(57)【要約】【課題】電力変換装置の動作の安定性と電力変換装置の小型化を図る。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、昇圧用コイルを直接的あるいは間接的に接続可能な第１入力端子に一端が接続され、他端が第２入力端子に接続されたスイッチング素子及び逆流防止ダイオードを備えた昇圧チョッパ基本回路と、昇圧チョッパ基本回路の後段に接続され、複数のスイッチング素子、第１出力端子及び第２出力端子を有するインバータ回路と、を備えた複数組の組合せ回路と、複数組の組合せ回路における昇圧チョッパ基本回路を構成するスイッチング素子及びインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子が一体に取り付けられた冷却器と、を備える。【選択図】図１
2016163489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇圧用コイルを直接的あるいは間接的に接続可能な第１入力端子に一端が接続され、他端が第２入力端子に接続されたスイッチング素子及び逆流防止ダイオードを備えた昇圧チョッパ基本回路と、前記昇圧チョッパ基本回路の後段に接続され、複数のスイッチング素子、第１出力端子及び第２出力端子を有するインバータ回路と、を備えた複数組の組合せ回路と、
前記複数組の組合せ回路における前記昇圧チョッパ基本回路を構成するスイッチング素子及び前記インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子が一体に取り付けられた冷却器と、
を備えた電力変換装置。
【請求項２】
前記冷却器は、一体に取り付けられた全ての前記スイッチング素子の動作時の素子温度を所定の許容温度以下とすることが可能な冷却能力を備えている、
請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記組合せ回路の第２入力端子を他の組合せ回路の第１入力端子に接続して、前記複数組の組合せ回路の少なくとも一部の組合せ回路を直列接続し、
最も高電位側の前記組合せ回路の前記第１入力端子に前記昇圧用コイルを接続した、
請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数組の組合せ回路のうち、少なくとも一部の組合せ回路の前記第１入力端子同士及び前記第２入力端子同士を接続し、
前記第１入力端子に前記昇圧用コイルを接続した、
請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記昇圧チョッパ基本回路の後段であって、前記インバータ回路の前段に介挿されたフィルタ用コンデンサを有し、
前記冷却器には、前記フィルタ用コンデンサが取り付けられている、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両には、架線からの直流電力を所定電圧の直流電力に変換して車内設備（冷暖房装置、ドア開閉装置、表示装置など）に供給する鉄道車両用補助電源装置（以下、電力変換装置）が設けられている。
【０００３】
このような電力変換装置において、架線から集電装置を介して受電した直流電力を昇圧チョッパにより一定の直流電圧に安定化した後、単相インバータにより交流に変換し、変圧器により、架線と低圧回路を電気的に絶縁した後、整流して直流電力を負荷に対して出力するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３２７２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の電力変換装置においては、単相インバータの出力周波数を高くするほど変圧器を小型化でき、ひいては、電力変換装置の小型化が図れることとなっていた。
しかしながら単相インバータの出力周波数を高くすると、当該単相インバータを構成しているスイッチング素子の損失が増大するため、損失の少ないスイッチング素子を用いることが望まれる。
【０００６】
このようなスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴの耐圧は一般に６００Ｖ〜１２００Ｖ程度で有り、鉄道用車両に用いる電源電圧（架線電圧）は、７５０Ｖあるいは１５００Ｖが一般的なため、耐圧が不足する虞があった。
【０００７】
