JP2022015029A - 電力変換装置及び電力システム - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置において、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成する。【解決手段】ノードＮ１において、入力端子Ｐ１，Ｐ２の各電位の中間の電位を発生する。ノードＮ２は、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のトランスＴ１～Ｔ３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７の端子ｂ１～ｂ３に接続される。スイッチ回路ＳＷは、ノードＮ１，Ｎ２の間に接続される。制御回路１５は、出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続された負荷装置６の負荷電流が所定の基準以下であるとき、スイッチ回路ＳＷをオンし、負荷装置６の負荷電流が基準より大きいとき、スイッチ回路ＳＷをオフする。【選択図】図２

Description

本開示は、複数のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置に関する。また、本開示は、そのような電力変換装置を備えた電力システムに関する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ装置などの電力変換装置から負荷装置に供給する電力を増大させるために電力変換装置に流れる電流が増大すると、電力変換装置における発熱も増大する。従って、電力変換装置における発熱を低減するために、多重化された構成要素、例えば互いに異なる位相で動作する複数のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置が知られている。
電力変換回路が複数のＬＬＣ共振コンバータを備える場合、各ＬＬＣ共振コンバータのトランス、インダクタ、及びキャパシタなどは、それらの設計値から互いに異なるバラツキを有する可能性がある。これらのバラツキに起因して、各相の電流のピーク値（振幅）、実効値、波形などが不均一になる。これに対して、各ＬＬＣ共振器のトランスの一次巻線の一端を、一次側のインバータ回路に接続することなく互いに接続すること、すなわち、浮遊したスター型結線（三相の場合にはＹ結線）を採用することにより、回路素子のバラツキに起因する電流の不平衡を改善することができる。
例えば、特許文献１は、三相の並列なＬＬＣコンバータを備えた電力変換回路を開示している。
米国特許出願公開第２０１６／０２５４７５６号明細書
ＬＬＣ共振コンバータの出力電圧は、インバータ回路のスイッチング周波数に依存して変化し、また、出力端子に接続された負荷装置の負荷電流に依存して変化する。ＬＬＣ共振コンバータの共振周波数の近傍では、概して、スイッチング周波数又は負荷電流が増大すると出力電圧が低下し、スイッチング周波数又は負荷電流が減少すると出力電圧が増大する。
電力変換回路が複数のＬＬＣコンバータを備え、かつ、各ＬＬＣ共振器のトランスの一次巻線が浮遊したスター型結線を有する場合、電力変換装置の出力電圧は、スター型結線を有しない場合に比較して、負荷電流に依存して大きく変化する。特に、負荷電流が小さいとき、インバータ回路が動作可能なスイッチング周波数の範囲内において所望の出力電圧を達成できなくなることがある。従って、複数のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置であって、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成可能な電力変換装置が求められる。
本開示の目的は、複数のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置であって、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成可能な電力変換装置を提供することにある。また、本開示の目的は、そのような電力変換装置を備えた電力システムを提供することにある。
本開示の一側面に係る電力変換装置は、
３つ以上のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置であって、
前記各ＬＬＣ共振コンバータは、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に接続されたインバータ回路と、前記一次巻線に接続された第１のキャパシタと、前記二次巻線に接続された整流回路とをそれぞれ備え、前記一次巻線は、前記インバータ回路に接続された第１の端部と、前記インバータ回路に接続されることなく他のＬＬＣ共振コンバータの一次巻線に接続された第２の端部とを有し、
前記電力変換装置は、
前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各インバータ回路に接続された第１及び第２の入力端子と、
前記第１及び第２の入力端子における各電位の中間の電位を発生する第１のノードと、
前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各一次巻線の第２の端部に接続された第２のノードと、
前記第１及び第２のノードの間に接続されたスイッチ回路と、
前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各インバータ回路を、所定のスイッチング周波数で、かつ、互いに異なる位相でそれぞれ動作させる駆動回路と、
前記スイッチ回路及び前記駆動回路を制御する制御回路と、
前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各整流回路に接続された第１及び第２の出力端子とをさらに備え、
前記制御回路は、前記第１及び第２の出力端子に接続された負荷装置の負荷電流が所定の基準以下であるとき、前記スイッチ回路をオンし、前記負荷装置の負荷電流が前記基準より大きいとき、前記スイッチ回路をオフする。
これにより、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成することができる。
本開示の一側面に係る電力変換装置によれば、
前記電力変換装置は、前記第１又は第２の出力端子における出力電流を測定する電流センサをさらに備え、
前記制御回路は、前記出力電流が第１のしきい値以下であるとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準以下であると判断して前記スイッチ回路をオンし、前記出力電流が前記第１のしきい値より大きいとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準より大きいと判断して前記スイッチ回路をオフする。
これにより、制御回路１５は、出力電流に基づいて、負荷装置の負荷電流が所定の基準以下であるか否かを判断することができる。
本開示の一側面に係る電力変換装置によれば、
前記制御回路は、前記スイッチング周波数が第２のしきい値以上であるとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準以下であると判断して前記スイッチ回路をオンし、前記スイッチング周波数が前記第２のしきい値より小さい第３のしきい値以下であるとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準より大きいと判断して前記スイッチ回路をオフする。
これにより、制御回路１５は、スイッチング周波数に基づいて、負荷装置の負荷電流が所定の基準以下であるか否かを判断することができる。
本開示の一側面に係る電力変換装置によれば、
前記電力変換装置は、前記第１及び第２の出力端子における出力電圧を測定する電圧センサをさらに備え、
前記制御回路は、前記スイッチング周波数を変化させて前記出力電圧を予め決められた目標電圧に近づけるように、前記駆動回路を制御する。
これにより、所望の出力電圧を達成することができる。
本開示の一側面に係る電力変換装置によれば、
前記スイッチ回路は、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される。
これにより、電流の不平衡及び電圧のオフセットを生じにくくすることができる。また、スイッチ回路をオンからオフに遷移させるときも、オフからオンに遷移させるときも、電圧及び電流の波形に有意な影響を生じにくくすることができる。
本開示の一側面に係る電力変換装置によれば、
前記電力変換装置は、前記第１及び第２の入力端子にわたって、互いに直列に接続された一対の第２のキャパシタをさらに備え、前記一対の第２のキャパシタは互いに等しい容量を有し、
前記第１のノードは、前記一対の第２のキャパシタの間に設けられる。
