JP2019054665A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
鉄道車両用電力変換装置の構成例を図2に示す。図2において、21は集電装置(パンタグラフ)、24は高速遮断器、25は断流器、26は充電抵抗、11はリアクトル、28は平滑コンデンサ、22はモータ、13’はインバータパワーユニット、23は車輪、27はレールである。 An example of the configuration of a railway vehicle power converter is shown in FIG. In FIG. 2, 21 is a current collector (pantograph), 24 is a high-speed circuit breaker, 25 is a current breaker, 26 is a charging resistor, 11 is a reactor, 28 is a smoothing capacitor, 22 is a motor, 13 'is an inverter power unit, 23 Is a wheel and 27 is a rail.
図2の回路の動作を説明する。架線から得られる直流電力は集電装置(パンタグラフ)21で集電され、高速遮断器24、断流器25及びリアクトル11を介してインバータパワーユニット13’に供給される。
The operation of the circuit of FIG. 2 will be described. The DC power obtained from the overhead wire is collected by a current collector (pantograph) 21 and supplied to the
断流器25には、電源投入時の突入電流を抑制するために、並列に充電抵抗26が接続されている。リアクトル11は、主回路の一部が接地電位に短絡する、いわゆる地絡故障が発生した際に、変電所から過電流が流れ込まないように、電流の増加率di/dtを制限するために断流器25と直列に接続される。
A
インバータパワーユニット13’は、複数のパワー半導体モジュール2’(PU、NU、PV、NV、PW、NW)と、パワー半導体モジュール2’のゲートを制御するゲート駆動回路15と、直流電圧を安定化させるための平滑コンデンサ28を有する。インバータパワーユニット13’は、入力された直流電力を任意周波数・任意電圧の三相交流に変換し、モータ22を駆動する。また、インバータパワーユニット13’は、パワー半導体モジュール2’を冷却するために、図示しない冷却器を有する。
The
前記インバータパワーユニット13’では、パワー半導体として一般にSi(シリコン)を材料として使ったIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が広く使われている。IGBTをインバータパワーユニットに適用する場合、ゲート駆動回路やIGBT自体の誤動作によるアーム短絡を考慮した設計が必要となる。アーム短絡とは、電源ライン間に複数個直列接続されたIGBT、例えば図2ではパワー半導体モジュール2’(PU)とパワー半導体モジュール2’(NU)が、同時にオンすることにより、電源のプラスとマイナスが短絡されてしまう現象である。電源が短絡されると、半導体素子(IGBT)には平滑コンデンサ28から過大な電流が供給され破壊に至る。
In the inverter power unit 13 ', an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) using Si (silicon) as a material is generally widely used as a power semiconductor. When an IGBT is applied to an inverter power unit, a design that takes into account an arm short circuit due to a malfunction of the gate drive circuit or the IGBT itself is required. The arm short circuit means that a plurality of IGBTs connected in series between power supply lines, for example, the
短絡が発生した場合にパワー半導体が破壊に至るまでの時間を短絡耐量という。この短絡耐量より短時間で短絡を検知してパワー半導体をオフし、電流を止めればパワー半導体を保護できる。鉄道車両の電力変換装置に使う1.7kV〜6.5kV耐圧のIGBTの場合には、一般に約10μs以上の短絡耐量があり、短絡保護回路で保護が可能である。 The time it takes for the power semiconductor to break down when a short circuit occurs is called the short circuit tolerance. If the short circuit is detected in a shorter time than the short circuit tolerance, the power semiconductor is turned off and the current is stopped to protect the power semiconductor. In the case of an IGBT having a withstand voltage of 1.7 kV to 6.5 kV used for a power conversion device for a railway vehicle, there is generally a short circuit withstand capability of about 10 μs or more, and protection is possible with a short circuit protection circuit.
近年は、IGBTに代わってワイドバンドギャップ半導体であるSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)等を用いたパワー半導体が普及しつつある。ワイドバンドギャップ半導体は、損失が少ないという特長を持つ一方で、短絡耐量が短く(一般にSi−IGBTの1/2以下)、前述の短絡保護回路による保護が間に合わず、短絡保護回路の動作前に半導体素子が破壊されるという問題がある。 In recent years, power semiconductors using wide band gap semiconductors such as SiC (silicon carbide) and GaN (gallium nitride) instead of IGBTs are becoming widespread. Wide bandgap semiconductors have the advantage of low loss, but short-circuit withstand capability is short (generally 1/2 or less of Si-IGBT), and the above-mentioned short-circuit protection circuit cannot keep up with the short-circuit protection circuit before operation. There is a problem that the semiconductor element is destroyed.
