(57)【要約】【課題】車両用電源装置の動作中（車両運転中）に、充電抵抗短絡用スイッチ（ＣＨＳ）の短絡故障を検出する。【解決手段】抵抗と、該抵抗を短絡するための自己消弧形半導体の短絡用スイッチとを含むＣＨＳユニット１０と、架線から前記ＣＨＳユニットを介して供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ８と、前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、前記インバータの直流側入力電圧を検出する電圧検出器４と、前記短絡用スイッチを制御する制御部２０とを具備し、前記制御部は、導通状態の前記短絡用スイッチを所定時間オフさせ、スイッチをオフする前とオフさせている期間中に前記フィルタコンデンサ電圧を前記電圧検出器にて測定し、オン及びオフ時の電圧差が所定値よりも小さい場合に、前記短絡用スイッチは短絡故障していると判断することを特徴とする車両用電源装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗と、該抵抗を短絡するための自己消弧形半導体の短絡用スイッチとを含むＣＨＳユニットと、
架線から前記ＣＨＳユニットを介して供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
前記インバータの直流側入力電圧を検出する電圧検出器と、
前記短絡用スイッチを制御する制御部とを具備し、
前記制御部は、導通状態の前記短絡用スイッチを所定時間オフさせ、スイッチをオフする前とオフさせている期間中に前記フィルタコンデンサ電圧を前記電圧検出器にて測定し、オン及びオフ時の電圧差が所定値よりも小さい場合に、前記短絡用スイッチは短絡故障していると判断することを特徴とする車両用電源装置。
【請求項２】
前記ＣＨＳユニットに流れ込む入力電流を検出する電流検出器を更に具備し、
前記制御部は、前記入力電流が所定電流値以上である場合にのみ、前記短絡用スイッチの短絡故障を判断することを特徴とする請求項1記載の車両用電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記短絡用スイッチのオン及びオフ時の電圧差が所定値を超えた場合には、前記短絡用スイッチをオフする所定時間の経過を待たずに、即座に前記短絡用スイッチをオンすることを特徴とする請求項1又は２記載の車両用電源装置。
【請求項４】
抵抗と、該抵抗を短絡する自己消弧形半導体の短絡用スイッチとを含むＣＨＳユニットと、
架線から前記ＣＨＳユニットを介して供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
前記フィルタコンデンサの端子間に発生するフィルタコンデンサ電圧を検出する第１電圧検出器と、
前記短絡用スイッチに入力される架線電圧を検出する第２電圧検出器と、
前記短絡用スイッチを制御する制御部とを具備し、
前記制御部は、導通状態の前記短絡用スイッチを所定時間オフさせ、前記第２電圧検出器にて検出される前記短絡用スイッチの電流入力側の（架線）電圧と、前記第１電圧検出器にて検出される前記短絡用スイッチの電流出力側の電圧をオフ期間中に測定し、前記入力側及び出力側の電圧の電圧差が所定値よりも小さい場合に、前記短絡用スイッチは短絡故障していると判断する車両用電源装置。
【請求項５】
前記ＣＨＳユニットに流れ込む入力電流を検出する電流検出器を更に具備し、
前記制御部は、前記入力電流が所定電流値以上である場合にのみ、前記短絡用スイッチの短絡故障を判断することを特徴とする請求項４記載の車両用電源装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記短絡用スイッチの前記入力側及び出力側の電圧の電圧差が所定値を超えた場合には、前記短絡用スイッチをオフする所定時間の経過を待たずに、即座に前記短絡用スイッチをオンすることを特徴とする請求項４又は５記載の車両用電源装置。
【請求項７】
架線から供給される交流電圧を全波整流して直流電圧に変換するダイオードブリッジ整流回路と、
抵抗と、該抵抗を短絡するためのサイリスタからなる短絡用スイッチとを含むＣＨＳユニットと、
前記ダイオードブリッジ整流回路から前記電力前記ＣＨＳユニットを介して供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、
