JP2022169772A

JP2022169772A - 電力調整回路

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Publication number: JP2022169772A
Application number: JP2022138216A
Authority: JP
Inventors: 健一 ▲高▼木; Kenichi Takagi; 修二戸村; Shuji Tomura; 隆英杉山; Takahide Sugiyama; 和大杉本; Kazuhiro Sugimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2022-11-09
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: JP2021164338A; JP7208188B2; JP7440586B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、力率改善回路等の電力調整回路におけるノイズを抑制することである。【解決手段】電力調整回路１４は、並列接続されたスイッチングアームα、βおよびγと、ＥＭＩフィルタ５２と、出力コンデンサ５６とを備えている。スイッチングアームα、βおよびγのそれぞれは、直列接続された第１スイッチング素子（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）および第２スイッチング素子（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）を含む。ＥＭＩフィルタ５２は、スイッチングアームα、βおよびγのそれぞれにおける第１スイッチング素子（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）および第２スイッチング素子（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）の接続点に接続されている。出力コンデンサ５６は、スイッチングアームα、βおよびγの両端の並列接続点の間に接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電力調整回路に関し、特に、フィルタを備える回路に関する。

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、駆動用モータに電力を供給するための電池が搭載されている。電動車両では回生制動によって発電した電力によって電池が充電され、プラグイン機能がある場合には、商用電源から供給される電力によって電池が充電される。また、ハイブリッド自動車では、エンジンによるジェネレータの駆動によって発電した電力によって電池が充電される。電池を充電するため、電動車両には電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、入力された電圧を適切な電圧に変換して電池に印加する。

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、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３には、力率改善回路として動作する第１のハーフブリッジ回路（スイッチング回路）と、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する第２のハーフブリッジ回路（スイッチング回路）とをトランスによって結合した電力変換回路（電力変換装置）が記載されている。第１のハーフブリッジ回路は、外部交流電源から出力される交流電力の力率を調整する。第１のハーフブリッジ回路から第２のハーフブリッジ回路には、トランスを介して電力が供給され、第２のハーフブリッジ回路は電動車両の主機電池に電力を供給する。この電力変換装置には、さらに、第２のハーフブリッジ回路にトランスによって結合した第３のハーフブリッジ回路が設けられている。第２のハーフブリッジ回路から第３のハーフブリッジ回路にはトランスを介して電力が供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する第３のハーフブリッジ回路は電動車両の補機電池に電力を供給する。特許文献４および非特許文献１には、３つのスイッチング回路がトランスによって相互に結合されたＤＣ／ＤＣコンバータが記載されている。

特開２０１１－１９３７１３号公報特開２０１０－１８３７２６号公報特開２０１８－１４７９４号公報特開２０１５－１１９５９８号公報

C.Zhao, " An Isolated Three-port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management ", IEEE Transaction on Power Electronics, Volume:23, Issue:5, Sept. 2008

本発明の目的は、力率改善回路等の電力調整回路におけるノイズを抑制することである。本発明の関連技術として、電力変換装置における電力損失を抑制する技術がある。一般に、電動車両では、補機電池の出力電圧の方が、主機電池の出力電圧よりも小さい。そこで、特許文献３に記載された電力変換装置では、第３のハーフブリッジに接続されたトランスの巻線の巻き数が、第２のハーフブリッジに接続されたトランスの巻線の巻き数よりも少なくされる。しかし、このような設計には、第３のハーフブリッジに接続された巻線に流れる電流、および第３のハーフブリッジに流れる電流が大きくなり、電力損失が大きくなってしまうという問題がある。

本発明の関連技術の目的は、電力変換装置における電力損失を抑制することである。

本発明の関連技術は、１次巻線および２次巻線を備えるトランスと、前記１次巻線に接続された第１スイッチング回路と、前記２次巻線に接続された第２スイッチング回路と、前記第２スイッチング回路に含まれる中間コンデンサと、を備え、前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチング動作によって、前記第１スイッチング回路から前記トランスを介して前記中間コンデンサに電力が供給され、前記第２スイッチング回路のスイッチング動作によって、前記中間コンデンサから前記２次巻線の中途点を介して電力が出力されることを特徴とする。

望ましくは、前記第１スイッチング回路のスイッチングタイミングに応じて前記１次巻線に現れる電圧の位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチングタイミングに応じて前記２次巻線に現れる電圧の位相との差異に応じて、前記第１スイッチング回路から前記第２スイッチング回路に電力が伝送される。

望ましくは、前記第２スイッチング回路は、並列接続された第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームであって、直列接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をそれぞれが含む第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームを備え、前記第１スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点と、前記第２スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点との間に前記２次巻線が接続されており、前記第１スイッチングアームおよび前記第２スイッチングアームの両端の並列接続点の間に前記中間コンデンサが接続されており、前記２次巻線の中途点と、前記第１スイッチングアームおよび前記第２スイッチングアームの両端の並列接続点のうち一方との間から電力が出力される。

望ましくは、前記第１スイッチング回路は、並列接続された第３スイッチングアームおよび第４スイッチングアームであって、直列接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をそれぞれが含む第３スイッチングアームおよび第４スイッチングアームを備え、前記第３スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点と、前記第４スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点との間に前記１次巻線が接続されており、前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアーム、前記第３スイッチングアームおよび前記第４スイッチングアームのデューティ比が等しい。

