2023-147543 過電圧保護装置及び電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023147543

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】過電圧保護装置及び電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20231005BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022055104

(22)【出願日】2022-03-30

(71)【出願人】

【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】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】岡林 晃司

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 将樹

(72)【発明者】

【氏名】柏木 航平

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA21

5H770BA01

5H770DA03

5H770DA31

5H770DA41

5H770HA03Y

5H770LA01Y

5H770PA01

5H770PA21

5H770PA28

5H770PA42

5H770PA50

5H770QA40

(57)【要約】

【課題】スイッチング素子の温度上昇を、より簡単な構成で抑制できる過電圧保護装置及び電力変換装置を提供する。
【解決手段】一対の端子間に設けられ、前記一対の端子間の電圧が閾値以上となった際に、前記一対の端子間を短絡させることにより、前記一対の端子間の過電圧を抑制するスイッチング素子と、前記スイッチング素子と熱的に結合し、前記スイッチング素子の温度上昇を前記スイッチング素子の過渡熱耐量以下に収めるように、前記スイッチング素子の放熱を行う放熱部材と、を備え、前記放熱部材は、前記スイッチング素子の前記過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によって前記スイッチング素子の温度上昇を抑制する温度上昇抑制部と、前記温度上昇抑制部を支持する支持部と、を有する過電圧保護装置が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の端子間に設けられ、前記一対の端子間の電圧が閾値以上となった際に、前記一対の端子間を短絡させることにより、前記一対の端子間の過電圧を抑制するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子と熱的に結合し、前記スイッチング素子の温度上昇を前記スイッチング素子の過渡熱耐量以下に収めるように、前記スイッチング素子の放熱を行う放熱部材と、
を備え、
前記放熱部材は、
前記スイッチング素子の前記過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によって前記スイッチング素子の温度上昇を抑制する温度上昇抑制部と、
前記温度上昇抑制部を支持する支持部と、
を有する過電圧保護装置。

【請求項2】

前記所定温度は、前記スイッチング素子が過電圧抑制の動作を行っていない状態において前記温度上昇抑制部が相転移を起こしてしまう温度よりも高く、前記スイッチング素子の前記過渡熱耐量の温度よりも低い請求項１記載の過電圧保護装置。

【請求項3】

前記温度上昇抑制部は、低融点金属、低融点金属を含む合金、及び有機物の少なくともいずれかを含む請求項１又は２に記載の過電圧保護装置。

【請求項4】

前記温度上昇抑制部は、前記支持部の内部に設けられる請求項１～３のいずれか１つに記載の過電圧保護装置。

【請求項5】

複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングによって電力の変換を行う主回路部と、
前記複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つのスイッチング素子に設けられ、前記少なくとも１つのスイッチング素子と熱的に結合し、前記少なくとも１つのスイッチング素子の温度上昇を前記少なくとも１つのスイッチング素子の過渡熱耐量以下に収めるように、前記少なくとも１つのスイッチング素子の放熱を行う放熱部材と、
を備え、
前記放熱部材は、
前記少なくとも１つのスイッチング素子の前記過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によって前記少なくとも１つのスイッチング素子の温度上昇を抑制する温度上昇抑制部と、
前記温度上昇抑制部を支持する支持部と、
を有する電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、過電圧保護装置及び電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発電機の短絡故障等の事故が発生した場合に、スイッチング素子に短絡電流を通電し、過電圧を抑制することで、他装置への被害の拡大を抑制する過電圧保護装置がある。過電圧保護装置の動作時には、スイッチング素子に大電流が流れるため、スイッチング素子の温度が急激に上昇する。温度上昇をスイッチング素子の過渡熱耐量以下に収めるためには、スイッチング素子用の放熱部材の放熱能力を高くすることが必要となる。

【0003】

例えば、放熱部材に水冷方式の冷却方式を適用することが行われている。しかしながら、水冷方式では、放熱部材に対して冷却水を循環させるための冷却装置が必要となり、スイッチング素子の温度上昇を抑制するための構成が複雑になってしまう。例えば、冷却装置の追加によるコストの増加や、冷却装置の設置スペースによる装置の大型化などが必要となってしまう。

【0004】

一方、自身の熱容量及び放熱面に接する空気を利用して放熱を行う自冷式の放熱部材とした場合には、放熱能力が低下してしまう。このため、スイッチング素子の並列化などが必要となり、やはりコスト増や大型化を招いてしまう可能性がある。