前記インバータの直流側入力電圧を検出する電圧検出器と、
前記短絡用スイッチを制御する制御部とを具備し、
前記制御部は、導通状態の前記短絡用スイッチを所定時間オフさせ、スイッチをオフする前とオフさせている期間中に前記フィルタコンデンサ電圧を前記電圧検出器にて測定し、オン及びオフ時の電圧差が所定値よりも小さい場合に、前記短絡用スイッチは短絡故障していると判断することを特徴とする車両用電源装置。
【請求項８】
前記ＣＨＳユニットに流れ込む入力電流を検出する電流検出器を更に具備し、
前記制御部は、前記入力電流が所定電流値以上である場合にのみ、前記短絡用スイッチの短絡故障を判断することを特徴とする請求項７記載の車両用電源装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記短絡用スイッチのオン及びオフ時の電圧差が所定値を超えた場合には、前記短絡用スイッチをオフする所定時間の経過を待たずに、即座に前記短絡用スイッチをオンすることを特徴とする請求項７又は８記載の車両用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電車等で使用される車両用電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に鉄道車両に搭載される車両用電源装置は、架線から電力を受け取り、電車の照明や空調装置などに電源を供給する。この車両用電源装置は、ＩＧＢＴなどの半導体素子のスイッチングデバイスによりスイッチングして交流や直流を生成する装置であり、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータなどがある。
【０００３】
このような車両用電源装置では、インバータの入力側フィルタコンデンサに電荷を運転開始時に蓄積する際に、突入電流を抑制するため、一定時間の間は充電用抵抗器を介してフィルタコンデンサに架線電圧が供給される回路構成としている。電荷が蓄積された後、充電用抵抗器を短絡するためのスイッチがオンする。この充電抵抗短絡用スイッチ（ＣＨＳ）はＧＴＯやＩＧＢＴなどの半導体素子を用いるのが一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＨＳは通常、車両用電源装置の動作中は導通状態となっているため、ＣＨＳの短絡故障は一般に、車両用電源装置起動時のみの検出可能であり、動作中には検出出来ない。そのため、動作中に短絡故障が発生した場合、故障は次回の起動時まで検出できない。短絡故障した状態で車両用電源装置を起動すると突入電流が流れ、関連する電気部品にダメージを与える可能性がある。
【０００５】
従って実施形態は、装置動作中（車両運転中）にＣＨＳの短絡故障を検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
装置動作中に極短時間ＣＨＳをオフし、フィルタコンデンサ電圧の変化に基づいて、ＣＨＳの短絡故障の有無を確認する。
【０００７】
すなわち一実施形態に係る車両用電源装置は、抵抗と、該抵抗を短絡するための自己消弧形半導体の短絡用スイッチとを含むＣＨＳユニットと、架線から前記ＣＨＳユニットを介して供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流側端子に並列に接続されたフィルタコンデンサと、前記インバータの直流側入力電圧を検出する電圧検出器と、前記短絡用スイッチを制御する制御部とを具備し、前記制御部は、導通状態の前記短絡用スイッチを所定時間オフさせ、スイッチをオフする前とオフさせている期間中に前記フィルタコンデンサ電圧を前記電圧検出器にて測定し、オン及びオフ時の電圧差が所定値よりも小さい場合に、前記短絡用スイッチは短絡故障していると判断する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の車両用電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態の制御部の構成例を示す図である。
【図３】第１実施形態の制御部の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第１実施形態の制御部の動作の変形例を示すタイミングチャートである。
【図５】第２実施形態の制御部の構成を示す図である。