これにより、第１及び第２の入力端子における各電位の中間の電位を発生することができる。
本開示の一側面に係る電力システムは、
第１の直流電圧を供給する電源装置と、
前記第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する、請求項１～６のうちの１つに記載の電力変換装置と、
前記第２の直流電圧により動作する負荷装置とを含む。
これにより、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成することができる。
本開示の一側面に係る電力システムによれば、
前記電源装置は、
ノーマルモードノイズ信号及びコモンモードノイズ信号の少なくとも一方を低減するノイズフィルタ装置と、
交流電圧を前記第１の直流電圧に変換する整流器と、
前記第１の直流電圧の力率を１に近づける力率調整器とを備える。
これにより、電力システムは、低いノイズかつ高い力率で動作することができる。
本開示の一側面に係る電力変換装置は、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成することができる。
第１の実施形態に係る電力変換装置５を含む電力システムの構成例を模式的に示すブロック図である。 図１の電力変換装置５の構成例を模式的に示す回路図である。 図２のスイッチ回路ＳＷの構成例を模式的に示す回路図である。 図２のスイッチ回路ＳＷの変形例を模式的に示す回路図である。 図２の電力変換装置５の等価回路図である。 第１の比較例に係る、浮遊したＹ結線を有しない電力変換装置のスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。 第２の比較例に係る、浮遊したＹ結線を有するがスイッチ回路ＳＷを有しない電力変換装置のスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。 図１の電力変換装置５のスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。 図２の制御回路１５によって実行される電力変換処理を示すフローチャートである。 図１の電力変換装置５に接続された負荷装置６の負荷電流が小さいときの電力変換装置５の動作を模式的に示すグラフである。 図１の電力変換装置５に接続された負荷装置６の負荷電流が中程度以上であるときの電力変換装置５の動作を模式的に示すグラフである。 図２のスイッチ回路ＳＷをオンからオフに遷移させるときの、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の電圧及び電流の例示的な波形を示すグラフである。 図２のスイッチ回路ＳＷをオフからオンに遷移させるときの、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の電圧及び電流の例示的な波形を示すグラフである。 第３の比較例に係る、図２のスイッチ回路ＳＷに代えて１つのスイッチ素子を備えた電力変換装置において、スイッチ素子をオフからオンに遷移させるときの、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の電圧及び電流の例示的な波形を示すグラフである。 第１の実施形態の第１の変形例に係る電力変換装置５Ｂの構成例を模式的に示す回路図である。 第１の実施形態の第２の変形例に係る電力変換装置５Ｃの構成例を模式的に示す回路図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置５Ｄの構成例を模式的に示す回路図である。 図１７の制御回路１５Ｄによって実行される電力変換処理を示すフローチャートである。 図１８のステップＳ４Ａにおいて、スイッチング周波数ｆｓｗが上限のしきい値ｆｔｈ１を越えたときの電力変換装置５Ｄの動作を模式的に示すグラフである。 図１８のステップＳ７Ａにおいて、スイッチング周波数ｆｓｗが下限のしきい値ｆｔｈ２より小さくなったときの電力変換装置５Ｄの動作を模式的に示すグラフである。
以下、本開示の一側面に係る実施形態を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。
［適用例］
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置５を含む電力システムの構成例を模式的に示すブロック図である。図１の電力システムは、例えば、交流電源装置１、ノイズフィルタ装置２、整流器３、力率調整器４、電力変換装置５、及び負荷装置６を備える。
ノイズフィルタ装置２、整流器３、及び力率調整器４は、交流電源装置１から交流電力の供給を受けて、第１の直流電圧を有する直流電力を発生する。ノイズフィルタ装置２、整流器３、及び力率調整器４（又は、これらの構成要素及び交流電源装置１）は、第１の直流電圧を供給する「電源装置」の一例である。電力変換装置５は、第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータである。負荷装置６は、第２の直流電圧により動作する。
図２は、図１の電力変換装置５の構成例を模式的に示す回路図である。電力変換装置５は、少なくとも、入力端子Ｐ１，Ｐ２、出力端子Ｐ３，Ｐ４、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３、キャパシタＣ１，Ｃ２、ノードＮ１，Ｎ２、スイッチ回路ＳＷ、駆動回路１４、及び制御回路１５を備える。
入力端子Ｐ１，Ｐ２は、力率調整器４に接続され、さらに、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のインバータ回路２１，２３，２５（後述）にそれぞれ接続される。ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、入力端子Ｐ１，Ｐ２を介して、力率調整器４から直流の入力電圧Ｖｉｎの供給を受ける。
キャパシタＣ１，Ｃ２は互いに等しい容量を有し、入力端子Ｐ１，Ｐ２の間に直列に接続される。従って、キャパシタＣ１，Ｃ２の間のノードＮ１において、入力端子Ｐ１，Ｐ２における正及び負の電位の中間の電位が発生する。
ＬＬＣ共振コンバータ１１は、トランスＴ１、インバータ回路２１、共振キャパシタＣｒ１、及び整流回路２２を備える。トランスＴ１は、一次巻線ｗ１及び二次巻線ｗ２，ｗ３を有し、また、励磁インダクタンスＬｍ１及び漏れインダクタンスＬｒ１を有する。インバータ回路２１及び共振キャパシタＣｒ１は、一次巻線ｗ１に接続される。共振キャパシタＣｒ１、励磁インダクタンスＬｍ１、及び漏れインダクタンスＬｒ１は、ＬＬＣ共振回路を構成する。また、整流回路２２は二次巻線ｗ２，ｗ３に接続される。
ＬＬＣ共振コンバータ１２は、トランスＴ２、インバータ回路２３、共振キャパシタＣｒ２、及び整流回路２４を備える。トランスＴ２は、一次巻線ｗ４及び二次巻線ｗ５，ｗ６を有し、また、励磁インダクタンスＬｍ２及び漏れインダクタンスＬｒ２を有する。インバータ回路２３及び共振キャパシタＣｒ２は、一次巻線ｗ４に接続される。共振キャパシタＣｒ２、励磁インダクタンスＬｍ２、及び漏れインダクタンスＬｒ２は、ＬＬＣ共振回路を構成する。また、整流回路２４は二次巻線ｗ５，ｗ６に接続される。
ＬＬＣ共振コンバータ１３は、トランスＴ３、インバータ回路２５、共振キャパシタＣｒ３、及び整流回路２６を備える。トランスＴ３は、一次巻線ｗ７及び二次巻線ｗ８，ｗ９を有し、また、励磁インダクタンスＬｍ３及び漏れインダクタンスＬｒ３を有する。インバータ回路２５及び共振キャパシタＣｒ３は、一次巻線ｗ７に接続される。共振キャパシタＣｒ３、励磁インダクタンスＬｍ３、及び漏れインダクタンスＬｒ３は、ＬＬＣ共振回路を構成する。また、整流回路２６は二次巻線ｗ８，ｗ９に接続される。
トランスＴ１の一次巻線ｗ１は端子ａ１，ｂ１を有する。端子ａ１はインバータ回路２１に接続される。端子ｂ１は、インバータ回路２１，２３，２５に接続されることなく、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を介して他のＬＬＣ共振コンバータ１２，１３の一次巻線ｗ４，ｗ７に接続される。同様に、トランスＴ２の一次巻線ｗ４は端子ａ２，ｂ２を有する。端子ａ２はインバータ回路２３に接続される。端子ｂ２は、インバータ回路２１，２３，２５に接続されることなく、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を介して他のＬＬＣ共振コンバータ１１，１３の一次巻線ｗ１，ｗ７に接続される。同様に、トランスＴ３の一次巻線ｗ７は端子ａ３，ｂ３を有する。端子ａ３はインバータ回路２５に接続される。端子ｂ３は、インバータ回路２１，２３，２５に接続されることなく、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を介して他のＬＬＣ共振コンバータ１１，１２の一次巻線ｗ１，ｗ４に接続される。
