JP2017192219A - ３レベルチョッパ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチまたはダイオードに故障が発生した場合でも、コンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することが可能な３レベルチョッパ装置を提供する。
【解決手段】この３レベルチョッパ装置は、スイッチ１０１およびダイオード１０３のうちの少なくとも一方、または、スイッチ１０２およびダイオード１０４のうちの少なくとも一方の故障時に、コンデンサ４０２、または、コンデンサ４０１に過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更するように制御可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、３レベルチョッパ装置に関し、特に、直列に接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを備える３レベルチョッパ装置に関する。
従来、直列に接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを備える３レベルチョッパ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１では、直流電源と、リアクトルと、トランジスタ等で構成される第１のスイッチおよび第２のスイッチと、直列接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、第１のダイオードおよび第２のダイオードとを備える電力変換器が開示されている。この電力変換器では、直流電源に、リアクトルと、第１のスイッチおよび第２のスイッチとが直列に接続されている。そして、第１のスイッチの両端に第１のダイオードと第１のコンデンサとから構成される直列回路が接続され、第２スイッチの両端に第２のコンデンサと第２のダイオードとから構成される直列回路が接続されている。
また、この電力変換器では、第１のコンデンサと第２のコンデンサとが直列接続されている点の電位（以下、中点電位という）を検出する故障検出手段が設けられている。そして、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサのうちのいずれかが短絡故障したことに起因して、中点電位の値が予め設定された範囲を超えた場合、故障検出手段は、電力変換器の降圧を停止する信号を出力するように構成されている。
また、上記特許文献１に記載のような電力変換器（チョッパ装置）に故障が発生したときは、電力変換器の第１のスイッチおよび第２のスイッチを切断（オフ）したり、電力変換器に接続される負荷のインバータの半導体スイッチ素子を切断（オフ）したりして、負荷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。また、たとえば直列に接続されたスイッチのうちの一方のスイッチ（たとえば、第１のスイッチ）が全導通となるような短絡故障を発生した場合、通常の対策として、電力変換器に接続される負荷のインバータの半導体スイッチ素子を切断することにより負荷を電力変換器から切り離し、電力変換器の他方のスイッチ（たとえば、第２のスイッチ）が切断される。
特許第４８８６５６２号公報
しかしながら、従来の電力変換器のように、一方のスイッチとダイオードとが全導通となるような短絡故障を発生した際に、電力変換器に接続される負荷のインバータの半導体スイッチ素子を切断することにより負荷を電力変換器から切り離し、電力変換器の他方のスイッチを切断した場合には、故障により短絡した一方のスイッチとダイオードとを介して、直流電源に接続されるリアクトルと他方のコンデンサとに直列共振電流が流れる。このため、他方のコンデンサは、直流電源の電圧より高い電圧まで充電され、過電圧になるという問題点がある。
この発明は、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、この発明の１つの目的は、スイッチまたはダイオードに故障が発生した場合でも、コンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することができる３レベルチョッパ装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による３レベルチョッパ装置は、直流電源と、第１のスイッチおよび第２のスイッチと、第１のダイオードおよび第２のダイオードと、第１のコンデンサ、第２のコンデンサおよび第３のコンデンサと、第１のリアクトルおよび第２のリアクトルと、接続経路と、保護スイッチ回路とを備え、第１のスイッチと、第１のダイオードと、第２のダイオードと、第２のスイッチと、第２のコンデンサと、第１のコンデンサとは、この順で一巡に直列に接続され、直流電源は、第１のリアクトルを介して、第１のコンデンサおよび第１のスイッチの接続点と、第２のスイッチおよび第２のコンデンサの接続点と、の間に並列に接続され、第３のコンデンサは、第２のリアクトルを介して、第１のダイオードおよび第１のスイッチの接続点と、第２のスイッチおよび第２のダイオードの接続点と、の間に並列に接続され、接続経路は、第１のダイオードおよび第２のダイオードの接続点と、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの接続点とを接続し、保護スイッチ回路は、第１のスイッチおよび第１のダイオードのうちの少なくとも一方、または、第２のスイッチおよび第２のダイオードのうちの少なくとも一方の故障時に、第２のコンデンサ、または、第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更するように制御可能に構成されている。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、接続経路に直列に接続されている双方向保護スイッチである。
この場合、好ましくは、双方向保護スイッチは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびバイポーラトランジスタのうちの少なくとも１つを含む半導体スイッチ素子とダイオードとを直列接続したスイッチ回路、または、逆阻止型ＩＧＢＴが２個逆並列接続されることにより構成されている。
上記保護スイッチ回路が双方向保護スイッチである３レベルチョッパ装置において、好ましくは、双方向スイッチは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびバイポーラトランジスタのうちの少なくとも１つを含む半導体スイッチ素子とダイオードとを逆並列接続したスイッチ回路、または、ＭＯＳＦＥＴ、または、逆導通型ＩＧＢＴが２個逆直列接続されて構成されている。
上記双方向スイッチがダイオードを含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードを含む。
上記双方向保護スイッチがダイオードを含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、双方向保護スイッチを構成するダイオードは、炭化珪素ダイオードを含む。
上記双方向保護スイッチがダイオードを含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードを含む。
上記保護スイッチ回路が双方向保護スイッチである３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、双方向保護スイッチに並列に接続された第１の抵抗をさらに含む。
上記保護スイッチ回路が双方向保護スイッチである３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、双方向保護スイッチに並列に接続された第１の保護コンデンサをさらに含む。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のダイオードと接続経路の間に直列に接続される第１の保護スイッチと、第２のダイオードと接続経路の間に直列に接続される第２の保護スイッチと、第１のダイオードと第１の保護スイッチの接続点と、第２の保護スイッチと第２のダイオードの接続点との間に、並列に接続される第２の抵抗とを含む。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のダイオードと接続経路の間に直列に接続される第３の保護スイッチと、第２のダイオードと接続経路の間に直列に接続される第４の保護スイッチと、第１のダイオードと第３の保護スイッチの接続点と、第４の保護スイッチと第２のダイオードの接続点との間に、並列に接続される第２の保護コンデンサとを含む。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のコンデンサと接続経路の間に直列に接続される第５の保護スイッチと、第２のコンデンサと接続経路の間に直列に接続される第６の保護スイッチと、第１のコンデンサと第５の保護スイッチの接続点と、第６の保護スイッチと第２のコンデンサの接続点との間に、並列に接続される第３の抵抗とを含む。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のコンデンサと接続経路の間に直列に接続される第７の保護スイッチと、第２のコンデンサと接続経路の間に直列に接続される第８の保護スイッチと、第１のコンデンサと第７の保護スイッチの接続点と、第８の保護スイッチと第２のコンデンサの接続点との間に、並列に接続される第３の保護コンデンサとを含む。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のリアクトルに直列に接続される第９の保護スイッチと、第９の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の抵抗とを含む。
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のリアクトルに直列に接続される第１０の保護スイッチと、第１０の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の保護コンデンサとを含む。
上記保護スイッチ回路が第３の抵抗または第４の抵抗を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第３の抵抗、または、第４の抵抗の抵抗値をＲとし、第１のリアクトルのインダクタンスをＬとし、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサのうちの容量の小さい方の容量をＣとしたとき、抵抗値Ｒは、下記の式（１）を満たす。
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2 ・・・（１）
上記一の局面による３レベルチョッパ装置において、好ましくは、保護スイッチ回路は、第１のスイッチまたは第２のコンデンサまたは第１のダイオードまたは接続経路に直列に接続されている第１の保護スイッチ部分回路と、第２のスイッチまたは第１のコンデンサまたは第２のダイオードまたは接続経路に直列に接続されている第２の保護スイッチ部分回路との両方、または、いずれか一つを含む。
この場合、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第１１の保護スイッチを含み、第１のスイッチ、または、第１のダイオード、または、接続経路に直列に接続されている。
上記保護スイッチ回路が第１の保護スイッチ部分回路を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第１２の保護スイッチと、第１２の保護スイッチに並列接続された第５の抵抗とを含む。
上記保護スイッチ回路が第１の保護スイッチ部分回路を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第２のコンデンサに直列に接続されており、第５の抵抗の抵抗値をＲａとし、第１のリアクトルのインダクタンスをＬとし、第２のコンデンサの容量をＣ２としたとき、第５の抵抗の抵抗値Ｒａは、下記の式（２）を満たす。
Ｒａ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2 ・・・（２）
上記保護スイッチ回路が第１の保護スイッチ部分回路を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第１の保護スイッチ部分回路は、第１３の保護スイッチと、第１３の保護スイッチに並列接続された第５の保護コンデンサを含む。
上記保護スイッチ回路が第２の保護スイッチ部分回路を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１４の保護スイッチを含み、第２のスイッチ、または、第２のダイオード、または、接続経路に直列に接続されている。
上記保護スイッチ回路が第２の保護スイッチ部分回路を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１５の保護スイッチと、第１５の保護スイッチに並列接続された第６の抵抗とを含む。
この場合、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１のコンデンサに直列に接続されており、第６の抵抗の抵抗値をＲｂとし、第１のリアクトルのインダクタンスをＬとし、第１のコンデンサの容量をＣ１としたとき、第６の抵抗の抵抗値Ｒｂは、下記の式（３）を満たす。
Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2 ・・・（３）
上記保護スイッチ回路が第２の保護スイッチ部分回路を含む３レベルチョッパ装置において、好ましくは、第２の保護スイッチ部分回路は、第１６の保護スイッチと、第１６の保護スイッチに並列接続された第６の保護コンデンサとを含む。
本発明によれば、上記のように、保護スイッチ回路は、第１のスイッチ、第１のダイオード、または、第２のスイッチ、第２のダイオードの短絡故障時に、第２のコンデンサ、または、第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更するように制御可能に構成されている。これにより、コンデンサの充電電圧が過電圧になるのを抑制することができる。その結果、通常運転時の電圧より高い電圧に耐える高耐電圧仕様のコンデンサを使用する必要がない。
