JP5841678B2 - ヒューズ保護を有するインバータおよび電力システム - Google Patents

Description

本願は、２０１１年１２月２９日に出願された米国仮出願番号第６１／５８１３４６号の優先権を主張する。

本発明の実施形態は、電力エレクトロニクスシステムに関する。他の実施形態は、例えば負荷を駆動するために１つの電圧波形を別の電圧波形に変換するためのインバータおよび他の電力エレクトロニクスシステムに関する。

直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換することによって、オフハイウェイ車両および他の車両に電力を供給するために、インバータを用いることができる。オフハイウェイ車両は、主として自動車用に指定された道路で使用するためではない車両であってもよく、エネルギー発生および推進力のための１つまたは複数のエンジンまたはモーターを含むことができる。オフハイウェイ車両の例としては、機関車および他の鉄道車両、海洋船舶、鉱業用運搬トラック、ならびに他の鉱業用もしくは建設用重機などが含まれる。

インバータの障害または故障が生じた場合に、電力変換システムの残りの部分がさらに損傷することを防止するために、複数のヒューズを用いることができる。複数のヒューズは、電力変換システムの各位相を保護するために典型的に用いられる。しかし、３つ以上のヒューズが回路保護のために用いられる場合、ヒューズ（回路保護のための）を溶断するために必要なエネルギーの実効的な量は、所与の応用にとって望ましい量よりも高くなる可能性がある。さらに、ヒューズは、故障材料（例えば破片またはプラズマ）の経路に典型的に位置している。インバータの障害または故障が生じた場合に、システム内のヒューズは、プラズマが存在するために機能できないおそれがある。このように、ヒューズが電力変換システムを保護することができないおそれがある。

英国特許出願公開第２３９９４６５号明細書

一実施形態では、電力変換システム（例えば、オフハイウェイ車両または他の車両上で電力の１つの形式を電力の別の形式に変換するための）は、バスバー（例えば、積層バスバー）と、バスバーに結合され、バスバーを通して電圧源からＤＣ入力電圧を受け取るように構成されるスイッチ（例えば、半導体電力スイッチ）と、を備える。電力変換システムは、電圧源およびスイッチと直列に、バスバーに配置される並列ヒューズシステムをさらに備える。並列ヒューズシステムは、２つ以上の並列ヒューズ（２つ以上のヒューズが並列に電気的に接続される）を含み、電力変換システムの動作中にヒューズ間でインダクタンスが不均衡となるように構成される。

動作時において、一実施形態では、ヒューズ間のインダクタンスの不均衡によって、ヒューズを流れる不均衡／非対称な電流が生じる。すなわち、２つ以上のヒューズが同一タイプのヒューズである場合には、ヒューズを流れる電流量は互いに異なる。これは、結果として、ヒューズ素子を加熱し溶断するために必要なエネルギー量が、インダクタンスの不均衡のない類似なシステムの同一ヒューズと比較して、より低くなることになり（より低い実効的溶断Ｉ²ｔ）、それは、特により低い電圧で動作する場合に、システム保護を強化するために有益であり得る。実施形態では、並列ヒューズシステムは、電圧源からスイッチまでの最も短い伝導経路に対して非対称に配置される２つ以上のヒューズによって、インダクタンスが不均衡となるように構成される。例えば、ヒューズは異なる電気経路の長さを有する。他の実施形態では、並列ヒューズシステムは、インダクタンスの不均衡を設けるための１つまたは複数のインダクタを含む。他の実施形態では、並列ヒューズシステムは、インダクタンスの不均衡を設けるための能動回路を含む。

他の態様は、オフハイウェイ車両または他の車両用の電力変換システムに関する。一実施形態では、車両は、バスバー、電力コンバータ、および並列ヒューズシステムを備える。電力コンバータ（例えば、インバータ）は複数のスイッチを含み、それらの少なくともいくつかはバスバーに結合される。並列ヒューズシステムは、バスバーに配置され、並列に電気的に接続される２つ以上のヒューズを含む。並列ヒューズシステムは、電力コンバータおよび電力源と直列に電気的に接続される。並列ヒューズシステムのヒューズは、電力コンバータの複数のスイッチの下に位置し、複数のスイッチから横にオフセットされる。そのようにすることで、スイッチの破片が垂直に下方に落下した場合にはヒューズに遭遇せず、またヒューズの破片が下方に落下した場合にはスイッチに遭遇しない。（「下に位置する」は、少なくとも車両が車両の走行運転のための水準面と接触している場合に関する。）
別の実施形態は、電力コンバータおよび並列ヒューズシステムを備える電力変換システムに関する。電力コンバータは６つのスイッチを含み、それらは第１のバスバーに結合される３つの上部スイッチおよび第２のバスバーに結合される３つの下部スイッチを含む。（上部および下部はラベルであって、必ずしも相対的な位置付けを意味するものではない。しかし、実施形態では、上部スイッチは、下部スイッチより上に配置される。）３つの上部スイッチは、第１のバスバーを通して電圧源からＤＣ正入力電圧を受け取るように構成され、３つの下部スイッチは、第２のバスバーを通して電圧源からＤＣ負入力電圧を受け取るように構成される。並列ヒューズシステムは、第１のバスバーまたは第２のバスバーに配置され、電圧源および６つのスイッチと直列に電気的に接続される。並列ヒューズシステムは３つの並列ヒューズを含む。並列ヒューズシステムは、電力コンバータの動作中に、並列ヒューズ間でインダクタンスが不均衡となるように構成される。

