(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの直流コンデンサを構成する複数の単位コンデンサと、
前記複数の単位コンデンサのうち一部の単位コンデンサを、前記直流コンデンサの構成から切り離すように設けられる少なくとも１つのヒューズと、
前記直流コンデンサからの電流を流し、または前記直流コンデンサに電流を供給するスイッチング素子を含む電力変換回路と
を備え、
前記複数の単位コンデンサは、並列に接続され、
前記直流コンデンサは、前記少なくとも１つのヒューズにより前記一部の単位コンデンサが切り離される前から切り離されるまでに流れる前記直流コンデンサのコンデンサ容量に基づく故障電流が前記スイッチング素子の防爆耐量以下になるように構成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ヒューズにより生じる共振電流を抑制するダンピング抵抗
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記ヒューズは、電気回路上の１箇所に設けられること
を特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記ヒューズは、前記一部の単位コンデンサが並列に接続される並列数以下であること
を特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
１つの直流コンデンサを構成する複数の単位コンデンサと、前記複数の単位コンデンサのうち一部の単位コンデンサを前記直流コンデンサの構成から切り離すように設けられる少なくとも１つのヒューズと、前記直流コンデンサからの電流を流し、または前記直流コンデンサに電流を供給するスイッチング素子を含む電力変換回路とを含み、前記複数の単位コンデンサは、並列に接続された電力変換装置の保護方法であって、
前記電力変換回路の故障で流れた故障電流で前記ヒューズを溶断させ、
前記ヒューズの溶断により前記一部の単位コンデンサを切り離し、
前記直流コンデンサのコンデンサ容量が低減することにより前記スイッチング素子に供給する前記故障電流を抑制し、
前記故障電流を抑制することには、前記コンデンサ容量に基づく故障電流が、前記スイッチング素子の防爆耐量以下であることを含むことを特徴とする電力変換装置の保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、容量の小さい複数の単位コンデンサを直並列に接続して、インバータの平滑コンデンサとして用いることが知られている。また、コンデンサの爆発を防ぐために、ヒューズを設けることが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２０７７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、全ての単位コンデンサを１つのヒューズで切り離す場合、全ての単位コンデンサの総和のコンデンサ容量に対してヒューズの遮断容量が決定されるため、ヒューズの遮断容量が大きくなる。この場合、ヒューズが溶断するまでに流れる故障電流（短絡電流）が大きくなり、溶断するまでに流れる故障電流により、その他の回路に故障が波及し場合によっては電力変換装置を構成する部品が破裂する可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、複数の単位コンデンサで構成される直流コンデンサから流れる故障電流が抑制されるようにヒューズを設けた電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の観点に従った電力変換装置は、１つの直流コンデンサを構成する複数の単位コンデンサと、前記複数の単位コンデンサのうち一部の単位コンデンサを、前記直流コンデンサの構成から切り離すように設けられる少なくとも１つのヒューズと、前記直流コンデンサからの電流を流し、または前記直流コンデンサに電流を供給するスイッチング素子を含む電力変換回路とを備える。前記複数のコンデンサは、並列に接続され、前記直流コンデンサは、前記少なくとも１つのヒューズにより前記一部の単位コンデンサが切り離される前から切り離されるまでに流れる前記直流コンデンサのコンデンサ容量に基づく故障電流が前記スイッチング素子の防爆耐量以下になるように構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の単位コンデンサで構成される直流コンデンサから流れる故障電流が抑制されるようにヒューズを設けた電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１０】
電力変換装置１は、交流電源４から供給される単相交流電力に基づいて、負荷５に直流電力を供給する。
【００１１】
電力変換装置１は、電力変換回路２及び直流コンデンサ３を備える。
【００１２】
電力変換回路２は、４つのスイッチング素子（パワー半導体）２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ及び４つの逆並列ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを備える。各逆並列ダイオード２２ａ〜２２ｄは、それぞれスイッチング素子２１ａ〜２１ｄと逆並列に接続される。電力変換回路２の交流側には、交流電源４が接続される。電力変換回路２の直流側には、正極配線ＬＰ及び負極配線ＬＮにより負荷５が接続される。
【００１３】
例えば、４つのスイッチング素子（パワー半導体）２１ａ〜２１ｄ及び４つの逆並列ダイオード２２ａ〜２２ｄは、外形がセラミックスで覆われた圧接型の半導体素子であってもよく、また、外形がプラスチック等で覆われたモジュール型でもよいし、その他の型式でもよい。
【００１４】
