JPH07250478A - 直列多重電力変換器 - Google Patents

直列多重電力変換器

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JPH07250478A
JPH07250478A JP6039433A JP3943394A JPH07250478A JP H07250478 A JPH07250478 A JP H07250478A JP 6039433 A JP6039433 A JP 6039433A JP 3943394 A JP3943394 A JP 3943394A JP H07250478 A JPH07250478 A JP H07250478A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】1相が電力用半導体スイッチング素子を4個直
列に接続した直列多重電力変換器の経済的な構成を提供
する。 【構成】外側半導体スイッチング素子に逆並列に接続さ
れる外側フリーホイールダイオードの実質的容量を、内
側フリーホイールダイオードのそれよりも大きくする。 【効果】本発明は、内側・外側フリーホイールダイオー
ドの両者の損失のアンバランスに対して、無駄のない適
切な容量のダイオードを適用し、経済性に優れたインバ
ータ回路を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は直列多重電力変換器に係
り、特にフリーホイールダイオードに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、第1,第2,第3及び第4のスイ
ッチング素子が直列接続され、この第1及び第2のスイ
ッチング素子の接続点と第3及び第4のスイッチング素
子の接続点間にクランピングダイオードの直列回路が逆
並列に接続され、前記夫々のスイッチング素子に逆並列
にフリーホイールダイオードが接続された構成を有する
直列多重電力変換器が、特開平2−262827 号公報,特開
平2−131370 号公報,特開平1−198280 号公報等に記載
されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に記載さ
れた直列多重電力変換器を実機に適用する際、フリーホ
イールダイオードの損失にアンバランスが生じるという
新規な問題が発生する事が確認された。
【0004】損失にアンバランスが生じると、例えば、
フリーホイールダイオードの冷却のための性能を何も考
慮することなく同一にすると、熱による劣化の差が発生
し、ダイオード間において寿命のアンバランスが発生
し、部品交換が2度手間となる等の問題がある。また著
しい場合には、損失の大きいフリーホイールダイオード
の温度が上昇して、破壊に至ることもある。
【0005】本発明の目的は、フリーホイールダイオー
ドの損失にアンバランスのない直列多重電力変換器を提
供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的は、第1,第
2,第3及び第4のスイッチング素子が直列接続され、
この第1及び第2のスイッチング素子の接続点と第3及
び第4のスイッチング素子の接続点間にクランピングダ
イオードの直列回路が逆並列に接続され、前記夫々のス
イッチング素子に逆並列にフリーホイールダイオードが
接続された構成を有する直列多重電力変換器において、
前記第1及び第4のスイッチング素子に逆並列接続され
たフリーホイールダイオードの容量を前記第2及び第3
のスイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイール
ダイオードの容量を大きくするように構成することによ
り達成される。
【0007】
【作用】後述するように、第1及び第4のスイッチング
素子(外側スイッチング素子)に逆並列に接続されたフ
リーホイールダイオードの損失は、第2及び第3のスイ
ッチング素子(内側スイッチング素子)に逆並列に接続
されたフリーホイールダイオードの損失よりも大きい。
外側スイッチング素子に逆並列に接続されたフリーホイ
ールダイオードの容量を内側スイッチング素子に逆並列
に接続されたフリーホイールダイオードの容量よりも大
きくしたため、この損失のアンバランスをなくすことが
できる。
【0008】
【実施例】図1に本発明を電気車用直列多重コンバータ
に適用した一実施例を示す。
【0009】交流架線1の交流をパンタグラフ2で受電
し、これを変圧器3によって降圧する。この降圧された
交流を直列多重コンバータ4により直流電圧指令となる
ような直流に、パルス幅変調(PWM)を実行して変換
する。この変換された直流を分圧コンデンサ(フィルタ
の機能もある)5,6を介して、インバータ7に入力さ
れ、インバータ7は可変電圧・可変周波数の3相交流に
変換して電気車駆動用電動機である誘導電動機8を駆動
する。尚、インバータ7は、2レベルインバータであっ
ても、このコンバータの様に3レベル(直列多重)であ
