JP2018166389A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁トランスの１次側と２次側にそれぞれブリッジ回路が設けられる電力変換装置であって、軽負荷時の電力変換効率が改善された電力変換装置を提供する。【解決手段】制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４がオンの状態にあり、第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７がオフの状態にある第１期間の少なくとも一部と、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３がオンの状態にあり、第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８がオフの状態にある第２期間の少なくとも一部との少なくとも一方において、第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させる。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を所定の電圧の直流電力に変換する電力変換装置に関する。

近年、蓄電システムや電気自動車の普及拡大に伴い、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの需要が増加している。絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの一つに、デュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ：Ｄｕａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｒｉｄｇｅ）コンバータがある（例えば、特許文献１参照）。ＤＡＢコンバータは、絶縁トランスの１次側と２次側にそれぞれ設けられたブリッジ回路を備え、１次側のブリッジ回路のスイッチング制御と２次側のブリッジ回路のスイッチング制御との位相差を調整することにより、電力の方向および量を調整することができる。

特開２０１４−２３９５７９号公報

このようなＤＡＢコンバータでは、軽負荷時に電力変換効率が悪化する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁トランスの１次側と２次側にそれぞれブリッジ回路が設けられる電力変換装置であって、軽負荷時の電力変換効率が改善された電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２アームが並列接続され、直流電源から電力が入力される第１ブリッジ回路と、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４アームが並列接続され、負荷に電力を出力する第２ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、第１スイッチング素子〜第８スイッチング素子を制御する制御回路と、を備える。制御回路は、第１スイッチング素子および第４スイッチング素子をターンオフさせ、第２スイッチング素子および第３スイッチング素子をターンオンさせるとき、第５スイッチング素子および第８スイッチング素子をターンオンさせ、第１スイッチング素子および第４スイッチング素子をターンオンさせ、第２スイッチング素子および第３スイッチング素子をターンオフさせるとき、第６スイッチング素子および第７スイッチング素子をターンオンさせ、第５スイッチング素子〜第８スイッチング素子のオン時間を制御して電力変換する。制御回路は、第１スイッチング素子および第４スイッチング素子がオンの状態にあり、第６スイッチング素子および第７スイッチング素子がオフの状態にある第１期間の少なくとも一部と、第２スイッチング素子および第３スイッチング素子がオンの状態にあり、第５スイッチング素子および第８スイッチング素子がオフの状態にある第２期間の少なくとも一部との少なくとも一方において、第２ブリッジ回路を整流回路として動作させる。

本発明の別の態様もまた、電力変換装置である。この装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２アームが並列接続され、直流電源から電力が入力される第１ブリッジ回路と、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４アームが並列接続され、負荷に電力を出力する第２ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子のスイッチング位相と、第５スイッチング素子〜第８スイッチング素子のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換する制御回路と、絶縁トランスの一次巻線または二次巻線に直列接続され、第１スイッチング素子、第４スイッチング素子、第５スイッチング素子および第８スイッチング素子がオンの状態にある第１期間において一次巻線または二次巻線に流れる電流を一方向に整流し、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、第６スイッチング素子および第７スイッチング素子がオンの状態にある第２期間において電流を一方向とは逆の方向に整流する整流回路と、を備える。

本発明によれば、軽負荷時の電力変換効率を改善できる。

第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 図１の電力変換装置の昇圧時かつ軽負荷時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図３（ａ）は、比較例の電力変換装置の昇圧時かつ軽負荷時の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図３（ｂ）は、比較例の電力変換装置の昇圧時かつ定格負荷時の動作を説明するためのタイミングチャートである。 第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 図４の電力変換装置の昇圧時かつ軽負荷時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。 第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 図６の整流回路の回路図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置１０の構成を説明するための図である。電力変換装置１０は、直流電源Ｖｄｃから供給される直流電力を電力変換して負荷ＲＬに出力する絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＡＢコンバータ）である。電力変換装置１０は、昇圧することもでき、降圧することもできる。

直流電源Ｖｄｃは例えば、蓄電池、電気二重層コンデンサ、太陽電池、燃料電池などが該当する。負荷ＲＬとして、例えば、電力変換装置１０から供給される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に出力するＤＣ−ＡＣインバータを接続してもよい。直流電源Ｖｄｃが蓄電池であり、負荷ＲＬがＤＣ−ＡＣインバータである場合、ＤＣ−ＡＣインバータは、商用電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して、電力変換装置１０は当該直流電力を電力変換して蓄電池を充電することができる。

