JP2001061280A - Serial multistage power converter - Google Patents

Serial multistage power converter

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JP2001061280A
JP2001061280A JP2000231400A JP2000231400A JP2001061280A JP 2001061280 A JP2001061280 A JP 2001061280A JP 2000231400 A JP2000231400 A JP 2000231400A JP 2000231400 A JP2000231400 A JP 2000231400A JP 2001061280 A JP2001061280 A JP 2001061280A
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JP
Japan
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diode
diodes
freewheeling
freewheel
freewheeling diodes
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Application number
JP2000231400A
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Japanese (ja)
Inventor
Satoru Horie
堀江  哲
Hideji Saito
秀治 斉藤
Hiroshi Itahana
博 板鼻
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Hitachi Ltd
Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Mito Engineering Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To balance the losses in freewheeling diodes connected in antiparallel with outside switching elements by making the capacities of the diodes larger than those of freewheeling diodes connected in antiparallel with internal switching elements. SOLUTION: The capacitances of substantial external freewheeling diodes are made larger than those of internal freewheeling diodes D2, D3, D6, and D7 by connecting freewheeling diodes D11, D14, D51, and D54 in antiparallel with transistors T1, T4, T5, and T8 which are external elements in addition to already existing external freewheeling diodes D1, D4, D5, and D8. Consequently, the capacitances of both external and internal freewheeling diodes are increased and, in addition, the unbalance between the losses in the external and internal freewheeling diodes can be reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は直列多重電力変換器に係
り、特にフリーホイールダイオードに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a serial multiplex power converter, and more particularly to a freewheel diode.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、第1,第2,第3及び第4のスイ
ッチング素子が直列接続され、この第1及び第2のスイ
ッチング素子の接続点と第3及び第4のスイッチング素
子の接続点間にクランピングダイオードの直列回路が逆
並列に接続され、前記夫々のスイッチング素子に逆並列
にフリーホイールダイオードが接続された構成を有する
直列多重電力変換器が、特開平2−262827 号公報,特開
平2−131370 号公報,特開平1−198280 号公報等に記載
されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, first, second, third and fourth switching elements are connected in series, and a connection point between the first and second switching elements and a connection point between the third and fourth switching elements. A series multiplexed power converter having a configuration in which a series circuit of clamping diodes is connected in anti-parallel between the switching elements and anti-parallel freewheeling diodes are connected to the respective switching elements is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-262827. These are described in, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 2-131370 and Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 1-1198280.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に記載さ
れた直列多重電力変換器を実機に適用する際、フリーホ
イールダイオードの損失にアンバランスが生じるという
新規な問題が発生する事が確認された。
When the serial multiple power converter described in the above prior art is applied to an actual machine, it has been confirmed that a new problem occurs in that the loss of the freewheel diode becomes unbalanced. .

【0004】損失にアンバランスが生じると、例えば、
フリーホイールダイオードの冷却のための性能を何も考
慮することなく同一にすると、熱による劣化の差が発生
し、ダイオード間において寿命のアンバランスが発生
し、部品交換が2度手間となる等の問題がある。また著
しい場合には、損失の大きいフリーホイールダイオード
の温度が上昇して、破壊に至ることもある。
When an imbalance occurs in loss, for example,
If the cooling performance of the freewheel diode is made the same without any consideration, a difference in deterioration due to heat will occur, the life of the diodes will be unbalanced, and it will be necessary to replace parts twice. There's a problem. In a severe case, the temperature of the lossy freewheel diode rises, which may lead to destruction.

【0005】本発明の目的は、フリーホイールダイオー
ドの損失にアンバランスのない直列多重電力変換器を提
供することにある。
[0005] It is an object of the present invention to provide a series multiplexed power converter having no imbalance in loss of a freewheel diode.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的は、第1,第
2,第3及び第4のスイッチング素子が直列接続され、
この第1及び第2のスイッチング素子の接続点と第3及
び第4のスイッチング素子の接続点間にクランピングダ
イオードの直列回路が逆並列に接続され、前記夫々のス
イッチング素子に逆並列にフリーホイールダイオードが
接続された構成を有する直列多重電力変換器において、
前記第1及び第4のスイッチング素子に逆並列接続され
たフリーホイールダイオードの容量を前記第2及び第3
のスイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイール
ダイオードの容量を大きくするように構成することによ
り達成される。
The above object is achieved by connecting first, second, third and fourth switching elements in series,
A series circuit of clamping diodes is connected in anti-parallel between the connection point of the first and second switching elements and the connection point of the third and fourth switching elements, and the freewheel is connected in anti-parallel to the respective switching elements. In a series multiple power converter having a configuration in which diodes are connected,
The capacitances of the freewheeling diodes connected in anti-parallel to the first and fourth switching elements are changed to the second and third switching elements.
This is achieved by increasing the capacity of the freewheeling diode connected in anti-parallel to the switching element.

