３】
３レベルチョッパ装置１２００のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０８をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に抵抗６１０を挿入する。
【０１９４】
この状態では、直流電源８−抵抗６１０−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣＲ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、コンデンサ４０２が充電される。以上のことから抵抗６１０によってコンデンサ４０２へ流れる電荷が少なくなることから、コンデンサ４０２が過電圧となることを抑制することができる。
【０１９５】
この抵抗６１０の抵抗値Ｒｂを上記第７実施形態と同様に、式（１８）で示すような値に選ぶことにより、経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態でスイッチ１０１の短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2  ・・・（１８）
【０１９６】
コンデンサ４０１および４０２の容量のうちの小さい方の容量値Ｃを用いて、抵抗６１０の抵抗値Ｒｂを、下記の式（１９）を満たすようにすれば、スイッチ１０１および１０２のどちらが短絡故障した時でも、形成されるＬＣＲ直列共振回路を、臨界減衰、または過減衰とすることができる。
Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2  ・・・（１９）
【０１９７】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０８をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に抵抗６１０を挿入する。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−抵抗６１０−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を防ぐことができ、抵抗６１０の抵抗値Ｒｂを上記式（１８）または（１９）で示すような値に選ぶことにより、上記経路の共振回路を限界減衰または過減衰とすることができる。これにより、コンデンサ４０１、４０２の電圧が直流電源８の電圧ＶＥよりも低い運転状態で短絡故障が発生した場合は、コンデンサ４０２の充電電圧を直流電源８の電圧ＶＥに抑えることができる。
【０１９８】
なお、保護スイッチ２０８とリアクトル７０１と直流電源８の接続の順番は問わないので、どのような順序で接続してもよい。
【０１９９】
［第１２実施形態の効果］
第１２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０２００】
第１２実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１２００に、リアクトル７０１に直列に接続される保護スイッチ２０８と、保護スイッチ２０８の両端に並列に接続される抵抗６１０とを設ける。これにより、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、制御回路１ｍにより、保護スイッチ２０８をオフする制御を行うことにより、電流経路に、抵抗６１０を加えることができる。その結果、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した際の電流経路をＬＣＲ直列共振回路として形成することができるので、コンデンサ４０１または４０２が過電圧となるのを抑制することができる。
【０２０１】
第１２実施形態では、上記のように、抵抗６１０の抵抗値をＲｂとし、リアクトル７０１のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０１および４０２の容量の小さい方の容量をＣとしたとき、抵抗値Ｒｂは、上記式（１９）を満たす。これにより、抵抗値Ｒｂを有する抵抗６１０を含むＬＣＲ直列共振回路に流れる電流を、臨界減衰または過減衰させることができるので、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、コンデンサ４０１または４０２が過電圧になるのを、より確実に抑制することができる
【０２０２】
第１２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２０３】
［第１３実施形態］
次に、図１３を参照して、第１３実施形態による３レベルチョッパ装置１３００について説明する。
【０２０４】
第１３実施形態では、図１３に示すように、３レベルチョッパ装置１３００は、上記第１実施形態の３レベルチョッパ装置１００におけるスイッチ直列回路１１の中間点（接続点Ｎ３）とコンデンサ直列回路４１の中間点（接続点Ｎ４）とを接続する接続経路１３に挿入された保護スイッチ２０１に保護コンデンサ５０１を並列接続したものである。また、３レベルチョッパ装置１３００は、制御回路１ｎを備える。なお、第１３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。また、保護コンデンサ５０１は、特許請求の範囲の「第１の保護コンデンサ」の一例である。
【０２０５】
この第１３実施形態の３レベルチョッパ装置の通常動作時は、保護スイッチ２０１はオン状態とし、保護コンデンサ５０１に電流が流れないようにする。
【０２０６】
３レベルチョッパ装置のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生した場合は、保護スイッチ２０１をオフ状態にして、スイッチ直列回路１１の中間点とコンデンサ直列回路４１の中間点とを接続する接続経路１３に保護コンデンサ５０１を挿入する。
