(57)【要約】  鉄道車両においてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用したコンバータが停止中した状態でＡＰＳに電力を供給する際に発生するＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの劣化を防止する。【解決手段】電力変換装置は、電気車において、電車線から取り込まれ変圧器で降圧された交流電力を、寄生ダイオードを還流ダイオードして用いる複数のパワー半導体素子のスイッチング制御により直流電力に変換する。電力変換装置は、複数のパワー半導体素子のゲートを駆動制御する制御部を有する。制御部は、電気車の停車時に、スイッチング制御を行わずにパワー半導体素子の逆方向に電流を導通させて交流電力を直流電力に変換する所定電圧パルスをパワー半導体素子に印加する。
2020049782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車において、電車線から取り込まれ変圧器で降圧された交流電力を、寄生ダイオードを還流ダイオードして用いる複数のパワー半導体素子のスイッチング制御により直流電力に変換する電力変換装置であって、
前記複数のパワー半導体素子を駆動制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記電気車の停車時に、前記スイッチング制御を行わずに前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させて前記交流電力を直流電力に変換する所定電圧パルスを前記パワー半導体素子に印加する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記交流電力を変換した直流電力の出力側の正の直流端子及び負の直流端子間に直流ステージコンデンサが接続されており、
前記制御部は、前記直流電力による前記直流ステージコンデンサの充電状態に応じて、前記所定電圧パルスを前記パワー半導体素子に印加す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】
前記正の直流端子及び前記負の直流端子間に補助電源装置が接続されており、
前記制御部は、前記直流ステージコンデンサから前記補助電源装置への給電に応じて変化する前記充電状態に応じて、前記所定電圧パルスを前記パワー半導体素子に印加することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記電気車の停車時に、前記スイッチング制御を行う第１のモードから、前記スイッチング制御を行わずに前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させて前記交流電力を直流電力に変換する第２のモードへモード移行を行い、
現在のモードが前記第２のモードである場合に、前記充電状態に応じて、前記所定電圧パルスを前記パワー半導体素子に印加することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換装置をオフにした後に前記モード移行を行うことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記複数のパワー半導体素子は、第１アーム対をなす第１のパワー半導体素子及び第２のパワー半導体素子と、第２アーム対をなす第３のパワー半導体素子及び第４のパワー半導体素子とを含み、
前記第１のパワー半導体素子及び前記第２のパワー半導体素子の第１接続点が前記交流電力の入力側の交流端子と接続され、
前記第３のパワー半導体素子及び前記第４のパワー半導体素子の第２接続点が接地され、
前記第１接続点に対して高位側の前記第１のパワー半導体素子の端子が前記正の直流端子と接続され、前記第１接続点に対して低位側の前記第２のパワー半導体素子の端子が前記負の直流端子と接続され、
前記第２接続点に対して高位側の前記第３のパワー半導体素子の端子が前記正の直流端子と接続され、前記第２接続点に対して低位側の前記第４のパワー半導体素子の端子が前記負の直流端子と接続され、
前記制御部は、
前記交流端子の電位が正かつ前記正の直流端子の電位よりも前記交流端子の電位が高い場合に、前記第１のパワー半導体素子及び前記第４のパワー半導体素子に前記所定電圧パルスを印加することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記交流端子の電位が負かつ前記正の直流端子の電位よりも前記交流端子の電位の絶対値が高い場合に、前記第２のパワー半導体素子及び前記第３のパワー半導体素子に前記所定電圧パルスを印加することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記複数のパワー半導体素子は、第１アーム対をなすパワー半導体素子群と、前記第１アーム対と直列接続された第２アーム対をなすパワー半導体素子群と、第３アーム対をなすパワー半導体素子群と、前記第３アーム対と直列接続された第４アーム対をなすパワー半導体素子群とを含み、
前記第１アーム対及び前記第２アーム対の第１接続点が前記交流電力の入力側の交流端子と接続され、
