(57)【要約】  例えば、複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、信頼性の向上を可能とする電力変換器である。電力変換器は、第１コンバータと、第１インバータと、変圧器と、第２コンバータと、第２インバータと、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記第２インバータは、前記第２直流電力を第４交流電力に変換する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータは、ユニポーラ型素子から構成され、前記第２インバータは、バイポーラ型素子から構成される。
2016098178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する第１コンバータと、
前記第１直流電力を第２交流電力に変換する第１インバータと、
前記第２交流電力を第３交流電力に変換する変圧器と、
前記第３交流電力を第２直流電力に変換する第２コンバータと、
前記第２直流電力を第４交流電力に変換する第２インバータと、
を有し、
前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータは、ユニポーラ型素子から構成され、
前記第２インバータは、バイポーラ型素子から構成される、電力変換器。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換器において、
前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、および、前記第２コンバータは１つの変換器群を構成し、前記変換器群を複数直列接続した構成において、
前記直列接続した複数の変換器群の出力ノードは短絡され、前記短絡されたノードは前記第２インバータの入力側に接続される、電力変換器。
【請求項３】
複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する第１コンバータと、
前記第１直流電力を第２交流電力に変換する第１インバータと、
前記第２交流電力を第３交流電力に変換する変圧器と、
前記第３交流電力を第２直流電力に変換する第２コンバータと、
を有し、
前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、および、前記第２コンバータは、１つの変換器群を構成し、
前記変換器群を複数直列接続した場合の耐圧が、前記複数の交流電力のうちの最高電圧よりも高い、電力変換器。
【請求項４】
請求項３記載の電力変換器において、
前記電力変換器は、前記直列接続した複数の変換器群と、前記複数の変換器群のそれぞれを短絡する複数の短絡回路と、を有し、
前記複数の変換器群は、少なくとも１つ以上の冗長用変換器群を含み、
前記複数の変換器群のうちの第１変換器群に動作不良が発生した場合には、前記第１変換器群に接続される前記短絡回路を活性化して前記第１変換器群をバイパスし、前記冗長用変換器群が前記第１変換器群の代わりに電力変換動作する、電力変換器。
【請求項５】
請求項４記載の電力変換器において、
前記冗長用変換器群に接続される前記短絡回路は多重化されている、電力変換器。
【請求項６】
請求項４記載の電力変換器において、
前記複数の交流電力のうちの低電圧側の交流電力を入力とする場合、前記複数の変換器群の一部を利用して電力変換動作をする、電力変換器。
【請求項７】
請求項６記載の電力変換器において、
前記電力変換動作する変換器群の一部と、前記短絡回路を活性化して電力変換動作させない変換器群とは、交互に直列接続される、電力変換器。
【請求項８】
請求項６記載の電力変換器において、
前記電力変換動作する変換器群の一部のそれぞれが直列接続され、前記短絡回路を活性化して電力変換動作させない変換器群のそれぞれが直列接続される、電力変換器。
【請求項９】
請求項６記載の電力変換器において、
前記複数の変換器群に不良が発生していない場合は、前記冗長用変換器群に接続される前記短絡回路を活性化して前記冗長用変換器群をバイパスする、電力変換器。
【請求項１０】
請求項３記載の電力変換器において、
前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータは、半導体スイッチ素子と、半導体ダイオード素子と、から構成され、
前記半導体スイッチ素子および前記半導体ダイオード素子は、シリコンカーバイドまたはガリウムナイトライドの化合物材料から構成される、電力変換器。
【請求項１１】
複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、前記複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する第１コンバータと、
前記第１直流電力を第２交流電力に変換する第１インバータと、
前記第２交流電力を第３交流電力に変換する変圧器と、
前記第３交流電力を第２直流電力に変換する第２コンバータと、
前記鉄道車両に入力される前記複数の交流電力の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器で検出された電圧に基づいて、前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータを制御する制御回路と、
を有し、
前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、前記第２コンバータ、前記電圧検出器、および、前記制御回路は、１つの変換器群を構成し、前記変換器群を複数直列接続した構成において、
前記直列接続した複数の変換器群と、前記複数の変換器群のそれぞれを短絡する複数の短絡回路と、を有し、
前記複数の交流電力は、第１電圧の交流電力と、前記第１電圧より低い第２電圧の交流電力とを含み、
前記第２電圧の交流電力を入力とする場合、前記複数の変換器群の一部を利用して電力変換動作をする、電力変換器。
【請求項１２】
請求項１１記載の電力変換器において、
前記電力変換動作する変換器群の一部と、前記短絡回路を活性化して電力変換動作させない変換器群とは、交互に直列接続される、電力変換器。
【請求項１３】
請求項１１記載の電力変換器において、
前記電力変換動作する変換器群の一部のそれぞれが直列接続され、前記短絡回路を活性化して電力変換動作させない変換器群のそれぞれが直列接続される、電力変換器。
【請求項１４】
請求項１１記載の電力変換器において、
前記複数の変換器群は、少なくとも１つ以上の冗長用変換器群を含み、
前記複数の変換器群に不良が発生していない場合は、前記冗長用変換器群に接続される前記短絡回路を活性化して前記冗長用変換器群をバイパスする、電力変換器。
【請求項１５】
請求項１４記載の電力変換器において、
