WO2019082297A1 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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WO2019082297A1
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bus
converter
voltage
fuse
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一輝 西村
俊秀 中野
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter.
  • a power conversion apparatus applied to an uninterruptible power supply or the like includes a converter that converts alternating current power from a commercial alternating current power supply into direct current power and an inverter that converts the direct current power into alternating current power of a desired frequency and voltage. And have.
  • WO 2010/095241 discloses an uninterruptible power supply configured by a power conversion device provided with a three-level converter and a three-level inverter.
  • a power conversion device provided with a three-level converter and a three-level inverter.
  • each of the three-level converter and the three-level inverter includes a plurality of semiconductor switching elements.
  • each of the three-level converter and the three-level inverter includes a first fuse connected between a first semiconductor switching element and a DC positive bus, and a second fuse It has a second fuse connected to the semiconductor switching element and the DC negative bus, and a third fuse connected between the AC switch and the DC neutral bus. That is, a fuse is provided in the current path between one terminal of each semiconductor switching element and each DC bus. Therefore, there is concern that the number of fuses used will increase.
  • Patent Document 1 shows a configuration in which nine fuses are used for each of the three-level converter and the three-level inverter. When the number of fuses increases in this manner, the power converter may be increased in size and cost.
  • Patent Document 1 since the number of fuses is large, the total of the power loss generated in all the fuses becomes large when the power conversion device is operating, and as a result, the efficiency of the power conversion device is increased. There is a possibility of lowering.
  • an object of the present invention is to provide a power converter capable of realizing prevention of over current and over voltage with a simple configuration.
  • a power converter includes a DC positive bus, a DC negative bus and a DC neutral bus, a converter, a first capacitor, and a second capacitor.
  • the converter is connected between an AC power supply and a DC positive bus, a DC negative bus and a DC neutral bus, and converts an AC voltage supplied from the AC power into a DC voltage.
  • the first capacitor is connected between the DC positive bus and the DC neutral bus.
  • the second capacitor is connected between the DC neutral point bus and the DC negative bus.
  • the converter includes a diode rectifier connected between the AC power supply and the DC positive bus and the DC negative bus, and a first AC switch electrically connected between the AC power supply and the DC neutral bus. .
  • the power converter further includes a first fuse electrically connected between the first AC switch and the DC neutral point bus.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing the operation of the R-phase converter. It is a figure which shows the case where IGBT element Q1R fails and it will be in a short circuit state in the period which IGBT element Q1S is on.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing the operation of the R-phase converter. It is a figure which shows the case where IGBT element Q1R fails and it will be in a short circuit state in the period which IGBT element Q1S is on.
  • FIG. 13 is a waveform diagram showing a relationship between U-phase voltage VU and on / off of IGBT elements Q1U to Q4U.
  • IGBT element Q1U and Q3V are on, it is a figure which shows the case where IGBT element Q4U fails and it will be in a short circuit state.
  • IGBT element Q2U and Q4V are on, it is a figure which shows the case where IGBT element Q3U fails and it will be in a short circuit state.
  • It is a circuit diagram explaining composition of a power converter by a comparative example. It is a circuit diagram explaining composition of a power converter by a modification of an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing a main circuit configuration of power converter 100 according to the embodiment of the present invention.
  • Power converter 100 according to the embodiment of the present invention is applied to, for example, an uninterruptible power supply.
  • the AC power supply 1 supplies three-phase AC power of commercial frequency to the power converter 100.
  • the load 4 is driven by three-phase AC power of commercial frequency supplied from the power conversion device 100.
  • power conversion device 100 includes three converter units U 1 to U 3 connected in parallel between AC power supply 1 and load 4.
  • Power converter 100 further includes interconnections WP 1, WP 2, WN 1, WN 2, WC 1 and WC 2, and control circuit 7.
  • Power converter 100 forms an uninterruptible power supply by being connected to DC positive bus PL 4, DC negative bus NL 4, DC neutral bus CL 4, bidirectional chopper 5, and DC power supply 6.
  • the first converter unit U1 includes an R phase converter 2R, a U phase inverter 3U, a DC positive bus PL1, a DC negative bus NL1, a DC neutral bus CL1, and capacitors C1R, C2R, C1U, C2U.
  • R-phase voltage VR is supplied to R-phase converter 2R from AC power supply 1 via R-phase line RL.
  • R-phase converter 2R converts R-phase voltage VR into a DC voltage, and supplies the DC voltage to U-phase inverter 3U via DC buses PL1, CL1, and NL1.
  • U-phase inverter 3U converts the DC voltage from R-phase converter 2R into U-phase voltage VU.
  • U-phase voltage VU generated by U-phase inverter 3U is supplied to load 4 via U-phase line UL.
  • Capacitors C1R (first capacitor) and C1U (third capacitor) are connected in parallel between DC positive bus PL1 and DC neutral bus CL1.
  • Capacitors C2R (second capacitor) and C2U are connected in parallel between DC neutral point bus CL1 and DC negative bus NL1.
  • the second converter unit U2 includes an S phase converter 2S, a V phase inverter 3V, a DC positive bus PL2, a DC negative bus NL2, a DC neutral bus CL2, and capacitors C1S, C2S, C1V, C2V.
  • the S-phase voltage VS is supplied to the S-phase converter 2S from the AC power supply 1 via the S-phase line SL.
  • the S-phase converter 2S converts the S-phase voltage VS into a DC voltage, and supplies the DC voltage to the V-phase inverter 3V through the DC buses PL2, CL2, and NL2.
  • V-phase inverter 3V converts the DC voltage from S-phase converter 2S into V-phase voltage VV.
  • V-phase voltage VV generated by V-phase inverter 3V is supplied to load 4 via V-phase line VL.
  • Capacitors C1S (first capacitor) and C1V (third capacitor) are connected in parallel between DC positive bus PL2 and DC neutral bus CL2.
  • Capacitors C2S (second capacitor) and C2V (fourth capacitor) are connected in parallel between DC neutral point bus CL2 and DC negative bus NL2.
  • the third converter unit U3 includes a T-phase converter 2T, a W-phase inverter 3W, a DC positive bus PL3, a DC negative bus NL3, a DC neutral bus CL3, and capacitors C1T, C2T, C1W, C2W.
  • T-phase voltage VT is supplied to T-phase converter 2T from AC power supply 1 via T-phase line TL.
  • T-phase converter 2T converts T-phase voltage VT into a DC voltage, and supplies the DC voltage to W-phase inverter 3W via DC buses PL3, CL3, and NL3.
  • W-phase inverter 3W converts the DC voltage from T-phase converter 2T into W-phase voltage VW.
  • W-phase voltage VW generated by W-phase inverter 3W is supplied to load 4 via W-phase line WL.
  • Capacitors C1T (first capacitor) and C1W (third capacitor) are connected in parallel between DC positive bus PL3 and DC neutral bus CL3.
  • Capacitors C2T (second capacitor) and C2W (fourth capacitor) are connected in parallel between DC neutral point bus CL3 and DC negative bus NL3.
  • each of converter units U1 to U3 includes one single-phase converter, one single-phase inverter, three DC buses (DC positive bus, DC negative bus, DC neutral bus), and It comprises four capacitors.
  • wires WP1, WN1, WC1 are provided between the first converter unit U1 and the second converter unit U2. Specifically, interconnection WP1 is connected between DC positive buses PL1 and PL2. Wiring WN1 is connected between DC negative buses NL1 and NL2. Wiring WC1 is connected between DC neutral point buses CL1 and CL2.
  • wires WP2, WN2, WC2 are provided between the second converter unit U2 and the third converter unit U3. Specifically, interconnection WP2 is connected between DC positive buses PL2 and PL3. Wiring WN2 is connected between DC negative buses NL2 and NL3. Wiring WC2 is connected between DC neutral point buses CL2 and CL3.
  • the DC positive bus PL 4, the DC negative bus NL 4, and the DC neutral bus CL 4 are provided between the third converter unit U 3 and the bidirectional chopper 5. Specifically, DC positive bus PL4, DC negative bus NL4, and DC neutral bus CL4 are respectively connected between DC positive bus PL3, DC negative bus NL3, DC neutral bus CL3, and bidirectional chopper 5 Be done.
  • Bidirectional chopper 5 is connected between DC power supply 6 and DC positive bus PL 4, DC negative bus NL 4 and DC neutral point bus CL 4.
