JP6314053B2 - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

技術分野は、電力変換装置及びその制御方法に関する。

上記の技術分野において、特許文献１では、「半導体電力変換装置の運転中には半導体素子のゲート抵抗は固定またはほぼ固定されるものであり、サージ電圧とスイッチング損失の両方の抑制が十分になされず、装置の運転状態によってはノイズによって周辺回路の誤動作を起こす恐れがあるし、素子の過熱で装置の保護機能でその停止になる恐れがある」（特許文献１［００１０］参照）ことを課題とし、その解決手段として「装置の運転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させることで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチング損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕があるときはサージ電圧抑制を十分にできるようにした」（特許文献１［００１４］参照）こと、「主回路を自己消弧形半導体素子で構成し、該素子のドライブ回路はゲート抵抗を介して素子にゲート電圧を印加し、ゲート抵抗の抵抗値の大小で素子のサージ電圧とスイッチング損失にトレードオフの関係をもたせた半導体電力変換装置において、装置の運転状態に応じて前記ゲート抵抗の抵抗値を切り替え、この切り替えで素子のサージ電圧の抑制とスイッチング損失の抑制の一方の度合いを高めるゲート抵抗切り替え手段を備えたこと」（特許文献１［００１５］参照）等が開示されている。

特開2002-199700

しかし、特許文献１では、電力変換装置を鉄道車両に用いた場合の損失の低減については考慮されていない。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、鉄道車両に搭載された半導体素子を有する電力変換装置において、半導体素子に流れる電流を制御する駆動回路を有し、駆動回路は半導体素子にゲート抵抗を介してゲート電圧を印加し、ゲート抵抗及びゲート電圧の少なくとも一方は、鉄道車両における車両速度に関する数値、及び鉄道車両が力行運転の状態であるか回生運転の状態であるかに基づいて制御され、ゲート抵抗及びゲート電圧の少なくとも一方は、鉄道車両が力行運転の状態である場合には第１の車両速度に関する数値に基づいて制御され、鉄道車両が回生運転の状態である場合には第１の車両速度に関する数値とは異なる第２の車両速度に関する数値に基づいて制御されるように構成する。

上記手段によれば、電力変換装置を鉄道に用いた場合に損失を低減することが可能となる。

MOSFETの電圧、電流特性 鉄道車両用電力変換装置の半導体素子の損失(力行) 鉄道車両用電力変換装置の半導体素子の損失(回生) 電力変換装置の回路構成の一例 電力変換装置の回路構成の一例 電力変換装置の回路構成の一例 電力変換装置の回路構成の一例 電力変換装置の回路構成の一例 電力変換装置を鉄道車両に搭載したシステムの一例

以下、実施例について図面を用いて説明する。

電力変換装置は、直流電源から供給された電力を回転機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転機により発電された交流電力を直流電力に変換する機能を備えている。この電力変換装置は複数の半導体素子を有し、この半導体素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより電力を変換する。

鉄道車両用の電力変換装置には小型化が要求されていることから、半導体素子の発熱を抑制するために半導体素子の低損失化が求められている。以下、鉄道車両用電力変換装置に用いられる半導体素子の低損失化について説明する。またここでは半導体素子の一つであるMOSFETを例に説明するが、IGBTやバイポーラトランジスタ、接合FETなどの他の半導体デバイスでもよい。

MOSFETの損失は、導通動作時に発生する導通損失（順方向導通損失、逆方向導通損失）、遮断動作時に発生するスイッチング損失（ターンオン損失、ターンオフ損失、リカバリ損失）があり、低損失化にはそれぞれの低減が必要となる。

導通損失はMOSFETのデバイス性能に依存し、その大きさは導通動作時のオン電圧に依存する。また図１に示すように、ゲート端子に印加されるゲート電圧によってオン電圧が変化し、ゲート電圧が高いほどオン電圧は小さくなり、導通損失を低減可能である。

一方、スイッチング損失はデバイスの性能やスイッチング速度に依存する。一般的にスイッチング速度はMOSFETの寄生容量の充放電時間に依存し、ゲート端子に接続されるゲート抵抗やゲート電圧によって制御可能である。例えば、ゲート抵抗を小さく、ゲート電圧を高くすることで、スイッチング速度が上昇しスイッチング損失を低減可能である。

