CN101473519A

CN101473519A - 电力变换装置

Info

Publication number: CN101473519A
Application number: CNA200680055040XA
Authority: CN
Inventors: 北中英俊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2009-07-01
Also published as: EP2034601A1; WO2008001427A1; CA2655051A1; US20090284199A1; JPWO2008001427A1

Abstract

本发明的电力变换装置具有：与倒相电路(13a)的输入侧连接的电容器(12)；设置在与所述倒相电路(13a)的输入侧连接的输入侧导体和与所述倒相电路(13a)的输出侧连接的输出侧导体的至少一侧的噪声抑制部(10a、10b)；在所述噪声抑制部(10a、10b)的倒相电路侧的相反侧设置于所述输入侧导体或所述输出侧导体的电量检测器(11、19a、19b、19c)；及根据来自所述电量检测器的电量检测信号控制所述倒相电路(13b)的控制部(20)，从而抑制共模噪声，而不导致元器件大型化、元器件数量增加、成本增加等。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种具有将对输入侧提供的直流电变换成交流电并对与交流侧连接的负载提供的倒相电路的电力变换装置。

背景技术

以往，电车或汽车等许多产业领域中较多地使用具有用半导体开关元件而构成的倒相电路的电力变换装置。例如，存在下述这样的电力变换装置：具有装载在电车上的、将输入侧通过集电装置与架空线连接并将输出侧与驱动电车的主电动机连接的倒相电路，并在该倒相电路的输入侧导体和输出侧导体设置抑制噪声用的由磁性材料构成的磁芯(例如参照专利文献1)。

又，同样装载在电车上的电力变换装置中，还存在下述这样的电力变换装置：将电压检测器与倒相电路的输入侧连接，将电流检测器与倒相电路的输出侧连接，根据来自这些检测器的电压检测信号和电流检测信号控制倒相电路(例如参考专利文献2)。

专利文献1：日本国专利特开2004—187368号公报

专利文献2：日本国专利第3747858号公报

近年来，内置于电力变换装置的控制部的微型计算机为了减小高速处理带来的功耗，进行其工作电压低电压化，以往使用5伏(V)左右的微型计算机，而近年来使用1伏～3伏左右的低电压工作的微型计算机。因此，为了防止控制部误动以取得电力变换装置的稳定运转，需要抑制流入控制部的共模噪声电流。

为了有效抑制流入控制部的共模噪声电流，考虑采取如下对策：增加对分别设置在倒相电路的输入侧和输出侧的电压检测器和电流检测器的共模噪声电流的阻抗，或增加配置在控制倒相电路的控制部的输入侧的隔离放大器的阻抗等，但由于采取该对策，会导致元器件大型化、元器件数量增加、成本增加等。

发明内容

本发明的目的在于得到一种抑制流入控制部的共模噪声电流而不导致元器件大型化、元器件数量增加、成本增加等并且即使使用以较低电压进行工作的微计算机等也能取得稳定的动作的电力变换装置。

本发明所涉及的电力变换装置具有将对输入侧提供的直流电变换成交流电并对与输出侧连接的负载提供的倒相电路、与所述倒相电路的输入侧连接的电容器、在与所述倒相电路的输入侧连接的输入侧导体和与所述倒相电路的输出侧连接的输出侧导体的至少一侧设置的噪声抑制部、在所述噪声抑制部的倒相电路侧的相反侧设置于所述输入侧导体或所述输出侧导体的电量检测器、及根据来自所述电量检测器的电量检测信号来控制所述倒相电路的控制部。

根据本发明所涉及的电力变换装置，能抑制流入控制部的共模噪声电流，而不导致元器件大型化、元器件数量增加、成本增加等，并且即使使用以较低电压进行工作的微计算机等也能取得稳定的动作。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的电力变换装置的结构图。

