特許ウォッチ

公開番号2025105126
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-10
出願番号2023223442
出願日2023-12-28
発明の名称3レベル電力変換装置、鉄道車両、3レベル電力変換装置の制御方法および3レベル電力変換装置の生産方法
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人サンネクスト国際特許事務所
主分類H02M 7/487 20070101AFI20250703BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】クランプ用MOSFETに対する制御信号を新たに作成しなくても動作が可能な3レベル電力変換装置等を提供する。
【解決手段】3レベル電力変換装置は、プラス側、中性点、マイナス側電源線101～103と、MOSFET111～116と、を備える。MOSFET111～114は4直列に接続される。MOSFET115の高電位側端子がMOSFET112と113との接続点に接続され、低電位側端子が中性点電源線102に接続される。MOSFET116の高電位側端子が中性点電源線102に接続され、低電位側端子がMOSFET113と114との接続点に接続される。交流端子104がMOSFET112と113との接続点に接続される。MOSFET112の制御端子には、MOSFET116の制御端子と同一の制御信号が与えられ、MOSFET113の制御端子には、MOSFET115の制御端子と同一の制御信号が与えられる。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
３つの電位レベルを用いて直流と交流とを相互変換する３レベル電力変換装置であって、
第１乃至第３の電位をそれぞれ有する第１乃至第３の電源線と、
高電位端子、低電位端子および制御端子を有し、高電位端子と低電位端子との間で双方向通電が可能な第１乃至第６の半導体素子と、
を備え、
第１乃至第４の半導体素子は４直列に接続され、
第１の半導体素子の高電位端子が第１の電源線に接続され、
第１の半導体素子の低電位端子が第２の半導体素子の高電位端子に接続され、
第２の半導体素子の低電位端子が第３の半導体素子の高電位端子に接続され、
第３の半導体素子の低電位端子が第４の半導体素子の高電位端子に接続され、
第４の半導体素子の低電位端子が第３の電源線に接続され、
第５の半導体素子の高電位側端子が第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点に接続され、
第５の半導体素子の低電位側端子が第２の電源線に接続され、
第６の半導体素子の高電位側端子が第２の電源線に接続され、
第６の半導体素子の低電位側端子が第３の半導体素子と第４の半導体素子との接続点に接続され、
交流端子が第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点に接続され、
第２の半導体素子の制御端子には、第６の半導体素子の制御端子と同一の制御信号が与えられ、
第３の半導体素子の制御端子には、第５の半導体素子の制御端子と同一の制御信号が与えられる、
ことを特徴とする３レベル電力変換装置。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
第１乃至第６の半導体素子の制御端子にそれぞれ接続され、制御信号を与える第１乃至第６の駆動回路をさらに備え、
制御信号は、第１乃至第６の駆動回路に接続する上位コントローラにより生成され、
第２の駆動回路に与える制御信号を分岐して第６の駆動回路に与えるとともに、第３の駆動回路に与える制御信号を分岐して第５の駆動回路に与える請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項３】
第１乃至第６の半導体素子の制御端子にそれぞれ接続され、制御信号を与える第１乃至第６の駆動回路をさらに備え、
制御信号は、第１乃至第６の駆動回路に接続する上位コントローラにより生成され、
第２の駆動回路に与えられる制御信号と第６の駆動回路に与えられる制御信号とは、同一の制御信号が上位コントローラにてそれぞれ生成され、第３の駆動回路に与えられる制御信号と第５の駆動回路に与えられる制御信号とは、同一の制御信号が上位コントローラにてそれぞれ生成される請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項４】
第１の半導体素子乃至第６の半導体素子のそれぞれに接続され、高電位端子にカソード端子が接続されるとともに低電位端子にアノード端子が接続される第１乃至第６のダイオードをさらに備える請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項５】
第１乃至第４の半導体素子の制御端子にそれぞれ接続され、制御信号を与える第１乃至第４の駆動回路をさらに備え、
第５の半導体素子の制御端子には、第３の駆動回路の出力から分岐されて第１の絶縁回路を介して伝達される制御信号が入力され、
第６の半導体素子の制御端子には、第２の駆動回路の出力から分岐されて第２の絶縁回路を介して伝達される制御信号が入力される請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項６】
第１の絶縁回路および第２の絶縁回路の伝搬遅延が１μｓ以内である請求項５に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項７】