【０２０７】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路によってコンデンサ４０２および保護コンデンサ５０１が充電され、保護コンデンサ５０１の電圧がコンデンサ４０１の電圧に達すると、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路において、コンデンサ４０１、４０２への充電が始まる。
【０２０８】
このため、保護コンデンサ５０１およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５０１およびコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ２０１で接続経路１３を遮断しない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することが可能となる。
【０２０９】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したとき、保護スイッチ２０１をオフする。
【０２１０】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路と、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路とにおいてＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、ダイオード１０３は短絡故障しているので、コンデンサ４０１の短絡放電、または、保護コンデンサ５０１へ電流が流れたのちに、上記経路によって、コンデンサ４０１、４０２および保護コンデンサ５０１が充電される。このときも、保護スイッチ２０１で接続経路１３を遮断しない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することが可能になる。
【０２１１】
［第１３実施形態の効果］
第１３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０２１２】
第１３実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１３００に、保護スイッチ２０１に並列に接続された保護コンデンサ５０１を設ける。これにより、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合で、かつ、保護スイッチ２０１をオフする制御がなされた場合には、直流電源８と、リアクトル７０１と、短絡故障したスイッチ１０１と、保護コンデンサ５０１と、コンデンサ４０２と、ダイオード１０４と、直流電源８とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路において、保護コンデンサ５０１およびコンデンサ４０２により、互いに電荷を分担しながら充電されるので、コンデンサ４０２のみに充電される場合に比べて、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
【０２１３】
第１３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２１４】
［第１４実施形態］
次に、図１４を参照して、第１４実施形態による３レベルチョッパ装置１４００について説明する。
【０２１５】
第１４実施形態では、図１４に示すように、３レベルチョッパ装置１４００は、上記第６実施形態におけるスイッチ直列回路１１のオン、オフ制御するスイッチ１０１および１０２に直列に接続した保護スイッチ２０２および２０３に、それぞれ保護コンデンサ５０２および５０３を並列接続して構成されたものである。なお、第１４実施形態のその他の構成は、上記第６実施形態と同様である。また、保護スイッチ２０２および２０３は、第１４実施形態においては、特許請求の範囲の「第１３の保護スイッチ」および「第１６の保護スイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５０２および５０３は、特許請求の範囲の「第５の保護コンデンサ」および「第６の保護コンデンサ」の一例である。
【０２１６】
この第１４実施形態の３レベルチョッパ装置１４００における保護スイッチ２０２および２０３の動作は、第６実施形態のチョッパ装置と同じである。通常運転時は、保護スイッチ２０２および２０３がオン状態とされ、保護コンデンサ５０２および５０３を短絡するので、保護コンデンサ５０２および保護コンデンサ５０３には電流は流れない。
【０２１７】
スイッチ１０１が短絡故障を発生したときは、スイッチ１０２、保護スイッチ２０２をオフ状態にする。
【０２１８】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０２−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路にＬＣ直列共振電流が流れ、コンデンサ４０２および保護コンデンサ５０２が充電される。また、保護コンデンサ５０２の電圧がコンデンサ４０１の電圧に達すると、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路にＬＣ直列共振電流が流れ、この経路により、コンデンサ４０１、４０２への充電が始まる。
【０２１９】
このため、保護コンデンサ５０２およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５０２とコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ回路がない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することが可能になる。
【０２２０】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したときも、スイッチ１０２、保護スイッチ２０２をオフ状態にすると、第１３実施形態と同様にコンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することが可能になる。
【０２２１】
