JP2020137298A - Capacitor and insulation circuit - Google Patents

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Abstract

To realize an insulation circuit which electrically insulates a primary side and a secondary side, and can transfer a DC power to both directions between the primary side and the secondary side.SOLUTION: An insulation circuit 10 comprises: a capacitor 20; and first to fourth bidirectional semiconductor switching circuits 30-1 to 30-4. In the capacitor 20, a first electrode pair 25 which functions as a first capacitor connected to a first terminal pair 21 on a primary side and a second electrode pair 27 that functions as a second capacitor connected to a second terminal pair 23 of a secondary side are arranged to partially face each other so as to be bound to a magnetic field. An ON control of the bidirectional semiconductor switching circuits 30-1 and 30-2 and an ON control of the bidirectional semiconductor switching circuits 30-3 and 30-4 are alternately performed, thereby supplying a DC power to the secondary side from the primary side or to the primary side from the secondary side.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路等に関する。 The present invention relates to an insulating circuit or the like that electrically insulates the primary side and the secondary side to accommodate DC power.

従来の交流電気車の主回路は、主変圧器と、コンバータと、インバータとを備えて構成されている(例えば、特許文献1参照)。 The main circuit of a conventional AC electric vehicle is configured to include a main transformer, a converter, and an inverter (see, for example, Patent Document 1).

特開2000−308205号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-308205

交流電気車の主回路を小型化(容積や重量の削減)しようとする場合、構成される機器それぞれを小型化する方策が考えられるが、主回路の機器構成それ自体を変えた新たな主回路も検討されるべきである。例えば、主変圧器を不用とする新たな主回路構成が考えられる。しかし、主変圧器は、交流架線電圧を降圧する機能のほかに、架線側と電動機等の駆動回路側とを電気的に絶縁するという重要な機能を担っている。また、電気車では、電動機を回生ブレーキに用いるため、新たな主回路であっても、架線側から電動機側へ電力を供給する順方向と、電動機側から架線側へ電力を回生する逆方向との両方向に動作する必要がある。 When trying to miniaturize the main circuit of an AC electric vehicle (reduce volume and weight), it is conceivable to reduce the size of each component, but a new main circuit that changes the device configuration of the main circuit itself. Should also be considered. For example, a new main circuit configuration that does not require a main transformer can be considered. However, in addition to the function of stepping down the AC overhead line voltage, the main transformer has an important function of electrically insulating the overhead line side and the drive circuit side of an electric motor or the like. Further, in an electric vehicle, since the electric motor is used for regenerative braking, even in a new main circuit, the forward direction of supplying electric power from the overhead wire side to the electric motor side and the reverse direction of regenerating electric power from the electric motor side to the overhead wire side. It is necessary to operate in both directions.

また、電気車の例を挙げたが、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通することが望まれる技術用途に対しては、同様の要求が考えられる。 In addition, although the example of an electric vehicle is given, for technical applications where it is desired to electrically insulate the primary side and the secondary side and to accommodate DC power in both directions between the primary side and the secondary side. Therefore, similar requirements can be considered.

本発明が解決しようとする課題は、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現すること、特に、当該絶縁回路を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路を実現すること、である。 The problem to be solved by the present invention is to realize an insulating circuit that electrically insulates the primary side and the secondary side and can exchange DC power in both directions between the primary side and the secondary side, particularly. In order to realize the insulation circuit, it is necessary to realize an elemental circuit that plays a key role in accommodating DC power.

上記課題を解決するための第1の発明は、
第1端子対および第2端子対と、
前記第1端子対に接続された第1コンデンサとして機能する第1電極対と、
前記第2端子対に接続された第2コンデンサとして機能する第2電極対と、
を備え、
前記第1電極対と前記第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第1端子対および前記第2端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサである。
The first invention for solving the above problems is
1st terminal pair and 2nd terminal pair,
A first electrode pair that functions as a first capacitor connected to the first terminal pair,
A second electrode pair that functions as a second capacitor connected to the second terminal pair,
With
The first electrode pair and the second electrode pair are partially opposed to each other so as to be electrically coupled.
A capacitor that outputs DC power intermittently applied to one of the first terminal pair and the second terminal pair from the other.

第1の発明によれば、第1端子対と第2端子対とは物理的に接続された導通状態にはないが、第1電極対と第2電極対とが電界結合可能に対向配置されているので、第1端子対および第2端子対の一方の端子対に印加される直流電力を、他方の端子対から出力するコンデンサが実現可能となる。つまり、一方の端子対に直流電力を印加すると、当該一方の端子対に接続された一方の電極対が蓄電されるとともに、電界結合によって他方の電極対も蓄電される。一方の端子対に直流電力が印加されなくなると、他方の電極対の蓄電電力が放電されて他方の端子対から直流電力が出力される。従って、このコンデンサを用いることで、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現することができる。このコンデンサは、当該絶縁回路を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路である。 According to the first invention, the first terminal pair and the second terminal pair are not in a physically connected conductive state, but the first electrode pair and the second electrode pair are arranged so as to be electrically coupled to each other. Therefore, it is possible to realize a capacitor that outputs the DC power applied to one terminal pair of the first terminal pair and the second terminal pair from the other terminal pair. That is, when DC power is applied to one terminal pair, one electrode pair connected to the one terminal pair is stored, and the other electrode pair is also stored by electric field coupling. When DC power is no longer applied to one terminal pair, the stored power of the other electrode pair is discharged and DC power is output from the other terminal pair. Therefore, by using this capacitor, it is possible to realize an insulating circuit that electrically insulates the primary side and the secondary side and can exchange DC power in both directions between the primary side and the secondary side. This capacitor is an element circuit that plays a key role in accommodating DC power in realizing the insulation circuit.

第1電極対と第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置される構成とは、具体的に種々の構成が考えられる。
例えば、第2の発明として、第1の発明において、
前記第1電極対および前記第2電極対の一方の電極対を構成する2つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
As the configuration in which the first electrode pair and the second electrode pair are partially opposed to each other so as to be electrically coupled, various configurations can be specifically considered.
For example, as a second invention, in the first invention,
The facing arrangement was made by arranging the electrode elements of the other electrode pair so as to be partially sandwiched between the two electrode elements constituting the first electrode pair and one electrode pair of the second electrode pair. ,
A capacitor may be realized.

また、第3の発明として、第1又は第2の発明において、
前記第1電極対を構成する2つの電極素子と、前記第2電極対を構成する2つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
Further, as a third invention, in the first or second invention,
The two electrode elements constituting the first electrode pair and the two electrode elements constituting the second electrode pair were arranged so as to partially overlap each other to form the facing arrangement.
A capacitor may be realized.

また、第4の発明として、第1の発明において、
前記第1電極対を構成する各電極素子は、前記第1コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第2電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第2電極対を構成する各電極素子は、前記第2コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第1電極対と対向する屈曲部分とを有する、
コンデンサを実現することとしてもよい。
Further, as a fourth invention, in the first invention,
Each electrode element constituting the first electrode pair has a basic facing portion that functions as the first capacitor and a bent portion that faces the second electrode pair.
Each electrode element constituting the second electrode pair has a basic facing portion that functions as the second capacitor and a bent portion that faces the first electrode pair.
A capacitor may be realized.

