JP2012165621A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基本的には２レベルタイプの主回路を有し、小型化を図りつつ、既存の周辺部品との適合性を持たせる使い勝手を向上する。
【解決手段】Ｕ，Ｖ及びＷ相の電圧・電流出力を得る２レベルタイプの電力変換装置の各相のパッケージ対において、１つのパッケージは、複数のスイッチング素子が併設して内蔵され、それぞれの素子のコレクタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子のエミッタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子の制御端子が独立して露呈している構成である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は鉄道用車両に搭載される電力変換装置に関する。

従来の鉄道用の静止型電力変換装置においては、出力電圧波形の高調波成分を抑制するための工夫がなされている。この理由は、高調波成分を抑制できないと、交流リアクトルとコンデンサからなる交流フィルタを使用せざるを得ず、重量及び外形が非常に大きくなるという問題があるからである。

鉄道用の電力変換装置の主回路は、２レベルタイプと３レベルタイプが一般的であるが、出力電圧波形の高調波成分を抑制するために、２レベルタイプから３レベルタイプへ移行する傾向にある。

しかし、３レベルタイプは、スイッチング素子数が２レベルタイプに比べて増加するために、装置全体が大型化するという問題がある。

特開２０１０−１３０８３７号公報

本発明の一実施形態は、基本的には２レベルタイプの主回路を有し、小型化を図りつつ、既存の周辺部品との適合性を持たせる使い勝手を向上することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、Ｕ，Ｖ及びＷ相の電圧・電流出力を得る２レベルタイプの電力変換装置の各相のパッケージ対において、１つのパッケージは、複数のスイッチング素子が併設して内蔵され、それぞれの素子のコレクタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子のエミッタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子の制御端子が独立して露呈している構成である。

一実施形態の基本構成の一例を示す図であり、図１（Ａ）は回路構成、図１（Ｂ）は概観図である。 一実施形態の一使用例を示す回路構成を示す図である。 図２の回路がパッケージ内に構築されたときの概観を示す図である。 図２の実施形態の動作を説明するために示した回路を示す図である。 図３の回路の動作を説明するために示した電圧・電流波形図である。 一実施形態の他の使用例を示す回路構成を示す図である。 図７の回路がパッケージ内に構築されたときの概観を示す図である。 他の実施形態の基本構成の一例を示す図であり、図８（Ａ）は回路構成、図８（Ｂ）は概観図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。図１において、一実施形態の基本構成を示しており、図１（Ａ）はＩＧＢＴ回路構成、図１（Ｂ）は概観図である。図１（Ａ）において、ＱＡ，ＱＢは、半導体で構成されるスイッチング素子（ＩＧＢＴ：絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）であり、併設して１つのチップ２として構成されている。それぞれのスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのゲートga, gbは独立してチップの外へ導出され、端子が設けられる。またスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのコレクタca, cb,エミッタea, ebもそれぞれチップ２の外へ独立して導出され、端子が設けられる。図１（Ｂ）は上記のチップ２がパッケージ５内に収容された後の概観図である。

上記したゲートga, gbは、パッケージ１５の外で、接続板２２により接続して使用することもできるし、また開放して使用することもできるように構成されている。またコレクタca, cbに接続板１２a、１２bの一端部を接続して、他の同様なパッケージと直列接続することができる。さらには、あるいはコレクタca, cbに接続板２１を接続してコレクタca, cbを接続して使用できる。同様に、エミッタea, ebに接続板１２a、１２bの一端部を接続して、他の同様なパッケージと直列接続することができる。さらには、あるいはエミッタea, ebに接続板２１を接続してエミッタea, ebを接続して使用できる。接続板は、パッケージに対して例えばねじ止めにより容易に取り付けできる。

図２は、上記構成のＩＧＢＴ回路を複数使用し、鉄道用電力変換装置のインバータ回路を構成した例である。また図３は、図２のインバータ回路のパッケージ状態を示す外観図である。

図２の回路は２レベルタイプの三相の多重インバータ回路であり、Ｕ相パッケージＰＵ１，ＰＵ２、Ｖ相パッケージＰＶ１，ＰＶ２，Ｗ相パッケージＰＷ１，ＰＷ２の部分を点線で示している。各パッケージ内は、図１で説明した構成と同じであるから、図１と同一符号を付している。