添付の図面を参照して以下の「発明を実施するための形態」読むことで、本発明のこれらのそして他の特徴、態様および利点がより良く理解されよう。添付の図面の全体にわたって、類似の符号は類似の部品を示す。

実施形態によるディーゼル電気機関車のブロック図である。 実施形態による電力変換システムのブロック図である。 実施形態によるヒューズ保護を有する電力変換システムの回路図である。 実施形態による電力変換システムの一部分を示す図である。 実施形態による電力変換システムの積層バスバーの側面図を示す図である。

例えば機関車または他の車両などのオフハイウェイ車両内で電力変換を実行する場合に、空間制限はしばしば主要な制約である。典型的には、列車は１つあるいは複数の機関車によって牽引し、または押すことができる。このようなシナリオでは、電力変換システムは、機関車本体内に存在することができる。あるいは、分散された推進力としても知られる、列車に沿って配置される複数のより小さい推進ユニットによって、列車を推進させることができる。両方のタイプの電力変換システムには、いくつかの異なる利点および不利な点があり、また異なる設計課題を抱えている。説明を容易にするため、電力変換システムは、機関車本体または他のオフハイウェイ車両または他の車両の限定された空間内に存在するとして説明する。

本発明の実施形態は、一般的には、電力インバータおよび他の電力コンバータのヒューズ保護に関する。（電力コンバータは、電力を１つの形式から別の形式に変換する、例えばＤＣを単相ＡＣに、ＤＣを三相ＡＣに、またはＤＣをＤＣなどに変換するように構成されるデバイスである。）一実施形態では、電力変換システム（例えば、オフハイウェイ車両または他の車両のための）は、積層バスバーまたは他のバスバーと、バスバーに結合され、バスバーを通して電圧源からＤＣ入力電圧を受け取るように構成される半導体電力スイッチまたは他のスイッチと、を備える。（実施形態では、バスバーに結合される複数の半導体電力スイッチまたは他のスイッチがあり、それらは電力変換動作のために制御可能にオン／オフを切り換えられる。）電力変換システムは、電圧源およびスイッチと直列に、バスバーに配置される並列ヒューズシステムをさらに備える。並列ヒューズシステムは、並列に電気的に接続される２つ以上のヒューズを含む。並列ヒューズシステムは、電力変換システムの動作中にヒューズ間でインダクタンスが不均衡となるように構成される。ヒューズ間のインダクタンス不均衡によって、電力変換システムの動作中に２つ以上の並列ヒューズを流れる電流が不均衡／非対称になる。すなわち、２つ以上のヒューズが同一タイプのヒューズ（例えば、同じモデル／部品番号および容量）である場合には、所与の応用では概してそのような場合であるが、ヒューズの中を流れる電流量は互いに異なる。これは、結果として、ヒューズ素子を加熱し溶断するために必要なエネルギー量が、インダクタンスの不均衡のない類似するシステムの同一ヒューズと比較して、より低くなることになり（より低い実効的溶断Ｉ²ｔ）、それは、特により低い電圧で動作する場合に、システム保護を強化するために有益であり得る。より具体的には、インダクタンスの不均衡によって、ヒューズのうちの１つは最小のインダクタンスとなり、結果として他のヒューズよりも早く溶断Ｉ²ｔに到達することになる。そして、それは「等価なヒューズ」の溶断Ｉ²ｔを減少させることになる。

実施形態では、インバータまたは他の電力コンバータを保護するために、複数のヒューズが並列に用いられる。並列に配置されるヒューズの結果、積層バスバー（ヒューズおよびスイッチが接続される）は、積層バスバーを有するが並列な複数のヒューズのない類似なシステムよりも層を少なくすることができる。

図１は、実施形態によるディーゼル電気機関車のブロック図である。機関車は、簡略化した部分的な断面図に示すが、符号１００によって概括的に参照する。複数の走行モーターは、図１には示していないが、駆動輪１０２の後に位置して、車軸１０４と駆動関係で結合される。複数の補助モーターは、図１には示していないが、機関車の様々な位置にあって、送風機またはラジエータファンのような様々な補助負荷と結合される。モーターは、交流（ＡＣ）電気モーターであってもよい。以下で詳細に述べるように、機関車１００は、モーターへの電力を制御するための複数の電力コンバータ（例えば、インバータ回路）を含むことができる。本発明の実施形態が適用できる車両の一例として機関車を図１に示しているが、一般的に他の実施形態を他のオフハイウェイ車両および他の車両に適用することができる。

図２は、実施形態による車両電力システムのブロック図である。車両電力システムは、符号２００によって概括的に参照されるが、負荷、例えば、機関車１００（図１）などのオフハイウェイ車両用の１つまたは複数のモーターへのＡＣ電源を制御するために用いることができる。車両電力システム２００は、ディーゼルエンジン（図示せず）などの車内に搭載された内燃機関によって駆動される交流発電機２０２を含むことができる。交流発電機２０２の電力出力は、界磁制御器２０４によって示される励磁制御によって調整される。交流発電機２０２からの電力は、整流器２０６によって整流され、１つまたは複数のインバータ２０８または他の電力コンバータに結合される。インバータ２０８は、ＤＣ電力を、１つまたは複数のＡＣモーター２１０に印加するための可変周波数および可変電圧振幅を有するＡＣ電源に変換するために、大電力半導体スイッチを用いることができる。その中に、インバータまたは他の電力コンバータで使用することができる大電力半導体スイッチの例としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、逆導通ＩＧＢＴ、および双モード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴ）などが含まれる。２台のモーターを示しているが、機関車または他の車両は、例えば、各々が個別のインバータによって制御される４台から６台のＡＣ電気モーターを含んでもよい。

