JP6951033B2

JP6951033B2 - Power converter

Info

Publication number: JP6951033B2
Application number: JP2018086199A
Authority: JP
Inventors: 智之山川; 大和三木; 直哉中島
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2021-10-20
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: JP2019193496A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to a power conversion device.

直流電力を交流電力に変換し、あるいは、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置では、高電圧化の試みがなされている。マルチレベルの電力変換装置は、スイッチング素子に印加される電圧を抑制することができるため高電圧化が可能である。また、出力される出力電圧を正弦波に近づけることができるので、高調波フィルタの容量を小さくすることによって小型化が可能になる。 Attempts have been made to increase the voltage of power conversion devices that convert DC power to AC power or convert AC power to DC power. The multi-level power converter can suppress the voltage applied to the switching element, so that the voltage can be increased. Further, since the output voltage can be brought close to that of a sine wave, the size can be reduced by reducing the capacitance of the harmonic filter.

マルチレベル方式のうち３レベル出力の電力変換装置は、普及が進んでおり、中性点クランプ回路を内蔵したパワーモジュール等を容易に入手することができる。 Of the multi-level systems, power converters with three-level output are becoming more widespread, and power modules and the like with a built-in neutral point clamp circuit can be easily obtained.

中性点クランプ方式の電力変換装置では、スイッチング素子に過大な電流が流れると、損傷が他のアームにも拡大するため、過電流時に溶断するヒューズをアームごとに設けている。 In the neutral point clamp type power conversion device, if an excessive current flows through the switching element, the damage spreads to other arms, so a fuse that blows at the time of the overcurrent is provided for each arm.

ヒューズが溶断した瞬間に、他のアームに過大な電圧が印加される場合があり、印加される電圧がスイッチング素子の耐量を超えると、ヒューズで保護したにもかかわらず、他アームに損傷が広がる場合がある。 At the moment the fuse blows, an excessive voltage may be applied to the other arm, and if the applied voltage exceeds the capacity of the switching element, damage will spread to the other arm even though it is protected by the fuse. In some cases.

特開２０１７−２２１００８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-221008

本発明の実施形態は、ヒューズ溶断時でも安全に保護される電力変換装置を提供する。 An embodiment of the present invention provides a power conversion device that is safely protected even when a fuse is blown.

本発明の実施形態によれば、第１直流端子と、前記第１直流端子の電位よりも低電位となり得る第２直流端子と、前記第２直流端子の電位よりも低電位となり得る第３直流端子と、前記第１直流端子と前記第３直流端子との間に接続された複数の３レベル変換部と、を備える。前記複数の３レベル変換部のそれぞれは、前記第１直流端子に接続される第１端子と、前記第２直流端子に接続される第２端子と、前記第３直流端子に接続される第３端子と、前記第１端子と前記第３端子との間で直列に接続された４つのスイッチング素子と、前記４つのスイッチング素子のうちのもっとも高電位側の２つのスイッチング素子の接続ノードと前記第２端子との間に接続された第１ダイオードと、前記第２端子と前記４つのスイッチング素子のうちのもっとも低電位側の２つのスイッチング素子の接続ノードとの間に接続された第２ダイオードと、前記第１端子と前記第２直流端子との間に接続された第１コンデンサと、前記第２直流端子と前記第３端子との間に接続された第２コンデンサと、前記第１直流端子と前記第１端子との間に接続された第１ヒューズと、前記第３端子と前記第３直流端子との間に接続された第２ヒューズと、を含む。前記複数の３レベル変換部のうち短絡故障を生じ得る変換部において、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの静電容量値は、前記第１ヒューズまたは前記第２ヒューズが溶断するまでの間に蓄積され、前記第１ヒューズまたは前記第２ヒューズの溶断により放出されるエネルギによって、前記複数の３レベル変換部のうち残りの変換部の、前記４つのスイッチング素子、前記第１ダイオードおよび前記第２ダイオードを破損しないように設定されている。
According to the embodiment of the present invention, the first DC terminal, the second DC terminal which can be lower than the potential of the first DC terminal, and the third DC which can be lower than the potential of the second DC terminal. It includes a terminal and a plurality of three-level converters connected between the first DC terminal and the third DC terminal. Each of the plurality of three-level converters has a first terminal connected to the first DC terminal, a second terminal connected to the second DC terminal, and a third terminal connected to the third DC terminal. A terminal, four switching elements connected in series between the first terminal and the third terminal, a connection node of two switching elements on the highest potential side of the four switching elements, and the first. A first diode connected between the two terminals and a second diode connected between the second terminal and the connection node of the two switching elements on the lowest potential side of the four switching elements. , A first capacitor connected between the first terminal and the second DC terminal, a second capacitor connected between the second DC terminal and the third terminal, and the first DC terminal. A first fuse connected between the first terminal and the first terminal, and a second fuse connected between the third terminal and the third DC terminal are included. In the conversion unit that may cause a short-circuit failure among the plurality of three-level conversion units, the capacitance values of the first capacitor and the second capacitor are set until the first fuse or the second fuse blows. accumulating, by the energy released by the fusing of the first fuse and the second fuse, the remaining conversion unit among the plurality of 3-level conversion unit, the four switching elements, before Symbol first diode and the second It is set so as not to damage the 2 diode.