この問題に対して、短絡時の電流の増加率di/dtを1/2以下に抑制するなどして破壊に至るまでの時間、すなわち短絡耐量を2倍以上に伸ばし、短絡保護回路による保護を可能とする手法が考えられる。 In order to solve this problem, the time until the breakdown, that is, the short-circuit withstand capability is increased by more than twice by suppressing the increase rate di / dt of the current at the time of short-circuit to 1/2 or less, and the protection by the short-circuit protection circuit is achieved. Possible methods are considered.
短絡時の電流の増加率は、平滑コンデンサの充電電圧Vccと、主回路インダクタンスLs(平滑コンデンサと2直列のパワー半導体、及びそれらを接続する配線のインダクタンスの合計)を用いて、以下の式(1)であらわされる。
di/dt=Vcc/Ls ・・・ (1)
The rate of increase in current at the time of short circuit is calculated using the following formula (the sum of the inductance of the smoothing capacitor charging voltage Vcc and the main circuit inductance Ls (the inductance of the smoothing capacitor and two series power semiconductors and the wiring connecting them): 1).
di / dt = Vcc / Ls (1)
式(1)より、Lsを2倍以上に大きくするとdi/dtが1/2以下になり、短絡時の過電流を1/2以下に抑制できることから、短絡耐量を2倍以上に増やすことができることが分かる。一方で、Lsを2倍以上に大きくするとパワー半導体が電流を遮断する際の電流変化によってLsに発生する電圧が2倍以上に高くなり、ワイドバンドギャップ半導体に過電圧が印加され、破壊されてしまうため、Lsは単純には大きくできない。 From equation (1), if Ls is increased more than twice, di / dt is reduced to 1/2 or less, and the overcurrent at the time of short-circuit can be suppressed to 1/2 or less. I understand that I can do it. On the other hand, if Ls is increased more than twice, the voltage generated in Ls is increased more than twice due to the current change when the power semiconductor cuts off the current, and an overvoltage is applied to the wide bandgap semiconductor, resulting in destruction. Therefore, Ls cannot be simply increased.
di/dtを抑制する方法として、Vccを低減する方法も考えられる。このためには、平滑コンデンサの容量を少なくとも1/2以下に減らし、短絡が発生して過電流が流れた場合に、速やかに平滑コンデンサを放電させてVccを1/2以下に低減する必要がある。しかしながら、平滑コンデンサの容量を低減すると、通常のモータ駆動時に消費される電力により平滑コンデンサに発生するVccの変動分ΔVccが大きくなり、Vccに応じて制御しているモータの動作が不安定となって、モータの振動や車輪の空転などの問題を引き起こす。 As a method of suppressing di / dt, a method of reducing Vcc is also conceivable. For this purpose, it is necessary to reduce the capacity of the smoothing capacitor to at least 1/2 or less, and when a short circuit occurs and an overcurrent flows, the smoothing capacitor is quickly discharged to reduce Vcc to 1/2 or less. is there. However, if the capacity of the smoothing capacitor is reduced, the fluctuation amount ΔVcc of the Vcc generated in the smoothing capacitor due to the power consumed during normal motor driving increases, and the operation of the motor controlled according to Vcc becomes unstable. Causes problems such as motor vibration and wheel slipping.
以上のように、ワイドバンドギャップ半導体を用いたインバータの場合には、短絡発生時に保護回路による保護が困難であるという問題があった。 As described above, in the case of an inverter using a wide band gap semiconductor, there is a problem that it is difficult to protect by a protection circuit when a short circuit occurs.
本発明は、上記問題を解決する手段を提供するものであって、主回路インダクタンスを増やさず、制御安定性も損なうことなく、短絡時の短絡電流を抑制し、ワイドバンドギャップ半導体等を適用したインバータのアーム短絡の保護を可能とする鉄道用電力変換装置を提供することにある。 The present invention provides a means for solving the above-mentioned problems, and does not increase the main circuit inductance, impairs the control stability, suppresses the short-circuit current at the time of short-circuit, and applies a wide band gap semiconductor or the like. An object of the present invention is to provide a railway power converter that can protect an arm short circuit of an inverter.
