JP2015133779A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ電圧を増加させるために昇圧回路を設ける場合でも、機器の小型化、低コスト化を図る。【解決手段】実施形態の鉄道車両用電力変換装置の第１電力変換回路は、直流架線から供給される直流電力が直列リアクトルを介して入力され、昇圧チョッパ回路として機能して、複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−直流電力変換を行い、第１電力回路は、直流架線から供給される直流電力の規定電圧よりも高い電圧に昇圧する。第２電力変換回路は、第１電力変換回路の出力直流電力を複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−交流電力変換を行い対応する交流電動機に出力する。受熱部材は、半導体素子が熱的に結合可能に取り付けられて、受熱する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両用電力変換装置に関する。

近年、社会を取り巻く環境の変化から省エネへの関心が高まっている。鉄道車両用の駆動システムに目を向ければ、従来の誘導電動機（以下、ＩＭ）に代わり、原理的に高効率な永久磁石同期電動機（以下、ＰＭＳＭ）を用いた駆動システムへの転換が始まりつつある。

ＰＭＳＭ駆動システムの特徴として、従来用いられてきたＩＭ駆動システムとは異なり、複数のＰＭＳＭを駆動する際に必ずＰＭＳＭと同数の電力変換回路が必要となることが挙げられる。これは、ＩＭがすべりを制御することで複数のＩＭを一括で駆動制御できるのに対し、ＰＭＳＭは個々について電機子磁束と界磁磁束が同期していなければ制御が成立しないことによる。これは鉄道車両向けＰＭＳＭ駆動システムで考慮されるべき特性と言える。

また、ＰＭＳＭとＩＭで同一トルクを出力しようとする場合、ＰＭＳＭはＩＭに比べより大きなモータ電流が必要となる傾向がある。これより、ＩＭに比べてＰＭＳＭはより大容量の電力変換装置が必要になる。さらに、１つの直流電源から複数の電力変換装置を並列接続してＰＭＳＭを駆動するような回路構成の場合、半導体素子のスイッチング動作に伴う電力変換器の直流側に発生する電流リップルも増加するため、直流電圧を安定化させるフィルタコンデンサの容量も多く必要となる。
ところで、従来の１系統の直流電源から複数の電力変換回路を用いて複数のＰＭＳＭを駆動するシステムにおいては、ＰＭＳＭ制御の安定性を高めるために直流電源部にコンデンサを接続して直流電圧の安定化を図ってきた。しかし、ＰＭＳＭ出力を増大しようとする場合、電動機電流が大きくなり、電力変換装置の直流側、即ち直流電源側により大きな脈動電流が流れることになり、コンデンサの負担が厳しくなる。

特許第４３８２５７１号公報

この様な状況の中、最近では電動機をＩＭとしたままで高効率化を目指す動きが出てきている。
例えば、電力変換装置の制御方法として中高速域で１パルス（矩形波）制御を行う場合には、直流電源電圧から生成できる最大電圧をモータに印加していたが、さらに高効率化を目指すべく、モータ電圧を増加させるには電源電圧を昇圧する回路を設ける必要があり、昇圧回路の追加によって機器の大型化、高コスト化が避けられなかった。

実施形態の鉄道車両用電力変換装置の第１電力変換回路は、直流架線から供給される直流電力が直列リアクトルを介して入力され、昇圧チョッパ回路として機能して、複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−直流電力変換を行う。このとき、第１電力回路は、直流架線から供給される直流電力の規定電圧よりも高い電圧に昇圧して第２電力変換回路に供給する。
第２電力変換回路は、第１電力変換回路の出力端に、並列コンデンサを介して接続されている。第１電力変換回路の出力直流電力を複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−交流電力変換を行い対応する交流電動機に出力する。
このとき、受熱部材は、第１電力変換回路および第２電力変換回路を構成している半導体素子が熱的に結合可能に取り付けられて、受熱を行う。

