JP2019088043A - 電気車用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に供給する電力の変動によって生じる損失の増大を抑制することができる。【解決手段】電気車用電源装置の共振型インバータは、第１共振コンデンサと、共振回路に流れる電流を遮断するスイッチング素子とを含み、前記共振回路の共振と前記スイッチング素子の周期的なスイッチングとにより前記直流電力から第１交流電力を生成する。変圧器は、少なくとも磁気結合された第１巻線と第２巻線とを備え、前記共振回路の一部に含まれ、前記第１巻線には前記共振型インバータ３によって生成された第１交流電力が供給され、前記第１交流電力を変換した後の第２交流電力を前記第２巻線から負荷に供給する。影響抑制部は、少なくとも前記第１巻線又は前記第２巻線にスイッチングされる際に流れる電流が所定値以下になるように、前記共振回路の共振周波数とスイッチング制御周波数との差を所定の範囲に収めて前記共振型インバータをソフトスイッチングさせる。【選択図】図１Ａ

Description

本発明の実施形態は、電気車用電源装置に関する。

共振型インバータを備える電気車用電源装置がある。共振型インバータの共振回路の共振周波数は、主にコンデンサの容量と変圧器等のインダクタンスとによって決定される。共振型インバータの共振回路に流れる電流を遮断する半導体スイッチング素子をソフトスイッチングさせる場合、実際の共振回路の共振周波数を、半導体スイッチング素子を周期的に遮断する周波数（スイッチング周波数）より高くする。実際の共振回路の共振周波数がスイッチング周波数より低くなると、半導体スイッチング素子は、所定値を超える電流が流れた状態で電流を遮断するハードスイッチングになる。電気車用電源装置から負荷に供給する電力に変動があると、共振周波数が変動することで、電気車用電源装置の損失が意図せずに増大することがある。

特開２０１５−１３９２６４号公報

本発明が解決しようとする課題は、負荷に供給する電力の変動によって生じる損失の増大を抑制することができる電気車用電源装置を提供することである。

実施形態の電気車用電源装置は、共振型インバータと、変圧器と、影響抑制部とを持つ。共振型インバータは、共振回路に含まれる第１共振コンデンサと、前記共振回路に流れる電流を遮断するスイッチング素子とを含み、電源から直流電力が供給され、前記共振回路の共振と前記スイッチング素子の周期的なスイッチングとにより前記直流電力から第１交流電力を生成する。変圧器は、少なくとも互いに電気的に絶縁され磁気結合された第１巻線と第２巻線とを備え、前記共振回路の一部に含まれ、前記第１巻線には前記共振型インバータ３によって生成された第１交流電力が供給され、前記第１交流電力を変換した後の第２交流電力を前記第２巻線から負荷に供給する。影響抑制部は、少なくとも前記第１巻線又は前記第２巻線にスイッチングされる際に流れる電流が所定値以下になるように、前記共振回路の共振周波数と前記スイッチング制御周波数との差を所定の範囲に収めて前記共振型インバータをソフトスイッチングさせる。

第１の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図。 第１の実施形態のスイッチング周波数の調整処理を示すフローチャート。 第２の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図。 第３の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図。 第３の実施形態のスイッチング周波数の調整処理を示すフローチャート。 第４の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図。 第４の実施形態の変形例のコンデンサの構成図。 第５の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図。 第５の実施形態の変形例の抵抗の構成図。 第６の実施形態のリアクトルを示す図。 第６の実施形態のスイッチング周波数の調整処理を示すフローチャート。

以下、実施形態の電気車用電源装置を、図面を参照して説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。

実施形態に示す電気車用電源装置１は、電気車用電源装置の一例である。本願でいう「ソフトスイッチング」とは、電力の変換に利用されるスイッチング素子において、スイッチングする際にスイッチング素子に流れる電流が所定値以下になった状態で導通状態と遮断状態とを切替える（スイッチングする）スイッチング素子の駆動方法のことである。「ソフトスイッチング」であれば、例えば、スイッチングする際にスイッチング素子に流れる電流が約０Ａ（アンペア）になっている。スイッチング素子をソフトスイッチングによって駆動することにより、スイッチング素子における損失の発生を抑制できる。これに対して、スイッチングする際にスイッチング素子に流れる電流が所定値を超える状態でスイッチングさせるスイッチング素子の駆動方法のことを「ハードスイッチング」という。

（第１の実施形態）
図１Ａは、第１の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図である。電気車用電源装置１は、架線（き電線）Ｆ（不図示）から電力が供給される集電装置ＣＣと、線路Ｒ（不図示）を介して接地された車輪Ｗ（不図示）と、の間の電流経路に直列に接続される。図１Ａにおいて線路Ｒと車輪Ｗ側の電位と略同電位になる極を接地極の記号で示す。

電気車用電源装置１は、電力変換回路２と、共振型インバータ３と、変圧器４と、整流器５（整流回路）と、制御部６と、電流検出器７（第１電流検出器）とを備える。符号Ｚは、負荷を示す。

電力変換回路２は、集電装置ＣＣの後段に接続され、集電装置ＣＣが受電した電力を所定の電圧の直流電力に変換する。電力変換回路２の後段には、直流を入力とする共振型インバータ３が接続されている。例えば、電力変換回路２は、交直流電力変換器として集電装置ＣＣが受電した交流電力から直流電力に変換してもよく、或いは、直流電圧変換器として集電装置ＣＣが受電した第１直流電力から第２直流電力に変換してもよい。以下の説明では、集電装置ＣＣが第１直流電力を受電する場合を例に挙げて説明する。

共振型インバータ３は、電力変換回路２の出力である第２直流電力を第１交流電力に変換して出力する。例えば、第１交流電力の周波数は、後述するスイッチング素子３２ａとスイッチング素子３２ｂのスイッチング周波数に一致する。共振型インバータ３の組を成す出力端子には、変圧器４の組を成す一次側端子が接続されている。