图2是本发明的实施方式2所涉及的电力变换装置的结构图。

图3是示出本发明实施方式1和2所涉及的电力变换装置的共模噪声电流的等效电路的说明图。

图4是成为发明基础的技术1所涉及的电力变换装置的结构图。

图5是成为发明基础的技术2所涉及的电力变换装置的结构图。

图6是示出成为发明基础的技术1和2所涉及的电力变换装置的共模噪声电流的等效电路的说明图。

标号说明

1是架空线，2是集电装置，3是电抗线圈，4是车轮，5是轨道，6是电力变换装置，7是三相交流电动机，10a是第1磁芯，10b是第2磁芯，11是电压检测器，12是电容器，13a、13b是倒相器模块，SU、SV、SW、SX、SY、SZ是开关元件，19a、19b、19c是电流检测器，20是控制部，22a、22b、22c、22d是隔离放大器，30是放电电阻，31是放电元件。

具体实施方式

说明本发明实施方式前，先说明成为本发明基础的技术。

发明基础技术1

图4是成为本发明基础的技术1所涉及的电力变换装置的结构图，示出装载在电车上的例子。图4中，装载在电车上的电力变换装置6从架空线1通过集电装置2被提供直流电。在集电装置2上连接开关(未示出)，还连接由电抗线圈3和电容器12组成的平滑电路。作为倒相电路的倒相器模块13b具有由开关元件SU、SV、SW、SX、SY、SZ组成的三相桥式电路，将其作为输入侧的直流侧端子连接在电容器12的两端之间，将作为输出侧的V相、U相、W相的交流侧端子与驱动电车的三相交流电动机7(下文称为电动机)的输入端子连接。

将检测电容器12的两端电压的电压检测器11与倒相器模块13b的直流侧端子连接，将检测各相的输出电流的电流检测器19a、19b、19c分别设置在倒相器模块13b的交流侧端子。将倒相器模块13b的直流侧端子的负极侧通过电车的车轮4与轨道5连接。倒相器模块13b将来自电容器12的直流电变换成交流电并输出到电动机7。还在电车的再生制动时，将电动机7产生的交流电变换成直流电，输出到电容器12侧。

将来自检测电容器12的两端电压的电压检测器11的电压检测信号VD和来自检测倒相器模块13b的输出侧电流的电流检测器19a～19c的电流检测信号IU～IW通过隔离放大器22a、22b、22c、22d输入到控制部20。控制部20根据这些信号和从未示出的外部输入的指令生成栅极信号G，输出到开关元件SU～SZ的栅极。

根据该栅极信号来控制各个开关元件SU～SZ，将进行脉冲宽度调制控制(Pulse Width Modulation；下文称为PWM)的三相交流电对电动机7提供，来控制电动机7使其生成所要的转矩。控制部20内置微型计算机(下文称为微机)，利用软件加以控制。

将用铁氧体或非晶金属等磁性材料构成的中空环状(ring：环形)的第1磁芯10a设置在作为倒相器模块13b的输入侧的直流侧，并且该直流侧的一对导体贯穿第1磁芯10a的内侧空间部。另外，将用铁氧体或非晶金属等磁性材料构成的中空环状(ring：环形)的第2磁芯10b设置在倒相器模块13b的输出侧，并且该输出侧的U相、V相、W相的各导体贯穿第2磁芯10b的内侧空间。

第1磁芯10a和第2磁芯10b实际上以串联多个磁芯的方式构成，规模较大。因而，不配置在倒相器模块13b的内部，而配置在收装由倒相器模块13b、控制部20、电容器11和电抗线圈3构成的电力变换装置6的金属外壳内部的、具有较大空间的位置。此外，在收装电力变换装置6的金属外壳的内部还收装电流检测器19a～19c和电压检测器11。

将电压检测器11在第1磁芯10a的输出侧、即第1磁芯10a的倒相器模块13b侧与倒相器模块13b的输入侧导体连接。将电流检测器19a～19c在第2磁芯10b的输入侧、即第2磁芯10b的倒相器模块13b侧设置在倒相器模块13b的输出侧导体上。

