JP2013150425A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実にフェイルセーフ運転を行うことができる電力変換装置を開示する。
【解決手段】制御装置５０は、電力変換装置１０の使用中に、スイッチング素子ＴＶ１で短絡故障が発生したことを検出すると、３相の３レベルインバータのすべてのスイッチング素子をオフさせる。その後、図２に示すように、制御装置５０は、短絡故障したＶ相の３レベルインバータ回路部の第３スイッチング素子ＴＶ３をオフさせるとともに、第２スイッチング素子ＴＶ２と第４スイッチング素子ＴＶ４とをオンさせる。その間、制御装置５０は、短絡故障しなかったＵ相とＷ相の３レベルインバータ回路部の第１から第４のスイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４、ＴＷ１〜ＴＷ４をオフさせたままにする。これにより、第１スイッチング素子ＴＶ１と出力点ＯＶの間の配線を溶断する。
【選択図】図２

Description

本明細書で開示する技術は、３相の３レベルインバータ回路を備える電力変換装置に関する。

例えば、特許文献１には、直流電源と、３相の３レベルインバータ回路を備える電力変換装置が開示されている。特許文献１に開示する３相の３レベルインバータ回路は、１相毎に、直流電源の正極と負極との間に直列に接続される４個のスイッチング素子を有する３レベルインバータ回路部を備えている。このような回路構成は「ＮＰＣ方式」と呼ばれている。

特開２００３−７０２５８号公報

３レベルインバータ回路部は、ＮＰＣ方式とは異なる回路構成（以下では「Ａ−ＮＰＣ方式」と呼ぶ）を採る場合がある。図６を参照して、Ａ−ＮＰＣ方式による電力変換装置２００の構成を説明する。

図６に示すように、電力変換装置２００は、直流電源２０と、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の３レベルインバータ回路と、制御装置１５０を備えている。直流電源２０は、２個の電源２２、２４を直列に接続して構成されており、正極Ｐと、負極Ｎと、中性点Ｍとを有する。３相の３レベルインバータ回路は、１相毎に、以下に説明する３レベルインバータ回路部を備えている。ここでは、Ｕ相を例として、３レベルインバータ回路部の構成を説明する。この３レベルインバータ回路部では、正極Ｐと負極Ｎとの間に、第１スイッチング素子ＴＵ１と第２スイッチング素子ＴＵ２とが直列に接続されている。また、第１スイッチング素子ＴＵ１と第２スイッチング素子ＴＵ２との接続点を出力点ＯＵとすると、出力点ＯＵには、負荷であるモータ３０が接続されている。また、中性点Ｍと出力点ＯＵとの間には、第３スイッチング素子ＴＵ３と第４スイッチング素子ＴＵ４とが逆並列に接続されている。各スイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。第１スイッチング素子ＴＵ１と第３スイッチング素子ＴＵ３とは、出力点ＯＵに正電流を流す際にオンされる素子である。第２スイッチング素子と第４スイッチング素子とは、出力点ＯＵに負電流を流す際にオンされる素子である。第１スイッチング素子ＴＵ１、第２スイッチング素子ＴＵ２には、それぞれ、ダイオードＤＵ１、ＤＵ２が逆並列に接続されている。また、第３スイッチング素子ＴＵ３、第４スイッチング素子ＴＵ４には、それぞれ、ダイオードＤＵ３、ＤＵ４が直列に接続されている。なお、Ｖ相、Ｗ相の３レベルインバータ回路部の構成も、上記のＵ相の３レベルインバータ回路部の構成と共通する。

制御装置１５０は、電力変換装置２００の各構成要素の動作（即ち、スイッチング素子のオン／オフ）を制御する。また、制御装置１５０は、３相の３レベルインバータ回路の各部に流れる電流値を監視している。制御装置１５０は、３相の３レベルインバータ回路の各部に流れる電流値の変化を検出することにより、３相の３レベルインバータ回路の各部における開放故障及び短絡故障の発生を検出することができる。

電力変換装置２００の使用中に、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のどちらかが開放故障する場合がある。このような開放故障を制御装置１５０が検出すると、制御装置１５０は、開放故障した３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を常時オン状態とし、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のうち、開放故障していない側の素子を常時オフ状態とする。これにより、開放故障していない残りの２相の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転（２相運転）を行うことができ、モータ３０を回転させることができる。

