JP2005333783A - 電力出力装置およびそれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 昇降圧機能を有するマトリックスコンバータを用いた電力出力装置を提供する。
【解決手段】 昇圧動作時、双方向スイッチＳｃ１がオンされ、コンデンサＣ１は、電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続される。これにより、バッテリＢ、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ１によって昇圧チョッパ回路が構成される。一方、降圧動作時、双方向スイッチＳｃ１がオフされ、コンデンサＣ１は、電源ラインＬａ，Ｌｂ間から電気的に切離される。これにより、マトリックスコンバータ１０２およびリアクトルＬ２によって降圧チョッパ回路が構成される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電力出力装置およびそれを備えた車両に関し、特に、複数の双方向スイッチからなるマトリックスコンバータを用いた電力出力装置およびそれを備えた車両に関する。

近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きく注目されており、ハイブリッド自動車は、既に実用化されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータジェネレータとを動力源とする自動車である。そして、このハイブリッド自動車においては、モータジェネレータによって発電された電力によって直流電源を充電することができる。

従来より、このような発電可能なハイブリッド自動車を電源設備（たとえばＡＣ１００Ｖ電源）として利用したいというニーズが存在している。すなわち、たとえば、非常・災害時の非常用電源や、キャンプ地など周囲に商用電源設備がないときの電源設備として、ハイブリッド自動車を利用しようというものである。そして、このような利用方法は、ハイブリッド自動車の商品価値を高めるものである。

ハイブリッド自動車に搭載される直流電源やモータジェネレータから電力を得るための電力変換装置の１つとして、マトリックスコンバータが期待されている。マトリックスコンバータは、一般的には、交流を直流に一旦変換することなく交流から別の周波数の交流へ直接変換可能なコンバータとして知られ、複数の双方向性のスイッチを用いてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行なうことにより、任意の周波数の交流電力を生成することができる。

そして、このマトリックスコンバータは、直流リンク部を備えないため装置を小型化することができ、また、小容量のスイッチを用いて大容量かつ高効率の電力変換を実現できるなどの特徴を有するため、特に小型化や高効率化に対する要求特性の高いハイブリッド自動車においては、マトリックスコンバータに対する期待が高い。

このようなマトリックスコンバータの構成の一例を示すものとして、特表２００２−５３４０５０号公報は、３行３列に配置された９個の双方向スイッチからなるマトリックスコンバータの構成を開示する（特許文献１参照）。
特表２００２−５３４０５０号公報 特開２００２−３７４６０４号公報

上述したように、マトリックスコンバータは、任意の周波数の交流電力を生成することができる。そして、マトリックスコンバータは、ＰＷＭ制御によって、入力電圧を上限として任意の電圧レベルの交流電圧を生成することができる。すなわち、マトリックスコンバータは、入力電圧を任意の交流電圧に降圧する降圧コンバータとして機能し得る。

しかしながら、特許文献１に開示されたマトリックスコンバータを含め、従来のマトリックスコンバータは、昇圧機能を有しておらず、従来のマトリックスコンバータでは、入力電圧以上の交流電圧を生成することはできない。

そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、昇降圧機能を有するマトリックスコンバータを用いた電力出力装置を提供することである。

また、この発明の別の目的は、昇降圧機能を有するマトリックスコンバータを用いた電力出力装置を備えた車両を提供することである。

この発明によれば、電力出力装置は、一定のインダクタンスを有する電源装置と、電源装置によって発電された電力を所望の電圧および周波数に変換して電気負荷へ出力するマトリックスコンバータと、電気負荷をマトリックスコンバータと接続する対の出力ライン間に直列に接続されるコンデンサおよびスイッチとを備え、スイッチは、マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうときオンし、マトリックスコンバータが降圧動作を行なうときオフする。

好ましくは、マトリックスコンバータは、複数の双方向スイッチを含み、昇圧動作時、複数の双方向スイッチは、所定の周期における、昇圧率に応じた第１の期間、電源装置をマトリックスコンバータと接続する対の電源ラインを互いに電気的に接続し、かつ、所定の周期における第１の期間以外の第２の期間、対の電源ラインを対の出力ラインと電気的に接続するように、スイッチング動作を行なう。

好ましくは、マトリックスコンバータは、複数の双方向スイッチを含み、降圧動作時、複数の双方向スイッチは、降圧率に応じたデューティ比でスイッチング動作を行なう。

好ましくは、電力出力装置は、対の出力ラインの少なくとも一方に設けられるコイルをさらに備える。

好ましくは、電力出力装置は、対の出力ライン間に直列に接続されるもう１つのコンデンサおよびもう１つのスイッチをさらに備え、マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうとき、マトリックスコンバータから対の出力ラインに出力される出力電圧の極性に応じてスイッチおよびもう１つのスイッチのいずれか一方がオンし、マトリックスコンバータが降圧動作を行なうとき、スイッチおよびもう１つのスイッチの各々はオフする。

好ましくは、電源装置は、直流電源を含む。

好ましくは、電源装置は、交流電源を含む。

好ましくは、電源装置は、発電機である。

また、この発明によれば、車両は、バッテリと、ｍ相（ｍは２以上の自然数）交流電力を発電するｍ相交流発電機と、バッテリとｍ相交流発電機との間に設けられるインバータと、ｍ相交流発電機をインバータと接続する電力ラインに接続され、ｍ相交流発電機によって発電された交流電力を所望の電圧および周波数に変換して外部へ出力するマトリックスコンバータと、マトリックスコンバータを外部と接続する対の出力ライン間に直列に接続されるコンデンサおよびスイッチとを備え、スイッチは、マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうときオンし、マトリックスコンバータが降圧動作を行なうときオフする。

好ましくは、マトリックスコンバータは、ｍ相交流発電機によって発電される交流電力を商用交流電力に変換して外部へ出力する。

この発明による電力出力装置においては、マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうとき、スイッチがオンすることによりコンデンサが出力ライン間に電気的に接続され、電源装置のインダクタンス、マトリックスコンバータおよびコンデンサによって昇圧チョッパ回路が構成される。また、マトリックスコンバータが降圧動作を行なうとき、スイッチがオフすることによりコンデンサが出力ライン間で電気的に切離され、マトリックスコンバータによって降圧チョッパ回路が構成される。

したがって、この発明によれば、電源電圧を昇圧する場合も含めて、任意の電圧レベルからなる電力を出力することができる。

また、この発明による電力出力装置においては、出力ラインにコイルが設けられるので、降圧動作時の出力電圧の脈動が抑制される。

したがって、この発明によれば、電気負荷のインダクタンスが小さいときでも、脈動の小さい出力電圧を電気負荷へ出力することができる。

また、この発明による電力出力装置においては、対の出力ライン間に直列に接続されたもう１つのスイッチおよびもう１つのコンデンサをさらに備え、昇圧動作時、出力電圧の極性に応じてスイッチおよびもう１つのスイッチのいずれか一方がオンするようにしたので、コンデンサおよびもう１つのコンデンサの極性は、互いに異なる。