電力変換装置１０は、第１コンデンサＣ１、第１ブリッジ回路１１、絶縁トランスＴＲ１、第１漏れインダクタンスＬ１、第２漏れインダクタンスＬ２、第２ブリッジ回路１２、第２コンデンサＣ２、電圧検出部１４、及び、制御回路１５を備える。

直流電源Ｖｄｃと並列に第１コンデンサＣ１が接続される。第１コンデンサＣ１には例えば、電解コンデンサが使用される。第１ブリッジ回路１１は、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４が直列接続された第２アームが並列接続されて構成されるフルブリッジ回路である。第１ブリッジ回路１１は直流電源Ｖｄｃ及び第１コンデンサＣ１と並列接続され、第１アームの中点Ｎ１と第２アームの中点Ｎ２が、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線の両端にそれぞれ接続される。

第２ブリッジ回路１２は、第５スイッチング素子Ｑ５と第６スイッチング素子Ｑ６が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子Ｑ７と第８スイッチング素子Ｑ８が直列接続された第４アームが並列接続されて構成されるフルブリッジ回路である。第３アームの中点Ｎ３と第４アームの中点Ｎ４が、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線の両端にそれぞれ接続される。第２ブリッジ回路１２は第２コンデンサＣ２及び負荷ＲＬと並列接続される。

第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８には例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用できる。第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子および第３スイッチング素子Ｑ３のドレイン端子は、直流電源Ｖｄｃの正極に接続される。第２スイッチング素子Ｑ２のソース端子および第４スイッチング素子Ｑ４のソース端子は、直流電源Ｖｄｃの負極に接続される。第１スイッチング素子Ｑ１のソース端子と第２スイッチング素子Ｑ２のドレイン端子が接続され、第３スイッチング素子Ｑ３のソース端子と第４スイッチング素子Ｑ４のドレイン端子が接続される。

同様に、第５スイッチング素子Ｑ５のドレイン端子および第７スイッチング素子Ｑ７のドレイン端子は、負荷ＲＬの一端に接続される。第６スイッチング素子Ｑ６のソース端子および第８スイッチング素子Ｑ８のソース端子は、負荷ＲＬの他端に接続される。第５スイッチング素子Ｑ５のソース端子と第６スイッチング素子Ｑ６のドレイン端子が接続され、第７スイッチング素子Ｑ７のソース端子と第８スイッチング素子Ｑ８のドレイン端子が接続される。

第１ダイオードＤ１〜第８ダイオードＤ８は、それぞれの第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のソースからドレイン方向に形成される寄生ダイオードを利用できる。なお、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用してもよい。この場合、第１ダイオードＤ１〜第８ダイオードＤ８は、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８にそれぞれ並列に、逆向きに接続される。

絶縁トランスＴＲ１は、一次巻線に接続される第１ブリッジ回路１１の出力電圧を、一次巻線と二次巻線の巻数比に応じて変換し、二次巻線に接続される第２ブリッジ回路１２に出力する。第１ブリッジ回路１１の第１アームの中点Ｎ１と、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線の一端との間に第１漏れインダクタンスＬ１が形成される。第２ブリッジ回路１２の第１アームの中点Ｎ３と、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線の一端との間に第２漏れインダクタンスＬ２が形成される。

第１ブリッジ回路１１と絶縁トランスＴＲ１の一次巻線との間、及び、第２ブリッジ回路１２と絶縁トランスＴＲ１の二次巻線との間のそれぞれに、設計者が任意のインダクタンス値を有するインダクタ素子を接続してもよい。

第２ブリッジ回路１２と並列に第２コンデンサＣ２が接続される。第２コンデンサＣ２には例えば、電解コンデンサが使用される。

電圧検出部１４は、負荷ＲＬに出力される電圧（第２コンデンサＣ２の両端電圧）を検出して制御回路１５に出力する。電力変換装置１０の出力電流を検出する電流検出素子（不図示）を設け、電力変換装置１０の出力電流を制御回路１５に出力する構成を追加してもよい。

制御回路１５の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

制御回路１５は、電力変換装置１０の出力電圧が電圧指令値を維持するよう、又は、電力変換装置１０の出力電流が電流指令値を維持するよう、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御する。

制御回路１５は、昇圧時と降圧時とにおいて互いに異なる制御を行う。制御回路１５は、降圧時には、既知のＤＡＢコンバータの制御と同様の制御を行う。つまり、制御回路１５は、降圧時には、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間（時比率）を固定で制御し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のスイッチング位相を制御して、電力変換装置１０の出力電力の量および方向を制御する。

制御回路１５は、昇圧時には、第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４のオン時間を固定で制御し、第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間を可変させる。第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８は、第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４に同期して制御される。

