JP5903628B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、トランスを用いて双方向に直流電力を変換する電力変換装置に関する。
従来から、一次側と二次側との間で双方向に直流電力を変換する電力変換装置が、蓄電池の充放電などに用いられている。たとえば、電力変換装置は、一次側に直流電源、二次側に蓄電池が接続された状態で、直流電源からの直流電力を所望の直流電力に変換し二次側に出力することにより、蓄電池を充電することができる。また、この電力変換装置は、一次側に負荷、二次側に蓄電池が接続された状態で、蓄電池からの直流電力を所望の直流電力に変換し一次側に出力することにより、蓄電池を放電することができる。
この種の電力変換装置としては、第１の直流電源または第１の負荷を含む一次側回路と、第２の負荷または第２の直流電源を含む二次側回路と、一次側回路と二次側回路との間に設けられたトランスを備えた装置が知られている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１に記載の電力変換装置（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、一次側回路と二次側回路との各々に、４個の半導体スイッチにより構成されるブリッジ回路を備えている。この電力変換装置は、両ブリッジ回路の半導体スイッチの動作を同期させることにより、一次側回路から二次側回路へトランスの変圧比で変圧された電力を供給し、また、二次側回路から一次側回路へトランスの変圧比で変圧された電力を供給する。
特開２０１１−２３４５４１号公報
しかし、上述したようにトランスを用いて双方向に直流電力を変換する電力変換装置は、トランスの変圧比（巻数比）によって、昇圧の向きが固定されており、双方向に昇圧することができない。つまり、一次側から二次側への電力変換が昇圧になる構成の電力変換装置であれば、逆向き（二次側から一次側）への電力変換は降圧になる。そのため、この電力変換装置は、たとえば蓄電池の充放電に用いられる場合に、蓄電池の充電時には直流電源からの直流電力を昇圧して蓄電池を充電し、蓄電池の放電時には蓄電池からの直流電力を昇圧して負荷に供給するという使い方ができない。
本発明は上記事由に鑑みて為されており、トランスを用いながらも双方向に昇圧可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
本発明の電力変換装置は、第１の端子と第２の端子との間に設けられたトランスと、前記第１の端子と前記トランスの第１巻線との間に設けられた第１変換部と、前記第２の端子と前記トランスの第２巻線との間に設けられた第２変換部とを備え、前記第１の端子からの直流電力を所望の電圧の直流電力に変換して前記第２の端子に出力する第１動作モードと、前記第２の端子からの直流電力を所望の電圧の直流電力に変換して前記第１の端子に出力する第２動作モードとを有する電力変換装置であって、前記第１変換部は、前記第１の端子と前記第１巻線との間で双方向に電力変換する変換回路と、前記第１巻線から電力供給を受けて直流電力を出力する整流回路と、前記第１動作モードでは前記第１の端子からの直流電力を前記変換回路を通して前記第１巻線に供給し、前記第２動作モードでは前記変換回路の出力電圧に前記整流回路の出力電圧を加算した電圧を前記第１の端子に出力するように、前記第１の端子に対する前記整流回路の接続状態を切り替える切替部とを有することを特徴とする。
この電力変換装置において、前記トランスは、前記第１巻線として前記変換回路に接続される主巻線と前記整流回路に接続される補助巻線とを有することが望ましい。
この電力変換装置において、前記変換回路は、前記主巻線に接続される第１の整流器と、前記第１の整流器の直流出力に接続される第１のコンデンサとを有し、前記整流回路は、前記補助巻線に接続される第２の整流器と、前記第２の整流器の直流出力に接続される第２のコンデンサとを有し、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとは前記第１の端子に対して直列接続されており、前記切替部は、前記第２のコンデンサの両端間に接続されたスイッチング素子からなり、前記第１動作モードではオンすることで前記第２のコンデンサの両端間を短絡し、前記第２動作モードではオフし、前記整流回路には、前記第２のコンデンサと前記切替部との間に挿入され、前記第１動作モードでオフし、前記第２動作モードでオンするスイッチが設けられていることがより望ましい。
この電力変換装置において、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとは、前記第２動作モードでの電荷量が同じになるように、前記主巻線と前記補助巻線との巻数比に応じて容量が決められていることがより望ましい。
この電力変換装置において、前記第１変換部は、前記整流回路と前記変換回路とが前記第２動作モードにおいて出力電圧に生じるリップルが互いに逆相になるように前記第１の端子に接続されることがより望ましい。
この電力変換装置において、前記第１変換部は、前記整流回路を複数有しており、前記切替部は、前記第２動作モードでは、前記変換回路の出力電圧に前記複数の前記整流回路のうち少なくとも１つの出力電圧を加算した電圧を出力するように、前記第１の端子に対する前記複数の前記整流回路の接続状態を切り替えることがより望ましい。
