JP6132882B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力端子と出力端子との間で直流電圧を変換する電力変換装置に関するものである。

近年、環境に優しい自動車として、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）／ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等のハイブリッド自動車が開発されている。

このような自動車は、従来の自動車にも搭載されていた、制御回路を動作させる補機用電池に加えて、充電された電力により走行用の電動モータを駆動させる駆動用電池を搭載している。また、このような自動車では、パワーエレクトロニクス技術の進歩を背景に、燃費（または電費）を向上させるために、電動パワートレインコンポーネントの低損失化、高効率化が望まれている。

ここで、走行用の電動モータに電力を供給する駆動用電池から、補機用電池の充電を行うために必要な電力変換装置として、降圧変換回路がある。このような降圧変換回路として、一般的にフルブリッジの変換回路が使用され、位相シフト制御により、高効率な降圧変換を実現している。

しかしながら、フルブリッジの変換回路では、軽負荷動作時にトランス一次側のスイッチ素子におけるゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）の成立が困難になるので、軽負荷動作時の効率が低下するという問題があった。

なお、フルブリッジの変換回路において、軽負荷動作時にＺＶＳを成立させるためには、共振用リアクトルのインダクタンス値を増加させる必要があるが、その結果、共振用リアクトルのサイズやコストが増加する。また、降圧変換回路は、高電圧を低電圧に電力変換するために、トランスの一次巻線が二次巻線よりも多い。そのため、トランス一次側に流れる電流が小さく、共振用リアクトルを用いても、全範囲でのＺＶＳを成立させることは、極めて困難である。

一方、軽負荷動作時においてもＺＶＳが成立する変換回路として、一般的にＬＬＣ（ｔｗｏ ｉｎｄｕｃｔｏｒｓ（ＬＬ） ａｎｄ ａ ｃａｐａｃｉｔｏｒ（Ｃ））共振変換回路が知られている。この変換回路は、ブリッジ回路の上下に対向するスイッチング素子のオンとオフとを交互に切り替えて、正弦波状の共振電流を生成させることで電力伝送を行う。

ＬＬＣ共振変換回路の特徴は、軽負荷動作時においてもＺＶＳが成立することで、フルブリッジの変換回路に比べて軽負荷動作時における効率が高いことはもちろん、電力伝送経路にコンデンサが直列接続されているので、トランスの偏磁が発生せず、偏磁対策用の回路を別途設ける必要がないことである。また、トランス二次側の整流回路後段に平滑用リアクトルを設ける必要がないとされており安価である。

また、ＬＬＣ共振変換回路では、共振用リアクトルと共振用コンデンサとで構成される直列共振回路の直列共振周波数と、スイッチング周波数とが近い場合に、整流回路に流れ
る共振電流が０Ａ付近でオフされることになるので、サージ電圧が抑制されるという特徴を有する。

しかしながら、ＬＬＣ共振変換回路は、出力側の負荷によってゲイン特性が変化し、一般的に、軽負荷動作時にはゲインが低下しづらく、また、重負荷動作時にはゲインが１以上にならないという問題があった。そのため、ＬＬＣ共振変換回路は、入力電圧範囲が広く、かつ負荷電流範囲の広い対象については適していない。

さらに、ＬＬＣ共振変換回路は、重負荷動作時には、ゲインを増加させることが困難なので、トランスの巻数比を大きくとることができない。そのため、重負荷動作時には、トランス一次側に流れる電流が大きく、スイッチング素子や共振用リアクトル、共振用コンデンサ、トランスのサイズが大型化し、大電力を出力する場合には、フルブリッジの変換回路よりも大型化することがある。

ここで、一般的に、駆動用電池は電圧範囲が広く、また、アクセサリの状況、すなわちユーザの使用状況によって、降圧変換回路から補機用電池に流す充電電流が変わるので、降圧変換回路は、入力電圧範囲が広く、かつ負荷電流範囲が広い。

そこで、従来技術として、入力電圧が変動しても、高効率な電圧変換が可能となる電力変換装置として、例えば特許文献１に開示された技術が知られている。これは、ＬＬＣ共振変換回路の前段に非絶縁の昇圧変換回路を備え、前段の昇圧変換回路のオンデューティ比を制御して、出力電圧を調整し、ＬＬＣ共振変換回路はほぼ５０％のオンデューティ比で交互にオン／オフ制御することで入力電圧が大きく変動してもそれに対応させることが可能となるものである。

特開２０１３−２５８８６０号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。軽負荷時の効率を上げるためには、ＬＬＣ共振変換回路だけではなく非絶縁の昇圧変換回路の効率を上げる必要がある。軽負荷時は入出力電流が小さいため、素子の導通損失が小さく、スイッチング素子、例えばＭＯＳＦＥＴのスイッチング損失やダイオードのリカバリ損失が効率に大きく影響する。従来技術では、ＬＬＣ共振変換回路のスイッチング損失を低減させているが、昇圧変換回路のダイオードやスイッチング素子のリカバリ損失は存在するため、昇圧変換回路の効率が低下し、電力変換装置全体の総合効率も低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、軽負荷時において、装置全体の変換効率を向上できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、入力端子と出力端子との間で直流電圧を変換する電力変換装置であって、前記入力端子と前記出力端子との間に直列接続された非絶縁型変換回路及び絶縁型変換回路と、前記非絶縁型変換回路及び前記絶縁型変換回路に備えられたスイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、を備え、変換電力が低い軽負荷領域において、前記非絶縁型変換回路に備えられたリアクトルに流れる電流であるリアクトル電流の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなり、前記軽負荷領域よりも変換電力が高くなる重負荷領域において、前記リアクトル電流の動作モードが電流連続モードとなり、前記電流臨界モードは、前記リアクトル電流がゼロまで減少したときに前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子がオンされる動作モードであり、前記電流不連続モードは、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期において前記リアクトル電流がゼロになる期間がある動作モードであり、前記電流連続モードは、前記スイッチング周期において前記リアクトル電流が常にゼロよりも大きくなる動作モードであるものである。

軽負荷領域では、電力変換装置が変換する電力が少なくなるため、非絶縁型変換回路におけるリカバリ損失及びスイッチング素子のターンオン損失の発生により、電力変換装置の電力変換効率が大きく悪化する。本発明に係る電力変換装置によれば、軽負荷領域では、非絶縁型変換回路のリアクトル電流の動作モードは、リカバリ損失及びターンオン損失の大きくなる電流連続モードではなく、リカバリ損失及びターンオン損失を大幅に低減できる電流臨界モード又は電流不連続モードとなるので、電力変換装置の電力変換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る非絶縁型変換回路のスイッチング素子がオンオフされたときの電流経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る絶縁型変換回路の動作時における各電圧電流波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る絶縁型変換回路のスイッチング素子がオンオフされているときの電流経路を、図３の各時刻と対応して示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係るリアクトル電流の動作モードが電流連続モードとなっている場合の各素子に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係るリアクトル電流の動作モードが電流連続モードとなっている場合の各素子の電流電圧波形とスイッチング損失波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係るリアクトル電流の動作モードが電流連続モードとなっている場合のダイオードのリカバリ電流経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係るリアクトル電流の動作モードが電流不連続モードとなっている場合の各素子に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係るリアクトル電流の動作モードが電流不連続モードとなっている場合の各素子の電流電圧波形とスイッチング損失波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係るリアクトル電流の動作モードが電流臨界モードとなっている場合の各素子に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る平滑用リアクトルのインダクタンスの特性を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る直流重畳特性を有する平滑用リアクトルのインダクタンスの特性を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る非絶縁型変換回路のスイッチング周波数の設定を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る、スイッチング周波数の低下により電流連続モードから電流不連続モードに切り替わったときの電流波形を示すタイミングチャートである。 本発明のその他の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。 本発明のその他の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。 本発明のその他の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。 本発明のその他の実施の形態に係る降圧変換回路のスイッチング素子がオンオフされたときの電流経路を示す説明図である。 本発明のその他の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。

