JP2020080620A - 双方向電力変換器、電気自動車、及び、双方向電力変換器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のサブ回路が並列に接続された双方向電力変換器においてサブ回路間を流れる還流電流を抑制する技術を提供する。【解決手段】電圧コンバータは、第１端子と、第２端子と、メインリアクトルと、複数のサブ回路と、コントローラを備えている。各サブ回路は、直列に接続されている上スイッチング素子と下スイッチング素子と、２個のダイオードと、サブリアクトルを備えている。コントローラは、複数のサブ回路を順次に制御する。コントローラは、第１端子から第２端子へ電流が流れている間は、それぞれのサブ回路の下スイッチング素子をオンしてオフした後に上スイッチング素子をオンしてオフする。コントローラは、第２端子から第１端子へ電流が流れている間は、それぞれのサブ回路の上スイッチング素子をオンしてオフした後に下スイッチング素子をオンしてオフする。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電力を入出力することが可能な第１デバイスと第２デバイスの間で電力を変換する双方向電力変換器と、その双方向電力変換器を利用した電気自動車と、双方向電力変換器の制御方法に関する。

電力変換器では、電力を変換する主要な素子としてスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子に加わる負荷を軽減するため、スイッチング素子を含む複数のサブ回路が並列に接続されている電力変換器が知られている。例えば特許文献１に、そのような電力変換器が開示されている。特許文献１の電力変換器は、交流電源が出力する交流を直流に整流する整流器と、整流後の電圧を昇圧する昇圧コンバータを含んでいる。その電力変換器は、昇圧コンバータに２組のサブ回路を含んでいる。それぞれのサブ回路は、ダイオードとスイッチング素子とサブリアクトルで構成されている。ダイオードとスイッチング素子は直列に接続されている。サブリアクトルは、電圧コンバータのメインリアクトルと、ダイオードとスイッチング素子の直列接続の中点との間に接続されている。この電力変換器では、２組のサブ回路のスイッチング素子が交互にオンされオフされる。サブリアクトルは、ダイオードの逆回復電流に起因する損失を低減する。

特開２００１−１８６７６８号公報

スイッチング素子とダイオードとサブリアクトルを備えた複数のサブ回路を双方向電力変換器に適用する場合、次の課題が見出された。双方電力変換器に適用するサブ回路は、２個のスイッチング素子の直列接続と、それぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードを備えている。サブリアクトルの一端は、２個のスイッチング素子の直列接続の中点に接続されている。スイッチング素子を常に同じ順序で順次にオンしてオフすると、電流が一方向に流れている間はひとつのサブ回路だけに電流が流れるが、逆方向の電流が流れると、サブ回路の間に還流電流が生じてしまう。サブ回路の間に流れる還流電流は損失の一因となる。本明細書が開示する技術は、複数のサブ回路が並列に接続された双方向電力変換器においてサブ回路間を流れる還流電流を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する双方向電力変換器は、電力を入出力することが可能な第１デバイスと第２デバイスの間で、双方向で電力を変換することができる。双方向電力変換器は、典型的には電気自動車に適用される。電気自動車では、アクセルが踏まれるとバッテリから走行用モータへ電力が流れる。ブレーキペダルが踏まれると走行用モータが発電し、走行用モータからバッテリへ電力が流れる。バッテリと走行用モータの間に接続されている電力変換器が、双方向電力変換器である。

本明細書が開示する双方向電力変換器は、第１端子、第２端子、負極端子、メインリアクトル、複数のサブ回路、コントローラを備えている。第１端子は、第１デバイスの電力の入出力端に接続され、第２端子は第２デバイスの電力の入出力端に接続される。負極端子は第２デバイスの負極に接続される。メインリアクトルの一端が第１端子に接続されている。複数のサブ回路は、メインリアクトルの他端と第２端子の間に並列に接続されている。

それぞれのサブ回路は、上スイッチング素子、下スイッチング素子、上ダイオード、下ダイオード、サブリアクトルを備えている。上スイッチング素子は第２端子に接続されている。下スイッチング素子は上スイッチング素子と負極端子の間に接続されている。別言すれば、上スイッチング素子と下スイッチング素子は、第２端子と負極端子の間に直列に接続されている。上スイッチング素子が第２端子の側に配置されており、下スイッチング素子は負極端子の側に接続されている。上スイッチング素子には上ダイオードが逆並列に接続されており、下スイッチング素子には下ダイオードが逆並列に接続されている。説明の便宜上、上スイッチング素子と下スイッチング素子の直列接続をスイッチング直列接続と称する。サブリアクトルの一端はメインリアクトルの他端に接続されており、サブリアクトルの他端はスイッチング直列接続の中点に接続されている。

コントローラは、複数のサブ回路を順次に制御する。コントローラは、第１端子から第２端子へ電流が流れている間は、一のサブ回路の下スイッチング素子をオンしてオフした後に上スイッチング素子をオンしてオフし、次のサブ回路の下スイッチング素子をオンしてオフする。コントローラは、第２端子から第１端子へ電流が流れている間は、一のサブ回路の上スイッチング素子をオンしてオフした後に下スイッチング素子をオンしてオフし、次のサブ回路の上スイッチング素子をオンしてオフする。すなわち、コントローラは、電流が流れる方向に応じて、一のサブ回路に含まれる上スイッチング素子と下スイッチング素子のうち、先にオンしてオフするスイッチング素子を変更する。そうすることで、どちらに電流が流れる場合もサブ回路の間で還流電流が流れることを防止することができる。そのメカニズムは実施例にて説明する。

サブリアクトルは、次の特徴を有する導体と第１磁性リングコアと第２磁性リングコアを含んでいてよい。導体は、スイッチング直列接続の中点とメインリアクトルを接続している。第１磁性リングコアと第２磁性リングコアは、導体を囲んでいる。第２磁性リングコアが磁気飽和に達する第２磁気飽和電流値が、第１磁性リングコアが磁気飽和に達する第１磁気飽和電流値よりも小さい。

磁気飽和電流値の異なる２個の磁性リングコアを備えることで、導体に大きな電流が流れているときのインダクタンスを、一様なコアを有するリアクトルのインダクタンスよりも小さくすることができる。一方、ダイオードの逆回復電流が流れるときのインダクタンスを、一様なコアを有するリアクトルのインダクタンスよりも大きくすることができる。すなわち、磁気飽和電流値が異なる２個のコアを有するサブリアクトルは、電力変換の主要な電流が流れるときには相対的に小さいインダクタンスを有し、小さい電流（ダイオードの逆回復電流や上記した還流電流）が流れるときには相対的に大きいインダクタンスを有することができる。そのようなサブリアクトルは、電力変換に大きな影響を与えることなく、ダイオードの逆回復電流や上記したサブ回路間の還流電流を抑制することができる。

先に述べたように、双方向電力変換器は、典型的には、電気自動車で使われる。本明細書が開示する双方電力変換器は、バッテリとインバータの間で電圧を変換する双方向電圧変換器に適用されてもよい。あるいは、本明細書が開示する双方向電力変換器は、バッテリと走行用モータの間に接続されるインバータに適用されてもよい。双方向電圧変換器への適用例、また、インバータへの適用例は、実施例にて説明する。

