特許 6054146 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6054146

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20161219BHJP

   H02H 3/08 20060101ALI20161219BHJP

   H02H 7/122 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 M

   H02H3/08 P

   H02H7/122 Z

【請求項の数】1

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-246287(P2012-246287)

(22)【出願日】2012年11月8日

(65)【公開番号】特開2014-96892(P2014-96892A)

(43)【公開日】2014年5月22日

【審査請求日】2014年12月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100103333

【弁理士】

【氏名又は名称】菊池 治

(74)【代理人】

【識別番号】100173451

【弁理士】

【氏名又は名称】井澤 彪

(72)【発明者】

【氏名】李 海青

(72)【発明者】

【氏名】飯島 由紀久

【審査官】 河村 勝也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０３０６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８８３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０３１１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８３６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２５８７６０４（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｈ ３／０８

Ｈ０２Ｈ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源に接続され、当該直流電源から供給される直流を交流に変換する電力変換装置であって、
スイッチング制御可能な複数のスイッチング素子を有し、直流から交流に電力を変換するインバータと、
前記直流電源と前記インバータとの間に接続されて所定の電流値以上が継続して流れることにより溶断可能であるヒューズと、
前記直流電源と前記ヒューズとの間に設けられ、前記直流電源を保護するヒューズ溶断アシスト回路において、前記直流電源から充電される充電電流の上限値を制限する第１の分圧抵抗と、前記直流電源から充電される前記充電電流による電荷を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサに蓄積された前記電荷を放電可能な第２の分圧抵抗とを備え、前記第１の分圧抵抗および前記第２の分圧抵抗は直列に接続され、直列に接続された前記第１の分圧抵抗および前記第２の分圧抵抗は前記直流電源に対して並列に接続されて、前記コンデンサは前記第２の分圧抵抗に対して並列に接続され、前記コンデンサに蓄積された前記電荷を放電する場合に、前記ヒューズを溶断可能な放電電流を供給するヒューズ溶断アシスト回路と、
を具備し、
前記ヒューズ溶断アシスト回路は、前記直流電源と前記ヒューズとの間に設けられ、前記スイッチング素子の短絡事故発生時に前記ヒューズを溶断して前記直流電源を過電流から保護するように構成されていて、前記直流電源の正極側に対して、前記第１の分圧抵抗と逆並列に接続されるダイオードをさらに備え、
前記ダイオードは、前記放電電流が前記コンデンサから前記ヒューズに流れる経路に整流するように接続されていて、
前記スイッチング素子の短絡事故発生時に、前記コンデンサに蓄積されていた電荷が前記ダイオードを介して前記ヒューズを経由して前記スイッチング素子の短絡箇所を流れることにより前記放電電流が発生し、それによって前記ヒューズが溶断するように構成されている
ことを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

蓄電池に用いられる電力変換装置において、電力変換装置内でスイッチング素子短絡事故が発生した場合に、直流回路の保護用ヒューズを速やかに溶断させて蓄電池と電力変換装置を切り離し、蓄電池を過電流から保護する必要がある。

【0003】

なお、直流電源と、この直流電源と並列に接続され、第１の抵抗を並列接続した平滑コンデンサと、直流電源の一方の出力端と直列に接続され、第２の抵抗を並列接続したヒューズと、ヒューズの出力側と直流電源の他方の出力端間に設けられ、それぞれ還流ダイオードを逆並列接続した正側及び負側のスイッチング素子を直列接続して構成した少なくとも１組のスイッチングレグと、スイッチングレグに並列に接続されたクランプコンデンサとを備える電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−２６７４３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図５に、従来例の電力変換装置のスイッチング素子短絡時の動作の一例を示す。以下、図５を参照して、従来の電力変換装置の保護回路についてヒューズ溶断の事象を説明する。

【0006】

図５に示す電力変換装置５５ｘは、電池２０に接続されるスイッチ２１、およびインバータ５０ｘを備える構成である。また、インバータ５０ｘは、相ごとに、直流安定化コンデンサＣ５ａ、複数のスイッチング素子５１ａおよびスイッチング素子５１ａと逆並列に接続されるダイオード５２ａを備えている。なお、図５には、Ｕ相のみの構成を示している。図示しないその他のＶ相およびＷ相系統についても同様とする。

