JP2019050652A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池充電電流制御に降圧チョッパ回路を備えた電気車用電力変換装置において、バイパス用ダイオードが開放故障する等によりバイパス電流路が使えなくなった場合に、降圧チョッパ回路を保護する。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、高圧側電源ラインと低圧側電源ラインとを介して負荷に直流電力を供給する電力変換装置であって、高圧側電源ライン及び低圧側電源ラインを介して入力された直流電力の電圧を降圧して蓄電池装置を充電するための充電電圧を出力する降圧チョッパ回路と、蓄電装置が接続された状態で、降圧チョッパ回路の高圧側出力端子と、蓄電池装置の高圧側端子との間に介挿される逆流防止用の第１ダイオードと、第１ダイオードのカソードと高圧側電源ラインとの間に介挿された第２ダイオードと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

通常、電気車は、運転制御などに使用する低圧直流回路（例えば、ＤＣ１００ＶまたはＤＣ１１０Ｖの電源回路）を有しており、その電源は、電気車が固有の補助電源装置が供給する。但し、補助電源装置の起動前など、補助電源装置からの電源供給が無い場合であっても、短時間は低圧直流回路が使えるよう、蓄電池によりバックアップされているのが一般的である。

この場合において、蓄電池としては、従来、鉛蓄電池が主流であった。この鉛蓄電池は定電圧の直流電源に接続するだけで充電可能であり、取扱いが容易であるという利点があった。

これに対し、最近では鉛蓄電池よりも小型軽量の蓄電池が開発されているが、これらの蓄電池は、充電電圧・電流のきめ細かな制御を必要とする。
従って、単に定電圧電源に接続するだけでは充電することはできず、充電用の降圧チョッパ回路を設ける必要がある。
また、蓄電池と低圧直流負荷とは、同じ電圧が印加されないよう、切り離す必要があった。

ところで、降圧チョッパ回路は、定電圧電源である直流電源からの電力を降圧して蓄電池に供給することとなるが、この場合の蓄電池充電電流は、直流電源が直接接続される低圧直流負荷への供給電流よりも遙かに小さいため、降圧チョッパ回路の電流容量も蓄電池充電電流に見合った小さいものとされていた。

しかし直流電源からの電源供給が断たれ、蓄電池から低圧直流負荷へ電力を供給する場合の蓄電池の放電電流の電流容量は、降圧チョッパ回路の電流容量を大きく超えるため、蓄電池の放電電流が降圧チョッパ回路に流れ込んだ場合には、降圧チョッパ回路が故障してしまうこととなる。

このため、蓄電池の放電電流が降圧チョッパ回路に流れ込まずに、降圧チョッパ回路をバイパスして低圧直流負荷へ供給するための電流路を構成するようにバイパス用ダイオードが設けられていた。

特開平１−１５７２６５号公報

しかしながら、従来技術においては、このバイパス用ダイオードが開放故障してしまった場合（あるいはバイパス用ダイオードを介した電流流路の配線が断線した場合）には、降圧チョッパ回路を構成しているスイッチング素子としてのトランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ）に接続されている環流ダイオードを介して降圧チョッパ回路内を電流が流れることとなり、バイパスダイオードの故障により降圧チョッパ回路も故障してしまう虞があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、蓄電池充電電流制御に降圧チョッパ回路を備えた電気車用電力変換装置において、バイパス用ダイオードが開放故障する等によりバイパス電流路が使えなくなった場合に、降圧チョッパ回路を逆流して蓄電池放電することを防止し、ひいては、降圧チョッパ回路を保護することが可能な電力変換装置を提供することにある。

実施形態の電力変換装置は、高圧側電源ラインと低圧側電源ラインとを介して負荷に直流電力を供給する電力変換装置であって、高圧側電源ライン及び低圧側電源ラインを介して入力された直流電力の電圧を降圧して蓄電装置を充電するための充電電圧を出力する降圧チョッパ回路と、蓄電装置が接続された状態で、降圧チョッパ回路の高圧側出力端子と、蓄電装置の高圧側端子との間に介挿される逆流防止用の第１ダイオードと、第１ダイオードのカソードと高圧側電源ラインとの間に介挿された第２ダイオードと、を備える。

図１は、実施形態の電力変換装置を有する電気車制御装置の概要構成ブロック図である。 図２は、補助電源装置の詳細構成説明図である。 図３は、実施形態の変形例の説明図である。

次に本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
以下、実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電力変換装置を有する電気車制御装置の概要構成ブロック図である。

電気車制御装置１０は、図１に示すように、交流架線１１から直流電力が供給されるパンタグラフ１２と、主遮断機１３と、トランス１４と、線路１５を介して接地（低電位側電源）された車輪１６と、交流架線１１からパンタグラフ１２、主遮断機１３及びトランス１４の一次巻線１４Ａ及び二次巻線１４Ｂを介して供給された交流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置１７と、電力変換装置１７により変換された三相交流電力を受けて駆動され、鉄道車両を駆動する主電動機１８と、交流架線１１からパンタグラフ１２、主遮断機１３及びトランス１４の一次巻線１４Ａ及び三次巻線１４Ｃを介して供給された交流電力を低圧直流電力（例えば、直流１００Ｖ又は直流１１０Ｖ）に変換する補助電源装置１９と、補助電源装置１９により生成された低圧直流電力の供給を受けて駆動される運転制御装置等の低圧直流負荷２０と、補助電源装置１９から供給された直流電力を蓄え、補助電源装置１９の起動前などに低圧直流負荷２０に駆動電力を供給する蓄電池装置２１と、備えている。

