JP5082339B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、電圧制御と充放電制御を行う電力変換装置に関する。

従来、燃料電池のような発電装置とキャパシタ、二次電池等の蓄電装置の両方を備える「ハイブリッド燃料電池システム」（特許文献１参照）が知られている。
この「ハイブリッド燃料電池システム」は、蓄電池と電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を備えた蓄電池装置が設けられており、外部負荷の消費電力が増加して、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力する電圧が低下すると、蓄電池ないしＥＤＬＣから放電する。このとき、蓄電池の放電電流を制限することにより、ＥＤＬＣが瞬間的な消費電力に対応する電力を放電し、蓄電池が瞬間的に大きな電力を放電することによる蓄電池の寿命低下を防止すると共に、燃料電池発電装置１２を安定して動作させながら、外部負荷の消費電力の変化に応じた電力を出力可能となっている。

このような複数の電源システムでは、発電装置の出力電圧を利用したい電圧へ変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、蓄電装置の充放電を制御するコンバータを備えている。なお、例えば、燃料電池ノートパソコン等にも、同様な構成が見られる。
特開２００２−１１０２１０号公報

しかしながら、従来の複数の電源システムにおいては、燃料電池の発電電圧を利用したい電圧へ変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、蓄電装置の充放電を制御するためのＤＣ−ＤＣコンバータを別個に持っているため、コンバータの容量が大きくなり、システム全体も大型化してしまうのが避けられなかった。
この発明の目的は、電圧制御と充放電制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータのサイズの小型化を図り、システム全体の大型化を防止することができる電力変換装置及び制御方法を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換装置は、複数の直流電圧を入力とし、複数の直流電圧を出力する電力変換装置であって、エネルギ蓄積手段であるコイルと、
前記コイルの端子に、複数の入力或いは出力の電位の何れかを選択して接続する複数のスイッチ回路と、前記各スイッチ回路のオン・オフ信号を生成する手段とを備え、前記直流電圧の出力は、前記コイルの端子の少なくとも一方と、半導体スイッチからなる前記スイッチ回路を介して接続され、前記コイルの端子に接続した前記スイッチ回路の内、複数の電位から選択して接続するスイッチ回路は、前記コイルの端子から各電位の経路の導通を双方向で制御可能なスイッチ回路で構成し、前記オン・オフ信号に基づいて、それぞれのスイッチ回路を駆動し、入力する入力電圧相互の電力変換と、出力電圧の電力変換を行うことを特徴としている。

この発明によれば、複数の直流電圧を入力とし、複数の直流電圧を出力する電力変換装置が、エネルギ蓄積手段であるコイルと、前記コイルの端子に、複数の入力或いは出力の電位の何れかを選択して接続する複数のスイッチ回路と、前記各スイッチ回路のオン・オフ信号を生成する手段とを備え、前記直流電圧の出力は、前記コイルの端子の少なくとも一方と、半導体スイッチからなる前記スイッチ回路を介して接続され、前記コイルの端子に接続した前記スイッチ回路の内、複数の電位から選択して接続するスイッチ回路は、前記コイルの端子から各電位の経路の導通を双方向で制御可能なスイッチ回路で構成され、オン・オフ信号に基づいて、それぞれのスイッチ回路が駆動され、入力する入力電圧相互の電力変換と、出力電圧の電力変換が行われる。
このため、電圧制御と充放電制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータのサイズの小型化を図り、システム全体の大型化を防止することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、コイル１１と、コイル１１の両端に接続された、複数の半導体スイッチ１２〜２１及びダイオード２２，２３と、平滑コンデンサ２４，２５とを有している。半導体スイッチ１２〜２１及びダイオード２２，２３は、２個の半導体スイッチからなる組と半導体スイッチとダイオードからなる組を構成している。
電力変換装置１０の入力側の負極端子には、２個の電源（直流電源）２６ａ，２６ｂの共通の負極母線２７が、入力側の正極端子には、電源２６ａの正極母線２８ａと電源２６ｂの正極母線２８ｂが、それぞれ接続されている。ここで、電源２６ｂは、バッテリー或いはキャパシタ等の蓄電可能な電源である。

電力変換装置１０の出力端子には、負荷２９ａが、正極母線２８ａと負極母線２７の間に接続されている。即ち、負荷２９ａは、電源２６ａに接続する構成となる。また、負荷２９ｂが、電力変換装置１０の新たな出力端子の正極母線２８ｃと負極母線２７の間に接続されている。
半導体スイッチ１２〜２１は、正極母線２８ａ，２８ｂ，２８ｃ或いは負極母線２７を選択する、単方向に導通する半導体スイッチであり、ダイオード２２，２３は、還流経路のダイオードである。また、正極の出力端子にそれぞれ接続された平滑コンデンサ２４，２５は、出力電圧のフィルタ用である。