以上より、ゲート抵抗やゲート電圧により導通損失やスイッチング損失を低減するには、ゲート電圧を高く、ゲート抵抗を小さくすることが有効である。

しかしゲート電圧にはMOSFETのゲート−ソース端子間の耐圧に起因する上限値が設けられているため、闇雲にゲート電圧を高くすることができない。またゲート電圧にはスイッチングによるサージ電圧が重畳され、更にこのサージ電圧はスイッチング損失を低減するために速度を上昇させると大きくなるため、ゲート電圧を高く、ゲート抵抗を低くすることによる低損失化には限界がある。

そこで、一般的にはゲート抵抗を小さくした場合にはゲート電圧を低く、ゲート抵抗を大きくした場合にはゲート電圧を高くし、ゲート−ソース端子間耐圧を考慮した定数に設計し、駆動条件を問わず一定の値を用いて駆動していた。したがって、損失はゲート抵抗を小さく、ゲート電圧を低くした場合は導通損失が大きく、スイッチング損失が小さい。またゲート抵抗を大きく、ゲート電圧を高くした場合は導通損失が小さく、スイッチング損失が大きくなる。

特許文献１には「インバータの運転状態は、インバータからモータＩＭに供給する電流を基に、その検出電流があるレベル以上にあるか否かの判定で行う」こと、「運転状態の他の判定方式としては、速度指令等から得るモータの速度がある速度以上にあるか否かの判定、さらにはＩＧＢＴの温度がある温度以上にあるか否かの判定などによることができるし、こられの判定方式を組み合わせることもできる」こと、「インバータの運転状態に応じてスイッチＳＷをオンまたはオフ状態」とし、「スイッチＳＷのオン状態とオフ状態とでは、ＩＧＢＴのゲート抵抗の切り替えが可能になる」ことが開示されている。

しかし、鉄道車両用電力変換装置では、力行運転の状態と回生運転の状態とで損失が最小となる条件が異なるため、特許文献１の技術的思想では損失を最小にすることはできない。また更なる低損失化を実現するためにはゲート抵抗だけではなく、ゲート電圧を考慮した制御が有効である。

本実施例においては、力行運転の状態と回生運転の状態とで損失が最小となる条件が異なることを考慮した制御について説明する。図2、3は、鉄道車両における各速度における半導体素子で発生する損失を示す。図2は力行運転、図3は回生運転における損失を示す。実線で示す条件１は、条件２よりもゲート抵抗を小さく、ゲート電圧を低くした場合であり、破線で示す条件２は、条件１よりもゲート抵抗を大きく、ゲート電圧を高くした場合を示す。

鉄道車両用電力変換装置は速度に応じて、電流やスイッチング周波数が変わる。図2、3に示すように損失が速度ごとに異なり、条件１と条件２とで損失の大小関係が逆転する速度（切替速度）がある。またこの速度は力行時と回生時とで異なる（切替速度１、切替速度２）。

つまり、ゲート電圧やゲート抵抗を一定で駆動した場合には、半導体素子の損失が最小ではない。そこで、損失をより低減させる、車両速度や動作モード（力行運転、回生運転）を考慮したゲート電圧、ゲート抵抗の制御手法について、以下さらに具体的に説明する。

図９に、電力変換装置を鉄道車両に搭載したシステムの一例を示す。鉄道車両のモータ駆動装置は架線９０２から電力が供給され、電力変換装置９０１を経由してモータ９０４を駆動する。電気的なグランドはレール９０３を介して接続されている。

次に、電力変換装置９０１の回路構成の一例について、図4を用いて説明する。図4では、切換える対象をゲート抵抗とし、ゲート抵抗判定回路9に車両速度、動作モード（力行運転、回生運転）の情報を入力する。ゲート抵抗判定回路9に入力する情報は、車両速度の代わりに速度指令値、モータ周波数、モータ周波数指令値等、半導体素子で発生する損失に影響する他の値を用いてもよい。なお、車両速度を含めたこれらの値を総称して、車両速度に関する数値とも言う。

