CN106487227B - 电能变换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的电能转换电路具备U相以及V相开关电路、变压器以及α相开关电路。变压器的第一线圈连接在U相开关电路和V相开关电路之间，第二线圈的两端连接在α相开关电路上。α相开关电路包括：正极以及负极端子、具有两个开关元件的半桥电路、和分压电路。半桥电路设在正极端子和负极端子之间，两个开关元件的共同连接点连接在第二线圈的一端上。分压电路的分压输出点连接在第二线圈的另一端上。

Description

电能变换电路
【技术领域】
本申请主张日本专利申请号为2015-169312，申请日为2015年8月28日的日本专利申请为优先权，并将其全部内容引入本申请中。
本发明涉及一种电能变换电路，特别是涉及一种在多个端子的各端子分别输入或者输出直流电的电路。
【背景技术】
现在广泛使用通过电池提供的电能行驶的汽车。此类电动车辆包含通过引擎以及电动发电机的驱动力行驶的混合动力汽车、通过电动发电机的驱动力行驶的电动汽车。
电动车辆上搭载有照明装置、空调装置、音响装置等多个附属装置。用于驱动电动车辆的电池也会向附属装置提供电能。因此电动车辆上一般会搭载有对电池的输出电压进行降压，以通过降压后的电压将电能提供给各附属装置的电能变换电路。
一般，附属装置的电源电压因附属装置的功能以及目的等不相同而各不相同。因要给电源电压不同的多个附属装置分别提供电能，因此有必要在电动车辆上搭载降压比不同的多个电能转换电路。但是搭载多个电能转换电路，会产生搭载在车辆上的电路太多的问题。
因此，有人提出了如特开2011-193713号公报记载的那样，在多个直流端口之间可以进行电能转换的电能转换电路。
【发明内容】
在搭载于车辆上的电能转换电路中，为获得电池和附属装置之间的绝缘状态，需要使用变压器。此时，因连接在第一线圈上的电路的工作以及、连接在第二线圈上的电路的工作，对电能传递不具有有益效果的电流也会一起流入变压器中，进而电能损失会增大。
本发明的目的在于降低电能转换电路中的电能损失。
本发明的电能变换电路具备：具有开关元件的U相开关电路、V相开关电路以及α相开关电路；和第一线圈连接在上述U相开关电路和上述V相开关电路之间、第二线圈的两端连接在上述α相开关电路上的变压器。上述α相开关电路具备：输入输出直流电压的一对直流端子；具有各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件的半桥电路，其中该半桥电路设在构成上述一对直流端子的两个端子之间以及；设在构成上述一对直流端子的两个端子之间，且对上述一对直流端子上的电压进行分压的分压电路。上述半桥电路中的两个开关元件的共同连接点连接在上述第二线圈的一端，上述分压电路的分压输出点连接在上述第二线圈的另一端上。
在优选的实施例中，上述U相开关电路和上述V相开关电路沿时间流而交替地向上述第一线圈提供电压；上述半桥电路在与上述U相开关电路和上述V相开关电路分别向上述第一线圈提供电压的时间对应的时间，进行开关动作；上述分压电路以对应于上述U相开关电路向上述第一线圈提供的电压与上述V相开关电路向上述第一线圈提供的电压之间的比的分压比，对上述一对直流端子上的电压进行分压。
在优选的实施例中，上述分压电路具备各自的一端在上述分压输出点相互连接在一起的第一分压电容以及第二分压电容；上述第一分压电容的另一端连接在构成上述一对直流端子的两个端子中的一个上；上述第二分压电容的另一端连接在构成上述一对直流端子的两个端子中的另一个上。
在优选的实施例中，上述U相开关电路具备U相半桥电路，所述U相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子输入输出直流电压；上述V相开关电路具备V相半桥电路，所述V相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子输入输出直流电压；上述第一线圈连接在上述U相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点和上述V相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点之间；在上述U相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从上述U相开关电路传递到上述第一线圈；在上述V相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从上述V相开关电路传递到上述第一线圈。
在优选的实施例中，在从上述第一线圈的接头引出的径路中输入输出直流电压。
