(57)【要約】【課題】より簡単な駆動回路で的確に制御が可能な共振スイッチ回路要素およびこれを組み込んだソフトスイッチング降圧チョッパを提供する。【解決手段】第１端子と第２端子の間に、第１ダイオードと、第２ダイオードと、共振コンデンサと、オンオフ制御が可能なパワー半導体デバイスである第１スイッチ及び第２スイッチとを備えた共振スイッチであって、第２ダイオードのアノードが第１端子に接続され、第１ダイオードのカソードが第２端子に接続され、共振コンデンサの一端が第２ダイオードのカソードに接続され、共振コンデンサの他端が第１ダイオードのアノードに接続され、第１スイッチの一端が第１端子に接続され、第１スイッチの他端が第１ダイオードのアノードと共振コンデンサの接続点に接続され、第２スイッチの一端が第２ダイオードのカソードと前記共振コンデンサの接続点に接続され、第２スイッチの他端が第２端子に接続されて構成されるソフトスイッチング用の共振スイッチ、および、これを組み込んだ降圧チョッパ。【選択図】図１
2012100490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端子と第２端子の間に、第１ダイオードと、第２ダイオードと、共振コンデンサと、オンオフ制御が可能なパワー半導体デバイスである第１スイッチ及び第２スイッチとを備えた共振スイッチであって、
前記第２ダイオードのアノードが前記第１端子に接続され、前記第１ダイオードのカソードが前記第２端子に接続され、前記共振コンデンサの一端が前記第２ダイオードのカソードに接続され、前記共振コンデンサの他端が前記第１ダイオードのアノードに接続され、
前記第１スイッチの一端が前記第１端子に接続され、前記第１スイッチの他端が前記第１ダイオードのアノードと前記共振コンデンサの接続点に接続され、
前記第２スイッチの一端が前記第２ダイオードのカソードと前記共振コンデンサの接続点に接続され、前記第２スイッチの他端が前記第２端子に接続されて構成される、
ソフトスイッチング用の共振スイッチ。
【請求項２】
正側入力端子と負側入力端子と正側出力端子と負側出力端子とを備える４端子回路において、
前記正側入力端子に第１端子を接続した請求項１に記載の共振スイッチと、
カソードを請求項１に記載の共振スイッチの第２端子に接続し、アノードを前記負側入力端子に接続したダイオードと、
前記第２端子と前記正側出力端子の間に接続された直流リアクトルと、
前記正側出力端子と前記負側出力端子との間に接続された平滑コンデンサと、
前記共振スイッチを駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路を備えて、前記正側入力端子と前記負側入力端子に接続された直流電源の電圧を低減して前記正側出力端子と前記負側出力端子に出力する、
ソフトスイッチング降圧チョッパ。
【請求項３】
前記共振スイッチが複数台並列に接続されてなる、請求項２に記載のソフトスイッチング降圧チョッパ。
【請求項４】
正側入力端子と負側入力端子と正側出力端子と負側出力端子とを備える４端子回路において、
前記正側入力端子に第１端子を接続した請求項１に記載の共振スイッチと、
カソードを請求項１に記載の共振スイッチの第２端子に接続し、アノードを前記負側入力端子に接続したダイオードと、
前記第２端子と前記正側出力端子の間に接続された直流リアクトルとを備えた降圧チョッパモジュールを複数並列に接続し、
前記降圧チョッパモジュールの前記共振スイッチを時分割制御により駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路を備えて、前記正側入力端子と前記負側入力端子に接続された直流電源の電圧を低減して前記正側出力端子と前記負側出力端子に出力する、
ソフトスイッチング降圧チョッパ。
【請求項５】
複数並列に接続された前記降圧チョッパモジュールの複数の前記直流リアクトルが共通の磁性体からなるコアを有してなる請求項４に記載のソフトスイッチング降圧チョッパ。
【請求項６】
前記共振コンデンサのキャパシタンスと前記直流リアクトルのインダクタンスの積が、ある定められた値より小さいことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のソフトスイッチング降圧チョッパ。
【請求項７】
直流電力を供給する直流電源と、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載のソフトスイッチング降圧チョッパを用いて構成したＤＣ−ＤＣコンバータと、
電気車両に搭載した電気車両駆動用の二次電池とを備え、
前記直流電源から供給される直流電力を、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに入力して降圧し、前記二次電池を当該降圧した直流電力で充電する、
電池駆動電車の電力供給システム。
【請求項８】
前記直流電源と前記ＤＣ−ＤＣコンバータが地上に設置される、請求項７記載の電池駆動電車の電力供給システム。
【請求項９】
前記直流電源は地上に設置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記電気車両に搭載される、請求項７記載の電池駆動電車の電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフトスイッチング用の共振スイッチおよびソフトスイッチング方式による降圧チョッパに関し、さらに二次電池などの蓄電装置に適用される電力供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地方路線など架線のない架線レス区間で運行するディーゼル車は、ＣＯ２排出量削減の要請などにより、近い将来、二次電池を搭載して電動機で運転される電池駆動電車に取って代わられる可能性が高いと考えられている。電池駆動電車は、二次電池を搭載し、運行区間の適所に設けた充電ステーションで二次電池を充電して、架線レス区間を二次電池からの電気エネルギーを使って電動機により運行する。架線レス区間と架線区間が混在する路線では、架線区間で走行中に架線から二次電池を充電して、架線レス区間を二次電池に蓄電したエネルギーで運行するようにすることもできる。
このような技術趨勢に応じて、電池駆動電車に適用できるような、大容量で、急速充電が可能な高エネルギー密度の二次電池が開発・実用化されつつある。また、このような電池駆動電車搭載の二次電池に対して効果的な充電管理を行う充電制御装置が求められている。
【０００３】
最近の電池駆動電車の電力供給システムでは、充電ステーションにおける地上設置式蓄電装置、及び電車搭載の蓄電装置として、新しい構造を有する大容量のニッケル水素電池が利用されている。
ここに、充電制御装置は、電池駆動電車に搭載され、直流架線電圧を降圧して（たとえば、ＤＣ１５００Ｖから電池電圧のＤＣ６００Ｖ程度まで降圧する）、二次電池の充電を行う装置であり、電池駆動電車の適切な運用を行うために必要とされる。充電制御装置には、直流の入力電圧（架線電圧）を降圧するための降圧チョッパが組み込まれる。
【０００４】
図１２は、基本的な降圧チョッパの回路図である。直流電源は変電所に設置され、き電線を介して架線に直流電力を供給する。
図１２において、直流電源Ｅに、スイッチＳＷ、リアクトルＬ、負荷Ｒが直列接続され、直列接続された直流電源ＥとスイッチＳＷに対して環流ダイオードＤｆが並列に接続されている。また、負荷ＲにはコンデンサＣが並列接続されている。スイッチＳＷはオン／オフを高速で周期的に繰り返す。
コンデンサＣは、負荷Ｒに印加される直流電圧を平滑化するものである。還流ダイオードＤｆは、スイッチＳＷがオフしたときにリアクトルＬに蓄えられたエネルギーを負荷に供給するために閉回路を構成するよう設けられたものである。
【０００５】
スイッチＳＷは、高速かつ周期的に動作させる必要があるので、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＣＴ（Integrated Gate Commutated Thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＥＳＢＴ（Emitter Switched Bipolar Transistor）などのパワー半導体デバイスが用いられる。
パワー半導体デバイスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置については、高周波スイッチング技術の進展に伴って、小型・軽量化、高電力密度化、低騒音化、高速応答化、波形の高品質化の要求に向けた技術開発が注目を浴びている。
