JP2006204036A

JP2006204036A - 車両用電力変換装置

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Publication number: JP2006204036A
Application number: JP2005014170A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Eto; 伸夫江藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】絶縁性能および出力性能を保持し、軽量化および小型化を実現した車両用電力変換装置を提供する。
【解決手段】架線１から受電した直流電力がそれぞれ入力されると共に、交互にオンオフ動作される第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂを備えたスイッチング回路３と、第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂの出力を一次巻線４ａの両端からそれぞれ入力すると共に、一次巻線４ａの両端の間に帰線６を接続し、この帰線６の接続位置から、一次巻線４ａの一端側および他端側に延びる一次巻線４ａの一部または全部を、それぞれ第１の分路巻線４ｄと第２の分路巻線４ｅとして共用する単巻変圧器４と、第１の分路巻線４ｄと第２の分路巻線４ｅの出力を、それぞれ電流の逆流を防止する第１の整流ダイオード７ａと第２の整流ダイオード７ｂを介して合成する合成回路７を備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気車などの車両に搭載される車両用電力変換装置に関し、例えば、架線から受電した直流電力を所定の直流電力に変換して、蓄電池の充電用や電動機の駆動用として供給する車両用電力変換装置に関するものである。

架線より直流電力を受電して線路上を走行する電気車などの車両においては、架線より受電した直流電力を、車両に搭載した、例えば蓄電池や電動機などの負荷に所定の直流電力を供給するように変換するための車両用電力変換装置が備えられている。

従来から用いられている車両用電力変換装置としては、架線から集電器を介して受電した直流電力を、フルブリッジ構成の電圧形インバータにより交流電力に変換したのち、二巻線変圧器を用いて所定の電圧を有する交流電力に変換し、その後ブリッジ型の整流器を介して所定の電圧を有する直流電力に変換し、リアクトルおよびコンデンサーを用いて平滑化したのち、例えば蓄電池の充電回路などの負荷に入力している。（たとえば特許文献１参照）

特許第２６８０３８５号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、電気車などの車両においては、高速化および高効率化から、車両への搭載機器の軽量化が要求され、また高機能化による車両への搭載機器の増加から、車両への搭載機器の小型化が要求されており、このことは車両に搭載されている車両用電力変換装置においても例外ではない。

これに対し、従来から用いられている車両用電力変換装置は、上記のように構成されており、その中で、特に大きさおよび重さで大きな割合を占めている変圧器においては、非接地のために全体が均等に絶縁保護される二巻線変圧器が用いられており、そのため変圧器が大きくかつ重くなり、結果、車両用電力変換装置が大きくかつ重くなるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来と同等の絶縁性能および出力性能を保持した上で、大きさおよび重さが低減可能な変圧器を用いた構成とし、加えて簡易な回路構成により動作可能としたことにより、従来に比して、同等の絶縁性能および出力性能を保持し、軽量化および小型化を実現した車両用電力変換装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る車両用電力変換装置は、架線などから集電器を介して受電した直流電力がそれぞれ入力されるともに、交互にオンオフ動作される第１および第２のスイッチング素子を有したスイッチング回路と、第１のスイッチング素子の出力が一次巻線の一端から入力され、また第２のスイッチング素子の出力が一次巻線の他端から入力されるとともに、一次巻線の両端の間に帰線が接続され、この帰線の接続位置から、一次巻線の一端側に延びる一次巻線の一部または全部および一次巻線の他端側に延びる一次巻線の一部または全部が、それぞれ第１および第２の分路巻線として共用される単巻変圧器と、第１および第２の分路巻線の出力が、それぞれ電流の逆流を防止する第１および第２の逆流防止素子を介して合成される合成回路を備えたものである。

この発明によれば、一次巻線と分路巻線が共用される単巻変圧器を利用可能としたことにより、巻線の線材や絶縁材料が低減されるため、大きさおよび重さが低減可能となり、また単巻変圧器の一次巻線の間に帰線を接続したことにより、負荷に対して従来と同等の出力性能を有し、加えて従来に比して簡易な回路構成で動作可能にしたことにより、従来と同等の絶縁性能および出力性能を保持し、軽量化および小型化を実現した車両用電力変換装置を得ることができる。

実施の形態１
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図であり、受電した直流電力を直流負荷が動作可能な所定の直流電力に変換するものである。図１において、架線１から集電器２を介して受電した直流電力は、二つに分岐され、一方は、一点鎖線で示したスイッチング回路３が有する、例えばバイポーラ型のトランジスタからなる第１のスイッチング素子３ａに入力され、他方は、スイッチング回路３が有する、例えばバイポーラ型のトランジスタからなる第２のスイッチング素子３ｂに入力されている。この第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂは、制御信号発信器３ｃからオンオフ動作される。