変圧器４は、少なくとも互いに電気的に絶縁され磁気結合された一次巻線４１（第１巻線）と二次巻線４２（第２巻線）とを備える。変圧器４は、共振回路に含まれており、一次巻線４１に接続される１次側端子には共振型インバータ３によって生成された第１交流電力が供給される。変圧器４は、共振型インバータ３から出力される第１交流電圧を、一次巻線４１及び二次巻線４２の巻数比で変換して、変換した後の第２交流電力を二次巻線４２に接続される２次側端子から供給する。変圧器４の組を成す二次側端子には、整流器５が接続されている。

整流器５は、変圧器４が出力した第２交流電力を全波整流する。例えば、整流器５は、上アームを構成するダイオード５１ａ、５２ａと、下アームを構成するダイオード５１ｂ、５２ｂと、を備え、ダイオード５１ａ及びダイオード５１ｂは直列接続され、ダイオード５２ａ及びダイオード５２ｂは、それぞれ直列に接続されている。整流器５の後段には、負荷Ｚが接続され、整流器５が整流した後の電力が負荷Ｚに供給される。なお、整流器５の出力から高周波成分（ノイズ）を除去して負荷Ｚに出力するフィルタ（不図示）が接続されていてもよい。また、負荷が交流負荷である場合、整流器５の出力部と負荷の入力部の間に電力変換回路（不図示）が接続されていてもよい。

制御部６は、記憶部６１と、ＣＰＵ６２と、駆動部６３と、を備える。記憶部６１は、半導体メモリを含む。ＣＰＵ６２は、ソフトウェアプログラムに従い、所望の処理を実行するプロセッサを含む。駆動部６３は、ＣＰＵ６２の制御に従い、共振型インバータ３の制御信号を生成する。以下、ＣＰＵ６２と駆動部６３が実行する処理を纏めて、単に制御部６の処理として説明する。例えば、制御部６は、電流検出器７の検出結果に基づいて、共振型インバータ３を制御することの他、当該電気車用電源装置１全体を制御する。

ここで、実施形態の共振型インバータ３の一例について説明する。共振型インバータ３は、コンデンサ３１ａ、３１ｂと、スイッチング素子３２ａ、３２ｂと、共振リアクトル３３と、を備える。

コンデンサ３１ａ、３１ｂは、互いに直列に接続され、フィルタコンデンサを形成する。直列に接続されるコンデンサ３１ａ、３１ｂの組の第１端が、電力変換回路２の出力端子の第１極に接続され、第２端が、電力変換回路２の出力端子の第２極に接続される。

スイッチング素子３２ａとスイッチング素子３２ｂは、互いに直列に接続される。スイッチング素子３２ａは、電力変換回路２の出力端子の第１極に接続され、所謂上アームを形成する。スイッチング素子３２ｂは、電力変換回路２の出力端子の第２極に接続され、所謂下アームを形成する。例えば、スイッチング素子３２ａとスイッチング素子３２ｂは、自励型の制御に適用可能な、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などである。

共振リアクトル３３は、スイッチング素子３２ａとスイッチング素子３２ｂとの接続点と、変圧器４の１次側端子の第１端との間に接続される。変圧器４の１次側端子の第２端が、コンデンサ３１ａ、３１ｂの接続点（中点）に接続される。なお、変圧器４のインダクタンスによって必要とされるインダクタンスを充足する場合には、共振リアクトル３３を省略してもよい。

制御部６は、変圧器４に流れる電流を電流検出器７により検出する。図１Ａに示す電流検出器７は、変圧器４の１次巻線に流れる電流を検出する。例えば、変圧器４からの電力の供給（出力）が停止すると、その電力の供給停止の影響が変圧器４の１次側に影響することが有る。制御部６は、変圧器４の１次巻線に流れる電流の検出電流値に応じてスイッチング素子３２ａ、３２ｂのゲート電圧を制御することにより、その影響を抑制する。

例えば、実施形態の制御部６は、変圧器４の１次巻線に流れる電流の検出電流値に基づいて、共振型インバータ３のスイッチング周波数を調整する。その詳細については後述する。

なお、図１Ａに示す共振型インバータ３は、ハーフブリッジタイプの電圧型インバータの一例である。なお、共振型インバータ３は、図１Ａに記載のものに制限されず、例えば、フルブリッジタイプの電圧型インバータや、電流型インバータであってよい。

図１Ｂを参照して、実施形態のスイッチング周波数の調整処理について説明する。図１Ｂは、実施形態のスイッチング周波数の調整処理を示すフローチャートである。

電流検出器７は、変圧器４の１次巻線の電流を検出する。制御部６は、電流検出器７により検出された電流値を取得して記憶部６１に時系列データとして記録する（ステップＳ１１）。制御部６は、取得した電流値が閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１２）。

その電流値が閾値を超える場合、制御部６は、スイッチング周波数を調整前の値より低くするように調整する（ステップＳ１３）。例えば、この場合のスイッチング周波数は、予め定められた値であってよい。また、スイッチング周波数の下限値を設定し、下限値に至るまで予め定められたステップで徐々にその値を調整してもよい。これにより、図に示す一連の処理を終える。

その電流値が閾値以下の場合、制御部６は、スイッチング周波数を調整前の値より高くするように調整する（ステップＳ１４）。例えば、この場合のスイッチング周波数は、ソフトスッチングになるような範囲で予め定められた値であってよい。また、ソフトスッチングになるスイッチング周波数の上限値を設定しておき、制御部６は、上限値に至るまで予め定められたステップで徐々にその値を調整してもよい。図に示す一連の処理を終える。