【0005】

また、複数のスイッチング素子を備え、複数のスイッチング素子のスイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置がある。こうした電力変換装置においても、例えば、負荷側に地絡や短絡などの事故が発生した際に、スイッチング素子に大電流が流れ、スイッチング素子の温度が急激に上昇してしまう可能性がある。このため、電力変換装置においても、過電圧保護装置と同様に、スイッチング素子用の放熱部材の放熱能力を高くすることが求められる。

【0006】

このように、過電圧保護装置及び電力変換装置においては、スイッチング素子の温度上昇を、より簡単な構成で抑制できるようにすることが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平８－３１７６９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の実施形態は、スイッチング素子の温度上昇を、より簡単な構成で抑制できる過電圧保護装置及び電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施形態によれば、一対の端子間に設けられ、前記一対の端子間の電圧が閾値以上となった際に、前記一対の端子間を短絡させることにより、前記一対の端子間の過電圧を抑制するスイッチング素子と、前記スイッチング素子と熱的に結合し、前記スイッチング素子の温度上昇を前記スイッチング素子の過渡熱耐量以下に収めるように、前記スイッチング素子の放熱を行う放熱部材と、を備え、前記放熱部材は、前記スイッチング素子の前記過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によって前記スイッチング素子の温度上昇を抑制する温度上昇抑制部と、前記温度上昇抑制部を支持する支持部と、を有する過電圧保護装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

スイッチング素子の温度上昇を、より簡単な構成で抑制できる過電圧保護装置及び電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係る過電圧保護装置を模式的に表す回路図である。

【図2】第１の実施形態に係る過電圧保護装置の一部を模式的に表す斜視図である。

【図3】第２の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表す回路図である。

【0012】

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0013】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る過電圧保護装置を模式的に表す回路図である。
図１に表したように、過電圧保護装置１０は、第１保護回路１１と、第２保護回路１２と、を備える。

【0014】

過電圧保護装置１０は、例えば、誘導発電機２の二次側に接続して使用される。誘導発電機２の二次側には、例えば、変換器４が設けられる。誘導発電機２は、例えば、三相交流電力を発電し、発電した三相交流電力を変換器４に供給する。変換器４は、例えば、誘導発電機２と接続されるとともに、交流の電力系統と接続され、誘導発電機２から供給された三相交流電力を電力系統に応じた交流電力に変換し、変換後の交流電力を電力系統に供給する。

【0015】

例えば、誘導発電機２の一次側において地絡や短絡故障などの事故が発生すると、誘導発電機２の二次側に過電圧が発生する。こうした過電圧は、変換器４などの故障の要因となってしまう。

【0016】

過電圧保護装置１０は、誘導発電機２の二次側の各線間に接続され、誘導発電機２の二次側に過電圧が発生した際に、誘導発電機２の二次側の各線間を短絡させる。これにより、過電圧保護装置１０は、誘導発電機２の二次側に発生した過電圧から変換器４などを保護する。

【0017】

第１保護回路１１は、３つのスイッチング素子２１、２２、２３と、駆動回路２４と、を有する。３つのスイッチング素子２１、２２、２３は、誘導発電機２の二次側の各線間にΔ接続されている。換言すれば、３つのスイッチング素子２１、２２、２３は、誘導発電機２の二次側の３つの交流端子のそれぞれの間に設けられる。

【0018】

スイッチング素子２１、２２、２３は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。スイッチング素子２１、２２、２３は、一対の主端子間を導通させるオン状態と、一対の主端子間の電流の流れを遮断するオフ状態と、を有する。スイッチング素子２１、２２、２３は、例えば、通常はオフ状態であり、制御端子に入力される信号に基づいてオフ状態からオン状態に切り替わる。スイッチング素子２１、２２、２３は、オン状態となることにより、誘導発電機２の二次側の各線間を短絡させる。なお、オフ状態は、一対の主端子間に電流が全く流れない状態に限ることなく、過電圧保護装置１０の動作に影響の無い程度の微弱な電流が一対の主端子間に流れる状態でもよい。

【0019】

駆動回路２４は、スイッチング素子２１、２２、２３と接続され、スイッチング素子２１、２２、２３のオフ状態からオン状態への切り替えを駆動する。駆動回路２４は、誘導発電機２の二次側の各線間の電圧を検出し、検出した電圧が第１閾値以上となったことに応じて、スイッチング素子２１、２２、２３をオフ状態からオン状態に切り替える。第１閾値は、過電圧の検出レベルである。第１閾値は、例えば、変換器４の最大入力電圧よりも所定電圧だけ低い値に設定される。

