JP5812040B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、１次側回路と、前記１次側回路と変圧器を介して磁気結合する２次側回路との間で行われる電力変換に関する。
従来、１次側回路のスイッチングと２次側回路のスイッチングとの位相差を変更することによって、１次側回路と２次側回路との間の電力伝送量を調整可能な、電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１１−１９３７１３号公報
しかしながら、１次側回路と２次側回路との間で伝送される伝送電力を精度良く調整できない場合があった。本発明は、１次側回路と２次側回路との間で伝送される伝送電力を精度良く調整できる、電力変換装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
１次側回路と、
前記１次側回路と変圧器で磁気結合する２次側回路とを備え、
前記１次側回路に構成される１次側ポートと前記２次側回路に構成される２次側ポートとの間で伝送される伝送電力が、前記１次側回路のスイッチングと前記２次側回路のスイッチングとの位相差と、前記１次側回路及び前記２次側回路のスイッチングの周波数とに応じて変化する、電力変換装置であって、
前記１次側ポートと前記２次側ポートの少なくとも一つのポートのポート電圧に応じて、前記周波数を調整する制御部を備えることを特徴とする、電力変換装置を提供するものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、
１次側回路と、
前記１次側回路と変圧器で磁気結合する２次側回路とを備え、
前記１次側回路に構成される１次側ポートと前記２次側回路に構成される２次側ポートとの間で伝送される伝送電力が、前記１次側回路のスイッチングと前記２次側回路のスイッチングとの位相差と、前記１次側回路及び前記２次側回路のスイッチングの周波数とに応じて変化する、電力変換装置であって、
前記伝送電力の目標電力に応じて、前記周波数を調整する制御部を備えることを特徴とする、電力変換装置を提供するものである。
なお、「周波数」は「角周波数」と換言でき、「周波数の調整」は「角周波数の調整」と換言できる。
本発明によれば、１次側回路と２次側回路との間で伝送される伝送電力を精度良く調整できる。
電力変換装置の実施形態である電源装置の構成例を示したブロック図 制御部の構成例を示したブロック図 １次側回路及び２次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート デューティ比Ｄが比較的低い場合のタイミングチャート デューティ比Ｄが比較的高い場合のタイミングチャート スイッチング周波数ｆの調整による伝送電力Ｐの調整例を示したタイミングチャート 電力変換方法の一例を示したフローチャート 周波数決定マップの一例
＜電源装置１０１の構成＞
図１は、電力変換装置の実施形態である電源装置１０１の構成例を示したブロック図である。電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。
電源装置１０１は、例えば、１次側高電圧系負荷６１ａが接続される第１入出力ポート６０ａと、１次側低電圧系負荷６１ｃ及び１次側低電圧系電源６２ｃが接続される第２入出力ポート６０ｃとを、１次側ポートとして有している。１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷６１ｃに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷６１ａに、電源回路１０に構成される１次側変換回路２０によって昇圧された電力を供給する。１次側低電圧系電源６２ｃの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。
電源装置１０１は、例えば、２次側高電圧系負荷６１ｂ及び２次側高電圧系電源６２ｂが接続される第３入出力ポート６０ｂと、２次側低電圧系負荷６１ｄが接続される第４入出力ポート６０ｄとを、２次側ポートとして有している。２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに電力を供給する。また、２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと異なる電圧系（例えば、２８８Ｖ系よりも低い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって降圧された電力を供給する。２次側高電圧系電源６２ｂの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
電源回路１０は、上述の４つの入出力ポートを有し、それらの４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートが選択され、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。
ポート電力Ｐａ，Ｐｃ，Ｐｂ，Ｐｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｂ，Ｖｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。ポート電流Ｉａ，Ｉｃ，Ｉｂ，Ｉｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電流（入力電流又は出力電流）である。
電源回路１０は、第１入出力ポート６０ａに設けられるキャパシタＣ１と、第２入出力ポート６０ｃに設けられるキャパシタＣ３と、第３入出力ポート６０ｂに設けられるキャパシタＣ２と、第４入出力ポート６０ｄに設けられるキャパシタＣ４とを備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。
