JP6300664B2 - 鉄道車両用電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を受け、直流電源電圧を生成する鉄道車両用電源回路に関するものである。

従来、鉄道車両用空調システムでは、圧縮機やファンが必要とする電力を生成・供給するために、架線電圧や補助電源装置（ＳＩＶ：Static InVerter／ＡＰＵ：Auxiliary Power Unit）の主電源から供給されるＤＣまたはＡＣ電力の電力変換を空調システムの主回路が行なう。主回路は、コンバータやインバータにより電力変換を行なっている。

主回路のコンバータやインバータを制御する制御回路には、複数の制御用電圧が必要である。この制御用電圧を生成するために鉄道車両用電源回路（制御電源回路とも称される）が鉄道車両に搭載される。鉄道車両用電源回路は、直流電圧（例えば、バッテリ電圧）を、絶縁型スイッチング電源（例えば、フライバックコンバータやフォワードコンバータ）にて、電力変換を行い、互いに絶縁された複数の制御用電圧を生成している。

鉄道車両から供給されるバッテリ電圧は、電圧変動が大きく、また鉄道車両メーカによって仕様が異なる。そのため、後段の絶縁型スイッチング電源は鉄道車両メーカ毎に異なったものが必要になる。一方、そういった問題に対して、バッテリと絶縁型スイッチング電源との間に昇降圧チョッパ回路を接続し、様々な仕様のバッテリ電圧を予め設定した所定の電圧（=後段の絶縁型スイッチング電源の動作電圧）に変換することで、後段の絶縁型スイッチング電源を共通化させる場合がある。

なお、昇降圧チョッパ回路は、バッテリ電圧が所定の電圧より高い場合は、降圧動作を行ない、バッテリ電圧が所定の電圧より低い場合は、昇圧動作を行なうことができるように構成されている。

このような昇降圧チョッパ回路を用いる構成として、特開２００７−１６６７８３（特許文献１）には、バイパス回路を設け、昇圧チョッパ回路を必要に応じてバイパスすることが開示されている。

特開２００７−１６６７８３号公報

昇降圧チョッパ回路の後段に接続された絶縁型スイッチング電源の入力部は、電圧平滑化のために平滑コンデンサが接続されている。バイパス回路としてバイパスリレーを用い、昇降圧チョッパ回路をバイパスさせる際に、鉄道車両用電源回路の起動時には平滑コンデンサに充電がされていない。このときにバイパスリレーをオン（導通）させると、後段に接続された平滑コンデンサには、コンデンサ充電のための大きな突入電流が流れる。

そのため、バイパスリレーは突入電流に対する耐量が大きなものが必要となり、バイパスリレーの大型化、高コストが問題となる。上記の特開２００７−１６６７８３号公報には、このような突入電流に対する記載は無く、改善の余地がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、大型化を抑制し、低コストな鉄道車両用電源回路を提供することにある。

この発明は、鉄道車両用電源回路であって、昇降圧チョッパ回路と、バイパスリレーと、スイッチング電源と、平滑コンデンサとを備える。昇降圧チョッパ回路は、入力ノードの直流電圧を昇圧または降圧し、入力ノードの直流電圧と出力ノードの直流電圧との間の電圧変換が可能に構成される。バイパスリレーは、昇降圧チョッパ回路の入力ノードと出力ノードとの間の接続および切り離しが可能に構成される。スイッチング電源は、昇降圧チョッパ回路またはバイパスリレーから供給される直流電圧を受けて電源電源電圧を発生するように構成される。平滑コンデンサは、昇降圧チョッパ回路の出力ノードとスイッチング電源の入力ノードとを結ぶ経路に接続される。

昇降圧チョッパ回路は、平滑コンデンサの電圧が昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧よりも低い電圧である場合に、バイパスリレーを接続するときには、バイパスリレーを接続する前に降圧動作を実行し、平滑コンデンサに充電を行なうことによって平滑コンデンサの電圧を昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧に近づける。

本発明によれば、鉄道車両用電源回路の起動時には、昇降圧チョッパ回路を降圧動作させて平滑コンデンサを充電することにより、バイパスリレー接続時の突入電流が抑制される。そのため、突入電流抑制のために抵抗やリレー等の部品を追加させる必要が無くなり、電源回路の小型化、低コスト化が実現できる。

