JP2018029412A - Power conversion device and power conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電力変換装置、および電力変換システムに関する。 Embodiments described herein relate generally to a power conversion device and a power conversion system.
従来、ＳｉＣを用いた電力用半導体素子が知られている。ＳｉＣを用いた電力用半導体素子は、Ｓｉを用いた電力用半導体素子よりも高い絶縁破壊強度を有するため、Ｓｉを用いた電力用半導体素子に比べて高耐圧素子が実現可能となっている。これまでＳｉを用いたＭＯＳ−ＦＥＴは、数百ボルト程度の低耐圧のスイッチング素子しか実現できなかったが、ＳｉＣを用いることで数千ボルト以上の高耐圧のスイッチング素子を実現することができる。 Conventionally, a power semiconductor element using SiC is known. Since a power semiconductor element using SiC has a higher dielectric breakdown strength than a power semiconductor element using Si, a high breakdown voltage element can be realized as compared with a power semiconductor element using Si. So far, MOS-FETs using Si have only realized switching elements with a low breakdown voltage of about several hundred volts, but using SiC can realize switching elements with a high breakdown voltage of several thousand volts or more.
高耐圧のスイッチング素子を備えた電力変換装置において、スイッチング素子の故障などにより正極と負極との間が短絡した場合、故障していないスイッチング素子に大電流が流れることで、スイッチング素子の故障の影響が拡大する可能性があった。 In a power converter equipped with a high-voltage switching element, when a short circuit occurs between the positive electrode and the negative electrode due to a failure of the switching element, etc., a large current flows through the non-failing switching element, thereby affecting the effect of the switching element failure. There was a possibility of expansion.
本発明が解決しようとする課題は、スイッチング素子が故障したことによる影響の拡大を抑制することができる電力変換装置、および電力変換システムを提供することである。 Problem to be solved by the invention is providing the power converter device and power conversion system which can suppress the expansion of the influence by the failure of a switching element.
実施形態の電力変換装置は、電力変換部と、コンデンサと、第１のダイオードと、第２のダイオードとを持つ。前記電力変換部は、複数の相からなり、各相はＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴに逆並列接続された前記ＭＯＳＦＥＴ内のフリーホイールダイオードとを有する。前記コンデンサは、前記電力変換部における直流電力の供給側における正極と負極との間に接続される。前記第１のダイオードは、前記電力変換部における直流電力の供給側において前記電力変換部に対して逆並列に接続された、Ｓｉを用いた第２のダイオードである。前記第１のダイオードは、前記電力変換部における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する前記負極から前記正極に向けて流れる電流の一部を流す。 The power conversion device of the embodiment has a power conversion unit, a capacitor, a first diode, and a second diode. The power conversion unit includes a plurality of phases, and each phase includes a MOSFET using SiC and a free wheel diode in the MOSFET connected in reverse parallel to the MOSFET. The capacitor is connected between a positive electrode and a negative electrode on a DC power supply side of the power conversion unit. The first diode is a second diode using Si that is connected in antiparallel to the power conversion unit on the DC power supply side of the power conversion unit. The first diode flows a part of a current flowing from the negative electrode to the positive electrode that is generated when a part of the MOSFETs using SiC in the power conversion unit is short-circuited.
以下、実施形態の電力変換装置、および電力変換システムを、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a power conversion device and a power conversion system of an embodiment will be described with reference to the drawings.
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の電力変換装置１の一例を示す構成図である。電力変換装置１は、例えば鉄道車両などの電気車に搭載される。電力変換装置１には、集電装置１０を介して、架線Ｗから直流電力が供給される。電力変換装置１は、直流電力を走行用交流電力に変換して、三相交流モータ１６に供給する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of the power conversion apparatus 1 according to the first embodiment. The power conversion device 1 is mounted on an electric vehicle such as a railway vehicle, for example. The power converter 1 is supplied with DC power from the overhead wire W via the
電力変換装置１は、例えば、フィルタリアクトル１２と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１と、電力変換部１４とを備える。
The power conversion device 1 includes, for example, a
フィルタリアクトル１２は、集電装置１０に接続された正極線に設けられる。フィルタリアクトル１２は、架線Ｗから供給される直流電力の電流を平滑化させる。コンデンサＣ１は、電力変換装置１の正極線と負極線との間に接続される。分流用ダイオードＤ１（第２のダイオード）は、電力変換装置１の正極線と負極線との間に接続される。分流用ダイオードＤ１は、電力変換部１４における直流電力の供給側において電力変換部１４に対して逆並列に接続される第２のダイオードに相当する。逆並列で接続された状態とは、ダイオードのアノード端子を負極に接続し、ダイオードのカソード端子を正極に接続した状態である。分流用ダイオードＤ１は、分流用ダイオードＤ１は、Ｓｉウエハーを使ったＰｉＮタイプのダイオードであってもよい。
The
電力変換部１４は、複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、およびＳ３２）を備える。ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴは、半導体基板などにＳｉＣを用いることで、Ｓｉを用いたＭＯＳＦＥＴよりもワイドバンドギャップ化を実現した半導体スイッチング素子である。以下、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴを、「スイッチング素子」と記載する。