本発明に係る電力変換装置は、直流電源に接続する一対の直流端子と、負荷に接続する交流端子と、複数の半導体素子から構成され直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と半導体素子のスイッチング時に電荷を供給するために当該逆変換回路の入力側に接続されるスイッチング用コンデンサとを有するインバータパワーユニットと、一対の直流端子とインバータパワーユニットの入力側との間に設ける平滑化用コンデンサとを備え、平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサからインバータパワーユニットに接続されることを特徴とする。 A power conversion device according to the present invention includes a pair of DC terminals connected to a DC power source, an AC terminal connected to a load, an inverse conversion circuit configured of a plurality of semiconductor elements and converting DC power into AC power, and a semiconductor element. An inverter power unit having a switching capacitor connected to the input side of the inverse conversion circuit in order to supply electric charge during switching, and a smoothing capacitor provided between the pair of DC terminals and the input side of the inverter power unit. The smoothing capacitor is connected to the inverter power unit from the smoothing capacitor via a wiring having an inductance greater than or equal to a predetermined value.
本発明によれば、電力変換装置にワイドバンドギャップ半導体などの短絡耐量の短いパワー半導体素子が用いられる場合でも、システムの制御安定性を損なうことなく短絡保護が可能となる。前述した以外の構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even when a power semiconductor device with short short circuit tolerance, such as a wide band gap semiconductor, is used for a power converter, short circuit protection is attained without impairing the control stability of a system. Configurations and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.
以下、図面を用いて実施例1〜3について説明する。 Hereinafter, Examples 1 to 3 will be described with reference to the drawings.
図1は、実施例1に係る鉄道車両用の電力変換装置の構成を示す図である。図1において、図2に示す従来の鉄道車両用の電力変換装置と同じ構成要素については、同一の符号を付している。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a power conversion device for a railway vehicle according to a first embodiment. In FIG. 1, the same components as those of the conventional power converter for a railway vehicle shown in FIG.
実施例1に係る電力変換装置が、図2に示す従来の鉄道車両用の電力変換装置と異なる点は、インバータパワーユニット13と、直流電圧を安定化させるための平滑化用コンデンサ14を有する。インバータパワーユニット13は、直流電力を交流に変換するための逆変換回路10と、スイッチング用コンデンサ12とを有する。
実施例1に係る電力変換装置は、架線20から供給される直流電力を任意周波数・任意電圧の三相交流に変換し、モータ(交流電動機)22に交流電力を供給するもので、架線20から供給される直流電力が端子対(P、N)に入力され、交流端子Aに接続されたモータ22に交流電力が供給される。
The power converter according to the first embodiment is different from the conventional power converter for a railway vehicle shown in FIG. 2 in that it has an
The power conversion device according to the first embodiment converts the DC power supplied from the
また図1において、21は集電装置(パンタグラフ)、24は高速遮断器、25は断流器、26は充電抵抗、11はリアクトル、23は車輪、27はレールである。架線20から得られる直流電力は、パンタグラフ21で集電され、高速遮断器24と断流器25及びリアクトル11を介して端子対(P、N)に入力される。断流器25には電源投入時の突入電流を抑制するために、並列に充電抵抗26が接続されている。リアクトル11は、主回路の一部が接地電位に短絡する、いわゆる地絡故障が発生した際に変電所から過電流が流れ込まないように、電流の増加率di/dtを制限するために断流器と直列に接続される。
In FIG. 1, 21 is a current collector (pantograph), 24 is a high-speed circuit breaker, 25 is a current breaker, 26 is a charging resistor, 11 is a reactor, 23 is a wheel, and 27 is a rail. The DC power obtained from the