第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂの出力は、一点鎖線で示した単巻変圧器４の一次巻線４ａの両端からそれぞれ入力されている。また一次巻線４ａの両端の間には、グランドとして作用する線路５に電気的に導通している帰線６が接続されており、そのため一次巻線４ａは、第１の一次巻線４ｂおよび第２の一次巻線４ｃに分割されている。また、帰線６と一次巻線４ａとの接続位置からの第１の一次巻線４ｂおよび第２の一次巻線４ｃのそれぞれ一部または全部が、第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅとして共用されている。なお、ここでは、単巻変圧器４から最適な出力を得るために、帰線６を一次巻線４ａの両端の間の略中央に接続して、第１の一次巻線４ｂおよび第２の一次巻線４ｃの巻数を略同じとし、また第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅに巻数も略同じとしてある。

第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅの出力は、一点鎖線で示した合成回路７が有する電流の逆流を防止する第１の逆流防止素子である第１の整流ダイオード７ａおよび第２の逆流防止素子である第２の整流ダイオード７ｂにそれぞれ入力され、その出力は
一つに合成されている。

合成回路７において、合成された第１の整流ダイオード７ａおよび第２の整流ダイオード７ｂからの出力は、一点鎖線で示した平滑回路８に入力され、平滑回路８が有するフィルタリアクトル８ａおよびフィルタコンデンサ８ｂを介して、例えば、直流電源、直流電動機あるいは蓄電池の充電器などの直流負荷９に出力されている。

図２は、この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置の動作を、方形波出力を例として示した動作説明図である。図２において、（ａ１）および（ａ２）は、それぞれ第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂのオンオフ動作を示し、（ｂ１）および（ｂ２）は、それぞれ第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂの出力を示し、（ｃ１）および（ｃ２）は、それぞれ第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅの出力を示し、（ｄ）は合成回路７の出力を示し、（ｅ）は平滑回路８から直流負荷９への出力を示している。

次に実施の形態１の動作について、図１および図２を用いて説明する。

架線１から集電器２を介して受電した直流電力は、２つに分岐され、一方は、スイッチング回路３が有する第１のスイッチング素子３ａに入力され、他方はスイッチング回路３が有する第２のスイッチング素子３ｂに入力されている。

直流電力が入力されている第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂは、制御信号発信器３ｃにより、図２（ａ１）の第１のスイッチング素子３ａの動作および（ａ２）の第２のスイッチング素子３ｂの動作に示すように交互にオンオフ動作される。そのため、第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂからは、図２（ｂ１）の第１のスイッチング素子３ａの出力および（ｂ２）の第２のスイッチング素子３ｂの出力に示すように、電圧Ｅ１を有する半波方形波直流が交互に出力される。ここで電圧Ｅ１は、通常、架線の定格電圧を示している。

第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂから交互に出力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、単巻変圧器４の一次巻線４ａの両端からそれぞれ入力される。一次巻線４ａの両端から交互に入力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、帰線６を一次巻線４ａの両端の間の略中央に接続して分割された、第１の一次巻線４ｂおよび第２の一次巻線４ｃの巻数を略同じとし、また第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅの巻数も略同じとしているために、第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅから、図２（ｃ１）の第１の分路巻線４ｄの出力および（ｃ２）の第２の分路巻線４ｅの出力に示すように、直流負荷９に供給可能な電圧Ｅ２を有する半波方形波直流に交互に変換され、出力される。

単巻変圧器４の第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅから、交互に出力された電圧Ｅ２の半波方形波直流は、それぞれ合成回路７が有する電流の逆流を防止する第１の整流ダイオード７ａおよび第２の整流ダイオード７ｂに入力されたのち、図２（ｄ）の合成回路７の出力に示すように、直流負荷９に供給可能な電圧Ｅ２の全波方形波直流として合成される。

合成回路７から出力された電圧Ｅ２の全波方形波直流は、蓄電池などの特定の直流負荷９に対しては、直接、供給も可能であるが、通常は、フィルタリアクトル８ａおよびフィルタコンデンサ８ｂからなる平滑回路８に入力され、図２（ｅ）の平滑回路８の出力に示すように平滑化され、直流負荷９に供給可能な電圧Ｅ３の直流電力として、例えば直流電源、直流電動機あるいは蓄電池の充電器、などの直流負荷９に出力される。