この回路は、多重インバータ回路とするために、Ｕ相では、パッケージＰＵ１内のスイッチング素子ＱＡのコレクタを、パッケージＰＵ２内のスイッチング素子ＱＡのエミッタに接続板１１Ａを用いて接続し、パッケージＰＵ１内のスイッチング素子ＱＢのコレクタを、パッケージＰＵ２内のスイッチング素子ＱＢのエミッタに接続板１１Ｂを用いて接続している。パッケージＰＵ１内のスイッチング素子ＱＡ、ＱＢのコレクタは正の電源ラインＰに接続し、パッケージＰＵ２内のスイッチング素子ＱＡ、ＱＢのエミッタは負の電源ラインＮに接続している。パッケージＰＵ１のゲート端子は、パルス幅変調装置１１０に接続されている。図の例ではパッケージＰＵ１のみを示しているが、他のパッケージのゲート端子もそれぞれパルス幅変調装置に接続されている。パルス幅変調装置は、図示していないが全体として駆動制御部に含まれている。

またＶ相では、Ｕ相と同様な構成であり、パッケージＰＶ１のスイッチング素子と、パッケージＰＶ２のスイッチング素子の接続関係も接続板１２Ａ，１２Ｂを用いて接続されている。さらにＷ相も、Ｕ相、Ｖ相と同様な構成であり、パッケージＰＷ１のスイッチング素子と、パッケージＰＷ２のスイッチング素子の接続関係も接続板１３Ａ，１３Ｂを用いて接続されている。

各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の出力Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は、トランスＴＲ１に導かれる。

接続板１１Ａ，１１Ｂ、１２Ａ，１２Ｂ、１３Ａ，１３Ｂは、パッケージに対する止め具としては例えばねじが用いられ容易に取り付けできる。

図３は、パッケージＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２を冷却器１００の板上に実装した状態を示している。

図４は、図２の構成の等化回路を示し、図５は動作を示す各部電圧・電流波形を示している。トランスＴＲ１は例えばセンタータップリアクトル方式が採用される。図４において、図２、図３と同一部分には同一符号を示している。図５の波形ｖ（Ｕ１Ｖ１）は、図４のＵ相のスイッチング素子ＱＡのエミッタと、Ｖ相のスイッチング素子ＱＡのエミッタとの間の電圧波形を示し、波形ｖ（Ｕ２Ｖ２）は、図４のＵ相のスイッチング素子ＱＢのエミッタと、Ｖ相のスイッチング素子ＱＢのエミッタとの間の電圧波形を示している。双方の電圧波形は、位相が３０°ずれている。これらの電圧は、ＵＶ相間の電圧ｖ（ＵＶ）としてみると、サイン波形を形成する。図では、粗い波形で示しているが、実際には、スイッチング素子がパルス幅変調信号で駆動さされるので、滑らかな波形となり。このようにＵＶ相間の電圧ｖ（ＵＶ）のほかに、図示していないがＶＷ相間、ＷＵ相間の電圧が得られ、モータが駆動される。

上記したインバータによると、基本的には２レベルタイプであり、３レベルタイプに比べて素子数が少なく、安価に実施できる。

一方、従来から利用されているトランスを有効に活用したいという要望もある。また、電流も小さくてよいシステムがある。このような場合、本発明の装置によると、図６、図７に示すように使用することができる。即ち、Ｕ相に関しては、接続板２１Ｕにより、パッケージＰＵ１のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのエミッタが短絡されるとともに、パッケージＰＵ２のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのコレクタが短絡され、共通接続される。Ｖ相においても、接続板２１Ｖにより、パッケージＰＶ１のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのエミッタが短絡されるとともに、パッケージＰＶ２のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのコレクタが短絡され、共通接続される。またＷ相においても、接続板２１Ｗにより、パッケージＰＷ１のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのエミッタが短絡されるとともに、パッケージＰＷ２のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのコレクタが短絡され、共通接続される。

またＵ相のパッケージＰＵ１のスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのゲートは接続板２２Ｕにより短絡されて、ＰＷＭ装置１１０のＵ相駆動信号出力端子に接続される。図ではＵ相に関して示しているが、他のパッケージのスイッチング素子ＱＡ，ＱＢのゲートもそれぞれ接続板により短絡されて、ＰＷＭ装置１１０の対応する駆動信号出力端子に接続される。

