JP5502312B2 - 3-level inverter - Google Patents

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Description

この発明は、レベルインバータ装置に関するもので、例えば鉄道車両補助電源用として有効な装置である。 The present invention relates to a three- level inverter device, and is an effective device for, for example, a railway vehicle auxiliary power source.

従来、鉄道車両の空調や照明のための3相60Hzで440V交流電源を架線から供給される直流電圧から作り出す鉄道車両補助電源には、3相それぞれが2つの半導体スイッチング素子から構成される2レベルインバータが適用されてきた(特許文献1)。   Conventionally, a railway vehicle auxiliary power source for generating a 440V AC power source at three phases 60 Hz for air conditioning and lighting of a railway vehicle from a DC voltage supplied from an overhead line is configured with two levels each composed of two semiconductor switching elements. An inverter has been applied (Patent Document 1).

しかしながら一般的な通勤電車に供給される直流電源電圧は1500Vが一般的で、この電圧に対応するためには3.3kV耐電圧級の高耐圧の装置を実現する必要がある。この場合、高いスイッチング損失による発熱温度上昇を低減することも必要であり、スイッチング周波数を1000Hz程度に抑制して動作させていた。このため、出力波形からスイッチング周波数成分の高調波をとり除くために設置される交流リアクトルとコンデンサから構成される交流フィルタの重量外形が非常に大きくなり、軽量小型化が特に要求される鉄道車両用電源として改善が求められていた。
特開2008−278577号公報
However, the DC power supply voltage supplied to a general commuter train is generally 1500 V. In order to cope with this voltage, it is necessary to realize a 3.3 kV withstand voltage class high withstand voltage device. In this case, it is necessary to reduce an increase in heat generation temperature due to high switching loss, and the switching frequency is controlled to about 1000 Hz. For this reason, the AC power filter composed of an AC reactor and a capacitor installed to remove harmonics of the switching frequency component from the output waveform has a very large weight profile, and a railway vehicle power supply that is particularly required to be lightweight and compact. There was a need for improvement.
JP 2008-278577 A

これに対して、3相それぞれに4つの半導体スイッチング素子と、直流中性点をクランプするダイオード2つで構成される中性点クランプ型3レベルインバータを鉄道車両用補助電源に用いると、各スイッチング素子のスイッチング回数は、2レベルインバータと同様1000Hzとした場合にも、4つのスイッチング素子のスイッチングタイミングのずれにより、出力波形は、正、負、ゼロの3レベルと多段化され、より正弦波に近づく。このためにスイッチング周波数成分の高調波をとり除くための交流フィルタの重量外形は2レベルインバータで必要な重量外形に比較して大幅に小型軽量化できる。   On the other hand, when a neutral point clamp type three-level inverter composed of four semiconductor switching elements for each of three phases and two diodes for clamping a DC neutral point is used as an auxiliary power supply for a railway vehicle, Even when the number of switching times of the element is 1000 Hz as in the case of the two-level inverter, the output waveform is multi-staged into three levels of positive, negative, and zero due to the deviation of the switching timing of the four switching elements, and more sine Get closer. For this reason, the weight outer shape of the AC filter for removing harmonics of the switching frequency component can be significantly reduced in size and weight as compared with the weight outer shape required for the two-level inverter.

しかしながら、3レベルインバータは、各相に4つの半導体スイッチング素子と2つのダイオードと多数の半導体素子で構成されるため、直流コンデンサと半導体スイッチング素子を接続する導体の構成が複雑となる。この結果、3レベルインバータでは、配線インダクタンスが大きくなってしまい、半導体スイッチング素子のスイッチオフ電流遮断時に発生する配線インダクタンスに起因した電圧跳ね上がりが非常に大きくなる。これを抑制するために2レベルインバータでは省略可能であったスナバ回路が3レベルインバータでは不可欠となり、インバータ回路の大型化、コストアップを招いていた。   However, since the three-level inverter includes four semiconductor switching elements, two diodes, and a large number of semiconductor elements in each phase, the configuration of the conductor connecting the DC capacitor and the semiconductor switching element becomes complicated. As a result, in the three-level inverter, the wiring inductance becomes large, and the voltage jump due to the wiring inductance generated when the switch-off current of the semiconductor switching element is interrupted becomes very large. In order to suppress this, the snubber circuit, which could be omitted in the two-level inverter, became indispensable in the three-level inverter, resulting in an increase in the size and cost of the inverter circuit.

