JP2017022856A

JP2017022856A - Power conversion device

Info

Publication number: JP2017022856A
Application number: JP2015137993A
Authority: JP
Inventors: 恒毅河村; Tsunenori Kawamura
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: JP6552895B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device which can be downsized.SOLUTION: The power conversion device comprises: a boosting unit that includes a boosting reactor and boosts an input voltage to generate an output voltage; a capacitor unit provided on the output side of the boosting unit; a resistor unit provided on the output side of the boosting unit; a conversion unit that comprises a switching element having a rated voltage higher than a reference input voltage for defining the input voltage of the boosting unit and lower than a voltage twice as high as the reference input voltage, and converts the output voltage of the boosting unit to an AC voltage by switching the switching element and supplies the AC voltage to a transformer; a detection unit that detects the output voltage of the boosting unit; and a control unit that causes the switching of the switching element to start, after the voltage detected by the detection unit has exceeded a threshold voltage predetermined to be lower than the rated voltage and has decreased to be lower than the threshold voltage.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a power conversion apparatus.

従来、鉄道車両などの電気車には、電車線からの電力を受け取り、受け取った電力を変換して、補機などの負荷に供給する電力を生成する電力変換装置が搭載されている。上記の電力変換装置として、電車線等の電源側と負荷側との間を絶縁するために、商用電源と同等の周波数用の変圧器を備えるものが知られている。しかしながら、従来の技術では、搭載される電気車のスペースに制約があることから、更なる小型化が要請される場合があった。 Conventionally, an electric vehicle such as a railway vehicle is equipped with a power conversion device that receives electric power from a train line, converts the received electric power, and generates electric power to be supplied to a load such as an auxiliary machine. As the above-described power conversion device, a device including a transformer for a frequency equivalent to that of a commercial power source is known in order to insulate between a power source side such as a train line and a load side. However, in the conventional technology, there is a case where further downsizing is required because the space of the electric vehicle to be mounted is limited.

特開２０１１−０１９３０４号公報JP 2011-019304 A

本発明が解決する課題は、電力変換装置の小型化を実現することができる電力変換装置を提供することである。 Problem to be solved by the invention is providing the power converter device which can implement | achieve size reduction of a power converter device.

実施形態の電力変換装置は、昇圧部と、容量部と、抵抗部と、変換部と、検出部と、制御部とを持つ。昇圧部は、昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する。容量部は、前記昇圧部の出力側に設けられる。抵抗部は、前記昇圧部の出力側に設けられる。変換部は、前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電圧より低い電圧に定格電圧のスイッチング素子を備える。変換部は、前記スイッチング素子のスイッチングにより、前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する。検出部は、前記昇圧部の出力電圧を検出する。制御部は、前記検出部により検出された電圧が、前記定格電圧より低い電圧に予め定められた閾値電圧を超えた後、前記閾値電圧よりも低い電圧に低下した場合、前記スイッチング素子のスイッチングを開始させる。 The power conversion device according to the embodiment includes a booster unit, a capacitor unit, a resistor unit, a conversion unit, a detection unit, and a control unit. The boosting unit includes a boosting reactor, and boosts the input voltage to generate an output voltage. The capacitor is provided on the output side of the booster. The resistance unit is provided on the output side of the boosting unit. The conversion unit includes a switching element having a rated voltage at a voltage higher than a reference input voltage defining an input voltage of the boosting unit and lower than a voltage twice the reference input voltage. The conversion unit converts the output voltage of the boosting unit into an AC voltage by switching of the switching element, and supplies the AC voltage to the transformer. The detection unit detects an output voltage of the boosting unit. The control unit switches the switching element when the voltage detected by the detection unit drops below a threshold voltage after exceeding a predetermined threshold voltage lower than the rated voltage. Let it begin.

第１の実施形態の電力変換装置１００を搭載した電気車システム１の概略構成図。The schematic block diagram of the electric vehicle system 1 carrying the power converter device 100 of 1st Embodiment. 第１の実施形態の変換部のスイッチング素子の応答性について示す説明図。Explanatory drawing which shows about the responsiveness of the switching element of the conversion part of 1st Embodiment. 第１の実施形態の電力変換装置１００の起動時の動作を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the operation | movement at the time of starting of the power converter device 100 of 1st Embodiment. 参考例の電力変換装置１００Ｒを搭載した電気車システム１Ｒの概略構成図。The schematic block diagram of the electric vehicle system 1R carrying the power converter device 100R of a reference example. 参考例の電力変換装置１００Ｒの起動時における昇圧部出力電圧Ｖの変化を示す模式図。The schematic diagram which shows the change of the pressure | voltage rise part output voltage V at the time of starting of the power converter device 100R of a reference example. 第２の実施形態の電力変換装置１００Ａを搭載した電気車システム１Ａの概略構成図。The schematic block diagram of the electric vehicle system 1A carrying the power converter device 100A of 2nd Embodiment. 第２の実施形態の電力変換装置１００Ａの起動時の動作を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the operation | movement at the time of starting of 100 A of power converter devices of 2nd Embodiment. 第３の実施形態の電力変換装置１００Ｂを搭載した電気車システム１Ｂの概略構成図。The schematic block diagram of the electric vehicle system 1B carrying the power converter device 100B of 3rd Embodiment.

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the power converter of an embodiment is explained with reference to drawings.

（第１の実施形態）
図１は、実施形態の電力変換装置１００を搭載した電気車システム１の概略構成図である。電力変換装置１００が搭載された電気車（鉄道車両）は、直流電力の供給源である架線Ｐに集電器２が接触することにより、架線Ｐから電力の供給を受けて線路Ｒ上を走行する。同図では、電気車の車輪Ｗを駆動するのに必要な電力を生成する電力変換装置については図示しておらず、空調装置等のより低電圧な装置に電力を供給するための構成を示している。 (First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle system 1 in which the power conversion device 100 of the embodiment is mounted. An electric vehicle (railway vehicle) on which the power conversion device 100 is mounted travels on the line R by receiving power from the overhead line P when the current collector 2 comes into contact with the overhead line P that is a supply source of DC power. . In the figure, a power conversion device that generates power necessary to drive the wheels W of the electric car is not shown, and a configuration for supplying power to a lower voltage device such as an air conditioner is shown. ing.

電気車システム１は、主要な構成要素として、集電器２と、接触器３、車輪Ｗと、電力変換装置１００とを備える。符号２０は、電力変換装置１００から直流の電力が供給される負荷である。負荷２０は、電力変換装置１００に、常時接続されているものでもよく、使用する際に接続されるものでもよい。電力変換装置１００は、集電器２により架線Ｐに接続され、車輪Ｗにより線路Ｒに接続される。電力変換装置１００が架線Ｐに接続された状態におかれても、負荷２０は、架線Ｐと線路Ｒの双方との絶縁が確保された状態で、電力変換装置１００から電力が供給される。 The electric vehicle system 1 includes a current collector 2, a contactor 3, wheels W, and a power conversion device 100 as main components. Reference numeral 20 denotes a load to which direct-current power is supplied from the power conversion apparatus 100. The load 20 may be constantly connected to the power conversion apparatus 100 or may be connected when used. The power converter 100 is connected to the overhead line P by the current collector 2 and connected to the line R by the wheels W. Even when the power conversion device 100 is connected to the overhead line P, the load 20 is supplied with power from the power conversion device 100 in a state in which insulation between both the overhead line P and the line R is ensured.

集電器２は、架線Ｐから直流電力を取得する。接触器３は、集電器２と電力変換装置１００との間に直列に接続される。接触器３は、制御された条件のもとで電力変換装置１００への直流電力の出力を遮断する。 The current collector 2 acquires DC power from the overhead line P. The contactor 3 is connected in series between the current collector 2 and the power conversion device 100. The contactor 3 cuts off the output of DC power to the power conversion device 100 under controlled conditions.