【0007】

電力変換装置５５ｘは、運転通常時において、インバータ５０ｘを用いて、電池２０から供給される直流電力を交流電力に変換している。ここで、例えばスイッチング素子５１ａが故障してＵ相側の直流回路が短絡したとする。すなわち、スイッチング素子短絡事故が発生したとする。

【0008】

この場合に、直流安定化コンデンサＣ５ａに蓄積された電荷によって、故障したＵ相側のスイッチング素子５１ａの経路に放電電流Ｉ_ｃｘが流れる。また、電池２０からスイッチ２１を介して、故障したＵ相側のスイッチング素子５１ａの経路に電池電流Ｉ_Ｂｘが流れる。したがって、故障したＵ相側のスイッチング素子５１ａの経路には、電池電流Ｉ_Ｂｘおよび放電電流Ｉ_ｃｘが加算された事故電流Ｉ_Ｓｘ（短絡電流）が流れることになる。

【0009】

上述したような電力変換装置は、スイッチング素子短絡事故が発生した時に、保護ヒューズがないため、電池から大電流Ｉ_Ｂｘが流れ込み、電池内部のヒューズ溶断または電池を損傷または劣化することがあった。電池の損傷を防ぐために、従来の方法ではスイッチング素子５１ａと直流安定化コンデンサＣ５ａとの間に保護回路用のヒューズ３０を設けている。そのため、電池電流Ｉ_Ｂｘが過電流に到る大電流となる前に、保護回路のヒューズ３０ａは直流安定化コンデンサＣ５ａから供給される放電電流Ｉ_ｃｘにより溶断されるため、電池内部のヒューズ溶断または電池を損傷または劣化を防ぐことが可能となる。

【0010】

しかし、例えば、インバータ５０ｘがユニット化されている場合、ユニットを改造して保護回路を設ける場合、スイッチング素子５１ａと直流安定化コンデンサＣ５ａとの間にヒューズを設けるために、既存のユニットの改造作業や製品の設計変更等を行わなければならず、コストアップの要因となる課題があった。

【0011】

また、スイッチング素子５１ａと直流安定化コンデンサＣ５ａとの間にヒューズを設けた場合に、直流安定化コンデンサＣ５ａとスイッチング素子５１ａ間とのインピーダンスが大きくなるため、直流成分にのるリップル（脈動分）が大きくなるという課題があった。

【0012】

そのため、図５に示す回路の部品配置においてユニットを改造せずに保護回路を設けるためには、スイッチ２１とインバータ５０ｘとの経路間に、ヒューズ３０ａを設けざるを得ない。しかし、この場合はヒューズ３０ａの溶断の有無は、電池２０から供給されてヒューズ３０ａを流れる電池電流Ｉ_Ｂｘに依存する。このため、電池電流Ｉ_Ｂｘが過電流に到る大電流となって、電池内部のヒューズ溶断または電池を損傷または劣化する可能性がある。

【0013】

本発明が解決しようとする課題は、電力変換装置でスイッチング素子短絡事故が発生した場合に、簡易な保護回路で直流側の保護用ヒューズを速やかに溶断させることができることである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、直流電源に接続され、当該直流電源から供給される直流を交流に変換する電力変換装置であって、スイッチング制御可能な複数のスイッチング素子を有し、直流から交流に電力を変換するインバータと、前記直流電源と前記インバータとの間に接続されて所定の電流値以上が継続して流れることにより溶断可能であるヒューズと、前記直流電源と前記ヒューズとの間に設けられ、前記直流電源を保護するヒューズ溶断アシスト回路において、前記直流電源から充電される充電電流の上限値を制限する第１の分圧抵抗と、前記直流電源から充電される前記充電電流による電荷を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサに蓄積された前記電荷を放電可能な第２の分圧抵抗とを備え、前記第１の分圧抵抗および前記第２の分圧抵抗は直列に接続され、直列に接続された前記第１の分圧抵抗および前記第２の分圧抵抗は前記直流電源に対して並列に接続されて、前記コンデンサは前記第２の分圧抵抗に対して並列に接続され、前記コンデンサに蓄積された前記電荷を放電する場合に、前記ヒューズを溶断可能な放電電流を供給するヒューズ溶断アシスト回路と、を具備し、前記ヒューズ溶断アシスト回路は、前記直流電源と前記ヒューズとの間に設けられ、前記スイッチング素子の短絡事故発生時に前記ヒューズを溶断して前記直流電源を過電流から保護するように構成されていて、前記直流電源の正極側に対して、前記第１の分圧抵抗と逆並列に接続されるダイオードをさらに備え、前記ダイオードは、前記放電電流が前記コンデンサから前記ヒューズに流れる経路に整流するように接続されていて、前記スイッチング素子の短絡事故発生時に、前記コンデンサに蓄積されていた電荷が前記ダイオードを介して前記ヒューズを経由して前記スイッチング素子の短絡箇所を流れることにより前記放電電流が発生し、それによって前記ヒューズが溶断するように構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係る電力変換装置によれば、電力変換装置でスイッチング素子短絡事故が発生した場合に、簡易な保護回路で直流側の保護用ヒューズを速やかに溶断させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路および電力変換装置の実施形態の構成を示すブロック図。

