JP7351281B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、特に、交流電圧から直流電圧に変換するとともに、入力と出力とを絶縁する回路に関する。

従来、入力と出力とを絶縁するとともに、交流電圧から直流電圧に変換する回路として、トランスと、トランスの一次側に設けられた整流回路、及びインバータ回路と、トランスの二次側に設けられた整流回路とを備える電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の電力変換装置は、両整流回路、及びインバータ回路が、それぞれフルブリッジ回路により構成されている。この回路では、入力された交流電圧は、整流回路で直流電圧に変換されたのち、インバータ回路で高周波の交流電圧に変換してトランスに印加され、トランスにより絶縁して伝達され、再度整流回路で直流に変換される。

特開２０１９－４１４２８号公報

しかしながら、従来の技術では、２つの整流回路とインバータ回路の合計３つのブリッジ回路を用いるため、能動素子の数を少なくすることが困難であった。ここで、能動素子とは、スイッチング素子と整流素子の総称である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、フルブリッジ回路を用いる場合に比して、能動素子の数を少なく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している。

上記目的を達成する電力変換装置は、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置であって、一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、第１キャパシタと、第２キャパシタと、前記交流電源が接続される一対の入力端と第１インダクタと上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子と上アーム整流素子と下アーム整流素子とを有する一次側回路と、第２インダクタと二次側整流素と出力キャパシタと第１出力端及び第２出力端とを有する整流平滑回路とを備え、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の直列接続と、上アーム整流素子と下アーム整流素子の直列接続とがブリッジ回路を構成するとともに、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点と上アーム整流素子と下アーム整流素子の接続点とが一対の入力端と、第１インダクタを介して接続され、一次側回路は、第１キャパシタを介してトランスの一次巻線と接続され、整流回路は、第２キャパシタを介してトランスの二次巻線と接続される。

かかる構成によれば、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とをスイッチングすることにより、トランスにより入力と出力とを絶縁するとともに、交流電圧が直流電圧に変換される。これにより、フルブリッジ回路を用いる場合に比して、能動素子の数を少なくすることができる。

上記電力変換装置において、整流平滑回路は、第１出力端と出力キャパシタの一端とが接続され、第２出力端と出力キャパシタの他端とが接続され、第２インダクタの一端が、二次側整流素子を介して、出力キャパシタの一端に接続され、第２インダクタの他端が、出力キャパシタの他端に接続されており、トランスの一次巻線と二次巻線は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子のどちらか一方が非導通状態のときに二次側整流素子が導通する極性を有するように磁気結合するようにしてもよい。

上記電力変換装置において、整流平滑回路は、第１出力端と出力キャパシタの一端とが接続され、第２出力端と出力キャパシタの他端とが接続され、二次側整流素子の一端が、第２インダクタを介して、出力キャパシタの一端接続され、二次側整流素子の他端が、出力キャパシタの他端に接続されており、トランスの一次巻線と二次巻線は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子のどちらか一方が非導通状態のときに二次側整流素子が導通する極性を有するように磁気結合するようにしてもよい。

上記電力変換装置において、上アーム整流素子、下アーム整流素子、及び二次側整流素子の少なくとも一つは、スイッチング素子によって構成されるとよい。
かかる構成によれば、ダイオードを用いる場合と比較して、整流素子での導通損失を低減することができる。

上記電力変換装置において、上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子、および上アーム整流素子、下アーム整流素子、二次側整流素子のうちのいずれかまたは全てがスイッチング素子で構成される場合の当該スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部を更に備え、制御部は、交流電圧と、第１インダクタを流れる電流とに基づいて、入力電力の力率が改善するようにスイッチングを制御するものであってもよい。

かかる構成によれば、交流電源から供給される電力の力率を制御することができる。
上記電力変換装置において、上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子、および上アーム整流素子、下アーム整流素子、二次側整流素子のうちのいずれかまたは全てがスイッチング素子で構成される場合の当該スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部を更に備え、制御部は、第１出力端と第２出力端との間の電圧に基づいて、所定の直流電圧が出力されるようにスイッチングを制御するものであってもよい。

かかる構成によれば、出力電圧を所望の値に制御することができる。

本発明によれば、フルブリッジ回路を用いる場合に比して少ない能動素子で、入力と出力とを絶縁するとともに、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置を実現できる。

第１実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第１実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第１実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第１実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第２実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第２実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第２実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 第２実施形態に係る電力変換装置１の動作の一例を示す図。 電力変換装置１の構成の他の例を示す図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明を具体化した一実施形態を説明する。電力変換装置１は、電力変換装置１は、交流電源Ｖ１から供給された交流電圧を直流電圧に変換し、電力変換装置１に接続される負荷に供給する装置である。

電力変換装置１は、例えば、一次側回路１０と、第１キャパシタ１７と、トランス１８と、第２キャパシタ１９と、整流平滑回路２０と、制御部５０とを備える。
一次側回路１０は、例えば、第１インダクタ１１と、上アームダイオード１２と、下アームダイオード１３と、上アームスイッチング素子１５と、下アームスイッチング素子１６と、第１接続線ＣＬ１と、第２接続線ＣＬ２と、第１中間線ＭＬ１と、第２中間線ＭＬ２と、第１入力端ｔ２１と、第２入力端ｔ２２とを備える。上アームダイオード１２は「上アーム整流素子」の一例であり、下アームダイオード１３は「下アーム整流素子」の一例である。