【0020】

このように、第１保護回路１１は、誘導発電機２の二次側の各線間の電圧が第１閾値以上となったことに応じて、スイッチング素子２１、２２、２３をオフ状態からオン状態に切り替えることにより、誘導発電機２の二次側の各線間を短絡させる。これにより、誘導発電機２の二次側の各線間に発生する過電圧を抑制することができる。そして、過電圧による変換器４の故障などを抑制することができる。スイッチング素子２１、２２、２３のオフ状態は、換言すれば、過電圧抑制の動作を行っていない状態である。スイッチング素子２１、２２、２３のオン状態は、換言すれば、過電圧抑制の動作を行っている状態である。

【0021】

スイッチング素子２１、２２、２３には、例えば、サイリスタが用いられる。駆動回路２４は、換言すれば、サイリスタの制御端子に点弧パルスを入力することによって、サイリスタを点弧させる点弧回路である。但し、スイッチング素子２１、２２、２３は、サイリスタに限ることなく、誘導発電機２の二次側の各線間に発生する過電圧に耐えることが可能な任意の素子でよい。スイッチング素子２１、２２、２３は、例えば、ＩＧＢＴなどの自励式のスイッチング素子などでもよい。

【0022】

第２保護回路１２は、６つのスイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを有する。スイッチング素子３１ａ、３２ａ、３３ａは、誘導発電機２の二次側の各線間にΔ接続されている。スイッチング素子３１ａ、３２ａ、３３ａは、換言すれば、誘導発電機２の二次側の３つの交流端子のそれぞれの間に設けられる。スイッチング素子３１ｂは、スイッチング素子３１ａに対して逆並列に接続されている。同様に、スイッチング素子３２ｂは、スイッチング素子３２ａに対して逆並列に接続され、スイッチング素子３３ｂは、スイッチング素子３３ａに対して逆並列に接続されている。

【0023】

スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、一対の主端子を有する。スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、スイッチング素子２１、２２、２３と同様に、オン状態とオフ状態とを有する。スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、通常はオフ状態であり、一対の主端子間に印加された電圧が第２閾値以上となったことに応じて、オフ状態からオン状態に切り替わる。スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、オン状態となることにより、誘導発電機２の二次側の各線間を短絡させる。

【0024】

このように、第２保護回路１２は、誘導発電機２の二次側の各線間の電圧が第２閾値以上となったことに応じて、スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂがオフ状態からオン状態に切り替わることにより、誘導発電機２の二次側の各線間を短絡させる。

【0025】

第２閾値は、例えば、第１閾値よりも高い値に設定される。第２閾値は、例えば、第１閾値よりも高く、変換器４の最大入力電圧よりも低い値に設定される。これにより、例えば、第１保護回路１１の駆動回路２４が故障を起こした際などにも、誘導発電機２の二次側の各線間の電圧が第１閾値よりも高い第２閾値以上となることにより、スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂがオフ状態からオン状態に切り替わり、誘導発電機２の二次側の各線間を短絡させる。これにより、誘導発電機２の二次側の各線間に発生する過電圧をより確実に抑制することができる。過電圧による変換器４の故障などをより確実に抑制することができる。

【0026】

なお、第２閾値は、第１閾値と同じでもよいし、第１閾値よりも低い値に設定してもよい。第１閾値及び第２閾値は、誘導発電機２の二次側の各線間に発生する過電圧を適切に抑制することができる任意の値でよい。

【0027】

スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂには、例えば、過電圧保護機能付きサイリスタ（ＶＢＯフリーサイリスタ）などが用いられる。但し、スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、これに限ることなく、誘導発電機２の二次側の各線間に発生する過電圧に耐えることができ、かつ、一対の主端子間の電圧に応じて自らオフ状態からオン状態に切り替わることが可能な任意のスイッチング素子でよい。

【0028】

スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは、制御端子をさらに有してもよい。例えば、一対の主端子間に印加された電圧が第２閾値以上となった際に、制御端子の電圧が所定電圧以上となるように回路を構成することにより、一対の主端子間に印加された電圧が第２閾値以上となったことに応じて、スイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂが、オフ状態からオン状態に切り替わるようにしてもよい。