在优选的实施例中，上述U相开关电路和上述V相开关电路具备电位基准导体；上述U相开关电路具备第一端子，在所述第一端子和上述电位基准导体之间输入输出直流电压；上述V相开关电路具备第二端子，在所述第二端子和上述电位基准导体之间输入输出直流电压；从上述第一线圈的接头引出的径路具备第三端子，在所述第三端子和上述电位基准导体之间输入输出直流电压；上述第三端子和上述电位基准导体之间的电压根据上述第一端子和上述电位基准导体之间的电压以及上述第二端子和上述电位基准导体之间的电压进行确定。
通过本发明可以降低电能转换电路中的电能损失。
【附图说明】
图1是表示电能转换电路的图；
图2是表示电能转换电路的图；
图3A是表示控制信号S2的时序图；
图3B是表示控制信号S4的时序图；
图3C是表示控制信号S6的时序图；
图3D是表示第一线圈的端子之间的电压(初级电压)的时间变化的图；
图3E是表示第二线圈的端子之间的电压(次级电压)的时间变化的图；
图3F是表示在第一线圈中流动的电流的图；
图4是表示控制部的功能模块的图；
图5是表示控制部的功能模块的图。
【具体实施方式】
(1)电能转换电路的结构
图1中示有本发明的实施方式的电能转换电路。电能转换电路搭载于电动车辆上，给多个用电设备提供电能或者接受用电设备提供的电能。电能转换电路除电动车辆以外，还可以用在产业用或者家庭用的用电设备上。
电能转换电路包括U相开关电路10、V相开关电路12、追加端子电路42、变压器14以及α相开关电路16。U相开关电路10、V相开关电路12以及追加端子电路42分别具有第一端子18、第二端子30以及第三端子44。各端子将电位基准端子20作为电位基准。电位基准端子20例如连接在电动车辆的本体上。各端子也可以连接作为负荷装置的电源电压不同的附属装置。且，也可以连接电池以及电容等蓄电装置。α相开关电路16具有构成一对直流端子的正极端子58以及负极端子60。除负荷装置以外，该等端子上还可以连接有蓄电装置以及电压逆变器电路等。电能转换电路调整第一～第三端子以及正极端子58和负极端子60之间的电压。
U相开关电路10包含上臂开关元件24H、下臂开关元件24L、第一电容22、连接在各开关元件上的二极管26、第一端子18、电位基准端子20以及电位基准端子28(电位基准导体)。U相开关电路10、V相开关电路12以及追加端子电路42共用电位基准线28。
在各开关元件具有的三个端子中，图1中的上侧端子为上端子a，下侧端子为下端子b。剩余的一个端子是调节上端子a和下端子b之间的导通状态或者开放状态的控制端子g，即是控制接通或者断开的控制端子。在各开关元件中，例如向端子g提供开启电压时其会成为接通状态，向端子g提供比开启电压更低的关闭电压时其会成为断开状态。
上臂开关元件24H的下端子b和下臂开关元件24L的上端子a连接在一起。上臂开关元件24H的上端子a连接在第一端子18上，下臂开关元件24L的下端子b连接在电位基准线28上。各开关元件的上端子a和下端子b之间连接有将下端子b侧作为阳极的二极管26。第一电容22连接在第一端子18和电位基准端子28之间。电位基准线28的一端设有电位基准端子20。
V相开关电路12具备上臂开关元件34H、下臂开关元件34L、第二电容32、连接在各开关元件上的二极管36、第二端子30以及电位基准线28。
上臂开关元件34H的下端子b和下臂开关元件34L的上端子a连接在一起。上臂开关元件34H的上端子a连接在第二端子30上，下臂开关元件34L的下端子b连接在电位基准线28上。各开关元件的上端子a和下端子b之间连接有将下端子b侧作为阳极的二极管36。第二电容32连接在第二端子30和电位基准线28之间。
变压器14的第一线圈38连接在U相开关电路10中的上臂开关元件24H和下臂开关元件24L之间的共同连接点以及、V相开关电路12中的上臂开关元件34H和下臂开关元件34L之间的共同连接点之间。
追加端子电路42可以在从第一线圈38的接头引出的径路中输入输出直流电压。追加端子电路42包含电感器48、第三电容46以及第三端子44。电感器48的一端连接在变压器14的第一线圈38的接头上，另一端连接在第三端子44上。第三电容46连接在第三端子44和电位基准线28之间。在本实施方式的接头是设在将第一线圈38的端子之间的电压对分的位置上的中心接头。
α相开关电路16具备上臂开关元件50H、下臂开关元件50L、第一分压电容54、第二分压电容56、连接在各开关元件上的二极管52、正极端子58以及负极端子60。上臂开关元件50H的下端子b和下臂开关元件50L的上端子a相互连接在一起。上臂开关元件50H的上端子a连接在正极端子58上，下臂开关元件50L的下端子b连接在负极端子60上。各开关元件的上端子a和下端子b之间连接有将下端子b侧作为阳极的二极管52。
第一分压电容54的一端和第二分压电容56的一端相互连接在一起。第一分压电容54的另一端连接在正极端子58上，第二分压容56的另一端连接在负极端子60上。变压器14的第二线圈40连接在上臂开关元件50H和下臂开关元件50L之间的共同连接点以及、第一分压电容54和第二分压电容56之间的共同连接点(分压输出点)之间。第一分压电容54和第二分压电容56构成分压电路，正极端子58以及负极端子60之间的分压电压，经第一分压电容54和第二分压电容56之间的共同连接点(分压输出点)传递给第二线圈40的一端。
