JP7099356B2

JP7099356B2 - 電力変換装置

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置として昇降圧動作が可能な絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている。

このような絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとして、トランスの１次側及び２次側の両方にフルブリッジ回路を有するＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式のＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

ここで、上述のような従来の絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、高効率を実現するため、昇圧チョッパと降圧チョッパを切り替える方式が提案されているが、切り替え時に出力電圧が変動するという不都合が生じる場合があった。

特開２０１７－２０４９９８号公報特開２０１７－１３０９９７号公報

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、昇降圧動作が可能な電力変換装置において、出力電圧の変動を抑えて高効率を実現することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
第１入出力端子対と、
第２入出力端子対と、
前記第１入出力端子対及び前記第２入出力端子対に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、
を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
第１接続点を介して直列接続された第１及び第２スイッチング素子を有し、前記第１入出力端子対に接続された、第１スイッチングレグと、
第２接続点を介して直列接続された第３及び第４スイッチング素子を有し、前記第１スイッチングレグに並列接続された、第２スイッチングレグと、
第３接続点を介して直列接続された第５及び第７スイッチング素子を有し、前記第２入出力端子対に接続された、第３スイッチングレグと、
第４接続点を介して直列接続された第６及び第８スイッチング素子を有し、前記第３スイッチングレグに並列接続された、第４スイッチングレグと、
前記第１接続点と前記第２接続点とに接続された、トランスの一方の巻線を含む第１エネルギー蓄積変換部と、
前記第３接続点と前記第４接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線を含む第２エネルギー蓄積変換部と、
を備え、
前記第１エネルギー蓄積変換部及び前記第２エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、前記トランスの巻線に直列接続されたリアクトルを有し、
前記制御部は、
前記第７スイッチング素子及び前記第８スイッチング素子をＯＦＦした状態で、
前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をＯＮし、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子をＯＮし、前記第６スイッチング素子をＯＦＦする第１状態と、
前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をＯＮし、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子及び前記第６スイッチング素子をＯＦＦする第２状態と、
前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、前記第４スイッチング素子をＯＮし、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子をＯＦＦする第３状態と、
前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をＯＮし、第１スイッチング素子及び第４スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子をＯＮし、前記第５スイッチング素子をＯＦＦする第４状態と、
前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をＯＮし、前記第１スイッチング素子及び第４スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子及び第５スイッチング素子をＯＦＦする第５状態と、
前記第３スイッチング素子をＯＮし、前記第２スイッチング素子をＯＦＦし、前記第１スイッチング素子及び第４スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子及び第５スイッチング素子をＯＦＦする第６状態と、
を含み、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態、前記第４状態、前記第５状態、前記第６状態の順に繰り返し遷移させ、
前記第３状態及び前記第６状態の期間を制御することを特徴とする電力変換装置である。

本発明によれば、第１入出力端子対から第１状態において第１エネルギー蓄積変換部に一方から電流を流し、また、トランスを介して第２エネルギー蓄積変換部に一方から電流を流すことによって蓄積されたエネルギーを、第２状態において、第２入出力端子対から出力する。そして、第１入出力端子対から第４状態において第１エネルギー蓄積変換部及び第２エネルギー蓄積変換部に他方から電流を流すことによって蓄積されたエネルギーを、第５状態において、第２入出力端子対から出力することができる。このとき、第１エネルギー蓄積変換部に流れる電流の方向が一方から他方へ、また他方から一方へと切り替える際に、第３状態及び第６状態を設けている。第１入出力端子対側に接続されている第１スイッチング素子及び第３スイッチング素子をそれぞれ、第４スイッチング素子及び第２スイッチング素子よりも先にＯＦＦすることにより、第１エネルギー蓄積変換部に流れる電流の方向を切り替えるタイミングに向けて、第１エネルギー蓄積変換部及び第２エネルギー蓄積変換部に流れる電流をより早く減少させることができる。このような第３状態及び第６状態の期間を制御することにより昇降圧比を変更することができ、連続的に昇降圧動作を行うことができる。従って、出力電圧の変動を抑えることができる。また、第１エネルギー蓄積変換部に流れる電流の方向を切り替えるスイッチングに向けて、電流をより早く減少させることができるので、スイッチング損失を低減して高効率化を実現することができる。