この第１４実施形態においても、スイッチ１０１および１０２と、保護スイッチ２０２および２０３との接続順序は問わないので、それぞれどのような順序で接続してもよい。
【０２２２】
［第１４実施形態の効果］
第１４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０２２３】
第１４実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１４００に、保護スイッチ２０２、２０３と、保護スイッチ２０２、２０３に並列接続された保護コンデンサ５０２、５０３とを設ける。これにより、スイッチ１０１が短絡故障した場合に、保護スイッチ２０２をオフすることにより、電流経路において、保護コンデンサ５０２と、コンデンサ４０２とにより、互いに電荷を分担しながら充電される。また、スイッチ１０２が短絡故障した場合に、保護スイッチ２０３をオフすることにより、電流経路において、保護コンデンサ５０３と、コンデンサ４０１とにより、互いに電荷を分担しながら充電される。したがって、コンデンサ４０１またはコンデンサ４０２のみに充電される場合に比べて、コンデンサ４０１または４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
【０２２４】
第１４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２２５】
［第１５実施形態］
次に、図１５を参照にして、第１５実施形態による３レベルチョッパ装置１５００について説明する。
【０２２６】
第１５実施形態では、図１５に示すように、３レベルチョッパ装置１５００は、スイッチ１０１および保護スイッチ２０２の接続点Ｎ１１と、スイッチ１０２および保護スイッチ２０３の接続点Ｎ１２との間に並列に保護コンデンサ５０４が接続されたものである。なお、第１５実施形態のその他の構成は、上記第７実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０２および２０３は、第１５実施形態においては、特許請求の範囲の「第３の保護スイッチ」および「第４の保護スイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５０４は、特許請求の範囲の「第２の保護コンデンサ」の一例である。
【０２２７】
この第１５実施形態における保護スイッチ２０２および２０３は、上記第７実施形態と同様に動作する。すなわち、３レベルチョッパ装置の通常運転時には、保護スイッチ２０２および２０３は、ともにオン状態となり、保護コンデンサ５０４を短絡するので、これらには電流は流れない。
【０２２８】
３レベルチョッパ装置１５００のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０２がオフ状態にされる。
【０２２９】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０４−保護スイッチ２０３（還流）−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路にＬＣ直列共振電流が流れ、コンデンサ４０２および保護コンデンサ５０４が充電される。そして、保護コンデンサ５０４の電圧がコンデンサ４０１の電圧に達すると、直流電源８−リアクトル７０１−ダイオード１０３−コンデンサ４０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路により、コンデンサ４０１、４０２への充電が始まる。
【０２３０】
このため、保護コンデンサ５０４およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５０４およびコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ回路がない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制されることになる。
【０２３１】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したときも、上記第１３実施形態と同様に、保護コンデンサ５０４によって、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制されることになる。
【０２３２】
［第１５実施形態の効果］
第１５実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０２３３】
第１５実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１５００の接続点Ｎ１１とＮ１２との間に、並列に接続される保護コンデンサ５０４を設ける。これにより、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合で、制御回路１ｐにより、保護スイッチ２０２をオフするとともに、保護スイッチ２０３をオンする制御が行われる場合には、直流電源８と、リアクトル７０１と、短絡故障したスイッチ１０１と、保護コンデンサ５０４と、保護スイッチ２０３と、コンデンサ４０２と、ダイオード１０４と、直流電源８とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路において、保護コンデンサ５０４およびコンデンサ４０２により、互いに電荷を分担しながら充電されるので、コンデンサ４０２のみに充電される場合に比べて、コンデンサ４０２が過電圧になるのを、より確実に抑制することができる。
【０２３４】
第１５実施形態のその他の効果は、上記第７実施形態と同様である。
【０２３５】
［第１６実施形態］
次に、図１６を参照して、第１６実施形態による３レベルチョッパ装置１６００について説明する。
【０２３６】
