JP6054146B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion equipment.
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。 In a power conversion device used for storage batteries, when a switching element short-circuit accident occurs in the power conversion device, the protection fuse of the DC circuit is quickly blown away to disconnect the storage battery from the power conversion device and protect the storage battery from overcurrent. There is a need to.
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）。 A DC power supply, a smoothing capacitor connected in parallel with the DC power supply and connected in parallel with the first resistor, a fuse connected in series with one output terminal of the DC power supply and connected in parallel with the second resistor, A switching leg provided between the output side of the fuse and the other output end of the DC power source, each of which is constituted by connecting in series a positive side switching element and a negative side switching element connected in reverse parallel to each other; There is known a power conversion device including a clamp capacitor connected in parallel to a leg (see, for example, Patent Document 1).
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。 FIG. 5 shows an example of the operation of the conventional power converter when the switching element is short-circuited. Hereinafter, with reference to FIG. 5, the event of fuse blowing will be described for the protection circuit of the conventional power converter.
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。
A
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。
The
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Ｉｃｘ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ＩＢｘ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ＩＢｘおよび放電電流Ｉｃｘが加算された事故電流ＩＳｘ（短絡電流）が流れることになる。
In this case, the discharge current I cx flows through the path of the failed
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ＩＢｘ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ＩＢｘ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Ｉｃｘ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。
In the power converter as described above, when a switching element short circuit accident occurs, there is no protective fuse, so a large current IBx flows from the battery, and the fuse inside the battery may be blown or the battery may be damaged or deteriorated. In order to prevent damage to the battery, in the conventional method, a
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。
However, for example, when the
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。
Further, when a fuse is provided between the
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ＩＢｘに依存する。このため、電池電流ＩＢｘ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。
Therefore, in order to provide a protection circuit without modifying the unit in the circuit component arrangement shown in FIG. 5, it is necessary to provide a
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。 An object of the present invention is to provide, in the case where the switching element short circuit in the power converter occurs, is a Turkey can be quickly blow the protection fuse the DC side with a simple protection circuit.
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。 In order to solve the above-described problems, a power conversion device according to the present invention is a power conversion device that is connected to a DC power source and converts DC supplied from the DC power source into AC, and is capable of switching control. An inverter having an element for converting electric power from direct current to alternating current, a fuse connected between the direct current power source and the inverter and capable of being blown by continuously flowing a predetermined current value or more, and the direct current In a fuse blow assist circuit provided between a power source and the fuse and protecting the DC power source, a first voltage dividing resistor for limiting an upper limit value of a charging current charged from the DC power source, and the DC power source A capacitor for accumulating charge due to the charging current to be charged, and a second voltage dividing resistor capable of discharging the charge accumulated in the capacitor, One voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor are connected in series, and the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor connected in series are connected in parallel to the DC power supply. The capacitor is connected in parallel to the second voltage dividing resistor, and when discharging the electric charge accumulated in the capacitor, a fuse blowing assist circuit for supplying a discharge current capable of blowing the fuse; The fuse blow assist circuit is provided between the DC power supply and the fuse, and is blown to protect the DC power supply from overcurrent when a short circuit fault occurs in the switching element. be configured, for a positive electrode side of the DC power supply, further comprising a first voltage dividing resistor and a diode connected in antiparallel, the diode, the discharge current is the con Rectified to a path flowing from the sensor to the fuse, and when a short circuit accident of the switching element occurs, the charge accumulated in the capacitor passes through the diode and passes through the fuse to the switching element. The discharge current is generated by flowing through a short-circuited location, whereby the fuse is blown .
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。 According to engagement Ru power converting apparatus according to the present invention, when the switching element short circuit in the power converter occurs, it is possible to quickly blow the protection fuse the DC side with a simple protection circuit.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a fuse blow assist circuit and a power conversion device according to embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted. Each of the following embodiments described here will be described by taking an example of a power conversion device for a storage battery.
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。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a fuse blow assist circuit and a power converter according to the present invention.
