JP2015104287A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝送電力を高精度に制御できる、電力変換装置を提供すること。【解決手段】１次側ポートを有する１次側回路と、２次側ポートを有する２次側回路と、前記１次側ポート又は前記２次側ポートに流れる電流に基づいて得られるフィードバック値に適合する制御定数を、前記フィードバック値と前記制御定数との関係則から導出し、前記関係則から導出した前記制御定数を用いて前記１次側回路と前記２次側回路との間の位相差を調整することによって、前記１次側回路と前記２次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部とを備える、電力変換装置。【選択図】図５

Description

本発明は、電力を変換する技術に関する。
従来、１次側回路の１次側ポートと２次側回路の２次側ポートとの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）。この電力変換装置は、１次側回路と２次側回路との間で伝送される伝送電力ＰＤＤが指令伝送電力ＰＤＤ ＊となるように、伝送電力ＰＤＤをフィードバックして１次側回路と２次側回路との間の位相差φを調整するものである。
特開２０１１−１９３７１３号公報
しかしながら、特許文献１に開示されたフィードバックでは、ポートに流れる電流の目標値が決まっていないため、ポートに流れる電流が大きく変化すると、伝送電力を高精度に制御することが難しい場合がある。そこで、伝送電力を高精度に制御できる、電力変換装置及び電力変換方法の提供を目的とする。
一つの案では、
１次側ポートを有する１次側回路と、
２次側ポートを有する２次側回路と、
前記１次側ポート又は前記２次側ポートに流れる電流に基づいて得られるフィードバック値に適合する制御定数を、前記フィードバック値と前記制御定数との関係則から導出し、前記関係則から導出した前記制御定数を用いて前記１次側回路と前記２次側回路との間の位相差を調整することによって、前記１次側回路と前記２次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部とを備える、電力変換装置が提供される。
一態様によれば、伝送電力を高精度に制御できる。
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 電力フィードバック制御系の第１の構成例を示す図 電力フィードバック制御系の第２の構成例を示す図 電力フィードバック制御系の第３の構成例を示す図
＜電源装置１０１の構成＞
図１は、電力変換装置の一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、エンジンを走行駆動源とする車両に搭載されてもよい。
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ｋ１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ｋ２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。目標伝送電力は、指令伝送電力とも呼ばれる。
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ｋＴ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。
＜電力フィードバック制御＞
図４は、第３入出力ポート６０ｂから第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃに伝送される伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊となるように、伝送電力ＰＡ＋Ｃをフィードバックして位相差φを調整する電力フィードバック制御系の第１の構成例を示す図である。制御部５０は、図４に示した電力フィードバック制御系に基づいて、位相差φを調整することにより伝送電力ＰＡ＋Ｃを制御する電力変換方法を実行する。
伝送電力ＰＡ＋Ｃは、２次側変換回路３０から変圧器４００を介して１次側変換回路２０に伝送される電力であり、第１入出力ポート６０ａに伝送される伝送電力ＰＡと第２入出力ポート６０ｃに伝送される伝送電力ＰＣとの和に等しい。伝送電力ＰＡは、第１入出力ポート６０ａから出力されるポート電圧Ｖａの検出電圧値ＶＡと第１入出力ポート６０ａから出力されるポート電流Ｉａの検出電流値ＩＡとの積に等しい。伝送電力ＰＣは、第２入出力ポート６０ｃから出力されるポート電圧Ｖｃの検出電圧値ＶＣと第２入出力ポート６０ｃから出力されるポート電流Ｉｃの検出電流値ＩＣとの積に等しい。