前記複数の変換器群のうちの第１変換器群に不良が発生した場合は、前記第１変換器群に接続される前記短絡回路を活性化して前記第１変換器群をバイパスし、前記冗長用変換器群が前記第１変換器群の代わりに電力変換動作する、電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器に関し、例えば、複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両における電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両における電力変換技術として、例えば特許文献１に記載された技術がある。特許文献１には、鉄道車両の駆動システムに使用されるコンバータシステムに関する技術が記載されている。このコンバータシステムは、負荷システムであるモータの電源として、複数の部分コンバータシステムを有する。このコンバータシステムにおいて、交流電圧は、部分コンバータシステムの直列回路に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平１１−５１１９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に記載された技術では、冗長構成の部分コンバータシステムによりその利用性が改善されるが、電力変換器に入力される交流電圧として、異なる電圧値の複数の入力がある場合については検討されていない。また、部分コンバータシステムの各コンバータを構成するスイッチング素子として、高耐圧化や低損失化などによる信頼性の向上が可能なワイドバンドギャップ素子を用いることなども検討されていない。【０００５】
本発明の代表的な目的は、例えば、複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、信頼性の向上を可能とする電力変換器を提供することにある。【０００６】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。【０００８】
（１）電力変換器は、第１コンバータと、第１インバータと、変圧器と、第２コンバータと、第２インバータと、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記第２インバータは、前記第２直流電力を第４交流電力に変換する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータは、ユニポーラ型素子から構成され、前記第２インバータは、バイポーラ型素子から構成される。【０００９】
（２）電力変換器は、第１コンバータと、第１インバータと、変圧器と、第２コンバータと、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、および、前記第２コンバータは、１つの変換器群を構成する。前記変換器群を複数直列接続した場合の耐圧が、前記複数の交流電力のうちの最高電圧よりも高い。【００１０】
（３）電力変換器は、第１コンバータと、第１インバータと、変圧器と、第２コンバータと、電圧検出器と、制御回路と、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、前記複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記電圧検出器は、前記鉄道車両に入力される前記複数の交流電力の電圧を検出する。前記制御回路は、前記電圧検出器で検出された電圧に基づいて、前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータを制御する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、前記第２コンバータ、前記電圧検出器、および、前記制御回路は、１つの変換器群を構成する。前記電力変換器は、前記変換器群を複数直列接続した構成において、前記直列接続した複数の変換器群と、前記複数の変換器群のそれぞれを短絡する複数の短絡回路と、を有する。前記複数の交流電力は、第１電圧の交流電力と、前記第１電圧より低い第２電圧の交流電力とを含む。前記電力変換器は、前記第２電圧の交流電力を入力とする場合、前記複数の変換器群の一部を利用して電力変換動作をする。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。【００１２】
代表的な効果は、例えば、複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、信頼性の向上を可能とする電力変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換器を用いた鉄道車両の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１の鉄道車両において、電力変換器を構成する変換器群および短絡回路の構成の一例を示す回路図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２の電力変換器において、異なる架線電圧を入力とした場合の変換器群および短絡回路の動作の一例を示す説明図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は図３の動作に対応する変換器群および短絡回路を収納するモジュールの外観の一例を示す説明図である。
【図５】図２の電力変換器に利用する半導体スイッチ素子（ＳｉＣ−ＭＯＳ）の構造の一例を示す断面図である。
【図６】図２の電力変換器に利用する半導体スイッチ素子（ＳｉＣ−ＩＧＢＴ）の構造の一例を示す断面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は図２の電力変換器に利用する半導体ダイオード素子（ＳｉＣ−ＳＢＤ）の構造の一例を示す平面図および断面図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は図２の電力変換器に利用する半導体ダイオード素子（ＳｉＣ−ＰＮＤ）の構造の一例を示す平面図および断面図である。
【図９】図１の鉄道車両において、電力変換器を構成する変換器群および最終段インバータの構成の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１５】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
［実施の形態の概要］
【００１６】
まず、実施の形態の概要について説明する。本実施の形態の概要では、一例として、括弧内に実施の形態の対応する構成要素の符号等を付して説明する。
【００１７】
（１）電力変換器は、第１コンバータ（１３）と、第１インバータ（１４）と、変圧器（１５）と、第２コンバータ（１６）と、第２インバータ（２１）と、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記第２インバータは、前記第２直流電力を第４交流電力に変換する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータは、ユニポーラ型素子から構成され、前記第２インバータは、バイポーラ型素子から構成される。
【００１８】
（２）電力変換器は、第１コンバータ（１３）と、第１インバータ（１４）と、変圧器（１５）と、第２コンバータ（１６）と、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、および、前記第２コンバータは、１つの変換器群（１０）を構成する。前記変換器群を複数直列接続した場合の耐圧が、前記複数の交流電力のうちの最高電圧よりも高い。
【００１９】