コントローラが実行する上記した制御手順（制御方法）も、本明細書が開示する技術の一側面である。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の双方向電力変換器を含む電気自動車の回路図である。 力行のときのタイミングチャートである（実施例）。 力行のときの電流の流れを示す回路図である（実施例）。 回生のときのタイミングチャートである（比較例）。 回生のときの電流の流れを示す回路図である（比較例）。 回生のときのタイミングチャートである（実施例）。 回生のときの電流の流れを示す回路図である（実施例）。 力行のときのタイミングチャートである（比較例）。 力行のときの電流の流れを示す回路図である（比較例）。 双方向電力変換器をインバータに適用したときの電気自動車のブロック図である（第２実施例）。 電力変換器の回路図である。 サブリアクトルの磁性コアの一例を示す図である。 変形例の電力変換器の回路図である。 一例の電圧センサの回路図である。

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の双方向電力変換器を説明する。第１実施例の双方向電力変換器は、電気自動車１に適用されている。図１に、第１実施例の双方向電力変換器を含む電気自動車１の駆動系の回路図を示す。第１実施例の双方向電力変換器は、双方向電圧コンバータ１０である。電気自動車１は、バッテリ９０の電力で走行用モータ８０を駆動し、走行する。走行用モータ８０は、車両の慣性力を利用して発電する場合がある。走行用モータ８０が発電した電力によってバッテリ９０が充電される。

以下では、説明を簡略化するため、走行用モータ８０を単純にモータ８０と称し、双方向電圧コンバータ１０を単純に電圧コンバータ１０と称する。また、バッテリ９０からモータ８０へ電流が流れる場合を力行と称し、モータ８０からバッテリ９０へ電流が流れる場合を回生と称する。

バッテリ９０とモータ８０の間に電圧コンバータ１０とインバータ５０が接続されている。電圧コンバータ１０の低圧側正極端子１１がバッテリ９０の正極端子９０ａに接続されており、低圧側負極端子１２がバッテリ９０の負極端子９０ｂに接続されている。電圧コンバータ１０の高圧側正極端子１３がインバータ５０の直流正極端子５１に接続されており、高圧側負極端子１４がインバータ５０の直流負極端子５２に接続されている。インバータ５０の交流端がモータ８０に接続されている。

電圧コンバータ１０は、バッテリ９０の出力電圧を昇圧してインバータ５０に供給する機能と、インバータ５０が出力する回生電力を降圧してバッテリ９０に供給する機能を有している。すなわち、電圧コンバータ１０は、低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３に向けて電流が流れる場合と、高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１に向けて電流が流れる場合がある。

インバータ５０は、電圧コンバータ１０によって昇圧されたバッテリ９０の電力を交流に変換してモータ８０に供給する機能と、モータ８０が発生した回生電力を直流に変換して電圧コンバータ１０に供給する機能を有している。

電圧コンバータ１０について説明する。電圧コンバータ１０は、メインリアクトル２２と、２個のサブ回路５、６と、電流センサ２３と、コントローラ１５を備えている。メインリアクトル２２の一端２２ａが低圧側正極端子１１に接続されている。メインリアクトル２２の他端２２ｂと高圧側正極端子１３の間に２個のサブ回路５、６が並列に接続されている。低圧側負極端子１２と高圧側負極端子１４は直接に接続されている。電流センサ２３は、メインリアクトル２２の他端２２ｂに接続されており、メインリアクトル２２を流れる電流を計測する。電流センサ２３の計測値により、電流の流れる方向がわかる。

低圧側正極端子１１と低圧側負極端子１２の間にフィルタコンデンサ２０が接続されており、高圧側正極端子１３と高圧側負極端子１４の間に平滑コンデンサ２１が接続されている。

第１サブ回路５は、２個のスイッチング素子（上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１）、２個のダイオード（上ダイオード４２と下ダイオード４１）、及び、サブリアクトル２４を備えている。上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１は、高圧側正極端子１３と高圧側負極端子１４の間に直列に接続されている。上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１は、高圧側正極端子１３から高圧側負極端子１４に向かう方向が順方向となるように接続されている。上スイッチング素子３２が高圧側正極端子１３に近い側に位置しており、下スイッチング素子３１が高圧側負極端子１４に近い側に位置している。別言すれば、上スイッチング素子３２は高圧側正極端子１３に接続されており、下スイッチング素子３１は、上スイッチング素子３２と高圧側負極端子１４の間に接続されている。

上ダイオード４２は、上スイッチング素子３２に逆並列に接続されており、下ダイオード４１は下スイッチング素子３１に逆並列に接続されている。別言すれば、上ダイオード４２と下ダイオード４１は、高圧側負極端子１４から高圧側正極端子１３へ向かう方向が順方向となるように接続されている。

上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１はいずれもｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。上スイッチング素子３２のドレインが高圧側正極端子１３に接続されている。上スイッチング素子３２のソースが下スイッチング素子３１のドレインに接続されている。下スイッチング素子３１のソースが高圧側負極端子１４に接続されている。上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１は、別のタイプのパワー素子（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））であってもよい。

符号３６は、上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１の直列接続の中点（第１中点３６）を示している。サブリアクトル２４は、一端がメインリアクトル２２の他端２２ｂに接続されており、他端が第１中点３６に接続されている。サブリアクトル２４は、メインリアクトル２２のインダクタンスよりも小さいインダクタンスを有している。メインリアクトル２２は、電気エネルギを蓄え、電磁誘導効果で電流を押し出す役割を有しているので、大きなインダクタンスが必要とされる。これに対してサブリアクトル２４は、上ダイオード４２、下ダイオード４１の逆回復電流による損失を抑えることが目的であり、小電流が流れるときに電流変化率を抑える役割を有している。それゆえ、サブリアクトル２４は、小電流のときにインダクタンスが変化すればよく、メインリアクトル２２に比べて小さいインダクタンスを有していればよい。ただし、サブリアクトル２４も、電磁誘導効果で誘導起電力を発する。

第２サブ回路６は第１サブ回路５と同じ構造を有している。第２サブ回路６は、２個のスイッチング素子（上スイッチング素子３４と下スイッチング素子３３）と、２個のダイオード（上ダイオード４４と下ダイオード４３）とサブリアクトル２６を備えている。上スイッチング素子３４、下スイッチング素子３３、上ダイオード４４、下ダイオード４３、サブリアクトル２６は、それぞれ、第１サブ回路５の上スイッチング素子３２、下スイッチング素子３１、上ダイオード４２、下ダイオード４１、サブリアクトル２４のそれぞれに対応する。

図１の符号３７は、第２サブ回路６の上スイッチング素子３４と下スイッチング素子３３の直列接続の中点（第２中点３７）を示している。また、符号３８は、メインリアクトル２２の他端２２ｂから第１サブ回路５と第２サブ回路６への分岐点（分岐点３８）を示している。第１サブ回路５の第１中点３６、第２サブ回路６の第２中点３７、分岐点３８は、図２以降の説明で参照される。

図１の符号３が示す破線は、半導体モジュールを意味している。すなわち、第１サブ回路５の上スイッチング素子３２、下スイッチング素子３１、上ダイオード４２、下ダイオード４１は、ひとつのパッケージ（半導体モジュール３）に収容されている。同様に、第２サブ回路６の上スイッチング素子３４、下スイッチング素子３３、上ダイオード４４、下ダイオード４３は、ひとつのパッケージ（半導体モジュール４）に収容されている。半導体モジュール３、４については後述する。

第１サブ回路５とメインリアクトル２２で双方向電圧コンバータが構築される。第２サブ回路６は、第１サブ回路５と並列に接続されている。第２サブ回路６とメインリアクトル２２の組み合わせも、双方向電圧コンバータを構成する。従って、電圧コンバータ１０は、メインリアクトル２２を共通に有する２個の双方向電圧コンバータ（サブ回路５、６）の並列回路である。２個の双方向電圧コンバータ（サブ回路５、６）を並列に接続することで、それぞれのスイッチング素子の負荷を軽減することができる。２個の双方向電圧コンバータ（サブ回路５、６）の並列回路は、あたかも一つの双方向電圧コンバータとして機能する。その結果、電圧コンバータ１０は、スイッチング素子の１個あたりの負荷を抑制しつつ、コンバータ全体の許容電力を増大させることができる。

