JP2015173541A - 電力変換装置及びその起動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ポートに接続されたキャパシタに流れる突入電流を抑制できる、電力変換装置及びその起動方法の提供。
【解決手段】変圧器と、前記変圧器の１次側に設けられた１次側フルブリッジ回路と、前記１次側フルブリッジ回路に接続された第１のポートと、前記変圧器の１次側センタータップに接続された第２のポートと、前記変圧器の２次側に設けられた２次側フルブリッジ回路と、前記２次側フルブリッジ回路に接続された第３のポートと、前記第２のポートの電力を昇圧して前記第１のポートに昇圧後の電力を出力する時に前記１次側フルブリッジ回路から変圧器を介して前記２次側フルブリッジ回路に伝送される伝送電力で、前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する場合、前記２次側フルブリッジ回路の上アームを活性領域で動作させる制御部とを備える、電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のポート間で電力を変換する技術に関する。
従来、複数の入出力ポート間で電力を変換する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この電力変換装置では、少なくとも一つのポートにキャパシタが接続されている。
特開２０１１−１９３７１３号公報
しかしながら、ポートに接続されたキャパシタがほとんど充電されていない状態で、ポートに電源が接続されると、キャパシタに流れる突入電流が過大になるおそれがある。
そこで、ポートに接続されたキャパシタに流れる突入電流を抑制できる、電力変換装置及びその起動方法の提供を目的とする。
一つの案では、
変圧器と、
前記変圧器の１次側に設けられた１次側フルブリッジ回路と、
前記１次側フルブリッジ回路に接続された第１のポートと、
前記変圧器の１次側センタータップに接続された第２のポートと、
前記変圧器の２次側に設けられた２次側フルブリッジ回路と、
前記２次側フルブリッジ回路に接続された第３のポートと、
前記第２のポートの電力を昇圧して前記第１のポートに昇圧後の電力を出力する時に前記１次側フルブリッジ回路から変圧器を介して前記２次側フルブリッジ回路に伝送される伝送電力で、前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する場合、前記２次側フルブリッジ回路の上アームを活性領域で動作させる制御部とを備える、電力変換装置が提供される。
一態様によれば、ポートに接続されたキャパシタに流れる突入電流を抑制できる。
電力変換装置の構成例を示した図 制御部の構成例を示したブロック図 １次側回路及び２次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート 電力変換装置の起動方法の一例を示すフローチャート 電力変換装置の起動時の動作の一例を示すタイミングチャート キャパシタを充電する電流の向きと経路の一例を矢印で示す図 キャパシタを充電する電流の向きと経路の一例を矢印で示す図 キャパシタを充電する電流の向きと経路の一例を矢印で示す図 デューティ比が漸増する一例を示すタイミングチャート 上アームのダイオードが対向配置された構成の一例を示す図 下アームのダイオードが対向配置された構成の一例を示し図 アームの活性領域での動作が中断する場合の一例を示すタイミングチャート
＜電源装置１０１の構成＞
図１は、電力変換装置の一実施形態である電源装置１０１の構成例を示したブロック図である。電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。電源装置１０１は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。電源装置１０１は、エンジンを走行駆動源とする車両に搭載されてもよい。
電源装置１０１は、例えば、１次側高電圧系負荷６１ａが接続される第１入出力ポート６０ａと、１次側低電圧系負荷６１ｃ及び１次側低電圧系電源６２ｃが接続される第２入出力ポート６０ｃとを、１次側ポートとして有している。１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷６１ｃに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源６２ｃは、例えば、１次側低電圧系電源６２ｃと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷６１ａに、電源回路１０に構成される１次側変換回路２０によって昇圧された電力を供給する。１次側低電圧系電源６２ｃの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。
電源装置１０１は、例えば、２次側高電圧系負荷６１ｂ及び２次側高電圧系電源６２ｂが接続される第３入出力ポート６０ｂと、２次側低電圧系負荷６１ｄ及び２次側低電圧系電源６２ｄが接続される第４入出力ポート６０ｄとを、２次側ポートとして有している。２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに電力を供給する。また、２次側高電圧系電源６２ｂは、例えば、２次側高電圧系電源６２ｂと異なる電圧系（例えば、２８８Ｖ系よりも低い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって降圧された電力を供給する。２次側高電圧系電源６２ｂの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
２次側低電圧系電源６２ｄは、２次側低電圧系電源６２ｄと同じ電圧系（例えば、７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに電力を供給する。また、２次側低電圧系電源６２ｄは、例えば、２次側低電圧系電源６２ｄよりも高い電圧系（例えば、２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって昇圧された電力を供給する。２次側低電圧系電源６２ｄの具体例として、ソーラー電源（ソーラー発電装置）、商用交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ、二次電池などが挙げられる。
電源回路１０は、上述の４つの入出力ポートを有し、それらの４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートが選択され、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。なお、電源回路１０を備えた電源装置１０１は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な装置でもよい。例えば、電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄが無い３つの入出力ポートを有する回路でもよい。
ポート電力Ｐａ，Ｐｃ，Ｐｂ，Ｐｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｂ，Ｖｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。ポート電流Ｉａ，Ｉｃ，Ｉｂ，Ｉｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電流（入力電流又は出力電流）である。
電源回路１０は、第１入出力ポート６０ａに接続されて設けられるキャパシタＣ１と、第２入出力ポート６０ｃに接続されて設けられるキャパシタＣ３と、第３入出力ポート６０ｂに接続されて設けられるキャパシタＣ２と、第４入出力ポート６０ｄに接続されて設けられるキャパシタＣ４とを備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。