特に、4つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目の電流遮断時の電圧跳ね上がりは、その電流経路の配線インダクタンスが、3レベル回路の構成上、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子が電流を遮断するときの電流経路の配線インダクタンスに比較して格段に大きく、スナバレス化の阻害要因になっていた。   In particular, the voltage jump at the time of the second and third current interruption of the four semiconductor switching elements indicates that the wiring inductance of the current path is the first and fourth semiconductor switching elements in the configuration of the three-level circuit. Is much larger than the wiring inductance of the current path when the current is cut off, which has been a hindrance to snubberlessness.

電流遮断時の電圧跳ね上がりを抑制する別の方法として、ゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値を大きくして、電流遮断スピードを遅くする方法があるが、半導体スイッチング素子内部で過渡的に大きなスイッチング損失が発生し、インバータ冷却器の大型化が必要になってしまう。   As another method of suppressing the voltage jump at the time of current interruption, there is a method of increasing the gate drive resistance value for turning off the gate and slowing down the current interruption speed, but there is a transient large switching loss inside the semiconductor switching element. It will be necessary to increase the size of the inverter cooler.

そこで本発明は、以上の問題点を解決するために、できるだけ損失を抑制しつつ電圧の跳ね上がりを防止し、スナバレス化を得られるようにした3レベルインバータ装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a three- level inverter device capable of obtaining a snubberless state by preventing a voltage jump while suppressing loss as much as possible in order to solve the above problems.

この発明では、直流電圧を、一定周波数一定電圧の3相交流に変換するインバータであって、直流電圧の正負両端子に4つの半導体スイッチング素子を直列に接続し、前記半導体スイッチング素子の第一番目と第二番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続し、前記半導体スイッチング素子の第三番目と第四番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続した、中性点クランプ型3レベルインバータにおいて、
前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値を、前記第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値よりも、大きい値に設定したことを特徴とする。
具体的には、上記中性点クランプ型の3レベルインバータ装置において、
前記第一番目から第四番目の半導体スイッチング素子にはそれぞれゲートオン、又はゲートオフするための第一から第四のゲートドライブ回路を接続し、
前記第一乃至第四のゲートドライブ回路をそれぞれ1つの基板上に構成して、
第一と第二の素子を直列接続し、前記第一と第二の素子の共通接続点よりゲート駆動出力を取り出し、前記第一の素子にはゲートオン抵抗を直列接続し、前記第二の素子にはゲートオフ抵抗を直列接続し、
前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲートオフ抵抗の抵抗値を、前記第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲートオフ抵抗の抵抗値よりも大きい値に設定し、前記ゲートオン抵抗の抵抗値は全スイッチング素子に対して共通値としたことを特徴とする。
The present invention provides an inverter that converts a DC voltage into a three-phase AC having a constant frequency and a constant voltage, wherein four semiconductor switching elements are connected in series to both positive and negative terminals of the DC voltage, and the first of the semiconductor switching elements A neutral point clamp in which the second connection point and the DC intermediate potential portion are connected by a diode, and the third and fourth connection points of the semiconductor switching element and the DC intermediate potential portion are connected by a diode. In type 3 level inverter,
The gate drive resistance value for gate-off of the second and third semiconductor switching elements is larger than the gate drive resistance value for gate-off of the first and fourth semiconductor switching elements It is characterized by setting.
Specifically, in the neutral point clamp type three-level inverter device,
The first to fourth semiconductor switching elements are connected to first to fourth gate drive circuits for gate-on or gate-off, respectively.
Each of the first to fourth gate drive circuits is configured on one substrate,
First and second elements are connected in series, a gate drive output is taken out from a common connection point of the first and second elements, a gate-on resistance is connected in series to the first element, and the second element Is connected in series with a gate-off resistor,
A resistance value of a gate-off resistor for turning off the second and third semiconductor switching elements is larger than a resistance value of a gate-off resistor for turning off the first and fourth semiconductor switching elements. The resistance value of the gate-on resistance is a common value for all switching elements.

