JP2017070061A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、トランスを含み、直流電力同士、又は、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。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a power conversion device that includes a transformer and performs power conversion between DC power or between DC power and AC power.
各種の電力変換装置が知られている。特許文献１には、３ポートのトランスを含み、各ポート間で電力をやり取りする電力変換装置が開示されている。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。２番目のポートには、第２変換器を介して高圧バッテリが接続される。３番目のポートには、整流器を介して低圧バッテリが接続される。
Various power conversion devices are known.
特許文献２には、リレースイッチを利用することによりトランスの巻線を切り替え、これにより、トランスの電圧特性を変更する装置が開示されている。
特許文献１に記載の装置においては３ポートのトランスを用いる必要があるため、装置の小型化、低コスト化が困難である。また、高圧の直流電力を低圧の直流電力に変換するためには、素子等を追加する必要がある。特許文献２に記載の装置によると、２ポートのトランスによって電力特性を変更することができるが、巻線比を切り替えるためのリレースイッチングが必要となり、高効率化の達成が困難となる。また、装置の小型化、低コスト化が困難である。
In the device described in
本発明の目的は、電力変換装置において、直流電力同士の電力変換、及び、直流電力と交流電力との間の電力変換を効果的に行うことにある。 An object of the present invention is to effectively perform power conversion between DC power and power conversion between DC power and AC power in a power conversion device.
請求項１に係る発明は、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間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、前記トランスの２次側の交流電力と、単相交流電力又は第２直流電力との間の電力変換を行う第２電力変換手段と、を含み、前記トランスに含まれる２次側コイルの一方端子及び他方端子が、前記単相交流電力の入出力端子に接続され、前記２次側コイルの前記一方端子、及び、前記一方端子と前記他方端子との間の第３端子が、前記第２直流電力の入出力端子に接続され、前記第２電力変換手段は、複数の双方向スイッチング素子を含み、前記双方向スイッチング素子のスイッチングにより、前記トランスの前記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し、これにより、前記単相交流電力又は前記第２直流電力に変換する、ことを特徴とする電力変換装置である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a transformer, first power conversion means for performing power conversion between first DC power and AC power on the primary side of the transformer, on the primary side of the transformer, and the transformer 2nd power conversion means for performing power conversion between the AC power on the secondary side of the transformer and the single-phase AC power or the second DC power on the secondary side of the transformer, and included in the
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記２次側コイルの巻線数は、前記トランスに含まれる１次側コイルの巻線数以上である、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記２次側コイルの巻線数は、前記トランスに含まれる１次側コイルの巻線数以下である、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載の電力変換装置において、前記１次側コイルの巻線数は、前記２次側コイルにおける前記一方端子と前記第３端子との間の巻線数以上である、ことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the power converter according to the second or third aspect, the number of windings of the primary coil is equal to the number of the one terminal and the third terminal of the secondary coil. More than the number of windings between.
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、前記第２電力変換手段は、前記第１電力変換手段が電力変換を行っている間、前記トランスからの電流が前記２次側に流れないように、前記双方向スイッチング素子をスイッチングし、前記第１電力変換手段が電力変換を中止した後、前記トランスからの電流が前記２次側に流れるように、前記双方向スイッチング素子をスイッチングする、ことを特徴とする。
The invention according to
本発明によると、電力変換装置において、直流電力同士の電力変換、及び、直流電力と交流電力との間の電力変換を効果的に行うことが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a power converter device, it becomes possible to perform effectively the power conversion of direct current power, and the power conversion between direct current power and alternating current power.
＜全体構成＞
図１には、本実施形態に係る電力変換装置が示されている。この電力変換装置は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車又は燃料電池自動車等の車両に搭載され、当該車両に設けられている負荷に供給される電力を調整する装置である。もちろん、この電力変換装置は、車両以外の別の用途に用いられてもよい。以下、本実施形態に係る電力変換装置について詳しく説明する。
<Overall configuration>
FIG. 1 shows a power converter according to this embodiment. This power conversion device is a device that is mounted on a vehicle such as an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a fuel cell vehicle and adjusts power supplied to a load provided in the vehicle. Of course, this power converter may be used for other uses other than vehicles. Hereinafter, the power converter according to the present embodiment will be described in detail.
バッテリ１０は直流電源である。バッテリ１０として、例えば充放電可能な電源が用いられてもよい。充放電可能な電源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。
The
バッテリ１０の正極と負極との間には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３が直列に接続されることにより構成されたアームと、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４が直列に接続されることにより構成されたアームと、が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のトランジスタと、このトランジスタの逆方向に電流を流すダイオードと、を含む。トランジスタとダイオードは、並列に接続されている。このダイオードは、例えば、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタとの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流す。図１に示す例では、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１０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１０の負極側から正極側に向く逆方向電流を流す。
Between the positive electrode and the negative electrode of the
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の直列接続（アーム）の中点は、トランスＴの１次側コイルＬ１の一方端子に接続されており、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４の直列接続（アーム）の中点は、１次側コイルＬ１の他方端子に接続されている。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４により、バッテリ１０とトランスＴの１次側コイルＬ１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をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１に一方向（図における上から下の方向）の電流を流す（正電圧を発生させる）ことができ、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１に他方向（図における下から上の方向）の電流を流す（負電圧を発生させる）ことができる。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオン（スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオフ）と、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオン（スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオフ）と、を交互に繰り返すことにより、トランスＴの１次側コイルＬ１に所望の交流電流を流すことができる。
The midpoint of the series connection (arm) of the switching elements S1, S3 is connected to one terminal of the primary coil L1 of the transformer T, and the midpoint of the series connection (arm) of the switching elements S2, S4 is 1 It is connected to the other terminal of the secondary coil L1. The power converter EX1 that performs power conversion between the
トランスＴの２次側コイルＬ２の一方端子Ａと他方端子Ｂとの間には、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７が直列に接続されることにより構成されたアームと、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ８が直列に接続されることにより構成されたアームと、が並列に接続されている。双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７の直列接続（アーム）の中点は、リアクトル１２を介して単相の交流電源１４の一方端子に接続されており、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８の直列接続（アーム）の中点は、交流電源１４の他方端子に接続されている。交流電源１４は、例えば商用の単相交流電源（例えば、電圧が１００Ｖ又は２００Ｖであり、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである）であり、この交流電源１４からの電力をバッテリ１０に供給することにより、バッテリ１０を充電することができる。
Between the one terminal A and the other terminal B of the secondary coil L2 of the transformer T, an arm configured by connecting bidirectional switching elements S5 and S7 in series, and the bidirectional switching elements S6 and S8. Are connected in parallel with an arm configured by being connected in series. The middle point of the series connection (arm) of the bidirectional switching elements S5 and S7 is connected to one terminal of the single-phase
また、交流電源１４に各種ＡＣ駆動機器を接続することにより、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１４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１４だけが用いられてもよいし、負荷（ＡＣ駆動機器）だけが用いられてもよい。なお、リアクトル１２はフィルタとして機能し、これにより、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、各種のフィルタを使用できる。
Moreover, these are driven by connecting various AC drive devices to the
さらに、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７の直列接続（アーム）の中点は、直流負荷１６の一方端子に接続されており、直流負荷１６の他方端子は、トランスＴの２次側コイルＬ２の第３端子Ｃに接続されている。第３端子Ｃは、一方端子Ａと他方端子Ｂとの間に設けられた端子である。また、直流負荷１６にはコンデンサ１８が並列に接続されている。従って、２次側コイルＬ２の一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数と、１次側コイルＬ１の巻線数と、に応じた電力が、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７の直列接続の中点と２次側コイルＬ２の第３端子Ｃとの間に供給される。双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７のスイッチングにより全波整流が行われ、整流された電力がコンデンサ１８によって平滑化されて直流負荷１６に印加される。直流負荷１６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、上記の電力輸送により、補機バッテリが充電される。
Further, the midpoint of the series connection (arm) of the bidirectional switching elements S5 and S7 is connected to one terminal of the
本実施形態においては、トランスＴの１次側と２次側との間で電力変換が行われ、電力は双方向に移動することができる。 In this embodiment, power conversion is performed between the primary side and the secondary side of the transformer T, and the power can move in both directions.
