JP2015057031A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポートに接続できる電源又は負荷の種類を増やすことができる、電力変換装置及び電力変換方法を提供すること。【解決手段】少なくとも３つ以上の複数のポートを有し、前記複数のポートのうちどの２つのポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置であって、電源又は負荷と接合可能な複数の接合部と、前記複数のポートのうち特定のポートの接続先を前記複数の接合部から選択する選択回路とを備えることを特徴とする、電力変換装置。少なくとも３つ以上の複数のポートのうち任意の２つのポート間で電力を変換する電力変換方法であって、前記複数のポートのうち特定のポートの接続先を、電源又は負荷と接合可能な複数の接合部から選択することを特徴とする、電力変換方法。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも３つ以上の複数のポートのうち２つのポート間で電力を変換する技術に関する。

従来、少なくとも３つ以上の複数のポートのうち２つのポート間で電力を変換する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−１９３７１３号公報

しかしながら、上述の従来技術では、一つのポートに異なる種類（例えば、異なる電圧系）の電源又は負荷を接続できないため、ポートに接続できる電源又は負荷の種類がポートの総数に制限される。そこで、ポートの総数に制限されずに、ポートに接続できる電源又は負荷の種類を増やすことができる、電力変換装置及び電力変換方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、一態様によれば、
少なくとも３つ以上の複数のポートを有し、前記複数のポートのうちどの２つのポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置であって、
電源又は負荷と接合可能な複数の接合部と、
前記複数のポートのうち特定のポートの接続先を前記複数の接合部から選択する選択回路とを備えることを特徴とする、電力変換装置が提供される。

一態様によれば、ポートの総数に制限されずに、ポートに接続できる電源又は負荷の種類を増やすことができる。

電力変換装置の構成例を示した図 制御部の構成例を示したブロック図 １次側回路及び２次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート 車両で使用される各電源の使用パターンを示した表 電力変換装置の構成例を示した図 接合部の使用パターンを示した表 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図 一使用パターンでの電力の経路の一例を矢印で示した図

＜電源装置１０１の構成＞
図１は、電力変換装置の実施形態である電源装置１０１の構成例を示したブロック図である。電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。電源装置１０１は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。

電源装置１０１は、例えば、１次側高電圧系負荷６１ａが接続される第１入出力ポート６０ａと、１次側低電圧系負荷６１ｃ及び１次側低電圧系電源６２ｃが接続される第２入出力ポート６０ｃとを、１次側ポートとして有している。１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷６１ｃに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷６１ａに、電源回路１０に構成される１次側変換回路２０によって昇圧された電力を供給する。１次側低電圧系電源６２ｃの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。

電源装置１０１は、例えば、２次側高電圧系負荷６１ｂ及び２次側高電圧系電源６２ｂが接続される第３入出力ポート６０ｂと、２次側低電圧系負荷６１ｄが接続される第４入出力ポート６０ｄとを、２次側ポートとして有している。２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに電力を供給する。また、２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと異なる電圧系（例えば、２８８Ｖ系よりも低い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって降圧された電力を供給する。２次側高電圧系電源６２ｂの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。

電源回路１０は、上述の４つの入出力ポートを有し、それらの４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートが選択され、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。なお、電源回路１０を備えた電源装置１０１は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な装置でもよい。例えば、電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄが無い３つの入出力ポートを有する回路でもよい。

ポート電力Ｐａ，Ｐｃ，Ｐｂ，Ｐｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｂ，Ｖｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。ポート電流Ｉａ，Ｉｃ，Ｉｂ，Ｉｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電流（入力電流又は出力電流）である。

電源回路１０は、第１入出力ポート６０ａに設けられるキャパシタＣ１と、第２入出力ポート６０ｃに設けられるキャパシタＣ３と、第３入出力ポート６０ｂに設けられるキャパシタＣ２と、第４入出力ポート６０ｄに設けられるキャパシタＣ４とを備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。

キャパシタＣ１は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ３は、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ２は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。キャパシタＣ４は、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。

キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、電源回路１０の内部に設けられてもよいし、電源回路１０の外部に設けられてもよい。

電源回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成された電力変換回路である。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、１次側磁気結合リアクトル２０４及び２次側磁気結合リアクトル３０４を介して接続され、且つ、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃから構成される１次側ポートと、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄから構成される２次側ポートとは、変圧器４００を介して接続されている。