第5の発明は、第1〜第4の何れかの発明において、
前記第1端子対は、第1正極端子および第1負極端子を有し、
前記第2端子対は、第2正極端子および第2負極端子を有し、
前記第1電極対は、前記第1正極端子に接続された第1正電極素子と、前記第1負極端子に接続された第1負電極素子とを有し、
前記第2電極対は、前記第2正極端子に接続された第2正電極素子と、前記第2負極端子に接続された第2負電極素子とを有し、
前記第1正電極素子と前記第2正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第1負電極素子と前記第2負電極素子とが部分的に対向配置された、
コンデンサである。
The fifth invention is the fifth invention in any one of the first to fourth inventions.
The first terminal pair has a first positive electrode terminal and a first negative electrode terminal.
The second terminal pair has a second positive electrode terminal and a second negative electrode terminal.
The first electrode pair has a first positive electrode element connected to the first positive electrode terminal and a first negative electrode element connected to the first negative electrode terminal.
The second electrode pair has a second positive electrode element connected to the second positive electrode terminal and a second negative electrode element connected to the second negative electrode terminal.
The first positive electrode element and the second positive electrode element are partially arranged to face each other.
The first negative electrode element and the second negative electrode element are partially opposed to each other.
It is a capacitor.

第5の発明によれば、第1電極対および第2電極対それぞれの正電極素子が部分的に対向配置され、負電極素子が部分的に対向配置されることで、第1電極対と第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置されたコンデンサを構成することができる。 According to the fifth invention, the positive electrode elements of the first electrode pair and the second electrode pair are partially opposed to each other, and the negative electrode elements are partially opposed to each other, whereby the first electrode pair and the second electrode pair are arranged. It is possible to form a capacitor in which two electrode pairs are partially opposed to each other so as to be electrically coupled.

第6の発明は、
一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
第1〜第5の何れかの発明のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1正極端子との間に設けられた第1双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1負極端子との間に設けられた第2双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2正極端子との間に設けられた第3双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2負極端子との間に設けられた第4双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第1双方向半導体スイッチ回路および前記第2双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第3双方向半導体スイッチ回路および前記第4双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路である。
The sixth invention is
It is an insulation circuit that electrically insulates between the primary side and the secondary side to accommodate DC power.
With the capacitor of any of the first to fifth inventions,
A first bidirectional semiconductor switch circuit provided between the primary side of the high-voltage side line and the first positive electrode terminal of the first terminal pair,
A second bidirectional semiconductor switch circuit provided between the primary side of the low voltage side line and the first negative electrode terminal of the first terminal pair,
A third bidirectional semiconductor switch circuit provided between the secondary side of the high-voltage side line and the second positive electrode terminal of the second terminal pair,
A fourth bidirectional semiconductor switch circuit provided between the secondary side of the low voltage side line and the second negative electrode terminal of the second terminal pair,
With
By alternately performing the ON control of the first bidirectional semiconductor switch circuit and the second bidirectional semiconductor switch circuit and the ON control of the third bidirectional semiconductor switch circuit and the fourth bidirectional semiconductor switch circuit. An insulating circuit that supplies DC power from the primary side to the secondary side, or from the secondary side to the primary side.

第6の発明によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現することができる。つまり、コンデンサの第1端子対に接続された第1および第2双方向半導体スイッチ回路と、第2端子対に接続された第3および第4双方向半導体スイッチ回路とを交互にオン制御することで、コンデンサ(電極対)への蓄電および蓄電電力の放電を交互に行わせて、一次側の第1端子対および二次側の第2端子対の一方の端子対に印加される直流電力を、他方の端子対に出力することができる。これにより、一次側と二次側とを電気的に絶縁しつつ、両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現できる。 According to the sixth invention, it is possible to realize an insulating circuit that electrically insulates the primary side and the secondary side and can exchange DC power in both directions between the primary side and the secondary side. That is, the first and second bidirectional semiconductor switch circuits connected to the first terminal pair of the capacitor and the third and fourth bidirectional semiconductor switch circuits connected to the second terminal pair are alternately turned on and controlled. Then, the capacitor (electrode pair) is stored and the stored power is discharged alternately, and the DC power applied to one terminal pair of the first terminal pair on the primary side and the second terminal pair on the secondary side is applied. , Can be output to the other terminal pair. As a result, it is possible to realize an insulating circuit capable of accommodating DC power in both directions while electrically insulating the primary side and the secondary side.

第7の発明は、第6の発明において、
前記第1〜第4双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、
絶縁回路である。
The seventh invention is the sixth invention.
The first to fourth bidirectional semiconductor switch circuits are configured by connecting a basic circuit in which diode elements are connected in antiparallel to a switching element in series so that the forward directions of the diode elements face each other.
It is an insulated circuit.

第7の発明によれば、双方向半導体スイッチ回路を、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成することで、双方向半導体スイッチ回路のオン制御として2つのスイッチング素子の何れをオン制御するかによって、通流方向を一方向に制限することができる。 According to the seventh invention, a bidirectional semiconductor switch circuit is configured by connecting a basic circuit in which a diode element is connected in antiparallel to a switching element in series so that the forward directions of the diode elements face each other. The flow direction can be limited to one direction depending on which of the two switching elements is on-controlled as the on-control of the switch circuit.

絶縁回路の構成例。Configuration example of an insulated circuit. コンデンサの原理的な構造例。Principle structural example of a capacitor. 電界結合による等価回路の一例。An example of an equivalent circuit by electric field coupling. 絶縁回路の制御装置の他の構成例。Other configuration examples of insulation circuit controls. 力行運転時の絶縁回路の動作説明図。The operation explanatory drawing of the insulation circuit at the time of power running operation. 回生運転時の絶縁回路の動作説明図。An operation explanatory diagram of an insulation circuit during regenerative operation. 絶縁回路を組み込んだインバータの構成例。Configuration example of an inverter incorporating an insulation circuit. シミュレーション回路の構成図。Configuration diagram of the simulation circuit. シミュレーション結果のグラフ。Graph of simulation results. 第1実施例における交流電気車用の主回路構成図。The main circuit block diagram for an AC electric vehicle in 1st Example. 第2実施例における交流電気車用の主回路構成図。The main circuit block diagram for the AC electric vehicle in the 2nd Example. コンデンサの他の構造例。Other structural examples of capacitors. コンデンサの他の構造例。Other structural examples of capacitors.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments described below do not limit the present invention, and the embodiments to which the present invention can be applied are not limited to the following embodiments. Further, in the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals.

[回路構成]
図1は、本実施形態の絶縁回路10の回路構成を示す図である。図1によれば、絶縁回路10は、一次側が直流電源側に接続され、二次側が電動機60を駆動するインバータ50に接続されて、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する回路であり、電源ラインの中間に設けられている。なお、インバータ50は、いわゆる1C1Mとして1台の電動機を駆動制御することとしてもよいし、1C2Mや1C4Mとして複数台の電動機を駆動制御することとしてもよい。
[Circuit configuration]
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of the insulation circuit 10 of the present embodiment. According to FIG. 1, in the insulation circuit 10, the primary side is connected to the DC power supply side, the secondary side is connected to the inverter 50 that drives the electric motor 60, and the primary side and the secondary side are electrically insulated to form a DC. It is a circuit that accommodates electric power and is installed in the middle of the power supply line. The inverter 50 may drive and control one electric motor as a so-called 1C1M, or may drive and control a plurality of electric motors as 1C2M or 1C4M.

