JP4357279B2 - Converter circuit in electric vehicle control device - Google Patents
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Description
本発明は電気車制御装置におけるコンバータ回路に関する。 The present invention relates to a converter circuit in an electric vehicle control device.
図2に従来の代表的な交流受電用の電気車制御装置の構成を示してある。この従来の電気車制御装置は、基本的にはトランス1、3レベルコンバータ回路(CON)2、3レベルインバータ回路(INV)3、駆動用モータ4で構成されている。 FIG. 2 shows a configuration of a conventional representative electric vehicle control apparatus for AC power reception. This conventional electric vehicle control device basically includes a transformer 1, a three-level converter circuit (CON) 2, a three-level inverter circuit (INV) 3, and a drive motor 4.
新幹線電車のような高速電車の場合、このコンバータ回路2の入力電流ISAは、電気車の加速に合わせて増加し、例えば図3のような定出力領域100km/h〜250km/hの広い範囲で最大となる。この定出力領域でのコンバータ回路2の動作は次のようになる。
In the case of a high-speed train such as a Shinkansen train, the input current ISA of the
図4は従来の電気車制御装置における3レベルコンバータ回路2の詳細を示し、図5、図6は半導体スイッチング素子のゲートタイムチャートと主回路の電圧、電流波形を示している。図4の半導体スイッチング素子11〜18は、図面上それぞれ1個で記述しているが、実際は全て2並列接続である。
FIG. 4 shows the details of the three-
国内における新幹線電車駆動用の電気車制御装置の場合、図2において中間リンク電圧EFCP=EFCN=1200V〜1500V、入力電流ISA(max)=1000A〜1200Aの電圧・電流が目安となっており、これに見合う3レベルコンバータ回路の半導体スイッチング素子として3300V−1200A定格のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使われている。 In the case of an electric vehicle control apparatus for driving a Shinkansen train in Japan, the voltage / current of the intermediate link voltage EFCP = EFCN = 1200 V to 1500 V and the input current ISA (max) = 1000 A to 1200 A in FIG. An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) rated at 3300V-1200A is used as a semiconductor switching element of a three-level converter circuit that meets the above requirements.
3レベルコンバータ回路2の動作を、入力電流ISAが図4及び図5、図6に示した交流電源の正極性の半サイクルT期間について説明する。図5、図6に示したT期間のゲートタイムチャートは次のモードを意味する。U相は第1のモードとして、U1素子11がオン、U2素子12がオン、U3素子13がオフ、U4素子14がオフ、第2のモードとして、U1素子11がオフ、U2素子12がオン、U3素子13がオン、U4素子14がオフである。V相は、第3のモードとして、V1素子15がオフ、V2素子16がオン、V3素子17がオン、V4素子18がオフ、第4のモードとして、V1素子15がオフ、V2素子16がオフ、V3素子17がオン、V4素子18がオンである。これらのモードの組み合わせで、正極性の半サイクルを動作する。
The operation of the three-
つまり、図7に示すように、U相の第2モードとV相の第4モードで交流電源5、トランスの漏れインダクタンス6からU3素子13のIGBT部分→ダイオード52→コンデンサ72→V4素子18のダイオード部分→V3素子17のダイオード部分→交流電源5の経路で電流が流れ、直流電圧O〜N間(図2におけるEFCN)を充電する。
That is, as shown in FIG. 7, in the second mode of the U phase and the fourth mode of the V phase, the IGBT power source of the
次に、図8に示すように、U相の第1モードとV相の第3モードで交流電源5→トランスの漏れインダクタンス6→U2素子12のダイオード部分→U1素子11のダイオード部分→コンデンサ73→ダイオード53→V2素子16のIGBT部分→交流電源5の経路で電流が流れ、直流電圧P−O間(同EFCP)を充電する。負極性の半サイクルも同様な動作モードとなる。
Next, as shown in FIG. 8, in the first mode of the U phase and the third mode of the V phase, the
以上のように、入力電流ISAがIGBT部分に流れるのは内側の半導体スイッチング素子U3又はU2とV2又はV3だけであり、ダイオード部分に流れるのは、内側素子、外側素子とも同じである。従って、内側の半導体スイッチング素子U2、U3、V2、V3のIGBT部分から大きな損失が発生するが、外側の半導体スイッチング素子U1、U4、V1、V4のIGBT部分からの損失はほとんどない。このため、半導体スイッチング素子の冷却器は、特に最近のように環境問題から冷媒を使用しない冷却方式が増加する傾向にあるため、内側素子の発生損失で冷却性能を決める必要があり、大型化する問題点があった。 As described above, the input current ISA flows through the IGBT portion only in the inner semiconductor switching elements U3 or U2 and V2 or V3, and the flow through the diode portion is the same in both the inner and outer elements. Therefore, a large loss is generated from the IGBT portions of the inner semiconductor switching elements U2, U3, V2, and V3, but there is almost no loss from the IGBT portion of the outer semiconductor switching elements U1, U4, V1, and V4. For this reason, semiconductor switching element coolers tend to increase the number of cooling systems that do not use refrigerants due to environmental problems, such as recently, so it is necessary to determine the cooling performance based on the generation loss of the inner elements, and the size of the cooler There was a problem.