この実施の形態１によれば、第１の一次巻線４ｂと第１の分路巻線４ｄならびに第２の一次巻線４ｃと第２の分路巻線４ｅの一部または全部が共用されて、二次巻線が不用となるために、巻線の線材や絶縁材料が低減可能な単巻変圧器４を用いたことにより、大きさおよび重さが低減され、また単巻変圧器４の一次巻線４ａの両端の間に帰線６を接続して、恰も２つの単巻変圧器を有したように構成したことにより、一つの単巻変圧器４を用いて、従来と同等の直流電力の出力が可能となるため、直流負荷９に対して従来と同等の出力性能を有し、加えてスイッチング回路３および合成回路７を、従来に比して簡易な回路構成としたことにより、従来と同等の絶縁性能および動作性能を保持し、軽量化および小型化を実現した車両用電力変換装置が得られる効果がある。

また、この実施の形態１によれば、雷などのサージが入力された場合においても、スイッチング回路３の第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂが有するキャパシタンス成分およびインダクタンス成分に比して、単巻変圧器４の一次巻線４ａのインダクタス成分が極めて大きいために、入力されたサージは、その殆どが一次巻線４ａで消費されるため、第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂのサージ入力による破損の可能性が小さくなる。よって、車両用電力変換装置の安定性が向上する効果もある。

さらに、この実施の形態１によれば、帰線６を単巻変圧器４の一次巻線４ａの両端の間に接続したので、一つの単巻変圧器４で、恰も二つの単巻変圧器を有するように動作可能であり、例えば、万一の場合、分岐された直流電力の一方の経路に当たる、第１のスイッチング素子３ａ、第１の一次巻線４ｂ、第１の分路巻線４ｄおよび第１の整流ダイオード７ａなどの動作不良により、この経路から所定の出力が得られない場合においても、他方の経路に当たる、第２のスイッチング素子３ｂ、第２の一次巻線４ｃ、第２の分路巻線４ｅおよび第２の整流ダイオード７ｂを経た出力を、平滑回路８を介して直流負荷９に供給することも可能であり、車両用電力変換装置の安定性が一層向上する効果もある。

この場合、直流負荷９が必要とする入力特性などに応じて、図３に示すように、平滑回路８を多段に構成（図３においては、一例として２段での構成を示す）するようにして、平滑回路８から直流負荷９への出力を安定させるとよい。また平滑回路８の出力端に、例えばレギュレータからなる安定化回路を接続しても同様の効果を奏することができる。

また、この実施の形態１によれば、帰線６を一次巻線４ａの両端の間の略中央に接続して、第１の一次巻線４ｂおよび第２の一次巻線４ｃの巻数を略同じとし、また第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅも略同じ巻数として、第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅから、それぞれ交互に電圧Ｅ２の半波方形波直流を出力するようにしたものを示したが、これは、直流負荷９へ最適な直流電力を供給するための最良の形態を示したものであり、直流負荷９を動作可能とする直流電力が提供可能であれば、必ずしも第１の一次巻線４ｂおよび第２の一次巻線４ｃの巻数を略同じとする必要はなく、また同様に第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅの巻数も略同じとする必要もない。これらの巻数の相違の結果、たとえ第１の分路巻線４ｄおよび第２の分路巻線４ｅの出力に差異が生じたとしても、直流負荷９が動作可能であれば、この実施の形態１と同等の効果を得ることができる。

この場合においても、直流負荷９が必要とする入力特性などに応じて、図３に示すように、負荷回路８を多段に構成（図３においては、一例として２段での構成を示す）して、平滑回路８から直流負荷９への出力を安定させるとよい。また負荷回路８の出力端に、例えばレギュレータからなる安定化回路を用いてもよい。

実施の形態２
次に、この発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置について説明する。

図４は、この発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図である。

図４において、実施の形態１と構成が異なるところは、単巻変圧器４の代わりに、一点鎖線で示した二巻線変圧器１１を用い、この二巻線変圧器１１の一次巻線１１ａの両端の間に帰線６を接続して、一次巻線１１ａを第１の一次巻線１１ｂおよび第２の一次巻線１１ｃに分割する構成としたことにより、対地電圧上昇が低い一次巻線１１ａと帰線６の接続位置から、対地電圧上昇が高くなる一次巻線１１ａの両端に向かって、段階的に絶縁を強くする段絶縁を適用したものである。

また、二巻線変圧器１１の二次巻線１１ｄの出力は、ブリッジ型の全波整流回路１２に入力されている。また、ここでは二巻線変圧器１１から最適な出力を得るために、帰線６を一次巻線１１ａの両端の間の略中央に接続して、第１の一次巻線１１ｂおよび第２の一次巻線１１ｃの巻数を略同じとしてある。

