JPWO2018092240A1

JPWO2018092240A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2018092240A1
Application number: JP2018550938A
Authority: JP
Inventors: 一輝西村; 俊秀中野
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: US20190214811A1; CN109792216B; US10587203B2; WO2018092240A1; KR20190038888A; KR102266020B1; CN109792216A; JP6687754B2

Abstract

配線（ＷＰ１，ＷＮ１，ＷＣ１）は、第１変換器ユニット（Ｕ１）の直流母線（ＰＬ１，ＮＬ１，ＣＬ１）と第２変換器ユニット（Ｕ２）の直流母線（ＰＬ２，ＮＬ２，ＣＬ２）との間に設けられる。配線（ＷＰ２，ＷＮ２，ＷＣ２）は、第２変換器ユニット（Ｕ２）の直流母線（ＰＬ２，ＮＬ２，ＣＬ２）と第３変換器ユニット（Ｕ３）の直流母線（ＰＬ３，ＮＬ３，ＣＬ３）との間に設けられる。ヒューズ（ＦＰ１，ＦＮ１，ＦＣ１）は配線（ＷＰ１，ＷＮ１，ＷＣ１）にそれぞれ介挿される。ヒューズ（ＦＰ２，ＦＮ２，ＦＣ２）は配線（ＷＰ２，ＷＮ２，ＷＣ２）にそれぞれ介挿される。

Description

この発明は、電力変換装置に関する。

無停電電源装置などに適用される電力変換装置は、一般的に、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、その直流電力を所望の周波数および電圧の交流電力に変換するインバータとを備えている。

たとえば、国際公開第２０１０／０９５２４１号（特許文献１）には、３レベルコンバータと３レベルインバータとを備えた電力変換装置により構成された無停電電源装置が開示されている。この電力変換装置において、３レベルコンバータおよび３レベルインバータの各々は、複数の半導体スイッチング素子を含んでいる。

上述した電力変換装置では、複数の半導体スイッチング素子のいずれかが破損して短絡状態となった場合に、過電流または過電圧が発生する可能性がある。特許文献１では、各半導体スイッチング素子の一方端子と直流母線（直流正母線、直流負母線または直流中性点母線）との間にヒューズを接続している。このようにすると、いずれかの半導体スイッチング素子が短絡状態となった場合には、ヒューズが溶断されて電流が流れる経路が遮断されるため、過電流または過電圧の発生が防止することができる。

国際公開第２０１０／０９５２４１号

しかしながら、特許文献１に記載される電力変換装置では、半導体スイッチング素子と直流母線との間の電流経路にヒューズを設けているため、３レベルコンバータおよび３レベルインバータが正常に動作している状態において、ヒューズには常に電流が流れる。このような状態においてヒューズが誤って溶断されることがないように、特許文献１では、コンバータおよびインバータを流れる電流よりも大きい定格電流値を有するヒューズが必要となる。

上記のように、定格電流値の大きいヒューズを使用した場合においては、定格電流値を上回る短絡電流が流れるまでは、ヒューズが溶断されない。そのため、半導体スイッチング素子の故障からヒューズが溶断されるまでに、電流経路に大きな短絡電流が流れてしまい、他の健全な半導体スイッチング素子およびダイオードなどに被害をもたらす可能性がある。

また、特許文献１では、３レベルコンバータおよび３レベルインバータの各々に対して、合計９個のヒューズを使用しているため、各ヒューズに定格電流値の大きいものを使用することで、装置の大型化および高コスト化を招いてしまうという問題点がある。

さらに、特許文献１では、電力変換装置が動作しているときに各ヒューズで発生する電力損失が大きくなってしまい、結果的に電力変換装置の効率を低下させる可能性がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、簡易な構成で、高い過電流および過電圧の防止効果を実現することができる電力変換装置を提供することである。