本発明の実施の形態１の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。 鉄道車両用電源回路の動作モードの切り替え制御を説明するためのフローチャートである。 突入電流防止用抵抗を設けた検討例を示した回路図である。 実施の形態１において制御回路が実行するバイパスモードでの制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。 実施の形態２において実行される磁気飽和抑制処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。 実施の形態３の鉄道車両用電源回路の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態４の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。 実施の形態４の鉄道車両用電源回路の動作を説明するためのフローチャートである。 図１０のフローチャートの処理に従って制御が実行された場合の動作の一例を説明するための動作波形図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。図１を参照して、実施の形態１の鉄道車両用電源回路は、昇降圧チョッパ回路２と、バイパスリレー４と、平滑コンデンサ５と、絶縁型スイッチング電源３とを含んで構成される。

鉄道車両用電源回路には、例えばバッテリ等の直流電圧源１から電源電圧が供給される。鉄道車両用電源回路は、空調装置等の主回路のコンバータやインバータを制御する制御回路に、複数の制御用電圧を供給する。この制御用電圧を生成するため、鉄道車両用電源回路を制御電源回路と呼ぶこともある。

絶縁型スイッチング電源３には、例えば、フライバックコンバータやフォワードコンバータ等を用いることができるが、図１には、絶縁トランス３２、スイッチング素子３１、ダイオード３３〜３５、平滑コンデンサ３６〜３８を含む構成が開示されている。

まず、昇降圧チョッパ回路２の構成について説明する。昇降圧チョッパ回路２は、２つのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）６，７と、２つのダイオード８，９と、コイル１０と、制御回路１１とを含む。

ＭＯＳＦＥＴは、スイッチング素子の一種であり、等価的には、ＭＯＳＦＥＴ６，７の各々は、スイッチング素子本体部と、スイッチング素子本体部のドレイン−ソースに対して逆並列に接続された内蔵ダイオードとを含む。

ＭＯＳＦＥＴ６とダイオード８とは、昇降圧チョッパ回路２の入力ノードＮ１，Ｎ３の間に直列接続される。また、ダイオード９とＭＯＳＦＥＴ７とは、昇降圧チョッパ回路２の出力ノードＮ２，Ｎ４の間に直列接続される。ＭＯＳＦＥＴ６とダイオード８の接続ノードとダイオード９とＭＯＳＦＥＴ７の接続ノードとの間にコイル１０が接続される。なお、入力ノードＮ３と出力ノードＮ４とは、昇降圧チョッパ回路２の内部で電気的に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ６のドレインは直流電圧源１の正極と接続され、ダイオード８のアノードは直流電圧源１の負極に接続されている。一方、ダイオード９のカソードは、昇降圧チョッパの後段に接続される平滑コンデンサ５の正極側に接続され、ＭＯＳＦＥＴ７のソースは、平滑コンデンサ５の負極に接続されるとともに、ダイオード８のアノード、つまり直流電圧源１の負極に接続される。

また、昇降圧チョッパ回路２は、ＭＯＳＦＥＴ６，７のオン・オフ制御を行う制御回路１１をさらに含む。制御回路１１は、ＭＯＳＦＥＴ６，７のゲート端子に制御信号としてのオン・オフ信号を与え、ＭＯＳＦＥＴ６，７を制御している。

なお、図１等の構成では、励磁エネルギー蓄積要素として、コイル１０を用いているが、その他の励磁エネルギー蓄積要素、例えばスイッチングトランスの１次側などを用いて昇降圧チョッパ回路２を構成することも可能である。

続いて、バイパスリレー４の接続について説明する。バイパスリレー４は、入力ノードＮ１と出力ノードＮ２との間に接続される。バイパスリレー４は、直流電圧源１の電圧値に応じて、昇降圧チョッパ回路２をバイパスさせるように動作する。なお、バイパスリレー４には、半導体リレーやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を代わりに用いても良い。