上記の手段により、例えば鉄道車両補助電源が通常出力力率0.8以上で運転され、出力力率が高い場合の中性点クランプ式3レベルインバータにおいては、4つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目のスイッチング素子は、電圧と電流が逆極性になるわずかなスイッチング時のみしか電流を遮断しないことに着目し、第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗を、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗よりも大きい値に設定することにより、スナバレス化を達成しながらインバータ損失による発熱も増加させないで小型軽量の鉄道車両補助電源用3レベルインバータ装置を提供する。   By the above means, for example, in the neutral point clamp type three-level inverter when the railway vehicle auxiliary power supply is operated at a normal output power factor of 0.8 or more and the output power factor is high, the second of the four semiconductor switching elements is used. Focusing on the fact that the current and the third switching element cut off the current only during the slight switching in which the voltage and current have opposite polarities, the gate-off resistance of the second and third semiconductor switching elements is By providing a larger value than the gate-off resistance of the 4th and 4th semiconductor switching elements, a three-level inverter device for small and light rail vehicle auxiliary power supply is achieved without increasing the heat generated by inverter loss while achieving snubberlessness. To do.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の第一の実施例の構成例である。この実施例は、鉄道車両用補助電源回路であり、直流リアクトル10と、端子11、12間に直列接続された正側直流コンデンサ21と、負側直流コンデンサ22を有する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration example of the first embodiment of the present invention. This embodiment is an auxiliary power circuit for railway vehicles, and includes a DC reactor 10, a positive DC capacitor 21 and a negative DC capacitor 22 connected in series between terminals 11 and 12.

また端子11、12間には3つの相U,V,Wの中性点クランプ式3レベルインバータ31,32、33が接続されている。   Further, three phase U, V, W neutral point clamp type three level inverters 31, 32, 33 are connected between the terminals 11, 12.

この3相のインバータは、1相あたり、直列接続せれた4つの半導体スイッチング素子(IGBT:絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ)Q1,Q2,Q3,Q4を有する。これらを第一番目から第四番目と称することにする。コンデンサ21、22の接続点と、第一番目と第二番目の半導体スイッチング素子Q1,Q2の接続点との間には、第1のクランプダイオードD1が接続されている。また第三番目と第四番目の半導体スイッチング素子Q3,Q4の接続点とコンデンサ21、22の接続点間には第2のクランプダイオードD2が接続されている。   This three-phase inverter has four semiconductor switching elements (IGBT: insulated gate bipolar transistors) Q1, Q2, Q3, and Q4 connected in series per phase. These will be referred to as first to fourth. A first clamp diode D1 is connected between the connection point of the capacitors 21 and 22 and the connection point of the first and second semiconductor switching elements Q1 and Q2. A second clamp diode D2 is connected between the connection point of the third and fourth semiconductor switching elements Q3 and Q4 and the connection point of the capacitors 21 and 22.

各相の中性点クランプ型3レベルインバータ31、32、33の交流出力端子は、それぞれACリアクトルL1,L2,L3を介して、3相絶縁トランス40の巻線にそれぞれ接続されている。またACリアクトルL1,L2,L3の出力側の3相線間にはACコンデンサC1,C2,C3が接続されている。3相絶縁トランス40の出力段に、鉄道車両内部の照明や空調装置(図示せず)が負荷として接続される。   The AC output terminals of the neutral point clamp type three-level inverters 31, 32, 33 of each phase are respectively connected to the windings of the three-phase insulating transformer 40 via AC reactors L1, L2, L3. Further, AC capacitors C1, C2, C3 are connected between the three-phase lines on the output side of the AC reactors L1, L2, L3. Lighting and an air conditioner (not shown) inside the railway vehicle are connected to the output stage of the three-phase insulating transformer 40 as a load.

半導体スイッチング素子(IGBT)のスイッチング動作は、各素子のゲートエミッタ間に接続されたゲートドライブ回路により駆動される。各素子のゲートドライブ回路A1,A2,A3,A4の回路構成例を図2に示す。各ゲートドライブ回路A1,A2,A3,A4は同じ回路構成であるから1つのゲートドライブ回路A2を代表して説明する。   The switching operation of the semiconductor switching element (IGBT) is driven by a gate drive circuit connected between the gate and emitter of each element. FIG. 2 shows a circuit configuration example of the gate drive circuits A1, A2, A3, A4 of each element. Since each gate drive circuit A1, A2, A3, A4 has the same circuit configuration, one gate drive circuit A2 will be described as a representative.