電力変換装置１００は、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３と、検出部１０と、制御部５０とを備える。電力変換装置１００は、さらに変圧器１４と、整流器１５と、容量部１６との一部または全部を備えていてもよい。なお、電力変換装置１００の構成に応じて、変圧器１４と、整流器１５と、容量部１６との一部または全部を負荷２０が備えていてもよい。 The power conversion device 100 includes a booster 5, a capacitor 8, a resistor 9, a converter 13, a detector 10, and a controller 50. The power conversion device 100 may further include some or all of the transformer 14, the rectifier 15, and the capacitor unit 16. Depending on the configuration of the power conversion device 100, the load 20 may include some or all of the transformer 14, the rectifier 15, and the capacitor unit 16.

昇圧部５は、昇圧用リアクトル４を含み、接触器３を介して入力される入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する。例えば、昇圧用リアクトル４とスイッチング素子６と整流器７とが昇圧部５を構成する。昇圧部５は、スイッチング素子６をスイッチングさせて、直流の入力電圧を昇圧し、整流器７を介して出力する。なお、昇圧部５は、制御部５０からの制御（ＳＷＣＯＮＴ）を受けて、スイッチング素子６のスイッチングを停止する場合がある。 The step-up unit 5 includes a step-up reactor 4 and steps up an input voltage input via the contactor 3 to generate an output voltage. For example, the boosting reactor 4, the switching element 6, and the rectifier 7 constitute the boosting unit 5. The step-up unit 5 switches the switching element 6 to step up the DC input voltage and outputs it via the rectifier 7. The booster 5 may stop switching of the switching element 6 in response to control (SWCONT) from the controller 50.

容量部８と抵抗部９と変換部１３と検出部１０と変換部１３とが、昇圧部５の出力側に設けられる。容量部８は、昇圧部５が出力する電圧を平滑化する。抵抗部９は、容量部８と並列に設けられており、容量部８に蓄えられた電力を放電させる。検出部１０は、昇圧部５の出力電圧、すなわち容量部８の端子電圧を測定する。 The capacitor 8, the resistor 9, the converter 13, the detector 10, and the converter 13 are provided on the output side of the booster 5. The capacitor unit 8 smoothes the voltage output from the booster unit 5. The resistor unit 9 is provided in parallel with the capacitor unit 8 and discharges the electric power stored in the capacitor unit 8. The detector 10 measures the output voltage of the booster 5, that is, the terminal voltage of the capacitor 8.

変換部１３は、昇圧部５から供給された直流電力を、制御部５０から入力された制御信号（例えばＰＷＭ:Pulse Width Modulation）に基づいて、所望の周波数や電圧などの単相交流に変換して出力する。例えば、変換部１３は、容量部１１ａと、容量部１１ｂと、スイッチング素子１２ａと、スイッチング素子１２ｂとを備える。この変換部１３は、単相のハーフブリッジ型のインバータである。変換部１３は、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂを規定の周期（スイッチング周期Ｔ）でスイッチングさせることにより昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換し、変圧器１４に供給する。例えば、交流電圧は、ＰＷＭのＤｕｔｙによって調整される。なお、変換部１３は、制御部５０からの制御（ＳＷＣＯＮＴ）を受けて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを停止する場合がある。 The converter 13 converts the DC power supplied from the booster 5 into single-phase AC such as a desired frequency and voltage based on a control signal (for example, PWM: Pulse Width Modulation) input from the controller 50. Output. For example, the conversion unit 13 includes a capacitor unit 11a, a capacitor unit 11b, a switching element 12a, and a switching element 12b. The conversion unit 13 is a single-phase half-bridge inverter. The converter 13 converts the output voltage of the booster 5 into an AC voltage by switching the switching element 12 a and the switching element 12 b with a specified period (switching period T), and supplies the AC voltage to the transformer 14. For example, the AC voltage is adjusted by the PWM duty. The conversion unit 13 may stop switching between the switching element 12a and the switching element 12b in response to control (SWCONT) from the control unit 50.

例えば、変換部１３の出力に、変圧器１４の１次側が接続されており、変換部１３は、変圧器１４の１次側を駆動する。変圧器１４は、１次側と２次側が絶縁されており、所望の絶縁耐圧性を有する。換言すれば、変圧器１４は、変換部１３と変圧器１４より負荷２０側の回路を絶縁する。変圧器１４は、１次側から供給される変換部１３のスイッチング周期Ｔに応じた周波数（スイッチング周波数）の交流電力を変換して２次側に供給する。上記のスイッチング周波数は、商用電力の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対して充分に高い周波数であり、例えば、数ＫＨｚから数１００ＫＨｚ程度の間（周波数範囲）で予め定められる。変圧器１４は、スイッチング周波数を高めるほど小型化できることから、上記の周波数範囲の中でも変換損失に影響がない範囲で上記のスイッチング周波数を高めて、例えば高周波領域の周波数にするとよい。別の観点では、上記のスイッチング周波数を定める場合、可聴領域の周波数を避けて、例えば、２０ＫＨｚを超える周波数領域から選択するとよい。上記のスイッチング周波数を、可聴領域の周波数を避けることにより、共振により生じた騒音や振動の影響を低減できる。変圧器１４は、上記のスイッチング周波数を商用電力の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対して充分に高い周波数（例えば高周波領域の周波数）にすることにより、電力変換損失を少なくできる等の利点がある。 For example, the primary side of the transformer 14 is connected to the output of the conversion unit 13, and the conversion unit 13 drives the primary side of the transformer 14. The transformer 14 is insulated from the primary side and the secondary side, and has a desired withstand voltage. In other words, the transformer 14 insulates the circuit on the load 20 side from the converter 13 and the transformer 14. The transformer 14 converts AC power having a frequency (switching frequency) corresponding to the switching period T of the converter 13 supplied from the primary side and supplies the AC power to the secondary side. The above switching frequency is a sufficiently high frequency with respect to the frequency of commercial power (50 Hz or 60 Hz), and is determined in advance between about several KHz to several hundred KHz (frequency range), for example. Since the transformer 14 can be reduced in size as the switching frequency is increased, the switching frequency may be increased within a range that does not affect the conversion loss in the above frequency range, for example, a frequency in a high frequency region. In another aspect, when the above switching frequency is determined, it is preferable to select from a frequency range exceeding 20 KHz, for example, avoiding the frequency in the audible range. By avoiding the frequency in the audible region from the above switching frequency, it is possible to reduce the influence of noise and vibration caused by resonance. The transformer 14 has an advantage that power conversion loss can be reduced by setting the above switching frequency to a sufficiently high frequency (for example, a frequency in a high frequency region) with respect to the frequency of commercial power (50 Hz or 60 Hz).

変圧器１４の２次側、すなわち変圧器１４より負荷側には整流器１５が設けられている。整流器１５は、変圧器１４から供給される交流を整流する。容量部１６は、整流器１５によって整流された後の電圧を平滑化する。平滑化された後に、変圧器１４を介して供給された電力が直流として負荷２０に供給される。 A rectifier 15 is provided on the secondary side of the transformer 14, that is, on the load side of the transformer 14. The rectifier 15 rectifies the alternating current supplied from the transformer 14. The capacitor unit 16 smoothes the voltage after being rectified by the rectifier 15. After smoothing, the power supplied via the transformer 14 is supplied to the load 20 as a direct current.