The
電力変換部１４は、各スイッチング素子（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、およびＳ３２）のそれぞれに逆並列に接続された複数のＳｉＣを用いた還流ダイオード（Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ３１、およびＤ３２）を備える。以下、ＳｉＣを用いたダイオードを、「第１のダイオード」とも記載する。第１のダイオードは、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴ内のフリーホイールダイオードである。ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのフリーホイールダイオードは、Ｓｉウエハーを使ったＰｉＮタイプの分流用ダイオードＤ１よりもバンドギャップが広い。ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのフリーホイールダイオードは、Ｓｉウエハーを使ったＰｉＮタイプの分流用ダイオードＤ１よりも電圧および電流に対する耐圧が高いダイオードである。
The
スイッチング素子Ｓ１１とスイッチング素子Ｓ１２とは、電力変換装置１の正極と負極との間に直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１１とスイッチング素子Ｓ１２とを接続する線路には三相交流モータ１６のＵ相に接続されているＵ相線路が接続される。
Switching element S11 and switching element S12 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of power converter 1. A U-phase line connected to the U-phase of the three-
スイッチング素子Ｓ２１とスイッチング素子Ｓ２２とは、電力変換装置１の正極と負極との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｓ２１とスイッチング素子Ｓ２２とを接続する線路には三相交流モータ１６のＶ相に接続されているＶ相線路が接続される。
Switching element S21 and switching element S22 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of power converter 1. A V-phase line connected to the V-phase of the three-
スイッチング素子Ｓ３１とスイッチング素子Ｓ３２とは、電力変換装置１の正極と負極との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｓ３１とスイッチング素子Ｓ３２とを接続する線路には三相交流モータ１６のＷ相に接続されているＷ相線路が接続される。
Switching element S31 and switching element S32 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of power converter 1. A W-phase line connected to the W-phase of the three-
図２は、電力変換部１４におけるスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２、およびコンデンサＣ１の関係を表す図である。電力変換装置１において、スイッチング素子Ｓ１１およびスイッチング素子Ｓ１２が故障することで、スイッチング素子Ｓ１１およびスイッチング素子Ｓ１２が同時に導通状態になる場合がある。この状態は、電力変換装置１における正極と負極との間が短絡した状態である。この状態において、正極線のインダクタンスＬ１、負極線のインダクタンスＬ２、およびコンデンサＣ１による共振の発生により、正極と負極との間に流れる短絡電流が振動するように変化する。この場合、図２中の点線で示すように、負極から正極に流れる電流（反転電流）が発生する。反転電流は、故障していない還流ダイオードＤ１１およびＤ１２に流れる。ＭＯＳＦＥＴ内のフリーホイールダイオード（Ｄ１１およびＤ１２）はＰｉＮダイオード（分流用ダイオードＤ１）に比べてサージ電流耐量が弱い。このため、電力変換装置１は、還流ダイオードＤ１１およびＤ１２としてＰｉＮダイオードを使用した電力変換装置に比べて、還流ダイオードＤ１１およびＤ１２が破壊する可能性が高い。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the switching elements S11 and S12 and the capacitor C1 in the
そこで、電力変換装置１は、コンデンサＣ１と電力変換部１４との間における正極と負極との間に、逆並列に、分流用ダイオードＤ１を接続する。これにより、電力変換装置１は、電力変換部１４において短絡が発生した場合、反転電流を、還流ダイオードＤ１１〜Ｄ３２に分流させると同時に、分流用ダイオードＤ１にも分流させる。
Therefore, the power conversion device 1 connects the shunt diode D1 in antiparallel between the positive electrode and the negative electrode between the capacitor C1 and the
図３は、コンデンサ電圧Ｖｃおよび短絡電流の時間的な変化の一例を示す図である。図３に示すように、スイッチング素子が故障した場合において、共振が発生することで１００ｋアンペアという大きな反転電流（−１００ｋアンペア）が発生したものとする。この場合、ＭＯＳＦＥＴ内のフリーホイールダイオードのインピーダンスよりも分流用ダイオードＤ１のインピーダンスが小さいので、反転電流の大部分は、分流用ダイオードＤ１（Ｓｉ−ＰｉＮダイオード）に分流する。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of temporal changes in the capacitor voltage Vc and the short-circuit current. As shown in FIG. 3, it is assumed that when a switching element fails, a large reversal current (−100 kamperes) of 100 kamperes is generated due to resonance. In this case, since the impedance of the shunt diode D1 is smaller than the impedance of the free wheel diode in the MOSFET, most of the inversion current is shunted to the shunt diode D1 (Si-PiN diode).
この結果、第１の実施形態によれば、還流ダイオードＤ１１〜Ｄ３２の通電電流を低減することができる。この結果、第１の実施形態によれば、還流ダイオードＤ１１〜Ｄ３２が破壊することを抑制することができる。これにより、第１の実施形態によれば、還流ダイオードＤ１１〜Ｄ３２が破壊することで還流ダイオードＤ１１〜Ｄ３２に対応したＭＯＳＦＥＴが破壊されることを抑制することができる。さらに、第１の実施形態によれば、故障したＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴ以外のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴに対応した還流ダイオードに反転電流が流れて破壊されるという、スイッチング素子の故障の影響が拡大することを抑制することができる。 As a result, according to the first embodiment, the energization current of the free wheel diodes D11 to D32 can be reduced. As a result, according to the first embodiment, the free wheel diodes D11 to D32 can be prevented from being broken. Thereby, according to 1st Embodiment, it can suppress that MOSFET corresponding to the free-wheeling diodes D11-D32 is destroyed because the free-wheeling diodes D11-D32 are destroyed. Furthermore, according to the first embodiment, the influence of the failure of the switching element that the reverse current flows to the free wheel diode corresponding to the MOSFET using the SiC other than the MOSFET using the failed SiC is destroyed. This can be suppressed.
