特許 7240073 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】2023-03-07

(45)【発行日】2023-03-15

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20230308BHJP

   H02M 7/49 20070101ALI20230308BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M7/48 Z

H02M7/49

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019080719

(22)【出願日】2019-04-22

(65)【公開番号】P2020178506

(43)【公開日】2020-10-29

【審査請求日】2021-06-23

【前置審査】

(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】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】山川 智之

(72)【発明者】

【氏名】柏木 航平

(72)【発明者】

【氏名】花岡 勇

(72)【発明者】

【氏名】伊村 正幸

【審査官】東 昌秋

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０８７８９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１１－１４４６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１５９７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１５９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３６０９８（ＪＰ，Ａ）

(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】

直列に接続された複数の単位変換器を含む電力変換器
を備え、
前記複数の単位変換器は、
コンデンサと、
前記コンデンサを充放電するスイッチング回路と、
前記コンデンサと前記スイッチング回路との間で並列に接続された第１ヒューズおよび第２ヒューズを含む第１並列回路と、
前記コンデンサと前記スイッチング回路との間で並列に接続された第３ヒューズおよび第４ヒューズを含む第２並列回路と、
前記コンデンサの高電位側の端子と前記スイッチング回路の高電位側の端子とを接続する第１配線部材と、
前記コンデンサの低電位側の端子と前記第１並列回路の一方の端子とを接続する第２配線部材と、
前記第１並列回路の他方の端子と前記スイッチング回路の低電位側の端子とを接続する第３配線部材と、
前記スイッチング回路の低電位側の端子と前記第２並列回路の一方の端子とを接続する第４配線部材と、
前記第２並列回路の他方の端子と前記コンデンサの低電位側の端子とを接続する第５配線部材と、
をそれぞれ含み、
前記第１ヒューズ、前記第２ヒューズ、前記第３ヒューズおよび前記第４ヒューズは、同一平面上で、それぞれに電流が流れる方向に平行に配置され、
前記第２配線部材および前記第４配線部材は、インダクタンスが同一となるように同一の長さを有する同一形状の部材からなり、
前記第３配線部材および前記第５配線部材は、インダクタンスが同一となるように同一の長さを有する同一形状の部材からなり、
前記第２配線部材、前記第１並列回路および前記第３配線部材の組、ならびに、前記第４配線部材、前記第２並列回路および前記第５配線部材の組は、
前記第１並列回路および前記第２並列回路の間であって前記同一平面上の点を点対称の中心にして点対称の位置に配置され、
前記コンデンサから前記第２配線部材を介して前記第１並列回路の一方の端子に電流が流入する場合には、前記コンデンサから前記第５配線部材を介して前記第２並列回路の他方の端子に電流が流入し、
前記スイッチング回路から前記３配線部材を介して前記第１並列回路の他方の端子に電流が流入する場合には、前記スイッチング回路から前記第４配線部材を介して前記第２並列回路の一方の端子に電流が流入する電力変換装置。

【請求項2】

直列に接続された複数の単位変換器を含む電力変換器
を備え、
前記複数の単位変換器は、
コンデンサと、
前記コンデンサを充放電するスイッチング回路と、
前記コンデンサと前記スイッチング回路との間で並列に接続された第１ヒューズおよび第２ヒューズを含む第１並列回路と、
前記コンデンサと前記スイッチング回路との間で並列に接続された第３ヒューズおよび第４ヒューズを含む第２並列回路と、
前記コンデンサの低電位側の端子と前記スイッチング回路の低電位側の端子とを接続する第１配線部材と、
前記コンデンサの高電位側の端子と前記第１並列回路の一方の端子とを接続する第２配線部材と、
前記第１並列回路の他方の端子と前記スイッチング回路の高電位側の端子とを接続する第３配線部材と、
前記スイッチング回路の高電位側の端子と前記第２並列回路の一方の端子とを接続する第４配線部材と、
前記第２並列回路の他方の端子と前記コンデンサの高電位側の端子とを接続する第５配線部材と、
をそれぞれ含み、
前記第１ヒューズ、前記第２ヒューズ、前記第３ヒューズおよび前記第４ヒューズは、同一平面上で、それぞれに電流が流れる方向に平行に配置され、
前記第２配線部材および前記第４配線部材は、インダクタンスが同一となるように同一の長さを有する同一形状の部材からなり、
前記第３配線部材および前記第５配線部材は、インダクタンスが同一となるように同一の長さを有する同一形状の部材からなり、
前記第２配線部材、前記第１並列回路および前記第３配線部材の組、ならびに、前記第４配線部材、前記第２並列回路および前記第５配線部材の組は、
前記第１並列回路および前記第２並列回路の間であって前記同一平面上の点を点対称の中心にして点対称の位置に配置され、
前記コンデンサから前記第２配線部材を介して前記第１並列回路の一方の端子に電流が流入する場合には、前記コンデンサから前記第５配線部材を介して前記第２並列回路の他方の端子に電流が流入し、
前記スイッチング回路から前記３配線部材を介して前記第１並列回路の他方の端子に電流が流入する場合には、前記スイッチング回路から前記第４配線部材を介して前記第２並列回路の一方の端子に電流が流入する電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

