JP2022072988A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増加を抑制しつつ、電力の消費特性の変化を抑制可能な過電圧保護回路を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う変換器と、前記変換器の直流側に接続され、前記変換器の直流電圧の過電圧を抑制する過電圧保護回路と、を備え、前記変換器は、一対の直流端子を有し、前記過電圧保護回路は、前記一対の直流端子の間に設けられた第１抵抗素子と、前記第１抵抗素子と並列に設けられた第２抵抗素子と、を有し、前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に電流を流す第１状態と、前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に流れる電流を遮断する第２状態と、を切り替え可能である電力変換装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う変換器と、直流電力の過電圧を抑制する過電圧保護回路と、を備えた電力変換装置が知られている。

過電圧保護回路は、変換器の直流側に並列に接続される。過電圧保護回路は、抵抗素子と、抵抗素子に直列に接続されたスイッチング素子と、を有する。スイッチング素子は、抵抗素子に電流を流すオン状態と、抵抗素子に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。過電圧保護回路は、変換器の直流電圧が所定の閾値未満の場合に、スイッチング素子をオフ状態とし、変換器の直流電圧が所定の閾値以上の場合に、スイッチング素子をオン状態とする。これにより、過電圧保護回路は、変換器の直流電圧が所定の閾値以上の場合に、抵抗素子に電流を流し、抵抗素子で電力を消費することにより、直流電圧の過電圧を抑制する。

こうした過電圧保護回路では、電力の消費にともなって抵抗素子の温度が上昇するとともに、抵抗素子の抵抗値も上昇し、抵抗素子に流れる電流が減少して電力の消費が少なくなってしまう可能性がある。このため、過電圧保護回路では、抵抗値変化の小さい素材の抵抗素子を使用したり、大容量の抵抗素子を使用したりすることにより、抵抗素子の抵抗値の変化を小さくし、電力の消費特性の変化を抑制することが行われている。

しかしながら、抵抗値変化の小さい素材の抵抗素子を用いたり、大容量の抵抗素子を用いたりする対策では、抵抗素子が高価になり、電力変換装置の製造コストの増加の要因となってしまう可能性が生じる。

このため、電力変換装置では、製造コストの増加を抑制しつつ、電力の消費特性の変化を抑制可能な過電圧保護回路が望まれる。

特開２０２０－１２４１０４号公報

本発明の実施形態は、製造コストの増加を抑制しつつ、電力の消費特性の変化を抑制可能な過電圧保護回路を備えた電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う変換器と、前記変換器の直流側に接続され、前記変換器の直流電圧の過電圧を抑制する過電圧保護回路と、を備え、前記変換器は、一対の直流端子を有し、前記過電圧保護回路は、前記一対の直流端子の間に設けられた第１抵抗素子と、前記第１抵抗素子と並列に設けられた第２抵抗素子と、を有し、前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に電流を流す第１状態と、前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に流れる電流を遮断する第２状態と、を切り替え可能である電力変換装置が提供される。

製造コストの増加を抑制しつつ、電力の消費特性の変化を抑制可能な過電圧保護回路を備えた電力変換装置が提供される。

実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。 制御部の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。 実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。 制御部の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。 制御部の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。 実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、第１変換器１１と、第２変換器１２と、直流コンデンサ１３と、過電圧保護回路１４と、電圧検出器１５と、制御部１６と、を備える。

第１変換器１１は、交流の電力系統と接続され、電力系統から供給された第１交流電力を直流電力に変換する。第２変換器１２は、第１変換器１１の直流側に接続され、第１変換器１１から供給された直流電力を第１交流電力と振幅や周波数などが異なる第２交流電力に変換する。第２変換器１２は、第１変換器１１の接続された電力系統とは別の電力系統や誘導電気などの交流負荷に接続され、第２交流電力を電力系統や交流負荷に供給する。

直流コンデンサ１３は、第１変換器１１の直流側及び第２変換器１２の直流側に接続され、第１変換器１１から供給される直流電力及び第２変換器１２に供給される直流電力を平滑化する。