［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａの一例を示す構成図である。第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、中点Ｃと電力変換部１４Ａとを接続した点で、第１の実施形態とは相違する。以下の説明において、第１の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで、説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating an example of the power conversion device 1 </ b> A according to the second embodiment. The
電力変換装置１Ａは、例えば、コンデンサＣ２ａおよびＣ２ｂと、分流用ダイオードＤ２と、電力変換部１４Ａとを備える。コンデンサＣ２ＵａとコンデンサＣ２ｂとは、正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間に直列に接続されている。分流用ダイオードＤ２は、正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間に、逆並列の方向で接続されている。分流用ダイオードＤ２は、バンドギャップの狭いＳｉ−ＰｉＮダイオードである。
The
電力変換部１４Ａは、例えば、スイッチング素子（Ｓ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１２１、Ｓ１２２、Ｓ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２２１、Ｓ２２２、Ｓ３１１、Ｓ３２１、およびＳ３２２）と、スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオード（Ｄ１１１、Ｄ１１２、Ｄ１２１、Ｄ１２２、Ｄ２１１、Ｄ２１２、Ｄ２２１、Ｄ２２２、Ｄ３１１、Ｄ３２１、およびＤ３２２）と、中点に接続された還流ダイオード（Ｄ１０１、Ｄ１０２、Ｄ２０１、Ｄ２０２、Ｄ３０１、およびＤ３０２）とを備える。
The
スイッチング素子（Ｓ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１２１、Ｓ１２２、Ｓ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２２１、Ｓ２２２、Ｓ３１１、Ｓ３２１、およびＳ３２２）は、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴである。還流ダイオード（Ｄ１１１、Ｄ１１２、Ｄ１２１、Ｄ１２２、Ｄ２１１、Ｄ２１２、Ｄ２２１、Ｄ２２２、Ｄ３１１、Ｄ３２１、およびＤ３２２）は、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴ内のフリーホイールダイオードである。還流ダイオード（Ｄ１０１、Ｄ１０２、Ｄ２０１、Ｄ２０２、Ｄ３０１、およびＤ３０２）、例えば、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴと同様に、バンドギャップの広い高耐圧型のダイオードである。 The switching elements (S111, S112, S121, S122, S211, S212, S221, S222, S311, S321, and S322) are MOSFETs using SiC. The free-wheeling diodes (D111, D112, D121, D122, D211, D212, D221, D222, D311, D321, and D322) are free-wheeling diodes in the MOSFET using SiC. Freewheeling diodes (D101, D102, D201, D202, D301, and D302), for example, high-breakdown-voltage diodes with a wide band gap, similar to MOSFETs using SiC.
スイッチング素子Ｓ１１１およびスイッチング素子Ｓ１１２は、正極に対して、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１２１およびスイッチング素子Ｓ１２２は、負極に対して、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１１２およびスイッチング素子Ｓ１２１を接続する線路には三相交流モータ１６のＵ相に接続されているＵ相線路が接続される。スイッチング素子Ｓ１１１およびスイッチング素子Ｓ１１２を接続する線路と、スイッチング素子Ｓ１２１およびスイッチング素子Ｓ１２２を接続する線路との間には、還流ダイオードＤ１０１およびＤ１０２が直列に接続されている。還流ダイオードＤ１０１と還流ダイオードＤ１０２とを接続する線路には、中点Ｃが接続されている。
Switching element S111 and switching element S112 are connected in series to the positive electrode. Switching element S121 and switching element S122 are connected in series to the negative electrode. A U-phase line connected to the U-phase of the three-
スイッチング素子Ｓ２１１およびスイッチング素子Ｓ２１２は、正極に対して、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ２２１およびスイッチング素子Ｓ２２２は、負極に対して、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ２１２およびスイッチング素子Ｓ２２１を接続する線路には三相交流モータ１６のＶ相に接続されているＶ相線路が接続される。スイッチング素子Ｓ２１１およびスイッチング素子Ｓ２１２を接続する線路と、スイッチング素子Ｓ２２１およびスイッチング素子Ｓ２２２を接続する線路との間には、還流ダイオードＤ２０１およびＤ２０２が直列に接続されている。還流ダイオードＤ２０１と還流ダイオードＤ２０２とを接続する線路には、中点Ｃが接続されている。
Switching element S211 and switching element S212 are connected in series to the positive electrode. Switching element S221 and switching element S222 are connected in series to the negative electrode. A V-phase line connected to the V-phase of the three-
スイッチング素子Ｓ３１１およびスイッチング素子Ｓ３１２は、正極に対して、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３２１およびスイッチング素子Ｓ３２２は、負極に対して、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３１２およびスイッチング素子Ｓ３２１を接続する線路には三相交流モータ１６のＷ相に接続されているＷ相線路が接続される。スイッチング素子Ｓ３１１およびスイッチング素子Ｓ３１２を接続する線路と、スイッチング素子Ｓ３２１およびスイッチング素子Ｓ３２２を接続する線路との間には、還流ダイオードＤ３０１およびＤ３０２が直列に接続されている。還流ダイオードＤ３０１と還流ダイオードＤ３０２とを接続する線路には、中点Ｃが接続されている。
Switching element S311 and switching element S312 are connected in series to the positive electrode. Switching element S321 and switching element S322 are connected in series to the negative electrode. A W-phase line connected to the W-phase of the three-
電力変換部１４Ａにおけるスイッチング素子が故障することで、正極と負極との間が短絡する場合がある。この場合、正極線のインダクタンス、負極線のインダクタンス、およびコンデンサＣ２ａおよびＣ２ｂにより共振が発生する可能性がある。電力変換部１４Ａにおいて共振が発生した場合、反転電流は、故障したスイッチング素子とともに正極と負極との間に接続された還流ダイオードと、分流用ダイオードＤ２とに分流される。
A failure of the switching element in the
この結果、第２の実施形態によれば、還流ダイオードの通電電流を低減することができる。この結果、第２の実施形態によれば、還流ダイオードおよびスイッチング素子が破壊することを抑制することができる。 As a result, according to the second embodiment, the energization current of the freewheeling diode can be reduced. As a result, according to the second embodiment, the free wheel diode and the switching element can be prevented from being broken.