【0029】

図２は、第１の実施形態に係る過電圧保護装置の一部を模式的に表す斜視図である。
図２に表したように、過電圧保護装置１０は、放熱部材５０をさらに備える。放熱部材５０は、スイッチング素子２１と熱的に結合し、スイッチング素子２１の温度上昇をスイッチング素子２１の過渡熱耐量以下に収めるように、スイッチング素子２１の放熱を行う。放熱部材５０は、スイッチング素子２１の温度上昇を抑制する。放熱部材５０は、より詳しくは、自身の熱容量及び放熱面に接する空気を利用して放熱を行う自冷式の放熱部材である。

【0030】

放熱部材５０は、例えば、スイッチング素子２１と直接接することにより、スイッチング素子２１と熱的に結合する。放熱部材５０は、例えば、放熱グリースなどの別の部材を介して、スイッチング素子２１と熱的に結合してもよい。このように、放熱部材５０は、スイッチング素子２１と直接接してもよいし、別の部材を介してスイッチング素子２１と接してもよい。

【0031】

過電圧保護装置１０は、第１保護回路１１の複数のスイッチング素子２１、２２、２３、及び第２保護回路１２の複数のスイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂのそれぞれに設けられた複数の放熱部材５０を備える。複数の放熱部材５０は、複数のスイッチング素子２１、２２、２３、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂのそれぞれの放熱を行う。複数の放熱部材５０の構成は、実質的に同じであるので、スイッチング素子２１に設けられた放熱部材５０を例に説明を行う。

【0032】

放熱部材５０は、温度上昇抑制部５１と、支持部５２と、を有する。温度上昇抑制部５１は、スイッチング素子２１の過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によってスイッチング素子２１の温度上昇を抑制する。支持部５２は、温度上昇抑制部５１を支持する。

【0033】

支持部５２は、例えば、スイッチング素子２１との取り付けに用いられる。放熱部材５０は、例えば、支持部５２を介してスイッチング素子２１に取り付けられる。例えば、支持部５２に複数のネジ孔が設けられ、複数のネジによってスイッチング素子２１を支持部５２にネジ止めすることにより、放熱部材５０が、スイッチング素子２１に取り付けられる。

【0034】

但し、スイッチング素子２１と放熱部材５０との取り付けは、上記に限るものではない。放熱部材５０は、別の部材を介してスイッチング素子２１に取り付けてもよい。例えば、複数のスイッチング素子２１、２２、２３を積層構造とする場合がある。この場合には、例えば、スイッチング素子２１とスイッチング素子２２との間に１つの放熱部材５０が設けられ、スイッチング素子２２とスイッチング素子２３との間に別の１つの放熱部材５０が設けられる。そして、スイッチング素子２１、２２、２３と２つの放熱部材５０との積層体を両側から挟んで支持する支持体が設けられる。このように、放熱部材５０のスイッチング素子２１への取り付け方法は、スイッチング素子２１と放熱部材５０とを熱的に結合させた状態で適切に取り付けることができる任意の方法でよい。また、上記のように、放熱部材５０は、１つのスイッチング素子に限ることなく、複数のスイッチング素子に対して共通に用いてもよい。

【0035】

温度上昇抑制部５１は、例えば、支持部５２の内部に設けられる。換言すれば、温度上昇抑制部５１は、全周を支持部５２に覆われた状態で、支持部５２内に収容される。この場合、支持部５２が、スイッチング素子２１と熱的に結合し、温度上昇抑制部５１は、支持部５２と熱的に結合することにより、支持部５２を介してスイッチング素子２１と熱的に結合する。

【0036】

支持部５２が、スイッチング素子２１と熱的に結合する場合には、支持部５２もスイッチング素子２１の温度上昇の抑制に寄与する。支持部５２は、温度上昇抑制部５１を支持するとともに、自身の熱容量及び放熱面に接する空気を利用してスイッチング素子２１の放熱を行う。

【0037】

但し、温度上昇抑制部５１は、必ずしも支持部５２の内部に設けなくてもよい。温度上昇抑制部５１は、例えば、支持部５２の外側に設けてもよい。例えば、温度上昇抑制部５１は、スイッチング素子２１と接することにより、スイッチング素子２１と直接的に熱的に結合してもよい。支持部５２は、必ずしもスイッチング素子２１の温度上昇の抑制に寄与しなくてもよい。

