JP2016135062A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換を効果的に行う。【解決手段】トランス２と、トランス２の１次側において、第１直流電力（バッテリ１）とトランス２の１次側の交流電力との電力変換を行う第１電力変換手段ＥＸ１と、トランス２の２次側において、トランス２の２次側の交流電力と、単相交流電力または第２直流電力（直流負荷９）との電力変換を行う第２電力変換手段ＥＸ２と、を含む。第２電力変換手段ＥＸ２は、トランス２の２次側出力間に２つの双方向スイッチング素子が直列接続されたアームを２本有し、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチングによって、トランス２の２次側における交流電力について、その電流の方向を制御することで、所定周波数の前記単相交流電力または前記第２直流電力に変換する。【選択図】図１

Description

本発明はトランスを有し、直流電力同士および直流電力と交流電力との間での電力変換を行う電力変換装置に関する。

従来より、各種の電力変換装置が知られている。特許文献１には、１つのトランスと、３つの電力変換器を組み合わせたものが示されている。この電力変換装置では、第１の電力変換器で１次側の直流電源とトランスの１次側の交流との電力変換を行い、第２の電力変換器でトランスの２次側の交流と２次側の直流電力の電力変換を行い、第３の電力変換器で２次側の直流電力と交流入力電力または交流出力電力との電力変換を行う。従って、交流入力によって、１次側の直流電源を充電でき、また１次側直流電源からの電力で交流出力が得られる。

特許文献２には、３ポートのトランスを用い、各ポート間で電力をやり取りする電力変換装置が示されている。１番目のポートには、交流電源からの電力を整流した直流電圧を第１変換器で変換した交流が供給される。また、２番目のポートには、第２電力変換器を介し、高圧バッテリが接続され、３番目のポートには、整流器を介し低圧バッテリが接続される。従って、交流電源からの電力によって、高圧バッテリ、低圧バッテリを充電でき、また高圧バッテリからの電力によって低圧バッテリを充電することもできる。

特開２００７−１１６８０６号公報 特開２０１３−２１２０２３号公報

特許文献１では、交流電源から直流電源を充電する場合、交流を一旦直流に変換した後、再度交流としてトランスに供給する。そして、トランスの出力を再度直流に変換して直流電源を充電する。従って、交流電源の電力変換を３回行わなければならず、交流電源側のインバータにおけるスイッチング損失が大きく、またこのインバータにおいて脈動を吸収するための大容量コンデンサを必要とする。

特許文献２においても、交流電源から直流電源を充電する場合には、３回の電力変換が必要である。また、２つの直流電源を得るために、３ポートのトランスを必要とし、各ポートについて電力変換のための回路を必要とする。

本発明は、トランスと、前記トランスの１次側において、第１直流電力と前記トランスの１次側の交流電力との電力変換を行う第１電力変換手段と、前記トランスの２次側において、トランスの２次側の交流電力と、単相交流電力または第２直流電力との電力変換を行う第２電力変換手段と、を含み、前記第２電力変換手段は、前記トランスの２次側出力間に２つの双方向スイッチング素子が直列接続されたアームを２本有し、前記双方向スイッチング素子のスイッチングによって、トランスの２次側における交流電力について、その電流の方向を制御することで、所定周波数の前記単相交流電力または前記第２直流電力に変換する。

また、２本の前記アームの中点間に前記単相交流電力を得ることが好適である。

また、１本の前記アームの中点と、前記トランスの２次側コイルの中間タップ間に前記単相交流電力を得ることが好適である。

本発明によれば、直流電力同士および直流電力と交流電力との間での電力変換を効果的に行うことができる。

実施形態に係る電力変換装置の全体構成例を示す図である。 双方向スイッチング素子の構成例を示す図である。 電力変換器ＥＸ１，２の制御信号を作成する回路の構成を示す図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換時の各部の波形を示す図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換時の各部の波形を示す図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換器ＥＸ１，２の動作を説明する図である。 電力変換時の各部の波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜全体構成＞
図１は、一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態では、互いに絶縁されている、トランス２の１次側と２次側とで交流電力をやり取りするので、電力は双方向に移動することが可能である。

例えば、次のような電力の輸送を行うことができる。直流電源であるバッテリ１からの直流電力を電力変換器ＥＸ１で交流電流に変換してトランス２の１次側コイルに供給し、トランス２の２次側コイルに得られた交流電力について電力変換器ＥＸ２で整流し、整流後の電力により直流負荷（電源）９を充電する。なお、トランス２の２次側コイルには、中間タップが設けられており、この中間タップを利用して、２次側の出力を得ている。

