JP6481540B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体スイッチを作動させて電力を変換する電力変換装置、及び電力変換方法に係り、特に、スイッチングより生じるリップルの影響を軽減する技術に関する。

電力変換装置は、半導体スイッチのオン、オフを周期的に繰り返すので、周囲に存在する通信機器に影響を及ぼすことが有る。特許文献１には、ラジオ放送局のチャネル周波数の間隔をΔｆとした場合、この整数倍の周波数でＰＷＭ制御を実行することが記載されている。こうすることにより、ＰＷＭ制御にて生じるノイズは、ラジオ受信機の検波作用により除去することが可能となる。

特開平１１−４９００１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、ＰＷＭ制御を実行する際の駆動周波数をΔｆの整数倍にした場合でも、周波数変動等の影響により精度良くラジオのチャネル周波数に合わせることは難しく、ＰＷＭ制御の実行により生じるリップルの影響を回避することは難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、リップルを抑制しつつ負荷に電力を供給することが可能な電力変換装置及び電力変換方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明の一態様に係る電力変換装置は、ＰＷＭ制御により電力を変換する電力変換部と、負荷の電力状態を検出する電力状態検出部と、電力変換用の搬送波を発生する搬送波発生部を備える。更に、搬送波発生部より出力される搬送波により、ＰＷＭ信号を生成するための指令信号を出力する指令発生部と、指令信号と搬送波に基づいて、所望のデューティ比のＰＷＭ信号を生成して電力変換部に出力するＰＷＭ信号生成部とを備える。搬送波発生部は、電力状態検出部で検出される負荷の電力状態に基づいて求められる負荷に供給される電圧が高いほど、高い周波数の搬送波を出力する。

本願発明の一態様に係る電力変換方法は、半導体スイッチからなる電力変換部をＰＷＭ制御により駆動する工程と、負荷の電力状態を検出する工程と、電力変換用の指令信号を出力する工程を備える。更に、電力変換用の搬送波を、負荷の電力状態に基づいて求められる前記負荷に供給される電圧が高いほど、高い周波数として発生する工程と、指令信号と搬送波に基づいて、所望のデューティ比のＰＷＭ信号を生成して電力変換部に出力する工程を備える。

本発明に係る電力変換装置、及び電力変換方法では、負荷の電力状態に基づいて求められる負荷に供給される電圧が高いほど、高い周波数の搬送波を出力するので、リップルを抑制しつつ負荷に電力を供給することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置に搭載される、非絶縁型の電力変換部の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置に搭載される、絶縁型の電力変換部の構成を示す回路図である。 電力変換装置より出力される電圧に生じるリップルによる電圧変動を示す特性図である。 本発明の第１実施形態に係り、（ａ）はバッテリに供給される電力の変化を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 （ａ）は、搬送波の周波数を変更しない場合、（ｂ）は搬送波を変更する場合の出力電力の変化を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係り、（ａ）はバッテリの出力電圧の変化を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第３実施形態に係り、第１搬送波と第２搬送波を切り替えた際の、リップルの変化を示す特性図である。 本発明の第４実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係り、（ａ）はバッテリに供給される電流の変化を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第５実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係り、（ａ）は交流電力の波形を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第５実施形態に係り、（ａ）は交流電力の全波整流波形を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第５実施形態に係り、（ａ）はバッテリに供給される電流の変化を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第６実施形態に係り、ＡＭラジオ帯の周波数を示す特性図である。 本発明の第７実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第７実施形態に係り、（ａ）は交流電力の波形を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第７実施形態に係り、（ａ）は交流電力の波形を示し、（ｂ）は搬送波の切り替えを示す。 本発明の第８実施形態に係る電力変換装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第８実施形態に係り、（ａ）は第１搬送波と第２搬送波の切り替えを示し、（ｂ）はデッドタイムの変化を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１実施形態に係る電力変換装置１０１は、電力変換部１１と、指令発生部１２と、ＰＷＭ信号生成部１３と、搬送波発生部１４、及び電力検出部１５を備えている。

電力変換部１１は、ディスクリートパッケージの半導体素子、或いはモジュール化されたパワー半導体素子からなるスイッチ（パワーモジュール）を備えており、ＰＷＭ制御信号により、スイッチング動作を実行することにより、電源３１より出力される直流または交流の電圧を所望レベルの直流電圧に変換してバッテリ３２（負荷）に供給する。

図２、図３は、電力変換部１１の具体的な構成を示す回路図である。図２に示す電力変換部１１ａは、入力電圧Ｖinを、該入力電圧Ｖinよりも高い出力電圧Ｖoutに変換する非絶縁型のコンバータを用いた例を示している。このようなコンバータは、主として低電圧を高電圧に変換して負荷に供給する際に用いられる。

