JP6646870B2

JP6646870B2 - チョッパ装置

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Publication number: JP6646870B2
Application number: JP2016030742A
Authority: JP
Inventors: 亮平牧野; 源宜窪内
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
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Also published as: JP2017153173A; US20170244319A1; US9837894B2

Description

この発明は、例えば鉄道分野等に使用され、直流入力電圧を所定の大きさの直流電圧に変換して出力するチョッパ装置に関するものである。

図３１は、従来の３レベルチョッパ装置の一例を示す回路図である。
図３１において、直流電源１の正極と負極との間には、機械的な接点を有する電流遮断装置やフューズ等からなる遮断器２と、リアクトル３と、半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチともいう）４，５とが直列に接続されている。ここで、スイッチ４，５には、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）やＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭＯＳ形電界効果トランジスタ）、バイポーラパワートランジスタ等が使用される。

スイッチ４の両端には、ダイオード６とコンデンサ８とが直列に接続されていると共に、スイッチ５の両端にはダイオード７とコンデンサ９とが直列に接続されている。
コンデンサ８，９の直列回路の両端とコンデンサ８，９同士の接続点（中点）とはチョッパ装置の出力端子になっており、これらの出力端子間には、ＩＧＢＴ等のスイッチ１０，１１からなるハーフブリッジインバータと交流のモータ１２とを備えた負荷１０１が接続されている。

このチョッパ装置では、スイッチ４，５のオン・オフにより、リアクトル３に蓄積したエネルギーをコンデンサ８，９の直列回路に供給し、この直列回路から３つの電位の直流電圧を負荷１０１に出力している。ここで、コンデンサ８，９の電圧は、それぞれ直流電源１の電圧より高い値に制御されるため、図３１の回路は３レベル昇圧チョッパ装置として機能する。
なお、負荷１０１の動作としては、ハーフブリッジインバータのスイッチ１０，１１のオン・オフにより、直流電圧を交流電圧に変換してモータ１２に供給している。

このチョッパ装置に故障が発生した時は、インバータのスイッチ１０，１１をオフして負荷１０１をチョッパ装置から切り離すと共に、チョッパ動作するスイッチ４，５をオフさせ、負荷１０１に電流が流れないようにして保護を図るのが一般的である。
しかし、例えばチョッパ装置内の一方のスイッチ４が全導通となるような短絡故障が発生すると、図３２に示す等価回路が構成される。この場合の通常の対策としては、スイッチ１０，１１をオフさせて負荷１０１を切り離し、チョッパ装置内の他方のスイッチ５をオフさせる操作を行う。

図３３は、スイッチ４が短絡故障した際に、負荷１０１を切り離すと共にスイッチ５をオフさせた場合の等価回路である。
この回路では、直流電源１から、短絡状態のスイッチ４を介して、破線で示す経路ａでリアクトル３とコンデンサ９とによる直列共振電流が流れる。この直列共振電流は、スイッチ４が短絡故障を起こしているので、制御不能である。このため、コンデンサ９が直流電源１の電圧より高い電圧（コンデンサ９の耐圧以上の電圧）まで充電される恐れがある。特に、この種のチョッパ装置では、通常時にコンデンサ９の電圧が直流電源１の電圧より低い値で運転される場合もあるが、図３３の経路ａで直列共振電流が流れると、コンデンサ９の電圧が通常動作時の３倍程度にまで上昇することがある。

また、チョッパ装置が鉄道車両に搭載される場合、架線から供給される直流電源１の電圧は、パンタグラフの離線や他の車両の回生運転等によってしばしば変動する。特に、直流電源電圧が急激に変動すると、経路ａの直列共振電流により、コンデンサ９の電圧が一層高い電圧に到達する恐れがある。一般的に、耐圧を大きく超える電圧がコンデンサに瞬時に印加される場合、コンデンサの静電容量をＣ、電圧をＶとすると、ＣＶ^２／２のエネルギーが一気に開放される結果、コンデンサが爆発する事態に至ってしまう。

図３３に示した経路ａの直列共振電流を遮断する方法としては、遮断器２を遮断することが考えられる。しかし、例えば遮断器２がフューズによって構成されている場合、フューズの溶断には大電流が必要であると共に、完全に溶断するまでにはある程度の時間を要するため、フューズの溶断前にコンデンサ９の電圧が上昇してしまう恐れがある。従って、コンデンサ９の電圧が上昇する前に、遮断器２によって直列共振電流を遮断することが望ましいが、リアクトル３のインダクタンスが大きい場合、リアクトル３に流れている電流を遮断器２により強制的に遮断すると大きなサージ電圧が発生して他のスイッチ等が破壊されることもある。従って、フューズの溶断時間はある程度の長さにならざるを得ない。
また、遮断器２を、機械的な接点を備えた電流遮断装置によって構成したとしても、その接点動作には時間遅れがあるため、コンデンサ９の電圧上昇に間に合わないこともある。
上記のように、遮断器２を用いて直列共振電流を遮断することによりコンデンサ９の過電圧破壊を完全に防止するのは困難である。

