JP4401418B2

JP4401418B2 - 双方向ｄｃ／ｄｃコンバータおよびパワーコンディショナ

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Inventors: 亮二松井; 和仁西村
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Description

本発明は、直流電力を双方向にやり取りする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよびパワーコンディショナに関する。

蓄電池への充放電など、直流電力を双方向にやり取りする場合、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが必要となり、このような双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、これまでにも多く開発されている。

たとえば、特許文献１には、以下のような絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。すなわち、特許文献１の図１において、メインバッテリ１から補機バッテリ５への降圧給電は次のように達成される。ＮＭＯＳトランジスタ２１１，２１４のペアと、ＮＭＯＳトランジスタ２１２，２１３のペアとを所定の周期で交互にオンすることにより、単相矩形波交流電圧を発生する。この単相矩形波交流電圧をトランス３で降圧し、スイッチング・整流部４１で単相全波整流し、２次側平滑回路４２で平滑して、補機バッテリ５に印加する。また、補機バッテリ５からメインバッテリ１への昇圧給電は次のように達成される。スイッチング・整流部４１のＮＭＯＳトランジスタ４１１，４１２を両方ともオンして、チョークコイル４２１に磁気エネルギーを蓄積する。次にＮＭＯＳトランジスタ４１１をオフする。これにより、ＮＭＯＳトランジスタ４１２側を通じて補機バッテリ５の出力電圧が昇圧されて、トランス３の一次コイルに交流電圧成分が発生する。そして、この交流電圧成分が単相インバータ回路２１のフライホイルダイオードＤにより全波整流され、１次側平滑回路２２で平滑されてメインバッテリ１を充電する。
特開２００２−１６５４４８号公報

特許文献１記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチ素子４１１，４１２は、それぞれの素子がオフしている状態において、補機バッテリ５から印加される電圧に加え、チョークコイル４２１に磁気エネルギーが蓄積されて昇圧された電圧が印加されている状態でオンする。また、スイッチ素子４１１，４１２が両方オンしてスイッチ素子４１１，４１２へ電流が流れている状態でオフしなければならないため、オフする瞬間にスイッチ素子４１１，４１２へかかる負担が大きい。特に太陽電池および蓄電池から電力を授受して電力系統と連系しているパワーコンディショナにおいては、電力系統からの電圧はＡＣ２００Ｖである。このため、特許文献１記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチ素子４１１，４１２へ印加される過渡電圧が大きくなり、高耐圧のスイッチ素子を選定せざるをえない。一般的にスイッチ素子は耐圧が高くなればなるほどオン抵抗が増加する。オン抵抗が増加すると、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの効率低下およびスイッチ素子の廃熱処理のためのヒートシンクの大型化が問題になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スイッチ素子による損失を低減し、かつ耐電圧の低いスイッチ素子を使用することが可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよびパワーコンディショナを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１の電圧端子ないし第４の電圧端子を備え、第１の電圧端子および第２の電圧端子に印加される直流電圧を所定の直流電圧に変換して第３の電圧端子および第４の電圧端子
へ供給する順方向動作、および第３の電圧端子および第４の電圧端子に印加される直流電圧を所定の直流電圧に変換して第１の電圧端子および第２の電圧端子へ供給する逆方向動作を行なう双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであって、第１の巻線および第２の巻線を含む絶縁トランスと、第１の電圧端子および第２の電圧端子と第１の巻線との間に接続され、順方向動作において、第１の電圧端子および第２の電圧端子に印加された直流電圧を交流電圧に変換して第１の巻線へ出力し、逆方向動作において、第１の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して第１の電圧端子および第２の電圧端子へ出力する第１の双方向直交変換回路と、第３の電圧端子および第４の電圧端子と第２の巻線との間に接続され、順方向動作において、第２の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して第３の電圧端子および第４の電圧端子へ出力し、逆方向動作において、第３の電圧端子および第４の電圧端子に印加された直流電圧を交流電圧に変換して第２の巻線へ出力する第２の双方向直交変換回路とを備え、第２の双方向直交変換回路は、第２の巻線の両端にそれぞれ結合された第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を含むプッシュプル回路と、プッシュプル回路、第３の電圧端子および第４の電圧端子に結合された昇圧回路とを含み、昇圧回路は、蓄えられた磁気エネルギーによって第２の巻線、オン状態の第１のスイッチ素子およびオン状態の第２のスイッチ素子を通して電流を流すためのインダクタと、オンすることにより第３の電圧端子、インダクタおよび第４の電圧端子を経由し、かつ第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を経由しない電流経路を形成する第３のスイッチ素子とを含み、逆方向動作において、第３のスイッチ素子はオン状態およびオフ状態を繰り返し、第３のスイッチ素子がオン状態であるときに第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のオン状態およびオフ状態が切り替わる。

