(57)【要約】【課題】三相変圧器を備えていない鉄道車両用電力変換装置において、電圧利用率を向上させるために相電圧に高調波を重畳する場合でも高調波を含まない単相交流を得る。【解決手段】実施形態の鉄道車両用電力変換装置は、直流電力が供給され、複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−交流電力変換を行う鉄道車両用電力変換装置であり、三相インバータは、所定周波数の基本波に高調波成分を重畳した変調波を用いて三相交流を生成し出力し、単相インバータは、高調波成分のみの変調波を用いて単相交流を生成し出力し、フィルタ回路は、三相インバータの出力から搬送波周波数成分を除去するととともに、単相インバータの出力から高調波成分を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力が供給され、複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−交流電力変換を行う鉄道車両用電力変換装置であって、
所定周波数の基本波に高調波成分を重畳した変調波を用いて三相交流を生成し出力する三相インバータと、
前記高調波成分のみの変調波を用いて単相交流を生成し出力する単相インバータと、
前記三相インバータの出力から搬送波周波数成分を除去するととともに、前記単相インバータの出力から前記高調波成分を除去するフィルタ回路と、
を備えた鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】
前記フィルタ回路は、一端が前記三相インバータの各相の出力に設けられ、前記各相の出力から搬送波成分を除去するとともに、他端が疑似中性点で共通接続された三つのフィルタ回路と、
一端が前記単相インバータの出力に接続され、他端が前記疑似中性点に接続されたリアクトルと、を備えている、
請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
前記三相インバータ及び前記単相インバータを構成しているレグは、それぞれ上アームを構成する前記半導体素子としての半導体スイッチング素子と、下アームを構成する前記半導体素子としての半導体スイッチング素子と、を備え、
前記単相インバータを構成している半導体スイッチング素子の電流定格は、前記単相インバータを構成している半導体スイッチング素子の電流定格よりも小さく設定されている、
請求項１又は請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
前記三相インバータ及び前記単相インバータを構成している前記半導体素子は、ＳｉＣ半導体素子またはＧａＮ半導体素子として形成されている、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の鉄道車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、鉄道車両としての電気車は、空調や電動空気圧縮機の動力源となる誘導電動機に低圧3相交流電源を供給するための補助電源装置を有している。
従来、この補助電源装置として、高周波変圧器にて電車線と絶縁を確保したＤＣ／ＤＣコンバータを３相インバータの前段に接続し、商用周波数に対応した三相変圧器を省き補助電源装置を大幅に小型軽量化することが提案されている。
【０００３】
しかしながら、上記構成では、三相変圧器を有していないので中性点も無くなり、単相交流（例えば、三相４４０ボルトの場合、単相２５４ボルト）を得ることができなくなる。また、三相変圧器による昇降圧もできないため、３相インバータの入力電圧は、出力電圧によって一義的に決まってしまうという不具合があった。
【０００４】
一方、３相インバータのスイッチングパターン発生方法として、三角波比較方式が知られているが、電圧利用率が低く、入力直流電圧の０．６１２倍の電圧しか出力できない。
これを改善する方法として、相電圧に高調波を注入する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３８２５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、相電圧に高調波を注入することは、線間電圧だけを利用する場合には特に問題とはならない。
【０００７】