この発明のある局面に従う電力変換装置は、交流電源から供給される第１〜第３相の交流電圧を第４〜第６相の交流電圧に変換して負荷に供給するように構成される。電力変換装置は、第１〜第３の電力変換器を備える。第１の電力変換器は、第１相の交流電圧を第４相の交流電圧に変換するように構成される。第２の電力変換器は、第２相の交流電圧を第５相の交流電圧に変換するように構成される。第３の電力変換器は、第３相の交流電圧を第６相の交流電圧に変換するように構成される。第１の電力変換器は、第１相コンバータと、第４相インバータと、第１の直流正母線および第１の直流負母線とを含む。第１相コンバータは、第１相の交流電圧を第１の直流電圧に変換するように構成される。第４相インバータは、第１相コンバータから供給される第１の直流電圧を第４相の交流電圧に変換するように構成される。第１の直流正母線および第１の直流負母線は、第１相コンバータと第４相インバータとの間に接続される。第２の電力変換器は、第２相コンバータと、第５相インバータと、第２の直流正母線および第２の直流負母線とを含む。第２相コンバータは、第２相の交流電圧を第２の直流電圧に変換するように構成される。第５相インバータは、第２相コンバータから供給される第２の直流電圧を第５相の交流電圧に変換するように構成される。第２の直流正母線および第２の直流負母線は、第２相コンバータと第５相インバータとの間に接続される。第３の電力変換器は、第３相コンバータと、第６相インバータと、第３の直流正母線および第３の直流負母線とを含む。第３相コンバータは、第３相の交流電圧を第３の直流電圧に変換するように構成される。第６相インバータは、第３相コンバータから供給される第３の直流電圧を第６相の交流電圧に変換するように構成される。第３の直流正母線および第３の直流負母線は、第３相コンバータと第６相インバータとの間に接続される。電力変換装置は、さらに、第１〜第４のヒューズとを備える。第１、第２のヒューズは、第１および第２の直流正母線の間、ならびに、第２および第３の直流正母線との間にそれぞれ接続される。第３、第４のヒューズは、第１および第２の直流負母線の間、ならびに、第２および第３の直流負母線との間にそれぞれ接続される。

この発明によれば、簡易な構成で、高い過電流および過電圧の防止効果を実現することができる電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施の形態による電力変換装置の主回路構成を示す概略ブロック図である。図１に示した単相コンバータおよび単相インバータの構成を詳細に説明する回路図である。図２に示したＩＧＢＴ素子のオン／オフのタイミングを説明するための波形図である。図２に示したヒューズの働きを示す回路図である。図２に示したヒューズの働きを示す回路図である。図２に示したヒューズの働きを示す回路図である。比較例による電力変換装置の構成を説明する回路図である。本発明の実施の形態の変形例による電力変換装置の主回路構成を示す概略ブロック図である。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による電力変換装置１００の主回路構成を示す概略ブロック図である。本発明の実施の形態による電力変換装置１００は、たとえば、無停電電源装置に適用される。交流電源１は、商用周波数の三相交流電力を電力変換装置１００に供給する。負荷４は、電力変換装置１００から供給される商用周波数の三相交流電力によって駆動される。

図１を参照して、電力変換装置１００は、交流電源１と負荷４との間に並列接続された３台の変換器ユニットＵ１〜Ｕ３を備える。電力変換装置１００は、配線ＷＰ１，ＷＰ２，ＷＮ１，ＷＮ２，ＷＣ１，ＷＣ２と制御回路７とをさらに備える。また、電力変換装置１００は、直流正母線ＰＬ４、直流負母線ＮＬ４、直流中性点母線ＣＬ４、双方向チョッパ５、および直流電源６と接続されることで、無停電電源装置を構成する。

第１変換器ユニットＵ１は、Ｒ相コンバータ２Ｒ、Ｕ相インバータ３Ｕ、直流正母線ＰＬ１、直流負母線ＮＬ１、直流中性点母線ＣＬ１、およびコンデンサＣ１Ｒ，Ｃ２Ｒ，Ｃ１Ｕ，Ｃ２Ｕを含む。

Ｒ相コンバータ２Ｒには、交流電源１からＲ相ラインＲＬを介してＲ相電圧が供給される。Ｒ相コンバータ２Ｒは、Ｒ相電圧ＶＲを直流電圧に変換し、直流母線ＰＬ１，ＣＬ１，ＮＬ１を介してＵ相インバータ３Ｕにその直流電圧を供給する。Ｕ相インバータ３Ｕは、Ｒ相コンバータ２Ｒからの直流電圧をＵ相電圧ＶＵに変換する。Ｕ相インバータ３Ｕで生成されたＵ相電圧ＶＵは、Ｕ相ラインＵＬを介して負荷４に供給される。コンデンサＣ１Ｒ，Ｃ１Ｕは、直流正母線ＰＬ１および直流中性点母線ＣＬ１の間に並列に接続される。コンデンサＣ２Ｒ，Ｃ２Ｕは、直流中性点母線ＣＬ１および直流負母線ＮＬ１の間に並列に接続される。

第２変換器ユニットＵ２は、Ｓ相コンバータ２Ｓ、Ｖ相インバータ３Ｖ、直流正母線ＰＬ２、直流負母線ＮＬ２、直流中性点母線ＣＬ２、およびコンデンサＣ１Ｓ，Ｃ２Ｓ，Ｃ１Ｖ，Ｃ２Ｖを含む。

