JP6202211B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の入出力ポートのうち、任意の入出力ポート間で電力変換を行う電力変換装置に関する。
特許文献１には、４つの入出力ポートのうち、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路が開示されている。この電力変換回路は、２つの入出力ポートを有する１次側変換回路と、その１次側変換回路に磁気結合し、他の２つの入出力ポートを有する２次側変換回路とを備える。そして、１次側変換回路と２次側変換回路とは、センタータップ式の変圧器により磁気結合する。
１次側変換回路は１次側フルブリッジ回路を有する。１次側フルブリッジ回路は、変圧器の１次側コイルの両端に接続された２つのインダクタを磁気結合して構成される結合インダクタを有する。また、２次側変換回路は２次側フルブリッジ回路を有する。２次側フルブリッジ回路は、変圧器の２次側コイルの両端に接続された２つのインダクタを磁気結合して構成される結合インダクタを有する。そして、スイッチング周期のオン時間が変更されることで、１次側変換回路と２次側変換回路の電力変換比率が変更される。１次変換回路と２次変換回路の電力伝送量は、スイッチング周期の位相差によって、制御される。
特開２０１１−１９３７１３号公報
特許文献１においては、電力伝送の効率を良くするために、１次側変換回路及び２次側変換回路それぞれが備える結合インダクタの結合係数を最適値に調整する必要がある。しかしながら、結合インダクタは構造が複雑であり、精度よく設計することは難しく、また、結合インダクタが漏れインダクタンスで構成される場合、製品の特性のばらつきが大きくなる。さらに、漏れインダクタを構成することにより、空間に伝播する磁界がノイズとなり、他素子又は他回路へ悪影響を及ぼす可能性があり、その対策は非常に困難である。
そこで、本発明の目的は、設計が容易であって、磁界ノイズが小さい電力変換装置を提供することにある。
本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、前記１次コイルの第１端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第１インダクタと、前記１次コイルの第２端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第２インダクタと、前記２次コイルの第１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第３インダクタと、前記２次コイルの第２端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第４インダクタと、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、を備え、前記第１インダクタ及び前記第２インダクタ、並びに、前記第３インダクタ及び前記第４インダクタの少なくとも一方は、互いに独立していることを特徴とする。
この構成では、電力変換装置は、昇降圧回路としての機能と、Dual ActiveBridge（以下ＤＡＢ）コンバータとしての機能を有し、４つの入出力ポートのうち、任意の入出力ポート間で電力伝送できる。この電力伝送の設計要素として、第１から第４インダクタそれぞれのインダクタンスを調整する必要があるが、従来の結合インダクタを用いた場合と比べ、本発明の構成によれば、各インダクタが独立しているため、その調整が容易となる。すなわち、電力変換装置の設計が容易となる。また、閉磁路型のインダクタを用いることで、漏れ磁束の放射が少なく、磁界ノイズによる影響を防止できる。
前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間、及び、前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間の少なくとも一方には、第５インダクタが接続されていることが好ましい。
第１から第４インダクタのそれぞれのインダクタンスは、４つの入出力ポート間の電力伝送の設計要素となるため、これらのインダクタンスの調整は制限される。このため、第５インダクタを設け、そのインダクタンスを調整することで、１次側変換回路又は２次側変換回路の電力伝送量の調整を行える。
本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、前記１次コイルの第１端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第１インダクタ、及び、前記１次コイルの第２端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第２インダクタ、及び、前記２次コイルの第１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第３インダクタ、及び、前記２次コイルの第２端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続された第５インダクタと、前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間に接続された第６インダクタと、を備え、前記第１インダクタ、前記第２インダクタ、前記第３インダクタ及び前記第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、前記第５インダクタあるいは前記第６インダクタとは、互いに独立していることを特徴とする。
本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記１次コイルの第１端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第１インダクタ、及び、前記１次コイルの第２端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第２インダクタ、及び、前記２次コイルの第１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第３インダクタ、及び、前記２次コイルの第２端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に第５インダクタが接続されており、前記第１インダクタ、前記第２インダクタ、前記第３インダクタ及び前記第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、前記第５インダクタとは、互いに独立していることを特徴とする。