【0038】

図２では、支持部５２を矩形状とし、温度上昇抑制部５１を支持部５２内に設けられた球体状としている。温度上昇抑制部５１の形状及び支持部５２の形状は、これに限ることなく、任意の形状でよい。

【0039】

上記のように、温度上昇抑制部５１は、スイッチング素子２１の過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移する。スイッチング素子２１がオフ状態である場合、温度上昇抑制部５１の相（物理的状態）は、例えば、固体である。換言すれば、スイッチング素子２１が過電圧抑制の動作を行っていない状態における温度上昇抑制部５１の相は、例えば、固体である。

【0040】

スイッチング素子２１がオン状態となり、誘導発電機２の二次側の線間がスイッチング素子２１によって短絡すると、スイッチング素子２１に大きな電流が流れ、スイッチング素子２１の温度が急激に上昇する。

【0041】

スイッチング素子２１の温度上昇にともなって温度上昇抑制部５１の温度が上昇し、温度上昇抑制部５１の温度が所定温度に到達すると、温度上昇抑制部５１の相が変化し始める。例えば、温度上昇抑制部５１の相が、固体から液体に変化し始める。これにより、温度上昇抑制部５１の潜熱（融解熱）によってスイッチング素子２１の温度上昇を抑制することができる。例えば、スイッチング素子２１の温度が所定温度よりも高くなることを抑制することができる。

【0042】

誘導発電機２の一次側の事故などに起因する誘導発電機２の二次側の過電圧は、誘導発電機２の動作の停止などにより、比較的短い時間で解消される。誘導発電機２の二次側の過電圧の発生期間は、例えば、数秒以下（例えば２秒以下）である。温度上昇抑制部５１は、この過電圧の発生期間において、スイッチング素子２１の温度上昇をスイッチング素子２１の過渡熱耐量以下に収めればよい。

【0043】

例えば、過電圧の発生期間（想定される所定の期間）において、温度上昇抑制部５１の一部のみが相転移し、別の一部は相転移せずに残るように、温度上昇抑制部５１の大きさ（質量）を調整する。例えば、過電圧の発生期間の開始から終了までの間に、固体の温度上昇抑制部５１の一部のみが融解し、別の一部は固体のまま残るように、温度上昇抑制部５１の大きさを調整する。

【0044】

これにより、スイッチング素子２１の温度が所定温度よりも高くなることをより適切に抑制することができる。例えば、過電圧の発生期間内において、温度上昇抑制部５１の全てが相転移し、再び温度上昇抑制部５１及びスイッチング素子２１の温度が上昇してしまうことを抑制することができる。但し、温度上昇抑制部５１の大きさは、上記に限ることなく、任意の大きさでよい。

【0045】

温度上昇抑制部５１が相転移すると、温度上昇抑制部５１の体積が増加する。このため、上記のように、温度上昇抑制部５１が、支持部５２の内部に設けられている場合には、支持部５２内の空気や体積の増加した温度上昇抑制部５１の一部を外部に排出できるようにするための排出孔を支持部５２に設けてもよい。これにより、温度上昇抑制部５１の体積の増加により、支持部５２が破損してしまうことなどを抑制することができる。

【0046】

例えば、スイッチング素子２１がサイリスタである場合、過渡熱耐量の温度は、例えば、２００℃～３００℃程度である。

【0047】

所定温度は、スイッチング素子２１が過電圧抑制の動作を行っていない状態（オフ状態）においては、温度上昇抑制部５１が相転移を起こすことなく、スイッチング素子２１が過電圧抑制の動作を行っている状態（オン状態）の時にのみ、温度上昇抑制部５１が相転移を起こす範囲において、なるべく低く設定することが好ましい。スイッチング素子２１がサイリスタである場合には、所定温度は、素子が動作しない状態において生じうる最大温度より少し上の温度（例えば６０℃程度）とすることが好適である。

【0048】

但し、所定温度は、スイッチング素子２１が過電圧抑制の動作を行っていない状態において温度上昇抑制部５１が相転移を起こしてしまう温度よりも高く、スイッチング素子２１の過渡熱耐量の温度よりも低い任意の温度でよい。所定温度は、スイッチング素子２１の種類や放熱部材５０の設置環境などに応じて適宜設定すればよい。

