KR20090005207A - 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

인버터 회로(13a)의 입력측에 접속된 컨덴서(12)와, 상기 인버터 회로(13a)의 입력측에 접속된 입력측 도체와 상기 인버터 회로(13a)의 출력측에 접속된 출력측 도체 중 적어도 어느 한 쪽에 마련된 노이즈 억제 수단(10a, 10b)과, 상기 노이즈 억제 수단(10a, 10b)의 반인버터 회로측에서 상기 입력측 도체 또는 상기 출력측 도체에 설치된 전기량 검출기(11, 19a, 19b, 19c)와, 상기 전기량 검출기로부터의 전기량 검출 신호에 기초하여 상기 인버터 회로(13b)를 제어하는 제어부(20)를 구비하고, 부품의 대형화, 부품 갯수의 증가, 비용의 증가 등을 초래하는 일 없이, 커먼 모드 노이즈를 억제하도록 한 전력 변환 장치이다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTER}

본 발명은 입력측에 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 측에 접속되는 부하에 공급하는 인버터 회로를 구비한 전력 변환 장치에 관한 것이다.

종래, 반도체 스위칭 소자를 사용하여 구성한 인버터 회로를 구비한 전력 변환 장치는 전기차나 자동차 등의 많은 산업 분야에서 다용되고 있다. 예를 들어 전기차에 탑재되고, 입력측이 집전 장치를 통해 가선(架線)에 접속되고, 출력측이 전기차를 구동하는 메인 전동기에 접속된 인버터 회로를 구비하고, 그 인버터 회로의 입력측 도체와 출력측 도체에 노이즈 억제용의 자기(磁氣) 재료로 이루어진 코어를 마련한 전력 변환 장치가 있다.(예를 들어 특허 문헌 1 참조)

또, 마찬가지로 전기차에 탑재되는 전력 변환 장치에서, 인버터 회로의 입력측에 전압 검출기를 접속하고, 인버터 회로의 출력측에 전류 검출기를 접속하고, 이들 검출기로부터의 전압 검출 신호 및 전류 검출 신호에 기초하여 인버터 회로를 제어하도록 한 것이 있다.(예를 들어 특허 문헌 2 참조)

특허 문헌 1 : 일본 특개 2004-187368호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 제3747858호 공보

최근 전력 변환 장치의 제어부에 내장되는 마이크로 컴퓨터는 고속 처리에 수반되는 소비 전력을 감소시키기 위해, 그 동작 전압의 저(低)전압화가 진행되고 있고, 종래에 5[V] 정도였던 것이 최근에는 1[V] ~ 3[V] 정도의 저전압 동작의 마이크로 컴퓨터가 사용되고 있다. 이에 따라, 제어부의 오동작을 방지하여 전력 변환 장치의 안정적인 운전을 얻기 위해서는 제어부로의 커먼 모드 노이즈 전류의 억제가 필요하게 된다.

제어부로의 커먼 모드 노이즈 전류를 효과적으로 억제하기 위해서는 인버터 회로의 입력측과 출력측에 각각 마련된 전압 검출기와 전류 검출기의 커먼 모드 노이즈 전류에 대한 임피던스를 증가시키거나, 인버터 회로를 제어하는 제어부의 입력측에 배치한 절연 앰프의 임피던스를 증가시키는 등의 대책을 강구하는 것을 생각할 수 있지만, 그러한 대책을 강구함으로써 인해 부품의 대형화, 부품 갯수의 증가, 비용의 증가 등을 초래하게 된다.

본 발명의 목적은 부품의 대형화, 부품 갯수의 증가, 비용의 증가 등을 초래하는 일 없이, 제어부로의 커먼 모드 노이즈 전류를 억제하여, 비교적 저전압으로 동작하는 마이크로 컴퓨터 등을 사용해도 안정적인 동작이 얻어지는 전력 변환 장치를 얻는 것이다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 입력측에 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 출력측에 접속되는 부하에 공급하는 인버터 회로와; 상기 인버터 회로의 입력측에 접속된 컨덴서와; 상기 인버터 회로의 입력측에 접속된 입력측 도체와 상기 인버터 회로의 출력측에 접속된 출력측 도체 중 적어도 어느 한 쪽에 마련된 노이즈 억제 수단과; 상기 노이즈 억제 수단의 반(反)인버터 회로측에서 상기 입력측 도체 또는 상기 출력측 도체에 설치된 전기량 검출기와; 상기 전기량 검출기로부터의 전기량 검출 신호에 기초하여 상기 인버터 회로를 제어하는 제어부를 구비한 것이다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치에 의하면, 부품의 대형화, 부품 갯수의 증가, 비용의 증가 등을 초래하는 일 없이, 제어부로의 커먼 모드 노이즈 전류를 억제할 수 있고, 비교적 저전압으로 동작하는 마이크로 컴퓨터 등을 사용해도 안정적인 동작을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 2에 관한 전력 변환 장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1 및 2에 관한 전력 변환 장치의 커먼 모드 노이즈 전류의 등가 회로를 나타내는 설명도이다.