次に、電力変換装置１０の動作を各モード毎に説明する。
［モード１］
モード１は、電源２６ａから負荷２９ａへの給電、電源２６ａから負荷２９ｂへの昇降圧給電を行う。
図２は、図１の回路のモード１における等価回路である。
半導体スイッチ１２〜１４，１８〜２０をオフ（ＯＦＦ）にし、半導体スイッチ１５をオン（ＯＮ）にする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図２の回路構成と等価になる。

電源２６ａの電圧をＶ１、電源２６ｂの電圧をＶ２とし、コンデンサ２５の電圧Ｖ３を、半導体スイッチ１７と半導体スイッチ１６のオン・オフによって制御する。Ｖ１を昇圧してＶ３を出力する場合には、半導体スイッチ１７をオンすると共に、半導体スイッチ１６をパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）駆動し、そのデューティ比を操作すれば、Ｖ３を制御することができる。また、Ｖ１を降圧してＶ３を出力する場合には、半導体スイッチ１６はオフし、半導体スイッチ１７をＰＷＭ駆動することで、デューティ比を操作すれば、Ｖ３を制御することができる。

図３は、図１の回路のモード２における等価回路である。
半導体スイッチ１２〜１６，１８〜１９をオフし、半導体スイッチ１７，２０をオンにする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図３の回路構成と等価になる。
この場合、Ｖ３は、電源２６ａのＶ１と等しくなり、負荷２９ａと負荷２９ｂに同じ電圧を供給することができる。
［モード３］
モード３は、電源２６ａから電源２６ｂへの充電を行う。
図４は、図１の回路のモード３における等価回路である。

半導体スイッチ１３をオン、半導体スイッチ１２，１４，１５，１８〜２１をオフする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図４の回路構成と等価になる。
ここで、Ｖ１をＶ２に昇圧して電源２６ｂに電力を供給、即ち、充電する場合には、半導体スイッチ１７をオンし、半導体スイッチ１６をＰＷＭ駆動する。そのデューティ比を操作することで、電源２６ｂへの昇圧を行い、充電を行う。また、Ｖ１を降圧してＶ２の電源２６ｂを充電する場合には、半導体スイッチ１６をオフし、半導体スイッチ１７をＰＷＭ駆動し、そのデューティ比を操作する。
［モード４］
モード４は、電源２６ａから電源２６ｂへの充電、Ｖ３への昇降圧を行う。

図５は、図１の回路のモード４における等価回路である。
半導体スイッチ１２，１４，１８〜２１をオフする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図５の回路構成と等価になる。
ここで、Ｖ１をＶ２に昇降圧して電源２６ｂを充電しつつ、Ｖ３に昇降圧して出力する場合には、半導体スイッチ１７をオンし、半導体スイッチ１６をＰＷＭ駆動すると共に、半導体スイッチ１３と半導体スイッチ１５をＰＷＭ周期毎に交互に駆動する。半導体スイッチ１６のデューティ比を操作することによって、昇圧比を調整し、また、半導体スイッチ１３と半導体スイッチ１５のオン時間を調整することによって、電源２６ｂへの充電電力とＶ３の電圧を制御することができる。

このモード４は、モード１とモード３を周期毎に交互に駆動する方法とも見ることができる。
［モード５］
モード５は、電源２６ｂからＶ３への昇降圧を行う。
図６は、図１の回路のモード５における等価回路である。
半導体スイッチ１３〜１９をオフし、半導体スイッチ２０をオンする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図６の回路構成と等価になる。

コンデンサ２５のＶ３を、半導体スイッチ１２と半導体スイッチ２１のオン・オフによって制御する。Ｖ２を昇圧してＶ３を出力する場合には、半導体スイッチ１２をオンし、半導体スイッチ２１をＰＷＭ駆動する。そのデューティ比を操作することで、Ｖ３の電圧を制御することができる。また、Ｖ２を降圧してＶ３を出力する場合には、半導体スイッチ２１はオフし、半導体スイッチ１２をＰＷＭ駆動することで、デューティ比を操作すれば、Ｖ３の電圧を制御することができる。
［モード６］
モード６は、電源２６ｂから負荷２６ｂへの直接給電を行う。

図７は、図１の回路のモード６における等価回路である。
半導体スイッチ１３，１４，１６〜２１をオフし、半導体スイッチ１２，１５をオンする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図７の回路構成と等価になる。この場合、Ｖ３は、電源２６ｂの電圧（Ｖ２）と等しくなる。
［モード７］
モード７は、電源２６ｂから負荷２９ａ・電源２６ａへの給電を行う。

