JP5968553B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
この発明は、入力電力を多出力に電力分配制御するとともに、停止制御を実現することができる電力変換装置に関するものである。
従来の電力変換装置には、トランスに複合巻線を用いて多出力の電源構成を得るようにしたものがある（例えば、下記の特許文献１参照）。この従来技術の電力変換装置は、互いに磁気結合をした複合巻線を有したトランスを用いて交流電源からの電力を二つの直流電圧源を充電する際に、どちらかの直流電圧源に優先順位を設けて充電することを目的とする。また、交流電源がないときには一方の直流電圧源を電力供給源として双方向スイッチにより、他方の直流電圧源を充電するようにしている。
しかしながら、上記の特許文献１記載の従来の装置は、充電を制御するための双方向型スイッチ回路がスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを用いて構成されている。そのため、双方向型スイッチ回路でＰＷＭ制御により直流電圧源への受電量を制御しようとしてもブリッジ型に接続されたダイオードにより整流されてしまうため、直流電圧源への充電量をコントロールできず、結果として交流入力電力を分配制御できないという課題があった。
また、一方の直流電圧源が満充電となった場合には充電を停止する必要があるが、同様な上記理由により、他方の直流電圧源への充電を継続させたまま充電を停止させることができないという課題があった。
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、入力電力を多出力に電力分配制御できるとともに、必要に応じて任意に電力供給を停止制御することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
この発明に係る第１の電力変換装置は、互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線、第４の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その出力端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その入力端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第３の巻線にその交流端が接続された第３のスイッチング回路と、上記第３のスイッチング回路の直流端に接続されたインバータと、上記第４の巻線と第２の直流電圧源との間に接続された第４のスイッチング回路と、上記第１、第２、第３及び第４のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、上記インバータに接続される交流負荷、および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第３のスイッチング回路の出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力を供給し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御することで、上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする。
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、上記インバータに接続される交流負荷、および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第３のスイッチング回路の出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力を供給し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御することで、上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする。
この発明に係る第２の電力変換装置は、互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第４の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その直流端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その交流端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第４の巻線と第２の直流電圧源との間に接続された第４のスイッチング回路と、上記ＡＣ／ＤＣコンバータの直流端に上記第１のスイッチング回路と並列に接続されたインバータと、上記第１、第２及び第４のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、上記インバータに接続される交流負荷、および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御し、上記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力供給することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする。
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、上記インバータに接続される交流負荷、および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御し、上記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力供給することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする。
この発明に係る第３の電力変換装置は、互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その直流端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その交流端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第３の巻線に介してその交流端が接続された第３のスイッチング回路と、上記第３のスイッチング回路の直流端に接続されたインバータと、上記第１、第２及び第３のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、および上記インバータに接続される交流負荷にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第３のスイッチング回路の出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力供給することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とする。
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、および上記インバータに接続される交流負荷にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第３のスイッチング回路の出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力供給することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とする。
