CN111264023A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

电力转换装置具备转换器(2R)、第1电容器(C1R)和第2电容器(C2R)。第1电容器(C1R)连接在直流正母线(PL1)与直流中性点母线(NL1)之间。第2电容器(C2R)连接直流中性点母线(NL1)与直流负母线(CL1)之间。转换器(2R)还具备：二极管整流器(D1R、D2R)，其连接在交流电源(1)与直流正母线(PL1)及直流负母线(NL1)之间；以及第1交流开关(D3R～D6R、Q1R)，电连接在交流电源(1)与直流中性点母线(CL1)之间。还具备电连接在第1交流开关(D3R～D6R、Q1R)与第1及第2电容器的连接点之间的第1熔断器(FR)。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及电力转换装置。
背景技术
应用于不间断电源装置等的电力转换装置通常具备将来自商用交流电源的交流电力转换为直流电力的转换器、和将该直流电力转换为希望的频率及电压的交流电力的逆变器。
例如，在国际公开第2010/095241号(专利文献1)中，公开了一种由具备3电平转换器和3电平逆变器的电力转换装置构成的不间断电源装置。在该电力转换装置中，3电平转换器及3电平逆变器分别包括多个半导体开关元件。
在上述的电力转换装置中，在多个半导体开关元件的某个损坏而成为短路状态的情况下，有可能产生过电流或过电压。因此，在专利文献1中，在各半导体开关元件的一个端子与直流母线(直流正母线、直流负母线或直流中性点母线)之间连接着熔断器。由此，在某个半导体开关元件成为短路状态的情况下，熔断器熔断而电流流动的路径断开，所以能够防止过电流或过电压的产生。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2010/095241号
发明内容
发明要解决的课题
在上述专利文献1所记载的电力转换装置中，3电平转换器及3电平逆变器分别具有连接在第1半导体开关元件与直流正母线之间的第1熔断器、与第2半导体开关元件和直流负母线连接的第2熔断器、和连接在交流开关与直流中性点母线之间的第3熔断器。即，在各半导体开关元件的一个端子与各直流母线之间的电流路径中设有熔断器。因此，担心使用的熔断器的数量变多。另外，在专利文献1中，表示了对于3电平转换器及3电平逆变器分别使用9个熔断器的结构。如此熔断器的数量变多，则有可能导致电力转换装置的大型化及高成本化。
此外，在专利文献1中，由于熔断器的数量较多，所以当电力转换装置动作时，由全部的熔断器产生的电力损耗的合计大，结果有可能使电力转换装置的效率下降。
所以，本发明的目的是提供一种能够以简单的结构实现过电流及过电压的防止的电力转换装置。
用来解决课题的手段
有关本发明的电力转换装置具备直流正母线、直流负母线及直流中性点母线、转换器、第1电容器和第2电容器。转换器连接在交流电源与直流正母线、直流负母线及直流中性点母线之间，将从交流电源供给的交流电压转换为直流电压。第1电容器连接在直流正母线与直流中性点母线之间。第2电容器连接在直流中性点母线与直流负母线之间。转换器包括连接在交流电源与直流正母线及直流负母线之间的二极管整流器、以及电连接在交流电源与直流中性点母线之间的第1交流开关。电力转换器还具备电连接在第1交流开关与直流中性点母线之间的第1熔断器。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够以简单的结构实现过电流及过电压的防止的电力转换装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的电力转换装置100的主电路结构的概略框图。
图2是说明图1所示的单相转换器2R、2S、2T及单相逆变器3U、3V、3W的结构例的电路图。
图3是表示R相电压VR与IGBT元件Q1R的导通断开的关系的波形图。
图4是表示R相转换器的动作的电路图。
图5是表示在IGBT元件Q1S导通的期间中IGBT元件Q1R故障而成为短路状态的情况的图。
图6是表示U相电压VU与IGBT元件Q1U～Q4U的导通断开的关系的波形图。
图7是表示在IGBT元件Q1U、Q3V导通的期间中IGBT元件Q4U故障而成为短路状态的情况的图。
图8是表示在IGBT元件Q2U、Q4V导通的期间中IGBT元件Q3U故障而成为短路状态的情况的图。
图9是说明比较例的电力转换装置的结构的电路图。
图10是说明本发明的实施方式的变形例的电力转换装置的结构的电路图。
图11是表示在比较例的电力转换装置中IGBT元件故障而成为短路状态的情况的图。
图12是表示在本发明的实施方式的电力转换装置中IGBT元件故障而成为短路状态的情况的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。另外，以下对图中的相同或相当的部分赋予相同的标号，在原则上不重复其说明。