図８は、図１の回路のモード７における等価回路である。
半導体スイッチ１３〜１７，１９，２０をオフする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図８の回路構成と等価になる。ここで、Ｖ２をＶ１に昇圧し、負荷２９ａへ電力を供給すると同時に、電源２６ａを充電する場合には、半導体スイッチ１２をオンし、半導体スイッチ２１をＰＷＭ駆動する。半導体スイッチ２１のデューティ比を操作することによって昇圧電圧を制御し、電源２６ａの電圧（Ｖ１）になるように動作させる。Ｖ２をＶ１へ降圧する場合には、半導体スイッチ２１をオフし、半導体スイッチ１２をＰＷＭ駆動する。このデューティ比を操作することで降圧電圧を制御することができ、Ｖ１になるように動作させる。
［モード８］
モード８は、電源２６ｂから負荷２９ａ，２９ｂ・電源２６ａへの給電を行う。

図９は、図１の回路のモード８における等価回路である。
半導体スイッチ１３〜１７，１９をオフする。このようにすると、電力変換装置１０の回路構成（図１参照）は、図９の回路構成と等価になる。ここで、Ｖ２をＶ３に昇降圧しつつ、電源２６ａのＶ１に昇降圧して出力する場合には、半導体スイッチ１２をオンし、半導体スイッチ２１をＰＷＭ駆動すると共に、半導体スイッチ１８と半導体スイッチ２０をＰＷＭ周期毎に交互に駆動する。半導体スイッチ２１のデューティ比を操作することによって昇圧比を調整し、半導体スイッチ１８，２０のオン時間を操作することによって、電源２６ａへの充電電力と、Ｖ３の電圧を制御することができる。

このモード８は、モード５とモード７を周期毎に交互に駆動する方法とも見ることができる。
これらのモードは、電力変換装置１０に備えられた制御器のモード選択器によって選択する。
図１０は、電力変換装置に備えられた制御器の構成を示すブロック図である。図１０に示すように、電力変換装置１０に備えられた制御器３０は、モード選択器３１、自動電圧調整器（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：ＡＶＲ）３２、ＰＷＭ生成器３３、及びゲート駆動信号生成器３４を有しており、半導体スイッチそれぞれのオン・オフ信号を生成する。

モード選択器３２は、各部の電圧を電圧センサ（図示しない）で検出し、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を得る。そして、電源２６ｂの電圧から、電源２６ｂの充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を推定する。各電圧とＳＯＣ、目標とするＳＯＣ^＊と、Ｖ３の出力電圧指令Ｖ３^＊との比較を行って、各モードを選択する。つまり、モード選択器３２は、入力電圧の端子、コイル１１、出力電圧の端子の接続を選択する。
ここで、ＳＯＣ^＊よりもＳＯＣが低下する場合には、電源２６ｂを充電し、ＳＯＣが超過する場合には、充電を停止する。また、電源２６ａからの入力が停電するような場合には、電源２６ｂのみで負荷２９ａ，２９ｂへの電力を供給する。

Ｖ３（Ｖ３≠Ｖ１）を電源２６ａから出力するのであれば、モード１
Ｖ３^＊＝Ｖ１であれば、モード２
Ｖ３^＊＝０（負荷２９ｂへの出力を停止）とし、電源２６ｂを充電するのであれば、モード３
電源２６ｂを充電し、また、Ｖ３を出力するのであれば、モード４
電源２６ｂからのみ負荷２９ｂへ電力を供給する場合には、モード５
Ｖ３^＊＝Ｖ２であれば、モード６
Ｖ３^＊＝０（負荷ｂへの出力を停止）とし、電源２６ｂから負荷ａへの電力を供給する場合には、モード７
電源２６ｂから負荷２９ａ，２９ｂへの電力を供給する場合には、モード８

これらの動作モード選択を行った後、半導体スイッチのＰＷＭによって、出力電圧を調整するモードであれば、ＡＶＲ３２において、出力電圧指令値と入力電圧からデューティ比値（Ｄｕｔｙ指令）を演算する。この指令値を、ＰＷＭ生成器３３に入力し、三角波比較を行ってＰＷＭパルスを生成する。このＰＷＭ信号と、モード毎に定まる半導体スイッチのオン・オフ状態から、各半導体スイッチのゲート駆動信号を、ゲート駆動信号生成器３４において生成する。即ち、ＡＶＲ３２は、半導体スイッチのオン・オフ時間比率（デューティ比）を調整する。
半導体スイッチ１４，１９は、負荷２９ｂから電源２６ｂへの電流経路であり、負荷２９ｂがモータのように回生する場合には、電源２６ｂへの経路を開通させるためにオンさせる。

図１１は、本発明によるモード４での昇降圧動作を示した模擬実験結果である。ここでは、電源２６ａの電圧を１００Ｖ（Ｖ１＝１００Ｖ）とし、電源２６ｂは充電されていない状態から開始している。また、負荷２９ａ，２９ｂは抵抗負荷である。
図１１に示すのは、モード４（図５参照）で半導体スイッチ１６をＰＷＭ駆動し、半導体スイッチ１３と半導体スイッチ１５のオン時間の比率を、０.０１［ｓｅｃ］と０.０２５［ｓｅｃ］に変化させ、Ｖ３とＶ２を操作した結果である。この配分操作によって、Ｖ２のように降圧・昇圧どちらでも可能であり、Ｖ１をＶ３に昇圧しつつ電源２６ｂを充電することができる。

