(57)【要約】【課題】短絡時の短絡電流を抑制し、ワイドバンドギャップ半導体等を適用したインバータのアーム短絡時の保護を可能とする鉄道用電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置として、直流電源に接続する一対の直流端子と、負荷に接続する交流端子と、複数の半導体素子から構成され直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と半導体素子のスイッチング時に電荷を供給するために当該逆変換回路の入力側に接続されるスイッチング用コンデンサとを有するインバータパワーユニットと、一対の直流端子とインバータパワーユニットの入力側との間に設ける平滑化用コンデンサとを備え、平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサからインバータパワーユニットに接続されることを特徴とする。【選択図】図１
2019054665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続する一対の直流端子と、
負荷に接続する交流端子と、
複数の半導体素子から構成され直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と前記半導体素子のスイッチング時に電荷を供給するために当該逆変換回路の入力側に接続されるスイッチング用コンデンサとを有するインバータパワーユニットと、
前記一対の直流端子と前記インバータパワーユニットの入力側との間に設ける平滑化用コンデンサと
を備え、
前記平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサから前記インバータパワーユニットに接続される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記スイッチング用コンデンサの容量は、前記平滑化用コンデンサの容量の１／２以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記インダクタンスの前記所定値は、前記スイッチング用コンデンサと前記逆変換回路内との電流経路上のインダクタンスの２倍以上の値に設定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換装置は、鉄道車両用電力変換装置であり、
架線から交流電力を集電するパンタグラフと前記一対の直流端子との間に、交流電力を直流電力に変換するコンバータパワーユニットを備える
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
さらに、第２の逆変換回路及び当該第２の逆変換回路の入力側に並列に接続される第２のスイッチング用コンデンサを有する補助電源用パワーユニットを備え、
前記補助電源用パワーユニットは、前記インバータパワーユニットと前記平滑化用コンデンサとの間に並列に接続され、
前記平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサから前記補助電源用パワーユニットに接続される
ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用電力変換装置の構成例を図２に示す。図２において、２１は集電装置（パンタグラフ）、２４は高速遮断器、２５は断流器、２６は充電抵抗、１１はリアクトル、２８は平滑コンデンサ、２２はモータ、１３’はインバータパワーユニット、２３は車輪、２７はレールである。
【０００３】
図２の回路の動作を説明する。架線から得られる直流電力は集電装置（パンタグラフ）２１で集電され、高速遮断器２４、断流器２５及びリアクトル１１を介してインバータパワーユニット１３’に供給される。
【０００４】
断流器２５には、電源投入時の突入電流を抑制するために、並列に充電抵抗２６が接続されている。リアクトル１１は、主回路の一部が接地電位に短絡する、いわゆる地絡故障が発生した際に、変電所から過電流が流れ込まないように、電流の増加率ｄｉ／ｄｔを制限するために断流器２５と直列に接続される。
【０００５】
インバータパワーユニット１３’は、複数のパワー半導体モジュール２’（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）と、パワー半導体モジュール２’のゲートを制御するゲート駆動回路１５と、直流電圧を安定化させるための平滑コンデンサ２８を有する。インバータパワーユニット１３’は、入力された直流電力を任意周波数・任意電圧の三相交流に変換し、モータ２２を駆動する。また、インバータパワーユニット１３’は、パワー半導体モジュール２’を冷却するために、図示しない冷却器を有する。
【０００６】
