JP2020089053A - 電力変換装置および電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電力変換装置に用いられる電子部品に印加される電圧、または、電力変換装置に用いられる電子部品に流れる電流を小さくすることを目的とする。あるいは、本発明は、電力変換装置に用いられる部品の数を削減することを目的とする。【解決手段】車載用電力変換モジュール１００は、電力調整回路１０と、電力調整回路１０に接続された交流側巻線１８と、交流側巻線１８に磁気的に結合する複数の直流側巻線（２０Ｕ，２０Ｌ）と、各直流側巻線に対応して設けられ、各直流側巻線に接続されたスイッチング回路（１４１，１４２）とを備える。各直流側巻線は、交流側巻線１８に磁気的に結合し、直列に接続された第１直流側巻線（２０Ｕ−１,２０Ｌ−１）および第２直流側巻線（２０Ｕ−２,２０Ｌ−２）を備え、第１直流側巻線および第２直流側巻線の接続点と、各スイッチング回路との間にバッテリ２２が接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換システムに関し、特に、バッテリを充電し、または、バッテリから負荷装置に電力を供給する装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、駆動用モータジェネレータに電力を供給するためのバッテリが搭載されている。ハイブリッド自動車では、エンジンの駆動力や回生制動によって発電した電力によってバッテリが充電される。また、プラグイン機能のある電動車両では、商用電源システムから供給される電力によってバッテリが充電される。バッテリを充電するため、電動車両には電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、バッテリ充電のために入力された電圧を適切な電圧に変換してバッテリに印加する。

以下の特許文献１には、２つのスイッチング回路を各回路に接続された巻線によって磁気的に結合させ、２つのスイッチング回路の間で電力を伝送させる電力変換装置が示されている。特許文献２には、電力変換装置としての多相昇圧コンバータが記載されている。この多相昇圧コンバータでは、負荷回路に電流を供給する複数のスイッチング素子を用いることで、スイッチング素子に流れる電流が低減される。特許文献３には、第１および第２の昇圧コンバータのパルス幅変調による力率改善を行いつつ、第１および第２の昇圧コンバータの周波数を調整することにより出力電圧を制御する電力変換装置が示されている。特許文献４には、トランスによって結合された２つの電力変換部を備え、各電力変換部のスイッチングによって、直流電力を交流電力に変換し、または、交流電力を直流電力に変換する絶縁型電力変換装置が記載されている。この絶縁型電力変換装置では、交流電力が入出力される側の電力変換部における損失が低減されるように、各電力変換部のスイッチングが行われる。

また、以下の非特許文献１には、本願発明に関連する技術として、複数のスイッチング回路の入力端子、および複数のスイッチング回路の出力端子を並列接続する技術等が記載されている。

特開２０１１−１９３７１３号公報 特開２０１７−１５８３７２号公報 特開２０１０−１８３７２６号公報 特開２０１６−２２６１６２号公報

"A 22 kW on-board charger for automotive applications based on a modular design"Fraunhofer IISB Germany, IEEE Conference on Energy Convension Oct. 2014

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両については、バッテリの出力電圧を大きくすることで、走行時やバッテリ充電時に各回路に流れる電流を小さくし、電力損失を低減する設計が検討されている。しかし、バッテリの出力電圧を大きくすると、各回路に用いられるスイッチング素子等の電子部品の耐電圧を大きくする必要が生じる。また、電力損失の低減に加えて、充電電力を大きくして高速な充電を行うことも検討されており、電子部品の許容電流を大きくする必要も生じている。耐電圧や許容電流が大きい電子部品は、耐電圧や許容電流が小さい電子部品に比べてコストが嵩む傾向にあり、電子部品に費やされるコストが上昇してしまうという問題が生じる。

また、電動車両に用いられる電力変換装置では、ユーザが操作する部位を絶縁したり、入出力電圧が異なる複数の回路を結合したりするため複数のトランスが用いられる。そして、バッテリの出力電圧を昇圧または降圧するために、誘導起電力を発生させるための巻線がトランスに加えて用いられ、部品の数が多くなってしまうことがある。

本発明は、電力変換装置に用いられる電子部品に印加される電圧、または、電力変換装置に用いられる電子部品に流れる電流を小さくすることを目的とする。あるいは、本発明は、電力変換装置に用いられる部品の数を削減することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、入力される交流電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、前記電力調整回路に接続された交流側巻線と、前記交流側巻線に磁気的に結合する複数の直流側巻線と、各前記直流側巻線に対応して設けられ、各前記直流側巻線に接続されたスイッチング回路と、を備え、各前記直流側巻線は、直列に接続された第１直流側巻線および第２直流側巻線を備え、前記第１直流側巻線および前記第２直流側巻線の接続点と、各前記スイッチング回路との間にバッテリが接続されていることを特徴とする。

望ましくは、各前記スイッチング回路に対応して設けられ、各前記スイッチング回路に接続されたインバータ回路を備え、各前記インバータ回路は共通の負荷装置に接続されている。

望ましくは、各前記スイッチング回路は、電力変換モードであって、前記バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから自らに隣接する回路に電力を供給する電力変換モード、または、充電モードであって、前記電力調整回路から前記交流側巻線、および、自らに対応する前記直流側巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モード、のいずれかのモードで動作する。

望ましくは、前記電力変換装置を複数備える電力変換システムにおいて、複数の前記電力変換装置は、共通の負荷装置に接続されており、複数の前記電力変換装置のそれぞれにおける前記電力調整回路の一端に、複数相の交流電圧のうちの対応する１相の相電圧が印加されており、複数の前記電力変換装置のそれぞれにおける前記電力調整回路の他端が共通に接続されている。