しかし、高周波スイッチング半導体電力変換装置を応用する分野において、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やスナバ回路での損失の増加に伴う電力変換効率の低下、急峻なスイッチ部の電圧変化に伴う対地高周波漏れ電流やスイッチングサージに伴う電磁ノイズの発生などの実用上の問題が顕在化している。
【０００６】
電池駆動電車に搭載する二次電池用の充電制御装置は、高周波スイッチングによる電力変換回路を使用する。パワー半導体デバイスのオン／オフ時に発生する電磁ノイズが大きいと、列車検知装置、踏切制御子、自動列車停止装置など、鉄道信号系に悪影響を及ぼすおそれがある。電磁ノイズに対しては、影響を受けるおそれのある装置へのフィルタやシールド材の追加により、信号系への影響を抑制できるが、これらは車両重量を増加させる。
【０００７】
図１３は、ＩＧＢＴにおいて、ハードスイッチング・ターンオン時に発生するサージを例示する電圧・電流波形である。対象とした回路は、昇圧チョッパ回路で、スナバ回路を持たないハードスイッチング動作時の波形である。横軸の１目盛が５００ｎｓで、縦軸にパワー半導体デバイスの電圧を１目盛１００Ｖ、電流を１目盛１０Ａで表示した波形例である。
図１３の電圧波形と電流波形から、ハードスイッチング動作時ではスイッチング過渡時に急峻なｄｖ／ｄｔ及びｄｉ／ｄｔと、急峻なｄｉ／ｄｔと寄生インダクタンスによる電圧サージと、急峻なｄｖ／ｄｔと寄生キャパシタンスによる電流サージとが発生することが分かる。
【０００８】
このように、ハードスイッチングでは、スイッチングサージに起因する伝導性ノイズや放射性ノイズが発生する。伝導性ノイズは一部が出力端子に、他の一部は直流電源側に逆流して、周辺の電子機器に電磁障害を引き起こす。また、放射性ノイズは周辺機器の誤動作などの悪影響を引き起こす。
このように、ハードスイッチングでは、ＩＧＢＴなどパワー半導体デバイスの電圧／電流のピークストレスの増大と、電磁ノイズの発生が問題になる。
【０００９】
また、図１４は、一般的なハードスイッチング時の電圧・電流波形である。すなわち、降圧チョッパのデバイス電圧ｖＣＥとデバイス電流ｉＣの変化の状況を示す。
図１４から分かるように、パワー半導体デバイスは、ターンオン時とターンオフ時の過渡状態において、スイッチの電圧と電流に重なりが生じて、図において斜線で示すスイッチング損失が発生する。このスイッチング損失は熱となるので、パワー半導体デバイスを冷却するための放熱系が大きくかつ重くなるという問題がある。このスイッチング損失は、スイッチング周波数の高周波化とともに増大するため、電力変換装置の変換効率の低下を招くことになり、装置の小型・軽量化に有利な高周波化が困難となる。
【００１０】
上記のような、スイッチング周波数の高周波化に伴う問題とスイッチング損失を抑制するための効果的な解決法として、スイッチング電力変換回路をアクティブ補助共振スナバ回路によりＬＣ共振状態で動作させることで、スイッチ端子間がゼロ電圧状態においてスイッチングを行うゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）あるいはゼロ電流状態においてスイッチングを行うゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）あるいはこれらのハイブリッドとなるＺＶＺＣＳといったソフトスイッチング電力変換回路技術が開発されている。
【００１１】
特許文献１には、ソフトスイッチング技術によりスイッチング損失を減少させ、スイッチング周波数を高周波化して、直流リアクトルなどの部品を小型化した、低コストで高効率な共振型のＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。
開示されたＤＣ−ＤＣコンバータは、共振回路の機能により、第１の主スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を可能とし、ソフトスイッチングを実現する。ただし、直列に接続された２つの主スイッチを交互に異なるタイミングでオン／オフさせたり、タイミングを計るため直流リアクトルに実際に流れる電流を測定するセンサと共振リアクトルに実際に流れる電流を測定するセンサを必要としたりするため、制御回路が複雑になることが避けられない。
【００１２】
特許文献２には、ソフトスイッチングによりスイッチング損失を低減した小型のＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。
開示されたＤＣ−ＤＣコンバータは、主スイッチング素子と補助スイッチング素子の２つのスイッチング素子を高い周波数でオン／オフさせているところ、主スイッチング素子と補助スイッチング素子とは異なるタイミングでオン／オフされており、スイッチング素子のゲート駆動には２つのタイミングパルスを必要としており、回路構成が複雑となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−１２９３９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６８６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来でも、共振スイッチ回路要素を用いたソフトスイッチング降圧チョッパを利用することにより、電池駆動電車の電力供給システムにおいて、ハードスイッチング方式と比べて電磁ノイズやスイッチング損失を抑制することができる。しかし、従来のソフトスイッチング降圧チョッパでは、ソフトスイッチングを実現する制御回路が複雑になり、十分な経済性を有するものとならなかった。
【００１５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、より簡単なゲート駆動回路で的確に制御できる共振スイッチ回路要素を組み込んだソフトスイッチング降圧チョッパを提供することである。さらに、より簡単なゲート駆動回路で的確に制御できるソフトスイッチング方式の充電制御装置を備えた、電池駆動電車の二次電池に対する電力供給システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（請求項１（図１））
上記課題を解決するため、本発明に係るソフトスイッチング用の共振スイッチ回路要素は、第１端子と第２端子の間に、第１ダイオードと、第２ダイオードと、共振コンデンサと、オンオフ制御が可能なパワー半導体デバイスである第１スイッチ及び第２スイッチとを備えた共振スイッチである。
本共振スイッチの回路要素は、前記第２ダイオードのアノードが前記第１端子に接続され、前記第１ダイオードのカソードが前記第２端子に接続され、前記共振コンデンサの一端が前記第２ダイオードのカソードに接続され、前記共振コンデンサの他端が前記第１ダイオードのアノードに接続され、前記第１スイッチの一端が前記第１端子に接続され、前記第１スイッチの他端が前記第１ダイオードのアノードと前記共振コンデンサの接続点に接続され、前記第２スイッチの一端が前記第２ダイオードのカソードと前記共振コンデンサの接続点に接続され、前記第２スイッチの他端が前記第２端子に接続されて構成される。
【００１７】
本発明の共振スイッチ回路要素の動作は、第１スイッチと第２スイッチを一つのゲート駆動信号により同じタイミングでオンオフすることによって制御することができる。
なお、第１スイッチと第２スイッチは、同等の特性を有するパワー半導体デバイスを用いて、スイッチ回路要素に流れる電流を二分して負担させることにより半導体デバイスに対する作動領域（ＳＯＡ）に対する要求仕様を緩和させることができる。特に大電流を扱う回路では、パワー半導体デバイスの選択の余地を拡げ、コストの低減に繋がるばかりでなく、負荷電流を二分することにより等価的にオン電圧の低いパワー半導体デバイスを実現することができ、スイッチ損失の低減が可能となり、効率の向上を図ることができる。
【００１８】
また、第１スイッチと第２スイッチは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar  Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＣＴ（Integrated Gate Commutated Thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＥＳＢＴ（Emitter Switched Bipolar Transistor）などの、オン・オフの制御が可能なパワー半導体デバイスであってもよい。
第１スイッチと第２スイッチがパワー半導体デバイスである場合は、好ましくは、当該スイッチにスナバ回路を有しない。当該スイッチにスナバ機能を有する場合は、後述するＬＣ直列共振現象に好ましくない影響を与えることがあるからである。