また、電力変換装置２００の使用中に、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子のどちらかが開放故障する場合もある。このような開放故障を制御装置１５０が検出すると、制御装置１５０は、開放故障した３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子のうち、開放故障していない側を常時オフ状態とする。開放故障した３レベルインバータ回路部では、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のみをオンオフさせ、開放故障した３レベルインバータ回路部を２レベル動作させる。開放故障していない残りの２相の３レベルインバータ回路部は、通常通り３レベル動作させる。これにより、フェイルセーフ運転を行うことができる。

また、電力変換装置２００の使用中に、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子のどちらかが短絡故障する場合もある。このような短絡故障を制御装置１５０が検出すると、制御装置１５０は、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子のうち、短絡故障していない側を常時オン状態とし、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を常時オフ状態とする。これにより、短絡故障が起きていない残りの２相の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転（２相運転）を行うことができる。

一方、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子が短絡故障する場合もある。この場合には、モータ３０と電力変換装置２００との間に閉ループの電流経路が形成される。この状態では、モータ３０を回転させることができない。即ち、この場合には、電力変換装置２００がフェイルセーフ運転を行うことができない。

本明細書では、いずれかの３レベルインバータ回路部において第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子が短絡故障する場合でも、フェイルセーフ運転を行うことができる電力変換装置を開示する。

本明細書が開示する電力変換装置は、３相の３レベルインバータ回路と、直流電源と、制御装置と、を備える。直流電源は、正極と、負極と、中性点とを有している。３相の３レベルインバータ回路は、１相毎に、正極と負極との間に直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点を出力点としたときに、中性点と出力点との間に逆並列に接続される第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、を有する３レベルインバータ回路部を備えている。第１スイッチング素子と第３スイッチング素子とが、出力点に正電流を流す際にオンされる素子であり、第２スイッチング素子と第４スイッチング素子とが、出力点に負電流を流す際にオンされる素子である。制御装置は、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子が短絡故障した第１の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、第１から第４のスイッチング素子をオフさせ、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、第３スイッチング素子をオフさせるとともに、第２スイッチング素子と第４スイッチング素子とをオンさせることで、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、正極と出力点の間の配線を溶断する。制御装置は、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第２スイッチング素子が短絡故障した第２の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、第１から第４のスイッチング素子をオフさせ、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、第４スイッチング素子をオフさせるとともに、第１スイッチング素子と第３スイッチング素子とをオンさせることで、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、負極と出力点の間の配線を溶断する。

上記の電力変換装置では、第１の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、第１から第４のスイッチング素子がオフし、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、第３スイッチング素子がオフするとともに、第２スイッチング素子と第４スイッチング素子とがオンする。従って、短絡故障していない３レベルインバータ回路部では電流が流れず、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、電源の正極と負極との間に、短絡した第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を介して電流経路が形成され、電源の中性点と出力点との間に、第４スイッチング素子を介して電流経路が形成される。その結果、短絡故障した第１スイッチング素子が接続されている部分の配線（即ち、正極と出力点の間の配線）には、第２スイッチング素子に流れる電流と、第４スイッチング素子に流れる電流とを合計した分の大電流が流れる。その結果、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、正極と出力点との間の配線が溶断する。これにより、第１スイッチング素子が開放故障した状態となる。その結果、上記の電力変換装置では、開放故障していない残りの２相の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転を行うことができる。同様に、第２の場合にも、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、短絡故障した第２スイッチング素子が接続されている部分の配線（即ち、負極と出力点の間の配線）を溶断させることができる。即ち、上記の電力変換装置では、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のうちのどちらかに短絡故障が起こった場合にも、フェイルセーフ運転を行うことができる。