（３）電力変換器は、第１コンバータ（１３）と、第１インバータ（１４）と、変圧器（１５）と、第２コンバータ（１６）と、電圧検出器（１１）と、制御回路（１２）と、を有する。前記第１コンバータは、複数の交流電力架線からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、前記複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換する。前記第１インバータは、前記第１直流電力を第２交流電力に変換する。前記変圧器は、前記第２交流電力を第３交流電力に変換する。前記第２コンバータは、前記第３交流電力を第２直流電力に変換する。前記電圧検出器は、前記鉄道車両に入力される前記複数の交流電力の電圧を検出する。前記制御回路は、前記電圧検出器で検出された電圧に基づいて、前記第１コンバータ、前記第１インバータ、および、前記第２コンバータを制御する。前記第１コンバータ、前記第１インバータ、前記変圧器、前記第２コンバータ、前記電圧検出器、および、前記制御回路は、１つの変換器群（１０）を構成する。前記電力変換器は、前記変換器群を複数直列接続した構成において、前記直列接続した複数の変換器群と、前記複数の変換器群のそれぞれを短絡する複数の短絡回路（４０）と、を有する。前記複数の交流電力は、第１電圧の交流電力と、前記第１電圧より低い第２電圧の交流電力とを含む。前記電力変換器は、前記第２電圧の交流電力を入力とする場合、前記複数の変換器群の一部を利用して電力変換動作をする。
【００２０】
以下、上述した実施の形態の概要に基づいた一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、一実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［一実施の形態］
【００２１】
本実施の形態における電力変換器、およびそれを用いた鉄道車両について、図１〜図９を用いて説明する。
＜電力変換器を用いた鉄道車両＞
【００２２】
まず、図１を用いて、本実施の形態における電力変換器を用いた鉄道車両について説明する。図１は、この電力変換器を用いた鉄道車両の構成の一例を示すブロック図である。図１では、交流直流架線向け鉄道車両の多直列コンバータ回路からなる電力変換器を示している。
【００２３】
電力変換器１は、複数の交流電力架線２からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両に用いられる。ここでは、複数の交流電力架線２からの複数の交流電力として、例えば、単相（１φ）で、ＡＣ１５ｋＶ、ＡＣ２５ｋＶの例を説明する。また、本実施の形態においては、複数の直流電力架線３からの複数の直流電力の入力も可能としており、ここでは、例えばＤＣ３ｋＶ、ＤＣ１．５ｋＶの例を説明する。
【００２４】
電力変換器１は、電圧検出器（ＶＤＴ）１１、制御回路（ＣＴＬ）１２、第１コンバータ（ＡＣ／ＤＣ）１３、第１インバータ（ＤＣ／ＡＣ）１４、変圧器（ＭＦＴ）１５、および、第２コンバータ（ＡＣ／ＤＣ）１６をそれぞれ含む複数の変換器群１０を有する。ここでは、例えば１５組の変換器群１０を有する例を図示している。なお、後述するが、１５組の変換器群１０のうち、１４組の変換器群は正規用であり、残りの１組の変換器群は冗長用である。正規用の変換器群において、１４組の変換器群を駆動させた場合にはＡＣ２５ｋＶに対応可能であり、８組の変換器群を駆動させた場合にはＡＣ１５ｋＶに対応可能である。
【００２５】
複数の変換器群１０には、複数の交流電力架線２から、鉄道車両の集電装置であるパンタグラフ４を通じて交流電力が供給される。また、複数の直流電力架線３から、鉄道車両の集電装置であるパンタグラフ４を通じて直流電力も供給される。このために、パンタグラフ４と複数の変換器群１０との間には、切り替えスイッチ５が接続されている。この切り替えスイッチ５は、共通端子ＣＯＭがパンタグラフ４に接続され、交流電力用端子ＡＣが複数の変換器群１０のうちの最初段の変換器群の入力ノードに接続され、直流電力用端子ＤＣが複数の変換器群１０の短絡された出力ノードに接続されている。例えば、交流電力架線２からの交流電力を供給する場合には切り替えスイッチ５が交流電力用端子ＡＣ側に切り替えられ、また、直流電力架線３からの直流電力を供給する場合には切り替えスイッチ５が直流電力用端子ＤＣ側に切り替えられる。この切り替えスイッチ５の切り替えは、例えば鉄道車両の運転士などからの指示により切り替えられる。
【００２６】
各変換器群１０において、電圧検出器１１は、鉄道車両に入力される複数の交流電力の電圧（ＡＣ１５ｋＶ、ＡＣ２５ｋＶ）を検出する電圧検出器である。
【００２７】
制御回路１２は、電圧検出器１１で検出された電圧に基づいて、変換器群１０を構成する、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６を制御する制御回路である。また、制御回路１２は、各変換器群１０に対応してそれぞれ接続される後述する短絡回路４０も制御する。
【００２８】
第１コンバータ１３は、複数の交流電力架線２からの複数の交流電力のうちの第１交流電力を第１直流電力に変換するコンバータである。
【００２９】
第１インバータ１４は、第１コンバータ１３で変換された第１直流電力を第２交流電力に変換するインバータである。
【００３０】
変圧器１５は、第１インバータ１４で変換された第２交流電力を第３交流電力に変換する変圧器である。
【００３１】
第２コンバータ１６は、変圧器１５で変換された第３交流電力を第２直流電力に変換するコンバータである。
【００３２】
複数の変換器群１０は、直列に接続されて構成されている。複数の変換器群１０のうちの最初段の変換器群には、複数の交流電力架線２からの複数の交流電力が鉄道車両の集電装置であるパンタグラフ４から切り替えスイッチ５を介して供給される。また、複数の変換器群１０のうちの最終段の変換器群は、鉄道車両の車輪６からレールを通じてグランド電位に接続されている。
【００３３】
また、複数の変換器群１０の出力ノードは短絡され、この短絡されたノードがモータ駆動用の第２インバータ（ＤＣ／ＡＣ）２１の入力側に接続されている。第２インバータ２１は、複数の変換器群１０の短絡されたノードからの第２直流電力を第４交流電力に変換するインバータである。ここでは、第２インバータ２１に入力される第２直流電力として、例えばＤＣ３ｋＶの例を示している。第２インバータ２１の出力側には、鉄道車両を駆動するためのモータ（Ｍ３）７が接続されている。このモータ７は、第２インバータ２１から出力される交流電力により駆動される。ここでは、モータ７は、例えば３相（３φ）交流電力により駆動する３相モータの例を示している。
【００３４】
また、複数の変換器群１０の短絡されたノードは、電源供給用インバータ群の入力側にも接続されている。電源供給用インバータ群は、第３インバータ（ＤＣ／ＡＣ）３１、変圧器３２、第３コンバータ（ＡＣ／ＤＣ）３３、第４インバータ（ＤＣ／ＡＣ）３４を有する。
【００３５】
第３インバータ３１は、複数の変換器群１０の短絡されたノードからの第２直流電力を第５交流電力に変換するインバータである。
【００３６】
変圧器３２は、第３インバータ３１で変換された第５交流電力を第６交流電力に変換する変圧器である。
【００３７】
第３コンバータ３３は、変圧器３２で変換された第６交流電力を第４直流電力に変換するコンバータである。
【００３８】
第４インバータ３４は、第３コンバータ３３で変換された第４直流電力を第７交流電力に変換するインバータである。
【００３９】
第４インバータ３４の出力側には、負荷機器８が接続されている。この負荷機器８は、例えば鉄道車両内に装備された空調機器、エアコン、その他の各機器である。ここでは、負荷機器８は、例えばＡＣ４４０Ｖで駆動する例を示している。