도 4는 발명의 기초가 되는 기술 1에 관한 전력 변환 장치의 구성도이다.

도 5는 발명의 기초가 되는 기술 2에 관한 전력 변환 장치의 구성도이다.

도 6은 발명의 기초가 되는 기술 1 및 2에 관한 전력 변환 장치의 커먼 모드 노이즈 전류의 등가 회로를 나타내는 설명도이다.

부호의 설명

1 가선

2 집전 장치

3 리액터

4 차륜

5 레일

6 전력 변환 장치

7 3상(相) 교류 전동기

10a 제1 코어

10b 제2 코어

11 전압 검출기

12 컨덴서

13a, 13b 인버터 모듈

SU, SV, SW, SX, SY, SZ 스위칭 소자

19a, 19b, 19c 전류 검출기

20 제어부

22a, 22b, 22c, 22d 절연 앰프

30 방전 저항

31 방전 소자

본 발명의 실시 형태를 설명하기 전에, 우선 본 발명의 기초가 되는 기술에 대해 설명한다.

발명의 기초가 되는 기술 1.

도 4는 본 발명의 기초가 되는 기술 1에 관한 전력 변환 장치의 구성도이고, 전기차에 탑재된 예를 나타낸다. 도 4에 있어서, 전기차에 탑재되는 전력 변환 장치(6)는 가선(1)으로부터 집전 장치(2)를 통해 직류 전력이 공급된다. 집전 장치(2)에는 스위치(도시하지 않음)가 접속되고, 추가로 리액터(3)와 컨덴서(12)에 의해 구성되는 평활 회로가 접속되어 있다. 인버터 회로로서의 인버터 모듈(13b)은 스위칭 소자(SU, SV, SW, SX, SY, SZ)에 의해 구성된 3상 브릿지 회로를 구비하고, 그 입력측인 직류측 단자는 컨덴서(12)의 양단 사이에 접속되고, 출력측인 U상, V상, W상의 교류측 단자는 전기차를 구동하는 3상 교류 전동기(7; 이하 전동기라 칭함)의 입력 단자에 접속되어 있다.

인버터 모듈(13b)의 직류측 단자에는 컨덴서(12)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출기(11)가 접속되고, 인버터 모듈(13b)의 교류측 단자에는 각 상의 출력 전류를 검출하는 전류 검출기(19a, 19b, 19c)가 각각 설치되어 있다. 인버터 모듈(13b)의 직류측 단자의 음극측은 전기차의 차륜(4)을 통해 레일(5)에 접속되어 있다. 인버터 모듈(13b)은 컨덴서(12)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(7)에 출력한다. 또, 전기차의 회생 제동시에는 전동기(7)가 발생하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 컨덴서(12)측에 출력한다.

컨덴서(12)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출기(11)로부터의 전압 검출 신호(VD) 및 인버터 모듈(13b)의 출력측의 전류를 검출하는 전류 검출기(19a ~ 19c)로부터의 전류 검출 신호(IU ~ IW)는 절연 앰프(22a, 22b, 22c, 22d)를 통해 제어 부(20)에 입력된다. 제어부(20)는 이들 신호와 도시하지 않은 외부로부터 입력되는 지령에 기초하여 게이트 신호(G)를 생성하고, 스위칭 소자(SU ~ SZ)의 게이트에 출력한다.