絶縁回路10の二次側に接続されたインバータ50は、従来のインバータを用いることができる。なお、従来のインバータの入力段には、コンデンサ(フィルタコンデンサ)が設けられているのが一般的である(図1中の破線)。コンデンサを備えないインバータを用いる場合には、絶縁回路10の出力段(二次側の高圧側ラインHLと低圧側ラインLLとの間)にコンデンサを設けて出力電圧を平滑化して出力することにしてもよい。 As the inverter 50 connected to the secondary side of the insulation circuit 10, a conventional inverter can be used. A capacitor (filter capacitor) is generally provided in the input stage of the conventional inverter (broken line in FIG. 1). When using an inverter without a capacitor, a capacitor is provided in the output stage of the insulation circuit 10 (between the high voltage side line HL on the secondary side and the low voltage side line LL) to smooth the output voltage and output. You may.

また、絶縁回路10の一次側は、給電ラインや電源回路、直流安定化回路、コンバータ等に接続される。これらの電源側の出力段には、電圧安定化等のためにコンデンサ(フィルタコンデンサ)が設けられているのが通常である(図1中の破線)。コンデンサが設けられていない場合には、絶縁回路10の入力段(一次側の高圧側ラインHLと低圧側ラインLLとの間)にコンデンサを設けることとしてもよい。 Further, the primary side of the insulation circuit 10 is connected to a power supply line, a power supply circuit, a DC stabilization circuit, a converter, and the like. A capacitor (filter capacitor) is usually provided in the output stage on the power supply side for voltage stabilization and the like (broken line in FIG. 1). When a capacitor is not provided, a capacitor may be provided in the input stage of the insulation circuit 10 (between the high voltage side line HL on the primary side and the low voltage side line LL).

絶縁回路10は、コンデンサ20と、4つの双方向半導体スイッチ回路30(30−1〜30−4)とを有して構成される。 The insulation circuit 10 includes a capacitor 20 and four bidirectional semiconductor switch circuits 30 (30-1 to 30-4).

コンデンサ20は、第1正極端子22aおよび第1負極端子22bを有して絶縁回路10の一次側と接続される第1端子対21と、第2正極端子24aおよび第2負極端子24bを有して絶縁回路10の二次側と接続される第2端子対23とを有する。 The capacitor 20 has a first terminal pair 21 having a first positive electrode terminal 22a and a first negative electrode terminal 22b and being connected to the primary side of the insulation circuit 10, and a second positive electrode terminal 24a and a second negative electrode terminal 24b. It has a second terminal pair 23 connected to the secondary side of the insulation circuit 10.

双方向半導体スイッチ回路30は、スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続した2つの基本回路を、互いのダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成される。双方向半導体スイッチ回路30は、どちらのスイッチング素子をオン制御するかによって通流方向を制御可能である。電源ラインの高圧側(例えば、プラス側或いは非接地側)を高圧側ラインHL、低圧側(例えば、マイナス側或いは接地側)を低圧側ラインLLとすると、双方向半導体スイッチ回路30−1は、一次側の高圧側ラインHLと、コンデンサ20の第1正極端子22aとの間に設けられ、双方向半導体スイッチ回路30−2は、一次側の低圧側ラインLLと、コンデンサ20の第1負極端子22bとの間に設けられる。双方向半導体スイッチ回路30−3は、二次側の高圧側ラインHLと、コンデンサ20の第2正極端子24aとの間に設けられ、双方向半導体スイッチ回路30−4は、二次側の低圧側ラインLLと、コンデンサ20の第2負極端子24bとの間に設けられる。 The bidirectional semiconductor switch circuit 30 is configured by connecting two basic circuits in which a switching element and a diode element are connected in antiparallel to each other in series so that the forward directions of the diode elements face each other. The bidirectional semiconductor switch circuit 30 can control the flow direction depending on which switching element is on-controlled. Assuming that the high voltage side (for example, the positive side or the non-grounded side) of the power supply line is the high voltage side line HL and the low voltage side (for example, the negative side or the grounded side) is the low voltage side line LL, the bidirectional semiconductor switch circuit 30-1 The bidirectional semiconductor switch circuit 30-2 is provided between the high voltage side line HL on the primary side and the first positive electrode terminal 22a of the capacitor 20, and the bidirectional semiconductor switch circuit 30-2 is provided between the low voltage side line LL on the primary side and the first negative electrode terminal of the capacitor 20. It is provided between 22b. The bidirectional semiconductor switch circuit 30-3 is provided between the high voltage side line HL on the secondary side and the second positive electrode terminal 24a of the capacitor 20, and the bidirectional semiconductor switch circuit 30-4 is a low voltage side on the secondary side. It is provided between the side line LL and the second negative electrode terminal 24b of the capacitor 20.

双方向半導体スイッチ回路30を構成するスイッチング素子およびダイオード素子は、いわゆるパワーデバイスを利用することができる。例えば、GTO(Gate Turn-Off thyristor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のほか、Si−IGBT(Silicon-Insulated Gate Bipolar Transistor),SiC−SBD(Silicon Carbide-Schottky Barrier Diode)、SiC−MOSFET、SiC−IGBTなど、絶縁回路10の使用電圧によって適宜選択することができる。 A so-called power device can be used as the switching element and the diode element constituting the bidirectional semiconductor switch circuit 30. For example, in addition to GTO (Gate Turn-Off thyristor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Si-IGBT (Silicon-Insulated Gate Bipolar Transistor), SiC-SBD (Silicon Carbide-Schottky Barrier Diode), SiC-MOSFET, SiC -It can be appropriately selected depending on the working voltage of the insulating circuit 10, such as IGBT.

図2は、コンデンサ20の原理的な構造を示す図である。図2によれば、コンデンサ20は、第1コンデンサとして機能する第1電極対25と、第2コンデンサとして機能する第2電極対27とを備えて構成される。第1電極対25は、第1正極端子22aに接続された第1正電極素子26aと、第1負極端子22bに接続された第1負電極素子26bとが対向配置されて構成される。第2電極対27は、第2正極端子24aに接続された第2正電極素子28aと、第2負極端子24bに接続された第2負電極素子28bとが対向配置されて構成される。つまり、第1端子対21と第2端子対23とは物理的に接続された導通状態にはない。 FIG. 2 is a diagram showing a principle structure of the capacitor 20. According to FIG. 2, the capacitor 20 includes a first electrode pair 25 that functions as a first capacitor and a second electrode pair 27 that functions as a second capacitor. The first electrode pair 25 is configured such that the first positive electrode element 26a connected to the first positive electrode terminal 22a and the first negative electrode element 26b connected to the first negative electrode terminal 22b are arranged to face each other. The second electrode pair 27 is configured such that the second positive electrode element 28a connected to the second positive electrode terminal 24a and the second negative electrode element 28b connected to the second negative electrode terminal 24b are arranged to face each other. That is, the first terminal pair 21 and the second terminal pair 23 are not in a physically connected conductive state.

また、第1電極対25と第2電極対27とは、電界結合可能に部分的に対向配置されている。具体的には、第1電極対25および第2電極対27の一方の電極対を構成する2つの電極素子の間に、他方の電極対の1つの電極素子を部分的に挟むように配置されて対向配置がなされている。より詳細には、第1電極対25を構成する2つの電極素子である第1正電極素子26aおよび第1負電極素子26bと、第2電極対27を構成する2つの電極素子である第2正電極素子28aおよび第2負電極素子28bとが、互い違いに部分的に重なるように配置されている。 Further, the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27 are partially opposed to each other so as to be electrically coupled. Specifically, it is arranged so as to partially sandwich one electrode element of the other electrode pair between the two electrode elements constituting one electrode pair of the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27. Are facing each other. More specifically, the first positive electrode element 26a and the first negative electrode element 26b, which are the two electrode elements constituting the first electrode pair 25, and the second electrode element, which is the two electrode elements constituting the second electrode pair 27. The positive electrode element 28a and the second negative electrode element 28b are arranged so as to partially overlap each other.