上記の処理を繰り返すことにより、制御部６は、共振型インバータ３のスイッチング時の電流値が一定値を超えている場合は、ハードスイッチングであると判断し、自動で共振型インバータのスイッチング周波数を下げる。これにより、ハードスイッチングからソフトスイッチングに移行する。

なお、スイッチング周波数を下げる際にその周波数が予め定められていてもよく、或いは、現在の周波数から所定量ずつ下げるように周波数の差分値が予め定められていてもよい。

実施形態によれば、電気車用電源装置１から負荷Ｚに流れる負荷電流が変動する範囲には、前記負荷電流の変動による影響を抑制する所望の処置を講じないと意図せずに電力の変換損失が増大する所定の範囲が含まれている。また、電気車用電源装置１に用いられるコンデンサ、共振リアクトル、変圧器の特性の個体差により、実際の共振周波数が、設計値から外れることで、変換損失が増大することもある。実施形態の電気車用電源装置１の制御部６は、共振型インバータ３がスイッチングされる際に流れる電流が所定値以下となるように、共振回路の共振周波数とスイッチング制御周波数との差を所定の範囲に収めて共振型インバータ３をソフトスイッチングさせる。これにより、共振型インバータ３の共振周波数が設計値から外れることでスイッチング素子３２ａ、３２ｂのスイッチング周波数と整合性が取れずハードスイッチングとなった場合も、スイッチング周波数を調整することでソフトスイッチングを維持し、スイッチング損失を低減できる。また、スイッチング周波数の最適化により冷却システムの簡素化を図り、その小型化・軽量化を実現できる。上記のように制御部６は、影響抑制部の一例である。なお、上記の変圧器４に流れる電流値を判定するための所定値を、ハードスイッチングが生じない範囲で予め定めるとよい。

このように、制御部６が共振型インバータ３のスイッチング周波数の可変機能を持つことにより、共振型インバータ３の共振周波数とスイッチング周波数との整合が取れずハードスイッチングになる場合も、スイッチング周波数を変化させることでソフトスイッチングに移行させることが可能となる。

なお、実施形態の負荷Ｚは、負荷Ｚに電気的に並列接続される蓄電部を構成に含むものであってもよい。この場合、蓄電部に蓄えられた電位が、整流器５が出力する電位より高くなると、整流器５から負荷Ｚに対する電力の供給が停止する。このように、負荷Ｚを機械的なスイッチなどで切離す場合の他にも整流器５から負荷Ｚに対する電力の供給が停止する場合がある。本実施形態によれば、上記のような負荷Ｚは、蓄電部を構成に含むものである場合にも、電力の供給停止の影響を抑制することができる。

（第１の実施形態の第１変形例）
第１の実施形態の共振型インバータ３は、予め定められたスイッチング周波数に固定的或いは半固定的に共振型インバータのスイッチング周波数を調整するものであった。これに代え、第１変形例では、共振型インバータのスイッチング周波数を、最適化するように調整する事例について説明する。

共振型インバータの場合、電流波形をより正弦波に近い波形にすることにより、効率を高めることができる。そこで、制御部６は、ソフトスイッチングとなる最高の共振周波数を探し出し、電流波形がより正弦波に近い波形にして出力する。

例えば、電気車用電源装置１は、変圧器４の一次巻線４１に流れる電流を検出する電流検出器７を備えている。制御部６は、電流検出器７により検出された電流値に基づいて、スイッチング素子３２ａ、３２ｂを周期的にスイッチングさせるためのスイッチング制御周波数の範囲内から、共振型インバータ３のスイッチングがソフトスイッチングになるスイッチング制御周波数を検索する。さらに、制御部６は、より高いスイッチング制御周波数を選択する。

上記の第１変形例によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することの他、共振型インバータがソフトスイッチングとなるより高いスイッチング周波数を制御部６が探知することにより、スイッチング制御周波数を最適化して、出力電圧の波形が正弦波に近づけることが可能になる。例えば、共振回路の共振周波数に対応する半周期にハードスイッチングを防止するためのデッドタイミングを加算した期間が、スイッチング周波数の半周期に一致する場合が、実現可能な最高のスイッチング周波数になる。

（第１の実施形態の第２変形例）
実施形態の共振型インバータ３は、ハーフブリッジタイプの電圧型インバータの一例である。共振型インバータ３は、図１Ａに記載のものに制限されず、これに代えて、例えば、フルブリッジタイプの電圧型インバータや、電流型インバータであってよい。なお、電流型インバータの場合は、制御部６は、上記のように電流を測定する代わりに電圧を測定し、その電圧に基づいて同様に制御することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図２は、第２の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図である。本実施形態は、前述の図１Ａに示す第１の実施形態とは、変圧器４の出力系統が複数系統存在する点が異なっている。以下、その点を中心に詳細に説明する。

電気車用電源装置１Ａは、電力変換回路２と、共振型インバータ３と、変圧器４Ａと、整流器５−１（整流回路）と、整流器５−２（整流回路）と、制御部６Ａと、電流検出器７と、電流検出器８−１（第２電流検出器）と、電流検出器８−２（第３電流検出器）とを備える。

変圧器４Ａは、少なくとも互いに電気的に絶縁され磁気結合された一次巻線４１と二次巻線４２（第２巻線）と三次巻線４３（第３巻線）とを備える。変圧器４Ａは、共振型インバータ３から出力される交流電圧を、一次巻線４１及び二次巻線４２の巻数比で変換して、変換した後の第２交流電力を二次巻線４２に接続される２次側端子から供給する。変圧器４Ａの二次側端子には、整流器５−１が接続されている。

変圧器４Ａは、共振型インバータ３から出力される交流電圧を、一次巻線４１及び三次巻線４３の巻数比で変換して、変換した後の第３交流電力を三次巻線４３に接続される３次側端子から供給する。変圧器４Ａの三次側端子には、整流器５−２が接続されている。