再び図１を参照すると、電力回路は、機器室１０６に少なくとも部分的に位置する。インバータ２０８（図２）および界磁制御器２０４（図２）ならびに他の電子部品のための制御電子装置は、機器室１０６の積層バスバーまたは他のバスバーに保持される基板上に配置することができる。機器室１０６内には、パワー変換に用いられるインバータ２０８（図２）などのインバータまたは他の電力コンバータを空冷ヒートシンク１０８に取り付けることができる。

上述したように、ＡＣ波形を生成するために用いるインバータ２０８は、大電力半導体スイッチを含むことができる。シュートスルー障害のようなスイッチ障害の間に、スイッチを流れる電流は急速に増加することがあり得る。シュートスルー障害により生じる損傷を制限するために、インバータモジュールはヒューズによって保護されるように構成することができる。実施形態によれば、複数のインバータは、２つ以上の並列に接続されたヒューズによって保護することができる。並列ヒューズシステムは、インバータモジュールの下に設けることができる。そうすると、並列ヒューズシステムの位置は、障害が生じた場合に、インバータを分離する。

図３は、実施形態によるヒューズ保護を有する電力変換システム３００の回路図である。図３の電力変換システム３００は、第１のレッグ３０２、第２のレッグ３０４および第３のレッグ３０６を含む。図３に示すように、各レッグ３０２、３０４、および３０６は、一対のスイッチ３０８および３１０を含む。スイッチは、ＩＧＢＴおよびＢＩＧＴなどの半導体を用いて形成することができる。

スイッチ３０８は、本明細書では、上部スイッチ３０８と呼ぶ。また、スイッチ３１０は、本明細書では、下部スイッチ３１０と呼ぶ。（上述したように、上部および下部という用語はラベルであって、必ずしも相対的な位置付けを意味するものではない。しかし、実施形態では、上部スイッチは、下部スイッチより上に配置される。）ダイオードは、本明細書で上部ダイオード３１２と呼ぶが、各レッグ３０２、３０４および３０６内の上部スイッチ３０８のコレクタおよびエミッタに逆並列に配置される。他のダイオードは、本明細書で下部ダイオード３１４と呼ぶが、各レッグ３０２、３０４および３０６内の下部スイッチ３１０のコレクタおよびエミッタに逆並列に配置される。ダイオード３１２および３１４は、フリーホイーリング電流のための伝導経路を提供する。それは電流伝導スイッチがオフするときに回路および負荷のインダクタンスにより発生する電流である。上部ダイオード３１２は、下部スイッチ３１０がスイッチオフするときに生じ得るフリーホイーリング電流のための伝導経路を提供する。下部ダイオード３１４は、上部スイッチ３０８がスイッチオフするときに生じ得るフリーホイーリング電流のための伝導経路を提供する。上部スイッチ３０８および下部スイッチ３１０は、上部レール３１６と下部レール３１８との間に直列に配置されている。上部レール３１６はＤＣ正（ＤＣＰ）電圧源３２０などの電圧源に接続することができ、下部レール３１８はＤＣ負（ＤＣＮ）電圧源３２２などの電圧源に接続することができる。実施形態では、各レッグ３０２、３０４および３０６内の各スイッチ３０８および３１０ならびにその対応するダイオード３１２および３１４は、それ自体の分離したスイッチ筐体内に配置される。例えば、グラスティック（ｇｌａｓｔｉｃ）筐体内部の銅ヒートシンク上に取り付けられた高電圧プレーナーベースモジュールなどに配置される。一実施形態では、スイッチ３０８および３１０ならびにダイオード３１２および３１４は、各レッグ３０２、３０４および３０６ごとに同じ筐体内に配置される。

各レッグ３０２、３０４および３０６は、三相モーターに供給するための異なる出力位相を生成する。第１のレッグ３０２は第１の出力位相３２４を生成し、第２のレッグ３０４は第２の出力位相３２６を生成し、第３のレッグ３０６は第３の出力位相３２８を生成する。３つの出力位相３２４、３２６および３２８は、三相モーター３３０に供給される。簡潔にするために、三相モーター３３０を供給するために、３つのインバータレッグ３０２、３０４および３０６が示される。しかし、実施形態による電力変換システムが２つ、３つ、またはより多くのインバータレッグを含むことができ、各々が多相モーターまたは他のモーターまたは他の負荷の特定の位相のための出力ＡＣ波形（または他の波形）を供給することができることはいうまでもない。

