JP6668056B2 - 電力変換装置、これを用いた電源システム及び自動車 - Google Patents

Description

本発明はDC-DCコンバータと、DC-DCコンバータを制御する制御回路を有した電力変換装置に関し、特に自動車に搭載される電力変換装置に関する。

近年、化石燃料の枯渇や地球環境問題の悪化を背景として、ハイブリッド自動車や電気自動車のような、電気エネルギーを利用した自動車への関心が高まっており、実用されている。このような電気エネルギーを用いた自動車は、車輪を駆動するためのモータに電力を供給するための高圧バッテリ電圧を降圧して、必要な電力を低圧の電気機器へ供給する電力変換装置が備えられることが多い。エアコンやオーディオ、自動車のコントローラー等の電気機器に電力を供給する電力変換装置には、一般にDC-DCコンバータが用いられる。また、DC-DCコンバータには降圧動作だけではなく、昇圧動作も可能である双方向DC-DCコンバータが求められている。これは高圧バッテリが放電してしまった場合に、低圧バッテリから電力を供給し、高圧バッテリを充電し、動作可能な状態にするために用いられている。

また、高圧バッテリにおける使用可能な電圧範囲を広げるために、広範囲バッテリ電圧に対応できるDC-DCコンバータが要求されている。高圧バッテリの使用範囲が広がると、DC-DCコンバータは低電圧入力時と高電圧入力時の両方への対応が必要となり、DC-DCコンバータの素子数の増加や、磁性部品の大型化により、DC-DCコンバータの高効率・小型・低コスト化の妨げとなっていた。

そこで、広範囲バッテリ電圧入力に対応するため、DC-DCコンバータの入力側に昇圧チョッパを挿入する手法がある。昇圧チョッパにより高圧バッテリの電圧を所定の値に昇圧したのちに、DC-DCコンバータへ昇圧された電圧を印加する。この手法により、DC-DCコンバータへの印加される電圧が一定となり、DC-DCコンバータを小型・低コストで設計することが可能となる。

さらに、昇圧チョッパを双方向チョッパとすることで、双方向に電力を供給できる電力変換装置とすることが可能である。特に双方向チョッパを用いた双方向に電力供給が行われる電力変換装置として例えば特開２０１４−２７８５７号公報（特許文献１）が知られている。

特開２０１４−２７８５７号公報

ところで、上述の電力変換装置は、低電圧から高電圧へ電力を供給する昇圧動作時において、絶縁型DC-DCコンバータで低電圧を昇圧したのちに、双方向チョッパを用いて降圧し、高電圧のバッテリへ電力を供給する構成となっている。しかしながら、特許文献１においては、前記構成をとるため、次のような問題がある。つまり、絶縁型DC-DCコンバータで低電圧バッテリを昇圧したのちに、双方向チョッパが降圧動作するため、昇圧時における電力変換装置の総合効率が低下してしまう問題があった。

本発明の目的は、このような問題に鑑み、電力変換装置の高効率化が可能である回路構成が備わった電力変換装置およびこれを備えた電源システムを提供することにある。

本発明に係る電力変換装置は、降圧もしくは昇圧を行う電力変換装置DC-DCコンバータであって、第一のバッテリに接続された第一のDC-DCコンバータと、第二のバッテリに接続された第二のDC-DCコンバータと、前記第一のDC-DCコンバータと並列に接続されるＯＮ／ＯＦＦを切り替える手段を有する切替機を有し、前記第一のDC-DCコンバータから前記第二のDC-DCコンバータへ電力を供給する場合は前記切替機をＯＦＦとし、前記第二のDC-DCコンバータから前記第一のDC-DCコンバータへ電力を供給する場合は前記切替機をＯＮとするように制御される。

本発明によれば、電力変換装置の高効率化が可能である。

本発明における電力変換装置の基本構成を示す図である。 実施例１および実施例２における電力変換装置の回路構成を示す図である。 実施例１におけるDC-DCコンバータの回路図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係るゲート信号波形を示す図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の降圧動作に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作１に係るゲート信号波形を示す図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作１に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作１に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作１に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作１に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作１に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作２に係るゲート信号波形を示す図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作２に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作２に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作２に係る動作説明に供する図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作２に係る動作説明に供する図である。 実施例１における他のDC-DCコンバータの回路図である。 実施例１における電力変換装置の昇圧動作の移行期間に供する図である。 実施例２における自動車に搭載される部品の構成図である。 実施例２における第一のバッテリから第二のバッテリへ電力を供給するフローを示す図である。 実施例２における第二のバッテリから第一のバッテリへ電力を供給するフローを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