例えば、バッテリ１０から供給された直流電力が、電力変換器ＥＸ１により交流電力に変換されてトランスＴの１次側コイルＬ１に供給される。トランスＴの２次側コイルＬ２にて得られた交流電力が電力変換器ＥＸ２により整流され、整流後の電力が直流負荷１６に供給される。
For example, DC power supplied from the
また、交流電源１４から供給された交流電力が、電力変換器ＥＸ２により所定の交流電力に変換されてトランスＴの２次側コイルＬ２に供給される。トランスＴの１次側コイルＬ１にて得られた交流電力が電力変換器ＥＸ１により直流電力に変換され、その直流電力によりバッテリ１０が充電される。
Further, AC power supplied from the
さらに、バッテリ１０から供給された直流電力が、電力変換器ＥＸ１により交流電力に変換されてトランスＴの１次側コイルＬ１に供給される。トランスＴの２次側コイルＬ２にて得られた交流電力が電力変換器ＥＸ２により変換され、これにより、交流電源１４と同様の交流電力が出力される。この交流電力により、交流電源１４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１４を省略して、交流負荷に交流電源１４と同等の交流電力を供給することができる。
Furthermore, the DC power supplied from the
＜トランスの構成＞
以下、図２を参照して、トランスＴの構成について詳しく説明する。図２には、トランスＴが示されている。本実施形態では、２次側コイルＬ２の巻線数は、１次側コイルＬ１の巻線数以上である。図２に示す例では、２次側コイルＬ２の巻線数は、１次側コイルＬ１の巻線数よりも多い。もちろん、１次側コイルＬ１の巻線数と２次側コイルＬ２の巻線数とが同じであってもよい。一例として、１次側コイルＬ１の巻線数は８であり、２次側コイルＬ２の全体の巻線数（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間の巻線数）は１６である。また、第３端子Ｃは２次側コイルＬ２の中間タップ以外の箇所に接続されている。例えば、２次側コイルＬ２において、一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数は２であり、第３端子Ｃと他方端子Ｂとの間の巻線数は１４である。これにより、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２の全体（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間）に形成される電圧ＶＡＣと、の比は、１：２となる。つまり、ＶＤＣ／ＶＡＣ＝１／２の関係が成立する。また、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２において一方端子Ａと第３端子Ｃとの間に形成される電圧Ｖｄｃと、の比は、４：１となる。つまり、Ｖｄｃ／ＶＤＣ＝１／４の関係が成立する。なお、第３端子Ｃは２次側コイルＬ２の中間タップに接側されていてもよい。この場合、一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数は８となり、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２において一方端子Ａと第３端子Ｃとの間に形成される電圧Ｖｄｃと、の比は、１：１となる。
<Transformer configuration>
Hereinafter, the configuration of the transformer T will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 shows a transformer T. In the present embodiment, the number of windings of the secondary side coil L2 is equal to or greater than the number of windings of the primary side coil L1. In the example shown in FIG. 2, the number of turns of the secondary coil L2 is larger than the number of turns of the primary coil L1. Of course, the number of turns of the primary coil L1 and the number of turns of the secondary coil L2 may be the same. As an example, the number of windings of the primary coil L1 is 8, and the total number of windings of the secondary coil L2 (the number of windings between one terminal A and the other terminal B) is 16. The third terminal C is connected to a location other than the intermediate tap of the secondary coil L2. For example, in the secondary coil L2, the number of windings between one terminal A and the third terminal C is 2, and the number of windings between the third terminal C and the other terminal B is 14. Thus, the voltage V DC, which is formed in the primary coil L1, a voltage V AC to be formed (between the other hand terminal A and the other terminal B) the whole of the secondary coil L2, the ratio of 1 : 2 That is, the relationship of V DC / V AC = 1/2 is established. Further, the ratio of the voltage V DC formed in the primary coil L1 and the voltage V dc formed between the one terminal A and the third terminal C in the secondary coil L2 is 4: 1. Become. That is, the relationship of V dc / V DC = 1/4 is established. The third terminal C may be in contact with the intermediate tap of the secondary coil L2. In this case, the number of windings between the one terminal A and the third terminal C is 8, and the voltage V DC formed in the primary coil L1 and the one terminal A and the third terminal C in the secondary coil L2. The ratio of the voltage V dc formed between the two is 1: 1.
＜双方向スイッチング素子の構成＞
以下、図３を参照して、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８の構成について詳しく説明する。図３には、双方向スイッチング素子が示されている。双方向スイッチング素子は、例えば図３の（ａ）〜（ｆ）に示されている素子を採用することができる。図３の（ａ），（ｂ）に示す例では、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が接続された２つの素子が、互いに反対方向に接続されている。図３の（ａ）に示す例では、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が接続されており、２つの素子のトランジスタとダイオードが互いに逆方向の電流を流すようになっている。上側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３の（ｂ）に示す例では、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が接続されている。上側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３の（ｃ），（ｄ）に示す例では、トランジスタとしてＩＧＢＴが使用されている。図３の（ｅ）に示す例では、２つのトランジスタが互いに逆向きに接続されている。一方のトランジスタをオンすると、一方向に電流が流れ、他方のトランジスタをオンすると、他方向に電流が流れる。図３の（ｆ）に示す例では、アノード同士が接続された２つのダイオードの直列接続と、カソード同士が接続された２つのダイオードの直列接続と、が並列に接続されており、ダイオードの中点間がトランジスタで接続されている。トランジスタをオンすることにより、いずれの方向にも電流を流すことができる。この例では、トランジスタを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が流れる。トランジスタを反対方向に接続しても、同様に双方向の電流を流すことができる。なお、双方向に電流をスイッチングできれば、他の構成を有する素子が双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８として採用されてもよい。
<Configuration of bidirectional switching element>
Hereinafter, the configuration of the bidirectional switching elements S5 to S8 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 shows a bidirectional switching element. For example, the elements shown in FIGS. 3A to 3F can be employed as the bidirectional switching element. In the example shown in FIGS. 3A and 3B, two elements connected to a diode for passing a reverse current between the source and drain of an N-channel transistor (MOSFET) are connected in opposite directions. . In the example shown in FIG. 3A, the source of the lower transistor is connected to the drain of the upper transistor, and the transistors and diodes of the two elements pass currents in opposite directions. When the upper transistor is turned on, current flows from bottom to top, and when the lower transistor is turned on, current flows from top to bottom. In the example shown in FIG. 3B, the drain of the lower transistor is connected to the source of the upper transistor. When the upper transistor is turned on, a current flows from the top to the bottom, and when the lower transistor is turned on, a current flows from the bottom to the top. In the example shown in FIGS. 3C and 3D, an IGBT is used as a transistor. In the example shown in FIG. 3E, two transistors are connected in opposite directions. When one transistor is turned on, a current flows in one direction, and when the other transistor is turned on, a current flows in the other direction. In the example shown in FIG. 3 (f), a series connection of two diodes with anodes connected to each other and a series connection of two diodes with cathodes connected to each other are connected in parallel. The points are connected by transistors. By turning on the transistor, current can flow in either direction. In this example, when the transistor is turned on, a current flows from the connection point between the cathodes to the connection point between the anodes. Even if the transistors are connected in the opposite direction, a bidirectional current can be passed in the same manner. As long as current can be switched bidirectionally, elements having other configurations may be employed as the bidirectional switching elements S5 to S8.