っても差支えない。また、駆動用電動機を直流電動機と
してそれを駆動するチョッパであっても構わない。
【0010】直列多重コンバータ4は、自己消弧機能を
有するスイッチング素子であるトランジスタT1〜T4
直列に接続され、それぞれのトランジスタに並列にフリ
ーホイールダイオードD1〜D4が接続され、さらに、外
側素子T1,T4と内側素子T2,T3との接続点間にクラ
ンピングダイオードD12,D13の直列体が逆並列に接続
された回路でU相分を構成する。V相についても同様で
ある。
【0011】変圧器3の出力は、内側素子同士の接続点
間に夫々接続(トランジスタT2 とT3 の間及びトラン
ジスタT6とT7の間)される。また、分圧コンデンサ5
の正側とトランジスタT5,T6のコレクタ及びフリーホ
イールダイオードD1,D5のカソードが夫々接続され、
分圧コンデンサ6の負側は、トランジスタT4,T8のエ
ミッタ側及びフリーホイールダイオードD4,D8のアノ
ード側が夫々接続される。また、分圧コンデンサ5,6
の接続点(中性点と云う)は、クランピングダイオード
12,D13の接続点及びD52,D53の接続点と接続され
る。
【0012】尚、本実施例においては、自己消弧形スイ
ッチング素子をトランジスタとしたが、GTOサイリス
タ,IGBT,静電容量サイリスタとしても以下に述べ
る本発明の原理は変わらない。
【0013】上記した直列多重コンバータの基本構成の
他、本実施例では、外側素子であるトランジスタT1
4,T5,T7に、既存の外側フリーホイールダイオー
ドD1,D4,D5,D8 の他、逆並列にフリーホイールダ
イオードD11,D14,D51,T54を接続して、実質的な
外側フリーホイールダイオードの容量を内側フリーホイ
ールダイオードD2,D3,D6,D7の容量よりも大きく
したものである。図1に示す回路では、これらフリーホ
イールダイオードをクランピングダイオードに直列に接
続したものとなっているが、電気的同等の位置に接続さ
れてさえいるのであれば、例えば、既存の外側フリーホ
イールダイオード側に並列接続しても構わない。
【0014】次に、本実施例の原理を図2乃至図4を用
いて説明する。
【0015】図2及び図3は、直列多重コンバータの動
作モードの1相分を示した図である。図2は、トランジ
スタT2,T3の接続点の電圧(交流側電圧)が、0とE
/2の間で変化するモード、図3は、交流側電圧がE/
2とEの間で変化するモードを示している。
【0016】直列多重コンバータは、これらのモードを
有することにより、交流を直流に変換したり、直流を交
流に変換する。
【0017】先ず、図2から説明する。トランジスタT
2 がオンすることにより、中性点電圧が、クランピング
ダイオードD5−トランジスタT2を通して負荷10へ出
力されると、図中の方向に電流が流れる。次にトラン
ジスタT2 のオフによりこれまで負荷10に流れていた
電流が、フリーホイールダイオードD3,D4に流れる。
この繰り返しにより、負荷へE/2,0の電圧を出力す
る。この時、T1〜T4のオンオフ信号は、T1 は常にオ
フ、T3 は常にオンであり、T2及びT4が、短絡を防止
するための非ラップ時間TD を介して、オフ→オン,オ
ン→オフを繰り返す。
【0018】ここで、フリーホイールダイオードD3
4がフリーホイール中ののモードからのモードへ
切替える際に、T2 をオフからオンに切替えるが、この
操作によってフリーホイールダイオードD4 にE/2が
印加される。この時、フリーホイールダイオードD4
は、アノードからカソード方向に電流通電中であったも
のが、電源下のE/2によって打ち消され、次第に減少
して一旦逆方向に電流が流れる。この現象をダイオード
のリカバリー現象と呼び、ダイオードにリカバリー損失
を発生させる原因となる。
【0019】この時フリーホイールダイオードD3 は、
4 と同様の負荷電流が流れているが、トランジスタT
3 にこのモードでは常にオン信号が加えられているた
め、フリーホイールダイオードD3 に逆方向電流が流れ
様とするとトランジスタT3 が導通するので、フリーホ
イールダイオードD4 で発生するリカバリー現象は、発
生しないことが分る。
【0020】フリーホイールダイオードD1,D2につい
ても同様であることを図3を用いて説明する。
【0021】トランジスタT3 がオンすることにより、
負荷10を通して、トランジスタT3−T6を介し、中性
点電圧に向けて図中に示す電流が流れる。次にT3
オフにより、これまで負荷10に流れていた電流が、フ
リーホイールダイオードD1,D2に流れる。この繰り返
しにより、負荷10へE/2,Eの電圧が出力される。
【0022】この時、トランジスタT1〜T4のオンオフ
信号は、T4 は常にオフ、T2 は常にオンであり、T1
及びT3 が短絡を防止するための非ラップ時間TD を介
してオフからオン,オンからオフを繰り返す。
【0023】ここで、フリーホイールダイオードD1
2がフリーホイール中ののモードからのモードへ
切替える際に、トランジスタT3 をオフからオンに切替