つまり、半導体スイッチは、複数の入力或いは出力の電位の何れかを選択して、エネルギ蓄積手段としてのコイル１１に接続する。そして、電力変換装置１０は、各半導体スイッチのオン・オフ信号に基づいてそれぞれの半導体スイッチを駆動し、入力電圧相互の電力変換と出力電圧の電力変換を行う。
このように構成される電力変換装置１０を用いることにより、２個の直流電圧の電源２６ａ，２６ｂの充放電と、電源２６ａ，２６ｂの電圧を昇降圧した電圧に変換して出力することができる。本発明により、この充放電と昇降圧の機能を、一つのコイル１１を用いて構成することができるため、電力変換装置１０の装置体積・質量を増加させずにすみ、小型の電力変換装置を提供することができる。
（第２実施の形態）

図１２は、この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１２に示すように、電力変換装置３５は、電源２６ａの正極母線２８ａにリレー３６を設けており、その他の構成及び作用は、第１実施の形態に係る電力変換装置１０と同様である。
リレー３６は、電源２６ａが停電した場合にオフし、それ以外でオンしている。つまり、Ｖ１を電圧センサ（図示しない）で検出し、検出したＶ１が所定の電圧以下に低下した場合に停電と判断し、その停電信号を受けてリレー３６をオフさせ、電源２６ａとの接続を、即ち、入力電圧を遮断する。この結果、電源２６ａからの電力供給が停止するため、モード選択器３１でモード８を選択し、電源２６ｂから負荷２９ａ，２９ｂに電力を供給する。

Ｖ１が所定の電圧以上になり、停電から回復すると、リレー３６をオンする。リレー３６がオンしている場合、制御器３０は、第１実施の形態におけるモード選択器３１の動作と同様の動作を行う。つまり、電力変換装置３５は、電源２６ａのラインにリレー３６を設けており、停電時に、電源２６ａとの接続を遮断する。
上記構成を有することにより、電源２６ａの停電時、電源２６ｂから負荷２９ａ，２９ｂに電力が供給されることになり、電源２６ｂは、バックアップ電源となる。この電源２６ｂへの充電と、電源２６ａ停止時に電源２６ｂからの放電、電源電圧の昇降圧を、一つのコイル１１で構成していることにより、電力変換装置の装置体積・質量を増加させることがなく、電力変換装置の小型化を実現することができる。
（第３実施の形態）

図１３は、この発明の第３実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１３に示すように、電力変換装置４０は、電力変換装置１０の回路に半導体スイッチ４１〜４４を追加して、新たな電流経路を形成している。その他の構成及び作用は、第１実施の形態に係る電力変換装置１０と同様である。
２個の半導体スイッチ４１,４２からなる組は、電源２６ａの正極母線２８ａに接続されており、２個の半導体スイッチ４３,４４からなる組は、電源２６ｂの正極母線２８ｂに接続されている。
この追加した半導体スイッチ４１〜４４により、新たに実施できる動作モードについて説明する。
［モード９］
モード９は、電源２６ａ,２６ｂから負荷２９ｂへの給電を行う。

図１４は、図１の回路のモード９における等価回路である。図１５は、この発明に係る第３実施の形態におけるノコギリ波比較によるＰＷＭ信号生成の説明図である。図１６は、この発明に係る第３実施の形態における三角波比較によるＰＷＭ信号生成の説明図である。図１７は、この発明に係る第３実施の形態におけるＰＷＭ信号生成の説明図である。
電力変換装置４０の半導体スイッチ１２〜１４，１８〜４２，４４をオフする。このようにすると、電力変換装置４０の回路構成（図１３参照）は、図１４の回路構成と等価になる。
ここで、Ｖ１，Ｖ２をＶ３に降圧し、負荷２９ｂへ電力を供給する場合には、半導体スイッチ１５をオン、半導体スイッチ１６をオフし、半導体スイッチ１７と半導体スイッチ４３をＰＷＭ駆動する。

半導体スイッチ１７と半導体スイッチ４３を駆動するＰＷＭ信号は、図１５に示すように、ＰＷＭ周期毎の始点と終端に半導体スイッチのオン信号が生成されるように、二つの電源（２６ａ，２６ｂ）用キャリア波のアップ・ダウンを入れ替えたノコギリ波形からなるキャリア波と、それぞれのＤｕｔｙ指令ａ，ｂを比較することによって、生成する。このように、半導体スイッチ１７と半導体スイッチ４３を駆動することで、電源２６ａ，２６ｂそれぞれから、負荷２９ｂへ電力を供給することができる。
なお、二つの電源（２６ａ，２６ｂ）用キャリア波の波形を、図１６に示すように、三角波として形成し、このキャリア波とそれぞれのＤｕｔｙ指令ａ，ｂを比較してＰＷＭ信号を生成しても良い。

