JP7016949B2 - 電気車用駆動システム、半導体減流器、およびその故障検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、電気車（鉄道車両）用の駆動システムの半導体減流器に関する。

電気車用の駆動システムには、一般に、電流遮断器が設けられる。電流遮断器の一例として、例えば、特許文献１～２に開示の電流遮断器が知られている。

特開2004-096877号公報 特開2006-067732号公報

本願発明者が、電流遮断器として半導体減流器を採用してフィルタリアクトルを小型化した電気車用駆動システムの実用化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

電気車用の駆動システムは、一般に、フィルタリアクトルを有する。フィルタリアクトルは、走行時に発生する電流及び電圧の脈動の低減や、主回路中で高電位と低電位が短絡した際に大きな短絡電流が架線側から流れるのを抑える役割を担っている。このような役割に必要なインダクタンス値は、一般に、8mH～12mHであり、故に、フィルタリアクトルの体積や質量が大きい。例えば、フィルタリアクトルの体積や質量は、モータを除けば、駆動システム全体の1/2から1/3程度を占める。

このため、フィルタリアクトルの小型化が実現できると駆動システム全体の小型化に寄与する。

フィルタリアクトルを小型化するためには、インダクタンス値を小さく設定することが必要である。しかし、フィルタリアクトルを低インダクタンス化すると、地絡事故等が発生した際の事故電流増加速度が大きくなり、電流遮断器が、一般的な機械式高速度遮断器であると、遮断完了時の電流が大きくなってしまう。これは変電所の遮断器トリップ等、変電所の動作を不安定にする可能性がある。

電気車用駆動システムに搭載される電流遮断器は、高い信頼性と安全性が求められる。

特許文献１及び２には、電気車用の駆動システムに半導体減流器を適用した構成が開示されている。

しかし、特許文献１及び２には、電流遮断器として半導体減流器を採用してフィルタリアクトルを小型化した電気車用駆動システムの実用化に際してフィルタリアクトルの小型化と大電流の流入を抑えることとを両立する技術は、開示も示唆もされていない。また、特許文献１及び２には、電流遮断器として採用された半導体減流器の信頼性と安全性を維持するための技術も、開示も示唆もされていない。

従って、本発明の目的は、フィルタリアクトルの小型化と大電流の流入を抑えることとを両立しつつ、半導体減流器の信頼性及び安全性を維持することにある。

電気車用駆動システムの制御装置が、過電流を検出した場合に半導体減流器における半導体スイッチ素子（断流器とインバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子）をオフにすることで当該過電流を抵抗部における少なくとも１つの抵抗に転流し、転流され当該少なくとも１つの抵抗により減流された電流を、断流器をオフにすることで遮断するようになっている。電気車用駆動システムは、過電流検出用の第１の電流検出器に加えて、半導体減流器における半導体スイッチ素子と抵抗部とのうちのいずれかを流れる電流値を検出する第２の電流検出器を備える。制御装置は、少なくとも第２の電流検出器を基に得られる電流値であって抵抗部を流れる電流の電流値に関して設けられた所定の条件が満たされているならば半導体スイッチ素子が故障していると検知する。

本発明によれば、フィルタリアクトルの小型化と大電流の流入を抑えることとを両立しつつ、半導体減流器の信頼性及び安全性を維持することができる。

実施例１に係る電気車用駆動システムの構成図である。 図１に記載した電気車用駆動システムにおけるスイッチング動作を示す波形チャートである。 図１に記載した電気車用駆動システムにおけるスイッチング動作を示す波形チャートである。 図１に記載した電気車用駆動システムにおけるスイッチング動作を示す波形チャートである。 図１に記載した電気車用駆動システムにおけるスイッチング動作を示す波形チャートである。 図１に記載した電気車用駆動システムにおけるスイッチング動作を示す波形チャートである。 実施例２に係る電気車用駆動システムの構成図である。 実施例３に係る電気車用駆動システムの構成図である。 実施例４に係る電気車用駆動システムにおける第２の電流検出器の配置例を示す図である。 実施例５に係る電気車用駆動システムにおける半導体減流器の構成と第２の電流検出器の配置例を示す図である。 実施例６に係る電気車用駆動システムにおける半導体減流器の構成と第２の電流検出器の配置例を示す図である。

以下の説明においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の説明において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特性の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の説明において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の説明において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値及び範囲についても同様である。