この発明に係る第４の電力変換装置は、互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第４の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その出力端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その入力端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第４の巻線と第２の直流電圧源との間に接続された第４のスイッチング回路と、上記第１、第２及び第４のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする。
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする。
この発明の電力変換装置によれば、入力電力を多出力に電力分配制御できるとともに、必要に応じて、他の負荷に電力供給を行いながら、第１の直流電圧源、あるいは第２の直流電圧源に対する充電動作を任意に停止することが可能となる。
実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。
この実施の形態１の電力変換装置は、例えば、電動車両の充電器を中心とした電源システムに適用される。すなわち、交流電源１は商用交流電源や自家発電機などであり、第１の直流電圧源１１は車両走行用の高圧バッテリであり、第２の直流電圧源３４は車両電装品の電源である鉛バッテリであり、インバータ１７は車内で使用可能な交流１００Ｖ電源であるシステムに適用可能である。
図１及び図２は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。
この実施の形態１の電力変換装置は、例えば、電動車両の充電器を中心とした電源システムに適用される。すなわち、交流電源１は商用交流電源や自家発電機などであり、第１の直流電圧源１１は車両走行用の高圧バッテリであり、第２の直流電圧源３４は車両電装品の電源である鉛バッテリであり、インバータ１７は車内で使用可能な交流１００Ｖ電源であるシステムに適用可能である。
交流電源１は、電圧電流検出部５１を介してＡＣ／ＤＣコンバータ２に接続され、交流電圧ＶａｃｉｎはＡＣ／ＤＣコンバータ２により直流電圧ＶＬ１に変換されてコンデンサ３に蓄積される。そして、この直流電圧ＶＬ１は第１のスイッチング回路４により交流電圧Ｖｔｒ１に変換される。第１のスイッチング回路４は、４つのスイッチング素子４ａ〜４ｄをブリッジ型に接続したインバータとして構成され、交流電源１からの入力電力の受電量を制御する。
第１のスイッチング回路４の第１交流端に第１の昇圧コイル５の第１端が接続され、第１の昇圧コイル５の第２端に複合巻線トランス（以下、単にトランスという）６の１次側となる第１の巻線６ａの第１端が接続され、この第１の巻線６ａの第２端が第１のスイッチング回路４の第２交流端に接続される。
トランス６の２次側となる第２の巻線６ｂの第１端は、第２の昇圧コイル７の第１端に接続され、第２の昇圧コイル７の第２端は第２のスイッチング回路８の第１交流端と２つのスイッチング素子９ａ、９ｂを備えたスイッチ９に接続される。そして、第２の巻線６ｂの第２端と第２のスイッチング回路８の第２交流端が接続される。第２のスイッチング回路８は、４つのスイッチング素子８ａ〜８ｄをブリッジ型に接続して構成されており、第１の直流電圧源１１を充電する際には、昇圧チョッパとして機能する。
スイッチ９の出力は直列に接続された２つのコンデンサ１０ａ、１０ｂの接続点に接続される。第２のスイッチング回路８の直流プラス端子は、コンデンサ１０ａのもう一端と電圧電流検出部５３を介して第１の直流電圧源１１のプラス端に接続される。また、第２のスイッチング回路８の直流マイナス端子は、コンデンサ１０ｂのもう一端と電圧電流検出部５３を介して第１の直流電圧源１１のマイナス端に接続される。なお、２つのコンデンサ１０ａ、１０ｂは、ここでは同容量となるように構成されている。
トランス６の３次側となる第３の巻線６ｃは、第１端が第３の昇圧コイル１２の第１端に接続され、この第３の昇圧コイル１２の第２端は第３のスイッチング回路１３の第１交流端に接続される。第３の巻線６ｃの第２端は、第３のスイッチング回路１３の第２交流端に接続される。第３のスイッチング回路１３は、整流素子１３ａとスイッチング素子１３ｂの直列接続および整流素子１３ｃとスイッチング素子１３ｄの直列接続した２レグの並列接続により構成されている。そして、この第３のスイッチング回路１３は、通常は整流回路として機能し、また後述の平滑コンデンサ１５に生じる直流電圧ＶＬ２が所定値よりも低い場合には昇圧チョッパとして機能する。
トランス６の第３の巻線６ｃに生じた交流電圧Ｖｔｒ３は、整流機能を有した第３のスイッチング回路１３で直流変換され、平滑コイル１４と平滑コンデンサ１５とで平滑化され、電圧電流検出部５４を介してコンデンサ１６に蓄積され直流電圧ＶＬ２となる。コンデンサ１６は、４つのスイッチング素子１７ａ〜１７ｄで構成されるインバータ１７の直流入力端に接続される。インバータ１７の交流出力端は、平滑コイル１８ａ、１８ｂ、平滑コンデンサ１９、コモンモードチョークコイル２０、電圧電流検出部５５、および負荷機器接続端２１が順次接続されている。この負荷機器接続端２１において各種の負荷機器（以下、交流負荷という）の供給電源である交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。
トランス６の４次側となる第４の巻線６ｄ１、６ｄ２は、センタータップ型に構成され、その両端には第４のスイッチング回路３０を構成する２つのスイッチング素子３０ａ、３０ｂの第１端がそれぞれ接続される。第４の巻線６ｄ１、６ｄ２のセンタータップとなる接続点には、スイッチング素子３３が接続されるとともに、２つのスイッチング素子３５ａ、３５ｂで構成されるスイッチ３５が接続される。
スイッチング素子３３の出力側は、還流ダイオード３６と平滑コイル３１との接続点に接続される。平滑コイル３１の出力とスイッチ３５の出力と平滑コンデンサ３２の第１端がそれぞれ共通に接続され、電圧電流検出部５６を経て第２の直流電圧源３４のプラス端子に接続される。スイッチング素子３０ａ、３０ｂの第２端はそれぞれ互いに接続されて、還流ダイオード３６のアノード端、平滑コンデンサ３２の第２端及び第２の直流電圧源３４のマイナス端子に接続される。第４のスイッチング回路３０は、上記の２つのスイッチング素子３０ａ、３０ｂ、スイッチング素子３３、還流ダイオード３６、および平滑コイル３１で構成され、スイッチング素子３３、還流ダイオード３６、および平滑コイル３１の構成は降圧チョッパとして機能する。
なお、第１〜第４のスイッチング回路４、８、１３、３０を構成する各スイッチング素子や、インバータ１７を構成する各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであってもよい。
また、制御部１００は、第１〜第４のスイッチング回路４、８、１３、３０や、インバータ１７の動作を制御する役割を果たす。
また、制御部１００は、第１〜第４のスイッチング回路４、８、１３、３０や、インバータ１７の動作を制御する役割を果たす。
次に、実施の形態１の電力変換装置における電力分配の概要について説明する。