好ましくは、インダクタは、第２の巻線の両端以外の箇所に接続された第１端と、第３の電圧端子に接続された第２端とを有し、第１のスイッチ素子は、第２の巻線の第１端に接続された第１端と、第４の電圧端子に接続された第２端とを有し、第２のスイッチ素子は、第２の巻線の第２端に接続された第１端と、第４の電圧端子に接続された第２端とを有し、第３のスイッチ素子は、インダクタの第１端に接続された第１端と、第４の電圧端子に接続された第２端とを有する。
好ましくは、逆方向動作において、第３のスイッチ素子がオン状態であり、かつ第２のスイッチ素子がオフ状態であるときに第１のスイッチ素子がオンし、第１のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に第３のスイッチ素子がオフし、第３のスイッチ素子がオフしてから所定時間経過時に第３のスイッチ素子がオンし、第３のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に第１のスイッチ素子がオフし、第１のスイッチ素子がオフしてから所定時間経過時に第２のスイッチ素子がオンし、第２のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に第３のスイッチ素子がオフし、第３のスイッチ素子がオフしてから所定時間経過時に第３のスイッチ素子がオンし、第３のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に第２のスイッチ素子がオフする。

好ましくは、第１の双方向直交変換回路はハーフブリッジ回路を含む。
好ましくは、第１の双方向直交変換回路は、ボディダイオードを有し、１次巻線の第１端と第１の電圧端子との間に接続された第４のスイッチ素子と、ボディダイオードを有し、１次巻線の第１端と第２の電圧端子との間に第４のスイッチ素子と並列に接続された第５のスイッチ素子とを含み、順方向動作において、第４のスイッチ素子および第５のスイッチ素子がオン・オフされ、逆方向動作において、第４のスイッチ素子および第５のスイッチ素子がいずれもオフされ、１次巻線に誘起された電流が第４のスイッチ素子の有するボディダイオードおよび第５のスイッチ素子の有するボディダイオードによって整流される。

好ましくは、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子は、ボディダイオードを有し、逆方向動作において、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子がオン・オフされ、順方向動作において、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子がいずれもオフされ、２次巻線に誘起された電流が第１のスイッチ素子の有するボディダイオードおよび第２のスイッチ素子の有するボディダイオードによって整流される。

好ましくは、第３の電圧端子および第４の電圧端子には、２次電池が結合される。
好ましくは、第２の双方向直交変換回路は、さらに、第３の電圧端子と第４の電圧端子との間に接続された平滑用コンデンサを含み、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、さらに、平滑用コンデンサおよびインダクタと第３の電圧端子との間に接続され、第３の電圧端子および第４の電圧端子に印加される直流電圧による突入電流を防止する突入電流防止回路を備える。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるパワーコンディショナは、直流電力源、蓄電装置および電力系統に結合され、電力系統との連系を行ない、負荷に電力を供給するパワーコンディショナであって、直流電力源から受けた直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する単方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電装置の充電時、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータから受けた直流電圧を所定の直流電圧に変換して蓄電装置へ供給する順方向動作を行ない、蓄電装置の放電時、蓄電装置から受けた直流電圧を所定の直流電圧に変換してインバータへ供給する逆方向動作を行なう双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよび双方向ＤＣ／ＤＣコンバータから受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータとを備え、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１の巻線および第２の巻線を含む絶縁トランスと、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータと第１の巻線との間に接続され、順方向動作において、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータから受けた直流電圧を交流電圧に変換して第１の巻線へ出力し、逆方向動作において、第１の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑してインバータへ出力する第１の双方向直交変換回路と、蓄電装置と第２の巻線との間に接続され、順方向動作において、第２の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して蓄電装置へ出力し、逆方向動作において、蓄電装置から受けた直流電圧を交流電圧に変換して第２の巻線へ出力する第２の双方向直交変換回路とを含み、第２の双方向直交変換回路は、第２の巻線の両端にそれぞれ結合された第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を含むプッシュプル回路と、プッシュプル回路および蓄電装置に結合された昇圧回路とを含み、昇圧回路は、蓄えられた磁気エネルギーによって第２の巻線、オン状態の第１のスイッチ素子およびオン状態の第２のスイッチ素子を通して電流を流すためのインダクタと、オンすることにより蓄電装置およびインダクタを経由し、かつ第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を経由しない電流経路を形成する第３のスイッチ素子とを含み、逆方向動作において、第３のスイッチ素子はオン状態およびオフ状態を繰り返し、第３のスイッチ素子がオン状態であるときに第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のオン状態およびオフ状態が切り替わる。