しかしながら、車両用の補助電源装置のように３相インバータに入力される直流電源を２分割して中性点を得る方式では、各相と中性点の間に接続した単相負荷に対しては高調波注入された歪んだ交流がそのまま印加されてしまうという不具合があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、三相変圧器を備えていない鉄道車両用電力変換装置において、電圧利用率を向上させるために相電圧に高調波を重畳する場合でも高調波を含まない単相交流を得ることが可能な鉄道車両用電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の鉄道車両用電力変換装置は、直流電力が供給され、複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−交流電力変換を行う鉄道車両用電力変換装置である。
三相インバータは、所定周波数の基本波に高調波成分を重畳した変調波を用いて三相交流を生成し出力する。
単相インバータは、高調波成分のみの変調波を用いて単相交流を生成し出力する。
フィルタ回路は、三相インバータの出力から搬送波周波数成分を除去するととともに、単相インバータの出力から高調波成分を除去する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態の鉄道車両用電力変換装置の概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、従来の三相交流インバータのスイッチングパターンの発生方法の説明図である。
【図３】図３は、本第１実施形態における三相交流インバータのスイッチングパターンの発生方法の説明図である。
【図４】図４は、本第１実施形態における中間電位設定部のスイッチングパターンの発生方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態の鉄道車両用電力変換装置について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の鉄道車両用電力変換装置の概要構成ブロック図である。
鉄道車両用電力変換装置１０は、直流架線（直流き電線）１１から直流電力が供給される集電器（パンタグラフ）１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間に、遮断器１５が直列に接続されている。
【００１２】
さらに遮断器１５と車輪１４との間には、直流電圧検出器１６、フィルタコンデンサ１７及び電力変換回路１８が並列に接続されている。
電力変換回路１８は、２レベルの三相交流インバータ１９及び中間電位設定部２０を備えている。
【００１３】
三相交流インバータ１９は、それぞれ一対の半導体スイッチング素子で構成された第１〜第３アーム２１−１〜２１−３を備えている。
また中間電位設定部２０は、一対の半導体スイッチング素子で構成された第４アーム２１−４を備えている。
【００１４】
第１アーム２１−１は、直列接続された半導体スイッチング素子２２Ｕ（上アーム）及び半導体スイッチング素子２３Ｕ（下アーム）を備え、半導体スイッチング素子２２Ｕと半導体スイッチング素子２３Ｕとの接続点は、Ｕ相電圧出力端子ＴＵに接続されている。
【００１５】
第２アーム２１−２は、直列接続された半導体スイッチング素子２２Ｖ（上アーム）及び半導体スイッチング素子２３Ｖ（下アーム）を備え、半導体スイッチング素子２２Ｖと半導体スイッチング素子２３Ｖとの接続点は、Ｖ相電圧出力端子ＴＶに接続されている。
【００１６】
第３アーム２１−３は、直列接続された半導体スイッチング素子２２Ｗ（上アーム）及び半導体スイッチング素子２３Ｗ（下アーム）を備え、半導体スイッチング素子２２Ｗと半導体スイッチング素子２３Ｗとの接続点は、Ｗ相電圧出力端子ＴＷに接続されている。
【００１７】
第４アーム２１−４は、直列接続された半導体スイッチング素子２２Ｎ（上アーム）及び半導体スイッチング素子２３Ｎ（下アーム）を備え、半導体スイッチング素子２２Ｎと半導体スイッチング素子２３Ｎとの接続点は、中性点端子ＴＮに接続されている。
【００１８】
電力変換回路１８の構成において、半導体スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ、２２Ｎ及び半導体スイッチング素子２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗ、２３Ｎは、シリコン（Ｓｉ）と比較して、ワイドバンドギャップの材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ：炭化ケイ素）半導体、あるいは、ガリウムナイトライド（ＧａＮ：窒化ガリウム）半導体で形成されている。
