CN104917389A - 电力变换装置以及电力变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力变换方法和电力变换装置，该电力变换装置具备在初级侧电路中构成的多个初级侧端口和在通过变压器与上述初级侧电路磁耦合的次级侧电路中构成的次级侧端口，该电力变换方法通过变更上述初级侧电路的开关和上述次级侧电路的开关之间的相位差，来调整在上述初级侧电路与上述次级侧电路之间的传输电力，并且变更上述初级侧电路的开关的第一占空比或者上述次级侧电路的开关的第二占空比，该电力变换方法包括：判定上述相位差除以360度所得的值是否比第三占空比大的判定步骤；和在上述相位差除以360度所得的值比第三占空比大的情况下，将上述次级侧电路的第二占空比设定为上述相位差除以360度所得的值以上的设定步骤。

Description

电力变换装置以及电力变换方法
技术领域
本发明涉及电力变换装置以及电力变换方法。
背景技术
公知有如下电力变换装置，即，根据相位差来调整在初级侧变换电路与次级侧变换电路之间传输的传输电力，上述初级侧变换电路包括多个初级侧端口，上述次级侧变换电路包括多个次级侧端口且通过变压器而与初级侧变换电路磁耦合(例如，参照日本特开2011-193713)。
根据相位差而调整的传输电力会根据初级侧变换电路或者次级侧变换电路的开关的占空比D的值的不同而受到影响。
然而，由于相位差和占空比D是独立地被控制的，所以若不存在初级侧变换电路的开关元件的接通时间和次级侧变换电路的开关元件的接通时间相重叠的期间，则即便增大相位差也有可能降低传输电力。
发明内容
因此，本发明的一个方式是抑制传输电力的降低。
根据本发明的一个方式，提供一种电力变换方法，是电力变换装置的电力变换方法，上述电力变换装置具备在初级侧电路构成的多个初级侧端口和在通过变压器与上述初级侧电路磁耦合的次级侧电路中构成的次级侧端口，上述电力变换方法通过变更上述初级侧电路的开关和上述次级侧电路的开关之间的相位差来调整传输电力，在上述初级侧电路与上述次级侧电路之间传输并调整传输电力，并且变更上述初级侧电路的开关的第一占空比或者上述次级侧电路的开关的第二占空比，包括：判定上述相位差除以360度所得的值是否比第三占空比大的判定步骤；和在上述相位差除以360度所得的值比第三占空比大的情况下将上述次级侧电路的第二占空比设定为上述相位差除以360度所得的值以上的设定步骤。
根据一个方式，能够抑制传输电力的降低。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述，本发明的特征、优点、技术及工业意义会变得更加清楚，其中，相同的附图标记表示相同的要素，其中：
图1是表示作为电力变换装置的实施方式的电源装置的结构例的框图。
图2是表示控制部的结构例的框图。
图3是表示初级侧电路以及次级侧电路的开关例的时序图。
图4A是表示初级侧电路以及次级侧电路的开关例的时序图。
图4B是表示初级侧电路以及次级侧电路的开关例的时序图。
图5是表示初级侧电路以及次级侧电路的开关例的时序图。
图6是表示控制部的一个结构例的框图。
图7是表示电力变换方法的一个例子的流程图。
具体实施方式
＜电源装置101的结构＞
图1是表示作为电力变换装置的实施方式的电源装置101的结构例的框图。电源装置101例如是具备电源电路10、控制部50以及传感器部70的电源系统。电源装置101例如是搭载于汽车等车辆，向车载的各负载配电的系统。作为这样的车辆的具体例，可以举出混合动力车、插入式混合动力车、电动汽车等。
电源装置101例如具有与初级侧高电压系负载(例如，电动动力转向装置(EPS)等)61a连接的第一输入输出端口60a、和与初级侧低电压系负载(例如，电子控制装置(ECU)、电子控制制动系统(ECB)等)61c连接的第二输入输出端口60c，作为初级侧端口。
电源装置101例如具有与次级侧高电压系负载61b以及次级侧高电压系电源62b(例如，主机电池)连接的第三输入输出端口60b，作为次级侧端口。次级侧高电压系电源62b向以与次级侧高电压系电源62b相同的电压级(例如，比12V级以及48V级高的288V级)动作的次级侧高电压系负载61b供电。作为次级侧高电压系电源62b的具体例，可以举出锂离子电池等二次电池。
电源电路10是电力变换电路，该电力变换电路具有上述的三个输入输出端口，并具有从这三个输入输出端口中选择任意两个输入输出端口，在该两个输入输出端口之间进行电力变换的功能。此外，具备电源电路10的电源装置101也可以是具有至少三个以上的多个输入输出端口，在至少三个以上的多个输入输出端口中任意两个输入输出端口间均能够变换电力的装置。
端口电力Pa、Pc、Pb分别是第一输入输出端口60a、第二输入输出端口60c、第三输入输出端口60b的输入输出电力(输入电力或者输出电力)。端口电压Va、Vc、Vb分别是第一输入输出端口60a、第二输入输出端口60c、第三输入输出端口60b的输入输出电压(输入电压或者输出电压)。端口电流Ia、Ic、Ib分别是第一输入输出端口60a、第二输入输出端口60c、第三输入输出端口60b的输入输出电流(输入电流或者输出电流)。