各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７の端子ｂ１～ｂ３は、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を介してノードＮ２に接続される。
出力端子Ｐ３，Ｐ４は、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の各整流回路２２，２４，２６に接続され、さらに、負荷装置６に接続される。電力変換装置５によって変換された直流の出力電圧Ｖｏｕｔ及び出力電流Ｉｏｕｔは、出力端子Ｐ３，Ｐ４を介して、負荷装置６に供給される。
スイッチ回路ＳＷは、ノードＮ１，Ｎ２の間に接続され、制御回路１５の制御下でオン／オフする。スイッチ回路ＳＷは、例えば、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される。
駆動回路１４は、制御回路１５の制御下で、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のインバータ回路２１，２３，２５を、所定のスイッチング周波数ｆｓｗで、かつ、互いに異なる位相（例えば１２０度ずつ異なる位相）でそれぞれ動作させる。
制御回路１５は、出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続された負荷装置６の負荷電流が所定の基準以下であるとき、スイッチ回路ＳＷをオンし、負荷装置６の負荷電流が基準より大きいとき、スイッチ回路ＳＷをオフする。また、制御回路１５は、インバータ回路２１，２３，２５のスイッチング周波数ｆｓｗを駆動回路１４に設定する。制御回路１５は、スイッチング周波数ｆｓｗを変化させて出力電圧Ｖｏｕｔを予め決められた目標電圧に近づけるように、駆動回路１４を制御する。
スイッチ回路ＳＷをオフしているとき、言いかえると、トランスＴ１～Ｔ３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７が浮遊したＹ結線を有するとき、後述するように、出力電圧Ｖｏｕｔは負荷装置６の負荷電流に大きく依存する。特に、負荷装置６の負荷電流が小さいとき、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との差が大きくなることがある。従って、負荷装置６の負荷電流が小さいとき、スイッチ回路ＳＷをオンすることにより、電力変換装置５は、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの範囲内においてインバータ回路２１，２３，２５を動作させて所望の出力電圧を達成することができる。一方、負荷装置６の負荷電流が中程度以上であるとき、スイッチ回路ＳＷをオフすることにより、トランスＴ１～Ｔ３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７は浮遊したＹ結線を有する。これにより、スイッチ回路ＳＷをオフしているときには、スイッチ回路ＳＷをオンしているときよりも、電力変換装置５の回路素子のバラツキに起因する電流の不平衡を改善することができる。また、負荷装置６の負荷電流が中程度以上であるとき、スイッチ回路ＳＷのオン又はオフにかかわらず、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの範囲内においてインバータ回路２１，２３，２５を動作させて所望の出力電圧を達成することができる。これにより、電力変換装置５は、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧を達成することができる。
［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態に係る電力変換装置を備えた電力システムについてさらに説明する。
［第１の実施形態の構成例］
図１を参照して、電力システムの各構成要素についてさらに説明する。
交流電源装置１は、所定電圧及び所定周波数の交流電力を供給する。交流電源装置１は、商用電力網の電源設備であってもよく、それに代わって、例えば、直流電源装置及びインバータを備えてもよい。
ノイズフィルタ装置２は、導線を介して伝搬するノーマルモードノイズ信号及びコモンモードノイズ信号の少なくとも一方を低減するように構成される。ノイズフィルタ装置２は、ノイズ信号の極性とは逆の極性を有する反転信号を発生する能動素子を含むアクティブフィルタと、キャパシタ及びインダクタなどの受動素子からなるパッシブフィルタとの少なくとも一方を備える。
整流器３は、交流電源装置１からノイズフィルタ装置２を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。整流器３は、ダイオードブリッジを備える整流回路であってもよい。また、整流器３は、入力される交流電圧又は交流電流の位相に合わせて動作するスイッチング素子を備える同期整流回路であってもよい。
力率調整器４は、整流器３から出力された直流電力の力率を改善する（すなわち、「１」に近づける）。力率調整器４は、インダクタ及び／又はキャパシタなどの受動素子を備えてもよく、トランジスタ及びダイオードなどの能動素子をさらに備えてもよい。
電力変換装置５は、力率調整器４から出力された第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する。
負荷装置６は、電力変換装置５から出力された直流電力により動作して何らかの仕事を行う。負荷装置６は、例えば、モータ、蓄電池、センサ、通信装置などを含む。
図２を参照して、電力変換装置５の各構成要素についてさらに説明する。
図２の例では、インバータ回路２１，２３，２５は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のペア、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のペア、及びスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のペアをそれぞれ備える、ハーフブリッジ型インバータを構成する。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間のノードＮ１１は、一次巻線ｗ１の端子ａ１に接続される。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間のノードＮ１２は、一次巻線ｗ４の端子ａ２に接続される。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間のノードＮ１３は、一次巻線ｗ７の端子ａ３に接続される。図２の例では、ノードＮ１１及び端子ａ１の間に漏れインダクタンスＬｒ１を示し、ノードＮ１２及び端子ａ２の間に漏れインダクタンスＬｒ２を示し、ノードＮ１３及び端子ａ３の間に漏れインダクタンスＬｒ３を示す。
図２の例では、整流回路２２はダイオードＤ１，Ｄ２を備える。トランスＴ１の二次巻線ｗ２，ｗ３の両端は、ダイオードＤ１，Ｄ２を介して電力変換装置５の正の出力端子Ｐ３にそれぞれ接続され、二次巻線ｗ２，ｗ３のセンタータップは、電力変換装置５の負の出力端子Ｐ４に接続される。また、整流回路２４はダイオードＤ３，Ｄ４を備える。トランスＴ２の二次巻線ｗ５，ｗ６の両端は、ダイオードＤ３，Ｄ４を介して電力変換装置５の正の出力端子Ｐ３にそれぞれ接続され、二次巻線ｗ５，ｗ６のセンタータップは、電力変換装置５の負の出力端子Ｐ４に接続される。また、整流回路２６はダイオードＤ５，Ｄ６を備える。トランスＴ３の二次巻線ｗ８，ｗ９の両端は、ダイオードＤ５，Ｄ６を介して電力変換装置５の正の出力端子Ｐ３にそれぞれ接続され、二次巻線ｗ８，ｗ９のセンタータップは、電力変換装置５の負の出力端子Ｐ４に接続される。このような二次巻線のセンタータップを利用した整流回路２２，２４，２６は、実施形態に係る整流回路の一例である。
電力変換装置５は、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の出力電力を平滑化するために、出力端子Ｐ３，Ｐ４の間に接続されたキャパシタＣ３をさらに備えてもよい。
