JP6895629B2 - 電力変換回路及び電力伝送システム - Google Patents

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Description

本開示は、電力変換回路と、前記電力変換回路を電力送信装置あるいは電力受信装置として用いて電力線を介して電源から負荷に電力を伝送する電力伝送システムとに関する。
近年、電力会社が提供する火力発電、水力発電あるいは原子力発電等の従来からの電力供給に加え、太陽光発電、風力発電、バイオ燃料発電などに代表される再生可能エネルギー電源の導入が加速している。また、現在敷設されている大規模な商用電力網とは別に、遠距離送電による損失を軽減させることを目的とし、電力の地産地消を実現する局所的な小規模電力網の導入が世界的に広がりつつある。
こうした局所的な小規模電力網に接続される再生可能エネルギー電源は、従来の大規模な商用電力網の基幹電源に比べて発電能力が乏しいことが多く、またその発電能力の変動が大きい。このため、小規模電力網を安定的に、かつ効率的に運用するためには、高い利用効率で送受電できる伝送ルートを選択して電力融通を行うことができる技術が必要となる。
電力線を介して電源から負荷に電力を伝送するための電力変換回路として、例えば特許文献１及び２の発明がある。
特開２０１０−０３５３８７号公報 特開２００５−２１０８９４号公報
電力送信装置と電力受信装置とを備えた電力伝送システムにおいて、電力を符号変調することにより任意の伝送ルートを選択して電力を融通することが知られている。しかしながら、電力送信装置と電力受信装置に多くのスイッチ（半導体スイッチ）が使用され、スイッチを駆動するために必要となる絶縁電源の個数が多いという問題点がある。
例えば特許文献１は、ブートストラップ回路を用いてハイサイド及びローサイドのスイッチを１つの絶縁電源により駆動する回路を開示している。特許文献１の回路に交流電圧が入力される場合、逆極性のスイッチを駆動するために同じブートストラップ回路を用いると、ドライブ回路に過電圧が印加されて壊れてしまうという問題点がある。
また、例えば特許文献２は、トランスを用いてハイサイド及びローサイドのスイッチを１つの絶縁電源により駆動する回路を開示している。特許文献２の回路では、磁気部品であるトランスを用いるので、ドライブ回路が大型化してしまうという問題点がある。
本開示は、従来技術の回路に比較して低コストかつ小型の電力変換回路を提供し、また、そのような電力変換回路を備えた電力伝送システムを提供する。
本開示の一態様に係る電力変換回路は、第１のポート端子と、第２のポート端子と、第３のポート端子と、第４のポート端子と、第１のポート端子から第３のポート端子へ流れる第１の電流を通過させる第１のダイオードと、第３のポート端子から第２のポート端子へ流れる第２の電流を通過させる第２のダイオードと、第１のポート端子から第４のポート端子へ流れる第３の電流を通過させる第３のダイオードと、第４のポート端子から第２のポート端子へ流れる第４の電流を通過させる第４のダイオードと、第３のポート端子から第１のポート端子へ流れる第５の電流を通過させる第５のダイオードと、第２のポート端子から第３のポート端子へ流れる第６の電流を通過させる第６のダイオードと、第４のポート端子から第１のポート端子へ流れる第７の電流を通過させる第７のダイオードと、第２のポート端子から第４のポート端子へ流れる第８の電流を通過させる第８のダイオードと、第１の制御端子を含み、前記第１のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第１の電流を通過させる第１のスイッチと、第２の制御端子を含み、前記第２のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第２の電流を通過させる第２のスイッチと、第３の制御端子を含み、前記第３のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第３の電流を通過させる第３のスイッチと、第４の制御端子を含み、前記第４のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第４の電流を通過させる第４のスイッチと、第５の制御端子を含み、前記第５のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第５の電流を通過させる第５のスイッチと、第６の制御端子を含み、前記第６のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第６の電流を通過させる第６のスイッチと、第７の制御端子を含み、前記第７のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第７の電流を通過させる第７のスイッチと、第８の制御端子を含み、前記第８のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第８の電流を通過させる第８のスイッチと、第１の電圧源を含み、前記第１、第２、第４、及び第６の制御端子に接続される第１のブートストラップ回路と、第２の電圧源を含み、前記第３、第５、第７、及び第８の制御端子に接続される第２のブートストラップ回路と、を備える。
本開示に係る電力変換回路によれば、従来技術に比較して低コストかつ小型の電力変換回路により、直流電力あるいは交流電力の双方向の電力変換を行うことができる。
図１は、実施形態１に係る電力変換回路の構成例を示す回路図である。 図２Ａは、実施形態１に係る第１のブートストラップ回路の構成例を示す回路図である。 図２Ｂは、実施形態１に係る第２のブートストラップ回路の構成例を示す回路図である。 図３は、実施形態１に係る電力変換回路における第１の動作モードの電流経路を示す図である。 図４は、実施形態１に係る電力変換回路における第２の動作モードの電流経路を示す図である。 図５は、実施形態１に係る電力変換回路における第３の動作モードの電流経路を示す図である。 図６は、実施形態１に係る電力変換回路における第４の動作モードの電流経路を示す図である。 図７は、実施形態１に係る電力変換回路における第５の動作モードの電流経路を示す図である。 図８は、実施形態１に係る電力変換回路における第６の動作モードの電流経路を示す図である。 図９は、実施形態１に係る電力変換回路における第７の動作モードの電流経路を示す図である。 図１０は、実施形態１に係る電力変換回路における第８の動作モードの電流経路を示す図である。 図１１は、実施形態１に係る電力変換回路における第１の導通状態を示す図である。 図１２は、実施形態１に係る電力変換回路における第２の導通状態を示す図である。 図１３は、実施形態１に係る電力変換回路と電力負荷との接続例を示す図である。 図１４は、実施形態２に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 図１５は、第１の比較例に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。 図１６は、第１の比較例に係るブートストラップ回路の構成を示す回路図である。 図１７は、第２の比較例に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。 図１８は、第２の比較例に係るインバータ回路の理想的な動作を示す図である。 図１９は、第２の比較例に係るインバータ回路の実際の動作を示す図である。 図２０は、第３の比較例に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。
＜本開示に至った経緯＞
まず、本発明者が本開示に至った経緯を説明する。
図１５は、第１の比較例に係る、ポート端子Ｎ１、Ｎ２から入力された直流電力を交流電力に変換してポート端子Ｎ３、Ｎ４から出力するインバータ回路の構成を示す回路図である。図１５のインバータ回路は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４と、２つのブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２とを備える。スイッチＳ１〜Ｓ４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。４つのスイッチＳ１〜Ｓ４はブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２によって駆動される。
