(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車に搭載され、入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する共振インバータ回路と、この共振インバータ回路を制御する制御部とを有する車両用補助電源装置において、
前記共振インバータ回路の出力側には電流検出器が設けられており、
前記制御部は、
前記共振インバータ回路に流れる電流の共振時間を管理する共振時間管理部と、
前記電流検出器の検出電流に基づいて前記共振インバータ回路に流れる過電流を検知すると共に、当該過電流を検知した場合に前記電流検出器の検出電流および前記共振時間管理部が管理する共振時間に基づいて前記共振インバータ回路に具備されるスイッチング素子に流れる電流が最初に零になる時間の経過後に前記スイッチング素子をオフにするゲートオフ指令を生成するゲートオフ指令生成部と、
前記ゲートオフ指令が入力された場合に前記スイッチング素子をオフに制御するゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
を備えたことを特徴とする車両用補助電源装置。
【請求項２】
電気車に搭載され、入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する共振インバータ回路と、この共振インバータ回路を制御する制御部とを有する車両用補助電源装置において、
前記共振インバータ回路の出力側には電流検出器が設けられており、
前記制御部は、前記電流検出器の検出電流に基づいて前記共振インバータ回路に流れる過電流を検知した場合、前記共振インバータ回路に具備されるスイッチング素子に流れる電流が最初に零になる時間の経過後に前記スイッチング素子をオフにするゲートオフ指令を出力することを特徴とする車両用補助電源装置。
【請求項３】
電気車に搭載され、入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する共振インバータ回路を有する車両用補助電源装置の過電流保護方法において、
前記共振インバータ回路に流れる電流が過電流であるか否かを判定する第１の判定ステップと、
前記第１の判定ステップにて過電流が検知された場合、過電流検知後の経過時間が共振時間に達しているか否かを判定する第２の判定ステップと、
前記第２の判定ステップにて前記経過時間が前記共振時間に達している場合、前記共振インバータ回路に具備されるスイッチング素子をオフにするためのゲートオフ指令を生成するゲートオフ指令生成ステップと、
を含むことを特徴とする車両用補助電源装置の過電流保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車に搭載される車両用補助電源装置に係り、詳細には、共振インバータ回路を具備する車両用補助電源装置および、その過電流保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車には定格電力の比較的大きな電気機器（負荷）が数多く搭載されている。このため、車両用補助電源装置内に具備される共振インバータ回路では、過電流に対する保護機能が必須の構成となる。【０００３】
共振インバータ回路における従来の過電流保護は、過電流を検出したならばスイッチング素子（以下「ＳＷ素子」と表記）を瞬時にターンオフするという考え方が一般的であった。【０００４】
なお、車両用補助電源装置に係る技術ではなく、また、共振インバータ回路に係る技術でもないが、下記特許文献１の発明（発明名称：共振コンバータにおける電流検出方式）では、過電流を検出すると、ＳＷ素子のオン時間を短くし、ＳＷ素子に流れる電流を制限することでＳＷ素子が壊れること（以下「素子破壊」と称する）を防止する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７２０５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、従来技術による過電流保護では、過電流を検出したならばＳＷ素子を瞬時にターンオフ制御するか、もしくは、ＳＷ素子のオン時間を短くしてＳＷ素子に流れる電流を制限して素子破壊を防ぐようにしていた。このため、共振周波数を一定とするためにＳＷ素子のオン時間を固定する制御を行う共振インバータ回路では、当該回路に具備されるＳＷ素子として、過電流保護時の遮断電圧および遮断電流に耐え得る高スペックのものを選定する必要があった。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過電流保護時の遮断電圧および遮断電流に耐え得る高スペックのものを使用せずに共振インバータ回路を構成できる車両用補助電源装置および、その過電流保護方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する共振インバータ回路と、この共振インバータ回路を制御する制御部とを有する車両用補助電源装置において、前記共振インバータ回路の出力側には電流検出器が設けられており、前記制御部は、前記共振インバータ回路に流れる電流の共振時間を管理する共振時間管理部と、前記電流検出器の検出電流に基づいて前記共振インバータ回路に流れる過電流を検知すると共に、当該過電流を検知した場合に前記電流検出器の検出電流