JP2016005323A - コンバータ及びコンバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な回路構成や制御で、広範囲な入出力電圧及び入出力電流に対応できるコンバータを提供する。【解決手段】制御回路は、制御対象検出値と基準値とに対応する誤差増幅信号を求め、誤差増幅信号が第１の三角波状信号と交わるときは、誤差増幅信号と第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、誤差増幅信号が第２の三角波状信号と交わるときは、誤差増幅信号と第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、誤差増幅信号が第３の三角波状信号と交わるときは、誤差増幅信号と第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して第２回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とするコンバータ。【選択図】図１

Description

本発明は、広範囲の入出力の電圧や電流又は電力に対応できるコンバータ及びコンバータの制御方法に関する。

一般的にＤＣ−ＤＣコンバータには、入力側と出力側を絶縁するためのトランスが用いられる。このトランスの入力側と出力側との巻数比に応じて、入力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力することができる。従来のＤＣ−ＤＣコンバータとして、例えば特許文献１のＤＣ−ＤＣコンバータでは、昇圧用のトランスを用いている。このＤＣ−ＤＣコンバータは、第１、第４スイッチング素子がオンのとき、第２、第３スイッチング素子をオフとし、次の期間にこれらの動作を反転させて各期間を交互に発生させることで、高周波交流電圧矩形波を発生させる。この動作により生じた高周波交流電圧矩形波は、トランスで昇圧され、全波整流回路を介して出力される。コンバータ制御部は、所望の出力電圧が得られると、インバータ回路の第１、第４スイッチング素子又は第２、第３スイッチング素子をオフさせる。

特許文献２に示されるＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力された直流電圧をインバータのデューティー比制御によって交流にし、得られた交流をトランスで変圧し、整流回路を介して直流電圧を出力している。このＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力電圧の変動に応じてインバータのデューティー比を変動させているため、入力電圧が大きく変動した場合に、デューティー比が小さくなるとトランスの損失が大きくなってしまう。このため、特許文献２に示されるＤＣ−ＤＣコンバータでは、インバータの前に降圧回路を挿入させ、入力電圧が大きい場合には降圧回路を動作させている。また、特許文献２に示されるＤＣ−ＤＣコンバータでは、接続切替回路を設け、入力電圧が大きい場合には接続切替回路を介して出力電圧を下げている。

また、インバータ／コンバータとして働く第１回路をトランスの１次側巻線に接続し、インバータ／コンバータとして働く第２回路をトランスの２次巻線に接続して、双方向に電力を供給することが可能な双方向のコンバータも既に種々提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。特許文献３のコンバータにあっては、商用電源系統からみれば負荷側となる蓄電池などに適するように第２回路を倍電圧整流回路として機能させるなど、独自の回路構成を有するものであるが、広範囲の入、出力側電圧、電流、電力に十分に対応できるとは言えない。また、特許文献４のコンバータはスイッチング損失を低減するために共振を利用し、電力供給方向によって切換手段で回路方式を切り換える。したがって、切換手段などを備えなければならず、回路構成や制御が複雑になる傾向があり、広範囲の入、出力側電圧、電流、電力に十分に対応できるとは言えない。

特開２００８−２７８７２３号公報 特開平１１−１８７６５４号公報 特開２０１１−１２０３７０号公報 特開２０１３−２３００６７号公報

しかしながら、これらのＤＣ−ＤＣコンバータは、広範囲な入出力電圧電流の実現を可能とするには、インバータ内のスイッチング素子をデューティー比制御で対応させるために降圧回路や切替回路などを備えなければならず、回路構成や制御が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、簡素な回路構成及び制御で、広範囲な入出力電圧、入出力電流、入出力電力に対応できるコンバータ及びコンバータの制御方法を提供することを主な目的とする。

本発明に係るコンバータは、スイッチ素子を上下アームとする第１レグと第２レグとが並列に接続され、前記第１レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第２レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作する第１回路と、一方向性素子を上下アームとする第３レグと第４レグとが並列に接続され、前記第３レグもしくは前記第４レグの上下アーム又は前記第３レグ、前記第４レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続される第２回路と、１次巻線側に前記第１回路が接続され、２次巻線側に前記第２回路が接続されるトランスと、前記１次巻線側又は前記２次巻線側に接続されるインダクタンス手段と、制御対象を検出する制御対象検出手段と、前記スイッチ素子に与える駆動信号を形成する制御回路と、を備えたコンバータであって、前記制御回路は、前記制御対象検出手段によって検出した前記コンバータの制御対象検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第１の三角波状信号、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第２の三角波状信号、及び前記第２回路のスイッチ素子用の第３の三角波状信号を形成し、前記誤差増幅信号と前記第１、第２又は第３の三角波状信号とを比較し、前記誤差増幅信号が前記第１の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、前記誤差増幅信号が前記第２の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、前記誤差増幅信号が前記第３の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とする。

また、本発明に係るコンバータの制御方法は、スイッチ素子を上下アームとする第１レグと第２レグとが並列に接続された第１回路は前記第１レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第２レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作し、一方向性素子を上下アームとする第３レグと第４レグとが並列に接続される第２回路は前記第３レグもしくは前記第４レグの上下アーム又は前記第３レグ、前記第４レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続され、前記第１回路に接続されたトランスの１次巻線側に又は前記第２回路に接続された前記トランスの２次巻線側にインダクタンス手段が接続され、 制御対象を検出し、検出した前記制御対象の検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第１の三角波状信号、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第２の三角波状信号、及び前記第２回路のスイッチ素子用の第３の三角波状信号を形成し、前記誤差増幅信号と前記第１、第２又は第３の三角波状信号とを比較し、前記誤差増幅信号が前記第１の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、前記誤差増幅信号が前記第２の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、前記誤差増幅信号が前記第３の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とする。

本発明のコンバータ及びコンバータの制御方法は、簡素な回路構成や制御で、軽負荷を含めた広範囲な入出力電圧、入出力電流及び入出力電力に対応できる。

本発明の第１の実施形態に係る電圧モード制御を行う一方向給電のコンバータの一例を示す図である。 本発明に係るコンバータの動作説明するための３つの三角波形と誤差増幅信号ｘ０との関係を示す波形図である。 誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３と交わる区間（１）の制御動作を説明するための波形図である。 誤差増幅信号ｘ０が第２の三角波状信号ｘ２と交わる区間（２）の制御動作を説明するための波形図である。 誤差増幅信号ｘ０が第１の三角波状信号ｘ１と交わる区間（３）の制御動作を説明するための波形図である。 本発明の第２の実施形態に係る双方向給電が可能なコンバータの一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電流モード制御を行うコンバータの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一形態であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、本明細書の以下の実施形態及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一の名称のものを示すものとする。

（第１の実施形態）
図１〜図５によって本発明に係る第１の実施形態のコンバータについて説明する。図１に、本発明の第１の実施形態に係るコンバータの構成図を示す。第１の実施形態に係るコンバータは、第１回路１と、第２回路２と、第１回路１に１次巻線１１ａが接続されると共に、第２回路２に２次巻線１１ｂが接続されるトランス１１と、１次巻線１１ａに直列接続されたインダクタンス手段Ｌと、制御対象を検出する制御対象検出手段１８と、第１回路１、第２回路２のスイッチ素子に与える駆動信号を形成する制御回路３とを備える。

第１回路１は、第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２との間に接続され、第２回路２は第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４との間に接続される。このコンバータは、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２側から入力される直流を交流に変換してから出力し、トランス１１を介して第２回路２で交流を直流に変換して出力側の第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４側へ直流電力を供給する。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は外付けされる電源からの電力が入力される入力端子であり、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４は、外付けされる負荷等に接続される出力端子である。