キャパシタＣ１は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ３は、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ２は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。キャパシタＣ４は、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。
キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、電源回路１０の内部に設けられてもよいし、電源回路１０の外部に設けられてもよい。
電源回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成された電力変換回路である。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、１次側磁気結合リアクトル２０４及び２次側磁気結合リアクトル３０４を介して接続され、且つ、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。
１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート６０ａと、第２入出力ポート６０ｃとを含んで構成された１次側回路である。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成された１次側電力変換部である。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。１次側第１アーム回路２０７は、１次側第１上アームＵ１及び１次側第１下アーム／Ｕ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第１電力変換回路部（１次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。１次側第２アーム回路２１１は、１次側第２上アームＶ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第２電力変換回路部（１次側Ｖ相電力変換回路部）である。
１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、１次側第１リアクトル２０４ａと結合係数ｋ１で磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。
中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。
第１入出力ポート６０ａは、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。第２入出力ポート６０ｃは、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。
センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。
２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート６０ｂと、第４入出力ポート６０ｄとを含んで構成された２次側回路である。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成された２次側電力変換部である。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。２次側第１アーム回路３０７は、２次側第１上アームＵ２及び２次側第１下アーム／Ｕ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第１電力変換回路部（２次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。２次側第２アーム回路３１１は、２次側第２上アームＶ２及び２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第２電力変換回路部（２次側Ｖ相電力変換回路部）である。
２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、２次側第１リアクトル３０４ａと結合係数ｋ２で磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。
中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。
第３入出力ポート６０ｂは、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。第４入出力ポート６０ｄは、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。
センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。
図１において、電源装置１０１は、センサ部７０を備えている。センサ部７０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Ｙに対応する検出値Ｙｄを制御部５０に対して出力する検出手段である。検出値Ｙｄは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部７０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電圧Ｖａと入出力電圧Ｖｃの少なくとも一方の検出電圧を１次側電圧検出値として出力する１次側電圧検出部と、入出力電圧Ｖｂと入出力電圧Ｖｄの少なくとも一方の検出電圧を２次側電圧検出値として出力する２次側電圧検出部とを有している。
