(57)【要約】  電気車の補助電源装置（１００）は、直流電源（１０１）から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部（１０２）と、インバータ回路部（１０２）からの交流電力が入力する１次コイルと、１次コイルと絶縁された２次コイルから交流電力を出力する変圧器（１０３）と、変圧器（１０３）から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部（１０４）と、コンバータ回路部（１０４）から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサＦＣ３と、インバータ回路部（１０２）のスイッチング素子を動作させるゲート信号ＧＳを出力するインバータ制御部（１０５）とを備える。インバータ制御部（１０５）は、フィルタコンデンサＦＣ３を充電するための充電モードにおいて、ゲート信号ＧＳのパルス幅を、電気車を運行するための運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくする。
2016063378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部と、
前記インバータ回路部からの交流電力が入力する１次コイルと、前記１次コイルと絶縁された２次コイルとを有し、前記２次コイルから交流電力を出力する変圧器と、
前記変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部と、
前記コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサと、
前記インバータ回路部又は前記コンバータ回路部のスイッチング素子を動作させるゲート信号を出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記フィルタコンデンサを充電するための制御方法である充電モードにおいて、前記ゲート信号のパルス幅を、電気車を運行するための制御方法である運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくする電気車の補助電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記充電モードにおいて、前記充電モードでの制御時間の経過に従って次第に大きな値を示す第１の指令信号を出力する指令出力部と、
前記充電モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力する三角波出力部と、
前記第１の三角波信号により示される値が前記第１の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力するゲートドライブ回路部とを有する
請求項１に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項３】
前記第１の指令信号が前記充電モードの開始時に示す値は、前記充電モードにおいて前記ゲートドライブ回路部から最初に出力される前記ゲート信号のパルス幅が、前記スイッチング素子の最小反応時間と、ゼロとの間である
請求項２に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記充電モードにおいて、電気車を運行するための制御方法である運行モードよりも前記ゲート信号のパルス間隔を長くする
請求項１に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記充電モードにおいて、前記充電モードでの制御時間の経過に従って次第に大きな値を示す第１の指令信号を出力し、前記運行モードにおいて、一定の値を示す第２の指令信号を出力する指令出力部と、
前記充電モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力し、前記運行モードにおいて、予め定められた第２の三角波に従った値を示す第２の三角波信号を出力する三角波出力部と、
前記充電モードにおいて、前記第１の三角波信号により示される値が前記第１の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力し、前記運行モードにおいて、前記第２の三角波信号により示される値が前記第２の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力するゲートドライブ回路部とを有する
前記第１の三角波の周期は、第２の三角波信号の周期よりも長い
請求項４に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項６】
前記第２の三角波の周期は、前記共振型のインバータ回路部の共振の周期と等しい
請求項５に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記充電モードでの制御時間の経過に従って次第にパルス間隔を短くする
請求項４に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項８】
直流電源から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部と、
前記インバータ回路部から出力される交流電力の電圧を変換する変圧器と、
前記変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部と、
前記コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサと、
前記インバータ回路部又は前記コンバータ回路部のスイッチング素子を動作させるゲート信号を出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記フィルタコンデンサを充電するための制御方法である充電モードにおいて、電気車を運行するための制御方法である運行モードよりも前記ゲート信号のパルス間隔を長くする電気車の補助電源装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記充電モードにおいて、一定の値を示す指令信号を出力する指令出力部と、
前記充電モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力し、前記運行モードにおいて、予め定められた第２の三角波に従った値を示す第２の三角波信号を出力する三角波出力部と、
前記充電モードにおいて、前記第１の三角波信号により示される値が前記指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力し、前記運行モードにおいて、前記第２の三角波信号により示される値が前記指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力するゲートドライブ回路部とを有し、
前記第１の三角波の周期は、第２の三角波信号の周期よりも長い
請求項８に記載の電気車の補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の補助電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気車の補助電源装置は、一般的に、パンダグラフから取り込んだ電力を交流電力に変換するインバータ回路部と、インバータ回路部から出力される電圧を変換する変圧器と、変圧器から出力される交流電力を、負荷へ供給するための直流電力に変換するコンバータ回路部と、コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサとを備える。【０００３】
補助電源装置のフィルタコンデンサは、電気車のメンテナンス中、停車中などに放電し、運行を開始する際に電気を蓄えていないことがある。このような場合、補助電源装置のフィルタコンデンサは、通常、運行を開始する前に充電される。【０００４】
補助電源装置において、フィルタコンデンサを充電する場合、電気車の走行時と同様にインバータ回路部を動作させると、インバータ回路部を構成するスイッチング素子には、電気車の走行時よりも大きな電流が流れる。特にフィルタコンデンサの蓄電量がゼロに近い間は、インバータ回路部のスイッチング素子に流れる電流が電気車の走行時よりも非常に大きくなる。【０００５】
例えば特許文献１には、フィルタコンデンサの充電時に、一定の周期の三角波と一定値の流通率とを比較することによって、スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する技術が開示されている。【０００６】
補助電源装置のフィルタコンデンサの充電に、特許文献１に開示された技術を適用することが考えられる。例えば、三角波が閾値（流通率）未満である時間Ｔ１にはインバータ回路部から充電のための電流を出力し、三角波が閾値以上である時間Ｔ２にはインバータ回路部が充電のための電流を出力しないように、制御することが考えられる。【０００７】