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。
The power converter 55 using the fuse
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。
As shown in FIG. 1, the power converter 55 includes a fuse
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。
The
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。
The
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。
The fuse
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。
The
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。
The
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。
Each of U-phase inverter 50a, V-phase inverter 50b and W-phase inverter 50c has a plurality of switching
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。
The
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。
The charge stored in the DC stabilizing capacitors 43 and 44 can be discharged mainly through the resistors 41 and 42 in the
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。
The
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。
Next, the configuration of the fuse blowing assist
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。
The fuse blow assist
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。
The first voltage dividing resistor R <b> 1 is a resistor for limiting the charging current charged from the
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。
The second voltage dividing resistor R2 is a resistor for discharging the electric charge charged in the capacitor C3 when the
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。
The first voltage dividing resistor R1 and the second voltage dividing resistor R2 are connected in series. Further, the first voltage dividing
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ＩＡａとも記す）によって溶断可能とする。
The capacitor C3 is connected in parallel to the second voltage dividing resistor R2. The capacitor C3 supplies a discharge current that can blow the
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ＩＡａ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ＩＡａ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。
The diode D4 is a rectifying element that limits the current direction so that the assist current I Aa flows through the
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。
The diode D4 has an effect of suppressing resonance due to the influence of the capacitance component and inductance component of the
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。
Further, since it is not necessary to provide a fuse between the
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。
Next, an example of the operation when the switching element of the
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。
The
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。
The
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。
In FIG. 2, it is assumed that the switching
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ＩＡａ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。
In this case, the assist current IAa due to the electric charge accumulated in the capacitor C3 of the fuse blow assist
また、ヒューズ３０溶断する前に、電池２０からも電池電流ＩＢａ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ＩＢａがアシスト電流ＩＡａより立ち上がりが遅い。ヒューズ電流ＩＦａは、アシスト電流ＩＡａおよび電池電流ＩＢａが加えられた電流であり、このヒューズ電流ＩＦａがヒューズ３０を流れる。
Further, the battery current IBa is also supplied from the
さらに、このヒューズ電流ＩＦａ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ＩＣａ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ＩＳａ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。
Further, the fuse current I Fa and the discharge current I Ca discharged from the DC stabilizing capacitor C 5 of the
ヒューズ３０は、所定の電流値以上のヒューズ電流ＩＦａ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ＩＡａ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ＩＢａ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ＩＢａ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。
The
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。
As described above, in a switching element short circuit accident of the
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。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which the power conversion device is replaced with an analysis circuit for simulation, and FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation analysis result when a switching element short circuit accident occurs in the analysis circuit of FIG. Specifically, the
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ＩＦａを短絡電流ＩＦａ（ｔ）とすると、溶断に必要なエネルギーＰは、ヒューズ３０のＩ２・ｔ特性（溶断特性）に基づいて求めることができる。
First, the fusing operation of the
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ＺＬ、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。
Here, in the
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ＺＬ=０．１（μＨ）（実回路より推定）等として求めたものである。
FIG. 4 shows an example of an analysis waveform for FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the current value. As calculation conditions for (Equation 1), (Equation 2) and other analyses, for example, voltage V (t) = 320 (V) across the
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ＩＦａ（ｔ）、計算より得られる電流ＩＦａ（ｔ）の実効値ＩＦａ（ｔ）ｒｍｓ、推定した実電流ＩＲ（ｔ）、および実電流ＩＲ（ｔ）の実効値ＩＲ（ｔ）ｒｍｓ、電池電流ＩＢａの波形を示す。また、各電流の内容は、以下の通りである。
In FIG. 4, the current I Fa (t) flowing through the
電池電流ＩＢａ：電池２０から供給される電流である。
Battery current I Ba : current supplied from the
ヒューズ３０に流れる電流ＩＦａ（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ＩＦａ（ｔ）は、ヒューズ溶断アシスト回路１０から流れ込む電流ＩＡａ及び電池２０から流れ込む電池電流ＩＢａが加算された電流である。
即ち、ＩＦａ（ｔ）＝ＩＡａ（ｔ）+ＩＢａ（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ＩＦａ（ｔ）はヒューズ３０の溶断がないとした電流波形となる。
Current I Fa (t) flowing through fuse 30: Current flowing through
That is, I Fa (t) = I Aa (t) + I Ba (t) (Equation 1)
However, since the fusing characteristics of the fuse cannot be simulated in the analysis, the current I Fa (t) flowing through the
電流ＩＦａ（ｔ）の実効値ＩＦａ（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。
Effective value I Fa (t) rms of current I Fa (t): an effective value obtained from (Expression 2). Similarly, the waveform assumes that the
仮にヒューズ３０は溶断開始時間ｔｓから溶断開始とすると、溶断開始時間ｔｓ時にヒューズ３０に流れる電流の実効値は（式３）となる。
If
選定したヒューズ３０の溶断特性Ｉ２ｔ（溶断Ｉ２ｔ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ｔｓが求められる。例えば、ヒューズ３０の溶断Ｉ２ｔはＹ［Ａ2ｓｅｃ］とすると、
Fusing characteristics I 2 t of the selected fuse 30 (I fusing I 2 t is the effective value) based, is required fusing start time t s of the fuse from (Equation 4). For example, if the fusing I 2 t of the
以上の計算より、ヒューズ３０の溶断開始時間ｔｓ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ｔｓ時の溶断アシスト回路から流れ込む電流ＩＡａ(ｔｓ)及び電池２０から流れ込む電池電流ＩＢａ(ｔｓ)である。
From the above calculation, the current value of the fusing start time t s and the time of the
実電流ＩＲ（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ｔｓ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ＩＲ（ｔ）はヒューズ３０に流れる推定電流である。
Actual current I R (t): An estimated waveform in which the
実電流ＩＲ（ｔ）の実効値ＩＲ（ｔ）ｒｍｓ：ヒューズ３０に流れる実電流ＩＲ（ｔ）の実効値である。 The effective value I R (t) rms of the actual current I R (t): is the effective value of the actual current I R flowing through the fuse 30 (t).
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ＩＦａ（ｔ））のような波形になる。
In FIG. 4, the fusing starts from the fusing start time ts, and complete fusing, for example, at time te. However, since the fusing characteristics of the
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ＩＲ（ｔ）のように下がることになる。 In an actual fuse, once the fusing is started, the current flowing through the fuse drops, for example, as the actual current I R (t) shown in FIG.