第1電極対25の電極素子の面積をS、電極素子間の距離をdとし、第2電極対27の電極素子の面積をS、電極素子間の距離をdとする。また、第1正電極素子26a、第2正電極素子28a、第2負電極素子28b、第2負電極素子28bが互いに重なる対向部分の面積をS、対向部分間の距離をdとする。そして、第1正極端子22aと第1負極端子22bとの間に直流電圧Vを印加し、第2正極端子24aと第2負極端子24bとの間に直流電圧V2を印加した場合に、第1電極対25に蓄えられる電荷Q、および、第2電極対27に蓄えられる電荷Qは、電束密度Dを用いると、それぞれ、次式(1),(2)で与えられる。

Figure 2020137298
The area of the electrode element of the first electrode pair 25 is S 1 , the distance between the electrode elements is d 1 , the area of the electrode element of the second electrode pair 27 is S 2 , and the distance between the electrode elements is d 2 . The first positive electrode element 26a, the second positive electrode element 28a, the second negative electrode element 28b, the area of the opposed portion where the second negative electrode element 28b mutually overlap S m, the distance between opposing portions and d m .. When the DC voltages V 1 is applied between the first positive terminal 22a and the first negative terminal 22b, and the DC voltage V2 between the second positive terminal 24a and the second negative terminal 24b is applied, the The electric charge Q 1 stored in the 1-electrode pair 25 and the electric charge Q 2 stored in the 2nd electrode pair 27 are given by the following equations (1) and (2), respectively, using the electric flux density D.
Figure 2020137298

式(1)において、Dは、第1電極対25において第2電極対27と重ならない部分の電極素子間の電束密度であり、当該電極素子間の誘電率をεとして、式(3)で与えられる。式(2)において、Dは、第2電極対27において第1電極対25と重ならない部分の電極素子間の電束密度であり、当該電極素子間の誘電率をεとして、式(4)で与えられる。式(1),(2)において、Dは、第1電極対25と第2電極対27とが重なる対向部分間の電束密度であり、当該対向部分間の誘電率をεとして、次式(5)で与えられる。

Figure 2020137298
In the formula (1), D 1 is the electric flux density between the electrode elements of the portion of the first electrode pair 25 that does not overlap with the second electrode pair 27, and the dielectric constant between the electrode elements is ε 1 , and the formula ( 1 ) Given in 3). In the formula (2), D 2 is the electric flux density between the electrode elements in the portion of the second electrode pair 27 that does not overlap with the first electrode pair 25, and the dielectric constant between the electrode elements is ε 2 , and the formula ( 2 ) It is given in 4). In the formulas (1) and (2), D m is the electric flux density between the facing portions where the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27 overlap, and the dielectric constant between the facing portions is ε m . It is given by the following equation (5).
Figure 2020137298

式(3)〜(5)を用いると、式(1),(2)は、次式(6),(7)のように変形される。

Figure 2020137298
なお、式(6),(7)における誘電率ε,ε,εは、電極素子間で全て等しく、ε=ε=ε=ε、としても良い。 Using equations (3) to (5), equations (1) and (2) are transformed into the following equations (6) and (7).
Figure 2020137298
The dielectric constants ε 1 , ε 2 , and ε m in the equations (6) and (7) are all equal between the electrode elements, and ε 1 = ε 2 = ε m = ε may be set.

また、図3に示すように、2つのコンデンサが電界結合する場合、その結合部分はπ形回路の等価回路で示すことができる。本実施形態のコンデンサ20は、コンデンサとして機能する第1電極対25および第2電極対27が電界結合可能に配置されて構成されるから、図3の等価回路で表されるとすると、コンデンサ20についての式(6),(7)から、等価回路におけるキャパシタンスC,C2,Cそれぞれについて、次式(8)〜(10)が成り立つ。

Figure 2020137298
Further, as shown in FIG. 3, when two capacitors are electrically coupled, the coupling portion can be indicated by an equivalent circuit of a π-type circuit. Since the capacitor 20 of the present embodiment is configured by arranging the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27 that function as capacitors so as to be electrically coupled, if it is represented by the equivalent circuit of FIG. 3, the capacitor 20 formula for (6), (7), the capacitance C 1, C2, C m, respectively, in the equivalent circuit, the following equation holds (8) to (10).
Figure 2020137298

[回路動作]
次に、絶縁回路10の動作について説明する。絶縁回路10は、基本的にインバータ50の動作に合わせて動作する。そのため、本実施形態では、インバータ50の制御装置40が、絶縁回路10を動作制御する機能を有することとする。具体的には、制御装置40は、絶縁回路制御装置41を有し、この絶縁回路制御装置41が、インバータ50が電動機60に電力を供給して引張力を発生させる力行運転の制御中であるか、電動機60を回生ブレーキとして用いる回生運転の制御中であるかによって、各双方向半導体スイッチ回路30(30−1〜30−4)に対してオン/オフを指示する動作指示信号を出力することで、絶縁回路10の動作を切り替える。双方向半導体スイッチ回路30は直列接続した2つのスイッチング素子を有するので、双方向半導体スイッチ回路30に対する動作指示信号は、インバータ50の動作に応じた通流方向となるように、どちらのスイッチング素子をオンするかを指示する信号となる。
[Circuit operation]
Next, the operation of the insulation circuit 10 will be described. The insulation circuit 10 basically operates in accordance with the operation of the inverter 50. Therefore, in the present embodiment, the control device 40 of the inverter 50 has a function of controlling the operation of the insulation circuit 10. Specifically, the control device 40 has an insulation circuit control device 41, and the insulation circuit control device 41 is controlling a regenerative operation in which the inverter 50 supplies electric power to the electric motor 60 to generate a tensile force. An operation instruction signal for instructing on / off is output to each bidirectional semiconductor switch circuit 30 (30-1 to 30-4) depending on whether the regenerative operation using the electric motor 60 as a regenerative brake is being controlled. As a result, the operation of the insulation circuit 10 is switched. Since the bidirectional semiconductor switch circuit 30 has two switching elements connected in series, which switching element is used so that the operation instruction signal for the bidirectional semiconductor switch circuit 30 is in the flow direction according to the operation of the inverter 50. It becomes a signal instructing whether to turn on.

なお、図4に示すように、絶縁回路制御装置41をインバータ50の制御装置40とは別体の装置として構成し、絶縁回路制御装置41は、制御装置40から力行運転の制御中であるか回生運転の制御中であるかの信号を入力して絶縁回路10の動作を制御するようにしてもよい。 As shown in FIG. 4, the insulation circuit control device 41 is configured as a device separate from the control device 40 of the inverter 50, and is the insulation circuit control device 41 being controlled by the control device 40 for power running operation? The operation of the insulation circuit 10 may be controlled by inputting a signal indicating whether the regenerative operation is being controlled.