本発明によれば、電力変換装置に用いられる電子部品に印加される電圧、または、電力変換装置に用いられる電子部品に流れる電流を小さくすることができる。あるいは、本発明によれば、電力変換装置に用いられる部品の数を削減することができる。

車載用電力変換モジュールの構成を示す図である。 車載用電力変換モジュールの回路構成を示す図である。 双方向スイッチの構成例を示す図である。 交流接続点ａと交流接続点ｂとの間に現れるスイッチング電圧Ｖａｂの時間波形を示す図である。 第１の応用実施形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。 第１の応用実施形態に係る電力変換システムの回路構成の一部を示す図である。 第２の応用実施形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。 第２の応用実施形態に係る電力変換システムの回路構成の一部を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。

各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。本願明細書に示された「上」、「下」の用語は図面における上下を示し、図面に表された部品の取り付け位置を限定するものではない。また、複数の図面に示された同一の構成要素については同一の符号を付して説明の重複を避ける。

（１）車載用電力変換モジュールの概要
図１には、本発明の実施形態に係る車載用電力変換モジュール１００が示されている。車載用電力変換モジュール１００は、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電動車両に搭載される。車載用電力変換モジュール１００は、電力調整回路１０、トランス１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびインバータ１６を備える。インバータ１６には車両駆動用のモータジェネレータ３８が接続されている。トランス１２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４にはバッテリ２２が接続されている。

トランス１２は、磁気的に結合する交流側巻線１８および直流側巻線２０を備える。電力調整回路１０には交流側巻線１８が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４には直流側巻線２０が接続されている。すなわち、電力調整回路１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４はトランス１２によって結合され、電力調整回路１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４との間で、トランス１２を介した電力伝送が行われる。

バッテリ２２の正極端子は、直流側巻線２０を形成する導線の中途の点（中途点）に接続されている。バッテリ２２の負極端子は、直流側巻線２０の一端からＤＣ／ＤＣコンバータ１４に至る負極線に接続されている。

車載用電力変換モジュール１００は、電力変換モードまたは充電モードのいずれかのモードで動作する。電力変換モードは電動車両の走行中における動作モードである。電力変換モードにおいて車載用電力変換モジュール１００は、バッテリ２２から出力される電力をモータジェネレータ３８に供給し、電動車両を力行させる。モータジェネレータ３８は電動車両を力行させる他、発電によって電動車両を制動する。車載用電力変換モジュール１００は、モータジェネレータ３８が発電した電力をバッテリ２２に供給してバッテリ２２を充電する。

電力変換モードでは、電力調整回路１０のスイッチング動作がオフとなり、電力調整回路１０の動作が停止する。直流側巻線２０は昇圧リアクトルとして用いられる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４のスイッチングによって、直流側巻線２０に誘導起電力が発生する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、バッテリ２２の出力電圧に誘導起電力を加えた昇圧電圧をインバータ１６に出力する。インバータ１６は、昇圧電圧に基づく直流電力を３相交流電力に変換し、モータジェネレータ３８に供給する。

また、インバータ１６は、モータジェネレータ３８から出力された３相交流電力（発電電力）を整流することで得られる直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１４に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、インバータ１６から出力された電圧を降圧し、降圧後の電圧に基づく電力をバッテリ２２に出力する。これによってバッテリ２２が充電される。

充電モードは、電動車両が運転中でないときにバッテリ２２を充電する動作モードである。車載用電力変換モジュール１００が充電モードで動作するときは、電力調整回路１０に交流電源２４が接続される。交流電源２４は、商用電源システム等の電力供給システムであってよい。充電モードでは、インバータ１６のスイッチング動作はオフとなり、インバータ１６の動作が停止する。電力調整回路１０は、交流電源２４から出力される交流電力の力率を適切なものとし、トランス１２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１４に出力する。トランス１２から供給される電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４のスイッチング動作によってバッテリ２２に供給される。

（２）回路構成
図２には、電力調整回路１０、トランス１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、およびインバータ１６の具体的な回路構成が示されている。電力調整回路１０は、リアクトル２６、ハーフブリッジα１およびα２を備える。ハーフブリッジα１は、直列接続された双方向スイッチαＳ１およびαＳ２を備え、ハーフブリッジα２は、直列接続された双方向スイッチαＳ３およびαＳ４を備える。ハーフブリッジα１およびα２は並列接続されている。双方向スイッチαＳ１およびαＳ２の接続点（交流接続点ａ）は、リアクトル２６を介して正相端子Ａ１に接続されている。双方向スイッチαＳ３およびαＳ４の接続点（交流接続点ｂ）は逆相端子Ａ２に接続されている。正相端子Ａ１および逆相端子Ａ２には交流電源２４が接続される。

ハーフブリッジα１およびα２の両端には交流側巻線１８が接続されている。交流側巻線１８は、直列接続された上・交流側巻線１８Ｕおよび下・交流側巻線１８Ｌを備える。直流側巻線２０は、上・直流側巻線２０Ｕおよび下・直流側巻線２０Ｌを備える。上・直流側巻線２０Ｕの中途点と下・直流側巻線２０Ｌの中途点とは接続されている。上・直流側巻線２０Ｕは上・交流側巻線１８Ｕに磁気的に結合し、下・直流側巻線２０Ｌは下・交流側巻線１８Ｌに磁気的に結合する。

