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公開番号2020188636
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201119
出願番号2019093243
出願日20190516
発明の名称電力変換装置及び電力変換方法
出願人株式会社日立製作所
代理人特許業務法人サンネクスト国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201023BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 チョッパモジュールのスイッチング周波数を高めても、スイッチング素子での発熱損失を抑制できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 ダイオード1と半導体スイッチング素子2と負荷3とを少なくとも備えている。ダイオード1は、ユニポーラ素子である。半導体スイッチング素子2は、制御端子と一対の主端子とを有するバイポーラ素子である。ダイオード1と負荷3とを並列に接続して並列回路が形成されている。この並列回路に半導体スイッチング素子2を直列に接続してチョッパモジュール5が形成されている。本装置は、このチョッパモジュール5を正と負で一対の電源線10,16間に接続して用いる構成である。好ましくは、ダイオード1がワイドバンドギャップ半導体、又はSiCを使ったショットキーバリアダイオードであり、半導体スイッチング素子2がIGBT、又はバイポーラトランジスタであると良い。
【選択図】 図2

特許請求の範囲【請求項1】
ユニポーラ素子のダイオードと、
制御端子と一対の主端子とを有するバイポーラ素子の半導体スイッチング素子と、
負荷と、
を少なくとも備え、
前記ダイオードと前記負荷とを並列に接続した並列回路が形成され、
該並列回路に前記半導体スイッチング素子を直列に接続したチョッパモジュールを正と負で一対の電源線間に接続して構成された、
電力変換装置。
続きを表示(約 1,600 文字)【請求項2】
前記ダイオードがワイドバンドギャップ半導体を使ったショットキーバリアダイオードである、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記ダイオードがSiCを使ったショットキーバリアダイオードである、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記半導体スイッチング素子がIGBTである、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記負荷が抵抗である、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記負荷がリアクトルである、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記ダイオードのカソードを前記正の電源線に、前記ダイオードのアノードを前記半導体スイッチング素子の一方の主端子に接続し、前記半導体スイッチング素子の他方の主端子を前記負の電源線に接続した、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記ダイオードのアノードを前記負の電源線に、前記ダイオードのカソードを前記半導体スイッチング素子の一方の主端子に接続し、前記半導体スイッチング素子の他方の主端子を前記正の電源線に接続した、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記ダイオードと前記半導体スイッチング素子が同一のパッケージに入っている、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項10】
動作中の前記半導体スイッチング素子におけるオンデューティーの平均値を、前記ダイオードのオンデューティーの平均値より大きく設定した、
請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項11】
ユニポーラ素子のダイオードと、
制御端子と一対の主端子とを有するバイポーラ素子の半導体スイッチング素子と、
負荷と、
を少なくとも備え、
前記ダイオードと前記負荷とを並列に接続した並列回路が形成され、
該並列回路に前記半導体スイッチング素子を直列に接続したチョッパモジュールを正と負で一対の電源線間に接続して構成された電力変換装置を用い、
該電力変換装置が動作中の前記半導体スイッチング素子におけるオンデューティーの平均値を、前記ダイオードのオンデューティーの平均値よりも大きな値で維持する、
電力変換方法。
【請求項12】
前記ダイオードにワイドバンドギャップ半導体を使ったショットキーバリアダイオードを適用する、
請求項11に記載の電力変換方法。
【請求項13】
前記ダイオードにSiCを使ったショットキーバリアダイオードを適用する、