したがって、この発明によれば、出力電力が交流電力であっても、昇圧動作時、極性反転に伴なう遅れを生じることはない。

また、この発明による電力出力装置においては、電源装置は、直流電源を含むので、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車などに搭載される直流電源を用いてこの電力出力装置を構築できる。

したがって、この発明によれば、上記車両に搭載された直流電源から出力される直流電力を所望の電圧および周波数に変換して外部へ出力することができる。

また、この発明による電力出力装置においては、電源装置は、交流電源を含むので、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車などに搭載される交流発電機を用いてこの電力出力装置を構築できる。

したがって、この発明によれば、上記車両に搭載された交流発電機によって発電される電圧レベルの高低に拘わらず、交流発電機によって発電された交流電力を所望の電圧および周波数に変換して外部へ出力することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電力出力装置の構成を示す電気回路図である。

図１を参照して、電力出力装置１００は、バッテリＢと、マトリックスコンバータ１０２と、双方向スイッチＳｃ１と、コンデンサＣ１と、リアクトルＬ１，Ｌ２と、制御装置１０４とを備える。

バッテリＢは、直流電源であり、バッテリ電圧Ｖ１を出力する。リアクトルＬ１は、バッテリＢの正極に一端が接続され、電源ラインＬＡに他端が接続される。このリアクトルＬ１は、後述するようにこの電力出力装置１００が昇圧チョッパ動作を行なうとき、バッテリＢ、リアクトルＬ１およびマトリックスコンバータ１０２で構成される閉回路に電流が流されることによって磁場エネルギーを蓄積する。

マトリックスコンバータ１０２は、双方向スイッチＳ１〜Ｓ４と、電源ラインＬＡ，ＬＢ，Ｌａ，Ｌｂとを含む。電源ラインＬＡは、リアクトルＬ１を介してバッテリＢの正極に接続され、電源ラインＬＢは、バッテリＢの負極に接続される。電源ラインＬａは、リアクトルＬ２を介して電気負荷１０６の一端に接続され、電源ラインＬｂは、電気負荷１０６の他端に接続される。

双方向スイッチＳ１は、電源ラインＬＡと電源ラインＬａとの間に接続され、双方向スイッチＳ２は、電源ラインＬＢと電源ラインＬａとの間に接続される。また、双方向スイッチＳ３は、電源ラインＬＡと電源ラインＬｂとの間に接続され、双方向スイッチＳ４は、電源ラインＬＢと電源ラインＬｂとの間に接続される。そして、双方向スイッチＳ１〜Ｓ４の各々は、制御装置１０４からの制御信号に応じてスイッチング動作を行ない、オン状態のときは、対応する２つの電源ライン間で双方向に電流を流すことができる。また、双方向スイッチＳ１〜Ｓ４の各々は、オフ状態のときは、対応する２つの電源ラインを電気的に分離する。

双方向スイッチＳｃ１は、電源ラインＬａとコンデンサＣ１との間に接続され、制御装置１０４からの制御信号に応じてオン／オフ動作を行なう。双方向スイッチＳｃ１は、オン状態のときは、コンデンサＣ１を電源ラインＬａと電気的に接続し、オフ状態のときは、コンデンサＣ１を電源ラインＬａから電気的に分離する。

コンデンサＣ１は、双方向スイッチＳｃ１と電源ラインＬｂとの間に接続される。コンデンサＣ１は、この電力出力装置１００が昇圧チョッパ動作を行なうとき、双方向スイッチＳｃ１がオンすることによって電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続され、マトリックスコンバータ１０２から供給される電荷によって充電される。

リアクトルＬ２は、電源ラインＬａに一端が接続され、電気負荷１０６の一端に他端が接続される。このリアクトルＬ２は、後述するようにこの電力出力装置１００が降圧チョッパ動作を行なうとき、電気負荷１０６およびマトリックスコンバータ１０２によって構成される閉回路に循環電流を流す。

制御装置１０４は、バッテリ電圧Ｖ１の検出値を電圧センサ（図示せず）から受け、その受けたバッテリ電圧Ｖ１を交流の出力電圧Ｖ２に変換して電気負荷１０６に供給するため、マトリックスコンバータ１０２における双方向スイッチＳ１〜Ｓ４のスイッチング動作を制御する。

また、制御装置１０４は、出力電圧Ｖ２の絶対値がバッテリ電圧Ｖ１以上のときは、双方向スイッチＳｃ１をオンさせてコンデンサＣ１を電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続させる。一方、制御装置１０４は、出力電圧Ｖ２の絶対値がバッテリ電圧Ｖ１よりも低いときは、双方向スイッチＳｃ１をオフさせてコンデンサＣ１を電源ラインＬａ，Ｌｂ間から電気的に切離す。

なお、上記において、バッテリＢおよびリアクトルＬ１は、「電源装置」を構成する。

この電力出力装置１００は、バッテリ電圧Ｖ１を昇圧または降圧して任意の出力電圧Ｖ２および周波数からなる交流電力を電気負荷１０６へ出力する。この電力出力装置１００においては、バッテリ電圧Ｖ１以上の絶対値を有する出力電圧Ｖ２が電気負荷１０６へ出力されるとき、双方向スイッチＳｃ１がオンし、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ１は、バッテリ電圧Ｖ１を昇圧する昇圧チョッパ回路として機能する。すなわち、マトリックスコンバータ１０２の双方向スイッチＳ１，Ｓ２がオンすることによってリアクトルＬ１を用いてバッテリ電圧Ｖ１の昇圧動作が行なわれ、その後、出力電圧Ｖ２の極性に応じて双方向スイッチＳ１，Ｓ４または双方向スイッチＳ２，Ｓ３がオンすることによって、バッテリ電圧Ｖ１が昇圧された出力電圧Ｖ２が電気負荷１０６およびコンデンサＣ１へ出力される。

ここで、双方向スイッチＳ１，Ｓ２がオンしている期間中、双方向スイッチＳ３，Ｓ４はオフしているため、コンデンサＣ１とマトリックスコンバータ１０２との間で閉回路が構成されることはない。したがって、双方向スイッチＳ１，Ｓ２がオンしている期間中、コンデンサＣ１の電荷がマトリックスコンバータ１０２側へ放電されることはなく、出力電圧Ｖ２は、コンデンサＣ１によって維持される。このように、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ１からなる回路は、昇圧チョッパ回路として動作する。

一方、バッテリ電圧Ｖ１よりも小さい絶対値を有する出力電圧Ｖ２が電気負荷１０６へ出力されるとき、双方向スイッチＳｃ１がオフし、マトリックスコンバータ１０２およびリアクトルＬ２は、バッテリ電圧Ｖ１を降圧する降圧チョッパ回路として機能する。すなわち、出力電圧Ｖ２の極性に応じて双方向スイッチＳ１，Ｓ４または双方向スイッチＳ２，Ｓ３が所定のデューティ比でオンし、その他の期間は、双方向スイッチＳ２，Ｓ４がオンすることによって、バッテリ電圧Ｖ１が降圧された出力電圧Ｖ２が電気負荷１０６へ継続的に出力される。

