(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】2023-12-04
(45)【発行日】2023-12-12
(54)【発明の名称】電力変換器
(51)【国際特許分類】
H02M 7/493 20070101AFI20231205BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20231205BHJP
【ＦＩ】
H02M7/493
H02M7/48 M
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2022535169
(86)(22)【出願日】2021-03-05
(86)【国際出願番号】 JP2021008642
(87)【国際公開番号】W WO2022185519
(87)【国際公開日】2022-09-09
【審査請求日】2022-06-09
(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】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鶴間 義徳
【審査官】柳下 勝幸
(56)【参考文献】
【文献】特開２００３－１８９６３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２２１００８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２４３６６０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４９３
Ｈ０２Ｍ ７／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
蓄電池からなる直流電源に直流側で並列接続され、複数の半導体素子を有する複数のインバータユニットと、前記直流電源と前記複数のインバータユニットとの間の電路にそれぞれ設けられ、前記複数のインバータユニットのうち、いずれかのインバータユニットで短絡故障が発生したときに、前記直流電源と前記短絡故障が発生したインバータユニットとの間の前記電路で溶断される直流ヒューズと、
を備え、
前記複数のインバータユニットの数は、前記直流電源と前記短絡故障が発生したインバータユニットとの間の前記直流ヒューズが溶断されたときに、前記直流電源と前記短絡故障が発生していない他の複数のインバータユニットとの間の複数の前記直流ヒューズがいずれも溶断されないという条件が満たされる数であり、
前記複数のインバータユニットの数は、前記複数の半導体素子の数よりも大きい数であり、
前記複数のインバータユニットの数は８であり、前記複数の半導体素子の数は２であり、
前記複数の半導体素子のそれぞれの素子定格が１７００Ｖであるときに、前記直流ヒューズの電流定格が５２５Ａである
ことを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、電力変換器の大容量化を図るため、直流電力を交流電力に変換するインバータユニットが複数並列に接続された電力変換器が知られている。そして、このようなインバータユニットが複数並列に接続された大容量の電力変換器を実現する際に、従来は、各インバータユニットの容量を大きく取り、インバータユニットの数をなるべく少なくして配線の省力化などを図っていた。
【0003】
このような電力変換器において、このように複数並列に接続された各インバータユニット内の素子に素子破損等の短絡故障が発生した場合に、電流を遮断するために直流ヒューズを設ける保護方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００７－０７４８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、直流ヒューズの容量が大きすぎると、直流ヒューズの溶断がされたとしても、溶断されるタイミングが遅くなり、直流リンク電圧（インバーターに入力される直流電圧）の上昇が大きくなってしまう。この直流リンク電圧の上昇具合が素子の耐圧を大幅に超過すると、健全なインバータユニットにおいても二次的な素子破損が起きてしまう。
【0006】