図5,図6を参照して、絶縁回路10の動作を具体的に説明する。図5は、力行運転時の絶縁回路10の動作を説明するための図である。力行運転時においては、絶縁回路10は、絶縁回路制御装置41からの動作指示信号に従って、双方向半導体スイッチ回路30−1,30−2をオン制御する図5(1)の状態と、双方向半導体スイッチ回路30−3,30−4をオン制御する図5(2)の状態とを交互に切り替える。 The operation of the insulation circuit 10 will be specifically described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the insulation circuit 10 during power running operation. During the power running operation, the insulation circuit 10 is bidirectional with the state of FIG. 5 (1) in which the bidirectional semiconductor switch circuits 30-1 and 30-2 are on-controlled according to the operation instruction signal from the insulation circuit control device 41. The state shown in FIG. 5 (2), in which the semiconductor switch circuits 30-3 and 30-4 are turned on and controlled, is alternately switched.

具体的には、図5(1)の状態においては、双方向半導体スイッチ回路30−1については、コンデンサ20の第1正極端子22aに近いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路30−2については、コンデンサ20の第1負極端子22bから遠いほうのスイッチング素子をオン制御することで、一次側の高圧側ラインHLから、コンデンサ20を経由して、一次側の低圧側ラインLLに向かう方向が通流方向となる。 Specifically, in the state of FIG. 5 (1), for the bidirectional semiconductor switch circuit 30-1, the switching element closer to the first positive electrode terminal 22a of the capacitor 20 is turned on and controlled, and the bidirectional semiconductor switch circuit For 30-2, by controlling on the switching element farther from the first negative electrode terminal 22b of the capacitor 20, the high-voltage side line HL on the primary side passes through the capacitor 20 and the low-voltage side line LL on the primary side. The direction toward is the flow direction.

また、図5(2)の状態においては、双方向半導体スイッチ回路30−3については、コンデンサ20の第2正極端子24aから遠いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路30−4については、コンデンサ20の第2負極端子24bに近いほうのスイッチング素子をオン制御することで、二次側の低圧側ラインLLから、コンデンサ20を経由して、二次側の高圧側ラインHLに向かう方向が通流方向となる。 Further, in the state of FIG. 5 (2), with respect to the bidirectional semiconductor switch circuit 30-3, the switching element farther from the second positive electrode terminal 24a of the capacitor 20 is turned on and controlled, and the bidirectional semiconductor switch circuit 30-4 is controlled. By turning on the switching element closer to the second negative electrode terminal 24b of the capacitor 20, the low-voltage side line LL on the secondary side is changed to the high-voltage side line HL on the secondary side via the capacitor 20. The direction of travel is the flow direction.

従って、図5(1)の状態で電源側から供給された電力がコンデンサ20に蓄電され、図5(2)の状態でコンデンサ20の蓄電電力が放電されてインバータ50に供給される。このため、絶縁回路10の一次側と二次側とが電気的に絶縁されて、一次側から二次側へ直流電力が供給される。この図5(1)の状態と図5(2)の状態とを切り替える周波数は、インバータ50の仕様に応じて適宜設定することができる。 Therefore, the electric power supplied from the power supply side in the state of FIG. 5 (1) is stored in the capacitor 20, and the stored electric power of the capacitor 20 is discharged and supplied to the inverter 50 in the state of FIG. 5 (2). Therefore, the primary side and the secondary side of the insulation circuit 10 are electrically insulated, and DC power is supplied from the primary side to the secondary side. The frequency for switching between the state of FIG. 5 (1) and the state of FIG. 5 (2) can be appropriately set according to the specifications of the inverter 50.

図6は、回生運転時の絶縁回路の動作を説明するための図である。回生運転時においては、絶縁回路10は、絶縁回路制御装置41からの動作指示信号に従って、双方向半導体スイッチ回路30−3,30−4をオン制御する図6(1)の状態と、双方向半導体スイッチ回路30−1,30−2をオン制御する図6(2)の状態とを交互に切り替える。 FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the insulation circuit during the regenerative operation. During the regenerative operation, the insulation circuit 10 is bidirectional with the state of FIG. 6 (1) in which the bidirectional semiconductor switch circuits 30-3 and 30-4 are on-controlled according to the operation instruction signal from the insulation circuit control device 41. The state shown in FIG. 6 (2), in which the semiconductor switch circuits 30-1 and 30-2 are turned on and controlled, is alternately switched.

具体的には、図6(1)の状態においては、双方向半導体スイッチ回路30−3については、コンデンサ20の第2正極端子24aに近いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路30−4については、コンデンサ20の第2負極端子24bから遠いほうのスイッチング素子をオン制御することで、二次側の高圧側ラインHLから、コンデンサ20を経由して、二次側の低圧側ラインLLに向かう方向が通流方向となる。 Specifically, in the state of FIG. 6 (1), for the bidirectional semiconductor switch circuit 30-3, the switching element closer to the second positive electrode terminal 24a of the capacitor 20 is turned on and controlled, and the bidirectional semiconductor switch circuit For 30-4, by controlling the switching element farther from the second negative electrode terminal 24b of the capacitor 20 on, the high voltage side line HL on the secondary side passes through the capacitor 20 and the low voltage side on the secondary side. The direction toward the line LL is the flow direction.

また、図6(2)の状態においては、双方向半導体スイッチ回路30−1については、コンデンサ20の第1正極端子22aから遠いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路30−2については、コンデンサ20の第1負極端子22bに近いほうのスイッチング素子をオン制御することで、一次側の低圧側ラインLLから、コンデンサ20を経由して、一次側の高圧側ラインHLに向かう方向が通流方向となる。 Further, in the state of FIG. 6 (2), for the bidirectional semiconductor switch circuit 30-1, the switching element farther from the first positive electrode terminal 22a of the capacitor 20 is turned on and controlled, and the bidirectional semiconductor switch circuit 30-2 is controlled. By controlling the switching element closer to the first negative electrode terminal 22b of the capacitor 20 on, the direction from the low voltage side line LL on the primary side to the high voltage side line HL on the primary side via the capacitor 20. Is the flow direction.

図6(1)の状態でインバータ50から供給された回生電力がコンデンサ20に蓄電され、図6(2)の状態でコンデンサ20の蓄電電力が放電されて電源側に供給される。このため、絶縁回路10の一次側と二次側とが電気的に絶縁されて、二次側から一次側へ直流電力が供給される。この図6(1)の状態と図6(2)の状態とを切り替える周波数は、インバータ50の仕様に応じて適宜設定することができる。 The regenerative power supplied from the inverter 50 in the state of FIG. 6 (1) is stored in the capacitor 20, and the stored power of the capacitor 20 is discharged in the state of FIG. 6 (2) and supplied to the power supply side. Therefore, the primary side and the secondary side of the insulation circuit 10 are electrically insulated, and DC power is supplied from the secondary side to the primary side. The frequency for switching between the state of FIG. 6 (1) and the state of FIG. 6 (2) can be appropriately set according to the specifications of the inverter 50.

以上、絶縁回路10について説明したが、絶縁回路10は、インバータ50の動作に合わせて動作するため、絶縁回路10をインバータ50に組み込んだ構成としても良い。具体的には、図7に示すように、直流電力を交流電力に変換した駆動電力を電動機60に供給する電力変換回路53の前段に絶縁回路10を備えたインバータ51を構成することとしてもよい。また、図7においては、制御装置40をも一体とした構成を例示しているが、制御装置40はインバータ51と別体の装置とすることとしても良い。 Although the insulation circuit 10 has been described above, since the insulation circuit 10 operates in accordance with the operation of the inverter 50, the insulation circuit 10 may be incorporated into the inverter 50. Specifically, as shown in FIG. 7, an inverter 51 having an insulation circuit 10 in front of a power conversion circuit 53 that supplies drive power obtained by converting DC power to AC power to an electric motor 60 may be configured. .. Further, although FIG. 7 illustrates a configuration in which the control device 40 is also integrated, the control device 40 may be a device separate from the inverter 51.