１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート６０ａと、第２入出力ポート６０ｃとを含んで構成された１次側回路である。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成された１次側電力変換部である。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。

１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。

１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。１次側第１アーム回路２０７は、１次側第１上アームＵ１及び１次側第１下アーム／Ｕ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第１電力変換回路部（１次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。１次側第２アーム回路２１１は、１次側第２上アームＶ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第２電力変換回路部（１次側Ｖ相電力変換回路部）である。

１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、１次側第１リアクトル２０４ａと結合係数ｋ_１で磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。

中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。

第１入出力ポート６０ａは、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。第２入出力ポート６０ｃは、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。

センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。

２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート６０ｂと、第４入出力ポート６０ｄとを含んで構成された２次側回路である。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成された２次側電力変換部である。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。

２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。

２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。２次側第１アーム回路３０７は、２次側第１上アームＵ２及び２次側第１下アーム／Ｕ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第１電力変換回路部（２次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。２次側第２アーム回路３１１は、２次側第２上アームＶ２及び２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第２電力変換回路部（２次側Ｖ相電力変換回路部）である。

２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、２次側第１リアクトル３０４ａと結合係数ｋ_２で磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。

中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。

第３入出力ポート６０ｂは、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。第４入出力ポート６０ｄは、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。

センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。

図１において、電源装置１０１は、センサ部７０を備えている。センサ部７０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Ｙに対応する検出値Ｙｄを制御部５０に対して出力する検出手段である。検出値Ｙｄは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部７０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。

センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電圧Ｖａと入出力電圧Ｖｃの少なくとも一方の検出電圧を１次側電圧検出値として出力する１次側電圧検出部と、入出力電圧Ｖｂと入出力電圧Ｖｄの少なくとも一方の検出電圧を２次側電圧検出値として出力する２次側電圧検出部とを有している。

センサ部７０の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部５０に対して出力する電圧検出回路とを有している。

センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電流Ｉａと入出力電流Ｉｃの少なくとも一方の検出電流を１次側電流検出値として出力する１次側電流検出部と、入出力電流Ｉｂと入出力電流Ｉｄの少なくとも一方の検出電流を２次側電流検出値として出力する２次側電流検出部とを有している。

センサ部７０の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部５０に対して出力する電流検出回路とを有している。

電源装置１０１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部５０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。

制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙの検出値Ｙｄが、該ポートに設定された目標値Ｙｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Ｙｏは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷（例えば、１次側低電圧系負荷６１ｃ等）毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Ｙｏは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。

また、制御部５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐが、設定された目標伝送電力Ｐｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力Ｐｏは、例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。

制御部５０は、所定の制御パラメータＸの値を変化させることによって、電源回路１０で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路１０の第１乃至第４の各入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄにおける入出力値Ｙを調整できる。主な制御パラメータＸとして、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）の２種類の制御変数が挙げられる。

位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。デューティ比Ｄ（オン時間δ）は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比（オン時間）である。

これらの２つの制御パラメータＸは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部５０は、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）を用いた１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００のデューティ比制御及び／又は位相制御によって、電源回路１０の各入出力ポートにおける入出力値Ｙを変化させる。

図２は、制御部５０のブロック図である。制御部５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。

電力変換モード決定処理部５０２は、例えば、所定の外部信号（例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差を表す信号）に基づいて、次に述べる電源回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＡと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＢと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＣがある。

そして、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＤと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＥと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＦがある。

さらに、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＧと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＨと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＩがある。

それから、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＪと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＫと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＬがある。

位相差φ決定処理部５０４は、電源回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。

オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。

１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。

２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。

＜電源装置１０１の動作＞
上記電源装置１０１の動作について、図１及び図２を用いて説明する。例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧の電力が電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート６０ｂ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポート６０ｄから出力される。

ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート６０ｃと第１入出力ポート６０ａについて着目すると、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側第１リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。

さらに、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側第２リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート６０ｄの端子６２２と第３入出力ポート６０ｂとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。

次に、電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート６０ａと第３入出力ポート６０ｂについて着目すると、第１入出力ポート６０ａには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが結合係数ｋ_Ｔで磁気結合することで、変圧器４００が巻き数１：Ｎのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂに伝送させ、あるいは、第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａに伝送させることができる。

図３は、制御部５０の制御によって、電源回路１０に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図３において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図３において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。

ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。

オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比が互いに等しくなるように、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくする（各オン時間δ＝１次側オン時間δ１１＝２次側オン時間δ１２＝時間値α）。

１次側変換回路２０の昇降圧比は、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。同様に、２次側変換回路３０の昇降圧比は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。１次側変換回路２０の昇降圧比は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の変圧比であり、２次側変換回路３０の昇降圧比は、第３入出力ポート６０ｂと第４入出力ポート６０ｄとの間の変圧比である。

したがって、例えば、
１次側変換回路２０の昇降圧比
＝第２入出力ポート６０ｃの電圧／第１入出力ポート６０ａの電圧
＝δ１１／Ｔ＝α／Ｔ
２次側変換回路３０の昇降圧比
＝第４入出力ポート６０ｄの電圧／第３入出力ポート６０ｂの電圧
＝δ１２／Ｔ＝α／Ｔ
と表される。つまり、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比は互いに同じ値（＝α／Ｔ）である。

なお、図３のオン時間δは、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１のオン時間δ１１を表すとともに、２次側第１上アームＵ２及び２次側第２上アームＶ２のオン時間δ１２を表す。また、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。

また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間の電力伝送量Ｐを調整することができ、位相差φ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送し、位相差φ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送することができる。

位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。例えば、位相差φは、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７との間でのスイッチングタイミングのずれであり、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１との間でのスイッチングタイミングのずれである。それらのずれは互いに等しいまま制御される。つまり、Ｕ１とＵ２の位相差φ及びＶ１とＶ２の位相差φは、同じ値に制御される。

したがって、例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧を昇圧して第１入出力ポート６０ａに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート６０ｂに入力された電圧を降圧して第４入出力ポート６０ｄに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を所望の電力伝送量Ｐで第３入出力ポート６０ｂに伝送するための位相差φを設定する。

１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。

２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。

上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。

制御部５０により位相差φに応じて調整される伝送電力Ｐ（電力伝送量Ｐともいう）は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器４００を介して送られる電力であり、
Ｐ＝（Ｎ×Ｖａ×Ｖｂ）／（π×ω×Ｌ）×Ｆ（Ｄ，φ）
・・・式１
で表される。

なお、Ｎは、変圧器４００の巻き数比、Ｖａは、第１入出力ポート６０ａの入出力電圧、Ｖｂは、第３入出力ポート６０ｂの入出力電圧である。πは、円周率、ω（＝２π×ｆ＝２π／Ｔ）は、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチングの角周波数である。ｆは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周波数、Ｔは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周期、Ｌは、磁気結合リアクトル２０４，３０４と変圧器４００の電力伝送に関わる等価インダクタンスである。Ｆ（Ｄ，φ）は、デューティ比Ｄと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Ｄに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。デューティ比Ｄ及び位相差φは、所定の上下限値に挟まれた範囲内で変化するように設計された制御パラメータである。

制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち少なくとも一つの所定のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、当該所定のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを変化させることにより伝送電力Ｐを調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。

例えば、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先である片方のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、伝送電力Ｐの伝送先のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを上昇変化させることにより伝送電力Ｐを増加方向に調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。

＜電源の多様化への対応＞
ところで、車両で使用される電源の種類として、例えば、１２Ｖ系電源、４８Ｖ系電源、ＡＣ１００Ｖ入力電源、ＡＣ１００Ｖ出力電源、ソーラー電源などが挙げられる。

１２Ｖ系電源は、コンピュータなどの１２Ｖ系負荷の直流電源として使用され、例えば図１の場合、１次側低電圧系電源６２ｃ又は第２入出力ポート６０ｃを１２Ｖ系電源として使用できる。

４８Ｖ系電源は、電動パワーステアリング装置などの４８Ｖ系負荷の直流電源として使用され、例えば図１の場合、第１入出力ポート６０ａを４８Ｖ系電源として使用できる。

ＡＣ１００Ｖ入力電源は、車両に予め搭載された電源とは別の外部電源であり、車両に搭載された負荷や電池に電力を供給可能な交流電源である。ＡＣ１００Ｖ入力電源の具体例として、車両に接続可能な商用電源や充電装置などが挙げられる。

ＡＣ１００Ｖ出力電源は、車両に搭載された内部電源であり、車両に予め搭載された負荷とは異なる電気負荷（例えば、携帯型コンピュータ、家電製品など）に対しても電力を供給可能な交流電源である。

