(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流コンデンサと交流負荷の間に接続されて直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータ装置であって、
前記直流コンデンサの正負の直流端子間に第１のヒューズ、第１の半導体スイッチ、第２の半導体スイッチ、第２のヒューズがこの順に直列配列された半導体回路を複数備えて半導体回路群とし、半導体回路群を前記交流負荷の相数分備えたインバータ装置において、
前記半導体回路群を構成する複数の半導体回路内の第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチの接続点が共通に接続され、前記複数の半導体回路群の前記共通接続点が前記交流負荷の各相にそれぞれ接続され、
前記半導体回路群を構成する複数の半導体回路内の第１のヒューズと第１の半導体スイッチの接続点を共通に接続し、かつ前記複数の半導体回路内の第２のヒューズと第２の半導体スイッチの接続点を共通に接続したことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
２組のコンデンサが直列接続された直流コンデンサと交流負荷の間に接続され、複数の半導体回路群で構成されて直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータ装置であって、
前記直流コンデンサの正負の直流端子間に第１のヒューズ、第１の半導体スイッチ、第２の半導体スイッチ、第３の半導体スイッチ、第４の半導体スイッチ、第２のヒューズがこの順に直列配列され、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチの接続点と前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチの接続点との間に第1のダイオードと第２のダイオードの直列回路を接続し、前記第1のダイオードと前記第２のダイオードの接続点と前記直流コンデンサの２組のコンデンサの接続点の間が第３のヒューズを介して接続されて構成された半導体回路を複数備えて半導体回路群とし、半導体回路群を前記交流負荷の相数分備えたインバータ装置において、
前記各半導体回路群を構成する複数の半導体回路内の第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチの接続点が共通に接続され、前記複数の半導体回路群の前記共通接続点が前記交流負荷の各相にそれぞれ接続され、
前記複数の半導体群の全ての半導体回路内の、前記直流コンデンサの２組のコンデンサと第３のヒューズの接続点の間が共通に接続され、
前記各半導体回路群を構成する複数の半導体回路内の第１のヒューズと第１の半導体スイッチの接続点を共通に接続し、前記各半導体回路群を構成する複数の半導体回路内の第２のヒューズと第４の半導体スイッチの接続点を共通に接続し、かつ前記各半導体回路群を構成する複数の半導体回路内の前記第1のダイオードと前記第２のダイオードの接続点を共通に接続したことを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のインバータ装置において、
前記半導体回路内のヒューズと半導体スイッチの接続点に、接続ブスを接続するための端子を備えることを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスイッチング素子を並列接続して構成されるインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力変換器を構成するスイッチング素子の定格電流が不足する場合には、複数のスイッチング素子を並列接続して電力変換器を構成する技術が公知である。〔特許文献１〕では、スイッチング素子とヒューズを直列接続したものを複数の並列接続し、これを１アーム構成として、６アーム分用いることにより構成した３相インバータについて記載されている。このように構成することにより、１素子では不足する定格電流を大きくすることができる上、素子故障時にはヒューズによって１素子ずつ主回路から切離すことができるため、故障時の破損部分を最小限にとどめるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１６０２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高圧大容量のインバータ装置においては、スイッチング素子が故障した場合に、短絡電流が流れる対アームのスイッチング素子が破損する前にヒューズを溶断することは、ヒューズの性能上難しくなっている。したがって、複数が並列接続されるスイッチング素子のうち一つが故障した場合には、該故障素子に接続されるヒューズが溶断する前に、短絡電流により対アームの複数のスイッチング素子が破損する場合がある。このとき、対アームに接続される複数のヒューズには短絡電流が分流して流れるため、各ヒューズは溶断せずに残ってしまう。その後破損した対アームのスイッチング素子と他相のダイオード素子を通して負荷短絡が発生し、故障を拡大してしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、複数のスイッチング素子を並列接続して構成されたインバータ装置において、スイッチング素子の故障時に短絡電流によって溶断する複数のヒューズの溶断タイミングを揃えて負荷短絡によって流れる電流を低減し、被害の拡大を防止して、故障箇所を少なくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、直列に接続した半導体スイッチと正負の直流端子にそれぞれヒューズを備えるとともに半導体スイッチの相互接続点を交流端子として備えた半導体ユニットを各相に複数備え、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータ装置において、正負の直流端子はそれぞれ相互に並列接続されて直流コンデンサに接続されるとともに、各半導体ユニット内の正負のヒューズと半導体スイッチの接続点はそれぞれ相互に並列接続することにより、一つのスイッチング素子が故障した場合に正負のヒューズに流れる電流を均等化するようにしているものである。