ここで、オフデューティの期間において双方向スイッチＳ２，Ｓ４をオンするのは、電気負荷１０６とマトリックスコンバータ１０２との間に閉回路を構成し、リアクトルＬ２によって電気負荷１０６に循環電流を流すためである。このように、マトリックスコンバータ１０２およびリアクトルＬ２からなる回路は、降圧チョッパ回路として動作する。

図２は、図１に示した双方向スイッチの構成を示す回路図である。

図２を参照して、双方向スイッチＳ１〜Ｓ４，Ｓｃ１の各々は、パワートランジスタ６２，６４と、ダイオード６６，６８とからなる。パワートランジスタ６２，６４は、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。

パワートランジスタ６２は、コレクタが端子７０に接続され、ダイオード６６のアノードにエミッタが接続され、制御装置１０４（図示せず）からの制御信号ＣＳをベースに受ける。ダイオード６６は、パワートランジスタ６２のエミッタにアノードが接続され、カソードが端子７２に接続される。

また、パワートランジスタ６４は、コレクタが端子７２に接続され、ダイオード６８のアノードにエミッタが接続され、制御装置１０４からの制御信号ＣＳをベースに受ける。ダイオード６８は、パワートランジスタ６４のエミッタにアノードが接続され、カソードが端子７０に接続される。

そして、パワートランジスタ６２とダイオード６６との接続点は、パワートランジスタ６４とダイオード６８との接続点と接続される。端子７０，７２は、対応する２つの電源ラインにそれぞれ接続される。

この双方向スイッチにおいては、制御信号ＣＳが活性化されると、パワートランジスタ６２がオンし、パワートランジスタ６２およびダイオード６６を介して端子７０から端子７２へ電流を流すことができる。また、制御信号ＣＳが活性化されると、パワートランジスタ６４もオンし、パワートランジスタ６４およびダイオード６８を介して端子７２から端子７０へも電流を流すことができる。

したがって、制御信号ＣＳが活性化されたとき、端子７２よりも端子７０の方が高電圧のときは、パワートランジスタ６２およびダイオード６６を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。なお、ダイオード６８には逆バイアスがかかるので、パワートランジスタ６４に逆方向の電流は流れない。また、制御信号ＣＳが活性化されたとき、端子７０よりも端子７２の方が高電圧のときは、パワートランジスタ６４およびダイオード６８を介して端子７２から端子７０へ電流が流れる。なお、ダイオード６６には逆バイアスがかかるので、パワートランジスタ６２に逆方向の電流は流れない。

図３は、図１に示した双方向スイッチの他の構成を示す回路図である。

図３を参照して、双方向スイッチＳ１〜Ｓ４，Ｓｃ１の各々は、パワートランジスタ７４，７６からなる。パワートランジスタ７４，７６は、逆阻止機能付きＩＧＢＴからなる。この逆阻止機能付きＩＧＢＴは、素子に逆方向の電圧がかけられても十分な耐圧を有するものである。

パワートランジスタ７４は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子７０，７２に接続され、制御装置１０４（図示せず）からの制御信号ＣＳをベースに受ける。パワートランジスタ７６は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子７２，７０に接続され、制御装置１０４からの制御信号ＣＳをベースに受ける。

この双方向スイッチにおいては、制御信号ＣＳが活性化されると、パワートランジスタ７４，７６がいずれもオンする。したがって、制御信号ＣＳが活性化されたとき、端子７２よりも端子７０の方が高電圧のときは、パワートランジスタ７４を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。なお、パワートランジスタ７６には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ７６は、逆耐圧を有するので、素子が破壊されることはない。また、制御信号ＣＳが活性化されたとき、端子７０よりも端子７２の方が高電圧のときは、パワートランジスタ７６を介して端子７２から端子７０へ電流が流れる。なお、パワートランジスタ７４には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ７４も、逆耐圧を有するので、素子が破壊されることはない。

図４は、図１に示した制御装置１０４の動作フローチャートである。

図４を参照して、制御装置１０４は、所定のサンプリングタイミングになると、バッテリ電圧Ｖ１をそのときに出力すべき出力電圧Ｖ２の絶対値と比較する（ステップＳ２）。制御装置１０４は、バッテリ電圧Ｖ１の方が出力電圧Ｖ２の絶対値よりも大きいと判断すると、マトリックスコンバータ１０２およびリアクトルＬ２を降圧チョッパ回路として機能させるため、双方向スイッチＳｃ１をオフする（ステップＳ４）。そして、制御装置１０４は、キャリア周期Ｔｃにおけるオン時間Ｔｏｎ１（Ｔｏｎ１＜Ｔｃ）およびオフ時間Ｔｏｆｆ１を下式に基づいて算出する（ステップＳ６）。

ここで、式（１）は、定常状態においてオン時間Ｔｏｎ１およびオフ時間Ｔｏｆｆ１におけるリアクトルＬ２の磁束変化量が等しくなることを用いて下式により導かれるものである。

ここで、Δφ２ｏｎ，Δφ２ｏｆｆは、それぞれオン時間Ｔｏｎ１およびオフ時間Ｔｏｆｆ１におけるリアクトルＬ２の磁束変化量を示し、オン時間Ｔｏｎ１＋オフ時間Ｔｏｆｆ１＝キャリア周期Ｔｃである。

続いて、制御装置１０４は、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ１の期間中（ステップＳ８でＹＥＳ）、そのタイミングで出力すべき出力電圧Ｖ２が正であれば（ステップＳ１０でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ１，Ｓ４をオンし、双方向スイッチＳ２，Ｓ３をオフする（ステップＳ１２）。また、制御装置１０４は、出力すべき出力電圧Ｖ２が負であれば（ステップＳ１０でＮＯ）、双方向スイッチＳ２，Ｓ３をオンし、双方向スイッチＳ１，Ｓ４をオフする（ステップＳ１４）。一方、制御装置１０４は、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ１の期間中（ステップＳ８でＮＯ）、双方向スイッチＳ２，Ｓ４をオンし、双方向スイッチＳ１，Ｓ３をオフする（ステップＳ１６）。

制御装置１０４は、ステップＳ２においてバッテリ電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２の絶対値以下であると判断すると、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ１を昇圧チョッパ回路として機能させるため、双方向スイッチＳｃ１をオンする（ステップＳ１８）。そして、制御装置１０４は、キャリア周期Ｔｃにおけるオン時間Ｔｏｎ２（Ｔｏｎ２＜Ｔｃ）およびオフ時間Ｔｏｆｆ２を下式に基づいて算出する（ステップＳ２０）。