この電力変換装置において、前記第２変換部は、前記第２の端子と前記第２巻線との間で双方向に電力変換する第２の変換回路と、前記第２巻線から電力供給を受けて直流電力を出力する第２の整流回路と、前記第２動作モードでは前記第２の端子からの直流電力を前記第２の変換回路を通して前記第２巻線に供給し、前記第１動作モードでは前記第２の変換回路の出力電圧に前記第２の整流回路の出力電圧を加算した電圧を前記第２の端子に出力するように、前記第２の端子に対する前記第２の整流回路の接続状態を切り替える切替部とを有することがより望ましい。
この電力変換装置において、前記トランスは、前記第２巻線として前記第２の変換回路に接続される主巻線と前記第２の整流回路に接続される補助巻線とを有することがより望ましい。
本発明は、第１動作モードでは第１の端子からの直流電力を変換回路を通して第１巻線に供給し、第２動作モードでは変換回路の出力電圧に整流回路の出力電圧を加算した電圧を第１の端子に出力するように、第１の端子に対する整流回路の接続状態を切り替える。したがって、トランスを用いながらも双方向に昇圧可能という利点がある。
実施形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 実施形態１に係る電力変換装置の動作を示し、（ａ）は第１動作モード、（ｂ）は第２動作モードの説明図である。 実施形態１の変形例の構成を示す回路図である。 実施形態１の変形例の動作の説明図である。 実施形態１の他の変形例の構成を示す回路図である。 実施形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施形態３に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施形態４に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
（実施形態１）
本実施形態では、電力変換装置の一例として、電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）など、電気エネルギを用いて走行時の駆動力を発生する車両に搭載されている蓄電池（走行用バッテリ）の充放電に用いられる電力変換装置を例示する。なお、車両は、蓄電池に蓄電された電気エネルギを走行に用いる電動車両であればよく、四輪自動車に限らず電動二輪車などであってもよい。
以下に説明する電力変換装置は、住宅に設置され、住宅に設けられている直流供給バス（図示せず）から車両（図示せず）に電力供給して車両の蓄電池（図示せず）を充電し、また、車両の蓄電池を放電させて直流供給バスに電力供給を行うのに用いられる。ここでいう直流供給バスは、太陽光発電装置や燃料電池や据置型の蓄電装置などの直流電源に接続され、これらの直流電源からの直流電力をパワーコンディショナ等に供給する。なお、本実施形態では、電力変換装置が戸建て住宅に用いられる場合について説明するが、戸建て住宅に限らず、集合住宅や事業所などに電力変換装置が用いられていてもよい。
本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すように、各一対の第１の端子１１および第２の端子１２と、第１の端子１１と第２の端子１２との間に設けられたトランス２とを備えている。さらに、電力変換装置１は、第１の端子１１−トランス２間に設けられた第１変換部３１と、第２の端子１２−トランス２間に設けられた第２の変換部３２と、各部の動作を統括制御する制御部（図示せず）とを備えている。制御部は、たとえばマイコン（マイクロコンピュータ）からなる。
この電力変換装置１は、第１の端子１１と第２の端子１２との間で双方向に直流電力を変換する機能を有しており、トランス２の第１巻線２１と第２巻線２２との巻数比（つまりトランス２の変圧比）に応じて昇圧（あるいは降圧）を行う。電力変換装置１は、制御部にて第１変換部３１および第２変換部３２の動作を制御することによって、第１の端子１１と第２の端子１２との間で電力変換を行う向きが異なる２つの動作モードを切り替える。すなわち、電力変換装置１は、第１の端子１１からの直流電力を所望の電圧の直流電力に変換し第２の端子１２に出力する第１動作モードと、第２の端子１２からの直流電力を所望の電圧の直流電力に変換し第１の端子１１に出力する第２動作モードとを有する。なお、電力変換装置１は、第１変換部３１、第２変換部３２をスイッチング動作させ、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御やＰＰＭ（Pulse Phase Modulation）制御を行うことで、所望の変圧比で降圧することもできる。
以下では、第１の端子１１が車両側（蓄電池）に接続され、第２の端子１２が住宅側（直流供給バス）に接続され、電力変換装置１は、蓄電池の放電時には第１動作モードで動作し、蓄電池の充電時には第２動作モードで動作する場合を例示する。
トランス２は、一次側（第１の端子１１側）に主巻線２１１と補助巻線２１２との２つの巻線が第１巻線２１として設けられており、二次側（第２の端子１２側）には単一の第２巻線２２が設けられている。以下では、主巻線２１１の巻数を「ｎ１」、補助巻線２１２の巻数を「ｎ２」、第２巻線２２の巻数を「ｍ」とする。トランス２は、少なくとも「ｍ＞ｎ１」となるように巻数比が設定されている。
第１変換部３１は、第１の端子１１と第１巻線２１との間に設けられている。第１変換部３１は、主巻線２１１に接続された（第１の）変換回路４と、補助巻線２１２に接続された（第１の）整流回路５と、第１の端子１１に対する整流回路５の接続状態を切り替える（第１の）切替部５０とを有している。切替部５０は、図１の例では整流回路５に組み込まれているが、整流回路５とは別に設けられていてもよい。