双方向スイッチαＳ１〜αＳ４は、オンのときに双方向に電流が流れるスイッチである。双方向スイッチαＳ１〜αＳ４は、例えば、図３に示されている２つのＭＯＳＦＥＴ１およびＭＯＳＦＥＴ２によって構成される。ＭＯＳＦＥＴ１のソース端子は、ＭＯＳＦＥＴ２のドレイン端子に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１およびＭＯＳＦＥＴ２のそれぞれのソース端子とドレイン端子との間には、ソース端子の側をアノード端子として、ダイオードＤが接続されている。２つのＭＯＳＦＥＴの代わりに、その他の半導体スイッチング素子が用いられてもよい。半導体スイッチング素子としてバイポーラトランジスタが用いられた場合、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子、ソース端子およびゲート端子が、それぞれ、コレクタ端子、エミッタ端子およびベース端子に対応する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、第１スイッチング回路１４１および第２スイッチング回路１４２を備える。第１スイッチング回路１４１は、ハーフブリッジＸ１、ハーフブリッジＸ２および中間コンデンサ３２を備える。ハーフブリッジＸ１は、直列接続されたスイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ２を備え、ハーフブリッジＸ２は、直列接続されスイッチング素子ＸＳ３およびＸＳ４を備えている。ハーフブリッジＸ１およびＸ２は並列接続されている。スイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ２の接続点と、スイッチング素子ＸＳ３およびＸＳ４の接続点との間には、上・直流側巻線２０Ｕが接続されている。ハーフブリッジＸ１およびＸ２の両端には中間コンデンサ３２が接続されている。

第２スイッチング回路１４２は、ハーフブリッジＹ１、ハーフブリッジＹ２および中間コンデンサ３４を備える。ハーフブリッジＹ１は、直列接続されたスイッチング素子ＹＳ１およびＹＳ２を備え、ハーフブリッジＹ２は、直列接続されたスイッチング素子ＹＳ３およびＹＳ４を備える。ハーフブリッジＹ１およびＹ２は並列接続されている。スイッチング素子ＹＳ１およびＹＳ２の接続点と、スイッチング素子ＹＳ３およびＹＳ４の接続点との間には、下・直流側巻線２０Ｌが接続されている。ハーフブリッジＹ１およびＹ２の両端には中間コンデンサ３４が接続されている。

スイッチング素子ＸＳ２およびＸＳ４の接続点は第１負極線２８に接続され、スイッチング素子ＹＳ２およびＹＳ４の接続点は第２負極線３０に接続されている。第１負極線２８および第２負極線３０のそれぞれの一端は、バッテリ２２の負極端子に接続されている。上・直流側巻線２０Ｕおよび下・直流側巻線２０Ｌのそれぞれの中途点、すなわち、上・直流側巻線２０Ｕおよび下・直流側巻線２０Ｌの接続点にはバッテリ２２の正極端子が接続されている。

インバータ１６は、第１インバータ回路１６３および第２インバータ回路１６４を備える。第１インバータ回路１６３は、ハーフブリッジＵ、ＶおよびＷを備える。ハーフブリッジＵは、直列接続されたスイッチング素子ＵＳ１およびＵＳ２を備える。ハーフブリッジＶは、直列接続されたスイッチング素子ＶＳ３およびＶＳ４を備える。ハーフブリッジＷは、直列接続されたスイッチング素子ＷＳ５およびＶＳ６を備える。ハーフブリッジＵ、ＶおよびＷは並列接続されている。

スイッチンング素子ＵＳ１、ＶＳ３およびＷＳ５の接続点は、中間コンデンサ３２の上端、すなわち、スイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ３の接続点に接続され、スイッチング素子ＵＳ２、ＶＳ４およびＷＳ６の接続点は、第１負極線２８に接続されている。

スイッチング素子ＵＳ１およびＵＳ２の接続点はＵ相端子ｕに接続されている。スイッチング素子ＶＳ３およびＶＳ４の接続点はＶ相端子ｖに接続されている。スイッチング素子ＷＳ５およびＷＳ６の接続点はＷ相端子ｗに接続されている。Ｕ相端子ｕ、Ｖ相端子ｖおよびＷ相端子ｗには、モータジェネレータ３８が接続されている。

第２インバータ回路１６４は、第１インバータ回路１６３と同様の構成を有している。第２インバータ回路１６４は、ハーフブリッジＯ、ＰおよびＱを備える。ハーフブリッジＯは、直列接続されたスイッチング素子ＯＳ１およびＯＳ２を備える。ハーフブリッジＰは、直列接続されたスイッチング素子ＰＳ３およびＰＳ４を備える。ハーフブリッジＱは、直列接続されたスイッチング素子ＱＳ５およびＱＳ６を備える。スイッチングＯ、ＰおよびＱは並列接続されている。

スイッチンング素子ＯＳ１、ＰＳ３およびＱＳ５の接続点は、中間コンデンサ３４の上端、すなわち、スイッチング素子ＹＳ１およびＹＳ３の接続点に接続され、スイッチング素子ＯＳ２、ＰＳ４およびＱＳ６の接続点は、第２負極線３０に接続されている。

