JPH04217814A - 半導体電力変換装置の入力過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】架線或いは第三軌条等から電力の
供給を受ける鉄道車両用電力変換装置に関連し、駆動電
動車のノッチオフ或いは雷サージ等によって発生する入
力過電圧から前記電力変換装置を保護する入力過電圧保
護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の入力過電圧保護回路とし
ては該保護回路を含む電力給電系統を例示する図６の回
路図に示す如きものが知られている。また図７は図６に
示す回路各部諸量の動作タイムチャートである。図６に
おいて、１は架線、２は集電器、３ａはしゃ断器、４は
限流抵抗器、５は平滑リアクトル、１３は過電圧保護用
シャントサイリスタ、７は充電抵抗器、１２は例えばサ
イリスタの如き半導体スイッチ、８は平滑コンデンサ、
９は電力変換器、１０は負荷スイッチである。またＥｓ
　は架線電圧、Ｉｓ　は該架線からの入力電流、Ｖｃ　
は平滑コンデンサ８の端子電圧すなわち電力変換器９の
入力電圧となる。上記回路構成においては前記サイリス
タ１３がその導通による電力変換器９の入力過電圧抑制
要素となり、しゃ断器３ａが前記導通に伴う過電流しゃ
断を行う電源分離用要素となり、該両要素により前記入
力過電圧保護回路を形成する。以下図７の動作タイムチ
ャートに従って図６の回路各部の動作を説明する。今、
時刻ｔ１　においてしゃ断器３ａを投入（ＯＮ）すれば
入力電流Ｉｓ　は充電抵抗器７を経由して充電電流とな
って平滑コンデンサ８に流入しその端子電圧Ｖｃ　を上
昇させる。該電圧Ｖｃが時刻ｔ２　においてその定格値
よりも適当に低く設定された所定値に達すれば、半導体
スイッチ１２を導通（ＯＮ）させて充電抵抗器７を短絡
し、電源電圧による平滑コンデンサ８の直接充電を行い
その端子電圧Ｖｃ　を再度上昇させる。該電圧Ｖｃ　が
時刻ｔ３　においてその定格値に達すれば、電力変換器
９を起動させ更に負荷スイッチ１０を投入（ＯＮ）して
負荷への電力供給を開始し、以後入力電流Ｉｓ　は前記
負荷に見合った値となる。

【０００３】次に時刻ｔ４　において架線電圧Ｅｓ　が
その定格値からＥｓｐに上昇する入力過電圧状態が発生
すれば、平滑コンデンサ８への充電電流の増大により入
力電流Ｉｓ　と前記端子電圧Ｖｃ　とは共に増大する。 時刻ｔ５　において該電圧Ｖｃ　がその過電圧状態の検
出設定値Ｖｃｐに達すれば前記シャントサイリスタ１３
を導通（ＯＮ）させ、該サイリスタ接続点における回路
短絡を発生させる。該回路短絡により前記端子電圧Ｖｃ
　の上昇は停止するが入力電流Ｉｓ　の急激な増大が始
まり、時刻ｔ６　において該電流Ｉｓ　がその過電流状
態の検出設定値Ｉｓｐ２　に達すればしゃ断器３ａを開
路（ＯＦＦ）して架線１の電源系より限流抵抗器４以降
の負荷系の分離を行う。該電源分離により前記シャント
サイリスタ１３に転流していた入力電流Ｉｓ　は急速に
減少して零に至る。また平滑コンデンサ８の電荷は高抵
抗値を有する充電抵抗器７を経由して放電され、該コン
デンサの端子電圧Ｖｃ　は徐々に低下する。なお負荷ス
イッチ１０はしゃ断器３ａの開路に連動して開路（ＯＦ
Ｆ）操作される。以上の諸制御完了後、前記入力過電圧
状態が解消しておれば、前記のシャントサイリスタ１３
と半導体スイッチ１２とは適当な時間後それぞれしゃ断
（ＯＦＦ）状態にもどされる。なおまた前記各制御段階
における電圧及び電流の変動状態検出は図６中には示し
ていない各種の電圧継電器，電流継電器等により行われ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の如
き従来の入力過電圧保護回路においては、前記の如き回
路短絡を行って入力過電圧の抑制を図るシャントサイリ
スタに関してはその電流容量の大なるものを要し、また
電源しゃ断器に関してはそのしゃ断容量の大なるものを
要し、何れも装置の大形化と高価格化とを招く要因とな
っていた。上記に鑑み本発明は前記シャントサイリスタ
のアレスタによる代替等により前記しゃ断器のしゃ断容
量の低減等を行い、装置の小形軽量化と低廉化とを可能
とする半導体電力変換装置の入力過電圧保護回路の提供
を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体電力変換装置の入力過電圧保護回路
は、その入力側にて並列接続された平滑コンデンサを介
して直流給電される半導体電力変換装置の入力過電圧保
護回路であって、前記コンデンサの電源側正極母線に挿
入接続された自己しゃ断能力を有する半導体スイッチと
、該スイッチに並列に接続された抵抗器と、前記スイッ
チの電源側入力端と電源負極母線との間に接続され且つ
想定される入力過電圧値より高い制限電圧値を有するア
レスタとを備えて成るものとし、或いはまた、前記コン
デンサの電源側正極母線に挿入接続された自己しゃ断能
力を有する半導体スイッチと、該スイッチに並列に接続
された抵抗器と第１のアレスタと、前記コンデンサに並
列に接続された第２のアレスタとを備えて成り、且つ前
記半導体電力変換装置の通常の入力電圧値と前記第１の
アレスタの制限電圧値との和を想定される入力過電圧値
以上となすものとする。