【００１９】
本発明の共振スイッチ回路要素を各種の直流チョッパに適用することにより、直流チョッパのスイッチ素子についてソフトスイッチングを実現させることができる。そして、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）を実現させることができるため、直流チョッパ内の環流ダイオードの逆回復電流を小さくすることができ、スイッチ素子のターンオン損失と環流ダイオードのターンオフ損失を効果的に低減させることができる。
【００２０】
（請求項２（図３））
本発明のソフトスイッチング降圧チョッパは、パワー半導体デバイスとダイオードとリアクトルを備え、共振スイッチ回路要素を駆動するゲート駆動信号を生成する回路を備えた降圧チョッパであって、上記本発明の共振スイッチ回路要素を組み込んだことを特徴とする。
すなわち、本発明に係るソフトスイッチング降圧チョッパは、正側入力端子と負側入力端子と正側出力端子と負側出力端子とを備える４端子回路において、前記正側入力端子に第１端子を接続した請求項１に記載の共振スイッチと、カソードを請求項１に記載の共振スイッチの第２端子に接続し、アノードを前記負側入力端子に接続したダイオードと、前記第２端子と前記正側出力端子の間に接続された直流リアクトルと、前記正側出力端子と前記負側出力端子との間に接続された平滑コンデンサと、前記共振スイッチを駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路を備えて、前記正側入力端子と前記負側入力端子に接続された直流電源の電圧を低減して前記正側出力端子と前記負側出力端子に出力する。
【００２１】
第１スイッチと第２スイッチのターンオン時には、第１スイッチと第２スイッチの間に接続された共振コンデンサに蓄えられた電荷が共振初期電流を確保し、直流リアクトルと協動してゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）を行う、また、ターンオフ時には第１端子と第２端子の間に接続されている共振コンデンサに充電を開始し、直流リアクトルと協動してゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を行なうことができ、ソフトスイッチングを実現する。
よって、係る直流リアクトルは共振リアクトルとしても動作することになる。
このように、本発明のソフトスイッチング降圧チョッパは、ソフトスイッチング動作を行うので、電池駆動電車に適用することにより、列車検知装置、踏切制御子、自動列車停止装置など、電磁ノイズを嫌う鉄道信号系に対する悪影響が減少し、これらの悪影響を抑制するためにとられてきた各種のノイズ対策を簡素化することができる。
【００２２】
また、第１スイッチと第２スイッチの２つのスイッチの許容電流は、負荷に供給される電流の半分になるので、低出力のパワー半導体デバイスを選択することができる。
本発明の降圧チョッパにおけるスイッチのゲート駆動回路は同じタイミングであることから簡単になり、小型化かつ軽量化することができる。
なお、本発明に係るソフトスイッチング降圧チョッパは、ＬＣ直列共振現象を利用したところにその特徴の一つがあるのであるが、直列共振現象の全区間を利用するものでなく、その一部区間を利用することにより、電流電圧波形を正弦波状に緩やかに変化させて、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）およびゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とともにソフトスイッチングを実現する。直列共振現象の全区間を全共振、直列共振の一部区間を部分共振と区別して称することもある。
【００２３】
（請求項３（図６））
本発明のソフトスイッチング降圧チョッパは、前記共振スイッチが複数台並列に接続されてなる。
共振スイッチを複数台並列に接続する。そうすれば、小さな容量の共振スイッチで大容量のソフトスイッチング降圧チョッパを構成することができる。ここで、各共振スイッチの特性は揃っていることが好ましい。共振スイッチの特性が揃っていれば、負荷分担が円滑に行なえると共に、部品の共通化を図ることができる。
【００２４】
（請求項４（図７））
また、本発明に係るソフトスイッチング降圧チョッパは、正側入力端子と負側入力端子と正側出力端子と負側出力端子とを備える４端子回路において、前記正側入力端子に第１端子を接続した請求項１に記載の共振スイッチと、カソードを請求項１に記載の共振スイッチの第２端子に接続し、アノードを前記負側入力端子に接続したダイオードと、前記第２端子と前記正側出力端子の間に接続された直流リアクトルとを備えた降圧チョッパモジュールを複数並列に接続し、前記降圧チョッパモジュールの前記共振スイッチを時分割制御により駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路を備えて、前記正側入力端子と前記負側入力端子に接続された直流電源の電圧を降圧して前記正側出力端子と前記負側出力端子に出力する。つまり、時分割制御動作による多相多重（マルチフェーズ）化をすることができる。
また、本発明の時分割制御動作による多相多重化をしたソフトスイッチング降圧チョッパは、回路素子の数は増えても１相当たりの出力電流が小さくなるので、合成して形成される合成出力電流におけるリップル率が激減して直流リアクトルや平滑コンデンサの小型軽量化が達成でき、降圧チョッパの重量軽減にも有効である。なお、多相多重化により回路的には複雑にみえるが、本発明の共振回路ではゲート駆動信号が単純なため、制御回路のコストが大きく増大することはない。
【００２５】
（請求項５（図８））
本発明のソフトスイッチング降圧チョッパは、複数並列に接続された前記降圧チョッパモジュールの複数の前記直流リアクトルが共通の磁性体からなるコアを有してなる。
直流リアクトルは、一般に磁性体からなるコアを有する有芯タイプと、コアを有さない空芯タイプとがある。本発明に係る直流リアクトルは、好ましくは、有芯タイプであって、降圧チョッパモジュールが複数台並列に接続された場合、複数台ある直流リアクトルのコアは、共通の一つのコアを有していてもよい。コアが共通であれば、これら複数の直流リアクトルにおいて生じる磁束は、それぞれ互いに結合されることとなる。
これら直流リアクトルは、磁束が結合してなるので、結合リアクトルとも結合インダクタとも称されることがある。
【００２６】
（請求項６）
本発明に係るソフトスイッチング降圧チョッパは、前記共振コンデンサのキャパシタンスと前記直流リアクトルのインダクタンスの積が、ある定められた値より小さいことを特徴とする。
ここに「ある定められた値より小さい」とは、好ましくは、共振コンデンサのキャパシタンスと直流リアクトルのインダクタンスの積の平方根に円周率の１／２を乗じて得られた値（Ｔｂ）が、第１スイッチと第２スイッチのオン期間より小さいことである。したがって、この場合「ある定められた値」とは、第１スイッチと第２スイッチのオン期間を円周率の１／２で除した値の平方を意味し、この値よりも共振コンデンサのキャパシタンスと直流リアクトルのインダクタンスの積が小さくなるように、共振回路の回路定数を定める必要がある。
【００２７】
（請求項７（図９））
さらに、本発明に係る電池駆動電車の電力供給システムは、直流電力を供給する直流電源と、請求項２から請求項５に記載のいずれか１項に記載のソフトスイッチング降圧チョッパを用いて構成したＤＣ−ＤＣコンバータと、電気車両に搭載した電気車両駆動用の二次電池とを備え、前記直流電源から供給される直流電力を、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに入力して降圧し、前記二次電池を当該降圧した直流電力で充電することができる、
【００２８】
（請求項８（図１０））
さらに、本発明に係る電池駆動電車の電力供給システムは、前記直流電源と前記ＤＣ−ＤＣコンバータは地上に設置される。
【００２９】
（請求項９（図１１））
