JPH11144603A - ヒューズ及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

ヒューズ及びそれを用いた電力変換装置

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JPH11144603A
JPH11144603A JP30826997A JP30826997A JPH11144603A JP H11144603 A JPH11144603 A JP H11144603A JP 30826997 A JP30826997 A JP 30826997A JP 30826997 A JP30826997 A JP 30826997A JP H11144603 A JPH11144603 A JP H11144603A
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JP
Japan
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fuse
conductor
fuses
semiconductor switching
switching element
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JP30826997A
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Inventor
Shuichi Sekiguchi
周一 関口
Kenichi Onda
謙一 恩田
Masahiro Tobiyo
飛世  正博
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】複数個のヒューズを並列接続した場合のヒュー
ズ毎の電流分担を均等化して電力変換装置の寿命を延ば
すことを目的とする。 【解決手段】過渡時に他の部位から受ける磁束の影響を
緩和するために、ヒューズの外部にシールド部を設け
る。また、複数のヒューズを並列接続する場合に、ヒュ
ーズ内部のエレメント同士による磁束の影響を緩和する
ため、互いに隣接するヒューズを中心軸に対して45°
回転して配置する。さらに、定常時におけるエレメント
部の電流分担を改善するために電流供給部にスリットを
設ける。 【効果】過渡時及び定常時のヒューズエレメント毎の電
流分担を大幅に改善でき、特定のエレメントに電流集中
することを防止できるため、ヒューズの寿命が延び、こ
れらを用いた電力変換装置の信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はヒューズ及びヒュー
ズを用いた電力変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のヒューズでは、例えば特開平5-27
4994号公報に示されるように、電気抵抗を下げる目的で
可溶部を並列接続していた。この場合、可溶部の電流分
担は電気抵抗のばらつきにより支配されていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体スイッ
チング素子を用いた電力変換装置では、半導体スイッチ
ング素子のオン/オフ動作に同期してヒューズの電流が
通電/遮断されるため、過渡状態と定常状態の繰り返し
となる。このため、過渡状態におけるヒューズの電流分
担はインダクタンスのばらつきが支配的となることか
ら、ヒューズ可溶部の配置方法や外部導体の配置方法に
大きく左右される。さらに、6kV,6kAGTO(Gat
e Turn-Off Thyristor)に代表される半導体素子の大容
量化にともない、電力変換装置も高電圧,大電流を扱う
ようになっている。
【0004】しかしながら、この様な装置仕様を満足す
るヒューズの開発が間に合わず、従来使用されてきた高
圧ヒューズを使用しているのが現状である。
【0005】また、更には装置仕様を満足するヒューズ
の開発が間に合わず、複数個の高圧ヒューズを並列接続
して利用しているのが現状である。以上のことから、単
体でヒューズを使用した場合、更には複数個のヒューズ
を並列接続した場合の、特に高周波におけるヒューズの
電流分担を均等化することが、電力変換装置の寿命を延
ばすための大きな課題であった。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に本発明のヒューズは、ヒューズの周囲を導電性材料で
構成する導体によってシールドするようにしたものであ
る。
【0007】また、上記課題を達成するために本発明の
ヒュズは、ヒューズの端子面の中心点を通り、ヒューズ
に電流を供給する配線導体への第1の垂線と、ヒューズ
の端子面の中心点を通り、エレメントへの第2の垂線と
がなす2つの鋭角のうち小さい方の鋭角が15°以上且
つ45°以下であるようにしたものである。
【0008】また、上記課題を達成するために本発明で
は、ヒューズを少なくても2つ以上並列接続したヒュー
ズユニットにおいて、少なくても1つのヒューズの周囲
を導電性材料で構成する導体によってシールドするよう
にしたものである。
【0009】また、上記課題を達成するために本発明で
は、両端子間を過電流が流れることによって両端子間の
可溶部が溶断するエレメントを角柱状の各側面に備えた
ヒューズを2つ以上並列接続したヒューズユニットにお
いて、ヒューズの端子面の中心点を通り、ヒューズに電
流を供給する配線導体への第1の垂線と、ヒューズの端
子面の中心点を通り、エレメントへの第2の垂線とがな
す鋭角のうち、少なくても1つの鋭角が15°以上且つ
45°以下であるようにしたものである。