ソーラー電源は、車両に搭載された負荷や電池に電力を供給可能な直流電源であり、例えば、車両に搭載されたソーラー発電装置である。

これらの電源の使用と不使用の組み合わせは、複数の使用パターンに分けることができる。図４は、車両で使用可能な各電源の使用と不使用の組み合わせを表す使用パターンを例示した表である。各電源の使用と不使用の組み合わせは、車両の状況に応じて変化し、使用パターン１，２，３，４は、走行中での組み合わせパターンであり、使用パターン５，６，７，８は、駐車中での組み合わせパターンである。

例えば、車両が走行しているとき、１２Ｖ系電源及び４８Ｖ系電源は使用されるが、車両の外部から給電するＡＣ１００Ｖ入力電源は使用されない（使用パターン１，２，３，４参照）。また、車両が駐車しているとき、１２Ｖ系電源及び４８Ｖ系電源は使用されないが、車両の外部から給電するＡＣ１００Ｖ入力電源は使用される場合もあれば使用されない場合もある（使用パターン５，６，７，８参照）。また、ソーラー電源は、走行中でも駐車中でも、晴天の場合は使用されるが、雨天の場合は使用されない。

なお、図４は単なる例示にすぎず、図４に示された使用パターン以外の使用パターンも考えられる。

図５は、このような複数の使用パターンに応じて各電源の接続先を選択可能な選択回路８４を備えた電源装置１０１の構成例を示した図である。選択回路８４は、電源回路１０に接続されている。図５に示した電源回路１０は、図１に示した電源回路１０の構成の一部を省略して示している。電源装置１０１は、電源回路１０と、接合部８１と、接合部８２と、接合部８３と、選択回路８４とを備えている。

接合部８１は、ソーラー電源８０と接合可能な電源接合部であり、ソーラー電源８０から供給される直流電力が入力されるＤＣ入力部である。接合部８１は、直流電源と接合可能な直流電源接合部の一例である。

接合部８１は、例えば、ソーラー電源８０と電源回路１０のポートとを接続するためのコネクタ、電極又はプラグである。接合部８１及び接合部８１に接合されたソーラー電源８０は、選択回路８４のスイッチ８５の切り替えによって、第１入出力ポート６０ａと第４入出力ポート６０ｄのいずれか一方のポートにスイッチ８５を介して接続される。ソーラー電源８０は、直流電源の一例である。

接合部８２は、交流電源９１と接合可能な電源接合部であり、交流電源９１から供給される交流電力が入力されるＡＣ入力部である。接合部８２は、交流電源と接合可能な交流電源接合部の一例である。

接合部８２は、例えば、交流電源９１と電源回路１０のポートとを接続するためのプラグ、コネクタ、又は電極である。接合部８２及び接合部８２に接合された交流電源９１は、選択回路８４のスイッチ８６の切り替えによって、第４入出力ポート６０ｄにスイッチ８６及びコンバータ８８を介して接続されるか否かが選択される。交流電源９１は、例えば、車両に接続可能に車両の外部に設けられたＡＣ１００Ｖ入力電源である。

接合部８３は、電気負荷９２と接合可能な負荷接合部であり、第４入出力ポート６０ｄに接続されたコンバータ８８から供給される交流電力を電気負荷９２に向けて出力するＡＣ出力部である。接合部８３は、負荷と接合可能な負荷接合部の一例である。

接合部８３は、例えば、電気負荷９２と電源回路１０のポートとを接続するためのプラグ受け、コネクタ、又は電極である。接合部８３及び接合部８３に接合された電気負荷９２は、選択回路８４のスイッチ８７の切り替えによって、第４入出力ポート６０ｄにスイッチ８７及びコンバータ８８を介して接続されるか否かが選択される。電気負荷９２は、例えば、ＡＣ１００Ｖの交流電源で動作する交流負荷（例えば、携帯型コンピュータなどの電気機器）であり、接合部８３と接合するためのプラグ、コネクタ又は電極を有している。

コンバータ８８は、ポート６０ｄから供給される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力をスイッチ８７の切り替えにより接合部８３に出力可能な装置である。そして、コンバータ８８は、スイッチ８６の切り替えにより接合部８２から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電力をポート６０ｄに出力可能な装置である。つまり、コンバータ８８は、直流電力と交流電力とを双方向に変換可能な回路（例えば、フルブリッジ回路）を有する電力変換装置である。

