JP6552895B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

従来、鉄道車両などの電気車には、電車線からの電力を受け取り、受け取った電力を変換して、補機などの負荷に供給する電力を生成する電力変換装置が搭載されている。上記の電力変換装置として、電車線等の電源側と負荷側との間を絶縁するために、商用電源と同等の周波数用の変圧器を備えるものが知られている。しかしながら、従来の技術では、搭載される電気車のスペースに制約があることから、更なる小型化が要請される場合があった。

特開２０１１−０１９３０４号公報

本発明が解決する課題は、電力変換装置の小型化を実現することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、昇圧部と、容量部と、抵抗部と、変換部と、検出部と、制御部とを持つ。昇圧部は、昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する。容量部は、前記昇圧部の出力側に設けられる。抵抗部は、前記昇圧部の出力側に設けられる。変換部は、前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電圧より低い電圧に定格電圧のスイッチング素子を備える。変換部は、前記スイッチング素子のスイッチングにより、前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する。検出部は、前記昇圧部の出力電圧を検出する。制御部は、前記検出部により検出された電圧が、前記定格電圧より低い電圧に予め定められた閾値電圧を超えた後、前記閾値電圧よりも低い電圧に低下した場合、前記スイッチング素子のスイッチングを開始させる。

第１の実施形態の電力変換装置１００を搭載した電気車システム１の概略構成図。 第１の実施形態の変換部のスイッチング素子の応答性について示す説明図。 第１の実施形態の電力変換装置１００の起動時の動作を示すタイミングチャート。 参考例の電力変換装置１００Ｒを搭載した電気車システム１Ｒの概略構成図。 参考例の電力変換装置１００Ｒの起動時における昇圧部出力電圧Ｖの変化を示す模式図。 第２の実施形態の電力変換装置１００Ａを搭載した電気車システム１Ａの概略構成図。 第２の実施形態の電力変換装置１００Ａの起動時の動作を示すタイミングチャート。 第３の実施形態の電力変換装置１００Ｂを搭載した電気車システム１Ｂの概略構成図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態の電力変換装置１００を搭載した電気車システム１の概略構成図である。電力変換装置１００が搭載された電気車（鉄道車両）は、直流電力の供給源である架線Ｐに集電器２が接触することにより、架線Ｐから電力の供給を受けて線路Ｒ上を走行する。同図では、電気車の車輪Ｗを駆動するのに必要な電力を生成する電力変換装置については図示しておらず、空調装置等のより低電圧な装置に電力を供給するための構成を示している。

電気車システム１は、主要な構成要素として、集電器２と、接触器３、車輪Ｗと、電力変換装置１００とを備える。符号２０は、電力変換装置１００から直流の電力が供給される負荷である。負荷２０は、電力変換装置１００に、常時接続されているものでもよく、使用する際に接続されるものでもよい。電力変換装置１００は、集電器２により架線Ｐに接続され、車輪Ｗにより線路Ｒに接続される。電力変換装置１００が架線Ｐに接続された状態におかれても、負荷２０は、架線Ｐと線路Ｒの双方との絶縁が確保された状態で、電力変換装置１００から電力が供給される。

集電器２は、架線Ｐから直流電力を取得する。接触器３は、集電器２と電力変換装置１００との間に直列に接続される。接触器３は、制御された条件のもとで電力変換装置１００への直流電力の出力を遮断する。

電力変換装置１００は、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３と、検出部１０と、制御部５０とを備える。電力変換装置１００は、さらに変圧器１４と、整流器１５と、容量部１６との一部または全部を備えていてもよい。なお、電力変換装置１００の構成に応じて、変圧器１４と、整流器１５と、容量部１６との一部または全部を負荷２０が備えていてもよい。

昇圧部５は、昇圧用リアクトル４を含み、接触器３を介して入力される入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する。例えば、昇圧用リアクトル４とスイッチング素子６と整流器７とが昇圧部５を構成する。昇圧部５は、スイッチング素子６をスイッチングさせて、直流の入力電圧を昇圧し、整流器７を介して出力する。なお、昇圧部５は、制御部５０からの制御（ＳＷＣＯＮＴ）を受けて、スイッチング素子６のスイッチングを停止する場合がある。

