JP2022121050A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上限を超える電流の出力を防止することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、電力変換装置は、変圧器と、インバータと、整流器と、第１の電圧検出器と、第２の電圧検出器と、制御部と、を備える。変圧器は、一次側に入力された交流電圧によって二次側に交流電圧を出力する。インバータは、スイッチを備え、スイッチのオンオフ動作によって前記変圧器の一次側に交流電圧を出力する。整流器は、前記変圧器の二次側からの交流電圧を直流の出力電圧に変換する。第１の電圧検出器は、前記インバータに入力される入力電圧を検出する。第２の電圧検出器は、前記出力電圧を検出する。制御部は、前記入力電圧と前記出力電圧とに基づいて前記インバータが出力する電流の値が上限値を超えないように前記スイッチをオンにする許容オン時間を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電気車などにおいて高圧の電車線（架空電車線又は第三軌条など）から供給される直流電圧を負荷に応じた電圧に変換する電力変換装置が提供されている。そのような電力変換装置は、インバータからの交流電圧により励磁される高周波変圧器（絶縁トランス）を備えるものがある。

電力変換装置は、高周波変圧器を介してインバータの交流電圧を整流器に供給する。インバータと整流器とはそれぞれ直流回路にコンデンサを有している。インバータの動作前では、インバータのコンデンサは、充電されるが、整流器のコンデンサは、充電されない。そのため、インバータが動作を開始した時点では、インバータのコンデンサと整流器のコンデンサとの電位差が大きいために、インバータから許容される上限を超える電流が出力される恐れがある。

特開２０１７－１１８８０６号公報

上記の課題を解決するため、上限を超える電流の出力を防止することができる電力変換装置を提供する。

実施形態によれば、電力変換装置は、変圧器と、インバータと、整流器と、第１の電圧検出器と、第２の電圧検出器と、制御部と、を備える。変圧器は、一次側に入力された交流電圧によって二次側に交流電圧を出力する。インバータは、スイッチを備え、スイッチのオンオフ動作によって前記変圧器の一次側に交流電圧を出力する。整流器は、前記変圧器の二次側からの交流電圧を直流の出力電圧に変換する。第１の電圧検出器は、前記インバータに入力される入力電圧を検出する。第２の電圧検出器は、前記出力電圧を検出する。制御部は、前記入力電圧と前記出力電圧とに基づいて前記インバータが出力する電流の値が上限値を超えないように前記スイッチをオンにする許容オン時間を設定する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置の構成例を概略的に示す図である。 図２は、実施形態に係る電力変換装置の電流経路を説明するための図である。 図３は、実施形態に係る電力変換装置の電流経路を説明するための図である。 図４は、実施形態に係る電力変換装置のインバータが供給する電流が許容値を超えた場合の動作例を示すタイミングチャートである。 図５は、実施形態に係る電力変換装置のインバータが供給する電流が許容値を超えないように制御された場合の動作例を示すタイミングチャートである。 図６は、実施形態に係る電力変換装置の動作例を示すフローチャートである。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態に係る電力変換装置は、電気車（移動体）などにおいて高圧の電車線（架空電車線又は第三軌条など）から供給される直流電圧を負荷に応じた電圧に変換する。電力変換装置は、電気車の走行用電動機の主電源装置とは別に、照明又は空調などの他の機器に電力を供給する補助電源装置として機能する。

図１は、電力変換装置１の構成例を概略的に示す。電力変換装置１は、架空電車線または第三軌条などの電車線２から集電器３及び電源回路３１を介して直流電圧を入力する。電力変換装置１は、入力された直流電圧を負荷に応じた直流電圧に変換して出力端子６から出力する。

電力変換装置１は、電気車の照明及び空調などの負荷に電力を供給する補助電源装置であるものとして説明する。なお、電気車は、走行用電動機を駆動する為の図示されない主電源装置を備える。主電源装置は、電車線２から集電器３を介して受け取った直流電力により、走行用電動機を駆動することにより、電気車に線路４上を走行させる。

電気車用の補助電源装置としての電力変換装置１には、走行用電動機に比べて低電圧で動作する機器が接続される。この為、電力変換装置１は、電圧が入力される一次側と、電圧を出力する二次側とが絶縁されている。