本発明の第１実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 ３レベルチョッパ装置（３レベル降圧チョッパ回路）の回路構成図である。 図２の３レベル降圧チョッパにおいて片側のスイッチとダイオードとが短絡故障した場合の等価回路である。 図３から、負荷を切り離し、故障していないチョッパのスイッチをオフ状態とした場合の等価回路である。 図１の回路で、片側のチョッパのダイオードとスイッチとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路である。 ３レベル降圧チョッパ回路の動作時の状態の一つで、片側のスイッチをオン状態、もう片側をオフ状態としているモードを示す図である。 ３レベル降圧チョッパ回路の動作時の状態の一つで、図６とは逆側のスイッチをオン状態、もう片側をオフ状態としているモードを示す図である。 ３レベル降圧チョッパ回路の動作時の状態の一つで、両方のスイッチをオン状態としているモードを示す図である。 ３レベル降圧チョッパ回路の動作時の状態の一つで、両方のスイッチをオフ状態としているモードを示す図である。 図１の回路で、１つのダイオードが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 図１の回路で、１つのスイッチが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 図２の回路で、１つのダイオードが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 図２の回路で、１つのスイッチが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第２実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 本発明の第３実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 本発明の第４実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 本発明の第５実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図１７の回路で、片側のダイオードとスイッチとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 図１７の回路で、１つのダイオードが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 図１７の回路で、１つのスイッチが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第６実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図２１の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと双方向保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第７実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図２３の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第８実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図２５の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第９実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図２７の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１０実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図２９の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１１実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図３１の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１２実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図３３の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１３実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図３５の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１４実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図３７の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１５実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図３９の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１６実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図４１の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１７実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図４３の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１８実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図４５の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第１９実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図４７の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第２０実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図４９の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第２１実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図５１の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第２２実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図５３の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 本発明の第２３実施形態による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。 図５５の回路で、片側のスイッチとダイオードとが短絡故障したときに、負荷を切り離し、故障していないスイッチと保護スイッチとをオフ状態としたときの等価回路を示す図である。 変形例による３レベルチョッパ装置の回路構成図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
次に、第１実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１実施形態では、図１に示すように、３レベルチョッパ装置は、直流電源８と、スイッチ１０１およびスイッチ１０２と、ダイオード１０３およびダイオード１０４と、コンデンサ４０１、コンデンサ４０２およびコンデンサ４０３と、リアクトル７０４およびリアクトル（チョッパリアクトル）７０３と、接続経路１４と、保護スイッチ２０９とを備える。なお、保護スイッチ２０９は、特許請求の範囲の「双方向保護スイッチ」の一例である。
スイッチ１０１と、ダイオード１０３と、ダイオード１０４と、スイッチ１０２と、コンデンサ４０２と、コンデンサ４０１とは、この順で一巡に直列に接続されている。また、直流電源８は、リアクトル７０４を介して、コンデンサ４０１およびスイッチ１０１の接続点と、スイッチ１０２およびコンデンサ４０２の接続点と、の間に並列に接続されている。また、コンデンサ４０３は、リアクトル７０３を介して、ダイオード１０３およびスイッチ１０１の接続点と、スイッチ１０２およびダイオード１０４の接続点と、の間に並列に接続されている。
また、接続経路１４は、ダイオード１０３およびダイオード１０４の接続点と、コンデンサ４０１およびコンデンサ４０２の接続点とを接続している。ここで、第１実施形態では、保護スイッチ２０９は、スイッチ１０１およびダイオード１０３のうちの少なくとも一方、または、スイッチ１０２およびダイオード１０４のうちの少なくとも一方の故障時に、コンデンサ４０２、または、コンデンサ４０１に過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更するように制御可能に構成されている。また、保護スイッチ２０９は、接続経路１４に直列に接続されている。
また、ダイオード１０３およびダイオード１０４により、ダイオード直列回路１２が構成されている。また、コンデンサ４０１およびコンデンサ４０２により、コンデンサ直列回路４１が形成されている。
また、出力端ＰｏおよびＮｏに、インバータ９１と電動機９２とにより構成された負荷９が接続されている。
（３レベルチョッパ装置の動作（制御方法））
次に、３レベルチョッパ装置の動作（制御方法）について、詳細に説明する。
３レベルチョッパ装置の通常の動作時には、保護スイッチ２０９は導通状態にされる。図６に示すスイッチ１０１がオン状態でかつスイッチ１０２がオフ状態の時に、コンデンサ４０１から、スイッチ１０１、リアクトル７０３、コンデンサ４０３、ダイオード１０４、保護スイッチ２０９を順次経由してコンデンサ４０１に戻る電流経路が形成される。また、図７に示すスイッチ１０１がオフ状態でかつスイッチ１０２がオン状態の時に、コンデンサ４０２から、保護スイッチ２０９、ダイオード１０３、リアクトル７０３、コンデンサ４０３、スイッチ１０２を順次経由してコンデンサ４０２に戻る電流経路が形成される。また、図８に示すスイッチ１０１、スイッチ１０２がともにオン状態の時に、コンデンサ４０１から、スイッチ１０１、リアクトル７０３、コンデンサ４０３、スイッチ１０２を順次経由してコンデンサ４０２に戻る電流経路が形成される。また、図９に示すスイッチ１０１、スイッチ１０２がともにオフ状態の時には、コンデンサ４０３はコンデンサ４０１、４０２から切り離されて充電されず、リアクトル７０３を流れる電流はコンデンサ４０３、ダイオード１０４、ダイオード１０３を順次経由して戻る経路で流れ続ける。
出力電圧（コンデンサ４０３の電圧）が入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧以上、コンデンサ４０１と４０２の電圧の和未満の時は、スイッチ１０１および１０２の切り替えによって、図６→図８→図７→図８の繰り返し、で動作する。出力電圧が入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧未満の時は、スイッチ１０１および１０２の切り替えによって、図６→図９→図７→図９の繰り返し、で動作している。
図８および図９の期間では、保護スイッチ２０９が設けられる箇所には電流は流れないため、この期間は保護スイッチ２０９を切断状態にしても良い。図６、図７のモードのときには保護スイッチ２０９はオン状態にする必要がある。保護スイッチ２０９をオフにするときは、スイッチ１０１および１０２の切り替えから適当な切り替え期間を設けて、チョッパの動作に影響を与えないようにする。
なお、図６→図９→図７→図９の経路を繰り返す場合、スイッチ１０１および１０２の切り替えるタイミングで経路を切り替える代わりに、保護スイッチ２０９で切り替えることでも同様の動作は可能である。図６→図９では、図６の状態からスイッチ１０１をオフする代わりに保護スイッチ２０９をオフすれば図９の状態（経路）とすることが可能である。その後に電流が流れなくなったスイッチ１０１をオフし、スイッチ１０２をオンにし、その状態で保護スイッチ２０９をオンにすると図７の状態（経路）になる。しかし、この場合、スイッチ１０１および１０２には、両コンデンサ４０１および４０２の電圧がかかることから、一層高耐圧であることが必要になる。
また、図６→図８→図７→図８の繰り返しで動作している場合は、保護スイッチ２０９による経路の切り替えは行えず、スイッチ１０１および１０２による切り替えで動かす必要がある。図８→図７の切り替えは、保護スイッチ２０９がオンの状態でスイッチ１０１をオフすることでしか行えない。図８の状態で保護スイッチ２０９を切り替えても電流経路は変化を受けない。また、保護スイッチ２０９をオフにした状態でスイッチ１０１をオフにすると経路は図９と同じになってしまう。
通常に装置を停止するときは、インバータ９１をオフ状態として負荷９をチョッパから切り離し、スイッチ１０１および１０２をオフ状態とする。直流電源８とリアクトル７０４と、コンデンサ４０１および４０２との共振回路により、コンデンサ４０１と４０２の電圧は、通常動作時よりも高くなる。コンデンサ４０１と４０２の耐圧は、この時に到達する電圧よりも高いように設計されている。また、リアクトル７０３を流れる電流は、コンデンサ４０３との共振電流となって、ダイオード１０４、１０３を順次経由して流れ続け、コンデンサ４０３の電圧を通常よりも高い電圧にまで充電する。リアクトル７０３の電流が０になるとコンデンサ４０３の電圧はダイオード１０３、１０４によって保持される。
（３レベルチョッパ装置のスイッチ、ダイオード故障時の挙動）
次に、３レベルチョッパ装置において、スイッチ、ダイオードが短絡故障したときの挙動について、詳細に説明する。
保護スイッチ２０９のない、従来の３レベル降圧チョッパにおいて、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したときに、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると、回路は図４のようになる。経路Ａ４で示す、コンデンサ４０２と、リアクトル７０４と、入力電源８との直列共振回路となり、コンデンサ４０２の電圧は入力電源８よりも高くなる。通常運転時、コンデンサ４０２の電圧は直流電源８の半分の電圧であるため、このような故障時には、コンデンサ４０２の電圧は、通常運転時の電圧の３倍以上に達しうる。従って、コンデンサ４０２の過電圧破壊のおそれが大きくなり、それを防止するためには通常運転時の電圧よりもはるかに高い耐圧とする必要がある。