第１回路１は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を上、下アームとする第１レグ１２と、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４を上、下アームとする第２レグ１３とが並列に接続される。スイッチ素子Ｑ１には並列に一方向性素子としてのダイオードＤ１とコンデンサＣ１とが接続され、これをスイッチング素子Ｓ１とする。同様に、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４には並列に一方向性素子としてダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４とコンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４とがそれぞれ接続され、これらをスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とする。第１回路１は、第１レグ１２の上、下アームのスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２と第２レグ１３の下、上アームのスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４とを、すなわちスイッチ素子Ｑ１とＱ４又はスイッチ素子Ｑ２とＱ３とを、それぞれ組として動作する。図１では、第１回路１のそれぞれ組となる一方のスイッチ素子を第１レグ１２の上下アームを構成するスイッチ素子Ｑ１とＱ２とし、第１回路のそれぞれ組となる他方のスイッチ素子を第２レグ１３の上下アームを構成するスイッチ素子Ｑ３とＱ４としている。ここでは、一例として、この組となるスイッチ素子Ｑ１とＱ４又はＱ２とＱ３とが同時にオン状態にあるときに、他方のスイッチ素子Ｑ３又はＱ４は、一方のスイッチ素子Ｑ１又はＱ２よりも先にオフする。

第２回路２は、一方向性素子としてダイオードＤ５、Ｄ６を上、下アームとする第３レグ１４と、一方向性素子としてダイオードＤ７、Ｄ８を上、下アームとする第４レグ１５とが並列に接続される。第３レグ１４もしく第４レグ１５の上下アーム又は第３レグ１４、第４レグ１５の上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続される。図１では、第３レグ１４の上、下アームは、一方向性素子としてダイオードＤ５、Ｄ６にそれぞれ並列にスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６が接続され、さらにこれらに並列にコンデンサＣ５、Ｃ６が接続されたスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６で構成されている。なお、ここでは、一方向性素子Ｄ７、Ｄ８は、ダイオードを用いているが、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６と同様のスイッチング素子を用いてもよい。

トランス１１は、１次巻線１１ａ側に第１回路１が接続され、２次巻線１１ｂ側に第２回路２が接続される。１次巻線１１ａは、第１回路１の第１レグ１２の上下アームを構成するスイッチング素子Ｓ１とＳ２との接続点側と第１回路１の第２レグ１３の上下アームを構成するスイッチング素子Ｓ３とＳ４との接続点側とにそれぞれ接続される。２次巻線１１ｂは、第２回路２の第３レグ１４の上下アームを構成するスイッチング素子Ｓ５とＳ６との接続点側と第２回路２の第４レグ１５の上下アームを構成する一方向性素子Ｄ７とＤ８との接続点側とにそれぞれ接続される。

インダクタンス手段Ｌは、１次巻線１１ａ側又は２次巻線１１ｂ側に接続される。図１では、インダクタンス手段Ｌは、トランス１１の１次巻線１１ａを介して、第１レグ１２の上、下アームの接続点側と第２レグ１３の上、下アームの接続点側とに接続される。インダクタンス手段Ｌ１を２次巻線１１ｂ側に接続させる場合は、２次巻線１１ｂを介して、第３レグ１４の上下アームのスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６が直列に接続される接続点側と第４レグ１５の一方向性素子Ｄ７、Ｄ８が直列に接続される他方の接続点側とに接続される。つまり、インダクタンス手段Ｌは、１次巻線１１ａ又は２次巻線１１ｂと直列に接続される。また、図１では、インダクタンス手段Ｌの一端が第１レグ１２の上、下アームの接続点側に、他端がトランス１１の１次巻線１１ａ側に接続されているが、インダクタンス手段Ｌの一端を第２レグ１３の上、下アームの接続点側に、他端をトランス１１の１次巻線１１ａ側に接続させてもよい。インダクタンス手段Ｌが２次巻線１１ｂを介して接続される場合も同様である。なお、インダクタンス手段Ｌは、少なくとも１次巻線１１ａ又は２次巻線１１ｂに直列接続させればよいので、１次巻線１１ａと２次巻線１１ｂの双方に直列接続させてもよい。また、インダクタンス手段Ｌは、その一部または全部がトランスの漏れインダクタンスであってもよい。

図１では、コンデンサ１６は第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２の間に接続され、第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２から第１回路１には直流電圧が入力される。また、コンデンサ１７は、第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４の間に接続され、直流電圧が第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４の間に出力される。第３端子Ｔ３、第４端子Ｔ４は、外付けされる負荷等に接続される出力端子である。

制御対象を検出する制御対象検出手段として、第１の実施形態のコンバータでは、図１に示した電圧検出手段１８を備え、第３端子Ｔ３及び第４端子Ｔ４間に出力される第２回路２の出力電圧を検出し、出力電圧検出信号を制御回路３に入力する。ここでは、一例として、コンバータの制御対象を出力電圧とし、電圧検出手段１８を用いているが、制御対象は出力電流もしくは出力電力又は入力側の電圧、電流、もしくは電力であってもよい。制御対象を電流とする場合は、電流検出手段を備える。また、制御対象を電力とする場合は、電圧と電流をそれぞれ検出し、検出した電圧信号と電流検出信号とを乗算することにより、電力検出信号を求めることができる。

制御回路３は、上述の制御対象検出手段１８によって検出したコンバータの制御対象検出値と予め定めた基準値との差分に対応する誤差増幅信号ｘ０を求める。例えば、不図示のオペアンプなどの比較手段を用い、オペアンプの一端に予め定められた目標値である基準値を入力し、他端に電圧検出手段１８の検出値を入力し、オペアンプから出力されるその差分値を誤差増幅信号ｘ０として得る。

制御回路３は、スイッチ素子、ここでは、第１回路１のスイッチ素子Ｑ１からＱ４及び第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６に与える駆動信号を形成する。第１の実施形態では、三角波状信号を用いて各スイッチング素子の駆動信号を形成する電圧モード制御について示す。制御回路３は、例えば不図示の三角波状信号形成回路によって、第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第１の三角波状信号ｘ１、第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第２の三角波状信号ｘ２、及び第２回路のスイッチ素子用の第３の三角波状信号ｘ３を形成する。

制御回路３では、誤差増幅信号ｘ０と第１、第２又は第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３とを比較する。誤差増幅信号ｘ０が第１の三角波状信号ｘ１と交わるときは、誤差増幅信号ｘ０と第１の三角波状信号ｘ１とに対応して第１回路１の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させる。誤差増幅信号ｘ０が第２の三角波状信号ｘ２と交わるときは、誤差増幅信号ｘ０と第２の三角波状信号ｘ２とに対応して第１回路１の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させる。誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３と交わるときは、誤差増幅信号ｘ０と第３の三角波状信号ｘ３とに対応して第２回路２のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させる。

次に、制御回路３が形成するスイッチ素子の駆動信号についてより詳しく説明する。図２は、３つの三角波状信号ｘ１〜ｘ３と誤差増幅信号ｘ０との関係を示す波形図であり、横軸を時間、縦軸を信号レベルとする。信号レベルとしては、例えば、ここでは電圧値を用いる。

