JP4939580B2 - Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に関するものである。

従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、例えば相補的にスイッチング動作を行なう２つの半導体スイッチング素子から構成されるスイッチングユニットを２つ以上有し、前記各スイッチングユニットの半導体スイッチング素子がすべて直列に接続され、前記各スイッチングユニットの半導体スイッチング素子のスイッチング動作により充放電を行なうエネルギ移行用コンデンサと、インダクタを有する構成であり、低耐圧の半導体スイッチング素子と小型のインダクタを用いることができることができる（例えば、特許文献１参照）。

特表平6-503224号公報 特開昭61-92162号公報 特開平9-84333号公報

Thierry A. Meynard他 : 「Multicell Converters: Basic Concepts and Industry Applications」,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO. 5, OCTOBER 2002

従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、エネルギ移行用コンデンサとインダクタを用い、エネルギ移行用コンデンサの充放電を利用して直流／直流電力変換を行なうものであり、低耐圧の半導体スイッチング素子と小型のインダクタを用いることができる。しかしながら、従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、高負荷時においてエネルギ移行用コンデンサのリップル電流が大きくなり、大容量のエネルギ移行用コンデンサが必要であった。また、スイッチング周波数を大きくすると、エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧は小さくなるが、定常的に半導体スイッチング素子のスイッチング損失が大きくなり、電力変換効率が低下する。

この発明は、このような問題点を改良するものであって、エネルギ移行用コンデンサを小さくし、定常的にスイッチング損失を小さくすることのできる改良されたＤＣ／ＤＣ電力変換装置を提案することを目的とする。

この発明の第１の観点によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、相補的にスイッチング動作を行なう２つの半導体スイッチング素子から構成されるスイッチングユニットを２つ以上有し、前記各スイッチングユニットにおける前記各半導体スイッチング素子がすべて直列に接続され、前記各スイッチングユニットにおける前記各半導体スイッチング素子のスイッチング動作により充放電を行なうエネルギ移行用コンデンサと、インダクタを有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を検出または演算する第１手段と、この第１手段により検出または演算された前記リップル電圧に応じて、前記各スイッチングユニットにおける各半導体スイッチング素子のスイッチング周
波数を決定する第２手段を有することを特徴とする。

この発明の第２の観点によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、スイッチング動作を行なう１つの半導体スイッチング素子と１つのダイオードから構成されるスイッチングユニットを２つ以上有し、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子と前記ダイオードがすべて直列に接続され、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作により充放電を行なうエネルギ移行用コンデンサと、インダクタを有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を検出または演算する第１手段と、この第１手段により検出または演算された前記リップル電圧に応じて、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を決定する第２手段を有することを特徴とする。

この発明の第１、第２の観点によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を検出または演算する第１手段と、この第１手段により検出または演算された前記リップル電圧に応じて、各スイッチングユニットにおける半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を決定する第２手段を有するので、エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧が上限閾値より大きいときに、スイッチング周波数を高くすることにより、静電容量の小さなエネルギ移行用コンデンサを用いても、リップル電圧を制限することができ、リップル電圧が下限閾値より小さいときに、スイッチング周波数を低くすることにより、半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。リップル電圧を制限することで、小さな静電容量のコンデンサを用いることができ、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置全体を小型化できる。また、変換装置の損失の主要因であるスイッチング損失を大幅に低減することにより、半導体スイッチング損失の放熱機構を簡素化でき、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置全体を小型、軽量化することができる。

図１は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路の構成を示す電気回路図である。 図２は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。 図３は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の動作を示す波形図である。 図４は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の動作を示す波形図である。 図５は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の周波数決定部の動作を表わすフローチャートである。 図６は、この発明の実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路の構成を示す電気回路図である。 図７は、この発明の実施の形態２の第２実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路の構成を示す電気回路図である。 図８は、この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路の構成を示す電気回路図である。 図９は、この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。 図１０は、この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の動作を示す波形図である。 図１１は、この発明の実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路の構成を示す電気回路図である。 図１２は、この発明の実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。 図１３は、この発明の実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。

以下この発明によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の主回路の構成を示す電気回路図である。この実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10は、電圧端子VLと電圧端子VN間に入力された直流電圧V0を、昇圧された直流電圧V2に変換し、電圧端子VHと電圧端子VN間に出力する昇圧機能と、電圧端子VHと電圧端子VN間に入力された直流電圧V2を、降圧された直流電圧V0に変換し、電圧端子VLと電圧端子VN間に出力する降圧機能を有する双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置である。

実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の主回路は、入出力直流電圧V0、V2を平滑化する平滑コンデンサC0、C2と、エネルギ移行用コンデンサとして機能する平滑コンデンサC1と、複数の半導体スイッチング素子S1H、S1L、S2H、S2Lと、インダクタLを備えて
いる。半導体スイッチング素子S1L、S1Hは、相補的にスイッチング動作を行ない、スイッチングユニットSU1を構成する。また、半導体スイッチング素子S2L、S2Hも、相補的にス
イッチング動作を行ない、スイッチングユニットSU2を構成する。

各半導体スイッチング素子S1H、S1L、S2H、S2Lは、それぞれIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）と、それに逆並列に接続されたダイオードで構成されている。各半導体スイッチング素子S1H、S1L、S2H、S2LのIGBTは、それぞれコレクタ端子と、エミッタ端子と、ゲート端子を有し、各半導体スイッチング素子S1H、S1L、S2H、S2Lのダイオードは、各半導体スイッチング素子S1H、S1L、S2H、S2LのIGBTのコレクタ端子とエミッタ端子の間に、アノード端子がエミッタ端子に接続されるようにして、逆並列に接続されている。

ＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の接続の詳細について説明する。半導体スイッチング素子S1HのIGBTのエミッタ端子は、電圧端子VMに接続され、そのコレクタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電圧側端子に接続されている。半導体スイッチング素子S1LのIGBTのエミッタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の低電圧側端子に接続され、そのコレクタ端子は、電圧端子VMに接続されている。半導体スイッチング素子S2HのIGBTのエミッタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電圧側端子に接続され、そのコレクタ端子は、平滑コンデンサC2の高電圧側端子に接続されている。半導体スイッチング素子S2LのIGBTのエミッタ端子は、平滑コンデンサC2の低電圧側端子に、そのコレクタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の低電圧側端子に接続されている。

平滑コンデンサC0の低電圧側端子は、電圧端子VNに接続され、この平滑コンデンサC0の高電圧側端子は、電圧端子VLに接続されている。平滑コンデンサC2の低電圧側端子は、電圧端子VNに接続され、この平滑コンデンサC2の高電圧側端子は電圧端子VHに接続されている。インダクタLの一方の端子は、電圧端子VLに、他方の端子は、電圧端子VMにそれぞれ
接続されている。