一次側と二次側との絶縁を確保するための構成の一例として、電磁結合する一対の巻線（コイル）により一次側と二次側とを絶縁する変圧器がある。変圧器は、励磁周波数が低くなる程大型化する。たとえば、商用電源の周波数に対応する励磁周波数が設定された変圧器では、大型になる。そこで、実施形態の電力変換装置１では、高周波変圧器を用いることにより、一次側と二次側とを絶縁し、且つ小型化を実現している。

電源回路３１は、電車線２から集電器３を介して電力を入力する。電源回路３１は、入力された直流電圧を所定の直流電圧に変換して電力変換装置１の入力端子５に出力する。たとえば、電源回路３１は、チョッパ回路などである。

次に、電力変換装置１の構成について説明する。
電力変換装置１は、第１の共振インバータ１１、第２の共振インバータ１２、第１の高周波変圧器１５、第２の高周波変圧器１６、第１のダイオード整流器１３、第２のダイオード整流器１４、電圧検出器２３及び制御部２４を備える。

第１の共振インバータ１１及び第２の共振インバータ１２は、電源回路３１に直列に接続する。第１のダイオード整流器１３及び第２のダイオード整流器１４は、出力端子６と並列に接続する。制御部２４は、第１の共振インバータ１１、第２の共振インバータ１２及び電圧検出器２３に接続する。

なお、電力変換装置１は、図１が示すような構成の他に必要に応じた構成を具備したり、電力変換装置１から特定の構成が除外されたりしてもよい。

第１の共振インバータ１１は、電源回路３１から供給される直流電圧を用いて、第１の高周波変圧器１５に交流電圧を供給するインバータ回路である。第１の共振インバータ１１は、電源回路３１に電気的に接続される直流端と、第１の高周波変圧器１５の一次側に電気的に接続される交流端と、を備え、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成される。

第１の共振インバータ１１は、フィルタコンデンサＣ１、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２、第１の共振コンデンサＣ３、第２の共振コンデンサＣ４及び電圧検出器２１を備える。

フィルタコンデンサＣ１（第１のフィルタコンデンサ）は、第１の共振インバータ１１の高電位側の直流端と低電位側の直流端（ここでは、第２の共振インバータ１２に接続する端）との間に接続される。フィルタコンデンサＣ１は、電源回路３１から供給された直流電圧を平滑化する。

電圧検出器２１（第１の電圧検出器）は、フィルタコンデンサＣ１の電圧（第１の入力電圧）を検出する。電圧検出器２１の検出結果は、制御部２４に供給される。

第１のスイッチＳ１は、高電位側の直流端と一方の交流端との間の電気的接続を切り替える。第１のスイッチＳ１は、例えばＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors)である。第１のスイッチＳ１は、ドレインにおいて高電位側の直流端と電気的に接続され、ソースにおいて一方の交流端と電気的に接続されている。

第２のスイッチＳ２は、低電位側の直流端と一方の交流端との間の電気的接続を切り替える。第２のスイッチＳ２は、例えばＭＯＳＦＥＴである。第２のスイッチＳ２は、ドレインにおいて一方の交流端と電気的に接続され、ソースにおいて低電位側の直流端と電気的に接続されている。

なお、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とはＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、例えば、バイポーラトランジスタや、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など、他のパワー半導体素子を用いてもよい。

第１の共振コンデンサＣ３は、高電位側の直流端と他方の交流端との間に電気的に接続されている。第２の共振コンデンサＣ４は、低電位側の直流端と他方の交流端との間に電気的に接続されている。

即ち、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２との接続点（一方の交流端）、及び第１の共振コンデンサＣ３と第２の共振コンデンサＣ４との接続点（他方の交流端）に、第１の高周波変圧器１５の一次巻線が接続されている。

第１の共振インバータ１１は、制御部２４により、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２のオンオフ動作を制御される。第１の共振インバータ１１は、オンオフ動作により、第１の高周波変圧器１５の一次巻線に交流電圧を供給する。なお、以下の説明において、第１の共振インバータ１１の第１のスイッチＳ１側を第１の共振インバータ１１の上アーム、第１の共振インバータ１１の第２のスイッチＳ２側を第１の共振インバータ１１の下アームと称する。