以上のように、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８は、いずれの方向にも電流を流すことができるので、図１に示されているように、単なるスイッチとして機能する。 As described above, since the bidirectional switching elements S5 to S8 can flow current in any direction, they function as simple switches as shown in FIG.
本実施形態においては、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８をオン／オフすることにより、バッテリ１０と、交流電源１４（又は交流負荷）又は直流負荷１６と、の間で電力が輸送される。
In the present embodiment, power is supplied between the
＜充電モード＞
以下、図４Ａ〜図４Ｄを参照して、充電モードにおける電力輸送について詳しく説明する。図４Ａ〜図４Ｄには、充電モードにおける電力変換器ＥＸ１，ＥＸ２の動作が示されている。双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８として、例えば図３の（ｂ）に示されている素子が用いられるものとする。
<Charging mode>
Hereinafter, the power transportation in the charging mode will be described in detail with reference to FIGS. 4A to 4D. 4A to 4D show the operations of the power converters EX1 and EX2 in the charging mode. For example, the elements shown in FIG. 3B are used as the bidirectional switching elements S5 to S8.
図４Ａには、交流電源１４の上側がプラス（＋）であり、トランスＴの２次側コイルＬ２の上側がプラス（＋）となる場合について示されている。この場合、双方向スイッチング素子Ｓ５のうちの下から上へ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のうちの下から上へ電流を流す下側スイッチング素子Ｓ８ｂをオンする。これにより、交流電源１４からの電流が、双方向スイッチング素子Ｓ５の下側スイッチング素子Ｓ５ｂに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ５の上側スイッチング素子Ｓ５ａに含まれるダイオードを介して、トランスＴの２次側コイルＬ２の上側から下側に流れる。その結果、２次側コイルＬ２の上側がプラス（＋）となり、下側がマイナス（−）となる。また、２次側コイルＬ２の下側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ８の下側スイッチング素子Ｓ８ｂに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ８の上側スイッチング素子Ｓ８ａに含まれるダイオードを介して、交流電源１４の下側に戻る。
FIG. 4A shows a case in which the upper side of the
上記の動作により、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側がプラス（＋）となり、下側がマイナス（−）となる。これにより、充電電流が、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側からスイッチング素子Ｓ１に含まれるダイオードを介して、バッテリ１０のプラス側に供給される。また、バッテリ１０のマイナス側からの電流は、スイッチング素子Ｓ４に含まれるダイオードを介して、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側に戻る。
By the above operation, the upper side of the primary side coil L1 of the transformer T becomes plus (+), and the lower side becomes minus (−). Thereby, the charging current is supplied from the upper side of the primary side coil L1 of the transformer T to the plus side of the
以上のようにして、交流電源１４の上側がプラス（＋）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に含まれるトランジスタをオンすることにより、上から下に向けて流れる電流が２次側コイルＬ２に供給され、充電電流がバッテリ１０に供給される。
As described above, when the upper side of the
図４Ｂには、交流電源１４の上側がプラス（＋）であり、トランスＴの２次側コイルＬ２の下側がプラス（＋）となる場合について示されている。この場合、双方向スイッチング素子Ｓ７のうちの上から下へ電流を流す上側スイッチング素子Ｓ７ａと、双方向スイッチング素子Ｓ６のうちの上から下へ電流を流す上側スイッチング素子Ｓ６ａをオンする。これにより、交流電源１４からの電流が、双方向スイッチング素子Ｓ７の上側スイッチング素子Ｓ７ａに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ７の下側スイッチング素子Ｓ７ｂに含まれるダイオードを介して、トランスＴの２次側コイルＬ２の下側から上側に流れる。その結果、２次側コイルＬ２の下側がプラス（＋）となり、上側がマイナス（−）となる。また、２次側コイルＬ２の上側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ６の上側スイッチング素子Ｓ６ａに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ６の下側スイッチング素子Ｓ６ｂに含まれるダイオードを介して、交流電源１４の下側に戻る。
FIG. 4B shows a case where the upper side of the
上記の動作により、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側がプラス（＋）となり、上側がマイナス（−）となる。これにより、充電電流が、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側からスイッチング素子Ｓ２に含まれるダイオードを介して、バッテリ１０のプラス側に供給される。また、バッテリ１０のマイナス側からの電流は、スイッチング素子Ｓ３に含まれるダイオードを介して、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側に戻る。
With the above operation, the lower side of the primary coil L1 of the transformer T becomes plus (+), and the upper side becomes minus (−). Thereby, the charging current is supplied from the lower side of the primary side coil L1 of the transformer T to the positive side of the
以上のようにして、交流電源１４の上側がプラス（＋）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により、下から上に向けて流れる電流が２次側コイルＬ２に供給され、充電電流がバッテリ１０に供給される。
As described above, when the upper side of the
交流電源１４の上側がプラス（＋）の状態において、図４Ａ，４Ｂに示されている状態を繰り返すことにより、交流電源１４の周波数によらずに、トランスＴの２次側に所望の周波数を有する交流電流を供給し、トランスＴの１次側に電力を輸送して、バッテリ１０を充電することが可能となる。
When the upper side of the
図４Ｃには、交流電源１４の下側がプラス（＋）であり、トランスＴの２次側コイルＬ２の上側がプラス（＋）となる場合について示されている。この場合、双方向スイッチング素子Ｓ６のうちの下から上へ電流を流す下側スイッチング素子Ｓ６ｂと、双方向スイッチング素子Ｓ７のうちの下から上へ電流を流す下側スイッチング素子Ｓ７ｂをオンする。これにより、交流電源１４からの電流が、双方向スイッチング素子Ｓ６の下側スイッチング素子Ｓ６ｂに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ６の上側スイッチング素子Ｓ６ａに含まれるダイオードを介して、トランスＴの２次側コイルＬ２の上側から下側に流れる。その結果、２次側コイルＬ２の上側がプラス（＋）となり、下側がマイナス（−）となる。また、２次側コイルＬ２の上側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ７の下側スイッチング素子Ｓ７ｂに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ７の上側スイッチング素子Ｓ７ａに含まれるダイオードを介して、交流電源１４の上側に戻る。
FIG. 4C shows a case where the lower side of the
上記の動作により、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側がプラス（＋）となり、下側がマイナス（−）となる。これにより、充電電流が、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側からスイッチング素子Ｓ１に含まれるダイオードを介して、バッテリ１０のプラス側に供給される。また、バッテリ１０のマイナス側からの電流は、スイッチング素子Ｓ４に含まれるダイオードを介して、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側に戻る。
By the above operation, the upper side of the primary side coil L1 of the transformer T becomes plus (+), and the lower side becomes minus (−). Thereby, the charging current is supplied from the upper side of the primary side coil L1 of the transformer T to the plus side of the
以上のようにして、交流電源１４の下側がプラス（＋）の場合に、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７の下側スイッチング素子Ｓ６ｂ，Ｓ７ｂのトランジスタをオンすることにより、上から下に向けて流れる電流が２次側コイルＬ２に供給され、充電電流がバッテリ１０に供給される。
As described above, when the lower side of the
