(57)【要約】【課題】  インバータユニットの保護用ヒューズに小型で低価格のものを適用可能とし、これによって装置全体の小型化及び低コスト化を図ること。【解決手段】  インバータユニット保護用のヒューズ１４ａ，１４ｂを、直流母線１１，１２と単位インバータユニット１３ａ，１３ｂとの間に接続し、例えば単位インバータユニット１３ｂの半導体スタック１７ｂにおいて短絡事故が発生した際に、各ヒューズ１４ａ，１４ｂに印加される電圧Ｖｆが、一方のコンデンサ１６ａの電圧Ｅｄ０と他方のコンデンサ１６ｂの電圧Ｅｄ１との差分となり、更に直列接続された２つのヒューズ１４ａ，１４ｂで２分されるようにした。つまり、各ヒューズ１４ａ，１４ｂへの印加電圧Ｖｆを、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２と軽減し、ヒューズ１４ａ，１４ｂにとっての電圧耐力を小さくし、低い定格電圧のヒューズで済むようにした。【選択図】      図１
2007074823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流線路からの電圧をコンデンサに充電し、この充電電圧で少なくとも１つの半導体素子を制御して負荷装置に給電を行う単位インバータユニットを複数個、その直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、
前記複数の単位インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続した
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流線路からの電圧をコンデンサに充電し、この充電電圧で少なくとも１つの半導体素子を制御して負荷装置に給電を行う単相インバータユニットを複数個、その直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、
前記複数の単相インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続した
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
三線式の直流線路からの電圧を複数のコンデンサに充電し、周波数及び電圧の変換制御が可能に組み合わされた複数の半導体素子をその充電電圧で制御し、この制御により負荷装置に給電を行う３レベル単位インバータユニットを複数個、前記直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、
前記複数の３レベル単位インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続した
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
三線式の直流線路からの電圧を複数のコンデンサに充電し、周波数及び電圧の変換制御が可能に組み合わされた複数の半導体素子をその充電電圧で制御し、この制御により負荷装置に給電を行う３レベル単相インバータユニットを複数個、前記直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、
前記複数の３レベル単相インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続した
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各々がコンデンサと半導体スタックを備えてなる複数のインバータユニットを直流母線に並列接続して構成される電力変換装置に関し、特に、インバータユニット内の半導体素子や、電力変換装置からの変換電力が供給される負荷装置が短絡した際に、電流が連続で流れてしまう続流電流を遮断するために保護用ヒューズが適用された電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に、従来の電力変換装置の回路構成図を示し、その説明を行う。この電力変換装置５０は、直流電流が流れる正側直流母線５１と負側直流母線５２とに２つの単相インバータユニット５４ａ，５４ｂが並列接続されて構成されている。各々の単相インバータユニット５４ａ，５４ｂに電動機などの負荷装置１０１ａ，１０１ｂが接続されている。