また、本発明は、並列接続された第１スイッチングアーム、第２スイッチングアームおよび第３スイッチングアームであって、直列接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をそれぞれが含む第１スイッチングアーム、第２スイッチングアームおよび第３スイッチングアームと、前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアームおよび前記第３スイッチングアームのそれぞれにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に接続されたフィルタと、前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアームおよび前記第３スイッチングアームの両端の並列接続点の間に接続された出力コンデンサと、を備え、前記フィルタは、第１端子から前記第１スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に至る経路に一端が接続された第１コンデンサと、第２端子から前記第２スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に至る経路に一端が接続された第２コンデンサと、第３端子から前記第３スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に至る経路に一端が接続された第３コンデンサと、前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサおよび前記第３コンデンサのそれぞれの他端は共通に接続され、接地されており、前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアームおよび前記第３スイッチングアームは、前記第１端子、前記第２端子および前記第３端子に３相交流電圧が印加される３相モード、または、前記第１端子および前記第２端子と、前記第３端子との間に単相交流電圧が印加される単相モードのいずれかで動作し、前記３相モードは、前記第１端子、前記第２端子および前記第３端子における各電圧の時間波形に、前記第１端子、前記第２端子および前記第３端子における各電流の時間波形を近似させまたは一致させるスイッチング動作モードであり、前記単相モードは、前記第１端子および前記第２端子における電圧の時間波形に、前記第１端子および前記第２端子に流れる電流の時間波形を近似させまたは一致させるスイッチング動作モードであることを特徴とする。

本発明によれば、電力調整回路におけるノイズを抑制することができる。

車載用電力変換システムを示す図である。第１セカンダリ巻線および第２セカンダリ巻線の各端子間電圧と、スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０のそれぞれに流れる電流のシミュレーション結果を示す図である。電力調整回路の具体的な構成を示す図である。３相モードにおけるＥＭＩフィルタの構成を示す図である。単相モードにおけるＥＭＩフィルタの構成を示す図である。応用例に係る電力変換システムを示す図である。

各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。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その説明を簡略化する。また、以下の説明に示された上下左右の用語は、説明の便宜上、図面における上下左右の方向を示すものであり、各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。

図１には本発明の実施形態に係る車載用電力変換システムが示されている。車載用電力変換システムは、電力調整回路１４、プライマリスイッチング回路１８、トランス２２、第１セカンダリスイッチング回路３０、第２セカンダリスイッチング回路３６およびコントローラ１００を備え、電動車両に搭載される。車載用電力変換システムは、交流電力源１０から出力される電力を、主機電池３４および補機電池４０に供給する。また、車載用電力変換システムは、主機電池３４から補機電池４０に電力を供給する。交流電力源１０は、電力供給事業者による電力供給システムであってもよいし、家庭用の発電装置であってもよい。

電動車両が停車しており交流電力源１０を用いて主機電池３４を充電するときに、電力調整回路１４の交流端子１２－１および１２－２に交流電力源１０が接続される。電力調整回路１４の正極端子１６Ｐおよび負極端子１６Ｎには、プライマリスイッチング回路１８が接続されている。

トランス２２は、磁気的に相互に結合するプライマリ巻線２４、第１セカンダリ巻線２６および第２セカンダリ巻線２８を備えている。プライマリ巻線２４の両端はプライマリスイッチング回路１８に接続されている。第１セカンダリ巻線２６の両端は第１セカンダリスイッチング回路３０に接続され、第２セカンダリ巻線２８の両端は第２セカンダリスイッチング回路３６に接続されている。

第１セカンダリスイッチング回路３０には主機電池３４が接続されている。主機電池３４は、電動車両を駆動するモータジェネレータに力行用の電力を供給すると共に、モータジェネレータの回生制動に基づく発電電力によって充電される。第２セカンダリスイッチング回路３６には補機電池４０が接続されている。補機電池４０は、電動車両に搭載されたオーディオ機器、室内灯、空調装置等の補機に電力を供給する。

車載用電力変換システムの動作の概要について説明する。コントローラ１００による制御によって、電力調整回路１４、プライマリスイッチング回路１８、第１セカンダリスイッチング回路３０および第２セカンダリスイッチング回路３６は次のように動作する。電力調整回路１４は、交流端子１２－１および１２－２に流れる電流の時間波形を、交流電力源１０が出力する交流電圧の時間波形に近似させ、または一致させるように、交流端子１２－１および１２－２に流れる電流をスイッチングする。これによって、交流電力源１０から電力調整回路１４に入力される電力の力率が向上する。

電力調整回路１４は力率を向上させる動作を実行しつつ、交流電力源１０から出力される交流電力を直流電力に変換し、直流電圧をプライマリスイッチング回路１８に出力する。プライマリスイッチング回路１８は、この直流電圧に対するスイッチングによってプライマリ巻線２４に交流電圧を出力する。第１セカンダリスイッチング回路３０は、主機電池３４が出力する電圧に対するスイッチングによって、第１セカンダリ巻線２６に交流電圧を出力する。第２セカンダリスイッチング回路３６は、中間コンデンサ３８を備えている。第２セカンダリスイッチング回路３６は、後述するように、プライマリスイッチング回路１８または第１セカンダリスイッチング回路３０からトランス２２を介して供給される電力によって中間コンデンサ３８を充電する。第２セカンダリスイッチング回路３６は、中間コンデンサ３８に対する電圧のスイッチングによって第２セカンダリ巻線２８に交流電圧を出力する。