半導体スイッチング素子S1HのIGBTのゲート端子は、ゲート駆動回路101Hの出力端子に
接続され、このゲート駆動回路101Hの入力端子には、ゲート信号G1Hが入力される。半導
体スイッチング素子S1LのIGBTのゲート端子は、ゲート駆動回路101Lの出力端子に接続さ
れ、このゲート駆動回路101Lの入力端子には、ゲート信号G1Lが入力される。半導体スイ
ッチング素子S2HのIGBTのゲート端子は、ゲート駆動回路102Hの出力端子に接続され、こ
のゲート駆動回路102Hの入力端子には、ゲート信号G2Hが入力される。半導体スイッチン
グ素子S2LのIGBTのゲート端子は、ゲート駆動回路102Lの出力端子に接続され、このゲー
ト駆動回路102Lの入力端子には、ゲート信号G2Lが入力される。

図２は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の制御部の構成を示すブロック図である。この制御部は、電圧センサSV、リップル電圧検出部200、周波数決
定部210、三角波出力部215、およびＰＷＭ波形出力部220を含んでいる。電圧センサSVの
一対の入力端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電圧側端子Vc1Hと、その低電圧側端子Vc1Lに接続されている。電圧センサSVは、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の両端子Vc1H、Vc1L間の電圧を検出し、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の検出電圧Vc1を出力する。リップル電圧検出部200には、電圧センサSVから、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の検出電圧Vc1が入力され
る。リップル電圧検出部200は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の検出
電圧Vc1に基づいて、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1を検出し、このリップル電圧ΔVc1を出力する。周波数決定部210には、リップル電圧検出部200から、リップル電圧ΔVc1が入力される。

周波数決定部210は、リップル電圧ΔVc1に基づいて、各半導体スイッチング素子S1H、S1L、S2H、S2LのIGBTのスイッチング周波数を決定し、周波数信号fsを出力する。三角波出力部215には、周波数決定部210から、周波数信号fsが入力される。三角波出力部215は、周波数信号fsと同一周波数の三角波信号Scを出力する。この三角波信号Scは、２つの三角波信号Sc1、Sc2を含む。三角波信号Sc2は、三角波信号Sc1に対して、位相が180°遅れた信号である。ＰＷＭ波形出力部220には、三角波出力部215から、三角波信号Sc1、Sc2を含む三角波信号Scが入力され、またこの三角波信号Scとともに、デューティー信号Sdutyが入力される。ＰＷＭ波形出力部220は、これらの三角波信号Scと、デューティー信号Sdutyに基づいて、各ゲート信号G1L、G1H、G2L、G2Hを出力し、これらの各ゲート信号G1L、G1H、G2L、G2Hは、それぞれゲート駆動回路101L、101H、102L、102Hに供給される。

直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する動作について説明する。ゲート信号G1L、G1Hはオンオフ信号であり、これらのゲート信号G1L、G1Hは、オンとオフが相反する信号である。ゲート信号G2L、G2Hもオンオフ信号であり、これらのゲート信号G2L、G2Hは、オンとオフが相反する信号である。また、ゲート信号G2L、G2Hは、ゲート信号G1L、G1Hに対して、位相が180°遅延する信号である。

定常状態では、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の検出電圧Vc1の平均
電圧は、直流電圧V2の1/2、すなわちV2/2となる。平滑コンデンサC2には直流電圧V2が充
電されているので、各半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hの印加電圧は、ほぼV2/2となる。また、非特許文献１に記載のように、インダクタLに印加されるリップル電圧は小さくなり、またインダクタLに印加されるリップル電圧の周波数は、スイッチング周波数の２倍となるため、小型のインダクタLを用いることができる。

図３、図４は、実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の動作を示す波形図であり、図３は、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％以上の場合（Sduty≧５０％）における動作を、また図４は、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％より小さい場合（Sduty＜５０％）における動作をそれぞれ示す。図３、図４において、（ａ）は、三角波信号Sc1、Sc2とデューティー信号Sdutyを、（ｂ）は、ゲート信号G1L、G2Lを、（ｃ）は、インダクタLの電流を、（ｄ）は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電流を、また（ｅ）は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧をそれぞれ示す。なお、図３、図４の横軸は、共通な時間軸である。

図３、図４の（ａ）には、三角波信号Sc1、Sc2とともに、時間軸に沿ってスイッチング一周期1/fsを示す。これは、三角波信号Sc1が0.0となる、隣接する２つの点の間に例示される。図３、図４の（ｂ）には、ゲート信号G1L、G2Lとともに、時間軸に沿って、区間１〜４が表示される。図３、図４の（ｃ）には、インダクタLの電流が実線で表示されると
ともに、その平均電流Ildcが破線で表示される。図３、図４の（ｄ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電流が実線で表示されるとともに、その正側と負側の平均電流＋Ildc、−Ildcが破線で表示される。図３、図４の（ｅ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧が実線で表示されるとともに、その平均電圧V2/2が破線で表示される。また、図３、図４の（ｅ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧の最小値と最大値の間のリップル電圧ΔVc1が併せて表示されている。

まず、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％以上（Sduty≧５
０％）の場合における動作について、図３を参照して、以下に説明する。ＰＷＭ波形出力部220の内部では、三角波信号Sc１、Sc2とデューティー信号Sdutyとが比較され、ゲート
信号G1L、G1H、G2L、G2Hが出力される。三角波信号Sc１、Sc2は周波数がfsであり、三角
波信号Sc2の位相が、三角波信号Sc1に対して180°遅れている。また、三角波信号Sc1、Sc2は、振幅が1.0の三角波信号である。なお、三角波信号Sc1、Sc2は、その三角波の谷に相当する信号レベルの大きさが0.0であり、その三角波の山に相当する信号レベルの大きさが1.0である。

デューティー信号Sdutyが三角波信号Sc1よりも大きいときに、ゲート信号G1Lはハイ信
号となる。デューティー信号Sdutyが三角波信号Sc1よりも小さいときに、ゲート信号G1L
はロウ信号となる。デューティー信号Sdutyが三角波信号Sc2よりも大きいときに、ゲート信号G2Lはハイ信号となる。デューティー信号Sdutyが三角波信号Sc2よりも小さいときに
、ゲート信号G2Lはロウ信号となる。

ゲート信号G1Hは、ゲート信号G1Lに相反する信号であり、ゲート信号G1Lがハイ信号の
ときに、ゲート信号G1Hはロウ信号となり、ゲート信号G1Lがロウ信号のときに、ゲート信号G1Hはハイ信号となる。ゲート信号G2Hは、ゲート信号G2Lに相反する信号であり、ゲー
ト信号G2Lがハイ信号のときに、ゲート信号G2Hはロウ信号となり、ゲート信号G2Lがロウ
信号のときに、ゲート信号G2Hはハイ信号となる。

半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hは、それぞれゲート信号G1L、G1H、G2L、G2Hがハイ信号のときにオンとなり、ゲート信号G1L、G1H、G2L、G2Hがロウ信号のときにオフとなる。また、各半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hのスイッチング一周期におけるオン時間T1L、T1H、T2L、T2Hは、以下の通りとなる。
T1L＝Sduty／fs
T1H＝（1−Sduty）／fs
T2L＝Sduty／fs
T2H＝（1−Sduty）／fs