第１サブ回路５のスイッチング素子３１、３２と、第２サブ回路６のスイッチング素子３３、３４は、コントローラ１５によって制御される。コントローラ１５は、第１サブ回路５のスイッチング素子３１、３２を制御したのち、第２サブ回路６のスイッチング素子３３、３４を制御する。その後、コントローラ１５は、再び第１サブ回路５のスイッチング素子３１、３２を制御する。別言すれば、コントローラ１５は、複数のサブ回路５、６を順次に制御する。

コントローラ１５は、不図示の上位コントローラから低圧側正極端子１１と高圧側正極端子１３の間の目標電圧比を受信し、その目標電圧比が実現されるように、スイッチング素子３１−３４のデューティ比を決定する。なお、上スイッチング素子３２のデューティ比は上スイッチング素子３４のデューティ比と同じであり、下スイッチング素子３１のデューティ比は下スイッチング素子３３のデューティ比と同じである。

下スイッチング素子３１、３３と上ダイオード４２、４４が昇圧動作に関与し、上スイッチング素子３２、３４と下ダイオード４１、４３が降圧動作に関与する。

電気自動車１では、ドライバのペダルワークにより、力行と回生が頻繁に入れ替わる。すなわち、電圧コンバータ１０では、低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３へ電流が流れる場合（力行）と、高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１へ電流が流れる場合（回生）が頻繁に入れ替わる。電圧コンバータ１０では、上スイッチング素子３２、３４と下スイッチング素子３１、３３を交互にオンオフすることで、低圧側と高圧側の電圧のバランスに応じて昇圧と降圧が受動的に切り替わる。すなわち、高圧側の電圧が目標電圧よりも高くなれば高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１へ電流が流れ、高圧側の電圧が目標電圧よりも低くなれば低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３へ電流が流れる。次に、力行と回生のそれぞれの場合でスイッチング素子のオンオフタイミングと電流の流れについて説明する。

図２、図６に、スイッチング素子の動作と電圧コンバータ１０に流れる電流のタイムチャートを示す。図２は、力行のときのタイムチャートであり、図６は回生のときのタイムチャートである。後述するが、図４、図８には、比較例の場合のタイムチャートを示してある。

図２において、記号Ｓｎ１は第１サブ回路５の下スイッチング素子３１を意味しており、Ｓｐ１は第１サブ回路５の上スイッチング素子３２を意味している。記号Ｓｎ２は第２サブ回路６の下スイッチング素子３３を意味しており、Ｓｐ２は第２サブ回路６の上スイッチング素子３４を意味している。記号Ｉｓｎ１は、第１中点３６と低圧側負極端子１２の間を流れる電流を意味している。別言すれば、Ｉｓｎ１は、第１サブ回路５の下スイッチング素子３１及び／又は下ダイオード４１を流れる電流を意味している。記号Ｉｓｐ１は、第１中点３６と高圧側正極端子１３の間を流れる電流を意味している。別言すれば、Ｉｓｐ１は、第１サブ回路５の上スイッチング素子３２及び／又は上ダイオード４２を流れる電流を意味している。記号Ｉｓｎ２は、第２中点３７と低圧側負極端子１２の間を流れる電流を意味しており、記号Ｉｓｐ２は、第２中点３７と高圧側正極端子１３の間を流れる電流を意味している。また、電流Ｉｓｎ１、Ｉｓｐ１、Ｉｓｎ２、Ｉｓｐ２のグラフは、スイッチング素子の順方向（すなわちコレクタからエミッタへ向かう方向）に流れる電流を正にとっている。説明の都合上、電流Ｉｓｎ１、Ｉｓｐ１をそれぞれ、第１下電流Ｉｓｎ１、第１上電流Ｉｓｐ１と称し、電流Ｉｓｎ２、Ｉｓｐ２をそれぞれ、第２下電流Ｉｓｎ２、第２上電流Ｉｓｐ２と称する。

コントローラ１５は、第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンしてオフした後に上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオンしてオフする。コントローラ１５は、第１サブ回路５のスイッチング素子を制御した後、第２サブ回路６の下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）をオンしてオフし、その後、第２サブ回路６の上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオンしてオフする。一のスイッチング素子のオンオフと別のスイッチング素子のオンオフの間には、わずかなインターバルが設けられている。

より具体的に、図２のタイムチャートに沿ってスイッチング素子の動作と電流の流れを説明する。コントローラ１５は、時刻Ｔ１に下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンし、時刻Ｔ２にオフする。時刻Ｔ１からＴ２の間、他のスイッチング素子はオフに保持されている。力行の場合、下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンすると、メインリアクトル２２から下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）へ電流（第１下電流Ｉｓｎ１）が流れる。このときの電流の流れを、図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）では、下スイッチング素子３１の近傍に「ＯＮ」と付してある。図３（Ａ）では、「ＯＮ」と付されていないスイッチング素子はオフに保持されている。以降の図５、図７、図９においても、近傍に「ＯＮ」と付されていないスイッチング素子はオフに保持されている。

図３（Ａ）の太矢印線が第１下電流Ｉｓｎ１の流れを示している。第１下電流Ｉｓｎ１は、メインリアクトル２２、サブリアクトル２４、第１中点３６、下スイッチング素子３１を通り、さらに低圧側負極端子１２を通ってバッテリ９０の負極端子９０ｂへと戻る。このとき、メインリアクトル２２とサブリアクトル２４には磁気エネルギが蓄積される。

図２の時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間がインタ−バルであり、このインターバルの間は、全てのスイッチング素子がオフに保持される。しかし、時刻Ｔ２に下スイッチング素子３１がオフしたとき、メインリアクトル２２とサブリアクトル２４は磁気エネルギを放出し（すなわち誘導起電力を生じ）、同じ方向に電流を流し続ける。第１中点３６から下スイッチング素子３１へ流れていた電流（第１下電流Ｉｓｎ１）が時刻Ｔ２に遮断される。その後、電流は第１中点３６から上ダイオード４２を通じて高圧側正極端子１３へ向けて流れる。すなわち、時刻Ｔ２に第１下電流Ｉｓｎ１がゼロになり、時刻Ｔ２以降は、第１上電流Ｉｓｐ１が生じる。第１上電流Ｉｓｐ１は、低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３へ向けて流れる。

時刻Ｔ３に上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）がオンする。もともと、メインリアクトル２２とサブリアクトル２４の誘導起電力による電流は、上ダイオード４２を通じて流れていた（第１上電流Ｉｓｐ１）。上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）がオンすると、第１上電流Ｉｓｐ１の一部が上ダイオード４２から上スイッチング素子３２に移るが、第１中点３６から高圧側正極端子１３へ流れる電流の総量は変わらない。このときの電流（第１上電流Ｉｓｐ１）の流れを図３（Ｂ）に示す。第１上電流Ｉｓｐ１は、メインリアクトル２２、サブリアクトル２４、第１中点３６、及び、上ダイオード４２（又は上スイッチング素子３２）を通じて、低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３へと流れる。なお、メインリアクトル２２の誘導起電力による電流の一部は、サブリアクトル２６、第２中点３７、上ダイオード４４を通じて高圧側正極端子１３へ流れ得るが、高圧側正極端子１３へ流れる電流の総量は変わらない。図３では、第２中点３７を経由する電流の図示は省略した。