請求項11に記載の電力変換方法。
【請求項14】
前記半導体スイッチング素子にIGBTを用いる、
請求項11に記載の電力変換方法。
【請求項15】
前記負荷に抵抗を用いる、
請求項11に記載の電力変換方法。
【請求項16】
前記負荷にリアクトルを用いる、
請求項11に記載の電力変換方法。
【請求項17】
前記ダイオードのカソードを前記正の電源線に、前記ダイオードのアノードを前記半導体スイッチング素子の一方の主端子に接続し、前記半導体スイッチング素子の他方の主端子を前記負の電源線に接続する、
請求項11に記載の電力変換方法。
【請求項18】
前記ダイオードのアノードを前記負の電源線に、前記ダイオードのカソードを前記半導体スイッチング素子の一方の主端子に接続し、前記半導体スイッチング素子の他方の主端子を前記正の電源線に接続する、
請求項11に記載の電力変換方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、消費電力量を制御する電力変換装置及び電力変換方法に関する。
続きを表示(約 8,500 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1に、鉄道車両用に好適な電力変換装置として、スイッチング素子により主要構成されたDCDC変換装置(電力変換装置)が開示されている。このような用途で入手可能な最大級のパワーモジュールとして、例えば、定格3300V/1500A,4500V/1200A,6500V/750A等のものがある。そして、これらのパワーモジュールの発生損失を低減し、小型化する半導体材料について記載されている。
【0003】
また、鉄道車両のモータ駆動用の電力変換装置は、架線より得られた直流電力からモータ駆動用の三相交流を生成するインバータのほか、モータからの回生電力を消費し、モータにブレーキ力を発生させるブレーキ用のチョッパモジュールもある。このようなブレーキ用のチョッパモジュールは、回生ブレーキで発生した回生電力を架線に戻すことが困難な状況において、回生電力を抵抗で発熱消費させることが必要な場合に、消費電力量を適切に制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
国際公開第2013/161045号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ブレーキ用のチョッパモジュールを例示すると、チョッパ用スイッチング素子のスイッチングによりブレーキ抵抗器に印加される電圧が可聴周波数の領域で変化することが多い。このため、ブレーキ抵抗器で発生する磁歪音が騒音となる。これを抑制するためには、スイッチング周波数を可聴周波数よりも高める必要がある。このように周波数を上げることの弊害として、半導体スイッチング素子での発熱損失が増加して、これを破壊に至らしめる等の問題があった。
【0006】
また、鉄道車両の快適性を高めるためには、ブレーキ抵抗器の騒音を低減する必要がある。そこで、鉄道車両におけるブレーキ用のチョッパモジュールでは、そのスイッチング周波数を可聴上限の20kHz以上に高めることで、低騒音化できるものと考えられた。つまり、鉄道車両で低騒音化するためには、スイッチング周波数を増加させる必要があった。
【0007】
しかしながら、スイッチング周波数の増加に応じてスイッチング素子の発熱損失も増大する。具体的には、IGBT(insulated gate bipolar transistor)のスイッチング損失と、還流ダイオード(以下、単に「ダイオード」ともいう)のリカバリ損失と、これらの両方が増加する。この損失増加によって、スイッチング素子、及びダイオード(両者を総称して「半導体素子」ともいう)が過熱し、熱破壊するという問題があるため、周波数を上げることも困難であった。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、チョッパモジュールのスイッチング周波数を高めても、スイッチング素子での発熱損失を抑制できる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明は、ユニポーラ素子のダイオードと、制御端子と一対の主端子とを有するバイポーラ素子の半導体スイッチング素子と、負荷と、を少なくとも備え、前記ダイオードと前記負荷とを並列に接続した並列回路が形成され、該並列回路に前記半導体スイッチング素子を直列に接続したチョッパモジュールを正と負で一対の電源線間に接続して構成されたものである。
【0010】
例えば、鉄道車両の用途において、負荷と並列に接続されたブレーキチョッパ用のダイオードにユニポーラ素子が適用され、ブレーキチョッパ用のスイッチング素子にバイポーラ素子が適用されることにより、これらがスイッチング周波数の増加に伴って発熱する弊害を抑制し、ブレーキ用のチョッパモジュールの低騒音化を実現する。
【0011】
