KR101709843B1 - 차량용 전력 변환 장치 및 차량 - Google Patents

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류타 하세가와
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Abstract

전압의 멀티 레벨 제어를 행하는 구성으로서, 부품 개수를 적게 한다. 실시 형태의 차량용 전력 변환 장치는 단상 2레벨 컨버터와, 단상 3레벨 컨버터를 구비한다. 단상 2레벨 컨버터는, 콘덴서와, 자기 소호 능력을 갖는 제1 내지 제4 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함한다. 단상 3레벨 컨버터는, 2개 직렬 접속되는 콘덴서와, 제5 내지 제10 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함한다. 단상 2레벨 컨버터와, 단상 3레벨 컨버터는 교류 입출력점에서 직렬 접속된다. 단상 2레벨 컨버터는, 단상 3레벨 컨버터보다 스위칭 손실이 적고, 단상 3레벨 컨버터는, 단상 2레벨 컨버터보다 내전압성이 높다.

Description

차량용 전력 변환 장치 및 차량{VEHICLE POWER CONVERSION DEVICE AND VEHICLE}
본 출원은, 2012년 3월 16일에 출원한 선행하는 일본 특허 출원 제2012-060300호에 의한 우선권의 이익에 기초를 두고, 또한, 그 이익을 추구하고 있으며, 그 내용 전체가 인용에 의해 여기에 포함된다.
본 실시 형태는 차량용 전력 변환 장치 및 차량에 관한 것이다.
신칸센용 전력 변환기의 컨버터로서는, 다이오드 클램프형 3레벨 회로를 포함하고 있는 경우가 많다.
이에 반해, 최근, 실리콘 카바이드 소자 등의 저손실 디바이스가 제안되고 있다. 따라서, 이후, 실리콘 카바이드 소자 등의 저손실 디바이스를 적용함으로써, 컨버터를 소형화하는 것이 기대되고 있다.
그러나, 현재 제공되고 있는 실리콘 카바이드 소자 등에 있어서는, 높은 전압에 견딜 수 있는 소자가 없다. 이 때문에, 소자의 직렬화나, 현존의 실리콘 소자와 조합한 멀티 레벨화를 행할 필요가 있다. 이 2개 중, 소자의 직렬화는 손실 증가, 소자수 증가, 밸런스 제어 등의 과제가 있다. 이 때문에, 현상황에서는 멀티 레벨화가 실용적이다.
멀티 레벨화로서, 출력 전압의 레벨수에 대한 스위칭 소자의 수가 적은 방식으로서 플라잉 캐패시터 방식이 제안되고 있다. 그러나, 당해 방식에서는 콘덴서수가 많아진다.
콘덴서수를 억제한 멀티 레벨화로서, 다이오드 클램프 방식이 제안되고 있다. 다이오드 클램프 방식에서는, 필터 콘덴서 전압의 밸런스 회로가 필요하여, 체적이 증가할 가능성이 있다. 그 밖에도 단상 풀 브릿지 컨버터(인버터)의 교류 입출력점을 직렬 접속하는 캐스케이드 방식이나 계조 제어 방식이 있다. 여기서, 그 기술에 관하여, 하기 문헌을 인용하고, 그 내용 전체를 인용에 의해 여기에 포함한다.
일본 특허 공개 제2004-7941호 공보
"Multicell Converters : Active Control and Observation of Flying-Capacitor Voltages", IEEE Trans. Ind. Electron. vol.49, No.5, pp.998-1008, 2002.
그러나, 종래 기술에서는, 높은 전압에 견딜 수 있고, 또한 콘덴서수를 적게 할 수 있지만, 출력 전압의 레벨수에 대하여 스위칭 소자의 수가 많아진다. 이 때문에, 소형화하는 것은 어렵다.
상기 상황을 감안하여, 보다 소형의 차량용 전력 변환 장치가 제공된다.
실시 형태의 차량용 전력 변환 장치는, 단상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치이며, 단상 2레벨 컨버터와, 단상 3레벨 컨버터를 구비한다. 단상 2레벨 컨버터는, 콘덴서와, 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는, 자기 소호(消弧) 능력을 갖는 제1 가제어 스위칭 디바이스와, 콘덴서의 타단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제2 가제어 스위칭 디바이스와, 콘덴서의 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제3 가제어 스위칭 디바이스와, 콘덴서의 타단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제4 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함한다. 단상 3레벨 컨버터는, 2개 직렬 접속되는 콘덴서와, 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제5 가제어 스위칭 디바이스와, 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 타단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제6 가제어 스위칭 디바이스와, 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제7 가제어 스위칭 디바이스와, 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 타단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제8 가제어 스위칭 디바이스와, 2개 직렬 접속되는 콘덴서 사이의 접속점과 다른 쪽 교류 입출력점 사이에, 제9 가제어 스위칭 디바이스와 제10 가제어 스위칭 디바이스를 역극성으로 직렬 접속하는 쌍방향 스위치와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함한다. 단상 2레벨 컨버터와, 단상 3레벨 컨버터는 교류 입출력점에서 직렬 접속된다. 단상 2레벨 컨버터는, 단상 3레벨 컨버터보다 스위칭 손실이 적고, 단상 3레벨 컨버터는, 단상 2레벨 컨버터보다 내전압성이 높다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 멀티 레벨 컨버터의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 멀티 레벨 컨버터에 대한 출력 전압 지시에 대응하는 각 컨버터의 지령값 전압을 도시한 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 단상 2레벨 컨버터 및 단상 3레벨 컨버터에 포함되어 있는 각 스위칭 디바이스에 의한 스위치 제어를 도시한 도면이다.