前記第３アーム対及び前記第４アーム対の第２接続点が接地され、
前記第１接続点に対して最も高位側の前記第１アーム対のパワー半導体素子の端子が前記正の直流端子と接続され、前記第１接続点に対して最も低位側の前記第２アーム対のパワー半導体素子の端子が前記負の直流端子と接続され、
前記第２接続点に対して最も高位側の前記第３アーム対のパワー半導体素子の端子が前記正の直流端子と接続され、前記第２接続点に対して最も低位側の前記第４アーム対のパワー半導体素子の端子が前記負の直流端子と接続され、
前記制御部は、
前記交流端子の電位が正かつ前記正の直流端子の電位よりも前記交流端子の電位が高い場合に、前記第１アーム対及び前記第４アーム対のパワー半導体素子群に前記所定電圧パルスを印加することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記交流端子の電位が負かつの前記正の直流端子の電位よりも前記交流端子の電位の絶対値が高い場合に、前記第２アーム対及び前記第３アーム対のパワー半導体素子群に前記所定電圧パルスを印加することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記複数のパワー半導体素子は、バンドギャップが所定値以上の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１〜９の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
電気車において、電車線から取り込まれ変圧器で昇圧された交流電力を、寄生ダイオードを還流ダイオードして用いる複数のパワー半導体素子のスイッチング制御により直流電力に変換する電力変換装置が行う電力変換方法であって、
前記電力変換装置は、前記複数のパワー半導体素子を駆動制御する制御部を有し、
前記制御部が、前記電気車の停車時に、前記スイッチング制御を行わずに前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させて前記交流電力を直流電力に変換する所定電圧パルスを前記パワー半導体素子に印加する
ことを特徴とする電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の駆動システムでは、架線から取り込んだ電力を電力変換装置にてモータを駆動するための適切な電力に変換してモータに供給し、推進力を得る。架線から取り込まれる電力には大きく分けて交流電力と直流電力がある。【０００３】
例えば架線からパンタグラフを介して取り込まれた交流電力はコンバータに供給される。コンバータは、上位のコントローラからの指令により動作するゲートドライバにより順次駆動されるコンバータＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor、以下単にＩＧＢＴと呼ぶ）が適切な順序でスイッチングすることで、コンバータに入力された交流電力を直流電力に変換し、コンバータの出力側の直流平滑用コンデンサを充電する。この際、主変圧器のインダクタンスとコンバータのスイッチング動作により主変圧器の出力電圧が昇圧され、直流平滑用コンデンサの両端電圧（以後、直流ステージ電圧と呼ぶ）が、主変圧器の出力電圧より高い電圧になる。【０００４】
インバータは、上位のコントローラからの指令により動作するゲートドライバにより順次駆動されるインバータＩＧＢＴが適切な順序でスイッチングすることで、この直流ステージに供給された直流電力を三相の交流電力に変換してモータを駆動する。【０００５】
また鉄道車両の車内の照明や空調等の電力を供給する補助電源装置（以後、ＡＰＳ（Auxiliary  Power  Supply  System）と呼ぶ、ＳＩＶ（Static  InVerter：静止形インバータ）システムとも呼ばれる）については、主変圧器の１次巻線とは別に設けられた２次巻線から供給された交流電力を整流回路で整流後に補助電源用インバータにて任意の三相交流に変換して前述の空調等の負荷に供給する構成が日本の鉄道車両では主流である。【０００６】
一方、ＡＰＳの小型化のために、日本国外の鉄道車両用の電力変換装置では、ＡＰＳの電源をコンバータで整流後の直流ステージから給電する方式が製品化されている。この方式によれば、ＡＰＳの整流回路として鉄道車両用の電力変換装置のコンバータを用いることができるためＡＰＳの整流回路が不要となり、ＡＰＳを小型化できるというメリットがある。この方式を以後、直流給電式ＡＰＳと呼ぶ。【０００７】
さて、近年では電力変換装置の更なる小型化や高効率化を目的として、ＩＧＢＴに代わって低損失なＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）の適用が始まっている。ＳｉＣはシリコンよりもバンドギャップが大きく絶縁耐圧がシリコンの１０倍程度あるため、半導体チップの厚みを１／１０程度に小さくできる。これにより、導通時の抵抗が１／１０程度になり、導通損失を低減できる。【０００８】
またＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、上述のようにチップの抵抗を下げられるために、鉄道車両用などの定格電圧が例えば３．３ｋＶの高耐圧素子を用いる場合でも、ＩＧＢＴのようにデバイス内に電荷を蓄積して導通抵抗を下げるバイポーラデバイス構造にする必要がなく、ＭＯＳＦＥＴやＪＦＥＴ（Junction  Field  Effect  Transistor）のようなユニポーラデバイス構造にできる。ユニポーラデバイスはバイポーラデバイスに比べて電荷の蓄積が無いことによりスイッチング損失が小さく、インバータシステムの更なる省エネルギー化に貢献できる。【０００９】
さらにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴはＩＧＢＴと異なり、ゲートをオンさせることで逆方向に電流を流すことができるため、ＩＧＢＴでは必要であった還流用の逆並列ダイオード（フリーホイールダイオード）が不要となり電力変換装置のさらなる小型化を可能とする（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−０３６０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、鉄道車両において、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用した駆動システムの電力変換装置に直流給電式ＡＰＳを組合せた場合には以下に述べる問題があった。【００１２】
すなわちＡＰＳは、駅での車両の停車中に、必要に応じて電力変換装置のコンバータを停止する場合がある。一般的に駅での車両の停車中にはモータを駆動するインバータが停止しているために、インバータに電力を供給するコンバータも停止させる。【００１３】
一方で直流給電式ＡＰＳがある場合、駅での車両の停車中でもＡＰＳに給電するためにコンバータを稼働させておく必要がある。しかしながら駅停車中にコンバータを動かすとコンバータのスイッチングにより発生するコンバータの電磁音やこのスイッチングにより発生する高調波電圧が引き起こす変圧器の磁歪音により駅のホームにいる乗客に不快感を与える場合がある。【００１４】
このため、コンバータを停止してコンバータのスイッチング素子に逆並列に接続されているフリーホイールダイオードを整流回路として使って、騒音を出さずに電力を供給する動作モードがある。従来のＩＧＢＴを使ったコンバータの場合にはＩＧＢＴと逆並列に接続されたフリーホイールダイオードがこの整流動作を行う。しかしＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用したコンバータではフリーホイールダイオードを接続していないために、スイッチングを停止させると電流がＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ内部の寄生ダイオードを流れてしまい、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを劣化させるという問題が生じていた。【００１５】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、鉄道車両においてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用したコンバータが停止中した状態でＡＰＳに電力を供給する際に発生するＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの劣化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
かかる課題を解決するため本発明においては、電気車において、電車線から取り込まれ変圧器で降圧された交流電力を、寄生ダイオードを還流ダイオードして用いる複数のパワー半導体素子のスイッチング制御により直流電力に変換する電力変換装置は、前記複数のパワー半導体素子を駆動制御する制御部を有し、前記制御部は、前記電気車の停車時に、前記スイッチング制御を行わずに前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させて前記交流電力を直流電力に変換する所定電圧パルスを前記パワー半導体素子に印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、鉄道車両においてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用したコンバータが停止中した状態でＡＰＳに電力を供給する際に発生するＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の電力変換装置の構成例を示す図。
【図２】実施例１の出力電圧Ｅｓ及び直流ステージ電圧Ｅｃｆの変化と、ゲートパルスとの関係を示すタイミングチャート。
【図３】実施例２の電力変換装置の構成を示す図。
【図４】第１の従来技術の電力変換装置の構成例を示す図。
