JP2016034178A - Power conversion apparatus and control method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
技術分野は、電力変換装置及びその制御方法に関する。 The technical field relates to a power converter and a control method thereof.
上記の技術分野において、特許文献１では、「半導体電力変換装置の運転中には半導体素子のゲート抵抗は固定またはほぼ固定されるものであり、サージ電圧とスイッチング損失の両方の抑制が十分になされず、装置の運転状態によってはノイズによって周辺回路の誤動作を起こす恐れがあるし、素子の過熱で装置の保護機能でその停止になる恐れがある」（特許文献１［００１０］参照）ことを課題とし、その解決手段として「装置の運転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させることで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチング損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕があるときはサージ電圧抑制を十分にできるようにした」（特許文献１［００１４］参照）こと、「主回路を自己消弧形半導体素子で構成し、該素子のドライブ回路はゲート抵抗を介して素子にゲート電圧を印加し、ゲート抵抗の抵抗値の大小で素子のサージ電圧とスイッチング損失にトレードオフの関係をもたせた半導体電力変換装置において、装置の運転状態に応じて前記ゲート抵抗の抵抗値を切り替え、この切り替えで素子のサージ電圧の抑制とスイッチング損失の抑制の一方の度合いを高めるゲート抵抗切り替え手段を備えたこと」（特許文献１［００１５］参照）等が開示されている。 In the above technical field, Patent Document 1 states that “the gate resistance of the semiconductor element is fixed or substantially fixed during the operation of the semiconductor power converter, and both the surge voltage and the switching loss are sufficiently suppressed. However, depending on the operating state of the device, there is a risk of malfunction of the peripheral circuit due to noise, and there is a risk of the device being overheated by the protection function of the device "(see Patent Document 1 [0010]). As a solution to this problem, “By changing the gate resistance of the semiconductor element according to the operating state of the device, if there is a margin for surge voltage suppression, the switching loss suppression is sufficient, and if there is a margin for switching loss suppression, Suppressing the surge voltage sufficiently (see Patent Document 1 [0014]), “The main circuit is composed of self-extinguishing semiconductor elements. A drive circuit of the element applies a gate voltage to the element via a gate resistance, and a semiconductor power conversion device having a trade-off relationship between the surge voltage and switching loss of the element depending on the resistance value of the gate resistance. There is provided a gate resistance switching means that switches the resistance value of the gate resistance according to the operating state and increases the degree of suppression of the surge voltage of the element and suppression of switching loss by this switching ”(Patent Document 1 [0015] Reference) and the like.
しかし、特許文献１では、電力変換装置を鉄道車両に用いた場合の損失の低減については考慮されていない。 However, Patent Document 1 does not consider the reduction in loss when the power conversion device is used in a railway vehicle.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、鉄道車両に搭載された半導体素子を有する電力変換装置において、半導体素子に流れる電流を制御する駆動回路を有し、駆動回路は半導体素子にゲート抵抗を介してゲート電圧を印加し、ゲート抵抗及びゲート電圧の少なくとも一方は、鉄道車両における車両速度に関する数値、及び鉄道車両が力行運転の状態であるか回生運転の状態であるかに基づいて制御されるように構成する。
In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted.
The present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. To give an example, a power converter having a semiconductor element mounted on a railway vehicle has a drive circuit that controls a current flowing through the semiconductor element. The drive circuit applies a gate voltage to the semiconductor element via the gate resistance, and at least one of the gate resistance and the gate voltage is a numerical value related to the vehicle speed in the railway vehicle, and whether the railway vehicle is in a power running operation state or a regenerative operation state. It is configured to be controlled based on whether it is in a state.
上記手段によれば、電力変換装置を鉄道に用いた場合に損失を低減することが可能となる。 According to the above means, it is possible to reduce the loss when the power conversion device is used in a railway.
以下、実施例について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
電力変換装置は、直流電源から供給された電力を回転機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転機により発電された交流電力を直流電力に変換する機能を備えている。この電力変換装置は複数の半導体素子を有し、この半導体素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより電力を変換する。 The power conversion device has a function of converting power supplied from a DC power source into AC power for supplying an AC electric load such as a rotating machine, or a function of converting AC power generated by the rotating machine into DC power. ing. This power conversion device has a plurality of semiconductor elements, and the semiconductor elements convert power by repeating conduction operation and interruption operation.
鉄道車両用の電力変換装置には小型化が要求されていることから、半導体素子の発熱を抑制するために半導体素子の低損失化が求められている。以下、鉄道車両用電力変換装置に用いられる半導体素子の低損失化について説明する。またここでは半導体素子の一つであるMOSFETを例に説明するが、IGBTやバイポーラトランジスタ、接合FETなどの他の半導体デバイスでもよい。 Since the power conversion device for a railway vehicle is required to be downsized, a reduction in the loss of the semiconductor element is required in order to suppress the heat generation of the semiconductor element. Hereinafter, the reduction of the loss of the semiconductor element used for the railway vehicle power converter will be described. Although a MOSFET which is one of the semiconductor elements is described here as an example, other semiconductor devices such as an IGBT, a bipolar transistor, and a junction FET may be used.