図１６は、図１５のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の構成を示す回路図である。ブートストラップ回路Ｂ１１は、コンデンサＣ２１、Ｃ２２と、ダイオードＤ２１と、スイッチｓｗ２１〜ｓｗ２４とを備える。ブートストラップ回路Ｂ１２は、コンデンサＣ２３、Ｃ２４と、ダイオードＤ２２と、スイッチｓｗ２５〜ｓｗ２８とを備える。ブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の一方に絶縁電源Ｚ１が設けられ、絶縁電源Ｚ１の電圧がコンデンサＣ２１〜Ｃ２４に印加される。端子ａ２１及びａ２２、端子ａ２３及びａ２４、端子ａ２５及びａ２６、端子ａ２７及びａ２８はそれぞれ、ブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の４組の出力端子を構成する。端子ａ２１はスイッチＳ１のゲートに接続され、端子ａ２２はスイッチＳ１のソースに接続される。スイッチｓｗ２１がオンされたとき、コンデンサＣ２１の電圧がスイッチＳ１のゲートに印加される。スイッチｓｗ２２がオンされたとき、スイッチＳ１のゲートがリセットされる。ブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２の他の部分も同様にスイッチＳ２〜Ｓ４に接続され、コンデンサＣ２２〜Ｃ２４の電圧がスイッチＳ２〜Ｓ４のゲートに印加される。
図１５のインバータ回路は、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４を１つの絶縁電源Ｚ１で駆動する。このため、２組の出力端子を有する第１のブートストラップ回路Ｂ１１により、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第２のブートストラップ回路Ｂ１２により、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４とを駆動する。
図１７は、第２の比較例に係る、ポート端子Ｎ１、Ｎ２とポート端子Ｎ３、Ｎ４との間で双方向に直流電力又は交流電力を変換して伝送するインバータ回路の構成を示す回路図である。図１７のインバータ回路は、８つのダイオードＤ１〜Ｄ８と、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８と、４つのブートストラップ回路Ｂ１１〜Ｂ１４とを備える。スイッチＳ１〜Ｓ８はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。８つのスイッチＳ１〜Ｓ８はブートストラップ回路Ｂ１１〜Ｂ１４によって駆動される。スイッチＳ１、Ｓ５及びダイオードＤ１、Ｄ５は、ポート端子Ｎ１、Ｎ３の間で双方向に電力を伝送するように接続される。スイッチＳ２、Ｓ６及びダイオードＤ２、Ｄ６は、ポート端子Ｎ２、Ｎ３の間で双方向に電力を伝送するように接続される。スイッチＳ３、Ｓ７及びダイオードＤ３、Ｄ７は、ポート端子Ｎ１、Ｎ４の間で双方向に電力を伝送するように接続される。スイッチＳ４、Ｓ８及びダイオードＤ４、Ｄ８は、ポート端子Ｎ２、Ｎ４の間で双方向に電力を伝送するように接続される。これにより、図１７のインバータ回路は、双方向に電力を変換して伝送する。
図１７のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２は、図１５のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２と同様に構成される。図１７のブートストラップ回路Ｂ１３、Ｂ１４は、図１５のブートストラップ回路Ｂ１１、Ｂ１２と同様に構成され、絶縁電源Ｚ１に代えて絶縁電源Ｚ２を備える。
図１７のインバータ回路は、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８を２つの絶縁電源Ｚ１、Ｚ２で駆動する。このため、２組の出力端子を有する第１のブートストラップ回路Ｂ１１により、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第２のブートストラップ回路Ｂ１２により、第３のスイッチＳ３と第４のスイッチＳ４とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第３のブートストラップ回路Ｂ１３により、第５のスイッチＳ５と第６のスイッチＳ６とを駆動する。また、２組の出力端子を有する第４のブートストラップ回路Ｂ１４により、第７のスイッチＳ７と第８のスイッチＳ８とを駆動する。
図１８は、図１７のインバータ回路の理想的な動作を示す図である。図１９は、図１７のインバータ回路の実際の動作を示す図である。図１７のインバータ回路のポート端子Ｎ１、Ｎ２から交流電力を入力し、ポート端子Ｎ２の電位を基準としてポート端子Ｎ１に正の電圧が印加されている場合を考える。第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４とがオンされているとき、本来の意図としては、図１８の矢印で示した経路に電流を流したい。しかしながら、図１９に矢印で示した経路にも電流が流れ、ブートストラップ回路Ｂ１４のハイサイド側のコンデンサに入力電圧が印加される。すると、ブートストラップ回路Ｂ１４内に用いられるスイッチの耐圧は一般的に低いので、故障する。
図２０は、第３の比較例に係る、ポート端子Ｎ１、Ｎ２とポート端子Ｎ３、Ｎ４との間で双方向に直流電力又は交流電力を変換して伝送するインバータ回路の構成を示す回路図である。図２０のインバータ回路は、図１９の問題を避けるために、６つの絶縁電源Ｚ１〜Ｚ６を備える。図２０に示すように６つの絶縁電源Ｚ１〜Ｚ６を用いると、本来の意図の通り、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８を駆動することができる。しかしながら、絶縁電源の個数が多いので、電力変換回路が大型化し、コストも増大する。
従って、比較例の回路に比較して低コストかつ小型の電力変換回路が求められる。
本発明者は、以上の着眼点に基づいて、本開示の回路構成を創作するに至った。
以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
本開示において、「第１の」「第２の」などの序数は、時間的又は空間的な順番を記述するためではなく、類似の構成要素を区別するために使用されている。これらの序数は、適宜交換可能である。
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る電力変換回路の構成を示す回路図である。図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ１〜Ｎ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ８と、スイッチＳ１〜Ｓ８と、ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２と、制御回路１０とを備える。
ポート端子Ｎ１〜Ｎ４は、それぞれ、本開示における「第１から第４のポート端子」の一例である。ダイオードＤ１〜Ｄ８は、それぞれ、本開示における「第１から第８のダイオード」の一例である。スイッチＳ１〜Ｓ８は、それぞれ、本開示における「第１から第８のスイッチ」の一例である。ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ、本開示における「第１及び第２のブートストラップ回路」の一例である。
図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ１、Ｎ２とポート端子Ｎ３、Ｎ４との間で双方向に直流電力又は交流電力を変換して伝送する。ポート端子Ｎ１、Ｎ２は、電力が入出力される第１のポートＰ１を構成し、ポート端子Ｎ３、Ｎ４は、電力が入出力される第２のポートＰ２を構成する。
スイッチＳ１〜Ｓ８はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチＳ１〜Ｓ８は、ドレイン（第１の端子）、ソース（第２の端子）、及びゲート（制御端子）をそれぞれ有する。
ダイオードＤ１及びスイッチＳ１は、スイッチＳ１がオンされるとき、ポート端子Ｎ１からポート端子Ｎ３に電流を流すようにポート端子Ｎ１及びポート端子Ｎ３の間に直列接続される。ダイオードＤ１及びスイッチＳ１の位置は可換である。例えば、スイッチＳ１はダイオードＤ１を介してポート端子Ｎ１に接続される。このとき、ダイオードＤ１のアノードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ１のカソードはスイッチＳ１のドレインに接続され、スイッチＳ１のソースはポート端子Ｎ３に接続される。
ダイオードＤ２及びスイッチＳ２は、スイッチＳ２がオンされるとき、ポート端子Ｎ３からポート端子Ｎ２に電流を流すようにポート端子Ｎ３及びポート端子Ｎ２の間に直列接続される。スイッチＳ２はダイオードＤ２を介してポート端子Ｎ２に接続される。このとき、ダイオードＤ２のカソードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ２のアノードはスイッチＳ２のソースに接続され、スイッチＳ２のドレインはポート端子Ｎ３に接続される。