图1是表示本发明的实施方式的电力转换装置100的主电路结构的概略框图。本发明的实施方式的电力转换装置100例如被应用在不间断电源装置中。交流电源1将商用频率的三相交流电力向电力转换装置100供给。负载4由从电力转换装置100供给的商用频率的三相交流电力驱动。
参照图1，电力转换装置100具备并联连接在交流电源1与负载4之间的3台转换器单元U1～U3。电力转换装置100还具备配线WP1、WP2、WN1、WN2、WC1、WC2及控制电路7。电力转换装置100通过与直流正母线PL4、直流负母线NL4、直流中性点母线CL4、双向斩波器5及直流电源6连接，构成不间断电源装置。
第1转换器单元U1包括R相转换器2R、U相逆变器3U、直流正母线PL1、直流负母线NL1、直流中性点母线CL1及电容器C1R、C2R、C1U、C2U。
对于R相转换器2R，从交流电源1经由R相线路RL供给R相电压VR。R相转换器2R将R相电压VR转换为直流电压，经由直流母线PL1、CL1、NL1向U相逆变器3U供给该直流电压。U相逆变器3U将来自R相转换器2R的直流电压转换为U相电压VU。由U相逆变器3U生成的U相电压VU经由U相线路UL向负载4供给。电容器C1R(第1电容器)及C1U(第3电容器)并联地连接在直流正母线PL1及直流中性点母线CL1之间。电容器C2R(第2电容器)及C2U(第4电容器)并联地连接在直流中性点母线CL1及直流负母线NL1之间。
第2转换器单元U2包括S相转换器2S、V相逆变器3V、直流正母线PL2、直流负母线NL2、直流中性点母线CL2及电容器C1S、C2S、C1V、C2V。
对于S相转换器2S，从交流电源1经由S相线路SL供给S相电压VS。S相转换器2S将S相电压VS转换为直流电压，经由直流母线PL2、CL2、NL2向V相逆变器3V供给该直流电压。V相逆变器3V将来自S相转换器2S的直流电压转换为V相电压VV。由V相逆变器3V生成的V相电压VV经由V相线路VL向负载4供给。电容器C1S(第1电容器)、C1V(第3电容器)并联地连接在直流正母线PL2及直流中性点母线CL2之间。电容器C2S(第2电容器)、C2V(第4电容器)并联地连接在直流中性点母线CL2及直流负母线NL2之间。
第3转换器单元U3包括T相转换器2T、W相逆变器3W、直流正母线PL3、直流负母线NL3、直流中性点母线CL3及电容器C1T、C2T、C1W、C2W。
对于T相转换器2T，从交流电源1经由T相线路TL供给T相电压VT。T相转换器2T将T相电压VT转换为直流电压，经由直流母线PL3、CL3、NL3向W相逆变器3W供给该直流电压。W相逆变器3W将来自T相转换器2T的直流电压转换为W相电压VW。由W相逆变器3W生成的W相电压VW经由W相线路WL向负载4供给。电容器C1T(第1电容器)、C1W(第3电容器)并联地连接在直流正母线PL3及直流中性点母线CL3之间。电容器C2T(第2电容器)、C2W(第4电容器)并联地连接在直流中性点母线CL3及直流负母线NL3之间。
这样，转换器单元U1～U3分别构成为包括1台单相转换器、1台单相逆变器、3条直流母线(直流正母线、直流负母线、直流中性点母线)及4个电容器。
配线WP1、WN1、WC1设置在第1转换器单元U1及第2转换器单元U2之间。具体而言，配线WP1连接在直流正母线PL1及PL2之间。配线WN1连接在直流负母线NL1及NL2之间。配线WC1连接在直流中性点母线CL1及CL2之间。
配线WP2、WN2、WC2设置在第2转换器单元U2及第3转换器单元U3之间。具体而言，配线WP2连接在直流正母线PL2及PL3之间。配线WN2连接在直流负母线NL2及NL3之间。配线WC2连接在直流中性点母线CL2及CL3之间。
直流正母线PL4、直流负母线NL4、直流中性点母线CL4设置在第3转换器单元U3及双向斩波器5之间。具体而言，直流正母线PL4、直流负母线NL4、直流中性点母线CL4分别连接在直流正母线PL3、直流负母线NL3、直流中性点母线CL3、双向斩波器5之间。
双向斩波器5连接在直流正母线PL4、直流负母线NL4及直流中性点母线CL4与直流电源6之间。双向斩波器5构成为，在直流母线PL4、NL4、CL4与直流电源6之间双向进行直流电压转换。
经由配线WP1、WP2，直流正母线PL1、PL2、PL3相互连接。由此，能够使直流正母线PL1、PL2、PL3的电压一致。
此外，经由配线WN1、WN2，直流负母线NL1、NL2、NL3相互连接。由此，能够使直流负母线NL1、NL2、NL3的电压一致。
进而，经由配线WC1、WC2，直流中性点母线CL1、CL2、CL3相互连接。由此，能够使直流中性点母线CL1、CL2、CL3的电压一致。
通过设为这样的结构，能够使转换器单元U1～U3的单相逆变器3U、3V、3W的输入电压一致。因而，能够使从单相逆变器3U、3V、3W输出的相电压的振幅一致。
接着，对本实施方式1的电力转换装置100的动作进行说明。