각각의 스위칭 소자(SU ~ SZ)는 그 게이트 신호에 기초하여 제어되고, 펄스 폭 변조 제어(Pulse　Width　Modulation; 이하 PWM이라 칭함)된 3상 교류 전력을 전동기(7)에 공급하고, 전동기(7)를 원하는 토크를 발생시키도록 제어한다. 제어부(20)는 마이크로 컴퓨터(이하 마이컴이라 칭함)를 내장하고, 소프트웨어에 의해 제어된다.

페라이트(ferrite) 또는 아모퍼스(amorphous) 금속 등의 자기 재료로 구성된 중공(中空)의 고리 형상(링 형상)의 제1 코어(10a)는 인버터 모듈(13b)의 입력측인 직류측에 마련되어 있고, 그 직류측의 한 쌍의 도체는 제1 코어(10a)의 내측 공간부를 관통하고 있다. 또, 페라이트 또는 아모퍼스 금속 등의 자기 재료로 구성된 중공의 고리 형상(링 형상)의 제2 코어(10b)는 인버터 모듈(13b)의 출력측에 마련되어 있고, 그 출력측의 U상, V상, W상의 각 도체는 제2 코어(10b)의 내측 공간부를 관통하고 있다.

제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)는 실제로 복수의 코어를 직렬로 하여 구성되어 있고, 사이즈가 비교적 크다. 따라서, 인버터 모듈(13b)의 내부에는 배치되지 않고, 인버터 모듈(13b), 제어부(20), 컨덴서(11) 및 리액터(3)로 구성되는 전력 변환 장치(6)를 수납하는 금속제 케이스의 내부의, 비교적 공간이 있는 장소에 배치되어 있다. 또한, 전력 변환 장치(6)를 수납하는 금속제 케이스의 내부에는 전류 검출기(19a ~ 19c) 및 전압 검출기(11)도 수납되어 있다.

전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 출력측, 즉 제1 코어(10a)의 인버터 모듈(13b)측에서 인버터 모듈(13b)의 입력측 도체에 접속되어 있다. 전류 검출기(19a ~ 19c)는 제2 코어(10b)의 입력측, 즉 제2 코어(10b)의 인버터 모듈(13b)측에서 인버터 모듈(13b)의 출력측 도체에 설치되어 있다.

전류 검출기(19a ~ 19c)로부터 얻는 전류 검출 신호(IU, IV, IW)는 전술한 바와 같이 전동기(7)의 제어에 사용하는 것 외에, 인버터 모듈(13b)의 출력측의 도체인 교류측 단자가 단락(短絡)이나 지락(地絡) 등의 이상이 발생한 경우에, 그 이상을 확실하게 검출하여 제어부(20)에 의해 스위칭 소자(SU ~ SZ)의 스위칭 동작을 정지시켜서 보호 동작을 행하기 위해서도 사용한다. 이에 따라, 전류 검출기(19a ~ 19c)는, 인버터 모듈(13b)의 출력선의 아주 넓은 범위의 이상 전류를 검출할 수 있도록, 인버터 모듈(13b)의 내부의 스위칭 소자(SU ~ SZ)에 가까운 위치에 배치되어 있다. 전압 검출기(11)는 컨덴서(12)의 양단간의 전압을 검출한다고 하는 기능상, 컨덴서(12)의 바로 옆에 배치되어 있다.

이상과 같이 구성된 전력 변환 장치(6)는 제어 용량이 1[MVA] 정도로 크면서, 메인 회로 전압도 600[V] ~ 3000[V] 정도로 고전압인 것이 특징이고, 인버터 모듈(13b)내의 스위칭 소자(SU ~ SZ)가 스위칭 동작을 한 경우에, 스위칭 소자 부근의 회로의 전압은 수 [㎲]의 시간에 0[V]부터 최대 3000[V] 정도까지 변화하게 된다. 이 전압 변화로 인해, 회로중의 부유 캐패시턴스를 통해 고주파수의 누설 전류가 발생한다. 이 누설 전류는 전력 변환 장치(6)의 내외로 유출된다. 이와 같은 누설 전류는 커먼 모드 노이즈 전류라 불린다.

