JP2018201310A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両内の負荷部に異常が生じた場合でも、ソフトスイッチングを維持して共振インバータにおける損失を少なくする。【解決手段】共振インバータ５は、架線から車両に供給される直流電力を交流電力に変換するスイッチング部と、スイッチング部におけるスイッチング損失を軽減する共振回路と、を有する。トランス６は、共振インバータから交流電力が供給される一次巻線６１、二次巻線６２及び三次巻線６３を有する。第１整流器７は、二次巻線から出力される交流電力を直流電力に変換する。三相負荷部１０は、車両内に設けられ、第１整流器から出力される直流電力によって駆動される。第１抵抗１３は、三相負荷部に対して並列接続される。第２整流器１１は、三次巻線から出力される交流電力を直流電力に変換する。直流負荷部は、車両内に設けられ、第２整流器から出力される直流電力によって駆動される。第２抵抗１４は、第２負荷部に対して並列接続される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車両用電源装置に関する。

鉄道車両内には、電動機に交流電力を供給するための主変換装置と、鉄道車両内の照明や空調装置に交流電力を供給するための車両用電源装置と、が搭載されている。車両用電源装置は、６０Ｈｚの交流電力を出力する絶縁トランスを有するため、その重量や体積が大きくなる。そのため、車両用電源装置の小型化および高効率化を目的として、架線から供給される直流電力を高周波の交流電力に変換する共振インバータと、当該共振インバータから出力される交流電力を変圧する絶縁トランスと、当該絶縁トランスによって変圧された交流電力を直流電力に変換する整流器と、を備える車両用電源装置が開発されている。

特開２００６−２５５９１号公報

ところで、車両用電源装置が備える共振インバータは、損失を低減するために、ソフトスイッチングになるように共振周波数が調整されている。しかしながら、車両用電源装置が備える絶縁トランスが、三次巻線式のトランスである場合、二次巻線に接続される負荷部、または三次巻線に接続される負荷部が停止すると、絶縁トランスのインダクタンス成分が変化するため、共振インバータの共振周波数がずれて、ハードスイッチングになり、共振インバータにおける損失が悪化することがある。

実施形態の車両用電源装置は、共振インバータと、トランスと、第１整流器と、第１負荷部と、第１抵抗と、第２整流器と、第２負荷部と、第２抵抗と、を有する。共振インバータは、架線から車両に供給される直流電力を交流電力に変換するスイッチング部と、当該スイッチング部におけるスイッチングの損失を軽減する共振回路と、を有する。トランスは、共振インバータから交流電力が供給される一次巻線と、当該一次巻線と絶縁されかつ変圧した交流電力を出力する二次巻線と、当該一次巻線と絶縁されかつ変圧した交流電力を出力する三次巻線と、を有する。第１整流器は、二次巻線から出力される交流電力を直流電力に変換する。第１負荷部は、車両内に設けられ、第１整流器から出力される直流電力によって駆動する。第１抵抗は、第１負荷部に対して並列接続される。第２整流器は、三次巻線から出力される交流電力を直流電力に変換する。第２負荷部は、車両内に設けられ、第２整流器から出力される直流電力によって駆動する。第２抵抗は、第２負荷部に対して並列接続される。

図１は、本実施形態にかかる車両用電源装置の構成の一例を示す図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる車両用電源装置について説明する。

図１は、本実施形態にかかる車両用電源装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態にかかる車両用電源装置２は、昇圧チョッパユニット３と、フィルタコンデンサ４と、共振インバータ５と、高周波絶縁トランス６と、第１整流器７と、フィルタコンデンサ８と、三相インバータ９と、三相負荷部１０と、第２整流器１１と、直流負荷部１２と、二次出力側抵抗１３と、三次出力側抵抗１４と、を有する。