Ｓ相コンバータ２Ｓには、交流電源１からＳ相ラインＳＬを介してＳ相電圧ＶＳが供給される。Ｓ相コンバータ２Ｓは、Ｓ相電圧ＶＳを直流電圧に変換し、直流母線ＰＬ２，ＣＬ２，ＮＬ２を介してＶ相インバータ３Ｖにその直流電圧を供給する。Ｖ相インバータ３Ｖは、Ｓ相コンバータ２Ｓからの直流電圧をＶ相電圧ＶＶに変換する。Ｖ相インバータ３Ｖで生成されたＶ相電圧ＶＶは、Ｖ相ラインＶＬを介して負荷４に供給される。コンデンサＣ１Ｓ，Ｃ１Ｖは、直流正母線ＰＬ２および直流中性点母線ＣＬ２の間に並列に接続される。コンデンサＣ２Ｓ，Ｃ２Ｖは、直流中性点母線ＣＬ２および直流負母線ＮＬ２の間に並列に接続される。

第３変換器ユニットＵ３は、Ｔ相コンバータ２Ｔ、Ｗ相インバータ３Ｗ、直流正母線ＰＬ３、直流負母線ＮＬ３、直流中性点母線ＣＬ３、およびコンデンサＣ１Ｔ，Ｃ２Ｔ，Ｃ１Ｗ，Ｃ２Ｗを含む。

Ｔ相コンバータ２Ｔには、交流電源１からＴ相ラインＴＬを介してＴ相電圧が供給される。Ｔ相コンバータ２Ｔは、Ｔ相電圧ＶＴを直流電圧に変換し、直流母線ＰＬ３，ＣＬ３，ＮＬ３を介してＷ相インバータ３Ｗにその直流電圧を供給する。Ｗ相インバータ３Ｗは、Ｔ相コンバータ２Ｔからの直流電圧をＷ相電圧ＶＷに変換する。Ｗ相インバータ３Ｗで生成されたＷ相電圧ＶＷは、Ｗ相ラインＷＬを介して負荷４に供給される。コンデンサＣ１Ｔ，Ｃ１Ｗは、直流正母線ＰＬ３および直流中性点母線ＣＬ３の間に並列に接続される。コンデンサＣ２Ｔ，Ｃ２Ｗは、直流中性点母線ＣＬ３および直流負母線ＮＬ３の間に並列に接続される。

このように、変換器ユニットＵ１〜Ｕ３の各々は、１台の単相コンバータ、１台の単相インバータ、３本の直流母線（直流正母線、直流負母線、直流中性点母線）、および４個のコンデンサを含んで構成される。

配線ＷＰ１，ＷＮ１，ＷＣ１は、第１変換器ユニットＵ１および第２変換器ユニットＵ２の間に設けられる。具体的には、配線ＷＰ１は、直流正母線ＰＬ１およびＰＬ２の間に接続される。配線ＷＮ１は、直流負母線ＮＬ１およびＮＬ２の間に接続される。配線ＷＣ１は、直流中性点母線ＣＬ１およびＣＬ２の間に接続される。

配線ＷＰ２，ＷＮ２，ＷＣ２は、第２変換器ユニットＵ２および第３変換器ユニットＵ３の間に設けられる。具体的には、配線ＷＰ２は、直流正母線ＰＬ２およびＰＬ３の間に接続される。配線ＷＮ２は、直流負母線ＮＬ２およびＮＬ３の間に接続される。配線ＷＣ２は、直流中性点母線ＣＬ２およびＣＬ３の間に接続される。

直流正母線ＰＬ４、直流負母線ＮＬ４、直流中性点母線ＣＬ４は、第３変換器ユニットＵ３および双方向チョッパ５の間に設けられる。具体的には、直流正母線ＰＬ４、直流負母線ＮＬ４、直流中性点母線ＣＬ４は、直流正母線ＰＬ３、直流負母線ＮＬ３、直流中性点母線ＣＬ３、双方向チョッパ５との間にそれぞれ接続される。

双方向チョッパ５は、直流正母線ＰＬ４、直流負母線ＮＬ４および直流中性点母線ＣＬ４と直流電源６との間に接続される。双方向チョッパ５は、直流母線ＰＬ４，ＮＬ４，ＣＬ４と直流電源６との間で双方向に直流電圧変換を行なうように構成される。

配線ＷＰ１，ＷＰ２を介して、直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３が互いに接続される。これにより、直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３の電圧を一致させることができる。

また、配線ＷＮ１，ＷＮ２を介して、直流負母線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３が互いに接続される。これにより、直流負母線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３の電圧を一致させることができる。

さらに、配線ＷＣ１，ＷＣ２を介して、直流中性点母線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３が互いに接続される。これにより、直流中性点母線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の電圧を一致させることができる。