【図６】第２実施形態の制御部の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】第３実施形態の車両用電源装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態に係る車両用電源装置について、図面を参照して説明する。尚、ＣＨＳの故障には、短絡故障（オフ状態とならない）と開放故障（オン状態とならない）があるが、実施形態では短絡故障を対象とする。
【００１０】
図１は、車両用電源装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【００１１】
架線からパンタグラフ７を介して車両用電源装置２１に直流電力が供給され、車両用電源装置２１は車輪９等を介して接地されている。車両用電源装置２１は、電流検出器５、電圧検出器３、４、ＣＨＳユニット１０、フィルタコンデンサ６、インバータ８、制御部２０等で構成される。ＣＨＳユニット１０は充電用抵抗２と自己消弧形半導体の充電抵抗短絡用スイッチ（ＣＨＳ）１を含む。
【００１２】
インバータ８はＣＶＣＦ（定電圧定周波数）インバータであって、架線からパンタグラフ７、ＣＨＳユニット１０を介して供給される直流電力を交流電力に変換する。フィルタコンデンサ６は、インバータ８に供給される直流電圧に含まれるノイズを除去し平滑化する。ＣＨＳユニット１０は、入力フィルタコンデンサ６に電荷を最初に蓄積する際に突入電流を抑制するため、一定時間は短絡用スイッチ１をオフして抵抗２を介してコンデンサ６に架線電圧を供給し、電荷が蓄積された後、短絡用スイッチ１をオンして抵抗２を短絡する。
【００１３】
インバータ８の出力交流電圧は、図示しない交流フィルタリアクトル及び交流フィルタコンデンサ、変圧器などを介して電車の空調、照明などの負荷に供給される。
【００１４】
以下、本実施形態の動作を説明する。
【００１５】
短絡用スイッチ１が導通状態で動作している場合に、電圧検出器４によりフィルタコンデンサ６の電圧を測定し、その測定した電圧値が制御部２０に入力され、制御部２０にて記憶される。その後、制御部２０は短絡用スイッチ１を周期的に短時間オフする。スイッチ１がオフすると、短絡用スイッチ１を流れていた電流は充電用抵抗２を通って流れるようになり、充電用抵抗２の電圧降下によりフィルタコンデンサ６の電圧は、短絡用スイッチ１がオンしていた時に比べ低下する。
【００１６】
制御部２０では、短絡用スイッチ１がオフしている間に、電圧検出器４により再度測定されたフィルタコンデンサ６の電圧が入力され、その測定値を記憶する。短絡用スイッチ１がオフする前のフィルタコンデンサ６の電圧と、オフしている間のフィルタコンデンサ６の電圧の差分を計算し、その差分がある一定値以下であった場合に、制御部２０では、短絡用スイッチ１は短絡故障していると判断する。
【００１７】
図２は制御部２０の構成例を示す図である。
【００１８】
サンプルホルダ（ＳＨ）１１、１２は、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃをコントローラ１６からのサンプル信号ＳＭＰ１、ＳＭＰ２に基づいて、それぞれ独立したタイミングでサンプリングする。尚、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは一般に１０００Ｖ以上の高圧であるため、サンプルホルダに直接入力することはできない。従ってフィルタコンデンサ電圧Ｖｃは、分圧抵抗等で分圧してサンプルホルダに入力する。後述の他の実施形態でも同様に、  電圧Ｖｃあるいは架線電圧は分圧してから制御部に入力される。
【００１９】
減算器１３はサンプルホルダ１１、１２の出力信号の差分ΔＶを演算する。比較器１４は基準電圧発生部１５により発生された基準電圧Ｖｒｅｆと、減算器１３からの差分ΔＶを比較し、比較結果Ｖ３をコントローラ１６に提供する。コントローラ１６は短絡用スイッチ１（ＣＨＳ）をオン・オフ制御するためのゲート信号Ｖｇを発生する。またコントローラは、比較器１４の比較結果Ｖ３に基づいて、短絡用スイッチ１が故障しているか否か判断し、故障していると判断した場合、運転台等に短絡用スイッチが故障していることを示す故障検知信号Ｖｄｔを出力する。
【００２０】
図３は本実施形態の動作を示すタイミングチャートである。
【００２１】