［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態の電力変換装置１Ｂの一例を示す構成図である。第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、正極と負極との間に、直列に接続された分流用ダイオードＤ２ａおよびＤ２ｂを備える点で、第２の実施形態の電力変換装置１Ａとは相違する。以下の説明において、第２の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで、説明を省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating an example of the
分流用ダイオードＤ２ａと分流用ダイオードＤ２ｂとを接続する線路には、中点Ｃが接続されている。また、分流用ダイオードＤ２ａと分流用ダイオードＤ２ｂとを接続する線路には、ダイオードＤ１０１とＤ１０２との接続線、ダイオードＤ２０１とＤ２０２との接続線、およびダイオードＤ３０１とＤ３０２との接続線が接続されている。 A midpoint C is connected to a line connecting the shunt diode D2a and the shunt diode D2b. In addition, a connection line between the diodes D101 and D102, a connection line between the diodes D201 and D202, and a connection line between the diodes D301 and D302 are connected to the line connecting the shunt diode D2a and the shunt diode D2b. Yes.
電力変換部１４におけるスイッチング素子が故障することで、正極と負極との間が短絡する場合がある。この場合、正極線のインダクタンス、負極線のインダクタンス、およびコンデンサＣ２ａおよびＣ２ｂにより共振が発生する可能性がある。電力変換部１４Ａにおいて共振が発生した場合、反転電流は、故障したスイッチング素子とともに正極と負極との間に接続された還流ダイオード、分流用ダイオードＤ２ａ、およびＤ２ｂに分流される。
A failure of the switching element in the
電力変換装置１Ａにおいて正極と負極との間にだけでなく、正極と中点Ｃとの間、および中点Ｃと負極との間でも短絡が発生する可能性がある。これに対し、電力変換装置１Ｂは、中点Ｃから正極に流れる反転電流を分流用ダイオードＤ２ａに流すことができる。また、電力変換装置１Ｂは、負極から中点Ｃに流れる反転電流を分流用ダイオードＤ２ｂに流すことができる。この結果、電力変換装置１Ｂによれば、反転電流のうち還流ダイオードに流れる電流をさらに抑制することができ、還流ダイオードの破壊をさらに抑制することができる。
In the
［第４の実施形態］
図６は、第４の実施形態の電力変換装置１Ｃの一例を示す構成図である。第４の実施形態における電力変換部１４Ｂは、Ｕ相およびＶ相を有する単相交流モータに電力を供給する点で、第１の実施形態とは相違する。以下の説明において、第１の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで、説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating an example of the power conversion device 1 </ b> C according to the fourth embodiment. The
電力変換部１４Ｂは、Ｕ相に対応したスイッチング素子（Ｓ１１およびＳ１２）、および還流ダイオード（Ｄ１１およびＤ１２）を備える。電力変換部１４Ｂは、Ｖ相に対応したスイッチング素子（Ｓ２１およびＳ２２）、および還流ダイオード（Ｄ２１およびＤ２２）を備える。
The
第４の実施形態の電力変換装置１Ｃにおいて、スイッチング素子が故障することで反転電流が発生した場合、還流ダイオードと分流用ダイオードＤ１とに反転電流を分流することができる。この結果、第４の実施形態の電力変換装置１Ｃによれば、第１の実施形態と同様に、スイッチング素子の故障の影響が拡大することを抑制することができる。
In the
［第５の実施形態］
図７は、第５の実施形態の電力変換装置１Ｄの一例を示す構成図である。第５の実施形態における電力変換部１４Ｃは、Ｕ相およびＶ相を有する単相交流モータに電力を供給する点で、第２の実施形態とは相違する。以下の説明において、第２の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで、説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 7 is a configuration diagram illustrating an example of the
電力変換部１４Ｃは、Ｕ相に対応したスイッチング素子（Ｓ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１２１、およびＳ１２２）と、Ｕ相に対応した還流ダイオード（Ｄ１０１、Ｄ１０２、Ｄ１１１、Ｄ１１２、Ｄ１２１、およびＤ１２２）とを備える。電力変換部１４Ｃは、Ｖ相に対応したスイッチング素子（Ｓ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２２１、およびＳ２２２）と、Ｖ相に対応した還流ダイオード（Ｄ２０１、Ｄ２０２、Ｄ２１１、Ｄ２１２、Ｄ２２１、およびＤ２２２）とを備える。
The
第５の実施形態の電力変換装置１Ｄにおいて、スイッチング素子が故障することで反転電流が発生した場合、還流ダイオードと分流用ダイオードＤ２とに反転電流を分流することができる。この結果、第５の実施形態の電力変換装置１Ｄによれば、第２の実施形態と同様に、スイッチング素子の故障の影響が拡大することを抑制することができる。
In the
［第６の実施形態］
