JP2017204998A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁型フルブリッジコンバータを備えた、送電方向を高速に切り替え可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ１０が、第１入出力端子対に印加された第１範囲内の電圧を、第２範囲内の電圧に変換して第２入出力端子対から出力する第１種コンバータ、又は、第２入出力端子対に印加された第２範囲内の電圧を、第１範囲内の電圧に変換して第１入出力端子対から出力する第２種コンバータとして動作する電力変換装置を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の所定の状態遷移を、トランスＴＲの一次側又は二次側の負荷電流値が所定の電流値範囲内の値となるのを待って行う装置として構成しておく。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、第１入出力端子対に印加された第１範囲内の電圧を第２範囲内の電圧に変換して第２入出力端子対から出力する機能と、第２入出力端子対に印加された第２範囲内の電圧を第１範囲内の電圧に変換して第１入出力端子対から出力する機能とを有する電力変換装置に関する。

大容量の双方向直流変換が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとして、トランスを介して２つのフルブリッジ回路を接続した構成を有する絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、特許文献１参照）が知られている。

特表２０１５−５１７７８８号公報

上記構成を有する絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、絶縁型フルブリッジコンバータと表記する）に昇圧動作又は降圧動作を行わせる場合には、トランスの一次側の巻線に流れる電流の方向が第１方向となる状態と、当該電流の方向が第１方向とは逆の第２方向となる状態とを交互にとるように、一次側のフルブリッジ回路内の４つのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦが制御されている。そして、それら２状態間の遷移タイミングは、一次側／二次側に流れている電流の量（大きさ）とは無関係に定められている。そのため、絶縁型フルブリッジコンバータによる送電方向を切り替える場合（それまで入力端子として機能していた入出力端子を出力端子として機能させる場合）、コンバータ内の素子の保護等のために、或る程度の時間を待つ必要があった。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、絶縁型フルブリッジコンバータを備えた、送電方向を高速に（短時間で）切り替え可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の電力変換装置は、第１入出力端子対と、第２入出力端子対と、前記第１入出力端子対および前記第２入出力端子対に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、を有する。本発明の電力変換装置のＤＣ／ＤＣコンバータは、第１接続点を介して直列接続された第１および第２スイッチング素子を有し、前記第１入出力端子対に接続された、第１スイッチングレグと、第２接続点を介して直列接続された第３および第４スイッチング素子を有し、前記第１スイッチングレグに並列接続された、第２スイッチングレグと、第３接続点を介して直列接続された第５および第７スイッチング素子を有し、前記第２入出力端子対に接続された、第３スイッチングレグと、第４接続点を介して直列接続された第６および第８スイッチング素子を有し、前記第３スイッチングレグに並列接続された、第４スイッチングレグと、前記第１接続点と前記第２接続点とに接続された、トランスの一方の巻線と第１リアクトルとが直列接続された第１エネルギー蓄積変換部と、前記第３接続点と前記第４接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線と第２リアクトルとが直列接続された第２エネルギー蓄積変換部と、を備える。また、制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに、前記第１入出力端子対に印加された第１範囲内の電圧を第２範囲内の電圧に変換
させて前記第２入出力端子対から出力させるための第１制御と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに、前記第２入出力端子対に印加された前記第２範囲内の電圧を前記第１範囲内の電圧に変換させて前記第１入出力端子対から出力させるための第２制御とを実行可能に構成されている。

制御部が実行可能な第１制御は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態が、前記第１入出力端子対から入力された電流が前記第１リアクトルを流れる第１状態、前記第１リアクトルを含む経路で電流が循環し得る第２状態、前記第１入出力端子対から入力された電流が、前記第１状態における方向とは逆方向に前記第１リアクトルを流れる第３状態、及び、前記第１リアクトルを含む経路で電流が第２状態における方向とは逆方向に前記第１リアクトルを流れながら循環し得る第４状態間を、この順に繰り返し遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御であると共に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第２状態から前記第３状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトルを流れる電流値の測定結果である第２リアクトル電流値が第１電流値範囲内に入っていない場合には、前記第２リアクトル電流値が前記第１電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第２状態から前記第３状態に遷移させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第４状態から前記第１状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトル電流値が前記第１電流値範囲内に入っていない場合には、前記第２リアクトル電流値が前記第１電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第４状態から前記第１状態に遷移させる制御である。また、第２制御は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態が、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力されない第５状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを流れ、前記第１入出力端子対から電流が出力される第６状態、前記第２入出力端子対から電流が入力されず、且つ、前記第１入力端子対から電流が出力されない第７状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを前記第５状態における方向とは逆方向に流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力されない第８状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを前記第６状態における方向と逆方向に流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力される第９状態、前記第２入出力端子対から電流が入力されず、且つ、前記第１入力端子対から電流が出力されない第１０状態間を、この順に繰り返し遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御であると共に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第６状態から前記第７状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトル電流値から求められた、前記第１リアクトルを流れる負荷電流値が第２電流値範囲内に入っていない場合には、前記負荷電流値が前記第２電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第６状態から前記第７状態に遷移させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第９状態から前記第１０状態に遷移させるべきときに、前記負荷電流値が前記第２電流値範囲内に入っていない場合には、前記負荷電流値が前記第２電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第９状態から前記第１０状態に遷移させる制御である。

すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を第１状態〜第４状態間で繰り返し遷移させる第１制御と、ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を第５状態〜第１０状態間で繰り返し遷移させる第２制御とが行われる電力変換装置の送電方向の切り替え速度を向上させるためには、第２状態から第３状態への遷移時における負荷電流値と、第４状態から第１状態への遷移時における負荷電流値と、第６状態から第７状態への遷移時における負荷電流値と、第９状態から第１０状態への遷移時における負荷電流値とを低減することが有効である。上記構成を有する本発明の電力変換装置によれば、各遷移時における負荷電流値を低減することが出来る。従って、本発明の第１の態様の電力変換装置によれば、各種状態への遷移タイミングが固定されている電力変換装置よりも、送電方向を高速に（短時間で）切り替えることが可能となる。

本発明の第２の態様の電力変換装置は、第２リアクトルではなく、第１リアクトルを流れる電流値の測定結果に基づき、各遷移タイミングの調整が行われるように、第２の態様の電力変換装置を変形したものである。従って、本発明の第２の態様の電力変換装置によっても、各種状態への遷移タイミングが固定されている電力変換装置よりも、送電方向を高速に（短時間で）切り替えることが可能となる。

本発明の各態様の電力変換装置における負荷電流値の生成は、ソフトウェア的に行われても良い。また、本発明の第１の態様の電力変換装置の制御部に、前記第２リアクトル電流値と前記第１入出力端子対への入力電圧と前記第２制御の制御周期とから、前記負荷電流値を生成して出力する負荷電流値出力回路を、含めておくことにより、負荷電流値の生成がハードウェアにより行われるようにしておいても良い。本発明の第２の態様の電力変換装置の制御部に、前記第１リアクトル電流値と前記第２入出力端子対への入力電圧と前記第１制御の制御周期とから、前記負荷電流値を生成して出力する負荷電流値出力回路を、含めておいても良い。