（第１の実施形態）
（回路構成）
図２は、第１の実施形態における電力変換装置の構成図である。本実施形態における電力変換装置は、高圧バッテリ２１aに接続された昇圧チョッパ回路１aと、前記昇圧チョッパ１aに接続され、かつ低圧バッテリ２２aに接続されるDC-DCコンバータ１１aと、前記昇圧チョッパ１aと前記DC-DCコンバータ１１aと動作状態を切り替える切替機４１aと、制御する制御回路３１と、で構成される。

昇圧チョッパ回路１aは、高圧バッテリ２１aに接続される入力コンデンサ２にチョークコイル３の一端が接続され、チョーコイル３の他端がスイッチング素子４の一端に接続され、チョーコイル３の他端とスイッチング素子４の一端にダイオード５の一端が接続され、ダイオード５の他端に出力コンデンサ６が接続される。なお、昇圧チョッパ回路１aは、前記回路構成だけに限らず、高圧バッテリ２１aの電圧を昇圧して、直流電圧を出力できる回路構成であれば前記回路構成に限らない。

切替機４１aは、ON状態とOFF状態を切り替えられる素子良く、MOSFETやIGBT、機械式リレー等でも良い。

図３は、第１の実施形態におけるDC-DCコンバータ１１aの回路図である。昇圧チョッパ回路１aの出力コンデンサ６（図２参照）に接続される高圧側コンデンサ１２aと、高圧側コンデンサ１２aに接続されるMOSFETであるSH１、SH２、SH３、SH４を用いたフルブリッジ構成のスイッチング素子群１３aと、スイッチング素子群１３aに接続されるトランス１４aと、トランス１４aに接続されるMOSFETであるSL１、SL２、SL３、SL４を用いたフルブリッジ構成のスイッチング素子群１５aと、スイッチング素子群１５aに接続されるチョークコイル１６aと、チョークコイル１６aに接続される低圧側コンデンサ１７aが接続されている。なお、昇圧チョッパ回路１aの出力コンデンサ６と高圧側コンデンサ１２aはひとつのコンデンサ素子に統合しても良い。
（降圧動作）
ここでは、実施例１における電力変換装置の降圧動作に係るゲート信号波形を示す図４を用いて、本電力変換装置の高圧バッテリ２１aから、低圧バッテリ２２aへ電力変換が行われる降圧動作モードを説明する。

高圧バッテリ２１aの電圧は、昇圧チョッパ回路１aを用いて昇圧され、出力コンデンサ６に印加される（図１参照）。昇圧チョッパ回路１aで生成された電圧は、DC-DCコンバータ１１aに印加される。DC-DCコンバータ１１aに印加された電圧はDC-DCコンバータ１１aにおけるスイッチング素子群１３aにより、パルス電圧に変換される。

パルス電圧に変換された電圧はトランス１４aに印加され、トランス１４aの巻数とトランス１４aの巻数における巻数比に応じて、スイッチング素子群１５aにパルス電圧が印加される。スイッチング素子群１５aとチョークコイル１６aおよび低圧側コンデンサ１７aにより、パルス電圧は直流電圧に変換され、低圧バッテリ２２aに電力が供給される。
（昇圧チョッパ回路の電流経路）
図４（Ｂ）および図４（Ｃ）には、降圧動作モードにおける昇圧チョッパ回路１aの電流経路を示す。

昇圧チョッパ回路１aには２つの動作がある。すなわち、昇圧チョッパ回路１aのスイッチング素子４がON状態である場合と、OFF状態である場合である。

(図４（Ｂ）スイッチング素子４がON状態の場合）
高圧バッテリ２１aの電圧はすべてチョークコイル３に印加されるため、チョークコイル３に蓄えられるエネルギーが急激に上昇していく。