そこで、本発明は、素子破損時に速やかに直流ヒューズを溶断させ、直流リンク電圧の上昇を抑制することで、健全なインバータユニットにおける二次的な素子破損の発生を抑制する電力変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る電力変換器は、蓄電池からなる直流電源に直流側で並列接続され、複数の半導体素子を有する複数のインバータユニットと、直流電源と複数のインバータユニットとの間の電路にそれぞれ設けられ、複数のインバータユニットのうち、いずれかのインバータユニットで短絡故障が発生したときに、直流電源と短絡故障が発生したインバータユニットとの間の電路で溶断される直流ヒューズと、を備え、複数のインバータユニットの数は、直流電源と短絡故障が発生したインバータユニットとの間の直流ヒューズが溶断されたときに、直流電源と短絡故障が発生していない他の複数のインバータユニットとの間の複数の直流ヒューズがいずれも溶断されないという条件が満たされる数であり、複数のインバータユニットの数は、複数の半導体素子の数よりも大きい数であり、複数のインバータユニットの数は８であり、複数の半導体素子の数は２であり、前記複数の半導体素子のそれぞれの素子定格が１７００Ｖであるときに、前記直流ヒューズの電流定格が５２５Ａであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、素子破損時に速やかに直流ヒューズを溶断させ、直流リンク電圧の上昇を抑制することで、健全なインバータユニットにおける二次的な素子破損の発生を抑制する電力変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】一の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す図である。
【図2】直流遮断器を用いた直流回路保護の一例を示す図である。
【図3】直流ヒューズを用いた直流回路保護の一例を示す図である。
【図4】電力変換器の大容量化の一例を説明する図である。
【図6】インバータユニット及び半導体素子の並列接続の例を示す図である。
【図7】直流ヒューズ定格の例を示す図である。
【図8】比較例に係る従来の電力変換器の構成例と、一の実施形態に係る電力変換器の構成例とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る電力変換器の実施形態について、図面を用いて説明する。
【0013】
＜一の実施形態＞
図１は、一の実施形態に係る電力変換器１の構成例を示す図である。図１（ａ）は、２レベルの電力変換器１Ａの構成例を示す図であり、図１（ｂ）は、中性点スイッチ型３レベルの電力変換器１Ｂの構成例を示す図であり、図１（ｃ）は、中性点クランプ型３レベルの電力変換器１Ｃの構成例を示す図である。
図１は、一の実施形態に係る電力変換器１の構成例を示す図である。図１（ａ）は、２レベルの電力変換器１Ａの構成例を示す図であり、図１（ｂ）は、中性点スイッチ型３レベルの電力変換器１Ｂの構成例を示す図であり、図１（ｃ）は、中性点クランプ型３レベルの電力変換器１Ｃの構成例を示す図である。
【0014】
例えば、図１（ａ）における２レベルの電力変換器１Ａは、直流側に正極Ｐと、負極Ｎとを有する。図１（ｂ）における中性点スイッチ型３レベルの電力変換器１Ｂ及び図１（ｃ）における中性点クランプ型３レベルの電力変換器１Ｃは、直流側に正極Ｐと、負極Ｎと、中性点Ｃとを有する。正極Ｐ、負極Ｎ、及び中性点Ｃは、電路（直流母線）を介して直流電源１０（図２参照）と接続される。なお、本実施形態における直流電源１０（図２参照）は、蓄電池である。このため、以下、直流電源１０を蓄電池１０とも称することがある。
【0015】
なお、本発明は、本実施形態における電力変換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃのいずれにも適用することができる。以下、本実施形態において、電力変換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃをまとめて、電力変換器１又はインバータ１と称する。電力変換器１は、交流端から、例えば、不図示の高調波フィルタ等を介して交流系統２０と接続される。
【0016】
図１（ａ）における２レベルの電力変換器１Ａを例に説明すると、電力変換器１は、アーム２と、レグ３と、コンデンサ４とを有する。アーム２は、ブリッジ回路において、各個別の要素のことを示す。レグ３は、直流側の正極と負極との間において、アーム２が直列接続されている上下一組の部分を示す。なお、単相フルブリッジ回路は、２アーム（１レグ）又は４アーム（２レグ）で構成され、三相フルブリッジ回路は、６アーム（３レグ）で構成されるが、本発明においては、相数は問わない。電力変換器１は、図１（ａ）中、上下のアーム２が、交互にスイッチングすることによって、交流側に正弦波状の電流を流す。
