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JP6851493B2 - 鉄道車両用駆動システム - Google Patents

鉄道車両用駆動システム Download PDF

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JP6851493B2
JP6851493B2 JP2019544220A JP2019544220A JP6851493B2 JP 6851493 B2 JP6851493 B2 JP 6851493B2 JP 2019544220 A JP2019544220 A JP 2019544220A JP 2019544220 A JP2019544220 A JP 2019544220A JP 6851493 B2 JP6851493 B2 JP 6851493B2
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Description

本発明は、鉄道車両用駆動システムに関し、例えば、直流架線を使用して走行する鉄道車両用駆動システムに適用して好適なものである。
鉄道車両用駆動システムでは架線からの電流によって鉄道車両を駆動する。鉄道車両の主回路において高電圧側と低電圧側とが短絡してしまった場合や鉄道車両が走行することによって電圧及び電流の脈動が発生した場合に架線から大電流がその鉄道車両に流入して、他の鉄道車両に影響を及ぼさないように、鉄道車両にはフィルタリアクトルが設けられている。
このフィルタリアクトルは、鉄道車両用駆動システムにおいて主要な部品であって、質量も全体の1/3〜1/2の程度と非常に大きな割合を占めている。このため、このフィルタリアクトルを小型化及び軽量化することが鉄道車両用駆動システム全体の小型化及び軽量化につながる。
鉄道車両用駆動システムの小型化及び軽量化によって、鉄道車両の床下における配置の自由度が増え、例えば蓄電池などの新たな機能のための設備を設置することが可能となる。このように鉄道車両の高性能化につながり、例えば蓄電池を設置した場合は、鉄道車両の省エネ化が可能となる。
このような背景のもと、近年では鉄道車両用駆動システムの小型化及び軽量化のための研究開発が広く行われ、実用化されている。
この種の鉄道車両用駆動システムとして、例えば特許文献1には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)及びPNダイオードを並列に接続した回路をフィルタリアクトルと架線との間に配置することでフィルタリアクトル及び鉄道車両用駆動システムを小型化及び軽量化する発明が開示されている。また非特許文献1及び非特許文献2には、断流器をフィルタリアクトルと架線との間に配置することでフィルタリアクトル及び鉄道車両用駆動システムを小型化及び軽量化する発明が開示されている。
特開2016−220358号公報
鉄道車両用小型・軽量システム 日立評論 1991年http://www.hitachihyoron.com/jp/pdf/1991/03/1991_03_03.pdf 車両技術231号、JR西日本321系通勤電車 2006年3月号、pp.18〜pp.38
しかしながら特許文献1、非特許文献1及び非特許文献2などの従来の技術では、大電流の流入を抑えるために必要なインダクタンス値を実現すると、フィルタリアクトルの体積や質量が非常に大きく重くなってしまう。このため、フィルタリアクトルを小型化するためにインダクタンス値を小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立ができないという課題がある。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、フィルタリアクトルを小型化するためにインダクタンス値を小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立をし得る鉄道車両用駆動システムを提案しようとするものである。
かかる課題を解決するため本発明においては、鉄道車両に供給される電力を遮断する第1の断流器及び第2の断流器と、鉄道車両に供給される電流を減流する減流器と、モータを駆動するための電力変換器と電力変換器を動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有し、直流架線から電力の供給を受けて鉄道車両を駆動させる鉄道車両用駆動システムにおいて、減流器は、1つ以上のパワー半導体を備えるパワーモジュールと、パワーモジュールに並列に接続された抵抗素子とを備えるようにした。
本発明によれば、フィルタリアクトルを小型化するためにインダクタンス値を小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立をし得る鉄道車両用駆動システムを実現できる。