(図４（Ｃ）スイッチング素子４がOFF状態の場合）
スイッチング素子４がＯＦＦ状態になると、チョークコイル３に蓄えられたエネルギーがダイオード４に導通し、出力コンデンサ６に流れ込む。この動作後、スイッチング素子４をターンオンすることで、図４（Ｂ）の状態へ戻る。
（DC-DCコンバータの電流経路）
図４（Ｄ）から図４（Ｇ）には、降圧動作モードにおけるDC-DCコンバータ１１ａの電流経路を示す。DC-DCコンバータ１１ａには４つの動作モードがある。以下で説明していく。
（図４（Ｄ） SH１:OFF、SH２:ON、SH３:OFF、SH４:ON）
スイッチング素子群１３aのスイッチング素子SH２とSH４がON状態であるため、高圧側のトランス１４aに印加される電圧はゼロである。チョークコイル１６aの電流特性より、電流は低圧側コンデンサ１７aから低圧側のスイッチング素子群１５aのSL２を通り、低圧側トランス１４aを通り、低圧側のスイッチング素子群１５aのSL３を通り、低圧側コンデンサ１７aへと流れる。スイッチング素子群１３aのSH２とSH４には、低圧側スイッチング素子群１５aの電流により、スイッチング素子群１３aのSH２とSH４を循環する循環電流が流れる。
（図４（Ｅ） SH１:ON、SH２:OFF、SH３:OFF、SH４:ON）
スイッチング素子群１３aのSH２がターンオフし、スイッチング素子群１３aのSH１がターンオンすると、スイッチング素子群１３aのSH１とSH４がON状態となるため、トランス１４aに高圧側コンデンサ１２aの電圧が印加される。従って、電流は高圧側コンデンサ１２aより、スイッチング素子群１３aのSH１を通り、高圧側トランス１４aを通り、スイッチング素子群１３aのSH４を通り、高圧側コンデンサ１２a へ流れる。低圧側スイッチング素子群１５aのSL１とSL４は、高圧側スイッチング素子群１３aの電流により、低圧側トランス１４aから低圧側スイッチング素子群１５aのSL１を通り、チョークコイル１６aを通り、低圧側コンデンサ１７aを通り、低圧側スイッチング素子群１５aのSL４を通り、低圧側のトランス１４aへ流れる。
（図４（Ｆ） SH１:ON、SH２:OFF、SH３:ON、SH４:OFF）
スイッチング素子群１３aのSH４がターンオフし、スイッチング素子群１３aのSH３がターンオンすると、スイッチング素子群１３aのSH１とSH３がON状態であるため、高圧側のトランス１４aに印加される電圧はゼロとなる。チョークコイル１６aの電流特性より、電流は低圧側コンデンサ１７aから低圧側のスイッチング素子群１５aのSL４から低圧側トランス１４aを通り、低圧側のスイッチング素子群１５aのSL１を通り、低圧側のコンデンサ１７aへと流れる。スイッチング素子群１３aのSH２とSH４は、低圧側スイッチング素子群１５aの電流により、スイッチング素子群１３aのSH１とSH３を循環する循環電流が流れる。
（図４（Ｇ） SH１:ON、SH２:OFF、SH３:OFF、SH４:ON）
スイッチング素子群１３aのSH１がターンオフし、スイッチング素子群１３aのSH２がターンオンすると、スイッチング素子群１３aのSH２とSH３がON状態となるため、高圧側トランス１４aに高圧側コンデンサ１２aの電圧が印加される。従って、電流は高圧側コンデンサ１２aより、スイッチング素子群１３aのSH２を通り、高圧側トランス１４aを通り、スイッチング素子群１３aのSH３を通り、高圧側コンデンサ１２a へ流れる。低圧側スイッチング素子群１５aのSL２とSL３は、高圧側スイッチング素子群１３aの電流により、低圧側トランス１４aから低圧側スイッチング素子群１５aのSL３を通り、チョークコイル１６aを通り、低圧側コンデンサ１７aを通り、低圧側スイッチング素子群１５aのSL２を通り、低圧側トランス１４aへ流れる。
（降圧動作時の制御）
降圧動作時では、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示されるように、スイッチング素子４１ａは常時OFFとする。昇圧チョッパ回路１aのスイッチング素子４は、昇圧チョッパ回路１ａの入力コンデンサ２の電圧と、出力コンデンサ６の電圧を用いて、図１に示される制御回路３１により、必要な昇圧比を算出し、スイッチング素子４へゲート信号波形を送る。このとき、図４（ａ）に示されるように、スイッチング素子４に送られるゲート信号波形は、入出力電圧に応じて、制御回路３１で演算された第一の時間比(duty１)の信号が送られる。