なお、図４で使用した符号のうち、実施の形態１で使用した符号と同一のものは、同一または相当品を示す。

また、図５は、この発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置の動作例を示す動作説明図である。図５において、実施の形態１で示した図２の動作説明図と異なるところは、図５（ｃ）に示す二次巻線１１ｄの出力、および図５（ｄ）に示す全波整流回路１２の出力である。その他については、図２の動作説明図で示したものと同一である。

次に実施の形態２の動作について、図４および図５を用いて説明する。

直流電力が入力されている第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂは、制御信号発信器３ｃにより、図５（ａ１）の第１のスイッチング素子３ａの動作および（ａ２）の第２のスイッチング素子３ｂの動作に示すように交互にオンオフ動作される。そのため、第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂからは、図５（ｂ１）の第１のスイッチング素子３ａの出力および（ｂ２）の第２のスイッチング素子３ｂの出力に示すように、電圧Ｅ１を有する半波方形波直流が交互に出力される。ここで電圧Ｅ１は、通常、架線の定格電圧を示している。

第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂから交互に出力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、二巻線変圧器１１の一次巻線１１ａの両端からそれぞれ入力される。一次巻線１１ａの両端から交互に入力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、帰線６を一次巻線１１ａの両端の間の略中央に接続して分割された、第１の一次巻線１１ｂおよび第２の一次巻線１１ｃの巻数を略同じとしているために、第１の一次巻線１１ｂと二次巻線１１ｄならびに第２の一次巻線１１ｃと二次巻線１１ｄの巻数比に応じて、二次巻線１１ｄから、図５（ｃ）の二次巻線１１ｄの出力に示すように、電圧Ｅ２を有する方形波交流に変換され、出力される。

二巻線変圧器１１の二次巻線１１ｄから出力された電圧Ｅ２の方形波交流は、ブリッジ型の全波整流回路１２に入力され、図５（ｄ）の全波整流回路１２の出力に示すように、直流負荷９に供給可能な電圧Ｅ２の全波方形波直流に変換される。

全波整流回路１２から出力された電圧Ｅ２の全波方形波直流は、蓄電池などの特定の直流負荷９に対しては、直接、供給も可能であるが、通常は、フィルタリアクトル８ａおよびフィルタコンデンサ８ｂからなる平滑回路８に入力され、図５（ｅ）の平滑回路８の出力に示すように平滑化され、直流負荷９に供給可能な電圧Ｅ３の直流電力として、例えば直流電源、直流電動機または蓄電池の充電器、などの直流負荷９に出力される。

この実施の形態２によれば、二巻線変圧器１１の一次巻線１１ａの両端の間に帰線６を接続して、対地電圧上昇が低い一次巻線１１ａと帰線６の接続位置から、対地電圧上昇が高くなる一次巻線１１ａの両端に向かって、絶縁を段階的に強くする段絶縁を適用した二巻線変圧器１１を用いたことにより、絶縁材料が低減されるために、大きさおよび重さが低減され、またスイッチング回路３を、従来に比して簡易な回路構成としたことにより、従来と同等の絶縁性能および動作性能を保持し、軽量化および小型化を実現した車両用電力変換装置が得られる効果がある。

また、この実施の形態２によれば、雷などのサージが入力された場合においても、スイッチング回路３の第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂが有するキャパシタンス成分およびインダクタンス成分に比して、二巻線変圧器１１の一次巻線１１ａのインダクタス成分が極めて大きいために、入力されたサージは、その殆どが一次巻線１１ａで消費されるため、第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂのサージ入力による破損の可能性が小さくなる。よって、車両用電力変換装置の安定性が向上する効果もある。

さらに、この実施の形態２によれば、帰線６を二巻線変圧器１１の一次巻線１１ａの両端の間に接続したので、例えば、万一の場合、分岐された直流電力の一方の経路に当たる、第１のスイッチング素子３ａおよび第１の一次巻線１１ｂなどの動作不良により、この経路から所定の出力が得られない場合においても、他方の経路に当たる、第２のスイッチング素子３ｂおよび第２の一次巻線１１ｃを経た出力を、平滑回路８を介して直流負荷９に供給することも可能であり、車両用電力変換装置の安定性がより一層向上する効果もある。