センサ部７０の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部５０に対して出力する電圧検出回路とを有している。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電流Ｉａと入出力電流Ｉｃの少なくとも一方の検出電流を１次側電流検出値として出力する１次側電流検出部と、入出力電流Ｉｂと入出力電流Ｉｄの少なくとも一方の検出電流を２次側電流検出値として出力する２次側電流検出部とを有している。
センサ部７０の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部５０に対して出力する電流検出回路とを有している。
電源装置１０１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部５０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙの検出値Ｙｄが、該ポートに設定された目標値Ｙｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Ｙｏは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷（例えば、１次側低電圧系負荷６１ｃ等）毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Ｙｏは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。
また、制御部５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐが、設定された目標伝送電力Ｐｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力Ｐｏは、例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。
制御部５０は、所定の制御パラメータＸの値を変化させることによって、電源回路１０で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路１０の第１乃至第４の各入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄにおける入出力値Ｙを調整できる。主な制御パラメータＸとして、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）の２種類の制御変数が挙げられる。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。デューティ比Ｄ（オン時間δ）は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比（オン時間）である。
これらの２つの制御パラメータＸは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部５０は、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）を用いた１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００のデューティ比制御及び／又は位相制御によって、電源回路１０の各入出力ポートにおける入出力値Ｙを変化させる。
図２は、制御部５０のブロック図である。制御部５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
電力変換モード決定処理部５０２は、例えば、所定の外部信号（例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差を表す信号）に基づいて、次に述べる電源回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＡと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＢと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＣがある。
そして、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＤと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＥと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＦがある。
さらに、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＧと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＨと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＩがある。
それから、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＪと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＫと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＬがある。
位相差φ決定処理部５０４は、電源回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
＜電源装置１０１の動作＞
上記電源装置１０１の動作について、図１及び図２を用いて説明する。例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧の電力が電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート６０ｂ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポート６０ｄから出力される。
ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート６０ｃと第１入出力ポート６０ａについて着目すると、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側第１リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側第２リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート６０ｄの端子６２２と第３入出力ポート６０ｂとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。
次に、電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート６０ａと第３入出力ポート６０ｂについて着目すると、第１入出力ポート６０ａには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが結合係数ｋＴで磁気結合することで、変圧器４００が巻き数１：Ｎのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂに伝送させ、あるいは、第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａに伝送させることができる。
図３は、制御部５０の制御によって、電源回路１０に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図３において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図３において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比が互いに等しくなるように、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくする（各オン時間δ＝１次側オン時間δ１＝２次側オン時間δ２＝時間値α）。
１次側変換回路２０の昇降圧比は、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。同様に、２次側変換回路３０の昇降圧比は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。１次側変換回路２０の昇降圧比は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の変圧比であり、２次側変換回路３０の昇降圧比は、第３入出力ポート６０ｂと第４入出力ポート６０ｄとの間の変圧比である。
したがって、例えば、
１次側変換回路２０の昇降圧比
＝第２入出力ポート６０ｃの電圧／第１入出力ポート６０ａの電圧
＝δ１／Ｔ＝α／Ｔ
２次側変換回路３０の昇降圧比
＝第４入出力ポート６０ｄの電圧／第３入出力ポート６０ｂの電圧
＝δ２／Ｔ＝α／Ｔ
と表される。つまり、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比は互いに同じ値（＝α／Ｔ）である。
なお、図３のオン時間δは、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１のオン時間δ１を表すとともに、２次側第１上アームＵ２及び２次側第２上アームＶ２のオン時間δ２を表す。また、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。
また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間の電力伝送量Ｐを調整することができ、位相差φ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送し、位相差φ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送することができる。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。例えば、位相差φは、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７との間でのスイッチングタイミングのずれであり、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１との間でのスイッチングタイミングのずれである。それらのずれは互いに等しいまま制御される。つまり、Ｕ１とＵ２の位相差φ及びＶ１とＶ２の位相差φは、同じ値に制御される。
したがって、例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧を昇圧して第１入出力ポート６０ａに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート６０ｂに入力された電圧を降圧して第４入出力ポート６０ｄに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を所望の電力伝送量Ｐで第３入出力ポート６０ｂに伝送するための位相差φを設定する。
１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
制御部５０により位相差φに応じて調整される伝送電力Ｐ（電力伝送量Ｐともいう）は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器４００を介して送られる電力であり、
Ｐ＝（Ｎ×Ｖａ×Ｖｂ）／（π×ω×Ｌ）×Ｆ（Ｄ，φ）
・・・式１
で表される。