电源电路10具备设于第一输入输出端口60a的电容器C1、设于第二输入输出端口60c的电容器C3、以及设于第三输入输出端口60b的电容器C2。作为电容器C1、C2、C3的具体例，可以举出薄膜电容、铝电解电容、陶瓷电容、固体高分子电容等。
电容器C1被插入第一输入输出端口60a的高电位侧的端子613与第一输入输出端口60a以及第二输入输出端口60c的低电位侧的端子614之间。电容器C3被插入第二输入输出端口60c的高电位侧的端子616与第一输入输出端口60a以及第二输入输出端口60c的低电位侧的端子614之间。电容器C2被插入第三输入输出端口60b的高电位侧的端子618与第三输入输出端口60b以及第四输入输出端口60d的低电位侧的端子620之间。
电容器C1、C2、C3可以在电源电路10的内部设置，也可以在电源电路10的外部设置。
电源电路10是包括初级侧变换电路20和次级侧变换电路30而构成的电力变换电路。此外，初级侧变换电路20和次级侧变换电路30经由初级侧磁耦合电抗器204以及次级侧磁耦合电抗器304而连接，并且通过变压器400(中心抽头式变压器)磁耦合。由第一输入输出端口60a以及第二输入输出端口60c构成的初级侧端口、和由第三输入输出端口60b构成的次级侧端口经由变压器400而连接。
初级侧变换电路20是包括初级侧全桥电路200、第一输入输出端口60a、第二输入输出端口60c而构成的初级侧电路。初级侧全桥电路200是包括变压器400的初级侧线圈202、初级侧磁耦合电抗器204、初级侧第一上桥臂U1、初级侧第一下桥臂/U1、初级侧第二上桥臂V1、初级侧第二下桥臂/V1而构成的初级侧电力变换部。此处，初级侧第一上桥臂U1、初级侧第一下桥臂/U1、初级侧第二上桥臂V1以及初级侧第二下桥臂/V1分别例如是包括N沟道型MOSFET和作为该MOSFET的寄生元件的体二极管而构成的开关元件。也可以与该MOSFET并列地追加连接二极管。
初级侧全桥电路200具有与第一输入输出端口60a的高电位侧的端子613连接的初级侧正极母线298、和与第一输入输出端口60a以及第二输入输出端口60c的低电位侧的端子614连接的初级侧负极母线299。
在初级侧正极母线298与初级侧负极母线299之间，安装了串联有初级侧第一上桥臂U1和初级侧第一下桥臂/U1的初级侧第一桥臂电路207。初级侧第一桥臂电路207是能够通过初级侧第一上桥臂U1以及初级侧第一下桥臂/U1的接通/断开的开关动作进行电力变换动作的初级侧第一电力变换电路部(初级侧U相电力变换电路部)。并且，在初级侧正极母线298与初级侧负极母线299之间，与初级侧第一桥臂电路207并列地安装了串联有初级侧第二上桥臂V1和初级侧第二下桥臂/V1的初级侧第二桥臂电路211。初级侧第二桥臂电路211是能够通过初级侧第二上桥臂V1以及初级侧第二下桥臂/V1的接通/断开的开关动作进行电力变换动作的初级侧第二电力变换电路部(初级侧V相电力变换电路部)。
在连接初级侧第一桥臂电路207的中点207m和初级侧第二桥臂电路211的中点211m的电桥部分，设有初级侧线圈202和初级侧磁耦合电抗器204。更加详细地对电桥部分的连接关系进行说明，初级侧第一桥臂电路207的中点207m与初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第一电抗器204a的一端连接。而且，初级侧第一电抗器204a的另一端与初级侧线圈202的一端连接。并且，初级侧线圈202的另一端与初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第二电抗器204b的一端连接。然后，初级侧第二电抗器204b的另一端与初级侧第二桥臂电路211的中点211m连接。此外，初级侧磁耦合电抗器204包括初级侧第一电抗器204a、和以耦合系数k1与初级侧第一电抗器204a磁耦合的初级侧第二电抗器204b而构成。
中点207m是初级侧第一上桥臂U1与初级侧第一下桥臂/U1之间的初级侧第一中间节点，中点211m是初级侧第二上桥臂V1与初级侧第二下桥臂/V1之间的初级侧第二中间节点。
第一输入输出端口60a是设于初级侧正极母线298与初级侧负极母线299之间的端口。第一输入输出端口60a包括端子613和端子614而构成。第二输入输出端口60c是设于初级侧负极母线299与初级侧线圈202的中心抽头202m之间的端口。第二输入输出端口60c包括端子614和端子616而构成。
中心抽头202m与第二输入输出端口60c的高电位侧的端子616连接。中心抽头202m是在初级侧线圈202构成的初级侧第一卷线202a与初级侧第二卷线202b之间的中间连接点。
次级侧变换电路30是包括次级侧全桥电路300和第三输入输出端口60b而构成的次级侧电路。次级侧全桥电路300是包括变压器400的次级侧线圈302、次级侧磁耦合电抗器304、次级侧第一上桥臂U2、次级侧第一下桥臂/U2、次级侧第二上桥臂V2、以及次级侧第二下桥臂/V2而构成的次级侧电力变换部。此处，次级侧第一上桥臂U2、次级侧第一下桥臂/U2、次级侧第二上桥臂V2以及次级侧第二下桥臂/V2分别例如是包括N沟道型MOSFET和作为该MOSFET的寄生元件的体二极管而构成的开关元件。也可以与该MOSFET并列地追加连接二极管。