  • Bidirectional chopper 5 is configured to perform DC voltage conversion bidirectionally between DC buses PL 4, NL 4, CL 4 and DC power supply 6.
  • the DC positive buses PL1, PL2, PL3 are connected to each other via the wires WP1, WP2. Thereby, the voltages of DC positive buses PL1, PL2, and PL3 can be matched.
  • DC negative buses NL1, NL2, NL3 are connected to each other through the wires WN1, WN2. Thereby, voltages of DC negative buses NL1, NL2 and NL3 can be made to coincide with each other.
  • DC neutral point busbars CL1, CL2, and CL3 are connected to each other through the wires WC1 and WC2. Thereby, the voltages of the DC neutral point buses CL1, CL2 and CL3 can be made to match.
  • the input voltages of the single phase inverters 3U, 3V, 3W of the converter units U1 to U3 can be matched. Therefore, the amplitudes of the phase voltages output from single phase inverters 3U, 3V, 3W can be made to match.
  • Three-phase AC power from AC power supply 1 is supplied to R-phase converter 2R, S-phase converter 2S and T-phase converter 2T through R-phase line RL, S-phase line SL and T-phase line TL, respectively.
  • the R-phase converter 2R, the S-phase converter 2S and the T-phase converter 2T constitute a three-phase converter.
  • the three-phase converter converts three-phase AC power supplied from AC power supply 1 into DC power, and generates U-phase inverter 3 U, V-phase inverter 3 V and W via DC positive bus, DC negative bus and DC neutral bus. It supplies to phase inverter 3W, respectively.
  • U-phase inverter 3U, V-phase inverter 3V and W-phase inverter 3W constitute a three-phase inverter.
  • the three-phase inverter converts DC power supplied via a DC positive bus, a DC negative bus and a DC neutral bus into three-phase AC power.
  • Three-phase AC power generated by the three-phase inverter is supplied to load 4 via U-phase line UL, V-phase line VL and W-phase line WL.
  • bidirectional chopper 5 steps down DC voltage between DC buses PL4 and CL4 and DC voltage between DC buses CL4 and NL4 to generate DC power.
  • the DC power supply 6 is charged by being supplied to 6.
  • bidirectional chopper 5 boosts the voltage across terminals of DC power supply 6 to connect DC buses PL4, CL4 and DC buses CL4, NL4.
  • the DC power supply 6 is discharged by supplying each of them.
  • Control circuit 7 includes a three-phase AC voltage supplied from AC power supply 1, a DC voltage of each of DC buses PL4, NL4 and CL4, a voltage between terminals of DC power supply 6, a three-phase inverter (single phase inverter 3U, 3V, 3W Three-phase converter (single-phase converter 2R, 2S, 2T), three-phase inverter (single-phase inverter 3U) on the basis of the three-phase AC voltage output from , 3V, 3W) and the operation of the bidirectional chopper 5 are controlled.
  • Power converter 100 further includes fuses FR, FS, FT, FP1, FP2, FP3, FN1, FN2, FN3, FC1, FC2, and FC3.
  • Fuse FR is electrically connected between R-phase converter 2R and DC neutral point bus CL1. Specifically, fuse FR has one terminal connected to the DC terminal of R-phase converter 2R and the other terminal connected to the connection point of capacitors C1R and C2R. Fuse FR is melted when an overcurrent flows between R-phase line RL and DC neutral point bus CL1. Fuse FS is electrically connected between S-phase converter 2S and DC neutral point bus CL2. Specifically, fuse FS has one terminal connected to the DC terminal of S-phase converter 2S, and the other terminal connected to the connection point of capacitors C1S and C2S. Fuse FS is melted when an overcurrent flows between S-phase line SL and DC neutral point bus CL2.
  • Fuse FT is electrically connected between T-phase converter 2T and DC neutral point bus CL3. Specifically, fuse FT has one terminal connected to the DC terminal of T-phase converter 2T, and the other terminal connected to the connection point between capacitors C1T and C2T. Fuse FT is fused when an overcurrent flows between T-phase line TL and DC neutral point bus CL3.
  • Fuse FP1 is electrically connected between DC positive bus PL1 and U-phase inverter 3U. Specifically, fuse FP1 has one terminal connected to the DC terminal of U-phase inverter 3U and the other terminal connected to the positive electrode of capacitor C1U. Fuse FP1 is fused when an overcurrent flows between DC positive bus PL1 and U-phase inverter 3U. Fuse FN1 is electrically connected between DC negative bus NL1 and U-phase inverter 3U. Specifically, fuse FN1 has one terminal connected to the DC terminal of U-phase inverter 3U and the other terminal connected to the negative electrode of capacitor C2U. Fuse FN1 is fused when an overcurrent flows between DC negative bus NL1 and U-phase inverter 3U.
  • Fuse FC1 is electrically connected between DC neutral point bus CL1 and U-phase inverter 3U. Specifically, fuse FC1 has one terminal connected to the DC terminal of U-phase inverter 3U and the other terminal connected to the connection point of capacitors C1U and C2U. Fuse FC1 is fused when an overcurrent flows between DC neutral point bus CL1 and U-phase inverter 3U.
  • Fuse FP2 is connected between DC positive bus PL2 and V-phase inverter 3V. Specifically, one terminal of the fuse FP2 is connected to the DC terminal of the V-phase inverter 3V, and the other terminal is connected to the positive electrode of the capacitor C1V. Fuse FP2 is fused when an overcurrent flows between DC positive bus PL2 and V-phase inverter 3V. Fuse FN2 is electrically connected between DC negative bus NL2 and V-phase inverter 3V. Specifically, fuse FN2 has one terminal connected to the DC terminal of V-phase inverter 3V and the other terminal connected to the negative electrode of capacitor C2V.
  • Fuse FN2 is fused when an overcurrent flows between DC negative bus NL2 and V-phase inverter 3V.
  • Fuse FC2 is electrically connected between DC neutral point bus CL2 and V-phase inverter 3V.
  • fuse FC2 has one terminal connected to the DC terminal of V-phase inverter 3V, and the other terminal connected to the connection point of capacitors C1V and C2V.
  • Fuse FC2 is fused when an overcurrent flows between DC neutral point bus CL2 and V-phase inverter 3V.
  • the fuse FP3 is connected between the DC positive bus PL3 and the W-phase inverter 3W. Specifically, in the fuse FP3, one terminal is connected to the DC terminal of the W-phase inverter 3W, and the other terminal is connected to the positive electrode of the capacitor C1W. Fuse FP3 is fused when an overcurrent flows between DC positive bus PL3 and W-phase inverter 3W. Fuse FN3 is electrically connected between DC negative bus NL3 and W-phase inverter 3W. Specifically, fuse FN3 has one terminal connected to the DC terminal of W-phase inverter 3W and the other terminal connected to the negative electrode of capacitor C2W.
  • Fuse FN3 is fused when an overcurrent flows between DC negative bus NL3 and W-phase inverter 3W.
  • Fuse FC3 is electrically connected between DC neutral point bus CL3 and W-phase inverter 3W.
  • fuse FC3 has one terminal connected to the DC terminal of W-phase inverter 3W, and the other terminal connected to the connection point of capacitors C1W and C2W.
  • Fuse FC3 is fused when an overcurrent flows between DC neutral point bus CL3 and W-phase inverter 3W.
  • FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a configuration example of single phase converters 2R, 2S, 2T and single phase inverters 3U, 3V, 3W shown in FIG.
  • R-phase converter 2R includes an IGBT element Q1R and diodes D1R to D6R.
  • S-phase converter 2S includes an IGBT element Q1S and diodes D1S to D6S.
  • T-phase converter 2T includes an IGBT element Q1T and diodes D1T to D6T.
  • U-phase inverter 3U includes IGBT elements Q1U-Q4U and diodes D1U-D4U.
  • V-phase inverter 3V includes IGBT elements Q1V to Q4V and diodes D1V to D4V.
  • W-phase inverter 3W includes IGBT elements Q1W-Q4W and diodes D1W-D4W.
  • Single-phase converter 2x is a diode rectifier having a neutral point switch.
  • single-phase converter 2x includes a bridge circuit (diode bridge) formed of diodes D3x to D6x, an IGBT element Q1x, and diodes D1x and D2x.
  • the cathode of diode D1x is connected to DC positive bus PLi, and the anode is connected to x phase line xL.
  • the cathode of diode D2x is connected to x phase line xL, and the anode is connected to DC negative bus NLi.