在由上臂开关元件50H和下臂开关元件50L组成的组中，两个开关元件的各自一端相互连接在一起，在两个开关元件的各自另一端之间施加(输入)直流电压或者从两个开关元件的各自另一端之间输出直流电压。因两个开关元件交替成为接通以及断开状态，故与共同连接点相连接的径路上会有随开关动作而变化的电流流动。在由上臂开关元件24H和下臂开关元件24L组成的组以及、由上臂开关元件34H和下臂开关元件34L组成的组也会实施相同的动作。一般将如上所述的两个开关元件组称为半桥电路。
作为各开关元件可以使用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等。作为各开关元件使用MOSFET时，漏极端子对应于上端子a，源极端子对应于下端子b，闸极端子对应于控制端子g。根据施加至作为控制端子g的闸极端子上的电压，控制漏极端子和源极端子之间的接通或者断开。作为各开关元件使用IGBT时，接收端子对应于上端子a，发射端子对应于下端子b，闸极端子对应于控制端子g。根据施加至作为控制端子g的闸极端子上的电压，控制接收端子和发射端子之间的接通或者断开。
U相开关电路10的第一端子18、V相开关电路12的第二端子30、追加端子电路42的第三端子44上分别连接有车辆搭载用附属装置时，作为U相开关电路10和V相开关电路12具备的开关元件，可以使用MOSFET。在α相开关电路16的正极端子58和负极端子60上连接电动车辆的二次电池等，即在正极端子58和负极端子60之间施加高电压时，作为α相开关电路16具备的开关元件，可以使用IGBT。
图2示出作为U相开关电路10和V相开关电路12具备的各开关元件使用MOSFET，作为α相开关电路16具备的各开关元件使用IGBT时的电路。即，作为图1中的开关元件24H、24L、34H以及34L，在图2中分别使用MOSFET 62H、62L、64H以及64L，作为图1中的开关元件50H以及50L，在图2中分别使用IGBT 66H以及IGBT 66L。
(2)电能转换电路的动作概要
参考图1对电能转换电路的动作进行说明。控制部68向U相开关电路10具备的上臂开关元件24H和下臂开关元件24L分别输出控制信号S1以及S2，控制各开关元件的接通以及断开。控制部68向V相开关电路12具备的上臂开关元件34H和下臂开关元件34L分别输出控制信号S3以及S4，控制各开关元件的接通以及断开。且，控制部68向α相开关电路16具备的上臂开关元件50H和下臂开关元件50L分别输出控制信号S5以及S6，控制各开关元件的接通以及断开。
控制部68使U相开关电路10具备的上臂开关元件24H和下臂开关元件24L交替接通和断开。下臂开关元件24L从接通状态变成断开状态时，在变压器14的各线圈的电磁场状态以及在电感器48中流动的电流会发生变化，进而在第一线圈38和电感器48上产生感应电动势。第一电容22以基于该感应电动势和第三电容46的充电电压的电压，通过电感器48、第一线圈38以及二极管26进行充电。从第一端子18和电位基准端子20之间输出对应于第一电容22的充电电压的第一电压V1。
或者，下臂开关元件24L从接通状态变成断开状态，同时上臂开关元件24H从断开状态变成接通状态时，通过基于第一电容22的充电电压和感应电动势的电压对第三电容46进行充电。充电路径为上臂开关元件24H、第一线圈38以及电感器48。从第三端子44和电位基准端子20之间输出对应于第三电容46的充电电压的第三电压V3。
在第一线圈38以及电感器48上产生的感应电动势，不一定只通过U相开关电路10的动作进行确定。该感应电可以通过U相开关电路10、V相开关电路12以及α相开关电路16的各自动作通过变压器14相互作用的结果进行确定。
控制部68使V相开关电路12具备的上臂开关元件34H和下臂开关元件34L交替接通和断开。通过和U相开关电路10相同的动作原理，将基于在第一线圈38上产生的感应电动势、在电感器48上产生的感应电动势、以及第三电容46的充电电压的电压施加至第二电容32上。第二电容32基于上述电压进行充电，从第二端子30和电位基准端子20之间输出第二电压V2。或者，第三电容46通过基于电容32的充电电压和感应电动势的电压进行充电，从第三端子44和电位基准端子20之间输出第三电压V3。
电感器48除了生成用于第一端子18和第三端子44之间的升降压或者第二端子30和第三端子44之间的升降压的感应电动势，还降低在第一线圈38中流动的电流中的纹波成分。第一线圈38含有因电压器14的漏磁产生的漏电感时，可以不使用电感器48，而将第三端子44和第一线圈38的接头直接连接在一起。
