JP2013150454A - 電力変換装置及び電力変換制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態の電力変換装置の電力変換手段は、供給される電力を変換して駆動用モータに駆動電力を供給する。また、変調回路は、低圧回路系統に設けられて電力変換手段を駆動するための制御電力信号及び前記電力変換手段を制御するための制御信号が入力されて、制御電力信号を制御信号で変調する。一方、駆動制御手段は、変調回路と絶縁トランスを介した高圧回路系統に設けられ、絶縁トランスを介して伝送された変調された制御電力信号から制御信号を復調する。
【選択図】図3
Description
その中で電圧駆動型半導体素子の駆動回路は、高圧回路系統に接続される電圧駆動型半導体素子とそのオン・オフを制御する低圧回路系統の制御回路とを繋ぐ回路であり、高い絶縁耐圧を要求される。
一般的な電圧駆動型半導体素子の駆動回路は、低圧回路系統側で生成した制御電源と制御信号を駆動回路に供給し、駆動回路内で制御電源と制御信号をそれぞれ別々の絶縁トランス等を用いて絶縁を確保する構成を採っていた(例えば、特許文献1参照)。
また、制御信号の絶縁としては、絶縁トランスではなく、フォトカプラを適用した例も多く提案されている。
本発明が解決しようとする課題は、駆動回路内の制御電源と制御信号の絶縁を確保しながら、基板外形の大型化を抑制することが可能な電力変換装置及び電力変換制御方法を提供する。
また、変調回路は、低圧回路系統に設けられて電力変換手段を駆動するための制御電力信号及び前記電力変換手段を制御するための制御信号が入力されて、制御電力信号を制御信号で変調する。
一方、駆動制御手段は、変調回路と絶縁トランスを介した高圧回路系統に設けられ、絶縁トランスを介して伝送された変調された制御電力信号から制御信号を復調する。
[1]第1実施形態
図1は、直流電車の駆動電源系統の概要構成ブロック図である。
本第1実施形態は、直流電車に搭載される電力変換装置である。
直流電車10は、図1に示すように、き電線(架線)11にパンタグラフ(集電装置)12を介して接続されるとともに、車輪13及び線路14を介して設置される電力変換装置15と、電力変換装置15からの電力供給を受けて直流電車10を駆動するモータ16と、を備えている。
インバータ23は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成され、高電位側電源であるパンタグラフ12側にコレクタ端子が接続された第1高電位側トランジスタTU1、第2高電位側トランジスタTU2及び第3高電位側トランジスタTU3を備えている。
さらにインバータ23は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成され、低電位側電源である車輪13側にエミッタ端子が接続された第1低電位側トランジスタTL1、第2低電位側トランジスタTL2及び第3低電位側トランジスタTL3を備えている。
図3は、ゲート制御回路の概要構成図である。
図3においては、説明の簡略化のため、主として第1高電位側トランジスタTU1及び帰還ダイオードDU1で構成される系統について説明する。
上記構成において、ゲート電源生成回路33は、正側電圧Vgpを供給する正側端子TP、中間電圧AGを供給する中間端子TA及び負側電圧Vgnをを供給する負側端子TNを備えている。
図4は、ゲート回路の詳細構成図である。
変調回路31は、高電位側スイッチングトランジスタ(nチャネルMOSトランジスタ)51及び低電位側スイッチングトランジスタ(nチャネルMOSトランジスタ)52を備えたスイッチング回路53と、ゲート制御信号CSに基づいて電力信号PWDを変調して、ゲート制御信号CSが重畳された制御電力信号CPWを生成する発振周波数制御部54と、を備えている。
ゲート電源生成回路33は、ダイオードD1〜D4を有するダイオードブリッジ整流回路61と、一対の平滑用コンデンサC1、C2で構成されたコンデンサ平滑回路62と、を備えている。
変調回路31にゲート制御信号CSが入力されると、変調回路31内の発振周波数制御部54において、ゲート制御信号CSが“H”レベルの場合(オン指令状態)及びゲート制御信号CSが“L”レベルの場合(オフ指令状態)に対応した高周波交流の発振周波数を選定する。例えば、ゲート制御信号CSが“H”レベルのオン指令状態においては、発振周波数制御部54は、高周波交流の発振周波数を100kHzとし、ゲート制御信号CSが“L”レベルのオフ指令状態においては、高周波交流の発振周波数を30kHzとする。
すなわち、ゲート制御信号CSが“H”レベルのオン指令状態においては100kHzの高周波交流が絶縁トランス32に出力され、ゲート制御信号CSが“L”レベルのオフ指令状態においては、30kHzの高周波交流が絶縁トランス32に出力される。これは、ゲート制御信号CSに基づいて変調された高周波交流が絶縁トランスに入力されることを意味している。