ダイオードＤ３及びスイッチＳ３は、スイッチＳ３がオンされるとき、ポート端子Ｎ１からポート端子Ｎ４に電流を流すようにポート端子Ｎ１及びポート端子Ｎ４の間に直列接続される。ダイオードＤ３及びスイッチＳ３の位置は可換である。例えば、スイッチＳ３はダイオードＤ３を介してポート端子Ｎ１に接続される。このとき、ダイオードＤ３のアノードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ３のカソードはスイッチＳ３のドレインに接続され、スイッチＳ３のソースはポート端子Ｎ４に接続される。
ダイオードＤ４及びスイッチＳ４は、スイッチＳ４がオンされるとき、ポート端子Ｎ４からポート端子Ｎ２に電流を流すようにポート端子Ｎ４及びポート端子Ｎ２の間に直列接続される。ダイオードＤ４及びスイッチＳ４の位置は可換である。例えば、スイッチＳ４はダイオードＤ４を介してポート端子Ｎ４に接続される。このとき、スイッチＳ４のソースはポート端子Ｎ２に接続され、スイッチＳ４のドレインはダイオードＤ４のカソードに接続され、ダイオードＤ４のアノードはポート端子Ｎ４に接続される。
ダイオードＤ５及びスイッチＳ５は、スイッチＳ５がオンされるとき、ポート端子Ｎ３からポート端子Ｎ１に電流を流すようにポート端子Ｎ３及びポート端子Ｎ１の間に直列接続される。ダイオードＤ５及びスイッチＳ５の位置は可換である。例えば、スイッチＳ５はダイオードＤ５を介してポート端子Ｎ３に接続される。このとき、スイッチＳ５のソースはポート端子Ｎ１に接続され、スイッチＳ５のドレインはダイオードＤ５のカソードに接続され、ダイオードＤ５のアノードはポート端子Ｎ３に接続される。
ダイオードＤ６及びスイッチＳ６は、スイッチＳ６がオンされるとき、ポート端子Ｎ２からポート端子Ｎ３に電流を流すようにポート端子Ｎ２及びポート端子Ｎ３の間に直列接続される。ダイオードＤ６及びスイッチＳ６の位置は可換である。例えば、スイッチＳ６はダイオードＤ６を介してポート端子Ｎ２に接続される。このとき、ダイオードＤ６のアノードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ６のカソードはスイッチＳ６のドレインに接続され、スイッチＳ６のソースはポート端子Ｎ３に接続される。
ダイオードＤ７及びスイッチＳ７は、スイッチＳ７がオンされるとき、ポート端子Ｎ４からポート端子Ｎ１に電流を流すようにポート端子Ｎ４及びポート端子Ｎ１の間に直列接続される。スイッチＳ７はダイオードＤ７を介してポート端子Ｎ１に接続される。このとき、ダイオードＤ７のカソードはポート端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ７のアノードはスイッチＳ７のソースに接続され、スイッチＳ７のドレインはポート端子Ｎ４に接続される。
ダイオードＤ８及びスイッチＳ８は、スイッチＳ８がオンされるとき、ポート端子Ｎ２からポート端子Ｎ４に電流を流すようにポート端子Ｎ２及びポート端子Ｎ４の間に直列接続される。ダイオードＤ８及びスイッチＳ８の位置は可換である。例えば、スイッチＳ８はダイオードＤ８を介してポート端子Ｎ２に接続される。このとき、ダイオードＤ８のアノードはポート端子Ｎ２に接続され、ダイオードＤ８のカソードはスイッチＳ８のドレインに接続され、スイッチＳ８のソースはポート端子Ｎ４に接続される。
スイッチＳ１〜Ｓ８のそれぞれは、オンされたとき、当該スイッチのドレインからソースに電流を流すように接続される。
制御回路１０は、スイッチＳ１〜Ｓ８をそれぞれオン又はオフするための制御信号を生成し、ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２に送る。
ブートストラップ回路Ｂ１、Ｂ２は、４組の出力端子をそれぞれ有する。ブートストラップ回路Ｂ１は絶縁電源Ｚ１を備え、制御信号に従って、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートに所定電圧をそれぞれ印加する。ブートストラップ回路Ｂ２は絶縁電源Ｚ２を備え、制御信号に従って、スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートに所定電圧をそれぞれ印加する。絶縁電源Ｚ１、Ｚ２のそれぞれは、絶縁電源Ｚ１、Ｚ２自体の電力源から電気的に絶縁されている。
図２Ａは、図１のブートストラップ回路Ｂ１の構成を示す回路図である。ブートストラップ回路Ｂ１は、絶縁電源Ｚ１と、コンデンサＣ１〜Ｃ４と、スイッチｓｗ１〜ｓｗ８と、ダイオードＤ９〜Ｄ１１とを備える。
絶縁電源Ｚ１は、本開示における「第１の電圧源」の一例である。コンデンサＣ２〜Ｃ４は、それぞれ、本開示における「第１から第３のコンデンサ」の一例である。ダイオードＤ９〜Ｄ１１は、それぞれ、本開示における「第９から第１１のダイオード」の一例である。
スイッチｓｗ１〜ｓｗ８は、制御回路１０からの制御信号に従ってそれぞれオン又はオフする。絶縁電源Ｚ１の負極は、コンデンサＣ１の一端に接続され、また、スイッチＳ２のソースに接続される。コンデンサＣ１には絶縁電源Ｚ１の電圧がそのまま印加され、コンデンサＣ２〜Ｃ４には、絶縁電源Ｚ１の電圧がダイオードＤ９〜Ｄ１１を介してそれぞれ印加される。ブートストラップ回路Ｂ１は、制御信号に従って、絶縁電源Ｚ１又はコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧を、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、及びＳ６のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートにそれぞれ印加する。
端子ａ１及びａ２、端子ａ３及びａ４、端子ａ５及びａ６、端子ａ７及びａ８はそれぞれ、ブートストラップ回路Ｂ１の４組の出力端子を構成する。
端子ａ１はスイッチＳ２のゲートに接続され、端子ａ２はスイッチＳ２のソースに接続される。スイッチｓｗ１がオンされたとき、コンデンサＣ１の電圧がスイッチＳ２のゲートに印加される。スイッチｓｗ２がオンされたとき、スイッチＳ２のゲートがリセットされる。
端子ａ３はスイッチＳ６のゲートに接続され、端子ａ４はスイッチＳ６のソースに接続される。スイッチｓｗ３がオンされたとき、コンデンサＣ２の電圧がスイッチＳ６のゲートに印加される。スイッチｓｗ４がオンされたとき、スイッチＳ６のゲートがリセットされる。
端子ａ５はスイッチＳ４のゲートに接続され、端子ａ６はスイッチＳ４のソースに接続される。スイッチｓｗ５がオンされたとき、コンデンサＣ３の電圧がスイッチＳ４のゲートに印加される。スイッチｓｗ６がオンされたとき、スイッチＳ４のゲートがリセットされる。
端子ａ７はスイッチＳ１のゲートに接続され、端子ａ８はスイッチＳ１のソースに接続される。スイッチｓｗ７がオンされたとき、コンデンサＣ４の電圧がスイッチＳ１のゲートに印加される。スイッチｓｗ８がオンされたとき、スイッチＳ１のゲートがリセットされる。
図２Ｂは、図１のブートストラップ回路Ｂ２の構成を示す回路図である。ブートストラップ回路Ｂ２は、絶縁電源Ｚ２と、コンデンサＣ５〜Ｃ８と、スイッチｓｗ９〜ｓｗ１６と、ダイオードＤ１２〜Ｄ１４とを備える。
絶縁電源Ｚ２は、本開示における「第２の電圧源」の一例である。コンデンサＣ６〜Ｃ８は、それぞれ、本開示における「第４から第６のコンデンサ」の一例である。ダイオードＤ１２〜Ｄ１４は、それぞれ、本開示における「第１２から第１４のダイオード」の一例である。
スイッチｓｗ９〜ｓｗ１６は、制御回路１０からの制御信号に従ってそれぞれオン又はオフする。絶縁電源Ｚ２の負極は、コンデンサＣ５の一端に接続され、また、スイッチＳ７のソースに接続される。コンデンサＣ５には絶縁電源Ｚ２の電圧がそのまま印加され、コンデンサＣ６〜Ｃ８には、絶縁電源Ｚ２の電圧がダイオードＤ１２〜Ｄ１４を介してそれぞれ印加される。ブートストラップ回路Ｂ２は、制御信号に従って、絶縁電源Ｚ２又はコンデンサＣ５〜Ｃ８の電圧を、スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ７、及びＳ８のソースの電位を基準として当該スイッチのゲートにそれぞれ印加する。
端子ａ９及びａ１０、端子ａ１１及びａ１２、端子ａ１３及びａ１４、端子ａ１５及びａ１６はそれぞれ、ブートストラップ回路Ｂ２の４組の出力端子を構成する。
端子ａ９はスイッチＳ７のゲートに接続され、端子ａ１０はスイッチＳ７のソースに接続される。スイッチｓｗ９がオンされたとき、コンデンサＣ５の電圧がスイッチＳ７のゲートに印加される。スイッチｓｗ１０がオンされたとき、スイッチＳ７のゲートがリセットされる。
端子ａ１１はスイッチＳ３のゲートに接続され、端子ａ１２はスイッチＳ３のソースに接続される。スイッチｓｗ１１がオンされたとき、コンデンサＣ６の電圧がスイッチＳ３のゲートに印加される。スイッチｓｗ１２がオンされたとき、スイッチＳ３のゲートがリセットされる。