控制部68使α相开关电路16具备的上臂开关元件50H和下臂开关元件50L交替接通和断开。当上臂开关元件50H为接通状态，下臂开关元件50L为断开状态时，第一分压电容54通过第二线圈40生成的感应电动势进行充电，或者将对应于第一分压电容54的充电电压的电能提供给第二线圈40。当上臂开关元件50H为断开状态，下臂开关元件50L为接通状态时，第二分压电容56通过第二线圈40生成的感应电动势进行充电，或者将对应于第二分压电容56的充电电压的电能提供给第二线圈40。根据第一分压电容54和第二分压电容56的充电电压，从正极端子58和负极端子60之间输出第四电压V4。或者，根据施加至正极端子58和负极端子60之间的第四电压V4，第一分压电容54和第二分压电容56进行充电。
(3)各控制信号和各电压的时序图
图3A、图3B以及图3C分别示出控制信号S2、S4以及S6的时序图。其中，横轴表示时间，纵方向表示信号电平。信号电平例如可以是电压值。如上所述，控制信号S2、S4以及S6分别被提供给下臂开关元件24L、下臂开关元件34L以及下臂开关元件50L。控制信号的电平为高电平H时，各开关元件成为接通状态，控制信号的电平为低电平L时，各开关元件成为断开状态。
虽然图3A至图3C未示出，但是提供给上臂开关元件24H的控制信号S1、提供给上臂开关元件34H的控制信号S3以及、提供给上臂开关元件50H的控制信号S5分别是将控制信号S2、S4以及S6中的高电平和低电平颠倒的信号。
控制信号S2、S4以及S6的周期均是相同的时长T。为进行已排除施加至变压器14的第一线圈38以及第二线圈40的电压变为0的期间的无间隙控制，将控制信号S2的高电平H和低电平L颠倒的信号设成控制信号S4。进而，将控制信号S2的占空比设为Du时，控制信号S4的占空比Dv成为Dv＝1-Du。控制信号S6的占空比Dα和控制信号S2的占空比Du相同(Dα＝Du)，控制信号S6的相位相对于控制信号S2前移相位差φ的量。控制信号S6的相位相对于控制信号S2前移时，相位差φ成为正值。
如上所述，控制信号S2在一个周期中，仅在时间Du·T期间内成为高电平H，仅在时间(1-Du)·T期间内成为低电平L，且高电平H和低电平L相互交替。控制信号S4在一个周期中，仅在时间Dv·T＝(1-Du)·T期间内成为高电平H，仅在时间(1-Dv)·T＝Du·T期间内成为低电平L，且高电平H和低电平L相互交替。控制信号S6在一个周期中，仅在时间Dα·T＝Du·T期间内成为高电平H，仅在时间(1-Dα)·T＝(1-Du)·T期间内成为低电平L，且高电平H和低电平L相互交替。
图3D表示第一线圈38的两端之间的电压Vp(下称初级电压Vp)。初级电压Vp将相对于图1的电路图中的第一线圈38的下侧一端的电位，第一线圈38的上侧一端的电位更高的情形作为正电压。在控制信号S2成为低电平L，控制信号S4成为高电平H时，初级电压Vp为第一电压V1。
即，因上臂开关元件24H和下臂开关元件34L成接通状态，下臂开关元件24L和上臂开关元件34H成断开状态，故第一线圈38的上端连接在第一端子18上，下端连接在电位基准端子20上，初级电压Vp为第一电压V1。
在控制信号S2成为高电平H，控制信号S4成为低电平L时，第一电压Vp成为负极性的第二电压V2。即，因上臂开关元件24H和下臂开关元件34L成断开状态，下臂开关元件24L和上臂开关元件34H成接通状态，故第一线圈38的上端连接在电位基准端子20上，下端连接在第二端子30上，初级电压Vp成为负极性的第二电压V2。
图3E示出第二线圈40的两端之间的电压Vs(下称次级电压Vs)。次级电压Vs将相对于图1的电路图中的第二线圈40的下侧一端的电位，第二线圈40的上侧一端的电位更高的情形作为正电压。在控制信号S6成为低电平L时，次级电压Vs为Vs＝C2·V4/(C1+C2)；在控制信号S6成为高电平H时，次级电压Vs为Vs＝－C1·V4/(C1+C2)。C1和C2分别是第一分压电容54和第二分压电压56的电容容量。
即，在控制信号S6成为低电平L时，上臂开关元件50H成接通状态，下臂开关元件50L成断开状态。进而，第二线圈40的上端以及下端分别连接在第一分压电容54的上端以及下端上，次级电压Vs为第一分压电容54的两端之间的电压VC1。
通过将负极端子60作为基准的正极端子58的电压，即通过第四电压V4，可将第一分压电容54的两端之间的电压VC1表示成VC1＝C2·V4/(C1+C1)。在控制信号S6成为低电平L时，次级电压Vs为Vs＝VC1＝C2·V4/(C1+C1)。
在控制信号S6成为高电平H时，上臂开关元件50H成断开状态，下臂开关元件50L成接通状态。进而，第二线圈40的上端以及下端分别连接在第二分压电容56的下端以及上端上，次级电压Vs成为第二分压电容56的两端之间的负极性的电压-VC2。
可将第二分压电容56的两端之间的电压VC2表示成VC2＝C1·V4/(C1+C1)。进而，在控制信号S6成为高电平H时，次级电压Vs成为Vs＝-VC2＝-C1·V4/(C1+C1)。
图3F表示在第一线圈38中流动的电流iu。电流iu以电流流入第一线圈38的上端的方向作为正方向。次级电压Vs上跳后，至初级电压Vp上跳所需的时间段τ1内，因初级电压Vp和次级电压Vs之间的差异，在各线圈中流动的电流会发生变化。即，在时间段τ1内，第一线圈的电流iu从负值急变成正值。