図１は、第１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は、第１実施形態の第２電力変換回路を構成している半導体素子の実装状態の説明図である。 図３は、第１実施形態の変形例における第１電力変換回路及び第２電力変換回路を構成している半導体素子の実装状態の説明図である。 図４は、第２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５は、第２実施形態の第２電力変換回路を構成している半導体素子の実装状態の説明図である。 図６は、第３実施形態で用いる三角波比較ＰＷＭ制御において用いる三角波の位相説明図である。 図７は、フィルタコンデンサへの流入電流の一例の説明図である。 図８は、第３実施形態における電流の周波数スペクトル分布の説明図である。

以下、実施形態の鉄道車両用の電力変換装置について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１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及び第１直流電圧検出器１６が直列に接続されている。

さらに遮断器１５と第１直流電圧検出器１６との接続線の間には、フィルタリアクトル（コイル）１７の一端側が接続され、フィルタリアクトル１７の他端側は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する第１電力変換回路１８の入力端子が接続されている。すなわち、第１電力変換回路１８は、フィルタリアクトル１７と共働して入力直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路（非絶縁型昇圧チョークコンバータ）ＵＣとして機能している。

第１電力変換回路１８の高電位側出力端子と、低電位側出力端子と、の間には、第２直流電圧検出器１９、フィルタコンデンサ２０及び２レベルの三相出力インバータとして構成された第２電力変換回路２１が接続されている。

第２電力変換回路２１のＵ相出力線２２Ｕには、Ｕ相交流電流を検出しＵ相交流電流検出信号ＩＵを出力する第１交流電流検出器２３Ｕが設けられ、Ｗ相出力線２２Ｗには、Ｗ相交流電流を検出し、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷを出力する第２交流電流検出器２３Ｗが設けられている。

さらに第２電力変換回路２１のＵ相出力線２２Ｕ、Ｖ相出力線２２Ｖ及びＷ相出力線２２Ｗには、４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４が並列に接続されている。

また、鉄道車両用電力変換装置１０は、第１直流電圧検出器１６が検出した入力直流電圧及び第２直流電圧検出器１９が検出した第１電力変換回路１８の出力電圧に基づいて，第１電力変換回路１８を制御する第１制御部２５と、第２直流電圧検出器１９が検出した第１電力変換回路１８の出力電圧並びに第１交流電流検出器２３Ｕが検出したＵ相交流電流値および第２交流電流検出器２３Ｗが検出したＷ相交流電流値に基づいて第２電力変換回路２１を制御する第２制御部２６と、を備えている。

上記構成において、第１電力変換回路１８は、直列接続された２個のスイッチング素子３１Ｈ及びスイッチング素子３１Ｌと、を備えている。ここで、スイッチング素子３１Ｈ及びスイッチング素子３１Ｌ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。

さらにスイッチング素子３１Ｈには、並列に逆導通ダイオード３２Ｈが接続され、スイッチング素子３１Ｌには、逆導通ダイオード３２Ｌが接続されている。これらの逆導通ダイオード３２Ｈ、３２Ｌも、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、あるいは、ガリウムナイトライドで形成されている。

一方、第２電力変換回路２１は、Ｕ相アーム部４１Ｕ、Ｖ相アーム部４１Ｖ及びＷ相アーム部４１Ｗが高電位側直流電源ラインＰＨＬと、低電位側直流電源ラインＰＬＬとの間に並列に接続され、Ｕ相アーム部４１Ｕ、Ｖ相アーム部４１Ｖ及びＷ相アーム部４１Ｗは、それぞれ、Ｕ相出力線２２Ｕ、Ｖ相出力線２２Ｖ及びＷ相出力線２２Ｗを介して４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４に接続されている。

Ｕ相アーム部４１Ｕは、アッパースイッチング素子４２ＵＨと、このアッパースイッチング素子４２ＵＨに並列に接続された逆導通ダイオード４３ＵＨと、を有するＵ相アッパーアーム部４４ＵＵと、ロアスイッチング素子４２ＵＬと、このロアスイッチング素子４２ＵＬに並列に接続された逆導通ダイオード４３ＵＬと、を有するＵ相ロアアーム部４４ＵＬと、を備えている。