このような構成とすることにより、変換器ユニットＵ１〜Ｕ３の単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの入力電圧を一致させることができる。したがって、単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗから出力される相電圧の振幅を一致させることができる。

次に、本実施の形態による電力変換装置１００の動作について説明する。
交流電源１からの三相交流電力は、Ｒ相ラインＲＬ、Ｓ相ラインＳＬおよびＴ相ラインＴＬを介してＲ相コンバータ２Ｒ、Ｓ相コンバータ２ＳおよびＴ相コンバータ２Ｔにそれぞれ供給される。Ｒ相コンバータ２Ｒ、Ｓ相コンバータ２ＳおよびＴ相コンバータ２Ｔは三相コンバータを構成する。三相コンバータは、交流電源１から供給される三相交流電力を直流電力に変換し、直流正母線、直流負母線および直流中性点母線を介してＵ相インバータ３Ｕ、Ｖ相インバータ３ＶおよびＷ相インバータ３Ｗにそれぞれ供給する。Ｕ相インバータ３Ｕ、Ｖ相インバータ３ＶおよびＷ相インバータ３Ｗは三相インバータを構成する。三相インバータは、直流正母線、直流負母線および直流中性点母線を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換する。三相インバータで生成された三相交流電力は、Ｕ相ラインＵＬ、Ｖ相ラインＶＬおよびＷ相ラインＷＬを介して負荷４に供給される。

双方向チョッパ５は、交流電源１から三相交流電力が供給されている通常時は、直流母線ＰＬ４，ＣＬ４間の直流電圧および直流母線ＣＬ４，ＮＬ４間の直流電圧の各々を降圧して直流電源６に供給することにより、直流電源６を充電する。双方向チョッパ５は、交流電源１からの三相交流電圧の供給が遮断された停電時は、直流電源６の端子間電圧を昇圧して直流母線ＰＬ４，ＣＬ４間および直流母線ＣＬ４，ＮＬ４間の各々に供給することにより、直流電源６を放電させる。

制御回路７は、交流電源１から供給される三相交流電圧、直流母線ＰＬ４，ＮＬ４，ＣＬ４の各々の直流電圧、直流電源６の端子間電圧、三相インバータ（単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ）から出力される三相交流電圧、および負荷４に流れる三相交流電流（負荷電流）などに基づいて、三相コンバータ（単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔ）、三相インバータ（単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ）および双方向チョッパ５の動作を制御する。

図２は、図１に示した単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔ、および単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの構成を詳細に説明する回路図である。

図２を参照して、Ｒ相コンバータ２Ｒは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ〜Ｑ４ＲおよびダイオードＤ１Ｒ〜Ｄ４Ｒを含む。Ｓ相コンバータ２Ｓは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓ〜Ｑ４ＳおよびダイオードＤ１Ｓ〜Ｄ４Ｓを含む。Ｔ相コンバータ２Ｔは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｔ〜Ｑ４ＴおよびダイオードＤ１Ｔ〜Ｄ４Ｔを含む。Ｕ相インバータ３Ｕは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ〜Ｑ４ＵおよびダイオードＤ１Ｕ〜Ｄ４Ｕを含む。Ｖ相インバータ３Ｖは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｖ〜Ｑ４ＶおよびダイオードＤ１Ｖ〜Ｄ４Ｖを含む。Ｗ相インバータ３Ｗは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｗ〜Ｑ４ＷおよびダイオードＤ１Ｗ〜Ｄ４Ｗを含む。

ここで、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔおよび単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの構成を総括的に説明するため、符号Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。また、直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３をまとめて「ＰＬｉ」と示し、直流負母線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３をまとめて「ＮＬｉ」と示し、直流中性点母線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３をまとめて「ＣＬｉ」と示す。

ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘのエミッタはｘ相ラインｘＬに接続され、そのコレクタは直流正母線ＰＬｉに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｘのコレクタはｘ相ラインｘＬに接続され、そのエミッタは直流負母線ＮＬｉに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ３ｘのエミッタはｘ相ラインｘＬに接続され、そのコレクタはＩＧＢＴ素子Ｑ４ｘのコレクタに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｘのエミッタは直流中性点母線ＣＬｉに接続される。ダイオードＤ１ｘ，Ｄ２ｘは還流ダイオードとして機能し、ダイオードＤ３ｘ，Ｄ４ｘはクランプダイオードとして機能する。ＩＧＢＴ素子Ｑ３ｘ，Ｑ４ｘおよびダイオードＤ３ｘ，Ｄ４ｘは、交流スイッチを構成する。

