JP6139786B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、入力電力を多出力に電力分配制御するとともに、負荷の状態に応じて電力供給源を切り替えることができる電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置には、トランスに複合巻線を用いて多出力の電源構成を得るようにしたものがある（例えば、下記の特許文献１参照）。すなわち、この従来技術の電力変換装置は、互いに磁気結合をした複合巻線を有したトランスを用いて交流電源からの電力を二つの直流電源を充電する際に、どちらかの直流電源に優先順位を設けて充電することを目的とし、また、交流電源がないときには一方の直流電源を供給源として双方向スイッチにより、他方の直流電源を充電するようにしている。

特許第４２６３７３６号公報

しかしながら、上記の特許文献１記載のものは、充電を制御するための双方向型スイッチ回路がスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを用いて構成されているため、双方向型スイッチ回路でＰＷＭにより直流電源への受電量を制御しようとしてもブリッジ型に接続されたダイオードにより整流されてしまうため、直流電源への充電量をコントロールできず、結果として交流入力電力を分配制御できないという課題があった。

また、交流入力電圧の供給有無を検出する検出部を備え、検出部による検出結果から交流入力電圧が供給されていないと判断した場合に、直流電源から電力供給するよう記述されているが、交流入力側の電力容量によっては、交流入力電圧は存在するが、負荷への電力供給を行なえない状態が存在する。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、磁気的に結合した複数の巻線に複数の電源が接続される場合において、電力供給源を切り替えることで、連続的に電力供給可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、
交流電源および直流電源に接続された電力変換装置であって、
互いに磁気的に結合された３以上の巻線を有するトランスと、
上記交流電源から出力された電力を直流化するＡＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＡＣ／ＤＣコンバータにより直流化された電力を平滑化するコンデンサと、
上記コンデンサにより平滑化された電力を交流化し、上記３以上の巻線の内の一つの巻線に出力する第１スイッチング回路と、
上記３以上の巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線に接続され、上記直流電源に入力する電力または上記直流電源から出力する電力を変換するスイッチング回路と、
上記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
上記電圧検出部の検出値に基づいて、電力供給源を上記交流電源と上記直流電源との間で切り替える電源切替部と、を備える。

また、この発明に係る電力変換装置は、
交流電源および直流電源に接続された電力変換装置であって、
互いに磁気的に結合された３以上の巻線を有するトランスと、
上記交流電源から出力された電力を直流化するＡＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＡＣ／ＤＣコンバータにより直流化された電力を平滑化するコンデンサと、
上記コンデンサにより平滑化された電力を交流化し、上記３以上の巻線の内の一つの巻線に出力する第１スイッチング回路と、
上記３以上の巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線に接続され、上記直流電源に入力する電力または上記直流電源から出力する電力を変換するスイッチング回路と、
上記交流電源の電圧を検出する電圧検出部と、
上記電圧検出部の検出値に基づいて、電力供給源を上記交流電源と上記直流電源との間で切り替える電源切替部と、を備える。

この発明の電力変換装置によれば、負荷電力に対する電源の電力不足を検知し、供給能力のある電源に切り替えることによって、負荷へ連続して電力供給を行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ａにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ａにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ｂにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ｂにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ｃにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ｃにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ｄにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作状態１−Ｄにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態１による動作状態切り替え制御のフローチャートの説明図である。 この発明の実施の形態１による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１２に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。 図１２に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ａにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ａにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ｂにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ｂにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ｃにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ｃにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ｄにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の動作状態２−Ｄにおける電力フローの説明図である。 この発明の実施の形態２による動作状態切り替え制御のフローチャートの説明図である。 この発明の実施の形態２による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２６に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。 図２６に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態４による電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態４による電力変換装置の回路構成図である。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。
この実施の形態１の電力変換装置は、例えば、電動車両の充電器を中心とした電源システムに適用されるものである。交流電源１は商用交流電源や自家発電機などであり、第１直流電源１１は車両走行用の高圧バッテリであり、第２直流電源３４は車両電装品の電源である鉛バッテリ等のバッテリであり、インバータ１７は車内で使用可能な交流１００Ｖ電源として使用される。

交流電源１は、電圧電流検出部５１を介してＡＣ／ＤＣコンバータ２に接続される。交流電圧ＶａｃｉｎはＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流に変換されて直流電圧ＶＬ１として平滑用のコンデンサ３に蓄積され、この直流電圧ＶＬ１は第１スイッチング回路４により交流電圧Ｖｔｒ１に変換される。第１スイッチング回路４は、４つのスイッチング素子４ａ〜４ｄをブリッジ型に接続したインバータとして構成され、交流電源１からの入力電力の受電量を制御する。

第１スイッチング回路４の第１交流端に昇圧コイル５の第１端が接続され、昇圧コイル５の第２端に複合巻線トランス（以下、トランスという）６の１次側となる第１巻線６ａの第１端が接続される。第１巻線６ａの第２端は第１スイッチング回路４の第２交流端に接続される。

トランス６の２次側となる第２巻線６ｂの第１端は、昇圧コイル７の第１端に接続される。昇圧コイル７の第２端は、第２スイッチング回路８の第１交流端と２つのスイッチング素子９ａ、９ｂを備えたスイッチ９に接続される。第２巻線６ｂの第２端は第２スイッチング回路８の第２交流端に接続される。第２スイッチング回路８は、４つのスイッチング素子８ａ〜８ｄをブリッジ型に接続して構成されている。そして、第１直流電源１１を充電する際には、スイッチ９をオフしてスイッチング素子８ａ〜８ｄを動作させることにより、第２スイッチング回路８をフルブリッジ型の昇圧チョッパとして機能させる。また、第１直流電源１１を放電する際には、スイッチ９をオンしてスイッチング素子８ａ〜８ｄを動作させることにより、第２スイッチング回路８をハーフブリッジ型のインバータとして機能させる。

スイッチ９の出力は、直列に接続された２つのコンデンサ１０ａ、１０ｂの接続点に接続される。第２スイッチング回路８の直流プラス端子は、コンデンサ１０ａのもう一端と共通に接続され、電圧電流検出部５３を介して第１直流電源１１のプラス端に接続される。第２スイッチング回路８の直流マイナス端子は、コンデンサ１０ｂのもう一端と共通に接続され、電圧電流検出部５３を介して第１直流電源１１のマイナス端に接続される。なお、２つのコンデンサ１０ａ、１０ｂは、ここでは同容量となるように構成されている。

トランス６の３次側となる第３巻線６ｃは、その第１端が昇圧コイル１２の第１端に接続される。昇圧コイル１２の第２端は、第３スイッチング回路１３の第１交流端に接続される。第３巻線６ｃの第２端は、第３スイッチング回路１３の第２交流端に接続される。第３スイッチング回路１３は、整流素子１３ａとスイッチング素子１３ｂを直列接続したレグと、整流素子１３ｃとスイッチング素子１３ｄを直列接続したレグを、並列接続して構成している。そして、第３スイッチング回路１３は、通常は整流回路として機能し、また後述の平滑用のコンデンサ１５に生じる直流電圧ＶＬ２が所定値よりも低い場合には昇圧チョッパとして機能する。