도 4는 Vthr1≥Vref≥-Vthr1의 조건을 만족시키고 있는 경우에 있어서의 멀티 레벨 컨버터의 단상 3레벨 컨버터의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 Vthr2≥Vref>Vthr1의 조건을 만족시키고 있는 경우의 멀티 레벨 컨버터의 단상 3레벨 컨버터의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 Vref>Vthr2의 조건을 만족시키고 있는 경우의 멀티 레벨 컨버터의 단상 3레벨 컨버터의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 7은 제2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 멀티 레벨 컨버터의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 제2 실시 형태에 따른 단상 3레벨 컨버터에 포함되어 있는 2개 직렬 접속된 콘덴서에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 9는 제2 실시 형태에 따른 단상 3레벨 컨버터에 포함되어 있는 2개 직렬 접속된 콘덴서에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 10은 제2 실시 형태에 따른 단상 2레벨 컨버터에 포함되어 있는 콘덴서에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 11은 제2 실시 형태에 따른 단상 2레벨 컨버터에 포함되어 있는 콘덴서에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 12는 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에 있어서의 콘덴서의 충전의 처리 수순의 수순을 도시하는 흐름도이다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 따른 차량용 전력 변환 장치(11)의 멀티 레벨 컨버터(1)의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 멀티 레벨 컨버터(1)는 단상 3레벨 컨버터(50)와, 단상 2레벨 컨버터(40)를 직렬 접속하고 있다. 그리고, 멀티 레벨 컨버터(1)는, 리액터 성분을 갖는 수동 소자(2)를 통하여 전력 계통 등의 교류 전원(100)과 접속하고, 단상 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후, 주전동기(3)에 대하여 전력을 공급한다. 또한, 본 실시 형태는, 전력 변환 장치(11)가 탑재되는 차량을 제한하는 것은 아니고, 다양한 차량에 탑재해도 된다.
제어부(150)는, 단상 3레벨 컨버터(50)와, 단상 2레벨 컨버터(40)를 제어한다. 또한, 제어부(150)는, 전력 변환 장치(11)의 내부에 설치되어 있고, 멀티 레벨 컨버터(1)의 내부에 포함되어도 된다.
단상 2레벨 컨버터(40)는, 일반적인 단상 컨버터이며, 스위칭 디바이스(4a 내지 4d)와, 콘덴서(14)와, (환류) 다이오드(6a 내지 6d)를 포함한다. 본 실시 형태에 따른 단상 2레벨 컨버터(40)는, SiC(실리콘 카바이드 디바이스)를 포함한다. 단상 2레벨 컨버터(40)는, SiC(실리콘 카바이드 디바이스)를 적용함으로써, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
스위칭 디바이스(4a 내지 4d)는 자기 소호 능력을 갖는다. 또한, 스위칭 디바이스(4a)는 콘덴서(14)의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다. 또한, 스위칭 디바이스(4b)는 콘덴서(14)의 타단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다. 스위칭 디바이스(4c)는 콘덴서(14)의 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다. 스위칭 디바이스(4d)는 콘덴서(14)의 타단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다.
다이오드(6a)는 스위칭 디바이스(4a)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(6b)는 스위칭 디바이스(4b)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(6c)는 스위칭 디바이스(4c)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(6d)는 스위칭 디바이스(4d)에 역병렬로 접속되어 있다.
단상 3레벨 컨버터(50)는, 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)와, 2개 직렬 접속된 (필터) 콘덴서(15a, 15b)와, 다이오드(8a 내지 8f)를 갖는다. 콘덴서(15a)는, 정전위 도선(10a)을 플러스측에, 중성점(9)을 마이너스측에 접속한다. 콘덴서(15b)는, 중성점(9)을 플러스측에, 부전위 도선(10b)을 마이너스측에 접속한다. 그리고, 스위칭 디바이스(5c, 5d, 5e)의 접속점을 교류 전압 입출력점으로 한다. 그리고, 스위칭 디바이스(5c, 5d, 5e)는, 교류 전압 입출력점으로부터 수동 소자(2)를 통하여 전력 계통 등의 교류 전원(100)과 접속된다.
단상 3레벨 컨버터(50)는 2개의 레그를 구비한다. 그리고, 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되어 있는 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)는 자기 소호 능력을 갖는다.
한쪽 레그는 2개의 직렬의 스위칭 디바이스(5a, 5b)를 포함한다. 스위칭 디바이스(5a)는, 2개 직렬 접속되는 콘덴서(15a, 15b)의 정전위와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다. 스위칭 디바이스(5b)는, 2개 직렬 접속되는 콘덴서(15a, 15b)의 부전위와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다.
다른 쪽 레그는 2개의 직렬의 스위칭 디바이스(5c, 5d)를 포함한다. 또한, 쌍방향 스위칭 디바이스(7)가 2개의 직렬의 스위칭 디바이스(5c, 5d)에 후술하는 바와 같이 접속된다. 스위칭 디바이스(5c)는, 2개 직렬 접속되는 콘덴서(15a, 15b)의 정전위와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다. 스위칭 디바이스(5d)는, 2개 직렬 접속되는 콘덴서(15a, 15b)의 부전위와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다.
2개의 직렬의 스위칭 디바이스(5c, 5d)는, 정전위와 다른 쪽 교류 입출력점 사이 및 다른 쪽 교류 입출력점과 부전위 사이에 접속된다.
쌍방향 스위칭 디바이스(7)는, 역극성으로 직렬 접속된 스위칭 디바이스(5e, 5f)와, 다이오드(8e, 8f)를 포함한다. 그리고, 쌍방향 스위칭 디바이스(7)는, 2개 직렬 접속된 콘덴서(15a, 15b) 사이의 중성점(9)의 전위와 다른 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속된다.
이 회로 구성에서는 단상 3레벨 컨버터(50)의 사용 스위칭 디바이스수는 6개, 콘덴서는 2개로 되어, 출력 전압 레벨수에 대한 필요 부품수가 적다.
다이오드(8a)는 스위칭 디바이스(5a)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(8b)는 스위칭 디바이스(5b)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(8c)는 스위칭 디바이스(5c)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(8d)는 스위칭 디바이스(5d)에 역병렬로 접속되어 있다. 또한, 쌍방향 스위칭 디바이스(7)에 포함되는 다이오드(8e)는 스위칭 디바이스(5e)에 역병렬로 접속되고, 다이오드(8f)는, 스위칭 디바이스(5f)에 역병렬로 접속되어 있다.