時刻Ｔ４に上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）がオフする。時刻Ｔ５に第２サブ回路６の下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）がオンする。下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）がオンすると、第２下電流Ｉｓｎ２が流れ始めるとともに、第１上電流Ｉｓｐ１が減少する。第１上電流Ｉｓｐ１がゼロになるとき、上ダイオード４２にはカソードからアノードへ向けて逆回復電流が流れるが、サブリアクトル２４、２６のインダクタンスにより、上ダイオード４２から第１中点３６、分岐点３８、第２中点３７を通じて下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）へ流れ込む電流（還流電流）が抑制さえる。この還流電流の抑制が、サブリアクトル２４、２６の効果である。

第２下電流Ｉｓｎ２は、メインリアクトル２２、サブリアクトル２６、第２中点３７、下スイッチング素子３３を通して低圧側負極端子１２へ流れる。このとき、メインリアクトル２２とサブリアクトル２６に磁気エネルギが蓄積される。コントローラ１５は、時刻Ｔ６に下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）をオフする。下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）がオフすると、第２下電流Ｉｓｎ２が遮断される。メインリアクトル２２とサブリアクトル２６の磁気エネルギにより誘導起電力が生じ、メインリアクトル２２の一端２２ａから他端２２ｂへ向けて電流が流れ続ける。第２中点３７から下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）へ流れていた電流（第２下電流Ｉｓｎ２）が遮断され、第２中点３７から上ダイオード４４を通じて高圧側正極端子１３へ流れる。この電流が第２上電流Ｉｓｐ２に相当する。

続いて時刻Ｔ７にコントローラ１５は上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオンする。時刻Ｔ７以降、上ダイオード４４を流れていた電流の一部が上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）に移るが、第２中点３７から高圧側正極端子１３へ流れる電流の総量は変わらない。また、メインリアクトル２２の誘導起電力による電流の一部は、サブリアクトル２４、第１中点３６、上ダイオード４２を通じて高圧側正極端子１３へ流れ得るが、高圧側正極端子１３へ流れる電流の総量は変わらない。

次に、時刻Ｔ８に上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）がオフし、次いで時刻Ｔ９に第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）がオンすることで、第２上電流Ｉｓｐ２が減少する。第２上電流Ｉｓｐ２がゼロになるとき、上ダイオード４４に逆回復電流が流れる。サブリアクトル２４、２６のインダクタンスが、上ダイオード４４の逆回復電流が第１サブ回路５へ流れることを防止する。これが、サブリアクトル２４、２６の効果である。

図２の場合、コントローラ１５は、第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンしてオフした後に同じ第１サブ回路５の上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオンしてオフする。次にコントローラ１５は、第２サブ回路６の下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）をオンしてオフし、上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオンしてオフする。この順序でスイッチング素子のオンオフが繰り返し続いている間に、力行から回生に変化した場合のタイムチャートを図４に示す。すなわち、図４のタイムチャートでは、電流は高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１へ流れる。図４におけるスイッチング素子のオンオフのタイミング（グラフＳｎ１、Ｓｐ１、Ｓｎ２、Ｓｐ２）は、図２の場合と同じである。図４と図５は、参考図（比較例）であり、電圧コンバータ１０の動作を示す図ではないことに留意されたい。

ここでは、時刻Ｔ３から説明を開始する。コントローラ１５は、時刻Ｔ３に第１サブ回路５の上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオンする。このときの電流の流れを図５（Ａ）に示す。太矢印線が第１上電流Ｉｓｐ１を示している。第１上電流Ｉｓｐ１は、高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１へ向けて流れる。第１上電流Ｉｓｐ１は、上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）と第１中点３６を通り、サブリアクトル２４とメインリアクトル２２に流れる。このときメインリアクトル２２とサブリアクトル２４に磁気エネルギが蓄積される。

コントローラ１５は、時刻Ｔ４に上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオフする。上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）を通じて高圧側正極端子１３からサブリアクトル２４とメインリアクトル２２へ流れていた電流（第１上電流Ｉｓｐ１）は遮断される。メインリアクトル２２とサブリアクトル２４は磁気エネルギを放出し、誘導起電力が生じる。誘導起電力は、メインリアクトル２２の他端２２ｂから一端２２ａへ向かう方向に電流を流す。それゆえ、下ダイオード４１と第１中点３６とサブリアクトル２４を通じて、低圧側負極端子１２から第１下電流Ｉｓｎ１が流れる。第１下電流Ｉｓｎ１は、メインリアクトル２２を通じて低圧側正極端子１１へと流れる。

第１下電流Ｉｓｎ１が流れている間、コントローラ１５は時刻Ｔ５に下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）をオンする。そうすると、第２中点３７は、下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）を介して低圧側負極端子１２と導通する。それゆえ、第２中点３７の電位は低圧側負極端子１２と同電位となる。一方、分岐点３８の電位は、サブリアクトル２４の誘電起電力により低圧側負極端子１２の電位よりも押し上げられる。それゆえ、第１下電流Ｉｓｎ１の一部は、分岐点３８からサブリアクトル２６、第２中点３７、下スイッチング素子３３を通り、低圧側負極端子１２へ還流する。図５（Ｂ）に、このときの電流の流れを示す。太い実線の矢印線が第１下電流Ｉｓｎ１を示している。分岐点３８から第２中点３７へ向かう太い破線の矢印線が還流電流（第２下電流Ｉｓｎ２）を示している。また、図４の矢印Ａ１の箇所が、還流電流を示している。還流電流の分だけ低圧側正極端子１１へ流れる電流が少なくなる。還流電流は損失の一因となる。図４の矢印Ｂ１は、第２サブ回路６の上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）がオンしてオフした後に第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）がオンしたときの還流電流を示している。

さらに、コントローラ１５は、時刻Ｔ５に下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）をオフする。時刻Ｔ５まで下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）を通じて流れていた還流電流（第２下電流Ｉｓｎ２）は遮断される。第２下電流Ｉｓｎ２が遮断されると、サブリアクトル２６に誘導起電力が生じ、サブリアクトル２６は、時刻Ｔ５以降も分岐点３８から第２中点３７へ向けて電流を流そうとする。この電流は、上ダイオード４４を通じて流れる。すなわち、時刻Ｔ６以降、還流電流として、第２上電流Ｉｓｐ２が流れる。図４の矢印Ａ２の箇所が、還流電流（第２上電流Ｉｓｐ２）を示している。図４の矢印Ｂ２は、第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）がオンしてオフした直後に上ダイオード４２を通じて流れる還流電流を示している。

上記した還流電流を抑制すべく、実施例の電圧コンバータ１０では、回生の場合、すなわち、電流が高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１へ流れる場合には、スイッチング素子の駆動順序を変更する。図６に、回生のときのスイッチング素子３１−３４の動作のタイムチャートを示す。コントローラ１５は、サブ回路５の上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオンしてオフした後に下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンしてオフする。その後、コントローラ１５は、第２サブ回路６の上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオンしてオフする。コントローラ１５は、複数のサブ回路５、６を順次に制御するが、各サブ回路において、下スイッチング素子よりも先に上スイッチング素子をオンしてオフする。

図６に示すように、コントローラ１５は、時刻Ｔ１に上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオンする。回生の場合、高圧側正極端子１３から上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）、第１中点３６、サブリアクトル２４、メインリアクトル２２を通り、低圧側正極端子１１へと電流が流れる（第１上電流Ｉｓｐ１）。このときの電流の流れを図７（Ａ）に示す。図７（Ａ）は、図５（Ａ）と同じである。