また、電力変換システム３００は、並列ヒューズシステムを含み、それは２つ以上のヒューズ３３２を含む。（図３の実施形態では３つのヒューズを示す。）ヒューズ３３２の並列システムは、上部レール３１６または下部レール３１８と直列に配置することができる。さらにまた、図３には示していないが、上部レール３１６および下部レール３１８の両方は、それ自体のヒューズ３３２の並列システムを各々有することができる。スイッチ３０８および３１０は、図３に示されない他のクランプ回路に接続することができる。特定の障害条件では、スイッチ３０８または３１０のエミッタとコレクタとの間の電圧がスイッチに損傷を与え得る過剰なレベルまで高くなる可能性があり得る。例えば、１つのレッグ３０２、３０４または３０６内の両方のスイッチ３０８および３１０が同時にオンされた場合には、シュートスルー障害が発生するおそれがあり、それは２つのスイッチ３０８および３１０を通して上部レール電圧３１６と下部レール電圧３１８との間に短絡を引き起こす。損傷をレッグ３０２、３０４または３０６の構成要素のいずれかに制限するために、ヒューズ３３２は、電流が回路に過負荷をかけるのを防止するために「とぶ」あるいは溶断する。また、各スイッチ３０８および３１０は、符号３３６のキャパシタバンクおよび符号３３４のインダクタに結合される。キャパシタバンクは、低インダクタンスバスバーを通る共通のキャパシタバンクでもよい。

図４は、実施形態による電力変換システム４００の一部分を示す図である。電力変換システム４００は、積層バスバー４０２を含む。積層バスバー４０２は、インバータレッグ３０２、３０４および３０６（図３）などのバスバー４０２に結合される様々な電気部品に供給するＤＣ電圧のための伝導経路を提供する。例えば、バスバー４０２上のスイッチ３０８およびスイッチ３１０は、電力変換システム３００（図３）などの電力変換システムの１つのレッグと考えることができる。実施形態による電力変換システムが、特定の実装のための設計検討に応じて任意の好適な数の積層バスバーを含むことができることはいうまでもない。さらに、図示していないが、積層バスバー４０２は、低インダクタンス垂直バスバーを通る共通のキャパシタバンクを有することができる。さらに、図４に示していない様々な電圧源および電流伝達ケーブルがあることが理解されよう。

積層バスバー４０２は、位相アイランド４０４を含む。位相アイランド４０４は、各位相の出力、例えばレッグ３０２、３０４および３０６（図３）からの出力と三相モーター３３０（図３）との接続を形成する積層バスバー４０２の１つの層である。各位相アイランド４０４は、グラスティック（ｇｌａｓｔｉｃ）筐体内部の銅ヒートシンク上に取り付けられた高電圧プレーナーベースモジュールに接続することができる。各位相アイランド４０４に接続されるグラスティック（ｇｌａｓｔｉｃ）筐体は、スイッチ３０８および３１０（図３）などのスイッチを含むことができる。そして、それらは図４にさらに示される。スイッチ３０８および３１０は、積層バスバー４０２に結合することができて、積層バスバー４０２を通して電圧源からＤＣ入力電圧を受け取るように構成することができる。各スイッチ３０８および３１０は、電流が一方向に流れる場合には制御されたトランジスタとして動作し、あるいは、電流が反対方向に流れる場合にはダイオードとして動作する。図３に示すように、スイッチ３０８およびスイッチ３１０は、直流電流（ＤＣ）をモーターへの交流電流（ＡＣ）出力に変換するために用いられる。ヒューズ３３２（図３）を含む並列ヒューズシステムは、電圧源およびスイッチと直列に積層バスバー４０２上に配置することができる。このように、ヒューズ保護はシステム全体に対して提供され、位相ごとに提供されるのではない。

上述したように、並列ヒューズシステムは、並列に電気的に接続された２つ以上のヒューズを含む。実施形態では、並列ヒューズシステムは、電力変換システムの動作中にヒューズ間でインダクタンスが不均衡となるように構成される。実施形態では、並列ヒューズシステムは、電圧源からスイッチまでの最も短い伝導経路に対して非対称に配置される２つ以上のヒューズによって、インダクタンスが不均衡となるように構成される。例えば、ヒューズは異なる電気経路の長さを有する。他の実施形態では、並列ヒューズシステムは、インダクタンスの不均衡を設けるための１つまたは複数のインダクタ（例えば、ヒューズと直列に接続されるインダクタ回路素子）を含む。他の実施形態では、並列ヒューズシステムは、インダクタンスの不均衡を設けるための１つまたは複数の能動回路を含む。

ヒューズ３３２は、各インバータにヒューズ保護を提供するために、バスバーの底部に設置することができる。図４に示すように、電力変換システムが使用される車両に取り付けられる場合には、ヒューズ３３２は下部スイッチ３１０の下に位置する。スイッチ３０８および３１０は、並列ヒューズシステムを用いることにより保護を提供される。上述したシュートスルー障害の場合のように、障害または故障によって過剰な電流が回路を流れると、回路が損傷する危険がある。ヒューズの電流定格より高い電流がヒューズを流れると、「とばす」（ヒューズ内の素子を溶断すること）によって、ヒューズは回路に保護を提供することができる。その素子は、充填材料によって取り囲むことができ、ヒューズ本体に封入される。回路にさらなる損傷が生じないように、切れたヒューズは開放することによって電気回路を保護する。