次に、実施の形態１の鉄道車両用電源回路の基本動作について説明する。
昇降圧チョッパ回路２は、直流電圧源１から出力される直流電圧を、所定の電圧値に変換し、後段に接続される絶縁型スイッチング電源３へ供給する機能を有している。また、バイパスリレー４は、直流電圧源１の電圧が所定の電圧範囲内にある場合、昇降圧チョッパ回路２をバイパスする機能を有している。また、絶縁型スイッチング電源３は、昇降圧チョッパ回路２あるいはバイパスリレー４からの電力供給を受けて、絶縁された複数の電圧を生成する機能を有している。絶縁された複数の電圧は、空調回路の制御回路の制御用電圧として使用される。

本実施の形態に係る鉄道車両用電源回路は、動作モードとして「降圧モード」、「昇圧モード」、「バイパスモード」を有する。図２は、鉄道車両用電源回路の動作モードの切り替え制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１、図２を参照して、ステップＳ１において、オペレータなどから鉄道車両用電源回路の起動指令があったか否かが判断される。起動指令がなければステップＳ７に処理が進められ制御はメインルーチンに戻される。一方、制御指令があった場合には、ステップＳ２に処理が進められる。

ステップＳ２およびステップＳ３において、直流電圧源１から供給される電圧Ｖｉｎが所定の電圧範囲に入っているか、または高いか、低いかが判断される。

まず、ステップＳ２において、制御回路１１は、直流電圧源１から供給される電圧Ｖｉｎが、所定の電圧範囲（例えば、７０Ｖ〜１００Ｖ）の下限値（例えば、７０Ｖ）よりも低いか否かを判断する。Ｖｉｎ＜下限値が成立した場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、ステップＳ３に処理が進められ「昇圧モード」が動作モードとして選択される。一方、Ｖｉｎ＜下限値が成立しない場合（ステップＳ２においてＮＯ）、ステップＳ４に処理が進められる。

ステップＳ４において、制御回路１１は、直流電圧源１から供給される電圧Ｖｉｎが、所定の電圧範囲（例えば、７０Ｖ〜１００Ｖ）の上限値（例えば、１００Ｖ）よりも高いか否かを判断する。Ｖｉｎ＞上限値が成立した場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、ステップＳ５に処理が進められ「降圧モード」が動作モードとして選択される。一方、Ｖｉｎ＞上限値が成立しない場合（ステップＳ４においてＮＯ）、ステップＳ６に処理が進められ「バイパスモード」が動作モードとして選択される。

ステップＳ３，Ｓ５，Ｓ６のいずれかにおいて動作モードが決定された後には、ステップＳ７に処理が進められ、制御はメインルーチンに戻される。

ステップＳ３で選択された「昇圧モード」では、昇降圧チョッパ回路２のＭＯＳＦＥＴ６は常時オン制御され、かつ、ＭＯＳＦＥＴ７がオン・オフ制御される。この場合、ＭＯＳＦＥＴ７がオンの時にコイル１０に励磁エネルギーが蓄えられ、ＭＯＳＦＥＴ７がオフの時にダイオード９を介してコイル１０に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。この一連の動作を繰り返すことにより、平滑コンデンサ５の両端電圧が所定の電圧値に制御される。

ステップＳ５で選択された「降圧モード」では、昇降圧チョッパ回路２のＭＯＳＦＥＴ７は常時オフ制御され、かつ、ＭＯＳＦＥＴ６がオン・オフ制御される。この場合、ＭＯＳＦＥＴ６がオンの時に、コイル１０とダイオード９を介して平滑コンデンサ５が充電されるとともに、コイル１０には励磁エネルギーが蓄えられる。その後、ＭＯＳＦＥＴ６がオフの時に、ダイオード８及びダイオード９を介してコイル１０に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。この一連の動作を繰り返すことにより、平滑コンデンサ５の両端電圧が所定の電圧値に制御される。

また、ステップＳ６に進んだ場合、すなわち、直流電圧源１から供給される電圧値が、所定の電圧範囲内（下限値以上かつ上限値以下）である場合、昇降圧チョッパ回路２のＭＯＳＦＥＴ６及び７はともにオフ制御される。この場合、降圧も昇圧も行なわれず、バイパスリレー４がオン（導通）し、直流電圧源１から供給される電圧が、バイパスリレー４を介して平滑コンデンサ５に直接印加される。この時の動作モードを「バイパスモード」という。