Ｖ相アーム部４１Ｖは、アッパースイッチング素子４２ＶＨと、このアッパースイッチング素子４２ＶＨに並列に接続された逆導通ダイオード４３ＶＨと、を有するＶ相アッパーアーム部４４ＶＵと、ロアスイッチング素子４２ＶＬと、このロアスイッチング素子４２ＶＬに並列に接続された逆導通ダイオード４３ＶＬと、を有するＶ相ロアアーム部４４ＶＬと、を備えている。

Ｗ相アーム部４１Ｗは、アッパースイッチング素子４２ＷＨと、このアッパースイッチング素子４２ＷＨに並列に接続された逆導通ダイオード４３ＷＨと、を有するＷ相アッパーアーム部４４ＷＵと、ロアスイッチング素子４２ＷＬと、このロアスイッチング素子４２ＷＬに並列に接続された逆導通ダイオード４３ＷＬと、を有するＷ相ロアアーム部４４ＷＬと、を備えている。

ここで、アッパースイッチング素子４２ＵＨ、４２ＶＨ、４２ＷＨ、ロアスイッチング素子４２ＵＬ、４２ＶＬ、４２ＷＬ、逆導通ダイオード４３ＵＨ、４３ＵＬ、４３ＶＨ、４３ＶＬ、４３ＷＨ、４３ＷＬは、シリコン（Ｓｉ）半導体で構成されている。
上記構成において、各スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴとして構成されている。

ここで、１５００Ｖ直流架線系統の場合、直流架線１１の電圧（架線電圧）は、ＪＩＳあるいはＩＥＣの規格により、９００Ｖ〜１８００Ｖ（＝規定電圧）に収まるように規定されている。

これに対し、本第１実施形態においては、フィルタリアクトル１７及び第１電力変換回路１８が、昇圧チョッパ回路ＵＣとして機能するに際して、架線系統の規定電圧（すなわち、入力可能な最大電圧）よりも高い電圧を出力するようにされている。

すなわち、昇圧チョッパ回路ＵＣの出力電圧は、上述の例の場合、１８００Ｖ超の電圧、例えば、第２電力変換回路２１を構成するスイッチングトランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ）の定格電圧を考慮して２０００Ｖ（＞１８００Ｖ）とされる。

この結果、第２電力変換回路２１が三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４に供給する駆動電力の電圧が高くなるので、同一の駆動電力で駆動する場合の駆動電流を低減することが可能となり、モータ銅損を低減させ、高効率で三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４を駆動することが可能となっている。

図２は、第１実施形態の第２電力変換回路を構成している半導体素子の実装状態の説明図である。
第２電力変換回路２１は、受熱部材４１上にＵ相アッパーアーム部４４ＵＵと、Ｕ相ロアアーム部４４ＵＬと、Ｖ相アッパーアーム部４４ＶＵと、Ｖ相ロアアーム部４４ＶＬと、Ｗ相アッパーアーム部４４ＷＵと、Ｗ相ロアアーム部４４ＷＬと、が配置されている。ここで、受熱部材４１は、一つの熱伝導性部材で構成しても良いし、複数の熱伝導性部材を熱的に互いに結合して構成しても良い。

受熱部材４１の材料としては、アルミニウム、銅等が用いられ、例えば、Ｕ相アッパーアーム部４４ＵＵと、Ｕ相ロアアーム部４４ＵＬと、Ｖ相アッパーアーム部４４ＶＵと、Ｖ相ロアアーム部４４ＶＬと、Ｗ相アッパーアーム部４４ＷＵと、Ｗ相ロアアーム部４４ＷＬと、が配置される熱拡散用のブロック部材と、このブロック部材に直接あるいはヒートパイプを介して熱的に結合された複数のフィン部材と、を備えた構造とされる。

ここで、Ｕ相アッパーアーム部４４ＵＵ、Ｕ相ロアアーム部４４ＵＬ、Ｖ相アッパーアーム部４４ＶＵ、Ｖ相ロアアーム部４４ＶＬ、Ｗ相アッパーアーム部４４ＷＵ及びＷ相ロアアーム部４４ＷＬは、それぞれ一体の半導体素子モジュールとして構成されている。