なお、図３１とほぼ同様に構成されたチョッパ装置において、コンデンサ直列回路の中点の電位に基づいてコンデンサの短絡故障等を検出し、チョッパ装置内のスイッチの動作を制限するようにした先行技術が、特許文献１に開示されている。

特開２００８−２３６８６３号公報（段落［００７９］〜［００８１］、図１等）

前述したように、従来では、チョッパ装置を構成するスイッチが短絡故障した場合に出力側のコンデンサを過電圧破壊から保護する有効な手段が存在せず、その実現が求められていた。
そこで、本発明の解決課題は、スイッチに故障が発生した場合でも出力側のコンデンサの過電圧破壊を確実に防止し、しかも、故障した素子の交換を必要最小限度かつ経済的に実現可能としたチョッパ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続され、かつ、第１のスイッチと第２のスイッチとからなるスイッチ直列回路と、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードと第１のコンデンサとの直列回路と、
前記第２のスイッチに並列に接続された、第２のダイオードと第２のコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１，第２のスイッチをオン・オフさせることにより、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの直列回路の両端及び中点から３つの電位の直流電圧を出力して負荷に供給するチョッパ装置において、
前記第１のスイッチに並列に接続された第３のスイッチと、前記第２のスイッチに並列に接続された第４のスイッチと、を備え、
前記第１のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第４のスイッチをオンさせ、前記第２のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第３のスイッチをオンさせるものである。

請求項２に係る発明は、直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続され、かつ、第１のスイッチと第２のスイッチとからなるスイッチ直列回路と、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードと第１のコンデンサとの直列回路と、
前記第２のスイッチに並列に接続された、第２のダイオードと第２のコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１，第２のスイッチをオン・オフさせることにより、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの直列回路の両端及び中点から３つの電位の直流電圧を出力して負荷に供給するチョッパ装置において、
前記第１のコンデンサに並列に接続された第３のスイッチと、前記第２のコンデンサに並列に接続された第４のスイッチと、を備え、
前記第１のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第４のスイッチをオンさせ、前記第２のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第３のスイッチをオンさせるものである。

請求項３に係る発明は、直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続され、かつ、第１のスイッチと第２のスイッチとからなるスイッチ直列回路と、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードと第１のコンデンサとの直列回路と、
前記第２のスイッチに並列に接続された、第２のダイオードと第２のコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１，第２のスイッチをオン・オフさせることにより、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの直列回路の両端及び中点から３つの電位の直流電圧を出力して負荷に供給するチョッパ装置において、
前記スイッチ直列回路に並列に接続された第３のスイッチを備え、
前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第３のスイッチをオンさせるものである。

請求項４に係る発明は、直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続された第１のスイッチと、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードとコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１のスイッチをオン・オフさせることにより、前記コンデンサの両端から所定の大きさの直流電圧を出力するチョッパ装置において、
前記第１のスイッチに並列に接続された第２のスイッチを備え、
前記コンデンサの過電圧状態が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第２のスイッチをオンさせるものである。

請求項５に係る発明は、直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続された第１のスイッチと、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードとコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１のスイッチをオン・オフさせることにより、前記コンデンサの両端から所定の大きさの直流電圧を出力するチョッパ装置において、
前記コンデンサに並列に接続された第２のスイッチを備え、
前記コンデンサの過電圧状態が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第２のスイッチをオンさせるものである。

なお、請求項６〜１２に記載するように、第３のスイッチ及び第４のスイッチを、または第３のスイッチのみを、第１のスイッチまたは第２のスイッチとは別のパッケージに収容しても良い。
また、第１のダイオード及び第１のスイッチを同一のパッケージに収容すると共に、第２のダイオード及び第２のスイッチを別の同一のパッケージに収容しても良い。
あるいは、第３のスイッチ及び第４のスイッチを同一のパッケージに収容しても良いし、それぞれ個別のパッケージに収容しても良い。
更に、第１のダイオード及び第３のスイッチを同一のパッケージに収容すると共に、第２のダイオード及び第４のスイッチを別の同一のパッケージに収容しても良い。

また、請求項１３〜１５に記載するように、チョッパ動作するスイッチにはワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用い、かつ、保護用のスイッチにはシリコンからなる素子を用いることが望ましい。
更に、ダイオードとしては、ワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用いることが望ましい。

請求項１〜請求項５に係る発明によれば、チョッパ動作するスイッチに短絡故障が発生することが推定され、あるいは、出力側のコンデンサが過電圧になる兆候が生じた場合に、保護用のスイッチをオンさせて上記コンデンサを通る電流経路をなくすことにより、コンデンサの過電圧破壊を防止することができる。

また、請求項６〜請求項１２に記載するように、ダイオードやスイッチを様々な態様でパッケージングすれば、これらの素子の故障に伴って交換が必要な場合に最小限の素子のみをパッケージ単位で交換することができる。
特に、請求項１３〜請求項１５に記載するように、ダイオードやスイッチとして、比較的高価なワイドバンドギャップ半導体からなる素子と、比較的安価なシリコンからなる素子とを使い分ければ、高価な素子の無駄な交換を不要にして経済性を高めることができる。