図８は、第６の実施形態の電力変換装置１Ｅの一例を示す構成図である。第６の実施形態における電力変換部１４Ｃは、Ｕ相およびＶ相を有する単相交流モータに電力を供給する点で、第３の実施形態とは相違する。以下の説明において、第３の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで、説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating an example of the
電力変換部１４Ｃは、Ｕ相に対応したスイッチング素子（Ｓ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１２１、およびＳ１２２）と、Ｕ相に対応した還流ダイオード（Ｄ１０１、Ｄ１０２、Ｄ１１１、Ｄ１１２、Ｄ１２１、およびＤ１２２）とを備える。電力変換部１４Ｃは、Ｖ相に対応したスイッチング素子（Ｓ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２２１、およびＳ２２２）と、Ｖ相に対応した還流ダイオード（Ｄ２０１、Ｄ２０２、Ｄ２１１、Ｄ２１２、Ｄ２２１、およびＤ２２２）とを備える。
The
第６の実施形態の電力変換装置１Ｅにおいて、スイッチング素子が故障することで反転電流が発生した場合、還流ダイオード、分流用ダイオードＤ２ａおよびＤ２ｂに反転電流を分流することができる。この結果、第６の実施形態の電力変換装置１Ｅによれば、第３の実施形態と同様に、スイッチング素子の故障の影響が拡大することを抑制することができる。
In the
［第７の実施形態］
図９は、第７の実施形態における電力変換装置１Ｆの一例を示す構成図である。電力変換装置１Ｆは、電力変換装置１ＣにおけるコンデンサＣ１および分流用ダイオードＤ１に代えて、コンデンサＣ１＃および分流用ダイオードＤ１＃を備える。以下の説明において、第４の実施形態と同様の部分は同一符号を付することで、説明を省略する。
[Seventh Embodiment]
FIG. 9 is a configuration diagram illustrating an example of the
コンデンサＣ１＃および分流用ダイオードＤ１＃における一方の端子は、正極から分岐した一本の線路にそれぞれ接続されている。コンデンサＣ１＃および分流用ダイオードＤ１＃における他方の端子は、負極から分岐した一本の線路にそれぞれ接続されている。 One terminal of the capacitor C1 # and the shunt diode D1 # is connected to one line branched from the positive electrode. The other terminals of the capacitor C1 # and the shunt diode D1 # are respectively connected to one line branched from the negative electrode.
第７の実施形態の電力変換装置１Ｆによれば、スイッチング素子が故障することで反転電流が発生した場合、還流ダイオード、および分流用ダイオードＤ１＃に反転電流を分流することができる。この結果、第７の実施形態の電力変換装置１Ｆによれば、スイッチング素子の故障の影響が拡大することを抑制することができる。
According to the
なお、コンデンサＣ１＃および分流用ダイオードＤ１＃の構成は、上述した実施形態における電力変換部の直流電力の供給側のコンデンサおよびダイオードについても同様に適用することができる。 The configurations of the capacitor C1 # and the shunt diode D1 # can be similarly applied to the capacitor and the diode on the DC power supply side of the power conversion unit in the above-described embodiment.
［第８の実施形態］
図１０は、第８の実施形態の電力変換装置１Ｇの一例を示す構成図である。なお、上述した実施形態と同じ部分については同一符号を付することで詳細な説明を省略する。
[Eighth Embodiment]
FIG. 10 is a configuration diagram illustrating an example of the
第８の実施形態の電力変換装置１Ｇは、例えば、単相交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換回路２０と、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換部１４Ｅと、コンデンサＣ４と、ダイオードＤ３と、ダイオードＤ４と、ダイオードＤ５と、コンデンサＣ１＃、および分流用ダイオードＤ１＃とを備える。
The
交流−直流変換回路２０は、例えば、スイッチング素子Ｓ６１、スイッチング素子Ｓ６２、スイッチング素子Ｓ７１、およびスイッチング素子Ｓ７２と、還流ダイオードＤ６１、還流ダイオードＤ６２、還流ダイオードＤ７１、および還流ダイオードＤ７２とを備える。
The AC-
スイッチング素子Ｓ６１およびスイッチング素子Ｓ６２は、電力変換装置１の正極と負極との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｓ６１には、逆並列で還流ダイオードＤ６１が接続されている。スイッチング素子Ｓ６２には、逆並列で還流ダイオードＤ６２が接続されている。 Switching element S61 and switching element S62 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of power converter 1. A free-wheeling diode D61 is connected to the switching element S61 in antiparallel. A free-wheeling diode D62 is connected to the switching element S62 in antiparallel.