および前記共振時間管理部が管理する共振時間に基づいて前記共振インバータ回路に具備されるスイッチング素子に流れる電流が最初に零になる時間の経過後に前記スイッチング素子をオフにするゲートオフ指令を生成するゲートオフ指令生成部と、前記ゲートオフ指令が入力された場合に前記スイッチング素子をオフに制御するゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、車両用補助電源装置に具備される共振インバータ回路として、過電流保護時の遮断電圧および遮断電流に耐え得る高スペックのものを使用せずに構成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る車両用補助電源装置に適用される共振インバータ回路および共振インバータ回路を制御する制御部の構成例を示す図である。
【図２】図２は、交流架線に接続される車両用補助電源装置の構成例を示す図である。
【図３】図３は、直流架線に接続される車両用補助電源装置の構成例を示す図である。
【図４】図４は、スイッチング素子ＨＧＵ１がオンのときに流れる共振電流を示す図である。
【図５】図５は、スイッチング素子ＨＧＶ２がオンのときに流れる共振電流を示す図である。
【図６】図６は、過電流を検知したときの従来技術に係る保護動作を説明する図である。
【図７】図７は、過電流を検知したときの本実施の形態に係る保護動作を説明する図である。
【図８】図８は、ゲートオフ指令生成部の動作を説明するフローチャートである。
【図９】図９は、制御部の動作を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る車両用補助電源装置に適用される共振インバータ回路１および共振インバータ回路１を制御する制御部１０の構成例を示す図である。図１に示す共振インバータ回路１は、直流（ＤＣ）入力に対し、フィルタコンデンサＦＣ１の後段に直列接続された共振コンデンサＣＲ１１，ＣＲ１２が設けられ、さらにその後段に直列接続されたスイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２が設けられる構成である。スイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２としては、図示のように、ＩＧＢＴとダイオードとが逆並列に接続されたものが一般的である。なお、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴなどが用いられる場合もある。
【００１３】
共振コンデンサＣＲ１１，ＣＲ１２による直列回路およびスイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２による直列回路は、共にフィルタコンデンサＦＣ１に対して並列に接続される。また、スイッチング素子ＨＧＵ１とスイッチング素子ＨＧＶ２との接続端Ａと、共振コンデンサＣＲ１１と共振コンデンサＣＲ１２の接続端Ｂは、共に共振インバータ回路１の交流端を成してトランスＴＲ１に接続される。さらに、共振インバータ回路１とトランスＴＲ１との間には、共振インバータ回路１の出力電流を検出するための電流検出器ＣＴ１が設けられている。
【００１４】
つぎに、制御部１０について説明する。制御部１０は、電流検出器ＣＴ１が検出した電流に基づいて共振インバータ回路１の動作を制御する構成部であり、Ａ／Ｄ変換部１１、ゲートオフ指令生成部１２、共振時間管理部１３および、ゲート信号生成部１４を備えて構成される。
【００１５】
Ａ／Ｄ変換部１１は、電流検出器ＣＴ１が検出したアナログ電流値２１をディジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換部１１が変換したディジタル値は、検出電流２２としてゲートオフ指令生成部１２に入力される。
【００１６】
共振時間管理部１３は、共振インバータ回路１に流れる電流の共振時間（共振周波数）を管理する構成部であり、本実施の形態の例では、共振時間管理信号２３を生成する。共振時間管理部１３が生成した共振時間管理信号２３は、ゲートオフ指令生成部１２およびゲート信号生成部１４の双方に入力される。
【００１７】
ゲートオフ指令生成部１２は、過電流に対する保護機能（保護ロジック）を具備する構成部であり、検出電流２２および共振時間管理信号２３に基づき、この過電流保護機能を具現するためのゲートオフ指令２４を生成する。ゲートオフ指令生成部１２が生成したゲートオフ指令２４は、ゲート信号生成部１４に入力される。
【００１８】
ゲート信号生成部１４は、スイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２を制御するためのゲート信号２５を生成する構成部である。このゲート信号２５は、過電流保護機能が動作していないときは共振時間管理信号２３に基づいて生成され、電流保護機能が動作しているときは共振時間管理信号２３およびゲートオフ指令２４に基づいて生成される。
【００１９】
つぎに、共振インバータ回路１を具備する車両用補助電源装置の構成について説明する。図２は、交流架線に接続される車両用補助電源装置の構成例を示す図である。この車両用補助電源装置は、交流架線３０Ａの交流電力を集電装置３１Ａを介して受電し、空調装置、照明装置、ドア開閉装置などの負荷６３Ａに所望の交流電力を供給する電源装置である。図２は、架線電圧が比較的高い場合の構成例であり、２つのトランス４１Ａ，５２Ａと２つの単相コンバータ４２Ａ，６１Ａにて電圧を段階的に降圧する構成である。