この構成では、部品点数が削減でき、電力変換装置の小型化が実現できる。
前記第１インダクタ及び前記第２インダクタの少なくとも一方は、前記１次コイルを形成する線路の一部であることが好ましい。
この構成では、第１インダクタ及び第２インダクタの少なくとも一方の巻線コイルが不要であるため、電力変換装置の小型化及び低背化を実現できる。
前記第３インダクタ及び前記第４インダクタの少なくとも一方は、前記２次コイルを形成する線路の一部であることが好ましい。
この構成では、第３インダクタ及び第４インダクタの少なくとも一方の巻線コイルが不要であるため、電力変換装置の小型化及び低背化を実現できる。
本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記２次コイルの１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続されたインダクタと、前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に第５インダクタが接続されており、前記インダクタと、前記第５インダクタとは、互いに独立していることを特徴とする。
この構成では、部品点数が削減でき、電力変換装置の小型化が実現できる。
前記インダクタは、前記２次コイルを形成する線路の一部であることが好ましい。
この構成では、インダクタの巻線コイルが不要であるため、電力変換装置の小型化及び低背化を実現できる。
本発明によれば、結合インダクタを用いた場合と比べ、電力変換装置の設計が容易となる。また、磁界ノイズを少なくでき、磁界ノイズによる影響を防止できる。
実施形態１に係る電力変換装置の回路図 制御部の機能を示すブロック図 電力変換装置のコンバータ回路の機能のうち、昇降圧回路としての機能を説明するための図 電力変換装置のコンバータ回路の機能のうち、ＤＡＢコンバータとしての機能を説明するための図 １次側変換回路及び２次側変換回路各部の電圧波形、及びインダクタに流れる電流波形を示す図 実施形態２に係る電力変換装置の回路図 実施形態２に係る電力変換装置の昇降圧機能を説明するための図 実施形態３に係る電力変換装置の回路図 実施形態４に係る電力変換装置の回路図 実施形態５に係る電力変換装置が備える変圧器を示す図
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。
電力変換装置１は、１次側変換回路１０と２次側変換回路２０とを備えている。１次側変換回路１０と２次側変換回路２０とは、変圧器３０で磁気結合する。１次側変換回路１０は、入出力端子ＩＯ１，ＩＯ２を有する第１入出力ポートＰ１と、入出力端子ＩＯ２，ＩＯ３を有する第３入出力ポートＰ３とを備える。２次側変換回路２０は、入出力端子ＩＯ４，ＩＯ５を有する第２入出力ポートＰ２と、入出力端子ＩＯ５，ＩＯ６を有する第４入出力ポートＰ４とを備える。電力変換装置１は、４つの入出力ポートＰ１〜Ｐ４のうち、任意の２つのポート間で電力変換を行う。
１次側変換回路１０は１次側フルブリッジ回路（以下、単にフルブリッジ回路と言う）を備える。このフルブリッジ回路は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４を有する。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４は、ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴである。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路は、入出力端子ＩＯ１，ＩＯ２に接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４の直列回路は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路に並列に接続されている。これらスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のゲートには、１次側ドライバ１３からゲート信号を入力される。これにより、各スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４はオンオフする。
スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点には、インダクタＬ１１が接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４の接続点には、インダクタＬ１２が接続されている。そして、インダクタＬ１１，Ｌ１２は、変圧器３０の１次コイルの両端に接続されている。このインダクタＬ１１，Ｌ１２は磁気結合することなく、互いに独立した素子である。インダクタＬ１１，Ｌ１２は、本発明の「第１インダクタ」及び「第２インダクタ」の一例である。
変圧器３０は、１次コイル３１，３２と２次コイル３３，３４とを備えている。１次コイル３１，３２は直列に接続されている。１次コイル３１，３２の接続点（センタータップ）には、第３入出力ポートＰ３の入出力端子ＩＯ３が接続されている。
２次側変換回路２０は２次側フルブリッジ回路（以下、単にフルブリッジ回路と言う）を備える。このフルブリッジ回路は、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４を有する。スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４は、ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴである。スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の直列回路は、入出力端子ＩＯ４，ＩＯ５に接続されている。また、スイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４の直列回路は、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の直列回路に並列に接続されている。これらスイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４のゲートには、２次側ドライバ２３からゲート信号を入力される。これにより、各スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４はオンオフする。
スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の接続点には、インダクタＬ２１が接続されている。また、スイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４の接続点には、インダクタＬ２２が接続されている。そして、インダクタＬ２１，Ｌ２２は、変圧器３０の２次コイルの両端に接続されている。このインダクタＬ２１，Ｌ２２は磁気結合することなく、互いに独立した素子である。インダクタＬ２１，Ｌ２２は、本発明の「第３インダクタ」及び「第４インダクタ」の一例である。
変圧器３０の２次コイル３３，３４は直列に接続されている。また、２次コイル３３，３４の接続点（センタータップ）には、第４入出力ポートＰ４の入出力端子ＩＯ６が接続されている。
電力変換装置１は制御部３５を備えている。制御部３５は、１次側ドライバ１３及び２次側ドライバ２３それぞれへ制御信号を出力する。この制御信号が入力された１次側ドライバ１３及び２次側ドライバ２３は、各スイッチ素子へゲート信号を出力する。
図２は制御部３５の機能を示すブロック図である。制御部３５は、電力変換モード決定部３５１と、位相差決定部３５２と、Ｄｕｔｙ比決定部３５３と、１次側出力部３５４と、２次側出力部３５５とを備える。
電力変換モード決定部３５１は、例えば、制御部３５に入力された外部信号に基づいて、電力変換装置１の電力変換モードを決定する。電力変換モードには第１〜第１２モードがある。
第１モードは、第１入出力ポートＰ１から入力された電力を変換して第３入出力ポートＰ３へ出力するモードである。第２モードは、第１入出力ポートＰ１から入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２へ出力するモードである。第３モードは、第１入出力ポートＰ１から入力された電力を変換して第４入出力ポートＰ４へ出力するモードである。
第４モードは、第３入出力ポートＰ３から入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１へ出力するモードである。第５モードは、第３入出力ポートＰ３から入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２へ出力するモードである。第６モードは、第３入出力ポートＰ３から入力された電力を変換して第４入出力ポートＰ４へ出力するモードである。
第７モードは、第２入出力ポートＰ２から入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１へ出力するモードである。第８モードは、第２入出力ポートＰ２から入力された電力を変換して第３入出力ポートＰ３へ出力するモードである。第９モードは、第２入出力ポートＰ２から入力された電力を変換して第４入出力ポートＰ４へ出力するモードである。
第１０モードは、第４入出力ポートＰ４から入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１へ出力するモードである。第１１モードは、第４入出力ポートＰ４から入力された電力を変換して第３入出力ポートＰ３へ出力するモードである。第１２モードは、第４入出力ポートＰ４から入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２へ出力するモードである。
位相差決定部３５２は、電力変換モード決定部３５１が決定したモードに応じて、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれが有するスイッチ素子のスイッチング周期の位相差φを決定する。決定された位相差φによって、第１入出力ポートＰ１から第２入出力ポートＰ２へ（又はその逆方向へ）電力が伝送される。
Ｄｕｔｙ比決定部３５３は、決定されたモードに応じて、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれが有するスイッチ素子のＤｕｔｙ比を決定する。決定されたＤｕｔｙ比によって、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれにおいて電圧が制御（昇圧又は降圧）される。
１次側出力部３５４及び２次側出力部３５５は、位相差決定部３５２及びＤｕｔｙ比決定部３５３により決定された位相差φ及びＤｕｔｙ比に応じたゲート信号を、１次側ドライバ１３及び２次側ドライバ２３から出力させる。
以上のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。電力変換装置１は、昇降圧回路としての機能、及びＤＡＢコンバータ回路としての機能を備える。
図３は、電力変換装置１のコンバータ回路の機能のうち、昇降圧回路としての機能を説明するための図である。図４は、電力変換装置１のコンバータ回路の機能のうち、ＤＡＢコンバータとしての機能を説明するための図である。
電力変換装置１の１次側変換回路１０側の昇降圧回路としての機能に関して説明する。図３に示すように、例えば、第１入出力ポートＰ１の入出力端子ＩＯ１，ＩＯ２には、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２（又は、Ｑ１３，Ｑ１４）の直列回路が接続されている。そして、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２（又は、Ｑ１３，Ｑ１４）の接続点には、インダクタＬ１１（又はＬ１２）及び変圧器３０の１次コイル３１（又は３２）の直列回路を介して、第３入出力ポートＰ３の入出力端子ＩＯ３が接続されている。