これを解決するためには、耐圧の低いスイッチング素子を用いた電力変換装置を複数直列に接続することが考えられるが、スイッチング素子数及び発熱を吸収するための冷却器が増加し、電力変換装置が大きくならざるを得なかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、実施形態の電力変換装置は、昇圧用コイルを直接的あるいは間接的に接続可能な第１入力端子に一端が接続され、他端が第２入力端子に接続されたスイッチング素子及び逆流防止ダイオードを備えた昇圧チョッパ基本回路と、昇圧チョッパ基本回路の後段に接続され、複数のスイッチング素子、第１出力端子及び第２出力端子を有するインバータ回路と、を備えた複数組の組合せ回路と、複数組の組合せ回路における昇圧チョッパ基本回路を構成するスイッチング素子及びインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子が一体に取り付けられた冷却器と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に適用される組合せ回路ユニットの概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、組合せ回路ユニットを構成している組合せ回路を直列接続して鉄道用の電力変換装置に適用した場合の概要回路構成図である。
【図３】図３は、組合せ回路ユニットを構成している組合せ回路を並列接続して鉄道用の電力変換装置に適用した場合の概要回路構成図である。
【図４】図４は、実施形態の変形例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施形態の電力変換装置を詳細に説明する。
実施形態の電力変換装置は、例えば、架線からの直流電力を所定電圧の直流電力に変換して負荷である車内設備（冷暖房装置、ドア開閉装置、表示装置など）に供給する鉄道車両用補助電源装置として用いられる。
【００１１】
図１は、実施形態に適用される組合せ回路ユニットの概要構成ブロック図である。
組合せ回路ユニット１０は、大別すると、第１外部入力端子ＴＩＸ１及び第２外部入力端子ＴＩＸ２を有し、第１外部入力端子ＴＩＸ１を介してコイルが接続されることにより昇圧チョッパとして機能する昇圧チョッパ基本回路１１と、第１外部出力端子ＴＯＸ１及び第２外部出力端子ＴＯＸ２を有し、昇圧チョッパ基本回路１１の後段に接続されたインバータ回路１２と、を備えた複数（図１の例では、二つ)の組合せ回路２０と、複数の組合せ回路２０を構成している後述するスイッチング素子が実装された冷却器２１と、を備えている。
【００１２】
ここで、冷却器２１は、アルミニウム製や銅製の放熱フィン、放熱スリット等の冷却・放熱機構を有し、複数の組合せ回路２０を同時に動作させても、各組合せ回路２０を構成しているスイッチング素子を許容温度以下に保持するのに十分な冷却能力を有している。
【００１３】
上記構成において、昇圧チョッパ基本回路１１は、第１外部入力端子ＴＩＸ１と第２外部入力端子ＴＩＸ２との間に接続されたスイッチング素子３１と、第１外部入力端子ＴＩＸ１にアノード端子が接続された逆流防止ダイオード３２と、を備えている。
【００１４】
インバータ回路１２は、第１入力端子ＴＩ１が逆流防止ダイオード３２のカソード端子に接続され、第２入力端子ＴＩ２が第２外部入力端子ＴＩＸ２に接続され、第１外部出力端子ＴＯＸ１及び第２外部出力端子ＴＯＸ２を有している。
【００１５】
さらにインバータ回路１２は、一端が第１入力端子ＴＩ１を介して逆流防止ダイオード３２のカソード端子に並列接続されて上アームを構成する複数のスイッチング素子３３、３４と、一端が上アームを構成する複数のスイッチング素子３３、３４の他端に接続され、他端が第２入力端子ＴＩ２を介して第２外部入力端子ＴＩＸ２に接続されて下アームを構成する複数のスイッチング素子３５、３６と、を備えている。
【００１６】
［１］第１実施形態
図２は、組合せ回路ユニットを構成している組合せ回路を直列接続して鉄道用の電力変換装置に適用した場合の概要回路構成図である。
電力変換装置４０は、直流架線（直流き電線）４１から直流電力が供給されるパンタグラフ４２と、線路４３を介して接地された車輪４４と、の間の電流経路に、開放接触器（遮断器）４５、昇圧チョッパ基本回路１１と共働して昇圧チョッパとして機能する昇圧用コイル４６及び二つの組合せ回路２０が直列接続された組合せ回路ユニット１０が直列に接続されている。
【００１７】
また、図２中、組合せ回路ユニット１０を構成している上側の組合せ回路２０の第１外部出力端子ＴＯＸ１及び第２外部出力端子ＴＯＸ２には、第１トランス５１Ａの一次側が接続されている。第１トランス５１Ａの二次側には、図示しないダイオードがブリッジ接続された第１ダイオード整流回路５２Ａが接続されている。
【００１８】
同様に、図２中、組合せ回路ユニット１０を構成している下側の組合せ回路２０の第１外部出力端子ＴＯＸ１及び第２外部出力端子ＴＯＸ２には、第２トランス５１Ｂの一次側が接続されている。第２トランス５１Ｂの二次側には、図示しないダイオードがブリッジ接続された第２ダイオード整流回路５２Ｂが接続されている。