変換回路４は、第１の端子１１と第１巻線（主巻線２１１）２１との間で双方向に電力変換する。つまり、変換回路４は、第１動作モードにおいては第１の端子１１からの直流電力を変換して第１巻線（主巻線２１１）２１に出力し、第２巻線２２へ電力供給する。また、変換回路４は、第２動作モードにおいては第１巻線（主巻線２１１）２１からの電力供給を受けて直流電力を第１の端子１１に出力する。言い換えれば、変換回路４は、第１動作モードでは直流を交流に変換するインバータ回路として機能し、第２動作モードでは交流を直流に変換する整流回路として機能する。
具体的に説明すると、変換回路４は、図１に示すように（第１の）コンデンサ４５と、コンデンサ４５の両端間に接続された４つのスイッチング素子４１〜４４と、インダクタ４６とを有している。ここで、コンデンサ４５の両端間には、スイッチング素子４１，４２の直列回路と、スイッチング素子４３，４４の直列回路とが並列に接続されており、変換回路４はフルブリッジ型のインバータ回路を構成する。スイッチング素子４１，４２の接続点と、スイッチング素子４３，４４の接続点とは、インダクタ４６を介して主巻線２１１に接続されている。
スイッチング素子４１，４２，４３，４４は、ここでは制御部によりオンオフ制御可能なＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor）からなり、各々のドレイン−ソース間にダイオード４１１，４２１，４３１，４４１が逆並列に接続されている。ダイオード４１１，４２１，４３１，４４１は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであってもよい。スイッチング素子４１，４２，４３，４４はＭＯＳＦＥＴ以外の半導体スイッチでもよい。
この変換回路４は、第１動作モードでは、スイッチング素子４１，４４の組と、スイッチング素子４２，４３の組とが交互にオンするようなスイッチング動作により、コンデンサ４５の両端の直流電圧を交流電圧に変換し第１巻線（主巻線２１１）２１に印加する。一方、変換回路４は、第２動作モードではスイッチング素子４１〜４４を全てオフし、ダイオード４１１，４２１，４３１，４４１からなるダイオードブリッジを第１の整流器として、第１巻線（主巻線２１１）２１から電力供給を受けてコンデンサ４５を充電する。このとき、第１巻線２１からの交流電力は、ダイオード４１１，４２１，４３１，４４１からなるダイオードブリッジで全波整流され、コンデンサ４５にて平滑されることになる。要するに、制御部は、第１動作モードではスイッチング素子４１，４４の組と、スイッチング素子４２，４３の組とを交互にオンし、第２動作モードではスイッチング素子４１〜４４をオフに維持するように、スイッチング素子４１〜４４を制御する。
整流回路５は、第２動作モードにおいて、第１巻線（補助巻線２１２）２１からの電力供給を受けて直流電力を第１の端子１１に出力する。言い換えれば、整流回路５は、第２動作モードでは交流を直流に変換するよう機能する。
具体的に説明すると、整流回路５は、図１に示すように補助巻線２１２の両端間に直列に接続されたダイオード５１と（第２の）コンデンサ５２とスイッチング素子５３とを有している。ここで、補助巻線２１２の一端はダイオード５１のカソードに接続され、補助巻線２１２の他端はスイッチング素子５３の一端に接続され、コンデンサ５２の両端は、ダイオード５１のアノードとスイッチング素子５３の他端とに接続されている。スイッチング素子５３は、ここでは制御部によりオンオフ制御可能なＭＯＳＦＥＴからなり、ドレイン−ソース間にダイオード５３１が逆並列に接続されている。ダイオード５３１は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであってもよい。スイッチング素子５３はＭＯＳＦＥＴ以外の半導体スイッチでもよい。
この整流回路５は、第１動作モードではスイッチング素子５３をオフにすることで、第１巻線（補助巻線２１２）２１から電気的に切り離され、補助巻線２１２は開放状態とみなすことができる。一方、整流回路５は、第２動作モードではスイッチング素子５３をオンにし、ダイオード５１が第２の整流器として機能することにより、第１巻線（補助巻線２１２）２１からの電力供給を受けてコンデンサ５２を充電する。このとき、第１巻線２１からの交流電力は、ダイオード５１で半波整流され、平滑コンデンサとしてのコンデンサ５２にて平滑されることになる。要するに、制御部は、第１動作モードではスイッチング素子５３をオフに維持し、第２動作モードではスイッチング素子５３をオンに維持するように、スイッチング素子５３を制御する。
ここで、第１変換部３１は、変換回路４の（第１の）コンデンサ４５と整流回路５の（第２の）コンデンサ５２とが、第１の端子１１間において直列に接続されている。図１の例では、コンデンサ４５が高電位側、コンデンサ５２が低電位側に接続されている。