【００２０】
なお、図２において、トランス４１Ａおよび単相コンバータ４２Ａを備えた入力回路４０Ａが、図１のＤＣ入力に対応し、単相コンバータ６１Ａ、三相インバータ６２Ａおよび負荷６３Ａを備えた負荷回路６０Ａが、図１の負荷回路６に対応し、トランス５２ＡがトランスＴＲ１に対応し、単相インバータ５０Ａが上述した共振インバータ回路１に対応する。
【００２１】
また、図３は、直流架線に接続される車両用補助電源装置の構成例を示す図である。この車両用補助電源装置は、直流架線３０Ｂの直流電力を集電装置３１Ｂを介して受電し、空調装置、照明装置、ドア開閉装置などの負荷６３Ｂに所望の交流電力を供給する電源装置である。なお、図１との対応について説明すると、図２において、直流架線３０Ｂから受電する直流電力が図１のＤＣ入力に対応し、単相コンバータ６１Ｂ、三相インバータ６２Ｂおよび負荷６３Ｂを備えた負荷回路６０Ｂが、図１の負荷回路６に対応し、トランス５２ＢがトランスＴＲ１に対応し、単相インバータ５０Ｂが上述した共振インバータ回路１に対応する。
【００２２】
つぎに、共振インバータ回路１の動作について説明する。共振インバータ回路１では、共振コンデンサＣＲ１１，ＣＲ１２のうちの何れかと、トランスＴＲ１の漏れインダクタンスおよび共振インバータ回路１の電流経路に存在するインダクタンス（回路インダクタンス）とによる直列共振（電流共振）によって共振電流が流れる。一方、スイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２に対するオン／オフの切替制御は共振電流が零となる時点を利用して行われる。このため、この共振インバータ回路１では、スイッチング損失を略零にすることができるという特徴がある。
【００２３】
図４は、スイッチング素子ＨＧＵ１がオンのときに流れる共振電流の経路を示す図であり、図５は、スイッチング素子ＨＧＶ２がオンのときに流れる共振電流の経路を示す図である。
【００２４】
スイッチング素子ＨＧＵ１がオンのときは、図４に示すような２つの電流ループ（電流ループ１，２）が回路上に生ずる。電流ループ１では、共振コンデンサＣＲ１１→スイッチング素子ＨＧＵ１→トランスＴＲ１→共振コンデンサＣＲ１１という経路の電流が流れ、電流ループ２では、フィルタコンデンサＦＣ１→スイッチング素子ＨＧＵ１→トランスＴＲ１→共振コンデンサＣＲ１２→フィルタコンデンサＦＣ１という経路の電流が流れる。
【００２５】
また、スイッチング素子ＨＧＶ２がオンのときは、図５に示すような２つの電流ループ（電流ループ１，２）が生ずる。電流ループ１では、共振コンデンサＣＲ１２→トランスＴＲ１→スイッチング素子ＨＧＶ２→共振コンデンサＣＲ１２という経路の電流が流れ、電流ループ２では、フィルタコンデンサＦＣ１→共振コンデンサＣＲ１１→トランスＴＲ１→スイッチング素子ＨＧＶ２→フィルタコンデンサＦＣ１という経路の電流が流れる。
【００２６】
図４および図５に示すように、スイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２が切り替わるタイミングでは、トランスＴＲ１に流れる電流の向きが変化する。つまり、スイッチング素子ＨＧＵ１，ＨＧＶ２のターンオフは、共振電流が零になる時点を利用して行われることが理解できる。
【００２７】
つぎに、過電流に対する保護機能（保護ロジック）について説明する。共振インバータ回路に生ずる過電流は、負荷の短絡などによって発生し、スイッチング素子に過大な短絡電流が流れることで素子破壊に繋がる重大な故障モードである。したがって、スイッチング素子が素子破壊に至らないように、スイッチング素子には、充分な耐圧と電流容量を持たせる必要性が生じる。
【００２８】
図６は、過電流を検知したときの従来技術に係る保護動作を説明する図であり、横軸を時間にとり、縦軸は共振電流の電流値を示している。電流が保護検知のための閾値を超えた場合、従来技術では、図６に示すように、即時に電流を遮断していた。ところが、スイッチング素子を過電流状態のような安全動作領域外で遮断した場合、遮断電流に起因する電圧跳ね上がり量が大きくなる。このため、従来では、この電圧跳ね上がり量を見越して、充分な耐圧と電流容量を有する高スペックのスイッチング素子を選定して用いていた。
【００２９】
一方、図７は、本実施の形態に係る保護動作を説明する図である。なお、図７に示す電流波形は図６のものと同一である。本実施の形態では、図７に示すように、共振インバータ回路に流れる過電流を検知した場合、即時に遮断するのではなく、スイッチング素子に流れる電流が最初に零になる時間の経過後（電流が最初に零になるタイミングの後、もしくは最初に零になるはずのタイミングの後）に、スイッチング素子をオフにする指令（ゲートオフ指令）を出力することとしている。共振インバータ回路の場合、回路の動作中において、共振周波数は固定されるため、共振周波数が崩れない限り共振周波数は一定である。このため、過電流の検知後に通常のターンオフのタイミングまで待って、スイッチング素子をターンオフ制御すれば、電圧跳ね上がり量が大きくなることを抑止することができる。このため、スイッチング素子としては、従来技術を採用する場合に比して、高スペックのものを選択せずに共振インバータ回路を構成することが可能となる。