回路内でヒューズをとばすために必要なエネルギー量は、そのヒューズのアンペア２乗秒（Ｉ²ｔ）規格として既知である。ヒューズのＩ²ｔ規格は、ヒューズをとばすエネルギーの尺度であり、それは電流の持続時間だけでなく電流の振幅にも依存する。溶断Ｉ²ｔ規格は、ヒューズ素子を溶断するために必要な最小限のＩ²ｔ規格でもある。実施形態では、並列ヒューズシステムは、並列ヒューズシステムの複合溶断Ｉ²ｔ規格を下げる。

図５は、実施形態による電力変換システムの積層バスバー４０２の側面図を示す図である。積層バスバー４０２（図４）は、ＤＣ負入口５０２に接続することができて、三相モーターに電力を供給するために用いる各位相に対応する位相アイランド４０４（図４）を含むことができる。積層バスバー４０２および位相アイランド４０４は、図５にさらに示す。説明を容易にするため、バスバーの片側を示すが、積層バスバー４０２に示されない様々な接続および端末があるものと理解される。積層バスバー４０２は、図３のヒューズ３３２に対応する位相アイランド４０４の下に位置する３つのヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃを含む。

大電流障害の際には、ＤＣ負入口５０２からのヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃを流れる非対称電流が存在する。したがって、非対称電流において、ＤＣ負入口５０２とＤＣ負入口５０２の最も近くに位置するヒューズ３３２Ａとの間により多くの電流が流れる。これは、ＤＣ負入口５０２に最も近い特定のヒューズ３３２Ａの直接の結果である。同様に、ＤＣ負入口５０２から最も遠くに位置するヒューズ３３２Ｃと比較すると、より多くの電流が中間のヒューズ３３２Ｂを流れる。このように、電力変換システムからのいかなる過渡電流も、ヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃを通って「カスケードする」。過渡電流は、障害または故障が発生した場合の回路の平衡の刺激または変化に応答する、電気回路内の電流の短寿命またはわずかな時間のサージである。過渡電流がヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃの電流定格を超える場合には、ヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃがとび、それによって、残りの回路を保護する。

並列に接続されたヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃは、ヒューズの位置がバスバー前面にあって位相アイランドから離れているので、垂直な積層バスバー層の取出しを可能にし、それによって、電力変換システムのサイズを小さくする。また、並列ヒューズシステムは積層バスバー障害からインバータを保護する。電流がヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃを流れるので、各ヒューズはそれと関係するいくらかのインダクタンスを有する。インダクタンスは、ヒューズを流れる電流の変化率に対するヒューズ内電圧の比で測定することができる。積層バスバーを通る電流に対するヒューズの相対的位置は、結果としてヒューズを流れる非対称電流を生じさせる。入力の電流経路において非対称に並列にヒューズを配置した結果、結果として生じる並列ヒューズシステムの複合溶断Ｉ²ｔは減少する。

実施形態では、ヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃの各々は、同じ電流定格を有する。したがって、ヒューズ定格を上回る過渡電流が回路を流れると、ヒューズ３３２Ａ、３３２Ｂおよび３３２Ｃはカスケードされた方法でとぶ。さらに、並列ヒューズシステムは、多相モーターの各位相について一組のヒューズを設ける代わりに、ＤＣ入口に配置される。並列ヒューズシステムがＤＣ入口に直列に接続されるので、１つのインバータについてより少ないヒューズを用いることができる。このように、実施形態では、並列ヒューズシステムは、より少ない数のヒューズを用いてインバータ電力電子部品に保護を提供する。

実施形態では、並列ヒューズシステムは、スイッチ入力に直接接続される。さらに、実施形態では、並列ヒューズシステムは、過渡的障害保護のために並列に接続される３つのヒューズを含むことができる。他の実施形態では、電力変換システムは、３つのヒューズだけを含む。本発明の別の実施形態は、バスバー全体の電流分配のための十分なヒューズの定常状態バランスを提供することができる。その結果、並列ヒューズシステムは、バスバーにおける電流をバランスさせる手段を提供し、特定のバスバー層上の均一な電流密度を提供することができる。さらに、実施形態では、より高抵抗のヒューズを並列ヒューズシステムで用いることができ、バスバーの裏側に沿って電流を増加させるために、ヒューズ３３２Ａの位置のＤＣ入力の最も近くに配置することができる。

並列ヒューズシステムがヒューズ間でインダクタンスが不均衡になるように構成される実施形態では、各ヒューズレッグ（ヒューズレッグとは、ヒューズおよびヒューズとヒューズに固有の他の構成要素との間の電気的接続の部分を指す）のインダクタンスは、１ｎＨから５ｎＨまでの範囲になり得る。そして、２つ以上のヒューズレッグ間の最小インダクタンスは、２つ以上のヒューズレッグの最大インダクタンスの１／３（約３３％）である。他の実施形態では、インダクタンスの不均衡は、同一のまたはほぼ同一のインダクタンスを有するヒューズレッグの２つ、およびより小さいインダクタンス（例えば、１／３または３３％）を有する第３のヒューズレッグを含むことができる。他の実施形態では、インダクタンスの不均衡は、２つ以上のヒューズレッグ間で第１の最大のインダクタンスを有する第１のヒューズレッグ、および２つ以上のヒューズレッグ間で第２の最小のインダクタンスを有する第２のレッグを含むことができる。ここで、最大のインダクタンスは最小のインダクタンスより大きい。他の実施形態では、電力変換システム（または電力変換システムを含む車両）は、インダクタンスの不均衡を実現するための回路構成／素子に関して特に装備される。