１．実施の形態１
実施の形態１に係る電力変換装置５０について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置５０の構成図である。

１−１．電力変換装置５０の基本構成
電力変換装置５０は、入力端子５１と出力端子５２との間で直流電圧を変換するＤＣ−ＤＣ変換装置である。すなわち、電力変換装置５０は、入力端子５１に入力された直流電圧（入力電圧Ｖｉ）を任意の直流電圧（出力電圧Ｖｏ）に変換して出力端子５２に出力する。

本実施の形態では、入力端子５１には、直流電源５５が接続され、出力端子５２には負荷５６が接続されている。例えば、電力変換装置５０が、電気自動車やハイブリッド自動車に適用された場合には、入力端子５１に、車輪駆動用モータの電源となる駆動用電池が接続され、出力端子５２に補機及び補機用電池が接続される。

電力変換装置５０は、入力端子５１と出力端子５２との間に直列接続された非絶縁型変換回路１３及び絶縁型変換回路１４を備えている。本実施の形態では、入力端子５１、非絶縁型変換回路１３、絶縁型変換回路１４、出力端子５２の順に直列接続されている。すなわち、入力端子５１に、非絶縁型変換回路１３が接続され、非絶縁型変換回路１３に絶縁型変換回路１４が接続され、絶縁型変換回路１４に出力端子５２が接続されている。

本実施の形態では、非絶縁型変換回路１３は、平滑用リアクトル１と、平滑用コンデンサ４と、少なくとも一つのスイッチング素子３（本例では一つ）と、少なくとも一つの整流回路２（本例では一つ）と、を備えた昇圧変換回路（以下、昇圧変換回路１３と称す）とされている。

絶縁型変換回路１４は、一次巻線５３及び二次巻線５４を有するトランス９と、一次巻線５３側に設けられた共振用コンデンサ７、共振用リアクトル８、第一スイッチング素子５、及び第二スイッチング素子６と、二次巻線５４側に設けられた整流回路１０、１１（本例では二つ）と、を備えるＬＬＣ直列共振変換回路（以下、共振変換回路１４と称す）とされている。ここで、ＬＬＣは、Ｔｗｏ Ｉｎｄｕｃｔｏｒｓ（ＬＬ） ａｎｄ ａ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ（Ｃ）の略である。トランス９により、一次巻線５３側（入力端子５１側）の回路と、二次巻線５４側（出力端子５２側）の回路とが絶縁されている。

昇圧変換回路１３の整流回路２には、ダイオード（以下、ダイオード２と称す）が用いられており、スイッチング素子３には、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。昇圧変換回路１３では、平滑用リアクトル１の第一端子は、昇圧変換回路１３の正極側の入力部（入力端子５１）に接続され、平滑用リアクトル１の第二端子は、ダイオード２のアノード端子に接続され、ダイオード２のカソード端子は、昇圧変換回路１３の正極側の出力部（共振変換回路１４の入力部）に接続されている。

スイッチング素子３のドレイン端子は、平滑用リアクトル１の第二端子とダイオード２のアノード端子との接続線に接続され、スイッチング素子３のソース端子は、昇圧変換回路１３の負極側の入力部と出力部とをつなぐ負極接続線に接続されている。平滑用コンデンサ４は、昇圧変換回路１３の正極側の出力部と負極側の出力部との間に並列接続されている。

入力端子５１の入力電圧Ｖｉを検出する入力電圧検出回路２１が、入力端子５１と並列に接続されている。また、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを検出する出力電圧検出回路２２が、平滑用コンデンサ４と並列に接続されている。なお、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃは、平滑用コンデンサ４の端子間電圧に相当する。

共振変換回路１４の整流回路１０、１１には、ダイオード（以下、ダイオード１０、１１と称す）が用いられており、第一及び第二スイッチング素子５、６には、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。

共振変換回路１４において、第一スイッチング素子５のドレイン端子は、共振変換回路１４の正極側の入力部（昇圧変換回路１３の出力部）に接続され、第一スイッチング素子５のソース端子は、第二スイッチング素子６のドレイン端子に接続され、第二スイッチング素子６のソース端子は、共振変換回路１４の負極側の入力部（昇圧変換回路１３の出力部）に接続されている。

共振用コンデンサ７及び共振用リアクトル８は、第一スイッチング素子５のソース端子と第二スイッチング素子６のドレイン端子とをつなぐ接続線と、一次巻線５３の第一端子との間に直列接続されている。一次巻線５３の第二端子は、共振変換回路１４の負極側の入力部（昇圧変換回路１３の出力部）に接続されている。なお、共振用コンデンサ７及び共振用リアクトル８の一方又は双方は、一次巻線５３の第二端子と、共振変換回路１４の負極側の入力部との間に接続されてもよい。

二次巻線５４は、中間タップを有しており、中間タップが、共振変換回路１４の負極側の出力部（出力端子５２）に接続されている。また、二次巻線５４の第一端子には、ダイオード１０のアノード端子が接続され、二次巻線５４の第二端子には、ダイオード１１のアノード端子が接続されている。また、ダイオード１０のカソード端子とダイオード１１のカソード端子とは、互いに接続されており、その接続点が、共振変換回路１４の正極側の出力部（出力端子５２）に接続されている。平滑用コンデンサ３２は、共振変換回路１４の正極側の出力部と負極側の出力部との間（出力端子５２）に並列接続されている。

出力端子５２の出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出回路２３が、出力端子５２と並列に接続されている。

スイッチング素子３、５、６のゲート端子は、それぞれ、制御線３０ａ、３０ｂ、３０ｃを介して制御部１２に接続されており、スイッチング素子３、５、６は、それぞれ、制御部１２の制御信号によりオンオフ制御される。また、電圧検出回路２１、２２、２３は、それぞれ、信号線３１ａ、３１ｂ、３１ｃにより、制御部１２に接続されており、制御部１２は、電圧検出回路２１、２２、２３の出力信号に基づいて、電圧Ｖｉ、Ｖｃ、Ｖｏを検出する。

電力変換装置５０は、昇圧変換回路１３及び共振変換回路１４に備えられたスイッチング素子３、５、６をオンオフ制御する制御部１２を備えている。
本実施の形態では、制御部１２は、出力端子５２の出力電圧Ｖｏが、予め設定された目標電圧Ｖｏｔに近づくように、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３をオンオフする矩形パルス波信号のオンデューティ比Ｄ１を変化させるように構成されている。また、制御部１２は、共振変換回路１４の第一スイッチング素子５と第二スイッチング素子６とを、双方をオフさせる予め設定されたデッドタイムＴｄを間に設けて、予め設定された周期Ｔｓｗ２で交互にオンさせるように構成されている。