交流電源Ｖ１と一次側回路１０とは、電気的に接続されている。具体的には、交流電源Ｖ１の第１端ｔ１１と、一次側回路１０の第１入力端ｔ２１とは、第１入力線Ｌ１によって接続されている。交流電源Ｖ１の第２端ｔ１２と一次側回路１０の第２入力端ｔ２２とは、第２入力線Ｌ２によって接続されている。これにより、入力端ｔ２１，ｔ２２に交流電圧が入力される。

上アームダイオード１２と下アームダイオード１３とは、第２接続線ＣＬ２によって互いに直列に接続されている。具体的には、第２接続線ＣＬ２は、上アームダイオード１２のアノードと、下アームダイオード１３のカソードとを接続する。

上アームスイッチング素子１５は、第１端ｔ３１と、第２端ｔ３２とを有し、下アームスイッチング素子１６は、第１端ｔ４１と、第２端ｔ４２とを有する。第１接続線ＣＬ１は、上アームスイッチング素子１５の第２端ｔ３２と、下アームスイッチング素子１６の第１端ｔ４１とを接続する。

第１中間線ＭＬ１は、第１接続線ＣＬ１と第１入力端ｔ２１とを接続する。第１中間線ＭＬ１上には、第１インダクタ１１が設けられる。第２中間線ＭＬ２は、第２接続線ＣＬ２と第２入力端ｔ２２とを接続する。したがって、上アームスイッチング素子１５と下アームスイッチング素子１６との接続点（つまり、第１接続線ＣＬ１上の点）と、上アームダイオード１２と下アームダイオード１３の接続点（つまり、第２接続線ＣＬ２上の点）とが、一対の入力端（入力端ｔ２１、ｔ２２）と、第１インダクタ１１を介して接続されている。

上アームダイオード１２のカソードと上アームスイッチング素子１５の第１端ｔ３１とが接続され、下アームダイオード１３のアノードと下アームスイッチング素子１６の第２端ｔ４２とが接続される。したがって、上アームスイッチング素子１５と下アームスイッチング素子１６の直列接続と、上アームダイオード１２と下アームダイオード１３の直列接続とがハーフブリッジ回路１４を構成する。

トランス１８は、一次巻線Ｗ１と、二次巻線Ｗ２とを有する絶縁トランスである。一次巻線Ｗ１の始端（図１中の黒丸が付された側）は、第１キャパシタ１７を介して上アームダイオード１２のカソードと、上アームスイッチング素子１５の第１端ｔ３１とに電気的に接続される。具体的には、第１キャパシタ１７は、第１端ｔ５１と、第２端ｔ５２とを有しており、一次巻線Ｗ１の始端は、第１キャパシタ１７の第２端ｔ５２に接続され、第１キャパシタ１７の第１端ｔ５１は、上アームダイオード１２のカソードと、上アームスイッチング素子１５の第１端ｔ３１とに接続される。一次巻線Ｗ１の終端（図１中の黒丸が付されていない側）は、下アームダイオード１３のアノードと、下アームスイッチング素子１６の第２端ｔ４２とに接続される。したがって、一次側回路１０は、第１キャパシタ１７を介して、トランス１８の一次巻線Ｗ１と接続されている。

整流平滑回路２０は、第２インダクタ２１と、二次側ダイオード２２と、出力キャパシタ２３と、第１出力線ＯＬ１と、第２出力線ＯＬ２と、第１出力端ｔ９１と、第２出力端ｔ９２とを備える。第２インダクタ２１は、第１端ｔ７１と、第２端ｔ７２とを有し、出力キャパシタ２３は、第１端ｔ８１と、第２端ｔ８２とを有する。二次側ダイオード２２は、「二次側整流素子」の一例である。また、第１端ｔ８１は、「出力キャパシタの一端」の一例であり、第２端ｔ８２は、「出力キャパシタの他端」の一例である。

二次巻線Ｗ２の始端（図１中の黒丸が付された側）は、第２キャパシタ１９を介して第２インダクタ２１の第１端ｔ７１と、二次側ダイオード２２のアノードとに電気的に接続される。具体的には、第２キャパシタ１９は、第１端ｔ６１と、第２端ｔ６２とを有しており、二次巻線Ｗ２の始端は、第２キャパシタ１９の第１端ｔ６１に接続され、第２キャパシタ１９の第２端ｔ６２は、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１と、二次側ダイオード２２のアノードとに接続される。二次巻線Ｗ２の終端（図１中の黒丸が付されていない側）は、第２インダクタ２１の第２端ｔ７２と接続される。したがって、整流平滑回路２０は、第２キャパシタ１９を介して、トランス１８の二次巻線Ｗ２と接続されている。

出力キャパシタ２３は、第１出力線ＯＬ１と第２出力線ＯＬ２との双方に接続されている。具体的には、出力キャパシタ２３の第１端ｔ８１は、第１出力線ＯＬ１に接続されている。そして、出力キャパシタ２３の第２端ｔ８２は、第２出力線ＯＬ２に接続されている。