【0017】
コンデンサ４は、直流電源１０側に負担をかけさせないため、上下のアーム２が交互にスイッチングすることによって発生するリプル電流（リップル電流）を吸収する。なお、図１（ｂ）における中性点スイッチ型３レベルの電力変換器１Ｂ及び図１（ｃ）における中性点クランプ型３レベルの電力変換器１Ｃも図１（ａ）における２レベルの電力変換器１Ａと同様の構成を有する。
【0018】
図２は、直流遮断器を用いた直流回路保護の一例を示す図である。図２において、電力変換器１は、三相のレグ３を有し、直流側で、直流電源（蓄電池）１０に接続され、交流側で、交流系統２０と接続される。なお、本実施形態における電力変換器１は、電圧形インバータである。
【0019】
一般に、電圧形インバータである電力変換器１において、図中上のアーム２と下のアーム２とは、同時にオンされないように制御系が組まれている。上下のアーム２が同時にオンしてしまうと、ＰＮ短絡（正極側と負極側との短絡）が起き、素子破損が起こることがあるためである。しかし、半導体の偶発故障やノイズによる誤動作等によって、素子が破損してしまうことがある。例えば、図中一番左の下のアーム２がスイッチングしているときに、上のアーム２が短絡故障を起こすとＰＮ短絡が発生する。この状態を放置すると、直流電源１０から短絡点に過大な電流が流入し続け、健全にスイッチングしていた下のアーム２にも過大な電流が流れて故障がおこる。さらに故障を放置すると、さらに電流が流入し、故障が他に波及したり、発火や発煙が起こったりする危険がある。そのため、電力変換器１は、直流回路の保護が必要である。
【0020】
まずは、図２に示すとおり、直流回路の蓄電池１０と電力変換器１との間に直流遮断器５を設け、ＰＮ短絡が発生したときに、直流遮断器５を用いて短絡点を蓄電池１０から切り離すことが考えられる。なお、直流遮断器５は、事故電流を遮断することが可能な開閉手段である。直流遮断器５によれば、短絡故障の事故電流を検知して、電路（母線）を開閉することで、短絡点を蓄電池１０から切り離すことができる。
【0021】
しかし、例えば１５００Ｖクラス以上の高圧の直流遮断器５は、非常に高価であり、仮にあったとしても非常に大型である。このため、例えば、１０００Ｖクラス以下では直流遮断器５による直流回路の保護手段も採られるが、例えば、１５００Ｖクラス以上の高圧になると、直流遮断器５による直流回路の保護手段は通常採られない。このため、例えば、１５００Ｖクラス以上の高圧の場合、直流回路に直流ヒューズ６（図３参照）を設け、直流ヒューズ６によって、短絡点と他の健全な回路とを切り離す手段が採られる。
【0022】
図３は、直流ヒューズを用いた直流回路保護の一例を示す図である。図３に示すとおり、直流ヒューズを用いて直流回路を保護する場合、正極Ｐ側と負極Ｎ側の入口に直流ヒューズ６を設ける。直流ヒューズ６は、一般に、定格電流で運転しても不要に溶断することがないように、所定のマージンを持った電流定格であり、かつ、事故電流では確実に溶断する定格のものが選定される。
【0023】
このような直流ヒューズ６であれば、例えば、上下のアーム２で短絡故障が起こったとしても、事故電流でこの直流ヒューズ６が溶断され、事故点を蓄電池１０から切り離すことができる。一方、このような直流ヒューズ６であれば、定格電流で運転しても、不要な溶断や、誤動作等が起きることはない。このため、例えば、１５００Ｖクラス以上の高圧の場合、直流回路に直流ヒューズ６を設け、直流ヒューズ６によって、短絡点と他の健全な回路とを切り離す手段が採られる。
【0024】
図４は、電力変換器１の大容量化の一例を説明する図である。図４において、電力変換器１は、３台のインバータユニット３０が、蓄電池１０と並列に接続されている。図４の下部に示すように、各インバータユニット３０には、各アーム２（各レグ３）において、半導体素子４０が複数並列に接続されている。なお、符号７は、蓄電池１０の内部インピーダンス（例えば、ＬＲ成分）を表している。ここで、大容量の基準は、数値の基準ではないが、単一の半導体素子４０を複数並列しないと実現できないような容量のことである。
【0025】