コントローラ１６は時刻ｔ１にサンプリング信号ＳＭＰ１（１パルス）を出力し、その結果サンプルホルダ１１は、時刻ｔ１でのフィルタコンデンサ電圧Ｖｃ（Ｖ１）をサンプルホールドする。コントローラ１６は時刻ｔ２にローレベルゲート信号Ｖｇを短絡用スイッチ１に出力する。その結果スイッチ１はオフし、架線からの電流が充電用抵抗２を流れ、フィルタコンデンサ６及びインバータ８に供給される。従ってフィルタコンデンサ電圧Ｖｃは、充電用抵抗２の電圧降下の作用で低下する。
【００２２】
コントローラ１６は時刻ｔ３に、サンプルホルダ１２にフィルタコンデンサ電圧Ｖｃ（Ｖ２）をサンプルホールドさせる。このサンプリング信号ＳＭＰ２は、一定周期の連続クロック信号でよい。減算器１３はフィルタコンデンサ電圧Ｖ１から電圧Ｖ２を減算し、差分電圧ΔＶを出力する。
【００２３】
比較器１４は減算器１３からの差分電圧ΔＶと基準電圧発生部１５からの基準電圧Ｖｒｅｆを比較し、比較結果Ｖ３をコントローラ１６に出力する。コントローラ１６は比較結果Ｖ３としてハイレベル信号を受信すると、スイッチ１は短絡故障していないと判断し、故障検知信号Ｖｄｅｔとしてローレベルを維持する。サンプルホルダ１２はサンプリング周期ごとにフィルタコンデンサ電圧Ｖｃをサンプリングし続ける。
【００２４】
コントローラ１６は短絡スイッチ１をオフした時刻ｔ２から所定時間後の時刻ｔ４にゲート信号Ｖｇをハイレベルとし、スイッチ１をオンさせる。この結果、充電用抵抗２はスイッチ１により短絡され、架線から電流がスイッチ１を流れ、フィルタコンデンサ６及びインバータ８に供給される。従ってフィルタコンデンサ電圧は、架線電圧にまで上昇すなわち復帰する。
【００２５】
サンプルホルダ１２が、時刻ｔ５でのフィルタコンデンサ電圧Ｖ２をサンプルホールドした時点で、サンプルホルダ１１及び１２の出力電圧Ｖ１及びＶ２は同一となる。この結果、減算器１３は差分電圧ΔＶとして０を出力し、比較器１４は比較結果Ｖ３としてローレベル信号を出力する。コントローラ１６は時刻ｔ１からｔ５までの故障監視動作を周期的に繰り返し行う。
【００２６】
次に、短絡用スイッチ１が短絡故障した場合の動作を説明する。図３の時刻ｔ６でスイッチ１が短絡故障したと仮定する。
【００２７】
コントローラ１６は時刻ｔ７にサンプリング信号ＳＭＰ１（１パルス）を出力し、その結果サンプルホルダ１１は、時刻ｔ７でのフィルタコンデンサ電圧Ｖｃ（Ｖ１）をサンプルホールドする。コントローラ１６は時刻ｔ８にローレベルゲート信号Ｖｇを短絡用スイッチ１に出力する。この場合、短絡用スイッチ１は短絡故障（短絡状態を維持）しているので、架線からの電流は短絡用スイッチ１を流れ続ける。従ってフィルタコンデンサ電圧Ｖｃは変化しない。サンプルホルダ１２はサンプリングを継続して行うが、その出力Ｖ２はサンプルホルダ１１の出力値と同一である。従って比較器１４は比較結果Ｖ３としてローレベル信号を出力し続ける。
【００２８】
コントローラ１６は短絡用スイッチ１をオフした時刻ｔ８から所定時間Ｔ１以内に、比較器１４から比較結果Ｖ３としてハイレベル信号が受信されない場合、故障検出信号Ｖｄｔとしてハイレベル信号を運転台等に出力し、スイッチ１が短絡故障していることを警告する。
【００２９】
尚、ＣＨＳユニット１０に流れ込む電流が小さいと、短絡用スイッチ１が正常動作している場合でも、オフしたときに検出される差電圧ΔＶは小さいので、スイッチ１の確実な故障検出を行うことができない。従って、電流検出器５を用いてＣＨＳユニット１０に流れ込む電流を測定し、電流値が所定値以上の場合のみ、短絡用スイッチ１の故障監視を行ってもよい。
【００３０】
次に第１実施形態の変形例を図４を参照して説明する。
【００３１】
時刻ｔ１、ｔ２の動作は、上記実施形態と同様である。この変形例では、コントローラ１６は時刻ｔ３で、比較器１４から比較結果Ｖ３としてハイレベル信号を受信すると、即座に短絡用スイッチ１をオン状態に戻す。以降の動作は上記実施形態と同様である。このように本実施形態では、短絡用スイッチ１のオフ期間が上記実施形態より短いので、充電用抵抗２に電流が流れることによるエネルギロスが少ない。
【００３２】
次に第２実施形態を説明する。図５は制御部２０の第２実施形態の構成を示す図である。
【００３３】
第２実施形態では、前述の実施形態で使用された図２のサンプルホルダ１１、１２は使用されない。減算器１３には、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃ及び電圧検出器３にて検出された架線電圧Ｖｗが入力される。
【００３４】