図２に示すように、第１の三角波状信号ｘ１、第２の三角波状信号ｘ２、第３の三角波状信号ｘ３は、それぞれ直流電圧部分とその直流電圧部分に重畳された三角波電圧部分とからなる。第１の三角波状信号ｘ１の最小値、最大値をｐ１ｎ、ｐ１ｘ、第２の三角波状信号ｘ２の最小値、最大値をｐ２ｎ、ｐ２ｘ、第３の三角波状信号ｘ３の最小値、最大値をｐ３ｎ、ｐ３ｘとする。ここでは、例として、第１の三角波状信号ｘ１は、最小値ｐ１ｎ、最大値ｐ１ｘ、次の最小値ｐ１ｎをつないだ三角波を用い、第２、第３の三角波状信号ｘ２、ｘ３についても同様である。スロープＬ１１は、第１の三角波状信号ｘ１の最大値ｐ１ｘと最小値ｐ１ｎとを結んだ傾きがある直線、スロープＬ１２は、第１の三角波状信号ｘ１の最小値ｐ１ｎと最大値ｐ１ｘとを結んだ傾きがある直線とする。スロープＬ２は、第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎと最大値ｐ２ｘとを結んだ傾きがある直線であり、スロープＬ３は、第３の三角波状信号ｘ３の最小値ｐ３ｎと最大値ｐ３ｘとを結んだ傾きがある直線とする。

図２に示すように、信号レベルは、最低値０、第１、第２、第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３の順に大きい。つまり、最低値０、第１の三角波状信号ｘ１の最小値ｐ１ｎ、最大値ｐ１ｘ、第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎ、最大値ｐ２ｘ、第３の三角波状信号ｘ３の最小値ｐ３ｎ、最大値ｐ３ｘの順に大きい。

第１の三角波状信号の最小値ｐ１ｎから次の最小値ｐ１ｎまで又は第１の三角波状信号の最大値ｐ１ｘから次の最大値ｐ１ｘまでの時間幅は、第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子の半周期と等しくする。第２、第３の三角波状信号についても同様に、第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子、第２回路のスイッチ素子の半周期と等しくする。

本発明のコンバータは次の条件（１）〜（３）を兼ね備える。
条件（１）第１、第２、第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３それぞれの信号レベルは、三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３の順に大きくする。つまり、第２の三角波状信号を第１の三角波状信号よりも大きく、かつ、第３の三角波状信号を第２の三角波状信号よりも大きく設定する。
条件（２）第１、第２、第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３は重ならない。図２を例にすると、三角波状信号ｘ１の最大値ｐ１ｘより第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎの方が大きく、三角波状信号ｘ２の最大値ｐ２ｘよりも第３の三角波状信号ｘ３の最小値ｐ３ｎの方が大きい。
条件（３）誤差増幅信号ｘ０の変動する範囲に第１、第２、第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３が存在する。このため、誤差増幅信号ｘ０は、同一時刻において、第１、第２、第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３のいずれか一つの三角波状信号と交わるときは、他の三角波状信号とは交わらない。

基本的には、制御回路３は、図２に示すように、誤差増幅信号ｘ０と信号レベルの異なる３つの第１〜第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３とを比較する。誤差増幅信号ｘ０が、第３の三角波状信号ｘ３と交わり、この第３の三角波状信号ｘ３よりも低い三角波状信号ｘ１、ｘ２と交わらない大きさとなる場合を、区間（１）とする。区間（１）では、誤差増幅信号ｘ０と第３の三角波状信号ｘ３とに対応して第２回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させる。
誤差増幅信号ｘ０が、第２の三角波状信号ｘ２と交わり、三角波状信号ｘ１、ｘ３と交わらない大きさとなる場合を、区間（２）とする。区間（２）では、誤差増幅信号ｘ０と第２の三角波状信号ｘ２とに対応して第１回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させる。
誤差増幅信号ｘ０が、第１の三角波状信号ｘ１と交わり、第２、第３の三角波状信号ｘ２、ｘ３と交わらない大きさとなる場合を、区間（３）とする。区間（３）では、誤差増幅信号ｘ０と第３の三角波状信号ｘ３とに対応して第１回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させる。

次に、図１〜図５を用いて第１の実施形態のコンバータの詳細な動作について説明する。図３は、誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３と交わる区間（１）の動作を説明するための図である。図４は、図２において、第２の三角波状信号ｘ２と交わる信号レベルにある区間（２）の動作を説明するための図である。また、図５は、図２において、第１の三角波状信号ｘ１と交わる信号レベルにある区間（３）の動作を説明するための図である。

図３〜図５において、（Ａ）は第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６のそれぞれの駆動信号、（Ｂ）は第１回路１の他方の組となるスイッチ素子、ここでは第２レグ１３のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に与えられる駆動信号、（Ｃ）は第１回路１の組となる一方のスイッチ素子、ここでは第１レグ１２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号を、それぞれ同一の時間軸で示した波形図である。（Ａ）のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号は、それぞれ（Ｄ）のスイッチ素子Ｑ６の駆動信号と（Ｅ）のスイッチ素子Ｑ５の駆動信号に振り分けられる。また、（Ｂ）のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号は、それぞれ（Ｆ）のスイッチ素子Ｑ４の駆動信号と（Ｇ）のスイッチ素子Ｑ３の駆動信号に振り分けられる。さらに、（Ｃ）のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号は、それぞれ（Ｈ）のスイッチ素子Ｑ２の駆動信号と（Ｉ）のスイッチ素子Ｑ１の駆動信号に振り分けられる。

ここでは、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動信号はパルス幅制御、スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号は位相シフト制御とする場合について説明する。図３〜図５において、鎖線ａ、ｂは、第３の三角波状信号ｘ３の最大値ｐ３ｘと最小値ｐ３ｎとの間に位置させ、第３の三角波状信号の制限値とする。鎖線ａは最小の場合は第３の三角波状信号ｘ３の最大値ｐ３ｘとし、鎖線ｂは最大の場合は第３の三角波状信号ｘ３の最大値ｐ３ｎとなる。スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号は位相シフト制御を行うので、鎖線ａ、ｂは、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の位相シフト上限値、位相シフト下限値を決定し、鎖線ａ、ｂ間は、第２回路２のスイッチ素子の駆動信号が位相シフトする範囲となる。鎖線ｃは、第２の三角波状信号ｘ２の最大値ｐ２ｘと最小値ｐ２ｎとの間に位置し、第１回路の組となる他方のスイッチ素子Ｑ３又はＱ４のパルス幅の上限値（最大パルス幅）を決定する。鎖線ｄは第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の動作停止レベルを示し、誤差増幅信号ｘ０が鎖線ｄを下回るときにはスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６をオフのままの状態に保持する。鎖線ｅは、第１の三角波状信号ｘ１の最大値ｐ１ｘと最小値ｐ１ｎとの間に位置し、第１レグ１２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のパルス幅の上限値（最大パルス幅）を決定する。

第１の三角波状信号ｘ１の最大値ｐ１ｘから次の最大値ｐ１ｘまでの幅を第１回路１の組となる一方のスイッチ素子の半周期とする。これは、第１の三角波状信号ｘ１の最小値ｐ１ｎから次の最小値ｐ１ｎであってもよい。第２の三角波状信号ｘ２は、他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号を形成するためのもので、第２の三角波状信号ｘ２と誤差増幅信号ｘ０又は第２の三角波状信号ｘ２の制限値となる鎖線ｃとに対応して定まる第１回路１の他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号を第１の三角波状信号ｘ１と第１の三角波状信号の制限値である波線ｅとに対応して定まる第１回路１の一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号よりも先にオフさせる。また、第３の三角波状信号ｘ３は、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６用の駆動信号を形成するためのもので、第３の三角波状信号ｘ３と誤差増幅信号ｘ０又は第３の三角波状信号の制限値となる波線ａとに対応して定まるスイッチ素子Ｑ６（又はＱ５）をオン状態とする駆動信号を第１の三角波状信号ｘ１及び第２の三角波状信号ｘ２によって定まる第１回路１の一方のスイッチ素子Ｑ１（又はＱ２）及び他方のスイッチ素子Ｑ４（又はＱ３）の駆動信号が共にオン状態となる駆動信号のときに与える。

[誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３と交わる区間（１）の動作]
第３、第４端子Ｔ３とＴ４との間の出力電圧（制御対象）が低下することによって、誤差増幅信号ｘ０が大きくなり、図３に示すように誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３と交わった状態にあるとする。この状態では、誤差増幅信号ｘ０は、第１の三角波状信号ｘ１の制限値（最大パルス幅）を示す鎖線ｅ及び第２の三角波状信号ｘ２の制限値（最大パルス幅）を示す鎖線ｃを超えている。

制御回路３は、図３（Ｃ）に示す組となる一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号を、第１の三角波状信号ｘ１と鎖線ｅとの交点で定まる最大パルス幅で制御する。スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号のオンのタイミングをスロープＬ１１と鎖線ｅの交点から定まる時点とし、オフのタイミングをスロープＬ１２と鎖線ｅの交点で定まる時点とする。スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２が共にオフするデットタイムは、スロープＬ１２と鎖線ｅの交点で定まる時点からスロープＬ１１と鎖線ｅの交点で定まる時点までとする。このスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のデットタイムは、スイッチ素子Ｑ１とＱ２とが同時に導通するのを防止することができる期間とする。図３（Ｃ）の駆動信号は、（Ｈ）スイッチ素子Ｑ１と（Ｉ）スイッチ素子Ｑ２の駆動信号にそれぞれ振り分けられる。

制御回路３は、図３（Ｂ）に示す組となる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号がオフするタイミングを、第２の三角波状信号ｘ２と鎖線ｃとの交点で決定する。ここでは、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号がオンするタイミングは、第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎとなる時点としている。また、オフするタイミングは、スロープＬ２と第２の三角波状信号の制限値である鎖線ｃとの交点で定まる時点となるので、このときのパルス幅は、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の最大パルス幅となる。図３（Ｂ）の駆動信号は、（Ｇ）スイッチ素子Ｑ３と（Ｆ）スイッチ素子Ｑ４の駆動信号としてそれぞれ振り分けられる。

制御回路３は、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６を一定幅のパルスで位相シフトさせる制御を行う。スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号は、一定幅のパルスを、誤差増幅信号ｘ０と第３の三角波状信号ｘ３とが交わる時点でオフさせるタイミングを定めることで位相シフト量が決定する。図３では、誤差増幅信号ｘ０が、スロープＬ３と交わる時点ｔ１、ｔ２で、図３（Ａ）スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号をオフさせる。図３（Ａ）の駆動信号は、（Ｄ）スイッチ素子Ｑ６と（Ｅ）スイッチ素子Ｑ５の駆動信号にそれぞれ振り分けられる。時刻ｔ１で、オン状態の（Ｅ）スイッチ素子Ｑ５の駆動信号がオフすると、予め決められたデッドタイムの後に（Ｄ）スイッチ素子Ｑ６の駆動信号がオンする。同様に、時刻ｔ２で、オン状態の（Ｄ）スイッチ素子Ｑ６の駆動信号がオフすると、予め決められたデッドタイムの後に（Ｅ）スイッチ素子Ｑ５の駆動信号がオンする。なお、スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６が共にオフするデッドタイムは、スイッチ素子Ｑ５とＱ６が同時に導通することを防止することができる期間とする。

位相シフトの変動量は、スロープＬ３と交わる誤差増幅信号ｘ０が、鎖線ａと一致する場合に最大（位相シフト上限値）、鎖線ｂと一致する場合に最小（位相シフト下限値）とし、この最大値から最小値の間をシフトさせる。なお、誤差増幅信号ｘ０が、鎖線ａよりも大きい場合は位相シフト上限値でパルス制御をし、誤差増幅信号ｘ０が、鎖線ｂよりも低く、鎖線ｄよりも高いときは、位相シフト下限値のパルス制御をする。

誤差増幅信号ｘ０の値が大きくなるほどスロープＬ３と交わる点が図３の右側の方向となり、スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号は図３の右方向にシフトする。よって、スイッチ素子Ｑ６のオン期間は、スイッチ素子Ｑ２とＱ３とが同時にオンする期間と一致する時間が長くなる。同様に、スイッチ素子Ｑ５のオン期間は、スイッチ素子Ｑ１とＱ４とが同時にオンする期間と一致する時間が長くなる。

ここで、区間（１）の動作について詳しく述べる。図３（Ｈ）、（Ｆ）に示すように、第１回路１の組となる一方のスイッチ素子Ｑ１と他方のスイッチ素子Ｑ４とに共にオン信号が与えられている状態から、他方のスイッチ素子Ｑ４を先にオフし、その後に、一方のスイッチ素子Ｑ１を後からオフさせる。同様に、図３（Ｉ）、（Ｇ）に示すように、第１回路１の組となる一方のスイッチ素子Ｑ２と他方のスイッチ素子Ｑ３とに共にオン信号が与えられている状態から、他方のスイッチ素子Ｑ３が先にオフし、その後に、一方のスイッチ素子Ｑ２を後からオフさせる。

第２回路２のスイッチ素子Ｑ６又はＱ５は、第１回路１の組となるスイッチ素子Ｑ１、Ｑ４又はスイッチ素子Ｑ２、Ｑ３が共にオン状態にあるときに順方向に導通させる。図３に示すように、（Ｈ）、（Ｆ）のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ４又は（Ｉ）、（Ｇ）スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３にオン信号の与えられる期間に、（Ｄ）スイッチ素子Ｑ６又は（Ｅ）スイッチ素子Ｑ５にオン信号が与えられる。このため、トランス１１の２次側では、２次巻線１１ｂが短絡状態となり、第１端子、第２端子Ｔ１、Ｔ２側から入力されるエネルギーがインダクタンス手段Ｌに蓄積される。この動作は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ４又はスイッチ素子Ｑ２、Ｑ３に共にオン信号が与えられている期間に、スイッチ素子Ｑ６又はＱ５のオン信号をオフさせることによって終了する。したがって、（Ｄ）スイッチ素子Ｑ６又は（Ｅ）スイッチ素子Ｑ５の駆動信号が、図３において右方向にシフトすると、つまり誤差増幅信号ｘ０が大きくなるほど、インダクタンス手段Ｌにエネルギーを蓄える期間が長くなるのでインダクタンス手段Ｌに蓄えられるエネルギーが大きくなる。

次に、誤差増幅信号ｘ０と第３の三角波状信号ｘ３とが交わる時刻で、スイッチ素子Ｑ６又はＱ５がオフすると、インダクタンス手段Ｌに蓄えられたエネルギーは、一方向性素子Ｄ５、Ｄ８又は一方向性素子Ｄ６、Ｄ７とを通して第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４側に供給される。このとき、第２回路２は、一方向性素子Ｄ５〜Ｄ８のフルブリッジ整流回路として機能する。

以上のことから、区間（１）では、誤差増幅信号ｘ０が大きくなるほど、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ４又はスイッチ素子Ｑ２、Ｑ３の駆動信号が共にオン信号のときに、スイッチ素子Ｑ６又はＱ５の駆動信号のオン状態が長くなるため、インダクタンス手段Ｌにエネルギーを蓄える期間が長くなり、コンバータの出力電圧の上昇率が大きくなる。