図１は、実施例１に係る電気車用駆動システムの構成図である。

図１において、電気車用駆動システム１００には、直流架線から電気車へ電力をとるパンタグラフ１と、電気車を駆動する電動機１１とが接続されている。電気車用駆動システム１００は、断流器２、３及び４（１以上の断流器の一例）と、充電抵抗５（第１の抵抗の一例）と、減流抵抗６（第２の抵抗の一例）と、パワーモジュール７（半導体スイッチ素子と、回生電力を通流する方向に並列接続したダイオードとの並列体）と、インバータ１０と、インバータ１０を動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル８及びフィルタコンデンサ９と、半導体スイッチ制御装置（以下、制御装置）１２と、直流電流を検出する過電流検出用の第１の電流検出器２１と、減流抵抗６を流れる電流を検出する第２の電流検出器２２とを有する。減流抵抗６とパワーモジュール７との並列体が、半導体減流器１１０である。第１の電流検出器２１及び第２の電流検出器２２で検出された電流値はそれぞれ制御装置１２に入力される。制御装置１２は、パワーモジュール７における半導体スイッチ素子のオン及びオフを制御する。本実施例では、制御装置１２は、更に、断流器２～４のオン（閉成）及びオフ（開放）も制御できる。

断流器２及び３は直列に接続されている。複数の断流器を直列接続することにより、１台の断流器を単体で使用した場合に比べ、遮断電流容量を増加させることができる。

断流器４と充電抵抗５の直列体は、断流器３と並列に接続する。本構成とすることにより、例えば以下２つの効果が得られる。

第１の効果は、充電抵抗５と減流抵抗６の抵抗値を最適な値に選択できる点である。減流動作時には、パワーモジュール７を流れていた電流が減流抵抗６に転流する。ゆえに転流した電流の大きさと減流抵抗６の抵抗値の積が、パワーモジュール７の両端に印加される電圧となる。減流抵抗６の値が大きいほど、パワーモジュール７の素子耐圧を高くする必要があり、素子の高価格化及び大型化を招く。よって減流抵抗６の値は減流動作に問題を与えない範囲で小さいことが望ましい。一方で、フィルタコンデンサ９の充電時の充電電流を制限する充電抵抗５は、その抵抗値が小さいと充電電流が充電開始時に急峻に立ち上がり、信号機器等に影響を与えるノイズ源となる懸念がある。特にフィルタリアクトル８の容量が小さい場合はその傾向が強い。よって充電抵抗５の値は、ノイズ源とならないように十分大きい抵抗値を設定することが望ましい。以上より、断流器４と充電抵抗５を有さず減流抵抗を充電抵抗としても利用した一比較例では、減流抵抗と充電抵抗それぞれの最適抵抗値が異なるために、減流抵抗の値を最適化することができない。本実施例では、断流器４と充電抵抗５があることで、充電抵抗５と減流抵抗６の直列体を、フィルタコンデンサ９の充電抵抗として利用する。これにより、減流抵抗６の抵抗値とフィルタコンデンサ９の充電抵抗５の抵抗値を個別に決定することが可能である。ゆえに、パワーモジュール７に要求される素子耐圧が高くなることの抑制と、フィルタコンデンサ９の充電時の急峻な電流変化を要因とするノイズの発生抑制を両立することができる。なお、フィルタコンデンサ９の充電の際に半導体スイッチ素子が制御装置１２によりオンにされて、充電電流が充電抵抗５を流れ減流抵抗６を流れないでもよい。

第２の効果は、フィルタコンデンサ９の充電時における本駆動システム１００の安全性を向上できる点である。フィルタコンデンサ９の充電シーケンスでは、断流器３をオフにした状態で、断流器２及び断流器４をオンにすることができる。充電シーケンスでは、充電電流が必ず充電抵抗５を経由するため、万一パワーモジュール７が短絡モード故障であった場合でも、大きな突入電流が発生せず、突入電流による変電所の遮断器トリップやノイズ発生等の悪影響が抑えられる。

断流器４と充電抵抗５の位置は入れ替えられてもよい。パワーモジュール７を構成する半導体スイッチ素子は、例えばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等他のパワーデバイスとしてもよい。MOSFET等のボディーダイオードを有するパワーデバイスが用いられる場合には、ダイオードは省略されてもよい。

減流抵抗６を流れる電流の値を検出する第２の電流検出器２２は、減流抵抗６とパワーモジュール７を接続する２本の経路のどちらに存在してもよい。

減流抵抗６とパワーモジュール７の並列体には、フィルタリアクトル８とフィルタコンデンサ９から構成されるフィルタ回路が接続され、フィルタコンデンサ９の一端は架線帰路に接続されるので、フィルタコンデンサ９には通常架線電圧が充電される。フィルタコンデンサ９には、インバータ１０と、電動機１１が接続される。

インバータ１０は、IGBTやMOSFET等の半導体素子で２レベルあるいは３レベル回路を構成し、直流電力を三相の可変周波数及び可変電圧に変換する既に周知のインバータでよいから、その詳細は省略する。インバータ１０の負荷となる電動機１１も公知でよい。なお、この電動機１１は同期電動機としてもよい。