ここで、第１エネルギー蓄積変換部及び第２エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、トランスの巻線に直列接続されたリアクトルを有する。すなわち、第１エネルギー蓄積変換部がトランスの一方の巻線に直列接続された第１リアクトルを有するようにしてもよい。また、第２エネルギー蓄積変換部がトランスの巻線の他方に直列接続された
第２リアクトルを有するようにしてもよい。さらに、第１エネルギー蓄積変換部がトランスの一方の巻線に直列接続された第１リアクトルを有し、かつ、第２エネルギー蓄積変換部がトランスの他方の巻線に直列接続された第２リアクトルを有するようにしてもよい。このような第１リアクトルとして、トランスの一方の巻線側に発生する漏れインダクタンスを用いてもよいし、第２リアクトルとして、トランスの他方の巻線側に発生する漏れインダクタンスを用いてもよい。

また、本発明においては、
前記第１状態及び前記第４状態の期間をＴｏｎとし、前記第２状態及び前記第５状態の期間をＴｏｆｆ１としたとき、所定の係数ｋに対して、Ｔｏｆｆ１＝Ｔｏｎ／（ｋ－１）を満たすように、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆ１を制御することによって、前記第３状態及び前記第６状態の期間を制御するようにしてもよい。

スイッチング周期が規定されていれば、第３状態及び第６状態の期間を制御することは、Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ１を制御することと同じである。このとき、ＴｏｎとＴｏｆｆ１は独立のパラメータであるが、二つのパラメータを独立に制御することは容易ではない。このため、ＴｏｎとＴｏｆｆ１との間に一定の関係があれば、制御すべきパラメータは一つとなり好ましい。このようなＴｏｎとＴｏｆｆ１との関係として、電力変換装置の設計で求められる最大の昇圧比をｋとしたとき、Ｔｏｆｆ１＝Ｔｏｎ／（ｋ－１）と設定することができる。このようにすれば、Ｔｏｎを制御することにより、出力電圧の変動を抑え、高効率化が可能な電力変換装置をより簡便に実現することができる。

本発明によれば、昇降圧動作が可能な電力変換装置において、出力電圧の変動を抑えて高効率を実現することが可能となる。

本発明の実施例１における電力変換装置の概略構成図である。本発明の実施例１における電力変換装置の第１状態における電流経路を説明する図である。本発明の実施例１における電力変換装置の第２状態における電流経路を説明する図である。本発明の実施例１における電力変換装置の第３状態における電流経路を説明する図である。本発明の実施例１における電力変換装置の第４状態における電流経路を説明する図である。本発明の実施例１における電力変換装置の第５状態における電流経路を説明する図である。本発明の実施例１における電力変換装置の第６状態における電流経路を説明する図である。本発明の実施例１における電力変換装置の制御を示すタイミングチャートである。本発明の実施例１における電力変換装置の昇圧動作時のリアクトル電流を示すグラフである。本発明の実施例１における電力変換装置の降圧動作時のリアクトル電流を示すグラフである。本発明の実施例１における電力変換装置のシミュレーション回路の概略構成図である。本発明の実施例１におけるシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施例１における他のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施例１における他のシミュレーション結果を示すグラフである。従来例の電力変換装置の制御を示すタイミングチャートとリアクトル電流のグラフである。