一方、区間（１）において、出力電圧の上昇に伴い誤差増幅信号ｘ０の値が小さくなっていくと、スイッチ素子Ｑ５又はＱ６の駆動信号が図３左方向にシフトし、組となるスイッチ素子Ｑ１、Ｑ４又はＱ２、Ｑ３が同時に順方向に導通しているときに、スイッチ素子Ｑ６又はＱ５が順方向に導通状態となる期間が短くなる方向に変化する。区間（１）の動作で、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４の間の出力電圧が上昇して目標値方向に向かうに従って、誤差増幅信号ｘ０が小さくなって鎖線ｂを下回り、誤差増幅信号ｘ０は、第２の三角波状信号ｘ２と交わる信号レベルまで低下すると次の区間（２）の動作に切り替わる。

[誤差増幅信号ｘ０が第２の三角波状信号ｘ２と交わる区間（２）の動作]
誤差増幅信号ｘ０が、図4に示す第２の三角波状信号ｘ２と交わる信号レベルまで低下したものとする。この状態では、誤差増幅信号ｘ０は、第１の三角波状信号ｘ１の制限値（最大パルス幅）を示す鎖線ｅを超えており、かつ第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の動作停止レベルを示す鎖線ｄよりも上にある。

制御回路３は、組となる一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号を区間（１）と同様に最大パルス幅で動作させる。また、誤差増幅信号ｘ０は、鎖線ｄよりも上方であるが第３の三角波状信号の最小制限値を示す鎖線ｂよりも下方にあるので、制御回路３はスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６を第３の三角波状信号と鎖線ｂとの交点によって定まるタイミングでオフさせる最小の位相シフトで制御する。

組となる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号は、誤差増幅信号ｘ０が、第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎから最大値ｐ２ｘを結ぶスロープＬ２と交わる時点ｔ３、ｔ４でオフさせる。スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号がオンするタイミングは、第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎとなる時点とし、オフするタイミングを変動させてパルス幅を制御する。誤差増幅信号ｘ０が低くなるにつれて、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４がオフするタイミングは、図４の左側にずれる。誤差増幅信号ｘ０が、第２の三角波状信号ｘ２の制限値である鎖線ｃと交わるタイミングでオフしたときのパルス幅を最大パルス幅とし、誤差増幅信号ｘ０が鎖線ｃを超えるときも、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４は最大パルス幅で動作させる。

区間（２）では、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６は、最小の位相シフトで交互にオンオフし、スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６を逆方向に電流が流れる期間にオンさせて同期整流させている。ダイオードＤ５、Ｄ６よりも導通損の小さいスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６を導通させることにより、導通損失を低減できる。なお、区間（２）では、スイッチ素子Ｑ５又はＱ６に、駆動信号を与えないでオフ状態としてもよい。

前述したように、区間（２）では、誤差増幅信号ｘ０が低くなるにつれて、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４それぞれの駆動信号のパルス幅が狭くなる。このため、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ１側から供給される入力電力が、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ４又はスイッチ素子Ｑ２、Ｑ３を介して、第２回路側に供給される供給される電力量が減少することになる。誤差増幅信号ｘ０の大きさに従ってこのコンバータの出力電圧を制御し、出力電圧を上昇させるが、区間（２）における出力電圧の上昇率は区間（１）に比べて小さい。

制御回路３は、出力電圧の更なる上昇に伴って、誤差増幅信号ｘ０が第２の三角波状信号ｘ２の信号レベルよりも下側で、かつ第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の動作停止レベルを示す鎖線ｄよりも下側まで低下すると、下記区間（３）の制御動作に自動的に切り替わる。

[誤差増幅信号ｘ０が第１の三角波状信号ｘ１と交わる区間（３）の動作]
図５に示すように、誤差増幅信号ｘ０が第１の三角波状信号ｘ１と交わった状態にあるとする。この状態では、誤差増幅信号ｘ０は、第１の三角波状信号ｘ１の制限値である鎖線ｅよりも下側にある。このため、制御回路３は、組となる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４及び第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６をオンオフ動作させずに停止状態とし、組となる一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２だけを制御する。

誤差増幅信号ｘ０が第１の三角波状信号ｘ１と交わる時点で、組となる一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオン、オフのタイミングを決定する。例えば、図５に示す時点ｔ５、ｔ６は、スイッチ素子Ｑ１のオン、オフ時点を、時点ｔ７、ｔ８はスイッチ素子Ｑ２のオン、オフ時点をそれぞれ示すものとする。この区間（３）では、組となる一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２だけがパルス幅制御で交互にオンオフ動作を繰り返し、スイッチ素子Ｑ１又はＱ２がオンの期間に、インダクタンス手段Ｌと各部容量との共振によって、入力電源からのエネルギーが出力に供給される。

この区間（３）では、誤差増幅信号ｘ０が小さくなるほど、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号のパルス幅が狭くなり、コンバータの出力端子である第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４に供給される電力は低下する。スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号のパルス幅をゼロにすると、トランス１１の２次巻線１１ｂから第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４側に供給される電力をほぼゼロの無負荷状態にできる。軽負荷からほぼ無負荷状態となる区間（３）では、出力電圧の上昇率が前記区間（１）、区間（２）に比べて非常に小さい。

上述では、誤差増幅信号ｘ０が小さくなる場合の動作について説明したが、これとは逆に、区間（３）において、コンデンサ１７の両端の電圧が降下することによって誤差増幅信号ｘ０が大きくなる方向に変化すると、制御回路３は組となる一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号のパルス幅を広くして行く。さらに第４端子Ｔ３、Ｔ４側電圧が低下し、誤差増幅信号ｘ０が大きくなって、誤差増幅信号ｘ０が第２の三角波状信号ｘ２に交わる信号レベルになると、区間（２）に切り替わる。さらに、誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３に交わる信号レベルになると、区間（１）の動作に切り替わる。

以上で説明したように、この第１の実施形態のコンバータは、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の出力電圧の大きさによって、区間（１）〜区間（３）の制御動作のいずれかに自動的に切り替わって動作するので、昇圧回路及び切り替え回路などを用いることなく、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の出力電圧の上昇率を自動的に変えて短時間で出力電圧を目標値に近づけることができ、広範囲の出力電圧に対応できる。

例えば、このコンバータが太陽光発電などに用いられる場合には、太陽光発電による第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２に入力される電圧を制御するのにも有効である。この場合には、図示しないが、太陽光発電装置が接続される第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧を検出する電圧検出手段を別途備える。この電圧検出手段で第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧を検出し、その電圧検出値と第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の目標電圧に対応する基準値とを比較して、誤差増幅信号ｘ０を得る。この誤差増幅信号ｘ０と前記第１〜第３の三角波状信号ｘ１〜ｘ３とを比較し、前述したように区間（１）〜（３）の電圧モード制御を行うことによって、第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の制御対象となる電圧の上昇率を自動的に変えて、それらをその目標電圧に近づけることが可能である。制御回路３は、制御対象が第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧のときには電圧検出手段１８の電圧検出信号を利用し、制御対象が第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧のときには前記別途備えた電圧検出手段の電圧検出信号を利用して、前述した誤差増幅信号ｘ０を得る。