端子ａ１３はスイッチＳ５のゲートに接続され、端子ａ１４はスイッチＳ５のソースに接続される。スイッチｓｗ１３がオンされたとき、コンデンサＣ７の電圧がスイッチＳ５のゲートに印加される。スイッチｓｗ１４がオンされたとき、スイッチＳ５のゲートがリセットされる。
端子ａ１５はスイッチＳ８のゲートに接続され、端子ａ１６はスイッチＳ８のソースに接続される。スイッチｓｗ１５がオンされたとき、コンデンサＣ８の電圧がスイッチＳ８のゲートに印加される。スイッチｓｗ１６がオンされたとき、スイッチＳ８のゲートがリセットされる。
ブートストラップ回路Ｂ１は、コンデンサＣ１を省略しても、コンデンサＣ１を備えている場合と同様に動作可能である。ブートストラップ回路Ｂ２は、コンデンサＣ５を省略しても、コンデンサＣ５を備えている場合と同様に動作可能である。
次に、図３〜図６を参照して、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの動作について説明する。
図３は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第１の動作モードを示す図である。図４は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第２の動作モードを示す図である。図５は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第３の動作モードを示す図である。図６は、図１の電力変換回路にポートＰ１から電力が入力されるときの第４の動作モードを示す図である。
制御信号は所定の符号系列である。電力変換回路は、ポート端子Ｎ１、Ｎ２から入力された電力を符号系列に従って符号変調あるいは符号復調し、ポート端子Ｎ３、Ｎ４から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
図３に示す第１の動作モードでは、第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４とがオンされ、第２のスイッチＳ２と第３のスイッチＳ３とがオフされる。図４に示す第２の動作モードでは、第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４とがオフされ、第２のスイッチＳ２と第３のスイッチＳ３がオンされる。図５に示す第３の動作モードでは、第５のスイッチＳ５と第８のスイッチＳ８とがオンされ、第６のスイッチＳ６と第７のスイッチＳ７がオフされる。図６に示す第４の動作モードでは、第５のスイッチＳ５と第８のスイッチＳ８とがオフされ、第６のスイッチＳ６と第７のスイッチＳ７がオンされる。ポート端子Ｎ１から正の電流が入力されるとき、第１の動作モードと第２の動作モードとを反復し、ポート端子Ｎ１から負の電流が入力されるとき、第３の動作モードと第４の動作モードとを反復する。これにより、図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ３、Ｎ４から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
次に、図７〜図１０を参照して、図１の電力変換回路にポートＰ２から電力が入力されるときの動作について説明する。
図１の電力変換回路は、第１のポートＰ１から入力された電力を変換して第２のポートＰ２から出力するだけでなく、逆に、第２のポートＰ２から入力された電力を変換して第１のポートＰ１から出力することもできる。
図７は、図１の電力変換回路にポートＰ２から電力が入力されるときの第５の動作モードを示す図である。図８は、図１の電力変換回路にポートＰ２から電力が入力されるときの第６の動作モードを示す図である。図９は、図１の電力変換回路にポートＰ２から電力が入力されるときの第７の動作モードを示す図である。図１０は、図１の電力変換回路にポートＰ２から電力が入力されるときの第８の動作モードを示す図である。
制御信号は所定の符号系列である。電力変換回路は、ポート端子Ｎ３、Ｎ４から入力された電力を符号系列に従って変調又は復調し、ポート端子Ｎ１、Ｎ２から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
図７に示す第５の動作モードでは、第５のスイッチＳ５と第８のスイッチＳ８とがオンされ、第２のスイッチＳ２と第３のスイッチＳ３とがオフされる。図８に示す第６の動作モードでは、第６のスイッチＳ６と第７のスイッチＳ７とがオンされ、第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４とがオフされる。図９に示す第７の動作モードでは、第２のスイッチＳ２と第３のスイッチＳ３とがオンされ、第５のスイッチＳ５と第８のスイッチＳ８とがオフされる。図１０に示す第８の動作モードでは、第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４とがオンされ、第６のスイッチＳ６と第７のスイッチＳ７とがオフされる。ポート端子Ｎ１から正の電流を出力するとき、第５の動作モードと第６の動作モードとを反復し、ポート端子Ｎ１から負の電流を出力するとき、第７の動作モードと第８の動作モードとを反復する。これにより、図１の電力変換回路は、ポート端子Ｎ１、Ｎ２から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
ブートストラップ回路Ｂ１により複数のスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６を駆動するためには、絶縁電源Ｚ１の負極に直接に接続されたスイッチのソースと、それ以外のスイッチのソースとが等電位になる動作モードが必要である。また、ブートストラップ回路Ｂ２により複数のスイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８を駆動するためには、絶縁電源Ｚ２の負極に直接に接続されたスイッチのソースと、それ以外のスイッチのソースとが等電位になる動作モードが必要である。
図１及び２Ａの例において、スイッチＳ２がオンになると、スイッチＳ２のソースとスイッチＳ６のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ２の一方の端子は、端子ａ４、スイッチＳ６のソースノード、スイッチＳ２、スイッチＳ２のソースノード、及び端子ａ２を介して、絶縁電源Ｚ１の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ２の他方の端子は、ダイオードＤ９を介して、絶縁電源Ｚ１の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ１の電圧がコンデンサＣ２の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ１からコンデンサＣ２に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ３とスイッチｓｗ４は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ３がオンのとき、コンデンサＣ２の電圧が、端子ａ３、ａ４の間に印加され、これにより、スイッチＳ６はオンとなる。スイッチｓｗ４がオンのとき、端子ａ３、ａ４の間が短絡され、これにより、スイッチＳ６はオフとなる。
図１及び２Ａの例において、スイッチＳ２がオンになると、ダイオードＤ２もオンになり、スイッチＳ２のソースとスイッチＳ４のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ３の一方の端子は、端子ａ６、スイッチＳ４のソースノード、ダイオードＤ２、スイッチＳ２のソースノード、及び端子ａ２を介して、絶縁電源Ｚ１の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ３の他方の端子は、ダイオードＤ１０を介して、絶縁電源Ｚ１の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ１の電圧がコンデンサＣ３の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ１からコンデンサＣ３に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ５とスイッチｓｗ６は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ５がオンのとき、コンデンサＣ３の電圧が、端子ａ５、ａ６の間に印加され、これにより、スイッチＳ４はオンとなる。スイッチｓｗ６がオンのとき、端子ａ５、ａ６の間が短絡され、これにより、スイッチＳ４はオフとなる。