変圧器３０の１次コイル３１，３２は磁気結合しているため、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３が同時にオン又はオフしている場合、１次コイル３１，３２には同じ電圧が印加され同じ電流が流れる。このため、１次コイル３１，３２は等価的にショートとみなせる。また、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３のオンオフ状態が異なる場合、２次側変換回路２０の状態に応じた電圧が正負交互に発生する。よって、変圧器３０の１次コイル３１，３２の昇降圧回路としての機能への影響は小さい。すなわち、１次側変換回路１０は、第１入出力ポートＰ１を入力とする降圧回路、及び、第３入出力ポートＰ３を入力とする昇圧回路が並列に接続された構成である。このため、第１入出力ポートＰ１から入力された電圧は、降圧されて第３入出力ポートＰ３から出力され、また、第３入出力ポートＰ３から入力された電圧は、昇圧されて第１入出力ポートＰ１から出力される。
なお、２次側変換回路２０側の昇降圧機能に関しては、１次側変換回路１０側と同様に説明できる。すなわち、第２入出力ポートＰ２から入力された電圧は、降圧されて第４入出力ポートＰ４から出力される。また、第４入出力ポートＰ４から入力された電圧は、昇圧されて第２入出力ポートＰ２から出力される。
次に、電力変換装置１のＤＡＢコンバータ回路としての機能に関して説明する。図４に示すように、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０はそれぞれ、フルブリッジ回路を備えている。そして、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０は磁気結合する。すなわち、第１入出力ポートＰ１及び第２入出力ポートＰ２を入出力とするＤＡＢコンバータ回路を構成している。したがって、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２とスイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４を位相差１８０度（π）でスイッチング動作させ、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２とスイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４を位相差１８０度（π）でスイッチング動作させ、１次側変換回路１０側と２次側変換回路２０側とのスイッチ素子のスイッチング周期の位相差を調整することにより、第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）に入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２（又は第４入出力ポートＰ４）に伝送できる。また、第２入出力ポートＰ２（又は第４入出力ポートＰ４）に入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）に伝送することができる。
以下に、電力変換装置１の動作について説明する。
図５は、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０各部の電圧波形、及びインダクタＬ１１に流れる電流波形を示す図である。ここで、Ｖｕ１は、スイッチ素子Ｑ１２のドレイン・ソース間電圧、Ｖｖ１は、スイッチ素子Ｑ１４のドレイン・ソース間電圧、Ｖｕ２は、スイッチ素子Ｑ２２のドレイン・ソース間電圧、Ｖｖ２は、スイッチ素子Ｑ２４のドレイン・ソース間電圧である（図１参照）。
この例では、第１入出力ポートＰ１に入力電源を接続し、他ポートに負荷を接続し、Ｖｕ１，Ｖｖ１がそれぞれオン時間δとなり、互いに１８０度の位相差となり、また、Ｖｕ２，Ｖｖ２がそれぞれオン時間δとなり、互いに１８０度の位相差となるよう、制御部３５は１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれの各スイッチ素子をスイッチング制御する。
図５の電流Ｉ１の波形に示すように、Ｖｕ１がハイ（Ｈ）、Ｖｖ１がロー（Ｌ）の場合、入出力端子ＩＯ１→スイッチ素子Ｑ１１→インダクタＬ１１→変圧器３０の１次コイル３１→入出力端子ＩＯ３の順に電流が流れる。Ｖｕ１がロー（Ｌ）、Ｖｖ１がハイ（Ｈ）の場合、入出力端子ＩＯ１→スイッチ素子Ｑ１３→インダクタＬ１２→変圧器３０の１次コイル３２→入出力端子ＩＯ３の順に電流が流れる。Ｖｕ１，Ｖｖ１がロー（Ｌ）の場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２→変圧器３０の１次コイル３１，３２→入出力端子ＩＯ３→負荷→入出力端子ＩＯ２→スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４の順に電流が流れる。すなわち、Ｖｕ１及びＶｖ１のハイ・ローが繰り返されることで、第１入出力ポートＰ１から入力された電圧を降圧して、第３入出力ポートＰ３へ出力できる。このときの電圧の降圧比は、オン時間δによって定めることができる。
なお、第３入出力ポートＰ３から第１入出力ポートＰ１への電力変換についても、Ｖｕ１及びＶｖ１のハイ・ローが繰り返されることで、第３入出力ポートＰ３から入力された電圧を昇圧して、第１入出力ポートＰ１へ出力される。そして、昇圧比は、オン時間δによって定めることができる。また、２次側変換回路２０側に関しても、１次側変換回路１０側と同様に説明できる。
また、前記のように１次側変換回路１０において電流が流れると、変圧器３０の１次コイル３１，３２に電圧が印加され、変圧器３０の２次コイル３３，３４に電圧が誘起される。そして、Ｖｕ２，Ｖｖ２がＶｕ１，Ｖｖ１と位相差φ（＞０）となるよう、２次側変換回路２０の各スイッチ素子をスイッチング制御すると、第２入出力ポートＰ２（又は、第４入出力ポートＰ４）へ電流が流れる。これにより、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０への電力伝送が行われる。
例えば、変圧器３０の２次コイル３３側が高電位である場合、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２４がオンのとき、２次側変換回路２０では、変圧器３０の２次コイル３３→インダクタＬ２１→スイッチ素子Ｑ２１→入出力端子ＩＯ４の経路に電流が流れる。また、変圧器３０の２次コイル３４側が高電位である場合、スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２３がオンのとき、変圧器３０の２次コイル３４→インダクタＬ２２→スイッチ素子Ｑ２３→入出力端子ＩＯ４の経路に電流が流れる。
