(57)【要約】【課題】本発明の目的は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る車両用電源装置を提供することである。【解決手段】架線電力を直流電力に変換し、高周波絶縁トランスを有する、ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを備え、前記ＣＶＣＦインバータにより変換された交流電力は車内照明などの機器に供給されることを特徴とする車両用電源装置。【選択図】図１
2006025591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を高周波交流電力に変換するインバータと、
前記インバータから供給された交流電力を電気的に絶縁する高周波絶縁トランスと、
前記高周波トランスから供給された高周波交流電力を直流電力に変換する整流器とを単位モジュールとして小型一体構成された複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを有し、
前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータの入力側は直列接続され、前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータの出力側は、直列または並列または直並列接続されていることを特徴とする車両用電源装置。
【請求項２】
前記請求項１記載の車両用電源装置において、
前記ユニットＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも前記インバータ及び前記整流器を構成する半導体素子と、当該ＤＣ／ＤＣコンバータの高周波配線とをプリント基板上に実装されていることを特徴とする車両用電源装置。
【請求項３】
高周波絶縁トランスを有し、架線電力を直流電力に変換する、複数台のユニットＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ユニットＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項４】
架線電力を直流電力に変換し、高周波絶縁トランスを有する、ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至前記請求項４記載の車両用電源装置において、
前記ＣＶＣＦインバータの代わりに多レベルインバータを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項６】
直流電力を高周波交流電力に変換するインバータと、
前記インバータから供給された交流電力を電気的に絶縁する高周波絶縁トランスと、
前記高周波トランスから供給された高周波交流電力を直流電力に変換する整流器とを単位モジュールとして小型一体構成されたユニットＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣコンバータと、
前記ひとつのユニットＤＣ／ＤＣコンバータと前記ＤＣ／ＡＣコンバータとを単位モジュールとして一体構成された複数のユニット変換部とを有し、
前記複数のユニット変換部の出力を直列接続し、前記複数のユニット変換部は位相差運転を行うことを特徴とする車両用電源装置。
【請求項７】
前記請求項６記載の車両用電源装置において、
前記ユニットＤＣ／ＤＣコンバータは、多出力であることを特徴とする車両用電源装置。
【請求項８】
前記請求項７記載の車両用電源装置において、
前記ユニット変換部の入力側にスイッチを設けたことを特徴とする車両用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、鉄道車両内には、電動機に交流電力を供給するための主変換装置と、車両内の照明や空調装置に交流電力供給するための車両用電源装置が搭載されている。
【０００３】
従来の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図１７は、従来の車両用電源装置の構成図である。
【０００４】
従来の車両用電源装置は、ＣＶＣＦインバータ１，ＬＣフィルター２，絶縁トランス３から構成されている。ＣＶＣＦインバータ１は、架線電力を３相６０Ｈｚ４４０Ｖの交流電力に変換し、ＬＣフィルター２へ交流電力を供給する。ＬＣフィルター２は、ＣＶＣＦインバータ１により変換された３相交流電力のＰＷＭ高調波を取り除き、歪の小さい３相交流電力を絶縁トランス３を介して、車両の照明機器や空調装置へ供給する。絶縁トランス３は、架線への雷サージが、車内照明などの機器に直接伝播して、機器に損傷を与えるのを防ぐために設けられている。
【０００５】
このように構成された車両用電源装置は、雷サージが車内照明などの機器に直接伝播することを防止しつつ、車内照明などの機器に電力を供給することが出来た。
【特許文献１】特開２００３−４７２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、絶縁トランス３は、６０Ｈｚという低周波数で鉄心の磁束飽和が起こらないように、十分な磁束密度を確保した鉄心が用いられているため、重量、体積ともに大きいものになっており、軽量化、小型化が特に要求される鉄道車両用機器としては、改善の余地があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、小型化を実現することが出来る車両用電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、直流電力を高周波交流電力に変換するインバータと、前記インバータから供給された交流電力を、電気的に絶縁する高周波トランスと、前記高周波トランスから供給された高周波交流電力を直流電力に変換する整流器とを単位モジュールとして小型一体構成された、複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを有し、前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータの入力側は直列接続され、前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータの出力側は、直列または並列または直並列接続されていることによって達成することが出来る。