図２に示すように、電力変換部１１ａは、入力側の平滑コンデンサＣ１と、インダクタＬ１と、半導体スイッチＱ１と、ダイオードＤ１、及び出力側の平滑コンデンサＣ２を備えている。更に、半導体スイッチＱ１の作動を制御する制御部２１を備えている。そして、制御部２１は、図１に示すＰＷＭ信号生成部１３より供給されるＰＷＭ信号に基づいて、半導体スイッチＱ１のオン、オフを切り替えることにより、電源３１より供給される入力電圧Ｖinを所望の出力電圧Ｖoutに変換する。そして、図１に示すバッテリ３２に供給する。このような非絶縁型の電力変換部１１ａによれば、入力電圧Ｖinを、より高い電圧である出力電圧Ｖoutに変換することができる。

また、電力変換部１１ａの出力電圧Ｖoutは、リップルを含んでいる。即ち、図４に示すように、出力電圧Ｖoutは、平均値Ｖavに対して電圧値がΔｖ（以下、これを変動電圧という）の範囲で上下に変動する波形となる。この際、変動電圧Δｖは入力電圧をＶin、半導体スイッチＱ１のデューティ比をＤ、半導体スイッチＱ１のオン、オフ周期をＴｓ、出力側の平滑コンデンサＣ２の静電容量をＣ、負荷の抵抗をＲとした場合、以下の式（１）で表すことができる。
Δｖ＝（Ｖin／２*Ｒ*Ｃ）*Ｄ*Ｔｓ …（１）
従って、変動電圧Δｖは、周期Ｔｓに比例する。

また、他の電力変換部１１の構成として、図３に示す絶縁型のコンバータを用いた電力変換部１１ｂを挙げることができる。図３に示すように、電力変換部１１ｂは、入力側の平滑コンデンサＣ１と、パワーモジュール２２と、ｎ：１のトランスＴｒ１と、整流回路２３と、出力側の平滑コンデンサＣ２、及び制御部２１を備えている。

パワーモジュール２２は、４個の半導体スイッチＱ１１〜Ｑ１４を備えており、制御部２１の制御により各半導体スイッチＱ１１〜Ｑ１４のオン、オフを切り替えることにより、入力された直流電圧を交流電圧に変換する。また、整流回路２３は、トランスＴｒ１を介して出力された交流電圧を直流電圧に変換する。この際、トランスＴｒ１の巻線比を選択することにより、出力電圧を任意のレベルに設定することができる。そして、このような絶縁型の電力変換部１１ｂにおいても、前述した非絶縁型の電力変換部１１ａと同様に、上述した（１）式で示されるリップルが発生する。

また、図１に示す電力検出部１５は、バッテリ３２に供給される電圧及び電流を取得し、これらに基づいて電力Ｐ１（負荷の電力状態）を演算する。そして、演算した電力Ｐ１のデータを搬送波発生部１４に出力する。即ち、電力検出部１５は、負荷の電力状態を検出する電力状態検出部としての機能を備えている。

搬送波発生部１４は、ＰＷＭ信号を生成するための搬送波（電力変換用の搬送波；例えば、図５（ｂ）に示す如くの三角波）を出力する。具体的には、電力検出部１５で検出された電力Ｐ１に基づいて、三角波で且つ第１周波数ｆsw１の第１搬送波、或いは、第１周波数よりも高い第２周波数ｆsw２の第２搬送波のいずれか一方を選択して出力する。即ち、搬送波発生部１４は、複数の搬送波を出力可能であり、電力状態検出部（電力検出部１５）で検出される負荷（バッテリ３２）の電力状態に応じて異なる周波数の搬送波を出力する。詳細については後述する。

指令発生部１２は、第１搬送波、或いは第２搬送波との間でＰＷＭ信号を生成するための、所望レベルの指令信号を発生する。即ち、搬送波発生部１４より出力される搬送波により、ＰＷＭ信号を生成するための指令信号を出力する。

ＰＷＭ信号生成部１３は、搬送波発生部１４より出力される搬送波と、指令発生部１２より出力される指令信号との大小関係に基づいて、所望のデューティ比となるＰＷＭ信号を生成する。即ち、周知のように指令信号と搬送波（三角波）を対比し、三角波のレベルが指令信号よりも高い場合に「Ｈ」、低い場合に「Ｌ」となるように変化するＰＷＭ信号を生成する。即ち、ＰＷＭ信号生成部１３は、指令発生部１２より出力される指令信号と搬送波に基づいて、所望のデューティ比のＰＷＭ信号を生成して電力変換部１１に出力する。

次に、第１実施形態に係る電力変換装置１０１の作用を、図５、図６を参照して説明する。図５（ａ）は電力Ｐ１の変化を示し、図５（ｂ）は搬送波の変化を示している。ここでは、図１に示すバッテリ３２が、電気自動車に搭載されるバッテリである場合を例に挙げて説明する。バッテリを充電する際には、バッテリの充電率（ＳＯＣ「State Of Charge」ともいう）を監視する。充電率が満充電付近の一定レベルに達すると過充電となる可能性があるので、バッテリに供給する電力を低減させるように制御する。本実施形態では、バッテリ３２に供給する電力、即ち、電力検出部１５で検出される電力Ｐ１が予め設定した閾値電力（これを、「Ｐth」とする）を下回った際に、搬送波の周波数を変更する制御を行う。

