JP3361047B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

車両用電源装置

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    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電源電圧と３相電
源出力とを絶縁する必要がある車両用電源装置に係り、
特に装置の小形化、軽量化、低騒音化、低価格化を図れ
るようにした車両用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４は、この種の従来の車両用電源装置
の構成例を示す回路図である。
【０００３】図４において、架線電源１からパンタグラ
フ２により直流電圧を得、ヒューズ３を介して、接触器
４、直流リアクトル５を通り、初期充電抵抗７により電
解コンデンサ８を充電する。そして、電解コンデンサ８
の充電々圧が、所定の電圧まで充電された時点で、初期
充電抵抗７に並列接続された導通サイリスタ６をＯＮさ
せる。さらに、かかる初期充電動作が完了したら、３相
インバータ９を動作させる。
【０００４】３相インバータ９は、直流電源から３相交
流電圧を得るものであり、その出力は、公知の正弦波Ｐ
ＷＭ電圧波形で多くの高調波を有している。
【０００５】そのため、平滑用の交流リアクトル１０お
よび交流コンデンサ１１によりＡＣフィルターを形成し
て、３相インバータ９の出力波形をフィルタリングして
高周波成分を除去し、基本波である５０ＨＺまたは６０
ＨＺの商用電圧を得ている。
【０００６】また、この商用電圧は、本分野の条件とな
る電源電圧と３相電源出力１３とを絶縁する目的で、商
用周波数の絶縁トランス１２を介して絶縁する。
【０００７】なお、図４中、１４は帰線用電源を示して
いる。
【０００８】現在の車両用電源装置としては、本方式の
車両用電源装置が主流で、どの方式の場合にも、商用電
圧を得た後に、商用周波数の絶縁トランスにより絶縁す
るものである。
【０００９】また、３相インバータ９の制御装置として
は、例えば“特開平７−３１１５６号公報”で開示され
た制御装置を適用することができる（その詳細な説明に
ついては、ここでは省略する）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来方式の車両用電源装置においては、次のよ
うな幾つかの問題点がある。
【００１１】すなわち、第１に、商用周波数の絶縁トラ
ンス１２を用いていることから、その重量、外形共に大
きくなり、さらに商用周波数の騒音が発生するという問
題点がある。
【００１２】第２に、３相インバータ９、交流リアクト
ル１０、交流コンデンサ１１が、架線電源１側と同一電
位であることから、高圧で相応の耐圧協調を必要とし、
電源装置全体が大型化するという問題点がある。
【００１３】第３に、電源装置の負荷変動が架線電源１
の帰線電流に現われることによる車両信号機器への影響
を最小化するために、架線電源１の直流電圧によって充
電される電解コンデンサ８の容量を大きくする必要があ
ることから、高圧側のための耐圧設計を必要とし、電源
装置全体が高価で、より一層大型化するという問題点が
ある。
【００１４】本発明の目的は、装置の小形化、軽量化、
低騒音化、低価格化を図ることが可能な車両用電源装置
を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明の車両用電源装置は、第１の直流
電圧を出力する直流電源に複数個直列に接続された平滑
用の第１のコンデンサと、複数個のパワー素子をブリッ
ジ接続してなり、各第１のコンデンサにそれぞれ各別に
並列に接続されたインバータブリッジ、１次巻線が各イ
ンバータブリッジの出力側にそれぞれ各別に接続された
高周波数の絶縁トランス、複数個のパワー素子をブリッ
ジ接続してなり、各絶縁トランスの２次巻線にそれぞれ
各別に接続された整流器ブリッジから構成されたＤＣ／
ＤＣコンバータと、平滑用の直流リアクトルおよび第２
のコンデンサからなり、各ＤＣ／ＤＣコンバータの整流
器ブリッジの出力から第２の直流電圧を得る平滑回路
と、複数個のパワー素子をブリッジ接続してなり、平滑
回路により得られた第２の直流電圧から３相交流電圧を
得る３相インバータとを備え、各ＤＣ／ＤＣコンバータ
の絶縁トランスの鉄芯を共通とし、かつその１次巻線
数、２次巻線数を同一としている。
【００１６】従って、請求項１の発明の車両用電源装置
においては、直流電源の出力である第１の直流電圧によ
り第１のコンデンサを充電し、第１のコンデンサの直流
電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータのインバータブリッジで
交流電圧とし、さらにこの交流電圧を高周波数の絶縁ト
ランスで絶縁した後に、整流器ブリッジで直流電圧とす