来自交流电源1的三相交流电力经由R相线路RL、S相线路SL及T相线路TL分别向R相转换器2R、S相转换器2S及T相转换器2T供给。R相转换器2R、S相转换器2S及T相转换器2T构成三相转换器。三相转换器将从交流电源1供给的三相交流电力转换为直流电力，经由直流正母线、直流负母线及直流中性点母线分别向U相逆变器3U、V相逆变器3V及W相逆变器3W供给。
U相逆变器3U、V相逆变器3V及W相逆变器3W构成三相逆变器。三相逆变器将经由直流正母线、直流负母线及直流中性点母线供给的直流电力转换为三相交流电力。由三相逆变器生成的三相交流电力经由U相线路UL、V相线路VL及W相线路WL向负载4供给。
双向斩波器5在从交流电源1供给有三相交流电力的通常情况下，通过将直流母线PL4、CL4间的直流电压及直流母线CL4、NL4间的直流电压分别降压并向直流电源6供给，从而将直流电源6充电。双向斩波器5在来自交流电源1的三相交流电压的供给被断开的停电时，通过将直流电源6的端子间电压升压并向直流母线PL4、CL4间及直流母线CL4、NL4间分别供给，从而使直流电源6放电。
控制电路7基于从交流电源1供给的三相交流电压、直流母线PL4、NL4、CL4各自的直流电压、直流电源6的端子间电压、从三相逆变器(单相逆变器3U、3V、3W)输出的三相交流电压及流到负载4的三相交流电流(负载电流)等，对三相转换器(单相转换器2R、2S、2T)、三相逆变器(单相逆变器3U、3V、3W)及双向斩波器5的动作进行控制。
电力转换装置100还具备熔断器FR、FS、FT、FP1、FP2、FP3、FN1、FN2、FN3、FC1、FC2、FC3。
熔断器FR电连接在R相转换器2R与直流中性点母线CL1之间。具体而言，熔断器FR的一个端子与R相转换器2R的直流端子连接，另一个端子与电容器C1R及C2R的连接点连接。熔断器FR在R相线路RL及直流中性点母线CL1之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FS电连接在S相转换器2S与直流中性点母线CL2之间。具体而言，熔断器FS的一个端子与S相转换器2S的直流端子连接，另一个端子与电容器C1S及C2S的连接点连接。熔断器FS在S相线路SL及直流中性点母线CL2之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FT电连接在T相转换器2T与直流中性点母线CL3之间。具体而言，熔断器FT的一个端子与T相转换器2T的直流端子连接，另一个端子与电容器C1T及C2T的连接点连接。熔断器FT在T相线路TL及直流中性点母线CL3之间流过过电流的情况下熔断。
熔断器FP1电连接在直流正母线PL1与U相逆变器3U之间。具体而言，熔断器FP1的一个端子与U相逆变器3U的直流端子连接，另一个端子与电容器C1U的正侧电极连接。熔断器FP1在直流正母线PL1及U相逆变器3U之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FN1电连接在直流负母线NL1与U相逆变器3U之间。具体而言，熔断器FN1的一个端子与U相逆变器3U的直流端子连接，另一个端子与电容器C2U的负侧电极连接。熔断器FN1在直流负母线NL1及U相逆变器3U之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FC1电连接在直流中性点母线CL1与U相逆变器3U之间。具体而言，熔断器FC1的一个端子与U相逆变器3U的直流端子连接，另一个端子与电容器C1U及C2U的连接点连接。熔断器FC1在直流中性点母线CL1及U相逆变器3U之间流过过电流的情况下熔断。
熔断器FP2连接在直流正母线PL2与V相逆变器3V之间。具体而言，熔断器FP2的一个端子与V相逆变器3V的直流端子连接，另一个端子与电容器C1V的正侧电极连接。熔断器FP2在直流正母线PL2及V相逆变器3V之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FN2电连接在直流负母线NL2与V相逆变器3V之间。具体而言，熔断器FN2的一个端子与V相逆变器3V的直流端子连接，另一个端子与电容器C2V的负侧电极连接。熔断器FN2在直流负母线NL2及V相逆变器3V之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FC2电连接在直流中性点母线CL2与V相逆变器3V之间。具体而言，熔断器FC2的一个端子与V相逆变器3V的直流端子连接，另一个端子与电容器C1V及C2V的连接点连接。熔断器FC2在直流中性点母线CL2及V相逆变器3V之间流过过电流的情况下熔断。