即ち、図１に示す搬送波発生部１４は、電力変換部１１より出力された電力がバッテリ３２に供給されている際に、電力検出部１５で検出される電力Ｐ１を取得する。そして、取得した電力Ｐ１と、閾値電力Ｐthとを対比し、これらの大小関係に応じて出力する搬送波を選択する。具体的には、検出された電力Ｐ１が閾値電力Ｐth以上である場合には、第１搬送波（第１周波数ｆsw１）を出力し、電力Ｐ１が閾値電力Ｐth未満である場合には、第２搬送波（第２周波数ｆsw２）を出力する。

電気自動車に搭載されるバッテリ３２の充電率が満充電付近の一定レベルに達すると、該バッテリ３２に供給する電力が低下する制御が行われる。即ち、図５（ａ）に示すように、充電率が一定レベルに達していない時刻ｔ０〜ｔ１の期間では、電力Ｐ１は閾値電力Ｐthよりも高く設定される。そして、時刻ｔ１にて充電率が一定レベルに達すると、電力Ｐ１は閾値電力Ｐthよりも低く設定される。そして、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の期間では搬送波発生部１４より第１の搬送波（第１周波数ｆsw１）が出力される。時刻ｔ１になると、搬送波発生部１４より第２の搬送波（第２周波数ｆsw２）が出力される。

その結果、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ１の前後で搬送波の周期が変更される。具体的には、搬送波の周期Ｔsw１からより短い周期Ｔsw２に変更される。上述した（１）式に示したように、変動電圧Δｖは、周期Ｔｓに比例するので、第１周波数ｆsw１（第１の搬送波）から、より高い周波数である第２周波数ｆsw２（第２の搬送波ｆsw２）に変更されたことにより（即ち、周期が短くなることにより）、変動電圧Δｖが小さくなる。

図６は、バッテリ３２に供給される電圧の変化を示す特性図であり、図６（ａ）は周波数を変更しない場合、即ち、第１の搬送波で一定とした場合を示し、図６（ｂ）は周波数を変更した場合を示している。図６（ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４の期間で電力Ｐ１が低下した場合には、搬送波発生部１４より出力される搬送波が第２の搬送波に切り替えられる。従って、変動電圧Δｖが低減され、その結果、電圧全体の変動幅が低下する。即ち、周波数を変更しない場合の電圧の変動幅をＰraとし、周波数を変更した場合の電圧の変動幅をＰrbとした場合、「Ｐrb＜Ｐra」なる関係が得られる。また、電圧の最大値が抑制される。

このようにして、第１実施形態に係る電力変換装置１０１では、バッテリ３２に供給される電力Ｐ１を検出し、検出された電力Ｐ１が閾値電力Ｐth以上である場合には、搬送波発生部１４より出力する搬送波を第１の搬送波としている。一方、検出された電力Ｐ１が閾値電力Ｐth未満である場合には、搬送波発生部１４より出力する搬送波を、第１の搬送波よりも周波数が高い（即ち、周期が短い）第２の搬送波としている。即ち、異なる周波数の搬送波に切り替えている。従って、リップルを抑制することができ、バッテリ３２の充電電圧が上昇して満充電に近づく場合には、リップルによる電圧変動により、バッテリに過大な電圧が印加されることを防止でき、バッテリ３２が損傷することを防止できる。

なお、本実施形態では、負荷の一例としてバッテリ３２を例に挙げて説明したが本発明は、バッテリ３２以外の負荷についても適用することが可能である。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図７に示すように、第２実施形態に係る電力変換装置１０２は、搬送波発生部１４が、第１搬送波発生器１４ａ、第２搬送波発生器１４ｂ、及び搬送波切替部１４ｃを備えている点で相違する。

第１搬送波発生器１４ａは、第１周波数ｆsw１の第１搬送波を出力する。第２搬送波発生器１４ｂは、第１周波数ｆsw１よりも高い第２周波数ｆsw２の第２搬送波を出力する。搬送波切替部１４ｃは、電力検出部１５で検出された電力に基づいて、第１搬送波、及び第２搬送波のいずれか一方を選択して、ＰＷＭ信号生成部１３に出力する。

搬送波切替部１４ｃは、プログラム等によりソフト的に切り替える方式、或いはリレーやスイッチ等によりハード的に切り替える方式を採用することができる。前述した第１実施形態で示したように、電力検出部１５で検出された電力Ｐ１が閾値電力Ｐth以上である場合には第１搬送波を出力し、電力Ｐ１が閾値電力Ｐth未満である場合には第２搬送波を出力するように切り替え制御を実行する。即ち、搬送波切替部１４ｃは、第１搬送波及び第２搬送波のうちの一方を選択して出力する機能を備えている。