前記インバータパワーユニット１３’では、パワー半導体として一般にＳｉ（シリコン）を材料として使ったＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が広く使われている。ＩＧＢＴをインバータパワーユニットに適用する場合、ゲート駆動回路やＩＧＢＴ自体の誤動作によるアーム短絡を考慮した設計が必要となる。アーム短絡とは、電源ライン間に複数個直列接続されたＩＧＢＴ、例えば図２ではパワー半導体モジュール２’（ＰＵ）とパワー半導体モジュール２’（ＮＵ）が、同時にオンすることにより、電源のプラスとマイナスが短絡されてしまう現象である。電源が短絡されると、半導体素子（ＩＧＢＴ）には平滑コンデンサ２８から過大な電流が供給され破壊に至る。
【０００７】
短絡が発生した場合にパワー半導体が破壊に至るまでの時間を短絡耐量という。この短絡耐量より短時間で短絡を検知してパワー半導体をオフし、電流を止めればパワー半導体を保護できる。鉄道車両の電力変換装置に使う１．７ｋＶ〜６．５ｋＶ耐圧のＩＧＢＴの場合には、一般に約１０μｓ以上の短絡耐量があり、短絡保護回路で保護が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−１０３８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年は、ＩＧＢＴに代わってワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）等を用いたパワー半導体が普及しつつある。ワイドバンドギャップ半導体は、損失が少ないという特長を持つ一方で、短絡耐量が短く（一般にＳｉ−ＩＧＢＴの１／２以下）、前述の短絡保護回路による保護が間に合わず、短絡保護回路の動作前に半導体素子が破壊されるという問題がある。
【００１０】
この問題に対して、短絡時の電流の増加率ｄｉ／ｄｔを１／２以下に抑制するなどして破壊に至るまでの時間、すなわち短絡耐量を２倍以上に伸ばし、短絡保護回路による保護を可能とする手法が考えられる。
【００１１】
短絡時の電流の増加率は、平滑コンデンサの充電電圧Ｖｃｃと、主回路インダクタンスＬｓ（平滑コンデンサと２直列のパワー半導体、及びそれらを接続する配線のインダクタンスの合計）を用いて、以下の式（１）であらわされる。
ｄｉ／ｄｔ＝Ｖｃｃ／Ｌｓ  ・・・  （１）
【００１２】
式（１）より、Ｌｓを２倍以上に大きくするとｄｉ／ｄｔが１／２以下になり、短絡時の過電流を１／２以下に抑制できることから、短絡耐量を２倍以上に増やすことができることが分かる。一方で、Ｌｓを２倍以上に大きくするとパワー半導体が電流を遮断する際の電流変化によってＬｓに発生する電圧が２倍以上に高くなり、ワイドバンドギャップ半導体に過電圧が印加され、破壊されてしまうため、Ｌｓは単純には大きくできない。
【００１３】
ｄｉ／ｄｔを抑制する方法として、Ｖｃｃを低減する方法も考えられる。このためには、平滑コンデンサの容量を少なくとも１／２以下に減らし、短絡が発生して過電流が流れた場合に、速やかに平滑コンデンサを放電させてＶｃｃを１／２以下に低減する必要がある。しかしながら、平滑コンデンサの容量を低減すると、通常のモータ駆動時に消費される電力により平滑コンデンサに発生するＶｃｃの変動分ΔＶｃｃが大きくなり、Ｖｃｃに応じて制御しているモータの動作が不安定となって、モータの振動や車輪の空転などの問題を引き起こす。
【００１４】
以上のように、ワイドバンドギャップ半導体を用いたインバータの場合には、短絡発生時に保護回路による保護が困難であるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記問題を解決する手段を提供するものであって、主回路インダクタンスを増やさず、制御安定性も損なうことなく、短絡時の短絡電流を抑制し、ワイドバンドギャップ半導体等を適用したインバータのアーム短絡の保護を可能とする鉄道用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】
【００１６】
本発明に係る電力変換装置は、直流電源に接続する一対の直流端子と、負荷に接続する交流端子と、複数の半導体素子から構成され直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と半導体素子のスイッチング時に電荷を供給するために当該逆変換回路の入力側に接続されるスイッチング用コンデンサとを有するインバータパワーユニットと、一対の直流端子とインバータパワーユニットの入力側との間に設ける平滑化用コンデンサとを備え、平滑化用コンデンサは、所定値以上のインダクタンスを有する配線を介して、当該平滑化用コンデンサからインバータパワーユニットに接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電力変換装置にワイドバンドギャップ半導体などの短絡耐量の短いパワー半導体素子が用いられる場合でも、システムの制御安定性を損なうことなく短絡保護が可能となる。前述した以外の構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係る電力変換装置の構成を説明する図である。
【図２】従来の電力変換装置の回路図の例である。
【図３】従来のインバータパワーユニットと実施例１におけるインバータパワーユニットの短絡電流の時間変化を示した図である。
【図４】実施例２に係る電力変換装置の構成を説明する図である。