２つのスイッチング素子２１ａ，２１ｂは、直列に接続される。直列に接続されたスイッチング素子２１ａ，２１ｂは、直流の正極配線ＬＰと負極配線ＬＮの間に接続される。これにより、電力変換回路２の１つのアームが構成される。もう一方の２つのスイッチング素子２１ｃ，２１ｄは、直列に接続される。直列に接続されたスイッチング素子２１ｃ，２１ｄは、直流の正極配線ＬＰと負極配線ＬＮの間に接続される。これにより、電力変換回路２のもう１つのアームが構成される。２組の直列に接続されるスイッチング素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれの接続点間に、交流電源４からの単相交流電力が入力される。
【００１５】
直流コンデンサ３は、複数の単位コンデンサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ、ヒューズ３２及びダンピング抵抗３３で構成される。複数の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅは、並列に接続される。これにより、直流コンデンサ３のコンデンサ容量（全ての単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅのコンデンサ容量の総和）は、大容量化される。直流コンデンサ３は、電力変換回路２により変換された直流電圧を平滑化する平滑コンデンサである。なお、ここでは、直流コンデンサ３は、５つの単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅで構成されるものとして説明するが、２つ以上であれば、いくつの単位コンデンサで構成されてもよい。また、直流コンデンサ３は、全ての単位コンデンサが並列に接続されたものに限らず、一部の単位コンデンサが直列に接続されてもよい。
【００１６】
５つの単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅは、３つの単位コンデンサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが含まれる第１のグループＧ１と２つの単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅが含まれる第２のグループＧ２の２つのグループＧ１，Ｇ２に分けられる。第１のグループＧ１は、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄから電気的に遠い個所にあるグループである。第２のグループＧ２は、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄから電気的に近いグループである。なお、グループ分けは、どのような基準で分けてもよいし、いくつに分けてもよい。
【００１７】
第２のグループＧ２のコンデンサ容量（第２のグループＧ２に含まれる単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅの総和のコンデンサ容量）は、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄの短絡時に流れる短絡電流（事故電流）がスイッチング素子２１ａ〜２１ｄに流れても破裂しない電流（防爆耐量）以下にされている。ここで、短絡電流は、直流コンデンサ３のコンデンサ容量から求まる。従って、切り離される第１のグループＧ１のコンデンサ容量（第１のグループＧ１に含まれる単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃの総和のコンデンサ容量）は、直流コンデンサ３のコンデンサ容量うちスイッチング素子２１ａ〜２１ｄの防爆耐量を超える分のコンデンサ容量以上にする。
【００１８】
ヒューズ３２及びダンピング抵抗３３は、直列に接続される。直列に接続されたヒューズ３２及びダンピング抵抗３３は、２つのグループＧ１，Ｇ２を接続する正極配線（負極配線でもよい）に挿入するように接続される。なお、ヒューズ３２が溶断したときに、一部（例えば、グループＧ１）の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃが直流コンデンサ３を構成する回路から切り離され、直流コンデンサ３のコンデンサ容量が減少するのであれば、どのようにヒューズ３２が設けられていてもよい。また、電気回路上の同一箇所にいくつのヒューズ３２を設けてもよい。この場合、電気回路上の同一箇所にいくつのヒューズ３２が設けられていても、１箇所に設けられているのと同じである。２つのグループＧ１とＧ２の分割の詳細は後述する。
【００１９】
ヒューズ３２は、ヒューズ３２に流れる短絡電流がヒューズの溶断特性曲線以上の電流になると溶断する。ヒューズ３２が溶断すると、第１のグループＧ１の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃは、直流コンデンサ３の構成から切り離され、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄと閉回路を形成しなくなる。従って、ヒューズ３２が溶断すれば、第１のグループＧ１の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃからの故障電流は、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄがある回路には流れ込まない。  ダンピング抵抗３３は、ヒューズ３２の挿入により増加したインダクタンスと直流コンデンサ３のコンデンサ容量による共振電流を抑制するために設けられる。なお、ダンピング抵抗３３は、共振電流を抑制するように設けられていれば、何処に設けてもよいし、いくつ設けてもよい。また、ダンピング抵抗３３は、共振電流を抑制する必要がなければ、設けられていない方が望ましい。
【００２０】
次に、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄの短絡時に、短絡電流が抑制される仕組みについて説明する。