【０００６】

【作用】２方式より成る本発明の第１の方式に関してみ
れば、前記の如き入力過電圧発生時における電源しゃ断
器の開路動作を、該しゃ断器からみた負荷側インピーダ
ンスを極めて大となした状態，従ってしゃ断対象電流を
極めて小となした状態にて行わせるものであり、そのた
めに前記図６の回路図におけるシャントサイリスタ１３
と半導体スイッチ１２とをそれぞれアレスタとＧＴＯの
如き自己しゃ断能力の有る半導体スイッチとにより置換
した回路構成となすものである。該回路構成にてもし前
記の如き入力過電圧状態が発生すれば、先ずＧＴＯの如
き前記半導体スイッチをＯＦＦ状態となして平滑コンデ
ンサ８への充電電流の流入を断ってその端子電圧Ｖｃ　
の上昇を抑制し、同時に平滑リアクトル５の通電電流す
なわち入力電流Ｉｓ　の急激な減少による逆起電力によ
り回路電圧が急速に上昇して前記アレスタは放電状態に
入り、前記回路電圧の異常上昇は防止される。更に前記
アレスタの放電進行により平滑リアクトル５の蓄積エネ
ルギの放出が完了すると該アレスタはその放電を停止し
再び絶縁状態に入りその内部インピーダンスは極めて大
となる。従って入力電流Ｉｓ　は零または略零に低減す
る。 この入力電流低減状態にて前記電源しゃ断器の開路動作
を行わせることによりその所要しゃ断容量の大幅低減を
可能とするものである。

【０００７】次に本発明の第２の方式に関してみれば、
前記図６の回路図において、半導体スイッチ１２をＧＴ
Ｏの如き自己しゃ断能力の有る半導体スイッチに置換す
ると共に該スイッチに並列に第１のアレスタを接続し、
更にシャントサイリスタ１３を取去ると共に平滑コンデ
ンサ８に並列に第２のアレスタを接続した回路構成とな
し、前記の如き入力過電圧発生時、その入力電圧上昇に
伴う半導体電力変換装置の負荷分離後の電源側入力イン
ダクタンスの蓄積エネルギ吸収に関し、前記変換装置の
最大許容入力電圧は通常その動作停止時の値が動作時の
値よりも可成り高いこと（例えば約３倍）を前提として
、前記平滑コンデンサに前記蓄積エネルギの吸収を行わ
すと共に該吸収の進行による該コンデンサの端子電圧過
大状態は前記第２のアレスタの放電により回避するもの
である。なお前記第１のアレスタは前記入力電圧上昇時
、前記ＧＴＯの如き半導体スイッチがＯＦＦ状態となさ
れた場合の入力電流分路をなすものである。