次级侧全桥电路300具有与第三输入输出端口60b的高电位侧的端子618连接的次级侧正极母线398、和与第三输入输出端口60b的低电位侧的端子620连接的次级侧负极母线399。
在次级侧正极母线398与次级侧负极母线399之间，安装了串联有次级侧第一上桥臂U2和次级侧第一下桥臂/U2的次级侧第一桥臂电路307。次级侧第一桥臂电路307是能够通过次级侧第一上桥臂U2以及次级侧第一下桥臂/U2的接通/断开的开关动作进行电力变换动作的次级侧第一电力变换电路部(次级侧U相电力变换电路部)。并且，在次级侧正极母线398与次级侧负极母线399之间，与次级侧第一桥臂电路307并列地安装了串联有次级侧第二上桥臂V2和次级侧第二下桥臂/V2的次级侧第二桥臂电路311。次级侧第二桥臂电路311是能够通过次级侧第二上桥臂V2以及次级侧第二下桥臂/V2的接通/断开的开关动作进行电力变换动作的次级侧第二电力变换电路部(次级侧V相电力变换电路部)。
在连接次级侧第一桥臂电路307的中点307m和次级侧第二桥臂电路311的中点311m的电桥部分，设有次级侧线圈302和次级侧磁耦合电抗器304。更加详细地对电桥部分的连接关系进行说明，次级侧第一桥臂电路307的中点307m与次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第一电抗器304a的一端连接。而且，次级侧第一电抗器304a的另一端与次级侧线圈302的一端连接。并且，次级侧线圈302的另一端与次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第二电抗器304b的一端连接。然后，次级侧第二电抗器304b的另一端与次级侧第二桥臂电路311的中点311m连接。此外，次级侧磁耦合电抗器304包括次级侧第一电抗器304a、和以耦合系数k2与次级侧第一电抗器304a磁耦合的次级侧第二电抗器304b而构成。
中点307m是次级侧第一上桥臂U2与次级侧第一下桥臂/U2之间的次级侧第一中间节点，中点311m是次级侧第二上桥臂V2与次级侧第二下桥臂/V2之间的次级侧第二中间节点。
第三输入输出端口60b是设于次级侧正极母线398与次级侧负极母线399之间的端口。第三输入输出端口60b包括端子618和端子620而构成。
第三输入输出端口60b的端口电压Vb根据次级侧低电压系电源62b的电压而变动。
图1中，电源装置101具备传感器部70。传感器部70是如下检测机构：以规定的检测周期检测第一至第三输入输出端口60a、60c、60b中至少一个端口的输入输出值Y，并向控制部50输出与该检测到的输入输出值Y对应的检测值Yd。检测值Yd可以是检测输入输出电压而得到的检测电压，也可以是检测输入输出电流而得到的检测电流，也可以是检测输入输出电力而得到的检测电力。传感器部70可以配备在电源电路10的内部，也可以配备在外部。
传感器部70例如具有检测在第一至第三输入输出端口60a、60c、60b中至少一个端口产生的输入输出电压的电压检测部。传感器部70例如具有将输入输出电压Va和输入输出电压Vc中至少一个检测电压作为初级侧电压检测值而输出的初级侧电压检测部、以及将输入输出电压Vb的检测电压作为次级侧电压检测值而输出的次级侧电压检测部。
传感器部70的电压检测部例如具有监视至少一个端口的输入输出电压值的电压传感器、和向控制部50输出与由该电压传感器监视到的输入输出电压值对应的检测电压的电压检测电路。
传感器部70例如具有对朝第一至第三输入输出端口60a、60c、60b中至少一个端口流动的输入输出电流进行检测的电流检测部。传感器部70例如具有将输入输出电流Ia和输入输出电流Ic中至少一个检测电流作为初级侧电流检测值而输出的初级侧电流检测部、以及将输入输出电流Ib的检测电流作为次级侧电流检测值而输出的次级侧电流检测部。
传感器部70的电流检测部例如具有监视至少一个端口的输入输出电流值的电流传感器、和向控制部50输出与由该电流传感器监视到的输入输出电流值对应的检测电流的电流检测电路。
电源装置101具备控制部50。控制部50例如是具备内置CPU的微型计算机的电子电路。控制部50可以配备在电源电路10的内部，也可以配备在外部。
控制部50通过使规定的控制参数X的值变化，来对电源电路10中进行的电力变换动作进行反馈控制，从而能够对电源电路10的第一至第三各输入输出端口60a、60c、60b的输入输出值Y进行调整。作为主要的控制参数X，可以举出相位差以及占空比D(接通时间δ)这两种控制变量。
相位差是在初级侧全桥电路200与次级侧全桥电路300之间同相的电力变换电路部间的开关时机的偏离(时滞)。占空比D(接通时间δ)是在初级侧全桥电路200以及次级侧全桥电路300构成的各电力变换电路部的开关波形的占空比(接通时间)。