本発明によれば、スイッチ素子による損失を低減し、かつ耐電圧の低いスイッチ素子を使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
［構成および基本動作］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るパワーコンディショナの構成を示す図である。

図１を参照して、パワーコンディショナ３０１は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１と、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１と、インバータ２０２とを備える。パワーコンディショナ３０１は、電力系統３０４と連系している。

蓄電装置３０３の充電時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１から受けた直流電圧をたとえば降圧して蓄電装置３０３へ出力する。蓄電装置３０３の放電時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、蓄電装置３０３から受けた直流電圧をたとえば昇圧してインバータ２０２へ出力する。

単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１は、直流電力源３０２から供給された直流電圧を所定の直流電圧に変換してインバータ２０２へ出力する。インバータ２０２は、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷３０５に供給する。また、電力系統３０４は、パワーコンディショナ３０１を介して交流電圧を負荷３０５に供給する。なお、パワーコンディショナ３０１は、逆潮流を行なう構成であってもよい。すなわち、インバータ２０２が、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１から受けた直流電圧を交流電圧に変換して電力系統３０４に供給する構成であってもよい。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。

図２を参照して、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、電圧端子Ｔ１〜Ｔ４と、第１の双方向直交変換回路８１と、絶縁トランス５１と、第２の双方向直交変換回路８２とを備える。第１の双方向直交変換回路８１は、たとえばハーフブリッジ回路であり、スイッチ素子１１，１２と、コンデンサ３１，３２とを含む。絶縁トランス５１は、１次巻線Ｍ１と、２次巻線Ｍ２とを含む。第２の双方向直交変換回路８２は、プッシュプル回路７１と、昇圧回路７２と、平滑用コンデンサ３３とを含む。プッシュプル回路７１は、スイッチ素子２１，２２を含む。昇圧回路７２は、コイル（インダクタ）４１と、スイッチ素子２３とを含む。

以下、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１において、トランス５１を挟んで第１の直流電力源６１側を１次側と称し、第２の直流電力源６２側を２次側と称する場合がある。

スイッチ素子１１，１２およびスイッチ素子２１，２２は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。絶縁トランス５１の巻数比はたとえば１：１である。

１次側において、スイッチ素子１１は、コンデンサ３１の第１端および電圧端子Ｔ１に接続されたコレクタと、１巻線Ｍ１の第１端に接続されたエミッタとを有する。スイッチ素子１１が有するボディダイオードのカソードがスイッチ素子１１のコレクタに相当し、アノードがスイッチ素子１１のエミッタに相当する。スイッチ素子１２は、コンデンサ３２の第２端および電圧端子Ｔ２に接続されたエミッタと、１巻線Ｍ１の第１端に接続されたコレクタとを有する。スイッチ素子１２が有するボディダイオードのカソードがスイッチ素子１２のコレクタに相当し、アノードがスイッチ素子１２のエミッタに相当する。コンデンサ３１の第２端およびコンデンサ３２の第１端が１次巻線Ｍ１の第２端に接続されている。

２次側において、スイッチ素子２１は、２巻線Ｍ２の第１端に接続されたコレクタと、電圧端子Ｔ４に接続されたエミッタとを有する。スイッチ素子２１が有するボディダイオードのカソードがスイッチ素子２１のコレクタに相当し、アノードがスイッチ素子２１のエミッタに相当する。スイッチ素子２２は、２巻線Ｍ２の第２端に接続されたコレクタと、電圧端子Ｔ４に接続されたエミッタとを有する。スイッチ素子２２が有するボディダイオードのカソードがスイッチ素子２２のコレクタに相当し、アノードがスイッチ素子２２のエミッタに相当する。コイル４１は、２巻線Ｍ２の両端以外の箇所（中途点）に接続された第１端と、電圧端子Ｔ３に接続された第２端とを有する。スイッチ素子２３は、コイル４１の第１端に接続されたコレクタと、電圧端子Ｔ４に接続されたエミッタとを有する。スイッチ素子２３が有するボディダイオードのカソードがスイッチ素子２３のコレクタに相当し、アノードがスイッチ素子２３のエミッタに相当する。平滑用コンデンサ３３は、電圧端子Ｔ３に接続された第１端と、電圧端子Ｔ４に接続された第２端とを有する。