具体例を挙げると、三角波の周期を１００マイクロ秒とし、かつ、時間Ｔ１が３マイクロ秒となる閾値を採用した場合、時間Ｔ２は、９７マイクロ秒になる。インバータ回路部から出力される電流は一般的に三角波と同周期の正弦波形であるため、時間Ｔ１が３マイクロ秒程度であれば、インバータ回路部から出力される電流は、比較的小さい間に遮断されることになる。そして、インバータ回路部は、電流の出力が遮断された後９７マイクロ秒経過すると、再び、３マイクロ秒だけ電流を出力することになる。これによれば、補助電源装置のフィルタコンデンサを充電する間に、インバータ回路部を構成する素子に大きな電流が流れることを防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１０２９６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、インバータ回路部から電流を出力する時間Ｔ１を正確に、３マイクロ秒程度という極めて短い時間に制御することは、実際には困難である。【００１０】
一般的に、インバータ回路部を構成するスイッチング素子は、ゲートドライブ基板からのゲート信号が出力されている間、オンとなり、スイッチング素子がオンである間、インバータ回路部から電流が出力される。ゲートドライブ基板の製造上のバラツキなどに起因して、ゲート信号の出力時間にバラツキが生じ、時間Ｔ１が設計上の時間からずれることがある。また、一般的に、スイッチング素子自体の性能に製造上のバラツキがある程度ある。そのため、スイッチング素子の動作がスイッチング信号に対して遅れることによって、時間Ｔ１が設計上の時間からずれることがある。【００１１】
仮にインバータ回路部から電流を出力する時間Ｔ１が設計上は３マイクロ秒であったにもかかわらず、上述のような要因で実際には、インバータ回路部から電流が、４マイクロ秒間出力したとする。インバータ回路部から出力される電流は、上述のように一般的に三角波と同周期の正弦波形である。そのため、インバータ回路部から３マイクロ秒後の電流よりも、４マイクロ秒後の電流の方が大きくなる。インバータ回路部により電流の出力が開始されてから４マイクロ秒後に出力される電流が、インバータ回路部のスイッチング素子にとって過電流となる可能性がある。【００１２】
また、インバータ回路部から電流が出力される時間Ｔ１を仮に正確に制御できたとしても、補助電源装置の各回路のインダクタンスのバラツキによって、インバータ回路部のスイッチング素子に大きな電流が流れる可能性がある。一般的に、インバータ回路部などを構成する回路の浮遊インダクタンス、変圧器の漏れインダクタンスなどには、補助電源装置の製造上のバラツキが生じることがある。インバータ回路部から出力される電流の大きさは、通常、浮遊インダクタンス、漏れインダクタンスなどの影響で変化する。そのため、補助電源装置の各回路のインダクタンスのバラツキのために、設計値よりも大きな電流がインバータ回路部のスイッチング素子に流れることがある。この設計値よりも大きな電流が、インバータ回路部のスイッチング素子にとって過電流となる可能性がある。【００１３】
さらに、補助電源装置のインバータには、高速のスイッチング動作に伴うロスを軽減するため、共振型のインバータが広く採用されている。共振型のインバータでは、通常、共振によって電流がゼロになる時点でスイッチング動作が行われるように、三角波の周期と共振の周期とが一致するように設計される。しかしながら、特許文献１に開示された技術を補助電源装置のフィルタコンデンサの充電に適用した場合、インバータ回路部は、共振によって電流がゼロになる時点とは異なる時点で、電流の出力を停止することになる。そのため、スイッチング動作に伴うロスが大きくなり、スイッチング素子の過熱につながる可能性がある。【００１４】
上述のような過電流がスイッチング素子に繰り返し流れ、或いは、スイッチング素子の過熱が継続すると、スイッチング素子が損傷する原因となる。【００１５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、フィルタコンデンサを充電する際に、スイッチング素子が損傷することを抑制することが可能な補助電源装置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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明に係る電気車の補助電源装置は、直流電源から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部と、インバータ回路部からの交流電力が入力する１次コイルと、１次コイルと絶縁された２次コイルとを有し、２次コイルから交流電力を出力する変圧器と、変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部と、コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサと、インバータ回路部又はコンバータ回路部のスイッチング素子を動作させるゲート信号を出力する制御部とを備える。制御部は、フィルタコンデンサを充電するための制御方法である充電モードにおいて、ゲート信号のパルス幅を、電気車を運行するための制御方法である運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、制御部は、充電モードにおいて、スイッチング素子を動作させるゲート信号のパルス幅を、運行モードよりも小さくする。これにより、インバータ回路部又はコンバータ回路部から電流が出力される時間が運行モードよりも小さくなるので、スイッチング素子に流れる電流が大きくなる前に、電流の出力を遮断することができる。そのため、フィルタコンデンサの充電中に、スイッチング素子に大きな電流が流れることを防ぐことができる。【００１８】
また、フィルタコンデンサの蓄電量が少ない間は、スイッチング素子に特に大きな電流が流れる可能性が高いところ、制御部は、充電モードにおいて、スイッチング素子を動作させるゲート信号のパルス幅を次第に大きくする。これにより、インバータ回路部又はコンバータ回路部から電流が出力される時間は、フィルタコンデンサの蓄電量の増加に伴って、次第に長くなる。そのため、フィルタコンデンサの蓄電量が少ない間に、スイッチング素子に流れる電流を小さくすることができる。【００１９】
従って、フィルタコンデンサを充電する際に、スイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電気車の補助電源装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係るインバータ制御部の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１に係るインバータ制御部の充電モードでの動作に応じて出力されるゲート信号を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るインバータ制御部の運行モードでの動作に応じて出力されるゲート信号を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る電気車の補助電源装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態２に係るインバータ制御部の構成を示す図である。
【図７】実施の形態２に係る三角波出力部の構成を示す図である。
【図８】実施の形態２に係る指令出力部の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る電気車の補助電源装置の構成を示す図である。
【図１０】実施の形態３に係るインバータ制御部の構成を示す図である。
【図１１】実施の形態３に係る指令出力部の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る電気車の補助電源装置の構成を示す図である。
【図１３】実施の形態４に係るインバータ制御部の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る電気車の補助電源装置の構成を示す図である。
【図１５】実施の形態５に係るインバータ制御部の構成を示す図である。
【図１６】実施の形態５に係る充電用信号出力部の構成を示す図である。
【図１７】実施の形態５に係る運行用信号出力部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について図を参照して説明する。全図を通じて同一の要素には同一の参照符号を付す。
【００２２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る電気車の補助電源装置（以下、単に「補助電源装置」ともいう。）１００は、図１に示すように、直流電源１０１から入力する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路部１０２と、インバータ回路部１０２からの交流電力が入力する１次コイルと、１次コイルと絶縁された２次コイルとを有し、２次コイルから交流電力を出力する変圧器１０３と、変圧器１０３から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部１０４と、コンバータ回路部１０４から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサＦＣ３と、インバータ回路部１０２のスイッチング素子を動作させるゲート信号ＧＳを出力するインバータ制御部１０５とを備える。
【００２３】