フィルタリアクトル８のインダクタンスは、低インダクタンス、例えば、一般的なインダクタンス値（8mH～12mH）の1/2～1/8程度、具体的には、1mH以上4mH以下でよい。これにより、フィルタリアクトル８を小型化できる。フィルタリアクトル８が低インダクタンスでなくても（例えばインダクタンス値が一般的でも）、後述の故障検知、すなわち、減流抵抗６を流れる電流の電流値を基に半導体スイッチ素子が故障していることを検知できる。

次に、図２～図６を参照して、本駆動システム１００の動作シーケンスについて述べる。なお、以下の説明において、フィルタコンデンサ９の「充電中」とは、充電開始時～充電終了時のうちのいずれかの時である（従って、「充電中」は、「充電開始時」であってもよい）。同様に、インバータ１０の「動作中」とは、動作開始時～動作終了時のうちのいずれかの時である（従って、「動作中」は、「動作開始時」であってもよい）。

以下、図内の記号「H」及び「L」は断流器２、３、４への動作指令及び、制御装置１２がパワーモジュール７を構成する半導体スイッチ素子のゲートへ伝達する動作指令の状態を示す。「H」はオン、「L」はオフを表す。言い換えれば、制御装置１２が半導体スイッチ素子をオンするとは、半導体減流器１１０のパワーモジュール７が、半導体スイッチ素子のオン指令を受信することである。制御装置１２が半導体スイッチ素子をオフするとは、半導体減流器１１０のパワーモジュール７が、半導体スイッチ素子のオフ指令を受信することである。また、図内のEcfは、フィルタコンデンサ９の電圧を表す。Ｉ_０は、第１の電流検出器２１を流れる電流又はその電流値を表す。Ｉ_１は、第２の電流検出器２２を流れる電流又はその電流値を表す。また、ｔは、時刻を表す。

最初に、パワーモジュール７が正常状態である場合のシステム１００における制御シーケンスを説明する。電気車を起動し、インバータ１０を起動するために必要な初期シーケンスを経た後、インバータ１０の動作中に地絡事故が発生し、半導体減流器１１０で事故電流を遮断するまでのシーケンスを、図２を用いて説明する。

電気車のインバータ１０を起動するにあたり、最初にフィルタコンデンサ９を充電する必要がある。制御装置１２は、断流器３及びパワーモジュール７がオフの状態で断流器２をオン後、断流器４をオンする（ｔ_２１）。パンタグラフ１から断流器２、断流器４、充電抵抗５、減流抵抗６及びフィルタリアクトル８の経路でフィルタコンデンサ９が充電される（ｔ_２１～ｔ_２２）。フィルタコンデンサ９の充電完了後、制御装置１２は、断流器４をオフ（ｔ_２２）、次に断流器３をオン、続いてパワーモジュール７をオンする（ｔ_２３）。これにより、パンタグラフ１からインバータ１０に至る直流電流経路が導通する。インバータ１０が動作すると（ｔ_２４）、電動機１１が動作し、電気車は走行する。

地絡事故（ｔ_２５）等により第１の電流検出器２１を流れる電流の値が過電流検出閾値Ｔｈ_０を超過したことを制御装置１２により検出された時、つまり過電流が制御装置１２により検出された時（ｔ_２６）、制御装置１２は、電流経路の遮断動作を開始する。具体的には、制御装置１２は、パワーモジュール７をオフすることで電流を減流抵抗６に転流する。結果、電流が減流する。電流が断流器２及び断流器３の直列体で遮断可能なレベルまで減流したら、制御装置１２は、断流器２及び断流器３をオフすることで電流経路（主電流）を遮断する（ｔ_２７）。

一般的な機械式高速遮断器では、事故電流の遮断に10ms程度の時間を要するのに対し、パワーモジュール７は数μsの短時間でオフし、減流動作に移行することができる。このため、フィルタリアクトル８を低インダクタンス化することで事故時の電流増加速度が増加しても、変電所の動作に影響を与えない、低い電流値で遮断完了することができる。

なお、一比較例では、半導体減流器における半導体スイッチ素子の故障検知機能が備わっておらず、半導体スイッチ素子が故障した場合には、機器の焼損等を引き起こす恐れがある。

一方、本実施例では、半導体スイッチ素子の故障検知機能が備えられる。具体的には、減流抵抗６を流れる電流を検出する第２の電流検出器２２が設けられ、制御装置１２は、減流抵抗６を流れる電流の電流値を基に半導体スイッチ素子が故障していることを検知し、断流器２～４のうち少なくとも断流器２（主電流を遮断する断流器の一例）をオフする。

次に、半導体減流器１１０を構成するパワーモジュール７が故障した場合の保護シーケンスについて述べる。フィルタコンデンサ９の充電時及びインバータ１０の動作時のそれぞれの状況下において、パワーモジュール７が短絡モード故障及び開放モード故障となった場合についてそれぞれ述べる。