第１変換器１１は、一対の直流端子１１ａ、１１ｂを有する。第２変換器１２は、一対の直流端子１２ａ、１２ｂを有する。第２変換器１２の直流端子１２ａは、第１変換器１１の直流端子１１ａと接続される。第２変換器１２の直流端子１２ｂは、第１変換器１１の直流端子１１ｂと接続される。直流端子１１ａ、１２ａは、例えば、高電位側の直流端子である。直流端子１１ｂ、１２ｂは、例えば、低電位側の直流端子である。直流コンデンサ１３は、より詳しくは、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間に設けられる。

電力変換装置１０は、例えば、直流電力によって送電を行う直流送電（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）、周波数の変換を行う周波数変換器（ＦＣ：Frequency Converter）、あるいは周波数の変換を行うことなく２つの交流電力系統を連系させるＢＴＢ（Back-To-Back）などに用いられる。例えば、第１変換器１１及び第２変換器１２のそれぞれが電力系統に接続されている場合などには、第１変換器１１側から第２変換器１２側に電力を供給する状態と、第２変換器１２側から第１変換器１１側に電力を供給する状態と、を切り替えられるようにしてもよい。

但し、電力変換装置１０は、必ずしも第１変換器１１及び第２変換器１２の２台の変換器を備えていなくてもよい。電力変換装置１０は、例えば、電力系統の交流電力を直流電力に変換して直流コンデンサ１３を充電するとともに、直流コンデンサ１３の直流電力を基に無効電力を電力系統に供給することにより、電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置などでもよい。電力変換装置１０は、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う一台の変換器を少なくとも備えていればよい。

過電圧保護回路１４は、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流側に接続されている。過電圧保護回路１４は、より詳しくは、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間に設けられる。換言すれば、過電圧保護回路１４は、直流コンデンサ１３と並列に設けられる。

過電圧保護回路１４は、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の過電圧を抑制する。過電圧保護回路１４は、換言すれば、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧が所定の閾値以上となることを抑制する。

電圧検出器１５は、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧を検出する。より詳しくは、電圧検出器１５は、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間の直流電圧を検出する。電圧検出器１５は、制御部１６と接続されている。電圧検出器１５は、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の検出値を制御部１６に入力する。

制御部１６は、第１変換器１１、第２変換器１２、及び過電圧保護回路１４と接続され、第１変換器１１及び第２変換器１２による電力の変換を制御するとともに、過電圧保護回路１４による過電圧の抑制の動作を制御する。なお、第１変換器１１、第２変換器１２、及び過電圧保護回路１４の動作は、それぞれ別の制御部で制御してもよい。制御部１６は、過電圧保護回路１４の動作のみを制御するものでもよい。制御部１６は、電圧検出器１５から入力された直流電圧の検出値を基に、過電圧保護回路１４の動作を制御する。なお、直流電圧の検出値は、電圧検出器１５からに限ることなく、例えば、制御部１６の動作を制御する上位のコントローラなどの別の制御装置などから制御部１６に入力してもよい。

過電圧保護回路１４は、第１抵抗素子２１と、第２抵抗素子２２と、を有する。第１抵抗素子２１は、一対の端子２１ａ、２１ｂを有する。第２抵抗素子２２は、一対の端子２２ａ、２２ｂを有する。第１抵抗素子２１は、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間に設けられる。第２抵抗素子２２は、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間に設けられる。第２抵抗素子２２は、第１抵抗素子２１と並列に設けられる。

過電圧保護回路１４は、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態と、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第２状態と、を有する。第２状態は、換言すれば、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に実質的に電流が流れないようにする状態である。第２状態は、例えば、第１変換器１１及び第２変換器１２の動作に影響が無い程度の微弱な電流が第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる状態でもよい。

過電圧保護回路１４は、第１スイッチング素子３１と、第２スイッチング素子３２と、をさらに有する。第１スイッチング素子３１は、一対の主端子３１ａ、３１ｂと、制御端子３１ｃと、を有する。第２スイッチング素子３２は、一対の主端子３２ａ、３２ｂと、制御端子３２ｃと、を有する。

第１スイッチング素子３１は、第１抵抗素子２１と直列に接続される。第１スイッチング素子３１は、一対の主端子３１ａ、３１ｂ間に電流を流すオン状態と、一対の主端子３１ａ、３１ｂ間に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。第２スイッチング素子３２は、第２抵抗素子２２と直列に接続される。第２スイッチング素子３２は、一対の主端子３２ａ、３２ｂ間に電流を流すオン状態と、一対の主端子３２ａ、３２ｂ間に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。

