(57)【要約】【課題】３レベルチョッパ装置の半導体スイッチ素子等に短絡故障が発生しても、コンデンサの充電電圧が過電圧となることがなく、また、コンデンサが過電流によって焼損することがないようにして、装置の価格を低減することのできる３レベルチョッパ装置を提供する。【解決手段】  ３レベルチョッパ装置の第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続して構成されたスイッチ直列回路と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列接続して構成して構成したコンデンサ直列回路と、前記スイッチ直列回路の中間点とコンデンサ直列回路の中間点を接続する中間回路の何れかに常運転時はオンにされ、故障時にはオフにされる保護スイッチを直列に挿入接続する。【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、リアクトルと、それぞれスイッチングが制御される第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続して構成したスイッチ直列回路と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列接続して構成して構成したコンデンサ直列回路と、第１のダイオードおよび第２のダイオードとを備え、前記スイッチ直列回路の両端を、少なくともその一端に前記リアクトルを介して前記直流電源に並列に接続し、前記スイッチ直列回路の両端にそれぞれ前記第１のダイオードおよび第２のダイオードを介して前記コンデンサ直列回路を並列接続するとともに、前記スイッチ直列回路の中間点と前記コンデンサ直列回路の中間点とを接続する中間回路を設け、前記スイッチ直列回路のスイッチングを制御して前記コンデンサ直列回路の両端および中間点から３レベルの直流出力を得るようにした３レベルチョッパ装置において、
前記スイッチ直列回路、中間回路、コンデンサ直列回路、または、第１のダイオードおよび第２のダイオードの何れかに通常運転時にはオンにされ、故障時にはオフにされる保護スイッチを直列に挿入接続したことを特徴とする３レベルチョッパ装置。
【請求項２】
前記中間回路が、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）およびバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を２個逆直列接続して構成した双方向スイッチで構成された保護スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項３】
前記双方向スイッチを構成するダイオードをシリコン（Ｓｉ）ダイオードとしたことを特徴とする請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項４】
前記双方向スイッチを構成するダイオードを炭化珪素（ＳｉＣ）ダイオードとしたことを特徴とする請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項５】
前記双方向スイッチを構成するダイオードをシリコン（Ｓｉ）ダイオードと炭化珪素（ＳｉＣ）ダイオードとを並列接続したダイオードとしたことを特徴とする請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項６】
前記中間回路が、逆阻止型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を２個逆並列接続して構成した双方向スイッチで構成された保護スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項７】
前記中間回路が、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を２個逆直列接続して構成した双方向スイッチで構成された保護スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項８】
前記双方向スイッチに、抵抗を並列接続することを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項９】
前記双方スイッチに並列接続する抵抗の抵抗値をＲとし、前記リアクトルＬ１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第２のコンデンサの小さい方の容量をＣとしたとき、前記抵抗の抵抗値Ｒを
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2
とすることを特徴とする請求項８に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１０】
前記スイッチ直列回路が、前記第１のスイッチおよび第２のスイッチがそれぞれに直列に接続された第３のスイッチおよび第４のスイッチにより構成した保護スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１１】
前記保護スイッチを構成する前記第３のスイッチに第１の抵抗を並列接続し、前記第４のスイッチに第２の抵抗を並列接続したことを特徴とする請求項１０に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１２】
前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサの容量をＣ１、前記第２のコンデンサの容量をＣ２、前記第１の抵抗の抵抗値をＲ１、前記第２の抵抗の抵抗値をＲ２としたとき、前記第１の抵抗の抵抗値Ｒ１および前記第２の抵抗の抵抗値Ｒ２を、
Ｒ１≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2
Ｒ２≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2
とすることを特徴とする請求項１１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１３】
前記第３のスイッチおよび第４のスイッチをそれぞれ半導体スイッチ素子とし、前記第３および第４のスイッチにそれぞれ第３のダイオードと第４のダイオードを逆並列接続し、前記第１のスイッチと第３のスイッチの接続点と、前記第２のスイッチと第４のスイッチの接続点との間に第３の抵抗を並列接続したことを特徴とする請求項１０に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１４】
前記第３の抵抗の抵抗値をＲ３、前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの小さい方の容量をＣとしたとき、前記前記第３の抵抗の抵抗値Ｒ３を、
Ｒ３≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2
とすることを特徴とする請求項１３に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１５】
前記コンデンサ直列回路が、第１のコンデンサに直列接続した第５のスイッチとこれに並列に接続した第４の抵抗と、前記第２のコンデンサに直列接続した第６のスイッチとこれに並列に接続した第５の抵抗、からなる保護スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１６】
前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサの容量をＣ１、前記第２のコンデンサの容量をＣ２、前記第４の抵抗の抵抗値をＲ４、前記第５の抵抗の抵抗値をＲ５としたとき、前記第４の抵抗の抵抗値Ｒ４および前記第５の抵抗の抵抗値Ｒ５を、
Ｒ４≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2
Ｒ５≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2
とすることを特徴とする請求項１５に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１７】
前記第１のダイオードに直列接続した第７のスイッチとこれに並列に接続した第６の抵抗と、前記第２のダイオードに直列接続した第８のスイッチとこれに並列に接続した第６の抵抗、からなる保護スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
【請求項１８】
前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサの容量をＣ１、前記第２のコンデンサの容量をＣ２、前記第６の抵抗の抵抗値をＲ６、前記第７の抵抗の抵抗値をＲ７としたとき、前記第６の抵抗の抵抗値Ｒ６および前記第２の抵抗の抵抗値Ｒ７を、