第１の直流電力源６１は、図１に示す直流電力源３０２に相当し、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１を介して電圧端子Ｔ１およびＴ２に直流電圧を印加する。第２の直流電力源６２は、図１に示す蓄電装置３０３に相当し、電圧端子Ｔ３およびＴ４に直流電圧を印加する。すなわち、電圧端子Ｔ１およびＴ２には単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１およびインバータ２０２が接続されている。電圧端子Ｔ３およびＴ４には蓄電装置３０３が接続されている。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、電圧端子Ｔ１およびＴ２に印加される直流電圧を変換して電圧端子Ｔ３およびＴ４へ供給する順方向動作、および電圧端子Ｔ３およびＴ４に印加される直流電圧を変換して電圧端子Ｔ１およびＴ２へ供給する逆方向動作を行なう。

第１の双方向直交変換回路８１は、電圧端子Ｔ１およびＴ２と１次巻線Ｍ１との間に接続され、順方向動作において、電圧端子Ｔ１およびＴ２に印加された直流電圧を交流電圧に変換して１次巻線Ｍ１へ出力し、逆方向動作において、１次巻線Ｍ１に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して電圧端子Ｔ１およびＴ２へ出力する。

第２の双方向直交変換回路８２は、電圧端子Ｔ３およびＴ４と２次巻線Ｍ２との間に接続され、順方向動作において、２次巻線Ｍ２に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して電圧端子Ｔ３およびＴ４へ出力し、逆方向動作において、電圧端子Ｔ３およびＴ４に印加された直流電圧を交流電圧に変換して２次巻線Ｍ２へ出力する。

［順方向動作］
以下、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の順方向動作について説明する。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの順方向動作におけるスイッチ制御を示す図である。

図３を参照して、順方向動作においては、スイッチ素子２１〜２３はすべてオフされる。

まず、スイッチ素子１２をオフし、スイッチ素子１１をオンすると、スイッチ素子１１、トランス５１の１次巻線Ｍ１およびコンデンサ３２を通る電流ループが形成されることにより、第１の直流電力源６１から供給された電力が２次側へ伝達される。２次側において、２次巻線Ｍ２において誘起された交流電圧はスイッチ素子２２のボディダイオードによって整流され、平滑用コンデンサ３３によって平滑され、電圧端子Ｔ３および電圧端子Ｔ４へ供給される。この間、スイッチ素子２２は同期整流を行なってもよい（タイミングＴ１）。

次に、スイッチ素子１１をオフすると、１次側から２次側への電力供給が停止される（タイミングＴ２）。

次に、スイッチ素子１２をオンすると、コンデンサ３１、トランス５１の１次巻線Ｍ１およびスイッチ素子１２を通る電流ループが形成されることにより、第１の直流電力源６１から供給された電力が２次側へ伝達される。２次側において、２次巻線Ｍ２において誘起された交流電圧はスイッチ素子２１のボディダイオードによって整流され、平滑用コンデンサ３３によって平滑され、電圧端子Ｔ３および電圧端子Ｔ４へ供給される。この間、スイッチ素子２１は同期整流を行なってもよい（タイミングＴ３）。

次に、スイッチ素子１２をオフすると、１次側から２次側への電力供給が停止される（タイミングＴ４）。そして、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、タイミングＴ１〜Ｔ４の動作を繰り返す（タイミングＴ５）。

［逆方向動作］
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の逆方向動作について説明する前に、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータがスイッチ素子２３を備えないと仮定した場合における、スイッチ素子２１および２２に印加される電圧について説明する。

ここでは、第１の直流電力源６１の出力電圧を４００Ｖとし、第２の直流電力源６２の出力電圧を２００Ｖとし、トランス５１の巻数比を１：１とする。また、細かい電圧変動は無視するなど説明を簡単にする。

