この記事は Digikey_230 VAC in Train Applications にて最初に公開されたものです。

目次（Contents）

鉄道車両におけるAC電源採用の背景
- 鉄道車両の電源系統システム構成
- DC電源に対するAC電源の優位性
事例：主電動機（トラクションモーター）用冷却システムの冗長電源
TBF500およびXTBF500による解決策
- 過酷な使用環境に対応する機械設計
- 仕様およびEN 50155規格への準拠
- 負荷分散（ロードシェアリング）機能を備えた冗長構成
まとめ

鉄道車両におけるAC電源採用の背景

これまで長年にわたり、115/230 VACの交流電源システムは、空調設備、送風機、照明、サービス用コンセント、あるいは座席周りに設置されるUSB-C用小型AC/DC電源など、鉄道車両内の様々な設備に給電する目的で使用されてきました。
しかしながら、鉄道車両向け電源装置に関する従来の引き合いの多くは、EN 50155規格に準拠した直流入力（DC入力）に対応する製品（図1）が中心となっていました。

Figure 1: Worldwide train DC supply voltages.

P-DUKEは、これらの電圧仕様に準拠し、鉄道車両に求められる環境条件およびEMI（電磁両立性）要求事項を満たした広範な製品群を展開しています。
あるお客様よりP-DUKEに対し、既存のAC/DC製品をEN 50155規格に準拠させることが可能かどうかの打診がありました。その用途は、電動列車の駆動システム（推進システム）における水冷設備でした。
では、数十年にわたりDCグリッドが主流であったこの分野において、なぜ今ACシステムが採用されるようになっているのでしょうか。

鉄道車両の電源系統システム構成

まず、現代の電動列車における電源系統の簡略化された概念図（図2）を見てみましょう。

Figure 2: Simplified block diagram of a traction transformer with propulsion and auxiliary converters and battery charger.

電力は、架線とパンタグラフ、あるいは線路沿いに設置された第三軌條と集電靴（サードレール・シュー）を介して供給されます。
代表的な供給電圧としては、長距離列車向けの 25 kVAC / 50 Hz および 15 kVAC / 16.7 Hz、地下鉄向けの 600 ～ 3000 VDC などが挙げられます。
車両に搭載された主変圧器（トラクション・トランス）により、これらの高電圧が推進システムや補助電源システムに必要な電圧へと降圧されます。
補助インバータは、蓄電池用充電器を含む後段の負荷やコンバータに給電するためのACバス（交流母線）システムを生成します。

DC電源に対するAC電源の優位性

P-DUKEがお客様から得た情報によると、電動化の推進に伴う電力需要の増加により、車両内の既存DC電源網が過負荷に陥る懸念が高まっています。
そのため、各メーカーは既存の 230 VAC 電源網を、単なる一般負荷への給電だけでなく、より重要な用途（クリティカル・アプリケーション）へ活用することを検討しています。

230 VAC 電源網の拡張は、DC電源網に配線、コネクタ、ヒューズ、スイッチなどを追加するよりも容易な場合が多くあります。

230 VAC システムにおける電流値は 110 VAC システムと比較して 50% 以上低く抑えられるため、同じ電力供給量であればより細い配線を使用可能です。
また、短絡（ショート）などの故障対応や負荷の遮断処理においても、AC電源は周期的に電流がゼロを通過する（ゼロクロス）性質を持つため、電線間や接点間に発生するアーク放電が自然消滅しやすく、取扱いが容易になります。ACヒューズがDCヒューズに比べて構造がシンプルで小型であるのもこのためです。

さらに、230 VAC 商用電源用の部品は大量生産されているため、鉄道のDC供給電圧用に設計された専用品に比べて大幅に安価に入手できます。

事例：主電動機（トラクションモーター）用冷却システムの冗長電源

しかしながら、車両に搭載されるすべての機器は、EN 50155をはじめとする関連規格に準拠する必要があります。そのためお客様は、フルブリック（Full Brick）パッケージの 500 W AC/DC 電源「TBF500」、ならびに 500 W のプラグアンドプレイ型 AC/DC 電源「XTBF500」について、鉄道用途への適合が可能かどうかをP-DUKEに打診されました。お客様が求めていたのは、主電動機駆動系の液冷システム用ポンプに向けた、24 V / 370 W 仕様の冗長電源ソリューションでした。

TBF500 および XTBF500（図3）は、85 ～ 264 VAC の入力電圧範囲に対応した AC/DC 電源装置であり、鉄道用途で規定されている交流補助電源電圧に適合しています。
DC電源系統（図4）とは異なり、現行の EN 50155 規格では AC 補助電源系統に対する瞬停（瞬時停電）の要件はまだ明記されていません。
しかし、TBF500 および XTBF500 は 16 ms 以上のホールドアップ時間（出力保持時間）を確保しており、AC 系統に一時的な瞬停が発生した場合でもフル負荷での動作継続が可能です。

Figure 3: TBF500 & XTBF500 — 500 W Full Brick & Plug-and-Play AC/DC Power Solutions.