制御部１２は、スイッチング素子のオンオフ制御を行う処理回路を備えている。制御部１２の処理回路は、コンパレータ、オペアンプ、差動増幅回路等のアナログ電子回路から構成されてもよいし、演算処理装置、記憶装置等のデジタル電子回路により構成されてもよいし、アナログ電子回路及びデジタル電子回路の双方により構成されてもよい。

１−２．昇圧変換回路１３の動作原理
次に、昇圧変換回路１３の動作原理について説明する。図２は、制御部１２が昇圧変換回路１３のスイッチング素子３をオンオフさせたときの電流経路を示す説明図である。実線は、スイッチング素子３をオンさせたときの電流経路を示し、破線はスイッチング素子３をオフさせたときの電流経路を示している。

制御部１２は、出力端子５２の出力電圧Ｖｏが、予め設定された目標電圧Ｖｏｔに近づくように、昇圧変換回路１３の目標電圧Ｖｃｔを変化させ、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃが、昇圧変換回路１３の目標電圧Ｖｃｔに近づくように、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３をオンオフする矩形パルス波信号のオンデューティ比Ｄ１を変化させるように構成されている。（Ｄ１＝オン期間／スイッチング周期Ｔｓｗ）

１−３．共振変換回路１４の動作原理
共振変換回路１４の動作原理について説明する。
図３のタイムチャートには、共振変換回路１４のオンオフ制御時の各電圧電流波形を示している。図４には、第一及び第二スイッチング素子５、６をオンオフ制御しているときの電流経路を示している。なお、図３には、第一スイッチング素子５の制御信号をＶｇｓ５で示し、第二スイッチング素子６の制御信号をＶｇｓ６で示している。

制御部１２は、図３に示すように、共振変換回路１４の第一スイッチング素子５と第二スイッチング素子６とを、双方をオフさせる予め設定されたデッドタイムＴｄを間に設けて、予め設定された周期Ｔｓｗ２で交互にオンさせるように構成されている。すなわち、制御部１２は、第一スイッチング素子５をオフさせた後、デッドタイムＴｄが経過したときに第二スイッチング素子６をオンさせ、第二スイッチング素子６をオフさせた後、デッドタイムＴｄが経過したときに第一スイッチング素子５をオンさせるオンオフ制御を、周期Ｔｓｗ２で繰り返す。

図３の時刻t₀〜t₁において、図４（ａ）に示すように、第一スイッチング素子５がオフ、第二スイッチング素子６がオンしている間は、共振電流Ｉ_Ｌｒは、矢印のように一次巻線５３→共振用リアクトル８→共振用コンデンサ７→第二スイッチング素子６の経路で流れる。一般的に、第二スイッチング素子６は、共振電流Ｉ_Ｌｒの電流が０Ａ付近でターンオフする。これは、ターンオフ損失の低減（ＺＣＳ）および二次側回路に発生するサージを低減するためである。ここで、ＺＣＳは、Ｚｅｒｏ ＣｕｒｒｅｎＴｓｗｉｃｈｉｎｇの略である。

図３の時刻t₁〜t₂において、図４（ｂ）に示すように、第一スイッチング素子５、第二スイッチング素子６は共にオフである。このとき、一次巻線５３には励磁電流Ｉｍが流れており、第一スイッチング素子５の寄生容量（不図示）に充電されていた（蓄えられていた）電荷は放電され、一方、第二スイッチング素子６の寄生容量（不図示）には電荷が充電される。そのため、時刻t₁〜t₂の間に、第一スイッチング素子５のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ５は減少し、第二スイッチング素子６のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ６は増加する。

次に、図３の時刻t₂〜t₃において、図４（ｃ）に示すように、第一スイッチング素子５をターンオンすると、図３より、第一スイッチング素子５のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ５は直前に０Ｖとなっており、ＺＶＳが成立する。ここで、ＺＶＳは、Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇの略である。そして、第一スイッチング素子５を、共振電流Ｉ_Ｌｒの電流が０Ａ付近でターンオフする。これにより、ターンオフ損失の低減（ＺＣＳ）および二次側回路に発生するサージを低減させる。

図３の時刻t₃〜t₄において、図４（ｄ）に示すように、第一スイッチング素子５、第二スイッチング素子６はともにオフである。このとき、トランス９には励磁電流Ｉｍが時刻t₁〜t₂時とは逆向きに流れており、第一スイッチング素子５の寄生容量に充電され、一方、第二スイッチング素子６の寄生容量に充電されていた電荷は放電される。このため、時刻t₃〜t₄の間に、第一スイッチング素子５のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ５は増加し、第二スイッチング素子６のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ６は減少する。

次に、図３の時刻t₄〜t₅において、図４（ｅ）に示すように、第二スイッチング素子６をターンオンすると、図３より、第二スイッチング素子６のドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓ６は直前に０Ｖになっており、ＺＶＳが成立する。

上述したように、出力端子５２の出力電圧Ｖｏは、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを変化させることにより制御されるように構成されているので、共振変換回路１４は、ソフトスイッチングが成立する最適な動作点で動作させることができる。よって、広範囲で高効率な電圧変換が可能となり、入力電圧範囲が広いアプリケーションにも対応することができる。

１−４．電力変換装置５０の課題
電力変換装置５０の課題について説明する。上記で説明したように、共振変換回路１４をソフトスイッチング可能となる最適状態で動作させ、共振変換回路１４（出力端子５２）の出力電圧Ｖｏは、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを変化させることにより制御されている。このときの昇圧変換回路１３に流れる各素子の電流及び電圧波形について説明する。

＜電流連続モード＞
図５のタイムチャートに、平滑用リアクトル１に流れる電流であるリアクトル電流ｉ_Ｌ１が、電流連続モードで動作した場合における、各素子に流れる電流波形を示す。なお、電流連続モードは、スイッチング素子３のスイッチング周期Ｔｓｗにおいて、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が常にゼロよりも大きくなる動作モードである。

スイッチング周期Ｔｓｗの間におけるリアクトル電流ｉ_Ｌ１の平均値Ｉ_Ｌ１（以下、リアクトル平均電流Ｉ_Ｌ１と称す）は、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、出力端子５２の出力電圧Ｖｏ、及び出力端子５２の出力電流Ｉｏを用いて、式（１）で求められる。

平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１は、直流重畳特性がある場合は、リアクトル平均電流I_Ｌ１を用いて、式（２）で表せる。直流重畳特性は、リアクトル電流ｉ_Ｌ１（リアクトル平均電流I_Ｌ１）が増加するに従って、インダクタンスＬ１が減少する特性である。

ここで、ａ_Ｌ１は、リアクトル平均電流I_Ｌ１が０Ａの時のインダクタンスＬ１であり、ｂ_Ｌ１は、減衰係数であり負の値になる。

リアクトル電流ｉ_Ｌ１が増加中(スイッチング素子３がオン時)に、平滑用リアクトル１に印加される電圧Ｖ１は、式（３）に示すように、入力端子５１の入力電圧Ｖｉとなる。

リアクトル電流ｉ_Ｌ１が減少中(スイッチング素子３がオフ時)に、平滑用リアクトル１に印加される電圧Ｖ２は、式（４）に示すように、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃから、入力端子５１の入力電圧Ｖｉを減算した電圧となる。

スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗは、式（５）に示すように、スイッチング素子３のスイッチング周期Ｔｓｗの逆数となる。