以上のように、直流電圧源１から供給される電圧値に応じて、「降圧モード」、「昇圧モード」、「バイパスモード」の各モードに切り替えられる。

しかしながら、鉄道車両用電源回路の起動時においては、平滑コンデンサ５には電荷が全く貯まっていない状態であるため、直流電圧源１から供給される電圧値が所定の電圧範囲内にある場合にバイパスリレー４を接続すると、平滑コンデンサ５に大きな突入電流（充電電流）が流れる。そのため、バイパスリレー４には、突入電流に対する耐量が大きなものが必要となり、バイパスリレー４の大型化と高コストが問題となる。

一方、突入電流の抑制策としては、突入電流防止用抵抗を設けることも考えられる。図３は突入電流防止用抵抗を設けた検討例を示した回路図である。図３に示すように、昇降圧チョッパ回路２の出力と平滑コンデンサ５との間に突入電流防止用抵抗１２と直結用のリレー１３とを設ける。鉄道車両用電源回路の起動時には、このように突入電流防止用抵抗１２を介して平滑コンデンサ５を充電する策が一般的である。また、この手法では、平滑コンデンサ５への充電完了後、突入電流防止用抵抗１２と並列に接続されたリレー１３を導通させることで突入電流防止用抵抗１２を短絡し、突入電流防止用抵抗１２での損失を抑制している。

しかしながら、図３に示した構成においても、突入電流防止用抵抗１２とリレー１３の追加により、電源回路が大型化、高コスト化するという課題があった。

突入電流防止用抵抗１２を持たない図１に示す鉄道車両用電源回路においては、起動時にバイパスリレー４がオンすると、平滑コンデンサ５までの経路に電流を抑制する要素を持たないため、急峻な突入電流が流れてしまう。

そこで、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用電源回路は、既存の回路部品を使用して突入電流を抑制するように制御を行なう。具体的には、電源回路の起動時においては、直流電圧源１から供給される電圧値が所定の電圧範囲内にあり、バイパスモードが選択される場合であっても、昇降圧チョッパ回路２を「降圧モード」と同様な降圧動作を実行させながら鉄道車両用電源回路を起動する。

図４は、実施の形態１において制御回路が実行するバイパスモードでの制御を説明するためのフローチャートである。図２のステップＳ６においてバイパスモードが選択されると、図４のフローチャートの処理が開始される。図１および図４を参照して、まず、ステップＳ１０において起動時であるか否かが判断される。起動時には、平滑コンデンサ５に電荷がたまっておらず、バイパスリレー４を接続すると大きな突入電流が流れる可能性があるため、起動時か否かをチェックしている。なお、ステップＳ１０の処理に代えて、平滑コンデンサ５の電圧を見て突入電流が生じるか否かを判断しても良い。

起動時と判断されなかった場合（ステップＳ１０でＮＯ）ステップＳ５０において、バイパスリレー４が接続される。一方、起動時と判断された場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）ステップＳ２０に処理が進められる。

ステップＳ２０では、制御回路１１は、昇降圧チョッパ回路２に「降圧モード」と同様な降圧動作を実行させる。制御回路１１からのオン・オフ信号により、ＭＯＳＦＥＴ７は常時オフとなり、ＭＯＳＦＥＴ６はオン・オフ制御される。ＭＯＳＦＥＴ６がオン状態の時、直流電圧源１の正極から出力された電流が、ＭＯＳＦＥＴ６、コイル１０、ダイオード９、平滑コンデンサ５および直流電圧源１の負極からなる経路で流れ、平滑コンデンサ５が充電されるとともに、コイル１０に励磁エネルギーが蓄積される。この場合、コイル１０に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に増加する。

次いで、制御回路１１からのオフ信号により、ＭＯＳＦＥＴ６がオフ状態になると、コイル１０に蓄積されている励磁エネルギーに基づき、コイル１０、ダイオード９、平滑コンデンサ５、ダイオード８、コイル１０の経路で電流が流れる。このような経路で電流が流れる状態は一般的に還流と呼ばれる。この場合、コイル１０に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に減少する。

これらの動作が意味するところは、直流電圧源１から供給される電圧が所定の電圧範囲内であっても、「降圧モード」と同様な降圧動作を昇降圧チョッパ回路２に実行させることで、コイル１０のインダクタンス成分により、急峻な突入電流が抑制されるということである。