る。そして、この各ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力を
並列接続した後に、平滑回路で第２の直流電圧を得、こ
の第２の直流電圧から３相インバータで３相交流電圧を
得る。
【００１７】これにより、第２の直流電圧としては、直
流電源電圧（第１の直流電圧）の影響を受けることな
く、安定した直流電圧を得ることができる。
【００１８】また、電源電圧と３相電源出力とを高周波
数の絶縁トランスで絶縁することにより、装置の小形
化、軽量化、低騒音化を図ることができる。
【００１９】さらに、各ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁ト
ランスの鉄芯を共通とし、かつその１次巻線数、２次巻
線数を同一とすることにより、各ＤＣ／ＤＣコンバータ
の負荷分担を均等化することができる。
【００２０】一方、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の車両用電源装置において、ＤＣ／ＤＣコンバー
タの絶縁トランスのキャリヤ周波数を、１〜６ＫＨＺの
範囲の周波数領域としている。
【００２１】従って、請求項２の発明の車両用電源装置
においては、ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁トランスのキ
ャリヤ周波数を、１〜６ＫＨＺの範囲の周波数領域とす
ることにより、騒音、形状、重量の要素を最適化して、
装置の小形化、軽量化、低騒音化を図ることができる。
【００２２】また、請求項３の発明では、上記請求項１
の発明の車両用電源装置において、第１のコンデンサと
ＤＣ／ＤＣコンバータの個数を、２個、または３個とし
ている。
【００２３】従って、請求項３の発明の車両用電源装置
においては、第１のコンデンサとＤＣ／ＤＣコンバータ
の個数を、２個、または３個とすることにより、価格、
形状、重量の要素を最適化して、装置の小形化、軽量
化、低価格化を図ることができる。
【００２４】一方、請求項４の発明では、上記請求項１
の発明の車両用電源装置において、第２のコンデンサの
容量を、電源装置本体の負荷変動の影響が小さくなるよ
うに各第１のコンデンサの合計容量よりも大きくしてい
る。
【００２５】ここで、例えば請求項５に記載したよう
に、特に上記第２のコンデンサの容量を、各第１のコン
デンサの合計容量の３〜６倍の大きさとすることが好ま
しい。
【００２６】従って、請求項４、および請求項５の発明
の車両用電源装置においては、第２のコンデンサの容量
を、電源装置本体の負荷変動の影響が小さくなるように
各第１のコンデンサの合計容量よりも大きくする（例え
ば、各第１のコンデンサの合計容量の３〜６倍の大きさ
とする）ことにより、電源装置本体の負荷変動が直流電
源の帰線電流変化として影響しないようにして、車両信
号機器への影響を最小化することができる。
【００２７】すなわち、各第１のコンデンサのリップル
周波数は、第１の直流電圧を出力する直流電源の影響を
受けて１８０または３６０Ｈｚであり、また第２のコン
デンサには、３相交流電圧を出力する３相インバータの
影響を受けて６０Ｈｚのリップル周波数がのる。従っ
て、第２のコンデンサのリップル周波数は、第１のコン
デンサのリップル周波数に比較して、３分の１〜６分の
１になるので、容量的には第２のコンデンサを第１のコ
ンデンサの３〜６倍の大きさとすることが好ましい。
【００２８】一方、請求項６の発明では、上記請求項１
の発明の車両用電源装置において、パワー素子およびパ
ワー抵抗を直列に接続してなり、平滑回路の第２のコン
デンサに並列に接続された電力放電回路と、平滑回路に
より得られた第２の直流電圧を検出する電圧監視手段と
を付加し、電圧監視手段により第２の直流電圧が設定電
圧以上に達したことを検出した場合に、電力放電回路の
パワー素子をオン状態にして、電源装置本体に接続され
た回生負荷の回生エネルギーを電力放電回路のパワー抵
抗にて消費するようにしている。
【００２９】従って、請求項６の発明の車両用電源装置
においては、第２の直流電圧が回生負荷により電圧上昇
を期たして設定電圧以上に達した場合に、電力放電回路
のパワー素子をオン状態にして、電源装置本体に接続さ
れた回生負荷の回生エネルギーをパワー抵抗にて消費す
ることにより、第２の直流電圧が高電圧にならないよう
制御して、３相インバータのパワー素子の電圧破壊を防
止することができる。
【００３０】また、請求項７の発明では、上記請求項１
の発明の車両用電源装置において、交流リアクトルおよ
び交流コンデンサからなり、かつ３相インバータの出力
側に接続される交流フィルターの上記交流コンデンサの
一端を、第２の直流電圧の中性点に接続している。
【００３１】さらに、請求項８の発明では、上記請求項
１の発明の車両用電源装置において、交流リアクトルお
よび交流コンデンサからなり、かつ３相インバータの出
力側に接続される交流フィルターの交流コンデンサの一
端を、各絶縁トランスの２次巻線の中性点に接続してい