降圧時の電圧指令値Ｖ３^＊に対し、Ｄｕｔｙ指令ａ，ｂを、
Ｄｕｔｙ指令ａ＝γａ・Ｖ３^＊／Ｖ１
Ｄｕｔｙ指令ｂ＝γｂ・Ｖ３^＊／Ｖ２
とする。γａ、γｂは、二つの電源２６ａ，２６ｂから生成する電圧の比率を示しており、二つの電源２６ａ，２６ｂから生成する電圧比率を等しくする場合には、γａ＝γｂ＝０.５とする。また、一方の電源２６ａからのみ電圧を出力するのであれば、γａ＝１、γｂ＝０とすればよい。

また、二つの電源２６ａ，２６ｂから昇圧した電圧（Ｖ３）を出力する場合には、図１７に示すように、ＰＷＭ周期毎に交互に半導体スイッチ１７，４３をオンさせて、半導体スイッチ１６をＰＷＭ駆動することによって、Ｖ３に昇圧する。半導体スイッチ１６のＤｕｔｙ指令は、二つの電源２６ａ，２６ｂの接続を選択する半導体スイッチ１７，４３に応じて、次のような値をとる。
半導体スイッチ１７オンのとき → Ｄｕｔｙ指令＝１−（Ｖ１／Ｖ３^＊）
半導体スイッチ４３オンのとき → Ｄｕｔｙ指令＝１−（Ｖ２／Ｖ３^＊）
このように、各半導体スイッチ１７，４３のデューティ比を操作することによって、二つの電源２６ａ，２６ｂからの電圧を昇降圧した出力電圧を制御することができる。

図１８は、図１の回路のモード８における別構成の等価回路である。図１８に示すように、電力変換装置４０の半導体スイッチ１３〜１９，４２〜４４をオフすることにより、図１４の回路構成における動作と同様な動作が可能である。図１４に示す回路構成と図１８に示す回路構成において、同様の動作が可能であることから、図１４に示す回路構成で、半導体スイッチをＰＷＭ駆動させ、半導体スイッチ１７，４３，１６の発熱量が増加する場合には、図１８に示す回路構成に半導体スイッチを切り替え、半導体スイッチ１２，４１，２１をＰＷＭ駆動する。
発熱量は、半導体スイッチ近傍に取り付けた温度センサ（図示しない）から検出し、その検出値と閾値を比較して切り替えを行う。また、半導体スイッチの駆動によって発熱量が事前に推定できるのであれば、半導体スイッチの動作時間を予め定め、所定の時間毎に、図１４に示す回路構成と図１８に示す回路構成を切り替えてもよい。

このように構成することで、充放電と昇降圧の機能を、一つのコイル１１を用いて構成することができるため、電力変換装置の装置体積・質量を増加させずにすみ、小型の電力変換装置を提供することができる。また、二つの電源２６ａ，２６ｂから負荷２９ａ，２９ｂに電力を供給することができるので、例えば、負荷２９ｂの電力が増加する場合等に、二つの電源で電力を分担することによって、個々の電源（電源２６ａと電源２６ｂ）の容量を増加させずに電力を供給することができる。
（第４実施の形態）
図１９は、この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１９に示すように、電力変換装置４５は、電力変換装置１０（図１参照）の出力端子に、負荷２９ａ，２９ｂではなく、交流モータ４６を駆動するインバータ４７を接続した構成を有している。その他の構成及び作用は、第１実施の形態に係る電力変換装置１０と同様である。

インバータ４７は、３つの直流電位を選択してモータ端子の電圧を生成するものであり、共通の負極母線２７と電源２６ａの正極母線２８ａに接続する。このインバータ４７は、交流モータ４６の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）毎に、２個の半導体スイッチの組及び半導体スイッチとダイオードの組を組み合わせて形成されており、電力変換装置１０により、その動作が制御される。なお、インバータ制御部として機能する電力変換装置１０は、正極母線２８ｃの電圧を昇降圧して出力し、その動作は、第１実施の形態と同様である。
電源２６ａ若しくは電源２６ｂは、昇圧して正極母線２８ｃに電圧を供給し、この電圧から、交流モータ４６の出力電圧を生成することによって、交流モータ４６の回転数が高く、誘起電圧が高い場合にも、モータ端子の印加電圧を高めることができる。このため、交流モータ４６の出力を増加させることができる。

一般的に知られている昇圧コンバータ＋インバータの電力変換装置の構成では、交流モータ４６に供給する電力の全てが昇圧コンバータを通過するが、本実施例においては、モータ出力端子の交流電圧の内、電源２６ａの電圧で不足する領域のみ、昇圧した正極母線２８ｃから電力を供給する。このため、全ての電力を昇圧する必要がない。
よって、電力変換装置１０での損失は、前述の昇圧コンバータよりも小さくなり、効率が向上すると共に、その冷却に必要な放熱器の大きさも低減できるため、装置全体の大きさを小型化することができる。