本発明によれば、絶縁型フルブリッジコンバータを備えた、送電方向を高速に（短時間で）切り替え可能な電力変換装置を提供することが出来る。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。 図２は、実施形態に係る電力変換装置が備える制御ユニットが、ＤＣ／ＤＣコンバータを第１入出力端子側が一次側の降圧コンバータとして動作させる場合に出力する制御信号Ｇ１〜Ｇ４のタイミングチャートである。 図３は、制御ユニットが、ＤＣ／ＤＣコンバータを第１入出力端子側が一次側の昇圧コンバータとして動作させる場合に出力する制御信号Ｇ１〜Ｇ６のタイミングチャートである。 図４は、制御ユニットがＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子側が一次側である降圧コンバータとして機能させている場合にＤＣ／ＤＣコンバータの各部を流れる電流の時間変化を、制御信号Ｇ１〜Ｇ４の時間変化と共に示したタイムチャートである。 図５Ａは、制御ユニットが、ＤＣ／ＤＣコンバータを第１入出力端子側が一次側である降圧コンバータとして機能させている場合におけるＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図５Ｂは、図５Ａに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図５Ｃは、図５Ｂに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図５Ｄは、図５Ｃに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図５Ｅは、図５Ｄに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図５Ｆは、図５Ｅに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図６は、制御ユニットが実行する降圧用制御処理の流れ図である。 図７は、制御ユニットが実行する昇圧用制御処理の流れ図である。 図８は、制御ユニットがＤＣ／ＤＣコンバータを第１入出力端子側が一次側である昇圧コンバータとして機能させている場合にＤＣ／ＤＣコンバータの各部を流れる電流の時間変化を、制御信号Ｇ１〜Ｇ６の時間変化と共に示したタイムチャートである。 図９Ａは、制御ユニットが、ＤＣ／ＤＣコンバータを第１入出力端子側が一次側である昇圧コンバータとして機能させている場合におけるＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図９Ｂは、図９Ａに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図９Ｃは、図９Ｂに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図９Ｄは、図９Ｃに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図９Ｅは、図９Ｄに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図９Ｆは、図９Ｅに続く、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側、二次側の電流経路の説明図である。 図１０は、制御ユニットによる制御内容を説明するための電力変換装置の概略構成図である。 図１１は、制御ユニットが実行する第２降圧用制御処理の流れ図である。 図１２は、制御ユニットが実行する第２昇圧用制御処理の流れ図である。 図１３は、負荷電流生成回路の構成の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す。
本実施形態に係る電力変換装置は、双方向の電力変換が可能な装置である。図示してあるように、電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と制御ユニット２０と２対の入出力端子１３（１３ｐ、１３ｍ）とを備える。なお、いずれの一対の入出力端子１３においても、入出力端子１３ｐが、高電位側の入出力端子であり、入出力端子１３ｍが、低電位側の入出力端子である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、トランスＴＲ、２つのリアクトルＬｒ及び２つのフルブリッジ回路１１を主要構成要素とした絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。以下、図１における左側のフルブリッジ回路１１、右側のフルブリッジ回路１１のことを、それぞれ、第１フルブリッジ回路１１、第２フルブリッジ回路１１と表記する。同様に、図１における左側、右側のリアクトルＬｒのことを、それぞれ、第１リアクトル、第２リアクトルと表記し、トランスＴＲの図１における左側の巻線、右側の巻線のことを、それぞれ、第１巻線、第２巻線と表記する。また、図１における左側、左側の各入出力端子１３（１３ｐ、１３ｍ）のことを、それぞれ、第１入出力端子１３、第２入出力端子１３と表記する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のトランスＴＲは、巻数比が１：１のものでなくても良い。ただし、以下では、トランスＴＲの巻数比が１：１であるものとして、電力変換装置の構成及び動作を説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の第１フルブリッジ回路１１は、直列接続された第１スイッチング素子ＳＷ１および第２スイッチング素子ＳＷ２を有する第１スイッチングレグと、直列接続された第３スイッチング素子ＳＷ３および第４スイッチング素子ＳＷ４を有する第２スイッチングレグと、を備える。図示してあるように、各スイッチングレグの第ｎスイッチング素子ＳＷｎ（ｎ＝１〜４）の端子間には、ダイオードＤｎが並列に接続されている。また、各スイッチングレグは、一対の第１入出力端子１３と接続されており、第１スイッチングレグの、第１、第２スイッチング素子ＳＷ１、２間の接続点は、第１リアクトルを介してトランスＴＲの第１巻線の一端に接続されている。そして、第２スイッチングレグの、第３、第４スイッチング素子ＳＷ３、４間の接続点は、トランスＴＲの第１巻
線の他端に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の第２フルブリッジ回路１１は、直列接続された第５スイッチング素子ＳＷ５および第７スイッチング素子ＳＷ７を有する第３スイッチングレグと、直列接続された第６スイッチング素子ＳＷ６および第８スイッチング素子ＳＷ８を有する第４スイッチングレグと、を備える。図示してあるように、各スイッチングレグの第ｎスイッチング素子ＳＷｎ（ｎ＝５〜８）の端子間には、ダイオードＤｎが並列に接続されている。また、第３スイッチングレグ、第４スイッチングレグは、いずれも、第２入出力端子対と接続されている。そして、第３スイッチングレグの、第５、第７スイッチング素子ＳＷ５、７間の接続点は、第２リアクトルを介してトランスＴＲの第２巻線の一端に接続され、第４スイッチングレグの、第６、第８スイッチング素子ＳＷ６、８間の接続点は、トランスＴＲの第２巻線の他端に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０には、第２リアクトルを流れる電流の大きさを測定するための電流センサ１５が取り付けられている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０には、入出力電圧や入出力電流の大きさを測定するための各種センサ（図示略）も取り付けられている。

制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０内の各スイッチング素子への制御信号のレベルを変更することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０（ＤＣ／ＤＣコンバータ１０内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ）を制御するユニットである。以下、第ｎスイッチング素子ＳＷｎ（ｎ＝１〜８）用の制御信号のことを、制御信号Ｇｎと表記する。

制御ユニット２０は、プロセッサ（本実施形態では、マイクロコントローラ）、ゲートドライバ等から構成されており、制御ユニット２０には、上記した各種センサ（電流センサ１５等）の出力が入力されている。

そして、制御ユニット２０は、入力されているデータ（電流値、電圧値）に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を、以下の４種のコンバータの中のいずれかとして動作させるかを決定し、決定したコンバータとして動作するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０を制御するように構成（プログラミング）されている。
・第１入出力端子１３側が一次側の昇圧コンバータ
・第１入出力端子１３側が一次側の降圧コンバータ
・第２入出力端子１３側が一次側の昇圧コンバータ
・第２入出力端子１３側が一次側の降圧コンバータ

また、制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に対する制御内容の変更（ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側の昇圧コンバータとして動作させる制御から、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第２入出力端子１３側が一次側の降圧コンバータとして動作させる制御への変更等）を、即座に行うようにも構成（プログラミング）されている。