〔適用例〕
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。本発明は例えば、図１に示すようなＤＡＢ方式のＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力変換装置に適用される。
同様の構成のＤＡＢ方式のＤＣ／ＤＣコンバータは従来から知られているが、従来、昇圧動作を行う場合には、図１０Ａに示すようなタイミグチャートに従って、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６がＯＮ／ＯＦＦ制御されていた。図１０Ｂは、このときの従来のＤＣ／ＤＣコンバータの入力側のリアクトルに流れる電流である。
図１０Ａ及び図１０Ｂの縦の点線は、図３に示す本発明の実施例に係る電力変換装置における制御と対比するために付したものであり、従来の制御に必ずしも対応していない。
すなわち、本発明では、第１スイッチング素子ＳＷ１、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮしている第１状態（＃１）から、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮし、第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦしている第２状態（＃２）に続いて、第３状態（＃３）に遷移している。この第３状態（＃３）では、第１スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦし、第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮし、第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦしている。このような制御における本発明のＤＣ／ＤＣコンバータ１０は図２Ｃに示すような経路で電流が流れている。このとき、第１入出力端子対１３ｐ，１３ｍから電力の供給を受けることなく、第１リアクトル及び第２リアクトルを流れる電流が循環している。一方で、２次側入出力端子対１４ｐ，１４ｍから電流が負荷に流れて、エネルギーが失われている。
このような第３状態（＃３）を設けていない従来例に比べて、入力側のリアクトルに流れる電流は急速に減少している。本発明は、このような第３状態（第６状態も同様）の期間を制御することによって、昇降圧比を連続的に制御している。これによって、本発明では、出力電圧の変動を抑え、高効率化を実現している。
図１０Ｂに見られるように、本発明の第３状態に対応する制御が行われていない従来例では、入力側のリアクトル電流の減少過程が一様であり、このような効果を実現することができない。

〔実施例１〕
以下では、本発明の実施例１に係る電力変換装置について、図面を用いて、より詳細に説明する。

＜装置構成＞
図１は、実施例１に係る電力変換装置の一例を示す概略構成図である。
本実施例に係る電力変換装置は、ＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式のＤＣ／ＤＣコンバータであり、トランスＴＲを介して双方向の電力変換が可能な装置である。図示してあるように、電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と制御ユニット２０と第１入出力端子対１３（１３ｐ、１３ｍ）、第２入出力端子対１４（１４ｐ、１４ｍ）とを備える。ここでは、制御ユニット２０は制御部に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、トランスＴＲ、２つのリアクトルＬｒ１，Ｌｒ２及び２つのフルブリッジ回路１１を主要構成要素とした絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。以下、図１における左側のフルブリッジ回路１１、右側のフルブリッジ回路１１のことを、それぞれ、第１フルブリッジ回路１１、第２フルブリッジ回路１１と表記する。トランスＴＲの図１における左側の巻線、右側の巻線のことを、それぞれ、第１巻線、第２巻線と表記する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のトランスＴＲは、巻数比が１：１の
ものでなくても良い。ただし、以下では、トランスＴＲの巻数比が１：１であるものとして、電力変換装置の構成及び動作を説明する。第１巻線及びリアクトルＬｒ１によって第１エネルギー蓄積変換部が構成され、第２巻線及びリアクトルＬｒ２によって第２エネルギー蓄積変換部が構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の第１フルブリッジ回路１１は、直列接続された第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を有する第１スイッチングレグと、直列接続された第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４を有する第２スイッチングレグと、を備える。図示してあるように、各スイッチングレグの第ｎスイッチング素子ＳＷｎ（ｎ＝１～４）の端子間には、ダイオードＤｎが並列に接続されている。また、各スイッチングレグは、一対の第１入出力端子１３ｐ，１３ｍと接続されており、第１スイッチングレグの、第１、第２スイッチング素子ＳＷ１、２間の接続点ｐ１は、第１リアクトルを介してトランスＴＲの第１巻線の一端に接続されている。そして、第２スイッチングレグの、第３、第４スイッチング素子ＳＷ３、４間の接続点ｐ２は、トランスＴＲの第１巻線の他端に接続されている。ここでは、接続点ｐ１が第１接続点、接続点ｐ２が第２接続点に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の第２フルブリッジ回路１１は、直列接続された第５スイッチング素子ＳＷ５及び第７スイッチング素子ＳＷ７を有する第３スイッチングレグと、直列接続された第６スイッチング素子ＳＷ６及び第８スイッチング素子ＳＷ８を有する第４スイッチングレグと、を備える。図示してあるように、各スイッチングレグの第ｎスイッチング素子ＳＷｎ（ｎ＝５～８）の端子間には、ダイオードＤｎが並列に接続されている。また、第３スイッチングレグ、第４スイッチングレグは、いずれも、第２入出力端子対１４ｐ，１４ｍと接続されている。そして、第３スイッチングレグの、第５スイッチング素子ＳＷ５、第７スイッチング素子ＳＷ７間の接続点ｐ３は、第２リアクトルを介してトランスＴＲの第２巻線の一端に接続され、第４スイッチングレグの、第６スイッチング素子ＳＷ６、第８スイッチング素子ＳＷ８間の接続点ｐ４は、トランスＴＲの第２巻線の他端に接続されている。ここでは、接続点ｐ３が第３接続点、接続点ｐ４が第４接続点に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０には、第２リアクトルＬｒ２を流れる電流の大きさを測定するための電流センサ１５が取り付けられている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０には、入出力電圧や入出力電流の大きさを測定するための各種センサ（図示略）も取り付けられている。