第１の高周波変圧器１５は、磁束を発生させる一次側の巻線（一次巻線）と、一次巻線と絶縁され、且つ一次巻線に生じた磁束により励磁される二次側の巻線（二次巻線）とを有する絶縁トランスである。第１の高周波変圧器１５の一次巻線に第１の共振インバータ１１から交流電圧が供給された場合、一次巻線に磁束が生じる。一次巻線に生じた磁束は、二次巻線に誘導電圧を発生させる。これにより、第１の高周波変圧器１５は、一次側から入力された交流電圧に応じて、二次側に交流電圧を供給する。

第１のダイオード整流器１３は、第１の高周波変圧器１５の二次巻線に生じた交流電圧を整流する回路であり、例えば、複数のダイオードが組み合わされた整流ブリッジ回路から構成される。

第１のダイオード整流器１３は、整流ブリッジ回路に接続するフィルタコンデンサＣ７を備える。フィルタコンデンサＣ７は、第１のダイオード整流器１３から供給された直流電圧を平滑化する。フィルタコンデンサＣ７は、接続された出力端子６から直流電圧を出力する。

第２の共振インバータ１２は、電源回路３１から供給される直流電圧を用いて、第２の高周波変圧器１６に交流電圧を供給するインバータ回路である。第２の共振インバータ１２は、電源回路３１に電気的に接続される直流端と、第２の高周波変圧器１６の一次側に電気的に接続される交流端と、を備え、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成される。

第２の共振インバータ１２は、フィルタコンデンサＣ２、第３のスイッチＳ３、第４のスイッチＳ４、第３の共振コンデンサＣ５、第４の共振コンデンサＣ６及び電圧検出器２２を備える。

フィルタコンデンサＣ２（第２のフィルタコンデンサ）は、第２の共振インバータ１２の高電位側の直流端（ここでは、第１の共振インバータ１１に接続する端）と低電位側の直流端との間に接続される。フィルタコンデンサＣ２は、電源回路３１から供給された直流電力を平滑化する。

電圧検出器２２（第１の電圧検出器）は、フィルタコンデンサＣ２の電圧（第２の入力電圧）を検出する。電圧検出器２２の検出結果は、制御部２４に供給される。

第３のスイッチＳ３は、高電位側の直流端と一方の交流端との間の電気的接続を切り替える。第３のスイッチＳ３は、例えばＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors)である。第３のスイッチＳ３は、ドレインにおいて高電位側の直流端と電気的に接続され、ソースにおいて一方の交流端と電気的に接続されている。

第４のスイッチＳ４は、低電位側の直流端と一方の交流端との間の電気的接続を切り替える。第４のスイッチＳ４は、例えばＭＯＳＦＥＴである。第４のスイッチＳ４は、ドレインにおいて一方の交流端と電気的に接続され、ソースにおいて低電位側の直流端と電気的に接続されている。

なお、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４とはＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、例えば、バイポーラトランジスタや、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など、他のパワー半導体素子を用いてもよい。

第３の共振コンデンサＣ５は、高電位側の直流端と他方の交流端との間に電気的に接続されている。第４の共振コンデンサＣ６は、低電位側の直流端と他方の交流端との間に電気的に接続されている。

即ち、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４との接続点（一方の交流端）、及び第３の共振コンデンサＣ５と第４の共振コンデンサＣ６との接続点（他方の交流端）に、第２の高周波変圧器１６の一次巻線が接続されている。

第２の共振インバータ１２は、制御部２４により、第３のスイッチＳ３及び第４のスイッチＳ４のオンオフ動作を制御される。第２の共振インバータ１２は、オンオフ動作により、第２の高周波変圧器１６の一次巻線に交流電圧を供給する。なお、以下の説明において、第２の共振インバータ１２の第３のスイッチＳ３側を第２の共振インバータ１２の上アーム、第２の共振インバータ１２の第４のスイッチＳ４側を第２の共振インバータ１２の下アームと称する。