交流を直流に変換し、あるいは直流を交流に変換する電力変換装置がある。このような電力変換装置は、大容量化がはかられ、たとえば基幹系の電力網に用いられることがある。

【0003】

自己消弧形の半導体スイッチング素子を用いることによって小型化をはかりつつ、大容量化を実現することができる電力変換方式として、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、ＭＭＣ）の実用化が進められている。

【0004】

ＭＭＣは、多数の直列接続された単位変換器（セル）を有する。各セルは、スイッチング素子によって充放電する大容量のコンデンサを含んでいる。スイッチング素子が短絡故障した場合には、コンデンサから大電流が流れることによってスイッチング素子が爆発する等の不具合を防止するために、電流経路にヒューズを挿入する場合がある。

【0005】

基幹系に用いられるＭＭＣでは、長寿命化の観点からヒューズに流す電流を適切にディレーティングする必要がある。そのために、ヒューズを複数個並列に接続することがある。

【0006】

セルの短絡防止用に用いられるヒューズは、接続ブスの途中に挿入するため、接続ブスや配線によって生じるインダクタンスに相違が生じ、ヒューズに流れる電流や、接続ブスに流れる往復の電流にアンバランスが生じるおそれがある。

【0007】

ヒューズを並列接続する場合には、各ヒューズと接続ブスとを接続する配線やヒューズ自体のインダクタンスによって、さらにアンバランスな電流を生じたり、配線のインダクタンスによって過大なサージ電圧が発生したりする。

【0008】

並列に接続した複数個のヒューズに電流が流れると、他方の発熱が自己の遮断電流に影響をおよぼす等の事態も生じ得る。

【0009】

ヒューズを並列に接続して長寿命化をはかりつつ、ヒューズの挿入によるセルの性能や機能に対する影響を抑制した電力変換装置が望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０１２－２２８０２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

実施形態は、並列に接続したヒューズを挿入しても、単位変換器の性能への影響を抑制した電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

実施形態に係る電力変換装置は、直列に接続された複数の単位変換器を含む電力変換器を備える。前記複数の単位変換器は、コンデンサと、前記コンデンサを充放電するスイッチング回路と、前記コンデンサと前記スイッチング回路との間で並列に接続された第１ヒューズおよび第２ヒューズを含む第１並列回路と、前記コンデンサと前記スイッチング回路との間で並列に接続された第３ヒューズおよび第４ヒューズを含む第２並列回路と、前記コンデンサの高電位側の端子と前記スイッチング回路の高電位側の端子とを接続する第１配線部材と、前記コンデンサの低電位側の端子と前記第１並列回路の一方の端子とを接続する第２配線部材と、前記第１並列回路の他方の端子と前記スイッチング回路の低電位側の端子とを接続する第３配線部材と、前記スイッチング回路の低電位側の端子と前記第２並列回路の一方の端子とを接続する第４配線部材と、前記第２並列回路の他方の端子と前記コンデンサの低電位側の端子とを接続する第５配線部材と、をそれぞれ含む。前記第１ヒューズ、前記第２ヒューズ、前記第３ヒューズおよび前記第４ヒューズは、同一平面上で、それぞれに電流が流れる方向に平行に配置される。前記第２配線部材および前記第４配線部材は、インダクタンスが同一となるように同一の長さを有する同一形状の部材からなる。前記第３配線部材および前記第５配線部材は、インダクタンスが同一となるように同一の長さを有する同一形状の部材からなる。前記第２配線部材、前記第１並列回路および前記第３配線部材の組、ならびに、前記第４配線部材、前記第２並列回路および前記第５配線部材の組は、前記第１並列回路および前記第２並列回路の間であって前記同一平面上の点を点対称の中心にして点対称の位置に配置される。前記コンデンサから前記第２配線部材を介して前記第１並列回路の一方の端子に電流が流入する場合には、前記コンデンサから前記第５配線部材を介して前記第２並列回路の他方の端子に電流が流入する。前記スイッチング回路から前記３配線部材を介して前記第１並列回路の他方の端子に電流が流入する場合には、前記スイッチング回路から前記第４配線部材を介して前記第２並列回路の一方の端子に電流が流入する。

