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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-29
(45)【発行日】2022-08-08
(54)【発明の名称】コンデンサおよび絶縁回路
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20220801BHJP
H01G 4/38 20060101ALI20220801BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 Z
H01G4/38 B
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019029530
(22)【出願日】2019-02-21
(65)【公開番号】P2020137298
(43)【公開日】2020-08-31
【審査請求日】2021-06-18
(73)【特許権者】
【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100124682
【弁理士】
【氏名又は名称】黒田 泰
(74)【代理人】
【識別番号】100104710
【弁理士】
【氏名又は名称】竹腰 昇
(74)【代理人】
【識別番号】100090479
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 一
(72)【発明者】
【氏名】福田 典子
(72)【発明者】
【氏名】小笠 正道
(72)【発明者】
【氏名】田口 義晃
【審査官】佐藤 匡
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１７４８８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０８９２３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０２１６７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１５８２２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０２３２１３８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４８
Ｈ０２Ｍ ３／００
Ｈ０１Ｇ ４／３８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１端子対および第２端子対を備える４端子のコンデンサであって、
前記第１端子対に接続された第１コンデンサとして機能する第１電極対と、
前記第２端子対に接続された第２コンデンサとして機能する第２電極対と、
を備え、
前記第１電極対は、前記第１端子対を構成する一方の端子に接続された第１正極素子と、他方の端子に接続された第１負極素子と、を有し、
前記第２電極対は、前記第２端子対を構成する一方の端子に接続された第２正極素子と、他方の端子に接続された第２負極素子と、を有し、
前記第１正極素子、前記第１負極素子、前記第２正極素子および前記第２負極素子の４つの電極素子が、ａ）積層方向において異なる積層位置で、且つ、ｂ）前記積層方向において共通して重なる部分があるように積層されることで、前記第１電極対と前記第２電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第１端子対および前記第２端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサ。
【請求項2】
前記積層方向において、前記第１電極対および前記第２電極対の一方の電極対を構成する２つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されることで、前記対向配置がなされた、請求項１に記載のコンデンサ。
【請求項3】
前記積層方向において、前記第１電極対を構成する２つの電極素子と、前記第２電極対を構成する２つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されることで、前記対向配置がなされた、請求項１又は２に記載のコンデンサ。
【請求項4】
第１端子対および第２端子対と、
前記第１端子対に接続された第１コンデンサとして機能する第１電極対と、
前記第２端子対に接続された第２コンデンサとして機能する第２電極対と、
を備え、
前記第１電極対と前記第２電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第１端子対および前記第２端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサであって、
前記第１電極対を構成する各電極素子は、前記第１コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第２電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第２電極対を構成する各電極素子は、前記第２コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第１電極対と対向する屈曲部分とを有する、
コンデンサ。
【請求項5】
前記第１端子対は、第１正極端子および第１負極端子を有し、前記第２端子対は、第２正極端子および第２負極端子を有し、
前記第１電極対は、前記第１正極端子に接続された第１正電極素子と、前記第１負極端子に接続された第１負電極素子とを有し、
前記第２電極対は、前記第２正極端子に接続された第２正電極素子と、前記第２負極端子に接続された第２負電極素子とを有し、