第１実施形態においては、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したときに、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２０９も切断すると、回路は図５のようになる。経路Ａ５で示す、２つのコンデンサ４０１および４０２と、リアクトル７０４と、入力電源８との直列共振回路となり、２つのコンデンサ４０１および４０２の電圧の和は入力電源８よりも高くなる。しかし、２つのコンデンサで電圧を分担するため、保護スイッチ２０９で切断しない場合に比べて、コンデンサ４０２の電圧は低くなる。
また、保護スイッチ２０９を切断しない場合は、入力側のコンデンサ４０２が出力側のコンデンサ４０３より低電圧の場合に、図４の点線矢印の経路Ｂ４で電流が流れる。一方、保護スイッチ２０９を切断すると、その経路が存在しなくなる。そのかわり、保護スイッチ２０９を切断すると、入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧の和が、出力側のコンデンサ４０３の電圧より低い場合に、図５の点線矢印Ｂ５のようなスイッチ１０２を還流する経路で電流が流れる場合がある。
チョッパのダイオード１０３の短絡故障時に、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２０９も切断する場合は、等価回路は図１０のようになる。破線矢印の経路Ａ１０で示す、２つのコンデンサ４０１および４０２と、リアクトル７０４と、入力電源８との直列共振回路となる。そして、２つのコンデンサ４０１および４０２の電圧の和は、入力電源よりも高くなる。
ここで、保護スイッチ２０９を切断しない場合、または、保護スイッチ２０９が設けられない比較例の３レベル降圧チョッパの場合は、図１２に示されるように、その場合にも破線矢印の経路Ａ１２で示す、２つのコンデンサ４０１および４０２と、リアクトル７０４と、入力電源８との直列共振回路となる。そして、２つのコンデンサ４０１および４０２の電圧の和は、入力電源よりも高くなる。従って、ダイオード１０３のみの短絡故障時には、保護スイッチ２０９をオフ状態とするのでも、オン状態のままとするのでも、入力側の片方のコンデンサ４０２にのみ電流が流れ込むようなことはないため、どちらでも良い。
保護スイッチ２０９を切断しない場合は、入力側のコンデンサ４０２が出力側のコンデンサ４０３より低電圧の場合に、図１２の点線矢印の経路Ｂ１２で示す経路で電流が流れる。一方、保護スイッチ２０９を切断すると、その経路Ｂ１２が存在しなくなる。そのかわり、保護スイッチ２０９を切断すると、入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧の和が、出力側コンデンサ４０３の電圧より低い場合に、図１０の点線矢印の経路Ｂ１０のような経路で電流が流れる場合がある。
チョッパのスイッチ１０１の短絡故障時に、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２０９も切断する場合は、等価回路は、図１１のようになる。破線矢印の経路Ａ１１で示す２つのコンデンサ４０１および４０２と、リアクトル７０４と、入力電源８との直列共振回路となる。そして、２つのコンデンサ４０１および４０２の電圧の和は入力電源よりも高くなる。
保護スイッチ２０９を切断しない場合、または、比較例の３レベル降圧チョッパの場合は図１３のようになるが、その場合にも破線矢印の経路Ａ１３で示す、２つのコンデンサ４０１および４０２と、リアクトル７０４と、入力電源８との直列共振回路となる。コンデンサ４０１の電圧と、リアクトル７０３およびコンデンサ４０３の電圧が等しいことから経路Ｂ１３で示す、入力電源８、リアクトル７０３、リアクトル７０４、コンデンサ４０３、コンデンサ４０２の共振回路によっても電流が流れる。そして、２つのコンデンサ４０１および４０２の電圧の和は入力電源よりも高くなる。従って、スイッチ１０１のみの短絡故障時には、保護スイッチ２０９をオフ状態とするのでも、オン状態のままとするのでも、入力側の片方のコンデンサ４０２にのみ電流が流れ込むようなことはないため、どちらでも良い。
保護スイッチ２０９を切断した場合には、保護スイッチ２０９を切断しないときに成立していた、図１３の点線矢印の経路Ｂ１３の共振回路がなくなる。リアクトル７０３を流れていた電流は、図１１の経路Ｂ１１に示すように、コンデンサ４０３と共振して流れて、やがて止まる。これにより、入力側から出力側のコンデンサ４０３を経由してコンデンサ４０２へ流れる電流がなくなり、コンデンサ４０２に蓄積される電荷も少なくなって、電圧も低下する。
コンデンサ４０１の電荷は、ダイオード１０３があるために放電してしまうことはない。このため、出力側のコンデンサ４０３の電圧が、入力側コンデンサ４０１および４０２の電圧の和よりも高くなるようなことはなく、出力側のコンデンサ４０３から入力側のコンデンサ４０１および４０２へ電流が流れるようなことはない。また、保護スイッチ２０９を切断しないときは、ダイオード１０３とスイッチ１０２とで入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧を保っていた。一方、保護スイッチ２０９を切断すると、リアクトル７０３とコンデンサ４０３との共振電流が経路Ｂ１１で流れている間はダイオード１０３に電流が流れるために、両コンデンサ４０１および４０２の電圧全体をスイッチ１０２で保つことになるため、デバイス耐圧に注意する必要がある。
以上のように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡破壊したときに、片側のコンデンサ４０２のみがリアクトル７０４、直流電源８と直列共振回路を構成することによる過電圧を、保護スイッチ２０９の切断によって２つのコンデンサ４０１および４０２に電圧がかかるようにすることにより、低減することが出来る。
チョッパの動作をするデバイスである、スイッチ１０１および１０２には、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体デバイスを用いることが出来る。また、スイッチ１０１および１０２は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴでも良い。
ダイオード１０３および１０４としては、Ｓｉ（シリコン）−ｐｎダイオード、ＳｉＣ（炭化珪素）−ＳＢダイオード、ＭＯＳＦＥＴの同期整流や、ボディダイオード、またそれらを並列したものを用いることが出来る。
上記の説明では、短絡故障するデバイスは、スイッチ１０１またはダイオード１０３としていたが、スイッチ１０２またはダイオード１０４の場合もコンデンサ４０２をコンデンサ４０１と読み替えることで同様になるので説明は省略する。以下の実施形態においても、スイッチ１０１またはダイオード１０３の短絡故障時を例として説明し、スイッチ１０２またはダイオード１０４の短絡故障の場合については必要のない限り説明は省略する。また、最もコンデンサ４０２の電圧が高くなるのはスイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障する場合であるので、以下の実施形態でもスイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障した場合を中心に説明する。
また、上記の説明では、共振により電圧が高くなったコンデンサ４０１、４０２の側から入力電源８側へ電流が逆流することについては考慮していない。しばしば、実際の製品ではダイオード（図示しない）を直列接続して入力電源８へ電流が逆流しないようにしていることもあるように、議論を簡略化するため、入力電源８への逆流は議論しない。入力電源８側へ電流が逆流するようなことがある場合でも、共振によってまず、入力側のコンデンサ４０１および４０２が過電圧になる虞があることから、以上の議論は成立する。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第２実施形態では、図１４（ａ）に示すように、接続経路１４に置かれる双方向保護スイッチ２０９ａとして、逆並列に接続したＩＧＢＴおよびダイオードからなるスイッチが逆直列に配置されている。保護スイッチ２０９ａは図１４（ｂ）のように、ＩＧＢＴ３０９とダイオード３１２が逆直列接続されたモジュールと、ＩＧＢＴ３１１とダイオード３１０が逆直列接続されたモジュールを、逆並列接続することにより構成されていても良く、以下に説明する図１４（ａ）の構成と同様の制御をすることにより、同様の効果が得られる。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。なお、保護スイッチ２０９ａは、特許請求の範囲の「双方向保護スイッチ」の一例である。
第２実施形態では、３レベルチョッパ装置の通常の動作時には、ＩＧＢＴ３０９および３１１のゲートをオンの状態にする。図６に示すように、スイッチ１０１がオンでスイッチ１０２がオフのモードのとき、順バイアスとなるＩＧＢＴ３０９のゲートはオンされて電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなるＩＧＢＴ３１１のゲートはオフにしても良い。図７に示すように、スイッチ１０１がオフでスイッチ１０２がオンのモードのときは、順バイアスとなるＩＧＢＴ３１１のゲートはオンされて電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなるＩＧＢＴ３０９のゲートはオフにしても良い。保護スイッチ２０９ａに電流が流れない図８および図９の期間は、２つのＩＧＢＴ３０９および３１１のゲートはオフしても良い。通常動作時にも、３レベルチョッパ装置の動作に影響のない期間にはＩＧＢＴ３０９および３１１のゲートをオフとすると、それらのゲートに電荷が蓄積されていくような懸念を減らすことが出来る。ＩＧＢＴ３０９および３１１のゲートをオフとする場合は、スイッチ１０１および１０２の切り替えから適当なデッドタイムを設けて３レベルチョッパ装置の動作に影響が無いようにする。
スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したときには、ＩＧＢＴ３０９および３１１のゲートをオフとすると、接続経路１４を切断することができる。これにより、コンデンサ４０２のみ共振して、コンデンサ４０２の電圧が入力電源８よりも高くなることを防ぐことができる。特に、順バイアスとなるＩＧＢＴ３０９のゲートをオフとすることが必要であるが、ＩＧＢＴ３０９および３１１の両方をオフとすることにより問題は生じない。
保護スイッチ２０９ａを構成するダイオード３１０および３１２はＳｉＣ−ＳＢダイオードを使用しても良いが、Ｓｉ−ｐｎダイオードを用いるとより低損失である。通常運転時に、ダイオード３１０および３１２の電流が遮断されるときは、その逆バイアスは過渡的にも高々ＩＧＢＴ３０９、３１１の飽和電圧程度の数Ｖ程度であって、定常的にはバイアスはかからない状態となる。このため、逆回復損失はほとんど発生しない。そのため、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いてもその逆回復損失は発生しないが、オン電圧がＳｉ−ｐｎダイオードよりも高いため、損失が大きくなる。
保護スイッチ２０９ａを構成するダイオード３１０および３１２にＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、Ｓｉ−ｐｎダイオードを用いる場合よりも、順方向回復電圧を小さくすることができる。ダイオード３１０および３１２は、３レベルチョッパ装置のスイッチ１０１および１０２を切り替えるたび、保護スイッチ２０９ａもオンオフが切り替わる。保護スイッチ２０９ａが点弧する場合は、片側のダイオード３１０または３１２がバイアスがかかっていない状態から点弧し、保護スイッチ２０９ａが消弧する場合は、一つのダイオード３１０または３１２が消弧する過渡応答時に伴いもう片方のダイオード３１２または３１０は逆バイアスだった状態から瞬間的に点弧する。このようなダイオード３１０および３１２の点弧時の順方向回復電圧が小さいと、電圧リプルが小さくなり、ノイズを小さくすることが出来る。ダイオード３１０および３１２を、ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低くすることができる。すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。
保護スイッチ２０９ａを構成するＩＧＢＴ３０９、３１１のかわりに、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いた場合も同様の動作をすることにより、同様の効果が得られる。また、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いても良い。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第３実施形態では、図１５に示すように、接続経路１４に置かれる双方向保護スイッチ２０９ｂとして、逆並列に接続した逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４を配置している。なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。上記第２実施形態では、接続経路１４を導通するときＩＧＢＴとダイオードとの２つのデバイスを電流が流れていたが、電流が流れるデバイスを１つのデバイスとすることで損失を小さくすることが出来る。なお、保護スイッチ２０９ｂは、特許請求の範囲の「双方向保護スイッチ」の一例である。