初级电压Vp上跳后，至次级电压Vs下跳所需的时间段τ2内，初级电压Vp和次级电压Vs之间的差异会变小，在各线圈中流动的电流的变化也会变小。因此，第一线圈的电流iu在时间段τ2内变化的幅度比在时间段τ1内变化的幅度要小。
二次电压Vs下跳后，至初级电压Vp下跳所需的时间段τ3内，因初级电压Vp和次级电压Vs之间的差异，在各线圈中流动的电流会发生变化。即，在时间段τ3内，第一线圈的电流iu从正值急变成负值。
初级电压Vp下跳后，至次级电压Vs上跳所需的时间段τ4内，初级电压Vp和次级电压Vs之间的差异会变小，且在各线圈中流动的电流的变化也会变小。因此，第一线圈的电流iu在时间段τ4内变化的幅度比在时间段τ3内变化的幅度要小。之后，会重复和时间段τ1～时间段τ4内的变化相同的变化。
在控制信号S2为低电平L，控制信号S4为高电平H的时段内，由初级电压Vp和第一线圈的电流iu的乘积确定的电能，在第一线圈38和U相开关电路10之间进行传递。在控制信号S2为高电平H，控制信号S4为低电平L的时段内，由初级电压Vp和第一线圈的电流iu的乘积确定的电能，在第一线圈38和V相开关电路12之间进行传递。
U相开关电路10和V相开关电路12根据在这两个开关电路和第一线圈38之间进行传递的电能，和连接在这两个开关电路上的负荷装置或者蓄电装置之间进行电能的传递。该电能由相位差φ的大小确定。即，因相位差φ的大小，在时间段τ1和τ3内的第一线圈的电流iu的变化量会发生变化。通过变化量可以确定第一线圈的电流iu的波峰值、在第一线圈38和U相开关电路10之间进行传递的电能、以及在第一线圈38和V相开关电路12之间进行传递的电能。
在控制信号S6为低电平L的时段内，由次级电压Vs和第二线圈40的电流的乘积确定的电能，在第二线圈40和第一分压电容54之间进行传递。在控制信号S6为高电平H的时段内，由次级电压Vs和第二线圈40的电流的乘积确定的电能在第二线圈40和第二分压电容56之间进行传递。α相开关电路16根据第一分压电容54以及第二分压电容56的充电状态，与连接在其上的负荷装置或者蓄电装置进行电能的传递。
在本实施方式的电能转换电路中，针对U相开关电路10中的下臂开关元件24L的占空比Du、和针对V相开关电路12中的下臂开关元件34L的占空比Dv之间的关系满足Dv＝1-Du。即，U相开关电路10中的半桥电路和V相开关电路12中的半桥电路具有接通状态和断开状态相反的关系。因此，如图3D所示，初级电压Vp不包含电压为0的时段。
通过α相开关电路16的作用，第二线圈40交替连接在第一分压电容54以及第二分压电容56上。因此，如图3E所示，次级电压Vs不包含电压为0的时段。
通过进行如上所述的无间隙控制的方法，在变压器14的第一线圈侧以及第二线圈侧不进行电能传递的时段会减少，单位时间内传递的电能会变多。
(4)确定各分压电容的电容容量值
第一分压电容54和第二分压电容56的电容容量用下述方法进行确定。即，确定的各电容容量值可以使初级电压Vp的正波峰值的n倍和次级电压Vs的正波峰值相同，使初级电压Vp的负波峰值的n倍和次级电压Vs的负波峰值相同。n是第一线圈38的圈数和第二线圈40的圈数的比。
初级电压Vp的正波峰值为V1，次级电压Vs的正波峰值为C2·V4/(C1+C2)。因此用于确定各分压电容容量的第一条件可用如下(式1)表示。
(式1) n·V1＝C2·V4/(C1+C2)
初级电压Vp的负波峰值为V2，第二电压Vs的负波峰值为C1·V4/(C1+C2)。因此用于确定各分压电容容量的第二条件可用如下(式2)表示。
(式2) n·V2＝C1·V4/(C1+C2)
根据设计参数已预设定第一电压V1以及第二电压V2时，选定可以使公式C2/C1＝V1/V2成立的第一分压电容54和第二分压电压56的电容容量。
因此在初级电压Vp和次级电压Vs成相同极性的期间(图3D中的期间Q1以及Q2)内，初级电压Vp的n倍和次级电压Vs会相同。进而，可以减少在各线圈中流动的电流，减少在变压器14中产生的损失。
更为具体的说明如下，如基于图3D进行的说明，U相开关电路10和V相开关电路12沿时间流而交替地向第一线圈38的两端之间提供第一电压V1以及负极性的第二电压-V2。且，如基于图3E进行的说明，通过α相开关电路16具备的半桥电路的开关动作，第一分压电容54和第二分压电压56会交替连接在第二线圈40上，第一分压电容54的两端之间的电压和第二分压电压56的两端之间的电压被交替施加至第二线圈40上。在如上所述的各电容容量值的确定方法中，第一分压电容54和第二分压电压56以对应于第一电压V1以及第二电压V2的比的分压比，对正极端子58和负极端子60之间的电压进行分压。因此在初级电压Vp和次级电压Vs成相同极性的期间内，初级电压Vp的n倍和次级电压Vs会相同，在变压器14中产生的损失也会减少。
(5)第一电压V1～第四电压V4之间的相互关系
下面，对第一电压V1～第四电压V4之间的相互关系参考图1进行说明。在此，对各电压被限定成定值的状态进行说明。在此状态下图3A所示的相位差φ为0。对各端子的电压的控制，通过后述的变更开关状态的方法进行。