MOSFETの損失は、導通動作時に発生する導通損失（順方向導通損失、逆方向導通損失）、遮断動作時に発生するスイッチング損失（ターンオン損失、ターンオフ損失、リカバリ損失）があり、低損失化にはそれぞれの低減が必要となる。 MOSFET loss includes conduction loss (forward conduction loss, reverse conduction loss) that occurs during conduction operation, and switching loss (turn-on loss, turn-off loss, recovery loss) that occurs during cutoff operation. Reduction is required.
導通損失はMOSFETのデバイス性能に依存し、その大きさは導通動作時のオン電圧に依存する。また図１に示すように、ゲート端子に印加されるゲート電圧によってオン電圧が変化し、ゲート電圧が高いほどオン電圧は小さくなり、導通損失を低減可能である。 The conduction loss depends on the device performance of the MOSFET, and its magnitude depends on the on-voltage during conduction operation. Further, as shown in FIG. 1, the on-voltage varies depending on the gate voltage applied to the gate terminal, and the on-voltage becomes smaller as the gate voltage becomes higher, and the conduction loss can be reduced.
一方、スイッチング損失はデバイスの性能やスイッチング速度に依存する。一般的にスイッチング速度はMOSFETの寄生容量の充放電時間に依存し、ゲート端子に接続されるゲート抵抗やゲート電圧によって制御可能である。例えば、ゲート抵抗を小さく、ゲート電圧を高くすることで、スイッチング速度が上昇しスイッチング損失を低減可能である。 On the other hand, switching loss depends on device performance and switching speed. In general, the switching speed depends on the charge / discharge time of the parasitic capacitance of the MOSFET, and can be controlled by the gate resistance or gate voltage connected to the gate terminal. For example, by reducing the gate resistance and increasing the gate voltage, the switching speed can be increased and the switching loss can be reduced.
以上より、ゲート抵抗やゲート電圧により導通損失やスイッチング損失を低減するには、ゲート電圧を高く、ゲート抵抗を小さくすることが有効である。 From the above, in order to reduce conduction loss and switching loss by gate resistance and gate voltage, it is effective to increase the gate voltage and reduce the gate resistance.
しかしゲート電圧にはMOSFETのゲート−ソース端子間の耐圧に起因する上限値が設けられているため、闇雲にゲート電圧を高くすることができない。またゲート電圧にはスイッチングによるサージ電圧が重畳され、更にこのサージ電圧はスイッチング損失を低減するために速度を上昇させると大きくなるため、ゲート電圧を高く、ゲート抵抗を低くすることによる低損失化には限界がある。 However, since the gate voltage has an upper limit value due to the breakdown voltage between the gate and source terminals of the MOSFET, the gate voltage cannot be increased to the dark clouds. In addition, a surge voltage due to switching is superimposed on the gate voltage, and this surge voltage increases as the speed is increased to reduce the switching loss. Therefore, the loss can be reduced by increasing the gate voltage and lowering the gate resistance. There are limits.
そこで、一般的にはゲート抵抗を小さくした場合にはゲート電圧を低く、ゲート抵抗を大きくした場合にはゲート電圧を高くし、ゲート−ソース端子間耐圧を考慮した定数に設計し、駆動条件を問わず一定の値を用いて駆動していた。したがって、損失はゲート抵抗を小さく、ゲート電圧を低くした場合は導通損失が大きく、スイッチング損失が小さい。またゲート抵抗を大きく、ゲート電圧を高くした場合は導通損失が小さく、スイッチング損失が大きくなる。 Therefore, in general, when the gate resistance is reduced, the gate voltage is lowered, and when the gate resistance is increased, the gate voltage is increased. It was driven using a constant value regardless. Therefore, the loss has a small gate resistance, and when the gate voltage is lowered, the conduction loss is large and the switching loss is small. Further, when the gate resistance is increased and the gate voltage is increased, the conduction loss is small and the switching loss is large.
特許文献１には「インバータの運転状態は、インバータからモータＩＭに供給する電流を基に、その検出電流があるレベル以上にあるか否かの判定で行う」こと、「運転状態の他の判定方式としては、速度指令等から得るモータの速度がある速度以上にあるか否かの判定、さらにはＩＧＢＴの温度がある温度以上にあるか否かの判定などによることができるし、こられの判定方式を組み合わせることもできる」こと、「インバータの運転状態に応じてスイッチＳＷをオンまたはオフ状態」とし、「スイッチＳＷのオン状態とオフ状態とでは、ＩＧＢＴのゲート抵抗の切り替えが可能になる」ことが開示されている。 Patent Document 1 states that “the operation state of the inverter is based on the current supplied from the inverter to the motor IM by determining whether or not the detected current is above a certain level”, “the other determination of the operation state As a method, it can be determined by determining whether or not the speed of the motor obtained from a speed command or the like is higher than a certain speed, and further determining whether or not the temperature of the IGBT is higher than a certain temperature. It is possible to combine the determination methods ”,“ switch SW is turned on or off depending on the inverter operating state ”, and“ the gate resistance of the IGBT can be switched between the on state and the off state of switch SW ”. Is disclosed.