逆変換回路10は少なくとも、複数のパワー半導体モジュール2(PU、NU、PV、NV、PW、NW)と、これらパワー半導体モジュール2へ駆動信号を供給するゲート駆動回路15とを有する。また、逆変換回路10は、短絡発生時にパワー半導体モジュール2が破壊されることを防止するための短絡保護回路(非図示)も備えている。この短絡保護回路は、公知のインバータで用いられているものと同じ回路でよい。さらに、逆変換回路10には、これ以外の機器として、たとえばパワー半導体モジュール2を冷却するための冷却器を有していてもよい。
The
本実施例に係る電力変換装置と、図2に示す従来の電力変換装置との違いの1つは、本実施例に係る電力変換装置が、図2に記載の平滑コンデンサ28に代えて、2つのコンデンサ(スイッチング用コンデンサ12と平滑化用コンデンサ14)が備えている点である。
また、図1において、142は平滑化用コンデンサ14とインバータパワーユニット13との間の配線を表しており、この配線142は所定値以上の(寄生)インダクタンスを有する(以下では、この配線142による寄生のインダクタンスをLoと表記する)。なお、図1において、配線142は正極側(端子Pの存在する側)と負極側(端子Nの存在する側)に存在するが、正極側の配線と負極側の配線の(寄生)インダクタンスの合計がLoである。
One of the differences between the power converter according to this embodiment and the conventional power converter shown in FIG. 2 is that the power converter according to this embodiment replaces the smoothing
In FIG. 1,
本実施例に係る電力変換装置の有する逆変換回路10は、逆変換回路10を構成するパワー半導体モジュール2(PU、NU、PV、NV、PW、NW)として、SiC−MOSFET(Silicon-Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いている点が、従来の電力変換装置と異なる(図2に示す従来の電力変換装置は、パワー半導体モジュール2として、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている)。ただし、それ以外の点、たとえば逆変換回路10の配置構成などは、従来の電力変換装置と同じである。
An
パワー半導体モジュール2は、SiC−MOSFETと、このSiC−MOSFETに逆並列に接続されたダイオードから構成される。なお、本実施例では、各パワー半導体モジュール2に用いられる半導体素子がSiC−MOSFETである例を説明するが、SiC−MOSFETに代えて、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いてもよいし、あるいはIGBTを用いてもよい。
The
本実施例の特徴は、従来の電力変換装置で用いられていた平滑コンデンサを、スイッチング用と平滑化用に分離して配置し、平滑化用コンデンサ14を所定値以上の(寄生)インダクタンスを有する配線142を介して逆変換回路10に接続した点にある。
The feature of this embodiment is that the smoothing capacitor used in the conventional power converter is arranged separately for switching and smoothing, and the smoothing
一般に、主回路に搭載されるコンデンサの総容量は、3000μF〜20000μF程度であり、直流電圧や接続されるモータの出力に合わせて選定される。 Generally, the total capacity of capacitors mounted on the main circuit is about 3000 μF to 20000 μF, and is selected according to the DC voltage and the output of the connected motor.
ここで、本実施例のように、従来の電力変換装置が用いていた平滑コンデンサに代えて、スイッチング用コンデンサ12と平滑化用コンデンサ14との2つを設けたことによる効果について説明する。
図3(a)は、アーム短絡発生時にパワー半導体モジュール2(または2’)の半導体素子(SiC−MOSFETまたはIGBT)に流れる電流の時間変化の例を示す図である。図3(a)において、横軸は短絡が発生してからの経過時間を、縦軸は半導体素子に流れる電流の大きさを表す。また、点線は、従来の電力変換装置で短絡が発生した場合に半導体素子に流れる短絡電流を示し、実線は、本実施例に係る電力変換装置において短絡が発生した場合に半導体素子に流れる短絡電流を示す。
Here, the effect obtained by providing two of the switching
FIG. 3A is a diagram illustrating an example of a time change of a current flowing through the semiconductor element (SiC-MOSFET or IGBT) of the power semiconductor module 2 (or 2 ′) when an arm short circuit occurs. In FIG. 3A, the horizontal axis represents the elapsed time since the occurrence of the short circuit, and the vertical axis represents the magnitude of the current flowing through the semiconductor element. A dotted line indicates a short circuit current that flows through the semiconductor element when a short circuit occurs in the conventional power conversion device, and a solid line indicates a short circuit current that flows through the semiconductor element when a short circuit occurs in the power conversion device according to the present embodiment. Indicates.