制御部５０は、フィードフォワード部５１と、減算部５２と、制御演算部５３と、加算部５４とを有している。
フィードフォワード部５１は、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊を伝送するための、位相差φの制御中心値φＦＦを生成する。フィードフォワード部５１は、例えば、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に対応する制御中心値φＦＦを上記の式１に基づいて生成する。
減算部５２は、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊と、制御部５０にフィードバック入力される伝送電力ＰＡ＋Ｃとの偏差ΔＰＡ＋Ｃを算出する。
制御演算部５３は、偏差ΔＰＡ＋Ｃと比例ゲインＫＰとを乗算することによって、位相差φの調整基準値φＡ＋Ｃを導出する比例制御（Ｐ制御）を行う。比例ゲインＫＰは、偏差ΔＰＡ＋Ｃに乗算される制御定数であり、偏差ΔＰＡ＋Ｃに比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）に使用される比例定数である。
制御演算部５３は、偏差ΔＰＡ＋Ｃに比例して位相差φを変化させる上記の比例動作と、偏差ΔＰＡ＋Ｃの積分に比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで位相差φを変化させる積分動作（Ｉ動作）とを組み合わせたＰＩ制御を行うものでもよい。また、制御演算部５３は、このＰＩ制御の比例動作及び積分動作と、偏差ΔＰＡ＋Ｃの微分に比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで位相差φを変化させる微分動作（Ｄ動作）とを組み合わせたＰＩＤ制御を行うものでもよい。
加算部５４は、制御中心値φＦＦと調整基準値φＡ＋Ｃとを加算することによって、新たな位相差φを求める。つまり、位相差φの調整が可能となる。
図４の場合、第１入出力ポート６０ａに流れるポート電流Ｉａの目標値及び第２入出力ポート６０ｃに流れるポート電流Ｉｃの目標値が決まっていない。そのため、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊には、制御部５０にフィードバック入力される伝送電力ＰＡ，ＰＣと同じ検出電流値ＩＡ，ＩＣが用いられている。すなわち、図４では、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊は、目標電圧値ＶＡ ＊と検出電流値ＩＡとの積と、目標電圧値ＶＣ ＊と検出電流値ＩＡとの積との和で定義されている。目標電圧値ＶＡ ＊は、第１入出力ポート６０ａの使用電圧範囲内で設定される電圧値（例えば、４８Ｖ）であり、目標電圧値ＶＣ ＊は、第２入出力ポート６０ｃの使用電圧範囲内で設定される電圧値（例えば、１２Ｖ）である。
したがって、図４の場合、偏差ΔＰＡ＋Ｃは、
ΔＰＡ＋Ｃ
＝（ＶＡ ＊ＩＡ＋ＶＣ ＊ＩＣ）−（ＶＡＩＡ＋ＶＣＩＣ）
＝（ＶＡ ＊−ＶＡ）ＩＡ＋（ＶＣ ＊−ＶＣ）ＩＣ
＝ΔＶＡＩＡ＋ΔＶＣＩＣ
と計算される。つまり、電流に関しては、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃにおける電流偏差ではなく、検出電流値ＩＡ，ＩＣがそのまま、制御演算部５３で行われる比例制御の演算に用いられる。
比例制御の演算における比例項の比例ゲインをＫＰとする場合、比例項は、
（ΔＶＡＩＡ＋ΔＶＣＩＣ）ＫＰ＝ΔＶＡＩＡＫＰ＋ΔＶＣＩＣＫＰ
と表される。つまり、位相差φは、第１入出力ポート６０ａの現在の検出電流値ＩＡと比例ゲインＫＰとの積ＩＡＫＰ、及び第２入出力ポート６０ｃの現在の検出電流値ＩＣと比例ゲインＫＰとの積ＩＣＫＰに基づいて、計算される。
しかし、比例ゲインＫＰが仮に一定値であるならば、第１入出力ポート６０ａに流れるポート電流Ｉａ又は第２入出力ポート６０ｃに流れるポート電流Ｉｃが大きく変化すると、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に高精度に追従させる制御をすることが難しい。なぜならば、ポート電流の電流値が低い場合には、ポート電流の電流値が高い場合に比べて高い比例ゲインＫＰが必要となり、ポート電流の電流値が高い場合には、ポート電流の電流値が低い場合に比べて低い比例ゲインＫＰが必要となるからである。
