TWI860592B

TWI860592B - 輔助電源裝置

Info

Publication number: TWI860592B
Application number: TW111147961A
Authority: TW
Inventors: 河野佑介; 馬場俊之
Original assignee: 日商東芝股份有限公司; 日商東芝基礎設施系統股份有限公司
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2022-12-14
Publication date: 2024-11-01
Also published as: JP7775067B2; US12483147B2; US20230198416A1; TW202337126A; JP2023092066A

Abstract

提供一種高可靠性的輔助電源裝置。

實施型態所造成的輔助電源裝置，具備：高頻變壓器(22)；截波器電路(31)，將自直流電源所供給的直流電力加以轉換；變流器(I1)、變流器(I2)，將截波器電路(31)之輸出電力轉換為交流電力，供給至高頻變壓器(22)；直流電容器(FC1)，連接於變流器的直流端；共振電容器(C1)、共振電容器(C2)，隨著變流器的切換而產生共振動作；整流器(23)，將自變流器(I1)、(I2)經由高頻變壓器(22)所供給的交流電力轉換為直流電力；檢測部(32)、檢測部(33)，檢測變流器(I1)、變流器(I2)之直流輸入電流的值，或檢測數值，該數值用以運算直流輸入電流的值；以及控制電路(41)，基於自檢測部(32)、檢測部(33)所供給的值，運算出包含有共振電容器(C1)、共振電容器(C2)之共振電路的共振頻率，並使用共振頻率與直流輸入電流的值，來檢測共振電容器(C1)、共振電容器(C2)的電容量降低。

Description

輔助電源裝置

本發明的實施型態，是關於輔助電源裝置。

以電車(移動體)舉例，會具備以下的電力轉換裝置做為電源裝置：將從高壓電車線(例如高架電車線或第三軌條等等)所供給的直流電壓，轉換為對應負載的電壓，並對負載輸出直流電壓。電車會具備以下裝置做為電車用電源裝置：例如行駛用電動機的驅動用電源裝置，或對照明及空調等其他機器供給電力的輔助電源裝置。

輔助電力轉換裝置通常的結構是變流器與商用頻率變壓器(絕緣變壓器)，但為了將系統小型化，正積極運用高頻變壓器(絕緣變壓器)。輔助電源裝置的1個結構例是具備：高頻變壓器(絕緣變壓器)，由高頻率的交流電來激磁；截波器電路，調整來自電車線的直流電壓；變流器，將截波器電路的輸出轉換為高頻率的交流，並供給至高頻變壓器；以及整流器，將高頻率的交流轉換為直流。以下，將包含變流器、高頻變壓器以及整流器的結構稱為高頻絕緣電路。

再者、藉由對變流器運用共振電路，可以大幅降低切換時的損耗，而可達成變流器的高頻切換。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：國際公開第WO2015/079528號公報

然而，當構成共振電路的共振電容器因長時間劣化而降低電容量時，共振電路的共振頻率會上升，造成變流器所輸出之交流電流的峰值或等效值增加，進而引發變流器、高頻變壓器及整流器中的損耗增加，有溫度上升超過容限值之虞；而且共振電容器持續劣化，也可能是溫度異常造成裝置停機的原因。

若監控共振變流器所輸出的交流電流，就可檢測出電流的變化，但需要追加的電流檢測器。再者，使用半橋電路之共振變流器的結構，是將交流輸出的一端連接至2個串聯連接之共振電容器的中間點，但是以交流電流進行檢測，難以得知是哪個共振電容器的電容量降低。

本發明之實施型態是有鑑於上述情事而完成，目的是提供一種高可靠性的輔助電源裝置。

實施型態所造成的輔助電源裝置，具備：高頻變壓器；截波器電路，將自直流電源所供給的直流電力加以轉換；變流器，將前述截波器電路之輸出電力轉換為交流電力，供給至前述高頻變壓器；直流電容器，連接於前述變流器的直流端；共振電容器，隨著前述變流器的切換而產生共振動作；整流器，將自前述變流器經由前述高頻變壓器所供給的交流電力轉換為直流電力；檢測部，檢測前述變流器之直流輸入電流的值，或檢測數值，該數值用以運算前述直流輸入電流的值；以及控制電路，基於自前述檢測部所供給的值，運算出包含有前述共振電容器之共振電路的共振頻率，並使用前述共振頻率與前述直流輸入電流的值，來檢測前述共振電容器的電容量降低。

