JP7029269B2

JP7029269B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7029269B2
Application number: JP2017200936A
Authority: JP
Inventors: ゴー・テックチャン; 将紀石垣; 隆英杉山; 雅一深田
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2037-10-17
Also published as: JP2019075903A

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、バッテリを充電すると共に、バッテリから負荷回路に電力を供給する装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、駆動用モータに電力を供給するためのバッテリが搭載されている。電気自動車では、プラグイン機能によって、サービスステーションにある充電スタンドや商用電源等の外部電源装置から供給される電力によってバッテリが充電される。ハイブリッド自動車では、エンジンの駆動力によって発電した電力でバッテリが充電される。ハイブリッド自動車には、電気自動車と同様のプラグイン機能を有しているものもある。また、電気自動車およびハイブリッド自動車のいずれにおいても、駆動用モータが回生制動によって発電した電力でバッテリが充電される。

プラグイン機能を有する電動車両には、バッテリから駆動用モータに電力を供給する電力供給装置に加えて、外部電源装置から供給される電力によってバッテリを充電する充電装置が搭載されている。以下の特許文献１には、商用電源から供給される電力によってバッテリを充電する充電装置（特許文献１における充電器）と、バッテリから出力される電力をモータジェネレータに供給する電力供給装置（特許文献１における電力変換装置）とを備える電源システムが記載されている。

特開２０１７－６０３１３号公報

電力供給装置および充電装置を備える電動車両では、バッテリ充電時と走行時とで、これらの装置の接続状態を変更する必要があり、スイッチ回路が設けられる等、構造が複雑となってしまう場合がある。

本発明は、バッテリを充電すると共に、バッテリから負荷回路に電力を供給する装置の構造を単純化することを目的とする。

本発明は、入力電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、負荷回路が接続されるスイッチング回路と、前記電力調整回路および前記スイッチング回路を結合する磁気結合回路と、を備え、前記スイッチング回路は、バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから前記負荷回路に電力を供給する電力変換モード、または、前記電力調整回路から前記磁気結合回路を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モードのいずれかで動作し、前記スイッチング回路は、並列接続された２つのハーフブリッジであって、直列接続された２つのスイッチング素子をそれぞれが含む、２つのハーフブリッジと、並列接続された２つの前記ハーフブリッジに並列に接続され、前記負荷回路が接続されるコンデンサと、を備え、前記磁気結合回路は、一方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子の接続点に一端が接続された第１プライマリ巻線と、他方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子の接続点に一端が接続された第２プライマリ巻線と、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に磁気的に結合し、前記電力調整回路に接続されたセカンダリ巻線と、を備え、前記第１プライマリ巻線の他端および前記第２プライマリ巻線の他端が共通に接続されており、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線の接続点に前記バッテリが接続されており、前記電力変換モードでは、一方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子と、他方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子とが、同一のデューティ比で、かつ同一のタイミングでオンオフ動作し、前記充電モードでは、一方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子と、他方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子とが、同一のまたは異なるデューティ比で、かつ異なるタイミングでオンオフ動作することを特徴とする。

また、本発明は、入力電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、負荷回路が接続されるスイッチング回路と、前記電力調整回路および前記スイッチング回路を結合する磁気結合回路と、を備え、前記スイッチング回路は、バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから前記負荷回路に電力を供給する電力変換モード、または、前記電力調整回路から前記磁気結合回路を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モードのいずれかで動作し、前記スイッチング回路は、直列接続されたスイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２を含むハーフブリッジＵと、直列接続されたスイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４を含むハーフブリッジＶと、前記負荷回路が接続されるコンデンサと、を備え、前記スイッチング素子Ｓ１の前記スイッチング素子Ｓ２側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の端子とが接続され、前記スイッチング素子Ｓ２の前記スイッチング素子Ｓ１側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の端子とが接続され、前記コンデンサは、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３の接続点と、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点との間に接続され、前記磁気結合回路は、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ２の接続点に一端が接続された第１プライマリ巻線と、前記スイッチング素子Ｓ３および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点に一端が接続された第２プライマリ巻線と、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に磁気的に結合し、前記電力調整回路に接続されたセカンダリ巻線と、を備え、前記第１プライマリ巻線の他端および前記第２プライマリ巻線の他端が共通に接続されており、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線の接続点に前記バッテリが接続され、前記電力変換モードの動作では、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオンになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオフになる第１状態と、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオフになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオンになる第２状態とが交互に生じ、前記充電モードの動作では、前記第１状態、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオフになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオンになる第３状態、前記第１状態、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオンになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオフになる第４状態、が順に生じる過程が繰り返されることを特徴とする。