ヒューズ溶断時でも安全に保護される電力変換装置が提供される。 A power converter that is safely protected even when the fuse is blown is provided.

実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。It is a schematic block diagram which illustrates the power conversion apparatus which concerns on embodiment. 実施形態の電力変換装置の一部を例示する回路図である。It is a circuit diagram which illustrates a part of the power conversion apparatus of embodiment. 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡略化された等価回路図である。It is a simplified equivalent circuit diagram for demonstrating the operation of the power conversion apparatus of embodiment. 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡略化された等価回路図である。It is a simplified equivalent circuit diagram for demonstrating the operation of the power conversion apparatus of embodiment. 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡略化された等価回路図である。It is a simplified equivalent circuit diagram for demonstrating the operation of the power conversion apparatus of embodiment. 変形例に係る電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。It is a schematic block diagram which illustrates a part of the power conversion apparatus which concerns on a modification.

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。 Hereinafter, each embodiment will be described with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same parts are represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawings.
In addition, in the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、３つの直流端子１１ｐ，１１ｏ，１１ｎを有する。直流端子１１ｐ，１１ｏ，１１ｎには、さらに直流回路が接続されてもよい。 FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating the power conversion device according to the embodiment.
As shown in FIG. 1, the power conversion device 10 has three DC terminals 11p, 11o, and 11n. A DC circuit may be further connected to the DC terminals 11p, 11o, 11n.

直流端子１１ｐ，１１ｏ間には、直流電圧Ｖｐｏが印加され、あるいは直流電圧Ｖｐｏが出力される。直流端子１１ｏ，１１ｎ間には、直流電圧Ｖｏｎが印加され、あるいは直流電圧Ｖｏｎが出力される。直流端子１１ｏは、中性点電位が供給され、あるいは中性電位が生成される中性点端子である。電力変換装置１０では、直流電圧Ｖｐｏの大きさおよび直流電圧Ｖｏｎの大きさは、ほぼ等しくなるように制御される。中性点の電位や直流電圧Ｖｐｏ，Ｖｏｎの値は、図示しない制御装置によって設定され、制御される。 A DC voltage Vpo is applied or a DC voltage Vpo is output between the DC terminals 11p and 11o. A DC voltage Von is applied or a DC voltage Von is output between the DC terminals 11o and 11n. The DC terminal 11o is a neutral point terminal to which a neutral point potential is supplied or a neutral potential is generated. In the power conversion device 10, the magnitude of the DC voltage Vpo and the magnitude of the DC voltage Von are controlled to be substantially equal to each other. The potential of the neutral point and the values of the DC voltages Vpo and Von are set and controlled by a control device (not shown).

電力変換装置１０は、交流端子１２ａ，１２ｂおよび交流端子１３ａ，１３ｂを有する。この２組の交流端子には、それぞれ異なる交流電圧が入力され、あるいは出力される。電力変換装置１０には、交流端子１２ａ，１２ｂを介して、交流回路１が接続される。電力変換装置１０には、交流端子１３ａ，１３ｂを介して、交流回路２が接続される。交流回路１，２は、この例では、単相交流の回路である。交流回路１，２は、単相の交流電源や、交流負荷等をそれぞれ含むことができる。 The power conversion device 10 has AC terminals 12a and 12b and AC terminals 13a and 13b. Different AC voltages are input or output to these two sets of AC terminals. The AC circuit 1 is connected to the power conversion device 10 via the AC terminals 12a and 12b. The AC circuit 2 is connected to the power conversion device 10 via the AC terminals 13a and 13b. The AC circuits 1 and 2 are single-phase AC circuits in this example. The AC circuits 1 and 2 can include a single-phase AC power supply, an AC load, and the like, respectively.

このように、電力変換装置１０は、交流回路１，２間の交流電力を伝送する。交流電力は有効電力であってもよいし、無効電力であってもよいし、調整された力率が設定された電力であってもよい。 In this way, the power conversion device 10 transmits AC power between the AC circuits 1 and 2. The AC power may be active power, reactive power, or power with an adjusted power factor set.

電力変換装置１０は、変換部２０ａ〜２０ｄを備える。変換部２０ａ，２０ｂは、直流端子１１ｐ，１１ｏ，１１ｎと交流端子１２ａ，１２ｂとの間に設けられている。変換部２０ａ，２０ｂは、直流電圧Ｖｐｏ，Ｖｏｎと交流電圧とを相互に電力変換する。変換部２０ｃ，２０ｄは、交流端子１３ａ，１３ｂと直流端子１１ｐ，１１ｏ，１１ｎとの間に設けられている。変換部２０ｃ，２０ｄは、直流電圧Ｖｐｏ，Ｖｏｎと交流電圧とを相互に電力変換する。 The power conversion device 10 includes conversion units 20a to 20d. The conversion units 20a and 20b are provided between the DC terminals 11p, 11o and 11n and the AC terminals 12a and 12b. The conversion units 20a and 20b mutually convert the DC voltage Vpo and Von and the AC voltage into electric power. The conversion units 20c and 20d are provided between the AC terminals 13a and 13b and the DC terminals 11p, 11o and 11n. The conversion units 20c and 20d mutually convert the DC voltage Vpo and Von and the AC voltage into electric power.