プライマリスイッチング回路１８のスイッチングタイミングと、第１セカンダリスイッチング回路３０のスイッチングタイミングの相違に応じて、交流電力源１０から電力調整回路１４、プライマリスイッチング回路１８、プライマリ巻線２４および第１セカンダリ巻線２６を介して第１セカンダリスイッチング回路３０に電力が伝送される。第１セカンダリスイッチング回路３０は、第１セカンダリ巻線２６を介して伝送された電力によって主機電池３４に電力を供給する。第１セカンダリスイッチング回路３０は、主機電池３４に電力を供給すると共に、主機電池３４に接続された負荷回路（図示せず）に電力を出力してもよい。

プライマリスイッチング回路１８のスイッチングタイミングと、第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチングタイミングの相違に応じて、交流電力源１０から電力調整回路１４、プライマリスイッチング回路１８、プライマリ巻線２４および第２セカンダリ巻線２８を介して第２セカンダリスイッチング回路３６に電力が伝送される。第２セカンダリスイッチング回路３６は、第２セカンダリ巻線２８を介して伝送された電力によって補機電池４０に電力を供給する。第２セカンダリスイッチング回路３６は、補機電池４０に電力を出力すると共に、補機電池４０に接続された補機（図示せず）に電力を出力してもよい。

電動車両の走行時には、電力調整回路１４が交流電力源１０から切り離され、電力調整回路１４はスイッチング動作を停止する。電動車両の走行時には、次のような動作によって主機電池３４から補機電池４０に電力が供給される。第１セカンダリスイッチング回路３０のスイッチングタイミングと、第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチングタイミングの相違に応じて、第１セカンダリスイッチング回路３０から、第１セカンダリ巻線２６および第２セカンダリ巻線２８を介して第２セカンダリスイッチング回路３６に電力が伝送される。第２セカンダリスイッチング回路３６は、第２セカンダリ巻線２８を介して伝送された電力によって補機電池４０に電力を供給する。第２セカンダリスイッチング回路３６は、補機電池４０に電力を出力すると共に、補機電池４０に接続された補機に電力を出力してもよい。

次に、プライマリスイッチング回路１８、第１セカンダリスイッチング回路３０および第２セカンダリスイッチング回路３６の詳細な構成および動作について説明する。プライマリスイッチング回路１８は、スイッチングアームｕ、スイッチングアームｖおよびバッファコンデンサ２０を備えている。スイッチングアームｕは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ１およびＳ２を備え、スイッチングアームｖは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ３およびＳ４を備えている。スイッチングアームｕおよびｖは並列に接続されている。スイッチングアームｕおよびｖには、さらに、バッファコンデンサ２０が並列に接続されている。スイッチングアームｕ、ｖおよびバッファコンデンサ２０の上側の並列接続点は、電力調整回路１４の正極端子１６Ｐに接続され、下側の並列接続点は、電力調整回路１４の負極端子１６Ｎに接続されている。スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続点と、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続点との間には、プライマリ巻線２４が接続されている。

第１セカンダリスイッチング回路３０は、スイッチングアームｗ、スイッチングアームｘおよび主機コンデンサ３２を備えている。スイッチングアームｗは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ５およびＳ６を備え、スイッチングアームｘは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ７およびＳ８を備えている。スイッチングアームｗおよびｘは並列に接続されている。スイッチングアームｗおよびｘには、さらに、主機コンデンサ３２が並列に接続されている。スイッチングアームｗ、ｘおよび主機コンデンサ３２の上側の並列接続点は、主機電池３４の正極端子に接続され、下側の並列接続点は、主機電池３４の負極端子に接続されている。スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点と、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間には、第１セカンダリ巻線２６が接続されている。

第２セカンダリスイッチング回路３６は、スイッチングアームｙ、スイッチングアームｚ、中間コンデンサ３８および補機コンデンサ４２を備えている。スイッチングアームｙは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０を備え、スイッチングアームｚは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２を備えている。スイッチングアームｙおよびｚは並列に接続されている。スイッチングアームｙおよびｚには、さらに、中間コンデンサ３８が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続点と、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点との間には、第２セカンダリ巻線２８が接続されている。第２セカンダリ巻線２８の中途点と、スイッチングアームｙ、ｚおよび中間コンデンサ３８の下側の並列接続点との間には、補機コンデンサ４２が接続されている。また、第２セカンダリ巻線２８の中途点は、補機電池４０の正極端子に接続され、スイッチングアームｙ、ｚおよび中間コンデンサ３８の下側の並列接続点は、補機電池４０の負極端子に接続されている。第２セカンダリ巻線２８の中途点は、第２セカンダリ巻線２８を形成する導線の中途の点をいう。中途点は、第２セカンダリ巻線２８を形成する導線の中点に設けられるセンタータップであってもよい。

各スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２には、各スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２の下端側にアノード端子を向けてダイオードが接続されている。各スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられてよい。

コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２に対し、それぞれ、制御信号ｇ１～ｇ１２を出力する。各スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２は、制御信号がハイのときにオンとなり、ローのときにオフとなる。

電動車両が停車しており交流電力源１０を用いて主機電池３４を充電するときは、電力調整回路１４、プライマリスイッチング回路１８、第１セカンダリスイッチング回路３０および第２セカンダリスイッチング回路３６がスイッチング動作をする。電力調整回路１４は、交流電力源１０が出力する交流電力を直流電力に変換し、直流電圧をプライマリスイッチング回路１８に出力する。