从电流检测器19a～19c得到的电流检测信号IU、IV、IW除上述那样用于控制电动机7外，还用于在产生倒相器模块13b的作为输出侧导体的交流侧端子短路或接地等异常时，检测该异常且利用控制部20使开关元件SU～SZ的开关动作停止并进行保护动作。因此，将电流检测器19a～19c配置在接近倒相器模块13b的内部的开关元件SU～SZ的位置，以便能检测出倒相器模块13b的输出线的尽量大的范围的异常电流。将电压检测器11配置在电容器12的附近，使其起到检测电容器12的两端间的电压的功能。

以上那样构成的电力变换装置6，其特征是控制容量高达1兆伏安(MVA)左右，并且主电路电压也为600伏～3000伏左右的高电压；倒相器模块13b内的开关元件SU～SZ进行开关动作时，开关元件附近的电路的电压在几微秒(μs)的时间从0伏变化到最大3000伏左右。由于此电压变化，通过电路中的杂散电容产生高频泄漏电流。该泄漏电流流出到电力变换装置6的内外。将这种泄漏电流称为共模噪声电流。

另外，将电力变换装置6装载在车辆底板下的情况较多，若共模噪声电流大范围流出到电力变换装置6的外壳外部的车辆车体等，则会形成共模噪声电流流过的大的环路，由此产生的高频磁通可能会对设置在轨道附近的信号设备(未示出)带来不良影响。设置在电力变换装置6内的第1磁芯10a和第2磁芯10b是为避免这样的不良影响而设置的，作为抑制共模噪声电流的流出的噪声抑制部进行动作。

即，如上文所述，第1磁芯10a的内侧的空间部被倒相器模块13b的输入侧的一对导体贯穿，并且第2磁芯10b的内侧的空间部被倒相器模块13b的输出侧的3个导体贯穿。因而，第1磁芯10a和第2磁芯10b对同方向流过贯穿的多个导体的共模噪声电流产生阻抗，抑制共模噪声电流。第1磁芯10a和第2磁芯10b一般以按照减小共模噪声电流的要求串联连接多个磁芯的方式构成。

发明基础技术2

图5是成为本发明基础的技术2所涉及的电力变换装置的结构图。图5中，将放电电阻30与放电元件31串联连接，它们构成过电压抑制放电电路。将此过电压抑制放大电路与电容器12并联连接。将电压检测器11连接在放电元件31的两端。其它结构与发明基础技术1相同。

由放电电阻30和放电元件31构成的过电压抑制放电电路采用如下结构：在电容器12的两端电压为过电压时，使放电元件31导通，使电容器12的电荷在放电电阻30上进行放电，通过这样能防止倒相器模块13b因过电压而损坏。

将电压检测器11连接在放电元件31的两端的理由是为了使其兼有检测电容器12的两端电压的功能和确认放电元件31的动作的功能；由于结构上做成这样的话，常规时(放电元件31阻断时)电压检测器11能检测电容器12的两端电压，且发生过电压时(放电元件31导通时)电压检测器11的检测值变为零，所以由此能在控制部10掌握放电元件31已导通，可监控放电元件31是否正常动作。此外，在发生过电压时停止倒相器模块13b，所以即使电压检测器11的检测值为零也没有控制动作方面的问题。

图6是示出图4和图5所示的成为发明基础的技术1和2中的共模噪声电流的等效电路的说明图。再者，图6所示的等效电路为了便于把握现象，在无损于物理含义的范围进行简化表现。图6中，VN是因由开关元件SU～SZ的开关动作造成的电压变化而产生的共模噪声电压，作为由该共模噪声电压VN产生的共模噪声电流路径，可考虑4个路径A1、A2、B1、B2。

(1)路径A1

路径A1是由从开关元件SU～SZ至第1磁芯10a的电路阻抗Z1A、第1磁芯10a的阻抗Z2A、及从第1磁芯10a经电力变换装置6的外部和电力变换装置6的外壳返回到共模噪声源的电路的阻抗Z3A的串联电路构成的路径。