本発明の第１形態を示す回路図である。図１においてチョッパ動作する一方のスイッチが短絡故障した場合の、チョッパ装置の等価回路図である。図２において保護用の一方のスイッチがオンした場合の等価回路図である。本発明の第２形態を示す回路図である。第２形態に対する比較例を示す回路図である。第２形態の変形例を示す回路図である。第２形態の変形例を示す回路図である。第２形態の変形例を示す回路図である。本発明の第３形態において保護用の一方のスイッチがオンした場合の等価回路図である。本発明の第４形態を示す回路図である。本発明の第５形態を示す回路図である。図１１においてチョッパ動作する一方のスイッチが短絡故障した場合の、チョッパ装置の等価回路図である。図１２において保護用の一方のスイッチがオンした場合の等価回路図である。本発明の第６形態を示す回路図である。本発明の第７形態を示す回路図である。本発明の第８形態を示す回路図である。図１６においてチョッパ動作する一方のスイッチが短絡故障した場合の、チョッパ装置の等価回路図である。図１７において保護用のスイッチがオンした場合の等価回路図である。本発明の第９形態を示す回路図である。本発明の第１０形態を示す回路図である。本発明の第１１形態を示す回路図である。図２１において、負荷を切り離した場合のチョッパ装置の等価回路図である。図２２において保護用のスイッチがオンした場合の等価回路図である。本発明の第１２形態を示す回路図である。本発明の第１３形態を示す回路図である。本発明の第１４形態を示す回路図である。図２６において、負荷を切り離した場合のチョッパ装置の等価回路図である。図２７において保護用のスイッチがオンした場合の等価回路図である。本発明の第１５形態を示す回路図である。本発明の第１６形態を示す回路図である。従来の３レベルチョッパ装置の一例を示す回路図である。図３１において、チョッパ装置の一方のスイッチが短絡故障した場合の等価回路図である。図３２において、負荷を切り離した場合のチョッパ装置の等価回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の各形態を示す図面において、図３１〜図３３における各部と同一の機能を有するものにはこれらの図面と同一の参照符号を用いることとする。

第１形態

図１は、本発明の第１形態を示す回路図である。この回路の主要部は図３１と共通しているが、理解のために再度説明する。
図１において、直流電源１の正極と負極との間には、機械的な接点を有する電流遮断装置やフューズ等の遮断器２と、リアクトル３と、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、バイポーラパワートランジスタ等からなるスイッチ４，５とが直列に接続されている。スイッチ４の両端には、ダイオード６とコンデンサ８とが直列に接続され、スイッチ５の両端にはダイオード７とコンデンサ９とが直列に接続される。よって、スイッチ４，５同士の接続点はコンデンサ８，９同士の接続点に接続されることになる。

また、コンデンサ８，９の直列回路の両端と、コンデンサ８，９同士の接続点（中点）とは、３レベルチョッパ装置の出力端子を構成しており、これらの出力端子間には負荷１０１が接続されている。負荷１０１は、ハーフブリッジインバータを構成するＩＧＢＴ等のスイッチ１０，１１の直列回路と、交流のモータ１２とを備えている。
なお、負荷１０１としては、フルブリッジ形の単相または三相インバータ、あるいは、スイッチ及び抵抗負荷等を有するものであっても良い。

更に、この第１形態では、スイッチ４，５に対して、保護用のスイッチ２１，２２がそれぞれ並列に接続されている。これらのスイッチ２１，２２には、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、バイポーラパワートランジスタ等を使用することができる。
スイッチ４，５をオン・オフさせてチョッパ動作させる通常動作時には、スイッチ２１，２２を常にオフさせても良いし、スイッチ４，２１を同時にオン・オフさせ、スイッチ５，２２を同時にオン・オフさせても良い。

いま、例えばチョッパ動作する一方のスイッチ４が短絡故障した時に、後段のインバータのスイッチ１０，１１をオフさせて負荷１０１を切り離すと共に、チョッパ動作する他方のスイッチ５をオフさせると、等価的に図２の回路が構成される。
図２の回路では、短絡故障により導通状態となったスイッチ４を介して、直流電源１から破線の経路ａでリアクトル３とコンデンサ９とによる直列共振電流が流れる。前述したごとく、この直列共振電流はスイッチ４の短絡故障によって制御不能であるため、何ら対策を講じない場合には、コンデンサ９に耐圧以上の電圧が印加されて過電圧破壊、爆発等を引き起こす恐れがある。

そこで、本形態においては、スイッチ４の短絡故障が推定される場合に、遮断器２を遮断する前に保護用のスイッチ２２をオンさせることにより、等価的に図３の回路を構成する。
図３によれば、直流電源１からの電流がスイッチ２２により短絡されて経路ｂを流れるので、コンデンサ９には流入しなくなり、コンデンサ９の過電圧破壊を防止することができる。
この間、遮断器２はオンしているので、直流電源１からリアクトル３を流れる電流は増加していくが、その後に遮断器２を動作させれば経路ｂの電流を遮断することができ、チョッパ装置の運転を停止することが可能である。