본 실시 형태에 따른 단상 2레벨 컨버터(40)는, 스위칭 손실이 적은 실리콘 카바이드 디바이스(SiC) 등을 포함한다. 또한, 단상 3레벨 컨버터(50)는 고내압의 실리콘 디바이스 등을 포함한다. 이에 의해, 단상 2레벨 컨버터(40)는, 단상 3레벨 컨버터(50)보다 스위칭 손실이 적어지는 한편, 단상 3레벨 컨버터(50)는, 단상 2레벨 컨버터(40)보다 내전압성이 높아진다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 멀티 레벨 컨버터(1)에 대한 출력 전압 지시에 대응하는 각 컨버터의 지령값 전압을 도시한 도면이다. 도 2에는, 멀티 레벨 컨버터(1)의 출력 전압 지령값 Vref(201)와, 단상 3레벨 컨버터(50)의 지령값 전압(202)과, 단상 2레벨 컨버터(40)의 지령값 전압(203)과, 단상 2레벨 컨버터(40)의 출력 전압(204)이 도시되어 있다.
즉, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(11)는, 단상 3레벨 컨버터(50)의 지령값 전압(202)과 단상 2레벨 컨버터(40)의 지령값 전압(203)을 조합함으로써, 멀티 레벨 컨버터(1)의 출력 전압 지령값 Vref(201)를 실현하고 있다.
그리고, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(11)는, 스위칭 손실이 낮은 단상 2레벨 컨버터(40)를, 단상 3레벨 컨버터(50)보다 스위칭 주파수를 높게 한 후에, 출력 전압 지령값 Vref(201)의 상세한 변화에 추종하도록 단상 2레벨 컨버터(40)를 제어한다. 이에 의해 상세한 전압의 제어와, 스위칭 손실의 저감을 실현한다.
일반적으로, 실리콘 카바이드 디바이스 등의 스위칭 손실이 적은 소자는, 내전압성이 낮은 경우가 많다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 전압의 큰 변화를 가능하게 하기 위해서, 내전압성이 높은 단상 3레벨 컨버터(50)에 대하여, 계단 파형을 실현하기 위한 제어를 행하기로 하였다.
본 실시 형태에서는, 멀티 레벨 컨버터(1)의 출력 전압 지령값 Vref(201)에 대하여, 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b)가 출력하기 위한 임계값이 설정되어 있다. 예를 들면, 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b) 중 어느 하나에서 출력하기 위한 전압 임계값을 ±Vthr1이라 한다. 나아가, 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b)의 양쪽이 출력하기 위한 전압 임계값을 ±Vthr2라 한다. 그리고, 제어부(150)는, 출력 전압 지령값 Vref가, 전압의 임계값 ±Vthr1 및 전압의 임계값 ±Vthr2를 초과하였는지 여부에 기초하여, 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)를 제어한다.
나아가, 단상 2레벨 컨버터(40)의 지령값 전압(203)에 기초하여, 제어부(150)는 단상 2레벨 컨버터(40)의 출력 전압(204)으로 되도록 제어한다. 다음에 구체적인 스위칭 디바이스의 제어에 대하여 설명한다.
도 3은 각 컨버터에 포함되어 있는 스위칭 디바이스에 의한 스위치 제어를 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 예에서는, 단상 3레벨 컨버터(50)측 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)의 스위치 제어와, 단상 2레벨 컨버터(40)측 스위칭 디바이스(4a 내지 4d)의 스위치 제어가 도시되어 있다.
그리고, Vthr1≥Vref≥-Vthr1의 조건을 만족시키는 경우(시간 0 내지 t1, t4 내지 t5, t8 이후), 제어부(150)는 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합 및 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합 중 어느 하나의 조합을 온 상태로 한다. 이에 의해, 컨버터 출력 전압에는 콘덴서(15a, 15b)의 전압이 중첩되지 않고, 제어부(150)가 단상 2레벨 컨버터(40)에 대한 펄스폭 변조 제어에 의해 컨버터 전체의 출력 전압 지령값 Vref를 출력한다.
도 4는 Vthr1≥Vref≥-Vthr1의 조건을 만족시키고 있는 경우에 있어서의 멀티 레벨 컨버터(1)의 단상 3레벨 컨버터(50)의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 예에서는, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합을 온 상태로 하고, 다른 스위칭 디바이스(5b, 5d 내지 5f)가 오프 상태로 제어되고 있다. 이 경우, 굵은 선(401)으로 도시되는 경로를 전류가 흐르기 때문에, 콘덴서(15a, 15b)의 전압이 중첩되는 일이 없다. 또한, 도 4에서는, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합만 온 상태로 한 예이지만, 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합만 온 상태로 해도 된다.
도 3으로 되돌아가서, Vthr2≥Vref>Vthr1의 조건을 만족시키는 경우(시간 t1 내지 t2, t3 내지 t4), 제어부(150)는 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5a, 5e, 5f)를 온 상태로 제어한다. 이에 의해, 컨버터 출력 전압에, 콘덴서(15a)의 전압이 더해지기 때문에, 단상 2레벨 컨버터(40)는, 컨버터 전체의 출력 전압 지령값 Vref로부터 콘덴서(15a)의 전압을 차감한 차분 전압을, 제어부(150)에 의한 펄스폭 변조 제어에 따라서 출력한다.
도 5는 Vthr2≥Vref>Vthr1의 조건을 만족시키고 있는 경우의 멀티 레벨 컨버터(1)의 단상 3레벨 컨버터(50)의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 5에 도시한 예에서는, 스위칭 디바이스(5a, 5e, 5f)의 조합만이 온 상태이고, 다른 스위칭 디바이스가 오프 상태로 제어되고 있다. 이 경우, 굵은 선(501)으로 도시되는 경로를 전류가 흐르기 때문에, 콘덴서(15a)의 전압만 중첩된다.
도 3으로 되돌아가서, Vref>Vthr2의 조건을 만족시키는 경우(시간 t2 내지 t3), 제어부(150)는, 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5a, 5d)를 온 상태로 한다. 이에 의해, 컨버터 출력 전압에, 콘덴서(15a, 15b)의 전압이 더해지기 때문에, 단상 2레벨 컨버터(40)는 컨버터 전체의 출력 전압 지령값 Vref로부터 콘덴서(15a, 15b)의 전압을 차감한 차분 전압을, 제어부(150)에 의한 펄스폭 변조 제어에 의해 출력한다.