【発明の効果】

【0013】

本実施形態では並列に接続したヒューズを挿入しても、単位変換器の性能への影響を抑制した電力変換装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。

【図2】第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【図3】図３（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した側面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の実体配線図を等価回路として例示した模式図である。

【図4】図４（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した平面図であり、図４（ｂ）は側面図である。

【図5】第３の実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した側面図である。

【図6】図６（ａ）および図６（ｂ）は、第４の実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

【0016】

なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

【0017】

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を適宜省略する。

【0018】

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。

【0019】

図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換器２０を備える。電力変換装置１０は、このほか図示しないが制御装置を備えており、電力変換器２０は、制御装置によって制御される。電力変換装置１０は、電力変換器２０に設けられた交流端子２１ａ～２１ｃを介して、交流系統１に接続される。この例のように、電力変換装置１０は、変圧器２を介して交流系統１に接続されてもよい。たとえば、交流系統１は、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電源、負荷および交流送電線を備える構成とすることができる。電力変換装置１０は、直流系統３に接続される。直流系統３は、たとえば直流送電線等を含む。

【0020】

電力変換装置１０は、交流系統１と直流系統３との間に接続されて、双方向の電力変換を行うことができる。電力変換装置１０は、双方向の電力変換を行う場合に限らず、交流から直流、または、直流から交流の一方向の電力変換を行う場合を含んでもよい。

【0021】

電力変換器２０は、三相交流の各相に対応したアーム２２を含む。２つのアーム２２は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。アーム２２には、変圧器２４が直列に接続されている。変圧器２４に代えてバッファリアクトルを接続してもよい。

【0022】

アーム２２は、複数の単位変換器３０を含む。複数の単位変換器３０は、カスケード接続されている。

【0023】

図２は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【0024】

図２には、電力変換装置１０の単位変換器（セル）３０の具体的な構成が示されている。

【0025】

図２に示すように、セル３０は、端子３１ａ，３１ｂを含む。セル３０は、端子３１ａ，３１ｂを介して、他のセル３０に接続され、あるいは、端子２１ｄ，２１ｅに接続される。

【0026】

セル３０は、スイッチング回路３２ａと、コンデンサ３２ｄと、ヒューズ３３と、を含む。スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ３２ｄは、ブスバー３５ａ、ブスバー３５ｂ１、ヒューズ３３、およびブスバー３５ｂ２によって、相互に接続されている。

【0027】

ブスバー３５ａ，３５ｂ１，３５ｂ２は、スイッチング回路３２ａとコンデンサ３２ｄとの間に設けられた板状の導電部材である。ブスバー３５ａ，３５ｂ１，３５ｂ２は、スイッチング回路３２ａの端子からコンデンサ３２ｄの端子へ延びている。ブスバー３５ａは、スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ３２ｄのそれぞれの高電位側を接続し、ブスバー３５ｂ１，３５ｂ２は、スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ３２ｄのそれぞれの低電位側を接続している。

【0028】

ブスバー３５ｂ１，３５ｂ２は、接続部３５ｃ１，３５ｃ２をそれぞれ有している。接続部３５ｃ１，３５ｃ２の間にヒューズ３３がその接続配線３６ａ，３６ｂを介して接続されている。これによって、スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ３２ｄの低電位側が電気的に接続される。スイッチング回路３２ａ等が短絡故障した場合には、ヒューズ３３が溶断して、スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ３２ｄからなる回路に流れる短絡電流を遮断する。

【0029】

ヒューズ３３は、端子３３ａ，３３ｂを含む。２つのヒューズ３３は、端子３３ａ，３３ｂによって、接続配線３６ａ，３６ｂにそれぞれ接続されている。この例では、２つのヒューズ３３が並列に接続されている。複数のヒューズ３３が並列に接続されることによって、通常運転時の電流が分流され、１つあたりのヒューズ３３に流れる電流は並列数に応じてディレーティングされる。

【0030】

スイッチング回路３２ａは、スイッチング素子３２ｂと、ダイオード３２ｃと、を含む。スイッチング素子３２ｂは、直列に接続されている。スイッチング素子３２ｂの直列回路がコンデンサ３２ｄに並列に接続されている。ダイオード３２ｃは、スイッチング素子３２ｂに逆並列にそれぞれ接続されている。スイッチング素子３２ｂは、ＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体素子であり、制御装置から供給されるゲート信号に応じて、オンオフしてコンデンサ３２ｄを充放電する。ダイオード３２ｃは、還流ダイオードとして動作する。