ここで、スイッチ２２に大容量の素子を用いて、遮断器２による遮断が完了するまでの間、図３の回路状態における経路ｂの電流に耐えるようにしても良いし、スイッチ２２に短絡耐量が小さい小容量の素子を用い、このスイッチ２２を短絡故障に至らしめても良い。仮に、スイッチ２２が短絡故障しても、そのエネルギーはコンデンサ９が過電圧破壊する時に比べてはるかに小さいため、危険性を大幅に減らすことができる。

なお、スイッチ４とダイオード６とが同時に短絡故障した場合も、スイッチ５をオフすることにより、直流電源１、リアクトル３、及びコンデンサ９からなる直列共振回路が構成されるため、前記同様にスイッチ２２をオンさせて経路ｂを生成し、コンデンサを通る電流経路ａをなくせば良い。
上述した例のほか、スイッチ５の短絡故障、または、スイッチ５とダイオード７との同時短絡故障時においては、スイッチ２１をオンさせてコンデンサ８を通る電流経路をなくすことにより、出力側のコンデンサの過電圧破壊を防ぐことができる。

そこで、下記の第２形態以降では、スイッチ４のみが短絡故障した場合を代表例として説明し、スイッチ４とダイオード６との同時短絡故障時、スイッチ５の短絡故障時、スイッチ５とダイオード７との同時短絡故障時の動作については、容易に類推可能であるため説明を省略する。

第２形態

図４は、本発明の第２形態を示す回路図である。
図４の回路構成は実質的に図１と同様であるが、図１との相違点は、スイッチ４及びダイオード６をチョッパモジュールとしての１個のパッケージに収容し、同様にスイッチ５及びダイオード７をチョッパモジュールとしての１個のパッケージに収容し、更に、スイッチ２１，２２をそれぞれ個別のパッケージに収容した点である。なお、図４における一点鎖線はパッケージを示している。

スイッチ４が短絡故障した後に、保護用のスイッチ２２がオンされてその後に短絡故障することにより図３の等価回路が構成された場合、スイッチ４，２２は壊れているため速やかに交換する必要がある。しかし、スイッチ５は壊れていないので、交換の必要はない。
ここで、図５に示すように、スイッチ４，２１及びダイオード６を１個のパッケージに収容し、スイッチ５，２２及びダイオード７を１個のパッケージに収容する場合を想定してみる。スイッチ４，２２の故障時には、少なくともこれらの素子を交換すれば良いが、図６においてスイッチ４，２２が収容されているパッケージを交換すると、それぞれ同一パッケージ内にある健全なスイッチ２１，５も交換することになる。
これに対し、図４のようにパッケージングすれば、スイッチ４，２２の交換に伴って健全なスイッチ２１，５までが必要以上に交換されることはない。

また、図６のように、スイッチ２１，２２が同一パッケージ内に収容されている場合、短絡故障したスイッチ２２を含むパッケージ内のスイッチ２１，２２は同時に交換することになるが、スイッチ５及びダイオード７は交換しなくて済む。
更に、図７のように、ダイオード６とスイッチ２１が同一のパッケージに収容され、ダイオード７とスイッチ２２が同一のパッケージに収容されると共に、スイッチ４，５がそれぞれ別のパッケージに収容されている場合には、例えばスイッチ２２の交換時にはダイオード７も同時に交換することになるが、スイッチ５は交換しなくて済む。
ここで、スイッチ４，５を同一パッケージに収容することは、スイッチ４の交換と同時にスイッチ５も交換することになるので、交換対象の素子を減らす観点からは好ましい構成ではない。

一般に、チョッパ装置用の素子（スイッチやダイオード）を含むモジュールは、耐圧があれば足りる保護用のスイッチよりも高価であるため、図６，図７のように、チョッパ装置用の素子と保護用のスイッチとをそれぞれ別のパッケージに収容してチョッパ装置用の素子の不要な交換を回避すれば、装置の低価格化を図ることができる。

また、スイッチ４，５は、図８に示すように、チョッパ動作と直接関係のない還流ダイオード等を１個のパッケージに収容したものから選ばざるを得ない場合がある。このようなパッケージを用いる場合であって、健全なスイッチを含むモジュールを交換したくない時には、図４や図８に示すように、保護用のスイッチ２１，２２をチョッパ動作する素子のパッケージの外部で接続すると良い。
これにより、スイッチ４を含むアームの短絡故障時にオンさせたスイッチ２２が短絡故障に至った場合でも、スイッチ２２のパッケージを交換すれば良く、スイッチ５を含むパッケージは交換しなくて済む。なお、スイッチ４を含むパッケージを交換する必要があることは言うまでもない。

第３形態

次に、本発明の第３形態を説明する。この第３形態の回路構成は図４と同一であるため、以下では図４を参照しつつ説明する。
第３形態においても、図４と同様に、スイッチ４及びダイオード６をチョッパモジュールとしての１個のパッケージに収容すると共に、スイッチ５及びダイオード７をチョッパモジュールとしての１個のパッケージに収容し、また、保護用のスイッチ２１，２２をそれぞれ個別のパッケージに収容する。更に、この第３形態の特徴は、ダイオード６，７としてＳｉＣ−ＳＢＤ（シリコンカーバイド−ショットキーバリアダイオード）等のワイドバンドギャップ半導体からなるダイオードを使用すると共に、チョッパモジュールの外部に接続される保護用のスイッチ２１，２２としてＳｉ製の素子を用いている。