まず、フィルタコンデンサ９の充電時にパワーモジュール７が短絡モード故障であった場合について図３を用いて述べる。パワーモジュール７の短絡故障を、インバータ１０動作前に検知可能である。なお、ｔ_３１は、フィルタコンデンサ９の充電開始時であり、ｔ_３２は、遮断完了時である。

フィルタコンデンサ９の充電時にパワーモジュール７が短絡モード故障であることは、次の２つの方法のうちの少なくとも１つの方法で検知可能である。パワーモジュール７の短絡モード故障を検知したら、制御装置１２は、断流器２及び４をオフすることで、電流を遮断する。

第１の方法は、第１の電流検出器２１及び第２の電流検出器２２を使用した方法である。フィルタコンデンサ９の充電開始時において、パワーモジュール７が正常である時は、パワーモジュール７を電流が流れないため、第１の電流検出器２１と第２の電流検出器２２を通過する電流（主電流の電流値である第１の電流値Ｉ_０と減流抵抗６を流れる電流の電流値である第２の電流値Ｉ_１）が等しい。一方で、パワーモジュール７が短絡モード故障している場合には、パワーモジュール７を通過する電流が、第１の電流検出器２１及び第２の電流検出器２２の電流差（Ｉ_０－Ｉ_１）として検出される。Ｉ_０－Ｉ_１の閾値（以下、第１の閾値Ｔｈ_１）が設けられる。フィルタコンデンサ９の充電中（例えば充電開始時）に、Ｉ_０－Ｉ_１がＴｈ_１を超過したことを、制御装置１２は、パワーモジュール７の短絡モード故障として検知する。

第２の方法は、第２の電流検出器２２を使用し第１の電流検出器２１を使用しない方法（Ｉ_１を使用しＩ_０を使用しない方法）である。パワーモジュール７が短絡モード故障であるとき、フィルタコンデンサ９を充電開始しても、第２の電流検出器２２でＩ_１の立ち上がりが検出されない、及び、Ｉ_１は、架線電圧Esとフィルタコンデンサ９の電圧Ecfとの差から想定される通常の充電電流値Ｉ_Ｅよりも低い電流値となる、のうちの少なくとも１つが生じる。よって、制御装置１２は、フィルタコンデンサ９の充電中（例えば充電開始時）に、Ｉ_１が第２の閾値Ｔｈ_２未満、及び、Ｉ_Ｅ－Ｉ_１が第３の閾値Ｔｈ_３よりも大きい、のうちの少なくとも１つに該当することを、パワーモジュール７の短絡モード故障として検知する。

次に、フィルタコンデンサ９の充電中にパワーモジュール７が開放モード故障であった場合について図４を用いて述べる。

フィルタコンデンサ９の充電開始時（ｔ_４１）には、パワーモジュール７は正常時でもオフ状態である。そのため、パワーモジュール７が開放モード故障状態であっても充電電流の経路は変化せず、故に、開放モード故障を検知することができない。しかしながら、充電電流は正常時と同じ経路を流れるため危険は無く、この時点でパワーモジュール７の開放モード故障を検知できないことは問題無い。

パワーモジュール７の開放モード故障は、フィルタコンデンサ９の充電（ｔ_４１～ｔ_４２）の次のシーケンスである、インバータ１０の動作中（例えば動作開始時）に検出可能である。パワーモジュール７が正常ならば、インバータ１０の動作開始前にパワーモジュール７が制御装置１２によりオンし（ｔ_４３）、インバータ１０の駆動電力はパワーモジュール７を通過する。パワーモジュール７が開放モード故障であった場合、電流は減流抵抗６を流れる。パワーモジュール７が正常な場合は減流抵抗６に電流が流れない。そのため、インバータ１０の動作開始時において第２の電流検出器２２で検出されるＩ_１に閾値（以下、第４の閾値Ｔｈ_４）が設けられる。制御装置１２は、インバータ１０の動作中（例えば動作開始時）にＩ_１がＴｈ_４を超過したことを（ｔ_４４）、パワーモジュール７の開放モード故障であると検知する。パワーモジュール７の開放モード故障を検知したら、制御装置１２は、インバータ１０の動作を停止した後にパワーモジュール７をオフし、断流器２及び３をオフすることで、電流遮断を行う（ｔ_４５）。

インバータ１０の動作中におけるパワーモジュール７の故障検知については、例えば次の通りである。

電気車の力行中にパワーモジュール７が短絡モード故障した場合は、短絡モード故障後のパワーモジュール７両端間の抵抗値ごとに、以下のシーケンスとなる。

故障後のパワーモジュール７両端間の抵抗値が十分低く、減流抵抗６を経由して流れる電流が大きく増加しない場合のシーケンスを図５に示す。この場合には、ｔ_５１で動作開始したインバータ１０の動作を停止し（ｔ_５２）、断流器２及び３とパワーモジュール７とをオフし（ｔ_５３）、再びフィルタコンデンサ９の充電が行われるまで（ｔ_５４）、制御装置１２は短絡モード故障を検知できない。しかしながら、前記の状況において、直流電流が流れる経路は短絡モード故障の発生前後で変化せず、危険性は無いため、問題無い。