このような電力変換装置によって、例えば、電源２６ａを燃料電池、電源２６ｂを二次電池として、燃料電池と二次電池を搭載して交流モータにより駆動する電動車両に適用すれば、効率向上により、車両の燃費が向上すると共に、小型な装置のため、車両への搭載性が向上する。その上、電源２６ｂをバッテリーとした場合、正極母線２８ｂから正極母線２８ｃへの経路の半導体スイッチを短絡させることで、電源２６ｂの電圧を供給することもでき、また、電源２６ａ，２６ｂを昇降圧した電圧を正極母線２８ｃに供給することができるため、電源分＋昇降圧分の電圧が使えることになる。

上述したように、この発明に係る電力変換装置は、複数の直流電圧を入力とし、複数の直流電圧を出力する電力変換装置であって、エネルギ蓄積手段であるコイルと、前記コイルの端子に、複数の入力或いは出力の電位の何れかを選択して接続する複数のスイッチ回路と、前記各スイッチ回路のオン・オフ信号を生成する手段とを備え、前記直流電圧の出力は、前記コイルの端子の少なくとも一方と、半導体スイッチからなる前記スイッチ回路を介して接続され、前記コイルの端子に接続した前記スイッチ回路の内、複数の電位から選択して接続するスイッチ回路は、前記コイルの端子から各電位の経路の導通を双方向で制御可能なスイッチ回路で構成し、前記オン・オフ信号に基づいて、それぞれのスイッチ回路を駆動し、入力する入力電圧相互の電力変換と、出力電圧の電力変換を行うことを特徴としている。

これにより、単一のコイルを用い、スイッチの切替を行うことで、複数の直流電圧の電源の充放電と、入力電圧を昇降圧した電圧に変換して出力することができる。この充放電と昇降圧の機能を、一つのコイルを用いて構成することができるため、従来の充放電用電力変換装置と、電圧変換用の電力変換装置に比較して、電力変換装置の装置体積・質量を増加させずにすみ、小型の電力変換装置を提供することができる。また、コイルの一方の端子を出力と接続することによって、コイルにエネルギの蓄積と放出を行うことで、出力電圧を入力電圧に対して昇降圧することができる。また、双方向に導通制御が可能な素子でスイッチを構成することで、複数の異なる電位をコイルに接続する際にも、それらの電位の間での短絡を防止することができ、入力に過大な電流が流れることを防止することができる。このため、スイッチの発熱を抑制し、装置全体の効率と、放熱のための冷却器を小型化することができる。

また、この発明は、複数の直流電圧の入力と出力の正極と負極の何れかを共通とすることが好ましい。これにより、正極と負極の何れかを共通とすることで、配線数を削減することができ、装置全体のサイズを小型化することができる。

また、この発明は、複数の直流電圧の入力と出力の正極と負極の何れかを共通とした共通極と、前記共通極と前記コイルの両端子をそれぞれ接続するスイッチ回路、前記複数の直流入力電圧の共通極の他方の極と前記コイルを接続するスイッチ回路、及び前記出力電圧の少なくとも一つを前記コイルの端子に接続するスイッチ回路と、前記半導体スイッチのオン・オフ時間比率を調整する手段とを備え、前記オン・オフ時間比率に基づいて前記半導体スイッチを駆動し、入力電圧相互の電力変換と出力電圧の電力変換を行うことが好ましい。これにより、極を共通とすると共に、コイルの端子と極間を接続するスイッチも共通とすることができるため、装置全体を小型化することができる。

また、この発明は、出力の直流電圧の両端に、入力の直流電圧の内の一方の端子と、前記コイルと、入力の直流電圧の内の他方の端子とを直列に接続する半導体スイッチと、出力の直流電圧の両端に、前記コイルを接続する半導体スイッチとを備え、前記半導体スイッチをオン・オフし、入力電圧を降圧して出力電圧を生成することが好ましい。これにより、コイル端子に接続されたスイッチのオン・オフにより、コイル電流の経路を切り替え、入力電圧を降圧することができ、電圧を調整することができる。

また、この発明は、複数の直流電圧入力の何れかの直流電圧の両端に、他の入力の直流電圧の内の一方の端子と、前記コイルと、他の入力の直流電圧の内の他方の端子とを直列に接続する半導体スイッチと、前記複数の直流電圧入力の何れかの直流電圧の両端に、前記コイルを接続する半導体スイッチとを備え、前記半導体スイッチをオン・オフし、前記複数の直流電圧入力の何れか他の入力電圧を降圧して、前記複数の直流電圧入力の何れか他の直流電圧へ電力を供給することが好ましい。これにより、コイル端子に接続されたスイッチのオン・オフにより、コイル電流の経路を切り替え、入力電圧を降圧して、他の入力に電力を供給することができ、他の入力の直流電源を充電することができる。