能够相互独立地控制上述两个控制参数X。控制部50通过使用了相位差以及占空比D(接通时间δ)的初级侧全桥电路200以及次级侧全桥电路300的占空比控制以及/或者相位控制，来使电源电路10的各输入输出端口的输入输出值Y变化。
控制部50对电源电路10的电力变换动作进行反馈控制，以使相位差或者占空比D变化为如下值，即、第一至第三输入输出端口60a、60c、60b中至少一个端口的输入输出值Y的检测值Yd逼近在该端口设定的目标值Yo的值。目标值Yo例如是如下指令值：基于按照与各输入输出端口连接的负载(例如，初级侧低电压系负载61c等)而规定的驱动条件，由控制部50或者控制部50以外的规定装置设定。目标值Yo在从端口输出电力时作为输出目标值发挥功能，在向端口输入电力时作为输入目标值发挥功能，可以是目标电压值，也可以是目标电流值，也可以是目标电力值。
另外，控制部50对电源电路10的电力变换动作进行反馈控制，以使相位差变化为如下值，即、在初级侧变换电路20与次级侧变换电路30之间经由变压器400传输的传输电力P逼近所设定的目标传输电力的值。传输电力也被称作电力传输量。目标传输电力例如是基于每一个端口的检测值Yd与目标值Yo的偏差，由控制部50或者控制部50以外的规定装置设定的指令值。
图2是控制部50的框图。控制部50是具有进行初级侧变换电路20的初级侧第一上桥臂U1等各开关元件和次级侧变换电路30的次级侧第一上桥臂U2等各开关元件的开关控制的功能的控制部。控制部50包括电力变换模式决定处理部502、相位差决定处理部504、接通时间δ决定处理部506、初级侧开关处理部508以及次级侧开关处理部510等而构成。控制部50例如是具备内置CPU的微型计算机的电子电路。
电力变换模式决定处理部502例如基于规定外部信号(例如，表示每一个端口的检测值Yd与目标值Yo之间的偏差的信号)，从以下说明的电源电路10的电力变换模式A～F中选择并决定动作模式。电力变换模式具有如下模式：对从第一输入输出端口60a输入的电力进行变换而向第二输入输出端口60c输出的模式A；和对从第一输入输出端口60a输入的电力进行变换而向第三输入输出端口60b输出的模式B。
而且，还具有如下模式：对从第二输入输出端口60c输入的电力进行变换而向第一输入输出端口60a输出的模式C；和对从第二输入输出端口60c输入的电力进行变换而向第三输入输出端口60b输出的模式D。
并且，还具有如下模式：对从第三输入输出端口60b输入的电力进行变换而向第一输入输出端口60a输出的模式E；和对从第三输入输出端口60b输入的电力进行变换而向第二输入输出端口60c输出的模式F。
相位差决定处理部504具有如下功能：为了使电源电路10作为DC-DC转换器电路发挥功能，设定初级侧变换电路20与次级侧变换电路30之间的开关元件的开关周期运动的相位差
接通时间δ决定处理部506具有如下功能：为了使初级侧变换电路20和次级侧变换电路30分别作为升压降压电路发挥功能，设定初级侧变换电路20和次级侧变换电路30的开关元件的接通时间δ。
初级侧开关处理部508具有如下功能：基于电力变换模式决定处理部502、相位差决定处理部504以及接通时间δ决定处理部506的输出，来对初级侧第一上桥臂U1、初级侧第一下桥臂/U1、初级侧第二上桥臂V1以及初级侧第二下桥臂/V1的各开关元件进行开关控制。
次级侧开关处理部510具有如下功能：基于电力变换模式决定处理部502、相位差决定处理部504以及接通时间δ决定处理部506的输出，来对次级侧第一上桥臂U2、次级侧第一下桥臂/U2、次级侧第二上桥臂V2以及次级侧第二下桥臂/V2的各开关元件进行开关控制。
控制部50不限定于图2所示的处理，能够进行为了控制在初级侧变换电路20与次级侧变换电路30之间传输的传输电力而需要的各种处理。
＜电源装置101的动作＞
使用图1以及图2对上述电源装置101的动作进行说明。例如，在输入了要求使电源电路10的电力变换模式作为模式D来动作的外部信号的情况下，控制部50的电力变换模式决定处理部502将电源电路10的电力变换模式决定为模式D。此时，在第二输入输出端口60c输入的电压因初级侧变换电路20的升压功能而升压，该升压后的电压的电力因电源电路10的作为DC-DC转换器电路的功能而向第三输入输出端口60b侧传输，并且因次级侧变换电路30的降压功能而降压并从第三输入输出端口60b输出。
此处，详细地对初级侧变换电路20的升压降压功能进行说明。着眼于第二输入输出端口60c和第一输入输出端口60a时，第二输入输出端口60c的端子616经由初级侧第一卷线202a和与初级侧第一卷线202a串联的初级侧第一电抗器204a，而与初级侧第一桥臂电路207的中点207m连接。而且，由于初级侧第一桥臂电路207的两端与第一输入输出端口60a连接，所以在第二输入输出端口60c的端子616与第一输入输出端口60a之间安装了升压降压电路。