リアクトル平均電流I_Ｌ１は、スイッチング周期Ｔｓｗの間におけるリアクトル電流ｉ_Ｌ１の時間平均値であるので、式（６）のように表せる。

また、図５に示すように、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は、平均電流I_Ｌ１を中心に、電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐ及びスイッチング周期Ｔｓｗで振動する三角波となる。よって、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は、増加中と減少中とに場合分けを行って、式（７）のように表せる。

ここで、Ｉ_Ｌ１ｐｐ／Ｄ１／Ｔｓｗは、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が増加中の傾きであり、
Ｉ_Ｌ１ｐｐ／（１−Ｄ１）／Ｔｓｗは、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が減少中の傾きである。

また、スイッチング素子３の導通電流ｉ_ｓｗ３は、増加中と減少中とに場合分けを行って、式（８）のように表せる。

また、ダイオード２の導通電流ｉ_Ｄ２は、増加中と減少中とに場合分けを行って、式（９）のように表せる。

電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐは、式（１０）で表せる。

オンデューティ比Ｄ１は、式（１０）、式（３）、式（４）より、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを用いて、式（１１）で求められる。

振動しているリアクトル電流ｉ_Ｌ１の最大電流値I_Ｌ１p及び最小電流値I_Ｌ１nは、リアクトル平均電流Ｉ_Ｌ１、電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐを用いて、式（１２）、式（１３）で求められる。

リアクトル平均電流Ｉ_Ｌ１は、最大電流値I_Ｌ１p及び最小電流値I_Ｌ１nを用いて、式（１４）で求められる。

次に、図５の電流連続モードにおける各半導体素子の電流及び電圧波形とスイッチング損失波形を図６に示す。なお、スイッチング素子３には、ＭＯＳＦＥＴが用いられている。なお、図６は、図５よりも時間軸を拡大して表示している。

図６に示すように、ダイオード２には、スイッチング素子３のターンオン（Ｔｓｗ_on）直前まで、順方向電流が流れていたため、ターンオン（Ｔｓｗ_on）時に、リカバリ電流が発生し、リカバリ損失が発生している。ダイオード２のリカバリ電流は、スイッチング素子３も通る。このときの電流経路について説明したものを図７に示す。

図７に示すように、スイッチング素子３のオン時に発生するダイオード２のリカバリ電流は、スイッチング素子３を経由するため、スイッチング素子３を流れる電流は、リカバリ電流分増加する（図６参照）。また、ダイオード２のリカバリ電流がピーク点（Irr）に達するまでは、ダイオード２は導通しているため、スイッチング素子３のドレイン−ソース間電圧は、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃに一致している。そのため、スイッチング素子３のターンオン損失は通常より増加する。なお、順方向電流が流れているダイオード２に逆バイアス電圧を与えたとき、外部電圧によってダイオード２のpn接合近傍に蓄積された少数キャリアの電荷が引き出されるため、リカバリ電流として逆方向に電流が流れる。その後、リカバリ電流のピーク点（Irr）において、少数キャリアの電荷が完全に抜き出され、空乏層が生じるため、ダイオード２が逆電圧を阻止し、スイッチング素子３のドレイン−ソース間電圧が低下する。

以上のように、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が電流連続モードで動作した場合は、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３のターンオン損失が増加し、ダイオード２のリカバリ損失が増加する。よって、特に、電力変換装置５０が変換する電力が低い軽負荷領域において、電力変換装置５０の変換効率が大きく低下する。

＜電流不連続モード＞
図８のタイムチャートに、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が、電流不連続モードで動作した場合における、各素子に流れる電流波形を示す。なお、電流不連続モードは、スイッチング素子３のスイッチング周期Ｔｓｗにおいてリアクトル電流ｉ_Ｌ１がゼロになる期間がある動作モードである。

図８に示す各素子の電流波形より、リアクトル電流ｉ_Ｌ１、スイッチング素子３の導通電流ｉ_ｓｗ３、ダイオード２の導通電流ｉ_Ｄ２は、それぞれ、式（１５）、式（１６）、式（１７）のように表せる。

図８に示すリアクトル電流ｉ_Ｌ１の波形より、リアクトル平均電流I_Ｌ１は、式（１８）で表せる。

また、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐは、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の増加中又は減少中の波形から、式（１９）で表せる。

式（１９）を、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が減少している期間に対応するデューティ比Ｄ２（以下、電流減少デューティ比Ｄ２と称す）について整理すると、式（２０）を得る。（Ｄ２＝リアクトル電流減少期間／スイッチング周期Ｔｓｗ）

式（１９）、式（２０）を、式（１８）に代入し、電流減少デューティ比Ｄ２及び電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐを消去すると、オンデューティ比Ｄ１は式（２１）で表せる。

また、振動しているリアクトル電流ｉ_Ｌ１の最大電流値I_Ｌ１p、及び最小電流値I_Ｌ１nは、それぞれ、式（２２）、式（２３）で表せる。

次に、図８の電流不連続モードにおける各半導体素子の電流及び電圧波形とスイッチング損失波形を図９に示す。なお、図９は、図８よりも時間軸を拡大して表示している。電流不連続モードでは、電流連続モードと違い、スイッチング素子３のターンオン（Ｔｓｗ_on）時に、ダイオード２にリカバリ電流が流れていないことがわかる。このことについて、以下で説明する。スイッチング素子３がターンオフ（Ｔｓｗ_off）直後、ダイオード２に平滑用リアクトル１の電流が流れ始める。その後、スイッチング素子３のターンオフ中に、ダイオード２に流れていた電流が減少し、０Ａとなる。図８に示すように、０Ａになる時のダイオード２の電流の減少速度は、平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１と平滑用リアクトル１の印加電圧Ｖ２で制限される傾きとなる。そのため、図５及び図６に示す電流連続モードにおける、０Ａになる時のダイオード２の電流の減少速度に比べ、十分速度が遅いため、リカバリ電流はほとんど発生しない。そのため、電流不連続モードにおいて、リカバリ損失は発生しない。

その後、スイッチング素子３がターンオン（Ｔｓｗ_on）したとき、リカバリ電流がないため、スイッチング素子３に流れる電流は平滑用リアクトル１に流れる電流となり、０Ａから徐々に立ち上がる。このとき、図８に示すように、スイッチング素子３の電流の立ち上がり速度は、平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１で制限されるため、スイッチング素子３のドレイン‐ソース間電圧が立ち下がる期間において、スイッチング素子３に流れる電流は０Ａに近いため、ターンオン損失はほとんど発生しない。

以上のように、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が電流不連続モードで動作した場合は、ダイオード２のリカバリ損失、スイッチング素子３のターンオン損失がほとんど発生しない。よって、特に、電力変換装置５０が変換する電力が低い軽負荷領域において、電流連続モードよりも、電流不連続モードで動作させた方が、電力変換装置５０の変換効率を向上させることができる。

リアクトル電流ｉ_Ｌ１が電流臨界モードで動作した場合も、電流不連続モードと同様に、ダイオード２のリカバリ損失、及びスイッチング素子３のターンオン損失の発生を抑制できる。よって、電力変換装置５０が変換する電力が低い軽負荷領域において、電流臨界モードで動作させると、電流不連続モードと同様に、電力変換装置５０の変換効率を向上させることができる。電流臨界モードは、後述する図１０に示すように、リアクトル電流ｉ_Ｌ１がゼロまで減少したときに非絶縁型変換回路１３のスイッチング素子３がオンされる動作モードである。よって、電流臨界モードのリアクトル電流ｉ_Ｌ１は、０Ａと最大電流値I_Ｌ１pとの間を振動する三角波となる。なお、電流臨界モードは、電流連続モードと電流不連続モードとの境界の動作モードである。