ここで、式（７）は、定常状態においてオン時間Ｔｏｎ２およびオフ時間Ｔｏｆｆ２におけるリアクトルＬ１の磁束変化量が等しくなることを用いて下式により導かれるものである。

ここで、Δφ１ｏｎ，Δφ１ｏｆｆは、それぞれオン時間Ｔｏｎ２およびオフ時間Ｔｏｆｆ２におけるリアクトルＬ１の磁束変化量を示し、オン時間Ｔｏｎ２＋オフ時間Ｔｏｆｆ２＝キャリア周期Ｔｃである。

続いて、制御装置１０４は、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ２の期間中（ステップＳ２２でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ１，Ｓ２をオンし、双方向スイッチＳ３，Ｓ４をオフする（ステップＳ２４）。一方、制御装置１０４は、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ２の期間中（ステップＳ２２でＮＯ）、そのタイミングで出力すべき出力電圧Ｖ２が正であれば（ステップＳ２６でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ１，Ｓ４をオンし、双方向スイッチＳ２，Ｓ３をオフする（ステップＳ２８）。また、制御装置１０４は、出力すべき出力電圧Ｖ２が負であれば（ステップＳ２６でＮＯ）、双方向スイッチＳ２，Ｓ３をオンし、双方向スイッチＳ１，Ｓ４をオフする（ステップＳ３０）。

図５，図６は、この実施の形態１による電力出力装置１００が降圧動作を行なうときの電流の流れを示した回路図である。なお、この図５，図６では、出力電圧Ｖ２が正のときについて代表的に示されている。

図５を参照して、双方向スイッチＳｃ１はオフしており、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ１の期間中、双方向スイッチＳ１，Ｓ４がオンする。そうすると、バッテリＢから電源ラインＬＡ、双方向スイッチＳ１、電源ラインＬａ、リアクトルＬ２、電気負荷１０６、電源ラインＬｂ、双方向スイッチＳ４、および電源ラインＬＢを介して電流が流れる。

図６を参照して、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ１の期間中は、双方向スイッチＳ２，Ｓ４がオンする。そうすると、リアクトルＬ２、電気負荷１０６、電源ラインＬｂ、双方向スイッチＳ４、電源ラインＬＢ、双方向スイッチＳ２、および電源ラインＬＡによって閉回路が構成され、リアクトルＬ２によって電気負荷１０６に循環電流が流される。なお、このオフ時間Ｔｏｆｆ１の期間中も、双方向スイッチＳｃ１はオフしている。

図７，図８は、この実施の形態１による電力出力装置１００が昇圧動作を行なうときの電流の流れを示した回路図である。なお、この図７，図８では、出力電圧Ｖ２が正のときについて代表的に示されている。

図７を参照して、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ２の期間中、双方向スイッチＳ１，Ｓ２がオンする。そうすると、バッテリＢからリアクトルＬ１、電源ラインＬＡ、双方向スイッチＳ１、電源ラインＬａ、双方向スイッチＳ２、および電源ラインＬＢを介して電流が流れる。したがって、このオン時間Ｔｏｎ２の期間中、リアクトルＬ１に磁場エネルギーが蓄積される。

図８を参照して、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ２の期間中は、双方向スイッチＳ１，Ｓ４がオンする。そうすると、オン時間Ｔｏｎ２の期間中にリアクトルＬ１に蓄積された磁場エネルギーが放出され、リアクトルＬ１から電源ラインＬＡ、双方向スイッチＳ１、電源ラインＬａ、電気負荷１０６、電源ラインＬｂ、双方向スイッチＳ４、電源ラインＬＢ、およびバッテリＢを介して電流が流れるとともに、コンデンサＣ１に出力電圧Ｖ２に相当する電荷が供給される。

なお、電力出力装置１００が昇圧チョッパ動作を行なうとき、バッテリ電圧Ｖ１に対する出力電圧Ｖ２の昇圧率が一定であれば、出力電圧Ｖ２は矩形波の交流電圧となるが、オン時間Ｔｏｎ２とオフ時間Ｔｏｆｆ２との比率を変えることによりバッテリ電圧Ｖ１に対する出力電圧Ｖ２の昇圧率を可変とすることによって、出力電圧Ｖ２を正弦波とすることができる。

［実施の形態１の変形例］
図１に示した電力出力装置１００では、昇圧動作時、電源ラインＬａ，Ｌｂ間にコンデンサＣ１が電気的に接続されるが、出力電圧Ｖ２が交流電圧であるため、出力電圧Ｖ２の極性が切換わるごとにコンデンサＣ１の極性が切換わり、動作の遅延を生ずるおそれがある。そこで、この実施の形態１の変形例では、出力電圧Ｖ２の極性変化を考慮して、電源ラインＬａ，Ｌｂ間にコンデンサが２つ設けられる。

図９は、この発明の実施の形態１の変形例による電力出力装置の構成を示す電気回路図である。

図９を参照して、この電力出力装置１００Ａは、図１に示した電力出力装置１００の構成において、双方向スイッチＳｃ２と、コンデンサＣ２とをさらに備え、制御装置１０４に代えて制御装置１０４Ａを備える。双方向スイッチＳｃ２は、電源ラインＬａとコンデンサＣ２との間に接続され、制御装置１０４Ａからの制御信号に応じてオン／オフ動作を行なう。双方向スイッチＳｃ１は、オン状態のときは、コンデンサＣ２を電源ラインＬａと電気的に接続し、オフ状態のときは、コンデンサＣ２を電源ラインＬａから電気的に切離す。

コンデンサＣ２は、双方向スイッチＳｃ２と電源ラインＬｂとの間に接続される。コンデンサＣ２は、この電力出力装置１００が昇圧チョッパ動作を行なうとき、双方向スイッチＳｃ２がオンすることによって電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続され、マトリックスコンバータ１０２から供給される電荷によって充電される。

制御装置１０４Ａは、出力すべき出力電圧Ｖ２の絶対値がバッテリ電圧Ｖ１以上であって、かつ、その出力電圧Ｖ２が正のとき、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２をそれぞれオン，オフさせてコンデンサＣ１のみを電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続させる。一方、制御装置１０４Ａは、出力すべき出力電圧Ｖ２の絶対値がバッテリ電圧Ｖ１以上であって、かつ、その出力電圧Ｖ２が負のとき、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２をそれぞれオフ，オンさせてコンデンサＣ２のみを電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続させる。

すなわち、制御装置１０４Ａは、出力する出力電圧Ｖ２の極性に応じて双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２を相補的にオン／オフさせる。これによって、コンデンサＣ１，Ｃ２は、互いに異なる極性に充電される。

また、制御装置１０４Ａは、出力すべき出力電圧Ｖ２の絶対値がバッテリ電圧Ｖ１よりも小さいときは、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２をいずれもオフさせる。

なお、制御装置１０４Ａによるマトリックスコンバータ１０２の制御は、図１に示した制御装置１０４と同じである。また、電力出力装置１００Ａのその他の構成は、図１に示した電力出力装置１００の構成と同じである。