第２インダクタ２１は、第１出力線ＯＬ１と第２出力線ＯＬ２との双方に接続されている。具体的には、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１は、第１出力線ＯＬ１に接続され、第２インダクタ２１の第２端ｔ７２は、第２出力線ＯＬ２に接続されている。第１端ｔ７１は、「第２インダクタの一端」の一例であり、第２端ｔ７２は、「第２インダクタの他端」の一例である。

二次側ダイオード２２は、第１出力線ＯＬ１上における第２インダクタ２１と出力キャパシタ２３との間の部分に設けられている。具体的には、二次側ダイオード２２は、第１出力線ＯＬ１上における第２インダクタ２１の接続点と出力キャパシタ２３の接続点との間の部分に設けられている。上述したように、二次側ダイオード２２のアノードと、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１とが接続されている。また、二次側ダイオード２２のカソードと、出力キャパシタ２３の第１端ｔ８１とが接続されている。

図１に示すように、電力変換装置１は、第１インダクタ１１に流れる電流を検出する電流センサＣ１を備えている。また、電力変換装置１は、入力電圧を検出する電圧センサＣ２と、出力電圧を検出する電圧センサＣ３とを備えている。電流センサＣ１、電圧センサＣ２、及び電圧センサＣ３は、その検出結果を制御部５０に出力する。

制御部５０は、電流センサＣ１、電圧センサＣ２、及び電圧センサＣ３からの信号に基づいて上アームスイッチング素子１５、及び下アームスイッチング素子１６をＯＮ／ＯＦＦさせる。電力変換装置１は、上アームスイッチング素子１５、及び下アームスイッチング素子１６がＯＮ／ＯＦＦすることにより、交流電源Ｖ１が供給する交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を両出力端ｔ９１，ｔ９２から出力する。

以下、図１～図４を参照して、電力変換装置１の動作の詳細について説明する。なお、説明の便宜上、電力変換装置１が動作開始するタイミングにおいて、各キャパシタ１７、１９、２３は充電されているものとする。

まず、交流電源Ｖ１において第１端ｔ１１の電位が第２端ｔ１２の電位よりも高い状態におけるスイッチング制御について図１及び図２を用いて説明する。
この状態では、制御部５０は、両スイッチング素子１５、１６のスイッチングパターンを、両スイッチング素子１５、１６の双方がＯＮ状態となる第１状態と、上アームスイッチング素子１５がＯＮ状態であり且つ下アームスイッチング素子１６がＯＦＦ状態となる第２状態とに交互に切り替える。

スイッチングパターンが第１状態である場合の電流経路について説明する。図１に示すように、スイッチングパターンが第１状態である場合、交流電源Ｖ１からの電力の供給に伴う経路ｒｔ１１と、第１キャパシタ１７の放電に伴う経路ｒｔ１２と、一次巻線Ｗ１から二次巻線Ｗ２への電磁誘導、及び第２キャパシタ１９の放電に伴う経路ｒｔ２１と、出力キャパシタ２３の放電に伴う経路ｒｔ２２とに電流が流れる。

経路ｒｔ１１は、交流電源Ｖ１の第１端ｔ１１から、第１インダクタ１１、下アームスイッチング素子１６、及び下アームダイオード１３を経由した、交流電源Ｖ１の第２端ｔ１２までの経路である。スイッチングパターンが第１状態である場合、経路ｒｔ１１に流れる電流は時間の経過とともに大きくなり、第１インダクタ１１の磁束も当該電流の増大に伴い増加する。

経路ｒｔ１２は、第１キャパシタ１７の第１端ｔ５１から、上アームスイッチング素子１５、下アームスイッチング素子１６、及び一次巻線Ｗ１の終端から始端を経由した、第１キャパシタ１７の第２端ｔ５２までの経路である。トランス１８の一次巻線Ｗ１には、第１キャパシタ１７の両端の電圧が印加され、一次巻線Ｗ１の終端の電位が始端の電位よりも高くなる。この結果、トランス１８の二次巻線Ｗ２の両端には、終端の電位が始端の電位よりも高くなるように電圧が発生する。

経路ｒｔ２１は、二次巻線Ｗ２の終端から、第２インダクタ２１、及び第２キャパシタ１９を経由した、二次巻線Ｗ２の始端までの経路である。スイッチングパターンが第１状態である場合、経路ｒｔ２１に流れる電流は時間の経過とともに大きくなり、第２インダクタ２１の磁束も当該電流の増大に伴い増加する。

経路ｒｔ２２は、出力キャパシタ２３の第１端ｔ８１から、第１出力端ｔ９１、電力変換装置１に接続される負荷、及び第２出力端ｔ９２を経由した、出力キャパシタ２３の第２端ｔ８２までの経路である。第１出力端ｔ９１と第２出力端ｔ９２との間には、出力キャパシタ２３の両端の電圧である直流電圧が生じる。スイッチングパターンが第１状態のとき、二次側ダイオード２２は導通状態にはない。