コントローラ１５は、時刻Ｔ２２に上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）をオフする。高圧側正極端子１３からの電流は遮断されるが、先に述べたように、メインリアクトル２２とサブリアクトル２４が誘導起電力を生じ、メインリアクトル２２とサブリアクトル２４には電流が流れ続ける。この電流は、下ダイオード４１を通じて低圧側負極端子１２から供給される（Ｉｓｎ１）。

続いてコントローラ１５は、時刻Ｔ２３に下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンする。このときの電流の流れを図７（Ｂ）に示す。下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）がオンすると、下ダイオード４１を流れていた電流の一部が下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）に移る。しかし、低圧側負極端子１２から第１中点３６へ流れる電流の総量（すなわち第１下電流Ｉｓｎ１）は変わらない。また、図４、図５の場合と異なり、下スイッチング素子３３はオフに保持されている。従って、図４、図５で説明した還流電流が流れない。第２サブ回路６の上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）がオンしてオフした後に第２サブ回路６の下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）がオンしてオフした場合も同様であり、還流電流は流れない。

次に参考例として、力行のときに図６のタイミングチャートと同じタイミングでスイッチング素子３１−３４をオンしてオフしたときの電流の流れを説明する。図８にタイミングチャートを示す。スイッチング素子３１−３４（Ｓｎ１、Ｓｐ１、Ｓｎ２、Ｓｐ２）のタイミングチャートは、図６と同じである。

ここでは、時刻Ｔ２３から説明を始める。コントローラ１５は、時刻Ｔ２３に、第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオンする。力行であるので、電流は低圧側正極端子１１からメインリアクトル２２、サブリアクトル２４、第１中点３６、下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）を通り、低圧側負極端子１２へと電流が流れる（Ｉｓｎ１）。このときの電流の流れを図９（Ａ）に示す。図９（Ａ）は、図３（Ａ）と同じ図である。

コントローラ１５は、時刻Ｔ２４に下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）をオフする。メインリアクトル２２とサブリアクトル２４の誘導起電力により、サブ回路５の上ダイオード４２を通じて低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３へ電流が流れる（Ｉｓｐ１）。コントローラ１５は、時刻Ｔ２５に第２サブ回路６の上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオンする。上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）のコレクタ側は、分岐点３８と導通し、分岐点３８と同電位となる。一方サブリアクトル２４の誘導起電力により、第１中点３６の電位は分岐点３８の電位よりも押し上げられる。その結果。第１上電流Ｉｓｐ１の一部が上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）、第２中点３７、サブリアクトル２６を通り、分岐点３８へと還流する。このときの電流の流れを図９（Ｂ）に示す。太い実線の矢印線が第１上電流Ｉｓｐ１を示している。第１上電流Ｉｓｐ１を示す実線から分岐し、上スイッチング素子３４を通って分岐点３８へ向かう太い破線の矢印線が還流電流（第２上電流Ｉｓｐ２）を示している。また、図８の矢印Ａ３の箇所が、還流電流を示している。還流電流の分だけ高圧側正極端子１３へ流れる電流が少なくなる。還流電流は損失の一因となる。図８の矢印Ｂ３は、第２サブ回路６の下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）がオンしてオフした後に第１サブ回路５の上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）がオンしたときの還流電流を示している。

さらに、コントローラ１５は、時刻Ｔ２６に上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオフする。時刻Ｔ２６まで上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）を通じて流れていた還流電流（第２上電流Ｉｓｐ２）は遮断される。第２上電流Ｉｓｐ２が遮断されると、サブリアクトル２６に誘導起電力が生じ、サブリアクトル２６は、時刻Ｔ２６以降も第２中点３７から分岐点３８へ向けて電流を流そうとする。この電流は、下ダイオード４３を通じて流れる。すなわち、時刻Ｔ２６以降、還流電流として、第２下電流Ｉｓｎ２が流れる。図８の矢印Ａ４の箇所が、還流電流（第２下電流Ｉｓｎ２）を示している。図８の矢印Ｂ４は、第１サブ回路５の上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）がオンしてオフした直後に下ダイオード１２を通じて流れる還流電流を示している。

図２、図３を参照して説明したように、コントローラ１５は、力行のときには回生のときとは異なり、上スイッチング素子をオンしてオフした後に同じサブ回路の下スイッチング素子をオンしてオフする。コントローラ１５は、次に別のサブ回路の上スイッチング素子をオンしてオフする。そのような順序でスイッチング素子を駆動することで、図２、図３で示したように、還流電流が抑制される。コントローラ１５は、メインリアクトル２２を流れる電流を計測する電流センサ２３によって、電流の方向（すなわち、力行又は回生）を特定し、電流の流れに応じてスイッチング素子の駆動順序を変更する。スイッチング素子の駆動順序を変更することで、どちらの向きに電流が流れても、還流電流を抑制することができる。

（第２実施例）本明細書が開示する双方向電力変換器は、電気自動車のインバータに適用することもできる。インバータは、バッテリの直流電力を、走行用モータの駆動電力（交流）に変更するデバイスである。図１０に、実施例の双方向電力変換器が組み込まれたインバータ１５０を含む電気自動車１０１のブロック図を示す。

電気自動車１０１は、バッテリ９０と、インバータ１５０と、走行用モータ８０を備えている。電気自動車１０１は、ドライバのペダルワークに応じて力行と回生が頻繁に入れ替わる。

インバータ１５０は、３個の電力変換器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを備えている。電力変換器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、バッテリ９０とモータ８０の間に接続されている。モータ８０は、三相交流モータである。電力変換器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃのそれぞれは、バッテリ９０の直流電力を交流に変換してモータ８０に供給する機能と、モータ８０が発電した回生電力（交流）を直流に変換しバッテリ９０に供給する機能を有している。すなわち、電力変換器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、双方向電力変換器である。電力変換器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、インバータ１５０が備えるコントローラ１１５によって制御される。

電力変換器１１０ａの直流正極端子１１３ａはバッテリ９０の正極端子９０ａに接続されており、直流負極端子１１４ａは、バッテリ９０の負極端子９０ｂに接続されている。電力変換器１１０ａの交流端子１１１ａは、モータ８０のステータコイル１２２ａに接続されている。モータ８０は、３個のステータコイル１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを備えており、それらのコイルはスター結線（Ｙ結線）されている。電力変換器１１０ａの交流出力線には、電流センサ１２３ａが備えられている。電流センサ１２３ａは、ステータコイル１２２ａを流れる電流を計測する。電流センサ１２３ａの計測値によって、コントローラ１５は、電流の流れる向きを知ることができる。電力変換器１１０ｂ、１１０ｃは、電力変換器１１０ａと同じ構造であるので説明は省略する。

コントローラ１１５は、上位コントローラからの指令に基づいて、３個の電力変換器１１０ａ−１１０ｃを制御し、それぞれの電力変換器から所定の周波数の交流を出力させる。なお、モータ８０が出力軸側から逆駆動され、上記コントローラから指令された周波数よりも高い周波数で回転すると、モータ８０は発電し、モータ８０から電力変換器１１０ａ−１１０ｃへ電流が流れることになる。

図１１に、電力変換器１１０ａの回路図を示す。電力変換器１１０ａは、直流正極端子１１３ａと、複数のサブ回路５、６を備えている。なお、モータ８０のステータコイル１２２ａは、モータ８０の部品であるが、サブ回路５、６とともに、電力変換器１１０ａの部品としても機能する。モータ８０のステータコイル１２２ｂ、１２２ｃに接続されている電力変換器１１０ｂ、１１０ｃについては、図１１では図示を省略してある。