しかし、鉄道車両用電力変換装置では、力行運転の状態と回生運転の状態とで損失が最小となる条件が異なるため、特許文献１の技術的思想では損失を最小にすることはできない。また更なる低損失化を実現するためにはゲート抵抗だけではなく、ゲート電圧を考慮した制御が有効である。 However, in the power conversion apparatus for railway vehicles, since the conditions for minimizing the loss are different between the power running state and the regenerative operation state, the loss cannot be minimized by the technical idea of Patent Document 1. In order to further reduce the loss, it is effective to control not only the gate resistance but also the gate voltage.
本実施例においては、力行運転の状態と回生運転の状態とで損失が最小となる条件が異なることを考慮した制御について説明する。図2、3は、鉄道車両における各速度における半導体素子で発生する損失を示す。図2は力行運転、図3は回生運転における損失を示す。実線で示す条件１は、条件２よりもゲート抵抗を小さく、ゲート電圧を低くした場合であり、破線で示す条件２は、条件１よりもゲート抵抗を大きく、ゲート電圧を高くした場合を示す。 In the present embodiment, a description will be given of control that takes into consideration that the conditions for minimizing the loss are different between the power running operation state and the regenerative operation state. 2 and 3 show the loss generated in the semiconductor element at each speed in the railway vehicle. Fig. 2 shows the loss during power running, and Fig. 3 shows the loss during regenerative operation. Condition 1 indicated by a solid line is a case where the gate resistance is lower than that of condition 2 and the gate voltage is lowered. Condition 2 indicated by a broken line is a case where the gate resistance is higher than that of condition 1 and the gate voltage is increased.
鉄道車両用電力変換装置は速度に応じて、電流やスイッチング周波数が変わる。図2、3に示すように損失が速度ごとに異なり、条件１と条件２とで損失の大小関係が逆転する速度（切替速度）がある。またこの速度は力行時と回生時とで異なる（切替速度１、切替速度２）。 The power conversion device for railway vehicles changes current and switching frequency according to speed. As shown in FIGS. 2 and 3, the loss varies depending on the speed, and there is a speed (switching speed) at which the magnitude relationship of the loss is reversed between condition 1 and condition 2. This speed is different between power running and regeneration (switching speed 1, switching speed 2).
つまり、ゲート電圧やゲート抵抗を一定で駆動した場合には、半導体素子の損失が最小ではない。そこで、損失をより低減させる、車両速度や動作モード（力行運転、回生運転）を考慮したゲート電圧、ゲート抵抗の制御手法について、以下さらに具体的に説明する。 That is, when the gate voltage and gate resistance are driven constant, the loss of the semiconductor element is not minimum. Therefore, a method for controlling the gate voltage and the gate resistance in consideration of the vehicle speed and the operation mode (power running operation, regenerative operation) for further reducing the loss will be described more specifically below.
図９に、電力変換装置を鉄道車両に搭載したシステムの一例を示す。鉄道車両のモータ駆動装置は架線９０２から電力が供給され、電力変換装置９０１を経由してモータ９０４を駆動する。電気的なグランドはレール９０３を介して接続されている。 FIG. 9 shows an example of a system in which the power conversion device is mounted on a railway vehicle. The motor drive device of the railway vehicle is supplied with electric power from the overhead line 902 and drives the motor 904 via the power conversion device 901. The electrical ground is connected via a rail 903.
次に、電力変換装置９０１の回路構成の一例について、図4を用いて説明する。図4では、切換える対象をゲート抵抗とし、ゲート抵抗判定回路9に車両速度、動作モード（力行運転、回生運転）の情報を入力する。ゲート抵抗判定回路9に入力する情報は、車両速度の代わりに速度指令値、モータ周波数、モータ周波数指令値等、半導体素子で発生する損失に影響する他の値を用いてもよい。なお、車両速度を含めたこれらの値を総称して、車両速度に関する数値とも言う。 Next, an example of a circuit configuration of the power conversion device 901 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the object to be switched is a gate resistance, and information on the vehicle speed and operation mode (power running operation, regenerative operation) is input to the gate resistance determination circuit 9. As the information input to the gate resistance determination circuit 9, other values that affect the loss generated in the semiconductor element, such as a speed command value, a motor frequency, and a motor frequency command value, may be used instead of the vehicle speed. Note that these values including the vehicle speed are collectively referred to as numerical values related to the vehicle speed.