一方、図２に示すように、スイッチングパターンが第２状態である場合、経路ｒｔ１３と、経路ｒｔ２３とに電流が流れる。
経路ｒｔ１３は、交流電源Ｖ１の第１端ｔ１１から、第１インダクタ１１、上アームスイッチング素子１５、第１キャパシタ１７、一次巻線Ｗ１の始端から終端、及び下アームダイオード１３を経由した、交流電源Ｖ１の第２端ｔ１２までの経路である。経路ｒｔ１３に電流が流れることにより、第１キャパシタ１７が充電される。一方、第１インダクタ１１の磁束は減少する。また、トランス１８の一次巻線Ｗ１には、始端の電位が終端の電位よりも高くなるような電圧が印加される。この結果、トランス１８の巻線Ｗ２には、始端の電位が終端の電位よりも高くなるように電圧が発生する。

経路ｒｔ２３には、二つの経路が含まれる。一つは、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１から、二次側ダイオード２２、第１出力端ｔ９１、電力変換装置１に接続される負荷、及び第２出力端ｔ９２を経由した、第２インダクタ２１の第２端ｔ７２までの経路である。もう一つは、二次巻線Ｗ２の始端から、第２キャパシタ１９、二次側ダイオード２２、第１出力端ｔ９１、電力変換装置１に接続される負荷、及び第２出力端ｔ９２を経由した、二次巻線Ｗ２の終端までの経路である。この時、第２インダクタ２１の磁束は、減少する。また、スイッチングパターンの第２状態では、二次側ダイオード２２が導通している。すなわち、上アームスイッチング素子１５が導通状態で、下アームスイッチング素子１６が非導通状態のとき、二次側ダイオード２２が導通する極性で、トランス１８の一次巻線Ｗ１と二次巻線Ｗ２とが磁気結合している。

次に、交流電源Ｖ１において第２端ｔ１２の電位が第１端ｔ１１の電位よりも高い状態におけるスイッチング制御について図３及び図４を用いて説明する。
この状態では、制御部５０は、両スイッチング素子１５、１６のスイッチングパターンを、両スイッチング素子１５、１６の双方がＯＮ状態となる第１状態と、上アームスイッチング素子１５がＯＦＦ状態であり且つ下アームスイッチング素子１６がＯＮ状態となる第３状態とに交互に切り替える。

図３に示すように、スイッチングパターンが第１状態である場合、交流電源Ｖ１からの電力の供給に伴う経路ｒｔ１４と、第１キャパシタ１７の放電に伴う経路ｒｔ１２と、第２キャパシタ１９の放電に伴う経路ｒｔ２１と、出力キャパシタ２３の放電に伴う経路ｒｔ２２との電流が流れる。経路ｒｔ１２、経路ｒｔ２１、及び経路ｒｔ２２については、既に説明したとおりであるため、詳細な説明は省略する。

経路ｒｔ１４は、交流電源Ｖ１の第２端ｔ１２から、上アームダイオード１２、上アームスイッチング素子１５、及び第１インダクタ１１を経由した、第１端ｔ１１までの経路である。経路ｒｔ１４に電流は時間の経過とともに増大し、第１インダクタ１１の磁束は、当該電流の増加に伴い増加する。

図４に示すように、スイッチングパターンが第３状態である場合、交流電源Ｖ１からの電力の供給に伴う経路ｒｔ１５と、経路ｒｔ２３とに電流が流れる。このとき、経路ｒｔ２３上の二次側ダイオード２２が導通している。すなわち、上アームスイッチング素子１５が非導通状態で、下アームスイッチング素子１６が導通状態のとき、二次側ダイオード２２が導通する極性で、トランス１８の一次巻線Ｗ１と二次巻線Ｗ２とが磁気結合している。経路ｒｔ２３については、スイッチングパターンが第１状態であるときと同じなので、説明を省略する。

経路ｒｔ１５は、交流電源Ｖ１の第２端ｔ１２から、上アームダイオード１２、第１キャパシタ１７、一次巻線Ｗ１の始端から終端、下アームスイッチング素子１６、及び第１インダクタ１１を経由した、第１端ｔ１１までの経路である。経路ｒｔ１５に電流が流れることにより、第１キャパシタ１７が充電される一方、第１インダクタ１１の磁束は減少する。

以上のとおり、制御部５０は、第１入力端ｔ２１の電位が第２入力端ｔ２２の電位よりも高い場合には、スイッチングパターンを第１状態と第２状態とに交互に切り替え、第２入力端ｔ２２の電位が第１入力端ｔ２１の電位よりも高い場合には、スイッチングパターンを第１状態と第３状態とに交互に切り替える。これにより、電力変換装置１において電力変換が行われる。

詳細には、交流電圧Ｖ１の極性に応じてスイッチングパターンが、第１状態と第２状態の繰り返し、または第１状態と第３状態の繰り返しになることで、下アームスイッチング素子１６の第２端ｔ４２の電位よりも、上アームスイッチング素子１５の第１端ｔ３１の電位の方が常に高くなる。すなわち、上アームスイッチング素子１５、下アームスイッチング素子１６、上アーム整流素子１２、及び下アーム整流素子１３とのハーフブリッジ回路１４により、交流電圧Ｖ１は直流電圧に変換される。