【0031】

スイッチング回路３２ａは、たとえばスイッチング素子３２ｂおよびダイオード３２ｃを含むスタックや半導体モジュール等である。つまり、スイッチング回路３２ａでは、スイッチング素子３２ｂやダイオード３２ｃが必要な耐圧や電流等の性能を実現するように組み合わされる等して収納されている。なお、スイッチング素子３２ｂやダイオード３２ｃは、単一のパッケージやスタック構造にすべて収納されている場合に限らず、たとえば、スイッチング素子３２ｂのスタックにダイオード３２ｃが接続され、実質的に一体である場合も含む。

【0032】

また、スイッチング回路３２ａは、上述のハーフブリッジ構成の場合について説明するが、ハーフブリッジ構成に限らず、フルブリッジ構成であってももちろんよい。

【0033】

本実施形態の電力変換装置の構成について、より詳細に説明する。

【0034】

図３（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した側面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の実体配線図を等価回路として例示した模式図である。

【0035】

図３（ａ）および図３（ｂ）には、セル１３０の実体配線図および等価回路図がそれぞれ模式的に示されている。

【0036】

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、セル１３０は、２つのコンデンサ１３２ｄと、これらのコンデンサ１３２ｄの間に配置されたスイッチング回路３２ａを有する。２つのコンデンサ１３２ｄは、ほぼ同一の形状を有している。好ましくは、２つのコンデンサ１３２ｄは、ほぼ同一の静電容量を有する。この例では、スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ１３２ｄは、いずれも長方形状または円柱形状であり、長手方向がＸＹ平面に垂直な方向を向くように配置されている。

【0037】

スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ１３２ｄの長手方向をＺ軸方向とした場合には、スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ１３２ｄの実装される面における占有面積をより小さくすることができる。スイッチング回路３２ａおよびコンデンサ１３２ｄの長手方向をＸＹ平面に平行になるように配置してももちろんよい。

【0038】

セル１３０では、一方のコンデンサ１３２ｄとスイッチング回路３２ａとの間にヒューズ３３を有する。他方のコンデンサ１３２ｄとスイッチング回路３２ａとの間にもヒューズ３３を有する。ヒューズ３３の一方の端子３３ａはスイッチング回路３２ａの側に配置され、他方の端子３３ｂはコンデンサ１３２ｄの側に配置されている。

【0039】

この例では、２つのコンデンサ１３２ｄ、スイッチング回路３２ａ、および２つのヒューズ３３は、１つのＸＹ平面上に配置されている。また、この例では、ＸＹ平面上をＸ軸に沿って、コンデンサ１３２ｄ、ヒューズ３３、スイッチング回路３２ａ、ヒューズ３３およびコンデンサ１３２ｄの順にほぼ直線状に配置されている。

【0040】

一方のコンデンサ１３２ｄの高電位側の端子１３２ｄａとスイッチング回路３２ａの高電位側の端子３２ａＨとの間は、ブスバー１３５ａによって電気的に接続されている。一方のコンデンサ１３２ｄの低電位側の端子１３２ｄｂとヒューズ３３の端子３３ｂとの間は、ブスバー１３５ｂ２によって電気的に接続されている。ヒューズ３３の端子３３ａとスイッチング回路３２ａの低電位側の端子３２ａＬとの間は、ブスバー１３５ｂ１によって電気的に接続されている。

【0041】

他方のコンデンサ１３２ｄの高電位側の端子１３２ｄａとスイッチング回路３２ａの高電位側の端子３２ａＨとの間は、ブスバー１３５ａによって電気的に接続されている。他方のコンデンサ１３２ｄの低電位側の端子１３２ｄｂと他方のコンデンサ１３２ｄの側に設けられたヒューズ３３の端子３３ｂとの間は、ブスバー１３５ｂ２によって電気的に接続されている。他方のコンデンサ１３２ｄ側に設けられたヒューズ３３の端子３３ａとスイッチング回路３２ａの低電位側の端子３２ａＬとの間は、ブスバー１３５ｂ１によって電気的に接続されている。

【0042】

なお、この図では省略されているが、図２（ａ）で示したように、ブスバー１３５ｂ１，１３５ｂ２は接続部をそれぞれ有しており、それらの接続部と端子３３ａ，３３ｂとの間は、ほぼ同一の長さおよび形状を有する配線でそれぞれ接続されている。