第１実施例の電力変換装置を示す回路図。 スイッチング素子ＴＶ１で短絡故障が起きた際の電力変換装置の動作を示す図。 スイッチング素子ＴＶ１と出力点ＯＶとの間の配線を溶断させた後の電力変換装置の動作を示す図。 スイッチング素子ＴＶ２で短絡故障が起きた際の電力変換装置の動作を示す図。 第２実施例の電力変換装置を示す回路図。 Ａ−ＮＰＣ方式による電力変換装置を示す回路図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１）実施例の電力変換装置は、３相の３レベルインバータ回路と、直流電源と、制御装置と、を備える。直流電源は、正極と、負極と、中性点とを有してもよい。３相の３レベルインバータ回路は、１相毎に、正極と負極との間に直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点を出力点としたときに、中性点と出力点との間に逆並列に接続される第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、を有する３レベルインバータ回路部を備えていてもよい。第１スイッチング素子と第３スイッチング素子とが、出力点に正電流を流す際にオンされる素子であり、第２スイッチング素子と第４スイッチング素子とが、出力点に負電流を流す際にオンされる素子であってもよい。制御装置は、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子が短絡故障した第１の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、第１から第４のスイッチング素子をオフさせ、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、第３スイッチング素子をオフさせるとともに、第２スイッチング素子と第４スイッチング素子とをオンさせることで、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、正極と出力点の間の配線を溶断してもよい。制御装置は、３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、第２スイッチング素子が短絡故障した第２の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、第１から第４のスイッチング素子をオフさせ、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、第４スイッチング素子をオフさせるとともに、第１スイッチング素子と第３スイッチング素子とをオンさせることで、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、負極と出力点の間の配線を溶断してもよい。

（特徴２）中性点の電圧を昇降させるバランス回路をさらに備えていてもよい。制御装置は、第１の場合に、バランス回路を動作させて、中性点の電圧を降下させてもよい。制御装置は、第２の場合に、バランス回路を動作させて、中性点の電圧を上昇させてもよい。この構成によると、第１の場合に、中性点の電圧が負極の電圧に近くなる。そのため、短絡故障した第１スイッチング素子が接続されている部分の配線に、より大きい電流が流れ易くなる。その結果、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、正極と出力点の間の配線を溶断させ易くなる。同様に、第２の場合には、短絡故障した第２スイッチング素子が接続されている部分の配線に、より大きい電流が易くなるため、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、負極と出力点の間の配線を溶断させ易くなる。従って、上記の電力変換装置では、第１の場合又は第２の場合に、より確実にフェイルセーフ運転を行うことができる。

（第１実施例）
図１に、本実施例の電力変換装置１０の構成を示す。図１から明らかなように、電力変換装置１０の構成は、図６に示す電力変換装置と同様の構成を備えており、直流電源２０と、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のＡ−ＮＰＣ方式の３レベルインバータ回路と、制御装置５０を備えている。本実施例においても、直流電源２０と、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の３レベルインバータ回路の構成は、図６を用いて説明した電力変換装置と同一である。そのため、ここでは詳しい説明は省略する。

本実施例では、制御装置５０は、３相の３レベルインバータ回路の各部に流れる電流値を監視している。制御装置５０は、３相の３レベルインバータ回路の各部に流れる電流値の変化を検出することにより、３相の３レベルインバータ回路の各部における開放故障及び短絡故障の発生を検出することができる。本実施例では、制御装置５０は、３相の３レベルインバータ回路の各部で開放故障又は短絡故障が発生した場合に、以下のように電力変換装置１０のフェイルセーフ運転を行うことができる。

電力変換装置１０の使用中に、３相の３レベルインバータ回路のうちのいずれかの３レベルインバータ回路部（例えばＶ相）において、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）と第２スイッチング素子（例えばＴＶ２）のどちらかが開放故障する場合がある。上述の通り、この場合、制御装置５０が開放故障を検出すると、制御装置５０は、開放故障した３レベルインバータ回路部（例えばＶ相）において、第３スイッチング素子（例えばＴＶ３）と第４スイッチング素子（例えばＴＶ４）を常時オン状態とし、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）と第２スイッチング素子（例えばＴＶ２）のうち、開放故障していない側の素子を常時オフ状態とする。これにより、開放故障していない残りの２相の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転（２相運転）を行うことができる。電力変換装置１０のフェイルセーフ運転の結果、モータ３０を回転させることができる。