なお、Ｎは、変圧器４００の巻き数比、Ｖａは、第１入出力ポート６０ａの入出力電圧、Ｖｂは、第３入出力ポート６０ｂの入出力電圧、πは円周率、ω（＝２π×ｆ＝２π／Ｔ）は１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチングの角周波数、ｆは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周波数、Ｔは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周期、Ｌは、磁気結合リアクトル２０４，３０４と変圧器４００の電力伝送に関わる等価インダクタンス、Ｆ（Ｄ，φ）は、デューティ比Ｄと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Ｄに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。
ところで、昇降圧比を調整するためのデューティ比Ｄと、伝送電力Ｐを調整するための位相差φとの間にトレードオフの関係がある。
図４は、デューティ比Ｄが比較的低い場合のタイミングチャートである。図３と同様、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形である。
伝送電力Ｐを正しく伝送するには、スイッチング周期Ｔの１周期分の期間に、Ｕ１とＵ２のオン時間δが互いに重複する必要がある。例えば図４に示されるように、Ｕ１のオンパルスの立ち上がりエッジのタイミングｔ２は、Ｕ２のオンパルスの立ち下がりエッジのタイミングｔ３よりも早くなければならない。したがって、デューティ比Ｄが比較的低いとき、位相差φのとりうる最大値が小さくなるため、伝送電力Ｐのとりうる最大値も制限される。
図５は、デューティ比Ｄが比較的高い場合のタイミングチャートである。図４と同様、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形である。
伝送電力Ｐを正しく伝送するには、Ｕ１とＵ２のオン時間δは、次のスイッチング周期Ｔのオン時間に互いに重複してはならない。例えば図５に示されるように、Ｕ１の立ち下がりエッジのタイミングｔ４は、Ｕ２の次のスイッチング周期Ｔの立ち上がりエッジのタイミングｔ９よりも早くなければならない。したがって、デューティ比Ｄが比較的高いときも、位相差φのとりうる最大値が小さくなるため、伝送電力Ｐのとりうる最大値も制限される。
このように、デューティ比Ｄが低すぎても高すぎても、位相差φの最大値が制限されるため、デューティ比Ｄの値によっては、伝送電力Ｐの大きさが制限される場合がある。
一方、式１より、角周波数ω（＝２π×ｆ）が低周波化するにつれて、伝送電力Ｐが大きくなる。また、電源回路１０は、角周波数ωを変化させても、デューティ比Ｄが一定であれば、昇降圧比は変化しない特性を有する。
そこで、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートの少なくとも一つのポートのポート電圧に応じて、角周波数ω（言い換えれば、スイッチング周波数ｆ）を調整する。これにより、位相差φが上記のトレードオフにより制限されて伝送電力Ｐを位相差φによって調整できない場合であっても、角周波数ω（スイッチング周波数ｆ）の調整によって、伝送電力Ｐを精度良く調整できる。
制御部５０は、例えば、ポート電圧の変化が伝送電力Ｐにより抑えられるように、スイッチング周波数ｆを調整する。これにより、例えば、伝送電力Ｐが位相差φによって調整できない状態でも、ポート電圧の変化を抑えることが可能な値に伝送電力Ｐを精度良く調整できる。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち電圧が低下するポートに伝送される伝送電力Ｐが増加するようにスイッチング周波数ｆを低下方向に調整する。これにより、１次側ポートと２次側ポートのいずれか一方のポートにおける電力が不足することにより、そのポートの電圧が低下しても、伝送電力Ｐの供給量を増やすことによって、そのポート電圧を上昇させることができる。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先のポートのポート電圧が伝送電力Ｐの伝送中に低下することが検出された場合、伝送電力Ｐが増加するようにスイッチング周波数ｆを低下方向に調整する。これにより、例えば、伝送先のポートに接続された負荷の消費電力が増加することによって、伝送先のポートの電圧が電力不足により低下しても、伝送電力Ｐの供給量を増やすことによって、伝送先のポート電圧を上昇させることができる。
例えば図６では、制御部５０は、伝送電力Ｐの伝送先である第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃが２次側から１次側への伝送電力Ｐの伝送中に低下した場合、伝送電力Ｐが増加するように、スイッチング周波数ｆを通常値よりも低い値に調整する。これにより、例えば、ポート電圧Ｖｃが低下しても、伝送電力Ｐの供給量を増やすことによって、ポート電圧Ｖｃを上昇させることができる。
なお、制御部５０は、ポート電圧Ｖｃの低下を検出することにより、デューティ比Ｄを上昇させることによって、第１入出力ポート６０ａから第２入出力ポート６０ｃに電力を供給してよい。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送元のポートのポート電圧が伝送電力Ｐの伝送中に低下することが検出された場合、伝送電力Ｐの伝送方向を切り替え、伝送電力Ｐが増加するようにスイッチング周波数ｆを低下方向に調整する。これにより、例えば、伝送元のポートに接続された負荷の消費電力が増加することによって、伝送元のポートの電圧が電力不足により低下しても、伝送方向を反対に切り替えてから伝送電力Ｐの供給量を増やすことによって、伝送方向切り替え前の伝送元のポート電圧を上昇させることができる。
例えば図６では、制御部５０は、伝送電力Ｐの伝送元である第３入出力ポート６０ｂのポート電圧Ｖｂが２次側から１次側への伝送電力Ｐの伝送中に低下した場合、伝送電力Ｐの伝送方向を１次側から２次側に切り替えてから、伝送電力Ｐが増加するように、スイッチング周波数ｆを通常値よりも低い値に調整する。これにより、例えば、ポート電圧Ｖｂが低下しても、伝送方向を反対に切り替えてから伝送電力Ｐの供給量を増やすことによって、ポート電圧Ｖｂを上昇させることができる。