前記第１正電極素子と前記第２正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第１負電極素子と前記第２負電極素子とが部分的に対向配置された、
請求項４に記載のコンデンサ。
【請求項6】
一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、請求項１～５の何れか一項に記載のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第１端子対の第１正極端子との間に設けられた第１双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第１端子対の第１負極端子との間に設けられた第２双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第２端子対の第２正極端子との間に設けられた第３双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第２端子対の第２負極端子との間に設けられた第４双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第１双方向半導体スイッチ回路および前記第２双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第３双方向半導体スイッチ回路および前記第４双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路。
【請求項7】
前記第１～第４双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、請求項６に記載の絶縁回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路等に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の交流電気車の主回路は、主変圧器と、コンバータと、インバータとを備えて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０００－３０８２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
交流電気車の主回路を小型化（容積や重量の削減）しようとする場合、構成される機器それぞれを小型化する方策が考えられるが、主回路の機器構成それ自体を変えた新たな主回路も検討されるべきである。例えば、主変圧器を不用とする新たな主回路構成が考えられる。しかし、主変圧器は、交流架線電圧を降圧する機能のほかに、架線側と電動機等の駆動回路側とを電気的に絶縁するという重要な機能を担っている。また、電気車では、電動機を回生ブレーキに用いるため、新たな主回路であっても、架線側から電動機側へ電力を供給する順方向と、電動機側から架線側へ電力を回生する逆方向との両方向に動作する必要がある。
【0005】
また、電気車の例を挙げたが、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通することが望まれる技術用途に対しては、同様の要求が考えられる。
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現すること、特に、当該絶縁回路を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路を実現すること、である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するための第１の発明は、
第１端子対および第２端子対と、
前記第１端子対に接続された第１コンデンサとして機能する第１電極対と、
前記第２端子対に接続された第２コンデンサとして機能する第２電極対と、
を備え、
前記第１電極対と前記第２電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第１端子対および前記第２端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサである。
第１端子対および第２端子対と、
前記第１端子対に接続された第１コンデンサとして機能する第１電極対と、
前記第２端子対に接続された第２コンデンサとして機能する第２電極対と、
を備え、
前記第１電極対と前記第２電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置され、
前記第１端子対および前記第２端子対の一方に間欠的に印加される直流電力を他方から出力するコンデンサである。
【0008】
第１の発明によれば、第１端子対と第２端子対とは物理的に接続された導通状態にはないが、第１電極対と第２電極対とが電界結合可能に対向配置されているので、第１端子対および第２端子対の一方の端子対に印加される直流電力を、他方の端子対から出力するコンデンサが実現可能となる。つまり、一方の端子対に直流電力を印加すると、当該一方の端子対に接続された一方の電極対が蓄電されるとともに、電界結合によって他方の電極対も蓄電される。一方の端子対に直流電力が印加されなくなると、他方の電極対の蓄電電力が放電されて他方の端子対から直流電力が出力される。従って、このコンデンサを用いることで、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現することができる。このコンデンサは、当該絶縁回路を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路である。
【0009】
第１電極対と第２電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置される構成とは、具体的に種々の構成が考えられる。