図２は、図１の電力変換装置１０の昇圧時かつ軽負荷時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間Ｔ１と、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間（第１期間）Ｔ２と、時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間Ｔ３と、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間（第２期間）Ｔ４とを単位制御期間として、この単位制御期間が繰り返される。

期間Ｔ１では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオン、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオフ、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８をオフ、並びに第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７をオンの状態に制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。

つまり制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４をターンオンさせ、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３をターンオフさせるとき、第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７をターンオンさせる。

図示は省略するが、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３のターンオフと、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４のターンオン間にデッドタイムを設けている。デッドタイムは貫通電流を防止して無駄な電力消費を抑えるために挿入される。

期間Ｔ１では、第１漏れインダクタンスＬ１及び絶縁トランスＴＲ１の一次巻線に流れる電流ＩＬは正であり、単調に増加している。電流ＩＬが第１漏れインダクタンスＬ１を中点Ｎ１から絶縁トランスＴＲ１の一次巻線に向けて流れる方向を正とする。

期間Ｔ２では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオン、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオフ、並びに第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８をオフの状態に制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。これにより第２ブリッジ回路１２は、第５ダイオードＤ５〜第８ダイオードＤ８で構成されるダイオードブリッジ回路となる。つまり制御回路１５は、期間Ｔ２において、第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させる。

期間Ｔ２では、電流ＩＬは時刻ｔ２ａまで単調に減少し、時刻ｔ２ａ以降は実質的にゼロになっている。

期間Ｔ３では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオフ、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオン、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８をオン、並びに第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７をオフの状態に制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。

つまり制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４をターンオフさせ、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３をターンオンさせるとき、第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８をターンオンさせる。

図示は省略するが、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４のターンオフと、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３のターンオン間にデッドタイムを設けている。

期間Ｔ３では、電流ＩＬは負になり、その絶対値は単調に増加している。

期間Ｔ４では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオフ、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオン、並びに第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８をオフの状態に制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。これにより第２ブリッジ回路１２は、第５ダイオードＤ５〜第８ダイオードＤ８で構成されるダイオードブリッジ回路となる。つまり制御回路１５は、期間Ｔ４において、第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させる。

期間Ｔ４では、電流ＩＬの絶対値は時刻ｔ４ａまで単調に減少し、時刻ｔ４ａ以降は実質的にゼロになっている。

制御回路１５は、第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間Ｔｏｎ、即ち期間Ｔ１と期間Ｔ３の長さを制御して電力変換し、電力変換装置１０の出力電力の量を制御する。例えば、期間Ｔ１と期間Ｔ３の長さが短くなるように第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御すれば出力電力を下げることができ、期間Ｔ１と期間Ｔ３の長さが短くなるように第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御すれば出力電力を上げることができる。

ここで、比較例の電力変換装置の昇圧時の動作について説明する。比較例では、図１の電力変換装置１０とは第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御が異なる。

図３（ａ）は、比較例の電力変換装置の昇圧時かつ軽負荷時の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３（ｂ）は、比較例の電力変換装置の昇圧時かつ定格負荷時の動作を説明するためのタイミングチャートである。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、比較例では、制御回路は、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間（時比率）を固定で制御し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のスイッチング位相を制御して、電力変換装置の出力電力の量および方向を制御する。例えば、図３（ａ）のように、位相差φが小さくなるようにスイッチング位相をシフトすれば出力電力を下げることができ、図３（ｂ）のように、当該位相差φが大きくなるようにスイッチング位相をシフトすれば出力電力を上げることができる。降圧時にも、昇圧時と同様の制御が行われる。

図３（ａ）の軽負荷時には、期間Ｔ２の時刻ｔ２ａにおいて電流ＩＬが実質的にゼロになり、正から負に反転する。同様に、期間Ｔ４の時刻ｔ４ａにおいて電流ＩＬが実質的にゼロになり、負から正に反転する。このような電流ＩＬの反転は、軽負荷であり負荷ＲＬの消費電流が比較的小さく、昇圧により負荷ＲＬの電圧が直流電源Ｖｄｃの電圧より高いために起こる。これにより、期間Ｔ２の時刻ｔ２ａから時刻ｔ３および期間Ｔ４の時刻ｔ４ａから時刻ｔ５では、電力が負荷ＲＬから直流電源Ｖｄｃに向けて逆向きに送られる。従って、電力変換効率が悪化する。

また、期間Ｔ２が終了する時刻ｔ３において第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３がターンオンし、期間Ｔ４が終了する時刻ｔ５において第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４がターンオンするが、これらはハードスイッチングとなる。従って、スイッチング損失が発生するため、このことによっても電力変換効率が悪化する。