第２状態または第３状態においては、第１巻線Ｗ１の始端の方が第１巻線Ｗ１の終端よりも高電位になる。また、このとき、第１キャパシタ１７は、第１インダクタ１１を流れる電流により充電される。さらに、このとき、二次側整流素子２２が導通し、トランス１８の第２巻線Ｗ２から、第２キャパシタ１９及び二次側整流素子２２を通って負荷に電流が流れる。したがって、第１インダクタ１１に流れる電流が、トランス１８を介して負荷に供給されることになる。

スイッチングパターンの第１状態においては、第１キャパシタ１７の両端の電圧が、トランス１８の第１巻線Ｗ１に印加される。このとき、第１巻線Ｗ１の終端の電位が、第１巻線Ｗ１の始端の電位よりも高くなる。また、このとき、トランス１８の第２巻線Ｗ２から、第２インダクタ２１、第２キャパシタ１９に電流が流れ、それぞれ電磁エネルギー、静電エネルギーとして蓄えられる。第１状態の時に第２インダクタ２１、及び第２キャパシタ１９に蓄えられたエネルギーは、第２状態または第３状態の時に、負荷に供給される。したがって、第１状態では、第１キャパシタからの電流により、第２インダクタ２１、及び第２キャパシタ１９でのエネルギー蓄積を介して、負荷に電流が供給される。第１状態、第２状態、又は第３状態の時も、トランス１８の１次側から２次側へのエネルギー伝達が行われるので、トランス１８の利用効率が高い。

特に、本実施形態では、制御部５０は、第１インダクタ１１を流れる電流と、入力電圧とに基づいて、入力電力の力率が改善するようにスイッチングを制御することが可能である。例えば、制御部５０は、上アームスイッチング素子１５、及び下アームスイッチング素子１６の第１状態の時間を制御することにより、上アーム整流素子１２、下アーム整流素子１３、及びハーフブリッジ回路１４を力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correction）回路として動作させる。第１状態のスイッチングパターンでは、交流電源Ｖ１と第１インダクタ１１とが閉回路を形成し、交流電源Ｖ１からの電流は第１インダクタ１１により制限される。第１インダクタに流れる電流の増加分は、第１状態のスイッチングパターンを継続する時間に比例するため、第１状態のスイッチングパターンを継続する時間を制御することにより、第１インダクタ１１の電流を制御することが可能となる。制御部５０は、第１インダクタ１１に流れる電流の波形が略正弦波状になり、当該正弦波の周波数と位相が、交流電源Ｖ１の周波数と位相と一致するように、電流センサＣ１と電圧センサＣ２からの信号に基づき、第１状態のスイッチングパターンの継続時間を制御する。

また、制御部５０は、電圧センサＣ３の検出結果に基づいて、所定の直流電圧が出力されるように、スイッチング制御を行うこともできる。詳細には、制御部５０は、例えば、電圧センサＣ３によって検出された出力電圧と所定の直流電圧（目標電圧）との差に基づいて、両スイッチング素子１５、１６のデューティ比制御を行う。更に、制御部５０は、入力電力の力率改善と、出力電圧の制御を同時に行うことも可能である。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１－１）電力変換装置１は、交流電圧Ｖ１の極性に応じてスイッチングパターンを、第１状態と第２状態の繰り返し、または第１状態と第３状態の繰り返しに切替える。これにより、ハーフブリッジ回路１４が交流電圧Ｖ１を直流電圧に変換する。

同時に、上アームスイッチング素子１５と下アームスイッチング素子１６とのスイッチング動作により、トランス１８の一次巻線Ｗ１に高周波の交流電圧を印加する。これにより、トランス１８を介して、絶縁しながら電力をトランス１８の二次側に伝達する。

従来技術の回路では、交流電圧から直流電圧への変換と、変換された直流電圧から高周波の交流電圧への変換を別々のブリッジ回路で行っていた。一方、本実施形態の電力変換装置１では、交流から直流への変換と、変換された直流から高周波の交流への変換を一つのブリッジ回路で行っている。

これにより、本実施形態の電力変換装置１は、従来技術の回路のようにフルブリッジ回路を用いる場合に比して、スイッチング素子や整流素子等の能動素子の数を少なくすることができる。また、本実施形態の電力変換装置１は、従来技術の回路のようにフルブリッジ回路を用いる場合に比して、電流が通過する能動素子の数が少ないので、能動素子における導通損失を低減することができる。

（１－２）トランス１８は、トランス１８の一次巻線Ｗ１の始端と終端に印加される電圧の向きによらず、スイッチングパターンの第１状態～第３状態の全てにおいて、一次側から二次側に電力を伝達する。したがって、電力変換装置１は、トランス１８の利用効率を高くすることができる。

（１－３）電力変換装置１は、上アームスイッチング素子１５、及び下アームスイッチング素子１６のスイッチングを制御する制御部５０を更に備える。制御部５０は、第１インダクタ１１を流れる電流と、交流電源Ｖ１からの入力電圧とに基づいて、力率が改善するようにスイッチングを制御する。

かかる構成によれば、電力変換装置１は、交流電源Ｖ１から供給される電力の力率を改善することができる。
（１－４）制御部５０は、第１出力端ｔ９１と第２出力端ｔ９２との間の電圧に基づいて、所定の直流電圧が出力されるように、上アームスイッチング素子１５、及び下アームスイッチング素子１６のスイッチングを制御する。