インバータ回路部１０２は、同図に示すように、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードとから構成される。インバータ回路部１０２と、直流電源１０１との間には、インバータ回路部１０２に直列に接続されるフィルタリアクトルＦＬと、インバータ回路部１０２に並列に接続される２つのフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２が接続される。フィルタリアクトルＦＬと、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２とで共振回路を構成する。フィルタリアクトルＦＬ、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２及びインバータ回路部１０２が接続されることによって、共振型のインバータ回路部を構成する。
【００２４】
この共振回路の共振周波数、すなわち、共振型のインバータ回路部１０２の共振周波数は、例えば設計時に適宜設定されてよいが、本実施の形態では、１０ｋＨｚであるとする。言い換えると、本実施の形態に係る共振型のインバータ回路部１０２（共振回路）の共振の周期は、１００マイクロ秒である。
【００２５】
変圧器１０３は、１次コイルに接続される回路と２次コイルに接続される回路との絶縁を主たる目的とするものであり、例えば１対１の変圧比を有する。
【００２６】
変圧器１０３の１次コイルは、インバータ回路部１０２のＩＧＢＴとダイオードの組の間と、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の間とに接続される。変圧器１０３の２次コイルは、コンバータ回路部１０４に接続される。
【００２７】
１次コイルと２次コイルとは、相互インダクタンスで結合されており、１次コイルに流れる交流電流の変化に伴って２次コイルに交流電流が流れる。変圧器１０３は、２次コイルに流れる電流を出力する。
【００２８】
なお、変圧器１０３の変圧比は、１対１に限られず、適宜変更されてもよい。
【００２９】
コンバータ回路部１０４は、４つの整流ダイオードから構成される。詳細には、直列に接続される２つの整流ダイオードの組が２組並列に接続される。各組の整流ダイオードの間には、変圧器１０３の２次側コイルが接続され、これにより、変圧器１０３により変圧された電力は、コンバータ回路部１０４へ入力する。
【００３０】
コンバータ回路部１０４から出力される直流電力は、充電モードではフィルタコンデンサＦＣ３により消費され、運行モードでは負荷１０６により消費される。負荷１０６としては、電気車内に設置される空調機、照明器具などを挙げることができる。
【００３１】
フィルタコンデンサＦＣ３は、電気車の運行するときには、概ね満充電となっているため、その電極間の電圧ＶＦｃは、概ねフィルタコンデンサＦＣ３の定格電圧を維持する。これに対して、電気車が初めて運行する場合、電気車がメンテナンスなどを経て出庫する場合などには、フィルタコンデンサＦＣ３は満充電ではないため、その電極間の電圧ＶＦｃは、定格電圧より小さくなる。
【００３２】
インバータ制御部１０５は、インバータ回路部１０２のスイッチング素子の各々が有するゲート端子に入力するパルス信号であるゲート信号ＧＳを出力する。インバータ回路部１０２のスイッチング素子の各々は、ゲート信号ＧＳがゲート端子に入力すると、オンとなって電流を通過させる。インバータ回路部１０２のスイッチング素子の各々は、ゲート端子へのゲート信号ＧＳの入力が断たれると、オフとなって電流を遮断する。これによって、インバータ制御部１０５は、制御部として、インバータ回路部１０２を制御する。
【００３３】
詳細には、インバータ制御部１０５は、電気車を運行する間と、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する間とで、異なる制御方法でインバータ回路部１０２を制御する。以下では、電気車を運行するための制御方法を運行モードと称し、フィルタコンデンサＦＣ３を充電するための制御方法を充電モードと称する。
【００３４】
運行モードにおいて、インバータ制御部１０５は、一定のパルス間隔かつ一定のパルス幅のゲート信号ＧＳを、インバータ回路部１０２のスイッチング素子の各々へ交互に出力する。
【００３５】
これにより、運行モードで動作する場合、インバータ制御部１０５は、一定の周期の交流電流がインバータ回路部１０２から出力されるように、インバータ回路部１０２を制御する。すなわち、インバータ回路部１０２が有するスイッチング素子は、それぞれのゲート端子に入力するゲート信号ＧＳに応じてオン・オフを繰り返すので、一定の周期の交流電流がインバータ回路部１０２から出力される。
【００３６】
充電モードにおいて、インバータ制御部１０５は、ゲート信号ＧＳのパルス幅を運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、ゲート信号ＧＳのパルス幅を次第に大きくする。これにより、充電モードで動作する場合、インバータ制御部１０５は、インバータ回路部１０２から出力される電流（充電電流Ｉｃｈ）が、フィルタコンデンサＦＣ３の充電の初期においては極めて小さくなり、かつ、フィルタコンデンサＦＣ３の充電に伴って次第に大きくなるように、インバータ回路部１０２を制御する。ここで、充電電流Ｉｃｈは、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する間に、インバータ回路部１０２から出力される電流である。
【００３７】
本実施の形態に係るインバータ制御部１０５は、インバータ制御部１０５の動作開始時から充電時間Ｔｃｈが経過するまでは充電モードで動作し、充電時間Ｔｃｈ以降は運行モードで動作する。充電時間Ｔｃｈは、インバータ制御部１０５が充電モードで動作する時間として予め定められる。充電時間Ｔｃｈには、例えば、フィルタコンデンサＦＣ３を満充電にするために要する時間より長い時間である。
【００３８】
このような制御を実現するために、本実施の形態に係るインバータ制御部１０５は、図２に示すように、充電モード及び運行モードの各々に応じて予め定められた指令信号ＣＳを出力する指令出力部１０７と、予め定められた三角波に従った三角波信号ＴＳを出力する三角波出力部１０８と、指令信号ＣＳ及び三角波信号ＴＳの各々に含まれる値を比較し、比較した結果に基づいて比較結果信号ＣＲＳを出力する比較部１０９と、比較結果信号ＣＲＳに基づいて、ゲート信号ＧＳを出力するゲートドライブ回路部１１０とを有する。
【００３９】
指令出力部１０７は、インバータ制御部１０５が動作を開始してからの経過時間と値との関係を示す指令情報を予め保持し、指令情報に応じた指令信号ＣＳを出力する。
【００４０】
本実施の形態に係る指令情報は、図２に示すように、ランプ関数を示す。すなわち、本実施の形態に係る指令情報は、インバータ制御部１０５の動作開始時から充電時間Ｔｃｈまでの間については、最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘまで直線的に増加する値を示す。また、本実施の形態に係る指令情報は、充電時間Ｔｃｈ以降については、一定の値を示す。
【００４１】
指令出力部１０７は、自身が保持する指令情報において、インバータ制御部１０５の動作開始時からの経過時間に対応する値を特定する。そして、指令出力部１０７は、特定した値を含む指令信号ＣＳを出力する。
【００４２】
すなわち、本実施の形態に係る指令出力部１０７は、充電モードにおいて、充電モードでの制御時間の経過に従って次第に大きな値を示す第１の指令信号を出力し、運行モードにおいて、一定の値を示す第２の指令信号を出力する指令出力部に相当する。なお、指令情報が示す値は、充電モードでの制御時間の経過に従って、最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘまで、例えば、滑らかな曲線状に増加してもよく、段階的に増加してもよい。
【００４３】
ここで、最小値Ｔｍｉｎは、インバータ制御部１０５が充電モードで動作を開始した時に出力する指令信号ＣＳ（第１の指令信号）が示す値であり、本実施の形態ではゼロである。最大値Ｔｍａｘは、インバータ制御部１０５が運行モードで動作をしている間に出力する指令信号ＣＳ（第２の指令信号）が示す値であり、１、１００など適宜定められるとよい。
【００４４】
三角波出力部１０８は、インバータ制御部１０５が動作を開始してからの経過時間と値との関係を示す三角波情報を予め保持し、三角波情報に応じた三角波信号ＴＳを出力する。
【００４５】
本実施の形態に係る三角波情報は、図２に示すように、インバータ制御部１０５が動作を開始してからの経過時間に応じて、値の増加と減少とを繰り返す三角波を示す。詳細には、三角波は、ゼロから最大値Ｔｍａｘへ直線的に増加した後にゼロへ直線的に減少することを繰り返す波形であって、ゼロから最大値Ｔｍａｘになるまで増加する時間と最大値Ｔｍａｘからゼロになるまで減少する時間とが等しい。
【００４６】
三角波出力部１０８は、自身が保持する三角波情報において、インバータ制御部１０５の動作開始時からの経過時間に対応する値を特定する。そして、三角波出力部１０８は、特定した値を含む三角波信号ＴＳを出力する。
【００４７】
すなわち、本実施の形態に係る三角波出力部１０８は、充電モードと運行モードとの両モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力する三角波出力部に相当する。
【００４８】