そして、第２実施形態に係る電力変換装置１０２においても、前述した第１実施形態と同様の効果を達成することができる。また、搬送波切替部１４ｃを備えることにより、搬送波を簡単な操作で切り替えることができる。更に、第１搬送波発生器１４ａ、及び第２搬送波発生器１４ｂを備えているので、異なる周波数の搬送波を容易に発生させることが可能となる。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図８に示すように、第３実施形態に係る電力変換装置１０３は、前述した図７に示した電力変換装置１０２と対比して、電力検出部１５の代わりに電圧検出部１６を備えている点で相違する。それ以外の構成は、図７と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

電圧検出部１６は、バッテリ３２の充電電圧Ｖ１（負荷の電力状態、バッテリの充電状態）を検出し、検出した電圧Ｖ１のデータを搬送波切替部１４ｃに出力する。即ち、電圧検出部１６は、負荷の電力状態を検出する電力状態検出部としての機能を備えている。

搬送波切替部１４ｃは、電圧Ｖ１に基づきＰＷＭ信号生成部１３に出力する搬送波を切り替える。具体的には、電圧Ｖ１が予め設定した閾値電圧（これを「Ｖth」とする）未満である場合には第１搬送波を出力し、閾値電圧Ｖth以上である場合には第２搬送波を出力する。

次に、第３実施形態に係る電力変換装置１０３の作用を、図９に示すタイミングチャートを参照して説明する。図９（ａ）は、バッテリ３２の出力電圧Ｖ１の変化を示しており、時刻ｔ１において、電圧Ｖ１がＶ１ａからＶ１ｂに上昇している。図９（ｂ）は、搬送波切替部１４ｃにて選択される搬送波を示しており、時刻ｔ１にて第１周波数ｆsw１の第１搬送波（周期Ｔsw１）から、第２周波数ｆsw２の第２搬送波（周期Ｔsw２）に切り替えられる。

即ち、図９（ａ）に示すように、時刻ｔ１において電圧がＶ１ａからＶ１ｂに変化した場合には、この時刻ｔ１にて搬送波を第１搬送波から第２搬送波に変更する。こうすることにより、前述した第１、第２実施形態と同様に、電圧が上昇する際にリップルによる変動電圧Δｖを抑制できるので、バッテリ３２が満充電に近づいている際に、該バッテリ３２に過大な電圧を供給するという問題の発生を回避することができる。

図１０は、バッテリ３２の充電を実行している際に、該バッテリ３２の充電電圧Ｖ１が徐々に上昇する変化を示す特性図である。バッテリ３２の充電電圧Ｖ１が上昇し、閾値電圧Ｖthに接近する時刻ｔ１にて、搬送波の周波数が第１周波数（周期Ｔsw１）から第２周波数（周期Ｔsw２）に変更される。その結果、リップルが低減されるので、最大電圧Ｖmaxに達することを防止できる。

このようにして、第３実施形態に係る電力変換装置１０３では、バッテリ３２の充電電圧Ｖ１を検出し、電圧Ｖ１が低い場合には搬送波を第１搬送波とすることにより、発熱量を低くすることができる。そして、電圧Ｖ１が上昇した場合には、第２搬送波に変更することにより、リップルを抑制してバッテリ３２に過大な電圧を供給することを防止できる。このため、バッテリ３２が損傷するという問題の発生を回避できる。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１１は、第４実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、第４実施形態に係る電力変換装置１０４は、前述した図８に示した電力変換装置１０３と対比して、電圧検出部１６の代わりに電流検出部１７を備えている点で相違する。それ以外の構成は、図８と同一であるので同一符号を付して構成説明を省略する。

電流検出部１７は、バッテリ３２に供給される電流Ｉ１（負荷の電力状態）を検出し、検出した電流Ｉ１のデータを搬送波切替部１４ｃに出力する。即ち、電流検出部１７は、負荷の電力状態を検出する電力状態検出部としての機能を備えている。

搬送波切替部１４ｃは、検出した電流Ｉ１に基づきＰＷＭ信号生成部１３に出力する搬送波を切り替える。具体的には、電流Ｉ１が予め設定した閾値電流Ｉth以上である場合には第１搬送波を出力し、閾値電流Ｉth未満である場合には第２搬送波を出力する。

次に、第４実施形態に係る電力変換装置１０４の作用を、図１２に示すタイミングチャートを参照して説明する。電力変換部１１より出力された電力がバッテリ３２に供給されると、電流検出部１７によりバッテリ３２に供給される電流Ｉ１が検出され、検出された電流Ｉ１のデータは搬送波切替部１４ｃに出力される。