図１及び２Ａの例において、スイッチＳ２がオンになると、スイッチＳ２のソースとスイッチＳ１のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ４の一方の端子は、端子ａ８、スイッチＳ１のソースノード、スイッチＳ２、スイッチＳ２のソースノード、及び端子ａ２を介して、絶縁電源Ｚ１の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ４の他方の端子は、ダイオードＤ１１を介して、絶縁電源Ｚ１の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ１の電圧がコンデンサＣ４の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ１からコンデンサＣ４に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ７とスイッチｓｗ８は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ７がオンのとき、コンデンサＣ４の電圧が、端子ａ７、ａ８の間に印加され、これにより、スイッチＳ１はオンとなる。スイッチｓｗ８がオンのとき、端子ａ７、ａ８の間が短絡され、これにより、スイッチＳ１はオフとなる。
図１及び２Ｂの例において、スイッチＳ７がオンになると、スイッチＳ７のソースとスイッチＳ３のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ６の一方の端子は、端子ａ１２、スイッチＳ３のソースノード、スイッチＳ７、スイッチＳ７のソースノード、及び端子ａ１０を介して、絶縁電源Ｚ２の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ６の他方の端子は、ダイオードＤ１２を介して、絶縁電源Ｚ２の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ２の電圧がコンデンサＣ６の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ２からコンデンサＣ６に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ１１とスイッチｓｗ１２は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ１１がオンのとき、コンデンサＣ６の電圧が、端子ａ１１、ａ１２の間に印加され、これにより、スイッチＳ３はオンとなる。スイッチｓｗ１２がオンのとき、端子ａ１１、ａ１２の間が短絡され、これにより、スイッチＳ３はオフとなる。
図１及び２Ｂの例において、スイッチＳ７がオンになると、ダイオードＤ７もオンになり、スイッチＳ７のソースとスイッチＳ５のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ７の一方の端子は、端子ａ１４、スイッチＳ５のソースノード、ダイオードＤ７、スイッチＳ７のソースノード、及び端子ａ１０を介して、絶縁電源Ｚ２の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ７の他方の端子は、ダイオードＤ１３を介して、絶縁電源Ｚ２の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ２の電圧がコンデンサＣ７の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ２からコンデンサＣ７に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ１３とスイッチｓｗ１４は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ１３がオンのとき、コンデンサＣ７の電圧が、端子ａ１３、ａ１４の間に印加され、これにより、スイッチＳ５はオンとなる。スイッチｓｗ１４がオンのとき、端子ａ１３、ａ１４の間が短絡され、これにより、スイッチＳ５はオフとなる。
図１及び２Ｂの例において、スイッチＳ７がオンになると、スイッチＳ７のソースとスイッチＳ８のソースとが等電位になる。このとき、コンデンサＣ８の一方の端子は、端子ａ１６、スイッチＳ８のソースノード、スイッチＳ７、スイッチＳ７のソースノード、及び端子ａ１０を介して、絶縁電源Ｚ２の負極と等電位になる。また、コンデンサＣ８の他方の端子は、ダイオードＤ１４を介して、絶縁電源Ｚ２の正極と等電位になる。これにより、絶縁電源Ｚ２の電圧がコンデンサＣ８の両端子間に印加され、絶縁電源Ｚ２からコンデンサＣ８に電荷が蓄えられる。
スイッチｓｗ１５とスイッチｓｗ１６は、相補的にオンオフされる。スイッチｓｗ１５がオンのとき、コンデンサＣ８の電圧が、端子ａ１５、ａ１６の間に印加され、これにより、スイッチＳ８はオンとなる。スイッチｓｗ１６がオンのとき、端子ａ１５、ａ１６の間が短絡され、これにより、スイッチＳ８はオフとなる。
図１１は、図１の電力変換回路の第１の導通状態を示す図である。図１１に示すように、第２のスイッチＳ２がオンであるとき、第１のスイッチＳ１と第４のスイッチＳ４と第６のスイッチＳ６のソースは、第２のスイッチＳ２のソースと等電位になる。従って、第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２と第４のスイッチＳ４と第６のスイッチＳ６とは、４組の出力端子を有する１つのブートストラップ回路Ｂ１により駆動することができる。
図１２は、図１の電力変換回路の第２の導通状態を示す図である。図１２に示すように、第７のスイッチＳ７がオンであるとき、第３のスイッチＳ３と第５のスイッチＳ５と第８のスイッチＳ８のソースは、第７のスイッチＳ７のソースと等電位になる。従って、第３のスイッチＳ３と第５のスイッチＳ５と第７のスイッチＳ７と第８のスイッチＳ８は、４組の出力端子を有する１つのブートストラップ回路Ｂ２により駆動することができる。
上記に拠れば、８つのスイッチＳ１〜Ｓ８を２つの絶縁電源Ｚ１、Ｚ２により駆動することができる。絶縁電源の個数が図２０の比較例の場合よりも削減されるので、回路の小型化と低コスト化を実現できる。
また、絶縁電源Ｚ２の負極に直接に接続された第７のスイッチＳ７のソースは、第１のポート端子Ｎ１に直接に接続されず、第７のダイオードＤ７を介して第１のポート端子Ｎ１に接続される。これにより、第１のポート端子Ｎ１と第２のポート端子Ｎ２との間に正の電圧が印加された場合に、ブートストラップ回路Ｂ２に入力電圧が印加されて故障すること（図１９を参照）を防ぐことができる。同様に、絶縁電源Ｚ１の負極に直接に接続された第２のスイッチＳ２のソースは、第２のポート端子Ｎ２に直接に接続されず、第２のダイオードＤ２を介して第２のポート端子Ｎ２に接続される。これにより、第１のポート端子Ｎ１と第２のポート端子Ｎ２との間に負の電圧が印加された場合に、ブートストラップ回路Ｂ１に入力電圧が印加されて故障すること（図１９を参照）を防ぐことができる。
一方、絶縁電源Ｚ１、Ｚ２の負極に直接には接続されていない他のスイッチのソースは、対応するポート端子Ｎ１〜Ｎ４に直接に接続されてもよく、対応するダイオードを介して接続されてもよい。すなわち、スイッチＳ１のドレインがダイオードＤ１を介してポート端子Ｎ１に接続されてもよく、スイッチＳ１のソースがダイオードＤ１を介してポート端子Ｎ３に接続されてもよい。スイッチＳ３のドレインがダイオードＤ３を介してポート端子Ｎ１に接続されてもよく、スイッチＳ３のソースがダイオードＤ３を介してポート端子Ｎ４に接続されてもよい。スイッチＳ４のソースがダイオードＤ４を介してポート端子Ｎ２に接続されてもよく、スイッチＳ４のドレインがダイオードＤ４を介してポート端子Ｎ４に接続されてもよい。スイッチＳ５のソースがダイオードＤ５を介してポート端子Ｎ１に接続されてもよく、スイッチＳ５のドレインがダイオードＤ５を介してポート端子Ｎ３に接続されてもよい。スイッチＳ６のドレインがダイオードＤ６を介してポート端子Ｎ２に接続されてもよく、スイッチＳ６のソースがダイオードＤ６を介してポート端子Ｎ３に接続されてもよい。スイッチＳ８のドレインがダイオードＤ８を介してポート端子Ｎ２に接続されてもよく、スイッチＳ８のソースがダイオードＤ８を介してポート端子Ｎ４に接続されてもよい。スイッチＳ１、Ｓ４、Ｓ６及びダイオードＤ１、Ｄ４、Ｄ６の配置にかかわらず、スイッチＳ１、Ｓ４、Ｓ６のソースを、スイッチＳ２のソースと等電位にすることができる。同様に、スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ８及びダイオードＤ３、Ｄ５、Ｄ８の配置にかかわらず、スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ８のソースを、スイッチＳ７のソースと等電位にすることができる。