【図５】第２の従来技術の電力変換装置の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下図面に基づき、本発明の実施例を詳述する。以下の従来技術及び実施例を説明するための各図面において、参照番号が同一のものは同一あるいは類似の機能を備えた構成要件を示し、後出の説明を省略する。また各実施例及び各変形例は、本発明の技術思想の範囲内及び整合する範囲内でその一部又は全部を組合せることができる。以下の実施例では、鉄道車両及び車両は電気車である。
【００２０】
本発明の実施例の説明に先立ち、従来技術について説明する。
【００２１】
図４は、第１の従来技術の電力変換装置の構成例を示す図である。図４に示す電力変換装置４Ｓは、交流電力を取り込んでモータを駆動する鉄道車両用の電力変換装置である。
【００２２】
電力変換装置４Ｓは、集電装置４０１、主変圧器４０６の１次巻線４０２、主変圧器４０６の２次巻線４０３、車輪４０４、遮断器４０５、主変圧器４０６、コンバータ４１０、コンバータＩＧＢＴ４１１〜４１４、コンバータフリーホイールダイオード４１５〜４１８、コンバータゲートドライバ４１９〜４２２、直流平滑用コンデンサ４２３、インバータ４３０、インバータＩＧＢＴ４３１〜４３６、インバータフリーホイールダイオード４３７〜４４２、インバータゲートドライバ４４３〜４４８、モータ４５０、整流回路４５１、補助電源用直流平滑コンデンサ４５２、補助電源用インバータ４５３、補助電源三相出力４５４、及びコントローラ４６０を有する。
【００２３】
架線などの電車線からパンタグラフなどの集電装置４０１を介して取り込まれた交流電力は、主変圧器４０６の１次巻線４０２で降圧され、遮断器４０５を通ってコンバータ４１０に供給される。コンバータ４１０では、コンバータゲートドライバ４１９〜４２２により順次駆動されるコンバータＩＧＢＴ４１１〜４１４が適切な順序でスイッチング制御される。ここでコンバータゲートドライバ４１９〜４２２は、運転台４６１を介して運転士から入力された運転操作に応じてコントローラ４６０からゲート制御線４６２を介して出力された指令に基づき動作する。
【００２４】
そして、コンバータ４１０は、コンバータ４１０に入力される交流電力を直流電力に変換し、直流平滑用コンデンサ４２３を充電する。この際、主変圧器４０６のインダクタンスとコンバータ４１０のスイッチング動作により主変圧器４０６の出力電圧が昇圧され、直流平滑用コンデンサ４２３の両端電圧（以後、直流ステージ電圧と呼ぶ）は主変圧器４０６の出力電圧より高い電圧になる。
【００２５】
またインバータ４３０は、ゲートドライバ４３１〜４３６により順次駆動されるインバータＩＧＢＴ４３１〜４３６が適切な順序でスイッチング制御されることにより、変換後の直流電力を三相の交流電力に再度変換してモータ４５０を駆動する。ここでゲートドライバ４３１〜４３６は、運転台４６１を介して運転士から入力された運転操作に応じてコントローラ４６０からゲート制御線４６２を介して出力された指令に基づき動作する。
【００２６】
また、車内の照明や空調等の電力を供給する補助電源装置（以後、ＡＰＳ（Auxiliary  Power  Supply  System）と呼ぶ、ＳＩＶ（Static  InVerter：静止形インバータ）システムとも呼ばれる）は、主変圧器４０６の１次巻線４０２とは別に設けられた２次巻線４０３から電力を供給され、これを整流回路４５１で整流後に補助電源用インバータ４５３にて任意の三相交流に変換して前述の空調等の負荷に供給する。図４では、整流回路４５１、補助電源用直流平滑用コンデンサ４５２、補助電源用インバータ４５３、及び補助電源三相出力４５４がＡＰＳに含まれる。
【００２７】
図５は、第２の従来技術の電力変換装置の構成例を示す図である。図４に示す電力変換装置５Ｓも、交流電力を取り込んでモータを駆動する鉄道車両用の電力変換装置である。図５に示す電力変換装置５Ｓは、ＡＰＳ用遮断器５０１、リアクトル５０２、逆流防止ダイオード５０３、補助電源用インバータ４５３、及び補助電源三相出力４５４を有する。図５では、ＡＰＳ用遮断器５０１、リアクトル５０２、逆流防止ダイオード５０３、補助電源用インバータ４５３、及び補助電源三相出力４５４がＡＰＳに含まれる。
【００２８】
電力変換装置５Ｓの構成の特徴は、補助電源用インバータ４５３に供給する電源を直流ステージから取る点にあり、これにより、図４に示す電力変換装置４Ｓと比較して、主変圧器４０６の２次巻線４０３及び整流回路４５１を削除できる。
【００２９】
電力変換装置５Ｓによれば、コンバータ４１０をＡＰＳの整流回路として用いるためＡＰＳ専用の整流回路４５１が不要となり、システムを小型化できるというメリットがある。この方式は直流給電式ＡＰＳと呼ばれ、以下の実施例では、この直流給電式ＡＰＳを基本構成とする。
【実施例１】
【００３０】
図１は、実施例１の電力変換装置の構成例を示す図である。図１において図５と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図１に示すように、電力変換装置１Ｓは、入力電流センサ１０１、入力電圧センサ１０２、直流電圧センサ１０３、コンバータ１１０、コンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４、コンバータゲートドライバ１１９〜１２２、インバータ１３０、インバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１３１〜１３６、インバータゲートドライバ１４３〜１４８、直流平滑用コンデンサ４２３、モータ４５０、補助電源用インバータ４５３、補助電源三相出力４５４、ＡＰＳ用遮断器５０１、リアクトル５０２、逆流防止ダイオード５０３、及びコントローラ４６０を有する。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）は、寄生ダイオード（ボディダイオード）を還流ダイオード（フリーホイールダイオード）として用い、外付けの還流ダイオードを不要とするパワー半導体素子の一例である。【００３１】