(2)路径A2

路径A2是由从开关元件SU～SZ至电压检测器11的电路的阻抗Z4A、电压检测器11的阻抗Z5A、从电压检测器11经隔离放大器22a至控制部20的电路的阻抗Z6A、及从控制部20经电力变换装置6的外壳返回到共模噪声源的电路的阻抗Z7A的串联电路构成的路径。再者，由于从开关元件SU～SZ至第1磁芯10a的距离相比从开关元件SU～SZ至电压检测器11的距离要长，所以形成Z1A>Z4A的关系。

(3)路径B1

路径B1是由从开关元件SU～SZ至第2磁芯10b的电路的阻抗Z1B、第2磁芯10b的阻抗Z2B、及从第2磁芯10b经电力变换装置6的外部和电力变换装置6的外壳返回到共模噪声源的电路的阻抗Z3B的串联电路构成的路径。

(4)路径B2

路径B2是由从开关元件SU～SZ至电流检测器19a～19c的电路的阻抗Z4B、电流检测器19a～19c的阻抗Z5B、电流检测器19a～19c经隔离放大器22b～22d至控制部20的电路的阻抗Z6B、及从控制部20经电力变换装置6的外壳返回到共模噪声源的电路的阻抗Z7B的串联电路构成的路径。再者，由于从开关元件SU～SZ至第2磁芯10b的距离相比从开关元件SU～SZ至电流检测器19a～19c的距离要长，所以形成Z1B>Z4B的关系。

根据图6，由路径A1、路径B1往电力变换装置6的外部流出的共模噪声电流受第1磁芯10a和第2磁芯10b的阻抗Z2A、Z2B抑制，从而抑制共模噪声电流大范围流出到电力变换装置6的外部的车辆车体等，并抑制共模噪声电流形成大的环路。其结果，由于能减小由共模噪声电流产生的高频磁通，所以能减小对设置在轨道附近的信号设备(未示出)的影响。

如上文所述，第1磁芯10a和第2磁芯10b能抑制由路径A1、路径B1往电力变换装置6的外部流出的共模噪声电流，但不能抑制由路径A2、路径B2通过控制部20在电力变换装置6内流过的共模噪声电流。然而，必须抑制由路径A2和路径B2流过的共模噪声电流，以防止控制部20的误动，取得电力变换装置6的稳定运转。

因而，为了增加电压检测器11和电流检测器19a～19c的对共模噪声电流的阻抗Z5A、Z5B，采用如下结构：在电压检测器11或电流检测器19a～19c设置噪声抑制部(未示出)，或在控制部20的输入侧设置隔离放大器22a～22b，从而使其作为阻抗Z6A、Z6B起作用，来抑制路径A2和路径B2中流过的共模噪声电流。

接着，说明本发明的实施方式。

实施方式1

图1是本发明的实施方式1所涉及的电力变换装置的结构图，对与成为发明基础的技术相同或相当的部分标注相同的标号。

上述发明基础技术1中，将电压检测器11在第1磁芯10a的输出侧、即第1磁芯10a的倒相器模块13b侧与倒相器模块13b的输入侧导体连接，但本发明的实施方式1所涉及的电力变换装置中，如图1所示，将电压检测器11在第1磁芯10a的输入侧、即第1磁芯10a的倒相器模块13b侧的相反侧与倒相器模块13b的输入侧导体连接。由于第1磁芯10a仅对共模噪声电流具有阻抗，所以即使将电压检测器11在第1磁芯10a的输入侧、即第1磁芯10a的倒相器模块13b侧的相反侧与倒相器模块13b的输入侧连接，也能检测出电容器12的两端电压。

又，发明基础技术1中，将电流检测器19a～19c在第2磁芯10b的输入侧、即第2磁芯10b的倒相器模块13b侧设置于倒相器模块13b的输出导体且配置在倒相器模块13b的外壳的内部，但本发明实施方式1的电力变换装置中，将电流检测器19a～19c在第2磁芯10b的输出侧、即第2磁芯10b的倒相器模块13b侧的相反侧设置于倒相器模块13b的输出侧导体。而且，将电流检测器19a～19c配置在倒相器模块13a的外部。