第１の実施形態のコンバータでは、誤差増幅信号ｘ０が鎖線ｄで示す動作停止レベルよりも低くなると、制御回路３はスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６に駆動信号を与えず、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６をオフ状態、つまり動作停止状態にしているが、前記動作停止レベルを設けずにオンオフ動作をさせても構わない。また、上述の第１の実施形態の区間（１）、（２）において、一例として、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号がオンするタイミングを、第２の三角波状信号ｘ２の最小値ｐ２ｎとなる時点としているが、組となる一方のスイッチ素子Ｑ２又はＱ１と同時にオン状態になる期間を実現できればよい。

上述のように、第１の実施形態のコンバータは、信号レベルの異なる第１〜第３の三角波状信号ｘ１〜ｘ３と誤差増幅信号ｘ０とを比較することにより、簡潔な回路構成で、スイッチ素子に与える駆動信号を形成して各スイッチ素子の動作を切替えることで、広範囲な入出力の電圧、電流、電力を実現できる。

（第２の実施形態）
図６に、本発明の第２の実施形態に係る電圧モード制御を行う双方向のコンバータの電気回路図を示す。図６の双方向のコンバータは、第１回路１側から入力される電力を第２回路２側に供給する（順方向給電）動作と、第２回路２側から入力される電力を第１回路１側に供給する（逆方向給電）動作とを実現する。前者の動作は、第１の実施形態において説明しているため説明を省略する。以下では、主に第１の実施形態に係るコンバータと異なる構成及び電圧モード制御について説明する。

図６に示す双方向コンバータでは、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間の電圧を検出する電圧検出手段１９を備え、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間の電圧に対応する電圧検出信号を制御回路３に与える。第２の実施形態では、電圧検出手段１８を第１の電圧検出手段とし、電圧検出手段１９を第２の電圧検出手段とする。

第１回路１の第１レグ１２、第２レグ１３は、第１の実施形態の図１に示す回路構成と同様である。第２回路２の第３レグ１４の上下アームは、図１の回路構成と同様に、スイッチＱ５、Ｑ６にそれぞれ並列にダイオードＤ５、Ｄ６及びコンデンサＣ５、Ｃ６が並列に接続されたスイッチ素子Ｓ５、Ｓ６を用いる。また、第４レグ１５の上下アームは、スイッチ素子Ｑ７、Ｑ８にそれぞれ並列にダイオードＤ１０、Ｄ１１及びコンデンサＣ７、Ｃ８が並列に接続されたスイッチ素子Ｓ７、Ｓ８を用いる。

制御回路３は、一例として、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧を制御対象とする場合に、順方向給電では第１の電圧検出手段１８からの電圧検出信号を使用し、第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧を制御対象とする場合に、逆方向給電では第２の電圧検出手段１９からの電圧検出信号を使用する。

順方向給電では、第２回路２の第３レグ１４もしくは第４レグ１５の上下アーム又は第３レグ、第４レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成するスイッチ素子Ｑ５からＱ８のいずれかを制御する。ここでは、第１の実施形態のコンバータと同様に、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６を位相シフト制御するものとする。

次に、逆方向給電について説明する。第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧を制御対象とする場合、制御回路３は、電圧検出手段１９からの電圧検出信号に応じてスイッチング素子Ｓ８〜Ｓ３を制御する。逆方向給電では、第１の実施形態におけるトランス１１の１次巻線１１ａの役割を２次巻線１１ｂが行い、２次巻線１１ｂの役割を１次巻線１１ａが行う。また、第１回路１のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を第２回路２のスイッチング素子Ｓ７、Ｓ８に読み替え、同様に、第１回路１スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を２回路２のスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６、第２回路２のスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６を第１回路１スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４にそれぞれ読み替える。さらに、電圧検出手段１８を、第２の電圧検出手段１９に読み替える。

逆方向給電では、誤差増幅信号ｘ０は、例えば、第２の電圧検出手段１９によって検出された第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧の電圧検出値と第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧の最大電圧値（目標値）に対応する基準値とを不図示のオペアンプなどの比較手段によって差分を増幅して得られる。制御回路３は、第１の実施形態で述べた条件（１）〜（３）に基づき、第１の三角波状信号ｘ１、第２の三角波状信号ｘ２、第３の三角波状信号ｘ３と誤差増幅信号ｘ０とを比較してスイッチング素子Ｓ８〜Ｓ３を第１の実施形態と同様に制御する。したがって、第２回路２又は第１回路１は、第１の実施形態における第１回路１又は第２回路２と同様に動作する。

この双方向のコンバータにおいて、順方向給電又は逆方向給電において、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧を制御対象とする場合には、第１の電圧検出手段１８の検出信号を用いればよく、第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧を制御対象とする場合には、第２の電圧検出手段１９の検出信号を用いればよい。

上述のように、第２の実施形態のコンバータは、信号レベルの異なる第１〜第３の三角波状信号ｘ１〜ｘ３と誤差増幅信号ｘ０とを比較することにより、簡潔な回路構成で、スイッチ素子に与える駆動信号を形成して各スイッチ素子の動作を切替えることで、双方向に広範囲な入出力の電圧、電流、電力を実現できる。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態ではコンバータの制御対象を電圧とする場合について述べたが、次に、制御対象を電流とする第３の実施形態に係るコンバータについて説明する。このコンバータは、図７に示すように、制御対象となる第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４を通して流れる電流を検出するための第１の電流検出手段２０を備える。また、第３の実施形態に係るコンバータでは、電流モード制御を行うため、第１回路１の第２レグ１３のスイッチ素子Ｑ４を通して流れる電流を検出する第２の電流検出手段２１及び第２回路２のスイッチ素子Ｑ６を通して流れる電流を検出する第３の電流検出手段２２を備える。図７に示した第３の実施形態は、コンバータの制御対象を電流とし、電流モード制御を行うことから電流検出手段２０〜２２を備える点が、図１及び図６に示した、制御対象を電圧とし電圧モード制御を行う第１及び第２の実施形態のコンバータと異なる。

第３の実施形態において、第１回路１側から入力される電力を第２回路２側に供給する順方向給電の動作について説明する。コンバータの制御対象は、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４からの出力電流とする。この場合、第１の電流検出手段２０によって得られる出力電流の検出信号を電圧検出信号に変換し、例えば、不図示のオペアンプなどの比較手段によって、この電圧検出信号を出力電流目標値に対応する基準値と比較し、この差分を増幅して差動増幅信号を得る。この差動増幅信号を第１の実施形態で説明した差動増幅信号ｘ０として用いる。

第２の電流検出手段２１で検出されるスイッチング素子Ｓ４の電流検出信号は、対応する電圧信号に変換され、図２〜図５における第１回路１の組となる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４用の第２の三角波状信号ｘ２として用いる。ここで、第２の電流検出手段２１で検出されるスイッチング素子Ｓ４を通して流れる電流は、インダクタンス手段Ｌにエネルギーを蓄積してから放出されるので、インダクタンス手段Ｌの両端電圧、インダクタンス値などで定まる傾きで上昇してから下降する三角波状の信号となる。ここでは、スイッチング素子Ｓ４を順方向に流れる三角波状の電流を第２の電流検出手段２１で検出し、例えば抵抗、電流センサなどを利用して電圧信号に変換する。第２の電流検出手段２１が微小の抵抗を有する場合には、三角波状の電流信号に対応する三角波状の電圧信号を直接得ることができる。この三角波状の電圧信号に適当な大きさの直流電圧を加算して得られる三角波状信号を、第２の三角波状信号ｘ２として形成する。なお、第２の電流検出手段２１で検出する電流は、スイッチング素子Ｓ４、スイッチング素子Ｓ３又はこれら両方のであってもよい。