スイッチング素子1のゲート端子とゲート回路11はゲート抵抗7、8、ゲート抵抗切換えスイッチ10を介して接続される。ゲート回路11は正側ゲート電圧2と負側ゲート電圧3、切換えスイッチ4、切換えスイッチ5から構成され、切換えスイッチ4と切換えスイッチ5は駆動信号出力部6から出力される信号を元に駆動される。 The gate terminal of the switching element 1 and the gate circuit 11 are connected through gate resistors 7 and 8 and a gate resistor changeover switch 10. The gate circuit 11 includes a positive side gate voltage 2 and a negative side gate voltage 3, a changeover switch 4 and a changeover switch 5. The changeover switch 4 and the changeover switch 5 are driven based on a signal output from the drive signal output unit 6. The
駆動信号出力部6からオン信号が出力されると、切換えスイッチ4がオン、切換えスイッチ5がオフされ、スイッチング素子1のゲート、ソース端子に正の電圧が印加され、駆動信号出力6からオフ信号が出力されると、切換えスイッチ4がオフ、切換えスイッチ5がオンされ、スイッチング素子1のゲート、ソース端子に負の電圧が印加されスイッチング素子1がスイッチング動作する。 When an ON signal is output from the drive signal output unit 6, the changeover switch 4 is turned ON, the changeover switch 5 is turned OFF, a positive voltage is applied to the gate and source terminals of the switching element 1, and an OFF signal is output from the drive signal output 6 Is output, the changeover switch 4 is turned off, the changeover switch 5 is turned on, a negative voltage is applied to the gate and source terminals of the switching element 1, and the switching element 1 performs a switching operation.
ゲート抵抗判定回路9は動作モード(力行運転、回生運転)と車両速度に応じて、ゲート抵抗切換えスイッチ10をオン・オフし、スイッチング素子1に接続されるゲート抵抗を決定する。 The gate resistance determination circuit 9 turns on / off the gate resistance changeover switch 10 according to the operation mode (power running operation, regenerative operation) and the vehicle speed, and determines the gate resistance connected to the switching element 1.
ゲート抵抗判定回路9に動作モードとして力行運転を示す情報が入力された場合には、図2に示す特性に従い、車両速度が切換え速度1より高い場合には、ゲート抵抗切換えスイッチ10をオンすることでゲート抵抗を車両速度が切換え速度1より低い場合よりも小さくする。車両速度が切換え速度1より低い場合には、ゲート抵抗切換えスイッチ10をオフすることでゲート抵抗を車両速度が切換え速度1より高い場合よりも大きくする。 When information indicating power running is input as an operation mode to the gate resistance determination circuit 9, the gate resistance changeover switch 10 is turned on when the vehicle speed is higher than the switching speed 1 according to the characteristics shown in FIG. The gate resistance is made smaller than when the vehicle speed is lower than the switching speed 1. When the vehicle speed is lower than the switching speed 1, the gate resistance switching switch 10 is turned off to make the gate resistance larger than when the vehicle speed is higher than the switching speed 1.
ゲート抵抗判定回路9に動作モードとして回生運転を示す情報が入力された場合には、図3に示す特性に従い、切換え速度2を境に力行運転の場合と同様にゲート抵抗を切換える。
このように動作モードと車両速度との情報を基にゲート抵抗を切換えることで、インバータ損失を低減することが可能となる。
When information indicating the regenerative operation is input to the gate resistance determination circuit 9 as the operation mode, the gate resistance is switched in the same manner as in the power running operation at the switching speed 2 according to the characteristics shown in FIG.
In this way, the inverter loss can be reduced by switching the gate resistance based on the information of the operation mode and the vehicle speed.
次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図5を用いて説明する。図5では、切換える対象をゲート電圧とし、ゲート電圧判定回路16に車両速度、動作モード（力行運転、回生運転）の情報を入力する。なお、ゲート電圧判定回路16に入力する情報は、車両速度に代えて、速度指令値、モータ周波数、モータ周波数指令値等を用いてもよい。 Next, another example of the circuit configuration of the power conversion device 901 will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the object to be switched is set as a gate voltage, and information on the vehicle speed and operation mode (power running operation, regenerative operation) is input to the gate voltage determination circuit 16. Information input to the gate voltage determination circuit 16 may use a speed command value, a motor frequency, a motor frequency command value, or the like instead of the vehicle speed.
スイッチング素子1のゲート、ソース間に印加される電圧の切換え手段について説明する。正側ゲート電源2と並列に正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード13aと正側ゲート電圧調整用抵抗12aを直列に接続する。また正側ゲート電圧調整用抵抗12aと並列に電圧を保持するための正側ゲート電圧調整用コンデンサ15aを接続する。また正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード13aのアノード側、カソード側にはそれぞれ正側ゲート電圧切換えスイッチ14aと正側ゲート電圧切換えスイッチ14bを接続し、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aと正側ゲート電圧切換えスイッチ14bのもう一端は切換えスイッチ4に接続される。 A means for switching the voltage applied between the gate and source of the switching element 1 will be described. In parallel with the positive side gate power supply 2, a positive side gate voltage adjusting Zener diode 13a and a positive side gate voltage adjusting resistor 12a are connected in series. Further, a positive side gate voltage adjusting capacitor 15a for holding a voltage is connected in parallel with the positive side gate voltage adjusting resistor 12a. Further, the positive side gate voltage changeover switch 14a and the positive side gate voltage changeover switch 14b are connected to the anode side and the cathode side of the Zener diode 13a for positive side gate voltage adjustment, respectively. The other end of the changeover switch 14b is connected to the changeover switch 4.