まず、１次側から２次側へ電力を供給する順方向動作において、１次側の第１の双方向直交変換回路８１がハーフブリッジ回路であることから、コンデンサ３１および３２の各々に印加される電圧は２００Ｖであり、トランス５１の１次巻線Ｍ１に印加される電圧も２００Ｖである。ここで、トランス５１の巻数比は１：１であることから、ノードＡすなわち２次巻線Ｍ２の第１端およびノードＢすなわち２次巻線Ｍ２の中途点間に２００Ｖの電圧が印加され、ノードＣすなわち２次巻線Ｍ２の第２端およびノードＢ間に２００Ｖの電圧が印加される。したがって、ノードＡおよびノードＣ間には４００Ｖの電圧が印加され、この印加を阻止するために働くスイッチ素子２１および２２にも４００Ｖの電圧が印加される。

次に、２次側から１次側へ電力を供給する逆方向動作において、スイッチ素子２１および２２が両方オンしている間にコイル４１にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチ素子２１および２２のいずれか一方がオフしたときに１次側へ電力が伝達される。したがって、スイッチ素子２１および２２が両方オンして１次側へ電力を伝達していない期間と、スイッチ素子２１および２２のいずれか一方をオフして１次側へ電力を伝達している期間とが存在する以上、１次側へ電力を伝達する期間において、１次側への印加電圧は少なくとも４００Ｖ以上は絶対に必要である。１次側への印加電圧は、スイッチングのデューティー比の影響を受けるが、実質的には６００Ｖ程度は必要になると考えられるため、スイッチ素子２１および２２の耐電圧もこの６００Ｖに対応する量が要求される。特に、スイッチングの瞬間の過渡電圧を考慮すると、さらに高い耐電圧のスイッチ素子を使用せざるをえなくなる。

しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチ素子２３を備えることにより、上記問題点を解決する。以下、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の逆方向動作について説明する。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの逆方向動作におけるスイッチ制御を示す図である。

図４を参照して、逆方向動作においては、スイッチ素子１１，１２はいずれもオフされる。

［コイル４１のエネルギー蓄積動作１］
まず、スイッチ素子２１および２２をオフし、スイッチ素子２３をオンすると、第２の直流電力源６２はコイル４１に電力を蓄え始める（タイミングＴ１）。

次に、スイッチ素子２２をオンする。このとき、第２の直流電力源６２からの電圧がすべてコイル４１に印加されている。したがって、スイッチ素子２２には電圧が印加されない、すなわちスイッチ素子２２はゼロ電圧スイッチングを達成する。この間もコイル４１にはエネルギーが蓄えられている（タイミングＴ２）。

［第１の直流電力源６１への昇圧電力供給動作１］
次に、スイッチ素子２３をオフすると、コイル４１に蓄えられたエネルギーが、トランス５１を介して電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ供給される。より詳細には、１次側において、１次巻線Ｍ１において誘起された交流電圧はスイッチ素子１１のボディダイオードによって整流され、コンデンサ３２によって平滑され、電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ供給される。すなわち、第１の双方向直交変換回路８１における電流は、スイッチ素子１１のボディダイオードおよびコンデンサ３２を通過して電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ供給される。なお、スイッチ素子１１のボディダイオードに電流が流れる際、スイッチ素子１１は同期整流を行なってもよい（タイミングＴ３）。

［コイル４１のエネルギー蓄積動作２］
次に、スイッチ素子２３をオンすると、第２の直流電力源６２はコイル４１に電力を蓄え始める（タイミングＴ４）。

次に、スイッチ素子２２をオフする。このとき、第２の直流電力源６２、コイル４１およびスイッチ素子２３を通してこの順に電流が流れる電流経路が形成されている。したがって、スイッチ素子２２には電流が流れない、すなわちスイッチ素子２２はゼロ電流スイッチングを達成する。この間もコイル４１にエネルギーが蓄えられている（タイミングＴ５）。

次に、スイッチ素子２１をオンする。このとき、第２の直流電力源６２からの電圧がすべてコイル４１に印加されている。したがって、スイッチ素子２１はゼロ電圧スイッチングを達成する。この間もコイル４１にエネルギーが蓄えられている（タイミングＴ６）。