【0010】また、上記課題を達成するために本発明で
は、両端子間を過電流が流れることによって両端子間の
可溶部が溶断するヒューズを少なくても2つ以上並列接
続したヒューズユニットにおいて、ヒューズに電流を供
給し、各々の前記ヒューズに分流させる配線導体に少な
くても1つのスリットを設けたものである。
【0011】また、上記課題を達成するために本発明で
は、半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッ
チング素子のオン/オフ動作による負荷電流を通流する
ヒューズを少なくても2つ以上並列接続したヒューズユ
ニットを備える電力変換装置において、少なくても1つ
のヒューズの周囲を導電性材料で構成する導体によって
シールドするものである。
【0012】また、上記課題を達成するために本発明で
は、両端子間を過電流が流れることによって両端子間の
可溶部が溶断するエレメントを角柱状の各側面に有する
ヒューズを2つ以上並列接続したヒューズユニットを備
える電力変換装置において、ヒューズの端子面の中心点
を通り、ヒューズに電流を供給する配線導体への第1の
垂線と、ヒューズの端子面の中心点を通り、エレメント
への第2の垂線とがなす鋭角のうち、少なくても1つの
鋭角が15°以上且つ45°以下であるようにしたもの
である。
【0013】また、上記課題を達成するために本発明で
は、半導体スイッチング素子を有し、半導体スイッチン
グ素子のオン/オフ動作による負荷電流を通流するヒュ
ーズを少なくても2つ以上並列接続したヒューズユニッ
トと、ヒューズに電流を供給し、各々の前記ヒューズに
分流させる配線導体とを備える電力変換装置において、
配線導体に少なくても1つのスリットを設けたようにし
たものである。
【0014】
【発明の実施の形態】実施例1.この発明の第1の実施
例を図に基づいて説明する。図1は、電力変換装置に用
いるヒューズユニットを示したものであり、2つのヒュ
ーズ1a及び1b,ヒューズ端子に電流を供給する配線
導体(ブスバー)3a,3b,3c,3d、ヒューズと
配線導体を接続固定するネジ2a,2bにより構成され
ている。このうち、配線導体3c,3dはヒューズ固定
用であるとともに、供給電流を個々のヒューズに分流す
る役割も果たしている。電力変換装置は、半導体スイッ
チング素子を主体として構成され、この半導体スイッチ
ング素子のオン/オフ動作により直流と交流を相互に変
換し、モーターの制御などを行っている。図2は、半導
体スイッチング素子として、IGBTを使用した電力変
換装置の一構成例を示している。交流電源101により
供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ1
02と、コンバータ102の出力電圧を平滑する平滑コ
ンデンサ103と、平滑コンデンサ103により出力さ
れる直流電圧を交流電圧に変換するインバータ104か
ら構成され、インバータ104の出力により交流電動機
105を駆動する。この図では、コンバータ102とイ
ンバータ104は各々三相で構成している。図3は、イ
ンバータ回路の一相分の回路図を示したものであり、半
導体スイッチング素子106,107,108,109
と、スナバコンデンサ110,111と、フリーホィー
ルダイオード112,113,114,115と、クラ
ンプダイオード116,117と、横流防止ダイオード
118,119と、クランプコンデンサ120,121
と、アノードリアクトル122,123と、ヒューズ1
24,125と、回生チョッパ回路135により構成さ
れている。この図では、半導体スイッチング素子とし
て、GTOを使用しているが、ゲートを制御すること
で、オン/オフ動作が可能であれば、如何なる素子でも
よい。また、外側スナバコンデンサ110,111のス
ナバエネルギーを回生チョッパ回路にて回収している
が、抵抗消費型としてもよく、さらに、アノードリアク
トルについては半導体スイッチング素子によってはなく
てもよい。図3では、正側電位130と正側アノードリ
アクトル122の間、及び負側電位132と負側アノー
ドリアクトル123の間に、各々ヒューズ124と12
5を挿入している。このように、ヒューズを挿入してい
るのは、半導体スイッチング素子が誤動作した場合、電
源短絡が発生する恐れがあるためで、事故を防止するた
めと、他相への事故波及防止を主な目的としている。事
故を一相だけで防げれば、事故相の交換により直ちに操
業を復帰できるが、全相に事故が波及した場合、運転再
開までに多大な時間を費やすことになるためである。
【0015】さて、6kV/6kA・GTO素子に見ら
れるように、半導体スイッチング素子の大容量化にとも
ない、電力変換装置の扱う電圧,電流が増大している。
このため、ヒューズの大容量化が望まれているが、単体
で仕様を満足できるヒューズは開発されていないのが現
状である。このため、大電流に対する仕様を満足するた
め、高耐圧のヒューズを複数個並列接続している。した
がって、電力変換装置の信頼性を向上するために、個々
の電流分担を平均化することが重要な課題である。通
常、ヒューズを使用する場合には、電流がほぼ一定の箇
所に挿入し、過電流を検知することで、ヒューズのエレ
メントを溶断している。また、大電流の仕様に対して
は、複数のエレメントあるいはヒューズが並列接続して
いるため、個々の電流ばらつきは主にエレメント部にお
ける抵抗のばらつきに支配されている。ところが、電力
変換装置においては、半導体スイッチング素子のオン/
オフ動作により通流と遮断を高速に繰り返すため、半導
体スイッチング素子をスイッチングする過渡状態での等
価周波数が高くなり、実質的にはインダクタンスのばら
