JP6359137B2 - 車両用補助電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気車に搭載される負荷に所望の電力を供給する車両用補助電源装置に関する。

従来の車両用補助電源装置として、例えば下記特許文献１に示される車両用補助電源装置では、交流架線からの交流入力を変圧して出力する主変圧器の出力端にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータが接続され、ＰＷＭコンバータの出力端に三相インバータが接続される構成において、三相インバータの出力端には、三相インバータの出力電圧に含まれる高調波成分を除去するためのフィルタ回路を具備する構成が開示されている。

特許第４３９１３３９号公報

電気車には数多くの負荷が搭載されているため、負荷には大きな電流が流れる。このため、フィルタ回路といえどもフィルタ回路を構成するリアクトルのサイズは大きなものになっており、軽量化、低コスト化等の観点から、更なる小型化に対する要望があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、更なる小型化を実現可能に構成される車両用補助電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電気車に搭載され、直流電源から供給される第１の直流電力を第２の直流電力に変換するコンバータ装置と、前記コンバータ装置から供給される直流電力を正弦波状の三相の交流電力に変換して負荷に供給する三相インバータとを備えた車両用補助電源装置であって、前記三相インバータのスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されており、前記三相インバータは、２つのスイッチング素子が直列に接続されて１つのパッケージ内に収容されたモジュールを用いて構成され、前記スイッチング素子は、５０ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で駆動され、前記三相インバータの出力側には、フィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサを設けたことを特徴とする。

この発明によれば、電気車に搭載される車両用補助電源装置を、さらに小型化できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る車両用補助電源装置を含む一構成例を示す図である。 図２は、図１に示す実施の形態１に係る三相インバータの回路構成を示す図である。 図３は、比較例としての三相インバータの回路構成を示す図である。 図４は、実施の形態２に係る車両用補助電源装置の一構成例を示す図である。 図５は、図４に示す実施の形態２に係る単相インバータの回路構成を示す図である。 図６は、比較例としての単相インバータの回路構成を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る車両用補助電源装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る車両用補助電源装置を含む一構成例を示す図であり、直流電源１からの直流電力を用いて負荷４に所望の電力（交流電力）を供給する例を示している。直流電源１は、直流電力の供給源を意味しており、例えば電気車であれば直流架線、主変圧器を介して入力される交流架線からの電力を直流電力に変換する交流直流変換器（コンバータ）、直流電力を供給可能な蓄電装置を搭載していれば当該蓄電装置などが、これに該当する。

車両用補助電源装置１００Ａは、図１に示すように、コンバータ装置２、三相インバータ３Ａ、フィルタリアクトル５およびフィルタコンデンサ６を有して構成される。また、コンバータ装置２は、単相インバータ２１、変圧器２２および整流回路２３を有して構成される。フィルタリアクトル５は三相インバータ３の出力側に接続され、フィルタコンデンサ６は、一端側がＹ型に結線され他端側がフィルタリアクトル５に接続される。これらフィルタリアクトル５およびフィルタコンデンサ６は、三相インバータ３に含まれる高調波を低減させて負荷４に印加する電圧がより正弦波状の波形となるように動作する低域通過型のフィルタ回路として動作する。

コンバータ装置２は、直流電源１からの直流電力（第１の直流電力）を降圧した直流電力（第２の直流電力）に変換して三相インバータ３Ａに供給する。三相インバータ３Ａは、コンバータ装置２からの直流電力を交流電力に変換して負荷４に供給する。

コンバータ装置２による電圧降圧機能は、単相インバータ２１、変圧器２２および整流回路２３によって実現される。より詳細に説明すると、直流電源１からの直流電力は単相インバータ２１によって、一旦、交流電力に変換されて変圧器２２に入力され、変圧器２２によって降圧した交流電力に変換され、この交流電力が整流回路２３によって直流電力に変換されることで、降圧した直流電力が三相インバータ３Ａに供給される。

図２は、図１に示す実施の形態１に係る三相インバータ３Ａの回路構成を示す図である。三相インバータ３Ａは、スイッチング素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩで示される正側アーム（例えばＵ相ではＵＰＩ）と、スイッチング素子ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩで示される負側アーム（例えばＵ相ではＵＮＩ）とがそれぞれ直列に接続されて構成される。すなわち、三相インバータ３Ａには、正負アームを直列接続した３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のスイッチング素子による３相ブリッジ回路が構成されている。