図１の電力変換回路では、スイッチＳ１とダイオードＤ１、スイッチＳ２とダイオードＤ２、スイッチＳ３とダイオードＤ３、スイッチＳ６とダイオードＤ６、スイッチＳ７とダイオードＤ７、スイッチＳ８とダイオードＤ８のそれぞれにおいて、ダイオードがポート端子Ｎ３又はＮ４の側ではなくポート端子Ｎ１又はＮ２の側に配置されている。一方、スイッチＳ４とダイオードＤ４、スイッチＳ５とダイオードＤ５のみにおいて、ダイオードがポート端子Ｎ１又はＮ２の側ではなくポート端子Ｎ３又はＮ４の側に配置されている。これにより、第４のスイッチＳ４と第５のスイッチＳ５とを駆動する際に、ダイオードＤ４とダイオードＤ５でそれぞれ生じるゲート電圧の電圧降下を低減することができる。
上記で説明した電力変換回路の動作モードには、全てのスイッチがオンあるいはオフとなる動作モード等が加えられてもよい。例えば、全てのスイッチがオンになる動作モードは、電力変換回路に電流型の発電機が接続された場合に、発電機が開放となるのを回避し、急峻な電圧上昇を抑えることができる。また、全てのスイッチがオフになる動作モードは、電力変換回路に電圧型の発電機が接続された場合に、発電機が短絡となるのを回避し、急峻な電流増加を抑えることができる。
スイッチＳ１〜Ｓ８は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに代えて、ＩＧＢＴなどのバイポーラトランジスタであってもよい。この場合、本明細書の説明でスイッチの「ドレイン」又は「第１の端子」と述べた箇所は「コレクタ」になり、スイッチの「ソース」又は「第２の端子」と述べた箇所は「エミッタ」になる。
図１３は、図１の電力変換回路の接続例を示す図である。図１３の電力変換回路Ｍ２は図１の電力変換回路を示す。上記で説明した電力変換回路は、リアクトル及びコンデンサと組み合わせて用いられても良い。例えば、図１３に示すように、第１のポートＰ１からリアクトルＬ１０とコンデンサＣ１０を介して電力負荷２に接続すると、出力電流及び出力電圧を平滑化することができる。
実施形態１に係る電力変換回路によれば、従来技術に比較して低コストかつ小型の電力変換回路により、直流電力あるいは交流電力の双方向の電力変換を行うことができる。
＜実施形態２＞
図１４は、実施形態２に係る電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。図１４の電力伝送システムは、少なくとも１つの電源である発電機１と、少なくとも１つの負荷である電力負荷２と、電力線３と、実施形態１に係る電力変換回路Ｍ１、Ｍ２とを備える。電力線３は、電力を伝送する架線などを含む。電力変換回路Ｍ１は、少なくとも１つの発電機１のうちの指定された１つと電力線３との間に設けられ、少なくとも１つの電力送信装置として用いられる。電力変換回路Ｍ２は、電力線３と少なくとも１つの負荷のうちの指定された１つとの間に設けられ、少なくとも１つの電力受信装置として用いられる。
電力送信装置として用いられる電力変換回路Ｍ１と、電力受信装置として用いられる電力変換回路Ｍ２とに同一の符号系列を与える。電力変換回路Ｍ１は、符号系列に従って、発電機１から入力された電力を符号変調して電力線３に出力し、電力変換回路Ｍ２は、与えられた符号系列に従って、電力線３から入力された電力を符号復調して電力負荷２に出力する。これにより、特定の発電機１から特定の電力負荷２に電力を伝送することができる。従って、電力伝送システムに用いる絶縁電源の個数を削減し、低コストで電力伝送システムを導入することができる。
なお、上記実施形態では、電力変換回路が符号系列に従って電力を符号変調又は符号復調する例について説明されたが、電力変換回路の動作はこれに限定されない。例えば、電力変換回路は、ＰＷＭ信号に従って電力をパルス幅変調してもよい。
＜実施形態の概要＞
第１の態様に係る電力変換回路は、第１〜第４のポート端子と、第１〜第８のダイオードと、第１の端子、第２の端子、及び制御端子をそれぞれ有し、制御信号に従ってそれぞれオン又はオフする第１〜第８のスイッチとを備えた電力変換回路であって、前記第１のダイオード及び前記第１のスイッチは、前記第１のスイッチがオンされるとき、前記第１のポート端子から前記第３のポート端子に電流を流すように前記第１のポート端子及び前記第３のポート端子の間に直列接続され、前記第２のダイオード及び前記第２のスイッチは、前記第２のスイッチがオンされるとき、前記第３のポート端子から前記第２のポート端子に電流を流すように前記第３のポート端子及び前記第２のポート端子の間に直列接続され、前記第３のダイオード及び前記第３のスイッチは、前記第３のスイッチがオンされるとき、前記第１のポート端子から前記第４のポート端子に電流を流すように前記第１のポート端子及び前記第４のポート端子の間に直列接続され、前記第４のダイオード及び前記第４のスイッチは、前記第４のスイッチがオンされるとき、前記第４のポート端子から前記第２のポート端子に電流を流すように前記第４のポート端子及び前記第２のポート端子の間に直列接続され、前記第５のダイオード及び前記第５のスイッチは、前記第５のスイッチがオンされるとき、前記第３のポート端子から前記第１のポート端子に電流を流すように前記第３のポート端子及び前記第１のポート端子の間に直列接続され、前記第６のダイオード及び前記第６のスイッチは、前記第６のスイッチがオンされるとき、前記第２のポート端子から前記第３のポート端子に電流を流すように前記第２のポート端子及び前記第３のポート端子の間に直列接続され、前記第７のダイオード及び前記第７のスイッチは、前記第７のスイッチがオンされるとき、前記第４のポート端子から前記第１のポート端子に電流を流すように前記第４のポート端子及び前記第１のポート端子の間に直列接続され、前記第８のダイオード及び前記第８のスイッチは、前記第８のスイッチがオンされるとき、前記第２のポート端子から前記第４のポート端子に電流を流すように前記第２のポート端子及び前記第４のポート端子の間に直列接続され、前記第１〜第８のスイッチのそれぞれは、オンされたとき、当該スイッチの第１の端子から第２の端子に電流を流すように接続され、前記第２のスイッチは前記第２のダイオードを介して前記第２のポート端子に接続され、前記第７のスイッチは前記第７のダイオードを介して前記第１のポート端子に接続され、前記電力変換回路は、第１の電圧源を備え、前記制御信号に従って前記第１、第２、第４、及び第６のスイッチの制御端子に所定電圧をそれぞれ印加する第１のブートストラップ回路と、第２の電圧源を備え、前記制御信号に従って前記第３、第５、第７、及び第８のスイッチの制御端子に所定電圧をそれぞれ印加する第２のブートストラップ回路とをさらに備える。
第２の態様に係る電力変換回路は、第１の態様に係る電力変換回路において、前記第２のスイッチの第２の端子は前記第１の電圧源の負極に接続され、前記第１のブートストラップ回路は、前記第１の電圧源の電圧が少なくとも３つの第９のダイオードを介してそれぞれ印加される少なくとも３つの第１のコンデンサを備え、前記第１のブートストラップ回路は、前記制御信号に従って、前記第１の電圧源又は前記第１のコンデンサの電圧を、前記第１、第２、第４、及び第６のスイッチの第２の端子の電位を基準として当該スイッチの制御端子にそれぞれ印加し、前記第７のスイッチの第２の端子は前記第２の電圧源の負極に接続され、前記第２のブートストラップ回路は、前記第２の電圧源の電圧が少なくとも３つの第１０のダイオードを介してそれぞれ印加される少なくとも３つの第２のコンデンサを備え、前記第２のブートストラップ回路は、前記制御信号に従って、前記第２の電圧源又は前記第２のコンデンサの電圧を、前記第３、第５、第７、及び第８のスイッチの第２の端子の電位を基準として当該スイッチの制御端子にそれぞれ印加する。
第３の態様に係る電力変換回路は、第１又は第２の態様に係る電力変換回路において、前記第１のスイッチは前記第１のダイオードを介して前記第１のポート端子に接続され、前記第３のスイッチは前記第３のダイオードを介して前記第１のポート端子に接続され、前記第４のスイッチは前記第４のダイオードを介して前記第４のポート端子に接続され、前記第５のスイッチは前記第５のダイオードを介して前記第３のポート端子に接続され、前記第６のスイッチは前記第６のダイオードを介して前記第２のポート端子に接続され、前記第８のスイッチは前記第８のダイオードを介して前記第２のポート端子に接続される。
第４の態様に係る電力変換回路は、第１〜第３のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記第１〜第８のスイッチはＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、前記第１の端子はドレインであり、前記第２の端子はソースである。
第５の態様に係る電力変換回路は、第１〜第３のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記第１〜第８のスイッチはバイポーラトランジスタであり、前記第１の端子はコレクタであり、前記第２の端子はエミッタである。