また、本発明は、入力電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、負荷回路が接続されるスイッチング回路と、前記電力調整回路および前記スイッチング回路を結合する磁気結合回路と、を備え、前記スイッチング回路は、バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから前記負荷回路に電力を供給する電力変換モード、または、前記電力調整回路から前記磁気結合回路を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モードのいずれかで動作し、前記スイッチング回路は、直列接続され、交互にオンオフするスイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２を含むハーフブリッジＵと、直列接続され、交互にオンオフするスイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４を含むハーフブリッジＶと、前記負荷回路が接続されるコンデンサと、を備え、前記スイッチング素子Ｓ１の前記スイッチング素子Ｓ２側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の端子とが接続され、前記スイッチング素子Ｓ２の前記スイッチング素子Ｓ１側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の端子とが接続され、前記コンデンサは、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３の接続点と、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点との間に接続され、前記磁気結合回路は、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ２の接続点に一端が接続された第１プライマリ巻線と、前記スイッチング素子Ｓ３および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点に一端が接続された第２プライマリ巻線と、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に磁気的に結合し、前記電力調整回路に接続されたセカンダリ巻線と、を備え、前記第１プライマリ巻線の他端および前記第２プライマリ巻線の他端が共通に接続されており、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線の接続点に前記バッテリが接続され、前記電力変換モードの動作では、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４は、デューティ比指令値と、キャリアとの比較に応じて求められた制御信号に応じて同一タイミングでオンオフし、前記充電モードの動作では、前記スイッチング素子Ｓ２は、制御値および基準デューティ比の差異を示すデューティ比指令値と、キャリアとの比較に応じて求められた制御信号に応じてオンオフし、前記スイッチング素子Ｓ３は、前記制御値および前記基準デューティ比が加算されたデューティ比指令値と、前記スイッチング素子Ｓ２と共通のキャリアとの比較に応じて求められた制御信号に応じてオンオフすることを特徴とする。

本発明によれば、バッテリを充電すると共に、バッテリから負荷回路に電力を供給する装置の構造を単純化することができる。

電力変換装置の構成を示す図である。第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線に流れる電流を示す図である。制御部の構成を示す図である。キャリア信号、制御信号、各プライマリ巻線に流れる電流の時間波形を示す図である。第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線に流れる電流を示す図である。制御部の構成を示す図である。キャリア信号、制御信号、各プライマリ巻線に流れる電流の時間波形を示す図である。電力変換モードでの動作および充電モードでの動作を選択的に実行する制御部の構成を示す図である。ＡＣ／ＡＣコンバータの構成例を示す図である。スイッチング電圧Ｖｗｘ、およびリアクトルに流れる電流ｉｑの時間波形を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成が示されている。電力変換装置は、トランス１０、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６、バッテリ２０、スイッチング回路２１、インバータ２４および制御部２８を備えている。電力変換装置は、モータジェネレータ２６の駆動力によって走行する電動車両に搭載される。

電力変換装置は、電力変換モードまたは充電モードで動作する。電力変換モードにおいて電力変換装置は、バッテリ２０から出力される電力をモータジェネレータ２６に供給してモータジェネレータ２６を駆動し、モータジェネレータ２６が回生制動によって発電した電力をバッテリ２０に供給してバッテリ２０を充電する。充電モードにおいて電力変換装置は、交流電源１８から出力される電力をバッテリ２０に供給してバッテリ２０を充電する。交流電源１８は、例えば商用電源であり、交流電源１８としてのＡＣアウトレットに差し込まれたプラグから電力変換装置に交流電力が供給される。