도 6은 Vref>Vthr2의 조건을 만족시키고 있는 경우의 멀티 레벨 컨버터(1)의 단상 3레벨 컨버터(50)의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 6에 도시한 예에서는, 스위칭 디바이스(5a) 및 스위칭 디바이스(5d)의 조합만 온 상태로 제어되고 있다. 이 경우, 굵은 선(601)으로 도시되는 경로를 전류가 흐르기 때문에, 콘덴서(15a, 15b)의 전압이 중첩된다.
도 3으로 되돌아가서, -Vthr1>Vref≥-Vthr2의 조건을 만족시키는 경우(시간 t5 내지 t6, t7 내지 t8), 제어부(150)는 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5b, 5e 및 5f)를 온 상태로 한다. 이에 의해, 컨버터 출력 전압으로부터, 콘덴서(15b)의 전압이 빠지기 때문에, 단상 2레벨 컨버터(40)는 컨버터 전체의 출력 전압 지령값 Vref에 콘덴서(15a)의 전압을 가산한 차분 전압을, 제어부(150)에 의한 펄스폭 변조 제어에 의해 출력한다.
-Vthr2>Vref의 조건을 만족시키는 경우(시간 t6 내지 t7), 제어부(150)는 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5b 및 5c)를 온 상태로 한다. 이에 의해, 컨버터 출력 전압으로부터 콘덴서(15a, 15b)의 전압이 빠지기 때문에, 단상 2레벨 컨버터(40)는, 컨버터 전체의 출력 전압 지령값 Vref에, 콘덴서(15a, 15b)를 가산한 차분 전압을, 제어부(150)에 의한 펄스폭 변조 제어에 의해 출력한다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 제어부(150)는, 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)를, 소정 전압 단위(임계값 ±Vthr2, 임계값 ±Vthr1)로 제어한다. 그리고, 제어부(150)는, 소정 전압보다 작은 출력 전압의 변화에 대응하여, 단상 2레벨 컨버터(40)에 포함되는 스위칭 디바이스(4a 내지 4d)를 제어한다.
이상의 제어를 실시함으로써, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(11)는, 컨버터 출력 전압의 1주기에 있어서, 단상 3레벨 컨버터(50)의 각 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)의 스위칭 횟수를 4회로 적게 할 수 있다. 또한, 본 실시 형태는, 스위칭 횟수를 4회로 제한하는 것은 아니고, 임계값의 수 등에 따라서 스위칭 횟수가 변화된다. 임계값을 적게 함으로써, 스위칭 횟수를 보다 적게 할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 횟수가 1 내지 3회 등이어도 된다.
단상 3레벨 컨버터(50)가, 멀티 레벨 컨버터(1)의 컨버터 출력 전압의 토대로 되는 계단 파형을 작성한다. 단상 3레벨 컨버터(50)는 실리콘 소자를 포함하고 있기 때문에, 내전압성은 높지만, 스위칭 손실이 높다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 계단 파형으로 되기 때문에, 1주기에 있어서의 스위칭의 횟수가 적어진다. 이에 의해, 스위칭 횟수를 억제하여, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
그리고, 단상 2레벨 컨버터(40)가, 단상 3레벨 컨버터(50)의 계단 파형과 멀티 레벨 컨버터 출력 전압의 차분 전압을 보상하기 위해서 고속 스위칭 제어를 행한다. 이와 같이, 단상 2레벨 컨버터(40)가, 단상 3레벨 컨버터(50)의 계단 파형과 멀티 레벨 컨버터 출력 전압 사이의 차분 전압을 보상한다.
본 실시 형태에서는, 임계값 전압 Vthr1, Vthr2를 적절하게 설정함으로써, 단상 2레벨 컨버터(40)는 차분 전압의 보상에 사용되기 때문에, 높은 전압은 필요로 되지 않아, 저내전압성의 스위칭 소자를 이용할 수 있다. 또한, 단상 2레벨 컨버터(40)는, 단상 3레벨 컨버터(50)의 계단 파형과 멀티 레벨 컨버터(1) 전체의 교류 입출력 전압의 차분 전압을 보상하기 위해서 고속 스위칭 제어를 행한다. 본 실시 형태에서는, 단상 2레벨 컨버터(40)로서, 스위칭 손실이 작은 실리콘 카바이드 소자 등을 사용함으로써, 고속 스위칭에 의한 손실을 억제할 수 있다.
단상 3레벨 컨버터(50)는, 멀티 레벨 컨버터(1)의 출력 전압의 토대로 되는 계단파를 형성하기 위해서, 내전압성이 높은 소자를 사용한다. 이에 의해, 직렬화하는 컨버터의 수를 억제할 수 있다.
또한, 단상 3레벨 컨버터(50)로서, 스위칭에 있어서의 손실이 큰 실리콘 소자를 사용하는 경우라도, 종래의 삼각파 비교에 의한 펄스폭 변조 제어 방식에 의해 복수회 스위칭을 행하는 경우와 비교하여 스위칭 횟수를 저감할 수 있다. 이에 의해, 손실 저감 효과를 향상시킬 수 있다. 즉, 단상 2레벨 컨버터(40)에 실리콘 카바이드 소자 등을 적용함으로써, 스위칭 손실 저감 효과를 발생시킬 뿐만 아니라, 종래의 실리콘 소자를 사용한 단상 3레벨 컨버터(50)에서도 스위칭 손실을 저감할 수 있다. 이에 의해, 멀티 레벨 컨버터(1) 전체의 스위칭 손실을 보다 한층 더 저감할 수 있다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에서는, 멀티 레벨 컨버터(1)에 대하여 초기 충전을 행하는 경우에 대하여 설명한다. 도 7은 제2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 멀티 레벨 컨버터(1)의 구성을 도시한 도면이다. 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에서는, 초기 충전을 행하기 위한 구성으로서, 제1 실시 형태의 전력 변환 장치(11)와 비교하여, 스위칭 디바이스(21)와 스위칭 디바이스(22)와 저항(23)을 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)는, 제어부(150)와 처리가 상이한 제어부(750)로 변경되고, 전류 검출부(702)와, 온도 검출부(701)가 추가되어 있다.