正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオフすると、正側ゲート電源2の電圧がそのままゲート、ソース間に印加される。一方、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオンすると、ゲート、ソース間に印加される電圧は、正側ゲート電源2の電圧から正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード13aの電圧降下分だけ低下した電圧が印加される。これにより、スイッチ14aをオン、スイッチ14bをオフにした場合より、スイッチ14aをオフ、スイッチ14bをオンにした場合のほうが、スイッチング素子1のオン時のゲート、ソース間に印加される電圧が低くなる。 When the positive side gate voltage changeover switch 14a is turned on and the positive side gate voltage changeover switch 14b is turned off, the voltage of the positive side gate power supply 2 is directly applied between the gate and the source. On the other hand, when the positive side gate voltage changeover switch 14a is turned off and the positive side gate voltage changeover switch 14b is turned on, the voltage applied between the gate and the source is changed from the voltage of the positive side gate power supply 2 to the positive side gate voltage adjusting Zener diode. A voltage reduced by the voltage drop of 13a is applied. As a result, the voltage applied between the gate and the source when the switching element 1 is turned on is lower when the switch 14a is turned off and the switch 14b is turned on than when the switch 14a is turned on and the switch 14b is turned off. Become.
すなわち、スイッチング素子1のオン時にゲート、ソース間電圧に高い電圧を印加する場合には正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオフ、ゲート、ソース間電圧に低い電圧を印加する場合には正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオンする。 That is, when a high voltage is applied to the gate-source voltage when the switching element 1 is on, the positive-side gate voltage changeover switch 14a is turned on, the positive-side gate voltage changeover switch 14b is turned off, and the gate-source voltage is low. Is applied, the positive side gate voltage changeover switch 14a is turned off and the positive side gate voltage changeover switch 14b is turned on.
以上の動作により、ゲート電圧を切換えることができる。またスイッチング素子1に正側ゲート電源2から正電圧を印加し、その電圧を切換える手段を説明したが、図 5の回路構成を用いることで、負側ゲート電源3から負電圧を印加し、その電圧も同様に切換えることが可能である。 The gate voltage can be switched by the above operation. Further, the means for applying a positive voltage from the positive-side gate power supply 2 to the switching element 1 and switching the voltage has been described, but by using the circuit configuration of FIG. 5, a negative voltage is applied from the negative-side gate power supply 3, The voltage can be switched in the same way.
次にゲート電圧判定回路16の動作について説明する。ゲート電圧判定回路16は入力された動作モード(力行運転、回生運転)と車両速度の情報に応じて、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aと正側ゲート電圧切換えスイッチ14b、負側ゲート電圧切換えスイッチ14c、正側ゲート電圧切換えスイッチ14dにオン・オフ指令を出力し、スイッチング素子1に接続されるゲート電圧を決定する。 Next, the operation of the gate voltage determination circuit 16 will be described. The gate voltage determination circuit 16 is connected to the positive gate voltage switch 14a, the positive gate voltage switch 14b, and the negative gate voltage switch 14c according to the input operation mode (power running operation, regenerative operation) and vehicle speed information. Then, an on / off command is output to the positive side gate voltage changeover switch 14d, and the gate voltage connected to the switching element 1 is determined.
ゲート電圧判定回路16に力行運転を示す情報が入力された場合には、図2に示す特性に従い、車両速度が切換え速度1より高い場合には、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオン、負側ゲート電圧切換えスイッチ14cをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14dをオフすることでゲート電圧を車両速度が切換え速度1より低い場合よりも小さくする。車両速度が切換え速度1より低い場合には、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオフ、負側ゲート電圧切換えスイッチ14cをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14dをオンすることでゲート電圧を車両速度が切換え速度1より高い場合よりも大きくする。 When information indicating power running is input to the gate voltage determination circuit 16, according to the characteristics shown in FIG. 2, if the vehicle speed is higher than the switching speed 1, the positive gate voltage switching switch 14a is turned off and the positive side By turning on the gate voltage changeover switch 14b, turning on the negative side gate voltage changeover switch 14c, and turning off the positive side gate voltage changeover switch 14d, the gate voltage is made smaller than when the vehicle speed is lower than the changeover speed 1. When the vehicle speed is lower than the switching speed 1, the positive side gate voltage changeover switch 14a is turned on, the positive side gate voltage changeover switch 14b is turned off, the negative side gate voltage changeover switch 14c is turned off, and the positive side gate voltage changeover switch 14d is turned off. By turning it on, the gate voltage is made larger than when the vehicle speed is higher than the switching speed 1.