【００１９】
ここで、上側の組合せ回路２０の第２外部入力端子ＴＩＸ２と、下側の組合せ回路２０の第１外部入力端子ＴＩＸ１と、は、接続されて、二つの組合せ回路２０を直列接続している。
また、第１ダイオード整流回路５２Ａの出力端子と、第２ダイオード整流回路５２Ｂの出力端子とは、出力を重畳可能に互いに接続されている。
【００２０】
さらに、電力変換装置４０は、測定した入力直流電圧及びダイオード整流回路５２Ａ、５２Ｂにより出力された出力直流電圧に基づいて、出力直流電圧が所定の電圧となるように制御信号群ＳＣを出力するコントローラ５３を備えている。
【００２１】
次に第１実施形態の動作を説明する。
この場合において、電力変換装置４０を構成している二つの組合せ回路２０は、コントローラ５３の制御下で同期して同一の動作を行っている。
【００２２】
電力変換装置４０は、直流架線（直流き電線）４１からパンタグラフ４２を介して直流電力が供給されると、開放接触器４５及び昇圧用コイル４６を介して直流電力が昇圧チョッパ基本回路１１に供給される。
【００２３】
これにより、コントローラ５３は、予め設定された出力指示電圧と、入力直流電圧を比較し、二つの昇圧チョッパ基本回路１１において、入力直流電圧を出力指示電圧に等しい電圧にするためのスイッチング素子３１のスイッチング周波数及びオンデューティに対応する制御信号群ＳＣを出力する。
【００２４】
これにより、昇圧チョッパ基本回路１１のスイッチング素子３１は、制御信号群ＳＣに基づくスイッチング周波数及びオンデューティでオン／オフし、昇圧チョッパ基本回路１１は、昇圧用コイル４６と共働して入力直流電圧を昇圧して、対応するインバータ回路１２に出力する。
【００２５】
これにより図中、上側のインバータ回路１２は、上側の昇圧チョッパ基本回路１１の出力である昇圧後の直流電力を交流電力に変換して第１トランス５１Ａの一次側に出力する。
同様に下側のインバータ回路１２は、下側の昇圧チョッパ基本回路１１の出力である昇圧後の直流電力を交流電力に変換して第２トランス５１Ｂの一次側に出力する。
【００２６】
このとき、スイッチング素子３１、３３〜３６は、一つの共通な冷却器２１に一体に取り付けられており、冷却器２１は、これらの一体に取り付けられた全てのスイッチング素子の動作時の素子温度を所定の許容温度以下とすることが可能な冷却能力を有するようにされている。
【００２７】
したがって、スイッチング素子３１、３３〜３６の動作時の素子温度は、冷却器２１により、許容温度以下に保持されている。
第１トランス５１Ａは、一次側に入力された交流電力を所定の巻線比で昇圧し、絶縁状態を保ちつつ、二次側に接続された対応する第１ダイオード整流回路５２Ａに出力する。
【００２８】
同様に第２トランス５１Ｂは、入力された交流電力を所定の巻線比で昇圧し、絶縁状態を保ちつつ、二次側に接続された対応する第２ダイオード整流回路５２Ｂに出力する。
そして、第１ダイオード整流回路５２Ａ及び第２ダイオード整流回路５２Ｂは、入力された交流電力を再び直流電力に変換してそれぞれ出力する。
【００２９】
これらの結果、第１ダイオード整流回路５２Ａ及び第２ダイオード整流回路５２Ｂの出力は重畳されて、図示しない負荷に供給されることとなる。
このとき、スイッチング素子３１、３３〜３６の動作時の素子温度は、冷却器２１により、許容温度以下に保持されているので、電力変換装置４０は、昇圧動作及び直流／交流変換動作、ひいては、電力変換動作を安定して行うことができる。
【００３０】
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、スイッチング素子３１、３３〜３６の動作時の素子温度は、冷却器２１により、許容温度以下に保持されているので、昇圧動作及び直流／交流変換動作、ひいては、電力変換動作を安定して行うことができる。
【００３１】
また二つの組合せ回路２０を直列に接続しているので、スイッチング素子３１、３３〜３６の定格電圧を低減可能となる。
さらに、一つの冷却器２１に二つの組合せ回路２０における昇圧チョッパ基本回路１１を構成するスイッチング素子３１及びインバータ回路１２を構成する複数のスイッチング素子３３〜３６を一体に取り付けているので、スイッチング素子の実装密度を高くすることができ、電気車用の電力変換装置の小型化が図れる。
【００３２】
［２］第２実施形態
図３は、組合せ回路ユニットを構成している組合せ回路を並列接続して鉄道用の電力変換装置に適用した場合の概要回路構成図である。
【００３３】