本実施例の特徴は、電力変換装置１Ｓが搭載された電気車が停車中かつコンバータシステム停止中にＡＰＳに電力を供給する場合に、逆方向に電流が流れるフルＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのゲートにオン信号を入力し、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴをオンすることでＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに流れる電流を低減し、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの素子の劣化を防止しつつ整流動作を行う点にある。【００３２】
車両が走行中は、コンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４と主変圧器４０６の１次巻線４０２で昇圧チョッパ動作を行うことで、主変圧器４０６の出力電圧Ｅｓより高く直流平滑用コンデンサ４２３を充電している。このため、直流電圧センサ１０３により検知される直流ステージ電圧Ｅｃｆと、入力電圧センサ１０２により検知される出力電圧Ｅｓは、下記（１）式の大小関係にある。出力電圧Ｅｓは正弦波で表されるため、下記（１）式において“|Ｅｓ|”はＥｓの振幅の絶対値を表す。【００３３】
【数１】
2020049782.tif 000003
【００３４】
コントローラ４６０は、車両が駅で停車すると、運転台４６１から車両が停車していることを通知され、インバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１３１〜１３６を全てオフにして、インバータ１３０を停止させる。続いてコントローラ４６０は、コンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４を全てオフさせて、コンバータ１１０を停止させる。そして、コントローラ４６０は、コンバータ１１０のモードを「コンバータモード」から「整流モード」に移行させる。コントローラ４６０は、車両が走行を開始すると、運転台４６１から車両が走行していることを通知され、「整流モード」から「コンバータモード」に移行する。「コンバータモード」と「整流モード」との間のモード移行を行う際には、コンバータ１１０を含む電力変換装置１Ｓを一旦オフにしてからモード移行を行って安全性を確保するようにしてもよい。【００３５】
ここで「コンバータモード」とは、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４のＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）のスイッチング制御により交流電力を直流電力に変換するモードを言う。また「整流モード」とは、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４のスイッチング制御を行わず、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４のブリッジ整流により交流電力を直流電力に変換するモードを言う。【００３６】
コンバータ１１０の停止直後は、上記（１）式が成立するため、オフしているコンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４には順方向の電圧が印加され、電流は流れない。【００３７】
しかし駅で停車中も、空調や照明などの車内設備への電力の供給は続くため、直流ステージの直流平滑用コンデンサ４２３に蓄えられた電力が消費される。ＡＰＳが直流平滑用コンデンサ４２３に蓄えられた電力を消費していくと直流ステージ電圧Ｅｃｆが低下する。そして、下記（２）式に示すように直流ステージ電圧Ｅｃｆが出力電圧Ｅｓの振幅の絶対値|Ｅｓ|よりも低くなると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４に逆方向の電圧が印加されるようになり、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４に逆方向電流が流れてしまう。あるいは、直流ステージ電圧Ｅｃｆが出力電圧Ｅｓの振幅の絶対値|Ｅｓ|よりも低くなると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３に逆方向の電圧が印加されるようになり、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３に逆方向電流が流れてしまう。【００３８】