TBF500 および XTBF500 による解決策

以下は、TBF500 および XTBF500 電源装置の概要です。

TBF500：フルブリック（Full Brick）サイズの AC/DC 電源モジュールで、500 W の出力、93% の高効率、広範囲な入力電圧対応を実現し、EN 50155 および IEC/UL/EN 62368-1 認証を取得しています。堅牢なベースプレート冷却構造と充実した保護機能を備え、鉄道車両や過酷な産業環境において信頼性の高い電源ソリューションを提供します。
XTBF500：EMC フィルタ、バルクコンデンサ、突入電流防止回路（インラッシュ・リミッタ）を内蔵し、システム統合を容易にした 500 W プラグアンドプレイ型モデルです。EN 50155 認証を取得しているほか、EN 55032 Class B レベルの EMC 性能および過電圧カテゴリ III（OVC III）に適合しており、鉄道ならびにミッションクリティカルな環境下で安定した動作を実現する設計となっています。

Figure 4: DC supply interruption.

過酷な使用環境に対応する機械設計

本製品は過酷な使用環境に耐えうる設計となっており、樹脂封止（ポッティング）構造を採用することで MIL-STD-810F 耐環境規格の承認を取得しています。ベースプレート冷却（放熱板冷却）に対応しており、鉄道車両用途に最適な構造となっています。

仕様および EN 50155 規格への準拠

TBF500 シリーズの耐振動・高信頼性設計により、P-DUKE は EN 50155 規格の承認を取得することに成功しました。お客様側では、わずかな外部部品（ヒューズ、EMI フィルタ、熱保護回路など）を追加するだけで、要求条件を満たす完全な電源ソリューション（図5）を構築することが可能となります。

Figure 5: TBF500 with a few external components.

図5のようなヒートシンク（放熱器）を使用する代わりに、本モジュールを駆動系の水冷システムへ取り付けることで冷却を実現しました。ベースプレート動作温度範囲は -40 °C ～ +105 °C をカバーしており、EN 50155 規格の OT4（-40 °C ～ +70 °C）を満たすとともに、動作上限温度の上昇時においても 10 分間の動作を保証する ST1 条件にも適合しています。

負荷分散（ロードシェアリング）機能を備えた冗長構成

図2に示すように、鉄道車両の主変圧器構成の多くでは、2系統の独立したACラインが用意されています。万が一、一方の系統で不具合が発生した場合でも、もう一方の系統が継続して電力を供給します。これにより、図6に示すような2台の電源装置を並列に接続した二重冗長構成（デュアル・リダンダント構成）の構築が可能となります。

Figure 6: Redundant configuration with two TBF500 & XTBF500 modules, outputs are connected in parallel with O-Ring diodes.

一方のACラインまたは電源装置が故障した場合でも、残された TBF500 および XTBF500 がポンプに必要な 370 W の電力を引き続き供給します。

ただし、このような構成を安定して稼働させるには、適切な負荷分散（ロードシェアリング）が実装されている必要があります。TBF500 および XTBF500 モジュールには、両モジュールが均等に電力を出力できるようにするための「ロードシェアリング（負荷分散）オプション」が用意されています。

ドループ特性（垂下特性、図7）により、出力電流の増加に伴って出力電圧が僅かに低下（Vset - ∆Vset）します。このパッシブ方式による負荷分散機構は導入が非常に容易であり、追加の外部部品を必要としません。詳細については、TBF500 および XTBF500 のアプリケーションマニュアルをご参照ください。

Figure 7: Output voltage V-I characteristic of the droop mode current sharing.

まとめ

このモジュール方式を採用することで、お客様は EN 50155 規格に準拠し、グローバルな安全規格認証を取得した AC/DC 電源ソリューションを極めて短期間で設計することができました。
これは、鉄道車両用途で活用されている P-DUKE の AC/DC 電源装置におけるほんの一例に過ぎません。電力需要の増大に伴う鉄道車両の電動化推進と、コスト低減への要求が相まって、-40 °C から +85 °C までの動作温度範囲に対応し、過酷な環境下の厳しい用途向けに設計された TBF500 / XTBF500 モジュールをはじめとする P-DUKE 製 AC/DC 電源装置には、今後さらに多くのビジネス機会が拓かれていくと考えられます。