【0043】

２つのコンデンサ１３２ｄとスイッチング回路３２ａとの間に設けられている各ブスバーは、ほぼ同一の形状を有している。コンデンサ１３２ｄやスイッチング回路３２ａの各端子は、高電位側および低電位側でそれぞれほぼ同じ位置（高さ）に設けられている。そのため、コンデンサ１３２ｄ、スイッチング回路３２ａおよびヒューズ３３の組のそれぞれは、対称線Ｃ１に関して線対称の位置に配置されていることとなる。

【0044】

好ましくは、ブスバー１３５ａ，１３５ｂ１は、たとえば絶縁板を介して密着され、または近接して設けられている。ブスバー１３５ａ，１３５ｂ２も、絶縁板を介して密着され、または近接して設けられている。

【0045】

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。

【0046】

本実施形態の電力変換装置のセル１３０では、コンデンサ１３２ｄ、ヒューズ３３、スイッチング回路３２ａ、ヒューズ３３およびコンデンサ１３２ｄの順に配置されるとともに、スイッチング回路３２ａのＺ軸方向の中心を対称線Ｃ１として、Ｘ軸方向の正負の側に線対称となるように配置されている。そして、ブスバー１３５ａ，１３５ｂ１，１３５ｂ２は、それぞれの接続先との間を最短の長さで接続するように設けられている。したがって、線対称の位置にあるブスバー１３５ａ，１３５ｂ１，１３５ｂ２によるインダクタンスの値はほぼ同一とすることができる。

【0047】

そのため、線対称な位置に配置された２つのコンデンサ１３２ｄにそれぞれ流出入する電流の波形は、ほぼ同一となり、２つのヒューズ３３に流れる電流もほぼ同一とすることができる。

【0048】

スイッチング回路３２ａのスイッチング素子３２ｂが短絡故障等を生じた場合であっても、２つのコンデンサ１３２ｄからスイッチング素子３２ｂを介して２つのヒューズ３３にそれぞれ流れる短絡電流も、ほぼ均等に分流される。

【0049】

また、本実施形態では、ブスバー１３５ａ，１３５ｂ１を、絶縁板を介して密着または近接配置し、ブスバー１３５ａ，１３５ｂ２を同様に、絶縁板を介して密着または近接配置されている。これによって、ブスバー１３５ａ，１３５ｂ１間およびブスバー１３５ａ，１３５ｂ２間の相互インダクタンスを小さくすることができ、ブスバーを含めた配線全体のインダクタンス値を低減することができる。配線全体のインダクタンス値を低減することによって、スイッチング素子３２ｂ等に印加されるサージ電圧を抑制することができる。

【0050】

上述では、コンデンサ１３２ｄおよびスイッチング回路３２ａは、すべて同じＸＹ平面上にあるものとして説明した。コンデンサ、ヒューズおよびブスバーを、対称線Ｃ１を中心にして対称に配置して、ブスバーによる配線のインダクタンスをそろえることができれば、これに限定されない。たとえば、２つのコンデンサ１３２ｄは同一平面上に配置され、スイッチング回路３２ａは一段高い面（Ｚ軸の正方向）あるいはその逆に一段低い面（Ｚ軸の負方向）に配置するようにしてもよい。

【0051】

また、上述の具体例では、コンデンサ１３２ｄ、ヒューズ３３、スイッチング回路３２ａ、ヒューズ３３、およびコンデンサ１３２ｄがＸ軸上で直線状に配置されるものとしたが、これに限定されない。たとえば、ＸＹ平面視で、一方のコンデンサ１３２ｄ、ヒューズ３３およびスイッチング回路３２ａがＸ軸上で直線状に配置され、対称線Ｃ１を中心にｘ軸から角度をもった直線上に他方のコンデンサ１３２ｄおよびヒューズ３３を配置する等してもよい。

【0052】

本実施形態の電力変換装置１０のようなＭＭＣでは、１つのセルに短絡故障が発生し、ヒューズ３３による短絡保護が働いた後には、故障セル自体は開放状態となる。開放状態となった故障セルは、ＭＭＣの保護機能によってバイパスされる。本実施形態では、並列に接続されたヒューズ３３であっても上述のように確実に溶断させることができるので、特定のセル３０に短絡故障を生じた場合であっても、他のセル３０に不具合を波及させることない。そして、短絡セルがバイパスされることによって、電力変換装置１０自体は、運転を継続することができる。たとえば、次回の点検時等に故障セルを修理あるいは交換等することにより、迅速に電力変換装置１０を正常な状態に復帰させることができる。