ゲート信号G1Lとゲート信号G2Lが共にハイ信号（ゲート信号G1Hとゲート信号G2Hが共にロウ信号）である区間を区間１として説明する。また、ゲート信号G1Lがハイ信号（ゲー
ト信号G1Hがロウ信号）で、ゲート信号G2Lがロウ信号（ゲート信号G2Hがハイ信号）であ
る区間を区間２とする。ゲート信号G1Lがロウ信号（ゲート信号G1Hがハイ信号）で、ゲート信号G2Lがハイ信号（ゲート信号G2Hがロウ信号）である区間を区間３とする。ゲート信
号G1LとG2Lが共にロウ信号（ゲート信号G1HとG2Hが共にハイ信号）である区間を区間４とするが、図３では、区間４は存在しない。なお、区間１、区間４においては、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1には電流は流れない。

半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％より大きい（Sduty＞５
０％）場合には、図３に示すように、区間１、区間２、区間３により一周期が構成され、この一周期には、区間４は存在しない。なお、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューテーが５０％（Sduty=５０％）である場合には、区間１も存在しなくなるが、以下の区間２、３における動作は、同じである。

まず、区間３においては、ゲート信号G1H、G2Lがハイ信号となり、半導体スイッチング素子S1H、S2Lがオンとなるため、インダクタLと平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデ
ンサ）C1が直列接続され、以下の経路で電流が流れる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1には、インダクタLと同様の電流が流れる。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1H→コンデンサC1→半導体スイッチング素子S2L

区間２においては、半導体スイッチング素子S1L、S2Hがオンとなるため、インダクタL
と平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1が直列接続され、以下の経路で電流が流れる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1にはインダクタLに
対して、区間３と逆向きの電流が流れる。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1L→コンデンサC1→半導体スイッチング素子S2H

また、区間１においては、半導体スイッチング素子S1L、S2Lがオンとなり、以下の経路で電流が流れるため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1には電流が流れない。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1L→半導体スイッチング素子S2L

スイッチング一周期における区間２、区間３の時間Ts2、Ts3はそれぞれ以下の通りとなる。
Ts2＝（１−Sduty）／fs
Ts3＝（１−Sduty）／fs

平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1は、インダクタLの平均電流Ildcを用いて以下の式（１）の通りとなる。
ΔVc1＝｜Ildc｜×Ts2／C1＝Ildc×Ts3／C1
＝（｜Ildc｜／C1）×（１−Sduty）／fs 式（１）

式（１）によれば、オンデューティーが５０％以上（Sduty≧５０％）である場合にお
いて、リップル電圧ΔVc1は、インダクタLの平均電流Ildc、デューティー信号Sduty、ス
イッチング周波数fs、コンデンサC1の容量に依存し、スイッチング周波数fsに反比例することが理解される。

また、デューティー信号Sdutyと入出力直流電圧V0、V2の関係を説明する。定常状態に
おいて、インダクタLの両端間におけるスイッチング一周期の平均電圧は、抵抗成分によ
る電圧降下を無視すると、0となる。よって、電圧端子VM-VN間の平均電圧と直流電圧V0は等しくなり、以下の式（２）の関係となる。
V0＝((V2-V1)×Ts2＋V1×Ts3)×fs
＝（1-Sduty）×V2 （式２）
この式（２）から明らかな通り、デューティー信号Sdutyを制御することにより、入出
力直流電圧V0、V2の電圧比を制御することができる。

次に、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％より小さい（Sduty＜５０％）場合における動作について、図４を参照して、以下に説明する。この場合には、区間１は存在せず、図４の（ｂ）には、区間２、３、４が表示される。

ＰＷＭ波形出力部220の動作は、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティー
が５０％以上の場合と同様である。半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％より小さい場合では、区間２、区間３、区間４により一周期が構成され、区間１は存在しない。区間３、区間２においては、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1に電流が流れる。しかし、区間４においては、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1に電流は流れない。

スイッチング一周期における区間２、区間３の時間Ts2、Ts3は、それぞれ以下の通りとなる。
Ts2＝Sduty／fs
Ts3＝Sduty／fs

平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1は、インダクタLの平均電流Ildcを用いて以下の式（３）の通りとなる。
ΔVc1＝｜Ildc｜×Ts2／C1＝｜Ildc｜×Ts3／C1
＝（｜Ildc｜／C1）×Sduty／fs 式（３）

式（３）によれば、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％より小さい場合においても、リップル電圧ΔVc1は、インダクタ電流Ildc、デューティー信号Sduty、スイッチング周波数fs、コンデンサC1の容量に依存し、スイッチング周波数fsに反比例することが理解される。

また、デューティー信号Sdutyと入出力直流電圧V0、V2の関係は、半導体スイッチング
素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％以上の場合と同様に、以下の式（４）となる。
V0＝（1-Sduty）×V2 式（４）
この式（４）から明らかな通り、半導体スイッチング素子S1L、S2Lのオンデューティーが５０％より小さい場合においても、デューティー信号Sdutyを制御することにより、入
出力直流電圧V0、V2の電圧比を制御することができる。

式（１）（３）によれば、リップル電圧ΔVc1は、インダクタLの平均電流Ildc、デューティー信号Sduty、スイッチング周波数fs、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ
）C1の容量に依存していることが理解される。平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の容量が小さいほど、リップル電圧ΔVc1は大きく、また、スイッチング周波数fs
が大きいほど、リップル電圧ΔVc1が小さくなることが理解される。

なお、リップル電圧ΔVc1が大きすぎると、各半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hに印加される最大電圧が大きくなり、耐圧の大きな半導体スイッチング素子を用いる
必要がある。また、リップル電圧ΔVc1が大きいと、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コ
ンデンサ）C1の最大電圧も大きくなり、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の耐圧も大きくする必要がある。そのため、リップル電圧ΔVc1が、半導体スイッチング
素子S1L、S1H、S2L、S2Hおよび平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の耐圧以下になるようにすることが望ましい。

リップル電圧検出部200について説明する。平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデン
サ）C1は、区間２、区間３に充放電が行われる。一方、区間１および区間４では、充放電が行われていないため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧は一定である。また、スイッチング一周期の間に、区間２と区間３はそれぞれ一回ずつあり、これらの区間２、３の一方の区間で充電が行われ、もう他方の区間で放電が行われる。また、区間２と区間３の間には、区間１あるいは区間４が存在し、スイッチング一周期の間に、区間１あるいは区間４は２回存在する。

スイッチング一周期の間に２回存在する区間１あるいは区間４のそれぞれにおいて、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧Vc1のサンプリングを行なうと、平
滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧の最大値と最小値をサンプリングすることとなる。これらの各サンプリング値の差を計算することにより、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1を導出する。

リップル電圧検出部200は、マイコンなど信号処理回路により実現し、三角波信号Sc1（あるいは三角波信号Sc2）の大きさが0.5のときに、電圧Vc1のサンプリングを行なう。三角波信号Sc1（あるいは三角波信号Sc2）の大きさが0.5のときに、電圧Vc1のサンプリングを行なうことにより、スイッチング一周期の間に２回サンプリングすることとなり、常に平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧Vｃ1の最大値と最小値をサンプリングすることができる。