また、前述のように、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は互いに異なる位相で動作する。このため、駆動回路１４は、各周期の前半においてスイッチング素子Ｑ１をオンしてスイッチング素子Ｑ２をオフし、各周期の後半においてスイッチング素子Ｑ１をオフしてスイッチング素子Ｑ２をオンするように、制御信号をスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に送る。また、駆動回路１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が動作する周期の先頭から１２０度遅延した各周期の前半においてスイッチング素子Ｑ３をオンしてスイッチング素子Ｑ４をオフし、各周期の後半においてスイッチング素子Ｑ３をオフしてスイッチング素子Ｑ４をオンするように、制御信号をスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に送る。また、駆動回路１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が動作する周期の先頭から２４０度遅延した各周期の前半においてスイッチング素子Ｑ５をオンしてスイッチング素子Ｑ６をオフし、各周期の後半においてスイッチング素子Ｑ５をオフしてスイッチング素子Ｑ６をオンするように、制御信号をスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６に送る。これにより、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、互いに１２０度ずつ異なる位相を有する三相の電力をそれぞれ発生する。
前述したように、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング周波数ｆｓｗに依存する。従って、駆動回路１４は、電力変換装置５の所望の出力電圧Ｖｏｕｔに応じて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング周波数ｆｓｗを変化させる。
図２の例では、電力変換装置５は、出力端子Ｐ３，Ｐ４における出力電流Ｉｏｕｔを測定する電流センサ１７をさらに備える。予め決められた目標電圧に合わせて出力電圧Ｖｏｕｔを発生する場合、負荷装置６の負荷電流が増大すると出力電流Ｉｏｕｔも増大し、負荷電流が減少すると出力電流Ｉｏｕｔも減少する。これにより、制御回路１５は、出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、負荷装置６の負荷電流が所定の基準以下であるか否かを判断することができる。制御回路１５は、出力電流Ｉｏｕｔがしきい値Ｉｔｈ以下であるとき、スイッチ回路ＳＷをオンし、出力電流Ｉｏｕｔがしきい値Ｉｔｈより大きいとき、スイッチ回路ＳＷをオフする。
図２の例では、電力変換装置５は、出力端子Ｐ３，Ｐ４における出力電圧Ｖｏｕｔを測定する電圧センサ１６をさらに備える。制御回路１５は、スイッチング周波数ｆｓｗを変化させて出力電圧Ｖｏｕｔを予め決められた目標電圧に近づけるように、駆動回路１４を制御する。
制御回路１５は、図９又は図１８を参照して後述する電力変換処理を実行する専用回路であってもよく、所定のプログラムを実行する汎用プロセッサであってもよい。
駆動回路１４及び制御回路１５は、別個の回路として構成されてもよく、一体化された回路として構成されてもよい。
図３は、図２のスイッチ回路ＳＷの構成例を模式的に示す回路図である。図３のスイッチ回路ＳＷは、スイッチング素子Ｑ１０１，Ｑ１０２及びダイオードＤ１０１，Ｄ１０２を備える。スイッチング素子Ｑ１０１，Ｑ１０２は、例えば、ボディダイオードを含むＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ１０１及びダイオードＤ１０１は、互いに直列に接続され、かつ、スイッチング素子Ｑ１０１のボディダイオードのアノード（又はカソード）及びダイオードＤ１０１のアノード（又はカソード）が互いに対向するように接続される。同様に、スイッチング素子Ｑ１０２及びダイオードＤ１０２は、互いに直列に接続され、かつ、スイッチング素子Ｑ１０２のボディダイオードのカソード（又はアノード）及びダイオードＤ１０２のカソード（又はアノード）が互いに対向するように接続される。スイッチング素子Ｑ１０２及びダイオードＤ１０２の直列回路は、スイッチング素子Ｑ１０１及びダイオードＤ１０１の直列回路に対して並列に接続される。スイッチング素子Ｑ１０１，Ｑ１０２は、制御回路１５からの制御信号に従って、同時にオン又は同時にオフする。これにより、スイッチ回路ＳＷは、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される。
図４は、図２のスイッチ回路ＳＷの変形例を模式的に示す回路図である。図２の電力変換装置５は、図３のスイッチ回路ＳＷに代えて、図４のスイッチ回路ＳＷＡを備えてもよい。図４のスイッチ回路ＳＷＡは、スイッチング素子Ｑ１１１，Ｑ１１２を備える。スイッチング素子Ｑ１１１，Ｑ１１２は、例えば、ボディダイオードを含むＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ１１１，Ｑ１１２は、互いに直列に接続され、かつ、それらのボディダイオードのアノード（又はカソード）が互いに対向するように接続される。スイッチング素子Ｑ１１１，Ｑ１１２は、制御回路１５からの制御信号に従って、同時にオン又は同時にオフする。これにより、スイッチ回路ＳＷＡは、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される。
［第１の実施形態の動作例］
次に、図５～図１４を参照して、第１の実施形態に係る電力変換装置５の動作例について説明する。
図５は、図２の電力変換装置５の等価回路図である。図５では、図示の簡単化のため、励磁インダクタンスＬｍ１～Ｌｍ３及び漏れインダクタンスＬｒ１～Ｌｒ３を省略している。前述したように、ノードＮ１において、入力端子Ｐ１，Ｐ２における正及び負の電位の中間の電位、すなわち、入力電圧の半分の電位Ｖｉｎ／２が発生する。ノードＮ１の電位を基準として、ノードＮ１１～Ｎ１３において、１２０度ずつ異なる位相を有する交流電圧Ｖ（Ｎ１１）～Ｖ（Ｎ１３）が発生する。スイッチ回路ＳＷをオフしたとき、トランスＴ１～Ｔ３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７は浮遊したＹ結線を有する。一方、スイッチ回路ＳＷをオンしたとき、トランスＴ１～Ｔ３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７は浮遊したＹ結線をもたず、ノードＮ１に、すなわち電位Ｖｉｎ／２の電圧源に接続される。
図６は、第１の比較例に係る、浮遊したＹ結線を有しない電力変換装置のスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図６では、図２の電力変換装置５からキャパシタＣ１，Ｃ２及びスイッチ回路ＳＷを除去し、ノードＮ２を入力端子Ｐ２に接続した構成を有する電力変換装置について、負荷装置６の負荷抵抗が変化したときのスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示す。予め決められた目標電圧に合わせて出力電圧Ｖｏｕｔを発生する場合、概して、負荷抵抗が増大すると負荷電流が減少し、負荷抵抗が減少すると負荷電流が増大する。図６によれば、あるスイッチング周波数ｆｓｗにおいて電力変換装置が動作しているとき、負荷抵抗が変化しても出力電圧Ｖｏｕｔの変化は小さいことがわかる。従って、負荷電流が変化しても、ＬＬＣ共振コンバータの共振周波数の近傍において、スイッチング周波数ｆｓｗの小さな変更により出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧に合わせることができる。
図７は、第２の比較例に係る、浮遊したＹ結線を有するがスイッチ回路ＳＷを有しない電力変換装置のスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図７では、図２の電力変換装置５からキャパシタＣ１，Ｃ２及びスイッチ回路ＳＷを除去した構成を有する電力変換装置について、負荷装置６の負荷抵抗が変化したときのスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示す。図７によれば、あるスイッチング周波数ｆｓｗにおいて電力変換装置が動作しているとき、負荷抵抗が変化すると出力電圧Ｖｏｕｔが図６の場合よりも大きく変化することがわかる。図７の例では、特に、負荷抵抗が大きいとき（１５．５Ω）、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との差が大きくなり、また、ＬＬＣ共振コンバータの共振周波数の近傍には目標電圧を達成可能なスイッチング周波数ｆｓｗは存在しない。なお、図７によれば、負荷抵抗が大きいときであっても、スイッチング周波数ｆｓｗを増大させることによって出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧まで低下するであろうと考えられる。しかしながら、この場合、スイッチング周波数ｆｓｗとＬＬＣ共振コンバータの共振周波数との差が大きくなり、また、スイッチング周波数ｆｓｗが動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの範囲を越えることがあり、このため、目標電圧を達成できない可能性がある。また、ダイオードの寄生容量、トランスの巻線間の寄生容量などに起因して、高い周波数帯域において出力電圧Ｖｏｕｔが上昇することがあり、このため、目標電圧を達成できない可能性がある。このように、電力変換装置がトランスの一次側において浮遊したＹ結線を有する場合、スイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性が負荷抵抗に応じて大きく変化するので、特に、負荷抵抗が大きいとき（すなわち、負荷電流が小さいとき）、目標電圧を達成できなくなる。