ところで、図１に示した４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４を１台の第２電力変換回路２１で駆動制御しようとする場合、第２電力変換回路２１の変換容量を考慮すると、代表的な材料で形成した各半導体素子モジュールの外形寸法は、それぞれ、１４０ｍｍ×１９０ｍｍ程度となる。
したがって、図２の配置の場合の全半導体素子モジュールの占有面積は、およそ１５９６ｃｍ^２（＝１４０ｍｍ×３個×１９０ｍｍ×２個）となる。

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。

これにより、第１直流電圧検出器１６は、供給された直流電力の電圧を検出して、入力直流電圧値を第１制御部２５に出力する。
これと並行して、フィルタリアクトル１７にも直流電力が供給され、逆導通ダイオード３２Ｈを介して直流電力がフィルタコンデンサ２０に供給され、フィルタコンデンサ２０は所定電圧となるまで充電される。

これにより、第２直流電圧検出器１９は、フィルタコンデンサ２０の電圧を検出し、充電電圧値を第１制御部２５及び第２制御部２６に出力する。

この結果、第１制御部２５は、第１直流電圧検出器１６が検出した入力直流電圧及び第２直流電圧検出器１９が検出した第１電力変換回路１８の出力電圧に基づいて，第１電力変換回路１８を制御し、第１電力変換回路１８を構成する、直列接続された２個のスイッチング素子３１Ｈ及びスイッチング素子３１Ｌを交互にオン／オフして入力直流電力（上述の例の場合、９００〜１８００Ｖ）を昇圧（上述の例の場合、２０００Ｖ）して、第２電力変換回路２１に供給する。

このとき、昇圧された直流電力は、フィルタコンデンサ２０を介して平滑化されている。
これと並行して、第２制御部２６は、第１交流電流検出器２３ＵによりＵ相交流電流を検出し、第２交流電流検出器２３ＷによりＷ相交流電流を検出し、４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４のそれぞれのトルクが所定のトルクとなるように、Ｕ相アッパーアーム部４４ＵＵ、Ｕ相ロアアーム部４４ＵＬ、Ｖ相アッパーアーム部４４ＶＵ、Ｖ相ロアアーム部４４ＶＬ、Ｗ相アッパーアーム部４４ＷＵ及びＷ相ロアアーム部４４ＷＬを構成しているスイッチング素子の制御を行い、三相交流電力を４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４に供給する。

したがって、４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４にそれぞれ供給されて印加される交流電力の電圧は高圧化され、同時に４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４にそれぞれ供給される電流は低下することとなる。
この結果、三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４における銅損を低減して、鉄道車両の駆動系全体の高効率化を実現できる。

この場合において、上述したように、Ｕ相アッパーアーム部４４ＵＵ、Ｕ相ロアアーム部４４ＵＬ、Ｖ相アッパーアーム部４４ＶＵ、Ｖ相ロアアーム部４４ＶＬ、Ｗ相アッパーアーム部４４ＷＵ及びＷ相ロアアーム部４４ＷＬは、それぞれ一体の半導体素子モジュールとして構成され、受熱部材４１上に配置されているので、実装エリアの狭小化を図ることができ、ひいては、鉄道車両用電力変換装置の小型化及び低コスト化を促進することができる。

［１．１］第１実施形態の変形例
図３は、第１実施形態の変形例における第１電力変換回路及び第２電力変換回路を構成している半導体素子の実装状態の説明図である。

受熱部材４１上には、第１電力変換回路１８を構成するスイッチング素子３１Ｈ、スイッチング素子３１Ｌ、逆導通ダイオード３２Ｈ及び逆導通ダイオード３２Ｌが配置されている。さらに受熱部材４１上には、第２電力変換回路２１は、Ｕ相アッパーアーム部４４ＵＵと、Ｕ相ロアアーム部４４ＵＬと、Ｖ相アッパーアーム部４４ＶＵと、Ｖ相ロアアーム部４４ＶＬと、Ｗ相アッパーアーム部４４ＷＵと、Ｗ相ロアアーム部４４ＷＬと、が配置されている。