例えば、第２の発明として、第１の発明において、
前記第１電極対および前記第２電極対の一方の電極対を構成する２つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
例えば、第２の発明として、第１の発明において、
前記第１電極対および前記第２電極対の一方の電極対を構成する２つの電極素子の間に、他方の電極対の電極素子を部分的に挟むように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
【0010】
また、第３の発明として、第１又は第２の発明において、
前記第１電極対を構成する２つの電極素子と、前記第２電極対を構成する２つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
前記第１電極対を構成する２つの電極素子と、前記第２電極対を構成する２つの電極素子とが互い違いに部分的に重なるように配置されて前記対向配置がなされた、
コンデンサを実現するとしてもよい。
【0011】
また、第４の発明として、第１の発明において、
前記第１電極対を構成する各電極素子は、前記第１コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第２電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第２電極対を構成する各電極素子は、前記第２コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第１電極対と対向する屈曲部分とを有する、
コンデンサを実現することとしてもよい。
前記第１電極対を構成する各電極素子は、前記第１コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第２電極対と対向する屈曲部分とを有し、
前記第２電極対を構成する各電極素子は、前記第２コンデンサとして機能する基本対向部分と、前記第１電極対と対向する屈曲部分とを有する、
コンデンサを実現することとしてもよい。
【0012】
第５の発明は、第１～第４の何れかの発明において、
前記第１端子対は、第１正極端子および第１負極端子を有し、
前記第２端子対は、第２正極端子および第２負極端子を有し、
前記第１電極対は、前記第１正極端子に接続された第１正電極素子と、前記第１負極端子に接続された第１負電極素子とを有し、
前記第２電極対は、前記第２正極端子に接続された第２正電極素子と、前記第２負極端子に接続された第２負電極素子とを有し、
前記第１正電極素子と前記第２正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第１負電極素子と前記第２負電極素子とが部分的に対向配置された、
コンデンサである。
前記第１端子対は、第１正極端子および第１負極端子を有し、
前記第２端子対は、第２正極端子および第２負極端子を有し、
前記第１電極対は、前記第１正極端子に接続された第１正電極素子と、前記第１負極端子に接続された第１負電極素子とを有し、
前記第２電極対は、前記第２正極端子に接続された第２正電極素子と、前記第２負極端子に接続された第２負電極素子とを有し、
前記第１正電極素子と前記第２正電極素子とが部分的に対向配置され、
前記第１負電極素子と前記第２負電極素子とが部分的に対向配置された、
コンデンサである。
【0013】
第５の発明によれば、第１電極対および第２電極対それぞれの正電極素子が部分的に対向配置され、負電極素子が部分的に対向配置されることで、第１電極対と第２電極対とが電界結合可能に部分的に対向配置されたコンデンサを構成することができる。
【0014】
第６の発明は、
一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
第１～第５の何れかの発明のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第１端子対の第１正極端子との間に設けられた第１双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第１端子対の第１負極端子との間に設けられた第２双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第２端子対の第２正極端子との間に設けられた第３双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第２端子対の第２負極端子との間に設けられた第４双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第１双方向半導体スイッチ回路および前記第２双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第３双方向半導体スイッチ回路および前記第４双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路である。
一次側と二次側との間を電気的に絶縁して直流電力を融通する絶縁回路であって、
第１～第５の何れかの発明のコンデンサと、
高圧側ラインの前記一次側と前記第１端子対の第１正極端子との間に設けられた第１双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記一次側と前記第１端子対の第１負極端子との間に設けられた第２双方向半導体スイッチ回路と、
高圧側ラインの前記二次側と前記第２端子対の第２正極端子との間に設けられた第３双方向半導体スイッチ回路と、
低圧側ラインの前記二次側と前記第２端子対の第２負極端子との間に設けられた第４双方向半導体スイッチ回路と、
を備え、
前記第１双方向半導体スイッチ回路および前記第２双方向半導体スイッチ回路のオン制御と、前記第３双方向半導体スイッチ回路および前記第４双方向半導体スイッチ回路のオン制御とが交互に行われることで、前記一次側から前記二次側に、或いは、前記二次側から前記一次側に直流電力を供給する絶縁回路である。
