JP2006304530A

JP2006304530A - 電力変換装置の運転方法

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Publication number: JP2006304530A
Application number: JP2005124810A
Authority: JP
Inventors: Toyoki Asada; 豊樹浅田; Hiroyuki Ozawa; 寛之小澤; Kiyoshi Nakada; 仲田　　清
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】電力変換装置のワンパルスモード時のスイッチングデバイスの損失を低減する。
【解決手段】列接続した第１の直流電源１と第２の直流電圧源２と、該直流電圧源の両端の端子Ｐ，Ｎおよび中間端子０の３つの端子と、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードにより構成されるスイッチングデバイスを１相当り少なくとも４個備え、直列接続された第１のスイッチングデバイス１０と第４のスイッチングデバイス４０を端子Ｐ，Ｎに接続するとともに両スイッチングデバイスの接続点を交流出力端子ＡＣとし、逆直列接続される第２スイッチングデバイス２０と第３のスイッチングデバイス２０を中間端子０と交流出力端子ＡＣに接続した電力変換装置の運転方法において、ワンパルスモード時に、スイッチングデバイス２０とスイッチングデバイス３０にオフ信号を与え、スイッチングデバイス１０またはスイッチングデバイス４０に導通信号またはオフ信号を与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子によって構成され、直流電圧源から交流電圧を得る電力変換装置の運転方法にかかり、特に、直流電圧源の中性点電圧を交流端子に出力するマルチレベル（３レベル）電力変換装置の損失を低減する技術に関する。

マルチレベル電力変換装置の１相分の回路を、図７−１に示すように、直列接続した第１の直流電源１および第２の直流電源２と、直列接続された第１および第２の直流電源の両端子間（Ｐ点、Ｎ点）にスイッチング素子とスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードによって構成され、スイッチング素子とダイオードを１つのパッケージに収めた第１のスイッチングデバイス１０および第４のスイッチングデバイス４０を直列接続して挿入するとともに、第１のスイッチングデバイス１０と第４のスイッチングデバイス４０の接続点を交流出力端子（ＡＣ）とし、第２のスイッチングデバイス２０と第３のスイッチングデバイス３０を逆直列接続して直流電源の中性点（０点）と交流出力端子（ＡＣ）との間に挿入した構成とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記従来の電力変換装置のイッチングデバイスに与える信号のタイムチャートを図５に、交流端子の最大出力電圧を図６に示す。図７は、第１のスイッチングデバイス１０、２０、３０、４０に与える信号の順序も示す。

図５から図７に示した従来のマルチレベル（３レベル）電力変換装置において、交流出力端子にＰ、０、Ｎの電位を得る方法、およびその時の導通状態について、図７を用いて説明する。ここで、負荷電流Ｉは、交流出力端子から負荷に向かう方向を正とし、負荷から交流出力端子に流れ込む方向を負とした。

多パルスモード時には、交流出力端子にＰ点の電圧を得る場合（図７−１）には、第１のスイッチングデバイス１０および第２のスイッチングデバイス２０に導通指令を与える。この時、負荷電流ＩがＩ＞０ならば、第１のスイッチングデバイス１０に内包されているスイッチング素子１１が導通する。負荷電流ＩがＩ＜０ならば、第１のスイッチングデバイス１０に内包されているダイオード１２が導通する。

一方、交流出力端子にＮ点の電圧を得る場合（図７−４）には、第４のスイッチングデバイス４０に導通を与える。この時、負荷電流ＩがＩ＜０ならば、第４のスイッチングデバイス４０に内包されているスイッチング素子４１が導通する。負荷電流ＩがＩ＞０ならば、第４のスイッチングデバイス４０に内包されているダイオード４２が導通する。

また、第２のスイッチングデバイス２０に導通指令を与えた場合（図７−２）には、負荷電流ＩがＩ＞０ならば、第２のスイッチングデバイス２０に内包されるスイッチング素子２１および第３のスイッチングデバイス３０に内包されるダイオード３２が導通する。

第２のスイッチングデバイス２０と第３のスイッチングデバイス３０に導通指令を与えた場合（図７−２、図７−３）には、負荷電流ＩがＩ＞０ならば、第２のスイッチングデバイス２０に内包されるスイッチング素子２１および第３のスイッチングデバイス３０に内包されるダイオード３２が導通する。負荷電流ＩがＩ＜０ならば、第３のスイッチングデバイス３０に内包されているスイッチング素子３１、および第２のスイッチングデバイス２０に内包されるダイオード２２が導通する。