そこで、制御部５０は、ポート電流Ｉａ及びポート電流Ｉｃに基づいて得られるフィードバック値に適合する制御定数を、フィードバック値と制御定数との関係を定めた関係則から導出する。そして、制御部５０は、その関係則から導出した制御定数を用いて位相差φを調整することによって、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に追従させる制御を行う。このように導出した制御定数を用いて位相差φを調整することにより、ポートに流れるポート電流が大きく変化しても、そのときのポート電流に最適な制御定数を用いて、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に追従するように位相差φを調整できる。その結果、制御部５０は、ポートに流れるポート電流が大きく変化しても、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に高精度に追従させることができる。
図４には、制御演算部５３が、比例ゲインＫＰをゲインマップ５５から導出し、ゲインマップ５５から導出した比例ゲインＫＰを用いて位相差φを調整基準値φＡ＋Ｃの調整により調整することによって、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に追従させる制御を行う例が示されている。（ＩＡ＋ＩＣ）／２は、ポート電流Ｉａ及びポート電流Ｉｃに基づいて得られるフィードバック値の一例であり、検出電流値ＩＡと検出電流値ＩＣとの相加平均値である。比例ゲインＫＰは、ポート電流Ｉａ及びポート電流Ｉｃに基づいて得られるフィードバック値に対応する制御定数の一例である。ゲインマップ５５は、フィードバック値と制御定数との関係を定めた関係則の一例である。
なお、この場合のフィードバック値は、検出電流値ＩＡと検出電流値ＩＣとの相加平均値に限られず、例えば、検出電流値ＩＡと検出電流値ＩＣとの加重平均値（重み付き平均値）などの平均値であってもよい。
このように、制御演算部５３は、ゲインマップ５５から導出した比例ゲインＫＰを用いて、偏差ΔＰＡ＋Ｃに比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで、位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）を行う。つまり、制御部５０は、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に追従するように、位相差φを調整できる。
ゲインマップ５５は、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な比例ゲインＫＰを、（ＩＡ＋ＩＣ）／２が取り得る各値に応じて導出できるように予め作成され、制御部５０がアクセス可能な記憶装置に予め記憶されている。比例ゲインＫＰは、（ＩＡ＋ＩＣ）／２が大きいほど小さな値がゲインマップ５５から導出されるように記憶装置に記憶されている。
例えば、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な比例ゲインＫＰが、電源回路１０の設計段階又は工場で製造された電源回路１０を検査する工程で、（ＩＡ＋ＩＣ）／２が取り得る各値に対して予め測定される。そして、測定された比例ゲインＫＰが（ＩＡ＋ＩＣ）／２の各値に対応付けられて構成されたゲインマップ５５が記憶装置に記憶される。これにより、制御部５０は、記憶装置に記憶されたゲインマップ５５に従って、（ＩＡ＋ＩＣ）／２に対応する比例ゲインＫＰを導出できる。
したがって、制御部５０は、現在の検出電流値ＩＡ，ＩＣに応じた最適な値に比例ゲインＫＰを変化させることができる。そして、制御部５０は、現在の検出電流値ＩＡ，ＩＣでの位相差φの調整に最適な比例ゲインＫＰをゲインマップ５５から導出できるため、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度に追従するように位相差φを調整できる。
図５は、第３入出力ポート６０ｂから第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃに伝送される伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊となるように、伝送電力ＰＡ＋Ｃをフィードバックして位相差φを調整する電力フィードバック制御系を有する制御部５０の第２の構成例を示す図である。制御部５０は、図５に示した電力フィードバック制御系に基づいて、位相差φを調整することにより伝送電力ＰＡ＋Ｃを制御する電力変換方法を実行する。
制御部５０は、減算部１５２と、制御演算部１５３と、ゲインマップ１５４とを有している。
減算部１５２は、指令伝送電力ＰＡ ＊と、制御部５０にフィードバック入力される伝送電力ＰＡとの偏差ΔＰＡを算出する。