Ｒ６≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2
Ｒ７≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2
とすることを特徴とする請求項１７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、入力の直流電圧を３レベルの直流電圧に変換する３レベルチョッパ装置、特に３レベルチョッパ装置の故障時にコンデンサが過電圧にならないように保護する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１等により知られている従来の３レベルチョッパ装置の回路構成を図２５に示す。
【０００３】
この従来の３レベル昇圧チョッパ装置は、図２５（ａ）に示すように、直流電源Ｅに、リアクトルＬ１と、トランジスタ等でスイッチＳ１、Ｓ２を直列に接続する。そして、スイッチＳ１の両端にダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路を接続し、スイッチＳ２の両端にコンデンサＣ２とダイオードＤ２との直列回路を接続する。直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２の両端の出力端Ｐｏ、Ｎｏと中間出力Ｍｏから３レベルの直流電圧を取り出す。この電圧は、３レベルインバータ９１と電動機９２等を備えた負荷９に加えられる。
【０００４】
なお、負荷９の３レベルインバータ９１は、図２５（ｂ）に示すように、通常の２レベルインバータ９１ａであってもよい。この場合は、中間出力端Ｍｏと負荷９との接続は行う必要がない。
【０００５】
このようなチョッパ装置は、スイッチＳ１、Ｓ２をオンにして、リアクトルにエネルギを蓄積し、次にスイッチＳ２をオフにし、スイッチＳ１のみをオンにする。これにより、リアクトルＬ１、スイッチＳ１、コンデンサＣ２、ダイオードＤ２の経路で、直流電源ＥおよびリアクトルＬ１のエネルギをコンデンサＣ２に充電する。
【０００６】
次に、スイッチＳ１、Ｓ２をオンして、リアクトルＬ１にエネルギを蓄積したのち、スイッチＳ１をオフにし、スイッチＳ２だけをオンして、直流電源Ｅ、リアクトルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、スイッチＳ２の経路で、直流電源Ｅ、リアクトルＬ１のエネルギをコンデンサＣ１に充電し、コンデンサＣ１、Ｃ２から負荷９に給電する。
【０００７】
このようなチョッパ装置に故障が発生したときは、チョッパ装置の半導体スイッチ素子ＤＳ１、Ｓ２を切断（オフ）したり、後段の負荷９のインバータの半導体スイッチ素子を切断（オフ）したりして、負荷に電流が流れないようにして保護を図るのが一般的である。しかし、例えば１つのスイッチＳ１が全導通となるような短絡故障を発生した場合、通常の対策として、後段のインバータ９１の半導体スイッチ素子を切断することにより負荷９をチョッパ装置から切り離し、チョッパ装置のもう一方のスイッチＳ２を切断する操作を行う。
【０００８】
この状態は、等価的には図２６に示すような回路となり、故障により閉じられた（オンとなった）スイッチＳ１を介して、直流電源Ｅから点線Ａで示すようにリアクトルＬ１と片側のコンデンサＣ２とによる直列共振電流が流れる。この電流は、スイッチＳ１が短絡故障を起こしているため、制御が不能となる。このため、コンデンサＣ２は、直流電源Ｅの電圧より高い電圧まで充電され、過電圧となる。このため、コンデンサＣ１、Ｃ２は、通常運転時の電圧よりずっと高い電圧に耐える高耐電圧仕様にしておく必要がある。これによって３レベルチョッパ装置の価格が高価となる問題が生じる。
【０００９】
また、同時に、一方の、例えばダイオードＤ１が、同様に全導通となるような短絡故障を発生した場合は、図２７に示すように、故障により短絡したダイオードＤ１およびスイッチＳ１を介してコンデンサＣ１が短絡され、コンデンサＣ１に点線矢印Ｂで示すようなに短絡電流が流れるので、コンデンサＣ１がこの電流によって焼損する問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−０３８９２２号公報
【特許文献２】特許第４８８６５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、このような従来の３レベルチョッパ装置における問題を解決するために、３レベルチョッパ装置の半導体スイッチ素子等に短絡故障が発生しても、コンデンサの充電電圧が過電圧となることがなく、また、コンデンサが過電流によって焼損することがないようにして、装置の価格を低減することのできる３レベルチョッパ装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するため、請求項１の発明は、直流電源と、リアクトルと、それぞれスイッチングが制御される第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続して構成したスイッチ直列回路と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列接続して構成して構成したコンデンサ直列回路と、第１のダイオードおよび第２のダイオードとを備え、前記スイッチ直列回路の両端を、少なくともその一端に前記リアクトルを介して前記直流電源に並列に接続し、前記スイッチ直列回路の両端にそれぞれ前記第１のダイオードおよび第２のダイオードを介して前記コンデンサ直列回路を並列接続するとともに、前記スイッチ直列回路の中間点と前記コンデンサ直列回路の中間点とを接続する中間回路を設け、前記スイッチ直列回路のスイッチングを制御して前記コンデンサ直列回路の両端および中間点から３レベルの直流出力を得るようにした３レベルチョッパ装置において、
前記スイッチ直列回路、中間回路またはコンデンサ直列回路の何れかに通常運転時にはオンにされ、故障時にはオフにされる保護スイッチを直列に挿入接続したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記中間回路が、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）およびバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を２個逆直列接続して構成した双方向スイッチで構成された保護スイッチを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２に記載の発明において、前記双方向スイッチを構成するダイオードをシリコン（Ｓｉ）ダイオードとしたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２に記載の発明において、前記双方向スイッチを構成するダイオードを炭化珪素（ＳｉＣ）ダイオードとしたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、前記双方向スイッチを構成するダイオードをシリコン（Ｓｉ）ダイオードと炭化珪素（ＳｉＣ）ダイオードとを並列接続したダイオードとしたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記中間回路が、逆阻止型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を２個逆並列接続して構成した双方向スイッチで構成された保護スイッチを備えることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記中間回路が、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を２個逆直列接続して構成した双方向スイッチで構成された保護スイッチを備えることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項２〜７の発明において、前記双方向スイッチに、抵抗を並列接することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記双方スイッチに並列接続する抵抗の抵抗値をＲ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第２のコンデンサの小さい方の容量をＣとしたとき、前記抵抗の抵抗値Ｒを
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2
とすることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０の発明は、請求項１の発明において、前記スイッチ直列回路が、前記第１のスイッチおよび第２のスイッチがそれぞれに直列に接続された第３のスイッチおよび第４のスイッチにより構成した保護スイッチを備えることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記保護スイッチを構成する前記第３のスイッチに第１の抵抗を並列接続し、前記第４のスイッチに第２の抵抗を並列接続したことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサの容量をＣ１、前記第２のコンデンサの容量をＣ２、前記第１の抵抗の抵抗値をＲ１、前記第２の抵抗の抵抗値をＲ２としたとき、前記第１の抵抗の抵抗値Ｒ１および前記第２の抵抗の抵抗値Ｒ２を、
Ｒ１≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2
Ｒ２≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2
とすることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１３の発明は、請求項１０の発明において、前記第３のおよび第４のスイッチをそれぞれ半導体スイッチ素子とし、前記第３および第４のスイッチにそれぞれ第３のダイオードと第４のダイオードを逆並列接続し、前記第１のスイッチと第３のスイッチの接続点と、前記第２のスイッチと第４のスイッチの接続点との間に第３の抵抗を並列接続したことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１４の発明は、請求項１３の発明において、前記第３の抵抗の抵抗値をＲ３、前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの小さい方の容量をＣとしたとき、前記前記第３の抵抗の抵抗値Ｒ３を、
Ｒ３≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2
とすることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１５の発明は、請求項１の発明において、前記コンデンサ直列回路が、第１のコンデンサに直列接続した第５のスイッチとこれに並列に接続した第４の抵抗からなる保護スイッチと、前記第２のコンデンサに直列接続した第６のスイッチとこれに並列に接続した第５の抵抗からなる保護スイッチを備えることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１６の発明は、請求項１５の発明において、前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサの容量をＣ１、前記第２のコンデンサの容量をＣ２、前記第４の抵抗の抵抗値をＲ４、前記第５の抵抗の抵抗値をＲ５としたとき、前記第４の抵抗の抵抗値Ｒ４および前記第５の抵抗の抵抗値Ｒ５を、
Ｒ４≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2
Ｒ５≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2
とすることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１７の発明は、請求項１の発明において、前記第１のダイオードに直列接続した第７のスイッチとこれに並列に接続した第６の抵抗を備え、前記第２のダイオードに直列接続した第８のスイッチとこれに並列に接続した第６の抵抗を備えることを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１８の発明は、請求項１７の発明において、前記リアクトルのインダクタンスをＬ、前記第１のコンデンサの容量をＣ１、前記第２のコンデンサの容量をＣ２、前記第６の抵抗の抵抗値をＲ６、前記第７の抵抗の抵抗値をＲ７としたとき、前記第６の抵抗の抵抗値Ｒ６および前記第２の抵抗の抵抗値Ｒ７を、
Ｒ６≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2
Ｒ７≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2
とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によれば、３レベルチョッパ装置におけるスイッチ直列回路、中間回路またはコンデンサ直列回路の何れかに保護スイッチを直列に挿入接続し、３レベルチョッパ装置における第１および第２のスイッチまたは、第１および第２のダイオードの何れかに短絡故障が生じたとき、前記保護スイッチをオフにしすることにより、故障した第１または第２のスイッチを介して前記リアクトルを通して第１または第２コンデンサを充電する回路、あるいは第１または第２のコンデンサを放電する回路を遮断するようにしたので、第１および第２のスイッチならびに第１および第２のダイオードの短絡故障時におけるコンデンサの過電圧充電および過電流放電を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明のチョッパ装置の第１の実施例を示す回路構成図。
【図２】この発明のチョッパ装置の第１の実施例の変形例を示す回路構成図。
【図３】この発明のチョッパ装置の第１の実施例の通常動作時の第１動作モードを示す等価回路図。
【図４】この発明のチョッパ装置の第１の実施例の通常動作時の第２動作モードを示す等価回路図。
【図５】この発明のチョッパ装置の第１の実施例の通常動作時の第３動作モードを示す等価回路図。
【図６】この発明のチョッパ装置の第１の実施例の通常動作時の第４動作モードを示す等価回路図。
【図７】この発明の第１の実施例の第１スイッチの短絡故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図８】この発明のチョッパ装置の第１の実施例の第１スイッチおよび第ダイオードの短絡故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図９】この発明のチョッパ装置の第２の実施例を示す回路構成図。
【図１０】この発明のチョッパ装置の第３の実施例を示す回路構成図。
【図１１】この発明のチョッパ装置の第４の実施例を示す回路構成図。
【図１２】この発明のチョッパ装置の第５の実施例を示す回路構成図。
【図１３】この発明のチョッパ装置の第５の実施例における第１スイッチの故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図１４】この発明のチョッパ装置の第５の実施例における第１スイッチと第１ダイオードの故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図１５】この発明のチョッパ装置の第６の実施例を示す回路構成図。
【図１６】この発明のチョッパ装置の第６の実施例における第１スイッチの故障時の第１の動作状態を示す等価回路図。
【図１７】この発明のチョッパ装置の第６の実施例における第１スイッチの故障時の第２の動作状態を示す等価回路図。
【図１８】この発明のチョッパ装置の第７の実施例を示す回路構成図。
【図１９】この発明のチョッパ装置の第７の実施例における第１スイッチの故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図２０】この発明のチョッパ装置の第８の実施例を示す回路構成図。
【図２１】この発明のチョッパ装置の第８の実施例における第１スイッチの故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図２２】この発明のチョッパ装置の第９の実施例を示す回路構成図。
【図２３】この発明のチョッパ装置の第１０の実施例を示す回路構成図。
【図２４】この発明のチョッパ装置の第１０の実施例における保護スイッチの構成図。
【図２５】従来のチョッパ装置を示す回路構成図。
【図２６】従来のチョッパ装置の第１のスイッチの故障時の動作状態を示す等価回路図。
【図２７】従来のチョッパ装置の第１のスイッチおよび第１のダイオード故障時の動作状態を示す等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１に、この発明の３レベルチョッパ装置の第１の実施例の回路構成を示す。
【００３４】
この第１の実施例の３レベルチョッパ装置は、直流電源Ｅ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から出力するチョッパ装置である。
【００３５】
この発明の３レベルチョッパ装置においては、直流電源Ｅの正極Ｐと負極Ｎとの間に直列にリアクトルＬ１を介して、トランジスタ等の半導体スイッチ素子で構成された第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を直列接続して構成したスイッチ直列回路ＳＣが並列に接続される。