＜電力変換器を構成する変換器群および短絡回路＞
【００４０】
図２を用いて、前述した図１の鉄道車両において、電力変換器を構成する変換器群および短絡回路について説明する。図２は、この電力変換器を構成する変換器群および短絡回路の構成の一例を示す回路図である。図２では、多直列変換器を構成する変換器群および短絡回路を示している。
【００４１】
電力変換器は、複数の変換器群１０と、複数の変換器群１０のそれぞれを短絡する複数の短絡回路４０と、を有する。複数の変換器群１０は、それぞれ、図１に示した、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、変圧器１５、および、第２コンバータ１６を含んでいる。図２では、電圧検出器１１と制御回路１２は省略している。さらに、切り替えスイッチ５も省略しており、この切り替えスイッチ５を交流電力用端子ＡＣ側に切り替えて、交流電力架線２からの交流電力がパンタグラフ４を通じて供給される場合（１φ、ＡＣ１５ｋＶ、ＡＣ２５ｋＶ）の状態を示している。また、複数の短絡回路４０は、それぞれ、図１に示した制御回路１２に含まれている。あるいは、各短絡回路４０を、各変換器群１０に含めたり、個別に設けることも可能である。
【００４２】
各変換器群１０において、第１コンバータ１３は、ブリッジ回路を構成する４個の半導体スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４および４個の半導体ダイオード素子Ｄ１１〜Ｄ１４から構成される。各半導体ダイオード素子Ｄ１１〜Ｄ１４は、各半導体スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４のドレイン端子とソース端子との間に、ソース端子からドレイン端子へ向けて順方向となるように接続されている。第１インバータ１４は、第１コンバータ１３と同様に、ブリッジ回路を構成する４個の半導体スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４および４個の半導体ダイオード素子Ｄ２１〜Ｄ２４から構成される。
【００４３】
第１コンバータ１３と第１インバータ１４との間では、第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１１とＳＷ１２との接続ノードと第１インバータ１４の半導体スイッチ素子ＳＷ２１とＳＷ２２との接続ノードとの間、第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１３とＳＷ１４との接続ノードと第１インバータ１４の半導体スイッチ素子ＳＷ２３とＳＷ２４との接続ノードとの間、がそれぞれ接続されている。第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１４とＳＷ１１との接続ノード、半導体スイッチ素子ＳＷ１２とＳＷ１３との接続ノードは、短絡回路４０に接続されている。第１インバータ１４の半導体スイッチ素子ＳＷ２４とＳＷ２１との接続ノード、半導体スイッチ素子ＳＷ２２とＳＷ２３との接続ノードは、変圧器１５の一次側（入力側）に接続されている。
【００４４】
第２コンバータ１６は、第１コンバータ１３と同様に、ブリッジ回路を構成する４個の半導体スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３４および４個の半導体ダイオード素子Ｄ３１〜Ｄ３４から構成される。第２コンバータ１６の半導体スイッチ素子ＳＷ３４とＳＷ３１との接続ノード、半導体スイッチ素子ＳＷ３２とＳＷ３３との接続ノードは、変圧器１５の二次側（出力側）に接続されている。第２コンバータ１６の半導体スイッチ素子ＳＷ３１とＳＷ３２との接続ノード、半導体スイッチ素子ＳＷ３３とＳＷ３４との接続ノードは、各変換器群１０の第２コンバータ１６の出力ノードで接続されている。
【００４５】
各短絡回路４０は、２個の半導体スイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４２および２個の半導体ダイオード素子Ｄ４１〜Ｄ４２から構成される。各半導体ダイオード素子Ｄ４１〜Ｄ４２は、各半導体スイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４２のドレイン端子とソース端子との間に、ソース端子からドレイン端子へ向けて順方向となるように接続されている。半導体スイッチ素子ＳＷ４１のソース端子と半導体スイッチ素子ＳＷ４２のソース端子との間が接続され、半導体スイッチ素子ＳＷ４１のドレイン端子は、各変換器群１０の第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１４とＳＷ１１との接続ノードに接続され、半導体スイッチ素子ＳＷ４２のドレイン端子は、各変換器群１０の第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１２とＳＷ１３との接続ノードに接続されている。
【００４６】
また、各変換器群１０の第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１４とＳＷ１１との接続ノードは、パンタグラフ４（最初段のみ）または前段接続の変換器群１０の第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１２とＳＷ１３との接続ノードに接続されている。また、各変換器群１０の第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１２とＳＷ１３との接続ノードは、後段接続の変換器群１０の第１コンバータ１３の半導体スイッチ素子ＳＷ１４とＳＷ１１との接続ノードまたはグランド電位（最終段のみ）に接続されている。
【００４７】
複数の変換器群１０は、少なくとも１つ以上の冗長用変換器群を含む。図２では、１５組の変換器群１０のうち、１組は冗長用変換器群１０−Ｒであり、他の１４組は正規用変換器群１０−１〜１０−１４である。これに対応して、複数の変換器群１０にそれぞれ接続される複数の短絡回路４０も、１組は冗長用短絡回路４０−Ｒであり、他の１４組は正規用短絡回路４０−１〜４０−１４である。１４組の正規用変換器群１０−１〜１０−１４において、１４組の正規用変換器群を駆動させた場合にはＡＣ２５ｋＶに対応可能であり、８組の正規用変換器群を駆動させた場合にはＡＣ１５ｋＶに対応可能である。
【００４８】
冗長用変換器群１０−Ｒは、１４組の正規用変換器群１０−１〜１０−１４のうちの１つの第１変換器群に動作不良が発生した場合に、この第１変換器群に接続される短絡回路４０を活性化して第１変換器群をバイパスし、冗長用変換器群が第1変換器群の代わりに電力変換動作する。
【００４９】
また、冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒは多重化されていてもよい。図２の例では、冗長用変換器群１０−Ｒに２つの短絡回路４０−Ｒが並列に接続され、二重化されている例を示している。
【００５０】