追加端子电路42中的第三电压V3和U相开关电路10中的第一电压V1之间的关系，通过占空比Du可用如下(式3)表示。
(式3) V3＝(1-Du)·V1
同理，追加端子电路42中的第三电压V3和V相开关电路12中的第二电压V2之间的关系，通过占空比Dv可用如下(式4)表示。
(式4) V3＝(1-Dv)·V2
进行使Dv＝1-Du成立的无间隙控制时，(式5)成立。
(式5) V3＝Du·V2
将(式3)和(式5)中的Du去除后，通过第一电压V1以及第二电压V2，可将第三电压V3表示成如下(式6)形式。
(式6) V3＝V1·V2/(V1+V2)
且，使用(式1)和(式2)时，可用如下(式7)表示第四电压V4、第一电压V1以及第二电压V2之间的关系。
(式7) V4＝n·(V1+V2)
(6)各端子电压值的设计
根据设计参数确定第一电压V1～第四电压V4中的任意三个电压时，剩余的一个电压以及线圈比n可用(式6)以及(式7)进行确定。例如，假设在正极端子58和负极端子60之间连接电动车辆的二次电池，第四电压为V4＝200V。在第一端子18和电位基准端子20之间连接用V1＝14V的电压工作的附属装置，在第二端子30和电位基准端子20之间连接用V2＝11V的电压工作的附属装置。此时，通过(式6)求得的第三电压V3为V3＝6.16V。在第三端子44和电位基准端子20之间可以连接用V3＝6.16V的电压工作的附属装置或者输出V3＝6.16V的电压的蓄电装置。通过(式7)确定的变压器14的线圈比n为n＝8。
另，线圈比n已被预设定时，根据设计参数确定第一电压V1～第四电压V4中的任意两个电压，剩余的两个电压即可通过(式6)以及(式7)进行确定。
例如，假设在正极端子58和负极端子60之间连接电动车辆的二次电池，第四电压为V4＝200V。假设在第一端子18和电位基准端子20之间连接用V1＝14V的电压工作的附属装置，变压器14的线圈比n为8。此时，通过(式7)求得的第二电压V2为V2＝11V。在第二端子30和电位基准端子20之间可以连接用V2＝11V的电压工作的附属装置或者输出V2＝11V的电压的蓄电装置。通过(式6)求得的第三电压V3为V3＝6.16V。可在第三端子44和电位基准端子20之间连接用V3＝6.16V的电压工作的附属装置或者输出V3＝6.16V的电压的蓄电装置。
(7)变压器的结构
如图3D以及3E的表示，初级电压Vp和次级电压Vs含有直流成分。因此，通过贯穿于变压器14的第一线圈38和第二线圈40中的芯部的磁束会含有偏置成分。为了使其不易生成由该偏置成分引发的磁饱和，可在由芯部形成的磁路上设计间隙。
(8)电能变换装置的控制
图4是表示控制部68的功能模块的图。控制部68具备进行U相开关电路的开关的U相开关部76、进行V相开关电路的开关的V相开关部92以及、进行α相开关电路的开关动作的α相开关部78。
控制部68通过针对第三电压V3的反馈控制和针对占空比Du的前馈控制，可以求出针对占空比Du的指令值，即可以求出占空比指令值Du*。U相开关部76根据占空比指令值Du*输出控制信号S1和控制信号S2。
另，控制部68通过针对第一电压V1和第二电压V2的反馈控制，可以求出相位差φ。α相开关部78根据占空比指令值Du*和相位差φ，可以输出相位相对于控制信号S1和控制信号S2的相位前移了相位差φ的量的控制信号S5和控制信号S6。
另，控制部68通过针对第二电压V2的反馈控制和针对占空比Dv的前馈控制，可以求出针对占空比Dv的指令值，即可以求出占空比指令值Dv*。V相开关部92根据占空比指令值Dv*输出控制信号S3和控制信号S4。
下面对反馈控制和前馈控制作具体说明。加法器70中输入有第三电压指令值V3*和极性相反的第三电压V3的测定值。加法器70算出指令值V3*减去测定值V3而获得的误差e3，并将其输出给比例积分器72。比例积分器72通过对误差e3进行积分后乘以适当常数的方法算出比例积分误差d3，并将其输出给加法器74。加法器74中输入有前馈占空比FF_Du。FF_Du可在(式3)的基础上，根据下述(式8)算出。
(式8) FF_Du＝1-V3*/V1*
加法器74通过相加比例积分误差d3和FF_Du的方法算出占空比指令值Du*，并将其输出给U相开关部76和α相开关部78。
加法器86中输入有第二电压指令值V2*和极性相反的第二电压V2的测定值。加法器86算出指令值V2*减去测定值V2而获得的误差e2，并将其输出给比例积分器88。比例积分器88通过对误差e2进行积分后乘以适当常数的方法算出比例积分误差d2，并将其输出给加法器90。加法器90中输入有前馈占空比FF_Dv。FF_Dv可在(式4)的基础上，根据下述(式9)算出。
(式9) FF_Dv＝1-V3*/V2*
加法器90通过相加比例积分误差d2和FF_Dv的方法算出占空比指令值Dv*，并将其输出给V相开关部92。