制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０内の各スイッチング素子への制御信号のレベルを変更することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０（ＤＣ／ＤＣコンバータ１０内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ）を制御するユニットである。以下、第ｎスイッチング素子ＳＷｎ（ｎ＝１～８）用の制御信号のことを、制御信号Ｇｎと表記する。

制御ユニット２０は、プロセッサ（本実施例では、マイクロコントローラ）、ゲートドライバ等から構成されており、制御ユニット２０には、上記した各種センサ（電流センサ１５等）の出力が入力されている。

そして、制御ユニット２０は、入力されているデータ（電流値、電圧値）に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の動作を決定し、決定した動作を行うようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０を制御するように構成（プログラミング）されている。

以下、本実施例に係る電力変換装置の動作を具体的に説明する。

まず、制御ユニット２０によるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の基本的な制御内容を説明する。なお、後述する制御信号Ｇ１～Ｇ６は、実際には、２つのスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ（第１スイッチング素子ＳＷ１のＯＮと第２スイッチング素子ＳＷ２のＯＦＦ等）が、時間差（いわゆるデッドタイム）をもって行われることになるものである。ただし、説明が煩雑になるのを避けるために、以下では、当該時間差が与えられていないものとして制御ユニット２０の動作を説明する。

図２Ａ～図２Ｆに、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を昇降圧コンバータとして機能させている場合におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側、二次側の電流経路の説明図を示す。なお、図２において、“入力電流”、“出力電流”とは、それぞれ、第１入出力端子１３ｐに流れ込む電流、第２入出力端子１４ｐから流れ出す電流のことである。また、“入力側Ｌｒ電流”、“出力側Ｌｒ電流”とは、それぞれ、第１リアクトル１Ｌｒを流れる電流、第２リアクトルＬｒ２を流れる電流のことである。

本実施例では、制御ユニット２０は、図３に示してあるように時間変化する制御信号Ｇ１～Ｇ６を出力する。本実施例では、第７スイッチング素子ＳＷ７及び第８スイッチング素子ＳＷ８はＯＦＦ制御しているので、これらのスイッチング素子についての制御信号Ｇ７，Ｇ８については省略している。図４は、第１リアクトルＬｒ１に流れる電流の変化を示すグラフである。

従って、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を昇降圧コンバータとして動作させている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態は、以下の６状態の間を、第１状態（＃１）、第２状態（＃２）、第３状態（＃３）、第４状態（＃４）、第５状態（＃５）、第６状態（＃６）の順に繰り返し遷移する。制御信号Ｇ１～Ｇ６と各状態との対応関係を図３の下辺に記載している。
・第１状態（＃１）：第１スイッチング素子ＳＷ１、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮとなっている状態（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮとなっており、他の各スイッチング素子がＯＦＦとなっている状態；以下、同様。）
・第２状態（＃２）：第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっている状態
・第３状態（＃３）：第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっている状態
・第４状態（＃４）：第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第６スイッチング素子ＳＷ６がＯＮとなっている状態
・第５状態（＃５）：第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮとなっている状態
・第６状態（＃６）：第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮとなっている状態

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第１状態＃１である場合（つまり、ＳＷ１、ＳＷ４及びＳＷ５がＯＮとなっている場合）には、図２Ａに示してあるように、第１入出力端子１３ｐ→第１スイッチング素子ＳＷ１→第１リアクトルＬｒ１→トランスＴＲ→第４スイッチング素子ＳＷ４→第１入出力端子１３ｍという経路で電流が流れる。従って、第１リアクトルＬｒ１にエネルギーが蓄積されて、図４に示してあるように、入力側Ｌｒ電流が上昇する。また、トランスＴＲを介してエネルギーが二次側に伝送される。ただし、第２フルブリッジ回路１１の第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮであるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の二次側では、図２Ａに示してあるように、ダイオードＤ６→トランスＴＲ→第２リアクトルＬｒ２→第５スイッチング素子ＳＷ５という経路で電流が循環する。従って、一次側からのエネルギーは、第２入出力端子対１４から出力されることなく、第２リアクトルＬｒ２に蓄積される。