キャパシタＣ１は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ３は、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ２は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。キャパシタＣ４は、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。
キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、電源回路１０の内部に設けられてもよいし、電源回路１０の外部に設けられてもよい。
電源回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成された電力変換回路である。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、１次側磁気結合リアクトル２０４及び２次側磁気結合リアクトル３０４を介して接続され、且つ、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃから構成される１次側ポートと、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄから構成される２次側ポートとは、変圧器４００を介して接続されている。
１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート６０ａと、第２入出力ポート６０ｃとを含んで構成された１次側回路である。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側に設けられている。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成された１次側電力変換部である。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオード（寄生ダイオード）とを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。図１には、ダイオード８１，８２，８３，８４が例示されている。
１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。１次側第１アーム回路２０７は、１次側第１上アームＵ１及び１次側第１下アーム／Ｕ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第１電力変換回路部（１次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。１次側第２アーム回路２１１は、１次側第２上アームＶ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第２電力変換回路部（１次側Ｖ相電力変換回路部）である。
１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、１次側第１リアクトル２０４ａと結合係数ｋ１で磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。
中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。
第１入出力ポート６０ａは、１次側フルブリッジ回路２００に接続され、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。第２入出力ポート６０ｃは、変圧器４００の１次側のセンタータップ２０２ｍに接続され、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。
センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。
２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート６０ｂと、第４入出力ポート６０ｄとを含んで構成された２次側回路である。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側に設けられている。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成された２次側電力変換部である。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオード（寄生ダイオード）とを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。図１には、ダイオード８５，８６，８７，８８が例示されている。
２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。２次側第１アーム回路３０７は、２次側第１上アームＵ２及び２次側第１下アーム／Ｕ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第１電力変換回路部（２次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。２次側第２アーム回路３１１は、２次側第２上アームＶ２及び２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第２電力変換回路部（２次側Ｖ相電力変換回路部）である。
２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、２次側第１リアクトル３０４ａと結合係数ｋ２で磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。
中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。
第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００に接続され、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。第４入出力ポート６０ｄは、変圧器４００の２次側のセンタータップ３０２ｍに接続され、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。
センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。
図１において、電源装置１０１は、センサ部７０を備えている。センサ部７０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Ｙに対応する検出値Ｙｄを制御部５０に対して出力する検出手段である。検出値Ｙｄは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部７０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電圧Ｖａと入出力電圧Ｖｃの少なくとも一方の検出電圧を１次側電圧検出値として出力する１次側電圧検出部と、入出力電圧Ｖｂと入出力電圧Ｖｄの少なくとも一方の検出電圧を２次側電圧検出値として出力する２次側電圧検出部とを有している。
センサ部７０の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部５０に対して出力する電圧検出回路とを有している。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電流Ｉａと入出力電流Ｉｃの少なくとも一方の検出電流を１次側電流検出値として出力する１次側電流検出部と、入出力電流Ｉｂと入出力電流Ｉｄの少なくとも一方の検出電流を２次側電流検出値として出力する２次側電流検出部とを有している。