単相インバータユニット５４ａ，５４ｂは、一方を代表して説明すると、各直流母線５１，５２の間にコンデンサ５５ａが接続されると共に、複数のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)がブリッジ接続されてなる半導体スタック５６ａが接続され、更に、コンデンサ５５ａと半導体スタック５６ａとの間に保護用のヒューズ５７ａが接続されて構成されている。
【０００３】
各ヒューズ５７ａ，５７ｂは、各単相インバータユニット５４ａ，５４ｂ内の電気的な素子であるコンデンサ５５ａ，５５ｂ及び半導体スタック５６ａ，５６ｂや、負荷装置１０１ａ，１０１ｂで短絡故障が発生した際に、続流電流を遮断するために設けられている。
このようなユニット保護用のヒューズが設けられえた電力変換装置として、例えば特許文献１及び２に記載のものがある。
【特許文献１】特開２０００−１５２６０４号公報
【特許文献２】特開２００１−５７７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の電力変換装置においては、半導体スタック内で短絡が発生した場合、例えば半導体スタック５６ｂで短絡が発生した場合、図９に示すように、各コンデンサ５５ａ，５５ｂの直流電圧Ｅｄ０，Ｅｄ１が同電位であるため、１つのヒューズ５７ｂにその直流電圧Ｅｄ１が、そのままヒューズ印加電圧Ｖｆとして印加される。このためヒューズ５７ｂにとっては電圧耐力が大きくなるので、印加電圧Ｅｄ１に対応した高い定格電圧のヒューズを用いなければならない。このようなヒューズはサイズが大きく価格が高いので、その分、電力変換装置も大型でコスト高となる問題があった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、インバータユニットの保護用ヒューズに小型で低価格のものを適用可能とし、これによって装置全体の小型化及び低コスト化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による電力変換装置は、直流線路からの電圧をコンデンサに充電し、この充電電圧で少なくとも１つの半導体素子を制御して負荷装置に給電を行う単位インバータユニットを複数個、その直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、前記複数の単位インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続したことを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、複数の単位インバータユニットが例えば２つである場合に、一方の単位インバータユニットの半導体素子が短絡した際に、この単位インバータユニットに接続されたヒューズに直流線路から過電流が流れるとヒューズが溶断され、この位置で過電流が遮断され、これによって単位インバータユニットが過電流による破損から保護される。このように半導体素子が短絡した場合、直流線路と２つの単位インバータユニットの個々との間に２つのヒューズが直列に接続されているので、２つの単位インバータユニットのコンデンサ間に、２つのヒューズが直流線路を介して直列接続された状態となる。このような回路の場合、２つのヒューズに印加される電圧Ｖｆは、一方の単位インバータユニットのコンデンサの電圧Ｅｄ０と他方のコンデンサの電圧Ｅｄ１との差分となり、更に直列接続された２つのヒューズで２分される。つまり、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２となる。つまり、各ヒューズへの印加電圧Ｖｆを、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２と軽減することができる。従って、ヒューズにとっての電圧耐力が小さいので低い定格電圧のヒューズで済む。言い換えれば小型で低価格なヒューズを用いればよい。
【０００７】
また、本発明の請求項２による電力変換装置は、直流線路からの電圧をコンデンサに充電し、この充電電圧で少なくとも１つの半導体素子を制御して負荷装置に給電を行う単相インバータユニットを複数個、その直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、前記複数の単相インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続したことを特徴とする。
この構成においても、上記同様に、各ヒューズへの印加電圧を軽減することができるので、定格電圧の低い、小型で低価格なヒューズを用いることができる。
【０００８】