つきが電流のばらつきを支配することになる。この様子
を図4,図5,図6にて説明する。図4は、図3におけ
る上アーム外側GTO106と上アーム内側GTO107のゲ
ートパルス波形であり、基本動作のパルス列を示してい
る。このパルス列は、両GTOがともにOFFの状態
(I)から、先ず内側GTO107がON状態(II)となり、
続いて外側GTO106がON状態(III)となる。次に、外側
GTO106がOFF状態(IV)となり、最後に内側GTO107が
OFF状態(V)となって、もとに戻る。すなわち、定
常的には(I)と(V)及び(II)と(IV)は各々同じ
状態と言える。このようなスイッチングにおいて、上ア
ーム側ヒューズ124には、図5に示すように、外側GT
O106と内側GTO107がともにONのとき、つまり(III)の
状態で通流し、その他の状態では、電流は遮断してい
る。これらの各状態における電流経路を図6に示す。図
6では、フリーホィールダイオード,クランプコンデン
サ,回生チョッパ回路を省略している。このように、外
側GTO106のON/OFFに同期して、上アーム側ヒュー
ズ124には過渡状態が生じることになる。一般的に、
このスイッチング速度をより高速化することで、インバ
ータ104が出力する交流波形の歪を低減する技術が用
いられており、ヒューズにおいては、頻繁に過渡状態と
定常状態を繰り返すことになる。したがって、このスイ
ッチング時の等価周波数が高いことで、ヒューズのエレ
メント部及び分流用配線導体におけるインピーダンスと
してインダクタンス成分の占める割合が高くなる。等価
周波数は個々のケースで異なるが、10kHz以上と考
えられることから、この周波数領域ではほぼインダクタ
ンスが支配的と言える。
【0016】ところで、インダクタンスを考慮する場合
には、自己インダクタンスに加え相互インダクタンスを
加味する必要がある。これは、近接配置された配線導体
の電流により生じた磁束の影響を受けることによる。こ
のため、相互インダクタンス成分を減らすためには、他
の配線導体をできるだけ遠くに配置すればよいが、設置
スペースの削減、つまり装置の小型化に相反する。そこ
で、図1では、近接配置する他のヒューズとの間に生じ
る相互インダクタンス成分を低減するため、個々のヒュ
ーズを45°回転して配置している。ここでは、ヒュー
ズ内部のエレメント配置との関係について説明する。図
7は、角柱型ヒューズにおける内部エレメントの配置に
ついて示したものである。(a)はヒューズの断面を示
す図であり、4枚の板状エレメントをヒューズ外管の各
面に対し平行となるように配置している。このように、
電流容量を確保するため、エレメント幅を広げる工夫が
成されており、さらに、板状エレメントをつづら折りに
し、実質的なエレメント長を延ばした構成例もある。
(b)は外観を示す斜視図である。なお、ヒューズ外観
については角柱型として示したが、他の形状でもよいこ
とは言うまでもない。このように、断面図が左右対称且
つ上下対称の場合、1本のヒューズ内で並列化した各エ
レメント間の相互インダクタンスは、ほぼ等しい関係に
ある。つまり、1本のヒューズ内のエレメント間には、
抵抗及びインダクタンスともに大きなばらつきは存在し
ない。しかし、複数個のヒューズを並列接続する場合、
隣接するヒューズの配置方法により、エレメント間の相
互インダクタンスは大きく異なる。図8を用いてこれを
説明する。図8は、4本の板状エレメント4a,4b,
4c,4dで構成されるヒューズ1aと、同一形状で板
状エレメント4e,4f,4g,4hで構成されるヒュ
ーズ1bを2並列接続する際のヒューズ配列方法を示し
ている。(a),(c)はヒューズ1aの中心線に垂直に
交わる平面におけるヒューズの断面図であり、(b),
(d)はヒューズ外観の斜視図を示している。(a),
(b)では、2つのヒューズエレメント4cと4eが互
いに向き合う関係となっている。このため、エレメント
4cにおいては、エレメント4eの電流により生じる磁
束の影響が大きくなる。2枚の導体を平行に配置し、2
枚の導体に同一方向の電流が流れた場合、相互インダク
タンス成分の符号が正となるため、導体のインダクタン
スは、自己インダクタンスと相互インダクタンスの和で
表されることが一般に知られている。このため、相互イ
ンダクタンス成分が大きくなった内側のエレメント4c
と4eに対し、外側のエレメント4aと4gはインダク
タンスが小さくなり、電流分担が大きくなる。この問題
を解決するために、ヒューズを回転させる方法で、隣接
するヒューズのエレメントによる磁束の影響を緩和した
のが図8(c),(d)である。ヒューズの回転角度につ
いては、詳細を後述するが、ヒューズ断面が図7(a)
のような場合には、図8(c),(d)のように45°回
転させたとき、隣接するヒューズのエレメントによる磁
束の影響が最も小さくなる。この図では、2本のヒュー
ズをいずれも45°回転させているが、どちらか一方の
みでも良い。また、エレメントが図のような配置関係と
なっていれば、ヒューズの外管を回転する必要がないこ
とは明らかである。なお、ここでは、図示しなかった
が、温度上昇を防止するため、ヒューズの端子部を冷却
してもよい。
【0017】実施例2.この発明の第2の実施例を図に
基づいて説明する。図9は、電力変換装置に用いるヒュ
ーズユニットを示したものであり、2つのヒューズ1a
及び1b,ヒューズ端子に電流を供給する配線導体3
a,3b,3c,3d、ヒューズと配線導体を接続固定
するネジ2a,2b、シールド板5により構成されてい
る。図1と異なるのは、ヒューズユニットのヒューズ部
をシールド材5で覆っている点だけである。電力変換装
置の内部にはヒューズユニット周辺にも配線導体が張り