なお、オンデューティーが５0％である場合には、区間１および区間４の時間はともに
ゼロとなるが、三角波信号Sc1（あるいは三角波信号Sc2）の大きさが0.5のときにサンプ
リングを行なえば、電圧Vc1の最大値と最小値をサンプリングすることができる。

なお、ここでは、電圧Vc1を直接サンプリングしてリップル電圧ΔVc1を導出しているが、リップル電圧検出部200において、電圧Vc1をアナログ回路のハイパスフィルタに通してからサンプリングして、各サンプリング値の差を計算することによりリップル電圧ΔVc1を導出してもよい。サンプリングはマイコン内部のＡ／Ｄ変換器において行なわれるが、電圧Vc1を直接サンプリングする場合は、電圧Vc1の最大値により、リップル電圧ΔVc1の分解能が制限されて、リップル電圧ΔVc1の検出精度が低下する。アナログ回路であるハイパスフィルタを通してから、サンプリングすることにより、電圧Vc1の直流成分を除去できるので、リップル電圧ΔVc1の分解能を高めることができる。リップル電圧ΔVc1を検出するためには、ハイパスフィルタのカットオフ周波数はスイッチング周波数以上にする必要がある。また、ハイパスフィルタの代わりに、バンドパスフィルタを用いてもよい。バンドパスフィルタの通過帯域内にスイッチング周波数が含まれるように設定する必要がある。

なお、リップル電圧検出部200では、マイコンを用いてスイッチング一周期の間に２回
サンプリングを行なうことにより、リップル電圧ΔVc1を検出しているが、オペアンプな
どを用いたアナログ回路により実現してもよい。

周波数決定部210の詳細について説明する。この周波数決定部210は、マイコンなどの信号処理回路により実現する。周波数決定部210において、リップル電圧ΔVc1に応じて、所定の周期ごとに、スイッチング周波数fsを更新して出力する。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の起動時においては、スイッチング周波数fsは所定のスイッチング周波数を初期値とする。

図５は、周波数決定部210の動作を表わすフローチャートであり、周波数決定部210は、所定の周期ごとに、図５に示すフローチャートの処理を実行してスイッチング周波数fsを
更新する。
所定の周期ごとに実行されるフローチャートの処理を説明する。この図５に示すフローチャートは、開始と終了の間に４つのステップS211、S212、S213、S214を含んでいる。ステップS211は、リップル電圧ΔVc1を上限閾値ΔVmaxおよび下限閾値ΔVminと比較するステップであり、ステップS212、S213、S214は、ステップS211の判定結果により、スイッチング周波数fsを設定するステップである。リップル電圧ΔVc1が上限閾値ΔVmax以上であるとき、すなわちΔVc1≧ΔVmaxであるときには、ステップS211からステップS212に移行し、以下の通り、スイッチング周波数fsを現状のスイッチング周波数fsに対してΔfs大きな周波数として更新する。
fs←fs＋Δfs

また、リップル電圧ΔVc1が下限閾値ΔVmin以下であるとき、すなわちΔVc1≦ΔVminであるときには、ステップS211からステップ213に移行し、以下の通り、スイッチング周波
数fsを現状のスイッチング周波数fsに対してΔfs小さな周波数として更新する。
fs←fs−Δfs

また、リップル電圧ΔVc1が、下限閾値ΔVminより大きく、上限閾値ΔVmaxより小さい
とき、すなわちΔVmin＜ΔVc1＜Δvmaxであるときには、ステップ211からステップ214に
移行し、以下の通り、スイッチング周波数fsを現状のスイッチング周波数と同じとして更新する。
fs←fs

このようにスイッチング周波数fsを決定することにより、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の容量が小さい場合においても、リップル電圧ΔVc1が大きいときに
は、スイッチング周波数fsを大きくすることにより、リップル電圧ΔVc1を制限すること
ができる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の容量を小さくすることができる。リップル電圧ΔVc1を制限することで、平滑コンデンサ（エネルギ移行
用コンデンサ）C1として、小さな静電容量のコンデンサを用いることができ、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の全体を小型化できる。

また、リップル電圧ΔVc1が小さいときには、スイッチング周波数fsを小さくして、ス
イッチング損失を小さくすることにより、電力変換効率を高く保つことができる。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の損失の主要因であるスイッチング損失を大幅に低減することにより、半導体スイッチング損失の放熱機構を簡素化でき、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の全体を小型、軽量化することができる。

なお、ここではスイッチング周波数fsの上限および下限を設けなかったが、半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hや、マイコンなどの信号処理回路の制約を考慮して、上限および下限を設けても良い。

なお、実施の形態１のＤＣ／ＤＣ電力変換装置10では、三角波信号Sc2の位相が三角波
信号Sc1に対して180°遅れている場合、つまり、ゲート信号G2L、G2Hが、ゲート信号G1L
、G1Hに対して180°遅れている場合について示したが、ゲート信号G2L、G2Hとゲート信号G1L、G1Hの位相差を他の値とした場合においても、スイッチング周波数fsをリップル電圧ΔVc1により決定することにより、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20A、20Bを説明する。図６は、この発明の実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aの主回路
の構成を示す電気回路図であり、図７は、この発明の実施の形態２の第２実施例によるＤ
Ｃ／ＤＣ電力変換装置20Aの主回路の構成を示す電気回路図である。この実施の形態２の
第１、第２実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20A、20Bの制御部は、それぞれ図２に示す実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の制御部と同じに構成される。

まず、実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aは、電圧端子VLと
電圧端子VN間に入力された直流電圧V0を、昇圧された直流電圧V2に変換し、電圧端子VHと電圧端子VN間に出力する機能を有する片方向の昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であり、直流電圧V2を直流電圧V0に降圧する降圧機能は有さない。

この実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aでは、図６に示すよ
うに、図１に示した実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10における半導体スイッチング素子S1H、S2Hを、ダイオードD1H、D2Hに置き換えている。即ち、半導体スイッチング素子S1Hの代わりにダイオードD1Hを用い、ダイオードD1Hのアノード端子は、電圧端子VMに接続され、そのカソード端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の
高電圧側端子に接続されている。また、半導体スイッチング素子S2Hの代わりにダイオー
ドD2Hを用い、ダイオードD2Hのアノード端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電圧側端子に接続され、そのカソード端子は、平滑コンデンサC2の高電圧側端子に接続されている。

この実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aでは、半導体スイッ
チング素子S1LとダイオードD1Hが、第１スイッチングユニットSU1を構成する。また、半
導体スイッチング素子S2LとダイオードD2Hが、第２スイッチングユニットSU2を構成する
。また、図１に示す半導体スイッチング素子S1H、S2Hを、ダイオードD1H、D2Hに置き換えているので、ゲート駆動回路101H、102Hと、ＰＷＭ波形出力部220のゲート信号G1H、G2H
は不要となり、削除される。

この実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aでは、図１に示す半
導体スイッチング素子S1H、S2Hの代わりに、ダイオードD1H、D2Hを用いるので、片方向の昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置となり、その点の動作のみが実施の形態1と異なる。

この実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aにおいても、リップ
ル電圧ΔVc1とスイッチング周波数fsの間には、実施の形態1と同様に式（１）、式（３）の関係が成り立つ。この実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aに
おいても、リップル電圧ΔVc1の値により、スイッチング周波数fsを決定する。