センサ部７０の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部５０に対して出力する電流検出回路とを有している。
電源装置１０１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部５０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙの検出値Ｙｄが、該ポートに設定された目標値Ｙｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Ｙｏは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷（例えば、１次側低電圧系負荷６１ｃ等）毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Ｙｏは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。
また、制御部５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐが、設定された目標伝送電力Ｐｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力は、指令伝送電力とも呼ばれる。
制御部５０は、所定の制御パラメータＸの値を変化させることによって、電源回路１０で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路１０の第１乃至第４の各入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄにおける入出力値Ｙを調整できる。主な制御パラメータＸとして、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）の２種類の制御変数が挙げられる。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。デューティ比Ｄ（オン時間δ）は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比（オン時間）である。
これらの２つの制御パラメータＸは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部５０は、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）を用いた１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００のデューティ比制御及び／又は位相制御によって、電源回路１０の各入出力ポートにおける入出力値Ｙを変化させる。
図２は、制御部５０のブロック図である。制御部５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
電力変換モード決定処理部５０２は、例えば、所定の外部信号（例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差を表す信号）に基づいて、次に述べる電源回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＡと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＢと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＣがある。
そして、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＤと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＥと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＦがある。
さらに、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＧと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＨと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＩがある。
それから、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＪと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＫと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＬがある。
位相差φ決定処理部５０４は、電源回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
＜電源装置１０１の動作＞
上記電源装置１０１の動作について、図１及び図２を用いて説明する。例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート６０ｃに入力された電力が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電力が電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート６０ｂ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポート６０ｄから出力される。
ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート６０ｃと第１入出力ポート６０ａについて着目すると、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側第１リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側第２リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート６０ｄの端子６２２と第３入出力ポート６０ｂとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。
次に、電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート６０ａと第３入出力ポート６０ｂについて着目すると、第１入出力ポート６０ａには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが結合係数ｋＴで磁気結合することで、変圧器４００が巻き数１：Ｎのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂに伝送させ、あるいは、第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａに伝送させることができる。
図３は、制御部５０の制御によって、電源回路１０に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図３において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図３において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比が互いに等しくなるように、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくする（各オン時間δ＝１次側オン時間δ１１＝２次側オン時間δ１２＝時間値α）。