第１抵抗素子２１の一方の端子２１ａは、第１変換器１１の一方の直流端子１１ａ、及び第２変換器１２の一方の直流端子１２ａと接続されている。第１抵抗素子２１の他方の端子２１ｂは、第１スイッチング素子３１の一方の主端子３１ａと接続されている。第１スイッチング素子３１の他方の主端子３１ｂは、第１変換器１１の他方の直流端子１１ｂ、及び第２変換器１２の他方の直流端子１２ｂと接続されている。

これにより、第１スイッチング素子３１をオン状態とすることにより、第１抵抗素子２１に電流が流れる。そして、第１スイッチング素子３１をオフ状態とすることにより、第１抵抗素子２１に流れる電流が遮断される。

同様に、第２抵抗素子２２の一方の端子２２ａは、第１変換器１１の一方の直流端子１１ａ、及び第２変換器１２の一方の直流端子１２ａと接続されている。第２抵抗素子２２の他方の端子２２ｂは、第２スイッチング素子３２の一方の主端子３２ａと接続されている。第２スイッチング素子３２の他方の主端子３２ｂは、第１変換器１１の他方の直流端子１１ｂ、及び第２変換器１２の他方の直流端子１２ｂと接続されている。

これにより、第２スイッチング素子３２をオン状態とすることにより、第２抵抗素子２２に電流が流れる。そして、第２スイッチング素子３２をオフ状態とすることにより、第２抵抗素子２２に流れる電流が遮断される。

すなわち、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオン状態とすることにより、過電圧保護回路１４が、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態となり、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオフ状態とすることにより、過電圧保護回路１４が、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第２状態となる。

また、この例において、過電圧保護回路１４は、第１抵抗素子２１のみに電流を流し、第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第３状態をさらに有する。この例では、第１スイッチング素子３１をオン状態とし、第２スイッチング素子３２をオフ状態とすることにより、過電圧保護回路１４が、第３状態となる。このように、過電圧保護回路１４は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２の状態の切り替えにより、第１状態と第２状態とを切り替えるとともに、第３状態にさらに切り替え可能である。

過電圧保護回路１４は、換言すれば、第１抵抗素子２１と第１スイッチング素子３１とからなる第１保護回路と、第２抵抗素子２２と第２スイッチング素子３２とからなる第２保護回路と、を有する。第１保護回路は、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間に設けられる。第２保護回路は、第１変換器１１の一対の直流端子１１ａ、１１ｂの間、及び第２変換器１２の一対の直流端子１２ａ、１２ｂの間において、第１保護回路と並列に設けられる。

第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のそれぞれのオン状態及びオフ状態は、例えば、制御端子３１ｃ及び制御端子３２ｃに印加する電圧によって切り替えられる。第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２には、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子（自己消弧素子）が用いられる。制御端子３１ｃ、３２ｃは、例えば、ゲート端子である。第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２は、例えば、電磁開閉器などでもよい。電流を遮断するとは、より詳しくは、半導体スイッチング素子をオフ状態とし、主端子間に実質的に電流が流れないようにすること、あるいは電磁開閉器などを開状態とし、主端子間の経路を開放することである。

第１スイッチング素子３１の制御端子３１ｃ及び第２スイッチング素子３２の制御端子３２ｃは、制御部１６と接続されている。制御部１６は、制御端子３１ｃ、３２ｃに印加する電圧を制御することにより、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のそれぞれのオン状態及びオフ状態の切り替えを制御する。すなわち、制御部１６は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のオン状態及びオフ状態の切り替えを制御することにより、過電圧保護回路１４の第１状態、第２状態、及び第３状態の切り替えを制御する。

過電圧保護回路１４は、温度センサ４０をさらに有する。温度センサ４０は、第１抵抗素子２１の温度を測定する。温度センサ４０は、制御部１６と接続されている。温度センサ４０は、第１抵抗素子２１の温度の測定値を制御部１６に入力する。

図２は、制御部の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。
制御部１６は、電圧検出器１５から入力された第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の検出値を基に、直流電圧の検出値が第１閾値以上か否かを判定する（図２のステップＳ１０１）。