以下、本実施形態に係る電力変換装置の構成及び動作を具体的に説明する。

まず、制御ユニット２０によるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の基本的な制御内容を説明する。なお、後述する制御信号Ｇ１〜Ｇ６は、実際には、２つのスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ（第１スイッチング素子ＳＷ１のＯＮと第２スイッチング素子ＳＷ２のＯＦＦ等）が、時間差（いわゆるデッドタイム）をもって行われることになるものである。ただし、説明が煩雑になるのを避けるために、以下では、当該時間差が与えられていないものとして制御ユニット２０の動作を説明する。

（１）ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして機能させる場合
この場合、制御ユニット２０は、基本的には、図２に示したように時間変化する制御信号Ｇ１〜Ｇ４を出力する。

すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして機能させる場合、制御ユニット２０は、ＯＮ時間が周期Ｔの１／２の制御信号Ｇ１、換言すれば、デューティ比が１／２の制御信号Ｇ１を出力する。また、制御ユニット２０は、制御信号Ｇ１を反転した制御信号Ｇ２、つまり、第１スイッチング素子ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ時に、第２スイッチング素子ＳＷ２がＯＦＦ／ＯＮすることになる制御信号Ｇ２を出力する。さらに、制御ユニット２０は、制御信号Ｇ１とは位相がθだけずれた制御信号Ｇ３と、制御信号Ｇ３を反転した制御信号Ｇ４とを出力する。

そして、制御ユニット２０は、上記のような制御信号Ｇ１〜Ｇ４を出力しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧や出力電流が目標値となるように、θの値を変更する。

なお、本実施形態に係る電力変換装置が、第１入出力端子１３側が一次側である降圧装置として動作する場合、第２フルブリッジ回路１１（二次側のフルブリッジ回路１１；図１参照）は、全波整流器（ダイオードブリッジ回路）として利用される。従って、制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を、第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして動作させる場合、第２フルブリッジ回路１１内の各スイッチング素子の状態をＯＦＦ状態に維持する。

（２） ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である昇圧コンバータとして機能させる場合
この場合、制御ユニット２０は、基本的には、図３に示したように時間変化する制御信号Ｇ１〜Ｇ６を出力する。

すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である昇圧コンバータとして機能させる場合、制御ユニット２０は、デューティ比が１／２の制御信号Ｇ２、及び、制御信号Ｇ２の立ち下がり時に立ち上がる、ＯＮ時間が制御信号Ｇ２よりも短い制御信号Ｇ１を出力する。また、制御ユニット２０は、それぞれ、制御信号Ｇ１、Ｇ２をＴ／２だけ遅らせた信号である制御信号Ｇ３、Ｇ４を出力する。さらに、制御ユニット２０は、制御信号Ｇ１の立ち下がり時から時間Ｔｏｎの間だけハイレベルとなる制御信号Ｇ５と、制御信号Ｇ３の立ち下がり時から時間Ｔｏｎの間だけハイレベルとなる制御信号Ｇ６とを出力する。

そして、制御ユニットは、上記のような制御信号Ｇ１〜Ｇ６を出力しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧や出力電流が目標値となるように、時間Ｔｏｎの値を変更する。

以下、制御ユニット２０によるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の制御内容をさらに具体的に説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして機能させる場合における制御ユニット２０の動作を説明する。

図４に、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして機能させている場合にＤＣ／ＤＣコンバータ１０の各部
を流れる電流の時間変化を、制御信号Ｇ１〜Ｇ４の時間変化と共に示す。また、図５Ａ〜図５Ｆに、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして機能させている場合におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側、二次側の電流経路の説明図を示す。なお、図４及び後述する図８において、"
入力電流"、"出力電流"とは、それぞれ、第１入出力端子１３ｐに流れ込む電流、第２入
出力端子１３ｐから流れ出す電流のことである。また、"入力側Ｌｒ電流"、"出力側Ｌｒ
電流"とは、それぞれ、第１リアクトル（一次側のリアクトルＬｒ）を流れる電流、第２
リアクトル（二次側のリアクトルＬｒ）を流れる電流のことである。

既に説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして動作させる場合、制御ユニット２０は、図４に示してあるように時間変化する制御信号Ｇ１〜Ｇ４を出力する。

従って、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である降圧コンバータとして動作させている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態は、以下の４状態の間を、状態＃１、状態＃２、状態＃３、状態＃４の順に繰り返し遷移する。
・状態＃１：第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっている状態（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっており、他の各スイッチング素子がＯＦＦとなっている状態；以下、同様。）
・状態＃２：第２スイッチング素子ＳＷ２及び第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっている状態
・状態＃３：第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮとなっている状態
・状態＃４：第１スイッチング素子ＳＷ１及び第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮとなっている状態

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が、状態＃１になっていると、図５Ａに示してあるように、第１入出力端子１３ｐ→第１スイッチング素子ＳＷ１→第１リアクトル→トランスＴＲ→第４スイッチング素子ＳＷ４→第１入出力端子１３ｍという経路で電流が流れる。従って、第１リアクトルにエネルギーが蓄積されて、図４に示してあるように、入力側Ｌｒ電流が上昇する。また、トランスＴＲを介してエネルギーが二次側に伝送され、図４及び図５Ａに示してあるように、第２フルブリッジ回路１１により整流されて第２入出力端子１３から出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃２に遷移すると、第１スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦとなり、第２スイッチング素子ＳＷ２がＯＮとなる。従って、図５Ｂに示したように、第１リアクトルに蓄積されているエネルギーにより、第２スイッチング素子ＳＷ２（及びダイオードＤ２）→第１リアクトル→トランスＴＲ→第４スイッチング素子ＳＷ４という経路で電流が循環するようになる。そして、その結果として、第１リアクトルに蓄積されているエネルギーが二次側に伝送されて、第２フルブリッジ回路１１により整流されて第２入出力端子１３から出力される。

状態＃２における循環電流の大きさは、第１リアクトルに蓄積されていたエネルギーの二次側への移動に伴い減少する。そして、状態＃２への遷移後、或る時間（θ値等に応じた時間）が経過すると、図５Ｃに示したように、第２リアクトルに電流が流れていない状態が形成される。なお、トランスＴＲの二次側の負荷電流（つまり、第２リアクトルを流れる電流）の大きさが“０”である場合、トランスＴＲの一次側の負荷電流の大きさも“０”となる。そして、トランスＴＲの一次側を流れる電流は、負荷電流＋励磁電流であるので、図５Ｃにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側を循環している電流は、励磁
電流である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、状態＃３への本来の遷移タイミングとなった時に、原則として（負荷が過度に大きくない場合には）、図５Ｃに示した状態となっているように、構成されている。ここで、本来の遷移タイミングとは、制御ユニット２０が有しているタイミング調整機能（詳細は後述）が働いていない場合の遷移タイミングのことである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃３である場合（つまり、ＳＷ２及びＳＷ３がＯＮとなっている場合）には、図５Ｄに示したように、第１入出力端子１３ｐ→第３スイッチング素子ＳＷ３→トランスＴＲ→第１リアクトル→第２スイッチング素子ＳＷ２→第１入出力端子１３ｍという経路で電流が流れる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃１である場合（図５Ａ）とは逆方向の電流が第１リアクトルを流れる。