スイッチング素子Ｓ７１およびスイッチング素子Ｓ７２は、スイッチング素子Ｓ６１およびスイッチング素子Ｓ６２と並列している。スイッチング素子Ｓ７１およびスイッチング素子Ｓ７２は、電力変換装置１の正極と負極との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｓ７１には、逆並列で還流ダイオードＤ７１が接続されている。スイッチング素子Ｓ７２には、逆並列で還流ダイオードＤ７２が接続されている。 The switching element S71 and the switching element S72 are in parallel with the switching element S61 and the switching element S62. Switching element S71 and switching element S72 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of power converter 1. A free-wheeling diode D71 is connected to the switching element S71 in antiparallel. A free-wheeling diode D72 is connected to the switching element S72 in antiparallel.
ダイオードＤ３は、電力変換部１４Ｅの電力供給側における正極と負極との間に、逆並列で接続されている。ダイオードＤ５は、交流−直流変換回路２０の電力出力側における正極と負極との間に、逆並列で接続されている。
The diode D3 is connected in antiparallel between the positive electrode and the negative electrode on the power supply side of the
コンデンサＣ４およびダイオードＤ４における一方の端子は、正極から分岐した一本の線路にそれぞれ接続されている。コンデンサＣ４および分流用ダイオードＤ４おける他方の端子は、負極から分岐した一本の線路にそれぞれ接続されている。コンデンサＣ１＃および分流用ダイオードＤ１＃における一方の端子は、正極から分岐した一本の線路にそれぞれ接続されている。コンデンサＣ１＃および分流用ダイオードＤ１＃における他方の端子は、負極から分岐した一本の線路にそれぞれ接続されている。 One terminal of the capacitor C4 and the diode D4 is connected to one line branched from the positive electrode. The other terminals of the capacitor C4 and the shunt diode D4 are connected to a single line branched from the negative electrode. One terminal of the capacitor C1 # and the shunt diode D1 # is connected to one line branched from the positive electrode. The other terminals of the capacitor C1 # and the shunt diode D1 # are respectively connected to one line branched from the negative electrode.
スイッチング素子Ｓ１１とスイッチング素子Ｓ１２とを接続する線路には三相交流モータ１６のＵ相に接続されているＵ相線路が接続される。
A U-phase line connected to the U-phase of the three-
スイッチング素子Ｓ２１とスイッチング素子Ｓ２２とは、電力変換装置１の正極と負極との間に直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ２１とスイッチング素子Ｓ２２とを接続する線路には三相交流モータ１６のＶ相に接続されているＶ相線路が接続される。
Switching element S21 and switching element S22 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of power converter 1. A V-phase line connected to the V-phase of the three-
電力変換装置１Ｇにおいて、交流−直流変換回路２０におけるスイッチング素子の故障により、反転電流が流れる可能性がある。電力変換装置１Ｇは、交流−直流変換回路２０におけるスイッチング素子が故障した場合、交流−直流変換回路２０において発生した反転電流を、ダイオードＤ４およびダイオードＤ１＃に分流させることができる。これにより、電力変換装置１Ｇによれば、反転電流が故障していないスイッチング素子に対応する還流ダイオードに流れることを抑制することができる。すなわち、電力変換装置１Ｇによれば、交流−直流変換回路２０の故障が電力変換部１４Ｅに影響することを抑制することができる。
In the
電力変換装置１Ｇにおいて、電力変換部１４Ｅにおけるスイッチング素子の故障により、反転電流が流れる可能性がある。電力変換装置１Ｇは、電力変換部１４におけるスイッチング素子が故障した場合、電力変換部１４において発生した反転電流を、ダイオードＤ４およびダイオードＤ１＃に分流させることができる。これにより、電力変換装置１Ｇによれば、反転電流が故障していないスイッチング素子に対応する還流ダイオードに流れることを抑制することができる。すなわち、電力変換装置１Ｇによれば、電力変換部１４Ｅの故障が交流−直流変換回路２０に影響することを抑制することができる。
In the
［第９の実施形態］
図１１は、第９の実施形態における電力変換システム１００の一例を示す構成図である。第９の実施形態の電力変換システム１００は、単一のフィルタリアクトル１２に対して、複数の電力変換部１４−１（第１の電力変換装置）および１４−２（第２の電力変換装置）を接続している点で、上述した第１の実施形態とは相違する。電力変換部１４−１と１４−２は、フィルタリアクトル１２に対して並列に接続されている。なお、第１の実施形態と同様の部分については同一符号を付することで詳細な説明を省略する。
[Ninth Embodiment]
FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an example of the
フィルタリアクトル１２は、集電装置１０から供給された直流電力を平滑化する。電力変換部１４−１は、フィルタリアクトル１２を介して直流電力が供給される。電力変換部１４−１は、変換した電力を三相交流モータ１６−１に供給する。電力変換部１４−２は、フィルタリアクトル１２と電力変換部１４−１と接続する第１の線路から分岐した第２の線路に接続される。電力変換部１４−２は、フィルタリアクトル１２を介して直流電力が供給される。電力変換部１４−２は、変換した電力を三相交流モータ１６−２に供給する。
The
電力変換システム１００は、フィルタリアクトル１２の電力出力側において正極と負極との間に逆並列で接続されたダイオードＤを備える。さらに、電力変換システム１００は、ダイオードＤと電力変換部１４−１との間に、コンデンサＣ１−１と、分流用ダイオードＤ１−１とを備える。さらに、電力変換システム１００は、ダイオードＤ１００と電力変換部１４−２との間に、コンデンサＣ１−２と、分流用ダイオードＤ１−２とを備える。
The
ダイオードＤ１００は、Ｓｉを用いたＰｉＮダイオードである。ダイオードＤ１００は、第１の線路のうち第２の線路が分岐する点よりもフィルタリアクトル１２側の線路に接続されている。ダイオードＤ１００は、電力変換部１４−１および電力変換部１４−２に対して逆並列に接続された第３のダイオードに相当する。ダイオードＤ１００は、電力変換部１４−１または電力変換部１４−２における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する反転電流の一部を流す。