ここで、三角波出力部１０８が保持する三角波情報によって示される三角波の周期は、インバータ回路部１０２の共振の周期と同じ１００マイクロ秒（すなわち、周波数１０ｋＨｚ）であるとする。これによれば、電気車の運行時に、インバータ回路部１０２の共振の周期と同じ周期で、インバータ回路部１０２のスイッチング素子のオンとオフを切り替えることができる。その結果、電力のロスを低減することが可能になる。なお、三角波出力部１０８が保持する三角波情報によって示される三角波の周期は、これに限られず、適宜定められてもよい。
【００４９】
比較部１０９は、指令出力部１０７及び三角波出力部１０８のそれぞれから、指令信号ＣＳ及び三角波信号ＴＳを取得する。比較部１０９は、取得した指令信号ＣＳ及び三角波信号ＴＳの各々に含まれる値を比較する。比較部１０９は、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値よりも小さい場合に、比較結果信号ＣＲＳを出力する。比較部１０９は、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値以上である場合に、比較結果信号ＣＲＳを出力しない。
【００５０】
ゲートドライブ回路部１１０は、比較部１０９から比較結果信号ＣＲＳを取得する間、ゲート信号ＧＳを出力する。このとき、ゲートドライブ回路部１１０は、比較部１０９からの比較結果信号ＣＲＳが途絶えるたびに、ゲート信号ＧＳの出力先となるスイッチング素子を切り替える。
【００５１】
すなわち、本実施の形態に係るゲートドライブ回路部１１０は、充電モードと運行モードとの両モードにおいて、第１の三角波信号により示される値が第１の指令信号により示される値よりも小さい間、ゲート信号ＧＳを出力するゲートドライブ回路部に相当する。
【００５２】
なお、比較部１０９は、比較の結果に基づいて、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値よりも小さいこと、又は、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値以上であることを示す比較結果信号ＣＲＳを出力してもよい。そして、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値よりも小さいことが比較結果信号ＣＲＳによって示される場合に、ゲートドライブ回路部１１０は、ゲート信号ＧＳを出力するとよい。
【００５３】
これまで、実施の形態１に係る補助電源装置１００の構成について説明した。ここから、補助電源装置１００の動作について説明する。
【００５４】
（充電モードでの動作）
電気車が初めて運行する場合、電気車がメンテナンスなどを経て出庫する場合などに、インバータ制御部１０５は、充電モードで動作する。ここでは、フィルタコンデンサＦＣ３の充電の初期において、フィルタコンデンサＦＣ３の電圧ＶＦｃが、ゼロであるとする。
【００５５】
充電モードで動作を開始すると、指令出力部１０７と三角波出力部１０８とは、それぞれ、充電モードでの制御動作の経過時間に応じた値を含む三角波信号ＴＳと指令信号ＣＳとを出力する。ここで、三角波信号ＴＳと指令信号ＣＳとの各々が示す値と、充電モードでの制御時間との関係を図３（ａ）に示す。図３（ａ）の横軸は、充電モードでの制御時間を示し、図３（ａ）の縦軸は、三角波信号ＴＳ又は指令信号ＣＳが示す値を示す。
【００５６】
比較部１０９は、三角波信号ＴＳと指令信号ＣＳとを比較し、比較結果信号ＣＲＳを出力する。ゲートドライブ回路部１１０は、比較結果信号ＣＲＳに基づいて、ゲート信号ＧＳを出力する。
【００５７】
上述の通り、比較部１０９は、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値よりも小さい場合に、比較結果信号ＣＲＳを出力し、三角波信号ＴＳにより示される値が指令信号ＣＳにより示される値以上である場合に、比較結果信号ＣＲＳを出力しない。そして、ゲートドライブ回路部１１０は、比較部１０９から比較結果信号ＣＲＳを取得する間、ゲート信号ＧＳを出力する。
【００５８】
そのため、図３（ａ）に示す値を含む指令信号ＣＳと三角波信号ＴＳとが、指令出力部１０７と三角波出力部１０８とのそれぞれから出力された場合、ゲートドライブ回路部１１０から出力されるゲート信号ＧＳは、図３（ｂ）に示すものとなる。図３（ｂ）の横軸は、充電モードでの制御時間を示し、図３（ｂ）の縦軸は、ゲート信号ＧＳの出力（High）又は非出力（Low）を示す。
【００５９】
図３（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るインバータ制御部１０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス幅は、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくなる。また、充電モードでのゲート信号ＧＳのパルス幅は、後述する運行モードでのゲート信号ＧＳのパルス幅よりも小さい（図４（ｂ）参照）。
【００６０】
インバータ回路部１０２のスイッチング素子の各々は、ゲート信号ＧＳが入力されるとオン（導通）となり、ゲート信号ＧＳの入力が断たれるとオフ（遮断）となる。また、ゲートドライブ回路部１１０は、比較部１０９からの比較結果信号ＣＲＳが途絶えるたびに、ゲート信号ＧＳの出力先となるスイッチング素子を切り替える。
【００６１】
従って、インバータ回路部１０２が有するスイッチング素子の一方は、図３（ｃ）に示すようにオンとオフを切り替える動作をする。また、インバータ回路部１０２が有するスイッチング素子の他方は、図３（ｄ）に示すようにオンとオフを切り替える動作をする。
【００６２】
ここで、図３（ｃ）及び（ｄ）の横軸は、充電モードでの制御時間を示す。図３（ｃ）及び（ｄ）の縦軸は、ＯＮ（オン、すなわち導通）又はＯＦＦ（オフ、すなわち遮断）を示す。
【００６３】
充電モードでは、パンダグラフなどの集電器を介して直流電源１０１から、フィルタリアクトルＦＬを介してインバータ回路部１０２に直流の電圧が印加される。
【００６４】
そのため、スイッチング素子の動作に伴って、インバータ回路部１０２から図３（ｅ）に示す充電電流Ｉｃｈが出力される。図３（ｅ）の横軸は、充電モードでの制御時間を示す。図３（ｅ）の縦軸は、充電電流Ｉｃｈの大きさを示す。
【００６５】
スイッチング素子の最小反応時間よりも長い時間に応じたパルス幅のゲート信号ＧＳが出力されると、スイッチング素子は動作する。インバータ回路部１０２のスイッチング素子を通じて電流が出力される時間は、図３（ｅ）に示すように、充電モードでの制御時間の経過に従って、長くなる。
【００６６】
その一方で、スイッチング素子の各動作に伴ってインバータ回路部１０２から出力される充電電流Ｉｃｈの最大値は、図３（ｅ）に示すように、概ね一定である。
【００６７】
理由は、以下の通りである。充電電流Ｉｃｈの大きさが、変圧器１０３の１次コイルの端子間電圧ＶｉｎとフィルタコンデンサＦＣ３の電圧ＶＦｃとの差に比例する。充電モードでの制御時間の経過に従って、フィルタコンデンサＦＣ３が充電されるので、フィルタコンデンサＦＣ３の電圧ＶＦｃは次第に大きくなる。そのため、スイッチング素子をＯＮにした後、仮にＯＮのままにした場合に流れる充電電流Ｉｃｈのピーク値は、次第に小さくなる。ここで、図３（ｅ）の正弦波状の二点差線１１１の各々は、スイッチング素子をＯＮにした後、仮にＯＮのままにした場合に流れる充電電流Ｉｃｈの変化を示し、直線の二点差線１１２は、ピーク値が減少することを示す。その結果、インバータ回路部１０２のスイッチング素子を通じて電流が出力される時間が、充電モードでの制御時間の経過に従って長くなっても、充電電流Ｉｃｈの最大値は一定となる。
【００６８】
このように、インバータ回路部１０２から出力される電流によって、フィルタコンデンサＦＣ３は、次第に充電される。やがて、フィルタコンデンサＦＣ３は、満充電となる。充電時間Ｔｃｈが経過すると、インバータ制御部１０５は、充電モードでの動作を終了し、運行モードでの動作に移行する。
【００６９】
なお、図３（ａ）〜（ｅ）では、本発明の特徴を分かり易くするため、指令信号が示す値の傾き、ゲート信号ＧＳのパルス幅の変化、ピーク電流の変化などを大きく表しているが、実際にはより緩やかに変化することが多い。
【００７０】
（運行モードでの動作）
運行モードで動作を開始すると、指令出力部１０７と三角波出力部１０８とは、それぞれ、運行モードでの制御動作の経過時間に応じた値を含む三角波信号ＴＳと指令信号ＣＳとを出力する。ここで、三角波信号ＴＳと指令信号ＣＳとの各々が示す値と、運行モードでの制御時間との関係を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の横軸は、運行モードでの制御時間を示し、図４（ａ）の縦軸は、三角波信号ＴＳ又は指令信号ＣＳが示す値を示す。
【００７１】
比較部１０９及びゲートドライブ回路部１１０の各々は、充電モードと同様に動作する。そのため、図４（ａ）に示す値を含む指令信号ＣＳと三角波信号ＴＳとが、指令出力部１０７と三角波出力部１０８とのそれぞれから出力された場合、ゲートドライブ回路部１１０から出力されるゲート信号ＧＳは、図４（ｂ）に示すものとなる。図４（ｂ）の横軸は、運行モードでの制御時間を示し、図４（ｂ）の縦軸は、ゲート信号ＧＳの出力（High）又は非出力（Low）を示す。
【００７２】
