特許 7092917 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】

(24)【登録日】2022-06-20

(45)【発行日】2022-06-28

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220621BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021073297

(22)【出願日】2021-04-23

(62)【分割の表示】P 2019559959の分割

【原出願日】2017-12-21

(65)【公開番号】P2021106500

(43)【公開日】2021-07-26

【審査請求日】2021-04-23

(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】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 聡

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０５６１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１５２６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２２８５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１０８０４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２７３２５２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電力が通過するパワーラインを有する電力変換装置であって、
前記パワーラインは、
第１方向に延在し、前記第１方向と直交する第２方向において互いに対向する第１ライン部および第２ライン部と、
前記第１ライン部と前記第２ライン部との間に配置された第１絶縁体とを含み、
前記第１ライン部は、
前記第１方向に延在する第１線路導体と、
前記第１方向に延在し、前記第１線路導体の両縁にそれぞれ沿って固定された第１補強部および第２補強部とを有し、
前記電力変換装置は、
前記直流電力が入力される第１端子および第２端子と、
前記第１端子と前記第２端子との間において、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に対して、並列に接続された第１コンデンサとをさらに備え、
前記パワーラインは、前記第１コンデンサと前記第１端子との第２接続点から前記第１スイッチング素子までの第１経路と、前記第１コンデンサと前記第２端子との第３接続点から前記第２スイッチング素子までの第２経路とを含み、
前記第１ライン部および前記第２ライン部の各々は、前記第１経路または前記第２経路に含まれ、
前記第１線路導体、前記第１補強部、および前記第２補強部は、一体的に形成され、
前記第１ライン部は、前記第１線路導体および前記第１補強部の接続部分において屈曲しているとともに、前記第１線路導体および前記第２補強部の接続部分において屈曲し、
前記第２方向から前記パワーラインを平面視した場合、前記第１補強部および前記第２補強部の各々は、前記第１絶縁体に重なっていない、電力変換装置。

【請求項2】

直流電力が通過するパワーラインを有する電力変換装置であって、
前記パワーラインは、
第１方向に延在する第１ライン部および第２ライン部と、
前記第１ライン部と前記第２ライン部との間に配置された第１絶縁体とを含み、
前記第１ライン部は、
前記第１方向に延在する第１線路導体と、
前記第１方向に延在し、前記第１線路導体の両縁にそれぞれ沿って固定された第１補強部および第２補強部とを有し、
前記電力変換装置は、
前記直流電力が入力される第１端子および第２端子と、
前記第１端子と前記第２端子との間において、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に対して、並列に接続された第１コンデンサとをさらに備え、
前記パワーラインは、前記第１コンデンサと前記第１端子との第２接続点から前記第１スイッチング素子までの第１経路と、前記第１コンデンサと前記第２端子との第３接続点から前記第２スイッチング素子までの第２経路とを含み、
前記第１ライン部および前記第２ライン部の各々は、前記第１経路または前記第２経路に含まれ、
前記第１補強部および前記第２補強部は、前記第１絶縁体とは別個の第２絶縁体から形成されている、電力変換装置。

【請求項3】

前記第２ライン部は、
前記第１方向に延在する第２線路導体と、
前記第１方向に延在し、前記第２線路導体の両縁にそれぞれ沿って固定された第３補強部および第４補強部とを有する、請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記第１経路に含まれる第１ヒューズと、
前記第２経路に含まれる第２ヒューズとをさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との第１接続点に接続された第３端子と、
前記第１端子と前記第３端子との間において、前記第１スイッチング素子と直列に接続された第３スイッチング素子と、
前記第２端子と前記第３端子との間において、前記第２スイッチング素子と直列に接続された第４スイッチング素子と、
前記第１端子と前記第２端子との間において、前記第１コンデンサと直列に接続された第２コンデンサとをさらに備える、請求項４に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電力が通過するパワーラインを有する電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、直流電力が通過するパワーラインを有する電力変換装置が知られている。たとえば、特開２０１５－１１５９７５号公報（特許文献１）には、直列に接続された複数のスイッチング素子に対して並列に接続された直流コンデンサを、過電圧状態から保護するアクティブクランプ回路を備える電力変換装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－１１５９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