より具体的には、前記ダイオードがSiCショットキーバリアダイオードであり、前記スイッチング素子がIGBTである構成が考えられる。なお、SiC(シリコン・カーバイド、炭化珪素)では高速なデバイス構造であるSBD(ショットキーバリアダイオード)構造で600V以上の高耐圧ダイオードを実現可能である(SiではSBDは200V程度まで)。このため、現在主流の高速PN接合ダイオード(FRD:ファーストリカバリーダイオード)から置き換えることによって、リカバリ損失を大幅に削減できる。
【0012】
IGBTとは、半導体素子の一種であり、MOSトランジスタをバイポーラトランジスタのゲート部分に組み込むことによって、動作抵抗を小さくした絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。このIGBTは、大電力のスイッチングに向くので電力制御に用いられる。これによれば、スイッチング素子の発熱損失を増加させることなくチョッパモジュールのスイッチング周波数を増大させることが可能となる。実施形態によっては、鉄道車両において、ブレーキ時の騒音を低減できるという効果がある。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、チョッパモジュールのスイッチング周波数を高めても、スイッチング素子での発熱損失を抑制できる電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
本発明の一比較例に係る電力変換装置(比較装置)の回路図である。
本発明の実施例1に係る電力変換装置(本装置)の回路図である。
本発明の実施例2に係る電力変換装置(本装置)の回路図である。
本発明の実施例3に係る電力変換装置(本装置)の回路図である。
電力変換装置の各種損失に対する周波数特性を実施例と比較例で対比したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る電力変換装置について説明する。なお、本発明に係る電力変換装置を略して本装置という。また、本発明の一比較例に係る電力変換装置を略して比較装置という。
【0016】
図1は、比較装置の回路図である。図1の比較装置は、ブレーキ用のチョッパモジュールを搭載した直流区間用の鉄道車両駆動回路を例示したものである。図1の比較装置は、パンタグラフ10と、遮断器11と、リアクトル12と、インバータ13と、接地ブラシ16と、の順に電気接続されている。
【0017】
パンタグラフ10は、架線から電力を取り込む。遮断器11は、架線と鉄道車両の電気回路を切り離す。リアクトル12は、架線とインバータ13の間の電流の変化を抑制する。インバータ13は、架線から取り込んだ直流電力を三相の交流電力に変換する。接地ブラシ16は、架線から流れ込んだ電流を架線に戻す。
【0018】
インバータ13の出力は、モータ14,15へ給電されるように接続されている。モータ14,15は、インバータ13から供給される三相交流電力により駆動されて鉄道車両を走行させる。また、インバータ13には、並列にブレーキ用のチョッパモジュール5Aが接続されている。
【0019】
このブレーキ用のチョッパモジュール5Aは、ブレーキ抵抗器(単に「負荷」ともいう)3、及びIGBTモジュール2が直列接続されている。ブレーキ抵抗器3は、IGBTモジュール2がオンすることにより、回生電力を消費する。ブレーキ抵抗器3には、シリコンPNダイオード6が並列接続されており、還流電流を流す還流ダイオード(チョッパ用ダイオード)として機能する。
【0020】
IGBTモジュール2は、スイッチング素子としてのトランジスタと、それを保護する還流ダイオードが一体化されている。このIGBTモジュール2のトランジスタは、エミッタとベースに対しゲートドライバ4が並列接続されてスイッチング制御される。
【0021】
ゲートドライバ4は、不図示の制御部から演算出力を得て、HiとLowと何れかの信号を出力し、図1の例ではHi出力でIGBTモジュール2のトランジスタをオンさせ、Low出力でオフさせる。なお、図1の例では、2個のモータ14,15を1台のインバータ13で駆動する例を示したが、1台のインバータで駆動されるモータの台数は、インバータの容量に合わせて1台から8台位まで変わる。
【0022】
次に、ブレーキ用のチョッパモジュール5Aの動作を説明する。上述のように架線から取り込まれた直流電力をインバータ13にて三相交流に変換し、得られた三相交流電力によりモータ14,15を駆動して車両を加速させる(これを力行と呼ぶ)。加速した車両を停止させる場合、ブレーキをかけるが、ブレーキ力を得るためにモータ14,15が発電機として動作するようにインバータ13を制御する。
【0023】
この時、モータ14,15は発電機として動作してブレーキ力を得ると同時に、発電した電力(回生電力)は、インバータ13を介して架線へ戻される。これを回生ブレーキと呼び、加速に使った電力の一部がブレーキ時に架線へ戻されることから消費電力の低減に効果があり、鉄道車両の省エネ化に貢献している。
【0024】
