(57)【要約】【課題】スイッチング素子がオープン故障した状態でヒューズが溶断してもクランプコンデンサ電荷の放電が可能な安全な電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電源１と、この直流電源と並列に接続され、抵抗７を並列接続した平滑コンデンサ２と、直流電源１の一方の出力端と直列に接続され、抵抗８を並列接続したヒューズ３と、ヒューズ３の出力側と直流電源１の他方の出力端間に設けられ、夫々還流ダイオード５Ａ、５Ｂを逆並列接続したスイッチング素子４Ａ、４Ｂを直列接続して構成した少なくとも１組のスイッチングレグと、このスイッチングレグに並列に接続されたクランプコンデンサ６とで構成する。【選択図】図１
2007267435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
この直流電源と並列に接続され、第１の抵抗を並列接続した平滑コンデンサと、
前記直流電源の一方の出力端と直列に接続され、第２の抵抗を並列接続したヒューズと、
前記ヒューズの出力側と前記前記直流電源の他方の出力端間に設けられ、夫々還流ダイオードを逆並列接続した正側及び負側のスイッチング素子を直列接続して構成した少なくとも１組のスイッチングレグと、
前記スイッチングレグに並列に接続されたクランプコンデンサと
を備えて成る電力変換装置。
【請求項２】
正側直流母線、０電位直流母線及び負側直流母線に接続された３レベルの直流電位を有する直流電源と、
前記正側直流母線と０電位直流母線間に設けられ、第１の正側抵抗を並列接続した正側平滑コンデンサと、
前記負側直流母線と０電位直流母線間に設けられ、第１の負側抵抗を並列接続した負側平滑コンデンサと、
前記正側母線に直列に挿入され、第２の正側抵抗を並列接続した正側ヒューズと、
前記負側母線に直列に挿入され、第２の負側抵抗を並列接続した負側ヒューズと、
前記正側ヒューズの出力側の正側母線と前記負側ヒューズの出力側の負側母線間に設けられ、各々還流ダイオードを逆並列接続した４個のスイッチング素子を直列接続して構成した少なくとも１組のスイッチングレグと、
前記スイッチングレグの正側端のスイッチング素子の負極と前記０電位直流母線間に設けられた正側クランプダイオードと、
前記スイッチングレグの負側端のスイッチング素子の正極と前記０電位直流母線間に設けられた負側クランプダイオードと、
前記正側ヒューズの出力側の正側母線と前記０電位直流母線間に設けられた正側クランプコンデンサと、
前記負側ヒューズの出力側の負側母線と前記０電位直流母線間に設けられた負側クランプコンデンサと
を備えて成る電力変換装置。
【請求項３】
前記クランプコンデンサと前記第２の抵抗で決まる時定数を、前記平滑コンデンサと前記第１の抵抗で決まる時定数の１／２から２倍の範囲とした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４】
前記正側クランプコンデンサと前記第２の正側抵抗で決まる時定数を、前記正側平滑コンデンサと前記第１の正側抵抗で決まる時定数の１／２から２倍の範囲とし、
前記負側クランプコンデンサと前記第２の負側抵抗で決まる時定数を、前記負側平滑コンデンサと前記第１の負側抵抗で決まる時定数の１／２から２倍の範囲としたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第２の抵抗の極間耐圧を、前記ヒューズのアーク電圧以上に選定した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６】
前記第２の正側抵抗の極間耐圧を、前記正側ヒューズのアーク電圧以上に選定し、前記第２の負側抵抗の極間耐圧を、前記負側ヒューズのアーク電圧以上に選定したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に係り、特にコンデンサ電荷の放電方法を改良した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）に代表されるモジュール型半導体素子の高圧・大電流化によって、従来は圧接型半導体素子が適用されていた比較的大容量の電力変換装置にもその適用が拡大してきている。
【０００３】
電力変換装置として代表的なものとして、交流電源を直流に変換し、この変換された直流をインバータ部で再び交流に変換する所謂インバータ装置がある。このインバータ装置においては、通常直流リンク部に直流電圧を平滑するための平滑用コンデンサが設けられ、短絡事故保護用のヒューズを介してインバータ部に給電する。そしてメンテナンス等の目的でインバータ装置を停止したとき、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電するために、通常はこの平滑コンデンサに並列に放電用の抵抗を並列に接続して使用していた。