加法器80中输入有第一电压指令值V1*和极性相反的第一电压V1的测定值。加法器80算出从指令值V1*中减去测定值V1的方法而获得的误差e1，并将其输出给加法器82。加法器82中输入有指令值V2*减去测定值V2而获得的误差e2。加法器82将误差e1和误差e2相加后获得的误差e12输出给比例积分器84。比例积分器84通过对误差e12进行积分后乘以适当常数的方法算出相位差φ，并将其输出给α相开关部78。
采用上述构成时，通过基于第三电压指令值V3*和第三电压V3的测定值之间的差距的反馈控制，生成对U相开关电路的控制信号S1和S2，同时通过基于第二电压指令值V2*和第二电压V2的测定值之间的差距的反馈控制，生成对V相开关电路的控制信号S3和S4。且，在生成控制信号S1和S2时，实施针对占空比Du的前馈控制，在生成控制信号S3和S4时，实施针对占空比Dv的前馈控制。
通过上述步骤，第二电压V2以及第三电压V3迅速向各指令值靠近、或者迅速变为和指令值一致。即，可以迅速补偿和第二电压V2以及第三电压V3与相应指令值之间存有的差距。第一电压V1是通过第二电压V2以及第三电压V3确定的，因此对第二电压V2以及第三电压V3实施控制的同时，也就对第一电压V1实施控制。
采用上述构成时，通过基于第一电压指令值V1*和第一电压V1的测定值之间的差距、以及第二电压指令值V2*和第二电压V2的测定值之间的差距的反馈控制，可以求得相位差φ。即，可以通过调整α相开关部78的开关时刻的方法，迅速补偿第一电压V1以及第二电压V2与相应指令值之间存有的差距。
另，可以不使用α相开关部78对相位差φ实施控制，而使用U相开关部76以及V相开关部92对相位差φ实施控制。此时，U相开关部76分别将控制信号S1以及S2作为相对于控制信号S5以及S6延迟相位差φ的量的信号。V相开关部92分别将控制信号S3以及S4作为将控制信号S1以及S2的高电平以及低电平反转的信号。
在上述部分，对当第一电压V1～第四电压V4的电压值被限定成定值时，控制信号S1以及S2分别与控制信号S5以及S6为同相信号，α相开关电路16的半桥电路和U相开关电路10的半桥电路以同相方式工作的情形进行了说明。除上述的工作方式，当第一电压V1～第四电压V4的电压值被限定成定值时，α相开关电路16的半桥电路也可以和V相开关电路12的半桥电路以同相方式工作。此时，控制信号S3以及S4分别和控制信号S5以及S6成为同相信号，控制信号S1以及S2分别成为将控制信号S3以及S4的高电平以及低电平反转的信号。第一分压电容54和第二分压电压56的各电容容量，被设定成可以使C1/C2＝V1/V2成立的电容容量。
此时的控制部68的功能模块如图5所示。比较该图和图4的的功能模块可知，二者的U相功能和V相功能相互被调换。即，第一电压指令值V1*和第一电压V1的测定值、以及第二电压指令值V2*和第二电压V2的测定值分别被调换，且占空比Du和占空比Du*、以及占空比Dv以及占空比指令值Dv*也分别被调换。且，U相开关部76和V相开关部92也被调换。
在上述内容，对使Dv＝1-Du成立的无间隙控制进行了说明。但是在一定时间内传递电能没有问题时，也可以将Dv设定成比1-Du更小的值。

Claims (9)

1.一种电能变换电路，其特征在于：
具备：
具有开关元件的U相开关电路、V相开关电路以及α相开关电路；和
第一线圈连接在所述U相开关电路和所述V相开关电路之间，第二线圈的两端连接在所述α相开关电路上的变压器上；
所述α相开关电路具备：
输入输出直流电压的一对直流端子；
具有各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件的半桥电路，其中所述半桥电路设在构成所述一对直流端子的两个端子之间；以及
设在构成所述一对直流端子的两个端子之间，且对所述一对直流端子上的电压进行分压的分压电路；
所述半桥电路中的两个开关元件的共同连接点连接在所述第二线圈的一端，
所述分压电路的分压输出点连接在所述第二线圈的另一端，
所述U相开关电路和所述V相开关电路沿时间流而交替地向所述第一线圈提供电压；
所述半桥电路在与所述U相开关电路和所述V相开关电路分别向所述第一线圈提供电压的时间对应的时间，进行开关动作；
所述分压电路以对应于所述U相开关电路向所述第一线圈提供的电压与所述V相开关电路向所述第一线圈提供的电压之比的分压比，对所述一对直流端子上的电压进行分压。
2.根据权利要求1所述的电能变换电路，其特征在于：
所述分压电路具备各自的一端在所述分压输出点相互连接在一起的第一分压电容以及第二分压电容；
所述第一分压电容的另一端连接在构成所述一对直流端子的两个端子中的一个上；
所述第二分压电容的另一端连接在构成所述一对直流端子的两个端子中的另一个上。
3.根据权利要求1所述的电能变换电路，其特征在于：
所述分压电路具备各自的一端在所述分压输出点相互连接在一起的第一分压电容以及第二分压电容；
所述第一分压电容的另一端连接在构成所述一对直流端子的两个端子中的一个上；
所述第二分压电容的另一端连接在构成所述一对直流端子的两个端子中的另一个上。
4.根据权利要求1所述的电能变换电路，其特征在于：