かかる構成によれば、電力変換装置１は、第１出力端ｔ９１と第２出力端ｔ９２との間の電圧に基づいてフィードバック制御し、電力変換装置１が出力する直流電圧を、所定の直流電圧（目標電圧）に近づけることができる。

＜第２実施形態＞
以下、図面を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態では、電力変換装置２が、整流平滑回路２０に代えて、整流平滑回路３０を備える点で、第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、電力変換装置２は、一次側回路１０と、第１キャパシタ１７と、トランス１８と、第２キャパシタ１９と、整流平滑回路３０とを備える。
整流平滑回路３０は、第２インダクタ２１と、二次側ダイオード２２と、出力キャパシタ２３と、第１出力線ＯＬ１と、第２出力線ＯＬ２と、第１出力端ｔ９１と、第２出力端ｔ９２とを備える。

二次巻線Ｗ２の終端は、第２キャパシタ１９を介して第２インダクタ２１の第１端ｔ７１と、二次側ダイオード２２のカソードとに電気的に接続される。具体的には、二次巻線Ｗ２の終端は、第２キャパシタ１９の第１端ｔ６１に接続され、第２キャパシタ１９の第２端ｔ６２は、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１と、二次側ダイオード２２のカソードとに接続される。二次巻線Ｗ２の始端は、二次側ダイオード２２のアノードと、第２出力線ＯＬ２とに接続されている。本実施形態において、二次側ダイオード２２のカソードは、「二次側整流素子の一端」の一例であり、二次側ダイオード２２のアノードは、「二次側整流素子の他端」の一例である。

出力キャパシタ２３は、第１出力線ＯＬ１と、第２出力線ＯＬ２との双方に接続されている。具体的には、出力キャパシタ２３の第１端ｔ８１は、第１出力線ＯＬ１（詳細には、第１出力線ＯＬ１における二次側ダイオード２２との接続点と第１出力端ｔ９１との間の部分）に接続されている。そして、出力キャパシタ２３の第２端ｔ８２は、第２出力線ＯＬ２（詳細には、第２出力線ＯＬ２における二次側ダイオード２２との接続点と第２出力端ｔ９２との間の部分）に接続されている。

第２インダクタ２１の第２端ｔ７２は、第１出力線ＯＬ１に接続されている。上述したように、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１と、二次側ダイオード２２のカソードとが接続されている。また、第２インダクタ２１の第２端ｔ７２と、出力キャパシタ２３の第１端ｔ８１とが接続されている。したがって、整流平滑回路３０は、第２キャパシタ１９を介して、トランス１８の二次巻線Ｗ２に接続されている。

以下、図５～図８を参照して、電力変換装置２の動作の詳細について説明する。図５は、交流電源Ｖ１において第１端ｔ１１の電位が第２端ｔ１２の電位よりも高い状態においてスイッチングパターンが第１状態である場合の電流経路を示し、図６は、交流電源Ｖ１において第１端ｔ１１の電位が第２端ｔ１２の電位よりも高い状態においてスイッチングパターンが第２状態である場合の電流経路を示す。図７は、交流電源Ｖ１において第２端ｔ１２の電位が第１端ｔ１１の電位よりも高い状態においてスイッチングパターンが第１状態である場合の電流経路を示し、図８は、交流電源Ｖ１において第２端ｔ１２の電位が第１端ｔ１１の電位よりも高い状態においてスイッチングパターンが第３状態である場合の電流経路を示す。

まず、交流電源Ｖ１において第１端ｔ１１の電圧が第２端ｔ１２の電圧よりも高い場合のスイッチング制御について図５及び図６を用いて説明する。この状態では、制御部５０は、両スイッチング素子１５、１６のスイッチングパターンを、上アームスイッチング素子１５及び下アームスイッチング素子１６の双方がＯＮ状態となる第１状態と、上アームスイッチング素子１５がＯＮ状態であり且つ下アームスイッチング素子１６がＯＦＦ状態となる第２状態と、に交互に切り替える。

スイッチングパターンが第１状態である場合の電流経路について説明する。図５に示すように、スイッチングパターンが第１状態である場合、交流電源Ｖ１からの電力の供給に伴う経路ｒｔ１１と、第１キャパシタ１７の放電に伴う経路ｒｔ１２と、第２キャパシタ１９の放電に伴う経路ｒｔ３１との電流が流れる。経路ｒｔ１１及び経路ｒｔ１２については、既に説明したとおりであるため、詳細な説明は省略する。

経路ｒｔ３１は、トランス１８の終端から、第２キャパシタ１９の第１端ｔ６１、第２キャパシタ１９の第２端ｔ６２、第２インダクタ２１、第１出力端ｔ９１、電力変換装置２に接続される負荷、第２出力端ｔ９２を経由した二次巻線Ｗ２の始端までの経路である。スイッチングパターンが第１状態である場合、第２インダクタ２１に流れる電流は時間の経過とともに大きくなり、第２インダクタ２１の磁束は、当該電流の増加に伴い増加する。

一方、図６に示すように、スイッチングパターンが第２状態である場合、経路ｒｔ１３と、経路ｒｔ３２と、経路ｒｔ３３とに電流が流れる。経路ｒｔ１３については、既に説明した通りであるため、説明を省略する。