制御部１６は、直流電圧の検出値が第１閾値未満であると判定した場合には、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオフ状態とすることにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第２状態に過電圧保護回路１４を設定する（図２のステップＳ１０２）。過電圧保護回路１４を第２状態に設定した場合には、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる電流が遮断され、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２での電力の消費が抑制される。

一方、制御部１６は、直流電圧の検出値が第１閾値以上であると判定した場合には、第１スイッチング素子３１をオフ状態からオン状態に切り替え、第２スイッチング素子３２をオン状態とすることにより、第１抵抗素子２１のみに電流を流し、第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第３状態に過電圧保護回路１４を切り替える（図２のステップＳ１０３）。

過電圧保護回路１４を第３状態に設定した場合には、第１抵抗素子２１に電流が流れる。換言すれば、第１変換器１１から第２変換器１２に供給する直流電流の一部が、第１抵抗素子２１に流れる。これにより、第１変換器１１から第２変換器１２に供給する直流電力の一部が、第１抵抗素子２１で消費され、過電圧保護回路１４によって第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制することができる。

制御部１６は、過電圧保護回路１４を第３状態に設定した後、温度センサ４０から入力された第１抵抗素子２１の温度の測定値を基に、第１抵抗素子２１の温度の測定値が所定温度以上か否かを判定する（図２のステップＳ１０４）。

制御部１６は、第１抵抗素子２１の温度の測定値が所定温度以上であると判定した場合には、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオン状態とすることにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態に過電圧保護回路１４を切り替える（図２のステップＳ１０５）。

制御部１６は、換言すれば、第１抵抗素子２１の温度の測定値が所定温度以上である場合に、第１抵抗素子２１の電力の消費特性が所定以上変化したと判定し、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替える。このように、制御部１６は、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧が第１閾値未満である場合に、過電圧保護回路１４を第２状態に設定し、直流電圧が第１閾値以上である場合に、過電圧保護回路１４を第３状態に設定するとともに、過電圧保護回路１４を第３状態に切り替え、第１抵抗素子２１への通電を開始した後、第１抵抗素子２１の電力の消費特性が所定以上変化した場合に、過電圧保護回路１４を第１状態に設定する。

過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替えると、第１抵抗素子２１に電流が流れるとともに、第２抵抗素子２２にも電流が流れる。第１変換器１１から第２変換器１２に供給する直流電力の一部が、第１抵抗素子２１で消費されるとともに、第２抵抗素子２２でも消費される。これにより、第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなう電力の消費特性の変化を抑制することができる。

制御部１６は、過電圧保護回路１４を第１状態に設定した後、又は、第１抵抗素子２１の温度の測定値が所定温度未満であると判定した後、電圧検出器１５から入力された第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の検出値を基に、直流電圧の検出値が第２閾値以下か否かを判定する（図２のステップＳ１０６）。第２閾値は、第１閾値よりも低く設定される。これにより、直流電圧の検出値が第２閾値以下と判定された後、すぐに直流電圧の検出値が第１閾値以上と判定され、過電圧保護回路１４の動作が不安定になってしまうことを抑制することができる。

制御部１６は、直流電圧の検出値が第２閾値よりも高いと判定した場合には、ステップＳ１０４の処理に戻り、過電圧保護回路１４の第１状態又は第３状態の設定を継続する。

一方、制御部１６は、直流電圧の検出値が第２閾値以下であると判定した場合には、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオフ状態とすることにより、過電圧保護回路１４を第１状態又は第３状態から第２状態に切り替える（図２のステップＳ１０７）。

制御部１６は、過電圧保護回路１４を第２状態に切り替えた後、ステップＳ１０１の処理に戻り、以下、上記ステップＳ１０１～ステップＳ１０７の処理を繰り返す。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、直流電圧の検出値が第１閾値以上である場合に、過電圧保護回路１４を第３状態に設定することにより、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制することができる。そして、第１抵抗素子２１の温度の測定値が所定温度以上である場合に、過電圧保護回路１４を第１状態に設定することにより、第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなう電力の消費特性の変化を抑制することができる。