熔断器FP3连接在直流正母线PL3与W相逆变器3W之间。具体而言，熔断器FP3的一个端子与W相逆变器3W的直流端子连接，另一个端子与电容器C1W的正侧电极连接。熔断器FP3在直流正母线PL3及W相逆变器3W之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FN3电连接在直流负母线NL3与W相逆变器3W之间。具体而言，熔断器FN3的一个端子与W相逆变器3W的直流端子连接，另一个端子与电容器C2W的负侧电极连接。熔断器FN3在直流负母线NL3及W相逆变器3W之间流过过电流的情况下熔断。熔断器FC3电连接在直流中性点母线CL3与W相逆变器3W之间。具体而言，熔断器FC3的一个端子与W相逆变器3W的直流端子连接，另一个端子与电容器C1W及C2W的连接点连接。熔断器FC3在直流中性点母线CL3及W相逆变器3W之间流过过电流的情况下熔断。
图2是说明图1所示的单相转换器2R、2S、2T及单相逆变器3U、3V、3W的结构例的电路图。
参照图2，R相转换器2R包括IGBT元件Q1R及二极管D1R～D6R。S相转换器2S包括IGBT元件Q1S及二极管D1S～D6S。T相转换器2T包括IGBT元件Q1T及二极管D1T～D6T。U相逆变器3U包括IGBT元件Q1U～Q4U及二极管D1U～D4U。V相逆变器3V包括IGBT元件Q1V～Q4V及二极管D1V～D4V。W相逆变器3W包括IGBT元件Q1W～Q4W及二极管D1W～D4W。另外，在图2中，作为半导体开关元件而使用IGBT元件，但并不限定于此，也可以使用例如MOSFET等其他的半导体开关元件。
这里，为了概括地说明单相转换器2R、2S、2T的结构，也将标号R、S、T统一表示为标号“x”。为了概括地说明单相逆变器3U、3V、3W的结构，将标号U、V、W统一表示为标号“y”。将直流正母线PL1、PL2、PL3统一表示为“PLi”，将直流负母线NL1、NL2、NL3统一表示为“NLi”，将直流中性点母线CL1、CL2、CL3统一表示为“CLi”。
单相转换器2x是具有中性点开关的二极管整流器。具体而言，单相转换器2x包括由二极管D3x～D6x构成的电桥电路(二极管电桥)、IGBT元件Q1x和二极管D1x、D2x。
二极管D1x的阴极与直流正母线PLi连接，阳极与x相线路xL连接。二极管D2x的阴极与x相线路xL连接，阳极与直流负母线NLi连接。在二极管电桥中，二极管D3x的阳极及二极管D4x的阴极与x相线路xL连接，二极管D5x的阳极及二极管D6x的阴极与直流中性点母线CLi连接。IGBT元件Q1x的发射极与二极管D3x的阴极及二极管D5x的阴极连接，集电极与二极管D4x的阳极及二极管D6x的阳极连接。
二极管D1x及D2x构成二极管整流器。二极管电桥及IGBT元件Q1x构成交流开关。交流开关作为中性点开关发挥功能。IGBT元件Q1x与来自交流电源1的三相交流电压同步接通/断开。交流开关对应于“第1交流开关”的一个实施例。
第1交流开关构成为，电连接在x相线路xL与直流中性点母线CLi之间，将x相线路xL及直流中性点母线CLi电气地导通或断开。即，第1交流开关作为“中性点开关”发挥功能。
在第1交流开关(中性点开关)与直流中性点母线CLi之间电连接着熔断器Fx。熔断器Fx对应于“第1熔断器”的一个实施例。熔断器Fx连接在第1交流开关与串联连接的电容器C1x、C2x的连接点之间。
在单相逆变器3U、3V、3W，IGBT元件Q1y的发射极与y相线路yL连接，其集电极与直流正母线PLi连接。IGBT元件Q2y的集电极与y相线路yL连接，其发射极与直流负母线NLi连接。IGBT元件Q3y的发射极与y相线路yL连接，其集电极与IGBT元件Q4y的集电极连接。IGBT元件Q4y的发射极与直流中性点母线CLi连接。二极管D1y、D2y作为续流二极管发挥功能，二极管D3y、D4y作为钳位二极管发挥功能。IGBT元件Q3y、Q4y及二极管D3y、D4y构成交流开关。该交流开关对应于“第2交流开关”的一个实施例。
熔断器FP连接在IGBT元件Q1y的集电极与电容器C1y的正侧电极之间。熔断器FN连接在IGBT元件Q2y的发射极与电容器C2y的负侧电极之间。熔断器FC连接在交流开关与电容器C1y及C2y的连接点之间。
接着，使用图3及图4对单相转换器2R、2S、2T的动作进行说明。图3是表示R相电压VR与IGBT元件Q1R的导通断开的关系的波形图。图4是表示R相转换器的动作的电路图。
参照图3，比较R相电压VR与参照信号φ1R、φ2R的高低，基于该比较结果，决定IGBT元件Q1R的导通断开的组合。
参照信号φ1R、φ2R具有R相电压VR的5倍的频率，是与R相电压VR同步的三角波信号。参照信号φ2R是与参照信号φ1R同相的三角波信号。