また、電力変換装置１０の使用中に、いずれかの３レベルインバータ回路部（例えばＶ相）において、第３スイッチング素子（例えばＴＶ３）と第４スイッチング素子（例えばＴＶ４）のどちらかが開放故障する場合もある。上述の通り、この場合、制御装置５０が開放故障を検出すると、制御装置５０は、開放故障した（開放故障が検出された）３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子（例えばＴＶ３）と第４スイッチング素子（例えばＴＶ４）のうち、開放故障していない側を常時オフ状態とする。開放故障した３レベルインバータ回路部では、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）と第２スイッチング素子（例えばＴＶ２）のみをオンオフさせ、開放故障した３レベルインバータ回路部を２レベル動作させる。開放故障していない残りの２相の３レベルインバータ回路部は、通常通り３レベル動作させる。この結果、フェイルセーフ運転を行うことができる。

また、電力変換装置１０の使用中に、いずれかの３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子（例えばＴＶ３）と第４スイッチング素子（例えばＴＶ４）のどちらかが短絡故障する場合もある。上述の通り、この場合、制御装置５０が短絡故障を検出すると、制御装置５０は、短絡故障した（短絡故障が検出された）３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子（例えばＴＶ３）と第４スイッチング素子（例えばＴＶ４）のうち、短絡故障していない側を常時オン状態とし、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）と第２スイッチング素子（例えばＴＶ１）を常時オフ状態とする。これにより、短絡故障が起きていない残りの２相の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転（２相運転）を行うことができる。

また、３相の３レベルインバータ回路のうちのいずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）又は第２スイッチング素子（例えばＴＶ２）が短絡故障する場合もある。上述の通り、この場合、モータ３０と電力変換装置１０との間に閉ループの電流経路が形成され、そのままではモータ３０を回転させることができない。

本実施例では、制御装置５０は、いずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子が短絡故障する場合に、以下のように動作する。なお、以下の説明では、Ｖ相で第１スイッチング素子ＴＶ１又は第２スイッチング素子ＴＶ２が短絡故障する場合を例として説明するが（図２〜図４参照）、Ｕ相、Ｗ相についても同様である。

図２は、Ｖ相の３レベルインバータ回路部のスイッチング素子ＴＶ１が短絡故障した場合の電力変換装置１０の動作を示す。制御装置５０は、電力変換装置１０の使用中に、スイッチング素子ＴＶ１で短絡故障が発生したことを検出すると、まず、３相の３レベルインバータのすべてのスイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４、ＴＶ１〜ＴＶ４、ＴＷ１〜ＴＷ４をオフさせる。次いで、制御装置５０は、図２に示すように、短絡故障した（短絡故障が検出された）Ｖ相の３レベルインバータ回路部の第３スイッチング素子ＴＶ３をオフさせるとともに、第２スイッチング素子ＴＶ２と第４スイッチング素子ＴＶ４とをオンさせる。その間、制御装置５０は、短絡故障しなかったＵ相とＷ相の３レベルインバータ回路部の第１から第４のスイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４、ＴＷ１〜ＴＷ４をオフさせたままにする。これにより、短絡故障したＶ相において、第１スイッチング素子ＴＶ１が接続されている部分の配線（即ち、正極Ｐと出力点ＯＶの間の配線）を溶断する。

詳しく言うと、図２に示すように、第２スイッチング素子ＴＶ２をオンすることにより、電源２０の正極Ｐと負極Ｎの間に、短絡故障した第１スイッチング素子ＴＶ１及び第２スイッチング素子ＴＶ２を通る電流経路が形成される。また、第４スイッチング素子ＴＶ４をオンすることにより、電源２０の中性点Ｍと出力点ＯＶの間に第４スイッチング素子ＴＶ４を通る電流経路が形成される。その結果、第２スイッチング素子ＴＶ２には電流Ｉ１が流れ、第４スイッチング素子ＴＶ４には電流Ｉ２が流れ、短絡故障した第１スイッチング素子ＴＶ１が接続されている部分の配線（正極Ｐと出力点ＯＶの間の配線）には、第２スイッチング素子ＴＶ２に流れる電流Ｉ１と、第４スイッチング素子ＴＶ４に流れる電流Ｉ２とを合計した分の大電流Ｉ１＋Ｉ２が流れる。その結果、図２に示すように、正極Ｐと出力点ＯＶの間の配線が溶断する。