変換部２０ａは、変換回路３０ａと、コンデンサ４０ｐａ，４０ｎａと、ヒューズ５０ｐａ，５０ｎａと、を含む。変換回路３０ａは、端子３１ａ〜３４ａを含む。 The conversion unit 20a includes a conversion circuit 30a, capacitors 40pa and 40na, and fuses 50pa and 50na. The conversion circuit 30a includes terminals 31a to 34a.

コンデンサ４０ｐａは、端子３１ａと端子３３ａとの間に接続されている。コンデンサ４０ｎａは、端子３３ａと端子３２ａとの間に接続されている。 The capacitor 40pa is connected between the terminal 31a and the terminal 33a. The capacitor 40na is connected between the terminal 33a and the terminal 32a.

端子３３ａは、直流端子１１ｏに接続されている。端子３４ａは、交流端子１２ａに接続されている。 The terminal 33a is connected to the DC terminal 11o. The terminal 34a is connected to the AC terminal 12a.

ヒューズ５０ｐａは、直流端子１１ｐと端子３１ａとの間に接続されている。ヒューズ５０ｎａは、端子３２ａと直流端子１１ｎとの間に接続されている。 The fuse 50pa is connected between the DC terminal 11p and the terminal 31a. The fuse 50na is connected between the terminal 32a and the DC terminal 11n.

変換部２０ｂ〜２０ｄは、変換部２０ａと同様に構成されている。つまり、変換部２０ｂ〜２０ｄは、変換回路３０ｂ〜３０ｄと、コンデンサ４０ｐｂ，４０ｎｂ〜４０ｐｄ，４０ｎｄと、ヒューズ５０ｐｂ，５０ｎｂ〜５０ｐｄ，５０ｎｄと、をそれぞれ含む。変換回路３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、端子３１ｂ〜３４ｂ，３１ｃ〜３４ｃ，３１ｄ〜３４ｄをそれぞれ含んでおり、変換回路３０ｂ〜３０ｄ、コンデンサ４０ｐｂ，４０ｎｂ〜４０ｐｄ，４０ｎｄ、およびヒューズ５０ｐｂ，５０ｎｂ〜５０ｐｄ，５０ｎｄは、変換部２０ａと同様に接続されている。 The conversion units 20b to 20d are configured in the same manner as the conversion units 20a. That is, the conversion units 20b to 20d include conversion circuits 30b to 30d, capacitors 40pb, 40nb to 40pd, 40nd, and fuses 50pb, 50nb to 50pd, 50nd, respectively. The conversion circuits 30b, 30c, 30d include terminals 31b to 34b, 31c to 34c, 31d to 34d, respectively, and conversion circuits 30b to 30d, capacitors 40pb, 40nb to 40bp, 40nd, and fuses 50pb, 50nb to 50pd, respectively. The 50nd is connected in the same manner as the conversion unit 20a.

変換部２０ａ〜２０ｄは、中性点クランプ方式の３レベル変換回路である。変換回路３０ａ〜３０ｄでは、コンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの両端の電圧は、それぞれほぼ等しい電圧値に制御される。各変換部２０ａ〜２０ｄは、入出力する交流の各相に対応するので、各変換部２０ａ〜２０ｄを、「相」と呼称することがある。たとえば、変換部２０ａに流れる電流を、「自相に流れる電流」にように呼称したり、自相である変換部２０ａに対して、変換部２０ｂ〜ｄ０ｄを「他相」と呼称したりすることがある。また、直流端子１１ｏの電位、すなわち中性点電位に対して正側を単に「ＰＯ側」、負側を単に「ＯＮ側」のようにいうことがある。 The conversion units 20a to 20d are neutral point clamp type three-level conversion circuits. In the conversion circuits 30a to 30d, the voltages across the capacitors 40pa to 40nd are controlled to substantially equal voltage values. Since each of the conversion units 20a to 20d corresponds to each phase of the alternating current input / output, each conversion unit 20a to 20d may be referred to as a "phase". For example, the current flowing through the conversion unit 20a is referred to as "the current flowing through the own phase", or the conversion units 20b to d0d are referred to as "other phases" with respect to the conversion unit 20a which is the own phase. Sometimes. Further, the potential of the DC terminal 11o, that is, the positive side may be simply referred to as "PO side" and the negative side may be simply referred to as "ON side" with respect to the neutral point potential.