전류 검출부(702)는 멀티 레벨 컨버터(1)에 흐르는 전류값을 검출한다. 온도 검출부(701)는 단상 2레벨 컨버터(40)의 온도를 계측한다. 또한, 본 실시 형태는, 단상 3레벨 컨버터(50)의 온도를 계측하기 위한 온도 검출부가 설치되어도 된다.
제어부(750)는, 제1 실시 형태에 따른 제어부(150)와 마찬가지의 제어를 행하는 것 외에, 초기 충전을 행하기 위한 제어를 행한다. 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류값이나, 온도 검출부(701)에 의해 검출된 온도를 고려하여, 초기 충전 시의 제어를 행한다.
스위칭 디바이스(21)는, 초기 충전을 행할 때 온 상태로 된다. 또한, 스위칭 디바이스(22)는 주전동기(3)에 전압을 출력하는 경우에 온 상태로 된다. 저항(23)은, 충전할 때 소자를 손상시키지 않게 하기 위해 설치되어 있다.
그런데, 초기 충전을 행할 때, 콘덴서(14)와, 콘덴서(15a, 15b)를 직렬로 접속하여, 양쪽 동시에 충전을 행해도 되지만, 정전 용량의 차이 등으로부터, 콘덴서(14) 및 콘덴서(15a, 15b) 모두를 전압 피크값까지 충전하는 것이 어려운 경우가 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 제어부(750)가, 콘덴서(15a, 15b)를 소망 전압값까지 충전한 후, 콘덴서(14)를 소망 전압값까지 충전을 행하는 예로 한다. 또한, 본 실시 형태는, 충전 순서를 제한하는 것은 아니고, 예를 들면 콘덴서(14)를 먼저 충전한 후, 콘덴서(15a, 15b)를 충전하도록 해도 된다.
도 8은 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되어 있는 2개 직렬 접속된 콘덴서(15a, 15b)에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 8에 도시한 예에서는, 제어부(750)가 스위칭 디바이스(4b) 및 스위칭 디바이스(4d)를 온 상태로 하는 제어를 행하고, 그 이외의 스위칭 디바이스(스위칭 디바이스(4a, 4c), 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 모든 스위칭 디바이스(5a 내지 5f))를 오프 상태로 하는 제어를 행한다.
이에 의해, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에서는, 도 8의 점선으로 나타내는 바와 같은 전류가 흐른다. 따라서, 콘덴서(15a, 15b)에 충전이 행해지고, 콘덴서(14)의 충전이 행해지지 않게 된다.
도 9는 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되어 있는 2개 직렬 접속된 콘덴서(15a, 15b)에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 9에 도시한 예에서는, 제어부(750)가, 스위칭 디바이스(4a) 및 스위칭 디바이스(4c)를 온 상태로 하는 제어를 행하고, 그 이외의 스위칭 디바이스(스위칭 디바이스(4b, 4d), 단상 3레벨 컨버터(50)에 포함되는 모든 스위칭 디바이스(5a 내지 5f))를 오프 상태로 하는 제어를 행한다.
이에 의해, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에서는, 도 9의 점선으로 나타내는 바와 같은 전류가 흐른다. 따라서, 콘덴서(15a, 15b)에 충전이 행해지고, 콘덴서(14)의 충전이 행해지지 않게 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 단상 2레벨 컨버터(40)가 구비하는, 스위칭 디바이스(4a)와 스위칭 디바이스(4c)의 조합 및 스위칭 디바이스(4b)와 스위칭 디바이스(4d)의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하는 제어를 행한다. 이와 같은 제어를 행함으로써, 콘덴서(15a, 15b)는 환류 다이오드(6a 내지 6d)를 통하여, 최대로 교류 전원(100)의 전압 피크값까지 충전된다.
본 실시 형태는, 스위칭 디바이스(4a)와 스위칭 디바이스(4c)의 조합 및 스위칭 디바이스(4b)와 스위칭 디바이스(4d)의 조합 중 어느 쪽을 온 상태로 할 것인지를 제한하는 것은 아니다.
또한, 스위칭 디바이스(4a)와 스위칭 디바이스(4c)의 조합 및 스위칭 디바이스(4b)와 스위칭 디바이스(4d)의 조합 중, 어느 쪽을 온 상태로 할 것인지를, 각 스위칭 디바이스의 손실을 고려하여 전환해도 된다.
따라서, 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류값이나, 온도 검출부(701)에 의해 검출된 온도에 기초하여, 스위칭 디바이스(4a)와 스위칭 디바이스(4c)의 조합 및 스위칭 디바이스(4b)와 스위칭 디바이스(4d)의 조합 중, 어느 쪽을 온 상태로 할 것인지를 전환하기로 하였다. 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류값, 또는 온도 검출부(701)에 의해 검출된 온도가 미리 정해진 임계값을 초과한 경우에, 현재까지 이용하고 있던 조합을 오프 상태로 하고, 다른 쪽 조합을 온 상태로 하는 제어를 행하기로 하였다.
그리고, 피크값까지의 사이에 콘덴서(15a, 15b)가 소망 전압값에 도달한 경우, 제어부(750)는 콘덴서(14)를 충전하기 위한 제어를 개시한다.
도 10은 단상 2레벨 컨버터(40)에 포함되어 있는 콘덴서(14)에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 10에 도시한 예에서는, 제어부(750)가 스위칭 디바이스(5a) 및 스위칭 디바이스(5c)를 온 상태로 하는 제어를 행하고, 그 이외의 스위칭 디바이스(단상 2레벨 컨버터(40)에 포함되어 있는 모든 스위칭 디바이스(4a 내지 4d), 스위칭 디바이스(5b, 5d 내지 5f))를 오프 상태로 하는 제어를 행한다.
이에 의해, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에서는, 도 10의 점선(1001) 및 일점쇄선(1002)으로 나타내는 교류 전류가 흐른다. 따라서, 콘덴서(14)에 충전이 행해지고, 콘덴서(15a, 15b)의 충전이 행해지지 않게 된다.