또, 전력 변환 장치(6)는 차량의 바락 아래에 탑재되는 경우가 많으며, 커먼 모드 노이즈 전류가 전력 변환 장치(6)의 케이스 외부의 차량의 차체 등에 광범위하게 유출되면, 커먼 모드 노이즈 전류가 흐르는 커다란 루프 회로를 형성하게 되고, 이로 인해 발생하는 고주파 자속에 의해 레일 부근에 설치되는 신호 기기(도시하지 않음)에 악영향을 미칠 우려가 있다. 전력 변환 장치(6)내에 마련된 제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)는 이와 같은 악영향을 피하기 위해 마련된 것이고, 커먼 모드 노이즈 전류의 유출을 억제하는 노이즈 억제 수단으로서 동작한다.

즉, 제1 코어(10a)의 내측의 공간부는 전술한 바와 같이 인버터 모듈(13b)의 입력측의 한 쌍의 도체에 의해 관통되고, 또 제2 코어(10b)의 내측 공간부는 인버터 모듈(13b)의 출력측의 3개 도체에 의해 관통되고 있다. 따라서, 제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)는, 관통된 복수의 도체를 동일 방향으로 흐르는 커먼 모드 노이즈 전류에 대해 임피던스를 발생시켜, 커먼 모드 노이즈 전류를 억제하는 것이다. 제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)는 커먼 모드 노이즈 전류의 감소 요구에 따라 복수의 코어를 직렬로 접속하여 구성하는 것이 일반적이다.

발명의 기초가 되는 기술 2.

도 5는 본 발명의 기초가 되는 기술 2에 관한 전력 변환 장치의 구성도이다. 도 5에 있어서, 방전 저항(30)과 방전 소자(31)는 직렬로 접속되고, 이들은 과전압 억제 방전 회로를 구성하고 있다. 이 과전압 억제 방전 회로는 컨덴서(12)에 병렬로 접속되어 있다. 전압 검출기(11)는 방전 소자(31)의 양단에 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 발명의 기초가 되는 기술 1과 동양(同樣)이다.

방전 저항(30)과 방전 소자(31)에 의해 구성된 과전압 억제 방전 회로는 컨덴서(12)의 양단 전압이 과전압으로 된 경우, 방전 소자(31)를 온으로 하여 컨덴서(12)의 전하를 방전 저항(30)으로 방전시키는 구성으로 하고 있고, 이에 의해 인버터 모듈(13b)이 과전압에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.

전압 검출기(11)를 방전 소자(31)의 양단에 접속하고 있는 이유는 컨덴서(12)의 양단 전압의 검출 기능과, 방전 소자(31)의 동작을 확인하는 기능을 겸하기 때문이며, 이와 같이 구성하면 통상시(방전 소자(31)가 오프되어 있을 때)에 전압 검출기(11)는 컨덴서(12)의 양단 전압을 검출할 수 있고, 또한 과전압 발생시(방전 소자(31)가 온했을 때)에 전압 검출기(11)의 검출값은 제로로 되기 때문에, 이를 갖고 방전 소자(31)가 온 했음을 제어부(20)에서 파악할 수 있고, 방전 소자(31)가 정상 동작하고 있는지를 감시하는 것이 가능하게 된다. 또한, 과전압 발생시는 인버터 모듈(13b)을 정지하기 때문에, 전압 검출기(11)의 검출값이 제로로 되어도 제어 동작상의 문제는 없다.

도 6은 도 4 및 도 5에 나타낸 발명의 기초가 되는 기술 1 및 2에 있어서, 커먼 모드 노이즈 전류의 등가 회로를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 6에 나타내는 등가 회로는 현상을 파악하기 쉽게 하기 위해 물리적 의미를 손상하지 않는 범위에서 단순화하여 표현하고 있다. 도 6에 있어서, VN는 스위칭 소자(SU ~ SZ)의 스위칭 동작에 의한 전압 변화에 의해 발생하는 커먼 모드 노이즈 전압이고, 이 커먼 모드 노이즈 전압(VN)에 의해 발생하는 커먼 모드 노이즈 전류 경로로서 4개 경 로 A1, A2, B1, B2를 생각할 수 있다.

(1) 경로 A1

경로 A1은 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제1 코어(10a)에 도달하는 회로 임피던스(Z1A)와, 제1 코어(10a)의 임피던스(Z2A)와, 제1 코어(10a)로부터 전력 변환 장치(6)의 외부나 전력 변환 장치(6)의 케이스를 경유하여 커먼 모드 노이즈원까지 되돌아오는 회로의 임피던스(Z3A)의 직렬 회로로 이루어지는 경로이다.