１−５．電力変換装置５０の構成
そこで、本実施の形態に係る電力変換装置５０は、電力変換装置５０が変換する変換電力が低い軽負荷領域において、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなるように構成されている。上記のように、電流臨界モードは、リアクトル電流ｉ_Ｌ１がゼロまで減少したときにスイッチング素子３がオンされる動作モードであり、電流不連続モードは、スイッチング素子３のスイッチング周期Ｔｓｗにおいてリアクトル電流ｉ_Ｌ１がゼロになる期間がある動作モードである。

軽負荷領域では、電力変換装置５０が変換する電力が少なくなるため、ダイオード２のリカバリ損失及びスイッチング素子３のターンオン損失の発生により、電力変換装置５０の電力変換効率が大きく悪化する。上記の構成によれば、軽負荷領域では、リカバリ損失及びターンオン損失の大きくなる電流連続モードではなく、リカバリ損失及びターンオン損失を大幅に低減できる電流臨界モード又は電流不連続モードで動作するので、電力変換装置５０の電力変換効率を向上させることができる。

本実施の形態では、軽負荷領域は、出力端子５２を流れる出力電流Ｉｏが予め定められた境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下になる領域とされる。また、制御部１２は、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３を、予め設定された固定のスイッチング周波数ｆｓｗ（スイッチング周期Ｔｓｗ）でオンオフ制御するように構成されている。そして、平滑用リアクトル１は、軽負荷領域において、インダクタンスＬ１が、予め定まる臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる特性を有するように構成されている。ここで、臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈは、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードが電流臨界モードとなる平滑用リアクトル１のインダクタンスである。すなわち、軽負荷領域において、インダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる特性を有する平滑用リアクトル１が用いられている。

上記のように、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３は、固定のスイッチング周波数ｆｓｗでオンオフ制御されるように構成されており、スイッチング周波数ｆｓｗを変化させることにより、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードを変化させることができない。このような構成であっても、平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈであるときに、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は、丁度、電流臨界モードで動作する。平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈよりも小さいと、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は電流不連続モードで動作する。すなわち、軽負荷領域において、平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ未満であれば、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は電流不連続モードで動作する。よって、軽負荷領域において、インダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる特性を有する平滑用リアクトル１を用いることにより、スイッチング素子３が固定のスイッチング周波数ｆｓｗでオンオフ制御される構成でも、リアクトル電流ｉ_Ｌ１を、結果的に、電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させることができる。

以下で、臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈの理論的な説明を行う。
図１０に、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が電流臨界モードで動作するときの電流波形を示す。
図１０に示すリアクトル電流ｉ_Ｌ１の波形より、出力端子５２の出力電流Ｉｏが境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下になる軽負荷領域において、リアクトル電流ｉ_Ｌ１を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させるためには、出力端子５２の出力電流Ｉｏが境界電流Ｉｏ＿ｍａｘである場合に、電流臨界モードで動作する条件を基準に設計すればよい。以下で、電流臨界モードで動作する条件について説明する。

電流臨界モードで動作している場合の、リアクトル平均電流I_Ｌ１とリアクトル電流ｉ_Ｌ１の電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐとの関係は、式（２４）となる。

入力端子５１の入力電力と出力端子５２の出力電力とが等しいと仮定し、入力端子５１の入力電流の代わりにリアクトル平均電流I_Ｌ１を用いると、上記の式（１）と同様に、リアクトル平均電流I_Ｌ１は、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、出力端子５２の出力電圧Ｖｏ、及び出力端子５２の出力電流Ｉｏを用いて、式（２５）で求められる。

また、電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐについて、電流連続モードの式（１０）、式（１１）と同じ関係が成り立つ。よって、式（１０）、式（１１）、及び式（５）から、式（２６）を得る。すなわち、電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐは、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、インダクタンスＬ１、スイッチング周波数ｆｓｗ、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを用いて、式（２６）で求められる。

式（２４）に、式（２５）、式（２６）を代入し、インダクタンスＬ１について解くと、式（２７）を得る。
平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１は、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、出力端子５２の出力電圧Ｖｏ、出力端子５２の出力電流Ｉｏ、スイッチング周波数ｆｓｗ、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを用いて、式（２７）で求められる。

昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃ、共振変換回路１４のトランス９の巻き数比をＮ：１：１とすると、出力端子５２の出力電圧Ｖｏと、昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃとの間には、式（２８）の関係式が成り立つ。

式（２７）のＶｃに、式（２８）式を代入すると、式（２９）のように、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードが、電流臨界モードとなる臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈを算出する式が求められる。
すなわち、臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈは、式（２９）を用い、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、出力端子５２の出力電圧Ｖｏ、固定のスイッチング周波数ｆｓｗ、及び出力端子５２の出力電流Ｉｏに基づいて求められるインダクタンスである。

出力端子５２の目標電圧Ｖｏｔが固定値とされる場合は、式（２９）の出力電圧Ｖｏとして、目標電圧Ｖｏｔの固定値を用い、出力端子５２の目標電圧Ｖｏｔが可変値とされる場合は、式（２９）の出力電圧Ｖｏとして、目標電圧Ｖｏｔの可変範囲の最大値を用いる。また、入力端子５１の入力電圧Ｖｉが可変である場合は、式（２９）の入力電圧Ｖｉとして、入力電圧Ｖｉの可変範囲の最小値を用いる。

従って、図１１に示すように、出力端子５２の出力電流Ｉｏが境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下になる軽負荷領域において、インダクタンスＬ１が、式（３０）のように、臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる特性を有する平滑用リアクトル１を用いれば、出力端子５２の出力電流Ｉｏが境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下で変化しても、リアクトル電流ｉ_Ｌ１を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させることができる。

図１１、式（２９）、式（３０）に示すように、臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈは、出力端子５２の出力電流Ｉｏに反比例する。よって、出力端子５２の出力電流Ｉｏが減少するに従って、臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈが増加する。よって、境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下の軽負荷領域において、リアクトル電流ｉ_Ｌ１を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させるためには、例えば、図１１の破線及び一点鎖線のように、インダクタンスＬ１が、出力端子５２の出力電流Ｉｏが境界電流Ｉｏ＿ｍａｘである場合の臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる特性を有する平滑用リアクトル１を用いればよい。

本実施の形態に係る平滑用リアクトル１は、リアクトル電流ｉ_Ｌ１（リアクトル平均電流I_Ｌ１）が増加するに従って、インダクタンスＬ１が減少する予め定まる直流重畳特性を有している。図１２に示すように、平滑用リアクトル１は、軽負荷領域において、インダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる直流重畳特性を有するように構成されている。すなわち、軽負荷領域において、インダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる直流重畳特性を有する平滑用リアクトル１が用いられている。なお、式（２５）に示すように、出力端子５２の出力電流Ｉｏに比例してリアクトル平均電流I_Ｌ１が変化し、インダクタンスＬ１が変化する。よって、図１２に、破線及び一点鎖線で示すように、出力端子５２の出力電流Ｉｏが増加するに従って、平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１が減少する。境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下の軽負荷領域において出力端子５２の出力電流Ｉｏが変化しても、例えば、図１２の破線及び一点鎖線のように、インダクタンスＬ１が臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる直流重畳特性を有する平滑用リアクトル１が用いられる。