従って、第１リアクトルにエネルギーが蓄積される（図４参照）と共に、トランスＴＲを介してエネルギーが二次側に伝送され、第２フルブリッジ回路１１により整流されて第２入出力端子１３から出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側回路が状態＃３から状態＃４に遷移すると、第１リアクトルに蓄積されているエネルギーにより、図５Ｅに示したように、第３スイッチング素子ＳＷ３→トランスＴＲ→第１リアクトル→第１スイッチング素子ＳＷ１（及びダイオードＤ１）という経路で電流が循環するようになる。そのため、第１リアクトルに蓄積されているエネルギーが二次側に伝送される。

この状態＃４における循環電流の大きさも、第１リアクトルに蓄積されていたエネルギーの二次側への移動に伴い減少する。そして、状態＃４への遷移後、或る時間が経過すると、図５Ｆに示したように、第２リアクトルに電流が流れていない状態、すなわち、一次側、二次側の負荷電流が流れてない状態が、形成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、状態＃４から状態＃１への本来の遷移タイミングとなった時にも、原則として、図５Ｆに示した状態となっているように、構成されている。

上記のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、一次側の回路内を電流が循環する状態（状態＃２、状態＃４）から次状態への本来の遷移タイミングとなった時に、第２リアクトル電流の大きさが“０”となるように構成されている。ただし、電力変換装置の全運転条件において、電力変換装置の性能を低下させることなく、上記条件を満たすようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０を構成することは困難である。

そのため、制御ユニット２０（制御ユニット２０内のマイクロコントローラ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側の降圧コンバータとして動作させる場合には、図６に示した手順の降圧用制御処理を行うように構成（プログラミング）されている。

すなわち、この降圧用制御処理を開始した制御ユニット２０は、まず、ステップＳ１００にて、割り込みタイマーに規定値を設定するタイマー設定処理を行う。ここで、割り込みタイマーとは、設定値に応じた時間が経過したときに割り込みを発生するタイマーのことである。また、規定値とは、それが設定されると、割り込みタイマーが、時間Ｔ／２（Ｔは、制御信号の周期：図２参照）の経過後に割り込みを発生することになる値のことである。

さらに、制御ユニット２０は、ステップＳ１００にて、制御信号Ｇ１及びＧ４のレベルをハイレベルに変更することにより、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング
素子ＳＷ４をＯＮする処理も行う。

ステップＳ１００の処理を終えた制御ユニット２０は、ステップＳ１０１にて、ＳＷ１＆２制御タイミングとなるのを待機（監視）する。ここで、ＳＷ１＆２制御タイミングとは、θ値によって定まる、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御（変更）すべきタイミングのことである。なお、降圧用制御処理開始後に初めて実行されるステップＳ１０１の処理は、θ値とは無関係に行われるもの（例えば、ステップＳ１００の実行時点から所定時間が経過したときに、ＳＷ１＆２制御タイミングになったと判断するもの）であっても良い。また、２度目以降のステップＳ１０１の処理は、割り込みが発生してからの経過時間に基づき、ＳＷ１＆２制御タイミングとなったか否かを判断する処理であっても、前回、第１スイッチング素子ＳＷ１をＯＮしてからの経過時間に基づき、ＳＷ１＆２制御タイミングとなったか否かを判断する処理であっても良い。

制御ユニット２０は、ＳＷ１＆２制御タイミングとなった場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）には、制御信号Ｇ１、Ｇ２のレベルを変更することにより、第１スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦし、第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＮする（ステップＳ１０２）。このステップＳ１０２において、制御ユニット２０は、貫通電流を抑制するために、第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦに時間差を付ける。より具体的には、制御ユニット２０は、制御信号Ｇ１のレベルの変更後、所定時間が経過したときに制御信号Ｇ２のレベルを変更する。

その後、制御ユニット２０は、ステップＳ１０３にて、割り込みが発生するのを待機（監視）する。そして、制御ユニット２０は、割り込みが発生した場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）には、その時点における第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入っているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ここで、第２Ｌｒ電流値とは、第２リアクトルを流れる電流の大きさのことである。また、詳細については後述するが、第１電流値範囲とは、“０”を中心とした電流値の範囲のことである。

すなわち、制御ユニット２０は、ステップＳ１０４にて、電流センサ１５による電流値の検知結果を取得し、当該検知結果が第１電流値範囲内に入っているか否かを判断する。

第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入っていた場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、制御ユニット２０は、割り込み用タイマーに規定値を設定する（ステップＳ１０５）。また、制御ユニット２０は、制御信号Ｇ３、Ｇ４のレベルを変更することにより、第４スイッチング素子ＳＷ４をＯＦＦし、第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＮする（ステップＳ１０５）。また、第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入っていなかった場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）、制御ユニット２０は、ステップＳ１０４の処理を繰り返すことにより、第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内の値となるのを待ってから、ステップＳ１０５の処理を行う。

なお、ステップＳ１０５及び後述するステップＳ１０７及びＳ１１０においても、制御ユニット２０は、上記したステップＳ１０２の実行時と同様に、貫通電流を抑制するために、２つのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦに時間差を付ける。

ステップＳ１０５の処理を終えた制御ユニット２０は、ＳＷ１＆２制御タイミングとなるのを待機（監視）する（ステップＳ１０６）。このステップＳ１０６におけるＳＷ１＆２制御タイミングも、θ値及びＴ値によって定まる、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御（変更）すべきタイミングである。ステップＳ１０６の処理は、第１スイッチング素子ＳＷ１を前回ＯＦＦしてからの経過時
間に基づき、ＳＷ１＆２制御タイミングとなったか否かを判断する処理であっても、割り込み発生後の経過時間に基づき、ＳＷ１＆２制御タイミングとなったか否かを判断する処理であっても良い。

制御ユニット２０は、ＳＷ１＆２制御タイミングとなった場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）には、制御信号Ｇ１、Ｇ２のレベルを変更することにより、第１スイッチング素子ＳＷ１をＯＮし、第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦする（ステップＳ１０７）。

その後、制御ユニット２０は、ステップＳ１０８にて、割り込みが発生するのを待機し、割り込みが発生した場合（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）には、その時点における第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入っているか否かを判断する（ステップＳ１０９）。

第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入っていた場合（ステップＳ１０９；ＹＥＳ）、制御ユニット２０は、割り込み用タイマーに規定値を設定すると共に、第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＦＦし、第４スイッチング素子ＳＷ４をＯＮする（ステップＳ１１０）。また、制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入っていなかった場合には、第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内の値となるのを待ってから、ステップＳ１１０の処理を行う。

そして、ステップＳ１１０の処理を終えた制御ユニット２０は、ステップＳ１０１以降の処理を再び開始する。

以下、第１電流値範囲の詳細と、降圧用制御処理（図６）におけるステップＳ１０４、Ｓ１０９の処理の意味とを、説明する。

第１電流値範囲は、第２Ｌｒ電流値がその範囲内に入ったときに、ステップＳ１０５、Ｓ１１０の処理を行えば、送電方向の所望の速度での切り替えが可能となるように定められた、“０”を中心とした電流値範囲である。この第１電流値範囲としては、通常、電力変換装置への入力電圧に応じて幅が変化する範囲が使用される。ただし、第１電流値範囲は、固定範囲であっても良い。