次に、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔおよび単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの動作について説明する。図３は、Ｒ相電圧ＶＲとＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ〜Ｑ４Ｒのオン／オフとの関係を示す波形図である。Ｒ相電圧ＶＲと参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ〜Ｑ４Ｒのオン／オフの組合せが決定される。

参照信号φ１Ｒ，φ２ＲはＲ相電圧ＶＲの５倍の周波数を有し、Ｒ相電圧ＶＲに同期した三角波信号である。参照信号φ２Ｒは参照信号φ１Ｒと同相の三角波信号である。

図３に示すように、Ｒ相電圧ＶＲのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルの間にある期間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７，ｔ９，ｔ１１，ｔ１３）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｒ，Ｑ４Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ２Ｒがオフされる。Ｒ相電圧Ｖｒのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルよりも高い期間（ｔ２，ｔ４，ｔ１０，ｔ１２）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ３Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ４Ｒがオフされる。Ｒ相電圧Ｖｒのレベルが参照信号φ１Ｒ，φ２Ｒのレベルよりも低い期間（ｔ６，ｔ８）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ４Ｒがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ３Ｒがオフされる。なお、他の相Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗの回路も、Ｒ相の回路と同様に動作する。

再び図１および図２を参照して、電力変換装置１００は、ヒューズＦＰ１，ＦＰ２，ＦＮ１，ＦＮ２，ＦＣ１，ＦＣ２をさらに備える。

ヒューズＦＰ１は配線ＷＰ１に介挿され、配線ＷＰ１に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＮ１は配線ＷＮ１に介挿され、配線ＷＮ１に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＣ１は配線ＷＣ１に介挿され、配線ＷＣ１に過電流が流れた場合に溶断される。

ヒューズＦＰ２は配線ＷＰ２に介挿され、配線ＷＰ２に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＮ２は配線ＷＮ２に介挿され、配線ＷＮ２に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＣ２は配線ＷＣ２に介挿され、配線ＷＣ２に過電流が流れた場合に溶断される。

以下、ヒューズＦＰ１，ＦＰ２，ＦＮ１，ＦＮ２，ＦＣ１，ＦＣ２の働きについて説明する。

図４は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ３Ｓがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｒが故障して短絡状態になった場合を示す図である。この場合は、図中に破線矢印で示されるように、Ｒ相ラインＲＬからダイオードＤ３Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｒ、配線ＷＣ１、ダイオードＤ４Ｓ、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｓを介してＳ相ラインＳＬに至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＣ１が溶断される。また、図中に実線矢印で示されるように、コンデンサＣ１Ｓの正側電極から配線ＷＰ１、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ、ダイオードＤ３Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｒ、配線ＷＣ１を介してコンデンサＣ１Ｓの負側電極に至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＰ１，ＦＣ１が溶断される。

図５は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ，Ｑ４Ｓがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｒが故障して短絡状態になった場合を示す図である。この場合は、図中に破線矢印で示されるように、Ｓ相ラインＳＬからダイオードＤ３Ｓ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｓ、配線ＷＣ１、ダイオードＤ４Ｒ、およびＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｒを介してＲ相ラインＲＬに至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＣ１が溶断される。また、実線矢印で示されるように、コンデンサＣ２Ｓの正側電極から配線ＷＣ１、ダイオードＤ４Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｒ、配線ＷＮ１を介してコンデンサＣ２Ｓの負側電極に至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＣ１，ＦＮ１が溶断される。

図６は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｒ，Ｑ４Ｒが故障して短絡状態になった場合を示す図である。図４および図５に示したように、ヒューズＦＰ１，ＦＣ１，ＦＮ１が溶断されるため、Ｒ相とＳ相とは完全に切り離される。これにより、過電流が流れたり、過電圧が発生することが防止される。なお、図４から図６では、Ｒ相およびＳ相を例にして説明したが、他の相（Ｔ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）でも同様である。

［本実施の形態の作用効果］
次に、比較例による電力変換装置と対比しながら、本実施の形態による電力変換装置の作用効果について説明する。

図７は、比較例による電力変換装置１０００の構成を説明する回路図である。比較例による電力変換装置１０００は、上述した特許文献１に示される電力変換装置に相当する。比較例による電力変換装置１０００は、基本的に図１に示した本実施の形態による電力変換装置１００とコンバータおよびインバータで構成される基本構造は同じであるが、変換器ユニットの構成が異なっている。

図７を参照して、比較例による電力変換装置１０００は、交流電源１および負荷４（ともに図示せず）の間に接続された１台の変換器ユニットＵを備える。変換器ユニットＵは、三相コンバータ２、三相インバータ３、直流正母線ＰＬ、直流負母線ＮＬおよび直流中性点母線ＣＬを含む。