スイッチングアームｕが備えるスイッチング素子Ｓ１およびＳ２を制御する制御信号ｇ１およびｇ２は、交互にハイおよびローを繰り返す。すなわち、制御信号ｇ１がローからハイに切り換わると共に、制御信号ｇ２はハイからローに切り換わり、制御信号ｇ１がハイからローに切り換わると共に、制御信号ｇ２はローからハイに切り換わる。これによって、スイッチング素子Ｓ１がオフからオンに切り換わると共に、スイッチング素子Ｓ２がオンからオフに切り換わる。そして、スイッチング素子Ｓ１がオンからオフに切り換わると共に、スイッチング素子Ｓ２がオフからオンに切り換わる。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ２と同様、制御信号ｇ３およびｇ４によって、スイッチングアームｖが備えるスイッチング素子Ｓ３およびＳ４も交互にオンオフする。制御信号ｇ３およびｇ４は、それぞれ、制御信号ｇ１およびｇ２に対し、位相が１８０°異なる。すなわち、スイッチングアームｖ（スイッチング素子Ｓ３およびＳ４）のスイッチングの位相は、スイッチングアームｕ（スイッチング素子Ｓ１およびＳ２）のスイッチングの位相に対し１８０°遅れている。これによって、プライマリ巻線２４の両端には、電力調整回路１４から出力された直流電圧に応じた波高値を有する交流電圧が現れる。

第１セカンダリスイッチング回路３０の動作について説明する。制御信号ｇ５およびｇ６に従ってスイッチングアームｗが備えるスイッチング素子Ｓ５およびＳ６は交互にオンオフする。制御信号ｇ７およびｇ８に従ってスイッチングアームｘが備えるスイッチング素子Ｓ７およびＳ８は交互にオンオフする。スイッチングアームｗおよびｘのスイッチングの位相差は１８０°である。これによって、第１セカンダリ巻線２６の両端には、中間コンデンサ３８の端子間電圧、すなわち主機電池３４の出力電圧に応じた波高値を有する交流電圧が現れる。

第２セカンダリスイッチング回路３６の動作について説明する。制御信号ｇ９およびｇ１０に従ってスイッチングアームｙが備えるスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０は交互にオンオフする。制御信号ｇ１１およびｇ１２に従ってスイッチングアームｚが備えるスイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２は交互にオンオフする。スイッチングアームｙおよびｚのスイッチングの位相差は１８０°である。

スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０がオンオフを繰り返す１周期を切り換わり周期として、切り換わり周期に対するスイッチング素子Ｓ１０がオンになる時間の比率を、スイッチングアームｙのデューティ比という。車載用電力変換システムでは、スイッチングアームｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙおよびｚは、同一のデューティ比Ｄでスイッチングをする。

第２セカンダリスイッチング回路３６の動作によって、補機電池４０および補機コンデンサ４２の両端には、中間コンデンサ３８の端子間電圧の（１－Ｄ）倍の電圧が現れる。すなわち、中間コンデンサ３８の端子間電圧をＶ_{ｄｃ，ｂｕｆ}、補機電池４０および補機コンデンサ４２の両端の電圧をＶ_ｄｃ３として、Ｖ_ｄｃ３＝（１－Ｄ）・Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}で表される電圧が補機電池４０および補機コンデンサ４２に印加される。

交流電力源１０から、電力調整回路１４、プライマリスイッチング回路１８および第１セカンダリスイッチング回路３０を介して主機電池３４に供給される主機電池供給電力Ｐ_ｄｃ２は、スイッチングアームｕおよびｖのスイッチングの位相に対する、スイッチングアームｗおよびｘのスイッチングの位相の遅れである位相差φ_２１を調整することで調整される。コントローラ１００は、主機電力目標値Ｐ_ｄｃ２ ^＊から、主機電池供給電力の測定値Ｐ_ｄｃ２を減算した主機電力誤差ｅ１を比例積分した値に基づいて位相差φ_２１を求めてよい。主機電力目標値Ｐ_ｄｃ２ ^＊は、主機電池供給電力Ｐ_ｄｃ２に対する目標値である。コントローラ１００は、位相差φ_２１に基づいて制御信号ｇ１～ｇ８を生成し、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ８をオンオフ制御する。

なお、コントローラ１００は、主機電池供給電力Ｐ_ｄｃ２を負にし、位相差φ_２１を負にすることで、主機電池３４または負荷回路から第１セカンダリスイッチング回路３０、プライマリスイッチング回路１８および電力調整回路１４を介して交流電力源１０側に電力を伝送してもよい。

第２セカンダリスイッチング回路３６における中間コンデンサ３８の電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}は、スイッチングアームｗおよびｘのスイッチングの位相に対する、スイッチングアームｙおよびｚのスイッチングの位相の遅れである位相差φ_３２を調整することで調整される。コントローラ１００は、中間電圧目標値Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ} ^＊から、中間電圧の測定値Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}を減算した中間電圧誤差ｅ２を比例積分した値に基づいて位相差φ_３２を求めてよい。中間電圧目標値Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ} ^＊は、例えば、Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ} ^＊＝Ｖ_ｄｃ２／ｎとして決定してよい。ここでＶ_ｄｃ２は、主機コンデンサ３２の端子間電圧、すなわち、主機電池３４の出力電圧である。ｎは、第２セカンダリ巻線２８の巻き数に対する、第１セカンダリ巻線２６の巻き数の比率（巻線比ｎ）である。コントローラ１００は、位相差φ_３２に基づいて制御信号ｇ５～ｇ１２を生成し、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２をオンオフ制御する。