整流器５−１と整流器５−２は、前述の整流器５と同様に変圧器４Ａが出力した交流電力の全波整流を行う。

図２に示す整流器５−１の後段には、電流検出器８−１と負荷Ｚ−１とが設けられている。負荷Ｚ−１には、第２交流電力（出力１）が供給される。電流検出器８−１は、整流器５−１から負荷Ｚ−１に流れる負荷電流（第２負荷電流）を検出する。同様に整流器５−２の後段には、電流検出器８−２と負荷Ｚ−２とが設けられている。負荷Ｚ−２には、第３交流電力（出力２）が供給される。電流検出器８−２は、整流器５−２から負荷Ｚ−２に流れる負荷電流（第３負荷電流）を検出する。

なお、整流器５−１の後段に、整流器５−１の出力から高周波成分（ノイズ）を除去して負荷Ｚ−１に出力するフィルタ（不図示）などが接続されていてもよい。また、整流器５−２の後段に、整流器５−２の出力から高周波成分（ノイズ）を除去して負荷Ｚ−２に出力するフィルタ（不図示）などが接続されていてもよい。

制御部６Ａは、前述の制御部６に相当する。制御部６Ａは、少なくとも負荷電流が所定値を超える場合、スイッチング周波数を比較的低くする。

前述の図１Ｂを参照して、実施形態のスイッチング周波数の調整処理について説明する。

実施形態の場合、電流検出器７、８−１、８−２の３つの電流検出器を備えている。電流検出器７、８−１、８−２は、それぞれの位置で変圧器４Ａの巻線に流れる電流を検出する。制御部６Ａは、上記の３つの電流検出器により検出された電流値を取得して記憶部６１に時系列データとして記録する（ステップＳ１１）。

制御部６Ａは、取得した電流値のなかの何れかが閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１２）。

電流値が閾値を超えるものがあった場合、制御部６Ａは、スイッチング周波数を比較的低くするように調整し（ステップＳ１３）、図に示す一連の処理を終える。

全ての電流値がそれぞれ閾値以下の場合、制御部６Ａは、スイッチング周波数を比較的高くするように調整し（ステップＳ１４）、図に示す一連の処理を終える。

上記の処理を繰り返すことにより、制御部６Ａは、変圧器４Ａが複数の２次側の系統を有する場合にも、実施形態の手法を適用できる。図２に示した２次巻線と３次巻線の場合だけでなく４次巻線などそれ以上の巻線を備える場合にも適用可能である。なお、電流値の調整は、第１の実施形態の手法を適用してもよい。

実施形態のように変圧器４Ａに複数の２次側系統にそれぞれ負荷Ｚ−１、Ｚ−２が接続されていると、例えば、いずれかの系統の負荷Ｚ−１、Ｚ−２の電力消費の変動により電力の供給が停止することがある。変圧器４Ａの合成インダクタンスを１次側換算するうえで、上記のような電力の供給が停止する系統があると、その系統の巻線が有するインダクタンスが見かけ上無効になる。その結果、変圧器４Ａの１次側換算による合成インダクタンスが、その系統の出力が有効な状態に比べて大きくなる。このとき、共振回路の共振周波数は低くなるため、共振型インバータ３がソフトスイッチングからハードスイッチングに移行する可能性がある。例えば、上記の処理により、それぞれの系統に備える電流検出器８−１、８−２を用いて、いずれかの系統の電流が一定値を下回ったことを制御部６Ａが判断し、共振型インバータのスイッチング周波数を変化させることで、ハードスイッチングを防ぐことができる。

実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することの他、電気車用電源装置１Ａの制御部６Ａは、それぞれの電流検出器によって検出された負荷電流の何れかがスイッチングされる際に所定値以下である場合、共振回路の共振周波数と、スイッチング制御周波数との差が所定の範囲に収まるように、共振回路の共振周波数とスイッチング制御周波数の少なくとも何れかを調整する。これにより、電気車用電源装置１Ａは、いずれかの系統の出力が止まり共振型インバータの共振周波数とスイッチング周波数の整合性が取れずハードスイッチングとなった場合も、第１の実施形態と同様に、スイッチング周波数を調整することでソフトスイッチングを維持し、スイッチング損失の増大を防ぐことができる。上記のように制御部６Ａは、影響抑制部の一例である。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図３Ａは、第３の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図である。本実施形態は、前述の図２に示す第２の実施形態とは、コンデンサの構成が異なっている。以下、その点を中心に詳細に説明する。

電気車用電源装置１Ｂは、電力変換回路２と、共振型インバータ３Ｂと、変圧器４Ａと、整流器５−１と、整流器５−２と、制御部６Ｂと、電流検出器７と、電流検出器８−１と、電流検出器８−２とを備える。

共振型インバータ３Ｂは、コンデンサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄと、スイッチング素子３２ａ、３２ｂと、共振リアクトル３３と、接触器３４ａ、３４ｂ（第１接触器）とを備える。

コンデンサ３１ａ、３１ｂ（第１共振コンデンサ）は、互いに直列に接続される。直列に接続されるコンデンサ３１ａ、３１ｂの組の第１端が、電力変換回路２の出力端子の第１極に接続され、第２端が、電力変換回路２の出力端子の第２極に接続される。

コンデンサ３１ｃ、３１ｄ（第２共振コンデンサ）は、互いに直列に接続される。直列に接続されるコンデンサ３１ｃ、３１ｂの組の第１端が、電力変換回路２の出力端子の第１極に接続され、第２端が、電力変換回路２の出力端子の第２極に接続される。コンデンサ３１ｃ、３１ｄの接続点（中点）が、コンデンサ３１ａ、３１ｂの接続点（中点）と変圧器４Ａの１次側端子の第２端とに接続される。コンデンサ３１ｃ、３１ｄの組は、コンデンサ３１ａ、３１ｂの組と組み合わされて、フィルタコンデンサを形成する。以下の説明において、コンデンサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを纏めて、コンデンサ３１と呼ぶことがある。