搬送波切替部１４ｃは、予め設定した閾値電流（これを「Ｉth」とする）と、電流検出部１７で検出された電流Ｉ１を対比し、これらの大小関係に応じて出力する搬送波を変更する。具体的には、電流Ｉ１が閾値電流Ｉth以上である場合には第１搬送波を出力し、電流Ｉ１が閾値電流Ｉth未満である場合には第２搬送波を出力する。

バッテリ３２の充電率が満充電付近の一定レベルに達すると、該バッテリ３２に供給する電流を低減させる制御が行われる。図１２（ａ）は電流Ｉ１の変化を示し、図１２（ｂ）は搬送波の変化を示す特性図である。図１２（ｂ）に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の期間では搬送波発生部１４より第１搬送波（第１周波数ｆsw１）が出力される。時刻ｔ１になると、搬送波発生部１４より第２搬送波（第２周波数ｆsw２）が出力される。その結果、図１２（ｂ）に示すように、時刻ｔ１の前後で搬送波の周期が、Ｔsw１からＴsw２に変更される。その結果、前述した第１実施形態にて説明したように、バッテリ３２に供給される電力を抑制することができる。

このようにして、第４実施形態に係る電力変換装置１０４では、バッテリ３２に供給される電流Ｉ１を検出し、検出された電流Ｉ１が閾値電流Ｉth以上である場合には、搬送波発生部１４より出力する搬送波を第１搬送波としている。一方、電流Ｉ１が閾値電流Ｉth未満である場合には、搬送波発生部１４より出力する搬送波を、第１搬送波よりも周波数の高い（即ち、周期が短い）第２搬送波としている。従って、バッテリ３２の充電電圧が上昇して満充電に近づき、該バッテリ３２に供給する電流Ｉ１が低下した場合には、リップルによる電圧変動によりバッテリに過大な電圧が印加されることを防止でき、バッテリが損傷することを防止できる。

［第５実施形態の説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図１３は第５実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、第５実施形態に係る電力変換装置１０５は、前述した図８に示した電力変換装置１０３と対比して、電源３１より出力される電流及び電圧を検出する電流・電圧検出部１８を備える点で相違する。また、電源３１は５０Ｈｚ、６０Ｈｚ等の交流電圧を出力する。即ち、電源３１は、例えば商用電源である。それ以外の構成は、図８と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

電流・電圧検出部１８は、電源３１より出力される電流、及び電圧を検出し、検出した電流Ｉ２、及び電圧Ｖ２のデータを搬送波切替部１４ｃに出力する。即ち、電流・電圧検出部１８は、負荷の電力状態を検出する電力状態検出部としての機能を備えている。

搬送波切替部１４ｃは、電流Ｉ２、電圧Ｖ２、及び電圧検出部１６で測定されたバッテリ３２の出力電圧Ｖ１に基づいて、搬送波を切り替える。

次に、第５実施形態に係る電力変換装置１０５の作用を、図１４、図１５に示すタイミングチャートを参照して説明する。図１４（ａ）は、電源３１より出力される交流電力の波形を示し、図１４（ｂ）は、搬送波の切替タイミングを示している。図１４（ａ）に示すように、電源３１より出力される電圧Ｖ２及び電流Ｉ２から演算される電力Ｐ２が、予め設定した電力閾値「Ｐth２」を上回った場合、或いは電力閾値「−Ｐth２」を下回った際に、搬送波の周波数を切り替える。具体的には、電力Ｐ２が「−Ｐth２≦Ｐ＜Ｐth２」の範囲のときには、搬送波を第１搬送波とし、「Ｐ＜−Ｐth２またはＰth２≦Ｐ」の範囲のときには、搬送波を第２搬送波に切り替える。

即ち、図１４（ｂ）に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１、ｔ２〜ｔ３の時間帯で第１周波数ｆsw１（周期Ｔsw１）の第１搬送波とし、時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４の時間帯で第２周波数ｆsw２（周期Ｔsw２）の第２搬送波となるように切り替える。こうすることにより、電源３１より出力される交流電力の絶対値が大きい時間帯においてのみ第２搬送波に切り替えられる。その結果、電力Ｐ２の絶対値が大きい時間帯でのリップルを抑制することができる。そして、バッテリ３２に供給する電力の変動を抑制でき、バッテリ３２に供給する電力を安定化させることができる。よって、バッテリ３２の劣化を防止できる。

また、図１４（ａ）に示す電力閾値Ｐth２は「Ｐth２＝（Ｔsw２／Ｔsw１）*Ｖin」で示すことができる。ここで、Ｖinは入力電圧、Ｔsw１は第１搬送波の周期、Ｔsw２は第２搬送波の周期である。こうすることにより、第１搬送波で電力変換部１１を駆動させた場合と、第２搬送波で電力変換部１１を駆動させた場合の発熱量を略一定にすることができ、放熱特性を安定化させることができる。