コンバータ８８の電力変換動作、スイッチ８５，８６，８７などの切り替え動作は、例えば、制御部５０（図１参照）又は制御部５０以外の制御部によって制御される。スイッチ８５，８６，８７の切り替え動作は、手動で行われてもよい。スイッチ８６は、交流電源９１と接合部８２との接合動作に連動して、接合部８２の接続先をコンバータ８８を経由して第４入出力ポート６０ｄに切り替えてもよい。スイッチ８７は、電気負荷９２と接合部８３との接合動作に連動して、接合部８３の接続先をコンバータ８８を経由して第４入出力ポート６０ｄに切り替えてもよい。

選択回路８４は、複数のポートのうち特定のポートの接続先を複数の接合部から選択する選択回路の一例である。図５には、特定のポートが第４入出力ポート６０ｄである場合が例示されている。

選択回路８４は、第４入出力ポート６０ｄの接続先に、接合部８１，８２，８３のうちからいずれか一つの接合部を選択する。選択回路８４は、第４入出力ポート６０ｄの接続先を、接合部８１，８２，８３のうち選択された一つの接合部に切り替え可能なスイッチ８５，８６，８７を有する切替回路である。

電源装置１０１はこのような選択回路８４を備えることにより、ポートの総数に制限されずに、第４入出力ポート６０ｄに接続できる電源又は負荷の種類（この場合、ソーラー電源８０、交流電源９１、電気負荷９２）を増やすことができる。

選択回路８４は、複数の接合部のうち特定の接合部の接続先を複数のポートから選択する選択回路の一例である。図５には、特定の接合部が、電源と接合可能な接合部８１である場合が例示されている。なお、選択回路８４は、負荷と接合可能な特定の接合部を複数のポートから選択する構成を有してよい。

選択回路８４は、接合部８１の接続先に、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄのうちいずれか一つのポートを選択する。選択回路８４は、接合部８１の接続先を、ポート６０ａ，６０ｄのうち選択された一つのポートに切り替え可能なスイッチ８５を有する切替回路である。

第１入出力ポート６０ａには、１次側高電圧系負荷６１ａが接続されている。しかしながら、電源装置１０１はこのような選択回路８４を備えることにより、ポートの総数に制限されずに、第１入出力ポート６０ａに接続できる電源又は負荷の種類（この場合、ソーラー電源８０）を増やすことができる。

選択回路８４は、接合部８１の接続先に、第１入出力ポート６０ａと第４入出力ポート６０ｄのいずれか一方のポートを選択するスイッチ８５を有している。スイッチ８５によって、接合部８１の接続先を、第１入出力ポート６０ａと第４入出力ポート６０ｄのうちのいずれか一方のポートに切り替えることができる。

選択回路８４は、接合部８２をコンバータ８８を介して第４入出力ポート６０ｄに接続するか否かを選択するスイッチ８６を有している。スイッチ８５及びスイッチ８６によって、第４入出力ポート６０ｄの接続先を、接合部８１と接合部８２のうちのいずれか一つの接合部に切り替えることができる。

選択回路８４は、接合部８３をコンバータ８８を介して第４入出力ポート６０ｄに接続するか否かを選択するスイッチ８７を有している。スイッチ８５及びスイッチ８７によって、第４入出力ポート６０ｄの接続先を、接合部８１と接合部８３のうちのいずれか一つの接合部に切り替えることができる。

選択回路８４は、第１入出力ポート６０ａの接続先に、第４入出力ポート６０ｄの接続先に選択された接合部（例えば、接合部８２又は接合部８３）とは異なる他の接合部（例えば、接合部８１）を選択する。これにより、第１入出力ポート６０ａと第４入出力ポート６０ｄとの接続先が同一の接合部に重複して選択されることを防止できる。

選択回路８４は、例えば図６に例示された接合部８１，８２，８３の使用パターンに応じて、接合部８１，８３，８３又は第４入出力ポート６１ｄの接続先を選択する。図６は、図４に示した各使用パターンに応じて決められた、接合部の接続先を示した表である。

「ＯＰＥＮ」とは、接合部がどの入出力ポートにも接続されていない状態を示し、「ポート６０ａ」とは、接合部が第１入出力ポート６０ａに接続された状態を示し、「ポート６０ｄ」とは、接合部が第４入出力ポート６０ｄに接続された状態を示している。例えば、使用パターン１の場合、選択回路８４は、接合部８１が第１入出力ポート６０ａに接続され、且つ、接合部８２がどのポートにも接続されず、且つ、接合部８３が第４入出力ポート６０ｄに接続された状態を選択していることを示す。