この電力出力装置１００Ａにおいては、バッテリ電圧Ｖ１以上の絶対値を有する出力電圧Ｖ２を電気負荷１０６へ出力する場合において、その出力電圧Ｖ２が正のとき、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２がそれぞれオン，オフし、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ１によって昇圧チョッパ回路が構成される。このとき、コンデンサＣ１は、双方向スイッチＳｃ１に接続される端子が正極となり、電源ラインＬｂに接続される端子が負極となる。

一方、出力すべき出力電圧Ｖ２が負のときは、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２がそれぞれオフ，オンし、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ２によって昇圧チョッパ回路が構成される。このとき、コンデンサＣ２は、双方向スイッチＳｃ２に接続される端子が負極となり、電源ラインＬｂに接続される端子が正極となる。

したがって、出力電圧Ｖ２の極性が切換わってもコンデンサＣ１，Ｃ２の各々において極性が切換わることはないので、コンデンサの充放電に伴なう動作の遅延が生じることはない。

図１０は、図９に示した制御装置１０４Ａの動作フローチャートである。

図１０を参照して、この制御装置１０４Ａの動作フローは、図４に示した制御装置１０４の制御フローにおいて、ステップＳ１８を備えず、ステップＳ４，Ｓ２８，Ｓ３０に代えてそれぞれステップＳ５，Ｓ２９，Ｓ３１を備える。

ステップＳ２において、バッテリ電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２の絶対値よりも大きいと判断されると、制御装置１０４Ａは、マトリックスコンバータ１０２およびリアクトルＬ２を降圧チョッパ回路として機能させるため、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２をいずれもオフし（ステップＳ５）、ステップＳ６へ進む。一方、ステップＳ２において、バッテリ電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２の絶対値以下であると判断されると、制御装置１０４Ａは、ステップＳ２０へ進み、オン時間Ｔｏｎ２およびオフ時間Ｔｏｆｆ２を算出する。

制御装置１０４Ａは、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ２の期間中（ステップＳ２２でＮＯ）、そのタイミングで出力すべき出力電圧Ｖ２が正であれば（ステップＳ２６でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ１，Ｓ４および双方向スイッチＳｃ１をオンし、双方向スイッチＳ２，Ｓ３および双方向スイッチＳｃ２をオフする（ステップＳ２９）。また、制御装置１０４Ａは、出力すべき出力電圧Ｖ２が負であれば（ステップＳ２６でＮＯ）、双方向スイッチＳ２，Ｓ３および双方向スイッチＳｃ２をオンし、双方向スイッチＳ１，Ｓ４および双方向スイッチＳｃ１をオフする（ステップＳ３１）。

なお、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ２の期間中、制御装置１０４Ａは、双方向スイッチＳ１，Ｓ２をオンし、方向スイッチＳ３，Ｓ４をオフするが（ステップＳ２４）、双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２については、その直前のオフ時間Ｔｏｆｆ２時のスイッチ状態を維持する。これによって、オン時間Ｔｏｎ２の期間中、その直前のオフ時間Ｔｏｆｆ２時に充電されたコンデンサによって出力電圧Ｖ２が保持される。

以上のように、この実施の形態１によれば、昇圧動作が行なわれるとき、双方向スイッチＳｃ１によってコンデンサＣ１が電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続され、リアクトルＬ１、マトリックスコンバータ１０２およびコンデンサＣ１によって昇圧チョッパ回路が構成される。また、降圧動作が行なわれるとき、双方向スイッチＳｃ１によってコンデンサＣ１が電源ラインＬａ，Ｌｂ間から電気的に切離され、マトリックスコンバータ１０２およびリアクトルＬ２によって降圧チョッパ回路が構成される。したがって、電源電圧Ｖ１を昇圧または降圧した任意の出力電圧Ｖ２からなる電力を電気負荷１０６へ出力することができる。

また、実施の形態１の変形例によれば、昇圧動作が行なわれるとき、出力電圧Ｖ２の極性に応じて双方向スイッチＳｃ１，Ｓｃ２が相補的にオンするようにしたので、出力電圧Ｖ２の極性に応じた電荷がコンデンサＣ１，Ｃ２に充電される。したがって、昇圧動作時、出力電圧Ｖ２の極性反転に伴なう遅れを生じることはない。

なお、上記においては、昇圧動作におけるオン時間Ｔｏｎ２の期間中、双方向スイッチＳ１，Ｓ２がオンし、双方向スイッチＳ３，Ｓ４がオフするものとしたが、双方向スイッチＳ３，Ｓ４がオンし、双方向スイッチＳ１，Ｓ２がオフするようにしてもよい。

また、電源ラインＬａ，Ｌｂ間に直列に接続される双方向スイッチＳｃ１およびコンデンサＣ１の接続順は、上記の接続順に限られるものではなく、互いに入れ替えた接続順であってもよい。双方向スイッチＳｃ２およびコンデンサＣ２の接続順についても同様である。

また、上記においては、リアクトルＬ２は、電源ラインＬａに接続されるものとしたが、電源ラインＬｂに接続されてもよい。また、一般的に電気負荷１０６は誘導性となるため、電気負荷１０６に含まれるリアクタンスを利用してリアクトルＬ２を別途設けない構成としてもよい。

また、上記においては、出力電圧Ｖ２は、交流電圧としたが、直流電圧であってもよい。また、電源は、直流電圧を発生するバッテリＢとしたが、交流電源であってもよい。電源が交流電源で構成される場合については、後述する実施の形態２で示される。

［実施の形態２］
実施の形態２では、この発明による電力出力装置がハイブリッド自動車に適用される。

図１１は、この発明による電力出力装置が搭載されたハイブリッド自動車のパワーコントロールユニットの構成を示す電気回路図である。

図１１を参照して、このパワーコントロールユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、以下「ＰＣＵ」とも称する。）１０は、コンバータ３２と、インバータ３４，３６と、マトリックスコンバータ３８と、制御装置４０と、電圧センサ４４，４６と、コンデンサＣ３〜Ｃ５と、抵抗Ｒと、双方向スイッチＳｃ３と、リアクトルＬ４と、コンセントユニットＡＣＵと、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、Ｕ相ラインＬＵ１，ＬＵ２と、Ｖ相ラインＬＶ１，ＬＶ２と、Ｗ相ラインＬＷ１，ＬＷ２とを備える。

このＰＣＵ１０に電力を供給するバッテリＢは、二次電池からなる直流電源である。インバータ３４に接続されるモータジェネレータＭＧ１は、３相交流同期電動発電機であって、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１に接続され、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン（図示せず、以下同じ。）からの動力を交流電力に変換し、その変換した交流電力をＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１へ出力する。インバータ３６に接続されるモータジェネレータＭＧ２は、３相交流同期電動機であって、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２に接続される。モータジェネレータＭＧ２は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２から受ける交流電力によって駆動力を発生する。