  • the anode of diode D3x and the cathode of diode D4x are connected to x phase line xL, and the anode of diode D5x and the cathode of diode D6x are connected to DC neutral point bus CLi.
  • the emitter of IGBT element Q1x is connected to the cathode of diode D3x and the cathode of diode D5x, and the collector is connected to the anode of diode D4x and the anode of diode D6x.
  • the diodes D1x and D2x constitute a diode rectifier.
  • the diode bridge and the IGBT element Q1x constitute an AC switch.
  • the AC switch functions as a neutral point switch.
  • the IGBT element Q1x is turned on / off in synchronization with the three-phase AC voltage from the AC power supply 1.
  • the alternating current switch corresponds to an example of the “first alternating current switch”.
  • the first alternating current switch is electrically connected between the x phase line xL and the DC neutral point bus bar CLi, and configured to electrically connect or disconnect the x phase line xL and the DC neutral point bus bar CLi Be done. That is, the first AC switch functions as a "neutral point switch".
  • a fuse Fx is electrically connected between the first AC switch (neutral point switch) and the DC neutral point bus CLi.
  • the fuse Fx corresponds to an example of the “first fuse”.
  • the fuse Fx is connected between the first AC switch and a connection point of the capacitors C1x and C2x connected in series.
  • the emitter of IGBT element Q1y is connected to y phase line yL, and the collector is connected to DC positive bus PLi.
  • the collector of IGBT element Q2y is connected to y-phase line yL, and the emitter is connected to DC negative bus NLi.
  • the emitter of IGBT element Q3y is connected to y-phase line yL, and the collector is connected to the collector of IGBT element Q4y.
  • the emitter of IGBT element Q4y is connected to DC neutral point bus CLi.
  • the diodes D1y and D2y function as freewheeling diodes, and the diodes D3y and D4y function as clamp diodes.
  • the IGBT elements Q3y and Q4y and the diodes D3y and D4y constitute an AC switch.
  • the alternating current switch corresponds to an example of the “second alternating current switch”.
  • the fuse FP is connected between the collector of the IGBT element Q1y and the positive electrode of the capacitor C1y.
  • Fuse FN is connected between the emitter of IGBT element Q2y and the negative electrode of capacitor C2y.
  • the fuse FC is connected between the AC switch and the connection point of the capacitors C1y and C2y.
  • FIG. 3 is a waveform diagram showing the relationship between R-phase voltage VR and the on / off of IGBT element Q1R.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing the operation of the R-phase converter.
  • the reference signals .phi.1R and .phi.2R are triangular signals synchronized with the R phase voltage VR and having a frequency five times that of the R phase voltage VR.
  • Reference signal ⁇ 2R is a triangular wave signal in phase with reference signal ⁇ 1R.
  • IGBT element Q1R is turned on.
  • voltage VIR at the connection point between R-phase line RL and R-phase converter 2R is equal to the voltage (neutral point voltage Vc) of DC neutral point bus CL1.
  • the R phase voltage VR is a negative voltage (periods t6, t8 and t10), as shown in FIG. 4D, the DC neutral point bus CL1 to the diode D5R, the IGBT element Q1R and the diode D4R A current flows through the R phase line RL. Therefore, voltage VIR at the connection point between R-phase line RL and R-phase converter 2R is equal to the voltage (neutral point voltage Vc) of DC neutral point bus CL1.
  • the IGBT element Q1R is turned off during a period (t2, t4, t12, t14) in which the R-phase voltage VR is positive and the level of the R-phase voltage VR is higher than the levels of the reference signals ⁇ 1R and ⁇ 2R.
  • a current flows from the R-phase line RL to the DC positive bus PL1 via the diode D1R. Therefore, voltage VIR at the connection point between R-phase line RL and R-phase converter 2R is equal to the voltage (positive voltage Vp) of DC positive bus PL1.
  • the IGBT element Q1R is subjected to PWM control, and turned on / off at predetermined timing in synchronization with the R-phase voltage from the AC power supply 1.
  • the R-phase converter 2R generates a positive voltage Vp, a neutral point voltage Vc and a negative voltage Vn as DC voltages based on the R-phase voltage. That is, R-phase converter 2R constitutes a three-level converter.
  • the S-phase and T-phase circuits operate in the same manner as the R-phase circuits.
  • FIG. 5 is a diagram showing a case where the IGBT element Q1R breaks down and enters a short circuit state while the IGBT element Q1S is on.
  • a short circuit current flows from the R phase line RL to the S phase line SL through the diode D3R, the IGBT element Q1R, the wiring WC2, the diode D5S, and the IGBT element Q1S.
  • the fuses FR and FS are blown.
  • the R phase and the V phase are described as an example, but the same applies to the W phase.
  • FIG. 6 is a waveform diagram showing the relationship between U-phase voltage VU and on / off of IGBT elements Q1U to Q4U.
  • U-phase voltage VU is a target voltage of the voltage output from the U-phase line, which is calculated based on the power input from AC power supply 1 to power conversion device 100 in control circuit 7.
  • the magnitudes of U-phase voltage VU and reference signals ⁇ 1U and ⁇ 2U are compared, and the combination of on / off of IGBT elements Q1U to Q4U is determined based on the comparison result.
  • VOU voltage at the connection point between U-phase line UL and U-phase inverter 3U
  • the potentials of DC buses PL1, NL1 and CL1 are Vp, Vc and Vn
  • voltage VOU has voltages Vp, Vc, It is determined to be one of Vn.
  • Reference signals .phi.1U and .phi.2U are triangular signals synchronized with U-phase voltage VU and having a frequency five times that of U-phase voltage VU.
  • Reference signal ⁇ 2U is a triangular wave signal in phase with reference signal ⁇ 1U.
  • V-phase and W-phase inverters 3V and 3W operate similarly to U-phase inverter 3U.
  • FIG. 7 is a diagram showing a case where the IGBT element Q4U breaks down to be in a short circuit state while the IGBT elements Q1U and Q3V are on.
  • a short circuit current from the U phase line UL to the V phase line VL through the diode D3U, the IGBT element Q4U, the wiring WC1, the diode D4V, and the IGBT element Q3V.
  • Flows and fuses FC1 and FC2 are melted.
  • FIG. 8 is a diagram showing a case where the IGBT element Q3U breaks down to be in a short circuit state while the IGBT elements Q2U and Q4V are on.
  • a short circuit from V phase line VL to diode D3V, IGBT element Q4V, interconnection WC1, diode D4U and IGBT element Q3U to U phase line UL A current flows to blow the fuses FC2 and FC1.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating the configuration of a power conversion device 1000 according to a comparative example.
  • the power conversion device 1000 according to the comparative example corresponds to the power conversion device shown in Patent Document 1 described above.
  • the power conversion device 1000 according to the comparative example has the same basic structure as the power conversion device 100 according to the present embodiment shown in FIG. Are different.
  • power conversion device 1000 includes one converter unit Ua connected between AC power supply 1 and load 4 (both not shown).
  • Converter unit U includes a three-phase converter 2a, a three-phase inverter 3, a DC positive bus PL, a DC negative bus NL, and a DC neutral bus CL.
  • Three-phase converter 2a is configured by connecting R-phase converter 2Ra, S-phase converter 2Sa and T-phase converter 2Ta in parallel between DC positive bus PL and DC negative bus NL.
  • the configuration of single phase converters 2Ra, 2Sa, 2Ta is such that the input / output relationship is reversed with that of single phase inverters 3U, 3V, 3W. The details will be described below.
  • R-phase converter 2Ra includes IGBT elements Q1R to Q4R and diodes D1R to D4R.
  • S-phase converter 2Sa includes IGBT elements Q1S-Q4S and diodes D1S-D4S.
  • T-phase converter 2Ta includes IGBT elements Q1T-Q4T and diodes D1T-D4T.
  • the emitter of IGBT element Q1xa is connected to xa phase line xaL, and the collector is connected to DC positive bus PLi.
  • the collector of IGBT element Q2xa is connected to xa phase line xaL, and the emitter is connected to DC negative bus NLi.
  • the emitter of IGBT element Q3xa is connected to xa phase line xaL, and its collector is connected to the collector of IGBT element Q4xa.
  • the emitter of IGBT element Q4xa is connected to DC neutral point bus CLi.
  • the diodes D1xa and D2xa function as freewheeling diodes, and the diodes D3xa and D4xa function as clamp diodes.
  • the IGBT elements Q3xa and Q4xa and the diodes D3xa and D4xa constitute an AC switch. In this configuration, the DC neutral point bus of each phase converter is commonly connected to the DC neutral point bus CL.