切替部５０は、変換回路４の（第１の）コンデンサ４５に対して直列、且つ整流回路５の（第２の）コンデンサ５２に対して並列になるように接続されたスイッチング素子である。切替部５０は、ここでは制御部によりオンオフ制御可能なＭＯＳＦＥＴからなり、ドレイン−ソース間にダイオード５０１が逆並列に接続されている。ダイオード５０１は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであってもよい。切替部５０はＭＯＳＦＥＴ以外の半導体スイッチでもよい。そのため、切替部５０がオンの状態では、コンデンサ５２の両端間が切替部５０にて短絡されて第１の端子１１間において整流回路５のコンデンサ５２がバイパスされ、第１の端子１１には変換回路４のコンデンサ４５が接続されることになる。切替部５０の動作については後に詳しく説明する。
第２変換部３２は、第２の端子１２と第２巻線２２との間に設けられており、第２の端子１２と第２巻線２２との間で双方向に電力変換する（第２の）変換回路６を有している。つまり、変換回路６は、第１動作モードにおいては第２巻線２２からの電力供給を受けて直流電力を第２の端子１２に出力する。また、変換回路６は、第２動作モードにおいては第２の端子１２からの直流電力を変換して第２巻線２２に出力し、第１巻線２１へ電力供給する。言い換えれば、変換回路６は、第１動作モードでは交流を直流に変換する整流回路として機能し、第２動作モードでは直流を交流に変換するインバータ回路として機能する。
具体的に説明すると、変換回路６は、コンデンサ６５と、コンデンサ６５の両端間に接続された４つのスイッチング素子６１〜６４とを有している。ここで、コンデンサ６５の両端間には、スイッチング素子６１，６２の直列回路と、スイッチング素子６３，６４の直列回路とが並列に接続されており、変換回路６は、第１変換部３１の（第１の）変換回路４と同様に、フルブリッジ型のインバータ回路を構成する。スイッチング素子６１，６２の接続点と、スイッチング素子６３，６４の接続点とは、第２巻線２２に接続されている。
スイッチング素子６１，６２，６３，６４は、ここでは制御部によりオンオフ制御可能なＭＯＳＦＥＴからなり、各々のドレイン−ソース間にダイオード６１１，６２１，６３１，６４１が逆並列に接続されている。ダイオード６１１，６２１，６３１，６４１は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであってもよい。スイッチング素子６１，６２，６３，６４はＭＯＳＦＥＴ以外の半導体スイッチでもよい。つまり、第１変換部３１の（第１の）変換回路４と第２変換部３２の（第２の）変換回路６とは、トランス２を中心にして略対称に構成されている。
この変換回路６は、第１動作モードではスイッチング素子６１〜６４を全てオフし、ダイオード６１１，６２１，６３１，６４１からなるダイオードブリッジが第２の整流器として機能し、第２巻線２２からの電力供給を受けてコンデンサ６５を充電する。このとき、第２巻線２２からの交流電力は、ダイオード６１１，６２１，６３１，６４１からなるダイオードブリッジで全波整流され、コンデンサ６５にて平滑されることになる。一方、変換回路６は、第２動作モードでは、スイッチング素子６１，６４の組と、スイッチング素子６２，６３の組とが交互にオンするようなスイッチング動作により、コンデンサ６５の両端の直流電圧を交流電圧に変換し第２巻線２２に印加する。要するに、制御部は、第１動作モードではスイッチング素子６１〜６４をオフに維持し、第２動作モードではスイッチング素子６１，６４の組と、スイッチング素子６２，６３の組とを交互にオンするように、スイッチング素子６１〜６４を制御する。
ここにおいて、第２変換部３２は、第２の端子１２に対して変換回路６のコンデンサ６５が接続されている。そのため、上述したように切替部５０がオンで第１の端子１１に変換回路４のコンデンサ４５が接続された状態では、電力変換装置１は、両変換回路４，６により第１の端子１１と第２の端子１２との間で双方向に直流電力を変換する。すなわち、仮に切替部５０がオン状態に固定されているとすれば、電力変換装置１は、第１動作モードでは、第１の端子１１から入力される直流電力を変換回路４、トランス２、変換回路６にて所望の電圧の直流電力に変換して第２の端子１２から出力する。また、第２動作モードでは、電力変換装置１は、第２の端子１２から入力される直流電力を変換回路６、トランス２、変換回路４にて所望の電圧の直流電力に変換して第１の端子１１から出力する。
ただし、この場合における第１の端子１１−第２の端子１２間における変圧比は、トランス２における第１巻線２１の主巻線２１１と第２巻線２２との巻数比によって固定的に決まる。つまり、第１の端子１１間電圧Ｖ１と、第２の端子１２間電圧Ｖ２との比は、変換回路４に接続されている主巻線２１１の巻数ｎ１と、変換回路６に接続されている第２巻線２２の巻数ｍとの比に応じて決まる。そのため、切替部５０がオン状態に固定されている場合、電力変換装置１は、上述のように巻数比が「ｍ＞ｎ１」の関係にあることから、変圧比については「Ｖ２＞Ｖ１」の関係になる。言い換えれば、電力変換装置１は、第１の端子１１から第２の端子１２への電力変換（第１動作モード）のみが昇圧になり、第２の端子１２から第１の端子１１への電力変換（第２動作モード）は降圧になる。
そこで、本実施形態の電力変換装置１は、以下に説明するように切替部５０が第１動作モードと第２動作モードとで第１の端子１１に対する整流回路５の接続状態を切り替えることにより、双方向の昇圧を可能にしている。
すなわち、切替部５０は、第１動作モードではオンして整流回路５のコンデンサ５２を短絡し、第２動作モードではオフする。これにより、第１変換部３１は、第１動作モードでは第１の端子１１からの直流電力を変換回路４およびトランス２を通して第２変換部３２に供給し、第２動作モードでは変換回路４の出力電圧に整流回路５の出力電圧を加算した電圧を第１の端子１１に出力する。