スイッチング素子ＯＳ１およびＯＳ２の接続点はＵ相端子ｕに接続されている。スイッチング素子ＰＳ３およびＰＳ４の接続点はＶ相端子ｖに接続されている。スイッチング素子ＱＳ５およびＱＳ６の接続点はＷ相端子ｗに接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびインバータ１６が備える各スイッチング素子（ＸＳ１〜ＸＳ４，ＹＳ１〜ＹＳ４，ＵＳ１，ＵＳ２，ＶＳ３，ＶＳ４，ＷＳ５，ＷＳ６，ＯＳ１，ＯＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４，ＱＳ５，ＱＳ６）には、ＭＯＳＦＥＴが用いられている。各ハーフブリッジでは、図２において上側に示されているＭＯＳＦＥＴのソース端子が、下側に示されているＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子とソース端子との間には、ソース端子側をアノード端子としてダイオードが接続されている。

各スイッチング素子については、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、その他の半導体スイッチング素子が用いられてもよい。半導体スイッチング素子としてバイポーラトランジスタが用いられた場合、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子、ソース端子およびゲート端子が、それぞれ、コレクタ端子、エミッタ端子およびベース端子に対応する。

（３）基本動作
電力調整回路１０が備える各双方向スイッチは、制御部３６によってオフからオンに制御され、または、オンからオフに制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびインバータ１６が備える各スイッチング素子は、制御部３６によってオフからオンに制御され、または、オンからオフに制御される。

電力調整回路１０のハーフブリッジα１を構成する双方向スイッチαＳ１およびαＳ２は、一方がオフからオンになったときに他方がオンからオフになり、一方がオンからオフになったときに、他方がオフからオンになる。すなわち、双方向スイッチαＳ１およびαＳ２は交互にオンオフする。同様に、電力調整回路１０のハーフブリッジα２を構成する双方向スイッチαＳ３およびαＳ４は交互にオンオフする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびインバータ１６を構成する各ハーフブリッジに含まれる２つのスイッチング素子も交互にオンオフする。

第１スイッチング回路１４１のスイッチング動作と第２スイッチング回路１４２のスイッチング動作とは同期している。すなわち、スイッチング素子ＸＳ１〜ＸＳ４がオンオフするタイミングは、それぞれ、スイッチング素子ＹＳ１〜ＹＳ４がオンオフするタイミングと同一である。

また、第１インバータ回路１６３のスイッチング動作と第２インバータ回路１６４のスイッチング動作とは同期している。すなわち、スイッチング素子ＵＳ１，ＵＳ２，ＶＳ３，ＶＳ４，ＷＳ５およびＷＳ６がオンオフするタイミングは、それぞれ、スイッチング素子ＯＳ１，ＯＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４，ＱＳ５およびＱＳ６がオンオフするタイミングと同一である。

（４）充電モード
車載用電力変換モジュール１００の充電モードでの動作について説明する。充電モードにおいて制御部３６は、インバータ１６の動作を停止する。すなわち、充電モードでは、インバータ１６が備えるスイッチング素子（ＵＳ１，ＵＳ２，ＶＳ３，ＶＳ４，ＷＳ５，ＷＳ６，ＯＳ１，ＯＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４，ＱＳ５，ＱＳ６）がオフに維持される。充電モードでは、交流電源２４から供給される交流電力の力率を電力調整回路１０が調整しながら、電力調整回路１０がその交流電力に基づく電力をトランス１２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１４に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４のスイッチングによって、バッテリ２２に電力が供給されバッテリ２２が充電される。

電力調整回路１０の動作について説明する。制御部３６によって、双方向スイッチαＳ１〜αＳ４は、正相端子Ａ１および逆相端子Ａ２に印加された交流電圧Ｖｇの時間波形と同様の時間波形を有する電流がリアクトル２６に流れるようにスイッチングされる。

図４には、交流接続点ａと交流接続点ｂとの間に現れるスイッチング電圧Ｖａｂの時間波形が示されている。また、リアクトル２６に流れる電流ｉｑの時間波形がスイッチング電圧Ｖａｂの時間波形と共に示されている。

スイッチング電圧Ｖａｂは、交流電圧Ｖｇに応じて極性およびパルス幅が変化する。すなわち、交流電圧Ｖｇの極性と同一の極性を有し、交流電圧Ｖｇが大きいとき程パルス幅が長くなり、出力電圧が小さいとき程パルス幅が短くなる。

スイッチング電圧Ｖａｂに応じてリアクトル２６に流れる電流ｉｑは、スイッチング電圧Ｖａｂの時間波形を平滑化した時間波形となり、正弦波に近似された時間波形となる。これによって、正相端子Ａ１および逆相端子Ａ２から電力調整回路１０に供給される電力の力率、さらに、トランス１２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給される電力の力率が適切に調整され、正相端子Ａ１および逆相端子Ａ２からバッテリ２２に十分な電力が供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作について説明する。第１スイッチング回路１４１のスイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ２は交互にオンオフし、スイッチング素子ＸＳ３およびＸＳ４もまた交互にオンオフする。スイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ２が交互にオンオフする周期と、スイッチング素子ＸＳ３およびＸＳ４が交互にオンオフする周期は同一の時間長である。また、ハーフブリッジＸ１のデューティ比と、ハーフブリッジＸ２のデューティ比は同一であってよい。ここで、ハーフブリッジＸ１のデューティ比とは、スイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ２がオンオフする１周期に対する、スイッチング素子ＸＳ２がオンになる時間の比率をいう。また、ハーフブリッジＸ２のデューティ比とは、スイッチング素子ＸＳ３およびＸＳ４がオンオフする１周期に対する、スイッチング素子ＸＳ４がオンになる時間の比率をいう。スイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ２がオンオフする位相と、スイッチング素子ＸＳ３およびＸＳ４がオンオフする位相は異なっている。すなわち、ハーフブリッジＸ１のオンオフタイミングとハーフブリッジＸ２のオンオフタイミングとは異なっている。