１次側変換回路２０の昇降圧比は、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。同様に、２次側変換回路３０の昇降圧比は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。１次側変換回路２０の昇降圧比は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の変圧比であり、２次側変換回路３０の昇降圧比は、第３入出力ポート６０ｂと第４入出力ポート６０ｄとの間の変圧比である。
したがって、例えば、
１次側変換回路２０の昇降圧比
＝第２入出力ポート６０ｃの電圧／第１入出力ポート６０ａの電圧
＝δ１１／Ｔ＝α／Ｔ
２次側変換回路３０の昇降圧比
＝第４入出力ポート６０ｄの電圧／第３入出力ポート６０ｂの電圧
＝δ１２／Ｔ＝α／Ｔ
と表される。つまり、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比は互いに同じ値（＝α／Ｔ）である。
なお、図３のオン時間δは、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１のオン時間δ１１を表すとともに、２次側第１上アームＵ２及び２次側第２上アームＶ２のオン時間δ１２を表す。また、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。
また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。Ｕ１とＶ１との位相差は、タイミングｔ２とタイミングｔ６との間の時間差であり、Ｕ２とＶ２との位相差は、タイミングｔ１とタイミングｔ５との間の時間差である。
さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φｕと、Ｖ１とＶ２の位相差φｖとの少なくとも一方を変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間で伝送される伝送電力Ｐを調整することができる。位相差φｕは、タイミングｔ１とタイミングｔ２との間の時間差であり、位相差φｖは、タイミングｔ５とタイミングｔ６との間の時間差である。
制御部５０は、位相差φｕ及び位相差φｖを調整して、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐを制御する制御部の一例である。
位相差φｕは、１次側第１アーム回路２０７のスイッチングと２次側第１アーム回路３０７のスイッチングとの間の時間差である。例えば、位相差φｕは、１次側第１上アームＵ１のターンオンのタイミングｔ２と２次側第１上アームＵ２のターンオンのタイミングｔ１との間の差である。１次側第１アーム回路２０７のスイッチングと２次側第１アーム回路３０７のスイッチングは、制御部５０によって互いに同相で（すなわち、Ｕ相で）制御される。同様に、位相差φｖは、１次側第２アーム回路２１１のスイッチングと２次側第２アーム回路３１１のスイッチングとの間の時間差である。例えば、位相差φｖは、１次側第２上アームＶ１のターンオンのタイミングｔ６と２次側第２上アームＶ２のターンオンのタイミングｔ５との間の差である。１次側第２アーム回路２１１のスイッチングと２次側第２アーム回路３１１のスイッチングは、制御部５０によって互いに同相で（すなわち、Ｖ相で）制御される。
位相差φｕ＞０又は位相差φｖ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送電力Ｐを伝送し、位相差φｕ＜０又は位相差φｖ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送電力Ｐを伝送することができる。つまり、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間において、上アームが先にオンした電力変換回路部を備えるフルブリッジ回路から、上アームが後にオンした電力変換回路部を備えるフルブリッジ回路に、伝送電力Ｐが伝送される。
例えば、図３の場合、２次側第１上アームＵ２のターンオンのタイミングｔ１が１次側第１上アームＵ１のターンオンのタイミングｔ２よりも先である。したがって、２次側第１上アームＵ２を有する２次側第１アーム回路３０７を備える２次側フルブリッジ回路３００から、１次側第１上アームＵ１を有する１次側第１アーム回路２０７を備える１次側フルブリッジ回路２００に、伝送電力Ｐが伝送される。同様に、２次側第２上アームＶ２のターンオンのタイミングｔ５が１次側第２上アームＶ１のターンオンのタイミングｔ６よりも先である。したがって、２次側第２上アームＶ２を有する２次側第２アーム回路３１１を備える２次側フルブリッジ回路３００から、１次側第２上アームＶ１を有する１次側第２アーム回路２１１を備える１次側フルブリッジ回路２００に、伝送電力Ｐが伝送される。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。例えば、位相差φｕは、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７との対応する相間でのスイッチングタイミングのずれであり、位相差φｖは、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１との対応する相間でのスイッチングタイミングのずれである。
制御部５０は、通常、位相差φｕと位相差φｖとを互いに等しくしたまま制御するが、伝送電力Ｐに要求される精度が満たされる範囲内で、位相差φｕと位相差φｖとを互いにずらして制御してもよい。すなわち、位相差φｕと位相差φｖは、通常、互いに同じ値に制御されるが、伝送電力Ｐに要求される精度が満たされれば、互いに異なる値に制御されてもよい。
したがって、例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート６０ｃに入力された電力を昇圧して第１入出力ポート６０ａに昇圧後の電力を出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を降圧して第４入出力ポート６０ｄに降圧後の電力を出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を昇圧して所望の電力伝送量Ｐで第３入出力ポート６０ｂに伝送するための位相差φを設定する。
１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
制御部５０により位相差φに応じて調整される伝送電力Ｐ（電力伝送量Ｐともいう）は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器４００を介して送られる電力であり、
Ｐ＝（Ｎ×Ｖａ×Ｖｂ）／（π×ω×Ｌ）×Ｆ（Ｄ，φ）
・・・式１
で表される。
なお、Ｎは、変圧器４００の巻き数比、Ｖａは、第１入出力ポート６０ａの入出力電圧、Ｖｂは、第３入出力ポート６０ｂの入出力電圧である。πは、円周率、ω（＝２π×ｆ＝２π／Ｔ）は、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチングの角周波数である。ｆは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周波数、Ｔは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周期、Ｌは、磁気結合リアクトル２０４，３０４と変圧器４００の電力伝送に関わる等価インダクタンスである。Ｆ（Ｄ，φ）は、デューティ比Ｄと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Ｄに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。デューティ比Ｄ及び位相差φは、所定の上下限値に挟まれた範囲内で変化するように設計された制御パラメータである。