また、この発明は、入力の直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチと、出力の直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチとを備え、前記半導体スイッチをオン・オフし、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成することが好ましい。これにより、コイル端子に接続されたスイッチのオン・オフにより、コイル電流の経路を切り替え、入力電圧を昇圧することができ、電圧を調整することができる。
また、この発明は、複数の直流電圧入力の何れかの直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチと、他の入力の直流電圧の内の何れかの直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチとを備え、前記半導体スイッチをオン・オフし、前記複数の直流電圧入力の何れかの直流電圧へ電力を供給することが好ましい。これにより、コイル端子に接続されたスイッチのオン・オフにより、コイル電流の経路を切り替え、入力電圧を昇圧して、他の入力に電力を供給することができ、他の入力の直流電源を充電することができる。

また、この発明は、前記半導体スイッチそれぞれのオン・オフ信号を生成する手段は、出力電圧指令値若しくは入力電圧指令値と入力電圧値とから、前記入力電圧の端子と、前記コイルと、前記出力電圧の端子との接続を選択する選択手段を備え、前記選択手段の出力に応じて、前記半導体スイッチのオン・オフ信号を生成することが好ましい。これにより、入力電圧指令値、若しくは、出力電圧指令値を用いて、何れかと入力電圧から、昇降圧に必要なスイッチのオン・オフの時間比率を求め、スイッチのオン・オフ信号の生成と、入力電圧と入力電圧指令値、出力電圧指令値から、電源を選択してスイッチを接続することによって、スイッチのオン・オフを生成することができるため、電圧指令値に応じた出力電圧を生成することができる。また、出力電圧指令値に応じて、不要な経路のスイッチのオフを行うことで、スイッチのオン・オフに必要となる電力を消費せずにすむ。

また、この発明は、前記選択手段は、少なくとも一つの半導体スイッチをＰＷＭ駆動すると共に、このＰＷＭ駆動の半導体スイッチ以外の半導体スイッチのオン・オフを固定することが好ましい。これにより、ＰＷＭ駆動することによって、昇降圧を行うと共に、それ以外のスイッチのオン・オフを固定することで、スイッチング時の電力を消費せずにすむため、高効率の電力変換装置を提供することができる。

また、この発明は、複数の入力電圧源から、出力に供給する電力の配分を調整する調整手段を備え、前記調整手段により、前記コイルと前記複数の入力電圧を接続する半導体スイッチ、若しくは前記コイルと前記複数の出力電圧を接続する半導体スイッチを、時間毎に交互にオン・オフすると共に、電力の配分に応じて、前記半導体スイッチのオン・オフの時間比率を調整することが好ましい。これにより、複数の電源からの電力を、スイッチのオン・オフのみによって調整することができ、負荷の要求電力に応じて、それぞれの電力を合成して供給することができる。このため、電源を複数個接続すれば、個々の電源が、負荷の出力よりも小さな出力電源であっても、負荷に電力を供給することができるため、個々の電源容量を大きくとらずにすむ。

また、この発明は、少なくとも一つの入力電圧を遮断するスイッチと、遮断による入力電圧の停止を検出する検出手段とを備え、前記入力電圧の停止を検出した際に、他の入力電圧から出力電圧を供給することが好ましい。これにより、電源の停電時に、他の電源から負荷に電力を供給するバックアップ電源を構成することができ、この電源への充電と放電、電源電圧の昇降圧を一つのコイルで構成しているため、小型の電力変換装置で実現することができる。
なお、上記実施の形態において、コイル１１を用いて電圧制御を行ったが、これに限るものではなく、コイル１１に代えてコンデンサをエネルギ蓄積手段として用いることにより、電流制御を行っても良い。

この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 図１の回路のモード１における等価回路である。 図１の回路のモード２における等価回路である。 図１の回路のモード３における等価回路である。 図１の回路のモード４における等価回路である。 図１の回路のモード５における等価回路である。 図１の回路のモード６における等価回路である。 図１の回路のモード７における等価回路である。 図１の回路のモード８における等価回路である。 電力変換装置に備えられた制御器の構成を示すブロック図である。 本発明によるモード４での昇降圧動作を示した模擬実験結果である。 この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 この発明の第３実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 図１の回路のモード９における等価回路である。 この発明に係る第３実施の形態におけるノコギリ波比較によるＰＷＭ信号生成の説明図である。 この発明に係る第３実施の形態における三角波比較によるＰＷＭ信号生成の説明図である。 この発明に係る第３実施の形態におけるＰＷＭ信号生成の説明図である。 図１の回路のモード８における別構成の等価回路である。 この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１０，３５，４０，４５ 電力変換装置
１１ コイル
１２〜２１，４１〜４４ 半導体スイッチ
２２，２３ ダイオード
２４，２５ 平滑コンデンサ
２６ａ，２６ｂ 電源
２７ 負極母線
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 正極母線
２９ａ，２９ｂ 負荷
３０ 制御器
３１ モード選択器
３２ 自動電圧調整器
３３ ＰＷＭ生成器
３４ ゲート駆動信号生成器
３６ リレー
４６ 交流モータ
４７ インバータ

