JPWO2013161045A1 - 3レベル電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の部分回路図であり、鉄道車両に用いて好適な3レベル電力変換装置における直流回路部分と電力変換回路部の一部分の構成を図示している。この3レベル電力変換装置では、図1に示すように、3つの2素子入り4端子パワーモジュール1a〜1cが設けられている。具体的に説明すると、3レベル電力変換装置の構成において、最上位電位側の外側に位置するスイッチング素子10aおよび上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子12aを第1の組、最下位電位側の外側に位置するスイッチング素子12bおよび下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子10bを第2の組、中間に位置する2つの内側スイッチング素子10c,12cを第3の組として区分し、第1の組を2素子入り4端子パワーモジュール1aにて構成し、第2の組を2素子入り4端子パワーモジュール1bにて構成し、第3の組を2素子入り4端子パワーモジュール1cにて構成している。なお、スイッチング素子12a,10bは、それぞれが常時OFFとされ、ダイオード(すなわち一方向性素子)としてしか機能しないスイッチング素子である。
図5は、実施の形態2で使用する2素子入りパワーモジュールの回路図であり、図6は、実施の形態2に係る3レベル電力変換装置の部分回路図である。実施の形態1に係る3レベル電力変換装置では、パワーモジュール1aにおけるスイッチング素子12aとパワーモジュール1bにおけるスイッチング素子10bを常時OFFとする実施態様により、3レベル電力変換装置を構成するパワーモジュール1a〜1cを全て同一のパワーモジュール1(図2参照)を用いて構成していた。一方、実施の形態2の3レベル電力変換装置は、図2に示すパワーモジュール1と図5に示すパワーモジュール2を用いて構成したものである。
図7は、実施の形態3,4で使用する2素子入りパワーモジュールの回路構成のラインナップを示す図である。より詳細に説明すると、図7(a)は、実施の形態3,4の3レベル電力変換装置で使用する2素子入りパワーモジュールであり、図7(b),(c)は実施の形態4のみで使用する2素子入りパワーモジュールである。なお、図7(b),(c)の2素子入りパワーモジュールについては、実施の形態4の項で説明する。
図10は、実施の形態4に係る3レベル電力変換装置の部分回路図である。実施の形態3に係る3レベル電力変換装置では、2素子入り3端子パワーモジュールを用いる構成とした上で、パワーモジュール3aにおけるスイッチング素子32aとパワーモジュール3bにおけるスイッチング素子30bを常時OFFとする実施態様により、3レベル電力変換装置を構成するパワーモジュール3a〜3cを全て同一のパワーモジュール3(図7(a)参照)を用いて構成していた。一方、実施の形態4の3レベル電力変換装置は、図7(a)に示すパワーモジュール3に加えて、図7(b)に示すパワーモジュール4および図7(c)に示すパワーモジュール5を用いて構成したものである。
鉄道車両用の電力変換装置に使用される大容量パワーモジュールとして入手可能な定格のものは、例えば3300V/1500A、4500V/1200A、6500V/750Aなどが最大級のものである。このようなパワーモジュールでは、ボルト取付や冷却面の平面度管理などの制約により、140mm×190mmのベースサイズであり、現状では、何れも1素子入りパワーモジュールとして構成している。このように、最大級の大容量のパワーデバイスでは、機械的制約の関係から1素子入りとなっているため、実施の形態1〜4に係る3レベル電力変換装置を容易に実現するには、中容量のパワーモジュールを用いるのが望ましい。
10,20,30,40,50 第1の素子対
12,32, 第2の素子対
22,42,52 第2の素子
10a,20a,30a,40a 最上位外側スイッチング素子
12b,20b,32b,50b 最下位外側スイッチング素子
10c,30c 上位内側スイッチング素子
12c,32c 下位内側スイッチング素子
12a,32a 上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子
10b,30b 下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子
22a,22b,42a,52b 中性点クランプダイオード
60 AC端子部
62 PN接続導体
Claims (16)
- 電力変換回路部を構成する最上位電位側の外側スイッチング素子および上位電位側の中性点クランプダイオードによる第1の組、最下位電位側のスイッチング素子および下位電位側の中性点クランプダイオードによる第2の組ならびに、上位側の内側スイッチング素子および下位側の内側スイッチング素子による第3の組のそれぞれを2素子入りパワーモジュールを用いて構成したことを特徴とする3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入りパワーモジュールは、一方の素子の上位電位電極および下位電位電極ならびに他方の素子の上位電位電極および下位電位電極がそれぞれ引き出された2素子入り4端子パワーモジュールであり、前記第1乃至第3の組を前記2素子入り4端子パワーモジュールで構成したことを特徴とする請求項1に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入り4端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された2つの素子対を有して構成され、当該2つの素子対を前記一方および他方の素子として用いることを特徴とする請求項2に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入り4端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第1の素子対と、ダイオードのみが設けられた第2の素子を有して構成され、前記第1の素子対を前記一方の素子として用い、前記第2の素子を前記他方の素子として用いることを特徴とする請求項2に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入りパワーモジュールは、一方の素子の上位電位電極、他方の素子の下位電位電極および一方の素子の下位電位電極と他方の素子の上記電位電極との接続端がそれぞれ引き出された2素子入り3端子パワーモジュールであり、前記第1乃至第3の組を前記2素子入り3端子パワーモジュールで構成したことを特徴とする請求項1に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入り3端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された2つの素子対を有して構成され、当該2つの素子対を前記一方および他方の素子として用いることを特徴とする請求項5に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入り3端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第1の素子対と、ダイオードのみが設けられた第2の素子を有して構成され、前記第1の素子対を前記一方の素子として用い、前記第2の素子を前記他方の素子として用いることを特徴とする請求項5に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記2素子入りパワーモジュールにおける一方および他方の素子がワイドバンドギャップ半導体にて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項8に記載の3レベル電力変換装置。
- 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された2つの素子対を有して構成され、当該2つの素子対のうちの一方の素子対の上位電位電極および下位電位電極ならびに他方の素子対の上位電位電極および下位電位電極がそれぞれ引き出されて4端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第1の素子対と、ダイオードのみが設けられた第2の素子を有して構成され、前記第1の素子対の上位電位電極および下位電位電極ならびに前記ダイオードのカソード電極およびアノード電極がそれぞれ引き出されて4端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された2つの素子対を有して構成され、当該2つの素子対のうちの一方の素子対の上位電位電極、他方の素子対の下位電位電極および前記一方の素子対の下位電位電極と前記他方の素子対の上記電位電極との接続端がそれぞれ引き出されて3端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第1の素子対と、ダイオードのみが設けられた第2の素子を有して構成され、前記第1の素子対の上位電位電極、前記ダイオードのアノード電極および前記第1の素子対の下位電位電極と前記第2の素子のカソード電極との接続端がそれぞれ引き出されて3端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第1の素子対と、ダイオードのみが設けられた第2の素子を有して構成され、前記第1の素子対の下位電位電極、前記ダイオードのカソード電極および前記第1の素子対の上位電位電極と前記ダイオードのアノード電極との接続端がそれぞれ引き出されて3端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記一方の素子対もしくは前記第1の素子対と、前記他方の素子対、前記第2の素子対もしくは前記第2の素子とがワイドバンドギャップ半導体にて形成されていることを特徴とする請求項10乃至14の何れか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項15に記載のパワーモジュール。
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