【０００９】
上記課題は、架線電力を当該複数台のユニットＤＣ／ＤＣコンバータによって直流電力に変換し、高周波絶縁トランスを有する、複数台のユニットＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ユニットＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを備えたことによって達成することが出来る。
【００１０】
上記課題は、架線電力を直流電力に変換し、高周波絶縁トランスを有する、ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＣＶＣＦインバータとを備えたことによって達成することができる。
【００１１】
上記課題は、直流電力を高周波交流電力に変換するインバータと、前記インバータから供給された交流電力を電気的に絶縁する高周波絶縁トランスと、前記高周波トランスから供給された高周波交流電力を直流電力に変換する整流器とを単位モジュールとして小型一体構成されたユニットＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のユニットＤＣ／ＤＣコンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣコンバータと、前記ひとつのユニットＤＣ／ＤＣコンバータと前記ＤＣ／ＡＣコンバータとを単位モジュールとして一体構成された複数のユニット変換部とを有し、前記複数のユニット変換部の出力を直列接続し、前記複数のユニット変換部は位相差運転を行うことによって達成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、小型化を実現することが出来る車両用電源装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。
【００１４】
一般的に絶縁トランス３は、周波数が高ければ高いほど、軽量で小型することができることが知られている。そこで、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置は、図１及び図２に示すように、架線電力を一旦５０ＫＨｚなどの高周波数にＤＣ／ＤＣコンバータ４内のインバータ５で変換し、高周波絶縁トランス６によって絶縁を取った後、整流器７によって整流する。整流器７によって整流した直流電圧をＣＶＣＦインバータ１により３相交流に変換する。
【００１５】
このように構成された車両用電源装置は、小型化することが出来る高周波絶縁トランスを採用しているため、車両用電源装置の大きさも小型化することが出来る。
【００１６】
（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図３は、本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。図４は、本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。図５は、インバータのスイッチング動作説明図である。尚、説明上、同一の機器を区別する必要がある場合には、数字の後にアルファベットを付して、区別する。
【００１７】
高周波絶縁トランス３を採用した本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置を実際に製作してみると、高周波数、高電圧の大電力主回路配線を、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の筐体内に引き回す必要があり、配線ケーブルの固定方法や、筐体と配線との間に十分な余裕と配慮を取っておかないと、誘導加熱による発熱などの問題が発生することがわかった。誘導加熱による発熱という問題を回避するためには、鉄道車両の仕様毎に毎回配線などの繊細な設計をその都度実施する必要があるため、装置設計コストの増加を招く懸念もある。
【００１８】
また、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置は、架線電圧に対応した高耐圧の半導体素子の適用がＤＣ／ＤＣコンバータ４には必要で、高耐圧の半導体素子を５０ｋＨｚ等の高速スイッチングで動作させるため、スイッチング損失による発熱が大きいことも分かってきており、その発熱を処理するための冷却器（図示しない）の大型化もしてしまうことが分かってきた。
【００１９】
つまり、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置のように、高周波絶縁トランス３を単に採用しても、配線の問題から設計コストが増加し、半導体素子の発熱の問題から冷却器の大型化という問題が生じるため、高周波絶縁トランス３を採用した車両用電源装置を実用化することができなかった。
【００２０】
本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置の課題を解決するために、本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４をユニット化した耐圧３７５Ｖで容量が１０ＫＷ程度の４台の同一のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８（インバータ５、高周波絶縁トランス６、整流器７から構成される）と、ＣＶＣＦインバータ１と、ＬＣフィルタ２から構成されている。