なお、出力コンデンサ６の電圧は、高圧バッテリ２１aの電圧以上の値であれば、任意の電圧値を選択することが可能である。DC-DCコンバータ１１aにおけるスイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aは、DC-DCコンバータの高圧側コンデンサ１２aの電圧と、低圧側コンデンサ１７aの電圧を用いて、制御回路３１により、必要な降圧比を演算し、高圧側スイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aへゲート信号波形を送る。このとき、高圧側スイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aに送られるゲート信号波形は、入出力電圧に応じて、制御回路３１で演算された第二の時間比(Duty２)の信号が送られる。このDC-DCコンバータ１１aにおける制御は、低圧バッテリ２２aの電圧を制御することから、低圧バッテリ電圧制御とする。

なお、低圧側コンデンサ１７aの電圧は、任意の値を選ぶことが可能である。また、低圧側スイッチング素子群１５aは、同期整流動作のためスイッチングを行っているが、スイッチングを行わず、MOSFETのボディダイオードやIGBTに並列接続するダイオードを用いてダイオード整流としても良い。
（昇圧動作）
ここでは、図５（A）のゲート信号波形図及び図５（B）ないし図５（F）の回路図を用いて、電力変換方向が低圧バッテリ２２aから、高圧バッテリ２１aへ電力変換が行われる昇圧動作モードに関して説明する。

昇圧動作時では、切替機４１ａは常時ONとする。昇圧チョッパ回路１aにおけるスイッチング素子４は、常時OFFとし昇圧チョッパ回路１ａを停止させる。低圧バッテリ２２ａの電圧は、DC-DCコンバータ１１aに印加される。ここで、昇圧動作モードでは、高圧バッテリの電圧によりふたつの昇圧モードが存在する。高圧バッテリ２１ａの電圧をVHV、低圧バッテリ２２ａをVLV、トランス１４ａの巻数比がNとした場合、高圧バッテリが低圧バッテリとトランス巻数比の積より大きい場合（VHV > VLV ×N）と、高圧バッテリが低圧バッテリとトランス巻数比の積より小さい場合（VHV < VLV ×N）である。以下では、二つの昇圧モードに関して説明する。
（VHV > VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの昇圧動作）
低圧バッテリ２２aの電圧はDC-DCコンバータ１１aにおける低圧側スイッチング素子群１５aとチョークコイル１６aにより昇圧されたパルス電圧に変換される。変換された電圧はトランス１４aに印加され、トランス１４aの巻数比に応じて、高圧側スイッチング素子群１３aにパルス電圧が印加される。高圧側スイッチング素子群１３aと高圧側コンデンサ１２aにより直流電圧に変換され、高圧側コンデンサ１２aに電力が供給される。高圧側コンデンサ１２aに蓄えられた電圧は、スイッチング素子４１aが常時ONとなっているため、高圧側コンデンサ１２aの電圧が直接高圧バッテリ２１aに供給される。
（昇圧モードにおける昇圧チョッパ回路の電流経路）
図５（Ｂ）は、昇圧動作モードにおけるDC-DCコンバータの電流経路を示す。

昇圧チョッパ回路１aは、スイッチング素子４がOFF状態であり、スイッチング素子４１aがON状態であるため、昇圧チョッパ回路１aは動作せず、DC-DCコンバータ１１aから送られる電流は、スイッチング素子４１aを通り、高圧バッテリ２１aへ流れていく。
（VHV > VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの電流経路）
図５（Ｃ）から図５（Ｆ）は、昇圧動作モードにおけるDC-DCコンバータ１１ａの電流経路を示す。DC-DCコンバータ１１ａには４つの動作モードがある。以下で説明していく。
（図５（Ｃ） SH１:ON、SH２:ON、SH３:ON、SH４:ON）
低圧側スイッチング素子群１５aのスイッチング素子SL１、SL２、SL３およびSL４がON状態であるため、低圧側のトランス１４aに印加される電圧はゼロである。チョークコイル１６aに低圧側コンデンサ１７aの電圧が印加されるため、チョークコイル１６aの電流は増加していく。電流は低圧側コンデンサ１７aから低圧側のスイッチング素子群１５aのスイッチング素子SL１およびSL３から、低圧側のスイッチング素子群１５aのスイッチング素子SL２およびSL４を通り、低圧側コンデンサ１７aへと流れる。高圧側スイッチング素子群１３aにはトランス１４aに電圧が印加されていないため電流は流れない。
（図５（Ｄ） SH１:ON、SH２:OFF、SH３:OFF、SH４:ON）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL２およびSL３がターンオフすると、スイッチング素子群１５aのSL１とSL４がON状態であるため、トランス１４aの低圧側に低圧側コンデンサ１７aの電圧が印加され、チョークコイル１６aの電流は減少していく。