スイッチ２１，２２はチョッパ装置の通常動作時には導通しないため、損失等を気にする必要はない。よって、低損失かつ高価なワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用いる必要はなく、安価なＳｉ（シリコン）製の素子を用いれば十分である。
スイッチ４の短絡故障に伴い、図９に示すごとくスイッチ２２をオンした結果、その後にスイッチ２２が短絡故障した場合でも、ワイドバンドギャップ半導体製のダイオード７を含むチョッパモジュールは健全であるため、交換する必要がない。
このように、保護用のスイッチ２１，２２に安価なＳｉ製の素子を用いれば、高価なダイオード７を含むチョッパモジュールの不要な交換を回避することができる。

第４形態

図１０は、本発明の第４形態を示す回路図である。
本形態の回路構成は図４，図８と実質的に同一であるが、本形態の特徴は、チョッパ動作するスイッチ４，５としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（シリコンカーバイド−ＭＯＳ形電界効果トランジスタ）等のワイドバンドギャップ半導体からなる素子を使用し、保護用のスイッチ２１，２２にＳｉ製の素子を用いている。前記同様に、図中の一点鎖線は、各部品を収容するパッケージを示す。

第４形態によれば、例えば、スイッチ４の短絡故障に伴い、スイッチ２２をオンさせた結果、その後にスイッチ２２が短絡故障した場合でも、ワイドバンドギャップ半導体製のスイッチ５を含むチョッパモジュールは故障していないため、交換する必要がない。よって、図５に示した例に比べて、チョッパモジュールの不要な交換を回避することができる。

第５形態

図１１は、本発明の第５形態を示す回路図である。
この第５形態では、保護用のスイッチ２３，２４がそれぞれコンデンサ８，９に並列に接続されている。
チョッパ動作する一方のスイッチ４の短絡故障時に、負荷１０１を切り離すと共に他方のスイッチ５をオフすると、等価的に図１２の回路が構成される。図１２の回路では、短絡状態となったスイッチ４を介して、直流電源１からリアクトル３とコンデンサ９とを含む経路ａで直列共振電流が流れる。この場合も、スイッチ４は故障により制御不能であるから、コンデンサ９が過電圧破壊に至る恐れがある。

しかるに、スイッチ４の短絡故障が推定されたら、遮断器２を遮断する前にスイッチ２４をオンさせれば、図１２の回路は等価的に図１３となり、直流電源１からの直列共振電流は経路ｃを流れてコンデンサ９に流れなくなるため、コンデンサ９の過電圧破壊を防止することができる。

本形態において、スイッチ２３及びコンデンサ８を１個のパッケージに収容すると共に、スイッチ２４及びコンデンサ９を１個のパッケージに収容しても良いし、あるいは、各部品をそれぞれ個別のパッケージに収容しても良い。また、スイッチ２３，２４を同一のパッケージに収容しても良いし、個別のパッケージにそれぞれ収容しても良い。

第６形態

図１４は、本発明の第６形態を示す回路図である。
本形態では、図１１の回路において、スイッチ４及びダイオード６が同一パッケージに収容されたチョッパモジュールと、スイッチ５及びダイオード７が同一パッケージに収容されたチョッパモジュールと、スイッチ２３，２４がそれぞれ個別に収容されたパッケージを用いている。また、ダイオード６，７として、ＳｉＣ−ＳＢＤ等のワイドバンドギャップ半導体製の素子を用い、保護用のスイッチ２３，２４は、Ｓｉ製の素子を用いてチョッパモジュールの外部に接続してある。

この第６形態においても、チョッパ装置の通常動作時には導通しないスイッチ２３，２４に安価なＳｉ製の素子を用いることができる。
また、スイッチ４の短絡故障が推定された時に、遮断器２を遮断する前にスイッチ２４をオンさせれば、図１３に示したように、直流電源１からの電流は経路ｃを流れるためコンデンサ９には流入しなくなり、コンデンサ９の過電圧破壊が防止される。仮に、スイッチ２４が短絡故障に至ったとしても、ワイドバンドギャップ半導体製のダイオード７を含むチョッパモジュールは故障していないため、不要な交換を回避することができる。

第７形態

図１５は、本発明の第７形態を示す回路図である。
本形態は、図１４におけるスイッチ４，５としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等のワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用い、保護用のスイッチ２３，２４は、Ｓｉ製の素子を用いてチョッパモジュールの外部に接続してある。
本形態においても、第６形態と同様に、スイッチ４の短絡故障時にコンデンサ９を過電圧破壊から防止できると共に、ワイドバンドギャップ半導体製のスイッチ５を含むチョッパモジュールの不要な交換を回避することが可能である。