具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０による送電方向を高速に切り替え可能とするためには、降圧用制御処理時に、トランスＴＲの一次側の負荷電流値が小さな状態でトランスＴＲに流す電流の方向が切り替えられるようにしておけば良い。すなわち、トランスＴＲの一次側の負荷電流値が小さくなってからステップＳ１０５及びＳ１１０の処理が行われるようにしておけば良いのであるが、トランスＴＲの一次側には、励磁電流も流れている。そのため、トランスＴＲの一次側を流れる電流値の測定結果（＝負荷電流値＋励磁電流値）に基づき、ステップＳ１０５、Ｓ１１０の処理の実行タイミングを決定する場合には、当該測定結果から励磁電流成分を除去しなければならない。一方、トランスＴＲの二次側を流れる電流値は、トランスＴＲの二次側の負荷電流値そのものであり、トランスＴＲの一次側と二次側の負荷電流値間には、比例関係がある。従って、トランスＴＲの一次側の負荷電流値が所望値になったか否かを、トランスＴＲの二次側の負荷電流値（第２Ｌｒ電流値）とｋ・所望値との比較により判定することが出来る。なお、ｋは、トランスの巻数比により定まる比例係数（巻数比が１：１の場合は、“１”）である。

そして、トランスＴＲの一次側の負荷電流値と比較すべき所望値は、所望する送電方向の切り替え時間に応じた値となり、トランスＴＲの二次側の負荷電流の方向は、ステップＳ１０４の処理の実行時とステップＳ１０９の処理の実行時とで異なる。そのため、第２Ｌｒ電流値が、上記のような第１電流値範囲内に入っているか否かがステップＳ１０４、Ｓ１０９にて判断されるようにしているのである。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である昇圧コンバータとして機能させる場合における制御ユニット２０の動作を説明する。
制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側の昇圧コンバータとして動作させる場合には、図７に示した手順の昇圧用制御処理を行うように構成（プログラミング）されている。

すなわち、この昇圧用制御処理を開始した制御ユニット２０は、まず、割り込みタイマーに規定値を設定する（ステップＳ２００）。また、このステップＳ２００において、制御ユニット２０は、制御信号Ｇ１、Ｇ４及びＧ５のレベルをハイレベルに変更することにより、第１スイッチング素子ＳＷ１、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５をＯＮする処理も行う。

ステップＳ２００の処理を終えた制御ユニット２０は、ステップＳ２０１にて、ＳＷ５制御タイミングとなるのを待機（監視）する。ここで、ＳＷ５制御タイミングとは、Ｔｏｎ値によって定まる、第５スイッチング素子ＳＷ５をＯＦＦすべきタイミングのことである。

制御ユニット２０は、ＳＷ５制御タイミングとなった場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）には、制御信号Ｇ５のレベルを変更することにより、第５スイッチング素子ＳＷ５をＯＦＦする（ステップＳ２０２）。

その後、制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第２電流値範囲内に入っているか否かを判断する（ステップＳ２０３）。すなわち、制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の二次側に設けられている電流センサ１５による電流値の検知結果を取得し、当該検知結果が第２電流値範囲内に入っているか否かを判断する（ステップＳ２０３）。ここで、第２電流値範囲とは、第２Ｌｒ電流値がその範囲内に入ったときに、ステップＳ２０４、Ｓ２１２の処理を行えば、送電方向の所望の速度での切り替えが可能となるように定められた、“０”を中心とした電流値範囲のことである。この第２電流値範囲としては、通常、電力変換装置への入力電圧に応じて幅が変化する範囲が使用される。ただし、第２電流値範囲は、固定範囲であっても良い。

制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第２電流値範囲内に入っていなかった場合（ステップＳ２０３；ＮＯ）には、ステップＳ２０３の処理（判断）を繰り返す。そして、制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第２電流値範囲内に入った場合（ステップＳ２０３；ＹＥＳ）には、第１スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦする（ステップＳ２０４）。次いで、制御ユニット２０は、割り込みが発生するのを待機する（ステップＳ２０５）。そして、制御ユニット２０は、割り込みが発生した場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）には、割り込みタイマーに規定値を設定し、第４スイッチング素子ＳＷ４をＯＦＦし、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第６スイッチング素子ＳＷ６をＯＮする（ステップＳ２０６）。なお、ステップＳ２０３（又はステップＳ２０４）の実行中に、既に割り込みが発生していた場合、制御ユニット２０は、ステップＳ２０５で割り込みの発生を待機することなく、ステップＳ２０６の処理を行う。

ステップＳ２０６の処理を終えた制御ユニット２０は、ステップＳ２０７にて、ＳＷ６制御タイミングとなるのを待機（監視）する。ここで、ＳＷ６制御タイミングとは、Ｔｏｎ値によって定まる、第６スイッチング素子ＳＷ６をＯＦＦすべきタイミングのことである。

制御ユニット２０は、ＳＷ６制御タイミングとなった場合（ステップＳ２０７；ＹＥＳ
）には、制御信号Ｇ６のレベルを変更することにより、第６スイッチング素子ＳＷ６をＯＦＦする（ステップＳ２０８）。

その後、制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第２電流値範囲内に入っているか否かを判断する（ステップＳ２０９）。

制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第２電流値範囲内に入っていない場合（ステップＳ２０９；ＮＯ）には、ステップＳ２０９の処理（判断）を繰り返す。そして、制御ユニット２０は、第２Ｌｒ電流値が第２電流値範囲内に入った場合（ステップＳ２０９；ＹＥＳ）には、第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＦＦする（ステップＳ２１０）。次いで、制御ユニット２０は、割り込みが発生するのを待機（ステップＳ２１１）し、割り込みが発生した場合（ステップＳ２１１；ＹＥＳ）には、割り込みタイマーに規定値を設定し、第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦし、第１スイッチング素子ＳＷ１、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５をＯＮする（ステップＳ２１２）。なお、ステップＳ２０９（又はステップＳ２１０）の実行中に、既に割り込みが発生していた場合、制御ユニット２０は、ステップＳ２１１で割り込みの発生を待機することなく、ステップＳ２１２の処理を行う。

そして、ステップＳ２１２の処理を終えた制御ユニット２０は、ステップＳ２０１移行の処理を再び開始する。

以下、昇圧用制御処理の内容をさらに具体的に説明する。

図８に、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である昇圧コンバータとして機能させている場合にＤＣ／ＤＣコンバータ１０の各部を流れる電流の時間変化を、制御信号Ｇ１〜Ｇ６の時間変化と共に示す。また、図９Ａ〜図９Ｆに、制御ユニット２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側である昇圧コンバータとして機能させている場合におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側、二次側の電流経路の説明図を示す。

上記内容の昇圧用制御処理が行われると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態は、以下の６状態の間を、状態＃５、状態＃６、状態＃７、状態＃８、状態＃９、状態＃１０の順に繰り返し遷移することになる（図８参照）。
・状態＃５：第１スイッチング素子ＳＷ１、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮとなっている状態
・状態＃６：第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっている状態
・状態＃７：第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮとなっている状態
・状態＃８：第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第６スイッチング素子ＳＷ６がＯＮとなっている状態
・状態＃９：第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮとなっている状態
・状態＃１０：第２スイッチング素子ＳＷ２がＯＮとなっている状態