【図2】実施形態の電力変換装置のスイッチング素子短絡時の動作の一例を示す図。

【図3】図２の電力変換装置をシミュレーションのための解析回路に置き換えた一例を示す図。

【図4】図３の解析回路でのスイッチング素子短絡事故時のシミュレーション解析結果を示す図。

【図5】従来例の電力変換装置のスイッチング素子短絡時の動作の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係る実施形態のヒューズ溶断アシスト回路および電力変換装置について、図面を参照して具体的に説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。ここで説明する下記の実施形態はいずれも、蓄電池用電力変換装置の一例をとりあげて説明する。

【0019】

図１は、本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路および電力変換装置の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、実施形態の電力変換装置のスイッチング素子短絡時の動作の一例を示す図である。また、図３は図２の電力変換装置をシミュレーションのための解析回路に置き換えた一例を示す図であり、図４は図３の解析回路でのスイッチング素子短絡事故時のシミュレーション解析結果を示す図である。

【0020】

本実施形態のヒューズ溶断アシスト回路１０を用いる電力変換装置５５は、電池２０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ、および、系統側からの交流電力を直流電力に変換して電池２０を充電するコンバータからなる。

【0021】

電力変換装置５５は、図１に示すように、ヒューズ溶断アシスト回路１０、スイッチ２１、ヒューズ３０、フィルタ回路４０、およびインバータ５０を備えている。なお、フィルタ回路４０とインバータ５０はユニット化されている構成とする。

【0022】

電池２０は、直流を供給する電源である。電池２０は、充電可能な蓄電池であり、例えばリチウム電池などである。

【0023】

スイッチ２１は、電池２０とインバータ５０との接続を開閉可能に切り替える。また、図１に示す電力変換装置５５は、電池２０以外の直流電源に接続されてもよく、この場合にはスイッチ２１が選択可能に切り替えできる切り替え手段を備える構成であってもよい。

【0024】

ヒューズ溶断アシスト回路１０は、スイッチ２１とヒューズ３０との間に設けられる。すなわち、ヒューズ溶断アシスト回路１０は電池２０とヒューズ３０との間に設けられる。なお、ヒューズ溶断アシスト回路１０の詳細については後述する。

【0025】

ヒューズ３０は、ヒューズ溶断アシスト回路１０とインバータ５０との間に設けられる。ヒューズ３０は、所定の電流値以上で継続して流れると、その接続を溶断可能な保護素子などである。すなわち、ヒューズ３０は、ヒューズ溶断アシスト回路１０とインバータ５０との間の直流経路に、ヒューズ３０の溶断特性に応じた所定の電流値以上の電流が所定の時間以上継続して流れると、接続箇所が溶断し、当該直流経路をオープンする。これにより、インバータ５０のスイッチング素子短絡事故時などに、電池２０はヒューズ溶断アシスト回路１０およびヒューズ３０によって過電流から保護される。

【0026】

インバータ５０は、直流を交流に変換し（インバータ）、または交流を直流に変換する（コンバータ）電力変換器である。インバータ５０は、図１に示すように、直流のリップル（脈動分）を除去するフィルタ回路４０と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の交流側に接続されるＵ相インバータ５０ａ、Ｖ相インバータ５０ｂおよびＷ相インバータ５０ｃとを備えている。