このようにすることにより、実施の形態1と同様に、平滑コンデンサ（エネルギ移行用
コンデンサ）C1の容量が小さい場合においても、リップル電圧ΔVc1が大きいときには、
スイッチング周波数fsを大きくすることにより、リップル電圧ΔVc1を制限することがで
きる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の容量を小さくすることができる。リップル電圧ΔVc1を制限することで、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コ
ンデンサ）C1として、小さな静電容量のコンデンサを用いることができ、実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aの全体を小型化できる。

また、リップル電圧ΔVc1が小さいときには、スイッチング周波数fsを小さくして、ス
イッチング損失を小さくすることにより、電力変換効率を高く保つことができる。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の損失の主要因であるスイッチング損失を大幅に低減することにより、半導体スイッチング損失の放熱機構を簡素化でき、実施の形態２の第１実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Aの全体を小型、軽量化することができる。

次に、図７に示す実施の形態２の第２実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Bの主回
路について説明する。この実施の形態２の第２実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20B
は、図１に示すＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の半導体スイッチング素子S1L、S2LをダイオードD1L、D2Lに置き換えている。この実施の形態２の第２実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20Bは、電圧端子VHと電圧端子VN間に入力された直流電圧V2を、降圧された直流電圧V0に変換し、電圧端子VLと電圧端子VN間に出力する降圧機能を有する片方向の降圧形のＤ
Ｃ／ＤＣ電力変換装置であり、直流電圧V0を直流電圧V2に昇圧する昇圧機能は有さない。そのため、ゲート駆動回路101L、102Lと、ＰＷＭ波形出力部220のゲート信号G1L、G2Lは
不要となり、削除される。動作および制御部は実施の形態１と同様であり、リップル電圧ΔVc1によりスイッチング周波数fsを決定することにより、実施の形態１と同様の効果を
得ることができる。

この実施の形態２の第１、第２実施例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置20A、20Bのように、図1による実施の形態１のＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hの一部をダイオードに置き換えて、片方向の昇圧形あるいは降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置に変更しても、実施の形態１と同様の効果が得ることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30を説明する。図８は、この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30の主回路の構成を示す電気回路図である。図９は、この実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30の制御部の構成を示すブロック図である。

この実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30は、電圧端子VLと電圧端子VN間に入力された直流電圧V0を、昇圧された直流電圧V3に変換し、電圧端子VHと電圧端子VN間に出力する昇圧機能と、電圧端子VHと電圧端子VN間に入力された直流電圧V3を、降圧された直流電圧V0に変換し、電圧端子VＬと電圧端子VN間に出力する降圧機能を有し、実施の形態
１と同様に、双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置である。

実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の主回路部は、入出力直流電圧V0、V2を平滑化する平滑コンデンサC0、C2と、エネルギ移行用コンデンサとして機能する平滑コンデンサC1と、２つのスイッチングユニットSU1、SU2を備えているが、実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30の主回路は、入出力直流電圧V0、V3を平滑化する平滑コンデンサC0、C3と、エネルギ移行用コンデンサとして機能する２つの平滑コンデンサC1、C2と、３つのスイッチングユニットSU1、SU2、SU3とを備えている。

実施の形態３のＤＣ／ＤＣ電力変換装置30において、スイッチングユニットSU1、SU2は、図１と同様に構成され、またそれと同様に接続される。スイッチングスイッチングユニットSU1は、相補的にスイッチング動作を行なう半導体スイッチング素子S1L、S1Hを有し、スイッチングユニットSU2は、相補的にスイッチング動作を行なう半導体スイッチング素子S2L、S2Hを有し、これらの各半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2Hは、ぞれぞれIGBTにダイオードを逆並列に接続して構成されている。スイッチングユニットSU3は、相補的にスイッチング動作を行なう半導体スイッチング素子S3L、S3Hを有し、これらの各半導体スイッチング素子S3L、S3Hは、ぞれぞれIGBTにダイオードを逆並列に接続して構成されている。

半導体スイッチング素子S3HのIGBTのエミッタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行
用コンデンサ）C2の高電圧側端子に接続され、そのコレクタ端子は、電圧端子VHに接続され、平滑コンデンサC3の高電圧側端子に接続されている。半導体スイッチング素子S3LのIGBTのエミッタ端子は、電圧端子VNに接続され、平滑コンデンサC3の低電圧側端子に接続
され、そのコレクタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の低電圧側
端子に接続されている。半導体スイッチング素子S3HのIGBTのゲート端子は、ゲート駆動
回路103Hの出力端子に接続され、このゲート駆動回路103Hの入力端子には、ゲート信号G3Hが入力される。半導体スイッチング素子S3LのIGBTのゲート端子は、ゲート駆動回路103Lの出力端子に接続され、このゲート駆動回路103Lの入力端子には、ゲート信号G3Lが入力される。

実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の制御部は、２つのスイッチングユニットSU1、SU2に対する２つの三角波信号Sc1、Sc2を出力する三角波出力部215と、２組のゲ
ート信号G1H、G1Lとゲート信号G2H、G2Lを出力するＰＷＭ波形出力部220を備えていたが
、実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30の制御部は、３つのスイッチングユニットに対する３つの三角波信号Sc1、Sc2、Sc3を出力する三角波出力部2151と、3組のゲート信号G1H、G1Lとゲート信号G2H、G2Lとゲート信号G3H、G3Lを出力するＰＷＭ波形出力部2201を備えている。

実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30の制御部において、電圧センサSV、リップル電圧検出器200、周波数決定部210の構成は、実施の形態１と同じであり、また、動作も同様である。３つの三角波信号Sc1、Sc2、Sc3は、それぞれ周波数fsの三角波であり、
互いに120°の位相差となっている。ＰＷＭ波形出力部2201には、３つの三角波信号Sc1、Sc2、Sc3とともに、デューティー信号Sdutyが入力される。ＰＷＭ波形出力部2201では、
３つの三角波信号Sc1、Sc2、Sc3のそれぞれとデューティー信号Sdutyとの比較が行われ、３組のゲート信号G1L、G1Hとゲート信号G2L、G2Hとゲート信号G3L、G3Hが出力される。

実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30について、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する動作について説明する。３組のゲート信号G1L、G1Hとゲート信号G2L、G2Hとゲート信号G3L、G3Hは、それぞれオンオフ信号であり、各組のゲート信号G1L
とゲート信号G1H、ゲート信号G2Lとゲート信号G2H、およびゲート信号G3Lとゲート信号G3Hは、それぞれオンとオフが相反する信号である。また、各組のゲート信号G1L、G1Hと、ゲート信号G2L、G2Hと、ゲート信号G3L、G3Hとの各位相差は、それぞれ120°となる。