【0007】[0007]

【作用】後述するように、第1及び第4のスイッチング
素子(外側スイッチング素子)に逆並列に接続されたフ
リーホイールダイオードの損失は、第2及び第3のスイ
ッチング素子(内側スイッチング素子)に逆並列に接続
されたフリーホイールダイオードの損失よりも大きい。
外側スイッチング素子に逆並列に接続されたフリーホイ
ールダイオードの容量を内側スイッチング素子に逆並列
に接続されたフリーホイールダイオードの容量よりも大
きくしたため、この損失のアンバランスをなくすことが
できる。
As will be described later, the loss of the freewheel diode connected in antiparallel to the first and fourth switching elements (outer switching elements) is opposite to the loss of the second and third switching elements (inner switching elements). It is larger than the loss of the freewheeling diode connected in parallel.
Since the capacity of the freewheeling diode connected in antiparallel to the outer switching element is made larger than the capacity of the freewheeling diode connected in antiparallel to the inner switching element, this loss imbalance can be eliminated.

【0008】[0008]

【実施例】図1に本発明を電気車用直列多重コンバータ
に適用した一実施例を示す。
FIG. 1 shows an embodiment in which the present invention is applied to a series multiplex converter for an electric vehicle.

【0009】交流架線1の交流をパンタグラフ2で受電
し、これを変圧器3によって降圧する。この降圧された
交流を直列多重コンバータ4により直流電圧指令となる
ような直流に、パルス幅変調(PWM)を実行して変換
する。この変換された直流を分圧コンデンサ(フィルタ
の機能もある)5,6を介して、インバータ7に入力さ
れ、インバータ7は可変電圧・可変周波数の3相交流に
変換して電気車駆動用電動機である誘導電動機8を駆動
する。尚、インバータ7は、2レベルインバータであっ
ても、このコンバータの様に3レベル(直列多重)であ
っても差支えない。また、駆動用電動機を直流電動機と
してそれを駆動するチョッパであっても構わない。
[0009] The AC of the AC overhead wire 1 is received by the pantograph 2, and the power is reduced by the transformer 3. The stepped-down AC is converted by the serial multiplex converter 4 into a DC that becomes a DC voltage command by executing pulse width modulation (PWM). The converted DC is input to an inverter 7 via voltage dividing capacitors (which also have a filter function) 5 and 6, and the inverter 7 converts the converted DC into a three-phase AC having a variable voltage and a variable frequency to drive an electric vehicle driving motor. Is driven. The inverter 7 may be a two-level inverter or a three-level (serial multiplex) like this converter. Further, a chopper that drives the drive motor as a DC motor may be used.

【0010】直列多重コンバータ4は、自己消弧機能を
有するスイッチング素子であるトランジスタT1〜T4
直列に接続され、それぞれのトランジスタに並列にフリ
ーホイールダイオードD1〜D4が接続され、さらに、外
側素子T1,T4と内側素子T2,T3との接続点間にクラ
ンピングダイオードD12,D13の直列体が逆並列に接続
された回路でU相分を構成する。V相についても同様で
ある。
[0010] multi-series converter 4, transistors T 1 through T 4 is a switching element having a self-extinguishing function are connected in series, the freewheel diode D 1 to D 4 are connected in parallel to the respective transistors, and further And a circuit in which a series body of clamping diodes D 12 and D 13 is connected in anti-parallel between the connection points of the outer elements T 1 and T 4 and the inner elements T 2 and T 3 to constitute the U phase. The same applies to the V phase.

【0011】変圧器3の出力は、内側素子同士の接続点
間に夫々接続(トランジスタT2 とT3 の間及びトラン
ジスタT6とT7の間)される。また、分圧コンデンサ5
の正側とトランジスタT5,T6のコレクタ及びフリーホ
イールダイオードD1,D5のカソードが夫々接続され、
分圧コンデンサ6の負側は、トランジスタT4,T8のエ
ミッタ側及びフリーホイールダイオードD4,D8のアノ
ード側が夫々接続される。また、分圧コンデンサ5,6
の接続点(中性点と云う)は、クランピングダイオード
12,D13の接続点及びD52,D53の接続点と接続され
る。
The output of the transformer 3 is connected between the connection points of the inner elements (between the transistors T 2 and T 3 and between the transistors T 6 and T 7 ). In addition, the voltage dividing capacitor 5
Positive side and the cathode of the transistor T 5, the collector and the freewheel diode D 1 of the T 6, D 5 of are respectively connected,
The negative side of the voltage dividing capacitor 6 is connected to the emitter sides of the transistors T 4 and T 8 and the anode sides of the freewheel diodes D 4 and D 8 , respectively. Also, the voltage dividing capacitors 5, 6
(Referred to as a neutral point) is connected to a connection point between the clamping diodes D 12 and D 13 and a connection point between D 52 and D 53 .