【００１９】
電力変換回路１８のＵ相出力線ＬＵには、Ｕ相交流電流を検出しＵ相交流電流検出信号ＳＵを出力する交流電流検出器２４Ｕが設けられ、Ｗ相出力線ＬＷには、Ｗ相交流電流を検出し、Ｗ相交流電流検出信号ＳＷを出力する交流電流検出器２４Ｗが設けられている。
【００２０】
Ｕ相出力線ＬＵには、フィルタリアクトル（コイル）２５Ｕを介して負荷としての三相交流モータ３０の第１入力端子３０Ｔ１が接続され、Ｖ相出力線ＬＶには、フィルタリアクトル（コイル）２５Ｖを介して三相交流モータ３０の第２入力端子３０Ｔ２が接続され、Ｗ相出力線ＬＷには、フィルタリアクトル（コイル）２５Ｗを介して三相交流モータ３０の第３入力端子３０Ｔ３が接続されている。
【００２１】
さらにフィルタリアクトル２５Ｕと第１入力端子３０Ｔ１の接続点には、コンデンサ２６Ｕの一端が接続され、フィルタリアクトル２５Ｖと第２入力端子３０Ｔ２の接続点には、コンデンサ２６Ｖの一端が接続され、フィルタリアクトル２５Ｗと第３入力端子３０Ｔ３の接続点には、コンデンサ２６Ｗの一端が接続されている。
さらにまた、コンデンサ２６Ｕの他端、コンデンサ２６Ｖの他端及びコンデンサ２６Ｗの他端は、共通接続され、疑似中性点ＰＮとされている。
【００２２】
上記構成において、フィルタリアクトル２５Ｕとコンデンサ２６Ｕとは共働して三相交流インバータ１９のキャリア信号成分を除去するためのロウパスフィルタとして機能し、フィルタリアクトル２５Ｖとコンデンサ２６Ｖとは共働して三相交流インバータ１９のキャリア信号成分を除去するためのロウパスフィルタとして機能し、フィルタリアクトル２５Ｗとコンデンサ２６Ｗとは共働して三相交流インバータ１９のキャリア信号成分を除去するためのロウパスフィルタとして機能している。
【００２３】
さらに鉄道車両用電力変換装置１０は、直流電圧検出器１６が検出した入力直流電圧、交流電流検出器２４Ｕが検出したＵ相交流電流値および交流電流検出器２４Ｗが検出したＷ相交流電流値に基づいて電力変換回路１８を制御するコントローラ（制御部）３５と、を備えている。
【００２４】
さらにまた電力変換回路１８の単相交流出力線ＬＭには、単相交流電流を検出し単相交流電流検出信号ＳＭを出力する交流電流検出器２４Ｍが設けられている。
そして、単相交流で駆動される補機（負荷）３１は、図１の例の場合、中性点端子ＴＮ及びＷ相電圧出力端子ＴＷに接続されて単相交流が供給されている。
【００２５】
［１］第１実施形態
次に第１実施形態の動作を説明する。
鉄道車両用電力変換装置１０には、直流架線（直流き電線）１１から直流電力がパンタグラフ１２及び遮断器１５を介して供給される。
そして、直流電力がフィルタコンデンサ１７に供給され、フィルタコンデンサ１７は所定電圧となるまで充電される。
【００２６】
これにより、直流電圧検出器１６は、フィルタコンデンサ１７の電圧を検出し、充電電圧値をコントローラ３５に出力する。
【００２７】
この結果、コントローラ３５は、直流電圧検出器１６が検出した入力直流電圧に基づいて電力変換回路１８を制御し、電力変換回路１８を構成する交流電流検出器２４ＵによりＵ相交流電流を検出し、交流電流検出器２４ＷによりＷ相交流電流を検出し、三相交流モータ３０のトルクが所定のトルクとなるように、第１〜第３アーム２１−１〜２１−３を構成している半導体スイッチング素子の制御を行い、三相交流電力を三相交流モータ３０に供給する。
【００２８】
これと並行してコントローラ３５は、第４アーム２１−４を構成している半導体スイッチング素子の制御を行い、単相交流電力を単相交流電力で駆動される照明装置（蛍光灯等）、冷暖房装置（エアコンディショナ、電気ヒータ等）等の補機３１（低電圧負荷）に供給する。
【００２９】
ここで、より詳細な動作を説明するに先だって、従来の問題点及び本実施形態の動作原理を説明する。
図２は、従来の三相交流インバータのスイッチングパターンの発生方法の説明図である。
【００３０】
従来、三相交流インバータのスイッチングパターン発生方法として、三角波比較方式が知られているが、図２に示すように、搬送波４１（図２の例の場合、三角波）と変調波４２（図２の例の場合、正弦波）を比較した結果を、スイッチングパターンとして利用している。
この方法は、簡便であるが、電圧利用率が低く、入力直流電圧のおよそ０．６１２倍の電圧しか出力できない。