複数のサブ回路５、６は、直流正極端子１１３ａと、ステータコイル１２２ａの間で並列に接続されている。第１サブ回路５は、下スイッチング素子３１、上スイッチング素子３２、下ダイオード４１、上ダイオード４２、サブリアクトル２４を備えている。第２サブ回路６は、下スイッチング素子３３、上スイッチング素子３４、下ダイオード４３、上ダイオード４４、サブリアクトル２６を備えている。

インバータの構造はよく知られており、上スイッチング素子３２、３４は、いわゆる上アームスイッチング素子に対応し、下スイッチング素子３１、３３は、いわゆる下アームスイッチング素子に対応する。

図１と図３を対比すると明らかな通り、電力変換器１１０ａは、第１実施例の電圧コンバータ１０と同じ構造を有している。従って、インバータ１５０のコントローラ１１５が、電圧コンバータ１０のコントローラ１５と同様に、電流の向きに応じてスイッチング素子３１−３４の駆動順序を変更することで還流電流が抑制される。

具体的には、コントローラ１１５は、不図示の上位コントローラからの指令に基づいて、所定のデューティ比のＰＷＭ信号を生成する。コントローラ１１５は、上スイッチング素子がオンのとき、下スイッチング素子がオフとなり、下スイッチング素子がオンのときには上スイッチング素子がオフとなる２種類のＰＷＭ信号（上スイッチング素子用ＰＷＭ信号と下スイッチング素子用ＰＷＭ信号）を生成する。２種類のＰＷＭ信号を第１サブ回路５と第２サブ回路６へ交互に送信する。コントローラ１１５は、直流正極端子１１３ａから交流端子１１１ａへ向けて電流が流れているときには、サブ回路の下スイッチング素子をオンしてオフしてから上スイッチング素子をオンしてオフするＰＷＭ信号を複数のサブ回路に対して順次に供給する。また、コントローラ１１５は、交流端子１１１ａから直流正極端子１１３ａへ向けて電流が流れているときには、サブ回路の上スイッチング素子をオンしてオフしてから下スイッチング素子をオンしてオフするＰＷＭ信号を複数のサブ回路に対して順次に供給する。電力変換器１１０ａのスイッチング素子３１−３４をそのように駆動することで、第１実施例の電圧コンバータ１０と同様に、サブ回路の間に流れる還流電流を抑制することができる。電力変換器１１０ｂ、１１０ｃについても同様である。

サブリアクトルの一つの実現例について述べる。図１を参照しつつ説明したように、サブ回路５に含まれている上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１と上ダイオード４２と下ダイオード４１は、一つの半導体モジュール３に収容されている。半導体モジュール３とメインリアクトル２２のハードウエアの一例を図１２に示す。半導体モジュール３の本体は、樹脂製のパッケージ３００である。パッケージ３００に、上スイッチング素子３２、下スイッチング素子３１、上ダイオード４２、下ダイオード４１が封止されている。パッケージ３００の中で、上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１は直列に接続されている。また、パッケージ３００の中で、上スイッチング素子３２に上ダイオード４２が逆並列に接続されており、下スイッチング素子３１に下ダイオード４１が逆並列に接続されている。パッケージ３００から３個のパワー端子３０１、３０２、３０３が延びている。パワー端子３０１は、パッケージ３００の中で、上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１の直列接続の高電位側に接続されており、パワー端子３０２は、直列接続の低電位側に接続されている。パワー端子３０３は、パッケージ３００の中で、上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１の直列接続の中点（第１中点３６）に接続されている。

メインリアクトル２２は、磁性コア２２ｄと、磁性コア２２ｄに巻回されている巻線２２ｃで構成されている。巻線２２ｃの一端（すなわち、メインリアクトル２２の他端２２ｂ）と、パワー端子３０３（すなわち、２個のスイッチング素子３１、３２の直列接続の中点（第１中点３６）は、導体２９で接続されている。導体２９は、細長い金属棒である。２個の磁性コア（第１磁性リングコア２４ａと第２磁性リングコア２４ｂ）が導体２９を囲んでいる。第１磁性リングコア２４ａ、第２磁性リングコア２４ｂとそれらに囲まれている導体２９がサブリアクトル２４を構成する。

第１磁性リングコア２４ａが磁気飽和に達する第１磁気飽和電流値は、第２磁性リングコア２４ｂが磁気飽和に達する第２磁気飽和電流値と異なっている。より具体的には、第２磁性リングコア２４ｂは、可飽和コア（可飽和リアクトル）であり、小さい電流で磁気飽和に達し、インダクタンスが変化しなくなる。すなわち、第２磁性リングコア２４ｂの第２磁気飽和電流値は、第１磁性リングコア２４ａの第１磁気飽和電流値よりもはるかに小さい。

サブリアクトル２４は、サブ回路のダイオードの逆回復電流を抑制するために備えられているので、小さい電流のときにインダクタンスが大きく変化するのがよい。また、大電流に対してはインダクタンスが変化しない方が、電力変換の主目的である大電流を伴う電力の変換に与える影響が少ない。可飽和コア（第２磁性リングコア２４ｂ）と通常の磁性コア（第１磁性リングコア２４ａ）を組み合わせたサブリアクトル２４は、電力変換に大きな影響を与えることなく、ダイオードの逆回復電流や上記したサブ回路間の還流電流を抑制することができる。

また、一般に、アモルファス材料などで構成される可飽和コアは、通常のコアよりも小型化が可能である。しかも、半導体モジュール３とメインリアクトル２２を接続する導体２９をサブリアクトル２４の巻線として活用することで、小型のサブリアクトルを実現することができる。サブ回路６のサブリアクトル２６についても同様である。

電流の向きの検知について補足する。実施例の電圧コンバータ１０や電力変換器１１０ａでは、電流センサによって電流の向きを検知する。電力変換器の電流センサは、大電流も計測するので、正負が変化するゼロ付近の計測精度が小さい。それゆえ、スイッチング素子の両端電圧を計測して電流の向きを検知するようにしてもよい。図１３に、変形例の電力変換器２１０の回路図を示す。電力変換器２１０の構成は、４個の電圧センサ６０を備える点を除いて、第１実施例の電圧コンバータ１０と同じである。変形例の電力変換器２１０では、スイッチング素子３１−３４のそれぞれに電圧センサ６０が備えられている。電圧センサ６０は、各スイッチング素子の両端電圧を計測する。コントローラ１５は、各電圧センサ６０の計測値に基づいて、メインリアクトル２２を流れる電流の向を判断する。

電圧センサ６０は、スイッチング素子の両端電圧を直接に計測するものであってもよいが、電圧の向きだけを検知できる回路であってもよい。図１４にスイッチング素子３１の電圧の向きを検知する電圧センサ６０の回路図を示す。電圧センサ６０は、出力端子６１、比較器６２、基準電圧端子６３、抵抗６４、ダイオード６５、バッテリ６６を備えている。

スイッチング素子３１のコレクタ端子３１ａと比較器６２の負入力端６２ａがダイオード６５を介して接続されている。コレクタ端子３１ａは、スイッチング素子３１の順方向の上流側に相当し、エミッタ端子３１ｂは順方向の下流側に相当する。ダイオード６５のカソードがコレクタ端子３１ａに接続されており、アノードが比較器６２に接続されている。比較器６２の負入力端６２ａは、抵抗６４を介して基準電圧端子６３に接続されている。ダイオード６５は、コレクタ端子３１ａの側から比較器６２の側へ電流が流れることを阻止する。

