(57)【要約】【課題】本発明はできるだけ損失を抑制しつつ電圧の跳ね上がりを防止し、スナバレス化を得られるようにした電源用３レベルインバータ装置を提供する。【解決手段】この発明は、直流電圧の正負両端子に4つの半導体スイッチング素子を直列に接続し、前記半導体スイッチング素子の第一番目と第二番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続し、前記半導体スイッチング素子の第三番目と第四番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続した、中性点クランプ型３レベルインバータにおいて、前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値を、前記第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値よりも、大きい値に設定したことを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を一定周波数一定電圧の3相交流に変換するインバータであって、直流電圧の正負両端子に4つの半導体スイッチング素子を直列に接続し、前記半導体スイッチング素子の第一番目と第二番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続し、前記半導体スイッチング素子の第三番目と第四番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続した、中性点クランプ型の電源用３レベルインバータ装置において、
前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値を、前記第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値よりも、大きい値に設定したことを特徴とする、電源用３レベルインバータ装置。
【請求項２】
請求項１記載の電源用３レベルインバータ装置において、
半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路を２素子で１つの基板に構成し、一方のゲート出力段には低抵抗のゲート駆動抵抗、他方の出力段には高抵抗のゲート駆動抵抗をとりつけて、ゲートドライブ回路の共通化を図ることを特徴とする電源用３レベルインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電源用３レベルインバータ装置に関するもので、例えば鉄道車両補助電源用として有効な装置である。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両の空調や照明のための３相６０Ｈｚで４４０Ｖ交流電源を架線から供給される直流電圧から作り出す鉄道車両補助電源には、３相それぞれが２つの半導体スイッチング素子から構成される２レベルインバータが適用されてきた（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら一般的な通勤電車に供給される直流電源電圧は１５００Ｖが一般的で、この電圧に対応するためには３．３ｋＶ耐電圧級の高耐圧の装置を実現する必要がある。この場合、高いスイッチング損失による発熱温度上昇を低減することも必要であり、スイッチング周波数を１０００Ｈｚ程度に抑制して動作させていた。このため、出力波形からスイッチング周波数成分の高調波をとり除くために設置される交流リアクトルとコンデンサから構成される交流フィルタの重量外形が非常に大きくなり、軽量小型化が特に要求される鉄道車両用電源として改善が求められていた。
【特許文献１】特開２００８−２７８５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対して、３相それぞれに４つの半導体スイッチング素子と、直流中性点をクランプするダイオード２つで構成される中性点クランプ型３レベルインバータを鉄道車両用補助電源に用いると、各スイッチング素子のスイッチング回数は、２レベルインバータと同様１０００Ｈｚとした場合にも、４つのスイッチング素子のスイッチングタイミングのずれにより、出力波形は、正、負、ゼロの３レベルと多段化され、より正弦波に近づく。このためにスイッチング周波数成分の高調波をとり除くための交流フィルタの重量外形は２レベルインバータで必要な重量外形に比較して大幅に小型軽量化できる。
【０００５】
しかしながら、３レベルインバータは、各相に４つの半導体スイッチング素子と２つのダイオードと多数の半導体素子で構成されるため、直流コンデンサと半導体スイッチング素子を接続する導体の構成が複雑となる。この結果、３レベルインバータでは、配線インダクタンスが大きくなってしまい、半導体スイッチング素子のスイッチオフ電流遮断時に発生する配線インダクタンスに起因した電圧跳ね上がりが非常に大きくなる。これを抑制するために２レベルインバータでは省略可能であったスナバ回路が３レベルインバータでは不可欠となり、インバータ回路の大型化、コストアップを招いていた。
【０００６】
特に、４つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目の電流遮断時の電圧跳ね上がりは、その電流経路の配線インダクタンスが、３レベル回路の構成上、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子が電流を遮断するときの電流経路の配線インダクタンスに比較して格段に大きく、スナバレス化の阻害要因になっていた。
【０００７】
電流遮断時の電圧跳ね上がりを抑制する別の方法として、ゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値を大きくして、電流遮断スピードを遅くする方法があるが、半導体スイッチング素子内部で過渡的に大きなスイッチング損失が発生し、インバータ冷却器の大型化が必要になってしまう。
【０００８】