ステップＳ２０において、突入電流が抑制された状態で平滑コンデンサへの充電がほぼ完了するとステップＳ３０においてバイパスリレー４が接続され、その後ステップＳ４０において昇降圧チョッパ回路２のスイッチング動作が停止され、ステップＳ６０において制御はメインルーチンに戻される。

図４に示したように、起動時には昇降圧チョッパ回路２に降圧動作をさせて平滑コンデンサを充電することにより突入電流抑制をするので、図３に示したような抵抗やリレー等の部品を追加する必要が無くなり、電源回路の小型化、低コスト化が図れる。

なお、起動時において直流電圧源１から供給される電圧が所定の電圧範囲の下限値より低い場合は、図２に示した通り「昇圧モード」で起動させる。この場合も「降圧モード」の動作同様、コイル１０により、突入電流は抑制される。

実施の形態１の鉄道車両用電源回路の起動方法について以下にまとめる。直流電圧源１から供給される電圧が、所定の電圧範囲の下限値より低い場合は、「昇圧モード」で鉄道車両用電源回路を起動させる。直流電圧源１から供給される電圧が、所定の電圧範囲内及び所定の電圧範囲以上の場合は、「降圧モード」で鉄道車両用電源回路を起動させる。

以上の動作を行なうことで、電源回路起動時の平滑コンデンサへの突入電流が抑制され、前述したように、抵抗やリレー等の部品を追加させる必要が無くなり、鉄道車両用電源回路の小型化、低コスト化を実現できる。

［実施の形態２］
次に本発明の実施の形態２について、説明する。図５は、実施の形態２の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。

図５に示す実施の形態２では、図１に示した実施の形態１の構成に加えて、コイル１０の電流を検出する電流検出手段１４を追加した構成となっている。

鉄道車両用電源回路を「降圧モード」あるいは「昇圧モード」によって起動させる際、昇降圧チョッパ回路２のスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ６及び７のオンデューティ（オン時間）によっては、コイル１０が磁気飽和を起こし、過大電流が流れる可能性がある。そこで実施の形態２では、コイル１０の電流を検出する電流検出手段１４を備え、予め設定した電流値（＝過電流設定値）に達すると、ＭＯＳＦＥＴ６及び７のスイッチングを停止することで、コイル１０の磁気飽和を抑制することが可能である。また、コイル電流のピーク値を低減できるため、平滑コンデンサへの突入電流ピーク値も抑制される。

図６は、実施の形態２において実行される磁気飽和抑制処理を説明するためのフローチャートである。図５、図６を参照して、ステップＳ１００において、制御回路１１は、降圧動作中であるか否かを判断する。降圧動作中でなければ（ステップＳ１００でＮＯ）、ステップＳ１４０に処理が進められ、制御はメインルーチンに戻される。降圧動作中である場合には（ステップＳ１００でＹＥＳ）、ステップＳ１１０に処理が進められる。

ステップＳ１１０では、制御回路１１は、電流検出手段１４が検出したコイル電流ＩＬが判定値に達したか否かを判断する。判定値は、コイル１０が磁気飽和を起こさない上限の電流値よりも小さい値で適切な値に設定すればよい。

コイル電流ＩＬが判定値に達した場合には（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、ステップＳ１２０に処理が進められ、コイル電流ＩＬが判定値に達していない場合には（ステップＳ１１０でＮＯ）、ステップＳ１３０に処理が進められる。

ステップＳ１３０では、昇降圧チョッパ回路２の降圧動作でのスイッチング、すなわちＭＯＳＦＥＴ６のオン・オフ制御が実行される。一方、ステップＳ１２０では、昇降圧チョッパ回路２のスイッチング、すなわちＭＯＳＦＥＴ６のオン・オフ制御は、コイル１０が磁気飽和しないように停止される。

なお、ステップＳ１１０過電流の判定値には、ヒステリシスを持たせ、コイル電流が増加し、ヒステリシスの上限値に達した場合にスイッチングを停止し、スイッチング停止によりコイル電流が減少し、ヒステリシスの下限値以下になった場合に、再びスイッチングを開始する構成としてもよい。