  • Three-phase inverter 3 is configured by connecting U-phase inverter 3U, V-phase inverter 3V and W-phase inverter 3W shown in FIGS. 1 and 2 in parallel between DC positive bus PL and DC negative bus NL. Ru. In this configuration, the DC neutral point bus of each phase inverter is commonly connected to the DC neutral point bus CL.
  • the operation of the three-phase inverter 3 is substantially the same as the operation of the single-phase inverters 3U, 3V, 3W described in FIG.
  • the operation of the three-phase converter 2a is such that the operation and the input / output relationship of the single-phase inverters 3U, 3V, 3W are reversed.
  • the power conversion device 1000 further includes fuses F1R to F3R, F1S to F3S, F1T to F3T, F1U to F3U, F1V to F3V, and F1W to F3W.
  • the codes R, S, T, U, V, and W are collectively shown as a code "z" in order to describe the configurations of these fuses collectively.
  • Fuse F1z is connected between the collector of IGBT element Q1z and DC positive bus PL.
  • the collector of IGBT element Q1z is connected to the positive electrode of capacitor C1z. Therefore, fuse F1z is connected between the connection point of IGBT element Q1z and capacitor C1 and DC positive bus PL.
  • Fuse F2z is connected between the emitter of IGBT element Q2z and DC negative bus NL.
  • the emitter of the IGBT element Q2z is connected to the negative electrode of the capacitor C2z. Therefore, fuse F2z is connected between the connection point of IGBT element Q2z and capacitor C2 and DC negative bus NL.
  • Fuse F3z is connected between the emitter of IGBT element Q4z and DC neutral point bus CLz.
  • the collector of IGBT element Q4z is connected to the connection point of capacitors C1z and C2z. Therefore, fuse F3z is connected between the connection point of capacitors C1z and C2z and DC neutral point bus CLzL
  • each of the fuses F1z, F2z, F3z is connected between the connection point of the IGBT element and the capacitor and the DC bus.
  • the fuse is connected between the IGBT element and the capacitor.
  • a short circuit current flows from the positive electrode of the capacitor C1S to the negative electrode of the capacitor C1S through the fuse F1S, F1R, the IGBT element Q1R, the IGBT element Q1R, the diode D3R, the IGBT element Q4R, and the fuses F3R and F3S. , F1R, F3R, and F3S are melted down.
  • power conversion apparatus 1000 nine fuses, nine in total, are used for each of three-phase inverter 3 and three-phase converter 2a. Therefore, there is concern that the size and cost of the power conversion device may be increased. In addition, when the number of fuses increases, the total power loss in all the fuses may increase during the operation of the power converter, which may reduce the efficiency of the power converter.
  • each of single-phase converters 2R, 2S, 2T is configured by a diode rectifier having a neutral point switch (first AC switch). There is.
  • the IGBT element is more likely to cause a short circuit due to an erroneous switching operation or the like than a diode which does not require the switching operation.
  • a diode rectifier having a neutral point switch even though it is a three-level converter, the number of IGBT elements that are likely to be shorted compared to diodes is reduced to one, making shorting less likely to occur. Therefore, by using a diode rectifier having a neutral point switch as a converter, the fuse arranged between one terminal of the IGBT element and the DC positive bus in the comparative example, and one terminal of the IGBT element and the DC negative bus This eliminates the need for the fuses placed between them.
  • the number of fuses for a three level converter can be reduced to three.
  • a total of 12 fuses of three for the three-level converter and nine for the three-level inverter correspond to the short circuit of all the switching elements of the power conversion device. It is possible to prevent the occurrence of current or overvoltage.
  • power conversion device 100 According to power conversion device 100 according to the present embodiment, downsizing and cost reduction of the power conversion device can be realized while suppressing the occurrence of overcurrent or overvoltage. That is, it is possible to provide a power converter capable of realizing the prevention of an overcurrent and an overvoltage with a simple configuration.
  • FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the configuration of a power conversion device 101 according to a modification of the embodiment of the present invention.
  • a power conversion device 101 according to this modification basically includes power conversion device 100 according to the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2, a main circuit structure of a converter and an inverter, and a basic formed of a converter and an inverter. The structure is the same but the configuration of the transducer unit is different.
  • power conversion device 101 includes one converter unit Ub connected between AC power supply 1 and load 4 (both not shown).
  • Converter unit Ub includes a three-phase converter 2, a three-phase inverter 3, a DC positive bus PL, a DC negative bus NL, and a DC neutral bus CL.
  • Three-phase converter 2 is configured by connecting R-phase converter 2R, S-phase converter 2S and T-phase converter 2T shown in FIGS. 1 and 2 in parallel between DC positive bus PL and DC negative bus NL. Ru.
  • the DC neutral point bus of each phase converter is commonly connected to the DC neutral point bus CL.
  • Three-phase inverter 3 is configured by connecting U-phase inverter 3U, V-phase inverter 3V and W-phase inverter 3W shown in FIGS. 1 and 2 in parallel between DC positive bus PL and DC negative bus NL. Ru.
  • the DC neutral point bus of each phase inverter is commonly connected to the DC neutral point bus CL.
  • the operations of three-phase converter 2 and three-phase inverter 3 are substantially the same as the operations of single-phase converters 2R, 2S, 2T and single-phase inverters 3U, 3V, 3W described in FIGS. 3 and 6, respectively. is there.
  • the total number of the fuses FR, FS, FT, FP1, FP2, FP3, FN1, FN2, FN3, FC1, FC2, and FC3, the insertion position and the function thereof are the embodiments described above. Are the same as in the power converter 100 according to FIG.
  • a fuse is connected between the IGBT element and the capacitor.
  • generation of overcurrent and overvoltage is more reliably prevented as compared with power conversion device 1000 (FIG. 9) according to the comparative example in which a fuse is connected between the connection point of the IGBT element and the capacitor and the DC bus. Can.
  • FIG. 11 shows a case where IGBT device Q1S of three-phase converter 2a fails and is in a short circuit state in power conversion device 1000 according to the comparative example shown in FIG.
  • IGBT element Q4S when IGBT element Q4S is turned on, as shown by the arrow in the figure, a short circuit from the positive electrode of capacitor C1S to the negative electrode of capacitor C1S through IGBT element Q1S, diode D3S and IGBT element Q4S A current will flow.
  • the path can not be interrupted. Such a problem can also occur when the IGBT element of the three-phase inverter 3 fails and becomes a short circuit state.
  • three-phase converter 2 (R-phase converter 2R, S-phase converter 2S, T-phase converter 2T) corresponds to an example of the "converter” in the present invention.
  • DC positive buses PL1, PL2, PL3, PL correspond to "DC positive bus” in the present invention
  • DC negative buses NL1, NL2, NL3, NL correspond to "DC negative bus” in the present invention
  • the buses CL1, CL2, CL3, and CL correspond to the "DC neutral point bus” in the present invention.
  • the diode bridge composed of the diodes D3x to D6x and the IGBT element Q1x correspond to an example of the "first AC switch" in the present invention.
  • the fuses FR, FS, FT correspond to the "first fuse” in the present invention.
  • Three-phase inverter 3 (U-phase inverter 3U, V-phase inverter 3V, W-phase inverter 3W) corresponds to an example of "inverter” in the present invention.
  • Fuses FP1, FP2 and FP3 correspond to the "second fuse” in the present invention
  • fuses FN1, FN2 and FN3 correspond to the "third fuse” in the present invention
  • fuses FC1, FC2 and FC3 in the present invention Corresponds to the "fourth fuse”.