【0053】

上述では、ヒューズは、コンデンサの低電位側に接続されるものとして説明したが、コンデンサの高電位側に接続されるようにしてももちろんかまわない。以下説明する他の実施形態でも同様である。

【0054】

（第２の実施形態）
図４（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した平面図であり、図４（ｂ）は側面図である。

【0055】

本実施形態では、スイッチング回路３２ａ、コンデンサ２３２ｄおよびヒューズ３３を含む主回路の部分が一体的に構成され、それぞれを接続するブスバーの長さを短くすることによって、配線のインダクタンスを小さくする。

【0056】

図４（ａ）および図４（ｂ）には、本実施形態の電力変換装置のセル２３０の構成が示されている。

【0057】

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、セル２３０は、スイッチング回路３２ａと、コンデンサ２３２ｄと、ヒューズ３３と、を含む。スイッチング回路３２ａおよびヒューズ３３は、配線部材２３５ａ，２３５ｂ１，２３５ｂ２によって、相互に電気的に接続されるとともに、コンデンサ２３２ｄの上方に支持されている。

【0058】

なお、以下では、コンデンサ２３２ｄの上方にその他の構成要素が配置されているものとして説明するが、これは相対的なものである。後に詳述するように、各構成要素が線対称に配置され、対称位置の電流経路に関するインダクタンス値がほぼ同一になれば上下関係は問わない。たとえば、コンデンサ２３２ｄの下方にスイッチング回路３２ａおよびヒューズ３３が配置されてもかまわない。

【0059】

コンデンサ２３２ｄは、ＸＹ平面に平行な面を有する直方体であり、この例では、ＸＹ平面に平行な面上に載置されている。コンデンサ２３２ｄは、端子２３２ｄａ，２３２ｄｂを含む。端子２３２ｄａ，２３２ｄｂは、コンデンサ２３２ｄが載置されている面とは反対側の面（上面）に設けられている。この例では、１つの端子２３２ｄａが高電位側に設けられており、２つの端子２３２ｄｂが低電位側に設けられている。

【0060】

セル２３０の各構成要素は、Ｘ軸に平行な対称線Ｃ２に関して線対称となるように配置されている。端子２３２ｄａは、対称線Ｃ２上でＸ軸の正側に偏在して配置されている。２個の端子２３２ｄｂは、対称線Ｃ２に対して線対称な位置で端子２３２ｄａよりもＸ軸の負側に偏在して設けられている。

【0061】

図では、コンデンサ２３２ｄの内部の構成は示されていないが、好ましくは、コンデンサ２３２ｄは、内部に複数個のコンデンサを有しており、複数個のコンデンサは、並列に接続されている。複数個のコンデンサの低電位側の内部配線は、複数個の１／２ずつ接続されたものがほぼ同じ長さになるようにして、端部が端子２３２ｄｂにそれぞれ接続されている。つまり、対称線Ｃ２に関して線対称の位置にある内部配線は、ほぼ同一の長さであって、ほぼ同一のインダクタンスを有している。

【0062】

スイッチング回路３２ａは、対称線Ｃ２に沿って、長手方向を有するようにコンデンサ２３２ｄ上に設けられている。この例では、高電位側の端子３２ａＨは対称線Ｃ２上にあり、低電位側の２つの端子３２ａＬは対称線Ｃ２に関して線対称となる位置に設けられている。

【0063】

２つのヒューズ３３は、Ｘ軸にほぼ平行な方向に電流の経路を有するように設けられ、対称線Ｃ２に関して線対称となる位置にそれぞれ配置されている。

【0064】

スイッチング回路３２ａの高電位側の端子３２ａＨは、配線部材２３５ａによって、コンデンサ２３２ｄの高電位側の端子２３２ｄａに電気的に接続されている。好ましくは、端子３２ａＨは、端子２３２ｄａの直上になるように配置されている。その場合には、配線部材２３５ａの長さが最短となり、配線部材２３５ａによるインダクタンスも最小とすることができる。

【0065】

コンデンサ２３２ｄの一方の低電位側の端子２３２ｄｂは、配線部材２３５ｂ２によって、ヒューズ３３の端子３３ｂに電気的に接続されている。ヒューズ３３の端子３３ａは、配線部材２３５ｂ１によって、スイッチング回路３２ａの低電位側の端子３２ａＬに電気的に接続されている。

【0066】

コンデンサ２３２ｄの他方の低電位側の端子２３２ｄｂも、配線部材２３５ｂ２によって、ヒューズ３３の端子３３に電気的に接続されている。他方の端子２３２ｄｂ側のヒューズ３３の端子３３ａは、配線部材２３５ｂ１によって、スイッチング回路３２ａの低電位側の端子３２ａＬに電気的に接続されている。