(2) 경로 A2

경로 A2는 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 전압 검출기(11)에 도달하는 회로의 임피던스(Z4A)와, 전압 검출기(11)의 임피던스(Z5A)와, 전압 검출기(11)로부터 절연 앰프(22a)를 경유하여 제어부(20)에 도달하는 회로의 임피던스(Z6A)와, 제어부(20)로부터 전력 변환 장치(6)의 케이스를 경유하여 커먼 모드 노이즈원까지 되돌아오는 회로의 임피던스(Z7A)의 직렬 회로로 이루어지는 경로이다. 또한, 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 전압 검출기(11)까지의 거리보다, 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제1 코어(10a)까지의 거리가 길기 때문에, Z1A>Z4A의 관계로 되어 있다.

(3) 경로 B1

경로 B1은 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제2 코어(10b)까지의 회로의 임피던스(Z1B)와, 제2 코어(10b)의 임피던스(Z2B)와, 제2 코어(10b)로부터 전력 변환 장치(6)의 외부나 전력 변환 장치(6)의 케이스를 경유하여 커먼 모드 노이즈원까지 되돌아오는 회로의 임피던스(Z3B)의 직렬 회로로 이루어지는 경로이다.

(4) 경로 B2

경로 B2는 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 전류 검출기(19a ~ 19c)에 도달하는 회로의 임피던스(Z4B)와, 전류 검출기(19a ~ 19c)의 임피던스(Z5B)와, 전류 검출기(19a ~ 19c)로부터 절연 앰프(22b ~ 22d)를 경유하여 제어부(20)에 도달하는 회로의 임피던스(Z6B)와, 제어부(20)로부터 전력 변환 장치(6)의 케이스를 경유하여 커먼 모드 노이즈원까지 되돌아오는 회로의 임피던스(Z7B)의 직렬 회로로 이루어지는 경로이다. 또한, 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 전류 검출기(19a ~ 19c)까지의 거리보다, 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제2 코어(10b)까지의 거리가 길기 때문에, Z1B>Z4B의 관계로 되어 있다.

도 6에서, 경로 A1, 경로 B1에 의해 전력 변환 장치(6)의 밖으로 유출되는 커먼 모드 노이즈 전류는 제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)의 임피던스(Z2A, Z2B)에 의해 억제되고, 커먼 모드 노이즈 전류가 전력 변환 장치(6)의 외부의 차량 차체 등에 광범위하게 유출되는 것이 억제되고, 커먼 모드 노이즈 전류가 커다란 루프 회로를 형성하는 것이 억제된다. 그 결과, 커먼 모드 노이즈 전류에 의해 발생하는 고주파 자속을 감소할 수 있기 때문에, 레일 부근에 설치되는 신호 기기(도시하지 않음)에 대한 영향을 감소시키는 것이 가능하게 된다.

이상과 같이, 제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)는 경로 A1, 경로 B1에 의해 전력 변환 장치(6)의 외부에 유출되는 커먼 모드 노이즈 전류를 억제하는 것이 가능하게 되지만, 전력 변환 장치(6)내를, 제어부(20)를 통해 경로 A2, 경로 B2에 의해 흐르는 커먼 모드 노이즈 전류를 억제할 수 없다. 그러나 경로 A2 및 경로 B2에 의해 흐르는 커먼 모드 노이즈 전류를 억제하는 것은 제어부(20)의 오동작을 방지 하여 전력 변환 장치(6)의 안정적인 운전을 얻기 위해 필수이다.

따라서, 전압 검출기(11)와 전류 검출기(19a ~ 19c)의 커먼 모드 노이즈 전류에 대한 임피던스(Z5A, Z5B)를 증가시키기 위해, 전압 검출기(11) 또는 전류 검출기(19a ~ 19c)에 노이즈 억제 수단(도시하지 않음)을 마련하거나, 제어부(20)의 입력측에 절연 앰프(22a ~ 22d)를 설치함으로써, 이것을 임피던스(Z6A, Z6B)로서 기능시켜 경로 A2 및 경로 B2에 흐르는 커먼 모드 노이즈 전류를 억제하는 구성으로 하고 있다.

다음에, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 구성도이고, 발명의 기초가 되는 기술과 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고 있다.