1:電力轉換裝置(輔助電源裝置)

2:電車線

3:集電器

4P,4N:輸出端子

5:軌道

11:電力轉換電路(高頻絕緣電路)

21:共振變流器

22:高頻變壓器

23:整流器

31:截波器電路

32:電流檢測器

33:電壓檢測器

34:電流檢測器

41:控制電路

C1:第1共振電容器

C2:第2共振電容器

FC1:第1直流電容器

FC2:第2直流電容器

S1:第1開關

S2:第2開關

[圖1]係概略表示有關第1實施型態之電力轉換裝置之一個結構例的圖。

[圖2]係用以說明圖1所示之共振變流器之上臂導通時之電流路徑的圖。

[圖3]係用以說明圖1所示之共振變流器之下臂導通時之電流路徑的圖。

[圖4]係針對圖1所示之電力轉換裝置，用以說明共振電容器在電容量未降低時之各電流之一例的圖。

[圖5]係針對圖1所示之電力轉換裝置，用以說明共振電容器在電容量有降低時之各電流之一例的圖。

[圖6]係針對第1實施型態之電力轉換裝置，用以說明檢測共振電容器異常之動作之一例的流程圖。

[圖7]係概略表示有關第2實施型態之電力轉換裝置之一個結構例的圖。

以下，參照圖式詳細說明實施型態的電力轉換裝置。

(第1實施型態)

圖1係概略表示有關第1實施型態之電力轉換裝置之一個結構例的圖。

在此舉一個例子，說明電車等移動體所裝載的電力轉換裝置1。電車用的電力轉換裝置1是一種電車用輔助電源裝置，經由集電器3從高架電車線或第三軌條等電車線2接收直流電力，並將接收來的直流電力從輸出端子4P、輸出端子4N輸出。

本實施型態中，電車用的電力轉換裝置1，是說明一種對電車之照明及空調等負載供給電力的輔助電源裝置。另外，電車還具備未圖示的主電源裝置，用以驅動行駛用電動機。主電源裝置是經由集電器3自電車線2接收直流電力，藉此驅動行駛用電動機，使電車在軌道5上行駛。

做為電車用輔助電源裝置的電力轉換裝置1 是連接於機器，該機器使用比行駛用電動機更低的電壓來動作。因此，電車用的電力轉換裝置1中，輸入電力的一次側與輸出電力的二次側必須要絕緣。

為了確保一次側與二次側的絕緣，一種結構的例子是使用具備有一對電磁耦合之線圈(coil)的變壓器，該變壓器將一次側與二次側絕緣。變壓器的激磁頻率愈低，體積就愈大。例如對應商用電源頻率來設定激磁頻率的變壓器，體積就很大。因此，本實施型態的電力轉換裝置1藉由使用高頻變壓器，將一次側與二次側絕緣並且實現小型化。

電力轉換裝置1具備：截波器電路31、電力轉換電路(高頻絕緣電路)11、電流檢測器32、電壓檢測器33、控制電路41。

截波器電路31，將經由集電器3從電車線2所輸入的直流電力，轉換為期望的直流電力。本實施型態中，電車線2例如是直流電源。

電流檢測器32是檢測截波器電路31的輸出電流。電流檢測器32的檢測結果被供給至控制電路41。

電壓檢測器33是檢測截波器電路31的輸出電壓(第1直流電容器FC1的電壓)。電壓檢測器33的檢測結果被供給至控制電路41。

電力轉換電路11，是將截波器電路31所輸出之直流電力經由高頻變壓器22加以絕緣，再轉換為直流負載用的電力。電力轉換電路11例如具有：共振變流器21、高頻變壓器22、整流器23、第2直流電容器FC2。