図７によれば、負荷抵抗が大きいとき（１５．５Ω）には、負荷抵抗が小さいとき（５Ω）と同じ出力電圧Ｖｏｕｔを達成するために、より高いスイッチング周波数ｆｓｗが必要になる。その理由は、あるトランスの一次巻線からノードＮ２を介して他のトランスの一次巻線に流れた電流により、後者のトランスの二次巻線において相殺できない励磁電流が発生することにあると考えられる。
図８は、図１の電力変換装置５のスイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。スイッチ回路ＳＷがオフされかつ負荷電流が小さいとき、図８の破線に示すような特性が得られる。このとき、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧と間に大きな差が存在し、出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧に近づけることは困難である。これに対して、スイッチ回路ＳＷをオンすることにより、図８の実線に示すような特性が得られる。このとき、ＬＬＣ共振コンバータの共振周波数の近傍において目標電圧を容易に達成することができる。
図９は、図２の制御回路１５によって実行される電力変換処理を示すフローチャートである。
電力変換処理を開始するとき、初期状態において、スイッチ回路ＳＷはオフされていてもよい。
ステップＳ１において、制御回路１５は、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の制御信号を送信し始めるように駆動回路１４を制御することにより、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を起動する。ここで、制御回路１５は、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３をソフトスタートさせてもよい。キャパシタＣ３が充電されるとき、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を介して突入電流が流れる可能性がある。ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３をソフトスタートさせることにより、突入電流を生じにくくすることができる。
ステップＳ２において、制御回路１５はスイッチ回路ＳＷをオフする。
ステップＳ３において、制御回路１５は、電圧センサ１６から取得された現在の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧に近づけて目標電圧を発生するようにスイッチング周波数ｆｓｗを制御する。
ステップＳ４において、制御回路１５は、電流センサ１７から取得された現在の出力電流Ｉｏｕｔが予め決められたしきい値Ｉｔｈ以下であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ５に進み、ＮＯのときはステップＳ３に戻る。しきい値Ｉｔｈは、例えば、負荷装置６に流れる最大電流の１０％に設定されてもよい。
ステップＳ５において、制御回路１５はスイッチ回路ＳＷをオンする。
図１０は、図１の電力変換装置５に接続された負荷装置６の負荷電流が小さいときの電力変換装置５の動作を模式的に示すグラフである。出力電流Ｉｏｕｔがしきい値Ｉｔｈ以下である場合（ステップＳ４がＹＥＳ）、負荷電流が小さいと判断される。スイッチ回路ＳＷがオフされかつ負荷電流が小さいとき、例えば、図１０の破線により示す特性が得られる。このとき、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘ以下の周波数範囲では、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との間に大きな差が存在する。また、このとき、目標電圧を達成するためには、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘよりも高い周波数ｆ２が必要とされる。従って、ステップＳ５においてスイッチ回路ＳＷをオンすることにより、例えば、図１０の実線により示す特性が得られる。このとき、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの範囲に含まれる周波数ｆ１において目標電圧を達成することができる。
図９のステップＳ６において、制御回路１５は、電圧センサ１６から取得された現在の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧に近づけて目標電圧を発生するようにスイッチング周波数ｆｓｗを制御する。
ステップＳ７において、制御回路１５は、電流センサ１７から取得された現在の出力電流Ｉｏｕｔがしきい値Ｉｔｈより大きいか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ２に戻り、ＮＯのときはステップＳ６に戻る。
図１１は、図１の電力変換装置５に接続された負荷装置６の負荷電流が中程度以上であるときの電力変換装置５の動作を模式的に示すグラフである。出力電流Ｉｏｕｔがしきい値Ｉｔｈより大きい場合（ステップＳ７がＹＥＳ）、負荷電流が中程度以上であると判断される。負荷電流が中程度以上であるとき、図１１の実線及び破線により示すように、スイッチ回路ＳＷのオン又はオフにかかわらず、スイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性の変動は小さい。動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘ以下の周波数範囲に含まれる周波数ｆ３及びｆ４において目標電圧を達成することができる。従って、ステップＳ２においてスイッチ回路ＳＷをオフすることにより、目標電圧の近傍の出力電圧Ｖｏｕｔを発生しながら、電力変換装置５の回路素子のバラツキに起因する電流の不平衡を改善することができる。
図１２は、図２のスイッチ回路ＳＷをオンからオフに遷移させるときの、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の電圧及び電流の例示的な波形を示すグラフである。図１３は、図２のスイッチ回路ＳＷをオフからオンに遷移させるときの、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の電圧及び電流の例示的な波形を示すグラフである。Ｖ（Ｃｒ１），Ｖ（Ｃｒ２），Ｖ（Ｃｒ３）は、各共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の両端にわたる電圧、すなわち、各巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７の端子ｂ１～ｂ３の電位を基準とするノードＮ２の電位をそれぞれ示す。また、Ｉ（Ｃｒ１），Ｉ（Ｃｒ２），Ｉ（Ｃｒ３）は、端子ｂ１～ｂ３からノードＮ２に向かって共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を介して流れる電流をそれぞれ示す。前述したように、スイッチ回路ＳＷは、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される。このようなスイッチ回路ＳＷを用いたことにより、スイッチ回路ＳＷをオンからオフに遷移させるときも、オフからオンに遷移させるときも、電圧及び電流の波形に有意な影響は生じない。