電力変換モードでは、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６が停止し、スイッチング回路２１およびインバータ２４が動作する。充電モードでは、インバータ２４が停止し、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６およびスイッチング回路２１が動作する。ＡＣ／ＡＣコンバータ１６およびスイッチング回路２１はトランス１０で結合されており、電力変換モードおよび充電モードの両者においてトランス１０が共用される。

電力変換装置の構成について説明する。スイッチング回路２１は、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２によって構成されるハーフブリッジＵ、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４によって構成されるハーフブリッジＶ、ならびにコンデンサ２２を備えている。ハーフブリッジＵは、スイッチング素子Ｓ１の一端と、スイッチング素子Ｓ２の一端とを接続したものである。スイッチング素子Ｓ１の両端には、スイッチング素子Ｓ２との接続点の側をアノードとして寄生ダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ２の両端には、スイッチング素子Ｓ１との接続点の側をカソードとして寄生ダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ１およびＳ２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ１としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ２としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。なお、一般に、ＩＧＢＴには寄生ダイオードが含まれている。

同様に、ハーフブリッジＶは、スイッチング素子Ｓ３の一端と、スイッチング素子Ｓ４の一端とを接続したものである。スイッチング素子Ｓ３の両端には、スイッチング素子Ｓ４との接続点の側をアノードとして寄生ダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ４の両端には、スイッチング素子Ｓ３との接続点の側をカソードとして寄生ダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ３およびＳ４としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ３としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ４としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。

ハーフブリッジＵおよびＶは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング素子Ｓ２側とは反対側の端子（図の上側の端子）と、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の端子（図の上側の端子）とが接続されている。また、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング素子Ｓ１側とは反対側の端子（図の下側の端子）と、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の端子（図の下側の端子）とが接続されている。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ３の接続点と、スイッチング素子Ｓ２およびＳ４の接続点との間には、コンデンサ２２が接続されている。

トランス１０は、第１プライマリ巻線１２－１、第２プライマリ巻線１２－２およびセカンダリ巻線１４を備えている。第１プライマリ巻線１２－１の一端は、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続点に接続されている。また、第２プライマリ巻線１２－２の一端は、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続点に接続されている。第１プライマリ巻線１２－１の他端と第２プライマリ巻線１２－２の他端は共通に接続され、これら２つの巻線の接続点は、バッテリ２０の正極端子に接続されている。バッテリ２０の負極端子は、負極導体２３に接続されている。スイッチング素子Ｓ２およびＳ４の接続点もまた、負極導体２３に接続されている。

セカンダリ巻線１４の両端はＡＣ／ＡＣコンバータ１６に接続されている。第１プライマリ巻線１２－１およびセカンダリ巻線１４は磁気的に結合し、第２プライマリ巻線１２－２およびセカンダリ巻線１４は磁気的に結合する。これによって、第１プライマリ巻線１２－１、第２プライマリ巻線１２－２およびセカンダリ巻線１４は磁気結合回路としてのトランス１０を形成している。ＡＣ／ＡＣコンバータ１６には、交流電源１８が接続されている。

スイッチング素子Ｓ１、スイッチング素子Ｓ３およびコンデンサ２２の接続点と、スイッチング素子Ｓ２、スイッチング素子Ｓ４およびコンデンサ２２の接続点との間には、インバータ２４が接続されている。インバータ２４にはモータジェネレータ２６が接続されている。インバータ２４およびモータジェネレータ２６は、スイッチング回路２１に対する負荷回路である。

スイッチング回路２１には、コンデンサ２２の端子間電圧を検出し、その検出値であるコンデンサ電圧検出値Ｖｍを制御部２８に出力する電圧センサ（図示せず。）が設けられている。また、バッテリ２０の正極から第１プライマリ巻線１２－１と第２プライマリ巻線１２－２の接続点に流れる電流を検出し、その検出値である電流検出値ｉＬｍを制御部２８に出力する電流センサ（図示せず。）が設けられている。後述するように、制御部２８は、コンデンサ電圧検出値Ｖｍおよび電流検出値ｉＬｍを用いて制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４を生成する。制御部２８は、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４をそれぞれスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４に出力し、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４をオンオフ制御する。制御信号Ｃｎｉがハイであるときは、スイッチング素子Ｓｉはオンとなり、制御信号Ｃｎｉがローであるときは、スイッチング素子Ｓｉはオフとなる。ただし、ｉは１～４のうちいずれかの整数である。このように、各スイッチング素子は、制御部２８によってオフからオンに、または、オンからオフに制御される。