図３に示すように、正極Ｐと出力点ＯＶとの間の配線が溶断すると、Ｖ相の３レベルインバータ回路部は、第１スイッチング素子ＴＶ１が開放故障した状態となる。その後、図３に示すように、制御装置５０は、Ｖ相の３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子ＴＶ３と第４スイッチング素子ＴＶ４を常時オン状態とするとともに、故障していない第２スイッチング素子ＴＶ２を常時オフ状態とする。制御装置５０は、この状態で、故障していない残りの２相（Ｕ相、Ｗ相）の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転（２相運転）を行うことができる。電力変換装置１０のフェイルセーフ運転の結果、モータ３０を回転させることができる。

図４は、Ｖ相の３レベルインバータ回路部のスイッチング素子ＴＶ２が短絡故障した場合の電力変換装置１０の動作を示す。この場合の動作も、上記のスイッチング素子ＴＶ１が短絡故障した場合の動作とほぼ共通する。即ち、制御装置５０は、電力変換装置１０の使用中に、スイッチング素子ＴＶ２で短絡故障が発生したことを検出すると、まず、３相の３レベルインバータのすべてのスイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４、ＴＶ１〜ＴＶ４、ＴＷ１〜ＴＷ４をオフさせる。その後、制御装置５０は、図４に示すように、短絡故障したＶ相の３レベルインバータ回路部の第４スイッチング素子ＴＶ４をオフさせるとともに、第１スイッチング素子ＴＶ１と第３スイッチング素子ＴＶ３とをオンさせる。その間、制御装置５０は、短絡故障しなかったＵ相とＷ相の３レベルインバータ回路部の第１から第４のスイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４、ＴＷ１〜ＴＷ４をオフさせたままにする。これにより、第２スイッチング素子ＴＶ２が接続されている部分の配線（即ち、第２スイッチング素子ＴＶ２と出力点ＯＶの間の配線）を溶断する。

詳しく言うと、図４に示すように、第１スイッチング素子ＴＶ１をオンすることにより、電源２０の正極Ｐと負極Ｎの間に、第１スイッチング素子ＴＶ１及び短絡故障した第２スイッチング素子ＴＶ２を通る電流経路が形成される。また、第３スイッチング素子ＴＶ３をオンすることにより、電源２０の中性点Ｍと出力点ＯＶの間に第３スイッチング素子ＴＶ３を通る電流経路が形成される。その結果、第１スイッチング素子ＴＶ１には電流Ｉ３が流れ、第３スイッチング素子ＴＶ３には電流Ｉ４が流れ、短絡故障した第２スイッチング素子ＴＶ２が接続されている部分の配線（第２スイッチング素子ＴＶ２と出力点ＯＶの間の配線）には、第１スイッチング素子ＴＶ１に流れる電流Ｉ３と、第３スイッチング素子ＴＶ３に流れる電流Ｉ４とを合計した分の大電流Ｉ３＋Ｉ４が流れる。その結果、図４に示すように、負極Ｎと出力点ＯＶとの間の配線が溶断する。

負極Ｎと出力点ＯＶとの間の配線が溶断することにより、Ｖ相の３レベルインバータ回路部は、第２スイッチング素子ＴＶ２が開放故障した状態となる。その後、制御装置５０は、Ｖ相の３レベルインバータ回路部において、第３スイッチング素子ＴＶ３と第４スイッチング素子ＴＶ４を常時オン状態とするとともに、故障していない第１スイッチング素子ＴＶ１を常時オフ状態とする。制御装置５０は、この状態で、故障していない残りの２相（Ｕ相、Ｗ相）の３レベルインバータ回路部を用いて、フェイルセーフ運転（２相運転）を行うことができる。電力変換装置１０のフェイルセーフ運転の結果、モータ３０を回転させることができる。

上述したことから明らかなように、本実施例の電力変換装置１０では、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）と第２スイッチング素子（例えばＴＶ２）のうちのどちらかに短絡故障が起こった場合にも、フェイルセーフ運転を行うことができる。

（第２実施例）
続いて、第２実施例の電力変換装置について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図５に示すように、本実施例の電力変換装置１００も、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の３レベルインバータ回路を備える点で共通する。本実施例の電力変換装置１００は、１個の直流電源１２０と、その直流電源１２０に並列に接続されている２個の平滑コンデンサＣ１、Ｃ２を備える。２個の平滑コンデンサＣ１、Ｃ２は、直流電源１２０の正極Ｐと負極Ｎとの間に直列に接続されている。本実施例では、平滑コンデンサＣ１と平滑コンデンサＣ２との接続点が中性点Ｍとされている。また、本実施例の電力変換装置１００は、バランス回路６０を備えている。