スイッチング素子が短絡する短絡事故が発生した場合、スイッチング素子と並列に接続されたコンデンサからパワーラインに直流電力が開放され、パワーラインに通常よりも大きな電流が流れ、パワーラインに含まれる直流導体が破損あるいは変形し得る。直流導体が破損あるいは変形すると、電力変換装置が短絡事故から復旧するのに要する時間が長くなる。

【0005】

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、短絡事故が発生した場合の、直流導体の破損および変形を抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る電力変換装置は、直流電力が通過するパワーラインを有する。パワーラインは、第１および第２ライン部と、第１絶縁体とを含む。第１および第２ライン部は、第１方向に延在する。第１絶縁体は、第１ライン部と第２ライン部との間に配置されている。第１ライン部は、第１線路導体と、第１および第２補強部とを有する。第１線路導体は、第１方向に延在する。第１および第２補強部は、第１方向に延在し、第１線路導体の両縁にそれぞれ沿って固定されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係る電力変換装置によれば、第１線路導体の両縁にそれぞれ沿って固定された第１および第２補強部により第１線路導体の強度が向上する。そのため、短絡事故が発生した場合の第１線路導体の破損および変形を抑制することができる。その結果、電力変換装置が短絡事故から復旧するのに要する時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る電力変換装置の一例であるインバータの回路図である。

【図2】図１のインバータのパワーラインに含まれる直流導体の外観斜視図である。

【図3】図２の直流導体をＸ軸方向から平面視した図である。

【図4】実施の形態１の変形例に係る直流導体の外観斜視図である。

【図5】実施の形態２に係る直流導体の外観斜視図である。

【図6】図５の直流導体をＸ軸方向から平面視した図である。

【図7】実施の形態２の変形例に係る直流導体の外観斜視図である。

【図8】実施の形態３に係る電力変換装置の一例であるインバータの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中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として繰り返さない。

【0010】

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の一例であるインバータ１の回路図である。図１に示されるように、インバータ１は、端子Ｐ１～Ｐ３と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、コンデンサＣ１１と、ヒューズＦｓ１，Ｆｓ２とを備える。インバータ１は、２レベルインバータである。

【0011】

端子Ｐ１，Ｐ２には、直流電源Ｂ１から直流電力が入力される。直流電源Ｂ１は、直流電力を出力するものであればどのようなものでもよく、たとえば発電機、コンバータ、および蓄電池を含む。コンデンサＣ１１は、端子Ｐ１とＰ２との間に接続されている。

【0012】

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、端子Ｐ１とＰ２との間において直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。スイッチング素子Ｑ１のエミッタと、スイッチング素子Ｑ２のコレクタが接続点Ｎ１において接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に逆並列に接続されている。端子Ｐ３は、接続点Ｎ１に接続されている。

【0013】

ヒューズＦｓ１は、端子Ｐ１とスイッチング素子Ｑ１のコレクタとの間に接続されている。ヒューズＦｓ２は、端子Ｐ２とスイッチング素子Ｑ２のエミッタとの間に接続されている。

【0014】

インバータ１は、直流電源Ｂ１からの直流電力が通過するパワーラインを有する。パワーラインは、たとえば端子Ｐ１からスイッチング素子Ｑ１のコレクタまでの経路、および端子Ｐ２からスイッチング素子Ｑ２のエミッタまでの経路を含む。

【0015】

図２は、図１のインバータ１のパワーラインに含まれる直流導体１００の外観斜視図である。図２に示されるように、直流導体１００は、ライン部Ｍ１１，Ｍ１２と、碍子Ｉｎ１～Ｉｎ６とを含む。ライン部Ｍ１１，Ｍ１２は、Ｘ軸方向に延在している。直流電力は、ライン部Ｍ１１，Ｍ１２を通過する。碍子Ｉｎ１～Ｉｎ６の各々は、ライン部Ｍ１１とＭ１２との間に配置されている。

【0016】

図３は、図２の直流導体１００をＸ軸方向から平面視した図である。図３に示されるように、ライン部Ｍ１１は、線路導体１１１と、補強部１１２，１１３とを含む。線路導体１１１、および補強部１１２，１１３は、一体的に形成されている。ライン部Ｍ１１は、線路導体１１１および補強部１１２の接続部分において屈曲している。ライン部Ｍ１１は、線路導体１１１および補強部１１３の接続部分において屈曲している。