在R相电压VR的电平处于参照信号φ1R、φ2R的电平之间的期间(t1、t3、t5、t6、t8、t10、t11、t13、t15)中，IGBT元件Q1R接通。在此情况下，在R相电压VR是正电压的期间(t1、t3、t5、t11、t13、t15)中，如图4(B)所示，从R相线路RL经由二极管D3R，IGBT元件Q1R及二极管D6R向直流中性点母线CL1流过电流。由此，R相线路RL与R相转换器2R的连接点的电压VIR等于直流中性点母线CL1的电压(中性点电压Vc)。另一方面，在R相电压VR是负电压的期间(期间t6、t8、t10)中，如图4(D)所示，从直流中性点母线CL1经由二极管D5R，IGBT元件Q1R及二极管D4R向R相线路RL流过电流。由此，R相线路RL与R相转换器2R的连接点的电压VIR等于直流中性点母线CL1的电压(中性点电压Vc)。
在R相电压VR为正、R相电压VR的电平比参照信号φ1R、φ2R的电平高的期间(t2、t4、t12、t14)中，IGBT元件Q1R断开。此时，如图4(A)所示，从R相线路RL经由二极管D1R向直流正母线PL1流过电流。由此，R相线路RL与R相转换器2R的连接点的电压VIR等于直流正母线PL1的电压(正电压Vp)。
在R相电压VR的电平比参照信号φ1R、φ2R的电平低的期间(t7、t9)中，IGBT元件Q1R断开。此时，如图4(C)所示，从直流负母线NL1经由二极管D2R向R相线路RL流过电流。由此，R相线路RL与R相转换器2R的连接点的电压VIR等于直流中性点母线CL1的电压(负电压Vn)。
这样，在R相转换器2R中，对IGBT元件Q1R进行PWM控制，IGBT元件Q1R与来自交流电源1的R相电压同步，以规定的定时接通断开。R相转换器2R基于R相电压，作为直流电压而生成正电压Vp、中性点电压Vc及负电压Vn。即，R相转换器2R构成3电平转换器。另外，S相、T相的电路也与R相的电路同样地动作。
接着，对设置在电力转换装置100的单相转换器2R、2S、2T侧的熔断器FR、FS、FT的作用进行说明。
图5是表示在IGBT元件Q1S接通的期间中、IGBT元件Q1R故障而成为短路状态的情况的图。在此情况下，如在图中用实线箭头表示的那样，在从R相线路RL经由二极管D3R、IGBT元件Q1R、配线WC2、二极管D5S、IGBT元件Q1S直到S相线路SL的路径中流过短路电流，熔断器FR、FS熔断。另外，在图5中，以R相及V相为例进行了说明，但在W相也是同样的。
接着，对单相逆变器3U、3V、3W的动作进行说明。
图6是表示U相电压VU与IGBT元件Q1U～Q4U的导通断开的关系的波形图。U相电压VU是基于在控制电路7中从交流电源1向电力转换装置100输入的功率而计算的、从U相线路输出的电压的目标电压。比较U相电压VU与参照信号φ1U、φ2U的高低，基于该比较结果，决定IGBT元件Q1U～Q4U的导通断开的组合。其结果，如果设U相线路UL与U相逆变器3U的连接点的电压为VOU，设直流母线PL1、NL1、CL1各自的电位为Vp、Vc、Vn，则电压VOU由电压Vp、Vc、Vn中的某个决定。
参照信号φ1U、φ2U具有U相电压VU的5倍的频率，是与U相电压VU同步的三角波信号。参照信号φ2U是与参照信号φ1U同相的三角波信号。
如图6所示，在U相电压VU的电平处于参照信号φ1U、φ2U的电平之间的期间(t1、t3、t5、t7、t9、t11、t13)中，IGBT元件Q3U、Q4U接通，IGBT元件Q1U、Q2U断开。由此，从电容器C1U、C2U经由IGBT元件Q3U、Q4U向U相线路UL输出直流中性点母线CL1的电压。即，成为VOU＝Vc。
在U相电压VU的电平比参照信号φ1U、φ2U的电平高的期间(t2、t4、t10、t12)中，IGBT元件Q1U、Q3U接通，IGBT元件Q2U、Q4U断开。由此，从电容器C1U经由IGBT元件Q1U向U相线路UL输出直流正母线PL1的电位。即，成为VOU＝Vp。
在U相电压VU的电平比参照信号φ1U、φ2U的电平低的期间(t6、t8)中，IGBT元件Q2U、Q4U接通，IGBT元件Q1U、Q3U断开。由此，从电容器C2U经由IGBT元件Q2U向U相线路UL输出直流负母线NL1的电压。即，成为VOU＝Vn。
另外，这里说明了U相逆变器3U的动作，但V相及W相逆变器3V及3W也与U相逆变器3U同样地动作。
接着，对设置在电力转换装置100的单相逆变器3U、3V、3W侧的熔断器FP1、FP2、FP3、FN1、FN2、FN3、FC1、FC2、FC3的作用进行说明。
图7是表示在IGBT元件Q1U、Q3V接通的期间中、IGBT元件Q4U故障而成为短路状态的情况的图。在此情况下，如图中用虚线箭头71表示那样，在从U相线路UL经由二极管D3U、IGBT元件Q4U、配线WC1、二极管D4V、IGBT元件Q3V直到V相线路VL的路径中流过短路电流，熔断器FC1、FC2熔断。此外，如在图中用实线箭头72表示那样，从电容器C1V的正侧电极经由配线WP1、IGBT元件Q1U、二极管D3U、IGBT元件Q4U、配线WC1直到电容器C1V的负侧电极的路径中流过短路电流，熔断器FP2、FP1、FC1、FC2熔断。由此，防止流过过电流或产生过电压。