図２には、バッテリ２２の正極端子から第１上・直流側巻線２０Ｕ−１に流れる電流ｉ１と、バッテリ２２の正極端子から第２上・直流側巻線２０Ｕ−２に流れる電流ｉ２が示されている。第１上・直流側巻線２０Ｕ−１は、上・直流側巻線２０Ｕのうち、中途点よりもハーフブリッジＸ１側の部分である。第２上・直流側巻線２０Ｕ−２は、上・直流側巻線２０Ｕのうち、中途点よりもハーフブリッジＸ２側の部分である。

充電モードでは、ハーフブリッジＸ１のオンオフタイミングと、ハーフブリッジＸ２のオンオフタイミングとの間に相違があり、この相違に応じて電流ｉ１および電流ｉ２に相違が生じる。これによって、電流ｉ１および電流ｉ２の相違に応じた電流がバッテリ２２の正極端子に流入する。

次に、第２スイッチング回路１４２の動作について説明する。上述のように第１スイッチング回路１４１のタイミング動作と第２スイッチング回路１４２のスイッチング動作とは同期している。したがって、バッテリ２２の正極端子から第１下・直流側巻線２０Ｌ−１に流れる電流ｉ３と、バッテリ２２の正極端子から第２下・直流側巻線２０Ｌ−２に流れる電流ｉ４に相違が生じる。第１下・直流側巻線２０Ｌ−１は、下・直流側巻線２０Ｌのうち、中途点よりもハーフブリッジＹ１側の部分である。第２下・直流側巻線２０Ｌ−２は、下・直流側巻線２０Ｌのうち、中途点よりもハーフブリッジＹ２側の部分である。電流ｉ３および電流ｉ４に相違が生じることで、これらの差異に応じた電流がバッテリ２２の正極端子に流入する。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作によって、電流ｉ１および電流ｉ２の差異に応じた電流と、電流ｉ３およびｉ４の差異に応じた電流がバッテリ２２の正極端子に流入し、バッテリ２２が充電される。

（５）電力変換モード
車載用電力変換モジュール１００の電力変換モードでの動作について説明する。制御部３６は電力調整回路１０の動作を停止する。すなわち、電力調整回路１０が備える双方向スイッチαＳ１〜αＳ４はオフに維持される。

第１スイッチング回路１４１および第１インバータ回路１６３の動作について説明する。電力変換モードでは、スイッチング素子ＸＳ１およびＸＳ３の組と、スイッチング素子ＸＳ２およびＸＳ４の組が交互にオンオフする。すなわち、スイッチング素子ＸＳ１がオンのときはスイッチング素子ＸＳ３もまたオンになり、スイッチング素子ＸＳ１がオフのときはスイッチング素子ＸＳ３もまたオフになる。同様に、スイッチング素子ＸＳ２がオンのときはスイッチング素子ＸＳ４もまたオンになり、スイッチング素子ＸＳ２がオフのときはスイッチング素子ＸＳ４もまたオフになる。

スイッチング素子ＸＳ２およびＸＳ４がオンになっているときは、バッテリ２２の正極端子から第１上・直流側巻線２０Ｕ−１に電流ｉ１が流れ、バッテリ２２の正極端子から第２上・直流側巻線２０Ｕ−２に電流ｉ２が流れる。電流ｉ１は第１上・直流側巻線２０Ｕ−１からスイッチング素子ＸＳ２を流れてバッテリ２２の負極端子に至る。電流ｉ２は第２上・直流側巻線２０Ｕ−２からスイッチング素子ＸＳ４を流れてバッテリ２２の負極端子に至る。

スイッチング素子ＳＸ２がオンからオフになることで、第１上・直流側巻線２０Ｕ−１に誘導起電力が発生する。それと共にスイッチング素子ＸＳ１がオンになり、バッテリ２２の出力電圧に誘導起電力が加えられた昇圧電圧が中間コンデンサ３２に印加される。

同様に、スイッチング素子ＸＳ４がオンからオフになることで、第２上・直流側巻線２０Ｕ−２に誘導起電力が発生する。それと共にスイッチング素子ＸＳ３がオンになり、バッテリ２２の出力電圧に誘導起電力が加えられた昇圧電圧が中間コンデンサ３２に印加される。

バッテリ２２の出力電圧をＶｂ、ハーフブリッジＸ１およびＸ２のデューティ比をＤｕとした場合、中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝Ｖｂ／（１−Ｄｕ）である。

このような動作によって、バッテリ２２の出力電圧が昇圧された電圧が中間コンデンサ３２に印加される。昇圧電圧が、中間コンデンサ３２の端子間電圧よりも大きい場合には中間コンデンサ３２または第１インバータ回路１６３に電力が供給される。一方、昇圧電圧が中間コンデンサ３２の端子間電圧より小さい場合には、第１インバータ回路１６３または中間コンデンサ３２からバッテリ２２に電力が回収される。

第１インバータ回路１６３は、ハーフブリッジＵ、ＶおよびＷのスイッチングによって、第１スイッチング回路１４１から出力された直流電力を３相交流電力に変換し、Ｕ相端子ｕ、Ｖ相端子ｖおよびＷ相端子ｗに接続されたモータジェネレータ３８に出力する。また、第１インバータ回路１６３は、各スイッチング素子に接続されたダイオードの整流作用によって、モータジェネレータ３８からＵ相端子ｕ、Ｖ相端子ｖおよびＷ相端子ｗに出力された３相交流電力を直流電力に変換し、第１スイッチング回路１４１に出力する。