る。
【００３２】従って、請求項７、および請求項８の発明
の車両用電源装置においては、３相インバータの出力側
に接続される交流フィルターの交流コンデンサの一端
を、第２の直流電圧の中性点に接続する（例えば、平滑
回路の第２のコンデンサを２個直列接続してその中間点
に接続する）か、または各絶縁トランスの２次巻線の中
性点に接続することにより、誘導障害の低減を図ること
ができる。
【００３３】すなわち、例えば平滑回路の第２のコンデ
ンサを中性点にすることにより、交流フィルターの交流
コンデンサに流れる電流が正、負となって、ピーク電流
がほぼ２分の１となり、スイッチングノイズによる誘導
障害を低減することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】 （第１の実施の形態：請求項１、請求項７、請求項８に
対応） 図１は、本実施の形態による車両用電源装置の構成例を
示す回路図であり、図４と同一要素には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ
述べる。
【００３６】本実施の形態の車両用電源装置は、図１に
示すように、図４における電解コンデンサ８、および絶
縁トランス１２を省略し、これらに代えて新たに、以下
の各要素を設けた構成としている。
【００３７】すなわち、直流電圧（以下、第１の直流電
圧と称する）を出力する直流電源である前記架線電源１
に、パンタグラフ２、ヒューズ３、接触器４、直流リア
クトル５、導通サイリスタ６および初期充電抵抗７を介
して、複数個（本例では２個）直列に平滑用の第１のコ
ンデンサ２１，２２を接続している。
【００３８】一方、複数個のパワー素子２３〜２６，２
７〜３０をブリッジ接続して構成されたＨ型インバータ
ブリッジを、各第１のコンデンサ２１，２２にそれぞれ
各別に並列に接続している。
【００３９】換言すれば、Ｈ型インバータブリッジに並
列に第１のコンデンサを接続し、それを一組としたもの
を直列に接続して、直流母線間に接続している。
【００４０】また、各Ｈ形インバータブリッジの出力側
に、高周波数の絶縁トランス３１，３２の１次巻線をそ
れぞれ各別に接続している。
【００４１】さらに、複数個のパワー素子３３〜３６，
３７〜４０をブリッジ接続してセンタータップ方式で構
成された整流器ブリッジ（全波整流回路）を、絶縁トラ
ンス３１，３２の２次巻線にそれぞれ各別に接続してい
る。
【００４２】そして、上記一つのＨ形インバータブリッ
ジと、一つの絶縁トランスと、一つの整流器ブリッジと
から、一組のＤＣ／ＤＣコンバータを構成している。
【００４３】一方、上記各整流器ブリッジの出力を並列
に接続し、さらにこれに平滑用の直流リアクトル４１お
よび第２のコンデンサ４２から構成された平滑回路を接
続して、並列接続した後の各整流器ブリッジの出力から
第２の直流電圧を得るようにしている。
【００４４】そして、この平滑回路により得られた第２
の直流電圧を、前記３相インバータ９に入力して３相交
流電圧を得るようにしている。
【００４５】さらに、前記交流リアクトル１０および交
流コンデンサ１１から構成された交流フィルターの交流
コンデンサ１１の一端を、上記各絶縁トランス３１，３
２の２次巻線の中性点、すなわち第２の直流電圧の中性
点に接続している。
【００４６】一方、上記各ＤＣ／ＤＣコンバータのＨ型
インバータブリッジのパワー素子２３〜２６，２７〜３
０の制御回路は、以下のように構成している。
【００４７】すなわち、電圧設定器４３によりＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ出力の直流電圧基準を設定し、この直流電
圧基準を加算器４４により直流出力電圧と突き合わせ
て、その差分電圧（誤差電圧）を、演算増幅器４５によ
り比例積分動作して誤差増幅する。
【００４８】また、この増幅された誤差と三角波発生器
４７からの出力とを、公知のＰＷＭ発生器４６により比
較してパルス幅変調する。
【００４９】さらに、このパルス幅変調されたデジタル
波形信号を、上記Ｈ形インバータブリッジのパワー素子
２３〜２６，２７〜３０を駆動するためのパワー素子駆
動増幅器４８，４９により、絶縁すると共にパワー増幅
する。
【００５０】すなわち、架線電源１から得られた第１の
直流電圧（直流高電圧）を、上記各ＤＣ／ＤＣコンバー
タにより、３相インバータ９にて発生する３相電源電圧
に最も適した定電圧の直流電圧に制御することになる。
【００５１】勿論、電源電圧の変動の激しい架線電源１
電圧に対して、上記各ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力
電圧は一定な安定した直流電圧を得ることになる。
【００５２】次に、以上のように構成した本実施の形態
の車両用電源装置の作用について説明する。
【００５３】図１において、架線電源１からパンタグラ
フ２により第１の直流電圧が得られ、ヒューズ３を介し