上述のように、電力変換装置は、電力変換モードまたは充電モードで動作する。ここでは、電力変換モードでの動作について説明する。制御部２８の制御によって、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２は交互にオンオフする。すなわち、スイッチング素子Ｓ１がオンからオフになったときは、スイッチング素子Ｓ２はオフからオンになり、スイッチング素子Ｓ１がオフからオンになったときは、スイッチング素子Ｓ２はオンからオフになる。同様に、制御部２８の制御によって、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４は交互にオンオフする。

また、スイッチング素子Ｓ１がオンのときは、スイッチング素子Ｓ３もまたオンになり、スイッチング素子Ｓ１がオフのときは、スイッチング素子Ｓ３もまたオフになる。同様に、スイッチング素子Ｓ２がオンのときは、スイッチング素子Ｓ４もまたオンになり、スイッチング素子Ｓ２がオフのときは、スイッチング素子Ｓ４もまたオフになる。

電力変換モードでは、制御部２８は、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６の動作を停止する。

図２（ａ）には、スイッチング素子Ｓ２およびＳ４がオンであるときに第１プライマリ巻線１２－１および第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流が示されている。バッテリ２０の正極端子から第１プライマリ巻線１２－１に電流ｉＬ１が流れ、バッテリ２０の正極端子から第２プライマリ巻線１２－２に電流ｉＬ２が流れる。電流ｉＬ１は第１プライマリ巻線１２－１からスイッチング素子Ｓ２を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。電流ｉＬ２は第２プライマリ巻線１２－２からスイッチング素子Ｓ４を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。

スイッチング素子Ｓ２がオンからオフになることで、第１プライマリ巻線１２－１に誘導起電力が発生する。それと共にスイッチング素子Ｓ１がオンになり、バッテリ２０の出力電圧に誘導起電力が加えられた昇圧電圧がコンデンサ２２に印加される。

同様に、スイッチング素子Ｓ４がオンからオフになることで、第２プライマリ巻線１２－２に誘導起電力が発生する。それと共にスイッチング素子Ｓ３がオンになり、バッテリ２０の出力電圧に誘導起電力が加えられた昇圧電圧がコンデンサ２２に印加される。

図２（ｂ）には、スイッチング素子Ｓ１およびＳ３がオンであるときに第１プライマリ巻線１２－１および第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流が示されている。バッテリ２０の正極端子から第１プライマリ巻線１２－１に電流ｉＬ１が流れ、バッテリ２０の正極端子から第２プライマリ巻線１２－２に電流ｉＬ２が流れる。電流ｉＬ１は第１プライマリ巻線１２－１からスイッチング素子Ｓ１およびコンデンサ２２を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。電流ｉＬ２は第２プライマリ巻線１２－２からスイッチング素子Ｓ３およびコンデンサ２２を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。

バッテリ２０の出力電圧に第１プライマリ巻線１２－１における誘導起電力を加えた昇圧電圧が、コンデンサ２２の端子間電圧よりも大きい場合にはコンデンサ２２が充電される。一方、この昇圧電圧がコンデンサ２２の端子間電圧より小さい場合には、インバータ２４およびコンデンサ２２からバッテリ２０に電力が回収される。

同様に、バッテリ２０の出力電圧に第２プライマリ巻線１２－２における誘導起電力を加えた昇圧電圧が、コンデンサ２２の端子間電圧よりも大きい場合にはコンデンサ２２が充電される。一方、この昇圧電圧がコンデンサ２２の端子間電圧より小さい場合には、インバータ２４およびコンデンサ２２からバッテリ２０に電力が回収される。