コンバータ３２は、パワートランジスタＱ１１，Ｑ１２と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２と、リアクトルＬ３とを含む。コンバータ３２は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、バッテリＢから受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ３２は、インバータ３４から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

インバータ３４は、Ｕ相アーム３４１、Ｖ相アーム３４２およびＷ相アーム３４３を含む。インバータ３４の各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１を介してモータジェネレータＭＧ１の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。インバータ３４は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１へ出力する。また、インバータ３４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１から受ける交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

インバータ３６は、Ｕ相アーム３６１、Ｖ相アーム３６２およびＷ相アーム３６３を含む。インバータ３６の各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２を介してモータジェネレータＭＧ２の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。インバータ３６は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２へ出力する。

コンデンサＣ３は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ２の間に接続され、電圧変動に起因するバッテリＢおよびコンバータ３２に対しての影響を低減する。コンデンサＣ４は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３の間に接続され、電圧変動に起因するインバータ３４，３６およびコンバータ３２に対しての影響を低減する。抵抗Ｒは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３の間に接続される放電抵抗である。

マトリックスコンバータ３８は、双方向スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂと、電源ラインＬＡ〜ＬＣ，Ｌａ，Ｌｂとを含む。電源ラインＬＡ〜ＬＣは、インバータ３４のＵ相ラインＬＵ１，Ｖ相ラインＬＶ１，Ｗ相ラインＬＷ１にそれぞれ接続される。電源ラインＬａは、リアクトルＬ４を介してコンセントユニットＡＣＵの一端に接続される。電源ラインＬｂは、コンセントユニットＡＣＵの他端に接続される。

双方向スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂは、２行３列の行列状に配置される。双方向スイッチＳＡａは、電源ラインＬＡと電源ラインＬａとの間に接続され、双方向スイッチＳＢａは、電源ラインＬＢと電源ラインＬａとの間に接続され、双方向スイッチＳＣａは、電源ラインＬＣと電源ラインＬａとの間に接続される。また、双方向スイッチＳＡｂは、電源ラインＬＡと電源ラインＬｂとの間に接続され、双方向スイッチＳＢｂは、電源ラインＬＢと電源ラインＬｂとの間に接続され、双方向スイッチＳＣｂは、電源ラインＬＣと電源ラインＬｂとの間に接続される。

そして、双方向スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂの各々は、制御装置４０から受ける制御指令に応じてスイッチング動作を行ない、オン状態のときは、対応する２つの電源ライン間で双方向に電流を通流することができる。また、双方向スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂの各々は、オフ状態のときは、対応する２つの電源ラインを電気的に切離す。

双方向スイッチＳｃ３は、コンデンサＣ５と電源ラインＬｂとの間に接続され、制御装置４０からの制御信号に応じてオン／オフ動作を行なう。双方向スイッチＳｃ３は、オン状態のときは、コンデンサＣ５を電源ラインＬｂと電気的に接続し、オフ状態のときは、コンデンサＣ５を電源ラインＬｂから電気的に分離する。コンデンサＣ５は、電源ラインＬａと双方向スイッチＳｃ３との間に接続される。コンデンサＣ５は、双方向スイッチＳｃ３がオンすることによって電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続され、マトリックスコンバータ３８から供給される電荷によって充電される。リアクトルＬ４は、電源ラインＬａに一端が接続され、コンセントユニットＡＣＵの一端に他端が接続される。

上述したモータジェネレータＭＧ１、マトリックスコンバータ３８、コンデンサＣ５、双方向スイッチＳｃ３、およびリアクトルＬ４は、モータジェネレータＭＧ１によって発電された３相交流電圧を商用交流電力Ｖａｂに変換してコンセントユニットＡＣＵへ出力する「電力出力装置」を構成する。この電力出力装置は、モータジェネレータＭＧ１の発電電圧が商用交流電圧Ｖａｂよりも高いとき、その発電電圧を降圧して商用交流電圧Ｖａｂを生成し、その生成した商用交流電圧Ｖａｂを電源ラインＬａ，Ｌｂへ線間電圧として出力する。

また、電力出力装置は、モータジェネレータＭＧ１の発電電圧が商用交流電圧Ｖａｂ以下のとき、モータジェネレータＭＧ１のステータコイルを用いて発電電圧を昇圧することにより商用交流電圧Ｖａｂを生成し、その生成した商用交流電圧Ｖａｂを電源ラインＬａ，Ｌｂへ出力する。すなわち、この電力出力装置は、モータジェネレータＭＧ１が発電する３相交流電圧の電圧レベルに拘わらず、所定の商用交流電圧Ｖａｂを生成して出力することができる。

コンセントユニットＡＣＵは、上述した電力出力装置によって電源ラインＬａ，Ｌｂ間に発生される商用交流電圧Ｖａｂを受けて外部へ出力するためのソケットである。電圧センサ４４は、電源ラインＬａと電源ラインＬｂとの電圧差を検出し、その検出値を制御装置４０へ出力する。また、電圧センサ４６は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１におけるＵ，Ｖ，Ｗ各相電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣをそれぞれ検出し、その検出値を制御装置４０へ出力する。

制御装置４０は、バッテリＢからの直流電圧を昇圧して電源ラインＬ２に供給する昇圧動作をコンバータ３２に行なわせるため、コンバータ３２におけるパワートランジスタＱ１２のスイッチング動作を制御する。また、制御装置４０は、インバータ３４から電源ラインＰＬ２に供給される直流電圧をバッテリ電圧に降圧してバッテリＢを充電するため、コンバータ３２におけるパワートランジスタＱ１１のスイッチング動作を制御する。

さらに、制御装置４０は、バッテリＢから供給される電力に基づいてモータトルク指令に応じたトルクをモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に発生させるため、インバータ３４，３６におけるパワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６，Ｑ３１〜Ｑ３６のスイッチング動作を制御する。また、さらに、制御装置４０は、モータジェネレータＭＧ１によって発生された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、インバータ３４におけるパワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６のスイッチング動作を制御する。

また、さらに、制御装置４０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣの検出値を電圧センサ４６から受け、モータジェネレータＭＧ１によって発電された３相交流電圧を商用交流電圧Ｖａｂに変換してコンセントユニットＡＣＵに供給するため、マトリックスコンバータ３８における双方向スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂのスイッチング動作を制御する。

また、さらに、制御装置４０は、モータジェネレータＭＧ１の発電電圧が商用交流電圧Ｖａｂの絶対値以下のときは、双方向スイッチＳｃ３をオンさせてコンデンサＣ５を電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続させる。一方、制御装置１０４は、モータジェネレータＭＧ１の発電電圧が商用交流電圧Ｖａｂよりも高いときは、双方向スイッチＳｃ３をオフさせてコンデンサＣ５を電源ラインＬａ，Ｌｂ間から電気的に分離させる。