［第１の直流電力源６１への昇圧電力供給動作２］
次に、スイッチ素子２３をオフすると、コイル４１に蓄えられたエネルギーが、トランス５１を介して電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ供給される。より詳細には、１次側において、１次巻線Ｍ１において誘起された交流電圧はスイッチ素子１２のボディダイオードによって整流され、コンデンサ３１によって平滑され、電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ供給される。すなわち、第１の双方向直交変換回路８１における電流は、スイッチ素子１２のボディダイオードおよびコンデンサ３１を通過して電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ供給される。なお、スイッチ素子１２のボディダイオードに電流が流れる際、スイッチ素子１２は同期整流を行ってもよい（タイミングＴ７）。

［コイル４１のエネルギー蓄積動作３］
次に、スイッチ素子２３をオンすると、第２の直流電力源６２はコイル４１にエネルギーを蓄え始める（タイミングＴ８）。

次に、スイッチ素子２１をオフする。このとき、第２の直流電力源６２、コイル４１およびスイッチ素子２３を通してこの順に電流が流れる電流経路が形成されている。したがって、スイッチ素子２１には電流が流れない、すなわちスイッチ素子２１はゼロ電流スイッチングを達成する（タイミングＴ９）。そして、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、タイミングＴ１〜Ｔ９の動作を繰り返す。

ところで、特許文献１記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチ素子へ印加される過渡電圧が大きくなるため、高耐圧のスイッチ素子を選定する必要があり、オン抵抗の増加によって双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの効率が低下し、スイッチ素子の廃熱処理のためのヒートシンクが大型化するという問題点があった。

しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、オンすることにより電圧端子Ｔ３、コイル４１および電圧端子Ｔ４をこの順番に経由し、かつスイッチ素子２１およびスイッチ素子２２を経由しない電流経路を形成するスイッチ素子２３が昇圧回路７２内に設けられる。そして、第２の直流電力源６２から電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ電力を供給する際は、スイッチ素子２３をオンしてコイル４１にエネルギーを蓄積している間にプッシュプル回路７１内のスイッチ素子２１および２２をオン・オフし、ゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングを達成する。

これにより、スイッチ素子２１および２２のスイッチング損失を減らすことが可能となり、スイッチ素子２１および２２に印加される電圧は理想的にはゼロになる。よってスイッチ素子２１および２２については第１の直流電力源６１から電圧端子Ｔ３および電圧端子Ｔ４へ電力を供給する際の耐電圧のみを考慮すればよく、低耐圧のものを使用可能となり、その結果スイッチ素子２１および２２素子のオン抵抗を小さくすることができる。第２の直流電力源６２から電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２へ電力を供給する際は、プッシュプル回路７１内のスイッチ素子２１および２２を通して電流が必ず流れるため、スイッチ素子２１および２２を電力が通過する際の損失が減り、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１の効率を向上させることができる。また、スイッチ素子２１および２２のオン抵抗低減に伴いスイッチ素子２１および２２の排熱量が減り、ヒートシンクの小型化が可能となる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、第１の双方向直交変換回路８１としてハーフブリッジ回路を使用する。このような構成により、第１の直流電力源６１および第２の直流電力源６２の電圧差がおよそ倍程度と大きくなる。このように第１の直流電力源６１の電圧と第２の直流電力源６２の電圧との差が大きい場合、昇圧回路７２を備える本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの奏する効果は大きい。

また、平滑用コンデンサ３３は、順方向動作において電力を平滑化させる効果を奏し、一般的に高容量の電解コンデンサを使用する必要がある。ここで、第２の直流電力源６２が２次電池である場合、平滑用コンデンサ３３をこの２次電池が兼ねることが可能である。したがって、平滑用コンデンサ３３が不要となるか、あるいは低容量のコンデンサを使用することができる。

なお、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでは、第１の双方向直交変換回路８１はハーフブリッジ回路であるとしたが、これに限定するものではない。フルブリッジ回路など、ＤＣ／ＤＣコンバータで使用される一般的な回路を使用してもよい。また、第１の直流電力源６１および第２の直流電力源６２の電圧差に応じて、絶縁トランス５１の巻数比を変えてもよい。

また、コイル４１のエネルギー蓄積時間と、第１の直流電力源６１への昇圧電力供給時間とを調整することにより、電圧端子Ｔ１および電圧端子Ｔ２への供給電圧レベルを制御することが可能である。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと比べて保護回路を追加した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。