また、商用の単相交流電源（例えば、電圧１００Ｖまたは２００Ｖ、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）と同様の交流電源（ＡＣ）６からの交流電力を電力変換器ＥＸ２に入力し、所定の交流電力に変換して、トランス２の２次側コイルに供給し、トランス２の１次側コイルに得られた交流を電力変換器ＥＸ１を整流器として用い直流電流に変換し、バッテリ１を充電する。

さらに、直流電源であるバッテリ１からの直流電力を電力変換器ＥＸ１で交流電流に変換してトランス２の１次側コイルに供給し、トランス２の２次側コイルに得られた交流電力について電力変換器ＥＸ２で電力変換し得られた交流電源６と同様の交流電力が出力される。これによって、交流電源６に接続されている交流負荷を駆動することができる。この場合、交流電源６を省略して、交流負荷に交流電源６と同等の交流電力を供給することもできる。

図１に基づいて、電力変換装置の構成を説明する。直流電源であるバッテリ１の正極、負極間には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の直列接続（アーム）と、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の直列接続（アーム）とが並列接続される。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、パワーＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴなどのトランジスタと、このトランジスタの逆方向電流を流すダイオードの並列接続で構成されている。この例では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはＮ型のトランジスタが用いられ、制御端にＨレベルの信号が供給されたときにオンしてトランジスタがバッテリ１の正極側から負極側に向く電流を流す。一方、ダイオードはバッテリ１の負極側から正極側に向く逆方向電流を流す。

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の直列接続の中点と、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の直列接続の中点は、トランス２の１次側コイルの両端にそれぞれ接続されており、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４によって、バッテリ１とトランス２の１次側コイルとの間の電力変換を行う電力変換器ＥＸ１が構成されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンにすることでトランス２の１次側コイルに一方向（図における上から下の方向）の電流を流す（正電圧発生する）ことができ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ２をオンにすることでトランス２の１次側コイルに他方向（図における下から上の方向）の電流を流す（負電圧発生する）ことができる。そこで、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオン（スイッチング素子Ｓ３，Ｓ２はオフ）、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ２のオン（スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４はオフ）を交互に繰り返すことによって、トランス２の１次側に所望の交流電流を流すことができる。

また、トランス２の１次側コイルの中間部（センタータップ）にリアクトル３の一端が接続され、このリアクトル３の他端はコンデンサ４を介し、バッテリ１の負極に接続されている。これらリアクトル３、コンデンサ４からなるエネルギー吸収要素によって、１次側電流における電流リプル（脈動）を吸収できる。

トランス２の２次側コイルの両端には、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の直列接続（アーム）と、双方向スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の直列接続（アーム）とが配置される。双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の直列接続の中点は、リアクトル５を介し単相の交流電源６の一端に接続され、双方向スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の直列接続の中点は、交流電源６の他端に接続されている。ここで、交流電源６は、例えば商用の単相交流電源であり、この交流電源６からの電力を直流電源１に供給することで、直流電源１を充電することができる。

また、交流電源６に各種ＡＣ駆動機器を接続することによってこれらが駆動される。さらに、充電機能が必要ない場合には、交流電源６に代えてＡＣ駆動機器だけを接続してもよい。すなわち、使用形態によっては、交流電源６だけでもよく、または負荷（ＡＣ駆動機器）だけでもよい。なお、リアクトル５は、双方向スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の中点と交流電源６との間に配置してもよい。リアクトル５はフィルタとして機能し、電流リプルが除去される。電流リプルのフィルタとしては、各種のものが使用できる。

さらに、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の直列接続の中点は、リアクトル７を介し直流負荷９の一端に接続され、直流負荷９の他端は、トランス２の２次側コイルの中間タップ（センタタップ）に接続されている。また、直流負荷９にはコンデンサ８が並列接続されている。従って、トランス２の２次側コイルの一端と中間タップまでの巻数（この例では巻数は１／２）と、１次側コイルの巻数に応じた電力が双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の直列接続の中点と、トランス２の２次側コイルの中間タップの間に得られ、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７のスイッチングによって全波整流され、整流された電力がリアクトル７およびコンデンサ８によって平滑化されて、直流負荷９に印加される。直流負荷９は、例えば車両の補機に直流電力を供給する補機バッテリであり、上述のような電力輸送によって、補機バッテリが充電される。