ゲート電圧判定回路16に回生運転を示す情報が入力された場合には、図3に示す特性に従い、切換え速度2を境に力行運転時と同様にゲート電圧を切換える。
このように動作モードと車両速度の情報を元にゲート電圧を切換えることで、インバータ損失を低減することが可能となる。
When information indicating the regenerative operation is input to the gate voltage determination circuit 16, the gate voltage is switched in the same manner as in the power running operation at the switching speed 2 according to the characteristics shown in FIG.
In this way, the inverter loss can be reduced by switching the gate voltage based on the information of the operation mode and the vehicle speed.
次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図6を用いて説明する。図6は実施例1で説明したゲート抵抗の制御と、実施例2で説明したゲート電圧の制御とを組み合わせた回路構成の一例である。 Next, another example of the circuit configuration of the power conversion device 901 will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows an example of a circuit configuration that combines the control of the gate resistance described in the first embodiment and the control of the gate voltage described in the second embodiment.
力行運転の場合には、車両速度が切替速度1より高いと、低い場合に比べてゲート抵抗を小さくする制御、及びゲート電圧を小さくする制御を行う。車両速度が切替速度1より低いと、高い場合に比べてゲート抵抗を大きくする制御、及びゲート電圧を大きくする制御を行う。 In the case of power running, when the vehicle speed is higher than the switching speed 1, control for reducing the gate resistance and control for reducing the gate voltage are performed as compared with the case where the vehicle speed is low. When the vehicle speed is lower than the switching speed 1, control for increasing the gate resistance and control for increasing the gate voltage are performed as compared with the case where the vehicle speed is high.
回生運転の場合には、車両速度が切替速度2より高いと、低い場合に比べてゲート抵抗を小さくする制御、及びゲート電圧を小さくする制御を行う。車両速度が切替速度2より低いと、高い場合に比べてゲート抵抗を大きくする制御、及びゲート電圧を大きくする制御を行う。 In the regenerative operation, when the vehicle speed is higher than the switching speed 2, control for reducing the gate resistance and control for reducing the gate voltage are performed as compared with the case where the vehicle speed is low. When the vehicle speed is lower than the switching speed 2, control for increasing the gate resistance and control for increasing the gate voltage are performed as compared with the case where the vehicle speed is high.
ゲート抵抗とゲート電圧とを共に切換えることで、損失の低減効果は実施例1、実施例2よりも大きくなる。各判定回路やスイッチ動作は実施例1および実施例2と同様である。 By switching both the gate resistance and the gate voltage, the loss reduction effect is greater than in the first and second embodiments. Each determination circuit and switch operation are the same as those in the first and second embodiments.
次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図7を用いて説明する。半導体で構成されるスイッチング素子1の導通特性やスイッチング特性は温度により異なる。つまり、図2、3に示す損失の速度依存性の値が異なり、損失の大小関係が切替わる速度が温度によって異なる。損失を最小にするにはスイッチング素子1の温度情報を基にゲート電圧やゲート抵抗を切り替えることで、より損失を低減可能となる。 Next, another example of the circuit configuration of the power conversion device 901 will be described with reference to FIG. The conduction characteristics and switching characteristics of the switching element 1 made of a semiconductor vary depending on the temperature. That is, the value of the speed dependency of the loss shown in FIGS. 2 and 3 is different, and the speed at which the magnitude relationship of the loss is changed depends on the temperature. In order to minimize the loss, the loss can be further reduced by switching the gate voltage and the gate resistance based on the temperature information of the switching element 1.
なお、図７は実施例３（図６）の構成にスイッチング素子１の温度情報が入力される構成を示しているが、実施例１（図４）におけるゲート抵抗判定回路9または実施例２（図５）におけるゲート電圧判定回路16にスイッチング素子１の温度情報が入力される構成とすることも可能である。 7 shows a configuration in which temperature information of the switching element 1 is input to the configuration of the third embodiment (FIG. 6). However, the gate resistance determination circuit 9 in the first embodiment (FIG. 4) or the second embodiment ( It is also possible to adopt a configuration in which the temperature information of the switching element 1 is input to the gate voltage determination circuit 16 in FIG.
次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図8を用いて説明する。スイッチング素子1のオン時とオフ時のゲート抵抗を変えるために、オン側ダイオード20aとオフ側ダイオード20bを適用する。 Next, another example of the circuit configuration of the power conversion device 901 will be described with reference to FIG. In order to change the gate resistance when the switching element 1 is turned on and off, the on-side diode 20a and the off-side diode 20b are applied.