ある基本設計の電力変換器１が存在した場合において、当該基本設計の電力変換器１よりも大容量の（すなわち、基本設計の電力変換器１よりも大きい電力変換が可能な）電力変換器１を実現しようとする。この場合、電圧を高くするか、電流を大きくすることで、実現する手法が考えられる。しかし、電圧を高くする手法については、一般に蓄電池設備は、単電池セルを多数直並列にして実現されるものであるが、これは各電池メーカーの設計によるものである。すなわち、１つの電池が何百ボルト、何千アンペアという電流を流せるわけでは無いため、電圧を高くする手法は、１つのセルは数ボルト、数アンペアという単位で小さな単電池セルを詰め込んで多直並列にして実現されることがほとんどである。また、耐圧の問題などから、いくらでも電圧を高くすることができるものでもない。
【0026】
一方、電流を大きくする手法については、インバータの並列接続数を増やせばよいため、電圧を高くする手法に比べ、容易に大容量の電力変換器１を構築することが可能である。この手法を採るためには、同一の電力変換器１を多数並列に設置するか、電力変換器１の単機容量を大きくすることが考えられる。そして、電力変換器１の単機容量を大きくするためには、基本の半導体素子４０よりも電流定格の大きい半導体素子４０を用いるか、半導体素子４０を多数並列接続する手法が考えられる。しかし、電流定格の大きい半導体素子４０を用いる手法については限度があるため、半導体素子４０を多数並列接続する手法が採られることになる。すなわち、この手法は、半導体素子４０を多数並列接続して１つのスイッチとする手法である。但し、半導体素子４０を増やし過ぎると、冷却手段（フィンなど）が大きくなり、製造性、保守性が悪くなる。
【0027】
このため、半導体素子４０も際限なく増やせるわけではない。従って、通常のインバータユニット３０よりもある程度容量が大きい単位インバータユニット３０（単位ユニット３０）を並列に盤内に実装することがある。また、このような、複数の単位インバータユニット３０を並列接続した、基本設計の電力変換器１よりも大容量の電力変換器１（単に「大容量の電力変換器１」とも称する。）を用いる場合、上述のとおり、直流ヒューズ６を用いて直流回路の保護を行うことになる。
【0028】
図５は、図４に示す大容量の電力変換器１の故障時における動作例を示す図である。図５において、図中一番上のインバータユニット３０にＰＮの短絡故障８が発生している。一番上のインバータユニット３０に短絡故障８が発生した場合、事故点に、図中（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）で示す電流が流れ込む。（ｉ）の電流は、短絡故障８が起きたインバータユニット３０自身の直流コンデンサ４から流入する電流である。（ｉｉ）の電流は、隣接する健全なインバータユニット３０の直流コンデンサ４から流入する電流である。（ｉｉｉ）の電流は、蓄電池１０から流入する電流である。
【0029】
図５で示すとおり、（ｉ）で示す電流は、短絡故障８が起きたインバータユニット３０自身の直流ヒューズ６を経由しないため、直流ヒューズ６の溶断には寄与しない。また、（ｉｉｉ）で示す電流は、蓄電池１０と電力変換器１との間の配線や、蓄電池１０の内部インピーダンス（ＬＲ成分）７などの影響で、（ｉ）の電流や（ｉｉ）の電流に比べると立ち上がりが遅い。このため、一般に、複数のインバータユニットを並列接続した大容量の電力変換器１においては、（ｉｉ）の電流により、短絡故障が起きたインバータユニット３０の直流ヒューズ６を溶断させることが基本となる。
【0030】
図６は、インバータユニット３０及び半導体素子４０の並列接続の例を示す図である。例えば、基本設計の電力変換器１よりも大容量化を図った電力変換器１を実現するため、１相当たり、１５～１６の半導体素子４０を並列接続する必要がある場合、図６に示すとおり、いくつかのパターンを採り得る。
【0031】
例えば、図６中左から順に、２素子並列８ユニット構成として、１６の半導体素子４０を並列接続するパターン、３素子並列５ユニット構成として、１５の半導体素子４０を並列接続するパターンがある。また、４素子並列４ユニット構成として１６の半導体素子４０を並列接続するパターン、５素子並列３ユニット構成として、１５の半導体素子４０を並列接続するパターンがある。また、８素子並列２ユニット構成として、１６の半導体素子４０を並列接続するパターンがある。
【0032】
