CN104185947B - 车辆用电力转换装置以及车辆 - Google Patents

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Abstract

作为进行电压的多电平控制的结构，减少部件数量。本实施方式的车辆用电力转换装置具备单相两电平转化器与单相三电平转换器。单相两电平转换器由电容器、具有自灭弧功能的第一～第四可控开关元件、以及以反并联方式连接在每个可控开关元件的二极管构成。单相三电平转换器由两个串联连接的电容器、第五～第十可控开关元件、以及以反并联方式连接在每个可控开关元件的二极管构成。单相两电平转换器的开关损耗比单相三电平转换器少，单相三电平转换器的耐电压性比单相两电平转换器高。

Description

车辆用电力转换装置以及车辆
本申请以2012年3月16日在先申请的日本国专利申请第2012-060300号作为基础并享有优先权，并且，以引用方式将其所有内容包含在本申请中。
技术领域
本发明的实施方式涉及车辆用电力转换装置以及车辆。
背景技术
作为新干线用的电力转换器的转换器，多是由二极管钳位型三电平电路构成。
对此，近年来，提出了碳化硅元件等的低损耗器件。因此，今后通过使用碳化硅元件等的低损耗器件，可期待转换器的小型化。
但是，在目前提供的碳化硅元件等中，没有可耐高电压的元件。因此，需要将元件串联、或者进行与现存的硅元件组合后的多电平化。在上述两种情况中，元件的串联存在着损耗增加、元件数量增加、平衡控制等课题。因此，现状是多电平化较实用。
作为多电平化，作为相对于输出电压电平数的开关元件数量较少的方式，提出了飞跨电容方式。但是，在该方式中，电容器数量变多。
作为抑制了电容器数量的多电平化，提出了二极管钳位方式。在二极管钳位方式中，由于需要滤波电容电压的平衡电路，因而体积可能会增加。此外还有将单相全桥转换器(逆变器)的交流输入输出点串联连接的级联方式和分级控制(gradation control)方式。在此，关于该技术，引用下述文献并且通过引用将其全部内容包含于此。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-7941号公报
非专利文献
非专利文献1：“Multicell Converters:Active Control and Observation ofFlying-Capacitor Voltages”,IEEE Trans.Ind.Electron.vol.49,No.5,pp.998-1008,2002.
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在现有技术中，虽然既能够耐高电压又能够减少电容器的数量，但是相对于输出电压的电平数，开关元件的数量增多。因此，难以实现小型化。
鉴于上述情况，提供一种更小型的车辆用电力转换装置。
用于解决技术问题的方案
实施方式的车辆用电力转换装置是将单相交流电力转换为直流电力的电力转换装置，其具备单相两电平转换器以及单相三电平转换器。单相两电平转换器由以下部件构成：电容器；第一可控开关元件，连接在电容器的一端与一侧的交流输入输出点之间，具有自灭弧功能；第二可控开关元件，连接在电容器的另一端与一侧的交流输入输出点之间；第三可控开关元件，连接在电容器的一端与另一侧的交流输入输出点之间；第四可控开关元件，连接在电容器的另一端与另一侧的交流输入输出点之间；以及二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件。单相三电平转换器由以下部件构成：两个串联连接的电容器；第五可控开关元件，连接在两个串联连接的电容器的一端与一侧的交流输入输出点之间；第六可控开关元件，连接在两个串联连接的电容器的另一端与一侧的交流输入输出点之间；第七可控开关元件，连接在两个串联连接的电容器的一端与另一侧的交流输入输出点之间；第八可控开关元件，连接在两个串联连接的电容器的另一端与另一侧的交流输入输出点之间；双向开关，在两个串联连接的电容器间的连接点以及另一侧的交流输入输出点之间，以反极性的方式串联连接第九可控开关元件与第十可控开关元件而形成；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件。单相两电平转换器与单相三电平转换器在交流输入输出点串联连接。单相两电平转换器的开关损耗比单相三电平转换器少，单相三电平转换器的耐电压性比单相两电平转换器高。
附图说明
图1是示出涉及第一实施方式的电力转换装置的多电平转换器的结构的图。
图2是示出相对于涉及第一实施方式的多电平转换器的输出电压指示所对应的各转换器的指令值电压的图。
图3是示出通过涉及第一实施方式的单相两电平转换器以及单相三电平转换器中包含的各开关元件来进行开关控制的图。
图4是示出当满足Vthr1≧Vref≧-Vthr1的条件时、多电平转换器的单相三电平转换器的电流流向的图。