并且，第二输入输出端口60c的端子616经由初级侧第二卷线202b和与初级侧第二卷线202b串联的初级侧第二电抗器204b，而与初级侧第二桥臂电路211的中点211m连接。而且，由于初级侧第二桥臂电路211的两端与第一输入输出端口60a连接，所以在第二输入输出端口60c的端子616与第一输入输出端口60a之间并列地安装了升压降压电路。此外，由于次级侧变换电路30是具有与初级侧变换电路20大致相同结构的电路，所以与初级侧变换电路20相同地具有升压降压功能。
接下来，详细地对电源电路10的作为DC-DC转换器电路的功能进行说明。当着眼于第一输入输出端口60a和第三输入输出端口60b时，第一输入输出端口60a与初级侧全桥电路200连接，第三输入输出端口60b与次级侧全桥电路300连接。而且，由于设于初级侧全桥电路200的电桥部分的初级侧线圈202、和设于次级侧全桥电路300的电桥部分的次级侧线圈302以耦合系数kT磁耦合，所以变压器400作为匝数(winding number)1：N的中心抽头式变压器发挥功能。因此，通过调整初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的开关元件的开关周期运动的相位差能够对输入第一输入输出端口60a的电力进行变换而向第三输入输出端口60b传输，或者能够对输入第三输入输出端口60b的电力进行变换而向第一输入输出端口60a传输。
图3是表示根据控制部50的控制，在电源电路10构成的各桥臂的接通/断开的开关波形的时序图的图。图3中，U1是初级侧第一上桥臂U1的接通断开波形，V1是初级侧第二上桥臂V1的接通断开波形，U2是次级侧第一上桥臂U2的接通断开波形，V2是次级侧第二上桥臂V2的接通断开波形。初级侧第一下桥臂/U1、初级侧第二下桥臂/V1、次级侧第一下桥臂/U2以及次级侧第二下桥臂/V2的接通断开波形分别是翻转了初级侧第一上桥臂U1、初级侧第二上桥臂V1、次级侧第一上桥臂U2以及次级侧第二上桥臂V2的接通断开波形而得到的波形(图示省略)。此外，在上下桥臂的两接通断开波形间设置空载时间(dead time)较好，以使在上下桥臂双方不会因接通而流过贯通电流。另外，图3中，高电平表示接通状态，低电平表示断开状态。
此处，通过变更U1、V1、U2以及V2的各接通时间δ，能够变更初级侧变换电路20和次级侧变换电路30的升压降压比。例如，通过使U1、V1、U2以及V2的各接通时间δ相互相等，能够使初级侧变换电路20的升压降压比与次级侧变换电路30的升压降压比相等。
接通时间δ决定处理部506以使初级侧变换电路20和次级侧变换电路30的升压降压比相互相等的方式，使U1、V1、U2以及V2的各接通时间δ相互相等(各接通时间δ＝初级侧接通时间δ11＝次级侧接通时间δ12＝时间值β)。
初级侧变换电路20的升压降压比由如下占空比D决定，该占空比D是在初级侧全桥电路200构成的开关元件(桥臂)的接通时间δ在开关周期T所占的比例。同样地，次级侧变换电路30的升压降压比由如下占空比D决定，该占空比D是构成次级侧全桥电路300的开关元件(桥臂)的接通时间δ在开关周期T所占的比例。初级侧变换电路20的升压降压比是第一输入输出端口60a与第二输入输出端口60c之间的变压比。
因此，例如表示为，初级侧变换电路20的升压降压比＝第二输入输出端口60c的电压/第一输入输出端口60a的电压＝δ11/T＝β/T，次级侧变换电路30的升压降压比＝δ12/T＝β/T。也就是说，初级侧变换电路20和次级侧变换电路30的升压降压比是相互相同的值(＝β/T)。
此外，图3的接通时间δ表示初级侧第一上桥臂U1以及初级侧第二上桥臂V1的接通时间δ11，并且表示次级侧第一上桥臂U2以及次级侧第二上桥臂V2的接通时间δ12。另外，在初级侧全桥电路200构成的桥臂的开关周期T和在次级侧全桥电路300构成的桥臂的开关周期T是相等的时间。
另外，以U1与V1之间的相位差为180度(π)动作，并且也以U2与V2之间的相位差为180度(π)动作。并且，通过变更U1与U2之间的相位差能够调整初级侧变换电路20与次级侧变换电路30之间的电力传输量P，若相位差则能够从初级侧变换电路20向次级侧变换电路30传输，若相位差则能够从次级侧变换电路30向初级侧变换电路20传输。
相位差是在初级侧全桥电路200与次级侧全桥电路300之间同相的电力变换电路部间的开关时机的偏离(时滞)。例如，相位差是初级侧第一桥臂电路207与次级侧第一桥臂电路307之间的开关时机的偏离，且是初级侧第二桥臂电路211与次级侧第二桥臂电路311之间的开关时机的偏离。上述偏离被控制为保持相互相等不变。也就是说，U1与U2之间的相位差以及V1与V2之间的相位差被控制为相同值。
因此，例如在输入了要求使电源电路10的电力变换模式作为模式F动作的外部信号的情况下，电力变换模式决定处理部502决定选择模式F。而且，接通时间δ决定处理部506对规定使初级侧变换电路20作为升压电路发挥功能的情况下的升压比的接通时间δ，该升压电路对输入第二输入输出端口60c的电压进行升压并向第一输入输出端口60a输出。此外，次级侧变换电路30作为降压电路发挥功能，该降压电路以由接通时间δ决定处理部506所设定的接通时间δ规定的降压比，对输入第三输入输出端口60b的电压进行降压。并且，相位差决定处理部504对用于以所希望的电力传输量P将输入第一输入输出端口60a的电力向第三输入输出端口60b传输的相位差进行设定。