容量部８と抵抗部９と変換部１３と検出部１０と変換部１３とが、昇圧部５の出力側に設けられる。容量部８は、昇圧部５が出力する電圧を平滑化する。抵抗部９は、容量部８と並列に設けられており、容量部８に蓄えられた電力を放電させる。検出部１０は、昇圧部５の出力電圧、すなわち容量部８の端子電圧を測定する。

変換部１３は、昇圧部５から供給された直流電力を、制御部５０から入力された制御信号（例えばＰＷＭ:Pulse Width Modulation）に基づいて、所望の周波数や電圧などの単相交流に変換して出力する。例えば、変換部１３は、容量部１１ａと、容量部１１ｂと、スイッチング素子１２ａと、スイッチング素子１２ｂとを備える。この変換部１３は、単相のハーフブリッジ型のインバータである。変換部１３は、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂを規定の周期（スイッチング周期Ｔ）でスイッチングさせることにより昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換し、変圧器１４に供給する。例えば、交流電圧は、ＰＷＭのＤｕｔｙによって調整される。なお、変換部１３は、制御部５０からの制御（ＳＷＣＯＮＴ）を受けて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを停止する場合がある。

例えば、変換部１３の出力に、変圧器１４の１次側が接続されており、変換部１３は、変圧器１４の１次側を駆動する。変圧器１４は、１次側と２次側が絶縁されており、所望の絶縁耐圧性を有する。換言すれば、変圧器１４は、変換部１３と変圧器１４より負荷２０側の回路を絶縁する。変圧器１４は、１次側から供給される変換部１３のスイッチング周期Ｔに応じた周波数（スイッチング周波数）の交流電力を変換して２次側に供給する。上記のスイッチング周波数は、商用電力の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対して充分に高い周波数であり、例えば、数ＫＨｚから数１００ＫＨｚ程度の間（周波数範囲）で予め定められる。変圧器１４は、スイッチング周波数を高めるほど小型化できることから、上記の周波数範囲の中でも変換損失に影響がない範囲で上記のスイッチング周波数を高めて、例えば高周波領域の周波数にするとよい。別の観点では、上記のスイッチング周波数を定める場合、可聴領域の周波数を避けて、例えば、２０ＫＨｚを超える周波数領域から選択するとよい。上記のスイッチング周波数を、可聴領域の周波数を避けることにより、共振により生じた騒音や振動の影響を低減できる。変圧器１４は、上記のスイッチング周波数を商用電力の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対して充分に高い周波数（例えば高周波領域の周波数）にすることにより、電力変換損失を少なくできる等の利点がある。

変圧器１４の２次側、すなわち変圧器１４より負荷側には整流器１５が設けられている。整流器１５は、変圧器１４から供給される交流を整流する。容量部１６は、整流器１５によって整流された後の電圧を平滑化する。平滑化された後に、変圧器１４を介して供給された電力が直流として負荷２０に供給される。

制御部５０は、接触器３、昇圧部５、検出部１０、変換部１３等の各部に接続され、それぞれから情報を取得する。そして制御部５０は、各種検知器が検知した情報、上記の各部の状態などの情報に基づいて電力変換装置１００のシーケンス動作を制御する。また制御部５０は、入力されたそれぞれの検出情報に基づいてゲート指令を昇圧部５、変換部１３に出力して、昇圧部５のスイッチング素子６、変換部１３のスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとのスイッチング動作を制御する。

次に、第１の実施形態の電力変換装置１００の起動時の動作について説明する。

容量部８は、変換部１３の入力電圧安定化用に設けられている。容量部８は、電力変換装置１００を起動する前は放電されており、端子間電圧がほぼ０Ｖの状態となっている。この状態で電力変換装置１００を起動するために接触器３を投入すると、容量部８の充電が開始される。なお、起動時においては、昇圧部５と変換部１３はスイッチング動作を開始していない。

容量部８の充電が始まると、昇圧用リアクトル４により入力電流の大きさが有限の値に制限されるものの、昇圧用リアクトル４と容量部８との間で共振現象が生じる、その結果、入力電流は大きな振幅を持つ振動電流となる。また、容量部８に掛る電圧が振動して、過大な電圧が生じる。

電力変換装置１００では、昇圧部５のスイッチング素子６、容量部８、変換部１３の容量部１１ａと容量部１１ｂの耐圧を電車線電圧Ｅの最大値の２倍にあたる電圧２Ｅ以上に設定して、これらが過電圧によって破壊されることを防止する。変換部１３については後述する。