電力変換装置６０は、直流架線（直流き電線）６１から直流電力が供給されるパンタグラフ６２と、線路６３を介して接地された車輪６４と、の間の電流経路に、開放接触器（遮断器）６５、昇圧チョッパ基本回路１１と共働して昇圧チョッパとして機能する昇圧用コイル６６及び二つの組合せ回路２０が並列接続された組合せ回路ユニット１０が直列に接続されている。
【００３４】
また、図３中、組合せ回路ユニット１０を構成している上側の組合せ回路２０の第１外部出力端子ＴＯＸ１及び第２外部出力端子ＴＯＸ２には、第１トランス７１Ａの一次側が接続されている。第１トランス７１Ａの二次側には、図示しないダイオードがブリッジ接続された第１ダイオード整流回路７２Ａが接続されている。
【００３５】
同様に、図３中、組合せ回路ユニット１０を構成している下側の組合せ回路２０の第１外部出力端子ＴＯＸ１及び第２外部出力端子ＴＯＸ２には、第２トランス７１Ｂの一次側が接続されている。第２トランス７１Ｂの二次側には、図示しないダイオードがブリッジ接続された第２ダイオード整流回路７２Ｂが接続されている。
【００３６】
ここで、二つの組合せ回路２０の第１外部入力端子ＴＩＸ１は、昇圧用コイル６６の一端に互いに接続され、二つの組合せ回路２０の第２外部入力端子ＴＩＸ２は、互いに接続されて車輪６４及び線路６３を介して接地されている。
【００３７】
また、第１ダイオード整流回路７２Ａの出力端子と、第２ダイオード整流回路７２Ｂの出力端子とは、出力を重畳可能に互いに接続されている。
【００３８】
さらに、電力変換装置６０は、測定した入力直流電圧及びダイオード整流回路７２Ａ、７２Ｂにより出力された出力直流電圧に基づいて、出力直流電圧が所定の電圧となるように制御信号群ＳＣを出力するコントローラ７３を備えている。
【００３９】
次に第２実施形態の動作を説明する。
この場合において、電力変換装置６０を構成している二つの組合せ回路２０は、コントローラ７３の制御下で同期して同一の動作を行っている。
【００４０】
電力変換装置６０は、直流架線（直流き電線）６１からパンタグラフ６２を介して直流電力が供給されると、開放接触器６５及び昇圧用コイル６６を介して直流電力が昇圧チョッパ基本回路１１に供給される。
【００４１】
これにより、コントローラ７３は、予め設定された出力指示電圧と、入力直流電圧を比較し、二つの昇圧チョッパ基本回路１１において、入力直流電圧を出力指示電圧に等しい電圧にするためのスイッチング素子３１のスイッチング周波数及びオンデューティに対応する制御信号群ＳＣを出力する。
【００４２】
これにより、昇圧チョッパ基本回路１１のスイッチング素子３１は、制御信号群ＳＣに基づくスイッチング周波数及びオンデューティでオン／オフし、昇圧チョッパ基本回路１１は、昇圧用コイル６６と共働して入力直流電圧を昇圧して、対応するインバータ回路１２に出力する。
【００４３】
これにより図３中、上側のインバータ回路１２は、上側の昇圧チョッパ基本回路１１の出力である昇圧後の直流電力を交流電力に変換して第１トランス７１Ａの一次側に出力する。
同様に下側のインバータ回路１２は、下側の昇圧チョッパ基本回路１１の出力である昇圧後の直流電力を交流電力に変換して第２トランス７１Ｂの一次側に出力する。
【００４４】
この場合においても、スイッチング素子３１、３３〜３６は、一つの共通な冷却器２１に一体に取り付けられているので、第１実施形態と同様に、スイッチング素子３１、３３〜３６の動作時の素子温度は、冷却器２１により、許容温度以下に保持されている。
そして、第１トランス７１Ａは、一次側に入力された交流電力を所定の巻線比で昇圧し、絶縁状態を保ちつつ、二次側に接続された対応する第１ダイオード整流回路７２Ａに出力する。
【００４５】
同様に第２トランス７１Ｂは、入力された交流電力を所定の巻線比で昇圧し、絶縁状態を保ちつつ、二次側に接続された対応する第２ダイオード整流回路７２Ｂに出力する。
そして、第１ダイオード整流回路７２Ａ及び第２ダイオード整流回路７２Ｂは、入力された交流電力を再び直流電力に変換してそれぞれ出力する。
【００４６】
これらの結果、第１ダイオード整流回路７２Ａ及び第２ダイオード整流回路７２Ｂの出力は重畳されて、図示しない負荷に供給されることとなる。
このとき、上述したように、スイッチング素子３１、３３〜３６の動作時の素子温度は、冷却器２１により、許容温度以下に保持されているので、電力変換装置６０は、昇圧動作及び直流／交流変換動作、ひいては、電力変換動作を安定して行うことができる。
【００４７】
以上の説明のように、本第２実施形態によっても、スイッチング素子３１、３３〜３６の動作時の素子温度は、冷却器２１により、許容温度以下に保持されているので、昇圧動作及び直流／交流変換動作、ひいては、電力変換動作を安定して行うことができる。
【００４８】
また二つの組合せ回路２０を並列に接続しているので、電流容量が２倍の電力変換装置を構成することが可能である。さらに三つ以上の組合せ回路２０を並列に接続することで、電流量を更に引き上げることも可能である。