これに対して本実施形態によれば、期間Ｔ２と期間Ｔ４において第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させるので、軽負荷時に期間Ｔ２と期間Ｔ４において電流ＩＬの向きが反転しない。つまり、電流ＩＬが反転しようとしても、オフの状態の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８と、第５ダイオードＤ５〜第８ダイオードＤ８とにより阻止される。そのため、期間Ｔ２と期間Ｔ４の一部で電力が負荷ＲＬから直流電源Ｖｄｃに戻ることを防止できる。また、期間Ｔ２の終了時に第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３をハードスイッチングさせずにゼロ電流スイッチング（ソフトスイッチング）させることができる。期間Ｔ４の終了時にも同様に第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４をゼロ電流スイッチングさせることができる。従って、比較例と比べ、軽負荷時の電力変換効率を改善できる。

また、期間Ｔ２と期間Ｔ４において電流ＩＬの逆流が無くなることで、比較例と比べて、電流ＩＬの絶対値の最大値が小さくなり、電力に対するオン時間Ｔｏｎの感度が小さくなるため、より細かい電力制御を行うことができる。よって、出力電力の安定性を高めることができる。

また、比較例から制御回路１５の制御を変更するだけで電力変換装置１０を実現できるため、追加のスイッチング素子や追加のダイオードを必要とせず、コスト増加を抑制できる。

さらに、第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御するための駆動信号は、ロジック回路を用いて容易に作成できる。

また、期間Ｔ２と期間Ｔ４では、第２ブリッジ回路１２の整流機能により電流ＩＬが自動的に実質的にゼロに保持されるため、電流ＩＬが実質的にゼロになったタイミングに合わせて逆流防止のための制御を行う必要がない。従って、タイミング設計を容易に行うことができる。

なお、本実施形態においても、定格負荷時には、比較例の図３（ｂ）と同様の電流ＩＬを得ることができる。従って、負荷ＲＬに応じて制御を変更する必要はない。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、期間Ｔ２と期間Ｔ４において電流ＩＬに基づいて第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御することが、第１の実施形態と異なる。以下では、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置１０Ａの構成を説明するための図である。電力変換装置１０Ａは、第１の実施形態の構成に加え、電流検出部２０をさらに備える。また制御回路１５Ａの機能が第１の実施形態と異なる。

電流検出部２０は、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線に流れる電流ＩＬを検出して制御回路１５Ａに出力する。電流検出部２０は、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線に流れる電流を検出してもよい。

図５は、図４の電力変換装置１０Ａの昇圧時かつ軽負荷時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。期間Ｔ１と期間Ｔ３における制御は、第１の実施形態と同様である。

制御回路１５Ａは、期間Ｔ２において、電流ＩＬが実質的にゼロになるまで第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８をオンの状態に制御し、電流ＩＬが実質的にゼロになったとき、第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８をターンオフさせる。つまり、制御回路１５Ａは、軽負荷時には、期間Ｔ２の一部において、第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８をオフの状態に制御し、第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させる。これにより、軽負荷時に期間Ｔ２において電流ＩＬの向きが反転しない。

制御回路１５Ａは、期間Ｔ４において、電流ＩＬが実質的にゼロになるまで第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７をオンの状態に制御し、電流ＩＬが実質的にゼロになったとき、第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７をターンオフさせる。つまり、制御回路１５Ａは、軽負荷時には、期間Ｔ４の一部において、第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７をオフの状態に制御し、第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させる。これにより、軽負荷時に期間Ｔ４において電流ＩＬの向きが反転しない。

このように本実施形態によれば、期間Ｔ２において、電流ＩＬが実質的にゼロになるまで、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線に流れる電流はオンの状態の第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８を流れることができる。また期間Ｔ４において、電流ＩＬが実質的にゼロになるまで、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線に流れる電流はオンの状態の第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７を流れることができる。オンの状態の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８は第５ダイオードＤ５〜第８ダイオードＤ８と比較して電圧降下が小さいので、第１の実施形態と比較して電力変換効率をより改善できる。

また、期間Ｔ２と期間Ｔ４において電流ＩＬが実質的にゼロにならない定格負荷時などの場合には、期間Ｔ２で第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８はオンの状態を保持し、期間Ｔ４で第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７がオンの状態を保持する。よって、比較例の図３（ｂ）と同様の電流ＩＬを得ることができ、負荷ＲＬに応じて制御を変更する必要はない。この場合にも、第１の実施形態と比較して電力変換効率をより改善できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、整流回路を追加して電流方向の反転を防ぐことが、第１の実施形態と異なる。以下では、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図６は、第３の実施形態に係る電力変換装置１０Ｂの構成を説明するための図である。電力変換装置１０Ｂは、第１の実施形態の構成に加え、整流回路３０をさらに備える。また制御回路１５Ｂの機能が第１の実施形態と異なる。