短絡モード故障は、再びフィルタコンデンサ９を充電する時に、Ｉ_０－Ｉ_１＞Ｔｈ_１、Ｉ_１＜Ｔｈ_２、及び、Ｉ_Ｅ－Ｉ_１＞Ｔｈ_３、の少なくとも１つが検知されたことで、検知される。本短絡モード故障を検知した場合、制御装置１２は、断流器２及び４をオフすることで、電流遮断を行う（ｔ_５５）。

一方、パワーモジュール７両端間の故障後における抵抗値が高く、インバータ１０へ供給される電流のうち減流抵抗６に流れる電流が、パワーモジュール７のオン電圧を減流抵抗６で割った値に比べて十分大きい場合には、減流抵抗６に流れる電流が生じるため、次に説明する、力行中にパワーモジュール７が開放モード故障した場合と同様の方法で検知することができる。本短絡モード故障を検知した場合、制御装置１２は、パワーモジュール７をオフし、断流器２及び３をオフすることで電流遮断を行う。

充電抵抗５に断流器２及び４が直列に接続されており、フィルタコンデンサ９の充電電流が必ず充電抵抗５を経由する。これにより、パワーモジュール７（半導体スイッチ素子）が短絡モード故障であっても、フィルタコンデンサ９の充電開始時における大電流サージを抑制することができる。

また、インバータ１０の動作の停止は、例えば営業走行終了の際に行われる。インバータ１０の動作の停止後に充電シーケンスが発生し、短絡モード故障がある場合、この充電シーケンス中にその短絡モード故障を検知できる。このため、営業走行を開始する前に半導体減流器１１０の故障を検知することが期待できる。

力行中にパワーモジュール７が開放モード故障した場合のシーケンスを、図６を用いて説明する。

ｔ_６１で動作開始したインバータ１０の動作中にパワーモジュール７が開放モード故障した時（ｔ_６２）、パワーモジュール７のオン電圧を減流抵抗６で割った値よりもはるかに大きい電流が、第２の電流検出器２２で検出される。第２の電流検出器２２で検出されたＩ_１は、第４の閾値Ｔｈ_４を超過する。制御装置１２は、インバータ１０の動作中において、パワーモジュール７がオン状態でありＩ_１＞Ｔｈ_４を検知したら、パワーモジュール７が開放モード故障であると検知する。パワーモジュール７の開放モード故障を検知したら、制御装置１２は、パワーモジュール７をオフし、断流器２及び３をオフすることで、電流遮断を行う（ｔ_６３）。

実施例２を説明する。その際、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１との共通点については説明を省略又は簡略する。

図７は、実施例２に係る電気車用駆動システムの構成図である。

実施例２に係る電気車用駆動システム７００において、実施例１と異なる点は、第２の電流検出器２２の位置である。

すなわち、実施例１では、第２の電流検出器２２は、半導体スイッチ素子のエミッタ側と接続されているが（図１参照）、実施例２では、第２の電流検出器２２は、半導体スイッチ素子のコレクタ側と接続されている（減流抵抗６の架線に近い側に設置されている）。検出対象の電流は実施例１と２で同一であるため、制御シーケンスに変更は起こらない。

実施例１及び２によれば、第２の電流検出器２２を、絶縁空間又はその他の環境要素を考慮して配置することが可能である。

実施例３を説明する。その際、実施例２との相違点を主に説明し、実施例２との共通点については説明を省略又は簡略する。

図８は、実施例３に係る電気車用駆動システムの構成図である。

実施例３に係る電気車用駆動システム８００において、実施例２と異なる点は、並列体（断流器４及び充電抵抗５の直列体と、断流器３とから構成された並列体）と、半導体減流器１１０（減流抵抗６とパワーモジュール７とから構成された並列体）の位置が入れ替わっている点である。本構成とすることで、半導体減流器１１０がより架線側に位置するため、実施例２（及び実施例１）に比べて半導体減流器１１０による保護範囲を拡大することができる。