従来の電力変換装置(たとえば図2)では、インバータパワーユニット13’に用いられる平滑コンデンサ28がひとつの大容量コンデンサ、あるいは一箇所に集約された複数のコンデンサで構成されているため、短絡が発生するとそれらの全てのコンデンサの電荷が放電され、半導体素子に大きな電流が流れるため、点線に示すように、時刻t2にて発熱などにより半導体素子の破壊に至る。
In the conventional power converter (for example, FIG. 2), the smoothing
一方、本実施例に係る電力変換装置の場合には、短絡発生時にスイッチング用コンデンサ12と平滑化用コンデンサ14の両方から電流が流れ込むことになる。しかし、平滑化用コンデンサ14の方は、配線142の(寄生)インダクタンスを介して逆変換回路10に接続されているため、di/dtが制限され、電流値がスイッチング用コンデンサ12からの放電電流よりも小さくなるため、半導体素子に流れる全電流は従来よりも小さくなる。
また、スイッチング用コンデンサ12から大部分の電流が供給されるために、スイッチング用コンデンサ12が先に放電され、時刻t1で電流は減少に転じる。時刻t3に至ると、平滑化用コンデンサ14からの放電電流が、スイッチング用コンデンサ12の放電電流より大きくなるため、半導体素子に流れる電流は再び増加に転じる。この際の電流変化率di/dtは、配線142の(寄生)インダクタンスにより決まる値となる。時刻t4に至って、図1には図示していない短絡保護回路により電流が遮断され、半導体素子が破壊することなくシステムを停止できる。
On the other hand, in the case of the power converter according to the present embodiment, current flows from both the switching
Further, since most of the current is supplied from the switching
次に、図3(b)は、短絡が発生していない通常の動作状態の時に、半導体素子に流れる電流の波形の例を示す図である。図3(b)において、横軸は半導体素子に電流が流れ始めてからの経過時間を表し、縦軸は半導体素子に流れる電流の大きさを表す。また、図3(b)のグラフにおいて、点線は、本実施例に係る電力変換装置に短絡が発生した時の、半導体素子に流れる電流の波形を示し、一方実線は、正常動作時に半導体素子に流れる電流の波形を示す。
通常の動作状態では、負荷であるモータ22のインダクタンスが大きいため、di/dtが制限され電流の増加が緩やかになる。一般に、モータのインダクタンスは数mH程度あり、スイッチング用コンデンサ12や配線142の(寄生)インダクタンスより十分に大きいため、電流は、スイッチング用コンデンサ12及び平滑化用コンデンサ14の両方からほぼ均等に流れることになる。これにより、負荷のモータを駆動する際に、モータのトルク変動などによって発生する直流電圧の変動を、スイッチング用コンデンサ12と平滑化用コンデンサ14の両方で制限でき、十分な直流電圧のダンピング効果が得られる。
Next, FIG. 3B is a diagram illustrating an example of a waveform of a current flowing through the semiconductor element in a normal operation state where no short circuit occurs. In FIG. 3B, the horizontal axis represents the elapsed time after the current starts to flow through the semiconductor element, and the vertical axis represents the magnitude of the current flowing through the semiconductor element. In the graph of FIG. 3B, the dotted line indicates the waveform of the current flowing through the semiconductor element when a short circuit occurs in the power conversion device according to this embodiment, while the solid line indicates the semiconductor element during normal operation. The waveform of the flowing current is shown.
In a normal operation state, since the inductance of the
ただし、スイッチング用コンデンサ12の容量、平滑化用コンデンサ14の容量及びこれらを接続する配線142の(寄生)インダクタンスは、適切に設定する必要がある。
However, the capacitance of the switching
まず、スイッチング用コンデンサ12は、短絡発生時に半導体素子に流れる電流を抑制できる値に設定する必要がある。ワイドバンドギャップ半導体の場合、半導体素子の構造設計にも依存するが、短絡耐量がシリコン素子(シリコンを材料とするIGBT等の半導体素子)の1/2〜1/10程度に減少するため、短絡電流も1/2〜1/10程度に抑制する必要がある。このため、スイッチング用コンデンサ12の容量は、インバータシステムとして必要な全容量、すなわち平滑化用コンデンサの容量の1/2以下にする必要がある。短絡耐量が1/10の半導体素子を適用する場合であれば、スイッチング用コンデンサ12の容量も、平滑化用コンデンサの容量の1/10に設定する。
First, the switching
次に、配線142の(寄生)インダクタンスLoは、短絡発生時の高いdi/dtの電流が素子に流れ込まないように、スイッチング用コンデンサ12と逆変換回路10内との電流経路上のインダクタンスLs(一般に、「主回路インダクタンス」と呼び、以下でも「主回路インダクタンスLs」という)よりも大きく、たとえばLsの2倍以上にする必要がある。特に短絡耐量を考慮すると、配線142の(寄生)インダクタンスLoは、少なくともLsの10倍程度に設定する必要がある。
Next, the (parasitic) inductance Lo of the
例えば、一例として、首都圏などを走行する電車に用いられる直流1500V架線用のインバータにおいて、短絡耐量がシリコンIGBTの1/2のSiC−MOSFETを用いた場合、スイッチング用コンデンサ、平滑化用コンデンサをいずれも3200μFとする。 For example, in an inverter for a direct current 1500V overhead line used for a train traveling in the Tokyo metropolitan area, etc., when a SiC-MOSFET whose short-circuit withstand capability is half that of a silicon IGBT is used, a switching capacitor and a smoothing capacitor are used. Both are set to 3200 μF.