て、接触器４、直流リアクトル５を通り、初期充電抵抗
７により第１のコンデンサ２１，２２が充電される。そ
して、第１のコンデンサ２１，２２の充電々圧が、所定
の電圧まで充電された時点で、初期充電抵抗７に並列接
続された導通サイリスタ６がＯＮされる。
【００５４】次に、第１のコンデンサ２１，２２の出力
は、ゲート駆動増幅器４８，４９からの出力で制御され
るＨ型インバータブリッジにより交流電圧に変換され、
さらに絶縁トランス３１，３２により絶縁された後に、
整流器ブリッジにより全波整流して直流電圧に変換され
る。
【００５５】さらに、この直流電圧は、直流リアクトル
４１と第２のコンデンサ４２からなる平滑回路により平
滑して第２の直流電圧が得られ、この第２の直流電圧
は、３相インバータ９により正弦波ＰＷＭ制御して３相
交流電圧が得られる。
【００５６】そして、この３相交流電圧は、交流リアク
トル１０と交流コンデンサ１１とからなるＡＣフィルタ
ーにより、フィルタリングして高周波成分を除去し、基
本波である５０ＨＺまたは６０ＨＺの商用電圧が得られ
る。
【００５７】これにより、第２の直流電圧としては、架
線電源１電圧（第１の直流電圧）の影響を受けることな
く、安定した直流電圧を得ることができる。
【００５８】一方、本実施の形態の車両用電源装置で
は、以下のような作用効果を得ることができる。
【００５９】第１に、各ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁ト
ランス３１，３２を、高周波数の絶縁トランスとしてい
ることにより、１次巻線の電源となる前記Ｈ形インバー
タブリッジのパワー素子として、高速素子、例えばＩＧ
ＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｏｒＧａｔｅｄ Ｂｉｐｏｒｌａ
ｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を使用して、数ＫＨＺの
キャリヤ周波数で励磁することができる。
【００６０】すなわち、高周波トランス化することによ
り、絶縁トランス３１，３２の外形、重量を、４分の１
〜８分の１に小さくすることができ、さらに騒音を低減
することができる。
【００６１】第２に、各ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁ト
ランス３１，３２の１次、２次側で、絶縁耐圧を変える
ことができる。
【００６２】すなわち、絶縁トランス３１，３２の１次
側は、高電圧であることから、構成機器は全て高耐圧設
計を必要とするが、絶縁トランス３１，３２の２次側
は、３相出力電圧が一般にＡＣ４４０Ｖ以下であること
から、各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は６００Ｖ以
下でよいことになり、２次側以降の構成機器は、必ずし
も高耐圧設計を必要とせず、小形で、低価格な機器を使
用することができる。
【００６３】第３に、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成にお
いて、Ｈ形インバータブリッジと第１のコンデンサとを
並列構成したブロックを２個直列に構成しているが、Ｈ
形インバータブリッジの負荷分担に差が生ずると、直流
電圧を１／２ずつの分担とすることはできなくなり、極
端な例を挙げると、殆どの電圧を一端のＨ形インバータ
ブリッジが分担するようなことになり、Ｈ形インバータ
ブリッジのパワー素子２３〜２６，２７〜３０の電圧破
損に至ることがある。
【００６４】この点、本実施の形態では、Ｈ形インバー
タブリッジの負荷分担のアンバランスをなくす目的か
ら、絶縁トランス３１，３２をＨ形インバータブリッジ
に個々に設けているが、絶縁トランス３１，３２の２次
巻線出力を整流器ブリッジの出力にて並列に接続するこ
とにより、負荷分担アンバランスを除去することができ
る。
【００６５】すなわち、例えば負荷分担の大きいＨ形イ
ンバータブリッジは、負荷電流が増えたことにより、並
列に接続された第１のコンデンサ電圧が低下する。従っ
て、そのＨ形インバータブリッジの出力側に設けた絶縁
トランスの２次巻線電圧の波高値が低下することにな
る。
【００６６】一方、直列に接続された片方の第１のコン
デンサ電圧は上昇することになり、したがってそのＨ形
インバータブリッジの出力側に設けた絶縁トランスの２
次巻線電圧の波高値も上昇することになる。
【００６７】この結果、波高値電圧の高い方に負荷分担
が増加することになる。そして、これらが瞬間的に作用
することになり、最終的には、２つのＨ形インバータブ
リッジの負荷分担が平均化されて均等になる。
【００６８】すなわち、各Ｈ形インバータブリッジにか
かる直流電圧も均等になり、各Ｈ形インバータブリッジ
を構成するパワ素子としても、その耐圧の低い素子を使
用することができる。
【００６９】第４に、３相インバータ９の出力側に接続
される交流フィルターの交流コンデンサ１１の一端を、