トランス６の第３巻線６ｃに生じた交流電圧Ｖｔｒ３は、第３スイッチング回路１３で直流変換される。第３スイッチング回路１３で直流変換された電圧は、平滑コイル１４とコンデンサ１５とで平滑化され、電圧電流検出部５４を介してコンデンサ１６に蓄積され直流電圧ＶＬ２となる。コンデンサ１６の両端子は、４つのスイッチング素子１７ａ〜１７ｄで構成されるインバータ１７の直流入力端に接続される。インバータ１７の交流出力端は、平滑コイル１８ａ、１８ｂ、平滑コンデンサ１９、コモンモードチョークコイル２０、電圧電流検出部５５、および負荷機器接続端２１に順次接続される。負荷機器接続端２１において、これに接続される図示しない各種の機器（以下、交流負荷という）の供給電源である交流電圧Ｖａｃｏｕｔを生成する。

トランス６の４次側となる第４巻線６ｄ１、６ｄ２は、センタータップ型に構成されている。第４巻線６ｄ１、６ｄ２の両端には第４スイッチング回路３０を構成する２つのスイッチング素子３０ａ、３０ｂの第１端がそれぞれ接続されている。第４巻線６ｄ１、６ｄ２のセンタータップとなる接続点には、スイッチング素子３３が接続されるとともに、２つのスイッチング素子３５ａ、３５ｂで構成されるスイッチ３５が接続される。

スイッチング素子３３の出力側は、還流ダイオード３６と平滑コイル３１との接続点に接続される。平滑コイル３１の出力とスイッチ３５の出力と平滑コンデンサ３２の第１端とが共通に接続され、電圧電流検出部５６を経て第２直流電源３４のプラス端に接続される。スイッチング素子３０ａ、３０ｂのそれぞれの第２端は互いに接続され、還流ダイオード３６のアノード端、平滑コンデンサ３２の第２端及び第２直流電源３４のマイナス端に接続される。第４スイッチング回路３０は、２つのスイッチング素子３０ａ及び３０ｂ、スイッチング素子３３、還流ダイオード３６並びに平滑コイル３１で構成されている。そして、第２直流電源３４を充電する際には、スイッチング素子３３、還流ダイオード３６、および平滑コイル３１の構成により第４スイッチング回路３０を降圧チョッパとして機能させる。また、第２直流電源３４を放電する際には、スイッチ３５をオンすることでスイッチング素子３３、還流ダイオード３６および平滑コイル３１をバイパスさせて、２つのスイッチング素子３０ａ、３０ｂの動作により第４スイッチング回路３０をインバータとして機能させる。

なお、第１〜第４スイッチング回路４、８、１３、３０を構成する各スイッチング素子や、インバータ１７を構成する各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであってもよい。
また、制御部１００は第１〜第４スイッチング回路４、８、１３、３０や、インバータ１７の動作を制御する役割を果たす。

次に、上記構成の電力変換装置における電力分配の概要について説明する。
まず、交流電源１が接続されていてこの交流電源１を電力供給源とする場合について説明する。交流電源１の電圧ＶａｃｉｎをＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電圧ＶＬ１に変換し、この直流電圧ＶＬ１をトランス６で絶縁された２次側直流電圧Ｖｂａｔ１に変換して第１直流電源１１を充電する。また、直流電圧ＶＬ１は、トランス６で絶縁された３次側の直流電圧ＶＬ２に変換され、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電圧Ｖａｃｏｕｔを生成する。さらに、直流電圧ＶＬ１はトランス６で絶縁された４次側の直流電圧Ｖｂａｔ２に変換されて第２直流電源３４を充電する。

次に、交流電源１が接続されていないために第１直流電源１１を電力供給源とする場合について説明する。第１直流電源１１の電圧Ｖｂａｔ１が、トランス６で絶縁された３次側の直流電圧ＶＬ２に変換された後、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電圧Ｖａｃｏｕｔを生成する。また、第１直流電源１１の電圧Ｖｂａｔ１は、トランス６で絶縁された４次側の直流電圧Ｖｂａｔ２に変換されて第２直流電源３４を充電する。

次に、交流電源１が接続されておらず、かつ第１直流電源１１の充電量が不十分なため、第２直流電源３４を電力供給源とする場合について説明する。第２直流電源３４の電圧Ｖｂａｔ２がトランス６で絶縁された３次側の直流電圧ＶＬ２に変換された後、インバータ１７により負荷機器接続端２１に接続される交流負荷に対する交流電圧Ｖａｃｏｕｔを生成する。また、第２直流電源３４の電圧Ｖｂａｔ２は、トランス６で絶縁された２次側の直流電圧Ｖｂａｔ１に変換されて第１直流電源１１を充電する。

図１及び図２に示した矢印はこの発明の実施の形態１による電力変換装置の電力方向を定義している。
ここで、交流電源１からＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１スイッチング回路４を介してトランスの一次側である第１巻線６ａに供給される電力をＰ１＿ｉｎとする。また、トランスの２次側となる第２巻線６ｂより第２スイッチング回路８を介して第１直流電源１１に供給される電力をＰ２＿ｏｕｔとし、第１直流電源１１より第２スイッチング回路８を介してトランスの２次側となる第２巻線６ｂに供給される電力をＰ２＿ｉｎとする。

さらに、トランスの３次側となる第３巻線６ｃより第３スイッチング回路１３、インバータ１７を介して負荷機器接続端２１に接続される交流負荷へ供給される電力をＰ３＿ｏｕｔとする。また、トランスの４次側となる第４巻線６ｄ１、６ｄ２より第４スイッチング回路３０を介して第２直流電源３４に供給される電力をＰ４＿ｏｕｔとする。さらに、第２直流電源３４よりスイッチング素子３０ａ、３０ｂを介しトランスの４次側となる第４巻線６ｄ１、６ｄ２に供給される電力をＰ４＿ｉｎとする。

図１及び図２に示した実施の形態１における電力変換装置において、動作状態は図３〜図１０に示した４つの動作状態［１−Ａ〜１−Ｄ］があるので、これらの４つの動作状態について説明する。

図３及び図４は動作状態１−Ａの電力フローを示す。これは、交流電源１が接続されていて、この交流電源１を電力供給源とする場合である。このとき、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎは、第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとに分配される。

図５及び図６は動作状態１−Ｂの電力フローを示す。これは、交流電源１が接続されていないなどの理由により交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎがなく、第１直流電源１１を電力供給源とする場合である。このとき、第１直流電源１１の放電電力Ｐ２＿ｉｎを、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとに分配される。

図７及び図８は動作状態１−Ｃの電力フローを示す。これは、図５及び図６の場合と同様に、交流電源１が接続されていないなどの理由により交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎがなく、かつ第１直流電源１１の充電電力が不足しており、このため、第２直流電源３４を電力供給源とする場合である。このとき、第２直流電源３４の放電電力Ｐ４＿ｉｎは、第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔとに分配される。