また、主回路インダクタンスLsは、一般に50nH〜200nH程度であることから、配線の(寄生)インダクタンスLoは、この10倍程度として500nH〜2000nH程度に設定するのが望ましい。この場合の配線長としては、50cm〜2m程度を選択すれば適切なLoを設定することができる。 Further, since the main circuit inductance Ls is generally about 50 nH to 200 nH, it is desirable to set the (parasitic) inductance Lo of the wiring to about 500 nH to 2000 nH as about ten times this. As the wiring length in this case, an appropriate Lo can be set by selecting about 50 cm to 2 m.
図4は、実施例2に係る電力変換装置の構成を示す図である。図4において、図1に示す実施例1に係る電力変換装置と同じ構成要素には同一の符号を付してある。実施例2と実施例1との構成上の異なる点は、実施例2に係る電力変換装置では、架線から交流電力が供給される点、そしてそのために、パンタグラフ21とコンバータパワーユニット30の間に主変圧器33を設け、主変圧器33の2次側とインバータパワーユニット13の間に、交流を直流に変換するコンバータパワーユニット30を設けた点にある。
FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the power conversion apparatus according to the second embodiment. In FIG. 4, the same components as those of the power conversion apparatus according to the first embodiment shown in FIG. The difference in configuration between the second embodiment and the first embodiment is that, in the power conversion device according to the second embodiment, AC power is supplied from the overhead line, and for that reason, the main point between the
実施例2に係る電力変換装置の動作を説明する。
交流の架線より得た交流電力を主変圧器33を介して降圧する。コンバータパワーユニット30は、降圧された交流電力を直流電力に変換し、コンバータパワーユニット30の後段にあるインバータパワーユニット13に供給する。コンバータパワーユニット30は、パワー半導体モジュール3(PU、NU、PV、NV)とゲート駆動回路15等で構成される順変換回路32と、スイッチング用コンデンサ31から構成される。インバータパワーユニット13は、任意の三相交流波形を生成し、モータを駆動する。インバータパワーユニット13の構成は、実施例1で説明したものと同じであるため、ここでの説明は略す。
Operation | movement of the power converter device which concerns on Example 2 is demonstrated.
The AC power obtained from the AC overhead wire is stepped down through the
コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13の間には、平滑化用コンデンサ34が配置される。この平滑化用コンデンサ34の容量は、スイッチング用コンデンサ12及びスイッチング用コンデンサ31の容量の2倍以上とする。
また、スイッチング用コンデンサ12と平滑化用コンデンサ34との接続及びスイッチング用コンデンサ31と平滑化用コンデンサ34との接続については、それぞれ、コンバータパワーユニット30及びインバータパワーユニット13の主回路インダクタンスLsの10倍以上のインダクタンスLoを持った配線または導体バーで接続する。ここで、導体バーとは、配線に代り銅やアルミなどで構成した板状の配線のことである。
A smoothing
Further, the connection between the switching
本実施例によれば、コンバータパワーユニット30及びインバータパワーユニット13に内蔵するスイッチング用コンデンサ31及び12の容量を、短絡耐量を確保するために必要な最小限の容量とし、モータ駆動の際に発生する直流電圧の脈動を抑制するために必要な容量を、コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13との間に設けた平滑化用コンデンサ34にて確保する構成とする。
これにより、ワイドバンドギャップ半導体などの短絡耐量の低い半導体素子を使用した場合の短絡耐量を確保しつつ、スイッチング時の跳ね上がり電圧の増加を抑制できる。また、スイッチング用コンデンサ12または31と平滑化用コンデンサ34とを接続する配線の(寄生)インダクタンスLoをコンバータパワーユニット30及びインバータパワーユニット13の主回路インダクタンスLsの10倍程度に設定することにより、短絡発生時に平滑化用コンデンサからの短絡電流の流入を抑制でき、短絡耐量の低下を避けることができる。
According to this embodiment, the capacities of the switching
Thereby, the increase in the jumping voltage at the time of switching can be suppressed, ensuring the short circuit tolerance at the time of using a semiconductor element with low short circuit tolerance, such as a wide band gap semiconductor. Further, by setting the (parasitic) inductance Lo of the wiring connecting the switching
図5は、実施例3に係る電力変換装置の構成を示す図である。図5において、図1及び図4に示す実施例1及び2に係る電力変換装置と同じ構成要素には同一の符号を付してある。実施例3と実施例2との構成上の異なる点は、実施例3では補助電源用パワーユニットを追加した点にある。 FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of the power conversion apparatus according to the third embodiment. In FIG. 5, the same components as those of the power conversion devices according to the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals. The difference in configuration between the third embodiment and the second embodiment is that an auxiliary power unit is added in the third embodiment.