図2において、トランジスタTR1,TR2は、トーテンポール接続されている。トランジスタTR1のエミッタは、トランジスタTR2のエミッタに接続されるとともに、制御端子53に接続されている。トランジスタRT1のコレクタは、ゲート駆動抵抗としてのゲートオン抵抗RgONを介して直流15Vの正の電源51に接続されている。トランジスタTR2のコレクタは、ゲート駆動抵抗としてのゲートオフ抵抗RgOFFを介して直流15Vの負の電源52に接続されている。   In FIG. 2, the transistors TR1 and TR2 are connected to a totem pole. The emitter of the transistor TR1 is connected to the emitter of the transistor TR2 and to the control terminal 53. The collector of the transistor RT1 is connected to a positive power supply 51 of DC 15V through a gate-on resistance RgON as a gate drive resistance. The collector of the transistor TR2 is connected to a negative power supply 52 of DC 15V through a gate-off resistor RgOFF as a gate drive resistor.

トランジスタTR1,TR2のベースは、制御端子55に接続されている。また直流電源51と52の接続部は、制御端子54に接続されている。制御端子53が先の半導体スイッチング素子(IGBT)のゲート電極、制御端子54がエミッタ電極に接続される。   The bases of the transistors TR1 and TR2 are connected to the control terminal 55. Further, the connection portion between the DC power sources 51 and 52 is connected to the control terminal 54. The control terminal 53 is connected to the gate electrode of the semiconductor switching element (IGBT), and the control terminal 54 is connected to the emitter electrode.

電源51、52は、外部の高周波スイッチング電源(図示せず)から絶縁供給された高周波電圧を整流して得られた正負の直流15V電圧である。制御端子55には、図に示されない制御装置から送られてくるゲートパルスが供給され、このゲートパルスに応答して制御端子53、54間に半導体スイッチング素子(IGBT)をオン或いはオフするための電圧が現れる。   The power supplies 51 and 52 are positive and negative DC 15V voltages obtained by rectifying a high-frequency voltage insulated and supplied from an external high-frequency switching power supply (not shown). A gate pulse sent from a control device (not shown) is supplied to the control terminal 55, and a semiconductor switching element (IGBT) is turned on or off between the control terminals 53 and 54 in response to the gate pulse. A voltage appears.

ここで、ゲートオン抵抗RgONは、全素子共通であり1.8Ωを使う。これに対してまたゲートオフ抵抗RgOFFは、3レベルインバータの素子の位置に従い異なる値を用いる。   Here, the gate-on resistance RgON is common to all elements, and 1.8Ω is used. On the other hand, the gate-off resistance RgOFF uses a different value according to the position of the element of the three-level inverter.

上記の半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路は、2素子で1つの基板に構成し、一方のゲート出力段には低抵抗のゲート駆動抵抗、他方の出力段には高抵抗のゲート駆動抵抗をとりつけて、ゲートドライブ回路の共通化を図っている。   The gate drive circuit for driving the semiconductor switching element is composed of two elements on one substrate, and one gate output stage has a low resistance gate drive resistance and the other output stage has a high resistance gate drive resistance. The gate drive circuit is made common.

図3に示すように、第二番目と第三番目の半導体スイッチング素子Q2,Q3に対するゲートドライブ回路A2,A3のゲートオフ抵抗RgOFFには、例えば40Ω、ゲートドライブ回路A1とA4のゲートオフ抵抗RgOFFには、例えば10Ωを用いる。   As shown in FIG. 3, the gate-off resistance RgOFF of the gate drive circuits A2 and A3 for the second and third semiconductor switching elements Q2 and Q3 is, for example, 40Ω, and the gate-off resistance RgOFF of the gate drive circuits A1 and A4 is For example, 10Ω is used.