第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなって第１抵抗素子２１の抵抗値が上昇すると、第１抵抗素子２１に流れる電流が減少し、過電圧保護回路１４での電力の消費も減少してしまう。換言すれば、第１変換器１１及び第２変換器１２の保護動作が変化してしまう。過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替えると、第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２とで並列回路が形成される。このため、第１状態における過電圧保護回路１４の抵抗値（第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２との合成抵抗値）は、第３状態における過電圧保護回路１４の抵抗値（第１抵抗素子２１の抵抗値）よりも減少する。従って、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替えることにより、過電圧保護回路１４での電力の消費を増加させることができる。

例えば、第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２との合成抵抗値が、通電開始時の第１抵抗素子２１の抵抗値（温度が上昇する前の常温時の第１抵抗素子２１の抵抗値）と同程度になるように、第２抵抗素子２２の抵抗値を設定する。これにより、第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなう電力の消費特性の変化を適切に抑制することができる。換言すれば、第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなう電力の消費特性の変化を第２抵抗素子２２によって補償することができる。

過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替えた際の第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２との合成抵抗値は、例えば、第１抵抗素子２１の常温時の抵抗値の９０％以上１１０％以下である。これにより、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替えた際の第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２との合成抵抗値を、通電開始時の第１抵抗素子２１の抵抗値と同程度とすることができる。なお、常温とは、例えば、２５℃である。

例えば、直流電圧の検出値が第１閾値以上となり、第１抵抗素子２１に電流を流し始めたタイミングから所定時間Ｔ経過した場合に、第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなって、第１抵抗素子２１の抵抗値が２０％上昇するように、第１抵抗素子２１の抵抗温度係数が設定されているものとする。また、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替えたタイミングからＴ／２経過した際に、第２抵抗素子２２の抵抗値が２０％上昇するように、第２抵抗素子２２の抵抗温度係数が設定されているものとする。この場合に、直流電圧の検出値が第１閾値以上となり、第１抵抗素子２１に電流を流し始めたタイミングから所定時間Ｔ経過した際の過電圧保護回路１４の抵抗値の変化（電力の消費特性の変化）を１０％に抑えることを考える。

上記のように、第１抵抗素子２１の抵抗温度係数が設定されている場合、第１抵抗素子２１に電流を流し始めたタイミングからＴ／２経過した際に、第１抵抗素子２１の抵抗値が１０％上昇する。従って、このタイミングで第２スイッチング素子３２をオフ状態からオン状態に切り替え、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替える。

第１抵抗素子２１の初期（常温時）の抵抗値をＲ１とし、第２抵抗素子２２の初期（常温時）の抵抗値をＲ２とする時、Ｔ／２から所定時間Ｔまで経過した際の第１抵抗素子２１の抵抗値、及び第２抵抗素子２２の抵抗値は、それぞれ１．２・Ｒ１、１．２・Ｒ２で表すことができる。従って、所定時間Ｔ経過した際の過電圧保護回路１４の抵抗値の変化を１０％に抑えるためには、並列回路の式から、第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２との合成抵抗値は、以下の（１）式を満たせばよい。
（１．２・Ｒ１×１．２・Ｒ２）／（１．２・Ｒ１＋１．２・Ｒ２）
＝１．１・Ｒ１ … （１）
上記の（１）式をＲ２について解くと、以下の（２）式となる。
Ｒ２＝１１・Ｒ１ … （２）

このように、上記の条件においては、第２抵抗素子２２の抵抗値は、第１抵抗素子２１の抵抗値の１１倍の抵抗値を選定すればよい。第２抵抗素子２２の抵抗値は、第１抵抗素子２１の抵抗値よりも大きい値に設定される。例えば、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧が一定だと仮定すると、第２抵抗素子２２で消費される電力は、１／１１（抵抗値の比）×１／２（時間）≒０．０４５となるため、第２抵抗素子２２の電流容量（定格電力）は、第１抵抗素子２１の電流容量（定格電力）よりも小さくてよい。

また、抵抗値が大きいことから、第２スイッチング素子３２の電流容量も、第１スイッチング素子３１の電流容量よりも小さくてよい。上記の例では、第２スイッチング素子３２の電流容量は、第１スイッチング素子３１の電流容量の１／１１倍とすることができる。