＜双方向スイッチング素子＞
電力変換器ＥＸ２のスイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８には、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８が採用されている。双方向スイッチング素子は、例えば図２（ａ）〜図２（ｆ）に示すようなものが採用できる。図２（ａ）、（ｂ）では、Ｎチャネルトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のソース・ドレイン間に逆方向電流を流すダイオードを接続したものを２つ反対方向に接続している。図２（ａ）では、上側のトランジスタのドレインに下側のトランジスタのソースを接続して、２つのスイッチング素子のトランジスタおよびダイオードが互いに逆方向の電流を流すようにしている。そこで、上側のスイッチング素子のトランジスタをオンすると、下から上に電流が流れ、下側のトランジスタをオンすると上から下に電流が流れる。図２（ｂ）では、上側のトランジスタのソースに下側のトランジスタのドレインを接続している。そこで、上側のスイッチング素子のトランジスタをオンすると、上から下に電流が流れ、下側のトランジスタをオンすると下から上に電流が流れる。図２（ｃ）、図２（ｄ）では、トランジスタとして、ＩＧＢＴを使用している。図２（ｅ）では、２つのトランジスタを互いに逆向きに接続している。これによって、一方のトランジスタをオンすることで、１方向に電流が流れ、他方のトランジスタをオンすることで他方向に電流が流れる。図２（ｆ）では、アノード同士を接続した２つのダイオードの直列接続と、カソード同士を接続した２つのダイオードの直列接続と、を並列接続し、ダイオードの中点間をトランジスタで接続している。従って、トランジスタをオンすることでいずれの方向にも電流を流すことができる。この例では、トランジスタはオンした際にカソード同士の接続点からアノード同士の接続点に向けて電流を流すが、トランジスタを反対方向にしても、トランジスタをオンすることで同様に双方向の電流を流すことができる。なお、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８には、双方向に電流をスイッチングできれば、他の構成を採用してもよい。

このように、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８では、一対のスイッチング素子のトランジスタをオンオフすることで、いずれの方向にも電流を流すことができる。従って、図１に示したような、単なるスイッチとして機能する。

＜スイッチング素子駆動のための構成＞
図３には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４、双方向スイッチング素子Ｓ５〜８のスイッチングを制御するための構成を示してある。本実施形態においては、走行モードの際に、バッテリ1の電力によって、負荷９に電力を供給し、充電モードの際に交流電源６からの電力によってバッテリ1を充電する。ここで、バッテリ1からの電力で、交流電源６に代えて採用される交流負荷を駆動することもできる。この図では、この交流負荷駆動モードも充電モードとしている。

交流負荷駆動モードにおいては、切換部２２，２８において、充電側が選択される。バッテリ１からの電力により、交流電源（交流負荷）６に所望の電流を流す。まず、トランス２の一次側コイルに所望の交流電流を流す。このために、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチングを制御する。トランス２の一次側コイルの電流の目標値をｉＬ＊としてこれを減算器Ａ１に入力し、ここで検出したコイル電流ｉＬとの誤差を得る。誤差は電流ＰＩ制御部２１に供給され、ここでＰＩ制御により誤差を０にするような指令値（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング指令）が算出される。この指令値は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をＰＷＭ制御するものである。指令値は、切換部２２を介し、位相制御部２３に供給され、ここで位相が調整されて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に供給される。

一方、交流負荷の電流（リアクトル５の電流）の目標値ｉＬ５＊が減算器Ａ３に供給され、ここで検出したリアクトル５の電流値ｉＬ５と比較され、誤差が電流ＰＩ制御部２５に供給される。電流ＰＩ制御部２５は、供給される誤差に基づき、誤差を０にするようにリアクトル電流ｉＬ５の指令値を作成する。この指令値はパルス選定部２６に送られ、選定部２６は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチングに応じて、トランス２の２次側コイルに流れる電流に同期して指令値に応じた電流がリアクトル５に流れるように、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチング用のパルスを選択する。そして、このパルス選定部２６の出力が切換部２８を介し、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８に供給され、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８がオンオフされる。なお、指令値に応じてパルス幅が決定され、リアクトル５の電流がＰＷＭ制御される。