スイッチング素子1のオン時にはオン側ダイオード20aの整流動作により、ゲート回路11から流れる電流はオン側ゲート抵抗切換えスイッチ17aとゲート抵抗18a、ゲート抵抗19aに流れ、スイッチング素子1のオフ時にはオフ側ダイオード20bの整流動作により、ゲート回路11から流れる電流はオン側ゲート抵抗切換えスイッチ17bとゲート抵抗18b、ゲート抵抗19bに流れる。 When the switching element 1 is turned on, the current flowing from the gate circuit 11 flows to the on-side gate resistance changeover switch 17a, the gate resistance 18a, and the gate resistance 19a by the rectification operation of the on-side diode 20a. By this rectification operation, the current flowing from the gate circuit 11 flows to the on-side gate resistance changeover switch 17b, the gate resistance 18b, and the gate resistance 19b.
このような回路構成にすることで、スイッチング素子1のオン時、オフ時のそれぞれのゲート抵抗を設定することが可能となり、スイッチング素子1に適した駆動条件に設定可能となる。 With such a circuit configuration, it is possible to set the respective gate resistances when the switching element 1 is on and off, and it is possible to set driving conditions suitable for the switching element 1.
なお、図８は実施例３（図６）の構成にオン側ダイオード20aとオフ側ダイオード20bを適用した構成を示しているが、実施例１（図４）の構成にオン側ダイオード20aとオフ側ダイオード20bを適用することも可能である。 8 shows a configuration in which the on-side diode 20a and the off-side diode 20b are applied to the configuration of the third embodiment (FIG. 6). However, the on-side diode 20a and the off-state diode are applied to the configuration of the first embodiment (FIG. 4). It is also possible to apply the side diode 20b.
1 スイッチング素子
2 正側ゲート電源
3 負側ゲート電源
4 切替えスイッチ
5 切替えスイッチ
6 駆動信号出力部
7 ゲート抵抗
8 ゲート抵抗
9 ゲート抵抗判定回路
10 ゲート抵抗切替えスイッチ
11 ゲート回路
12a 正側ゲート電圧調整用抵抗
12b 負側ゲート電圧調整用抵抗
13a 正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード
13b 負側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード
14a 正側ゲート電圧切換えスイッチ
14b 正側ゲート電圧切換えスイッチ
14c 負側ゲート電圧切換えスイッチ
14d 負側ゲート電圧切換えスイッチ
15a 正側ゲート電圧調整用コンデンサ
15b 負側ゲート電圧調整用コンデンサ
16 ゲート電圧判定回路
17a オン側ゲート抵抗切換えスイッチ
17b オフ側ゲート抵抗切換えスイッチ
18a オン側ゲート抵抗
18b オフ側ゲート抵抗
19a オン側ゲート抵抗
19b オフ側ゲート抵抗
20a オン側ダイオード
20b オフ側ダイオード
1 Switching element
2 Positive side gate power supply
3 Negative gate power supply
4 Changeover switch
5 Changeover switch
6 Drive signal output section
7 Gate resistance
8 Gate resistance
9 Gate resistance judgment circuit
10 Gate resistance selector switch
11 Gate circuit
12a Resistor for positive side gate voltage adjustment
12b Negative gate voltage adjustment resistor
13a Zener diode for positive gate voltage adjustment
13b Zener diode for negative side gate voltage adjustment
14a Positive side gate voltage selector switch
14b Positive side gate voltage switch
14c Negative side gate voltage selector switch
14d Negative side gate voltage selector switch
15a Positive side gate voltage adjustment capacitor
15b Negative side gate voltage adjustment capacitor
16 Gate voltage judgment circuit
17a ON side gate resistance switch
17b Off-side gate resistance selector switch
18a On-side gate resistance
18b Off-side gate resistance
19a On-side gate resistance
19b Off-side gate resistance
20a On-side diode
20b Off-side diode
Claims (12)
前記半導体素子に流れる電流を制御する駆動回路を有し、
前記駆動回路は前記半導体素子にゲート抵抗を介してゲート電圧を印加し、
前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記鉄道車両における車両速度に関する数値、及び前記鉄道車両が力行運転の状態であるか回生運転の状態であるかに基づいて制御されることを特徴とする電力変換装置。 In a power converter having a semiconductor element mounted on a railway vehicle,
A drive circuit for controlling a current flowing in the semiconductor element;
The drive circuit applies a gate voltage to the semiconductor element via a gate resistor,
At least one of the gate resistance and the gate voltage is controlled based on a numerical value related to a vehicle speed in the railway vehicle and whether the railway vehicle is in a power running state or a regenerative operation state. Power converter.
前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、
前記鉄道車両が力行運転の状態である場合には第１の車両速度に関する数値に基づいて制御され、
前記鉄道車両が回生運転の状態である場合には前記第１の車両速度に関する数値とは異なる第２の車両速度に関する数値に基づいて制御されることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device of Claim 1,
At least one of the gate resistance and the gate voltage is:
When the railway vehicle is in a power running state, it is controlled based on a numerical value related to the first vehicle speed,
When the railway vehicle is in a regenerative operation state, the power conversion device is controlled based on a numerical value related to a second vehicle speed different from the numerical value related to the first vehicle speed.