図５を参照して、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと比べて、さらに、突入電流防止回路７３を備える。突入電流防止回路７３は、コイル４１の第２端および平滑用コンデンサ３３の第１端と電圧端子Ｔ３との間に並列に接続された抵抗４２およびスイッチ素子４３を含む。

初期状態すなわち双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２への電源投入直後においては、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２内の平滑用コンデンサ３３には電荷が蓄積されていないため、電圧端子Ｔ３およびＴ４に電池等の第２の直流電力源６２を接続すると短絡状態となり、第２の直流電力源６２から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２へ突入電流が流れてしまう。

このため、初期状態では突入電流防止回路７３のスイッチ４３をオフし、抵抗４２を介した状態で平滑用コンデンサ３３に電力を供給する。一定時間経過後すなわち平滑用コンデンサ３３に十分な電荷を蓄積するための時間が経過した後、スイッチ４３をオンして通常運転に移行する。このような構成により、第２の直流電力源６２から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２へ突入電流が流れることを防ぐことができる。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係るパワーコンディショナの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの順方向動作におけるスイッチ制御を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの逆方向動作におけるスイッチ制御を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。

符号の説明

１１，１２，２１，２２，２３スイッチ素子、３１，３２コンデンサ、３３平滑用コンデンサ、４１コイル（インダクタ）、４２抵抗、４３スイッチ素子、５１絶縁トランス、７１プッシュプル回路、７２昇圧回路、７３突入電流防止回路、８１第１の双方向直交変換回路、８２第２の双方向直交変換回路、１０１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０１単方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０２インバータ、３０１パワーコンディショナ、３０４電力系統、Ｔ１〜Ｔ４電圧端子、Ｍ１１次巻線、Ｍ２２次巻線。