交流電源６による充電モードは、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４については、ダイオードを利用するので、スイッチングは不要である。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８については上述した負荷駆動モードと同様にスイッチングを行うことで、交流電源６からの交流電流をその極性にかかわらず、所定の交流電流としてトランス２の２次側コイルに供給できる。そこで、トランス２の２次側コイル電流が制御される。

次に、走行モードにおいては、切換部２２，２８が走行側に設定される。直流負荷９にかかる電圧（コンデンサ８の電圧）ＶＬの目標値ＶＬ＊が減算器Ａ２に入力され、ここで実際に計測した電圧ＶＬとの誤差が算出される。この誤差は、電圧ＰＩ制御部２４に入力され、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチングの指令値として、切換部２２、位相制御部を介し、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の制御端に供給される。

また、走行時においては、整流パルス部２７からの整流パルスが切換部２８を介し、スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８の制御端に供給される。

このように、本実施形態においては、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８をオンオフすることで、バッテリ１と、交流電源６（または交流負荷）または直流負荷９との間で電力を輸送する。

＜充電モード＞
図４Ａ〜図４Ｄには、交流電源６からの電力によって、バッテリ１を充電する充電モードの電力輸送について示してある。ここで、これらの図において、電流が流れる経路については太線、その他の経路については細線で記載してある。

図４Ａには、交流電源６の図における上側が＋の場合に、トランス２の２次側コイルの上側を＋とする場合について示してある。この場合は、双方向スイッチング素子Ｓ５のうちの下から上への電流を流す下側スイッチング素子Ｓ５ｂと、双方向スイッチング素子Ｓ８の下側スイッチング素子Ｓ８ｂをオンする。これによって、交流電源６からの電流が双方向スイッチング素子Ｓ５のスイッチング素子５ｂのトランジスタ、スイッチング素子Ｓ５ａのダイオードを介し、トランス２の２次側コイルの上側から下側に電流が流れ、上側が＋、下側が−になる。また、トランス２の下側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ８のスイッチング素子８ｂのトランジスタ、スイッチング素子Ｓ８ａのダイオードを介し、交流電源６の下側に戻る。

これによって、トランス２の１次側コイルは、上側が＋になり、下側が−になる。従って、トランス２の１次側コイルの上側からスイッチング素子Ｓ１のダイオードを介し、バッテリ１の＋側に充電電流が流れる。またバッテリ１の−側からの電流は、スイッチング素子Ｓ４のダイオードを介し、トランス２の一次側コイルの下側に戻る。

このようにして、交流電源６の上側が＋の場合に、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８の下側スイッチング素子Ｓ５ｂ，Ｓ８ｂのトランジスタをオンすることで、トランス２の２次側に上から下に向けて流れる電流を供給して、バッテリ１に充電電流を流すことができる。

図４Ｂには、交流電源６の図における上側が＋の場合にトランス２の２次側コイルの下側を＋とする場合について示してある。この場合は、双方向スイッチング素子Ｓ６のうちの上から下への電流を流す上側スイッチング素子Ｓ６ａと、双方向スイッチング素子Ｓ７の上側スイッチング素子Ｓ７ａをオンする。これによって、交流電源６からの電流が双方向スイッチング素子Ｓ６のスイッチング素子６ａのトランジスタ、スイッチング素子Ｓ６ｂのダイオードを介し、トランス２の２次側コイルの下側から上に向けて電流が流れ、トランス２の下側が＋、上側が−になる。また、トランス２の上側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ７のスイッチング素子７ａのトランジスタ、スイッチング素子Ｓ７ｂのダイオードを介し、交流電源６の上側に戻る。

これによって、トランス２の１次側コイルは、下側が＋になり、上側が−になる。従って、トランス２の１次側コイルの下側からスイッチング素子Ｓ３のダイオードを介し、バッテリ１の＋側に充電電流が流れる。またバッテリ１の−側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ２のダイオードを介し、トランス２の一次側コイルの下側に戻る。

このようにして、交流電源６の上側が＋の場合に、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７の上側スイッチング素子Ｓ６ａ，Ｓ７ａのトランジスタをオンすることで、トランス２の２次側に上から下に向けて流れる電流を供給して、バッテリ１に充電電流を流すことができる。

従って、交流電源６の上側が＋の状態において、図４Ａ，４Ｂの状態を繰り返すことで、交流電源６の周波数によらず、トランス２の２次側に所望の周波数の交流電流を供給して、トランス２の１次側に電力を輸送して、バッテリ１を充電することができる。