図２は、第１の実施形態の変換部のスイッチング素子の応答性について示す説明図である。同図には、スイッチング素子１２ａのゲート制御信号と電流波形、及び、スイッチング素子１２ｂのゲート制御信号と電流波形とを示すタイミングチャートが示されている。

同図の初期状態は、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂが共にオフ状態（非導通状態）にある。例えば、時刻ｔ１においてスイッチング素子１２ａをオン状態（導通状態）に遷移させるゲート制御信号を供給しても、時刻ｔ２までの時間帯（ターンオン時間）ではスイッチング素子１２ａを流れる電流が徐々に増加する。時刻ｔ３においてスイッチング素子１２ａをオフ状態（非導通状態）に遷移させるゲート制御信号を供給しても、時刻ｔ４までの時間帯（ターンオフ時間）ではスイッチング素子１２ａを流れる電流が徐々に減少する。スイッチング素子１２においても、時刻ｔ５から時刻ｔ９までの間で、スイッチング素子１２ａの時刻ｔ１から時刻ｔ５まで動作と同様の動作がみられる。一般に、上記のターンオン時間とターンオフ時間は、高耐圧のスイッチング素子ほど長くなり、応答時間が長くなるという傾向がある。

そこで、電力変換装置１００では、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂに掛る電圧を低減させて、応答性の良いスイッチング素子を適用することでスイッチング周波数を高めるようにした。

図３は、第１の実施形態の電力変換装置１００の起動時の動作を示すタイミングチャートである。同図に、昇圧部出力電圧Ｖの変化と、スイッチング素子の制御状態（ＳＷＣＯＮＴ）を示す。

電力変換装置１００は、電力が供給されていない期間（例えば、時刻ｔ１０までの期間）、及び、時刻ｔ１０に電力の供給が開始されてから下記するように所定の期間が経過するまではスイッチング素子のスイッチングを実施しない。

電力変換装置１００に電力の供給が開始された段階（時刻ｔ１０）で共振電流が発生する。電力変換装置１００の昇圧部５には、昇圧チョッパ回路を構成する整流器７が設けられている。発生した共振電流が整流器７を介して昇圧部５から出力され、容量部８が充電される。容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）は、時刻ｔ１１において共振により生じた最大電圧になる。その最大電圧は、電車線電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅに達する。

時刻ｔ１１を過ぎると、整流器７が逆バイアスになり、整流器７から容量部８に向けて流れる電流が停止する。図１に示したように、電力変換装置１００は、容量部８を放電させる抵抗部９を備えている。この抵抗部９の作用によって、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が低減する。例えば、昇圧部出力電圧Ｖは、容量部８を含む容量成分の容量値と抵抗部９の抵抗値とから算定される時定数の放電特性に従って減衰し、電圧Ｅに漸近する。

昇圧部出力電圧Ｖが電車線電圧Ｅ近傍の電圧まで低下してから、変換部１３のスイッチング動作を開始することで、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチング動作時に掛る電圧を低減させることができる。これにより、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとして、電力変換装置１００Ｒを構成するものに対して、スイッチング動作時に掛る電圧を低減することができ、耐圧が比較的低いスイッチング素子を適用できる。

より具体的な電力変換装置１００の一態様について説明する。スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸは、昇圧部５の入力電圧を規定する電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）より高く、電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）の２倍の電圧（電圧２Ｅ）より低くする。定格電圧ＶＭＡＸとは、スイッチング素子をスイッチとしてみた場合、スイッチの両端に印加することができる電圧の許容値（例えば、最大定格電圧）のことをいう。閾値電圧Ｖｔｈが、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸより低い電圧に予め定められている。制御部５０は、検出部１０により検出された電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が、閾値電圧Ｖｔｈを超えて、その後閾値電圧Ｖｔｈより低下した時刻ｔ１２Ａが過ぎてからスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させるように制御する（ＳＣＯＮＴ参照）。変換部１３は、制御部５０の制御に応じて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始して、同スイッチングにより、昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。

上記のとおり、電力変換装置１００の変換部１３は、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００は、変圧器１４の小型化、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。

さらに、変換部１３におけるスイッチング動作による容量部８の電圧変動の周波数成分は、スイッチング素子のスイッチング周波数（高周波）を基本波とする周波数成分になる。容量部８は周波数が高いほどインピーダンスが低くなることにより、上記の電圧変動の成分の影響を低減させるのに必要な容量を少なくできる。これにより、電力変換装置１００は、容量部８の小型化、ひいては、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。