【００３１】
ところで、出力電圧は、実際はインバータの短絡防止期間（いわゆるデッドタイム）により削られるが、本第１実施形態のように半導体スイッチング素子としてワイドギャップ半導体を用いた場合、スイッチング周波数を上げることで、フィルタ回路を簡素化して小型軽量化できるが、スイッチング周波数が高い程、デッドタイムの影響が大きくなり、実際に出力できる電圧が低下する。
【００３２】
例えば、スイッチング周波数が１２６０Ｈｚであれば、出力できる電圧は直流電圧の０．６０７倍であり、デッドタイムの影響は少ないが、これが１６０２０Ｈｚになると０．５５３倍に低下し、デッドタイムの影響が大きくなる。
【００３３】
そこで、これを改善する方法として、相電圧に高調波を注入する方法が知られている。例えば、基本波（図２における正弦波）の１／６倍の３次高調波を重畳することで、入力直流電圧の０．６７５倍の電圧を出力できるようになり、３次高調波を重畳をしない場合に比べ、約１．１倍の電圧を出力できるようになる。
【００３４】
そのため、同じ電圧を出力するのであれば、より入力直流電圧を下げることが可能となり、これは三相交流インバータ１９に、より低耐圧の半導体スイッチング素子を適用可能になるということを意味する。
【００３５】
図３は、本第１実施形態における三相交流インバータのスイッチングパターンの発生方法の説明図である。
図３においても、三角波比較方式を採用しているが、図２の従来例と比較して出力電圧を高めるために変調波４３は、３次高調波を含んだ波形としている。
【００３６】
これによりコントローラ３５が第１〜第３アーム２１−１〜２１−３を構成している半導体スイッチング素子２２Ｕ、２３Ｕ、２２Ｖ、２３Ｖ、２２Ｗ、２３Ｗに対し、搬送波４１と変調波４３とを比較した結果をスイッチング制御信号ＳＣとして指令すると、Ｕ相電圧出力端子ＴＵ、Ｖ相電圧出力端子ＴＶ及びＷ相電圧出力端子ＴＷを介して三相交流モータ３０の第１入力端子３０Ｔ１、第２入力端子３０Ｔ２あるいは第３入力端子３０Ｔ３にそれぞれ供給される電圧には３次高調波成分が含まれるが、一対の端子間（例えば、第１入力端子３０Ｔ１−第２入力端子３０Ｔ２間）に印加される相間電圧からは変調波４３に重畳された３次高調波成分はキャンセルされる。
【００３７】
これに対し、Ｕ相電圧出力端子ＴＵ、Ｖ相電圧出力端子ＴＶあるいはＷ相電圧出力端子ＴＷと、中性点端子ＴＮとの間に印加される電圧は、中性点端子ＴＮにおいて何らの処理も行わない場合には、変調は４３に重畳された３次高調波成分がそのまま単相交流電圧に含まれることとなる。
【００３８】
図４は、本第１実施形態における中間電位設定部のスイッチングパターンの発生方法の説明図である。
そこで、本第１実施形態においては、中間電位設定部２０においては、変調波４４として、３次高調波だけとして、搬送波４１と比較した結果をスイッチング制御信号として指令する。
【００３９】
これにより、中性点端子ＴＮから出力される電圧にも３次高調波成分が含まれることになる。したがって、Ｕ相電圧出力端子ＴＵ、Ｖ相電圧出力端子ＴＶあるいはＷ相電圧出力端子ＴＷと、中性点端子ＴＮとの間に印加される電圧（例えば、第３入力端子３０Ｔ３−中性点端子ＴＮ間）に印加される電圧からは変調波４３に重畳された３次高調波成分がキャンセルされる。
すなわち、所望の単相正弦波交流が得られ、補機３１に供給される。
【００４０】
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、発明によれば、3相4線式インバータの半導体スイッチング素子のワイドバンドギャップ半導体化（例えば、ＳｉＣ化、ＧａＮ化）によりスイッチング周波数の上昇に伴って３相交流インバータの電圧利用率が低下した場合であって、搬送波に高調波を重畳することによる電圧利用率を改善することが可能となり、装置の小型軽量化あるいは低廉化に寄与することができる。
【００４１】
［２］第２実施形態
上記第１実施形態において図２の回路では、Ｕ相電圧出力端子ＴＵ、Ｖ相電圧出力端子ＴＶあるいはＷ相電圧出力端子ＴＷをそれぞれ流れる電流のうち、不平衡電流だけが中性点端子ＴＮに流れることになる。
【００４２】
理論的には、単相負荷であっても、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相が完全に平衡していれば、中性点端子ＴＮを電流が流れることはない（厳密には、変調波成分が０になり、三相交流インバータ３０の搬送波成分だけが流れる）。