【０００８】

【実施例】以下本発明の実施例を図面により説明する。 図１と図３とはそれぞれ本発明の第１と第２の実施例を
示す回路図であり、図２と図４とはそれぞれ図１と図３
とに対応する回路各部諸量の動作タイムチャートであり
、図５は半導体電力変換器の構成例を示す回路図である
。なお図１と図３においては図６に示す従来技術の実施
例の場合と同一機能の構成要素に対しては同一の表示符
号を附している。先ず図１は図６の回路図において、１
３の過電圧保護用シャントサイリスタをアレスタ１１に
より、また１２のサイリスタの如き半導体スイッチをＧ
ＴＯの如き自己しゃ断能力のある半導体スイッチ６によ
り、更にはそのしゃ断容量の大なるしゃ断器３ａをより
しゃ断容量の小なるしゃ断器３により置換したものであ
る。次に図２の動作タイムチャートに従って図１の回路
各部の動作を説明するが、時刻ｔ５　以前の諸動作は前
記図７の場合と同一であり、説明を省略する。今、架線
電圧Ｅｓ　のＥｓｐへの上昇により時刻ｔ５　において
平滑コンデンサ８の端子電圧Ｖｃ　がその過電圧状態の
検出設定値Ｖｃｐに達したか或いは前記電圧Ｅｓ　がＥ
ｓｐの過電圧状態にあることを検出して前記半導体スイ
ッチ６をしゃ断（ＯＦＦ）状態となせば、平滑コンデン
サ８への入力電流はしゃ断されその端子電圧Ｖｃ　の前
記設定値Ｖｃｐ以上への上昇は抑制される。一方前記半
導体スイッチ６のしゃ断により入力電流Ｉｓ　は急減し
、該電流急減を妨げる方向に発生する平滑リアクトル５
の逆起電力によりアレスタ１１の端子電圧は急速に上昇
し、該アレスタは放電を開始しその端子電圧をその制限
電圧に保つ。なおＩｓ９は該アレスタの放電電流である
。また前記放電の進行により平滑リアクトル５の蓄積電
磁エネルギの放出が完了すれば前記放電は停止し、アレ
スタ１１の絶縁は回復してその内部インピーダンスは極
めて大となり、該アレスタの端子電圧が前記架線電圧Ｅ
ｓｐに近付くにつれ入力電流Ｉｓ　は零となる。従って
入力電流Ｉｓ　が零に至った時点でしゃ断器３を開路（
ＯＦＦ）させればその無電流しゃ断となり、また入力電
流Ｉｓ　が零に至る以前にしゃ断器３を開路させるとし
てもそのしゃ断電流は前記時刻ｔ５　における入力電流
Ｉｓ　の値Ｉｓｐ１　を超えることはなく、何れにして
もしゃ断器３の所要しゃ断容量は大幅に低減されること
になる。

【０００９】次に図３について説明する。図３は図６の
回路図において、１２のサイリスタの如き半導体スイッ
チをＧＴＯの如き自己しゃ断能力のある半導体スイッチ
に置換すると共に該スイッチに並列に第１のアレスタ１
１ａを接続し、更に前記シャントサイリスタ１３を取去
ると共に平滑コンデンサ８に並列に第２のアレスタ１１
ｂ接続したものである。次に図４の動作タイムチャート
に従って図３の回路各部の動作を説明するが、時刻ｔ５
　以前の諸動作は前記図７の場合と同一であり、説明を
省略する。今、架線電圧Ｅｓ　のＥｓｐへの上昇により
時刻ｔ５　において平滑コンデンサ８の端子電圧Ｖｃ　
がその過電圧状態の検出設定値Ｖｃ１に達したか或いは
前記電圧Ｅｓ　がＥｓｐの過電圧状態にあることを検出
して前記半導体スイッチ６をしゃ断（ＯＦＦ）状態とな
せば、急増しつつあった入力電流Ｉｓ　は前記半導体ス
イッチ６より前記第１のアレスタ１１ａに転流しアレス
タ電流Ｉｓｇ１　となって平滑コンデンサ８の充電を続
け該コンデンサの端子電圧Ｖｃ　を引継き上昇させる。 続いて前記電圧Ｖｃ　がＶｃ２に達して前記第２のアレ
スタ１１ｂが放電を開始しアレスタ電流Ｉｓｇ２　が通
電されれば、前記コンデンサ８の充電電流は前記電流Ｉ
ｓｇ２　の分流により減少し前記電圧Ｖｃ　の上昇は緩
くなり、更に該電圧Ｖｃ　の上昇と共に電源側入力イン
ダクタンス蓄積エネルギの放出電流となっていた前記電
流Ｉｓ　は急減して零に至り、これに伴い前記電流Ｉｓ
ｇ１　，Ｉｓｇ２　は共に零となると共に前記電圧Ｖｃ
　の上昇も停止する。また該電圧Ｖｃ　は架線電圧Ｅｓ
　が正常化されると前記コンデンサ８の蓄積電荷の架線
１を介した直流電源系への放電により徐々に低下してそ
の定常値に至る。なお前記アレスタ１１ａの制限電圧と
前記電圧Ｖｃ１との和電圧を前記過電圧Ｅｓｐより大と
なしておけば前記半導体スイッチ６のＯＦＦ動作時にお
ける前記入力電流Ｉｓ　の増大はない。またしゃ断器３
の入力過電圧対策としてのしゃ断操作は行われない。