【0012】尚、本実施例においては、自己消弧形スイ
ッチング素子をトランジスタとしたが、GTOサイリス
タ,IGBT,静電容量サイリスタとしても以下に述べ
る本発明の原理は変わらない。
Although the self-extinguishing type switching element is a transistor in this embodiment, the principle of the present invention described below does not change even with a GTO thyristor, an IGBT and a capacitance thyristor.

【0013】上記した直列多重コンバータの基本構成の
他、本実施例では、外側素子であるトランジスタT1
4,T5,T8に、既存の外側フリーホイールダイオー
ドD1,D4,D5,D8 の他、逆並列にフリーホイールダ
イオードD11,D14,D51,D54を接続して、実質的な
外側フリーホイールダイオードの容量を内側フリーホイ
ールダイオードD2,D3,D6,D7の容量よりも大きく
したものである。図1に示す回路では、これらフリーホ
イールダイオードをクランピングダイオードに直列に接
続したものとなっているが、電気的同等の位置に接続さ
れてさえいるのであれば、例えば、既存の外側フリーホ
イールダイオード側に並列接続しても構わない。
In addition to the basic configuration of the series multiplex converter described above, in the present embodiment, the transistors T 1 ,
To T 4 , T 5 , and T 8, in addition to the existing outer free wheel diodes D 1 , D 4 , D 5 , and D 8 , anti-parallel free wheel diodes D 11 , D 14 , D 51 , and D 54 are connected. Thus, the capacitance of the substantial outer freewheel diode is made larger than the capacitance of the inner freewheel diodes D 2 , D 3 , D 6 , and D 7 . In the circuit shown in FIG. 1, these freewheeling diodes are connected in series to the clamping diode. However, as long as they are connected at electrically equivalent positions, for example, the existing outer freewheeling diode can be used. It may be connected in parallel on the side.

【0014】次に、本実施例の原理を図2乃至図4を用
いて説明する。
Next, the principle of this embodiment will be described with reference to FIGS.

【0015】図2及び図3は、直列多重コンバータの動
作モードの1相分を示した図である。図2は、トランジ
スタT2,T3の接続点の電圧(交流側電圧)が、0とE
/2の間で変化するモード、図3は、交流側電圧がE/
2とEの間で変化するモードを示している。
FIGS. 2 and 3 are diagrams showing one phase of the operation mode of the serial multiplex converter. FIG. 2 shows that the voltage at the connection point of the transistors T 2 and T 3 (AC side voltage) is 0 and E
FIG. 3 shows that the AC side voltage is E /
A mode changing between 2 and E is shown.

【0016】直列多重コンバータは、これらのモードを
有することにより、交流を直流に変換したり、直流を交
流に変換する。
By having these modes, the serial multiplex converter converts AC into DC or converts DC into AC.

【0017】先ず、図2から説明する。トランジスタT
2 がオンすることにより、中性点電圧が、クランピング
ダイオードD5−トランジスタT2を通して負荷10へ出
力されると、図中の方向に電流が流れる。次にトラン
ジスタT2 のオフによりこれまで負荷10に流れていた
電流が、フリーホイールダイオードD3,D4に流れる。
この繰り返しにより、負荷へE/2,0の電圧を出力す
る。この時、T1〜T4のオンオフ信号は、T1 は常にオ
フ、T3 は常にオンであり、T2及びT4が、短絡を防止
するための非ラップ時間TD を介して、オフ→オン,オ
ン→オフを繰り返す。
First, FIG. 2 will be described. Transistor T
When the neutral point voltage is output to the load 10 through the clamping diode D 5 and the transistor T 2 by turning on 2 , a current flows in the direction shown in the figure. Then the current flowing thereto until the load 10 by turning off the transistor T 2 flows in the freewheel diode D 3, D 4.
By repeating this, a voltage of E / 2,0 is output to the load. At this time, on-off signals of T 1 through T 4 are, T 1 is always off, T 3 is always on, T 2 and T 4, via a non-lap time T D for preventing a short circuit, off → Repeat on, on → off.

【0018】ここで、フリーホイールダイオードD3
4がフリーホイール中ののモードからのモードへ
切替える際に、T2 をオフからオンに切替えるが、この
操作によってフリーホイールダイオードD4 にE/2が
印加される。この時、フリーホイールダイオードD4
は、アノードからカソード方向に電流通電中であったも
のが、電源下のE/2によって打ち消され、次第に減少
して一旦逆方向に電流が流れる。この現象をダイオード
のリカバリー現象と呼び、ダイオードにリカバリー損失
を発生させる原因となる。
Here, the freewheel diode D 3 ,
When the D 4 is switched to the mode from the mode of in freewheeling, but switches to turn on the T 2 from the off, E / 2 is applied to the free wheel diode D 4 by the operation. In this case, the freewheeling diode D 4, as was the under current conduction from the anode to the cathode direction, is canceled by E / 2 under power, current flows in the opposite direction once decreases gradually. This phenomenon is called a diode recovery phenomenon, and causes a recovery loss in the diode.