图5是示出当满足Vthr2≧Vref>Vthr1的条件时、多电平转换器的单相三电平转换器的电流流向的图。
图6是示出当满足Vref>Vthr2的条件时、多电平转换器的单相三电平转换器的电流流向的图。
图7是示出涉及第二实施方式的电力转换装置的多电平转换器的结构的图。
图8是示出对涉及第二实施方式的单相三电平转换器中包含的两个串联连接的电容器进行充电时的电流流向的图。
图9是示出对涉及第二实施方式的单相三电平转换器中包含的两个串联连接的电容器进行充电时的电流流向的图。
图10是示出对涉及第二实施方式的单相两电平转换器中包含的电容器进行充电时的电流流向的图。
图11是示出对涉及第二实施方式的单相两电平转换器中包含的电容器进行充电时的电流流向的图。
图12是示出涉及本实施方式的电力转换装置中的电容器的充电处理顺序的步骤的流程图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是示出涉及第一实施方式的车辆用电力转换装置11的多电平转换器1的结构的图。如图1所示，涉及本实施方式的多电平转换器1串联连接有单相三电平转换器50以及单相两电平转换器40。而且，多电平转换器1经由具有电抗器成分的无源元件2与电力系统等的交流电源100连接，将单相交流电力转换为直流电力之后，对主电机3供给电力。此外，本实施方式并不限定搭载电力转换装置11的车辆，可以搭载于各种车辆。
控制部150控制单相三电平转换器50以及单相两电平转换器40。此外，控制部150设置在电力转换装置11的内部，也可以包含在多电平转换器1的内部。
单相两电平转换器40是一般的单相转换器，由开关元件4a～4d、电容器14、以及(回流)二极管6a～6d构成。涉及本实施方式的单相两电平转换器40由SiC(碳化硅元件)构成。单相两电平转换器40通过使用SiC(碳化硅元件)，可以降低开关损耗。
开关元件4a～4d具有自灭弧功能。另外，开关元件4a连接在电容器14的一端与一侧的交流输入输出点之间。另外，开关元件4b连接在电容器14的另一端与一侧的交流输入输出点之间。开关4c连接在电容器14的一端与另一侧的交流输入输出点之间。开关4d连接在电容器14的另一端与另一侧的交流输入输出点之间。
二极管6a以反并联方式连接在开关元件4a，二极管6b以反并联方式连接在开关元件4b，二极管6c以反并联方式连接在开关元件4c，二极管6d以反并联方式连接在开关元件4d。
单相三电平转换器50具有开关元件5a～5f、两个串联连接的(滤波器)电容器15a、15b以及二极管8a～8f。电容器15a将正电位导线10a连接到正侧，将中性点9连接到负侧。电容器15b将中性点9连接到正侧，将负电位导线10b连接到负侧。而且，将开关元件5c、5d、5e的连接点作为交流电压输入输出点。而且，开关元件5c、5d、5e从交流电压输入输出点经由无源元件2与电力系统等的交流电源100连接。
单相三电平转换器50具备两个臂。而且，单相三电平转换器50中包含的开关元件5a～5f具有自灭弧功能。
一侧的臂由两个串联的开关元件5a、5b构成。开关元件5a连接在两个串联连接的电容器15a、15b的正电位与一侧的交流输入输出点之间。开关元件5b连接在两个串联连接的电容器15a、15b的负电位与一侧的交流输入输出点之间。
另一侧的臂由两个串联的开关元件5c、5d构成。进一步，双向开关元件7如后述那样地连接到两个串联的开关元件5c、5d。开关元件5c连接在两个串联连接的电容器15a、15b的正电位与另一侧的交流输入输出点之间。开关元件5d连接在两个串联连接的电容器15a、15b的负电位与另一侧的交流输入输出点之间。
两个串联的开关元件5c、5d连接在正电位与另一侧的交流输入输出点之间、以及另一侧的交流输入输出点与负电位之间。
双向开关元件7由以反极性的方式串联连接的开关元件5e、5f以及二极管8e、8f构成。而且，双向开关元件7连接在两个串联连接的电容器15a、15b间的中性点9的电位与另一侧的交流输入输出点之间。
在该电路结构中，单相三电平转换器50使用的开关元件数量为6个，电容器为2个，相对于输出电压级数的必要部件数量少。
二极管8a以反并联方式连接在开关元件5a，二极管8b以反并联方式连接在开关元件5b，二极管8c以反并联方式连接在开关元件5c，二极管8d以反并联方式连接在开关元件5d。进一步，双向开关元件7中包含的二极管8e以反并联方式连接在开关元件5e，二极管8f以反并联方式连接在开关元件5f。
涉及本实施方式的单相两电平转换器40由开关损耗少的碳化硅器件(SiC)等构成。另外，单相三电平转换器50由高耐压的硅器件等构成。由此，单相两电平转换器40相比于单相三电平转换器50开关损耗变少，而单相三电平转换器50相比于单相两电平转换器40耐高压性变高。
图2是示出相对于涉及第一实施方式的多电平转换器1的输出电压指示所对应的各转换器的指令值电压的图。图2中示出了多电平转换器1的输出电压指令值Vref201、单相三电平转换器50的指令值电压202、单相两电平转换器40的指令值电压203以及单相两电平转换器40的输出电压204。