伝送電力ＰＡは、２次側変換回路３０から変圧器４００を介して１次側変換回路２０に伝送される伝送電力Ｐ（図５の場合、伝送電力ＰＡ＋Ｃに相当）の一部である。伝送電力ＰＡは、第１入出力ポート６０ａから出力されるポート電圧Ｖａの検出電圧値ＶＡと第１入出力ポート６０ａから出力されるポート電流Ｉａの検出電流値ＩＡとの積に等しい。制御部５０は、検出電圧値ＶＡと検出電流値ＩＡの両方を、同じ取得タイミングで、図１に示したセンサ部７０から周期的に取得する。
指令伝送電力ＰＡ ＊は、検出電流値ＩＡを用いて設定される目標電力値であり、目標電圧値ＶＡ ＊と検出電流値ＩＡとの積とに等しい。目標電圧値ＶＡ ＊は、第１入出力ポート６０ａの使用電圧範囲内で設定される電圧値（例えば、４８Ｖ）であり、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。
制御演算部１５３は、偏差ΔＰＡと比例ゲインＫＰＡとを乗算することによって、位相差φの調整基準値φＲＡを導出する比例制御（Ｐ制御）を行う。比例ゲインＫＰＡは、偏差ΔＰＡに乗算される制御定数であり、偏差ΔＰＡに比例して調整基準値φＲＡを変化させることで位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）に使用される比例定数である。
制御演算部１５３は、偏差ΔＰＡに比例して位相差φを変化させる上記の比例動作と、偏差ΔＰＡの積分に比例して調整基準値φＲＡを変化させることで位相差φを変化させる積分動作（Ｉ動作）とを組み合わせたＰＩ制御を行うものでもよい。また、制御演算部１５３は、このＰＩ制御の比例動作及び積分動作と、偏差ΔＰＡの微分に比例して調整基準値φＲＡを変化させることで位相差φを変化させる微分動作（Ｄ動作）とを組み合わせたＰＩＤ制御を行うものでもよい。
制御演算部１５３は、検出電流値ＩＡに適合する比例ゲインＫＰＡをゲインマップ１５４から導出し、偏差ΔＰＡとゲインマップ１５４から導出した比例ゲインＫＰＡとを乗算することによって、調整基準値φＲＡを導出する。検出電流値ＩＡは、伝送電力ＰＡの伝送先である第１入出力ポート６０ａに流れるポート電流Ｉａに基づいて得られる第１のフィードバック電流値である。ゲインマップ１５４は、検出電流値ＩＡと、検出電流値ＩＡに適合する比例ゲインＫＰＡとの関係を定めた第１の関係則である。
このように、制御演算部１５３は、ゲインマップ１５４から導出した比例ゲインＫＰＡを用いて、偏差ΔＰＡに比例して調整基準値φＲＡを変化させることで、位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）を行う。
制御部５０は、減算部１５５と、制御演算部１５６と、ゲインマップ１５７とを有している。
減算部１５５は、指令伝送電力ＰＣ ＊と、制御部５０にフィードバック入力される伝送電力ＰＣとの偏差ΔＰＣを算出する。
伝送電力ＰＣは、２次側変換回路３０から変圧器４００を介して１次側変換回路２０に伝送される伝送電力Ｐ（図５の場合、伝送電力ＰＡ＋Ｃに相当）の一部である。伝送電力ＰＣは、第２入出力ポート６０ｃから出力されるポート電圧Ｖｃの検出電圧値ＶＣと第２入出力ポート６０ｃから出力されるポート電流Ｉｃの検出電流値ＩＣとの積に等しい。制御部５０は、検出電圧値ＶＣと検出電流値ＩＣの両方を、同じ取得タイミングで、図１に示したセンサ部７０から周期的に取得する。検出電圧値ＶＣと検出電流値ＩＣの両方の取得タイミングは、伝送電力Ｐを高精度に制御するため、検出電圧値ＶＡと検出電流値ＩＡの両方の取得タイミングと同じであることが好ましい。
指令伝送電力ＰＣ ＊は、検出電流値ＩＣを用いて設定される目標電力値であり、目標電圧値ＶＣ ＊と検出電流値ＩＣとの積とに等しい。目標電圧値ＶＣ ＊は、第２入出力ポート６０ｃの使用電圧範囲内で設定される電圧値（例えば、１２Ｖ）であり、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。
制御演算部１５６は、偏差ΔＰＣと比例ゲインＫＰＣとを乗算することによって、位相差φの調整基準値φＲＣを導出する比例制御（Ｐ制御）を行う。比例ゲインＫＰＣは、偏差ΔＰＣに乗算される制御定数であり、偏差ΔＰＣに比例して調整基準値φＲＣを変化させることで位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）に使用される比例定数である。
制御演算部１５６は、偏差ΔＰＣに比例して位相差φを変化させる上記の比例動作と、偏差ΔＰＣの積分に比例して調整基準値φＲＣを変化させることで位相差φを変化させる積分動作（Ｉ動作）とを組み合わせたＰＩ制御を行うものでもよい。また、制御演算部１５６は、このＰＩ制御の比例動作及び積分動作と、偏差ΔＰＣの微分に比例して調整基準値φＲＣを変化させることで位相差φを変化させる微分動作（Ｄ動作）とを組み合わせたＰＩＤ制御を行うものでもよい。