３レベルチョッパ装置の通常の動作時には、逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４のゲートをオンの状態にする。接続経路１４に電流を流すモードのとき、即ち図６と図７のモードのとき、順バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴのゲートはオンにして電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴのゲートはオフにしても良い。図６のスイッチ１０１がオンでスイッチ１０２がオフのモードのときは、順バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３１３のゲートはオンにして電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３１４のゲートはオフにしても良い。図７のスイッチ１０１がオフでスイッチ１０２がオンのモードのときは、順バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３１４のゲートはオンとして電流が流れるようにする必要がある。一方、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３１３のゲートはオフにしても良い。
接続経路１４に電流を流さない図８と図９との期間では、２つの逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４のゲートはオフにして良い。通常動作時にも、３レベルチョッパ装置の動作に影響のない期間には、逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４のゲートをオフにとすると、ゲートに電荷が蓄積されていくような懸念を減らすことが出来る。逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４のゲートをオフにする場合は、スイッチ１０１および１０２の切り替えから適当な切り替え期間を設けて３レベルチョッパ装置の動作に影響が無いようにする。
３レベルチョッパ装置のスイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したときには、逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４のゲートを両方オフにすると、接続経路１４を切断することが出来る。また、逆阻止型ＩＧＢＴ３１３のゲートをオフにし、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３１４のゲートをオンにすれば、逆バイアスとなる逆阻止型ＩＧＢＴ３１４の漏れ電流をより小さくすることが出来るので、より好ましい。破壊したデバイスがスイッチ１０１、１０２、ダイオード１０３、１０４のいずれであるかを検知するような仕組みを組み込めば、スイッチ故障時に逆阻止型ＩＧＢＴ３１３および３１４のゲートのうちのいずれかをオンとし、いずれかをオフとするかの制御を行うことが可能となる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第４実施形態では、図１６に示すように、３レベルチョッパ装置において、接続経路１４に置かれる保護スイッチ２０９ｃとして、ＭＯＳＦＥＴが逆直列に配置されている。なお、保護スイッチ２０９ｃは、特許請求の範囲の「双方向保護スイッチ」の一例である。
３レベルチョッパ装置の通常の動作時には、両ＭＯＳＦＥＴ３１５および３１６のゲートをオンの状態にする。接続経路１４に電流を流すモードのとき、すなわち図６および図７のモードのとき、順バイアスとなるＭＯＳＦＥＴのゲートはオンにして電流が流れるようにする。また、逆バイアスとなるＭＯＳＦＥＴのゲートもオンにして同期整流とすることにより低損失にすることができる。
逆バイアスになるＭＯＳＦＥＴのゲートをオフにした場合には、電流はボディダイオードを流れ、損失が大きくなるので好ましくない。同期整流を利用するとき、インバータやチョッパのダイオードの用途の場合は、切り替え時に短絡しないように、スイッチングの前後にデッドタイムを設けてボディダイオードのみとする期間を設ける必要がある。一方、本発明の用途では、そういった短絡を懸念するようなことは不要であるので、ボディダイオードのみとするデッドタイムは設ける必要が無い。
接続経路１４に電流を流さない図８および図９の期間は、２つのＭＯＳＦＥＴ３１５および３１６のゲートはオフして良い。通常動作時にも、３レベルチョッパ装置の動作に影響のない期間には、ＭＯＳＦＥＴ３１５および３１６のゲートをオフとすると、ゲートに電荷が蓄積されていくような懸念を減らすことが出来る。ＭＯＳＦＥＴ３１５および３１６のゲートをオフにする場合は、スイッチ１０１および１０２の切り替えから適当な切り替え期間を設けてチョッパの動作に影響が無いようにする。同期整流を用いると第２実施形態のようにダイオードとの逆並列のモジュールを用いる場合に比べてダイオード素子を減らすことが出来る。
スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したときには、ＭＯＳＦＥＴ３１５および３１６のゲートをオフにすることにより、接続経路１４を切断することが出来る。特に、順バイアスとなるＭＯＳＦＥＴ３１５のゲートをオフにすることが必要である。一方、ＭＯＳＦＥＴ３１５および３１６の両方をオフにすることでも問題なく、制御も容易である。
また、第２実施形態のようにＭＯＳＦＥＴに逆並列にダイオードを接続している構成でも、本実施形態で述べたように、ＭＯＳＦＥＴのゲートを制御して、同期整流を利用することもできる。特に、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴでは、同期整流を利用した場合でも、そのオン電圧は大きいので、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉ−ｐｎダイオードとを並列にすると低損失となる。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第５実施形態では、図１７に示すように、接続経路１４に、双方向の保護スイッチ２０９と、それと並列に設けられる抵抗６１１とが配置されている。なお、抵抗６１１は、特許請求の範囲の「第１の抵抗」の一例である。
３レベルチョッパ装置の通常の動作時には、保護スイッチ２０９は導通状態とし、抵抗６１１には電流は流さないようにする。その制御方法は第１〜第４実施形態と同様である。
３レベルチョッパ装置のスイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２０９を切断する。この状態の等価回路は図１８のようになる。経路Ａ１８で示した抵抗６１１を流れる減衰振動の回路と、経路Ｂ１８で示した２つのコンデンサ４０１および４０２を含む共振回路とが出来る。
コンデンサ４０１の電圧は、保護スイッチ２０９と並列に接続された抵抗６１１の電圧と等しくなる。また、出力側のコンデンサ４０３の電圧が入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧の和よりも高くなっていた場合は、出力側のコンデンサ４０３から抵抗６１１、または、コンデンサ４０１を通じてコンデンサ４０２に電流が流れ込み、スイッチ１０２を還流してコンデンサ４０３に戻る電流経路が出来る。出力側のコンデンサ４０３や入力電源８からコンデンサ４０２に流れる電流がなくなると、コンデンサ４０１は抵抗６１１を通じて放電する。以上の挙動では、保護スイッチ２０９と抵抗６１１のない場合よりもコンデンサ４０２に流れ込む電流、電荷が小さくなるため、保護スイッチ２０９と抵抗６１１のあることによりコンデンサ４０２の電圧上昇が抑制される。
３レベルチョッパ装置のダイオード１０３が短絡故障したとき、抵抗６１１を接続しない場合同様に、保護スイッチ２０９はオン状態のままとすることもできる。その場合は、保護スイッチ２０９や抵抗６１１を置かない場合の図１１と同じ動作となる。保護スイッチ２０９を切断する場合、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断した等価回路は図１９のようになる。リアクトル７０４を流れる電流は、Ｂ１９の経路でコンデンサ４０１、４０２を充電する。また、コンデンサ４０１の電圧はスイッチ１０１と抵抗６１１とで持つ必要があるため、出力側のコンデンサ４０３の電圧が入力側のコンデンサよりも高くなって、入力側のコンデンサへ電流が流れる場合は、経路Ａ１９のように抵抗６１１を通って入力側コンデンサ４０２へ流れ込む。保護スイッチ２０９を置かない場合よりもこの電流が小さくなるため、コンデンサ４０２の電圧は低くなる。出力側のコンデンサ４０３およびリアクトル７０３から入力側のコンデンサへ電流が流れないような電圧の場合は、保護スイッチ２０９や抵抗６１１を置いたことによる変化はない。
３レベルチョッパ装置のスイッチ１０１が短絡故障したとき、抵抗６１１を接続しない場合同様に、保護スイッチ２０９はオン状態のままとすることもできる。その場合は、保護スイッチ２０９と抵抗６１１を置かない場合の図１３と同じ動作になる。双方向スイッチ２０９を切断する場合、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断した等価回路は図２０のようになる。リアクトル７０４を流れる電流は、リアクトル７０３、コンデンサ４０３、ダイオード１０４、抵抗６１１を通る経路Ａ２０と、コンデンサ４０１を通る経路Ｂ２０で、コンデンサ４０２を充電する。保護スイッチ２０９と抵抗６１１を置かない場合も経路Ａ２０は存在するが、抵抗６１１がある分この電流が小さくなるため、コンデンサ４０２の電圧は低くなる。
上記のように、保護スイッチ２０９と抵抗６１１とを並列接続したものを接続経路１４に配置することによっても、スイッチおよびダイオードの短絡故障時に片側のコンデンサだけに充電されることに起因する過電圧を抑制することができる。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第６実施形態では、図２１に示すように、接続経路１４に、保護スイッチ２０９と、それと並列に設けられる保護コンデンサ５１１とが配置されている。なお、保護コンデンサ５１１は、特許請求の範囲の「第１の保護コンデンサ」の一例である。
３レベルチョッパ装置の通常の動作時には、保護スイッチ２０９は導通状態とし、保護コンデンサ５１１には電流は流さないようにする。その制御方法は第１〜第４実施形態と同様である。
図２２に示すように、ダイオード１０３と、スイッチ１０１とが短絡故障した時は、保護スイッチ２０９をオフにする。これにより、コンデンサ４０２の充電経路Ａ２２に、保護コンデンサ５１１が挿入される。保護コンデンサ５１１の電圧と、コンデンサ４０１の電圧とは等しくなければならないので、充電経路Ｂ２２にも電流が流れる。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５１１の電圧との和は、直流電源８の電圧よりも高くなる一方、電圧がコンデンサ４０２と保護コンデンサ５１１とによって分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧が防止される。
［第７実施形態］
次に、第７実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第７実施形態では、図２３に示すように、ダイオード１０３と、ダイオード１０４とに、それぞれ、保護スイッチ２１０と、保護スイッチ２１１とを直列接続する。保護スイッチ２１０および２１１は、スイッチ１０１の側からスイッチ１０２の側へ向けての電流を切断出来れば良く、逆の向きについては還流可能な状態のままで問題はない。なお、保護スイッチ２１０と、保護スイッチ２１１とは、それぞれ、特許請求の範囲の「第１１の保護スイッチ」と、「第１４の保護スイッチ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１０、２１１は還流可能な構成であることから、スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したとき、負荷９を切り離しスイッチ１０２を切断すると、等価回路は図２４のようになる。これは保護スイッチが無い場合にスイッチ１０１およびダイオード１０３のみ壊れた場合の回路と等価である。保護スイッチ２１０と、保護スイッチ２１１とを配置して、デバイス故障時にそれらを切断して、スイッチ１０１の側からスイッチ１０２の側へ向けての電流が流れないようにする。この状態は、保護スイッチが無い場合にスイッチ１０１のみ壊れた場合の回路と等価（図１３参照）になる。この場合には、入力側のコンデンサ４０１および４０２への入力電源８からの共振電流は、経路Ａ２４に示すコンデンサ４０１および４０２と、経路Ｂ２４に示すリアクトル７０３とコンデンサ４０３とコンデンサ４０２とに流れるため、コンデンサ４０２のみに電流が流れることに起因する過電圧を回避することができる。
スイッチ１０１が短絡故障する一方ダイオード１０３には異常がないような場合は保護スイッチ２１０は影響を及ぼさない。また、ダイオード１０３が短絡破壊した場合は、保護スイッチ２１０がダイオードの役割を果たすため、直ちに保護スイッチ２１０がオフにされるならば、コンデンサ４０１の短絡が防止され、デバイスが非故障の状態から運転を停止した場合と同じことになる。
保護スイッチ２１０、２１１には、ダイオードを使用することが出来る。通常の動作時には保護スイッチとしてダイオードを使ったときの整流機能は、ダイオード１０３、１０４の整流機能と同じ向きであるので問題はない。ダイオード１０３、１０４が故障したときに保護スイッチ２１０、２１１をオフすることは、自動的にオフすることと見做すことが出来る。従って、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを逆並列接続しなくても保護スイッチの機能を果たす。
また、保護スイッチとして、ＭＯＳＦＥＴを使用することが出来る。通常運転時はダイオード１０３および１０４に電流が流れるときには、このＭＯＳＦＥＴのゲートをオンにしておいて同期整流とする。ダイオード１０３および１０４が故障したときには、ＭＯＳＦＥＴのゲートをオフすれば良い。ダイオード１０３および１０４の故障時に保護スイッチの還流時の損失が大きいことは問題ではないので、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードに還流させることで代替することは問題が無い。
通常運転時は、第２、第４実施形態のように接続経路１４に双方向の保護スイッチ２０９ａ、２０９ｃを置く場合、図６、７の経路のモードのときに２つのデバイスが経路に追加されるのに対し、本実施形態では、図６、７の経路のモードのときには１つのデバイスしか経路に追加されない。一方、図９の経路のモードのときには２つのデバイスが経路に追加される。入力電圧と出力電圧の変動範囲と運転モードを考慮し、デバイス損失が小さくなるように保護スイッチの配置を選ぶことができる。また、接続経路１４に置く双方向保護スイッチを切断する場合よりも、この場合の挙動は簡単なものになる。
