WO2013001646A1 - 車両用補助電源装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an auxiliary power supply device for a vehicle that supplies desired power to, for example, an air conditioner and a lighting device for a railway vehicle.
  • a blocking diode is inserted between the pantograph and a filter capacitor for smoothing the voltage applied from the overhead line via the pantograph, and a snubber circuit is provided in parallel with the blocking diode.
  • the structure provided is common (for example, refer to the following nonpatent literature 1).
  • the blocking diode cooling cooler and the blocking diode protection snubber circuit provided in association with the blocking diode inserted between the pantograph and the filter capacitor are: Despite the relatively small size of the blocking diode, it has been forced to increase its size. For this reason, there has been a great demand for downsizing of the cooler and the snubber circuit provided in association with the blocking diode while maintaining the function as the auxiliary power supply device for vehicles.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an auxiliary power supply device for a vehicle that can further reduce the size of a cooler and a snubber circuit provided in association with a blocking diode.
  • an auxiliary power supply for a vehicle is mounted on a railway vehicle, converts DC power or AC power input from an overhead line into desired AC power, and loads it.
  • An auxiliary power device for a vehicle that is connected in parallel with an inverter device that drives a propulsion motor, between the overhead wire and the inverter circuit, from the inverter circuit side.
  • a blocking diode for preventing backflow to the overhead line side is provided, and this blocking diode is a Schottky barrier diode formed of a wideband semiconductor.
  • the cooler and the snubber circuit provided in association with the blocking diode can be reduced in size.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an example of a main circuit configuration in a railway vehicle according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an operation state in a normal state in the circuit configuration illustrated in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an operation state when there is no blocking diode from the configuration of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing an operation state when there is a blocking diode contrary to FIG.
  • FIG. 5 is a schematic circuit diagram for explaining the recovery operation of the blocking diode in the prior art.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the recovery operation of the blocking diode in the prior art.
  • FIG. 7 is a simplified circuit diagram for explaining the recovery operation when the Si diode is used as a blocking diode.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an example of a main circuit configuration in a railway vehicle according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an operation state in a normal state in the circuit configuration illustrated in FIG.
  • FIG. 8 is a time chart showing a detailed operation state of the recovery operation when the Si diode is used as a blocking diode.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an operation when a ground fault occurs in the DC bus on the other device side connected in parallel to the SIV.
  • FIG. 10 is a time chart for explaining the operation when a ground fault as shown in FIG. 9 occurs.
  • FIG. 11 is a circuit diagram for explaining the effect of the snubber circuit.
  • FIG. 12 is a time chart for explaining the effect of the snubber circuit.
  • FIG. 13 is a simplified circuit diagram for explaining a recovery operation when a SiC Schottky barrier diode is used as a blocking diode.
  • FIG. 14 is a time chart showing a detailed operation state of the recovery operation when the SiC Schottky barrier diode is used as a blocking diode.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an example of a main circuit configuration in a railway vehicle according to an embodiment of the present application.
  • the main circuit in the railway vehicle has a configuration having two main circuits.
  • One of the main circuits is DC power (for example, DC750 (V), DC1500 (V), etc.) supplied from the overhead line 1 via the pantograph 2 installed on the roof of a railway vehicle (hereinafter simply referred to as “vehicle”).
  • DC power for example, DC750 (V), DC1500 (V), etc.
  • VVVF Variable Voltage Variable Frequency inverter device
  • load in-vehicle electrical equipment other than the propulsion motor 7
  • SIV vehicle auxiliary power supply
  • SIV5 is connected to both ends (DC side terminals) of a three-phase inverter circuit INV1 and a three-phase inverter circuit INV1 in which a plurality (three in the example of FIG. 1) of a pair of upper and lower arms (switching elements) connected in series are connected in parallel.
  • a filter capacitor FC1 connected in parallel and a transformer Tr connected to the AC terminal of the three-phase inverter circuit INV1 are configured, and the output of the transformer Tr is supplied to the load 10.
  • SIV5 is a switch SW1 for electrically disconnecting the overhead line 1 from the main circuit, and is connected in series to the switch SW1 and is connected to the filter capacitor FC1 and the filter reactor FL1, SIV5 side for smoothing the input voltage to the three-phase inverter circuit INV1.
  • the snubber circuit 9 has a snubber capacitor Cs, a snubber resistor Rs connected in series to the snubber capacitor Cs, and a discharge resistor Rc for discharging the electric charge of the snubber capacitor Cs, and includes a series circuit of the snubber capacitor Cs and the snubber resistor Rs, and Each of the discharge resistors Rc is connected in parallel to both ends of the blocking diode BD1.
  • VVVF4 is similar to SIV5, and is connected to both ends of a three-phase inverter circuit INV2 and a three-phase inverter circuit INV2 in which a plurality (three in the example of FIG. 1) of a pair of upper and lower arms (switching elements) connected in series are connected in parallel.
  • a filter capacitor FC2 connected in parallel to the (DC side terminal), a switch SW2 for electrically disconnecting the overhead line 1 and the three-phase inverter circuit INV2, and a three-phase inverter circuit together with the filter capacitor FC2 connected in series to the switch SW2.
  • the propulsion motor 7 is driven by supplying the output of the three-phase inverter circuit INV2 to the propulsion motor 7 and having a filter reactor FL2 that smoothes the input voltage to the INV2.