第６の態様に係る電力変換回路は、第１〜第５のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記第１及び第２の電圧源のそれぞれは絶縁電源である。
第７の態様に係る電力変換回路は、第１〜第６のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記制御信号は所定の符号系列であり、前記電力変換回路は、前記第１及び第２のポート端子から入力された電力を前記符号系列に従って符号変調あるいは符号復調し、前記第３及び第４のポート端子から符号変調あるいは符号復調された電力を出力する。
第８の態様に係る電力変換回路は、第７の態様に係る電力変換回路において、前記第１のポート端子から正の電流が入力されるとき、前記第１及び第４のスイッチがオンされ、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオフされた状態と、前記第１及び第４のスイッチがオフされ、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオンされた状態とを反復し、前記第１のポート端子から負の電流が入力されるとき、前記第５及び第８のスイッチがオンされ、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオフされた状態と、前記第５及び第８のスイッチがオフされ、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオンされた状態とを反復する。
第９の態様に係る電力変換回路は、第１〜第８のうちの１つの態様に係る電力変換回路において、前記制御信号は所定の符号系列であり、前記電力変換回路は、前記第３及び第４のポート端子から入力された電力を前記符号系列に従って変調又は復調し、前記第１及び第２のポート端子から符号変調又は符号復調された電力を出力する。
第１０の態様に係る電力変換回路は、第９の態様に係る電力変換回路において、前記第１のポート端子から正の電流を出力するとき、前記第５及び第８のスイッチがオンされ、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオフされた状態と、前記第６及び第７のスイッチがオンされ、かつ、前記第１及び第４のスイッチがオフされた状態とを反復し、前記第１のポート端子から負の電流を出力するとき、前記第２及び第３のスイッチがオンされ、かつ、前記第５及び第８のスイッチがオフされた状態と、前記第１及び第４のスイッチがオンされ、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオフされた状態とを反復する。
第１１の態様に係る電力伝送システムは、少なくとも１つの電源と、少なくとも１つの負荷と、電力線とを備えた電力伝送システムにおいて、前記電力伝送システムは、前記少なくとも１つの電源のうちの指定された１つと前記電力線との間に設けられた、第７〜第１０のうちの１つの態様に係る電力変換回路からなる第１の電力変換回路と、前記電力線と前記少なくとも１つの負荷のうちの指定された１つとの間に設けられた、第７〜第１０のうちの１つの態様に係る電力変換回路からなる第２の電力変換回路とをさらに備え、前記第１の電力変換回路は、前記符号系列に従って、前記電源から入力された電力を符号変調して前記電力線に出力し、前記第２の電力変換回路は、前記符号系列に従って、前記電力線から入力された電力を符号復調して前記負荷に出力し、これにより、前記指定された電源から前記指定された負荷へ電力を伝送する。
本開示に係る電力変換回路は、交流の電源系統、あるいは直流と交流が混在する電源系統において、電力を変換することに有用である。また、本開示に係る電力伝送システムは、太陽光発電、風力発電、水力発電等の発電機から鉄道、ＥＶ車両等へ電力を伝送することに有用である。
Ｓ１〜Ｓ８ スイッチ
Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード
Ｎ１〜Ｎ４ ポート端子
Ｐ１、Ｐ２ ポート
Ｂ１〜Ｂ２ ブートストラップ回路
Ｚ１〜Ｚ２ 絶縁電源
１ 発電機
２ 電力負荷
３ 電力線
１０ 制御回路
Ｍ１、Ｍ２ 電力変換回路
Ｌ１０ リアクトル
Ｃ１〜Ｃ８、Ｃ１０ コンデンサ
ｓｗ１〜ｓｗ１６ スイッチ
ａ１〜ａ１６ 端子

Claims (16)

  1. 第１のポート端子と、
    第２のポート端子と、
    第３のポート端子と、
    第４のポート端子と、
    前記第１のポート端子から前記第３のポート端子へ流れる第１の電流を通過させる第１のダイオードと、
    前記第３のポート端子から前記第２のポート端子へ流れる第２の電流を通過させる第２のダイオードと、
    前記第１のポート端子から前記第４のポート端子へ流れる第３の電流を通過させる第３のダイオードと、
    前記第４のポート端子から前記第２のポート端子へ流れる第４の電流を通過させる第４のダイオードと、
    前記第３のポート端子から前記第１のポート端子へ流れる第５の電流を通過させる第５のダイオードと、
    前記第２のポート端子から前記第３のポート端子へ流れる第６の電流を通過させる第６のダイオードと、
    前記第４のポート端子から前記第１のポート端子へ流れる第７の電流を通過させる第７のダイオードと、
    前記第２のポート端子から前記第４のポート端子へ流れる第８の電流を通過させる第８のダイオードと、
    第１の制御端子を含み、前記第１のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第１の電流を通過させる第１のスイッチと、
    第２の制御端子を含み、前記第２のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第２の電流を通過させる第２のスイッチと、
    第３の制御端子を含み、前記第３のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第３の電流を通過させる第３のスイッチと、
    第４の制御端子を含み、前記第４のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第４の電流を通過させる第４のスイッチと、
    第５の制御端子を含み、前記第５のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第５の電流を通過させる第５のスイッチと、
    第６の制御端子を含み、前記第６のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第６の電流を通過させる第６のスイッチと、
    第７の制御端子を含み、前記第７のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第７の電流を通過させる第７のスイッチと、
    第８の制御端子を含み、前記第８のダイオードに直列接続され、オン状態のときに前記第８の電流を通過させる第８のスイッチと、
    第１の電圧源を含み、前記第１、第２、第４、及び第６の制御端子に接続される第１のブートストラップ回路と、
    第２の電圧源を含み、前記第３、第５、第７、及び第８の制御端子に接続される第２のブートストラップ回路と、を備え、
    前記第２のスイッチは、前記第２のダイオードを介して前記第２のポート端子に接続され、
    前記第７のスイッチは、前記第７のダイオードを介して前記第１のポート端子に接続され、
    前記第２のダイオード及び前記第２のスイッチの間の端子は、前記第１の電圧源の負極に接続され、
    前記第７のダイオード及び前記第７のスイッチの間の端子は、前記第２の電圧源の負極に接続される、
    電力変換回路。
  2. 前記第１のブートストラップ回路は、前記第１、第２、第４、及び第６の制御端子に第１、第２、第４、及び第６の制御電圧をそれぞれ印加することによって、前記第１、第２、第４、及び第６のスイッチをオンオフし、
    前記第２のブートストラップ回路は、前記第３、第５、第７、及び第８の制御端子に第３、第５、第７、及び第８の制御電圧をそれぞれ印加することによって、前記第３、第５、第７、及び第８のスイッチをオンオフする、
    請求項１に記載の電力変換回路。
  3. 前記第１のブートストラップ回路は、
    第１のコンデンサと、
    第２のコンデンサと、
    第３のコンデンサと、
    前記第１の電圧源の正極から前記第１のコンデンサを介して前記第１の電圧源の前記負極に至る第１の経路上に配置された第９のダイオードと、
    前記第１の電圧源の前記正極から前記第２のコンデンサを介して前記第１の電圧源の前記負極に至る第２の経路上に配置された第１０のダイオードと、