なお、図３〜図８では、電力供給源となる部分を除く残りの受電部分を全て負荷として、これらの各負荷に対して電力供給を行う場合を説明したが、いずれか１つの負荷への電力供給をゼロとする場合も含まれる。例えば、図３及び図４において、第１直流電源１１への供給電力Ｐ２＿ｏｕｔをゼロとしてもかまわないし、第１直流電源１１への供給電力Ｐ２＿ｏｕｔと負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔを共にゼロとしてもかまわない。

図９及び図１０は動作状態１−Ｄの電力フローを示す。これは、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎがなく、かつ第１直流電源１１と第２直流電源３４が共に充電電力が不足していて放電できない場合であり、または、第１直流電源１１、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷、第２直流電源３４への電力供給を全て行わない場合である。このとき、電力変換装置は全動作を停止し、全ての電力フローはゼロとなる。

図１１は動作状態切り替え制御のフローチャートを示す。

まず、ステップＳ０１において、負荷となる第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとの合計電力を交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎで賄うことができるかどうかを判定する。ステップＳ０１の判定で賄うことができる場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ０２に移行し動作状態１−Ａと判定される。

ステップＳ０１の判定で賄うことができない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ０３に移行する。ステップＳ０３では、交流電源１からの電力供給をやめ、第１直流電源１１を電力供給源とし、負荷となる負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとの合計電力を第１直流電源１１からの入力電力Ｐ２＿ｉｎで賄うことができるかどうかを判定する。ステップＳ０３の判定で賄うことができる場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ０４に移行し動作状態１−Ｂと判定される。

ステップＳ０３の判定で賄うことができない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ０５に移行する。ステップＳ０５では、第１直流電源１１からの電力供給をやめ、第２直流電源３４を電力供給源とし、負荷となる第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔとの合計電力を第２直流電源３４の入力電力Ｐ４＿ｉｎで賄うことができるかどうかを判定する。ステップＳ０５の判定で賄うことができる場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ０６に移行し、動作状態１−Ｃと判定される。一方、ステップＳ０５の判定で賄うことができない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ０７に移行し、動作状態１−Ｄと判定される。

また、図１１に示すフローチャートから分かるように、動作状態１−Ａで動作している状態において、交流電源１からの入力電力が減少するか、いずれかの負荷への供給電力が増加し、負荷への供給電力が交流電源１からの入力電力を上回ると、交流電源１からの電力供給をやめ、第１直流電源１１からの放電を優先させる。このとき、第１直流電源１１が充電されていれば、動作状態１−Ｂへ動作状態を切り替えることができる。

第１直流電源１１が充電されていない場合でも、第２直流電源３４が充電されていれば、動作状態１−Ｃへ動作状態を切り替えることができる。さらに、第１直流電源１１と第２直流電源３４ともに充電されていない場合では、停止状態である動作状態１−Ｄへ動作状態を切り替えることができる。

動作状態１−Ｂで動作している状態において、交流電源１が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態１−Ａへ動作状態を切り替えることができる。また、第１直流電源１１からの放電電力が減少した場合では、動作状態１−Ｃに動作状態を切り替えることができる。

動作状態１−Ｃで動作している状態において、交流電源１が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態１−Ａへ動作状態を切り替えることができる。また、第２直流電源３４からの放電電力が減少した場合では、動作状態１−Ｄに動作状態を切り替えることができる。

なお、図１１に示したフローチャートにおいては、交流電源１の電力を優先的に使用できるように最上段の判定をステップＳ０１としているが、これに限らず、第１、第２直流電源１１、３４の放電を優先させたい場合では、最上段の判定をステップＳ０３もしくはステップＳ０５としてもよい。また、ステップＳ０１の後段の判定をステップＳ０５とし、ステップＳ０５の後段の判定にステップＳ０３を配置してもよい。

図１２に図１１に示した動作状態切り替え制御フローを実行する制御部１００の構成図を示す。

制御部１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１〜第４スイッチング回路４、８、１３、３０、スイッチ９、およびインバータ１７の各制御を行うゲート信号演算回路１０２を備える。ゲート信号演算回路１０２は、電圧電流検出部５１〜５６の検出信号をもとにゲート信号の演算を行っている。動作状態判定回路１０１は、電圧電流検出部５１〜５６の検出信号をもとに、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１〜第４スイッチング回路４、８、１３、３０、スイッチ９、およびインバータ１７の各動作状態を判定し、その判定結果を示す動作状態判定信号を演算する。出力切替回路１０３は、動作状態判定回路１０１からの動作状態判定信号に基づいてゲート信号演算回路１０２からのゲート信号の内から動作状態に応じたゲート信号を選択して出力させる。ただし、ゲート信号の演算や動作状態判定に用いない電圧電流検出信号は制御部１００に入力しなくてもよい。

上記の電圧電流検出部５１が特許請求の範囲における交流電源１の電圧を検出する電圧検出部に対応する。また、上記の電圧電流検出部５２が特許請求の範囲におけるコンデンサ３の電圧を検出する電圧検出部に対応する。さらに、出力切替回路１０３が特許請求の範囲における電源切替部に対応する。

動作中の電力の過不足を検出する方法として、コンデンサ３の電圧ＶＬ１を検出する方法が考えられる。例えば、動作状態１−Ａと動作状態１−Ｂをコンデンサ３の電圧ＶＬ１を用いて切り替える場合の制御部１００の構成図の一例を図１３及び図１４に示す。

まず、動作状態１−Ａの制御について説明する。動作状態１−Ａは、上述の通り、交流電源１が接続されていてこれを電源システムの電力供給源とする場合であって、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎは、第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとに分配される。

図１３及び図１４において、動作状態１−Ａの制御ブロックは、例えば、ゲート信号演算回路１０２の中の制御ブロックＣ１〜Ｃ７で表される。制御ブロックＣ１〜Ｃ７による制御は、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとを優先させ、その残りの電力を第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔとして供給するように動作させる制御例である。

この場合、図１３の制御ブロックＣ１で示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は定電流で電力供給を行う。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、交流電源１の電流指令値Ｉａｃｉｎ＊と電圧電流検出部５１の電流検出値Ｉａｃｉｎとの偏差を比例制御（Ｐ制御）し、ＰＷＭ制御することにより、定電流でコンデンサ３に向けて電力を供給しつつ、同時に交流電流を高力率に制御する。このとき、交流電源１の電流指令値Ｉａｃｉｎ＊は任意に設定してよい。
また、図１３の制御ブロックＣ２で示すように、第１スイッチング回路４は、任意の時比率指令値Ｄｕｔｙ＊による一定の時比率でＰＷＭ動作することでトランス６に交流電力を供給する。