【図５】実施例３に係る電力変換装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて実施例１〜３について説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１に係る鉄道車両用の電力変換装置の構成を示す図である。図１において、図２に示す従来の鉄道車両用の電力変換装置と同じ構成要素については、同一の符号を付している。
【００２１】
実施例１に係る電力変換装置が、図２に示す従来の鉄道車両用の電力変換装置と異なる点は、インバータパワーユニット１３と、直流電圧を安定化させるための平滑化用コンデンサ１４を有する。インバータパワーユニット１３は、直流電力を交流に変換するための逆変換回路１０と、スイッチング用コンデンサ１２とを有する。
実施例１に係る電力変換装置は、架線２０から供給される直流電力を任意周波数・任意電圧の三相交流に変換し、モータ（交流電動機）２２に交流電力を供給するもので、架線２０から供給される直流電力が端子対（Ｐ、Ｎ）に入力され、交流端子Ａに接続されたモータ２２に交流電力が供給される。
【００２２】
また図１において、２１は集電装置（パンタグラフ）、２４は高速遮断器、２５は断流器、２６は充電抵抗、１１はリアクトル、２３は車輪、２７はレールである。架線２０から得られる直流電力は、パンタグラフ２１で集電され、高速遮断器２４と断流器２５及びリアクトル１１を介して端子対（Ｐ、Ｎ）に入力される。断流器２５には電源投入時の突入電流を抑制するために、並列に充電抵抗２６が接続されている。リアクトル１１は、主回路の一部が接地電位に短絡する、いわゆる地絡故障が発生した際に変電所から過電流が流れ込まないように、電流の増加率ｄｉ／ｄｔを制限するために断流器と直列に接続される。
【００２３】
逆変換回路１０は少なくとも、複数のパワー半導体モジュール２（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）と、これらパワー半導体モジュール２へ駆動信号を供給するゲート駆動回路１５とを有する。また、逆変換回路１０は、短絡発生時にパワー半導体モジュール２が破壊されることを防止するための短絡保護回路（非図示）も備えている。この短絡保護回路は、公知のインバータで用いられているものと同じ回路でよい。さらに、逆変換回路１０には、これ以外の機器として、たとえばパワー半導体モジュール２を冷却するための冷却器を有していてもよい。
【００２４】
本実施例に係る電力変換装置と、図２に示す従来の電力変換装置との違いの１つは、本実施例に係る電力変換装置が、図２に記載の平滑コンデンサ２８に代えて、２つのコンデンサ（スイッチング用コンデンサ１２と平滑化用コンデンサ１４）が備えている点である。
また、図１において、１４２は平滑化用コンデンサ１４とインバータパワーユニット１３との間の配線を表しており、この配線１４２は所定値以上の（寄生）インダクタンスを有する（以下では、この配線１４２による寄生のインダクタンスをＬｏと表記する）。なお、図１において、配線１４２は正極側（端子Ｐの存在する側）と負極側（端子Ｎの存在する側）に存在するが、正極側の配線と負極側の配線の（寄生）インダクタンスの合計がＬｏである。
【００２５】
本実施例に係る電力変換装置の有する逆変換回路１０は、逆変換回路１０を構成するパワー半導体モジュール２（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）として、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Silicon-Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いている点が、従来の電力変換装置と異なる（図２に示す従来の電力変換装置は、パワー半導体モジュール２として、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている）。ただし、それ以外の点、たとえば逆変換回路１０の配置構成などは、従来の電力変換装置と同じである。
【００２６】
パワー半導体モジュール２は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと、このＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに逆並列に接続されたダイオードから構成される。なお、本実施例では、各パワー半導体モジュール２に用いられる半導体素子がＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴである例を説明するが、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに代えて、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いてもよいし、あるいはＩＧＢＴを用いてもよい。
【００２７】
本実施例の特徴は、従来の電力変換装置で用いられていた平滑コンデンサを、スイッチング用と平滑化用に分離して配置し、平滑化用コンデンサ１４を所定値以上の（寄生）インダクタンスを有する配線１４２を介して逆変換回路１０に接続した点にある。