経路ｒｔ３２は、二次巻線Ｗ２の始端から、二次側ダイオード２２、及び第２キャパシタ１９を経由した、二次巻線Ｗ２の終端までの経路である。したがって、トランス１８の一次巻線Ｗ１と二次巻線Ｗ２は、上アームスイッチング素子１５と下アームスイッチング素子１６のどちらか一方が非導通状態のときに二次側ダイオード２２が導通する極性を有するように磁気結合している。

経路ｒｔ３３は、第２インダクタ２１の第２端ｔ７２から、第１出力端ｔ９１、電力変換装置２に接続される負荷、第２出力端ｔ９２、及び二次側ダイオード２２を経由した、第２インダクタ２１の第１端ｔ７１までの経路である。この状態では、第２インダクタ２１の磁束は、減少する。

次に、交流電源Ｖ１において第２端ｔ１２の電圧が第１端ｔ１１の電圧よりも高い第２状態のスイッチング制御について図７及び図８を用いて説明する。
第１実施形態と同様に、制御部５０は、両スイッチング素子１５、１６のスイッチングパターンを第１状態と、上アームスイッチング素子１５がＯＦＦ状態であり且つ下アームスイッチング素子１６がＯＮ状態となる第３状態と、に交互に切り替える。

図７に示すように、この状態においてスイッチングパターンが第１状態である場合、経路ｒｔ１４と、経路ｒｔ１２と、経路ｒｔ３１とに電流が流れる。経路ｒｔ１２、経路ｒｔ１４、及び経路ｒｔ３１については、既に説明したとおりであるため、詳細な説明は省略する。

図８に示すように、スイッチングパターンが第３状態である場合、経路ｒｔ１５と、経路ｒｔ３２と、経路ｒｔ３３との電流が流れる。経路ｒｔ１５、経路ｒｔ３２、及び経路ｒｔ３３については、既に説明したとおりであるため、詳細な説明は省略する。

以上のとおり、制御部５０は、交流電源Ｖ１において第１端ｔ１１の電圧が第２端ｔ１２の電圧よりも高い場合には、スイッチングパターンを第１状態と第２状態とに交互に切り替え、交流電源Ｖ１において第２端ｔ１２の電圧が第１端ｔ１１の電圧よりも高い場合には、スイッチングパターンを第１状態と第３状態とに交互に切り替える。これにより、電力変換装置２において電力変換が行われる。

上記実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（２－１）本実施形態の電力変換装置２によれば、交流電源Ｖ１の極性、及び上アームスイッチング素子１５、下アームスイッチング素子１６の導通／非導通状態に関わらず、第２インダクタ２１により、負荷に電流が供給される。したがって、電力変換装置２は、出力キャパシタ２３のリプル電流を低減することができる。

上記各実施形態は以下のように変更してもよい。なお、上記実施形態及び以下の各別例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせてもよい。
〇上述の各実施形態では、上アーム整流素子１２と下アーム整流素子１３としてダイオードを用いたが、これに限られず、ダイオードに代えてスイッチング素子を用いてもよい。この場合、上アーム整流素子１２、下アーム整流素子１３が導通するタイミングで、当該スイッチング素子をＯＮする、いわゆる同期整流制御を行う。ダイオードに代えてスイッチング素子を用いることにより、導通損失を低減することができる。

○上述では、整流平滑回路２０、及び整流平滑回路３０は、二次側整流素子として、二次側ダイオード２２を備える場合について説明したが、これに限られない。整流平滑回路２０、及び整流平滑回路３０は、二次側ダイオード２２に代えて、スイッチング素子を有していてもよい。図９は、上アーム整流素子１２と下アーム整流素子１３に代えてスイッチング素子を用い、二次側ダイオード２２に代えて、スイッチング素子２２を用いた場合の電力変換装置１を示す図である。この場合、二次側ダイオード２２が導通するスイッチングパターンの状態で、当該スイッチング素子をＯＮする、いわゆる同期整流制御を行う。二次側ダイオード２２に代えてスイッチング素子２２を用いることにより、導通損失を低減することができる。

○上述の各実施形態では、第１インダクタ１１が第１入力端ｔ２１と第１接続線ＣＬ１との間に接続されたが、第１インダクタ１１の位置はこれに限られず、第２入力端ｔ２２と第２接続線ＣＬ２との間に接続されてもよい。また、第１インダクタ１１は二つのインダクタであるとして、第１入力端ｔ２１と第１接続線ＣＬ１との間と、第２入力端ｔ２２と第２接続線ＣＬ２との間の両方に接続してもよい。

〇上述の各実施形態では、第１キャパシタ１７が、上アームスイッチング素子１５の第１端ｔ３１と一次巻線Ｗ１の始端との間に接続されたが、第１キャパシタ１７の位置はこれに限られず、下アームスイッチング素子１６の第２端ｔ４２と一次巻線Ｗ２の終端との間に接続されてもよい。また、第１キャパシタ１７は二つのキャパシタにより構成されてもよく、この場合、上アームスイッチング素子１５の第１端ｔ３１と一次巻線Ｗ１の始端との間と、下アームスイッチング素子の第２端ｔ４２と一次巻線Ｗ２の終端との間の両方に接続される。