第１乃至第６の半導体素子は、２個を１組としてそれぞれ１つのパッケージに納められる請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項８】
第１の半導体素子と第５の半導体素子との直列回路、第２の半導体素子と第３の半導体素子との直列回路、および第４の半導体素子と第６の半導体素子との直列回路が、それぞれ１つのパッケージに納められる請求項７に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項９】
第２の駆動回路と第６の駆動回路との動作の差および第３駆動回路と第５の駆動回路との動作の差が、それぞれ１μｓ以内である請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置を備えた鉄道車両。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、３レベル電力変換装置、鉄道車両、３レベル電力変換装置の制御方法、３レベル電力変換装置の生産方法に関する。本発明は、特に、双方向に通電可能な半導体素子を用いた３レベル電力変換装置等に関する。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
直流と交流の相互変換の回路としては、直流側回路の電位レベルが正負の２つのレベルからなる２レベル回路や、３つの電位レベルからなる３レベル回路、５つ以上の電位から構成されるマルチレベル回路などがある。
２レベル回路は構成がシンプルであり、小型・低コストにシステムを構成出来ることから、自動車をはじめ、家電や産業用機器まで広く普及している。
一方、３レベル回路は交流出力波形の歪みを低減することでノイズを低減できるという特長や、定格電圧の低い半導体スイッチング素子を使えると言った特長もある。半導体スイッチング素子は定格電圧が低い方が損失が少なく価格も安い為に、電力変換装置の小型化・低コスト化にメリットがある。
３レベル回路を用いて直流と交流の相互変換する３レベル電力変換装置は、前述の２つの特長により、例えば、電力伝送用途や鉄道車両駆動用途などの数千Ｖを超える高電圧のシステムで広く使われている。
【０００３】
図７に、クランプダイオードを使った従来の３レベル回路を示す。
図７において、１０１はプラス側電源線、１０２は中性点電源線、１０３はマイナス側電源線、１０４は交流端子、１１１～１１４はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、１１７～１２０はダイオード、１３１～１３４はゲートドライバ、１４１は上位コントローラ、１４２はプラス側電源コンデンサ、１４３はマイナス側電源コンデンサ、５０１、５０２はクランプダイオードである。
【０００４】
図７に示した３レベル回路では交流端子１０４よりプラス側の２つのスイッチング素子ＭＯＳＦＥＴ１１１、ＭＯＳＦＥＴ１１２がオンすると、プラス側電源線１０１の電位が交流端子１０４に出力される。同様にマイナス側のＭＯＳＦＥＴ１１３、ＭＯＳＦＥＴ１１４がオンするとマイナス側電源線１０３の電位が交流端子１０４に出力される。また、交流端子１０４に直接接続されている中央の２個のＭＯＳＦＥＴ１１２、ＭＯＳＦＥＴ１１３がオンすると中性点電源線１０２の電位が交流端子１０４に出力される様になる。このとき、中性点とＭＯＳＦＥＴ１１２、ＭＯＳＦＥＴ１１３との間にはクランプダイオード５０１とクランプダイオード５０２とが接続されており、電流の向きにより自動的に流れる経路が切り替わる。例えば中性点電源線１０２から交流端子１０４に電流が流れる場合にはクランプダイオード５０１とＭＯＳＦＥＴ１１２に電流が流れ、反対に交流端子１０４から中性点電源線１０２に電流が流れる場合にはＭＯＳＦＥＴ１１３を通ってクランプダイオード５０２に電流が流れる。
近年、世界的な脱炭素化の潮流を受けて、電力変換回路の低損失化・高効率化が進められており、前述の３レベル回路でも、スイッチング素子・ダイオードの損失を低減する様々な技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、３レベル回路に使われているクランプダイオードの損失を低減する方法が開示されている。特許文献１の３レベル回路は、直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これらスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードと、第５のダイオードと、第６のダイオードと、第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器において、第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と、第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２００５－１７６５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
クランプダイオードと並列にＭＯＳＦＥＴを設けることでダイオードに加えてＭＯＳＦＥＴにも電流を流すことで、電流通電時の導通損失を低減する。また、例えば、図７において、中性点電源線１０２の電位を出力する場合に、従来は電流経路がクランプダイオード５０１からＭＯＳＦＥＴ１１２、もしくはＭＯＳＦＥＴ１１３からクランプダイオード５０２の様に経路が１つしかなかったが、クランプダイオードに並列にＭＯＳＦＥＴを追加することで同時に上記２つの経路に双方向に電流を流すことが可能となり、電流の分散により各スイッチング素子に流れる電流を低減することで同通損失を低減できるというメリットもある。