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃５である場合（つまり、ＳＷ１、ＳＷ４及びＳＷ５がＯＮとなっている場合）には、図９Ａに示してあるように、第１入出力端子１３ｐ→第１スイッチング素子ＳＷ１→第１リアクトル→トランスＴＲ→第４スイッチング素子ＳＷ４→第１入出力端子１３ｍという経路で電流が流れる。従って、第１リアクトルにエネルギーが蓄積されて、図８に示してあるように、入力側Ｌｒ電流が上昇する。また、トランスＴＲを介してエネルギーが二次側に伝送される。ただし、第２フルブリッジ回路
１１の第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮであるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の二次側では、図９Ａに示してあるように、ダイオードＤ６→トランスＴＲ→第２リアクトル→第５スイッチング素子ＳＷ５という経路で電流が循環する。従って、一次側からのエネルギーは、第２入出力端子１３から出力されることなく、第２リアクトルに蓄積される。

第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦされて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃６になると、図９Ｂに示したように、第１リアクトルに蓄積されているエネルギーと電源からのエネルギーとが二次側に伝送され、第２フルブリッジ回路１１により整流された電流が第２入出力端子１３から出力される。

第２入出力端子１３には、負荷の出力電圧が印加されているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃６となっている場合における入力電流、入力側Ｌｒ電流及び出力電流は、次第に減少していく。そして、ステップＳ２０３（図７）で第２Ｌｒ電流値が第１電流値範囲内に入ったことが検出されると、第１スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦされて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が、状態＃７に遷移する。その結果、図９Ｃに示したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側、二次側に負荷電流が流れていない状態が形成される。なお、図９Ｃに示した状態は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側、二次側に負荷電流が流れていない状態が形成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃７から状態＃８に遷移すると、図９Ｄに示したように、第１入出力端子１３ｐ→第３スイッチング素子ＳＷ３→トランスＴＲ→第１リアクトル→第２スイッチング素子ＳＷ２→第１入出力端子１３ｍという経路で電流が流れる。従って、第１リアクトルにエネルギーが蓄積される（図８参照）と共に、トランスＴＲを介してエネルギーが二次側に伝送される。ただし、第６スイッチング素子ＳＷ６がＯＮであるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の二次側では、図９Ｄに示してあるように、ダイオードＤ５→第２リアクトル→トランスＴＲ→第６スイッチング素子ＳＷ６という経路で電流が循環する。従って、状態＃８では、一次側からのエネルギーは、第２リアクトルに蓄積される。

第６スイッチング素子ＳＷ６がＯＦＦされてＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃９に移行すると、図９Ｅに示したように、第２リアクトルに蓄積されているエネルギーと電源からのエネルギーとが二次側に伝送され、第２フルブリッジ回路１１により整流された電流が第２入出力端子１３から出力される。

第２入出力端子１３には、負荷の出力電圧が印加されている。そのため、状態＃９における入力電流、入力側Ｌｒ電流及び出力電流は、次第に減少していく。そして、ステップＳ２０９（図７）で第２Ｌｒ電流値“０”が検出されると、第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＦＦされて状態＃１０となる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態が状態＃１０となった場合、図９Ｆに示したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側、二次側に負荷電流が流れていない状態が形成されることになる。

以下、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第２入出力端子１３（図１の右側に示してある入出力端子１３）側が一次側の昇圧／降圧コンバータとして動作させる場合における制御ユニット２０の動作を説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第２入出力端子１３側が一次側の昇圧／降圧コンバータとして動作させる場合、制御ユニット２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を第１入出力端子１３側が一次側の昇圧／降圧コンバータとして動作させる場合に第１、第２フルブリッジ回路１１に対して行うものとほぼ同内容の制御を、それぞれ、第２、第１フルブリッジ回路１１に対して行う。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０（図１）には、第１リアクトル
を流れる電流値を測定するための電流センサが設けられていない。そして、電流センサ１５により測定されるのは、一次側の負荷電流値＋励磁電流値である。そのため、上記場合、制御ユニット２０は、電流センサ１５により測定された電流値から一次側の負荷電流値を算出し、算出結果に基づき、各種状態への遷移タイミングを制御するように構成されている。

以下、さらに具体的に説明する。なお、第２入出力端子１３側が一次側であるという状況は、第１入出力端子１３側が一次側であり、且つ、電流センサ１５が図１０に示した位置に設けられている状況と同値である。そのため、以下では、上記場合における制御ユニット２０の動作を説明する代わりに、この図に示してあるＤＣ／ＤＣコンバータ１０を、第１入出力端子１３側が一次側の昇圧／降圧コンバータとして動作させる場合における制御ユニット２０の動作を説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０（図１０）を、第１入出力端子１３側が一次側の降圧コンバータとして動作させる場合、制御ユニット２０は、上記した降圧用制御処理（図６）ではなく、図１１に示した手順の第２降圧用制御処理を行う。

この第２降圧用制御処理のステップＳ３００〜Ｓ３０３、Ｓ３０５〜Ｓ３０８、Ｓ３１０の処理は、それぞれ、上記した降圧用制御処理のステップＳ１００〜Ｓ１０３、Ｓ１０５〜Ｓ１０８、Ｓ１１０の処理と同じ処理である。

ステップＳ３０４ａ及びＳ３０４ｂの処理は、ステップＳ１０４の処理の代わりの処理であり、ステップＳ３０９ａ及びＳ３０９ｂの処理は、ステップＳ１０９の処理の代わりの処理である。

図示してあるように、ステップＳ３０４ａにおいて、制御ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の一次側に配置されている電流センサ１５（図１０）による電流値の測定結果である第１Ｌｒ電流値から、一次側の負荷電流値を算出する。このステップＳ３０４ａにおける負荷電流値の算出は、通常、第１Ｌｒ電流値から、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０への入力電圧に応じた励磁電流成分を除去することにより行われる。ここで、励磁電流成分を除去するとは、励磁電流の方向を考慮して、励磁電流値と第１Ｌｒ電流値とを加減算するということである。ただし、ステップＳ３０４ａの処理は、励磁電流成分の大きさとして所定値を用いて行われるものであっても良い。

制御ユニット２０は、続くステップＳ３０４ｂにおいて、算出した負荷電流値が、第１電流値範囲内に入っているか否かを判断する。なお、第２降圧用制御処理における第１電流値範囲としては、トランスＴＲの巻数比が１：１である場合には、降圧用制御処理（図６）時における第１電流値範囲と同じものが使用され、トランスＴＲの巻数比が１：１ではない場合には、降圧用制御処理時における第１電流値範囲に巻数比に応じた変更を施したものが使用される。

そして、制御ユニット２０は、負荷電流値が第１電流値範囲内に入っていた場合（ステップＳ３０４ｂ；ＹＥＳ）には、ステップＳ１０５以降の処理を開始し、負荷電流値が第１電流値範囲内に入っていなかった場合（ステップＳ３０４ｂ；ＮＯ）には、ステップＳ３０４ａに戻って、再度、負荷電流値を算出する。