  • FIG. 1 an application example of a DC overhead wire to an electric vehicle is shown, but also in an AC overhead wire electric vehicle, an AC input is converted into DC power by a converter and accumulated in a smoothing capacitor.
  • the configuration and operation of a circuit portion that converts electric power to AC power again by a three-phase inverter circuit are the same or equivalent. For this reason, the same application is possible also to the electric vehicle of an AC overhead wire.
  • the filter reactors (FL1, FL2) are provided in each of the VVVF 4 and the SIV 5, but a configuration in which these filter reactors FL1, FL2 are shared is also possible.
  • FIG. 2 shows a normal operation state of the circuit shown in FIG. 1, in which the pantograph 2 comes into contact with the overhead wire 1 and a current flows from the overhead wire 1 to the SIV 5 via the pantograph 2, and the three-phase inverter circuit INV1 of the SIV 5 Electric power is supplied to the load 10 in the vehicle via. Similarly, current flows through the pantograph 2 to the VVVF 4, electric power is supplied to the propulsion motor 7, and the vehicle is controlled to be in an accelerated state.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an operation state when the blocking diode BD1 is not provided from the configuration of FIG.
  • the propulsion motor 7 when the overhead wire 1 and the pantograph 2 are separated from each other in the state of FIG. 2 (hereinafter referred to as “separated wire”), power is supplied to the propulsion motor 7 by discharging the charge accumulated in the filter capacitor FC2 of the VVVF4.
  • the power supply to the load 10 is supplied by releasing the electric charge stored in the filter capacitor FC1 of SIV5.
  • the power supply to the propulsion motor 7 is continued until the voltage V FC2 of the filter capacitor FC2 decreases to fall below the allowable operating range and power supply cannot be performed.
  • the electric charge of the filter capacitor FC1 of SIV5 is also supplied to the propulsion motor 7 which is the load of VVVF4.
  • the supply power of VVVF4 when the propulsion motor 7 is accelerating is the load supply power of SIV5. Therefore, the voltage V FC1 of the filter capacitor FC1 of SIV5 rapidly decreases in order to supply power to the VVVF4 side.
  • FIG. 4 is a diagram showing an operation state when the blocking diode BD1 is present.
  • the pantograph 2 is disconnected from the overhead line 1 in the state of FIG. 2, the discharge of electric charge from the filter capacitor FC1 to the VVVF4 side of the SIV5 is blocked by the blocking diode BD1, so the filter capacitor FC1 of the SIV5 In this case, the charge is discharged only on the load 10 side of the SIV5. Therefore, the SIV 5 does not need to consider the power supply to the VVVF 4 side, and the filter capacitor FC1 can be downsized.
  • the blocking diode BD1 is installed in the SIV5.
  • FIG. 5 is a schematic circuit diagram for explaining the recovery operation of the blocking diode BD1 in the prior art.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the recovery operation of the blocking diode BD1 in the prior art.
  • the blocking diode BD1 the differential voltage V r of the overhead wire voltage E S and the filter capacitor voltage V FC1 is applied as reverse voltage (see Figure 6 (b)).
  • a voltage in the reverse direction is applied to the blocking diode BD1 from the state in which a current flows in the forward direction.
  • the recovery current irr in which the current flows in the reverse direction flows through the blocking diode BD1 for a moment (see FIG. 6C).
  • FIG. 7 is a simplified circuit diagram for explaining a recovery operation when a Si diode is used as the blocking diode BD1.
  • FIG. 8 is a time chart showing a detailed operation state of the recovery operation when a Si diode is used as the blocking diode BD1.
  • the blocking diode BD1 must have a sufficiently high breakdown voltage so as not to be broken at a voltage of Vrr. It is necessary to select a diode having a higher breakdown voltage as the back electromotive voltage V S is higher. It is necessary to design so as not to break even in an external abnormal state such as the ground fault as described above. For this reason, in the circuit design of SIV5 having the blocking diode BD1, it is necessary to consider that the back electromotive voltage V S is as small as possible.
  • FIG. 11 is a circuit diagram for explaining the effect of the snubber circuit
  • FIG. 12 is a time chart for explaining the effect of the snubber circuit.
  • the waveform indicated by the thick solid line is the current (i SIV ) and voltage (V BD1 ) when no snubber circuit is provided.
  • the recovery current ir is shunted to the snubber capacitor side simultaneously with the reverse direction of the blocking diode BD1 (ills shown).
  • + di / dt (2) solid line waveform in FIG.
  • the counter electromotive voltage V S determined by the product of di / dt and the inductance component in the circuit is the counter electromotive voltage V S (2) with the snubber circuit and the counter electromotive voltage V S (3) without the snubber circuit.
  • the relationship V S (2) >> V S (3) can be generated between the two.
  • a snubber resistor Rs is provided in series with the snubber capacitor Cs. It is arranged so that resonance does not continue. Further, in order to discharge the electric charge of the snubber capacitor Cs after the snubber capacitor Cs is charged, the discharge resistor Rc is arranged in parallel with the series circuit of the snubber capacitor Cs and the snubber resistor Rs. In addition, when there is no discharge resistance Rc, the charge of the snubber capacitor Cs is blocked by the blocking diode BD1 and cannot be discharged.