第２の高周波変圧器１６は、磁束を発生させる一次側の巻線（一次巻線）と、一次巻線と絶縁され、且つ一次巻線に生じた磁束により励磁される二次側の巻線（二次巻線）とを有する絶縁トランスである。第２の高周波変圧器１６の一次巻線に第２の共振インバータ１２から交流電圧が供給された場合、一次巻線に磁束が生じる。一次巻線に生じた磁束は、二次巻線に誘導電圧を発生させる。これにより、第２の高周波変圧器１６は、一次側から入力された交流電圧に応じて、二次側に交流電圧を供給する。

第２のダイオード整流器１４は、第２の高周波変圧器１６の二次巻線に生じた交流電圧を整流する回路であり、例えば、複数のダイオードが組み合わされた整流ブリッジ回路から構成される。

第２のダイオード整流器１４は、整流ブリッジ回路に接続するフィルタコンデンサＣ８を備える。フィルタコンデンサＣ８は、第２のダイオード整流器１４から供給された直流電圧を平滑化する。フィルタコンデンサＣ８は、接続された出力端子６から直流電圧を出力する。

前述の通り、第１のダイオード整流器１３と第２のダイオード整流器１４は２次側で出力端子６と並列接続される。即ち、第１のダイオード整流器１３と第２のダイオード整流器１４とは、それぞれ出力端子６に直流電圧を出力する。出力端子６から出力された直流電圧は、図示されないインバータなどの回路によって電圧を変換して負荷に供給される。

電圧検出器２３（第２の電圧検出器）は、出力端子６間の電圧（出力電圧）を検出する。電圧検出器２３の検出結果は、制御部２４に供給される。

制御部２４は、電圧検出器２１、２２及び２３から検出値を取得して、電力変換装置１の動作を制御する。制御部２４は、例えば、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムおよびプログラムにより用いられるデータが記憶されたメモリと、を備えた演算装置である。制御部２４は、ソフトウエアにより、若しくは、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせにより、電力変換装置１を制御するための種々の機能を実現することが出来る。

制御部２４は、例えばパルス信号を生成する論理回路として構成される。即ち、制御部２４のプロセッサがプログラムを実行することにより、パルス信号を生成するように構成される。制御部２４は、パルス信号を第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２、第３のスイッチＳ３及び第４のスイッチＳ４などにそれぞれ入力する。例えば、制御部２４は、パルス信号のオンオフデューティ比を調整するＰＷＭ制御を行う。これにより、制御部２４は、電力変換装置１の出力を調整する。
なお、電力変換装置１は、電源回路３１を含むものであってもよい。

次に、電力変換装置１の電流経路について説明する。
まず、第１の共振インバータ１１及び第２の共振インバータ１２の上アームがオン（第１のスイッチＳ１及び第３のスイッチＳ３がオン）である場合の電流経路について説明する。
図２は、上アームがオンである場合の電流経路について説明するための図である。

第１の高周波変圧器１５に供給される交流電流は、第１の共振インバータ１１の上アームの第１のスイッチＳ１から出力される。当該交流電流は、第１のスイッチＳ１から、第１のダイオード整流器１３の整流ブリッジ回路及びフィルタコンデンサＣ７を経由して、第１の共振コンデンサＣ３と第２の共振コンデンサＣ４との接続点に戻る。当該交流電流は、当該接続点から第１の共振コンデンサＣ３と第２の共振コンデンサＣ４にそれぞれ分流する。

また、第２の高周波変圧器１６に供給される交流電流は、第２の共振インバータ１２の上アームの第３のスイッチＳ３から出力される。当該交流電流は、第３のスイッチＳ３から、第２のダイオード整流器１４の整流ブリッジ回路及びフィルタコンデンサＣ８を経由して、第３の共振コンデンサＣ５と第４の共振コンデンサＣ６との接続点に戻る。当該交流電流は、当該接続点から第３の共振コンデンサＣ５と第４の共振コンデンサＣ６にそれぞれ分流する。

次に、第１の共振インバータ１１及び第２の共振インバータ１２の下アームがオン（第２のスイッチＳ２及び第４のスイッチＳ４がオン）である場合の電流経路について説明する。
図３は、下アームがオンである場合の電流経路について説明するための図である。

