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チョッパ回路

国内特許コード P210018002
整理番号 (S2019-0036-N0)
掲載日 2021年12月20日
出願番号 特願2020-553258
出願日 令和元年10月16日(2019.10.16)
国際出願番号 JP2019040752
国際公開番号 WO2020085172
国際出願日 令和元年10月16日(2019.10.16)
国際公開日 令和2年4月30日(2020.4.30)
優先権データ
  • 特願2018-199400 (2018.10.23) JP
発明者
  • 萩原 誠
出願人
  • 国立大学法人東京工業大学
発明の名称 チョッパ回路
発明の概要 第1の外部接続端子における第1の直流電圧と第2の外部接続端子における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路1は、第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部11と、第1のスイッチ部11とオン時の導通方向が揃うように第1のスイッチ部11に対して直列に接続され、第1のスイッチ部11が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部12と、第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器13と、第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12とを接続する配線から分岐した配線上において、半導体電力変換器13に対して直列に接続されるインダクタ14とを備える。
従来技術、競合技術の概要

近年、直流電気鉄道への電池電力貯蔵システムの適用が進んでいる。例えば、鉄道車両に搭載した大容量リチウムイオン電池を使用することで、架線からの電力供給がゼロの場合においても、1回の充電で25[km]以上の走行距離を実現している。

一般に直流電気鉄道の架線電圧とエネルギー蓄積要素の動作電圧は異なるため、双方向チョッパ回路を用いて電圧変換(電力変換)を行う必要がある。図28は、一般的な双方向チョッパ回路の回路図である。双方向チョッパ回路101は、オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続され、一方がオンのときは他方がオフする第1のスイッチ部(正側バルブデバイス)121-1及び第2のスイッチ部(負側バルブデバイス)121-2と、第1のスイッチ部121-1及び第2のスイッチ部121-2との接続点に接続されるインダクタ113とを備える。第1のスイッチ部121-1及び第2のスイッチ部121-2は、ぞれぞれ、オン時に一方向に導通する半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとからなる。電池電力貯蔵システムを有する直流電気鉄道の場合、高圧側直流電圧Vdc1は架線電圧に相当し、低圧側直流電圧Vdc2はエネルギー蓄積要素の動作電圧に相当する。例えば架線の標準電圧がVdc1=1500[V]の場合、Vdc2は600[V]から700[V]程度に設定される。近年、変換器容量が単機で500[kW]の大容量双方向チョッパが開発されている。この場合、インダクタ電流iLの直流成分は500[A]以上となる。

また、近年では、補助変換器を用いた双方向チョッパ回路が提案されている。

例えば、一対の第1の外部接続端子間における第1の直流電圧と一対の第2の外部接続端子間における第2の直流電圧との間で双方向に電圧変換する双方向チョッパ回路であって、オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続され、一方がオンのときは他方がオフする第1および第2のスイッチ部を有し、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続側とは反対側の両側端子を前記一対の第1の外部接続端子とする主電力変換器と、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の単相フルブリッジ電力変換器と、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記単相フルブリッジ電力変換器に対して直列接続されるインダクタと、
を備え、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した前記インダクタおよび前記単相フルブリッジ電力変換器が設けられた配線上の、いずれかの位置に前記一対の第2の外部接続端子が設けられることを特徴とする双方向チョッパ回路が知られている(例えば、特許文献1参照。)。

産業上の利用分野

本発明は、第1の外部接続端子間における第1の直流電圧と第2の外部接続端子間における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
第1の外部接続端子における第1の直流電圧と第2の外部接続端子における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路であって、
第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように前記第1のスイッチ部に対して直列に接続され、前記第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
直流成分及び所定周期の交流成分を有する電流を出力するよう、前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
を備える、チョッパ回路。

【請求項2】
第1の外部接続端子における第1の直流電圧と第2の外部接続端子における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路であって、
第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように前記第1のスイッチ部に対して直列に接続され、前記第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
を備え、
前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部を、それぞれ2個ずつ備える、チョッパ回路。

【請求項3】
直流成分及び所定周期の交流成分を有する電流を出力するよう、前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
をさらに備える、請求項2に記載のチョッパ回路。

【請求項4】
一対の第1の外部接続端子間における第1の直流電圧と一対の第2の外部接続端子間における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路であって、
オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続される第1のスイッチ部、第2のスイッチ部、第3のスイッチ部及び第4のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続点と、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続点と、を結ぶ配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続点と、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続点と、を結ぶ配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
直流成分及び所定周期の交流成分を有する電流を出力するよう、前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との組及び前記第2のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との組のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との組及び前記第2のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との組の各組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
を備え、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続側とは反対側の端子と、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続側とは反対側の端子と、を前記一対の第1の外部接続端子とし、
前記第2のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との接続側の端子と、前記第4のスイッチ部の、前記第3のスイッチ部に対する接続側とは反対側の端子と、を前記一対の第2の外部接続端子とする、チョッパ回路。

【請求項5】
一対の第1の外部接続端子間における第1の直流電圧と一対の第2の外部接続端子間における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路であって、
オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続され、一方がオンのときは他方がオフする第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部を有し、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続側とは反対側の両側端子を前記一対の第1の外部接続端子とする第1の主電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続され、一方がオンのときは他方がオフする第3のスイッチ部及び第4のスイッチ部を有し、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続側とは反対側の両側端子を前記一対の第2の外部接続端子とする第2の主電力変換器と、
を備え、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した前記半導体電力変換器及び前記インダクタが設けられた配線が、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続点に接続される、チョッパ回路。

【請求項6】
直流成分及び所定周期の交流成分を有する電流を出力するよう、前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との組及び前記第2のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との組のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との組及び前記第2のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との組の各組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
をさらに備える、請求項5に記載のチョッパ回路。

【請求項7】
前記半導体電力変換回路は、直列接続された2つの半導体スイッチと前記2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサとからなり前記2つの半導体スイッチのうちの一方の半導体スイッチの各端子を出力端とするチョッパセルからなる、請求項1~6のいずれか一項に記載のチョッパ回路。

【請求項8】
各前記半導体スイッチは、
オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
を有する、請求項7に記載のチョッパ回路。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 公開
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