この場合においても、受熱部材４１は、一つの熱伝導性部材で構成しても良いし、複数の熱伝導性部材を熱的に互いに結合して構成しても良い。

ところで、図１に示した４個の三相交流モータ２４−１〜三相交流モータ２４−４を１台の第１電力変換回路１８及び１台の第２電力変換回路２１で駆動制御しようとする場合、第１電力変換回路１８及び第２電力変換回路２１の変換容量を考慮すると、代表的な材料で形成した各半導体素子モジュールの外形寸法は、それぞれ、１４０ｍｍ×１９０ｍｍ程度となる。

したがって、図３の配置の場合の全半導体素子モジュールの占有面積は、およそ２１２８ｃｍ^２（＝１４０ｍｍ×４個×１９０ｍｍ×２個）となり、第１実施形態と同様の面積で装置を構成することが可能となる。

［２］第２実施形態
図４は、第２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。
本第２に実施形態と第１実施形態とが異なる第１の点は、故障時の冗長性や三相交流モータ（電動機）の制御性能を向上するために、図３に示すように、１台の三相交流モータに一つの第２電力変換回路を割り当てるために、２レベルの三相出力インバータとして構成された第２電力変換回路２１に代えて、第１電力変換回路に第２電力変換回路２１と同一の構成の４系統の第２電力変換回路２１ａ〜２１ｄが並列に接続され、第２電力変換回路２１ａが三相交流電力を三相交流モータ２４−１に供給し、第２電力変換回路２１ｂが三相交流電力を三相交流モータ２４−２に供給し、第２電力変換回路２１ｃが三相交流電力を三相交流モータ２４−３に供給し、第２電力変換回路２１ｄが三相交流電力を三相交流モータ２４−４に供給するように構成した点である。

ここで、第２電力変換回路２１ａのＵ相出力線２２Ｕａには、Ｕ相交流電流を検出しＵ相交流電流検出信号ＩＵａを出力する第１交流電流検出器２３Ｕａが設けられ、Ｗ相出力線２２Ｗａには、Ｗ相交流電流を検出し、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷａを出力する第２交流電流検出器２３Ｗａが設けられている。

同様に第２電力変換回路２１ｂのＵ相出力線２２Ｕｂには、Ｕ相交流電流を検出しＵ相交流電流検出信号ＩＵｂを出力する第１交流電流検出器２３Ｕｂが設けられ、Ｗ相出力線２２Ｗｂには、Ｗ相交流電流を検出し、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷｂを出力する第２交流電流検出器２３Ｗｂが設けられている。

また第２電力変換回路２１ｃのＵ相出力線２２Ｕｃには、Ｕ相交流電流を検出しＵ相交流電流検出信号ＩＵｃを出力する第１交流電流検出器２３Ｕｃが設けられ、Ｗ相出力線２２Ｗｃには、Ｗ相交流電流を検出し、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷｃを出力する第２交流電流検出器２３Ｗｃが設けられている。

また第２電力変換回路２１ｄのＵ相出力線２２Ｕｄには、Ｕ相交流電流を検出しＵ相交流電流検出信号ＩＵｄを出力する第１交流電流検出器２３Ｕｄが設けられ、Ｗ相出力線２２Ｗｄには、Ｗ相交流電流を検出し、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷｄを出力する第２交流電流検出器２３Ｗｄが設けられている。

そして、第２制御部２６Ａは、第２直流電圧検出器１９が検出した第１電力変換回路１８の出力電圧並びにＵ相交流電流検出信号ＩＵａ、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷａ、Ｕ相交流電流検出信号ＩＵｂ、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷｂ、Ｕ相交流電流検出信号ＩＵｃ、Ｗ相交流電流検出信号ＩＷｃ、Ｕ相交流電流検出信号ＩＵｄ及びＷ相交流電流検出信号ＩＷｄに基づいて第２電力変換回路２１ａ〜２１ｄを制御する。

上記構成によれば、第２電力変換回路として冗長構成を採用しているので、第２電力変換回路２１ａ〜２１ｄのいずれか一つが故障したような場合であっても、他の第２電力変換回路により補うことが可能となる。

図５は、第２実施形態の第２電力変換回路を構成している半導体素子の実装状態の説明図である。
また、第２の点は、４系統の第２電力変換回路２１ａ〜２１ｄを構成している半導体素子を熱的に結合した受熱部材５１上に全て配置した点である。