巡らされている。この周辺に配置された配線導体からヒ
ューズエレメントが受ける磁束の影響は、前述した隣接
するヒューズエレメントから受ける磁束の影響に比較す
ると、桁違いに大きい。これは、n本のヒューズエレメ
ントに流れる電流値を平均値で考えると全電流の1/n
になるためであり、抵抗やインダクタンスのばらつきを
考慮しても、依然として全電流よりはるかに小さいため
である。そこで、ヒューズエレメントが受ける影響を軽
減するためには、周辺の配線導体をヒューズから遠ざけ
ることが必要となる。図10は周辺配線導体6とヒュー
ズユニットとの配置関係を示す図であり、(a)はx−
y平面における断面図、(b)は全体の斜視図である。
板状エレメント4の幅を20mm、長さを100mmとし、
周辺配線導体6とヒューズ1aとの間の距離をdとする
と、距離dとエレメント4aの電流分担との関係は、図
11のようになる。図11は、周辺配線導体6とヒュー
ズ1の電流向きを逆向きで、ヒューズ電流供給用配線導
体3aと配線導体6の電流の絶対値を同じとし、周波数
1MHzにおける解析結果である。2本のヒューズ1a
と1bには、計8本のエレメントがあるので、完全に電
流が平均化されていれば、1本のエレメントの電流分担
は12.5%(=100/8)となる。しかしながら、ヒ
ューズ1と周辺配線導体6との電流向きが逆向きである
ことから、周辺配線導体6がエレメントに及ぼす相互イ
ンダクタンスは符号がマイナスとなる。さらに、周辺配
線導体6に最も近いエレメント4aのインダクタンスが
最も小さくなることで、エレメント4aの電流分担が平
均値を上回っている。装置により許容レベルが異なる
が、例えばエレメント電流の上限を平均値×1.1と仮定
すると、d>230mmとしなければならないことにな
る。
【0018】ところが、実際には装置の小型化が優先さ
れるため、高密度実装が余儀なくされている。そこで、
前述したヒューズエレメントを回転させる方法で、周辺
配線導体6から受ける磁束の影響を緩和する様子を示し
たものが、図12(a)である。ここでは、図10
(a)における周辺配線導体6とヒューズ1aとの距離
dを150mmとした場合を考える。図12(b)に示す
ように、2つのヒューズ1aと1bの断面図における両
中心点(OとO′)を通る直線L1と、ヒューズ1aの
中心点を通るエレメント4aの垂線L2とがなす角度α
とする。図12(a)は、この角度αを0°から45°
まで変化させたときのエレメント4aの電流分担の変化
を示しており、周波数を1MHzとした場合の解析結果
である。このように、エレメントと周辺配線導体との間
の角度αを調整することで、エレメントの電流分担の改
善を図ることが可能となる。このケースでは角度αが15
°以上で電流分担改善の効果が現れ、α=45°の場合
が、エレメント4aの電流分担を最も軽減できることを
示している。
【0019】さらに、電流分担を軽減すべく、周辺配線
導体6の磁束の影響を打ち消すようにシールド板を配置
したものが図9である。周辺配線導体6からの磁束の影
響をシールド板でほぼ受け止めることで、ヒューズエレ
メントへの相互インダクタンス成分を抑制し、その結果
としてエレメント間の電流分担を改善するものである。
このことを図13にて説明する。図13(b)はy−z
平面におけるヒューズユニット,シールド板5,周辺配
線導体6の配置関係を示す側面図である。この図中のヒ
ューズ1aの中心からシールド板5までの距離pを変化
させたときの、エレメント4aの電流分担を示したもの
が図13(a)である。図中には、シールド板5を設置
しない場合の電流分担も示しており、シールド板5によ
る効果が明確に現れている。また、この図よりエレメン
ト4aの電流分担が、シールド板とヒューズの中心まで
の距離pにほとんど依存しないこともわかる。なお、こ
の解析では、ヒューズの長さ100mmに対して、シール
ド板の高さを90mmとしている。
【0020】次に、シールド板がヒューズを覆う割合に
よって、エレメント電流分担がどのように変化するか説
明する。図14は、ヒューズの長さを100mmとし、ヒ
ューズの長手方向、つまりz軸方向のシールド板の高さ
qを変化させたときのエレメント4aの電流分担を示し
ている。図13では、q=90mmとしていたが、qを徐
々に小さくしていくと、エレメント4aの電流分担が大
きくなり、q=0の場合がシールド板なしに相当する。
図中には、シールド板の位置をヒューズの中央を基準に
固定した場合と、ヒューズの上端を基準に固定した場合
について示しているが、いずれの場合も電流分担に違い
はない。つまり、シールド板がどの程度ヒューズを覆う
かで電流分担が決まっていると考えられる。この図で
は、周辺配線導体6を含むヒューズユニットを上下対称
としたため、シールド板5の固定位置による電流分担の
相違が現れなかったが、実際には上下対称の実装は困難
と予想されることから、エレメントの電流分担をより平
均化できる位置にシールド板5を配置すればよい。ま
た、図示していないが、ヒューズユニットに冷却機構を
追加してもよく、さらにシールド板5に対しても冷却機
構が働く構成としてもよい。なお、シールド板5の構成
については全てのヒューズを一括して覆い、高さを一定
とする図を示したが、後述するように、個別シールド,
部分的シールドあるいはシールド板の高さが部分的に異
なるような構成であってもよく、周辺配線導体からエレ
メントに及ぼす磁束の影響を抑制するような位置関係に
あればよい。さらにはヒューズユニットに電流を供給す
る導体用の穴を設けた箱型のシールド板5でユニット全
体を覆ってもよい。
【0021】実施例3.この発明の第3の実施例を図に
基づいて説明する。図15,図16,図17,図18