【0019】この時フリーホイールダイオードD3 は、
4 と同様の負荷電流が流れているが、トランジスタT
3 にこのモードでは常にオン信号が加えられているた
め、フリーホイールダイオードD3 に逆方向電流が流れ
様とするとトランジスタT3 が導通するので、フリーホ
イールダイオードD4 で発生するリカバリー現象は、発
生しないことが分る。
At this time, the freewheel diode D 3 is
D 4 flows the same load current and is, transistor T
For always on signal is applied to 3 in this mode, since the reverse current in the freewheeling diode D 3 is conductive the transistor T 3 when the flow-like, recovery phenomenon occurring in the free wheel diode D 4 is generated I know you don't.

【0020】フリーホイールダイオードD1,D2につい
ても同様であることを図3を用いて説明する。
The same applies to the freewheel diodes D 1 and D 2, with reference to FIG.

【0021】トランジスタT3 がオンすることにより、
負荷10を通して、トランジスタT3−T6を介し、中性
点電圧に向けて図中に示す電流が流れる。次にT3
オフにより、これまで負荷10に流れていた電流が、フ
リーホイールダイオードD1,D2に流れる。この繰り返
しにより、負荷10へE/2,Eの電圧が出力される。
When the transistor T 3 is turned on,
Through the load 10, through the transistor T 3 -T 6, the current shown in FIG flows toward the neutral point voltage. By then T 3 off, which until the current flowing in the load 10, flows through the freewheeling diode D 1, D 2. By this repetition, voltages of E / 2 and E are output to the load 10.

【0022】この時、トランジスタT1〜T4のオンオフ
信号は、T4 は常にオフ、T2 は常にオンであり、T1
及びT3 が短絡を防止するための非ラップ時間TD を介
してオフからオン,オンからオフを繰り返す。
At this time, the on / off signals of the transistors T 1 to T 4 are such that T 4 is always off, T 2 is always on, and T 1
And T 3 is turned on from off via a non-lap time T D for preventing a short circuit, repeat from ON to OFF.

【0023】ここで、フリーホイールダイオードD1
2がフリーホイール中ののモードからのモードへ
切替える際に、トランジスタT3 をオフからオンに切替
えるが、この操作によって、フリーホイールダイオード
1 にE/2が印加される。この時、フリーホイールダ
イオードD1 には、アノードからカソード方向に電流通
電中であったものが、電源上のE/2によって打ち消さ
れ、次第に減少して一旦逆方向に電流が流れる。この時
フリーホイールダイオードD1 にリカバリー損失が発生
する。この時、フリーホイールダイオードD2 は、前記
3 と同様の負荷電流が流れているが、トランジスタT
2 にこのモードでは常にオン信号が加えられているた
め、フリーホイールダイオードD2 に逆方向に電流が流
れ様とするとT2 が導通するので、フリーホイールダイ
オードD1 で発生するリカバリー現象は発生しないこと
が分る。
Here, the freewheel diode D 1 ,
When D 2 is switched to the mode from the mode of in freewheeling switches to turn on the transistor T 3 from the off, but this operation, E / 2 is applied to the free wheel diode D 1. In this case, the freewheeling diode D 1, as was the under current conduction from the anode to the cathode direction, is canceled by E / 2 on the power supply, current flows in the opposite direction once decreases gradually. Recovery loss occurs in this case the free wheel diode D 1. At this time, the free wheel diode D 2 is similar to the load current and the D 3 is flowing, the transistor T
Because it is always ON signal in this mode 2 is added, the current in the opposite direction to the free wheel diode D 2 is conducting is T 2 when the flow-like, recovery phenomenon occurring in the free wheel diode D 1 does not occur I understand.

【0024】以上から、外側フリーホイールダイオード
1,D4はリカバリー現象が発生するが、内側フリーホ
イールダイオードD2,D3には発生しないことが分る。
From the above, it can be seen that the recovery phenomenon occurs in the outer freewheel diodes D 1 and D 4, but not in the inner freewheel diodes D 2 and D 3 .

【0025】次に図4を用いて、外側フリーホイールダ
イオードD1,D4と内側フリーホイールダイオード
2,D3の損失を比較する。
Next, the losses of the outer freewheeling diodes D 1 and D 4 and the inner freewheeling diodes D 2 and D 3 will be compared using FIG.

【0026】図4は、ダイオードの順方向電圧とリカバ
リー損失の一例を示すものである。
FIG. 4 shows an example of a diode forward voltage and a recovery loss.

【0027】今内側トランジスタT2,T3のスイッチン
グ周波数を3KHz、フリーホイールモードの通流幅を
デューティー50%、ダイオード電流の交流平均値を3
00Aとすると損失の内訳けは次の様になる。
The switching frequency of the inner transistors T 2 and T 3 is now 3 kHz, the conduction width in the freewheel mode is 50% duty, and the AC average value of the diode current is 3 kHz.
Assuming 00A, the breakdown of the loss is as follows.