【００１０】次に図５は図１，図３，図６の各図に示す
電力変換器９の回路図の例示であり、トランジスタ式ハ
ーフブリッジＤＣ−ＤＣコンバータを示す。図５におい
て、Ｃ１　　〜Ｃ３　はコンデンサ、Ｄ１　，Ｄ２　は
ダイオード、Ｌは平滑リアクトル、Ｒ１　，Ｒ２　は抵
抗、Ｔ１　，Ｔ２　はスイッチングトランジスタ、ＴＲ
は２次センタータップ付変圧器であり、またＶｃ　とＶ
ｏ　とはそれぞれ直流の入力電圧と出力電圧とである。 なお該電力変換器９に関する前記の最大許容入力電圧の
動作時或いは不動作時の値は、通常前記両トランジスタ
Ｔ１　，Ｔ２　の逆バイアス安全動作領域，ターンオフ
時の逆飛躍電圧等を考慮して決定される。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、半導体電力変換装置へ
の直流電力給電系において、電源入力過電圧時の該変換
装置保護用に行う電源しゃ断器と該変換装置間での平滑
リアクトルを介した正負両極母線間短絡制御用の要素と
してシャントサイリスタに代えてアレスタを用い、更に
該アレスタと前記変換装置間正極母線における半導体ス
イッチをＧＴＯの如き自己しゃ断能力のあるものに代え
て電源入力過電圧保護用回路の構成をなすことにより、
或いはまた前記シャントサイリスタの如き短絡制御用要
素自体を取去ると共に前記のＧＴＯの如き半導体スイッ
チと前記変換装置の入力側平滑コンデンサとのそれぞれ
に並列にアレスタを接続した回路構成をなすことにより
、前者の回路構成においては、前記変換装置への過電圧
印加が抑制されると共に前記電源しゃ断器における無電
流または小電流状態でのしゃ断が可能となり、従って該
しゃ断器の所要しゃ断容量も大幅に低減することになり
、更にまた前記アレスタは前記平滑リアクトルの蓄積電
磁エネルギを吸収するだけの容量があれば良く比較的小
形のものとすることができる。また後者の回路構成にお
いては、前記平滑コンデンサ端子電圧の上昇を前記変換
装置の許容値以内の値となしながら且つ前記電源しゃ断
器をＯＦＦとさせることなく前記入力過電圧状態に対応
し得るものとなり、従って前記電源しゃ断器は大電流し
ゃ断の必要はなくその所要しゃ断容量の低減と小形化と
を図ることができ、また前記アレスタもその放電継続時
間の短縮と所要制限電圧の低下とにより所要容量の低減
と小形化とを図ることができる。従って前記何れの回路
構成においても装置全体としての小形軽量化と低廉化と
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図

【図２】図
１に対応する動作タイムチャート

【図３】本発明の第２
の実施例を示す回路図

【図４】図３に対応する動作タイ
ムチャート

【図５】半導体電力変換器の回路図

【図６】従来技術の実施例を示す回路図

【図７】図６に
対応する動作タイムチャート

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　架線２　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　集電器３，３
ａ　　　　　　　　　　　　　　しゃ断器４　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　限流抵抗器５　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　平滑リアクトル６　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　半導体スイッ
チ（ＧＴＯ）７　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　充電抵抗器８　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　平滑コンデンサ９　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　電力変換器１０　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　負荷スイッチ１１，１１ａ，１１ｂ　
　　　アレスタ１２　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　半導体スイッチ（サイリスタ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】その入力側にて並列接続された平滑コンデ
   ンサを介して直流給電される半導体電力変換装置の入力
   過電圧保護回路であって、前記コンデンサの電源側正極
   母線に挿入接続された自己しゃ断能力を有する半導体ス
   イッチと、該スイッチに並列に接続された抵抗器と、前
   記スイッチの電源側入力端と電源負極母線との間に接続
   され且つ想定される入力過電圧値より高い制限電圧値を
   有するアレスタとを備えて成ることを特徴とする半導体
   電力変換装置の入力過電圧保護回路。
2. 【請求項２】その入力側にて並列接続された平滑コンデ
   ンサを介して直流給電される半導体電力変換装置の入力
   過電圧保護回路であって、前記コンデンサの電源側正極
   母線に挿入接続された自己しゃ断能力を有する半導体ス
   イッチと、該スイッチに並列に接続された抵抗器と第１
   のアレスタと、前記コンデンサに並列に接続された第２
   のアレスタとを備えて成り、且つ前記半導体電力変換装
   置の通常の入力電圧値と前記第１のアレスタの制限電圧
   値との和を想定される入力過電圧値以上となしたことを
   特徴とする半導体電力変換装置の入力過電圧保護回路。