制御回路１５Ｂは、昇圧時と降圧時において、図３（ａ），（ｂ）の比較例と同様に、第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４のスイッチング位相と、第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のスイッチング位相との位相差φを制御して電力変換する。そのため、期間Ｔ２では、第１スイッチング素子Ｑ１、第４スイッチング素子Ｑ４、第５スイッチング素子Ｑ５および第８スイッチング素子Ｑ８がオンの状態にあることが第１の実施形態と異なる。期間Ｔ４では、第２スイッチング素子Ｑ２、第３スイッチング素子Ｑ３、第６スイッチング素子Ｑ６および第７スイッチング素子Ｑ７がオンの状態にあることが第１の実施形態と異なる。

整流回路３０は、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線または二次巻線に直列接続される。ここでは、整流回路３０は、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線に直列接続され、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線と中点Ｎ４との間に接続される。

図７は、図６の整流回路３０の回路図である。整流回路３０は、第１回路３１と、第２回路３２とを有する。第１回路３１は、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線に直列接続された第１整流素子Ｄ１１および第１スイッチＳＷ１を有する。第２回路３２は、第１整流素子Ｄ１１および第１スイッチＳＷ１に並列接続された、直列接続された第２整流素子Ｄ１２および第２スイッチＳＷ２を有する。第１整流素子Ｄ１１と第２整流素子Ｄ１２は互いに逆向きである。第１整流素子Ｄ１１および第２整流素子Ｄ１２として、寄生ダイオードである第１ダイオードＤ１〜第８ダイオードＤ８より高速に動作する高速リカバリダイオードなどのダイオードを用いることができる。第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどのトランジスタで構成できる。

制御回路１５Ｂは、期間Ｔ１と期間Ｔ３において、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２をオンの状態に制御する。これにより整流回路３０は、期間Ｔ１と期間Ｔ３において電流ＩＬを整流せず、双方向に流す。

制御回路１５Ｂは、期間Ｔ２において、第１スイッチＳＷ１をオンの状態に制御し、第２スイッチＳＷ２をオフの状態に制御する。これにより整流回路３０は、期間Ｔ２において電流ＩＬを一方向に整流する。ここでは、一方向は電流ＩＬの正方向である。よって、期間Ｔ２では、正の電流ＩＬは流れるが、負の電流ＩＬは流れない。

制御回路１５Ｂは、期間Ｔ４において、第２スイッチＳＷ２をオンの状態に制御し、第１スイッチＳＷ１をオフの状態に制御する。これにより整流回路３０は、期間Ｔ４において電流ＩＬを一方向とは逆の方向に整流する。ここでは、一方向とは逆の方向は電流ＩＬの負方向である。よって、期間Ｔ４では、負の電流ＩＬは流れるが、正の電流ＩＬは流れない。

これにより、図２と同様の波形の電流ＩＬを得ることができ、軽負荷時の電力変換効率を改善できる。

このように本実施形態では、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御は比較例と同様の制御でよいため、制御が容易になる。

また、寄生ダイオードよりも高速に動作する第１整流素子Ｄ１１および第２整流素子Ｄ１２を用いて電流ＩＬを整流することにより、電力変換効率をさらに改善できる。

また、本実施形態においても、定格負荷時には、比較例の図３（ｂ）と同様の電流ＩＬを得ることができる。従って、負荷ＲＬに応じて制御を変更する必要はない。また、降圧時には、制御回路１５Ｂは、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を常にオンの状態に制御してもよい。

なお、第３の実施形態の変形例として、電力変換装置１０Ｂは、図４の電流検出部２０をさらに備えてもよい。電流検出部２０は、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線に流れる電流ＩＬを検出して制御回路１５Ｂに供給する。

制御回路１５Ｂは、期間Ｔ２と期間Ｔ４に電流ＩＬが実質的にゼロになった後、整流回路３０が、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４がオンの状態にある期間Ｔ１と期間Ｔ２において電流ＩＬを一方向に整流するように、整流回路３０を制御する。期間Ｔ２と期間Ｔ４に電流ＩＬが実質的にゼロになることは、軽負荷であることを表す。このような整流回路３０の制御には、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４を制御する駆動信号を用いることができる。