【0028】 順方向損失=300A×1.25V×0.5(デューティー)×0.5(交流半波) =94W リカバリー損失=0.25J×3000(スイッチング周波数) ×0.5(交流半波) =375W 以上から、リカバリー損失を伴う外側フリーホイールダ
イオードD1,D4の損失は、369W,リカバリー損失
を伴わない内側フリーホイールダイオードD2,D3は、
94Wであり、両者に大きなアンバランスがあることが
分る。
Forward loss = 300 A × 1.25 V × 0.5 (duty) × 0.5 (AC half-wave) = 94 W Recovery loss = 0.25 J × 3000 (switching frequency) × 0.5 (AC half-wave) ) = 375 W From the above, the loss of the outer freewheeling diodes D 1 and D 4 with recovery loss is 369 W, and the inner freewheeling diodes D 2 and D 3 without recovery loss are:
94W, which shows that there is a large imbalance between the two.

【0029】外側・内側フリーホイールダイオードに発
生する損失のアンバランスを補正するために、次の様な
手段が考えられる。 (1)外側フリーホイールダイオードの容量を内側フリー
ホイールダイオード容量より大きくする。 (2)外側フリーホイールダイオードを複数個並列接続す
る様にし、内側フリーホイールダイオードの並列ダイオ
ードの数より多くする。 (3)外側フリーホイールダイオードの冷却フィンの冷却
性能を、内側フリーホイールダイオードの冷却性能より
高くする。
In order to correct the imbalance of the loss occurring in the outer and inner freewheeling diodes, the following means can be considered. (1) Make the capacity of the outer freewheeling diode larger than the capacity of the inner freewheeling diode. (2) A plurality of outer freewheeling diodes are connected in parallel, so that the number is larger than the number of parallel diodes of the inner freewheeling diode. (3) The cooling performance of the cooling fins of the outer freewheeling diode is made higher than that of the inner freewheeling diode.

【0030】図1に示した実施例は、上記(1)の思想に
基づき上記(2)を実現したものである。
The embodiment shown in FIG. 1 realizes the above (2) based on the above idea (1).

【0031】本実施例によれば、外側フリーホイールダ
イオードの容量を内側フリーホイールダイオードの容量
より大きくすることにより、内側・外側間で発生するア
ンバランスを低減することができるという効果がある。
According to the present embodiment, by making the capacitance of the outer freewheeling diode larger than that of the inner freewheeling diode, there is an effect that the imbalance occurring between the inner side and the outer side can be reduced.

【0032】図5は、図1に示すコンバータの主回路の
具体的構成図であり、その1相分を示す図である。トラ
ンジスタT1〜T4,フリーホイールダイオードD1〜D4
をそれぞれ同一のパッケージに収納した半導体スイッチ
モジュールを使用した場合の一実施例を示す。
FIG. 5 is a specific configuration diagram of the main circuit of the converter shown in FIG. 1, showing one phase thereof. Transistors T 1 to T 4 , freewheel diodes D 1 to D 4
In the following, an embodiment will be described in which a semiconductor switch module is used in which the semiconductor switch modules are housed in the same package.

【0033】直列多重コンバータ回路を構成する最少の
部品は、半導体スイッチモジュールTD1〜TD4,ダイ
オードモジュールDM5,DM6である。この他に、半導
体スイッチングモジュールTD1,TD4に並列に容量増
加用のダイオードモジュールDM11,DM41を接続し
た。
The minimum components constituting the series multiplex converter circuit are the semiconductor switch modules TD 1 to TD 4 and the diode modules DM 5 and DM 6 . In addition, diode modules DM 11 and DM 41 for increasing capacity are connected in parallel with the semiconductor switching modules TD 1 and TD 4 .

【0034】半導体スイッチモジュールTD1〜TD4
図示の様に4個直列に一直線状に配置し、ダイオードモ
ジュールDM5,DM6を回路構成上、配線部材の小形化
から半導体スイッチモジュールTD2,TD3の隣に配置
する。ダイオードモジュールDM5,DM6の両端にダイ
オードモジュールDM11,DM41を配置することによ
り、スペース効率の良いコンバータ回路を構成出来る。
すなわち、モジュールの裏側に冷却部材が付けられるの
で冷却面積の無駄を省くことができる。
[0034] positioned in the semiconductor switch modules TD 1 ~TD 4 straight as shown in four series, diode modules DM 5, DM 6 the circuit the configuration, the semiconductor switch modules TD 2 from miniaturization of the wiring member, It is placed next to the TD 3. By arranging the diode module DM 11, DM 41 across diode modules DM 5, DM 6, can constitute a good converter circuit space efficient.
That is, since the cooling member is attached to the back side of the module, it is possible to reduce waste of the cooling area.