以上で説明したように、本実施の形態に係る電力変換装置５０は、出力端子５２（共振変換回路１４）の出力電圧Ｖｏを昇圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃで制御するため、共振変換回路１４は、ソフトスイッチングが成立する、入出力ゲイン一定の高効率な動作点で動作させることができ、且つ、軽負荷領域において、昇圧変換回路１３のリアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードを、電流臨界モード又は電流不連続モードにすることで、スイッチング素子３のターンオン損失、ダイオード２のリカバリ損失を低減し、軽負荷領域において、電力変換装置５０全体の電力変換効率を高めることができる。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る電力変換装置５０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。
図１３に本実施の形態２に係る電力変換装置５０の変換回路部分を示す。
本実施の形態に係る電力変換装置５０は、上記の実施の形態１の昇圧変換回路１３及び共振変換回路１４と同様の回路構成を有している。ただし、本実施の形態に係る電力変換装置５０は、入力端子５１の入力電流（リアクトル平均電流I_Ｌ１）を検出するための入力電流検出回路２４、出力端子５２の出力電流Ｉｏを検出するための出力電流検出回路２５を備えている。入力電流検出回路２４は、正極側の入力端子５１と平滑用リアクトル１とを接続する電線に設けられている。出力電流検出回路２５は、正極側の出力端子５２とダイオード１０、１１のカソード端子とを接続する電線に設けられている。入力電流検出回路２４及び出力電流検出回路２５は、それぞれ、信号線により制御部１２に接続されており（不図示）、制御部１２は、入力電流検出回路２４及び出力電流検出回路２５の出力信号に基づいて、それぞれ、入力端子５１の入力電流（リアクトル平均電流I_Ｌ１）及び出力端子５２の出力電流Ｉｏを検出する。

本実施の形態では、上記の実施の形態１とは異なり、制御部１２は、軽負荷領域において、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなるように、出力端子５２の出力電流Ｉｏに応じて、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗを変化させるように構成されている。

この構成によれば、軽負荷領域において、スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗを変化させて、能動的に、リアクトル電流ｉ_Ｌ１を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させることができる。よって、軽負荷領域の電力変換装置５０の電力変換効率
を向上させることができる。

本実施の形態では、制御部１２は、軽負荷領域において、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗを、出力端子５２の出力電流Ｉｏに応じて定まる臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ以下に設定するように構成されている。臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈは、出力端子５２の出力電流Ｉｏの条件下で、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードが電流臨界モードとなるスイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗである。

スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗが臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈであるときに、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は、丁度、電流臨界モードで動作する。スイッチング周波数ｆｓｗを、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈよりも低下させると、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は電流不連続モードで動作する。すなわち、軽負荷領域において、スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗが臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ未満であれば、リアクトル電流ｉ_Ｌ１は電流不連続モードで動作する。よって、軽負荷領域において、スイッチング周波数ｆｓｗを、出力端子５２の出力電流Ｉｏに応じて定まる臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ以下に設定するように構成することで、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードを、能動的に、電流臨界モード又は電流不連続モードにすることができる。

以下で、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈの理論的な説明を行う。
式（２７）を、スイッチング周波数ｆｓｗについて解くと、式（３１）を得る。

式（３１）のＶｃに、式（２８）式を代入すると、式（３２）のように、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の動作モードが電流臨界モードとなる臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈを算出する式が求められる。
すなわち、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈは、式（３２）を用い、出力端子５２の出力電流Ｉｏ、入力端子５１の入力電圧Ｖｉ、出力端子５２の出力電圧Ｖｏ、及び平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１に基づいて求まるスイッチング周波数である。

従って、図１４に示すように、制御部１２は、出力端子５２の出力電流Ｉｏが境界電流Ｉｏ＿ｍａｘ以下になる軽負荷領域において、スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗを、式（３３）のように、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ以下に設定すれば、軽負荷領域において、リアクトル電流ｉ_Ｌ１を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させることができる。

図１４、式（３２）、式（３３）に示すように、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈは、出力端子５２の出力電流Ｉｏに反比例する。よって、出力端子５２の出力電流Ｉｏが増加するに従って、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈが減少する。
よって、制御部１２は、図１４の破線に示すように、軽負荷領域において、出力端子５２の出力電流Ｉｏの増加に従って、スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗを低下させるように構成されている。

例えば、制御部１２は、軽負荷領域において、式（３２）を用い、出力端子５２の出力電流Ｉｏの検出値、入力端子５１の入力電圧Ｖｉの検出値、出力端子５２の出力電圧Ｖｏの検出値、及び予め設定された平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１に基づいて臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈを算出する。そして、制御部１２は、式（３４）に示すように、算出した臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈに、１以下に予め設定された周波数算出係数Ｋｆを乗算した値を、スイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗに設定するように構成することができる。なお、平滑用リアクトル１が直流重畳特性を有する場合は、制御部１２は、リアクトル平均電流I_Ｌ１と平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１との関係が予め設定された式（２）のような関係特性を用い、リアクトル平均電流I_Ｌ１に基づいて、インダクタンスＬ１を算出する。リアクトル平均電流I_Ｌ１は、入力電流検出回路２４により検出した値、又は入力電流検出回路２４が備えられていない場合は、式（２５）を用い、出力電流検出回路２５により検出した出力端子５２の出力電流Ｉｏに基づいて算出した値が用いられる。

或いは、制御部１２は、出力端子５２の出力電流Ｉｏとスイッチング周波数ｆｓｗとの関係が予め設定された周期数設定マップを用い、出力端子５２の出力電流Ｉｏの検出値に基づいて、スイッチング周波数ｆｓｗを算出するように構成することができる。
出力端子５２の目標電圧Ｖｏｔが可変値とされる場合は、出力電圧Ｖｏとして、目標電圧Ｖｏｔの可変範囲の最大値を用いて、式（３２）により算出した臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ以下になるように、周期数設定マップを予め設定する。また、入力端子５１の入力電圧Ｖｉが可変である場合は、入力電圧Ｖｉとして、入力電圧Ｖｉの可変範囲の最小値を用いて、式（３２）により算出した臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ以下になるように、周期数設定マップを予め設定する。

ここで、軽負荷領域において、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が電流連続モードで動作している状態から、スイッチング周波数ｆｓｗを低下させて、電流不連続モードに動作させるように切り替えたときの各素子の電流波形を図１５に示す。図１５から、スイッチング周波数ｆｓｗを低下させることで、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐが増加していることがわかる。しかし、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈに近いスイッチング周波数ｆｓｗを設定することで、電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐの増加を抑制できる。本実施の形態では、出力端子５２
の出力電流Ｉｏに応じてスイッチング周波数ｆｓｗを設定するように構成されているので、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈに近いスイッチング周波数ｆｓｗを精度よく設定することができ、リアクトル電流ｉ_Ｌ１の電流振幅Ｉ_Ｌ１ｐｐの増加を抑制できる。