図６は第２実施形態の動作を示すタイミングチャートである。電圧検出器３にて検出される架線電圧Ｖｗは常に一定値Ｖｗ１であるとする。
【００３５】
コントローラ１６は時刻ｔ１にローレベルゲート信号Ｖｇを短絡用スイッチ１（ＣＨＳ）に出力する。その結果スイッチ１はオフし、架線からの電流が充電用抵抗２を流れ、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは、充電用抵抗２の電圧降下の作用で低下する。このとき減算器１３は、架線電圧Ｖｗ１とフィルタコンデンサ電圧Ｖｃとの差電圧ΔＶを出力する。
【００３６】
比較器１４は減算器１３からの差分電圧ΔＶと基準電圧発生部１５からの基準電圧Ｖｒｅｆを比較し、比較結果Ｖ３をコントローラ１６に出力する。コントローラ１６は比較結果Ｖ３の立ち上がりに応答してゲート信号Ｖｇをハイレベルとし、短絡用スイッチ１をオンさせる。この結果フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは、架線電圧Ｖｗ１にまで上昇すなわち復帰する。
【００３７】
次に、短絡用スイッチ１が短絡故障した場合の動作を説明する。図６の時刻ｔ３でスイッチ１が短絡故障したと仮定する。
【００３８】
コントローラ１６は時刻ｔ４に短絡用スイッチ１に対してローレベルゲート信号Ｖｇを出力するが、スイッチ１はオフしないので、フィルタコンデンサ電圧Ｖｃは変化せず、差電圧ΔＶは発生しない。従って比較器１４は比較結果Ｖ３としてローレベル信号を出力し続ける。
【００３９】
コントローラ１６は短絡用スイッチ１をオフした時刻ｔ４から所定時間Ｔ１以内に、比較器１４から比較結果Ｖ３としてハイレベル信号が受信されない場合、故障検出信号Ｖｄｔとしてハイレベル信号を運転台等に出力し、スイッチ１が短絡故障していることを警告する。
【００４０】
以上のように第２実施形態では、コントローラ１６がフィルタコンデンサ電圧Ｖｃの立下り（比較結果Ｖ３の立ち上がり）に応答してゲート信号Ｖｇをハイレベルとする。従って、短絡用スイッチ１がオフしている時間ｔ１〜ｔ２は、無視できるほど短い。
【００４１】
第２実施形態では、短絡用スイッチ１の短絡故障監視において、充電用抵抗２によるエネルギロスが極めて少なく、インバータ８の入力電圧が実質的に変化しない。
【００４２】
次に第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る車両用電源装置は、交流き電方式に対応する車両用電源装置である。
【００４３】
図７は第３実施形態に係る車両用電源装置の構成を示す図である。
【００４４】
この車両用電源装置２１は、電力入力段に単相全波ダイオードブリッジ整流回路２２を持ち、その後段にサイリスタ２３の短絡用スイッチ及び充電用抵抗２を含むＣＨＳユニット１０が接続されている。
【００４５】
サイリスタ２３が導通状態で動作している場合に、電圧検出器４によりフィルタコンデンサ６の電圧を測定し記憶する。その後、サイリスタ２３のゲートを短時間オフする。それにより、サイリスタ２３が短絡故障していない揚合、サイリスタ２３のアノードの電圧がカソードの電圧より低下した時にサイリスタ８はオフし、サイリスタ２３を流れていた電流は、充電用抵抗２を通って流れるようになり、フィルタコンデンサ６の電圧は低下する。
【００４６】
サイリスタ２３のゲートをオフしている間に、電圧検出器４によりフィルタコンデンサ６の電圧を再度測定し記憶する。サイリスタ２３のゲートをオフする前のフィルタコンデンサ６の電圧と、オフしているときのフィルタコンデンサ６の電圧の差分を計算し、その値がある一定の値以下であった場合に、サイリスタ８が短絡故障していると判断する。
【００４７】
第３実施形態の制御部２１の詳細な動作は、上記した第１及び第２実施形態と同様であるから割愛する。
【００４８】
以上説明したように本発明の実施形態によれば、電源装置の動作中（車両運転中）に、充電抵抗短絡用スイッチの短絡故障を検知することが可能となる。
【００４９】
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】
【００５０】
1…充電抵抗短絡用スイッチ、２…充電用抵抗、３、４…電圧検出器、５…電流検出器、６…フィルタコンデンサ、８…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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