【００２１】
このように構成された車両用電源装置において、第１のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ａの正側入力Ｐｉｎ１が架線にパンタグラフ及び直流リアクトルを介して接続される。第１のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ａの負側入力Ｎｉｎ１は、第２のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの正側入力Ｐｉｎ２に接続される。第２のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの負側入力Ｎｉｎ２は、第３のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの正側入力Ｐｉｎ３に接続される、第３のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの負側入力Ｎｉｎ３は、第４のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄの正側入力Ｐｉｎ４に接続される。第４のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄの負側入力Ｎｉｎ４は、架線電源負側に接続される車輪に接続される。第１のＤＣ/ＤＣコンバータ８ａの正側出力Ｐｏｕｔ１は、ＣＶＣＦインバータ１の正側と接続され、第１のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ａの負側出力Ｎｏｕｔ１は、第２のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの正側出力Ｐｏｕｔ２と接続される。第２のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの負側出力Ｎｏｕｔ２は、第３のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの正側出力Ｐｏｕｔ３に接続される、第３のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの負側出力Ｎｏｕｔ３は、第４のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄの正側出力Ｐｏｕｔ４に接続される。第４のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄの負側出力Ｎｏｕｔ４は、ＣＶＣＦインバータ１の負側に接続される。ＣＶＣＦインバータ１の三相交流出力側には、ＬＣフィルタ２が接続されている。
【００２２】
このように構成された車両用電源装置において、４台のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８は、架線から供給された架線電力をいったん高周波の直流電力に変換し、ＣＶＣＦインバータ１に供給する。ＣＶＣＦインバータ１は、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８から供給された直流電力を交流電力に変換し、ＬＣフィルタ２に出力する。ＬＣフィルタ２は、ＣＶＣＦインバータ１により変換された３相交流電力から、ＰＷＭ高調波を取り除き、歪の小さい３相交流電力を車両の照明機器や空調装置へ供給する。
【００２３】
このように構成された車両用電源装置において、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８は、インバータ５と、高周波絶縁トランス６と、整流器７が単位モジュールとして一体構成されている。ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８内の、インバータ５は、架線から供給される架線電力を５０ｋＨｚの高周波の交流電力に変換する。高周波絶縁トランス６は、インバータ５から出力された交流電力を電気的に絶縁をとった上で、整流器７へ５０ＫＨｚの交流電力を供給する。整流器７は、５０ＫＨｚの交流電力を整流して、直流電力に変換して出力する。
【００２４】
ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８内のインバータ５は、半導体素子の一種であるＩＧＢＴ素子ＩＧＢＴ９ａ〜ＩＧＢＴ９ｄと、直流コンデンサ１０とで構成される。ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８のＰｉｎとＮｉｎとの間に直流電力が供給されると、直流コンデンサ１０で平滑された後、前記ＩＧＢＴ９ａ〜９ｄのスイッチング動作により５０ＫＨｚの高周波の交流電力を高周波絶縁トランス６へ供給する。ＤＣ/ＤＣコンバータ８内のインバータ４に設けられたＩＧＢＴ９ａとＩＧＢＴ９ｂとは互いに反転動作のスイッチングを行い、図３に示すとおり、５０ＫＨｚに相当する時間周期２０マイクロ秒の半周期ずつオンとオフを交互に繰り返す。ＩＧＢＴ９ａは、最初の半周期（０マイクロ秒から１０マイクロ秒）はオンし、残りの半周期（１０マイクロ秒から２０マイクロ秒）はオフする。反対にＩＧＢＴ９ｂは、最初の半周期（０マイクロ秒から１０マイクロ秒）はオフし、残りの半周期（１０マイクロ秒から２０マイクロ秒）はオンする。ＩＧＢＴ９ａとＩＧＢＴ９ｄ、およびＩＧＢＴ９ｂとＩＧＢＴ９ｃはそれぞれ同一スイッチング動作をする。
【００２５】