また、制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち電圧が上昇するポートから伝送される伝送電力Ｐが増加するようにスイッチング周波数ｆを通常値よりも低い値に調整してよい。これにより、１次側ポートと２次側ポートのいずれか一方のポートにおける電力が過剰になることにより、そのポートの電圧が上昇しても、伝送電力Ｐの引き抜き量を増やすことによって、そのポート電圧を低下させることができる。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送元のポートのポート電圧が伝送電力Ｐの伝送中に上昇することが検出された場合、伝送電力Ｐが増加するようにスイッチング周波数ｆを低下方向に調整してよい。これにより、例えば、伝送元のポートに接続された負荷の消費電力が減少することによって、伝送元のポートの電圧が電力過多により上昇しても、伝送電力Ｐの引き抜き量を増やすことによって、伝送元のポート電圧を低下させることができる。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先のポートのポート電圧が伝送電力Ｐの伝送中に上昇することが検出された場合、伝送電力Ｐの伝送方向を切り替え、伝送電力Ｐが増加するようにスイッチング周波数ｆを低下方向に調整してよい。これにより、例えば、伝送先のポートに接続された負荷の消費電力が減少することによって、伝送先のポートの電圧が電力過多により上昇しても、伝送方向を反対に切り替えてから伝送電力Ｐの引き抜き量を増やすことによって、伝送方向切り替え前の伝送先のポート電圧を低下させることができる。
また、制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち電圧が低下するポートから伝送される伝送電力Ｐが減少するようにスイッチング周波数ｆを通常値よりも高い値に調整してよい。これにより、１次側ポートと２次側ポートのいずれか一方のポートにおける電力が不足することにより、そのポートの電圧が低下しても、伝送電力Ｐの引き抜き量を減らすことによって、そのポート電圧を上昇させることができる。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送元のポートのポート電圧が伝送電力Ｐの伝送中に低下することが検出された場合、伝送電力Ｐが減少するようにスイッチング周波数ｆを上昇方向に調整してよい。これにより、例えば、伝送電力Ｐを伝送元のポートから過剰に引き抜くことによって、伝送元のポートの電圧が電力不足により低下しても、伝送電力Ｐの引き抜き量を減らすことによって、伝送元のポート電圧を上昇させることができる。
また、制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち電圧が上昇するポートに伝送される伝送電力Ｐが減少するようにスイッチング周波数ｆを通常値よりも高い値に調整してよい。これにより、１次側ポートと２次側ポートのいずれか一方のポートにおける電力が過剰になることにより、そのポートの電圧が上昇しても、伝送電力Ｐの供給量を減らすことによって、そのポート電圧を低下させることができる。
制御部５０は、例えば、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先のポートのポート電圧が伝送電力Ｐの伝送中に上昇することが検出された場合、伝送電力Ｐが減少するようにスイッチング周波数ｆを上昇方向に調整してよい。これにより、例えば、伝送電力Ｐを伝送先のポートに過剰に供給することによって、伝送先のポートの電圧が電力過多により上昇しても、伝送電力Ｐの供給量を減らすことによって、伝送先のポート電圧を低下させることができる。
図７は、電力変換方法の一例を示したフローチャートである。図７は、制御部５０がポート電圧の低下を検出することにより伝送電力Ｐを増加させる制御を行う場合のフローチャート例を示している。
ステップＳ１０において、制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄのポート電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄをセンサ部７０によって取得する。なお、負荷及び電源が接続されず不使用の入出力ポート（例えば、第４入出力ポート６０ｄ）のポート電圧は取得されなくてもよい。
ステップＳ２０において、制御部５０は、ステップＳ１０で取得された各入出力ポートのポート電圧の検出電圧と、各入出力ポートに設定された目標電圧との差Ｅを算出する。
ステップＳ３０において、制御部５０は、各入出力ポートのいずれにおいても、所定値以上の差Ｅが無いと判定した場合、ステップＳ１２０において、デューティ比Ｄ、位相差φ及びスイッチング周波数ｆを所定の通常値に設定する。制御部５０は、通常値を反映した式１に従って、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０をＰＷＭ制御することによって、伝送電力Ｐを調整する。なお、この場合のステップＳ１２０は、制御部５０が、後述のステップＳ９０及びＳ１１０の処理後、デューティ比Ｄ、位相差φ及びスイッチング周波数ｆを、ステップＳ９０及びＳ１１０で決定された値から所定の通常値に戻す処理を含む。
一方、ステップＳ３０において、制御部５０は、各入出力ポートのいずれかに、所定値以上の差Ｅがあると判定した場合、ステップＳ４０以降の処理を実行する。ステップＳ４０において、制御部５０は、所定値以上の差Ｅがどの入出力ポートにあるか否かを判定することによって、伝送電力Ｐの伝送可否を決定する。
ステップＳ４０において、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートの両方とも所定値以上の差Ｅがあると判定した場合、ステップＳ５０において、位相差φを零にセットする。これにより、伝送電力Ｐの伝送が停止する。ステップＳ５０の処理後、制御部５０は、ステップＳ１２０において、デューティ比Ｄ及びスイッチング周波数ｆを所定の通常値に設定する（位相差φはステップＳ５０で０に設定）。