絶縁トランス32の二次側出力は、分岐されて一方はダイオードブリッジ整流回路61及びコンデンサ平滑回路62で構成されたゲート電源生成回路33に入力される。これによりゲート電源生成回路33は、全波整流を行って安定した正側電圧Vgp(正側電源)及び負側電圧Vgn(負側電源)を生成して各部に供給する。
絶縁トランス32の二次側出力の分岐した他方は、制御信号復調回路34に入力される。
以上の結果、本第1実施形態によれば、モータ16の駆動電源を供給する一つの絶縁トランス32を介してゲート制御信号CSを入力し、この入力されたゲート制御信号CSと同期してモータ16を駆動するゲート制御回路24を制御して、インバータ23を構成する高電位側トランジスタ41P及び低電位側トランジスタ41Nを駆動することができる。
さらに低圧経路系統を高圧回路系統から絶縁する絶縁素子の設置面積を低減し、ひいては、制御回路基板の基板面積を低減することができる。
以上の第1実施形態においては、制御信号復調回路34への入力は、絶縁トランス32の二次コイルから分岐していたが、本第1実施形態の第1変形例は、絶縁トランスに三次コイルを設け、当該三次コイルの出力に基づいて制御信号を復調する場合の実施形態である。
図5においては、説明の簡略化のため、主として第1高電位側トランジスタTU1及び帰還ダイオードDU1で構成される系統について説明するとともに、図3と同様の部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を援用する。
上記構成において、絶縁トランス32Aは、一次側コイル及び二次側コイルに加えて高圧化回路系統側に三次コイルを備えている。
他の動作については、第1実施形態と同様である。
本第1実施形態の第1変形例によれば、第1実施形態の効果に加えて、モータの駆動系側(ゲート電源生成回路33側)の回路と、モータの制御系側の回路とを異なる電圧域(より低圧域)で駆動することができ、回路構成部品をより小型化することができ、さらなる部品コストの低減及び基板面積の低減を図ることができる。
以上の説明においては、ゲート電源生成回路33及び制御信号復調回路34(34A)においては、全波整流信号を用いて制御を行っていたが、本第2変形例は、半波整流信号を用いて制御を行う場合の実施形態である。
図6は、第1実施形態の第2変形例のゲート回路の詳細構成図である。図6において、図4と同様の部分には同一の符号を付すものとする。
変調回路31は、図4と同一構成である。
本第2変形例の絶縁トランス32Aは、第1変形例と同様に三次コイルが設けられており、制御信号復調回路34Aは、当該三次コイルの出力に基づいて制御信号を復調している。
また、本第2変形例のゲート電源生成回路33Aは、半波整流を行っている。
また、制御信号復調回路34Aは、プルアップ抵抗R51と、一端が正側端子Pに接続された電流制限抵抗R62と、ゲート端子がプルアップ抵抗51とコンデンサC31との接続点に接続され、ドレイン端子が電流制限抵抗R61の他端に接続され、ソース端子が中間端子TAに接続されて高電位側トランジスタ41P及び低電位側トランジスタ41Nを駆動する(第2)スイッチングトランジスタ82と、を備えている。
変調回路31にゲート制御信号CSが入力されると、変調回路31内の発振周波数制御部54において、ゲート制御信号CSが“H”レベルの場合(オン指令状態)及びゲート制御信号CSが“L”レベルの場合(オフ指令状態)に対応した高周波交流の発振周波数を選定する。
そして、絶縁トランス32の低圧側となる一次側に入力された高周波交流は、絶縁状態で絶縁トランス32により変圧されて高圧側となる二次側に伝達される。
制御信号復調回路34Aにおいて、バンドパスフィルタ71は、ゲート制御信号CSが“H”レベルのオン指令状態における100kHzの高周波交流及び30kHzの高周波交流を通過させるように動作し、絶縁トランス32の二次側出力からゲート制御信号CSに対応する成分のみを抽出して出力する。一方、ロウパスフィルタ73は、ゲート制御信号CSが“L”レベルのオフ指令状態における30kHzの高周波交流のみを通過させるように動作する。
以上の結果、本第1実施形態の第2変形例によれば、第1実施形態の効果に加えて、より一層の部品点数を削減しつつ、モータ16の駆動電源を供給する一つの絶縁トランス32を介してゲート制御信号CSを入力し、この入力されたゲート制御信号CSと同期してモータ16を駆動するゲート制御回路24を制御して、インバータ23を構成する高電位側トランジスタ41P及び低電位側トランジスタ41Nを駆動することができる。
以上の第1実施形態は、直流電車に搭載される電力変換装置であったが、本第2実施形態は交流電車に搭載される電力変換装置である。
本第2実施形態の電力変換装置15Aが第1実施形態の電力変換装置15と異なる点は、図7に示すように、供給される交流電力の電圧を変換するトランス101と、トランス101の二次側出力に基づいて、交流/直流変換を行うAC/DCコンバータ(ADC)102と、ADC102の出力信号を平滑してインバータ23に供給する平滑コンデンサ103と、を備えた点である。