도 11은 단상 2레벨 컨버터(40)에 포함되어 있는 콘덴서(14)에 대하여 충전하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 11에 도시한 예에서는, 제어부(750)가, 스위칭 디바이스(5b) 및 스위칭 디바이스(5d)를 온 상태로 하는 제어를 행하고, 그 이외의 스위칭 디바이스(단상 2레벨 컨버터(40)에 포함되어 있는 모든 스위칭 디바이스(4a 내지 4d), 스위칭 디바이스(5a, 5c, 5e 내지 5f))를 오프 상태로 하는 제어를 행한다.
이에 의해, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에서는, 도 10의 점선(1101) 및 일점쇄선(1102)으로 나타내는 교류 전류가 흐른다. 따라서, 콘덴서(14)에 충전이 행해지고, 콘덴서(15a, 15b)의 충전이 행해지지 않게 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 단상 3레벨 컨버터(50)가 구비하는, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합 및 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하는 제어를 행한다. 이러한 제어를 행함으로써, 콘덴서(14)는 환류 다이오드(8a 내지 8d)를 통하여, 최대로 교류 전원(100)의 전압 피크값까지 충전된다.
본 실시 형태는, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합 및 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합 중 어느 쪽을 온 상태로 할 것인지를 제한하는 것은 아니다.
또한, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합 및 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합 중, 어느 쪽을 온 상태로 할 것인지를, 각 스위칭 디바이스의 손실을 고려하여 전환해도 된다.
따라서, 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류값에 기초하여, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합 및 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합 중, 어느 쪽을 온 상태로 할 것인지를 전환하기로 하였다. 본 실시 형태에 따른 제어부(750)는, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류값(또한, 단상 3레벨 컨버터(50)로부터 검출된 온도이어도 됨)이 미리 정해진 임계값을 초과한 경우에, 현재까지 이용하고 있던 조합을 오프 상태로 하고, 다른 쪽 조합을 온 상태로 하는 제어를 행하기로 하였다.
콘덴서(14)는, 환류 다이오드(8a 내지 8d)를 통하여, 최대로 교류 전원(100)의 전압 피크값까지 충전된다. 피크값까지의 사이에 콘덴서(14)가 소망 전압값에 도달한 경우, 주전동기(3)를 동작시키기 위한 제어로 이행한다. 그때의 제어는 제1 실시 형태에서 설명하였으므로 생략한다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에 있어서의 콘덴서의 충전의 처리 수순에 대하여 설명한다. 도 12는 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에 있어서의 상술한 처리의 수순을 도시하는 흐름도이다.
우선은, 제어부(750)가, 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b)의 충전을 개시한다(스텝 S1201). 충전 방법은, 도 8 또는 도 9에 도시한 방법으로 한다. 이를 위해서, 제어부(750)는, 단상 2레벨 컨버터(40)가 구비하는, 스위칭 디바이스(4a)와 스위칭 디바이스(4c)의 조합 및 스위칭 디바이스(4b)와 스위칭 디바이스(4d)의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 스위칭 디바이스(5a 내지 5f)는 모두 오프 상태로 한다.
다음에, 제어부(750)가, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류, 또는 온도 검출부(701)에 의해 검출된 온도가, 소정의 임계값 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S1202). 또한, 임계값은 실제의 양태에 맞추어 설정되는 것으로 한다. 임계값보다 작다고 판정한 경우(스텝 S1202 : "아니오"), 특별히 처리는 행해지지 않고, 스텝 S1204로 천이한다.
한편, 제어부(750)가, 소정의 임계값 이상이라고 판정한 경우(스텝 S1202 : "예"), 온 상태로 하는 단상 2레벨 컨버터(40)의 스위칭 디바이스의 조합을 전환한다(스텝 S1203). 본 실시 형태에서는, 스위칭 디바이스(4a)와 스위칭 디바이스(4c)의 조합, 또는 스위칭 디바이스(4b)와 스위칭 디바이스(4d)의 조합으로 전환한다.
그 후, 제어부(750)는, 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b)의 전압값이 제1 임계값 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S1204). 그리고, 제어부(750)가, 제1 임계값보다 작다고 판정한 경우(스텝 S1204 : "아니오"), 스텝 S1202의 처리부터 행한다.
한편, 제어부(750)가, 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b)의 전압값이 제1 임계값(소망 전압값) 이상이라고 판정한 경우(스텝 S1204 : "예"), 3레벨측 콘덴서(15a, 15b)의 충전이 종료된 것으로 한다.
그리고, 제어부(750)는, 단상 2레벨 컨버터(40)의 콘덴서(14)의 충전을 개시한다(스텝 S1205). 충전 방법은 도 10 또는 도 11에 도시한 방법으로 한다. 이 때문에, 제어부(750)는, 단상 3레벨 컨버터(50)가 구비하는, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합 및 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 단상 2레벨 컨버터(40)의 스위칭 디바이스(4a 내지 4d)는 오프 상태로 한다.
다음에, 제어부(750)가, 전류 검출부(702)에 의해 검출된 전류(또는 단상 3레벨 컨버터(50)로부터 검출된 온도이어도 됨)가, 소정의 임계값 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S1206). 또한, 임계값은, 실제의 양태에 맞추어 설정되는 것으로 한다. 임계값보다 작다고 판정한 경우(스텝 S1206 : "아니오"), 특별히 처리는 행해지지 않고, 스텝 S1209로 천이한다.
한편, 제어부(750)가, 소정의 임계값 이상이라고 판정한 경우(스텝 S1206 : "예"), 온 상태로 하는 스위칭 디바이스의 조합을 전환한다(스텝 S1207). 본 실시 형태에서는, 스위칭 디바이스(5a)와 스위칭 디바이스(5c)의 조합, 또는 스위칭 디바이스(5b)와 스위칭 디바이스(5d)의 조합으로 전환한다.
그 후, 제어부(750)는, 단상 2레벨 컨버터(40)의 콘덴서(14)의 전압값이 제2 임계값(소망 전압값) 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S1208). 제2 임계값보다 작다고 판정한 경우(스텝 S1208 : "아니오"), 스텝 S1206의 처리부터 행한다.