つまり、ＩＧＢＴ９ａがオンのとき、ＩＧＢＴ９ｄもオンしており、ＩＧＢＴ９ａがオフのとき、ＩＧＢＴ９ｄもオフする。ＩＧＢＴ９ｂがオンのとき、ＩＧＢＴ９ｃもオンする。ＩＧＢＴ９ｂがオフのとき、ＩＧＢＴ９ｃもオフする。
【００２６】
このようにインバータ５が動作することにより、インバータ５から５０ＫＨｚの方形波交流電圧が出力される。
【００２７】
このように構成された車両用電源装置において、整流器７は、ダイオード整流器のブリッジ構成により高周波絶縁トランス６から出力された５０ＫＨｚび交流電力を整流して、出力段に接続された平滑コンデンサ１１により電圧を平滑後、直流電力を出力する。
【００２８】
このように構成された車両用電源装置は、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８の架線電力の入力側は、直列接続を前提としているため、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８のスイッチング素子９は、架線電圧に対応した高耐圧のものをする必要がなく、スイッチング損失の小さい低耐圧素子を適用することが出来る。そのため、本実施の形態の車両用電源装置は、低損失化を実現することが出来る。
【００２９】
また、本実施の形態の車両用電源装置は、誘導加熱等の問題に配慮がされたユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８を組み合わせて、任意の装置容量や出力電圧を持つ車両用電源装置を作成することが可能であるので、低損失化とともに、低コスト化も実現することが出来る。更に、本実施の形態の車両用電源装置は、低周波数用の絶縁トランス３の代わりに、高周波絶縁トランス６を使用することが可能であるので、小型化も実現することが出来る。
【００３０】
このように構成された車両用電源装置は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る。
【００３１】
尚、本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置においては、試験において最も全体損失が小さい周波数であり、最も好ましいと思われる５０ｋＨｚの交流電力を実施の形態として記載したが、本実施の形態の車両用電源装置は、１０ＫＨｚ以上の高周波の交流電力であれば、低コスト化、低損失化及び小型化という効果が得られるため、この交流周波数に他の値を選択してもよいことは言うまでもない。
【００３２】
（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図６は、本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。図７は、本発明に基づく他の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。図８は、本発明に基づく第３の実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータをプリント基板上に配置した場合の構成図である。図１乃至図５に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００３３】
本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電源装置において、第１のユニットＤＣ/ＤＣコンバータ８ａの直流出力側と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの直流出力側は、直列接続され第１の直列回路を構成し、第３のユニットＤＣ/ＤＣコンバータ８ｃの直流出力側と第４のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの直流出力側が、直列接続された第２の直列回路と並列接続される。
【００３４】
このように構成された車両用電源装置において、第１のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ａの正側出力Ｐｏｕｔ１は、ＣＶＣＦインバータ１の正側と接続される。第１のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ａの負側出力Ｎｏｕｔ１は、第２のユニットコンバータ８ｂの正側出力Ｐｏｕｔ２と接続される。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂの負側出力Ｎｏｕｔ２は、ＣＶＣＦインバータ１の負側と接続される。第３のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの正側出力Ｐｏｕｔ３は、ＣＶＣＦインバータ１の正側と接続される。第３のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの負側出力Ｎｏｕｔ３は、第４のユニットコンバータ８ｄの正側出力Ｐｏｕｔ４と接続される。第４のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄの負側出力Ｎｏｕｔ４は、ＣＶＣＦインバータ１の負側と接続される。
【００３５】
このように構成された車両用電源装置は、架線電圧が７５０Ｖの場合に特に有効である。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ８ａと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｂから成る第１の直列回路のみでは、容量が足りなくなる恐れがあるので、第３のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃと第４のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄから成る第２の直列回路を並列接続している。