図７は、使用パターン１での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第３入出力ポート６０ｂの電力を３種類の電力に変換し、変換後の３種類の電力をそれぞれ３つの入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｄに供給できる。同時に、選択回路８４は、第４入出力ポート６０ｄの直流電力をコンバータ８８によって変換して得られる交流電力を、スイッチ８６，８７の切り替えによって、接合部８３のみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１から第１入出力ポート６０ａのみに電力を供給できる。

図８は、使用パターン２での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第３入出力ポート６０ｂの電力を２種類の電力に変換し、変換後の２種類の電力をそれぞれ２つの入出力ポート６０ａ，６０ｃに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８６，８７の切り替えによって、第４入出力ポート６０ｄと接合部８２又は接合部８３との間で電力が入出力されることを停止できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１から第１入出力ポート６０ａのみに電力を供給できる。

図９は、使用パターン３での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第３入出力ポート６０ｂの電力を３種類の電力に変換し、変換後の３種類の電力をそれぞれ３つの入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｄに供給できる。同時に、選択回路８４は、第４入出力ポート６０ｄの直流電力をコンバータ８８によって変換して得られる交流電力を、スイッチ８６，８７の切り替えによって、接合部８３のみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１と第１入出力ポート６０ａ又は第４入出力ポート６０ｄとの間で電力が入出力されることを停止できる。

図１０は、使用パターン４での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第３入出力ポート６０ｂの電力を２種類の電力に変換し、変換後の２種類の電力をそれぞれ２つの入出力ポート６０ａ，６０ｃに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８６，８７の切り替えによって、第４入出力ポート６０ｄと接合部８２又は接合部８３との間で電力が入出力されることを停止できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１と第１入出力ポート６０ａ又は第４入出力ポート６０ｄとの間で電力が入出力されることを停止できる。

図１１は、使用パターン６での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄの電力を変換し、変換後の電力を第３入出力ポート６０ｂのみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８６，８７の切り替えによって、第４入出力ポート６０ｄと接合部８２又は接合部８３との間で電力が入出力されることを停止できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１から第４入出力ポート６０ｄのみに電力を供給できる。

図１２は、使用パターン７での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄの電力を変換し、変換後の電力を第３入出力ポート６０ｂのみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８６，８７の切り替えによって、接合部８２の交流電力をコンバータ８８によって変換して得られる直流電力を、第４入出力ポート６０ｄのみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１と第１入出力ポート６０ａ又は第４入出力ポート６０ｄとの間で電力が入出力されることを停止できる。

図１３は、使用パターン８での電力の経路の一例を矢印で示した図である。電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄの電力を変換し、変換後の電力を第３入出力ポート６０ｂのみに供給でき、且つ、第１入出力ポート６０ａの電力を変換し、変換後の電力を第３入出力ポート６０ｂのみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８６，８７の切り替えによって、接合部８２の交流電力をコンバータ８８によって変換して得られる直流電力を、第４入出力ポート６０ｄのみに供給できる。同時に、選択回路８４は、スイッチ８５の切り替えによって、接合部８１から第１入出力ポート６０ａのみに電力を供給できる。

選択回路８４は、１次側高電圧系負荷６１ａと１次側低電圧系負荷６１ｃとで消費される電力が所定の閾値よりも大きい場合、スイッチ８５の切り替えにより、ソーラー電源８０が接合された接合部８１の接続先に第１入出力ポート６０ａを選択する。この場合、接合部８１からの電力は第１入出力ポート６０ａに入力されて負荷６１ａ，６１ｃに供給される（例えば、図７の使用パターン１又は図８の使用パターン２参照）。これにより、ソーラー電源８０が接合された接合部８１の電力をスイッチ８５の切り替えにより第４入出力ポート６０ｄに入力して負荷６１ａ，６１ｃに供給する場合に比べて、電力の経路が通過する素子の数が少ないため、電力変換効率が向上する。