第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦされて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第２状態（＃２）になると、図２Ｂに示したように、第１リアクトルＬｒ１に蓄積されているエネルギーと電源からのエネルギーとが二次側に伝送され、第２リアクトルＬｒ２に蓄積されているエネルギーと合わさって、第２フルブリッジ回路１１により整流された電流が第２入出力端子対１４から出力される。

第２入出力端子対１４には、負荷の出力電圧が印加されているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第２状態（＃２）となっている場合における入力電流、入力側Ｌｒ電流及び出力電流は、出力電圧が入力電圧より高い場合は図４のように次第に減少していく。逆に、入力電圧が出力電圧より高い場合は、図５のように次第に増加していく。そして、第１スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦされて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が、第３状態（＃３）に遷移する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第３状態（＃３）に遷移すると、第１スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦとなる。従って、図２Ｃに示したように、第１リアクトルＬｒ１に蓄積されているエネルギーにより、ダイオードＤ２→第１リアクトルＬｒ１→トランスＴＲ→第４スイッチング素子ＳＷ４という経路で電流が循環するようになる。そして、その結果として、第１リアクトルＬｒ１に蓄積されているエネルギーが二次側に伝送されて、第２リアクトルＬｒ２に蓄積されているエネルギーと合わさって、第２フルブリッジ回路１１により整流されて第２入出力端子対１４から出力される。

第３状態（＃３）における循環電流の大きさは、第１リアクトル及び第２リアクトルに蓄積されていたエネルギーの二次側への移動に伴い減少する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第３状態（＃３）から第４状態（＃４）に遷移すると、図２Ｄに示したように、第１入出力端子１３ｐ→第３スイッチング素子ＳＷ３→トランスＴＲ→第１リアクトルＬｒ１→第２スイッチング素子ＳＷ２→第１入出力端子１３ｍという経路で電流が流れる。従って、第１リアクトルＬｒ１にエネルギーが蓄積されると共に、トランスＴＲを介して電流が二次側に伝送される。ただし、第６スイッチング素子ＳＷ６がＯＮであるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の二次側では、図２Ｄに示してあるように、ダイオードＤ５→第２リアクトルＬｒ２→トランスＴＲ→第６スイッチング素子ＳＷ６という経路で電流が循環する。従って、第４状態（＃４）では、一次側からのエネルギーは、第２リアクトルに蓄積される。

第６スイッチング素子ＳＷ６がＯＦＦされてＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第５状態（＃５）に移行すると、図２Ｅに示したように、第２リアクトルＬｒ２に蓄積されているエネルギーと電源からのエネルギーとが二次側に伝送され、第２フルブリッジ回路１１により整流された電流が第２入出力端子対１４から出力される。

第２入出力端子対１４には、負荷の出力電圧が印加されている。そのため、第５状態（＃５）における入力電流、入力側Ｌｒ電流及び出力電流は、出力電圧が入力電圧より高い場合は図４のように次第に減少していく。逆に、入力電圧が出力電圧より高い場合は図５のように次第に増加していく。

第２スイッチング素子ＳＷ２がＯＦＦされてＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第６状態（＃６）に移行すると、図２Ｆに示したように、第１リアクトルＬｒ１に蓄積されているエネルギーにより、第３スイッチング素子ＳＷ３→トランスＴＲ→第１リアクトルＬｒ１→ダイオードＤ１という経路で電流が循環するようになる。そのため、第１リアクトルＬｒ１に蓄積されているエネルギーと第２リアクトルＬｒ２に蓄積されているエネルギーとが合わさって二次側に伝送される。

この第６状態（＃６）における循環電流の大きさも、第１リアクトルＬｒ１及び第２リアクトルＬｒ２に蓄積されていたエネルギーの二次側への移動に伴い減少する。

第６状態（＃６）の状態から、第２スイッチング素子ＳＷ２がＯＦＦされ、第１スイッチング素子ＳＷ１、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮされて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が第１状態（＃１）に移行し、上述した遷移が繰り返される。