さらに、直列に接続されたコンデンサ３１ｃ、３１ｄの組には、コンデンサ３１ｃに対応付けられた接触器３４ａと、コンデンサ３１ｄに対応付けられた接触器３４ｂが設けられている。接触器３４ａは、コンデンサ３１ｃに直列接続されて、電力変換回路２の出力端子の第１極と中点の間に配置されている。接触器３４ｂは、コンデンサ３１ｄに直列接続されて、電力変換回路２の出力端子の第２極と中点の間に配置されている。接触器３４ａ、３４ｂは、半導体のスイッチング素子等、回路を開閉することのできるものであればよい。

接触器３４ａ、３４ｂを閉じると、コンデンサ３１ｃ、３１ｄがコンデンサ３１ａ、３１ｂに電位的に並列に接続され、コンデンサ３１の容量がコンデンサ３１ａ、３１ｂの組だけの場合と比べて増加する。コンデンサ３１ｃ、３１ｄの並列接続によりコンデンサ３１の容量が増加した分だけ、共振周波数を低くすることができる。例えば、コンデンサ３１ｃ、３１ｄの容量を、コンデンサ３１ａ、３１ｂの容量に対して少なくすることにより、コンデンサ３１ｃ、３１ｄを共振周波数の微調整用に利用することができる。或いは、各コンデンサ３１の容量を同じにしてもよい。

制御部６Ｂは、前述の制御部６に相当する。制御部６Ｂは、少なくとも負荷電流が所定値を超える場合、接触器３４ａ、３４ｂを開いてコンデンサ３１ｃ、３１ｄの並列接続を解く。

図３Ｂを参照して、実施形態のスイッチング周波数の調整処理について説明する。図３Ｂは、実施形態のスイッチング周波数の調整処理を示すフローチャートである。

制御部６Ｂは、電流検出器７により検出された電流値を取得して記憶部６１に時系列データとして記録する（ステップＳ３１）。制御部６Ｂは、取得した電流値が閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ３２）。

その電流値が閾値を超える場合、制御部６Ｂは、接触器３４ａ、３４ｂ（スイッチ）を開き（ステップＳ３３）、図に示す一連の処理を終える。

その電流値が閾値以下の場合、制御部６Ｂは、接触器３４ａ、３４ｂ（スイッチ）を閉じて（ステップＳ３４）、図に示す一連の処理を終える。

例えば、上記の処理を繰り返すことにより、制御部６Ｂは、共振型インバータの共振周波数を変化させることで、ハードスイッチングを防ぐことができる。

上記の通り、共振型インバータ３Ｂのスイッチング時の電流値が一定値を超えている場合には、制御部６は、ハードスイッチングであると判断し、自動で共振型インバータのスイッチング周波数を下げる。これにより、ハードスイッチングからソフトスイッチングに移行する。

上記の通り、本実施形態の場合も、第２の実施形態と同様に、共振型インバータ３Ｂがソフトスイッチングからハードスイッチングに移行する可能性がある。それぞれの系統に備える電流検出器７、８−１、８−２を用いて、いずれかの系統の電流が一定値（閾値）を超えたことを制御部６Ｂが識別する。この値がそれぞれ予め定められたその閾値を超えている場合は、制御部６Ｂは、ハードスイッチングになっていると識別し、その判定の結果に基づいて接触器３４ａ、３４ｂを開状態にする。これにより、共振型インバータの共振回路の共振周波数を高めることができ、ハードスイッチングに移行することを防ぐことができる。

実施形態によれば、共振型インバータ３のコンデンサ３１ｃ、３１ｄ（第２並列共振コンデンサ）のコンデンサ３１ａ、３１ｂ（第１並列共振コンデンサ）に対する並列接続を解く接触器３４ａ、３４ｂを含む。制御部６Ｂは、負荷電流が所定値を超える場合、接触器３４ａ、３４ｂを制御する。これにより、第１の実施形態と同様の効果を奏することの他、変圧器４Ａの２次側の系統のいずれかの系統の電力供給が止まり共振型インバータ３Ｂの共振周波数とスイッチング周波数の整合性が崩れてハードスイッチングになる条件のもとであっても、コンデンサ３１の容量を変化させることで共振回路の共振周波数を調整できる。これにより、ソフトスイッチングを維持し、スイッチング損失の増大を防ぐことができる。

なお、接触器３４ａ、３４ｂの配置は上記の事例に限らない。例えば、共振型インバータ３のコンデンサ３１ａ、３１ｂとコンデンサ３１ｃ、３１ｄの一方または両方に、それぞれの並列接続を解く接触器３４ａ、３４ｂなどを設けてもよい。但し、両方に接触器を設ける場合には、制御部６Ｂは、コンデンサ３１ａ、３１ｂの組とコンデンサ３１ｃ、３１ｄの組の少なくとも何れかが変圧器４Ａの一次側に接続されるように制御する。これにより、例えば、コンデンサ３１ａ、３１ｂの組の容量とコンデンサ３１ｃ、３１ｄの組の容量を異なる値にすることにより、共振周波数の切換段数を少なくとも３段階にすることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４Ａは、第４の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図である。本実施形態は、図２に示す第２の実施形態とは、変圧器４Ａの出力側にコンデンサを備える点が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

電気車用電源装置１Ｃは、電力変換回路２と、共振型インバータ３と、変圧器４Ａと、整流器５−１と、整流器５−２と、制御部６Ｃと、電流検出器７と、コンデンサ９−１（並列コンデンサ）と、コンデンサ９−２（並列コンデンサ）とを備える。