は、エレメント電流分担を改善するために設けるシール
ド板の配置例を示している。図15はヒューズ1の絶縁
外管を取り囲むように角型の筒を配置したものであり、
(a)は上面図、(b)は側面図である。図ではシール
ド板5の上下の面を設置していないが、どちらか一方を
塞ぎ、この面内でヒューズ1をヒューズ電流供給用配線
導体と接続してもよい。このようにヒューズ1とシール
ド板5を電気的に接続することで、シールド板5の電位
が浮動となることを防止できるため、コロナが発生する
恐れがなくなる。もちろん、シールド板の電位固定はヒ
ューズの端子以外であってもよい。また、シールド板5
の固定方法については、ヒューズ1の絶縁外管に直接あ
るいは緩衝材を介して間接的に被せたり、巻き付けた
り、貼り付けるなど、ヒューズ1を覆うようにすればよ
く、円筒型などのようにヒューズの外管形状と異なって
もよい。一方、シールド板の材質については、近接配置
された配線導体から受ける磁束をシールド板で受け止
め、ここに渦電流を流すため、銅などの導電性物質であ
ればよく、銅箔テープを巻き付け、接着剤などで固定し
てもよい。
【0022】図16は、図15と同様にヒューズ1の絶
縁外管を取り囲むように角型の筒を配置したものであ
る。図15と異なるのは、シールド板5の全長がヒュー
ズ長よりも短い点である。前述したように、シールド板
配置方法は、図15の場合と比較して図16の場合で
は、ヒューズエレメントの電流分担改善効果が弱まる。
しかし、ヒューズにおいて過電流検出した際にエレメン
ト溶断すると、ヒューズ両端に高電圧が印加される場合
がある。したがって、コロナの問題を回避するためシー
ルド板の電位を固定していた場合には、ヒューズ端子と
シールド板の間に適正な絶縁距離が必要となる。具体的
には、シールド板の接続先をヒューズの一方の端子とし
ていた場合、他方の端子とシールド板との間に絶縁距離
を設けることになる。図16では、これらを満足させる
ために角型のコップ状シールド板5の底部に固定用の穴
を開け、これを逆さにしたものをヒューズ1に被せたも
のを示している。もちろん、必要な絶縁距離を確保する
ため絶縁物を挿入して、シールド板がヒューズを覆う割
合を高めてもよい。
【0023】図17は、図15と同様にヒューズの絶縁
外管を取り囲むように角型の筒を配置したものである。
図15と異なるのは、2つのヒューズ1a,1bを1つ
のシールド板5で覆っている点である。シールド板を設
ける理由の1つは、周辺に配置された配線導体から受け
る磁束を、ヒューズに及ばないように中間で受け止める
ためである。実装状態によっては、周辺からの磁束は四
方から到達することが予想される。そこで、全体を1つ
のシールド板で覆うことにより、最小の部品点数でヒュ
ーズの電流分担を改善可能とする。図では、2つのヒュ
ーズについて示しているが、2つ以上のヒューズを並列
接続した場合にも適用可能であることは言うまでもな
い。
【0024】図18は、図17と同様に2つのヒューズ
1a,1bをシールド板で覆っているが、図17と異な
るのは、ヒューズ1aと1bの間に仕切り板を設けた点
である。このような構成では、周辺の配線導体により受
けた磁束をシールド板5で渦電流として受け止め、これ
をヒューズの各エレメントにまで行き渡らせることがで
きるため、高周波に対するエレメントの電流分担を平均
値に近づくように改善可能となる。
【0025】このように、シールド板を設けることで、
近接する配線導体から受ける磁束の影響を抑制すること
が可能となり、エレメント間のインダクタンスに大きな
ばらつきがなくなる。これにより、高周波におけるエレ
メント電流のばらつきが小さく抑えられる。もちろん、
特定のヒューズだけが周囲の配線導体から磁束の影響を
受ける場合には、特定のヒューズだけ個別にシールド板
を設けるだけでよく、全てのヒューズをシールド板で囲
む必要がないことは明らかである。また、図では2つの
ヒューズについて示しているが、2つ以上のヒューズを
並列接続した場合にも適用可能であることは言うまでも
ない。4並列の場合における具体例を図19,図20に
示す。このように一列に配列させたり、複数列に渡って
配列してもよく、シールド板によってヒューズを覆うこ
とが可能であれば複数のヒューズが整列している必要は
ない。さらに、ヒューズに電流を供給する配線導体に
も、周辺配線導体からの磁束が鎖交するため、これらも
ヒューズ部と同様にシールドすれば、電流分担改善効果
がより向上する。
【0026】実施例4.この発明の第4の実施例を図に
基づいて説明する。図21は、ヒューズ1と周辺配線導
体6との配置関係を示す断面図である。ヒューズ1のエ
レメント4a,4b,4c,4dは、ヒューズ外管の各
側面に平行となるように4枚で構成されたものを示して
いる。(a)は1つのエレメント4aと周辺配線導体6
が平行な関係にあり、シールド板5は、4枚の各エレメ
ントと各々の面が平行となるように配置している。
(b)は配線導体6に対してヒューズを45°回転させ
たものである。シールド板5は、(a)と同様に4枚の
各エレメントと各々の面が平行となるように配置してい
る。(c)は配線導体6に対してヒューズを45°回転
させた点が(b)と同じであり、シールド板5について
は回転する前の各エレメントと各々の面が平行となるよ
うに配置している。シールド板を配置しない場合、周辺
配線導体6に近い側のエレメント4a,4b((a)で
は4aのみ)が、周辺配線導体6の電流による磁束の影
響を受けるが、シールド板を配置することで、周辺配線
導体6からの磁束を渦電流としてシールド板全体に広げ
られるため、周辺配線導体6に遠い側のエレメントにも
磁束を鎖交させることができる。結果として、エレメン
ト間のインダクタンスばらつきを抑制することができ