【0027】

Ｕ相インバータ５０ａ、Ｖ相インバータ５０ｂおよびＷ相インバータ５０ｃは、各々、複数のスイッチング素子５１を有している。スイッチング素子５１は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、それと逆並列にダイオード５２が接続されている。

【0028】

フィルタ回路４０は、例えば直流安定化コンデンサ４３および４４、抵抗４１および４２を有している。直流安定化コンデンサ４３および４４は、各々が直列に接続されて、インバータ５０の直流側の端子間に接続される。また、直流安定化コンデンサ４３には抵抗４１が並列に接続され、直流安定化コンデンサ４４には抵抗４２が並列に接続されている。

【0029】

直流安定化コンデンサ４３および４４に蓄えられた電荷は、主にフィルタ回路４０内の抵抗４１および４２を介して、放電可能とされる。例えば、フィルタ回路４０内の抵抗４１および４２は、インバータ５０が停止した際（開放状態）などに直流安定化コンデンサ４３および４４に蓄えられた電荷を放電する。

【0030】

なお、インバータ５０は、図示しないインバータ制御装置により制御され、当該制御に基づいて直流を交流に、または交流を直流に変換する。

【0031】

次に、本実施形態のヒューズ溶断アシスト回路１０の構成について説明する。

【0032】

ヒューズ溶断アシスト回路１０は、第１の分圧抵抗Ｒ１と、第２の分圧抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ３と、ダイオードＤ４とを備えている。

【0033】

第１の分圧抵抗Ｒ１は、電池２０から充電される充電電流を制限するための抵抗である。

【0034】

第２の分圧抵抗Ｒ２は、インバータ５０が停止時に、コンデンサＣ３に充電された電荷を放電させるための抵抗である。また、コンデンサＣ３の両端にかかる電圧安定化の効果を有する。

【0035】

第１の分圧抵抗Ｒ１および第２の分圧抵抗Ｒ２は直列に接続されている。また、この直列に接続された第１の分圧抵抗Ｒ１および第２の分圧抵抗Ｒ２は、電池２０に対して並列に接続されている。

【0036】

コンデンサＣ３は、第２の分圧抵抗Ｒ２に対して並列に接続されている。コンデンサＣ３は、蓄積された電荷を放電する場合に、ヒューズ３０を溶断可能な放電電流を供給する。例えば、コンデンサＣ３では、インバータ５０の通常運転時に、電池２０から充電が行われる。コンデンサＣ３は、静電容量に応じたエネルギーを蓄える。この充電されたエネルギーにより、インバータ５０のスイッチング素子短絡事故時などにヒューズ３０をコンデンサＣ３の放電電流（以降ではアシスト電流Ｉ_Ａａとも記す）によって溶断可能とする。

【0037】

ダイオードＤ４は、インバータ５０のスイッチング素子短絡事故時などに、アシスト電流Ｉ_Ａａがヒューズ３０に流れるように電流方向を制限する整流素子である。ダイオードＤ４は、電池２０の正極側に対して、第１の分圧抵抗Ｒ１と逆並列に接続されている。また、ダイオードＤ４は、アシスト電流Ｉ_ＡａがコンデンサＣ３からヒューズ３０に流れる経路に制限されるように接続されている。

【0038】

ダイオードＤ４は、電池２０、フィルタ回路４０およびインバータ５０などによる容量成分やインダクタンス成分、また、配線などによる浮遊容量や浮遊インダクタンスの影響による共振を抑制する効果を有している。

【0039】

また、ヒューズ溶断アシスト回路１０により、直流安定化コンデンサ４３および４４を有するフィルタ回路４０とインバータ５０との間にヒューズを設けなくてもよいため、直流安定化コンデンサ４３および４４とスイッチング素子５１との間のインピーダンスが大きくなることを回避できる。

【0040】

次に、図２に示す電力変換装置５５ａのスイッチング素子短絡時の動作の一例について説明する。

【0041】

図２に示す電力変換装置５５ａは、ヒューズ溶断アシスト回路１０、スイッチ２１、ヒューズ３０、インバータ５０およびフィルタ回路４０を備えている。

【0042】

図２に示すインバータ５０は、スイッチ２１を介して電池２０に接続されている。ヒューズ溶断アシスト回路１０が電池２０とインバータ５０との間に接続され、かつ、ヒューズ３０がヒューズ溶断アシスト回路１０とインバータ５０との間に接続されている。