本実施の形態による鉄道車両用駆動システムを示す構成図である。 第1の実施の形態による素子構成要素の構成を示す回路図である。 第1の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器のスイッチング動作を示す特性図である。 他の実施の形態による断流部及び半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器の構成を示す回路図である。 他の実施の形態による半導体減流器のスイッチング動作を示す特性図である。
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特性の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値及び範囲についても同様である。
(1)本実施の形態による鉄道車両用駆動システムの構成
図1において、1は全体として本実施の形態による鉄道車両用駆動システムを示す。この鉄道車両用駆動システム1は、直流1500Vの電圧が印加された架線PANに接続され、架線PAN及びアース側から鉄道車両用駆動システム1を電気的に切り離す切り離し部2と、直流の大電流(短絡電流:I)を遮断する断流部3と、短絡電流を測定するカレントトランスCTと、短絡電流を減流する半導体減流器4と、後述のフィルタコンデンサFCと組み合わせることでローパスフィルタとして機能するフィルタリアクトルFLと、直流電圧を交流電圧に変換するパワーユニット5と、鉄道車両を駆動させる主電動機MM1〜MM4を有する動力源6とを備えて構成される。
切り離し部2は、架線PANからパワーユニット5を電気的に切り離す主スイッチMS及びアース側からパワーユニット5を電気的に切り離す接地スイッチGSを備える。
断流部3は、鉄道車両用駆動システム1の回路が動作不良となった場合に回路を開放する断流器LB1、フィルタコンデンサFCを充電する際に鉄道車両用駆動システム1の回路を開放する断流器LB2及びフィルタコンデンサFCを充電する際に利用される充電抵抗CHReを備える。この断流部3は、断流器LB1と、直列に接続された断流器LB2及び充電抵抗CHReとが並列に接続される構成とする。
半導体減流器4は、図3に示すように減流抵抗(抵抗素子)DRe及び減流抵抗DReに並列に接続されたパワーモジュール11を備える。このパワーモジュール11は、互いに整流作用の方向が逆となるように並列に接続されたIGBT素子(以下これをIGBTと呼ぶ)12及びダイオード素子13を備える。また半導体減流器4は、フィルタリアクトルFLよりも架線PAN側に配置され鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流を抑える。なおカレントトランスCTは、半導体減流器4よりも架線PAN側に配置され、短絡電流を検知し半導体減流器4に指示を行う。
パワーユニット5は、第1〜第3の素子A〜Cから構成される。素子A〜Cは、それぞれ3相交流のU相、V相及びW相に相当する。また素子Aの寄生インダクタンスはLup,Lunであり、素子Bの寄生インダクタンスはLvp,Lvnであり、素子Cの寄生インダクタンスはLwp,Lwnである。パワーユニット5のインダクタンスはLsp,Lsnとする。
素子A〜Cは、図2に示す素子構成要素7を2つ備える。素子構成要素7は、炭化ケイ素(SiC)製MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)素子であるSiC−MOSFET8及び炭化ケイ素(SiC)を材料としたSBD(ショットキーバリアダイオード)素子であるSiC−SBD9から構成される。また、素子構成要素7は1つのパッケージに同梱される。
次に、フィルタリアクトル端で地絡が発生し、架線PANから地絡箇所に向かって短絡電流が発生した際の鉄道車両用駆動システム1の動作について説明する。
例えば上記の従来の技術においては、カレントトランスCTが1000Aを超えた電流を検知し、パワーモジュール11に指示を行いパワーモジュール11が電流を遮断するまでは数10ミリ秒程度要する。
ここで、架線PANの電圧を1500V、フィルタリアクトルFLのインダクタンス値を2mHとすると、パワーモジュール11が電流を遮断するまでに鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流は、次式
Figure 0006851493
となる。このような大電流が鉄道車両用駆動システム1に流れ込むと、架線PAN側にある変電所の動作が不安定になるおそれがあるが、従来の構成では、パワーモジュール11が電流を遮断するまでに鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流を次式
Figure 0006851493
のように減らすにはフィルタリアクトルFLを大型化し、そのインダクタンス値を8mHなどと増やすしか方法がなかった。
これに対して、大量の電流が流れる場合、本実施の形態における鉄道車両用駆動システム1では、パワーモジュール11によって鉄道車両用駆動システム1に流れる電流を減らすことができる。カレントトランスCTが1000Aを超えた電流を検知し、このパワーモジュール11に指示を行うと、パワーモジュール11は数10マイクロ秒程度で電流を遮断する。このため、パワーモジュール11が電流を遮断するまでに鉄道車両用駆動システム1に流れる短絡電流は次式