各変換部２０ａ〜２０ｄでは、たとえば、コンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの静電容量値は、ほぼ等しく設定される。コンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの静電容量値は、いずれかの変換部が短絡故障し、短絡故障した相とは異なる相の変換部に故障が波及するのを防止するように設定される。 In each of the conversion units 20a to 20d, for example, the capacitance values of the capacitors 40pa to 40nd are set to be substantially equal. The capacitance value of the capacitors 40pa to 40nd is set so as to prevent one of the conversion units from short-circuiting and causing the failure to spread to the conversion unit having a phase different from the short-circuited phase.

より具体的には、１つの変換部において、スイッチング素子およびクランプダイオードが短絡故障することによって、ＰＯ側またはＯＮ側が短絡した場合に、短絡故障した自相の故障状態が他相に影響し得る。しかしながら、実施形態の電力変換装置１０では、コンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの静電容量値が適切に設定されているので、他相のコンデンサに印加される電圧が抑制されて、他相のスイッチング素子の耐量を超えることがない。なお、ここでは、耐量とは、スイッチング素子が破損等することなく安全に動作することができる電流および電圧の範囲をいうものとする。耐量には、スイッチング素子の直流およびサージ電流定格、ならびに、直流およびサージ電圧定格を含む。また、耐量には、過渡熱抵抗を含む熱抵抗や二次降伏による破損を生じない範囲も含むものとする。 More specifically, when the switching element and the clamp diode are short-circuited in one conversion unit and the PO side or the ON side is short-circuited, the failure state of the self-phase that has short-circuited may affect the other phase. However, in the power conversion device 10 of the embodiment, since the capacitance values of the capacitors 40pa to 40nd are appropriately set, the voltage applied to the capacitors of the other phase is suppressed, and the withstand capacity of the switching element of the other phase. Does not exceed. Here, the withstand voltage means a range of current and voltage that can operate safely without damaging the switching element. The withstand voltage includes the DC and surge current ratings of the switching element, as well as the DC and surge voltage ratings. In addition, the withstand capacity shall include the thermal resistance including the transient thermal resistance and the range in which damage due to the secondary yield does not occur.

図２は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する回路図である。
図２に示すように、各変換回路３０ａ〜３０ｄは同じ構成を有する。以下では、すべての変換回路を変換回路３０ともいうこととする。 FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a part of the power conversion device of the embodiment.
As shown in FIG. 2, each conversion circuit 30a to 30d has the same configuration. In the following, all conversion circuits will also be referred to as conversion circuits 30.

変換回路３０は、ダイオードクランプ方式の３レベル変換回路である。変換回路３０は、スイッチング素子１０１〜１０４と、ダイオード１０５〜１１０と、を含む。スイッチング素子１０１〜１０４は、高電位側からこの順で直列に接続されている。ダイオード１０５〜１０８は、スイッチング素子１０１〜１０４に逆並列にそれぞれ接続されている。ダイオード１０５〜１０８は、還流ダイオードである。 The conversion circuit 30 is a diode clamp type three-level conversion circuit. The conversion circuit 30 includes switching elements 101 to 104 and diodes 105 to 110. The switching elements 101 to 104 are connected in series in this order from the high potential side. The diodes 105 to 108 are connected to the switching elements 101 to 104 in antiparallel, respectively. The diodes 105 to 108 are freewheeling diodes.

ダイオード１０９は、端子３３とスイッチング素子１０１，１０２の接続ノードの間に、端子３３から接続ノードに電流が流れるように接続されている。ダイオード１１０は、スイッチング素子１０３，１０４の接続ノードと端子３３との間に、接続ノードから端子３３に電流が流れるように接続されている。ダイオード１０９，１１０は、クランプダイオードである。 The diode 109 is connected between the terminal 33 and the connection node of the switching elements 101 and 102 so that a current flows from the terminal 33 to the connection node. The diode 110 is connected between the connection node of the switching elements 103 and 104 and the terminal 33 so that a current flows from the connection node to the terminal 33. The diodes 109 and 110 are clamp diodes.

図１、図２の対応関係は次のようになる。スイッチング素子１０１〜１０４は、変換部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２４，Ｑ３１〜Ｑ３４，Ｑ４１〜Ｑ４４にそれぞれ対応する。ダイオード１０５〜１１０は、変換部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのＤ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６，Ｄ３１〜Ｄ３６，Ｄ４１〜Ｄ４６にそれぞれ対応する。 The correspondence between FIGS. 1 and 2 is as follows. The switching elements 101 to 104 correspond to Q11 to Q14, Q21 to Q24, Q31 to Q34, and Q41 to Q44 of the conversion units 20a, 20b, 20c, and 20d, respectively. The diodes 105 to 110 correspond to D11 to D16, D21 to D26, D31 to D36, and D41 to D46 of the conversion units 20a, 20b, 20c, and 20d, respectively.