この場合、直流負荷９が必要とする入力特性などに応じて、実施の形態１で示した図３のように、平滑回路８を多段に構成（図３においては、一例として２段での構成を示す）するなどして、平滑回路８から直流負荷９への出力を安定させるとよい。また負荷回路８の出力端に、例えばレギュレータからなる安定化回路を接続しても同様の効果を奏することができる。

また、この実施の形態２によれば、帰線６を一次巻線１１ａの両端の間の略中央に接続して、第１の一次巻線１１ｂおよび第２の一次巻線１１ｃの巻数を略同じとして、二次巻線１１ｄから、電圧Ｅ２の方形波交流を出力するようにしたが、これは、直流負荷９へ最適な直流電力を供給するための最良の形態を示したものであり、直流負荷９を動作可能とする直流電力が供給可能であれば、必ずしも第１の一次巻線１１ｂおよび第２の一次巻線１１ｃの巻数を略同じとする必要はない。これらの巻数の相違の結果、二次巻線１１ｄの交流出力の差異により、全波整流回路１２の出力に差異が生じたとしても、直流負荷９が動作可能であれば、この実施の形態２と同等の効果を得ることができる。

この場合においても、直流負荷９が必要とする入力特性などに応じて、実施の形態１で示した図３のように、負荷回路８を多段に構成（図３においては、一例として２段での構成を示す）して、平滑回路８から直流負荷９への出力を安定させるとよい。また負荷回路８の出力端に、例えばレギュレータからなる安定化回路を用いてもよい。

実施の形態３
実施の形態２においては、直流負荷９に所定の直流電力を入力する場合を示したが、図６に示すように、二巻線変圧器１１の二次巻線１１ｄから、直接所定の交流電力を出力することにより、例えば、単相交流電源や単相交流電動機などの単相の交流負荷１５についても動作可能とすることができる。この場合、実施の形態２で示した図５（ｃ）の二次巻線１１ｄの出力のように、交流負荷１５が動作可能な電圧Ｅ２の方形波交流が、交流負荷１５に出力される。なお、図６で使用した符号のうち、実施の形態２で使用した符号と同一のものは、同一または相当品を示す。

この実施の形態３によれば、実施の形態２で示した小型化および軽量化ならびにサージ耐性の効果に加えて、例えば、単相交流電源や単相交流電動機などの単相の交流負荷１５を動作可能とする効果がある。

実施の形態４
実施の形態３においては、単相交流電源や単相交流電動機などの単相の交流負荷１５に、所定の単相の交流電力を供給する場合を示したが、三相交流電源や三相交流電動機などの三相の交流負荷に対しても、実施の形態３で示した構成を、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相に対して、それぞれ適用することにより対応可能である。以下、この発明の実施の形態４に係る車両用電力変換装置について説明する。

図７は、この発明の実施の形態４に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図である。図７で使用した符号のうち、実施の形態３で使用した符号と同一のものは、同一または相当品を示す。

図７において、架線１から集電器２を介して受電した直流電力は、Ｕ相に対応して、一点鎖線で示したスイッチング回路収容箱２０に設けられた、一点鎖線で示した第１のスイッチング回路２１が有する、例えばバイポーラ型のトランジスタからなる第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂにそれぞれ入力され、またＶ相に対応して、一点鎖線で示したスイッチング回路収容箱２０に設けられた、一点鎖線で示した第２のスイッチング回路２２が有する、例えばバイポーラ型のトランジスタからなる第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂにそれぞれ入力され、さらに、Ｗ相に対応して、一点鎖線で示したスイッチング回路収容箱２０に設けられた、一点鎖線で示した第３のスイッチング回路２３が有する、例えばバイポーラ型のトランジスタからなる第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂに入力されている。

ここで、第１のスイッチング回路２１が有する第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂ、第２のスイッチング回路２２が有する第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂならびに第３のスイッチング回路２３が有する第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂは、制御信号発信器２４によりオンオフ動作される。

そしてＵ相に対応する第１のスイッチング回路２１の第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂの出力は、一点鎖線で示した変圧器収納箱２５に設けられ、Ｕ相に対応して、一点鎖線で示した第１の二巻線変圧器２６の一次巻線２６ａの両端からそれぞれ入力され、またＶ相に対応する第２のスイッチング回路２２の第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂの出力は、一点鎖線で示した変圧器収納箱２５に設けられ、Ｖ相に対応して、一点鎖線で示した第２の二巻線変圧器２７の一次巻線２７ａの両端からそれぞれ入力され、またＷ相に対応する第３のスイッチング回路２３の第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂの出力は、一点鎖線で示した変圧器収納箱２５に設けられ、Ｗ相に対応して、一点鎖線で示した第３の二巻線変圧器２８の一次巻線２８ａの両端からそれぞれ入力されている。