【００２１】
いずれかのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄが短絡すると、直流コンデンサ３とスイッチング素子２１ａ〜２１ｄで形成される閉回路に短絡電流が流れる。
【００２２】
第１のグループＧ１の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃから短絡電流がヒューズ３２に流れると、ヒューズ３２が溶断する。ヒューズ３２が溶断すると、第１のグループＧ１の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃは、直流コンデンサ３の構成から切り離される。これにより、直流コンデンサ３のコンデンサ容量は、第１のグループＧ１のコンデンサ容量分減少する。従って、短絡電流は、第１のグループＧ１のコンデンサ容量に対応する短絡電流量分が減少する。
【００２３】
ここで、ヒューズ３２が溶断するまでに第１のグループＧ１の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃからスイッチング素子２１ａ〜２１ｄに流れる電流の電流２乗時間積と、第２のグループＧ２の単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅからスイッチング素子２１ａ〜２１ｄに流れる電流の電流２乗時間積との合計がスイッチング素子２１ａ〜２１ｄの防爆耐量以下になるように、ヒューズ３２の溶断特性を選定する。これに加え、直流コンデンサ３は、ヒューズ３２により切り離されるグループＧ１と切り離されないグループＧ２の２つのグループＧ１，Ｇ２に分割する。これにより、ヒューズ３２により第１のグループＧ１の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃが切り離される前から切り離されるまでに流れる直流コンデンサ３のコンデンサ容量に基づく故障電流がスイッチング素子２１ａ〜２１ｄの防爆耐量以下になるように、直流コンデンサ３が構成される。
【００２４】
本実施形態によれば、直流コンデンサ３を構成する回路にヒューズ３２を設け、故障電流によりヒューズ３２が溶断することで、直流コンデンサ３を構成する一部の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃを切り離すことができる。これにより、直流コンデンサ３のコンデンサ容量を実質的に減少させるため、故障電流を抑制することができる。従って、直流コンデンサ３から流れる故障電流によりスイッチング素子２１ａ〜２１ｄが破裂することを防止できる。過大な故障電流が抑制されるので電磁力などで機械的に部品や導体が変形や故障することを防ぐことができる。
【００２５】
また、故障電流が抑制されることで、故障電流により生じる直流コンデンサ３等の爆発が抑制される。一方、直流コンデンサ３を構成する全ての単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅが切り離されるようにヒューズを設けた場合、全ての単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅの総和のコンデンサ容量に対応する遮断容量のヒューズを設けることになる、さらに常時の運転中に直流コンデンサ３に流れるリプル電流がすべてヒューズを流れることになる。この場合、常時電流に対し協調をとるために、ヒューズは、溶断までの間に流れる故障電流が大きくなる。このため、ヒューズが溶断するまでの間に流れた故障電流により、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄを破裂させる恐れがある。これに対して、本実施形態では、一部の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃを切り離すようにヒューズ３２を設けるため、ヒューズ３２の溶断電流を小さくし、ヒューズ３２が小さな溶断電流で溶断することによりスイッチング素子２１ａ〜２１ｄに流れる短絡電流のピーク値を低減できる。
【００２６】
また、切り離すグループ単位でヒューズ３２を設ければよいため、全ての単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅに個別にヒューズを設ける場合と比較して、少ない数（本実施形態では１つ）のヒューズ３２で、直流コンデンサ３から流れる故障電流を抑制することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａの構成を示す構成図である。
【００２８】
電力変換装置１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１において、直流コンデンサ３を直流コンデンサ３Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
【００２９】
直流コンデンサ３Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る直流コンデンサ３において、ヒューズ３２の代わりに３つのヒューズ３２ａ，３２ｂ，３２ｃを設け、ダンピング抵抗３３の代わりに３つのダンピング抵抗３３ａ，３３ｂ，３３ｃを設けた構成である。その他の点は、直流コンデンサ３Ａは、第１の実施形態に係る直流コンデンサ３と同様である。
【００３０】
ここでは、ヒューズ３２ａ〜３２ｃと単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃを１対１で対応させる構成について説明するが、これに限らない。複数の単位コンデンサに対して、１つのヒューズしか設けていなくてもよい。また、直列に接続された単位コンデンサがある場合は、直列に接続された単位コンデンサが設けられた配線上に、ヒューズは１つあればよい。従って、ヒューズは、切り離す単位コンデンサが並列に接続される並列数以下の数でよい。即ち、ヒューズ３２ａ〜３２ｃが溶断したときに、一部の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃが直流コンデンサ３Ａの構成から切り離され、直流コンデンサ３Ａのコンデンサ容量が減少するのであれば、何処にヒューズが設けられていてもよい。