図４Ｄには、交流電源１４の下側がプラス（＋）であり、トランスＴの２次側コイルＬ２の下側がプラス（＋）となる場合について示されている。この場合、双方向スイッチング素子Ｓ８のうちの上から下へ電流を流す上側スイッチング素子Ｓ８ａと、双方向スイッチング素子Ｓ５のうちの上から下へ電流を流す上側スイッチング素子Ｓ５ａとをオンする。これにより、交流電源１４からの電流が、双方向スイッチング素子Ｓ８の上側スイッチング素子Ｓ８ａに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ８の下側スイッチング素子Ｓ８ｂに含まれるダイオードを介して、トランスＴの２次側コイルＬ２の下側から上側に流れる。その結果、２次側コイルＬ２の下側がプラス（＋）となり、上側がマイナス（−）となる。また、２次側コイルＬ２の下側からの電流は、双方向スイッチング素子Ｓ５の上側スイッチング素子Ｓ５ａに含まれるトランジスタ、及び、双方向スイッチング素子Ｓ５の下側スイッチング素子Ｓ５ｂに含まれるダイオードを介して、交流電源１４の上側に戻る。
FIG. 4D shows a case where the lower side of the
上記の動作により、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側がプラス（＋）となり、上側がマイナス（−）となる。これにより、充電電流が、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側からスイッチング素子Ｓ２に含まれるダイオードを介して、バッテリ１０のプラス側に供給される。また、バッテリ１０のマイナス側からの電流は、スイッチング素子Ｓ３に含まれるダイオードを介して、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側に戻る。
With the above operation, the lower side of the primary coil L1 of the transformer T becomes plus (+), and the upper side becomes minus (−). Thereby, the charging current is supplied from the lower side of the primary side coil L1 of the transformer T to the positive side of the
以上のようにして、交流電源１４の下側がプラス（＋）の場合に、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８の上側スイッチング素子Ｓ５ａ，Ｓ８ａのトランジスタをオンすることにより、下から上に向けて流れる電流が２次側コイルＬ２に供給され、充電電流がバッテリ１０に供給される。
As described above, when the lower side of the
交流電源１４の下側がプラス（＋）の状態において、図４Ｃ，４Ｄに示されている状態を繰り返すことにより、交流電源１４の周波数によらずに、トランスＴの２次側に所望の周波数を有する交流電流を供給し、トランスＴの１次側に電力を輸送して、バッテリ１０を充電することが可能となる。
By repeating the state shown in FIGS. 4C and 4D when the lower side of the
以上のように、本実施形態によると、交流電源１４の出力状態に応じて、図４Ａ〜４Ｄに示されている状態を切り替えることにより、交流電源１４の状態によらずに、所望の交流電流をトランスＴの２次側に供給して、バッテリ１０を充電することが可能となる。本実施形態では、図２に示されているように、１次側コイルＬ１の巻線数と、２次側コイルＬ２の全体の巻線数（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間の巻線数）と、の比は、１：２となっている。これにより、１次側コイルＬ１に印加されるＶＤＣと、２次側コイルＬ２の全体（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間）に印加される電圧ＶＡＣと、の比は、１：２となる。それ故、トランスＴの１次側には２次側電圧の１／２倍の電圧が印加され、その電圧によりバッテリ１０が充電される。
As described above, according to the present embodiment, a desired alternating current can be obtained regardless of the state of the
図４Ｅには、図４Ａ又は図４Ｃに示されている状態から、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のデッドタイムを介してオン／オフを切り替え、トランスＴの２次側の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Ｓ５〜Ｓ８がいずれもオフの場合）が示されている。この場合、スイッチング素子Ｓ２をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の両端を短絡する。図４Ｆには、図４Ｂ又は図４Ｄに示されている状態から、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のオン／オフを切り替え、トランスＴの２次側の電流の方向を変更する際の状態が示されている。この場合、スイッチング素子Ｓ１をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の両端を短絡する。これにより、電流の方向の切り替えを問題なく行うことが可能となる。 In FIG. 4E, from the state shown in FIG. 4A or FIG. 4C, on / off is switched through the dead time of the bidirectional switching elements S5 to S8, and the current direction on the secondary side of the transformer T is changed. The state at the time (when the bidirectional switching elements S5 to S8 are all off) is shown. In this case, both ends of the primary side coil L1 of the transformer T are short-circuited by turning on the switching element S2. FIG. 4F shows a state in which the bidirectional switching elements S5 to S8 are switched on / off from the state shown in FIG. 4B or 4D and the direction of the current on the secondary side of the transformer T is changed. Has been. In this case, both ends of the primary side coil L1 of the transformer T are short-circuited by turning on the switching element S1. As a result, the direction of the current can be switched without any problem.
＜交流負荷駆動モード＞
以下、交流負荷駆動モードについて詳しく説明する。図５には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のオン／オフ状態と、トランスにおける電圧の極性と、交流電源１４における電圧の極性と、が示されている。０はオフを示し、１はオンを示している。トランス電圧が＋Ｖの場合、１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２の上側がプラス（＋）となり、トランス電圧が−Ｖの場合、１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２の下側がプラス（＋）となる。交流電圧が＋Ｖの場合、交流電源１４の上側がプラス（＋）となり、交流電圧が−Ｖの場合、交流電源１４の下側がプラス（＋）となる。
<AC load drive mode>
Hereinafter, the AC load drive mode will be described in detail. FIG. 5 shows the on / off states of the switching elements S <b> 1 to S <b> 8, the voltage polarity in the transformer, and the voltage polarity in the
以下、図６Ａ〜図６Ｄを参照して、交流負荷駆動モードにおける電力輸送について詳しく説明する。図６Ａ〜図６Ｄには、交流負荷駆動モードにおける電力変換器ＥＸ１，ＥＸ２の動作が示されている。双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８として、例えば図３の（ｂ）に示されている素子が用いられている。交流負荷駆動モードにおいては、バッテリ１０からの電力が、交流電源１４に供給され、交流電源１４に並列に接続されている交流負荷が駆動される。
Hereinafter, power transportation in the AC load drive mode will be described in detail with reference to FIGS. 6A to 6D. 6A to 6D show operations of the power converters EX1 and EX2 in the AC load drive mode. As the bidirectional switching elements S5 to S8, for example, the elements shown in FIG. 3B are used. In the AC load drive mode, power from the
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制御することにより、トランスＴの１次側コイルＬ１に所望の交流電力を供給する。トランスＴの２次側に得られた交流電力をＰＷＭ制御することにより、所望の周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）と所望の電圧（例えば１００Ｖ又は２００Ｖ）を有する交流電力を得る。 In the present embodiment, desired AC power is supplied to the primary side coil L1 of the transformer T by PWM control of switching of the switching elements S1 to S4 on the primary side. By performing PWM control on the AC power obtained on the secondary side of the transformer T, AC power having a desired frequency (for example, 50 Hz or 60 Hz) and a desired voltage (for example, 100 V or 200 V) is obtained.