【0035】図6は、外側フリーホイールダイオード及
び内側フリーホイールダイオード共に容量を増加し、か
つ、両者の損失のアンバランスを低減する実配置の一実
施例である。
FIG. 6 shows an embodiment of an actual arrangement for increasing the capacity of both the outer freewheeling diode and the inner freewheeling diode and reducing the imbalance between the losses.

【0036】回路は、図5に示した回路にフリーホイー
ルダイオードをさらに逆並列に接続したものとなってい
る。
The circuit is such that a freewheel diode is further connected in anti-parallel to the circuit shown in FIG.

【0037】半導体スイッチモジュールTD1〜TD4
逆並列に夫々ダイオードモジュールを接続し、外側フリ
ーホイールダイオードのみ余分に、ダイオードモジュー
ルDM12,DM42をトランジスタTD1,TD4に逆並列
に接続したものである。
[0037] Connect the respective diode module in reverse parallel to the semiconductor switch modules TD 1 ~TD 4, extra only the outer free wheel diodes, connecting the diode modules DM 12, DM 42 in antiparallel transistors TD 1, TD 4 Things.

【0038】この構成により、損失のアンバランスを低
減できる効果の他、フリーホイールダイオードの容量不
足を解消することができるという効果もある。
With this configuration, in addition to the effect of reducing the loss imbalance, there is also an effect that the capacity shortage of the freewheel diode can be eliminated.

【0039】また、図5,図6に示した実施例は、フリ
ーホイールダイオードの並列数が1及び2並列の場合で
あったが、さらに、並列数を増加させても本目的を達成
することができる。
In the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the number of parallel freewheeling diodes is one and two. However, the object can be achieved even if the number of paralleling is further increased. Can be.

【0040】図7に、両側の円板形の銅ポストの間に半
導体ペレットをはさんで圧接する平形半導体素子(GT
Oサイリスタ等)に本発明を応用した例を示す。GTO
サイリスタG1,G4に逆並列にフリーホイールダイオー
ドD11,D41を並列に接続した例である。もちろんフリ
ーホイールダイオードD11,D41を追加せずD1,D4
容量をD2,D3より大きなものとしても損失アンバラン
ス低減という目的は達成出来る。
FIG. 7 shows a flat semiconductor element (GT) in which a semiconductor pellet is sandwiched between disk-shaped copper posts on both sides and pressed.
An example in which the present invention is applied to an O thyristor) will be described. GTO
This is an example in which freewheel diodes D 11 and D 41 are connected in parallel to thyristors G 1 and G 4 in antiparallel. Of course, even if the capacitances of D 1 and D 4 are larger than D 2 and D 3 without adding the freewheel diodes D 11 and D 41 , the purpose of reducing the loss imbalance can be achieved.

【0041】図8に、図7に示す平形半導体素子を用い
たコンバータ回路を構成する際の圧接するスイッチング
素子,ダイオードの配列の一例を示す。
FIG. 8 shows an example of an arrangement of switching elements and diodes to be pressed when forming a converter circuit using the flat semiconductor element shown in FIG.

【0042】GTOサイリスタなどの平形半導体素子を
用いる場合、圧接する特殊性から、冷却の方式から、コ
ンバータの1相分が一列に並べられなければならない。
本図に示すように、GTOサイリスタG1 とクランピン
グダイオードD5 との間、フリーホイールダイオードD
2,D3の間、クランピングダイオードD6 とGTOサイ
リスタG4 との間に夫々絶縁体11を挿入し、フリーホ
イールダイオードD1,D4 の外側に新たに図示の如くダ
イオードD11,D41を配置することにより、1相分を一
列に配置することができる。そして、両側から規定圧力
で圧接すれば、容量に回路構成できる。
When a flat semiconductor element such as a GTO thyristor is used, one phase of the converter must be arranged in a line because of the special nature of the pressure contact and the cooling method.
As shown in the figure, between the GTO thyristor G 1 and the clamping diode D 5 ,
2, during the D 3, insert a respective insulator 11 between the clamping diode D 6 and GTO thyristors G 4, free wheel diodes D 1, D 4 of as newly shown outside diode D 11, D By arranging 41 , one phase can be arranged in one line. Then, if pressure contact is made from both sides with a specified pressure, a circuit can be formed in the capacity.

【0043】図9に、同一半導体ペレット上に、スイッ
チング素子と逆並列ダイオードを集積した平形半導体素
子(逆導通GTOサイリスタ等)に本発明を応用した例
を示す。逆導通GTOサイリスタGD1,GD4に逆並列
にフリーホイールダイオードD11,D41を接続した。も
ちろんD11,D41を追加せずGD1,GD4の容量をGD
2,GD3より大きなものとしても目的は達成出来る。
FIG. 9 shows an example in which the present invention is applied to a flat semiconductor element (a reverse conducting GTO thyristor or the like) in which a switching element and an antiparallel diode are integrated on the same semiconductor pellet. Freewheel diodes D 11 and D 41 are connected in anti-parallel to the reverse conducting GTO thyristors GD 1 and GD 4 . Of course, without adding D 11 and D 41 , the capacity of GD 1 and GD 4
2, purpose even as larger than GD 3 can be achieved.