コンデンサ９−１は、変圧器４Ａの二次巻線４２に並列に接続されている。コンデンサ９−２は、変圧器４Ａの三次巻線４３に並列に接続されている。

上記の通り電気車用電源装置１Ｃは、第２の実施形態に対し、変圧器４Ａの出力側にコンデンサ９−１、９−２が付加されている。コンデンサ９−１、９−２は、影響抑制部の一例である。

制御部６Ｃは、前述の制御部６に相当する。なお、実施形態の制御部６Ｃは、共振型インバータ３のスイッチング周波数を調整するための機能を備えることは必須ではない。

上記のように変圧器４Ａの出力側にコンデンサ９−１、９−２を設けたことにより、変圧器４Ａの複数の２次側系統の内、いずれかの系統の電力供給が止まる場合に、その系統に設けられたコンデンサ９−１、９−２に交流電流が流れることで、変圧器４Ａの巻線が持つインダクタンスが有効化されるため、共振型インバータ３の共振周波数は変化しない。

実施形態によれば、変圧器４Ａの二次巻線４２には、整流器５−１を経て負荷Ｚ−１が接続されており、三次巻線４３には、整流器５−２を経て負荷Ｚ−２が接続されている。電気車用電源装置１Ｃは、さらに変圧器４Ａの二次巻線４２に並列に接続される並列回路であるコンデンサ９−１と、三次巻線４３に並列に接続される並列回路であるコンデンサ９−２と、を備える。これにより、いずれかの系統の負荷への電力供給が止まった場合が生じても、その系統に設けられたコンデンサ９−１、９−２に交流電流が流れることで、ソフトスイッチングを維持し、変圧器４Ａの各系統の負荷の電力変動により生じるスイッチング損失の増大を防ぐことができる。また、上記の構成により、制御部６Ｃによる出力停止の検知を不要とすることができる。

なお、コンデンサ９−１、９−２は、電力の供給が止まる状態が発生する系統にのみ設けることで十分である。

（第４の実施形態の変形例）
実施形態のコンデンサ９−１、９−２は、変圧器４Ａの２次側に固定的に接続されている。これに対し、変形例のコンデンサ９−１、９−２は、変圧器４Ａの２次側に適宜接続される。

図４Ｂは、第４の実施形態の変形例のコンデンサの構成図である。図４Ｂに示すコンデンサ９−１は、コンデンサ本体９ａと、コンデンサ本体９ａに直列に接続される接触器９ｂを備える。接触器９ｂは、例えば、半導体のスイッチング素子等、回路を開閉することのできるものであればよい。

例えば、変形例における制御部６Ｃは、前述の図３Ｂと同様に電流検出器７により検出された電流値が予め定められた値（閾値）を超える場合に、接触器９ｂを開く。制御部６Ｃは、電流検出器７により検出された電流値が予め定められた値（閾値）以下の場合に、接触器９ｂを閉じる。

このように、制御部６Ｃは、電流検出器７により検出された電流値に基づいて、その電流値が閾値を超える場合にハードスイッチングが生じていると識別して、共振周波数を下げるように制御する。

上記の変形例によれば、第４の実施形態と同様の効果を奏することの他、コンデンサ９−１等を変圧器４Ａに常時接続しておく必要が無く、制御部６Ｃは、ハードスイッチングが生じていることが検出された場合に接続する。なお、コンデンサ９−１等は、変圧器４Ａの負荷になることから、接続時にはコンデンサ９−１等による損失が発生する。変形例であれば、コンデンサ９−１等を変圧器４Ａに常時接続しておく必要が無く、常時接続しておく場合に比べ変換損失を低減することができる。制御部６Ｃ、コンデンサ９−１、９−２は、影響抑制部の一例である。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図５Ａは、第５の実施形態の電気車用電源装置の全体構成を示す図である。本実施形態は、第４の実施形態のコンデンサ９−１等に替えて抵抗器１０−１等を備えている点が、第４の実施形態とは異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

電気車用電源装置１Ｄは、電力変換回路２と、共振型インバータ３と、変圧器４Ａと、整流器５−１と、整流器５−２と、制御部６Ｄと、電流検出器７と、抵抗器１０−１（並列抵抗）と、抵抗器１０−２（並列抵抗）とを備える。

抵抗器１０−１、１０−２は、（電気）抵抗である。

第４の実施形態と対比すると、第４の実施形態の場合には変圧器４Ａの２次側にコンデンサ９−１、９−２を設けていたが、本実施形態の電気車用電源装置１Ｄは、これに替えて抵抗器１０−１、１０−２が設けられている。これ以外の点は、第４実施形態と同様である。

なお、第２の実施形態と対比すると、本実施形態の電気車用電源装置１Ｄは、変圧器４Ａの出力側に抵抗器１０−１、１０−２が付加されている。コンデンサ９−１、９−２は、影響抑制部の一例である。

なお、制御部６Ｄは、前述の制御部６に相当する。なお、実施形態の制御部６Ｄは、共振型インバータ３のスイッチング周波数を調整するための機能を備えることは必須ではない。

上記のように変圧器４Ａの出力側に抵抗器１０−１、１０−２を設けたことにより、変圧器４Ａの複数の２次側系統の内、いずれかの系統の電力供給が止まる場合が生じても、その系統に設けられた抵抗器１０−１、１０−２に交流電流が流れることで、変圧器４Ａの巻線が持つインダクタンスが有効化されるため、共振型インバータ３の共振周波数は変化しない。