また、本発明に係る電池駆動電車の電力供給システムは、前記直流電源は地上に設置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは前記電池駆動電車に搭載される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素およびソフトスイッチング降圧チョッパによれば、極めて簡単なゲート駆動回路によりソフトスイッチングを達成するばかりでなく、パワー半導体デバイスや直流リアクトルや平滑コンデンサを小型化して、電池駆動電車の電力供給システムを小型軽量で経済的な装置とすることができる。さらに、本発明のソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素およびソフトスイッチング降圧チョッパを電池駆動電車の二次電池についての充電制御装置に適用することにより、鉄道信号系に悪影響を与えない経済的な地上設置型充電制御装置としても、また車載型充電御装置としても、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の１実施形態に係るソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素の回路図である。
【図２】本実施形態に係るソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素のスイッチオンオフ状態を説明する等価回路図である。
【図３】本発明の１実施形態に係るソフトスイッチング降圧チョッパの回路図である。
【図４】本実施形態のソフトスイッチング降圧チョッパの動作波形図である。
【図５】本実施形態のソフトスイッチング降圧チョッパの動作モード遷移等価回路図である。
【図６】図３において共振スイッチ回路要素を並列にした降圧チョッパの回路図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係るソフトスイッチング降圧チョッパの回路図である。
【図８】図７において、直流リアクトルのコアを共通にした実施形態に係るソフトスイッチング降圧チョッパの回路図である。
【図９】電池駆動電車に搭載した二次電池に給電する、本発明に係る電力供給システムの概念図である。
【図１０】本発明の１実施形態に係る電力供給システムの回路図である。
【図１１】本発明の別の１実施形態に係る電力供給システムの回路図である。
【図１２】基本的な降圧チョッパの回路図である。
【図１３】ＩＧＢＴにおけるターンオン時のサージを例示する波形図である。
【図１４】基本的なスイッチング波形を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
以下、図面を用い実施形態に基づいて本発明のソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素およびソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素を用いたソフトスイッチング降圧チョッパおよび電力供給システムを詳細に説明する。
図１は、本発明の１実施形態に係るソフトスイッチング用共振スイッチ回路要素の回路図である。図１に示す通り、本実施形態のソフトスイッチング用の共振スイッチ回路要素１は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に、第１ダイオードＤ１と、第２ダイオードＤ２と、共振コンデンサＣｒと、オンオフ制御が可能なパワー半導体デバイスである第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２とを備えた共振スイッチである。
【００３４】
第２ダイオードＤ２のアノードが第１端子Ｔ１に接続され、第１ダイオードＤ１のカソードが第２端子Ｔ２に接続され、共振コンデンサＣｒの一端が第２ダイオードＤ２のカソードに接続され、共振コンデンサＣｒの他端が第１ダイオードＤ１のアノードに接続されている。
また、第１スイッチＳ１の一端が第１端子Ｔ１に接続され、第１スイッチＳ１の他端が第１ダイオードＤ１のアノードと共振コンデンサＣｒの接続点に接続され、  第２スイッチＳ２の一端が第２ダイオードＤ２のカソードと共振コンデンサＣｒの接続点に接続され、第２スイッチＳ２の他端が第２端子Ｔ２に接続されている。
【００３５】
第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＣＴ（Integrated Gate Commutated Thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＥＳＢＴ（Emitter Switched Bipolar Transistor）などの、オンオフ制御が可能なパワー半導体デバイスで形成される。これらのパワー半導体デバイスは、同時にゲートがオンになってスイッチがオンの状態の時に電流が第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２の方向に流れる向きに接続されている。
本実施形態の共振スイッチ回路要素１では、一つのゲート駆動信号により、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同じタイミングでオンオフ制御する。
【００３６】
図２は、本実施形態の共振スイッチ回路要素１における、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２のオンオフ状態における回路の変化を説明する等価回路図である。なお以下、図２の説明において、共振スイッチ回路要素１の外部には図示していない直流リアクトルＬｏが共振コンデンサＣｒと直列に接続されているものとして説明する。図２（ａ）は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２がオン状態のとき、図２（ｂ）は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２がオフ状態のときを示す。
【００３７】
図２（ａ）を参照すると、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２が同時にオンになっているときには、共振コンデンサＣｒに蓄えられた電荷は、第１スイッチＳ１と共振コンデンサＣｒと第２スイッチＳ２を通って第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に電流が流れる回路が形成される。そして、第１スイッチＳ１と共振コンデンサＣｒと第２スイッチＳ２を通って第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に向けて流れる電流により共振コンデンサＣｒと共振スイッチ回路要素１の外部に接続された直流リアクトルＬｏとに基づいた共振が発生するＬＣ直列共振回路が形成される。
【００３８】
共振コンデンサＣｒに蓄えられた電荷が完全に放電されると、共振コンデンサＣｒの両端の電圧はゼロとなる。これにより、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２は順バイアス状態となるので、第１スイッチＳ１と第１ダイオードＤ１を通って第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に流れる回路と、第２スイッチＳ２と第２ダイオードＤ２を通って第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に流れる回路とが形成される。つまり、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２への電流はＳ１−Ｄ１とＤ２−Ｓ２とに２分して流れることになる。
【００３９】
図２（ｂ）を参照すると、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２が共にオフになると、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２へ流れていた電流は、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２を介して共振コンデンサＣｒを充電する電流となる。第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に向けて流れるこの充電電流により、共振コンデンサＣｒと共振スイッチ回路要素１の外部に接続された直流リアクトルＬｏとに基づくＬＣ直列共振回路が形成される。
【００４０】
共振コンデンサＣｒの両端の電圧が電源電圧に等しくなると、共振コンデンサＣｒを充電していた電流はゼロとなり、等価回路的には第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とは遮断状態となる（図２（ｃ）参照）。
【００４１】
本実施形態において、共振スイッチ回路要素１は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２の間に直列に接続された共振コンデンサＣｒを備え、共振スイッチ回路要素１の外部には、共振コンデンサＣｒと並列に接続した直流リアクトルＬｏとを備える。ＬＣ直列共振回路を形成する。