各変換部２０ａ〜２０ｄにおける短絡状態は以下のいずれかである。
Ｑ１１〜Ｑ１３，Ｄ１６短絡、
Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｄ２６短絡、
Ｑ３１〜Ｑ３３，Ｄ３６短絡、
Ｑ４１〜Ｑ４３，Ｄ４６短絡。
上述の場合には、電力変換装置１０は、ＰＯ側が短絡状態となる。
Ｑ１２〜Ｑ１４，Ｄ１５短絡、
Ｑ２２〜Ｑ２４，Ｄ２５短絡、
Ｑ３２〜Ｑ３４，Ｄ３５短絡、
Ｑ４２〜Ｑ４４，Ｄ４５短絡。
上述の場合には、電力変換装置１０は、ＯＮ側が短絡状態となる。 The short-circuit state in each of the conversion units 20a to 20d is one of the following.
Q11 to Q13, D16 short circuit,
Q21-Q23, D26 short circuit,
Q31-Q33, D36 short circuit,
Q41-Q43, D46 short circuit.
In the above case, the PO side of the power conversion device 10 is in a short-circuited state.
Q12 to Q14, D15 short circuit,
Q22 to Q24, D25 short circuit,
Q32 to Q34, D35 short circuit,
Q42 to Q44, D45 short circuit.
In the above case, the power conversion device 10 is in a short-circuited state on the ON side.

つまり、いずれかの変換部において、直流端子１１ｐ，１１ｏ間（端子３１，３３間）で直列に接続されたスイッチング素子１０１〜１０３およびダイオード１１０が短絡故障した場合には、電力変換装置１０のＰＯ側が短絡状態となる。あるいは、いずれかの変換部において、直流端子１１ｏ，１１ｎ間（端子３３，３２間）で直列に接続されたスイッチング素子１０２〜１０４およびダイオード１０９が短絡故障した場合には、電力変換装置１０のＯＮ側が短絡状態となる。 That is, if the switching elements 101 to 103 and the diode 110 connected in series between the DC terminals 11p and 11o (between the terminals 31 and 33) fail in a short circuit in any of the conversion units, the PO of the power conversion device 10 The side is short-circuited. Alternatively, in any of the conversion units, when the switching elements 102 to 104 and the diode 109 connected in series between the DC terminals 11o and 11n (between the terminals 33 and 32) are short-circuited, the power conversion device 10 is turned on. The side is short-circuited.

実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
実施形態の電力変換装置１０では、いずれかの変換部において、直流端子１１ｐ，１１ｏ間または直流端子１１ｏ，１１ｎ間で直列に接続されたスイッチング素子およびダイオードが短絡故障した後に、自相のコンデンサと他相のコンデンサとの間で充放電する経路が形成され得る。 The operation of the power conversion device 10 of the embodiment will be described.
In the power conversion device 10 of the embodiment, after a short-circuit failure of a switching element and a diode connected in series between the DC terminals 11p and 11o or between the DC terminals 11o and 11n in any of the conversion units, the capacitor and the self-phase capacitor are used. A charging / discharging path can be formed with a capacitor of another phase.

図３は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡略化された等価回路図である。
図３には、４つの相のうち３つの相について表されている。図３の左の図は、変換部２０ａにおいて短絡事故が発生し、ヒューズ５０ｐａに短絡電流が流れている場合を示している。図３の右の図は、ヒューズ５０ｐａが動作して、変換部２０ａのＰＯ側が開放状態になった場合を示している。このとき、各変換部に設けられたコンデンサに蓄積された電荷によって、コンデンサ間で充放電電流が流れる。 FIG. 3 is a simplified equivalent circuit diagram for explaining the operation of the power conversion device of the embodiment.
FIG. 3 shows three of the four phases. The figure on the left of FIG. 3 shows a case where a short-circuit accident occurs in the conversion unit 20a and a short-circuit current is flowing through the fuse 50pa. The figure on the right of FIG. 3 shows a case where the fuse 50pa is operated and the PO side of the conversion unit 20a is opened. At this time, a charge / discharge current flows between the capacitors due to the electric charge accumulated in the capacitors provided in each conversion unit.

図３に示すように、各変換部のコンデンサは中性点に対して正側および負側のそれぞれにおいて、並列に接続され得る。各変換部間の直流側は、たとえば直流ブスバーによって互いに接続されている。直流ブスバーは、長さや断面積等に応じて、図の破線で示したように、インダクタンスを有しているので、コンデンサからの充放電の場合に、インピーダンス素子として機能し得る。 As shown in FIG. 3, the capacitors of each conversion unit can be connected in parallel on the positive side and the negative side of the neutral point, respectively. The DC side between the conversion units is connected to each other by, for example, a DC bus bar. Since the DC bus bar has an inductance as shown by the broken line in the figure according to the length, cross-sectional area, etc., it can function as an impedance element in the case of charging / discharging from a capacitor.

変換部２０ａにおいて、短絡事故が発生すると、図３の左の図のように、変換部２０ａの相のＰＯ側に流れる電流は、図の実線の矢印のようにＰＯ側の他相のコンデンサ４０ｐｂ，４０ｐｃからヒューズ５０ｐａを介して流れる。このときの電流は、図の一点鎖線の矢印のように、自相のＯＮ側のコンデンサ４０ｎａを充電するとともに、他相のＯＮ側のコンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃを放電するように流れる。 When a short-circuit accident occurs in the conversion unit 20a, as shown in the left figure of FIG. 3, the current flowing on the PO side of the phase of the conversion unit 20a is the capacitor 40pb of the other phase of the PO side as shown by the solid arrow in the figure. , 40pc to flow through the fuse 50pa. The current at this time flows so as to charge the capacitor 40na on the ON side of the own phase and discharge the capacitors 40nb and 40nc on the ON side of the other phase as shown by the arrow of the alternate long and short dash line in the figure.