  • the conventional SIV is configured as described above, and the conventional technique uses a silicon-based plain diode (planar diode), and thus has a large recovery current. For this reason, in order to make the withstand voltage of the blocking diode reasonable, it is necessary to connect a large snubber capacitor to suppress the surge voltage generated by the recovery current. In addition, the discharge resistance for discharging the charge stored in this type of snubber capacitor has also increased according to the capacity and size of the snubber capacitor.
  • a blocking diode having a very high breakdown voltage with respect to the overhead line voltage is required.
  • the diode is expensive.
  • the forward voltage also increases, and there is a problem that energization loss increases. Therefore, the use of a high-breakdown-voltage blocking diode leads to an increase in the cost of the diode, an increase in the size of the cooler, an increase in energization loss, and the advantage that the snubber circuit can be omitted at all.
  • a silicon (Si) -based Schottky barrier diode if used, the forward voltage is reduced and the conduction loss can be reduced.
  • Si silicon
  • the diode elements are parallelized and serialized. Is inevitable, resulting in an increase in the size and cost of the apparatus and an increase in loss.
  • a Schottky barrier diode based on silicon carbide (SiC) is applied to the SIV blocking diode.
  • SiC Schottky barrier diode has a forward voltage lower than that of the silicon planar diode, can reduce the conduction loss, and ideally no recovery current flows, so the snubber circuit can be made smaller or omitted. You can do it.
  • FIG. 13 is a simplified circuit diagram for explaining a recovery operation when an SiC Schottky barrier diode is used as a blocking diode.
  • FIG. 14 is a time chart showing a detailed operation state of the recovery operation when the SiC Schottky barrier diode is used as a blocking diode.
  • the overhead line voltage E S suddenly becomes 0 (V) due to a ground fault of the bus other than the SIV, ideally the overhead line voltage E S is applied to the blocking diode BD1. Because not applied voltages above the breakdown voltage of the blocking diode BD1 may be higher slightly relative to the overhead line voltage E S.
  • a SiC Schottky barrier diode is used as the blocking diode BD1
  • a snubber circuit composed of the snubber capacitor Cs, the snubber resistor Rs, and the discharge resistor Rc is ideally unnecessary.
  • a snubber circuit may be necessary depending on the circuit configuration and the characteristics of the SiC Schottky barrier diode. Even in such a case, the snubber circuit, that is, the snubber capacitor Cs and the snubber resistor may be used. The size and capacity of Rs can be reduced.