制御回路１５Ｂは、期間Ｔ２と期間Ｔ４に電流ＩＬが実質的にゼロになった後、整流回路３０が、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３がオンの状態にある期間Ｔ３と期間Ｔ４において電流ＩＬを一方向とは逆の方向に整流するように、整流回路３０を制御する。このような整流回路３０の制御には、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３を制御する駆動信号を用いることができる。

このように本変形例では、第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４を制御する駆動信号で整流回路３０を制御できるので、整流回路３０の制御を第３の実施形態よりも簡素化できる。

以上、本発明について、実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述した、第１ブリッジ回路１１の第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４に対するスイッチング制御と、第２ブリッジ回路１２の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８に対するスイッチング制御を逆にすれば、逆方向のＤＣ−ＤＣ変換が可能である。

また、第１の実施形態において、期間Ｔ２と期間Ｔ４の一方において第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させてもよい。第２の実施形態において、期間Ｔ２の一部と期間Ｔ４の一部の一方において第２ブリッジ回路１２を整流回路として動作させてもよい。これらの変形例でも、比較例と比べ、軽負荷時の電力変換効率を改善できる。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
第１スイッチング素子（Ｑ１）と第２スイッチング素子（Ｑ２）が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子（Ｑ３）と第４スイッチング素子（Ｑ４）が直列接続された第２アームが並列接続され、直流電源（Ｖｄｃ）から電力が入力される第１ブリッジ回路（１１）と、
第５スイッチング素子（Ｑ５）と第６スイッチング素子（Ｑ６）が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子（Ｑ７）と第８スイッチング素子（Ｑ８）が直列接続された第４アームが並列接続され、負荷（ＲＬ）に電力を出力する第２ブリッジ回路（１２）と、
前記第１ブリッジ回路（１１）と前記第２ブリッジ回路（１２）の間に接続された絶縁トランス（ＴＲ１）と、
前記第１スイッチング素子（Ｑ１）〜前記第８スイッチング素子（Ｑ８）を制御する制御回路（１５，１５Ａ）と、を備え、
前記制御回路（１５，１５Ａ）は、
前記第１スイッチング素子（Ｑ１）および前記第４スイッチング素子（Ｑ４）をターンオフさせ、前記第２スイッチング素子（Ｑ１）および前記第３スイッチング素子（Ｑ３）をターンオンさせるとき、前記第５スイッチング素子（Ｑ５）および前記第８スイッチング素子（Ｑ８）をターンオンさせ、
前記第１スイッチング素子（Ｑ１）および前記第４スイッチング素子（Ｑ４）をターンオンさせ、前記第２スイッチング素子（Ｑ２）および前記第３スイッチング素子（Ｑ３）をターンオフさせるとき、前記第６スイッチング素子（Ｑ６）および前記第７スイッチング素子（Ｑ７）をターンオンさせ、
前記第５スイッチング素子（Ｑ５）〜前記第８スイッチング素子（Ｑ８）のオン時間を制御して電力変換し、
前記第１スイッチング素子（Ｑ１）および前記第４スイッチング素子（Ｑ４）がオンの状態にあり、前記第６スイッチング素子（Ｑ６）および前記第７スイッチング素子（Ｑ７）がオフの状態にある第１期間（Ｔ２）の少なくとも一部と、前記第２スイッチング素子（Ｑ２）および前記第３スイッチング素子（Ｑ３）がオンの状態にあり、前記第５スイッチング素子（Ｑ５）および前記第８スイッチング素子（Ｑ８）がオフの状態にある第２期間（Ｔ４）の少なくとも一部との少なくとも一方において、前記第２ブリッジ回路（１２）を整流回路として動作させる、
ことを特徴とする電力変換装置（１０，１０Ａ）。
［項目２］
前記第５スイッチング素子（Ｑ５）〜前記第８スイッチング素子（Ｑ８）のそれぞれに、並列かつ逆向きにダイオード（Ｄ５〜Ｄ８）が接続または形成されており、
前記制御回路（１５，１５Ａ）は、
前記第１期間（Ｔ２）の少なくとも一部において、前記第５スイッチング素子（Ｑ５）および前記第８スイッチング素子（Ｑ８）をオフの状態に制御し、