三相コンバータ２は、直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬの間に、図１および図２に示したＲ相コンバータ２Ｒ、Ｓ相コンバータ２ＳおよびＴ相コンバータ２Ｔを並列に接続することにより構成される。この構成において、各相コンバータの直流中性点母線は直流中性点母線ＣＬに共通に接続されている。

三相インバータ３は、直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬの間に、図１および図２に示したＵ相インバータ３Ｕ、Ｖ相インバータ３ＶおよびＷ相インバータ３Ｗを並列に接続することにより構成される。この構成において、各相インバータの直流中性点母線は直流中性点母線ＣＬに共通に接続される。なお、三相コンバータ２および三相インバータ３の動作は、図３で説明した、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔおよび単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの動作と実質的に同じである。

比較例による電力変換装置１０００は、ヒューズＦ１Ｒ〜Ｆ３Ｒ，Ｆ１Ｓ〜Ｆ３Ｓ，Ｆ１Ｔ〜Ｆ３Ｔ，Ｆ１Ｕ〜Ｆ３Ｕ，Ｆ１Ｖ〜Ｆ３Ｖ，Ｆ１Ｗ〜Ｆ３Ｗをさらに備える。これらのヒューズの構成を総括的に説明するため、符号Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｘ」と示す。

ヒューズＦ１ｘは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘのコレクタと直流正母線ＰＬとの間に接続される。ヒューズＦ２ｘは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｘのエミッタと直流負母線ＮＬとの間に接続される。ヒューズＦ３ｘは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｘのエミッタと直流中性点母線ＣＬｘとの間に接続される。

特許文献１に示されるように、比較例による電力変換装置１０００において、たとえば、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ，Ｑ３Ｓがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｒが故障して短絡状態になった場合は、Ｒ相ラインＲＬからダイオードＤ３Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｒ、ヒューズＦ３Ｒ，Ｆ３Ｓ、ダイオードＤ４Ｓ、およびＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｓを介してＳ相ラインＳＬに至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦ３Ｒ，Ｆ３Ｓが溶断される。また、コンデンサＣ１Ｓの正側電極からヒューズＦ１Ｓ，Ｆ１Ｒ，ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ、ダイオードＤ３Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｒ、およびヒューズＦ３Ｒ，Ｆ３Ｓを介してコンデンサＣ１Ｓの負側電極に至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦ１Ｓ，Ｆ１Ｒ，Ｆ３Ｒ，Ｆ３Ｓが溶断される。

このように、比較例による電力変換装置１０００においても、ＩＧＢＴ素子が故障して短絡状態になった場合には、ヒューズが溶断されることで、故障した相と正常な相とが切り離されるため、過電流が流れたり、過電圧が発生することが防止される。

しかしながら、比較例による電力変換装置１０００では、各ヒューズは、三相コンバータ２および三相インバータ３が動作しているときの電流経路に介挿されている。そのため、三相コンバータ２および三相インバータ３が正常に動作しているときにヒューズが溶断されることがないように、上記電流経路を流れる電流の最大値よりも高い定格電流値を有するヒューズを使用する必要がある。なお、本願明細書において、ヒューズの定格電流値は、定常的にヒューズに流した場合に溶断しない電流値をいう。

比較例による電力変換装置１０００では、９個のヒューズの全てについて、定格電流値の高いヒューズを使用しなければならなくなる。定格電流値の高いヒューズを使用した場合、定格電流値を超える過電流が流れるまではヒューズが溶断されないため、故障が発生してからヒューズが溶断されるまでに、上記電流経路に過電流が流れてしまうという問題がある。その結果、ヒューズが溶断されるまでの時間に発生した過電流または過電圧によって、他の健全なＩＧＢＴ素子に対して被害をもたらす可能性がある。

また、定格電流値の高いヒューズを複数個使用するために、変換器ユニットＵの大型化および高コスト化を招く可能性がある。

さらに、比較例による電力変換装置１０００においては、ＩＧＢＴ素子とヒューズとが電気的に直列に接続されているため、ＩＧＢＴ素子のスイッチング動作時に、ヒューズの持つリアクトル成分に起因して高いサージ電圧がＩＧＢＴ素子に印加されてしまう可能性がある。そのため、サージ電圧による故障を回避するための対策が必要となる。

また、三相コンバータ２および三相インバータ３が動作しているときの電流経路に各ヒューズが介挿されていることで、各ヒューズによる抵抗成分により電力損失が発生し、結果的に電力変換装置１０００の効率が低下するという問題がある。