【0017】

ライン部Ｍ１２は、線路導体１２１と、補強部１２２，１２３とを含む。線路導体１２１、および補強部１２２，１２３は、一体的に形成されている。ライン部Ｍ１２は、線路導体１２１および補強部１２２の接続部分において屈曲している。ライン部Ｍ１２は、線路導体１２１および補強部１２３の接続部分において屈曲している。

【0018】

再び図１を参照して、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が短絡する短絡事故が発生した場合、コンデンサＣ１１からパワーラインに直流電力が開放され、パワーラインに通常よりも大きな電流が流れる。当該電流によって、ヒューズＦｓ１，Ｆｓ２が溶断され、コンデンサＣ１１からスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２への電流が遮断される。

【0019】

短絡事故が発生してからヒューズＦｓ１，Ｆｓ２が溶断されるまでの間にパワーラインに通常よりも大きな電流が流れ、パワーラインに含まれる直流導体が破損あるいは変形し得る。直流導体が破損あるいは変形すると、インバータ１が短絡事故から復旧するのに要する時間が長くなる。

【0020】

再び図３を参照して、直流導体１００によれば、線路導体１１１の両縁にそれぞれ沿って固定された補強部１１２，１１３により線路導体１１１の強度が向上する。また、線路導体１２１の両縁にそれぞれ沿って固定された補強部１２２，１２３により線路導体１２１の強度が向上する。そのため、短絡事故が発生した場合の直流導体１００の破損および変形を抑制することができる。その結果、インバータ１が短絡事故から復旧するのに要する時間を短縮することができる。

【0021】

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１においては、直流導体に含まれる全てのライン部において、その両縁に２つの補強部がそれぞれ固定される場合について説明した。直流導体に含まれる全てのライン部の両縁に２つの補強部がそれぞれ固定されていなくてもよい。図４に示されるように、実施の形態１の変形例に係る直流導体１００Ａは、補強部が両縁に固定されていないライン部Ｍ９２を含んでいてもよい。また、直流導体に含まれるライン部は、３つ以上であってもよい。

【0022】

以上、実施の形態１および変形例に係る電力変換装置によれば、短絡事故が発生した場合の直流導体の破損および変形を抑制することができる。その結果、電力変換装置が短絡事故から復旧するのに要する時間を短縮することができる。

【0023】

［実施の形態２］
実施の形態１においては、直流導体に含まれるライン部と、ライン部の両縁にそれぞれ固定される２つの補強部が、一体的に構成される場合について説明した。実施の形態２においては、ライン部と、補強部とが、異なる部材によって形成される場合について説明する。

【0024】

図５は、実施の形態２に係る直流導体２００の外観斜視図である。図５に示されるよう直流導体２００の構成は、図２に示される直流導体１００のライン部Ｍ１１，Ｍ１２が、Ｍ２１，Ｍ２２にそれぞれ置き換えられた構成である。それ以外の構成は同様であるため、説明を繰り返さない。

【0025】

図６は、図５の直流導体２００をＸ軸方向から平面視した図である。図６に示されるように、ライン部Ｍ２１は、線路導体２１１と、補強部２１２，２１３とを含む。補強部２１２，２１３は、線路導体２１１の両縁にそれぞれ固定されている。補強部２１２，２１３は、絶縁体から形成されている。

【0026】

ライン部Ｍ２２は、線路導体２２１と、補強部２２２，２２３とを含む。補強部２２２，２２３は、線路導体２２１の両縁にそれぞれ固定されている。補強部２２２，２２３は、絶縁体から形成されている。

【0027】

直流導体に含まれる複数のライン部の全てが、絶縁体によって形成された補強部によって補強されている必要はない。図７に示される実施の形態２の変形例に係る直流導体２００Ａのように、或るライン部においては図５のライン部Ｍ２１と同様の構成とする一方で、他のライン部においては図２のライン部Ｍ１１と同様の構成としてもよい。

【0028】

以上、実施の形態２および変形例に係る電力変換装置によれば、短絡事故が発生した場合の直流導体の破損および変形を抑制することができる。その結果、電力変換装置が短絡事故から復旧するのに要する時間を短縮することができる。