電力変換モードにおける第２スイッチング回路１４２および第２インバータ回路１６４の動作は、それぞれ、第１スイッチング回路１４１および第１インバータ回路１６３の動作と同様である。第２スイッチング回路１４２は、バッテリ２２の出力電圧を昇圧し、中間コンデンサ３４および第２インバータ回路１６４に出力する。昇圧電圧が、中間コンデンサ３４の端子間電圧よりも大きい場合には中間コンデンサ３４または第２インバータ回路１６４に電力が供給される。一方、昇圧電圧が中間コンデンサ３４の端子間電圧より小さい場合には、第２インバータ回路１６４または中間コンデンサ３４からバッテリ２２に電力が回収される。

（６）車載用電力変換モジュールについての総括
上記のように、電力変換装置としての車載用電力変換モジュール１００は、電力調整回路１０、交流側巻線１８、直流側巻線２０、およびスイッチング回路（第１スイッチング回路１４１および第２スイッチング回路１４２）を備える。電力調整回路１０は、交流電源２４から入力される交流電力をスイッチングによって調整する。交流側巻線１８は電力調整回路１０に接続されている。交流側巻線１８は、複数の交流側巻線として、直列に接続された上・交流側巻線１８Ｕおよび下・交流側巻線１８Ｌを備える。直流側巻線２０は、複数の直流側巻線として、直列に接続された上・直流側巻線２０Ｕおよび下・直流側巻線２０Ｌを備える。交流側巻線１８は直流側巻線２０と磁気的に結合し、直流側巻線２０と共にトランス１２を構成する。すなわち、上・交流側巻線１８Ｕは上・直流側巻線２０Ｕに磁気的に結合し、下・交流側巻線１８Ｌは下・直流側巻線２０Ｌに磁気的に結合する。第１スイッチング回路１４１は、上・直流側巻線２０Ｕに対応して設けられ、第２スイッチング回路１４２は、下・直流側巻線２０Ｌに対応して設けられている。

上・直流側巻線２０Ｕは、直列に接続された第１上・直流側巻線２０Ｕ−１および第２上・直流側巻線２０Ｕ−２を備える。下・直流側巻線２０Ｌは、直列に接続された第１下・直流側巻線２０Ｌ−１および第２下・直流側巻線２０Ｌ−２を備える。
第１上・直流側巻線２０Ｕ−１および第２上・直流側巻線２０Ｕ−２の接続点と、第１下・直流側巻線２０Ｌ−１および第２下・直流側巻線２０Ｌ−２の接続点とが接続されている。これらの接続点と、第１負極線２８または第２負極線３０との間にバッテリ２２が接続されている。

車載用電力変換モジュール１００は、さらに、第１スイッチング回路１４１および第２スイッチング回路１４２に対応して設けられた第１インバータ回路１６３および第２インバータ回路１６４を備える。第１インバータ回路１６３および第２インバータ回路１６４は共通の負荷装置としてのモータジェネレータ３８に接続されており、同期してスイッチングを行う。

第１スイッチング回路１４１および第２スイッチング回路１４２のそれぞれは、電力変換モードまたは充電モードで動作する。電力変換モードでは、第１スイッチング回路１４１および第２スイッチング回路１４２のそれぞれは、バッテリ２２から出力される電力に対するスイッチングによって、バッテリ２２から自らに隣接する回路（第１インバータ回路１６３および第２インバータ回路１６４）に電力を供給する。

充電モードでは、第１スイッチング回路１４１および第２スイッチング回路１４２のそれぞれは、電力調整回路１０から交流側巻線１８、および、自らに対応する直流側巻線（２０Ｕまたは２０Ｌ）を介して供給される電力に対するスイッチングによってバッテリ２２を充電する。

（７）効果
本実施形態に係る車載用電力変換モジュール１００では、第１スイッチング回路１４１および第１インバータ回路１６３による上側回路と、第２スイッチング回路１４２および第２インバータ回路１６４による下側回路とがＵ相端子ｕ、Ｖ相端子ｖおよびＷ相端子ｗにおいて並列接続されている。

充電モードにおいて一定の電力がバッテリ２２に供給されるという条件の下では、直流側巻線２０を１つの巻線とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびインバータ１６のそれぞれを１つのスイッチング回路で構成した場合（一段構成の場合）に比べて、各スイッチング素子に流れる電流が小さくなる。

電力変換モードにおいて一定の電力がバッテリ２２とモータジェネレータ３８との間で授受されるとした場合も、各スイッチング素子に流れる電流が一段構成に比べて小さくなる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびインバータ１６に用いられる各スイッチング素子は、一段構成に比べて許容電流が小さいものとしてよい。

また、本実施形態に係る車載用電力変換モジュール１００では、交流電源２４が出力する交流電圧の振幅が一定であり、一定の電力がバッテリ２２に充電されるとした場合、一段構成に比べて、交流側巻線１８の巻き数が少なくなる。これによって、交流側巻線１８が有する抵抗成分が小さくなり、交流側巻線１８における電力損失が低減される。

さらに、直流側巻線２０は、交流側巻線１８と共に電力調整回路１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４との間で電力伝送をするトランス１２を構成する他、バッテリ２２の出力電圧を昇圧するための昇圧リアクトルとして用いられる。したがって、車載用電力変換モジュール１００では、バッテリ２２の出力電圧を昇圧するための回路構成が簡単になる。