第１６実施形態では、３レベルチョッパ装置１６００は、コンデンサ直列回路４１に保護スイッチ２０４と保護コンデンサ５０５との並列回路、および、保護スイッチ２０５と保護コンデンサ５０６との並列回路を設けたものである。なお、第１６実施形態のその他の構成は、上記第９実施形態等と同様である。なお、保護スイッチ２０４および２０５は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１６の保護スイッチ」および「第１３の保護スイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５０５および保護コンデンサ５０６は、それぞれ、特許請求の範囲の「第６の保護コンデンサ」および「第５の保護コンデンサ」の一例である。
【０２３７】
この第１６実施形態の３レベルチョッパ装置１６００では、通常動作時には、コンデンサ直列回路４１の保護スイッチ２０４および２０５をオン状態にして保護コンデンサ５０５および保護コンデンサ５０６を短絡して、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。また、保護スイッチ２０４および２０５は還流可能な構成であることから、コンデンサから負荷側へ電流を流すことを妨げない。
【０２３８】
３レベルチョッパ装置１６００のスイッチ直列回路１１において、たとえば、スイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５０６を挿入する。
【０２３９】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０６−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、保護コンデンサ５０６とコンデンサ４０２が充電される。
【０２４０】
このため、保護コンデンサ５０６およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５０６およびコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ回路がない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧となるのが抑制される。
【０２４１】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５０６を挿入する。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０６−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を抑制することができる。
【０２４２】
保護スイッチ２０４および２０５は双方向スイッチとすることもできる。その場合は双方向スイッチの構成やオン、オフ制御は、上記第８実施形態で保護スイッチ２０４、２０５を双方向スイッチとした場合と同様のものとする必要がある。
【０２４３】
この第１６実施形態において、コンデンサ４０１と保護スイッチ２０４および保護コンデンサ５０５の並列回路との接続順序、および、コンデンサ４０２と保護スイッチ２０５および保護コンデンサ５０６の並列回路との接続順序は問わないので、どのような順序で接続してもよい。
【０２４４】
［第１６実施形態の効果］
第１６実施形態の効果は、上記第１４実施形態と同様である。
【０２４５】
［第１７実施形態］
次に、図１７を参照して、第１７実施形態による３レベルチョッパ装置１７００について説明する。
【０２４６】
第１７実施形態では、図１７に示すように、３レベルチョッパ装置１７００は、上記第１０実施形態における抵抗６０７のかわりに、保護コンデンサ５０７が接続された構成である。なお、第１７実施形態のその他の構成は、上記第１０実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０４および２０５は、第１７実施形態においては、特許請求の範囲の「第７の保護スイッチ」および「第８の保護スイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５０７は、特許請求の範囲の「第３の保護コンデンサ」の一例である。
【０２４７】
この第１７実施形態の３レベルチョッパ装置１７００では、保護スイッチ２０４および２０５の構成、制御は第１０実施形態と同様とする。すなわち、通常動作時には、コンデンサ直列回路４１の保護スイッチ２０４および２０５をオン状態にして保護コンデンサ５０７を短絡して、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。また、保護スイッチ２０４および２０５は還流可能な構成であることから、コンデンサから負荷側へ電流を流すことを妨げない。
【０２４８】
３レベルチョッパ装置１７００のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５０７を挿入する。
【０２４９】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護スイッチ２０４（還流）−保護コンデンサ５０７−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、保護コンデンサ５０７とコンデンサ４０２が充電される。
【０２５０】
このため、保護コンデンサ５０７およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５０７およびコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ回路がない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制されることになる。
【０２５１】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０５をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５０７を挿入する。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−保護コンデンサ５０７−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を防ぐことができる。