なお、電力変換装置１００は、接触器３を投入するとき（起動時）に生じる共振を防止するための充電抵抗器を備えていない。充電抵抗器がないことが共振を発生する要因となっているが、電力変換装置１００は、起動時の過電圧を許容できるように構成されている。電力変換装置１００は、充電抵抗器を備えることなく構成を簡略化することができ、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。

本実施形態に係る電力変換装置１００をより具体的なシステムに適用した場合の効果について説明する。直流電化方式における電車線電圧Ｅとして、７５０Ｖまたは１５００Ｖが適用される。電車線電圧Ｅの許容電圧変動幅を加味すると、それぞれの上限電圧が９００Ｖまたは１８００Ｖになる。上記の上限電圧が昇圧部５の入力電圧になった場合に、容量部８の端子電圧がそれぞれ１８００Ｖまたは３６００Ｖに達する。容量部８の端子電圧がそれぞれ１８００Ｖまたは３６００Ｖにある状態で昇圧部５と変換部１３とにおけるスイッチングを実施する場合には、各スイッチング素子に、それぞれ１８００Ｖまたは３６００Ｖ以上の定格電圧ＶＭＡＸが必要になる。

ところで、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などの一般的なスイッチング素子には、段階的な最大定格電圧（定格電圧ＶＭＡＸ）が設定されている。例えば、上記の電圧範囲の場合、スイッチング素子の最大定格電圧は、１７００Ｖまたは３３００Ｖまたは４５００Ｖである。

ここで、参考例の電力変換装置１００Ｒを搭載した電気車システム１Ｒを例示して説明する。図４は、参考例の電力変換装置１００Ｒを搭載した電気車システム１Ｒの概略構成図である。電力変換装置１００Ｒは、電力変換装置１００（図１）に関連するものである。電力変換装置１００Ｒには、電力変換装置１００と相違する点として抵抗部９が設けられていない点と後述するように変換部１３Ｒの特性が変換部１３の特性と異なる点と変圧器１４Ｒの特性が変圧器１４の特性と異なる点等の相違点がある。電力変換装置１００と同じ構成には同じ符号を附す。

図５は、参考例の電力変換装置１００Ｒの起動時における昇圧部出力電圧Ｖの変化を示す模式図である。電力変換装置１００Ｒに電力の供給が開始された段階（時刻ｔ１０）で共振電流が発生する。電力変換装置１００Ｒの昇圧部５には、昇圧チョッパ回路を構成する整流器７が設けられている。発生した共振電流が整流器７を介して昇圧部５から出力され、容量部８が充電される。容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）は、時刻ｔ１１において共振により生じた最大電圧になる。その最大電圧は、電車線電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅに達する。なお、この整流器７の作用によって、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）がそのまま保持される。

電力変換装置１００Ｒでは、抵抗部９を設けていないことにより、昇圧部出力電圧Ｖが高い電圧（電圧２Ｅ）に保持される。昇圧部５のスイッチング素子６、容量部８、変換部１３Ｒの容量部１１ａと容量部１１ｂ、スイッチング素子１２Ｒａとスイッチング素子１２Ｒｂの耐圧（定格電圧ＶＭＡＸ）を電車線電圧Ｅの最大値の２倍にあたる電圧２Ｅ以上のものにして、これらが過電圧によって破壊されることを防止する。

ところで、上記のように変換部１３Ｒのスイッチング素子１２Ｒａとスイッチング素子１２Ｒｂの耐圧を単に高めるだけでは、変換部１３Ｒのスイッチング周波数を十分に高めることができないことがある。変圧器１４Ｒは、変換部１３Ｒのスイッチング周波数に応じたものになる。

一般に、変換部１３Ｒのスイッチング周波数を高めるほど、変圧器１４Ｒをより小型にすることができる。上記の電力変換装置１００Ｒでは、変換部１３Ｒのスイッチング周波数を十分に高めることができない場合には、より小型の変圧器１４Ｒにすることが困難になる。