複数の変換器群１０にそれぞれ含まれる第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６を構成する半導体スイッチ素子は、制御回路１２によりゲート制御される。第１コンバータ１３は、制御回路１２によるゲート制御により半導体スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４がオン／オフされることにより、パンタグラフ４（最初段のみ）または前段接続の変換器群１０から入力される交流電力を直流電力に変換する。第１インバータ１４は、制御回路１２によるゲート制御により半導体スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４がオン／オフされることにより、第１コンバータ１３から入力される直流電力を交流電力に変換する。この第１インバータ１４で変換された交流電力は、変圧器１５の一次側への入力となる。変圧器１５は、一次側に入力された交流電力を所望の交流電力に変換して二次側から出力する。第２コンバータ１６は、制御回路１２によるゲート制御により半導体スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３４がオン／オフされることにより、変圧器１５の二次側から入力される交流電力を直流電力に変換する。
【００５１】
複数の短絡回路４０のそれぞれを構成する半導体スイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４２も、制御回路１２によりゲート制御される。短絡回路４０を活性化する場合には、制御回路１２によるゲート制御により、半導体スイッチ素子ＳＷ４１がオンされ、半導体スイッチ素子ＳＷ４２がオフされることで、電流は半導体スイッチ素子ＳＷ４１、半導体ダイオード素子Ｄ４２を通じて流れ、短絡回路４０を通流にする。このとき、この短絡回路４０に接続された変換器群１０は非通流となり、この変換器群１０はバイパスされる。また、短絡回路４０を非活性化する場合には、制御回路１２によるゲート制御により、半導体スイッチ素子ＳＷ４１およびＳＷ４２がオフされることで、短絡回路４０を非通流にする。このとき、この短絡回路４０に接続された変換器群１０は通流となり、この変換器群１０は電力変換動作する。
【００５２】
＜異なる架線電圧を入力とした場合の変換器群および短絡回路＞
【００５３】
図３および図４を用いて、前述した図２の電力変換器において、異なる架線電圧を入力とした場合の変換器群および短絡回路について説明する。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この異なる架線電圧を入力とした場合の変換器群および短絡回路の動作の一例を示す説明図である。図４（ａ）（ｂ）は、図３の動作に対応する変換器群および短絡回路を収納するモジュールの外観の一例を示す説明図である。
【００５４】
複数の変換器群１０は、図２で説明したように、１組は冗長用変換器群１０−Ｒであり、他の１４組は正規用変換器群１０−１〜１０−１４である。これに対応して、複数の短絡回路４０も、１組は冗長用短絡回路４０−Ｒであり、他の１４組は正規用短絡回路４０−１〜４０−１４である。ここでは、１５組の変換器群１０のうち、１４組の変換器群を駆動させた場合には１φ、ＡＣ２５ｋＶに対応可能であり、８組の変換器群を駆動させた場合には１φ、ＡＣ１５ｋＶに対応可能である。この構成において、変換器群１０を複数直列接続した場合の耐圧が、複数の交流電力架線２からの複数の交流電力の最高電圧よりも高い構成となっている。例えば、１４組の変換器群を直列接続した場合の耐圧はＡＣ２５ｋＶよりも高く、８組の変換器群を直列接続した場合の耐圧はＡＣ１５ｋＶよりも高い。
【００５５】
図３（ａ）は１４組の変換器群を駆動させた場合、図３（ｂ）（ｃ）は８組の変換器群を駆動させた場合をそれぞれ示す。図３において、破線による丸印は、短絡回路４０、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、第２コンバータ１６をそれぞれ示している。また、破線による丸印において、白地は対応する回路に電流が流れて動作する通流状態、ドット表記は対応する回路に電流が流れずに動作しない非通流状態をそれぞれ示している。例えば、ある変換器群１０の、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６が通流状態の時には、これに接続された短絡回路４０は非通流状態である。逆に、ある変換器群１０の、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６が非通流状態の時には、これに接続された短絡回路４０は通流状態であり、この変換器群はバイパスされる。
【００５６】
例えば図３（ａ）に示すように、複数の交流電力架線２において、１φ、ＡＣ２５ｋＶのような高電圧架線側の交流電力を入力とする場合、１５組の変換器群１０の一部の１４組の変換器群１０−１〜１０−１４を利用して電力変換動作をする。この場合に、それ以外の１組は冗長用変換器群１０−Ｒとなる。ここでは、８組目を冗長用変換器群１０−Ｒとしている。この８組目とは、図３において上側から８番目を指すものとし、同様に、ｎ（ｎ＝１〜１５）組目は図３において上側からｎ番目を指すものとする。
【００５７】
この構成では、電力変換動作する１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７が直列接続され、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒをバイパスして、さらに、電力変換動作する９組目から１５組目の変換器群１０−８〜１０−１４が直列接続される。８組目の冗長用変換器群１０−Ｒは、この冗長用変換器群に接続される短絡回路４０−Ｒを活性化して、電力変換動作させない変換器群となる。この接続状態において、ＡＣ２５ｋＶの交流電力を入力とする場合の電流は、１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒに接続された短絡回路４０−Ｒ、９組目から１５組目の変換器群１０−８〜１０−１４を通じて、グランド電位に流れる。
【００５８】
１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７と９組目から１５組目の変換器群１０−８〜１０−１４に不良が発生していない場合は、冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒを活性化（通流）して、この冗長用変換器群１０−Ｒをバイパスする。もし、１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７と９組目から１５組目の変換器群１０−８〜１０−１４のいずれか（例えば変換器群１０−５）に不良が発生した場合は、この不良が発生した変換器群（例えば変換器群１０−５）の代わりに、冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒを非活性化（非通流）して、この冗長用変換器群１０−Ｒを電力変換動作させる。
【００５９】
例えば図３（ｂ）に示すように、複数の交流電力架線２において、１φ、ＡＣ１５ｋＶのような低電圧架線側の交流電力を入力とする場合、１５組の変換器群１０の一部の８組の変換器群１０−１，１０−３，１０−５，１０−７，１０−８，１０−１０，１０−１２，１０−１４を利用して電力変換動作をする。この場合に、それ以外の１組は冗長用変換器群１０−Ｒとなり、残りの６組は電力変換動作させない変換器群１０−２，１０−４，１０−６，１０−９，１０−１１，１０−１３となる。
【００６０】