実施例3に係る電力変換装置の動作を説明する。
交流の架線より得た交流電力を主変圧器33を介して降圧する。コンバータパワーユニット30は、降圧された交流電力を直流電力に変換し、コンバータパワーユニット30の後段にあるインバータパワーユニット13に供給する。インバータパワーユニット13は、任意の三相交流波形を生成し、モータを駆動する。
また、コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13との間の直流回路部分には、インバータパワーユニット13と並列に、高速遮断器44、断流器45、リアクトル46、逆流防止用のダイオード47を介して、補助電源用パワーユニット40を接続する。補助電源用パワーユニット40の出力は、三相トランス48に接続され、三相トランスの48の出力は空調などの負荷(非図示)に接続される。
Operation | movement of the power converter device which concerns on Example 3 is demonstrated.
The AC power obtained from the AC overhead wire is stepped down through the
Further, a DC circuit portion between the
コンバータパワーユニット30及びインバータパワーユニット13の構成は、実施例1及び実施例2で説明したものと同じであるため、ここでの説明は略す。補助電源用パワーユニット40は、逆変換回路とスイッチング用コンデンサ42を有し、直流電力を交流に変換するものである。補助電源用パワーユニット40が有する逆変換回路は、実施例1で説明した逆変換回路10と同様、複数のパワー半導体モジュール4及びゲート駆動回路15を有する。
Since the configurations of the
コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13との間には、平滑化用コンデンサ34を配置する。この平滑化用コンデンサ34の容量は、パワーユニット内蔵のスイッチング用コンデンサ12、31及び42のいずれの容量よりも大きく、スイッチング用コンデンサ12、31及び42の容量の2倍以上とする。
また、コンバータパワーユニット30及びインバータパワーユニット13と補助電源用パワーユニット40との間の共振を抑制するためのリアクトル46と逆流防止用のダイオード47も、断流器45と直列に接続される。パワーユニット内蔵のスイッチング用コンデンサ12、31及び42と平滑化用コンデンサ34との接続については、コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13及び補助電源用パワーユニット40の各主回路インダクタンスLsの10倍以上の(寄生)インダクタンスLoを持った配線あるいは導体バーで以て、それぞれを接続する。
A smoothing
A
実施例3の特徴は、コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13及び補助電源用パワーユニット40の間の直流回路に平滑化用コンデンサ34を配置した点にある。
The feature of the third embodiment is that a smoothing
本実施例によれば、コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13及び補助電源用パワーユニット40に内蔵するスイッチング用コンデンサ12、31及び42の容量を、短絡耐量を確保するために必要な最小限の容量とし、モータ駆動の際に発生する直流電圧の脈動を抑制するために必要な容量を、平滑化用コンデンサ34にて確保する構成とする。
これにより、ワイドバンドギャップ半導体などの短絡耐量の低い半導体素子を使用した場合の短絡耐量を確保しつつ、スイッチング時の跳ね上がり電圧の増加を抑制できる。また、スイッチング用コンデンサ12、31及び42と平滑化用コンデンサ34とを接続する配線の(寄生)インダクタンスLoを、コンバータパワーユニット30とインバータパワーユニット13及び補助電源用パワーユニット40の各主回路インダクタンスLsの10倍程度に設定することにより、短絡発生時に平滑化用コンデンサからの短絡電流の流入を抑制でき、短絡耐量の低下を避けることができる。
According to the present embodiment, the capacities of the switching
Thereby, the increase in the jumping voltage at the time of switching can be suppressed, ensuring the short circuit tolerance at the time of using a semiconductor element with low short circuit tolerance, such as a wide band gap semiconductor. Further, the (parasitic) inductance Lo of the wiring connecting the switching
以上、実施例1〜3では、逆変換回路等の電力変換回路に、SiC−MOSFETモジュールを用いた例を述べたが、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体、又はIGBTを用いた電力変換回路であってもよい。すなわち、短絡耐量の短いパワー半導体素子を適用する場合に同様の効果が得られる。 As described above, in Examples 1 to 3, the example in which the SiC-MOSFET module is used for the power conversion circuit such as the inverse conversion circuit has been described. However, a wide band gap semiconductor such as a gallium nitride material or diamond, or an IGBT is used. It may be a power conversion circuit. That is, the same effect can be obtained when a power semiconductor element with a short circuit resistance is applied.