昇圧チョッパユニット３は、パンタグラフ１を介して架線から鉄道車両（車両の一例）に供給される直流電力の電圧を、予め設定された電圧に昇圧する。そして、昇圧チョッパユニット３は、昇圧した直流電力をフィルタコンデンサ４に出力する。架線から供給される直流電力には、変電所に起因する特定の周波数（例えば、３００Ｈｚ）のリップルが含まれるが、昇圧チョッパユニット３が、直流電力に含まれるリップルを取り除きかつ架線から供給される直流電力の電圧変動を吸収して、安定した直流電力をフィルタコンデンサ４に供給する。

本実施形態では、昇圧チョッパユニット３は、昇圧リアクトル３１と、スイッチング素子３２と、逆流防止ダイオード３３と、を有する。昇圧リアクトル３１は、コイル等で構成され、架線から供給される電力を蓄える。スイッチング素子３２は、半導体スイッチ等で構成され、図示しない制御部によってチョッパ制御されてオンオフを繰り返して、昇圧リアクトル３１に蓄えられた電力をＧＮＤ側または負荷部側（三相負荷部１０および直流負荷部１２）側に放電する。逆流防止ダイオード３３は、上述の負荷部側から架線への電流の逆流を防止するダイオードである。

フィルタコンデンサ４は、昇圧チョッパユニット３から出力される直流電力から高周波成分を除去して出力する。

共振インバータ５は、フィルタコンデンサ４から出力される直流電力を交流電力（例えば、５ＫＨｚの交流電力）に変換し、当該交流電力を高周波絶縁トランス６に出力する。また、共振インバータ５は、ソフトスイッチングになるように共振周波数が調整されている。本実施形態では、共振インバータ５は、スイッチング部と、共振回路と、を有する。スイッチング部は、オンオフを繰り返すことによって、直流電力を交流電力に変換する。共振回路は、スイッチング部におけるスイッチングの損失を低減する。具体的には、共振回路は、スイッチング部におけるスイッチングの周波数に近い共振周波数で振動する電力を蓄える。

本実施形態では、共振インバータ５は、昇圧チョッパユニット３により昇圧されかつフィルタコンデンサ４により高周波成分が除去された直流電力が供給されているが、架線から供給される直流電力を昇圧する必要が無くかつ当該直流電力に含まれる高周波成分が少ない場合には、昇圧チョッパユニット３およびフィルタコンデンサ４を介さずに、架線から直流電力の供給を受け、当該直流電力を交流電力に変換しても良い。

高周波絶縁トランス６は、三次巻線式のトランスである。具体的には、高周波絶縁トランス６は、共振インバータ５から交流電力が供給される一次巻線６１と、当該一次巻線６１と絶縁されかつ変圧した交流電力を出力する二次巻線６２と、当該一次巻線６１と絶縁されかつ変圧した交流電力を出力する三次巻線６３と、を有する。高周波絶縁トランス６は、一次巻線６１と、二次巻線６２および三次巻線６３との間が絶縁されているので、絶縁型のＡＣ／ＡＣコンバータとして機能する。

第１整流器７は、高周波絶縁トランス６の二次巻線６２から出力される交流電力を、再び、直流電力に変換して出力する。フィルタコンデンサ８は、第１整流器７から出力される直流電力の高周波成分を除去して出力する。本実施形態では、車両用電源装置２は、フィルタコンデンサ８を有しているが、第１整流器７から出力される直流電力に含まれる高周波成分が少ない場合には、フィルタコンデンサ８を有していなくても良い。

三相インバータ９は、鉄道車両等の車両内に設けられ、第１整流器７から出力される直流電力によって駆動する負荷部（第１負荷部の一例）である。具体的には、三相インバータ９は、フィルタコンデンサ８から出力される直流電力を、予め設定された電圧の交流電力に変換して三相負荷部１０に出力する。三相負荷部１０（第１負荷部の一例）は、鉄道車両等の車両の照明や空調機器等であり、三相インバータ９から出力される交流電力によって駆動する負荷部である。二次出力側抵抗１３（第１抵抗の一例）は、三相インバータ９および三相負荷部１０に対して並列接続される。