図２は、補助電源装置の詳細構成説明図である。
補助電源装置１９は、三次巻線１４Ｃを介して供給された交流電力を整流して直流電力とする整流器（直流電源）３１と、整流器３１からの直流電力を蓄電池装置２１の充電電圧に降圧する降圧チョッパ回路３２と、蓄電池装置２１の放電時に電流を低圧直流負荷２０側にバイパスし、降圧チョッパ回路３２側に電流を流さないためのバイパスダイオード３３と、バイパスダイオード３３が開放故障状態となった場合に蓄電池装置２１から降圧チョッパ回路２２に流れる電流を防止するためにバイパスダイオード３３のアノードにカソードが接続された逆流防止ダイオード３４と、を備えている。

降圧チョッパ回路３２は、整流器３１の高電位側電源ラインＬＨと低電位側電源ラインＬＬとの間に接続されたフィルタコンデンサ４１と、高電位側電源ラインＬＨにコレクタ端子が接続されたスイッチング素子としてのＩＧＢＴ４２と、ＩＧＢＴ４２の寄生ダイオード４３と、カソードがIＧＢＴ４２のエミッタに接続され、アノードが低電位側電源ラインＬＬに接続された還流ダイオード４４と、一端がＩＧＢＴ４２のエミッタに接続され、他端が逆流防止ダイオード２４のアノードに接続されたフィルタリアクトル４５と、一端がフィルタリアクトル４５の他端に接続され、他端が低電位側電源ラインＬＬに接続されたフィルタコンデンサ４６と、を備えている。

次に補助電源装置１９の動作について説明する。
まずは、バイパスダイオード２３の正常時の低圧直流回路２０の動作について説明する。
（１）通常動作時
補助電源装置１９の通常動作時には、低圧直流負荷２０に駆動電力を供給する場合、補助電源装置１９の整流器３１は、三次巻線１４Ｃを介して供給された交流電力を整流して直流電力とし、高電位側電源ラインＬＨ及び低電位側電源ラインＬＬを介して駆動電力を低圧直流負荷２０に供給する。

この低圧直流負荷２０への駆動電力の供給と並行して、整流器３１は、降圧チョッパ回路３２に蓄電池装置２１の充電電力を供給する。

これにより降圧チョッパ回路３２のフィルタコンデンサ４１は、供給された充電電力としての直流電力に含まれるノイズ成分を除去してＩＧＢＴ４２のコレクタ端子に直流電圧を印加する。

この状態でＩＧＢＴ４２をオン状態とすると、整流器３１から供給された直流電力は、整流器３１→ＩＧＢＴ４２のコレクタ→ＩＧＢＴ４２のエミッタ→フィルタリアクトル４５→逆流防止ダイオード３４→低圧直流負荷２０→整流器３１の順番で流れる。

またＩＧＢＴ４２をオフ状態とすると、ＩＧＢＴ４２がオン状態の時にフィルタリアクトル４５を流れていた電流に起因するサージ電流が還流ダイオード４４を流れ、その後出力電圧は０Ｖとなる。

この結果、整流器３１から降圧チョッパ回路２２に印加されていた電圧と、０Ｖとの時間平均値に相当する電圧が降圧された出力電圧として蓄電池装置２１に印加され、蓄電池装置２１の充電がなされる。

以下、同様にして、ＩＧＢＴ４２のオン／オフを繰り返すことで、蓄電池装置１１の充電がなされることとなる。

（２）非動作時
補助電源装置１９の非動作時に、低圧直流負荷１０に駆動電力を供給する場合には、蓄電池装置２１から電力が供給される。
より詳細には、蓄電池装置２１の高電位側端子からバイパスダイオード３３→高電位側電源ラインＬＨ→低圧直流負荷２０→低電位側電源ラインＬＬ→蓄電池装置１１の低電位側端子の順番で直流電流が流れ、低圧直流負荷２０が駆動される。

したがって、蓄電池装置２１の蓄電電力が降圧チョッパ回路２２側に逆流することはなく、降圧チョッパ回路２２の故障を招くことはない。

（３）バイパスダイオード開放故障時
次にバイパスダイオード３３が異常時（開放故障時）の補助電源装置１９の動作について説明する。
ここで、理解の容易のため、まず逆流防止ダイオード３４が設けられていないとした場合（従来例）の動作を説明する。

上述したとおり、補助電源装置１９の非動作時には、低圧直流負荷２０に駆動電力を供給する場合には、蓄電池装置２１から電力が供給される。

この結果、本来バイパスダイオード３３を流れるべき電流は、蓄電池装置１１の高電位側端子→フィルタリアクトル４５→寄生ダイオード４３→高電位側電源ラインＬＨ→低圧直流負荷２０→低電位側電源ラインＬＬ→蓄電池装置２１の低電位側端子の順番で直流電流が流れようとすることとなる。