  • a blocking diode for preventing a backflow from the inverter circuit side to the overhead line side is provided between the overhead line and the inverter circuit, and SiC is provided in this blocking diode. Since the Schottky barrier diode is applied, an effect that the snubber circuit for protecting the blocking diode can be omitted or can be made as small as possible is obtained.
  • the blocking diode By using a SiC Schottky barrier diode as the blocking diode, it is possible to reduce the breakdown voltage of the blocking diode to a level where a general-purpose product can be selected.
  • the heat dissipating fins of the cooler can be made very small, greatly contributing to downsizing and cost reduction of the device. The effect that it can be obtained.
  • SiC is an example of a semiconductor referred to as a wide bandgap semiconductor, capturing the characteristic that the bandgap is larger than that of Si.
  • semiconductors formed using gallium nitride (GaN) -based materials or diamond (C) belong to wide band gap semiconductors, and their characteristics are often similar to SiC. Therefore, a configuration using a wide band gap semiconductor other than SiC also forms the gist of the present application.
  • the main circuit of the auxiliary power supply device is a three-phase circuit
  • the auxiliary power supply device that outputs single-phase alternating current or direct current has the same effect.
  • the auxiliary power supply for a vehicle according to the present invention is useful as an invention that can further reduce the size of a cooler and a snubber circuit provided in association with a blocking diode.

Abstract

　鉄道車両に搭載され、架線１から入力される直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給する３相インバータ回路ＩＮＶ１を備えると共に、推進モータ７を駆動するＶＶＶＦインバータ装置４と並列関係に接続される車両用補助電源装置５であって、架線１と３相インバータ回路ＩＮＶ１との間に３相インバータ回路ＩＮＶ１側から架線１側への逆流を防止するブロッキングダイオードＢＤ１を設け、このブロッキングダイオードＢＤ１にＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードを適用する。

Description

車両用補助電源装置
　本発明は、例えば鉄道車両の空調装置、照明装置等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では、パンタグラフと、このパンタグラフを介して架線から印加される電圧を平滑化するフィルタコンデンサとの間にブロッキングダイオードが挿入され、且つ、このブロッキングダイオードに並列にスナバ回路が設けられる構成が一般的となっている（例えば、下記非特許文献１参照）。
　鉄道車両には、定格電力の比較的大きな電気機器が数多く搭載されているため、上述したブロッキングダイオードには大きな電流が流れる。また、鉄道車両の運行中、ブロッキングダイオードには常に電流が流れ続ける。このため、ブロッキングダイオードの温度が許容値を超えないように、ブロッキングダイオードに冷却器（例えば冷却フィン）を設けることが通常であった。また、ブロッキングダイオードの大容量化により、ブロッキングダイオードに並列に接続されるスナバ回路も必然的に大型化にならざるを得なかった。
「第４３回　鉄道サイバネ・シンポジウム　論文集」、日本鉄道サイバネティクス協議会、２００６年１１月３０日発行、論文番号５１２、第３頁第５図