図１３の制御ブロックＣ３に示すように、第２スイッチング回路８は、コンデンサ３の電圧指令値ＶＬ１＊と電圧電流検出部５２の電圧検出値ＶＬ１との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、第１直流電源１１の電流指令値Ｉｂａｔ１＊とする。この電流指令値Ｉｂａｔ１＊と電圧電流検出部５３の電流検出値Ｉｂａｔ１との偏差を比例制御（Ｐ制御）し、ＰＷＭ制御することで、第１直流電源１１の充電電流制御を行なう。このとき、図１３の制御ブロックＣ４に示すように、スイッチ９をオフして、第２スイッチング回路８をフルブリッジ型の昇圧チョッパとして機能させる。

図１４の制御ブロックＣ５に示すように、第３スイッチング回路１３は、平滑コンデンサ１５の電圧指令値ＶＬ２＊と電圧電流検出部５４の電圧検出値ＶＬ２との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）し、ＰＷＭ制御することで、平滑コンデンサ１５の電圧ＶＬ２を制御する。
また、図１４の制御ブロックＣ６に示すように、インバータ１７は、出力交流電圧の指令値Ｖａｃｏｕｔ＊と電圧電流検出部５４の電圧検出値ＶＬ２の商により正弦波インバータの変調率とし、ＰＷＭ制御により交流電圧Ｖａｃｏｕｔを負荷機器接続端２１へ出力する。

図１４の制御ブロックＣ７に示すように、第４スイッチング回路３０を構成するスイッチング素子３３は、第２直流電源３４の電圧指令値Ｖｂａｔ２＊と電圧電流検出部５６の電圧検出値Ｖｂａｔ２との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）し、ＰＷＭ制御することで第２直流電源３４の充電電圧制御を行う。

以上のように、動作状態１−Ａの場合、制御ブロックＣ１〜Ｃ４で演算されたゲート信号は、出力切替部１０３ａ〜ｄを通して、それぞれＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１スイッチング回路４、第２スイッチング回路８、スイッチ９に入力される。また、制御ブロックＣ５〜Ｃ７で演算されたゲート信号は、第３スイッチング回路１３、インバータ１７、第４スイッチング回路３０のスイッチング素子３３に入力される。

次に、図１４に示す動作状態判定回路１０１について説明する。ここで、動作状態判定回路１０１をコンデンサ３の電圧ＶＬ１の上昇または下降を判定する回路で構成する。
すなわち、電圧電流検出部５２の電圧出力値ＶＬ１とコンデンサ３の電圧指令値ＶＬ１＊との偏差を減算器１０１ａで演算する。任意に設定した電圧変動上限値ΔＶＬ１と、このΔＶＬ１に−１を乗じた電圧変動下限値−ΔＶＬ１とをそれぞれ設定し、これら電圧変動上限値ΔＶＬ１及び電圧変動下限値−ΔＶＬ１と、減算器１０１ａで演算された偏差とを比較器１０１ｂ、１０１ｃでそれぞれ比較する。

コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が電圧指令値ＶＬ１＊からΔＶＬ１以上上昇すると、比較器１０１ｂから出力される上昇判定信号Ｓｉｇ＿ＶＬ１＿Ｈｉｇｈが１となる。同様に、コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が電圧指令値ＶＬ１＊からΔＶＬ１以上下降すると、比較器１０１ｃから出力される下降判定信号Ｓｉｇ＿ＶＬ１＿Ｌｏｗが１となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部１０１ｄで検出することで、動作状態判定信号を作成する。

状態判定部１０１ｄの動作状態判定信号は、出力切替回路１０３の各出力切替部１０３ａ〜１０３ｄに入力される。各出力切替部１０３ａ〜１０３ｄは、この動作状態判定信号に応じて、ゲート信号演算回路１０２から出力されるゲート信号を切り替える。

例えば、動作状態１−Ａで動作している時に、負荷となる負荷機器接続端２１、第１直流電源１１、および第２直流電源３４に対して出力される全体の電力が増加し、交流電源１からの入力電力が不足すると、コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が下降する。そして、コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が電圧指令値ＶＬ１＊からΔＶＬ１以上下降すると、下降判定信号Ｓｉｇ＿ＶＬ１＿Ｌｏｗが１となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部１０１ｄで検出し、これに応じて状態判定部１０１ｄは動作状態判定信号を出力切替部１０３ａに出力する。出力切替部１０３ａは、制御ブロックＣ１で演算されたゲート信号を０のゲート信号に切り替え、ＡＣ／ＤＣコンバータ２に出力するゲート信号を０として、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の動作を停止する。
同様に、出力切替部１０３ｂは、制御ブロックＣ２で演算されたゲート信号を０のゲート信号に切り替え、第１スイッチング回路４のゲート信号も０としてその動作を停止する。

さらに、出力切替部１０３ｃは、制御ブロックＣ３で演算されたゲート信号の代わりに、第２スイッチング回路８のオン時間を所定のＤｕｔｙ＊に設定するとともに、出力切替部１０３ｄにより、スイッチ９へのゲート信号を０から１に切り替えスイッチ９をオンすることで、電力供給源が交流電源１から第１直流電源１１へと切り替わる。つまり、動作状態が１−Ａから動作状態１−Ｂへと切り替わる。このとき、第３スイッチング回路１３、インバータ１７、第４スイッチング回路３０のように、動作状態によらず同じ制御演算（例えば制御ブロックＣ５〜Ｃ７）で動作し続けるものはゲート信号を切り替えず、連続的に動作させる。

以上のように、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧の平滑用として用いられるコンデンサ３の場合、入力側からの入力電力が増加するか、または出力側へ供給する出力電力が減少すると、過渡的にコンデンサ電圧は上昇する。一方、入力側からの入力電力が減少するか、または出力側へ供給する出力電力が増加すると、過渡的にコンデンサ電圧が減少する。この現象をコンデンサ３の電圧電流検出部５１からの電圧検出値ＶＬ１を用いて検出することで、図１及び図２の電力変換装置における出力電力に対する入力電力の過不足を検知し、これにより、動作状態１−Ａと動作状態１−Ｂとの間の切り替えが可能となる。

上記と同様に、第３スイッチング回路１３の出力側に接続された平滑用のコンデンサ１５の電圧変動を検知し、これにより、交流電源１、第１直流電源１１、第２直流電源３４との間で電源を切り替えることが可能となる。

すなわち、動作状態１−Ａのときに、コンデンサ１５の電圧が予め設定したしきい値よりも低下した場合には、コンデンサ３の電圧も低下しているので、第１スイッチング回路４の動作を停止して、第１直流電源１１を電源とする状態に切り替える。つまり、動作状態１−Ａから動作状態１−Ｂに切り替える。

また、動作状態１−Ｂのときに、コンデンサ１５の電圧が予め設定したしきい値よりも低下した場合には、第１直流電源１１の充電電力が低下しているので、第２スイッチング回路８の動作を停止して、第２直流電源３４を電源とする状態に切り替える。つまり、動作状態１−Ｂから動作状態１−Ｃに切り替える。

さらに、動作状態１−Ｃのときに、コンデンサ１５の電圧が予め設定したしきい値よりも低下した場合には、第２直流電源３４の充電電力が低下しているので、第４スイッチング回路３０の動作を停止する。つまり、動作状態１−Ｃから動作状態１−Ｄに切り替える。