一方、選択回路８４は、負荷６１ａ，６１ｃで消費される電力が所定の閾値以下であり且つ接合部８２，８３で入出力される電力が所定値以下である場合、スイッチ８５の切り替えにより、接合部８１の接続先に第４入出力ポート６０ｄを選択する。言い換えれば、第４入出力ポート６０ｄの接続先に接合部８１を選択する。この場合、接合部８１からの電力は、第４入出力ポート６０ｄに入力され、２次側フルブリッジ回路３００を経由し、第３入出力ポート６０ｂに接続される２次側高電圧系電源６２ｂに供給される（例えば、図１１の使用パターン６参照）。これにより、接合部８１の電力をスイッチ８５の切り替えにより第１入出力ポート６０ａに入力して変圧器４００を介して２次側高電圧系電源６２ｂに供給する場合に比べて、電力の経路が通過する素子の数が少ないため、電力変換効率が向上する。

選択回路８４は、接合部８１から第３入出力ポート６０ｂに給電する場合、第４入出力ポート６０ｄの接続先に接合部８１を選択し、第３入出力ポート６０ｂから接合部８３に給電する場合、ポート６０ｄの接続先に接合部８３を選択する。第３入出力ポート６０ｂは、１次側ポートと２次側ポートのうち第４入出力ポート６０ｄと同じ側に設けられた、第４入出力ポート６０ｄとは別のポートである。第３入出力ポート６０ｂは、２次側コイル３０２に２次側フルブリッジ回路３００を介して接続されたポートである。２次側コイル３０２は、変圧器４００に構成される複数のコイルのうち、第４入出力ポート６０ｄと同じ側のコイルである。

以上、電力変換装置及び電力変換方法を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。

また、第１入出力ポート６０ａに電源が接続されてもよいし、第４入出力ポート６０ｄに電源が接続されてもよい。また、第２入出力ポート６０ｃに電源が接続されなくてもよいし、第３入出力ポート６０ｂに電源が接続されなくてもよい。

また、図１において、第２入出力ポート６０ｃに１次側低電圧系電源６２ｃが接続されているが、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃのいずれにも電源が接続されなくてもよい。

また、本発明は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置に適用できる。例えば、本発明は、図１に例示された４つの入出力ポートのうちいずれか一つの入出力ポートが無い構成を有する電源装置に対しても適用できる。

ソーラー電源は、車両に搭載された電源に限らず、車両に接続可能な外部電源でもよい。直流電源接合部の一例として、接合部８１を例示したが、接合部８１は、負荷接合部でもよい。

また、図４に示した組み合わせは単なる一例にすぎず、他の使用パターンも考えられる。例えば、使用パターン３又は使用パターン４において、ソーラー電源を使用することも可能である。

１０ 電源回路
２０ １次側変換回路
３０ ２次側変換回路
５０ 制御部
５１ ＰＩＤ制御部
５２ 位相差指令値生成部
５３ デューティ比指令値生成部
５４ 比較部
５５ 制御切替部
６０ａ 第１入出力ポート（他のポートの一例）
６０ｂ 第３入出力ポート（他のポートの一例）
６０ｃ 第２入出力ポート（他のポートの一例）
６０ｄ 第４入出力ポート（特定のポートの一例）
７０ センサ部
８０ ソーラー電源（直流電源の一例）
８１ 接合部（直流電源接合部又は特定の接合部の一例）
８２ 接合部（交流電源接合部の一例）
８３ 接合部（負荷接合部又は他の接合部の一例）
８４ 選択回路
８５，８６，８７ スイッチ
８８ コンバータ
９１ 交流電源
９２ 電気負荷
１０１ 電源装置（電力変換装置の一例）
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７ １次側第１アーム回路
２１１ １次側第２アーム回路
２０７ｍ，２１１ｍ 中点
２１３ 切替回路
２９７ １次側第２正極母線
２９８ １次側正極母線（１次側第１正極母線）
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０４ ２次側磁気結合リアクトル
３０７ ２次側第１アーム回路
３１１ ２次側第２アーム回路
３０７ｍ，３１１ｍ 中点
３９７ ２次側第２正極母線
３９８ ２次側正極母線（２次側第１正極母線）
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
Ｕ＊，Ｖ＊ 上アーム
／Ｕ＊，／Ｖ＊ 下アーム

Claims (24)