전술한 발명의 기초가 되는 기술 1에서 전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 출력측, 즉 제1 코어(10a)의 인버터 모듈(13b)측에서 인버터 모듈(13b)의 입력측 도체에 접속되어 있었지만, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이 전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 입력측, 즉 제1 코어(10a)의 반인버터 모듈(13a)측에서 인버터 모듈(13a)의 입력측 도체에 접속되어 있다. 제1 코어(10a)는 커먼 모드 노이즈 전류에만 임피던스를 갖는 것이므로, 전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 입력측, 즉 제1 코어(10a)의 반인버터 모듈(13a)측에서 인버터 모듈(13a)의 입력측에 접속되어 있어도 컨덴서(12)의 양단 전압을 검출할 수 있다.

또, 발명의 기초가 되는 기술 1에서 전류 검출기(19a ~ 19c)는 제2 코어(10b)의 입력측, 즉 제2 코어(10b)의 인버터 모듈(13b)측에서 인버터 모듈(13b)의 출력측 도체에 설치되고, 또한 인버터 모듈(13b)의 케이스의 내부에 배치되어 있었지만, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치에서 전류 검출기(19a ~ 19c)는 제2 코어(10b)의 출력측, 즉 제2 코어(10b)의 반인버터 모듈(13a)측에서 인버터 모듈(13a)의 출력측 도체에 설치되어 있다. 그리고, 전류 검출기(19a ~ 19c)는 인버터 모듈(13a)의 외부에 배치되어 있다.

실시 형태 1에 있어서 스위칭 소자(SU ~ SZ)는 인텔리전트 파워 모듈(Intelligent Power Module; 이하 IPM라 칭함), 또는 과전류 보호 기능을 가진 게이트 드라이버와 조합한 파워 모듈에 의해 구성되어 있다.

또한, IPM, 또는 과전류 보호 기능을 가진 게이트 드라이버와 조합한 파워 모듈은 출력 도체의 단락이나 지락 등에 의해 과전류가 흐른 경우에 이것을 검지하여, 자동적으로 스위칭 동작을 오프하는 기능을 갖고 있어, 과전류를 전류 센서(19a ~ 19c)로 검출하고, 제어부(20)를 경유하여 스위칭 동작을 오프시킬 필요가 없어, 보다 고속으로 확실하게 과전류에 대한 보호 동작이 가능하게 되는 특징을 갖는다.

이에 따라, 본 발명의 실시 형태 1에서, 전류 센서(19a ~ 19c)는 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 떨어진 제2 코어(10b)의 출력측(전동기측)에 설치되어 있지만, 스위칭 소자(SU ~ SZ)와 전류 센서(19a ~ 19c) 사이의 배선 도체에 단락이나 지락이 발생한 경우에도, 스위칭 소자(SU ~ SZ)를 보호하는 것이 가능하게 된다. 즉, 전류 센서(19a ~ 19c)보다 전원측(스위칭 소자(SU ~ SZ)가 있는 측)에서 단락이나 지락 등이 발생한 경우, 발명의 기초가 되는 기술에서, 전류 센서(19a ~ 19c)에는 과전류가 흐르지 않기 때문에, 단락이나 지락 등을 전류 센서(19a ~ 19c)에 의해 검출할 수 없어 스위칭 소자를 오프할 수 없으므로 전력 변환 장치를 파괴하는 경우가 있었으나, 본 발명의 실시 형태 1의 구성에서는 스위칭 소자(SU ~ SZ) 자체에 과전류 보호 기능을 갖고 있어, 스위칭 소자(SU ~ SZ)와 전류 센서(19a ~ 19c) 사이의 배선 도체에 단락이나 지락이 발생한 경우에 있어서도, 스위칭 소자(SU ~ SZ)를 오프하여 전력 변환 장치의 파괴를 피할 수 있다.

실시 형태 2.

도 2는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 전력 변환 장치의 구성도이다. 도 2에 있어서, 방전 저항(30)과 방전 소자(31)는 직렬로 접속되고, 이들은 과전압 억제 방전 회로를 구성하고 있다. 이 과전압 억제 방전 회로는 컨덴서(12)에 병렬로 접속되어 있다. 전압 검출기(11)는 방전 소자(31)의 양단에 접속되어 있다.