半導体スイッチング素子(IGBT)をオン状態からオフ状態にするためには、ゲート部から半導体スイッチング素子(IGBT)内部の電荷を吸い取って(移動させて)ゲート(G)エミッタ(E)間に最終的にマイナス15Vの電圧が印加される状態にする必要がある。電荷を吸い取る(移動させる)際にそのスピードを制御することにより、スイッチング速度を制御することが可能になり、急峻な電流遮断による電圧跳ね上がりの増加を抑制できる。その電荷吸収速度を制限するために用いられるのがゲートオフ抵抗RgOFFである。   In order to change the semiconductor switching element (IGBT) from the on-state to the off-state, the charge inside the semiconductor switching element (IGBT) is absorbed (moved) from the gate portion to finally form the gate (G) emitter (E). Therefore, it is necessary to apply a voltage of minus 15V. By controlling the speed at the time of absorbing (moving) the charge, the switching speed can be controlled, and an increase in voltage jump due to a sharp current interruption can be suppressed. A gate-off resistor RgOFF is used to limit the charge absorption rate.

ゲートオフ抵抗RgOFFの値を大きくすればスイッチング速度が遅くなるため、電圧跳ね上がりを抑制することが可能になるが、電流遮断過渡状態が長く続くため、スイッチング損失は増加する。   If the value of the gate-off resistance RgOFF is increased, the switching speed is slowed down, so that the voltage jump can be suppressed. However, since the current interruption transient state continues for a long time, the switching loss increases.

鉄道車両補助電源が通常出力力率0.8以上で運転され、出力力率が高い場合の中性点クランプ型3レベルインバータにおいては、4つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目の半導体スイッチング素子Q2,Q3は、電圧と電流が逆極性になるわずかなスイッチング時のみしか電流を遮断しないことに着目し、第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗を、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗よりも大きい値に設定する。   In a neutral-point clamped three-level inverter when the railcar auxiliary power supply is normally operated with an output power factor of 0.8 or higher and the output power factor is high, the second and third semiconductors of the four semiconductor switching elements Focusing on the fact that the switching elements Q2 and Q3 cut off the current only at the time of slight switching in which the voltage and current have opposite polarities, the gate-off resistances of the second and third semiconductor switching elements are changed to the first and A value larger than the gate-off resistance of the fourth semiconductor switching element is set.

これを説明した図を図4、図5、図6、図7に示す。第二番目第三番目の半導体スイッチング素子(IGBT)Q2,Q3は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子(IGBT)に比べて、電流を遮断する回数が少ないため、スイッチング損失が若干大きくなることを無視して大きなゲートオフ抵抗を用いる。これにより、配線インダクタンスの低減が困難な第二番目第三番目の半導体スイッチング素子Q2,Q3周辺の回路をスナバレス化することが可能になる。   The figure explaining this is shown in FIGS. 4, 5, 6, and 7. FIG. Since the second and third semiconductor switching elements (IGBT) Q2 and Q3 have a smaller number of times of interrupting the current than the first and fourth semiconductor switching elements (IGBT), the switching loss is slightly increased. Ignore this and use a large gate-off resistance. As a result, it is possible to make the circuits around the second and third semiconductor switching elements Q2 and Q3 difficult to reduce the wiring inductance snubberless.

図4には、中性点クランプ式3レベルインバータの出力部に現れる電流波形と、電圧波形を示している。時間方向に特有な領域A,B,C,Dを区分して示している。補助電源では、電圧と電流の位相差は小さいので、領域AとCは、ほとんど無い。ここで、電流が正の領域Bであって期間t1、t2、t3,t4に注目してみる。   FIG. 4 shows a current waveform and a voltage waveform appearing at the output portion of the neutral point clamp type three-level inverter. Regions A, B, C and D peculiar to the time direction are shown separately. In the auxiliary power supply, since the phase difference between the voltage and the current is small, there are almost no areas A and C. Here, attention is paid to the periods t1, t2, t3, and t4 in the region B where the current is positive.