電力変換装置１００Ｒと電力変換装置１００とを対比して、具体的な電車線電圧Ｅを適用した場合について説明する。
電力変換装置１００Ｒにおける電車線電圧Ｅを７５０Ｖまたは１５００Ｖとする場合、電力変換装置１００Ｒの各スイッチング素子には、スイッチング素子の最大定格電圧がそれぞれ３３００Ｖまたは４５００Ｖのものを適用する。
一方、電力変換装置１００における電車線電圧Ｅを７５０Ｖまたは１５００Ｖとする場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂには、スイッチング素子の最大定格電圧がそれぞれ１７００Ｖまたは３３００Ｖのものを適用する。
上記のとおり、電力変換装置１００であれば、最大定格電圧が比較的低いスイッチング素子を適用することができる。一般に、スイッチング素子の最大定格電圧が低いものほど、スイッチング周波数を高めることができる。これにより、電力変換装置１００は、上述したとおりスイッチング周波数を高めることが可能になる。このことから、変換部１３のスイッチング周波数を変換部１３Ｒのスイッチング周波数より高めて、この変圧器１４を変圧器１４Ｒより小型にすることができる。また、最大定格電圧が比較的低いスイッチング素子は、最大定格電圧が高いスイッチング素子よりも小型である。このように、電力変換装置１００は、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態の電力変換装置１００の一態様の制御部５０は、検出部１０により検出された電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が、閾値電圧Ｖｔｈを超えて、その後閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧に低下した場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させる。
上記の変形例として、次のように構成してもよい。

例えば、制御部５０は、昇圧部５に入力電圧が印加されたことを、接触器３の状態から検知する。接触器３が導通状態となった段階で、昇圧部５に電圧が印加されたと見なすことができる。接触器３と制御部５０を合わせたものが、「印加検知部５１」の一例である。制御部５０は、印加検知部５１により昇圧部５に入力電圧が印加されたことが検知された後、検出部１０により検出された電圧が、閾値電圧Ｖｔｈよりも高い電圧から閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧に低下した場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させるように制御する。変換部１３は、制御部５０の制御に応じて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始して、同スイッチングにより、昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。

上記のとおり、本変形例による電力変換装置１００の変換部１３は、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００は、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１並びに電力変換装置１００の小型化を実現することを可能にする。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の電力変換装置１００Ａは、検出部（検出部１０）を備えない点で第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図６は、第２の実施形態の電力変換装置１００Ａを搭載した電気車システム１Ａの概略構成図である。
電力変換装置１００Ａは、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３と、制御部５０Ａとを備える。電力変換装置１００Ａは、さらに変圧器１４と、整流器１５と容量部１６とを備えていてもよい。同図では、電気車の車輪Ｗを駆動するのに必要な電力を生成する電力変換装置については図示しておらず、空調装置等のより低電圧な装置に電力を供給するための構成を示している。

制御部５０Ａは、接触器３、昇圧部５、変換部１３等の各部に接続され、それぞれから情報を取得する。そして制御部５０Ａは、各種検知器が検知した情報、上記の各部の状態などの情報に基づいて電力変換装置１００Ａのシーケンス動作を制御する。また制御部５０Ａは、入力されたそれぞれの検出情報に基づいてゲート指令を昇圧部５、変換部１３に出力して、昇圧部５のスイッチング素子６、変換部１３のスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとのスイッチング動作を制御する。

図７は、第２の実施形態の電力変換装置１００Ａの起動時の動作を示すタイミングチャートである。同図に、昇圧部出力電圧Ｖの変化と、スイッチング素子の制御状態（ＳＷＣＯＮＴ）を示す。

電力変換装置１００Ａは、電力が供給されていない期間（例えば、時刻ｔ１０までの期間）、及び、時刻ｔ１０に電力の供給が開始されてから所定の期間が経過するまではスイッチング素子のスイッチングを実施しない。

電力変換装置１００Ａに電力の供給が開始された段階（時刻ｔ１０）で共振電流が発生する。電力変換装置１００Ａの昇圧部５には、昇圧チョッパ回路を構成する整流器７が設けられている。発生した共振電流が整流器７を介して昇圧部５から出力され、容量部８が充電される。容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）は、時刻ｔ１１において共振により生じた最大電圧になる。その最大電圧は、電車線電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅに達する。

時刻ｔ１１を過ぎると、整流器７が逆バイアスになり、整流器７から容量部８に向けて流れる電流が停止する。図６に示したように、電力変換装置１００Ａは、容量部８を放電させる抵抗部９を備えている。この抵抗部９の作用によって、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が低減する。例えば、昇圧部出力電圧Ｖは、容量部８を含む容量成分の容量値と抵抗部９の抵抗値とから算定される時定数の放電特性に従って減衰し、電圧Ｅに漸近する。