図６Ａに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側がプラス（＋）になる。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８をオンすることにより、交流電源１４の上側がプラス（＋）になる。図６Ｂに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側がプラス（＋）になる。そして、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７をオンすることにより、交流電源１４の上側がプラス（＋）になる。
In the state shown in FIG. 6A, the upper side of the primary side coil L1 of the transformer T becomes plus (+) by turning on the switching elements S1 and S4. Then, by turning on the bidirectional switching elements S5 and S8, the upper side of the
図６Ｃに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側がプラス（＋）になる。そして、双方向スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７をオンすることにより、交流電源１４の下側がプラス（＋）になる。図６Ｄに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の下側がプラス（＋）になる。そして、双方向スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８をオンすることにより、交流電源１４の下側がプラス（＋）になる。
In the state shown in FIG. 6C, the upper side of the primary coil L1 of the transformer T becomes plus (+) by turning on the switching elements S1 and S4. Then, by turning on the bidirectional switching elements S6 and S7, the lower side of the
以上の動作により、バッテリ１０からの電力を所望の交流電力に変換してトランスＴの１次側コイルＬ１に供給し、２次側コイルＬ２にて得られる交流電力を所望の周波数を有する交流電力に変換して交流電源１４に印加し、交流電源１４に接続されている交流負荷を駆動することが可能となる。
Through the above operation, the power from the
例えば、トランスＴの１次側コイルＬ１に供給される交流電流の周波数を任意の値（例えば１ｋＨｚ）としながら、交流電源１４に供給される交流電流の周波数を任意の値（例えば５０Ｈｚ）にすることが可能となる。
For example, the frequency of the alternating current supplied to the
なお、交流負荷駆動モード時においても、双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチングの切り替え時には、図４Ｅ，４Ｆに示されているように、トランスＴの１次側コイルＬ１を短絡すればよい。 Even in the AC load drive mode, the primary coil L1 of the transformer T may be short-circuited as shown in FIGS. 4E and 4F when switching the bidirectional switching elements S5 to S8.
図７には、交流負荷駆動モード時における各部の波形が示されている。バッテリ１０の電圧（高圧直流）が入力電圧である。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４により、トランスＴの１次側に所定周波数（例えば１ｋＨｚ）の交番電圧が印加される。本実施形態では、図２に示されているように、１次側コイルＬ１の巻線数と、２次側コイルＬ２の全体の巻線数（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間の巻線数）と、の比は、１：２になっている。これにより、１次側コイルＬ１に印加される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２の全体（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間）に印加される電圧ＶＡＣと、の比は、１：２となる。それ故、トランスＴの２次側（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間）には、１次側電圧の２倍の電圧が印加される。一方端子Ａと他方端子Ｂは、交流電源１４に接続されているため、一方端子Ａと他方端子Ｂを介して、１次側電圧の２倍の電圧が交流電源１４に印加され、これにより、交流負荷が駆動される。このとき、所定周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の電圧が印加される。
FIG. 7 shows waveforms at various parts in the AC load drive mode. The voltage (high voltage direct current) of the
＜直流負荷駆動モード＞
以下、直流負荷駆動モードについて詳しく説明する。図８には、双方向スイッチング素子の一例が示されている。双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８として、例えば図３の（ｂ）に示されている素子が用いられるものとする。双方向スイッチング素子Ｓ５は、上側スイッチング素子Ｓ５ａと下側スイッチング素子Ｓ５ｂを含む。双方向スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８についても同じ構成を有する。図９には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ５のオン／オフ状態と、トランスにおける電圧の極性と、が示されている。
<DC load drive mode>
Hereinafter, the DC load drive mode will be described in detail. FIG. 8 shows an example of the bidirectional switching element. For example, the elements shown in FIG. 3B are used as the bidirectional switching elements S5 to S8. Bidirectional switching element S5 includes an upper switching element S5a and a lower switching element S5b. The bidirectional switching elements S6 to S8 have the same configuration. FIG. 9 shows the on / off states of the switching elements S1 to S5 and the polarity of the voltage in the transformer.
以下、図１０Ａ，１０Ｂを参照して、直流負荷駆動モード（例えば走行時モード）における電力輸送について詳しく説明する。図１０Ａ，１０Ｂには、直流負荷駆動モードにおける電力変換器ＥＸ１，ＥＸ２の動作が示されている。なお、図１０Ａ，１０Ｂにおいては、双方向スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８の図示は省略されている。 Hereinafter, with reference to FIGS. 10A and 10B, power transportation in a DC load drive mode (for example, a traveling mode) will be described in detail. 10A and 10B show the operation of the power converters EX1 and EX2 in the DC load drive mode. 10A and 10B, the bidirectional switching elements S6 to S8 are not shown.