以下、本実施形態の電力変換装置１の動作について、図２を参照して説明する。なお、図２（ａ）における矢印Ａ、図２（ｂ）における矢印Ｂは電力変換の向きを表している。
電力変換装置１は、図２（ａ）に示すように、第１の端子１１から第２の端子１２への電力変換を行う第１動作モードにおいては、切替部５０がオンすることにより、第１の端子１１間に変換回路４のコンデンサ４５を接続する。このとき、第１の端子１１からの入力電流Ｉ１は切替部５０を流れ、整流回路５のコンデンサ５２には流れ込まないので、切替部５０のオン抵抗を無視できる程度とすれば、変換回路４のコンデンサ４５には第１の端子１１間電圧Ｖ１が印加されることになる。また、図２（ａ）の状態において、整流回路５は、スイッチング素子５３がオフして第１巻線（補助巻線２１２）２１から電気的に切り離されるので、第１巻線２１の補助巻線２１２は開放状態になる。
したがって、電力変換装置１は、第１動作モードでは、主巻線２１１と第２巻線２２との巻数比（ｎ１：ｍ）で決まる変圧比にて、第１の端子１１からの直流電力を変換して第２の端子１２に出力する。ここで、巻数比が「ｍ＞ｎ１」の関係にあることから、電力変換装置１は、第１の端子１１間電圧Ｖ１を昇圧し第２の端子１２間電圧Ｖ２（＝Ｖ１×ｍ／ｎ１）として出力する（Ｖ２＞Ｖ１）。
一方、電力変換装置１は、図２（ｂ）に示すように、第２の端子１２から第１の端子１１への電力変換を行う第２動作モードでは、切替部５０がオフする。このとき、整流回路５は、スイッチング素子５３がオンして、ダイオード５１が第２の整流器として機能することにより、第１巻線（補助巻線２１２）２１からの電流（半波）Ｉ２がコンデンサ５２に流れてコンデンサ５２が充電される。したがって、図２（ｂ）の状態においては、第１の端子１１間電圧Ｖ１は、コンデンサ４５の両端電圧Ｖ１１にコンデンサ５２の両端電圧Ｖ１２を加算した電圧となる。
つまり、電力変換装置１は、第２動作モードでは、第１の端子１１からの直流電力を変換して、変換回路４の出力電圧Ｖ１１に整流回路５の出力電圧Ｖ１２を加えた電圧Ｖ１（＝Ｖ１１＋Ｖ１２）として第１の端子１１から出力する。そのため、電力変換装置１は、たとえ変換回路４および整流回路５の各出力電圧Ｖ１１，Ｖ１２が第２の端子１２間電圧Ｖ２より低くても、第２動作モードにおいて、第２の端子１２間電圧Ｖ２を昇圧し第１の端子１１間電圧Ｖ１として出力できる（Ｖ１＞Ｖ２）。
本実施形態では、変換回路４の出力電圧Ｖ１１と第２の端子１２間電圧Ｖ２との比が、主巻線２１１と第２巻線２２との巻数比（ｎ１：ｍ）で決まり、変換回路４の出力電圧Ｖ１１が「Ｖ２×ｎ１／ｍ」で表されると仮定する。さらに、整流回路５の出力電圧Ｖ１２と第２の端子１２間電圧Ｖ２との比についても同様に、補助巻線２１２と第２巻線２２との巻数比（ｎ２：ｍ）で決まり、整流回路５の出力電圧Ｖ１２が「Ｖ２×ｎ２／ｍ」で表されると仮定する。つまり、コンデンサ４５の両端電圧Ｖ１１と、コンデンサ５２の両端電圧Ｖ１２との比「Ｖ１１：Ｖ１２」は「ｎ１：ｎ２」で表されると仮定する。
この場合、主巻線２１１の巻数ｎ１と補助巻線２１２の巻数ｎ２と第２巻線２２の巻数ｍとが「ｎ１＋ｎ２＞ｍ」の関係にあれば、変換回路４の出力電圧Ｖ１１と整流回路５の出力電圧Ｖ１２との和は、第２の端子１２間電圧Ｖ２より高くなる。要するに、電力変換装置１は、第２動作モードにおいて、第２の端子１２間電圧Ｖ２を昇圧し第１の端子１１間電圧Ｖ１（＝Ｖ２×ｎ１／ｍ＋Ｖ２×ｎ２／ｍ）として出力する（Ｖ１＞Ｖ２）。
なお、第２動作モードにおいて変換回路４は全波整流を行うのに対し整流回路５は半波整流を行うので、必ずしも上記のように変換回路４の出力電圧Ｖ１１が「Ｖ２×ｎ１／ｍ」、整流回路５の出力電圧Ｖ１２が「Ｖ２×ｎ２／ｍ」で表されるとは限らない。ただし、たとえば変換回路４のコンデンサ４５や整流回路５のコンデンサ５２の容量を調整したり、整流回路５を全波整流回路としたりすることで、整流回路５の出力電圧Ｖ１２を「Ｖ２×ｎ２／ｍ」とすることは可能である。
以上説明した本実施形態の電力変換装置１によれば、切替部５０が第１動作モードと第２動作モードとで第１の端子１１に対する整流回路５の接続状態を切り替えることにより、双方向の昇圧が可能になる。すなわち、第１変換部３１は、第１動作モードでは第１の端子１１からの直流電力を変換回路４およびトランス２を通して第２変換部３２に供給し、第２動作モードでは変換回路４の出力電圧に整流回路５の出力電圧を加算した電圧を第１の端子１１に出力する。したがって、電力変換装置１は、第１の端子１１から第２の端子１２への電力変換（第１動作モード）と、第２の端子１２から第１の端子１１への電力変換（第２動作モード）との両方において、昇圧可能となる。
この電力変換装置１は、蓄電池の放電時（第１動作モード）には、車両側（蓄電池）から第１の端子１１に入力される直流電力を、昇圧して第２の端子１２から住宅側（直流供給バス）に出力できる。その一方で、電力変換装置１は、蓄電池の充電時（第２動作モード）には、住宅側（直流供給バス）から第２の端子１２に入力される直流電力を、昇圧して第１の端子１１から車両側（蓄電池）に出力できる。
一例として、車両側の入出力電圧範囲が直流１００〜５００Ｖであって、住宅側の入出力電圧範囲が直流３００〜４００Ｖである場合の電力変換装置１の動作について説明する。この場合、電力変換装置１は、蓄電池の放電時、第１の端子１１に入力された直流１００Ｖを直流３００Ｖに昇圧して第２の端子１２から出力し、蓄電池の充電時、第２の端子１２に入力された直流３００Ｖを５００Ｖに昇圧して第１の端子１１から出力する。なお、電力変換装置１は、第１の端子１１が住宅側、第２の端子１２が車両側に接続されていてもよく、また、車両側、住宅側の各入出力電圧範囲についても上述した値に限定されない。