そこで、昇圧部出力電圧Ｖが電車線電圧Ｅ近傍の電圧まで低下してから、変換部１３の運転を開始することで、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチング動作時に掛る電圧を低減させることができる。これにより、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとして、電力変換装置１００Ｒ（図２）を構成するものに対して、スイッチング動作時に掛る電圧（耐圧）を比較的低いものにできる。

より具体的な電力変換装置１００Ａの一態様について説明する。
スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸは、昇圧部５の入力電圧を規定する電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）より高く、電車線電圧Ｅ（基準入力電圧）の２倍の電圧（電圧２Ｅ）より低くする。

制御部５０Ａは、昇圧部５に昇圧部出力電圧Ｖ（入力電圧）が印加されことを、接触器３の状態から検知する。接触器３が導通状態となった段階で、昇圧部５に電圧が印加されたと見なすことができる。接触器３と制御部５０Ａを合わせたものが、「印加検知部５１Ａ」の一例である。制御部５０Ａは、印加検知部５１Ａにより昇圧部５に入力電圧が印加されたことが検知された後、予め定められた時間Ｔｄが経過した場合、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始させるように制御する（ＳＣＯＮＴ参照）。変換部１３は、制御部５０Ａの制御に応じて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのスイッチングを開始して、同スイッチングにより、昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。

上記の時間Ｔｄの定め方の一例について説明する。例えば、時間Ｔｄは、時間Ｔｄ１と時間Ｔｄ２とに分けて規定してもよい。時間Ｔｄ１は、電力変換装置１００Ａに電力の供給が開始された時刻ｔ１０を起点にして、共振により容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）が最大電圧になる時刻ｔ１１までの時間にする。時間Ｔｄ２は、時刻ｔ１１を起点にして、容量部８に掛る電圧（昇圧部出力電圧Ｖ）がスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの定格電圧ＶＭＡＸより低い電圧に低下する時間Ｔｄｒｅｆを超える時間（時刻ｔ１２Ｂ）にする。

上記のとおり、第２の実施形態による電力変換装置１００Ａの変換部１３は、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００Ａは、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１Ａ並びに電力変換装置１００Ａの小型化を実現することを可能にする。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の電力変換装置１００Ｂは、変換部１３Ｂの構成が第１の実施形態の変換部１３と異なっている。第１の実施形態と同一又は同様の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図８は、第３の実施形態の電力変換装置１００Ｂを搭載した電気車システム１Ｂの概略構成図である。同図では、電気車の車輪Ｗを駆動するのに必要な電力を生成する電力変換装置については図示しておらず、空調装置等のより低電圧な装置に電力を供給するための構成を示している。
電力変換装置１００Ｂは、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３Ｂと、制御部５０とを備える。電力変換装置１００Ｂは、さらに変圧器１４と、整流器１５と容量部１６とを備えていてもよい。なお、電力変換装置１００Ｂの構成に応じて、変圧器１４と、整流器１５と、容量部１６との一部または全部を負荷２０が備えていてもよい。

変換部１３Ｂは、昇圧部５から供給された直流電力を、制御部５０から入力された制御信号（例えばＰＷＭ:Pulse Width Modulation）に基づいて、所望の周波数や電圧などの単相交流に変換して出力する。例えば、変換部１３は、スイッチング素子１２ａと、スイッチング素子１２ｂと、スイッチング素子１２ｃと、スイッチング素子１２ｄとを備える。この変換部１３は、単相のフルブリッジ型のインバータである。変換部１３Ｂは、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂスイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄとを規定の周期（スイッチング周期Ｔ）でスイッチングさせることにより昇圧部５の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器１４に供給する。例えば、交流電圧は、ＰＷＭのＤｕｔｙの調整によって調整される。なお、変換部１３Ｂは、制御部５０からの制御（ＳＷＣＯＮＴ）を受けて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとスイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄのスイッチングを停止する場合がある。

例えば、変換部１３Ｂの出力に、変圧器１４の１次側が接続されており、変換部１３Ｂは、変圧器１４の１次側を駆動する。変圧器１４は、１次側と２次側が絶縁されており、所望の絶縁耐圧性を有する。換言すれば、変圧器１４は、変換部１３Ｂと変圧器１４より負荷２０側の回路を絶縁する。