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Abstract

電力変換装置は、コンバータ（２Ｒ）と、第１のコンデンサ（Ｃ１Ｒ）と、第２のコンデンサ（Ｃ２Ｒ）とを備える。第１のコンデンサ（Ｃ１Ｒ）は、直流正母線（ＰＬ１）と直流中性点母線（ＮＬ１）との間に接続される。第２のコンデンサ（Ｃ２Ｒ）は、直流中性点母線（ＮＬ１）と直流負母線（ＣＬ１）との間に接続される。コンバータ（２Ｒ）は、交流電源（１）と直流正母線（ＰＬ１）および直流負母線（ＮＬ１）との間に接続されるダイオード整流器（Ｄ１Ｒ，Ｄ２Ｒ）と、交流電源（１）と直流中性点母線（ＣＬ１）との間に電気的に接続される第１の交流スイッチ（Ｄ３Ｒ～Ｄ６Ｒ，Ｑ１Ｒ）とを含む。電力変換装置は、第１の交流スイッチ（Ｄ３Ｒ～Ｄ６Ｒ，Ｑ１Ｒ）と第１および第２のコンデンサの接続点との間に電気的に接続される第１のヒューズ（ＦＲ）をさらに備える。

Description

電力変換装置
　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。そのため、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を防止することができる。
国際公開第２０１０／０９５２４１号
　上記特許文献１に記載される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、第１の半導体スイッチング素子と直流正母線との間に接続される第１のヒューズと、第２の半導体スイッチング素子と直流負母線に接続される第２のヒューズと、交流スイッチと直流中性点母線との間に接続される第３のヒューズとを有している。すなわち、各半導体スイッチング素子の一方端子と各直流母線との間の電流経路にヒューズを設けている。そのため、使用するヒューズの数が多くなることが懸念される。なお、特許文献１には、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９個のヒューズを使用した構成が示されている。このようにヒューズの数が多くなると、電力変換装置の大型化および高コスト化を招いてしまう可能性がある。
　さらに、特許文献１では、ヒューズの数が多いことから、電力変換装置が動作しているときに全てのヒューズで発生する電力損失の合計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、この発明の目的は、簡易な構成で、過電流および過電圧の防止を実現できる電力変換装置を提供することである。
　この発明に係る電力変換装置は、直流正母線、直流負母線および直流中性点母線と、コンバータと、第１のコンデンサと、第２のコンデンサとを備える。コンバータは、交流電源と直流正母線、直流負母線および直流中性点母線との間に接続され、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。第１のコンデンサは、直流正母線と直流中性点母線との間に接続される。第２のコンデンサは、直流中性点母線と直流負母線との間に接続される。コンバータは、交流電源と直流正母線および直流負母線との間に接続されるダイオード整流器と、交流電源と直流中性点母線との間に電気的に接続される第１の交流スイッチとを含む。電力変換器は、第１の交流スイッチと直流中性点母線との間に電気的に接続される第１のヒューズをさらに備える。
　この発明によれば、簡易な構成で、過電流および過電圧の防止を実現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１００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２Ｒ，２Ｓ，２Ｔ、および単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの構成例を説明する回路図である。 Ｒ相電圧ＶＲとＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒのオンオフとの関係を示す波形図である。 図４は、Ｒ相コンバータの動作を示す回路図である。 ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒが故障して短絡状態になった場合を示す図である。 Ｕ相電圧ＶＵとＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ～Ｑ４Ｕのオンオフとの関係を示す波形図である。 ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ３Ｖがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｕが故障して短絡状態になった場合を示す図である。 ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ，Ｑ４Ｖがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕが故障して短絡状態になった場合を示す図である。 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においてＩＧＢＴ素子が故障して短絡状態になった場合を示す図である。 本発明の実施の形態による電力変換装置においてＩＧＢＴ素子が故障して短絡状態になった場合を示す図である。
　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、および制御回路７をさらに備える。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ＶＲ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（第１のコンデンサ）およびＣ１Ｕ（第３のコンデンサ）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（第２のコンデンサ）およびＣ２Ｕ（第４のコンデンサ）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（第１のコンデンサ），Ｃ１Ｖ（第３のコンデンサ）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（第２のコンデンサ），Ｃ２Ｖ（第４のコンデンサ）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ＶＴ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（第１のコンデンサ），Ｃ１Ｗ（第３のコンデンサ）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（第２のコンデンサ），Ｃ２Ｗ（第４のコンデンサ）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１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。
　電力変換装置１００は、ヒューズＦＲ，ＦＳ，ＦＴ，ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３，ＦＮ１，ＦＮ２，ＦＮ３，ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３をさらに備える。
　ヒューズＦＲは、Ｒ相コンバータ２Ｒと直流中性点母線ＣＬ１との間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＲは、一方端子がＲ相コンバータ２Ｒの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１ＲおよびＣ２Ｒの接続点に接続される。ヒューズＦＲは、Ｒ相ラインＲＬおよび直流中性点母線ＣＬ１の間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＳは、Ｓ相コンバータ２Ｓと直流中性点母線ＣＬ２との間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＳは、一方端子がＳ相コンバータ２Ｓの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１ＳおよびＣ２Ｓの接続点に接続される。ヒューズＦＳは、Ｓ相ラインＳＬおよび直流中性点母線ＣＬ２の間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＴは、Ｔ相コンバータ２Ｔと直流中性点母線ＣＬ３との間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＴは、一方端子がＴ相コンバータ２Ｔの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１ＴおよびＣ２Ｔの接続点に接続される。ヒューズＦＴは、Ｔ相ラインＴＬおよび直流中性点母線ＣＬ３の間に過電流が流れた場合に溶断される。
　ヒューズＦＰ１は直流正母線ＰＬ１とＵ相インバータ３Ｕとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＰ１は、一方端子がＵ相インバータ３Ｕの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１Ｕの正側電極に接続される。ヒューズＦＰ１は、直流正母線ＰＬ１およびＵ相インバータ３Ｕの間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＮ１は直流負母線ＮＬ１とＵ相インバータ３Ｕとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＮ１は、一方端子がＵ相インバータ３Ｕの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ２Ｕの負側電極に接続される。ヒューズＦＮ１は、直流負母線ＮＬ１およびＵ相インバータ３Ｕの間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＣ１は直流中性点母線ＣＬ１とＵ相インバータ３Ｕとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＣ１は、一方端子がＵ相インバータ３Ｕの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１ＵおよびＣ２Ｕの接続点に接続される。ヒューズＦＣ１は、直流中性点母線ＣＬ１およびＵ相インバータ３Ｕの間に過電流が流れた場合に溶断される。
　ヒューズＦＰ２は直流正母線ＰＬ２とＶ相インバータ３Ｖとの間に接続される。具体的には、ヒューズＦＰ２は、一方端子がＶ相インバータ３Ｖの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１Ｖの正側電極に接続される。ヒューズＦＰ２は、直流正母線ＰＬ２およびＶ相インバータ３Ｖの間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＮ２は直流負母線ＮＬ２とＶ相インバータ３Ｖとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＮ２は、一方端子がＶ相インバータ３Ｖの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ２Ｖの負側電極に接続される。ヒューズＦＮ２は、直流負母線ＮＬ２およびＶ相インバータ３Ｖの間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＣ２は直流中性点母線ＣＬ２とＶ相インバータ３Ｖとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＣ２は、一方端子がＶ相インバータ３Ｖの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１ＶおよびＣ２Ｖの接続点に接続される。ヒューズＦＣ２は、直流中性点母線ＣＬ２およびＶ相インバータ３Ｖの間に過電流が流れた場合に溶断される。