また、本発明の請求項３による電力変換装置は、単相三線式の直流線路からの電圧を複数のコンデンサに充電し、周波数及び電圧の変換制御が可能に組み合わされた複数の半導体素子をその充電電圧で制御し、この制御により負荷装置に給電を行う３レベル単位インバータユニットを複数個、前記直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、前記複数の３レベル単位インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続したことを特徴とする。
この構成においても、上記同様に、各ヒューズへの印加電圧を軽減することができるので、定格電圧の低い、小型で低価格なヒューズを用いることができる。
【０００９】
また、本発明の請求項４による電力変換装置は、三線式の直流線路からの電圧を複数のコンデンサに充電し、周波数及び電圧の変換制御が可能に組み合わされた複数の半導体素子をその充電電圧で制御し、この制御により負荷装置に給電を行う３レベル単相インバータユニットを複数個、前記直流線路に並列接続してなる電力変換装置において、前記複数の３レベル単相インバータユニットの個々と前記直流線路との間にヒューズを接続したことを特徴とする。
この構成においても、上記同様に、各ヒューズへの印加電圧を軽減することができるので、定格電圧の低い、小型で低価格なヒューズを用いることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本発明の電力変換装置によれば、インバータユニットの保護用ヒューズに小型で低価格のものを適用可能とし、これによって装置全体の小型化及び低コスト化を図ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。
図１に示す電力変換装置１０は、直流電流が流れる正側直流母線１１と負側直流母線１２とに、正側直流母線１１にインバータユニット保護用のヒューズ１４ａ，１４ｂを介して２つの単位インバータユニット１３ａ，１３ｂが並列接続されて構成されている。各々の単位インバータユニット１３ａ，１３ｂには電動機などの負荷装置１０１が接続されている。
【００１２】
単位インバータユニット１３ａ，１３ｂは、一方を代表して説明すると、各直流母線１１，１２の間に、正側直流母線１１側に接続されたヒューズ１４ａを介してコンデンサ１６ａが接続されると共に、半導体スタック１７ａが接続されて構成されている。半導体スタック１７ａの内部は、図２に示すように、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴが直列に接続されて構成され、それらＩＧＢＴ間に負荷装置１０１が接続されている。
【００１３】
このような構成の電力変換装置１０において、通常時は、各直流母線１１，１２を流れる電流がヒューズ１４ａ，１４ｂを介してコンデンサ１６ａ，１６ｂに流れ込んで電荷が充電され、この充電電圧に応じた半導体スタック１７ａ，１７ｂのスイッチングにより得られる電圧が負荷装置１０１に供給される。
ここで、例えば単位インバータユニット１３ｂの半導体スタック１７ｂにおいて短絡事故が発生したとする。
【００１４】
この場合、図３に示すように、各ヒューズ１４ａ，１４ｂが２つの単位インバータユニット１３ａ，１３ｂのコンデンサ１６ａ，１６ｂ間に直列に接続されているので、各ヒューズ１４ａ，１４ｂに印加される電圧Ｖｆは、一方のコンデンサ１６ａの電圧Ｅｄ０と他方のコンデンサ１６ｂの電圧Ｅｄ１との差分となり、更に直列接続された２つのヒューズ１４ａ，１４ｂで２分される。つまり、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２となる。
ここでは、半導体スタック１７ｂにおいて短絡事故が発生した場合について説明したが、負荷装置１０１において短絡事故が発生した場合でも同様である。
【００１５】
このような構成の第１の実施の形態の電力変換装置１０によれば、インバータユニット保護用のヒューズ１４ａ，１４ｂを、直流母線１１，１２と単位インバータユニット１３ａ，１３ｂとの間に接続することによって、各ヒューズ１４ａ，１４ｂへの印加電圧Ｖｆを、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２と軽減することができる。従って、ヒューズ１４ａ，１４ｂにとっての電圧耐力が小さいので低い定格電圧のヒューズで済む。このようなヒューズは小型で低価格なので、その分、電力変換装置１０を小型で低コストとすることができる。
【００１６】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。