各スイッチング素子（ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩ）は、シリコン・カーバイド（炭化ケイ素：ＳｉＣ）を素材として形成されたＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ）と、同じくＳｉＣを素材として形成されたＦＷＤ（Free Wheeling Diode：ＳｉＣ−ＦＷＤ）とが逆並列に接続されて構成されている。なお、ＳｉＣ−ＦＷＤとしては、順方向電圧が低く、リカバリ電流が殆ど流れないという特徴を有するショットキーバリアダイオードを用いることが好ましい。

さらに、本実施の形態では、２つのスイッチング素子が直列に接続されて１つのパッケージ内に収容される２ｉｎ１モジュールを用いて三相インバータ３Ａを構成している。フルＳｉＣモジュールである２ｉｎ１モジュール３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗを用いれば、３個のモジュールで三相インバータ３Ａを構成できるので、モジュールの個数が減るのと共に、モジュール間の配線数も削減できるので、装置の小型化と低コスト化に寄与できるという利点が生まれる。

なお、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）は、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例であり、シリコン・カーバイド以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体も、ワイドバンドギャップ半導体に属する。したがって、シリコン・カーバイド以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨に含まれるものである。

図３は、比較例としての三相インバータ３の回路構成を示す図である。図３に示すように、三相インバータ３は、シリコン（Ｓｉ）系の素材を用いて形成されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：Ｓｉ−ＩＧＢＴ）と、同じくＳｉ系の素材を用いて形成されたＦＷＤ（Ｓｉ−ＦＷＤ）とが逆並列に接続された６個のモジュール（以下「Ｓｉモジュール」という）を用いて構成するのが一般的である。

Ｓｉモジュールにて構成された三相インバータ３を用いる場合には、三相インバータ３の出力側に接続されるフィルタリアクトル５と、一端側がＹ型に結線され他端側がフィルタリアクトル５に接続されるフィルタコンデンサ６とが必須になる。これらフィルタリアクトル５およびフィルタコンデンサ６は、三相インバータ３に含まれる高調波を低減させて負荷４に印加する電圧がより正弦波状の波形となるように動作する低域通過型のフィルタ回路として動作する。

スイッチング素子としてＳｉ素子を用いた場合には、ＳｉＣ素子に比してスイッチング素子周波数をあまり高くすることができない。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴでは、損失の限界からスイッチング周波数を高くすることができず、例えば５ｋＨｚ程度が限界値であった。

一方、スイッチング素子としてＳｉＣ素子を用いた場合には、スイッチング周波数をＳｉ素子の１０倍以上に設定することが可能になる。例えば、５０ｋＨｚ程度のスイッチング周波数でＳｉＣ素子を駆動すれば、フィルタリアクトル５およびフィルタコンデンサ６を約１／１０程度に小型化することが可能となる。実施の形態１に係る三相インバータ３ＡをＳｉＣモジュールにて構成すれば、フィルタリアクトル５およびフィルタコンデンサ６を大幅に小型化することが可能となる。

さらに、６０〜７０ｋＨｚを超えるスイッチング周波数でＳｉＣ素子を駆動する場合、主回路配線や負荷４の浮遊インダクタンスと浮遊容量によってフィルタリアクトル５、フィルタコンデンサ６の何れか一方、または両方を省略することも可能であり、装置全体の小型・軽量化を図ることができる。