このように、コンデンサ３、１５の電圧を検出する方法を用いることで、交流電源１の接続有無や負荷機器の電力増減を個別に検出すること無く電力供給源を切り替え、制御動作を連続させることができる。

上記の他に、動作中の電力の過不足を検出する方法として、交流電源１の電圧、電流を検出する方法が考えられる。すなわち、交流電源１の電圧、電流を検出する電圧電流検出部５１の検出結果を用いて交流電源１の入力電力Ｐ１＿ｉｎがゼロであるか否かを検知し、これにより、交流電源１が接続されているかどうかを検出することで、動作状態１−Ａと動作状態１−Ｂとの間の切り替えが可能となる。

同様に、第１直流電源１１および第２直流電源３４の電圧もしくは電流の検出値から電力の過不足を検出することができる。例えば、第１直流電源１１や第２直流電源３４の充電電流と放電電流に対してそれぞれ上限値を設け、充電電流の上限値以上の電流を充電する状態では電力が余剰な状態、また、放電電流の上限値以上の電流を放電する状態では電力が不足した状態と判断し、これにより、動作状態１−Ｂと動作状態１−Ｃとの間、あるいは動作状態１−Ｃと動作状態１−Ｄとの間の切り替えが可能となる。

動作状態を切り替える際、図１２〜図１４に示したように、全ての動作モードのゲート信号を演算しながら、動作状態判定回路１０１からの動作状態判定信号をもとに必要な信号を出力するようにしているが、この方法の他に、ゲート信号演算回路１０２に動作状態判定回路１０１からの動作状態判定信号を入力し、該当する動作状態のゲート信号のみを演算する方法でも動作状態を切り替えることができる。この方法を用いることで、マイコン等のデジタル機器で演算処理を行う場合、必要最小限の演算量で制御することが可能となる。

また、動作状態を切り替える際に、電力供給源となる部分を除く残りの受電部分である負荷の内、いずれかの負荷への電力供給量を制限して負荷へ供給する合計電力を低減するようにすれば、優先度の高い負荷への電力供給を最大限継続することができる。

例えば、動作状態１−Ｃのとき、すなわち、第２直流電源３４を電源として動作している場合に、この第１直流電源１１への電力供給動作を予め停止すれば、動作状態１−Ｄに移行するのを事前に回避して負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への電力供給を継続させることができる。

また、第１直流電源１１と第２直流電源３４の電圧、電流などから充電量に余裕のある直流電源を判定し、充電量に余裕のある直流電源から負荷機器へ電力供給することもできる。また、第１直流電源１１もしくは第２直流電源３４から負荷機器へ電力供給を行っている場合に、交流電源１からの電力供給に切り替えることによって第１直流電源１１あるいは第２直流電源３４の放電よりも交流電源１からの電力供給を優先した制御が実現できる。

以上のように、この実施の形態１の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができ、負荷への電力供給を連続させることができる。

実施の形態２．
図１５及び図１６は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路構成図であり、図１及び図２に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２の構成上の特徴は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力端側に、第１スイッチング回路４と並列に電圧電流検出部５４を介して４つのスイッチング素子１７ａ〜１７ｄｃで構成されるインバータ１７の直流入力端が接続されている。そして、このインバータ１７の交流出力端には平滑コイル１８ａ、１８ｂ、平滑コンデンサ１９、コモンモードチョークコイル２０、電圧電流検出部５５、および負荷機器接続端２１が順次接続されている。そして、この負荷機器接続端２１において図示しない交流負荷の供給電源である交流電圧Ｖａｃｏｕｔが生成される。

その他の構成は、実施の形態１の場合と基本的に同じであるから、対応する構成部分には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。また、第１、第２、第４スイッチング回路４、８、３０やインバータ１７などの動作についても、基本的には実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

また、図１５及び図１６に示した矢印はこの発明の実施の形態２による電力変換装置の電力方向を定義している。
ここに、交流電源１からＡＣ／ＤＣコンバータ２を介してコンデンサ３に供給される電力をＰ１＿ｉｎとする。また、トランスの２次側となる第２巻線６ｂより第２スイッチング回路８を介して第１直流電源１１に供給される電力をＰ２＿ｏｕｔとする。また、第１直流電源１１より第２スイッチング回路８を介してトランスの２次側となる第２巻線６ｂに供給される電力をＰ２＿ｉｎとする。

さらに、コンデンサ３より、インバータ１７を介して負荷機器接続端２１に接続される交流負荷へ供給される電力をＰ３＿ｏｕｔとする。また、トランスの４次側となる第４巻線６ｄ１、６ｄ２より第４スイッチング回路３０を介して第２直流電源３４に供給される電力をＰ４＿ｏｕｔとする。さらに、第２直流電源３４よりスイッチング素子３０ａ、３０ｂを介しトランスの４次側となる第４巻線６ｄ１、６ｄ２に供給される電力をＰ４＿ｉｎとする。

図１５及び図１６に示した実施の形態２における電力変換装置において、動作状態は図１７〜図２４に示した４つの動作状態［２−Ａ〜２−Ｄ］があるので、これらの４つの動作状態について説明する。

図１７及び図１８は動作状態２−Ａの電力フローを示す。これは、交流電源１が接続されていて、この交流電源１を電力供給源とする場合である。このとき、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎは、第１直流電源への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとに分配される。

図１９及び図２０は動作状態２−Ｂの電力フローを示す。これは、交流電源１が接続されていないなどの理由により交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎがなく、第１直流電源１１を電力供給源とする場合である。このとき、第１直流電源１１の放電電力Ｐ２＿ｉｎを、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとに分配する。

図２１及び図２２は動作状態２−Ｃの電力フローを示す。これは、交流電源１が接続されていないなどの理由により交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎがなく、かつ第１直流電源１１の充電電力が不足しており、このため、第２直流電源３４を電力供給源とする場合である。このとき、第２直流電源３４の放電電力Ｐ４＿ｉｎを、第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔとに分配する。

なお、図１７〜２２では電力供給源となる部分を除く残りの受電部分を全て負荷として、これらの各負荷に対して電力供給を行う場合を説明したが、いずれか１つの負荷以外への電力供給をゼロとする場合も含まれる。例えば図１７及び図１８において、第１直流電源への供給電力Ｐ２＿ｏｕｔをゼロとしてもかまわないし、第１直流電源への供給電力Ｐ２＿ｏｕｔと負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔを共にゼロとしてもかまわない。

図２３及び図２４は動作状態２−Ｄの電力フローを示す。これは、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎがなく、かつ、第１直流電源１１、第２直流電源３４が共に充電電力が不足していて放電できない場合、もしくは第１直流電源１１、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷、第２直流電源３４への電力供給を行わない場合である。このとき、電力変換装置は全動作を停止し、全ての電力フローはゼロとなる。