制御部５０は、接触器３、昇圧部５、検出部１０、変換部１３等の各部に接続され、それぞれから情報を取得する。そして制御部５０は、各種検知器が検知した情報、上記の各部の状態などの情報に基づいて電力変換装置１００のシーケンス動作を制御する。また制御部５０は、入力されたそれぞれの検出情報に基づいてゲート指令を昇圧部５、変換部１３に出力して、昇圧部５のスイッチング素子６、変換部１３のスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとのスイッチング動作を制御する。 The control part 50 is connected to each part, such as the contactor 3, the pressure | voltage rise part 5, the detection part 10, and the conversion part 13, and acquires information from each. And the control part 50 controls the sequence operation | movement of the power converter device 100 based on the information which various detectors detected, information, such as the state of said each part. Further, the control unit 50 outputs a gate command to the boosting unit 5 and the conversion unit 13 based on the input detection information, and the switching element 6 of the boosting unit 5, the switching element 12 a and the switching element 12 b of the conversion unit 13. And switching operation.

次に、第１の実施形態の電力変換装置１００の起動時の動作について説明する。 Next, the operation | movement at the time of starting of the power converter device 100 of 1st Embodiment is demonstrated.

容量部８は、変換部１３の入力電圧安定化用に設けられている。容量部８は、電力変換装置１００を起動する前は放電されており、端子間電圧がほぼ０Ｖの状態となっている。この状態で電力変換装置１００を起動するために接触器３を投入すると、容量部８の充電が開始される。なお、起動時においては、昇圧部５と変換部１３はスイッチング動作を開始していない。 The capacitor unit 8 is provided for stabilizing the input voltage of the conversion unit 13. The capacitor unit 8 is discharged before the power conversion device 100 is activated, and the voltage between the terminals is approximately 0V. In this state, when the contactor 3 is turned on to start the power conversion apparatus 100, charging of the capacity unit 8 is started. At the time of startup, the booster 5 and the converter 13 have not started a switching operation.

容量部８の充電が始まると、昇圧用リアクトル４により入力電流の大きさが有限の値に制限されるものの、昇圧用リアクトル４と容量部８との間で共振現象が生じる、その結果、入力電流は大きな振幅を持つ振動電流となる。また、容量部８に掛る電圧が振動して、過大な電圧が生じる。 When charging of the capacitor 8 starts, the boosting reactor 4 limits the magnitude of the input current to a finite value, but a resonance phenomenon occurs between the boosting reactor 4 and the capacitor 8. The current becomes an oscillating current having a large amplitude. In addition, the voltage applied to the capacitor unit 8 vibrates and an excessive voltage is generated.

電力変換装置１００では、昇圧部５のスイッチング素子６、容量部８、変換部１３の容量部１１ａと容量部１１ｂの耐圧を電車線電圧Ｅの最大値の２倍にあたる電圧２Ｅ以上に設定して、これらが過電圧によって破壊されることを防止する。変換部１３については後述する。 In the power conversion device 100, the withstand voltage of the switching element 6 of the booster unit 5, the capacitor unit 8, the capacitor unit 11a and the capacitor unit 11b of the converter unit 13 is set to a voltage 2E or more that is twice the maximum value of the train line voltage E. Prevent them from being destroyed by overvoltage. The conversion unit 13 will be described later.

図２は、第１の実施形態の変換部のスイッチング素子の応答性について示す説明図である。同図には、スイッチング素子１２ａのゲート制御信号と電流波形、及び、スイッチング素子１２ｂのゲート制御信号と電流波形とを示すタイミングチャートが示されている。 FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the responsiveness of the switching element of the conversion unit according to the first embodiment. This figure shows a timing chart showing the gate control signal and current waveform of the switching element 12a, and the gate control signal and current waveform of the switching element 12b.

同図の初期状態は、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂが共にオフ状態（非導通状態）にある。例えば、時刻ｔ１においてスイッチング素子１２ａをオン状態（導通状態）に遷移させるゲート制御信号を供給しても、時刻ｔ２までの時間帯（ターンオン時間）ではスイッチング素子１２ａを流れる電流が徐々に増加する。時刻ｔ３においてスイッチング素子１２ａをオフ状態（非導通状態）に遷移させるゲート制御信号を供給しても、時刻ｔ４までの時間帯（ターンオフ時間）ではスイッチング素子１２ａを流れる電流が徐々に減少する。スイッチング素子１２においても、時刻ｔ５から時刻ｔ９までの間で、スイッチング素子１２ａの時刻ｔ１から時刻ｔ５まで動作と同様の動作がみられる。一般に、上記のターンオン時間とターンオフ時間は、高耐圧のスイッチング素子ほど長くなり、応答時間が長くなるという傾向がある。 In the initial state of FIG. 3, both the switching element 12a and the switching element 12b are in an off state (non-conducting state). For example, even when a gate control signal for switching the switching element 12a to the on state (conducting state) is supplied at time t1, the current flowing through the switching element 12a gradually increases in the time zone (turn-on time) up to time t2. Even when a gate control signal for switching the switching element 12a to the off state (non-conduction state) is supplied at time t3, the current flowing through the switching element 12a gradually decreases in the time zone (turn-off time) up to time t4. Also in the switching element 12, the same operation as the operation from the time t1 to the time t5 of the switching element 12a is observed between the time t5 and the time t9. In general, the turn-on time and the turn-off time described above tend to be longer as the switching element has a higher breakdown voltage, and the response time tends to be longer.

そこで、電力変換装置１００では、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂに掛る電圧を低減させて、応答性の良いスイッチング素子を適用することでスイッチング周波数を高めるようにした。 Therefore, in the power conversion device 100, the voltage applied to the switching element 12a and the switching element 12b is reduced, and the switching frequency is improved by applying a switching element with good response.

図３は、第１の実施形態の電力変換装置１００の起動時の動作を示すタイミングチャートである。同図に、昇圧部出力電圧Ｖの変化と、スイッチング素子の制御状態（ＳＷＣＯＮＴ）を示す。 FIG. 3 is a timing chart illustrating an operation at the time of startup of the power conversion apparatus 100 according to the first embodiment. The figure shows the change in the booster output voltage V and the control state (SWCONT) of the switching element.

電力変換装置１００は、電力が供給されていない期間（例えば、時刻ｔ１０までの期間）、及び、時刻ｔ１０に電力の供給が開始されてから下記するように所定の期間が経過するまではスイッチング素子のスイッチングを実施しない。 The power conversion device 100 is a switching element in which no power is supplied (for example, a period up to time t10) and until a predetermined period elapses after power supply is started at time t10 as described below. Switching is not performed.

電力変換装置１００に電力の供給が開始された段階（時刻ｔ１０）で共振電流が発生する。電力変換装置１００の昇圧部５には、昇圧チョッパ回路を構成する整流器７が設けられている。発生した共振電流が整流器７を介して昇圧部５から出力され、容量部８が充電される。容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）は、時刻ｔ１１において共振により生じた最大電圧になる。その最大電圧は、電車線電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅに達する。 A resonance current is generated at the stage (time t10) when the supply of power to the power converter 100 is started. The booster 5 of the power conversion device 100 is provided with a rectifier 7 that constitutes a boost chopper circuit. The generated resonance current is output from the booster 5 via the rectifier 7, and the capacitor 8 is charged. The voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) is the maximum voltage generated by resonance at time t11. The maximum voltage reaches a voltage 2E that is twice the train line voltage E.