さらに、上記の条件で示したように、第２抵抗素子２２の抵抗温度係数は、第１抵抗素子２１の抵抗温度係数よりも大きくすることができる。例えば、上記の条件のように、第２抵抗素子２２の抵抗温度係数は、第１抵抗素子２１の抵抗温度係数の２倍に設定することができる。従って、第２抵抗素子２２には、第１抵抗素子２１よりも抵抗温度係数の大きい比較的安価な材質の抵抗素子を用いることができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、直流電圧の検出値が第１閾値以上である場合に、過電圧保護回路１４を第３状態に設定するとともに、第１抵抗素子２１の温度の測定値が所定温度以上である場合に、過電圧保護回路１４を第１状態に設定する。

これにより、本実施形態に係る電力変換装置１０では、１つの抵抗素子で第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制する場合と比べて、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２の抵抗温度係数を大きくすることができるとともに、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２の電流容量を小さくすることができる。従って、１つの抵抗素子で第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制する場合と比べて、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に安価な抵抗素子を用いることができる。抵抗素子の数が増えたとしても、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に安価な抵抗素子を用いることにより、１つの高価な抵抗素子を用いる場合よりも全体のコストを抑えることができる。従って、製造コストの増加を抑制しつつ、電力の消費特性の変化を抑制可能な過電圧保護回路１４を備えた電力変換装置１０を提供することができる。

また、電力変換装置１０では、第２抵抗素子２２の抵抗温度係数が、第１抵抗素子２１の抵抗温度係数よりも大きい。これにより、第２抵抗素子２２に第１抵抗素子２１よりもさらに安価な抵抗素子を用いることができ、電力変換装置１０の製造コストの増加をより抑制することができる。

さらに、電力変換装置１０では、第２抵抗素子２２の抵抗値が、第１抵抗素子２１の抵抗値よりも大きく、第２スイッチング素子３２の電流容量が、第１スイッチング素子３１の電流容量よりも小さい。これにより、第２スイッチング素子３２に第１スイッチング素子３１よりもさらに安価なスイッチング素子を用いることができ、電力変換装置１０の製造コストの増加をさらに抑制することができる。

図３は、実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、電力変換装置１０ａでは、過電圧保護回路１４において、温度センサ４０が省略されている。この例において、過電圧保護回路１４は、温度センサ４０の代わりに電流検出器４２を有する。なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明を省略する。

電流検出器４２は、第１抵抗素子２１に流れる電流を検出する。電流検出器４２は、制御部１６と接続されている。電流検出器４２は、第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値を制御部１６に入力する。

図４は、制御部の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。
図４は、電力変換装置１０ａの構成における制御部１６の動作の一例を模式的に表す。図４のステップＳ２０１～ステップＳ２０３の処理は、図２に関して説明したステップＳ１０１～ステップＳ１０３の処理と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。

制御部１６は、過電圧保護回路１４を第３状態に設定した後、電流検出器４２から入力された第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値を基に、第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値が所定電流以下か否かを判定する（図４のステップＳ２０４）。

制御部１６は、第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値が所定電流以下であると判定した場合には、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオン状態とすることにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態に過電圧保護回路１４を切り替える（図４のステップＳ２０５）。

図４のステップＳ２０６、ステップＳ２０７の処理は、図２に関して説明したステップＳ１０６、ステップＳ１０７の処理と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。

前述のように、第１抵抗素子２１に電流を流し、第１抵抗素子２１の温度が上昇すると、第１抵抗素子２１の抵抗値が上昇し、第１抵抗素子２１に流れる電流が減少する。従って、この例では、制御部１６は、電流検出器４２から入力された第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値を基に、第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値が所定電流以下である場合に、第１抵抗素子２１の電力の消費特性が所定以上変化したと判定し、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替える。この場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

図５は、制御部の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。
図５に表したように、この例において、制御部１６は、過電圧保護回路１４を第３状態に設定した後、過電圧保護回路１４を第２状態から第３状態に切り替えたタイミングから所定時間が経過したか否かを判定する（図５のステップＳ３０４）。換言すれば、制御部１６は、第１抵抗素子２１への通電時間が所定時間に達したか否かを判定する。なお、図５のステップＳ３０１～ステップＳ３０３の処理は、図２に関して説明したステップＳ１０１～ステップＳ１０３の処理と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。

制御部１６は、過電圧保護回路１４を第２状態から第３状態に切り替えたタイミングから所定時間が経過したと判定した場合には、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２をオン状態とすることにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態に過電圧保護回路１４を切り替える（図５のステップＳ３０５）。