従って、電流は低圧側コンデンサ１７aより、スイッチング素子群１５aのSL１を通り、トランス１４aを通り、スイッチング素子群１５aのSL４を通り、低圧側コンデンサ１７a へ流れる。高圧側スイッチング素子群１３aのSH１とSH４は、低圧側スイッチング素子群１５aの電流により、トランス１４aの高圧側から高圧側スイッチング素子群１３aのSH１を通り、高圧側コンデンサ１２aを通り、高圧側スイッチング素子群１３aのSH４を通り、高圧側トランス１４aへ流れる。
（図５（Ｅ） SH１:ON、SH２:ON、SH３:ON、SH４:ON）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL１とSL４がターンオンすると、低圧側スイッチング素子群１５aのSL１、SL２、SL３およびSL４がON状態であるため、低圧側のトランス１４aに印加される電圧はゼロである。

チョークコイル１６aに低圧側コンデンサ１７aの電圧が印加されるため、チョークコイル１６aの電流は増加していく。電流は低圧側コンデンサ１７aから低圧側のスイッチング素子群１５aのSL１およびSL３から、低圧側のスイッチング素子群１５aのSL２およびSL４を通り、低圧側コンデンサ１７aへと流れる。高圧側スイッチング素子群１３aにはトランス１４aに電圧が印加されていないため電流は流れない。
（図５（Ｆ） SH１:OFF、SH２:ON、SH３:ON、SH４:OFF）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL１およびSL４がターンオフすると、スイッチング素子群１５aのSL２とSL３がON状態であるため、トランス１４aの低圧側に高圧側コンデンサ１７aの電圧が印加され、チョークコイル１６aの電流は減少していく。従って、電流は低圧側コンデンサ１７aより、スイッチング素子群１５aのSL３を通り、トランス１４aを通り、スイッチング素子群１５aのSL２を通り、低圧側コンデンサ１７a へ流れる。高圧側スイッチング素子群１３aのSH２とSH３は、低圧側スイッチング素子群１５aの電流により、トランス１４aの高圧側から高圧側スイッチング素子群１３aのSH３を通り、高圧側コンデンサ１２aを通り、高圧側スイッチング素子群１３aのSH２を通り、トランス１４aの高圧側へ流れる。
（昇圧動作のデューティー制御１）
高圧バッテリが低圧バッテリとトランス巻数比の積より大きい場合、DC-DCコンバータ１１aにおけるスイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aは、DC-DCコンバータ１１aの高圧側コンデンサ１２aの電圧と、低圧側コンデンサ１７aの電圧を用いて、制御回路３１により、必要な昇圧比を演算し、高圧側スイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aへゲート信号波形を送る。