【0015】
第６の発明によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現することができる。つまり、コンデンサの第１端子対に接続された第１および第２双方向半導体スイッチ回路と、第２端子対に接続された第３および第４双方向半導体スイッチ回路とを交互にオン制御することで、コンデンサ（電極対）への蓄電および蓄電電力の放電を交互に行わせて、一次側の第１端子対および二次側の第２端子対の一方の端子対に印加される直流電力を、他方の端子対に出力することができる。これにより、一次側と二次側とを電気的に絶縁しつつ、両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路を実現できる。
【0016】
第７の発明は、第６の発明において、
前記第１～第４双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、
絶縁回路である。
前記第１～第４双方向半導体スイッチ回路は、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成されている、
絶縁回路である。
【0017】
第７の発明によれば、双方向半導体スイッチ回路を、スイッチング素子にダイオード素子を逆並列接続した基本回路を、ダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成することで、双方向半導体スイッチ回路のオン制御として２つのスイッチング素子の何れをオン制御するかによって、通流方向を一方向に制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】絶縁回路の構成例。
【図2】コンデンサの原理的な構造例。
【図3】電界結合による等価回路の一例。
【図4】絶縁回路の制御装置の他の構成例。
【図5】力行運転時の絶縁回路の動作説明図。
【図6】回生運転時の絶縁回路の動作説明図。
【図7】絶縁回路を組み込んだインバータの構成例。
【図8】シミュレーション回路の構成図。
【図9】シミュレーション結果のグラフ。
【図10】第１実施例における交流電気車用の主回路構成図。
【図11】第２実施例における交流電気車用の主回路構成図。
【図12】コンデンサの他の構造例。
【図13】コンデンサの他の構造例。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。
【0020】
［回路構成］
図１は、本実施形態の絶縁回路１０の回路構成を示す図である。図１によれば、絶縁回路１０は、一次側が直流電源側に接続され、二次側が電動機６０を駆動するインバータ５０に接続されて、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する回路であり、電源ラインの中間に設けられている。なお、インバータ５０は、いわゆる１Ｃ１Ｍとして１台の電動機を駆動制御することとしてもよいし、１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍとして複数台の電動機を駆動制御することとしてもよい。
図１は、本実施形態の絶縁回路１０の回路構成を示す図である。図１によれば、絶縁回路１０は、一次側が直流電源側に接続され、二次側が電動機６０を駆動するインバータ５０に接続されて、一次側と二次側とを電気的に絶縁して直流電力を融通する回路であり、電源ラインの中間に設けられている。なお、インバータ５０は、いわゆる１Ｃ１Ｍとして１台の電動機を駆動制御することとしてもよいし、１Ｃ２Ｍや１Ｃ４Ｍとして複数台の電動機を駆動制御することとしてもよい。
【0021】
絶縁回路１０の二次側に接続されたインバータ５０は、従来のインバータを用いることができる。なお、従来のインバータの入力段には、コンデンサ（フィルタコンデンサ）が設けられているのが一般的である（図１中の破線）。コンデンサを備えないインバータを用いる場合には、絶縁回路１０の出力段（二次側の高圧側ラインＨＬと低圧側ラインＬＬとの間）にコンデンサを設けて出力電圧を平滑化して出力することにしてもよい。
【0022】
また、絶縁回路１０の一次側は、給電ラインや電源回路、直流安定化回路、コンバータ等に接続される。これらの電源側の出力段には、電圧安定化等のためにコンデンサ（フィルタコンデンサ）が設けられているのが通常である（図１中の破線）。コンデンサが設けられていない場合には、絶縁回路１０の入力段（一次側の高圧側ラインＨＬと低圧側ラインＬＬとの間）にコンデンサを設けることとしてもよい。
【0023】
絶縁回路１０は、コンデンサ２０と、４つの双方向半導体スイッチ回路３０（３０－１～３０－４）とを有して構成される。
【0024】
コンデンサ２０は、第１正極端子２２ａおよび第１負極端子２２ｂを有して絶縁回路１０の一次側と接続される第１端子対２１と、第２正極端子２４ａおよび第２負極端子２４ｂを有して絶縁回路１０の二次側と接続される第２端子対２３とを有する。
【0025】
双方向半導体スイッチ回路３０は、スイッチング素子とダイオード素子とを逆並列接続した２つの基本回路を、互いのダイオード素子の順方向が向き合うように直列接続して構成される。双方向半導体スイッチ回路３０は、どちらのスイッチング素子をオン制御するかによって通流方向を制御可能である。電源ラインの高圧側（例えば、プラス側或いは非接地側）を高圧側ラインＨＬ、低圧側（例えば、マイナス側或いは接地側）を低圧側ラインＬＬとすると、双方向半導体スイッチ回路３０－１は、一次側の高圧側ラインＨＬと、コンデンサ２０の第１正極端子２２ａとの間に設けられ、双方向半導体スイッチ回路３０－２は、一次側の低圧側ラインＬＬと、コンデンサ２０の第１負極端子２２ｂとの間に設けられる。双方向半導体スイッチ回路３０－３は、二次側の高圧側ラインＨＬと、コンデンサ２０の第２正極端子２４ａとの間に設けられ、双方向半導体スイッチ回路３０－４は、二次側の低圧側ラインＬＬと、コンデンサ２０の第２負極端子２４ｂとの間に設けられる。