これらにはそれぞれ利点がある。例えば、配線数で言えば、不図示の制御装置から半導体素子４０をオンオフする信号（ゲート信号）を送る場合、８素子並列２ユニット構成であれば、すなわち、インバータユニット３０が２台しかなければ、２本配線すればよい。一方、２素子並列８ユニット構成の場合、すなわち、インバータユニット３０が８台ある場合、８本配線しなければならない。すなわち、インバータユニット３０の数を多くすればするほど、配線数が多くなる。また、盤内の構成も、細かく区切れば区切るほど、内部の板金も増え、構成は複雑になる。
【0033】
一方、保守性という点に着目すれば、２素子並列８ユニット構成のインバータユニット３０は、８素子並列２ユニット構成のインバータユニット３０に比べ、小型で軽いユニットが実現できる。このため、保守性という点に着目すれば、２素子並列８ユニット構成のインバータユニット３０の方が良い。
【0034】
このため、これらのパターンは、上述のとおり、いくつかの要素でトレードオフの関係となる。従来は、各単位インバータユニット３０の容量を大きく取り、インバータユニット３０の数をなるべく少なくして配線の省力化や、盤内構成の単純化などを図っていた。しかし、本発明では、次から述べるとおり、直流ヒューズ６の性質に着目することで、各単位インバータユニット３０の容量をあえて小さく取り、インバータユニット３０の数をあえて多くしている。
【0035】
図７は、直流ヒューズ定格の例を示す図である。図７では、２つのヒューズの仕様が列挙されている。一番左は、ボディサイズであり、２つともボディサイズは３０である。一つ右は、定格電流（電流定格）であり、上のヒューズは２００（Ａ）であり、下のヒューズは４００（Ａ）である。右に行き、次は、定格電圧（電圧定格）であり、２つとも６９０（Ｖ）である。もう一つ右に行き、左から４番目は、溶断Ｉ２ｔである。定格電流が２００（Ａ）のヒューズの溶断Ｉ２ｔは、３（Ａ２ｓ×１０３）であり、定格電流が４００（Ａ）のヒューズの溶断Ｉ２ｔは、２３（Ａ２ｓ×１０３）である。
【0036】
溶断Ｉ２ｔは、ヒューズ溶断のバロメータとなり、溶断Ｉ２ｔが大きいほどヒューズは溶断されにくい。図７で示すとおり、電流定格と溶断Ｉ２ｔは比例関係に無い。すなわち、図７に示すとおり、ヒューズの電流定格が２００（Ａ）から４００（Ａ）に倍になると、溶断Ｉ２ｔは、３（Ａ２ｓ×１０３）から２３（Ａ２ｓ×１０３）まで７倍以上となる。言い換えれば、ヒューズの電流定格を４００（Ａ）から２００（Ａ）まで半分にすれば、溶断Ｉ２ｔは、２３（Ａ２ｓ×１０３）から３（Ａ２ｓ×１０３）まで１／７以下にすることができる。一方、ヒューズの電流定格が２００（Ａ）であれば、２００（Ａ）の電流を流し続けてもヒューズが切れることはない。
【0037】
例えば、直流ヒューズ６の電流定格を半分に下げれば、何倍も早く直流ヒューズ６を溶断させることができる。本発明では、上記の直流ヒューズ６の性質に着目し、各単位インバータユニット３０の容量をあえて小さくすることで、より早く直流ヒューズ６を溶断させることとしている。なお、図７の表の右側の２つの数字は、本発明とは関連性が低いため、ここでは説明を割愛する。
【0038】
図８は、比較例に係る従来の電力変換器１００の構成例と、一の実施形態に係る電力変換器１の構成例とを示す図である。図８（ａ）は、比較例に係る従来の電力変換器１００の構成例を示す図である。図８（ｂ）は、一の実施形態に係る電力変換器１の構成例を示す図である。
【0039】
【0040】
図８（ａ）によれば、比較例に係る従来の電力変換器１００は、インバータユニット１３０が４台並列接続されている。半導体素子４０が１６個であることが前提となっているため、各インバータユニット１３０には、各４個ずつの半導体素子４０が配置されている。直流ヒューズ１０６は、インバータユニット１３０の容量に合わせた定格電流のものが用いられている。
【0041】
図８（ｂ）によれば、電力変換器１は、インバータユニット３０が８台並列接続されている。半導体素子４０が１６個であることが前提となっているため、各インバータユニット３０には、各２個ずつの半導体素子４０が配置されている。直流ヒューズ６は、インバータユニット３０の容量に合わせた定格電流のものが用いられている。
【0042】
図８（ａ）に示す電力変換器１００と、図８（ｂ）に示す電力変換器１とを比較すると、インバータユニット１３０に比べ、インバータユニット３０の台数が倍になっている。このため、インバータユニット１３０に比べ、インバータユニット３０の容量は半分である。これにより、本実施形態に係る電力変換器１では、直流ヒューズ６の電流定格を、比較例に係る電力変換器１００の直流ヒューズ１０６の電流定格に比べ、半分にすることができる。図７で説明したとおり、直流ヒューズ６の電流定格を半分にすれば、ヒューズの溶断されやすさを示す溶断Ｉ２ｔが何分の１にも下がる。これにより、本実施形態に係る直流ヒューズ６は、比較例に係る直流ヒューズ１０６よりも何倍も早く溶断されることとなる。