定常状態では、電圧端子VHと電圧端子VNとの間に直流電圧V3に関して、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧Vc1の平均電圧はV3/3となり、平滑コンデンサ（
エネルギ移行用コンデンサ）C2の電圧Vc2の平均電圧はV3×2/3となる。平滑コンデンサC3には直流電圧V3が充電されているので、各半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2H、S3L、S3Hの印加電圧はほぼV3/3となる。また、非特許文献１に記載のように、インダクタLに印加されるリップル電圧は小さくなり、またインダクタLに印加されるリップル電圧の周波数は、スイッチング周波数の3倍となるため、実施の形態１に比べてさらに小型のイ
ンダクタLを用いることができる。

実施の形態１と同様に、また、デューティー信号Sdutyと入出力直流電圧V0、V3には以
下の関係があり、デューティー信号Sdutyにより入出力直流電圧V0、V3の関係を変更する
ことができる。
V0＝（1-Sduty）×V3

半導体スイッチング素子S1L、S2L、S3Lのオンデューティーが1/3より小さい（Sduty＜1/3）場合における動作について、以下に説明する。図１０は、半導体スイッチング素子S1L、S2L、S3Lのオンデューティーが1/3より小さい場合におけるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30の動作を示す波形図である。

図１０において、（ａ）は、三角波信号Sc1、Sc2、Sc3とデューティー信号Sdutyを、（ｂ）は、ゲート信号G1L、G2L、G3Lを、（ｃ）は、インダクタLの電流を、（ｄ）は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の電流を、また、（ｅ）は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧を、（ｆ）は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の電圧を、また、（ｇ）は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧をそれぞれ示す。なお、図１０の横軸は、共通な時間軸である。

図１０の（ａ）には、三角波信号Sc1、Sc2、Sc3とともに、時間軸に沿ってスイッチン
グ一周期1/fsを示す。これは、三角波信号Sc2、Sc3の隣接する２つの交差点の間に例示される。図１０の（ｃ）には、インダクタLの電流が実線で表示されるとともに、その平均
電流Ildcが破線で表示される。図１０の（ｄ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の電流が実線で表示されるとともに、その正側と負側の平均電流＋Ildc、−Ildcが破線で表示される。図１０の（ｅ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電流が実線で表示されるとともに、その正側と負側の平均電流＋Ildc、−Ildcが破線で表示される。図１０の（ｆ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の電圧が実線で表示されるとともに、その平均電圧(2/3)×V3が破線で表示される。
また、図１０の（ｆ）には、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の電圧の最小値と最大値の間のリップル電圧ΔVc2が併せて表示されている。図１０の（ｇ）には、
平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧が実線で表示されるとともに、その平均電圧(1/3)×V3が破線で表示される。また、図１０の（ｇ）には、平滑コンデンサ
（エネルギ移行用コンデンサ）C1の電圧の最小値と最大値の間のリップル電圧ΔVc1が併
せて表示されている。

実施の形態１と同様に、ＰＷＭ波形出力部2201において、デューティー信号Sdutyと各
三角波信号Sc1、Sc2の比較が行われ、ゲート信号G1L、G1Hとゲート信号G2L、G2Hが出力される。また、デューティー信号Sdutyと三角波信号Sc3の比較が行われ、デューティー信号Sdutyが三角波信号Sc3よりも大きいときに、ゲート信号G3Lはハイ信号(ゲート信号G3Hは
ロウ信号)となり、デューティー信号Sdutyが三角波信号Sc3よりも小さいときに、ゲート
信号G3Lはロウ信号(ゲート信号G3Hはハイ信号)となる。

また、各半導体スイッチング素子S1L、S1H、S2L、S2H、S3L、S3Hのスイッチング一周期におけるオン時間T1L、T1H、T2L、T2H、T3L、T3Hは以下となる。
T1L＝Sduty／fs
T1H＝（1−Sduty）／fs
T2L＝Sduty／fs
T2H＝（1−Sduty）／fs
T3L＝Sduty／fs
T3H＝（1−Sduty）／fs

まず、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1について
説明する。ゲート信号G1Ｌがロウ信号（ゲート信号G1Hがハイ信号）、ゲート信号G2Lがハイ信号（G2Hがロウ信号）となるときに、半導体スイッチング素子S1H、S2Lがオンとなる
ため、インダクタLと平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1が直列接続され、
以下の経路で電流が流れる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1には、インダクタLと同様の電流が流れる。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1H→コンデンサC1→半導体スイッチング素子S2L

ゲート信号G1Ｌがハイ信号（ゲート信号G1Hがロウ信号）、ゲート信号G2Lがロウ信号（G2Hがハイ信号）となるときに、半導体スイッチング素子S1L、S2Hがオンとなるため、インダクタLと平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1が直列接続され、以下の経路で電流が流れる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1にはインダクタLに対して、逆向きの電流が流れる。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1L→コンデンサC1→半導体スイッチング素子S2H

なお、これ以外のとき、すなわちゲート信号G1Lがロウ信号、ゲート信号G2Lがハイ信号であるとき、およびゲート信号G1Lがハイ信号、ゲート信号G2Lがロウ信号であるとき以外のときには、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1には電流が流れない。

スイッチング一周期における平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の充電時間（あるいは放電時間）Tc1は以下の通りとなる。
Tc1＝T1L=T2L=（１−Sduty）／fs

また、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1は、イン
ダクタLの平均電流Ildcを用いて以下の通りとなる。
ΔVc1＝｜Ildc｜×Tc1／C1
＝（｜Ildc｜／C1）×Sduty／fs

次に、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2のリップル電圧ΔVc2について
説明する。ゲート信号G2Ｌがロウ信号（ゲート信号G2Hがハイ信号）、ゲート信号G3Lがハイ信号（ゲート信号G3Hがロウ信号）となるときに、半導体スイッチング素子S2H、S3Lが
オンとなるため、インダクタLと平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2が直列
接続され、以下の経路で電流が流れる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2にはインダクタLと同様の電流が流れる。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1H→半導体スイッチング素子S2H→コンデンサC2→半導体スイッチング素子S3L
または、インダクタL→半導体スイッチング素子S1L→コンデンサC1→半導体スイッチング素子S2H→コンデンサC2→半導体スイッチング素子S3L

ゲート信号G2Lがハイ信号（ゲート信号G2Hがロウ信号）、ゲート信号G3Lがロウ信号（
ゲート信号G3Hがハイ信号）となるときに、半導体スイッチング素子S2L、S3Hがオンとな
るため、インダクタLと平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2が直列接続され
、以下の経路で電流が流れる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2にはインダクタLに対して、逆向きの電流が流れる。
インダクタL→半導体スイッチング素子S1H→コンデンサC1→半導体スイッチング素子S2L→コンデンサC2→半導体スイッチング素子S3H
または、インダクタL→半導体スイッチング素子S1L→半導体スイッチング素子S2L→コ
ンデンサC2→半導体スイッチング素子S3H
なお、これら以外、すなわちゲート信号G2Lがロウ信号でゲート信号G3Lがハイ信号であるとき、およびゲート信号G2Lがハイ信号でゲート信号G3Lがロウ信号であるとき以外のときには、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2には電流が流れない。

スイッチング一周期における平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2の充電時間（あるいは放電時間）Tc2は以下の通りとなる。
Tc2＝T2L=T3L=Sduty／fs