このとき、高圧側スイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aに送られるゲート信号波形は、入出力電圧に応じて、制御回路３１で演算された第三の時間比(duty３)の信号が送られる（図５（A）参照）。第三の時間比は、低圧側スイッチング素子群１５aのMOSFETであるSL１およびSL４とSL２およびSL３が短絡する期間である。つまり、この短絡期間中にチョークコイル１６aに低圧バッテリ２２aの電圧が蓄えられることで昇圧動作をおこなっている。なお、高圧側コンデンサ１２aの電圧は、低圧バッテリとトランス巻数比の積以上の任意の値を選ぶことが可能である。また、高圧側スイッチング素子群１３aは、同期整流動作のためスイッチングを行っているが、スイッチングを行わず、MOSFETのボディダイオードやIGBTに並列接続するダイオードを用いてダイオード整流としても良い。
（VHV < VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの昇圧動作）
低圧バッテリの電圧２２aはDC-DCコンバータ１１aにおける低圧側スイッチング素子群１５aとチョークコイル１６aにより昇圧されたパルス電圧に変換される。変換された電圧はトランス１４aに印加され、トランス１４aの巻数比に応じて、高圧側スイッチング素子群１３aにパルス電圧が印加される。高圧側スイッチング素子群１３aと高圧側コンデンサ１２aにより直流電圧に変換され、高圧側コンデンサ１２aに電力が供給される。高圧側コンデンサ１２aに蓄えられた電圧は、スイッチング素子４１aが常時ONとなっているため、高圧側コンデンサ１２aの電圧が直接高圧バッテリ２１aに供給される。
（VHV < VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの電流経路）
図６（B）から図６（E）は、昇圧動作モードにおけるDC-DCコンバータ１１ａの電流経路を示す。DC-DCコンバータ１１ａには４つの動作モードがある。以下で説明していく。
（図６（Ｂ） SH１:OFF、SH２:ON、SH３:OFF、SH４:ON）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL２およびSL４がON状態であるため、低圧側のトランス１４aに印加される電圧はゼロである。電流は低圧側コンデンサ１７aから低圧側のスイッチング素子群１５aのSL４から、トランス１４aの低圧側を通り、低圧側のスイッチング素子群１５aのSL２を通る循環電流が流れる。高圧側スイッチング素子群１３aにはトランス１４aに電圧が印加されていないため電流は流れない。
（図６（Ｃ） SH１:ON、SH２:OFF、SH３:OFF、SH４:ON）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL２がターンオフし、SL１がターンオンすると、スイッチング素子群１５aのSL１とSL４がON状態であるため、トランス１４aの低圧側に高圧側コンデンサ１７aの電圧が印加される。

従って、電流は低圧側コンデンサ１７aより、スイッチング素子群１５aのSL１を通り、トランス１４aの低圧側を通り、スイッチング素子群１５aのSL４を通り、低圧側コンデンサ１７a へ流れる。高圧側スイッチング素子群１３aのSH１とSH４は、低圧側スイッチング素子群１５aの電流により、高圧側トランス１４aから高圧側スイッチング素子群１３aのSH１を通り、高圧側コンデンサ１２aを通り、高圧側スイッチング素子群１３aのSH４を通り、高圧側トランス１４aへ流れる。
（図６（Ｄ） SH１:ON、SH２:OFF、SH３:ON、SH４:OFF）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL４がターンオフし、SL３がターンオンすると、低圧側スイッチング素子群１５aのSL１およびSL３がON状態であるため、低圧側のトランス１４aに印加される電圧はゼロである。電流は低圧側コンデンサ１７aから低圧側のスイッチング素子群１５aのSL１から、トランス１４aの低圧側を通り、低圧側のスイッチング素子群１５aのスイッチング素子SL３を通る循環電流が流れる。高圧側スイッチング素子群１３aにはトランス１４aに電圧が印加されていないため電流は流れない。

（図６（Ｅ） SH１:OFF、SH２:ON、SH３:ON、SH４:OFF）
低圧側スイッチング素子群１５aのSL１がターンオフし、SL２がターンオンすると、スイッチング素子群１５aのスイッチング素子SL２とSL３がON状態であるため、トランス１４aの低圧側に高圧側コンデンサ１７aの電圧が印加される。従って、電流は低圧側コンデンサ１７aより、スイッチング素子群１５aのSL３を通り、低圧側トランス１４aを通り、スイッチング素子群１５aのSL２を通り、低圧側コンデンサ１７a へ流れる。高圧側スイッチング素子群１３aのSH２とSH３は、低圧側スイッチング素子群１５aの電流により、高圧側トランス１４aから高圧側スイッチング素子群１３aのSH３を通り、高圧側コンデンサ１２aを通り、高圧側スイッチング素子群１３aのSH２を通り、トランス１４aの高圧側へ流れる。
（昇圧動作のデューティー制御２）
高圧バッテリが低圧バッテリとトランス巻数比の積より小さい場合、DC-DCコンバータ１１aにおけるスイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aは、DC-DCコンバータ１１aの高圧側コンデンサ１２aの電圧と、低圧側コンデンサ１７aの電圧を用いて、制御回路３１により、必要な昇圧比を演算し、高圧側スイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aへゲート信号波形を送る。このとき、高圧側スイッチング素子群１３aおよび低圧側スイッチング素子群１５aに送られるゲート信号波形は、入出力電圧に応じて、制御回路３１で演算された第四の時間比(Duty４)の信号が送られる（図６（Ａ）参照）。