【００３１】
ダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃは、それぞれヒューズ３２ａ〜３２ｃと直列に接続される。直列に接続されたヒューズ３２ａ〜３２ｃ及びダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃは、それぞれ単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃと直列に接続される。その他の点については、ヒューズ３２ａ〜３２ｃ及びダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃは、第１の実施形態に係るヒューズ３２及びダンピング抵抗３３と同様である。なお、ダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃは、ヒューズ３２ａ〜３２ｃに対応して設けられていなくてもよいし、第１の実施形態と同様に設けなくてもよい。
【００３２】
ヒューズ３２ａ〜３２ｃが接続される単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃは、第１の実施形態における第１のグループＧ１に含まれる単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃに相当し、ヒューズが接続されない単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅは、第１の実施形態における第２のグループＧ２に含まれる単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅに相当する。
【００３３】
このような構成において、いずれかのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄが短絡すると、ヒューズ３２ａ〜３２ｃがそれぞれと直列に接続されている単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃからの短絡電流により溶断される。全てのヒューズ３２ａ〜３２ｃが溶断すると、３つの単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃは、直流コンデンサ３Ａを構成する回路から切り離される。これにより、第１の実施形態において、ヒューズ３２が溶断した場合と同様の状態となる。
【００３４】
即ち、全てのヒューズ３２ａ〜３２ｃが溶断された状態では、直流コンデンサ３Ａの実質的なコンデンサ容量は、ヒューズ３２ａ〜３２ｃが接続されていない単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅの総和のコンデンサ容量となる。切り離されていない単位コンデンサ３１ｄ，３１ｅの総和のコンデンサ容量は、第１の実施形態と同様に、短絡電流がスイッチング素子２１ａ〜２１ｄの防爆耐量以下になるように設けられている。従って、スイッチング素子２１ａ〜２１ｄが破裂することを防止できる。また過大な故障電流が抑制されるので電磁力などで機械的に部品や導体が変形や故障することを防ぐことができる。
【００３５】
本実施形態によれば、第１の作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
【００３６】
ヒューズ３２ａ〜３２ｃ及びダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃを一部の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｃに個別に設けることにより、個々のヒューズ３２ａ〜３２ｃ及びダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃの容量を、第１の実施形態に係るヒューズ３２及びダンピング抵抗３３よりも小さくすることができる。従って、複数のヒューズ３２ａ〜３２ｃ及びダンピング抵抗３３ａ〜３３ｃの選択又は配置等により、電力変換装置１Ａは、第１の実施形態に係る電力変換装置１よりも小型化又はコストの低減をすることができる。
【００３７】
なお、各実施形態では、単相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置１，１Ａとして説明したが、これに限らない。複数の単位コンデンサ３１ａ〜３１ｅで構成される直流コンデンサ３，３Ａを用いる電力変換装置ならば、どのようなものでもよい。例えば、単相以外（例えば、三相）の交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよいし、直流電力を交流電力に変換するインバータでもよいし、負荷５としてインバータを設け、ＢＴＢ(back-to-back)変換器として用いてもよい。また、電力変換装置１，１Ａをどのような用途に用いてもよい。例えば、直接的に交流負荷又は直流負荷に電力を供給するものでもよいし、直流送電に用いてもよい。
【００３８】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…電力変換装置、２…電力変換回路、３…直流コンデンサ、４…交流電源、５…負荷、２１ａ〜２１ｄ…スイッチング素子、２２ａ〜２２ｄ…逆並列ダイオード、３１ａ〜３１ｅ…単位コンデンサ、３２…ヒューズ、３３…ダンピング抵抗。
【図１】
0006525916.tif 000002
【図２】
0006525916.tif 000003