平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C2のリップル電圧ΔVc2は、インダクタLの平均電流Ildcを用いて以下の通りとなる。
ΔVc2＝｜Ildc｜×Tc2／C1
＝（｜Ildc｜／C2）×（１−Sduty）／fs

また、デューティー信号Sdutyが、1/3≦Sduty＜2/3、2/3≦Sdutyのときについては、前記Sduty＜1/3の場合と同様に考察することにより、リップル電圧ΔVc1、ΔVc2は以下の通りとなる。
1/3≦Sduty＜2/3のとき、
ΔVc1＝（｜Ildc｜／C1）／（3fs）
ΔVc2＝（｜Ildc｜／C2）／（3fs）
2/3≦Sdutyのとき、
ΔVc1＝（｜Ildc｜／C1）×（１−Sduty）／fs
ΔVc2＝（｜Ildc｜／C2）×（１−Sduty）／fs

このように、実施の形態３のＤＣ／ＤＣ電力変換装置30においても、実施の形態１と同様に、リップル電圧ΔVc1、ΔVc2は、インダクタ電流Ildc、デューティー信号Sduty、ス
イッチング周波数fs、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C2の容量に依存し、スイッチング周波数fsに反比例することが理解される。

また、簡単のため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C2の容量が、互いに同じである場合について説明する。平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C2の容量が同じ場合には、リップル電圧ΔVc1とΔVc2は等しくなる。そのため、リップル電圧ΔVc1のみを検出すれば、リップル電圧ΔVc2も分かる。

この実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置30においても、実施の形態１と同様にリップル電圧ΔVc1の値により、図５のフローチャートに従って、スイッチング周波数fs
を決定する。このようにすることにより、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C2の容量が小さい場合においても、リップル電圧ΔVc1（ΔVc2）が大きいときには、スイッチング周波数fsを大きくすることにより、リップル電圧ΔVc1（ΔVc2）を制限することができる。このため、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C2の容量を小さくすることができる。また、リップル電圧ΔVc1（ΔVc2）が小さいときには、スイッチング周波数fsを小さくして、スイッチング損失を小さくすることにより、電力変換効率を高く保つことができる。

なお、ここでは、リップル電圧ΔVc1により、スイッチング周波数fsを決定したが、リ
ップル電圧ΔVc2を用いても同様である。また、リップル電圧ΔVc1とΔVc2の両方を用い
て、スイッチング周波数fsを決定してもよい。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40を説明する。図１１はこの発明の実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40の主回路の構成を示す電気回路図である。この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40の制御部は、図２と同じに構成される。

この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40は、電圧端子VLと電圧端子VN間に入力された直流電圧V0を、昇圧された直流電圧V2に変換し、電圧端子Vc11Hと電圧端子Vc1L
間に出力する昇圧機能と、電圧端子Vc11Hと電圧端子Vc1L間に入力された直流電圧V2を、
降圧された直流電圧V0に変換し、電圧端子VLと電圧端子VN間に出力する降圧機能を有する双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置である。

この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40では、図１１に示すように、図１で示した実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10と主回路の接続構成が異なる。この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40の主回路の接続の詳細について説明する。
半導体スイッチング素子S1Hを構成するIGBTのエミッタ端子は、電圧端子VNに接続され、
そのコレクタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電圧側端子Vc1Hに接続されている。半導体スイッチング素子S1Lを構成するIGBTのエミッタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の低電圧側端子Vc1Lに接続され、そのコレクタ端子は、電圧端子VNに接続されている。半導体スイッチング素子S2Hを構成するIGBTのエミッタ端子は、電圧端子VMに接続され、そのコレクタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C11の高電圧側端子Vc11Hに接続されている。半導体スイッチング素子S2Lを構成するIGBTのエミッタ端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電圧側端子Vc1Hと平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C11の低圧側端子に接続され、そのコレクタ端子は、電圧端子VMに接続されている。

この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40においても、半導体スイッチング素子S1L、S1Hは、相補的にスイッチング動作を行ない、スイッチングユニットSU1を構成す
る。また、半導体スイッチング素子S2L、S2Hも、相補的にスイッチング動作を行ない、スイッチングユニットSU2を構成する。

平滑コンデンサC0の低電圧側端子は電圧端子VNに接続され、この平滑コンデンサC0の高電圧側端子は電圧端子VLに接続されている。平滑コンデンサC2の低電圧側端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の低電圧側端子Vc1Lに接続され、この平滑コンデンサC2の高電圧側端子は、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C11の高電圧
側端子Vc11Hに接続されている。平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高電
圧側端子Vc1Hと、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C11の低電圧側端子は、
互いに接続されている。インダクタLの一方の端子は、電圧端子VLに接続され、その他方
の端子は電圧端子VMに接続されている。なお、ここでは平滑コンデンサC2を用いたが、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C11の直列体が、平滑コンデンサC2に並
列に接続されているので、平滑コンデンサC2を除去してもよい。

半導体スイッチング素子S1Hのゲート端子は、ゲート駆動回路101Hの出力端子に接続さ
れ、このゲート駆動回路101Hの入力端子には、ゲート信号G1Hが入力される。半導体スイ
ッチング素子S1Lのゲート端子は、ゲート駆動回路101Lの出力端子に接続され、このゲー
ト駆動回路101Lの入力端子には、ゲート信号G1Lが入力される。半導体スイッチング素子S2Hのゲート端子は、ゲート駆動回路102Hの出力端子に接続され、このゲート駆動回路102Hの入力端子には、ゲート信号G2Hが入力される。半導体スイッチング素子S2Lのゲート端子は、ゲート駆動回路102Lの出力端子に接続され、このゲート駆動回路102Lの入力端子には、ゲート信号G2Lが入力される。

この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40の制御部は、実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の制御部と構成および動作が同じであり、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の高圧側端子と低圧側端子から平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1のリップル電圧ΔVc1が検出される。

この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40においても、リップル電圧ΔVc1と
スイッチング周波数fsの間に、以下の関係がある。なお、ここでは簡単のため、平滑コンデンサC2の容量が、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C11の容量に比べ
て十分大きいとき、つまり直流電圧V2が変動しない場合について説明する。
Sduty＜0.5のとき
ΔVc1＝（｜Ildc｜／（C1＋C1１））×Sduty／fs
Sduty≧0.5のとき
ΔVc1＝（｜Ildc｜／（C1＋C1１））×（１−Sduty）／fs

この実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置40においても、実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10と同様に、リップル電圧ΔVc1の値により図５のフローチャート
に従って、スイッチング周波数fsを決定する。このようにすることにより、実施の形態1
と同様に、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1、C11の容量が小さい場合に
おいても、リップル電圧ΔVc1が大きいときには、スイッチング周波数fsを大きくするこ
とにより、リップル電圧ΔVc1を制限することができる。このため、平滑コンデンサ（エ
ネルギ移行用コンデンサ）C1、C11の容量を小さくすることができる。また、リップル電
圧ΔVc1が小さいときには、スイッチング周波数fsを小さくして、スイッチング損失を小
さくすることにより、電力変換効率を高く保つことができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する。この実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路は、図１に示す実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の主回路と同じに構成される。図１２は、この実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。