The diode D100 is a PiN diode using Si. The diode D100 is connected to the line on the
電力変換システム１００において、電力変換部１４−１におけるスイッチング素子の故障により、反転電流が流れる可能性がある。電力変換システム１００は、電力変換部１４−１におけるスイッチング素子が故障した場合、反転電流を、ダイオードＤ１００に分流させることができる。これにより、電力変換システム１００によれば、反転電流が電力変換部１４−２に流れることを抑制することができる。同様に、電力変換システム１００は、電力変換部１４−２において発生した反転電流をダイオードＤ１００に分流することができる。これにより、電力変換システム１００によれば、反転電流が電力変換部１４−１に流れることを抑制することができる。
In the
また、電力変換システム１００は、単一のフィルタリアクトル１２に複数の電力変換部１４−１および１４−２を備えるので、複数のフィルタリアクトル１２を設けることなく、装置の小型化および低コスト化を図ることができる。
In addition, since the
なお、電力変換システム１００は、ダイオードＤ１００、およびダイオードＤ１−１およびＤ１−２を備えたが、これに限定されず、ダイオードＤ１−１およびＤ１−２を備えていなくてもよい。
The
また、第１から第８の実施形態における複数の電力変換部を電力供給側に対して並列に接続した場合であっても、複数の電力変換部に対して逆並列にダイオードＤ１００を接続してもよい。 In addition, even when the plurality of power conversion units in the first to eighth embodiments are connected in parallel to the power supply side, the diode D100 is connected in antiparallel to the plurality of power conversion units. Also good.
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴを複数備える電力変換部１４と、各ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのそれぞれに逆並列に接続されたＳｉＣを用いた第１のダイオード（Ｄ１１など）と、電力変換部１４における直流電力の供給側において電力変換部１４に対して逆並列に接続された第２のダイオードＤ１であって、電力変換部１４における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する負極から正極に向けて流れる電流の一部を流すＳｉを用いた第２のダイオードＤ１と、を持つことにより、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴが故障することで短絡が発生した場合であっても、大きな電流をダイオードＤ１に分流することができる。これにより、少なくともひとつの実施形態によれば、大きな電流が他のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴに流れることを抑制することで、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴが故障したことによる影響の拡大を抑制することができる。
According to at least one embodiment described above, the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ…電力変換装置、１２…フィルタリアクトル、１４、１４−１、１４−２、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｅ…電力変換部、１６、１６−１、１６−２…三相交流モータ、２０…交流−直流変換回路、１００…電力変換システム、Ｃ１、Ｃ１−１、Ｃ１−２、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ１＃、Ｃ４…コンデンサ、Ｄ１、Ｄ１−１、Ｄ１−２、Ｄ２、Ｄ２ａ、Ｄ２ｂ、Ｄ１＃、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ１００…分流用ダイオード、Ｓ１１〜Ｓ３２、Ｓ１１１〜Ｓ３２２…スイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ３２、Ｄ１１１〜Ｄ３２２…還流ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記電力変換部における直流電力の供給側における正極と負極との間に接続されたコンデンサと、
前記電力変換部における直流電力の供給側において前記電力変換部に対して逆並列に接続された、Ｓｉを用いた第１のダイオードであって、前記電力変換部における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する前記負極から前記正極に向けて流れる電流の一部を流す前記第１のダイオードと、
を備える、電力変換装置。 Each phase is composed of a plurality of phases, and each phase includes a power converter having a MOSFET using SiC, and a free wheel diode in the MOSFET connected in reverse parallel to the MOSFET,
A capacitor connected between a positive electrode and a negative electrode on the DC power supply side of the power conversion unit;
A first diode using Si, connected in reverse parallel to the power conversion unit on the DC power supply side in the power conversion unit, and a MOSFET using a plurality of SiC in the power conversion unit The first diode that flows a part of the current that flows from the negative electrode to the positive electrode, which is generated when a part of the short circuit occurs,
A power conversion device comprising:
請求項１に記載の電力変換装置。 The first diode is a PiN type diode.
The power conversion device according to claim 1.
請求項１に記載の電力変換装置。 The first diode is disposed between the capacitor and the power conversion unit.
The power conversion device according to claim 1.
請求項１に記載の電力変換装置。 The power conversion unit includes a set of MOSFETs using SiC connected in series between the positive electrode and the negative electrode corresponding to each phase of a three-phase AC motor.
The power conversion device according to claim 1.