実施形態によれば、変圧器４Ａの二次巻線４２には、整流器５−１と整流器５−１を経て負荷が接続されており、三次巻線４３には、整流器５−２と整流器５−２を経て負荷が接続されている。電気車用電源装置１Ｄは、さらに変圧器４Ａの二次巻線４２に並列に接続される並列回路である抵抗器１０−１と、三次巻線４３に並列に接続される並列回路である抵抗器１０−２と、を備える。これにより、いずれかの系統の負荷への電力供給出力が止まる場合も、ソフトスイッチングを維持し、変圧器４Ａの各系統の負荷の電力変動により生じるスイッチング損失の増大を防ぐことができる。また、上記の通り、制御部６Ｄによる出力停止の検知を不要とすることができる。

なお、抵抗器１０−１、１０−２は、電力の供給が止まる状態が発生する系統にのみ設けることで十分である。

（第５の実施形態の変形例）
実施形態の抵抗器１０−１、１０−２は、変圧器４Ａの２次側に固定的に接続されている。これに対し、変形例の抵抗器１０−１、１０−２は、変圧器４Ａの２次側に適宜接続されるものとした。

図５Ｂは、第４実施形態の変形例の抵抗器の構成図である。図５Ｂに示す抵抗器１０−１は、抵抗器本体１０ａと、抵抗器本体１０ａに直列に接続される接触器１０ｂを備える。接触器１０ｂは、例えば、半導体のスイッチング素子等、回路を開閉することのできるものであればよい。

例えば、変形例における制御部６Ｄは、電流検出器７により検出された電流値が予め定められた値（閾値）を超える場合に、接触器１０ｂを開く。制御部６Ｄは、電流検出器７により検出された電流値が予め定められた値（閾値）以下の場合に、接触器１０ｂを閉じる。

このように、制御部６Ｄは、電流検出器７により検出された電流値に基づいて、その電流値が閾値を超える場合にハードスイッチングが生じていると識別して、共振周波数を下げるように制御する。

上記の変形例によれば、第５の実施形態と同様の効果を奏することの他、抵抗器１０−１等を変圧器４Ａに常時接続しておく必要が無く、制御部６Ｄは、ハードスイッチングが生じていることが検出された場合に接続する。なお、抵抗器１０−１等は、変圧器４Ａの負荷になることから、接続時には抵抗器１０−１等による損失が発生する。変形例であれば、抵抗器１０−１等を変圧器４Ａに常時接続しておく必要が無く、常時接続しておく場合に比べ変換損失を低減することができる。制御部６Ｃ、抵抗器１０−１、１０−２は、影響抑制部の一例である。

（第６の実施形態）
第６の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図６Ａは、第６の実施形態のリアクトルを示す図である。本実施形態は、前述の図２に示す第２の実施形態とは、リアクトルの構成が異なっている。以下、その点を中心に詳細に説明する。

実施形態の電気車用電源装置１Ｅは、電力変換回路２と、共振型インバータ３と、変圧器４Ａと、整流器５−１と、整流器５−２と、制御部６Ｅと、電流検出器７と、電流検出器８−１と、電流検出器８−２とを備える。

共振型インバータ３は、コンデンサ３１ａ、３１ｂと、スイッチング素子３２ａ、３２ｂと、共振リアクトル３３と、を備える。

実施形態の共振リアクトル３３は、図６Ａに示すように、共振リアクトル３３は、リアクトル３３−１と、リアクトル３３−２と、接触器３３−３（第２接触器）とを備える。

リアクトル３３−１とリアクトル３３−２は、電気的に直列に接続されており、組み合わせて共振リアクトル３３として機能する。

接触器３３−３は、閉じた状態でリアクトル３３−１を短絡するように設けられている。

制御部６Ｅは、前述の制御部６に相当する。制御部６Ｅは、少なくとも負荷電流がスイッチングされる際に所定値以下である場合、接触器３３−３を開いてリアクトル３３−１の短絡を解く。制御部６は、少なくとも負荷電流が所定値を超える場合、接触器３３−３を閉じてリアクトル３３−１を短絡する。例えば、制御部６Ｅは、少なくとも負荷電流がスイッチングされる際に所定値を超える場合、接触器３３−３を閉じてリアクトル３３−１を短絡してもよい。この場合、制御部６は、少なくとも負荷電流がスイッチングされない期間を接触器３３−３の制御の条件から除くことができる。

図１Ｂを参照して、実施形態のスイッチング周波数の調整処理について説明する。図１Ｂは、実施形態のスイッチング周波数の調整処理を示すフローチャートである。

制御部６Ｅは、電流検出器７により検出された電流値を取得して記憶部６１に時系列データとして記録する（ステップＳ６１）。制御部６Ｅは、負荷電流がスイッチングされる際に取得した電流値が閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ６２）。

その電流値が閾値を超える場合、制御部６Ｅは、接触器３３−３（スイッチ）を閉じて（ステップＳ６３）、図に示す一連の処理を終える。

その電流値が閾値以下の場合、制御部６Ｅは、接触器３３−３（スイッチ）を開き（ステップＳ６４）、図に示す一連の処理を終える。

例えば、上記の処理を繰り返すことにより、制御部６Ｅは、共振型インバータの共振周波数を変化させることで、ハードスイッチングを防ぐことができる。

上記の処理を繰り返すことにより、制御部６は、共振型インバータ３のスイッチング時の電流値が一定値を超えている場合は、ハードスイッチングであると判断し、自動で共振回路の共振周波数を上げる。これにより、ハードスイッチングからソフトスイッチングに移行する。

実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することの他、少なくとも負荷Ｚ−１、Ｚ−２の電流がスイッチングされる際に所定値以下である場合、接触器３３−３を開いて少なくとも共振リアクトル３３の一部の短絡を解くことにより、ハードスイッチングになることを防ぐことができる。制御部６Ｅ、リアクトル３３−１、接触器３３−３は、影響抑制部の一例である。