そこで本発明は、以上の問題点を解決するために、できるだけ損失を抑制しつつ電圧の跳ね上がりを防止し、スナバレス化を得られるようにした電源用３レベルインバータ装置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】
【０００９】
この発明では、直流電圧を、一定周波数一定電圧の3相交流に変換するインバータであって、直流電圧の正負両端子に4つの半導体スイッチング素子を直列に接続し、前記半導体スイッチング素子の第一番目と第二番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続し、前記半導体スイッチング素子の第三番目と第四番目の接続点と直流中間電位部とをダイオードで接続した、中性点クランプ型３レベルインバータにおいて、
前記第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値を、前記第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子をゲートオフさせるためのゲート駆動抵抗値よりも、大きい値に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記の手段により、例えば鉄道車両補助電源が通常出力力率０．８以上で運転され、出力力率が高い場合の中性点クランプ式３レベルインバータにおいては、４つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目のスイッチング素子は、電圧と電流が逆極性になるわずかなスイッチング時のみしか電流を遮断しないことに着目し、第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗を、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗よりも大きい値に設定することにより、スナバレス化を達成しながらインバータ損失による発熱も増加させないで小型軽量の鉄道車両補助電源用３レベルインバータ装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第一の実施例の構成例である。この実施例は、鉄道車両用補助電源回路であり、直流リアクトル１０と、端子１１、１２間に直列接続された正側直流コンデンサ２１と、負側直流コンデンサ２２を有する。
【００１２】
また端子１１、１２間には３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗの中性点クランプ式３レベルインバータ３１，３２、３３が接続されている。
【００１３】
この３相のインバータは、１相あたり、直列接続せれた４つの半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ：絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を有する。これらを第一番目から第四番目と称することにする。コンデンサ２１、２２の接続点と、第一番目と第二番目の半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点との間には、第１のクランプダイオードＤ１が接続されている。また第三番目と第四番目の半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とコンデンサ２１、２２の接続点間には第２のクランプダイオードＤ２が接続されている。
【００１４】
各相の中性点クランプ型３レベルインバータ３１、３２、３３の交流出力端子は、それぞれＡＣリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して、３相絶縁トランス４０の巻線にそれぞれ接続されている。またＡＣリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の出力側の３相線間にはＡＣコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３が接続されている。３相絶縁トランス４０の出力段に、鉄道車両内部の照明や空調装置（図示せず）が負荷として接続される。
【００１５】
半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）のスイッチング動作は、各素子のゲートエミッタ間に接続されたゲートドライブ回路により駆動される。各素子のゲートドライブ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の回路構成例を図２に示す。各ゲートドライブ回路Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は同じ回路構成であるから１つのゲートドライブ回路Ａ２を代表して説明する。
【００１６】
図２において、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２は、トーテンポール接続されている。トランジスタＴＲ１のエミッタは、トランジスタＴＲ２のエミッタに接続されるとともに、制御端子５３に接続されている。トランジスタＲＴ１のコレクタは、ゲート駆動抵抗としてのゲートオン抵抗ＲｇＯＮを介して直流１５Ｖの正の電源５１に接続されている。トランジスタＴＲ２のコレクタは、ゲート駆動抵抗としてのゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦを介して直流１５Ｖの負の電源５２に接続されている。
【００１７】
トランジスタＴＲ１，ＴＲ２のベースは、制御端子５５に接続されている。また直流電源５１と５２の接続部は、制御端子５４に接続されている。制御端子５３が先の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）のゲート電極、制御端子５４がエミッタ電極に接続される。
【００１８】