この構成では、電力変換動作する１組目、３組目、５組目、７組目、９組目、１１組目、１３組目、１５組目の変換器群１０−１，１０−３，１０−５，１０−７，１０−８，１０−１０，１０−１２，１０−１４と、短絡回路を活性化して電力変換動作させない２組目、４組目、６組目、８組目、１０組目、１２組目、１４組目の変換器群１０−２，１０−４，１０−６，１０−Ｒ，１０−９，１０−１１，１０−１３とが、交互に直列接続される。この接続状態において、ＡＣ１５ｋＶの交流電力を入力とする場合の電流は、１組目の変換器群１０−１、２組目の変換器群１０−２に接続された短絡回路４０−２、３組目の変換器群１０−３、４組目の変換器群１０−４に接続された短絡回路４０−４、…、７組目の変換器群１０−７、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒに接続された短絡回路４０−Ｒ、９組目の変換器群１０−８、…、１４組目の変換器群１０−１３に接続された短絡回路４０−１３、１５組目の変換器群１０−１４を通じて、グランド電位に流れる。
【００６１】
１組目、３組目、５組目、７組目、９組目、１１組目、１３組目、１５組目の変換器群１０−１，１０−３，１０−５，１０−７，１０−８，１０−１０，１０−１２，１０−１４に不良が発生していない場合は、２組目、４組目、６組目、８組目、１０組目、１２組目、１４組目の変換器群１０−２，１０−４，１０−６，１０−Ｒ，１０−９，１０−１１，１０−１３に接続される短絡回路を活性化（通流）して、各変換器群をバイパスする。もし、１組目、３組目、５組目、７組目、９組目、１１組目、１３組目、１５組目の変換器群１０−１，１０−３，１０−５，１０−７，１０−８，１０−１０，１０−１２，１０−１４のいずれかに不良が発生した場合は、この不良が発生した変換器群の代わりに、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒを非活性化（非通流）して、この冗長用変換器群１０−Ｒを電力変換動作させる。なお、不良が発生した変換器群の代わりに、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒの他に、２組目、４組目、６組目、１０組目、１２組目、１４組目の変換器群１０−２，１０−４，１０−６，１０−９，１０−１１，１０−１３を電力変換動作させることも可能である。
【００６２】
また、１φ、ＡＣ１５ｋＶのような低電圧架線側の交流電力を入力とする場合、例えば図３（ｃ）に示すような構成にすることも可能である。この構成では、電力変換動作する１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７が直列接続され、短絡回路を活性化して電力変換動作させない８組目から１４組目の変換器群１０−Ｒ，１０−８〜１０−１３が直列接続され、電力変換動作する１５組目の変換器群１０−１４が接続される。この接続状態において、ＡＣ１５ｋＶの交流電力を入力とする場合の電流は、１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７、８組目から１４組目の変換器群１０−Ｒ，１０−８〜１０−１３に接続された短絡回路４０−Ｒ，４０−８〜４０−１３、１５組目の変換器群１０−１４を通じて、グランド電位に流れる。
【００６３】
１組目から７組目、１５組目の変換器群１０−１〜１０−７，１０−１４に不良が発生していない場合は、８組目から１４組目の変換器群１０−Ｒ，１０−８〜１０−１３に接続される短絡回路を活性化（通流）して、各変換器群をバイパスする。もし、１組目から７組目、１５組目の変換器群１０−１〜１０−７，１０−１４のいずれかに不良が発生した場合は、この不良が発生した変換器群の代わりに、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒを非活性化（非通流）して、この冗長用変換器群１０−Ｒを電力変換動作させる。なお、不良が発生した変換器群の代わりに、８組目の冗長用変換器群１０−Ｒの他に、９組目から１４組目の変換器群１０−８〜１０−１３を電力変換動作させることも可能である。
【００６４】
図４において、図４（ａ）は図３（ｂ）の動作に対応する変換器群および短絡回路を収納するモジュールの外観の一例を示す図である。すなわち、図４（ａ）は、電力変換動作する１組目、３組目、５組目、７組目、９組目、１１組目、１３組目、１５組目の変換器群１０−１，１０−３，１０−５，１０−７，１０−８，１０−１０，１０−１２，１０−１４を収納するモジュールと、短絡回路を活性化して電力変換動作させない２組目、４組目、６組目、８組目、１０組目、１２組目、１４組目の変換器群１０−２，１０−４，１０−６，１０−Ｒ，１０−９，１０−１１，１０−１３を収納するモジュールとが、交互に配置される構成である。
【００６５】
また、図４（ｂ）は図３（ｃ）の動作に対応する変換器群および短絡回路を収納するモジュールの外観の一例を示す図である。すなわち、図４（ｂ）は、電力変換動作する１組目から７組目の変換器群１０−１〜１０−７を収納するモジュールが並んで配置され、その隣に、短絡回路を活性化して電力変換動作させない８組目から１４組目の変換器群１０−Ｒ，１０−８〜１０−１３が並んで配置され、その隣に、電力変換動作する１５組目の変換器群１０−１４が配置される構成である。
【００６６】
上述した図３（ｂ）に示す駆動方法と図３（ｃ）に示す駆動方法とを比較すると、図３（ｃ）に示す駆動方法の方が、電力変換動作する変換器群と電力変換動作させない変換器群がそれぞれまとまっているので、活性化／非活性化による動作の制御が容易である。また、図４（ａ）に示すモジュール構成と図４（ｂ）に示すモジュール構成とを比較すると、図４（ａ）に示すモジュール構成の方が、電力変換動作する変換器群を収納するモジュールと電力変換動作させない変換器群を収納するモジュールとが交互に配置されているので、変換器群の動作による熱の発生も交互になるので、放熱性の面で優れている。
＜半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子＞
【００６７】
図５〜図８を用いて、前述した図２の電力変換器に利用する半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子について説明する。図５および図６は半導体スイッチ素子の構造の一例をそれぞれ示し、図７（ａ）（ｂ）および図８（ａ）（ｂ）は半導体ダイオード素子の構造の一例をそれぞれ示す。
【００６８】
本実施の形態における電力変換器に利用する半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子は、シリコン材料、または、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）もしくはガリウムナイトライド（ＧａＮ）の化合物材料から構成される。例えば、複数の変換器群１０のそれぞれを構成する、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６や、各変換器群１０を短絡する各短絡回路４０、第２インバータ２１、第３インバータ３１、第３コンバータ３３、第４インバータ３４などの各半導体スイッチ素子および各半導体ダイオード素子が対象となる。一例として、半導体スイッチ素子はシリコン材料から構成され、半導体ダイオード素子は化合物材料から構成される。あるいは、半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子は化合物材料から構成される。以下において、ＳｉＣの化合物材料から構成される半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子の構造について説明する。