交流電源１が接続されておりかつこの交流電源１を電力供給源とする場合、交流電源１の電圧ＶａｃｉｎをＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電圧ＶＬ１に変換し、この直流電圧ＶＬ１をトランス６で絶縁された２次側直流電圧Ｖｂａｔ１に変換して第１の直流電圧源１１を充電する。また、直流電圧ＶＬ１は、トランス６で絶縁された３次側の直流電圧ＶＬ２に変換され、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。さらに、直流電圧ＶＬ１はトランス６で絶縁された４次側の直流電圧Ｖｂａｔ２に変換されて第２の直流電圧源３４を充電する。
交流電源１が接続されておらず第１の直流電圧源１１を電力供給源とする場合、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１が、トランス６で絶縁された３次側の直流電圧ＶＬ２に変換された後、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。また、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１は、トランス６で絶縁された４次側の直流電圧Ｖｂａｔ２に変換されて第２の直流電圧源３４を充電する。
交流電源１が接続されておらずかつ第１の直流電圧源１１の充電量が不十分なため、第２の直流電圧源３４を電力供給源とする場合、第２の直流電圧源３４の電圧Ｖｂａｔ２がトランス６で絶縁された３次側の直流電圧ＶＬ２に変換された後、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。また、第２の直流電圧源３４の電圧Ｖｂａｔ２は、トランス６で絶縁された２次側の直流電圧Ｖｂａｔ１に変換されて第１の直流電圧源１１を充電する。
次に、この発明の実施の形態１による電力変換装置の電力フローの概要について図３から図１２を参照して説明する。
図３及び図４に示すように、交流電源１が接続されている場合には、交流電源１からの入力電力Ａ＿Ｐ１は、第１の直流電圧源１１への充電電力Ａ＿Ｐ２と、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ａ＿Ｐ３と、第２の直流電圧源３４への充電電力Ａ＿Ｐ４とに分配される。
図５及び図６に示すように、交流電源１が接続されていないために、第１の直流電圧源１１を電力供給源とする場合には、第１の直流電圧源１１からの供給電力Ｂ＿Ｐ１は、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｂ＿Ｐ２と、第２の直流電圧源３４への充電電力Ｂ＿Ｐ３とに分配される。
図７及び図８に示すように、例えば自家発電機を交流電源１として使用するなど、交流電源１からの電力供給が不十分であるため、交流電源１と第１の直流電圧源１１とを共に電力供給源とする場合には、交流電源１からの電力Ｃ＿Ｐ１と第１の直流電圧源１１からの電力Ｃ＿Ｐ２は、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｃ＿Ｐ３と、第２の直流電圧源３４への充電電力Ｃ＿Ｐ４とに分配される。
図９及び図１０に示すように、交流電源１が接続されておらず、かつ第１の直流電圧源１１の充電量が不十分な場合には、第２の直流電圧源３４が電力供給源となるので、その際には、第２の直流電圧源３４の供給電力Ｄ＿Ｐ１は、第１の直流電圧源１１への供給電力Ｄ＿Ｐ３と、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｄ＿Ｐ２とに分配される。
図１１及び図１２に示すように、例えば自家発電機を交流電源１として使用するなど、交流電源１からの電力供給が不十分であり、かつ第１の直流電圧源１１の充電量が不十分なため、交流電源１と第２の直流電圧源３４とを共に電力供給源とする場合には、交流電源１からの供給電力Ｅ＿Ｐ１と第２の直流電圧源３４からの供給電力Ｅ＿Ｐ２は、第１の直流電圧源１１への供給電力Ｅ＿Ｐ４と、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｅ＿Ｐ３とに分配される。
次に、上記のような電力変換装置において、電力配分制御を行う場合の各処理について、図１３から図１７の動作フロー図を参照して説明する。なお、以下において、符号Ｓは各処理ステップを意味する。
電力配分制御を行うためには、下記のモード１からモード４の処理にそれぞれ振り分けて電力供給を行う必要がある。モード１は、交流電源１を電力供給源とするだけで全ての負荷に対して十分に電力供給をまかないきれる場合の処理である。モード２は、交流電源１が接続されておらずかつ第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持しているので第１の直流電圧源１１を電力供給源として動作させる場合の処理である。モード３は、交流電源１が接続されておらずかつ第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持していないために第２の直流電圧源３４を電力供給源として動作させる場合の処理である。モード４は、交流電源１からの電力供給量が不十分であるため、これにあわせて第１の直流電圧源１１あるいは第２の直流電圧源３４からの電力を電力供給源とする場合の処理である。
そこで、図１３において、まず、交流電源１が接続されているかどうかを判定し（Ｓ０１）、交流電源１が接続されている場合は、次に交流電源１だけで全ての負荷への電力供給をまかない切れるかどうかを判定する（Ｓ０２）。交流電源１だけで負荷電力をまかないきれる場合には、モード１（図１４）に移行する（Ｓ０３）。一方、Ｓ０１で交流電源１が接続されていない場合には、第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持しているかどうかを判定し（Ｓ０４）、第１の直流電圧源１１を電力供給源として動作させる場合にはモード２（図１５）に移行する（Ｓ０５）。また、Ｓ０４で第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持していない場合には、第２の直流電圧源３４を電力供給源として動作させる必要があるため、モード３（図１６）に移行する（Ｓ０６）。また、Ｓ０２で交流電源１が接続されているが、交流電源１だけでは負荷電力をまかない切れない場合には、モード４（図１７）に移行する（Ｓ０７）。
図１４はモード１の動作フロー図である。モード１は交流電源１だけで全ての負荷に対して十分に電力供給をまかないきれる場合である。その場合には、交流電源１を電力供給源として、第１、第２の直流電圧源１１、３４の充電状態や負荷機器接続端２１の交流負荷（図示せず）の有無に応じて交流電源１からの電力を振り分ける。
すなわち、このモード１では、まず第１の直流電圧源１１の充電状態の判定（Ｓ１）、次に第２の直流電圧源３４の充電状態の判定（Ｓ２、Ｓ９）、続いて負荷機器接続端２１に交流負荷が接続されているかどうかの判定（Ｓ３、Ｓ６、Ｓ１０、Ｓ１３）により、モード１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈの８つの動作モードに振り分ける（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５）。それぞれの動作モードの動作状態は次に示すとおりである。
モード１Ａ：交流電源１の電力を交流負荷のみに使用。
モード１Ｂ：交流電源１からの電力供給停止。
モード１Ｃ：交流電源１の電力を交流負荷と第２の直流電圧源３４の充電に使用。
モード１Ｄ：交流電源１の電力を第２の直流電圧源３４の充電のみに使用。
モード１Ｅ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１の充電と交流負荷に使用。
モード１Ｆ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１の充電のみに使用。