【００３６】
このように構成された車両用電源装置は、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８の架線電力の入力側は、直列接続を前提としているため、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８のスイッチング素子９は、架線電圧に対応した高耐圧のものをする必要がなく、スイッチング損失の小さい低耐圧素子を適用することが出来る。そのため、本実施の形態の車両用電源装置は、低損失化を実現することが出来る。
【００３７】
また、本実施の形態の車両用電源装置は、誘導加熱等の問題に配慮がされたユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８を組み合わせて、任意の装置容量や出力電圧を持つ車両用電源装置を作成することが可能であるので、低損失化とともに、低コスト化も実現することが出来る。更に、本実施の形態の車両用電源装置は、低周波数用の絶縁トランス３の代わりに、高周波絶縁トランス６を使用することが可能であるので、小型化も実現することが出来る。
【００３８】
このように構成された車両用電源装置は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る。
【００３９】
尚、要求された装置容量や出力電圧の使用によって、図５に示すように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ８ａ乃至第４のＤＣ／ＤＣコンバータ８ｄの出力側を並列接続して構成しても同様の効果を得ることが出来る。また、図６に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８のインバータ５,高周波絶縁トランス６,整流器７をプリント基板上に構成することによっても、車両用電源装置を更に小型化することが出来る。
【００４０】
（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図９は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置のユニット変換部の構成図である。図１０は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。図１１は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置における位相差運転を説明図である。図１２は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置における位相差運転での合成出力電圧波形の説明図である。図１乃至図８に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００４１】
本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置は、第１乃至第３の実施の形態の車両用電源装置で用いていたＬＣフィルタ２の代わりに低歪率の交流電圧出力手を設け、第１乃至第３の実施の形態の車両用電源装置よりも小型化したことを特徴のひとつとしている。
【００４２】
本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置は、ユニット変換器１０乃至ユニット変換機２１の１２台で構成されている。ユニット変換器１０乃至ユニット変換器１０は、ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ８と、ＤＣ／ＡＣインバータ２２から構成される。
【００４３】
このように構成された車両用電源装置において、車両に搭載されたパンタグラフを介して架線から取り入れた直流電圧は、図７に示すように、直列接続されたユニット変換器１０、ユニット変換器１１、ユニット変換器１２およびユニット変換器１３の入力に４等分されて入力される。すなわち、ユニット変換器１０の正側入力Ｐｉｎ１がパンタグラフに、ユニット変換器１０の負側入力Ｎｉｎ１からユニット変換器１１の正側入力Ｐｉｎ２へ接続、ユニット変換器１１の負側入力Ｎｉｎ２からユニット変換器１２の正側入力Ｐｉｎ３へ接続、ユニット変換器１２の負側入力Ｎｉｎ３からユニット変換器１３の正側入力Ｐｉｎ４へ接続、ユニット変換１３の負側入力Ｎｉｎ４を架線電源負側に接続される車輪に接続する構成とする。
【００４４】
同様にユニット変換器１４〜１７および、ユニット変換器１８〜２１はそれぞれ直列に接続され、架線から取り入れた直流電圧を４等分して入力される。
【００４５】
すなわち、ユニット変換器１４の正側入力Ｐｉｎ５がパンタグラフに、ユニット変換器１４の負側入力Ｎｉｎ５からユニット変換器１５の正側入力Ｐｉｎ６へ接続、ユニット変換器１５の負側入力Ｎｉｎ６からユニット変換器１６の正側入力Ｐｉｎ７へ接続、ユニット変換器１６の負側入力Ｎｉｎ７からユニット変換器１７の正側入力Ｐｉｎ８へ接続、ユニット変換器１７の負側入力Ｎｉｎ８を架線電源負側に接続される車輪に接続する構成とし、ユニット変換器１８の正側入力Ｐｉｎ９がパンタグラフに、ユニット変換器１８の負側入力Ｎｉｎ９からユニット変換器１９の正側入力Ｐｉｎ１０へ接続、ユニット変換器１９の負側入力Ｎｉｎ１０からユニット変換器２０の正側入力Ｐｉｎ１１へ接続、ユニット変換器２０の負側入力Ｎｉｎ１１からユニット変換器２１の正側入力Ｐｉｎ１２へ接続、ユニット変換器２１の負側入力Ｎｉｎ１２を架線電源負側に接続される車輪に接続する構成とする。
【００４６】