第７実施形態では、ダイオード１０３と保護スイッチ２１０との直列の順序、および、ダイオード１０４と保護スイッチ２１１との直列の順序は問わない。
［第８実施形態］
次に、第８実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第８実施形態では、図２５に示すように、保護スイッチ２１０ａおよび２１１ａに並列に抵抗６１２および６１３を接続したものである。保護スイッチ２１０ａおよび２１１ａは、スイッチ１０１の側からスイッチ１０２の側へ向けての電流を切断出来れば良く、逆の向きについては還流可能な状態のままで問題はない。このため、保護スイッチ２１０ａおよび２１１ａとして、第７実施形態同様、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴを使用することが出来る。なお、保護スイッチ２１０ａおよび抵抗６１２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１２の保護スイッチ」および「第５の抵抗」の一例である。また、保護スイッチ２１１ａおよび抵抗６１３は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１５の保護スイッチ」および「第６の抵抗」の一例である。
通常動作時は保護スイッチ２１０ａ、２１１ａは還流可能な構成であることから、スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。抵抗６１２、６１３には電流は流れず、チョッパの動作に影響を及ぼさない。
通常運転時は、ダイオード１０３および１０４に電流が流れるときには、保護スイッチ２１０および２１１を還流して電流が流れるので、抵抗６１２および６１３には電流は流れない。
スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したとき、負荷９を切り離しスイッチ１０２を切断すると、等価回路は図２６のようになる。経路Ａ２６で示した抵抗６１２を流れる減衰振動の回路と、経路Ｂ２６で示した２つのコンデンサ４０１および４０２を含む共振回路と、経路Ｃ２６で示したリアクトル７０３とコンデンサ４０３とコンデンサ４０２を含む共振回路が出来る。コンデンサ４０２に流れる電流は、抵抗６１２のあることにより小さくなり、電圧の上昇が抑制される。
第８実施形態では、ダイオード１０３と保護スイッチ２１０ａとの直列の順序、および、ダイオード１０４と保護スイッチ２１１ａとの直列の順序は問わない。
［第９実施形態］
次に、第９実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第９実施形態では、図２７に示すように、ダイオード１０３と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１０ｂと、ダイオード１０４と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１１ｂと、ダイオード１０３と保護スイッチ２１０ｂの接続点と、保護スイッチ２１１ｂとダイオード１０４の接続点との間に、並列に接続される抵抗６１４とが設けられている。保護スイッチ２１０ｂおよび２１１ｂは、スイッチ１０１の側からスイッチ１０２の側へ向けての電流を切断出来れば良く、逆の向きについては還流可能のままで問題はない。このため、保護スイッチ２１０ｂおよび２１１ｂとして、第７実施形態同様、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴを使用することが出来る。なお、保護スイッチ２１０ｂおよび保護スイッチ２１１ｂは、それぞれ、特許請求の範囲の「第１の保護スイッチ」および「第２の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６１４は、特許請求の範囲の「第２の抵抗」の一例である。
通常運転時では、保護スイッチ２１０ｂおよび２１１ｂを還流して電流が流れるので、抵抗６１４には電流は流れない。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡故障したとき、負荷９を切り離しスイッチ１０２を切断すると、等価回路は図２８のようになる。経路Ａ２８で示した抵抗６１４を流れる減衰振動の回路と、経路Ｂ２８で示した２つのコンデンサ４０１および４０２を含む共振回路と、経路Ｃ２８で示したリアクトル７０３とコンデンサ４０３とコンデンサ４０２を含む共振回路が出来る。コンデンサ４０２に流れる電流は、抵抗６１２のあることにより小さくなり、電圧の上昇が抑制される。
［第１０実施形態］
次に、第１０実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１０実施形態では、図２９に示すように、ダイオード１０３に直列に接続されている保護スイッチ２１０ｃと、保護スイッチ２１０ｃに並列接続された保護コンデンサ５１２とが設けられている。また、ダイオード１０４に直列に接続されている保護スイッチ２１１ｃと、保護スイッチ２１１ｃに並列接続された保護コンデンサ５１３とが設けられている。保護スイッチ２１０ｃおよび２１１ｃは、スイッチ１０１の側からスイッチ１０２の側へ向けての電流を切断出来れば良く、逆の向きについては還流可能のままで問題はない。このため、保護スイッチ２１０ｃおよび２１１ｃとして、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴを使用することが出来る。なお、保護スイッチ２１０ｃおよび保護コンデンサ５１２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１３の保護スイッチ」および「第５の保護コンデンサ」の一例である。また、保護スイッチ２１１ｃおよび保護コンデンサ５１３は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１６の保護スイッチ」および「第６の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は保護スイッチ２１０ｃ、２１１ｃは還流可能な構成であることから、スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。保護コンデンサ５１２、５１３には電流は流れず、チョッパの動作に影響は及ぼさない。
図３０に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１が短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１０ｃをオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路Ａ３０に保護コンデンサ５１２が挿入される。保護コンデンサ５１２の電圧とコンデンサ４０１の電圧とは等しくなければならないので充電経路Ｂ３０にも電流が流れる。また、リアクトル７０３とコンデンサ４０３の電圧も保護コンデンサ５１２と等しくなることから経路Ｃ３０により電流が流れる。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５１２の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなる一方、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
第１０実施形態では、ダイオード１０３と保護スイッチ２１０ｃとの直列の順序、および、ダイオード１０４と保護スイッチ２１１ｃとの直列の順序は問わない。
［第１１実施形態］
次に、第１１実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１１実施形態では、図３１に示すように、ダイオード１０３と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１０ｄと、ダイオード１０４と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１１ｄと、ダイオード１０３と保護スイッチ２１０ｄの接続点と、保護スイッチ２１１ｄとダイオード１０４の接続点との間に、並列に接続される保護コンデンサ５１４とが設けられている。保護スイッチ２１０ｄおよび２１１ｄは、スイッチ１０１の側からスイッチ１０２の側へ向けての電流を切断出来れば良く、逆の向きについては還流可能のままで問題はない。このため、保護スイッチ２１０ｄおよび２１１ｄとして、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴを使用することが出来る。なお、保護スイッチ２１０ｄおよび保護スイッチ２１１ｄは、それぞれ、特許請求の範囲の「第３の保護スイッチ」および「第４の保護スイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５１４は、特許請求の範囲の「第２の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は保護スイッチ２１０ｄ、２１１ｄは還流可能な構成であることから、スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。保護コンデンサ５１４には電流は流れず、チョッパの動作に影響は及ぼさない。
図３２に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１０ｄをオフにすると短絡故障したデバイスを通るコンデンサ４０２の充電経路Ａ３２に保護コンデンサ５１４が挿入される。保護コンデンサ５１４の電圧とコンデンサ４０１の電圧とは等しくなければならないので充電経路Ｂ３２にも電流が流れる。また、リアクトル７０３とコンデンサ４０３の電圧も保護コンデンサ５１４と等しくなることから経路Ｃ３２により電流が流れる。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５１４の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなる一方、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
［第１２実施形態］
次に、第１２実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１２実施形態では、図３３に示すように、コンデンサ４０１に直列に接続されている保護スイッチ２１２ａと、保護スイッチ２１２ａに並列接続された抵抗６１５とが設けられている。また、コンデンサ４０２に直列に接続されている保護スイッチ２１３ａと、保護スイッチ２１３ａに並列接続された抵抗６１６とが設けられている。なお、保護スイッチ２１２ａおよび抵抗６１５は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１５の保護スイッチ」および「第６の抵抗」の一例である。また、保護スイッチ２１３ａおよび抵抗６１６は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１２の保護スイッチ」および「第５の抵抗」の一例である。
通常動作時は通常運転時は、保護スイッチ２１２ａ、２１３ａはオンの状態として、抵抗６１５、６１６の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図３４に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１３ａをオフにするとコンデンサ４０２の充電経路Ａ３４に抵抗６１６が挿入される。この経路は、ＬＣＲ共振回路なので、減衰振動となる。これにより、コンデンサ４０２の到達する電圧は保護回路がない時よりも低いものになる。また、臨界減衰、過減衰の条件が成り立ち、抵抗６１６の抵抗値をＲａとし、リアクトル７０４のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０２の容量をＣ２としたとき、抵抗６１６の抵抗値Ｒａが、下記の式（４）を満たすとき、コンデンサ４０２の到達する電圧は、直流電源８の電圧に抑えられる。
Ｒａ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2 ・・・（４）
コンデンサ４０２が直流電源８からの電流により充電されている間に、コンデンサ４０３の電圧がコンデンサ４０２の電圧よりも高くなっている場合には、コンデンサ４０３からコンデンサ４０２へ、スイッチ１０２を還流してリアクトル７０３との共振電流が流れる。この経路Ｂ３４の電流が０になると、スイッチ１０２がオフとなっているので、コンデンサ４０２からコンデンサ４０３への電流は流れない。経路Ｂ３４の電流が経路Ａ３４の電流より先に０になると、その後は充電経路Ａ３４のみでコンデンサ４０２は充電されることから、式（４）の条件を満たすときには、コンデンサ４０２の電圧は直流電源８の電圧で抑えられる。
保護スイッチ２１３ａに抵抗６１６を接続しない場合は経路Ａ３４を切断して、リアクトル７０４の電流を遮断しようとすることになるため、サージ破壊に繋がる。このため、抵抗６１６の並列接続が必要である。サージ破壊しないようにゆっくりと遮断するのは、コンデンサ４０２の充電が終わってしまうので、過電圧を防止できなくなる。また、ターンオフ損失増大による、発熱破壊の可能性もある。
保護スイッチ２１３ａおよび、２１２ａは、還流できる構成である必要がある。通常運転時にもコンデンサ４０１、４０２は充放電を行うためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。保護スイッチ２１２ａを双方向スイッチにして、ダイオード１０３とスイッチ１０１の短絡故障時に保護スイッチ２１２ａもオフすると、コンデンサ４０１の短絡を抵抗６１５によって防止する効果も得るようにすることもできる。この場合、保護スイッチ２１２ａを直ちにオフにすることが必要である。
ダイオード１０４とスイッチ１０２とが短絡故障したときは、保護スイッチ２１２ａをオフにすることで、コンデンサ４０１の過電圧を防止できるが、保護スイッチ２１３ａ同様に、臨界減衰、過減衰の条件が成り立つ。抵抗６１５の抵抗値をＲｂとし、リアクトル７０４のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０１の容量をＣ１としたとき、抵抗６１５の抵抗値Ｒｂが、下記の式（５）を満たすとき、コンデンサ４０１の到達する電圧は、直流電源８の電圧に抑えられる。
Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2 ・・・（５）
第１２実施形態では、コンデンサ４０１と保護スイッチ２１２ａとの直列の順序、および、コンデンサ４０２と保護スイッチ２１３ａとの直列の順序は問わない。
［第１３実施形態］
次に、第１３実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１３実施形態では、図３５に示すように、コンデンサ４０１と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１２ｂと、コンデンサ４０２と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１３ｂと、コンデンサ４０１と保護スイッチ２１２ｂの接続点と、保護スイッチ２１３ｂとコンデンサ４０２の接続点との間に、並列に接続される抵抗６１７とが設けられている。なお、保護スイッチ２１２ｂおよび保護スイッチ２１３ｂは、それぞれ、特許請求の範囲の「第５の保護スイッチ」および「第６の保護スイッチ」の一例である。また、抵抗６１７は、特許請求の範囲の「第３の抵抗」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１２ｂ、２１３ｂはオンの状態として、抵抗６１７の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図３６に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１３ｂをオフにするとコンデンサ４０２の充電経路Ａ３６に抵抗６１７が挿入される。この経路は、ＬＣＲ共振回路なので、減衰振動となる。これにより、コンデンサ４０２の到達する電圧は保護回路がない時よりも低いものになる。また、臨界減衰、過減衰の条件が成り立ち、抵抗６１７の抵抗値をＲとし、リアクトル７０４のインダクタンスをＬとし、コンデンサコンデンサ４０２の容量をＣ２としたとき、抵抗値Ｒが、下記の式（６）を満たすとき、コンデンサ４０２の到達する電圧は、直流電源８の電圧に抑えられる。
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2 ・・・（６）
コンデンサ４０２が直流電源８からの電流により充電されている間に、コンデンサ４０３の電圧がリアクトル７０３との共振によって電圧が高くなり、コンデンサ４０２の電圧よりも高くなるような場合には、コンデンサ４０３からコンデンサ４０２へ、スイッチ１０２を還流して経路Ｂ３６でリアクトル７０３、抵抗６１７との減衰振動電流が流れる。この経路Ｂ３６の電流が０になると、スイッチ１０２がオフとなっているので、コンデンサ４０２からコンデンサ４０３への電流は流れない。経路Ｂ３６の電流が経路Ａ３６の電流より先に０になると、その後は充電経路Ａ３６のみでコンデンサ４０２は充電されることから、式（６）の条件を満たすときには、コンデンサ４０２の電圧は直流電源８の電圧で抑えられる。
ダイオード１０４とスイッチ１０２とが短絡故障したときも、保護スイッチ２１２ｂをオフにすることでコンデンサ４０１の過電圧を防止できる。このときも臨界減衰、過減衰の条件が成り立つ。従って、コンデンサ４０１と４０２の容量のうち小さい方をＣとしたとき、抵抗６１７の抵抗値Ｒを下記の式（７）を満たすときには、ダイオード１０３とスイッチ１０１の短絡故障時、また、ダイオード１０４とスイッチ１０２の短絡故障時、いずれの場合も、コンデンサ４０１、または、４０２の到達する電圧は、直流電源８の電圧に抑えられる。
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2 ・・・（７）
保護スイッチ２１３ｂおよび、２１２ｂは、還流できる構成である必要がある。通常運転時にもコンデンサ４０１、４０２は充放電を行うためであり、また、保護動作時にはコンデンサの充電経路は保護スイッチを還流する経路となるためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。保護スイッチ２１２ｂを双方向スイッチにして、ダイオード１０３とスイッチ１０１の短絡故障時にスイッチ２１２ｂもオフするのは、経路Ａ３６を遮断することになる。このため、リアクトル７０４の電流を遮断しようとしてサージ破壊に繋がるので不適当である。
［第１４実施形態］
次に、第１４実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１４実施形態では、図３７に示すように、コンデンサ４０１に直列に接続されている保護スイッチ２１２ｃと、保護スイッチ２１２ｃに並列接続された保護コンデンサ５１５とが設けられている。また、コンデンサ４０２に直列に接続されている保護スイッチ２１３ｃと、保護スイッチ２１３ｃに並列接続された保護コンデンサ５１６とが設けられている。なお、保護スイッチ２１２ｃおよび保護コンデンサ５１５は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１６の保護スイッチ」および「第６の保護コンデンサ」の一例である。また、保護スイッチ２１３ｃおよび保護コンデンサ５１６は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１３の保護スイッチ」および「第５の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１２ｃ、２１３ｃはオンの状態として、保護コンデンサ５１５、５１６の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図３８に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１３ｃをオフにするとコンデンサ４０２の充電経路Ａ３８に、保護コンデンサ５１６が挿入される。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５１６の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなる一方、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
保護スイッチ２１３ｃに保護コンデンサ５１６を接続しない場合は経路Ａ３８を切断して、リアクトル７０４の電流を遮断しようとすることになるため、サージ破壊に繋がる。このため、保護コンデンサ５１６の並列接続が必要である。サージ破壊しないようにゆっくりと遮断するのは、コンデンサ４０２の充電が終わってしまうので、過電圧を防止できなくなる。また、ターンオフ損失増大による、発熱破壊の可能性もある。
保護スイッチ２１３ｃおよび、２１２ｃは、還流できる構成である必要がある。通常運転時にもコンデンサ４０１、４０２は充放電を行うためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。
第１４実施形態では、コンデンサ４０１と保護スイッチ２１２ｃとの直列の順序、および、コンデンサ４０２と保護スイッチ２１３ｃとの直列の順序は問わない。
［第１５実施形態］
次に、第１５実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１５実施形態では、図３９に示すように、コンデンサ４０１と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１２ｄと、コンデンサ４０２と接続経路１４との間に直列に接続される保護スイッチ２１３ｄと、コンデンサ４０１と保護スイッチ２１２ｄの接続点と、保護スイッチ２１３ｄとコンデンサ４０２の接続点との間に、並列に接続される保護コンデンサ５１７とが設けられている。なお、保護スイッチ２１２ｄおよび保護スイッチ２１３ｄは、それぞれ、特許請求の範囲の「第７の保護スイッチ」および「第８の保護スイッチ」の一例である。また、保護コンデンサ５１７は、特許請求の範囲の「第３の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１２ｄ、２１３ｄはオンの状態として、保護コンデンサ５１７の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図４０に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１３ｄをオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路Ａ４０に、保護コンデンサ５１７が挿入される。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５１７の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなる一方、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
保護スイッチ２１３ｄおよび、２１２ｄは、還流できる構成である必要がある。通常運転時にもコンデンサ４０１、４０２は充放電を行うためであり、また、保護動作時にはコンデンサの充電経路は保護スイッチを還流する経路となるためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。
［第１６実施形態］
次に、第１６実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１６実施形態では、図４１に示すように、スイッチ１０１に直列に接続される保護スイッチ２１４と、スイッチ１０２に直列に接続される保護スイッチ２１５とが設けられている。なお、保護スイッチ２１４および保護スイッチ２１５は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１１の保護スイッチ」および「第１４の保護スイッチ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１４、２１５はオンの状態として、スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図４２に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１４をオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路は、コンデンサ４０１を通る経路Ａ４２になる。コンデンサ４０２の電圧とコンデンサ４０１の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなる一方、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。また、保護スイッチ２１４の遮断が、短絡故障後直ちに行われるならば、コンデンサ４０１の放電防止の効果を得ることもできる。
保護スイッチ２１４、および、２１５は、デバイスの短絡故障時には、コンデンサ４０３からコンデンサ４０１、４０２へ電流が逆流する可能性があり、逆バイアスがかかる可能性がある。そのため逆阻止能を持たせるか、還流できる構成である必要がある。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には導通しないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると安価である。
第１６実施形態では、スイッチ１０１と保護スイッチ２１４との直列の順序、および、スイッチ１０２と保護スイッチ２１５との直列の順序は問わない。
［第１７実施形態］
次に、第１７実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１７実施形態では、図４３に示すように、スイッチ１０１に直列に接続されている保護スイッチ２１４ａと、保護スイッチ２１４ａに並列接続された抵抗６１８とが設けられている。また、スイッチ１０２に直列に接続されている保護スイッチ２１５ａと、保護スイッチ２１５ａに並列接続された抵抗６１９とが設けられている。なお、保護スイッチ２１４ａおよび抵抗６１８は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１２の保護スイッチ」および「第５の抵抗」の一例である。また、保護スイッチ２１５ａおよび抵抗６１９は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１５の保護スイッチ」および「第６の抵抗」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１４ａ、２１５ａはオンの状態として、抵抗６１８、６１９の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図４４に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１４ａをオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路Ａ４４に、抵抗６１８が挿入される。抵抗６１８の電圧とコンデンサ４０１の電圧とは等しくなければならないので、充電経路Ｂ４４にも電流が流れる。保護回路がない時に比べてコンデンサ４０２の電圧は低くなる。また、保護スイッチ２１４ａの遮断が、短絡故障後直ちに行われるならば、コンデンサ４０１の抵抗６１８による短絡防止の効果を得ることもできる。
保護スイッチ２１４ａ、および、２１５ａは、デバイスの短絡故障時には、コンデンサ４０３からコンデンサ４０１、４０２へ電流が逆流する可能性があり、逆バイアスがかかる可能性がある。そのため逆阻止能を持たせるか、還流できる構成である必要がある。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には導通しないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると安価である。
第１７実施形態では、スイッチ１０１と保護スイッチ２１４ａとの直列の順序、および、スイッチ１０２と保護スイッチ２１５ａとの直列の順序は問わない。
［第１８実施形態］