受熱部材５１には、第２電力変換回路２１ａに対応する第１Ｕ相アーム部４４Ｕａ、第１Ｖ相アーム部４４Ｖａ及び第１Ｗ相アーム部４４Ｗａと、第２電力変換回路２１ｂに対応する第２Ｕ相アーム部４４Ｕｂ、第２Ｖ相アーム部４４Ｖｂ及び第２Ｗ相アーム部４４Ｗｂと、第２電力変換回路２１ｃに対応する第３Ｕ相アーム部４４Ｕｃ、第３Ｖ相アーム部４４Ｖｃ及び第３Ｗ相アーム部４４Ｗｃと、第２電力変換回路２１ｄに対応する第４Ｕ相アーム部４４Ｕｄ、第４Ｖ相アーム部４４Ｖｄ及び第４Ｗ相アーム部４４Ｗｄと、が配置されている。

この場合においても、第１実施形態の受熱部材４１と同様に、受熱部材５１は、一つの熱伝導性部材で構成しても良いし、複数の熱伝導性部材を熱的に互いに結合して構成しても良い。

以上の説明のように、本第２実施形態によれば、冗長性が向上し、鉄道用車両（の駆動系）の信頼性が向上するとともに、制御性の向上が図れる。

［３］第３実施形態
以上の各実施形態においては、第１制御部２５と第２制御部２６（２６Ａ）とは、独立して動作していた。
図６は、第３実施形態で用いる三角波比較ＰＷＭ制御において用いる三角波の位相説明図である。

本第３実施形態は、第１制御部２５と第２制御部２６（２６Ａ）において、ＰＷＭ制御を行わせるに際し、互いに通信を行わせることで同期して動作させるとともに、図６（ａ）に示すように、同一の周波数及び振幅を有し、位相差が９０°である三角波を搬送波として用いるように構成している点で異なっている。
ここで、第１制御部２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、第２制御部２６（２６Ａ）は、ＤＣ／ＡＣコンバータを制御しているため、図６（ａ）においては、搬送波の位相差＝０°でスイッチがオンする（信号波のレベルが搬送波のレベルを超える）ような搬送波位相を０°として定義している。
なお、図６（ｂ）は、三角波を搬送波として用いているが、位相差設定が無い場合における第１制御部２５と第２制御部２６（２６Ａ）のそれぞれにおける搬送波の状態を表す図である。

図７は、フィルタコンデンサへの流入電流の一例の説明図である。
上記構成によれば、図７に示すように、第１制御部２５と第２制御部２６（２６Ａ）において、位相差が９０°である三角波を搬送波として用いた場合のフィルタコンデンサ２０の入出力電流を、第１制御部２５と第２制御部２６（２６Ａ）において、位相差が０°である三角波を搬送波として用いた場合（比較例）のフィルタコンデンサ２０の入出力電流（最大電流時）と比較して大幅に低減できる。
より詳細には、第１制御部２５及び第２制御部２６（２６Ａ）のそれぞれに対応する搬送波に図６（ａ）に示したように位相差を設定（＝位相差９０°）することで、昇圧チョッパ回路ＵＣとインバータ回路のスイッチングタイミングがずれることとなる。この結果、昇圧チョッパ回路ＵＣに流出入する電流を打ち消しあって、フィルタコンデンサ２０への流入電流は、搬送波として図６（ｂ）に示したように位相差を設定していない場合に相当するフィルタコンデンサ２０への流入電流に対し、一部間引かれたような電流波形になっている。

図８は、第３実施形態における電流の周波数スペクトル分布の説明図である。
ここで、図８（ａ）は、１制御部２５及び第２制御部２６（２６Ａ）のそれぞれに対応する搬送波に図６（ａ）に示したように位相差を設定する（＝位相差９０°）場合の電流の周波数スペクトル分布を示し、図８（ｂ）は、１制御部２５及び第２制御部２６（２６Ａ）のそれぞれに対応する搬送波に図６（ｂ）に示したように位相差を設定しない（＝位相差９０°）場合の電流の周波数スペクトル分布を示している。
このとき、図８（ａ）及び図８（ｂ）を比較すると、第１制御部２５及び第２制御部２６（２６Ａ）のそれぞれに対応する搬送波に図６（ａ）に示したように位相差を設定した場合には、１５００Ｈｚ付近の周波数を有する電流成分が低下していることがわかる。