前記第２期間（Ｔ４）の少なくとも一部において、前記第６スイッチング素子（Ｑ６）および前記第７スイッチング素子（Ｑ７）をオフの状態に制御する、
ことを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（１０，１０Ａ）。
［項目３］
前記絶縁トランス（ＴＲ１）の一次巻線または二次巻線に流れる電流（ＩＬ）を検出して前記制御回路（１５Ａ）に出力する電流検出部（２０）をさらに備え、
前記制御回路（１５Ａ）は、
前記第１期間（Ｔ２）において、前記電流（ＩＬ）が実質的にゼロになるまで前記第５スイッチング素子（Ｑ５）および前記第８スイッチング素子（Ｑ８）をオンの状態に制御し、前記電流（ＩＬ）が実質的にゼロになったとき、前記第５スイッチング素子（Ｑ５）および前記第８スイッチング素子（Ｑ８）をターンオフさせ、
前記第２期間（Ｔ４）において、前記電流（ＩＬ）が実質的にゼロになるまで前記第６スイッチング素子（Ｑ６）および前記第７スイッチング素子（Ｑ７）をオンの状態に制御し、前記電流（ＩＬ）が実質的にゼロになったとき、前記第６スイッチング素子（Ｑ６）および前記第７スイッチング素子（Ｑ７）をターンオフさせる、
ことを特徴とする項目２に記載の電力変換装置（１０Ａ）。
［項目４］
第１スイッチング素子（Ｑ１）と第２スイッチング素子（Ｑ２）が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子（Ｑ３）と第４スイッチング素子（Ｑ４）が直列接続された第２アームが並列接続され、直流電源（Ｖｄｃ）から電力が入力される第１ブリッジ回路（１１）と、
第５スイッチング素子（Ｑ５）と第６スイッチング素子（Ｑ６）が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子（Ｑ７）と第８スイッチング素子（Ｑ８）が直列接続された第４アームが並列接続され、負荷（ＲＬ）に電力を出力する第２ブリッジ回路（１２）と、
前記第１ブリッジ回路（１１）と前記第２ブリッジ回路（１２）の間に接続された絶縁トランス（ＴＲ１）と、
前記第１スイッチング素子（Ｑ１）〜前記第４スイッチング素子（Ｑ４）のスイッチング位相と、前記第５スイッチング素子（Ｑ５）〜前記第８スイッチング素子（Ｑ８）のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換する制御回路（１５Ｂ）と、
前記絶縁トランス（ＴＲ１）の一次巻線または二次巻線に直列接続され、前記第１スイッチング素子（Ｑ１）、前記第４スイッチング素子（Ｑ４）、前記第５スイッチング素子（Ｑ５）および前記第８スイッチング素子（Ｑ８）がオンの状態にある第１期間（Ｔ２）において前記一次巻線または前記二次巻線に流れる電流（ＩＬ）を一方向に整流し、前記第２スイッチング素子（Ｑ２）、前記第３スイッチング素子（Ｑ３）、前記第６スイッチング素子（Ｑ６）および前記第７スイッチング素子（Ｑ７）がオンの状態にある第２期間（Ｔ４）において前記電流（ＩＬ）を前記一方向とは逆の方向に整流する整流回路（３０）と、
を備えることを特徴とする電力変換装置（１０Ｂ）。
［項目５］
前記整流回路（３０）は、
前記絶縁トランス（ＴＲ１）の前記一次巻線または前記二次巻線に直列接続された第１整流素子（Ｄ１１）および第１スイッチ（ＳＷ１）と、
前記第１整流素子（Ｄ１１）および前記第１スイッチ（ＳＷ１）に並列接続された、直列接続された第２整流素子（Ｄ１２）および第２スイッチ（ＳＷ２）と、を有し、
前記第１整流素子（Ｄ１１）と前記第２整流素子（Ｄ１２）は互いに逆向きであり、
前記制御回路（１５Ｂ）は、
前記第１期間（Ｔ２）において、前記第１スイッチ（ＳＷ１）をオンの状態に制御し、前記第２スイッチ（ＳＷ２）をオフの状態に制御し、
前記第２期間（Ｔ４）において、前記第２スイッチ（ＳＷ２）をオンの状態に制御し、前記第１スイッチ（ＳＷ１）をオフの状態に制御する、
ことを特徴とする項目４に記載の電力変換装置（１０Ｂ）。
［項目６］
前記絶縁トランス（ＴＲ１）の前記一次巻線または前記二次巻線に流れる前記電流（ＩＬ）を検出して前記制御回路（１５Ｂ）に出力する電流検出部（２０）をさらに備え、
前記制御回路（１５Ｂ）は、前記第１期間（Ｔ２）と前記第２期間（Ｔ４）に前記電流（ＩＬ）が実質的にゼロになった後、前記整流回路（３０）が、前記第１スイッチング素子（Ｑ１）および前記第４スイッチング素子（Ｑ４）がオンの状態にある期間（Ｔ１，Ｔ２）において前記電流（ＩＬ）を前記一方向に整流し、前記第２スイッチング素子（Ｑ２）および前記第３スイッチング素子（Ｑ３）がオンの状態にある期間（Ｔ３，Ｔ４）において前記電流（ＩＬ）を前記一方向とは逆の方向に整流するように、前記整流回路（３０）を制御する、
ことを特徴とする項目４または５に記載の電力変換装置（１０Ｂ）。