中間コンデンサ３８の電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}は、スイッチングアームｕおよびｖのスイッチングの位相に対する、スイッチングアームｙおよびｚのスイッチングの位相の遅れである位相差φ_３１を調整することで調整されてもよい。この場合、コントローラ１００は、中間電圧誤差ｅ２を比例積分した値に基づいて位相差φ_３１を求めてよい。コントローラ１００は、位相差φ_３１に基づいて制御信号ｇ１～ｇ４およびｇ９～ｇ１２を生成し、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４およびＳ９～１２をオンオフ制御する。

各スイッチングアームのデューティ比Ｄは、補機電池４０の出力電圧の測定値Ｖ_ｄｃ３から補機電池電圧目標値Ｖ_ｄｃ３ ^＊を減算した補機電池電圧誤差ｅ３を比例積分した値、補機電池４０の出力電圧の測定値Ｖ_ｄｃ３、および中間電圧の測定値Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}に基づいて求められる。すなわち、コントローラ１００は、補機電池電圧誤差ｅ３を比例積分した値に、１－Ｖ_ｄｃ３／Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}を加算した値に基づいて各スイッチングアームのデューティ比Ｄを求める。コントローラ１００は、上記の各位相差に加えてデューティ比Ｄに基づいて制御信号ｇ１～ｇ１２を生成し、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２をオンオフ制御する。

電動車両の走行時には、電力調整回路１４が交流電力源１０から切り離され、電力調整回路１４はスイッチング動作を停止する。交流電力源１０を用いて主機電池３４を充電するときと同様に、第１セカンダリスイッチング回路３０および第２セカンダリスイッチング回路３６がスイッチング動作し、主機電池３４から補機電池４０に電力が供給され、補機電池４０が充電される。

図２（ａ）には、スイッチング素子Ｓ６～Ｓ１２のオンオフのタイミングが示されている。上段には第１セカンダリスイッチング回路３０のスイッチングタイミングが示されている。すなわち、スイッチング素子Ｓ６およびＳ７の組と、スイッチング素子Ｓ５およびＳ８の組が交互にオンオフすることが上段に示されている。下段には第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチングタイミングが示されている。すなわち、スイッチング素子Ｓ１０およびＳ１１の組と、スイッチング素子Ｓ９およびＳ１２の組が交互にオンオフすることが上段に示されている。

図２（ｂ）には、第１セカンダリ巻線２６の端子間電圧Ｖ_ｗｘおよび第２セカンダリ巻線２８の端子間電圧Ｖ_ｙｚのシミュレーション結果が示されている。横軸は時間を示し縦軸は電圧値を示す。端子間電圧Ｖ_ｗｘは、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点の電位を基準としたスイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点の電圧である。端子間電圧Ｖ_ｗｘは、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点の電位を基準としたスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続点の電圧である。

図２（ｃ）には、スイッチング素子Ｓ９およびスイッチング素子Ｓ９に並列接続されたダイオードに流れる電流ｉ_ＳＷ９と、スイッチング素子Ｓ１０およびスイッチング素子Ｓ１０に並列接続されたダイオードに流れる電流ｉ_ＳＷ１０が示されている。横軸は時間を示し縦軸は電流値を示す。

車載用電力変換システムにおいて、第１スイッチング回路としての第１セカンダリスイッチング回路３０から、第２スイッチング回路としての第２セカンダリスイッチング回路３６に電力が伝送される場合、車載用電力変換システム内には次のような電力変換装置が構成される。

すなわち、１次巻線としての第１セカンダリ巻線２６および２次巻線としての第２セカンダリ巻線２８を備えるトランス２２と、第１セカンダリ巻線２６に接続された第１セカンダリスイッチング回路３０と、第２セカンダリ巻線２８に接続された第２セカンダリスイッチング回路３６と、第２セカンダリスイッチング回路３６に含まれる中間コンデンサ３８とを備える電力変換装置が構成される。

第２セカンダリスイッチング回路３６は、第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームとして、スイッチングアームｙおよびｚを備えている。第１セカンダリスイッチング回路３０は、第３スイッチングアームおよび第４スイッチングアームとして、スイッチングアームｗおよびｚを備えている。

この電力変換装置では、第１セカンダリスイッチング回路３０および第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチング動作によって、第１セカンダリスイッチング回路３０からトランス２２を介して第２セカンダリスイッチング回路３６における中間コンデンサ３８に電力が供給される。さらに、第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチング動作によって、中間コンデンサ３８から第２セカンダリ巻線２８の中途点を介して補機電池４０に電力が出力される。

第１セカンダリスイッチング回路３０のスイッチングタイミングに応じて第１セカンダリ巻線２６に現れる電圧の位相と、第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチングタイミングに応じて第２セカンダリ巻線２８に現れる電圧の位相との差異に応じて、第１セカンダリスイッチング回路３０から第２セカンダリスイッチング回路３６に電力が伝送される