【0043】
図９は、図８に示す比較例に係る従来の電力変換器１００において、短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例と、一の実施形態に係る電力変換器１において、短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示す図である。
【0044】
図９（ａ）は、図８（ａ）に示す比較例に係る従来の電力変換器１００において、短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示す図である。図９（ａ）は、図８（ａ）に示すとおり、インバータユニット１３０の並列数が少ない場合（４素子並列４ユニット構成）に短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示す図である。図９（ａ）では、４台のインバータユニット１３０が並列接続されているうちの１台について短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示している。なお、図９（ａ）に示す装置では、素子定格が１７００Ｖの半導体素子４０を使用している。
【0045】
図９（ａ）では、短絡故障が発生してから２２０マイクロ秒後に直流ヒューズ１０６が溶断されている。しかし、溶断された後に直流電圧が跳ね上がり、このピーク値が３．１ｋＶに達する。これは、直流ヒューズ１０６の電流定格が大きいため（１１００Ａ）、溶断Ｉ２ｔも大きく、直流ヒューズ１０６が溶断するまでの時間が長いためである。これにより、直流ヒューズ１０６が溶断後に、直流電圧が上昇している。
【0046】
なお、図９（ａ）に示す装置の場合、上述のとおり、素子定格が１７００Ｖの半導体素子４０を使用している。このとき、この３．１ｋＶという電圧が、他の健全な半導体素子４０の上アーム２と下アーム２に均等にかかっているうちは問題ない。しかし、このような事故時には、アンバランスな波形となることがあり、このような場合、３．１ｋＶという直流電圧がかかると、半導体素子４０を過電圧で破損してしまう恐れがある。このため、比較例に係る従来の電力変換器１００では、他の健全なインバータユニット３０においても二次的に半導体素子４０の素子破損が起きてしまう。
【0047】
図９（ｂ）は、図８（ｂ）に示す一の実施形態に係る電力変換器１において、短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示す図である。図９（ｂ）は、図８（ｂ）に示すとおり、インバータユニット３０の並列数が多い場合（２素子並列８ユニット構成）に短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示す図である。図９（ｂ）では、８台のインバータユニット３０が並列接続されているうちの１台について短絡故障が発生したときの直流電流及び直流電圧の動作例を示している。なお、図９（ｂ）に示す装置では、図９（ａ）に示す装置と同様に、素子定格が１７００Ｖの半導体素子４０を使用している。
【0048】
図９（ｂ）では、短絡故障が発生してから速やかに直流ヒューズ６が溶断されている。直流電圧の跳ね上がりも小さく、１．４７ｋＶである。これは、直流ヒューズ６の電流定格が小さいため（５２５Ａ）、溶断Ｉ２ｔも小さく、直流ヒューズ６が溶断するまでの時間が、直流ヒューズ１０６に比べ、何倍も短いためである。
【0049】
なお、図９（ｂ）に示す装置の場合、上述のとおり、素子定格が１７００Ｖの半導体素子４０を使用している。このとき、この１．４７ｋＶという電圧が、他の健全な半導体素子４０の上アーム２と下アーム２にアンバランスな波形でかかり続けたとしても、素子定格よりも低い電圧であるため、半導体素子４０が過電圧で破損することはない。このため、本実施形態に係る電力変換器１では、他の健全なインバータユニット３０においても二次的な半導体素子４０の素子破損を抑制することができる。