実施例４を説明する。その際、実施例１～３との相違点を主に説明し、実施例１～３との共通点については説明を省略又は簡略する。

図９は、実施例４に係る電気車用駆動システムにおける第２の電流検出器２２の配置例を示す図である。

半導体減流器１１０は、並列回路における第１の分岐路に設けられた減流抵抗６と、当該並列回路における第２の分岐路に設けられたパワーモジュール７とを有する。半導体減流器１１０を構成する並列回路に入る電流Ｉ_０は、パワーモジュール７がオンの場合、第１の分岐路を流れる電流Ｉ_１と、第２の分岐路を流れる電流Ｉ_２とに分かれる（つまり、Ｉ_０＝Ｉ_１＋Ｉ_２）。実施例１～３によれば、Ｉ_０が第１の電流値であり、Ｉ_１が第２の電流値である。第２の電流検出器２２は、第１の分岐路に設けられる。つまり、第２の電流検出器２２は、Ｉ_１を検出する。第２の電流検出器２２は、半導体スイッチ素子のエミッタ側の位置９０Ｄと、半導体スイッチ素子のコレクタ側の位置９０Ｃとのいずれに配置されてもよい。そして、半導体スイッチ素子の短絡モード故障と開放モード故障は、それぞれ下記である。なお、フィルタコンデンサ９の充電のために半導体スイッチ素子はオフとされ、インバータ１０の動作を開始するために半導体スイッチ素子はオンとされる。実施例４において、短絡モード故障及び開放モード故障は、いずれも、実施例１～３と同じである。

実施例４では、第２の電流検出器２２が、第２の分岐路に代えて、第１の分岐路に設けられる。つまり、第２の電流検出器２２は、Ｉ_２を検出する。制御装置１２には、Ｉ_２の他に、第１の電流検出器２１が検出したＩ_０が入力されるので、制御装置１２は、Ｉ_０からＩ_２を減算することによりＩ_１を算出できる。制御装置１２は、算出されたＩ_１を基に、短絡モード故障及び開放モード故障のいずれも検知できる。

実施例５を説明する。その際、実施例１～４との相違点を主に説明し、実施例１～４との共通点については説明を省略又は簡略する。

図１０は、実施例５に係る電気車用駆動システムにおける半導体減流器の構成と第２の電流検出器の配置例を示す図である。

実施例１～４では、半導体減流器１１０において、第１の分岐路に設けられた抵抗部が、減流抵抗６であるが、実施例５に係る半導体減流器１０１０では、抵抗部は、減流抵抗６の他に、減流抵抗６に並列に接続された充電抵抗５を有する（このため、半導体減流器１０１０の外部に充電抵抗５は無くてよい）。具体的には、抵抗部は、第１のサブ分岐路と第２のサブ分岐路で構成された並列回路に相当する。第１のサブ分岐路に、減流抵抗６が設けられ、第２のサブ分岐路に、充電抵抗５が設けられる。また、抵抗部は、減流抵抗６の接続と切断を切り替えるスイッチを有する。当該スイッチの一例が、第１のサブ分岐路に設けられた（減流抵抗６と直列に接続された）断流器１０７である。断流器１０７は、例えば、フィルタコンデンサ９の充電が完了したときに制御装置１２によってオンにされ、結果、減流抵抗６の接続となる。断流器１０７は、フィルタコンデンサ９の充電のときに制御装置１２によってオフにされ、結果、減流抵抗６の切断となる。

このような半導体減流器１０１０では、Ｉ_０が、Ｉ_１とＩ_２に分かれ、Ｉ_１が、断流器１０７がオンのとき、第１のサブ分岐路を流れる電流Ｉ_３と、第２のサブ分岐路を流れる電流Ｉ_４とに分かれる。第２の電流検出器２２は、上述した位置９０Ａ～９０Ｄのいずれかに代えて、第１及び第２のサブ分岐路のうち切断の無い第２のサブ分岐路における位置９０Ｅ（半導体スイッチ素子のコレクタ側の位置）又は位置９０Ｆ（半導体スイッチ素子のエミッタ側の位置）に配置されてよい。

位置９０Ａ～９０Ｅの各々について、Ｉ_１は、下記の通りである。

すなわち、第２の電流検出器２２が位置９０Ｃ又は９０Ｄに配置されている場合、制御装置１２において、Ｉ_１は、第２の電流検出器２２により検出された電流値である。

第２の電流検出器２２が位置９０Ａ又は９０Ｂに配置されている場合、Ｉ_０－Ｉ_２（第２の電流検出器２２により検出された電流値）＝Ｉ_１である。

第２の電流検出器２２が位置９０Ｅ又は９０Ｆに配置されている場合、断流器１０７がオンであるかオフであるかによって、分流比が異なるため、Ｉ_１の定義が異なる。断流器１０７がオフの場合、Ｉ_４（第２の電流検出器２２により検出された電流値）＝Ｉ_１である。断流器１０７がオンの場合、Ｉ_４×｛（減流抵抗６＋充電抵抗５）／減流抵抗６｝＝Ｉ_１である。

実施例６を説明する。その際、実施例１～５との相違点を主に説明し、実施例１～５との共通点については説明を省略又は簡略する。

図１１は、実施例６に係る電気車用駆動システムにおける半導体減流器の構成と第２の電流検出器の配置例を示す図である。

実施例６に係る半導体減流器１１１０において、第１の分岐路にあるパワーモジュール７は、減流用のパワーモジュールであり、第２の分岐路にある（パワーモジュール７に並列に接続された）抵抗体は、減流抵抗６と、減流抵抗６に直列に接続された並列体とを有する。並列体は、充電抵抗５と、充電抵抗５に並列に接続された充電用のパワーモジュール１１７とを有する。過電流が検出されたときに、制御装置１２によりパワーモジュール１１７がオン、パワーモジュール７がオフとされ、結果、転流された電流は、減流抵抗６を流れる。フィルタコンデンサ９の充電のときに、パワーモジュール７およびパワーモジュール１１７が制御装置１２によりオフとされ、充電電流が、減流抵抗６と充電抵抗５を経由する。