このような構成によれば、主機コンデンサ３２の端子間電圧Ｖ_ｄｃ２を巻線比ｎで除した電圧で、中間コンデンサ３８が充電される。さらに、中間コンデンサ３８の端子間電圧である中間電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}をデューティ比Ｄで規定される昇圧比１／（１－Ｄ）で除した電圧が補機電池４０および補機コンデンサ４２に印加される。したがって、主機コンデンサ３２の端子間電圧Ｖ_ｄｃ２が中間電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}に降圧され、さらに、中間電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}が補機電池４０および補機コンデンサ４２の両端の電圧Ｖ_ｄｃ３に降圧される。このような段階的な降圧によって、第２セカンダリ巻線２８、スイッチング素子Ｓ９～Ｓ１２に流れる電流が小さくなり、第２セカンダリ巻線２８および第２セカンダリスイッチング回路３６で消費される電力が抑制される。

また、上述のようにｎが予め定められているのではなく、デューティ比をＤ＝０．４以上０．６以下、好ましくはＤ＝０．５と定め、補機電池４０および補機コンデンサ４２の両端の電圧Ｖ_ｄｃ３が所望の値となるように巻線比ｎを設定することで、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ１２で発生するスイッチング損失が抑制される。

なお、車載用電力変換システムにおいて、第１スイッチング回路としてのプライマリスイッチング回路１８から、第２スイッチング回路としての第２セカンダリスイッチング回路３６に電力が伝送される場合、車載用電力変換システム内には次のような電力変換装置が構成される。

すなわち、１次巻線としてのプライマリ巻線２４および２次巻線としての第２セカンダリ巻線２８を備えるトランス２２と、プライマリ巻線２４に接続されたプライマリスイッチング回路１８と、第２セカンダリ巻線２８に接続された第２セカンダリスイッチング回路３６と、第２セカンダリスイッチング回路３６に含まれる中間コンデンサ３８とを備える電力変換装置が構成される。

第２セカンダリスイッチング回路３６は、第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームとして、スイッチングアームｙおよびｚを備えている。プライマリスイッチング回路１８は、第３スイッチングアームおよび第４スイッチングアームとして、スイッチングアームｕおよびｖを備えている。

この電力変換装置では、プライマリスイッチング回路１８および第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチング動作によって、プライマリスイッチング回路１８からトランス２２を介して第２セカンダリスイッチング回路３６の中間コンデンサ３８に電力が供給される。さらに、第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチング動作によって、中間コンデンサ３８から第２セカンダリ巻線２８の中途点を介して補機電池４０に電力が出力される。

プライマリスイッチング回路１８のスイッチングタイミングに応じてプライマリ巻線２４に現れる電圧の位相と、第２セカンダリスイッチング回路３６のスイッチングタイミングに応じて第２セカンダリ巻線２８に現れる電圧の位相との差異に応じて、プライマリスイッチング回路１８から第２セカンダリスイッチング回路３６に電力が伝送される。

この構成では、プライマリスイッチング回路１８および第２セカンダリスイッチング回路３６において、バッファコンデンサ２０の端子間電圧Ｖ_ｄｃ１が中間電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}に降圧され、中間電圧Ｖ_{ｄｃ，ｂｕｆ}が補機電池４０および補機コンデンサ４２の両端の電圧Ｖ_ｄｃ３に降圧される。このような段階的な降圧によって、第２セカンダリ巻線２８、スイッチング素子Ｓ９～Ｓ１２に流れる電流が小さくなり、第２セカンダリ巻線２８および第２セカンダリスイッチング回路３６で消費される電力が抑制される。

図３には、本発明の実施形態に係る電力調整回路１４の具体的な構成が示されている。電力調整回路１４は、交流端子ａ、ｂ、ｃ、ＥＭＩフィルタ５２、インダクタＬα、Ｌβ、Ｌγ、スイッチングアームα、β、γ、出力コンデンサ５６、正極端子１６Ｐおよび負極端子１６Ｎを備えている。スイッチングアームαは、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１およびＱ２を備えている。スイッチングアームβは、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３およびＱ４を備えている。スイッチングアームγは、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５およびＱ６を備えている。

スイッチングアームα、β、γおよび出力コンデンサ５６は並列に接続されている。スイッチングアームα、β、γおよび出力コンデンサ５６の並列接続点の上端には正極端子１６Ｐが接続され、下端には負極端子１６Ｎが接続されている。

交流端子ａからインダクタＬαの一端に至る経路、交流端子ｂからインダクタＬβの一端に至る経路、および交流端子ｃからインダクタＬγの一端に至る経路には、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）フィルタ５２が挿入されている。インダクタＬαの他端は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点に接続されている。インダクタＬβの他端はスイッチング素子Ｑ３およびＱ４の接続点に接続され、インダクタＬγの他端はスイッチング素子Ｑ５およびＱ６の接続点に接続されている。

電力調整回路１４は、３相モードと単相モードのいずれかの動作モードで動作する。３相モードでは、３相交流電力源５０のＵ相出力端子、Ｖ相出力端子およびＷ相出力端子が、それぞれ、交流端子ａ、ｂおよびｃに接続される。

スイッチングアームα、βおよびγはコントローラ１００によって制御される。スイッチングアームα、βおよびγは、交流端子ａ、ｂおよびｃに流れる電流の時間波形を、３相交流電力源５０が出力する３相交流電圧の時間波形に近似させ、または一致させるように、交流端子ａ、ｂおよびｃに流れる電流をスイッチングする。これによって、３相交流電力源５０から電力調整回路１４に入力される電力の力率が向上する。