　上述のように、従来の車両用補助電源装置では、パンタグラフとフィルタコンデンサとの間に挿入されるブロッキングダイオードに付随して設けられるブロッキングダイオード冷却用の冷却器およびブロッキングダイオード保護用のスナバ回路は、ブロッキングダイオードのサイズが比較的小さいのにも関わらず、大型化せざるを得なかった。このため、車両用補助電源装置としての機能を維持しつつ、ブロッキングダイオードに付随して設けられる冷却器およびスナバ回路の小型化に対する要望が大きかった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ブロッキングダイオードに付随して設けられる冷却器およびスナバ回路をより小型化することができ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、本発明にかかる車両用補助電源装置は、鉄道車両に搭載され、架線から入力される直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給するインバータ回路を備えると共に、推進モータを駆動するインバータ装置と並列関係に接続される車両用補助電源装置であって、前記架線と前記インバータ回路との間には、当該インバータ回路側から前記架線側への逆流を防止するブロッキングダイオードが設けられており、このブロッキングダイオードがワイドバンド半導体によって形成されたショットキー・バリア・ダイオードであることを特徴とする。
　本発明に係る車両用補助電源装置によれば、ブロッキングダイオードに付随して設けられる冷却器およびスナバ回路を小型化することができるという効果を奏する。
図１は、実施の形態の鉄道車両における主回路構成の一例を簡略化して示す図である。 図２は、図１に示す回路構成における通常時の動作状態を示す図である。 図３は、図１の構成からブロッキングダイオードがない場合の動作状態を示す図である。 図４は、図３とは逆にブロッキングダイオードがある場合の動作状態を示す図である。 図５は、従来技術におけるブロッキングダイオードのリカバリ動作を説明するための模式的回路図である。 図６は、従来技術におけるブロッキングダイオードのリカバリ動作を説明するためのタイムチャートである。 図７は、Ｓｉダイオードをブロッキングダイオードとして用いたときのリカバリ動作を説明するための簡略回路図である。 図８は、Ｓｉダイオードをブロッキングダイオードとして用いたときのリカバリ動作の詳細な動作状態を示すタイムチャートである。 図９は、ＳＩＶに並列に接続されている他機器側の直流母線で地絡が発生した場合の動作を説明するための図である。 図１０は、図９に示すような地絡が発生した場合の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１１は、スナバ回路の効果を説明するための回路図である。 図１２は、スナバ回路の効果を説明するためのタイムチャートである。 図１３は、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードをブロッキングダイオードとして用いたときのリカバリ動作を説明するための簡略回路図である。 図１４は、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードをブロッキングダイオードとして用いたときのリカバリ動作の詳細な動作状態を示すタイムチャートである。
　以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかか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＞
　図１は、本願実施の形態の鉄道車両における主回路構成の一例を簡略化して示す図である。鉄道車両における主回路は、図１に示すように、２つの主回路を有する構成となる。主回路の一つは、鉄道車両（以下単に「車両」という）の屋根上に設置されたパンタグラフ２を介して架線１から供給される直流電力（例えばＤＣ７５０（Ｖ）、ＤＣ１５００（Ｖ）など）を取り込んで推進モータ７を制御するＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータ装置（以下単に「ＶＶＶＦ」と表記）４を成す回路であり、主回路のもう一つは、ＶＶＶＦ４と並列関係に接続され、このＶＶＶＦ４と同様に架線１からの直流電力を取り込んで車両内の照明、エアコン装置、コンプレッサ、ブレーキ装置、列車情報処理装置など、推進モータ７以外の車両内電気機器（以下「負荷」と表記）１０に所望の電力を供給する車両用補助電源装置（Static InVeter:ＳＩＶ）５を成す回路である。
　ＳＩＶ５は、直列接続された上下一対のアーム（スイッチング素子）を複数個（図１の例では３個）並列に接続した３相インバータ回路ＩＮＶ１、３相インバータ回路ＩＮＶ１の両端（直流側端子）に並列に接続されるフィルタコンデンサＦＣ１および、３相インバータ回路ＩＮＶ１の交流端子に接続されるトランスＴｒを有して構成され、トランスＴｒの出力が負荷１０に供給される。
　また、ＳＩＶ５は、架線１と主回路とを電気的に切り離すためのスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ１に直列に接続されフィルタコンデンサＦＣ１と共に３相インバータ回路ＩＮＶ１への入力電圧を平滑するフィルタリアクトルＦＬ１、ＳＩＶ５側からＶＶＶＦ４側に電流が逆流することを防止するためのブロッキングダイオードＢＤ１および、ブロッキングダイオードＢＤ１の保護回路となるスナバ回路９を有する。スナバ回路９は、スナバコンデンサＣｓ、スナバコンデンサＣｓに直列に接続されるスナバ抵抗ＲｓおよびスナバコンデンサＣｓの電荷を放電するための放電抵抗Ｒｃを有し、スナバコンデンサＣｓおよびスナバ抵抗Ｒｓの直列回路ならびに放電抵抗ＲｃのそれぞれがブロッキングダイオードＢＤ１の両端に並列に接続される。
　一方、ＶＶＶＦ４は、ＳＩＶ５と同様に直列接続された上下一対のアーム（スイッチング素子）を複数個（図１の例では３個）並列に接続した３相インバータ回路ＩＮＶ２、３相インバータ回路ＩＮＶ２の両端（直流側端子）に並列に接続されるフィルタコンデンサＦＣ２、架線１と３相インバータ回路ＩＮＶ２とを電気的に切り離すためのスイッチＳＷ２および、スイッチＳＷ２に直列に接続されフィルタコンデンサＦＣ２と共に３相インバータ回路ＩＮＶ２への入力電圧を平滑するフィルタリアクトルＦＬ２を有して構成され、３相インバータ回路ＩＮＶ２の出力を推進モータ７に供給することで推進モータ７を駆動する。
　なお、図１の例では、直流架線の電気車に対する適用例を示したが、交流架線の電気車においても、交流入力をコンバータにて直流電力に変換して平滑コンデンサに蓄積し、蓄積した直流電力を３相インバータ回路にて再度交流電力に変換する回路部分の構成および動作は同一もしくは同等である。このため、交流架線の電気車に対しても同様な適用が可能である。
　また、図１の構成では、ＶＶＶＦ４およびＳＩＶ５のそれぞれにフィルタリアクトル（ＦＬ１，ＦＬ２）を設ける構成であるが、これらフィルタリアクトルＦＬ１，ＦＬ２を共用する構成も可能である。