本発明は、上述した従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、3レベルコンバータ回路の外側に接続された半導体スイッチング素子と内側に接続された半導体スイッチング素子の素子1個あたりの発生損失の均等化を図り、結果として冷却器の小型化が図れる電気車制御装置におけるコンバータ回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional technical problems, and the generation loss per element of the semiconductor switching element connected to the outside of the three-level converter circuit and the semiconductor switching element connected to the inside is reduced. It is an object of the present invention to provide a converter circuit in an electric vehicle control device that can achieve equalization and consequently reduce the size of a cooler.
請求項1の発明は、交流電源をコンバータ回路に入力して直流電圧に変換し、さらにその直流電圧をインバータ回路に入力して可変電圧可変周波数電圧に変換して負荷電動機のために出力する電気車制御装置におけるコンバータ回路であって、U相、V相それぞれにおいて、正極側と負極側の接続点を挟み、前記接続点に近い位置に正極側、負極側それぞれの内側の半導体スイッチング手段を備え、前記接続点から遠い位置に正極側、負極側それぞれの外側の半導体スイッチング手段を備えた3レベルコンバータ回路にして、前記U相、V相それぞれの外側の半導体スイッチング手段は、半導体スイッチング素子を2並列接続して構成し、前記U相、V相それぞれの内側の半導体スイッチング手段は、前記外側の半導体スイッチング素子より定格電流の小さい半導体スイッチング素子を4並列接続して構成したものである。 According to the first aspect of the present invention, an AC power source is input to a converter circuit and converted into a DC voltage, and the DC voltage is input to an inverter circuit to be converted into a variable voltage and a variable frequency voltage to be output for a load motor. A converter circuit in a vehicle control device, comprising U-phase and V-phase semiconductor switching means sandwiching a connection point between a positive electrode side and a negative electrode side and inside the positive electrode side and the negative electrode side at a position close to the connection point. The three-level converter circuit is provided with semiconductor switching means on the positive and negative sides at positions far from the connection point, and the semiconductor switching means outside the U phase and V phase has two semiconductor switching elements. The semiconductor switching means is configured by connecting in parallel, and each of the U-phase and V-phase inner semiconductor switching means is more than the outer semiconductor switching element. A semiconductor switching element having a small rated current is connected in parallel .
本発明によれば、3レベルコンバータ回路の外側の半導体スイッチング素子は従来通り2並列とし、内側の半導体スイッチング素子は、定格電流の小さい半導体スイッチング素子を4並列で構成することで、1つの半導体スイッチング素子あたりの発生損失を均等化でき、結果として冷却器の小型化が図れる。 According to the present invention, the semiconductor switching elements on the outside of the three-level converter circuit are arranged in parallel in the conventional manner, and the semiconductor switching elements on the inside are constituted by four parallel semiconductor switching elements having a small rated current, thereby providing one semiconductor switching element. The generated loss per element can be equalized, and as a result, the cooler can be miniaturized.
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1を用いて、本発明の1つの実施の形態の電気車制御装置におけるコンバータ回路について説明する。本実施の形態のコンバータ回路を含む電気車制御装置は、従来例と同様に図2に示す構成である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A converter circuit in an electric vehicle control apparatus according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The electric vehicle control apparatus including the converter circuit of the present embodiment has the configuration shown in FIG. 2 as in the conventional example.