電力調整回路１４は、力率を向上させる動作を実行しつつ、３相交流電力源５０から出力される３相交流電力を直流電力に変換して出力コンデンサ５６を充電し、直流電圧を正極端子１６Ｐおよび負極端子１６Ｎから出力する。

単相モードでは、交流電力源１０（単相交流電力源）の正相端子Ｌが交流端子ａおよびｂに接続され、逆相端子Ｎが交流端子ｃに接続される。スイッチングアームα、βおよびγは、交流端子ａおよびｂと、交流端子ｃに流れる電流の時間波形を、交流電力源１０が出力する交流電圧の時間波形に近似させ、または一致させるように、交流端子ａおよびｂと交流端子ｃに流れる電流をスイッチングする。これによって、交流電力源１０から電力調整回路１４に入力される電力の力率が向上する。

電力調整回路１４は、力率を向上させる動作を実行しつつ、交流電力源１０から出力される交流電力を直流電力に変換して出力コンデンサ５６を充電し、直流電圧を正極端子１６Ｐおよび負極端子１６Ｎから出力する。

図４には、３相モードにおけるＥＭＩフィルタ５２の構成が示されている。交流端子ａ，ｂおよびｃから、インダクタＬα、ＬβおよびＬγに至るまでの３相の導線（Ｕ相線、Ｖ相線およびＷ相線から構成される３相線）には、２つのコモンモードチョークコイル６０および６２が挿入されている。３相交流電力源５０と図４の左側に示されたコモンモードチョークコイル６０との間の３相線には、３つのＹ接続コンデンサＣ１～Ｃ３が接続されている。Ｙ接続コンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３のそれぞれの一端は、Ｕ相線、Ｖ相線およびＷ相線に接続されている。Ｙ接続コンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３のそれぞれの他端は、共通に接続されている。３つのＹ接続コンデンサＣ１～Ｃ３の容量は同一であってよい。

左側に示されたコモンモードチョークコイル６０と、右側に示されたコモンモードチョークコイル６２との間の３相線の相間には、３つのＹ接続コンデンサＣＵ、ＣＶおよびＣＷが接続されている。Ｙ接続コンデンサＣＵ、ＣＶおよびＣＷのそれぞれの一端は、Ｕ相線、Ｖ相線およびＷ相線に接続されている。Ｙ接続コンデンサＣＵ、ＣＶおよびＣＷのそれぞれの他端は共通に接続された上で接地されている。図４の右側に示されたコモンモードチョークコイル６２と、インダクタＬα、ＬβおよびＬγとの間の３相線には、３つのＹ接続コンデンサＣ４～Ｃ６が接続されている。Ｙ接続コンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６のそれぞれの一端は、Ｕ相線、Ｖ相線およびＷ相線に接続されている。Ｙ接続コンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６のそれぞれの他端は、共通に接続されている。３つのＹ接続コンデンサＣ４～Ｃ６の容量は同一であってもよい。ＥＭＩフィルタ５２によって３相線に発生するコモンモードノイズ、３相線の相間に発生するディファレンシャルモードノイズが抑制される。

図５には、単相モードにおけるＥＭＩフィルタ５２の構成が示されている。交流端子ａおよびｂから、インダクタＬαおよびＬβに至るまでの２本の導線が、交流電力源１０に対する一方の送電線となり、インダクタＬγから交流端子ｃに至るまでの１本の導線が交流電力源１０に対する他方の送電線となる。

Ｙ接続コンデンサＣＵ、ＣＶおよびＣＷの容量を適切に設定することで、各導線に現れるコモンモードノイズおよびディファレンシャルノイズが抑制される。Ｙ接続コンデンサＣＵ、ＣＶおよびＣＷのうち少なくとも１つは、可変容量コンデンサであってもよい。

このように電力調整回路１４は、並列接続された第１スイッチングアーム、第２スイッチングアームおよび第３スイッチングアームとして、スイッチングアームα、βおよびγを備えている。各スイッチングアームは、直列接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をそれぞれが含む。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３およびＱ５が第１スイッチング素子に相当し、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４およびＱ６が第２スイッチング素子に相当する。

電力調整回路１４は、スイッチングアームα、βおよびγのそれぞれにおける第１スイッチング素子（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）および第２スイッチング素子（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）の接続点に、インダクタＬα、ＬβおよびＬγを介して接続されたＥＭＩフィルタ５２と、各スイッチングアームの両端の並列接続点の間に接続された出力コンデンサ５６とを備えている。

ＥＭＩフィルタ５２は、交流端子ａ（第１端子）からスイッチングアームαにおけるスイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点に至る経路に一端が接続された第１コンデンサ（Ｃ１、ＣＵ、Ｃ４）と、交流端子ｂ（第２端子）からスイッチングアームβにおけるスイッチング素子Ｑ３およびＱ４の接続点に至る経路に一端が接続された第２コンデンサ（Ｃ２、ＣＶ、Ｃ５）と、交流端子ｃ（第３端子）からスイッチングアームγにおけるスイッチング素子Ｑ５およびＱ６の接続点に至る経路に一端が接続された第３コンデンサ（Ｃ３、ＣＷ、Ｃ６）とを備えている。第１コンデンサ、第２コンデンサおよび第３コンデンサのそれぞれの他端は共通に接続されている。さらに、コンデンサＣＵ、ＣＶおよびＣＷの他端は接地されている。