第３の電流検出手段２２に検出されたスイッチング素子Ｓ６を通して流れる電流の検出信号は、対応する電圧信号に変換され、図２〜図５における第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６用の第３の三角波状信号ｘ３として用いる。ここでは、スイッチング素子Ｓ６を順方向に流れる電流を用いる。この電流は、スイッチング素子Ｓ３を順方向に流れる電流と同様に三角波状であり、この三角波状の電圧信号に適当な大きさの直流電圧値を加算して得られる三角波状信号を第３の三角波状信号ｘ３とする。なお、第３の電流検出手段２２で検出する電流は、スイッチング素子Ｓ５、スイッチング素子Ｓ６又はこれら両方のであってもよい。また、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６を順方向に通して流れる電流には、スイッチ素子Ｑ３〜Ｑ６の他、並列に接続されたコンデンサＣ３〜Ｃ６、Ｃａ〜Ｃｄを充電する方向に流れる電流が含まれてもよいし、含まれないようにしてもよい。ここでは、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６を順方向に流れる電流としたが、逆方向に流れる電流を含んでもよい。

次に、図２〜図５における第１回路１の一方のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２用の第１の三角波状信号ｘ１の形成について述べる。第１の実施形態で述べたように、区間（３）のときは、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号はパルス幅制御信号となる。第１回路１及び第２回路２を流れる電流は極めて少ないので、スイッチ素子Ｑ１又はＱ２を流れる電流を用いずに、第１の実施形態の図２〜図５で示した第１の三角波状信号ｘ１と同様に予め決めた三角波状信号を形成し、これを用いた電圧モード制御を行う。

第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、差動増幅信号ｘ０、第１〜第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３についての条件（１）から（３）を満たすようにする。制御回路３は、差動増幅信号ｘ０と第１〜第３の三角波状信号ｘ１、ｘ２、ｘ３とを比較し、第１の実施形態と同様に区間（１）〜（３）の動作を行う。ここでは、第３の実施形態において、上述の第１の実施形態とは異なる動作部分について主に説明する。

第３の実施形態において、誤差増幅信号ｘ０が第３の三角波状信号ｘ３と交わる区間（１）では、第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６は位相シフト制御を行う。第３の三角波状信号ｘ３と誤差増幅信号ｘ０とが交わる時点で、スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の駆動信号がオフするタイミングを決定する。スイッチ素子Ｑ５、Ｑ６がオフすると、第３の三角波状信号ｘ３として用いるスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の電流はこのオフした時点で最大値となるので、第３の三角波状信号ｘ３の最大値で誤差増幅信号ｘ０と交わる。なお、第１の実施形態の場合とは異なり、最大位相シフト、最小位相シフトを決定する値は、第３の三角波状信号ｘ３を形成するスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６の電流値以外の方法で定める。

第３の実施形態において、誤差増幅信号ｘ０が第２の三角波状信号ｘ２と交わる区間（２）では、第１回路１の組となる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４はパルス幅制御を行う。第２の三角波状信号ｘ２と誤差増幅信号ｘ０とが交わる時点で、スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の駆動信号がオフするタイミングが決定する。スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４がオフすると、第２の三角波状信号ｘ２として用いるスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の電流はこのオフした時点で最大値となるので、第２の三角波状信号ｘ２の最大値で誤差増幅信号ｘ０と交わる。なお、第１の実施形態の場合とは異なり、最大パルス幅を決定する値は、第２の三角波状信号２３を形成する組となる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の電流値以外の方法で定める。

第３の実施形態において、誤差増幅信号ｘ０が第１の三角波状信号ｘ１と交わる区間（３）では、第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態では、第２の実施形態と同様に双方向に動作させることができる。この場合、第３の実施形態の第１回路１及び第２回路２は、図７と同様の回路構成とする。また、第２の実施形態と同様に、逆方向供給の場合の制御対象を検出する第２の検出手段を備える。上述のように、第３の実施形態のコンバータは、第１、第２の実施形態のコンバータと同様に、信号レベルの異なる第１〜第３の三角波状信号ｘ１〜ｘ３と誤差増幅信号ｘ０とを比較することにより、簡潔な回路構成で、スイッチ素子に与える駆動信号を形成して各スイッチ素子の動作を切替えることで、広範囲な入出力の電圧、電流、電力を実現できる。双方向のコンバータについても同様に実現できる。

以上の説明では、制御対象が第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧若しくは電流又は第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧若しくは電流としたが、これらに限定されず、出力電圧、電流もしくは電力又は入力電圧、電流、もしくは電力のいずれかを用いることができる。制御対象を、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間又は第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電力とする場合には、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧の検出電圧信号と電流検出信号とを乗算し、又は第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧の検出信号と電流の検出信号とを乗算して、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間又は第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電力検出信号を求めることができる。制御回路３は、それぞれの電力検出信号と電力基準値とを比較して誤差増幅信号を求め、この誤差増幅信号と前述したような三角波状信号とを比較する。上述の区間（１）〜（３）の制御を切替えることにより、第３、第４端子Ｔ３、Ｔ４間又は第１、第２端子Ｔ１、Ｔ２間の電力を目標値に近づけることができる。よって、本発明のコンバータは広範囲の出力電力又は入力電力に対応できる。なお、双方向に動作させる場合についても同様に、制御対象は、順方向供給又は逆方向供給において、出力電圧、電流もしくは電力又は入力電圧、電流、もしくは電力のいずれかを採用でき、順方向、逆方向において同じ制御対象、例えば出力電圧同士、出力電流同士を用いなくてもよい。

以上の説明において、一例として、第１、第２の実施形態では、電圧モード制御を用いる場合、第３の実施形態では、電圧モード制御及び電流モード制御を用いる場合についてそれぞれ説明したが、これらに限定させるものではなく、電圧モード制御又は電流モード制御をそれぞれの場合において選択することができる。一般的に、電圧モード制御はスイッチ素子等の電流を検出する必要がないため、電流モード制御に比べて制御回路を簡素化できる。他方、電流モード制御は、電圧モード制御に比べて制御が安定し易く、制御の応答をより高速にできる。

第１から第３の実施形態に係るコンバータにおいて、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８に並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６、Ｄ１０、Ｄ１１及びコンデンサＣ１〜Ｃ８は、それぞれスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８の内蔵ダイオード、寄生容量としているが、外付けさせる部品であっても、これらを組み合わせたものであってもよい。また、スイッチング素子Ｓ１からＳ８は、例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を用いる。一方向性素子Ｄ７、Ｄ８としてスイッチング素子を用いる場合についても同様である。なお、この発明の基本的動作においては、コンデンサＣ１〜Ｃ８は必ずしも必要としない。

第１に係るコンバータにおいて、スイッチ素子に並列に接続しているコンデンサＣａ〜Ｃｄは、本発明の必須の構成要素ではないが、これらに並列に接続されたスイッチング素子のターンオフ時におけるスイッチング損失の低減を図るのに有効である。コンデンサＣａ、Ｃｂを組となるスイッチ素子のうち後からオフさせる他方のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に並列に接続することにより、ターンオフ時におけるスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の両端電圧の上昇を緩やかにしてスイッチング損失を低減できる。同様にコンデンサＣｃ、Ｃｄを第２回路２のスイッチ素子Ｑ５、Ｑ６にそれぞれ並列することにより、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６のターンオフ時の損失を低減できる。これらのコンデンサＣａ〜Ｃｄは、第２及び第３の実施形態に係るコンバータを双方向に動作させた場合にも用いることができる。