也就是，涉及本实施方式的电力转换装置11通过将单相三电平转换器50的指令值电压202与单相两电平转换器40的指令值电压203进行组合，从而实现多电平转换器1的输出电压指令值Vref201。
而且，涉及本实施方式的电力转换装置11将开关损耗较低的单相两电平转换器40的开关频率设定为高于单相三电平转换器50，之后控制单相两电平转换器40以追踪输出电压指令值Vref201的精细的变化。由此实现精细的电压控制以及降低开关损耗。
一般而言，碳化硅器件等开关损耗少的元件大多耐高压性较低。因此，在本实施方式中，为了可使电压有较大的变化，因而对耐高压性高的单相三电平转换器50进行用于实现阶梯波形的控制。
在本实施方式中，关于多电平转换器1的输出电压指令值Vref201，设定有用于单相三电平转换器50的电容器15a、15b输出的阈值。例如，将用于以单相三电平转换器50的电容器15a、15b中的某一个进行输出的电压阈值设为±Vthr1。进一步，将用于单相三电平转换器50的电容器15a、15b两者均输出的电压阈值设为±Vthr2。而且，控制部150基于输出电压指令值Vref是否超过了电压阈值±Vthr1以及电压阈值±Vthr2，对单相三电平转换器50中包含的开关元件5a～5f进行控制。
进一步，控制部150基于单相两电平转换器40的指令值电压203进行控制，以形成单相两电平转换器40的输出电压204。接下来，对具体的开关元件的控制进行说明。
图3是示出通过各转换器中包含的开关元件来进行开关控制的图。在图3的示例中，示出了单相三电平转换器50侧的开关元件5a～5f的开关控制、以及单相两电平转换器40侧的开关元件4a～4d的开关控制。
而且，在满足Vthr1≧Vref≧-Vthr1的条件时(时间0～t1、t4～t5、t8以后)，控制部150将单相三电平转换器50中包含的开关元件5a与开关元件5c的组合、以及开关元件5b与开关元件5d的组合中的某一组合设定为接通状态。由此，转换器输出电压中电容器15a、15b的电压不会重叠，控制部150通过对单相两电平转换器40的脉冲宽度调制控制来输出转换器全体的输出电压指令值Vref。
图4是示出当满足Vthr1≧Vref≧-Vthr1的条件时、多电平转换器1的单相三电平转换器50的电流流向的图。在图4的示例中，将开关元件5a与开关元件5c的组合设定为接通状态，将其它的开关元件5b、5d～5f控制为切断状态。这种情况下，由于电流流经由粗线401表示的路径，因而电容器15a、15b的电压不会重叠。此外，虽然在图4中示出了仅有开关元件5a与开关元件5c的组合处于接通状态的例子，但是也可以是仅将开关元件5b与开关元件5d的组合设定为接通状态。
返回图3，当满足Vthr2≧Vref>Vthr1的条件时(时间t1～t2、t3～t4)，控制部150将单相三电平转换器50中包含的开关元件5a、5e、5f控制为接通状态。这样，由于在转换器输出电压中叠加了电容器15a的电压，因而单相两电平转换器40根据基于控制部150的脉冲宽度调制控制，输出从转换器全体的输出电压指令值Vref中减去电容器15a的电压之后的差分电压。
图5是示出当满足Vthr2≧Vref>Vthr1的条件时、多电平转换器1的单相三电平转换器50的电流流向的图。在图5的示例中，仅将开关元件5a、5e、5f的组合控制为接通状态，将其它开关元件控制为切断状态。这种情况下，由于电流流经由粗线501表示的路径，因而，只有电容器15a的电压重叠。
返回图3，当满足Vref>Vthr2的条件时(时间t2～t3)，控制部150将单相三电平转换器50中包含的开关元件5a、5d设为接通状态。这样，由于在转换器输出电压中叠加了电容器15a、15b的电压，因而，单相两电平转换器40通过基于控制部150的脉冲宽度调制控制，输出从转换器全体的输出电压指令值Vref中减去电容器15a、15b的电压之后的差分电压。
图6是示出当满足Vref>Vthr2的条件时、多电平转换器1的单相三电平转换器50的电流流向的图。在图6的示例中，仅将开关元件5a以及开关元件5d的组合控制为接通状态。这种情况下，由于电流流经由粗线601表示的路径，因此，电容器15a、15b的电压重叠。
返回图3，当满足-Vthr1>Vref≧-Vthr2的条件时(时间t5～t6、t7～t8)，控制部150将单相三电平转换器50中包含的开关元件5b、5e以及5f设定为接通状态。这样，由于从转换器输出电压中减去了电容器15b的电压，因此，单相两电平转换器40通过基于控制部150的脉冲宽度调制控制，输出在转换器全体的输出电压指令值Vref上加上电容器15a的电压之后的差分电压。
当满足-Vthr2>Vref的条件时(时间t6～t7)，控制部150将单相三电平转换器50中包含的开关元件5b以及5c设定为接通状态。这样，由于从转换器输出电压中减去了电容器15a、15b的电压，因此，单相两电平转换器40通过基于控制部150的脉冲宽度调制控制，输出在转换器全体的输出电压指令值Vref上加上电容器15a、15b之后的差分电压。