【0049】

温度上昇抑制部５１には、例えば、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂなどの低融点金属、低融点金属を含む合金、及びパラフィンなどの有機物などが用いられる。換言すれば、温度上昇抑制部５１は、低融点金属、低融点金属を含む合金、及び有機物の少なくともいずれかを含む。これにより、温度上昇抑制部５１を上記のように相転移させることができる。但し、温度上昇抑制部５１の材質は、必要とする放熱スピードや相転移を開始する温度などに応じて適宜選定すればよい。温度上昇抑制部５１の材質は、上記のように相転移させることが可能な任意の材質でよい。

【0050】

温度上昇抑制部５１は、例えば、材質の異なる複数の部分を有してもよい。温度上昇抑制部５１は、例えば、第１所定温度で相転移を開始する第１部分と、第１所定温度よりも高い第２所定温度で相転移を開始する第２部分と、を有してもよい。温度上昇抑制部５１は、２つに限ることなく、３つ以上の部分を有してもよい。

【0051】

支持部５２には、例えば、銅、アルミニウム、鉄などの熱伝導率の高い高融点の金属材料が用いられる。これにより、支持部５２によって適切に温度上昇抑制部５１を支持しつつ、支持部５２を介してスイッチング素子２１の温度を温度上昇抑制部５１に伝達させる際にも、スイッチング素子２１の温度を適切に温度上昇抑制部５１に伝達することができる。

【0052】

支持部５２の融点は、例えば、スイッチング素子２１の過渡熱耐量の温度よりも高い。これにより、スイッチング素子２１から加わる熱によって支持部５２が融け、温度上昇抑制部５１を支持できなくなってしまうことを抑制することができる。但し、支持部５２の材質は、上記に限ることなく、温度上昇抑制部５１を適切に支持することができる任意の材質でよい。支持部５２は、例えば、材質の異なる複数の部材で構成してもよい。

【0053】

なお、複数のスイッチング素子２１、２２、２３、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂのそれぞれに設けられる複数の放熱部材５０は、少なくとも温度上昇抑制部５１と支持部５２とを有していればよい。複数の放熱部材５０のそれぞれの形状や大きさなどは、必ずしも同じでなくてもよい。また、温度上昇抑制部５１の材質及び支持部５２の材質は、複数の放熱部材５０のそれぞれで異なってもよい。複数の放熱部材５０の構成は、複数のスイッチング素子２１、２２、２３、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂのそれぞれの温度上昇を適切に抑制することができる任意の構成でよい。

【0054】

以上、説明したように、本実施形態に係る過電圧保護装置１０では、放熱部材５０が、温度上昇抑制部５１と支持部５２とを有し、温度上昇抑制部５１が、スイッチング素子２１の過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によってスイッチング素子２１の温度上昇を抑制する。

【0055】

従って、本実施形態に係る過電圧保護装置１０では、水冷を行うための冷却装置を設けたり、スイッチング素子を並列化したりすることなく、複数のスイッチング素子２１、２２、２３、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂのそれぞれの温度上昇を適切に抑制することができる。例えば、自冷式の放熱部材５０においても、水冷式に近い放熱能力を得ることができる。

【0056】

このように、本実施形態に係る過電圧保護装置１０では、スイッチング素子２１、２２、２３、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂの温度上昇を、より簡単な構成で抑制することができる。例えば、部品点数の増加にともなうコストの増加や装置の大型化などを抑制することができる。

【0057】

また、上記のように、誘導発電機２の二次側の過電圧の発生期間は、例えば、数秒以下である。さらに、誘導発電機２の一次側において地絡や短絡故障などの事故が発生し、誘導発電機２の二次側に過電圧が発生する頻度は極めて低い。例えば、温度上昇抑制部５１が過電圧の抑制にともなって相転移し、形状が変化したり、温度上昇抑制部５１の一部が外部に排出されたりするなどして、放熱部材５０が使用できなくなってしまった場合には、過電圧保護装置１０や放熱部材５０を交換すればよい。誘導発電機２の二次側に接続して使用される過電圧保護装置１０は、１回の過電圧の発生にともなうスイッチング素子の温度上昇を適切に抑制できればよい。このため、温度上昇抑制部５１と支持部５２とを有する放熱部材５０は、誘導発電機２の二次側に接続して使用される過電圧保護装置１０に適用することが、特に有用である。