【0026】
双方向半導体スイッチ回路３０を構成するスイッチング素子およびダイオード素子は、いわゆるパワーデバイスを利用することができる。例えば、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のほか、Ｓｉ－ＩＧＢＴ（Silicon-Insulated Gate Bipolar Transistor），ＳｉＣ－ＳＢＤ（Silicon Carbide-Schottky Barrier Diode）、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ－ＩＧＢＴなど、絶縁回路１０の使用電圧によって適宜選択することができる。
【0027】
図２は、コンデンサ２０の原理的な構造を示す図である。図２によれば、コンデンサ２０は、第１コンデンサとして機能する第１電極対２５と、第２コンデンサとして機能する第２電極対２７とを備えて構成される。第１電極対２５は、第１正極端子２２ａに接続された第１正電極素子２６ａと、第１負極端子２２ｂに接続された第１負電極素子２６ｂとが対向配置されて構成される。第２電極対２７は、第２正極端子２４ａに接続された第２正電極素子２８ａと、第２負極端子２４ｂに接続された第２負電極素子２８ｂとが対向配置されて構成される。つまり、第１端子対２１と第２端子対２３とは物理的に接続された導通状態にはない。
【0028】
また、第１電極対２５と第２電極対２７とは、電界結合可能に部分的に対向配置されている。具体的には、第１電極対２５および第２電極対２７の一方の電極対を構成する２つの電極素子の間に、他方の電極対の１つの電極素子を部分的に挟むように配置されて対向配置がなされている。より詳細には、第１電極対２５を構成する２つの電極素子である第１正電極素子２６ａおよび第１負電極素子２６ｂと、第２電極対２７を構成する２つの電極素子である第２正電極素子２８ａおよび第２負電極素子２８ｂとが、互い違いに部分的に重なるように配置されている。
【0029】
第１電極対２５の電極素子の面積をＳ１、電極素子間の距離をｄ１とし、第２電極対２７の電極素子の面積をＳ２、電極素子間の距離をｄ２とする。また、第１正電極素子２６ａ、第２正電極素子２８ａ、第２負電極素子２８ｂ、第２負電極素子２８ｂが互いに重なる対向部分の面積をＳｍ、対向部分間の距離をｄｍとする。そして、第１正極端子２２ａと第１負極端子２２ｂとの間に直流電圧Ｖ１を印加し、第２正極端子２４ａと第２負極端子２４ｂとの間に直流電圧Ｖ２を印加した場合に、第１電極対２５に蓄えられる電荷Ｑ１、および、第２電極対２７に蓄えられる電荷Ｑ２は、電束密度Ｄを用いると、それぞれ、次式（１），（２）で与えられる。
【数1】
【0030】
式（１）において、Ｄ１は、第１電極対２５において第２電極対２７と重ならない部分の電極素子間の電束密度であり、当該電極素子間の誘電率をε１として、式（３）で与えられる。式（２）において、Ｄ２は、第２電極対２７において第１電極対２５と重ならない部分の電極素子間の電束密度であり、当該電極素子間の誘電率をε２として、式（４）で与えられる。式（１），（２）において、Ｄｍは、第１電極対２５と第２電極対２７とが重なる対向部分間の電束密度であり、当該対向部分間の誘電率をεｍとして、次式（５）で与えられる。
【数2】
【0031】
式（３）～（５）を用いると、式（１），（２）は、次式（６），（７）のように変形される。
なお、式（６），（７）における誘電率ε１，ε２，εｍは、電極素子間で全て等しく、ε１＝ε２＝εｍ＝ε、としても良い。
【数3】
【0032】
また、図３に示すように、２つのコンデンサが電界結合する場合、その結合部分はπ形回路の等価回路で示すことができる。本実施形態のコンデンサ２０は、コンデンサとして機能する第１電極対２５および第２電極対２７が電界結合可能に配置されて構成されるから、図３の等価回路で表されるとすると、コンデンサ２０についての式（６），（７）から、等価回路におけるキャパシタンスＣ１，Ｃ２，Ｃｍそれぞれについて、次式（８）～（１０）が成り立つ。
【数4】
【0033】
［回路動作］
次に、絶縁回路１０の動作について説明する。絶縁回路１０は、基本的にインバータ５０の動作に合わせて動作する。そのため、本実施形態では、インバータ５０の制御装置４０が、絶縁回路１０を動作制御する機能を有することとする。具体的には、制御装置４０は、絶縁回路制御装置４１を有し、この絶縁回路制御装置４１が、インバータ５０が電動機６０に電力を供給して引張力を発生させる力行運転の制御中であるか、電動機６０を回生ブレーキとして用いる回生運転の制御中であるかによって、各双方向半導体スイッチ回路３０（３０－１～３０－４）に対してオン／オフを指示する動作指示信号を出力することで、絶縁回路１０の動作を切り替える。双方向半導体スイッチ回路３０は直列接続した２つのスイッチング素子を有するので、双方向半導体スイッチ回路３０に対する動作指示信号は、インバータ５０の動作に応じた通流方向となるように、どちらのスイッチング素子をオンするかを指示する信号となる。
次に、絶縁回路１０の動作について説明する。絶縁回路１０は、基本的にインバータ５０の動作に合わせて動作する。そのため、本実施形態では、インバータ５０の制御装置４０が、絶縁回路１０を動作制御する機能を有することとする。具体的には、制御装置４０は、絶縁回路制御装置４１を有し、この絶縁回路制御装置４１が、インバータ５０が電動機６０に電力を供給して引張力を発生させる力行運転の制御中であるか、電動機６０を回生ブレーキとして用いる回生運転の制御中であるかによって、各双方向半導体スイッチ回路３０（３０－１～３０－４）に対してオン／オフを指示する動作指示信号を出力することで、絶縁回路１０の動作を切り替える。双方向半導体スイッチ回路３０は直列接続した２つのスイッチング素子を有するので、双方向半導体スイッチ回路３０に対する動作指示信号は、インバータ５０の動作に応じた通流方向となるように、どちらのスイッチング素子をオンするかを指示する信号となる。