図２５は動作状態切り替え制御のフローチャートを示す。

まず、ステップＳ０８において、負荷となる第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとの合計電力を、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎで賄うことができるかどうかを判定する。ステップＳ０８の判定で賄うことができる場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ０９に移行し動作状態２−Ａと判定される。

ステップＳ０８の判定で賄うことができない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、交流電源１からの電力供給をやめ、第１直流電源１１を電力供給源とし、負荷となる負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとの合計電力を第１直流電源１１からの入力電力Ｐ２＿ｉｎで賄うことができるかどうかを判定する。ステップＳ１０の判定で賄うことができる場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ１１に移行し動作状態２−Ｂと判定される。

ステップＳ１０の判定で賄うことができない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２では、第１直流電源１１からの電力供給をやめ、第２直流電源３４を電力供給源とし、負荷となる第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔとの合計電力を第２直流電源３４の入力電力Ｐ４＿ｉｎで賄うことができるかどうかを判定する。ステップＳ１２の判定で賄うことができる場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ１３に移行し、動作状態２−Ｃと判定される。一方、ステップＳ１２の判定で、賄うことができない場合、ステップＳ１４に移行し、動作状態２−Ｄと判定される。

また、図２５に示すフローチャートから分かるように、動作状態２−Ａで動作している状態において、交流電源１からの入力電力が減少するか、いずれかの負荷への供給電力が増加し、負荷への供給電力が交流電源１からの入力電力を上回ると、交流電源１からの受電をやめ、第１直流電源１１からの放電を優先させる。このとき、第１直流電源１１が充電されていれば、動作状態２−Ｂへ動作状態を切り替えることができる。

第１直流電源１１が充電されていない場合でも、第２直流電源３４が充電されていれば、動作状態２−Ｃへ動作状態を切り替えることができる。さらに、第１直流電源１１と第２直流電源３４ともに充電されていない場合では、停止状態である動作状態２−Ｄへ動作状態を切り替えることができる。

動作状態２−Ｂで動作している状態において、交流電源１が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態２−Ａへ動作状態を切り替えることができる。また、第１直流電源１１からの放電電力が減少した場合では、動作状態２−Ｃに動作状態を切り替えることができる。

動作状態２−Ｃで動作している状態において、交流電源１が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態２−Ａへ動作状態を切り替えることができる。また、第２直流電源３４からの放電電力が減少した場合では、動作状態２−Ｄに動作状態を切り替えることができる。

なお、図２５に示したフローチャートにおいては、交流電源１の電力を優先的に使用できるように最上段の判定をステップＳ０８としているが、これに限らず、直流電源の放電を優先させたい場合では、最上段の判定をステップＳ１０もしくはステップＳ１２としてもよい。また、ステップＳ０８の後段の判定をステップＳ１２とし、ステップＳ１２の後段の判定にステップＳ１０を配置してもよい。

図２６は図２５に示した動作状態切り替え制御フローを実行する制御部１００の構成図を示す。

制御部１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１、第２、第４スイッチング回路４、８、３０、スイッチ９、およびインバータ１７の各制御を行うゲート信号演算回路１０２を備える。ゲート信号演算回路１０２は、電圧電流検出部５１〜５３、５５、５６の検出信号をもとにゲート信号の演算を行っている。また、動作状態判定回路１０１は、電圧電流検出部５１〜５３、５５、５６の検出信号をもとに、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１、第２、第４スイッチング回路４、８、３０、スイッチ９、およびインバータ１７の各動作状態を判定し、その判定結果を示す動作状態判定信号を演算する。出力切替回路１０３は、動作状態判定回路１０１からの動作状態判定信号に基づいてゲート信号演算回路１０２からのゲート信号の内から動作状態に応じたゲート信号を選択して出力させる。ただし、ゲート信号の演算や動作状態判定に用いない電圧電流検出信号は制御部１００に入力しなくてもよい。

なお、上記の電圧電流検出部５１が特許請求の範囲における交流電源１の電圧を検出する電圧検出部に対応し、上記の電圧電流検出部５２が特許請求の範囲におけるコンデンサ３の電圧を検出する電圧検出部に対応し、出力切替回路１０３が特許請求の範囲における電源切替部に対応している。

動作中の電力の過不足を検出する方法として、コンデンサ３の電圧ＶＬ１を検出する方法が考えられる。例えば、動作状態２−Ａと動作状態２−Ｂを、コンデンサ３の電圧ＶＬ１を用いて切り替える場合の制御部１００の構成図の一例を図２７及び図２８に示す。

まず、動作状態２−Ａの制御について説明する。動作状態２−Ａは、上述の通り、交流電源１が接続されていて、この交流電源１を電力供給源とする場合であって、交流電源１からの入力電力Ｐ１＿ｉｎは、第１直流電源への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔと、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとに分配される。

図２７及び図２８において、動作状態２−Ａの制御ブロックは、例えば、ゲート信号演算回路１０２の中の制御ブロックＥ１〜Ｅ６で表される。制御ブロックＥ１〜Ｅ６による制御は、負荷機器接続端２１に接続される交流負荷への供給電力Ｐ３＿ｏｕｔと、第２直流電源３４への充電電力Ｐ４＿ｏｕｔとを優先させ、その残りの電力を第１直流電源１１への充電電力Ｐ２＿ｏｕｔとして供給するように動作させる制御例である。

この場合、図２７の制御ブロックＥ１で示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は定電流で電力供給を行う。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は、交流電源１の電流指令値Ｉａｃｉｎ＊と電圧電流検出部５１の電流検出値Ｉａｃｉｎとの偏差を比例制御（Ｐ制御）し、ＰＷＭ制御することにより、定電流でコンデンサ３に向けて電力を供給しつつ、同時に交流電流を高力率に制御する。このとき、交流電源１の電流指令値Ｉａｃｉｎ＊は任意に設定してよい。
また、図２７の制御ブロックＥ２で示すように、第１スイッチング回路４は、任意の時比率指令値Ｄｕｔｙ＊による一定の時比率でＰＷＭ動作することでトランス６に交流電力を供給する。

図２７の制御ブロックＥ３で示すように、第２スイッチング回路８は、コンデンサ３の電圧指令値ＶＬ１＊と電圧電流検出部５２の電圧検出値ＶＬ１との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、第１直流電源１１の電流指令値Ｉｂａｔ１＊とする。この電流指令値Ｉｂａｔ１＊と電圧電流検出部５３の電流検出値Ｉｂａｔ１との偏差を比例制御（Ｐ制御）し、ＰＷＭ制御することで、第１直流電源１１の充電電流制御を行なう。このとき、図２７の制御ブロックＥ４に示すように、スイッチ９をオフして、第２スイッチング回路８をフルブリッジ型の昇圧チョッパとして機能させる。

また、図２８の制御ブロックＥ５で示すように、インバータ１７は、出力交流電圧の指令値Ｖａｃｏｕｔ＊と電圧電流検出部５２の電圧検出値ＶＬ１の商により正弦波インバータの変調率とし、ＰＷＭ制御により交流電圧Ｖａｃｏｕｔを負荷機器接続端２１へ出力する。