【００３６】
ここでは、直流電源の正極Ｐ側にだけにリアクトルＬ１が接続されているが、このリアクトルは、図２（ａ）に示すように、負極Ｎ側にリアクトルＬ２として接続しても、または、図２（ｂ）に示すように、正極Ｐおよび負極Ｎの両側にリアクトルＬ１、Ｌ２としてそれぞれ接続してもよい。リアクトルを直流電源Ｅの正極Ｐおよび負極Ｎの両側にそれぞれ接続する場合は、図２（ｃ）に示すように、２つのリアクトルＬ１、Ｌ２を磁気的に結合した構成とすることができる。
【００３７】
スイッチ直列回路ＳＣの両端に、２つのコンデンサＣ１とＣ２を直列接続して構成したコンデンサ直列回路ＣＣが両端にそれぞれダイオードＤ１とＤ２を介して並列接続される。
【００３８】
スイッチ直列回路ＳＣの２つのスイッチＳ１とＳ２が互いに接続された中間接続点ＳＭと、コンデンサ直列回路ＣＣの２つのコンデンサＣ１とＣ２が互いに接続された中間接続点ＣＭとを結ぶ中間回路ＭＣに中間保護スイッチＭＳが直列に挿入接続される。
【００３９】
この保護スイッチＭＳ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素子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で構成した、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。
【００４０】
コンデンサ直列回路ＣＣの両端の出力端Ｐｏ、Ｎｏと中間出力端Ｍｏに、３レベルインバータ９１と電動機９２とにより構成された負荷９を接続する。
【００４１】
このようなチョッパ装置において、通常に運転するときは、保護スイッチＭＳはオンにする。そして、まず、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を共にオンすると、図３に等価的に示すように、スイッチＳ１、Ｓ２を通して、点線矢印Ａで示すように直流電源かＥからリアクトルＬ１に電流が流れ、リアクトルＬ１にエネルギが蓄積される。
【００４２】
次に、下段スイッチＳ２だけをオフにする。これにより、図４に点線矢印Ａで示すように、直流電源Ｅ−リアクトルＬ１−スイッチＳ１−保護スイッチＭＳ−コンデンサＣ２−ダイオードＤ２−直流電源Ｅの経路で電流が流れ、コンデンサＣ２が直流電源ＥとリアクトルＬ１のエネルギにより充電されるので、コンデンサＣ２は、直流電源Ｅの電圧ＶＥより高い所定の電圧まで充電される。
【００４３】
引き続き、スイッチＳ２をオンにして、図３の状態に戻して、リアクトルＬ１にエネルギを蓄積したうえで、上段のスイッチＳ１をオフにする。これにより、今度は、図５に点線矢印Ａで示すように、直流電源Ｅ−リアクトルＬ１−ダイオードＤ１−コンデンサＣ１−保護スイッチＭＳ−スイッチＳ２−直流電源Ｅの経路で電流が流れ、直流電源ＥとリアクトルＬ１のエネルギによりコンデンサＣ１が直流電源Ｅの電圧ＶＥより高い所定の電圧まで充電される。
【００４４】
これを繰り返すことにより、コンデンサＣ１、Ｃ２に充電する電圧を調整し、負荷９に出力端Ｐｏ、Ｍｏ、Ｎｏから３レベルの電圧、または出力端Ｐｏ、Ｎｏから２レベルの電圧を取り出することができる。このため、負荷９におけるインバータは、図示する３レベルインバータ９１だけでなく、通常の２レベルインバータであってもよいのである。
【００４５】
また、このチョッパ装置は、次の動作によっても直流電圧の変換を行うことができる。
【００４６】
まず、図６に示すように、２個のスイッチＳ１、Ｓ２を共にオフにし、点線矢印Ａで示すように、直流電源Ｅ−リアクトルＬ１−ダイオードＤ１−コンデンサＣ１−コンデンサＣ２−ダイオードＤ２−直流電源Ｅの経路で電流を流して、コンデンサＣ１、Ｃ２を充電する。
【００４７】
次に、下段のスイッチＳ２をオンにして、図５に示す状態に移行する。図５の状態では、点線矢印Ａで示すように直流電源Ｅ−リアクトルＬ１−ダイオードＤ１−コンデンサＣ１−保護スイッチＭＳ−スイッチＳ２−直流電源Ｅの経路で流れる電流により、一方のコンデンサＣ１を充電する。
【００４８】
この状態から、スイッチＳ２をオフにして、図６のコンデンサＣ１，Ｃ２を充電する状態に戻し、さらに、上段のスイッチＳ１をオンにして、図３に点線矢印Ａで示すように直流電源Ｅ−リアクトルＬ１−スイッチＳ１−保護スイッチＭＳ−コンデンサＣ２−ダイオードＤ２−直流電源Ｅの経路でコンデンサＣ２を充電する状態とする。スイッチＳ１、Ｓ２のオンオフを制御してこれを繰り返すことによって、コンデンサＣ１、Ｃ２に充電される電圧を調整することができる。
【００４９】
このようなチョッパ装置に故障が発生し、たとえばスイッチＳ１が短絡破壊し、全導通となったときは、直ちに、もう一方のスイッチＳ２をオフにし、かつインバータ９１の動作を停止することにより、負荷９を切り離すとともに、保護スイッチＭＳをオフにする。
【００５０】
この状態を等価的に示すと図７のようになる。この状態では、保護スイッチＭＳがオフしているので、点線矢印Ａで示すように、直流電源Ｅ−ダイオードＤ１−コンデンサＣ１−コンデンサＣ２−ダイオードＤ２−直流電源Ｅの経路で、リアクトルＬ１とコンデンサＣ１、Ｃ２との直列共振電流が流れ、この電流によってコンデンサＣ１、Ｃ２が充電されるようになる。このため、コンデンサＣ１、Ｃ２の充電電圧の和は、直流電源Ｅの電圧ＶＥより高くなる。しかし、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２で電圧を分担するので、保護スイッチＭＳで中間回路ＭＣを切断しない従来の場合と比べて各コンデンサの電圧は低くなり、過電圧の危険性が低減されることになる。
【００５１】
ここで、図８に示すように、短絡故障したスイッチＳ１側のダイオードＤ１が短絡破壊し全導通となる故障を発生しても、保護スイッチＭＳがオフして、中間回路ＭＣが切断されているので、コンデンサＣ１が短絡故障したダイオードＤ１およびスイッチＳ１によって短絡されることがなくなるので、コンデンサＣ１が短絡電流によって焼損されるのを防止することができる。
【００５２】
なお、図４→図６→図５→図６のように電流経路の切換えを繰り返して通常動作している場合、スイッチＳ１、Ｓ２のオン、オフを切り換えて、電流経路を切り換える代わりに、保護スイッチＭＳによって電流経路を切り換えることでも同様の動作は可能である。
【００５３】
すなわち、図４の電流経路から図６の電流経路への切り換えでは、保護スイッチＭＳを置いている場合、図４の状態からスイッチＳ１をオフする代わりに保護スイッチＭＳをオフにすれば、図６と同じ電流経路とすることが可能である。その後に電流が流れなくなったスイッチＳ１をオフにし、スイッチＳ２をオンにし、その状態で保護スイッチＭＳをオンにすると図５と同じ電流経路になる。図５の電流経路から図６の電流経路への切り換えは、保護スイッチＭＳをオフ、スイッチＳ２をオフにし、その後、スイッチＳ１をオンにし、保護スイッチＭＳをオンにする。
【００５４】
しかし、スイッチＳ１がオフ、スイッチＳ２がオン、保護スイッチＭＳがオフの状態では、スイッチＳ１がコンデンサＣ１、Ｃ２両方の電圧を持ち、スイッチＳ１がオン、スイッチＳ２がオフ、保護スイッチＭＳがオフの状態では、スイッチＳ２がコンデンサＣ１、Ｃ２両方の電圧を持つようになる期間が現れるため、スイッチＳ１、Ｓ２に耐電圧を考慮する必要がある。
【００５５】
また、図４→図３→図５→図３の電流経路切り換え動作を繰り返している場合は、保護スイッチＭＳによる切り換えは行えず、スイッチＳ１，２による切り換えで動かす必要がある。
【００５６】
図３→図５の電流経路の切り換えは、保護スイッチＭＳがオンの状態でスイッチＳ１をオフすることでしか行えず図３の状態で保護スイッチＭＳを切り換えても電流経路は変化を受けない。また、図３の電流経路から保護スイッチＭＳをオフにした状態でスイッチＳ１をオフにすると経路は図６と同じになってしまう。
【００５７】
以上では、スイッチＳ１とダイオードＤ１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Ｓ２や、ダイオードＤ２が短絡故障を発生した場合も、同様に、保護スイッチＭＳを遮断（オフ）することによって、コンデンサの過電圧や、焼損を防止することができる。以下においても、スイッチＳ１とダイオードＤ１が短絡故障を発生した場合を例にして説明する。
【実施例２】
【００５８】
図９は、この発明の第２の実施例を示すものである。この実施例２は、図９（ａ）に示すように、３レベルチョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣとコンデンサ直列回路ＣＣとの中間点を接続する中間回路ＭＣに挿入する保護スイッチＭＳとして、それぞれダイオードＤ１１、Ｄ１２を逆並列に接続した２個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｔ１１、Ｔ１２を逆直列接続して構成した双方向スイッチを、保護スイッチＭＳ１に用いたものである。その他の構成は実施例１と同じである。