【0044】図10に、図9に示す平形半導体素子を用
いたコンバータ回路を構成する際の圧接するスイッチン
グ素子,ダイオードの配列の一例を示す。この様に配列
して両側から規定圧力で圧接することにより回路が容易
に構成出来る事が分る。
FIG. 10 shows an example of the arrangement of switching elements and diodes which are pressed together when forming the converter circuit using the flat semiconductor element shown in FIG. It can be seen that the circuit can be easily configured by arranging in this manner and press-contacting with the specified pressure from both sides.

【0045】平形半導体素子を適用する場合、素子を冷
却するための冷却フィンの容量を変えることによっても
目的を達成出来る。
When a flat semiconductor device is applied, the object can be achieved by changing the capacity of a cooling fin for cooling the device.

【0046】図11は、図7に示す実施例で、容量増加
用フリーホイールダイオードD11,D41を追加せずに、
外側フリーホイールダイオードD1,D4と内側フリーホ
イールダイオードD2,D3の冷却フィンの容量を変えた
場合である。フリーホイールダイオードD1 には両側に
フィンF1,フィンF2を設け、フリーホイールダイオー
ドD4 には両側にフィンF11,フィンF12を設けて冷却
を増強しているのに対し、フリーホイールダイオードD
2 には片側にフィンF6 ,フリーホイールダイオードD
3には片側にフィンF7 を設け片面冷却としている。
FIG. 11 shows the embodiment shown in FIG. 7 in which the freewheeling diodes D 11 and D 41 for increasing the capacity are not added.
This is a case where the capacities of the cooling fins of the outer freewheel diodes D 1 and D 4 and the inner freewheel diodes D 2 and D 3 are changed. Fins F 1 on both sides in the free wheel diode D 1, the provided fins F 2, whereas the free wheel diode D 4 fins F 11 on both sides, and enhance cooling by providing a fin F 12, freewheeling Diode D
2 has fin F 6 on one side and freewheel diode D
It is single-sided cooling provided with fins F 7 on one side to the 3.

【0047】片面冷却とせず両面にフィンを接続する場
合でも、外側フリーホイールダイオードD1,D4のフィ
ンの冷却性能を、内側フリーホイールダイオードD2
3のフィンの冷却性能より大きくすることによっても
同様に目的を達成出来る。
Even when the fins are connected to both sides without cooling on one side, the cooling performance of the fins of the outer freewheel diodes D 1 and D 4 is controlled by the inner free wheel diodes D 2 and D 2 .
Similarly the object can be achieved by increasing the cooling performance of the fin of D 3.

【0048】図12は、図9に示す実施例において、容
量増加用フリーホイールダイオードD11,D41を追加せ
ずに、外側逆導通GTOサイリスタGD1,GD4の冷却
フィンF13,F14,F20,F21の4個で構成し、内側逆
導通GTOサイリスタGD2,GD3の冷却フィンF16
17,F18 の3個で構成してフィンの省数化を図るこ
とにより目的を達成した例である。
FIG. 12 shows cooling fins F 13 and F 14 of the outer reverse conducting GTO thyristors GD 1 and GD 4 without adding the free wheel diodes D 11 and D 41 for increasing the capacity in the embodiment shown in FIG. , F 20 , F 21 , and cooling fins F 16 , of the inner reverse conducting GTO thyristors GD 2 , GD 3
Constituted by three F 17, F 18 is an example of achieving the object by possible to save the number of fins.

【0049】以上の様に、外側逆導通GTOサイリスタ
GD1,GD4のフィンの冷却性能を、内側逆導通GTO
サイリスタGD2,GD3のフィンの冷却性能より大きく
することによっても同様に目的を達成出来る。
As described above, the cooling performance of the fins of the outer reverse conducting GTO thyristors GD 1 , GD 4 is improved by
The purpose can be similarly achieved by making the cooling capacity of the fins of the thyristors GD 2 and GD 3 larger than that of the fins.

【0050】上記した実施例によれば、フリーホイール
ダイオードの容量や数を増加することなしに損失アンバ
ランスを低減することができる。
According to the above-described embodiment, the loss imbalance can be reduced without increasing the capacity and the number of freewheel diodes.

【0051】ところで、これまで説明した実施例では、
全てコンバータについてのものであった。これは、電気
車力行時(コンバータが交直変換している場合)にこの
傾向が顕著だからである。
By the way, in the embodiments described so far,
Everything was about converters. This is because this tendency is remarkable during electric vehicle power running (when the converter is performing AC / DC conversion).