（ブロッキングダイオードの役割）
　つぎに、ブロッキングダイオードの役割について、図２～図４の図面を参照して説明する。
　図２は、図１に示す回路の通常時の動作状態を示しており、パンタグラフ２が架線１に接触し、架線１からパンタグラフ２を介してＳＩＶ５に電流が流れ、ＳＩＶ５の３相インバータ回路ＩＮＶ１を経由して車両内にある負荷１０に電力が供給される。同様に、パンタグラフ２を介してＶＶＶＦ４に電流が流れ、推進モータ７に電力が供給され、車両は加速状態に制御される。
　図３は、図１の構成からブロッキングダイオードＢＤ１がない場合の動作状態を示す図である。例えば、図２の状態において、架線１とパンタグラフ２が離れた（以下「離線」という）場合、推進モータ７への電力供給はＶＶＶＦ４のフィルタコンデンサＦＣ２に蓄積された電荷を放出することにより行われ、負荷１０への電力供給は、ＳＩＶ５のフィルタコンデンサＦＣ１に蓄えられた電荷を放出することによって供給される。推進モータ７への電力供給は、フィルタコンデンサＦＣ２の電圧ＶFC2が低下して動作許容範囲を下回り、電力供給ができなくなるまで継続する。このとき、ＳＩＶ５のフィルタコンデンサＦＣ１の電荷もＶＶＶＦ４の負荷である推進モータ７に供給され、かつ、一般的には推進モータ７が加速しているときのＶＶＶＦ４の供給電力は、ＳＩＶ５の負荷供給電力よりも大きいため、ＶＶＶＦ４側に電力供給をするためＳＩＶ５のフィルタコンデンサＦＣ１の電圧ＶFC1が急速に低下する。
　その一方で、ＳＩＶ５としては、離線が発生しても運転を継続して、負荷１０に対する電力供給を継続しなければならない。離線の期間、ＳＩＶ５が運転を継続するためには、ＶＶＶＦ４側に供給する電力量を見越して大きな容量のフィルタコンデンサＦＣ１を用意しておく必要がある。
　一方、図４は、ブロッキングダイオードＢＤ１がある場合の動作状態を示す図である。例えば、図２の状態において、パンタグラフ２が架線１から離線した場合、ＳＩＶ５のフィルタコンデンサＦＣ１からＶＶＶＦ４側への電荷放出は、ブロッキングダイオードＢＤ１によって阻止されるため、ＳＩＶ５のフィルタコンデンサＦＣ１は、離線期間においては、ＳＩＶ５の負荷１０側のみに限定して電荷を放出することになる。したがって、ＳＩＶ５は、ＶＶＶＦ４側への電力供給を考慮する必要はなく、フィルタコンデンサＦＣ１を小型化することが可能となる。こういった理由で、ＳＩＶ５には、ブロッキングダイオードＢＤ１が設置される。
（従来技術におけるブロッキングダイオードのリカバリ動作）
　図５は、従来技術におけるブロッキングダイオードＢＤ１のリカバリ動作を説明するための模式的回路図である。また、図６は、従来技術におけるブロッキングダイオードＢＤ１のリカバリ動作を説明するためのタイムチャートである。これらの図は、パンタグラフ２を介して架線１からＳＩＶ５の３相インバータ回路ＩＮＶ１に直流電力が供給され、かつ、３相インバータ回路ＩＮＶ１から負荷１０に電力が供給されている状態において、例えば架線電圧ＥSが数百Ｖ程度急降下した場合の動作を示している。
　図５に示すように、架線１からパンタグラフ２を介し、フィルタリアクトルＦＬ１→ブロッキングダイオードＢＤ１→３相インバータ回路ＩＮＶ１→負荷１０という経路で電流ｉSIVが流れている状態において、架線電圧ＥSの急変によって架線電圧ＥSが急激に低下した場合（「Ｐｅｒｉｏｄ－Ａ」から「Ｐｅｒｉｏｄ－Ｂ」への移行時）、一瞬の期間において、架線電圧ＥSがフィルタコンデンサＦＣ１に充電されているフィルタコンデンサ電圧ＶFC1よりも低くなる（図６（ａ）参照）。このため、架線急変時において、ブロッキングダイオードＢＤ１には、架線電圧ＥSとフィルタコンデンサ電圧ＶFC1との差分電圧Ｖrが逆方向電圧として印加される（図６（ｂ）参照）。このとき、ブロッキングダイオードＢＤ１には、順方向に電流が流れていた状態から逆方向の電圧が印加される。このため、ブロッキングダイオードＢＤ１には、一瞬の期間、電流が逆方向に流れるリカバリ電流ｉrrが流れる（図６（ｃ）参照）。このリカバリ電流ｉrrが消滅するときの電流変化率ｄｉ／ｄｔと、回路の持つインダクタンス（つまりフィルタリアクトルＦＬ１のインダクタンス成分と回路の浮遊インダクタンス成分との和）との積により発生するサージ電圧ΔＶSが上記Ｖrに重畳され、結局のところ、ΔＶS＋Ｖr＝Ｖrrの電圧がブロッキングダイオードＢＤ１の逆方向に印加されることになる（図６（ｂ）参照）。
（ブロッキングダイオードにＳｉダイオードを用いたときのリカバリ動作）
　図７は、ブロッキングダイオードＢＤ１にＳｉダイオードを用いたときのリカバリ動作を説明するための簡略回路図である。また、図８は、ブロッキングダイオードＢＤ１にＳｉダイオードを用いたときのリカバリ動作の詳細な動作状態を示すタイムチャートである。
　まず、Ｐｅｒｉｏｄ－(1)において、架線１からフィルタリアクトルＦＬ１を介してブロッキングダイオードＢＤ１に順方向に電流ｉSIVが流れている状態から、架線１が急変し架線電圧ＥSが急激に低下した場合、架線電圧ＥS＜フィルタコンデンサ電圧ＶFC1となり、ブロッキングダイオードＢＤ１の順方向に流れていた電流ｉSIVは、Ｐｅｒｉｏｄ－(2)の期間減少する。また、このとき、この電流ｉSIVは、フィルタコンデンサ電圧ＶFC1と架線電圧ＥSとの差電圧の大きさと電流経路に存在するインダクタンス成分との関係で決まる－ｄｉ／ｄｔ(1)の傾きで減少し、０（Ａ）を下回った後は、リカバリ電流ｉrrとして、同じ－ｄｉ／ｄｔ(1)の傾きでマイナス方向へ増加して行く（ｄｉ／ｄｔ＝（フィルタコンデンサ電圧ＶFC1―架線電圧ＥS）／（フィルタリアクトルＦＬ１のインダクタンス成分＋浮遊インダクタンスＰＬ１のインダクタンス成分）＝（ＶFC1―ΔＥS）／（Ｌ１＋Ｌ２））。
　リカバリ電流ｉrrがピーク（負のピーク）となった後は減少に転じ、＋ｄｉ／ｄｔ(2)の傾きを持って０（Ａ）になる（Ｐｅｒｉｏｄ－(3)）。このとき、この＋ｄｉ／ｄｔ(2)と回路中のインダクタンス成分との積によって、逆起電圧ＶS＝＋（ｄｉ／ｄｔ(2)）×（Ｌ１＋Ｌ２）が発生する。一方、架線電圧ＥSの急変後、フィルタコンデンサ電圧ＶFC1は、Ｐｅｒｉｏｄ－(2)の期間で放出した電荷によってその値が若干減少する。このときのフィルタコンデンサ電圧ＶFC1と架線電圧ＥSとの差をΔＥS’とすると、ブロッキングダイオードＢＤ１の逆方向に印加される電圧Ｖrrは、Ｖrr＝ΔＥS’＋ＶSとなる。