【００５９】
なお、保護スイッチＭＳ１に用いる双方向スイッチは、図９（ｂ）に示すように、それぞれ、ダイオードＤ１１、Ｄ１２を順方向に直列接続した２個のＩＧＢＴ  Ｔ１１、Ｔ１２を逆並列接続して構成することもできる。
【００６０】
チョッパ装置の通常動作時は、保護スイッチＭＳ１のＩＧＢＴ  Ｔ１１、Ｔ１２をゲートオン（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ＳＣのスイッチＳ１、Ｓ２のオンオフを切換え制御することにより、実施例１と同様に、直流電圧を変換することができる。
【００６１】
この場合、スイッチＳ１をオンにし、スイッチＳ２をオフにしてコンデンサＣ２を充電するモードのときは、等価的に図４の回路となる。この状態のときは、保護スイッチＭＳ１のＩＧＢＴ  Ｔ１２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が、逆バイアスとなるＩＧＢＴ  Ｔ１１は、電流がダイオードＤ１１を流れるのでオフにしてもよい。
【００６２】
また、スイッチＳ１をオフにし、スイッチＳ２をオンにしてコンデンサＣ１を充電するモードのときは、等価的に図５の回路となる。この状態では、保護スイッチＭＳ１のＩＧＢＴ  Ｔ１１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が、逆バイアスとなるＩＧＢＴ  Ｔ１２は、電流がダイオードＤ１２を流れるのでオフにしてもよい。
【００６３】
スイッチＳ１、Ｓ２が共にオンまたはオフになるモードは、図３および図６に示す状態となって保護スイッチＭＳ１には電流が流れない。この期間は、保護スイッチＭＳ１の２つのＩＧＢＴ  Ｔ１１およびＴ１２はゲートオフにしてオフ状態としておいてもよい。このようにチョッパ装置の通常動作時における保護スイッチＭＳ１に電流の流れない期間に、保護スイッチＭＳ１の２つのＩＧＢＴ  Ｔ１１およびＴ１２をゲートオフとすることにより、保護スイッチＭＳ１のＩＧＢＴ  Ｔ１１およびＴ１２のゲートに電荷が蓄積されるのを防止することができる。ＩＧＢＴ  Ｔ１１およびＴ１２をゲートオフにする場合は、スイッチＳ１、Ｓ２のオン、オフの切換えから適当な切り替え時間をおいて行うようにすると、チョッパ動作への影響がなくなる。
【００６４】
スイッチ直列回路ＳＣのスイッチＳ１が短絡故障を発生したときは、ＩＧＢＴ  Ｔ１１およびＴ１２をゲートオフして保護スイッチＭＳ１をオフ状態にして、中間回路ＭＣを遮断することにより、コンデンサＣ２のリアクトルＬ１との共振電流による充電を防止することができるので、過電圧充電を避けることができる。特に、このとき順バイアスとなる保護スイッチＭＳ１のＩＧＢＴ  Ｔ１２をゲートオフする必要があるが、ＩＧＢＴ  Ｔ１１、Ｔ１２の両方をともにゲートオフにしても問題はない。
【００６５】
ダイオードＤ１１、Ｄ１２として、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）を用いると安価となり、また、低損失を実現できる。通常運転時に、スイッチＳ１、Ｓ２を切り換えることでダイオードＤ１１、Ｄ１２の電流が遮断されるとき、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ＩＧＢＴ  Ｔ１１、Ｔ１２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ため、逆回復損失がほとんど発生しない。炭化珪素（ＳｉＣ）基材で形成したＳｉＣショットキーバリアダイオード（以下ＳｉＣ-ＳＢダイオードと称する）を用いても逆回復損失は発生しないが、オン電圧がＳｉ−ｐｎダイオードよりも高いため、損失が大きくなる。
【００６６】
ダイオードＤ１１、Ｄ１２にＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、Ｓｉ−ｐｎダイオードを用いるよりも、順方向回復電圧を小さくできる。これにより、電圧リプルが小さくなり、ノイズを小さくできる。図４→図６→図５→図６の電流経路の切り換え動作を繰り返す場合は、スイッチ１，２をオフするときに、双方向スイッチを流れていた電流は瞬間的に逆向きに転流し、逆バイアスとなって電流が流れていなかったダイオードＤ１２、Ｄ１１は瞬間的にではあるが順バイアスとなって電流が流れる。また、スイッチ１，２をオンするときに、ダイオードＤ１１、Ｄ１２はバイアスがかかっていない状態から導通する。図４→図３→図５→図３の電流経路の切り換え動作を繰り返す場合は、スイッチＳ１、Ｓ２をオフにすると、ダイオードＤ１２、Ｄ１１はバイアスがかかっていない状態から導通する。また、スイッチＳ１、Ｓ２をオンするときには、電流が転流してダイオードＤ１１、Ｄ１２は瞬間的に逆バイアスから順バイアスになる。このような過渡的に順バイアスとなるとき、ダイオードＤ１１、Ｄ１２の順方向回復電圧が大きいと、電圧リプルが大きくなり、ノイズが大きくなる。このため、ダイオードＤ１１、Ｄ１２に順方向回復電圧の小さいＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、電圧リプルが小さくなり、ノイズを小さく出来る。
【００６７】
ダイオードＤ１１、Ｄ１２を、ＳｉＣ−ＳＢダイオードとＳｉ−ｐｎダイオードを並列した構成とすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、即ち、低ノイズかつ低損失とできる。
【００６８】
保護スイッチＭＳ１をＩＧＢＴでなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やバイポーラトランジスタで構成した場合でも、同様に動作し、同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６９】
図１０は、この発明の第３の実施例を示すものである。この実施例３は、３レベルチョッパ装置におけるスイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣに挿入する保護スイッチとして、２個の逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１およびＴ２２を逆並列接続して構成した保護スイッチＭＳ２を用いるものである。その他の構成は他の実施例と同じである。
【００７０】
実施例２においては、保護スイッチＭＳ１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を通して電流が流れるが、この実施例３の保護スイッチＭＳ２は、２個の逆阻止機能を有するＩＧＢＴ  Ｔ２１，Ｔ２２を逆並列接続して構成するため、電流が１個の素子にしか流れないので、損失を小さくすることができる。
【００７１】
この実施例３のチョッパ装置の通常動作時は、保護スイッチＭＳ２の逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１およびＴ２２をゲートオンにしてオン状態にすると、スイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣに電流が流れる動作モードとなる。すなわち、図３および図５に示す動作モードであり、保護スイッチＭＳ２の逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２２、Ｔ２１は、順バイアスとなるときに、ゲートオンにしてオン状態にする必要がある。しかし、逆バイアスとなるときは、逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２２、Ｔ２１はゲートオフにしてオフ状態にしてもよい。
【００７２】
すなわち、図３に示すように、スイッチＳ１がオンで、スイッチＳ２がオフとなる動作モードのときは、保護スイッチＭＳ２の順バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２２はゲートオンしてオン状態にし、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１はゲートオフにしてオフ状態にするのである。
【００７３】
図５に示すように、スイッチＳ２がオンで、スイッチＳ１がオフとなる動作モードのときは、保護スイッチＭＳ２の順バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１はゲートオンしてオン状態にし、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２２はゲートオフにしてオフ状態にするのである。
【００７４】