【0050】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すとおり、蓄電池１０からの流入電流の立ち上がりを抑制することができれば、その後の直流電圧の跳ね上がりを抑えることができる。蓄電池１０からの流入電流が大きく立ち上がってしまうと、その分蓄電池１０と電力変換器１との間の配線のインピーダンス７、主にインダクタンスにエネルギーが蓄えられることになる。インダクタンスＬのリアクトル、インダクターにＩという電流が流れると１／２ＬＩ２というエネルギーが蓄えられ、そのようなエネルギーが流入してくることで、電圧の跳ね上がりに響いてくると考えられる。
【0051】
以上より、４素子並列４ユニット構成の電力変換器１００に比べ、２素子並列８ユニット構成の電力変換器１の方が、直流ヒューズ６の溶断Ｉ２ｔの定格を何倍も小さくすることができるため、直流ヒューズ６が早く溶断され、直流電圧の上昇を抑制できる。これは、直流ヒューズ６の溶断特性によるものである。すなわち、これは、直流ヒューズ６の電流定格と溶断Ｉ２ｔとは比例関係に無く、電流定格が倍になった場合、溶断Ｉ２ｔが倍以上になり、電流定格を半分にした場合、溶断Ｉ２ｔが半分以下となり、より早く直流ヒューズ６が溶断するという特性によるものである。
【0052】
なお、大容量の電力変換器１を実現するためには、まず、各素子並列／ユニット並列の案を列挙し、各パターンで解析する。インバータユニット３０の並列が少ない方が、直流ヒューズ６が溶断するのが遅く、他の健全なインバータユニット３０の直流ヒューズ６も溶断する傾向にあり、また直流電圧の跳ね上がりも大きい。このとき、インバータユニット３０の並列数をどこまで増やせば、他の健全なインバータユニット３０の直流ヒューズ６が溶断されずに、直流電圧の跳ね上がりが小さいかを判定する。そして、上記の判定結果を元に大容量の電力変換器１を実現する。
【0053】
大容量の電力変換器１の実現が出来ない場合は、直流電圧の跳ね上がりが大きく、他の健全なインバータユニット３０の直流ヒューズ６も溶断されてしまう場合である。なぜなら、インバータユニット３０の容量が大きいと、インバータユニット３０の並列数が少なく、１ユニットの半導体素子４０の並列数が多くなる。大きなインバータユニット３０であればあるほど１個の直流ヒューズ６の溶断Ｉ２ｔが大きくなり、直流ヒューズ６が溶断されるのが遅くなって、他の健全なインバータユニット３０のヒューズまで溶断されてしまうためである。
【0054】
このため、本実施形態に係る大容量の電力変換器１は、インバータユニット３０の数が、短絡解析を行った際に、他の健全なインバータユニット３０における直流ヒューズ６がいずれも溶断されないという条件を満たす数である必要がある。一例として、インバータユニット３０の数が、半導体素子４０の数よりも大きい数であることが挙げられる。また、一例として、インバータユニット３０の数が４よりも大きい数であることが挙げられる。さらに、一例として、本実施形態に示すとおり、インバータユニット３０の数が８であり、半導体素子４０の数が２であることが挙げられる。
【0055】
＜一の実施形態の作用効果＞
本実施形態によれば、素子破損時に速やかに直流ヒューズ６を溶断させ、直流電圧（直流リンク電圧）の上昇を抑制することで、健全なインバータユニット３０における二次的な素子破損の発生を抑制する電力変換器１を提供することができる。
本実施形態によれば、素子破損時に速やかに直流ヒューズ６を溶断させ、直流電圧（直流リンク電圧）の上昇を抑制することで、健全なインバータユニット３０における二次的な素子破損の発生を抑制する電力変換器１を提供することができる。
【0056】
＜実施形態の補足事項＞
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。
【符号の説明】
【0057】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…電力変換器（インバータ）；２…アーム；３…レグ；４…直流コンデンサ（コンデンサ）；５…直流遮断器（遮断器）；６…直流ヒューズ（ヒューズ）；７…インピーダンス；８…短絡故障（短絡事故）；１０…直流電源（蓄電池）；２０…交流系統；３０…インバータユニット（ユニット、単位インバータユニット、単位ユニット）；４０…半導体素子（素子）；１００…電力変換器；１０６…直流ヒューズ（ヒューズ）；１３０…インバータユニット（ユニット、単位インバータユニット、単位ユニット）；Ｃ…中性点；Ｌ…インダクタンス；Ｎ…負極；Ｐ…正極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】