る。したがって、シールド板がヒューズ部全体を取り囲
むように配置することで、上記の効果が現れるため、図
示した角型のシールド板の他に、円筒型など別の形状で
もよい。
【0027】実施例5.この発明の第5の実施例を図に
基づいて説明する。図22は、電力変換装置に用いるヒ
ューズユニットを示したものであり、2つのヒューズ1
a及び1b,ヒューズ端子に電流を供給する配線導体3
a,3b,3c,3d,ヒューズと配線導体を接続固定
するネジ2a,2bにより構成されている。このうち、
配線導体3c,3dはヒューズ固定用であるとともに、
供給電流を個々のヒューズに分流するためにも用いられ
ている。図22が図1と異なるのは、配線導体3a,3
bにスリットを設けた点である。このスリットは特に直
流電流や低周波領域の電流(以下、これらをまとめて低
周波電流と呼ぶ)を対象として、次のような機能を持
つ。ヒューズへの電流は配線導体3aにより供給される
が、低周波電流のエレメント電流分担は配線導体及びエ
レメントの抵抗ばらつきで決定される。このとき、エレ
メントの抵抗ばらつきに比較すると、配線導体の抵抗ば
らつきは大きいため、各エレメントに分流させる配線導
体の抵抗分を平均化することが重要となる。一般に低周
波電流は配線導体幅全体にほぼ均一に流れることから、
エレメントまでの線路長を揃えることで達成される。こ
のため、図23に示すように配線導体とヒューズ間の距
離を均等にする方法や配線導体3c,3dの部分を各々
同一長の電線に置換して接続する方法でもよい。これら
の方法とスリットを設けた図22の方法とで異なるの
は、ヒューズ端部を冷却することが可能であることと、
非対象の場合でもスリット形状の調整により電流分担を
改善できる点である。さらに、配線導体幅を必要以上に
広げなくて済む利点もあり、装置の小型化を可能とす
る。スリットの配置方法としては、N本のヒューズを並
列接続する場合、全電流IをN等分した電流I/Nが各
ヒューズに供給されればよい。基本的には、x−z平面
に関して対称形とすればよいが、高周波における電流分
担によっては、非対称となることもある。図では、配線
導体3a,3bにスリットを設けているが、配線導体3
c,3dのようにヒューズ端部への接続部に設けてもよ
い。もちろん、配線導体の抵抗分を均等化するために設
けるスリットの形状は、矩形状である必要はなく、複数
個のスリットを複合してもよい。
【0028】高周波におけるエレメントの電流分担を改
善方法として、シールド板配置やヒューズの回転を上述
した。これらの方法は相互インダクタンスを抑制する方
法であるため、直流領域や低周波領域の電流分担を改善
する効果がない。しかし、配線導体にスリットを設ける
方法では低周波領域の電流分担を改善可能となるため、
これらを併用することで、全周波数領域に対して電流分
担を平均化することができる。なお、スリットの設置方
法については、図24に示すように複数の配線導体を組
み合わせてスリット状の穴を形成してもよく、他にも切
り込みを設けた配線導体の組み合わせなどを利用しても
よい。つまり、配線導体に穴を開けなくても電流を複数
のヒューズに分流させる機能があればよく、重要なのは
電流の流れを変化させるようなスリット状の穴を備えて
いることである。
【0029】
【発明の効果】ヒューズにシールド板を設けることで過
渡時の、また複数のヒューズに電流を供給する配線導体
部にスリットを設けることで定常時の、各々ヒューズエ
レメント毎の電流分担を大幅に改善できる。このため、
特定のエレメントに電流集中することを防止でき、ヒュ
ーズの寿命が延び保守における交換作業を軽減する。さ
らに、これらを用いた電力変換装置あるいは電気機器の
信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すヒューズを45°
回転して配置したヒューズユニットの斜視図である。
【図2】IGBTを用いた電力変換装置の構成例を示す
図である。
【図3】GTOを用いた電力変換装置のインバータある
いはコンバータの一相分を示す回路図である。
【図4】半導体スイッチング素子のゲートパルス波形を
示す図である。
【図5】半導体スイッチング素子のON/OFF制御に
ともない、ヒューズに流れる電流の状態を示す図であ
る。
【図6】半導体スイッチング素子のON/OFF制御に
ともない、変化する電流経路を示す図である。(a)は
上アームGTOがいずれもOFF状態、(b)は上アー
ム内側GTOがON状態、(c)は上アームGTOがい
ずれもON状態。
【図7】ヒューズの内部エレメント配置例を示す図であ
り、(a)はヒューズの断面図、(b)はヒューズの外
観を表す斜視図である。
【図8】2つのヒューズの配置関係を説明する図であ
り、(a),(c)はヒューズの断面図、(b),(d)は
ヒューズの外観を表す斜視図である。(c),(d)は、
隣接するヒューズの内部エレメントによる磁束の影響を
緩和する配置方法を示している。
【図9】本発明の第2の実施例を示すヒューズをシール
ド板で囲んだヒューズユニットの斜視図である。
【図10】ヒューズユニットと周辺配線導体との配置関
係を示す図であり、(a)はx−y平面図、(b)は全
体の斜視図である。
【図11】ヒューズユニットと周辺配線導体との距離
と、エレメント電流分担との関係を示す図である。
【図12】(a)は周辺配線導体とエレメント4aがな
す角度を変化させたときの、エレメント4aの電流分担
を示した図で、(b)は周辺配線導体とヒューズユニッ
トの配置関係を示す図である。
【図13】シールド板の有無によるエレメント電流分担
の違いを示しており、(a)はヒューズ中央からシール
ド板までの距離に対するエレメント電流分担を示す図で