制御演算部１５６は、検出電流値ＩＣに適合する比例ゲインＫＰＣをゲインマップ１５７から導出し、偏差ΔＰＣとゲインマップ１５７から導出した比例ゲインＫＰＣとを乗算することによって、調整基準値φＲＣを導出する。検出電流値ＩＣは、伝送電力ＰＣの伝送先である第２入出力ポート６０ｃに流れるポート電流Ｉｃに基づいて得られる第２のフィードバック電流値である。第２入出力ポート６０ｃは、第１入出力ポート６０ａの電力が降圧方向に電圧変換されて電圧変換後の電力が伝送される。ゲインマップ１５７は、検出電流値ＩＣと、検出電流値ＩＣに適合する比例ゲインＫＰＣとの関係を定めた第２の関係則である。
このように、制御演算部１５６は、ゲインマップ１５７から導出した比例ゲインＫＰＣを用いて、偏差ΔＰＣに比例して調整基準値φＲＣを変化させることで、位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）を行う。
制御部５０は、加算部１５８と、フィードフォワード部１５１と、加算部１５９とを有している。
加算部１５８は、調整基準値φＲＡと調整基準値φＲＣとを加算して、位相差φの調整基準値φＡ＋Ｃを算出する。フィードフォワード部１５１は、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊を伝送するための、位相差φの制御中心値φＦＦを生成する。フィードフォワード部１５１は、例えば、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に対応する制御中心値φＦＦを上記の式１に基づいて生成する。加算部１５９は、制御中心値φＦＦと調整基準値φＡ＋Ｃとを加算することによって、新たな位相差φを求める。つまり、制御部５０は、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に追従するように、位相差φを調整できる。
ゲインマップ１５４は、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な比例ゲインＫＰＡを、検出電流値ＩＡの各値に応じて導出できるように予め作成され、制御部５０がアクセス可能な記憶装置に予め記憶されている。比例ゲインＫＰＡは、検出電流値ＩＡが大きいほど小さな値がゲインマップ１５４から導出されるように記憶装置に記憶されている。
例えば、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な比例ゲインＫＰＡが、電源回路１０の設計段階又は工場で製造された電源回路１０を検査する工程で、検出電流値ＩＡの各値に対して予め測定される。そして、測定された比例ゲインＫＰＡが検出電流値ＩＡの各値に対応付けられて構成されたゲインマップ１５４が記憶装置に記憶される。これにより、制御部５０は、記憶装置に記憶されたゲインマップ１５４に従って、検出電流値ＩＡに対応する比例ゲインＫＰＡを導出できる。
同様に、ゲインマップ１５７は、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な比例ゲインＫＰＣを、検出電流値ＩＣの各値に応じて導出できるように予め作成され、制御部５０がアクセス可能な記憶装置に予め記憶されている。比例ゲインＫＰＣは、検出電流値ＩＣが大きいほど小さな値がゲインマップ１５７から導出されるように記憶装置に記憶されている。
例えば、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な比例ゲインＫＰＣが、電源回路１０の設計段階又は工場で製造された電源回路１０を検査する工程で、検出電流値ＩＣの各値に対して予め測定される。そして、測定された比例ゲインＫＰＣが検出電流値ＩＣの各値に対応付けられて構成されたゲインマップ１５７が記憶装置に記憶される。これにより、制御部５０は、記憶装置に記憶されたゲインマップ１５７に従って、検出電流値ＩＣに対応する比例ゲインＫＰＣを導出できる。
したがって、制御部５０は、現在の検出電流値ＩＡ，ＩＣに応じた最適な値に比例ゲインＫＰＡ，ＫＰＣを変化させることができる。そして、制御部５０は、現在の検出電流値ＩＡ，ＩＣでの位相差φの調整に最適な比例ゲインＫＰＡ，ＫＰＣをゲインマップ１５４，１５７から導出できるため、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度に追従するように位相差φを調整できる。
また、図５の場合、制御部５０は、検出電流値ＩＡ，ＩＣの各々について最適な比例ゲインを導出可能なゲインマップを有している。そのため、制御部５０は、ポート電流Ｉａとポート電流Ｉｃとが互いに独立に大きく変化しても（例えば、一方のポート電流が増加し、他方のポート電流が減少しても）、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度に追従するように位相差φを調整できる。