【0034】
なお、図４に示すように、絶縁回路制御装置４１をインバータ５０の制御装置４０とは別体の装置として構成し、絶縁回路制御装置４１は、制御装置４０から力行運転の制御中であるか回生運転の制御中であるかの信号を入力して絶縁回路１０の動作を制御するようにしてもよい。
【0035】
図５，図６を参照して、絶縁回路１０の動作を具体的に説明する。図５は、力行運転時の絶縁回路１０の動作を説明するための図である。力行運転時においては、絶縁回路１０は、絶縁回路制御装置４１からの動作指示信号に従って、双方向半導体スイッチ回路３０－１，３０－２をオン制御する図５（１）の状態と、双方向半導体スイッチ回路３０－３，３０－４をオン制御する図５（２）の状態とを交互に切り替える。
【0036】
具体的には、図５（１）の状態においては、双方向半導体スイッチ回路３０－１については、コンデンサ２０の第１正極端子２２ａに近いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路３０－２については、コンデンサ２０の第１負極端子２２ｂから遠いほうのスイッチング素子をオン制御することで、一次側の高圧側ラインＨＬから、コンデンサ２０を経由して、一次側の低圧側ラインＬＬに向かう方向が通流方向となる。
【0037】
また、図５（２）の状態においては、双方向半導体スイッチ回路３０－３については、コンデンサ２０の第２正極端子２４ａから遠いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路３０－４については、コンデンサ２０の第２負極端子２４ｂに近いほうのスイッチング素子をオン制御することで、二次側の低圧側ラインＬＬから、コンデンサ２０を経由して、二次側の高圧側ラインＨＬに向かう方向が通流方向となる。
【0038】
従って、図５（１）の状態で電源側から供給された電力がコンデンサ２０に蓄電され、図５（２）の状態でコンデンサ２０の蓄電電力が放電されてインバータ５０に供給される。このため、絶縁回路１０の一次側と二次側とが電気的に絶縁されて、一次側から二次側へ直流電力が供給される。この図５（１）の状態と図５（２）の状態とを切り替える周波数は、インバータ５０の仕様に応じて適宜設定することができる。
【0039】
図６は、回生運転時の絶縁回路の動作を説明するための図である。回生運転時においては、絶縁回路１０は、絶縁回路制御装置４１からの動作指示信号に従って、双方向半導体スイッチ回路３０－３，３０－４をオン制御する図６（１）の状態と、双方向半導体スイッチ回路３０－１，３０－２をオン制御する図６（２）の状態とを交互に切り替える。
【0040】
具体的には、図６（１）の状態においては、双方向半導体スイッチ回路３０－３については、コンデンサ２０の第２正極端子２４ａに近いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路３０－４については、コンデンサ２０の第２負極端子２４ｂから遠いほうのスイッチング素子をオン制御することで、二次側の高圧側ラインＨＬから、コンデンサ２０を経由して、二次側の低圧側ラインＬＬに向かう方向が通流方向となる。
【0041】
また、図６（２）の状態においては、双方向半導体スイッチ回路３０－１については、コンデンサ２０の第１正極端子２２ａから遠いほうのスイッチング素子をオン制御し、双方向半導体スイッチ回路３０－２については、コンデンサ２０の第１負極端子２２ｂに近いほうのスイッチング素子をオン制御することで、一次側の低圧側ラインＬＬから、コンデンサ２０を経由して、一次側の高圧側ラインＨＬに向かう方向が通流方向となる。
【0042】
図６（１）の状態でインバータ５０から供給された回生電力がコンデンサ２０に蓄電され、図６（２）の状態でコンデンサ２０の蓄電電力が放電されて電源側に供給される。このため、絶縁回路１０の一次側と二次側とが電気的に絶縁されて、二次側から一次側へ直流電力が供給される。この図６（１）の状態と図６（２）の状態とを切り替える周波数は、インバータ５０の仕様に応じて適宜設定することができる。
【0043】
以上、絶縁回路１０について説明したが、絶縁回路１０は、インバータ５０の動作に合わせて動作するため、絶縁回路１０をインバータ５０に組み込んだ構成としても良い。具体的には、図７に示すように、直流電力を交流電力に変換した駆動電力を電動機６０に供給する電力変換回路５３の前段に絶縁回路１０を備えたインバータ５１を構成することとしてもよい。また、図７においては、制御装置４０をも一体とした構成を例示しているが、制御装置４０はインバータ５１と別体の装置とすることとしても良い。
【0044】
［試験結果］
続いて、絶縁回路１０に対する試験結果を説明する。試験は、絶縁回路１０の等価回路に対するシミュレーションとして行った。図８に、シミュレーション回路の構成を示す。図８に示すように、シミュレーション回路は、コンデンサ２０を図３に示した等価回路として絶縁回路１０を構成した。この絶縁回路１０の一次側（電源側）に直流３０００Ｖの直流電源Ｖｉを接続し、二次側に平滑コンデンサおよび３０Ωの負荷抵抗Ｒを並列接続して、絶縁回路１０の一次側から二次側へ直流電力を供給する場合を模擬した。そして、絶縁回路１０の一次側の高圧側ラインＨＬからコンデンサ２０に向かって流れる一次側電流ｉ１、コンデンサ２０から絶縁回路１０の二次側の高圧側ラインＨＬに向かって流れる二次側電流ｉ２、二次側の出力電圧となる平滑コンデンサの両端電圧ＶＢ、負荷Ｒに流れる負荷電流ｉｏｕｔ、を測定した。