中間回路ＭＣに電流を流さない図４および図６に示す動作モードのときは、保護スイッチＭＳ２の２つの逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１，Ｔ２２をともにゲートオフにしてオフ状態とするのがよい。通常動作時にも、チョッパ動作に影響のない期間には、保護スイッチＭＳ２の逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１、Ｔ２２をゲートオフにすると、これらの素子のゲートに電荷が蓄積なくなる。逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１、Ｔ２２をゲートオフにする場合、スイッチＳ１、Ｓ２の切換えから適当な切り替え時間を設けるようにすると、チョッパ装置の動作に影響をなくすことができる。
【００７５】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１に短絡故障が発生したときは、保護スイッチＭＳ２の逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２２をゲートオフとして、中間回路ＭＣを切断する。このとき、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１はゲートオンにすると、漏れ電流をより小さくすることができるので、ゲートオフとするよりも好ましい。
【００７６】
また、特許文献２に示されるようなチョッパ装置に、破損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ＭＳ２の逆阻止型ＩＧＢＴ  Ｔ２１、Ｔ２２の何れをオンにし、何れをオフにするかを容易に制御することができる。
【実施例４】
【００７７】
図１１は、この発明の第４の実施例を示すものである。この実施例４は、３レベルチョッパ装置におけるスイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣに挿入する保護スイッチとして、２個のＭＯＳＦＥＩ  Ｔ３１およびＴ３２を逆直列接続して構成した保護スイッチＭＳ３を用いるものである。その他の構成は他の実施例と同じである。
【００７８】
この実施例４のチョッパ装置の通常動作時は、保護スイッチＭＳ３のＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３１およびＴ３２をともにゲートオンにして保護スイッチＭＳ３をオン状態とする。スイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣに電流を流す動作モードのとき、すなわち、図３および図５に示す動作モードのとき、保護スイッチＭＳ３の順バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＳＦＥＴ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と、保護スイッチＭＳ３の損失を低減することができる。逆バイアスとなるＭＯＳＦＥＴをゲートオフにした場合には、電流は、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを流れるが、損失が大きくなり好ましくない。
【００７９】
ＭＯＳＦＥＴの同期整流機能を利用するとき、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、ボディダイオードのみの導通期間を設ける必要があるが、この発明の用途では、短絡が生じないので、ボディダイオードのみの導通期間とするためのデッドタイムは設ける必要がない。
【００８０】
チョッパ装置の中間回路ＭＣに電流を流さない図４および図６に示すような動作モードのときは、保護スイッチＭＳ３は、２つのＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３１およびＴ３２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ＭＳ３のＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３１およびＴ３２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防止される。ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３１およびＴ３２をゲートオフとする場合は、スイッチＳ１、Ｓ２の切換えから適当な切り替え時間を設けてチョッパ装置の動作に影響がないようにする。ＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＦＥＴ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、装置を安価に構成することができる。
【００８１】
チョッパ装置のスイッチ直列回路の例えばスイッチＳ１に短絡故障が発生したときは、保護スイッチＭＳ３はＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３１、Ｔ３２をゲートオフにしてオフ状態にして、中間回路ＭＣを切断する。このとき、特に、保護スイッチＭＳ３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が、ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３１，Ｔ３２の両方をゲートオフにするので、問題なく、制御が容易となる。
【実施例５】
【００８２】
図１２は、この発明の第５の実施例を示すものである。この実施例５は、３レベルチョッパ装置におけるスイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣに挿入された保護スイッチＭＳ５に抵抗Ｒ５を並列接続したものである。その他の構成は他の実施例と同じである。
【００８３】
保護スイッチＭＳ５は、図９（ａ）に示す実施例の保護スイッチＭＳ１と同様にＩＧＢＴ（Ｔ１１、Ｔ１２）とダイオード（Ｄ１１、Ｄ１２）とをそれぞれ逆並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されている。そして、この双方向スイッチのダイオードとしては、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て使用することができる。
【００８４】
この実施例５のチョッパ装置の通常動作時は、保護スイッチＭＳ５はオン状態とし、抵抗Ｒ５に電流が流れないようにする。ここでは、保護スイッチＭＳ５としては、前記実施例２の保護スイッチＭＳ１を用いた例を示しているので、通常動作時の制御は、実施例２の場合と同じとなる。
【００８５】
チョッパ装置のスイッチ直列回ＳＣの例えばスイッチＳ１に短絡故障が発生した場合は、保護スイッチＭＳ５をオフ状態にして、スイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣを遮断する。この状態の等価回路は図１３に示すようになる。
【００８６】
この状態では、図１３示すように点線矢印Ａで示すような、直流電源Ｅ‐リアクトルＬ１‐短絡故障したスイッチＳ１‐抵抗Ｒ５‐コンデンサＣ２‐ダイオードＤ２‐直流電源Ｅの経路と、点線矢印Ｂで示すような、直流電源Ｅ‐リアクトルＬ１‐短絡故障したダイオードＤ１‐コンデンサＣ１‐コンデンサＣ２‐ダイオードＤ２‐直流電源Ｅの経路でＬＣ直列共振電流が流れ、この電流により、コンデンサＣ１、Ｃ２が充電される。
【００８７】
充電が進むにしたがって電源Ｅからの電流が減少し始めると、抵抗Ｒ５の電圧が低下するため、ダイオードＤ１が電圧を持つようになり、電流は経路Ａのみを流れるようになる。電流の減少はＣ２の電圧がＶＥに達するより前に起こる。抵抗Ｒ５の抵抗値が大きいと、早くに電流が減少し始め、Ｃ１の電圧の上昇が抑えられる。
【００８８】
このとき、点線矢印Ａで示す共振回路は、抵抗Ｒ５を含むので減衰振動回路となる。この抵抗Ｒ５の抵抗値をＲ、リアクトルＬ１のインダクタンスをＬ、コンデンサＣ２の容量をＣとしたとき、抵抗値Ｒが、
Ｒ＝２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2        （１）
のとき、共振回路は、臨界減衰振動回路となって、共振回路の電流の振動が抑制される。
【００８９】
また、
Ｒ＞２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2        （２）
となると、共振回路は過減衰共振回路となって、振動電流がさらに抑制される。このように共振回路が、臨界減衰振動回路または過減衰振動回路となると、コンデンサＣ２の電圧の到達する値は、直流電源Ｅの電圧ＶＥであって、それを超えることはなく、コンデンサＣ２が過電圧となることが防止される。
【００９０】