전술한 발명의 기초가 되는 기술 2에서 전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 출력측에 배치되어 있었지만, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 전력 변환 장치에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이 전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 입력측에 배치되어 있다. 제1 코어(10a)는 커먼 모드 노이즈 전류에만 임피던스를 갖는 것이므로, 전압 검출기(11)는 제1 코어(10a)의 입력측에 배치되어 있어도 컨덴서(12)의 양단 전압을 검출할 수 있다.

또, 발명의 기초가 되는 기술 2에서 전류 검출기(19a ~ 19c)는 제2 코 어(10b)의 입력측에서 또한 인버터 모듈(13b)의 케이스 내부에 배치되어 있었으나, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 전력 변환 장치에서 전류 검출기(19a ~ 19c)는 제2 코어(10b)의 출력측에서 또한 인버터 모듈(13a)의 외부에 배치되어 있다. 그 밖의 구성은 실시 형태 1의 경우와 동양이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1, 2에 의한 전력 변환 장치의 구성에 있어서 커먼 모드 노이즈 전류의 등가 회로를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 3에 나타내는 등가 회로는 현상을 파악하기 쉽게 하기 위해 물리적 의미를 손상하지 않는 범위에서 단순화하여 표현하고 있다. 도 3에 있어서, VN는 스위칭 소자(SU ~ SZ)의 스위칭 동작에 의한 전압 변화에 의해 발생하는 커먼 모드 노이즈 전압이고, 이 커먼 모드 노이즈 전압(VN)에 의해 발생하는 커먼 모드 노이즈 전류 경로로는 도 3에 나타내는 4개의 경로(A1, B1, A3, B3)를 생각할 수 있다.

경로 A1, 경로 B1은 발명의 기초가 되는 기술에서 설명한 도 6과 동양이므로 설명을 생략한다. 본 발명의 실시 형태 1 및 2에서는 발명의 기초가 되는 기술 1 및 2에 있어서 경로 A2, 경로 B2 대신에, 각각 이하에 나타내는 경로 A3, 경로 B3을 구비하게 된다.

(1) 경로 A3

경로 A3은 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제1 코어(10a)에 도달하는 회로 임피던스(Z1A)와, 제1 코어(10a)의 임피던스(Z2A)와, 전압 검출기(11)의 임피던스(Z5A)와, 전압 검출기(11)로부터 절연 앰프(22a)를 경유하여 제어부(20)에 도달하는 회로의 임피던스(Z6A)와, 제어부(20)로부터 전력 변환 장치(6)의 케이스를 경유하여 커먼 모드 노이즈원까지 되돌아오는 회로의 임피던스(Z7A)의 직렬 회로로 이루어지는 경로이다.

(2) 경로 B3

경로 B3은 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제2 코어(10b)까지의 회로의 임피던스(Z1B)와, 제2 코어(10b)의 임피던스(Z2B)와, 전류 검출기(19a ~ 19c)의 임피던스(Z5B)와, 전류 검출기(19a ~ 19c)로부터 절연 앰프(22b ~ 22d)를 경유하여 제어부(20)에 도달하는 회로의 임피던스(Z6B)와, 제어부(20)로부터 전력 변환 장치(6)의 케이스를 경유하여 커먼 모드 노이즈원까지 되돌아오는 회로의 임피던스(Z7B)의 직렬 회로로 이루어지는 경로이다.