また、第１の二巻線変圧器２６の一次巻線２６ａの両端の間、第２の二巻線変圧器２７の一次巻線２７ａの両端の間、第３の二巻線変圧器２８の一次巻線２８ａの両端の間には、グランドとして作用する線路５に電気的に導通している共通の帰線６が接続されており、これにより第１の二巻線変圧器２６の一次巻線２６ａは、第１の一次巻線２６ｂおよび第２の一次巻線２６ｃに、第２の二巻線変圧器２７の一次巻線２７ａは、第１の一次巻線２７ｂおよび第２の一次巻線２７ｃに、第３の二巻線変圧器２８の一次巻線２８ａは、第１の一次巻線２８ｂおよび第２の一次巻線２８ｃに分割されている。

なお、ここでは第１の二巻線変圧器２６、第２の二巻線変圧器２７および第３の二巻線変圧器２８から最適な出力を得るために、帰線６を一次巻線２６ａ、２７ａ、２８ａの両端の間の略中央に接続して、分割された第１の一次巻線２６ｂ、２７ｂ、２８ｂならびに第２の一次巻線２６ｃ、２７ｃ、２８ｃの巻数を略同じとしてある。

また第１の二巻線変圧器２６の二次巻線２６ｄ、第２の二巻線変圧器２７の二次巻線２７ｄ、第３の二巻線変圧器２８の二次巻線２８ｄは、一端がスター結線され、他端は、例えば三相交流電源または三相交流電動機などの三相の交流負荷２９に出力されている。

なお、ここでも第１の二巻線変圧器２６、第２の二巻線変圧器２７および第３の二巻線変圧器２８から最適な出力を得るために、二次巻線２６ｄ、２７ｄ、２８ｄの巻数は略同じとしてある。

次に実施の形態４の動作について、図７および実施の形態２で示した図５を参照して説明する。

架線１から集電器２を介して受電した直流電力は、スイッチング回路収納箱２０に設けられた、Ｕ相に対応した第１のスイッチング回路２１の第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂに、またＶ相に対応した第２のスイッチング回路２２の第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂに、またＷ相に対応した第３のスイッチング回路２３の第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂに入力されている。

そして、まず制御信号発信器２４により、Ｕ相に対応した第１のスイッチング回路２１の第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂが交互にオンオフ動作される。これは、実施の形態２で示した図５の（ａ１）および（ａ２）に相当する。またこの時、第１のスイッチング素子２１ａと第２のスイッチング素子２１ｂからは、実施の形態２で示した図５の（ｂ１）および（ｂ２）に相当する、電圧Ｅ１を有する半波方形波直流が交互に出力される。ここで電圧Ｅ１は、通常、架線の定格電圧を示している。

第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂから交互に出力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、変圧器収納箱２５に設けられた、Ｕ相に対応した第１の二巻線変圧器２６の一次巻線２６ａの両端からそれぞれ入力される。一次巻線２６ａの両端から交互に入力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、帰線６を一次巻線２６ａの両端の間の略中央に接続して分割された、第１の一次巻線２６ｂおよび第２の一次巻線２６ｃの巻数を略同じとしているために、第１の一次巻線２６ｂと二次巻線２６ｄならびに第２の一次巻線２６ｃと二次巻線２６ｄの巻数比に応じて、二次巻線２６ｄから、実施の形態２で示した図５の（ｃ）に相当する、交流負荷２９に供給可能な電圧Ｅ２を有する方形波交流に変換され、交流負荷２９に出力される。

次に、制御信号発信器２４により、Ｕ相より位相を１２０°遅らせて、Ｖ相に対応した第２のスイッチング回路２２の第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂが交互にオンオフ動作される。これは、実施の形態２で示した図５の（ａ１）および（ａ２）に相当する。またこの時、第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂからは、実施の形態２で示した図５の（ｂ１）および（ｂ２）に相当する、電圧Ｅ１を有する半波方形波直流が交互に出力される。ここで電圧Ｅ１は、通常、架線の定格電圧を示している。

第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂから交互に出力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、変圧器収納箱２５に設けられた、Ｖ相に対応した第２の二巻線変圧器２７の一次巻線２７ａの両端からそれぞれ入力される。一次巻線２７ａの両端から交互に入力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、帰線６を一次巻線２７ａの両端の間の略中央に接続して分割された、第１の一次巻線２７ｂおよび第２の一次巻線２７ｃの巻数を略同じとしているために、第１の一次巻線２７ｂと二次巻線２７ｄならびに第２の一次巻線２７ｃと二次巻線２７ｄの巻数比に応じて、二次巻線２７ｄから、実施の形態２で示した図５の（ｃ）に相当する、交流負荷２９に供給可能な電圧Ｅ２を有する方形波交流に変換され、Ｕ相から位相が１２０°遅れて、交流負荷２９に出力される。