    前記第１の電圧源の前記正極から前記第３のコンデンサを介して前記第１の電圧源の前記負極に至る第３の経路上に配置された第１１のダイオードと、を含む、
    請求項１又は２に記載の電力変換回路。
  4. 前記第１、第２、第４、及び第６の制御電圧のそれぞれは、前記第１の電圧源の第１の電源電圧、前記第１のコンデンサに充電された第１の充電電圧、前記第２のコンデンサに充電された第２の充電電圧、及び前記第３のコンデンサに充電された第３の充電電圧から選択される少なくとも１つから生成される、
    請求項３に記載の電力変換回路。
  5. 前記第２のブートストラップ回路は、
    第４のコンデンサと、
    第５のコンデンサと、
    第６のコンデンサと、
    前記第２の電圧源の正極から前記第４のコンデンサを介して前記第２の電圧源の前記負極に至る第４の経路上に配置された第１２のダイオードと、
    前記第２の電圧源の前記正極から前記第５のコンデンサを介して前記第２の電圧源の前記負極に至る第５の経路上に配置された第１３のダイオードと、
    前記第２の電圧源の前記正極から前記第６のコンデンサを介して前記第２の電圧源の前記負極に至る第６の経路上に配置された第１４のダイオードと、を含む、
    請求項４に記載の電力変換回路。
  6. 前記第３、第５、第７、及び第８の制御電圧のそれぞれは、前記第２の電圧源の第２の電源電圧、前記第４のコンデンサに充電された第４の充電電圧、前記第５のコンデンサに充電された第５の充電電圧、及び前記第６のコンデンサに充電された第６の充電電圧から選択される少なくとも１つから生成される、
    請求項５に記載の電力変換回路。
  7. 前記第１のダイオードは第１のアノード及び第１のカソードを含み、前記第１のアノードは前記第１のポート端子に接続され、
    前記第２のダイオードは第２のアノード及び第２のカソードを含み、前記第２のカソードは前記第２のポート端子に接続され、
    前記第３のダイオードは第３のアノード及び第３のカソードを含み、前記第３のアノードは前記第１のポート端子に接続され、
    前記第４のダイオードは第４のアノード及び第４のカソードを含み、前記第４のアノードは前記第４のポート端子に接続され、
    前記第５のダイオードは第５のアノード及び第５のカソードを含み、前記第５のアノードは前記第３のポート端子に接続され、
    前記第６のダイオードは第６のアノード及び第６のカソードを含み、前記第６のアノードは前記第２のポート端子に接続され、
    前記第７のダイオードは第７のアノード及び第７のカソードを含み、前記第７のカソードは前記第１のポート端子に接続され、
    前記第８のダイオードは第８のアノード及び第８のカソードを含み、前記第８のアノードは前記第２のポート端子に接続され、
    前記第１のスイッチは前記第１のカソード及び前記第３のポート端子の間に接続され、
    前記第２のスイッチは前記第３のポート端子及び前記第２のアノードの間に接続され、
    前記第３のスイッチは前記第３のカソード及び前記第４のポート端子の間に接続され、
    前記第４のスイッチは前記第４のカソード及び前記第２のポート端子の間に接続され、
    前記第５のスイッチは前記第１のポート端子及び前記第５のカソードの間に接続され、
    前記第６のスイッチは前記第３のポート端子及び前記第６のカソードの間に接続され、
    前記第７のスイッチは前記第７のアノード及び前記第４のポート端子の間に接続され、
    前記第８のスイッチは前記第４のポート端子及び前記第８のカソードの間に接続される、
    請求項６に記載の電力変換回路。
  8. 前記第１及び第３の経路のそれぞれは前記第２のスイッチを通り、
    前記第２の経路は前記第２のダイオードを通り、
    前記第１の電圧源は、前記第２のスイッチがオンのときに、
    前記第１の経路を介して前記第１のコンデンサに前記第１の電源電圧を印加し、
    前記第２の経路を介して前記第２のコンデンサに前記第１の電源電圧を印加し、
    前記第３の経路を介して前記第３のコンデンサに前記第１の電源電圧を印加する、
    請求項７に記載の電力変換回路。
  9. 前記第４及び第６の経路のそれぞれは前記第７のスイッチを通り、
    前記第５の経路は前記第７のダイオードを通り、
    前記第２の電圧源は、前記第７のスイッチがオンのときに、
    前記第４の経路を介して前記第４のコンデンサに前記第２の電源電圧を印加し、
    前記第５の経路を介して前記第５のコンデンサに前記第２の電源電圧を印加し、
    前記第６の経路を介して前記第６のコンデンサに前記第２の電源電圧を印加する、
    請求項８に記載の電力変換回路。
  10. 前記第１から第８のスイッチのそれぞれは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ又はバイポーラトランジスタである、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換回路。
  11. 前記第１及び第２の電圧源のそれぞれは、絶縁電源である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換回路。
  12. 前記第１から第８の制御電圧は、それぞれ、第１から第８の符号系列に応じて変化し、
    前記第１から第８のスイッチは、前記第１から第８の符号系列に基づいて、前記第１及び第２のポート端子から入力された電力を符号変調又は符号復調し、符号変調又は符号復調された前記電力を前記第３及び第４のポート端子から出力する、
    請求項２に記載の電力変換回路。
  13. 前記第２のポート端子を基準として前記第１のポート端子に正の電流が入力されるとき、前記第１のブートストラップ回路は、前記第１及び第４のスイッチがオンであり、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオフである第１の状態と、前記第１及び第４のスイッチがオフであり、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオンである第２の状態とを切り替え、
    前記第２のポート端子を基準として前記第１のポート端子に負の電流が入力されるとき、前記第２のブートストラップ回路は、前記第５及び第８のスイッチがオンであり、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオフである第３の状態と、前記第５及び第８のスイッチがオフであり、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオンである第４の状態とを切り替える、
    請求項１２に記載の電力変換回路。
  14. 前記第１から第８の制御電圧は、それぞれ、第１から第８の符号系列に応じて変化し、
    前記第１から第８のスイッチは、前記第１から第８の符号系列に基づいて、前記第３及び第４のポート端子から入力された電力を符号変調又は符号復調し、符号変調又は符号復調された前記電力を前記第１及び第２のポート端子から出力する、
    請求項２又は１２に記載の電力変換回路。
  15. 前記第２のポート端子を基準として前記第１のポート端子から負の電流が出力されるとき、前記第１のブートストラップ回路は、前記第１及び第４のスイッチがオンであり、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオフである第１の状態と、前記第１及び第４のスイッチがオフであり、かつ、前記第２及び第３のスイッチがオンである第２の状態とを切り替え、
    前記第２のポート端子を基準として前記第１のポート端子から正の電流が出力されるとき、前記第２のブートストラップ回路は、前記第５及び第８のスイッチがオンであり、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオフである第３の状態と、前記第５及び第８のスイッチがオフであり、かつ、前記第６及び第７のスイッチがオンである第４の状態とを切り替える、
    請求項１４記載の電力変換回路。
  16. 電源と、第１の電力変換回路と、電力伝送路と、第２の電力変換回路と、負荷とを備える電力伝送システムにおいて、
    前記第１及び第２の電力変換回路のそれぞれは、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の電力変換回路であり、
    前記第１の電力変換回路は、前記電源から入力された電力を符号変調して前記電力伝送路に出力し、
    前記第２の電力変換回路は、符号変調された前記電力を符号復調して前記負荷に出力する、
    電力伝送システム。
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