この期間t1、t2、t3,t4では、図5と、図6に示すようなパターンで半導体スイッチングトランジスタQ1,Q2,Q3,Q4が動作する。つまり、
期間t1では、Q1→オン,Q2→オン,Q3→オフ,Q4→オフ、
期間t2では、Q1→オフ,Q2→オン,Q3→オン,Q4→オフ、
期間t3では、Q1→オン,Q2→オン,Q3→オフ,Q4→オフ、
期間t4では、Q1→オフ,Q2→オン,Q3→オン,Q4→オフとなり、このような動作パターンが領域Bでは繰り替えされる。
During the periods t1, t2, t3, and t4, the semiconductor switching transistors Q1, Q2, Q3, and Q4 operate in a pattern as shown in FIG. 5 and FIG. That means
In the period t1, Q1 → on, Q2 → on, Q3 → off, Q4 → off,
In period t2, Q1 → off, Q2 → on, Q3 → on, Q4 → off,
In the period t3, Q1 → on, Q2 → on, Q3 → off, Q4 → off,
In the period t4, Q1 → off, Q2 → on, Q3 → on, Q4 → off, and such an operation pattern is repeated in the region B.

上記の動作から分かるように、領域Dの動作も含めると、第二番目第三番目の半導体スイッチング素子(IGBT)Q2,Q3は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子(IGBT)に比べて、電流を遮断する回数が少ない。   As can be seen from the above operation, when the operation in the region D is also included, the second and third semiconductor switching elements (IGBT) Q2 and Q3 are compared with the first and fourth semiconductor switching elements (IGBT). The number of times to cut off the current is small.

ここで第二番目のスイッチング素子Q2の動作に着目してみる。図7に示すように、オンからオフにするための指令がゲート回路A2から与えられたとする。なおオン指令のときは全スイッチング素子の変移速度は同じである。オフ指令のときは第二番目と第三番目の半導体スイッチング素子Q2、Q3の変移速度は第一番目と第四番目の半導体スイッチング素子の変移速度に比べて遅い。   Here, attention is paid to the operation of the second switching element Q2. As shown in FIG. 7, it is assumed that a command for turning from on to off is given from the gate circuit A2. In the case of an on command, the transition speed of all the switching elements is the same. When the command is OFF, the transition speeds of the second and third semiconductor switching elements Q2 and Q3 are slower than the transition speeds of the first and fourth semiconductor switching elements.

オン指令からオフ指令に変化したとき、従来は即応答したために、第二番目のスイッチング素子の電流は、電流I1で示すように急激に変化した。これに伴い半導体スイッチング素子のスイッチオフ電流遮断時に発生する配線インダクタンスに起因した電圧は、電圧V1で示すように跳ね上がりが非常に大きくなっていた。この現象は、周辺に不要輻射を生じる要因となる。   When the on command is changed to the off command, the current of the second switching element has abruptly changed as indicated by the current I1 because it responded immediately in the past. Along with this, the voltage resulting from the wiring inductance generated when the switch-off current of the semiconductor switching element is interrupted has a very large jump as shown by the voltage V1. This phenomenon becomes a factor causing unnecessary radiation in the vicinity.

しかし本実施例の回路によると、ゲートオフ抵抗RgOFFが大きくなったために、第二番目のスイッチング素子の電流は、電流I2で示すように遅れて変化する(時定数が大きくなる)。この結果、半導体スイッチング素子のスイッチオフ電流遮断時に発生する配線インダクタンスに起因した電圧は、電圧V2で示すように跳ね上がりが抑圧される。   However, according to the circuit of this embodiment, since the gate-off resistance RgOFF is increased, the current of the second switching element changes with a delay as shown by the current I2 (the time constant increases). As a result, the jump due to the voltage caused by the wiring inductance generated when the switch-off current of the semiconductor switching element is interrupted is suppressed as indicated by the voltage V2.

ここで、消費電力(損失W=I×V)について考慮すると、電流I1が急激に変化するときよりも、電流I2が緩やかに変化するときの損失が大きい。しかし、この発明では第二番目第三番目の半導体スイッチング素子(IGBT)Q2,Q3は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子(IGBT)に比べて、電流を遮断する回数が少ないので、損失の重要性よりも、不要輻射の抑制の重要性を優先させている。   Here, when power consumption (loss W = I × V) is taken into consideration, the loss when the current I2 changes gently is larger than when the current I1 changes abruptly. However, in the present invention, the second and third semiconductor switching elements (IGBTs) Q2 and Q3 are less frequently interrupted than the first and fourth semiconductor switching elements (IGBTs). The importance of suppressing unwanted radiation is given priority over the importance of.