共振變流器21是以下的變流器電路：使用由截波器電路31所供給的直流電力，來對高頻變壓器22供給交流電力。共振變流器21例如具備電連接於截波器電路31的直流端、電連接於高頻變壓器22之一次側的交流端，而構成為共振式單相半橋變流器。共振變流器21具備：第1開關S1、第2開關S2、第1直流電容器FC1、第1共振電容器C1以及第2共振電容器C2。共振變流器21之一邊的交流端，是經由電感而電連接於高頻變壓器22的一次側。

第1直流電容器FC1，是連接在共振變流器21之高電位側的直流端與低電位側的直流端之間，將截波器電路31所供給的直流電力加以平滑化。

第1開關S1，是將高電位側之直流端與一邊之交流端之間的電連接加以切換。第1開關S1例如是MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體，Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors)，其汲極是電連接於高電位側的直流端，其源極是電連接於一邊的交流端。

第2開關S2，是將低電位側之直流端與一邊之交流端之間的電連接加以切換。第2開關S2例如是MOSFET，其汲極是電連接於一邊的交流端，其源極是電連接於低電位側的直流端。

另外，第1開關S1與第2開關S2並不限定於MOSFET，也可使用例如雙極電晶體、IGBT(絕緣閘雙極電晶體，Insulated Gate Bipolar Transistor)等其他功率半導體元件。

第1共振電容器C1，是電連接於高電位側的直流端與另一邊的交流端之間。第2共振電容器C2，是電連接於低電位側的直流端與另一邊的交流端之間。

也就是說，第1開關S1與第2開關S2的連接點(一邊的交流端)及第1共振電容器C1與第2共振電容器C2的連接點(另一邊的交流端)，連接有高頻變壓器22的一次線圈。共振變流器21，是藉由控制電路41控制第1開關S1及第2開關S2的導通關斷動作，藉此對高頻變壓器22的一次線圈供給交流電力。另外，在以下的說明中，將共振變流器21的第1開關S1側稱為共振變流器21的上臂，並將共振變流器21的第2開關S2側稱為共振變流器21的下臂。

高頻變壓器22是一種絕緣變壓器，具有：一次側的線圈(一次線圈)，產生磁通；二次側的線圈(二次線圈)，與一次線圈絕緣，且藉由一次線圈所產生的磁通而被激磁。當高頻變壓器22的一次線圈被供給有來自共振變流器21的交流電流時，一次線圈就會產生磁通。一次線圈所產生的磁通，會於二次線圈產生感應電流。藉此，高頻變壓器22因應從一次側輸入的交流電流，對二次側供給電力。

整流器23是一種電路，將產生於高頻變壓器22之二次線圈的電力加以整流，例如構成為多個二極體所組合而成的橋式整流電路。

第2直流電容器FC2，是將整流器23所供給的直流電壓加以平滑化。第2直流電容器FC2，是從並聯連接的輸出端子4P、輸出端子4N輸出直流電力。從輸出端子4P、輸出端子4N所輸出的直流電力，是藉由未圖示的變流器等電路，轉換為例如50Hz或60Hz的交流電力。

控制電路41是取得電流檢測器32的檢測值及電壓檢測器33的檢測值，來控制截波器電路31及電力轉換電路11的動作。控制電路41例如是運算裝置，具備：至少一個處理器；程式，由處理器來執行；以及記憶體，記憶有程式所使用的資料。控制電路41可以藉由軟體，或者軟體與硬體的組合，實現各種功能來控制截波器電路31及電力轉換電路11。

控制電路41，例如構成為產生脈衝訊號的邏輯電路，並可以構成為當控制電路41的處理器執行程式，則藉此產生脈衝訊號。控制電路41，將脈衝訊號分別輸入至截波器電路31及電力轉換電路11，藉此控制截波器電路31及電力轉換電路11之半導體元件的動作。控制電路41，例如進行PWM控制來調整脈衝訊號的導通關斷工作比。藉此，控制電路41分別調整截波器電路31的輸出及電力轉換電路11的輸出。