あり、(b)はy−z平面におけるヒューズユニットと
シールド板及び周辺配線導体の配置関係を示した図であ
る。
【図14】シールド板がヒューズを覆う割合によるエレ
メントの電流分担を示しており、(a)はシールド板の
高さとエレメント電流分担の関係を示す図であり、
(b)はy−z平面におけるヒューズユニットとシール
ド板及び周辺配線導体の配置関係を示した図である。
【図15】1つのヒューズに対するシールド板の配置方
法について示しており、(a)は上面図、(b)は側面
図である。
【図16】1つのヒューズに対するシールド板の配置方
法について示しており、(a)は上面図、(b)は側面
図である。
【図17】複数ヒューズに対するシールド板の配置方法
について示しており、(a)は上面図、(b)は側面図
である。
【図18】複数のヒューズに対するシールド板の配置方
法について示しており、(a)は上面図、(b)は側面
図である。
【図19】複数のヒューズの配列方法について示してお
り、(a)は上面図、(b)は側面図である。
【図20】複数のヒューズの配列方法について示してお
り、(a)は上面図、(b)は側面図である。
【図21】本発明の第4の実施例を示すヒューズと周辺
配線導体との配置関係を示した図である。
【図22】本発明の第5の実施例を示すヒューズに電流
を供給する配線導体にスリットを設けたヒューズユニッ
トの斜視図である。
【図23】複数のヒューズに電流を等分する配線導体構
造を持つヒューズユニットの斜視図である。
【図24】複数の配線導体を組み合わせて、スリット状
の穴を形成する方法を示す図である。
【図25】(a)は従来例を示すヒューズの平面図、
(b)は図25(a)のZ−Z′線断面図である。
【符号の説明】
1,1a,1b…ヒューズ、2a,2b…ネジ、3a,
3b,3c,3d…ヒューズ電流供給用配線導体、4,
4a,4b,4c,4d,4e,4f,4g,4h…ヒ
ューズ内部エレメント、5…シールド板、6…周辺配線
導体、7a,7b…スリット、101…交流電源、10
2…コンバータ(一相分)、103…平滑コンデンサ、
104…インバータ(一相分)、105…交流電動機、
106,107,108,109…半導体スイッチング
素子、110,111…スナバコンデンサ、112,1
13,114,115…フリーホィールダイオード、1
16,117…クランプダイオード、118,119…
横流防止ダイオード、120,121…クランプコンデ
ンサ、122,123…アノードリアクトル、124,
125…ヒューズ、130…正側電位、131…基準電
位、132…負側電位、133…出力、135…回生チ
ョッパ回路、136,137…スナバダイオード、20
1…電流ヒューズ、202a,203b…端子、203
…可溶部としての接続体、204a,204b…係止
孔。

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】両端子間を過電流が流れることによって両
    端子間の可溶部が溶断するヒューズであって、 前記ヒューズの周囲を導電性材料で構成する導体によっ
    てシールドすることを特徴とするヒューズ。
  2. 【請求項2】請求項1記載のものにおいて、導体の少な
    くても一点を回路中の任意の一点と電気的に接続するこ
    とを特徴とするヒューズ。
  3. 【請求項3】請求項1記載のものにおいて、導体の少な
    くても一点をヒューズの一方の端子に電気的に接続する
    ことを特徴とするヒューズ。
  4. 【請求項4】両端子間を過電流が流れることによって両
    端子間の可溶部が溶断するエレメントを角柱状の各側面
    に備えたヒューズにおいて、 前記ヒューズの端子面の中心点を通り、前記ヒューズに
    電流を供給する配線導体への第1の垂線と、前記ヒュー
    ズの端子面の中心点を通り、前記エレメントへの第2の
    垂線とがなす2つの鋭角のうち小さい方の鋭角が15°
    以上且つ45°以下であることを特徴とするヒューズ。
  5. 【請求項5】両端子間を過電流が流れることによって両
    端子間の可溶部が溶断するヒューズを少なくても2つ以
    上並列接続したヒューズユニットにおいて、 少なくても1つの前記ヒューズの周囲を導電性材料で構
    成する導体によってシールドすることを特徴とするヒュ
    ーズユニット。
  6. 【請求項6】請求項5記載のものにおいて、導体の少な
    くても一点を回路中の任意の一点と電気的に接続するこ
    とを特徴とするヒューズユニット。
  7. 【請求項7】請求項5記載のものにおいて、導体の少な
    くても一点をヒューズの一方の端子に電気的に接続する
    ことを特徴とするヒューズユニット。
  8. 【請求項8】両端子間を過電流が流れることによって両
    端子間の可溶部が溶断するエレメントを角柱状の各側面
    に備えたヒューズを2つ以上並列接続したヒューズユニ
    ットにおいて、 前記ヒューズの端子面の中心点を通り、前記ヒューズに
    電流を供給する配線導体への第1の垂線と、前記ヒュー
    ズの端子面の中心点を通り、前記エレメントへの第2の
    垂線とがなす鋭角のうち、少なくても1つの鋭角が15
    °以上且つ45°以下であることを特徴とするヒューズユ
    ニット。
  9. 【請求項9】両端子間を過電流が流れることによって両
    端子間の可溶部が溶断するヒューズを少なくても2つ以
    上並列接続したヒューズユニットにおいて、 前記ヒューズに電流を供給し、各々の前記ヒューズに分
    流させる配線導体に少なくても1つのスリットを設けた
    ことを特徴とするヒューズユニット。