본 발명의 실시 형태에 있어서 경로 A3과 경로 B3에 의하면, 발명의 기초가 되는 기술(도 6)에 있어서 경로 A2와 경로 B2에 비교하여, 각각 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 전압 검출기(11)에 도달하는 회로의 임피던스(Z4A)가 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제1 코어(10a)에 도달하는 회로 임피던스 Z1A(Z1A>Z4A)가 되고, 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 전류 검출기(19a ~ 19c)에 도달하는 회로의 임피던스(Z4B)가 스위칭 소자(SU ~ SZ)로부터 제2 코어(10b)까지의 회로 임피던스 Z1B(Z1B>Z4B)로 되고, 또한 제1 코어(10a)의 임피던스(Z2A), 제2 코어(10b)의 임피던스(Z2B)가 증가하고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 전력 변환 장치(6)의 외부로의 커먼 모드 노이즈 전류의 억제용으로 원래 설치하고 있는 제1 코어(10a) 및 제2 코어(10b)에 의해, 제어부(20)로의 커먼 모드 노이즈 전류도 억제시키는 것이 가능하게 됨을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 형태 1 및 2에 의한 전력 변환 장치에 의하면, 컨덴서(12)의 전압을 검출할 수 있고, 또 인버터 모듈(13a)의 출력선인 도체가 단락이나 지락 등의 이상이 발생한 경우에, 이것을 확실하게 검출하여 스위칭을 정지시키는 과전류 보호 기능을 유지하는 것이 가능하고, 또한, 전압 검출기(11) 또는 전류 검출기(19a ~ 19c)에 노이즈 억제 수단을 마련하는 등에 의한 부품의 대형화, 부품 갯수의 증가, 비용의 증가를 초래하는 일 없이 커먼 모드 노이즈 전류를 억제할 수 있고, 최근의 저전압 동작의 마이크로 컴퓨터를 사용해도 안정적인 동작을 얻을 수 있는 전력 변환 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 실시 형태 1 및 2에 나타낸 구성은 본 발명의 구성의 일례이고, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 또 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등 변경하여 구성하는 것도 가능함은 말할 것도 없다.

예를 들어 본 발명의 실시 형태 1 및 2에서는 인버터 모듈의 입력측에 전압 검출기를 배치하고, 또 인버터 모듈의 출력측에 전류 검출기를 배치한 예를 갖고 설명을 하였으나, 인버터 모듈의 입력측에 전류 검출기를 배치하고, 또 인버터 모듈의 출력측에 전압 검출기를 배치해도 무방함은 물론이다. 또, 제1 코어(10a) 또는 제2 코어(10b)의 어느 한 쪽에서만, 전기량 검출기를 인버터 모듈이 아닌 측에 설치하도록 해도 된다. 또한, 과전류 보호 기능을 갖지 않는 스위칭 소자를 사용해도 된다.

또, 본 발명에 의한 전력 변환 장치는 집전 장치로부터 교류 전력의 공급을 받고, 이것을 컨버터로 직류 전력으로 변환한 후, 인버터 모듈에 입력하는 구성의 전력 변환 장치에 적용해도 되고, 다시 전력 변환 장치의 출력측에 전동기 이외의 예를 들어 변압기와 평활 회로를 통해 차량의 공기 조절이나 조명 기기 등의 부하를 접속하고 인버터를 정전압 정주파수 운전을 행함으로써, 상기 부하에 정전압ㆍ정주파수의 전력을 공급하는 소위 보조 전원 장치에 적용하는 것도 가능하다.

본 발명에 의한 전력 변환 장치는 전기 철도뿐만 아니라 자동차, 엘리베이터, 전력 시스템 등 다양한 관련 분야로의 응용이 가능하다.

Claims (6)

1. 입력측에 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력측에 접속되는 부하에 공급하는 인버터 회로와,

   상기 인버터 회로의 입력측에 접속된 컨덴서와,

   상기 인버터 회로의 입력측에 접속된 입력측 도체와 상기 인버터 회로의 출력측에 접속된 출력측 도체 중 적어도 어느 한 쪽에 마련된 노이즈 억제 수단과,

   상기 노이즈 억제 수단의 반(反)인버터 회로측에서 상기 입력측 도체 또는 상기 출력측 도체에 설치된 전기량 검출기와,

   상기 전기량 검출기로부터의 전기량 검출 신호에 기초하여 상기 인버터 회로를 제어하는 제어부를 구비한 전력 변환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 노이즈 억제 수단의 반인버터 회로측에서 상기 입력측 도체에 접속된 과전압 억제 방전 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 노이즈 억제 수단은 고리 형상의 자기(磁氣) 재료에 의해 구성되고, 상기 도체가 그 중공부(中空部)를 관통하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 인버터 회로는 상기 제어부로부터 주어지는 스위칭 신호에 의해 스위칭 제어되는 복수의 반도체 스위칭 소자에 의해 구성되고,

   상기 제어부는 상기 전기량 검출기로부터의 전기량 검출 신호에 기초하여 상기 스위칭 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 반도체 스위칭 소자는 과전류 보호 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

   전기차에 탑재되고, 상기 인버터 회로의 입력측은 집전 장치를 통해 가선(架線)에 접속되고, 상기 인버터 회로의 출력측은 상기 전기차를 구동하는 전동기에 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.

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