Figure 0006851493
となる。
(2)本実施の形態の効果
以上のように本実施の形態の鉄道車両用駆動システム1では、電力を遮断するために2つの断流器LB1,LB2及び高速動作が可能なパワーモジュール11を使用することで、従来と同じインダクタンス値が2mHのフィルタリアクトルFLを使用しても短絡電流を従来の短絡電流の1/7に抑えることができる。
従って、本鉄道車両用駆動システム1によれば、フィルタリアクトルを小型化するためにインダクタンス値を小さく設定すること、及び、大電流の流入を抑えることの両立をし得る鉄道車両用駆動システムを実現できる。
また本鉄道車両用駆動システム1では、半導体減流器4をフィルタリアクトルFLよりも架線PAN側に配置することで、地絡などによる事故電流に対応できる範囲を広げることができる。つまり、本鉄道車両用駆動システム1は、フィルタリアクトルFLよりも動力源6側で発生した事故電流に対応することができ、信頼性の高いシステムを実現できる。
また本鉄道車両用駆動システム1では、互いに整流作用の方向が逆となるように並列にIGBT12及びダイオード素子13が接続されているため、鉄道車両用駆動システム1の回生動作時において、電力の損失をダイオード素子13による導通損失のみとすることができ、効率的に電力を運用できるシステムを実現できる。
(3)他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を鉄道車両用駆動システムに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、風力発電システムや太陽光発電システムなどのこの他種々の電力システムに広く適用することができる。
また上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11が2つのパワー半導体から構成される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、パワーモジュール11を構成するパワー半導体は1つ以上であればよい。
また上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11において互いに整流作用の方向が逆となるように並列にIGBT12及びダイオード素子13が接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図4に示した半導体減流器15のパワーモジュール16のように互いに整流作用の方向が逆となるように並列に2つのIGBT12を接続するようにしてもよい。
この場合、図4において下側のIGBT12をオフとすることで鉄道車両用駆動システム1の回生動作時の短絡電流に対応することが可能となる。この短絡電流は減流抵抗DReに転流することで減流される。この結果、鉄道車両用駆動システム1では、回生動作時短絡電流が発生した際においても架線PAN側にある変電所の動作に影響を与えず、安定したシステムを実現できる。
さらに上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11において互いに整流作用の方向が逆となるように並列にパワー半導体であるIGBT12及びパワー半導体であるダイオード素子13が接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図5に示した半導体減流器20のパワーモジュール21のように互いに整流作用の方向が同じとなるように並列にパワー半導体であるSiC−MOSFET8及びパワー半導体であるSiC−SBD9を接続するようにしてもよい。
この場合、バイポーラ型のIGBT12ではなく、電流導通方向の膜厚を薄くできオン電圧が低いSiC−MOSFET8を使用するため、半導体減流器20のスイッチング損失を半導体減流器4に比べて低減でき、その冷却器サイズの小型化が可能となる。またSiC素子は耐熱性があり高温時にも安定して電流導通や遮断の動作が可能であるため、半導体素子から発生するエネルギー損失量が多くなり発熱量が多くなるチップサイズの小型化も可能である。このチップサイズの小型化は、鉄道車両用駆動システム1のコスト削減を可能とする。
さらに上述の実施の形態においては、半導体減流器4のパワーモジュール11において互いに整流作用の方向が逆となるように並列にIGBT12及びダイオード素子13が接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図6に示した半導体減流器24のように減流抵抗DRe1を並列に接続したパワーモジュール11Aと、減流抵抗DRe2を並列に接続したパワーモジュール11Bとを直列に接続してもよい。具体的には、パワーモジュール11AのIGBT12のエミッタ端子及びパワーモジュール11BのIGBT12のコレクタ端子が接続され、パワーモジュール11AのIGBT12のコレクタ端子及び断流器LB1が接続され、パワーモジュール11BのIGBT12のエミッタ端子及びフィルタリアクトルFLが接続される。