这样，涉及本实施方式的控制部150以规定电压单位(阈值±Vthr2、阈值±Vthr1)对单相三电平转换器50中包含的开关元件5a～5f进行控制。而且，对应于小于规定电压的输出电压的变化，控制部150对单相两电平转换器40中包含的开关元件4a～4d进行控制。
通过执行以上的控制，涉及本实施方式的电力转换装置11在转换器输出电压的一个周期内，能够使单相三电平转换器50的各开关元件5a～5f开关次数减少为4次。此外，在本实施方式中，开关次数没有限定为4次，开关次数根据阈值的数等而变化。通过减少阈值，可以减少开关次数。例如，开关次数可以是1～3次等。
单相三电平转换器50生成阶梯波形，该阶梯波形是多电平转换器1的转换器输出电压的基础。单相三电平转换器50由硅元件构成，因此，虽然耐高压性高，但是开关损耗高。但是，在本实施方式中，由于形成阶梯波形，因而在一个周期内的开关次数变少。由此，能够抑制开关次数，降低开关损耗。
而且，为了补偿单相三电平转换器50的阶梯波形与多电平转换器输出电压的差分电压，单相两电平转换器40执行高速开关控制。这样，单相两电平转换器40补偿单相三电平转换器50的阶梯波形与多电平转换器输出电压之间的差分电压。
在本实施方式中，通过适当地设定阈值电压Vthr1、Vthr2，单相两电平转换器40被用于补偿差分电压，因此，不需高电压，而可以利用低耐电压性的开关元件。另外，为了补偿单相三电平转换器50的阶梯波形与多电平转换器1全体的交流输入输出电压的差分电压，单相两电平转换器40执行高速开关控制。在本实施方式中，作为单相两电平转换器40，通过利用开关损耗小的碳化硅元件等，能够抑制由于高速开关导致的损耗。
为了形成作为多电平转换器1的输出电压的基础的阶梯波形，单相三电平转换器50使用耐电压性高的元件。由此，能够抑制串联的转换器的数量。
进一步，作为单相三电平转换器50，即使在使用开关动作中损耗大的硅元件的情况下，与以往的通过基于三角波比较的脉冲宽度调制控制方式而执行多次开关的情况相比，也能够降低开关次数。由此，能够提高降低损耗的效果。也就是，通过在单相两电平转换器40中使用碳化硅元件等，不仅能够产生降低开关损耗的效果，即使是使用了以往的硅元件的单相三电平转换器50，也能够降低开关损耗。由此，能够进一步降低多电平转换器1整体的开关损耗。
(第二实施方式)
在第二实施方式中，说明对多电平转换器1进行初始充电的情况。图7是示出涉及第二实施方式的电力转换装置的多电平转换器1的结构的图。在涉及本实施方式的电力转换装置700中，作为用于进行初始充电的结构，相比于第一实施方式的电力转换装置11，具备开关元件21、开关元件22以及电阻23。进一步，在涉及本实施方式的电力转换装置700中，变更为处理不同于控制部150的控制部750，并追加了电流检测部702与温度检测部701。
电流检测部702用于检测流向多电平转换器1的电流值。温度检测部701用于测量单相两电平转换器40的温度。此外，在本实施方式中，还可以设置用于测量单相三电平转换器50的温度的温度检测部。
控制部750除了执行与涉及第一实施方式的控制部150同样的控制，还执行用于进行初始充电的控制。涉及本实施方式的控制部750考虑到由电流检测部702检测出的电流值以及由温度检测部701检测出的温度，执行初始充电时的控制。
开关元件21在进行初始充电时处于接通状态。另外，开关元件22在向主电机3输出电压的情况下处于接通状态。为了在充电时不损伤元件而设置了电阻23。
但是，在进行初始充电时，电容器14与电容器15a、15b串联连接，可以双方同时进行充电，但是由于电容量的不同等，有时难以将电容器14、电容器15a、15b都充电到电压峰值。
因此，在本实施方式中通过如下的示例进行说明：控制部750将电容器15a、15b充电到期望的电压值之后，再将电容器14充电到期望的电压值。此外，本实施方式没有限定充电顺序，例如也可以先对电容器14充电，之后再对电容器15a、15b充电。
图8是示出对单相三电平转换器50中包含的两个串联连接的电容器15a、15b进行充电时的电流流向的图。在图8的示例中，控制部750将开关元件4b以及开关元件4d控制为接通状态，将其以外的开关元件(开关元件4a、4c以及单相三电平转换器50中包含的所有开关元件5a～5f)控制为切断状态。
由此，在涉及本实施方式的电力转换装置700中，电流如图8的虚线所示那样流动。因此，对电容器15a、15b进行充电，而不进行对电容器14的充电。
图9是示出对单相三电平转换器50中包含的两个串联连接的电容器15a、15b进行充电时的电流流向的图。在图9的示例中，控制部750将开关元件4a以及开关元件4c控制为接通状态，将其以外的开关元件(开关元件4b、4d以及单相三电平转换器50中包含的所有开关元件5a～5f)控制为切断状态。