【０２５２】
［第１７実施形態の効果］
第１７実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０２５３】
第１７実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１７００に、コンデンサ４０１と接続経路１３との間に直列に接続される保護スイッチ２０４と、コンデンサ４０２と接続経路１３との間に直列に接続される保護スイッチ２０５と、コンデンサ４０１と保護スイッチ２０４との接続点Ｎ２１と、保護スイッチ２０５とコンデンサ４０２との接続点Ｎ２２との間に、並列に接続される保護コンデンサ５０７とを設ける。これにより、たとえば、スイッチ１０１が短絡故障した場合で、かつ、スイッチ１０２をオフし、保護スイッチ２０４をオンし、保護スイッチ２０５をオフする制御が行われる場合には、直流電源８と、リアクトル７０１と、短絡故障したスイッチ１０１と、保護スイッチ２０４と、保護コンデンサ５０７と、コンデンサ４０２と、ダイオード１０４と、直流電源８とに一巡する経路において、ＬＣ直列共振電流が流れる。この場合、この経路において、保護コンデンサ５０７およびコンデンサ４０２により、互いに電荷を分担しながら充電されるので、コンデンサ４０２のみに充電される場合に比べて、コンデンサ４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
【０２５４】
第１７実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２５５】
［第１８実施形態］
次に、図１８を参照して、第１８実施形態による３レベルチョッパ装置１８００について説明する。
【０２５６】
第１８実施形態では、図１８に示すように、３レベルチョッパ装置１８００は、各ダイオード１０３および１０４に直列に、保護スイッチ２０６と保護コンデンサ５０８との並列回路、および、保護スイッチ２０６と保護コンデンサ５０９との並列回路が設けられたものである。なお、第１８実施形態のその他の構成は、上記第１１実施形態と同じである。
【０２５７】
なお、保護スイッチ２０６および２０７は、第１８実施形態においては、特許請求の範囲の「第１６のスイッチ」および「第１３のスイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５０８および保護コンデンサ５０９は、それぞれ、特許請求の範囲の「第６の保護コンデンサ」および「第５の保護コンデンサ」の一例である。
【０２５８】
この第１８実施形態の３レベルチョッパ装置１８００では、通常動作時には、ダイオード１０３および１０４を導通させるときには、保護スイッチ２０６および２０７をオン状態にして、保護コンデンサ５０８および５０９を短絡する。すなわち、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。
【０２５９】
３レベルチョッパ装置１８００のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、スイッチ１０２、保護スイッチ２０７をオフ状態にし、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５０９を挿入する。
【０２６０】
この状態では、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−保護コンデンサ５０９−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、保護コンデンサ５０９とコンデンサ４０２が充電される。
【０２６１】
このため、保護コンデンサ５０９およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５０９およびコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ回路がない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制されることになる。
【０２６２】
また、スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０７をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５０９を挿入する。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−保護コンデンサ５０９−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を防ぐことができる。
【０２６３】
この第１８実施形態において、ダイオード１０３と保護スイッチ２０６および保護コンデンサ５０８の並列回路との接続順序、ダイオード１０４と保護スイッチ２０７および保護コンデンサ５０９の並列回路との接続順序は問わないので、どのような順序で接続してもよい。
【０２６４】
［第１８実施形態の効果］
第１８実施形態の効果は、上記第１４実施形態と同様である。
【０２６５】
［第１９実施形態］
次に、図１９を参照して、第１９実施形態による３レベルチョッパ装置１９００について説明する。
【０２６６】
第１９実施形態は、図１９に示すように、３レベルチョッパ装置１９００は、上記第１２実施形態における抵抗６１０のかわりに保護コンデンサ５１０が接続されたものである。なお、第１９実施形態のその他の構成は、上記第１２実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０８は、第１９実施形態においては、特許請求の範囲の「第１０の保護スイッチ」の一例である。保護コンデンサ５１０は、特許請求の範囲の「第４の保護コンデンサ」の一例である。
【０２６７】