しかしながら現実にはＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相が完全に平衡することはありえないので、不平衡を考慮しなければならない。
【００４３】
実用上は定格負荷の１０％程度考えておけばよい。例えば、Ｕ相電圧出力端子ＴＵだけ１０％電流が多いとすると、中性点端子ＴＮに戻る電流は、Ｖ相電圧出力端子ＴＶあるいはＷ相電圧出力端子ＴＷをそれぞれ流れる電流の１７．３％の電流となる。
【００４４】
したがって、半導体スイッチング素子２２Ｎ及び半導体スイッチング素子２３Ｎを流れる電流の電流定格値は、半導体スイッチング素子２２Ｕ、２３Ｕ、２２Ｖ、２３Ｖ、２２Ｗ、２３Ｗを流れる電流の電流定格値に対して小さく設定できる。
【００４５】
すなわち半導体スイッチング素子２２Ｎ及び半導体スイッチング素子２３Ｎに対しては、電流定格の小さい廉価な素子を適用することが可能となる。
【００４６】
［３］実施形態の変形例
以上の説明においては、直流架線から直流電力が供給される鉄道車両用電力変換装置を例として説明したが、交流架線から供給される交流電力をコンバータにより直流電力に変換して３相インバータ及び単相インバータに直流電力を供給する鉄道車両用電力変換装置においても同様に適用が可能である。
【００４７】
以上の説明においては、交流電流検出器は二相（Ｕ相及びＷ相）のみ設置しているが、三相全てに電流検出器を設置するようにしてもよい。
また、本実施形態のコントローラをマイクロコンピュータで構成することも可能である。
【００４８】
この場合において、マイクロコンピュータで実行される制御プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供されるようにしてもよい。
本実施形態のマイクロコンピュータで実行される制御プログラムは、は、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等の半導体記憶装置、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。
【００４９】
さらに、本実施形態のマイクロコンピュータで実行される制御プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態のマイクロコンピュータで実行される制御プログラムは、をインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
【００５０】
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
【符号の説明】
【００５１】
１０    鉄道車両用電力変換装置
１２    パンタグラフ
１３    線路
１４    車輪
１５    遮断器
１６    直流電圧検出器
１７    フィルタコンデンサ
１８    電力変換回路
１９    三相交流インバータ
２０    中間電位設定部
２１−１〜２１−４    第１アーム〜第４アーム
２２Ｎ、２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ  半導体スイッチング素子
２３Ｎ、２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗ  半導体スイッチング素子
２４Ｍ、２４Ｕ、  ２４Ｗ  交流電流検出器
２５Ｕ、２５Ｖ、  ２５Ｗ  フィルタリアクトル
２６Ｕ、２６Ｖ、２６Ｗ  コンデンサ
３０    三相交流モータ
３１    補機
３５    コントローラ
４１    搬送波
４２    変調波（正弦波）
４３    変調波（正弦波＋３次高調波）
４４    変調波（高調波）
３０Ｔ１  第１入力端子
３０Ｔ２  第２入力端子
３０Ｔ３  第３入力端子
ＬＭ    単相交流出力線
ＬＵ    Ｕ相出力線
ＬＶ    Ｖ相出力線
ＬＷ    Ｗ相出力線
ＰＮ    疑似中性点
ＳＣ    スイッチング制御信号
ＳＭ    単相交流電流検出信号
ＳＵ    Ｕ相交流電流検出信号
ＳＷ    Ｗ相交流電流検出信号
ＴＮ    中性点端子
ＴＵ    Ｕ相電圧出力端子
ＴＶ    Ｖ相電圧出力端子
ＴＷ    Ｗ相電圧出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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