　ヒューズＦＰ３は直流正母線ＰＬ３とＷ相インバータ３Ｗとの間に接続される。具体的には、ヒューズＦＰ３は、一方端子がＷ相インバータ３Ｗの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１Ｗの正側電極に接続される。ヒューズＦＰ３は、直流正母線ＰＬ３およびＷ相インバータ３Ｗの間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＮ３は直流負母線ＮＬ３とＷ相インバータ３Ｗとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＮ３は、一方端子がＷ相インバータ３Ｗの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ２Ｗの負側電極に接続される。ヒューズＦＮ３は、直流負母線ＮＬ３およびＷ相インバータ３Ｗの間に過電流が流れた場合に溶断される。ヒューズＦＣ３は直流中性点母線ＣＬ３とＷ相インバータ３Ｗとの間に電気的に接続される。具体的には、ヒューズＦＣ３は、一方端子がＷ相インバータ３Ｗの直流端子に接続され、他方端子がコンデンサＣ１ＷおよびＣ２Ｗの接続点に接続される。ヒューズＦＣ３は、直流中性点母線ＣＬ３およびＷ相インバータ３Ｗの間に過電流が流れた場合に溶断される。
　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の構成例を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およびダイオードＤ１Ｒ～Ｄ６Ｒを含む。Ｓ相コンバータ２Ｓは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ＳおよびダイオードＤ１Ｓ～Ｄ６Ｓを含む。Ｔ相コンバータ２Ｔは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ＴおよびダイオードＤ１Ｔ～Ｄ６Ｔ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。なお、図２では、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子を用いているが、これに限定されず、たとえばＭＯＳＦＥＴ等の別の半導体スイッチング素子を用いてもよい。
　ここで、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔの構成を総括的に説明するため、符号Ｒ，Ｓ，Ｔをまとめて符号「ｘ」とも示す。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Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号「ｙ」と示す。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。
　単相コンバータ２ｘは、中性点スイッチを有するダイオード整流器である。具体的には、単相コンバータ２ｘは、ダイオードＤ３ｘ～Ｄ６ｘからなるブリッジ回路（ダイオードブリッジ）と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘと、ダイオードＤ１ｘ，Ｄ２ｘとを含む。
　ダイオードＤ１ｘのカソードは直流正母線ＰＬｉに接続され、アノードはｘ相ラインｘＬに接続される。ダイオードＤ２ｘのカソードはｘ相ラインｘＬに接続され、アノードは直流負母線ＮＬｉに接続される。ダイオードブリッジにおいて、ダイオードＤ３ｘのアノードおよびダイオードＤ４ｘのカソードはｘ相ラインｘＬに接続され、ダイオードＤ５ｘのアノードおよびダイオードＤ６ｘのカソードは直流中性点母線ＣＬｉに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘのエミッタはダイオードＤ３ｘのカソードおよびダイオードＤ５ｘのカソードに接続され、コレクタはダイオードＤ４ｘのアノードおよびダイオードＤ６ｘのアノードに接続される。
　ダイオードＤ１ｘおよびＤ２ｘは、ダイオード整流器を構成する。ダイオードブリッジおよびＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘは、交流スイッチを構成する。交流スイッチは中性点スイッチとして機能する。ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘは交流電源１からの三相交流電圧に同期してオン／オフされる。交流スイッチは「第１の交流スイッチ」の一実施例に対応する。
　第１の交流スイッチは、ｘ相ラインｘＬと直流中性点母線ＣＬｉとの間に電気的に接続され、ｘ相ラインｘＬおよび直流中性点母線ＣＬｉを電気的に導通または遮断するように構成される。すなわち、第１の交流スイッチは「中性点スイッチ」をして機能する。
　第１の交流スイッチ（中性点スイッチ）と直流中性点母線ＣＬｉとの間にはヒューズＦｘが電気的に接続される。ヒューズＦｘは「第１のヒューズ」の一実施例に対応する。ヒューズＦｘは、第１の交流スイッチと、直列接続されるコンデンサＣ１ｘ，Ｃ２ｘの接続点との間に接続される。
　単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗにおいて、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｙのエミッタはｙ相ラインｙＬ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Ｑ２ｙのコレクタはｙ相ラインｙＬ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Ｑ３ｙのエミッタはｙ相ラインｙＬに接続され、そのコレクタはＩＧＢＴ素子Ｑ４ｙのコレクタに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｙ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Ｄ１ｙ，Ｄ２ｙは還流ダイオードとして機能し、ダイオードＤ３ｙ，Ｄ４ｙはクランプダイオードとして機能する。ＩＧＢＴ素子Ｑ３ｙ，Ｑ４ｙおよびダイオードＤ３ｙ，Ｄ４ｙは、交流スイッチを構成する。該交流スイッチは「第２の交流スイッチ」の一実施例に対応する。
　ヒューズＦＰは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｙのコレクタとコンデンサＣ１ｙの正側電極との間に接続される。ヒューズＦＮは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｙのエミッタとコンデンサＣ２ｙの負側電極との間に接続される。ヒューズＦＣは、交流スイッチとコンデンサＣ１ｙおよびＣ２ｙの接続点との間に接続される。
　次に、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔの動作について図３および図４を用いて説明する。図３は、Ｒ相電圧ＶＲとＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒのオンオフとの関係を示す波形図である。図４は、Ｒ相コンバータの動作を示す回路図である。
　図３を参照して、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。
　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，ｔ６，ｔ８，ｔ１０，ｔ１１，ｔ１３，ｔ１５）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒがオンされる。この場合、Ｒ相電圧ＶＲが正電圧である期間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ１１，ｔ１３，ｔ１５）においては、図４（Ｂ）に示すように、Ｒ相ラインＲＬからダイオードＤ３Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ＲおよびダイオードＤ６Ｒを介して、直流中性点母線ＣＬ１に電流が流れる。よって、Ｒ相ラインＲＬとＲ相コンバータ２Ｒとの接続点の電圧ＶＩＲは、直流中性点母線ＣＬ１の電圧（中性点電圧Ｖｃ）と等しくなる。一方、Ｒ相電圧ＶＲが負電圧である期間（期間ｔ６，ｔ８，ｔ１０）においては、図４（Ｄ）に示すように、直流中性点母線ＣＬ１からダイオードＤ５Ｒ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ＲおよびダイオードＤ４Ｒを介して、Ｒ相ラインＲＬに電流が流れる。よって、Ｒ相ラインＲＬとＲ相コンバータ２Ｒとの接続点の電圧ＶＩＲは、直流中性点母線ＣＬ１の電圧（中性点電圧Ｖｃ）と等しくなる。
　Ｒ相電圧ＶＲが正であり、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，ｔ１２，ｔ１４）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒがオフされる。このとき、図４（Ａ）に示すように、Ｒ相ラインＲＬからダイオードＤ１Ｒを介して、直流正母線ＰＬ１に電流が流れる。よって、Ｒ相ラインＲＬとＲ相コンバータ２Ｒとの接続点の電圧ＶＩＲは、直流正母線ＰＬ１の電圧（正電圧Ｖｐ）と等しくなる。
　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（ｔ７，ｔ９）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒがオフされる。このとき、図４（Ｃ）に示すように、直流負母線ＮＬ１からダイオードＤ２Ｒを介して、Ｒ相ラインＲＬに電流が流れる。よって、Ｒ相ラインＲＬとＲ相コンバータ２Ｒとの接続点の電圧ＶＩＲは、直流中性点母線ＣＬ１の電圧（負電圧Ｖｎ）と等しくなる。
　このようにＲ相コンバータ２Ｒにおいて、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ＲはＰＷＭ制御され、交流電源１からのＲ相電圧に同期して所定のタイミングでオンオフされる。Ｒ相コンバータ２Ｒは、Ｒ相電圧に基づいて、直流電圧として正電圧Ｖｐ、中性点電圧Ｖｃおよび負電圧Ｖｎを生成する。すなわち、Ｒ相コンバータ２Ｒは３レベルコンバータを構成する。なお、Ｓ相、Ｔ相の回路も、Ｒ相の回路と同様に動作する。
　次に、電力変換装置１００の単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔ側に設けられる、ヒューズＦＲ，ＦＳ，ＦＴの働きについて説明する。
　図５は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｒ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、図中に実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Ｑ１Ｒ、配線ＷＣ２、ダイオードＤ５Ｓ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓ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ＦＲ，ＦＳが溶断される。なお、図５では、Ｒ相およびＶ相を例にして説明したが、Ｗ相でも同様である。
　次に、単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの動作について説明する。
　図６は、Ｕ相電圧ＶＵとＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ～Ｑ４Ｕのオンオフとの関係を示す波形図である。Ｕ相電圧ＶＵは、制御回路７において交流電源１から電力変換装置１００に入力される電力を基に計算される、Ｕ相ラインから出力される電圧の目標電圧である。Ｕ相電圧ＶＵと参照信号φ１Ｕ，φ２Ｕとの高低が比較され、その比較結果に基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ～Ｑ４Ｕのオンオフの組合せが決定される。その結果、Ｕ相ラインＵＬとＵ相インバータ３Ｕとの接続点の電圧をＶＯＵ、直流母線ＰＬ１，ＮＬ１、ＣＬ１の各々の電位をＶｐ，Ｖｃ，Ｖｎとすると、電圧ＶＯＵは、電圧Ｖｐ，Ｖｃ，Ｖｎのいずれかに決定される。
　参照信号φ１Ｕ，φ２ＵはＵ相電圧ＶＵの５倍の周波数を有し、Ｕ相電圧ＶＵに同期した三角波信号である。参照信号φ２Ｕは参照信号φ１Ｕと同相の三角波信号である。