【数２】
2020049782.tif 000004
【００３９】
上記（２）式は、出力電圧Ｅｓの正負に応じて下記（３）式のように書き換えることができる。【００４０】
【数３】
2020049782.tif 000005
【００４１】
本実施例では、コントローラ４６０は、現在のモードが「整流モード」であって、上記（３）式に示すように出力電圧Ｅｓ≧０の場合にＥｓ＞Ｅｃｆが成立するとき上記（２）式の条件が成立するため、コンバータゲートドライバ１１９〜１２２を制御しＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３をオフにして逆方向電流をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４に流す。【００４２】
またコントローラ４６０は、現在のモードが「整流モード」であって、上記（３）式に示すように出力電圧Ｅｓ＜０の場合に−Ｅｓ＞Ｅｃｆが成立するとき上記（２）式の条件が成立するため、コンバータゲートドライバ１１９〜１２２を制御しＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４をオフにして逆方向電流をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３に流す。【００４３】
現在のモードが「整流モード」である場合に上記（３）式に示す条件が成立するときに限り、上述のようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１，１１４又は１１２，１１３に逆方向電流を流すようにすることで、車両の停車中であっても充電する必要がないケースでの直流平滑用コンデンサ４２３の充電を行わないように制御できる。【００４４】
図２は、実施例１のＥｓ及びＥｃｆの変化と、ゲートパルスとの関係を示すタイミングチャートである。図２の横軸は時刻ｔを表し、縦方向は電圧を表す。また図２の“１１１，１１４”はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４のゲートに印加する電圧パルス（ゲートパルス）を示し、“１１２，１１３”はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３のゲートに印加する電圧パルスを示す。また図２（ａ）に示す|Ｅｓ|の波形６０２ａは|Ｅｓ|＝Ｅｓの正弦波を表すのに対し、図２（ｂ）に示す|Ｅｓ|の波形６０２ｂは波形６０２ａをＥｓ＝０を対称軸に反転させた|Ｅｓ|＝‐Ｅｓの正弦波を表す。【００４５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）の波形６０１で示すように、直流ステージ電圧Ｅｃｆは、車両が停車して「整流モード」に移行したタイミングｔ０からタイミングｔ１まで時間経過とともに低下する。そして図２（ａ）に示すように、タイミングｔ１でＥｓ≧０かつＥｓ＞Ｅｃｆとなるので上記（３）式の条件が成立することになる。よって、コントローラ４６０は、コンバータゲートドライバ１１９〜１２２を制御して図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３をオフにする。【００４６】
このようにして、集電装置４０１を介して集電された電車線からの交流電力をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４を流して直流電力に変換して、ＡＰＳに給電するとともに、直流平滑用コンデンサ４２３を充電する。これに応じてタイミングｔ１からｔ２の間、直流ステージ電圧Ｅｃｆが上昇し、タイミングｔ２において上記（３）式の条件成立が終了し、コンバータ４１０によるＡＰＳへの給電及び直流平滑用コンデンサ４２３の充電が終了する。【００４７】
さらに図２（ａ）及び図２（ｂ）の波形６０１で示すように、直流ステージ電圧Ｅｃｆはタイミングｔ２からｔ３において時刻の経過とともに再び低下する。そして図２（ｂ）に示すようにタイミングｔ３でＥｓ＜０かつ−Ｅｓ＞Ｅｃｆとなるので上記（３）式の条件が成立することになる。よって、コントローラ４６０は、コンバータゲートドライバ１１９〜１２２を制御して図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４をオフにする。【００４８】
このようにして、集電装置４０１を介して集電された電車線からの交流電力をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３を流して直流に変換して、ＡＰＳに給電するとともに、直流平滑用コンデンサ４２３を充電する。これに応じてタイミングｔ３からｔ４の間、直流ステージ電圧Ｅｃｆが上昇し、タイミングｔ４において上記（３）式の条件成立が終了し、コンバータ４１０によるＡＰＳへの給電及び直流平滑用コンデンサ４２３の充電が終了する。【００４９】