本実施例のバランス回路６０は、図５に示すように、２個の平滑コンデンサＣ１、Ｃ２と並列に接続されている。バランス回路６０は、正極Ｐと負極Ｎとの間に直列に接続されている第５スイッチング素子Ｔ５と第６スイッチング素子Ｔ６とを有している。第５スイッチング素子Ｔ５と、第６スイッチング素子Ｔ６には、それぞれ、ダイオードＤ５、Ｄ６が逆並列に接続されている。第５スイッチング素子Ｔ５と第６スイッチング素子Ｔ６の接続点は、コイルＬ１を介して中性点Ｍに接続されている。

制御装置５０は、バランス回路６０を動作させることにより、中性点Ｍの電圧を昇降させることができる。具体的に言うと、制御装置５０は、第５スイッチング素子Ｔ５がオンする割合と第６スイッチング素子Ｔ６がオンする割合とを変化させることによって、中性点Ｍの電圧を昇降させることができる。例えば、第５スイッチング素子Ｔ５がオンする割合を増やし、第６スイッチング素子Ｔ６がオンする割合を減らすと、中性点Ｍの電圧が上昇する（即ち正極Ｐの電圧に近づく）。逆に、第６スイッチング素子Ｔ６がオンする割合を増やし、第５スイッチング素子Ｔ５がオンする割合を減らすと、中性点Ｍの電圧が降下する（即ち負極Ｎの電圧に近づく）。

本実施例の電力変換装置１０でも、３相の３レベルインバータ回路の各部で開放故障又は短絡故障が発生した場合の動作は、第１実施例とほぼ共通する。ただし、本実施例では、いずれかの３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子が短絡故障する場合の動作が、第１実施例と異なる。なお、以下では、Ｖ相の３レベルインバータ回路部において、第１スイッチング素子ＴＶ１又は第２スイッチング素子ＴＶ２が短絡故障する場合を例として説明するが、Ｕ相、Ｗ相についても同様の動作を行う。

制御装置５０は、スイッチング素子ＴＶ１で短絡故障が発生したことを検出すると、第１実施例と同様に、まず、３相の３レベルインバータのすべてのスイッチング素子ＴＵ１〜ＴＵ４、ＴＶ１〜ＴＶ４、ＴＷ１〜ＴＷ４をオフさせる。その後、制御装置５０は、バランス回路６０を動作させ、中性点Ｍの電圧を降下させる。その状態で、制御装置５０は、第１実施例と同様に、短絡故障したＶ相の３レベルインバータ回路部の第３スイッチング素子ＴＶ３をオフさせるとともに、第２スイッチング素子ＴＶ２と第４スイッチング素子ＴＶ４とをオンさせる（図２参照）。バランス回路６０を動作させて中性点Ｍの電圧を降下させたことにより、第４スイッチング素子ＴＶ４には、バランス回路６０を動作させない場合と比べて、より大きな電流Ｉ２を流すことができる。そのため、短絡故障した第１スイッチング素子ＴＶ１が接続されている部分の配線（正極Ｐと出力点ＯＶの間の配線）に流れる電流Ｉ１＋Ｉ２の値も大きくなる。その結果、正極Ｐと出力点ＯＶの間の配線を溶断させ易くなる。

同様に、スイッチング素子ＴＶ２で短絡故障が発生した場合にも、制御装置５０は、バランス回路６０を動作させ、中性点Ｍの電圧を上昇させておく。その状態で、短絡故障したＶ相の３レベルインバータ回路部の第４スイッチング素子ＴＶ４をオフさせるとともに、第１スイッチング素子ＴＶ１と第３スイッチング素子ＴＶ３とをオンさせる（図４参照）。バランス回路６０を動作させて中性点Ｍの電圧を上昇させたことにより、第３スイッチング素子ＴＶ３には、バランス回路６０を動作させない場合と比べて、より大きな電流Ｉ４を流すことができる。そのため、短絡故障した第２スイッチング素子ＴＶ２が接続されている部分の配線（負極Ｎと出力点Ｐの間の配線）に流れる電流Ｉ３＋Ｉ４の値も大きくなる。その結果、負極Ｎと出力点ＯＶの間の配線を溶断させ易くなる。