スイッチング素子1のゲート端子とゲート回路11はゲート抵抗7、8、ゲート抵抗切換えスイッチ10を介して接続される。ゲート回路11は正側ゲート電圧2と負側ゲート電圧3、切換えスイッチ4、切換えスイッチ5から構成され、切換えスイッチ4と切換えスイッチ5は駆動信号出力部6から出力される信号を元に駆動される。

駆動信号出力部6からオン信号が出力されると、切換えスイッチ4がオン、切換えスイッチ5がオフされ、スイッチング素子1のゲート、ソース端子に正の電圧が印加され、駆動信号出力6からオフ信号が出力されると、切換えスイッチ4がオフ、切換えスイッチ5がオンされ、スイッチング素子1のゲート、ソース端子に負の電圧が印加されスイッチング素子1がスイッチング動作する。

ゲート抵抗判定回路9は動作モード(力行運転、回生運転)と車両速度に応じて、ゲート抵抗切換えスイッチ10をオン・オフし、スイッチング素子1に接続されるゲート抵抗を決定する。

ゲート抵抗判定回路9に動作モードとして力行運転を示す情報が入力された場合には、図2に示す特性に従い、車両速度が切換え速度1より高い場合には、ゲート抵抗切換えスイッチ10をオンすることでゲート抵抗を車両速度が切換え速度1より低い場合よりも小さくする。車両速度が切換え速度1より低い場合には、ゲート抵抗切換えスイッチ10をオフすることでゲート抵抗を車両速度が切換え速度1より高い場合よりも大きくする。

ゲート抵抗判定回路9に動作モードとして回生運転を示す情報が入力された場合には、図3に示す特性に従い、切換え速度2を境に力行運転の場合と同様にゲート抵抗を切換える。
このように動作モードと車両速度との情報を基にゲート抵抗を切換えることで、インバータ損失を低減することが可能となる。

次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図5を用いて説明する。図5では、切換える対象をゲート電圧とし、ゲート電圧判定回路16に車両速度、動作モード（力行運転、回生運転）の情報を入力する。なお、ゲート電圧判定回路16に入力する情報は、車両速度に代えて、速度指令値、モータ周波数、モータ周波数指令値等を用いてもよい。

スイッチング素子1のゲート、ソース間に印加される電圧の切換え手段について説明する。正側ゲート電源2と並列に正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード13aと正側ゲート電圧調整用抵抗12aを直列に接続する。また正側ゲート電圧調整用抵抗12aと並列に電圧を保持するための正側ゲート電圧調整用コンデンサ15aを接続する。また正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード13aのアノード側、カソード側にはそれぞれ正側ゲート電圧切換えスイッチ14aと正側ゲート電圧切換えスイッチ14bを接続し、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aと正側ゲート電圧切換えスイッチ14bのもう一端は切換えスイッチ4に接続される。

正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオフすると、正側ゲート電源2の電圧がそのままゲート、ソース間に印加される。一方、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオンすると、ゲート、ソース間に印加される電圧は、正側ゲート電源2の電圧から正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード13aの電圧降下分だけ低下した電圧が印加される。これにより、スイッチ14aをオン、スイッチ14bをオフにした場合より、スイッチ14aをオフ、スイッチ14bをオンにした場合のほうが、スイッチング素子1のオン時のゲート、ソース間に印加される電圧が低くなる。

すなわち、スイッチング素子1のオン時にゲート、ソース間電圧に高い電圧を印加する場合には正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオフ、ゲート、ソース間電圧に低い電圧を印加する場合には正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオンする。

以上の動作により、ゲート電圧を切換えることができる。またスイッチング素子1に正側ゲート電源2から正電圧を印加し、その電圧を切換える手段を説明したが、図 5の回路構成を用いることで、負側ゲート電源3から負電圧を印加し、その電圧も同様に切換えることが可能である。