图8是表示在IGBT元件Q2U、Q4V接通的期间中、IGBT元件Q3U故障而成为短路状态的情况的图。在此情况下，如在图中用虚线箭头81表示那样，在从V相线路VL经由二极管D3V、IGBT元件Q4V、配线WC1、二极管D4U及IGBT元件Q3U直到U相线路UL的路径中流过短路电流，熔断器FC2、FC1熔断。此外，如用实线箭头82表示那样，在从电容器C2V的正侧电极经由配线WC1、二极管D4U、IGBT元件Q3U、IGBT元件Q2U、配线WN1直到电容器C2V的负侧电极的路径中流过短路电流，熔断器FC2、FC1、FN1、FN2熔断。由此，防止流过过电流或产生过电压。另外，在图7及图8中，以U相及V相为例进行了说明，但在W相也是同样的。
[本实施方式的作用效果]
接着，一边与比较例的电力转换装置对比，一边对本实施方式的电力转换装置的作用效果进行说明。
图9是说明比较例的电力转换装置1000的结构的电路图。比较例的电力转换装置1000相当于在上述的专利文献1中示出的电力转换装置。比较例的电力转换装置1000与图1所示的本实施方式的电力转换装置100相比，由转换器及逆变器构成的基本构造相同，但转换器的主电路结构及转换器单元的结构不同。
参照图9，比较例的电力转换装置1000具备连接在交流电源1及负载4(都未图示)之间的1台转换器单元Ua。转换器单元U包括三相转换器2a、三相逆变器3、直流正母线PL、直流负母线NL及直流中性点母线CL。
三相转换器2a通过在直流正母线PL及直流负母线NL之间并联地连接R相转换器2Ra、S相转换器2Sa及T相转换器2Ta而构成。单相转换器2Ra、2Sa、2Ta的结构与单相逆变器3U、3V、3W输入输出关系反转。
以下说明其详细情况。
参照图9，R相转换器2Ra包括IGBT元件Q1R～Q4R及二极管D1R～D4R。S相转换器2Sa包括IGBT元件Q1S～Q4S及二极管D1S～D4S。T相转换器2Ta包括IGBT元件Q1T～Q4T及二极管D1T～D4T。
这里，为了概括地说明单相转换器2Ra、2Sa、2Ta的结构，将标号R、S、T统一表示为标号“xa”。此外，将直流正母线PL1、PL2、PL3统一表示为“PLi”，将直流负母线NL1、NL2、NL3统一表示为“NLi”，将直流中性点母线CL1、CL2、CL3统一表示为“CLi”。
IGBT元件Q1xa的发射极与xa相线路xaL连接，其集电极与直流正母线PLi连接。IGBT元件Q2xa的集电极与xa相线路xaL连接，其发射极与直流负母线NLi连接。IGBT元件Q3xa的发射极与xa相线路xaL连接，其集电极与IGBT元件Q4xa的集电极连接。IGBT元件Q4xa的发射极与直流中性点母线CLi连接。二极管D1xa、D2xa作为续流二极管发挥功能，二极管D3xa、D4xa作为钳位二极管发挥功能。IGBT元件Q3xa、Q4xa及二极管D3xa、D4xa构成交流开关。在该结构中，各相转换器的直流中性点母线与直流中性点母线CL共同连接。
三相逆变器3通过在直流正母线PL及直流负母线NL之间并联地连接图1及图2所示的U相逆变器3U、V相逆变器3V及W相逆变器3W而构成。在该结构中，各相逆变器的直流中性点母线与直流中性点母线CL共同连接。
另外，三相逆变器3的动作与在图6中说明的单相逆变器3U、3V、3W的动作实质上相同。三相转换器2a的动作与单相逆变器3U、3V、3W的动作输入输出关系反转。
比较例的电力转换装置1000还具备熔断器F1R～F3R、F1S～F3S、F1T～F3T、F1U～F3U、F1V～F3V、F1W～F3W。以下，为了概括地说明这些熔断器的结构，将标号R、S、T、U、V、W统一表示为标号“z”。
熔断器F1z连接在IGBT元件Q1z的集电极与直流正母线PL之间。IGBT元件Q1z的集电极与电容器C1z的正侧电极连接。因而，熔断器F1z连接在IGBT元件Q1z及电容器C1的连接点与直流正母线PL之间。熔断器F2z连接在IGBT元件Q2z的发射极与直流负母线NL之间。IGBT元件Q2z的发射极与电容器C2z的负侧电极连接。因而，熔断器F2z连接在IGBT元件Q2z及电容器C2的连接点与直流负母线NL之间。熔断器F3z连接在IGBT元件Q4z的发射极与直流中性点母线CLz之间。IGBT元件Q4z的集电极与电容器C1z及C2z的连接点连接。因而，熔断器F3z连接在电容器C1z及C2z的连接点与直流中性点母线CLzL之间。
这样，在比较例的电力转换装置1000中，熔断器F1z、F2z、F3z分别连接在IGBT元件及电容器的连接点与直流母线之间。相对于此，如图2所示，在本实施方式的电力转换装置100中，熔断器连接在IGBT元件与电容器之间。
在比较例的电力转换装置1000中，例如在IGBT元件Q1R、Q3S导通的期间中，IGBT元件Q4R故障而成为短路状态的情况下，在从R相线路RL经由二极管D3R、IGBT元件Q4R、熔断器F3R、F3S、二极管D4S及IGBT元件Q3S直到S相线路SL的路径中流过短路电流，熔断器F3R、F3S熔断。此外，在从电容器C1S的正侧电极经由熔断器F1S、F1R、IGBT元件Q1R、二极管D3R、IGBT元件Q4R及熔断器F3R、F3S直到电容器C1S的负侧电极的路径中流过短路电流，熔断器F1S、F1R、F3R、F3S熔断。