ただし、回生ブレーキによって架線に返される電力が適正に消費されない場合には架線の電圧が上昇してしまい、システムの損傷を引き起こす場合がある。一例として、回生ブレーキ中の車両の近傍(数km程度)に、力行して電力を消費する車両のいない場合がある。
【0025】
他の例として、車両の振動等によりパンタグラフが架線から離れてしまい(パンタ離線)、回生電力を架線に戻す経路がなくなる場合(架線瞬断)等もある。このような電圧上昇の抑制手段として設けられるのが、ブレーキ用のチョッパモジュール5Aである。
【0026】
ブレーキ用のチョッパモジュール5Aは、回生により生じる電圧が規定値を超過すると、ブレーキ抵抗器3で発熱消費させる回路を実質オンさせるように動作する。すなわち、チョッパモジュール5Aは、IGBTモジュール2を所定の周波数でスイッチングさせて、オンのタイミングを多くすることによって、インバータ13の出力電圧を規定値、例えば1500Vに制御する。
【0027】
具体的には、IGBTモジュール2がオンしている期間だけ、ブレーキ抵抗器3に電流が流れる。この電流がブレーキ抵抗器3を流れる際にインバータ13からの回生電力を消費して出力電圧の上昇を抑制する。IGBTモジュール2がオフしている期間は、ブレーキ抵抗器3が持つインダクタンス分や配線のインダクタンス等に蓄えられた電力により逆起電力が発生し、シリコンPNダイオード6に還流電流が流れる。
【0028】
この際、IGBTモジュール2のオン、オフ期間のデューティ比を調整することにより、ブレーキ用のチョッパモジュール5Aでの消費電力量を調整する。その結果、図1の比較装置は、回生電圧を調整するとともに、適正な回生ブレーキ力が得られる。
【0029】
上述したブレーキ用のチョッパモジュール5Aには、以下の問題があった。すなわち、ブレーキ用のチョッパモジュール5Aが動作すると、IGBTモジュール2がスイッチングする。これに応じて、ブレーキ抵抗器3に印加される電圧がスイッチング周波数で繰り返し変化し、電流にも高調波成分が重畳してブレーキ抵抗器3に磁歪音が発生する。
【0030】
この磁歪音は、車両のブレーキ時に床下から車両の客室内に伝わり、乗客にとって不快な騒音となっていた。この対策として、チョッパモジュール5Aのスイッチング周波数をランダムに変更する、いわゆるスペクトル拡散技術が導入された。しかし、人間の可聴域の周波数帯では、このスペクトル拡散技術を用いても、十分に騒音を下げることができなかった。
【実施例】
【0031】
図2は、本発明の実施例1に係る電力変換装置(本装置)の回路図である。図2において図1と同一の構成要素には同じ符号を付して、説明の重複を避け、主に相違点を説明する。相違点は、図1のシリコンPNダイオード6に代えて、図2のSiCショットキーバリアダイオード(以下、SBDと略す)1Aを用いた点である。
【0032】
上述のように、これらは、ブレーキ抵抗器3に並列接続されており、還流電流を流す還流ダイオードとして機能する。図2に示す実施例1に係る本装置の特徴は、還流ダイオードに、ワイドバンドギャップ半導体であるSiCを使ったSBD1Aを適用した点にある。
【0033】
SBD1Aは、ダイオードを構成する素子の内部に電流を流す際に、正か負のいずれか一方の電荷しか利用しない、いわゆるユニポーラ型素子であるので、ダイオード素子内部に電荷が蓄積されない。このため、リカバリ損失が殆ど無いという特徴を有する。このリカバリ損失とは、ダイオードの電流がオフする際に、ダイオード素子内部に蓄積された電荷により逆方向に意図しない電流が一時的に流れて生じる損失をいう。
【0034】
SBD1Aのリカバリ損失は、一般的なシリコンのPN型ダイオード6の1/10程度と言われている。このため、ダイオードのリカバリ損失の観点からは、チョッパのスイッチング周波数を10倍に高められる。本装置のブレーキ用のチョッパモジュール5Bにおいて、スイッチング周波数を可聴領域20kHz以上に高められるならば、低騒音化を実現できる。
【0035】
ブレーキ用のチョッパモジュール5Bは、上述したようにブレーキ力を得るためにモータ14,15で発生した回生電力が、何らかの要因で架線に回生できず、インバータ13の回生電圧が上昇した際に動作させる。
【0036】
その現象による危険回避のため、ブレーキ用のチョッパモジュール5Bは、短時間で大きな電力を消費しなければならい。そのため、ブレーキ用のチョッパモジュール5Bは、IGBTモジュール2のスイッチング動作において、その1周期にオン期間の占める比率が長い。すなわち、チョッパモジュール5Bは、少なくとも還流ダイオード1よりもオンデューティーを大きく動作させように設定されている。
【0037】
なお、オンデューティーが大きいとは、デューティ比%の高いことをいう。突発的に発生した高電圧を低めるために大電流を流す必要がある場合に、100%に近いデューティ比でオンして電圧を低下させた結果、規定電圧まで近づいた時点で、電流値も少なくて済むので、デューティ比も0%に近づけるように順次下げる。その場合も、スイッチング素子2は、少なくとも還流ダイオード1よりも、それぞれオンデューティーの平均値が大きい。このように、動作中のスイッチング素子2におけるオンデューティーの平均値は、還流ダイオード1のオンデューティーの平均値よりも大きな値で維持されることになる。