一実施形態は、バスバー（例えば、積層バスバー）と、バスバーに結合され電圧源からバスバーを通ってＤＣ入力電圧を受け取るように構成されるスイッチと、電圧源およびスイッチと直列にバスバー上に配置される並列ヒューズシステムと、を備える電力変換システムに関する。（スイッチは電力変換システムの複数のスイッチのうちの１つであってもよい。）並列ヒューズシステムは、２つ以上の並列ヒューズを備える。並列ヒューズシステムは、電力変換システムが運転中である場合に、ヒューズを通る電流が非対称な流れになるように構成される。例えば、ヒューズを通る電流を非対称にするために、２つ以上の並列ヒューズが電圧源からスイッチまでの最も短い伝導経路に対して非対称に配置されるように、並列ヒューズシステムを構成することができる。

別の実施形態は、バスバー（例えば、積層バスバー）と、バスバーに結合され電圧源からバスバーを通ってＤＣ入力電圧を受け取るように構成されるスイッチと、電圧源およびスイッチと直列にバスバー上に配置される並列ヒューズシステムと、を備える電力変換システムに関する。並列ヒューズシステムは、２つ以上の並列ヒューズを備える。並列ヒューズシステムは、電力変換システムの動作中に、ヒューズ間でインダクタンスが不均衡となるように構成される。例えば、２つ以上の並列ヒューズは、電圧源からスイッチまでの最も短い伝導経路に対して非対称に配置することができる。

他の実施形態では、並列ヒューズシステムは、スイッチのスイッチ入力に直接接続される。

他の実施形態では、故障により生じる短絡の間にヒューズを溶断するために必要なエネルギー量は、並列ヒューズシステム以外の構成の同一ヒューズと比較してより低い。

他の実施形態では、並列ヒューズシステムは、スイッチをバスバー障害から保護するように構成される。

別の実施形態は、本明細書に記載された電力変換システムを備える車両に関する。

車両の別の実施形態では、並列ヒューズシステムは、少なくとも車両が車両の走行運転のための水準面と接触している場合に関して、スイッチの下に位置する。

車両の別の実施形態では、並列ヒューズシステムは、スイッチのスイッチ入力に直接接続される。

車両の別の実施形態では、バスバーは積層バスバーである。

車両の別の実施形態では、故障によって生じる短絡の間にヒューズを溶断するために必要なエネルギー量は、並列ヒューズシステム以外の構成の同一ヒューズと比較してより低い。

車両の別の実施形態では、並列ヒューズシステムは、バスバー障害からスイッチを保護するように構成される。

車両の別の実施形態では、２つ以上の並列ヒューズは、電圧源からスイッチまでの最も短い伝導経路に対して非対称に配置される。

車両の別の実施形態では、並列ヒューズシステムのヒューズは、障害が生じた場合にスイッチを分離するように配置される。

車両の別の実施形態では、スイッチは、車両の電力コンバータの複数のスイッチのうちの１つである。

別の実施形態は、バスバー（例えば、積層バスバー）と、複数のスイッチ（スイッチのうちの少なくともいくつかはバスバーに結合される）を含む電力コンバータと、バスバーに配置され並列に接続される２つ以上のヒューズを含む並列ヒューズシステムと、を備える車両に関する。並列ヒューズシステムは、電力コンバータおよび電力源と直列に電気的に接続される。並列ヒューズシステムのヒューズは、少なくとも車両が車両の走行運転のための水準面と接触している場合に関して、複数のスイッチの下に位置する。そうすることで、スイッチの破片が垂直に下方に落下した場合にヒューズに遭遇せず、またヒューズの破片が下方に落下した場合にスイッチに遭遇しない。

別の実施形態は、電力変換システムに関する。電力変換システムは６つのスイッチを含む電力コンバータを備え、電力コンバータは第１のバスバーに結合される３つの上部スイッチと第２のバスバーに結合される３つの下部スイッチとを含む。３つの上部スイッチは電圧源から第１のバスバーを通ってＤＣ正入力電圧を受け取るように構成され、３つの下部スイッチは電圧源から第２のバスバーを通ってＤＣ負入力電圧を受け取るように構成される。電力変換システムは、第１のバスバーまたは第２のバスバーに配置され、電圧源および６つのスイッチと直列に電気的に接続される並列ヒューズシステムをさらに備える。並列ヒューズシステムは、３つの並列ヒューズを備える。並列ヒューズシステムは、電力変換システムが運転中である場合に、ヒューズを流れる電流が非対称な流れになるように構成される。

別の実施形態は、電力変換システムに関する。電力変換システムは６つのスイッチを含む電力コンバータを備え、電力コンバータは第１のバスバーに結合される３つの上部スイッチと第２のバスバーに結合される３つの下部スイッチとを含む。３つの上部スイッチは電圧源から第１のバスバーを通ってＤＣ正入力電圧を受け取るように構成され、３つの下部スイッチは電圧源から第２のバスバーを通ってＤＣ負入力電圧を受け取るように構成される。電力変換システムは、第１のバスバーまたは第２のバスバーに配置され、電圧源および６つのスイッチと直列に電気的に接続される並列ヒューズシステムをさらに備える。並列ヒューズシステムは、３つの並列ヒューズを備える。並列ヒューズシステムは、電力コンバータの動作中に、並列ヒューズ間でインダクタンスが不均衡となるように構成される。例えば、並列ヒューズは、電圧源からスイッチまでの最も短い伝導経路に対して非対称に配置することができる。