また、起動時だけではなく、定常動作時における磁気飽和抑制に対しても、電流検出手段１４による電流制限は有効である。すなわち、ステップＳ１００の降圧動作に限らず、昇圧動作にもＳ１１０〜Ｓ１３０の処理を適用してもよい。

以上説明したように、実施の形態２によれば、コイル１０の磁気飽和による過大電流の抑制と、突入電流ピーク値の抑制効果が得られる。

［実施の形態３］
図７は、実施の形態３の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。図７に示すように、実施の形態３では、実施の形態１および２の構成に加えて、直流電圧源１の電圧値Ｖｉｎを検出する第１の電圧検出手段１５と、平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｃを検出する第２の電圧検出手段１６を備えた構成となっている。

図８は、実施の形態３の鉄道車両用電源回路の動作を説明するためのフローチャートである。図８のフローチャートは、図４で説明したバイパスモードの処理に加えてステップＳ２５の処理が追加されたものである。ここではステップＳ２５の前後の部分の説明をすることとし、他の処理については図４と同様であるので説明は繰り返さない。

図８を参照して、ステップＳ２０においては、直流電圧源１から供給される電圧が所定の電圧範囲内である場合の電源回路の起動時において、バイパスリレー４がオンすることによる突入電流を抑制するために「降圧モード」で平滑コンデンサ５を充電する処理が実行される。

その後ステップＳ２５において、平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｃが直流電圧源１の電圧Ｖｉｎと同等程度（所定の電圧範囲内）になるまで、平滑コンデンサ５が充電されたか否かを制御回路１１が判断する。具体的には、制御回路１１は、しきい値をＶｔ１とすると、｜Ｖｉｎ−Ｖｃ｜＜Ｖｔ１が成立するか否かによってこの判断を行なう。

制御回路１１は、｜Ｖｉｎ−Ｖｃ｜＜Ｖｔ１が成立しない間は（ステップＳ２５でＮＯ）、ステップＳ２０の処理を実行して降圧動作を継続する。一方、制御回路１１は、｜Ｖｉｎ−Ｖｃ｜＜Ｖｔ１が成立すると（ステップＳ２５でＹＥＳ）、ステップＳ３０の処理を実行する。

すなわち、制御回路１１は、平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｃが直流電圧源１の電圧Ｖｉｎと同等程度（所定の電圧範囲内）になるまで、平滑コンデンサ５が充電されたことを第１の電圧検出手段１５と第２の電圧検出手段１６により確認すると、バイパスリレー４をオンさせる。

このように、第１の電圧検出手段１５と第２の電圧検出手段１６を設け、直流電圧源１の電圧値と、平滑コンデンサ５の両端電圧を検出、比較し、平滑コンデンサの電圧値が所定の電圧範囲内に達したことを確認した後にバイパスリレー４をオンする。これによって、バイパスリレー４に流れる突入電流が大幅に抑制されるため、バイパスリレーの小型化、低コスト化が図れるとともに、定常動作時における昇降圧チョッパでの回路損失を低減することができる。

［実施の形態４］
図９は、実施の形態４の鉄道車両用電源回路の構成を示した回路図である。図９を参照して、実施の形態４では、平滑コンデンサ５の両端電圧が直流電圧源１と同等程度（所定の電圧範囲内）まで充電されたことを第１の電圧検出手段１５と第２の電圧検出手段１６により確認し、その充電完了信号１７を絶縁型スイッチング電源３に送り、平滑コンデンサ５が充電完了した後に、絶縁型スイッチング電源３を起動させている。

図１０は、実施の形態４の鉄道車両用電源回路の動作を説明するためのフローチャートである。図１０のフローチャートは、図８のフローチャートにステップＳ４５の処理が追加されたものである。ステップＳ４５においては、ステップＳ４０の昇降圧チョッパ回路の停止の後に、制御回路１１が絶縁型スイッチング電源３に充電完了信号１７を送信して、絶縁型スイッチング電源３を起動する。なお、ステップＳ４５以外の処理については、図８と同じであるので、ここでは説明は繰り返さない。