このように、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子を位相差φ（＞０）でスイッチング制御することにより、第１入出力ポートＰ１から入力された電圧が、ＤＡＢコンバータ回路としての機能によって２次側変換回路２０側に伝送されて、第２入出力ポートＰ２及び第４入出力ポートＰ４から出力される。図５に示すように、位相差φを変化させるとＶｕ１，Ｖｕ２がハイ（スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ２１がオン）で、Ｖｖ１，Ｖｖ２がロー（スイッチ素子Ｑ１４，Ｑ２４がオン）の時間Ｔ１が変化し、同様に、Ｖｕ１，Ｖｕ２がロー（スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ２２がオン）で、Ｖｖ１，Ｖｖ２がハイ（スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ２３がオン）の時間Ｔ２が変化する。このことにより、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０への電力送電量は、位相差φによって制御できる。なお、第３入出力ポートＰ３から第２入出力ポートＰ２又は第４入出力ポートＰ４への電力伝送についても、同様である。
また、位相差φを変更することで、第２入出力ポートＰ２から第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）への電力伝送、第４入出力ポートＰ４から第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）への電力伝送が可能となる。詳しくは、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子を位相差φ（＜０）でスイッチング制御することにより、２次側変換回路２０から１次側変換回路１０に電力が伝送される。
なお、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０は対称回路である。このため、第１入出力ポートＰ１及び第２入出力ポートＰ２の位相差φを０とした場合、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０は対称動作するため、第１入出力ポートＰ１及び第２入出力ポートＰ２間の電力伝送は行われない。第３入出力ポートＰ３及び第４入出力ポートＰ４間の電力伝送についても同様である。
以上説明したように、電力変換装置１は、昇降圧回路としての機能、及びＤＡＢコンバータ回路としての機能を備え、４つの入出力ポートＰ１〜Ｐ４の何れかと、他の入出力ポートとの間で電力変換を行うことができる。そして、本実施形態では、インダクタＬ１１，Ｌ１２、インダクタＬ２１，Ｌ２２は何れも磁気結合することなく、互いに独立した素子であるため、結合インダクタが用いられていた従来と比べ、各インダクタの設計及び選択自由度が向上し、電力変換装置１の低背化が可能である。また、各インダクタを独立させることで、放熱性が向上する。さらに、磁気結合の必要がないため、閉磁路のインダクタを用いることができ、その結果、漏れ磁束の放射が減少する。
なお、本実施形態では、インダクタＬ１１，Ｌ１２及びインダクタＬ２１，Ｌ２２の何れもが磁気結合しない、独立した素子としているが、インダクタＬ１１，Ｌ１２又はインダクタＬ２１，Ｌ２２の一方のみが磁気結合しない、独立した素子であってもよい。
（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る電力変換装置２の回路図である。この例では、実施形態１に係る電力変換装置１の回路構成に加え、１次側変換回路１０は、変圧器３０の１次側のセンタータップと、入出力端子ＩＯ３との間に接続されたインダクタＬ１３を備えている。また、２次側変換回路２０は、変圧器３０の２次側のセンタータップと、入出力端子ＩＯ６との間に接続されたインダクタＬ２３を備えている。インダクタＬ１３，Ｌ２３は、本発明の「第５インダクタ」の一例である。
図７は、電力変換装置２の昇降圧回路としての機能を説明するための図である。図３における、変圧器３０の１次コイル３１，３２のセンタータップと入出力端子ＩＯ３との間にインダクタＬ１３が追加された回路となり、本回路も昇降圧回路として動作する。なお、電力変換装置２のＤＡＢコンバータとしての機能は図４と同様に説明できる。
１次側変換回路１０のインダクタＬ１１，Ｌ１２、及び、２次側変換回路２０のインダクタＬ２１，Ｌ２２は、これらのインダクタンスが電力変換に影響を及ぼす。このため、電力変換装置２が備える昇降圧回路としての機能を調整する場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のインダクタンスを調整することに制限がある。このため、ＤＡＢコンバータの機能である、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０への電力伝送、又は２次側変換回路２０から１次側変換回路１０への電力伝送は、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２で調整を行い、インダクタＬ１３，Ｌ２３によって、１次側変換回路１０の電力変換、又は２次側変換回路２０の電力変換の調整が可能となる。
なお、電力変換装置２は、インダクタＬ１３，Ｌ２３の一方のみを備えていてもよい。電力変換装置２の動作は実施形態１と同じであるため、その説明は省略する。
（実施形態３）
図８は、実施形態３に係る電力変換装置３の回路図である。この例では、実施形態２に係る電力変換装置２のインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のうち、Ｌ２１のみが設けられている。なお、図８では、１次側ドライバ、２次側ドライバ、及び制御部等の図示は省略している。このインダクタＬ２１と、Ｌ１３ないしＬ２３とは、磁気結合することなく、互いに独立している。このように、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のうち、少なくとも１つが設けられていればよい。