第１の高周波変圧器１５に供給される交流電流は、第１の共振コンデンサＣ３と第２の共振コンデンサＣ４との接続点から出力される。当該交流電流は、当該接続点から、第１のダイオード整流器１３の整流ブリッジ回路及びフィルタコンデンサＣ７を経由して、第２のスイッチＳ２に戻る。当該交流電流は、第２のスイッチＳ２から第２の共振コンデンサＣ４とフィルタコンデンサＣ１とに分流する。

また、第２の高周波変圧器１６に供給される交流電流は、第３の共振コンデンサＣ５と第４の共振コンデンサＣ６との接続点から出力される。当該交流電流は、当該接続点から、第２のダイオード整流器１４の整流ブリッジ回路及びフィルタコンデンサＣ８を経由して、第４のスイッチＳ４に戻る。当該交流電流は、第４のスイッチＳ４から第４の共振コンデンサＣ６とフィルタコンデンサＣ２とに分流する。

次に、電力変換装置１が実現する機能について説明する。電力変換装置１が実現する機能は、制御部２４が内部メモリなどに格納されるプログラムを実行することで実現される。

まず、制御部２４は、第１の入力電圧の値と第２の入力電圧の値とに基づいてフィルタコンデンサＣ１又はＣ２などに異常が生じているかを判定する機能を有する。
ここでは、フィルタコンデンサＣ１並びにＣ２、第１の共振コンデンサＣ３、第２の共振コンデンサＣ４、第３の共振コンデンサＣ５及び第４の共振コンデンサＣ６の初期充電が完了しているものとする。

初期充電が完了すると、制御部２４は、電圧検出器２１及び２２を用いて第１の入力電圧及び第２の入力電圧を検出する。第１の入力電圧及び第２の入力電圧を検出すると、制御部２４は、第１の入力電圧の値と第２の入力電圧の値との差が所定の閾値未満であるかを判定する。

差が所定の閾値以上であると判定すると、制御部２４は、フィルタコンデンサＣ１又はＣ２に異常が生じていると判定する。フィルタコンデンサＣ１又はＣ２に異常が生じていると判定すると、制御部２４は、電力変換装置１の動作を停止する。

また、制御部２４は、第１の共振インバータ１１及び第２の共振インバータ１２の出力電流値が出力可能な上限値（許容電流上限値）を超えないように各上アーム及び下アームがオンである時間（オン時間）を制御する機能を有する。

ここでは、制御部２４は、フィルタコンデンサＣ７及びＣ８の初期充電を行うためにオン時間を制御する。

まず、制御部２４が上記の制御を行わない場合について説明する。
図４は、制御部２４が上記の制御を行わない場合について説明するためのタイミングチャートである。

図４は、第１の共振インバータ１１が出力する電流の値（出力電流値）、上アームへの指令値、及び、下アームへの指令値を示す。

出力電流値は、第１の共振インバータ１１が第１の高周波変圧器１５の一次側に出力する電流の値である。

上アームへの指令値は、制御部２４が第１のスイッチＳ１に入力するパルス信号である。上アームへの指令値は、オン又はオフを示す。上アームの指令値がオンである期間において、第１のスイッチＳ１は、オンとなる。同様に、上アームの指令値がオフである期間において、第１のスイッチＳ１は、オフとなる。

下アームへの指令値は、制御部２４が第２のスイッチＳ２に入力するパルス信号である。下アームへの指令値は、オン又はオフを示す。下アームの指令値がオンである期間において、第２のスイッチＳ２は、オンとなる。同様に、下アームの指令値がオフである期間において、第２のスイッチＳ２は、オフとなる。

上アームがオンである場合、出力電流値は、第１の共振コンデンサＣ３とフィルタコンデンサＣ７、Ｃ８との電位差に比例する。また、第１の共振コンデンサＣ３は、初期充電されており、静電容量に応じた電位を有する。そのため、出力電流値は、上アームへの指令値がオンとなった時点から上昇する。出力電流値は、所定の期間上昇し続け、許容電流上限値を超過する。