【0058】

但し、過電圧保護装置１０は、誘導発電機２の二次側に接続して使用されるものに限ることなく、例えば、単相交流電力を発電する発電機の出力側の一対の線間に接続して使用されるものや、直流電源の出力側の一対の線間に接続して使用されるものなどでもよい。過電圧保護装置１０のスイッチング素子は、単相交流の一対の交流端子間に設けてもよいし、直流電源などの一対の直流端子間に設けてもよい。過電圧保護装置１０に設けられるスイッチング素子の構成は、一対の端子間に設けられ、一対の端子間の電圧が閾値以上となった際に、一対の端子間を短絡させることにより、一対の端子間の過電圧を抑制する任意の構成でよい。

【0059】

上記実施形態では、スイッチング素子が過電圧抑制の動作を行っていない状態における温度上昇抑制部５１の相を固体としている。スイッチング素子が過電圧抑制の動作を行っていない状態における温度上昇抑制部５１の相は、固体に限ることなく、液体でもよい。温度上昇抑制部５１は、液体から気体への変化にともなう蒸発熱（気化熱）によってスイッチング素子の温度上昇を抑制してもよい。

【0060】

例えば、スイッチング素子が過電圧抑制の動作を行っていない状態における温度上昇抑制部５１の相を固体とし、温度上昇抑制部５１の温度が第１所定温度に到達したことに応じて温度上昇抑制部５１を固体から液体に変化させるとともに、温度上昇抑制部５１が液体に変化した後、温度上昇抑制部５１の温度が第１所定温度よりも高い第２所定温度に到達したことに応じて温度上昇抑制部５１を液体から気体に変化させてもよい。これにより、スイッチング素子の温度上昇をより適切に抑制することができる。

【0061】

温度上昇抑制部５１の一部は、液体や気体に相転移した後、放熱部材５０の外部に排出されるようにしてもよい。例えば、温度上昇抑制部５１の一部は、固体から液体に変化した後、放熱部材５０の外部に融け落ちてもよいし、液体から気体に変化した後、放熱部材５０の外部に噴出されてもよい。これにより、前述のように、体積の変化による支持部５２の破損などを抑制することができる。特に、気体に変化する場合には、体積の膨張が大きいため、温度上昇抑制部５１の一部が、外部に噴出されるように構成することが好適である。但し、放熱部材５０は、温度上昇抑制部５１の一部が放熱部材５０の外部に排出された際にも、空隙などによって温度上昇抑制部５１とスイッチング素子との熱的な結合が阻害されないようにすることが好適である。

【0062】

温度上昇抑制部５１は、所定温度に到達して相転移した後、所定温度よりも低くなることによって、前の相に戻るようにしてもよい。すなわち、温度上昇抑制部５１は、再使用可能に構成してもよい。また、例えば、支持部５２のみを再使用可能とし、過電圧の抑制を一度行った後、温度上昇抑制部５１のみを交換できるようにしてもよい。

【0063】

例えば、図２に表したように、温度上昇抑制部５１を支持部５２の内部に設ける。これにより、例えば、温度上昇抑制部５１が固体から液体に変化した後、温度上昇抑制部５１が温度の低下に応じて液体から固体に戻り、温度上昇抑制部５１を再使用可能とすることもできる。

【0064】

また、温度上昇抑制部５１を支持部５２の内部に設けた場合には、例えば、温度上昇抑制部５１の設置を容易にすることができる。例えば、温度上昇抑制部５１の通常の状態が液体である場合にも、適切に温度上昇抑制部５１を設置することができる。また、温度上昇抑制部５１を支持部５２の内部に設けた場合には、例えば、支持部５２によって放熱部材５０をスイッチング素子に取り付けることができ、放熱部材５０のスイッチング素子への取り付けの構成を簡単にすることができる。

【0065】

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表す回路図である。
図３に表したように、電力変換装置１００は、主回路部１０１を備える。主回路部１０１は、三相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子１１１～１１６と、６つのスイッチング素子１１１～１１６のそれぞれに対して逆並列に接続された６つの整流素子１２１～１２６と、６つのスイッチング素子１１１～１１６のそれぞれに対して並列に接続された電荷蓄積素子１３０と、を有する。

【0066】

主回路部１０１では、各スイッチング素子１１１～１１６の両端が、一対の直流端子１０６ａ、１０６ｂとなり、スイッチング素子１１１とスイッチング素子１１２との接続点、スイッチング素子１１３とスイッチング素子１１４との接続点、及びスイッチング素子１１５とスイッチング素子１１６との接続点が、それぞれ３つの交流端子１０８ａ～１０８ｃとなる。電力変換装置１００（主回路部１０１）は、いわゆる三相２レベルインバータである。