図２（ａ）および（ｂ）のいずれの状態においても、電流ｉＬ１および電流ｉＬ２によって、セカンダリ巻線１４の端子間に現れる電圧は小さい。これは、第１プライマリ巻線１２－１に流れる電流ｉＬ１によってトランス１０のコア３０に現れる磁束Φ１と、第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流ｉＬ２によってトランス１０のコア３０に現れる磁束Φ２とが打ち消し合うためである。このような動作によって、バッテリ２０の出力電圧が昇圧され、インバータ２４に出力される。

図３には、電力変換モードにおける制御部２８の構成が示されている。第１減算器３２は、電圧指令値Ｖ^＊からコンデンサ電圧検出値Ｖｍを減算した第１誤差を求め、電圧制御器３４に出力する。電圧制御器３４は、第１誤差に対する比例積分によって第１制御値δ１を求め第２減算器３６に出力する。第２減算器３６は、第１制御値δ１から電流検出値ｉＬｍを減算した第２誤差を求め、電流制御器３８に出力する。電流制御器３８は、第２誤差に対する比例積分によって第２制御値δ２を求め加算器４２に出力する。加算器４２は、第２制御値δ２に基準デューティ比α０を加算したデューティ比指令値ＡをＵ相比較器４４およびＶ相比較器４６に出力する。

Ｕ相比較器４４およびＶ相比較器４６にはキャリア信号が入力されている。基準デューティ比α０が０よりも大きく１未満の値である場合、キャリア信号には、例えば、時間波形が三角波であり波高値が１であるものが用いられる。

Ｕ相比較器４４は、キャリア信号がデューティ比指令値Ａよりも小さいときにハイとなり、キャリア信号がデューティ比指令値Ａ以上であるときにローとなる制御信号Ｃｎ２を出力する。また、反転器４８は、制御信号Ｃｎ２のハイおよびローを反転した制御信号Ｃｎ１を出力する。

Ｖ相比較器４６は、キャリア信号がデューティ比指令値Ａよりも小さいときにハイとなり、キャリア信号がデューティ比指令値Ａ以上であるときにローとなる制御信号Ｃｎ４を出力する。また、反転器５０は、制御信号Ｃｎ４のハイおよびローを反転した制御信号Ｃｎ３を出力する。

図４（ａ）にはキャリア信号の時間波形が示されている。図４（ｂ）～（ｅ）には、それぞれ、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４の時間波形が示されている。さらに、図４（ｆ）および（ｇ）には、それぞれ、第１プライマリ巻線１２－１に流れる電流ｉＬ１および第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流ｉＬ２の時間波形が示されている。ただし、これらの時間波形は、デューティ比指令値Ａが０．５であり、第２制御値δ２が０である場合のものである。

制御信号Ｃｎ１は、キャリア信号がデューティ比指令値Ａよりも小さいときにローとなり、キャリア信号がデューティ比指令値Ａ以上であるときにハイとなる。制御信号Ｃｎ２は、制御信号Ｃｎ１のハイおよびローを反転したものである。制御信号Ｃｎ３およびＣｎ４は、それぞれ、制御信号Ｃｎ１およびＣｎ２と同一の時間波形を有する。

制御信号Ｃｎ１がローであり制御信号Ｃｎ２がハイである間、電流ｉＬ１は時間経過と共に増加し、制御信号Ｃｎ１がハイであり制御信号Ｃｎ２がローである間、電流ｉＬ１は時間経過と共に減少する。これによって、電流ｉＬ１は、時間経過と共に三角波状に増減を繰り返す。電流ｉＬ１が増加している間、第１プライマリ巻線１２－１に電流のエネルギーが蓄えられ、電流ｉＬ１が減少している間、第１プライマリ巻線１２－１からコンデンサ２２に電流のエネルギーが放出される。

制御信号Ｃｎ３がローであり制御信号Ｃｎ４がハイである間、電流ｉＬ２は時間経過と共に増加し、制御信号Ｃｎ３がハイであり制御信号Ｃｎ４がローである間、電流ｉＬ２は時間経過と共に減少する。これによって、電流ｉＬ２は時間経過と共に三角波状に増減を繰り返す。電流ｉＬ２が増加している間、第２プライマリ巻線１２－２に電流のエネルギーが蓄えられ、電流ｉＬ２が減少している間、第２プライマリ巻線１２－２からコンデンサ２２に電流のエネルギーが放出される。