この場合、減流抵抗DRe1及び減流抵抗DRe2の抵抗値の和を、減流抵抗DReの抵抗値と等しくする。また図7に示すように短絡電流発生時にはパワーモジュール11A、パワーモジュール11Bの順に遮断(1stOFF,2ndOFF)する。
図7において、一点鎖線で示すグラフ25は、パワーモジュール11を遮断した際にパワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値Vを示す。同様に実線で示すグラフ26は、導体素子部11Aを遮断した際にパワーモジュール11Aのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値V1を示し、グラフ27は、パワーモジュール11Bを遮断した際にパワーモジュール11Bのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値V2を示す。また点線で示すグラフ28は減流抵抗DRe1に流れる電流値I1を示し、グラフ29は、DRe2に流れる電流値I2を示す。
上述の実施の形態において、電圧値Vは、減流抵抗DReの抵抗値RとDReに流れる電流値Iとを乗じた値である。上述の実施の形態において、パワーモジュール11を遮断し遮断電流ピーク値の電流値Ipが減流抵抗DReに流れると、グラフ25に示すようにピーク値の電圧値Vpが印加され、その後短絡電流は半導体減流器4で減流され、減流抵抗DReに印加される電圧が低下する。そして短絡電流が断流器LB1によって減流された後、パワーモジュール11は短絡電流を遮断(OFF)する(図7)。
このため、上述の実施の形態においては、短絡電流の値を断流器LB1の定格電流よりも低い値に減流する必要がある。これに対して、図6に示す回路によれば、パワーモジュール11A及びパワーモジュール11Bを設け、それぞれのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧値V1,V2として分散させることで、電圧値V1,V2は電圧値Vと比較して低減することができる。
実際上、パワーモジュール11Aは、パワーモジュール11Bより先に短絡電流を遮断する。このため、減流抵抗DRe1に流れる電流は、減流抵抗DReと比較して小さくなり、パワーモジュール11Aのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値も小さくなる。このため、パワーモジュール11Aの耐電圧値を小さくすることができ、低損失な半導体素子をパワーモジュール11Aに採用することができる。
次に、パワーモジュール11Bは、パワーモジュール11Aによって減流された短絡電流を遮断する。このため、減流抵抗DRe2に流れる電流は、減流抵抗DReと比較して小さくなり、パワーモジュール11Bのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値も小さくなる。このため、パワーモジュール11Bの耐電圧値を小さくすることができ、低損失な半導体素子をパワーモジュール11Bに採用することができる。なお、パワーモジュール11A,11Bのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値を同程度とすることで、パワーモジュール11A,11Bに印加される電圧を最小とすることができる。
このようにして、パワーモジュール11A,11Bによって短絡電流を遮断すると、上述の実施の形態同様、断流器LB1の定格電流よりも低い値に減流することができる。図6に示す回路によれば、パワーモジュール11A,11Bに低損失な半導体を採用することができるため、上述の実施の形態に比べさらに冷却装置の小型化及び軽量化が可能となり、半導体減流器20の小型化及び軽量化が可能となる。
さらに上述の実施の形態においては、断流部3において断流器LB1,LB2を並列に接続する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図8(A)に示すように断流部30において断流器LB1,LB2を直列に接続するようにしてもよい。
この場合、図8(B)に示す減流抵抗DReは、図1における減流抵抗DRe及び充電抵抗CHReの役割を果たす。図8に示した回路においては、フィルタコンデンサFCを充電する際、パワーモジュール11はオフ動作となる。このことで、減流抵抗DReを介して、フィルタコンデンサFCを充電することができる。
また、短絡電流が発生した際においても、図8(B)に示した回路においては、パワーモジュール11をオフ動作となる。このことで、発生した短絡電流は減流抵抗DReに転流され、短絡電流は減流される。この減流された短絡電流は、断流器LB1,LB2によって遮断される。
このように、断流器LB1,LB2を直列に接続することで短絡電流を確実に遮断することが可能となり、上述の実施の形態と比較しより信頼性の高い鉄道車両用駆動システム1を実現することが可能となる。また、図8(B)に示す減流抵抗DReは、図1における減流抵抗DRe及び充電抵抗CHReの役割を果たすことで、部品数を削減することができ、上述の実施の形態と比較し、鉄道車両用駆動システム1をより小型化及び軽量化することが可能となる。