　図６に示すように、Ｕ相電圧ＶＵのレベルが参照信号φ１Ｕ，φ２Ｕのレベルの間にある期間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７，ｔ９，ｔ１１，ｔ１３）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕ，Ｑ４Ｕがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ２Ｕがオフされる。よって、コンデンサＣ１Ｕ，Ｃ２ＵからＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕ，Ｑ４Ｕを介してＵ相ラインＵＬに直流中性点母線ＣＬ１の電圧が出力される。すなわち、ＶＯＵ＝Ｖｃとなる。
　Ｕ相電圧ＶＵのレベルが参照信号φ１Ｕ，φ２Ｕのレベルよりも高い期間（ｔ２，ｔ４，ｔ１０，ｔ１２）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ３Ｕがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ，Ｑ４Ｕがオフされる。よって、コンデンサＣ１ＵからＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕを介して、Ｕ相ラインＵＬに直流正母線ＰＬ１の電位が出力される。すなわち、ＶＯＵ＝Ｖｐとなる。
　Ｕ相電圧ＶＵのレベルが参照信号φ１Ｕ，φ２Ｕのレベルよりも低い期間（ｔ６，ｔ８）は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ，Ｑ４Ｕがオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ３Ｕがオフされる。よって、コンデンサＣ２ＵからＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕを介して、Ｕ相ラインＵＬに直流負母線ＮＬ１の電圧が出力される。すなわち、ＶＯＵ＝Ｖｎとなる。
　なお、ここではＵ相インバータ３Ｕの動作を説明したが、Ｖ相およびＷ相インバータ３Ｖおよび３Ｗも、Ｕ相インバータ３Ｕと同様に動作する。
　次に、電力変換装置１００の単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ側に設けられるヒューズＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３，ＦＮ１，ＦＮ２，ＦＮ３，ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の働きについて説明する。
　図７は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ，Ｑ３Ｖがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｕ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７１で示されるように、Ｕ相ラインＵＬからダイオードＤ３Ｕ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｕ、配線ＷＣ１、ダイオードＤ４Ｖ、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｖを介してＶ相ラインＶＬに至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＣ１，ＦＣ２が溶断される。また、図中に実線矢印７２で示されるように、コンデンサＣ１Ｖの正側電極から配線ＷＰ１、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｕ、ダイオードＤ３Ｕ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｕ、配線ＷＣ１を介してコンデンサＣ１Ｖの負側電極に至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＰ２，ＦＰ１，ＦＣ１，ＦＣ２が溶断される。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。
　図８は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ，Ｑ４Ｖがオンしている期間において、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕ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８１で示されるように、Ｖ相ラインＶＬからダイオードＤ３Ｖ、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｖ、配線ＷＣ１、ダイオードＤ４Ｕ、およびＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕを介してＵ相ラインＵＬに至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＣ２，ＦＣ１が溶断される。また、実線矢印８２で示されるように、コンデンサＣ２Ｖの正側電極から配線ＷＣ１、ダイオードＤ４Ｕ、ＩＧＢＴ素子Ｑ３Ｕ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｕ、配線ＷＮ１を介してコンデンサＣ２Ｖの負側電極に至る経路で短絡電流が流れ、ヒューズＦＣ２，ＦＣ１，ＦＮ１，ＦＮ２が溶断される。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７および図８では、Ｕ相およびＶ相を例にして説明したが、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９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、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、コンバータの主回路構成および変換器ユニットの構成が異なっている。
　図９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Ｕａを備える。変換器ユニットＵは、三相コンバータ２ａ、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２ａは、直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬの間に、Ｒ相コンバータ２Ｒａ、Ｓ相コンバータ２ＳａおよびＴ相コンバータ２Ｔａを並列に接続することにより構成される。単相コンバータ２Ｒａ，２Ｓａ，２Ｔａの構成は、単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗと入出力関係が逆転したものである。以下にその詳細を説明する。
　図９を参照して、Ｒ相コンバータ２Ｒａ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２Ｓａ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２Ｔａは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｔ～Ｑ４ＴおよびダイオードＤ１Ｔ～Ｄ４Ｔを含む。
　ここで、単相コンバータ２Ｒａ，２Ｓａ，２Ｔａの構成を総括的に説明するため、符号Ｒ，Ｓ，Ｔをまとめて符号「ｘａ」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Ｑ１ｘａのエミッタはｘａ相ラインｘａＬ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Ｑ２ｘａのコレクタはｘａ相ラインｘａＬ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Ｑ３ｘａのエミッタはｘａ相ラインｘａＬに接続され、そのコレクタはＩＧＢＴ素子Ｑ４ｘａのコレクタに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｘａ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Ｄ１ｘａ，Ｄ２ｘａは還流ダイオードとして機能し、ダイオードＤ３ｘａ，Ｄ４ｘａはクランプダイオードとして機能する。ＩＧＢＴ素子Ｑ３ｘａ，Ｑ４ｘａおよびダイオードＤ３ｘａ，Ｄ４ｘａは、交流スイッチを構成する。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、三相インバータ３の動作は、図６で説明した、単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの動作と実質的に同じである。三相コンバータ２ａの動作は、単相インバータ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの動作と入出力関係が逆転したものである。
　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。以下に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「ｚ」と示す。
　ヒューズＦ１ｚは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｚのコレクタと直流正母線ＰＬとの間に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｚのコレクタはコンデンサＣ１ｚの正側電極と接続されている。したがって、ヒューズＦ１ｚは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１ｚおよびコンデンサＣ１の接続点と直流正母線ＰＬとの間に接続される。ヒューズＦ２ｚは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｚのエミッタと直流負母線ＮＬとの間に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｚのエミッタはコンデンサＣ２ｚの負側電極と接続されている。したがって、ヒューズＦ２ｚは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２ｚおよびコンデンサＣ２の接続点と直流負母線ＮＬとの間に接続されている。ヒューズＦ３ｚは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｚのエミッタと直流中性点母線ＣＬｚとの間に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ４ｚのコレクタはコンデンサＣ１ｚおよびＣ２ｚの接続点と接続されている。したがって、ヒューズＦ３ｚは、コンデンサＣ１ｚおよびＣ２ｚの接続点と直流中性点母線ＣＬｚＬとの間に接続される。
　このように、比較例による電力変換装置１０００においては、ヒューズＦ１ｚ，Ｆ２ｚ，Ｆ３ｚの各々は、ＩＧＢＴ素子およびコンデンサの接続点と直流母線との間に接続されている。これに対して、図２に示したように、本実施の形態による電力変換装置１００においては、ヒューズはＩＧＢＴ素子とコンデンサとの間に接続されている。
　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、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を切り離し、過電流が流れたり、過電圧が発生することが防止される。
　その一方で、電力変換装置１０００においては、三相インバータ３および三相コンバータ２ａの各々について９個、合計１８個ものヒューズが使用されている。そのため、電力変換装置の大型化および高コスト化を招くことが懸念される。また、ヒューズの数が多くなると、電力変換装置の動作時において、全てのヒューズにおける電力損失の合計が大きくなり、電力変換装置の効率が低下することも懸念される。
　本実施の形態による電力変換装置１００では、図２に示したように、単相コンバータ２Ｒ，２Ｓ，２Ｔの各々を、中性点スイッチ（第１の交流スイッチ）を有するダイオード整流器で構成している。