【００４２】
このため、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同時にオン状態に変えるターンオン時においては、共振コンデンサＣｒと直流リアクトルＬｏとの共振により、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２を流れる電流はゼロから正弦波状に緩やかに上昇する。これにより、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のターンオンはゼロ電流スイッチングとなり、ソフトスイッチングが実現される。
【００４３】
また、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同時にオフ状態に変えるターンオフ時には、それまで第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を流れていた電流は、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２を介して共振コンデンサＣｒの充電を開始する。共振コンデンサＣｒの両端の電圧、すなわち第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２の端子電圧は、ゼロから緩やかに増加するので、ゼロ電圧スイッチングとなり、ソフトスイッチングが実現される。
【００４４】
このように、本実施形態の共振スイッチ回路要素１は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２において、ターンオン時とターンオフ時のいずれでもソフトスイッチングを実現すると共に、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同じゲート駆動信号で駆動することができ、共振スイッチ回路要素１のゲート駆動回路が簡素化する。
本発明の共振スイッチ回路要素１は、パワー半導体デバイスとダイオードと直流リアクトルを備えて構成される各種直流チョッパにおいて、パワー半導体デバイスに代替して組み込むことにより、直流チョッパにおけるスイッチ素子においてソフトスイッチングを実現させることができる。
【００４５】
図３は、本発明の共振スイッチ回路要素を組み込んだ、本発明の１実施形態に係るソフトスイッチング降圧チョッパの回路図である。
降圧チョッパ３は、共振スイッチ回路要素１の高頻度のオンオフ動作により、直流電源Ｅｄ（例えばＤＣ１５００Ｖなど所定の直流電圧を供給する直流電力源）からの直流電力をＤＣ６００Ｖなどの低い直流電圧に変換して、負荷Ｒｏに供給する直流チョッパである。なお、本実施形態において、直流電源Ｅｄは、降圧チョッパ３の外に設けられて、たとえば架線あるいは電線・ケーブルなどのき電線を介して直流電力を降圧チョッパ３に供給する。また、負荷Ｒｏとしては、二次電池もしくは鉄道車両に搭載され鉄道車両を駆動するプロパルジョン等がある。
【００４６】
本実施形態のソフトスイッチング降圧チョッパ３は、共振スイッチ回路要素１とダイオードＤｏと直流リアクトルＬｏを備えて構成される。ソフトスイッチング降圧チョッパ３は、共振スイッチ回路要素１とダイオードＤｏと直流リアクトルＬｏは接続点Ｔ３で接続され、共振スイッチ回路要素１を挟んで接続点Ｔ３と反対側に位置する接続点Ｔ４に直流電源Ｅｄが接続され、直流リアクトルＬｏを挟んで接続点Ｔ３と反対側に位置する接続点Ｔ５に負荷Ｒｏが接続され、ダイオードＤｏを挟んで接続点Ｔ３と反対側に位置する接続点Ｔ６が接地されている。
【００４７】
直流リアクトルＬｏは電流を蓄えて平滑化するためのもので、さらに平滑コンデンサＣｏを接続して電圧を平滑化している。ダイオードＤｏは、共振スイッチ回路要素１の第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２がオフになったときに、直流リアクトルＬｏに蓄えられたエネルギー（電流）を循環させるための環流ダイオードとして作用する。
直流リアクトルＬｏは、共振スイッチ回路要素１の共振コンデンサＣｒと協働してＬＣ直列共振回路構成するので共振リアクトルの作用を兼ね備えている。
本実施形態の降圧チョッパ３は、図１に示した共振スイッチ回路要素１を組み込んだもので、共振スイッチ回路要素１のゲート駆動信号を生成する制御回路２が付属している。
共振スイッチ回路要素１の第１端子Ｔ１を直流電源Ｅｄに繋がる接続点Ｔ４に接続し、第２端子Ｔ２を直流リアクトルＬｏとの接続点Ｔ３に接続する。
【００４８】
本実施形態の降圧チョッパ３は、直流電源Ｅｄの出力端子と接続する接続点Ｔ４すなわち正側入力端子Ｔ４と負側入力端子と、正側入力端子Ｔ４に第１端子Ｔ１を接続した図１の共振スイッチ回路要素１と、ダイオードＤｏのカソードを共振スイッチ回路要素１の第２端子Ｔ２に接続し、ダイオードＤｏのアノードを負側入力端子に接続したダイオードＤｏと、一端を共振スイッチ回路要素１の第２端子Ｔ２に接続した直流リアクトルＬｏと、直流リアクトルＬｏの他端を接続する接続点Ｔ５すなわち正側出力端子Ｔ５と、負側入力端子と接続した負側出力端子と、共振スイッチ回路要素１を駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路２を備えたソフトスイッチング降圧チョッパであって、直流電源Ｅｄから入力する直流電力の電圧を降圧して正側出力端子Ｔ５と負側出力端子を介して負荷Ｒｏに供給する。
【００４９】
本実施形態のソフトスイッチング降圧チョッパ３は、共振スイッチ回路要素１の中に設けられた２つのスイッチＳ１，Ｓ２を、制御回路２から供給される１つのゲート駆動信号で同時に駆動するもので、２つのスイッチについてゼロ電流ターンオン動作（ＺＣＳ）とゼロ電圧ターンオフ動作（ＺＶＳ）を達成して、ソフトスイッチングを実現している。
【００５０】
図３に示すように構成された降圧チョッパ３において、共振スイッチ回路要素１の第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同時にオンにすると、共振コンデンサＣｒと直流リアクトルＬｏとの共振により、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２を流れる電流はゼロから正弦波状に緩やかに上昇する。これにより、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のターンオンはゼロ電流スイッチングとなり、ソフトスイッチングが実現される。これを、ＺＣＳ（Ｚｅｒｏ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と称する。
【００５１】
一方、電流が流れている状態で、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同時にオフにすると、それまで第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を流れていた電流は、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２を介して共振コンデンサＣｒの充電を開始する。共振コンデンサＣｒの両端の電圧、すなわち第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２の端子電圧は、ゼロから緩やかに増加する。これにより、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のターンオフはゼロ電圧スイッチングとなり、ソフトスイッチングが実現される。これを、ＺＶＳ（Ｚｅｒｏ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と称する。
【００５２】
以下、本実施形態の降圧チョッパ３のオンオフ動作による動作モード遷移と等価回路を表した図面により詳しく説明する。
図４は、図３に示した本実施形態の降圧チョッパ３がオンオフ動作する間における各回路素子の電圧あるいは電流の時間的変化を説明する動作原理波形図である。図４は、横軸を時間軸として、オンオフ動作１周期にわたり降圧チョッパ３の主要な回路素子における電圧および電流の波形変化を表している。
【００５３】