同様に、下アームがオンである場合、出力電流値は、第２の共振コンデンサＣ４とフィルタコンデンサＣ７、Ｃ８との電位差に比例する。また、第２の共振コンデンサＣ４は、初期充電されており、静電容量に応じた電位を有する。そのため、出力電流値は、下アームへの指令値がオンとなった時点から、下降する（上アームがオンである場合と逆方向に流れる電流が増加する）。出力電流値は、所定の期間下降し続け、許容電流上限値よりも下降する。

第２の共振インバータ１２の出力電流値についても同様である。

制御部２４は、図４のように出力電流値が許容電流上限値を超えることを防止するためオン時間を短く制御する。

まず、出力電流値の計算方法について説明する。

出力電流値は、以下の式によって算出される。

ここでは、電圧検出器２１が検出した電圧値をＶ１１、電圧検出器２２が検出した電圧器をＶ１２、電圧検出器２３が検出した電圧値を一次換算した値をＶ２ｐｒとする。また、第１の共振コンデンサＣ３、第２の共振コンデンサＣ４、第３の共振コンデンサＣ５及び第４の共振コンデンサＣ６の静電容量をＣとする。また、第１のダイオード整流器１３及び第２のダイオード整流器１４の漏れインダクタンスを含む共振回路のインダクタンスをＬ、オン時間をｔとする。また、第１の共振インバータ１１の出力電流値をｉ１１（ｔ）、第２の共振インバータ１２の出力電流値をｉ１２（ｔ）とする。

なお、第１の共振コンデンサＣ３及び第２の共振コンデンサＣ４の電圧平均値は、フィルタコンデンサＣ１の半分であるため、式（１）において、Ｖ１１は、１／２倍されている。同様に、第３の共振コンデンサＣ５及び第４の共振コンデンサＣ６の電圧平均値は、フィルタコンデンサＣ２の半分であるため、式（２）において、Ｖ１２は、１／２倍されている。

次に、出力電流値が許容電流上限値に達するオン時間（許容オン時間）の計算方法について説明する。

許容オン時間は、以下の式によって算出される。

ここで、第１の共振インバータ１１及び第２の共振インバータ１２の許容電流上限値をＩＬＩＭ、第１の共振インバータ１１の許容オン時間をＴ１ＯＮ、第２の共振インバータ１２の許容オン時間をＴ２ＯＮとする。

なお、以下の式のように、出力電流値及び許容オン時間は、三角関数の近似式によって算出されてもよい。

制御部２４は、式（３）及び（４）（又は、式（７）及び（８））に従って、第１の共振インバータ１１の許容オン時間及び第２の共振インバータ１２の許容オン時間を算出する。

制御部２４は、算出された許容オン時間を設定する。即ち、制御部２４は、算出された許容オン時間、上アーム及び下アームをオンにする。

図５は、制御部２４が許容オン時間、第１の共振インバータ１１の上アーム及び下アームをオンにする場合について説明するためのタイミングチャートである。

図５は、第１の共振インバータ１１が出力する電流の値（出力電流値）、上アームへの指令値、及び、下アームへの指令値を示す。

図５が示すように、制御部２４は、上アームをオンにするタイミングから許容オン時間が経過するまでの期間において上アームへの指令値をオンにする。同様に、制御部２４は、下アームをオンするタイミングから許容オン時間が経過するまでの期間において下アームへの指令値をオンにする。

なお、制御部２４は、許容オン時間よりも短い期間において上アーム又は下アームの指令値をオンにしてもよい。
第２の共振インバータ１２についても同様である。

制御部２４は、フィルタコンデンサＣ７及びＣ８の充電が完了するまで上記の動作を繰り返す。たとえば、制御部２４は、第１の入力電圧の値及び第２の入力電圧の値の合計と出力電圧の値との差が所定の閾値未満となるまで、上記の動作を繰り返す。

また、制御部２４は、電圧検出器２３が検出した出力電圧の値に基づいてフィルタコンデンサＣ７又はＣ８などに異常が生じているかを判定する機能を有する。

制御部２４は、出力電圧の理論値を算出する。制御部２４は、上アーム及び下アームをオンにした状態で許容オン時間が経過した後におけるフィルタコンデンサＣ７の出力電圧の理論値を算出である。