实施方式1的开关元件SU～SZ由智能功率模块(下文称为IPM：IntelligentPower Module)或与具有过电流保护功能的栅极驱动器组合后的功率模块构成。

此外，IPM或与具有过电流保护功能的栅极驱动器组合后的功率模块具有因输出导体短路或接地等而流通过电流时检测该过电流并自动停止开关动作的功能。不必用电流传感器19a～19c检测过电流并经控制部20阻断开关动作，具有能较快速且可靠地进行对过电流的保护动作的特征。

因此，本发明实施方式1中，将电流传感器19a～19c设置在离开开关元件SU～SZ的第2磁芯10b的输出侧(电动机侧)，但即使开关元件SU～SZ与电流传感器19a～19c之间的布线导体产生短路或接地时，也能保护开关元件SU～SZ。即，电流传感器19a～19c的电源侧(存在开关元件SU～SZ的一侧)发生短路或接地时，发明基础技术中，由于电流传感器19a～19c不流通过电流，电流传感器19a～19c不能检测出短路或接地，不能阻断开关元件，所以往往破坏电力变换装置，但本发明实施方式1的结构中，开关元件SU～SZ本身具有过电流保护功能，开关元件SU～SZ与电流传感器19a～19c之间的布线导体产生短路或接地时，也能阻断开关元件SU～SZ，避免破坏电力变换装置。

实施方式2

图2是本发明的实施方式2中的电力变换装置的结构图，图2中，将放电电阻30和放电元件31串联连接，它们构成过电压抑制放电电路。将此过电压抑制放电电路与电容器12并联连接。将电压检测器11连接在放电元件31的两端。

上述发明基础技术2中，将电压检测器11配置在第1磁芯10a的输出侧，但本发明实施方式2所涉及的电力变换装置中，如图2所示，将电压检测器11配置在第1磁芯10a的输入侧。由于第1磁芯10a仅对共模噪声电流具有阻抗，所以即使将电压检测器11配置在第1磁芯10a的输入侧也能检测出电容器12的两端电压。

又，发明基础技术2中，将电流检测器19a～19c配置在第2磁芯10b的输入侧且倒相器模块13b的外壳的内部，但本发明的实施方式2所涉及的电力变换装置中，将电流检测器19a～19c配置在第2磁芯10b的输出侧且倒相器模块13a的外部。其它结构与实施方式1时相同。

图3是示出本发明实施方式1、2的电力变换装置的结构中共模噪声电流的等效电路的说明图。图3所示等效电路为了便于把握现象，在无损于物理含义的范围进行简化表现，其中VN是因开关元件SU～SZ的开关动作造成的电压变化而产生的共模噪声电压，作为该共模噪声电压VN产生的共模噪声电流路径，可考虑图3所示的4个路径A1、B1、A3、B3。

路径A1、路径B1与发明基础技术中说明的图6相同，所以省略说明，本发明实施方式1和2中分别具有以下所示的路径A3、路径B3，以代替发明基础技术1和2中的路径A2、路径B2。

(1)路径A3

路径A3是由从开关元件SU～SZ至第1磁芯10a的电路阻抗Z1A、第1磁芯10a的阻抗Z2A、电压检测器11的阻抗Z5A、从电压检测器11经隔离放大器22a至控制部20的电路的阻抗Z6A、及从控制部20经电力变换装置6的外壳返回到共模噪声源的电路的阻抗Z7A的串联电路构成的路径。

(2)路径B3

路径B3是由从开关元件SU～SZ至第2磁芯10b的电路的阻抗Z1B、第2磁芯10b的阻抗Z2B、电流检测器19a～19c的阻抗Z5B、从电流检测器19a～19c经隔离放大器22b～22d至控制部20的电路的阻抗Z6B、及从控制部20经电力变换装置6的外壳返回到共模噪声源的电路的阻抗Z7B的串联电路构成的路径。