第８形態

図１６は、本発明の第８形態を示す回路図である。
この第８形態では、図１における保護用のスイッチ２１，２２に代えて、ダイオード６のアノードとダイオード７のカソードとの間に保護用のスイッチ２５が接続されている。
チョッパ装置の運転時にスイッチ４，５を同時にオンさせる期間がある場合には、スイッチ２５を同時にオンさせても良い。

スイッチ４の短絡故障時に負荷１０１を切り離すと、図１６の等価回路は図１７のようになる。この場合も、導通状態のスイッチ４を介して、直流電源１からコンデンサ９を通る経路ａに制御不能な直列共振電流が流れるので、コンデンサ９が過電圧破壊に至る恐れがある。
そこで、スイッチ４の短絡故障が推定された場合、遮断器２を遮断する前に保護用のスイッチ２５をオンさせれば、図１８に示すように、直流電源１からの電流は経路ｄを流れてコンデンサ９には流入しなくなるの、コンデンサ９の過電圧破壊が防止される。

第９形態

図１９は、本発明の第９形態を示す回路図である。
本形態は、図１６において、スイッチ４及びダイオード６が同一パッケージに収容されたチョッパモジュールと、スイッチ５及びダイオード７が同一パッケージに収容されたチョッパモジュールと、スイッチ２５のみが収容されたパッケージとを使用している。
また、ダイオード６，７として、ＳｉＣ−ＳＢＤ等のワイドバンドギャップ半導体製の素子を用い、スイッチ２５にはＳｉ製の素子を用いている。

本形態においても、第８形態と同様に、スイッチ４の短絡故障時にコンデンサ９を過電圧破壊から防止することができる。
また、スイッチ２５とスイッチ５とが別のパッケージに収容されているため、仮にスイッチ４の短絡故障時にスイッチ２５をオンした結果、その後にスイッチ２５が短絡故障に至ったとしても、高価なワイドバンドギャップ半導体製のダイオード７を含むチョッパモジュールの不要な交換を回避することができる。

第１０形態

図２０は、本発明の第１０形態を示す回路図である。
本形態は、図１９におけるスイッチ４，５として、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等のワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用い、保護用のスイッチ２５にＳｉ製の素子を用いたものである。
本形態においても、第９形態と同様に、スイッチ４の短絡故障時にコンデンサ９を過電圧破壊から防止できると共に、スイッチ２５を単独で交換可能であるから、ワイドバンドギャップ半導体製のスイッチ５を含むチョッパモジュールの不要な交換を回避することができる。

第１１形態

図２１は、本発明の第１１形態を示す回路図である。
本形態は、通常の２レベル昇圧チョッパ装置に保護用のスイッチを付加したものである。
図２１において、１０２は、スイッチ１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂからなるフルブリッジインバータとモータ１２とを備えた負荷である。上記インバータの直流入力側には、ダイオード６とスイッチ２８との直列回路と、コンデンサ２６とが並列に接続されている。また、スイッチ２８には、保護用のスイッチ２７が並列に接続されている。その他の構成は、前述した各形態と同様である。
スイッチ２８はチョッパ動作を行うためのものであり、このスイッチ２８のオン時にはスイッチ２７を同時にオンさせても良い。

本形態において、例えばインバータ内のスイッチ１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ等が故障してコンデンサ２６が過電圧となる兆候がある場合には、負荷１０２を切り離すと共にチョッパ動作するスイッチ２８をオフすることにより、等価的に図２２に示す回路が構成される。
図２２の回路において、遮断器２が遮断されるまでは直流電源１の両端にリアクトル３とコンデンサ２６とが直列に接続されて直列共振回路が構成されるため、経路ｅを流れる電流により、コンデンサ２６の電圧は通常動作時の電圧よりも上昇する。

前述したように、第１〜第１０形態のような３レベル昇圧チョッパ装置では、出力側のコンデンサの電圧を直流電源１の電圧より低くして運転する場合があり、この状態でリアクトルとコンデンサとによる直列共振回路が構成されると、コンデンサの電圧が大幅に高くなる場合がある。
これに対し、図２１に示す２レベル昇圧チョッパ装置では、通常、直流電源１の電圧よりも出力側のコンデンサ２６の電圧が高い状態で運転されるため、図２２のような直列共振回路が構成されても、コンデンサ２６の電圧は通常動作時の電圧より大幅に高くなることは考えにくい。しかしながら、鉄道用のチョッパ装置のように、直流電源電圧が離線等によって急激に変動し、スイッチ２８をオフさせる直前に直流電源１の電圧が急上昇するような場合には、コンデンサ２６の到達する電圧が非常に高くなる恐れがある。

そのような時にも、コンデンサ２６が過電圧となる兆候を検出した場合には、遮断器２を遮断する前に保護用のスイッチ２７をオンさせれば、等価的に図２３の回路が構成される。これにより、直流電源１からの電流は経路ｄを流れて図２２の経路ｆがなくなるため、コンデンサ２６の過電圧破壊やスイッチ２８の降伏、過電圧破壊を防ぐことができる。スイッチ２７をオンさせた後は、遮断器２を動作させて直流電源１からの電流を切断することにより、チョッパ装置は運転を停止する。