前記リアクトルフィルタを介して直流電力が供給される、請求項１から４のうちいずれか１項に記載の第１の電力変換装置と、
前記リアクトルフィルタと前記第１の電力変換装置と接続する第１の線路から分岐した第２の線路に接続され、前記リアクトルフィルタを介して直流電力が供給される、請求項１から４のうちいずれか１項に記載の第２の電力変換装置と、
前記第１の線路のうち前記第２の線路が分岐する点よりも前記リアクトルフィルタ側の線路に接続され、前記第１の電力変換装置および前記第２の電力変換装置に対して逆並列に接続された第２のダイオードであって、前記第１の電力変換装置または前記第２の電力変換装置における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する前記負極から前記正極に向けて流れる電流の一部を流すＳｉを用いた第２のダイオードと、
を備える、電力変換システム。 A reactor filter to which DC power is supplied from an overhead wire;
The first power conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein direct-current power is supplied via the reactor filter;
Any one of Claim 1 to 4 connected to the 2nd track | route branched from the 1st track | line connected with the said reactor filter and the said 1st power converter device, and direct-current power is supplied via the said reactor filter. A second power conversion device according to claim 1;
It is connected to the line on the reactor filter side from the point where the second line of the first line branches, and connected in antiparallel to the first power converter and the second power converter. A second diode formed from the negative electrode generated when a part of the MOSFETs using SiC in the first power converter or the second power converter is short-circuited, to the positive electrode. A second diode using Si that flows a part of the current flowing in the direction;
A power conversion system comprising:
前記電力変換部における直流電力の供給側における正極と中点とに接続された第１のコンデンサと、
前記電力変換部における直流電力の供給側における前記中点と負極とに接続された第２のコンデンサと、
前記電力変換部における前記正極に接続された各ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴに対して逆並列に接続され、前記正極と前記中点とに接続された、Ｓｉを用いた第１のダイオードと、
Ｓｉを用いた第２のダイオードであって、前記電力変換部における前記負極に接続されたＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴに対して逆並列に接続され、前記中点と前記負極とに接続された前記第２のダイオードとを備え、
前記第１のダイオードおよび前記第２のダイオードは、前記電力変換部における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する前記負極から前記正極に向けて流れる電流の一部を流す、
電力変換装置。 Each phase is composed of a plurality of phases, and each phase includes a power converter having a MOSFET using SiC, and a free wheel diode in the MOSFET connected in reverse parallel to the MOSFET,
A first capacitor connected to a positive electrode and a midpoint on the DC power supply side in the power converter;
A second capacitor connected to the midpoint and the negative electrode on the DC power supply side of the power converter;
A first diode using Si, connected in antiparallel to each MOSFET using SiC connected to the positive electrode in the power converter, and connected to the positive electrode and the midpoint;
A second diode using Si, connected in reverse parallel to a MOSFET using SiC connected to the negative electrode in the power converter, and connected to the middle point and the negative electrode; Two diodes,
The first diode and the second diode have a part of a current flowing from the negative electrode to the positive electrode that is generated when a part of a plurality of MOSFETs using SiC in the power conversion unit is short-circuited. Shed,
Power conversion device.
請求項６に記載の電力変換装置。 The second and third diodes are PiN type diodes,
The power conversion device according to claim 6.
前記第２のダイオードは、前記第２のコンデンサと前記電力変換部における前記負極との間に配置されている、
請求項６に記載の電力変換装置。 The first diode is disposed between the first capacitor and the positive electrode in the power converter,
The second diode is disposed between the second capacitor and the negative electrode in the power conversion unit,
The power conversion device according to claim 6.
請求項６に記載の電力変換装置。 The power conversion unit includes a set of MOSFETs using SiC connected in series between a positive electrode and a negative electrode corresponding to each phase of the three-phase AC motor.
The power conversion device according to claim 6.
前記リアクトルフィルタを介して直流電力が供給される、請求項６から９のうちいずれか１項に記載の第１の電力変換装置と、
前記リアクトルフィルタと前記第１の電力変換装置と接続する第１の線路から分岐した第２の線路に接続され、前記リアクトルフィルタを介して直流電力が供給される、請求項６から９のうちいずれか１項に記載の第２の電力変換装置と、
前記第１の線路のうち前記第２の線路が分岐する点よりも前記リアクトルフィルタ側の線路に接続され、前記第１の電力変換装置および前記第２の電力変換装置に対して逆並列に接続された第３のダイオードであって、前記第１の電力変換装置または前記第２の電力変換装置における複数のＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのうち一部が短絡した場合に発生する前記負極から前記正極に向けて流れる電流の一部を流すＳｉを用いた前記第３のダイオードと、
を備える、電力変換システム。 A reactor filter to which DC power is supplied from an overhead wire;
The first power conversion device according to any one of claims 6 to 9, wherein DC power is supplied via the reactor filter;
Any one of Claim 6 to 9 connected to the 2nd track | route branched from the 1st track | line connected with the said reactor filter and said 1st power converter device, and direct-current power is supplied via the said reactor filter. A second power conversion device according to claim 1;
It is connected to the line on the reactor filter side from the point where the second line of the first line branches, and connected in antiparallel to the first power converter and the second power converter. A third diode formed from the negative electrode generated when a part of the MOSFETs using SiC in the first power converter or the second power converter is short-circuited to the positive electrode The third diode using Si that flows a part of the current flowing in the direction;
A power conversion system comprising:
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|---|---|---|---|---|
| WO2021135896A1 (en) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 中车永济电机有限公司 | Electric drive system, converter control method, and electric locomotive |
| US11424688B2 (en) | 2018-07-31 | 2022-08-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Modular power converter |
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2016
- 2016-08-15 JP JP2016159240A patent/JP2018029412A/en active Pending
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