各接続板２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗは、それぞれ接続ラインを介してトランスＴＲ２の所定の端子に接続される。

図７は、図６の各ＩＧＢＴ回路がそれぞれパッケージＰＵ１，ＰＵ２，ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＷ１，ＰＷ２に収納され、冷却器１００の板上に実装した状態を示している。この実施の形態においても基本的には２レベルタイプであり、３レベルタイプに比べて素子数が少なく、小型で、安価に実施できる。

ここで、図３に示したインバータ装置と、図７に示したインバータ装置の比較を行う。今、両者の冷却器１００は同じ冷却能力であるとする。またＰＷＭ装置１１０は、図３に示したインバータ装置と図７に示したインバータ装置に応じて任意に駆動信号を切り替え可能であるとする。

図３に示したインバータ装置の場合、図７に示したインバータ装置の出力電流よりも大きな出力電流を必要とするシステムに使用する場合に有効である。この場合、出力電流が大きくても多重方式であるために、出力の平滑化が行われノイズ（高調波成分）が低減される。

これに対して、図７に示したインバータ装置の場合、図３に示したインバータ装置の出力電流よりも出力電流が小さくてよいシステムに使用する場合に有効である。ここで、図３の装置と同様な出力条件で使用すると、スイッチング素子の動作に伴うノイズ（高調波成分）が問題となる。しかし、出力電流が小さくてよいシステムに使用する場合には、スイッチング周波数（キャリア周波数）を下げてもよいので、ノイズレベルをキャリア周波数低下により低減することができる。

よって、上記したチップ構成をパッケージに収容して製品化して冷却器に取り付けることで、接続板を任意に変更して使用することで、多彩に活用することができる。

上記したように本実施形態によると、１つのチップを構成したＩＧＢＴ回路では、２つのスイッチング素子が併設した構成であった。しかしスイッチング素子の併設数は上記実施例に限定されるものではなく、例えば図８（Ａ）に示されるように、例えば３つスイッチング素子ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ或いはそれ以上の素子が併設されたチップ２’であっても良い。この場合は、概観は図８（Ｂ）に示すようになる。そして、多重インバータ回路として使用されるときは、独立した接続板１２ａ，１２ｂ，１２ｃが利用される。つまり、接続板１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれエミッタ端子ea,eb,ecに接続されて使用される。あるいは、独立した接続板１２ａ，１２ｂ，１２ｃがコレクタ端子ca,cb,ccに接続されて使用される。また従来の如く２レベルタイプのインバータ回路として使用されるときは、共通接続を得る接続板２１が使用される。

上記したように本発明の実施形態は、基本的には２レベルタイプの主回路を有し、小型化を図りつつ、既存の周辺部品との適合性を持たせる使い勝手を向上することができる電力変換装置及び方法を提供する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＱＡ，ＱＢ・・・スイッチング素子、ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２・・・パッケージ、１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ・・・・接続板、１００・・・冷却器、１１０・・・ＰＷＭ装置。

Claims (3)

1. Ｕ，Ｖ及びＷ相の電圧・電流出力を得る２レベルタイプの電力変換装置の各相のパッケージ対において、
   １つのパッケージは、複数のスイッチング素子が併設して内蔵され、それぞれの素子のコレクタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子のエミッタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子の制御端子が独立して露呈している構成であることを特徴とする電力変換装置。
2. Ｕ，Ｖ及びＷ相の電圧・電流出力を得る２レベルタイプの電力変換装置の各相のパッケージ対において、
   複数のスイッチング素子が併設して内蔵され、それぞれの素子のコレクタ端子が正の電源ラインに接続されるように露呈し、それぞれの素子のエミッタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子の制御端子が独立して露呈している第１のパッケージと、
   複数のスイッチング素子が併設して内蔵され、それぞれの素子のコレクタ端子が独立して露呈し、それぞれの素子のエミッタ端子が負の電源ラインに接続されるように露呈し、それぞれの素子の制御端子が独立して露呈している第２のパッケージと、
   前記第１及び第２のパッケージが装着された冷却器と、
   前記第１のパッケージの各素子のコレクタ端子と前記第２のパッケージの各素子のエミッタ端子との組みごとに複数の接続板で接続するか若しくはすべてを１つの接続板で共通接続するかを選択できるように構成したことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記パッケージと端子板の止め具はねじを有することを特徴とする請求子１記載の電力変換装置。

Images