制御部２４は、理論値を以下の通り算出する。
まず、制御部２４は、フィルタコンデンサＣ７及びＣ８に流れ込む電流の積算値である電流積算値（即ち、フィルタコンデンサＣ７及びＣ８に蓄えられる電荷）を以下の式に従って算出する。

ここでは、Ｑ１をフィルタコンデンサＣ７の電流積算値、Ｑ２をフィルタコンデンサＣ８の電流積算値とする。

なお、制御部２４は、三角関数の近似式によって以下の式に従って算出してもよい。

電流積算値Ｑ１及びＱ２を算出すると、制御部２４は、以下の式に従って出力電圧の理論値を算出する。

ここで、ＱｔｏｔａｌをＱ１とＱ２との合計値、Ｃ２ＦＣは、フィルタコンデンサＣ７の静電容量とフィルタコンデンサＣ８の静電容量との合計値である。また、Ｖ２ｃａｌは、出力電圧の理論値である。

たとえば、制御部２４は、上アーム及び下アームを許容オン時間、オンするごとに、電圧検出器２３を用いて出力電圧を検出する。出力電圧を検出すると、制御部２４は、検出された出力電圧の値と算出された理論値とを差が所定の閾値未満であるかを判定する。

差が所定の閾値以上であると判定すると、制御部２４は、フィルタコンデンサＣ７又はＣ８に異常が生じていると判定する。フィルタコンデンサＣ７又はＣ８に異常が生じていると判定すると、制御部２４は、電力変換装置１の動作を停止する。

次に、制御部２４がフィルタコンデンサＣ７及びＣ８を初期充電する動作例について説明する。
図６は、制御部２４がフィルタコンデンサＣ７及びＣ８を初期充電する動作例について説明するためのフローチャートである。

まず、制御部２４は、電圧検出器２１を用いて第１の入力電圧を検出する（Ｓ１１）。第１の入力電圧を検出すると、制御部２４は、電圧検出器２２を用いて第２の入力電圧を検出する（Ｓ１２）。

第２の入力電圧を検出すると、制御部２４は、第１の入力電圧の値と第２の入力電圧の値との差が所定の閾値未満であるかを判定する（Ｓ１３）。第１の入力電圧の値と第２の入力電圧の値との差が所定の閾値未満であると判定すると（Ｓ１３、ＹＥＳ）、制御部２４は、許容オン時間を算出する（Ｓ１４）。

許容オン時間を算出すると、制御部２４は、電流積算値を算出する（Ｓ１５）。電流積算値を算出すると、制御部２４は、許容オン時間に従って上アーム又は下アームにオンの指令値を出力する（Ｓ１６）。

オンの指令値を出力すると、制御部２４は、電圧検出器２３を用いて出力電圧を検出する（Ｓ１７）。出力電圧を検出すると、制御部２４は、出力電圧の理論値を算出する（Ｓ１８）。

出力電圧の理論値を算出すると、制御部２４は、検出された出力電圧の値と出力電圧の理論値との差が所定の閾値未満であるかを判定する（Ｓ１９）。

検出された出力電圧の値と出力電圧の理論値との差が所定の閾値未満であると判定すると（Ｓ１９、ＹＥＳ）、制御部２４は、第１の入力電圧の値及び第２の入力電圧の値の合計と出力電圧の値との差が所定の閾値未満であるかを判定する（Ｓ２０）。

第１の入力電圧の値及び第２の入力電圧の値の合計と出力電圧の値との差が所定の閾値以上であると判定すると（Ｓ２０、ＮＯ）、制御部２４は、上アーム又は下アームをオンにする次のタイミングまで待機する（Ｓ２１）。

上アーム又は下アームをオンにする次のタイミングまで待機すると、制御部２４は、Ｓ１４に戻る。

第１の入力電圧の値と第２の入力電圧の値との差が所定の閾値以上であると判定した場合（Ｓ１３、ＮＯ）、又は、検出された出力電圧の値と出力電圧の理論値との差が所定の閾値以上であると判定した場合（Ｓ１９、ＮＯ）、制御部２４は、異常が生じたと判定する（Ｓ２２）。