なお、スイッチ２７，２８を同一のパッケージに収容しても良いが、それぞれ個別のパッケージに収容することが望ましい。
保護用のスイッチ２７はチョッパの通常動作時には導通しなくて良いため、高性能かつ高価な素子を用いる必要はなく、例えばＳｉ製の安価な素子を使用することができる。従って、スイッチ２８やダイオード６にワイドバンドギャップ半導体等の高価な素子を使用している場合には、安価なスイッチ２７のみを交換することで経済性が向上する。

第１２形態

図２４は、本発明の第１２形態を示す回路図である。
本形態では、チョッパモジュール内のダイオード６として、ワイドバンドギャップ半導体製のＳｉＣ−ＳＢＤが使用されている。また、ダイオード６及びスイッチ２８が同一のパッケージに収容され、保護用のスイッチ２７は別のパッケージに収容されている。このスイッチ２７には、Ｓｉ製の安価な素子が使用されている。
本形態のように、スイッチ２７，２８をそれぞれ別のパッケージに収容すれば、保護用のスイッチ２７をオンさせた後に短絡故障したとしても、スイッチ２７のみを交換することができる。

仮に、コンデンサ２６の電圧が上昇していってスイッチ２８が過電圧破壊されると、スイッチ２８と同じパッケージに収容されたダイオード６、つまり、高価なワイドバンドギャップ半導体製のダイオード６も交換することになる。
本形態では、スイッチ２７のみが個別のパッケージに収容されているので、スイッチ２８が過電圧破壊される前にスイッチ２７をオンすればコンデンサ２６やスイッチ２８、ダイオード６を保護することができる。また、その後にスイッチ２７が短絡故障した場合でも、安価なスイッチ２７のみを交換すれば良い。

第１３形態

図２５は、本発明の第１３形態を示す回路図である。
本形態は、第１１形態におけるスイッチ２８として、ワイドバンドギャップ半導体からなるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等を用いている。なお、保護用のスイッチ２７にはＳｉ製の素子が使用されている。
本形態の動作は、上述した第１１形態、第１２形態と基本的に同一であるため、詳述を省略するが、コンデンサ２６の電圧によってスイッチ２８が過電圧破壊される前にスイッチ２７をオンすれば、コンデンサ２６や高価なスイッチ２８を保護することができる。
また、その後にスイッチ２７が短絡故障した場合でも、スイッチ２７，２８をそれぞれ別のパッケージに収容しておけば、安価なスイッチ２７のみを交換することができ、経済性が高い。

第１４形態

図２６は、本発明の第１４形態を示す回路図である。
本形態では、図２１の第１１形態における保護用のスイッチ２７に代えて、図２６に示すごとく、コンデンサ２６に並列に保護用のスイッチ２９が接続されている。

負荷１０２のインバータ等が故障した場合に、負荷１０２を切り離すと共にチョッパ動作するスイッチ２８をオフすると、図２７に示す等価回路が構成される。コンデンサ２６が過電圧となる兆候が検出された場合、遮断器２を遮断する前に保護用のスイッチ２９をオンさせれば、図２７に経路ｅで示した電流は図２８の経路ｆを流れるので、コンデンサ２６には流入しなくなる。このため、コンデンサ２６の過電圧破壊を防ぐと共にスイッチ２８の降伏、過電圧破壊を防ぐことができる。
その後は、遮断器２を動作させて直流電源１からの電流を遮断することにより、チョッパ装置は動作を停止する。

スイッチ２８，２９を同一のパッケージに収容しても良いが、それぞれ個別のパッケージに収容することにより、仮にスイッチ２９が短絡故障して交換の必要が生じた場合に、スイッチ２９のみの交換が可能になる。
従って、チョッパ装置の通常動作時に導通する必要のないスイッチ２９にはＳｉ製の安価な素子を使用し、チョッパ動作するスイッチ２８やダイオード６に高性能かつ高価な素子を使用する場合にも、スイッチ２８等を交換する必要がなく、経済的である。

第１５形態

図２９は、本発明の第１５形態を示す回路図である。
本形態は、図２６におけるダイオード６として、ＳｉＣ−ＳＢＤ等のワイドバンドギャップ半導体製の素子を使用するものである。また、ダイオード６及びスイッチ２８からなるチョッパモジュールが同一のパッケージに収容され、スイッチ２９が別のパッケージに収容されている。
本形態においても、例えばインバータの故障時にスイッチ２９をオンさせて図２８の経路ｆに電流を流すことにより、コンデンサ２６の過電圧破壊を防止することができる。また、スイッチ２９がその後に短絡故障して交換の必要が生じた場合に、スイッチ２９のみを交換することができ、高価なダイオード６を含むチョッパモジュールをそのまま使用することが可能である。

第１６形態

図３０は、本発明の第１６形態を示す回路図である。
本形態は、図２６におけるチョッパ用のスイッチ２８として、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等のワイドバンドギャップ半導体製の素子を使用し、保護用のスイッチ２９にはＳｉ製の安価な素子を用いている。
本形態でも、第１４形態、第１５形態と同一の原理によってコンデンサ２６の過電圧破壊を防止することができると共に、オンさせたスイッチ２９がその後に短絡故障して交換の必要が生じた場合にはスイッチ２９のみを交換すれば済み、高価なスイッチ２８を含むチョッパモジュールをそのまま使用することが可能である。