【０００４】
ところで、インバータ部のスイッチング素子群は、そのターンオフスイッチング時に回路のインダクタンスに蓄えられたエネルギーがサージ電圧として印加される。そのため、所謂スナバ回路を設けてサージ電圧を抑制している。このスナバ回路の一手法として、比較的容量の大きい高周波用で高耐圧のコンデンサをスイッチング素子群と並列に設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ここで使用されるコンデンサは例えば高耐圧フィルムコンデンサであり、このコンデンサの機能からクランプコンデンサと呼称される。
【特許文献１】特開２０００−６０１０８号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された回路方式において、従来のように圧接型半導体素子をインバータ部のスイッチング素子として使用した電力変換装置であればよいが、最近のようにモジュール型半導体素子を使用した電力変換装置においては、高耐圧フィルムコンデンサの放電回路が形成されないという問題がある。この理由は、圧接型半導体素子の場合、素子故障が生じるとほぼ確実に短絡故障となるので、例え保護用のヒューズが溶断しても、高耐圧フィルムコンデンサに蓄えられた電荷はこの圧接型半導体素子を介した放電ルートによって放電する。これに対し、モジュール型半導体素子の場合は、内部のボンディングワイヤの断線等によるオープン故障のモードがあり、このオープン故障が生じた状態で保護用のヒューズが溶断するとフィルムコンデンサに蓄えられた電荷の放電ルートが無くなってしまうためである。このように高耐圧フィルムコンデンサに電荷が残留している状態でヒューズ交換作業などのメンテナンス作業を行うと、感電事故が発生する恐れがある。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、スイッチング素子がオープン故障した状態でヒューズが溶断してもクランプコンデンサ電荷の放電が可能な安全な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である電力変換装置は、直流電源と、この直流電源と並列に接続され、第１の抵抗を並列接続した平滑コンデンサと、前記直流電源の一方の出力端と直列に接続され、第２の抵抗を並列接続したヒューズと、前記ヒューズの出力側と前記前記直流電源の他方の出力端間に設けられ、夫々還流ダイオードを逆並列接続した正側及び負側のスイッチング素子を直列接続して構成した少なくとも１組のスイッチングレグと、前記スイッチングレグに並列に接続されたクランプコンデンサとから成ることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２の発明である電力変換装置は、正側直流母線、０電位直流母線及び負側直流母線に接続された３レベルの直流電位を有する直流電源と、前記正側直流母線と０電位直流母線間に設けられ、第１の正側抵抗を並列接続した正側平滑コンデンサと、前記負側直流母線と０電位直流母線間に設けられ、第１の負側抵抗を並列接続した負側平滑コンデンサと、前記正側母線に直列に挿入され、第２の正側抵抗を並列接続した正側ヒューズと、前記負側母線に直列に挿入され、第２の負側抵抗を並列接続した負側ヒューズと、
前記正側ヒューズの出力側の正側母線と前記負側ヒューズの出力側の負側母線間に設けられ、各々還流ダイオードを逆並列接続した４個のスイッチング素子を直列接続して構成した少なくとも１組のスイッチングレグと、前記スイッチングレグの正側端のスイッチング素子の負極と前記０電位直流母線間に設けられた正側クランプダイオードと、前記スイッチングレグの負側端のスイッチング素子の正極と前記０電位直流母線間に設けられた負側クランプダイオードと、前記正側ヒューズの出力側の正側母線と前記０電位直流母線間に設けられた正側クランプコンデンサと、前記負側ヒューズの出力側の負側母線と前記０電位直流母線間に設けられた負側クランプコンデンサとから成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スイッチング素子がオープン故障した状態でヒューズが溶断してもクランプコンデンサ電荷の放電が可能な安全な電力変換装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置を示す回路構成図である。
【００１２】