時刻ｔ１１を過ぎると、整流器７が逆バイアスになり、整流器７から容量部８に向けて流れる電流が停止する。図１に示したように、電力変換装置１００は、容量部８を放電させる抵抗部９を備えている。この抵抗部９の作用によって、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が低減する。例えば、昇圧部出力電圧Ｖは、容量部８を含む容量成分の容量値と抵抗部９の抵抗値とから算定される時定数の放電特性に従って減衰し、電圧Ｅに漸近する。 After the time t11, the rectifier 7 is reverse-biased, and the current flowing from the rectifier 7 toward the capacitor unit 8 stops. As shown in FIG. 1, the power conversion device 100 includes a resistance unit 9 that discharges the capacitor unit 8. Due to the action of the resistance unit 9, the voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) is reduced. For example, the booster output voltage V attenuates according to the discharge characteristic having a time constant calculated from the capacitance value of the capacitance component including the capacitor unit 8 and the resistance value of the resistor unit 9 and gradually approaches the voltage E.

昇圧部出力電圧Ｖが電車線電圧Ｅ近傍の電圧まで低下してから、変換部１３のスイッチング動作を開始することで、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチング動作時に掛る電圧を低減させることができる。これにより、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとして、電力変換装置１００Ｒを構成するものに対して、スイッチング動作時に掛る電圧を低減することができ、耐圧が比較的低いスイッチング素子を適用できる。 The voltage applied during the switching operation of the switching element 12a and the switching element 12b can be reduced by starting the switching operation of the conversion unit 13 after the booster output voltage V has dropped to a voltage in the vicinity of the train line voltage E. . Thereby, as the switching element 12a and the switching element 12b, the voltage applied at the time of the switching operation can be reduced and the switching element having a relatively low withstand voltage can be applied to the elements constituting the power conversion device 100R.

より具体的な電力変換装置１００の一態様について説明する。スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸは、昇圧部５の入力電圧を規定する電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）より高く、電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）の２倍の電圧（電圧２Ｅ）より低くする。定格電圧ＶＭＡＸとは、スイッチング素子をスイッチとしてみた場合、スイッチの両端に印加することができる電圧の許容値（例えば、最大定格電圧）のことをいう。閾値電圧Ｖｔｈが、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸより低い電圧に予め定められている。制御部５０は、検出部１０により検出された電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が、閾値電圧Ｖｔｈを超えて、その後閾値電圧Ｖｔｈより低下した時刻ｔ１２Ａが過ぎてからスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させるように制御する（ＳＣＯＮＴ参照）。変換部１３は、制御部５０の制御に応じて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始して、同スイッチングにより、昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。 A more specific aspect of the power conversion apparatus 100 will be described. The rated voltage VMAX of the switching element 12a and the switching element 12b is higher than the train line voltage E (reference input voltage) that defines the input voltage of the booster 5, and is twice the voltage (voltage) of the train line voltage E (reference input voltage). 2E). The rated voltage VMAX refers to an allowable value (for example, a maximum rated voltage) of a voltage that can be applied to both ends of the switch when the switching element is viewed as a switch. The threshold voltage Vth is set to a voltage lower than the rated voltage VMAX of the switching elements 12a and 12b. The control unit 50 determines whether the switching element 12a and the switching element 12b have passed after the time t12A when the voltage (boost unit output voltage V) detected by the detection unit 10 exceeds the threshold voltage Vth and then drops below the threshold voltage Vth. Control to start switching (refer to SCONT). The conversion unit 13 starts switching of the switching element 12a and the switching element 12b according to the control of the control unit 50, and converts the output voltage of the boosting unit 5 into an AC voltage by the switching, to the transformer 14 Supply.

上記のとおり、電力変換装置１００の変換部１３は、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００は、変圧器１４の小型化、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。 As described above, the conversion unit 13 of the power conversion device 100 functions as an inverter that can output a high frequency of a desired frequency (switching frequency). The transformer 14 can convert high-frequency power. The power conversion device 100 makes it possible to reduce the size of the transformer 14 and the electric vehicle system 1 and the power conversion device 100.

さらに、変換部１３におけるスイッチング動作による容量部８の電圧変動の周波数成分は、スイッチング素子のスイッチング周波数（高周波）を基本波とする周波数成分になる。容量部８は周波数が高いほどインピーダンスが低くなることにより、上記の電圧変動の成分の影響を低減させるのに必要な容量を少なくできる。これにより、電力変換装置１００は、容量部８の小型化、ひいては、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。 Furthermore, the frequency component of the voltage fluctuation of the capacitor unit 8 due to the switching operation in the conversion unit 13 becomes a frequency component having the fundamental frequency of the switching frequency (high frequency) of the switching element. Since the capacitor 8 has a lower impedance as the frequency is higher, the capacitance required to reduce the influence of the voltage fluctuation component can be reduced. As a result, the power conversion device 100 makes it possible to reduce the size of the capacity unit 8, and thus to reduce the size of the electric vehicle system 1 and the power conversion device 100.

なお、電力変換装置１００は、接触器３を投入するとき（起動時）に生じる共振を防止するための充電抵抗器を備えていない。充電抵抗器がないことが共振を発生する要因となっているが、電力変換装置１００は、起動時の過電圧を許容できるように構成されている。電力変換装置１００は、充電抵抗器を備えることなく構成を簡略化することができ、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。 In addition, the power converter device 100 is not provided with the charging resistor for preventing the resonance which arises when throwing in the contactor 3 (at the time of starting). The absence of the charging resistor is a factor causing resonance, but the power conversion device 100 is configured to allow overvoltage at the time of startup. The configuration of the power conversion device 100 can be simplified without providing a charging resistor, and the electric vehicle system 1 and the power conversion device 100 can be reduced in size.

本実施形態に係る電力変換装置１００をより具体的なシステムに適用した場合の効果について説明する。直流電化方式における電車線電圧Ｅとして、７５０Ｖまたは１５００Ｖが適用される。電車線電圧Ｅの許容電圧変動幅を加味すると、それぞれの上限電圧が９００Ｖまたは１８００Ｖになる。上記の上限電圧が昇圧部５の入力電圧になった場合に、容量部８の端子電圧がそれぞれ１８００Ｖまたは３６００Ｖに達する。容量部８の端子電圧がそれぞれ１８００Ｖまたは３６００Ｖにある状態で昇圧部５と変換部１３とにおけるスイッチングを実施する場合には、各スイッチング素子に、それぞれ１８００Ｖまたは３６００Ｖ以上の定格電圧ＶＭＡＸが必要になる。 An effect when the power conversion device 100 according to the present embodiment is applied to a more specific system will be described. 750V or 1500V is applied as the train line voltage E in the DC electrification method. When the allowable voltage fluctuation range of the train line voltage E is taken into consideration, the respective upper limit voltages are 900V or 1800V. When the upper limit voltage becomes the input voltage of the booster 5, the terminal voltage of the capacitor 8 reaches 1800V or 3600V, respectively. When switching is performed in the booster 5 and the converter 13 in a state where the terminal voltage of the capacitor 8 is 1800 V or 3600 V, a rated voltage VMAX of 1800 V or 3600 V or more is required for each switching element. .

ところで、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などの一般的なスイッチング素子には、段階的な最大定格電圧（定格電圧ＶＭＡＸ）が設定されている。例えば、上記の電圧範囲の場合、スイッチング素子の最大定格電圧は、１７００Ｖまたは３３００Ｖまたは４５００Ｖである。 By the way, general switching elements such as IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and power MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) have a stepwise maximum rated voltage (rated voltage). VMAX) is set. For example, in the above voltage range, the maximum rated voltage of the switching element is 1700V, 3300V, or 4500V.