本実施例では、図３に示す制御信号Ｇ１～Ｇ６において、第１状態（＃１）及び第４状態（＃４）の期間をＴｏｎ、第２状態（＃２）及び第５状態（＃５）の期間をＴｏｆｆ１、第３状態（＃３）及び第６状態（＃６）の期間をＴｏｆｆ２としたとき、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をそれぞれ第４スイッチング素子ＳＷ４及び第３スイッチング素子ＳＷ３よりも早くＯＦＦすることにより、第３状態（＃３）及び第６状態（＃６）を実現している。図４は、このような制御でＤＣ／ＤＣコンバータ１０に昇圧動作をさせる場合のリアクトル電流の変化を示し、図５は降圧動作をさせる場合のリアクトル電流の変化を示す。図４及び図５に示すように、第３状態（＃３）及び第６状態（＃６）では、リアクトル電流が急速に減少するため、Ｔｏｆｆ２を長くすると昇圧比が減少する。このように、Ｔｏｆｆ２の長さによって、昇圧比を制御することができる。
スイッチング周期をＴとすると、Ｔｏｆｆ２＝Ｔ－Ｔｏｎ－Ｔｏｆｆ１であるから、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆ１を制御することによって、昇圧比が１以下となる場合を含めて昇圧比を制御することができる。すなわち、ＤＣコンバータ１０ではＴｏｎとＴｏｆｆ１を制御することによって昇降圧動作を実現することができる。ＴｏｎとＴｏｆｆ１は独立のパラメータである。しかし、降圧動作ではＴｏｎとＴｏｆｆ１の期間、すなわち第１状態（＃１）及び第２状態（＃２）並びに第４状態（＃４）及び第５状態（＃５）の期間においては、１次側から２次側にエネルギーが供給されるため、Ｔｏｎの増加減少とＴｏｆｆ１の増加減少とは同時に行うことが必要である。
このため、本実施例では、ＴｏｎとＴｏｆｆとが一定の関係に保持しつつ、昇圧比を制
御する。ここでは、設計で求められる最大の昇圧比がｋであるとき、
Ｔｏｆｆ１＝Ｔｏｎ／（ｋ－１）・・・（１）
の関係を満たすように、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆ１を制御する。従って、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆ１が式（１）の関係を満たすことを前提に、Ｔｏｎを制御することにより、降圧動作から昇圧動作まで連続的に制御することができる。ここでは、設計で求められる最大の昇圧比ｋが所定の係数ｋに対応する。

上述の制御のシミュレーション結果を以下に示す。シミュレーションに用いた回路の構成を図６に示す。シミュレーション回路は、１次側の入出力端子に直流電源を接続し、２次側の入出力端子に負荷抵抗を接続したＤＡＢ方式のＤＣ／ＤＣコンバータである。入力電圧Ｖｉｎとして、４５０Ｖ、３００Ｖ、１５０Ｖの３つのケースについてシミュレーションを行った。シミュレーション回路のリアクトル素子のインダクタンスは５０μＨ、トランスの１次側巻線及び２次側巻線のインダクタンスはいずれも６００μＨであり、２次側の平滑コンデンサの静電容量は２０００μＦ、負荷抵抗の抵抗値は３０Ωに設定した。