えるが、この操作によって、フリーホイールダイオード
1 にE/2が印加される。この時、フリーホイールダ
イオードD1 には、アノードからカソード方向に電流通
電中であったものが、電源上のE/2によって打ち消さ
れ、次第に減少して一旦逆方向に電流が流れる。この時
フリーホイールダイオードD1 にリカバリー損失が発生
する。この時、フリーホイールダイオードD2 は、前記
3 と同様の負荷電流が流れているが、トランジスタT
2 にこのモードでは常にオン信号が加えられているた
め、フリーホイールダイオードD2 に逆方向に電流が流
れ様とするとT2 が導通するので、フリーホイールダイ
オードD1 で発生するリカバリー現象は発生しないこと
が分る。
【0024】以上から、外側フリーホイールダイオード
1,D4はリカバリー現象が発生するが、内側フリーホ
イールダイオードD2,D3には発生しないことが分る。
【0025】次に図4を用いて、外側フリーホイールダ
イオードD1,D4と内側フリーホイールダイオード
2,D3の損失を比較する。
【0026】図4は、ダイオードの順方向電圧とリカバ
リー損失の一例を示すものである。今内側トランジスタ
2,T3のスイッチング周波数を3KHz、フリーホイ
ールモードの通流幅をデューティー50%、ダイオード
電流の交流平均値を300Aとすると損失の内訳けは次
の様になる。
【0027】順方向損失=300A×1.25V×0.5
(デューティー)×0.5(交流半波) =94W リカバリー損失=0.25J×3000(スイッチング周
波数)×0.5(交流半波) =375W 以上から、リカバリー損失を伴う外側フリーホイールダ
イオードD1,D4の損失は、369W,リカバリー損失
を伴わない内側フリーホイールダイオードD2,D3は、
94Wであり、両者に大きなアンバランスがあることが
分る。
【0028】外側・内側フリーホイールダイオードに発
生する損失のアンバランスを補正するために、次の様な
手段が考えられる。
【0029】(1)外側フリーホイールダイオードの容量
を内側フリーホイールダイオード容量より大きくする。
【0030】(2)外側フリーホイールダイオードを複数
個並列接続する様にし、内側フリーホイールダイオード
の並列ダイオードの数より多くする。
【0031】(3)外側フリーホイールダイオードの冷却
フィンの冷却性能を、内側フリーホイールダイオードの
冷却性能より高くする。
【0032】図1に示した実施例は、上記(1)の思想に
基づき上記(2)を実現したものである。
【0033】本実施例によれば、外側フリーホイールダ
イオードの容量を内側フリーホイールダイオードの容量
より大きくすることにより、内側・外側間で発生するア
ンバランスを低減することができるという効果がある。
【0034】図5は、図1に示すコンバータの主回路の
具体的構成図であり、その1相分を示す図である。トラ
ンジスタT1〜T4,フリーホイールダイオードD1〜D4
をそれぞれ同一のパッケージに収納した半導体スイッチ
モジュールを使用した場合の一実施例を示す。
【0035】直列多重コンバータ回路を構成する最少の
部品は、半導体スイッチモジュールTD1〜TD4,ダイ
オードモジュールDM5,DM6である。この他に、半導
体スイッチングモジュールTD1,TD4に並列に容量増
加用のダイオードモジュールDM11,DM41を接続し
た。
【0036】半導体スイッチモジュールTD1〜TD4
図示の様に4個直列に一直線状に配置し、ダイオードモ
ジュールDM5,DM6を回路構成上、配線部材の小形化
から半導体スイッチモジュールTD2,TD3の隣に配置
する。ダイオードモジュールDM5,DM6の両端にダイ
オードモジュールDM11,DM41を配置することによ
り、スペース効率の良いコンバータ回路を構成出来る。
すなわち、モジュールの裏側に冷却部材が付けられるの
で冷却面積の無駄を省くことができる。
【0037】図6は、外側フリーホイールダイオード及
び内側フリーホイールダイオード共に容量を増加し、か
つ、両者の損失のアンバランスを低減する実配置の一実
施例である。
【0038】回路は、図5に示した回路にフリーホイー
ルダイオードをさらに逆並列に接続したものとなってい
る。
【0039】半導体スイッチモジュールTD1〜TD4
逆並列に夫々ダイオードモジュールを接続し、外側フリ
ーホイールダイオードのみ余分に、ダイオードモジュー
ルDM12,DM42をトランジスタTD1,TD4に逆並列
に接続したものである。
【0040】この構成により、損失のアンバランスを低
減できる効果の他、フリーホイールダイオードの容量不
足を解消することができるという効果もある。
【0041】また、図5,図6に示した実施例は、フリ
ーホイールダイオードの並列数が1及び2並列の場合で
あったが、さらに、並列数を増加させても本目的を達成
することができる。
【0042】図7に、両側の円板形の銅ポストの間に半
導体ペレットをはさんで圧接する平形半導体素子(GT
Oサイリスタ等)に本発明を応用した例を示す。GTO
サイリスタG1,G4に逆並列にフリーホイールダイオー
