SiCを搭載した次世代新幹線「N700S」の経緯を2回に分けて紹介する後編。本稿では、SiC採用によってもたらされる利点を中心に、N700Sの開発を主導したJR東海の上野雅之氏に解説してもらう。なお本稿は、2016年11月開催の「パワーエレクトロニクス・サミット2016」における上野氏の講演「東海道新幹線における技術開発─SiC採用の駆動システムを搭載したN700Sの開発について」の内容を基にしている。(本誌)

 前編では、初代・新幹線の0系から現行の「N700A」までの進化の歴史を振り返りつつ、新幹線の駆動システムを解説した。後編では、新幹線の進化をパワーデバイスがどのようにして支えてきたのか、そして現行のIGBTから次世代のSiCパワーデバイスに置き換えることで、次世代新幹線「N700S」がどのような特徴を実現できるようになるのか解説する。

コンバーターとインバーターを一体

 前編でも紹介したが、簡単に新幹線の駆動システムについておさらいする。新幹線の架線は、2万5000Vの単相交流である。新幹線1編成(16両)では、2万5000V・1000Aを上限とし、パンタグラフで集電し、トランスで電圧を下げる。これをコンバーターで直流に変え、インバーターで三相交流を作ってモーターを駆動する(図1)。この構造で基本的に4個の誘導モーターを動かす。300系からは回生ブレーキを導入。ブレーキを掛けるとインバーターからコンバーターに電流が流れ、三相交流から直流ステージを経て単相交流として架線に返っていくシステムとなる。

図1 CIを小型軽量化し、新幹線の性能を高める
新幹線を駆動する主回路システムでは、300系以降、コンバーターとインバーターを一体化し、「主変換装置(CI)」として利用している。このCIを小型軽量化することで、新幹線の性能を向上させている。
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 こうした一連の駆動システムを「主回路システム」と呼ぶ。同システムで中核を成すのが、コンバーターとインバーターである。鉄道業界では、コンバーターとインバーターをセットにして「主変換装置」と呼ぶ。あるいは、コンバーター(Converter)の頭文字のCと、インバーター(Inverter)の頭文字のIを取り、「CI」と呼称する。

 コンバーターとインバーターは、当初は別々の装置として作られていた。しかし、小型軽量化するには、一体化した方がいいということになり、300系から実行し、このときからCIと呼ぶことになった。このCIを小型軽量化することで、300系から700系、N700、N700Aと新幹線の車種が変わるごとに高速化してきた。CIの小型軽量化を支えたのがパワーデバイスである。

 300系のCIにはGTO(Gate Turn-Off thyristor)を採用した。これにより回生ブレーキを導入できた。だが、GTOは発熱量が大きい。これを冷却するために、「どぶ漬け」と呼ぶ冷却方法を使った。「パーフオロカーボン」の冷却液の中に“ドボン”とGTOを入れた上、冷却液を搭載した部分を大きなブロアーで冷やす。

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