図３の右の図のように、ヒューズ５０ｐａが溶断すると、短絡事故が発生した変換部２０ａのＰＯ側は開放状態となる。 As shown in the right figure of FIG. 3, when the fuse 50pa is blown, the PO side of the conversion unit 20a in which the short-circuit accident has occurred is opened.

ＯＮ側においては、自相のコンデンサ４０ｎａの両端の電圧は、他相のコンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃの両端の電圧よりも高いので、自相のコンデンサ４０ｎａから他相のコンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃを充電するように電流が流れる。 On the ON side, the voltage across the self-phase capacitor 40na is higher than the voltage across the other-phase capacitors 40nb and 40nc, so charge the other-phase capacitors 40nb and 40nc from the self-phase capacitor 40na. Current flows.

他相のコンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃが充電されることによって、コンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃの両端の電圧が、端子３３，３２間に接続されるスイッチング素子１０４の耐量およびダイオード１１０の耐圧または逆回復時の許容電力を超えると、これらの素子が破壊に至るおそれがある。つまり、変換部２０ａにおいて生じた短絡故障が、短絡故障保護用のヒューズ５０ｐａの溶断によって、他相のコンデンサを充電して、他相の変換部に故障状態を拡大してしまうおそれがある。 By charging the capacitors 40 nb and 40 nc of the other phase, the voltage across the capacitors 40 nb and 40 nc changes the withstand voltage of the switching element 104 connected between the terminals 33 and 32 and the withstand voltage of the diode 110 or the allowable power at the time of reverse recovery. If it exceeds, these elements may be destroyed. That is, a short-circuit failure that occurs in the conversion unit 20a may charge the capacitor of the other phase by blowing the fuse 50pa for protecting the short-circuit failure, and the failure state may be extended to the conversion unit of the other phase.

図４および図５は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡略化された等価回路図である。
図４および図５では、説明のために変換部２０ｂのコンデンサ４０ｐｂ，４０ｎａの静電容量値を調整、設定するようにされているが、実施形態の電力変換装置１０では、すべてのコンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの同じ静電容量値となるように設定されている。 4 and 5 are simplified equivalent circuit diagrams for explaining the operation of the power conversion device of the embodiment.
In FIGS. 4 and 5, for the sake of explanation, the capacitance values of the capacitors 40pb and 40na of the conversion unit 20b are adjusted and set, but in the power conversion device 10 of the embodiment, all the capacitors 40pa to 40pa to It is set to have the same capacitance value of 40 nd.

図４に模式的に示すように、実施形態の電力変換装置１０では、コンデンサの静電容量値を大きな値としている。静電容量値を大きく設定することによって、故障した相とは異なる相（以下、健全相ともいう）のコンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃの充電電流の時間変化が小さくなる。そのため、健全相のコンデンサ４０ｎｂ，４０ｎｃの両端の電圧上昇が抑制され、健全相のスイッチング素子等へ故障が波及するのを防止することができる。 As schematically shown in FIG. 4, in the power conversion device 10 of the embodiment, the capacitance value of the capacitor is set to a large value. By setting a large capacitance value, the time change of the charging current of the capacitors 40 nb and 40 nc of the phase different from the failed phase (hereinafter, also referred to as a healthy phase) becomes small. Therefore, the voltage rise across the healthy phase capacitors 40 nb and 40 nc is suppressed, and it is possible to prevent the failure from spreading to the sound phase switching element or the like.

電力変換装置１０では、コンデンサの静電容量値を複数のコンデンサを並列接続することによって調整できるようにしてもよい。図５に示すように、コンデンサを並列に接続する場合には、放電電流の経路長が異なる場合がある。並列接続するコンデンサの放電電流の経路長の差が大きい場合には、経路長にともなうインピーダンス差によって、調整した静電容量値の効果を生じにくいことがあるので、コンデンサは、極力経路長が等しくなるように配置される。 In the power conversion device 10, the capacitance value of the capacitor may be adjusted by connecting a plurality of capacitors in parallel. As shown in FIG. 5, when capacitors are connected in parallel, the path lengths of discharge currents may differ. When the difference in the path length of the discharge currents of the capacitors connected in parallel is large, the effect of the adjusted capacitance value may not be produced due to the impedance difference due to the path length. Therefore, the capacitors have the same path length as much as possible. It is arranged so as to be.