スイッチング素子３１のエミッタ端子３１ｂがバッテリ６６を介して比較器６２の正入力端６２ｂに接続されている。バッテリ６６の負極がエミッタ端子３１ｂに接続されており、バッテリ６６の正極が比較器６２に接続されている。基準電圧端子６３の電圧とバッテリ６６の電圧は、コレクタ端子３１ａとエミッタ端子３１ｂが同電位のときに負入力端６２ａと正入力端６２ｂが同電位となるように選定されている。

図１４の回路によると、スイッチング素子３１のコレクタ端子３１ａの電位がエミッタ端子３１ｂの電位よりも高くなると、比較器６２の出力端６２ｃの電位がＬＯＷ電位に保持される。コレクタ端子３１ａの電位がエミッタ端子３１ｂの電位よりも高くなる場合とは、スイッチング素子３１を通じてコレクタ端子３１ａからエミッタ端子３１ｂへ電流が流れることを意味する。また、スイッチング素子３１のコレクタ端子３１ａの電位がエミッタ端子３１ｂの電位よりも低くなると、比較器６２の出力端６２ｃの電位がＨＩＧＨ電位に保持される。コレクタ端子３１ａの電位がエミッタ端子３１ｂの電位よりも低くなる場合とは、ダイオード４１を通じてエミッタ端子３１ｂからコレクタ端子３１ａへ電流が流れることを意味する。図１４の回路は、ゼロ電流付近で電流の方向を高精度で検知することができる。

図１４の回路の電圧センサ６０を用いる場合、電圧センサ６０が接続されているスイッチング素子がオンからオフに切り換わった直後の出力から電流の方向を特定することが望ましい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第１実施例の電圧コンバータ１０の特徴は以下の通りである。電圧コンバータ１０は、電力を入出力することが可能なバッテリ９０とインバータ５０の間に接続される。電圧コンバータ１０は、高圧側正極端子１３、低圧側正極端子１１、高圧側負極端子１４、メインリアクトル２２、複数のサブ回路５、６、コントローラ１５を備えている。高圧側正極端子１３は、インバータ５０の入出力端に相当する直流正極端子５１に接続される。低圧側正極端子１１は、バッテリ９０の入出力端に相当する正極端子９０ａに接続される。高圧側負極端子１４は、インバータ５０の直流負極端子５２に接続される。高圧側負極端子１４は、低圧側負極端子１２と直接に接続されている。

メインリアクトル２２の一端２２ａは低圧側正極端子１１に接続される。メインリアクトル２２の他端２２ｂと高圧側正極端子１３の間に、複数のサブ回路５、６が並列に接続される。コントローラ１５は、複数のサブ回路５、６を順次に制御する。複数のサブ回路を順次に制御するとは、一のサブ回路に含まれるスイッチング素子をオンしてオフした後に、別のサブ回路に含まれるスイッチング素子をオンしてオフすることを意味する。

サブ回路５は、上スイッチング素子３２、下スイッチング素子３１、上ダイオード４２、下ダイオード４１、サブリアクトル２４を備えている。上スイッチング素子３２は高圧側正極端子１３に接続されている。下スイッチング素子３１は、上スイッチング素子３２と高圧側負極端子１４（低圧側負極端子１２）の間に接続されている。上ダイオード４２は上スイッチング素子３２に逆並列に接続されており、下ダイオード４１は下スイッチング素子３１に逆並列に接続されている。サブリアクトル２４は、メインリアクトル２２の他端２２ｂと第１中点３６の間に接続されている。第１中点３６は、上スイッチング素子３２と下スイッチング素子３１の直列接続の中点である。サブ回路６はサブ回路５と同じ回路構造を有している。

コントローラ１５は、低圧側正極端子１１から高圧側正極端子１３へ電流が流れている間は、複数のサブ回路５、６のそれぞれの下スイッチング素子をオンしてオフした後に上スイッチング素子をオンしてオフする。コントローラ１５は、高圧側正極端子１３から低圧側正極端子１１へ電流が流れている間は、複数のサブ回路５、６のそれぞれの上スイッチング素子をオンしてオフした後に下スイッチング素子をオンしてオフする。

第２実施例のインバータ１５０の複数の電力変換器１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃも、基本的に第１実施例の電圧コンバータ１０と同じ構造と制御ルールを有している。ただし、電力変換器１１０ａ（１１０ｂ、１１０ｃ）では、モータ８０のステータコイル１２２ａ（１２２ｂ、１２２ｃ）がメインリアクトルを兼ねている。

第１実施例の場合、高圧側正極端子１３が第１端子の一例であり、低圧側正極端子１１が第２端子の一例である。高圧側負極端子１４が負極端子の一例である。バッテリ９０が第１デバイスの一例であり、インバータ５０が第２デバイスの一例である。

第２実施例の場合、直流正極端子１１３ａ（１１３ｂ、１１３ｃ）が第１端子の一例であり、交流端子１１１ａ（１１１ｂ、１１１ｃ）が第２端子の一例である。直流負極端子１１４ａ（１１４ｂ、１１４ｃ）が負極端子の一例である。ステータコイル１２２ａ（１２２ｂ、１２２ｃ）が、メインリアクトルに相当する。第２実施例では、バッテリ９０が第２デバイスの一例であり、モータ８０が第２デバイスの一例である。第２実施例では、バッテリ９０とインバータ１５０の間に電圧コンバータが接続されていてもよい。

実施例の電力変換器（電圧コンバータ１０、電力変換器１１０ａ−１１０ｃ）では、２個のサブ回路５、６が並列に接続されている。本明細書が開示する技術は、３個以上のサブ回路が並列に接続されている電力変換器に適用することも可能である。

本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車が含まれる。また、本明細書における「電気自動車」は、電源としてバッテリと燃料電池の双方を備えている自動車であってもよい。

本明細書が開示する技術は、電気回路に関する。それゆえ、「デバイスＡとデバイスＢが接続されている」とは、デバイスＡとデバイスＢが電気的に接続されていることを意味する。例えば、「デバイスＡとデバイスＢの間に接続されているリアクトル」との表記は、デバイスＡとデバイスＢの間にリアクトル以外の要素（例えば抵抗やコンデンサなど）が接続されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、１０１：電力電気自動車
５、６：サブ回路
１０：電圧コンバータ（電力変換器）
１１：低圧側正極端子
１２：低圧側負極端子
１３：高圧側正極端子
１４：高圧側負極端子
１５、１１５：コントローラ
２２：メインリアクトル
２３：電流センサ
２４、２６：サブリアクトル
３１−３４：スイッチング素子
３６：第１中点
３７：第２中点
３８：分岐点
４１−４４：ダイオード
５０、１５０：インバータ
５１：直流正極端子
５２：直流負極端子
８０：走行用モータ
９０：バッテリ
１１０ａ−１１０ｃ、２１０：電力変換器
１２２ａ−１２２ｃ：ステータコイル

さらに、コントローラ１５は、時刻Ｔ６に下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）をオフする。時刻Ｔ６まで下スイッチング素子３３（Ｓｎ２）を通じて流れていた還流電流（第２下電流Ｉｓｎ２）は遮断される。第２下電流Ｉｓｎ２が遮断されると、サブリアクトル２６に誘導起電力が生じ、サブリアクトル２６は、時刻Ｔ６以降も分岐点３８から第２中点３７へ向けて電流を流そうとする。この電流は、上ダイオード４４を通じて流れる。すなわち、時刻Ｔ６以降、還流電流として、第２上電流Ｉｓｐ２が流れる。図４の矢印Ａ２の箇所が、還流電流（第２上電流Ｉｓｐ２）を示している。図４の矢印Ｂ２は、第１サブ回路５の下スイッチング素子３１（Ｓｎ１）がオンしてオフした直後に上ダイオード４２を通じて流れる還流電流を示している。