ここで、インダクタンスＬは、リアクトルＬ１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を用いる。また、コンデンサ直列回路ＣＣの２つのコンデンサＣ１、Ｃ２は通常は等しい容量のものを使用するが、異なる容量のものを用いた場合は、小さい方の容量値Ｃを用いて、抵抗Ｒ５の抵抗値Ｒを、
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2
とすれば、スイッチＳ１、Ｓ２のどちらが異常になった時でも、形成されるＬＣ直列共振回路が臨界減衰振動回路、または過減衰振動回路とすることができる。
【００９１】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１とダイオードＤ１が短絡故障を発生したとき、保護スイッチＭＳ１を遮断（オフ）すると、チョッパ装置の等価回路は図１４に示すようになる。
【００９２】
この場合、点線矢印Ａで示される短絡故障したスイッチＳ１を通してコンデンサＣ２流れるＬＣ共振電流は、抵抗Ｒ５で制限されることにより、コンデンサＣ２の電圧が過電圧となることが防止される。また、短絡故障したダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１の充電電荷が点線矢印Ｂで示すような経路で充放電されるが、コンデンサＣ１の電圧は抵抗Ｒ５の電圧で制限されるため過電圧となることが防止される。また、短絡故障したダイオードＤ１を介する点線矢印Ｃで示す放電経路で流れる放電電流も抵抗Ｒ５によって制限されるので、コンデンサＣ１が過電流によって焼損することも防止することができる。
【実施例６】
【００９３】
図１５は、この発明の第６の実施例を示すものである。この実施例６は、３レベルチョッパ装置におけるスイッチ直列回路ＳＣの中間点とコンデンサ直列回路ＣＣの中間点を接続する中間回路ＭＣに保護スイッチＭＳを設ける代わりに、スイッチ直列回路ＳＣの各スイッチＳ１、Ｓ２にそれぞれ保護用の半導体スイッチ素子（以下保護スイッチと称する）ＳＳ１，ＳＳ２を直列接続したものである。その他の構成は他の実施例と同じである。
【００９４】
チョッパ装置の通常動作時には、スイッチＳ１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ＳＳ１を必ずオン状態とし、スイッチＳ２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ＳＳ２を必ずオン状態として、チョッパ動作を行う。実施例１等と同様にスイッチＳ１、Ｓ２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。
【００９５】
チョッパ装置のスイッチ直列回路の例えばスイッチＳ１が短絡故障した場合、スイッチＳ２および保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２はオフ状態にするが、この状態のチョッパ装置の等価回路は、図１６のようになる。これにより、スイッチ直列回路ＳＣが遮断されるので、直流電源ＥとリアクトルＬ１のエネルギにより、点線矢印Ａで示す経路でコンデンサＣ１、Ｃ２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Ｃ１とＣ２で分担して充電するので、各コンデンサの電圧が過電圧となることはない。
【００９６】
スイッチＳ１が短絡故障した場合に、保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２をオン状態のままにすると、図１７に示すように、短絡故障したスイッチＳ１、保護スイッチＳＳ１を介して直流電源ＥとリアクトルＬ１のエネルギにより点線矢印Ａで示す経路でコンデンサＣ２が充電される。この時の充電電流はＬＣ直列共振電流となるので、コンデンサＣ２の充電電圧は、直流電源Ｅの電圧より高い電圧となり、過電圧となる恐れがある。スイッチＳ１の故障時に、保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２をオフ状態とすることにより、中間回路ＭＣに設けた保護スイッチＭＳを切断した場合と同様の効果を得ることができるのである。
【００９７】
保護スイッチＳＳ１，ＳＳ２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、実施例１等のように、中間回路ＭＣに保護スイッチＭＳを設けた場合は、通常運転時にＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴで構成した２つのスイッチ素子が電流の通流経路に加わるのに対して、この実施例６によれば、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実施例に比較して導通損失を抑えることができるので、チョッパ装置の効率を高めることができる。
【００９８】
この実施例６において、それぞれ主となるスイッチＳ１、Ｓ２と保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２との直列接続順序は問わず、どの順序で接続してもよい。
【実施例７】
【００９９】
図１８は、この発明は第７の実施例を示すものである。この実施例７は、実施例６におけるスイッチ直列回路ＳＣのオン、オフ制御する主スイッチＳ１、Ｓ２に直列に接続した保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２にそれぞれ抵抗Ｒ７１，Ｒ７２を並列接続して構成するものである。その他の構成は他の実施例６等と同じである。
【０１００】
この実施例７のチョッパ装置における保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２の動作は、前記実施例６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ＳＳ１、ＳＳ２がオン状態とされ、抵抗Ｒ７１、Ｒ７２を短絡するので、抵抗Ｒ７１、Ｒ７２には電流は流れない。
【０１０１】
スイッチＳ１が短絡故障を発生したときは、スイッチＳ２、保護スイッチＳＳ１およびＳＳ２をオフ状態にする。この状態のチョッパ装置の等価回路を図１９に示す。
【０１０２】
この時、短絡故障したスイッチＳ１、抵抗Ｒ７１および中間回路ＭＣを介して点線矢印Ａで示すようにコンデンサＣ２に充電電流が流れる。この直流電源ＥとリアクトルＬ１のエネルギによる充電電流は、ＬＣ直列共振電流となるが、充電路に抵抗Ｒ７１が含まれるため、減衰振動電流となる。
【０１０３】
この抵抗Ｒ７１の抵抗値Ｒを実施例５と同様に、式（１）または式（２）で示すような値に選ぶことにより、コンデンサＣ２に流れる振動電流を限界減衰振動電流または過減衰振動電流とすることができ、コンデンサＣ２の充電電圧を直流電源Ｅの電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサＣ２が過電圧になるのを防止することができる。
【０１０４】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１とダイオードＤ１が短絡故障を発生したときも、実施例５同様、抵抗Ｒ７１によって、コンデンサＣ１、Ｃ２の焼損や過電圧破壊を防止することができる。
【０１０５】
この実施例７においても、主スイッチＳ１、Ｓ２と保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２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。
【実施例８】
【０１０６】
図２０は、この発明の第８の実施例を示すものである。この実施例８は、実施例７におけるスイッチ直列回路ＳＣの主となるスイッチＳ１、Ｓ２に直列に接続した保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２のそれぞれにダイオードＤ８１，Ｄ８２を逆並列接続し、スイッチＳ１と保護スイッチＳＳ１との接続点と、スイッチＳ２と保護スイッチＳＳ２との接続点との間に抵抗Ｒ８を接続して構成するものである。その他の構成は他の実施例７等と同じである。
【０１０７】
この実施例８における保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２は、実施例７と同じに動作する。すなわち、チョッパ装置の通常運転時には、保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２は、ともにオン状態となり、抵抗Ｒ８、ダイオードＤ８１、Ｄ８２を短絡するので、これらには電流は流れない。
【０１０８】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチＳ２、保護スイッチＳＳ１およびＳＳ２がオフ状態にされる。このような状態におけるチョッパ装置の等価回路を図２１に示す。