【００２８】
一般に、主回路に搭載されるコンデンサの総容量は、３０００μＦ〜２００００μＦ程度であり、直流電圧や接続されるモータの出力に合わせて選定される。
【００２９】
ここで、本実施例のように、従来の電力変換装置が用いていた平滑コンデンサに代えて、スイッチング用コンデンサ１２と平滑化用コンデンサ１４との２つを設けたことによる効果について説明する。
図３（ａ）は、アーム短絡発生時にパワー半導体モジュール２（または２’）の半導体素子（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ）に流れる電流の時間変化の例を示す図である。図３（ａ）において、横軸は短絡が発生してからの経過時間を、縦軸は半導体素子に流れる電流の大きさを表す。また、点線は、従来の電力変換装置で短絡が発生した場合に半導体素子に流れる短絡電流を示し、実線は、本実施例に係る電力変換装置において短絡が発生した場合に半導体素子に流れる短絡電流を示す。
【００３０】
従来の電力変換装置（たとえば図２）では、インバータパワーユニット１３’に用いられる平滑コンデンサ２８がひとつの大容量コンデンサ、あるいは一箇所に集約された複数のコンデンサで構成されているため、短絡が発生するとそれらの全てのコンデンサの電荷が放電され、半導体素子に大きな電流が流れるため、点線に示すように、時刻ｔ２にて発熱などにより半導体素子の破壊に至る。
【００３１】
一方、本実施例に係る電力変換装置の場合には、短絡発生時にスイッチング用コンデンサ１２と平滑化用コンデンサ１４の両方から電流が流れ込むことになる。しかし、平滑化用コンデンサ１４の方は、配線１４２の（寄生）インダクタンスを介して逆変換回路１０に接続されているため、ｄｉ／ｄｔが制限され、電流値がスイッチング用コンデンサ１２からの放電電流よりも小さくなるため、半導体素子に流れる全電流は従来よりも小さくなる。
また、スイッチング用コンデンサ１２から大部分の電流が供給されるために、スイッチング用コンデンサ１２が先に放電され、時刻ｔ１で電流は減少に転じる。時刻ｔ３に至ると、平滑化用コンデンサ１４からの放電電流が、スイッチング用コンデンサ１２の放電電流より大きくなるため、半導体素子に流れる電流は再び増加に転じる。この際の電流変化率ｄｉ／ｄｔは、配線１４２の（寄生）インダクタンスにより決まる値となる。時刻ｔ４に至って、図１には図示していない短絡保護回路により電流が遮断され、半導体素子が破壊することなくシステムを停止できる。
【００３２】
次に、図３（ｂ）は、短絡が発生していない通常の動作状態の時に、半導体素子に流れる電流の波形の例を示す図である。図３（ｂ）において、横軸は半導体素子に電流が流れ始めてからの経過時間を表し、縦軸は半導体素子に流れる電流の大きさを表す。また、図３（ｂ）のグラフにおいて、点線は、本実施例に係る電力変換装置に短絡が発生した時の、半導体素子に流れる電流の波形を示し、一方実線は、正常動作時に半導体素子に流れる電流の波形を示す。
通常の動作状態では、負荷であるモータ２２のインダクタンスが大きいため、ｄｉ／ｄｔが制限され電流の増加が緩やかになる。一般に、モータのインダクタンスは数ｍＨ程度あり、スイッチング用コンデンサ１２や配線１４２の（寄生）インダクタンスより十分に大きいため、電流は、スイッチング用コンデンサ１２及び平滑化用コンデンサ１４の両方からほぼ均等に流れることになる。これにより、負荷のモータを駆動する際に、モータのトルク変動などによって発生する直流電圧の変動を、スイッチング用コンデンサ１２と平滑化用コンデンサ１４の両方で制限でき、十分な直流電圧のダンピング効果が得られる。
【００３３】
ただし、スイッチング用コンデンサ１２の容量、平滑化用コンデンサ１４の容量及びこれらを接続する配線１４２の（寄生）インダクタンスは、適切に設定する必要がある。
【００３４】
まず、スイッチング用コンデンサ１２は、短絡発生時に半導体素子に流れる電流を抑制できる値に設定する必要がある。ワイドバンドギャップ半導体の場合、半導体素子の構造設計にも依存するが、短絡耐量がシリコン素子（シリコンを材料とするＩＧＢＴ等の半導体素子）の１／２〜１／１０程度に減少するため、短絡電流も１／２〜１／１０程度に抑制する必要がある。このため、スイッチング用コンデンサ１２の容量は、インバータシステムとして必要な全容量、すなわち平滑化用コンデンサの容量の１／２以下にする必要がある。短絡耐量が１／１０の半導体素子を適用する場合であれば、スイッチング用コンデンサ１２の容量も、平滑化用コンデンサの容量の１／１０に設定する。
【００３５】
次に、配線１４２の（寄生）インダクタンスＬｏは、短絡発生時の高いｄｉ／ｄｔの電流が素子に流れ込まないように、スイッチング用コンデンサ１２と逆変換回路１０内との電流経路上のインダクタンスＬｓ（一般に、「主回路インダクタンス」と呼び、以下でも「主回路インダクタンスＬｓ」という）よりも大きく、たとえばＬｓの２倍以上にする必要がある。特に短絡耐量を考慮すると、配線１４２の（寄生）インダクタンスＬｏは、少なくともＬｓの１０倍程度に設定する必要がある。