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ＩＦａ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ＩＡａと電池２０から供給される電池電流ＩＢａとが加わった電流である。
The analysis result of FIG. 3 will be described with reference to the configuration of FIG. 2. The fuse current I Fa flowing in the
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。
As an analysis condition in FIG. 3, since the fuse blow assist
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ＩＡａが電池電流ＩＢａ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ＩＢａ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ＩＡａ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ＩＢａが過大な電流とならない。
Therefore, when a switching element short circuit accident occurs, as shown in FIG. 4, the assist current I Aa, which is a large current, flows from the fuse blow assist
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。 As described above, the fuse blowing assist circuit and the power conversion device according to the present invention can quickly blow a fuse at the time of an accident such as a short circuit failure of an inverter, thereby protecting a DC power source such as a battery from an overcurrent. be able to.
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。 Further, according to the fuse blow assist circuit and the power converter according to the present invention, since it is not necessary to provide a fuse between the DC stabilizing capacitor and the inverter provided in the power converter, the DC stabilizing capacitor and the switching element It is possible to avoid an increase in impedance between the two.
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。 On the other hand, as one means for reducing the size of a power converter, a technology for integrating a switching element and a capacitor for stabilizing a DC circuit has been advanced. In such a case, in order to reduce the influence on the power source side at the time of failure in the power conversion device, as described above, the protection circuit can be simply provided by externally attaching the fuse and the fuse blowing assist circuit according to the present invention. It is effective to configure.
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。
As a specific example, the
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。
The capacity of such a general-purpose inverter is, for example, about 100 kW to 500 kW. For example, a lithium battery or the like is used as the
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。
Since the fuse blow assist
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。 In the above description, the case where each of the plurality of switching elements constituting the inverter is configured by one is described. However, each switching element may be formed by connecting a plurality of switching elements in parallel. It may be connected, or may be a combination of parallel and series.
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。 According to the fuse blow assist circuit according to the present invention, since it has a simple circuit configuration, it can be easily attached when applied to an existing inverter device or power converter. For example, in the existing IGBT stack configuration, the stack change is not required just by adding the fuse blow assist circuit according to the present invention. Moreover, it is only necessary to add the fuse blow assist circuit according to the present invention to an existing power conversion device having an IGBT stack configuration, and the stack is not required to be changed.
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。 In addition, according to the fuse blow assist circuit according to the present invention, since it can be configured with simple circuits and components, the manufacturing cost can be reduced. In addition, since an auxiliary power source and an external device are unnecessary, the failure rate can be reduced.
［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。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. For example, the features of the embodiments may be combined. Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof as well as included in the scope and gist of the invention.
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 1 (R1): first voltage dividing resistor, 2 (R2): second voltage dividing resistor, 3 (C3): capacitor, 4 (D4): diode, 5 (C5), 5a (C5a), 43, 44 ... DC stabilizing capacitor, 10 ... Fuse blow assist circuit, 20 ... Battery, 21 ... Switch, 30, 30a ... Fuse, 40 ... Filter circuit, 41, 42 ... Resistance, 50, 50x ... Inverter, 50a ... U-phase inverter 50b: V-phase inverter, 50c: W-phase inverter, 51, 51a ... switching element, 52, 52a ... diode, 55, 55a, 55x ... power converter, 60 ... transformer, 61 ... switch, 100 ... analysis circuit
Claims (1)
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。 A power conversion device that is connected to a direct current power source and converts direct current supplied from the direct current power source into alternating current,
An inverter having a plurality of switching elements capable of switching control and converting power from direct current to alternating current;
A fuse connected between the DC power supply and the inverter and capable of being blown by continuously flowing a predetermined current value or more;
A fuse dividing assist circuit provided between the DC power supply and the fuse and protecting the DC power supply; a first voltage dividing resistor for limiting an upper limit value of a charging current charged from the DC power supply; and the DC A capacitor for accumulating electric charge due to the charging current charged from a power source; and a second voltage dividing resistor capable of discharging the electric charge accumulated in the capacitor, the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor A voltage dividing resistor is connected in series, the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor connected in series are connected in parallel to the DC power supply, and the capacitor is connected to the second voltage dividing resistor. A fuse blow assist circuit that is connected in parallel to the piezoresistor and supplies a discharge current capable of blowing the fuse when discharging the electric charge accumulated in the capacitor;
Comprising
The fuse blow assist circuit is provided between the DC power supply and the fuse, and is configured to protect the DC power supply from overcurrent by blowing the fuse when a short circuit fault occurs in the switching element . A diode connected in reverse parallel to the first voltage dividing resistor with respect to the positive electrode side of the DC power supply;
The diode is connected to rectify the path of the discharge current from the capacitor to the fuse,
When a short circuit accident occurs in the switching element, the electric charge accumulated in the capacitor flows through the diode through the fuse through the short circuit portion of the switching element, thereby generating the discharge current. It is comprised so that may melt | fusing, The power converter device characterized by the above-mentioned .
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