次に、第１８実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１８実施形態では、図４５に示すように、スイッチ１０１に直列に接続されている保護スイッチ２１４ｃと、保護スイッチ２１４ｃに並列接続された保護コンデンサ５１８とが設けられている。また、スイッチ１０２に直列に接続されている保護スイッチ２１５ｃと、保護スイッチ２１５ｃに並列接続された保護コンデンサ５１９とが設けられている。なお、保護スイッチ２１４ｃおよび保護コンデンサ５１８は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１３の保護スイッチ」および「第５の保護コンデンサ」の一例である。また、保護スイッチ２１５ｃおよび保護コンデンサ５１９は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１６の保護スイッチ」および「第６の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１４ｃ、２１５ｃはオンの状態として、保護コンデンサ５１８、５１９の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図４６に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１４ｃをオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路Ａ４６に、保護コンデンサ５１８が挿入される。保護コンデンサ５１８の電圧とコンデンサ４０１の電圧とは、等しくなければならないので、充電経路Ｂ４６にも電流が流れる。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５１８の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなるが、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
保護スイッチ２１４ｃ、および、２１５ｃは、デバイスの短絡故障時には、コンデンサ４０３からコンデンサ４０１、４０２へ電流が逆流する可能性があり、逆バイアスがかかる可能性がある。そのため逆阻止能を持たせるか、還流できる構成である必要がある。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には導通しないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると安価である。
第１８実施形態では、スイッチ１０１と保護スイッチ２１４ｃとの直列の順序、および、スイッチ１０２と保護スイッチ２１５ｃとの直列の順序は問わない。
［第１９実施形態］
次に、第１９実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第１９実施形態では、図４７に示すように、リアクトル７０４に直列に接続される保護スイッチ２１６ｂと、保護スイッチ２１６ｂの両端に並列に接続される抵抗６２０とが設けられている。なお、保護スイッチ２１６ｂおよび抵抗６２０は、それぞれ、特許請求の範囲の「第９の保護スイッチ」および「第４の抵抗」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１６ｂはオンの状態として、抵抗６２０の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図４８に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、保護スイッチ２１６ｂをオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路Ａ４８に、抵抗６２０が挿入される。この経路は、ＬＣＲ共振回路なので、減衰振動となる。これにより、コンデンサ４０２の到達する電圧は保護回路がない時よりも低いものになる。また、臨界減衰、過減衰の条件が成り立ち、抵抗６２０の抵抗値をＲとし、リアクトル７０４のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０２の容量をＣ２としたとき、抵抗値Ｒが、下記の式（８）を満たすときには、コンデンサ４０２の到達する電圧は、直流電源８の電圧に抑えられる。
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2 ・・・（８）
コンデンサ４０２が直流電源８からの電流により充電されている間に、コンデンサ４０３の電圧がコンデンサ４０２の電圧よりも高くなっている場合には、コンデンサ４０３からコンデンサ４０２へ、スイッチ１０２を還流してリアクトル７０３との共振電流がＢ４８の経路で流れる。このＢ４８の経路の電流が０になると、スイッチ１０２がオフとなっているので、コンデンサ４０２からコンデンサ４０３への電流は流れない。経路Ｂ４８の電流が経路Ａ４８の電流より先に０になると、その後は充電経路Ａ４８のみでコンデンサ４０２は充電されることから、式（８）の条件を満たすときには、コンデンサ４０２の電圧は直流電源８の電圧で抑えられる。
ダイオード１０４とスイッチ１０２とが短絡故障したときも、保護スイッチ２１６ｂをオフにすることでコンデンサ４０１の過電圧を防止できる。このときも臨界減衰、過減衰の条件が成り立つ。従って、コンデンサ４０１と４０２の容量のうち小さい方をＣとしたとき、抵抗６２０の抵抗値Ｒを下記の式（９）を満たすときには、ダイオード１０３とスイッチ１０１の短絡故障時、また、ダイオード１０４とスイッチ１０２の短絡故障時、いずれの場合も、コンデンサ４０１、または、４０２の到達する電圧は、直流電源８の電圧に抑えられる。
Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2 ・・・（９）
［第２０実施形態］
次に、第２０実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第２０実施形態では、図４９に示すように、リアクトル７０４に直列に接続される保護スイッチ２１６ｄと、保護スイッチ２１６ｄの両端に並列に接続される保護コンデンサ５２０とが設けられている。なお、保護スイッチ２１６ｄおよび保護コンデンサ５２０は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１０の保護スイッチ」および「第４の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１６ｄはオンの状態として、保護コンデンサ５２０の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図５０に示すように、ダイオード１０３とスイッチ１０１とが短絡故障したとき、保護スイッチ２１６ｄをオフにすると、コンデンサ４０２の充電経路Ａ５０に、保護コンデンサ５２０が挿入される。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５２０の電圧との和は、直流電源８の電圧より高くなる一方、電圧が分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
［第２１実施形態］
次に、第２１実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第２１実施形態では、図５１に示すように、接続経路１４に直列に接続されている保護スイッチ２１７と、保護スイッチ２１８が設けられている。なお、保護スイッチ２１７および保護スイッチ２１８は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１１の保護スイッチ」および「第１４の保護スイッチ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１７、２１８はオンの状態として、スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
スイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡破壊したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１７を切断する。この状態の等価回路は図５２のようになる。経路Ａ５２で示した２つのコンデンサ４０１および４０２を含む共振回路により両コンデンサが充電される。コンデンサ４０２のみ充電されることがなくなるので、保護スイッチ２１７のあることによって、コンデンサ４０２の電圧上昇は抑制される。
保護スイッチ２１７、２１８は、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど、還流できる構成である必要がある。通常運転時にも接続経路１４は双方向に電流が流れるためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。また、保護スイッチ２１７を直ちにオフにすることにより、コンデンサ４０１の短絡を防止する効果も得られる。
［第２２実施形態］
次に、第２２実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第２２実施形態では、図５３に示すように、接続経路１４に直列に接続されている保護スイッチ２１７ａと、保護スイッチ２１７ａに並列接続された抵抗６２１とが設けられている。また、接続経路１４に直列に接続されている保護スイッチ２１８ａと、保護スイッチ２１８ａに並列接続された抵抗６２２とが設けられている。なお、保護スイッチ２１７ａおよび抵抗６２１は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１２の保護スイッチ」および「第５の抵抗」の一例である。また、保護スイッチ２１８ａおよび抵抗６２２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１５の保護スイッチ」および「第６の抵抗」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１７ａ、２１８ａはオンの状態として、抵抗６２１、６２２の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
３レベルチョッパ装置のスイッチ１０１とダイオード１０３とが短絡破壊したとき、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１７ａを切断する。この状態の等価回路は図５４のようになる。共振回路は、経路Ａ５４で示した抵抗６２１を流れる減衰振動の回路と、経路Ｂ５４で示した２つのコンデンサ４０１および４０２を含む共振回路とが出来る。
コンデンサ４０１の電圧は保護スイッチ２１７ａと並列に接続された抵抗６２１の電圧と等しくなる。また、出力側のコンデンサ４０３の電圧が入力側のコンデンサ４０１および４０２の電圧の和よりも高くなっていた場合は、出力側のコンデンサ４０３から抵抗６２１、または、コンデンサ４０１を通じてコンデンサ４０２に電流が流れ込み、スイッチ１０２を還流してコンデンサ４０３に戻る電流経路が出来る。出力側のコンデンサ４０３や入力電源８からコンデンサ４０２に流れる電流がなくなると、コンデンサ４０１は抵抗６２１を通じて放電する。以上の挙動では、保護スイッチ２１７ａと抵抗６２１のない場合よりもコンデンサ４０２に流れ込む電流、電荷が小さくなるため、保護スイッチ２１７ａと抵抗６２１のあることによって、コンデンサ４０２の電圧上昇は抑制される。
保護スイッチ２１７ａ、２１８ａは、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど、還流できる構成である必要がある。通常運転時にも接続経路１４は双方向に電流が流れるためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。また、保護スイッチ２１７ａを直ちにオフにすることにより、コンデンサ４０１の短絡を抵抗６２１によって防止する効果も得られる。
［第２３実施形態］
次に、第２３実施形態による３レベルチョッパ装置について説明する。
第２３実施形態では、図５５に示すように、接続経路１４に直列に接続されている保護スイッチ２１７ｃと、保護スイッチ２１７ｃに並列接続された保護コンデンサ５２１とが設けられている。また、接続経路１４に直列に接続されている保護スイッチ２１８ｃと、保護スイッチ２１８ｃに並列接続された保護コンデンサ５２２とが設けられている。なお、保護スイッチ２１７ｃおよび保護コンデンサ５２１は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１３の保護スイッチ」および「第５の保護コンデンサ」の一例である。また、保護スイッチ２１８ｃおよび保護コンデンサ５２２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１６の保護スイッチ」および「第６の保護コンデンサ」の一例である。
通常動作時は、保護スイッチ２１７ｃ、２１８ｃはオンの状態として、保護コンデンサ５２１、５２２の両端は短絡する。スイッチ１０１と１０２のオン、オフを切り替えることで、第１実施形態の図６、７、８、９と同様の電流経路の状態とすることができ、出力電圧を入力電圧よりも低い直流電圧へと変換することが可能である。
図５６に示すように、ダイオード１０３と、スイッチ１０１とが短絡故障した時は、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１７ｃをオフにする。これにより、コンデンサ４０２の充電経路Ａ５６に、保護コンデンサ５２１が挿入される。保護コンデンサ５２１の電圧と、コンデンサ４０１の電圧とは等しくなければならないので、充電経路Ｂ５６にも電流が流れる。コンデンサ４０２の電圧と保護コンデンサ５２１の電圧との和は、直流電源８の電圧よりも高くなる一方、電圧がコンデンサ４０２と保護コンデンサ５２１とによって分担されるので、コンデンサ４０２の過電圧が防止される。
保護スイッチ２１７ｃ、２１８ｃは、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど、還流できる構成である必要がある。通常運転時にも接続経路１４は双方向に電流が流れるためである。還流ダイオードを使う構成の場合、通常動作時には逆回復が生じないのでＳｉ−ｐｎダイオードを用いると低損失である。また、ＳｉＣ−ＳＢダイオードを用いると、順方向回復電圧を小さくすることができ、ノイズを小さくすることが出来る。ＳｉＣ−ＳＢダイオードおよびＳｉ−ｐｎダイオードが並列した構成にすると、順方向回復電圧もオン電圧も低く、すなわち、低ノイズかつ低損失にすることができる。
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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（変形例）が含まれる。