続いて、絶縁回路１０に対する試験結果を説明する。試験は、絶縁回路１０の等価回路に対するシミュレーションとして行った。図８に、シミュレーション回路の構成を示す。図８に示すように、シミュレーション回路は、コンデンサ２０を図３に示した等価回路として絶縁回路１０を構成した。この絶縁回路１０の一次側（電源側）に直流３０００Ｖの直流電源Ｖｉを接続し、二次側に平滑コンデンサおよび３０Ωの負荷抵抗Ｒを並列接続して、絶縁回路１０の一次側から二次側へ直流電力を供給する場合を模擬した。そして、絶縁回路１０の一次側の高圧側ラインＨＬからコンデンサ２０に向かって流れる一次側電流ｉ１、コンデンサ２０から絶縁回路１０の二次側の高圧側ラインＨＬに向かって流れる二次側電流ｉ２、二次側の出力電圧となる平滑コンデンサの両端電圧ＶＢ、負荷Ｒに流れる負荷電流ｉｏｕｔ、を測定した。
【0045】
図９は、図８のシミュレーション回路に対するシミュレーション結果である。図９では、横軸を時刻、右側の縦軸を電圧、左側の縦軸を電流として、電源電圧Ｖｉ、出力電圧ＶＢ、一次側電流ｉ１、二次側電流ｉ２、負荷電流ｉｏｕｔ、のそれぞれを示している。なお、一次側の双方向半導体スイッチ回路３０－１，３０－２のオン制御と、二次側の双方向半導体スイッチ回路３０－３，３０－４のオン制御との切替周期を、０．０２５ｍｓ（＝４０ｋＨｚ）、とした。
【0046】
図９によれば、直流３０００Ｖの電源電圧Ｖｉに対して、ほぼ等しい直流２８５０Ｖ程度の出力電圧ＶＢが得られた。また、直流１００Ａの負荷電流ｉｏｕｔが得られた。つまり、絶縁回路１０の一次側（電源側）から二次側（負荷側）に、直流電力が供給されたことがわかる。また、一次側電流ｉ１と二次側電流ｉ２とは同時に通流していない。特に、この電流ｉ１，ｉ２の同時通流は、コンデンサ２０の充電動作と放電動作との切替時において生じていないことから、絶縁回路の一次側（電源側）と二次側（負荷側）とが電気的に絶縁されていることがわかる。
【0047】
［実施例］
次に、絶縁回路１０を交流電気車の主回路に適用した２つの実施例を説明する。
＜第１実施例＞
図１０は、第１実施例における交流電気車の主回路を示す図である。図１０に示すように、交流電気車の主回路は、パンタグラフ３および真空遮断器等のスイッチ５を介して架線２に電気的に接続されるとともに、輪軸７を介してレール８に電気的に接続されることで、架線電圧が印加される。架線電圧は、コンバータ７０に入力される。従来の交流電気車の主回路では、架線電圧を降圧および絶縁するための主変圧器が設けられているが、本実施例では、主変圧器を不用としている。
次に、絶縁回路１０を交流電気車の主回路に適用した２つの実施例を説明する。
＜第１実施例＞
図１０は、第１実施例における交流電気車の主回路を示す図である。図１０に示すように、交流電気車の主回路は、パンタグラフ３および真空遮断器等のスイッチ５を介して架線２に電気的に接続されるとともに、輪軸７を介してレール８に電気的に接続されることで、架線電圧が印加される。架線電圧は、コンバータ７０に入力される。従来の交流電気車の主回路では、架線電圧を降圧および絶縁するための主変圧器が設けられているが、本実施例では、主変圧器を不用としている。
【0048】
コンバータ７０の出力側には、Ｎ個（Ｎ≧２）の絶縁回路１０（１０－１～１０－Ｎ）が並列接続される。そして、各絶縁回路１０の二次側にはインバータ５０（５０－１～５０－Ｎ）が接続される。Ｎ個のインバータ５０は、全てが電動機６０の駆動を制御することとしてもよいが、図１０では、Ｎ個中のＭ個（Ｎ＞Ｍ）のインバータ５０が電動機６０を制御することとし、残余のインバータ５０は、いわゆるＳＩＶ（静止形インバータ）として機能する。
【0049】
コンバータ７０は、交流架線電圧を当該交流架線電圧より高い直流電圧に変換する。例えば、架線電圧が交流２５０００Ｖの場合には、直流３００００Ｖに変換する。各絶縁回路１０にはコンバータ７０からの出力電圧が分圧される。また、各絶縁回路１０のスイッチング動作は同期して行われる。このため、図１０には図示されていないが、各絶縁回路１０に対応する制御装置４０（或いは、絶縁回路制御装置４１）は、動作指示信号を、対応する絶縁回路１０に同期して出力する。
【0050】
＜第２実施例＞
図１１は、第２実施例における交流電気車の主回路を示す図である。第２実施例では、第１実施例と同様に、主変圧器を不用としてコンバータ７０に架線電圧が入力される構成を採用しているが、コンバータ７０より後段の回路構成が第１実施例と異なる。第２実施例では、並列接続されたＮ個の降圧回路８０（８０－１～８０－Ｎ）が、コンバータ７０の出力側に接続される。降圧回路８０は、例えばチョッパ回路で構成することができる。そして、各降圧回路８０の出力側には、絶縁回路１０（１０－１～１０－Ｎ）の一次側が接続されており、絶縁回路１０の二次側には、インバータ５０（５０－１～５０－Ｎ）が接続される。各絶縁回路１０のスイッチング動作が同期して行われることは、第１実施例と同様である。このため、図１１には図示されていないが、各絶縁回路１０に対応する制御装置４０（或いは、絶縁回路制御装置４１）は、動作指示信号を、対応する絶縁回路１０に同期して出力する。
図１１は、第２実施例における交流電気車の主回路を示す図である。第２実施例では、第１実施例と同様に、主変圧器を不用としてコンバータ７０に架線電圧が入力される構成を採用しているが、コンバータ７０より後段の回路構成が第１実施例と異なる。第２実施例では、並列接続されたＮ個の降圧回路８０（８０－１～８０－Ｎ）が、コンバータ７０の出力側に接続される。降圧回路８０は、例えばチョッパ回路で構成することができる。そして、各降圧回路８０の出力側には、絶縁回路１０（１０－１～１０－Ｎ）の一次側が接続されており、絶縁回路１０の二次側には、インバータ５０（５０－１～５０－Ｎ）が接続される。各絶縁回路１０のスイッチング動作が同期して行われることは、第１実施例と同様である。このため、図１１には図示されていないが、各絶縁回路１０に対応する制御装置４０（或いは、絶縁回路制御装置４１）は、動作指示信号を、対応する絶縁回路１０に同期して出力する。