【0067】

配線部材２３５ａ，２３５ｂ１，２３５ｂ２は、たとえばブスバーのような平らな板状の部材である。配線部材２３５ｂ１，２３５ｂ２からなる２組の配線は、対称線Ｃ２に関して線対称となる形状に成形されている。そのため、これらの配線によるインダクタンス値は、ほぼ同一となり、コンデンサ２３２ｄの一方の端子２３２ｄｂに流出入する電流は、コンデンサ２３２ｄの他方の端子２３２ｄｂに流出入する電流とほぼ同一の値を有し、ほぼ同一の電流波形となる。

【0068】

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。

【0069】

本実施形態では、スイッチング回路３２ａおよび２個のヒューズ３３をコンデンサ２３２ｄの端子を有する面の側に３次元的に配置することによって、それぞれを接続する配線部材の長さを短くすることができる。配線部材の長さを短くすることによって、配線部材を含む電流経路に関するインダクタンス値を小さくすることができ、スイッチング素子等に印加されるサージ電圧を抑制することができる。

【0070】

ヒューズ３３およびこれと電気的接続をとる配線部材２３５ｂ１，２３５ｂ２を対称線Ｃ２に関して線対称となるように配置することによって、２つのヒューズ３３をそれぞれ含む電流ループに流れる電流をほぼ同一とし、電流値をほぼ一致させ、それぞれの電流波形をそろえることができる。これによって、２つのヒューズ３３を均等にディレーティングすることができ、溶断に至る電流もほぼ同一とすることができる。

【0071】

（第３の実施形態）
図５は、本実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した側面図である。

【0072】

図５には、電力変換装置のセル３３０の一部が示されており、ヒューズ３３が接続されている状態が模式的に示されている。図５、後述する図６（ａ）および図６（ｂ）には、すでに図１において説明したブスバー３５ｂ１の接続部３５ｃ１およびブスバー３５ｂ２の接続部３５ｃ２が示されており、その他の部分は省略されている。

【0073】

図５に示すように、ヒューズ３３は、長手方向を有する直方体形状または円柱形状の外囲器を有する。２個のヒューズ３３は、Ｘ軸に沿って、直線状に配置され、その外囲器の長手方向がＸＹ平面にほぼ垂直になるように配置されている。この例では、ヒューズ３３の長手方向は電流が流れる方向とされている。２個のヒューズ３３をＸ軸に沿って配置することによって、ヒューズ３３を近接して配置しても、互いの発熱の影響を小さくすることができる。また、２個のヒューズ３３をいずれも長手方向がＸＹ平面に垂直、すなわちＺ軸に沿って延伸するように配置することによって、ＸＹ平面に平行な実装面に配置した場合の占有面積を抑制することができる。

【0074】

配線部材３３６ａは、コンデンサ側の接続部３５ｃ１とヒューズ３３の端子３３ａとを接続している。配線部材３３６ｂは、スイッチング回路３２ａ側の接続部３５ｃ２とヒューズ３３の端子３３ｂとを接続している。配線部材３３６ａ，３３６ｂは、点対称の中心Ｃ３に関して点対称となるような形状に形成され、それぞれ配置されている。これにより、２個のヒューズ３３のそれぞれについて、配線の長さをほぼ等しくすることができる。

【0075】

たとえば、電流が、接続部３５ｃ１側から接続部３５ｃ２側に流れる場合には以下のようになる。すなわち、図の左のヒューズに流入する電流の経路の長さは、図の右のヒューズから流出する電流の経路の長さにほぼ等しい。また、図の右のヒューズに流入する電流の経路の長さは、左のヒューズから流出する電流の経路の長さにほぼ等しい。つまり、左のヒューズの電流経路の長さは、右のヒューズの電流経路の長さにほぼ等しいので、それぞれのヒューズからみたときの配線のインダクタンス値はほぼ等しいと考えられる。そのため、それぞれのヒューズに流れる電流値はほぼ同一となり、電流波形をほぼ同一とすることができる。

【0076】

上述では、並列に接続するヒューズを２個としたが、３個以上であってもかまわない。３個のようにヒューズの個数が奇数の場合には、対称点の周囲を取り囲む正多角形状に配置すればよい。