さらに、図２８の制御ブロックＥ６に示すように、第４スイッチング回路３０を構成するスイッチング素子３３は、第２直流電源３４の電圧指令値Ｖｂａｔ２＊と電圧電流検出部５６の電圧検出値Ｖｂａｔ２との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）し、ＰＷＭ制御することで第２直流電源３４の充電電圧制御を行う。

以上のように、動作状態２−Ａの場合、制御ブロックＥ１〜Ｅ４で演算されたゲート信号は、出力切替部１０３ａ〜ｄを通して、それぞれＡＣ／ＤＣコンバータ２、第１スイッチング回路４、第２スイッチング回路８、スイッチ９に入力される。また、制御ブロックＥ５〜Ｅ６で演算されたゲート信号は、インバータ１７、第４スイッチング回路３０のスイッチング素子３３に入力される。

次に、図２８に示す動作状態判定回路１０１について説明する。ここで、動作状態判定回路１０１をコンデンサ３の電圧ＶＬ１の上昇または下降を判定する回路で構成する。
すなわち、電圧電流検出部５２の電圧出力値ＶＬ１とコンデンサ３の電圧指令値ＶＬ１＊との偏差を減算器１０１ａで演算する。任意に設定した電圧変動上限値ΔＶＬ１と、このΔＶＬ１に−１を乗じた電圧変動下限値−ΔＶＬ１とをそれぞれ設定し、これら電圧変動上限値ΔＶＬ１及び電圧変動下限値−ΔＶＬ１と、減算器１０１ａで演算された偏差とを比較器１０１ｂ、１０１ｃでそれぞれ比較する。

コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が電圧指令値ＶＬ１＊からΔＶＬ１以上上昇すると、比較器１０１ｂから出力される上昇判定信号Ｓｉｇ＿ＶＬ１＿Ｈｉｇｈが１となる。同様に、コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が電圧指令値ＶＬ１＊からΔＶＬ１以上下降すると、比較器１０１ｃから出力される下降判定信号Ｓｉｇ＿ＶＬ１＿Ｌｏｗが１となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部１０１ｄで検出することで、動作状態判定信号を作成する。

状態判定部１０１ｄの動作状態判定信号は、出力切替回路１０３の各出力切替部１０３ａ〜１０３ｄに入力される。各出力切替部１０３ａ〜１０３ｄは、この動作状態判定信号に応じて、ゲート信号演算回路１０２から出力されるゲート信号を切り替える。

例えば、動作状態２−Ａで動作している時に、負荷となる負荷機器接続端２１、第１直流電源１１、および第２直流電源３４に対して出力される全体の電力が増加し、交流電源１からの入力電力が不足すると、コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が下降する。そして、コンデンサ３の電圧出力値ＶＬ１が電圧指令値ＶＬ１＊からΔＶＬ１以上下降すると、下降判定信号Ｓｉｇ＿ＶＬ１＿Ｌｏｗが１となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部１０１ｄで検出し、これに応じて状態判定部１０１ｄは動作状態判定信号を出力切替部１０３ａに出力する。出力切替部１０３ａは、制御ブロックＥ１で演算されたゲート信号を制御ブロックＦ１のゲート信号０に切り替え、ＡＣ／ＤＣコンバータ２にゲート信号０を出力して、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の動作を停止する。

また、出力切替部１０３ｂは、制御ブロックＥ２で演算されたゲート信号の代わりに制御ブロックＦ２で演算されたゲート信号に切り替えて、第１スイッチング回路４に出力する。制御ブロックＦ２では、コンデンサ３の電圧ＶＬ１を一定に制御するために、コンデンサ３の電圧指令値ＶＬ１＊と電圧電流検出部５２の電圧検出値ＶＬ１との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）し、ＰＷＭ制御のためのゲート信号を演算する。

さらに、出力切替部１０３ｃは、制御ブロックＥ３で演算されたゲート信号の代わりに制御ブロックＦ３で演算されたゲート信号に切り替えて、第２スイッチング回路８に出力する。制御ブロックＦ３では、第１直流電源１１を放電させるために、任意の時比率指令値Ｄｕｔｙ＊によって固定の時比率でＰＷＭ動作させるゲート信号を演算する。このとき、出力切替部１０３ｄは、スイッチ９へのゲート信号を０から１に切り替えてスイッチをオンする。
その結果、電力供給源が交流電源１から第１直流電源１１へと切り替わる。つまり、動作状態２−Ａから動作状態２−Ｂへと切り替わる。このとき、インバータ１７、第４スイッチング回路３０のように、動作状態によらず同じ制御演算（例えば制御ブロックＥ５〜Ｅ６）で動作し続けるものはゲート信号を切り替えず、連続的に動作させる。

以上のように、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧の平滑用として用いられるコンデンサ３の場合、入力側からの入力電力が増加するか、出力側へ供給する出力電力が減少すると、過渡的にコンデンサ電圧は上昇する。一方、入力側からの入力電力が減少するか、出力側へ供給する出力電力が増加すると、過渡的にコンデンサ電圧が減少する。この現象をコンデンサ３の電圧電流検出部５２からの電圧検出値ＶＬ１を用いて検出することで、図１５及び図１６の電力変換装置における出力電力に対する入力電力の過不足を検知し、これにより、動作状態２−Ａと動作状態２−Ｂとの間での切り替えが可能となる。

このようにコンデンサ３の電圧を検出する方法を用いることで、交流電源１の接続有無や負荷機器の電力増減を個別に検出すること無く電力供給源を切り替え、制御動作を連続させることができる。

上記の他に、動作中の電力の過不足を検出する方法として、交流電源１の電圧、電流を検出する方法が考えられる。すなわち、交流電源１の電圧、電流を検出する電圧電流検出部５１の検出結果を用いて交流電源１の入力電力Ｐ１＿ｉｎがゼロであるか否かを検知し、これにより、交流電源１が接続されているかどうかを検出することで、動作状態２−Ａと動作状態２−Ｂとの間での切り替えが可能となる。

同様に、第１直流電源１１および第２直流電源３４の電圧もしくは電流の検出値から電力の過不足を検出することができる。例えば、第１直流電源１１や第２直流電源３４の充電電流と放電電流に対してそれぞれ上限値を設け、充電電流の上限値以上の電流を充電する状態では電力が余剰な状態、また、放電電流の上限値以上の電流を放電する状態では電力が不足した状態と判断する。これにより、動作状態２−Ｂと動作状態２−Ｃとの間、あるいは動作状態２−Ｃと動作状態２−Ｄとの間での切り替えが可能となる。

動作状態を切り替える際、図２６〜図２８に示したように、全ての動作モードのゲート信号を演算しながら、動作状態判定回路１０１の出力信号をもとに必要な信号を出力する方法の他に、ゲート信号演算回路１０２に動作状態判定回路１０１の出力信号を入力し、該当する動作状態のゲート信号演算のみを行う方法でも動作状態を切り替えることができる。この方法を用いることで、マイコン等のデジタル機器で演算処理を行う場合、必要最小限の演算量で制御することが可能となる。