所述U相开关电路具备U相半桥电路，所述U相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述V相开关电路具备V相半桥电路，所述V相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述第一线圈连接在所述U相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点和所述V相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点之间；
在所述U相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述U相开关电路传递到所述第一线圈；
在所述V相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述V相开关电路传递到所述第一线圈。
5.根据权利要求1所述的电能变换电路，其特征在于：
所述U相开关电路具备U相半桥电路，所述U相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述V相开关电路具备V相半桥电路，所述V相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述第一线圈连接在所述U相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点和所述V相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点之间；
在所述U相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述U相开关电路传递到所述第一线圈；
在所述V相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述V相开关电路传递到所述第一线圈。
6.根据权利要求2所述的电能变换电路，其特征在于：
所述U相开关电路具备U相半桥电路，所述U相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述V相开关电路具备V相半桥电路，所述V相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述第一线圈连接在所述U相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点和所述V相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点之间；
在所述U相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述U相开关电路传递到所述第一线圈；
在所述V相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述V相开关电路传递到所述第一线圈。
7.根据权利要求3所述的电能变换电路，其特征在于：
所述U相开关电路具备U相半桥电路，所述U相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述V相开关电路具备V相半桥电路，所述V相半桥电路具备各自的一个端子相互连接在一起的两个开关元件，在各开关元件的另一端子中输入输出直流电压；
所述第一线圈连接在所述U相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点和所述V相半桥电路中的两个开关元件的共同连接点之间；
在所述U相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述U相开关电路传递到所述第一线圈；
在所述V相开关电路中，对应于输入输出的直流电压的电压，从所述V相开关电路传递到所述第一线圈。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的电能变换电路，其特征在于：
在从所述第一线圈的接头引出的径路中输入输出直流电压。
9.根据权利要求8所述的电能变换电路，其特征在于：
所述U相开关电路和所述V相开关电路具备电位基准导体；
所述U相开关电路具备第一端子，在所述第一端子和所述电位基准导体之间输入输出直流电压；
所述V相开关电路具备第二端子，在所述第二端子和所述电位基准导体之间输入输出直流电压；
从所述第一线圈的接头引出的径路具备第三端子，在所述第三端子和所述电位基准导体之间输入输出直流电压；
所述第三端子和所述电位基准导体之间的电压，根据所述第一端子和所述电位基准导体之间的电压以及所述第二端子和所述电位基准导体之间的电压进行确定。
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