【０１０９】
保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２がオフしているので、直流電源ＥおよびリアクトルＬ１のエネルギが、点線矢印Ａで示すように、コンデンサＣ２に抵抗Ｒ８、中間回路ＭＣを通して充電される。このときの充電電流はＬＣ直列共振電流となるが、充電路に抵抗Ｒ８が含まれるため減衰振動電流となる。
【０１１０】
そして、抵抗Ｒ８の抵抗値Ｒを、実施例５の場合と同様に、式（１）および式（２）で示すような値に選ぶことにより、コンデンサＣ２に流れる振動電流を限界減衰振動電流または過減衰振動電流とすることができ、コンデンサＣ２の充電電圧を直流電源Ｅの電圧ＶＥに抑えることができ、コンデンサＣ２が過電圧になるのを防止することができる。
【０１１１】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１とダイオードＤ１が短絡故障を発生したときも、実施例５同様、抵抗Ｒ８によって、コンデンサＣ１、Ｃ２の焼損や過電圧破壊を防止することができる。
【０１１２】
ダイオードＤ８１、Ｄ８２は、スイッチＳ１等の故障時に保護スイッチＳＳ１、ＳＳ２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ダイオードで良い。
【実施例９】
【０１１３】
図２２は、この発明の第９の実施例を示すものである。この実施例９は、実施例７のようにスイッチ直列回路ＳＣのオン、オフ制御する主スイッチＳ１、Ｓ２と直列に保護スイッチＳＳ１と抵抗Ｒ７１の並列回路および保護スイッチＳＳ２と抵抗Ｒ７２の並列回路を設ける代わりに、コンデンサ直列回路ＣＣに保護スイッチＣＳ１と抵抗Ｒ９１の並列回路および保護スイッチＣＳ２と抵抗Ｒ９２の並列回路を設けるものである。その他の構成は他の実施例７等と同じである。ただし、保護スイッチＣＳ１、ＣＳ２は双方向スイッチである必要があって、その構成やスイッチのオン、オフ制御は、実施例２、３、４の保護スイッチＭＳで見たのと同様のものとする必要がある。
【０１１４】
この実施例９のチョッパ装置は、通常動作時は、コンデンサ直列回路ＣＣの保護スイッチＣＳ１，ＣＳ２をオン状態にして抵抗Ｒ９１およびＲ９２を短絡するので、他の実施例と同様にスイッチ直列回路ＳＣのスイッチＳ１、Ｓ２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。
【０１１５】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１に短絡故障が発生すると、ただちに、スイッチＳ２、保護スイッチＣＳ２をオフ状態にして、コンデンサＣ２の充放電経路に抵抗Ｒ９２を挿入する。これにより、短絡故障したスイッチＳ１を通してコンデンサＣ２に流れる充電電流はＬＣ共振電流となるが、充電路に抵抗Ｒ９２が含まれるため、減衰振動電流となる。
【０１１６】
この抵抗Ｒ９２の抵抗値Ｒを実施例７と同様に、式（１）または式（２）で示すような値に選ぶことにより、コンデンサＣ２に流れる振動電流を限界減衰振動電流または過減衰振動電流とすることができ、コンデンサＣ２の充電電圧を直流電源Ｅの電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサＣ２が過電圧になるのを防止することができる。
【０１１７】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１とダイオードＤ１が短絡故障を発生したとき、ただちに、スイッチＳ２、保護スイッチＣＳ１およびＣＳ２をオフ状態にして、コンデンサＣ１、Ｃ２の充放電経路に抵抗Ｒ９１，Ｒ９２を挿入する。電源から電流の流れる経路は、直流電源Ｅ‐リアクトルＬ１‐短絡故障したスイッチＳ１‐抵抗Ｒ９２‐コンデンサＣ２‐ダイオードＤ２‐直流電源Ｅの経路となる。スイッチＳ１が故障したときと同じであるため、Ｒ９２の抵抗値Ｒを式（１）または式（２）で示すような値に選ぶことにより、コンデンサＣ２の電圧を直流電源Ｅの電圧ＶＥに抑えることができる。また、抵抗Ｒ９１によりコンデンサＣ１の放電電流が制限され焼損の危険性を減らすことができる。
【０１１８】
この実施例９において、コンデンサＣ１、Ｃ２と保護スイッチＣＳ１と抵抗Ｒ９１の並列回路、ＣＳ２とＲ９２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。
【実施例１０】
【０１１９】
図２３は、この発明の第１０の実施例を示すものである。この実施例１０は、実施例７のようにスイッチ直列回路ＳＣのオン、オフ制御する主スイッチＳ１、Ｓ２と直列に保護スイッチＳＳ１と抵抗Ｒ７１の並列回路および保護スイッチＳＳ２と抵抗Ｒ７２の並列回路を設ける代わりに、各ダイオードＤ１、Ｄ２に直列に保護スイッチＤＳ１と抵抗Ｒ１０１の並列回路および保護スイッチＤＳ２と抵抗Ｒ１０２の並列回路を設けるものである。その他の構成は他の実施例７等と同じである。なお、保護スイッチＤＳ１およびＤＳ２は双方向スイッチの必要は無く、スイッチオンのときにはダイオードＤ１、Ｄ２の導通する向きに電流が流すことができれば良い。
【０１２０】
そのため、保護スイッチＤＳ１、ＤＳ２は、図２４（ａ）に示すように、逆阻止型ＩＧＢＴＳ２４や、図２４（ｂ）に示すように、ダイオードＤ２４とＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴ等からなる半導体スイッチＳ２５を直列接続して構成することができる。
【０１２１】
この実施例１０のチョッパ装置は、通常動作時は、ダイオードＤ１、Ｄ２の導通するときには保護スイッチＤＳ１、ＤＳ２をオン状態にして、抵抗Ｒ１０１およびＲ１０２を短絡するので、他の実施例と同様にスイッチ直列回路ＳＣのスイッチＳ１、Ｓ２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。
【０１２２】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１に短絡故障が発生すると、スイッチＳ２、保護スイッチＤＳ１およびＤＳ２をオフ状態にする。これにより、短絡故障したスイッチＳ１を通してコンデンサＣ２に流れる充電電流はＬＣ共振電流となるが、充電路に抵抗Ｒ１０２が含まれるため、減衰振動電流となる。
【０１２３】
この抵抗Ｒ１０２の抵抗値Ｒを実施例５と同様に、式（１）または式（２）で示すような値に選ぶことにより、コンデンサＣ２に流れる振動電流を限界減衰振動電流または過減衰振動電流とすることができ、コンデンサＣ２の充電電圧を直流電源Ｅの電圧ＶＥに抑えることができるので、コンデンサＣ２が過電圧になるのを防止することができる。
【０１２４】
チョッパ装置のスイッチ直列回路ＳＣの例えばスイッチＳ１とダイオードＤ１が短絡故障を発生したときも、スイッチＳ２、保護スイッチＤＳ２をオフ状態にすると、電源から電流が流れる経路は、直流電源Ｅ‐リアクトルＬ１‐短絡故障したスイッチＳ１‐コンデンサＣ２‐抵抗Ｒ１０２‐ダイオードＤ２‐直流電源Ｅの経路となる。スイッチＳ１のみが故障したときと同じであるため、Ｒ１０２の抵抗値Ｒを式（１）または式（２）で示すような値に選ぶことにより、コンデンサＣ２の電圧を直流電源Ｅの電圧ＶＥに抑えることができる。また、コンデンサＣ１の放電は保護スイッチＤＳ１がダイオードと半導体スイッチの直列接続で構成されている場合は整流作用があるので抵抗Ｒ１０１を通じて流れるため焼損が防止される。ＤＳ１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。ＤＳ１が双方向スイッチの構成の場合は抵抗Ｒ１０１を通じて放電するようにスイッチＤＳ１をオフする。
【０１２５】
この実施例１０において、ダイオードＤ１、Ｄ２と保護スイッチＤＳ１と抵抗Ｒ１０１の並列回路、ＤＳ２とＲ１０２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。
【符号の説明】
【０１２６】
Ｅ：直流電源
Ｐ：正極端子
Ｎ：負極端子
Ｌ１：リアクトル
Ｄ１，Ｄ２：ダイオード
ＳＣ：スイッチ直列回路
Ｓ１，Ｓ２：スイッチング素子
ＣＣ：コンデンサ直列回路
Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ
ＭＣ：中間回路
Ｐｏ：正極出力端子
Ｍｏ：中間出力端子
Ｎｏ：負極出力端子
ＭＳ，ＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３：中間回路保護スイッチ
ＳＳ１，ＳＳ２：スイッチ直列回路保護スイッチ
ＣＳ１、ＣＳ２：コンデンサ直列回路保護スイッチ
ＤＳ１、ＤＳ２：ダイオード回路保護スイッチ
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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