前記鉄道車両が力行運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さく、
前記鉄道車両が回生運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter of Claim 2,
In a state where the railway vehicle is in a power running operation, at least one of the gate resistance and the gate voltage when the numerical value related to the vehicle speed of the railway vehicle is greater than or equal to the numerical value related to the first vehicle speed is the vehicle speed of the railway vehicle. Smaller than at least one of the gate resistance and the gate voltage when the numerical value related to is lower than the numerical value related to the first vehicle speed,
When the railway vehicle is in a regenerative operation state, at least one of the gate resistance and the gate voltage when the numerical value related to the vehicle speed of the railway vehicle is greater than or equal to the numerical value related to the second vehicle speed is the vehicle speed of the railway vehicle. The power conversion device is characterized in that a numerical value relating to the gate resistance is lower than at least one of the gate resistance and the gate voltage when the numerical value relating to the second vehicle speed is lower than the numerical value relating to the second vehicle speed.
前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記半導体素子の温度に基づいて制御されることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device in any one of Claims 1-3,
At least one of the gate resistance and the gate voltage is controlled based on the temperature of the semiconductor element.
前記半導体素子のスイッチング素子がオン状態である場合のゲート抵抗値と、前記半導体素子のスイッチング素子がオフ状態である場合のゲート抵抗値とが異なることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device in any one of Claims 1-4,
A power conversion device, wherein a gate resistance value when the switching element of the semiconductor element is in an on state is different from a gate resistance value when the switching element of the semiconductor element is in an off state.
前記車両速度に関する数値は、車両速度、速度指令値、モータ周波数またはモータ周波数指令値であることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 5,
The numerical value related to the vehicle speed is a vehicle speed, a speed command value, a motor frequency, or a motor frequency command value.
前記電力変換装置は前記半導体素子にゲート抵抗を介してゲート電圧を印加する駆動回路を有し、
前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記鉄道車両における車両速度に関する数値、及び前記鉄道車両が力行運転の状態であるか回生運転の状態であるかに基づいて制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 In a control method of a power converter having a semiconductor element mounted on a railway vehicle,
The power conversion device has a drive circuit that applies a gate voltage to the semiconductor element via a gate resistor,
At least one of the gate resistance and the gate voltage is controlled based on a numerical value related to a vehicle speed in the railway vehicle and whether the railway vehicle is in a power running state or a regenerative operation state. Control method of power converter.
前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、
前記鉄道車両が力行運転の状態である場合には第１の車両速度に関する数値に基づいて制御し、
前記鉄道車両が回生運転の状態である場合には前記第１の車両速度に関する数値とは異なる第２の車両速度に関する数値に基づいて制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 In the control method of the power converter device of Claim 7,
At least one of the gate resistance and the gate voltage,
When the railway vehicle is in a state of power running, control based on a numerical value related to the first vehicle speed,
A control method for a power converter, wherein when the railway vehicle is in a regenerative operation state, control is performed based on a numerical value related to a second vehicle speed different from the numerical value related to the first vehicle speed.
前記鉄道車両が力行運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さくするように制御し、
前記鉄道車両が回生運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さくするように制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 In the control method of the power converter device of Claim 8,
In a state where the railway vehicle is in a power running operation, at least one of the gate resistance and the gate voltage when the numerical value related to the vehicle speed of the railway vehicle is greater than or equal to the numerical value related to the first vehicle speed is the vehicle speed of the railway vehicle. A numerical value related to the first vehicle speed is lower than a numerical value related to the first vehicle speed, and is controlled to be smaller than at least one of the gate resistance and the gate voltage;
When the railway vehicle is in a regenerative operation state, at least one of the gate resistance and the gate voltage when a numerical value related to the vehicle speed of the railway vehicle is equal to or higher than a numerical value related to the second vehicle speed is the vehicle speed of the railway vehicle. A control method for the power conversion device, wherein the control is performed so that the numerical value related to the second vehicle speed is lower than at least one of the gate resistance and the gate voltage when the numerical value is lower than the numerical value related to the second vehicle speed.
前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記半導体素子の温度に基づいて制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 In the control method of the power converter device in any one of Claims 7-9,
A control method for a power converter, wherein at least one of the gate resistance and the gate voltage is controlled based on a temperature of the semiconductor element.
前記半導体素子のスイッチング素子がオン状態である場合のゲート抵抗値と、前記半導体素子のスイッチング素子がオフ状態である場合のゲート抵抗値とが異なるように制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。 In the control method of the power converter device in any one of Claims 7-10,
A power conversion device, wherein the gate resistance value when the switching element of the semiconductor element is in an on state and the gate resistance value when the switching element of the semiconductor element is in an off state are controlled to be different Control method.
前記車両速度に関する数値は、車両速度、速度指令値、モータ周波数またはモータ周波数指令値であることを特徴とする電力変換装置の制御方法。 It is a control method of the power converter in any one of Claims 7-11,
The method for controlling a power converter, wherein the numerical value relating to the vehicle speed is a vehicle speed, a speed command value, a motor frequency, or a motor frequency command value.
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