制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち少なくとも一つの所定のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、当該所定のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを変化させることにより伝送電力Ｐを調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
例えば、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先である片方のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、伝送電力Ｐの伝送先のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを上昇変化させることにより伝送電力Ｐを増加方向に調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
＜電力変換装置の起動方法＞
図４は、電源装置１０１を起動する方法の一例を示すフローチャートである。制御部５０は、図４に示される手順にて、各ポートのキャパシタを所定の規定値（例えば、満充電レベル）まで充電してから、電源回路１０の周辺の電源を各ポートに接続させることによって、電源回路１０の周辺の電源から各キャパシタに流れる突入電流を抑制できる。
図５は、図４に示される起動方法で電源装置１０１を起動させた時の電源装置１０１の動作の一例を示すタイミングチャートである。図５の時間軸上に示されたＳ１０，Ｓ２０，Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ５０は、図４の各ステップＳ１０，Ｓ２０，Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ５０が実行されるタイミングに対応する。図５において、Ｕ１等の８つのパルス波形は、上アームＵ１等の各アームのオンオフ波形を示し、Ｖａ（Ｃ１），Ｖｂ（Ｃ２），Ｖｄ（Ｃ４）は、それぞれ、ポート電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｄの電圧波形を示す。ポート電圧Ｖａは、ポート６０ａの電圧であり、キャパシタＣ１の電圧に等しい。ポート電圧Ｖｂは、ポート６０ｂの電圧であり、キャパシタＣ２の電圧に等しい。ポート電圧Ｖｄは、ポート６０ｄの電圧であり、キャパシタＣ４の電圧に等しい。
図４のステップＳ１０において、図６に示されるように、制御部５０は、ポート６０ｃに接続される電源６２ｃからポート６０ｃに入力される電力Ｐｃで、ポート６０ａに接続されたキャパシタＣ１をセンタータップ２０２ｍ経由で充電する。制御部５０は、ステップＳ１０でキャパシタＣ１を充電する場合、上アームＵ１と上アームＶ１の少なくとも一つを活性領域で動作させることによって、電源６２ｃからセンタータップ２０２ｍを介してキャパシタＣ１に流れる突入電流の大きさを抑制できる。
活性領域（「能動領域」と呼ばれることもある）とは、スイッチング素子のゲート電圧がゲート閾値電圧以上所定の電圧値Ｖｔｈ以下の範囲で、スイッチング素子が所定の抵抗値ＲＴ以上で導通する動作領域である。所定の電圧値Ｖｔｈとは、電源装置１０１の起動完了後の定常時のゲート電圧よりも低い電圧値であり、例えば、スイッチング素子が飽和領域に到達する前のミラー期間の電圧値である。
スイッチング素子が活性領域で動作しているとき、スイッチング素子は抵抗値ＲＴ以上で導通している状態である。活性領域は、スイッチング素子のオン状態とオフ状態の中間の状態を表すハーフオン状態と呼ばれることもある。活性領域は、ゲート電圧又はベース電流が増加するにつれて、スイッチング素子の抵抗値が線形的に減少し、スイッチング素子に流れる電流が線形的に増加する増幅動作領域を含んでいる。
つまり、制御部５０は、電源装置１０１の起動時においてキャパシタを充電する極短期間に、スイッチング素子のゲート電圧又はベース電流を活性領域で動作させる値に調整することにより、そのスイッチング素子を抵抗値可変の電流制限抵抗として機能させる。
なお、スイッチング素子の抵抗分又はスイッチング素子を流れる電流の狙い値、言い換えればゲート電圧又はベース電流の狙い値は、例えば、活性領域で動作するスイッチング素子の発熱を考慮して、スイッチング素子の耐熱仕様や許容電流量に応じて決められるとよい。具体的には、ゲート電圧又はベース電流の狙い値は、スイッチング素子の消費電力及びスイッチング素子のパッケージの熱抵抗などから見積もられた温度が耐熱仕様温度以下になるように決められるとよい。
したがって、図６において、電源６２ｃからセンタータップ２０２ｍを介してキャパシタＣ１に供給される充電電流は、活性領域で動作する上アームＵ１又はＶ１を経由することにより抑制される。よって、上アームＵ１と上アームＶ１の少なくとも一つが活性領域で動作することにより、電源６２ｃからセンタータップ２０２ｍを介してキャパシタＣ１に流れる突入電流の大きさを抑制できる。
図５及び図６は、タイミングｔ１１からタイミングｔ１２までのステップＳ１０において、制御部５０が、上アームＵ１のみを活性領域で動作させ、上アームＶ１等の残りの７つのアームを全てオフさせた場合を示す。制御部５０が上アームＵ１のみを活性領域で動作させることによって、図６に示されるように、電源６２ｃからセンタータップ２０２ｍを介してキャパシタＣ１に供給される充電電流は、巻線２０２ａ，リアクトル２０４ａ及び上アームＵ１を経由する経路で流れる。
制御部５０は、ステップＳ１０で、上アームＵ１と上アームＶ１の両方を活性領域で動作させてもよい。上アームＵ１と上アームＶ１の両方が活性領域で動作することにより、キャパシタＣ１を充電する時間を電流制限しながら短縮できる。よって、キャパシタＣ１の突入電流を抑えつつ、電源装置１０１の起動が完了するまでの時間を短縮できる。
なお、上アームＵ１，Ｖ１にダイオード８１，８３が無い構成の方が、キャパシタＣ１の突入電流を抑制する点で効果的である。しかしながら、制御部５０は、上アームＵ１，Ｖ１にダイオード８１，８３がある構成でも、上アームＵ１又は上アームＶ１を活性領域で動作させることにより、キャパシタＣ１の突入電流を抑制してもよい。上アームＵ１，Ｖ１にダイオード８１，８３がある構成の好適な例については、後述する。
また、図１において、電源６２ｃとポート６０ｃの端子６１６との間には、スイッチ９３が挿入されているが、スイッチ９３は無くてもよい。スイッチ９３は、電源６２ｃとポート６０ｃとの間での電力の入出力を許否する手段の一例であり、例えば、スイッチ９３が制御部５０によりオンされると、電力の入出力が許可され、スイッチ９３が制御部５０によりオフされると、電力の入出力が禁止される。制御部５０は、例えば、電源装置１０１の起動開始タイミングｔ１１（図５参照）よりも前にスイッチ９３をオンする。
図４のステップＳ２０において、制御部５０は、ポート電圧Ｖａが所定の規定値Ｘ１以上と検出されるまでキャパシタＣ１が充電されているか否かを判定する。規定値Ｘ１は、例えば、センサ部７０により検出されたポート電圧Ｖｃの検出値であり、電源６２ｃの電源電圧（例えば、１２Ｖ）にほぼ等しい閾値である。
制御部５０は、ポート電圧Ｖａが規定値Ｘ１以上であるとセンサ部７０により検出されるまで、ステップＳ１０の処理を継続し、ポート電圧Ｖａが規定値Ｘ１以上であるとセンサ部７０により検出されたとき、ステップＳ３０の処理を行う。
図４のステップＳ３０において、制御部５０は、ポート電圧Ｖａが規定値Ｘ１から所定の規定値Ｘ２まで上昇するように１次側フルブリッジ回路２００の４つのアームを制御すると同時に、伝送電力Ｐが２次側フルブリッジ回路３００に伝送されるように２次側フルブリッジ回路３００の４つのアームを制御する（図５参照）。規定値Ｘ２は、規定値Ｘ１よりも大きな値であり、例えば、ポート６０ａの正規の電圧（例えば、負荷６１ａの電圧系に対応する４８Ｖ）に等しい閾値である。