次にゲート電圧判定回路16の動作について説明する。ゲート電圧判定回路16は入力された動作モード(力行運転、回生運転)と車両速度の情報に応じて、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aと正側ゲート電圧切換えスイッチ14b、負側ゲート電圧切換えスイッチ14c、正側ゲート電圧切換えスイッチ14dにオン・オフ指令を出力し、スイッチング素子1に接続されるゲート電圧を決定する。

ゲート電圧判定回路16に力行運転を示す情報が入力された場合には、図2に示す特性に従い、車両速度が切換え速度1より高い場合には、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオン、負側ゲート電圧切換えスイッチ14cをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14dをオフすることでゲート電圧を車両速度が切換え速度1より低い場合よりも小さくする。車両速度が切換え速度1より低い場合には、正側ゲート電圧切換えスイッチ14aをオン、正側ゲート電圧切換えスイッチ14bをオフ、負側ゲート電圧切換えスイッチ14cをオフ、正側ゲート電圧切換えスイッチ14dをオンすることでゲート電圧を車両速度が切換え速度1より高い場合よりも大きくする。

ゲート電圧判定回路16に回生運転を示す情報が入力された場合には、図3に示す特性に従い、切換え速度2を境に力行運転時と同様にゲート電圧を切換える。
このように動作モードと車両速度の情報を元にゲート電圧を切換えることで、インバータ損失を低減することが可能となる。

次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図6を用いて説明する。図6は実施例1で説明したゲート抵抗の制御と、実施例2で説明したゲート電圧の制御とを組み合わせた回路構成の一例である。

力行運転の場合には、車両速度が切替速度1より高いと、低い場合に比べてゲート抵抗を小さくする制御、及びゲート電圧を小さくする制御を行う。車両速度が切替速度1より低いと、高い場合に比べてゲート抵抗を大きくする制御、及びゲート電圧を大きくする制御を行う。

回生運転の場合には、車両速度が切替速度2より高いと、低い場合に比べてゲート抵抗を小さくする制御、及びゲート電圧を小さくする制御を行う。車両速度が切替速度2より低いと、高い場合に比べてゲート抵抗を大きくする制御、及びゲート電圧を大きくする制御を行う。

ゲート抵抗とゲート電圧とを共に切換えることで、損失の低減効果は実施例1、実施例2よりも大きくなる。各判定回路やスイッチ動作は実施例1および実施例2と同様である。

次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図7を用いて説明する。半導体で構成されるスイッチング素子1の導通特性やスイッチング特性は温度により異なる。つまり、図2、3に示す損失の速度依存性の値が異なり、損失の大小関係が切替わる速度が温度によって異なる。損失を最小にするにはスイッチング素子1の温度情報を基にゲート電圧やゲート抵抗を切り替えることで、より損失を低減可能となる。

なお、図７は実施例３（図６）の構成にスイッチング素子１の温度情報が入力される構成を示しているが、実施例１（図４）におけるゲート抵抗判定回路9または実施例２（図５）におけるゲート電圧判定回路16にスイッチング素子１の温度情報が入力される構成とすることも可能である。

次に、電力変換装置９０１の回路構成の他の一例について、図8を用いて説明する。スイッチング素子1のオン時とオフ時のゲート抵抗を変えるために、オン側ダイオード20aとオフ側ダイオード20bを適用する。

スイッチング素子1のオン時にはオン側ダイオード20aの整流動作により、ゲート回路11から流れる電流はオン側ゲート抵抗切換えスイッチ17aとゲート抵抗18a、ゲート抵抗19aに流れ、スイッチング素子1のオフ時にはオフ側ダイオード20bの整流動作により、ゲート回路11から流れる電流はオン側ゲート抵抗切換えスイッチ17bとゲート抵抗18b、ゲート抵抗19bに流れる。

このような回路構成にすることで、スイッチング素子1のオン時、オフ時のそれぞれのゲート抵抗を設定することが可能となり、スイッチング素子1に適した駆動条件に設定可能となる。

なお、図８は実施例３（図６）の構成にオン側ダイオード20aとオフ側ダイオード20bを適用した構成を示しているが、実施例１（図４）の構成にオン側ダイオード20aとオフ側ダイオード20bを適用することも可能である。