電源５１、５２は、外部の高周波スイッチング電源（図示せず）から絶縁供給された高周波電圧を整流して得られた正負の直流１５Ｖ電圧である。制御端子５５には、図に示されない制御装置から送られてくるゲートパルスが供給され、このゲートパルスに応答して制御端子５３、５４間に半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）をオン或いはオフするための電圧が現れる。
【００１９】
ここで、ゲートオン抵抗ＲｇＯＮは、全素子共通であり１．８Ωを使う。これに対してまたゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦは、３レベルインバータの素子の位置に従い異なる値を用いる。
【００２０】
上記の半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路は、２素子で１つの基板に構成し、一方のゲート出力段には低抵抗のゲート駆動抵抗、他方の出力段には高抵抗のゲート駆動抵抗をとりつけて、ゲートドライブ回路の共通化を図っている。
【００２１】
図３に示すように、第二番目と第三番目の半導体スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に対するゲートドライブ回路Ａ２，Ａ３のゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦには、例えば４０Ω、ゲートドライブ回路Ａ１とＡ４のゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦには、例えば１０Ωを用いる。
【００２２】
半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）をオン状態からオフ状態にするためには、ゲート部から半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）内部の電荷を吸い取って（移動させて）ゲート（Ｇ）エミッタ（Ｅ）間に最終的にマイナス１５Ｖの電圧が印加される状態にする必要がある。電荷を吸い取る（移動させる）際にそのスピードを制御することにより、スイッチング速度を制御することが可能になり、急峻な電流遮断による電圧跳ね上がりの増加を抑制できる。その電荷吸収速度を制限するために用いられるのがゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦである。
【００２３】
ゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦの値を大きくすればスイッチング速度が遅くなるため、電圧跳ね上がりを抑制することが可能になるが、電流遮断過渡状態が長く続くため、スイッチング損失は増加する。
【００２４】
鉄道車両補助電源が通常出力力率０．８以上で運転され、出力力率が高い場合の中性点クランプ型３レベルインバータにおいては、４つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目の半導体スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は、電圧と電流が逆極性になるわずかなスイッチング時のみしか電流を遮断しないことに着目し、第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗を、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗よりも大きい値に設定する。
【００２５】
これを説明した図を図４、図５、図６、図７に示す。第二番目第三番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ２，Ｑ３は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）に比べて、電流を遮断する回数が少ないため、スイッチング損失が若干大きくなることを無視して大きなゲートオフ抵抗を用いる。これにより、配線インダクタンスの低減が困難な第二番目第三番目の半導体スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３周辺の回路をスナバレス化することが可能になる。
【００２６】
図４には、中性点クランプ式３レベルインバータの出力部に現れる電流波形と、電圧波形を示している。時間方向に特有な領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを区分して示している。補助電源では、電圧と電流の位相差は小さいので、領域ＡとＣは、ほとんど無い。ここで、電流が正の領域Ｂであって期間ｔ１、ｔ２、ｔ３，ｔ４に注目してみる。
【００２７】
この期間ｔ１、ｔ２、ｔ３，ｔ４では、図５と、図６に示すようなパターンで半導体スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４が動作する。つまり、
期間ｔ１では、Ｑ１→オン，Ｑ２→オン，Ｑ３→オフ，Ｑ４→オフ、
期間ｔ２では、Ｑ１→オフ，Ｑ２→オン，Ｑ３→オン，Ｑ４→オフ、
期間ｔ３では、Ｑ１→オン，Ｑ２→オン，Ｑ３→オフ，Ｑ４→オフ、
期間ｔ４では、Ｑ１→オフ，Ｑ２→オン，Ｑ３→オン，Ｑ４→オフとなり、このような動作パターンが領域Ｂでは繰り替えされる。
【００２８】
上記の動作から分かるように、領域Ｄの動作も含めると、第二番目第三番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ２，Ｑ３は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）に比べて、電流を遮断する回数が少ない。
【００２９】
ここで第二番目のスイッチング素子Ｑ２の動作に着目してみる。図７に示すように、オンからオフにするための指令がゲート回路Ａ２から与えられたとする。なおオン指令のときは全スイッチング素子の変移速度は同じである。オフ指令のときは第二番目と第三番目の半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の変移速度は第一番目と第四番目の半導体スイッチング素子の変移速度に比べて遅い。