上記各実施形態の制御部６から６Ｅは、その少なくとも一部をソフトウェア機能部で実現してもよく、全てをＬＳＩ等のハードウェア機能部で実現してもよい。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の電気車用電源装置によれば、共振回路に含まれる第１共振コンデンサと、前記共振回路に流れる電流を遮断するスイッチング素子とを含み、電源から直流電力が供給され、前記共振回路の共振と前記スイッチング素子の周期的なスイッチングとにより前記直流電力から第１交流電力を生成する共振型インバータと、少なくとも互いに電気的に絶縁され磁気結合された第１巻線と第２巻線とを備え、前記共振回路の一部に含まれ、前記第１巻線には前記共振型インバータによって生成された第１交流電力が供給され、前記第１交流電力を変換した後の第２交流電力を前記第２巻線から負荷に供給する変圧器と、少なくとも前記第１巻線又は前記第２巻線にスイッチングされる際に流れる電流が所定値以下になるように、前記共振回路の共振周波数と前記スイッチング素子のスイッチング制御周波数との差を所定の範囲に収めて前記共振型インバータをソフトスイッチングさせる影響抑制部とを備えることにより、負荷に供給する電力の変動によって生じる損失の増大を抑制することが可能になる。

上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。そのため、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、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、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…電気車用電源装置、２…電力変換回路、３、３Ｂ…共振型インバータ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ…コンデンサ、３２ａ、３２ｂ…スイッチング素子、３３…共振リアクトル、３４ａ、３４ｂ…接触器（第１接触器）、４、４Ａ…変圧器、５、５−１、５−２…整流器（整流回路）、６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…制御部、７…電流検出器（第１電流検出器）、８−１、８−２…電流検出器、９−１、９−２…コンデンサ（並列コンデンサ）、１０−１、１０−２… 抵抗器（並列抵抗）、ＣＣ…集電装置

Claims (8)

1. 共振回路に含まれる第１共振コンデンサと、前記共振回路に流れる電流を遮断するスイッチング素子とを含み、電源から直流電力が供給され、前記共振回路の共振と前記スイッチング素子の周期的なスイッチングとにより前記直流電力から第１交流電力を生成する共振型インバータと、
   少なくとも互いに電気的に絶縁され磁気結合された第１巻線と第２巻線とを備え、前記共振回路の一部に含まれ、前記第１巻線には前記共振型インバータによって生成された第１交流電力が供給され、前記第１交流電力を変換した後の第２交流電力を前記第２巻線から負荷に供給する変圧器と、
   少なくとも前記第１巻線又は前記第２巻線にスイッチングされる際に流れる電流が所定値以下になるように、前記共振回路の共振周波数と前記スイッチング素子のスイッチング制御周波数との差を所定の範囲に収めて前記共振型インバータをソフトスイッチングさせる影響抑制部と
   を備える電気車用電源装置。
2. 前記変圧器に流れる電流を検出する第１電流検出器
   を備え、
   前記影響抑制部は、
   前記第１電流検出器により検出された電流値に基づいて、前記スイッチング素子を周期的にスイッチングさせるためのスイッチング制御周波数の範囲内から、前記共振型インバータのスイッチングがソフトスイッチングになるスイッチング制御周波数であって、より高いスイッチング制御周波数を選択する、
   請求項１に記載の電気車用電源装置。
3. 前記変圧器は、少なくとも互いに電気的に絶縁され磁気結合された第１巻線と第２巻線と第３巻線とを備え、
   前記変圧器の第２巻線に流れる第２負荷電流を検出する第２電流検出器と、
   前記変圧器の第３巻線に流れる第３負荷電流を検出する第３電流検出器と、を備え、
   前記影響抑制部は、
   前記第２負荷電流と前記第３負荷電流の何れかがスイッチングされる際に所定値以下である場合、前記共振回路の共振周波数と、前記スイッチング制御周波数との差が所定の範囲に収まり、前記共振型インバータのスイッチングがソフトスイッチングになるように、前記共振回路の共振周波数と前記スイッチング制御周波数の少なくとも何れかを調整する、
   請求項１又は請求項２に記載の電気車用電源装置。
4. 前記影響抑制部は、
   前記共振型インバータの前記第１共振コンデンサに電気的に並列に接続される第２共振コンデンサと、
   前記第１共振コンデンサと前記第２共振コンデンサの一方または両方に、それぞれの並列接続を解く接触器とを含み、
   前記第２負荷電流と前記第３負荷電流の何れかがスイッチングされる際に所定値以下である場合、前記共振型インバータのスイッチングがソフトスイッチングになるように、前記接触器を制御する、
   請求項３に記載の電気車用電源装置。
5. 前記変圧器の第２巻線には、整流回路と前記整流回路を経て前記負荷が接続されており、
   前記影響抑制部として、
   前記変圧器の第２巻線に並列に接続される並列回路
   を備える請求項１に記載の電気車用電源装置。
6. 前記並列回路は、並列コンデンサと並列抵抗の何れかである、
   を備える請求項５に記載の電気車用電源装置。
7. 前記影響抑制部は、
   前記並列回路の並列接続を解く第１接触器を含み、
   少なくとも前記第２巻線に流れる電流がスイッチングされる際に所定値以下である場合、前記第１接触器を閉じて前記並列回路を並列接続にする、
   請求項５又は請求項６に記載の電気車用電源装置。
8. 前記共振型インバータと前記変圧器の第１巻線との間に電気的に直列に接続されるリアクトル
   を備え、
   前記影響抑制部は、
   少なくとも前記リアクトルを短絡する第２接触器とを含み、
   少なくとも前記第１巻線に流れる電流がスイッチングされる際に所定値以下である場合、前記第２接触器を開いて前記リアクトルの短絡を解く、
   請求項１に記載の電気車用電源装置。

Images