Claims

第１の電圧端子ないし第４の電圧端子を備え、前記第１の電圧端子および前記第２の電圧端子に印加される直流電圧を所定の直流電圧に変換して前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子へ供給する順方向動作、および前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子に印加される直流電圧を所定の直流電圧に変換して前記第１の電圧端子および前記第２の電圧端子へ供給する逆方向動作を行なう双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
第１の巻線および第２の巻線を含む絶縁トランスと、
前記第１の電圧端子および前記第２の電圧端子と前記第１の巻線との間に接続され、前記順方向動作において、前記第１の電圧端子および前記第２の電圧端子に印加された直流電圧を交流電圧に変換して前記第１の巻線へ出力し、前記逆方向動作において、前記第１の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して前記第１の電圧端子および前記第２の電圧端子へ出力する第１の双方向直交変換回路と、
前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子と前記第２の巻線との間に接続され、前記順方向動作において、前記第２の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子へ出力し、前記逆方向動作において、前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子に印加された直流電圧を交流電圧に変換して前記第２の巻線へ出力する第２の双方向直交変換回路とを備え、
前記第２の双方向直交変換回路は、
前記第２の巻線の両端にそれぞれ結合された第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を含むプッシュプル回路と、
前記プッシュプル回路、前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子に結合された昇圧回路とを含み、
前記昇圧回路は、
蓄えられた磁気エネルギーによって前記第２の巻線、オン状態の前記第１のスイッチ素子およびオン状態の前記第２のスイッチ素子を通して電流を流すためのインダクタと、
オンすることにより前記第３の電圧端子、前記インダクタおよび前記第４の電圧端子を経由し、かつ前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を経由しない電流経路を形成する第３のスイッチ素子とを含み、
前記逆方向動作において、前記第３のスイッチ素子はオン状態およびオフ状態を繰り返し、前記第３のスイッチ素子がオン状態であるときに前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子のオン状態およびオフ状態が切り替わる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記インダクタは、前記第２の巻線の両端以外の箇所に接続された第１端と、前記第３の電圧端子に接続された第２端とを有し、
前記第１のスイッチ素子は、前記第２の巻線の第１端に接続された第１端と、前記第４の電圧端子に接続された第２端とを有し、
前記第２のスイッチ素子は、前記第２の巻線の第２端に接続された第１端と、前記第４の電圧端子に接続された第２端とを有し、
前記第３のスイッチ素子は、前記インダクタの第１端に接続された第１端と、前記第４の電圧端子に接続された第２端とを有する請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記逆方向動作において、前記第３のスイッチ素子がオン状態であり、かつ前記第２のスイッチ素子がオフ状態であるときに前記第１のスイッチ素子がオンし、前記第１のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に前記第３のスイッチ素子がオフし、前記第３のスイッチ素子がオフしてから所定時間経過時に前記第３のスイッチ素子がオンし、前記第３のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に前記第１のスイッチ素子がオフし、前記第１のスイッチ素子がオフしてから所定時間経過時に前記第２のスイッチ素子がオンし、前記第２のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に前記第３のスイッチ素子がオフし、前記第３のスイッチ素子がオフしてから所定時間経過時に前記第３のスイッチ素子がオンし、前記第３のスイッチ素子がオンしてから所定時間経過時に前記第２のスイッチ素子がオフする請求項１または２に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記第１の双方向直交変換回路はハーフブリッジ回路を含む請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記第１の双方向直交変換回路は、
ボディダイオードを有し、前記１次巻線の第１端と前記第１の電圧端子との間に接続された第４のスイッチ素子と、
ボディダイオードを有し、前記１次巻線の第１端と前記第２の電圧端子との間に前記第４のスイッチ素子と並列に接続された第５のスイッチ素子とを含み、
前記順方向動作において、前記第４のスイッチ素子および前記第５のスイッチ素子がオン・オフされ、前記逆方向動作において、前記第４のスイッチ素子および前記第５のスイッチ素子がいずれもオフされ、前記１次巻線に誘起された電流が前記第４のスイッチ素子の有するボディダイオードおよび前記第５のスイッチ素子の有するボディダイオードによって整流される請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子は、ボディダイオードを有し、
前記逆方向動作において、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子がオン・オフされ、前記順方向動作において、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子がいずれもオフされ、前記２次巻線に誘起された電流が前記第１のスイッチ素子の有するボディダイオードおよび前記第２のスイッチ素子の有するボディダイオードによって整流される請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子には、２次電池が結合される請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記第２の双方向直交変換回路は、さらに、
前記第３の電圧端子と前記第４の電圧端子との間に接続された平滑用コンデンサを含み、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、さらに、
前記平滑用コンデンサおよび前記インダクタと前記第３の電圧端子との間に接続され、前記第３の電圧端子および前記第４の電圧端子に印加される直流電圧による突入電流を防止する突入電流防止回路を備える請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
直流電力源、蓄電装置および電力系統に結合され、前記電力系統との連系を行ない、負荷に電力を供給するパワーコンディショナであって、
前記直流電力源から受けた直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する単方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記蓄電装置の充電時、前記単方向ＤＣ／ＤＣコンバータから受けた直流電圧を所定の直流電圧に変換して前記蓄電装置へ供給する順方向動作を行ない、前記蓄電装置の放電時、前記蓄電装置から受けた直流電圧を所定の直流電圧に変換して前記インバータへ供給する逆方向動作を行なう双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記単方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータから受けた直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給するインバータとを備え、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、
第１の巻線および第２の巻線を含む絶縁トランスと、
前記単方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記インバータと前記第１の巻線との間に接続され、前記順方向動作において、前記単方向ＤＣ／ＤＣコンバータから受けた直流電圧を交流電圧に変換して前記第１の巻線へ出力し、前記逆方向動作において、前記第１の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して前記インバータへ出力する第１の双方向直交変換回路と、
前記蓄電装置と前記第２の巻線との間に接続され、前記順方向動作において、前記第２の巻線に誘起された交流電圧を整流かつ平滑して前記蓄電装置へ出力し、前記逆方向動作において、前記蓄電装置から受けた直流電圧を交流電圧に変換して前記第２の巻線へ出力する第２の双方向直交変換回路とを含み、
前記第２の双方向直交変換回路は、
前記第２の巻線の両端にそれぞれ結合された第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を含むプッシュプル回路と、
前記プッシュプル回路および前記蓄電装置に結合された昇圧回路とを含み、
前記昇圧回路は、
蓄えられた磁気エネルギーによって前記第２の巻線、オン状態の前記第１のスイッチ素子およびオン状態の前記第２のスイッチ素子を通して電流を流すためのインダクタと、
オンすることにより前記蓄電装置および前記インダクタを経由し、かつ前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を経由しない電流経路を形成する第３のスイッチ素子とを含み、
前記逆方向動作において、前記第３のスイッチ素子はオン状態およびオフ状態を繰り返し、前記第３のスイッチ素子がオン状態であるときに前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子のオン状態およびオフ状態が切り替わるパワーコンディショナ。