この第１９実施形態の３レベルチョッパ装置１９００では、通常動作時には、保護スイッチ２０８をオン状態にして保護コンデンサ５１０を短絡して、他の実施形態と同様にスイッチ直列回路１１のスイッチ１０１および１０２のオン、オフ動作を切換え制御することにより直流電圧の変換動作を行う。
【０２６８】
３レベルチョッパ装置１９００のスイッチ直列回路１１において、たとえばスイッチ１０１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０８をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５１０を挿入する。
【０２６９】
この状態では、直流電源８−保護コンデンサ５１０−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路においてＬＣ直列共振電流が流れる。そして、この電流により、保護コンデンサ５１０とコンデンサ４０２が充電される。
【０２７０】
このため、保護コンデンサ５１０およびコンデンサ４０２の充電電圧の和は、直流電源８の電圧ＶＥより高くなる。しかし、保護コンデンサ５１０およびコンデンサ４０２で電圧を分担するので、保護スイッチ回路がない場合と比べて、コンデンサ４０２に充電される電圧は低くなり、コンデンサ４０２が過電圧となることが抑制されることになる。
【０２７１】
また、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチ１０２、保護スイッチ２０８をオフ状態にして、コンデンサ４０２の充電経路に保護コンデンサ５１０を挿入する。直流電源８から電流の流れる経路は、直流電源８−保護コンデンサ５１０−リアクトル７０１−短絡故障したスイッチ１０１−コンデンサ４０２−ダイオード１０４−直流電源８の経路となる。この経路はスイッチ１０１だけが故障したときと同じとなるので、このときもコンデンサ４０２の過電圧を抑制することができる。
【０２７２】
なお、保護スイッチ２０８とリアクトル７０１と直流電源８の接続の順番は問わないので、どのような順序で接続してもよい。
【０２７３】
［第１９実施形態の効果］
第１９実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０２７４】
第１９実施形態では、上記のように、３レベルチョッパ装置１９００に、リアクトル７０１に直列に接続される保護スイッチ２０８と、保護スイッチ２０８の両端に並列に接続される保護コンデンサ５１０とを設ける。これにより、スイッチ１０１または１０２が短絡故障した場合に、保護スイッチ２０８をオフする制御を行うことにより、電流経路に、保護コンデンサ５１０を加えることができる。この場合、この経路において、保護コンデンサ５１０と、コンデンサ４０１または４０２のうちの一方とにより、互いに電荷を分担しながら充電されるので、コンデンサ４０１または４０２のみに充電される場合に比べて、コンデンサ４０１または４０２が過電圧になるのを抑制することができる。
【０２７５】
第１９実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２７６】
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、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。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許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（変形例）が含まれる。
【０２７７】
たとえば、上記第１〜第１９実施形態では、接続経路に保護スイッチおよび抵抗または保護コンデンサ以外の素子が設けられていない例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、故障時に、一方のコンデンサに過電圧が印加される経路に対して、他方のコンデンサ、または、抵抗、または、保護コンデンサを挿入するように保護スイッチのオンオフが制御できれば、接続経路に保護スイッチおよび抵抗または保護コンデンサ以外の素子が設けられていてもよい。
【０２７８】
たとえば、保護スイッチ回路は上記第６、７、９、１１、１４、１６、１８実施形態を適宜組み合わせて構成しても良い。３レベルチョッパにおいて第６実施形態と第９実施形態を組み合わせた図２０のような３レベルチョッパ装置２０００でも、スイッチ１０１の短絡故障時には、保護スイッチ２０２をオフすることで、コンデンサ４０２を充電する電流は、その経路にコンデンサ４０１が挿入されることから、過電圧は抑制される。また、さらに保護スイッチ２０４をオフすれば、抵抗６０５が共振電流の流れる経路に加えられるため、電流は小さくなり、コンデンサ４０２の到達する電圧はさらに低くなる。一方、スイッチ１０２の短絡故障時には、保護スイッチ２０４をオフすることでコンデンサ４０１を充電する電流は抵抗６０５により減衰し過電圧を抑制することができる。
【符号の説明】
【０２７９】
７０１、７０２  リアクトル（リアクトル）
８  直流電源
１０３  ダイオード（第１のダイオード）
１０４  ダイオード（第２のダイオード）
１１  スイッチ直列回路
１０１  スイッチ（第１のスイッチ）
１０２  スイッチ（第２のスイッチ）
４１  コンデンサ直列回路
４０１  コンデンサ（第１のコンデンサ）
４０２  コンデンサ（第２のコンデンサ）
１３  接続経路
２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０２〜２０８  保護スイッチ（第１の双方向スイッチ、第１〜第１６の保護スイッチ）
３０１〜３０８  保護スイッチを構成する素子
５０１〜５１０  保護コンデンサ
６０１〜６１０  抵抗
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００  ３レベルチョッパ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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