由此，在涉及本实施方式的电力转换装置700中，电流如图9的虚线所示那样流动。因此，对电容器15a、15b进行充电，而不进行对电容器14的充电。
这样，涉及本实施方式的控制部750执行如下的控制：将单相两电平转换器40所具备的开关元件4a与开关元件4c的组合、以及开关元件4b与开关元件4d的组合中的某一组合设定为接通状态。通过执行这样的控制，通过回流二极管6a～6d，电容器15a、15b最大被充电到交流电压100的电压峰值。
本实施方式并不限定将开关元件4a与开关元件4c的组合、以及开关元件4b与开关元件4d的组合中的哪一个组合控制为接通状态。
进一步，可以考虑到各开关元件的损耗，将开关元件4a与开关元件4c的组合、以及开关元件4b与开关元件4d的组合中的某一个组合切换为接通状态。
因此，涉及本实施方式的控制部750根据由电流检测部702检测出的电流值以及由温度检测部701检测出的温度，将开关元件4a与开关元件4c的组合、以及开关元件4b与开关元件4d的组合中的某一组合切换为接通状态。当由电流检测部702检测出的电流值或者由温度检测部701检测出的温度超过预设的阈值时，涉及本实施方式的控制部750将目前为止正在利用的组合控制为切断状态，并将另一个组合控制为接通状态。
而且，在到达峰值的过程中，在电容器15a、15b达到期望的电压值时，控制部750开始执行用于对电容器14进行充电的控制。
图10是示出对单相两电平转换器40中包含的电容器14进行充电时的电流流向的图。在图10的示例中，控制部750将开关元件5a以及开关元件5c控制为接通状态，将其以外的开关元件(单相两电平转换器40中包含的所有开关元件4a～4d、以及开关元件5b、5d～5f)控制为切断状态。
由此，在涉及本实施方式的电力转换装置700中，交流电流如图10的虚线1001以及点划线1002所示那样流动。因此，对电容器14进行充电，而不进行对电容器15a、15b的充电。
图11是示出对单相两电平转换器40中包含的电容器14进行充电时的电流流向的图。在图11的示例中，控制部750将开关元件5b以及开关元件5d控制为接通状态，将其以外的开关元件(单相两电平转换器40中包含的所有开关元件4a～4d、以及开关元件5a、5c、5e～5f)控制为切断状态。
由此，在涉及本实施方式的电力转换装置700中，交流电流如图10的虚线1101以及点划线1102所示那样流动。因此，对电容器14进行充电，而不进行对电容器15a、15b的充电。
这样，涉及本实施方式的控制部750执行如下的控制：将单相三电平转换器50所具备的开关元件5a与开关元件5c的组合、以及开关元件5b与开关元件5d的组合中的某一组合设定为接通状态。通过执行这样的控制，通过回流二极管8a～8d，电容器14最大被充电到交流电源100的电压峰值。
本实施方式并不限定将开关元件5a与开关元件5c的组合、以及开关元件5b与开关元件5d的组合中的哪一个组合控制为接通状态。
进一步，可以考虑到各开关元件的损耗，将开关元件5a与开关元件5c的组合、以及开关元件5b与开关元件5d的组合中的某一组合切换为接通状态。
因此，涉及本实施方式的控制部750根据由电流检测部702检测出的电流值，将开关元件5a与开关元件5c的组合、以及开关元件5b与开关元件5d的组合中的某一组合切换为接通状态。当由电流检测部702检测出的电流值(此外，也可以是从单相三电平转换器50检测出的温度)超过预设的阈值时，涉及本实施方式的控制部750将目前为止正在利用的组合控制为切断状态，并将另一个组合控制为接通状态。
通过回流二极管8a～8d，电容器14最大被充电到交流电源100的电压峰值。在到达峰值的过程中，在电容器14达到期望的电压值时，转入到用于使主电机3动作的控制。此时的控制由于在第一实施方式中已进行过说明，因而省略。
接下来，对涉及本实施方式的电力转换装置700中的电容器的充电处理顺序进行说明。图12是示出涉及本实施方式的电力转换装置700中的上述处理的步骤的流程图。
首先，控制部750开始单相三电平转换器50的电容器15a、15b的充电(步骤S1201)。充电方法采用图8或图9中示出的方法。为此，控制部750执行如下的控制：将单相两电平转换器40所具备的开关元件4a与开关元件4c的组合、以及开关元件4b与开关元件4d的组合中的某一组合设定为接通状态。此外，开关元件5a～5f全都设定为切断状态。
接着，控制部750判定由电流检测部702检测出的电流或者由温度检测部701检测出的温度是否大于等于规定的阈值(步骤S1202)。此外，阈值根据实际状况进行设定。当判定为小于阈值时(步骤S1202：否)，不进行特别处理，移入步骤S1204。
另一方面，当控制部750判定为大于等于规定的阈值时(步骤S1202：是)，切换将被设置成接通状态的单相两电平转换器40的开关元件的组合(步骤S1203)。在本实施方式中，切换为开关元件4a与开关元件4c的组合、或者开关元件4b与开关元件4d的组合。