〔その他の実施の形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の各実施の形態においては、トランス９の二次巻線５４の中間タップが負極側の出力端子５２に接続され、トランス９の二次巻線５４の両側端子にはそれぞれダイオード１０、１１のアノード端子が接続されている場合を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、図１６に示すように、二次巻線５４の中間タップが、正極側の出力端子５２に接続され、二次巻線５４の両側端子には、それぞれダイオード１０、１１のカソード端子が接続され、ダイオード１０のアノード端子とダイオード１１のアノード端子とが互いに接続され、その接続点が、負極側の出力端子５２に接続されるように構成されてもよい。

（２）上記の各実施の形態においては、共振変換回路１４の整流回路１０、１１は、ダイオード１０、１１によるダイオード整流回路とされている場合を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、図１７に示すように、共振変換回路１４の整流回路１０、１１は、スイッチング素子１０、１１により構成される同期整流回路とされてもよい。

（３）上記の各実施の形態においては、非絶縁型変換回路１３は、昇圧変換回路１３とされている場合を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、図１８に示すように、非絶縁型変換回路１３は、平滑用リアクトル１と、平滑用コンデンサ４と、少なくとも一つのスイッチング素子３（本例では一つ）と、少なくとも一つの整流回路２（本例では一つ）と、を備えた降圧変換回路１３とされてもよい。降圧変換回路１３にすることで、入力端子５１の入力電圧Ｖｉが高いアプリケーションにおいて、出力端子５２の出力電圧Ｖｏを任意の電圧まで下げることができ、且つ、スイッチング素子３をオフすることで、フェール発生時に入力からの電力の供給を遮断できる。

降圧動作はスイッチング素子３をオンオフさせることにより、図１９に示す電流経路を通る。また、上記の各実施の形態と同様に、制御部１２は、降圧変換回路１３の出力電圧Ｖｃを制御し、共振変換回路１４の出力電圧Ｖｏが目標電圧Ｖｏｔに近づくように調整する。このとき、スイッチング素子３のオンオフにより各素子に流れる電流は、図５、図８で説明した電流波形と同じになる。ただし、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が増加中(スイッチング素子３のオン時)に平滑用リアクトル１に印加される電圧Ｖ１は、式（３）ではなく式（３５）のようになる。

また、リアクトル電流ｉ_Ｌ１が減少中(スイッチング素子３のオフ時)に平滑用リアクトル１に印加される電圧Ｖ２は、式（４）ではなく式（３６）のようになる。

このように、昇圧変換回路１３を用いた場合も、上記の実施の形態１のように、平滑用リアクトル１のインダクタンスＬ１が、軽負荷領域において、予め定まる臨界インダクタンスＬ１＿ｔｈ以下になる特性を有するように構成する、又は上記の実施の形態２のように、制御部１２は、軽負荷領域において、昇圧変換回路１３のスイッチング素子３のスイッチング周波数ｆｓｗを、臨界周波数ｆｓｗ＿ｔｈ以下に設定するように構成すれば、昇圧変換回路１３のリアクトル電流ｉ_Ｌ１を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させることができる。

（４）上記の各実施の形態においては、非絶縁型変換回路１３は、昇圧変換回路１３とされている場合を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、図２０に示すように、非絶縁型変換回路１３は、降圧及び昇圧兼用の平滑用リアクトル１と、平滑用コンデンサ４と、降圧用及び昇圧用の二つのスイッチング素子３ａ、３ｂと、降圧用及び昇圧用の二つの整流回路２ａ、２ｂ（ダイオード２ａ、２ｂ）と、を備えた昇降圧変換回路１３とされてもよい。昇降圧変換回路１３とされることにより、昇圧動作、降圧動作を行え、広範囲の入力電圧Ｖｉの範囲となるアプリケーションにおいても、出力電圧Ｖｏを調整できると共に軽負荷領域において電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させることができる。

（５）上記の各実施の形態においては、共振用リアクトル８が、トランス９の外部部品とされている場合を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、共振用リアクトル８は、二次巻線５４に結合していない一次巻線５３の部分である漏れインダクタンスからなるように構成されてもよい。これにより、部品点数減による小型化、低コスト化が図れる。

（６）上記の各実施の形態においては、入力端子５１、非絶縁型変換回路１３、絶縁型変換回路１４、出力端子５２の順に直列接続されている場合を例に説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、入力端子５１、絶縁型変換回路１４、非絶縁型変換回路１３、出力端子５２の順に直列接続されていてもよい。この構成でも、前段の絶縁型変換回路１４として共振変換回路１４を備え、共振変換回路１４を入出力ゲイン一定で動作させ、後段の非絶縁型変換回路１３として昇圧変換回路１３を備え、昇圧変換回路１３により出力端子５２の出力電圧Ｖｏを調整する回路構成でもよい。本構成とすることで、上記の各実施の形態と同様の効果を奏することができるとともに、負荷電流の調整をより精度よく行うことが可能となる。

（７）上記の各実施の形態においては、共振変換回路１４はスイッチング素子を２つ用いたハーフブリッジ構成としたが、これに限るものではなく例えばフルブリッジ構成でもよい。

（８）上記の各実施の形態においては、電力変換装置５０に用いられるスイッチング素子は、シリコン（Ｓｉ）半導体から成る半導体スイッチング素子が用いられている場合を例に説明した。しかし、これに限られるものではなく、例えば、電力変換装置５０に用いられるスイッチング素子の一部又は全部は、シリコン（Ｓｉ）よりもバンドギャップが広い非Ｓｉ半導体材料を用いてもよい。非Ｓｉ半導体材料は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドを用いてもよい。

ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は，Ｓｉ半導体ではユニポーラ動作が困難な高電圧領域で使用可能であり、スイッチング時に発生するスイッチング損失を大きく低減でき、電力損失の大きな低減が可能になる。また、電力損失が小さく，耐熱性も高いため、冷却部を備えてパワーモジュールを構成した場合、ヒートシンクの放熱フ
ィンの小型化や，水冷部の空冷化が可能であるので，半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。また、ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は、高周波スイッチング動作に適しており、高周波化の要求が大きい変換回路に適用すると、スイッチング周波数の高周波化によって，変換回路に接続されるリアクトルやコンデンサなどを小型化することもできる。よって、上記各実施の形態におけるスイッチング素子は、炭化珪素などのワイドギャップ半導体から成るスイッチング素子となる場合にも同様な効果が得られる。

また、ワイドギャップ半導体のなかでも窒化ガリウム系を材料としたトランジスタ、例えばGANHEMTの場合、ゲート‐ソース間容量（一般的にCissと呼ばれている）は、Si半導体に比べ十分小さく、これを使用することで高周波駆動に対しても駆動するために必要な消費電流は十分小さくなり省エネ化につながる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

この発明は、入力端子と出力端子との間で直流電圧を変換する電力変換装置に好適に利用することができる。

１ 平滑用リアクトル、２ ダイオード（整流回路）、３ スイッチング素子、４ 平滑用コンデンサ、５ 第一スイッチング素子、６ 第二スイッチング素子、７ 共振用コンデンサ、８ 共振用リアクトル、９ トランス、１０ ダイオード（整流回路）、１１ ダイオード（整流回路）、１２ 制御部、１３ 昇圧変換回路（非絶縁型変換回路）、１４ 共振変換回路（絶縁型変換回路）、２１ 入力電圧検出回路、２２ 出力電圧検出回路、２３ 出力電圧検出回路、２４ 入力電流検出回路、２５ 出力電流検出回路、５０
電力変換装置、５１ 入力端子、５２ 出力端子、５３ 一次巻線、５４ 二次巻線、５５ 直流電源、５６ 負荷、Ｄ１ オンデューティ比、Ｉｏ 出力端子の出力電流、Ｉｏ＿ｍａｘ 境界電流、Ｌ１ 平滑用リアクトルのインダクタンス、Ｌ１＿ｔｈ 臨界インダクタンス、Ｔｄ デッドタイム、Ｖ１ オン時リアクトル印加電圧、Ｖ２ オフ時リアクトル印加電圧、Ｖｃ 昇圧変換回路の出力電圧、Ｖｉ 入力端子の入力電圧、Ｖｏ 出力端子の出力電圧、Ｖｏｔ 出力端子の目標電圧、I_Ｌ１ リアクトル平均電流、Ｔｓｗ スイッチング周期、ｆｓｗ スイッチング周波数、ｆｓｗ＿ｔｈ 臨界周波数、ｉ_Ｌ１ リアクトル電流