ドD11,D41を並列に接続した例である。もちろんフリ
ーホイールダイオードD11,D41を追加せずD1,D4
容量をD2,D3より大きなものとしても損失アンバラン
ス低減という目的は達成出来る。
【0043】図8に、図7に示す平形半導体素子を用い
たコンバータ回路を構成する際の圧接するスイッチング
素子,ダイオードの配列の一例を示す。
【0044】GTOサイリスタなどの平形半導体素子を
用いる場合、圧接する特殊性から、冷却の方式から、コ
ンバータの1相分が一列に並べられなければならない。
本図に示すように、GTOサイリスタG1 とクランピン
グダイオードD5 との間、フリーホイールダイオードD
2,D3の間、クランピングダイオードD6 とGTOサイ
リスタG4 との間に夫々絶縁体11を挿入し、フリーホ
イールダイオードD1,D4 の外側に新たに図示の如くダ
イオードD11,D41を配置することにより、1相分を一
列に配置することができる。そして、両側から規定圧力
で圧接すれば、容量に回路構成できる。
【0045】図9に、同一半導体ペレット上に、スイッ
チング素子と逆並列ダイオードを集積した平形半導体素
子(逆導通GTOサイリスタ等)に本発明を応用した例
を示す。逆導通GTOサイリスタGD1,GD4に逆並列
にフリーホイールダイオードD11,D41を接続した。も
ちろんD11,D41を追加せずGD1,GD4の容量をGD
2,GD3より大きなものとしても目的は達成出来る。
【0046】図10に、図9に示す平形半導体素子を用
いたコンバータ回路を構成する際の圧接するスイッチン
グ素子,ダイオードの配列の一例を示す。この様に配列
して両側から規定圧力で圧接することにより回路が容易
に構成出来る事が分る。
【0047】平形半導体素子を適用する場合、素子を冷
却するための冷却フィンの容量を変えることによっても
目的を達成出来る。
【0048】図11は、図7に示す実施例で、容量増加
用フリーホイールダイオードD11,D41を追加せずに、
外側フリーホイールダイオードD1,D4と内側フリーホ
イールダイオードD2,D3の冷却フィンの容量を変えた
場合である。フリーホイールダイオードD1 には両側に
フィンF1,フィンF2を設け、フリーホイールダイオー
ドD4 には両側にフィンF11,フィンF12を設けて冷却
を増強しているのに対し、フリーホイールダイオードD
2 には片側にフィンF6 ,フリーホイールダイオードD
3には片側にフィンF7 を設け片面冷却としている。
【0049】片面冷却とせず両面にフィンを接続する場
合でも、外側フリーホイールダイオードD1,D4のフィ
ンの冷却性能を、内側フリーホイールダイオードD2
3のフィンの冷却性能より大きくすることによっても
同様に目的を達成出来る。
【0050】図12は、図9に示す実施例において、容
量増加用フリーホイールダイオードD11,D41を追加せ
ずに、外側逆導通GTOサイリスタGD1,GD4の冷却
フィンF13,F14,F20,F21の4個で構成し、内側逆
導通GTOサイリスタGD2,GD3の冷却フィンF16
17,F18 の3個で構成してフィンの省数化を図るこ
とにより目的を達成した例である。
【0051】以上の様に、外側逆導通GTOサイリスタ
GD1,GD4のフィンの冷却性能を、内側逆導通GTO
サイリスタGD2,GD3のフィンの冷却性能より大きく
することによっても同様に目的を達成出来る。
【0052】上記した実施例によれば、フリーホイール
ダイオードの容量や数を増加することなしに損失アンバ
ランスを低減することができる。
【0053】ところで、これまで説明した実施例では、
全てコンバータについてのものであった。これは、電気
車力行時(コンバータが交直変換している場合)にこの
傾向が顕著だからである。
【0054】しかしながら、直流を3レベルの交流に変
換して誘導電動機を付勢する3レベル(直列多重インバ
ータ)であっても、回生動作とすることから、内側・外
側のフリーホイールダイオードの損失アンバランスを少
なからず発生する。この為、3レベルインバータの外側
フリーホイールダイオードを上記の様に容量を大きくし
ても良い。すなわち、直列多重電力変換器であれば、適
用できる。
【0055】また、直列多重コンバータ,直列多重イン
バータの主回路構成において、コンバータ側の外側フリ
ーホイールダイオードの容量、又は冷却を大きくするこ
とは、必須であるが、インバータは必ずしも必要ではな
い。
【0056】さらに、上記実施例は、電気車制御装置に
ついてのものであったが、本発明は、これに限定される
ものではなく、直列多重コンバータ若しくはインバータ
を用いるものであれば全てに適用、例えば、圧延機制御
用コンバータ若しくはインバータ主回路等、できること
は云うまでもない。
【0057】
【発明の効果】本発明は、外側フリーホイールダイオー
ドと、内側フリーホイールダイオードの両者の損失のア
ンバランスに対して、両者のダイオードに無駄のない適
切な容量のダイオードを適用し、さらに適切な冷却性能
を持たせることの出来る直列多重電力変換器を構成出