之后，控制部750判定单相三电平转换器50的电容器15a、15b的电压值是否大于等于第一阈值(步骤S1204)。而且，当控制部750判定为小于第一阈值时(步骤S1204：否)，则从步骤S1202的处理执行。
另一方面，当控制部750判定单相三电平转换器50的电容器15a、15b的电压大于等于第一阈值(期望的电压值)时(步骤S1204：是)，则结束三电平侧的电容器15a、15b的充电。
接着，控制部750开始单相两电平转换器40的电容器14的充电(步骤S1205)。充电方法采用图10或图11示出的方法。为此，控制部750执行如下的控制：将单相三电平转换器50所具备的开关元件5a与开关元件5c的组合、以及开关元件5b与开关元件5d的组合中的某一组合设定为接通状态。此外，单相两电平转换器40的开关元件4a～4d全都设定为切断状态。
接下来，控制部750判定由电流检测部702检测出的电流(或者也可以是从单相三电平转换器50检测出的温度)是否大于等于规定的阈值(步骤S1206)。此外，阈值根据实际状况进行设定。当判定为小于阈值时(步骤S1206：否)，不进行特别处理，移入步骤S1209。
另一方面，当控制部750判定为大于等于规定的阈值时(步骤S1206：是)，切换将被设置成接通状态的开关元件的组合(步骤S1207)。在本实施方式中，切换为开关元件5a与开关元件5c的组合、或者开关元件5b与开关元件5d的组合。
之后，控制部750判定单相两电平转换器40的电容器14的电压值是否大于等于第二阈值(期望的电压值)(步骤S1208)。当判定为小于第二阈值时(步骤S1208：否)，则从步骤S1206的处理执行。
另一方面，当控制部750判定单相两电平转换器40的电容器14的电压值大于等于第二阈值时(步骤S1208：是)，则结束两电平侧的电容器的充电(步骤S1209)。
通过上述方法，控制部750可以执行对单相两电平转换器40的电容器14以及单相三电平转换器50的电容器15a、15b的充电控制。
在涉及第二实施方式的电力转换装置700中，通过执行上述充电方法，能够实现降低主电路损耗。
如上所述，根据第一～第二实施方式，开关元件与电容器的部件数量相比以往减少，并且能够实现可输出多电平电压的多电平电路方式。进一步，通过减少部件数量，使高效的冷却变得容易。由于冷却变得容易，使得余量充裕，因而使得小型化成为可能。
进一步，根据第一～第二实施方式，能够进一步降低多电平转换器1整体的开关损耗。
在本实施方式中，作为脉冲宽度调制部举例说明了单相两电平转换器，但不限定于此，也可以是单相三电平转换器或者单相四电平以上的转换器。
虽然对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提出，并不意味着限定发明的保护范围。这些新的实施方式可以以其他多种方式实施，在不偏离发明宗旨的范围内，可以进行各种省略、替换、变更。本实施方式及其变形包含于发明的保护范围以及宗旨内，并包含于权力要求书中记载的发明及其均等的保护范围内。
附图标记
1：多电平转换器、2：无源元件、3：主电机
4a～4d、5a～5f：开关元件、6a～6d、8a～8f：二极管、7：双向开关元件、9：中性点、14：电容器、15a、15b：电容器、15：电容器、15a：电容器、15b：电容器、15a：电容器、21、22：开关元件、23：电阻、40：单相两电平转换器、50：单相三电平转换器、100：交流电源、150、750：控制部、701：温度检测部、702：电流检测部。

Claims (19)

1.一种车辆用电力转换装置，用于将单相交流电力转换为直流电力，其特征在于，具备：
单相两电平转换器，由以下部件构成：电容器；第一可控开关元件，连接在所述电容器的一端与一侧的第一交流输入输出点之间，具有自灭弧功能；第二可控开关元件，连接在所述电容器的另一端与所述一侧的第一交流输入输出点之间；第三可控开关元件，连接在所述电容器的所述一端与另一侧的第二交流输入输出点之间；第四可控开关元件，连接在所述电容器的所述另一端与所述另一侧的第二交流输入输出点之间；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件；以及
单相三电平转换器，由以下部件构成：两个串联连接的电容器；第五可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的一端与一侧的第三交流输入输出点之间；第六可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的另一端与所述一侧的第三交流输入输出点之间；第七可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的所述一端与另一侧的第四交流输入输出点之间；第八可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的所述另一端与所述另一侧的第四交流输入输出点之间；双向开关，在所述两个串联连接的电容器间的连接点以及所述另一侧的第四交流输入输出点之间，以反极性的方式串联连接第九可控开关元件与第十可控开关元件而形成；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件；