これに対して、本実施の形態による電力変換装置１００では、変換器ユニットＵ１〜Ｕ３の各々において単相コンバータおよび単相インバータが正常に動作している場合、変換器ユニットＵ１〜Ｕ３の間で直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３の電圧が一致する。同様に、直流負母線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３の電圧が一致し、かつ、直流中性点母線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の電圧が一致する。また、単相コンバータおよび単相インバータの動作のわずかなぶれにより、直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３の電圧がわずかに異なる場合も、配線ＷＰ１，ＷＰ２にわずかな電流（ヒューズの定格電流値を超えないほど小さな電流）が流れることで、直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３の電圧は一致する。直流負母線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３、および、直流中性点母線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３においても同様である。

一方、変換器ユニットＵ１〜Ｕ３のいずれかにおいてＩＧＢＴ素子が故障して短絡状態になった場合にのみ、図４および図５に示したように、配線ＷＰ１，ＷＰ２，ＷＮ１，ＷＮ２，ＷＣ１，ＷＣ２にヒューズの定格電流値を超える電流が流れる。この場合にヒューズが溶断されることで、過電流および過電圧の発生が回避される。

すなわち、本実施の形態による電力変換装置１００においては、ヒューズについて、正常動作時に流れる電流を考慮する必要がなく、故障発生によって配線に電流が流れたときに確実に溶断される構成とすればよい。よって、比較例による電力変換装置１０００に使用されるヒューズに比べて、より低い定格電流値を有するヒューズを使用することができる。

これにより、故障が発生してから正常時にコンバータまたはインバータなどを流れる電流より大きな電流が流れる前に、ヒューズが溶断されるため、過電流および過電圧から電力変換装置１００を保護することができる。

さらに、本実施の形態による電力変換装置１００によれば、比較例による電力変換装置１０００に比べてヒューズの個数を減らすことができる。本実施の形態によれば、ヒューズの個数を半減することができる。よって、本実施の形態による電力変換装置１００によれば、電力変換装置の小型化および低コスト化を実現することができる。

また、変換器ユニットＵ１〜Ｕ３の各々が正常に動作している場合にはヒューズに電流が流れないため、ヒューズによる電力損失を無くすことができる。よって、本実施の形態による電力変換装置１００によれば、効率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態では、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔを３レベルコンバータとし、かつ、単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを３レベルインバータとしたが、単相コンバータを２レベルコンバータとし、かつ、単相インバータを２レベルインバータとしてもよい。図８は、実施の形態の変形例による電力変換装置１００Ａの構成を説明する回路図である。図８に示すように、各変換器ユニットは、２本の直流母線（直流正母線および直流負母線）と、該２本の直流母線の間に並列に接続される２個のコンデンサとを含んで構成される。本変形例でも、単相コンバータおよび単相インバータのいずれかにおいてＩＧＢＴ素子が故障して短絡状態になった場合には、ヒューズが溶断されるため、実施の形態と同様の効果が得られる。

また、上記の実施の形態およびその変形例において、「第１〜第３の電力変換器」にそれぞれ対応する。Ｒ相コンバータ、Ｓ相コンバータ、Ｔ相コンバータはこの発明における「第１相コンバータ」、「第２相コンバータ」、「第３相コンバータ」にそれぞれ対応し、Ｕ相インバータ、Ｖ相インバータ、Ｗ相インバータはこの発明における「第４相インバータ」、「第５相インバータ」、「第６相インバータ」にそれぞれ対応する。直流正母線ＰＬ１〜ＰＬ４はこの発明における「第１〜第４の直流正母線」にそれぞれ対応し、直流負母線ＮＬ１〜ＮＬ４はこの発明における「第１〜第４の直流負母線」にそれぞれ対応し、直流中性点母線ＣＬ１〜ＣＬ４はこの発明における「第１〜第４の直流中性点母線」にそれぞれ対応する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２コンバータ、２ＲＲ相コンバータ、２ＳＳ相コンバータ、２ＴＴ相コンバータ、３インバータ、３ＵＵ相インバータ、３ＶＶ相インバータ、３ＷＷ相インバータ、５双方向チョッパ、６直流電源、Ｑ１Ｒ〜Ｑ４Ｒ，Ｑ１Ｓ〜Ｑ４Ｓ，Ｑ１Ｔ〜Ｑ４Ｔ，Ｑ１Ｕ〜Ｑ４Ｕ，Ｑ１Ｖ〜Ｑ４Ｖ，Ｑ１Ｗ〜Ｑ４ＷＩＧＢＴ素子、Ｄ１Ｒ〜Ｄ４Ｒ，Ｄ１Ｓ〜Ｄ４Ｓ，Ｄ１Ｔ〜Ｄ４Ｔ，Ｄ１Ｕ〜Ｄ４Ｕ，Ｄ１Ｖ〜Ｄ４Ｖ，Ｄ１Ｗ〜Ｄ４Ｗダイオード、１００，１０００電力変換装置、ＰＬ，ＰＬ１〜ＰＬ４直流正母線、ＮＬ，ＮＬ１〜ＮＬ４直流負母線、ＣＬ，ＣＬ１〜ＣＬ４直流中性点母線、Ｃ１Ｒ，Ｃ１Ｓ，Ｃ１Ｔ，Ｃ２Ｒ，Ｃ２Ｓ，Ｃ２Ｔ，Ｃ３Ｒ，Ｃ３Ｓ，Ｃ３Ｔ，Ｃ１Ｕ，Ｃ１Ｖ，Ｃ１Ｗ，Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｖ，Ｃ２Ｗ，Ｃ３Ｕ，Ｃ３Ｖ，Ｃ３Ｗコンデンサ、ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＮ１，ＦＮ２，ＦＣ１，ＦＣ２ヒューズ、ＷＰ１，ＷＰ２，ＷＮ１，ＷＮ２，ＷＣ１，ＷＣ２配線。