〇上述の第１実施形態では、第２キャパシタ１９が、二次巻線Ｗ２の始端と二次側ダイオード２２のアノードとの間に接続されたが、第２キャパシタ１９の位置はこれに限られるものではなく、二次巻線Ｗ２の終端と第２インダクタの第２端ｔ７２との間に接続してもよい。また、第２キャパシタ１９は、二つのキャパシタにより構成されてもよく、この場合、二次巻線Ｗ２の始端と二次側ダイオード２２のアノードとの間と、二次巻線Ｗ２の終端と第２インダクタの第２端ｔ７２との間の両方に接続される。

〇上述の第２実施形態では、第２キャパシタ１９が、二次巻線Ｗ２の始端と二次側ダイオード２２のカソードとの間に接続されたが、第２キャパシタの位置はこれに限られるものではなく、二次巻線Ｗ２の終端と二次側ダイオード２２のアノードとの間に接続してもよい。また、第２キャパシタ１９は二つのキャパシタにより構成されてもよく、この場合、二次巻線Ｗ２の始端と二次側ダイオード２２のカソードとの間と、二次巻線Ｗ２の終端と二次側ダイオード２２のカソードとの間の両方に接続される。

〇電流センサＣ１は、第１中間線ＭＬ１上ではなく、第２中間線ＭＬ２上に設けてもよい。

１、２…電力変換装置、１０…一次側回路、１１…第１インダクタ、１２…上アームダイオード、１３…下アームダイオード、１４…ハーフブリッジ回路、１５…上アームスイッチング素子、１６…下アームスイッチング素子、１７…第１キャパシタ、１８、１８ａ、１８ｂ…トランス、１９…第２キャパシタ、２０、３０…整流平滑回路、２１…第２インダクタ、２２…二次側ダイオード、２３…出力キャパシタ、５０…制御部、Ｃ１…電流センサ、Ｃ２…電圧センサ、ＣＬ１…第１接続線、ＣＬ２…第２接続線、Ｌ１…第１入力線、Ｌ２…第２入力線、ＭＬ１…第１中間線、ＭＬ２…第２中間線、ＯＬ１…第１出力線、ＯＬ２…第２出力線、ｔ２１…第１入力端、ｔ２２…第２入力端、ｔ９１…第１出力端、ｔ９２…第２出力端、Ｖ１…交流電源、Ｗ１…一次巻線、Ｗ２…二次巻線。

Claims (6)

1. 交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置であって、
   一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、
   第１キャパシタと、
   第２キャパシタと、
   前記交流電源が接続される一対の入力端と、第１インダクタと、上アームスイッチング素子と、下アームスイッチング素子と、上アーム整流素子と、下アーム整流素子とを有する一次側回路と、
   第２インダクタと、二次側整流素子と、出力キャパシタと、第１出力端及び第２出力端と、を有する整流平滑回路と、
   を備える電力変換装置であって、
   前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子の直列接続と、前記上アーム整流素子と前記下アーム整流素子の直列接続とがハーフブリッジ回路を構成するとともに、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子との接続点と、前記上アーム整流素子と前記下アーム整流素子の接続点とが、前記一対の入力端と、前記第１インダクタを介して接続され、
   前記一次側回路は、前記第１キャパシタを介して、前記トランスの一次巻線と接続され、
   前記整流平滑回路は、前記第２キャパシタを介して、前記トランスの二次巻線と接続される、
   電力変換装置。
2. 前記整流平滑回路は、
   前記第１出力端と前記出力キャパシタの一端とが接続され、
   前記第２出力端と前記出力キャパシタの他端とが接続され、
   前記第２インダクタの一端が、前記二次側整流素子を介して、前記出力キャパシタの一端に接続され、前記第２インダクタの他端が、前記出力キャパシタの他端に接続されており、
   前記トランスの一次巻線と二次巻線は、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子のどちらか一方が非導通状態のときに前記二次側整流素子が導通する極性を有するように磁気結合している、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記整流平滑回路は、
   前記第１出力端と前記出力キャパシタの一端とが接続され、
   前記第２出力端と前記出力キャパシタの他端とが接続され、
   前記二次側整流素子の一端が、前記第２インダクタを介して、前記出力キャパシタの一端に接続され、前記二次側整流素子の他端が、前記出力キャパシタの他端に接続されており、
   前記トランスの一次巻線と二次巻線は、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子のどちらか一方が非導通状態のときに前記二次側整流素子が導通する極性を有するように磁気結合している、
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記上アーム整流素子、前記下アーム整流素子、及び前記二次側整流素子の少なくとも一つは、スイッチング素子によって構成される、
   請求項１から３のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記上アームスイッチング素子、前記下アームスイッチング素子、および前記上アーム整流素子、前記下アーム整流素子、前記二次側整流素子のうちのいずれかまたは全てがスイッチング素子で構成される場合の当該スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記交流電圧と、前記第１インダクタを流れる電流とに基づいて、入力電力の力率が改善するようにスイッチングを制御する、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子、および前記上アーム整流素子、前記下アーム整流素子、前記二次側整流素子のうちのいずれか、又は全てがスイッチング素子で構成される場合において、当該スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記第１出力端と前記第２出力端との間の電圧に基づいて、所定の直流電圧が出力されるように、スイッチングを制御する、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。