【００３６】
例えば、一例として、首都圏などを走行する電車に用いられる直流１５００Ｖ架線用のインバータにおいて、短絡耐量がシリコンＩＧＢＴの１／２のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合、スイッチング用コンデンサ、平滑化用コンデンサをいずれも３２００μＦとする。
【００３７】
また、主回路インダクタンスＬｓは、一般に５０ｎＨ〜２００ｎＨ程度であることから、配線の（寄生）インダクタンスＬｏは、この１０倍程度として５００ｎＨ〜２０００ｎＨ程度に設定するのが望ましい。この場合の配線長としては、５０ｃｍ〜２ｍ程度を選択すれば適切なＬｏを設定することができる。
【実施例２】
【００３８】
図４は、実施例２に係る電力変換装置の構成を示す図である。図４において、図１に示す実施例１に係る電力変換装置と同じ構成要素には同一の符号を付してある。実施例２と実施例１との構成上の異なる点は、実施例２に係る電力変換装置では、架線から交流電力が供給される点、そしてそのために、パンタグラフ２１とコンバータパワーユニット３０の間に主変圧器３３を設け、主変圧器３３の２次側とインバータパワーユニット１３の間に、交流を直流に変換するコンバータパワーユニット３０を設けた点にある。
【００３９】
実施例２に係る電力変換装置の動作を説明する。
交流の架線より得た交流電力を主変圧器３３を介して降圧する。コンバータパワーユニット３０は、降圧された交流電力を直流電力に変換し、コンバータパワーユニット３０の後段にあるインバータパワーユニット１３に供給する。コンバータパワーユニット３０は、パワー半導体モジュール３（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ）とゲート駆動回路１５等で構成される順変換回路３２と、スイッチング用コンデンサ３１から構成される。インバータパワーユニット１３は、任意の三相交流波形を生成し、モータを駆動する。インバータパワーユニット１３の構成は、実施例１で説明したものと同じであるため、ここでの説明は略す。
【００４０】
コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３の間には、平滑化用コンデンサ３４が配置される。この平滑化用コンデンサ３４の容量は、スイッチング用コンデンサ１２及びスイッチング用コンデンサ３１の容量の２倍以上とする。
また、スイッチング用コンデンサ１２と平滑化用コンデンサ３４との接続及びスイッチング用コンデンサ３１と平滑化用コンデンサ３４との接続については、それぞれ、コンバータパワーユニット３０及びインバータパワーユニット１３の主回路インダクタンスＬｓの１０倍以上のインダクタンスＬｏを持った配線または導体バーで接続する。ここで、導体バーとは、配線に代り銅やアルミなどで構成した板状の配線のことである。
【００４１】
本実施例によれば、コンバータパワーユニット３０及びインバータパワーユニット１３に内蔵するスイッチング用コンデンサ３１及び１２の容量を、短絡耐量を確保するために必要な最小限の容量とし、モータ駆動の際に発生する直流電圧の脈動を抑制するために必要な容量を、コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３との間に設けた平滑化用コンデンサ３４にて確保する構成とする。
これにより、ワイドバンドギャップ半導体などの短絡耐量の低い半導体素子を使用した場合の短絡耐量を確保しつつ、スイッチング時の跳ね上がり電圧の増加を抑制できる。また、スイッチング用コンデンサ１２または３１と平滑化用コンデンサ３４とを接続する配線の（寄生）インダクタンスＬｏをコンバータパワーユニット３０及びインバータパワーユニット１３の主回路インダクタンスＬｓの１０倍程度に設定することにより、短絡発生時に平滑化用コンデンサからの短絡電流の流入を抑制でき、短絡耐量の低下を避けることができる。
【実施例３】
【００４２】
図５は、実施例３に係る電力変換装置の構成を示す図である。図５において、図１及び図４に示す実施例１及び２に係る電力変換装置と同じ構成要素には同一の符号を付してある。実施例３と実施例２との構成上の異なる点は、実施例３では補助電源用パワーユニットを追加した点にある。
【００４３】
実施例３に係る電力変換装置の動作を説明する。
交流の架線より得た交流電力を主変圧器３３を介して降圧する。コンバータパワーユニット３０は、降圧された交流電力を直流電力に変換し、コンバータパワーユニット３０の後段にあるインバータパワーユニット１３に供給する。インバータパワーユニット１３は、任意の三相交流波形を生成し、モータを駆動する。
また、コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３との間の直流回路部分には、インバータパワーユニット１３と並列に、高速遮断器４４、断流器４５、リアクトル４６、逆流防止用のダイオード４７を介して、補助電源用パワーユニット４０を接続する。補助電源用パワーユニット４０の出力は、三相トランス４８に接続され、三相トランスの４８の出力は空調などの負荷（非図示）に接続される。
【００４４】