한편, 제어부(750)가, 단상 2레벨 컨버터(40)의 콘덴서(14)의 전압값이 제2 임계값 이상이라고 판정한 경우(스텝 S1208 : "예"), 2레벨측 콘덴서의 충전이 종료된 것으로 한다(스텝 S1209).
상술한 방법에 의해, 제어부(750)는, 단상 2레벨 컨버터(40)의 콘덴서(14) 및 단상 3레벨 컨버터(50)의 콘덴서(15a, 15b)의 충전 제어가 가능해진다.
제2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(700)에서는, 상술한 충전 방법을 행함으로써, 주회로 손실의 저감을 실현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 내지 제2 실시 형태에 의하면, 스위칭 디바이스와, 콘덴서의 부품 개수를 종래와 비교하여 적게 하고, 또한 다레벨 전압이 출력 가능한 멀티 레벨 회로 방식을 실현할 수 있다. 또한, 부품 개수를 적게 함으로써, 효율적인 냉각을 용이하게 한다. 냉각이 용이해짐으로써, 마진에 여유가 생기기 때문에, 소형화가 가능해진다.
또한, 제1 내지 제2 실시 형태에 의하면, 멀티 레벨 컨버터(1) 전체의 스위칭 손실을 보다 한층 더 저감할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 펄스폭 변조부로서, 단상 2레벨 컨버터를 예시하였지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 단상 3레벨 컨버터이어도 단상 4레벨 이상의 컨버터이어도 된다.
본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
1 : 멀티 레벨 컨버터
2 : 수동 소자
3 : 주전동기
4a 내지 4d, 5a 내지 5f : 스위칭 디바이스
6a 내지 6d, 8a 내지 8f : 다이오드
7 : 쌍방향 스위칭 디바이스
9 : 중성점
14 : 콘덴서
15a, 15b : 콘덴서
15 : 콘덴서
15a : 콘덴서
15b : 콘덴서
15a : 콘덴서
21, 22 : 스위칭 디바이스
23 : 저항
40 : 단상 2레벨 컨버터
50 : 단상 3레벨 컨버터
100 : 교류 전원
150, 750 : 제어부
701 : 온도 검출부
702 : 전류 검출부

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 단상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
    콘덴서와, 상기 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는, 자기 소호(消弧) 능력을 갖는 제1 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제2 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제3 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제4 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함하는 단상 2레벨 컨버터와,
    2개 직렬 접속되는 콘덴서와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제5 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제6 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제7 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제8 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서 사이의 접속점과 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에, 제9 가제어 스위칭 디바이스와 제10 가제어 스위칭 디바이스를 역극성으로 직렬 접속하는 쌍방향 스위치와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함하는 단상 3레벨 컨버터를 구비하고,
    상기 단상 2레벨 컨버터와, 상기 단상 3레벨 컨버터를 교류 입출력점에서 직렬 접속하고,
    상기 단상 2레벨 컨버터는 상기 단상 3레벨 컨버터보다 스위칭 손실이 적고, 상기 단상 3레벨 컨버터는 상기 단상 2레벨 컨버터보다 내전압성이 높고,
    상기 단상 2레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스보다 스위칭 주파수가 높고,
    상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스를 소정 전압 단위로 제어하고, 상기 소정 전압 단위보다 작은 출력 전압의 변화에 대응하여, 상기 단상 2레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스를 제어하는 제어 수단을 더 구비하고,
    상기 단상 2레벨 컨버터에 SiC(실리콘 카바이드)를 사용하고,
    상기 제어 수단은, 상기 단상 2레벨 컨버터가 구비하는, 상기 제1 가제어 스위칭 디바이스와 상기 제3 가제어 스위칭 디바이스의 조합, 및 상기 제2 가제어 스위칭 디바이스와 상기 제4 가제어 스위칭 디바이스의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하고, 상기 단상 3레벨 컨버터가 구비하는 모든 가제어 스위칭 디바이스를 모두 오프 상태로 하여, 상기 단상 3레벨 컨버터 내에 2개 직렬로 접속되는 상기 콘덴서가 제1 소망 전압값으로 될 때까지 충전을 행하는, 차량용 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 전력 변환 장치를 흐르는 전류, 또는 상기 단상 2레벨 컨버터가 발하는 온도에 기초하여, 온 상태로 하는, 상기 단상 2레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스의 상기 조합을 전환하는, 차량용 전력 변환 장치.