図１４は、第３の比較例に係る、図２のスイッチ回路ＳＷに代えて１つのスイッチ素子を備えた電力変換装置において、スイッチ素子をオフからオンに遷移させるときの、共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の電圧及び電流の例示的な波形を示すグラフである。ここで、スイッチ素子は例えばＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴはボディダイオードを備え、オフしたときにボディダイオードを介して一方向に電流が流れる。従って、この場合、スイッチ素子をオフしたときに、スイッチ素子を介してノードＮ１及びＮ２の間に流れる正の電流及び負の電流のいずれかを阻止することができず、電流の不平衡が生じる。図１４によれば、スイッチ素子をオフしているとき、各共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３の両端にわたる電圧に約－１００Ｖのオフセットが生じている。また、図１４によれば、スイッチ素子をオフからオンに遷移した直後、電圧及び電流の波形は大きく変動する。一方、実施形態に係る電力変換装置５によれば、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成されたスイッチ回路ＳＷを用いることにより、電流の不平衡及び電圧のオフセットは生じにくい。また、実施形態に係る電力変換装置５によれば、図１２及び図１３を参照して説明したように、スイッチ回路ＳＷをオンからオフに遷移させるときも、オフからオンに遷移させるときも、電圧及び電流の波形に有意な影響は生じない。
［第１の実施形態の変形例］
図１５は、第１の実施形態の第１の変形例に係る電力変換装置５Ｂの構成例を模式的に示す回路図である。図１５の電力変換装置５Ｂは、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に代えてＬＬＣ共振コンバータ１１Ｂ～１３Ｂを備える。
ＬＬＣ共振コンバータ１１Ｂは、図２のトランスＴ１に代えて、トランスＴ１１及びインダクタＬｒ１１を備え、図２の整流回路２２に代えて整流回路２２Ｂを備える。また、ＬＬＣ共振コンバータ１２Ｂは、図２のトランスＴ２に代えて、トランスＴ１２及びインダクタＬｒ１２を備え、図２の整流回路２４に代えて整流回路２４Ｂを備える。また、ＬＬＣ共振コンバータ１３Ｂは、図２のトランスＴ３に代えて、トランスＴ１３及びインダクタＬｒ１３を備え、図２の整流回路２６に代えて整流回路２６Ｂを備える。
ＬＬＣ共振コンバータ１１Ｂ～１３ＢのＬＬＣ共振回路は、トランスＴ１～Ｔ３の漏れインダクタンスＬｒ１～Ｌｒ３に代えて、ディスクリート素子であるインダクタＬｒ１１～Ｌｒ１３をそれぞれ含んでもよい。
トランスＴ１１は、一次巻線ｗ１及び二次巻線ｗ１１を有する。整流回路２２Ｂは、ダイオードＤ１１～Ｄ１４からなるフルブリッジの整流回路である。二次巻線ｗ１１は、整流回路２２Ｂを介して電力変換装置５の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続される。また、トランスＴ１２は、一次巻線ｗ４及び二次巻線ｗ１２を有する。整流回路２４Ｂは、ダイオードＤ１５～Ｄ１８からなるフルブリッジの整流回路である。二次巻線ｗ１２は、整流回路２４Ｂを介して電力変換装置５の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続される。また、トランスＴ１３は、一次巻線ｗ７及び二次巻線ｗ１３を有する。整流回路２６Ｂは、ダイオードＤ１９～Ｄ２２からなるフルブリッジの整流回路である。二次巻線ｗ１３は、整流回路２６Ｂを介して電力変換装置５の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続される。
図１６は、第１の実施形態の第２の変形例に係る電力変換装置５Ｃの構成例を模式的に示す回路図である。図１５の電力変換装置５Ｃは、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に代えてＬＬＣ共振コンバータ１１Ｃ～１３Ｃを備え、また、図１５のキャパシタＣ３を除去している。
ＬＬＣ共振コンバータ１１Ｃは、図１５の整流回路２２Ｂに代えて整流回路２２Ｃを備える。また、ＬＬＣ共振コンバータ１２Ｃは、図１５の整流回路２４Ｂに代えて整流回路２４Ｃを備える。また、ＬＬＣ共振コンバータ１３Ｃは、図１５の整流回路２６Ｂに代えて整流回路２６Ｃを備える。
整流回路２２Ｃは、ダイオードＤ３１，Ｄ３２及びキャパシタＣ３１，Ｃ３２を備える。トランスＴ１１の二次巻線ｗ１１は、ダイオードＤ３１，Ｄ３２及びキャパシタＣ３１，Ｃ３２からなる倍電圧整流回路を介して電力変換装置５の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続される。また、整流回路２４Ｃは、ダイオードＤ３３，Ｄ３４及びキャパシタＣ３３，Ｃ３４を備える。トランスＴ１２の二次巻線ｗ１２は、ダイオードＤ３３，Ｄ３４及びキャパシタＣ３３，Ｃ３４からなる倍電圧整流回路を介して電力変換装置５の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続される。また、整流回路２６Ｃは、ダイオードＤ３５，Ｄ３６及びキャパシタＣ３５，Ｃ３６を備える。トランスＴ１３の二次巻線ｗ１３は、ダイオードＤ３５，Ｄ３６及びキャパシタＣ３５，Ｃ３６からなる倍電圧整流回路を介して電力変換装置５の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続される。
図１５及び図１６に示す構成の一部のみが図２の電力変換装置５に適用されてもよい。例えば、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、図１５のインダクタＬｒ１１～Ｌｒ１３をそれぞれ備えてもよい。また、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、トランスＴ１～Ｔ３及び整流回路２２，２４，２６に代えて、図１５のトランスＴ１１～Ｔ１３及び整流回路２２Ｂ，２４Ｂ，２６Ｂを備えてもよい。また、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、トランスＴ１～Ｔ３及び整流回路２２，２４，２６に代えて、図１６のトランスＴ１１～Ｔ１３及び整流回路２２Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃを備えてもよい。これにより、電力変換装置の設計上の自由度を向上することができる。
実施形態に係る電力変換装置５，５Ｂ，５Ｃによれば、トランスＴ１～Ｔ３の一次側にのみＹ結線（すなわちノードＮ２）を備えたことにより、トランスＴ１～Ｔ３の二次側において様々な回路方式の整流回路を採用することができる。例えば、入出力電力など、製品の仕様に合わせて整流回路を選ぶことができる。
［第１の実施形態の効果］
実施形態に係る電力変換装置５によれば、負荷装置６の負荷電流が小さいとき、スイッチ回路ＳＷをオンすることにより、電力変換装置５は、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの範囲内においてインバータ回路２１，２３，２５を動作させて所望の出力電圧Ｖｏｕｔを達成することができる。また、実施形態に係る電力変換装置５によれば、負荷装置６の負荷電流が中程度以上であるとき、スイッチ回路ＳＷをオフすることにより、トランスＴ１～Ｔ３の一次巻線ｗ１，ｗ４，ｗ７は浮遊したＹ結線を有するので、電力変換装置５の回路素子のバラツキに起因する電流の不平衡を改善することができる。また、負荷装置６の負荷電流が中程度以上であるとき、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの範囲内においてインバータ回路２１，２３，２５を動作させて所望の出力電圧Ｖｏｕｔを達成することができる。このように、実施形態に係る電力変換装置５は、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧Ｖｏｕｔを達成することができる。
実施形態に係る電力変換装置５によれば、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成されたスイッチ回路ＳＷを用いることにより、電流の不平衡及び電圧のオフセットを生じにくくすることができる。また、実施形態に係る電力変換装置５によれば、スイッチ回路ＳＷをオンからオフに遷移させるときも、オフからオンに遷移させるときも、電圧及び電流の波形に有意な影響を生じにくくすることができる。
実施形態に係る電力変換装置５は、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を備えたことにより、電力変換装置５の筐体において熱源を分散することができる。従って、例えば、空冷ファンをもたない大電力かつ高電力密度のＤＣ／ＤＣコンバータ装置を提供することができる。
［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態に係る電力変換装置を備えた電力システムについてさらに説明する。
［第２の実施形態の構成例］
図１７は、第２の実施形態に係る電力変換装置５Ｄの構成例を模式的に示す回路図である。図１５の電力変換装置５Ｂは、図２の制御回路１５及び電流センサ１７に代えて制御回路１５Ｄを備える。