実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
実施形態の電力変換装置１０では、いずれかの相のＰＯ側またはＯＮ側で直列に接続されたスイッチング素子およびダイオードが短絡故障した場合であっても、コンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの静電容量値を短絡故障していない相のスイッチング素子の耐量およびダイオードの耐圧および逆回復時における許容損失を超えないように設定している。そのため、故障した相の影響が健全相に及ぶことがない。変換回路３０ａ〜３０ｄは、たとえばパワーモジュールであり、故障した相のパワーモジュールを交換することによって、電力変換装置１０を、迅速に故障から復旧させることができる。 The effect of the power conversion device 10 of the embodiment will be described.
In the power conversion device 10 of the embodiment, even if the switching element and the diode connected in series on the PO side or the ON side of either phase are short-circuited, the capacitance values of the capacitors 40pa to 40nd are short-circuited. It is set so as not to exceed the withstand capacity of the switching element in the non-failed phase, the withstand voltage of the diode, and the allowable loss during reverse recovery. Therefore, the influence of the failed phase does not affect the healthy phase. The conversion circuits 30a to 30d are, for example, power modules, and the power conversion device 10 can be quickly recovered from the failure by replacing the power module in the failed phase.

上述では、各コンデンサ４０ｐａ〜４０ｎｄの静電容量値をほぼ等しいものとして説明したが、故障相のコンデンサから健全相のコンデンサへの充電電流は、相間の配線のインピーダンス等によって変化し得る。また、各変換部２０ａ〜２０ｄの配置も正常時の動作を含むすべての電流経路を均等することは困難であり、上述した短絡モードの発生が各変換部２０ａ〜２０ｄにおいて均等の確率で生じるとは限らない。したがって、電力変換装置１０の短絡保護動作時に、変換部の配置等によって短絡電流が集中しやすい変換部がある場合には、それ以外の変換部のコンデンサの静電容量を増加させるように設定するようにしてもよい。 In the above description, the capacitance values of the capacitors 40pa to 40nd have been described as being substantially equal, but the charging current from the faulty phase capacitor to the healthy phase capacitor may change depending on the impedance of the wiring between the phases and the like. Further, it is difficult to equalize all the current paths including the normal operation even in the arrangement of the conversion units 20a to 20d, and if the above-mentioned short-circuit mode occurs in each conversion unit 20a to 20d with an equal probability. Is not always. Therefore, during the short-circuit protection operation of the power conversion device 10, if there is a conversion unit in which the short-circuit current tends to concentrate due to the arrangement of the conversion unit or the like, the capacitance of the capacitors of the other conversion units is set to be increased. You may do so.

この場合には、短絡故障を生じやすい相に隣接する相の変換部に他相よりも大きな値の静電容量値を有するコンデンサを用いることが好ましい。 In this case, it is preferable to use a capacitor having a capacitance value larger than that of the other phase in the conversion part of the phase adjacent to the phase in which a short circuit failure is likely to occur.

（変形例）
図６は、変形例に係る電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図６には、変換部２２０ａの構成が示されている。他相の変換部もこれと同様に構成される。
図６に示すように、変換部２２０ａは、変換部２０ａのコンデンサ４０ｐａ，４０ｎａに代えて、２４１ｐａ，２４２ｐａ，２４１ｎａ，２４２ｎａを含む。他の点では、変換部２０ａと同じであり、詳細な説明を省略する。 (Modification example)
FIG. 6 is a schematic block diagram illustrating a part of the power conversion device according to the modified example.
FIG. 6 shows the configuration of the conversion unit 220a. The conversion part of the other phase is configured in the same manner.
As shown in FIG. 6, the conversion unit 220a includes 241pa, 242pa, 241na, 242na instead of the capacitors 40pa, 40na of the conversion unit 20a. In other respects, it is the same as the conversion unit 20a, and detailed description thereof will be omitted.

コンデンサ２４１ｐａは、端子３１ａと端子３３ａとの間に接続されている。コンデンサ２４２ｐａは、直流端子１１ｐと端子３３ａ（および直流端子１１ｏ）との間に接続されている。コンデンサ２４１ｎａは、端子３３ａと端子３２ａとの間に接続されている。コンデンサ２４２ｎａは、端子３３ａ（および直流端子１１ｏ）と直流端子１１ｎとの間に接続されている。 The capacitor 241pa is connected between the terminal 31a and the terminal 33a. The capacitor 242pa is connected between the DC terminal 11p and the terminal 33a (and the DC terminal 11o). The capacitor 241na is connected between the terminal 33a and the terminal 32a. The capacitor 242na is connected between the terminal 33a (and the DC terminal 11o) and the DC terminal 11n.

コンデンサ２４１ｐａ，２４２ｐａのそれぞれの静電容量値を加算した静電容量値は、コンデンサ２４１ｎａ，２４２ｎａのそれぞれの静電容量値を加算した静電容量値にほぼ等しい。これら加算された静電容量値は、他相で短絡事故が生じて、その場合の放電電流によって、コンデンサ２４１ｐａ，２４２ｐａまたはコンデンサ２４１ｎａ，２４２ｎａの両端の電圧が自相のスイッチング素子の耐量およびダイオードの耐圧および逆回復時の許容損失を超えないように設定されている。 The capacitance value obtained by adding the capacitance values of the capacitors 241pa and 242pa is substantially equal to the capacitance value obtained by adding the capacitance values of the capacitors 241na and 242na. In these added capacitance values, a short-circuit accident occurs in another phase, and depending on the discharge current in that case, the voltage across the capacitors 241pa, 242pa or the capacitors 241na, 242na is the withstand voltage of the switching element of its own phase and the diode. It is set so as not to exceed the withstand voltage and the allowable loss during reverse recovery.