車両の別の実施形態では、第１のバスバーおよび第２のバスバーは垂直に配置され、３つの上部スイッチは、３つの上部スイッチが第１のバスバーの長さに沿って上から下まで配置されるように第１のバスバーに結合され、３つの下部スイッチは、３つの下部スイッチが第２のバスバーの長さに沿って上から下まで配置されるように第２のバスバーに結合される。並列ヒューズシステムは、少なくとも車両が車両の走行運転のための水準面と接触している場合に関して、第１のバスバー上の３つの上部スイッチまたは第２のバスバー上の３つの下部スイッチの下に配置される。

車両の別の実施形態では、並列ヒューズシステムは、６つのスイッチのスイッチ入力に直接接続される。

車両の別の実施形態では、故障によって生じる短絡の間に並列ヒューズシステムのヒューズを溶断するために必要なエネルギー量は、並列ヒューズシステム以外の構成の同一ヒューズと比較してより低い。

車両の別の実施形態では、第１のバスバーは第１の積層バスバーであり、第２のバスバーは第２の積層バスバーである。

上記の記述は例示であることを意図しており、限定することを意図するものではないことを理解すべきである。例えば、上述した実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。加えて、特定の状況または材料を、その範囲を逸脱せずに本発明の教示に適応させるために、多くの修正が成されてもよい。本明細書に記載された材料の寸法およびタイプは本発明の実施形態を示すことを意図するものであるが、それらは決して限定するものではなく、事実上例示的なものである。他の実施形態は、上記の記載を精査することで明らかになり得る。

添付の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の平易な英語の同義語として用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、「第３の」、「上部の」、「下部の」、「底の」、「上の」、「上方に」、「下方に」などの用語は、単にラベルとしてのみ用いられ、数値的または位置的要件をそれらの対象に課すことを意図するものではない。

本明細書において、単数で列挙された構成要素または工程は、このような除外が明示的に述べられない限り、構成要素または工程の複数を除外しないように理解されるべきである。さらにまた、本発明の「一実施形態」への参照は、列挙された特徴を組み込む付加的な実施形態の存在を除外するように解釈されることを意図するものではない。さらに、明示的にそれとは反対に述べられない限り、特定の特性を有する構成要素または複数の構成要素を「備える」、「含む」、または「有する」実施形態は、その特性を有さないこのような構成要素を付加的に含むことができる。

ヒューズ保護を有する上記のインバータおよび電力システムにおいて、本明細書に含まれる本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、一定の変更を行うことができるので、上記の記載または添付の図面に示した本発明の主題の全ては、本明細書における発明の概念を示す単なる実施例として解釈するものであり、本発明を限定するものとして解釈してはならないことが意図されている。

１００ 機関車
１０２ 駆動輪
１０４ 車軸
１０６ 機器室
１０８ 空冷ヒートシンク
２００ 車両電力システム
２０２ 交流発電機
２０４ 界磁制御器
２０６ 整流器
２０８ インバータ
２１０ ＡＣモーター
３００ 電力変換システム
３０２ 第１のレッグ、インバータレッグ
３０４ 第２のレッグ、インバータレッグ
３０６ 第３のレッグ、インバータレッグ
３０８ 上部スイッチ
３１０ 下部スイッチ
３１２ 上部ダイオード
３１４ 下部ダイオード
３１６ 上部レール、上部レール電圧
３１８ 下部レール、下部レール電圧
３２０ 電圧源
３２２ 電圧源
３２４ 第１の出力位相
３２６ 第２の出力位相
３２８ 第３の出力位相
３３０ 三相モーター
３３２ ヒューズ
３３２Ａ ヒューズ
３３２Ｂ ヒューズ
３３２Ｃ ヒューズ
４００ 電力変換システム
４０２ 積層バスバー
４０４ 位相アイランド
５０２ ＤＣ負入口
ＩＧＢＴ 逆導通

Claims (21)