上記の動作によって、交流出力端子に最大出力を得る場合、図５、図７に示すように、次の順序で各スイッチングデバイスを制御する。
ア．第１のスイッチングデバイス１０に導通指令と、第２のスイッチングデバイス２０に導通指令を与える。
イ．第１のスイッチングデバイス１０にオフ指令と、第３のスイッチングデバイス３０に導通指令を与える。
ウ．第２のスイッチングデバイス２０にオフ指令と、第４のスイッチングデバイス４０に導通指令を与える。
エ．第４のスイッチングデバイス４０にオフ指令と、第２のスイッチングデバイス２０に導通指令を与える。
オ．第３のスイッチングデバイス３０にオフ指令と、第１のスイッチングデバイス１０に導通指令を与える。
これらのスイッチングデバイスの指令信号を繰り返し行い、スイッチング素子を切り替えることで、図６に示す交流出力端子に３つのレベル（Ｐ、０、Ｎ）の電圧を得ることができる。
特開２００２−２４７８６２号公報

しかし、上述の発明では、最大電圧を出力する１パルスモード時には、図８に示すように、第１のスイッチングデバイス１０と第２のスイッチングデバイス２０または第４のスイッチングデバイス４０と第３のスイッチングデバイス３０とに同時に導通指令が与えられる事となり、第２のスイッチングデバイス２０と第３のスイッチングデバイス３０からの損失（導通損失およびスイッチング損失）が発生してしまう問題があった。スイッチングデバイスの損失が大きいと、スイッチングデバイスを冷却させる装置の冷却性能をあげなければならないため、大型の冷却装置を用いる必要があり、結果的に電力変換装置が大型になり、小型・軽量化の障害となる。また、直流側０点電圧を経由してＰ点とＮ点の電圧を出力するため、直流電圧の利用率が低下する課題があった。

上記問題点を解決するために以下の手段が考えられる。すなわち、交流出力端子に最大電圧を出力する１パルスモードの時、第１のスイッチングデバイス１０と第４のスイッチングデバイス４０を交互に導通信号（オン信号）を与え、第２のスイッチングデバイス２０、第３のスイッチングデバイス３０には、常にオフ信号を与えることで、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０からのスイッチング損失を発生させることなく最大の電圧利用率の出力電圧を出力することにより上記課題を解決できる。

すなわち、本発明は、直列接続される第１の直流電源と第２の直流電圧源と、前記直列接続された直流電圧源の両端の端子および中間端子の３つの端子と、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードにより構成されるスイッチングデバイスを１相当り少なくとも４個備えるとともに、そのうち直列接続される第１のスイッチングデバイスと第４のスイッチングデバイスを前記直流電圧源の両端の端子に接続し、前記第１のスイッチングデバイスと第４のスイッチングデバイスの接続点を交流出力端子とし、逆直列接続される第２スイッチングデバイスと第３のスイッチングデバイスを前記直流電圧の中間端子と前記交流出力端子に接続した電力変換装置の運転方法において、最大電圧を出力するワンパルスモード時に、前記第２のスイッチングデバイスと前記第３のスイッチングデバイスにオフ信号を与え、前記第１のスイッチングデバイスと前記第４のスイッチングデバイスに導通信号（オン信号）とオフ信号を与えるようにした。

以上説明したように、本発明によれば、最大電圧を出力する１パルスモードの時、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０からの損失を発生させないことで、スイッチングデバイスからの発熱を抑えることができ、結果的にスイッチングデバイスを冷やす装置を小型、軽量が可能となり、電圧利用率も最大化できることから、小型・軽量の電力変換装置を提供できる。

また、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０からの損失を発生させないことで、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０の寿命を延ばすことができるため、高信頼性の電力変換装置も提供できる。

本発明を鉄道車両用の電力変換装置に適用すると、車両全体の重量も軽くなり、省エネルギーで高効率の車両運行ができる交通システムを提供できる効果もある。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる電力変換装置の最大電圧を出力するワンパルスモード時の運転方法について、第１のスイッチングデバイス１０〜第４のスイッチングデバイス４０に与える導通信号のタイムチャートを示す。図２は、マルチレベル（３レベル）電力変換装置の１相分の回路構成を示す。図３は、図２の電力変換装置の回路図に図１の導通信号を与えた時の、最大電圧を出力する１パルスモード時を示す。図４は、図１の第１のタイムチャートに合わせて、第１のスイッチングデバイス１０〜第４のスイッチングデバイス４０に与える導通信号の順序を示す。

図１、図２、図４を用いて、本発明の実施例を説明する。負荷電流Ｉは交流出力端子から負荷に向かう方向を正とし、負荷から交流出力端子に流れ込む方向を負とし、交流出力端子にＰ、０、Ｎの電位を得る方法、及びその時の導通状態について説明する。図４位おいて、丸で囲んだスイッチングデバイスは導通指令により導通している。