【０００７】
また、上記目的を達成するために、本発明では、直列に接続した４つの半導体スイッチと直列接続した２つのダイオードと正負および中性点の直流端子にそれぞれヒューズを備える半導体ユニットを各相に複数備え、直流電力と交流電力とを相互に変換する中性点クランプ型３レベルインバータ装置において、正負および中性点の直流端子はそれぞれ相互に並列接続されて直流コンデンサに接続されるとともに、各半導体ユニット内の正負および中性点のヒューズと半導体スイッチの接続点はそれぞれ相互に並列接続することにより、一つのスイッチング素子が故障した場合に正負のヒューズに流れる電流を均等化するようにしているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のインバータ装置によれば、一つのスイッチング素子が故障した場合にも、故障相の正負全てのヒューズがほぼ同時に溶断することによって、負荷短絡を防止することができるので、被害の拡大を防止して、故障箇所を少なくすることが実現出来る。
【０００９】
また、本発明のインバータ装置によれば、中性点クランプ型３レベルインバータ装置の、一つのスイッチング素子が故障した場合にも、故障相の正負全てのヒューズがほぼ同時に溶断することによって、負荷短絡を防止することができるので、被害の拡大を防止して、故障箇所を少なくすることが実現出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるインバータ装置を示す回路図である。図１において、インバータ装置では、入力端子１１より交流電力を入力し、整流器１２でこれを直流電力に変換して、平滑コンデンサ１３で平滑化する。得られる直流電力を、インバータ回路１４でスイッチングすることにより交流電力に変換し、負荷１６に交流電力を供給する。
【００１２】
インバータ回路１４は、６つの半導体ユニット１５を備え、各々の半導体ユニット１５は、直列接続した２つのスイッチング素子２１，２２を備え、第１のスイッチング素子２１は正側ヒューズ３１を介して３相インバータ回路１４の正極母線に、第２のスイッチング素子２２は負側ヒューズ３２を介して３相インバータ回路１４の負極母線に接続される。また、２つの半導体ユニット１５を一組として、それぞれの第１および第２のスイッチング素子の接続点を相互に接続し、１つの相の交流出力端子として負荷１６に接続される。
【００１３】
このようにインバータ回路１４を複数の半導体ユニット１５を並列接続することにより、スイッチング素子の定格電流を超える容量のインバータ装置を構成できるので、大容量の負荷に対応させることができる。また半導体ユニットの並列数を、２並列，３並列，…と変えることにより、様々な容量のインバータ装置を、共通の部品を用いて提供することができる。
【００１４】
さらに、本実施形態においては、一つの相を構成する２つの半導体ユニット１５におけるヒューズとスイッチング素子の接続点を、接続ブス４１，４２によって相互に接続している。
【００１５】
以下、接続ブス４１，４２を備える理由について、接続ブスが無い場合と比較して詳細に説明する。
【００１６】
図２は接続ブスが無い場合に、スイッチング素子が１つ故障した時の動作の説明図である。簡単のためインバータ回路のうち２相分のみを抜き出し、図１と同一部分には同一符号を付している。半導体ユニット１４ａと１４ｂを並列接続して一方の相を構成し、もう一方の相を半導体ユニット１４ａと１４ｂを並列接続して構成している。また負荷１６は、内部起電力１６１とインダクタンス１６２で構成されているものとする。図２（ａ）〜図２（ｄ）は時間の経過とともに変化する動作を示している。
【００１７】
図２（ａ）において、８つのスイッチング素子のうちスイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２１ｃ，２１ｄがオンしているものとする。ここでスイッチング素子２１ａが何らかの理由で短絡故障したとすると、故障したスイッチング素子２１ａとオンしているスイッチング素子２２ａ，２２ｂを通して直流短絡が発生する。
【００１８】
すると図２（ｂ）のように、過大な短絡電流によってスイッチング素子２２ａ，２２ｂが故障するとともに、ヒューズ３１ａが溶断する。ヒューズ３１ａの溶断が早ければ、スイッチング素子２２ａ，２２ｂは故障しなくて済むが、一般に高圧大容量用のヒューズは即断特性を持たせることが困難なため、直流短絡時はスイッチング素子を故障に至る前に保護することは難しい。また、ヒューズ３２ａ，３２ｂは、短絡電流が分流されるために、ヒューズ３１ａに比べ流れる電流が小さいため溶断が遅れ、ヒューズ３１ａが溶断することにより短絡電流が遮断されるため、ヒューズ３２ａ，３２ｂは溶断せずに残ってしまう。
【００１９】
次に、図２（ｃ）のように、あとから故障したスイッチング素子２２ａ，２２ｂと他相のスイッチング素子２２ｃ，２２ｄのダイオードを通して負荷短絡が発生し、直流短絡電流と負荷短絡電流の積算によって、ヒューズ３２ａ，３２ｂが溶断する。このとき、負荷短絡電流が大きいと、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄが故障するおそれがある。
【００２０】
さらに、負荷短絡電流が大きいと、負荷インダクタンス１６２の蓄積エネルギーが大きくなるため、図２（ｄ）のようにスイッチング素子２１ｂのダイオードを通して平滑コンデンサ１３を過充電し、直流過電圧となるおそれがある。
【００２１】