第四の時間比は、低圧側スイッチング素子群１５aのMOSFETであるSL１とSL４およびSL２とSL３が短絡する期間である。つまり、この短絡期間中は高圧側スイッチング素子群１３aへ電圧が印加されない。従って、低圧側スイッチング素子群１５aで、低圧バッテリ２２aを降圧したのちに、トランス１４aの巻数比に応じた電圧が、高圧側スイッチング素子群１３aへ印加されることで昇圧動作をおこなっている。なお、高圧側コンデンサ１２aの電圧は、低圧バッテリとトランス巻数比の積以下の任意の値を選ぶことが可能である。また、高圧側スイッチング素子群１３aは、同期整流動作のためスイッチングを行っているが、スイッチングを行わず、MOSFETのボディダイオードやIGBTに並列接続するダイオードを用いてダイオード整流としても良い。以上のDC-DCコンバータ１１aにおける２つの昇圧動作モードは、高圧バッテリ２１aの電圧を制御することから、高圧バッテリ電圧制御とする。

なお、DC-DCコンバータ１１ａの回路構成は、上記回路構成に限るものでなく、双方向に電力変換が可能な構成であれば、回路構成に限りはない。例えば、図８に示すセンタータップトランス１４bを用いた絶縁型DC-DCコンバータ１１bでもよい。
（昇圧動作のデューティー制御の移行期間）
昇圧動作モードは２つの動作モードが存在するため、電圧条件によって、２つの動作モードを移行する必要がある。図７に２つの昇圧動作モードの移行期間における電力変換装置のゲート信号波形図を示す。移行期間では、低圧側スイッチング素子群SL１とSL４およびSL２とSL３の時間比が0.５の状態である。昇圧動作モード１に移行する場合には、図７に示す移行期間とした後に、低圧側スイッチング素子群の時間比を増加させればよい。また、昇圧動作モード２に移行する場合には、図７に示す移行期間とした後に、低圧側スイッチング素子群のSL１とSL２の時間比をSL３とSL４から、演算された時間比分だけSL１とSL２のゲート信号波形の位相を変更すればよく、２つの昇圧動作モードの切替を行うことが可能である。

（実施例の効果）
以上の双方向回路構成および降圧動作制御および昇圧動作制御により、降圧動作時には昇圧チョッパ回路を用いることで、DC-DCコンバータの入力電圧を一定にできるため、DC-DCコンバータのサイズ・コストを削減することが可能となる。また、昇圧動作時では、スイッチング素子による切替機を設けることで昇圧チョッパ回路を停止させ、DC-DCコンバータのみで高圧バッテリ電圧を制御することが可能となり、損失の大きいチョッパ回路を削減したことによる電力変換装置の高効率化が可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態における電力変換装置の使用方法に関するものである。図９（Ａ）は、第１の実施形態における電力変換装置を備えた電源システムの例として、自動車１００に適用した場合の実施形態である。

第２の実施形態において、以下の降圧動作モードと昇圧動作モードがある。
（降圧動作モード）
図９（Ｂ）は、第一のバッテリ２１から、第一のDC-DCコンバータ１と第二のコンバータ１１を用いて、第二のバッテリ２２に電力供給を示す図である。第一のDC-DCコンバータ１により、第一のバッテリ２１の電圧を昇圧し、第二のDC-DCコンバータ１１で第二のバッテリ２２の電圧となるように制御される。このとき、ON/OFF切替機４１はオフ状態とする。電気自動車などは、エアコンやランプ等の第二のバッテリ側負荷の電力を第二のバッテリから供給するだけでなく、第一のDC-DCコンバータ１と第二のコンバータ１１を用いて、第一のバッテリから電力を供給することも可能である。
（昇圧動作モード）
このモードは、第一のバッテリが上がってしまった場合などで行う動作モードである。