【0043】

図２において、インバータ５０のスイッチング素子５１が故障し、インバータ５０にスイッチング素子短絡事故（Ｘ）が発生したとする。

【0044】

この場合に、ヒューズ溶断アシスト回路１０のコンデンサＣ３に蓄積されていた電荷によるアシスト電流Ｉ_Ａａは、ダイオードＤ４を介して、ヒューズ３０を経由してインバータ５０の短絡経路に流れる。コンデンサＣ３に蓄積されていた電荷は、ヒューズ３０を溶断するのに十分なものであり、コンデンサＣ３は、予め少なくとも溶断可能な静電容量のものが選定されて取り付けられている。

【0045】

また、ヒューズ３０溶断する前に、電池２０からも電池電流Ｉ_Ｂａが供給される。但し、電池２０からヒューズ３０までの間のインダクタンス成分は、ヒューズ溶断アシスト回路１０のコンデンサＣ３からヒューズ３０までの間のインダクタンス成分より大きいため、電池電流Ｉ_Ｂａがアシスト電流Ｉ_Ａａより立ち上がりが遅い。ヒューズ電流Ｉ_Ｆａは、アシスト電流Ｉ_Ａａおよび電池電流Ｉ_Ｂａが加えられた電流であり、このヒューズ電流Ｉ_Ｆａがヒューズ３０を流れる。

【0046】

さらに、このヒューズ電流Ｉ_Ｆａとフィルタ回路４０の直流安定化コンデンサＣ５から放電される放電電流Ｉ_Ｃａとが加わって、インバータ５０でのスイッチング素子短絡事故の経路に事故電流Ｉ_Ｓａが流れる。なお、図２に示す直流安定化コンデンサＣ５は、図１に示す直流安定化コンデンサ４３および４４に等価なコンデンサとして示す。

【0047】

ヒューズ３０は、所定の電流値以上のヒューズ電流Ｉ_Ｆａが継続して流れると、溶断する。インバータ５０でのスイッチング素子短絡事故などには、所定の電流値以上の十分大きなアシスト電流Ｉ_Ａａがヒューズ溶断アシスト回路１０から速やかに継続的に供給されるため、ヒューズ３０を速やかに（電池電流Ｉ_Ｂａが大電流とならずに）溶断することができる。このため、インバータ５０にヒューズ溶断アシスト回路１０がない場合と比べて、電池電流Ｉ_Ｂａが大きな電流になることがなく、電池２０を過電流から保護することができる。

【0048】

以上により、インバータ５０のスイッチング素子短絡事故において、ヒューズ溶断アシスト回路１０の動作により電池２０から損傷または劣化の恐れがあるような大電流を流すことなく、速やかにヒューズ３０を溶断することができる。

【0049】

図３は電力変換装置をシミュレーションのための解析回路に置き換えた一例を示す図であり、図４は図３の解析回路でのスイッチング素子短絡事故時のシミュレーション解析結果を示す図である。詳しくは、図２に示すヒューズ溶断アシスト回路１０およびインバータ５０の構成に基づいて、図３に示す解析回路１００に置き換えている。その解析回路１００について、スイッチング素子短絡事故時のシミュレーション解析結果を図４に示している。

【0050】

まず、図２の構成に基づいて、ヒューズ３０の溶断動作について説明する。ヒューズ３０の溶断に必要なエネルギーＰは電流二乗時間積で示され、例えばスイッチング素子短絡事故発生後の時間経過（通電時間）をｔ時間、ヒューズ３０に流れるヒューズ電流Ｉ_Ｆａを短絡電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）とすると、溶断に必要なエネルギーＰは、ヒューズ３０のＩ^２・ｔ特性（溶断特性）に基づいて求めることができる。

【0051】

ここで、図３の解析回路１００では、電池２０の両端の電圧Ｖ（ｔ）、インダクタンス成分のインダクタンスをＺ_Ｌ、また、ヒューズ溶断アシスト回路１０とインバータ５０との間の等価抵抗分をＲとする。なお、実際の解析において、解析回路１００には、変圧器６０、開閉器６１などの他にも図３に図示してない複数の回路や複数の素子が含まれている。