なお、上記において、モータジェネレータＭＧ１は、「電源装置」を構成する。

このＰＣＵ１０においては、コンバータ３２は、バッテリＢからの直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。インバータ３４，３６は、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２をそれぞれ駆動する。また、インバータ３４は、モータジェネレータＭＧ１によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給し、コンバータ３２は、電源ラインＰＬ２からの直流電圧を降圧してバッテリＢに供給する。

さらに、このＰＣＵ１０においては、モータジェネレータＭＧ１、マトリックスコンバータ３８、コンデンサＣ５、双方向スイッチＳｃ３、およびリアクトルＬ４によって構成される電力出力装置は、モータジェネレータＭＧ１によって発電された３相交流電圧をその電圧レベルに拘わらず商用交流電圧Ｖａｂに変換し、その変換した商用交流電圧ＶａｂをコンセントユニットＡＣＵへ出力する。

図１２は、図１１に示した電力出力装置によって商用交流電圧Ｖａｂが出力される際の制御装置４０の動作フローチャートである。

図１２を参照して、制御装置４０は、所定のサンプリングタイミングになると、電圧センサ４６によって検出されたＵ，Ｖ，Ｗ各相電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣを電圧センサ４６から受ける（ステップＳ１０２）。そして、制御装置４０は、検出されたＵ，Ｖ，Ｗ各相電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣから最大電圧Ｖｍａｘおよび最小電圧Ｖｍｉｎを下式によって算出する（ステップＳ１０４）。

ここで、ｍａｘ（ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ）は、ＶＡ，ＶＢ，ＶＣのうちの最大値を表し、ｍｉｎ（ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ）は、ＶＡ，ＶＢ，ＶＣのうちの最小値を表す。

最大電圧Ｖｍａｘおよび最小電圧Ｖｍｉｎが算出されると、制御装置４０は、最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差が、このタイミングで出力すべき商用交流電圧Ｖａｂの絶対値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差が出力すべき商用交流電圧Ｖａｂの絶対値よりも大きいと判定されると、制御装置４０は、最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差から商用交流電圧Ｖａｂを生成するための降圧制御を行なう（ステップＳ１０８）。

一方、ステップＳ１０６において、最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差が出力すべき商用交流電圧Ｖａｂの絶対値以下であると判定されると、制御装置４０は、最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差から商用交流電圧Ｖａｂを生成するための昇圧制御を行なう（ステップＳ１１０）。

図１３は、図１２に示した降圧制御のフローチャートである。

図１３を参照して、制御装置４０は、マトリックスコンバータ３８およびリアクトルＬ４を降圧チョッパ回路として機能させるため、双方向スイッチＳｃ３をオフする（ステップＳ１１２）。そして、制御装置４０は、キャリア周期Ｔｃにおけるオン時間Ｔｏｎ１（Ｔｏｎ１＜Ｔｃ）およびオフ時間Ｔｏｆｆ１を下式に基づいて算出する（ステップＳ１１４）。

続いて、制御装置４０は、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ１の期間中（ステップＳ１１６でＹＥＳ）、そのタイミングで出力すべき商用交流電圧Ｖａｂが正であれば（ステップＳ１１８でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ［δ（Ｖｍａｘ）ａ］，Ｓ［δ（Ｖｍｉｎ）ｂ］をオンし、マトリックスコンバータ３８におけるその他の双方向スイッチをオフする（ステップＳ１２０）。ここで、Ｓ［Ｘｙ］は、双方向スイッチＳＸｙ（ＸはＡ，Ｂ，Ｃのいずれかであり、ｙはａ，ｂのいずれかである。）を表わす。また、制御装置４０は、出力する商用交流電圧Ｖａｂが負であれば（ステップＳ１１８でＮＯ）、双方向スイッチＳ［δ（Ｖｍｉｎ）ａ］，Ｓ［δ（Ｖｍａｘ）ｂ］をオンし、マトリックスコンバータ３８におけるその他の双方向スイッチをオフする（ステップＳ１２２）。

一方、制御装置４０は、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ１の期間中（ステップＳ１１６でＮＯ）、双方向スイッチＳＡａ，ＳＡｂをオンし、双方向スイッチＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂをオフする（ステップＳ１２４）。これにより、電源ラインＬａ，Ｌｂが短絡され、リアクトルＬ４によって循環電流が流される。

以上のようにして、最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎとの電圧差を（１５）式で示されるデューティ比で降圧した商用交流電圧Ｖａｂが生成される。

図１４は、図１２に示した昇圧制御のフローチャートである。

図１４を参照して、制御装置４０は、モータジェネレータＭＧ１、マトリックスコンバータ３８およびコンデンサＣ５を昇圧チョッパ回路として機能させるため、双方向スイッチＳｃ３をオンする（ステップＳ１３２）。そして、制御装置４０は、キャリア周期Ｔｃにおけるオン時間Ｔｏｎ２（Ｔｏｎ２＜Ｔｃ）およびオフ時間Ｔｏｆｆ２を下式に基づいて算出する（ステップＳ１３４）。

続いて、制御装置４０は、キャリア周期Ｔｃにおいてオン時間Ｔｏｎ２の期間中（ステップＳ１３６でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ［δ（Ｖｍａｘ）ａ］，Ｓ［δ（Ｖｍｉｎ）ａ］をオンし、マトリックスコンバータ３８におけるその他の双方向スイッチをオフする（ステップＳ１３８）。これにより、モータジェネレータＭＧ１とマトリックスコンバータ３８との間で閉回路が構成され、モータジェネレータＭＧ１のコイルに磁場エネルギーが蓄積される。

一方、制御装置４０は、キャリア周期Ｔｃにおいてオフ時間Ｔｏｆｆ２の期間中（ステップＳ１３６でＮＯ）、そのタイミングで出力する商用交流電圧Ｖａｂが正であれば（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、双方向スイッチＳ［δ（Ｖｍａｘ）ａ］，Ｓ［δ（Ｖｍｉｎ）ｂ］をオンし、マトリックスコンバータ３８におけるその他の双方向スイッチをオフする（ステップＳ１４２）。また、制御装置４０は、出力する商用交流電圧Ｖａｂが負であれば（ステップＳ１４０でＮＯ）、双方向スイッチＳ［δ（Ｖｍｉｎ）ａ］，Ｓ［δ（Ｖｍａｘ）ｂ］をオンし、マトリックスコンバータ３８におけるその他の双方向スイッチをオフする（ステップＳ１４４）。

これにより、モータジェネレータＭＧ１のコイルに蓄積されたエネルギーが放出され、昇圧された商用交流電圧Ｖａｂが電源ラインＬａ，Ｌｂを介してコンセントユニットＡＣＵへ出力される。