従って、本実施例の電力変換装置１００では、第１スイッチング素子（例えばＴＶ１）と第２スイッチング素子（例えばＴＶ２）のうちのどちらかに短絡故障が起こった場合により確実にフェイルセーフ運転を行うことができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、以下の変形例を採用してもよい。

（変形例１）上記の各実施例では、各スイッチング素子（例えばＴＶ１〜ＴＶ４）には、いずれもＩＧＢＴが用いられている。これに代えて、中性点Ｍと出力点（例えばＯＶ）との間に接続される第３及び第４スイッチング素子（例えばＴＶ３、ＴＶ４）には、ＩＧＢＴに代えて、ＲＢ−ＩＧＢＴ（Reverse-Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いてもよい。その場合、第３及び第４のダイオードを省略することができる。また、各スイッチング素子（例えばＴＶ１〜ＴＶ４）には、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を用いてもよい。

（変形例２）第２実施例のバランス回路６０は、上記の構成の回路に限られず、中性点Ｍの電圧を昇降可能な回路であれば、任意の構成の回路を用いることができる。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０、１００：電力変換装置
２０、１２０：直流電源
２２、２４：電源
３０：モータ
５０：制御装置
６０：バランス回路
Ｐ：正極
Ｍ：中性点
Ｎ：負極
ＴＵ１、ＴＶ１、ＴＷ１：第１スイッチング素子
ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２：第２スイッチング素子
ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３：第３スイッチング素子
ＴＵ４、ＴＶ４、ＴＷ４：第４スイッチング素子
Ｔ５：第５スイッチング素子
Ｔ６：第６スイッチング素子
ＤＵ１、ＤＶ１、ＤＷ１：第１ダイオード
ＤＵ２、ＤＶ２、ＤＷ２：第２ダイオード
ＤＵ３、ＤＶ３、ＤＷ３：第３ダイオード
ＤＵ４、ＤＶ４、ＤＷ４：第４ダイオード
Ｄ５：第５ダイオード
Ｄ６：第６ダイオード
ＯＵ、ＯＶ、ＯＷ：出力点
Ｃ１、Ｃ２：平滑コンデンサ
Ｌ１：コイル

Claims (2)

1. ３相の３レベルインバータ回路と、
   直流電源と、
   制御装置と、を備える電力変換装置であって、
   前記直流電源は、正極と、負極と、中性点とを有しており、
   前記３相の３レベルインバータ回路は、１相毎に、
   前記正極と前記負極との間に直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続点を出力点としたときに、前記中性点と前記出力点との間に逆並列に接続される第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、を有する３レベルインバータ回路部を備えており、
   前記第１スイッチング素子と前記第３スイッチング素子とが、前記出力点に正電流を流す際にオンされる素子であり、前記第２スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とが、前記出力点に負電流を流す際にオンされる素子であり、
   前記制御装置は、
   前記３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、前記第１スイッチング素子が短絡故障した第１の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、前記第１から第４のスイッチング素子をオフさせ、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、前記第３スイッチング素子をオフさせるとともに、前記第２スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とをオンさせることで、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、前記正極と前記出力点の間の配線を溶断し、
   前記３相の３レベルインバータ回路のいずれかの３レベルインバータ回路部において、前記第２スイッチング素子が短絡故障した第２の場合は、短絡故障した３レベルインバータ回路部以外の３レベルインバータ回路部では、前記第１から第４のスイッチング素子をオフさせ、かつ、短絡故障した３レベルインバータ回路部では、第４スイッチング素子をオフさせるとともに、前記第１スイッチング素子と前記第３スイッチング素子とをオンさせることで、短絡故障した３レベルインバータ回路部において、前記負極と前記出力点の間の配線を溶断する、
   電力変換装置。
2. 前記中性点の電圧を昇降させるバランス回路をさらに備えており、
   前記制御装置は、
   前記第１の場合に、前記バランス回路を動作させて、前記中性点の電圧を降下させ、
   前記第２の場合に、前記バランス回路を動作させて、前記中性点の電圧を上昇させる、
   請求項１記載の電力変換装置。

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