なお、車載用電力変換モジュール１００と同一の回路構成を有する電気回路モジュールは、電動車両の他、モータを用いる機械、ロボット等、一般的な電気機器に用いられてもよい。

（８）電力変換モジュールの応用例
図５には、第１の応用実施形態に係る電力変換システム１０２が示されている。電力変換システム１０２は、第１電力変換モジュール４０および第２電力変換モジュール４２を備える。第１電力変換モジュール４０は、図２に示された車載用電力変換モジュール１００と同様の構成を有する。第２電力変換モジュール４２は、図２に示された車載用電力変換モジュール１００のリアクトル２６を取り除き単なる導線に置き換えたものである。

第２電力変換モジュール４２の正相端子Ｂ１は、第１電力変換モジュール４０の逆相端子Ａ２に接続されている。第１電力変換モジュール４０および第２電力変換モジュール４２は、共通のＵ相端子ｕ、Ｖ相端子ｖおよびＷ相端子ｗに接続されている。

第１電力変換モジュール４０および第２電力変換モジュール４２には、共通のバッテリ２２が接続されている。すなわち、第１電力変換モジュール４０における直流側巻線２０と、第２電力変換モジュール４２における直流側巻線２０が、共通のバッテリ２２の正極端子に接続されている。

第２電力変換モジュール４２の各双方向スイッチおよび各スイッチング素子のオンオフタイミングは、第１電力変換モジュール４０の各双方向スイッチおよび各スイッチング素子のオンオフタイミングと同期する。

図６には、第１電力変換モジュール４０における電力調整回路１０およびトランス１２の周辺部分と、第２電力変換モジュール４２における電力調整回路１０およびトランス１２の周辺部分が示されている。

このような構成によれば、図１に示された車載用電力変換モジュール１００（単一の電力変換モジュール）に比べて、各電力調整回路１０における双方向スイッチに印加される電圧が低減される。したがって、単一の電力変換モジュール１００を用いる場合に比べて、各双方向スイッチの耐電圧を小さくしてもよい。同様に、単一の電力変換モジュール１００を用いた場合に比べて、各ＤＣ／ＤＣコンバータ１４および各インバータ１６におけるスイッチング素子に印加される電圧が低減される。したがって、単一の電力変換モジュール１００に比べて、各スイッチング素子の耐電圧を小さくしてもよい。

また、各双方向スイッチおよび各スイッチング素子に、単一の電力変換モジュール１００を用いた場合と同一の耐電圧のものを用いた場合には、単一の電力変換モジュール１００に対して、正相端子および逆相端子に入力される交流電圧の振幅を大きくしてもよい。

例えば、単一の電力変換モジュール１００の正相端子Ａ１と逆相端子Ａ２との間に、振幅Ｖａの正弦波電圧を印加する場合には、本応用実施形態に係る電力変換システム１０２では正相端子Ａ１と逆相端子Ａ２との間に、振幅２・Ｖａの正弦波電圧を印加してもよい。

図７には、第２の応用実施形態に係る電力変換システム１０４が示されている。電力変換システム１０４は、第１電力変換モジュール４０、第２電力変換モジュール４２および第３電力変換モジュール４４を備える。各電力変換モジュールは、図２に示された車載用電力変換モジュール１００と同様の構成を有する。

第１電力変換モジュール４０の逆相端子Ａ２、第２電力変換モジュール４２の逆相端子Ｂ２、および第３電力変換モジュール４４の逆相端子Ｄ２は、中性点Ｎで共通に接続されている。

このように、電力変換システム１０４では、複数の電力変換モジュール（４０，４２，４４）が、共通の負荷装置としてのモータジェネレータ３８に接続されている。各電力変換モジュール（４０，４２，４４）における電力調整回路１０の一端（正相端子Ａ１，Ｂ１およびＤ１）には、複数相の交流電圧のうちの対応する１相の相電圧が印加されている。各電力変換モジュール（４０，４２，４４）における電力調整回路１０の他端（逆相端子Ａ２，Ｂ２およびＤ２）は共通に接続されている。

第１電力変換モジュール４０の正相端子Ａ１、第２電力変換モジュール４２の正相端子Ｂ１、および第３電力変換モジュール４４の正相端子Ｄ１は、３相交流電源に接続される。３相交流電源は、商用電源システム等の電力供給システムであってよい。各電力変換モジュールにおける直流側巻線２０は、共通のバッテリ２２の正極端子に接続されている。

第２電力変換モジュール４２の電力調整回路１０における各双方向スイッチのスイッチングの位相は、第１電力変換モジュール４０の電力調整回路１０における各双方向スイッチのオンオフの位相に対し１２０°遅れている。第３電力変換モジュール４４の電力調整回路１０における各双方向スイッチのオンオフの位相は、第２電力変換モジュール４２の電力調整回路１０における各双方向スイッチのオンオフの位相に対し１２０°遅れている。

図８には、各電力変換モジュールにおける電力調整回路１０およびトランス１２の周辺部分が示されている。

このような構成によれば、３相交流電源によってバッテリ２２が充電される。単一の電力変換モジュール１００の正相端子Ａ１と逆相端子Ａ２との間に、振幅Ｖａの正弦波電圧を印加することが許容される場合には、本応用実施形態に係る電力変換システム１０４では正相端子Ａ１、正相端子Ｂ１および正相端子Ｄ１の相互間に、相間電圧として振幅２・Ｖａの正弦波電圧を印加してもよい。