直流電源１から供給される直流は平滑コンデンサ２により平滑され、ヒューズ３を介して正側のスイッチング素子４Ａ及び負側のスイッチング素子４Ｂの直列回路に供給される。スイッチング素子４Ａと逆並列に還流ダイオード５Ａが、またスイッチング素子４Ｂと逆並列に還流ダイオード５Ｂが夫々接続されている。スイッチング素子４Ａと還流ダイオード５Ａとで構成される正側アームＳ１と、スイッチング素子４Ｂと還流ダイオード５Ｂとで構成される負側アームＳ２の直列回路をスイッチングレグと呼称する。このスイッチングレグの中点が交流の相電圧の出力点となる。図１には１組のスイッチングレグのみを図示しているが、スイッチングレグを２組用いると単相出力インバータが構成され、またスイッチングレグを３組用いると３相出力インバータが構成される。
【００１３】
正側アームＳ１と負側アームＳ２の直列回路で構成されるスイッチングレグと並列にクランプコンデンサ６が接続されている。クランプコンデンサ６は、スイッチング素子４Ａ及び４Ｂのスイッチング時に発生するサージ電圧を吸収する機能を有する。
【００１４】
平滑コンデンサ２と並列に抵抗７が接続されている。抵抗７の接続目的は、インバータ運転停止後における平滑コンデンサ２残留電荷の放電である。
【００１５】
そして、ヒューズ３と並列に抵抗８が接続されている。この抵抗８の抵抗値は通常キロオーム以上に選定する。従って、本質的にインバータの通常運転時には電流は全てヒューズ３側を流れ、抵抗８で損失は発生しない。
【００１６】
以下図１における本発明の実施例１の電力変換装置の動作について図２に示した放電経路説明図を参照して説明する。
【００１７】
いま、運転中にスイッチング素子４Ａまたは５Ａが異常となって直流短絡故障が発生してヒューズ３が溶断した場合を想定する。図示しないインバータの制御装置は、直流短絡故障を検知して運転を停止する。運転が停止されると、平滑コンデンサ２に蓄えられた電荷は抵抗７を介して放電される。そして、仮にスイッチング素子４Ａまたは５Ａが開放状態となった場合でも、図２に示すようにクランプコンデンサ６の残留電荷は、抵抗８及び平滑コンデンサ２を介して放電することが可能となる。
【００１８】
ここで、抵抗８の選定方法について説明する。
【００１９】
平滑コンデンサ２の静電容量ＣＤは、クランプコンデンサ６の静電容量ＣＣよりも十分大きく選定するのが一般的である。具体的な例として、平滑コンデンサ２の静電容量をＣＤ＝５０００（ｕＦ）、クランプコンデンサ６の静電容量をＣＣ＝１００（ｕＦ）とする。この時、抵抗７の抵抗値ＲＤは、インバータ停止後の待ち時間として許容可能な放電時定数となるように決定する。放電時定数を６０（ｓｅｃ）とすると、ＲＤ＝６０ｓｅｃ／５０００ｕＦ＝１２ｋΩとなる。クランプコンデンサ６の残留電荷は図２に示した放電経路で放電されるが、平滑コンデンサ２の静電容量ＣＤはクランプコンデンサ６の静電容量ＣＣに対して十分大であるため、その時定数はクランプコンデンサ６の静電容量ＣＣと抵抗８の抵抗値ＲＦによってほぼ決まる。クランプコンデンサ６の放電時定数が平滑コンデンサ２の放電時定数と同様に６０（ｓｅｃ）となるように抵抗８の抵抗値ＲＦを選定すると、ＲＦ＝６０ｓｅｃ／１００ｕＦ＝６００ｋΩとなる。
【００２０】
尚、実用的にはクランプコンデンサ６の放電時定数は厳密に平滑コンデンサ２の放電時定数と等しくする必要はなく、例えば、平滑コンデンサ２の放電時定数の１／２から２倍の範囲とすれば良い。このとき、抵抗８の抵抗値ＲＦは３００ｋΩ＜ＲＦ＜１２００ｋΩとなる。
【００２１】
前述したようにインバータの通常運転時には、抵抗８には電流は流れない。クランプコンデンサ６の残留電荷を早く放電させるためには、抵抗８の抵抗値ＲＦを小さくすれば良いように思われるが必ずしもそうとは限らない。以下、図３に示す充電経路説明図を参照してこの理由を説明する。
【００２２】
ヒューズ３が溶断した直後のコンデンサ電圧について考えると、通常は平滑コンデンサ２の電圧＞クランプコンデンサ６の電圧になっているので、クランプコンデンサ６は図３に示す様に、平滑コンデンサ２及び抵抗８を介する経路で再度充電されることになる。また、前述の説明においてはスイッチング素子４Ａまたは４Ｂの故障形態をオープン故障と想定したが、スイッチング素子４Ａ及び４Ｂが共に短絡となる故障形態も考えられる。その場合には、平滑コンデンサ２の残留電荷が抵抗８にも流れ込むので、抵抗８の瞬時的な許容電力に影響を及ぼす。従って、抵抗７の抵抗値ＲＤは抵抗８の抵抗値ＲＦより小さくしておくことが望ましい。
【００２３】
次に抵抗８の耐圧について考える。ヒューズ３が溶断する際にはヒューズ３の端子間に過渡的にアーク電圧が発生する。このアーク電圧は回路条件にもよるが、最大で定格電圧の２倍に到達する。従って抵抗８の極間耐圧はヒューズ３のアーク電圧以上に選定しておく必要がある。