インバータ回路部１０２のスイッチング素子の各々は、充電モードでの動作と同様に、ゲート信号ＧＳが入力されるとオン（導通）となり、ゲート信号ＧＳの入力が断たれるとオフ（遮断）となる。また、ゲートドライブ回路部１１０は、充電モードでの動作と同様に、比較部１０９からの比較結果信号ＣＲＳが途絶えるたびに、ゲート信号ＧＳの出力先となるスイッチング素子を切り替える。
【００７３】
従って、インバータ回路部１０２が有するスイッチング素子の一方は、図４（ｃ）に示すようにオンとオフを切り替える動作をする。また、インバータ回路部１０２が有するスイッチング素子の他方は、図４（ｄ）に示すようにオンとオフを切り替える動作をする。
【００７４】
ここで、図４（ｃ）及び（ｄ）の横軸は、運行モードでの制御時間を示す。図４（ｃ）及び（ｄ）の縦軸は、ＯＮ（オン、すなわち導通）又はＯＦＦ（オフ、すなわち遮断）を示す。
【００７５】
運行モードでは、パンダグラフなどの集電器を介して直流電源１０１から、フィルタリアクトルＦＬを介してインバータ回路部１０２に直流の電圧が印加される。そのため、スイッチング素子の動作に伴って、インバータ回路部１０２から図４（ｅ）に示す充電電流Ｉｃｈが出力される。図４（ｅ）の横軸は、運行モードでの制御時間を示す。図４（ｅ）の縦軸は、充電電流Ｉｃｈの大きさを示す。
【００７６】
以上、本発明の実施の形態１について説明した。
【００７７】
本実施の形態によれば、インバータ制御部１０５は、充電モードにおいて、スイッチング素子を動作させるゲート信号ＧＳのパルス幅を、運行モードよりも小さくする。これにより、インバータ回路部１０２から充電電流Ｉｃｈが出力される時間が運行モードよりも小さくなるので、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に流れる電流が大きくなる前に、電流の出力を遮断することができる。そのため、フィルタコンデンサＦＣ３の充電中に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に大きな電流が流れることを防ぐことができる。
【００７８】
また、フィルタコンデンサＦＣ３の蓄電量が少ない間は、通常、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に特に大きな電流が流れる可能性が高い。インバータ制御部１０５は、充電モードにおいて、インバータ回路部１０２のスイッチング素子を動作させるゲート信号ＧＳのパルス幅を次第に大きくする。これにより、インバータ回路部１０２から充電電流Ｉｃｈが出力される時間は、フィルタコンデンサＦＣ３の蓄電量の増加に伴って、次第に長くなる。そのため、フィルタコンデンサＦＣ３の蓄電量が少ない間に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に流れる充電電流Ｉｃｈを小さくすることができる。
【００７９】
従って、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【００８０】
変形例１．
最小値Ｔｍｉｎには、充電モードにおいてゲートドライブ回路部１１０から最初に出力されるゲート信号ＧＳのパルス幅が、スイッチング素子の最小反応時間となる値Ｖｍｉｎと、ゼロとの間の値が採用されてもよい。
【００８１】
最小値Ｔｍｉｎに、ゼロから値Ｖｍｉｎの間の値とすることによって、インバータ制御部１０５が充電モードで動作を開始してインバータ回路部１０２から最初に出力される電流を、インバータ回路部１０２が出力することができる最小のものに近くすることができる。これにより、スイッチング素子に特に大きな電流が流れる可能性が高いフィルタコンデンサＦＣ３の充電の初期において、スイッチング素子に流れる電流を小さくすることができる。
【００８２】
その結果、仮にインバータ回路部１０２から電流を出力する時間にバラツキが生じたり、ゲート信号ＧＳのパルス幅にバラツキが生じたりしたとしても、インバータ回路部１０２のスイッチング素子にとって過電流となるような大きな電流が流れることを抑制することができる。
【００８３】
従って、フィルタコンデンサを充電する際に、スイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【００８４】
変形例２．
インバータ回路部１０２及びコンバータ回路部１０４の各々を構成する素子の数及びそれらの接続形態は、適宜変更されてもよい。これに応じて、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の数及び接続形態も、適宜変更されてもよい。フィルタコンデンサＦＣ３の数も適宜変更されてもよい。
【００８５】
変形例３．
実施の形態１では、インバータ回路部１０２がスイッチング素子を備え、インバータ制御部１０５が、そのスイッチング素子を動作させるゲート信号ＧＳを出力する例により説明した。しかし、コンバータ回路部１０４が、例えば、スイッチング素子とそれに逆並列に接続されるダイオードとから構成されてもよい。そして、コンバータ回路部１０４のスイッチング素子を動作させるゲート信号ＧＳを出力するコンバータ制御部が、実施の形態１に係るインバータ制御部１０５と同様の構成を備え、それによって、充電モードにおいて、ゲート信号ＧＳのパルス幅を次第に大きくしてもよい。これによっても、実施の形態１と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、スイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【００８６】
変形例４．
インバータ制御部１０５は、動作を開始してからゲート信号ＧＳを出力した回数Ｎを計数するカウンタを保持してもよい。この場合、インバータ制御部１０５は、予め定められたパルス間隔で、予め定められた値にＮを乗じたパルス幅のゲート信号ＧＳを出力するとよい。これによっても、充電モードにおいて、ゲート信号ＧＳのパルス幅を運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくすることができる。従って、実施の形態１と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、スイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【００８７】
変形例５．
実施の形態１では、インバータ制御部１０５が充電モードでの動作時にゲート信号ＧＳのパルス幅を変更する例を説明した。これに代えて、変圧器１０３の１次コイル又は２次コイルに接続される回路に、固定抵抗又は可変抵抗が並列に設けられてもよい。そして、インバータ制御部１０５が、充電モードでの動作時には、固定抵抗又は可変抵抗を含む回路に接続し、運行モードでの動作時には、固定抵抗又は可変抵抗を含まない回路に接続するように、スイッチを切り替える制御を行ってもよい。これによっても、実施の形態１と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３の充電時にインバータ回路部１０２のスイッチング素子に大きい電流が流れることを抑制することができる。従って、実施の形態１と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、スイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【００８８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電気車の補助電源装置２００は、図５に示すように、実施の形態１に係る補助電源装置１００が備えるインバータ制御部１０５に代えて、インバータ制御部２０５を備える。また、補助電源装置２００は、さらに、フィルタコンデンサＦＣ３の（電極間の）電圧ＶＦｃを測定し、測定した結果を示す電圧信号をインバータ制御部２０５へ出力する電圧センサ２１３を備える。
【００８９】
インバータ制御部２０５は、充電モードにおいて、運行モードよりもゲート信号ＧＳのパルス間隔を長くする。
【００９０】
詳細には、インバータ制御部２０５は、図６に示すように、実施の形態１に係るインバータ制御部１０５が備える指令出力部１０７及び三角波出力部１０８に代えて、指令出力部２０７及び三角波出力部２０８を有する。インバータ制御部２０５は、さらに、フィルタコンデンサＦＣ３の電圧ＶＦｃと予め定められた参照電圧Ｖｒｅｆとを比較し、比較結果に基づいて、充電モードと運行モードとで指令出力部２０７及び三角波出力部２０８の動作モードを切り替えるための切替信号ＳＷＳを出力する切替信号出力部２１４を有する。ここで、参照電圧Ｖｒｅｆには、例えば、フィルタコンデンサＦＣ３の定格電圧に応じた値が採用されるとよい。
【００９１】
切替信号出力部２１４は、電圧センサ２１３から電圧信号を取得する。切替信号出力部２１４は、取得した電圧信号が示す電圧ＶＦｃと、参照電圧Ｖｒｅｆとを比較する。切替信号出力部２１４は、電圧ＶＦｃが参照電圧Ｖｒｅｆより大きい場合に、運行モードであることを示す切替信号ＳＷＳを出力する。電圧ＶＦｃが参照電圧Ｖｒｅｆ以下である場合に、切替信号出力部２１４は、充電モードであることを示す切替信号ＳＷＳを出力する。
【００９２】
三角波出力部２０８は、切替信号ＳＷＳに基づいて、充電モードと運行モードとのいずれかに応じた三角波信号ＴＳを出力する。
【００９３】