また、実施例1〜3では、2レベル回路について説明したが、3レベル回路または4レベル以上のマルチレベル回路に適用しても、同様の効果が得られることは、当業者にとっては明らかである。 Further, although the two-level circuit has been described in the first to third embodiments, it is obvious to those skilled in the art that the same effect can be obtained even when applied to a three-level circuit or a multi-level circuit having four or more levels. .
2(PU、NU、PV、NV、PW、NW) :パワー半導体モジュール
3(PU、NU、PV、NV) :パワー半導体モジュール
4(PU、NU、PV、NV、PW、NW) :パワー半導体モジュール
10 :逆変換回路
11 :リアクトル
12 :スイッチング用コンデンサ
13 :インバータパワーユニット
14 :平滑化用コンデンサ
15 :ゲート駆動回路
21 :集電装置(パンタグラフ)
22 :モータ
23 :車輪
24 :高速遮断器
25 :断流器
26 :充電抵抗
27 :レール
28 :平滑コンデンサ
30 :コンバータパワーユニット
31 :スイッチング用コンデンサ
32 :順変換回路
33 :主変圧器
34 :平滑化用コンデンサ
35、36:電磁接触器
40 :補助電源用パワーユニット
42 :スイッチング用コンデンサ
44 :高速遮断器
45 :断流器
46 :リアクトル
47 :ダイオード(逆流防止用のダイオード)
48 :三相トランス
142:配線
2 (PU, NU, PV, NV, PW, NW): Power semiconductor module 3 (PU, NU, PV, NV): Power semiconductor module 4 (PU, NU, PV, NV, PW, NW): Power semiconductor module 10: Inverse conversion circuit 11: Reactor 12: Switching capacitor 13: Inverter power unit 14: Smoothing capacitor 15: Gate drive circuit 21: Current collector (pantograph)
22: Motor 23: Wheel 24: High-speed circuit breaker 25: Circuit breaker 26: Charging resistor 27: Rail 28: Smoothing capacitor 30: Converter power unit 31: Switching capacitor 32: Forward conversion circuit 33: Main transformer 34:
48: Three-phase transformer 142: Wiring
Claims (6)
負荷に接続する交流端子と、
複数の半導体素子から構成され直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と前記半導体素子のスイッチング時に電荷を供給するために当該逆変換回路の入力側に接続されるスイッチング用コンデンサとを有するインバータパワーユニットと、
前記一対の直流端子と前記インバータパワーユニットの入力側との間に設ける平滑化用コンデンサと
を備え、
前記平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサから前記インバータパワーユニットに接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 A pair of DC terminals connected to a DC power source;
An AC terminal connected to the load;
Inverter power unit comprising an inverter circuit composed of a plurality of semiconductor elements for converting DC power into AC power, and a switching capacitor connected to the input side of the inverter circuit for supplying electric charge when the semiconductor elements are switched When,
A smoothing capacitor provided between the pair of DC terminals and the input side of the inverter power unit;
The smoothing capacitor is connected to the inverter power unit from the smoothing capacitor via a wiring having an inductance of a predetermined value or more.
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 2. The power conversion device according to claim 1, wherein a capacitance of the switching capacitor is ½ or less of a capacitance of the smoothing capacitor.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1 or 2, wherein the predetermined value of the inductance is set to a value that is twice or more of an inductance on a current path between the switching capacitor and the inverse conversion circuit. .
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor element is a wide band gap semiconductor.
架線から交流電力を集電するパンタグラフと前記一対の直流端子との間に、交流電力を直流電力に変換するコンバータパワーユニットを備える
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The power converter is a railway vehicle power converter,
The converter power unit which converts alternating current power into direct current power is provided between the pantograph which collects alternating current power from an overhead line, and the pair of direct current terminals. Power conversion device.
前記補助電源用パワーユニットは、前記インバータパワーユニットと前記平滑化用コンデンサとの間に並列に接続され、
前記平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサから前記補助電源用パワーユニットに接続される
ことを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。 And a power unit for auxiliary power having a second inverse conversion circuit and a second switching capacitor connected in parallel to the input side of the second inverse conversion circuit,
The auxiliary power unit is connected in parallel between the inverter power unit and the smoothing capacitor,
6. The power converter according to claim 5, wherein the smoothing capacitor is connected from the smoothing capacitor to the auxiliary power unit through a wiring having an inductance of a predetermined value or more.
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