変圧器１４の２次側、すなわち変圧器１４より負荷側には整流器１５が設けられている。整流器１５は、変圧器１４から供給される交流を整流する。容量部１６は、整流器１５によって整流された後の電圧を平滑化する。平滑化された後に、変圧器１４を介して供給された電力が直流として負荷２０に供給される。

なお、スイッチング動作開始後に、変換部１３Ｂを駆動するゲート制御信号は、一般的なフルブリッジ型のインバータの制御信号に準じたものでよい。なお、第１の実施形態または第２の実施形態に示した変換部１３のスイッチング動作の開始時刻を制御する方法と同様の方法で、制御部５０Ｂは、変換部１３Ｂのスイッチング動作の開始時刻を制御してもよい。

上記のとおり、第３の実施形態による電力変換装置１００Ｂの変換部１３Ｂは、所望の周波数（スイッチング周波数）の高周波を出力可能なインバータとして機能する。変圧器１４は、高周波の電力を変換することが可能になる。電力変換装置１００Ｂは、変圧器１４の小型化、ひいては、電気車システム１Ｂ並びに電力変換装置１００Ｂの小型化を実現することを可能にする。

なお、変換部１３Ｂの各スイッチング素子に掛る電圧は、前述の変換部１３の各スイッチング素子に掛る電圧の半分になる。これにより、更に耐圧が小さなスイッチング素子を適用できれば、スイッチング周波数をさらに高めることが可能になる。

上記各実施形態では、制御部５０と制御部５０Ａと制御部５０Ｂと制御部５０Ｒはソフトウェア機能部であってもよく、ＬＳＩ等のハードウェア機能部であってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、昇圧部５と、容量部８と、抵抗部９と、変換部１３と、検出部１０と、制御部５０（５０Ａ、５０Ｂ）とを持つことにより、電力変換装置１００の小型化を実現することができる電力変換装置１００を提供することができる。

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同様に、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ものである。

１…電気車システム、２…集電器、３…遮断器、４…昇圧用リアクトル、５…昇圧部、６…スイッチング素子、７…整流器、８…容量部、９…抵抗部、１１ａ、１１ｂ…容量部、１２ａ、１２ｂ…スイッチング素子、１３…変換部、１４…変圧器、１５…整流器、１６…容量部、５０…制御部、１００…電力変換装置、Ｐ…架線、Ｒ…線路、Ｗ…車輪

Claims (2)

1. 昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧部と、
   前記昇圧部の出力側に設けられた容量部と、
   前記昇圧部の出力側に設けられた抵抗部と、
   前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電
   圧より低い定格電圧の複数のスイッチング素子を備え、前記複数のスイッチング素子のス
   イッチングにより前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する変換部
   と、
   前記昇圧部の出力電圧を検出する検出部と、
   前記昇圧部に入力電圧が印加されたことを検知する印加検知部と、
   前記印加検知部により前記昇圧部に入力電圧が印加されたことが検知された後、前記検
   出部により検出された電圧が、前記定格電圧より低い電圧に予め定められた閾値電圧より
   も高い電圧から前記閾値電圧より低い電圧に低下した場合、前記スイッチング素子のスイ
   ッチングを開始させる制御部と
   を備える電力変換装置。
2. 昇圧用リアクトルを含み、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧部と、
   前記昇圧部の出力側に設けられた容量部と、
   前記昇圧部の出力側に設けられた抵抗部と、
   前記昇圧部の入力電圧を規定する基準入力電圧より高く、前記基準入力電圧の２倍の電
   圧より低い定格電圧の複数のスイッチング素子を備え、前記複数のスイッチング素子のス
   イッチングにより前記昇圧部の出力電圧を交流電圧に変換して、変圧器に供給する変換部
   と、
   前記昇圧部の出力電圧を検出する検出部と、
   前記昇圧部に入力電圧が印加されたことを検知する印加検知部と、
   前記印加検知部により前記昇圧部に入力電圧が印加されたことが検知された後、前記検
   出部により検出された電圧が、前記定格電圧より低い電圧に予め定められた閾値電圧より
   も高い電圧から前記閾値電圧より低い電圧に低下した場合、前記スイッチング素子のスイ
   ッチングを開始させる制御部と
   を備える電力変換装置。

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