次に、電源３１より出力される交流電圧がダイオードブリッジ回路等により全波整流された場合について、図１５に示すタイミングチャートを参照して説明する。図１５（ａ）は、正弦波形状の交流電力を全波整流した場合の交流電力を示し、図１５（ｂ）は、搬送波の切替タイミングを示す特性図である。そして、図１４に示したタイミングチャートと同様に、電力Ｐ２が閾値電力Ｐth２以上となった場合に、搬送波を第１搬送波から第２搬送波に切り替える。こうすることにより、電源３１より供給される電力の絶対値が大きい時間帯においてのみ第２周波数ｆsw２に切り替えられるので、この時間帯でのリップルを抑制することができる。その結果、バッテリ３２に供給する電力の変動を抑制でき、バッテリ３２に供給する電力を安定化させることができる。よって、バッテリ３２が劣化することを防止できる。

更に、図１６（ａ）に示すように、バッテリ３２の充電が満充電に近づくことにより、時刻ｔ１において電源３１より供給される電流Ｉ２の平均値がＩ２ａからＩ２ｂに変化した場合には、図１６（ｂ）に示すように、この時刻ｔ１にて第１搬送波から第２搬送波に切り替える。この際、第１搬送波の第１周波数ｆsw１（周期Ｔsw１）と、第２搬送波の第２周波数ｆsw２（周期Ｔsw２）との関係を、下記（２）式の関係が成立するように設定する。
（Ｔsw２／Ｔsw１）＝（Ｉ２ｂ／Ｉ２ａ） …（２）

上記（２）式に示すように、第２搬送波の周期（Ｔsw２）と第１搬送波の周期（Ｔsw１）の比率を、第１搬送波としたときの電流値の平均と、第２搬送波としたときの電流値の平均との比率により演算している。そして、上記（２）式に示す関係を有するように搬送波の周波数を切り替えることにより、周波数を変更する前後で、半導体スイッチの発熱量を略一定に保持することができ、全体の放熱特性を良好とすることができる。

また、電源３１として商用電源を用いているので、出力電圧が高い場合にリップルによりバッテリ３２の最大電圧を超えることを抑制することができる。

［第６実施形態の説明］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。図１７は、電力変換部１１より出力される電圧に含まれるノイズ周波数を示している。図１７の横軸は周波数を示し、縦軸はノイズレベルを示している。

例えば、図３の回路構成で搬送波の周波数を１００［ＫＨｚ］とした場合には、ダイオード整流されバッテリ側へは、この偶数倍の周波数のノイズが生じる。従って、図１７の符号Ｓ１に示すように、２００［ＫＨｚ］間隔でノイズが生じることになり、ＡＭラジオ放送の周波数帯域に影響を与えてしまう。第６実施形態では、搬送波の周波数を８１５［ＫＨｚ］以上に設定する。こうすることにより、例えば、８１５［ＫＨｚ］とした場合には、図１７の符号Ｓ２に示すように、その偶数倍が１６３０［ＫＨｚ］となり、日本のＡＭラジオ放送の周波数帯域の最大周波数である１６２９［ＫＨｚ］を上回ることになる。従って、搬送波により生じるノイズがＡＭラジオ放送へ影響を与えることを回避できる。即ち、第６実施形態では、第２搬送波の周波数を８１５［ＫＨｚ］以上とすることにより、ラジオ放送への影響を回避することが可能となる。

［第７実施形態の説明］
次に、本発明の第７実施形態について説明する。図１８は、第７実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１８に示すように、第７実施形態に係る電力変換装置１０７は、前述した図７に示した電力変換装置１０２と対比して、３つの搬送波発生部を備えている点で相違する。それ以外の構成は図７と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

搬送波発生部１４は、第１周波数ｆsw１の第１搬送波を出力する第１搬送波発生器１４ａ、及び第２周波数ｆsw２の第２搬送波を出力する第２搬送波発生器１４ｂに加えて、第３周波数ｆsw３（但し、ｆsw３＞ｆsw２）の第３搬送波を出力する第３搬送波発生器１４ｄを備えている。そして、搬送波切替部１４ｃは、第１〜第３搬送波のうちのいずれか１つを選択して、ＰＷＭ信号生成部１３に出力する。

次に、第７実施形態に係る電力変換装置１０７の作用について説明する。図１９（ａ）はバッテリ３２に供給される電圧の変動を示し、図１９（ｂ）は搬送波の周波数の変更を示している。

図１９（ａ）に示すように、バッテリ３２に供給される電圧が上下に変動する場合には、搬送波切替部１４ｃは、この電圧の変動に応じて搬送波の周波数を変更する。具体的には２つの閾値を設定しておき、電圧が第１の閾値以上となった場合には、第１搬送波から第２搬送波に変更し、更に、第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上となった場合には、第３搬送波に変更する。即ち、図１９（ｂ）に示すように、時刻ｔ１にて第１搬送波から第２搬送波に切り替え、時刻ｔ２にて第２搬送波から第３搬送波に切り替える。