ここで、参考例の電力変換装置１００Ｒを搭載した電気車システム１Ｒを例示して説明する。図４は、参考例の電力変換装置１００Ｒを搭載した電気車システム１Ｒの概略構成図である。電力変換装置１００Ｒは、電力変換装置１００（図１）に関連するものである。電力変換装置１００Ｒには、電力変換装置１００と相違する点として抵抗部９が設けられていない点と後述するように変換部１３Ｒの特性が変換部１３の特性と異なる点と変圧器１４Ｒの特性が変圧器１４の特性と異なる点等の相違点がある。電力変換装置１００と同じ構成には同じ符号を附す。 Here, an electric vehicle system 1R equipped with the power conversion device 100R of the reference example will be described as an example. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle system 1R equipped with a power conversion device 100R of a reference example. The power conversion device 100R is related to the power conversion device 100 (FIG. 1). The power conversion device 100R is different from the power conversion device 100 in that the resistance unit 9 is not provided, the characteristics of the conversion unit 13R are different from the characteristics of the conversion unit 13 and the characteristics of the transformer 14R as described later. Are different from the characteristics of the transformer 14. The same components as those of the power converter 100 are denoted by the same reference numerals.

図５は、参考例の電力変換装置１００Ｒの起動時における昇圧部出力電圧Ｖの変化を示す模式図である。電力変換装置１００Ｒに電力の供給が開始された段階（時刻ｔ１０）で共振電流が発生する。電力変換装置１００Ｒの昇圧部５には、昇圧チョッパ回路を構成する整流器７が設けられている。発生した共振電流が整流器７を介して昇圧部５から出力され、容量部８が充電される。容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）は、時刻ｔ１１において共振により生じた最大電圧になる。その最大電圧は、電車線電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅに達する。なお、この整流器７の作用によって、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）がそのまま保持される。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a change in the booster output voltage V when the power conversion device 100R of the reference example is started. A resonance current is generated at the stage (time t10) when the supply of power to the power conversion device 100R is started. The booster 5 of the power conversion device 100R is provided with a rectifier 7 constituting a boost chopper circuit. The generated resonance current is output from the booster 5 via the rectifier 7, and the capacitor 8 is charged. The voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) is the maximum voltage generated by resonance at time t11. The maximum voltage reaches a voltage 2E that is twice the train line voltage E. Note that, by the action of the rectifier 7, the voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) is held as it is.

電力変換装置１００Ｒでは、抵抗部９を設けていないことにより、昇圧部出力電圧Ｖが高い電圧（電圧２Ｅ）に保持される。昇圧部５のスイッチング素子６、容量部８、変換部１３Ｒの容量部１１ａと容量部１１ｂ、スイッチング素子１２Ｒａとスイッチング素子１２Ｒｂの耐圧（定格電圧ＶＭＡＸ）を電車線電圧Ｅの最大値の２倍にあたる電圧２Ｅ以上のものにして、これらが過電圧によって破壊されることを防止する。 In the power conversion device 100R, since the resistor 9 is not provided, the booster output voltage V is held at a high voltage (voltage 2E). The withstand voltage (rated voltage VMAX) of the switching element 6 of the boosting unit 5, the capacitor unit 8, the capacitor unit 11a and the capacitor unit 11b of the conversion unit 13R, and the switching element 12Ra and the switching element 12Rb is twice the maximum value of the train line voltage E. The voltage is set to 2E or higher to prevent them from being destroyed by overvoltage.

ところで、上記のように変換部１３Ｒのスイッチング素子１２Ｒａとスイッチング素子１２Ｒｂの耐圧を単に高めるだけでは、変換部１３Ｒのスイッチング周波数を十分に高めることができないことがある。変圧器１４Ｒは、変換部１３Ｒのスイッチング周波数に応じたものになる。 By the way, the switching frequency of the conversion unit 13R may not be sufficiently increased by simply increasing the breakdown voltage of the switching element 12Ra and the switching element 12Rb of the conversion unit 13R as described above. The transformer 14R corresponds to the switching frequency of the conversion unit 13R.

一般に、変換部１３Ｒのスイッチング周波数を高めるほど、変圧器１４Ｒをより小型にすることができる。上記の電力変換装置１００Ｒでは、変換部１３Ｒのスイッチング周波数を十分に高めることができない場合には、より小型の変圧器１４Ｒにすることが困難になる。 Generally, the transformer 14R can be made smaller as the switching frequency of the converter 13R is increased. In the above power conversion device 100R, when the switching frequency of the conversion unit 13R cannot be sufficiently increased, it becomes difficult to make the transformer 14R smaller.

電力変換装置１００Ｒと電力変換装置１００とを対比して、具体的な電車線電圧Ｅを適用した場合について説明する。
電力変換装置１００Ｒにおける電車線電圧Ｅを７５０Ｖまたは１５００Ｖとする場合、電力変換装置１００Ｒの各スイッチング素子には、スイッチング素子の最大定格電圧がそれぞれ３３００Ｖまたは４５００Ｖのものを適用する。
一方、電力変換装置１００における電車線電圧Ｅを７５０Ｖまたは１５００Ｖとする場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂには、スイッチング素子の最大定格電圧がそれぞれ１７００Ｖまたは３３００Ｖのものを適用する。
上記のとおり、電力変換装置１００であれば、最大定格電圧が比較的低いスイッチング素子を適用することができる。一般に、スイッチング素子の最大定格電圧が低いものほど、スイッチング周波数を高めることができる。これにより、電力変換装置１００は、上述したとおりスイッチング周波数を高めることが可能になる。このことから、変換部１３のスイッチング周波数を変換部１３Ｒのスイッチング周波数より高めて、この変圧器１４を変圧器１４Ｒより小型にすることができる。また、最大定格電圧が比較的低いスイッチング素子は、最大定格電圧が高いスイッチング素子よりも小型である。このように、電力変換装置１００は、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。 A case where a specific train line voltage E is applied in comparison between the power conversion device 100R and the power conversion device 100 will be described.
When the train line voltage E in the power conversion device 100R is set to 750V or 1500V, the switching device of the power conversion device 100R having a maximum rated voltage of 3300V or 4500V is applied.
On the other hand, when the train line voltage E in the power converter 100 is set to 750 V or 1500 V, the switching element 12a and the switching element 12b having a maximum rated voltage of 1700 V or 3300 V, respectively, are applied.
As described above, in the power conversion device 100, a switching element having a relatively low maximum rated voltage can be applied. Generally, the switching frequency can be increased as the maximum rated voltage of the switching element is lower. As a result, the power conversion device 100 can increase the switching frequency as described above. From this, the switching frequency of the conversion part 13 can be made higher than the switching frequency of the conversion part 13R, and this transformer 14 can be made smaller than the transformer 14R. In addition, a switching element with a relatively low maximum rated voltage is smaller than a switching element with a high maximum rated voltage. As described above, the power conversion device 100 makes it possible to reduce the size of the transformer 14, and thus to reduce the size of the electric vehicle system 1 and the power conversion device 100.

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態の電力変換装置１００の一態様の制御部５０は、検出部１０により検出された電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が、閾値電圧Ｖｔｈを超えて、その後閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧に低下した場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させる。
上記の変形例として、次のように構成してもよい。 (Modification of the first embodiment)
In the control unit 50 according to one aspect of the power conversion apparatus 100 of the first embodiment, the voltage (boost unit output voltage V) detected by the detection unit 10 exceeds the threshold voltage Vth and is subsequently lower than the threshold voltage Vth. When the voltage drops, switching of the switching element 12a and the switching element 12b is started.
As a modification of the above, the following configuration may be adopted.