コンバータパワーユニット３０及びインバータパワーユニット１３の構成は、実施例１及び実施例２で説明したものと同じであるため、ここでの説明は略す。補助電源用パワーユニット４０は、逆変換回路とスイッチング用コンデンサ４２を有し、直流電力を交流に変換するものである。補助電源用パワーユニット４０が有する逆変換回路は、実施例１で説明した逆変換回路１０と同様、複数のパワー半導体モジュール４及びゲート駆動回路１５を有する。
【００４５】
コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３との間には、平滑化用コンデンサ３４を配置する。この平滑化用コンデンサ３４の容量は、パワーユニット内蔵のスイッチング用コンデンサ１２、３１及び４２のいずれの容量よりも大きく、スイッチング用コンデンサ１２、３１及び４２の容量の２倍以上とする。
また、コンバータパワーユニット３０及びインバータパワーユニット１３と補助電源用パワーユニット４０との間の共振を抑制するためのリアクトル４６と逆流防止用のダイオード４７も、断流器４５と直列に接続される。パワーユニット内蔵のスイッチング用コンデンサ１２、３１及び４２と平滑化用コンデンサ３４との接続については、コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３及び補助電源用パワーユニット４０の各主回路インダクタンスＬｓの１０倍以上の（寄生）インダクタンスＬｏを持った配線あるいは導体バーで以て、それぞれを接続する。
【００４６】
実施例３の特徴は、コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３及び補助電源用パワーユニット４０の間の直流回路に平滑化用コンデンサ３４を配置した点にある。
【００４７】
本実施例によれば、コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３及び補助電源用パワーユニット４０に内蔵するスイッチング用コンデンサ１２、３１及び４２の容量を、短絡耐量を確保するために必要な最小限の容量とし、モータ駆動の際に発生する直流電圧の脈動を抑制するために必要な容量を、平滑化用コンデンサ３４にて確保する構成とする。
これにより、ワイドバンドギャップ半導体などの短絡耐量の低い半導体素子を使用した場合の短絡耐量を確保しつつ、スイッチング時の跳ね上がり電圧の増加を抑制できる。また、スイッチング用コンデンサ１２、３１及び４２と平滑化用コンデンサ３４とを接続する配線の（寄生）インダクタンスＬｏを、コンバータパワーユニット３０とインバータパワーユニット１３及び補助電源用パワーユニット４０の各主回路インダクタンスＬｓの１０倍程度に設定することにより、短絡発生時に平滑化用コンデンサからの短絡電流の流入を抑制でき、短絡耐量の低下を避けることができる。
【００４８】
以上、実施例１〜３では、逆変換回路等の電力変換回路に、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴモジュールを用いた例を述べたが、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体、又はＩＧＢＴを用いた電力変換回路であってもよい。すなわち、短絡耐量の短いパワー半導体素子を適用する場合に同様の効果が得られる。
【００４９】
また、実施例１〜３では、２レベル回路について説明したが、３レベル回路または４レベル以上のマルチレベル回路に適用しても、同様の効果が得られることは、当業者にとっては明らかである。
【符号の説明】
【００５０】
２（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）  ：パワー半導体モジュール
３（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ）  ：パワー半導体モジュール
４（ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷ）  ：パワー半導体モジュール
１０  ：逆変換回路
１１  ：リアクトル
１２  ：スイッチング用コンデンサ
１３  ：インバータパワーユニット
１４  ：平滑化用コンデンサ
１５  ：ゲート駆動回路
２１  ：集電装置（パンタグラフ）
２２  ：モータ
２３  ：車輪
２４  ：高速遮断器
２５  ：断流器
２６  ：充電抵抗
２７  ：レール
２８  ：平滑コンデンサ
３０  ：コンバータパワーユニット
３１  ：スイッチング用コンデンサ
３２  ：順変換回路
３３  ：主変圧器
３４  ：平滑化用コンデンサ
３５、３６：電磁接触器
４０  ：補助電源用パワーユニット
４２  ：スイッチング用コンデンサ
４４  ：高速遮断器
４５  ：断流器
４６  ：リアクトル
４７  ：ダイオード（逆流防止用のダイオード）
４８  ：三相トランス
１４２：配線
【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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