ステップＳ３０９ａ及びＳ３０９ｂにおいても、制御ユニット２０は、同様に、第１Ｌｒ電流値から一次側の負荷電流値を算出し、算出された負荷電流値が第１電流値範囲内に入っているか否かを判断する。そして、制御ユニット２０は、負荷電流値が第１電流値範囲内に入っていた場合（ステップＳ３０９ｂ；ＹＥＳ）には、ステップＳ１１０以降の処
理を開始し、負荷電流値が第１電流値範囲内に入っていなかった場合（ステップＳ３０９ｂ；ＮＯ）には、ステップＳ３０９ａに戻って、再度、負荷電流値を算出する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０（図１０）を、第１入出力端子１３側が一次側の降圧コンバータとして動作させる場合、制御ユニット２０は、上記した昇圧用制御処理（図７）ではなく、図１２に示した手順の第２昇圧用制御処理を行う。

この第２昇圧用制御処理のステップＳ４００〜Ｓ４０２、Ｓ４０４〜Ｓ４０８、Ｓ４１０〜Ｓ４１２の処理は、それぞれ、上記した昇圧用制御処理のステップＳ２００〜Ｓ２０２、Ｓ２０４〜Ｓ２０８、Ｓ２１０〜Ｓ２１２の処理と同じ処理である。

ステップＳ４０３ａ及びＳ４０３ｂの処理は、ステップＳ２０３の処理の代わりの処理であり、ステップＳ４０９ａ及びＳ４０９ｂの処理は、ステップＳ２０９の処理の代わりの処理である。

図示してあるように、ステップＳ４０３ａ及びＳ４０３ｂにおいて、制御ユニット２０は、第１Ｌｒ電流値から一次側の負荷電流値を算出し、算出された負荷電流値が第１電流値範囲内に入っているか否かを判断する。そして、制御ユニット２０は、負荷電流値が第２電流値範囲内に入っていた場合（ステップＳ４０３ｂ；ＹＥＳ）には、ステップＳ４０４以降の処理を開始し、負荷電流値が第２電流値範囲内に入っていなかった場合（ステップＳ４０３ｂ；ＮＯ）には、ステップＳ４０３ａに戻って、再度、負荷電流値を算出する。

同様に、ステップＳ４０９ａ及びＳ４０９ｂにおいても、制御ユニット２０は、第１Ｌｒ電流値から一次側の負荷電流値を算出し、算出された負荷電流値が第２電流値範囲内に入っているか否かを判断する。そして、制御ユニット２０は、負荷電流値が第２電流値範囲内に入っていた場合（ステップＳ４０９ｂ；ＹＥＳ）には、ステップＳ４１０以降の処理を開始し、負荷電流値が第２電流値範囲内に入っていなかった場合（ステップＳ４０９ｂ；ＮＯ）には、ステップＳ４０９ａに戻って、再度、負荷電流値を算出する。

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置では、降圧時における第２状態から第３状態への遷移及び第４状態から第１状態への遷移が、一次側又は二次側の負荷電流値が第１電流値範囲内の値となったときに行われる。また、昇圧時における第６状態から第７状態への遷移及び第９状態から第１０状態への遷移が、一次側又は二次側の負荷電流値が第２電流値範囲内の値となったときに行われる。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態を第１状態〜第４状態間で繰り返し遷移させる制御と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の状態を第５状態〜第１０状態間で繰り返し遷移させる制御とが行われる電力変換装置の送電方向の切り替え速度を向上させるためには、第２状態から第３状態への遷移時における負荷電流値と、第４状態から第１状態への遷移時における負荷電流値と、第６状態から第７状態への遷移時における負荷電流値と、第９状態から第１０状態への遷移時における負荷電流値とを低減することが有効である。従って、本実施形態に係る電力変換装置によれば、従来よりも、送電方向を高速に（短時間で）切り替えることが可能となる。

《変形形態》
上記した実施形態に係る電力変換装置は、各種の変形を行えるものである。例えば、降圧用制御処理（図６）におけるステップＳ１０４、Ｓ１０９の判断を、第２Ｌｒ電流値が、“０”であるか否かの判断に変更しても良い。昇圧用制御処理（図７）のステップＳ２０３、Ｓ２０９の判断を、第２Ｌｒ電流値が、“０”であるか否かの判断に変更しても良い。第２降圧用制御処理（図１１）におけるステップＳ３０４ｂ、Ｓ３０９ｂの判断を、
負荷電流値が、“０”であるか否かの判断に変更しても良い。また、第２昇圧用制御処理（図１２）のステップＳ４０３ｂ、Ｓ４０９ｂの判断を、負荷電流値が、“０”であるか否かの判断に変更しても良い。

上記した各ステップの判断を上記のような判断に変更しておけば、送電方向を特に高速に切り替えられる電力変換装置を得ることが出来る。なお、電流値が、“０”であるか否かの判断は、電流値が、完全に“０”となったか否かの判断である必要はない。当該判断は、電流値が、電流センサ１５の性能等により定まる検知可能な最小電流値範囲内に入っているか否かの判断であれば良い。

電力変換装置は、第１入出力端子１３間に印加された第１範囲内の電圧を、第２範囲内の電圧に変換して第２入出力端子１３から出力する機能と、第２入出力端子１３間に印加された第２範囲内の電圧を、第１範囲内の電圧に変換して第１入出力端子１３から出力する機能を有していれば良い。従って、第１範囲、第２範囲の組合せによっては、制御ユニット２０として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を、第１入出力端子１３側が一次側の昇圧（又は降圧）コンバータ、又は、第２入出力端子１３側が一次側の降圧（又は昇圧）コンバータとして動作させる機能のみを有するユニット２０を採用できる場合もある。

また、制御ユニット２０によるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の制御手順が上記したものと同一である必要はない。例えば、上記制御ユニット２０は、いわゆるソフトウェア割り込みで制御タイミングを把握するものであったが、ハードウェア割り込みで制御タイミングを把握する制御ユニット２０であって、第２Ｌｒ電流が第２電流値範囲内の値となるのを待った場合、ハードウェア割り込みを再設定する制御ユニット２０を採用しても良い。

電流センサ１５による電流値の測定結果から負荷電流値を算出する負荷電流値算出回路を、制御ユニット２０に含めておいても良い。そのような負荷電流値算出回路としては、図１３に示した構成の回路を例示できる。この負荷電流値算出回路が備える周期信号出力回路５１は、１と−１とを交互に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に対する制御周期と同期的に出力する回路である。励磁電流レベル出力回路５２は、電力変換装置への入力電圧値に基づき、励磁電流の大きさを表す励磁電流レベル（＞０）を出力する回路である。乗算器５３は、周期信号出力回路５１からの周期信号と励磁電流レベル出力回路５２からの励磁電流レベルとの乗算結果を出力する回路であり、加算器５４は、電流センサ１５による電流値の測定結果から乗算器５３の出力を減じた値（つまり、負荷電流値）を出力する回路である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に、第１リアクトルを流れる電流の大きさを測定するための電流センサ１５も設けて、制御ユニット２０を、第２昇圧用制御処理と第２高圧用制御処理とを行うものに変形しても良い。ただし、そのような変形により電力変換装置の性能が向上する訳ではないし、電力変換装置に必要とされる電流センサ１５の数は少ない方が良い。従って、上記した実施形態の電力変換装置の構成を採用しておくことが好ましい。