Ｖｄｃ…直流電源、１０，１０Ａ，１０Ｂ…電力変換装置、１１…第１ブリッジ回路、１２…第２ブリッジ回路、ＴＲ１…絶縁トランス、１５，１５Ａ，１５Ｂ…制御回路、ＲＬ…負荷、Ｑ１…第１スイッチング素子、Ｑ２…第２スイッチング素子、Ｑ３…第３スイッチング素子、Ｑ４…第４スイッチング素子、Ｑ５…第５スイッチング素子、Ｑ６…第６スイッチング素子、Ｑ７…第７スイッチング素子、Ｑ８…第８スイッチング素子、２０…電流検出部、３０…整流回路、３１…第１回路、３２…第２回路、Ｄ１１…第１整流素子、Ｄ１２…第２整流素子、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ。

Claims (6)

1. 第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２アームが並列接続され、直流電源から電力が入力される第１ブリッジ回路と、
   第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４アームが並列接続され、負荷に電力を出力する第２ブリッジ回路と、
   前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、
   前記第１スイッチング素子〜前記第８スイッチング素子を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をターンオフさせ、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子をターンオンさせるとき、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子をターンオンさせ、
   前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をターンオンさせ、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子をターンオフさせるとき、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子をターンオンさせ、
   前記第５スイッチング素子〜前記第８スイッチング素子のオン時間を制御して電力変換し、
   前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンの状態にあり、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオフの状態にある第１期間の少なくとも一部と、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンの状態にあり、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフの状態にある第２期間の少なくとも一部との少なくとも一方において、前記第２ブリッジ回路を整流回路として動作させる、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第５スイッチング素子〜前記第８スイッチング素子のそれぞれに、並列かつ逆向きにダイオードが接続または形成されており、
   前記制御回路は、
   前記第１期間の少なくとも一部において、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子をオフの状態に制御し、
   前記第２期間の少なくとも一部において、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子をオフの状態に制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記絶縁トランスの一次巻線または二次巻線に流れる電流を検出して前記制御回路に出力する電流検出部をさらに備え、
   前記制御回路は、
   前記第１期間において、前記電流が実質的にゼロになるまで前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子をオンの状態に制御し、前記電流が実質的にゼロになったとき、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子をターンオフさせ、
   前記第２期間において、前記電流が実質的にゼロになるまで前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子をオンの状態に制御し、前記電流が実質的にゼロになったとき、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子をターンオフさせる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２アームが並列接続され、直流電源から電力が入力される第１ブリッジ回路と、
   第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４アームが並列接続され、負荷に電力を出力する第２ブリッジ回路と、
   前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、
   前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のスイッチング位相と、前記第５スイッチング素子〜前記第８スイッチング素子のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換する制御回路と、
   前記絶縁トランスの一次巻線または二次巻線に直列接続され、前記第１スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオンの状態にある第１期間において前記一次巻線または前記二次巻線に流れる電流を一方向に整流し、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンの状態にある第２期間において前記電流を前記一方向とは逆の方向に整流する整流回路と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
5. 前記整流回路は、
   前記絶縁トランスの前記一次巻線または前記二次巻線に直列接続された第１整流素子および第１スイッチと、
   前記第１整流素子および前記第１スイッチに並列接続された、直列接続された第２整流素子および第２スイッチと、を有し、
   前記第１整流素子と前記第２整流素子は互いに逆向きであり、
   前記制御回路は、
   前記第１期間において、前記第１スイッチをオンの状態に制御し、前記第２スイッチをオフの状態に制御し、
   前記第２期間において、前記第２スイッチをオンの状態に制御し、前記第１スイッチをオフの状態に制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記絶縁トランスの前記一次巻線または前記二次巻線に流れる前記電流を検出して前記制御回路に出力する電流検出部をさらに備え、
   前記制御回路は、前記第１期間と前記第２期間に前記電流が実質的にゼロになった後、前記整流回路が、前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンの状態にある期間において前記電流を前記一方向に整流し、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンの状態にある期間において前記電流を前記一方向とは逆の方向に整流するように、前記整流回路を制御する、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の電力変換装置。

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