１次変換回路１０から２次変換回路２０の電力伝送は、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のうち、少なくとも１つがあれば電力伝送が可能である。昇降圧回路の対称性を考慮するとインダクタＬ１１とインダクタＬ１２、又はインダクタＬ２１とインダクタＬ２２との２つあることが望ましいが、インダクタＬ１１（又はＬ１２、Ｌ２１、Ｌ２２）よりもインダクタＬ１３（又はＬ２３）のインダクタンスが大きければ、昇降圧回路への動作への影響はインダクタＬ１３（又はＬ２３）が支配的となる。そのため、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のうち、構成要素としては少なくとも１つとすることができ、その結果、部品点数の削減となり、電力変換装置の小型化が実現できる。
（実施形態４）
図９は、実施形態４に係る電力変換装置４の回路図である。この例では、電力変換装置４は３つの入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３を備えている。そして、電力変換装置４は、３つの入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３のうち、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路である。
また、実施形態２に係る電力変換装置２のインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のうち、少なくとも１つが設けられていればよい。図９では、インダクタＬ２１を設けた例を示す。インダクタＬ２１，Ｌ１３は、磁気結合することなく、互いに独立している。
入出力ポートが３つの場合、インダクタは、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２のうち何れか１つと、インダクタＬ１３との合計２つによって構成することが可能である。そのため、電力変換装置４の小型化が実現できる。なお、昇降圧回路の対称性を考慮すると、１次側に２つのポートを備える場合、変圧器に接続するインダクタは２次側に配置（すなわちインダクタＬ２１又はＬ２２）することが望ましい。
（実施形態５）
本実施形態では、図１で説明したインダクタＬ１１，Ｌ１２が変圧器３０の１次コイル３１，３２を形成する線路の一部により形成され、インダクタＬ２１，Ｌ２２が、変圧器３０の２次コイル３３，３４を形成する線路の一部により形成されている。なお、本実施形態に係る電力変換装置の他の構成は、実施形態１又は実施形態２と同じであるため、説明は省略する。
図１０は、実施形態３に係る電力変換装置が備える変圧器３０を示す図である。
変圧器３０は、磁芯３０Ａに１次コイル３１，３２及び２次コイル３３，３４が巻回されて形成されている。この変圧器３０の１次コイル３１の巻線の一部は、磁芯４１に巻回されている。これにより、インダクタＬ１１が形成される。同様に、変圧器３０の１次コイル３２の巻線の一部は、磁芯４２に巻回されている。これにより、インダクタＬ１２が形成される。変圧器３０の２次コイル３３の巻線の一部は、磁芯４３に巻回されている。これにより、インダクタＬ２１が形成される。変圧器３０の２次コイル３４の巻線の一部は、磁芯４４に巻回されている。これにより、インダクタＬ２２が形成される。
このように、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２が、変圧器３０の１次コイル３１，３２及び２次コイル３３，３４と線路を共有することで、巻線コイルの数を減少させることできる。これにより、電力変換装置の小型化及び低背化を実現できる。
ＩＯ１，ＩＯ２，ＩＯ３，ＩＯ４，ＩＯ５，ＩＯ６…入出力端子
Ｌ１１…インダクタ（第１インダクタ）
Ｌ１２…インダクタ（第２インダクタ）
Ｌ２１…インダクタ（第３インダクタ）
Ｌ２２…インダクタ（第４インダクタ）
Ｐ１…第１入出力ポート
Ｐ２…第２入出力ポート
Ｐ３…第３入出力ポート
Ｐ４…第４入出力ポート
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４…スイッチ素子
Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４…スイッチ素子
１，２，３，４…電力変換装置
１０…１次側変換回路
１３…１次側ドライバ
２０…２次側変換回路
２３…２次側ドライバ
３０…変圧器
３０Ａ…磁芯
３１，３２…１次コイル
３３，３４…２次コイル
３５…制御部
４１，４２，４３，４４…磁芯
３５１…電力変換モード決定部
３５２…位相差決定部
３５３…Ｄｕｔｙ比決定部
３５４…１次側出力部
３５５…２次側出力部

Claims (8)

  1. 第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
    前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
    前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
    １次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、
    前記１次コイルの第１端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第１インダクタと、
    前記１次コイルの第２端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第２インダクタと、
    前記２次コイルの第１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第３インダクタと、
    前記２次コイルの第２端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第４インダクタと、
    前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