実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の制御部では、図２のように、電圧センサSVとリップル電圧検出部200を用いて、リップル電圧ΔVc1を検出していたが、この実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部では、リップル電圧演算部200aを用いてリップル電圧ΔVc1を演算する。その他の点は、実施の形態１の制御部と同じである。

リップル電圧演算部200aには、インダクタLに流れる電流Ildc（図３、図４の（ｃ）参
照）を検出する電流センサなどにより得られたインダクタLの電流Ildcと、デューティー
信号Sdutyと、スイッチング周波数fsが入力されている。実施の形態１について式（１）
（３）で説明したように、リップル電圧ΔVc1は、電流Ildc、デューティー信号Sduty、スイッチング周波数fs、平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の容量により決まる。平滑コンデンサ（エネルギ移行用コンデンサ）C1の容量が分かっていれば、式（１）、式（３）の演算をおこない、電流Ildc、デューティー信号Sduty、スイッチング周波数fsにより、リップル電圧ΔVc1を演算することができる。リップル電圧推定部200aにおいては、電流Ildc、デューティー信号Sduty、スイッチング周波数fsによりリップル電圧ΔVc1を演算している。

リップル電圧ΔVc1を計測しなくても、電流Ildcとデューティー信号Sdutyによりリップル電圧ΔVc1を演算することができ、実施の形態５のＤＣ／ＤＣ電力変換装置のように、
電流Ildcとデューティー信号Sdutyによりスイッチング周波数fsを決定しても、実施の形
態１と同様の効果が得られる。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する。この実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路は、図１に示す実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の主回路と同じに構成される。図１３は、この実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。

図１３に示す実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部は、図１２に示す実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の制御部において、リップル電圧演算部200aを、リップル電圧演算部200bに置き換えたものであり、その他は図１２と同じに構成される。

図１３のリップル電圧演算部200bには、実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の入力電力またはその出力電力を表わす電力値Pを直流電圧V0で除したP/V0と、デューティ
ー信号Sdutyと、スイッチング周波数fsが入力され、リップル電圧演算部200bは、これら
の入力P/V0、Sduty、fsに基づいて、平滑コンデンサC1のリップル電圧ΔVc1を演算する。

ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の入力電力は、図１に示すＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の入力側の電力であり、直流電圧V0を直流電圧V2に昇圧する場合には、この入力電力は、電圧端子VL、VNの外部に接続される入力電力回路の電力であり、また、直流電圧V2を直流電圧V0に降圧する場合には、電圧端子VH、VNの外部に接続される入力電力回路の電力である。
また、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の出力電力は、図１に示すＤＣ／ＤＣ電力変換装置10の出力側の電力であり、直流電圧V0を直流電圧V2に昇圧する場合には、この出力電力は、電圧端子VH、VNの外部に接続される負荷電力回路の電力であり、また、直流電圧V2を直流電圧V0に降圧する場合には、電圧端子VL、VNの外部に接続される負荷電力回路の電力である。

これらの入力電力または出力電力を電力値Pとしたとき、インダクタLの電流Ildcは、Ildc=P/V0で表わすことができる。したがって、リップル電圧演算部200bは、式（１）（３）におけるIldcをP/V0に置き換えた式により、入力P/V0、Sduty、fsに基づいて、平滑コンデンサC1のリップル電圧ΔVc1を演算する。

このように、実施の形態６では、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の電力値Pが分かる場合に、
インダクタLの電流IldcはＰ/V0と等しくなり、P/V0より電流Ildcを演算できる。そのため、P/V0より電流Ildcを演算し、P/V0とデューティー信号Sdutyとスイッチング周波数fsにより、リップル電圧ΔVc1を演算し、このリップル電圧ΔVc1によりスイッチング周波数fsを決定することにより、実施の形態１と同様の効果が得ている。

C0〜C3,C11：コンデンサ、S1L,S1H,S2L,S2H,S3L,S3H：半導体スイッチング素子、
L：インダクタ、G1L,G1H,G2L,G2H,G3L,G3H：ゲート信号、
VH,VL,VN,Vc1L,Vc1H：電圧端子、101L,101H,102L,102H,103L,103H：ゲート駆動回路、
SV：電圧センサ、200：リップル電圧検出部、200a：リップル電圧推定部、
210：周波数決定部、215,2151：三角波出力部、220,2201：ＰＷＭ波形出力部、
Sduty:デューティー信号、D1H,D1L,D2H,D2L：ダイオード、
SV,200:第１手段、200a,200b:第１手段、220,2201:第２手段。

Claims (8)

1. 相補的にスイッチング動作を行なう２つの半導体スイッチング素子から構成されるスイッチングユニットを２つ以上有し、前記各スイッチングユニットにおける前記各半導体スイッチング素子がすべて直列に接続され、前記各スイッチングユニットにおける前記各半導体スイッチング素子のスイッチング動作により充放電を行なうエネルギ移行用コンデンサと、インダクタを有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、
   前記エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を検出または演算する第１手段と、この第１手段により検出または演算された前記リップル電圧に応じて、前記各スイッチングユニットにおける各半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を決定する第２手段を有することを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
2. スイッチング動作を行なう１つの半導体スイッチング素子と１つのダイオードから構成されるスイッチングユニットを２つ以上有し、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子と前記ダイオードがすべて直列に接続され、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作により充放電を行なうエネルギ移行用コンデンサと、インダクタを有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、
   前記エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を検出または演算する第１手段と、この第１手段により検出または演算された前記リップル電圧に応じて、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を決定する第２手段を有することを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
3. 請求項１または２記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記第１手段により検出または演算された前記リップル電圧が所定の上限閾値より大きいときには、前記第２手段は、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を高くし、前記リップル電圧が所定の下限閾値より小さいときには、前記第２手段は、前記各スイッチングユニットにおける前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を低くすることを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
4. 請求項１、２または３記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記第１手段は、前記エネルギ移行用コンデンサの電圧を検出する電圧センサと、この電圧センサの検出値に基づいて前記リップル電圧を検出するリップル電圧検出手段を含むことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
5. 請求項４記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、アナログ回路により実現したフィルタを備え、前記リップル電圧検出部が、前記電圧センサの検出値を前記フィルタに通したフィルタ出力値に基づいて、前記リップル電圧を検出することを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
6. 請求項４または５記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記電圧センサによる検出値あるいは前記フィルタのフィルタ出力値を、スイッチング一周期の間に２回のサンプリングを行ない、この２回のサンプリング値の差をとることにより、前記リップル電圧を検出することを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
7. 請求項１または２記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記インダクタの電流値を検出する電流センサを備え、前記第１手段が、前記インダクタの電流値と前記各半導体スイッチング素子のオンデューティーを用いて、前記エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を演算することを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
8. 請求項１または２記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、前記ＤＣ／ＤＣ電力変換装
   置の入力電力または出力電力を表わす電力値を出力する電力値出力手段を備え、前記第１手段が、前記電力値出力手段から出力される前記電力値と前記各半導体スイッチング素子のオンデューティーを用いて、前記エネルギ移行用コンデンサのリップル電圧を演算することを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。

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