其次，針對本實施型態之電力轉換裝置，說明控制電路41檢測第1共振電容器C1與第2共振電容器C2之電容量降低之動作的一個例子。

圖2係用以說明圖1所示之共振變流器之上臂導通時之電流路徑的圖。

被供給至高頻變壓器22的交流電流，是從上臂的第1開關S1輸出，經由整流器23及第2直流電容器FC2，回到第1共振電容器C1與第2共振電容器C2的連接點，再分別分流至第1共振電容器C1與第2共振電容器C2。共振變流器21的直流輸入部A，流通有與第2共振電容器C2相等的電流。

圖3係用以說明圖1所示之共振變流器之下臂導通時之電流路徑的圖。

在第1共振電容器C1與第2共振電容器C2之連接點匯合的交流電流，會被輸出至高頻變壓器22。被供給至高頻變壓器22的交流電流，是經由整流器23及第2直流電容器FC2，回到下臂的第2開關S2，分歧流向第2共振電容器C2與第1直流電容器FC1。共振變流器21的直流輸入部A，流通有與第1共振電容器C1相等的電流。

圖4係針對圖1所示之電力轉換裝置，用以說明共振電容器在電容量未降低時之各電流之一例的圖。

共振變流器21之交流側的共振電流是由共振現象所引發，而該共振現象的共振頻率，是在第1開關S1或第2開關S2導通後，由第1共振電容器C1及第2共振電容器C2的並聯靜電電容與主電路的總計電感來決定。藉由整流器23的二極體，以共振半週期來切斷電流，在下一次對向臂導通之前，電流值會趨近於零(規定值以下)。因此，藉由檢測交流電流值趨近於零(規定值以下)之時刻的週期，就可推算出共振的半週期，進而推算出包含有第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之共振電路的共振頻率。

另外，流通於共振電容器C1、共振電容器C2的電流，在電容量未降低的情況下，是均等分流於第1共振電容器C1及第2共振電容器C2。再者，共振變流器21的直流輸入部A是如圖2及圖3所記載，流通有與第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之任一者相等的電流。因此，流通於直流輸入部A的電流(直流輸入電流)也會與交流電流一樣，出現電流值趨近於零(規定值以下)的期間。因此，只要檢測出共振變流器21之直流輸入電流的值，或者取得相當於直流輸入電流的值(例如運算出來的直流輸入電流值)，就可推算出包含有第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之共振電路的共振頻率。

圖5係針對圖1所示之電力轉換裝置，用以說明共振電容器在電容量有降低時之各電流之一例的圖。

如上所述，共振頻率是由共振電容器C1、共振電容器C2的並聯靜電電容來決定，因此在發生電容量降低的情況下，共振頻率會變高。

再者，流通於第1共振電容器C1的電流與流通於第2共振電容器C2的電流，是依據靜電電容的比例來分流，例如當第2共振電容器C2劣化而電容量降低，則第1共振電容器C1的電流會降低而第2共振電容器C2的電流會增加。惟，交流電流是第1共振電容器C1與流通於第2共振電容器C2之電流的總計，因此交流電流不會顯現第1共振電容器C1與第2共振電容器C2之間的電流失衡，即使檢測交流電流，也難以推算哪個共振電容器的電容量有降低。

另一方面，共振變流器21的直流輸入部A是如圖2及圖3所記載，流通有與第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之任一者相等的電流；因此只要檢測或推算共振變流器21的直流輸入電流，就能依據包含有第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之共振電路的共振頻率上升以及電流峰值失衡，來推算第1共振電容器C1及第2共振電容器C2個別的電容量降低。

圖6係針對第1實施型態之電力轉換裝置，用以說明檢測共振電容器異常之動作之一例的流程圖。

本實施型態的電力轉換裝置中，控制電路41是使用電流檢測器32及電壓檢測器33的檢測值，來運算出共振變流器21的直流輸入電流。也就是說在本實施型態中，電流檢測器32及電壓檢測器33是檢測數值的檢測部，該數值用以運算直流輸入電流。

若以電流檢測器32所檢測出的截波器輸出電流為i_CH(t)，以電壓檢測器33所檢測出的截波器輸出電壓為v_DC(t)，第1直流電容器FC1的靜電電容為C_FC，則可由以下的數學式來求出共振變流器21的直流輸入電流i_in(t)。