図１０Ａに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１に電流が流れ、これにより磁束が発生する。この磁束により、トランスＴの励磁インダクタンスにエネルギーが蓄えられる。これにより、トランスＴの１次側コイルＬ１の上側がプラス（＋）になり、２次側コイルＬ２の上側もプラス（＋）になる。このとき、双方向スイッチング素子Ｓ５に含まれる上側スイッチング素子Ｓ５ａをオフし、下側スイッチング素子Ｓ５ｂをオンする。これにより、双方向スイッチング素子Ｓ５は、下から上に向けて電流を流すダイオードとして機能することになる。また、双方向スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８をオフにする。双方向スイッチング素子Ｓ５により構成されるダイオードの向きが、２次側コイルＬ２に供給される電流の向きと逆であるため、２次側コイルＬ２に誘導電流は流れない。このとき、コンデンサ１８に蓄積されたエネルギーが直流負荷１６に供給され、これにより、直流負荷１６が駆動される。
In the state shown in FIG. 10A, when the switching elements S1 and S4 are turned on, a current flows through the primary coil L1 of the transformer T, thereby generating a magnetic flux. Energy is stored in the exciting inductance of the transformer T by this magnetic flux. Thereby, the upper side of the primary side coil L1 of the transformer T becomes plus (+), and the upper side of the secondary side coil L2 becomes plus (+). At this time, the upper switching element S5a included in the bidirectional switching element S5 is turned off, and the lower switching element S5b is turned on. As a result, the bidirectional switching element S5 functions as a diode that allows current to flow from bottom to top. Further, the bidirectional switching elements S6 to S8 are turned off. Since the direction of the diode constituted by the bidirectional switching element S5 is opposite to the direction of the current supplied to the secondary side coil L2, no induced current flows through the secondary side coil L2. At this time, the energy accumulated in the
図１０Ｂに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオフすることにより、トランスＴに蓄積されたエネルギーが解放される。このとき、双方向スイッチング素子Ｓ５に含まれる上側スイッチング素子Ｓ５ａをオフし、下側スイッチング素子Ｓ５ｂをオンする。これにより、双方向スイッチング素子Ｓ５は、下から上に向けて電流を流すダイオードとして機能する。トランスＴからエネルギーが解放されることにより、電流が、双方向スイッチング素子Ｓ５により構成されるダイオードを介して流れる。整流と平滑化により直流電圧が生成されて直流負荷１６に印加され、これにより、直流負荷１６が駆動される。
In the state shown in FIG. 10B, the energy stored in the transformer T is released by turning off the switching elements S1 and S4. At this time, the upper switching element S5a included in the bidirectional switching element S5 is turned off, and the lower switching element S5b is turned on. Thus, the bidirectional switching element S5 functions as a diode that allows current to flow from the bottom to the top. By releasing energy from the transformer T, a current flows through the diode constituted by the bidirectional switching element S5. A DC voltage is generated by rectification and smoothing and applied to the
図１１には、図１０Ａ，１０Ｂに示されている回路の等価回路が示されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることにより、バッテリ１０からの電流がトランスＴの１次側コイルＬ１に流れる。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオフすることにより、その電流は流れないが、双方向スイッチング素子Ｓ５により構成されるダイオードを介して電流が流れ、これにより、直流負荷１６に直流電圧が印加される。
FIG. 11 shows an equivalent circuit of the circuit shown in FIGS. 10A and 10B. By turning on the switching elements S1 and S4, the current from the
図１２には、直流負荷駆動モード時における各部の波形が示されている。バッテリ１０の電圧（高圧直流）が入力電圧である。交流負荷駆動モード（交流の場合）と直流負荷駆動モード（直流の場合）とで、スイッチング素子の制御を切り替えることにより、トランスＴの２次側に、交流負荷駆動モードと直流負荷駆動モードとで、異なる電圧が形成される。本実施形態では、図２に示されているように、１次側コイルＬ１の巻線数と、２次側コイルＬ２における一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数と、の比は、４：１となっている。これにより、１次側コイルＬ１に印加される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２において一方端子Ａと第３端子Ｃとの間に印加される電圧Ｖｄｃと、の比は、４：１となる。それ故、トランスＴの２次側（一方端子Ａと第３端子Ｃとの間）には、１次側電圧の１／４倍の電圧が印加される。一方端子Ａと第３端子Ｃは、直流負荷１６に接続されているため、一方端子Ａと第３端子Ｃを介して、１次側電圧の１／４倍の電圧が直流負荷１６に印加され、これにより、直流負荷１６が駆動される。上述したように、交流負荷駆動モードにおいては、一方端子Ａと他方端子Ｂを介して、１次側電圧の２倍の電圧が交流電源１４に印加される。このように、スイッチング素子の制御を切り替えることにより、交流負荷駆動モードと直流負荷駆動モードとで、異なる電圧を２次側コイルＬ２に印加することが可能となる。
FIG. 12 shows waveforms at various parts in the DC load drive mode. The voltage (high voltage direct current) of the
以上のように、本実施形態によると、２次側コイルＬ２の一方端子Ａと他方端子Ｂとに接続された素子との関係では、１次側電圧＜２次側電圧の関係（第１の関係）が成立する。一方、２次側コイルＬ２の一方端子Ａと第３端子Ｃとに接続された素子との関係では、１次側電圧＞２次側電圧の関係（第２の関係）が成立する。そして、スイッチング素子のスイッチングを制御することにより、第１の関係又は第２の関係を任意に選択して実現することが可能となる。例えば、第１の関係を成立させることにより、交流電源１４により電力を制御することが可能となる。また、第２の関係を成立させることにより、高圧の直流電圧を低圧の直流電圧に変換して直流負荷１６に印加することが可能となる。図２に示すトランスＴの構成によると、１次側の電圧が１００Ｖの場合、２次側には２５Ｖの電圧が印加される。これにより、１次側の電流を低減して素子損失を低減することが可能となり、その結果、電力交換効率が向上する。また、充電モード、交流負荷駆動モード及び直流負荷駆動モードを実現するにあたって、トランスＴが共通して利用されるので、別のトランスやスイッチを設けずに、直流電力同士の電力交換、及び、直流電力と交流電力との間の電力変換を行うことが可能となる。それ故、回路の小型化、コスト削減が可能となる。
As described above, according to the present embodiment, in the relationship between the elements connected to the one terminal A and the other terminal B of the secondary coil L2, the relationship of the primary voltage <the secondary voltage (the first voltage) Relationship) is established. On the other hand, in the relationship between the elements connected to the one terminal A and the third terminal C of the secondary coil L2, the relationship of primary side voltage> secondary side voltage (second relationship) is established. Then, by controlling the switching of the switching element, the first relationship or the second relationship can be arbitrarily selected and realized. For example, the power can be controlled by the
（変形例１）
以下、変形例１に係る電力変換装置について説明する。図１３には、変形例１において、直流負荷駆動モード時における回路構成が示されている。
(Modification 1)
Hereinafter, the power converter device which concerns on the
変形例１に係る電力変換装置は、上記の実施形態に係る電力変換装置の構成に加えて、スイッチング素子Ｓ９、スナバコンデンサ３６、リアクトル３８及びダイオード４０を含む。スイッチング素子Ｓ９とスナバコンデンサ３６は直列に接続されており、バッテリ１０とスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の直列接続との間に配置されている。スイッチング素子Ｓ９の一方端子はスナバコンデンサ３６を介してバッテリ１０の正極に接続されており、スイッチング素子Ｓ９の他方端子は１次側コイルＬ１の他方端子に接続されている。リアクトル３８は、図示しない双方向スイッチング素子Ｓ６と直流負荷１６との間に配置されている。リアクトル３８の一方端子は直流負荷１６の一方端子に接続されており、リアクトル３８の他方端子は、図示しない双方向スイッチング素子Ｓ６の一方端子に接続されている。ダイオード４０は、直流負荷１６及びコンデンサ１８に並列に接続されている。
The power conversion device according to the first modification includes a switching element S9, a
変形例１では、双方向スイッチング素子Ｓ５として、例えば図８に示されている素子が用いられるものとする。双方向スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８についても同じ構成を有する。なお、図１３においては、双方向スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８の図示は省略されている。 In the first modification, for example, the element shown in FIG. 8 is used as the bidirectional switching element S5. The bidirectional switching elements S6 to S8 have the same configuration. In FIG. 13, the bidirectional switching elements S6 to S8 are not shown.