図９（Ｃ）は、第二のバッテリ２２から、第二のコンバータ１１を用いて、第一のバッテリ２１に電力供給を示す図である。第二のDC-DCコンバータ１１により、第二のバッテリ２２の電圧を第一のバッテリ２１の電圧となるよう昇圧されるよう制御される。このとき、ON/OFF切替機４１はオフ状態とするため、第二のDC-DCコンバータにより昇圧された電圧は直接、第一のバッテリ２１に供給される。電気自動車などは、主機モータを駆動するインバータなどが第一のバッテリ２１側に接続されており、第一のバッテリが上がってしまった場合に、第二のバッテリ２２より、第一のバッテリ２１を充電するだけでなく、直接第一のバッテリ側負荷５１を駆動することが可能である。

上記電力変換装置による降圧動作モードおよび昇圧動作モードにより、双方向に電力変換機を使用することができるため、第二のバッテリ２２を充電するだけでなく、第一のバッテリ２１があがってしまった場合にも、第二のバッテリ２２から第一のバッテリ２１を高効率に充電もしくは、第一のバッテリ側負荷５１を駆動することが可能となり、自動車の安全性をより高く確保することが可能となる。
なお、本実施形態においては、電源システムとして自動車に適用した場合を例示したが、これ以外の電源システムへの適用も可能である。

１：第一のDC-DCコンバータ
２：入力コンデンサ
３：チョークコイル
４：スイッチング素子
５：ダイオード
６：出力コンデンサ
１１：第二のDC-DCコンバータ
１１a：DC-DCコンバータ
１２b：DC-DCコンバータ
１２a：高圧側コンデンサ
１２b：高圧側コンデンサ
１３a：高圧側スイッチング素子群
１３b：高圧側スイッチング素子群
１４a：トランス
１４b：トランス
１５a：低圧側スイッチング素子群
１５b：低圧側スイッチング素子群
１６a：チョークコイル
１６b：チョークコイル
１７a：低圧側コンデンサ
１７b：低圧側コンデンサ
２１：第一のバッテリ
２１a：高圧バッテリ
２２：第二のバッテリ
２２a：低圧バッテリ
３１：制御回路
４１：ON/OFF切替機
４１a：スイッチング素子
５１：第一のバッテリ側負荷
６２：第二のバッテリ側負荷
１００：自動車

Claims (4)

1. 降圧もしくは昇圧を行う電力変換装置であって、
   第一のバッテリに接続された昇圧回路と、前記第一のバッテリよりも低い電圧の第二のバッテリに接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記昇圧回路と並列に接続されるＯＮ／ＯＦＦを切り替える手段を有する切替機を有し、
   前記昇圧回路から前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータへ電力を供給する降圧動作の場合は前記切替機をＯＦＦとし、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記昇圧回路へ電力を供給する昇圧動作の場合は前記切替機をＯＮとするように制御され、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが絶縁トランスと、前記第二のバッテリ側にスイッチング素子とチョークコイルを有し、
   前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より大きい場合、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記スイッチング素子を短絡する期間を設けるように制御され、
   前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より大きい場合と、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より小さい場合とが混在する際に、移行期間を設けた後に制御を切り替える電力変換装置。
2. 降圧もしくは昇圧を行う電力変換装置であって、
   第一のバッテリに接続された昇圧回路と、前記第一のバッテリよりも低い電圧の第二のバッテリに接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記昇圧回路と並列に接続されるＯＮ／ＯＦＦを切り替える手段を有する切替機を有し、
   前記昇圧回路から前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータへ電力を供給する降圧動作の場合は前記切替機をＯＦＦとし、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記昇圧回路へ電力を供給する昇圧動作の場合は前記切替機をＯＮとするように制御され、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが絶縁トランスと、前記第二のバッテリ側にスイッチング素子とチョークコイルを有し、
   前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より小さい場合、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記スイッチング素子を用いて、前記絶縁トランスへ印加される前記第二のバッテリ電圧が制御され、
   前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より大きい場合と、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より小さい場合とが混在する際に、移行期間を設けた後に制御を切り替える電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載された電力変換装置と、
   前記昇圧回路と接続される前記第一のバッテリと、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと接続される前記第二のバッテリと、
   前記第二のバッテリと並列に接続される負荷と、を備え、
   前記第一のバッテリの電圧を前記電力変換装置を介して前記第二のバッテリを充電もしくは前記負荷に電力を供給する電源システム。
4. 請求項３に記載の電源システムを備える自動車。

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