図６は、第３入出力ポート６０ｂから第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃに伝送される伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊となるように、伝送電力ＰＡ＋Ｃをフィードバックして位相差φを調整する電力フィードバック制御系を有する制御部５０の第３の構成例を示す図である。制御部５０は、図６に示した電力フィードバック制御系に基づいて、位相差φを調整することにより伝送電力ＰＡ＋Ｃを制御する電力変換方法を実行する。
制御部５０は、効率マップ２５３と、乗算部２５２と、減算部２５４と、制御演算部２５５と、フィードフォワード部２５１と、加算部２５６とを有している。
図６では、制御部５０は、第３入出力ポート６０ｂから変圧器４００に入力される入力電力ＰＢと、伝送効率ηとによって、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃに伝送される伝送電力ＰＡ＋Ｃの想定値ＰＡ＋Ｃ ＊＊を算出する。
入力電力ＰＢは、第３入出力ポート６０ｂから入力されるポート電圧Ｖｂの検出電圧値ＶＢと第３入出力ポート６０ｂから入力されるポート電流Ｉｂの検出電流値ＩＢとの積に等しい。制御部５０は、検出電圧値ＶＢと検出電流値ＩＢの両方を、同じ取得タイミングで、図１に示したセンサ部７０から周期的に取得する。入力電力ＰＢは、伝送電力ＰＡ＋Ｃの伝送元である第３入出力ポート６０ｂにおけるポート電力である。
伝送効率ηは、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間における伝送電力の変換効率であり、入力電力に対する出力電力の比で表わされる。１次側変換回路２０の１次側ポートと２次側変換回路３０の２次側ポートのうち、一方のポートから入力される入力電力をＰｉｎ、他方のポートから出力される出力電力をＰｏｕｔ、一方のポートから入力される入力電圧をＶｉｎ、他方のポートから出力される出力電圧をＶｏｕｔ、一方のポートから入力される入力電流をＩｉｎ、他方のポートから出力される出力電流をＩｏｕｔと定義すると、伝送効率ηは、
η＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ
＝（Ｖｏｕｔ×Ｉｏｕｔ）／（Ｖｉｎ×Ｉｉｎ）
・・・式２
と表すことができる。
例えば、第３入出力ポート６０ｂから入力される入力電力ＰＢを電圧変換して第１入出力ポート６０ａに電圧変換後の伝送電力ＰＡを出力し、第１入出力ポート６０ａの伝送電力ＰＡを電圧変換して第２入出力ポート６０ｃに電圧変換後の伝送電力ＰＣを出力する場合、伝送効率ηは、式２によれば、
η＝ＰＡ＋Ｃ／ＰＢ
＝（ＰＡ＋ＰＣ）／ＰＢ
＝（ＶＡＩＡ＋ＶＣＩＣ）／（ＶＢＩＢ）
・・・式３
と表すことができる。なお、式３は、第４入出力ポート６０ｄを使用しない場合の式であり、第４入出力ポート６０ｄにおいて入出力される電力は零とする（例えば、２次側低電圧系負荷６１ｄ及びキャパシタＣ４の構成が無い）。
伝送効率ηの値は伝送電力ＰＡ＋Ｃの大きさに応じて変化する特性を有しているため、図６では、伝送電力ＰＡ＋Ｃと伝送効率ηとの関係を定めた効率マップ２５３が予め作成されている。制御部５０は、制御部５０にフィードバック入力される現在の伝送電力ＰＡ＋Ｃに適合する伝送効率ηを効率マップ２５３から導出する。そして、制御部５０は、効率マップ２５３から導出した伝送効率ηに、制御部５０にフィードバック入力される現在の入力電力ＰＢを乗算部２５２により乗算することによって、現在の伝送電力ＰＡ＋Ｃの想定値ＰＡ＋Ｃ ＊＊を算出できる。
制御部５０にフィードバック入力される伝送電力ＰＡ＋Ｃは、伝送電力ＰＡ＋Ｃの伝送先である第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃにおけるポート電流Ｉａ，Ｉｃとポート電圧Ｖａ，Ｖｃとに基づいて得られるフィードバック電力値である。効率マップ２５３は、伝送電力ＰＡ＋Ｃと、伝送電力ＰＡ＋Ｃに適合する伝送効率ηとの関係を定めた関係則である。
減算部２５４は、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊と伝送電力ＰＡ＋Ｃの想定値ＰＡ＋Ｃ ＊＊との偏差ΔＰＡ＋Ｃを算出する。指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊は、検出電流値ＩＡと検出電流値ＩＣとを用いて設定される目標電力値であり、目標電圧値ＶＡ ＊と検出電流値ＩＡとの積と目標電圧値ＶＣ ＊と検出電流値ＩＣとの積との和に等しい。