さらに、一つの冷却器２１に二つの組合せ回路２０における昇圧チョッパ基本回路１１を構成するスイッチング素子３１及びインバータ回路１２を構成する複数のスイッチング素子３３〜３６を一体に取り付けているので、スイッチング素子の実装密度を高くすることができ、電気車用の電力変換装置の小型化が図れる。
【００４９】
［３］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、電力変換装置の動作の安定性と電力変換装置の小型化を容易に実現できる。
【００５０】
［４］実施形態の変形例
以上の説明においては、組合せ回路２０が二組の場合について説明したが、組合せ回路が三つ以上、一つの冷却器に取り付けられた場合についても同様に適用が可能である。
この場合において、全ての組合せ回路を直列接続あるいは並列接続する必要はなく、必要に応じてその一部を直列接続あるいは並列接続する構成とすることも可能である。例えば、組合せ回路が四つある場合には、いずれか二つを直列接続とし、残りの二つを並列接続とすることも可能である。
【００５１】
図４は、実施形態の変形例の説明図である。
以上の説明においては、昇圧チョッパ基本回路１１と、インバータ回路１２と、を直接接続していた。
【００５２】
しかしながら、図４に示すように、昇圧チョッパ基本回路１１の後段であって、インバータ回路１２の前段にフィルタ用コンデンサＦＣを介挿し、冷却器２１にフィルタ用コンデンサＦＣを取り付けるように（実装するように）構成することも可能である。
これにより、発熱を抑制しつつ電力変換装置の小型化を図るとともに、電力変換装置の出力電圧の変動を抑制することができる。
【００５３】
以上の説明においては、詳細に述べなかったが、コントローラ５３あるいはコントローラ７３を、ロジック回路として構成しても良いし、マイクロコンピュータとして、構成することも可能である。
【００５４】
この場合において、コントローラ５３あるいはコントローラ７３として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、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供されるようにしてもよい。
【００５５】
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、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、フレキシブルディスク（FD）、ＣＤ−Ｒ、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。
【００５６】
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よい。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、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。
【００５７】
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】
【００５８】
１０    組合せ回路ユニット
１１    昇圧チョッパ基本回路
１２    インバータ回路
２０    組合せ回路
２１    冷却器
３１    スイッチング素子
３２    逆流防止ダイオード
３３〜３６    スイッチング素子
４０    電力変換装置
４２    パンタグラフ
４３    線路
４４    車輪
４５    開放接触器
４６    昇圧用コイル
５１Ａ  第１トランス
５１Ｂ  第２トランス
５２Ａ  第１ダイオード整流回路
５２Ｂ  第２ダイオード整流回路
５３    コントローラ
６０    電力変換装置
６２    パンタグラフ
６３    線路
６４    車輪
６５    開放接触器
６６    昇圧用コイル
７１Ａ  第１トランス
７１Ｂ  第２トランス
７２Ａ  第１ダイオード整流回路
７２Ｂ  第２ダイオード整流回路
７３    コントローラ
ＦＣ    フィルタ用コンデンサ
ＳＣ    制御信号群
ＴＩ１  第１入力端子
ＴＩ２  第２入力端子
ＴＩＸ１  第１外部入力端子
ＴＩＸ２  第２外部入力端子
ＴＯＸ１  第１外部出力端子
ＴＯＸ２  第２外部出力端子
【図１】
2016163489.tif 000003
【図２】
2016163489.tif 000004
【図３】
2016163489.tif 000005
【図４】
2016163489.tif 000006