そのような電気車制御装置におけるコンバータ回路(CON)2は図1に示す構成であり、3レベルコンバータ回路であって、U相の外側の半導体スイッチング素子11,21及び14,24は例えば3300V−1200A定格素子を2並列とし、内側の半導体スイッチング素子12,22,32,42及び13,23,33,43は例えば3300V−800A定格素子を4並列としている。V相も同様に、外側の半導体スイッチング素子15,25及び18,28は例えば3300V−1200A定格素子を2並列とし、内側の半導体スイッチング素子16,26,36,46及び17,27,37,47は例えば3300V−800A定格素子を4並列としている。各組の半導体スイッチング素子は同時にオン/オフ動作する。図1において、5は交流電源、6はトランスの漏れインダクタンスである。また、51〜64はダイオード、71〜74はフイルタコンデンサである。
The converter circuit (CON) 2 in such an electric vehicle control device has the configuration shown in FIG. 1 and is a three-level converter circuit. The
本実施の形態のコンバータ回路2では、従来例と同様に図5に示すゲート信号によって駆動され、図6に示す交流−直流変換作用を行う。またそのときにスイッチング動作は、図7、図8に示した従来例と同様である。
The
本実施の形態のコンバータ回路2は、以上の構成により、例えば、直流電圧EFCP=EFCN=1200V、入力電流ISA=1100A、コンバータ回路2のPWMキャリア周波数1260Hzの時、内側半導体スイッチング素子1個あたりの発生損失は、図4に示した従来の構成に比べて電流が半分になるので、IGBT部分≒620W、ダイオード部分≒320W、外側半導体スイッチング素子1個あたりの発生損失はダイオード部分≒690Wとなる。このように、従来の構成では内側の半導体スイッチング素子1個あたりの発生損失がIGBT部分=1420W、ダイオード部分=690Wとなっていたものが、本実施の形態では素子1個あたりの損失が大幅に均等化される。最近、環境問題から冷媒を使わない冷却構造が増加する傾向にあり、素子1個あたりの発生損失で素子取付部の温度上昇が決まるため、本実施の形態のように各半導体スイッチング素子の発生損失の均等化ができればコンバータ回路の冷却器の最適化が図れ、従来よりも低い発生損失に対応した冷却器を採用することができ、ひいてはコストの低減、冷却器の小型化が図れる。
The
1…トランス
2…コンバータ回路
3…インバータ回路
4…モータ
11〜47…半導体スイッチング素子
51〜64…ダイオード
71〜74…フイルタコンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transformer 2 ... Converter circuit 3 ... Inverter circuit 4 ... Motor 11-47 ... Semiconductor switching element 51-64 ... Diode 71-74 ... Filter capacitor
Claims (1)
U相、V相それぞれにおいて、正極側と負極側の接続点を挟み、前記接続点に近い位置に正極側、負極側それぞれの内側の半導体スイッチング手段を備え、前記接続点から遠い位置に正極側、負極側それぞれの外側の半導体スイッチング手段を備えた3レベルコンバータ回路にして、
前記U相、V相それぞれの外側の半導体スイッチング手段は、半導体スイッチング素子を2並列接続して構成し、前記U相、V相それぞれの内側の半導体スイッチング手段は、前記外側の半導体スイッチング素子より定格電流の小さい半導体スイッチング素子を4並列接続して構成したことを特徴とする電気車制御装置におけるコンバータ回路。 A converter circuit in an electric vehicle control device that inputs an AC power source to a converter circuit to convert it to a DC voltage, and further converts the DC voltage to an inverter circuit to convert it to a variable voltage / variable frequency voltage for output to a load motor. There,
In each of the U phase and the V phase, a positive electrode side and a negative electrode side connection point are sandwiched, semiconductor switching means inside the positive electrode side and the negative electrode side are provided at positions close to the connection point, and the positive electrode side is provided at a position far from the connection point. , A three-level converter circuit provided with semiconductor switching means on the outer side of each negative electrode side ,
The U-phase and V-phase outer semiconductor switching means are configured by connecting two semiconductor switching elements in parallel, and the U-phase and V-phase inner semiconductor switching means are more rated than the outer semiconductor switching elements. 4. A converter circuit in an electric vehicle control apparatus , wherein four semiconductor switching elements having a small current are connected in parallel .
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