さらに、制御信号発信器２４により、Ｕ相より位相を２４０°遅らせて、Ｗ相に対応した第３のスイッチング回路２３の第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂが交互にオンオフ動作される。これは、実施の形態２で示した図５の（ａ１）および（ａ２）に相当する。またこの時、第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂからは、実施の形態２で示した図５の（ｂ１）および（ｂ２）に相当する、電圧Ｅ１を有する半波方形波直流が交互に出力される。ここで電圧Ｅ１は、通常、架線の定格電圧を示している。

第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂから交互に出力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、変圧器収納箱２５に設けられた、Ｗ相に対応した第３の二巻線変圧器２８の一次巻線２８ａの両端からそれぞれ入力される。一次巻線２８ａの両端から交互に入力された電圧Ｅ１の半波方形波直流は、帰線６を一次巻線２８ａの両端の間の略中央に接続して分割された、第１の一次巻線２８ｂおよび第２の一次巻線２８ｃの巻数を略同じとしているために、第１の一次巻線２８ｂと二次巻線２８ｄならびに第２の一次巻線２８ｃと二次巻線２８ｄの巻数比に応じて、二次巻線２８ｄから、実施の形態２で示した図５の（ｃ）に相当する、交流負荷２９に供給可能な電圧Ｅ２を有する方形波交流に変換され、Ｕ相から位相が２４０°遅れて、交流負荷２９に出力される。

このように、交流負荷２９には、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相に対応して、位相がＵ相から１２０°および２４０°ずれた電圧Ｅ２の交流電力が入力されるため、例えば三相交流電源や三相交流電動機などの三相の交流負荷２９が動作可能となる。

この実施の形態４によれば、実施の形態２で示した小型化および軽量化ならびにサージ耐性の効果に加えて、例えば、三相交流電源や三相交流電動機などの三相の交流負荷２９を動作可能とする効果がある。

実施の形態５
実施の形態３においては、二巻線変圧器１１から単相交流電源などの単相の交流負荷１５に直接単相の交流電力を、実施の形態４においては、第１の二巻線変圧器２６、第２の二巻線変圧器２７、第３の二巻線変圧器２８から三相交流電源などの三相の交流負荷２９に直接三相の交流電力を出力する場合を示したが、図８および図９に示すように、実施の形態１または実施の形態２で示した平滑回路８の出力端に、単相インバータ回路３０または三相インバータ回路３１を設けても、単相の交流負荷１５および三相の交流負荷２９に、所定の交流電力を出力することが可能である。なお図８または９で使用した符号のうち、実施の形態１から４で使用した符号と同一のものは、同一または相当品を示す。

この実施の形態５によれば、実施の形態３または４で示した効果と同等の効果を得ることができる。

実施の形態６
実施の形態１から５においては、架線１から直流電力を受電する場合を示したが、架線１から交流電力を受電する場合においても、図１０に示すように、架線１から集電器２を介して受電した交流電力を、二巻線変圧器４０の一次巻線４０ａに入力し、二次巻線４０ｂの出力を、ブリッジ型の全波整流回路４１およびフィルタリアクトル４２ａおよびフィルタコンデンサ４２ｂからなる平滑回路４２を介して直流電力化したのち、実施の形態１から５で示したスイッチング回路３、２１、２２、２３に入力することにより、対応可能である。なお、図１０で使用した符号のうち、実施の形態１から５で使用した符号と同一のものは、同一または相当品を示す。

この実施の形態６によれば、実施の形態１から５で示した効果に加えて、交流電力の受電を可能とする効果がある。

また、この実施の形態６においては、二巻線変圧器４０を用いたものを示したが、当然、軽量化および小型化が可能な単巻変圧器を用いることも可能である。

なお、実施の形態１から６によれば、スイッチング回路３の第１のスイッチング素子３ａおよび第２のスイッチング素子３ｂ、第１のスイッチング回路２１の第１のスイッチング素子２１ａおよび第２のスイッチング素子２１ｂ、第２のスイッチング回路２２の第１のスイッチング素子２２ａおよび第２のスイッチング素子２２ｂ、第３のスイッチング回路２３の第１のスイッチング素子２３ａおよび第２のスイッチング素子２３ｂから半波方形波直流を出力する場合を示したが、これは一つの事例を示したものであり、例えば、制御信号発信器３ｃおよび２４のオンオフ制御により図１１（ａ）に示す半波正弦波直流、同図（ｂ）に示す半波台形波直流、などの出力も可能であり、この実施の形態１から６と同等の効果を得ることができる。