  7. 단상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
    콘덴서와, 상기 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는, 자기 소호(消弧) 능력을 갖는 제1 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제2 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제3 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제4 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함하는 단상 2레벨 컨버터와,
    2개 직렬 접속되는 콘덴서와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제5 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제6 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제7 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제8 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서 사이의 접속점과 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에, 제9 가제어 스위칭 디바이스와 제10 가제어 스위칭 디바이스를 역극성으로 직렬 접속하는 쌍방향 스위치와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함하는 단상 3레벨 컨버터를 구비하고,
    상기 단상 2레벨 컨버터와, 상기 단상 3레벨 컨버터를 교류 입출력점에서 직렬 접속하고,
    상기 단상 2레벨 컨버터는 상기 단상 3레벨 컨버터보다 스위칭 손실이 적고, 상기 단상 3레벨 컨버터는 상기 단상 2레벨 컨버터보다 내전압성이 높고,
    상기 단상 2레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스보다 스위칭 주파수가 높고,
    상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스를 소정 전압 단위로 제어하고, 상기 소정 전압 단위보다 작은 출력 전압의 변화에 대응하여, 상기 단상 2레벨 컨버터에 포함되는 가제어 스위칭 디바이스를 제어하는 제어 수단을 더 구비하고,
    상기 단상 2레벨 컨버터에 SiC(실리콘 카바이드)를 사용하고,
    상기 제어 수단은, 상기 단상 3레벨 컨버터가 구비하는, 상기 제5 가제어 스위칭 디바이스와 상기 제7 가제어 스위칭 디바이스의 조합, 및 상기 제6 가제어 스위칭 디바이스와 상기 제8 가제어 스위칭 디바이스의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하고, 상기 단상 2레벨 컨버터가 구비하는 모든 가제어 스위칭 디바이스를 모두 오프 상태로 하여, 상기 단상 2레벨 컨버터 내에 접속되는 상기 콘덴서가 제2 소망 전압값으로 될 때까지 충전을 행하는, 차량용 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 전력 변환 장치를 흐르는 전류, 또는 상기 단상 3레벨 컨버터가 발하는 온도에 기초하여, 온 상태로 하는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스의 상기 조합을 전환하는, 차량용 전력 변환 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 전력 변환 장치로서,
    교류 전원이 접속되며, 복수의 스위칭 디바이스와 복수의 다이오드와 콘덴서를 포함하는 펄스폭 변조부와,
    입력측에서 상기 펄스폭 변조부에 직렬 접속되고, 출력측에서 주전동기에 접속되고,
    2개 직렬 접속되는 콘덴서와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제5 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제6 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제7 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제8 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서 사이의 접속점과 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속된 쌍방향 스위치와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함하는 단상 3레벨 컨버터와,
    상기 단상 3레벨 컨버터의 출력 전압 지령값이, 상기 단상 3레벨 컨버터의 2개의 콘덴서 중 어느 하나에서 출력하기 위한 제1 전압 임계값과 상기 단상 3레벨 컨버터의 2개의 콘덴서의 양쪽이 출력하기 위한 전압의 제2 전압 임계값을 초과하였는지 여부에 기초하여, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 또한, 상기 단상 3레벨 컨버터의 출력 전압 지령값으로부터 상기 2개의 콘덴서의 전압을 차감한 차분 전압을 상기 펄스폭 변조부에 의해 출력 제어하고,
    상기 펄스폭 변조부는, 콘덴서와, 상기 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는, 자기 소호 능력을 갖는 제1 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제2 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제3 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제4 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드이고,
    상기 펄스폭 변조부에 포함되는 스위칭 디바이스는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스보다 스위칭 주파수가 높고,
    상기 제어부는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스를 소정 전압 단위로 제어하고, 상기 소정 전압 단위보다 작은 출력 전압의 변화에 대응하여, 상기 펄스폭 변조부를 제어하고,
    상기 펄스폭 변조부에 SiC(실리콘 카바이드)를 사용하고,
    상기 제어부는, 상기 펄스폭 변조부가 구비하는, 상기 제1 가제어 스위칭 디바이스와 상기 제3 가제어 스위칭 디바이스의 조합, 및 상기 제2 가제어 스위칭 디바이스와 상기 제4 가제어 스위칭 디바이스의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하고, 상기 단상 3레벨 컨버터가 구비하는 모든 스위칭 디바이스를 모두 오프 상태로 하여, 상기 단상 3레벨 컨버터 내에 2개 직렬로 접속되는 상기 콘덴서가 제1 소망 전압값으로 될 때까지 충전을 행하는, 차량용 전력 변환 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는, 전력 변환 장치를 흐르는 전류, 또는 상기 펄스폭 변조부가 발하는 온도에 기초하여, 온 상태로 하는, 상기 펄스폭 변조부에 포함되는 스위칭 디바이스의 상기 조합을 전환하는, 차량용 전력 변환 장치.
  18. 전력 변환 장치로서,
    교류 전원이 접속되며, 복수의 스위칭 디바이스와 복수의 다이오드와 콘덴서를 포함하는 펄스폭 변조부와,
    입력측에서 상기 펄스폭 변조부에 직렬 접속되고, 출력측에서 주전동기에 접속되고,
    2개 직렬 접속되는 콘덴서와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제5 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제6 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제7 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제8 스위칭 디바이스와, 상기 2개 직렬 접속되는 콘덴서 사이의 접속점과 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속된 쌍방향 스위치와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드를 포함하는 단상 3레벨 컨버터와,
    상기 단상 3레벨 컨버터의 출력 전압 지령값이, 상기 단상 3레벨 컨버터의 2개의 콘덴서 중 어느 하나에서 출력하기 위한 제1 전압 임계값과 상기 단상 3레벨 컨버터의 2개의 콘덴서의 양쪽이 출력하기 위한 전압의 제2 전압 임계값을 초과하였는지 여부에 기초하여, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 또한, 상기 단상 3레벨 컨버터의 출력 전압 지령값으로부터 상기 2개의 콘덴서의 전압을 차감한 차분 전압을 상기 펄스폭 변조부에 의해 출력 제어하고,
    상기 펄스폭 변조부는, 콘덴서와, 상기 콘덴서의 일단부와 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는, 자기 소호 능력을 갖는 제1 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 타단부와 상기 한쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제2 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 일단부와 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제3 가제어 스위칭 디바이스와, 상기 콘덴서의 상기 타단부와 상기 다른 쪽 교류 입출력점 사이에 접속되는 제4 가제어 스위칭 디바이스와, 가제어 스위칭 디바이스마다 역병렬로 접속되는 다이오드이고,
    상기 펄스폭 변조부에 포함되는 스위칭 디바이스는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스보다 스위칭 주파수가 높고,
    상기 제어부는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스를 소정 전압 단위로 제어하고, 상기 소정 전압 단위보다 작은 출력 전압의 변화에 대응하여, 상기 펄스폭 변조부를 제어하고,
    상기 펄스폭 변조부에 SiC(실리콘 카바이드)를 사용하고,
    상기 제어부는, 상기 단상 3레벨 컨버터가 구비하는, 상기 제5 스위칭 디바이스와 상기 제7 스위칭 디바이스의 조합, 및 상기 제6 스위칭 디바이스와 상기 제8 스위칭 디바이스의 조합 중, 어느 한쪽 조합을 온 상태로 하고, 상기 펄스폭 변조부가 구비하는 모든 스위칭 디바이스를 모두 오프 상태로 하여, 상기 펄스폭 변조부 내에 접속되는 상기 콘덴서가 제2 소망 전압값으로 될 때까지 충전을 행하는, 차량용 전력 변환 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 전력 변환 장치를 흐르는 전류, 또는 상기 단상 3레벨 컨버터가 발하는 온도에 기초하여, 온 상태로 하는, 상기 단상 3레벨 컨버터에 포함되는 스위칭 디바이스의 상기 조합을 전환하는, 차량용 전력 변환 장치.
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