これに対し、接続ブスを備える場合の動作について図３を用いて説明する。図３も図２と同様に、インバータ回路の２相分を抜き出したものであり、図２と異なり、接続ブス４１ａ，４２ａ，４１ｃ，４２ｃを備えた構成になっている。図３（ａ）において、スイッチング素子２１ａが何らかの理由で短絡故障したとすると、故障したスイッチング素子２１ａとオンしているスイッチング素子２２ａ，２２ｂを通して直流短絡が発生する。
【００２２】
すると図３（ｂ）のように、短絡電流によってスイッチング素子２２ａ，２２ｂが故障するが、ヒューズに対しては、接続ブス４１ａの働きにより、短絡電流がヒューズ３１ａ，３１ｂに分流するため、ヒューズ３２ａ，３２ｂと同等の電流となり、上記４つのヒューズはほぼ同時に溶断する。すると図３（ｃ）のように全ての電流経路が遮断され、これ以上の波及は発生しない。
【００２３】
上記４つのヒューズは、厳密には時間差を持って溶断することにはなるが、短絡電流をできるだけ均等に流し、溶断までの時間差を小さくすることによって、負荷短絡の継続時間を短くできるので、他相への負荷短絡電流の回り込みや、その後の直流電圧上昇を小さく抑えることができる。
【００２４】
図１の実施形態では半導体ユニット１５の内部にヒューズ３１，３２を備える構成としているが、図４のように半導体ユニット１５にはヒューズを含まず、半導体ユニット１５とインバータ回路１４の正負の母線とを、ヒューズ３１，３２を介して接続する構造とし、半導体ユニット１５とヒューズ３１，３２の接続点に、相ごとに接続ブス４１，４２を設けることもできる。
【００２５】
また、図１の実施形態では半導体ユニットを１相あたり２並列としているが、３並列以上の場合でも、ヒューズとスイッチング素子の接続点を、相ごとに相互に接続することにより同様の効果を得られる。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、半導体ユニットを並列接続して構成されるインバータ装置において、一つのスイッチング素子が故障した場合に故障部分を確実に回路から切離すことができるので、故障箇所を少なく抑えることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態によるインバータ装置を示す回路図である。図１と同一の構成部材については同一の記号を付す。図１と異なるのは、インバータ回路１４として、大容量変換器に好適な中性点クランプ型３レベルインバータを用いている点である。
【００２８】
図５において、半導体ユニット１５は、直列接続した４つのスイッチング素子２１〜２４と、直列接続した２つのダイオード２５，２６を備え、第１のスイッチング素子２１は正側ヒューズ３１を介して３相インバータ回路１４の正極母線に、第４のスイッチング素子２４は負側ヒューズ３３を介して３相インバータ回路１４の負極母線に接続される。
【００２９】
第１のスイッチング素子２１と第２のスイッチング素子２２の相互接続点は、第１のダイオード２５に接続され、第３のスイッチング素子２３と第４のスイッチング素子２４の相互接続点は、第２のダイオード２６に接続され、第１のダイオード２５と第２のダイオード２６の相互接続点は、中間ヒューズ３２を介して３相インバータ回路１４の中性点母線に接続される。また、２つの半導体ユニット１５を一組として、それぞれの第２および第３のスイッチング素子の接続点を相互に接続し、１つの相の交流出力端子として負荷１６に接続される。
【００３０】
さらに、本実施形態においては、一つの相を構成する２つの半導体ユニット１５におけるヒューズとスイッチング素子の接続点を、接続ブス４１，４２，４３によって相互に接続している。
【００３１】
本実施形態において、１つのスイッチング素子が故障した場合の動作は、第１の実施形態の場合と同様であり、故障によって発生する短絡電流を、接続ブスの働きにより複数のヒューズに均等に分流させることにより、故障相に接続される複数のヒューズの溶断までの時間差を小さくすることによって、負荷短絡の継続時間を短くできるので、他相への負荷短絡電流の回り込みや、その後の直流電圧上昇を小さく抑えることができる。
【００３２】
図５の実施形態では半導体ユニット１５の内部にヒューズを備える構成としているが、半導体ユニット１５とインバータ回路１４の正負中間の母線とを、ヒューズを介して接続する構造とし、半導体ユニットの接続点に、相毎に接続ブスを設けることもできるし、３並列以上の場合でも、ヒューズとスイッチング素子の接続点を、相毎に相互に接続することにより同様の効果を得られるのは、第１の実施形態と同様である。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、半導体ユニットを並列接続して構成される中性点クランプ型３レベルインバータにおいて、一つのスイッチング素子が故障した場合に故障部分を確実に回路から切離すことができるので、故障箇所を少なく抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、スイッチング素子を並列接続して得られる大容量の電力変換器が必要とされる、産業用ドライブ分野や、電力用変換器を用いる分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるインバータ装置を示す回路図。
【図２】接続ブスを備えないインバータ回路の動作を説明する図。
【図３】接続ブスを備えるインバータ回路の動作を説明する図。
【図４】本発明の第１の実施の形態による別のインバータ装置を示す回路図。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるインバータ装置を示す回路図。
【符号の説明】
【００３６】
１１  入力交流電源端子
１２  整流器
１３  平滑コンデンサ
１４  インバータ回路
１５  半導体ユニット
１６  負荷
２１〜２４  スイッチング素子
２５，２６  ダイオード
３１〜３３  ヒューズ
４１〜４３  接続ブス
【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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