制御部５０は、伝送電力Ｐが１次側フルブリッジ回路２００から２次側フルブリッジ回路３００に伝送されるように位相差φを調整することによって、ポート６０ｂに接続されたキャパシタＣ２とポート６０ｄに接続されたキャパシタＣ４とを同時に充電できる。なお、位相差φは図５に明示されていないが、制御部５０は、タイミングｔ１３からタイミングｔ１４までのステップＳ３０の期間、位相差φに応じた伝送電力Ｐが伝送されるように８つのアームを図３のようにオンオフさせる。
図７は、図５のタイミングｔ１３からタイミングｔ１４までの期間で、上アームＵ１、下アーム／Ｖ１、上アームＵ２及び下アーム／Ｖ２がオンし、残りの４つのアームがオフしているときのキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ４の充電電流の向きと経路を示している。図８は、図５のタイミングｔ１３からタイミングｔ１４までの期間で、上アームＶ１、下アーム／Ｕ１、上アームＶ２及び下アーム／Ｕ２がオンし、残りの４つのアームがオフしているときのキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ４の充電電流の向きと経路を示している。制御部５０は、タイミングｔ１３からタイミングｔ１４までの期間において、図７と図８に示される状態が交互に繰り返されるように、８つのアームのオンオフを制御する。
制御部５０は、ステップＳ３０で、１次側フルブリッジ回路２００の各アームのオン時間δをデューティ比Ｄで制御することで、ポート６０ｃに入力される電力Ｐｃを昇圧してポート６０ａに昇圧後の電力Ｐａを出力する。制御部５０は、ポート電圧Ｖａがセンサ部７０により規定値Ｘ１以上と検出されてから規定値Ｘ２以上と検出されるまで、ポート電圧Ｖａを昇圧後の電力Ｐａで漸増させる（図５参照）。制御部５０は、ポート電圧Ｖａを規定値Ｘ１から規定値Ｘ２まで上昇させる際、デューティ比Ｄでオンさせる１次側フルブリッジ回路２００の４つのアームを飽和領域で完全にオンさせてよい。
飽和領域とは、スイッチング素子が所定の抵抗値ＲＴ未満で導通する動作領域である。スイッチング素子が飽和領域で完全にオンしているとき、スイッチング素子は抵抗値ＲＴ未満で導通している状態である。
制御部５０は、ステップＳ３０でポート電圧Ｖａを規定値Ｘ１から規定値Ｘ２まで上昇させる際、２次側フルブリッジ回路３００の４つのアームのオン時間δも、伝送電力Ｐが伝送されるように、１次側フルブリッジ回路２００内の各アームと同じデューティ比Ｄで制御する。制御部５０は、図７又は図８に示されるように、２次側フルブリッジ回路３００の一つの上アームをオンさせるとき、その一つの上アームに対向する相に配置された一つの下アームをオンする。
制御部５０は、ステップＳ３０において、ポート６０ｃに入力される電力Ｐｃを昇圧してポート６０ａに昇圧後の電力Ｐａを出力する昇圧動作を行うと同時に変圧器４００を介して伝送される伝送電力ＰでキャパシタＣ２を充電する。制御部５０は、当該昇圧動作を行うと同時に伝送される伝送電力ＰでキャパシタＣ２を充電する場合、上アームＵ２と上アームＶ２の少なくとも一つを活性領域で動作させることによって、伝送電力ＰによってキャパシタＣ２に流れる突入電流の大きさを抑制できる。また、電源６２ｂがポート６０ｂにスイッチ９２により接続される前にキャパシタＣ２を予め充電できるので、電源６２ｂがポート６０ｂにスイッチ９２により接続されても、電源６２ｂからポート６０ｂを介してキャパシタＣ２に流れる突入電流の大きさを抑制できる。
なお、上アームＵ２，Ｖ２にダイオード８７，８５が無い構成の方が、キャパシタＣ２の突入電流を抑制する点で効果的である。しかしながら、制御部５０は、上アームＵ２，Ｖ２にダイオード８７，８５がある構成でも、上アームＵ２又は上アームＶ２を活性領域で動作させることにより、キャパシタＣ２の突入電流を抑制してもよい。上アームＵ２，Ｖ２にダイオード８７，８５がある構成の好適な例については、後述する。
電源６２ｂとポート６０ｂの端子６１８との間には、スイッチ９２が挿入されている。スイッチ９２は、電源６２ｂとポート６０ｂとの間での電力の入出力を許否する手段の一例であり、例えば、スイッチ９２が制御部５０によりオンされると、電力の入出力が許可され、スイッチ９２が制御部５０によりオフされると、電力の入出力が禁止される。
制御部５０は、例えば、ポート電圧Ｖｂがセンサ部７０により所定の規定値Ｘ３以上と検出された場合、電源６２ｂから供給される電力がポート６０ｂから入力されることを許可するため、スイッチ９２をオンする。規定値Ｘ３は、例えば、ポート６０ｂの正規の電圧（例えば、負荷６１ｂ又は電源６２ｂの電圧系に対応する２８８Ｖ）に等しい閾値である。
同様に、制御部５０は、ステップＳ３０において、ポート６０ｃに入力される電力Ｐｃを昇圧してポート６０ａに昇圧後の電力Ｐａを出力する昇圧動作を行うと同時に変圧器４００を介して伝送される伝送電力ＰでキャパシタＣ４を充電する。制御部５０は、当該昇圧動作を行うと同時に伝送される伝送電力ＰでキャパシタＣ４を充電する場合、下アーム／Ｕ２と下アーム／Ｖ２の少なくとも一つを活性領域で動作させることによって、伝送電力ＰによってキャパシタＣ４に流れる突入電流の大きさを抑制できる。また、電源６２ｄがポート６０ｄにスイッチ９４により接続される前にキャパシタＣ４を予め充電できるので、電源６２ｄがポート６０ｄにスイッチ９４により接続されても、電源６２ｄからポート６０ｄを介してキャパシタＣ４に流れる突入電流の大きさを抑制できる。
なお、下アーム／Ｕ２，／Ｖ２にダイオード８８，８６が無い構成の方が、キャパシタＣ４の突入電流を抑制する点で効果的である。しかしながら、制御部５０は、下アーム／Ｕ２，／Ｖ２にダイオード８８，８６がある構成でも、下アーム／Ｕ２又は下アーム／Ｖ２を活性領域で動作させることにより、キャパシタＣ４の突入電流を抑制してもよい。下アーム／Ｕ２，／Ｖ２にダイオード８８，８６がある構成の好適な例については、後述する。
電源６２ｄとポート６０ｄの端子６２２との間には、スイッチ９４が挿入されている。スイッチ９４は、電源６２ｄとポート６０ｄとの間での電力の入出力を許否する手段の一例であり、例えば、スイッチ９４が制御部５０によりオンされると、電力の入出力が許可され、スイッチ９４が制御部５０によりオフされると、電力の入出力が禁止される。
制御部５０は、例えば、ポート電圧Ｖｄがセンサ部７０により所定の規定値Ｘ４以上と検出された場合、電源６２ｄから供給される電力がポート６０ｄから入力されることを許可するため、スイッチ９４をオンする。規定値Ｘ４は、例えば、ポート６０ｄの正規の電圧（例えば、負荷６１ｄ又は電源６２ｄの電圧系に対応する７２Ｖ）に等しい閾値である。
なお、制御部５０は、ステップＳ３０において、デューティ比Ｄでオンさせる２次側フルブリッジ回路３００の下アーム／Ｕ２，／Ｖ２を飽和領域で完全にオンさせてもよいし（図５参照）、ダイオード８８，８６があれば下アーム／Ｕ２，／Ｖ２を常時オフにしてもよい。
また、制御部５０は、ポート電圧Ｖａが昇圧後の電力Ｐａで漸増して規定値Ｘ２に到達したタイミングｔ１４の後に、１次側フルブリッジ回路２００の昇圧動作を行うと同時に２次側フルブリッジ回路３００に伝送される伝送電力Ｐで、キャパシタＣ２又はＣ４を充電してもよい。しかしながら、制御部５０は、ポート電圧Ｖａが昇圧後の電力Ｐａで図５のように漸増する期間（タイミングｔ１３からｔ１４までの期間）に伝送される伝送電力ＰでキャパシタＣ２又はＣ４を充電することで、電源装置１０１の起動が完了するタイミングｔ１５までの時間を短縮できる。
また、ステップＳ３０において、制御部５０は、例えば、１次側フルブリッジ回路２００の４つのアームをオンさせる時間のデューティ比Ｄを図５のように漸増させて、昇圧後の電力ＰａでキャパシタＣ１を充電してもよい。制御部５０は、デューティ比Ｄを漸増させて、昇圧後の電力ＰａでキャパシタＣ１を充電することにより、電源６２ｃからセンタータップ２０２ｍを介してキャパシタＣ１に流れる突入電流の大きさを抑制する効果を高めることができる。