すなわち、降圧チョッパ回路３２を逆流電流が流れることとなり降圧チョッパ回路３２に想定されている電流容量を超えた電流で降圧チョッパ回路３２が故障する虞があった。

これに対し、本実施形態のように逆流防止ダイオード３４が設けられている場合には、逆流防止ダイオード３４により蓄電池装置２１から流れる電流が遮断されるため、蓄電池装置２１の蓄電電力が降圧チョッパ回路３２側に逆流することはなく、降圧チョッパ回路３２の故障を招くことはない。

以上の説明のように本実施形態によれば、蓄電池装置２１の放電時の放電電流を、蓄電池装置２１の充電を行うための降圧チョッパ回路３２を介さずに流すためのバイパスダイオード３３が開放故障している場合でも、蓄電池装置２１の放電時の蓄電電流が降圧チョッパ回路３２に流れ込む（逆流する）ことはないので降圧チョッパ回路３２の逆流電流による故障を回避し、電力変換装置全体の信頼性を向上させることが可能となる。

すなわち、蓄電池充電用の降圧チョッパ回路３２の後段に設けたバイパスダイオード３３の開放故障が発生しても、降圧チョッパ回路３２を経由した放電を防ぐことができ、降圧チョッパ回路３２への故障の拡大被害防止に寄与する。

図３は、実施形態の変形例の説明図である。
以上の説明においては、逆流防止ダイオード２４及びバイパスダイオード２３を別体のものとして説明したが、図３に示すように、これらを同一モジュールパッケージ５０内に収容する構成とすることも可能である。

このような構成とすることにより、装置のより一層の小型化、組み立て容易性を図ることが可能となる。また、電気部品配置をより容易にすることができる。

さらに蓄電池装置２１の充電は、交流架線１１からの供給電力ではなく、補助電源装置１９から供給される電力により充電を行うので、電圧変動を考慮する必要がなく、装置構成が単純化し、小型化を容易に図れることとなっており、既存の電車を改造して、ハイブリッド電源型電車としようとする場合でも、充電装置としての補助電源装置１９の設置場所の確保が容易となる。

また、定電圧、定周波数に加え、少ない電流で時間をかけて充電することにより、蓄電池に対して充電による発熱量が抑えられ、寿命に好影響を与えることができる。
さらに、任意に設定できる充電量上限に対し、効率よい充電が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。

例えば、以上の説明においては、電力変換装置として入力される交流電力を直流電力に変換する場合について説明した、入力される直流電力の電圧を変換するコンバータを整流器３１に代えて備える構成とすることも可能である。

１０ 電気車制御装置
１１ 交流架線
１２ パンタグラフ
１３ 主遮断機
１４ トランス
１４Ａ 一次巻線
１４Ｂ 二次巻線
１４Ｃ 三次巻線
１５ 線路
１６ 車輪
１７ 電力変換装置
１８ 主電動機
１９ 補助電源装置（電力変換装置）
２０ 低圧直流負荷
２１ 蓄電池装置
２２ 降圧チョッパ回路
２３ バイパスダイオード
２４ 逆流防止ダイオード
３１ 整流器
３２ 降圧チョッパ回路
３３ バイパスダイオード
３４ 逆流防止ダイオード
４１ フィルタコンデンサ
４２ ＩＧＢＴ
４３ 寄生ダイオード
４４ 還流ダイオード
４５ フィルタリアクトル
４６ フィルタコンデンサ
５０ 同一モジュールパッケージ
ＬＨ 高電位側電源ライン
ＬＬ 低電位側電源ライン

Claims (5)

1. 高圧側電源ラインと低圧側電源ラインとを介して負荷に直流電力を供給する電力変換装置であって、
   前記高圧側電源ライン及び前記低圧側電源ラインを介して入力された直流電力の電圧を降圧して蓄電池装置を充電するための充電電圧を出力する降圧チョッパ回路と、
   前記蓄電池装置が接続された状態で、前記降圧チョッパ回路の高圧側出力端子と、前記蓄電池装置の高圧側端子との間に介挿される逆流防止用の第１ダイオードと、
   前記第１ダイオードのカソードと前記高圧側電源ラインとの間に介挿された第２ダイオードと、
   を備えた電力変換装置。
2. 外部からの交流電力を整流して、前記前記高圧側電源ライン及び前記低圧側電源ラインを介して前記負荷に出力する整流器を備えた、
   請求項１記載の電力変換装置。
3. 外部からの直流電力の電圧変換を行って、前記前記高圧側電源ライン及び前記低圧側電源ラインを介して前記負荷に出力するコンバータを備えた、
   請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードは、同一のモジュールパッケージに収容されている、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードは、前記モジュールパッケージ内で直列接続され、
   前記モジュールパッケージは、前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードの接続点に電気的に接続された端子を備える、
   請求項４記載の電力変換装置。

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