Claims (11)

1. 複数の直流電圧を入力とし、複数の直流電圧を出力する電力変換装置であって、
   エネルギ蓄積手段であるコイルと、
   前記コイルの端子に、複数の入力或いは出力の電位の何れかを選択して接続する複数のスイッチ回路と、
   前記各スイッチ回路のオン・オフ信号を生成する手段とを備え、
   前記直流電圧の出力は、前記コイルの端子の少なくとも一方と、半導体スイッチからなる前記スイッチ回路を介して接続され、
   前記コイルの端子に接続した前記スイッチ回路の内、複数の電位から選択して接続するスイッチ回路は、前記コイルの端子から各電位の経路の導通を双方向で制御可能なスイッチ回路で構成し、
   前記オン・オフ信号に基づいて、それぞれのスイッチ回路を駆動し、入力する入力電圧相互の電力変換と、出力電圧の電力変換を行う電力変換装置。
2. 複数の直流電圧の入力と出力の正極と負極の何れかを共通とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数の直流電圧の入力と出力の正極と負極の何れかを共通とした共通極と、
   前記共通極と前記コイルの両端子をそれぞれ接続するスイッチ回路、前記複数の直流入力電圧の共通極の他方の極と前記コイルを接続するスイッチ回路、及び前記出力電圧の少なくとも一つを前記コイルの端子に接続するスイッチ回路と、
   前記半導体スイッチのオン・オフ時間比率を調整する手段とを備え、
   前記オン・オフ時間比率に基づいて前記半導体スイッチを駆動し、入力電圧相互の電力変換と出力電圧の電力変換を行う請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 入力の直流電圧の内の一方の端子と、前記コイルと、入力の直流電圧の内の他方の端子とを直列に接続し、かつ、前記コイルと前記他方の端子との間を接続する第１の半導体スイッチと、
   出力の直流電圧の内の一方の端子と入力の直流電圧の内の一方の端子との間に、前記コイルを接続する第２の半導体スイッチとを備え、
   前記第１の半導体スイッチをオフし前記第２の半導体スイッチをオン・オフし、入力電圧を降圧して出力電圧を生成する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 複数の直流電圧入力の内の第１の直流電圧の両端に、前記第１の直流電圧の内の一方の端子と、前記コイルと、前記第１の直流電圧の内の他方の端子とを直列に接続し、かつ、前記コイルと前記他方の端子とを接続する第３の半導体スイッチと、
   前記複数の直流電圧入力の内の第２の直流電圧の一方の端子と前記第１の直流電圧の一方の端子との間に、前記コイルを接続する第４の半導体スイッチとを備え、
   前記第３の半導体スイッチをオフし前記第４の半導体スイッチをオン・オフし、前記第１の直流電圧の入力電圧を降圧して、前記第２の直流電圧へ電力を供給する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 入力の直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチと、
   出力の直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチとを備え、
   前記半導体スイッチをオン・オフし、入力電圧を昇圧して出力電圧を生成する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 複数の直流電圧入力の何れかの直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチと、他の入力の直流電圧の内の何れかの直流電圧の両端に前記コイルを接続する半導体スイッチとを備え、
   前記半導体スイッチをオン・オフし、前記複数の直流電圧入力の何れかの直流電圧へ電力を供給する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記半導体スイッチそれぞれのオン・オフ信号を生成する手段は、
   出力電圧指令値若しくは入力電圧指令値と入力電圧値とから、前記入力電圧の端子と、前記コイルと、前記出力電圧の端子との接続を選択する選択手段を備え、
   前記選択手段の出力に応じて、前記半導体スイッチのオン・オフ信号を生成する請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記選択手段は、
   少なくとも一つの半導体スイッチをＰＷＭ駆動すると共に、このＰＷＭ駆動の半導体スイッチ以外の半導体スイッチのオン・オフを固定する請求項８に記載の電力変換装置。
10. 複数の入力電圧源から、出力に供給する電力の配分を調整する調整手段を備え、
    前記調整手段により、前記コイルと前記複数の入力電圧を接続する半導体スイッチ、若しくは前記コイルと前記複数の出力電圧を接続する半導体スイッチを、時間毎に交互にオン・オフすると共に、
    電力の配分に応じて、前記半導体スイッチのオン・オフの時間比率を調整する請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 少なくとも一つの入力電圧を遮断するスイッチと、遮断による入力電圧の停止を検出する検出手段とを備え、
    前記入力電圧の停止を検出した際に、他の入力電圧から出力電圧を供給する請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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