Claims (18)

1. 入力端子と出力端子との間で直流電圧を変換する電力変換装置であって、
   前記入力端子と前記出力端子との間に直列接続された非絶縁型変換回路及び絶縁型変換回路と、
   前記非絶縁型変換回路及び前記絶縁型変換回路に備えられたスイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、を備え、
   変換電力が低い軽負荷領域において、前記非絶縁型変換回路に備えられたリアクトルに流れる電流であるリアクトル電流の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなり、
   前記軽負荷領域よりも変換電力が高くなる重負荷領域において、前記リアクトル電流の動作モードが電流連続モードとなり、
   前記電流臨界モードは、前記リアクトル電流がゼロまで減少したときに前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子がオンされる動作モードであり、
   前記電流不連続モードは、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期において前記リアクトル電流がゼロになる期間がある動作モードであり、
   前記電流連続モードは、前記スイッチング周期において前記リアクトル電流が常にゼロよりも大きくなる動作モードである電力変換装置。
2. 前記絶縁型変換回路は、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線側に設けられた共振用コンデンサ、共振用リアクトル、第一スイッチング素子、及び第二スイッチング素子と、前記二次巻線側に設けられた整流回路と、を備えるＬＬＣ直列共振変換回路とされ、
   前記非絶縁型変換回路は、平滑用の前記リアクトルと、平滑用コンデンサと、少なくとも一つのスイッチング素子と、少なくとも一つの整流回路と、を備える昇圧変換回路、降圧変換回路、又は昇降圧変換回路とされる請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子とを、双方をオフさせる予め設定されたデッドタイムを間に設けて、予め設定された周期で交互にオンさせ、
   前記出力端子の出力電圧が、予め設定された目標電圧に近づくように、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子をオンオフする矩形パルス波信号のオンデューティ比を変化させる請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子を、予め設定された固定のスイッチング周波数でオンオフ制御し、
   前記リアクトルは、前記出力端子に流れる出力電流が予め定められた境界電流以下になる前記軽負荷領域において、インダクタンスが、前記電流臨界モードとなる予め定まるインダクタンスである臨界インダクタンス以下になる特性を有し、前記境界電流よりも高くなる前記出力電流の範囲になる前記重負荷領域において、インダクタンスが、前記臨界インダクタンスよりも大きくなる特性を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記臨界インダクタンスは、前記入力端子の入力電圧、前記出力端子の出力電圧、前記固定のスイッチング周波数、及び前記出力電流に基づいて求められる前記リアクトルのインダクタンスである請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記絶縁型変換回路は、一次巻線及び二次巻線を有するトランスを備え、
   前記臨界インダクタンスであるＬ１＿ｔｈは、前記入力端子の入力電圧をＶｉとし、前記出力端子の出力電圧をＶｏとし、前記固定のスイッチング周波数をｆｓｗとし、前記出力端子に流れる出力電流をＩｏとし、前記トランスの巻き数比をＮとして、
   Ｌ１＿ｔｈ＝Ｖｉ／Ｖｏ×Ｖｉ／（２×Ｉｏ）×（１−Ｖｉ／（２×Ｎ×Ｖｏ））／ｆｓｗ
   の算出式により算出される値である請求項４又は５に記載の電力変換装置。
7. 前記出力端子の出力電圧であるＶｏとして、前記出力端子の出力電圧の可変範囲の最大値を用い、前記入力端子の入力電圧であるＶｉとして、前記入力端子の入力電圧の可変範囲の最小値を用いる請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記リアクトルは、前記リアクトル電流が増加するに従って、インダクタンスが減少する予め定まる直流重畳特性を有し、
   前記リアクトルは、前記軽負荷領域において、インダクタンスが、前記臨界インダクタンス以下になり、前記重負荷領域において、インダクタンスが、前記臨界インダクタンスよりも大きくなる前記直流重畳特性を有する請求項４から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記制御部は、前記軽負荷領域において、前記リアクトル電流の動作モードが前記電流臨界モード又は前記電流不連続モードとなるように、前記出力端子に流れる出力電流に応じて、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数を変化させ、前記重負荷領域において、前記リアクトル電流の動作モードが前記電流連続モードとなる前記スイッチング周期数に設定する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
10. 前記制御部は、前記出力電流の増加に従って、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数を低下させる請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記制御部は、前記軽負荷領域において、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数を、前記出力電流に応じて定まる臨界周波数以下に設定し、
    前記臨界周波数は、前記出力電流の条件下で前記電流臨界モードとなる前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数である請求項９又は１０に記載の電力変換装置。
12. 前記臨界周波数は、前記出力端子の出力電流、前記入力端子の入力電圧、前記出力端子の出力電圧、及び前記リアクトルのインダクタンスにより求まる前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数である請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 前記絶縁型変換回路は、一次巻線及び二次巻線を有するトランスを備え、
    前記制御部は、前記電流臨界モードとなる前記スイッチング周期数である臨界周波数をｆｓｗ＿ｔｈとし、前記入力端子の入力電圧をＶｉとし、前記出力端子の出力電圧をＶｏとし、前記出力端子に流れる出力電流をＩｏとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬ１とし、前記トランスの巻き数比をＮとして、前記臨界周波数を、
    ｆｓｗ＿ｔｈ＝Ｖｉ／Ｖｏ×Ｖｉ／（２×Ｉｏ）×（１−Ｖｉ／（２×Ｎ×Ｖｏ））／Ｌ１
    の算出式により算出し、
    前記軽負荷領域において、前記スイッチング周期数を前記臨界周波数以下の値に設定し、前記重負荷領域において、前記スイッチング周期数を前記臨界周波数よりも大きい値に設定する請求項９から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記制御部は、前記軽負荷領域において、算出した前記臨界周波数に対して、１以下に予め設定された周波数算出係数を乗算した値を前記スイッチング周期数に設定する請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 前記入力端子、前記非絶縁型変換回路、前記絶縁型変換回路、前記出力端子の順に直列接続されている、又は前記入力端子、前記絶縁型変換回路、前記非絶縁型変換回路、前記出力端子の順に直列接続されている請求項１から１４までのいずれか一項に記載の電力変換装置。
16. 前記共振用リアクトルは、前記二次巻線に結合していない前記一次巻線の部分である漏れインダクタンスからなる請求項２に記載の電力変換装置。
17. 前記スイッチング素子は、シリコンよりもバンドギャップが広い非Ｓｉ半導体材料を用いている請求項１から１６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
18. 前記非Ｓｉ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドを用いている請求項１７に記載の電力変換装置。

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