ところで、本実施形態の変形例として、電力変換装置１は、図３に示すように、整流回路５が、（第２の）コンデンサ５２と切替部５０との間に挿入されたスイッチ５４を有していてもよい。図３の例では、スイッチ５４は、切替部５０−スイッチング素子５３の接続点とコンデンサ５２との間に挿入されており、制御部によってオンオフ制御される。
図４は、図３の例における切替部５０、スイッチング素子５３、スイッチ５４の動作を示すタイミングチャートである。図４では、（ａ）が切替部５０のオンオフ状態を表し、（ｂ）がスイッチング素子５３のオンオフ状態を表し、（ｃ）がスイッチ５４のオンオフ状態を表している。
整流回路５は、図４に示すように、切替部５０がオン、スイッチング素子５３がオフである第１動作モード（期間Ｔ１）においては、スイッチ５４をオフして、コンデンサ５２を切替部５０から電気的に切り離す。整流回路５は、図４に示すように、切替部５０がオフ、スイッチング素子５３がオンである第２動作モード（期間Ｔ２）においては、スイッチ５４をオンして、コンデンサ５２を第１の端子１１に接続しコンデンサ５２の両端電圧を第１の端子１１に出力する。
以上説明した図３の電力変換装置１によれば、第２動作モードから第１動作モードへの切り替え時、切替部５０がオンすると同時にスイッチ５４がオフするので、コンデンサ５２の放電電流が切替部５０を通して流れることを回避できる。したがって、この電力変換装置１は、コンデンサ５２から切替部５０に大電流が流れることにより回路素子へストレスがかかることを防止できる。
また、コンデンサ５２を切替部５０から切り離すスイッチ５４は、図５に示すような位置に設けられていてもよい。図５の例では、電力変換装置１は、コンデンサ４５−コンデンサ５２の接続点と、スイッチング素子４２−切替部５０の接続点との間にスイッチ５４を有している。この構成では、整流回路５は、切替部５０がオン、スイッチング素子５３がオフである第１動作モードにおいては、スイッチ５４をオフして、コンデンサ５２を切替部５０から電気的に切り離す。整流回路５は、切替部５０がオフ、スイッチング素子５３がオンである第２動作モードにおいては、スイッチ５４をオンして、コンデンサ５２をスイッチング素子５３に接続し補助巻線２１２からの電力供給によりコンデンサ５２を充電する。
ここにおいて、電力変換装置１は、整流回路５に上述のようなスイッチ５４を有する場合、主巻線２１１と補助巻線２１２との巻数比（ｎ１：ｎ２）に応じて、（第１の）コンデンサ４５と（第２の）コンデンサ５２との各容量が決められていることが望ましい。たとえば図５の例において、主巻線２１１と補助巻線２１２との巻数比「ｎ１：ｎ２」が「３：１」で、第２動作モードでのコンデンサ４５の両端電圧が３００Ｖ、コンデンサ５２の両端電圧が１００Ｖであると仮定する。この場合、コンデンサ４５の容量Ｃ１とコンデンサ５２の容量Ｃ２との比「Ｃ１：Ｃ２」は、「１：３」であるのが望ましい。すなわち、コンデンサ４５とコンデンサ５２とは、第２動作モードでの電荷量が同じになるように、主巻線２１１と補助巻線２１２との巻数比（ｎ１：ｎ２）に応じて容量が決められる。
コンデンサ４５，５２の容量が主巻線２１１と補助巻線２１２との巻数比に応じて決められていると、スイッチ５４のオンオフ切替時に、変換回路４の出力電圧がコンデンサ４５の両端電圧と一致し、整流回路５の出力電圧がコンデンサ５２の両端電圧と一致する。その結果、電力変換装置１は、スイッチ５４のオンオフ切替時に、各コンデンサ４５，５２の不要な充放電を回避できるという利点がある。
なお、本実施形態で説明した第１変換部３１における変換回路４および整流回路５や、第２変換部３２における変換回路６の具体的な構成は、上述した構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、整流回路５は、上述したような半波整流回路ではなく、ダイオードブリッジを用いた全波整流回路であってもよい。また、変換回路４は、整流回路として機能する第２動作モードにおいて、スイッチング素子４１〜４４を全てオフしダイオードブリッジにて整流する構成に代えて、たとえばスイッチング素子４１〜４４のスイッチング動作により整流する構成であってもよい。つまり、変換回路４は、スイッチング素子４１，４４の組と、スイッチング素子４２，４３の組とが交互にオンするようなスイッチング動作により、主巻線２１１からの交流電力を直流電力に変換しコンデンサ４５に印加することができる。変換回路６についても同様である。
また、トランス２は、第１巻線２１が主巻線２１１と補助巻線２１２との２巻線からなる構成に限らず、第１巻線２１が１巻線からなる構成であってもよい。この場合、第１変換部３１は、変換回路４と整流回路５とを第１巻線２１の両端間に並列に接続して構成される。
さらにまた、トランス２は、コアを分割することにより第１巻線２１と第２巻線２２とを分割可能な構成であってもよい。この場合、電力変換装置１は、第１変換部３１と第２変換部３２とを物理的に切り離すことが可能であって、蓄電池の充放電時にのみ、トランス２のコアを磁気的に結合して第１変換部３１−第２変換部３２間で電力を授受可能な状態とすることができる。
（実施形態２）