制御演算部２５５は、偏差ΔＰＡ＋Ｃと比例ゲインＫＰとを乗算することによって、位相差φの調整基準値φＡ＋Ｃを導出する比例制御（Ｐ制御）を行う。比例ゲインＫＰは、偏差ΔＰＡ＋Ｃに乗算される制御定数であり、偏差ΔＰＡ＋Ｃに比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）に使用される比例定数である。
制御演算部２５５は、偏差ΔＰＡ＋Ｃに比例して位相差φを変化させる上記の比例動作と、偏差ΔＰＡ＋Ｃの積分に比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで位相差φを変化させる積分動作（Ｉ動作）とを組み合わせたＰＩ制御を行うものでもよい。また、制御演算部２５５は、このＰＩ制御の比例動作及び積分動作と、偏差ΔＰＡ＋Ｃの微分に比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで位相差φを変化させる微分動作（Ｄ動作）とを組み合わせたＰＩＤ制御を行うものでもよい。
このように、制御演算部２５５は、効率マップ２５３から導出した伝送効率ηを用いて、偏差ΔＰＡ＋Ｃに比例して調整基準値φＡ＋Ｃを変化させることで、位相差φを変化させる比例動作（Ｐ動作）を行う。
フィードフォワード部２５１は、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊を伝送するための、位相差φの制御中心値φＦＦを生成する。フィードフォワード部２５１は、例えば、指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に対応する制御中心値φＦＦを上記の式１に基づいて生成する。加算部２５６は、制御中心値φＦＦと調整基準値φＡ＋Ｃとを加算することによって、新たな位相差φを求める。つまり、制御部５０は、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に追従するように、位相差φを調整できる。
効率マップ２５３は、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な伝送効率ηを、伝送電力ＰＡ＋Ｃの各値に応じて導出できるように予め作成され、制御部５０がアクセス可能な記憶装置に予め記憶されている。伝送効率ηは、例えば、伝送電力ＰＡ＋Ｃが小さいほど小さな値が効率マップ２５３から導出されるように記憶装置に記憶されている。
例えば、伝送電力ＰＡ＋Ｃを指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度で追従させることが可能な伝送効率ηが、電源回路１０の設計段階又は工場で製造された電源回路１０を検査する工程で、伝送電力ＰＡ＋Ｃの各値に対して予め測定される。そして、測定された伝送効率ηが伝送電力ＰＡ＋Ｃの各値に対応付けられて構成された効率マップ２５３が記憶装置に記憶される。これにより、制御部５０は、記憶装置に記憶された効率マップ２５３に従って、伝送電力ＰＡ＋Ｃに対応する伝送効率ηを導出できる。
したがって、制御部５０は、現在の伝送電力ＰＡ＋Ｃでの位相差φの調整に最適な伝送効率ηを効率マップ２５３から導出できるため、伝送電力ＰＡ＋Ｃが指令伝送電力ＰＡ＋Ｃ ＊に所望の高精度に追従するように位相差φを一定の比例ゲインＫＰで調整できる。
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。
また、上述の説明において、１次側を２次側と定義し、２次側を１次側と定義してもよい。上述の説明では、伝送電力Ｐが２次側ポートから１次側ポートに伝送される場合を例示したが、伝送電力Ｐが１次側ポートから２次側ポートに伝送される場合に上述の説明を適用できる。
また、例えば、フィードバック値と制御定数との関係を定めた関係則は、マップに限られず、フィードバック値と制御定数との関係を定めた回帰式でもよい。
また、制御部５０は、フィードバック電流値に適合する積分ゲインを、フィードバック電流値と積分ゲインとの関係を定めた関係則から導出し、その関係則から導出した積分ゲインを用いて位相差φを調整することによって、伝送電力Ｐを制御してもよい。この場合、制御部５０は、関係則から導出した積分ゲインを用いて、伝送電力Ｐと指令伝送電力Ｐ＊との偏差ΔＰの積分に比例して位相差φを変化させる積分動作（Ｉ動作）を行うとよい。
また、制御部５０は、フィードバック電流値に適合する微分ゲインを、フィードバック電流値と微分ゲインとの関係を定めた関係則から導出し、その関係則から導出した微分ゲインを用いて位相差φを調整することによって、伝送電力Ｐを制御してもよい。この場合、制御部５０は、関係則から導出した微分ゲインを用いて、伝送電力Ｐと指令伝送電力Ｐ＊との偏差ΔＰの微分に比例して位相差φを変化させる微分動作（Ｄ動作）を行うとよい。