モード１Ｇ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１及び第２の直流電圧源３４の充電と交流負荷とに使用。
モード１Ｈ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１と第２の直流電圧源３４の充電に使用。
モード１Ｂ：交流電源１からの電力供給停止。
モード１Ｃ：交流電源１の電力を交流負荷と第２の直流電圧源３４の充電に使用。
モード１Ｄ：交流電源１の電力を第２の直流電圧源３４の充電のみに使用。
モード１Ｅ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１の充電と交流負荷に使用。
モード１Ｆ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１の充電のみに使用。
モード１Ｇ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１及び第２の直流電圧源３４の充電と交流負荷とに使用。
モード１Ｈ：交流電源１の電力を第１の直流電圧源１１と第２の直流電圧源３４の充電に使用。
図１５はモード２の動作フロー図である。モード２は交流電源１が接続されておらずかつ第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持しているので、この第１の直流電圧源１１を電力供給源として動作させる場合である。この場合には、まず、第２の直流電圧源３４の充電状態の判定（Ｓ２１）や負荷機器接続端２１に交流負荷（図示せず）が接続されているかどうかの判定（Ｓ２２、Ｓ２５）により、モード２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの４つの動作モードに振り分ける（Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２６、Ｓ２７）。それぞれの動作モードの動作状態は次に示すとおりである。
モード２Ａ：第１の直流電圧源１１からの電力を交流負荷に電力供給。
モード２Ｂ：第１の直流電圧源１１からの電力供給停止。
モード２Ｃ：第１の直流電圧源１１からの電力を第２の直流電圧源３４の充電と交流負荷に使用。
モード２Ｄ：第１の直流電圧源１１からの電力を第２の直流電圧源３４の充電のみに使用。
モード２Ｂ：第１の直流電圧源１１からの電力供給停止。
モード２Ｃ：第１の直流電圧源１１からの電力を第２の直流電圧源３４の充電と交流負荷に使用。
モード２Ｄ：第１の直流電圧源１１からの電力を第２の直流電圧源３４の充電のみに使用。
図１６はモード３の動作フロー図である。モード３は交流電源１が接続されておらずかつ第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持していないために第２の直流電圧源３４を電力供給源として動作させる場合である。この場合には、まず、第２の直流電圧源３４は電力供給に十分な放電電圧を維持しているかどうかの判定（Ｓ３１）、続いて第１の直流電圧源１１の充電状態の判定（Ｓ３２）、さらに負荷機器接続端２１に交流負荷（図示せず）が接続されているかどうかの判定（Ｓ３３、Ｓ３６）により、モード３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの４つの動作モードに振り分ける（Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ３７、Ｓ３８）。それぞれの動作モードの動作状態は次に示すとおりである。
モード３Ａ：第２の直流電圧源３４からの電力を第１の直流電圧源１１の充電と交流負荷に電力供給。
モード３Ｂ：第２の直流電圧源３４からの電力を第１の直流電圧源１１のみに充電。
モード３Ｃ：第２の直流電圧源３４からの電力を交流負荷にのみに電力供給。
モード３Ｄ：終了。
モード３Ｂ：第２の直流電圧源３４からの電力を第１の直流電圧源１１のみに充電。
モード３Ｃ：第２の直流電圧源３４からの電力を交流負荷にのみに電力供給。
モード３Ｄ：終了。
図１７はモード４の動作フロー図である。モード４は交流電源１からの電力供給量が不十分であるため、これにあわせて第１の直流電圧源１１、あるいは第２の直流電圧源３４からの電力を負荷に供給する場合である。この場合には、まず、第１の直流電圧源１１が電力供給に十分な放電電圧を維持しているかどうかの判定（Ｓ４１）、続いて第２の直流電圧源３４の充電状態の判定すなわち満充電かどうかの判定（Ｓ４２）または第２の直流電圧源３４が電力供給に十分な放電電圧を維持しているかどうかの判定（Ｓ４９）、さらに負荷機器接続端２１に交流負荷（図示せず）が接続されているかどうかの判定（Ｓ４３、Ｓ４６．Ｓ５０、Ｓ５３）により、以下に示すモード４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈの８つの動作モードに振り分ける（Ｓ４４、Ｓ４５、Ｓ４７、Ｓ４８、Ｓ５１、Ｓ５２、Ｓ５４、Ｓ５５）。それぞれの動作モードの動作状態は次に示すとおりである。
モード４Ａ：交流電源１と第１の直流電圧源１１の電力で交流負荷のみを動作。
モード４Ｂ：交流電源１が供給できる電力で第１の直流電圧源１１を満充電になるまで充電。
モード４Ｃ：交流電源１と第１の直流電圧源１１の電力を交流負荷と第２の直流電圧源３４の充電に使用。
モード４Ｄ：交流電源１と第１の直流電圧源１１の電力を第２の直流電圧源３４の充電のみに使用。
モード４Ｅ：交流電源１と第２の直流電圧源３４の電力を第１の直流電圧源１１の充電と交流負荷に使用。
モード４Ｆ：交流電源１と第２の直流電圧源３４の電力を第１の直流電圧源１１の充電に使用。
モード４Ｇ：交流電源１が供給できる電力で交流負荷に電力供給。
モード４Ｈ：交流電源１が供給できる電力で第１の直流電圧源１１と第２の直流電圧源３４を充電。
モード４Ｂ：交流電源１が供給できる電力で第１の直流電圧源１１を満充電になるまで充電。
モード４Ｃ：交流電源１と第１の直流電圧源１１の電力を交流負荷と第２の直流電圧源３４の充電に使用。
モード４Ｄ：交流電源１と第１の直流電圧源１１の電力を第２の直流電圧源３４の充電のみに使用。
モード４Ｅ：交流電源１と第２の直流電圧源３４の電力を第１の直流電圧源１１の充電と交流負荷に使用。
モード４Ｆ：交流電源１と第２の直流電圧源３４の電力を第１の直流電圧源１１の充電に使用。
モード４Ｇ：交流電源１が供給できる電力で交流負荷に電力供給。
モード４Ｈ：交流電源１が供給できる電力で第１の直流電圧源１１と第２の直流電圧源３４を充電。
図２０及び図２１は、交流電源１からの電力を、第１の直流電圧源１１、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷、および第２の直流電圧源３４にそれぞれ電力分配するときの動作電流の経路を示す電流経路図である。
まず、第１の直流電圧源１１への充電動作および充電停止の動作について説明する。
交流電源１の電圧ＶａｃｉｎはＡＣ／ＤＣコンバータ２により直流電圧ＶＬ１に変換され、第１のスイッチング回路４により交流電圧Ｖｔｒ１としてトランス６の第１巻線６ａに印加される。この場合のトランス６の巻線比を、第１の巻線６ａ：第２の巻線６ｂ＝ｎ１：ｎ２とする。
交流電源１の電圧ＶａｃｉｎはＡＣ／ＤＣコンバータ２により直流電圧ＶＬ１に変換され、第１のスイッチング回路４により交流電圧Ｖｔｒ１としてトランス６の第１巻線６ａに印加される。この場合のトランス６の巻線比を、第１の巻線６ａ：第２の巻線６ｂ＝ｎ１：ｎ２とする。