図７は、入力電圧Ｖｉｎ＝４５０Ｖ、出力電力Ｐ＝３ｋＷ、Ｔｏｎ＝４．４μｓｅｃ、スイッチング周波数ｆｓｗ＝２０ｋＨｚ、ｋ＝３とした場合のシミュレーション結果を示す。図７（Ａ）が出力電流Ｉｏｕｔ、図７（Ｂ）がリアクトル電流ＩＬを示す。図８は、入力電圧Ｖｉｎ＝３００Ｖ、電力Ｐ＝３ｋＷ、Ｔｏｎ＝７μｓｅｃ、スイッチング周波数ｆｓｗ＝２０ｋＨｚ、ｋ＝３とした場合のシミュレーション結果を示す。図８（Ａ）が出力電流Ｉｏｕｔ、図８（Ｂ）がリアクトル電流ＩＬを示す。図９は、入力電圧Ｖｉｎ＝１
５０Ｖ、電力Ｐ＝３ｋＷ、Ｔｏｎ＝１５μｓｅｃ、スイッチング周波数ｆｓｗ＝２０ｋＨｚ、ｋ＝３とした場合のシミュレーション結果を示す。図９（Ａ）が出力電流Ｉｏｕｔ、図９（Ｂ）がリアクトル電流ＩＬを示す。図７、図８及び図９のいずれも出力電圧Ｖｏｕｔ＝３００Ｖである。図７から図９へとＴｏｎが長くなるように設定されており、図７が降圧動作、図９が昇圧動作というように、Ｔｏｎを制御することにより、降圧動作から昇圧動作までを連続的に行えることがシミュレーション結果によっても示されている。
このように、本実施例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０によれば、昇降圧動作を連続的に行うことができ、出力電圧の変動を抑制し、高効率の電力変換を実現することができる。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
第１入出力端子対（１３ｐ，１３ｍ）と、
第２入出力端子対（１４ｐ，１４ｍ）と、
前記第１入出力端子対（１３ｐ，１３ｍ）及び前記第２入出力端子対（１４ｐ，１４ｍ）に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部（２０）と、
を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）は、
第１接続点（ｐ１）を介して直列接続された第１及び第２スイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）を有し、前記第１入出力端子対（１３ｐ，１３ｍ）に接続された、第１スイッチングレグと、
第２接続点（ｐ２）を介して直列接続された第３及び第４スイッチング素子（ＳＷ３，ＳＷ４）を有し、前記第１スイッチングレグに並列接続された、第２スイッチングレグと、
第３接続点（ｐ３）を介して直列接続された第５及び第７スイッチング素子（ＳＷ５，ＳＷ７）を有し、前記第２入出力端子対（１３ｐ，１３ｍ）に接続された、第３スイッチングレグと、
第４接続点（ｐ４）を介して直列接続された第６及び第８スイッチング素子（ＳＷ６，ＳＷ８）を有し、前記第３スイッチングレグに並列接続された、第４スイッチングレグと、
前記第１接続点（ｐ１）と前記第２接続点（ｐ２）とに接続された、トランス（ＴＲ）の一方の巻線を含む第１エネルギー蓄積変換部と、
前記第３接続点（ｐ３）と前記第４接続点（ｐ４）とに接続された、前記トランス（ＴＲ）の他方の巻線を含む第２エネルギー蓄積変換部と、
を備え、
前記第１エネルギー蓄積変換部及び前記第２エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、前記トランス（ＴＲ）の巻線に直列接続されたリアクトル（Ｌｒ１，Ｌｒ２）を有し、
前記制御部（２０）は、
前記第７スイッチング素子（ＳＷ７）及び前記第８スイッチング素子（ＳＷ８）をＯＦＦした状態で、
前記第１スイッチング素子（ＳＷ１）及び前記第４スイッチング素子（ＳＷ４）をＯＮし、第２スイッチング素子（ＳＷ２）及び第３スイッチング素子（ＳＷ３）をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子（ＳＷ５）をＯＮし、前記第６スイッチング素子（ＳＷ６）をＯＦＦする第１状態と、
前記第１スイッチング素子（ＳＷ１）及び前記第４スイッチング素子（ＳＷ４）をＯＮし、第２スイッチング素子（ＳＷ２）及び第３スイッチング素子（ＳＷ３）をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子（ＳＷ５）及び前記第６スイッチング素子（ＳＷ６）を
ＯＦＦする第２状態と、
前記第１スイッチング素子（ＳＷ１）をＯＦＦし、前記第４スイッチング素子（ＳＷ４）をＯＮし、第２スイッチング素子（ＳＷ２）及び第３スイッチング素子（ＳＷ３）をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子（ＳＷ５）及び第６スイッチング素子（ＳＷ６）をＯＦＦする第３状態と、
前記第２スイッチング素子（ＳＷ２）及び前記第３スイッチング素子（ＳＷ３）をＯＮし、第１スイッチング素子（ＳＷ１）及び第４スイッチング素子（ＳＷ４）をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子（ＳＷ６）をＯＮし、前記第５スイッチング素子（ＳＷ５）をＯＦＦする第４状態と、
前記第２スイッチング素子（ＳＷ２）及び前記第３スイッチング素子（ＳＷ３）をＯＮし、前記第１スイッチング素子（ＳＷ１）及び第４スイッチング素子（ＳＷ４）をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子（ＳＷ６）及び第５スイッチング素子（ＳＷ５）をＯＦＦする第５状態と、
前記第３スイッチング素子（ＳＷ２）をＯＮし、前記第２スイッチング素子（ＳＷ３）をＯＦＦし、前記第１スイッチング素子（ＳＷ１）及び第４スイッチング素子（ＳＷ４）をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子（ＳＷ６）及び第５スイッチング素子（ＳＷ５）をＯＦＦする第６状態と、
を含み、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態、前記第４状態、前記第５状態、前記第６状態の順に繰り返し遷移させ、
前記第３状態及び前記第６状態の期間を制御することを特徴とする電力変換装置。