また、図４Ｃには、交流電源６の図における上側が−の場合にトランス２の２次側コイルの上側を＋とする場合について示してある。この場合は、双方向スイッチング素子Ｓ７のうちの下から上への電流を流す下側スイッチング素子Ｓ７ｂと、双方向スイッチング素子Ｓ６の下側スイッチング素子Ｓ６ｂをオンする。図４Ｄには、交流電源６の図における上側が−の場合にトランス２の２次側コイルの下側を＋とする場合について示してある。この場合は、双方向スイッチング素子Ｓ５のうちの下から上への電流を流す下側スイッチング素子Ｓ５ｂと、双方向スイッチング素子Ｓ６の上側スイッチング素子Ｓ６ｂをオンする。

図４Ｃ、４Ｄの状態を繰り返すことによって、交流電源６の上側が−の状態において、その周波数によらず、トランス２の２次側に所望の周波数の交流電流を供給して、トランス２の１次側に電力を輸送して、バッテリ１を充電することができる。

このように、本実施形態によれば、交流電源６の出力状態に応じて、図４Ａ〜４Ｄの状態を適宜切り替えることによって、交流電源６の状態によらず、所望の交流電流をトランス２の２次側に供給して、バッテリ１を充電することができる。

図４Ｅには、図４Ａまたは図４Ｃの状態から、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のデッドタイムを介しオンオフ切り換え、トランス２の２次側電流の方向を変更する際の状態（双方向スイッチング素子がいずれもオフの場合）を示してある。この場合、スイッチング素子Ｓ３をオンすることで、トランス２の１次側コイルの両端を短絡する。図４Ｆには、図４Ｂまたは図４Ｄの状態から、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のオンオフ切り換え、トランス２の２次側電流の方向を変更する際の状態を示してある。この場合、スイッチング素子Ｓ１をオンすることで、トランス２の１次側コイルの両端を短絡する。これによって、電流の電流方向の切り換えを問題なく行うことができる。

図４Ｇには、各所の波形を示す。このように、交流電源６は、所定周波数（５０，６０Ｈｚ）の交流電圧である。双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチングによって、トランス２の２次側には所定周波数（例えば、１ｋＨｚ）の交番電圧が印加され、２次側の電圧も同等のものになる。そして、このような１次側電圧がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のダイオードで整流されてほぼ一定のバッテリ電圧になる。なお、充電によってバッテリ電圧は徐々に上昇するが、勾配は小さいので、この図では一定になっている。また、交流電源６の周波数は、例えば５０Ｈｚであり、トランス２のコイル電圧は例えば１ｋＨｚであるが、この図ではスケールを変更して記載してある。

＜交流負荷駆動モード＞
図５Ａ〜図５Ｄには、バッテリ１の電力を、交流電源６に供給し、ここに並列接続されている交流負荷を駆動する場合の電力輸送について示してある。

本実施形態では、１次側においてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチングをＰＷＭ制御して、トランス２の１次側コイルに所望の交流電流を供給し、トランス２の２次側に得られた交流電力をＰＷＭ制御して、所望の周波数（例えば、５０または６０Ｈｚ）、所望の電圧（例えば、１００Ｖまたは２００Ｖ）の交流電力を得る。

図５Ａでは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることで、トランス２の１次側コイルの上側を＋にする。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８をオンすることで、交流電源６の上側が＋になる。図５Ｂでは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすることで、トランス２の１次側コイルの下側を＋にする。そして、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７をオンすることで、交流電源６の上側が＋になる。

従って、バッテリ１からの電力を所望の交流電流として、トランス２の１次側コイルに供給し、２次側コイルに得られた交流電流を所望の周波数で、交流電源６に印加することができる。

図５Ｃでは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることで、トランス２の１次側コイルの上側を＋にする。そして、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７をオンすることで、交流電源６の下側が＋になる。図５Ｄでは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすることで、トランス２の１次側コイルの下側を＋にする。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８をオンすることで、交流電源６の下側が＋になる。

従って、バッテリ１からの電力を所望の交流電流として、トランス２の１次側コイルに供給し、２次側コイルに得られた交流電流を任意の周波数の交流電流として交流電源６に供給でき、交流電源６に接続されている交流負荷を駆動することができる。

すなわち、トランス２の１次側コイルに供給する交流電流を任意の周波数（例えば、１ｋＨｚ）としながら、交流電源６に供給する交流電流の周波数を任意の周波数（例えば、５０Ｈｚ）にすることができる。