なお、図6に示す動作パターンからわかるように、領域Bにおいて、半導体スイッチング素子Q3は電圧が正で電流が正のときオフ、電圧がゼロで電流が正のときにオン制御される。しかしこの領域Bにおいては、半導体スイッチング素子Q3に電流は流れないので、この半導体スイッチング素子Q3がオンオフすることによる損失はゼロである。   As can be seen from the operation pattern shown in FIG. 6, in the region B, the semiconductor switching element Q3 is turned off when the voltage is positive and the current is positive, and is turned on when the voltage is zero and the current is positive. However, in this region B, since no current flows through the semiconductor switching element Q3, the loss due to turning on and off of the semiconductor switching element Q3 is zero.

図8には、図4の電圧波形と電流波形の関係があるとき、半導体スイッチング素子Q1−Q4で電流遮断が有るか、無いかをまとめたテーブルを示している。領域Aにおいては、半導体スイッチング素子Q3による電流の遮断がある。領域Bにおいては、電圧が正方向へ高レベル状態から中点電位側に移行するために半導体スイッチング素子Q1による電流の遮断がある。領域Cにおいては、電圧が中電電位から負方向の最低レベル状態に移行するために、半導体スイッチング素子Q2による電流の遮断がある。領域Dにおいては、電圧が負方向の最低レベル状態から中点電位へ移行するために、半導体スイッチング素子Q4による電流の遮断がある。   FIG. 8 shows a table summarizing whether or not the semiconductor switching elements Q1-Q4 have a current interruption when there is a relationship between the voltage waveform and the current waveform in FIG. In the region A, there is a current interruption by the semiconductor switching element Q3. In the region B, since the voltage shifts in the positive direction from the high level state to the midpoint potential side, there is a current interruption by the semiconductor switching element Q1. In the region C, since the voltage shifts from the medium potential to the lowest level state in the negative direction, there is a current interruption by the semiconductor switching element Q2. In the region D, since the voltage shifts from the lowest level state in the negative direction to the midpoint potential, the semiconductor switching element Q4 interrupts the current.

上記のテーブルからも第二番目第三番目の半導体スイッチング素子(IGBT)Q2,Q3は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子(IGBT)Q1,Q4に比べて、電流を遮断する回数が少ないことが分かる。   Also from the above table, the second and third semiconductor switching elements (IGBTs) Q2 and Q3 have a smaller number of times of interrupting the current than the first and fourth semiconductor switching elements (IGBTs) Q1 and Q4. I understand that.

上記したようにこの発明によれば、中性点クランプ式3レベルインバータにおいては、4つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目のスイッチング素子は、電圧と電流が逆極性になるわずかなスイッチング時のみしか電流を遮断しないことに着目し、第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗を、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗よりも大きい値に設定することにより、スナバレス化を達成しながらインバータ損失による発熱も増加させないで小型軽量の鉄道車両補助電源用3レベルインバータ装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, in the neutral-point clamped three-level inverter, the second and third switching elements of the four semiconductor switching elements are slightly switched so that voltages and currents have opposite polarities. Paying attention to the fact that current is cut off only at times, set the gate-off resistance of the second and third semiconductor switching elements to a value greater than the gate-off resistance of the first and fourth semiconductor switching elements Thus, it is possible to provide a small and light three-level inverter device for an auxiliary power supply for a railway vehicle without increasing the heat generation due to inverter loss while achieving snubberlessness.

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.