其中，将所述单相两电平转换器与所述单相三电平转换器在第二以及第三交流输入输出点串联连接；
所述单相两电平转换器的开关损耗比所述单相三电平转换器少，所述单相三电平转换器的耐电压性比所述单相两电平转换器高。
2.根据权利要求1所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述单相两电平转换器中的可控开关元件的开关频率比所述单相三电平转换器中的可控开关元件高。
3.根据权利要求2所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
进一步具备控制单元，以规定电压单位对所述单相三电平转换器中的可控开关元件进行控制，与小于所述规定电压单位的输出电压的变化对应地，对所述单相两电平转换器中的可控开关元件进行控制。
4.根据权利要求1所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述单相两电平转换器中使用SiC(碳化硅)。
5.根据权利要求3所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制单元使所述单相两电平转换器所具备的所述第一可控开关元件与所述第三可控开关元件的组合、以及所述第二可控开关元件与所述第四可控开关元件的组合中的某一组合处于接通状态，使所述单相三电平转换器所具备的所有可控开关元件全都处于切断状态，并进行充电，直到在所述单相三电平转换器内串联连接的两个所述电容器达到第一期望电压值为止。
6.根据权利要求5所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制单元根据流经电力转换装置的电流或者所述单相两电平转换器发出的温度，切换将被设置成接通状态的所述单相两电平转换器中包含的开关元件的所述组合。
7.根据权利要求3所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制单元使所述单相三电平转换器所具备的所述第五可控开关元件与所述第七可控开关元件的组合、以及所述第六可控开关元件与所述第八可控开关元件的组合中的某一组合处于接通状态，使所述单相两电平转换器所具备的所有可控开关元件全都处于切断状态，并进行充电，直到在所述单相两电平转换器内连接的所述电容器达到第二期望电压值为止。
8.根据权利要求7所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制单元根据流经电力转换装置的电流或者所述单相三电平转换器发出的温度，切换将被设置成接通状态的所述单相三电平转换器中的开关元件的所述组合。
9.一种车辆，其特征在于，具备：
电力转换装置；以及
主电机，通过所述电力转换装置提供经过转换的电力；
所述电力转换装置具有：
单相两电平转换器，由以下部件构成：电容器；第一可控开关元件，连接在所述电容器的一端与一侧的第一交流输入输出点之间，具有自灭弧功能；第二可控开关元件，连接在所述电容器的另一端与所述一侧的第一交流输入输出点之间；第三可控开关元件，连接在所述电容器的所述一端与另一侧的第二交流输入输出点之间；第四可控开关元件，连接在所述电容器的所述另一端与所述另一侧的第二交流输入输出点之间；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件；以及
单相三电平转换器，由以下部件构成：两个串联连接的电容器；第五可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的一端与一侧的第三交流输入输出点之间；第六可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的另一端与所述一侧的第三交流输入输出点之间；第七可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的所述一端与另一侧的第四交流输入输出点之间；第八可控开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的所述另一端与所述另一侧的第四交流输入输出点之间；双向开关，在所述两个串联连接的电容器间的连接点以及所述另一侧的第四交流输入输出点之间，以反极性的方式串联连接第九可控开关元件与第十可控开关元件而形成；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件；
将所述单相两电平转换器与所述单相三电平转换器在第二以及第三交流输入输出点串联连接；所述单相两电平转换器的开关损耗比所述单相三电平转换器少，所述单相三电平转换器的耐电压性比所述单相两电平转换器高。