【００３０】
図８は、図１に示したゲートオフ指令生成部１２の動作を説明するフローチャートである。ゲートオフ指令生成部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から出力される検出電流２２に基づいて共振インバータ回路１に流れる電流が過電流であるか否かを判定する（ステップＳ１０１：第１の判定ステップ）。過電流が検知されない場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、ステップＳ１０１の判定処理を継続する。一方、過電流が検知された場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、過電流検知後の経過時間が共振時間に達しているか否かを判定する（ステップＳ１０２：第２の判定ステップ）。過電流検知後の経過時間が共振時間に達していなければ（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、ステップＳ１０２の判定処理を継続する。一方、過電流検知後の経過時間が共振時間に達していれば（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、ゲートオフ指令を生成して出力する（ステップＳ１０３）。なお、ステップＳ１０３の処理が終了したならば、ステップＳ１０１の処理に戻って過電流か否かの判定処理を継続する。
【００３１】
図９は、制御部１０の動作を説明するためのタイムチャートである。それぞれ、上段部から下段部にかけて、共振時間管理信号２３、過電流検知信号、ゲートオフ指令２４およびゲート信号２５の順で示している。共振時間管理信号２３は、共振インバータ回路１の共振電流を決める信号である。過電流検知信号は、ゲートオフ指令生成部１２の内部にて生成される信号であり、過電流を検知したときが“Ｈ”、過電流を検知しないときが“Ｌ”として示している。なお、図９の例では、共振時間管理信号２３とゲート信号２５とは同一の信号として示されているが、これに限定されるものではなく、例えば共振周期ごとに出力されるトリガ信号のような信号形態であっても構わない。
【００３２】
ゲート信号２５が断続的に出力されているときに過電流を検知した場合、過電流検知信号が内部的に生成される。しかしながら、この実施の形態の保護ロジックでは、上述したように、即時にゲートオフ指令２４を出力するのではなく、共振時間管理信号２３のパルスが立ち下がるタイミングを狙ってゲートオフ指令２４を出力する。ゲートオフ指令２４が出力された場合、ゲートオフ指令２４が“Ｈ”である限り、ゲート信号２５は生成されずに“Ｌ”を維持する。制御部１０は、上記のように動作して過電流保護機能を提供する。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態に係る車両用補助電源装置によれば、共振インバータ回路に流れる過電流を検知した場合、共振インバータ回路に具備されるスイッチング素子に流れる電流が最初に零になる時間の経過後に当該スイッチング素子をオフにするゲートオフ指令を出力することとしたので、過電流保護時の遮断電圧および遮断電流に耐え得る高スペックのものを使用せずに車両用補助電源装置に具備される共振インバータ回路を構成することが可能となる。
【００３４】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、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。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明に係る車両用補助電源装置は、過電流保護時の遮断電圧および遮断電流に耐え得る高スペックのものを使用せずに共振インバータ回路を構成可能とする発明として有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１  共振インバータ回路
６，６０Ａ，６０Ｂ  負荷回路
１０  制御部
１１  Ａ／Ｄ変換部
１２  ゲートオフ指令生成部
１３  共振時間管理部
１４  ゲート信号生成部
２１  アナログ電流値
２２  検出電流
２３  共振時間管理信号
２４  ゲートオフ指令
２５  ゲート信号
３０Ａ  交流架線
３０Ｂ  直流架線
３１Ａ，３１Ｂ  集電装置
４０Ａ  入力回路
４２Ａ，６１Ａ  単相コンバータ
５０Ａ，５０Ｂ  単相インバータ
６１Ａ，６１Ｂ  単相コンバータ
６２Ａ，６２Ｂ  三相インバータ
６３Ａ，６３Ｂ  負荷
４１Ａ，５２Ａ，５２Ｂ，ＴＲ１  トランス
ＣＲ１１，ＣＲ１２  共振コンデンサ
ＣＴ１  電流検出器
ＦＣ１  フィルタコンデンサ
ＨＧＵ１，ＨＧＶ２  スイッチング素子
【図１】
0005646087.tif 000002
【図２】
0005646087.tif 000003
【図３】
0005646087.tif 000004
【図４】
0005646087.tif 000005
【図５】
0005646087.tif 000006
【図６】
0005646087.tif 000007
【図７】
0005646087.tif 000008
【図８】
0005646087.tif 000009
【図９】
0005646087.tif 000010