第２整流器１１は、高周波絶縁トランス６の三次巻線６３から出力される交流電力を、再び、直流電力に変換して出力する。直流負荷部１２（第２負荷部の一例）は、車両全体を制御する制御部等であり、鉄道車両等の車両内に設けられ、第２整流器１１から出力される直流電力によって駆動する負荷部である。三次出力側抵抗１４（第２抵抗の一例）は、直流負荷部１２に対して並列接続される。

次に、図１を用いて、本実施形態にかかる車両用電源装置２の負荷部において異常が発生した場合の動作について説明する。

例えば、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方に故障等の異常が発生して、第１整流器７からの直流電力の出力先が無負荷な状態になると、高周波絶縁トランス６のインダクタンス成分が変化する。これにより、共振インバータ５の共振周波数が予め設定された周波数からずれて、ハードスイッチングになり共振インバータ５における損失が大きくなる。

そこで、本実施形態では、車両用電源装置２は、上述したように、三相インバータ９および三相負荷部１０に対して並列接続される二次出力側抵抗１３を有する。これにより、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方に異常が発生した場合でも、第１整流器７から出力される交流電力が二次出力側抵抗１３に供給されて、高周波絶縁トランス６のインダクタンス成分の変化を抑制できるので、ソフトスイッチングを維持して共振インバータ５における損失を少なくできる。

また、直流負荷部１２に故障等の異常が発生して、第２整流器１１からの直流電力の出力先が無負荷な状態になった場合も、高周波絶縁トランス６のインダクタンス成分が変化する。これにより、共振インバータ５の共振周波数が予め設定された周波数からずれて、ハードスイッチングになり損失が大きくなる。

そこで、本実施形態では、上述したように、直流負荷部１２に対して三次出力側抵抗１４を並列接続する。これにより、直流負荷部１２に異常が発生した場合でも、第２整流器１１から出力される直流電力が三次出力側抵抗１４に供給されて、高周波絶縁トランス６のインダクタンス成分の変化を抑制できるので、ソフトスイッチングを維持して共振インバータ５における損失を少なくできる。

また、本実施形態では、二次出力側抵抗１３の抵抗値を、三相負荷部１０の抵抗値より大きくする。これにより、三相インバータ９および三相負荷部１０に異常が発生していない場合に、第１整流器７から二次出力側抵抗１３への電力の供給量が増えることによって二次出力側抵抗１３が発する熱を抑制できる。さらに、本実施形態では、三次出力側抵抗１４の抵抗値を、直流負荷部１２の抵抗値より大きくする。これにより、直流負荷部１２に異常が発生していない場合に、第２整流器１１から三次出力側抵抗１４への電力の供給量が増えることによって三次出力側抵抗１４が発する熱を抑制できる。

また、本実施形態では、車両用電源装置２は、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方に異常が発生していない場合に、三相インバータ９および三相負荷部１０に対する二次出力側抵抗１３の並列接続を切断可能なスイッチを設けても良い。これにより、三相インバータ９および三相負荷部１０に異常が発生していない場合に、第１整流器７から二次出力側抵抗１３へ電力が供給されることを防止できるので、二次出力側抵抗１３が発する熱を抑制できる。

具体的には、車両用電源装置２が有する図示しない制御部が、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方の異常を検出していない場合に、スイッチを制御して、三相インバータ９および三相負荷部１０に対する二次出力側抵抗１３の並列接続を切断する。一方、当該制御部は、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方の異常を検出した場合に、スイッチを制御して、二次出力側抵抗１３を、三相インバータ９および三相負荷部１０に対して並列接続する。

または、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方の異常を検出していない場合に、車両用電源装置２の管理者が、スイッチを操作して、三相インバータ９および三相負荷部１０に対する二次出力側抵抗１３の並列接続を切断する。一方、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方の異常を検出した場合に、当該管理者が、スイッチを操作して、二次出力側抵抗１３を、三相インバータ９および三相負荷部１０に対して並列接続する。