しかしながら従来技術ではクランプダイオードの位置に設けたＭＯＳＦＥＴ（以降、クランプ用ＭＯＳＦＥＴと呼ぶ）のゲート制御信号を新たに生成しなければならないという問題があった。
本発明は、クランプ用ＭＯＳＦＥＴを設けた場合でも、クランプ用ＭＯＳＦＥＴに対する制御信号を新たに作成しなくても動作が可能な３レベル電力変換装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため本発明は、３つの電位レベルを用いて直流と交流とを相互変換する３レベル電力変換装置であって、第１乃至第３の電位をそれぞれ有する第１乃至第３の電源線と、高電位端子、低電位端子および制御端子を有し、高電位端子と低電位端子との間で双方向通電が可能な第１乃至第６の半導体素子と、を備え、第１乃至第４の半導体素子は４直列に接続され、第１の半導体素子の高電位端子が第１の電源線に接続され、第１の半導体素子の低電位端子が第２の半導体素子の高電位端子に接続され、第２の半導体素子の低電位端子が第３の半導体素子の高電位端子に接続され、第３の半導体素子の低電位端子が第４の半導体素子の高電位端子に接続され、第４の半導体素子の低電位端子が第３の電源線に接続され、第５の半導体素子の高電位側端子が第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点に接続され、第５の半導体素子の低電位側端子が第２の電源線に接続され、第６の半導体素子の高電位側端子が第２の電源線に接続され、第６の半導体素子の低電位側端子が第３の半導体素子と第４の半導体素子との接続点に接続され、交流端子が第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点に接続され、第２の半導体素子の制御端子には、第６の半導体素子の制御端子と同一の制御信号が与えられ、第３の半導体素子の制御端子には、第５の半導体素子の制御端子と同一の制御信号が与えられる、ことを特徴とする３レベル電力変換装置である。この場合、クランプ用ＭＯＳＦＥＴを設けた場合でも、クランプ用ＭＯＳＦＥＴに対する制御信号を新たに作成しなくても動作が可能な３レベル電力変換装置を提供できる。
【０００９】
ここで、例えば、第１乃至第６の半導体素子の制御端子にそれぞれ接続され、制御信号を与える第１乃至第６の駆動回路をさらに備え、制御信号は、第１乃至第６の駆動回路に接続する上位コントローラにより生成され、第２の駆動回路に与える制御信号を分岐して第６の駆動回路に与えるとともに、第３の駆動回路に与える制御信号を分岐して第５の駆動回路に与える。この場合、同一の制御信号を、より容易に得ることができる。
また、例えば、第１乃至第６の半導体素子の制御端子にそれぞれ接続され、制御信号を与える第１乃至第６の駆動回路をさらに備え、制御信号は、第１乃至第６の駆動回路に接続する上位コントローラにより生成され、第２の駆動回路に与えられる制御信号と第６の駆動回路に与えられる制御信号とは、同一の制御信号が上位コントローラにてそれぞれ生成され、第３の駆動回路に与えられる制御信号と第５の駆動回路に与えられる制御信号とは、同一の制御信号が上位コントローラにてそれぞれ生成される。この場合、上位コントローラで生成するゲート制御信号が４種類ですむ。
さらに、例えば、第１の半導体素子乃至第６の半導体素子のそれぞれに接続され、高電位端子にカソード端子が接続されるとともに低電位端子にアノード端子が接続される第１乃至第６のダイオードをさらに備える。この場合、アームの短絡による半導体素子の破壊を防止することができる。
またさらに、例えば、第１乃至第４の半導体素子の制御端子にそれぞれ接続され、制御信号を与える第１乃至第４の駆動回路をさらに備え、第５の半導体素子の制御端子には、第３の駆動回路の出力から分岐されて第１の絶縁回路を介して伝達される制御信号が入力され、第６の半導体素子の制御端子には、第２の駆動回路の出力から分岐されて第２の絶縁回路を介して伝達される制御信号が入力される。この場合、３レベル電力変換装置の小型化・低コスト化を図ることができる。
そして、例えば、第１の絶縁回路および第２の絶縁回路の伝搬遅延が１μｓ以内である。この場合、３レベル電力変換装置の正常な動作を担保することができる。
また、例えば、第１乃至第６の半導体素子は、２個を１組としてそれぞれ１つのパッケージに納められる。この場合、３レベル電力変換装置の大型化を防止することができる。
さらに、例えば、第１の半導体素子と第５の半導体素子との直列回路、第２の半導体素子と第３の半導体素子との直列回路、および第４の半導体素子と第６の半導体素子との直列回路が、それぞれ１つのパッケージに納められる。この場合、それぞれ１つのパッケージに納める組合せとして適している。
またさらに、例えば、第２の駆動回路と第６の駆動回路との動作の差および第３駆動回路と第５の駆動回路との動作の差が、それぞれ１μｓ以内である。この場合、３レベル電力変換装置の正常な動作を担保することができる。
【００１０】
また、本発明は、上記３レベル電力変換装置を備えた鉄道車両である。この場合、小型化・低コスト化を実現した直流交流変換装置を用いた鉄道車両を提供することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許