上述數學式所運算出之共振變流器21之直流輸入電流的值，該值有成為規定值以下的時刻，控制電路41依據該時刻的週期來運算出包含有共振電容器C1、共振電容器C2之共振電路的共振頻率(步驟S1)。

當共振電路之共振頻率為規定的臨限值以上(步驟S2)，控制電路41取得直流輸入電流的峰值。控制電路41基於直流輸入電流之每半週期的峰值、第1開關S1與第2開關S2的切換狀態，可以檢測第1共振電容器C1及第2共振電容器C2個別的電容量降低(步驟S3)。

例如，當變流器21之上臂為導通時，直流輸入部A會流通與第2共振電容器C2相同值的電流；當下臂為導通時，直流輸入部A會流通與第1共振電容器C1相同值的電流。基於此內容，控制電路41可分別針對第1開關S1與第2開關S2的切換狀態，比較直流輸入電流的峰值，例如在峰值差成為規定之臨限值以上的時候，就可檢測第1共振電容器C1及第2共振電容器C2個別的電容量降低。

另外，例如控制電路41不需要特定出第1共振電容器C1及第2共振電容器C2是哪一個發生電容量降低時，就不用理會第1開關S1與第2開關S2的切換狀態，只要比較每半週期之直流輸入電流的峰值，例如在峰值差成為規定之臨限值以上的時候，就可檢測第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之任一個的電容量降低。

當控制電路41檢測出第1共振電容器C1及第2共振電容器C2個別的電容量降低時，或者檢測出第1共振電容器C1及第2共振電容器C2之任一個的電容量降低時，就當作是異常(步驟S4)，並可對例如未圖示的上位控制裝置通知異常(步驟S5)。

例如，當第1共振電容器C1及第2電容器C2 因長時間劣化而降低電容量時，共振頻率會上升，造成共振變流器21所輸出之交流電流的峰值或等效值增加，進而引發共振變流器21、高頻變壓器22及整流器23中的損耗增加，有溫度上升超過容限值之虞。也就是說，當第1共振電容器C1及第2共振電容器C2持續劣化，可能是溫度異常造成裝置停機或故障的原因。

在本實施型態的電力轉換裝置1中是如上所述，藉由檢測出共振變流器21的共振頻率以及第1共振電容器C1與第2共振電容器C2個別(或者任一個)的電容量降低，可在電力轉換裝置1之溫度落在容許範圍內的期間檢測出異常的徵兆，進而避免電力轉換裝置1的異常停機或故障。也就是說，若依據本實施型態，則可提供一種高可靠性的輔助電源裝置。

(第2實施型態)

其次，參照圖式詳細說明第2實施型態的電力轉換裝置。

另外，在以下的說明中，對於與上述第1實施型態相同的結構附加相同符號，省略其詳細說明。

圖7係概略表示有關第2實施型態之電力轉換裝置之一個結構例的圖。

本實施型態的電力轉換裝置1中，與上述第1實施型態不同的點，是具備電流檢測器34來取代電流檢測器32及電壓檢測器33。

電流檢測器34，是檢測出流通於共振變流器21之直流輸入部A的電流，並將檢測結果供給至控制電路41。也就是說在本實施型態中，電流檢測器34是取得直流輸入電流值的檢測部。

也就是說，上述第1實施型態中需要以數學式運算出直流輸入部A的電流值，而本實施型態的電力轉換裝置1中，可以從電流檢測器34直接取得該電流值。控制電路41基於從電流檢測器34所取得的電流值、第1開關S1與第2開關S2的切換狀態，可以檢測第1共振電容器C1及第2共振電容器C2個別的電容量降低。

從而，若依據本實施型態，則可獲得與第1實施型態相同的效果，並可提供一種高可靠性的輔助電源裝置。

已說明了本發明的數個實施型態，但此等實施型態是舉例，並非用以限定發明範圍。此等新穎的實施型態，可以用其他各種型態來實施，並在不超出發明主旨的範圍內，可進行各種省略、替換、變更。此等實施型態或其變形，包含在發明的範圍或主旨中，並且包含在申請專利範圍所記載之發明和與其等效的範圍中。