例えば、制御部５０は、昇圧部５に入力電圧が印加されたことを、接触器３の状態から検知する。接触器３が導通状態となった段階で、昇圧部５に電圧が印加されたと見なすことができる。接触器３と制御部５０を合わせたものが、「印加検知部５１」の一例である。制御部５０は、印加検知部５１により昇圧部５に入力電圧が印加されたことが検知された後、検出部１０により検出された電圧が、閾値電圧Ｖｔｈよりも高い電圧から閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧に低下した場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させるように制御する。変換部１３は、制御部５０の制御に応じて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始して、同スイッチングにより、昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。 For example, the control unit 50 detects from the state of the contactor 3 that an input voltage has been applied to the boosting unit 5. It can be considered that a voltage is applied to the booster 5 when the contactor 3 becomes conductive. A combination of the contactor 3 and the control unit 50 is an example of the “application detection unit 51”. After the controller 50 detects that the input voltage is applied to the booster 5 by the application detector 51, the voltage detected by the detector 10 is higher than the threshold voltage Vth and is higher than the threshold voltage Vth. When the voltage drops to a low voltage, control is performed so as to start switching of the switching element 12a and the switching element 12b. The conversion unit 13 starts switching of the switching element 12a and the switching element 12b according to the control of the control unit 50, and converts the output voltage of the boosting unit 5 into an AC voltage by the switching, to the transformer 14 Supply.

上記のとおり、本変形例による電力変換装置１００の変換部１３は、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００は、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。 As described above, the conversion unit 13 of the power conversion device 100 according to the present modification functions as an inverter that can output a high frequency having a desired frequency (switching frequency). The transformer 14 can convert high-frequency power. The power conversion device 100 makes it possible to reduce the size of the transformer 14, and thus to reduce the size of the electric vehicle system 1 and the power conversion device 100.

（第２の実施形態）
第２の実施形態の電力変換装置１００Ａは、検出部（検出部１０）を備えない点で第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。 (Second Embodiment)
The power conversion device 100A of the second embodiment is different from the first embodiment in that it does not include a detection unit (detection unit 10). Parts that are the same as or similar to those in the first embodiment are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.

図６は、第２の実施形態の電力変換装置１００Ａを搭載した電気車システム１Ａの概略構成図である。
電力変換装置１００Ａは、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３と、制御部５０Ａとを備える。電力変換装置１００Ａは、さらに変圧器１４と、整流器１５と容量部１６とを備えていてもよい。同図では、電気車の車輪Ｗを駆動するのに必要な電力を生成する電力変換装置については図示しておらず、空調装置等のより低電圧な装置に電力を供給するための構成を示している。 FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle system 1A equipped with the power conversion device 100A of the second embodiment.
The power conversion device 100A includes a booster 5, a capacitor 8, a resistor 9, a converter 13, and a controller 50A. The power conversion device 100A may further include a transformer 14, a rectifier 15, and a capacitor unit 16. In the figure, a power conversion device that generates power necessary to drive the wheels W of the electric car is not shown, and a configuration for supplying power to a lower voltage device such as an air conditioner is shown. ing.

制御部５０Ａは、接触器３、昇圧部５、変換部１３等の各部に接続され、それぞれから情報を取得する。そして制御部５０Ａは、各種検知器が検知した情報、上記の各部の状態などの情報に基づいて電力変換装置１００Ａのシーケンス動作を制御する。また制御部５０Ａは、入力されたそれぞれの検出情報に基づいてゲート指令を昇圧部５、変換部１３に出力して、昇圧部５のスイッチング素子６、変換部１３のスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとのスイッチング動作を制御する。 The control unit 50A is connected to each unit such as the contactor 3, the boosting unit 5, and the conversion unit 13, and acquires information from each unit. And control part 50A controls sequence operation of power converter 100A based on information which various detectors detected, information, such as a state of each above-mentioned part. Further, the control unit 50A outputs a gate command to the boosting unit 5 and the conversion unit 13 based on the input detection information, and the switching element 6 of the boosting unit 5, the switching element 12a and the switching element 12b of the conversion unit 13. And switching operation.

図７は、第２の実施形態の電力変換装置１００Ａの起動時の動作を示すタイミングチャートである。同図に、昇圧部出力電圧Ｖの変化と、スイッチング素子の制御状態（ＳＷＣＯＮＴ）を示す。 FIG. 7 is a timing chart illustrating an operation at the time of startup of the power conversion device 100A of the second embodiment. The figure shows the change in the booster output voltage V and the control state (SWCONT) of the switching element.

電力変換装置１００Ａは、電力が供給されていない期間（例えば、時刻ｔ１０までの期間）、及び、時刻ｔ１０に電力の供給が開始されてから所定の期間が経過するまではスイッチング素子のスイッチングを実施しない。 The power conversion device 100A performs switching of the switching element until a predetermined period elapses after the period when the power is not supplied (for example, the period until the time t10) and the start of the power supply at the time t10. do not do.

電力変換装置１００Ａに電力の供給が開始された段階（時刻ｔ１０）で共振電流が発生する。電力変換装置１００Ａの昇圧部５には、昇圧チョッパ回路を構成する整流器７が設けられている。発生した共振電流が整流器７を介して昇圧部５から出力され、容量部８が充電される。容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）は、時刻ｔ１１において共振により生じた最大電圧になる。その最大電圧は、電車線電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅに達する。 A resonance current is generated at the stage (time t10) when the supply of power to the power converter 100A is started. The booster 5 of the power conversion device 100A is provided with a rectifier 7 that constitutes a boost chopper circuit. The generated resonance current is output from the booster 5 via the rectifier 7, and the capacitor 8 is charged. The voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) is the maximum voltage generated by resonance at time t11. The maximum voltage reaches a voltage 2E that is twice the train line voltage E.

時刻ｔ１１を過ぎると、整流器７が逆バイアスになり、整流器７から容量部８に向けて流れる電流が停止する。図６に示したように、電力変換装置１００Ａは、容量部８を放電させる抵抗部９を備えている。この抵抗部９の作用によって、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が低減する。例えば、昇圧部出力電圧Ｖは、容量部８を含む容量成分の容量値と抵抗部９の抵抗値とから算定される時定数の放電特性に従って減衰し、電圧Ｅに漸近する。 After the time t11, the rectifier 7 is reverse-biased, and the current flowing from the rectifier 7 toward the capacitor unit 8 stops. As illustrated in FIG. 6, the power conversion device 100 </ b> A includes a resistance unit 9 that discharges the capacitor unit 8. Due to the action of the resistance unit 9, the voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) is reduced. For example, the booster output voltage V attenuates according to the discharge characteristic having a time constant calculated from the capacitance value of the capacitance component including the capacitor unit 8 and the resistance value of the resistor unit 9 and gradually approaches the voltage E.

そこで、昇圧部出力電圧Ｖが電車線電圧Ｅ近傍の電圧まで低下してから、変換部１３の運転を開始することで、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチング動作時に掛る電圧を低減させることができる。これにより、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとして、電力変換装置１００Ｒ（図２）を構成するものに対して、スイッチング動作時に掛る電圧（耐圧）を比較的低いものにできる。 Therefore, the voltage applied during the switching operation of the switching element 12a and the switching element 12b can be reduced by starting the operation of the converter 13 after the booster output voltage V has dropped to a voltage in the vicinity of the train line voltage E. it can. Thereby, as the switching element 12a and the switching element 12b, the voltage (withstand voltage) applied at the time of the switching operation can be made relatively low as compared with that constituting the power conversion device 100R (FIG. 2).

より具体的な電力変換装置１００Ａの一態様について説明する。
スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸは、昇圧部５の入力電圧を規定する電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）より高く、電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）の２倍の電圧（電圧２Ｅ）より低くする。 A more specific aspect of the power conversion device 100A will be described.
The rated voltage VMAX of the switching element 12a and the switching element 12b is higher than the train line voltage E (reference input voltage) that defines the input voltage of the booster 5, and is twice the voltage (voltage) of the train line voltage E (reference input voltage). 2E).