【0038】
このように、オンデューティーの大きいスイッチング素子2には、導通損失が低いバイポーラ型デバイスのシリコンIGBTが好適である。シリコンIGBTは、その素子内部に電流を流す際に、正と負両方の電荷を利用し、これらをスイッチング素子内部に蓄積することで導通時の損失を低減する、いわゆるバイポーラ型デバイスである。
【0039】
一方、図1に示した比較装置のシリコンPNダイオード6では、リカバリの際に一時的に逆方向に電流が流れるリカバリ現象が起こる。この逆方向電流は、ターンオンするIGBTモジュール2にも流れてしまい、IGBTモジュール2のターンオン損失を増加させる。
【0040】
そこで、図2に示した本装置において、SiCのSBD1Aを適用することにより、IGBTモジュール2のターンオン損失を約50%程度に低減できる。その結果、本装置は、チョッパモジュール5Bのスイッチング周波数を高めることが可能となる。このように、還流ダイオードとして、SiCのSBD1Aを適用することにより、IGBTモジュール2のターンオン損失の低減も実現できる。
【実施例】
【0041】
図3は、本発明の実施例2に係る電力変換装置(これも本装置)の回路図である。図3において図1及び図2と同一の構成要素には同じ符号を付して、説明の重複を避避け、主に相違点を説明する。
【0042】
相違点は、図2の実施例1において、ブレーキ抵抗器3及び還流ダイオード1Aが高電位側に接続され、スイッチング素子であるIGBTモジュール2が低電位側に接続されていたところ、高電位側と低電位側の配置を逆転させた点にある。すなわち、図3の実施例2において、ブレーキ抵抗器3及び還流ダイオード1Aが低電位側に接続され、スイッチング素子であるIGBTモジュール2が高電位側に接続されている。
【0043】
ここで、図2に戻る。図2の実施例1では、スイッチング素子2が低電位側の接地ブラシ16に接続されている。この接続構成によって、スイッチング素子2に接続されたゲートドライバ4の電位を低電位側に固定できる。その結果、図2の実施例1は、スイッチング時に発生する電位変化の影響による誤動作等のリスクを最小化できる長所を有していた。
【0044】
その一方で、図2の実施例1に係る本装置を搭載した鉄道車両が停車中に、ブレーキ用のチョッパモジュール5Bがオフ状態であれば、ブレーキ抵抗器3に高電圧が印加される短所を有していた。この短所に対し、感電の危険性を除去する対策が必要であった。より詳しくは、次のとおりである。
【0045】
一般に、ブレーキ用のチョッパモジュール5Bの負荷としてのブレーキ抵抗器3は、冷却を目的にインバータ13本体が収納された筐体には収納されない。したがって、ブレーキ抵抗器3は、単独で車両の床下や屋根上等に配置される場合が多い。
【0046】
このような構成の車両は、駅等の停車中にブレーキ用のチョッパモジュール5Bが停止(オフ)状態であれば、スイッチング素子も停止(オフ)している。したがって、図2の回路の場合、ブレーキ抵抗器3は、電源線の高電圧側、すなわち、パンタグラフ10と同電位になっている。
【0047】
パンタグラフ10と同電位のブレーキ抵抗器3に、万一人が触れた場合には感電してしまう。この感電の危険性を除去する対策として、ブレーキ抵抗器3に対して保護カバー等を付設する必要がある。これらの付帯設備は、装置の大型化、及びコスト増加の要因となる。
【0048】
図3の実施例2では、負荷であるブレーキ抵抗器3が低電位側に配置されている。この配置によって、本装置を搭載した鉄道車両が停車中に、ブレーキ用のチョッパモジュール5Bがオフしている状態でも、ブレーキ抵抗器3に高電圧が印加されないので、安全度が高い。その結果、ブレーキ抵抗器3に対し、感電の危険を除去する対策が不要となるので、その分だけコストダウンできる。
【0049】
このように、図3の実施例2では、ブレーキ抵抗器3を電源線の低電圧側に接続しているために停車中でもブレーキ抵抗器3の電位は低電圧に維持される。低電圧であれば、ブレーキ抵抗器3に感電の懸念が無い。したがって、本装置は、カバー等の対策が不要となり、システムの小型化、コスト低減に貢献できる。
【実施例】
【0050】
図4は、本発明の実施例3に係る電力変換装置(これも本装置)の回路図である。図4において、図1〜図3と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図4に示す実施例3に係る本装置の特徴は、図2の実施例1におけるSiCのSBD1Aと、IGBTモジュール2と、を同一のパッケージに収納してチョッパモジュール21を構成した点にある。なお、チョッパモジュール21に内蔵されたSiCのSBDには符号1Bを付しているが、この図4のSBD1Bと、図2及び図3のSBD1Aと、を総称してSBD1とする。
(【0051】以降は省略されています)

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