例えば、ステップＳ４０において、制御部５０は、ステップＳ１０で取得された検出電圧が目標電圧に対して所定値以上低い場合、１次側ポートと２次側ポートの両方とも電力不足であると判定する。この場合、いずれか一方のポートの電力が更に不足することを防止するため、制御部５０は、位相差φを零に設定して、伝送電力Ｐの伝送を停止させる。
一方、ステップＳ４０において、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうちの片方のみに所定値以上の差Ｅがあると判定した場合、ステップＳ６０以降の処理を実行する。ステップＳ６０において、制御部５０は、所定値以上の差Ｅが１次側ポートにあるのか２次側ポートにあるのかを判定し、伝送電力Ｐの伝送方向を決定する。
ステップＳ６０において、制御部５０は、所定値以上の差Ｅが１次側ポートにあると判定した場合、１次側ポートに電力不足があるとして、伝送電力Ｐの伝送方向を、２次側ポートから１次側ポートへの方向に設定する（ステップＳ７０）。制御部５０は、ステップＳ９０において、差Ｅとデューティ比Ｄとの関係則（例えば、所定の変換マップや演算式など）に従って、ステップＳ２０で算出された差Ｅに応じたデューティ比Ｄを決定し、ステップＳ１００以降の処理を実行する。
一方、ステップＳ６０において、制御部５０は、所定値以上の差Ｅが２次側ポートにあると判定した場合、２次側ポートに電力不足があるとして、伝送電力Ｐの伝送方向を、１次側ポートから２次側ポートへの方向に設定する（ステップＳ８０）。制御部５０は、ステップＳ９０において、差Ｅとデューティ比Ｄとの関係則（例えば、所定の変換マップや演算式など）に従って、ステップＳ２０で算出された差Ｅに応じたデューティ比Ｄを決定し、ステップＳ１００以降の処理を実行する。
ステップＳ１００において、制御部５０は、ステップＳ２０で算出された差Ｅに基づいて目標伝送電力Ｐｏを導出する。この場合、目標伝送電力Ｐｏは、伝送電力Ｐとして必要とされる電力である。制御部５０は、例えば、差Ｅと目標伝送電力Ｐｏとの関係則（例えば、所定の変換マップや演算式など）に従って、ステップＳ２０で算出された差Ｅに応じた目標伝送電力Ｐｏを算出する。
ステップＳ１１０において、制御部５０は、ステップＳ１００で算出された目標伝送電力Ｐｏに基づいて、位相差φ及びスイッチング周波数ｆを導出する。制御部５０は、例えば、伝送電力Ｐと位相差φとスイッチング周波数ｆとの関係則（例えば、所定の変換マップや演算式など）に従って、ステップＳ１００で算出された目標伝送電力Ｐｏに応じた位相差φ及びスイッチング周波数ｆを算出する。
ステップＳ１２０において、制御部５０は、デューティ比Ｄ、位相差φ及びスイッチング周波数ｆを、ステップＳ９０及びＳ１１０で決定された値に設定する。制御部５０は、その設定値を反映した式１に従って、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０をＰＷＭ制御することによって、伝送電力Ｐを調整する。
図８は、伝送電力Ｐと位相差φとスイッチング周波数ｆとの関係則の一例である変換マップである。制御部５０は、段階的に大きさが異なる複数の位相差候補の中から目標伝送電力Ｐｏに応じて選択された値に、位相差φを調整する。位相差φが目標伝送電力Ｐｏの所定の電力範囲毎に一つの値に限定されているため、制御部５０の演算負荷を抑えることができる。図８には、複数の位相差候補として、３つの位相差φ１，φ２，φ３が例示されている（φ１＜φ２＜φ３）。
図８の変換マップでは、伝送電力Ｐの大きさが複数の電力範囲に区分され、位相差φが各電力範囲に一つずつ設定され、所定の周波数範囲に限定されたスイッチング周波数ｆが、各電力範囲に設定された位相差φ毎に設定されている。これにより、位相差φに応じて決定された伝送電力Ｐをスイッチング周波数ｆにより微調整できる。
図８の場合、位相差φ１は、伝送電力Ｐが０以上Ｐ１未満の電力範囲に設定され、位相差φ２は、伝送電力ＰがＰ１以上Ｐ２未満の電力範囲に設定され、位相差φ３は、伝送電力ＰがＰ２以上Ｐ３未満の電力範囲に設定されている。図８の場合、制御部５０は、設定された目標伝送電力Ｐｏに応じて、位相差φをφ３に決定し、位相差φ３に応じて、スイッチング周波数ｆをｆ１に決定する。
このように、制御部５０は、ポート電圧と目標電圧との間に発生した差Ｅに応じて目標伝送電力Ｐｏを決定し、決定された目標伝送電力Ｐｏに伝送電力Ｐが収束するように、位相差φ及びスイッチング周波数ｆを調整する。
以上、電力変換装置を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
また、第１入出力ポート６０ａに電源が接続されてもよいし、第４入出力ポート６０ｄに電源が接続されてもよい。また、第２入出力ポート６０ｃに電源が接続されなくてもよいし、第３入出力ポート６０ｂに電源が接続されなくてもよい。
１０ 電源回路
２０ １次側変換回路
３０ ２次側変換回路
５０ 制御部
６０ａ 第１入出力ポート
６０ｂ 第３入出力ポート
６０ｃ 第２入出力ポート
６０ｄ 第４入出力ポート
７０ センサ部
１０１ 電源装置（電力変換装置の一例）
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７ １次側第１アーム回路
２１１ １次側第２アーム回路
２０７ｍ，２１１ｍ 中点
２９８ １次側正極母線
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０４ ２次側磁気結合リアクトル
３０７ ２次側第１アーム回路
３１１ ２次側第２アーム回路
３０７ｍ，３１１ｍ 中点
３９８ ２次側正極母線
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
Ｕ＊，Ｖ＊ 上アーム
／Ｕ＊，／Ｖ＊ 下アーム

Claims (5)