これと同様に、電圧が第１の閾値を下回った場合には（時刻ｔ３）、搬送波を第１搬送波から第２搬送波に変更し、第２の閾値を下回った場合には（時刻ｔ４）、搬送波を第２の搬送波から第３の搬送波に変更する。即ち、第７実施形態に係る電力変換装置１０７では、第１搬送波発生器１４ａ、第２搬送波発生器１４ｂに加えて、第２周波数ｆsw２よりも高い第３周波数ｆsw３の第３搬送波を発生する第３搬送波発生器１４ｄを備えている。そして、バッテリ３２の電力状態に応じて、第３搬送波に切り替えている。従って、搬送波の周波数を３段階で切り替えることが可能となり、リップルによる振幅をより効果的に抑制することが可能となり、電力の変動幅Ｐrcを低減することが可能となる。

また、図２０に示すように、電圧の上限のみを抑制することも可能である。図２０は第７実施形態の変形例に係る特性図であり、図２０（ａ）はバッテリ３２に供給される電圧の変動を示す特性図、図２０（ｂ）は搬送波の周波数の変更を示す特性図である。図２０（ａ）、（ｂ）から理解されるように、電圧が上限値に達する場合にのみ、第１搬送波〜第３搬送波を切り替えている。こうすることにより、リップルによる振幅を抑制でき、且つ、電力Ｐ３の下限は周波数を変更しないので、周波数が高まることに起因する発熱を抑制することが可能となる。

［第８実施形態の説明］
次に、本発明の第８実施形態について説明する。図２１は、第８実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図２１に示すように、第８実施形態に係る電力変換装置１０８は、前述した図８に示した電力変換装置１０３と対比して、搬送波発生部１４に、デッドタイム補正部４１、デッドタイム補償部４２、及び乗算器４３を備えている点で相違する。それ以外の構成は図８と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

デッドタイム補償部４２は、デッドタイム指令αを出力する。この際、デッドタイム指令αは、次の（３）式で演算することができる。
α＝（１／Ｔsw１）*Ｔd*Ｖdc …（３）
但し、Ｔdはデッドタイム、Ｖdcは、入力電圧である。

デッドタイム補正部４１は、デッドタイム指令αを補正するための補正信号を出力する。該デッドタイム補正部４１では、第１搬送波の周期Ｔsw１と第２搬送波の周期Ｔsw２の比率である、（Ｔsw１／Ｔsw２）を出力する。

乗算器４３は、デッドタイム指令αに、デッドタイム補正部より出力された比率（Ｔsw１／Ｔsw２）を乗算して、デッドタイム指令αを補正する。即ち、補正後のデッドタイム指令α’を下記（４）式で演算する。
α’＝（Ｔsw１／Ｔsw２）*α …（４）
そして、上記の（４）式で演算されたデッドタイム指令α’を指令発生部１２に出力する。指令発生部１２は、「Ｖref＝Ｖ(*)＋α’」により、指令値Ｖrefを演算する。

次に、図２２に示すタイミングチャートを参照して、第８実施形態の作用について説明する。図２２（ａ）は、搬送波及び指令値Ｖ(*)を示しており、時刻ｔ１にて第１搬送波から第２搬送波に切り替えられている。また、図２２（ｂ）は搬送波と電圧指令値Ｖ(*)に基づいて生成されるＰＷＭ信号を示している。そして、搬送波発生部１４より第１搬送波が出力されている場合には、デッドタイムがＴｄに設定されている。また、搬送波発生部１４より第２搬送波が出力されている場合には、デッドタイムがＴｄ’に変更される。

第１搬送波の第１周波数ｆsw１から、第２搬送波の第２周波数ｆsw２に切り替わる際、図２１に示した搬送波切替部１４ｃからデッドタイム補正部４１に周波数の変更指令が出力され、第１周波数ｆsw１（周期Ｔsw１）でデッドタイム補正していた係数αに、デッドタイム補正部４１から第２周波数ｆsw２（周期Ｔsw２）を考慮した係数が入力され、新たなデッドタイム補償値α’が指令発生部１２に供給される。その結果、指令発生部１２より補正された指令値Ｖref（＝Ｖ(*)＋α’）がＰＷＭ信号生成部１３へ出力される。こうすることで、より出力電力の変動を抑制することができる。

即ち、指令発生部１２は、搬送波の周波数を変更する際に、ＰＷＭ信号生成部１３に出力する指令信号を変更するので、デッドタイムを適正な時間に合わせることができ、電力変換部１１を安定的に作動させることができる。

なお、上述の各実施形態で示した搬送波発生部１４、指令発生部１２、及びＰＷＭ信号生成部１３は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

以上、本発明の電力変換装置及び電力変換方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、負荷として電動車両に搭載されるバッテリ３２を例に挙げて説明したが、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）にも適用することができ、更には、車両以外の電力変換装置においても適用することができる。