このような半導体減流器１１１０においても、第２の分岐路を流れる電流Ｉ_１の値を基に、パワーモジュール７の故障を検知することができる。

以上、実施例１～６で説明したように、抵抗体（減流抵抗６を含んだ１以上の抵抗）とパワーモジュール７の並列体からなる半導体減流器は、フィルタリアクトル８よりもパンタグラフ１側（架線側）に配置される。パンタグラフ１に近い位置に半導体減流器を配置することで、地絡等による事故電流の遮断可能範囲を広げることができる。言い換えれば、実施例１～６によれば、フィルタリアクトル８よりも電動機１１側で発生した事故電流の遮断が可能となり、駆動システムの高信頼化が可能となる。

また、実施例１～６においては、事故電流（過電流）を検出する第１の電流検出器２１は、半導体減流器よりもパンタグラフ１側に配置することが望ましい。フィルタリアクトル８よりも架線側に半導体減流器が配置され、さらに第１の電流検出器２１が半導体減流器よりも架線側に配置されることから、事故電流発生ポイントが半導体減流器よりもインバータ１０側で発生した場合は、その事故電流を検知することができる。また、半導体減流器による高速遮断が可能であるため、事故電流を高速に遮断できる。

このように、実施例１～６に係る駆動システムは、フィルタリアクトル８の小型軽量化と短絡電流の抑制との両立と、半導体減流器における半導体スイッチ素子が故障している場合にはその故障の検知とを実現することができる。そのため、１編成あたりの車両重量の軽量化が図れ、電気車の安定した省エネ運転に寄与できると共に、電流遮断器としての半導体減流器の信頼性と安全性に寄与することができる。

以上説明したように、実施例１～６によれば、半導体減流器の低損失化が可能となる。すなわち、フィルタリアクトル８を低インダクタンス化した電気車において、地絡発生時に増加する短絡電流を効果的に遮断可能となり、変電所に与える影響を小さい追加コストで抑えることができる。

以上、幾つかの実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に例示的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明が限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び置換のうちの少なくとも１つをすることが可能である。例えば、本発明は、リアクトル（例えば上述したフィルタリアクトル）、コンデンサ及び電力変換器（例えばインバータ）のうちの少なくとも１つを含むシステム（例えば電力制御システム）全般に適用することが期待できる。また、制御装置１２が、いずれの実施例の半導体減流器に含まれていてもよい。

２、３、４…断流器、５、６…抵抗器、７…パワーモジュール、８…フィルタリアクトル、９…フィルタコンデンサ、１０…インバータ、１２…半導体スイッチ制御装置、２１、２２…電流検出器、１１０、１０１０、１１１０…半導体減流器

Claims (17)