来、経済性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す図。
【図2】本発明の原理説明図。
【図3】本発明の原理説明図。
【図4】本発明の原理説明図。
【図5】本発明を適用したモジュール型スイッチ素子の
配置図。
【図6】本発明の他の実施例を示す図。
【図7】本発明を圧接形半導体素子に適用した回路図。
【図8】圧接形半導体素子の配列を示す図。
【図9】本発明を逆導通圧接形半導体素子に適用した回
路図。
【図10】逆導通圧接形半導体素子の配列を示す図。
【図11】本発明の他の実施例を示す図。
【図12】本発明の他の実施例を示す図。
【符号の説明】
1〜T8…トランジスタ、D12,D13,D52,D53…ク
ランピングダイオード、D1〜D4,D5〜D8…フリーホ
イールダイオード、D11,D14,D51,D54…容量増加
用フリーホイールダイオード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 板鼻 博 茨城県勝田市堀口832番地の2 日立シス テムプラザ勝田 日立水戸エンジニアリン グ株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1,第2,第3及び第4のスイッチング
    素子が直列接続され、この第1及び第2のスイッチング
    素子の接続点と第3及び第4のスイッチング素子の接続
    点間にクランピングダイオードの直列回路が逆並列に接
    続され、前記夫々のスイッチング素子に逆並列にフリー
    ホイールダイオードが接続された構成を有する直列多重
    電力変換器において、前記第1及び第4のスイッチング
    素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードの容
    量を前記第2及び第3のスイッチング素子に逆並列接続
    されたフリーホイールダイオードの容量を大きくするよ
    うに構成した直列多重電力変換器。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記第1及び第4のス
    イッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイ
    オードの容量を前記第2及び第3のスイッチング素子に
    逆並列接続されたフリーホイールダイオードの容量を大
    きくすることは、前記第1及び第4のスイッチング素子
    に逆並列接続されたフリーホイールダイオードの接続数
    を前記第2及び第3のスイッチング素子に逆並列接続さ
    れたフリーホイールダイオードの接続数より多くするも
    のである直列多重電力変換器。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記第1及び第4のス
    イッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイ
    オードの容量を前記第2及び第3のスイッチング素子に
    逆並列接続されたフリーホイールダイオードの容量を大
    きくすることは、前記第1及び第4のスイッチング素子
    を冷却する手段の冷却能力より前記第2及び第3のスイ
    ッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオ
    ードを冷却する手段の冷却能力より大きくするものであ
    る直列多重電力変換器。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記直列多重電力変換
    器は交流を直流に変換する直列多重コンバータである直
    列多重電力変換器。
  5. 【請求項5】請求項1において、前記直列多重電力変換
    器は直流を交流に変換する直列多重インバータである直
    列多重電力変換器。
  6. 【請求項6】スイッチング素子に逆並列にダイオードが
    接続された第1,第2,第3及び第4の半導体モジュー
    ルが直列接続され、この第1及び第2のスイッチング素
    子の接続点と第3及び第4のスイッチング素子の接続点
    間にクランピングダイオードの直列回路が逆並列に接続
    された構成を有する直列多重電力変換器において、前記
    第1及び第4の半導体モジュールに逆並列にダイオード
    を接続した直列多重電力変換器。
  7. 【請求項7】請求項6において、前記半導体モジュール
    を直線的に配列し、これに平行して前記クランピングダ
    イオード及び前記ダイオードを直線的に配置した直列多
    重電力変換器。
  8. 【請求項8】請求項6において、夫々の前記半導体モジ
    ュールに逆並列にダイオードを接続した直列多重電力変
    換器。
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