【００２４】
尚、スイッチングレグが複数組あり、各々のスイッチングレグにクランプコンデンサが並列接続されている場合についても上記と同様の考え方によって抵抗８を選定する。この場合には各々のクランプコンデンサの静電容量の和を上記計算に使用すれば良い。
【実施例２】
【００２５】
図４は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、直流電源１Ａを３レベル出力となるようにした点、これに伴い、平滑コンデンサ及び放電用の抵抗を、正側の平滑コンデンサ２Ａ及び抵抗７Ａ、負側の平滑コンデンサ２Ｂ及び抵抗７Ｂと２組設けるようにした点、またヒューズ及びヒューズに並列接続する放電用の抵抗を、正側直流母線に直列にヒューズ３Ａ及び抵抗８Ａ、負側直流母線に直列にヒューズ３Ｂ及び抵抗８Ｂと２組設けるようにした点、スイッチングレグの中間部に逆並列に還流ダイオード５Ｃを接続したスイッチング素子４Ｃと逆並列に還流ダイオード５Ｄを接続したスイッチング素子４Ｄの直列接続体を挿入し、その両端をクランプダイオード９Ａ及び９Ｂで夫々０電位にクランプするように接続した点、更にクランプコンデンサ６Ａ及び６Ｂの直列回路をスイッチングレグと並列に接続し、その中点を０電位母線に接続する構成とした点である。
【００２６】
即ち、図１の２レベルインバータ装置を３レベルインバータ装置に変更したのが図４の回路構成図である。ただし、図４においても図１と同様に簡単のためスイッチングレグは１組のみを図示している。
【００２７】
図４において、運転中にスイッチング素子４Ａまたは４Ｃが異常となって正側の直流短絡故障が発生してヒューズ３Ａが溶断した場合を想定する。この場合も図示しないインバータの制御装置は、直流短絡故障を検知して運転を停止する。運転が停止されると、平滑コンデンサ２Ａに蓄えられた電荷は抵抗７Ａを介して放電される。そして、仮にスイッチング素子４Ａまたは４Ｃが開放状態となった場合でも、クランプコンデンサ６Ａの残留電荷は、抵抗８Ａ及び平滑コンデンサ２Ａを介して放電することが可能となる。
【００２８】
同様に、スイッチング素子４Ｄまたは４Ｂが異常となって負側の直流短絡故障が発生してヒューズ３Ｂが溶断した場合を想定する。この場合も図示しないインバータの制御装置は、直流短絡故障を検知して運転を停止する。運転が停止されると、平滑コンデンサ２Ｂに蓄えられた電荷は抵抗７Ｂを介して放電される。そして、仮にスイッチング素子４Ｄまたは４Ｂが開放状態となった場合でも、クランプコンデンサ６Ｂの残留電荷は、抵抗８Ｂ及び平滑コンデンサ２Ｂを介して放電することが可能となる。
【００２９】
以上説明したように３レベルインバータ装置の場合も直流母線に設けられたヒューズに並列に抵抗を設けることによってクランプコンデンサの残留電荷を放電することが可能となる。
【００３０】
また、４レベル以上のインバータ装置の場合も同様の考え方によって直流母線に設けられたヒューズに並列に抵抗を接続すれば良い。
【００３１】
尚、以上の説明においてスイッチングレグを構成する複数個のスイッチング素子は各々が１個で構成される場合を説明したが、各々のスイッチング素子は複数個のスイッチング素子を並列接続したものでも良く、直列接続したものでも良く、また並列と直列を組み合わせたものであっても良いことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置を示す回路構成図。
【図２】実施例１におけるクランプコンデンサ電荷の放電経路説明図。
【図３】実施例１におけるクランプコンデンサ電荷の充電経路説明図。
【図４】本発明の実施例２に係る電力変換装置を示す回路構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１、１Ａ  直流電源
２、２Ａ、２Ｂ  平滑コンデンサ
３、３Ａ、３Ｂ  ヒューズ
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ  スイッチング素子
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ  還流ダイオード
６、６Ａ、６Ｂ  クランプコンデンサ
７、７Ａ、７Ｂ  抵抗
８、８Ａ、８Ｂ  抵抗
９Ａ、９Ｂ  クランプダイオード
【図１】
2007267435.tif 000003
【図２】
2007267435.tif 000004
【図３】
2007267435.tif 000005
【図４】
2007267435.tif 000006