1. 架線からの直流電力を遮断する断流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記断流器と前記インバータとの間に介在し前記インバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサと、過電流検出用の電流検出器であり第１の電流値を検出する第１の電流検出器とを有する電気車用駆動システムにおいて、
   前記断流器と前記インバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列に接続され１以上の抵抗を含む抵抗部とを有する半導体減流器と、
   前記半導体スイッチ素子と前記抵抗部とのうちのいずれかを流れる電流を検出する第２の電流検出器と、
   過電流を検出した場合に前記半導体スイッチ素子をオフにすることで当該過電流を前記抵抗部における少なくとも１つの抵抗に転流し、転流され当該少なくとも１つの抵抗により減流された電流を、前記断流器をオフにすることで遮断するようになっており、第２の電流値に関して設けられた所定の条件が満たされているならば前記半導体スイッチ素子が故障していると検知する制御装置と
   を有し、
   前記第２の電流値は、前記第１の電流検出器及び前記第２の電流検出器のうちの少なくとも前記第２の電流検出器が検出した電流値又は当該電流値を基に得られる電流値であって、前記抵抗部を流れる電流の電流値である、
   ことを特徴とする電気車用駆動システム。
2. 前記制御装置は、前記半導体スイッチ素子が故障していることを検知した場合、主電流を遮断する断流器をオフにする
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
3. 前記制御装置は、前記フィルタコンデンサの充電中には前記半導体スイッチ素子をオフ状態とし、
   前記所定の条件は、前記フィルタコンデンサの充電中に、前記第１の電流値と前記第２の電流値との差が第１閾値を超えていることである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
4. 前記制御装置は、前記フィルタコンデンサの充電中には前記半導体スイッチ素子をオフ状態とし、
   前記所定の条件は、
   前記フィルタコンデンサの充電中に、前記第２の電流値が第２の閾値よりも低いことと、
   前記フィルタコンデンサの充電中に、架線電圧と前記フィルタコンデンサの電圧との差から想定される正常時の充電電流値と前記第２の電流値との差が第３の閾値よりも大きいこと
   とのうちの少なくとも１つである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
5. 前記制御装置は、前記インバータの動作中には前記半導体スイッチ素子をオン状態とし、
   前記所定の条件は、前記インバータの動作中に、前記第２の電流値が第４の閾値よりも高いことである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
6. 前記半導体減流器を前記フィルタリアクトルよりも前記架線側に有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
7. 前記フィルタコンデンサへの充電電流が流れる経路に設けられた第１の抵抗を更に有し、
   前記半導体減流器における前記抵抗部は、
   前記第１の抵抗と、
   前記転流された電流が流れる経路に設けられ前記第１の抵抗に並列に接続された第２の抵抗と
   を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
8. 前記フィルタコンデンサへの充電電流が流れる経路に設けられた第１の抵抗を、前記抵抗部の中又は外に有し、
   前記半導体減流器における前記抵抗部は、前記転流された電流が流れる経路に設けられ前記第１の抵抗に直列に接続された第２の抵抗を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気車用駆動システム。
9. 断流器とインバータとに直列に接続されたれた半導体スイッチ素子に並列に接続された１以上の抵抗を含む抵抗部を流れる電流の電流値を制御装置が取得するステップと、
   前記制御装置は、取得した前記電流値が、前記抵抗部を流れる電流値に関して設けられた所定の条件を満たしているならば、前記半導体スイッチ素子が故障していると検知するステップと
   を有することを特徴とする半導体減流器の故障検知方法。
10. 前記半導体スイッチ素子が故障していることを検知した場合、主電流を遮断する
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体減流器の故障検知方法。
11. 前記所定の条件は、前記半導体スイッチ素子がオフ状態であるコンデンサ充電中に、過電流検出用の電流検出器が検出する電流値と、前記抵抗部を流れる電流値との差が第１閾値を超えていることである
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体減流器の故障検知方法。
12. 前記所定の条件は、
    前記半導体スイッチ素子がオフ状態であるコンデンサ充電中に、前記抵抗部を流れる電流値が第２の閾値よりも低いことと、
    前記コンデンサ充電中に、想定される正常時の充電電流値と、前記抵抗部を流れる電流値との差が第３の閾値よりも大きいこと
    とのうちの少なくとも１つである
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体減流器の故障検知方法。
13. 前記所定の条件は、前記半導体スイッチ素子がオン状態である電力変換器動作中に、前記抵抗部を流れる電流値が第４の閾値よりも高いことである
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体減流器の故障検知方法。
14. 断流器とインバータとの間に直列に接続される半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列に接続され１以上の抵抗を含む抵抗部とを有する半導体減流器において、
    前記半導体スイッチ素子と前記抵抗部とのうちのいずれかを流れる電流の電流値を検出し、検出された前記電流値を制御装置に出力できる電流検出器を備え、
    前記制御装置は、前記抵抗部を流れる電流の電流値に関して設けられた所定の条件が満たされていれば前記半導体スイッチ素子が故障していると検知するようになっている、
    ことを特徴とする半導体減流器。
15. 前記半導体スイッチ素子と、回生電力を通流する方向に並列接続したダイオードとの並列体であるパワーモジュールを備え、
    コンデンサ充電中には前記パワーモジュールが前記半導体スイッチ素子のオフ指令を受信し、
    前記所定の条件は、前記コンデンサ充電中に、過電流を検出する別の電流検出器が検出した電流値と、前記抵抗部を流れる電流値との差が、第１閾値を超えていることである
    ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体減流器。
16. 前記半導体スイッチ素子と、回生電力を通流する方向に並列接続したダイオードとの並列体であるパワーモジュールを備え、
    コンデンサ充電中には前記パワーモジュールが前記半導体スイッチ素子のオフ指令を受信し、
    前記所定の条件は、
    前記コンデンサ充電中に、前記抵抗部を流れる電流値が第２の閾値よりも低いことと、
    前記コンデンサ充電中に、想定される正常時の充電電流値と前記抵抗部を流れる電流値との差が第３の閾値よりも大きいこと
    とのうちの少なくとも１つである
    ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体減流器。
17. 前記半導体スイッチ素子と、回生電力を通流する方向に並列接続したダイオードとの並列体であるパワーモジュールを備え、
    電力変換器動作中には前記パワーモジュールが前記半導体スイッチ素子のオン指令を受信し、
    前記所定の条件は、前記電力変換器動作中に、前記抵抗部を流れる電流値が第４の閾値よりも高いことである
    ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体減流器。

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