本実施形態の電力変換装置１は、第１変換部３１における変換回路４と整流回路５とが、第２動作モードにおいて出力電圧に生じるリップル（脈流）が互いに逆相になるように、第１の端子１１に接続されている点で実施形態１の電力変換装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態では、電力変換装置１は、図６に示すようにトランス２の主巻線２１１と補助巻線２１２とで巻線方向が逆向きになるように構成されている。ここでは、主巻線２１１に接続される変換回路４は、第２動作モードにおいては、整流回路５と同様に半波整流を行うように構成されている。なお、図６では矢印Ｂは電力変換の向きを表し、また、各部位における電圧波形を図示している。
以上説明した本実施形態の電力変換装置１によれば、第２動作モードにおいて、変換回路４の出力電圧に重畳するリップル成分が、整流回路５の出力電圧に重畳するリップル成分と逆相となり相殺される。したがって、電力変換装置１は、変換回路４および整流回路５の各コンデンサ４５，５２（図１参照）を比較的小容量としながらも、第２動作モードにおいて第１の端子１１からはリップル成分の少ない直流電圧を出力することができる。その結果、コンデンサ４５，５２の小型化、低コスト化につながるという利点がある。
なお、変換回路４と整流回路５とで出力電圧に生じるリップルを互いに逆相とするための構成は、上述したような主巻線２１１と補助巻線２１２とで巻線方向を逆向きにした構成に限らない。たとえば変換回路４は、第１の端子１１に対する出力が整流回路５とは逆相となるように、スイッチング素子４１〜４４のスイッチング動作により主巻線２１１からの交流電力を半波整流する構成であってもよい。
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
（実施形態３）
本実施形態の電力変換装置１は、図７に示すように、第１変換部３１が複数の整流回路５１１，５１２，・・・を有している点で、実施形態１の電力変換装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
切替部５０（図１参照）は、第２動作モードにおいて、変換回路４の出力電圧に、少なくとも１つの整流回路５１１，５１２，・・・の出力電圧を加算した電圧を出力するように、第１の端子１１に対する整流回路５１１，５１２，・・・の接続状態を切り替える。すなわち、切替部５０は、各整流回路５１１，５１２，・・・のコンデンサ５２（図１参照）の両端間にそれぞれ接続されており、第１動作モードにおいては全ての整流回路５１１，５１２，・・・についてコンデンサ５２の両端間を短絡する。一方、第２動作モードにおいては、切替部５０は少なくとも１つオフすることで、変換回路４の両端電圧Ｖ１１に、整流回路５１１，５１２，・・・の出力電圧Ｖ１２，Ｖ１３，・・・の少なくとも１つを加算して、第１の端子１１に出力する。
以上説明した本実施形態の電力変換装置１によれば、変換回路４に対して複数の整流回路５１１，５１２，・・・を多段に接続することで、第２動作モードにおける第１の端子１１からの出力電圧を多段階に切り替えることができる。
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
（実施形態４）
本実施形態の電力変換装置１は、図８に示すように、第２変換部３２が、トランス２を中心にして第１変換部３１と対称になるように構成されている点で実施形態１の電力変換装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態では、トランス２は、二次側（第２の端子１２側）に主巻線２２１と補助巻線２２２との２つの巻線が第２巻線２２として設けられている。第２変換部３２は、主巻線２２１に接続された（第２の）変換回路６に加えて、補助巻線２２２に接続された（第２の）整流回路７と、第２の端子１２に対する整流回路７の接続状態を切り替える（第２の）切替部（図示せず）とを有している。切替部は、図８の例では整流回路７に組み込まれているが、整流回路７とは別に設けられていてもよい。第２変換部３２における整流回路７および切替部の構成は、第１変換部３１における整流回路５および切替部５０と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
第２変換部３２の切替部は、第２動作モードではオンして整流回路７のコンデンサを短絡し、第１動作モードではオフする。これにより、第２変換部３２は、第２動作モードでは第２の端子１２からの直流電力を変換回路６およびトランス２を通して第１変換部３１に供給し、第１動作モードでは変換回路６の出力電圧に整流回路７の出力電圧を加算した電圧を第２の端子１２に出力する。
以上説明した本実施形態の電力変換装置１によれば、たとえば第１巻線２１と第２巻線２２との巻数比を「１：１」とすることで、第１の端子１１−第２の端子１２間における昇圧比を双方向で一致させることができる。
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
なお、実施形態４の構成（第２変換部３２が第１変換部３１と対称）は、実施形態１の各構成（図１，３，５）や実施形態２，３の構成（図６，７）と適宜組み合わせて採用することができる。たとえば、実施形態４の構成が実施形態２の構成と組み合わされた場合、第２変換部３２における変換回路６と整流回路７とは、第１動作モードにおいて出力電圧に生じるリップル（脈流）が互いに逆相になるように、第２の端子１２に接続される。実施形態４の構成が実施形態３の構成と組み合わされた場合、第２変換部３２が複数の整流回路を有する。この場合、第２変換部３２の切替部は、第１動作モードにおいて、変換回路６の出力電圧に、少なくとも１つの整流回路の出力電圧を加算した電圧を出力するように、第２の端子１２に対する整流回路の接続状態を切り替える。