この発明が適用されたインバータ装置の一実施の形態の概略を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an outline of an embodiment of an inverter device to which the present invention is applied. 図1のゲートドライブ回路の1つを詳細に示す図である。It is a figure which shows one of the gate drive circuits of FIG. 1 in detail. 図2のゲートドライブ回路のゲート駆動抵抗の抵抗値の例を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of a resistance value of a gate drive resistor of the gate drive circuit of FIG. 2. 本発明のインバータ装置の動作例を説明するために示した電圧及び電流波形図である。It is the voltage and current waveform figure shown in order to demonstrate the operation example of the inverter apparatus of this invention. 本発明のインバータ装置の動作例を説明するために電流系路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path | route in order to demonstrate the operation example of the inverter apparatus of this invention. 本発明のインバータ装置の動作例を説明するために半導体スイッチング素子Q1−Q4の状態変化を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the state change of semiconductor switching element Q1-Q4 in order to demonstrate the operation example of the inverter apparatus of this invention. 本発明のインバータ装置の要部の動作原理を説明するために示したタイミング図である。FIG. 3 is a timing diagram shown for explaining an operation principle of a main part of the inverter device of the present invention. 本発明のインバータ装置の半導体スイッチング素子における電流遮断の有無をテーブル化して示す説明図である。It is explanatory drawing which tabulates and shows the presence or absence of the electric current interruption in the semiconductor switching element of the inverter apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・直流リアクトル、11、12・・・端子、31、32、33・・・中性点クランプ式3レベルインバータ、Q1,Q2,Q3,Q4・・・半導体スイッチング素子(IGBT:絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ)、D1,D2・・・クランプダイオード、21、22・・・コンデンサ、L1,L2,L3・・・ACリアクトル、C1,C2,C3・・・ACコンデンサ、A1,A2,A3,A4・・・ゲートドライブ回路、TR1,TR2・・・トランジスタ、RgON・・・ゲートオン抵抗、RgOFF・・・ゲートオフ抵抗。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... DC reactor, 11, 12 ... Terminal, 31, 32, 33 ... Neutral point clamp type 3 level inverter, Q1, Q2, Q3, Q4 ... Semiconductor switching element (IGBT: insulated gate) Type bipolar transistor), D1, D2 ... clamp diode, 21, 22 ... capacitor, L1, L2, L3 ... AC reactor, C1, C2, C3 ... AC capacitor, A1, A2, A3 , A4: Gate drive circuit, TR1, TR2: Transistor, RgON: Gate on resistance, RgOFF: Gate off resistance.

Claims (2)

直流電圧を一定周波数一定電圧の3相交流に変換するインバータであって、直流電圧の正負両端子に4つの半導体スイッチング素子を直列に接続し、前記半導体スイッチング素子の第一番目と第二番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続し、前記半導体スイッチング素子の第三番目と第四番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続した、中性点クランプ型の3レベルインバータ装置において、
前記第一番目から第四番目の半導体スイッチング素子にはそれぞれゲートオン、又はゲートオフするための第一から第四のゲートドライブ回路を接続し、
前記第一乃至第四のゲートドライブ回路をそれぞれ1つの基板上に構成して、
第一と第二の素子を直列接続し、前記第一と第二の素子の共通接続点よりゲート駆動出力を取り出し、前記第一の素子にはゲートオン抵抗を直列接続し、前記第二の素子にはゲートオフ抵抗を直列接続し、
前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲートオフ抵抗の抵抗値を、前記第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲートオフ抵抗の抵抗値よりも大きい値に設定し、前記ゲートオン抵抗の抵抗値は全スイッチング素子に対して共通値としたことを特徴とする、3レベルインバータ装置。
An inverter for converting a DC voltage into a three-phase AC having a constant frequency and a constant voltage, wherein four semiconductor switching elements are connected in series to both positive and negative terminals of the DC voltage, and the first and second of the semiconductor switching elements A neutral point clamp type three- level inverter in which a connection point and a DC intermediate potential part are connected by a diode, and a third and fourth connection point of the semiconductor switching element and a DC intermediate potential part are connected by a diode. In the device
The first to fourth semiconductor switching elements are connected to first to fourth gate drive circuits for gate-on or gate-off, respectively.
Each of the first to fourth gate drive circuits is configured on one substrate,
First and second elements are connected in series, a gate drive output is taken out from a common connection point of the first and second elements, a gate-on resistance is connected in series to the first element, and the second element Is connected in series with a gate-off resistor,
A resistance value of a gate-off resistor for turning off the second and third semiconductor switching elements is larger than a resistance value of a gate-off resistor for turning off the first and fourth semiconductor switching elements. And the resistance value of the gate-on resistance is a common value for all switching elements .
前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子の接続点は、ACリアクトルを介して3相絶縁トランスの巻線に接続されている請求項1記載の3レベルインバータ装置。 2. The three- level inverter device according to claim 1, wherein a connection point between the second and third semiconductor switching elements is connected to a winding of a three-phase insulating transformer through an AC reactor .
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