以上のように、この実施の形態２によれば、モータジェネレータＭＧ１の発電電圧が出力電圧である商用交流電圧Ｖａｂ以下のとき、双方向スイッチＳｃ３によってコンデンサＣ５が電源ラインＬａ，Ｌｂ間に電気的に接続され、モータジェネレータＭＧ１、マトリックスコンバータ３８およびコンデンサＣ５によって昇圧チョッパ回路が構成される。また、モータジェネレータＭＧ１の発電電圧が商用交流電圧Ｖａｂよりも高いときは、双方向スイッチＳｃ３によってコンデンサＣ５が電源ラインＬａ，Ｌｂ間から電気的に切離され、マトリックスコンバータ３８およびリアクトルＬ４によって降圧チョッパ回路が構成される。したがって、モータジェネレータＭＧ１による発電電圧の高低に拘わらず、モータジェネレータＭＧ１によって発電された３相交流電力を商用交流電力に変換して外部へ出力することができる。

また、この実施の形態２によれば、出力する商用交流電圧Ｖａｂを生成するのにモータジェネレータＭＧ１の最大電圧Ｖｍａｘおよび最小電圧Ｖｍｉｎの電圧差を用いるようにしたので、昇圧動作時の昇圧率を抑えることができ、その結果、負荷側に設けられるコンデンサＣ５を小さくすることができる。

なお、上記の実施の形態２においては、マトリックスコンバータをモータジェネレータに接続することによって電力出力装置を構成する場合を示したが、マトリックスコンバータをＰＣＵ１０の直流ライン（電源ラインＰＬ１，ＰＬ３または電源ラインＰＬ２，ＰＬ３）に接続することによって電力出力装置を構成することもできる。

また、上記の実施の形態２においては、この発明による電力出力装置が搭載される車両としてハイブリッド自動車の場合を代表的に例示して説明したが、この発明の適用範囲は、ハイブリッド自動車に限られるものではなく、電気自動車や燃料電池車、電車などにおいてもこの発明を適用することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による電力出力装置の構成を示す電気回路図である。 図１に示す双方向スイッチの構成を示す回路図である。 図１に示す双方向スイッチの他の構成を示す回路図である。 図１に示す制御装置の動作フローチャートである。 この実施の形態１による電力出力装置が降圧動作を行なうときの第１の電流の流れを示した回路図である。 この実施の形態１による電力出力装置が降圧動作を行なうときの第２の電流の流れを示した回路図である。 この実施の形態１による電力出力装置が昇圧動作を行なうときの第１の電流の流れを示した回路図である。 この実施の形態１による電力出力装置が昇圧動作を行なうときの第２の電流の流れを示した回路図である。 この発明の実施の形態１の変形例による電力出力装置の構成を示す電気回路図である。 図９に示す制御装置の動作フローチャートである。 この発明による電力出力装置が搭載されたハイブリッド自動車のＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 図１１に示す電力出力装置によって商用交流電圧が出力される際の制御装置の動作フローチャートである。 図１２に示す降圧制御のフローチャートである。 図１２に示す昇圧制御のフローチャートである。

符号の説明

１０ ＰＣＵ、３２ コンバータ、３４，３６ インバータ、３８，１０２ マトリックスコンバータ、４０，１０４，１０４Ａ 制御装置、４４，４６ 電圧センサ、６２，６４，７４，７６，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ２１〜Ｑ２６，Ｑ３１〜Ｑ３６ パワートランジスタ、６６，６８，Ｄ２１〜Ｄ２６，Ｄ３１〜Ｄ３６ ダイオード、７０，７２ 端子、１００，１００Ａ 電力出力装置、１０６ 電気負荷、Ｂ バッテリ、Ｃ１〜Ｃ５ コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ４ リアクトル、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓｃ１，Ｓｃ２，ＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂ 双方向スイッチ、ＬＡ〜ＬＣ，Ｌａ，Ｌｂ，ＰＬ１〜ＰＬ３ 電源ライン、Ｒ 抵抗、３４１，３６１ Ｕ相アーム、３４２，３６２ Ｖ相アーム、３４３，３６３ Ｗ相アーム、ＬＵ１，ＬＵ２ Ｕ相ライン、ＬＶ１，ＬＶ２ Ｖ相ライン、ＬＷ１，ＬＷ２ Ｗ相ライン、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＡＣＵ コンセントユニット。

Claims (10)

1. 一定のインダクタンスを有する電源装置と、
   前記電源装置によって発電された電力を所望の電圧および周波数に変換して電気負荷へ出力するマトリックスコンバータと、
   前記電気負荷を前記マトリックスコンバータと接続する対の出力ライン間に直列に接続されるコンデンサおよびスイッチとを備え、
   前記スイッチは、前記マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうときオンし、前記マトリックスコンバータが降圧動作を行なうときオフする、電力出力装置。
2. 前記マトリックスコンバータは、複数の双方向スイッチを含み、
   前記昇圧動作時、前記複数の双方向スイッチは、所定の周期における、昇圧率に応じた第１の期間、前記電源装置を前記マトリックスコンバータと接続する対の電源ラインを互いに電気的に接続し、かつ、前記所定の周期における前記第１の期間以外の第２の期間、前記対の電源ラインを前記対の出力ラインと電気的に接続するように、スイッチング動作を行なう、請求項１に記載の電力出力装置。
3. 前記マトリックスコンバータは、複数の双方向スイッチを含み、
   前記降圧動作時、前記複数の双方向スイッチは、降圧率に応じたデューティ比でスイッチング動作を行なう、請求項１に記載の電力出力装置。
4. 前記対の出力ラインの少なくとも一方に設けられるコイルをさらに備える、請求項３に記載の電力出力装置。
5. 前記対の出力ライン間に直列に接続されるもう１つのコンデンサおよびもう１つのスイッチをさらに備え、
   前記マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうとき、前記マトリックスコンバータから前記対の出力ラインに出力される出力電圧の極性に応じて前記スイッチおよび前記もう１つのスイッチのいずれか一方がオンし、
   前記マトリックスコンバータが降圧動作を行なうとき、前記スイッチおよび前記もう１つのスイッチの各々はオフする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力出力装置。
6. 前記電源装置は、直流電源を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力出力装置。
7. 前記電源装置は、交流電源を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力出力装置。
8. 前記電源装置は、発電機である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力出力装置。
9. バッテリと、
   ｍ相（ｍは２以上の自然数）交流電力を発電するｍ相交流発電機と、
   前記バッテリと前記ｍ相交流発電機との間に設けられるインバータと、
   前記ｍ相交流発電機を前記インバータと接続する電力ラインに接続され、前記ｍ相交流発電機によって発電された交流電力を所望の電圧および周波数に変換して外部へ出力するマトリックスコンバータと、
   前記マトリックスコンバータを外部と接続する対の出力ライン間に直列に接続されるコンデンサおよびスイッチとを備え、
   前記スイッチは、前記マトリックスコンバータが昇圧動作を行なうときオンし、前記マトリックスコンバータが降圧動作を行なうときオフする、車両。
10. 前記マトリックスコンバータは、前記ｍ相交流発電機によって発電される交流電力を商用交流電力に変換して外部へ出力する、請求項９に記載の車両。

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