また、上記各実施形態では、車両の蓄電池の充放電に用いられる電力変換装置１を例示したが、電力変換装置１は、他の用途に用いられてもよく、たとえば蓄電池の充放電以外に用いられてもよい。
１ 電力変換装置
２ トランス
２１ 第１巻線
２１１ 主巻線
２１２ 補助巻線
２２ 第２巻線
２２１ 主巻線
２２２ 補助巻線
４ 変換回路
４１１，４２１，４３１，４４１ ダイオード（第１の整流器）
４５ （第１の）コンデンサ
５ 整流回路
５１ ダイオード（第２の整流器）
５２ （第２の）コンデンサ
５４ スイッチ
６ （第２の）変換回路
７ （第２の）整流回路
１１ 第１の端子
１２ 第２の端子
３１ 第１変換部
３２ 第２変換部
５０ 切替部

Claims (8)

  1. 第１の端子と第２の端子との間に設けられたトランスと、
    前記第１の端子と前記トランスの第１巻線との間に設けられた第１変換部と、
    前記第２の端子と前記トランスの第２巻線との間に設けられた第２変換部とを備え、
    前記第１の端子からの直流電力を所望の電圧の直流電力に変換して前記第２の端子に出力する第１動作モードと、前記第２の端子からの直流電力を所望の電圧の直流電力に変換して前記第１の端子に出力する第２動作モードとを有する電力変換装置であって、
    前記第１変換部は、
    前記第１の端子と前記第１巻線との間で双方向に電力変換する変換回路と、
    前記第１巻線から電力供給を受けて直流電力を出力する整流回路と、
    前記第１動作モードでは前記第１の端子からの直流電力を前記変換回路を通して前記第１巻線に供給し、前記第２動作モードでは前記変換回路の出力電圧に前記整流回路の出力電圧を加算した電圧を前記第１の端子に出力するように、前記第１の端子に対する前記整流回路の接続状態を切り替える切替部とを有する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記トランスは、前記第１巻線として前記変換回路に接続される主巻線と前記整流回路に接続される補助巻線とを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記変換回路は、前記主巻線に接続される第１の整流器と、前記第１の整流器の直流出力に接続される第１のコンデンサとを有し、
    前記整流回路は、前記補助巻線に接続される第２の整流器と、前記第２の整流器の直流出力に接続される第２のコンデンサとを有し、
    前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとは前記第１の端子に対して直列接続されており、
    前記切替部は、前記第２のコンデンサの両端間に接続されたスイッチング素子からなり、前記第１動作モードではオンすることで前記第２のコンデンサの両端間を短絡し、前記第２動作モードではオフし、
    前記整流回路には、前記第２のコンデンサと前記切替部との間に挿入され、前記第１動作モードでオフし、前記第２動作モードでオンするスイッチが設けられている
    ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとは、前記第２動作モードでの電荷量が同じになるように、前記主巻線と前記補助巻線との巻数比に応じて容量が決められている
    ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記第１変換部は、前記整流回路と前記変換回路とが前記第２動作モードにおいて出力電圧に生じるリップルが互いに逆相になるように前記第１の端子に接続される
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記第１変換部は、前記整流回路を複数有しており、
    前記切替部は、前記第２動作モードでは、前記変換回路の出力電圧に前記複数の前記整流回路のうち少なくとも１つの出力電圧を加算した電圧を出力するように、前記第１の端子に対する前記複数の前記整流回路の接続状態を切り替える
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記第２変換部は、
    前記第２の端子と前記第２巻線との間で双方向に電力変換する第２の変換回路と、
    前記第２巻線から電力供給を受けて直流電力を出力する第２の整流回路と、
    前記第２動作モードでは前記第２の端子からの直流電力を前記第２の変換回路を通して前記第２巻線に供給し、前記第１動作モードでは前記第２の変換回路の出力電圧に前記第２の整流回路の出力電圧を加算した電圧を前記第２の端子に出力するように、前記第２の端子に対する前記第２の整流回路の接続状態を切り替える切替部とを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  8. 前記トランスは、前記第２巻線として前記第２の変換回路に接続される主巻線と前記第２の整流回路に接続される補助巻線とを有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
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