1. バスバー（４０２）と、
   前記バスバー（４０２）に結合され、前記バスバー（４０２）を通して電圧源（３２０、３２２）からＤＣ入力電圧を受け取るように構成されるスイッチ（３０８、３１０）と、
   前記電圧源（３２０、３２２）および前記スイッチ（３０８、３１０）と直列に、前記バスバー（４０２）に配置される並列ヒューズシステムと、
   を備え、
   前記並列ヒューズシステムは、２つ以上の並列ヒューズ（３３２）を含み、
   前記並列ヒューズシステムは、電力変換システム（３００、４００）の動作中に、前記ヒューズ（３３２）間でインダクタンスが不均衡となるように構成され、
   前記不均衡は、各ヒューズの電気経路の長さの違い、各ヒューズと直列に接続されるインダクタまたは能動回路、およびヒューズレッグのインダクタンスの違いのうちの少なくとも１つによってもたらされる、
   電力変換システム（３００、４００）。
2. 前記２つ以上の並列ヒューズ（３３２）は、前記電圧源（３２０、３２２）から前記スイッチ（３０８、３１０）までの最も短い伝導経路に対して非対称に配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記並列ヒューズシステムは、前記スイッチ（３０８、３１０）のスイッチ入力に直接接続される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記バスバー（４０２）は積層バスバー（４０２）である、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 故障によって生じる短絡の間に前記ヒューズ（３３２）を溶断するために必要なエネルギー量は、前記並列ヒューズシステム以外の構成の同一ヒューズと比較してより低い、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記並列ヒューズシステムは、前記スイッチ（３０８、３１０）をバスバー（４０２）の障害から保護するように構成される、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の電力変換システム（３００、４００）を備える車両。
8. 前記並列ヒューズシステムは、少なくとも前記車両が前記車両の走行運転のための水準面と接触している場合に関して、前記スイッチ（３０８、３１０）の下に位置する、請求項７に記載の車両。
9. 前記並列ヒューズシステムは、前記スイッチ（３０８、３１０）のスイッチ入力に直接接続される、請求項７または８に記載の車両。
10. 前記バスバー（４０２）は積層バスバー（４０２）である、請求項７から９のいずれかに記載の車両。
11. 故障によって短絡が生じる間に前記ヒューズ（３３２）を溶断するために必要なエネルギー量は、前記並列ヒューズシステム以外の構成の同一ヒューズと比較してより低い、請求項７から１０のいずれかに記載の車両。
12. 前記並列ヒューズシステムは、前記スイッチ（３０８、３１０）をバスバー（４０２）の障害から保護するように構成される、請求項７から１１のいずれかに記載の車両。
13. 前記２つ以上の並列ヒューズ（３３２）は、前記電圧源（３２０、３２２）から前記スイッチ（３０８、３１０）までの最も短い伝導経路に対して非対称に配置される、請求項７から１２のいずれかに記載の車両。
14. 前記並列ヒューズシステムの前記ヒューズ（３３２）は、障害が生じた場合に前記スイッチ（３０８、３１０）を分離するように配置される、請求項７から１３のいずれかに記載の車両。
15. 前記スイッチ（３０８、３１０）は、前記車両の電力コンバータの複数のスイッチの１つである、請求項７から１４のいずれかに記載の車両。
16. ６つのスイッチ（３０８、３１０）を含む電力コンバータであり、前記６つのスイッチ（３０８、３１０）は、第１のバスバー（４０２）に結合される３つの上部スイッチ（３０８）および第２のバスバー（４０２）に結合される３つの下部スイッチ（３１０）を含み、前記第１のバスバー（４０２）に結合される前記３つの上部スイッチ（３０８）は、前記第１のバスバー（４０２）を通して電圧源（３２０）からＤＣ正入力電圧を受け取るように構成され、前記第２のバスバー（４０２）に結合される前記３つの下部スイッチ（３１０）は、前記第２のバスバー（４０２）を通して前記電圧源（３２２）からＤＣ負入力電圧を受け取るように構成される電力コンバータと、
    前記第１のバスバー（４０２）または前記第２のバスバー（４０２）に配置され、前記電圧源（３２０、３２２）および前記６つのスイッチ（３０８、３１０）と直列に電気的に接続される並列ヒューズシステムと、
    を備え、
    前記並列ヒューズシステムは、３つの並列ヒューズ（３３２）を含み、
    前記並列ヒューズシステムは、前記電力コンバータの動作中に、前記並列ヒューズ（３３２）間でインダクタンスが不均衡となるように構成され、
    前記不均衡は、各ヒューズの電気経路の長さの違い、各ヒューズと直列に接続されるインダクタまたは能動回路、およびヒューズレッグのインダクタンスの違いのうちの少なくとも１つによってもたらされる、
    電力変換システム（３００、４００）。
17. 前記並列ヒューズ（３３２）は、前記電圧源（３２０、３２２）から前記スイッチ（３０８、３１０）までの最も短い伝導経路に対して非対称に配置される、請求項１６に記載のシステム。
18. 請求項１７に記載の電力変換システム（３００、４００）を備え、前記第１のバスバー（４０２）および前記第２のバスバー（４０２）は垂直に配置され、前記３つの上部スイッチ（３０８）は前記３つの上部スイッチ（３０８）が前記第１のバスバー（４０２）の長さに沿って上から下まで配置されるように前記第１のバスバー（４０２）に結合され、前記３つの下部スイッチ（３１０）は前記３つの下部スイッチ（３１０）が前記第２のバスバー（４０２）の長さに沿って上から下まで配置されるように前記第２のバスバー（４０２）に結合され、前記並列ヒューズシステムは、少なくとも前記車両が前記車両の走行運転のための水準面と接触している場合に関して、前記第１のバスバー（４０２）上の前記３つの上部スイッチ（３０８）または前記第２のバスバー（４０２）上の前記３つの下部スイッチ（３１０）の下に配置される車両。
19. 前記並列ヒューズシステムは、前記６つのスイッチ（３０８、３１０）のスイッチ入力に直接接続される、請求項１７に記載の電力変換システム（３００、４００）。
20. 故障によって生じる短絡の間に前記並列ヒューズシステムの前記ヒューズ（３３２）を溶断するために必要なエネルギー量は、前記並列ヒューズシステム以外の構成の同一ヒューズと比較してより低い、請求項１７または１９に記載の電力変換システム（３００、４００）。
21. 前記第１のバスバー（４０２）は第１の積層バスバー（４０２）であり、前記第２のバスバー（４０２）は第２の積層バスバー（４０２）である、請求項１７、１９または２０に記載の電力変換システム（３００、４００）。