ユニット変換器１０〜１３は出力段で直列接続され、６０ＨｚのＵ相電圧を出力し、ユニット変換器１４〜１７は同様に出力段で直列接続され、Ｕ相電圧と１２０度位相のずれたＶ相電圧を出力し、ユニット変換器１８〜２１は、同様に出力段で直列接続され、Ｕ相電圧と２４０度位相のずれたＷ相電圧を出力する。
【００４７】
このように構成された車両用電源装置において、ＤＣ／ＡＣインバータ部２２は、半導体スイッチング素子の一種であるＩＧＢＴ素子ＩＧＢＴ２３〜２６と、直流コンデンサとで構成される。直流電圧が入力されると、前記ＩＧＢＴ２３〜２６のスイッチング動作により、６０Ｈｚの交流電圧を出力する。スイッチングは、ＵＶＷ各相電圧指令と三角波の大小比較結果に基づく一般的な三角波比較ＰＷＭを適用する。
【００４８】
三角波は、スイッチング周波数が２ｋＨｚとなるように２ｋＨｚの周波数に設定し、ユニット変換器１０を構成するＤＣ／ＡＣインバータの三角波ＴＲＩ１と、ユニット変換器１１のＤＣ／ＡＣインバータの三角波ＴＲＩ２と、ユニット変換器１２を構成するＤＣ／ＡＣインバータの三角波ＴＲＩ３と、ユニット変換器１３のＤＣ／ＡＣインバータの三角波ＴＲＩ４とは、図９に示すとおり２２．５度ずつ位相差を持たせて設定する。これにより各ユニット変換器２の出力電圧パルスのスイッチングタイミングがずれ、合成電圧が図１０に示すとおり多レベルで歪の少ない電圧波形とすることができる。ユニット変換器１４〜２１の三角波も同様の位相差を持たせて設定する。
【００４９】
このように構成された車両用電源装置は、出力段の交流ＬＣフィルタを省略することが可能となるので、第１乃至第３の実施の形態の車両用電源装置に比べ、更なる小型化をすることが可能である。
【００５０】
また、このように構成された車両用電源装置は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る。
【００５１】
（第５の実施の形態）
本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図１３は、本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電源装置のユニットＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。尚、図１乃至図１２に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００５２】
本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電源装置は、１入力１２出力のユニットＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、１２台のＤＣ／ＡＣインバータ５１Ａ〜５１Ｌ（図示しない）で構成される。
【００５３】
ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、架線電力を、インバータ６により５ｋＨｚの方形波交流に変換し、高周波絶縁トランスを介して１２台の整流器７Ａ〜７Ｌに入力される。１２台の整流器７は、それぞれフィルタコンデンサで平滑した直流電圧を出力する。１２台の整流器７により出力された１２の絶縁直流電圧は、ＤＣ／ＡＣインバータ５１Ａ〜５１Ｌに出力される。ＤＣ／ＡＣインバータ５１Ａ〜５１Ｌは、第４の実施例におけるＤＣ／ＡＣインバータ部２２と同様の動作を行い、ＵＶＷ３相６０Ｈｚ電圧を出力する。
【００５４】
ＤＣ／ＡＣインバータ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ，５１Ｄはそれぞれ出力段を直列に接続し、互いの三角波の位相差運転により多レベルで歪の少ない電圧波形とすることができる。ＤＣ／ＡＣインバータ５１Ｅ〜５１Ｌの三角波も同様の位相差を持たせて設定する。これらにより、出力段の交流ＬＣフィルタを省略することが可能になる。
【００５５】
このように構成された車両用電源装置は、出力段の交流ＬＣフィルタを省略することが可能となるので、第１乃至第３の実施の形態の車両用電源装置に比べ、更なる小型化をすることが可能である。
【００５６】
また、このように構成された車両用電源装置は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る。
【００５７】
（第６の実施の形態）
本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図１４は、本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。尚、図１乃至図１３に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００５８】
本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電源装置は、第４の実施の形態の構成要素のほかに、各ユニット変換器１０〜２１の入力側および出力側のそれぞれに電気的に短絡できるスイッチ６１、６２を設けたことが特徴である。
【００５９】
例えば、ユニット変換器１０が何らかの理由で動作不可能となった場合に、ユニット変換器１０の入力側短絡スイッチ６１Ａと出力側短絡スイッチ６２Ａをそれぞれ投入し短絡状態にしたうえで、他のユニット変換器１１で運転を継続する。これによりシステムとしての運転継続性の向上、冗長性の向上を図ることが可能になる。
【００６０】
尚、本実施の形態の車両用電源装置においても、出力段の交流ＬＣフィルタを省略することが可能となるので、第１乃至第３の実施の形態の車両用電源装置に比べ、更なる小型化をすることが可能である。
【００６１】
また、このように構成された車両用電源装置は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る。