同様に、ステップＳ３０において、制御部５０は、例えば、２次側フルブリッジ回路３００の２つの上アームＶ２，Ｕ２を活性領域で動作させる時間のデューティ比Ｄを漸増させて、伝送電力ＰでキャパシタＣ２を充電してもよい。制御部５０は、デューティ比Ｄを漸増させて、伝送電力ＰでキャパシタＣ２を充電することにより、伝送電力ＰによってキャパシタＣ２に流れる突入電流の大きさを抑制する効果を高めることができる。
同様に、ステップＳ３０において、制御部５０は、例えば、２次側フルブリッジ回路３００の２つの下アーム／Ｖ２，／Ｕ２を活性領域で動作させる時間のデューティ比Ｄを漸増させて、伝送電力ＰでキャパシタＣ４を充電してもよい。制御部５０は、デューティ比Ｄを漸増させて、伝送電力ＰでキャパシタＣ４を充電することにより、伝送電力ＰによってキャパシタＣ４に流れる突入電流の大きさを抑制する効果を高めることができる。
図９は、デューティ比Ｄが一定のときのアームのオンオフ波形の一例と、デューティ比Ｄが漸増するときのアームのオンオフ波形の一例とを示す図である。
図９において、デューティ比Ｄが一定のときのオンオフ波形は、制御部５０が、各ポートのポート電圧Ｖｐのフィードバック値が目標ポート電圧Ｖｏに一致するように、伝送電力Ｐ又はデューティＤを調整する通常の制御を行う場合を示す。電源装置１０１の起動時に各ポートに接続されたキャパシタの電圧が目標ポート電圧Ｖｏに対して非常に低い場合、制御部５０は、ポート電圧Ｖｐのフィードバック値が目標ポート電圧Ｖｏに速やかに一致するように、デューティ比Ｄをフィードバック制御開始時から最大限に大きくする。このため、キャパシタに流れる突入電流が大きくなりやすい。
これに対し、制御部５０は、ポート電圧Ｖｐのフィードバック値を目標ポート電圧Ｖｏに一致させるフィードバック制御をせずに、予め決められた漸増率でデューティ比Ｄを漸増させることで、キャパシタの突入電流を抑制する効果を高めることができる。あるいは、キャパシタの充電に必要な時間がそのキャパシタの容量に応じて解析的に又は実験的に予め導出されていて、制御部５０は、その予め導出された時間で定常の目標デューティ比に到達するように、デューティ比Ｄを漸増させることで、キャパシタの突入電流を抑制する効果を高めることができる。
図４のステップＳ４０において、制御部５０は、ポート電圧Ｖａが規定値Ｘ２以上であり且つポート電圧Ｖｂが規定値Ｘ３以上であることがセンサ部７０により検出された場合、電源６２ｂから供給される電力がポート６０ｂから入力されることを許可する（ステップＳ５０）。これにより、電源６２ｂからキャパシタＣ２に流れる突入電流を抑制できる。同様に、制御部５０は、ポート電圧Ｖａが規定値Ｘ２以上であり且つポート電圧Ｖｄが規定値Ｘ４以上であることがセンサ部７０により検出された場合、電源６２ｄから供給される電力がポート６０ｄから入力されることを許可する（ステップＳ５０）。これにより、電源６２ｄからキャパシタＣ４に流れる突入電流を抑制できる。
ステップＳ５０において、制御部５０は、図５に示されるタイミングｔ１５以降、例えば、各ポートのポート電圧Ｖｐのフィードバック値が目標ポート電圧Ｖｏに一致するように、伝送電力Ｐ又はデューティＤを調整する通常の制御を行う。一方、制御部５０は、ステップＳ４０の条件が成立しなければ、キャパシタＣ２又はＣ４を充電するステップＳ３０の処理を継続する。
図１０は、上アームにダイオードがある構成の好適な一例を示し、２次側の上アームＵ２，Ｖ２にダイオード８７，８５がある構成を示す。図１０の場合、２次側フルブリッジ回路３００は、上アームＵ２と上アームＵ２２とが直列に接続されたＵ相上アームと、上アームＶ２と上アームＶ２２とが直列に接続されたＶ相上アームとを有している。上アームＵ２は、キャパシタＣ２を充電する向きを順方向とする第１のダイオード８７を並列に備えた第１のスイッチング素子の一例であり、上アームＵ２２は、第１のダイオード８７とは逆の向きを順方向とする第２のダイオード１８７を並列に備えた第２のスイッチング素子の一例である。同様に、上アームＶ２は、キャパシタＣ２を充電する向きを順方向とする第１のダイオード８５を並列に備えた第１のスイッチング素子の一例であり、上アームＶ２２は、第１のダイオード８５とは逆の向きを順方向とする第２のダイオード１８５を並列に備えた第２のスイッチング素子の一例である。
制御部５０は、キャパシタＣ２を伝送電力Ｐで充電するときには、上アームＵ２及びＶ２をオフにしたまま、上アームＵ２２又は上アームＶ２２を活性領域で動作させることで、ダイオード８５又は８７を経由して上アームＵ２２又Ｖ２２を流れるキャパシタＣ２の突入電流を抑制できる。
なお、図１０の構成は、１次側の上アームＵ１，Ｖ１にダイオード８１，８３がある場合にも適用できる。１次側の上アームの説明については、２次側の上アームについての上述の説明を援用する。
図１１は、下アームにダイオードがある構成の好適な一例を示し、２次側の下アーム／Ｕ２，／Ｖ２にダイオード８８，８６がある構成を示す。図１１の場合、２次側フルブリッジ回路３００は、下アーム／Ｕ２と下アーム／Ｕ２２とが直列に接続されたＵ相下アームと、下アーム／Ｖ２と下アーム／Ｖ２２とが直列に接続されたＶ相下アームとを有している。下アーム／Ｕ２は、キャパシタＣ４を充電する向きを順方向とする第３のダイオード８８を並列に備えた第３のスイッチング素子の一例であり、下アーム／Ｕ２２は、第３のダイオード８８とは逆の向きを順方向とする第４のダイオード１８８を並列に備えた第４のスイッチング素子の一例である。同様に、下アーム／Ｖ２は、キャパシタＣ４を充電する向きを順方向とする第３のダイオード８６を並列に備えた第３のスイッチング素子の一例であり、下アーム／Ｖ２２は、第３のダイオード８６とは逆の向きを順方向とする第４のダイオード１８６を並列に備えた第４のスイッチング素子の一例である。
制御部５０は、キャパシタＣ４を伝送電力Ｐで充電するときには、下アーム／Ｕ２及び／Ｖ２をオフにしたまま、下アーム／Ｕ２２又は下アーム／Ｖ２２を活性領域で動作させることで、ダイオード８８又は８６を経由して下アーム／Ｕ２２又／Ｖ２２を流れるキャパシタＣ４の突入電流を抑制できる。
なお、図１１の構成は、１次側の下アーム／Ｕ１，／Ｖ１にダイオード８２，８４がある場合にも適用できる。１次側の下アームの説明については、２次側の下アームについての上述の説明を援用する。
図１２は、制御部５０が、１次側フルブリッジ回路２００又は２次側フルブリッジ回路３００の任意のアームに流れる電流又は温度に応じて、該アームを活性領域で動作させることを中断することを示す図である。制御部５０は、活性領域で動作させるアームの電流又は温度が所定の上限値に達したことがセンサ部７０により検出されたタイミングで当該アームの駆動指令値を一時的にオフし、一時的にオフしてから一定時間経過時に当該アームを活性領域で再び動作させてもよい。これにより、過電流又は過熱によるアームの故障を防止できる。
以上、電力変換装置及びその起動方法を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるパワーＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
また、第１入出力ポート６０ａに接続可能な電源があってもよい。また、第３入出力ポート６０ｂに接続可能な電源があり、且つ、第４入出力ポート６０ｄに接続可能な電源が無くてもよい。第３入出力ポート６０ｂに接続可能な電源が無く、且つ、第４入出力ポート６０ｄに接続可能な電源があってもよい。
また、本発明は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置に適用できる。例えば、本発明は、図１に例示された４つの入出力ポートのうちいずれか一つの入出力ポートが無い構成を有する電源装置に対しても適用できる。