図１１は、図１０のフローチャートの処理に従って制御が実行された場合の動作の一例を説明するための動作波形図である。

図９、図１１を参照して、時刻ｔ０においてオペレータ等から鉄道車両用電源装置の起動指令が与えられると、昇降圧チョッパ回路２が降圧動作を開始する。時刻ｔ０からｔ１においては、昇降圧チョッパ回路２が降圧動作を行なうことによって、平滑コンデンサ５に充電が行なわれ、電圧Ｖｃが上昇する。このときの充電電流は、突入電流のような過大な電流とならないようにコイル１０のインダクタンス成分とスイッチング素子のスイッチング動作によって制限される。

時刻ｔ１において、電圧Ｖｃが電圧Ｖｉｎにほぼ等しくなる程度（Ｖｉｎ−Ｖｃ＜Ｖｔ１が成立）に平滑コンデンサ５の充電が進むと、制御回路は、バイパスリレー４を接続する。そして、時刻ｔ２において制御回路１１は昇降圧チョッパ回路２のスイッチング動作を停止させ、時刻ｔ３において充電完了信号１７を絶縁型スイッチング電源３に送信しスイッチング電源３を起動する。

このように平滑コンデンサ５の充電完了後に絶縁型スイッチング電源３を起動させるようにする。これによって、平滑コンデンサ５の充電途中に絶縁型スイッチング電源３が起動し、その時の過大な起動電流により平滑コンデンサ５の充電電圧が上がりきらず、平滑コンデンサ５の電圧が中途半端な電圧で停滞してしまう状態を回避することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 直流電圧源、２ 昇降圧チョッパ回路、３ 絶縁型スイッチング電源、４ バイパスリレー、５，３６，３８ 平滑コンデンサ、６，７ ＭＯＳＦＥＴ、８，９，３３，３４ ダイオード、１０ コイル、１１ 制御回路、１４ 電流検出手段、１５，１６ 電圧検出手段、３１ スイッチング素子、３２ 絶縁トランス。

Claims (4)

1. 鉄道車両用電源回路であって、
   入力ノードの直流電圧を昇圧または降圧し、入力ノードの直流電圧と出力ノードの直流電圧との間の電圧変換が可能に構成された昇降圧チョッパ回路と、
   前記昇降圧チョッパ回路の入力ノードと出力ノードとの間の接続および切り離しが可能に構成されたバイパスリレーと、
   前記昇降圧チョッパ回路または前記バイパスリレーから供給される直流電圧を受けて電源電圧を発生するように構成されたスイッチング電源と、
   前記昇降圧チョッパ回路の出力ノードと前記スイッチング電源の入力ノードとを結ぶ経路に接続された平滑コンデンサとを備え、
   前記鉄道車両用電源回路は、前記昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧に基づいて、昇圧モード、降圧モード、バイパスモードを含む動作モードの中からひとつの動作モードを選択するように構成され、
   前記鉄道車両用電源回路は、前記バイパスモードにおいて前記平滑コンデンサの電圧と前記昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧との差が判定値より大きい起動時である場合には、前記バイパスリレーを接続する前に前記昇降圧チョッパ回路に降圧動作を実行させ、前記平滑コンデンサに充電を行なうことによって前記平滑コンデンサの電圧を前記昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧に近づけてから前記バイパスリレーを接続し、前記起動時でない場合には、直ちに前記バイパスリレーを接続する、鉄道車両用電源回路。
2. 前記昇降圧チョッパ回路は、
   ２個以上のスイッチング素子と、
   ２個以上のダイオードと、
   コイルと、
   前記コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記スイッチング素子のスイッチング制御を行なう制御回路とを含み、
   前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチングを実行中である場合に前記電流検出部が検出した前記コイルに流れる電流が判定電流値に達したときには、前記スイッチング素子のスイッチングを停止させて電流を制限する、請求項１に記載の鉄道車両用電源回路。
3. 前記昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧を検出する第１の電圧検出部と、
   前記平滑コンデンサの電圧を検出する第２の電圧検出部とをさらに備え、
   前記制御回路は、前記平滑コンデンサの電圧が前記昇降圧チョッパ回路の入力ノードの電圧に対して所定の電圧範囲内に入った場合に、前記バイパスリレーを接続する、請求項２に記載の鉄道車両用電源回路。
4. 前記制御回路は、前記平滑コンデンサの電圧が所定の電圧に達した後に、前記スイッチング電源を起動させる、請求項２または３に記載の鉄道車両用電源回路。

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