第１の入力電圧の値及び第２の入力電圧の値の合計と出力電圧の値との差が所定の閾値未満であると判定した場合（Ｓ２０、ＹＥＳ）、又は、異常が生じたと判定した場合（Ｓ２２）、制御部２４は、動作を終了する。

なお、電力変換装置１は、第２の共振インバータ１２及び第２のダイオード整流器１４を備えなくともよい。
また、電力変換装置１は、第１の共振コンデンサＣ３、第２の共振コンデンサＣ４、第３の共振コンデンサＣ５、及び第４の共振コンデンサＣ６の電圧を検出するものであってもよい。この場合、電力変換装置１は、フィルタコンデンサＣ１及びＣ２の電圧を検出しなくともよい。

また、電力変換装置１は、異常が生じたと判定すると、異常が生じたことを示す警告を出力するものであってもよい。

以上のように構成された電力変換装置は、一次側のコンデンサの電圧と二次側のコンデンサの電圧との差が大きい場合、一次側の上アーム又は下アームのオン時間を限定して二次側のコンデンサを初期充電する。即ち、電力変換装置は、一次側から出力される電流が許容量を超えないようにオン時間を限定しながら二次側のコンデンサを初期充電する。その結果、電力変換装置は、一次側から許容量を超えた電流が出力されることを防止することができる。

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。

１…電力変換装置、２…電車線、３…集電器、４…線路、５…入力端子、６…出力端子、１１…第１の共振インバータ、１２…第２の共振インバータ、１３…第１のダイオード整流器、１４…第２のダイオード整流器、１５…第１の高周波変圧器、１６…第２の高周波変圧器、２１…電圧検出器、２２…電圧検出器、２３…電圧検出器、２４…制御部、３１…電源回路、Ｃ１…フィルタコンデンサ、Ｃ２…フィルタコンデンサ、Ｃ３…第１の共振コンデンサ、Ｃ４…第２の共振コンデンサ、Ｃ５…第３の共振コンデンサ、Ｃ６…第４の共振コンデンサ、Ｃ７…フィルタコンデンサ、Ｃ８…フィルタコンデンサ、Ｑ１…電流積算値、Ｑ２…電流積算値、Ｓ１…第１のスイッチ、Ｓ２…第２のスイッチ、Ｓ３…第３のスイッチ、Ｓ４…第４のスイッチ。

Claims (8)

1. 一次側に入力された交流電圧によって二次側に交流電圧を出力する変圧器と、
   スイッチを備え、スイッチのオンオフ動作によって前記変圧器の一次側に交流電圧を出力するインバータと、
   前記変圧器の二次側からの交流電圧を直流の出力電圧に変換する整流器と、
   前記インバータに入力される入力電圧を検出する第１の電圧検出器と、
   前記出力電圧を検出する第２の電圧検出器と、
   前記入力電圧と前記出力電圧とに基づいて前記インバータが出力する電流の値が上限値を超えないように前記スイッチをオンにする許容オン時間を設定する制御部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記入力電圧と前記出力電圧との差に基づいて前記許容オン時間を設定する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インバータは、前記スイッチに接続する共振コンデンサを備え、
   前記制御部は、前記共振コンデンサの静電容量にさらに基づいて前記許容オン時間を設定する、
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記整流器のインダクタンスにさらに基づいて前記許容オン時間を設定する、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記インバータは、前記入力電圧を平滑化する第１のフィルタコンデンサを備え、
   前記第１の電圧検出器は、第１のフィルタコンデンサの電圧を検出する、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記整流器は、前記出力電圧を平滑化する第２のフィルタコンデンサを備え、
   前記第２の電圧検出器は、前記第２のフィルタコンデンサの電圧を検出する、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、前記スイッチが前記許容オン時間、オンされた後の前記第２のフィルタコンデンサの電圧の理論値に基づいて異常が生じたかを判定する、
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、前記第２の電圧検出器が検出した前記出力電圧の値と前記理論値との差が所定の閾値以上である場合、異常が生じたと判定する、
   請求項７に記載の電力変換装置。
   

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