さらに上述の実施の形態においては、半導体減流器4においてパワーモジュール11に減流抵抗DReが並列に接続されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図9に示すように半導体減流器31においてさらにRCスナバ回路32が並列に接続するようにしてもよい。
RCスナバ回路32は、過渡的な高電圧を吸収する保護回路であって、スナバ抵抗Rs及びスナバコンデンサCsが直列に接続されている回路である。このRCスナバ回路32によって、短絡電流発生時において、パワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧のピーク値を低く抑えることができる。
図10のグラフ35に、図3のパワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の時間による遷移の様子を示す。同様にグラフ36に、図9のパワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の時間による遷移の様子を示す。STは源流の開始を示す。またグラフ37に、地絡が発生した際(BE)にフィルタリアクトルFLの流れる電流の値の時間による遷移の様子を示す。なおこのフィルタリアクトルFLに流れる電流は図3の回路を使用した場合と図9の回路を使用した場合とにおいて同様である。
グラフ37に示すように、地絡が発生するとフィルタリアクトルFLに流入する電流は増加するが、カレントトランスCTが例えば2000Aを超えた電流を検知するとパワーモジュール11に指示を行いパワーモジュール11は電流を遮断するため、フィルタリアクトルFLに流入する電流は遮断後された後減少する。
このような短絡電流に対して、図3の回路を使用する場合、パワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の値は、グラフ35に示すように6kV以上に急激に上昇する。このため、図3の回路を使用する場合、パワーモジュール11に使用する半導体素子の耐電圧を例えば6.5kVなどとし、6kV以上にする必要がある。
これに対して、図9の回路を使用する場合、パワーモジュール11のコレクタ・エミッタ間に印加される電圧の値は、RCスナバ回路が電荷を吸収するため、グラフ36に示すように2.5kV程度に抑えられる。このため、図9の回路を使用する場合、パワーモジュール11に使用する半導体素子の耐電圧は例えば3.3kVなどの、2.5kVより大きい値であればよい。パワーモジュール11を低耐圧素子とすることで、図9の回路を使用する場合は図3の回路を使用する場合に比べて、半導体減流器31及び鉄道車両用駆動システム1の小型化・軽量化が可能となる。
1……鉄道車両用駆動システム、2……切り離し部、3,30……断流部、4,15,20,24,31……半導体減流器、5……パワーユニット、6……動力源、7……素子構成要素、8……SiC−MOSFET、9……SiC−SBD、11,11A,11B,16,21……パワーモジュール、12……IGBT,13……ダイオード素子、32……RCスナバ回路。

Claims (4)

  1. 直流架線から電力の供給を受けて鉄道車両を駆動させる鉄道車両用駆動システムであり、
    第1の断流器及び第2の断流器を有し、短絡電流を遮断する断流部と
    短絡電流を減流する減流器と、
    モータを駆動するための電力変換器と
    フィルタリアクトルと、
    フィルタコンデンサと、
    を備え、
    前記減流器は、並列に減流抵抗が接続されたパワーモジュールを複数有し、
    当該夫々のパワーモジュールは、IGBT素子とこれに並列接続されたダイオード素子とを有し、前記IGBT素子と前記ダイオード素子とは整流作用の方向が逆になるように接続され、
    前記第1の断流器及び第2の断流器が直列に接続され、前記フィルタコンデンサの充電のための充電抵抗を前記断流部に設けることなく、前記複数のパワーモジュール夫々のIGBTのオフ又はオンによって、前記減流抵抗を前記充電抵抗として前記フィルタコンデンサを充電できるようにした
    鉄道車両用駆動システム。
  2. 前記直流架線、前記断流部及び前記フィルタリアクトルは、高電圧側の主回路に接続され、
    前記減流器は、前記断流部及び前記フィルタリアクトルの間に配置された
    請求項1記載の鉄道車両用駆動システム。
  3. 前記複数のパワーモジュールを構成する、第1のパワーモジュール及び第2のパワーモジュールは直列に接続され、
    前記第1のパワーモジュールのIGBT素子のエミッタ端子及び前記第2のパワーモジュールのIGBT素子のコレクタ端子が接続され、
    前記第1のパワーモジュールのIGBT素子のコレクタ端子及び前記断流部が接続され、
    前記第2のパワーモジュールのIGBT素子のエミッタ端子及び前記フィルタリアクトルが接続された
    請求項記載の鉄道車両用駆動システム。
  4. 抵抗素子に直列に接続されたコンデンサと前記パワーモジュールとが並列に接続された
    請求項1記載の鉄道車両用駆動システム。
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