図２０及び図２１は第１のスイッチング回路４のスイッチング素子４ａと４ｄがオンしたときの状態であり、トランス６の第１の巻線６ａには電圧Ｖｔｒ１が、また第２の巻線６ｂには次式で表される電圧Ｖｔｒ２が発生する。この場合、トランス６の第２の巻線６ｂに発生する電圧Ｖｔｒ２は、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１よりも低い電圧となるように、第１の巻線６ａと第２の巻線６ｂの巻数比を設定する。すなわち、
Ｖｔｒ２＝（ｎ２／ｎ１）Ｖｔｒ１＜Ｖｂａｔ１ （１）
Ｖｔｒ２＝（ｎ２／ｎ１）Ｖｔｒ１＜Ｖｂａｔ１ （１）
この状態のままであると、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１よりもトランス６の第２の巻線６ｂの電圧Ｖｔｒ２の電圧が低いことから、第１の直流電圧源１１に対して充電が行われない。そこで、第１の直流電圧源１１を充電するために、第２のスイッチング回路８を昇圧チョッパとして動作させる。
すなわち、まずスイッチ９をオフにした後、第２のスイッチング回路８のスイッチング素子８ｄをオンし、第２の昇圧コイル７に電流を流してエネルギーを蓄積する。次にスイッチング素子８ｄをオフしてスイッチング素子８ｃをオンすることで、第２の昇圧コイル７に蓄積されたエネルギーによりスイッチング素子８ｃを介して第１の直流電圧源１１を充電する。この場合の第１の直流電圧源１１の充電量は、スイッチング素子８ｄのオン／オフ比率により制御できることになる。
以上のように、トランス６の第１の巻線６ａと第２の巻線６ｂの巻数比（＝ｎ２／ｎ１）により第２の巻線６ｂの電圧Ｖｔｒ２を第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１よりも低い電圧に設定するとともに、第２のスイッチング回路８を昇圧動作させて昇圧比を制御することにより、第１の直流電圧源１１に対する充電量の制御が可能となる。また、第２のスイッチング回路８の動作を停止することで充電停止ができる。
次に、交流電源１からの電力により、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に交流電源Ｖａｃｏｕｔとして生成する場合の動作について説明する。
トランス６の第３の巻線６ｃに発生した電圧Ｖｔｒ３は、整流機能を有した第３のスイッチング回路１３により直流変換されて平滑コイル１４と平滑コンデンサ１５を経て直流電圧ＶＬ２に変換される。この直流電圧ＶＬ２は、インバータ１７により交流変換されて交流電源Ｖａｃｏｕｔとして生成される。また、インバータ１７の動作を停止することで負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への電力供給を停止することができる。
インバータ１７の入力側の直流電圧ＶＬ２が低くて所定の交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成できない時には、第３のスイッチング回路１３を昇圧チョッパとして動作させ、直流電圧ＶＬ２が高い時には、スイッチング動作させずに整流回路として動作させ、スイッチング損失を低減させる。第３のスイッチング回路１３を昇圧チョッパとして動作させる場合は、第３のスイッチング回路１３のスイッチング素子１３ｄをオンして第３の昇圧コイル１２に電流を流してエネルギーを蓄積する。次に、スイッチング素子１３ｄをオフして第３の昇圧コイル１２に蓄積されたエネルギーを整流素子１３ｃを介して平滑コンデンサ１５に蓄積する。これにより、この平滑コンデンサ１５の電圧ＶＬ２をトランス６の第３の巻線６ｃに発生した電圧Ｖｔｒ３よりも高くすることができる。
このように、第３のスイッチング回路１３を昇圧チョッパとして動作させることで、トランス６の第３の巻線６ｃに発生した電圧Ｖｔｒ３が低下してもインバータ１７の入力電圧ＶＬ２を常に一定に保つことができる。
次に、交流電源１からの電力により、第２の直流電圧源３４に充電する場合の動作について説明する。
第２の直流電圧源３４を充電するために、第４のスイッチング回路３０を降圧チョッパとして動作させる。すなわち、まず、スイッチ３５をオフにした後、例えばスイッチング素子３０ａをオンすると、センタータップ型のトランス６の第４の巻線６ｄ１、６ｄ２に発生した電圧Ｖｔｒ４は、スイッチング素子３０ａにより整流され、スイッチング素子３３と還流ダイオード３６、平滑コイル３１、および平滑コンデンサ３２により降圧されて直流電圧Ｖｂａｔ２となり、電圧電流検出部５６を経て第２の直流電圧源３４を充電する。この場合の第２の直流電圧源３４の充電量は、スイッチング素子３３のオン／オフ比率により制御できることになる。なお、第２の直流電圧源３４の充電完了時にはスイッチング素子３３の動作を停止することで充電停止ができる。
図２２及び図２３は、第１の直流電圧源１１からの電力を、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷と、第２の直流電圧源３４とにそれぞれ電力分配するときの動作電流の経路を示す電流経路図である。
第１の直流電圧源１１からの電力を、負荷機器接続端２１に接続された交流負荷と、第２の直流電圧源３４にそれぞれ電力分配する場合において、交流電源Ｖａｃｏｕｔの生成と第２の直流電圧源３４への充電および停止動作は、電力供給源を交流電源１とした場合と基本的に同じであるので、詳しい説明は省略する。
ここでは、主に第１の直流電圧源１１を電力供給源とした場合において、トランス６の１次側にある第１のスイッチング回路４に生じる電圧について説明する。
第１の直流電圧源１１の充電電圧が予め設定されている電圧値よりも高い状態にあって電力供給に可能な放電電圧を十分維持している場合には、まず、スイッチ９をオンにするとともに、第２のスイッチング回路８をハーフブリッジ型のインバータとして動作させる。
すなわち、スイッチ９をオンにして第２のスイッチング回路８のスイッチング素子８ｂをオンにすると、第１の直流電圧源１１の電圧は、同容量で構成されたコンデンサ１０ａ、１０ｂにより分圧され、トランス６の第２の巻線６ｂには、次式に示すように第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１の半分の電圧、すなわち、
Ｖｔｒ２＝（１／２）Ｖｂａｔ１ （２）
が印加される。
Ｖｔｒ２＝（１／２）Ｖｂａｔ１ （２）
が印加される。
ここで、第１の巻線６ａと第２の巻線６ｂの巻数比が、（ｎ１／ｎ２）＞１の関係に設定されているとした場合、交流電源１から第１の直流電圧源１１に電力を伝送する際には、Ｖｔｒ１＞Ｖｔｒ２と降圧の関係になる。
これに対して、第１の直流電圧源１１を電力供給源として、その直流電圧Ｖｂａｔ１をそのままのかたちで第２の巻線６ｂに加えると、第１の巻線６ａには、
Ｖｔｒ１＝（ｎ１／ｎ２）Ｖｂａｔ１ （３）
の電圧が発生する。すなわち、Ｖｔｒ１＞Ｖｂａｔ１と昇圧の関係となり、第１のスイッチング回路４を構成するスイッチング素子４ａ〜４ｄには高耐圧特性が必要となる。
Ｖｔｒ１＝（ｎ１／ｎ２）Ｖｂａｔ１ （３）
の電圧が発生する。すなわち、Ｖｔｒ１＞Ｖｂａｔ１と昇圧の関係となり、第１のスイッチング回路４を構成するスイッチング素子４ａ〜４ｄには高耐圧特性が必要となる。
しかしながら、上述の（２）式で示したように、スイッチ９をオンすることで、第２の巻線６ｂに生じる電圧Ｖｔｒ２は、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１の半分の電圧となるため、巻数比が（ｎ１／ｎ２）＞１の関係に設定されている場合であっても、第１のスイッチング回路４を低耐圧のスイッチング素子で構成することができる。
図２４及び図２５は、第１の直流電圧源１１の直流電圧Ｖｂａｔ１が電力供給可能な放電電圧を維持しているものの、図２２及び図２３に示した場合よりも直流電圧Ｖｂａｔ１が低い状態にある場合に、第１の直流電圧源１１からの電力を負荷機器接続端２１に接続された交流負荷と、第２の直流電圧源３４とにそれぞれ電力分配するときの動作電流の経路を示す電流経路図である。