また、本実施形態では、車両用電源装置２は、直流負荷部１２に異常が発生していない場合に、直流負荷部１２に対する三次出力側抵抗１４の並列接続を切断可能なスイッチを設けても良い。これにより、直流負荷部１２に異常が発生していない場合に、第２整流器１１から三次出力側抵抗１４へ電力が供給されることを防止できるので、三次出力側抵抗１４が発する熱をより抑制できる。

具体的には、車両用電源装置２が有する図示しない制御部が、直流負荷部１２の異常を検出していない場合に、スイッチを制御して、直流負荷部１２に対する三次出力側抵抗１４の並列接続を切断する。一方、当該制御部は、直流負荷部１２の異常を検出した場合、スイッチを制御して、直流負荷部１２に対して三次出力側抵抗１４を並列接続する。

または、直流負荷部１２の異常を検出していない場合に、車両用電源装置２の管理者が、スイッチを操作して、直流負荷部１２に対する三次出力側抵抗１４の並列接続を切断する。一方、直流負荷部１２の異常を検出した場合に、当該管理者が、スイッチを操作して、三次出力側抵抗１４を、直流負荷部１２に対して並列接続する。

さらに、本実施形態では、第１整流器７および第２整流器１１を、ＳｉＣを用いたショットキーバリヤダイオードとする。これにより、三相インバータ９および三相負荷部１０の少なくとも一方、または直流負荷部１２に異常が発生して、共振インバータ５がハードスイッチングになった場合でも、共振インバータ５における損失を小さくすることができる。

このように、本実施形態にかかる車両用電源装置２によれば、三相インバータ９、三相負荷部１０、および直流負荷部１２の少なくとも一つに異常が発生した場合に、高周波絶縁トランス６のインダクタンス成分の変化を抑制できるので、ソフトスイッチングを維持して共振インバータ５における損失を少なくできる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ パンタグラフ
２ 車両用電源装置
５ 共振インバータ
６ 高周波絶縁トランス
７ 第１整流器
９ 三相インバータ
１０ 三相負荷部
１１ 第２整流器
１２ 直流負荷部
１３ 二次出力側抵抗
１４ 三次出力側抵抗
６１ 一次巻線
６２ 二次巻線
６３ 三次巻線

Claims (4)

1. 架線から車両に供給される直流電力を交流電力に変換するスイッチング部と、当該スイッチング部におけるスイッチングの損失を軽減する共振回路と、を有する共振インバータと、
   前記共振インバータから交流電力が供給される一次巻線と、当該一次巻線と絶縁されかつ変圧した交流電力を出力する二次巻線と、当該一次巻線と絶縁されかつ変圧した交流電力を出力する三次巻線と、を有するトランスと、
   前記二次巻線から出力される交流電力を直流電力に変換する第１整流器と、
   前記車両内に設けられ、前記第１整流器から出力される直流電力によって駆動する第１負荷部と、
   前記第１負荷部に対して並列接続される第１抵抗と、
   前記三次巻線から出力される交流電力を直流電力に変換する第２整流器と、
   前記車両内に設けられ、前記第２整流器から出力される直流電力によって駆動する第２負荷部と、
   前記第２負荷部に対して並列接続される第２抵抗と、
   を備える車両用電源装置。
2. 前記第１抵抗の抵抗値は、前記第１負荷部の抵抗値より大きく、
   前記第２抵抗の抵抗値は、前記第２負荷部の抵抗値より大きい請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記第１負荷部に異常が発生していない場合に、前記第１負荷部に対する前記第１抵抗の並列接続を切断可能な第１スイッチと、
   前記第２負荷部に異常が発生していない場合に、前記第２負荷部に対する前記第２抵抗の並列接続を切断可能な第２スイッチと、を備える請求項１または２に記載の車両用電源装置。
4. 前記第１整流器および前記第２整流器は、ＳｉＣを用いたショットキーバリヤダイオードである請求項１から３のいずれか一に記載の車両用電源装置。

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