また、上述の説明において、１次側を２次側と定義し、２次側を１次側と定義してもよい。上述の説明では、伝送電力Ｐが２次側ポートから１次側ポートに伝送される場合を例示したが、伝送電力Ｐが１次側ポートから２次側ポートに伝送される場合に上述の説明を適用できる。
１０ 電源回路
２０ １次側変換回路
３０ ２次側変換回路
５０ 制御部
６０ａ 第１入出力ポート（第１のポートの一例）
６０ｂ 第３入出力ポート（第３のポートの一例）
６０ｃ 第２入出力ポート（第２のポートの一例）
６０ｄ 第４入出力ポート（第４のポートの一例）
７０ センサ部
８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，１８５，１８６，１８７，１８８ ダイオード
９２，９３，９４ スイッチ
１０１電源装置（電力変換装置の一例）
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０２ｍ センタータップ
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７ １次側第１アーム回路
２１１ １次側第２アーム回路
２０７ｍ，２１１ｍ 中点
２９８ １次側正極母線
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０２ｍ センタータップ
３０４ ２次側磁気結合リアクトル
３０７ ２次側第１アーム回路
３１１ ２次側第２アーム回路
３０７ｍ，３１１ｍ 中点
３９８ ２次側正極母線
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
Ｃ＊ キャパシタ
Ｕ＊，Ｖ＊ 上アーム
／Ｕ＊，／Ｖ＊ 下アーム

Claims (15)

  1. 変圧器と、
    前記変圧器の１次側に設けられた１次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路に接続された第１のポートと、
    前記変圧器の１次側のセンタータップに接続された第２のポートと、
    前記変圧器の２次側に設けられた２次側フルブリッジ回路と、
    前記２次側フルブリッジ回路に接続された第３のポートと、
    前記第２のポートの電力を昇圧して前記第１のポートに昇圧後の電力を出力する時に前記１次側フルブリッジ回路から変圧器を介して前記２次側フルブリッジ回路に伝送される伝送電力で、前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する場合、前記２次側フルブリッジ回路の上アームを活性領域で動作させる制御部とを備える、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、前記２次側フルブリッジ回路の上アームを活性領域で動作させる時間のデューティ比を漸増させて、前記伝送電力で前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記２次側フルブリッジ回路は、前記キャパシタを充電する向きを順方向とする第１のダイオードを並列に備えた第１のスイッチング素子と、前記第１のダイオードとは逆の向きを順方向とする第２のダイオードを並列に備えた第２のスイッチング素子とが直列に接続された上アームを有し、
    前記制御部は、前記第２のスイッチング素子を活性領域で動作させて、前記伝送電力で前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、前記第３のポートに接続されたキャパシタの電圧が規定値以上の場合、電力が前記第３のポートから入力されることを許可する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記変圧器の２次側のセンタータップに接続された第４のポートを備え、
    前記制御部は、前記伝送電力で前記第４のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、前記伝送電力で前記第４のポートに接続されたキャパシタを充電する場合、前記２次側フルブリッジ回路の下アームを活性領域で動作させる、請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記制御部は、前記２次側フルブリッジ回路の下アームを活性領域で動作させる時間のデューティ比を漸増させて、前記伝送電力で前記第４のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 前記２次側フルブリッジ回路は、前記キャパシタを充電する向きを順方向とする第３のダイオードを並列に備えた第３のスイッチング素子と、前記第３のダイオードとは逆の向きを順方向とする第４のダイオードを並列に備えた第４のスイッチング素子とが直列に接続された下アームを有し、
    前記制御部は、前記第４のスイッチング素子を活性領域で動作させて、前記伝送電力で前記第４のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項６又は７に記載の電力変換装置。
  9. 前記制御部は、前記第４のポートに接続されたキャパシタの電圧が規定値以上の場合、電力が前記第４のポートから入力されることを許可する、請求項５から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  10. 前記制御部は、前記第２のポートに接続される電源で前記第１のポートに接続されたキャパシタを前記１次側のセンタータップ経由で充電する場合、前記１次側フルブリッジ回路の上アームを活性領域で動作させる、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  11. 前記制御部は、前記第１のポートに接続されたキャパシタの電圧が第１の閾値以上と検出されてから前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値以上と検出されるまで、前記第１のポートに接続されたキャパシタの電圧を前記昇圧後の電力で漸増させる、請求項１０に記載の電力変換装置。
  12. 前記制御部は、前記１次側フルブリッジ回路のアームをオンさせる時間のデューティ比を漸増させて、前記昇圧後の電力で前記第１のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項１１に記載の電力変換装置。
  13. 前記制御部は、前記第１のポートの電圧が前記昇圧後の電力で漸増する期間に伝送される前記伝送電力で、前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する、請求項１から１２のいずれか一項の電力変換装置。
  14. 前記制御部は、前記１次側フルブリッジ回路又は前記２次側フルブリッジ回路のアームの電流又は温度に応じて、該アームを活性領域で動作させることを中断する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  15. 変圧器と、
    前記変圧器の１次側に設けられた１次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路に接続された第１のポートと、
    前記変圧器の１次側のセンタータップに接続された第２のポートと、
    前記変圧器の２次側に設けられた２次側フルブリッジ回路と、
    前記２次側フルブリッジ回路に接続された第３のポートとを備える電力変換装置を起動する方法であって、
    前記第２のポートの電力を昇圧して前記第１のポートに昇圧後の電力を出力する時に前記１次側フルブリッジ回路から変圧器を介して前記２次側フルブリッジ回路に伝送される伝送電力で、前記第３のポートに接続されたキャパシタを充電する場合、前記２次側フルブリッジ回路の上アームを活性領域で動作させる、電力変換装置の起動方法。
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