また、ＳｉＣ素子には、Ｓｉ素子よりもオン抵抗が小さく、許容動作温度も格段に高いという特徴があるため、冷却器の小型化、低コスト化にも寄与することができる。

以上説明したように、三相インバータのスイッチング素子がシリコン系の素材を用いて形成された半導体モジュールにて構成されている車両用補助電源装置では、三相インバータの出力側にはフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサによるフィルタ回路が大きく、重いという問題があったのに対し、実施の形態１に係る車両用補助電源装置によれば、三相インバータのスイッチング素子としてシリコン系の素材を用いて形成された半導体モジュールに代えて、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体モジュールを用いることにより、フィルタ回路を省略、または大幅に小型化するように構成できるので、電気車に搭載される車両用補助電源装置を更に小型化できるという効果が得られる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る車両用補助電源装置の一構成例を示す図であり、図５は、図４に示す実施の形態２に係る単相インバータ２１Ｂの回路構成を示す図である。実施の形態１に係る車両用補助電源装置１００Ａでは、負荷４を駆動する三相インバータ３ＡをフルＳｉＣモジュールを用いて構成する場合を示したが、実施の形態２に係る車両用補助電源装置１００Ｂでは、この構成に加え、図５に示すように、コンバータ装置２を構成する単相インバータ２１Ｂを、フルＳｉＣモジュールにて構成している。また、単相インバータ２１ＢをフルＳｉＣモジュールにて構成したことにより、より小型化された変圧器２２Ｂを用いることが可能となる。なお、その他の構成については、図１および図２に示した実施の形態１の構成と同一もしくは同等であり、それらの構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図６は、比較例としての単相インバータの回路構成を示す図である。無論、実施の形態１に係る車両用補助電源装置においても、図６に示す単相インバータ２１を用いることは可能である。図６に示すように、単相インバータ２１は、４個のＳｉモジュールを用いて構成されている。

Ｓｉ−ＩＧＢＴを用いて構成された単相インバータ２１では、三相インバータ３のときと同様にスイッチング周波数を高くすることは困難である。一方、変圧器２２における鉄芯の断面積と、鉄芯に巻回するコイルの巻数は、印加される交番電圧の周波数に反比例する。このため、Ｓｉモジュールを用いた単相インバータ２１の後段に配置される変圧器２２と、ＳｉＣモジュールを用いた単相インバータ２１Ｂの後段に配置される変圧器２２Ｂとを比較すると、変圧器２２Ｂの方が必然的にサイズは小さくなる。すなわち、実施の形態２に係る車両用補助電源装置によれば、単相インバータの後段に配置する変圧器のサイズを小さくすることができるという効果が得られる。

なお、実施の形態２では、三相インバータを構成する半導体モジュールと、単相インバータを構成する半導体モジュールの双方をフルＳｉＣモジュールで構成する実施形態を示したが、単相インバータを構成する半導体モジュールのみをフルＳｉＣモジュールにて構成するようにしてもよい。このように構成しても、変圧器小型化の効果は得られる。

以上説明したように、実施の形態１に係る車両用補助電源装置によれば、コンバータ装置における単相インバータのスイッチング素子としてシリコン系の素材を用いて形成された半導体モジュールに代えて、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体モジュールを用いることとしたので、単相インバータの後段に配置する変圧器のサイズを小さくすることができるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

例えば、実施の形態１，２共に変圧器の後段には整流回路を配置しているが、電圧変換機能を有するブリッジ接続の単相コンバータを用いるようにしてもよい。この場合、当該単相コンバータの半導体モジュールをフルＳｉＣモジュールにて構成すれば、単相コンバータを冷却するための冷却器を小型化することができ、装置の小型化、低コスト化にも寄与することができる。

以上のように、本発明は、更なる小型化を実現可能に構成された車両用補助電源装置として有用である。

１ 直流電源、２ コンバータ装置、３，３Ａ 三相インバータ、４ 負荷、５ フィルタリアクトル、６ フィルタコンデンサ、２１，２１Ｂ 単相インバータ、２２，２２Ｂ 変圧器、２３ 整流回路、３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ ２ｉｎ１モジュール、１００Ａ，１００Ｂ 車両用補助電源装置、ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ スイッチング素子。

Claims (3)

1. 電気車に搭載され、直流電源から供給される第１の直流電力を第２の直流電力に変換するコンバータ装置と、前記コンバータ装置から供給される直流電力を正弦波状の三相の交流電力に変換して負荷に供給する三相インバータとを備えた車両用補助電源装置であって、
   前記三相インバータのスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されており、
   前記三相インバータは、２つの前記スイッチング素子が直列に接続されて１つのパッケージ内に収容されたモジュールを用いて構成され、
   前記スイッチング素子は、５０ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で駆動され、
   前記三相インバータの出力側には、フィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサを設けたことを特徴とする
   車両用補助電源装置。
2. 前記コンバータ装置は、前記第１の直流電力を交流電力に変換する単相インバータと、前記単相インバータから供給される交流電力を降圧した交流電力に変換する変圧器と、前記変圧器から供給される電力を前記第２の直流電力に変換する整流回路とを有して構成され、
   前記単相インバータのスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用補助電源装置。
3. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用補助電源装置。

Images