【0029】

［実施の形態３］
実施の形態１，２においては、２レベルインバータについて説明した。実施の形態３においては、３レベルインバータについて説明する。

【0030】

図８は、実施の形態３に係る電力変換装置の一例であるインバータ３の回路図である。図８に示されるように、インバータ３は、端子Ｐ３１～Ｐ３４と、スイッチング素子Ｑ３１～Ｑ３４と、ダイオードＤ３１～Ｄ３６と、コンデンサＣ３１，Ｃ３２と、ヒューズＦｓ３１～Ｆｓ３３とを備える。インバータ３は、３レベルインバータである。

【0031】

端子Ｐ３１，Ｐ３４には、直流電源Ｂ３１から直流電力が入力される。端子Ｐ３４，Ｐ３２には、直流電源Ｂ３２から直流電力が入力される。直流電源Ｂ３１，Ｂ３２は、直流電力を出力するものであればどのようなものでもよく、たとえば発電機、コンバータ、および蓄電池を含む。

【0032】

コンデンサＣ３１は、端子Ｐ３１とＰ３４との間に接続されている。コンデンサＣ３２は、端子Ｐ３４とＰ３２との間に接続されている。

【0033】

スイッチング素子Ｑ３１～Ｑ３４は、端子Ｐ３１とＰ３２との間において直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ３１～Ｑ３４の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。スイッチング素子Ｑ３１のエミッタと、スイッチング素子Ｑ３２のコレクタが接続点Ｎ３１において接続されている。端子Ｐ３３は、接続点Ｎ３１に接続されている。スイッチング素子Ｑ３３のエミッタは、スイッチング素子Ｑ３１のコレクタに接続されている。スイッチング素子Ｑ３４のコレクタは、スイッチング素子Ｑ３２のエミッタに接続されている。

【0034】

ダイオードＤ３１～Ｄ３４は、それぞれスイッチング素子Ｑ３１～Ｑ３４に逆並列に接続されている。ダイオードＤ３５のカソードは、スイッチング素子Ｑ３１のコレクタに接続されている。ダイオードＤ３５のアノードとダイオードＤ３６のカソードは、接続点Ｎ３２において接続されている。ダイオードＤ３６のアノードは、スイッチング素子Ｑ３２のエミッタに接続されている。

【0035】

ヒューズＦｓ３１は、端子Ｐ３１とスイッチング素子Ｑ３３のコレクタとの間に接続されている。ヒューズＦｓ３２は、端子Ｐ３２とスイッチング素子Ｑ３４のエミッタとの間に接続されている。ヒューズＦｓ３３は、端子Ｐ３４と接続点Ｎ３２との間に接続されている。

【0036】

インバータ３は、直流電源Ｂ３１，Ｂ３２からの直流電力が通過するパワーラインを有する。パワーラインは、たとえば端子Ｐ３１からスイッチング素子Ｑ３３のコレクタまでの経路、端子Ｐ３２からスイッチング素子Ｑ３４のエミッタまでの経路、および端子Ｐ３４から接続点Ｎ３２までの経路を含む。当該パワーラインは、実施の形態１、実施の形態１の変形例、および実施の形態２において説明した直流導体を含む。

【0037】

以上、実施の形態３に係る電力変換装置によれば、短絡事故が発生した場合の直流導体の破損および変形を抑制することができる。その結果、電力変換装置が短絡事故から復旧するのに要する時間を短縮することができる。

【0038】

実施の形態１～３においては、直流電力が通過するパワーラインを有する電力変換装置が、インバータである場合を説明した。実施の形態に係る電力変換装置は、直流電力が通過するパワーラインを有していればよく、たとえば、ＤＣ（Direct Current）－ＤＣコンバータ、あるいはＡＣ（Alternating Current）－ＤＣコンバータであってもよい。

【0039】

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わされて実施されることも予定されている。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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。

【符号の説明】

【0040】

１，３ インバータ、１００，１００Ａ，２００ 直流導体、１１１，１２１，２１１，２２１ 線路導体、１１２，１１３，１２２，１２３，２１２，２１３，２２２，２２３ 補強部、Ｂ１，Ｂ３１，Ｂ３２ 直流電源、Ｃ１１，Ｃ３１，Ｃ３２ コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３１～Ｄ３６ ダイオード、Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３１～Ｆｓ３３ ヒューズ、Ｉｎ１～Ｉｎ６ 碍子、Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ９２ ライン部、Ｐ１～Ｐ３，Ｐ３１～Ｐ３４ 端子、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３１～Ｑ３４ スイッチング素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】