さらに図２（ａ）及び図２（ｂ）の波形６０１で示すように、直流ステージ電圧Ｅｃｆはタイミングｔ４からｔ５において時刻の経過とともに再び低下する。そして図２（ａ）に示すようにタイミングｔ５でＥｓ≧０かつＥｓ＞Ｅｃｆとなるので上記（３）式の条件が成立することになる。よって、コントローラ４６０は、コンバータゲートドライバ１１９〜１２２を制御して図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１２及び１１３をオフにする。【００５０】
このようにして、集電装置４０１を介して集電された電車線からの交流電力をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１及び１１４を流して直流に変換して、ＡＰＳに給電するとともに、直流平滑用コンデンサ４２３を充電する。これに応じてタイミングｔ５からｔ６の間、直流ステージ電圧Ｅｃｆが上昇し、タイミングｔ６において上記（２）式及び（３）式の条件成立が終了し、コンバータ４１０によるＡＰＳへの給電及び直流平滑用コンデンサ４２３の充電が終了する。【００５１】
このように本実施例によれば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１１〜１１４の寄生ダイオードへの通電による劣化を防止できる。また、駅で停車中の場合のコンバータの停止が可能となるため静音化にも効果がある。さらに、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの劣化を防止できるため、システムの信頼性向上を図ることができるというメリットもある。またＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用したコンバータを含んだ鉄道車両用の電力変換装置を実現し、電力変換装置の小型軽量化を図りつつ鉄道車両の省エネルギー化を図ることができる。
【実施例２】
【００５２】
図３は、実施例２の電力変換装置の構成を示す図である。図３において、図１及び図５と同じ構成要素には同一の符号を付している。【００５３】
図３において、実施例２の電力変換装置２Ｓは、コンバータ２１０、コンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０１〜２０８、クランプダイオード２０９〜２１２、コンバータゲートドライバ２１３〜２２０、直流平滑用コンデンサ２３０及び２３１、直流電圧センサ２３２及び２３３を有する。コンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０１及び２０２がアーム対をなすパワー半導体素子群である。またコンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０３及び２０４がアーム対をなすパワー半導体素子群である。またコンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０５及び２０６がアーム対をなすパワー半導体素子群である。またコンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０７及び２０８がアーム対をなすパワー半導体素子群である。【００５４】
本実施例の特徴は、３レベルコンバータに本発明を適用した点にある。主変圧器４０６の出力電圧Ｅｓは入力電圧センサ１０２により検知される。また直流ステージ電圧Ｅｃｆは直流電圧センサ２３２及び２３３により検知される。【００５５】
実施例２では、実施例１と同様に、現在のモードが「整流モード」であって、上記（３）式に示すように出力電圧Ｅｓ≧０の場合にＥｓ＞Ｅｃｆが成立するとき上記（２）式の条件が成立する、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２及び２０７，２０８をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０３，２０４及び２０５，２０６をオフにして逆方向電流をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２及び２０７，２０８に流す。また現在のモードが「整流モード」であって、上記（３）式に示すように出力電圧Ｅｓ＜０の場合に−Ｅｓ＞Ｅｃｆが成立するとき上記（２）式の条件が成立するため、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０３，２０４及び２０５，２０６をオン、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２及び２０７，２０８をオフにして逆方向電流をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ２０３，２０４及び２０５，２０６に流す。【００５６】
なおコンバータ４１０は、３レベル以上のマルチレベルコンバータであってもよい。
【実施例３】
【００５７】