【0052】

図４に、図３について解析波形の例を示す。なお、図４において、横軸は時間であり、縦軸は電流値を示す。なお、（式１）、（式２）およびその他の解析の計算条件として、例えば電池２０の両端の電圧Ｖ（ｔ）＝３２０（Ｖ）、インダクタンスＺ_Ｌ=０．１（μＨ）（実回路より推定）等として求めたものである。

【0053】

図４において、解析より得られるヒューズ３０に流れる電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）、計算より得られる電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）の実効値Ｉ_Ｆａ（ｔ）ｒｍｓ、推定した実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）、および実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）の実効値Ｉ_Ｒ（ｔ）ｒｍｓ、電池電流Ｉ_Ｂａの波形を示す。また、各電流の内容は、以下の通りである。

【0054】

電池電流Ｉ_Ｂａ：電池２０から供給される電流である。

【0055】

ヒューズ３０に流れる電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）：解析より得られるヒューズ３０に流れる電流である。電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）は、ヒューズ溶断アシスト回路１０から流れ込む電流Ｉ_Ａａ及び電池２０から流れ込む電池電流Ｉ_Ｂａが加算された電流である。
即ち、Ｉ_Ｆａ（ｔ）＝Ｉ_Ａａ（ｔ）+Ｉ_Ｂａ（ｔ）・・・（式１）
但し、解析ではヒューズの溶断特性を模擬できないため、図４に示すヒューズ３０に流れる電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）はヒューズ３０の溶断がないとした電流波形となる。

【0056】

電流Ｉ_Ｆａ（ｔ）の実効値Ｉ_Ｆａ（ｔ）ｒｍｓ：（式２)より求められた実効値である。同様に、ヒューズ３０の溶断がないとした波形となる。

【0057】

【数1】

【0058】

仮にヒューズ３０は溶断開始時間ｔ_ｓから溶断開始とすると、溶断開始時間ｔ_ｓ時にヒューズ３０に流れる電流の実効値は（式３）となる。

【0059】

【数2】

【0060】

選定したヒューズ３０の溶断特性Ｉ^２ｔ（溶断Ｉ^２ｔのＩは実効値である）に基づく、（式４）よりヒューズの溶断開始時間ｔ_ｓが求められる。例えば、ヒューズ３０の溶断Ｉ^２ｔはＹ［Ａ²ｓｅｃ］とすると、

【0061】

【数3】

【0062】

以上の計算より、ヒューズ３０の溶断開始時間ｔ_ｓおよびその時点の各電流値が求められる。例えば、溶断開始時間ｔ_ｓ時の溶断アシスト回路から流れ込む電流Ｉ_Ａａ(ｔ_ｓ)及び電池２０から流れ込む電池電流Ｉ_Ｂａ(ｔ_ｓ)である。

【0063】

実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）：ヒューズ３０が溶断とした推定波形である。ヒューズ３０は溶断開始時間ｔ_ｓから溶断開始すると、ヒューズ内部エレメントの溶断により、ヒューズ３０に流れる電流は徐々に下がり始め、最終的に時間ｔｅ（図４に示されない）で完全溶断となり、ヒューズ３０に流れる電流も０になる。実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）はヒューズ３０に流れる推定電流である。

【0064】

実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）の実効値Ｉ_Ｒ（ｔ）ｒｍｓ：ヒューズ３０に流れる実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）の実効値である。

【0065】

図４において、溶断開始時間tｓからヒューズ溶断を開始し、例えば時間ｔｅで完全溶断となるが、解析の計算ではヒューズ３０の溶断特性は模擬できないため、図４に示す短絡電流（電流Ｉ_Ｆａ（ｔ））のような波形になる。

【0066】

実際のヒューズでは、一旦溶断を開始すると、ヒューズに流れる電流は、例えばヒューズ全遮断前の図４に示す実電流Ｉ_Ｒ（ｔ）のように下がることになる。

【0067】

以上の図３の解析結果を、図２の構成で説明すると、ヒューズ３０に流れるヒューズ電流Ｉ_Ｆａは、ヒューズ溶断アシスト回路１０から供給されるアシスト電流Ｉ_Ａａと電池２０から供給される電池電流Ｉ_Ｂａとが加わった電流である。

【0068】

図３の解析条件としては、ヒューズ溶断アシスト回路１０とヒューズ３０との間はブスなどにより近距離で接続されているため、インダクタンス成分が小さい。一方、電池２０とヒューズ３０との間はそれよりも長い距離であり、さらにその間にはケーブルなどで接続される箇所が多く、図３の解析条件としては、その分、インダクタンス成分は大きくなる。