図４に示す電力変換装置３０が、図８に示した従来の電力変換装置５０と異なる点は、従来では単相インバータユニット５４ａ，５４ｂ内にヒューズ５７ａ，５７ｂを用いていたが、本実施の形態では、内部にヒューズを用いずコンデンサ５５ａ，５５ｂと半導体スタック５６ａ，５６ｂとを直接接続して単相インバータユニット３１ａ，３１ｂを構成し、各単相インバータユニット３１ａ，３１ｂと正側直流母線１１との間にヒューズ３２ａ，３２ｂを接続したことにある。
【００１７】
単相インバータユニット３１ａ，３１ｂは、図５に一方３１ａを代表して示すように、半導体スタック５６ａの内部が、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴが直列に接続され、この回路が各直流母線５１，５２の間にヒューズ３２ａを介して２段に接続されて構成され、これらの直列接続されたＩＧＢＴ間に負荷装置１０１が接続されている。
なお、単相インバータユニット３１ａ，３１ｂは直列接続されたＩＧＢＴが２段接続されて構成されているが、図２に示した単位インバータユニット１３ａ，１３ｂは、直列接続されたＩＧＢＴが１段接続されて構成されている。
【００１８】
このような構成の電力変換装置３０において、通常時は、各直流母線５１，５２を流れる電流がヒューズ３２ａ，３２ｂを介してコンデンサ５５ａ，５５ｂに流れ込んで電荷が充電され、この充電電圧に応じた半導体スタック５６ａ，５６ｂのスイッチングにより得られる電圧が負荷装置１０１ａ，１０１ｂに供給される。
ここで、例えば単相インバータユニット５４ｂの半導体スタック５６ｂにおいて短絡事故が発生したとする。
【００１９】
この場合も、上述で図３を参照して説明したと同様に、各ヒューズ３２ａ，３２ｂが２つの単相インバータユニット３１ａ，３１ｂのコンデンサ５５ａ，５５ｂ間に直列に接続されているので、各ヒューズ３２ａ，３２ｂに印加される電圧Ｖｆは、一方のコンデンサ５５ａの電圧Ｅｄ０と他方のコンデンサ５５ｂの電圧Ｅｄ１との差分となり、更に直列接続された２つのヒューズ３２ａ，３２ｂで２分される。つまり、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２となる。
ここでは、半導体スタック５６ｂにおいて短絡事故が発生した場合について説明したが、負荷装置１０１ｂ又は１０１ａにおいて短絡事故が発生した場合でも同様である。
【００２０】
このような構成の第２の実施の形態の電力変換装置３０によれば、インバータユニット保護用のヒューズ３２ａ，３２ｂを、直流母線５１，５２と単相インバータユニット３１ａ，３１ｂとの間に接続することによって、各ヒューズ３２ａ，３２ｂへの印加電圧Ｖｆを、Ｖｆ＝（Ｅｄ０−Ｅｄ１）／２と軽減することができる。従って、ヒューズ３２ａ，３２ｂにとっての電圧耐力が小さいので低い定格電圧のヒューズで済む。このようなヒューズは小型で低価格なので、その分、電力変換装置３０を小型で低コストとすることができる。
【００２１】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。
図６に示す電力変換装置４０は、直流単相三線式の正側直流母線４１ａ、中性線４１ｂ及び負側直流母線４１ｃに、インバータユニット保護用の正側ヒューズ４２ａ、４２ｂ，４２ｃと負側ヒューズ４３ａ、４３，４３ｃとを介して３つの３レベル単相インバータユニット４５ａ，４５ｂ，４５ｃが並列接続され構成されている。各々の３レベル単相インバータユニット４５ａ，４５ｂ，４５ｃには電動機１０２が接続されている。
【００２２】
３レベル単相インバータユニット４５ａ，４５ｂ，４５ｃは、この内１つであるユニット４５ａを代表して説明すると、正側直流母線４１ａと中性線４１ｂとの間に正側ヒューズ４２ａを介してコンデンサ４６ａが接続され、中性線４１ｂと負側直流母線４１ｃとの間に負側ヒューズ４３ａを介してコンデンサ４７ａが接続され、更に、複数のダイオードと複数のＩＧＢＴを組み合わせて成る半導体スタック４８ａが接続されて構成されている。
【００２３】
このような構成の電力変換装置４０において、通常時は、３レベル単相インバータユニット４５ａにおいては、単相三線式直流母線４１ａ，４１ｂ，４１ｃを流れる電流がヒューズ４２ａ，４３ａを介してコンデンサ４６ａ，４７ａに流れ込んで電荷が充電され、この充電電圧に応じた半導体スタック４８ａの各スイッチング素子のスイッチング動作によって所定周波数の電圧が電動機１０２に供給される。他の３レベル単相インバータユニット４５ｂ，４５ｃにおいても同様に電圧が供給され、これによって電動機１０２が所定回転数で回転する。
【００２４】