本実施例は、実施例１又は２の電力変換装置１Ｓ又は２Ｓの起動時に発生する直流ステージの充電電流に対して本発明を適用したのものである。以下に、例として、図１の電力変換装置１Ｓの起動シーケンスについて説明する。車両の停止中の電力変換装置１Ｓの起動前は、集電装置４０１は電車線から離れており、主変圧器４０６の２次側の遮断器４０５も解放されている。集電装置４０１を電車線に接触させ起動を開始すると、遮断器４０５が投入され主変圧器４０６の２次電圧がコンバータ４１０に印加される。この時、直流ステージ電圧Ｅｃｆは主変圧器４０６の出力電圧Ｅｓより低いため、上記（２）式及び（３）式の条件が成立し、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに逆方向電流が流れてしまう。【００５８】
そこで、本実施例においても、電力変換装置１Ｓの起動時に、実施例１と同様に直流ステージ電圧Ｅｃｆと出力電圧Ｅｓとの大小関係に応じて適切なＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴをオンにすることで、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードへの通電を抑制でき、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの素子劣化を防止できる。【００５９】
なお以上の実施例では、パワー半導体素子はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを例に説明したが、これに限られず、寄生ダイオードを還流ダイオードとして用いることができる、バンドギャップが所定値以上の他のワイドギャップ半導体素子、すなわちシリコン、ガリウムナイトライド、ダイヤモンド等のパワー半導体素子であってもよい。【００６０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやす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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。また実施例で示した各処理は、処理効率又は実装効率に基づいて適宜分散又は統合してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１Ｓ，２Ｓ，３Ｓ，４Ｓ：電力変換装置、１０２：入力電圧センサ、１１０，２１０：コンバータ、１１１〜１１４，２０１〜２０８：コンバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、１１９〜１２２，２１３〜２２０：コンバータゲートドライバ、１３０：インバータ、１３１〜１３６：インバータＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、１４３〜１４８：インバータゲートドライバ、２３０，２３１，４２３：直流平滑用コンデンサ、１０３，２３２，２３３：直流電圧センサ、４０１：集電装置、４０６：変圧器、４５３：補助電源用インバータ、４５０：モータ、４６０：コントローラ
【図１】
2020049782.tif 000006
【図２】
2020049782.tif 000007
【図３】
2020049782.tif 000008
【図４】
2020049782.tif 000009
【図５】
2020049782.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月20日(2021.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図５は、第２の従来技術の電力変換装置の構成例を示す図である。図５に示す電力変換装置５Ｓも、交流電力を取り込んでモータを駆動する鉄道車両用の電力変換装置である。図５に示す電力変換装置５Ｓは、ＡＰＳ用遮断器５０１、リアクトル５０２、逆流防止ダイオード５０３、補助電源用インバータ４５３、及び補助電源三相出力４５４を有する。図５では、ＡＰＳ用遮断器５０１、リアクトル５０２、逆流防止ダイオード５０３、補助電源用インバータ４５３、及び補助電源三相出力４５４がＡＰＳに含まれる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
なおコンバータ２１０は、３レベル以上のマルチレベルコンバータであってもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
本実施例は、実施例１又は２の電力変換装置１Ｓ又は２Ｓの起動時に発生する直流ステージの充電電流に対して本発明を適用したのものである。以下に、例として、図１の電力変換装置１Ｓの起動シーケンスについて説明する。車両の停止中の電力変換装置１Ｓの起動前は、集電装置４０１は電車線から離れており、主変圧器４０６の２次側の遮断器４０５も解放されている。集電装置４０１を電車線に接触させ起動を開始すると、遮断器４０５が投入され主変圧器４０６の２次電圧がコンバータ１１０に印加される。この時、直流ステージ電圧Ｅｃｆは主変圧器４０６の出力電圧Ｅｓより低いため、上記（２）式及び（３）式の条件が成立し、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに逆方向電流が流れてしまう。
【国際調査報告】
2020049782.tif 000011
2020049782.tif 000012