１０：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０：制御ユニット
ＳＷ１：第１スイッチング素子
ＳＷ２：第２スイッチング素子
ＳＷ３：第３スイッチング素子
ＳＷ４：第４スイッチング素子
ＳＷ５：第５スイッチング素子
ＳＷ６：第６スイッチング素子
ＳＷ７：第７スイッチング素子
ＳＷ８：第８スイッチング素子
ＴＲ：トランス
Ｌｒ１：第１リアクトル
Ｌｒ２：第２リアクトル

Claims

第１入出力端子対と、
第２入出力端子対と、
前記第１入出力端子対及び前記第２入出力端子対に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、
を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
第１接続点を介して直列接続された第１及び第２スイッチング素子を有し、前記第１入出力端子対に接続された、第１スイッチングレグと、
第２接続点を介して直列接続された第３及び第４スイッチング素子を有し、前記第１スイッチングレグに並列接続された、第２スイッチングレグと、
第３接続点を介して直列接続された第５及び第７スイッチング素子を有し、前記第２入出力端子対に接続された、第３スイッチングレグと、
第４接続点を介して直列接続された第６及び第８スイッチング素子を有し、前記第３スイッチングレグに並列接続された、第４スイッチングレグと、
前記第１接続点と前記第２接続点とに接続された、トランスの一方の巻線を含む第１エネルギー蓄積変換部と、
前記第３接続点と前記第４接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線を含む第２エネルギー蓄積変換部と、
を備え、
前記第１エネルギー蓄積変換部及び前記第２エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、前記トランスの巻線に直列接続されたリアクトルを有し、
前記制御部は、
前記第７スイッチング素子及び前記第８スイッチング素子をＯＦＦした状態で、
前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をＯＮし、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子をＯＮし、前記第６スイッチング素子をＯＦＦする第１状態と、
前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をＯＮし、第２スイッチング
素子及び第３スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子及び前記第６スイッチング素子をＯＦＦする第２状態と、
前記第１スイッチング素子をＯＦＦし、前記第４スイッチング素子をＯＮし、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第５スイッチング素子及び第６スイッチング素子をＯＦＦする第３状態と、
前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をＯＮし、第１スイッチング素子及び第４スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子をＯＮし、前記第５スイッチング素子をＯＦＦする第４状態と、
前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をＯＮし、前記第１スイッチング素子及び第４スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子及び第５スイッチング素子をＯＦＦする第５状態と、
前記第３スイッチング素子をＯＮし、前記第２スイッチング素子をＯＦＦし、前記第１スイッチング素子及び第４スイッチング素子をＯＦＦし、かつ、前記第６スイッチング素子及び第５スイッチング素子をＯＦＦする第６状態と、
を含み、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態、前記第４状態、前記第５状態、前記第６状態の順に繰り返し遷移させ、
前記第３状態及び前記第６状態の期間に基づき昇降圧比を制御することを特徴とする電力変換装置。
前記第１状態及び前記第４状態の期間をＴｏｎとし、前記第２状態及び前記第５状態の期間をＴｏｆｆ１としたとき、所定の係数ｋに対して、Ｔｏｆｆ１＝Ｔｏｎ／（ｋ－１）を満たすように、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆ１を制御することによって、前記第３状態及び前記第６状態の期間を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。