図４（ａ）は第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２に与えるゲート駆動信号ｐ（Ｓ１）（およびｐ（Ｓ２））の波形図、図４（ｂ）は第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のスイッチ電流ｉ（Ｓ１）（およびｉ（Ｓ２））の波形図、図４（ｃ）は第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のスイッチ電圧ｖ（Ｓ１）（およびｖ（Ｓ２））の波形図、図４（ｄ）は第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２の電流ｉ（Ｄ１）（およびｉ（Ｄ２））の波形図、図４（ｅ）は第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２の電圧ｖ（Ｄ１）（およびｖ（Ｄ２））の波形図、図４（ｆ）は、共振コンデンサＣｒの電圧ｖ（Ｃｒ）の波形図、図４（ｇ）は共振コンデンサＣｒの電流ｉ（Ｃｒ）の波形図、図４（ｈ）は直流リアクトルＬｏの電流ｉ（Ｌｏ）の波形図である。また、図４（ｉ）に各動作モードの区分を記載している。
【００５４】
また、図５は、降圧チョッパ３のオンオフ動作１周期内の各動作モードにおける等価回路を示す動作モード遷移等価回路図である。降圧チョッパ３は、リアクトル電流断続モード（モード０）からゼロ電流ターンオンモード（モード１）、ダイオード順バイアスモード（モード２）、ゼロ電圧ターンオフモード（モード３）、負荷電流環流モード（モード４）と遷移して、再びリアクトル電流断続モード（モード０）に戻る動作を繰り返す。
【００５５】
図５（ａ）はモード０におけるソフトスイッチング降圧チョッパ３の等価回路、図５（ｂ）はモード１におけるソフトスイッチング降圧チョッパ３の等価回路、図５（ｃ）はモード２におけるソフトスイッチング降圧チョッパ３の等価回路、図５（ｄ）はモード３におけるソフトスイッチング降圧チョッパ３の等価回路、図５（ｅ）はモード４におけるソフトスイッチング降圧チョッパ３の等価回路である。
【００５６】
以下、図４と図５を参照してモードの遷移を説明する。
リアクトル電流断続モード（モード０）では、図５（ａ）に示すように、共振スイッチ回路要素１の第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２がオフになっていて、直流電源Ｅｄからの電力供給がなく、負荷Ｒｏには平滑コンデンサＣｏに蓄えられた電荷エネルギーが供給される。
【００５７】
時刻ｔ１において、ゲート駆動信号ｐ（Ｓ１）およびｐ（Ｓ２）を第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２のゲートに印加して第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２を同時にオンにすると、図５（ｂ）に示すゼロ電流ターンオンモード（モード１）に遷移して、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２にスイッチ電流ｉ（Ｓ１）およびｉ（Ｓ２）が流れ始める。これにより、降圧チョッパ３はゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）のターンオンを行うことができる。ただし、スイッチ電流ｉ（Ｓ１）およびｉ（Ｓ２）は直流リアクトルＬｏの作用で緩やかに増加する。
【００５８】
また、共振コンデンサＣｒは徐々に放電されることになるので、共振コンデンサＣｒの電圧（端子間の電位差）ｖ（Ｃｒ）は、正弦波状に緩やかに下降する。同時に、直流リアクトルＬｏに流れる電流ｉ（Ｌｏ）もゼロから緩やかに上昇する。
なお、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２は、同じ特性を有するパワー半導体デバイスであって、同じゲート駆動信号で駆動され、両者はほぼ同じ電圧波形と電流波形を呈する。そして、直流電源Ｅｄから負荷Ｒｏに電流が流れるようになると、平滑コンデンサＣｏは充電を開始する。
【００５９】
時刻ｔ２にて、共振コンデンサＣｒに蓄積された電荷が放電して、共振コンデンサＣｒの電圧ｖ（Ｃｒ）がゼロになると、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２は順方向にバイアスされ、導通状態となる。すなわち、図５（ｃ）の等価回路で示すような、ダイオード順バイアスモード（モード２）になって、直流電源Ｅｄからの直流電力は第１スイッチＳ１−第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２−第２スイッチＳ２の直列素子に２分して流れる。
このため、第１スイッチＳ１の電流ｉ（Ｓ１）および第２スイッチＳ２の電流ｉ（Ｓ２）はほぼ半減する。なお、第１ダイオード電流ｉ（Ｄ１）および第２ダイオード電流ｉ（Ｄ２）は、第１スイッチＳ１の電流ｉ（Ｓ１）および第２スイッチＳ２の電流ｉ（Ｓ２）とそれぞれ同一の電流値となる。この間、直流リアクトルに流れる電流ｉ（Ｌｏ）は増加を続ける。
【００６０】
時刻ｔ３にて第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を同時にオフにすると、それまで第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２とに流れていた電流は、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２を介して、共振コンデンサＣｒを充電する電流となり、共振コンデンサＣｒの端子電圧ｖ（Ｃｒ）は徐々に上昇する。これにより、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２の端子電圧ｖ（Ｓ１）およびｖ（Ｓ２）は緩やかに上昇する。すなわち、第１スイッチＳ１と第２スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によるターンオフが実現する。  このとき図５（ｄ）の等価回路で示すような、ゼロ電圧ターンオフモード（モード３）となる。直流電源Ｅｄから負荷Ｒｏに電力の供給が行なわれる。
【００６１】
時刻ｔ４において、共振コンデンサＣｒの充電が進み、共振コンデンサＣｒの端子電圧ｖ（Ｃｒ）が直流電源Ｅｄの電圧と等しくなると、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２の導通はなくなり、直流電源Ｅｄから負荷Ｒｏへの電力の供給は行なわれなくなる。代わりに、直流リアクトルＬｏに蓄えられた電気エネルギーが負荷Ｒｏに供給される。このとき、環流ダイオードＤｏは順バイアス状態となって、図５（ｅ）の等価回路で示すような、負荷電流を環流する負荷電流環流モード（モード４）となる。
この区間では、直流リアクトルＬｏに流れる電流ｉ（Ｌｏ）は次第に減少して、モード１からモード３の間で直流リアクトルＬｏに蓄積された電気エネルギーを放出して、時刻ｔ５にてゼロとなる。これ以降、リアクトル電流断続モード（モード０）となる。
【００６２】
なお、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２をゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）のターンオンを行うと、共振コンデンサＣｒと直流リアクトルＬｏとによる共振が始まり、第１スイッチＳ１のスイッチ電流ｉ（Ｓ１），第２スイッチＳ２のスイッチ電流ｉ（Ｓ２）が緩やかに上昇する。
また、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２をゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）のターンオフを行うと、共振コンデンサＣｒと直流リアクトルＬｏとによる共振が始まり、第１スイッチＳ１のスイッチ電圧ｖ（Ｓ１），第２スイッチＳ２のスイッチ電圧ｖ（Ｓ２）が緩やかに上昇する。
【００６３】
上記説明から明らかな通り、本実施形態の降圧チョッパ３は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２の２つのスイッチに対して、それぞれ別個ではなく、同一のゲート駆動信号で駆動することができる。また、降圧チョッパ３の動作はモード０からモード４まで遷移するが、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のターンオンとターンオフ以外は降圧チョッパ３自体の状態の変遷に基づいて自動的にモードが切り替わる。
【００６４】