1 スイッチング素子
2 正側ゲート電源
3 負側ゲート電源
4 切替えスイッチ
5 切替えスイッチ
6 駆動信号出力部
7 ゲート抵抗
8 ゲート抵抗
9 ゲート抵抗判定回路
10 ゲート抵抗切替えスイッチ
11 ゲート回路
12a 正側ゲート電圧調整用抵抗
12b 負側ゲート電圧調整用抵抗
13a 正側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード
13b 負側ゲート電圧調整用ツェナーダイオード
14a 正側ゲート電圧切換えスイッチ
14b 正側ゲート電圧切換えスイッチ
14c 負側ゲート電圧切換えスイッチ
14d 負側ゲート電圧切換えスイッチ
15a 正側ゲート電圧調整用コンデンサ
15b 負側ゲート電圧調整用コンデンサ
16 ゲート電圧判定回路
17a オン側ゲート抵抗切換えスイッチ
17b オフ側ゲート抵抗切換えスイッチ
18a オン側ゲート抵抗
18b オフ側ゲート抵抗
19a オン側ゲート抵抗
19b オフ側ゲート抵抗
20a オン側ダイオード
20b オフ側ダイオード

Claims (10)

1. 鉄道車両に搭載された半導体素子を有する電力変換装置において、
   前記半導体素子に流れる電流を制御する駆動回路を有し、
   前記駆動回路は前記半導体素子にゲート抵抗を介してゲート電圧を印加し、
   前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記鉄道車両における車両速度に関する数値、及び前記鉄道車両が力行運転の状態であるか回生運転の状態であるかに基づいて制御され、
   前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、
   前記鉄道車両が力行運転の状態である場合には第１の車両速度に関する数値に基づいて制御され、
   前記鉄道車両が回生運転の状態である場合には前記第１の車両速度に関する数値とは異なる第２の車両速度に関する数値に基づいて制御されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１の電力変換装置において、
   前記鉄道車両が力行運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さく、
   前記鉄道車両が回生運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２の電力変換装置において、
   前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方は、前記半導体素子の温度に基づいて制御されることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれかの電力変換装置において、
   前記半導体素子のスイッチング素子がオン状態である場合のゲート抵抗値と、前記半導体素子のスイッチング素子がオフ状態である場合のゲート抵抗値とが異なることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれかの電力変換装置であって、
   前記車両速度に関する数値は、車両速度、速度指令値、モータ周波数またはモータ周波数指令値であることを特徴とする電力変換装置。
6. 鉄道車両に搭載された半導体素子を有する電力変換装置の制御方法において、
   前記電力変換装置は前記半導体素子にゲート抵抗を介してゲート電圧を印加する駆動回路を有し、
   前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記鉄道車両における車両速度に関する数値、及び前記鉄道車両が力行運転の状態であるか回生運転の状態であるかに基づいて制御し、
   前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、
   前記鉄道車両が力行運転の状態である場合には第１の車両速度に関する数値に基づいて制御し、
   前記鉄道車両が回生運転の状態である場合には前記第１の車両速度に関する数値とは異なる第２の車両速度に関する数値に基づいて制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
7. 請求項６の電力変換装置の制御方法において、
   前記鉄道車両が力行運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第１の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さくするように制御し、
   前記鉄道車両が回生運転の状態において、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値以上である場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記鉄道車両の車両速度に関する数値が前記第２の車両速度に関する数値よりも低い場合の前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方よりも小さくするように制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
8. 請求項６又は７の電力変換装置の制御方法において、
   前記ゲート抵抗及び前記ゲート電圧の少なくとも一方を、前記半導体素子の温度に基づいて制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
9. 請求項６〜８のいずれかの電力変換装置の制御方法において、
   前記半導体素子のスイッチング素子がオン状態である場合のゲート抵抗値と、前記半導体素子のスイッチング素子がオフ状態である場合のゲート抵抗値とが異なるように制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
10. 請求項６〜９のいずれかの電力変換装置の制御方法であって、
    前記車両速度に関する数値は、車両速度、速度指令値、モータ周波数またはモータ周波数指令値であることを特徴とする電力変換装置の制御方法。