Claims

交流電源から供給される第１〜第３相の交流電圧を第４〜第６相の交流電圧に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、
前記第１相の交流電圧を前記第４相の交流電圧に変換するように構成された第１の電力変換器と、
前記第２相の交流電圧を前記第５相の交流電圧に変換するように構成された第２の電力変換器と、
前記第３相の交流電圧を前記第６相の交流電圧に変換するように構成された第３の電力変換器とを備え、
前記第１の電力変換器は、
前記第１相の交流電圧を第１の直流電圧に変換する第１相コンバータと、
前記第１相コンバータから供給される前記第１の直流電圧を前記第４相の交流電圧に変換する第４相インバータと、
前記第１相コンバータと前記第４相インバータとの間に接続される第１の直流正母線および第１の直流負母線とを含み、
前記第２の電力変換器は、
前記第２相の交流電圧を第２の直流電圧に変換する第２相コンバータと、
前記第２相コンバータから供給される前記第２の直流電圧を前記第５相の交流電圧に変換する第５相インバータと、
前記第２相コンバータと前記第５相インバータとの間に接続される第２の直流正母線および第２の直流負母線とを含み、
前記第３の電力変換器は、
前記第３相の交流電圧を第３の直流電圧に変換する第３相コンバータと、
前記３相コンバータから供給される前記第３の直流電圧を前記第６相の交流電圧に変換する第６相インバータと、
前記第３相コンバータと前記第６相インバータとの間に接続される第３の直流正母線および第３の直流負母線とを含み、
前記電力変換装置は、さらに、
前記第１および第２の直流正母線の間、ならびに、前記第２および第３の直流正母線の間にそれぞれ接続される第１および第２のヒューズと、
前記第１および第２の直流負母線の間、ならびに、前記第２および第３の直流負母線の間にそれぞれ接続される第３および第４のヒューズとを備える、電力変換装置。
前記電力変換装置は、さらに、
前記第３の直流正母線が接続される第４の直流正母線と、
前記第３の直流負母線が接続される第４の直流負母線とを備え、
前記第４の直流正母線および前記第４の直流負母線と直流電源との間に設けられ、前記第４の直流正母線および前記第４の直流負母線間と前記直流電源との間で双方向に直流電圧変換を行なうように構成される直流電圧変換器をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１相〜第３相コンバータの各々は３レベルコンバータであり、
前記第４相〜第６相インバータの各々は３レベルインバータであり、
前記第１の電力変換器は、前記第１相コンバータと前記第４相インバータとの間に接続される第１の直流中性点母線をさらに含み、
前記第２の電力変換器は、前記第２相コンバータと前記第５相インバータとの間に接続される第２の直流中性点母線をさらに含み、
前記第３の電力変換器は、前記第３相コンバータと前記第６相インバータとの間に接続される第３の直流中性点母線をさらに含み、
前記電力変換装置は、さらに、
前記第１および第２の直流中性点母線の間、ならびに、前記第２および第３の直流中性点母線の間にそれぞれ接続される第５および第６のヒューズを備える、請求項１に記載の電力変換装置。
前記電力変換装置は、さらに、
前記第３の直流中性点負母線に接続される第４の直流中性点母線を備え、
前記第４の直流正母線、前記第４の直流負母線および前記第４の直流中性点母線と直流電源との間に設けられ、前記第４の直流正母線、前記第４の直流負母線および前記第４の直流中性点母線と前記直流電源との間で双方向に直流電圧変換を行なうように構成される直流電圧変換器をさらに備える、請求項３に記載の電力変換装置。