本実施形態の降圧チョッパ３は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２の２つのスイッチについて、ゼロ電流ターンオン（ＺＣＳターンオン）、ゼロ電圧ターンオフ（ＺＶＳターンオフ）のいわゆるソフトスイッチング転流を実現している。スイッチング損失の小さいＤＣ−ＤＣコンバータを提供することができる。また、本実施形態の降圧チョッパ３を適用することにより、電磁ノイズの少ない環境を提供することができる。
【００６５】
なお、本実施形態の降圧チョッパ３の出力電圧は、入力電圧より低く、それゆえに降圧チョッパと称されている。ここに、本実施形態の降圧チョッパ３の出力電圧をＶｏとし、入力電圧をＶｉｎとすると、出力電圧Ｖｏは複雑な数値解析により求められるが、概ね次式で定まる。
【００６６】
【数１】
2012100490.tif 000003
ここに、Ｄは第1スイッチＳ１と第２スイッチＳ２のオン時比率であり、Ｒは負荷抵抗Ｒｏの抵抗値、Ｌは直流リアクトルＬｏのインダクタンス、Ｔは第1スイッチＳ１と第２スイッチＳ２のパルスのオン時間である。
【００６７】
また、モード１の期間を確保するためには、オン時間ＴはＬＣ直列共振の共振期間Ｔｂ（共振周期の１／４）以下に下げることはできない。すなわち、共振コンデンサＣｒのキャパシタンスＣとすると、第1スイッチＳ１と第２スイッチＳ２のオン時間Ｔは、次式で求められるＴｂより小さくなるように共振コンデンサＣｒのキャパシタンスＣと直列リアクトルＬｏのインダクタンスＬは選択される必要がある。
【００６８】
【数２】
2012100490.tif 000004
【００６９】
ここで、図３に示すソフトスイッチング降圧チョッパの回路において、図６に示すように、共振スイッチ回路要素１を２台並列に接続したものであってもよい。共振スイッチ回路要素１を２台並列に接続すれば、スイッチング周波数は低くても良く、降圧チョッパの大容量化を図ることができる。
あるいは、一方の共振スイッチ回路要素１が故障しても運転の継続を図ることができるので、装置の信頼性が向上する。
【００７０】
本実施形態の降圧チョッパは、直流電源と負荷の間に複数の降圧チョッパを並列接続して、多相多重化することができる。図７は、時分割制御による多相多重方式を採用した降圧チョッパの代表例を示す回路図である。図７（ａ）には、いわゆる分割コンデンサ方式の降圧チョッパの例、図７（ｂ）には、いわゆる一括コンデンサ方式の降圧チョッパの例を示す回路図が示されている。
【００７１】
図７（ａ）は、３個の降圧チョッパ３ａ，３ｂ，３ｃを直流電源Ｅと負荷Ｒの間に並列接続した三相多重方式降圧チョッパ５を示している。降圧チョッパ３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれ、図１に示した本実施形態に係る共振スイッチ回路要素１と環流ダイオードＤと平滑コンデンサＣと直流リアクトルＬで構成され、図３に説明した本実施形態に係る単位降圧チョッパ３である。なお、三相多重方式降圧チョッパ５には、降圧チョッパ３ａ，３ｂ，３ｃの共振スイッチ回路要素１のパワー半導体デバイスにゲート駆動信号を供給する制御回路４が付属されている。
【００７２】
本実施形態の三相多重方式降圧チョッパ５は、各々独立の直流リアクトルＬｏ１，Ｌｏ２，Ｌｏ３を持った三相の単位降圧チョッパ３からなり、出力は各直流リアクトルＬｏ１，Ｌｏ２，Ｌｏ３の出力側で合成されて負荷Ｒに供給される。したがって、個々の直流リアクトルの電流は相数分の１に減少する。
各単位降圧チョッパ３ａ，３ｂ，３ｃは、１サイクルを３等分した位相関係でオンオフされる。出力電流は各相の和となるので、平均値は相数の３倍となり、リップル周波数は３倍となるが、リップルの絶対値は互いに打ち消す効果を生じて極めて小さくなる。また最大リップル率は、相数の２乗に逆比例して急速に減少し、三相では１／９になる。リップルが小さくなることにより高調波が減少して電力の品質が向上する。
【００７３】
また、１つの相のチョッパが故障しても、残りの相によって運転を継続することができるので、動作信頼性が向上する。
なお、本実施形態の三相多重方式降圧チョッパ５に使用される単位降圧チョッパ３は、共振スイッチ回路要素１に用いられる２つのパワー半導体デバイスを１つのゲート駆動信号で同時に制御すればよく、しかも、モード遷移にも余分なセンサを必要としないので、降圧チョッパを多相多重化しても、制御回路は位相シフト制御によりシンプルで経済的である。
【００７４】
図７（ａ）に示した三相多重方式降圧チョッパ５では、平滑コンデンサＣｏを各相の単位降圧チョッパ３ａ，３ｂ，３ｃに分割して配置し、負荷を分担するので、個々の平滑コンデンサＣｏ１，Ｃｏ２，Ｃｏ３の容量は比較的小さくて済むが、単位降圧チョッパ毎に設ける必要がある。
これに対して、図７（ｂ）に示した三相多重方式降圧チョッパ５'は、一括コンデンサ方式を採用して、各単位降圧チョッパ３ａ'，３ｂ'，３ｃ'に平滑コンデンサを配置する代わりに、単位降圧チョッパ３ａ'，３ｂ'，３ｃ'を並列接続した出力端子に相応の容量を持つ平滑コンデンサＣｏ'を配置するようにしたものである。平滑コンデンサＣｏ'は、一括したものを１個設ければシンプルで済み、製作および保全管理が容易である。
【００７５】
図７（ａ）および図７（ｂ）において、直流リアクトルＬｏ１，Ｌｏ２，Ｌｏ３は各々独立であるところ、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、直流リアクトルのコアを共通にする結合リアクトル構造としてもよい。
結合リアクトル構造を採用すれば、リアクトルの小型・軽量化を図ることができる。また、リアクトル部の損失低減にも効果がある。
【００７６】
なお、図７には、降圧チョッパを３個使って三相化したＤＣ−ＤＣコンバータを示したが、相数を任意に選択することができることは言うまでもない。また、単位降圧チョッパ３を１つのモジュールとして標準化して、必要な容量にしたがって相数を決めて多相多重化したＤＣ−ＤＣコンバータを構成するようにすることもできる。このように標準部品を使う場合は、設計および製造の標準化が容易で、信頼性の高い部品を利用した信頼性が高く保守性の高いＤＣ−ＤＣコンバータを得ることができる。
【００７７】
図９は、電池駆動電車に搭載した二次電池に給電する本発明の１実施形態に係る電力供給システムの概念図である。電池駆動電車６は、二次電池に蓄電した電力を使って電動機を駆動して非電化区間のレール３２上を走行する。したがって、非電化区間である架線レス区間を走行するときには、適宜設けられた充電ステーションで車載の二次電池（蓄電デバイス）を充電する必要がある。
【００７８】
図９に示すように、充電ステーションは，充電設備がある車両基地Ａ及び駅Ｂ１，Ｂ２であり、駅Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は充電設備がなく充電ステーションではない。例えば、ニッケル水素電池など小型で高容量の二次電池を用いると、走行距離を長くすることができ、全ての駅に充電設備を設ける必要がない。
【００７９】
充電ステーションには、電力供給装置本体３６ａと充電ポスト３１とを備えた電力供給装置３６が設けられている。電力供給装置本体３６ａには、ＤＣ−ＤＣコンバータが設けられ、たとえばＤＣ１５００Ｖの直流電力Ｐｗを受電して、車載の二次電池に適合した、たとえばＤＣ６００Ｖに降圧した直流電力を充電ポスト３１に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータの負側出力端子はレールに電気的に接続されている。
【００８０】
なお、二次電池電圧の状態に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を適宜に調整することができる。
電力供給装置本体３６ａに設けられるＤＣ−ＤＣコンバータは、図３に示した本発明に係るソフトスイッチング式の降圧チョッパ３を用いたＤＣ−ＤＣコンバータや、図７に示したソフトスイッチング式の降圧チョッパ３を用いた多相多重方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００８１】
電池駆動電車６は、小型で高容量の二次電池を搭載し、二次電池の直流をインバータで三相交流に変換して車輪と連結された電動機を駆動することにより、架線レス区間を走行することができる。
電池駆動電車６は、充電ステーション以外の場所では，パンタグラフを降ろして走行し、充電ステーションでパンタグラフを上昇させて充電ポスト３１に接触させ、電池駆動電車６に搭載した二次電池の充電を行う。
なお、充電ポスト３１は、架線に限らず、軌条あるいはソケットなどを介して電力供給するものであっても良い。
【００８２】
図１０は、電池駆動電車が本実施形態の電力供給システムの充電ステーションで二次電池に充電している状態を示す回路図である。