以上の説明のように、本第３実施形態によれば、フィルタコンデンサ２０の発熱を抑制し、直流架線１１に流れ出す高調波を抑制して、誘導障害などの影響を低減できる。

［４］実施形態の変形例
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。
なお、本実施形態の第１制御部あるいは第２制御部をマイクロコンピュータで構成することも可能である。

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、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。

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。

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。

１０ 鉄道車両用電力変換装置
１１ 直流架線
１２ パンタグラフ
１３ 線路
１４ 車輪
１５ 遮断器
１６ 第１直流電圧検出器
１７ フィルタリアクトル
１８ 第１電力変換回路
１９ 第２直流電圧検出器
２０ フィルタコンデンサ
２１、２１ａ〜２１ｄ 第２電力変換回路
２３Ｕ、２３Ｕａ〜２３Ｕｄ 第１交流電流検出器
２３Ｗ、２３Ｗａ〜２３Ｗｄ 第２交流電流検出器
２４−１〜２４−４ 三相交流モータ
２５ 第１制御部
２６、２６Ａ 第２制御部
３１Ｈ スイッチング素子
３１Ｌ スイッチング素子
３２Ｈ 逆導通ダイオード
３２Ｌ 逆導通ダイオード
４１ 受熱部材、５１ 受熱部材
４１Ｕ Ｕ相アーム部
４１Ｖ Ｖ相アーム部
４１Ｗ Ｗ相アーム部
４２ＵＨ アッパースイッチング素子
４２ＵＬ ロアスイッチング素子
４２ＶＨ アッパースイッチング素子
４２ＶＬ ロアスイッチング素子
４２ＷＨ アッパースイッチング素子
４２ＷＬ ロアスイッチング素子
４３ＵＨ、４３ＵＬ、４３ＶＨ、４３ＶＬ、４３ＷＨ、４３ＷＬ 逆導通ダイオード
ＵＣ 昇圧チョッパ回路

Claims (8)

1. 直流架線から供給される直流電力が直列リアクトルを介して入力され、複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−直流電力変換を行う昇圧チョッパ回路として機能する第１電力変換回路と、
   前記第１電力変換回路の出力端に、並列コンデンサを介して接続され、前記第１電力変換回路の出力直流電力を複数の半導体素子のスイッチング動作により直流−交流電力変換を行い対応する交流電動機に出力する第２電力変換回路と、
   前記第１電力変換回路および前記第２電力変換回路を構成している前記半導体素子が熱的に結合可能に取り付けられた受熱部材と、を備え、
   前記第１の電力回路は、前記直流架線から供給される直流電力の規定電圧よりも高い電圧に昇圧して前記第２電力変換回路に供給する、
   鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記受熱部材の前記半導体素子の載置面を、同一平面上に配置した、
   請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
3. 前記受熱部材は、互いに熱的に結合された複数の受熱部材により構成されている、
   請求項１又は請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置。
4. 前記第２電力変換回路及び対応する交流電動機は、前記第１電力変換回路に複数系統設けられている、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。
5. 前記第１電力変換回路を構成する半導体素子は、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４のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。
6. 前記第１電力変換回路は、直列接続された２個のトランジスタと、前記トランジスタとは電流方向が逆であり、前記トランジスタにそれぞれ並列に接続された２個のダイオードと、
   を備えている、
   請求項５記載の鉄道車両用電力変換装置。
7. 前記第２電力変換回路を構成する半導体素子は、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６のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。
8. 前記第１電力変換回路のＰＷＭ制御を行う第１制御部と、
   前記第２電力変換回路のＰＷＭ制御を行う第２制御部と、を備え、
   前記第１制御部と第２制御部とは、同一の周波数及び振幅を有し、位相差が９０°である三角波を搬送波として用いている、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。

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