[試験結果]
続いて、絶縁回路10に対する試験結果を説明する。試験は、絶縁回路10の等価回路に対するシミュレーションとして行った。図8に、シミュレーション回路の構成を示す。図8に示すように、シミュレーション回路は、コンデンサ20を図3に示した等価回路として絶縁回路10を構成した。この絶縁回路10の一次側(電源側)に直流3000Vの直流電源Vを接続し、二次側に平滑コンデンサおよび30Ωの負荷抵抗Rを並列接続して、絶縁回路10の一次側から二次側へ直流電力を供給する場合を模擬した。そして、絶縁回路10の一次側の高圧側ラインHLからコンデンサ20に向かって流れる一次側電流i、コンデンサ20から絶縁回路10の二次側の高圧側ラインHLに向かって流れる二次側電流i、二次側の出力電圧となる平滑コンデンサの両端電圧V、負荷Rに流れる負荷電流iout、を測定した。
[Test results]
Subsequently, the test results for the insulating circuit 10 will be described. The test was performed as a simulation for the equivalent circuit of the insulation circuit 10. FIG. 8 shows the configuration of the simulation circuit. As shown in FIG. 8, in the simulation circuit, the insulating circuit 10 is configured by using the capacitor 20 as the equivalent circuit shown in FIG. The primary side of the isolation circuit 10 (power supply side) connecting the DC power supply V i of the DC 3000 V, a load resistance R of the smoothing capacitor and 30Ω connected in parallel to the secondary side, the secondary from the primary side of the isolation circuit 10 The case of supplying DC power to the side was simulated. Then, the primary side current i 1 flowing from the high voltage side line HL on the primary side of the insulation circuit 10 toward the capacitor 20, and the secondary side current i 1 flowing from the capacitor 20 toward the high voltage side line HL on the secondary side of the insulation circuit 10. 2. The voltage across the smoothing capacitor V B , which is the output voltage on the secondary side, and the load current i out flowing through the load R were measured.

図9は、図8のシミュレーション回路に対するシミュレーション結果である。図9では、横軸を時刻、右側の縦軸を電圧、左側の縦軸を電流として、電源電圧V、出力電圧V、一次側電流i、二次側電流i、負荷電流iout、のそれぞれを示している。なお、一次側の双方向半導体スイッチ回路30−1,30−2のオン制御と、二次側の双方向半導体スイッチ回路30−3,30−4のオン制御との切替周期を、0.025ms(=40kHz)、とした。 FIG. 9 is a simulation result for the simulation circuit of FIG. In FIG. 9, the horizontal axis is time, the vertical axis on the right side is voltage, and the vertical axis on the left side is current, and the power supply voltage V i , output voltage V B , primary side current i 1 , secondary side current i 2 , and load current i Each of out is shown. The switching cycle between the on-control of the bidirectional semiconductor switch circuits 30-1 and 30-2 on the primary side and the on-control of the bidirectional semiconductor switch circuits 30-3 and 30-4 on the secondary side is 0.025 ms. (= 40 kHz).

図9によれば、直流3000Vの電源電圧Vに対して、ほぼ等しい直流2850V程度の出力電圧Vが得られた。また、直流100Aの負荷電流ioutが得られた。つまり、絶縁回路10の一次側(電源側)から二次側(負荷側)に、直流電力が供給されたことがわかる。また、一次側電流iと二次側電流iとは同時に通流していない。特に、この電流i,iの同時通流は、コンデンサ20の充電動作と放電動作との切替時において生じていないことから、絶縁回路の一次側(電源側)と二次側(負荷側)とが電気的に絶縁されていることがわかる。 According to FIG. 9, the power supply voltage V i of the DC 3000 V, it was obtained output voltage V B of about approximately equal DC 2850V. Further, the load current i out of DC 100A was obtained. That is, it can be seen that the DC power is supplied from the primary side (power supply side) to the secondary side (load side) of the insulation circuit 10. Further, the primary side current i 1 and the secondary side current i 2 do not flow at the same time. In particular, the simultaneous communication flow of the current i 1, i 2, since not occur at the time of switching between the charging operation and the discharging operation of the capacitor 20, the primary side of the isolation circuit (power supply side) and the secondary side (load side ) And are electrically insulated.

[実施例]
次に、絶縁回路10を交流電気車の主回路に適用した2つの実施例を説明する。
<第1実施例>
図10は、第1実施例における交流電気車の主回路を示す図である。図10に示すように、交流電気車の主回路は、パンタグラフ3および真空遮断器等のスイッチ5を介して架線2に電気的に接続されるとともに、輪軸7を介してレール8に電気的に接続されることで、架線電圧が印加される。架線電圧は、コンバータ70に入力される。従来の交流電気車の主回路では、架線電圧を降圧および絶縁するための主変圧器が設けられているが、本実施例では、主変圧器を不用としている。
[Example]
Next, two examples in which the insulation circuit 10 is applied to the main circuit of the AC electric vehicle will be described.
<First Example>
FIG. 10 is a diagram showing a main circuit of an AC electric vehicle according to the first embodiment. As shown in FIG. 10, the main circuit of the AC electric train is electrically connected to the overhead wire 2 via a switch 5 such as a pantograph 3 and a vacuum breaker, and is electrically connected to a rail 8 via a wheel shaft 7. By being connected, the overhead wire voltage is applied. The overhead wire voltage is input to the converter 70. In the main circuit of a conventional AC electric vehicle, a main transformer for stepping down and insulating the overhead wire voltage is provided, but in this embodiment, the main transformer is not used.

コンバータ70の出力側には、N個(N≧2)の絶縁回路10(10−1〜10−N)が並列接続される。そして、各絶縁回路10の二次側にはインバータ50(50−1〜50−N)が接続される。N個のインバータ50は、全てが電動機60の駆動を制御することとしてもよいが、図10では、N個中のM個(N>M)のインバータ50が電動機60を制御することとし、残余のインバータ50は、いわゆるSIV(静止形インバータ)として機能する。 N (N ≧ 2) insulation circuits 10 (10-1 to 10-N) are connected in parallel to the output side of the converter 70. Then, an inverter 50 (50-1 to 50-N) is connected to the secondary side of each insulation circuit 10. All of the N inverters 50 may control the drive of the electric motor 60, but in FIG. 10, M (N> M) of the N inverters 50 control the electric motor 60, and the remainder. Inverter 50 functions as a so-called SIV (static inverter).

コンバータ70は、交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換する。例えば、架線電圧が交流25000Vの場合には、直流30000Vに変換する。各絶縁回路10にはコンバータ70からの出力電圧が分圧される。また、各絶縁回路10のスイッチング動作は同期して行われる。このため、図10には図示されていないが、各絶縁回路10に対応する制御装置40(或いは、絶縁回路制御装置41)は、動作指示信号を、対応する絶縁回路10に同期して出力する。 The converter 70 converts the AC overhead wire voltage into a DC voltage higher than the AC overhead wire voltage. For example, when the overhead line voltage is AC 25,000 V, it is converted to DC 30000 V. The output voltage from the converter 70 is divided into each insulation circuit 10. Further, the switching operation of each insulation circuit 10 is performed synchronously. Therefore, although not shown in FIG. 10, the control device 40 (or the insulation circuit control device 41) corresponding to each insulation circuit 10 outputs an operation instruction signal in synchronization with the corresponding insulation circuit 10. ..