（９）シミュレーション結果
図９（ａ）〜（ｄ）には、図１に示されている車載用電力変換モジュール１００が充電モードで動作した場合のシミュレーション結果が示されている。このシミュレーション結果では、車載用電力変換モジュール１００の正相端子Ａ１と逆相端子Ａ２との間に、実効値Ｖｅの正弦波電圧が印加されている。図９（ａ）〜（ｄ）における横軸は時間を示す。

図９（ａ）には、バッテリ２２に供給される電力Ｐｂ０が示されている。図９（ｂ）には、中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃ０およびバッテリ２２の出力電圧Ｖｂ０が示されている。中間コンデンサ３４に印加される電圧は、中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃ０と同様となる。図９（ｃ）には、交流電源２４が出力する電圧Ｖｇが示されている。図９（ｄ）には正相端子Ａ１に流れる交流端子電流Ｉ０が示されている。

図１０（ａ）〜（ｄ）には、図５に示されている電力変換システム１０２が充電モードで動作した場合のシミュレーション結果が示されている。このシミュレーション結果では、電力変換システム１０２の正相端子Ａ１と逆相端子Ｂ２との間に、実効値２・Ｖｅの正弦波電圧が印加されている。図１０（ａ）〜（ｄ）における横軸は時間を示す。

図１０（ａ）には、バッテリ２２に供給される電力Ｐｂ１が示されている。図１０（ｂ）には、第１電力変換モジュール４０の中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃ１およびバッテリ２２の出力電圧Ｖｂ１が示されている。第２電力変換モジュール４２の中間コンデンサ３２に印加される電圧、および、各電力変換モジュール（４０，４２）の中間コンデンサ３４に印加される電圧は、第１電力変換モジュール４０の中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃ１と同様である。図１０（ｃ）には、交流電源２４が出力する電圧Ｖｇが示されている。図１０（ｄ）には正相端子Ａ１に流れる交流端子電流Ｉ１が示されている。

図１１（ａ）〜（ｄ）には、図７に示されている電力変換システム１０４が充電モードで動作した場合のシミュレーション結果が示されている。このシミュレーション結果では、電力変換システム１０４の正相端子Ａ１、正相端子Ｂ１および正相端子Ｄ１の相互間に、相間電圧として実効値２・Ｖｅの正弦波電圧が印加されている。図１１（ａ）〜（ｄ）における横軸は時間を示す。

図１１（ａ）には、バッテリ２２に供給される電力Ｐｂ２が示されている。図１１（ｂ）には、第１電力変換モジュール４０の中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃ２およびバッテリ２２の出力電圧Ｖｂ２が示されている。第２電力変換モジュール４２の中間コンデンサ３２に印加される電圧、第３電力変換モジュール４４の中間コンデンサ３２に印加される電圧、および、各電力変換モジュール（４０，４２，４４）の中間コンデンサ３４に印加される電圧は、第１電力変換モジュール４０の中間コンデンサ３２に印加される電圧Ｖｃ２と同様である。図１１（ｃ）には、３相交流電源が出力する相間電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒが示されている。図（ｄ）には正相端子Ａ１,Ｂ１およびＤ１に流れる電流ＩＡ，ＩＢおよびＩＤが示されている。

１０ 電力調整回路、１２ トランス、１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４１ 第１スイッチング回路、１４２ 第２スイッチング回路、１６ インバータ、１６３ 第１インバータ回路、１６４ 第２インバータ回路、１８ 交流側巻線、１８Ｕ 上・交流側巻線、１８Ｌ 下・交流側巻線、２０ 直流側巻線、２０Ｕ 上・直流側巻線、２０Ｕ−１ 第１上・直流側巻線、２０Ｕ−２ 第２上・直流側巻線、２０Ｌ 下・直流側巻線、２０Ｌ−１ 第１下・直流側巻線、２０Ｌ−２ 第２下・直流側巻線、２２ バッテリ、２４ 交流電源、２６ リアクトル、２８ 第１負極線、３０ 第２負極線、３２，３４ 中間コンデンサ、３６ 制御部、３８ モータジェネレータ、４０ 第１電力変換モジュール、４２ 第２電力変換モジュール、４４ 第３電力変換モジュール、１００ 車載用電力変換モジュール（電力変換装置）、１０２，１０４ 電力変換システム。

Claims (4)

1. 入力される交流電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、
   前記電力調整回路に接続された交流側巻線と、
   前記交流側巻線に磁気的に結合する複数の直流側巻線と、
   各前記直流側巻線に対応して設けられ、各前記直流側巻線に接続されたスイッチング回路と、を備え、
   各前記直流側巻線は、
   直列に接続された第１直流側巻線および第２直流側巻線を備え、
   前記第１直流側巻線および前記第２直流側巻線の接続点と、各前記スイッチング回路との間にバッテリが接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   各前記スイッチング回路に対応して設けられ、各前記スイッチング回路に接続されたインバータ回路を備え、
   各前記インバータ回路は共通の負荷装置に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
   各前記スイッチング回路は、
   電力変換モードであって、前記バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから自らに隣接する回路に電力を供給する電力変換モード、または、
   充電モードであって、前記電力調整回路から前記交流側巻線、および、自らに対応する前記直流側巻線を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モード、のいずれかのモードで動作する、ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置を複数備える電力変換システムにおいて、
   複数の前記電力変換装置は、共通の負荷装置に接続されており、
   複数の前記電力変換装置のそれぞれにおける前記電力調整回路の一端に、複数相の交流電圧のうちの対応する１相の相電圧が印加されており、
   複数の前記電力変換装置のそれぞれにおける前記電力調整回路の他端が共通に接続されていることを特徴とする電力変換システム。
   

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