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
５１，１５１，２５１ フィードフォワード部
５２，１５２，１５５，１５４ 減算部
５３，１５３，１５６，２５５ 制御演算部
５４，１５８，１５９，２５６ 加算部
５５，１５４，１５７ ゲインマップ
６０ａ 第１入出力ポート
６０ｂ 第３入出力ポート
６０ｃ 第２入出力ポート
６０ｄ 第４入出力ポート
７０ センサ部
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
２５２ 乗算部
２５３ 効率マップ
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 (11)

  1. １次側ポートを有する１次側回路と、
    ２次側ポートを有する２次側回路と、
    前記１次側ポート又は前記２次側ポートに流れる電流に基づいて得られるフィードバック値に適合する制御定数を、前記フィードバック値と前記制御定数との関係則から導出し、前記関係則から導出した前記制御定数を用いて前記１次側回路と前記２次側回路との間の位相差を調整することによって、前記１次側回路と前記２次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部とを備える、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、前記関係則から導出した前記制御定数を用いて、前記伝送電力と指令伝送電力との偏差に比例して前記位相差を変化させる比例動作を行う、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記指令伝送電力は、前記電流の検出値を用いて設定される、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御定数は、前記偏差に乗算される比例ゲインである、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  5. 前記比例ゲインは、前記電流が大きいほど小さな値が導出される、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記１次側ポートと前記２次側ポートのうちの一方が、前記伝送電力の伝送先である第１の伝送先ポートと、前記第１の伝送先ポートの電力が電圧変換されて電圧変換後の電力が伝送される第２の伝送先ポートとを有し、
    前記関係則は、
    前記第１の伝送先ポートに流れる電流に基づいて得られる第１のフィードバック電流値と、前記第１のフィードバック電流値に適合する第１の比例ゲインとの第１の関係則と、
    前記第２の伝送先ポートに流れる電流に基づいて得られる第２のフィードバック電流値と、前記第２のフィードバック電流値に適合する第２の比例ゲインとの第２の関係則とを含み、
    前記制御部は、前記第１の関係則から導出した前記第１の比例ゲインと前記第２の関係則から導出した前記第２の比例ゲインとを用いて、前記位相差を調整することによって、前記伝送電力を制御する、請求項４又は５に記載の電力変換装置。
  7. 前記制御定数は、前記１次側変換回路と前記２次側変換回路との間における前記伝送電力の伝送効率である、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  8. 前記関係則は、前記伝送電力の伝送先ポートに流れる電流と前記伝送先ポートの電圧とに基づいて得られるフィードバック電力値と、前記フィードバック電力値に適合する前記伝送効率との関係を定めた、請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 前記偏差は、前記伝送電力の想定値と前記指令伝送電力との差であり、
    前記想定値は、前記伝送電力の伝送元ポートの電力と、前記関係則から導出された前記伝送効率との積である、請求項８に記載の電力変換装置。
  10. 前記関係則は、マップである、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  11. １次側回路の１次側ポート又は２次側回路の２次側ポートに流れる電流に基づいて得られるフィードバック値に適合する制御定数を、前記フィードバック値と前記制御定数との関係則から導出し、前記関係則から導出した前記制御定数を用いて前記１次側回路と前記２次側回路との間の位相差を調整することによって、前記１次側回路と前記２次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する、電力変換方法。
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