各絶縁トランス３１，３２の２次巻線の中性点、すなわ
ち第２の直流電圧の中性点に接続することにより、誘導
障害を低減することができる。
【００７０】すなわち、交流フィルターの交流コンデン
サ１１に流れる電流が正、負となって、ピーク電流がほ
ぼ２分の１となり、スイッチングノイズによる誘導障害
を低減することができる。
【００７１】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、第２の直流電圧として、架線電源１
電圧（第１の直流電圧）の影響を受けることなく、安定
した直流電圧を得ることが可能となる。
【００７２】さらに、装置の小形化、軽量化、低騒音
化、誘導障害の低減化を図ることが可能となる。
【００７３】（第２の実施の形態：請求項２に対応） 本実施の形態の車両用電源装置は、前述した図１に示す
第１の実施の形態において、各ＤＣ／ＤＣコンバータの
絶縁トランス３１，３２のキャリヤ周波数を、１〜６Ｋ
ＨＺの範囲の周波数領域とするようにしている。
【００７４】これにより、騒音、形状、重量の要素を最
適化して、装置の小形化、軽量化、低騒音化を図ること
ができる。
【００７５】すなわち、各ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁
トランス３１，３２のキャリヤ周波数を高周波数化する
ことにより、小形、軽量、低騒音化を達成することがで
きるが、低騒音化の観点からすると、人間の可聴域であ
る１５ＫＨＺ以下に、その効果は見られるが、この値以
上では域外であり、効果は低い、従って、公知の制御原
理から、１／２周波数、すなわち７．５ＫＨＺ以下、実
用的には６ＫＨＺ以下が有効となる。また、絶縁トラン
ス３１，３２の小形、軽量化の観点からすると、６ＫＨ
Ｚ以上では、スイッチングロスとの整合性を考慮すると
そのメリットは見られない。
【００７６】すなわち、上記３要素の最適化を見た場合
に、１〜６ＫＨＺの限定された範囲の周波数領域にその
効果が見られる。
【００７７】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、騒音、形状、重量の要素を最適化し
て、装置の小形化、軽量化、低騒音化を図ることが可能
となる。
【００７８】（第３の実施の形態：請求項３に対応） 本実施の形態の車両用電源装置は、前述した図１に示す
第１の実施の形態において、第１のコンデンサとＤＣ／
ＤＣコンバータの個数を、図１に示すように２個、また
は３個とするようにしている。
【００７９】これにより、価格、形状、重量の要素を最
適化して、装置の小形化、軽量化、低価格化を図ること
ができる。
【００８０】すなわち、第１のコンデンサとＤＣ／ＤＣ
コンバータの直列数の観点から考慮すると、パワー素子
の電圧、電流、スイッチング特性からして、架線電源１
電圧が６００Ｖの場合に２段、１５００Ｖの場合に２〜
３段にそれぞれ限定することにより、価格、形状、重量
の３要素の最適化を得ることができる。
【００８１】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、価格、形状、重量の要素を最適化し
て、装置の小形化、軽量化、低価格化を図ることが可能
となる。
【００８２】（第４の実施の形態：請求項１に対応） 本実施の形態の車両用電源装置は、前述した図１に示す
第１の実施の形態において、各ＤＣ／ＤＣコンバータの
絶縁トランス３１，３２の鉄芯を共通とし、かつその１
次巻線数、２次巻線数を同一とするようにしている。
【００８３】これにより、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負
荷分担を均等化することができる。
【００８４】すなわち、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷
分担の均等化制御は最も重要なことであるが、各ＰＷＭ
波形の同時駆動に加えて、絶縁トランス３１，３２の鉄
芯を共通化することにより、均等分担化することができ
る。
【００８５】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷分担
を均等化することが可能となる。
【００８６】 （第５の実施の形態：請求項４、請求項５に対応） 本実施の形態の車両用電源装置は、前述した図１に示す
第１の実施の形態において、第２のコンデンサ４２の容
量を、電源装置本体の負荷変動の影響が小さくなるよう
に、各第１のコンデンサ２１，２２の合計容量よりも大
きくするようにしている。
【００８７】ここで、特に第２のコンデンサ４２の容量
としては、各第１のコンデンサ２１，２２の合計容量の
３〜６倍の大きさとすることが好ましい。
【００８８】これにより、電源装置本体の負荷変動が架
線電源１の帰線電流変化として影響しないようにして、
車両信号機器への影響を最小化することができる。
【００８９】すなわち、架線電源１のレール帰線電流の