制御部５０Ａは、昇圧部５に昇圧部出力電圧Ｖ（入力電圧）が印加されことを、接触器３の状態から検知する。接触器３が導通状態となった段階で、昇圧部５に電圧が印加されたと見なすことができる。接触器３と制御部５０Ａを合わせたものが、「印加検知部５１Ａ」の一例である。制御部５０Ａは、印加検知部５１Ａにより昇圧部５に入力電圧が印加されたことが検知された後、予め定められた時間Ｔｄが経過した場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させるように制御する（ＳＣＯＮＴ参照）。変換部１３は、制御部５０Ａの制御に応じて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始して、同スイッチングにより、昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。 The controller 50 </ b> A detects from the state of the contactor 3 that the booster output voltage V (input voltage) is applied to the booster 5. It can be considered that a voltage is applied to the booster 5 when the contactor 3 becomes conductive. A combination of the contactor 3 and the control unit 50A is an example of the “application detection unit 51A”. The control unit 50A starts switching between the switching element 12a and the switching element 12b when a predetermined time Td has elapsed after the application detection unit 51A detects that the input voltage has been applied to the boosting unit 5. (Refer to SCONT). The conversion unit 13 starts switching of the switching element 12a and the switching element 12b according to the control of the control unit 50A, and converts the output voltage of the boosting unit 5 into an AC voltage by the switching, to the transformer 14 Supply.

上記の時間Ｔｄの定め方の一例について説明する。例えば、時間Ｔｄは、時間Ｔｄ１と時間Ｔｄ２とに分けて規定してもよい。時間Ｔｄ１は、電力変換装置１００Ａに電力の供給が開始された時刻ｔ１０を起点にして、共振により容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が最大電圧になる時刻ｔ１１までの時間にする。時間Ｔｄ２は、時刻ｔ１１を起点にして、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）がスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸより低い電圧に低下する時間Ｔｄｒｅｆを超える時間（時刻ｔ１２Ｂ）にする。 An example of how to determine the time Td will be described. For example, the time Td may be defined separately for the time Td1 and the time Td2. The time Td1 is a time from the time t10 when the supply of power to the power converter 100A is started as a starting point until a time t11 at which the voltage (boost output voltage V) applied to the capacitor 8 due to resonance becomes the maximum voltage. . The time Td2 starts from the time t11 and exceeds the time Tdref (time t12B) when the voltage applied to the capacitor unit 8 (boost unit output voltage V) drops to a voltage lower than the rated voltage VMAX of the switching elements 12a and 12b. ).

上記のとおり、第２の実施形態による電力変換装置１００Ａの変換部１３は、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００Ａは、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１Ａ並びに電力変換装置１００Ａの小型化を実現することを可能にする。 As described above, the conversion unit 13 of the power conversion device 100A according to the second embodiment functions as an inverter that can output a high frequency of a desired frequency (switching frequency). The transformer 14 can convert high-frequency power. The power conversion device 100A makes it possible to reduce the size of the transformer 14, and thus to reduce the size of the electric vehicle system 1A and the power conversion device 100A.

（第３の実施形態）
第３の実施形態の電力変換装置１００Ｂは、変換部１３Ｂの構成が第１の実施形態の変換部１３と異なっている。第１の実施形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。 (Third embodiment)
In the power conversion device 100B of the third embodiment, the configuration of the conversion unit 13B is different from the conversion unit 13 of the first embodiment. Parts that are the same as or similar to those in the first embodiment are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.

図８は、第３の実施形態の電力変換装置１００Ｂを搭載した電気車システム１Ｂの概略構成図である。同図では、電気車の車輪Ｗを駆動するのに必要な電力を生成する電力変換装置については図示しておらず、空調装置等のより低電圧な装置に電力を供給するための構成を示している。
電力変換装置１００Ｂは、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３Ｂと、制御部５０とを備える。電力変換装置１００Ｂは、さらに変圧器１４と、整流器１５と容量部１６とを備えていてもよい。なお、電力変換装置１００Ｂの構成に応じて、変圧器１４と、整流器１５と、容量部１６との一部または全部を負荷２０が備えていてもよい。 FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle system 1B equipped with the power conversion device 100B of the third embodiment. In the figure, a power conversion device that generates power necessary to drive the wheels W of the electric car is not shown, and a configuration for supplying power to a lower voltage device such as an air conditioner is shown. ing.
The power conversion device 100B includes a booster 5, a capacitor 8, a resistor 9, a converter 13B, and a controller 50. The power conversion device 100B may further include a transformer 14, a rectifier 15, and a capacitor unit 16. Depending on the configuration of the power conversion device 100B, the load 20 may include some or all of the transformer 14, the rectifier 15, and the capacitor unit 16.

変換部１３Ｂは、昇圧部５から供給された直流電力を、制御部５０から入力された制御信号（例えばＰＷＭ:Pulse Width Modulation）に基づいて、所望の周波数や電圧などの単相交流に変換して出力する。例えば、変換部１３は、スイッチング素子１２ａと、スイッチング素子１２ｂと、スイッチング素子１２ｃと、スイッチング素子１２ｄとを備える。この変換部１３は、単相のフルブリッジ型のインバータである。変換部１３Ｂは、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂスイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄとを規定の周期（スイッチング周期Ｔ）でスイッチングさせることにより昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。例えば、交流電圧は、ＰＷＭのＤｕｔｙの調整によって調整される。なお、変換部１３Ｂは、制御部５０からの制御（ＳＷＣＯＮＴ）を受けて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとスイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄのスイッチングを停止する場合がある。 The converter 13B converts the DC power supplied from the booster 5 into single-phase AC such as a desired frequency or voltage based on a control signal (for example, PWM: Pulse Width Modulation) input from the controller 50. Output. For example, the conversion unit 13 includes a switching element 12a, a switching element 12b, a switching element 12c, and a switching element 12d. The conversion unit 13 is a single-phase full-bridge inverter. The conversion unit 13B converts the output voltage of the boosting unit 5 into an AC voltage by switching the switching element 12a, the switching element 12b, the switching element 12c, and the switching element 12d at a predetermined period (switching period T). 14. For example, the AC voltage is adjusted by adjusting the duty of PWM. The conversion unit 13B may stop switching of the switching element 12a, the switching element 12b, the switching element 12c, and the switching element 12d in response to the control (SWCONT) from the control unit 50.

例えば、変換部１３Ｂの出力に、変圧器１４の１次側が接続されており、変換部１３Ｂは、変圧器１４の１次側を駆動する。変圧器１４は、１次側と２次側が絶縁されており、所望の絶縁耐圧性を有する。換言すれば、変圧器１４は、変換部１３Ｂと変圧器１４より負荷２０側の回路を絶縁する。 For example, the primary side of the transformer 14 is connected to the output of the conversion unit 13B, and the conversion unit 13B drives the primary side of the transformer 14. The transformer 14 is insulated from the primary side and the secondary side, and has a desired withstand voltage. In other words, the transformer 14 insulates the circuit on the load 20 side from the converter 13B and the transformer 14.

なお、スイッチング動作開始後に、変換部１３Ｂを駆動するゲート制御信号は、一般的なフルブリッジ型のインバータの制御信号に準じたものでよい。なお、第１の実施形態または第２の実施形態に示した変換部１３のスイッチング動作の開始時刻を制御する方法と同様の方法で、制御部５０Ｂは、変換部１３Ｂのスイッチング動作の開始時刻を制御してもよい。 Note that the gate control signal for driving the conversion unit 13B after the start of the switching operation may be based on a control signal of a general full-bridge inverter. Note that the control unit 50B sets the start time of the switching operation of the conversion unit 13B in the same manner as the method for controlling the start time of the switching operation of the conversion unit 13 shown in the first embodiment or the second embodiment. You may control.