这样，在电力转换装置1000中，也在IGBT元件故障而成为短路状态的情况下，通过熔断器熔断，将故障的相与正常的相切断，防止流过过电流或产生过电压。
另一方面，在电力转换装置1000中，对于三相逆变器3及三相转换器2a分别使用9个、合计使用18个熔断器。因此，担心会导致电力转换装置的大型化及高成本化。此外，如果熔断器的数量变多，则在电力转换装置的动作时，全部熔断器处的电力损失的合计变大，还担心电力转换装置的效率会下降。
在本实施方式的电力转换装置100中，如图2所示，将单相转换器2R、2S、2T分别用具有中性点开关(第1交流开关)的二极管整流器构成。
这里，IGBT元件与不需要开关动作的二极管相比，容易由于错误的开关动作等而产生短路。换言之，具有中性点开关的二极管整流器，既是3电平转换器，又通过将比二极管容易短路的IGBT元件的数量减少到1个，不易产生短路。由此，通过使用具有中性点开关的二极管整流器作为转换器，不再需要在比较例中配置在IGBT元件的一个端子与直流正母线之间的熔断器、以及配置在IGBT元件的一个端子与直流负母线之间的熔断器。因而，如图1～图2所示，能够将与3电平转换器对应的熔断器的数量减少到3个。其结果，在实施方式的电力转换装置100中，对于3电平转换器用3个、对于3电平逆变器用9个、合计用12个熔断器与电力转换装置的全部开关元件的短路对应，能够防止过电流或过电压的产生。
由此，根据本实施方式的电力转换装置100，能够在抑制过电流或过电压的产生的同时，实现电力转换装置的小型化及低成本化。即，能够提供一种能够以简单的结构实现过电流及过电压的防止的电力转换装置。
[变形例]
图10是说明本发明的实施方式的变形例的电力转换装置101的结构的电路图。本变形例的电力转换装置101基本上与图1及图2所示的本实施方式的电力转换装置100相比，转换器及逆变器的主电路构造、以及由转换器及逆变器构成的基本构造相同，但转换器单元的结构不同。
参照图10，本变形例的电力转换装置101具备连接在交流电源1及负载4(都未图示)之间的1台转换器单元Ub。转换器单元Ub包括三相转换器2、三相逆变器3、直流正母线PL、直流负母线NL及直流中性点母线CL。
三相转换器2通过在直流正母线PL及直流负母线NL之间并联地连接图1及图2所示的R相转换器2R、S相转换器2S及T相转换器2T而构成。在该结构中，各相转换器的直流中性点母线与直流中性点母线CL共同连接。
三相逆变器3通过在直流正母线PL及直流负母线NL之间并联地连接图1及图2所示的U相逆变器3U、V相逆变器3V及W相逆变器3W而构成。在该结构中，各相逆变器的直流中性点母线与直流中性点母线CL共同连接。另外，三相转换器2及三相逆变器3的动作在图3及图6中分别进行了说明，与单相转换器2R、2S、2T及单相逆变器3U、3V、3W的动作实质上相同。
在本变形例的电力转换装置101中，熔断器FR、FS、FT、FP1、FP2、FP3、FN1、FN2、FN3、FC1、FC2、FC3的总数、夹插位置及其作用与上述实施方式的电力转换装置100是同样的。
即，在本变形例中，在单相转换器及单相逆变器的某个中IGBT元件故障而成为短路状态的情况下，12个熔断器中的几个熔断，所以能够防止过电流或过电压的产生。由此，在本变形例中也能得到与上述实施方式同样的效果。关于其他结构，与上述实施方式是同样的，所以不重复说明。
另外，如图2及图10所示，在本实施方式及变形例的电力转换装置100、101中，将熔断器连接在IGBT元件与电容器之间。由此，与将熔断器连接到IGBT元件及电容器的连接点与直流母线之间的比较例的电力转换装置1000(图9)相比，能够更可靠地防止过电流及过电压的产生。
在图11中，表示了在图9所示的比较例的电力转换装置1000中三相转换器2a的IGBT元件Q1S故障而成为短路状态的情况。在此情况下，如果IGBT元件Q4S导通，则如在图中用箭头表示那样，在从电容器C1S的正侧电极经由IGBT元件Q1S、二极管D3S及IGBT元件Q4S直到电容器C1S的负侧电极的路径中流过短路电流。但是，由于在该短路电流的路径上没有配置熔断器，所以不能将路径断开。这样的不良状况在三相逆变器3的IGBT元件故障而成为短路状态的情况下也可能发生。
相对于此，在本实施方式的变形例的电力转换装置101中，如图12所示，例如在三相转换器2的二极管D1S故障而成为短路状态的情况下，如果IGBT元件Q1S导通，则如在图中用箭头表示那样，在从电容器C1R的正侧电极经由二极管D1S、D3S、IGBT元件Q1S、二极管D6S直到电容器C1S的负侧电极的路径中流过短路电流。但是，由于在该短路电流的路径上配置有熔断器FS，所以通过熔断器FS熔断，能够防止过电流及过电压。