（ＳＩＶ５以外の機器が地絡した場合の回路動作）
　例えば、図９に示すように、ＳＩＶ５に並列に接続されているＳＩＶ５以外の他機器（例えばＶＶＶＦ４など）１１側で直流母線が地絡したような場合、架線電圧ＥSは急激に０（Ｖ）まで低下する。このとき、上記図７および図８で説明したように、ブロッキングダイオードＢＤ１のリカバリ動作現象によって、ブロッキングダイオードＢＤ１の逆方向印加電圧Ｖrrは図１０に示すように、Ｖrr＝ＥS＋ＶSとなる。
　ここで、ブロッキングダイオードＢＤ１は、Ｖrrの電圧では壊れないように充分に高い耐圧を有していなければならず、逆起電圧ＶSが高いほど高耐圧のダイオードを選定する必要があると共に、無論、上記のような地絡などの外部異常状態においても壊れないように設計する必要がある。このため、ブロッキングダイオードＢＤ１を有するＳＩＶ５の回路設計においては、逆起電圧ＶSが可能な限り小さくなるように考慮しなければならない。
（従来技術におけるスナバ回路の動作）
　上記のとおり、逆起電圧ＶSを小さくすることがブロッキングダイオードＢＤ１の選定に大きく影響する。一方、逆起電圧ＶSを小さくするためには、リカバリ後の電流変化率である（＋ｄｉ／ｄｔ(2)）を可能な限り小さくすることによって達成できる。
　図１１は、スナバ回路の効果を説明するための回路図であり、図１２は、スナバ回路の効果を説明するためのタイムチャートである。図１２において、太実線で示す波形は、スナバ回路を設けないときの電流（ｉSIV）および電圧（ＶBD1）である。図１１に示すように、スナバコンデンサＣｓをブロッキングダイオードＢＤ１に並列に接続することにより、リカバリ時の電流ｉrは、ブロッキングダイオードＢＤ１の逆方向と同時にスナバコンデンサ側にも分流する（図示のｉrs）。この作用により、ブロッキングダイオードＢＤ１のダイオード特性により決定されるリカバリ時の＋ｄｉ／ｄｔ(2)（図１２の実線部波形）が、スナバコンデンサＣｓと回路のインダクタンス成分（フィルタリアクトルＦＬ１のインダクタンス成分Ｌ１＋浮遊インダクタンスＰＬ１のインダクタンス成分Ｌ２）との共振により決まる＋ｄｉ／ｄｔ(3)（図１２の破線部波形）になる。このとき、ブロッキングダイオードＢＤ１のリカバリ特性を決める電荷量に対して充分に大きな容量のスナバコンデンサＣｓを選定することにより、この＋ｄｉ／ｄｔ(3)の値を、＋ｄｉ／ｄｔ(2)の値よりも極めて小さくすることができる（ｄｉ／ｄｔ(2)＞＞ｄｉ／ｄｔ(3)）。その結果、ｄｉ／ｄｔと回路中のインダクタンス成分との積によって決まる逆起電圧ＶSは、スナバ回路有りの逆起電圧ＶS(2)と、スナバ回路無しの逆起電圧ＶS(3)との間にＶS(2)＞＞ＶS(3)の関係を生じさせることができる。このように、スナバコンデンサＣｓを設けることにより、逆起電圧ＶSを小さくすることができ、ブロッキングダイオードＢＤ１の耐圧も、理にかなったリーズナブルな耐圧品を選定することができるようになる。
　なお、本実施の形態のスナバ回路では、スナバコンデンサＣｓだけでは、フィルタリアクトルＦＬ１との共振が持続するため、図１、図１１などに示すように、スナバコンデンサＣｓに対し直列にスナバ抵抗Ｒｓを配置し、共振が継続しないようにしている。また、スナバコンデンサＣｓが充電した後にスナバコンデンサＣｓの電荷を放電させるため、スナバコンデンサＣｓとスナバ抵抗Ｒｓとの直列回路に対し並列に放電抵抗Ｒｃを配置している。なお、放電抵抗Ｒｃがない場合、スナバコンデンサＣｓの充電電荷は、ブロッキングダイオードＢＤ１に阻止され放電することができない。
（従来技術の課題）
　従来のＳＩＶは、上記のように構成され、また、従来技術では、シリコン系のプレーンダイオード（プレーナ型ダイオード）を用いていたため、リカバリ電流が大きかった。このため、ブロッキングダイオードの耐圧をリーズナブルにするには、大きなスナバコンデンサを接続して、リカバリ電流によって発生するサージ電圧を抑制する必要があった。また、この種のスナバコンデンサに蓄積された充電電荷を放出するための放電抵抗も、スナバコンデンサの容量やサイズに応じて大きくなっていた。
　また、ＳＩＶでは、通常動作時において、ブロッキングダイオードには常時順方向電流が流れており、通電損失が常時発生する。このため、ブロッキングダイオードは、ＳＩＶの効率を低下させる要因となっていた。さらに、ＳＩＶでは、スナバ回路に加えブロッキングダイオードを冷却する冷却器が必要となり、装置の大型化や高コスト化の要因となっていた。
　その一方で、スナバ回路を小さくしたり、省略したりするには、架線電圧に対して、非常に高い耐圧を有するブロッキングダイオードが必要となるが、この場合、ダイオードが高額化するという欠点がある。また、この種のダイオードを用いる場合、順方向電圧も増大するため、通電損失が大きくなるという問題がある。したがって、高耐圧のブロッキングダイオードを使用することは、ダイオードの高額化、冷却器の大型化、通電損失の増大などを招来し、スナバ回路を省略できるという利点は全く生きて来ない。
　また、珪素（シリコン：Ｓｉ）系のショットキー・バリア・ダイオードを使えば順方向電圧が小さくなり、通電損失を減らすことができる。しかしながら、シリコン系のショットキー・バリア・ダイオードでは、耐圧が高くできないため、鉄道車両用のアプリケーションとして、７５０Ｖ架線や１５００Ｖ架線などの高耐圧用途に適用するには、ダイオード素子の並列化および直列化が必須であり、装置の大型化、高価格化を招き、損失も増大するという弊害が生じてくる。
（本願実施の形態の要旨およびその技術説明）
　上述した種々の問題点および制約を解決するため、本願実施の形態では、ＳＩＶのブロッキングダイオードに炭化珪素（シリコン・カーバイド：ＳｉＣ）を基材とするショットキー・バリア・ダイオードを適用した。ここで、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードは、順方向電圧がシリコンプレーナダイオードよりも低く、通電損失を小さくできると共に、理想的にはリカバリ電流が流れないため、スナバ回路を小さくしたり、また省略したりすることができる。
　図１３は、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードをブロッキングダイオードとして用いたときのリカバリ動作を説明するための簡略回路図である。また、図１４は、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードをブロッキングダイオードとして用いたときのリカバリ動作の詳細な動作状態を示すタイムチャートである。