詳細には、三角波出力部２０８は、図７に示すように、充電モードにおいて、予め定められた充電用三角波（第１の三角波）に従った値を示す三角波信号ＴＳ１を出力する充電用三角波出力部２１５と、運行モードにおいて、予め定められた運行用三角波（第２の三角波）に従った値を示す三角波信号ＴＳ２を出力する運行用三角波出力部２１６と、切替信号ＳＷＳに基づいて、三角波信号ＴＳ１と三角波信号ＴＳ２とのいずれかに、三角波出力部２０８から出力する三角波信号ＴＳを切り替える三角波切替部２１７とを有する。
【００９４】
充電用三角波出力部２１５は、インバータ制御部２０５が動作を開始してからの経過時間と値との関係を示す充電用三角波情報を予め保持し、充電用三角波情報に応じた三角波信号ＴＳ１を出力する。詳細には、充電用三角波出力部２１５は、自身が保持する充電用三角波情報において、インバータ制御部２０５の動作開始時からの経過時間に対応する値を特定する。そして、充電用三角波出力部２１５は、特定した値を含む三角波信号ＴＳ１を出力する。
【００９５】
運行用三角波出力部２１６は、インバータ制御部２０５が動作を開始してからの経過時間と値との関係を示す運行用三角波情報を予め保持し、運行用三角波情報に応じた三角波信号ＴＳ２を出力する。詳細には、運行用三角波出力部２１６は、自身が保持する運行用三角波情報において、インバータ制御部２０５の動作開始時からの経過時間に対応する値を特定する。そして、運行用三角波出力部２１６は、特定した値を含む三角波信号ＴＳ２を出力する。
【００９６】
充電用三角波情報及び運行用三角波情報の各々は、図７に示すように、インバータ制御部２０５が動作を開始してからの経過時間に応じて、値の増加と減少とを繰り返す三角波を示す。充電用三角波の周期は、同図に示すように、運行用三角波信号の周期よりも長い。
【００９７】
三角波切替部２１７は、切替信号出力部２１４から切替信号ＳＷＳを取得する。三角波切替部２１７は、切替信号ＳＷＳが充電モードであることを示す場合に、三角波出力部２０８から出力する三角波信号ＴＳを、充電用三角波出力部２１５からの三角波信号ＴＳ１に設定する。切替信号ＳＷＳが運行モードであることを示す場合に、三角波切替部２１７は、三角波出力部２０８から出力する三角波信号ＴＳを、運行用三角波出力部２１６からの三角波信号ＴＳ２に設定する。
【００９８】
指令出力部２０７は、切替信号ＳＷＳに基づいて、充電モードと運行モードとのいずれかに応じた指令信号ＣＳを出力する。
【００９９】
詳細には、指令出力部２０７は、図８に示すように、充電モードにおいて、予め定められた値Ｔｃを示す指令信号ＣＳ１を出力する充電用指令出力部２１８と、運行モードにおいて、予め定められた値（実施の形態１と同様の最大値Ｔｍａｘ）を示す指令信号ＣＳ２を出力する運行用指令出力部２１９と、切替信号ＳＷＳに基づいて、指令信号ＴＳ１と指令信号ＴＳ２とのいずれかに、指令出力部２０７から出力する指令信号ＣＳを切り替える指令切替部２２０とを有する。
【０１００】
充電用指令出力部２１８は、予め定められた値Ｔｃを示す充電用指令情報を予め保持し、充電用指令情報に応じた指令信号ＣＳ１を出力する。詳細には、充電用指令出力部２１８は、自身が保持する充電用指令情報が示す値Ｔｃを含む指令信号ＣＳ１を出力する。
【０１０１】
運行用指令出力部２１９は、予め定められた値Ｔｍａｘを示す運行用指令情報を予め保持し、運行用指令情報に応じた指令信号ＣＳ２を出力する。詳細には、運行用指令出力部２１９は、自身が保持する運行用指令情報が示す値Ｔｍａｘを含む指令信号ＣＳ２を出力する。
【０１０２】
充電用指令情報が示す値Ｔｃは、図７に示すように、運行用指令情報が示す値Ｔｍａｘよりも小さい。
【０１０３】
指令切替部２２０は、切替信号出力部２１４から切替信号ＳＷＳを取得する。指令切替部２２０は、切替信号ＳＷＳが充電モードであることを示す場合に、指令出力部２０７から出力する指令信号ＣＳを、充電用指令出力部２１８からの指令信号ＣＳ１に設定する。切替信号ＳＷＳが運行モードであることを示す場合に、指令切替部２２０は、指令出力部２０７から出力する指令信号ＣＳを、運行用指令出力部２１９からの指令信号ＣＳ２に設定する。
【０１０４】
これまで、実施の形態２に係る補助電源装置２００の構成について説明した。ここから、補助電源装置２００の動作について説明する。
【０１０５】
（充電モードでの動作）
充電モードでは、三角波出力部２０８は、三角波信号ＴＳとして、充電用三角波出力部２１５から出力される三角波信号ＴＳ１を出力する。また、指令出力部２０７は、指令信号ＣＳとして、充電用指令出力部２１８から出力される指令信号ＣＳ１を出力する。
【０１０６】
比較部１０９及びゲートドライブ回路部１１０とは、実施の形態１と同様に動作する。そのため、充電モードにおいて、ゲート信号ＧＳは、三角波信号ＴＳ１により示される値が指令信号ＣＳ１により示される値Ｔｃよりも小さい間、ゲートドライブ回路部１１０から出力される。
【０１０７】
（運行モードでの動作）
運行モードでは、三角波出力部２０８は、三角波信号ＴＳとして、運行用三角波出力部２１６から出力される三角波信号ＴＳ２を出力する。また、指令出力部２０７は、指令信号ＣＳとして、運行用指令出力部２１９から出力される指令信号ＣＳ２を出力する。
【０１０８】
比較部１０９及びゲートドライブ回路部１１０とは、実施の形態１と同様に動作する。そのため、運行モードにおいて、ゲート信号ＧＳは、三角波信号ＴＳ２により示される値が指令信号ＣＳ２により示される値Ｔｍａｘよりも小さい間、ゲートドライブ回路部１１０から出力される。
【０１０９】
このように動作することによって、インバータ制御部２０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス間隔は、充電モードにおいて、運行モードよりも長くなる。
【０１１０】
一般的に、共振型のインバータ回路部１０２において、共振によって電流がゼロになる時点とは異なる時点で、インバータ回路部１０２からの電流の出力を停止することとなり、スイッチング動作に伴うロスによってスイッチング素子が発熱する。
【０１１１】
本実施の形態によれば、インバータ制御部２０５は、充電モードにおいて、運行モードよりもゲート信号ＧＳのパルス間隔を長くする。そのため、スイッチング動作に伴うロスによってスイッチング素子が発熱したとしても、スイッチング素子がある程度冷却した後に、次のスイッチング動作をさせることができる。これにより、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が、過熱することを防ぐことができる。従って、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が、過剰に熱を持つことによって損傷することを抑制することが可能になる。
【０１１２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る電気車の補助電源装置３００は、図９に示すように、実施の形態２に係る補助電源装置２００が備えるインバータ制御部２０５に代えて、インバータ制御部３０５を備える。
【０１１３】
インバータ制御部３０５は、充電モードにおいて、ゲート信号ＧＳのパルス幅を運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、ゲート信号ＧＳのパルス幅を次第に大きくし、かつ、運行モードよりもゲート信号ＧＳのパルス間隔を長くする。
【０１１４】
詳細には、インバータ制御部３０５は、図１０に示すように、実施の形態２に係るインバータ制御部２０５が備える指令出力部２０７に代えて、指令出力部３０７を有する。
【０１１５】
指令出力部３０７は、実施の形態２に係る指令出力部２０７と同様に、切替信号ＳＷＳに基づいて、充電モードと運行モードとのいずれかに応じた指令信号ＣＳを出力する。本実施の形態では、充電モードにおいて出力する指令信号ＣＳが、実施の形態２とは異なる。
【０１１６】
詳細には、指令出力部３０７は、図１１に示すように、実施の形態２に係る指令出力部２０７が備える充電用指令出力部２１８に代えて、充電用指令出力部３１８を有する。
【０１１７】
充電用指令出力部３１８は、インバータ制御部３０５が動作を開始してからの経過時間と値との関係を示す充電用指令情報を予め保持し、充電用指令情報に応じた指令信号ＣＳ１を出力する。
【０１１８】
本実施の形態に係る充電用指令情報は、図１１に示すように、ランプ関数を示す。すなわち、本実施の形態に係る充電用指令情報は、インバータ制御部３０５の動作開始時から充電時間Ｔｃｈまでの間に、最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘまで直線的に増加する値を示す。最小値Ｔｍｉｎは、実施の形態１と同様に、適宜定められてよく、例えばゼロである。
【０１１９】
これまで、実施の形態３に係る補助電源装置３００の構成について説明した。
【０１２０】
本実施の形態に係る補助電源装置３００は、実施の形態２に係る補助電源装置２００と同様に動作する。その結果、充電モードにおいて、指令出力部３０７から出力される指令信号ＣＳが、実施の形態２に係る指令信号ＣＳとは異なり、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きな値を示す。
【０１２１】
このように動作することによって、充電モードにおいて、インバータ制御部３０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス幅は実施の形態１と同様に、運行モードよりも小さくなり、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくなる。また、インバータ制御部３０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス間隔は、実施の形態２と同様に、充電モードにおいて、運行モードよりも長くなる。