上記のとおり、第３の実施形態による電力変換装置１００Ｂの変換部１３Ｂは、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００Ｂは、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１Ｂ並びに電力変換装置１００Ｂの小型化を実現することを可能にする。 As described above, the conversion unit 13B of the power conversion device 100B according to the third embodiment functions as an inverter that can output a high frequency of a desired frequency (switching frequency). The transformer 14 can convert high-frequency power. The power conversion device 100B makes it possible to reduce the size of the transformer 14, and thus to reduce the size of the electric vehicle system 1B and the power conversion device 100B.

なお、変換部１３Ｂの各スイッチング素子に掛る電圧は、前述の変換部１３の各スイッチング素子に掛る電圧の半分になる。これにより、更に耐圧が小さなスイッチング素子を適用できれば、スイッチング周波数をさらに高めることが可能になる。 Note that the voltage applied to each switching element of the conversion unit 13B is half of the voltage applied to each switching element of the conversion unit 13 described above. Thereby, if a switching element having a smaller breakdown voltage can be applied, the switching frequency can be further increased.

上記各実施形態では、制御部５０と制御部５０Ａと制御部５０Ｂと制御部５０Ｒはソフトウェア機能部であってもよく、ＬＳＩ等のハードウェア機能部であってもよい。 In the above embodiments, the control unit 50, the control unit 50A, the control unit 50B, and the control unit 50R may be software function units or hardware function units such as LSI.

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３と、検出部１０と、制御部５０（５０Ａ、５０Ｂ）とを持つことにより、電力変換装置１００の小型化を実現することができる電力変換装置１００を提供することができる。 According to at least one embodiment described above, by having the booster 5, the capacitor 8, the resistor 9, the converter 13, the detector 10, and the controller 50 (50A, 50B). In addition, it is possible to provide the power conversion device 100 that can achieve downsizing of the power conversion device 100.

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…電気車システム、２…集電器、３…遮断器、４…昇圧用リアクトル、５…昇圧部、６…スイッチング素子、７…整流器、８…容量部、９…抵抗部、１１ａ、１１ｂ…容量部、１２ａ、１２ｂ…スイッチング素子、１３…変換部、１４…変圧器、１５…整流器、１６…容量部、５０…制御部、１００…電力変換装置、Ｐ…架線、Ｒ…線路、Ｗ…車輪 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electric vehicle system, 2 ... Current collector, 3 ... Circuit breaker, 4 ... Boosting reactor, 5 ... Boosting part, 6 ... Switching element, 7 ... Rectifier, 8 ... Capacitance part, 9 ... Resistance part, 11a, 11b ... Capacity part, 12a, 12b ... Switching element, 13 ... Conversion part, 14 ... Transformer, 15 ... Rectifier, 16 ... Capacity part, 50 ... Control part, 100 ... Power converter, P ... Overhead wire, R ... Line, W ... Wheel

Claims

昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧部と、
前記昇圧部の出力側に設けられた容量部と、
前記昇圧部の出力側に設けられた抵抗部と、
前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電圧より低い定格電圧の複数のスイッチング素子を備え、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する変換部と、
前記昇圧部の出力電圧を検出する検出部と、
前記検出部により検出された電圧が、前記定格電圧より低い電圧に予め定められた閾値電圧を超えた後、前記閾値電圧よりも低い電圧に低下した場合に、前記スイッチング素子のスイッチングを開始させる制御部と
を備える電力変換装置。 A boosting unit including a boosting reactor and boosting an input voltage to generate an output voltage;
A capacitor provided on the output side of the booster;
A resistor provided on the output side of the booster;
A plurality of switching elements having a rated voltage higher than a reference input voltage defining an input voltage of the boosting unit and lower than a voltage twice the reference input voltage, and the output voltage of the boosting unit is switched by the switching of the plurality of switching elements; A converter that converts the AC voltage into an AC voltage and supplies it to the transformer;
A detector for detecting an output voltage of the booster;
Control that starts switching of the switching element when the voltage detected by the detection unit drops below a threshold voltage after exceeding a predetermined threshold voltage to a voltage lower than the rated voltage And a power converter.

昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧部と、
前記昇圧部の出力側に設けられた容量部と、
前記昇圧部の出力側に設けられた抵抗部と、
前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電圧より低い定格電圧の複数のスイッチング素子を備え、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する変換部と、
前記昇圧部の出力電圧を検出する検出部と、
前記昇圧部に入力電圧が印加されたことを検知する印加検知部と、
前記印加検知部により前記昇圧部に入力電圧が印加されたことが検知された後、前記検出部により検出された電圧が、前記定格電圧より低い電圧に予め定められた閾値電圧よりも高い電圧から前記閾値電圧より低い電圧に低下した場合、前記スイッチング素子のスイッチングを開始させる制御部と
を備える電力変換装置。 A boosting unit including a boosting reactor and boosting an input voltage to generate an output voltage;
A capacitor provided on the output side of the booster;
A resistor provided on the output side of the booster;
A plurality of switching elements having a rated voltage higher than a reference input voltage defining an input voltage of the boosting unit and lower than a voltage twice as high as the reference input voltage; A converter that converts the AC voltage into an AC voltage and supplies it to the transformer;
A detector for detecting an output voltage of the booster;
An application detector for detecting that an input voltage is applied to the booster;
After the application detection unit detects that the input voltage is applied to the boosting unit, the voltage detected by the detection unit is higher than a predetermined threshold voltage that is lower than the rated voltage. And a control unit that starts switching of the switching element when the voltage drops to a voltage lower than the threshold voltage.

昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧部と、
前記昇圧部の出力側に設けられた容量部と、
前記昇圧部の出力側に設けられた抵抗部と、
前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電圧より低い定格電圧の複数のスイッチング素子を備え、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する変換部と、
前記昇圧部に入力電圧が印加されたことを検知する印加検知部と、
前記印加検知部により前記昇圧部に入力電圧が印加されたことが検知されてから予め定められた時間が経過した場合、前記スイッチング素子のスイッチングを開始させる制御部と
を備える電力変換装置。 A boosting unit including a boosting reactor and boosting an input voltage to generate an output voltage;
A capacitor provided on the output side of the booster;
A resistor provided on the output side of the booster;
A plurality of switching elements having a rated voltage higher than a reference input voltage defining an input voltage of the boosting unit and lower than a voltage twice the reference input voltage, and the output voltage of the boosting unit is switched by the switching of the plurality of switching elements; A converter that converts the AC voltage into an AC voltage and supplies it to the transformer;
An application detector for detecting that an input voltage is applied to the booster;
A power conversion device comprising: a control unit that starts switching of the switching element when a predetermined time has elapsed since the application detection unit detected that an input voltage was applied to the boosting unit.

前記変換部より負荷側に設けられ、前記変換部と前記負荷側の回路とを絶縁するとともに、前記スイッチングの周波数で供給される電力を変換する変圧器
を備え、
前記変換部の前記複数のスイッチング素子は、
ハーフブリッジ型またはフルブリッジ型に接続され、前記変圧器を駆動する
請求項１から請求項３の何れかに記載の電力変換装置。 A transformer provided on the load side from the conversion unit, insulating the conversion unit and the circuit on the load side, and converting power supplied at the switching frequency;
The plurality of switching elements of the conversion unit are:
The power converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the power converter is connected to a half-bridge type or a full-bridge type to drive the transformer.