在三相逆变器3中也相同，如果在IGBT元件Q1V故障而成为短路状态的情况下IGBT元件Q4V导通，则如在图中用箭头表示那样，在从电容器C1V的正侧电极经由IGBT元件Q1V、二极管D3V及IGBT元件Q4V直到电容器C1V的负侧电极的路径中流过短路电流。但是，由于在该短路电流的路径上配置有熔断器FP2、FC2，所以通过熔断器FP2、FC2的至少一个熔断，能够防止过电流及过电压。
在上述的实施方式及其变形例中，三相转换器2(R相转换器2R、S相转换器2S、T相转换器2T)对应于本发明的“转换器”的一个实施例。直流正母线PL1、PL2、PL3、PL对应于本发明的“直流正母线”，直流负母线NL1、NL2、NL3、NL对应于本发明的“直流负母线”，直流中性点母线CL1、CL2、CL3、CL对应于本发明的“直流中性点母线”。
由二极管D3x～D6x构成的二极管电桥及IGBT元件Q1x对应于本发明的“第1交流开关”的一个实施例。熔断器FR、FS、FT对应于本发明的“第1熔断器”。
三相逆变器3(U相逆变器3U、V相逆变器3V、W相逆变器3W)对应于本发明的“逆变器”的一个实施例。熔断器FP1、FP2、FP3对应于本发明的“第2熔断器”，熔断器FN1、FN2、FN3对应于本发明的“第3熔断器”，熔断器FC1、FC2、FC3对应于本发明的“第4熔断器”。
此次公开的实施方式在全部要点上都是例示，而不应被认为是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明、而是由权利要求书表示，意味着包含与权利要求书等价的意义及范围内的全部变形。
标号说明
1交流电源；2、2a三相转换器；2R、2Ra、2S、2Sa、2T、2Ta单相转换器；3三相逆变器；3U、3V、3W单相逆变器；4负载；5双向斩波器；6直流电源；7控制电路；100、101电力转换装置；C1R、C1S、C1T、C1U、C1V、C1W、C2R、C2S、C2T、C2U、C2V、C2W电容器；PL、PL1～PL4直流正母线；NL、NL1～NL4直流负母线；CL、CL1～CL4直流中性点母线；D1R～D6R、D1S～D6S、D1T～D6T、D1U～D6U、D1V～D6V、D1W～D6W二极管；FR、FS、FT、FP1～FP3、FC1～FC3、FN1～FN3、F1R～F3R、F1S～F3S、F1T～F3T、F1U～F3U、F1V～F3V、F1W～F3W熔断器；Q1R～Q4R、Q1S～Q4S、Q1T～Q4T、Q1U～Q4U、Q1V～Q4V、Q1W～Q4W IGBT元件；RL、SL、TL、UL、VL、WL各相线路；Ua转换器单元；U1第1转换器单元；U2第2转换器单元；U3第3转换器单元；WC1、WC2、WN1、WN2、WP1、WP2配线。

Claims (4)

1.一种电力转换装置，
具备：
直流正母线、直流负母线及直流中性点母线；
转换器，连接在交流电源与上述直流正母线、上述直流负母线及上述直流中性点母线之间，将从上述交流电源供给的交流电压转换为直流电压；
第1电容器，连接在上述直流正母线与上述直流中性点母线之间；以及
第2电容器，连接在上述直流中性点母线与上述直流负母线之间；
上述转换器包括：
二极管整流器，连接在上述交流电源与上述直流正母线及上述直流负母线之间；以及
第1交流开关，电连接在上述交流电源与上述直流中性点母线之间；
上述电力转换装置还具备电连接在上述第1交流开关与上述第1及第2电容器的连接点之间的第1熔断器。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，
上述转换器构成为，将从上述交流电源供给的三相交流电压转换为直流电压；
上述第1交流开关及上述第1熔断器电气地串联连接在上述三相交流电压的各相电压的交流线路与上述第1及第2电容器的连接点之间。
3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，
上述第1交流开关具有二极管电桥及单一的半导体开关元件。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电力转换装置，
还具备逆变器，所述逆变器连接在上述直流正母线、上述直流负母线及上述直流中性点母线与负载之间，将直流电压转换为交流电压并向上述负载供给；
上述逆变器包括：
第1半导体开关元件，电连接在上述直流正母线与上述负载之间；
第2半导体开关元件，电连接在上述直流负母线与上述负载之间；
第2交流开关，电连接在上述直流中性点母线与上述负载之间；
第3电容器，连接在上述直流正母线与上述直流中性点母线之间；以及
第4电容器，连接在上述直流中性点母线与上述直流负母线之间；
上述电力转换装置还具备：
第2熔断器，连接在上述第3电容器与上述第1半导体开关元件之间；
第3熔断器，连接在上述第4电容器与上述第2半导体开关元件之间；以及
第4熔断器，连接在上述第3及第4电容器的连接点与上述第2交流开关之间。
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