根据本发明的实施方式中的路径A3和路径B3，与发明基础技术(图6)中的路径A2和路径B2相比，分别可知从开关元件SU～SZ至电压检测器11的电路的阻抗Z4A变成从开关元件SU～SZ至第1磁芯10a的电路阻抗Z1A(Z1A>Z4A)，从开关元件SU～SZ至电流检测器19a～19c的电路的阻抗Z4B变成从开关元件SU～SZ至第2磁芯10b的电路阻抗Z1B(Z1B>Z4B)，进一步地，第1磁芯10a的阻抗Z2A、第2磁芯10b的阻抗Z2B增大。即，根据本发明的实施方式，可知利用原来设置的用于抑制流往电力变换装置6的外部的共模噪声电流的第1磁芯10a和第2磁芯10b，还能抑制流入控制部20的共模噪声电流。

这样，根据本发明实施方式1和2的电力变换装置，可得到一种电力变换装置，其中能检测出电容器12的电压，还在作为倒相器模块13a的输出线的导体发生短路或接地等异常时，能可靠地检测出该异常并维持使开关切换停止的过电流保护功能，且能抑制共模噪声电流，而不导致在电压检测器11或电流检测器19a～19c设置噪声抑制部等造成的元器件大型化、元器件数量增加、成本增加，即便使用近年来低电压工作的微机也能得到稳定的动作。

再者，实施方式1和2所示的结构是本发明的结构的一个例子，还可与其它公知技术进行组合，当然也可在不脱离本发明精神的范围，省略一部分等进行变化来构成。

例如，本发明实施方式1和2中，以将电压检测器配置在倒相器模块输入侧、将电流检测器配置在倒相器模块输出侧为例进行了说明，但当然也可将电流检测器配置在倒相器模块输入侧，将电压检测器配置在倒相器模块输出侧。另外，还可仅在第1磁芯10a或第2磁芯10b的某一方，将电量检测器设置于非倒相器模块侧的一侧。进一步还可使用无过电流保护功能的开关元件。

另外，本发明的电力变换装置也可用于下述结构的电力变换装置：即从集电装置接收交流供电并将其用变换器变换成直流电后输入到倒相器模块，还能用于下述的所谓辅助电源装置：即将车辆的空调、照明设备等负载通过电动机以外的例如变压器和平滑电路与电力变换装置的输出侧连接，使倒相器进行恒压恒频运转，从而对所述负载提供恒压、恒频的功率。

工业上的实用性

本发明的电力变换装置不仅可应用于电气化铁路，而且可用于汽车、电梯、电力系统等各种相关领域。

Claims

1.一种电力变换装置，其特征在于，具有：

将对输入侧提供的直流电变换成交流电并提供给与输出侧连接的负载的倒相电路；

与所述倒相电路的输入侧连接的电容器；

在与所述倒相电路的输入侧连接的输入侧导体和与所述倒相电路的输出侧连接的输出侧导体中的至少一方所设置的噪声抑制部；

设置在所述噪声抑制部的倒相电路侧的相反侧并设置在所述输入侧导体或所述输出侧导体的电量检测器；以及

根据来自所述电量检测器的电量检测信号来控制所述倒相电路的控制部。

2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

还具有在所述噪声抑制部的倒相电路侧的相反侧与所述输入侧导体连接的过电压抑制放电电路。

3.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

所述噪声抑制部由环状磁性材料构成，且所述导体贯通其中空部。

4.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

所述倒相电路由利用从所述控制部提供的开关信号进行开关控制的多个半导体开关元件构成，

所述控制部根据来自所述电量检测器的电量检测信号来生成所述开关信号。

5.如权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，

所述半导体开关元件具有过电流保护功能。

6.如权利要求1至5的任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

该电力变换装置被装载在电车上，并将所述倒相电路的输入侧通过集电装置与架空线连接，将所述倒相电路的输出侧与驱动所述电车的电动机连接。