<第2実施例>
図11は、第2実施例における交流電気車の主回路を示す図である。第2実施例では、第1実施例と同様に、主変圧器を不用としてコンバータ70に架線電圧が入力される構成を採用しているが、コンバータ70より後段の回路構成が第1実施例と異なる。第2実施例では、並列接続されたN個の降圧回路80(80−1〜80−N)が、コンバータ70の出力側に接続される。降圧回路80は、例えばチョッパ回路で構成することができる。そして、各降圧回路80の出力側には、絶縁回路10(10−1〜10−N)の一次側が接続されており、絶縁回路10の二次側には、インバータ50(50−1〜50−N)が接続される。各絶縁回路10のスイッチング動作が同期して行われることは、第1実施例と同様である。このため、図11には図示されていないが、各絶縁回路10に対応する制御装置40(或いは、絶縁回路制御装置41)は、動作指示信号を、対応する絶縁回路10に同期して出力する。
<Second Example>
FIG. 11 is a diagram showing a main circuit of the AC electric vehicle in the second embodiment. In the second embodiment, as in the first embodiment, a configuration in which the overhead wire voltage is input to the converter 70 without using the main transformer is adopted, but the circuit configuration after the converter 70 is the same as that of the first embodiment. different. In the second embodiment, N step-down circuits 80 (80-1 to 80-N) connected in parallel are connected to the output side of the converter 70. The step-down circuit 80 can be configured by, for example, a chopper circuit. The primary side of the insulation circuit 10 (10-1 to 10-N) is connected to the output side of each step-down circuit 80, and the inverter 50 (50-1 to 50) is connected to the secondary side of the insulation circuit 10. −N) is connected. It is the same as the first embodiment that the switching operation of each insulation circuit 10 is performed in synchronization. Therefore, although not shown in FIG. 11, the control device 40 (or the insulation circuit control device 41) corresponding to each insulation circuit 10 outputs an operation instruction signal in synchronization with the corresponding insulation circuit 10. ..

[作用効果]
このように、本実施形態によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路10を実現することができる。絶縁回路10が有するコンデンサ20は、一次側の第1端子対21に接続された第1電極対25と、二次側の第2端子対23に接続された第2電極対27とが、電界結合可能に部分的に対向配置されて構成されている。つまり、コンデンサ20の第1端子対21と第2端子対23との間は物理的に接続された導通状態にはないが、一方の端子対に直流電力を印加すると、当該一方の端子対に接続された一方の電極対が蓄電されるとともに、電界結合によって他方の電極対も蓄電される。一方の端子対に直流電力が印加されなくなると、他方の電極対の蓄電電力が放電されて他方の端子対から直流電力が出力される。したがって、コンデンサ20は、絶縁回路10を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路と言える。
[Action effect]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize an insulating circuit 10 that electrically insulates the primary side and the secondary side and can exchange DC power in both directions between the primary side and the secondary side. Can be done. In the capacitor 20 of the insulation circuit 10, the first electrode pair 25 connected to the first terminal pair 21 on the primary side and the second electrode pair 27 connected to the second terminal pair 23 on the secondary side have an electric field. It is configured to be partially opposed so that it can be combined. That is, the first terminal pair 21 and the second terminal pair 23 of the capacitor 20 are not in a physically connected conductive state, but when DC power is applied to one terminal pair, the other terminal pair is connected. One of the connected electrode pairs is stored, and the other electrode pair is also stored by electric field coupling. When DC power is no longer applied to one terminal pair, the stored power of the other electrode pair is discharged and DC power is output from the other terminal pair. Therefore, it can be said that the capacitor 20 is an element circuit that plays a key role in accommodating DC power in realizing the insulation circuit 10.

[変形例]
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
[Modification example]
It should be noted that the applicable embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and of course, it can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.

(A)コンデンサ20の構造
コンデンサ20は、コンデンサとして機能する2つの電極対(第1電極対25および第2電極対27)が互いに電界結合可能に部分的に対向配置されていればよく、例えば、図12や図13に示すような構造としても良い。
(A) Structure of Capacitor 20 In the capacitor 20, two electrode pairs (first electrode pair 25 and second electrode pair 27) that function as capacitors may be partially arranged so as to be electrically coupled to each other, for example. , The structure as shown in FIGS. 12 and 13 may be used.

図12に示すコンデンサ20Aは、第1電極対25を構成する第1正電極素子26aおよび第1負電極素子26bそれぞれが、互いに対向して第1コンデンサとして機能する基本対向部分29aと、この基本対向部分29aの端部から屈曲して、第2電極対27の第2正電極素子28aおよび第2負電極素子28bそれぞれの屈曲部分29dと対向する屈曲部分29bとを有する。第2電極対27についても同様に、第2電極対27を構成する第2正電極素子28aおよび第2負電極素子28bそれぞれが、互いに対向して第2コンデンサとして機能する基本対向部分29cと、この基本対向部分29cの端部から屈曲して、第1電極対25の第1正電極素子26aおよび第1負電極素子26bそれぞれの屈曲部分29bと対向する屈曲部分29dとを有する。 The capacitor 20A shown in FIG. 12 includes a basic facing portion 29a in which the first positive electrode element 26a and the first negative electrode element 26b constituting the first electrode pair 25 each face each other and function as a first capacitor, and the basic It has a bent portion 29b that is bent from the end of the facing portion 29a and faces the bent portion 29d of each of the second positive electrode element 28a and the second negative electrode element 28b of the second electrode pair 27. Similarly, for the second electrode pair 27, the second positive electrode element 28a and the second negative electrode element 28b constituting the second electrode pair 27 each face each other and function as a second capacitor, and a basic opposed portion 29c. It has a bent portion 29d facing the bent portion 29b of each of the first positive electrode element 26a and the first negative electrode element 26b of the first electrode pair 25, which is bent from the end portion of the basic facing portion 29c.

上述の実施形態と同様に、第1電極対25および第2電極対27の対向配置される部分となる屈曲部分29b,29dの面積をS、対向する屈曲部分29b,29d間の距離をdとすると、第1電極対25および第2電極対27それぞれに蓄えられる電荷Q,Q2は、それぞれ、次式(11),(12)で与えられる。

Figure 2020137298
Similar to the embodiment described above, the bent portion 29b to be disposed opposite the portion of the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27, the area of the 29d S m, facing bent portion 29b, the distance between 29d d When m, the charge Q 1, Q2 to be accumulated in each of the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27, respectively, the following equation (11) given by (12).
Figure 2020137298

そして、このコンデンサ20Aについても、図3に示した等価回路で表すことができ、等価回路におけるキャパシタンスC,C,Cそれぞれについて、次式(16)〜(18)が成り立つ。

Figure 2020137298
The capacitor 20A can also be represented by the equivalent circuit shown in FIG. 3, and the following equations (16) to (18) hold for each of the capacitances C 1 , C 2 , and C m in the equivalent circuit.
Figure 2020137298

また、図13に示すコンデンサ20Bは、第1電極対25の2つの電極素子(第1正電極素子26aおよび第1負電極素子26b)の間に、第2電極対27の2つの電極素子(第2正電極素子28aおよび第2負電極素子28b)を、部分的に挟むように構成することで、第1電極対25および第2電極対27が互いに電界結合可能に部分的に対向配置されている。対向面積や対向間隔等の諸条件が見合えば、この構成であってもコンデンサ20として機能させることができる。 Further, in the capacitor 20B shown in FIG. 13, the two electrode elements of the second electrode pair 27 (the first electrode element 26a and the first negative electrode element 26b) are sandwiched between the two electrode elements of the first electrode pair 25. The second positive electrode element 28a and the second negative electrode element 28b) are configured to partially sandwich the first electrode pair 25 and the second electrode pair 27 so as to be partially opposed to each other so as to be electrically coupled to each other. ing. Even with this configuration, the capacitor 20 can function as long as various conditions such as the facing area and the facing spacing are met.