１：直流電源
２：遮断器
３：リアクトル
４，５，１０，１０ａ，１０ｂ，１１，１１ａ，１１ｂ，２１〜２５，２７〜２９：スイッチ（半導体スイッチング素子）
６，７：ダイオード
８，９，２６：コンデンサ
１２：モータ
１０１，１０２：負荷

Claims

直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続され、かつ、第１のスイッチと第２のスイッチとからなるスイッチ直列回路と、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードと第１のコンデンサとの直列回路と、
前記第２のスイッチに並列に接続された、第２のダイオードと第２のコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１，第２のスイッチをオン・オフさせることにより、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの直列回路の両端及び中点から３つの電位の直流電圧を出力して負荷に供給するチョッパ装置において、
前記第１のスイッチに並列に接続された第３のスイッチと、前記第２のスイッチに並列に接続された第４のスイッチと、を備え、
前記第１のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第４のスイッチをオンさせ、前記第２のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第３のスイッチをオンさせることを特徴とするチョッパ装置。
直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続され、かつ、第１のスイッチと第２のスイッチとからなるスイッチ直列回路と、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードと第１のコンデンサとの直列回路と、
前記第２のスイッチに並列に接続された、第２のダイオードと第２のコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１，第２のスイッチをオン・オフさせることにより、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの直列回路の両端及び中点から３つの電位の直流電圧を出力して負荷に供給するチョッパ装置において、
前記第１のコンデンサに並列に接続された第３のスイッチと、前記第２のコンデンサに並列に接続された第４のスイッチと、を備え、
前記第１のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第４のスイッチをオンさせ、前記第２のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第３のスイッチをオンさせることを特徴とするチョッパ装置。
直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続され、かつ、第１のスイッチと第２のスイッチとからなるスイッチ直列回路と、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードと第１のコンデンサとの直列回路と、
前記第２のスイッチに並列に接続された、第２のダイオードと第２のコンデンサとの直列回路と、を有し、
前記第１，第２のスイッチをオン・オフさせることにより、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの直列回路の両端及び中点から３つの電位の直流電圧を出力して負荷に供給するチョッパ装置において、
前記スイッチ直列回路に並列に接続された第３のスイッチを備え、
前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチの短絡故障が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第３のスイッチをオンさせることを特徴とするチョッパ装置。
直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続された第１のスイッチと、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードとコンデンサとの直列回路と、
を有し、
前記第１のスイッチをオン・オフさせることにより、前記コンデンサの両端から所定の大きさの直流電圧を出力するチョッパ装置において、
前記第１のスイッチに並列に接続された第２のスイッチを備え、
前記コンデンサの過電圧状態が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第２のスイッチをオンさせることを特徴とするチョッパ装置。
直流電源と、
前記直流電源の一方の極に一端が接続された、遮断器とリアクトルとの直列回路と、
前記直列回路の他端と前記直流電源の他方の極との間に接続された第１のスイッチと、
前記第１のスイッチに並列に接続された、第１のダイオードとコンデンサとの直列回路と、
を有し、
前記第１のスイッチをオン・オフさせることにより、前記コンデンサの両端から所定の大きさの直流電圧を出力するチョッパ装置において、
前記コンデンサに並列に接続された第２のスイッチを備え、
前記コンデンサの過電圧状態が推定される時に、前記遮断器による遮断前に前記第２のスイッチをオンさせることを特徴とするチョッパ装置。
請求項１または２に記載したチョッパ装置において、
前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチを、前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチとは別のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項３に記載したチョッパ装置において、
前記第３のスイッチを、前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチとは別のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載したチョッパ装置において、
前記第１のダイオード及び前記第１のスイッチを同一のパッケージに収容すると共に、前記第２のダイオード及び前記第２のスイッチを別の同一のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項１または２に記載したチョッパ装置において、
前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチを同一のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項１または２に記載したチョッパ装置において、
前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチをそれぞれ個別のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項１または２に記載したチョッパ装置において、
前記第１のダイオード及び前記第３のスイッチを同一のパッケージに収容すると共に、前記第２のダイオード及び前記第４のスイッチを別の同一のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項４または５に記載したチョッパ装置において、
前記第１のダイオード及び前記第１のスイッチを同一のパッケージに収容したことを特徴とするチョッパ装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載したチョッパ装置において、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチとして、ワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用い、かつ、前記第３のスイッチまたは前記第４のスイッチとして、シリコンからなる素子を用いたことを特徴とするチョッパ装置。
請求項４または５に記載したチョッパ装置において、
前記第１のスイッチとして、ワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用い、かつ、前記第２のスイッチとして、シリコンからなる素子を用いたことを特徴とするチョッパ装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載したチョッパ装置において、
前記ダイオードとして、ワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用いたことを特徴とするチョッパ装置。