次に、充電モードでの動作について説明する。充電モードでは、交流電源１８から供給される交流電力の力率をＡＣ／ＡＣコンバータ１６が調整しながら、その交流電力に基づく電力をセカンダリ巻線１４に出力する。充電モードでは、制御部２８は、インバータ２４の動作を停止する。

充電モードにおいても、制御部２８の制御によってスイッチング素子Ｓ１およびＳ２が交互にオンオフし、制御部２８の制御によってスイッチング素子Ｓ３およびＳ４もまた交互にオンオフする。すなわち、制御信号Ｃｎ２は制御信号Ｃｎ１のハイおよびローを反転した信号であり、制御信号Ｃｎ４は制御信号Ｃｎ３のハイおよびローを反転した信号である。なお、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４を生成する処理については後述する。

充電モードでは、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４がオフになりスイッチング素子Ｓ２およびＳ３がオンになるときがある。また、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４がオンになりスイッチング素子Ｓ２およびＳ３がオフになるときがある。図５（ａ）には、スイッチング素子Ｓ２およびＳ３がオンであるときに第１プライマリ巻線１２－１および第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流が示されている。バッテリ２０の正極端子から第１プライマリ巻線１２－１に電流ｉＬ１が流れ、バッテリ２０の正極端子から第２プライマリ巻線１２－２に電流ｉＬ２が流れる。電流ｉＬ１は第１プライマリ巻線１２－１からスイッチング素子Ｓ２を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。電流ｉＬ２は第２プライマリ巻線１２－２からスイッチング素子Ｓ３およびコンデンサ２２を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。

図５（ｂ）には、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４がオンであるときに第１プライマリ巻線１２－１および第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流が示されている。バッテリ２０の正極端子から第１プライマリ巻線１２－１に電流ｉＬ１が流れ、バッテリ２０の正極端子から第２プライマリ巻線１２－２に電流ｉＬ２が流れる。電流ｉＬ１は第１プライマリ巻線１２－１からスイッチング素子Ｓ１およびコンデンサ２２を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。電流ｉＬ２は第２プライマリ巻線１２－２からスイッチング素子Ｓ４を流れてバッテリ２０の負極端子に至る。

図５（ａ）および（ｂ）のいずれの状態においても、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６からセカンダリ巻線１４に出力された交流電圧、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のスイッチング状態、バッテリ２０の出力電圧、およびコンデンサ２２の充電電圧に応じた電流ｉＬ１および電流ｉＬ２が、第１プライマリ巻線１２－１および第２プライマリ巻線１２－２にそれぞれ流れる。

充電モードでは、電流ｉＬ１および電流ｉＬ２の大きさに差異が生じる。これによって、電流ｉＬ１および電流ｉＬ２の大きさの差異に応じた電流がバッテリ２０の正極端子に流入しバッテリ２０が充電される。

図６には、充電モードにおける制御部２８の構成が示されている。図３に示されている構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。第１減算器３２、電圧制御器３４、第２減算器３６および電流制御器３８の処理によって第２制御値δ２が生成され、電流制御器３８からＵ相減算器５２およびＶ相加算器５４に第２制御値δ２が出力される。Ｕ相減算器５２は、第２制御値δ２を基準デューティ比β０から減算したＵ相デューティ比指令値ＡＵをＵ相比較器４４に出力する。Ｖ相加算器５４は、第２制御値δ２に基準デューティ比β０を加算したＶ相デューティ比指令値ＡＶをＶ相比較器４６に出力する。

Ｕ相比較器４４は、キャリア信号がＵ相デューティ比指令値ＡＵよりも小さいときにハイとなり、キャリア信号がデューティ比指令値ＡＵ以上であるときにローとなる制御信号Ｃｎ２を出力する。また、反転器４８は、制御信号Ｃｎ２のハイおよびローを反転した制御信号Ｃｎ１を出力する。