したがって、本第2実施形態の効果については、交流電力を使用する以外において、第1実施形態と同様であり、第1実施形態と同様の変形を行う事が可能である。
以上の各実施形態は、低圧回路側から高圧回路側にゲート制御信号CSを伝送するだけの構成であったが、本第3実施形態は、高圧回路側の異常を検知してコントローラ22に伝送する場合の実施形態である。
図8において、図3と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図8において、図3と異なる点は、絶縁トランス32Bの一次側に三次コイルを設け、高圧回路系統側からの異常状態を異常検知回路111を介して検出し、異常検出信号SEとしてコントローラ22に出力する点である。
この場合において、異常状態としては絶縁トランス32Bの二次コイル電圧の異常状態が挙げられる。
また、ゲート電源生成回路33や、制御信号復調回路などが異常検出時に所定の電圧を出力するように設定することも可能である。
また、低圧回路系統側と、高圧回路系統側とが、一つの絶縁トランス32Bを介して絶縁されているにもかかわらず、異常検出信号を高圧回路系統側から低圧回路系統側に伝送することが可能となり、異常検出を早期に行え、早期に異常状態に対応することが可能となる。
以上の説明のように、各実施形態によれば、一つの絶縁トランス32、32A、32Bで制御駆動系の信号と、制御系の信号と、を伝送することができ、部品点数を低減させて信頼性を向上できる。さらに装置の小型化が図れる。
以上の説明においては、ゲート制御信号CSとして電力変換制御用の信号のみを説明したが、ゲート制御信号CSとして、非導通指令や発振停止指令を含めるように構成することも可能である。
以上の説明においては、絶縁手段(絶縁素子)として、絶縁トランスを用いていたが、この絶縁トランスに代えてフォトカプラを介して絶縁を行い、当該フォトカプラの後段に昇圧回路を設けるように構成することも可能である。
また各トランジスタとして、IGBT、バイポーラトランジスタ、を用いていたが、MOSFETを用いるように構成することも可能である。
11 き電線(架線)
12 パンタグラフ(集電装置)
13 車輪
14 線路
15、15A 電力変換装置
16 モータ
21 制御電源
22 コントローラ
23 インバータ
24 ゲート制御回路
31 変調回路
32、32A、32B 絶縁トランス(絶縁手段、絶縁素子)
33、33A ゲート電源生成回路
34、34A 制御信号復調回路
35 トランジスタ駆動回路
51 高電位側スイッチングトランジスタ
52 低電位側スイッチングトランジスタ
53 スイッチング回路
54 発振周波数制御部
61 ダイオードブリッジ整流回路
62 コンデンサ平滑回路
71 高電位側バンドパスフィルタ
72 低電位側バンドパスフィルタ
73 高電位側ロウパスフィルタ
74 低電位側ロウパスフィルタ74
111 異常検知回路
CPW 制御電力信号
CS ゲート制御信号
HCPW 高圧制御電力信号
HS 高圧制御信号
SE 異常検出信号
Claims (5)
- 供給される電力を変換して駆動用モータに駆動電力を供給する電力変換手段と、
低圧回路系統に設けられて前記電力変換手段を駆動するための制御電力信号及び前記電力変換手段を制御するための制御信号が入力され、前記制御電力信号を前記制御信号で変調する変調回路と、
前記変調回路と絶縁トランスを介した高圧回路系統に設けられ、前記絶縁トランスを介して伝送された前記変調された前記制御電力信号から前記制御信号を復調する制御信号復調回路と、を有する駆動制御手段と、
を備えた電力変換装置。 - 前記制御信号復調回路には、前記絶縁トランスの高圧側に設けられた二次コイルから前記変調された制御電力信号が伝送される、
請求項1記載の電力変換装置。 - 前記絶縁トランスは、前記絶縁トランスの高圧側に前記制御電力信号を伝送する二次コイルとは別個に三次コイルを設け、
前記制御信号復調回路には、前記三次コイルから前記変調された制御電力信号が伝送される、
請求項1記載の電力変換装置。 - 前記低圧回路系統側に、高圧回路系統側の異常状態を検出する異常検出手段を備えた請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電力変換装置。
- 架線から供給される電力を変換して、電気車両の駆動用モータを駆動する電力を供給する電力変換装置で実行される電力変換制御方法であって、
前記架線から供給される電力を変換して前記駆動用モータの駆動電力を供給する電力変換過程と、
低圧回路系統において、入力された前記電力変換手段を駆動するための制御電力信号及び入力された前記電力変換手段を制御するための制御信号に基づいて、前記制御電力信号を前記制御信号で変調する変調過程と、
前記低圧回路系統と一つの絶縁トランスを介して絶縁された高圧回路系統において、前記絶縁トランスを介して伝送された前記変調された前記制御電力信号から前記制御信号を復調する制御信号復調過程と、
を備えた電力変換制御方法。
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