また、上記実施形態では、電気車の例を挙げたが、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通する技術用途に対しては、上述の絶縁回路10やコンデンサ20(20A,20Bを含む)を同様に適用することが可能である。 Further, in the above embodiment, an example of an electric train has been given, but for technical applications in which DC power is exchanged in both directions between the primary side and the secondary side, the above-mentioned insulation circuit 10 and capacitor 20 (20A) are used. , 20B included) can be applied in the same manner.

10…絶縁回路
20…コンデンサ
21…第1端子対
22a…第1正極端子、22b…第1負極端子
23…第2端子対
24a…第2正極端子、24b…第2負極端子
25…第1電極対
26a…第1正電極素子、26b…第1負電極素子
27…第2電極対
28a…第2正電極素子、28b…第2負電極素子
30(30−1〜30−4)…双方向半導体スイッチ回路
40…制御装置、41…絶縁回路制御装置
50…インバータ、60…電動機
HL…高圧側ライン、LL…低圧側ライン
10 ... Insulation circuit 20 ... Condenser 21 ... 1st terminal vs. 22a ... 1st positive electrode terminal, 22b ... 1st negative electrode terminal 23 ... 2nd terminal vs. 24a ... 2nd positive electrode terminal, 24b ... 2nd negative electrode terminal 25 ... 1st electrode 26a ... 1st positive electrode element, 26b ... 1st negative electrode element 27 ... 2nd electrode pair 28a ... 2nd positive electrode element, 28b ... 2nd negative electrode element 30 (30-1 to 30-4) ... Bidirectional Semiconductor switch circuit 40 ... Control device, 41 ... Insulation circuit control device 50 ... Inverter, 60 ... Electric motor HL ... High-voltage side line, LL ... Low-voltage side line

Claims (7)

第1端子対および第2端子対と、
前記第1端子対に接続された第1コンデンサとして機能する第1電極対と、
前記第2端子対に接続された第2コンデンサとして機能する第2電極対と、
を備え、
前記第1電極対と前記第2電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第1端子対および前記第2端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサ。
1st terminal pair and 2nd terminal pair,
A first electrode pair that functions as a first capacitor connected to the first terminal pair,
A second electrode pair that functions as a second capacitor connected to the second terminal pair,
With
The first electrode pair and the second electrode pair are partially opposed to each other so as to be electrically coupled.
A capacitor that outputs DC power intermittently applied to one of the first terminal pair and the second terminal pair from the other.
前記第1電極対および前記第2電極対の一方の電極対を構成する2つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されて前記対向配置がなされた、
請求項1に記載のコンデンサ。
The facing arrangement was made by arranging the electrode elements of the other electrode pair so as to be partially sandwiched between the two electrode elements constituting the first electrode pair and one electrode pair of the second electrode pair. ,
The capacitor according to claim 1.
前記第1電極対を構成する2つの電極素子と、前記第2電極対を構成する2つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されて前記対向配置がなされた、
請求項1又は2に記載のコンデンサ。
The two electrode elements constituting the first electrode pair and the two electrode elements constituting the second electrode pair were arranged so as to partially overlap each other to form the facing arrangement.
The capacitor according to claim 1 or 2.
前記第1電極対を構成する各電極素子は、前記第1コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第2電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第2電極対を構成する各電極素子は、前記第2コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第1電極対と対向する屈曲部分とを有する、
請求項1に記載のコンデンサ。
Each electrode element constituting the first electrode pair has a basic facing portion that functions as the first capacitor and a bent portion that faces the second electrode pair.
Each electrode element constituting the second electrode pair has a basic facing portion that functions as the second capacitor and a bent portion that faces the first electrode pair.
The capacitor according to claim 1.
前記第1端子対は、第1正極端子および第1負極端子を有し、
前記第2端子対は、第2正極端子および第2負極端子を有し、
前記第1電極対は、前記第1正極端子に接続された第1正電極素子と、前記第1負極端子に接続された第1負電極素子とを有し、
前記第2電極対は、前記第2正極端子に接続された第2正電極素子と、前記第2負極端子に接続された第2負電極素子とを有し、
前記第1正電極素子と前記第2正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第1負電極素子と前記第2負電極素子とが部分的に対向配置された、
請求項1〜4の何れか一項に記載のコンデンサ。
The first terminal pair has a first positive electrode terminal and a first negative electrode terminal.
The second terminal pair has a second positive electrode terminal and a second negative electrode terminal.
The first electrode pair has a first positive electrode element connected to the first positive electrode terminal and a first negative electrode element connected to the first negative electrode terminal.
The second electrode pair has a second positive electrode element connected to the second positive electrode terminal and a second negative electrode element connected to the second negative electrode terminal.
The first positive electrode element and the second positive electrode element are partially arranged to face each other.
The first negative electrode element and the second negative electrode element are partially opposed to each other.
The capacitor according to any one of claims 1 to 4.
一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
請求項1〜5の何れか一項に記載のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1正極端子との間に設けられた第1双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第1端子対の第1負極端子との間に設けられた第2双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2正極端子との間に設けられた第3双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第2端子対の第2負極端子との間に設けられた第4双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第1双方向半導体スイッチ回路および前記第2双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第3双方向半導体スイッチ回路および前記第4双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路。
It is an insulation circuit that electrically insulates between the primary side and the secondary side to accommodate DC power.
The capacitor according to any one of claims 1 to 5,
A first bidirectional semiconductor switch circuit provided between the primary side of the high-voltage side line and the first positive electrode terminal of the first terminal pair,
A second bidirectional semiconductor switch circuit provided between the primary side of the low voltage side line and the first negative electrode terminal of the first terminal pair,
A third bidirectional semiconductor switch circuit provided between the secondary side of the high-voltage side line and the second positive electrode terminal of the second terminal pair,
A fourth bidirectional semiconductor switch circuit provided between the secondary side of the low voltage side line and the second negative electrode terminal of the second terminal pair,
With
By alternately performing on-control of the first bidirectional semiconductor switch circuit and the second bidirectional semiconductor switch circuit and on-control of the third bidirectional semiconductor switch circuit and the fourth bidirectional semiconductor switch circuit. An insulating circuit that supplies DC power from the primary side to the secondary side, or from the secondary side to the primary side.
前記第1〜第4双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、
請求項6に記載の絶縁回路。
The first to fourth bidirectional semiconductor switch circuits are configured by connecting a basic circuit in which diode elements are connected in antiparallel to a switching element in series so that the forward directions of the diode elements face each other.
The insulating circuit according to claim 6.
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