　まず、図１４に示すように、架線１からパンタグラフ２を介しブロッキングダイオードＢＤ１に順方向電流が流れているＰｅｒｉｏｄ－(1)から、架線急変などにより架線電圧ＥSが急激に低下したＰｅｒｉｏｄ－(2)までの動作については、従来技術の項で説明した内容と同一である。一方、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードを用いた場合、Ｐｅｒｉｏｄ－(2)の終期でＳＩＶの電流が０（Ａ）になった後にリカバリ電流が流れないため（図１３参照）、ブロッキングダイオードＢＤ１に印加される逆方向印加電圧Ｖrrは、架線電圧ＥSとＰｅｒｉｏｄ－(2)後のフィルタコンデンサ電圧ＶFC1との差電圧、つまり、逆方向印加電圧Ｖrrは、Ｖrr≒Ｖr＝ＥS－ＶFC1のみとなる。
　より具体的に、例えば、ＳＩＶ以外の他機器による母線地絡などで、架線電圧ＥSが急激に０（Ｖ）になったとしても、理想的にはブロッキングダイオードＢＤ１には、架線電圧ＥS以上の電圧は加わらないため、ブロッキングダイオードＢＤ１の耐圧は架線電圧ＥSに対して少しだけ高ければよい。
　したがって、ブロッキングダイオードＢＤ１にＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードを用いれば、理想的にはスナバコンデンサＣｓ、スナバ抵抗Ｒｓおよび放電抵抗Ｒｃからなるスナバ回路は不要となる。なお、回路上の浮遊キャパシタンスなどの影響により、若干のサージ電圧が発生する場合がある。このため、回路構成や、ＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードの特性如何によっては、スナバ回路が必要となるケースも出て来るが、このような場合でも、スナバ回路、即ち、スナバコンデンサＣｓおよびスナバ抵抗Ｒｓのサイズ、容量などを小さくすることができる。
（本願実施の形態による効果）
　上述したように、本実施の形態の車両用補助電源装置によれば、架線とインバータ回路との間にインバータ回路側から架線側への逆流を防止するブロッキングダイオードを設けると共に、このブロッキングダイオードにＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードを適用したので、ブロッキングダイオードを保護するスナバ回路を省略することができ、もしくは限りなく小さくすることができるという効果が得られる。
　また、ブロッキングダイオードをＳｉＣショットキー・バリア・ダイオードとすることにより、ブロッキングダイオードの耐圧を汎用品を選定できるレベルまで引き下げることができるという効果が得られる。
　また、ＳｉＣの順方向電圧はシリコンより低くかつ許容動作温度もシリコンにくらべ格段に高くなるため、冷却器の放熱フィンも非常に小さくすることができ、装置の小型化、低コスト化に大きく貢献できるという効果が得られる。
　なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、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る。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料または、ダイヤモンド（Ｃ）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しており、それらの特性もＳｉＣに類似した点が多い。したがって、ＳｉＣ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、本願の要旨を成すものである。
　また、上記では、補助電源装置の主回路が３相回路である場合を一例として説明したが、単相交流や直流を出力する補助電源装置に対しても同様の効果があることは言うまでもない。
　以上のように、本発明に係る車両用補助電源装置は、ブロッキングダイオードに付随して設けられる冷却器およびスナバ回路をより小型化することができる発明として有用である。
　１　架線
　２　パンタグラフ
　４　ＶＶＶＦインバータ装置（ＶＶＶＦ）
　５　車両用補助電源装置（ＳＩＶ）
　７　推進モータ
　９　スナバ回路
　１０　負荷
　１１　他機器
　ＢＤ１　ブロッキングダイオード
　ＦＣ１，ＦＣ２　フィルタコンデンサ
　ＦＬ１，ＦＬ２　フィルタリアクトル
　ＩＮＶ１，ＩＮＶ２　３相インバータ回路
　ＰＬ１　浮遊インダクタンス
　Ｃｓ　スナバコンデンサ
　Ｒｃ　放電抵抗
　Ｒｓ　スナバ抵抗
　ＳＷ１,ＳＷ２　スイッチ
　Ｔｒ　トランス

Claims (4)

  1. 　鉄道車両に搭載され、架線から入力される直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給するインバータ回路を備えると共に、推進モータを駆動するインバータ装置と並列関係に接続される車両用補助電源装置であって、
    　前記架線と前記インバータ回路との間には、当該インバータ回路側から前記架線側への逆流を防止するブロッキングダイオードが設けられており、
    　このブロッキングダイオードがワイドバンド半導体によって形成されたショットキー・バリア・ダイオードであることを特徴とする車両用補助電源装置。
  2. 　鉄道車両に搭載され、架線から入力される直流電力または交流電力を所望の交流電力に変換して負荷に供給するインバータ回路を備えた車両用補助電源装置であって、
    　前記架線と前記インバータ回路との間には、当該インバータ回路側から当該架線側への逆流を防止するブロッキングダイオードが設けられており、
    　このブロッキングダイオードがワイドバンド半導体によって形成されたショットキー・バリア・ダイオードであることを特徴とする車両用補助電源装置。
  3. 　前記ブロッキングダイオードには、並列にスナバ回路が設けられてい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。
  4. 　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。
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