初级侧开关处理部508对初级侧第一上桥臂U1、初级侧第一下桥臂/U1、初级侧第二上桥臂V1以及初级侧第二下桥臂/V1的各开关元件进行开关控制，以使次侧变换电路20作为升压电路发挥功能，并且使初级侧变换电路20作为DC-DC转换器电路的一部分发挥功能。
次级侧开关处理部510对次级侧第一上桥臂U2、次级侧第一下桥臂/U2、次级侧第二上桥臂V2以及次级侧第二下桥臂/V2的各开关元件进行开关控制，以使次级侧变换电路30作为降压电路发挥功能，并且使次级侧变换电路30作为DC-DC转换器电路的一部分发挥功能。
如上所述，能够使初级侧变换电路20以及次级侧变换电路30作为升压电路或者降压电路发挥功能，并且也能够使电源电路10作为双向DC-DC转换器电路发挥功能。因此，能够进行电力变换模式A～F的全部模式的电力变换，换言之，能够在从三个输入输出端口中选择的两个输入输出端口间进行电力变换。
通过控制部50而与相位差等效电感L等对应地调整的传输电力P(也称作电力传输量P)是初级侧变换电路20和次级侧变换电路30中从一个变换电路经由变压器400向另一个变换电路输送的电力，由…式1表示。
此外，N是变压器400的匝数比，Va是第一输入输出端口60a的输入输出电压(初级侧变换电路20的初级侧正极母线298与初级侧正极母线299之间的电压)，Vb是第三输入输出端口60b的输入输出电压(次级侧变换电路30的初级侧正极母线398与初级侧正极母线399之间的电压)。π是圆周率，ω(＝2π×f＝2π/T)是初级侧变换电路20以及次级侧变换电路30的开关的角频率。F是初级侧变换电路20以及次级侧变换电路30的开关频率，T是初级侧变换电路20以及次级侧变换电路30的开关周期，L是与磁耦合电抗器204、304和变压器400的电力传输有关的等效电感。F(D，)是以占空比D和相位差为变量的函数，且不取决于占空比D，而随着相位差增加单调增加的变量。占空比D以及相位差是设计为在规定的上下限值之间的范围内变化的控制参数。
等效电感L能够在连接有初级侧磁耦合电抗器204以及/或者次级侧磁耦合电抗器304的变压器400的简易等效电路上定义。等效电感L在简易等效电路中，是合成有初级侧磁耦合电抗器204的漏电感以及/或者次级侧磁耦合电抗器的漏电感、和变压器400的漏电感而成的合成电感。
例如，从次级侧变换电路30侧测定的等效电感L(次级侧换算值LEQ2)能够表示为，LEQ2＝2L1(1-k1)N2+2L2(1-k2)+LT2(1-kT 2)…式2。
L1是初级侧磁耦合电抗器204的自感，k1是初级侧磁耦合电抗器204的耦合系数，N是变压器400的匝数比，L2是次级侧磁耦合电抗器304的自感，k2是次级侧磁耦合电抗器304的耦合系数，LT2是变压器400的次级侧的励磁电感，kT是变压器400的耦合系数。此外，在不使用第二输入输出端口60c的情况下，式2中也可能存在没有第一项或者第二项所表示的漏电感的情况。
然而，利用由控制部50对相位差的变更来调整传输电力P，但传输电力P也受到占空比D的影响。具体而言，根据是存在占空比D的重复(重叠)的状态还是不存在占空比D的重复的状态，传输电力P伴随着相位差变更的增减会发生变化。
图4是表示通过控制部50的控制，在电源电路10构成的各桥臂(次级侧第一上桥臂U2、次级侧第二上桥臂V2、初级侧第一上桥臂U1、初级侧第二上桥臂V1)的接通断开的开关波形的时序图的图。
在图4(A)所示的期间W1内，初级侧变换电路的开关元件的接通时间与次级侧变换电路的开关元件的接通时间重叠(参照斜线部)。即，是存在占空比D的重复的状态，传输电力P随着相位差的增大而变大。原理上，在相位差达到90度之前，传输电力P随着相位差的增大而变大。
在图4(B)所示的期间W2内，初级侧变换电路的开关元件的接通时间与次级侧变换电路的开关元件的接通时间不重叠(参照斜线部)。即，是不存在占空比D的重复的状态，传输电力P随着相位差的增大而变小。这是由于，会在期间W2内在不因电力传输引起的电路内产生浪费地循环的循环电流。
也就是说，若不适当地设定初级侧变换电路的开关元件的接通时间和次级侧变换电路的开关元件的接通时间(若是不存在占空比D的重复的状态)，则即使相位差增大，传输电力P也变小。
因此，控制部50适当地设定初级侧变换电路20的占空比D1、次级侧变换电路30的占空比D2，来降低传输电力的降低。
例如，在相位差为90度以下且满足(相位差度)＞(接通时间δ/开关周期T＝占空比D)的关系式的情况下，控制部50将初级侧变换电路20的占空比D1设定为占空比D(PID计算值)，并将次级侧变换电路30的占空比D2设定为相位差除以360度所得的值(相位差度)以上。控制部50进行这样的设定，从而如图5所示，初级侧变换电路20的开关元件的接通时间(例如，δ1)的始端和次级侧变换电路30的开关元件的接通时间(例如，δ2)的终端能够成为重叠的状态(参照图5的γ轴)。