ここで、例えば３レベル単相インバータユニット４５ｃの半導体スタック４８ｃ内の正側直流母線４１ａと中性線４１ｂとの間で短絡事故が発生したとする。
正側ヒューズ４２ａ又は４２ｂと、正側ヒューズ４２ｃとに印加される電圧ＶｆＰは、正側コンデンサ４６ａ又は４６ｂの電圧Ｅｄ０Ｐと、正側コンデンサ４６ｃの電圧Ｅｄ１Ｐとの差分となり、更に正側ヒューズ４２ａ又は４２ｂと、正側ヒューズ４２ｃとで２分される。つまり、ＶｆＰ＝（Ｅｄ０Ｐ−Ｅｄ１Ｐ）／２となる。
【００２５】
また、半導体スタック４８ｃ内の中性線４１ｂと負側直流母線４１ｃとの間で短絡事故が発生した場合は、負側ヒューズ４３ａ又は４３ｂと、負側ヒューズ４３ｃとに印加される電圧ＶｆＮは、負側コンデンサ４７ａ又は４７ｂの電圧Ｅｄ０Ｎと、負側コンデンサ４７ｃの電圧Ｅｄ１Ｎとの差分となり、更に負側ヒューズ４３ａ又は４３ｂと、負側ヒューズ４３ｃとで２分される。つまり、ＶｆＮ＝（Ｅｄ０Ｎ−Ｅｄ１Ｎ）／２となる。
ここでは、半導体スタック４８ｃにおいて短絡事故が発生した場合について説明したが、電動機１０２において短絡事故が発生した場合でも同様である。
【００２６】
このような構成の第３の実施の形態の電力変換装置４０によれば、インバータユニット保護用の正側ヒューズ４２ａ、４２ｂ，４２ｃと負側ヒューズ４３ａ、４３，４３ｃとを、単相三線式直流母線４１ａ，４１ｂ，４１ｃと３レベル単相インバータユニット４５ａ，４５ｂ，４５ｃとの間に接続することによって、正側ヒューズ４２ａ、４２ｂ，４２ｃ又は負側ヒューズ４３ａ、４３，４３ｃへの印加電圧ＶｆＰ又はＶｆＮを、ＶｆＰ＝（Ｅｄ０Ｐ−Ｅｄ１Ｐ）／２又はＶｆＮ＝（Ｅｄ０Ｎ−Ｅｄ１Ｎ）／２と軽減することができる。従って、正側ヒューズ４２ａ、４２ｂ，４２ｃ又は負側ヒューズ４３ａ、４３，４３ｃにとっての電圧耐力が小さいので低い定格電圧のヒューズで済む。このようなヒューズは小型で低価格なので、その分、電力変換装置４０を小型で低コストとすることができる。
また、第３の実施の形態において、図６に示した３レベル単相インバータユニット４５ａ，４５ｂ，４５ｃの各々を、図７に示す３レベル単位インバータユニット７０に置き換えても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。
【図２】単位インバータユニットの回路構成図である。
【図３】本実施の形態に係る電力変換装置の半導体スタック短絡時のヒューズへの印加電圧の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。
【図５】単相インバータユニットの回路構成図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の回路構成図である。
【図７】３レベル単位インバータユニットの回路構成図である。
【図８】従来の電力変換装置の回路構成図である。
【図９】従来の電力変換装置の半導体スタック短絡時のヒューズへの印加電圧の説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０，２０，４０  電力変換装置
１１，５１，４１ａ  正側直流母線
１２，５２，４１ｃ  負側直流母線
１３ａ，１３ｂ  単位インバータユニット
３１ａ，３１ｂ  単相インバータユニット
１４ａ，１４ｂ３２ａ，３２ｂ  ヒューズ
１６ａ，１６ｂ，５５ａ，５５ｂ  コンデンサ
１７ａ，１７ｂ，５６ａ，５６ｂ，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ  半導体スタック
４１ｂ  中性線
４２ａ、４２ｂ，４２ｃ  正側ヒューズ
４３ａ、４３，４３ｃ  負側ヒューズ
４５ａ，４５ｂ，４５ｃｂ  ３レベル単相インバータユニット
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ  正側コンデンサ
４７ａ，４７ｂ，４７ｃ  負側コンデンサ
７０  ３レベル単位インバータユニット
１０１，１０１ａ，１０１ｂ  負荷装置
１０２  電動機
【図１】
2007074823.tif 000003
【図２】
2007074823.tif 000004
【図３】
2007074823.tif 000005
【図４】
2007074823.tif 000006
【図５】
2007074823.tif 000007
【図６】
2007074823.tif 000008
【図７】
2007074823.tif 000009
【図８】
2007074823.tif 000010
【図９】
2007074823.tif 000011