なお、この場合も、双方スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチング切り換え時は、図４Ｅ，４Ｆに示されるように、トランス２の１次側コイルを短絡するとよい。

この場合には、図５Ｅに示すように、バッテリ１の電圧（バッテリ）が入力電圧となる。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４により、トランス２の２次側には所定周波数（例えば、１ｋＨｚ）の交番電圧が印加され、２次側の電圧も同等のものになる。そして、変換回路の出力は平均的な電圧が交流電源６と同様のパルス電圧となり、これがリアクトルを介し、所定周波数（５０，６０Ｈｚ）の出力電圧（交流電源６の電圧）となる。

＜走行モード＞
図６Ａ〜図６Ｄには、バッテリ１の電力を、トランス２を介して２次側に伝達すると共に、このトランス２の２次側の交流電流を直流電圧として直流負荷９に直流電圧を充電し、直流負荷９に直流電圧を印加して駆動する場合の電力輸送について示してある。

図６Ａでは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることで、トランス２の１次側コイルの上側を＋にする。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５をオンすることで、直流負荷９の上側が＋になる。図６Ｂでは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすることで、トランス２の１次側コイルの下側を＋にする。そして、双方向スイッチング素子Ｓ６をオンすることで、直流負荷９の上側が＋になる。

このように、バッテリ１からの直流電流をスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の切り換えで、所望の周波数の交流電流としてトランス２の１次側コイルに供給し、得られた２次側コイルの交流電流を双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の切り換えで、直流電力としてコンデンサ８に充電して、直流負荷９に直流電圧を印加することができる。

ここで、図６Ｃ，６Ｄには、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の切り換え時の状態について示してある。すなわち、図４Ｅ，４Ｆと同様に、双方スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６を切り換える際には、一旦スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をオンし、トランス２の１次側コイルの両端を短絡することが好適である。図６Ｃは、図６Ａの後に挿入した場合、図６Ｄは図６Ｃの後に挿入した場合の電流の状態を示している。

なお、この走行モードの場合には、トランス２の２次側コイルの中間タップを用いるため、電流が流れる２次側コイルの巻数が１／２に限定される。従って、トランス２の２次側コイルに生じる電圧を、バッテリ１の電圧の１／２にできる。そして、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のＰＷＭ制御によって、直流負荷９に印加する電圧をバッテリ１の電圧の１／２以下の任意の電圧に制御することが可能となる。

図６Ｅに示すように、この場合には、バッテリ１の電圧（バッテリ）が入力電圧となる。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４により、トランス２の２次側には所定周波数（例えば、１ｋＨｚ）の交番電圧が印加され、２次側の電圧は、１次側の電圧の１／２になる。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８により全波整流された正のみのパルスとなり、これがリアクトル７およびコンデンサ８により平滑され、直流電源９の電圧は、バッテリ１の電圧の１／２以下の所定電圧に制御される。

＜全体動作について＞
上述のように、本実施形態においては、トランス２の１次側コイルおよび２次側コイルに流れる交流電流を所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ）として、トランス２における電力輸送を十分なものに維持しつつ、交流電源６からの電力によってバッテリ１を充電したり、バッテリ１の直流電力により直流負荷９に直流電力を印加したり、バッテリ１の直流電力により交流負荷を駆動することができる。

１ バッテリ、２ トランス、３，５，７ リアクトル、４，８ コンデンサ、６ 交流電源（負荷）、９ 直流負荷（電源）。

Claims (3)

1. トランスと、
   前記トランスの１次側において、第１直流電力と前記トランスの１次側の交流電力との電力変換を行う第１電力変換手段と、
   前記トランスの２次側において、トランスの２次側の交流電力と、単相交流電力または第２直流電力との電力変換を行う第２電力変換手段と、
   を含み、
   前記第２電力変換手段は、前記トランスの２次側出力間に２つの双方向スイッチング素子が直列接続されたアームを２本有し、前記双方向スイッチング素子のスイッチングによって、トランスの２次側における交流電力について、その電流の方向を制御することで、所定周波数の前記単相交流電力または前記第２直流電力に変換する、
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   ２本の前記アームの中点間に前記単相交流電力を得る、
   電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   １本の前記アームの中点と、前記トランスの２次側コイルの中間タップ間に前記単相交流電力を得る、
   電力変換装置。

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