制御回路１５Ｄは、出力電流Ｉｏｕｔに代えて、駆動回路１４に設定されているインバータ回路２１，２３，２５の現在のスイッチング周波数ｆｓｗに基づいて、負荷装置６の負荷電流が所定の基準以下であるか否かを判断する。制御回路１５Ｄによって駆動回路１４に設定されたスイッチング周波数ｆｓｗは、制御回路１５Ｄの内部のメモリ（図示せず）にも格納されている。図６及び図７を参照して説明したように、スイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性は、負荷装置６の負荷電流（又は負荷抵抗）に依存して変化する。ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の共振周波数の近傍において、予め決められた目標電圧を達成するスイッチング周波数ｆｓｗは、負荷電流が小さくなるほど増大し、負荷電流が大きくなるほど低下する。従って、制御回路１５Ｄは、スイッチング周波数ｆｓｗがしきい値ｆｔｈ１以上であるとき、スイッチ回路ＳＷをオンし、スイッチング周波数ｆｓｗがしきい値ｆｔｈ１より小さいしきい値ｆｔｈ２以下であるとき、スイッチ回路ＳＷをオフする。
［第２の実施形態の動作例］
図１８は、図１７の制御回路１５Ｄによって実行される電力変換処理を示すフローチャートである。図１８のフローチャートでは、図９のステップＳ４及びＳ７に代えて、ステップＳ４Ａ及びＳ７Ａを実行する。
ステップＳ４Ａにおいて、制御回路１５Ｄは、現在のスイッチング周波数ｆｓｗが予め決められたしきい値ｆｔｈ１以上であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ５に進み、ＮＯのときはステップＳ３に戻る。しきい値ｆｔｈ１は、例えば、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘに等しくなるように設定されてもよく、又は、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の共振周波数に設定されてもよい。
図１９は、図１８のステップＳ４Ａにおいて、スイッチング周波数ｆｓｗが上限のしきい値ｆｔｈ１を越えたときの電力変換装置５Ｄの動作を模式的に示すグラフである。スイッチング周波数ｆｓｗがしきい値ｆｔｈ１以上である場合（ステップＳ４ＡがＹＥＳ）、負荷電流が小さいと判断される。スイッチ回路ＳＷがオフされかつ負荷電流が小さいとき、例えば、図１９の破線により示す特性が得られる。このとき、目標電圧を達成するためには、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘよりも高い周波数ｆ６が必要とされる。従って、ステップＳ５においてスイッチ回路ＳＷをオンすることにより、例えば、図１９の実線により示す特性が得られる。このとき、動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘ以下の周波数範囲に含まれる周波数ｆ５において目標電圧を達成することができる。
図１８のステップＳ７Ａにおいて、制御回路１５Ｄは、現在のスイッチング周波数ｆｓｗが予め決められたしきい値ｆｔｈ２以下であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ２に戻り、ＮＯのときはステップＳ６に戻る。しきい値ｆｔｈ２は、例えば、スイッチ回路ＳＷをオンし、かつ、負荷装置６が予め決められた所望の負荷電流（例えば、定格電流の２５％）を有するときに、目標電圧を達成するスイッチング周波数に設定されてもよい。
図２０は、図１８のステップＳ７Ａにおいて、スイッチング周波数ｆｓｗが下限のしきい値ｆｔｈ２より小さくなったときの電力変換装置５Ｄの動作を模式的に示すグラフである。スイッチング周波数ｆｓｗがしきい値ｆｔｈ２以下である場合（ステップＳ７ＡがＹＥＳ）、負荷電流が中程度以上であると判断される。負荷電流が中程度以上であるとき、図２０の実線及び破線により示すように、スイッチ回路ＳＷのオン又はオフにかかわらず、スイッチング周波数ｆｓｗに対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性の変動は小さい。動作可能なスイッチング周波数ｆｓｗの最大値ｆｍａｘ以下の周波数範囲に含まれる周波数ｆ７及びｆ８において目標電圧を達成することができる。従って、ステップＳ２においてスイッチ回路ＳＷをオフすることにより、目標電圧の近傍の出力電圧Ｖｏｕｔを発生しながら、電力変換装置５の回路素子のバラツキに起因する電流の不平衡を改善することができる。
［第２の実施形態の効果］
第２の実施形態に係る電力変換装置５Ｄは、出力電流Ｉｏｕｔに代えてスイッチング周波数ｆｓｗに基づいて、負荷装置６の負荷電流が所定の基準以下であるか否かを判断する。これにより、第２の実施形態に係る電力変換装置５Ｄは、第１の実施形態に係る電力変換装置５と同様に、負荷電流の大きさが変動しても所望の出力電圧Ｖｏｕｔを達成することができる。
［変形例］
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
実施形態に係る電力変換装置は、図３及び図４に示すようなＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を含むスイッチ回路に代えて、リレーを含むスイッチ回路を備えてもよい。
実施形態に係る電力変換装置は、４つ以上のＬＬＣ共振コンバータを備え、これにより、三相に限らず、四相以上の交流電力を発生するように構成されてもよい。この場合、各ＬＬＣ共振コンバータは、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、一次巻線に接続されたインバータ回路と、一次巻線に接続された共振キャパシタと、二次巻線に接続された整流回路とをそれぞれ備える。各一次巻線は、対応するインバータ回路に接続された第１の端部と、インバータ回路に接続されることなく他のＬＬＣ共振コンバータの一次巻線に接続された第２の端部とを有する。この場合もまた、スイッチ回路は、入力端子における正及び負の電位の中間の電位が発生するノードと、各ＬＬＣ共振コンバータのトランスの一次巻線を互いに接続するスター型結線のノードとの間に接続される。スイッチ回路は、説明した第１又は第２の実施形態に係る電力変換装置のスイッチ回路ＳＷと同様に制御される。
電力システムは、交流電源装置１及び整流器３に代えて、直流の電源装置を備えてもよい。また、電力システムは、直流の負荷装置６に代えて、インバータ及び交流の負荷装置を備えてもよい。実施形態に係る電力変換装置はこれらの場合にも適用可能である。
［まとめ］
本開示の各側面に係る電力変換装置及び電力システムは、以下のように表現されてもよい。
本開示の一側面に係る電力変換装置５は、３つ以上のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を備える。各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、一次巻線及び二次巻線を有するトランスＴ１～Ｔ３と、一次巻線に接続されたインバータ回路２１，２３，２５と、一次巻線に接続された共振キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３と、二次巻線に接続された整流回路２２，２４，２６とをそれぞれ備える。一次巻線は、インバータ回路２１，２３，２５に接続された第１の端部ａ１～ａ３と、インバータ回路２１，２３，２５に接続されることなく他のＬＬＣ共振コンバータの一次巻線に接続された第２の端部ｂ１～ｂ３とを有する。電力変換装置５は、第１及び第２の入力端子Ｐ１，Ｐ２と、第１のノードＮ１と、第２のノードＮ２と、スイッチ回路ＳＷと、駆動回路１４と、制御回路１５と、第１及び第２の出力端子Ｐ３，Ｐ４とをさらに備える。第１及び第２の入力端子Ｐ１，Ｐ２は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の各インバータ回路２１，２３，２５に接続される。第１のノードＮ１は、第１及び第２の入力端子Ｐ１，Ｐ２における各電位の中間の電位を発生する。第２のノードＮ２は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の各一次巻線の第２の端部ｂ１～ｂ３に接続される。スイッチ回路ＳＷは、第１及び第２のノードＮ１，Ｎ２の間に接続される。駆動回路１４は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の各インバータ回路２１，２３，２５を、所定のスイッチング周波数ｆｓｗで、かつ、互いに異なる位相でそれぞれ動作させる。制御回路１５は、スイッチ回路ＳＷ及び駆動回路１４を制御する。第１及び第２の出力端子Ｐ３，Ｐ４は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の各整流回路２２，２４，２６に接続される。制御回路１５は、第１及び第２の出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続された負荷装置６の負荷電流が所定の基準以下であるとき、スイッチ回路ＳＷをオンし、負荷装置６の負荷電流が基準より大きいとき、スイッチ回路ＳＷをオフする。