【０１２２】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３の充電中に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に大きな電流が流れることを防ぐことができる。また、フィルタコンデンサＦＣ３の蓄電量が少ない間に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に流れる充電電流Ｉｃｈを小さくすることができる。
【０１２３】
さらに、実施の形態２と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が、過熱することを防ぐことができる。
【０１２４】
従って、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【０１２５】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る電気車の補助電源装置４００は、図１２に示すように、実施の形態１に係る補助電源装置１００が備えるインバータ制御部１０５に代えて、インバータ制御部４０５を備える。
【０１２６】
インバータ制御部４０５は、実施の形態３に係るインバータ制御部３０５と同様に、充電モードにおいて、ゲート信号ＧＳのパルス幅を運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、ゲート信号ＧＳのパルス幅を次第に大きくし、かつ、運行モードよりもゲート信号ＧＳのパルス間隔を長くする。さらに、インバータ制御部４０５は、充電モードでの制御時間の経過に従って次第にパルス間隔を短くする。
【０１２７】
詳細には、インバータ制御部４０５は、図１３に示すように、実施の形態１に係るインバータ制御部１０５が備える三角波出力部１０８に代えて、三角波出力部４０８を有する。
【０１２８】
三角波出力部４０８は、実施の形態１に係る三角波出力部１０８と同様に、インバータ制御部４０５が動作を開始してからの経過時間と値との関係を示す三角波情報を予め保持し、三角波情報に応じた三角波信号ＴＳを出力する。そして、三角波出力部４０８は、自身が保持する三角波情報において、インバータ制御部４０５の動作開始時からの経過時間に対応する値を特定する。そして、三角波出力部４０８は、特定した値を含む三角波信号ＴＳを出力する。
【０１２９】
本実施の形態に係る三角波情報は、三角波を示す点で、実施の形態１に係る三角波情報と同じである。本実施の形態に係る三角波情報は、図１３に示すように、実施の形態１に係る三角波情報とは異なり、インバータ制御部４０５が動作を開始してから充電時間Ｔｃｈまで、すなわち、インバータ制御部４０５が充電モードで動作する間、周期が次第に短くなる。
【０１３０】
また、本実施の形態に係る三角波情報が示す三角波では、インバータ制御部４０５が充電モードで動作する間の周期が、インバータ制御部４０５が動作を開始してから充電時間Ｔｃｈを過ぎた運行モードにおける周期よりも長い。
【０１３１】
これまで、実施の形態４に係る補助電源装置４００の構成について説明した。
【０１３２】
本実施の形態に係る補助電源装置４００は、実施の形態１に係る補助電源装置１００と同様に動作する。その結果、充電モードにおいて、三角波出力部４０８から出力される三角波信号ＴＳが、実施の形態１に係る三角波信号ＴＳとは異なり、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に周期が短くなる。
【０１３３】
このように動作することによって、充電モードにおいて、インバータ制御部４０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス幅は実施の形態１と同様に、運行モードよりも小さくなり、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくなる。また、インバータ制御部４０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス間隔は、実施の形態２と同様に、充電モードにおいて、運行モードよりも長くなる。さらに、インバータ制御部４０５から出力されるゲート信号ＧＳのパルス間隔は、充電モードにおいて、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に短くなる。
【０１３４】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３の充電中に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に大きな電流が流れることを防ぐことができる。また、フィルタコンデンサＦＣ３の蓄電量が少ない間に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子に流れる充電電流Ｉｃｈを小さくすることができる。
【０１３５】
さらに、実施の形態２と同様に、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が、過熱することを防ぐことができる。
【０１３６】
従って、フィルタコンデンサＦＣ３を充電する際に、インバータ回路部１０２のスイッチング素子が損傷することを抑制することが可能になる。
【０１３７】
さらに、本実施の形態では、ゲート信号ＧＳのパルス間隔は、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に短くなるので、フィルタコンデンサＦＣ３の充電に要する時間を、実施の形態３よりも短くすることが可能になる。
【０１３８】
実施の形態５．
本実施の形態に係る電気車の補助電源装置５００は、図１４に示すように、実施の形態２に係る補助電源装置２００が備えるインバータ制御部２０５に代えて、インバータ制御部５０５を備える。
【０１３９】
インバータ制御部５０５は、実施の形態４に係るインバータ制御部４０５と同様のゲート信号ＧＳを出力する。
【０１４０】
詳細には、インバータ制御部５０５は、図１５に示すように、電圧信号が示すフィルタコンデンサＦＣ３の電圧ＶＦｃと参照電圧Ｖｒｅｆとを比較し、比較した結果を示す信号を出力する電圧比較部５２１と、充電用モードにおいて充電用信号ＣＨＳを出力する充電用信号出力部５２２と、運行モードにおいて運行用信号ＲＳを出力する運行用信号出力部５２３と、電圧比較部５２１から出力される信号に基づいて、充電用信号と運行用信号とのいずれの信号を出力するかを切り替える出力信号切替部５２４と、出力信号切替部５２４から出力される信号に基づいて、ゲート信号を出力する、実施の形態１と同様のゲートドライブ回路部１１０とを備える。
【０１４１】
電圧比較部５２１は、電圧センサ２１３から電圧信号を取得する。電圧比較部５２１は、取得した電圧信号が示す電圧ＶＦｃと、参照電圧Ｖｒｅｆとを比較する。電圧比較部５２１は、電圧ＶＦｃが参照電圧Ｖｒｅｆより大きい場合に、運行モードであることを示す信号を出力する。電圧ＶＦｃが参照電圧Ｖｒｅｆ以下である場合に、電圧比較部５２１は、充電モードであることを示す信号を出力する。
【０１４２】
出力信号切替部５２４は、電圧比較部５２１から出力される信号が充電モードであることを示す場合に、充電用信号出力部５２２から出力される充電用信号ＣＨＳを出力する。電圧比較部５２１から出力される信号が運行モードであることを示す場合に、出力信号切替部５２４は、運行用信号出力部５２３から出力される運行用信号ＲＳを出力する。
【０１４３】
充電用信号出力部５２２は、電圧センサ２１３から電圧信号を取得し、取得した電圧信号が示す電圧ＶＦｃに基づいて、ゲート信号ＧＳの周波数とパルス幅とを決定する。充電用信号出力部５２２は、決定した周波数とパルス幅とを含む充電用信号ＣＨＳを生成して出力する。
【０１４４】
詳細には、充電用信号出力部５２２は、図１６に示すように、電圧ＶＦｃに基づいて、ゲート信号ＧＳの周波数を決定する周波数決定部５２５と、電圧ＶＦｃに基づいて、ゲート信号ＧＳのパルス幅を決定するパルス幅決定部５２６と、周波数決定部５２５及びパルス幅決定部５２６のそれぞれで決定された周波数及びパルス幅を含む充電用信号ＣＨＳを生成して出力する信号生成部５２７とを有する。
【０１４５】
周波数決定部５２５は、図１６に示すように、電圧ＶＦｃが大きくなるに従って周波数ｆが、予め定められた最小値ｆｍｉｎから次第に（例えば、直線的に）大きくなる関係を定めた情報を保持する。周波数決定部５２５は、電圧センサ２１３から電圧信号を取得する。周波数決定部５２５は、取得した電圧信号が示す電圧ＶＦｃに対応する周波数を、自身が保持する情報を参照することによって、決定する。
【０１４６】
パルス幅決定部５２６は、図１６に示すように、電圧ＶＦｃが大きくなるに従ってパルス幅Ｐｗが、予め定められた最小値Ｐｍｉｎから次第に（例えば、直線的に）大きくなる関係を定めた情報を保持する。パルス幅決定部５２６は、電圧センサ２１３から電圧信号を取得する。パルス幅決定部５２６は、取得した電圧信号が示す電圧ＶＦｃに対応するパルス幅を、自身が保持する情報を参照することによって、決定する。
【０１４７】