１１ 電力変換部
１１ａ 電力変換部
１１ｂ 電力変換部
１２ 指令発生部
１３ ＰＷＭ信号生成部
１４ 搬送波発生部
１４ａ 第１搬送波発生器
１４ｂ 第２搬送波発生器
１４ｃ 搬送波切替部
１４ｄ 第３搬送波発生器
１５ 電力検出部
１６ 電圧検出部
１７ 電流検出部
１８ 電流・電圧検出部
２１ 制御部
２２ パワーモジュール
２３ 整流回路
３１ 電源
３２ バッテリ
４１ デッドタイム補正部
４２ デッドタイム補償部
４３ 乗算器
１０１ 電力変換装置
１０２ 電力変換装置
１０３ 電力変換装置
１０４ 電力変換装置
１０５ 電力変換装置
１０７ 電力変換装置
１０８ 電力変換装置
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｌ１ インダクタ
Ｑ１ 半導体スイッチ
Ｑ１１〜Ｑ１４ 半導体スイッチ

Claims (10)

1. 電源より供給される電力を、所望の電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、
   半導体スイッチを備え、ＰＷＭ制御により電力を変換する電力変換部と、
   前記負荷の電力状態を検出する電力状態検出部と、
   電力変換用の搬送波を発生する搬送波発生部と、
   ＰＷＭ信号を生成するための指令信号を出力する指令発生部と、
   前記指令信号と前記搬送波に基づいて、所望のデューティ比のＰＷＭ信号を生成して前記電力変換部に出力するＰＷＭ信号生成部と、を備え、
   前記搬送波発生部は、複数の周波数の搬送波を出力可能であり、前記電力状態検出部で検出される前記負荷の電力状態に基づいて求められる前記負荷に供給される電圧が高いほど、高い周波数の搬送波を出力すること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記搬送波発生部は、第１周波数の第１搬送波、及び前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２搬送波、のうちの一方を選択して出力する搬送波切替部を備え、
   前記搬送波切替部は、前記電力状態検出部で検出される前記負荷の電力状態に基づいて求められる前記負荷に供給される電圧が、予め設定した閾値以上である場合に、前記第２搬送波を選択し、前記負荷に供給される電圧が前記閾値未満である場合には前記第１搬送波を選択すること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記搬送波発生部は、第１搬送波を発生する第１搬送波発生器と、前記第１搬送波よりも高い周波数の第２搬送波を発生する第２搬送波発生器と、を含み、
   更に、前記第１搬送波及び前記第２搬送波のうちの一方を選択する搬送波切替部を備え、
   前記搬送波切替部は、前記電力状態検出部で検出される前記負荷の電力状態に基づいて求められる前記負荷に供給される電圧が予め設定した閾値以上である場合に、前記第２搬送波を選択し、前記負荷に供給される電圧が前記閾値未満である場合には前記第１搬送波を選択すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第２搬送波の周期と第１搬送波の周期の比率を、第１搬送波としたときの電流値の平均と、第２搬送波としたときの電流値の平均との比率により演算すること
   を特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
5. 前記第２搬送波の周波数は、８１５［ＫＨｚ］以上であること
   を特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記搬送波発生部は、前記第１搬送波発生器、及び第２搬送波発生器に加えて、前記第２搬送波よりも周波数が高い第３周波数の第３搬送波を発生する第３搬送波発生器を備え、
   前記負荷に供給される電圧の前記閾値として、第１の閾値、及び前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を設定し、
   前記負荷に供給される電圧が前記第１の閾値未満である場合に前記第１搬送波を選択し、
   前記負荷に供給される電圧が前記第１の閾値以上で、且つ、前記第２の閾値未満である場合に前記第２搬送波を選択し、
   前記負荷に供給される電圧が前記第２の閾値以上である場合には前記第３搬送波を選択すること
   を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
7. 前記負荷はバッテリであり、前記電力状態検出部は、前記バッテリの充電状態を検出し、
   前記搬送波発生部は、前記バッテリの充電状態が高いほど、高い周波数の搬送波を出力すること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記電源は商用電源であり、前記搬送波発生部は、前記電源より供給される電力の振幅が大きいほど高い周波数の搬送波を出力すること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記指令発生部は、前記搬送波の周波数を変更する際に、前記指令信号を変更すること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 電源より供給される電力を、所望の電力に変換して負荷に供給する電力変換方法において、
    半導体スイッチからなる電力変換部をＰＷＭ制御により駆動する工程と、
    前記負荷の電力状態を検出する工程と、
    電力変換用の指令信号を出力する工程と、
    電力変換用の搬送波を発生する工程と、
    前記指令信号と前記搬送波に基づいて、所望のデューティ比のＰＷＭ信号を生成して前記電力変換部に出力する工程と、
    前記負荷の電力状態に基づいて求められる前記負荷に供給される電圧が高いほど、高い周波数の搬送波を出力する工程と、
    を備えたことを特徴とする電力変換方法。

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