【００３０】
オン指令からオフ指令に変化したとき、従来は即応答したために、第二番目のスイッチング素子の電流は、電流Ｉ１で示すように急激に変化した。これに伴い半導体スイッチング素子のスイッチオフ電流遮断時に発生する配線インダクタンスに起因した電圧は、電圧Ｖ１で示すように跳ね上がりが非常に大きくなっていた。この現象は、周辺に不要輻射を生じる要因となる。
【００３１】
しかし本実施例の回路によると、ゲートオフ抵抗ＲｇＯＦＦが大きくなったために、第二番目のスイッチング素子の電流は、電流Ｉ２で示すように遅れて変化する（時定数が大きくなる）。この結果、半導体スイッチング素子のスイッチオフ電流遮断時に発生する配線インダクタンスに起因した電圧は、電圧Ｖ２で示すように跳ね上がりが抑圧される。
【００３２】
ここで、消費電力（損失Ｗ＝Ｉ×Ｖ）について考慮すると、電流Ｉ１が急激に変化するときよりも、電流Ｉ２が緩やかに変化するときの損失が大きい。しかし、この発明では第二番目第三番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ２，Ｑ３は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）に比べて、電流を遮断する回数が少ないので、損失の重要性よりも、不要輻射の抑制の重要性を優先させている。
【００３３】
なお、図６に示す動作パターンからわかるように、領域Ｂにおいて、半導体スイッチング素子Ｑ３は電圧が正で電流が正のときオフ、電圧がゼロで電流が正のときにオン制御される。しかしこの領域Ｂにおいては、半導体スイッチング素子Ｑ３に電流は流れないので、この半導体スイッチング素子Ｑ３がオンオフすることによる損失はゼロである。
【００３４】
図８には、図４の電圧波形と電流波形の関係があるとき、半導体スイッチング素子Ｑ１−Ｑ４で電流遮断が有るか、無いかをまとめたテーブルを示している。領域Ａにおいては、半導体スイッチング素子Ｑ３による電流の遮断がある。領域Ｂにおいては、電圧が正方向へ高レベル状態から中点電位側に移行するために半導体スイッチング素子Ｑ１による電流の遮断がある。領域Ｃにおいては、電圧が中電電位から負方向の最低レベル状態に移行するために、半導体スイッチング素子Ｑ２による電流の遮断がある。領域Ｄにおいては、電圧が負方向の最低レベル状態から中点電位へ移行するために、半導体スイッチング素子Ｑ４による電流の遮断がある。
【００３５】
上記のテーブルからも第二番目第三番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ２，Ｑ３は、第一番目第四番目の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ１，Ｑ４に比べて、電流を遮断する回数が少ないことが分かる。
【００３６】
上記したようにこの発明によれば、中性点クランプ式３レベルインバータにおいては、４つの半導体スイッチング素子の第二番目と第三番目のスイッチング素子は、電圧と電流が逆極性になるわずかなスイッチング時のみしか電流を遮断しないことに着目し、第二番目および第三番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗を、第一番目および第四番目の半導体スイッチング素子のゲートオフ抵抗よりも大きい値に設定することにより、スナバレス化を達成しながらインバータ損失による発熱も増加させないで小型軽量の鉄道車両補助電源用３レベルインバータ装置を提供することができる。
【００３７】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明が適用されたインバータ装置の一実施の形態の概略を示す回路図である。
【図２】図１のゲートドライブ回路の１つを詳細に示す図である。
【図３】図２のゲートドライブ回路のゲート駆動抵抗の抵抗値の例を示す説明図である。
【図４】本発明のインバータ装置の動作例を説明するために示した電圧及び電流波形図である。
【図５】本発明のインバータ装置の動作例を説明するために電流系路を示した回路図である。
【図６】本発明のインバータ装置の動作例を説明するために半導体スイッチング素子Ｑ１−Ｑ４の状態変化を示した説明図である。
【図７】本発明のインバータ装置の要部の動作原理を説明するために示したタイミング図である。
【図８】本発明のインバータ装置の半導体スイッチング素子における電流遮断の有無をテーブル化して示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０・・・直流リアクトル、１１、１２・・・端子、３１、３２、３３・・・中性点クランプ式３レベルインバータ、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４・・・半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ：絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）、Ｄ１，Ｄ２・・・クランプダイオード、２１、２２・・・コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３・・・ＡＣリアクトル、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・ＡＣコンデンサ、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４・・・ゲートドライブ回路、ＴＲ１，ＴＲ２・・・トランジスタ、ＲｇＯＮ・・・ゲートオン抵抗、ＲｇＯＦＦ・・・ゲートオフ抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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