運行用信号出力部５２３は、実施の形態２での運行モードにおいて比較部１０９が出力する比較結果信号ＣＲＳと同様の運行用信号ＲＳを出力する。詳細には、運行用信号出力部５２３は、図１７に示すように、実施の形態１と同様の三角波出力部１０８及び比較部１０９と、実施の形態２に係る運行用指令出力部２１９と同様の指令出力部５０７とを有する。
【０１４８】
このような構成を備えるインバータ制御部５０５が動作することによって、実施の形態４に係るインバータ制御部４０５と同様のゲート信号ＧＳが、インバータ制御部５０５から出力される。そのため、本実施の形態によっても、実施の形態４と同様の効果を奏する。
【０１４９】
変形例６．
各実施の形態に係るインバータ制御部１０５，２０５，３０５，４０５，５０５が発揮する機能は、インバータ制御部１０５，２０５，３０５，４０５，５０５がソフトウェアプログラムを実行することによっても実現できる。また、パターン化によって、ゲート信号ＧＳの各々のパルス幅を決定することによっても、各実施の形態に係るインバータ制御部１０５，２０５，３０５，４０５，５０５が出力するゲート信号ＧＳと同様のゲート信号ＧＳを出力することができる。このような方法によっても、各実施の形態と同様の効果を奏する。
【０１５０】
以上、本発明の実施の形態及び変形例明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
【符号の説明】
【０１５１】
１００,２００，３００，４００，５００  電気車の補助電源装置、１０１  直流電源、１０２  インバータ回路部、１０３  変圧器、１０４  コンバータ回路部、１０５，２０５，３０５，４０５，５０５  インバータ制御部、１０７，２０７，３０７，５０７  指令出力部、１０８，２０８，４０８  三角波出力部、１０９  比較部、１１０  ゲートドライブ回路部、２１３  電圧センサ、２１４  切替信号出力部、２１５  充電用三角波出力部、２１６  運行用三角波出力部、２１７  三角波切替部、２１８，３１８  充電用指令出力部、２１９  運行用指令出力部、２２０  指令切替部、５２１  電圧比較部、５２２  充電用信号出力部、５２３  運行用信号出力部、５２４  出力信号切替部、５２５  周波数決定部、５２６  パルス幅決定部、５２７  信号生成部。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年11月14日(2016.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明に係る電気車の補助電源装置は、直流電源から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部と、インバータ回路部からの交流電力が入力する１次コイルと、１次コイルと絶縁された２次コイルとを有し、２次コイルから交流電力を出力する変圧器と、変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部と、コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサと、インバータ回路部又はコンバータ回路部のスイッチング素子を動作させるゲート信号を出力する制御部とを備える。制御部は、フィルタコンデンサを充電するための充電モードにおいて充電モードでの制御時間の経過に従って次第に大きな値を示す第１の指令信号を出力し、電気車を運行するための運行モードにおいて一定の値を示す第２の指令信号を出力する指令出力部を有し、充電モードにおいてゲート信号のパルス幅を、運行モードよりも小さくし、かつ、充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部と、
前記インバータ回路部からの交流電力が入力する１次コイルと、前記１次コイルと絶縁された２次コイルとを有し、前記２次コイルから交流電力を出力する変圧器と、
前記変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部と、
前記コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサと、
前記インバータ回路部又は前記コンバータ回路部のスイッチング素子を動作させるゲート信号を出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記フィルタコンデンサを充電するための充電モードにおいて前記充電モードでの制御時間の経過に従って次第に大きな値を示す第１の指令信号を出力し、電気車を運行するための運行モードにおいて一定の値を示す第２の指令信号を出力する指令出力部を有し、前記充電モードにおいて前記ゲート信号のパルス幅を、前記運行モードよりも小さくし、かつ、前記充電モードでの制御時間の経過に従って、次第に大きくする電気車の補助電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記充電モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力する三角波出力部と、
前記第１の三角波信号により示される値が前記第１の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力するゲートドライブ回路部とを有する
請求項１に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項３】
前記第１の指令信号が前記充電モードの開始時に示す値は、前記充電モードにおいて前記ゲートドライブ回路部から最初に出力される前記ゲート信号のパルス幅が、前記スイッチング素子の最小反応時間と、ゼロとの間である
請求項２に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記充電モードにおいて、前記運行モードよりも前記ゲート信号のパルス間隔を長くする
請求項１に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記充電モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力し、前記運行モードにおいて、予め定められた第２の三角波に従った値を示す第２の三角波信号を出力する三角波出力部と、
前記充電モードにおいて、前記第１の三角波信号により示される値が前記第１の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力し、前記運行モードにおいて、前記第２の三角波信号により示される値が前記第２の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力するゲートドライブ回路部とを有し、
前記第１の三角波の周期は、第２の三角波信号の周期よりも長い
請求項４に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項６】
前記第２の三角波の周期は、前記共振型のインバータ回路部の共振の周期と等しい
請求項５に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記充電モードでの制御時間の経過に従って次第にパルス間隔を短くする
請求項４に記載の電気車の補助電源装置。
【請求項８】
直流電源から入力する直流電力を交流電力に変換する共振型のインバータ回路部と、
前記インバータ回路部から出力される交流電力の電圧を変換する変圧器と、
前記変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路部と、
前記コンバータ回路部から出力される直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサと、
前記インバータ回路部又は前記コンバータ回路部のスイッチング素子を動作させるゲート信号を出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記フィルタコンデンサを充電するための充電モードにおいて一定の値を示す第１の指令信号を出力し、電気車を運行するための運行モードにおいて一定の値を示す第２の指令信号を出力する指令出力部を有し、前記充電モードにおいて前記運行モードよりも前記ゲート信号のパルス間隔を長くする電気車の補助電源装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記充電モードにおいて、予め定められた第１の三角波に従った値を示す第１の三角波信号を出力し、前記運行モードにおいて、予め定められた第２の三角波に従った値を示す第２の三角波信号を出力する三角波出力部と、
前記充電モードにおいて、前記第１の三角波信号により示される値が前記第１の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力し、前記運行モードにおいて、前記第２の三角波信号により示される値が前記第２の指令信号により示される値よりも小さい間、前記ゲート信号を出力するゲートドライブ回路部とを有し、
前記第１の三角波の周期は、第２の三角波信号の周期よりも長い
請求項８に記載の電気車の補助電源装置。
【国際調査報告】
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2016063378.tif 000021
2016063378.tif 000022
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