１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ フルブリッジ回路
１３ｐ、１３ｍ 入出力端子
１５ 電流センサ
２０ 制御ユニット

Claims (4)

1. 第１入出力端子対と、
   第２入出力端子対と、
   前記第１入出力端子対および前記第２入出力端子対に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、
   を備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   第１接続点を介して直列接続された第１および第２スイッチング素子を有し、前記第１入出力端子対に接続された、第１スイッチングレグと、
   第２接続点を介して直列接続された第３および第４スイッチング素子を有し、前記第１スイッチングレグに並列接続された、第２スイッチングレグと、
   第３接続点を介して直列接続された第５および第７スイッチング素子を有し、前記第２入出力端子対に接続された、第３スイッチングレグと、
   第４接続点を介して直列接続された第６および第８スイッチング素子を有し、前記第３スイッチングレグに並列接続された、第４スイッチングレグと、
   前記第１接続点と前記第２接続点とに接続された、トランスの一方の巻線と第１リアクトルとが直列接続された第１エネルギー蓄積変換部と、
   前記第３接続点と前記第４接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線と第２リアクトルとが直列接続された第２エネルギー蓄積変換部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに、前記第１入出力端子対に印加された第１範囲内の電圧を第２範囲内の電圧に変換させて前記第２入出力端子対から出力させるための第１制御と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに、前記第２入出力端子対に印加された前記第２範囲内の電圧を前記第１範囲内の電圧に変換させて前記第１入出力端子対から出力させるための第２制御とを実行可能であり、
   前記第１制御が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態が、前記第１入出力端子対から入力された電流が前記第１リアクトルを流れる第１状態、前記第１リアクトルを含む経路で電流が循環し得る第２状態、前記第１入出力端子対から入力された電流が、前記第１状態における方向とは逆方向に前記第１リアクトルを流れる第３状態、及び、前記第１リアクトルを含む経路で電流が第２状態における方向とは逆方向に前記第１リアクトルを流れながら循環し得る第４状態間を、この順に繰り返し遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御であると共に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第２状態から前記第３状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトルを流れる電流値の測定結果である第２リアクトル電流値が第１電流値範囲内に入っていない場合には、前記第２リアクトル電流値が前記第１電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第２状態から前記第３状態に遷移させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第４状態から前記第１状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトル電流値が前記第１電流値範囲内に入っていない場合には、前記第２リアクトル電流値が前記第１電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第４状態から前記第１状態に遷移させる制御であり、
   前記第２制御が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態が、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力されない第５状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを流れ、前記第１入出力端子対から電流が出力される第６状態、前記第２入出力端子対から電流が入力されず、且つ、前記第１入力端子対から電流が出力されない第７状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを前記第５状態における方向とは逆方向に流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力されない第８状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを前記第６状態における方向と逆方
   向に流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力される第９状態、前記第２入出力端子対から電流が入力されず、且つ、前記第１入力端子対から電流が出力されない第１０状態間を、この順に繰り返し遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御であると共に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第６状態から前記第７状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトル電流値から求められた、前記第１リアクトルを流れる負荷電流値が第２電流値範囲内に入っていない場合には、前記負荷電流値が前記第２電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第６状態から前記第７状態に遷移させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第９状態から前記第１０状態に遷移させるべきときに、前記負荷電流値が前記第２電流値範囲内に入っていない場合には、前記負荷電流値が前記第２電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第９状態から前記第１０状態に遷移させる制御である、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 第１入出力端子対と、
   第２入出力端子対と、
   前記第１入出力端子対および前記第２入出力端子対に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、
   を備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   第１接続点を介して直列接続された第１および第２スイッチング素子を有し、前記第１入出力端子対に接続された、第１スイッチングレグと、
   第２接続点を介して直列接続された第３および第４スイッチング素子を有し、前記第１スイッチングレグに並列接続された、第２スイッチングレグと、
   第３接続点を介して直列接続された第５および第７スイッチング素子を有し、前記第２入出力端子対に接続された、第３スイッチングレグと、
   第４接続点を介して直列接続された第６および第８スイッチング素子を有し、前記第３スイッチングレグに並列接続された、第４スイッチングレグと、
   前記第１接続点と前記第２接続点とに接続された、トランスの一方の巻線と第１リアクトルとが直列接続された第１エネルギー蓄積変換部と、
   前記第３接続点と前記第４接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線と第２リアクトルとが直列接続された第２エネルギー蓄積変換部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに、前記第１入出力端子対に印加された第１範囲内の電圧を第２範囲内の電圧に変換させて前記第２入出力端子対から出力させるための第１制御と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに、前記第２入出力端子対に印加された前記第２範囲内の電圧を前記第１範囲内の電圧に変換させて前記第１入出力端子対から出力させるための第２制御とを実行可能であり、
   前記第２制御が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態が、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力されない第５状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを流れ、前記第１入出力端子対から電流が出力される第６状態、前記第２入出力端子対から電流が入力されず、且つ、前記第１入力端子対から電流が出力されない第７状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを前記第５状態における方向とは逆方向に流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力されない第８状態、前記第２入出力端子対から入力された電流が前記第２リアクトルを前記第６状態における方向と逆方向に流れ、且つ、前記第１入出力端子対から電流が出力される第９状態、前記第２入出力端子対から電流が入力されず、且つ、前記第１入力端子対から電流が出力されない第１０状態間を、この順に繰り返し遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の各スイッチ
   ング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御であると共に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第６状態から前記第７状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトルを流れる電流値の測定結果である第２リアクトル電流値が第２電流値範囲内に入っていない場合には、前記第２リアクトル電流値が前記第２電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第６状態から前記第７状態に遷移させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第９状態から前記第１０状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトル電流値が前記第２電流値範囲内に入っていない場合には、前記第２リアクトル電流値が前記第２電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第９状態から前記第１０状態に遷移させる制御であり、
   前記第１制御が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態が、前記第１入出力端子対から入力された電流が前記第１リアクトルを流れる第１状態、前記第１リアクトルを含む経路で電流が循環し得る第２状態、前記第１入出力端子対から入力された電流が、前記第１状態における方向とは逆方向に前記第１リアクトルを流れる第３状態、及び、前記第１リアクトルを含む経路で電流が第２状態における方向とは逆方向に前記第１リアクトルを流れながら循環し得る第４状態間を、この順に繰り返し遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御であると共に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第２状態から前記第３状態に遷移させるべきときに、前記第２リアクトル電流値から求められた、前記第１リアクトルを流れる負荷電流値が第１電流値範囲内に入っていない場合には、前記負荷電流値が前記第１電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第２状態から前記第３状態に遷移させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第４状態から前記第１状態に遷移させるべきときに、前記負荷電流値が前記第１電流値範囲内に入っていない場合には、前記負荷電流値が前記第１電流値範囲内に入ってから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの状態を前記第４状態から前記第１状態に遷移させる制御である
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記第２リアクトル電流値と前記第１入出力端子対への入力電圧と前記第２制御の制御周期とから、前記負荷電流値を生成して出力する負荷電流値出力回路を、含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記第１リアクトル電流値と前記第２入出力端子対への入力電圧と前記第１制御の制御周期とから、前記負荷電流値を生成して出力する負荷電流値出力回路を、含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

Images