本変形例では、短絡事故が発生した場合に、コンデンサ２４２ｐａからヒューズ５０ｐａを介して電流が流れる。このとき電流は，コンデンサ２４１ｎａを充電するとともにコンデンサ２４２ｎａを放電するように流れる。すなわちコンデンサ２４２ｐａ，２４２ｎａは他相のコンデンサと同様の振る舞いをすることから、他相のコンデンサの両端電圧の上昇が抑制される。 In this modification, when a short-circuit accident occurs, a current flows from the capacitor 242pa through the fuse 50pa. At this time, the current flows so as to charge the capacitor 241na and discharge the capacitor 242na. That is, since the capacitors 242pa and 242na behave in the same manner as the capacitors of the other phase, the increase in the voltage across the capacitors of the other phase is suppressed.

上述より、変換部の配置やスイッチング素子の防爆耐量等の理由で変換部のコンデンサの静電容量が調整できない場合でも，変換部２０ａ〜２０ｄの外部にコンデンサを追加することで他相のコンデンサの両端電圧の上昇を抑制することが可能である。 From the above, even if the capacitance of the capacitor of the conversion unit cannot be adjusted due to the arrangement of the conversion unit or the explosion-proof resistance of the switching element, by adding a capacitor outside the conversion unit 20a to 20d, the capacitor of the other phase can be used. It is possible to suppress an increase in the voltage across both ends.

以上説明した実施形態によれば、ヒューズ溶断時でも安全に保護される電力変換装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a power conversion device that is safely protected even when the fuse is blown.

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。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

１０電力変換装置、１１ｐ，１１ｏ，１１ｎ直流端子、１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ交流端子、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ変換部、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ変換回路、４０ｐａ，４０ｎａ，４０ｐｂ，４０ｎｂ，４０ｐｃ，４０ｎｃ，４０ｐｄ，４０ｎｄコンデンサ、５０ｐａ，５０ｎａ，５０ｐｂ，５０ｎｂ，５０ｐｃ，５０ｎｃ，５０ｐｄ，５０ｎｄヒューズ、１０１〜１０４スイッチング素子、１０５〜１１０ダイオード、２２０ａ変換部、２４１ｐａ，２４２ｐａ，２４１ｎａ，２４２ｎａコンデンサ 10 Power converter, 11p, 11o, 11n DC terminal, 12a, 12b, 13a, 13b AC terminal, 20a, 20b, 20c, 20d converter, 30a, 30b, 30c, 30d conversion circuit, 40pa, 40na, 40pb, 40nb , 40pc, 40nc, 40pd, 40nd capacitors, 50pa, 50na, 50pb, 50nb, 50pc, 50nc, 50pd, 50nd fuses, 101-104 switching elements, 105-110 diodes, 220a converters, 241pa, 242pa, 241na, 242na capacitors.

Claims

1st DC terminal and
The second DC terminal, which can have a lower potential than the potential of the first DC terminal,
A third DC terminal that can have a lower potential than the potential of the second DC terminal,
A plurality of three-level converters connected between the first DC terminal and the third DC terminal,
With
Each of the plurality of three-level converters
The first terminal connected to the first DC terminal and
The second terminal connected to the second DC terminal and
The third terminal connected to the third DC terminal and
Four switching elements connected in series between the first terminal and the third terminal,
A first diode connected between the connection node of the two switching elements on the highest potential side of the four switching elements and the second terminal, and
A second diode connected between the second terminal and the connection node of the two switching elements on the lowest potential side of the four switching elements,
A first capacitor connected between the first terminal and the second DC terminal,
A second capacitor connected between the second DC terminal and the third terminal,
A first fuse connected between the first DC terminal and the first terminal,
A second fuse connected between the third terminal and the third DC terminal,
Including
In the conversion unit that may cause a short-circuit failure among the plurality of three-level conversion units, the capacitance values of the first capacitor and the second capacitor are set until the first fuse or the second fuse blows. accumulating, by the energy released by the fusing of the first fuse and the second fuse, the remaining conversion unit among the plurality of 3-level conversion unit, the four switching element, prior Symbol first diode and the set not to damage the second diode is a power converter.

Each of the previous SL plurality of 3-level conversion unit,
A third capacitor connected between the first DC terminal and the second DC terminal,
A fourth capacitor connected between the second DC terminal and the third DC terminal ,
The power conversion device according to claim 1.

The second aspect of claim 2, wherein the capacitance value obtained by adding the capacitance values of the first capacitor and the third capacitor is equal to the capacitance value obtained by adding the capacitance values of the second capacitor and the fourth capacitor. Power converter.