【0077】

また、各ヒューズ３３の長手方向をＺ軸に沿って設ける場合に限らず、Ｚ軸から角度をもたせて配置するようにしてももちろんかまわない。

【0078】

（第４の実施形態）
上述した第３の実施形態の場合には、ヒューズの長手方向をＺ軸に沿って配置するので、ヒューズの長手方向の長さが長い場合には、上下に引き出す配線が長くなる傾向にある。配線のインダクタンス値を小さくするために、配線長を短くすることが好ましい。

【0079】

図６（ａ）および図６（ｂ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を模式的な実体配線図として例示した平面図である。

【0080】

図６（ａ）に示すように、２個のヒューズ３３は、ＸＹ平面に平行な面上に配置されている。２個のヒューズ３３は、電流が流れる方向がほぼ平行になるように配置されている。配線部材４３６ａ，４３６ｂの形状は、点対称の中心Ｃ４ａに関して点対称となるように成形されており、このため、配線部材４３６ａ，４３６ｂの長さはほぼ等しく、配線のインダクタンス値もほぼ等しい。

【0081】

本実施形態では、ヒューズ３３の配置および配線部材４３６ａ，４３６ｂの形状は、点対称の中心Ｃ４ａに関して、点対称となるように設定されていれば、上述の例に限らない。たとえば、ヒューズ３３を配置可能な領域に応じて、ヒューズ３３の位置を直線上に配置したり、ヒューズ３３を平行に配置しつつ、Ｘ軸方向にずらして配置したりしてもよい。

【0082】

図４（ｂ）は、ヒューズ３３の並列数を増やした例を示したものである。この例では、４個のヒューズ３３が並列に接続されている。４個のヒューズ３３のうち２個が、図４（ａ）の場合と同様に、Ｘ軸上のほぼ同一の位置に配置されている。このような２個のヒューズ３３の組のうち図上右側の組は、配線部材４３６ｅ，４３６ｄによって、接続部３５ｃ１，３５ｃ２にそれぞれ接続されている。図上左側の組は、配線部材４３６ｃ，４３６ｆによって、接続部３５ｃ１，３５ｃ２にそれぞれ接続されている。

【0083】

配線部材４３６ｃ，４３６ｄは、同一の形状を有している。配線部材４３６ｅ，４３６ｆは、同一の形状を有している。Ｘ軸上ほぼ同一の位置に平行して配置されているヒューズ３３の右側の組、配線部材４３６ｅ，４３６ｄおよびヒューズ３３の左側の組、配線部材４３６ｃ，４３６ｆは、点対称の中心Ｃ４ｂに関して、１８０°点対称に配置されている。

【0084】

本実施形態では、各ヒューズ３３をＸＹ平面に平行に配置することによって、高さ方向の寸法を抑制するとともに、高さ方向の配線の引き回しをなくすことができる。そのため、ヒューズ３３の長手方向の長さが長い場合に、配線の長さを短くすることができ、配線に関するインダクタンス値を抑制することができる。

【0085】

上述した各実施形態は、単独で実施する場合に限らず、複数の実施形態を組み合わせることができる。たとえば、第１の実施形態（図３）または第２の実施形態(図４）のヒューズ３３をさらに並列に接続する場合に、第３の実施形態または第４の実施形態の場合を組み合わされてもよい。また、ヒューズ３３の配置箇所に応じて、第３の実施形態のようにヒューズ３３の長手方向をＺ軸に向けたものと、第４の実施形態のようにヒューズ３３の長手方向をＸＹ平面に平行に配置するものとを組み合わせることもできる。

【0086】

上述では、ＭＭＣのセルの短絡保護にヒューズを用いる場合について説明したが、上述の例は、ＭＭＣ以外のコンデンサおよびスイッチング回路からなる主回路を有する電力変換装置にも適用することができる。大容量のコンデンサが用いられる場合に、並列接続されたヒューズの電流を分配して通常運転時には適切にディレーティングし、短絡保護時には、適切に溶断して短絡保護できる電力変換装置とすることができる。

【0087】

以上説明した実施形態によれば、並列に接続したヒューズを挿入しても、単位変換器の性能への影響を抑制した電力変換装置を実現することができる。

【0088】

以上、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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0089】

１ 交流系統、２ 変圧器、３ 直流系統、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２２ アーム、２４ 変圧器、３０，１３０，２３０，３３０，４３０ａ，４３０ｂ 単位変換器、３２ａ スイッチング回路、３３ ヒューズ、３５ａ，３５ｂ１，３５ｂ２，１３５ａ，１３５ｂ１，１３５ｂ２ ブスバー、３６ａ，３６ｂ，２３５ａ，２３５ｂ１，２３５ｂ２，３３６ａ，３３６ｂ，４３６ａ～４３６ｆ 配線部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】