【0069】

このため、スイッチング素子短絡事故時、図４に示すように、ヒューズ溶断アシスト回路１０から大電流であるアシスト電流Ｉ_Ａａが電池電流Ｉ_Ｂａよりも先んじてヒューズ３０へ流れる。実回路のインダクタンスに基づいて、適切にヒューズ３０を選定することにより、電池２０から流れ込む電池電流Ｉ_Ｂａが大電流になる前に、ヒューズ溶断アシスト回路１０から流れ込む電流Ｉ_Ａａによりヒューズ３０を溶断することが可能である。これにより、ヒューズ３０が溶断するため、電池２０から供給される電池電流Ｉ_Ｂａが過大な電流とならない。

【0070】

以上説明したように、本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路および電力変換装置は、インバータの短絡故障などの事故時に速やかにヒューズを溶断することができるため、電池などの直流電源を過電流から保護することができる。

【0071】

また、本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路および電力変換装置によれば、電力変換装置が備える直流安定化コンデンサとインバータとの間にヒューズを設けなくてもよいため、直流安定化コンデンサとスイッチング素子との間のインピーダンスが大きくなることを回避することができる。

【0072】

一方、電力変換装置の小型化の一つの手段として、スイッチング素子と、直流回路安定化用のコンデンサ一体化の技術が進んでいる。このような場合に、電力変換装置における故障時の電源側への影響を低減するために、前述したように、ヒューズと本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路を外付けにして、簡易に保護回路を構成することが有効となる。

【0073】

具体例として、インバータ５０に、家庭用小容量蓄電池システムなどに適用可能なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた汎用型インバータ（量産ベース、標準品として製作されているインバータ等を言うものとする）である。

【0074】

このような汎用インバータの容量は、例えば１００ｋＷ〜５００ｋＷ程度が用いられている。電池２０として用いられるのは、例えばリチウム電池などである。ヒューズ３０は、例えば定格数百Ａ程度の速断ヒューズなどである。

【0075】

ヒューズ溶断アシスト回路１０は、汎用型インバータのスイッチング素子などに直列に挿入する保護回路ではないため、汎用型インバータに外付けして用いることができる。また、例えば、汎用型インバータ内には直流短絡故障時の保護回路を既に備えているが、電池の過電流保護に対しては十分な保護でない場合に、さらにヒューズ溶断アシスト回路１０を適用することができる。

【0076】

なお、以上の説明において、インバータを構成する複数個のスイッチング素子は各々が１個で構成される場合を説明したが、各々のスイッチング素子は複数個のスイッチング素子を並列接続したものでもよく、直列接続したものでもよく、また並列と直列を組み合わせたものであってもよい。

【0077】

本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路によれば、簡易な回路構成であるため、既存のインバータ装置や電力変換装置に適用する場合に、容易に取り付けることができる。例えば既存のＩＧＢＴスタック構成で、本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路を追加するだけで、スタックの変更は不要である。また、既設のＩＧＢＴスタック構成を有する電力変換装置などに、本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路を追加するだけでよく、スタックの変更を必要としない。

【0078】

また、本発明に係るヒューズ溶断アシスト回路によれば、簡易な回路や部品で構成できるため、製造コストを低減することができる。また、補助的な電源や、外部装置が不要なため、故障率を低減することができる。

【0079】

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形には、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0080】

１（Ｒ１）…第１の分圧抵抗、２（Ｒ２）…第２の分圧抵抗、３（Ｃ３）…コンデンサ、４（Ｄ４）…ダイオード、５（Ｃ５）、５ａ（Ｃ５ａ）、４３、４４…直流安定化コンデンサ、１０…ヒューズ溶断アシスト回路、２０…電池、２１…スイッチ、３０、３０ａ…ヒューズ、４０…フィルタ回路、４１、４２…抵抗、５０、５０ｘ…インバータ、５０ａ…Ｕ相インバータ、５０ｂ…Ｖ相インバータ、５０ｃ…Ｗ相インバータ、５１、５１ａ…スイッチング素子、５２、５２ａ…ダイオード、５５、５５ａ、５５ｘ…電力変換装置、６０…変圧器、６１…開閉器、１００…解析回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】