【0051】
［作用効果］
このように、本実施形態によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路１０を実現することができる。絶縁回路１０が有するコンデンサ２０は、一次側の第１端子対２１に接続された第１電極対２５と、二次側の第２端子対２３に接続された第２電極対２７とが、電界結合可能に部分的に対向配置されて構成されている。つまり、コンデンサ２０の第１端子対２１と第２端子対２３との間は物理的に接続された導通状態にはないが、一方の端子対に直流電力を印加すると、当該一方の端子対に接続された一方の電極対が蓄電されるとともに、電界結合によって他方の電極対も蓄電される。一方の端子対に直流電力が印加されなくなると、他方の電極対の蓄電電力が放電されて他方の端子対から直流電力が出力される。したがって、コンデンサ２０は、絶縁回路１０を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路と言える。
このように、本実施形態によれば、一次側と二次側とを電気的に絶縁し、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通可能な絶縁回路１０を実現することができる。絶縁回路１０が有するコンデンサ２０は、一次側の第１端子対２１に接続された第１電極対２５と、二次側の第２端子対２３に接続された第２電極対２７とが、電界結合可能に部分的に対向配置されて構成されている。つまり、コンデンサ２０の第１端子対２１と第２端子対２３との間は物理的に接続された導通状態にはないが、一方の端子対に直流電力を印加すると、当該一方の端子対に接続された一方の電極対が蓄電されるとともに、電界結合によって他方の電極対も蓄電される。一方の端子対に直流電力が印加されなくなると、他方の電極対の蓄電電力が放電されて他方の端子対から直流電力が出力される。したがって、コンデンサ２０は、絶縁回路１０を実現するに当たって直流電力を融通する要所を担う要素回路と言える。
【0052】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【0053】
（Ａ）コンデンサ２０の構造
コンデンサ２０は、コンデンサとして機能する２つの電極対（第１電極対２５および第２電極対２７）が互いに電界結合可能に部分的に対向配置されていればよく、例えば、図１２や図１３に示すような構造としても良い。
コンデンサ２０は、コンデンサとして機能する２つの電極対（第１電極対２５および第２電極対２７）が互いに電界結合可能に部分的に対向配置されていればよく、例えば、図１２や図１３に示すような構造としても良い。
【0054】
図１２に示すコンデンサ２０Ａは、第１電極対２５を構成する第１正電極素子２６ａおよび第１負電極素子２６ｂそれぞれが、互いに対向して第１コンデンサとして機能する基本対向部分２９ａと、この基本対向部分２９ａの端部から屈曲して、第２電極対２７の第２正電極素子２８ａおよび第２負電極素子２８ｂそれぞれの屈曲部分２９ｄと対向する屈曲部分２９ｂとを有する。第２電極対２７についても同様に、第２電極対２７を構成する第２正電極素子２８ａおよび第２負電極素子２８ｂそれぞれが、互いに対向して第２コンデンサとして機能する基本対向部分２９ｃと、この基本対向部分２９ｃの端部から屈曲して、第１電極対２５の第１正電極素子２６ａおよび第１負電極素子２６ｂそれぞれの屈曲部分２９ｂと対向する屈曲部分２９ｄとを有する。
【0055】
上述の実施形態と同様に、第１電極対２５および第２電極対２７の対向配置される部分となる屈曲部分２９ｂ，２９ｄの面積をＳｍ、対向する屈曲部分２９ｂ，２９ｄ間の距離をｄｍとすると、第１電極対２５および第２電極対２７それぞれに蓄えられる電荷Ｑ１，Ｑ２は、それぞれ、次式（１１），（１２）で与えられる。
【数5】
【0056】
【0057】
また、図１３に示すコンデンサ２０Ｂは、第１電極対２５の２つの電極素子（第１正電極素子２６ａおよび第１負電極素子２６ｂ）の間に、第２電極対２７の２つの電極素子（第２正電極素子２８ａおよび第２負電極素子２８ｂ）を、部分的に挟むように構成することで、第１電極対２５および第２電極対２７が互いに電界結合可能に部分的に対向配置されている。対向面積や対向間隔等の諸条件が見合えば、この構成であってもコンデンサ２０として機能させることができる。
【0058】
また、上記実施形態では、電気車の例を挙げたが、一次側と二次側との間で両方向に直流電力を融通する技術用途に対しては、上述の絶縁回路１０やコンデンサ２０（２０Ａ，２０Ｂを含む）を同様に適用することが可能である。
【符号の説明】
【0059】
１０…絶縁回路
２０…コンデンサ
２１…第１端子対
２２ａ…第１正極端子、２２ｂ…第１負極端子
２３…第２端子対
２４ａ…第２正極端子、２４ｂ…第２負極端子
２５…第１電極対
２６ａ…第１正電極素子、２６ｂ…第１負電極素子
２７…第２電極対
２８ａ…第２正電極素子、２８ｂ…第２負電極素子
３０（３０－１～３０－４）…双方向半導体スイッチ回路
４０…制御装置、４１…絶縁回路制御装置
５０…インバータ、６０…電動機
ＨＬ…高圧側ライン、ＬＬ…低圧側ライン
２０…コンデンサ
２１…第１端子対
２２ａ…第１正極端子、２２ｂ…第１負極端子
２３…第２端子対
２４ａ…第２正極端子、２４ｂ…第２負極端子
２５…第１電極対
２６ａ…第１正電極素子、２６ｂ…第１負電極素子
２７…第２電極対
２８ａ…第２正電極素子、２８ｂ…第２負電極素子
３０（３０－１～３０－４）…双方向半導体スイッチ回路
４０…制御装置、４１…絶縁回路制御装置
５０…インバータ、６０…電動機
ＨＬ…高圧側ライン、ＬＬ…低圧側ライン
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】