【００６２】
（第７の実施の形態）
本発明に基づく第７の実施の形態の車両用電源装置について、図を参照し詳細に説明する。図１５は、本発明に基づく第７の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。図１６は、本発明に基づく第７の実施の形態の変形例である。尚、図１乃至図１４に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００６３】
本発明に基づく第７の実施の形態の車両用電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８ａ〜８ｄと、３相５レベルインバータ６３（多レベルインバータ）とで構成される。
【００６４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８ａ〜８ｄは入力を互いに直列接続した上で、架線から直流電圧の給電を受ける。同様に出力も互いに直列接続した上で、各接続点を、５レベルインバータ６３の直流入力に接続する。
【００６５】
５レベルインバータ６３は、従来より知られているクランプ型５レベルインバータで、そのスイッチング動作も従来より知られている動作なので説明を省略する。この構成により架線と出力の絶縁をとるとともに、ＬＣフィルタ無しに波形歪の少ない交流出力電圧を得ることが可能になる。
【００６６】
このように構成された車両用電源装置は、出力段の交流ＬＣフィルタを省略することが可能となるので、第１乃至第３の実施の形態の車両用電源装置に比べ、更なる小型化をすることが可能である。
【００６７】
また、このように構成された車両用電源装置は、低コスト化、低損失化及び小型化を実現することが出来る。
【００６８】
本実施の形態の車両用電源装置の変形例としては、図１６に記載したようにＤＣ／ＤＣコンバータを一台とし、電源装置の低コスト化、低損失化及び小型化を実現する構成も考えられる。
【００６９】
本発明に基づく第１の実施の形態乃至第７の実施の形態の車両用電源装置の説明では、インバータ５に搭載される半導体素子としてＩＧＢＴを例に説明をしているが、本発明に基づく車両用電源装置に搭載される半導体素子は、ＩＧＢＴに限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。
【図２】図１に記載されたＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。
【図３】本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。
【図４】本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。
【図５】インバータのスイッチング動作説明図である。
【図６】本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。
【図７】本発明に基づく他の実施の形態の車両用電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。
【図８】本発明に基づく第３の実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータをプリント基板上に配置した場合の構成図である。
【図９】本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置のユニット変換部の構成図である。
【図１０】本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。
【図１１】本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置における位相差運転を説明図である。
【図１２】本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電源装置における位相差運転での合成出力電圧波形の説明図である。
【図１３】本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電源装置のユニットＤＣ／ＤＣコンバータの構成図である。
【図１４】本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。
【図１５】本発明に基づく第７の実施の形態の車両用電源装置の構成図である。
【図１６】本発明に基づく第７の実施の形態の車両用電源装置の変形例である。
【図１７】従来の車両用電源装置の構成図である。
【符号の説明】
【００７１】
１    ＣＶＣＦインバータ
２    ＬＣフィルター
３    絶縁トランス
４    ＤＣ／ＤＣコンバータ
５    インバータ
６    高周波絶縁トランス
７    整流器
８    ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ
９    ＩＧＢＴ
１０  ユニット変換器
１１  ユニット変換器
１２  ユニット変換器
１３  ユニット変換器
１４  ユニット変換器
１５  ユニット変換器
１６  ユニット変換器
１７  ユニット変換器
１８  ユニット変換器
１９  ユニット変換器
２０  ユニット変換器
２１  ユニット変換器
２２  ＤＣ／ＡＣインバータ
２３  ＩＧＢＴ
２４  ＩＧＢＴ
２５  ＩＧＢＴ
２６  ＩＧＢＴ
４１  ユニットＤＣ／ＤＣコンバータ
６１  入力側短絡スイッチ
６２  出力側短絡スイッチ
６３  ５レベルインバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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