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

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。