スイッチングアームα、βおよびγは、交流端子ａ、ｂおよびｃに３相交流電圧が印加される３相モード、または、交流端子ａおよび交流端子ｂと、交流端子ｃとの間に単相交流電圧が印加される単相モードのいずれかで動作する。

図６（ａ）には、応用例に係る電力変換システムが示されている。電力変換システムは、電池７０－１～７０－Ｎ、スイッチング回路７２－１～７２－Ｎ、着脱自在巻線７４－１～７４－Ｎおよびコア６６を備えている。電池７０－１～７０－Ｎの各正極端子および各負極端子は、それぞれ、スイッチング回路７２－１～７２－Ｎに接続されている。電池７０－１～７０－Ｎのうちいずれかには負荷回路が接続されてもよい。着脱自在巻線７４－１～７４－Ｎの各両端は、それぞれ、スイッチング回路７２－１～７２－Ｎに接続されている。各着脱自在巻線７４－１～７４－Ｎはコア６６に対して着脱自在であり、コア６６に固定されているときは、他の着脱自在巻線に磁気的に結合する。

スイッチング回路７２－１～７２－Ｎは、図１に示された第１セカンダリスイッチング回路３０、または、第２セカンダリスイッチング回路３６のいずれかと同様の構成を有してよい。図６（ａ）に示されているスイッチング回路７２－３を除くスイッチング回路は、図６（ｂ）に示されているように、第１セカンダリスイッチング回路３０と同一の構成を有している。また、スイッチング回路７２－３は、図６（ｃ）に示されているように、第２セカンダリスイッチング回路３６と同一の構成を有している。

第１セカンダリスイッチング回路３０と同一の構成を有するスイッチング回路については、第１セカンダリスイッチング回路３０において主機電池３４が接続されていた箇所に相当する箇所に電池が接続される。第２セカンダリスイッチング回路３６と同一の構成を有するスイッチング回路については、第２セカンダリスイッチング回路３６において補機電池４０が接続されていた箇所に相当する箇所に電池が接続される。

電力変換システムでは、ある１つのスイッチング回路のスイッチングの位相と、他のスイッチング回路のスイッチングの位相との差異に応じて、その１つのスイッチング回路と他のスイッチング回路との間で、それぞれに接続された着脱自在巻線を介して電力が授受される。すなわち、スイッチング回路７２－１～７２－Ｎの相互のスイッチング位相差に応じて、スイッチング回路７２－１～７２－Ｎの相互間で電力が授受される。

このような構成では、着脱自在巻線がコア６６から着脱自在である。そのため、用いられるスイッチング回路の数を容易に増減することができる。また、第２セカンダリスイッチング回路３６と同一の回路構成を採用することで、巻線およびスイッチング回路における電力損失が抑制される。

１０交流電力源、１２－１，１２－２，ａ，ｂ，ｃ交流端子、１４電力調整回路、１６Ｐ正極端子、１６Ｎ負極端子、１８プライマリスイッチング回路、２０バッファコンデンサ、２２トランス、２４プライマリ巻線、２６第１セカンダリ巻線、２８第２セカンダリ巻線、３０第１セカンダリスイッチング回路、３２主機コンデンサ、３４主機電池、３６第２セカンダリスイッチング回路、３８中間コンデンサ、４０補機電池、４２補機コンデンサ、５０３相交流電力源、５２ＥＭＩフィルタ、５６出力コンデンサ、６０，６２コモンモードチョークコイル、７０－１～７０－Ｎ電池、７２－１～７２－Ｎスイッチング回路、７４－１～７４－Ｎ着脱自在巻線、１００コントローラ、Ｓ１～Ｓ１２，Ｑ１～Ｑ６スイッチング素子、ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚ，α，β，γ スイッチングアーム。

Claims

並列接続された第１スイッチングアーム、第２スイッチングアームおよび第３スイッチングアームであって、直列接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をそれぞれが含む第１スイッチングアーム、第２スイッチングアームおよび第３スイッチングアームと、
前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアームおよび前記第３スイッチングアームのそれぞれにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に接続されたフィルタと、
前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアームおよび前記第３スイッチングアームの両端の並列接続点の間に接続された出力コンデンサと、を備え、
前記フィルタは、
第１端子から前記第１スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に至る経路に一端が接続された第１コンデンサと、
第２端子から前記第２スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に至る経路に一端が接続された第２コンデンサと、
第３端子から前記第３スイッチングアームにおける第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の接続点に至る経路に一端が接続された第３コンデンサと、
前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサおよび前記第３コンデンサのそれぞれの他端は共通に接続され、接地されており、
前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアームおよび前記第３スイッチングアームは、
前記第１端子、前記第２端子および前記第３端子に３相交流電圧が印加される３相モード、または、前記第１端子および前記第２端子と、前記第３端子との間に単相交流電圧が印加される単相モードのいずれかで動作し、
前記３相モードは、
前記第１端子、前記第２端子および前記第３端子における各電圧の時間波形に、前記第１端子、前記第２端子および前記第３端子における各電流の時間波形を近似させまたは一致させるスイッチング動作モードであり、
前記単相モードは、
前記第１端子および前記第２端子における電圧の時間波形に、前記第１端子および前記第２端子に流れる電流の時間波形を近似させまたは一致させるスイッチング動作モードであることを特徴とする電力調整回路。