周波数成分は、車両信号機器に重大な影響を及ぼし、機
器の誤動作を招く。
【００９０】従って、電源装置本体の負荷特性からくる
電流変動の周波数成分を除去するために、第２のコンデ
ンサ４２の容量を各第１のコンデンサ２１，２２の合計
容量よりも大きくすることにより、このフィルター効果
にて低減することができる。
【００９１】すなわち、各第１のコンデンサ２１，２２
のリップル周波数は、第１の直流電圧を出力する架線電
源１の影響を受けて１８０または３６０Ｈｚであり、ま
た第２のコンデンサ４２には、３相交流電圧を出力する
３相インバータ９の影響を受けて６０Ｈｚのリップル周
波数がのる。従って、第２のコンデンサ４２のリップル
周波数は、第１のコンデンサ２１，２２のリップル周波
数に比較して、３分の１〜６分の１になるので、容量的
には第２のコンデンサ４２を第１のコンデンサ２１，２
２の３〜６倍の大きさとすることが好ましい。
【００９２】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、電源装置本体の負荷変動が架線電源
１の帰線電流変化として影響しないようにして、車両信
号機器への影響を最小化することが可能となる。
【００９３】（第６の実施の形態） 図２は、本実施の形態による車両用電源装置の要部構成
例を示す回路図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。
【００９４】本実施の形態の車両用電源装置は、図２に
示すように、図１における一方の第１のコンデンサ２２
と、パワー素子２７〜３０で構成されたＨ型インバータ
ブリッジ、絶縁トランス３２、パワー素子３７〜４０で
構成された整流器ブリッジからなる一方のＤＣ／ＤＣコ
ンバータとを省略して、第１のコンデンサとＤＣ／ＤＣ
コンバータの個数をそれぞれ単数とするようにしてい
る。
【００９５】さらに、図２に示すように、一組のＤＣ／
ＤＣコンバータのＨ形インバータブリッジに、それぞれ
並列に部分共振転流回路５０，５１を接続して、ＤＣ／
ＤＣコンバータのＨ形インバータブリッジの転流方式を
部分共振型とするようにしている。
【００９６】これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータのＨ形
インバータブリッジのパワー素子のスイッチングロスを
最小化（削減）して、ＤＣ／ＤＣコンバータのＨ形イン
バータブリッジのパワー素子のオンロスのみを主体とす
ることができる。
【００９７】すなわち、絶縁トランスを備えたＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータでは、Ｈ形インバータブリッジによるパワ
ー素子のロスが素子のオンロスに加わって、高周波のス
イッチングロスが増大する。
【００９８】この点、本実施の形態では、図２に示すよ
うに、ＤＣ／ＤＣコンバータのＨ形インバータブリッジ
の転流方式を部分共振型にすることにより、零電圧、ま
たは零電流による転流となることから、スイッチングロ
スがなく、高周波数化によるデメリットを改善すること
ができる。
【００９９】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、ＤＣ／ＤＣコンバータのＨ形インバ
ータブリッジのパワー素子のスイッチングロスを最小化
（削減）して、ＤＣ／ＤＣコンバータのＨ形インバータ
ブリッジのパワー素子のオンロスのみを主体とすること
が可能となる。
【０１００】（第７の実施の形態：請求項６に対応） 図３は、本実施の形態による車両用電源装置の要部構成
例を示す回路図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。
【０１０１】本実施の形態の車両用電源装置は、図３に
示すように、図１における平滑回路の第２のコンデンサ
４２に、パワー素子５２およびパワー抵抗５３を直列に
接続してなる電力放電回路を並列に接続すると共に、平
滑回路により得られた第２の直流電圧を検出する電圧監
視器５４を並列に接続するようにしている。
【０１０２】そして、電圧監視器５４により第２の直流
電圧が設定電圧以上に達したことを検出した場合に、パ
ワー素子駆動増幅器５５を介して電力放電回路のパワー
素子５２をオン状態にして、電源装置本体に接続された
回生負荷の回生エネルギーを電力放電回路のパワー抵抗
５３にて消費するようにしている。
【０１０３】これにより、第２の直流電圧が高電圧にな
らないよう制御して、３相インバータ９のパワー素子の
電圧破壊を防止することができる。
【０１０４】すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータを通して
平滑回路から得られる第２の直流電圧は、負荷からの回
生エネルギーがあった場合、１次側への回生能力がない
ことから、直流電圧が上昇して、３相インバータ９のパ
ワー素子の耐圧以上になると電圧破損を期たす。