上述の実施形態において、駆動信号としては、スイッチング素子として用いる半導体素子の種類によって、オン信号、オフ信号を与えるものでもよい。また、オン時点からオフ時点まで継続してずっと信号を与えなくてもよく、例えば、トリガーとして短い時間の信号を与えるものであってもよく、特に限定されるものではない。

本発明の電気回路において、接続点とは電気的に接続されて同電位にある部位を言い、物理的に接続された点を言うものではない。また、本発明のコンバータ及び双方向コンバータにおける各部の構成、構造、数、配置、形状、材質などに関しては、上述の具体例に限定されず、当業者が適宜選択的に採用したものも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に包含される。

より具体的には、例えば、半導体素子として記号により例示したものなどは、これら特定の電気素子には限定されず、同様の機能または作用を有する単一の電気素子あるいは複数の電気素子を含む電気回路として構成することができ、これらすべての変形は、本発明の範囲に包含される。同様に、ダイオード、コンデンサ、スイッチング素子をはじめとする各回路素子の数や配置関係などについても、当業者が適宜設計変更したものは本発明の範囲に包含される。

本発明は、信号レベルの異なる三角波状信号と誤差増幅信号とを比較することにより、スイッチング素子を電圧モード制御又は電流モード制御し、前述した区間（１）〜（３）の動作を自動的に切り替えているので、簡潔な回路構成で、広範囲な入出力の電圧、電流、電力に対応できる。

Ｔ１〜Ｔ４・・・第１〜第４端子、 １・・・第１回路、 ２・・・第２回路、３・・・制御回路、 １１・・・トランス、 １２〜１５・・・第１〜第４レグ、１６、１７・・・コンデンサ、１８、１９・・・電圧検出手段、２０、２１、２２・・・電流検出手段、Ｓ１〜Ｓ８・・・スイッチング素子、Ｑ１〜Ｑ８・・・スイッチ素子、Ｄ１〜Ｄ６、Ｄ１０、Ｄ１１・・・ダイオード（一方向性素子）、Ｄ７、Ｄ８・・・ダイオード（一方向性素子）、Ｃ１〜Ｃ８・・・コンデンサ、Ｃａ〜Ｃｄ・・・第１〜第４コンデンサ、Ｌ・・・インダクタンス手段

Claims (8)

1. スイッチ素子を上下アームとする第１レグと第２レグとが並列に接続され、前記第１レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第２レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作する第１回路と、
   一方向性素子を上下アームとする第３レグと第４レグとが並列に接続され、前記第３レグもしくは前記第４レグの上下アーム又は前記第３レグ、前記第４レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続される第２回路と、
   １次巻線側に前記第１回路が接続され、２次巻線側に前記第２回路が接続されるトランスと、
   前記１次巻線側又は前記２次巻線側に接続されるインダクタンス手段と、
   制御対象を検出する制御対象検出手段と、
   前記スイッチ素子に与える駆動信号を形成する制御回路と、を備えたコンバータであって、
   前記制御回路は、前記制御対象検出手段によって検出した前記コンバータの制御対象検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第１の三角波状信号、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第２の三角波状信号、及び前記第２回路のスイッチ素子用の第３の三角波状信号を形成し、前記誤差増幅信号と前記第１、第２又は第３の三角波状信号とを比較し、
   前記誤差増幅信号が前記第１の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
   前記誤差増幅信号が前記第２の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
   前記誤差増幅信号が前記第３の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とするコンバータ。
2. 前記制御回路は、
   前記第２の三角波状信号を前記第１の三角波状信号よりも大きく、かつ、前記第３の三角波状信号を第２の三角波状信号よりも大きくなるように設定し、前記誤差増幅信号が変動する範囲に前記第１、第２及び第３の三角波状信号が存在するように設定することを特徴とする請求項１に記載のコンバータ。
3. 前記制御回路は、
   前記第１の三角波状信号の最大値から次の最大値までの幅を前記組となる一方のスイッチ素子の半周期とし、
   前記第２の三角波状信号は、前記第２の三角波状信号と前記誤差増幅信号又は前記第２の三角波状信号の制限値とに対応して定まる前記第１回路の他方のスイッチ素子用の駆動信号を前記第１の三角波状信号と前記第１の三角波状信号の制限値とに対応して定まる前記第１回路の一方のスイッチ素子用の駆動信号よりも先にオフさせる波形とし、
   前記第３の三角波状信号は、前記第３の三角波状信号と前記誤差増幅信号又は前記第３の三角波状信号の制限値とに対応して定まる前記第２回路のスイッチ素子をオン状態とする駆動信号を前記第１の三角波状信号及び前記第２の三角波状信号によって定まる前記第１回路の一方及び他方のスイッチ素子用の駆動信号がオン状態となる駆動信号のときに与える波形とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコンバータ。
4. 前記制御回路は、
   前記誤差増幅信号が前記第１の三角波状信号と交わるときは前記誤差増幅信号と前記第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる一方のスイッチ素子について少なくともオン又はオフするタイミングを決定し、
   前記誤差増幅信号が前記第２の三角波状信号と交わるときは前記誤差増幅信号と前記第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる他方のスイッチ素子がオフするタイミングを決定し、
   前記誤差増幅信号が前記第３の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路のスイッチ素子用の駆動信号がオフするタイミングを決定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のコンバータ。
5. 前記制御回路は、
   前記第２の三角波状信号を少なくとも前記第１回路の組となる他方のスイッチ素子に流れる電流の検出値によって得られる波形とし、
   前記第３の三角波状信号を少なくとも前記第２回路のスイッチ素子に流れる電流の検出値によって得られる波形とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のコンバータ。
6. 前記制御回路は、
   前記コンバータの制御対象を出力電圧、電流もしくは電力又は入力電圧、電流、もしくは電力とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のコンバータ。
7. 前記第２回路側から入力される電力を前記第１回路側に供給する場合は、前記第２回路は、前記第３レグ及び第４レグの上下アームを少なくともスイッチ素子で構成し、前記第３レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第４レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とがそれぞれ前記第２回路の組として動作し、
   前記制御回路は、
   前記第１の三角波状信号を前記第２回路の組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用、前記第２の三角波状信号を前記第２回路の組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用、及び、前記第３の三角波状信号を前記第１レグもしく前記第２レグの上下アーム又は前記第１レグ、前記第２レグの上アーム同士もしくは下アーム同士のスイッチ素子用として、前記第１、第２又は第３の三角波状信号と前記誤差増幅信号とを比較し、
   前記誤差増幅信号が前記第１の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
   前記誤差増幅信号が前記第２の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
   前記誤差増幅信号が前記第３の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のコンバータ。
8. スイッチ素子を上下アームとする第１レグと第２レグとが並列に接続された第１回路は前記第１レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第２レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作し、
   一方向性素子を上下アームとする第３レグと第４レグとが並列に接続される第２回路は前記第３レグもしくは前記第４レグの上下アーム又は前記第３レグ、前記第４レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続され、
   前記第１回路に接続されたトランスの１次巻線側に又は前記第２回路に接続された前記トランスの２次巻線側にインダクタンス手段が接続され、
   制御対象を検出し、
   検出した前記制御対象の検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第１の三角波状信号、前記第１回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第２の三角波状信号、及び前記第２回路のスイッチ素子用の第３の三角波状信号を形成し、前記誤差増幅信号と前記第１、第２又は第３の三角波状信号とを比較し、
   前記誤差増幅信号が前記第１の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第１の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
   前記誤差増幅信号が前記第２の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第２の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第１回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
   前記誤差増幅信号が前記第３の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第３の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第２回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とするコンバータの制御方法。

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