  10. 【請求項10】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても2つ以上並列接続した
    ヒューズユニットを備える電力変換装置において、 少なくても1つの前記ヒューズの周囲を導電性材料で構
    成する導体によってシールドすることを特徴とする電力
    変換装置。
  11. 【請求項11】請求項10記載のものにおいて、導体の
    少なくても一点を回路中の任意の一点と電気的に接続す
    ることを特徴とする電力変換装置。
  12. 【請求項12】請求項10記載のものにおいて、導体の
    少なくても一点をヒューズの一方の端子に電気的に接続
    することを特徴とする電力変換装置。
  13. 【請求項13】両端子間を過電流が流れることによって
    両端子間の可溶部が溶断するエレメントを角柱状の各側
    面に有するヒューズを2つ以上並列接続したヒューズユ
    ニットを備える電力変換装置において、 前記ヒューズの端子面の中心点を通り、前記ヒューズに
    電流を供給する配線導体への第1の垂線と、前記ヒュー
    ズの端子面の中心点を通り、前記エレメントへの第2の
    垂線とがなす鋭角のうち、少なくても1つの鋭角が15
    °以上且つ45°以下であることを特徴とする電力変換装
    置。
  14. 【請求項14】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても2つ以上並列接続した
    ヒューズユニットと、前記ヒューズに電流を供給し、各
    々の前記ヒューズに分流させる配線導体とを備える電力
    変換装置において、 前記配線導体に少なくても1つのスリットを設けたこと
    を特徴とする電力変換装置。
  15. 【請求項15】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても2つ以上並列接続した
    ヒューズユニットを備える電気機器において、 少なくても1つの前記ヒューズの周囲を導電性材料で構
    成する導体によってシールドすることを特徴とする電気
    機器。
  16. 【請求項16】両端子間を過電流が流れることによって
    両端子間の可溶部が溶断するエレメントを角柱状の各側
    面に有するヒューズを2つ以上並列接続したヒューズユ
    ニットを備える電気機器において、 前記ヒューズの端子面の中心点を通り、前記ヒューズに
    電流を供給する配線導体への第1の垂線と、前記ヒュー
    ズの端子面の中心点を通り、前記エレメントへの第2の
    垂線とがなす鋭角のうち、少なくても1つの鋭角が15
    °以上且つ45°以下であることを特徴とする電気機器。
  17. 【請求項17】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても2つ以上並列接続した
    ヒューズユニットと、前記ヒューズに電流を供給し、各
    々の前記ヒューズに分流させる配線導体とを備える電気
    機器において、 前記配線導体に少なくても1つのスリットを設けたこと
    を特徴とする電気機器。
  18. 【請求項18】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても1つ有し、前記ヒュー
    ズに電流を供給する第1の導体を備えた電力変換装置に
    おいて、 少なくても1つの前記ヒューズの周囲を導電性材料で構
    成する第2の導体によってシールドし、前記第2の導体
    の少なくても一点を前記ヒューズの第1の端子に電気的
    に接続し、さらに、前記第2の導体を前記ヒューズの第
    2の端子に絶縁性材料で構成する絶縁体を介して接続す
    ることを特徴とする電力変換装置。
  19. 【請求項19】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても1つ有し、前記ヒュー
    ズに電流を供給する第1の導体を備えた電力変換装置に
    おいて、 少なくても1つの前記ヒューズを導電性材料で構成され
    た第2の導体と第3の導体によりシールドし、前記第2
    の導体の少なくても一点を前記ヒューズの第1の端子に
    電気的に接続し、前記第3の導体の少なくても一点を前
    記ヒューズの第2の端子に接続し、さらに、前記第2の
    導体と前記第3の導体を絶縁性材料で構成した絶縁体を
    介して接続することを特徴とする電力変換装置。
  20. 【請求項20】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても2つ以上並列接続した
    ヒューズユニットと、前記ヒューズユニットに近接して
    配置された導体を有する電力変換装置において、 全周波数領域に対する前記ヒューズ間の電流ばらつきが
    10%以下であることを特徴とするヒューズ。
  21. 【請求項21】半導体スイッチング素子を有し、前記半
    導体スイッチング素子のオン/オフ動作による負荷電流
    を通流するヒューズを少なくても2つ以上並列接続した
    ヒューズユニットと、前記ヒューズユニットに電流を供
    給する第1の導体とを備えた電力変換装置において、 少なくても1つの前記ヒューズの周囲を導電性材料で構
    成する第2の導体によってシールドし、且つ前記第1の
    導体にスリット状の穴を有することを特徴とする電力変
    換装置。
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