    前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、
    を備え、
    前記第１インダクタ及び前記第２インダクタ、並びに、前記第３インダクタ及び前記第４インダクタの少なくとも一方は、互いに独立している、
    電力変換装置。
  2. 前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間、及び、前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間の少なくとも一方には、第５インダクタが接続されている、
    請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
    前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
    前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
    １次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、
    前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
    前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、
    前記１次コイルの第１端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第１インダクタ、及び、前記１次コイルの第２端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第２インダクタ、及び、前記２次コイルの第１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第３インダクタ、及び、前記２次コイルの第２端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、
    前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続された第５インダクタと、
    前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間に接続された第６インダクタと、
    を備え、
    前記第１インダクタ、前記第２インダクタ、前記第３インダクタ及び前記第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、前記第５インダクタあるいは前記第６インダクタとは、互いに独立している、電力変換装置。
  4. 第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
    前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
    前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
    １次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、
    前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
    前記１次コイルの第１端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第１インダクタ、及び、前記１次コイルの第２端及び前記１次側フルブリッジ回路の間に接続された第２インダクタ、及び、前記２次コイルの第１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第３インダクタ、及び、前記２次コイルの第２端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続された第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、
    前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に第５インダクタが接続されており、
    前記第１インダクタ、前記第２インダクタ、前記第３インダクタ及び前記第４インダクタ、のうち少なくとも一つと、前記第５インダクタとは、互いに独立している、
    電力変換装置。
  5. 前記第１インダクタ及び前記第２インダクタの少なくとも一方は、前記１次コイルを形成する線路の一部である、
    請求項１から４の何れかに記載の電力変換装置。
  6. 前記第３インダクタ及び前記第４インダクタの少なくとも一方は、前記２次コイルを形成する線路の一部である、
    請求項１から５の何れかに記載の電力変換装置。
  7. 第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
    前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
    前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
    １次コイル及び２次コイルを有し、前記１次コイルが前記１次側フルブリッジ回路に接続され、前記２次コイルが前記２次側フルブリッジ回路に接続された変圧器と、
    前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
    前記２次コイルの１端及び前記２次側フルブリッジ回路の間に接続されたインダクタと、
    前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に第５インダクタが接続されており、
    前記インダクタと、前記第５インダクタとは、互いに独立している、
    電力変換装置。
  8. 前記インダクタは、前記２次コイルを形成する線路の一部である、
    請求項７に記載の電力変換装置。
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