この場合、例えば第１のスイッチング回路４、第３のスイッチング回路１３、第４のスイッチング回路３０、およびスイッチ３５の各素子の耐電圧に問題がないときには、スイッチ９をオフにするとともに、第２のスイッチング回路８をフルブリッジ型のインバータとして動作させる。これにより、トランス６の第２の巻線６ｂに高い電圧を印加することができる。これにより、電力伝送時の導通損失を低下させることができる。
図２６及び図２７は、交流電源１が接続されておらず、第２の直流電圧源３４からの電力を第１の直流電圧源１１への充電と、負荷機器接続端２１に接続された交流負荷に供給するときの動作電流の経路を示す電流経路図である。
この場合には、第４のスイッチング回路３０のスイッチング素子３０ａをオンするとともに、スイッチ３５をオンすることで、第２の直流電圧源３４の電圧がトランス６の第４の巻線６ｄ２に印加され、絶縁された電圧がトランス６の第１の巻線６ａにＶｔｒ１として生成される。また、トランス６の第２の巻線６ｂには電圧Ｖｔｒ２が、さらに、トランス６の第３の巻線６ｃには電圧Ｖｔｒ３がそれぞれ生成される。第１の直流電圧源１１への充電、停止、および交流負荷への交流電源Ｖａｃｏｕｔの電力供給動作は、交流電源１を電力供給源とした図１２の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
以上のように、この実施の形態１の電力変換装置によれば、入力電力を多出力に電力分配制御できるとともに、必要に応じて、他の負荷に電力供給を行いながら、第１の直流電圧源１１あるいは第２の直流電圧源３４に対する充電動作を任意に停止することができる。
また、第１の直流電圧源１１を電力供給源とする場合に、第１の直流電圧源１１の電圧状態によって第２のスイッチング回路８をハーフブリッジ型またはフルブリッジ型のインバータ機能に切り替えることで、トランス６の第２の巻線６ｂに印加される電圧を調節することができるため、電力変換装置を構成する素子の耐電圧を下げることができ、かつ導通損失の低減が可能となる。
実施の形態２．
図２８及び図２９は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路構成図であり、図１及び図２に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
図２８及び図２９は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路構成図であり、図１及び図２に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態２の構成上の特徴は、第１のスイッチング回路４と並列に電圧電流検出部５４を介して４つのスイッチング素子１７ａ〜１７ｄで構成されるインバータ１７の直流入力端が接続されており、このインバータ１７の交流出力端には平滑コイル１８ａ、１８ｂ、平滑コンデンサ１９、コモンモードチョークコイル２０、電圧電流検出部５５、および負荷機器接続端２１が順次接続されている。そして、この負荷機器接続端２１において図示しない交流負荷の供給電源である交流電源Ｖａｃｏｕｔが生成される。
その他の構成は、実施の形態１の場合と基本的に同じであるから、対応する構成部分には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。また、第１、第２、第４のスイッチング回路４、８、３０やインバータ１７などの動作についても、基本的には実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
上記構成の電力変換装置における電力配分動作の概要について、次に説明する。
交流電源１が接続されていてこれを電力供給源とする場合、この交流電源１の電圧ＶａｃｉｎをＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電圧ＶＬ１に変換し、この直流電圧ＶＬ１をトランス６で絶縁された２次側の直流電圧Ｖｂａｔ１に変換して第１の直流電圧源１１を充電する。また、直流電圧ＶＬ１をインバータ１７により交流変換して負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。さらに、直流電圧ＶＬ１はトランス６で絶縁された４次側の直流電圧Ｖｂａｔ２に変換されて第２の直流電圧源３４を充電する。
交流電源１が接続されていないために第１の直流電圧源１１を電力供給源とする場合、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１が、トランス６で絶縁された１次側の直流電圧ＶＬ１に変換された後、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。また、第１の直流電圧源１１の電圧Ｖｂａｔ１は、トランス６で絶縁された４次側の直流電圧Ｖｂａｔ２に変換されて第２の直流電圧源３４を充電する。
交流電源１が接続されておらずかつ第１の直流電圧源１１の充電量が不十分なため、第２の直流電圧源３４を電力供給源とする場合、第２の直流電圧源３４の電圧Ｖｂａｔ２は、トランス６で絶縁された１次側の直流電圧ＶＬ１に変換され、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電源Ｖａｃｏｕｔを生成する。また、第２の直流電圧源３４の電圧Ｖｂａｔ２は、トランス６で絶縁された２次側の直流電圧Ｖｂａｔ１に変換されて第１の直流電圧源１１を充電する。
次に、この発明の実施の形態２による電力変換装置の電力フローの概要について図３０から図３９を参照して説明する。
図３０及び図３１に示すように、交流電源１が接続されている場合には、交流電源１からの入力電力Ｆ＿Ｐ１は、第１の直流電圧源１１への充電電力Ｆ＿Ｐ２と、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｆ＿Ｐ３と、第２の直流電圧源３４への充電電力Ｆ＿Ｐ４とにそれぞれ分配される。
図３２及び図３３に示すように、交流電源１が接続されていないために、第１の直流電圧源１１を電力供給源とする場合には、第１の直流電圧源１１からの供給電力Ｇ＿Ｐ１は、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｇ＿Ｐ３と、第２の直流電圧源３４への充電電力Ｇ＿Ｐ２に分配される。
図３４及び図３５に示すように、例えば自家発電機を交流電源１として使用するなど、交流電源１からの電力供給が不十分であるため、交流電源１と第１の直流電圧源１１とを共に電力供給源とする場合には、交流電源１からの電力Ｈ＿Ｐ１と第１の直流電圧源１１からの電力Ｈ＿Ｐ２は、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｈ＿Ｐ４と、第２の直流電圧源３４への充電電力Ｈ＿Ｐ３に分配される。
図３６及び図３７に示すように、交流電源１が接続されておらず、かつ第１の直流電圧源１１の充電量が不十分な場合には、第２の直流電圧源３４が電力供給源となるので、その際には、第２の直流電圧源３４の供給電力Ｉ＿Ｐ１は、第１の直流電圧源１１への供給電力Ｉ＿Ｐ２と、交流電源Ｖａｃｏｕｔへの供給電力Ｉ＿Ｐ３に分配される。
図３８及び図３９に示すように、例えば自家発電機を交流電源１として使用するなど、交流電源１からの電力供給が不十分であり、かつ第１の直流電圧源１１の充電量が不十分なため、交流電源１と第２の直流電圧源３４とを共に電力供給源とする場合には、交流電源１からの供給電力Ｊ＿Ｐ２と第２の直流電圧源３４からの供給電力Ｊ＿Ｐ１は、第１の直流電圧源１１への供給電力Ｊ＿Ｐ３と、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｊ＿Ｐ４とに分配される。