【0067】

主回路部１０１は、例えば、各交流端子１０８ａ～１０８ｃを介して交流電力系統と接続される。各交流端子１０８ａ～１０８ｃは、例えば、図示を省略した遮断器や変圧器などを介して交流電力系統と接続される。また、主回路部１０１は、例えば、一対の直流端子１０６ａ、１０６ｂを介して直流電源あるいは直流負荷と接続される。主回路部１０１は、例えば、各スイッチング素子１１１～１１６のスイッチングにより、直流から交流への変換及び交流から直流への変換の少なくとも一方を行う。

【0068】

電力変換装置１００は、６つのスイッチング素子１１１～１１６のそれぞれに設けられた６つの放熱部材１５１～１５６をさらに備える。放熱部材１５１～１５６の構成は、上記第１の実施形態に関して説明した放熱部材５０と同様に、温度上昇抑制部５１と支持部５２とを有する。放熱部材１５１～１５６の構成は、上記第１の実施形態に関して説明した放熱部材５０の構成と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。放熱部材１５１～１５６は、対応するスイッチング素子１１１～１１６と熱的に結合し、スイッチング素子１１１～１１６の温度上昇をスイッチング素子１１１～１１６の過渡熱耐量以下に収めるように、スイッチング素子１１１～１１６の放熱を行う。

【0069】

電力変換装置１００では、例えば、交流系統側あるいは直流負荷側に地絡や短絡などの事故が発生した際に、スイッチング素子１１１～１１６に比較的大きな電流が流れ、スイッチング素子１１１～１１６の温度が急激に上昇してしまう可能性がある。この際、電力変換装置１００では、放熱部材１５１～１５６の温度上昇抑制部５１が、スイッチング素子１１１～１１６の過渡熱耐量の温度よりも低い所定温度で相転移することにより、潜熱によってスイッチング素子１１１～１１６の温度上昇を抑制する。これにより、電力変換装置１００では、上記第１の実施形態と同様に、スイッチング素子１１１～１１６の温度上昇を、より簡単な構成で抑制することができる。

【0070】

なお、電力変換装置は、三相２レベルインバータに限定されるものではない。電力変換装置は、単相２レベルインバータでもよいし、３レベルインバータなどのマルチレベルインバータなどでもよい。主回路部に設けられるスイッチング素子の数は、６つに限ることなく、任意の数でよい。電力変換装置（主回路部）の構成は、複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のスイッチングによって電力の変換を行う任意の構成でよい。電力変換装置による電力の変換は、電力を複数のスイッチング素子のスイッチングによって別の電力に変換する任意の変換でよい。

【0071】

図３に表した例では、複数のスイッチング素子のそれぞれに複数の放熱部材を設けている。放熱部材の数は、必ずしもスイッチング素子の数と同じでなくてもよい。放熱部材は、２つ以上のスイッチング素子に対して共通に用いてもよい。例えば、図３の例では、スイッチング素子１１１、１１２に対して１つ、スイッチング素子１１３、１１４に対して１つ、スイッチング素子１１５、１１６に対して１つの合計３つの放熱部材を設けてもよい。例えば、主回路部の複数のスイッチング素子に対して１つの放熱部材を設けてもよい。さらには、複数のスイッチング素子のそれぞれに対応する複数の温度上昇抑制部を１つの放熱部材に設けてもよい。支持部は、複数の温度上昇抑制部を支持する構成としてもよい。

【0072】

電力変換装置に設けられる放熱部材の構成は、複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つのスイッチング素子に設けられ、少なくとも１つのスイッチング素子と熱的に結合し、少なくとも１つのスイッチング素子の温度上昇を少なくとも１つのスイッチング素子の過渡熱耐量以下に収めるように、少なくとも１つのスイッチング素子の放熱を行う任意の構成でよい。

【0073】

本発明のいくつか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。これら新規な実施形態は、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は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

【符号の説明】

【0074】

２…誘導発電機、 ４…変換器、 １０…過電圧保護装置、 １１…第１保護回路、 １２…第２保護回路、 ２１、２２、２３…スイッチング素子、 ２４…駆動回路、 ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ…スイッチング素子、 ５０…放熱部材、 ５１…温度上昇抑制部、 ５２…支持部、 １００…電力変換装置、 １０１…主回路部、 １１１～１１６…スイッチング素子、 １２１～１２６…整流素子、 １３０…電荷蓄積素子、 １５１～１５６…放熱部材

【図1】

【図2】

【図3】