本実施形態の電力供給システムの充電ステーションには、本発明に係るソフトスイッチング降圧チョッパを用いて構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ３５が設備されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３５は、地上変電設備など、直流電源からたとえばＤＣ１５００Ｖなど所定の直流電源電圧を入力して、車載の二次電池に適合するたとえばＤＣ６００Ｖなど低い異なる直流電圧に変換して、充電ポスト３１に供給する。
【００８３】
電池駆動電車６は、充電ステーションに停車し、パンタグラフ１４を上昇させて充電ポスト３１に接触させ、搭載された二次電池１１の充電を行う。
電池駆動電車６は、ニッケル水素電池などを使った二次電池１１、可変電圧可変周波数制御を行うＶＶＶＦインバータ１２、車両走行用の誘導電動機１３などをそれぞれ搭載している。
【００８４】
二次電池１１の正極側端子には、高速度遮断器７と電磁接触器８とフィルタリアクトル９を介して、ＶＶＶＦインバータ１２の正側入力端子が接続され、二次電池１１の負極側端子にＶＶＶＦインバータ１２の負側入力端子が接続されている。
フィルタコンデンサ１７がＶＶＶＦインバータ１２と並列に接続されて、フィルタリアクトル９と共にローパスフィルタを構成している。ＶＶＶＦインバータ１２の出力端子には、車輪１５を駆動するための誘導電動機１３が接続されている。
【００８５】
さらに、二次電池１１の正極側端子には、高速度遮断器７ａと電磁接触器８ａとフィルタリアクトル９ａを介して、定電圧定周波数制御をするＣＶＣＦインバータ（ＳＩＶ）１８の正側入力端子が接続され、二次電池１１の負極側端子にＣＶＣＦインバータ（ＳＩＶ）１８の負側入力端子が接続されている。フィルタコンデンサ１７ａがＣＶＣＦインバータ（ＳＩＶ）１８と並列に接続されて、フィルタリアクトル９ａと共にローパスフィルタを構成している。
ＣＶＣＦインバータ（ＳＩＶ）１８の出力端子には、空調装置、車内照明装置、ブレーキ用コンプレッサなど、補機の負荷１９が接続されている。
【００８６】
二次電池１１の正極側端子はパンタグラフ１４に接続され、負極側端子は車輪１５に接続されており、充電ステーションにおいて、パンタグラフ１４を介し充電ポスト３１から直流電力の供給を受けて二次電池１１の充電が行われる。
電池駆動電車６の力行時は、二次電池１１からの直流電力がＶＶＶＦインバータ１２に供給され、運転指令台からの指令速度に応じた周波数、電圧の三相交流電力に変換して、誘導電動機１３を駆動する。
【００８７】
また、電池駆動電車６の制動時には、誘導電動機１３を発電機として使用し発生する交流電力をＶＶＶＦインバータ１２で直流電力に変換して二次電池１１に充電することができる。
電池駆動電車６が駅に停車している間でも補機の運転が必要である場合には、ＣＶＣＦインバータ（ＳＩＶ）１８が二次電池１１から必要な電力を受けて補機に供給する。
電池駆動電車６は、充電ステーションに停車中に二次電池１１に充電して、つぎの充電ステーションまで走行できる電力を蓄電する。
【００８８】
本実施形態の電池駆動電車の電力供給システムでは、充電ステーションにおいて地上に設置されたＤＣ−ＤＣコンバータ３５にソフトスイッチング降圧チョッパを用いているため、スイッチング動作時でのスイッチング損失が抑えられると共に、電磁ノイズの発生が抑制される。
したがって、軌道に沿って敷設される信号線やレールを伝播する鉄道信号系に及ぼす悪影響が抑制され、電磁ノイズに対する対策を簡易なものとすることができる。
【００８９】
図１１は、本発明の別の実施形態に係る電力供給システムについて、電池駆動電車が充電ステーションで二次電池に充電している状態を示す回路図である。本実施形態では、電池駆動電車に二次電池用のＤＣ−ＤＣコンバータを搭載するようにしたところが、図１０で説明した実施形態に係る電力供給システムと異なる点であり、その他に異なるところはない。
【００９０】
本実施形態も、図１０で説明した実施形態も、直流電源装置から供給される高圧直流電力を、本発明に係る降圧チョッパを用いたＤＣ−ＤＣコンバータで降圧して、電池駆動電車に搭載した二次電池を降圧した直流電力で充電する点において差異はない。
そこで、図１１においては、図１０に記載の要素と同じ機能を有する要素については同じ参照番号を付すことで説明を簡約化している。
【００９１】
本実施形態の電力供給システムの充電ステーションでは、充電ポスト３１には既設の架線に供給する、たとえばＤＣ１５００Ｖの高い直流電圧が印加されている。なお、充電ポスト３１は、電化区間における通常の架線であっても良い。
【００９２】
本実施形態の電池駆動電車６ａは、充電ステーションに停車し、パンタグラフ１４を上昇させて充電ポスト３１に接触させ、充電ポスト３１の直流電力を取り込み、ＬＣフィルタを介してＤＣ−ＤＣコンバータ２１の入力端子に供給する。
【００９３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、図３に示した本発明に係るソフトスイッチング式の降圧チョッパ３を用いたＤＣ−ＤＣコンバータや、図７に示したソフトスイッチング式の降圧チョッパ３を用いた多相多重方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。
したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１自体が小型軽量であるばかりでなく、コンバータが稼働する際のスイッチング損失が少なく高効率であり、冷却が簡単である。また、電磁ノイズが少ないので、ノイズの遮蔽が容易である。このため、電池駆動電車６に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を搭載しても、車両重量が過大にならず、走行負荷に対応する二次電池容量も過大にならない。
【００９４】
特に、降圧チョッパ３を複数設けて多相多重化した場合は、チョッパの部品も軽量になると共に、電磁ノイズが激減して保護に必要な部材の重量やコストが低減する。また、多相多重化により駆動周波数が相数に比例して大きくなることから、スイッチング周波数を可聴周波数より高くして乗客の感じる音響ノイズを抑制することができる。
【００９５】
このように、電池駆動電車６ａに二次電池１１を充電するＤＣ−ＤＣコンバータ２１を搭載した場合は、充電ステーションには、単にたとえばＤＣ１５００Ｖを供給する充電ポストが設置されていればよく、地上施設の設備が簡単になる。また、電車の架線を充電ポストとして使用することにより、電化区間と非電化区間が混在する運転区間では、充電ステーションで充電する代わりに電化区間を走行中に二次電池１１を充電することができる。走行中に充電するシステムによれば、設備装置のコストを低減すると共に充電時間を節減することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明の降圧チョッパは、ソフトスイッチングを実現した上に、パワー半導体デバイスなどの部品の要求特性を緩和した上、単純な駆動回路で制御できるようになったので、ＤＣ−ＤＣコンバータなどに適用することにより、各種の産業分野に利用することができる。特に、電池駆動電車の二次電池の充電制御装置に適用すると、鉄道信号系に対する悪影響の少ない経済的な充電システムを形成することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  共振スイッチ回路要素
２  制御回路
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ａ'，３ｂ'，３ｃ'  降圧チョッパ
４  制御回路
５，５'  三相多重方式降圧チョッパ
６，６ａ  電池駆動電車
７，７ａ  高速度遮断器
８，８ａ  電磁接触器
９，９ａ  フィルタリアクトル
１１  二次電池
１２  ＶＶＶＦインバータ
１３  誘導電動機
１４  パンタグラフ
１５  車輪
１７，１７ａ  フィルタコンデンサ
１８  ＣＶＣＦインバータ（ＳＩＶ）
１９  負荷
２１  ＤＣ−ＤＣコンバータ（車載）
３１  充電ポスト
３２  レール
３５  ＤＣ−ＤＣコンバータ（地上設置）
３６  電力供給装置
３６ａ  電力供給装置本体
Ｃｒ  共振コンデンサ
Ｓ１，Ｓ２  第１スイッチ、第２スイッチ
Ｄ１，Ｄ２  第１ダイオード、第２ダイオード
Ｌｏ  直流リアクトル
Ｄｏ  環流ダイオード
Ｃｏ  平滑コンデンサ
Ｅｄ  直流電源
【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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