【０１０５】この点、本実施の形態では、図３に示すよ
うに、電力放電回路である回生エネルギー放電回路を備
えた第２の直流電圧の電圧監視器５４を設けて、第２の
直流電圧がある設定値以上の電圧となった場合に検出信
号を発生し、パワー素子駆動増幅器５５にてパワー増幅
してパワー素子５２をオンすることにより、パワー素子
５２と直列に接続されたパワー抵抗５３に電流が流れ
て、Ｉ2 Ｒの電力を放電することにより、第２の直流電
圧が低下する。
【０１０６】また、第２の直流電圧の電圧監視器５４に
ヒステリシス値を持たせることにより、第２の直流電圧
がある値以下になったら、パワー素子５２をオフして放
電を停止する。そして、このくり返しであるオンオフに
より、平均値電圧を一定化すると同時に、回生エネルギ
ーを放電する。
【０１０７】これにより、負荷の回生エネルギーによる
第２の直流電圧の電圧上昇を防止して、３相インバータ
９のパワー素子の電圧破損を防止することができる。
【０１０８】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、負荷の回生エネルギーによって第２
の直流電圧が高電圧にならないよう制御して、３相イン
バータ９のパワー素子の電圧破壊を防止することが可能
となる。
【０１０９】 （第８の実施の形態：請求項７、請求項８に対応） 本実施の形態の車両用電源装置は、前述した図１に示す
第１の実施の形態において、３相インバータ９の出力側
に接続される交流フィルターの交流コンデンサ１１の一
端を、第２の直流電圧の中性点に接続する、すなわち各
絶縁トランス３１，３２の２次巻線の中性点に接続する
代わりに、当該交流コンデンサ１１の一端を、平滑回路
の第２のコンデンサ４２を２個直列接続してその中間点
に接続するようにしている。
【０１１０】すなわち、平滑回路の第２のコンデンサ４
２を中性点にすることにより、交流フィルターの交流コ
ンデンサ１１に流れる電流が正、負となって、ピーク電
流がほぼ２分の１となり、スイッチングノイズによる誘
導障害を低減することができる。
【０１１１】上述したように、本実施の形態の車両用電
源装置においては、誘導障害の低減を図ることが可能と
なる。
【０１１２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の車両用電
源装置によれば、装置の小形化、軽量化、低騒音化、低
価格化を図ることが可能となる。
【０１１３】さらに、各ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁ト
ランスの鉄芯を共通とし、かつその１次巻線数、２次巻
線数を同一として、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷分担
を均等化することが可能となる。
【０１１４】一方、請求項４および請求項５の発明の車
両用電源装置によれば、負荷変動による直流電源の帰線
電流の変化から、車両信号機器への影響を軽減化するこ
とが可能となる。
【０１１５】また、請求項６の発明の車両用電源装置に
よれば、負荷の回生エネルギーによって第２の直流電圧
が高電圧にならないよう制御して、３相インバータのパ
ワー素子の電圧破壊を防止することが可能となる。
【０１１６】さらに、請求項７および請求項８の発明の
車両用電源装置によれば、誘導障害の低減を図ることが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による車両用電源装置の第１の実施の形
態を示す回路図。
【図２】本発明による車両用電源装置の第６の実施の形
態を示す回路図。
【図３】本発明による車両用電源装置の第７の実施の形
態を示す回路図。
【図４】従来の車両用電源装置の構成例を示す回路図。
【符号の説明】
１…架線電源、２…パンタグラフ、３…ヒューズ、４…
接触器、５…直流リアクトル、６…導通サイリスタ、７
…初期充電抵抗、８…電解コンデンサ、９…３相インバ
ータ、１０…交流リアクトル、１１…交流コンデンサ、
１２…絶縁トランス、１３…３相電源出力、１４…帰線
用電源、２１，２２…第１のコンデンサ、２３〜２６…
パワー素子、２７〜３０…パワー素子、３１，３２…高
周波数の絶縁トランス、３３〜３６…パワー素子、３７
〜４０…パワー素子、４１…直流リアクトル、４２…第
２のコンデンサ、４３…電圧設定器、４４…加算器、４
５…演算増幅器、４６…ＰＷＭ発生器、４７…三角波発
生器、４８，４９…パワー素子駆動増幅器、５０，５１
…部分共振転流回路、５２…パワー素子、５３…パワー
抵抗、５４…電圧監視器、５５…パワー素子駆動増幅