　ここで、ＩＧＢＴ素子は、スイッチング動作が不要なダイオードに比べて、誤ったスイッチング動作などによって短絡が起こりやすい。言い換えると、中性点スイッチを有するダイオード整流器では、３レベルコンバータでありながらも、ダイオードに比べて短絡しやすいＩＧＢＴ素子の数を１つまで減らしたことで、短絡が起こりにくくなっている。よって、中性点スイッチを有するダイオード整流器をコンバータとして用いることで、比較例においてＩＧＢＴ素子の一方端子と直流正母線との間に配置されていたヒューズ、およびＩＧＢＴ素子の一方端子と直流負母線との間に配置されていたヒューズが不要となる。したがって、図１～図２に示すように、３レベルコンバータに対するヒューズの数を、３個にまで減らすことが可能である。この結果、実施の形態による電力変換装置１００においては、３レベルコンバータについて３個、３レベルインバータについて９個、合計１２個のヒューズで、電力変換装置の全てのスイッチング素子の短絡に対応し、過電流または過電圧の発生を防止することができる。
　よって、本実施の形態による電力変換装置１００によれば、過電流または過電圧の発生を抑制しつつ、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。すなわち、簡易な構成で、過電流および過電圧の防止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。
　［変形例］
　図１０は、本発明の実施の形態の変形例による電力変換装置１０１の構成を説明する回路図である。本変形例による電力変換装置１０１は、基本的に図１および図２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の主回路構造、および、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１０を参照して、本変形例による電力変換装置１０１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Ｕｂを備える。変換器ユニットＵｂ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および図６でそれぞれ説明した、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。
　本変形例による電力変換装置１０１において、ヒューズＦＲ，ＦＳ，ＦＴ，ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３，ＦＮ１，ＦＮ２，ＦＮ３，ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の総数、介挿位置およびその働きは、上述した実施の形態による電力変換装置１００と同様である。
　すなわち、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、１２個のヒューズのうちいくつかが溶断されるため、過電流または過電圧の発生を防止できる。よって、本変形例でも上述した実施の形態と同様の効果が得られる。他の構成については、上述した実施の形態と同様であるので説明を繰返さない。
　なお、図２および図１０に示したように、本実施の形態および変形例による電力変換装置１００，１０１においては、ヒューズを、ＩＧＢＴ素子とコンデンサとの間に接続している。これにより、ＩＧＢＴ素子およびコンデンサの接続点と直流母線との間にヒューズを接続する、比較例による電力変換装置１０００（図９）に比べて、より確実に過電流および過電圧の発生を防止することができる。
　図１１には、図９に示した比較例による電力変換装置１０００において、三相コンバータ２ａのＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓが故障して短絡状態になった場合が示される。この場合、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｓがオンすると、図中に矢印で示すように、コンデンサＣ１Ｓの正側電極からＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓ，ダイオードＤ３ＳおよびＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｓ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ることになる。しかしながら、この短絡電流の経路上にはヒューズが配置されていないため、経路を遮断することができない。このような不具合は、三相インバータ３のＩＧＢＴ素子が故障して短絡状態になった場合においても起こり得る。
　これに対して、本実施の形態の変形例による電力変換装置１０１においては、図１２に示すように、例えば、三相コンバータ２のダイオードＤ１Ｓが故障して短絡状態になった場合において、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓがオンすると、図中に矢印で示すように、コンデンサＣ１Ｒの正側電極からダイオードＤ１Ｓ，Ｄ３Ｓ、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｓ，ダイオードＤ６Ｓ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ることになる。ただし、この短絡電流の経路上にはヒューズＦＳが配置されているため、ヒューズＦＳが溶断されることで、過電流および過電圧を防止することができる。
　三相インバータ３においても同様に、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｖが故障して短絡状態になった場合において、ＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｖがオンすると、図中に矢印で示すように、コンデンサＣ１Ｖの正側電極からＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｖ，ダイオードＤ３ＶおよびＩＧＢＴ素子Ｑ４Ｖを介してコンデンサＣ１Ｖの負側電極に至る経路で短絡電流が流れることになる。ただし、この短絡電流の経路上にはヒューズＦＰ２，ＦＣ２が配置されているため、ヒューズＦＰ２，ＦＣ２の少なくとも一方が溶断されることで、過電流および過電圧を防止することができる。
　上記の実施の形態およびその変形例において、三相コンバータ２（Ｒ相コンバータ２Ｒ、Ｓ相コンバータ２Ｓ、Ｔ相コンバータ２Ｔ）はこの発明における「コンバータ」の一実施例に対応する。直流正母線ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３，ＰＬはこの発明における「直流正母線」に対応し、直流負母線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３，ＮＬはこの発明における「直流負母線」に対応し、直流中性点母線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬはこの発明における「直流中性点母線」に対応する。
　ダイオードＤ３ｘ～Ｄ６ｘからなるダイオードブリッジおよびＩＧＢＴ素子Ｑ１ｘはこの発明における「第１の交流スイッチ」の一実施例に対応する。ヒューズＦＲ，ＦＳ，ＦＴはこの発明における「第１のヒューズ」に対応する。
　三相インバータ３（Ｕ相インバータ３Ｕ、Ｖ相インバータ３Ｖ、Ｗ相インバータ３Ｗ）はこの発明における「インバータ」の一実施例に対応する。ヒューズＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３はこの発明における「第２のヒューズ」に対応し、ヒューズＦＮ１，ＦＮ２，ＦＮ３はこの発明における「第３のヒューズ」に対応し、ヒューズＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３はこの発明における「第４のヒューズ」に対応する。
　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。
　１　交流電源、２，２ａ　三相コンバータ、２Ｒ，２Ｒａ，２Ｓ，２Ｓａ，２Ｔ，２Ｔａ　単相コンバータ、３　三相インバータ、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ　単相インバータ、４　負荷、５　双方向チョッパ、６　直流電源、７　制御回路、１００，１０１　電力変換装置、Ｃ１Ｒ，Ｃ１Ｓ，Ｃ１Ｔ，Ｃ１Ｕ，Ｃ１Ｖ，Ｃ１Ｗ，Ｃ２Ｒ，Ｃ２Ｓ，Ｃ２Ｔ，Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｖ，Ｃ２Ｗ　コンデンサ、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、Ｄ１Ｒ～Ｄ６Ｒ，Ｄ１Ｓ～Ｄ６Ｓ，Ｄ１Ｔ～Ｄ６Ｔ，Ｄ１Ｕ～Ｄ６Ｕ，Ｄ１Ｖ～Ｄ６Ｖ，Ｄ１Ｗ～Ｄ６Ｗ　ダイオード、ＦＲ，ＦＳ，ＦＴ，ＦＰ１～ＦＰ３，ＦＣ１～ＦＣ３，ＦＮ１～ＦＮ３，Ｆ１Ｒ～Ｆ３Ｒ，Ｆ１Ｓ～Ｆ３Ｓ，Ｆ１Ｔ～Ｆ３Ｔ，Ｆ１Ｕ～Ｆ３Ｕ，Ｆ１Ｖ～Ｆ３Ｖ，Ｆ１Ｗ～Ｆ３Ｗ　ヒューズ、Ｑ１Ｒ～Ｑ４Ｒ，Ｑ１Ｓ～Ｑ４Ｓ，Ｑ１Ｔ～Ｑ４Ｔ，Ｑ１Ｕ～Ｑ４Ｕ，Ｑ１Ｖ～Ｑ４Ｖ，Ｑ１Ｗ～Ｑ４Ｗ　ＩＧＢＴ素子、ＲＬ，ＳＬ，ＴＬ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ　各相ライン、Ｕａ　変換器ユニット、Ｕ１　第１変換器ユニット、Ｕ２　第２変換器ユニット、Ｕ３　第３変換器ユニット、ＷＣ１，ＷＣ２，ＷＮ１，ＷＮ２，ＷＰ１，ＷＰ２　配線。

Claims (4)

  1. 　直流正母線、直流負母線および直流中性点母線と、
    　交流電源と、前記直流正母線、前記直流負母線および前記直流中性点母線との間に接続され、前記交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
    　前記直流正母線と前記直流中性点母線との間に接続される第１のコンデンサと、
    　前記直流中性点母線と前記直流負母線との間に接続される第２のコンデンサとを備え、
    　前記コンバータは、
    　前記交流電源と前記直流正母線および前記直流負母線との間に接続されるダイオード整流器と、
    　前記交流電源と前記直流中性点母線との間に電気的に接続される第１の交流スイッチとを含み、
    　前記第１の交流スイッチと前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に電気的に接続される第１のヒューズをさらに備える、電力変換装置。
  2. 　前記コンバータは、前記交流電源から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換するように構成され、
    　前記第１の交流スイッチおよび前記第１のヒューズは、前記三相交流電圧の各相電圧の交流ラインと前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に電気的に直列に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記第１の交流スイッチは、ダイオードブリッジおよび単一の半導体スイッチング素子を有する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記直流正母線、前記直流負母線および前記直流中性点母線と負荷との間に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給するインバータをさらに備え、
    　前記インバータは、
    　前記直流正母線と前記負荷との間に電気的に接続される第１の半導体スイッチング素子と、
    　前記直流負母線と前記負荷との間に電気的に接続される第２の半導体スイッチング素子と、
    　前記直流中性点母線と前記負荷との間に電気的に接続される第２の交流スイッチと、
    　前記直流正母線と前記直流中性点母線との間に接続される第３のコンデンサと、
    　前記直流中性点母線と前記直流負母線との間に接続される第４のコンデンサとを含み、
    　前記第３のコンデンサと前記第１の半導体スイッチング素子との間に接続される第２のヒューズと、
    　前記第４のコンデンサと前記第２の半導体スイッチング素子との間に接続される第３のヒューズと、
    　前記第３および第４のコンデンサの接続点と前記第２の交流スイッチとの間に接続される第４のヒューズとをさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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