また、動作状態を切り替える際に、電力供給源となる部分を除く残りの受電部分である負荷の内、いずれかの負荷への電力供給を制限することで、負荷へ供給する合計電力を低減することで、優先度の高い負荷への電力供給を最大限継続することができる。

第１直流電源１１と第２直流電源３４の電圧電流などから充電量に余裕のある直流電源を判定し、充電量に余裕のある直流電源から負荷機器へ電力供給することもできる。また、第１直流電源１１もしくは第２直流電源３４から負荷機器へ電力供給を行っている場合に、交流電源１からの電力供給に切り替えることによって直流電源の放電よりも交流電源１からの電力供給を優先した制御が実現できる。

以上のように、この実施の形態２の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができる。

実施の形態３．
図２９及び図３０は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態３の特徴は、図１及び図２に示した実施の形態１の構成に対して、トランス６の第４巻線６ｄ１、６ｄ２、およびこれらの第４巻線６ｄ１、６ｄ２に接続される第４スイッチング回路３０や第２直流電源３４を含む回路が削除されていることである。その他の構成は、実施の形態１の場合と同じである。

したがって、実施の形態１における第４スイッチング回路３０や第２直流電源３４を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

この実施の形態３の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができ、負荷への電力供給を連続させることができる。

実施の形態４．
図３１及び図３２は、この発明の実施の形態４による電力変換装置の回路構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態４の特徴は、図１及び図２に示した実施の形態１の構成に対して、トランス６の第３巻線６ｃ、およびこの第３巻線６ｃに接続される第３スイッチング回路１３やインバータ１７を含む回路が削除されていることである。その他の構成は、実施の形態１の場合と同じである。

したがって、実施の形態１における第３スイッチング回路１３やインバータ１７を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

この実施の形態４の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができ、負荷への電力供給を連続させることができる。

なお、この発明は、上記の実施の形態１〜４に示した構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施の形態１〜４の構成を適宜組み合わせたり、その構成に一部変形を加えたり、構成を一部省略することが可能である。

Claims (8)

1. 交流電源および直流電源に接続された電力変換装置であって、
   互いに磁気的に結合された３以上の巻線を有するトランスと、
   上記交流電源から出力された電力を直流化するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   上記ＡＣ／ＤＣコンバータにより直流化された電力を平滑化するコンデンサと、
   上記コンデンサにより平滑化された電力を交流化し、上記３以上の巻線の内の一つの巻線に出力する第１スイッチング回路と、
   上記３以上の巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線に接続され、上記直流電源に入力する電力または上記直流電源から出力する電力を変換するスイッチング回路と、
   上記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   上記電圧検出部の検出値に基づいて、電力供給源を上記交流電源と上記直流電源との間で切り替える電源切替部と、を備える電力変換装置。
2. 交流電源および直流電源に接続された電力変換装置であって、
   互いに磁気的に結合された３以上の巻線を有するトランスと、
   上記交流電源から出力された電力を直流化するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   上記ＡＣ／ＤＣコンバータにより直流化された電力を平滑化するコンデンサと、
   上記コンデンサにより平滑化された電力を交流化し、上記３以上の巻線の内の一つの巻線に出力する第１スイッチング回路と、
   上記３以上の巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線に接続され、上記直流電源に入力する電力または上記直流電源から出力する電力を変換するスイッチング回路と、
   上記交流電源の電圧を検出する電圧検出部と、
   上記電圧検出部の検出値に基づいて、電力供給源を上記交流電源と上記直流電源との間で切り替える電源切替部と、を備える電力変換装置。
3. 上記トランスを構成する上記巻線は、第１巻線、第２巻線、第３巻線、および第４巻線からなり、
   上記直流電源は、第１直流電源と第２直流電源からなり、
   上記第１スイッチング回路は上記第１巻線に接続され、
   上記第２巻線に接続され、上記第１直流電源に入力する電力または上記第１直流電源から出力する電力を変換する第２スイッチング回路と、
   上記第３巻線に接続され、上記第３巻線の電圧を整流する第３スイッチング回路と、
   上記第３スイッチング回路で整流した電圧を交流化して交流負荷に出力するインバータと、
   上記第４巻線に接続され、上記第２直流電源に入力する電力または上記第２直流電源から出力する電力を変換する第４スイッチング回路と、を備え、
   上記電源切替部は、上記交流電源、上記第１直流電源または上記第２直流電源との間で電力供給源の切り替えを行うものである請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記トランスを構成する上記巻線は、第１巻線、第２巻線、および第４巻線からなり、
   上記直流電源は第１直流電源と第２直流電源からなり、
   上記第１スイッチング回路は上記第１巻線に接続され、
   上記第２巻線に接続され、上記第１直流電源に入力する電力または上記第１直流電源から出力する電力を変換する第２スイッチング回路と、
   上記第４巻線に接続され、上記第２直流電源に入力する電力または上記第２直流電源から出力する電力を変換する第４スイッチング回路と、
   上記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力側に上記第１スイッチング回路と並列に接続され、上記コンデンサの直流電圧を交流化して交流負荷に出力するインバータと、を備え、
   上記電源切替部は、上記交流電源、上記第１直流電源または上記第２直流電源との間で電力供給源の切り替えを行うものである請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
5. 上記トランスを構成する上記巻線は、第１巻線、第２巻線、および第３巻線からなり、
   上記直流電源は第１直流電源からなり、
   上記第１スイッチング回路は上記第１巻線に接続され、
   上記第２巻線に接続され、上記第１直流電源に入力する電力または上記第１直流電源から出力する電力を変換する第２スイッチング回路と、
   上記第３巻線に接続され、上記第３巻線の電圧を整流する第３スイッチング回路と、
   上記第３スイッチング回路で整流した電圧を交流化して交流負荷に出力するインバータと、を備え、
   上記電源切替部は、上記交流電源と上記第１直流電源との間で電力供給源の切り替えを行うものである請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
6. 上記トランスを構成する上記巻線は、第１巻線、第２巻線、および第４巻線からなり、
   上記直流電源は、第１直流電源と第２直流電源からなり、
   上記第１スイッチング回路は上記第１巻線に接続され、
   上記第２巻線に接続され、上記第１直流電源に入力する電力または上記第１直流電源から出力する電力を変換する第２スイッチング回路と、
   上記第４巻線に接続され、上記第２直流電源に入力する電力または上記第２直流電源から出力する電力を変換する第４スイッチング回路と、を備え、
   上記電源切替部は、上記交流電源、上記第１直流電源または上記第２直流電源との間で電力供給源の切り替えを行うものである請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
7. 上記第１直流電源と上記第２直流電源の充電状態を検出する検出部を備え、この検出部の検出結果に基づいて上記第１直流電源と上記第２の直流電源のいずれか一方を優先して放電させる制御を行う制御部を備える請求項３、４、６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 電力供給源を切り替える場合に、上記電力供給源に対する負荷の内、いずれかの負荷への供給電力を制限する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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