10.一种车辆用电力转换装置，其特征在于，具备：
脉冲宽度调制部，连接到交流电源，由多个开关元件与多个二极管以及电容器构成；
单相三电平转换器，在输入侧串联连接到所述脉冲宽度调制部，在输出侧连接到主电机，并由以下部件构成：两个串联连接的电容器；第五开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的一端与一侧的第三交流输入输出点之间；第六开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的另一端与所述一侧的第三交流输入输出点之间；第七开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的所述一端与另一侧的第四交流输入输出点之间；第八开关元件，连接在所述两个串联连接的电容器的所述另一端与所述另一侧的第四交流输入输出点之间；双向开关，连接在所述串联连接的电容器间的连接点以及所述另一侧的第四交流输入输出点之间；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件；以及
控制部，根据所述单相三电平转换器的输出电压指令值是否超过了第一电压阈值以及第二电压阈值，从而对所述单相三电平转换器中包含的开关元件进行控制，其中，所述第一电压阈值是用于使所述单相三电平转换器的两个电容器中的某一个电容器进行输出的电压，所述第二电压阈值是用于使所述单相三电平转换器的两个电容器双方均进行输出的电压。
11.根据权利要求10所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制部进一步进行控制，从而由所述脉冲宽度调制部输出从所述单相三电平转换器的输出电压指令值中减去所述两个电容器的电压之后的差分电压。
12.根据权利要求10所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述脉冲宽度调制部由以下部件构成：电容器；第一可控开关元件，连接在所述电容器的一端与一侧的第一交流输入输出点之间，具有自灭弧功能；第二可控开关元件，连接在所述电容器的另一端与所述一侧的第一交流输入输出点之间；第三可控开关元件，连接在所述电容器的所述一端与另一侧的第二交流输入输出点之间；第四可控开关元件，连接在所述电容器的所述另一端与所述另一侧的第二交流输入输出点之间；二极管，以反并联方式连接在每个可控开关元件。
13.根据权利要求10所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述脉冲宽度调制部中的开关元件的开关频率比所述单相三电平转换器中的开关元件高。
14.根据权利要求11所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制部以规定电压单位对所述单相三电平转换器中的开关元件进行控制，并与小于所述规定电压单位的输出电压的变化对应地，对所述脉冲宽度调制部进行控制。
15.根据权利要求10所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述脉冲宽度调制部中使用SiC(碳化硅)。
16.根据权利要求12所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制部使所述脉冲宽度调制部所具备的所述第一可控开关元件与所述第三可控开关元件的组合、以及所述第二可控开关元件与所述第四可控开关元件的组合中的某一组合处于接通状态，使所述单相三电平转换器所具备的所有开关元件全都处于切断状态，并进行充电，直到在所述单相三电平转换器内串联连接的两个所述电容器达到第一期望电压值为止。
17.根据权利要求16所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制部根据流经电力转换装置的电流或者所述单相两电平转换器发出的温度，切换将被设置成接通状态的所述脉冲宽度调制部中的开关元件的所述组合。
18.根据权利要求10所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制部使所述单相三电平转换器所具备的所述第五开关元件与所述第七开关元件的组合、以及所述第六开关元件与所述第八开关元件的组合中的某一组合处于接通状态，使所述脉冲宽度调制部所具备的所有开关元件全都处于切断状态，并进行充电，直到在所述脉冲宽度调制部内连接的所述电容器达到第二期望电压值为止。
19.根据权利要求18所述的车辆用电力转换装置，其特征在于，
所述控制部根据流经电力转换装置的电流或者所述单相三电平转换器发出的温度，切换将被设置成接通状态的所述单相三电平转换器中的开关元件的所述组合。
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