1. 少なくとも３つ以上の複数のポートを有し、前記複数のポートのうちどの２つのポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置であって、
   電源又は負荷と接合可能な複数の接合部と、
   前記複数のポートのうち特定のポートの接続先を前記複数の接合部から選択する選択回路とを備えることを特徴とする、電力変換装置。
2. 前記複数の接合部は、電源と接合可能な電源接合部と、前記電源接合部とは異なる他の接合部とを含み、
   前記選択回路は、前記特定のポートの接続先に、前記電源接合部と前記他の接合部のいずれかを選択する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記選択回路は、前記他の接合部で入出力される電力が所定値以下である場合、前記特定のポートの接続先に前記電源接合部を選択する、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数のポートは、前記特定のポートとは異なる他のポートを含み、
   前記選択回路は、前記電源接合部の接続先に、前記特定のポートと前記他のポートのいずれかを選択する、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記選択回路は、前記他のポートに接続された負荷で消費される電力が所定の閾値よりも大きい場合、前記電源接合部の接続先に前記他のポートを選択する、請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記選択回路は、前記他の接合部で入出力される電力が所定値以下であり且つ前記他のポートに接続された負荷で消費される電力が所定の閾値以下である場合、前記電源接合部の接続先に前記特定のポートを選択する、請求項４又は５に記載の電力変換装置。
7. 前記複数のポートは、前記特定のポートとは異なる他のポートを含み、
   前記選択回路は、前記他のポートの接続先に、前記特定のポートの接続先に選択された接合部とは異なる他の接合部を選択する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記選択回路は、前記複数の接合部のうち特定の接合部の接続先を前記複数のポートから選択する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記複数のポートは、前記特定のポートとは異なる他のポートを含み、
   前記選択回路は、前記特定の接合部の接続先に、前記特定のポートと前記他のポートのいずれかを選択する、請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記複数の接合部は、前記特定の接合部とは異なる他の接合部を含み、
    前記選択回路は、前記特定のポートの接続先に、前記特定の接合部と前記他の接合部のいずれかを選択する、請求項８又は９に記載の電力変換装置。
11. 前記特定の接合部は、電源と接合可能な電源接合部である、請求項８から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
12. 前記他の接合部は、負荷と接合可能な負荷接合部である、請求項２から７，１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
13. 前記他のポートは、前記特定のポートに変圧器を介して接続されたポートである、請求項４から７，９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記複数のポートは、１次側ポートと、前記１次側ポートに変圧器を介して接続された２次側ポートとを含み、
    前記複数の接合部は、電源と接合可能な電源接合部と、負荷と接合可能な負荷接合部とを含み、
    前記選択回路は、前記電源接合部から、前記１次側ポートと前記２次側ポートのうち前記特定のポートと同じ側の別ポートに給電する場合、前記特定のポートの接続先に前記電源接合部を選択し、前記別ポートから前記負荷接合部に給電する場合、前記特定のポートの接続先に前記負荷接合部を選択する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
15. 前記特定のポートは、前記変圧器のセンタータップに接続されたポートである、請求項１３又は１４に記載の電力変換装置。
16. 前記複数のポートは、前記変圧器に構成されるコイルのうち前記特定のポートと同じ側のコイルにフルブリッジ回路を介して接続されたポートを含む、請求項１５に記載の電力変換装置。
17. 前記電源接合部は、交流電源と接合可能な交流電源接合部又は直流電源と接合可能な直流電源接合部を含む、請求項２から６，１１，１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
18. 前記直流電源接合部は、ソーラー電源と接合可能な、請求項１７に記載の電力変換装置。
19. 前記負荷接合部は、交流電力を出力する、請求項１２又は１４に記載の電力変換装置。
20. 少なくとも３つ以上の複数のポートを有し、前記複数のポートのうちどの２つのポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置であって、
    電源又は負荷と接合可能な接合部と、
    前記接合部の接続先を前記複数のポートから選択する選択回路とを備えることを特徴とする、電力変換装置。
21. 前記複数のポートは、１次側ポートと、前記１次側ポートに変圧器を介して接続された２次側ポートとを含み、
    前記選択回路は、前記接合部の接続先に、前記１次側ポートと前記２次側ポートのいずれかを選択する、請求項２０に記載の電力変換装置。
22. 前記選択回路は、前記接合部の使用パターンに応じて、前記接続先を選択する、請求項１から２１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
23. 少なくとも３つ以上の複数のポートのうち任意の２つのポート間で電力を変換する電力変換方法であって、
    前記複数のポートのうち特定のポートの接続先を、電源又は負荷と接合可能な複数の接合部から選択することを特徴とする、電力変換方法。
24. 少なくとも３つ以上の複数のポートのうち任意の２つのポート間で電力を変換する電力変換装置であって、
    電源又は負荷と接合可能な接合部の接続先を前記複数のポートから選択することを特徴とする、電力変換方法。

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