【0052】しかしながら、直流を3レベルの交流に変
換して誘導電動機を付勢する3レベル(直列多重インバ
ータ)であっても、回生動作とすることから、内側・外
側のフリーホイールダイオードの損失アンバランスを少
なからず発生する。この為、3レベルインバータの外側
フリーホイールダイオードを上記の様に容量を大きくし
ても良い。すなわち、直列多重電力変換器であれば、適
用できる。
However, even with a three-level converter (serial multiplex inverter) that converts a direct current into a three-level alternating current to energize the induction motor, the regenerative operation is performed. Not a little balance occurs. For this reason, the capacity of the outside freewheel diode of the three-level inverter may be increased as described above. That is, the present invention can be applied to a serial multiplex power converter.

【0053】また、直列多重コンバータ,直列多重イン
バータの主回路構成において、コンバータ側の外側フリ
ーホイールダイオードの容量、又は冷却を大きくするこ
とは、必須であるが、インバータは必ずしも必要ではな
い。
In the main circuit configuration of the serial multiplex converter and the serial multiplex inverter, it is essential to increase the capacity or cooling of the outer freewheeling diode on the converter side, but the inverter is not necessarily required.

【0054】さらに、上記実施例は、電気車制御装置に
ついてのものであったが、本発明は、これに限定される
ものではなく、直列多重コンバータ若しくはインバータ
を用いるものであれば全てに適用、例えば、圧延機制御
用コンバータ若しくはインバータ主回路等、できること
は云うまでもない。
Further, although the above-described embodiment is directed to an electric vehicle control device, the present invention is not limited to this, and is applicable to any device using a serial multiplex converter or an inverter. For example, it goes without saying that a converter for controlling a rolling mill or an inverter main circuit can be used.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明は、外側フリーホイールダイオー
ドと、内側フリーホイールダイオードの両者の損失のア
ンバランスに対して、両者のダイオードに無駄のない適
切な容量のダイオードを適用し、さらに適切な冷却性能
を持たせることの出来る直列多重電力変換器を構成出
来、経済性に優れている。
According to the present invention, a diode having an appropriate capacity without waste is applied to both of the outer freewheel diode and the inner freewheel diode with respect to the loss imbalance of both diodes, and furthermore, an appropriate cooling is achieved. A series multiplex power converter capable of giving performance can be configured, and is economically excellent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の原理説明図。FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図3】本発明の原理説明図。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図4】本発明の原理説明図。FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図5】本発明を適用したモジュール型スイッチ素子の
配置図。
FIG. 5 is a layout view of a modular switch element to which the present invention is applied.

【図6】本発明の他の実施例を示す図。FIG. 6 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図7】本発明を圧接形半導体素子に適用した回路図。FIG. 7 is a circuit diagram in which the present invention is applied to a pressure contact type semiconductor device.

【図8】圧接形半導体素子の配列を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an arrangement of press-contact type semiconductor elements.

【図9】本発明を逆導通圧接形半導体素子に適用した回
路図。
FIG. 9 is a circuit diagram in which the present invention is applied to a reverse conducting pressure welding type semiconductor element.

【図10】逆導通圧接形半導体素子の配列を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an arrangement of a reverse conducting press-contact type semiconductor element.

【図11】本発明の他の実施例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図12】本発明の他の実施例を示す図。FIG. 12 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1〜T8…トランジスタ、D12,D13,D52,D53…ク
ランピングダイオード、D1〜D4,D5〜D8…フリーホ
イールダイオード、D11,D14,D51,D54…容量増加
用フリーホイールダイオード。
T 1 through T 8 ... transistors, D 12, D 13, D 52, D 53 ... clamping diodes, D 1 ~D 4, D 5 ~D 8 ... freewheeling diode, D 11, D 14, D 51, D 54 … Freewheel diode for capacity increase.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 秀治 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社日立 製作所水戸工場内 (72)発明者 板鼻 博 茨城県勝田市堀口832番地の2 日立シス テムプラザ勝田 日立水戸エンジニアリン グ株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hideharu Saito 1070 Ma, Katsuta-shi, Ibaraki Pref. Mito Plant, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Hiroshi Itana 832 Horiguchi, Katsuta-shi, Ibaraki 2 Hitachi Systems Mito Engineering Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】交流架線の交流をパンタグラフで受電し、
これを降圧する変圧器と、この降圧された交流を直流に
変換する直列多重(3レベル)電力変換器において、該
直列多重電力変換器の直流側に分圧コンデンサを介して
2レベルの可変電圧・可変周波数の3相交流に変換する
2レベルインバータが接続され、該インバータの交流側
に電気車駆動用電動機が接続されてなることを特徴とす
る直列多重電力変換器。
Claims 1. An alternating current of an overhead contact line is received by a pantograph.
A step-down transformer and a series-multiplexed (three-level) power converter for converting the stepped-down AC into DC are provided with a two-level variable voltage on the DC side of the series-multiplexed power converter via a voltage dividing capacitor. A series multiplex power converter, wherein a two-level inverter for converting into a three-phase AC having a variable frequency is connected, and an electric vehicle driving motor is connected to the AC side of the inverter.
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