即，控制部50通过将次级侧变换电路30的占空比D2设定为存在初级侧变换电路的开关元件的接通时间和次级侧变换电路的开关元件的接通时间相重叠的期间，从而即使增大相位差(其中，在达到90度之前)，也能够与相位差成比例地增大传输电力P。此外，也能够将初级侧变换电路20的占空比D1设定为相位差除以360度所得的值(相位差度)以上，将次级侧变换电路30的占空比D2设定为占空比D(PID计算值)。
并且，例如，在相位差为90度以下且满足(相位差度)≤(接通时间δ/开关周期T＝占空比D)的关系式的情况下，控制部50将初级侧变换电路20的占空比D1以及次级侧变换电路30的占空比D2设定为占空比D(PID计算值)。
此处，举出具体例对初级侧变换电路20的占空比D1、次级侧变换电路30的占空比D2的设定进行说明。
考虑相位差为100度的情况。该情况下，为了使相位差比90度大，控制部50强制地将相位差固定为90度。
例如，在占空比D为0.2的情况下，在(相位差度)＞(接通时间δ/开关周期T＝占空比D)的关系式中，为了满足0.25＞0.2，控制部50将初级侧变换电路20的占空比D1设定为0.2(PID计算值)，将次级侧变换电路30的占空比D2设定为0.25。
例如，在占空比D为0.3的情况下，在(相位差度)＞(接通时间δ/开关周期T＝占空比D)的关系式中，为了满足0.25≤0.30，控制部50将初级侧变换电路20的占空比D1以及次级侧变换电路30的占空比D2设定为0.3(PID计算值)。
图6是表示计算PID计算值的控制部50的结构例的框图。控制部50具有PID控制部51等。PID计算值例如是相位差的指令值占空比D的指令值Do。
PID控制部51具有相位差指令值生成部，该相位差指令值生成部通过PID控制，在每个开关周期T生成用于使初级侧端口和次级侧端口中至少一个端口的端口电压逼近目标电压的相位差的指令值例如，PID控制部51的相位差指令值生成部通过基于端口电压Va的目标电压和由传感器部70取得的端口电压Va的检测电压之间的偏差来进行PID控制，从而在每个开关周期T生成用于使该偏差逼近零的指令值
控制部50根据由PID控制部51生成的指令值进行初级侧变换电路20以及次级侧变换电路30的开关控制，从而以使端口电压逼近目标电压的方式，对由式1决定的传输电力P进行调整。
另外，PID控制部51具有占空比指令值生成部，该占空比指令值生成部通过PID控制，在每个开关周期T生成用于使初级侧端口和次级侧端口中至少一个端口的端口电压逼近目标电压的占空比D的指令值Do。例如，PID控制部51的占空比指令值生成部通过基于端口电压Vc的目标电压和由传感器部70取得的端口电压Vc的检测电压之间的偏差来进行PID控制，从而在每个开关周期T生成用于使该偏差逼近零的指令值Do。
此外，PID控制部51也可以具有生成接通时间δ的指令值δo来代替占空比D的指令值Do的接通时间指令值生成部。
PID控制部51基于积分增益I1、微分增益D1、比例增益P1来调整相位差的指令值并基于积分增益I2、微分增益D2、比例增益P2来调整占空比D的指令值Do。
此外，端口电压Va、端口电压Vc、占空比D之间，成立端口电压Va×占空比D＝端口电压Vc这一关系。因此，在欲降低一定的端口电压Va(例如，10V)而增加端口电压Vc的情况(例如，从1V至5V)下，增加占空比D即可(例如，从10％至50％)。相反，在欲升高一定的端口电压Vc(例如，5V)而增加端口电压Va的情况(例如，从10V至50V)下，减少占空比D即可(例如，从50％至10％)。也就是说，PID控制部51通过开关控制对象(第一输入输出端口60a或者第二输入输出端口60c)，来使占空比D的控制方向(使占空比D增减的方向)在升压动作的情况与降压动作的情况下相反。
＜电源装置101的动作的流程图＞
图7是表示电力变换方法的一个例子的流程图。图7的电力变换方法由控制部50执行。
步骤S10中，控制部50判定相位差是否在90度以下。在相位差为90度以下的情况下(是)，控制部50进行步骤S20的处理。在相位差比90度大的情况下(否)，控制部50进行步骤S40的处理。
通过步骤S10的判定，控制部50能够判定是否是在初级侧变换电路20与次级侧变换电路30之间能够进行电力传输的状态。
步骤S20中，控制部50判定相位差度(相位差除以360度所得的值)是否比接通时间δ/开关周期T(＝占空比D(PID计算值))大。在相位差度比占空比D大的情况下(是)，控制部50进行步骤S30的处理。在相位差度为占空比D以下的情况下(否)，控制部50进行步骤S50的处理。
通过步骤S20的判定，控制部50能够判定是否存在初级侧变换电路20的开关元件的接通时间和次级侧变换电路30的开关元件的接通时间相重叠的期间(是否是存在占空比D的重复的状态)。
步骤S30中，控制部50将初级侧变换电路20的占空比D1设定为占空比D(PID计算值)，并将次级侧变换电路30的占空比D2设定为相位差除以360度所得的值以上，并再次返回步骤S10。
步骤S40中，控制部50强制地将相位差固定为90度。
步骤S50中，控制部50将初级侧变换电路20的占空比D1以及次级侧变换电路30的占空比D2设定为占空比D(PID计算值)，并再次返回步骤S10。