さらに、コントローラ１５は、時刻Ｔ２６に上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）をオフする。時刻Ｔ２６まで上スイッチング素子３４（Ｓｐ２）を通じて流れていた還流電流（第２上電流Ｉｓｐ２）は遮断される。第２上電流Ｉｓｐ２が遮断されると、サブリアクトル２６に誘導起電力が生じ、サブリアクトル２６は、時刻Ｔ２６以降も第２中点３７から分岐点３８へ向けて電流を流そうとする。この電流は、下ダイオード４３を通じて流れる。すなわち、時刻Ｔ２６以降、還流電流として、第２下電流Ｉｓｎ２が流れる。図８の矢印Ａ４の箇所が、還流電流（第２下電流Ｉｓｎ２）を示している。図８の矢印Ｂ４は、第１サブ回路５の上スイッチング素子３２（Ｓｐ１）がオンしてオフした直後に下ダイオード４１を通じて流れる還流電流を示している。

第１実施例の場合、低圧側正極端子１１が第１端子の一例であり、高圧側正極端子１３が第２端子の一例である。高圧側負極端子１４が負極端子の一例である。バッテリ９０が第１デバイスの一例であり、インバータ５０が第２デバイスの一例である。

第２実施例の場合、交流端子１１１ａ（１１１ｂ、１１１ｃ）が第１端子の一例であり、直流正極端子１１３ａ（１１３ｂ、１１３ｃ）が第２端子の一例である。直流負極端子１１４ａ（１１４ｂ、１１４ｃ）が負極端子の一例である。ステータコイル１２２ａ（１２２ｂ、１２２ｃ）が、メインリアクトルに相当する。第２実施例では、バッテリ９０が第２デバイスの一例であり、モータ８０が第２デバイスの一例である。第２実施例では、バッテリ９０とインバータ１５０の間に電圧コンバータが接続されていてもよい。

図２、図３を参照して説明したように、コントローラ１５は、力行のときには回生のときとは異なり、下スイッチング素子をオンしてオフした後に同じサブ回路の上スイッチング素子をオンしてオフする。コントローラ１５は、次に別のサブ回路の下スイッチング素子をオンしてオフする。そのような順序でスイッチング素子を駆動することで、図２、図３で示したように、還流電流が抑制される。コントローラ１５は、メインリアクトル２２を流れる電流を計測する電流センサ２３によって、電流の方向（すなわち、力行又は回生）を特定し、電流の流れに応じてスイッチング素子の駆動順序を変更する。スイッチング素子の駆動順序を変更することで、どちらの向きに電流が流れても、還流電流を抑制することができる。

Claims (5)

1. 双方向電力変換器であり、
   電力を入出力することが可能な第１デバイスの入出力端に接続される第１端子と、
   電力を入出力することが可能な第２デバイスの入出力端に接続される第２端子と、
   前記第２デバイスの負極に接続される負極端子と、
   一端が前記第１端子に接続されているメインリアクトルと、
   前記メインリアクトルの他端と前記第２端子の間に並列に接続されている複数のサブ回路と、
   複数の前記サブ回路を順次に制御するコントローラと、
   を備えており、
   複数の前記サブ回路のそれぞれは、
   前記第２端子に接続されている上スイッチング素子と、前記上スイッチング素子と前記前記負極端子の間に接続されている下スイッチング素子と、
   前記上スイッチング素子に逆並列に接続されている上ダイオードと、
   前記下スイッチング素子に逆並列に接続されている下ダイオードと、
   一端が前記メインリアクトルの他端に接続されており、他端が前記上スイッチング素子と前記下スイッチング素子の直列接続の中点に接続されているサブリアクトルと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記第１端子から前記第２端子へ電流が流れている間は、それぞれの前記サブ回路の前記下スイッチング素子をオンしてオフした後に前記上スイッチング素子をオンしてオフし、
   前記第２端子から前記第１端子へ電流が流れている間は、それぞれの前記サブ回路の前記上スイッチング素子をオンしてオフした後に前記下スイッチング素子をオンしてオフする、双方向電力変換器。
2. 前記サブリアクトルは、前記直列接続の前記中点と前記メインリアクトルを接続している導体と、前記導体を囲んでいる第１磁性リングコア及び第２磁性リングコアを備えており、
   前記第２磁性リングコアが磁気飽和に達する第２磁気飽和電流値が、前記第１磁性リングコアが磁気飽和に達する第１磁気飽和電流値よりも小さい、請求項１に記載の双方向電力変換器。
3. 請求項１又は請求項２の双方向電力変換器と、
   前記第１デバイスとしてのバッテリと、
   前記第２デバイスとしてのインバータであって交流端が走行用モータに接続されているインバータと、
   を備えており、
   前記第１端子が前記バッテリの正極端子に接続されており、前記第２端子が前記インバータの直流正極端子に接続されているとともに前記負極端子が前記バッテリの負極端子と前記インバータの直流負極端子に接続されている、電気自動車。
4. 請求項１又は請求項２の双方向電力変換器が組み込まれているインバータと、
   前記第２デバイスとしてのバッテリと、
   前記第１デバイスとしての走行用モータであってコイルを備えている走行用モータと、
   を備えており、
   前記第２端子が前記バッテリの正極端子に接続されているとともに前記負極端子が前記バッテリの負極端子に接続されており、
   前記コイルが前記メインリアクトルを兼ねており、
   前記サブ回路の前記上スイッチング素子が前記インバータの上アームスイッチング素子として前記第２端子に接続されているとともに前記下スイッチング素子が前記インバータの下アームスイッチング素子として前記第２端子と前記負極端子の間に接続されており、
   前記上スイッチング素子と前記下スイッチング素子の前記直列接続の前記中点と前記コイルとの間に前記サブリアクトルが接続されている、電気自動車。
5. 双方向電力変換器の制御方法であり、
   前記双方向電力変換器は、
   電力を入出力することが可能な第１デバイスの入出力端に接続される第１端子と、
   電力を入出力することが可能な第２デバイスの入出力端に接続される第２端子と、
   前記第２デバイスの負極に接続される負極端子と、
   一端が前記第１端子に接続されているメインリアクトルと、
   前記メインリアクトルの他端と前記第２端子の間に並列に接続されている複数のサブ回路と、
   を備えており、
   複数の前記サブ回路のそれぞれは、
   前記第２端子に接続されている上スイッチング素子と、前記上スイッチング素子と前記前記負極端子の間に接続されている下スイッチング素子と、
   前記上スイッチング素子に逆並列に接続されている上ダイオードと、
   前記下スイッチング素子に逆並列に接続されている下ダイオードと、
   一端が前記メインリアクトルの他端に接続されており、他端が前記上スイッチング素子と前記下スイッチング素子の直列接続の中点に接続されているサブリアクトルと、
   を備えており、
   前記制御方法は、
   複数の前記サブ回路を順次に制御するとともに、
   前記第１端子から前記第２端子へ電流が流れている間は、それぞれの前記サブ回路の前記下スイッチング素子をオンしてオフした後に前記上スイッチング素子をオンしてオフし、
   前記第２端子から前記第１端子へ電流が流れている間は、それぞれの前記サブ回路の前記上スイッチング素子をオンしてオフした後に前記下スイッチング素子をオンしてオフする、双方向電力変換器の制御方法。

Images