図１４には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ５のオン／オフ状態と、トランスにおける電圧の極性と、が示されている。直流負荷駆動モード時においては、双方向スイッチング素子Ｓ５の上側スイッチング素子Ｓ５ａがオンされ、下側スイッチング素子Ｓ５ｂがオフされる。これにより、双方向スイッチング素子Ｓ５は、上から下に向けて電流を流すダイオードとして機能することになる。 FIG. 14 shows the on / off states of the switching elements S1 to S5 and the polarity of the voltage in the transformer. In the DC load drive mode, the upper switching element S5a of the bidirectional switching element S5 is turned on and the lower switching element S5b is turned off. As a result, the bidirectional switching element S5 functions as a diode that allows current to flow from top to bottom.
以下、図１５Ａ，１５Ｂを参照して、直流負荷駆動モード（例えば走行時モード）における電力輸送について詳しく説明する。図１５Ａ，１５Ｂには、変形例１において、直流負荷駆動モードにおける電力変換器ＥＸ１，ＥＸ２の動作が示されている。なお、図１５Ａ，１５Ｂにおいては、双方向スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８の図示は省略されている。 Hereinafter, with reference to FIGS. 15A and 15B, power transportation in the DC load drive mode (for example, the travel mode) will be described in detail. 15A and 15B show operations of the power converters EX1 and EX2 in the DC load drive mode in the first modification. In FIGS. 15A and 15B, the bidirectional switching elements S6 to S8 are not shown.
図１５Ａに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンすることにより、トランスＴの１次側コイルＬ１に電流が流れ、１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２の上側がプラスになる。このとき、双方向スイッチング素子Ｓ５に含まれる上側スイッチング素子Ｓ５ａをオンし、下側スイッチング素子Ｓ５ｂをオフする。こにより、上から下に向けて電流を流すダイオードが構成され、そのダイオードを介して電流が流れ、リアクトル３８にエネルギーが蓄積される。
In the state shown in FIG. 15A, when the switching elements S1 and S4 are turned on, a current flows through the primary side coil L1 of the transformer T, and the upper side of the primary side coil L1 and the secondary side coil L2 becomes positive. Become. At this time, the upper switching element S5a included in the bidirectional switching element S5 is turned on, and the lower switching element S5b is turned off. As a result, a diode is formed to flow current from top to bottom, current flows through the diode, and energy is stored in the
図１５Ｂに示されている状態では、スイッチング素子Ｓ４をオフし、スイッチング素子Ｓ９をオンすることにより、１次側では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ９を介して電流が流れる。このとき、リアクトルに起電力が発生し、リアクトル３８に蓄積されたエネルギーが解放される。これにより、電流がダイオード４０を介して流れる。整流と平滑化により直流電圧が生成されて直流負荷１６に印加され、これにより、直流負荷１６が駆動される。
In the state shown in FIG. 15B, when the switching element S4 is turned off and the switching element S9 is turned on, a current flows through the switching elements S1 and S9 on the primary side. At this time, an electromotive force is generated in the reactor, and the energy accumulated in the
図１６には、図１５Ａ，１５Ｂに示されている回路の等価回路が示されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンにすることにより、バッテリ１０からの電流がトランスＴの１次側コイルＬ１に流れ、リアクトル３８にエネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｓ４をオフし、スイッチング素子Ｓ９をオンすることにより、スイッチング素子Ｓ９を介して電流が流れる。２次側では、リアクトル３８に蓄積されたエネルギーが解放され、ダイオード４０を介して電流が流れる。これにより、直流負荷１６に直流電圧が印加される。
FIG. 16 shows an equivalent circuit of the circuit shown in FIGS. 15A and 15B. By turning on the switching elements S1 and S4, the current from the
なお、充電モード時及び交流負荷駆動モード時における動作は、上記の実施形態に係る動作と同じである。 In addition, the operation | movement at the time of charge mode and alternating current load drive mode is the same as the operation | movement which concerns on said embodiment.
（変形例２）
以下、変形例２に係る電力変換装置について説明する。図１７には、変形例２において、直流負荷駆動モード時における回路構成が示されている。
(Modification 2)
Hereinafter, the power converter device which concerns on the
変形例２に係る電力変換装置は、上記の実施形態に係る電力変換装置の構成に加えて、ダイオード４２を含む。ダイオード４２の一方端子は直流負荷１６の一方端子に接続されており、ダイオード４２の他方端子は双方向スイッチング素子Ｓ６の一方端子に接続されている。ダイオード４２は、直流負荷１６側から双方向スイッチング素子Ｓ６側に電流を流す機能を備えている。
The power conversion device according to the second modification includes a
変形例２においては、図９に示されている制御条件に従って、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチングが制御される。これにより、上記の実施形態と同様に、バッテリ１０からの電力を変換して直流負荷１６に印加することが可能となる。
In the modified example 2, switching of the switching elements S1 to S4 and the bidirectional switching elements S5 to S8 is controlled according to the control conditions shown in FIG. Thereby, it becomes possible to convert the electric power from the
なお、充電モード時及び交流負荷駆動モード時における動作は、上記の実施形態に係る動作と同じである。 In addition, the operation | movement at the time of charge mode and alternating current load drive mode is the same as the operation | movement which concerns on said embodiment.