器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−206362（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−154203（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−79569（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−274523（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−289786（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−294381（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−205799（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−31144（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/42 - 7/98

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の直流電圧を出力する直流電源に複
    数個直列に接続された平滑用の第１のコンデンサと、 複数個のパワー素子をブリッジ接続してなり、前記各第
    １のコンデンサにそれぞれ各別に並列に接続されたイン
    バータブリッジと、１次巻線が前記各インバータブリッ
    ジの出力側にそれぞれ各別に接続された高周波数の絶縁
    トランスと、複数個のパワー素子をブリッジ接続してな
    り、前記各絶縁トランスの２次巻線にそれぞれ各別に接
    続された整流器ブリッジとから構成されたＤＣ／ＤＣコ
    ンバータと、 平滑用の直流リアクトルおよび第２のコンデンサからな
    り、前記各ＤＣ／ＤＣコンバータの整流器ブリッジの出
    力から第２の直流電圧を得る平滑回路と、 複数個のパワー素子をブリッジ接続してなり、前記平滑
    回路により得られた第２の直流電圧から３相交流電圧を
    得る３相インバータとを備え、 前記各ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁トランスの鉄芯を共
    通とし、かつその１次巻線数、２次巻線数を同一として
    成ることを特徴とする車両用電源装置。
  2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の車両用電源装置に
    おいて、 前記ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁トランスのキャリヤ周
    波数を、１〜６ＫＨＺの範囲の周波数領域としたことを
    特微とする車両用電源装置。
  3. 【請求項３】 前記請求項１に記載の車両用電源装置に
    おいて、 前記第１のコンデンサと前記ＤＣ／ＤＣコンバータの個
    数を、２個、または３個としたことを特徴とする車両用
    電源装置。
  4. 【請求項４】 前記請求項１に記載の車両用電源装置に
    おいて、 前記第２のコンデンサの容量を、電源装置本体の負荷変
    動の影響が小さくなるように前記各第１のコンデンサの
    合計容量よりも大きくしたことを特徴とする車両用電源
    装置。
  5. 【請求項５】 前記請求項４に記載の車両用電源装置に
    おいて、 前記第２のコンデンサの容量を、前記各第１のコンデン
    サの合計容量の３〜６倍の大きさとしたことを特徴とす
    る車両用電源装置。
  6. 【請求項６】 前記請求項１に記載の車両用電源装置に
    おいて、 パワー素子およびパワー抵抗を直列に接続してなり、前
    記平滑回路の第２のコンデンサに並列に接続された電力
    放電回路と、 前記平滑回路により得られた第２の直流電圧を検出する
    電圧監視手段とを付加し、 前記電圧監視手段により第２の直流電圧が設定電圧以上
    に達したことを検出した場合に、前記電力放電回路のパ
    ワー素子をオン状態にして、電源装置本体に接続された
    回生負荷の回生エネルギーを前記電力放電回路のパワー
    抵抗にて消費するようにしたことを特徴とする車両用電
    源装置。
  7. 【請求項７】 前記請求項１に記載の車両用電源装置に
    おいて、 交流リアクトルおよび交流コンデンサからなり、かつ前
    記３相インバータの出力側に接続される交流フィルター
    の前記交流コンデンサの一端を、前記第２の直流電圧の
    中性点に接続したことを特徴とする車両用電源装置。
  8. 【請求項８】 前記請求項１に記載の車両用電源装置に
    おいて、 交流リアクトルおよび交流コンデンサからなり、かつ前
    記３相インバータの出力側に接続される交流フィルター
    の前記交流コンデンサの一端を、前記各絶縁トランスの
    ２次巻線の中性点に接続したことを特徴とする車両用電
    源装置。
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