また、実施の形態１から６によれば、スイッチング回路３、第１のスイッチング回路２１、第２のスイッチング回路２２および第３のスイッチング回路２３の構成として、バイポーラ型のトランジスタからなる第１のスイッチング素子３ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａならびに第２のスイッチング素子３ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２３ｂを用いたものを示したが、これらのスイッチング回路３、第１のスイッチング回路２１、第２のスイッチング回路２２および第３のスイッチング回路２３の機能としては、オンオフ動作が可能な素子ならば良く、例えばサイリスタ、ＧＴＯまたはＩＧＢＴなどを用いてもよい。また、オンオフ動作の時間間隔を制御するものとしてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を組み合わせれば、一層動作の安定した車両用電力変換装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図である。この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置の動作説明図である。この発明の実施の形態１の車両用電力変換装置に係る平滑回路の多段構成の例を示す回路構成図である。この発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図である。この発明の実施の形態２に係る車両用電力変換装置の動作説明図である。この発明の実施の形態３に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図である。この発明の実施の形態４に係る車両用電力変換装置の要部を示す回路構成図である。この発明の実施の形態５の車両用電力変換装置に係る平滑回路の出力端に設けた単相インバータを示す回路構成図である。この発明の実施の形態５の車両用電力変換装置に係る平滑回路の出力端に設けた三相インバータを示す回路構成図である。この発明の実施の形態５の車両用電力変換装置に係る交流電力を受電する回路構成を示す回路構成図である。この発明の実施の形態１〜５に係る出力波形の他の例を示す波形図である。

符号の説明

１架線
２集電器
３スイッチング回路
３ａトランジスタなどの第１のスイッチング素子
３ｂトランジスタなどの第２のスイッチング素子
３ｃ制御信号発信器
４単巻変圧器
４ａ一次巻線
４ｂ第１の一次巻線
４ｃ第２の一次巻線
４ｄ第１の分路巻線
４ｅ第２の分路巻線
５グランドとなる線路
６帰線
７合成回路
７ａ第１の逆流防止素子である第１の整流ダイオード
７ｂ第２の逆流防止素子である第２の整流ダイオード
８平滑回路
８ａフィルタリアクトル
８ｂフィルタコンデンサ
９直流電源、直流電動機あるいは蓄電池の充電器などの直流負荷

Claims

受電した直流電力がそれぞれ入力されるとともに、交互にオンオフ動作される第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を有したスイッチング回路と、前記第１のスイッチング素子の出力が一次巻線の一端から入力され、前記第２のスイッチング素子の出力が前記一次巻線の他端から入力されるとともに、前記一次巻線の両端の間に帰線が接続され、かつ前記帰線が接続された位置から、前記一端側に延びる前記一次巻線の一部または全部および前記他端側に延びる前記一次巻線の一部または全部が、それぞれ第１の分路巻線および第２の分路巻線として共用される単巻変圧器と、前記第１の分路巻線および前記第２の分路巻線の出力が、それぞれ電流の逆流を防止する第１の逆流防止素子および第２の逆流防止素子を介して合成される合成回路を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。
帰線により分割された前記一次巻線の双方の巻数を同じとし、前記第１および第２の分路巻線の巻数を同じとしたことを特徴とする請求項１に記載の車両用電力変換装置。
合成回路からの出力を平滑にする平滑回路を備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
受電した直流電力がそれぞれ入力されるとともに、交互にオンオフ動作される第１および第２のスイッチング素子を備えたスイッチング回路と、一次巻線および二次巻線を有し、前記第１のスイッチング素子の出力が前記一次巻線の一端から入力され、前記第２のスイッチング素子の出力が前記一次巻線の他端から入力されるとともに、前記一次巻線の両端の間に帰線が接続された二巻線変圧器を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。
帰線により分けられた前記一次巻線の双方の巻数を同じとしたことを特徴とする請求項４に記載の車両用電力変換装置。
二次巻線からの出力を整流する全波整流回路を備えたことを特徴とする請求項４または５のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
全波整流回路からの出力を平滑にする平滑回路を備えたことを特徴とする請求項６に記載の車両用電力変換装置。
第１および第２のスイッチング素子のオンオフ動作を行なう制御信号発信器を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。