【００６９】
図５は、半導体スイッチ素子（ＳｉＣ−ＭＯＳ）の構造の一例を示す断面図である。ＳｉＣ−ＭＯＳは、ＳｉＣの化合物材料から構成されるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の半導体スイッチ素子ＳＷである。図５には、所謂ＤＭＯＳ（Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor）タイプのＳｉＣ−ＭＯＳが示されている。図５において、ＳＰｍはソース電極、ＧＰｍはゲート電極、ＤＲｍはドレイン電極、ＳＵＢは基板、Ｔｏｘはゲート絶縁膜、Ｎ＋はソース層、Ｐはベース層、ＤＦＴはドリフト層である。
【００７０】
図５に示すＳｉＣ−ＤＭＯＳにおいて、ソース電極ＳＰｍに接続されたｎ＋型の領域となるソース層Ｎ＋は、ｐ型の領域となるベース層Ｐ内に形成されるチャネルを介してドリフト層ＤＦＴに接続される。ドリフト層ＤＦＴは、例えばｎ−型の領域であり、耐圧を確保する役目を担う。基板ＳＵＢは、例えばｎ＋型の領域であり、当該基板ＳＵＢにドレイン電極ＤＲｍが接続される。なお図示していないが、ソース電極ＳＰｍ、ゲート電極ＧＰｍ、ドレイン電極ＤＲｍの各電極は金属配線層を用いて各電極パッドに接続される。ＳｉＣ−ＤＭＯＳの場合、素子構造が簡素であり、トレンチ構造タイプのＳｉＣ−ＭＯＳに比べて製造コストが低くできるという利点がある。したがって、低コストで低損失な電力変換器が実現できる。
【００７１】
図６は、半導体スイッチ素子（ＳｉＣ−ＩＧＢＴ）の構造の一例を示す断面図である。ＳｉＣ−ＩＧＢＴは、ＳｉＣの化合物材料から構成されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の半導体スイッチ素子ＳＷである。図６のＳｉＣ−ＩＧＢＴは、ドリフト層ＤＦＴと基板ＳＵＢとの間に高濃度Ｐ＋層とバッファ層Ｎ＋Ｂｕｆが存在する点が、ＳｉＣ−ＭＯＳとは異なる点である。高濃度Ｐ＋層があることで伝導度変調現象が発生し、オン抵抗が劇的に低減される。また、必要に応じてバッファ層Ｎ＋Ｂｕｆを適用することで素子のスイッチング損失を低減することができる。このように、ＳｉＣ−ＩＧＢＴ構造は、ＳｉＣ−ＭＯＳ構造と比較すると複雑であり素子形成にコストがかかるものの、大電流を必要とする鉄道車両向けの変換器などに利用する場合は、オン抵抗やスイッチ損失が削減できるために変換器の低損失化を実現できる利点がある。
【００７２】
図７は、半導体ダイオード素子（ＳｉＣ−ＳＢＤ）の構造の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’切断線における断面図である。ＳｉＣ−ＳＢＤは、ＳｉＣの化合物材料から構成されるショットキーバリアダイオードの半導体ダイオード素子である。図７に示すショットキーバリアダイオードＤの構造は、ＪＴＥ（Junction Termination Extension）構造である。図７において、ＡＰはアノード電極パッド、ＳＵＢは基板、ＤＦＴｄはドリフト層、ＡＣＴｄはアクティブ領域、ＴＭｄはターミネーション領域、ＣＨＳＴＰｄはチャネルストップ領域、ＩＬ３はパッシベーション膜、Ｃａｔｈｏｄｅは裏面電極、ＩＬ１は表面電極、ＩＬ２はチャネルストップ領域ＣＨＳＴＰｄに接続する電極である。
【００７３】
図７は、ｎ＋型基板ＳＵＢｄ上のｎ−型ドリフト層ＤＦＴｄと、ｎ−型ドリフト層ＤＦＴｄ上面に形成されたｐ＋型ガードリング領域ｐ＋、ｐ型領域ｐおよびｎ＋型チャネルストップ領域ＣＨＳＴＰｄ、パッシベーション膜ＩＬ３、裏面電極Ｃａｔｈｏｄｅ、表面電極ＩＬ１、電極ＩＬ２のみを示しており、それより上部に形成されたパッシベーション膜および樹脂膜などは図示を省略している。また、図７では、半導体チップの中央部にあるアクティブ領域ＡＣＴｄをｐ＋領域とｎ−領域が交互に配置された所謂ＪＢＳ（Junction Barrier Schottky）構造として図示している。ｐ＋型ガードリング領域のエッジ部分には電界が集中しやすいが、ｐ型ＪＴＥ領域ｐが存在することによって電界集中を緩和できる。これにより、パワーデバイスの高耐圧化が可能となる。すなわち、本実施の形態によるパワーモジュールと組み合わせて利用することで、より信頼性の高い電力変換システムが実現できる。
【００７４】
図８は、半導体ダイオード素子（ＳｉＣ−ＰＮＤ）の構造の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’切断線における断面図である。ＳｉＣ−ＰＮＤは、ＳｉＣの化合物材料から構成されるＰＮ接合ダイオードの半導体ダイオード素子である。図８のＰＮ接合ダイオードＤが図７のショットキーバリアダイオードと異なる点は、アクティブ領域ＡＣＴｄの上部に高濃度ｐ＋領域が形成され、ドリフト層ＤＦＴｄのｎ−とＰＮ接合を形成している点である。アクティブ領域ＡＣＴｄ内にＰＮ接合が存在するため、この部分で伝導度変調現象が発生する。このため、図７のユニポーラ型ショットキーバリアダイオードと比較すると大電流を流してもオン抵抗を低くすることができる。したがって、ＳｉＣ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＰＮＤを併用して鉄道車両の変換器に適用することで、変換器の低損失化を実現することが可能となる。
＜電力変換器を構成する変換器群および最終段インバータ＞
【００７５】
図９を用いて、前述した図１の鉄道車両において、電力変換器を構成する変換器群および最終段インバータについて説明する。図９は、この電力変換器を構成する変換器群および最終段インバータの構成の一例を示す回路図である。図９では、変換器群（変換器群１０−１を図示）および最終段インバータの半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子が、ＳｉＣの化合物材料から構成される例を示している。
【００７６】
電力変換器を構成する各変換器群１０は、図２で説明したように、第１コンバータ１３、第１インバータ１４、変圧器１５、および、第２コンバータ１６を含んでいる。第１コンバータ１３は、半導体スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４および半導体ダイオード素子Ｄ１１〜Ｄ１４から構成され、半導体スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４がＳｉＣ−ＭＯＳで構成され、半導体ダイオード素子Ｄ１１〜Ｄ１４がＳｉＣ−ＳＢＤで構成される。第１インバータ１４および第２コンバータ１６も同様に、半導体スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４，ＳＷ３１〜ＳＷ３４がＳｉＣ−ＭＯＳで構成され、半導体ダイオード素子Ｄ２１〜Ｄ２４，Ｄ３１〜Ｄ３４がＳｉＣ−ＳＢＤで構成される。なお、図９には図示しないが、図２に示した各変換器群１０を短絡する各短絡回路４０も同様に、半導体スイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４２がＳｉＣ−ＭＯＳで構成され、半導体ダイオード素子Ｄ４１〜Ｄ４２がＳｉＣ−ＳＢＤで構成される。
【００７７】