（変形例３）
以下、変形例３に係る電力変換装置について説明する。図１８には、変形例３において、直流負荷駆動モード時における回路構成が示されている。
(Modification 3)
Hereinafter, the power converter device which concerns on the
変形例３に係る電力変換装置は、上記の実施形態に係る電力変換装置の構成に加えて、スイッチング素子Ｓ９、スナバコンデンサ３６、リアクトル３８及びダイオード４０，４４を含む。スイッチング素子Ｓ９とスナバコンデンサ３６は直列に接続されており、バッテリ１０とスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３の直列接続との間に配置されている。スイッチング素子Ｓ９の一方端子はスナバコンデンサ３６を介してバッテリ１０の正極に接続されており、スイッチング素子Ｓ９の他方端子は１次側コイルＬ１の一方端子に接続されている。リアクトル３８とダイオード４４は、双方向スイッチング素子Ｓ６と直流負荷１６との間に配置されている。リアクトル３８の一方端子は直流負荷１６に接続されており、リアクトル３８の他方端子はダイオード４４の一方端子に接続されている。ダイオード４４の他方端子は双方向スイッチング素子Ｓ６の一方端子に接続されている。ダイオード４４は、双方向スイッチング素子Ｓ６側からリアクトル３８側に電流を流す機能を備えている。ダイオード４０は、直流負荷１６及びコンデンサ１８に並列に接続されている。
The power conversion device according to
変形例３においては、図１４に示されている制御条件に従って、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ９と双方向スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のスイッチングが制御される。これにより、変形例１と同様に、バッテリ１０からの電力を変換して直流負荷１６に印加することが可能となる。
In the
（変形例４）
以下、変形例４に係るトランスについて説明する。図１９には、変形例４に係るトランスＴが示されている。変形例４では、１次側コイルＬ１の巻線数と２次側コイルＬ２の巻線数とが同じである。一例として、１次側コイルＬ１の巻線数は８であり、２次側コイルＬ２の全体の巻線数（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間の巻線数）は８である。また、第３端子Ｃは、２次側コイルＬ２の中間タップに接続されている。これにより、２次側コイルＬ２において、一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数は４となり、第３端子Ｃと他方端子Ｂとの間の巻線数は４となる。それ故、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２の全体（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間）に形成される電圧ＶＡＣと、の比は、１：１となる。つまり、ＶＤＣ／ＶＡＣ＝１／１の関係が成立する。また、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２において一方端子Ａと第３端子Ｃとの間に形成される電圧Ｖｄｃと、の比は、２：１となる。つまり、Ｖｄｃ／ＶＤＣ＝１／２の関係が成立する。このように、１次側コイルＬ１の巻線数と２次側コイルＬ２の巻線数との比率を変えることにより、その比率に応じた電圧関係を実現することが可能となる。
(Modification 4)
Hereinafter, a transformer according to
（変形例５）
以下、変形例５に係るトランスについて説明する。図２０には、変形例５に係るトランスＴが示されている。変形例５では、１次側コイルＬ１の巻線数は、２次側コイルＬ２の巻線数よりも多い。一例として、１次側コイルＬ１の巻線数は１２であり、２次側コイルＬ２の全体の巻線数（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間の巻線数）は６である。また、第３端子Ｃは、２次側コイルＬ２の中間タップ以外の箇所に接続されている。例えば、２次側コイルＬ２において、一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数は２であり、第３端子Ｃと他方端子Ｂとの間の巻線数は４である。これにより、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２の全体（一方端子Ａと他方端子Ｂとの間）に形成される電圧ＶＡＣと、の比は、２：１となる。つまり、ＶＤＣ／ＶＡＣ＝２／１の関係が成立する。また、１次側コイルＬ１に形成される電圧ＶＤＣと、２次側コイルＬ２において一方端子Ａと第３端子Ｃとの間に形成される電圧Ｖｄｃと、の比は、６：１となる。つまり、Ｖｄｃ／ＶＤＣ＝１／６の関係が成立する。このように、１次側コイルＬ１の巻線数と２次側コイルＬ２の巻線数との比率を変えることにより、その比率に応じた電圧関係を実現することが可能となる。
(Modification 5)
Hereinafter, a transformer according to
１次側コイルＬ１の巻線数と２次側コイルＬ２の巻線数との関係として、上記の例以外の任意の関係が採用されてもよい。例えば、２次側コイルＬ２の巻線数は、１次側コイルＬ１の巻線数以上であってもよいし、１次側コイルＬ１の巻線数以下であってもよい。また、１次側コイルＬ１の巻線数は、２次側コイルＬ２における一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数以上であってもよいし、２次側コイルＬ２における一方端子Ａと第３端子Ｃとの間の巻線数以下であってもよい。このように巻線数の関係を変えることにより、直流電力同士の電力変換の比率、及び、直流電力と交流電力との間の電力変換の比率を、任意に変更することが可能となる。 As the relationship between the number of turns of the primary side coil L1 and the number of turns of the secondary side coil L2, any relationship other than the above example may be adopted. For example, the number of turns of the secondary coil L2 may be equal to or greater than the number of turns of the primary coil L1, or may be equal to or less than the number of turns of the primary coil L1. Further, the number of windings of the primary coil L1 may be equal to or greater than the number of windings between the one terminal A and the third terminal C in the secondary coil L2, or the one terminal in the secondary coil L2. It may be less than the number of windings between A and the third terminal C. By changing the relationship of the number of windings in this way, it is possible to arbitrarily change the ratio of power conversion between DC power and the ratio of power conversion between DC power and AC power.
１０ バッテリ、１２ リアクトル、１４ 交流電源、１６ 直流負荷、１８ コンデンサ、Ｓ１〜Ｓ４ スイッチング素子、Ｓ５〜Ｓ８ 双方向スイッチング素子、Ｔ トランス、Ｌ１ １次側コイル、Ｌ２ ２次側コイル、ＥＸ１，ＥＸ２ 電力変換器。 10 battery, 12 reactor, 14 AC power supply, 16 DC load, 18 capacitor, S1-S4 switching element, S5-S8 bidirectional switching element, T transformer, L1 primary side coil, L2 secondary side coil, EX1, EX2 power converter.
Claims (5)
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間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、前記トランスの２次側の交流電力と、単相交流電力又は第２直流電力との間の電力変換を行う第２電力変換手段と、
を含み、
前記トランスに含まれる２次側コイルの一方端子及び他方端子が、前記単相交流電力の入出力端子に接続され、前記２次側コイルの前記一方端子、及び、前記一方端子と前記他方端子との間の第３端子が、前記第２直流電力の入出力端子に接続され、
前記第２電力変換手段は、複数の双方向スイッチング素子を含み、前記双方向スイッチング素子のスイッチングにより、前記トランスの前記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し、これにより、前記単相交流電力又は前記第２直流電力に変換する、
ことを特徴とする電力変換装置。 With a transformer,
First power conversion means for performing power conversion between the first DC power and the AC power on the primary side of the transformer on the primary side of the transformer;
Second power conversion means for performing power conversion between the AC power on the secondary side of the transformer and single-phase AC power or second DC power on the secondary side of the transformer;
Including
One terminal and the other terminal of the secondary coil included in the transformer are connected to the input / output terminal of the single-phase AC power, the one terminal of the secondary coil, the one terminal and the other terminal, A third terminal is connected to the input / output terminal of the second DC power,
The second power conversion means includes a plurality of bidirectional switching elements, and controls the direction of the current with respect to the AC power on the secondary side of the transformer by switching of the bidirectional switching elements. Converted into single-phase AC power or the second DC power,
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記２次側コイルの巻線数は、前記トランスに含まれる１次側コイルの巻線数以上である、
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The number of windings of the secondary side coil is equal to or greater than the number of windings of the primary side coil included in the transformer.
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記２次側コイルの巻線数は、前記トランスに含まれる１次側コイルの巻線数以下である、
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The number of turns of the secondary coil is equal to or less than the number of turns of the primary coil included in the transformer.
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記１次側コイルの巻線数は、前記２次側コイルにおける前記一方端子と前記第３端子との間の巻線数以上である、
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 2 or claim 3,
The number of windings of the primary coil is equal to or greater than the number of windings between the one terminal and the third terminal in the secondary coil.
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記第２電力変換手段は、前記第１電力変換手段が電力変換を行っている間、前記トランスからの電流が前記２次側に流れないように、前記双方向スイッチング素子をスイッチングし、前記第１電力変換手段が電力変換を中止した後、前記トランスからの電流が前記２次側に流れるように、前記双方向スイッチング素子をスイッチングする、
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter according to any one of claims 1 to 4,
The second power conversion means switches the bidirectional switching element so that a current from the transformer does not flow to the secondary side while the first power conversion means performs power conversion, and the second power conversion means 1 After the power conversion means stops power conversion, the bidirectional switching element is switched so that a current from the transformer flows to the secondary side.
The power converter characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2015191670A JP2017070061A (en) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | Power conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
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-
2015
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