如上所述，控制部50基于步骤S10以及步骤S20中的判定，来适当地设定初级侧变换电路20的占空比D1、次级侧变换电路30的占空比D2。由此，能够防止在不因电力传输引起的电路内产生浪费地循环的循环电流，从而能够抑制传输电力的降低。
以上，通过实施方式例对电力变换装置以及电力变换方法进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式例。在本发明的范围内能够进行与其它实施方式例的一部分或者全部的组合、置换等各种变形以及改进。
例如，上述的实施方式中，作为开关元件的一个例子，举出了作为进行接通断开动作的半导体元件的MOSFET。然而，开关元件可以例如是IGBT、MOSFET等利用绝缘栅极的电压控制型电力元件，也可以是双极型晶体管。
另外，也可以将次级侧定义为初级侧，将初级侧定义为次级侧。
另外，本发明能够适用于如下电力变换装置：具有至少三个以上的多个输入输出端口，在至少三个以上的多个输入输出端口中任意两个输入输出端口间均能够变换电力。

Claims (10)

1.一种电力变换方法，是电力变换装置的电力变换方法，上述电力变换装置具备在初级侧电路(20)中构成的多个初级侧端口(60a、60c)和在通过变压器与上述初级侧电路(20)磁耦合的次级侧电路(30)中构成的次级侧端口(60b)，上述电力变换方法变更上述初级侧电路(20)的开关和上述次级侧电路(30)的开关之间的相位差来调整传输电力，在上述初级侧电路(20)与上述次级侧电路(30)之间传输并调整传输电力，变更上述初级侧电路(20)的开关的第一占空比(D1)或者上述次级侧电路(30)的开关的第二占空比(D2)，
上述电力变换方法的特征在于，包括：
判定上述相位差除以360度所得的值是否比第三占空比(D)大；以及
在上述相位差除以360度所得的值比第三占空比(D)大的情况下，将上述次级侧电路(30)的第二占空比(D2)设定为上述相位差除以360度所得的值以上。
2.根据权利要求1所述的电力变换方法，其中，还包括：
判定上述相位差是否为90度以下；以及
在上述相位差为90度以下并且上述相位差除以360度所得的值比第三占空比(D)大的情况下，将上述次级侧电路(30)的第二占空比(D2)设定为上述相位差除以360度所得的值以上。
3.根据权利要求2所述的电力变换方法，其中，还包括：
在上述相位差比90度大的情况下，将上述相位差固定为90度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电力变换方法，其中，还包括：
在上述相位差除以360度所得的值为第三占空比(D)以下的情况下，将上述初级侧电路(20)的第一占空比(D1)以及上述次级侧电路(30)的第二占空比(D2)设定为第三占空比(D)。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电力变换方法，其中，
第三占空比(D)是PID计算值。
6.一种电力变换装置，其特征在于，具备：
初级侧电路(20)，其具备多个初级侧端口(60a、60c)；
次级侧电路(30)，其具备次级侧端口(60b)，通过变压器与上述初级侧电路(20)磁耦合；以及
控制部(50)，其通过变更上述初级侧电路(20)的开关和上述次级侧电路(30)的开关之间的相位差，来对要在上述初级侧电路(20)与上述次级侧电路(30)之间传输的传输电力进行控制，并且对上述初级侧电路(20)的开关的第一占空比(D1)或者上述次级侧电路(30)的开关的第二占空比(D2)进行控制，其中，
上述控制部(50)判定上述相位差除以360度所得的值是否比第三占空比(D)大，
在上述相位差除以360度所得的值比第三占空比(D)大的情况下，上述控制部(50)将上述次级侧电路(30)的第二占空比(D2)设定为上述相位差除以360度所得的值以上。
7.根据权利要求6所述的电力变换装置，其中，
上述控制部(50)判定上述相位差是否为90度以下，在上述相位差为90度以下并且上述相位差除以360度所得的值比第三占空比(D)大的情况下，将上述次级侧电路(30)的第二占空比(D2)设定为上述相位差除以360度所得的值以上。
8.根据权利要求7所述的电力变换装置，其中，
在上述相位差比90度大的情况下，上述控制部(50)将上述相位差固定为90度。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的电力变换装置，其中，
在上述相位差除以360度所得的值为第三占空比(D)以下的情况下，上述控制部(50)将上述初级侧电路(20)的第一占空比(D1)以及上述次级侧电路(30)的第二占空比(D2)设定为第三占空比(D)。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的电力变换装置，其中，
第三占空比(D)是PID计算值。
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