本開示の一側面に係る電力変換装置５は、第１又は第２の出力端子Ｐ３，Ｐ４における出力電流Ｉｏｕｔを測定する電流センサ１７をさらに備える。制御回路１５は、出力電流Ｉｏｕｔが第１のしきい値Ｉｔｈ以下であるとき、負荷装置６の負荷電流が基準以下であると判断してスイッチ回路ＳＷをオンし、出力電流Ｉｏｕｔが第１のしきい値Ｉｔｈより大きいとき、負荷装置６の負荷電流が基準より大きいと判断してスイッチ回路ＳＷをオフする。
本開示の一側面に係る電力変換装置５によれば、制御回路１５Ｄは、スイッチング周波数ｆｓｗが第２のしきい値ｆｔｈ１以上であるとき、負荷装置６の負荷電流が基準以下であると判断してスイッチ回路ＳＷをオンし、スイッチング周波数ｆｓｗが第２のしきい値ｆｔｈ１より小さい第３のしきい値ｆｔｈ２以下であるとき、負荷装置６の負荷電流が基準より大きいと判断してスイッチ回路ＳＷをオフする。
本開示の一側面に係る電力変換装置５は、第１及び第２の出力端子Ｐ３，Ｐ４における出力電圧Ｖｏｕｔを測定する電圧センサ１６をさらに備える。制御回路１５は、スイッチング周波数ｆｓｗを変化させて出力電圧Ｖｏｕｔを予め決められた目標電圧に近づけるように、駆動回路１４を制御する。
本開示の一側面に係る電力変換装置５によれば、スイッチ回路ＳＷは、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される。
本開示の一側面に係る電力変換装置５は、第１及び第２の入力端子Ｐ１，Ｐ２にわたって、互いに直列に接続された一対の第２のキャパシタＣ１，Ｃ２をさらに備える。一対の第２のキャパシタＣ１，Ｃ２は互いに等しい容量を有する。第１のノードＮ１は、一対の第２のキャパシタＣ１，Ｃ２の間に設けられる。
本開示の一側面に係る電力システムは、第１の直流電圧を供給する電源装置と、第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する電力変換装置５と、第２の直流電圧により動作する負荷装置６とを含む。
本開示の一側面に係る電力システムにおいて、電源装置は、ノーマルモードノイズ信号及びコモンモードノイズ信号の少なくとも一方を低減するノイズフィルタ装置２と、交流電圧を第１の直流電圧に変換する整流器３と、第１の直流電圧の力率を１に近づける力率調整器４とを備える。
本開示の一側面に係る電力変換装置は、例えば、交流電力が入力されて２ｋＷ程度の大きさの直流電力を出力する電源システムとして動作する電力システムに適用可能である。
１ 交流電源装置
２ ノイズフィルタ装置
３ 整流器
４ 力率調整器
５，５Ｂ～５Ｄ 電力変換装置
６ 負荷装置
１１～１３，１１Ｂ～１３Ｂ，１１Ｃ～１３Ｃ ＬＬＣ共振コンバータ
１４ 駆動回路
１５，１５Ｄ 制御回路
１６ 電圧センサ
１７ 電流センサ
２１，２３，２５ インバータ回路
２２，２４，２６，２２Ｂ，２４Ｂ，２６Ｂ，２２Ｃ，２４Ｃ，２６Ｃ 整流回路
Ｃｒ１～Ｃｒ３ 共振キャパシタ
Ｃ１～Ｃ３，Ｃ３１～Ｃ３６ キャパシタ
Ｄ１～Ｄ６，Ｄ１１～Ｄ２２，Ｄ３１～Ｄ３６，Ｄ１０１，Ｄ１０２ ダイオード
Ｌｍ１～Ｌｍ３ 励磁インダクタンス
Ｌｒ１～Ｌｒ３ 漏れインダクタンス
Ｌｒ１１～Ｌｒ１３ インダクタ
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ１１～Ｎ１３ ノード
Ｐ１，Ｐ２ 入力端子
Ｐ３，Ｐ４ 出力端子
Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１０１，Ｑ１０２，Ｑ１１１，Ｑ１１２ スイッチング素子
ＳＷ，ＳＷＡ スイッチ回路
Ｔ１～Ｔ３，Ｔ１１～Ｔ１３ トランス
ｗ１～ｗ９，ｗ１１～ｗ１３ 巻線

Claims (8)

  1. ３つ以上のＬＬＣ共振コンバータを備えた電力変換装置であって、
    前記各ＬＬＣ共振コンバータは、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に接続されたインバータ回路と、前記一次巻線に接続された第１のキャパシタと、前記二次巻線に接続された整流回路とをそれぞれ備え、前記一次巻線は、前記インバータ回路に接続された第１の端部と、前記インバータ回路に接続されることなく他のＬＬＣ共振コンバータの一次巻線に接続された第２の端部とを有し、
    前記電力変換装置は、
    前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各インバータ回路に接続された第１及び第２の入力端子と、
    前記第１及び第２の入力端子における各電位の中間の電位を発生する第１のノードと、
    前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各一次巻線の第２の端部に接続された第２のノードと、
    前記第１及び第２のノードの間に接続されたスイッチ回路と、
    前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各インバータ回路を、所定のスイッチング周波数で、かつ、互いに異なる位相でそれぞれ動作させる駆動回路と、
    前記スイッチ回路及び前記駆動回路を制御する制御回路と、
    前記各ＬＬＣ共振コンバータの前記各整流回路に接続された第１及び第２の出力端子とをさらに備え、
    前記制御回路は、前記第１及び第２の出力端子に接続された負荷装置の負荷電流が所定の基準以下であるとき、前記スイッチ回路をオンし、前記負荷装置の負荷電流が前記基準より大きいとき、前記スイッチ回路をオフする、
    電力変換装置。
  2. 前記電力変換装置は、前記第１又は第２の出力端子における出力電流を測定する電流センサをさらに備え、
    前記制御回路は、前記出力電流が第１のしきい値以下であるとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準以下であると判断して前記スイッチ回路をオンし、前記出力電流が前記第１のしきい値より大きいとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準より大きいと判断して前記スイッチ回路をオフする、
    請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記制御回路は、前記スイッチング周波数が第２のしきい値以上であるとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準以下であると判断して前記スイッチ回路をオンし、前記スイッチング周波数が前記第２のしきい値より小さい第３のしきい値以下であるとき、前記負荷装置の負荷電流が前記基準より大きいと判断して前記スイッチ回路をオフする、
    請求項１記載の電力変換装置。
  4. 前記電力変換装置は、前記第１及び第２の出力端子における出力電圧を測定する電圧センサをさらに備え、
    前記制御回路は、前記スイッチング周波数を変化させて前記出力電圧を予め決められた目標電圧に近づけるように、前記駆動回路を制御する、
    請求項１～３のうちの１つに記載の電力変換装置。
  5. 前記スイッチ回路は、オンしたときに双方向に電流が流れるように、かつ、オフしたときにいずれの方向にも電流を阻止するように構成される、
    請求項１～４のうちの１つに記載の電力変換装置。
  6. 前記電力変換装置は、前記第１及び第２の入力端子にわたって、互いに直列に接続された一対の第２のキャパシタをさらに備え、前記一対の第２のキャパシタは互いに等しい容量を有し、
    前記第１のノードは、前記一対の第２のキャパシタの間に設けられる、
    請求項１～５のうちの１つに記載の電力変換装置。
  7. 第１の直流電圧を供給する電源装置と、
    前記第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する、請求項１～６のうちの１つに記載の電力変換装置と、
    前記第２の直流電圧により動作する負荷装置とを含む、
    電力システム。
  8. 前記電源装置は、
    ノーマルモードノイズ信号及びコモンモードノイズ信号の少なくとも一方を低減するノイズフィルタ装置と、
    交流電圧を前記第１の直流電圧に変換する整流器と、
    前記第１の直流電圧の力率を１に近づける力率調整器とを備えた、
    請求項７記載の電力システム。
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