図５のステップＳ３０６、ステップＳ３０７の処理は、図２に関して説明したステップＳ１０６、ステップＳ１０７の処理と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。

第１抵抗素子２１の温度の上昇にともなう第１抵抗素子２１の抵抗値の上昇は、第１抵抗素子２１への通電時間で予測することができる。従って、この例では、制御部１６は、過電圧保護回路１４を第２状態から第３状態に切り替えたタイミングから所定時間が経過した場合に、第１抵抗素子２１の電力の消費特性が所定以上変化したと判定し、過電圧保護回路１４を第３状態から第１状態に切り替える。この場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

このように、第１抵抗素子２１の電力の消費特性の変化は、第１抵抗素子２１の温度の測定値を基に判定してもよいし、第１抵抗素子２１に流れる電流の検出値を基に判定してもよいし、第１抵抗素子２１への通電時間などから演算によって判定してもよい。第１抵抗素子２１の電力の消費特性の変化を通電時間などの演算で判定する場合には、過電圧保護回路１４に温度センサ４０や電流検出器４２を設ける必要がなく、過電圧保護回路１４の構成を簡単にすることができる。過電圧保護回路１４の構成を簡単にし、電力変換装置１０の製造コストの増加をさらに抑制することができる。

なお、演算による第１抵抗素子２１の電力の消費特性の変化の判定方法は、第１抵抗素子２１への通電時間に限ることなく、第１抵抗素子２１の電力の消費特性の変化を演算によって適切に判定することができる任意の方法でよい。

図６は、実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図６に表したように、電力変換装置１０ｂでは、過電圧保護回路１４において、第２スイッチング素子３２が省略され、第２抵抗素子２２の他方の端子２２ｂが、第１スイッチング素子３１の一方の主端子３１ａと接続されている。換言すれば、電力変換装置１０ｂでは、第１抵抗素子２１と第２抵抗素子２２との並列接続体が、第１スイッチング素子３１と直列に接続されている。

電力変換装置１０ｂでは、第１スイッチング素子３１をオン状態とすることにより、過電圧保護回路１４が、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態となり、第１スイッチング素子３１をオフ状態とすることにより、過電圧保護回路１４が、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第２状態となる。

制御部１６は、直流電圧の検出値が第１閾値未満である場合に、第１スイッチング素子３１をオフ状態とすることにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に流れる電流を遮断する第２状態に過電圧保護回路１４を設定する。そして、制御部１６は、直流電圧の検出値が第１閾値以上である場合に、第１スイッチング素子３１をオン状態とすることにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態に過電圧保護回路１４を設定する。

このように、過電圧保護回路１４は、必ずしも第１抵抗素子２１のみに電流を流す第３状態を有しなくてもよい。過電圧保護回路１４の構成は、少なくとも第１状態と第２状態とを切り替え可能な任意の構成でよい。直流電圧の検出値が第１閾値以上である場合には、第３状態にすることなく、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流す第１状態に過電圧保護回路１４を設定することにより、第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制してもよい。

この場合にも、例えば、上記の（１）式及び（２）式で説明したように第１抵抗素子２１の抵抗値及び第２抵抗素子２２の抵抗値を設定することにより、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に電流を流し始めたタイミングから所定時間Ｔ経過した際の過電圧保護回路１４の抵抗値の変化を１０％に抑えることができる。

そして、この場合にも、上記実施形態と同様に、１つの抵抗素子で第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制する場合と比べて、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２の抵抗温度係数を大きくすることができるとともに、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２の電流容量を小さくすることができる。１つの抵抗素子で第１変換器１１及び第２変換器１２の直流電圧の上昇を抑制する場合と比べて、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に安価な抵抗素子を用いることができる。抵抗素子の数が増えたとしても、第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２に安価な抵抗素子を用いることにより、１つの高価な抵抗素子を用いる場合よりも全体のコストを抑えることができる。従って、製造コストの増加を抑制しつつ、電力の消費特性の変化を抑制可能な過電圧保護回路１４を備えた電力変換装置１０ｂを提供することができる。