交流出力端子にＰ点の電圧を得る場合（図４−１）、第１のスイッチングデバイス１０に導通指令を与える。この時、従来技術では第２のスイッチングデバイス２０に導通信号（オン信号）を与えるが、本発明では第２のスイッチングデバイス２０にオフ信号を与える。負荷電流ＩがＩ＞０ならば、第１のスイッチングデバイス１０に内包されているスイッチング素子１１が導通する。負荷電流ＩがＩ＜０ならば、第１のスイッチングデバイス１０に内包されているダイオード１２が導通する。

一方、交流出力端子にＮ点の電圧を得る場合（図４−２）、第４のスイッチングデバイス４０に導通指令を与える。この時、従来技術では第３のスイッチングデバイス３０に導通信号（オン信号）を与えるが、本発明では第３のスイッチングデバイス３０にオフ信号を与える。負荷電流ＩがＩ＜０ならば、第４のスイッチングデバイス４０に内包されているスイッチング素子４１が導通する。負荷電流ＩがＩ＞０ならば、第４のスイッチングデバイス４０に内包されているダイオード４２が導通する。

これらの実施例により、最大電圧を出力する１パルスモードの時、第１のスイッチングデバイス１０と第４のスイッチングデバイス４０に交互に導通指令を与え、第２のスイッチングデバイス２０、第３のスイッチングデバイス３０は、常にオフ信号を与えることで、図３に示すように、交流出力端子に電圧利用率最大の電圧を出力でき、更に第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０からの損失を発生させない。

第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０からの損失を発生させないと、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０からの発熱を抑えることができるため、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０の冷却装置を小型にでき、結果的に小型・軽量の電力変換装置を実現できる。

また、スイッチングデバイスの冷却装置は、冷却能力が低い装置を採用してもよいため、安価な電力変換装置を実現できる。

また、第２のスイッチングデバイス２０および第３のスイッチングデバイス３０に導通指令（オン指令）、オフ指令を与えないため、スイッチング素子の寿命を延ばすことができ、高信頼性の電力変換装置を実現できる。

本発明を鉄道車両用の電力変換装置に適用すると、車両全体の重量も軽くなり、省エネルギーで高効率の車両運行ができる交通システムを実現が可能である。

本発明におけるワンパルスモード時のスイッチングデバイスに与える導通信号のタイムチャート。本発明の運転方法が適用されるマルチレベル（３レベル）電力変換装置の１相分の回路の構成を説明する図。本発明におけるワンパルスモード時の最大出力波形を示す図。本発明のワンパルスモード時の運転方法を説明する回路図（その１）。本発明のワンパルスモード時の運転方法を説明する回路図（その２）。従来技術における多パルスモード時のスイッチングデバイスに与える導通信号のタイムチャート。従来技術の多パルスモード時の出力波形を示す図。従来技術の多パルスモード時の運転方法を説明する回路図（その１）。従来技術の多パルスモード時の運転方法を説明する回路図（その２）。従来技術の多パルスモード時の運転方法を説明する回路図（その３）。従来技術の多パルスモード時の運転方法を説明する回路図（その４）。従来技術におけるワンパルスモード時のスイッチングデバイスに与える導通信号のタイムチャート。

符号の説明

１：第１の直流電圧源
２：第２の直流電圧源
１０：第１のスイッチングデバイス
２０：第２のスイッチングデバイス
３０：第３のスイッチングデバイス
４０：第４のスイッチングデバイス
１１、２１、３１、４１：スイッチング素子
１２、２２、３２、４２：ダイオード

Claims

直列接続される第１の直流電源と第２の直流電圧源と、前記直列接続された直流電圧源の両端の端子および中間端子の３つの端子と、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードにより構成されるスイッチングデバイスを１相当り少なくとも４個備え、そのうち直列接続される第１のスイッチングデバイスと第４のスイッチングデバイスを前記直流電圧源の両端の端子に接続し、前記第１のスイッチングデバイスと第４のスイッチングデバイスの接続点を交流出力端子とし、逆直列接続される第２スイッチングデバイスと第３のスイッチングデバイスを前記直流電圧の中間端子と前記交流出力端子に接続した電力変換装置の運転方法において、
ワンパルスモード時に、前記第２のスイッチングデバイスと第３のスイッチングデバイスにオフ信号を与え、前記第１のスイッチングデバイスまたは第４のスイッチングデバイスに導通信号（オン信号）またはオフ信号を与えることを特徴とする電力変換装置の運転方法。