このような電力フローを決める動作は、実施の形態１と同じであり、その詳細は図１３〜図１９に示したフローチャートの通りであるから、ここでは詳しい説明を省略する。
なお、負荷機器接続端２１において所要の交流電源Ｖａｃｏｕｔを得るために、実施の形態１ではトランス６の第３の巻線６ｃと第３のスイッチング回路１３を経てインバータ１７の入力側の直流電圧ＶＬ２を生成していたが、この実施の形態２では、トランス６を介することなく、コンデンサ３に対して、第１のスイッチング回路４と並列に電圧電流検出部５４を介してインバータ１７の直流入力端を接続した構成となっている。
したがって、この実施の形態２の構成の場合、実施の形態１のようなトランス６の第３の巻線６ｃや第３のスイッチング回路１３を省略できるので、回路構成が簡素化される。しかしながら、インバータ１７の直流入力端には、第１のスイッチング回路４と同じ値の入力電圧ＶＬ１が加わり、第３の巻線６ｃの巻数でインバータ１７に加わる電圧を調整できないので、インバータ１７のスイッチング素子１７ａ〜１７ｄには耐電圧の高いものが要求される。
以上のように、この実施の形態２の電力変換装置によれば、実施の形態１と同様に、入力電力を多出力に電力分配制御できるとともに、必要に応じて他の負荷に電力供給を行いながら、第１の直流電圧源１１、あるいは第２の直流電圧源３４に対する充電動作を任意に停止することができる。しかも、交流電源１とインバータ１７との間で絶縁が不要なときには、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で得られた直流電圧ＶＬ１をインバータ１７に印加できるので、トランス６の第３の巻線６ｃを省いて巻数を少なく構成することができる。
実施の形態３．
図４０及び図４１は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
図４０及び図４１は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態３の特徴は、図１に示した実施の形態１の構成に対して、トランス６の第４の巻線６ｄ１、６ｄ２、およびこれらの巻線６ｄ１、６ｄ２に接続される第４のスイッチング回路３０や第２の直流電圧源３４を含む回路が削除されていることである。その他の構成は、実施の形態１の場合と同じである。
したがって、実施の形態１における第４のスイッチング回路３０や第２の直流電圧源３４を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
したがって、実施の形態１における第４のスイッチング回路３０や第２の直流電圧源３４を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
この実施の形態３の電力変換装置によれば、入力電力を第１の直流電圧源１１と負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対して電力分配制御できるとともに、交流負荷に対して電力供給を行いながら、必要に応じて第１の直流電圧源１１に対する充電動作を任意に停止することができる。しかも、この実施の形態３の構成の場合、実施の形態１のような第２の直流電圧源３４が、例えば車両電装品の電源として、別個独立した電力系統として配備されるような場合に適用可能である。
実施の形態４．
図４２及び図４３は、この発明の実施の形態４による電力変換装置の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
図４２及び図４３は、この発明の実施の形態４による電力変換装置の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
この実施の形態４の特徴は、図１に示した実施の形態１の構成に対して、トランス６の第３の巻線６ｃおよびこの巻線６ｃに接続される第３のスイッチング回路１３やインバータ１７を含む回路が削除されていることである。その他の構成は、実施の形態１の場合と同じである。
したがって、実施の形態１における第３のスイッチング回路１３やインバータ１７を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
したがって、実施の形態１における第３のスイッチング回路１３やインバータ１７を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
この実施の形態４の電力変換装置によれば、入力電力を第１、第２の直流電圧源１１、３４に電力分配制御できるとともに、第１、第２の直流電圧源１１、３４のいずれか一方に対して電力供給を行いながら、必要に応じて他方の直流電圧源に対する充電動作を任意に停止することができる。しかも、この実施の形態４の構成の場合、実施の形態１のような交流負荷を負荷機器接続端２１に接続する必要性が特に無く、したがって、第３の巻線６ｃ、第３のスイッチング回路１３、およびインバータ１７を含む回路を省略できる場合に適用可能である。
なお、この発明は、上記の実施の形態１〜４に示した構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、その構成に一部変形を加えたり、構成を一部省略したり、また実施の形態１〜４の構成を適宜組み合わせたりすることが可能である。
Claims (12)
- 互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線、第４の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その出力端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その入力端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第３の巻線にその交流端が接続された第３のスイッチング回路と、上記第３のスイッチング回路の直流端に接続されたインバータと、上記第４の巻線と第２の直流電圧源との間に接続された第４のスイッチング回路と、上記第１、第２、第３及び第４のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、上記インバータに接続される交流負荷、および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第３のスイッチング回路の出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力を供給し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御することで、上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする電力変換装置。 - 互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第４の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その直流端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その交流端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第４の巻線と第２の直流電圧源との間に接続された第４のスイッチング回路と、上記ＡＣ／ＤＣコンバータの直流端に上記第１のスイッチング回路と並列に接続されたインバータと、上記第１、第２及び第４のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、上記インバータに接続される交流負荷、および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御し、上記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力供給することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする電力変換装置。 - 互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その直流端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その交流端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第３の巻線に介してその交流端が接続された第３のスイッチング回路と、上記第３のスイッチング回路の直流端に接続されたインバータと、上記第１、第２及び第３のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源、および上記インバータに接続される交流負荷にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第３のスイッチング回路の出力である直流電圧を上記インバータで交流化して上記交流負荷に電力供給することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とする電力変換装置。 - 互いに磁気的に結合された第１の巻線、第２の巻線、第４の巻線で構成されたトランスと、上記第１の巻線に第１の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第１のスイッチング回路と、その出力端が上記第１のスイッチング回路の直流端に接続され、その入力端が交流電源に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、上記第２の巻線に第２の昇圧コイルを介してその交流端が接続された第２のスイッチング回路と、上記第２のスイッチング回路の直流端に接続された第１の直流電圧源と、上記第４の巻線と第２の直流電圧源との間に接続された第４のスイッチング回路と、上記第１、第２及び第４のスイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
上記第２のスイッチング回路は、上記第２の巻線から上記第１の直流電圧源に向かう方向と、上記第１の直流電圧源から上記第２の巻線に向かう方向の、双方向に電力を伝送可能な構成であり、
上記第４のスイッチング回路は、スイッチング動作を停止することにより上記第４の巻線から上記第２の直流電源に向かう電力の伝送を停止するスイッチング素子を含み、
上記トランスの上記第１の巻線と上記第２の巻線との巻数比は、上記第２の巻線の電圧が上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧となるように設定されており、
上記制御部は、上記交流電源からの入力電力を上記第１の直流電圧源および上記第２の直流電圧源にそれぞれ電力分配する場合に、上記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記交流電源からの受電量を制御し、また上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより上記トランスにより上記第１の直流電圧源の充電電圧よりも低い電圧に変換された上記第２の巻線に生じる電圧を昇圧して上記第１の直流電圧源への充電電力を制御し、上記第４のスイッチング回路のスイッチング動作を制御することにより当該第４のスイッチング回路の出力である直流電圧を制御して上記第２の直流電圧源への充電電力を制御することで上記入力電力を分配制御するとともに、
上記入力電力の分配制御中に、上記第２のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させ、昇圧動作を停止させることで上記第１の直流電圧源への充電を停止可能とし、また上記第４のスイッチング回路の上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止することで上記第２の直流電圧源への充電を停止可能とする電力変換装置。 - 上記制御部は、上記第１の直流電圧源が電力供給源となる場合において、上記第２のスイッチング回路をハーフブリッジ型としてスイッチング動作させて上記トランスの上記第２の巻線に印加される電圧を上記第１の直流電圧源の電圧の半分の電圧とし、上記第２の巻線への印加電圧を低下させる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、上記第１の直流電圧源が電力供給源となる場合において、上記第２のスイッチング回路をフルブリッジ型としてスイッチング動作させて上記トランスの上記第２の巻線に印加される電圧を、上記第２のスイッチング回路をハーフブリッジ型としてスイッチング動作させた場合よりも高くする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、上記第２の直流電圧源を充電する場合には、上記トランスの上記第４の巻線の電圧を上記第４のスイッチング回路により降圧動作させた電圧で充電制御する請求項１、請求項２、請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 上記第３の巻線と上記第３のスイッチング回路の交流端の間に第３の昇圧コイルを接続し、上記制御部は、上記インバータの入力電圧が予め設定された電圧値よりも高い場合は上記第３のスイッチング回路のスイッチング動作をさせずに整流回路として動作させ、低い場合には、上記トランスの上記第３の巻線の電圧を上記第３のスイッチング回路のスイッチング動作で昇圧して、上記インバータの入力電圧を一定に保持する請求項１または請求項３に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、上記交流電源からの入力電力が無い場合において、上記第２の直流電圧源を電力供給源として、上記第２の巻線および上記第２のスイッチング回路を介して上記第１の直流電圧源を充電するとともに、上記トランスの上記第３の巻線および上記第３のスイッチング回路を介して上記インバータに電力供給する請求項１に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、上記交流電源と上記第１の直流電圧源とを共に電力供給源とする場合において、上記トランスの上記第３の巻線および上記第３のスイッチング回路を介して上記インバータへ電力供給するとともに、上記トランスの上記第４の巻線および上記第４のスイッチング回路を介して上記第２の直流電圧源を充電する請求項１に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、上記交流電源と上記第１の直流電圧源とを共に電力供給源とする場合において、上記トランスの上記第３の巻線および上記第３のスイッチング回路を介して上記インバータへ電力供給する請求項３に記載の電力変換装置。
- 上記制御部は、上記交流電源と上記第１の直流電圧源とを共に電力供給源とする場合において、上記トランスの上記第４の巻線および上記第４のスイッチング回路を介して上記第２の直流電圧源を充電する請求項４に記載の電力変換装置。
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