但し、上記実施形態のように、第３状態に切り替えられるように過電圧保護回路１４を構成することにより、電力の消費特性の変化をより適切に抑制することができる。第２状態から第３状態に切り替えた後に、第３状態から第１状態にさらに切り替える場合には、例えば、通電開始時からＴ／２までの間の電力の消費特性を、Ｔ／２から所定時間Ｔまでの間の電力の消費特性と実質的に同じとすることができる。通電開始時から所定時間Ｔまでの間の電力の消費特性の変化をより小さくすることができる。

なお、上記実施形態では、過電圧保護回路１４が第１抵抗素子２１及び第２抵抗素子２２の２つの抵抗素子を有している。過電圧保護回路１４に設けられる抵抗素子の数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。過電圧保護回路１４は、並列に接続された３つ以上の抵抗素子を有してもよい。

過電圧保護回路１４は、３つ以上の抵抗素子のそれぞれに対応する３つ以上のスイッチング素子を有し、並列に接続する抵抗素子の数を３段階以上に変化させられるようにしてもよい。但し、過電圧保護回路１４の部品点数が増加すると、安価な素子を用いたとしても、製造コストの抑制効果が弱くなってしまう。従って、過電圧保護回路１４に設けられる抵抗素子の数は、２つあるいは３つ程度とすることが好適である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０ａ、１０ｂ…電力変換装置、 １１…第１変換器、 １２…第２変換器、 １３…直流コンデンサ、 １４…過電圧保護回路、 １５…電圧検出器、 １６…制御部、 ２１…第１抵抗素子、 ２２…第２抵抗素子、 ３１…第１スイッチング素子、 ３２…第２スイッチング素子、 ４０…温度センサ、 ４２…電流検出器

Claims (8)

1. 交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う変換器と、
   前記変換器の直流側に接続され、前記変換器の直流電圧の過電圧を抑制する過電圧保護回路と、
   を備え、
   前記変換器は、一対の直流端子を有し、
   前記過電圧保護回路は、前記一対の直流端子の間に設けられた第１抵抗素子と、前記第１抵抗素子と並列に設けられた第２抵抗素子と、を有し、前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に電流を流す第１状態と、前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子に流れる電流を遮断する第２状態と、を切り替え可能である電力変換装置。
2. 前記過電圧保護回路は、
   前記第１抵抗素子と直列に接続され、前記第１抵抗素子に電流を流す状態、及び前記第１抵抗素子に流れる電流を遮断する状態を切り替える第１スイッチング素子と、
   前記第２抵抗素子と直列に接続され、前記第２抵抗素子に電流を流す状態、及び前記第２抵抗素子に流れる電流を遮断する状態を切り替える第２スイッチング素子と、
   をさらに有し、
   前記過電圧保護回路は、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の状態の切り替えにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り替えるとともに、前記第１抵抗素子のみに電流を流し、前記第２抵抗素子に流れる電流を遮断する第３状態にさらに切り替え可能である請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記過電圧保護回路の動作を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子と接続され、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の状態を切り替えることにより、前記第１状態と前記第２状態と前記第３状態とを切り替え、前記変換器の前記直流電圧が閾値未満である場合に、前記過電圧保護回路を前記第２状態に設定し、前記直流電圧が前記閾値以上である場合に、前記過電圧保護回路を前記第３状態に設定するとともに、前記過電圧保護回路を前記第３状態に切り替え、前記第１抵抗素子への通電を開始した後、前記第１抵抗素子の電力の消費特性が所定以上変化した場合に、前記過電圧保護回路を前記第１状態に設定する請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記第１抵抗素子の温度が所定温度以上である場合に、前記第１抵抗素子の電力の消費特性が所定以上変化したと判定する請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記第１抵抗素子に流れる電流が所定電流以下である場合に、前記第１抵抗素子の電力の消費特性が所定以上変化したと判定する請求項３記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記過電圧保護回路を前記第２状態から前記第３状態に切り替えたタイミングから所定時間が経過した場合に、前記第１抵抗素子の電力の消費特性が所定以上変化したと判定する請求項３記載の電力変換装置。
7. 前記第２抵抗素子の抵抗値は、前記第１抵抗素子の抵抗値よりも大きく、
   前記第２スイッチング素子の電流容量は、前記第１スイッチング素子の電流容量よりも小さい請求項２～６のいずれか１つに記載の電力変換装置。
8. 前記第２抵抗素子の抵抗温度係数は、前記第１抵抗素子の抵抗温度係数よりも大きい請求項１～７のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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