  1. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルと、前記１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルとが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される第１のポートと、前記１次側コイルのタップに接続される第２のポートとを有する１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートと、
    前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを制御して、前記１次側ポートと前記２次側ポートとの間で伝送される伝送電力を調整し、前記１次側フルブリッジ回路のデューティ比を制御して、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の昇降圧比を調整する、制御部とを備える、電力変換装置であって、
    前記制御部は、前記伝送電力の伝送先である前記１次側ポートのポート電圧が前記伝送電力の伝送中に低下することが検出された場合、前記伝送電力が増加するように、前記１次側フルブリッジ回路及び前記２次側フルブリッジ回路のスイッチングの周波数を低くする、ことを特徴とする、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、前記伝送電力の伝送先である前記第２のポートのポート電圧が前記伝送電力の伝送中に低下することが検出された場合、前記デューティ比を上昇させる、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルと、前記１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルとが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される第１のポートと、前記１次側コイルのタップに接続される第２のポートとを有する１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートと、
    前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを制御して、前記１次側ポートと前記２次側ポートとの間で伝送される伝送電力を調整し、前記１次側フルブリッジ回路のデューティ比を制御して、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の昇降圧比を調整する、制御部とを備える、電力変換装置であって、
    前記制御部は、前記１次側ポートと前記２次側ポートのうち前記伝送電力の伝送元のポートのポート電圧が前記伝送電力の伝送中に低下することが検出された場合、前記伝送電力の伝送方向を切り替えて、前記伝送電力が増加するように、前記１次側フルブリッジ回路及び前記２次側フルブリッジ回路のスイッチングの周波数を低くする、ことを特徴とする、電力変換装置。
  4. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルと、前記１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルとが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される第１のポートと、前記１次側コイルのタップに接続される第２のポートとを有する１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートと、
    前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを制御して、前記１次側ポートと前記２次側ポートとの間で伝送される伝送電力を調整し、前記１次側フルブリッジ回路のデューティ比を制御して、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の昇降圧比を調整する、制御部とを備える、電力変換装置であって、
    前記制御部は、前記１次側ポートと前記２次側ポートのうち前記伝送電力の伝送元のポートのポート電圧が前記伝送電力の伝送中に上昇することが検出された場合、前記伝送電力が増加するように、前記１次側フルブリッジ回路及び前記２次側フルブリッジ回路のスイッチングの周波数を低くする、ことを特徴とする、電力変換装置。
  5. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルと、前記１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルとが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される第１のポートと、前記１次側コイルのタップに接続される第２のポートとを有する１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートと、
    前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを制御して、前記１次側ポートと前記２次側ポートとの間で伝送される伝送電力を調整し、前記１次側フルブリッジ回路のデューティ比を制御して、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の昇降圧比を調整する、制御部とを備える、電力変換装置であって、
    前記制御部は、前記１次側ポートと前記２次側ポートのうち前記伝送電力の伝送先のポートのポート電圧が前記伝送電力の伝送中に上昇することが検出された場合、前記伝送電力の伝送方向を切り替えて、前記伝送電力が増加するように、前記１次側フルブリッジ回路及び前記２次側フルブリッジ回路のスイッチングの周波数を低くする、ことを特徴とする、電力変換装置。
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