これに対して、各変換器群１０の出力ノードの短絡されたノードに接続された最終段インバータである第２インバータ２１は、半導体スイッチ素子ＳＷ５１〜ＳＷ５６および半導体ダイオード素子Ｄ５１〜Ｄ５６から構成され、半導体スイッチ素子ＳＷ５１〜ＳＷ５６がＳｉＣ−ＩＧＢＴで構成され、半導体ダイオード素子Ｄ５１〜Ｄ５６がＳｉＣ−ＰＮＤで構成される。なお、第２インバータ２１の半導体スイッチ素子ＳＷ５１〜ＳＷ５６および半導体ダイオード素子Ｄ５１〜Ｄ５６は、化合物材料から構成されることが望ましいが、シリコン材料から構成することも可能である。
【００７８】
このように、図９に示す電力変換器では、変換器群１０の半導体スイッチ素子はワイドバンドギャップのユニポーラ型素子から構成され、第２インバータ２１の半導体スイッチ素子はワイドバンドギャップのバイポーラ型素子から構成される。パワーデバイス材料としては、シリコンよりもバンドギャップが大きいＳｉＣやＧａＮといった化合物半導体が注目されている。当該化合物半導体は、バンドギャップが大きいため、破壊耐圧がシリコンの１０倍程度ある。このため、化合物デバイスはＳｉデバイスよりも膜厚を薄くでき、導通時の抵抗値（Ｒｏｎ）を大幅に下がられる。その結果、抵抗値（Ｒｏｎ）と導通電流（ｉ）の積で表される、所謂導通損失（Ｒｏｎ×ｉ２）を削減でき、電力効率改善に大きく寄与できる。このような高耐圧化や低損失化の特徴に着目し、本実施の形態における電力変換器では、化合物材料を用いたスイッチ素子やダイオード素子が用いられている。
【００７９】
また、変換器群１０の半導体スイッチ素子と第２インバータ２１の半導体スイッチ素子とで異なる種類の素子を用いる工夫も行っている。例えば、変換器群１０の半導体スイッチ素子としてユニポーラ型素子を用いることで、スイッチ損失が小さく高周波による動作を可能にしている。また、ユニポーラ型素子は、入力インピーダンスが高いので微弱な電圧が、雑音が少なく増幅でき、かつ耐圧が高いという利点もある。一方、第２インバータ２１の半導体スイッチ素子としてバイポーラ型素子を用いることで、大電流への対応を可能にしている。
＜実施の形態の効果＞
【００８０】
以上説明した本実施の形態における電力変換器、およびそれを用いた鉄道車両によれば、例えば、複数の交流電力架線２からの複数の交流電力を入力とする鉄道車両において、信頼性の向上を可能とする電力変換器１を提供することができる。より詳細には、以下の通りである。
【００８１】
（１）第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６は、ユニポーラ型素子から構成され、第２インバータ２１は、バイポーラ型素子から構成されることで、素子の特性に応じた好適な動作を実現することができる。例えば、ユニポーラ型素子の特性を活かしたスイッチ損失が小さく高周波による動作や、バイポーラ型素子の特性を活かした大電流への対応が可能となる。
【００８２】
（２）第１コンバータ１３、第１インバータ１４、変圧器１５、および、第２コンバータ１６で構成した変換器群１０を複数直列接続した構成において、この複数の変換器群１０の出力ノードの短絡されたノードは第２インバータ２１の入力側に接続されることで、交流電力架線２の電圧が異なる場合でも複数直列の変換器群１０を選択的に動作させることができる。
【００８３】
（３）第１コンバータ１３、第１インバータ１４、変圧器１５、および、第２コンバータ１６は、１つの変換器群１０を構成し、この変換器群１０を複数直列接続した場合の耐圧が複数の交流電力架線２のうちの最高電圧よりも高いことで、交流電力架線２の架線電圧に応じて活性化する変換器群１０を選択して、電力変換器１の信頼性を向上させることができる。
【００８４】
（４）複数の変換器群１０は、冗長用変換器群１０−Ｒを含むことで、１つの変換器群に動作不良が発生した場合には、この不良が発生した変換器群に接続される短絡回路４０を活性化してこの変換器群をバイパスし、代わりに冗長用変換器群１０−Ｒで電力変換動作させることができるので、電力変換器１の連続電力変換動作が可能となる。
【００８５】
（５）冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒは多重化されていることで、短絡回路にも冗長性を持たせることができる。
【００８６】
（６）複数の交流電力架線２のうちの低電圧側の交流電力を入力とする場合、複数の変換器群１０の一部を利用して電力変換動作をすることで、交流電力架線２の架線電圧に応じて活性化する変換器群１０を選択して、複数ある変換器群１０の稼動数を変更することで、電力変換器１としての効率化を図ることができる。
【００８７】
（７）電力変換動作する変換器群１０の一部と、短絡回路４０を活性化して電力変換動作させない変換器群１０とは交互に直列接続されることで、変換器群１０の動作による熱の発生も交互になるので、放熱性の面で優れた電力変換器１を実現することができる。
【００８８】
（８）電力変換動作する変換器群１０の一部のそれぞれが直列接続され、短絡回路４０を活性化して電力変換動作させない変換器群１０のそれぞれが直列接続されることで、電力変換動作する変換器群１０と電力変換動作させない変換器群１０がそれぞれまとまっているので、活性化／非活性化による動作の制御が容易な電力変換器１を実現することができる。
【００８９】
（９）複数の変換器群１０に不良が発生していない場合は、冗長用変換器群１０−Ｒに接続される短絡回路４０−Ｒを活性化して冗長用変換器群１０−Ｒをバイパスすることで、この冗長用変換器群１０−Ｒを電力変換動作させない変換器群とすることができる。
【００９０】
（１０）第１コンバータ１３、第１インバータ１４、および、第２コンバータ１６を構成する半導体スイッチ素子および半導体ダイオード素子は、ＳｉＣまたはＧａＮの化合物材料から構成されることで、ワイドバンドギャップ素子の特性を活かした高耐圧化や低損失化、これに伴う高効率化や長寿命化などを実現して、電力変換器１の高信頼化が可能となる。
【００９１】
（１１）第１コンバータ１３、第１インバータ１４、変圧器１５、第２コンバータ１６、電圧検出器１１、および、制御回路１２は、１つの変換器群１０を構成し、この変換器群１０を複数直列接続した構成においても、上記（１）〜（１０）と同様の効果を得ることができる。
【００９２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００９３】
上記した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００９４】
例えば、前記実施の形態においては、一例として鉄道車両に用いられる電力変換器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、風力発電システムや太陽光発電システムなどにも適用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１  電力変換器
２  交流電力架線
３  直流電力架線
４  パンタグラフ
５  切り替えスイッチ
６  車輪
７  モータ
８  負荷機器
１０  変換器群
１１  電圧検出器
１２  制御回路
１３  第１コンバータ
１４  第１インバータ
１５  変圧器
１６  第２コンバータ
２１  第２インバータ
３１  第３インバータ
３２  変圧器
３３  第３コンバータ
３４  第４インバータ
４０  短絡回路
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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