たとえば、上記第１〜第２３実施形態では、本発明の保護スイッチ回路が、接続経路に設けられているか、または、リアクトルまたはスイッチに直列に設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、故障時に、コンデンサに過電圧が印加される経路を遮断するように保護スイッチ回路のオンオフが制御できれば、保護スイッチ回路を、接続経路、リアクトルまたはスイッチに直列の経路以外の経路に設けてもよい。
また、適宜上記第１〜第２３実施形態を組み合わせて構成されていても良い。例えば、第１６実施形態と第２１実施形態とを組み合わせた図５７に示すような３レベルチョッパ装置を考えることができる。図５７の３レベルチョッパ装置では、スイッチ１０２に、保護スイッチ２１５が直列接続されている。また、接続経路１４に、保護スイッチ２１７が直列接続されている。なお、保護スイッチ２１５、２１７は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１４の保護スイッチ」、「第１１の保護スイッチ」の一例である。
ダイオード１０３とスイッチ１０１が短絡故障したときは、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０２を切断すると同時に、保護スイッチ２１７をオフにする。これにより、第２１実施形態と同じく、充電経路はコンデンサ４０１とコンデンサ４０２を通るようになり、コンデンサ４０２の過電圧を防止できる。
ダイオード１０４とスイッチ１０２が短絡故障したときは、負荷９を切り離し、もう片側のスイッチ１０１を切断すると同時に、保護スイッチ２１５をオフにする。これにより、第１６実施形態と同じく、充電経路はコンデンサ４０１とコンデンサ４０２を通るようになり、コンデンサ４０１の過電圧を防止できる。
８ 直流電源
１４ 接続経路
１０１ スイッチ（第１のスイッチ）
１０２ スイッチ（第２のスイッチ）
１０３ ダイオード（第１のダイオード）
１０４ ダイオード（第２のダイオード）
２０９、２０９ａ、２０９ｂ、２０９ｃ 保護スイッチ（双方向保護スイッチ）
２１０ｂ 保護スイッチ（第１の保護スイッチ）
２１１ｂ 保護スイッチ（第２の保護スイッチ）
２１０ｄ 保護スイッチ（第３の保護スイッチ）
２１１ｄ 保護スイッチ（第４の保護スイッチ）
２１２ｂ 保護スイッチ（第５の保護スイッチ）
２１３ｂ 保護スイッチ（第６の保護スイッチ）
２１２ｄ 保護スイッチ（第７の保護スイッチ）
２１３ｄ 保護スイッチ（第８の保護スイッチ）
２１６ｂ 保護スイッチ（第９の保護スイッチ）
２１６ｄ 保護スイッチ（第１０の保護スイッチ）
２１０、２１４、２１７ 保護スイッチ（第１１の保護スイッチ）
２１０ａ、２１３ａ、２１４ａ、２１７ａ 保護スイッチ（第１２の保護スイッチ）
２１０ｃ、２１３ｃ、２１４ｃ、２１７ｃ 保護スイッチ（第１３の保護スイッチ）
２１１、２１５、２１８ 保護スイッチ（第１４の保護スイッチ）
２１１ａ、２１２ａ、２１５ａ、２１８ａ 保護スイッチ（第１５の保護スイッチ）
２１１ｃ、２１２ｃ、２１５ｃ、２１８ｃ 保護スイッチ（第１６の保護スイッチ）
４０１ コンデンサ（第１のコンデンサ）
４０２ コンデンサ（第２のコンデンサ）
４０３ コンデンサ（第３のコンデンサ）
５１１ 保護コンデンサ（第１の保護コンデンサ）
５１４ 保護コンデンサ（第２の保護コンデンサ）
５１７ 保護コンデンサ（第３の保護コンデンサ）
５２０ 保護コンデンサ（第４の保護コンデンサ）
５１２、５１６、５１８、５２１ 保護コンデンサ（第５の保護コンデンサ）
５１３、５１５、５１９、５２２ 保護コンデンサ（第６の保護コンデンサ）
６１１ 抵抗（第１の抵抗）
６１４ 抵抗（第２の抵抗）
６１７ 抵抗（第３の抵抗）
６２０ 抵抗（第４の抵抗）
６１２、６１６、６１８、６２１ 抵抗（第５の抵抗）
６１３、６１５、６１９、６２２ 抵抗（第６の抵抗）
７０４ リアクトル（第１のリアクトル）
７０３ リアクトル（第２のリアクトル）

Claims (25)

  1. 直流電源と、
    第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
    第１のダイオードおよび第２のダイオードと、
    第１のコンデンサ、第２のコンデンサおよび第３のコンデンサと、
    第１のリアクトルおよび第２のリアクトルと、
    接続経路と、
    保護スイッチ回路とを備え、
    前記第１のスイッチと、前記第１のダイオードと、前記第２のダイオードと、前記第２のスイッチと、前記第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサとは、この順で一巡に直列に接続され、
    前記直流電源は、前記第１のリアクトルを介して、前記第１のコンデンサおよび前記第１のスイッチの接続点と、前記第２のスイッチおよび前記第２のコンデンサの接続点と、の間に並列に接続され、
    前記第３のコンデンサは、前記第２のリアクトルを介して、前記第１のダイオードおよび前記第１のスイッチの接続点と、前記第２のスイッチおよび前記第２のダイオードの接続点と、の間に並列に接続され、
    前記接続経路は、前記第１のダイオードおよび前記第２のダイオードの接続点と、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの接続点とを接続し、
    前記保護スイッチ回路は、前記第１のスイッチおよび前記第１のダイオードのうちの少なくとも一方、または、前記第２のスイッチおよび前記第２のダイオードのうちの少なくとも一方の故障時に、前記第２のコンデンサ、または、前記第１のコンデンサに過電圧が印加される電流経路を、過電圧とならない電流経路へと変更するように制御可能に構成されている、３レベルチョッパ装置。
  2. 前記保護スイッチ回路は、前記接続経路に直列に接続されている双方向保護スイッチである、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  3. 前記双方向保護スイッチは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびバイポーラトランジスタのうちの少なくとも１つを含む半導体スイッチ素子とダイオードとを直列接続したスイッチ回路、または、逆阻止型ＩＧＢＴが２個逆並列接続されることにより構成されている、請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
  4. 前記双方向保護スイッチは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびバイポーラトランジスタのうちの少なくとも１つを含む半導体スイッチ素子とダイオードとを逆並列接続したスイッチ回路、または、ＭＯＳＦＥＴ、または、逆導通型ＩＧＢＴが２個逆直列接続されて構成されている、請求項２に記載の３レベルチョッパ装置。
  5. 前記双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードを含む、請求項３または４に記載の３レベルチョッパ装置。
  6. 前記双方向保護スイッチを構成するダイオードは、炭化珪素ダイオードを含む、請求項３または４に記載の３レベルチョッパ装置。
  7. 前記双方向保護スイッチを構成するダイオードは、シリコンダイオードと炭化珪素ダイオードとを並列接続したダイオードを含む、請求項３または４に記載の３レベルチョッパ装置。
  8. 前記保護スイッチ回路は、前記双方向保護スイッチに並列に接続された第１の抵抗をさらに含む、請求項２〜７のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
  9. 前記保護スイッチ回路は、前記双方向保護スイッチに並列に接続された第１の保護コンデンサをさらに含む、請求項２〜８のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
  10. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のダイオードと前記接続経路の間に直列に接続される第１の保護スイッチと、
    前記第２のダイオードと前記接続経路の間に直列に接続される第２の保護スイッチと、
    前記第１のダイオードと前記第１の保護スイッチの接続点と、前記第２の保護スイッチと前記第２のダイオードの接続点との間に、並列に接続される第２の抵抗とを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  11. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のダイオードと前記接続経路の間に直列に接続される第３の保護スイッチと、
    前記第２のダイオードと前記接続経路の間に直列に接続される第４の保護スイッチと、
    前記第１のダイオードと前記第３の保護スイッチの接続点と、前記第４の保護スイッチと前記第２のダイオードの接続点との間に、並列に接続される第２の保護コンデンサとを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  12. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のコンデンサと前記接続経路の間に直列に接続される第５の保護スイッチと、
    前記第２のコンデンサと前記接続経路の間に直列に接続される第６の保護スイッチと、
    前記第１のコンデンサと前記第５の保護スイッチの接続点と、前記第６の保護スイッチと前記第２のコンデンサの接続点との間に、並列に接続される第３の抵抗とを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  13. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のコンデンサと前記接続経路の間に直列に接続される第７の保護スイッチと、
    前記第２のコンデンサと前記接続経路の間に直列に接続される第８の保護スイッチと、
    前記第１のコンデンサと前記第７の保護スイッチの接続点と、前記第８の保護スイッチと前記第２のコンデンサの接続点との間に、並列に接続される第３の保護コンデンサとを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  14. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のリアクトルに直列に接続される第９の保護スイッチと、
    前記第９の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の抵抗とを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  15. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のリアクトルに直列に接続される第１０の保護スイッチと、
    前記第１０の保護スイッチの両端に並列に接続される第４の保護コンデンサとを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  16. 前記第３の抵抗、または、前記第４の抵抗の抵抗値をＲとし、前記第１のリアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサのうちの容量の小さい方の容量をＣとしたとき、抵抗値Ｒは、下記の式（１）を満たす、請求項１２または１４に記載の３レベルチョッパ装置。
    Ｒ≧２×（２×Ｌ／Ｃ）1/2 ・・・（１）
  17. 前記保護スイッチ回路は、
    前記第１のスイッチまたは前記第２のコンデンサまたは前記第１のダイオードまたは前記接続経路に直列に接続されている第１の保護スイッチ部分回路と、
    前記第２のスイッチまたは前記第１のコンデンサまたは前記第２のダイオードまたは前記接続経路に直列に接続されている第２の保護スイッチ部分回路との両方、または、いずれか一つを含む、請求項１に記載の３レベルチョッパ装置。
  18. 前記第１の保護スイッチ部分回路は、第１１の保護スイッチを含み、前記第１のスイッチ、または、前記第１のダイオード、または、前記接続経路に直列に接続されている、請求項１７に記載の３レベルチョッパ装置。
  19. 前記第１の保護スイッチ部分回路は、第１２の保護スイッチと、前記第１２の保護スイッチに並列接続された第５の抵抗とを含む、請求項１７に記載の３レベルチョッパ装置。
  20. 前記第１の保護スイッチ部分回路は、前記第２のコンデンサに直列に接続されており、前記第５の抵抗の抵抗値をＲａとし、前記第１のリアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第２のコンデンサの容量をＣ２としたとき、前記第５の抵抗の抵抗値Ｒａは、下記の式（２）を満たす、請求項１９に記載の３レベルチョッパ装置。
    Ｒａ≧２×（２×Ｌ／Ｃ２）1/2 ・・・（２）
  21. 前記第１の保護スイッチ部分回路は、
    第１３の保護スイッチと、前記第１３の保護スイッチに並列接続された第５の保護コンデンサを含む、請求項１７に記載の３レベルチョッパ装置。
  22. 前記第２の保護スイッチ部分回路は、第１４の保護スイッチを含み、前記第２のスイッチ、または、前記第２のダイオード、または、前記接続経路に直列に接続されている、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
  23. 前記第２の保護スイッチ部分回路は、
    第１５の保護スイッチと、前記第１５の保護スイッチに並列接続された第６の抵抗とを含む、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
  24. 前記第２の保護スイッチ部分回路は、前記第１のコンデンサに直列に接続されており、
    前記第６の抵抗の抵抗値をＲｂとし、前記第１のリアクトルのインダクタンスをＬとし、前記第１のコンデンサの容量をＣ１としたとき、前記第６の抵抗の抵抗値Ｒｂは、下記の式（３）を満たす、請求項２３に記載の３レベルチョッパ装置。
    Ｒｂ≧２×（２×Ｌ／Ｃ１）1/2 ・・・（３）
  25. 前記第２の保護スイッチ部分回路は、
    第１６の保護スイッチと、前記第１６の保護スイッチに並列接続された第６の保護コンデンサとを含む、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の３レベルチョッパ装置。
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