Ｖ相比較器４６は、キャリア信号がＶ相デューティ比指令値ＡＶよりも小さいときにハイとなり、キャリア信号がＶ相デューティ比指令値ＡＶ以上であるときにローとなる制御信号Ｃｎ３を出力する。また、反転器５０は、制御信号Ｃｎ３のハイおよびローを反転した制御信号Ｃｎ４を出力する。

図７（ａ）にはキャリア信号の時間波形が示されている。図７（ｂ）～（ｅ）には、それぞれ、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４の時間波形が示されている。さらに、図７（ｆ）および（ｇ）には、それぞれ、第１プライマリ巻線１２－１に流れる電流ｉＬ１および第２プライマリ巻線１２－２に流れる電流ｉＬ２の時間波形が示されている。図７（ｈ）にはセカンダリ巻線１４の端子間電圧が示されている。

制御信号Ｃｎ１は、キャリア信号がＵ相デューティ比指令値ＡＵよりも小さいときにローとなり、キャリア信号がデューティ比指令値ＡＵ以上であるときにハイとなる。制御信号Ｃｎ２は、制御信号Ｃｎ１のハイおよびローを反転したものである。図７（ｂ）および（ｃ）において実線で示された制御信号Ｃｎ１およびＣｎ２の時間波形は、Ｕ相デューティ比指令値ＡＵがβ０＝０．５の場合の時間波形である。図７（ｂ）および（ｃ）において破線で示された制御信号Ｃｎ１およびＣｎ２の時間波形は、Ｕ相デューティ比指令値ＡＵがβ０＝０．５から第２制御値δ２を減算した値である場合の時間波形である。

制御信号Ｃｎ３は、キャリア信号がＶ相デューティ比指令値ＡＶ以上であるときにローとなり、キャリア信号がデューティ比指令値ＡＶよりも小さいときにハイとなる。制御信号Ｃｎ４は、制御信号Ｃｎ３のハイおよびローを反転したものである。図７（ｄ）および（ｅ）において実線で示された制御信号Ｃｎ３およびＣｎ４の時間波形は、Ｖ相デューティ比指令値ＡＶがβ０＝０．５の場合の時間波形である。図７（ｄ）および（ｅ）において破線で示された制御信号Ｃｎ１およびＣｎ２の時間波形は、Ｖ相デューティ比指令値ＡＶがβ０＝０．５に第２制御値δ２を加算した値である場合の時間波形である。

制御信号Ｃｎ１がローであり制御信号Ｃｎ２がハイである間、電流ｉＬ１は時間経過と共に増加し、制御信号Ｃｎ１がハイであり制御信号Ｃｎ２がローである間、電流ｉＬ１は時間経過と共に減少する。これによって、電流ｉＬ１は、時間経過と共に三角波状に増減を繰り返す。

制御信号Ｃｎ３がローであり制御信号Ｃｎ４がハイである間、電流ｉＬ２は時間経過と共に増加し、制御信号Ｃｎ３がハイであり制御信号Ｃｎ４がローである間、電流ｉＬ２は時間経過と共に減少する。これによって、電流ｉＬ２は時間経過と共に三角波状に増減を繰り返す。

図７（ａ）に示されているように、Ｕ相デューティ比指令値ＡＵがβ０＝０．５から第２制御値δ２を減算した値を有し、Ｖ相デューティ比指令値ＡＶがβ０＝０．５に第２制御値δ２を加算した値を有している。これによって、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４のそれぞれのパルス幅は、図７（ｂ）～（ｅ）の破線で示されているように増減し、電流ｉＬ１およびｉＬ２の大きさに相違が生じる。

セカンダリ巻線１４には、図７（ｈ）に示されているようなキャリア信号に同期した矩形波電圧がＡＣ／ＡＣコンバータ１６から出力されている。スイッチング回路２１のスイッチング状態に加えて、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６からセカンダリ巻線１４に出力される電圧に応じて、第１プライマリ巻線１２－１に電流ｉＬ１が流れ、第２プライマリ巻線１２－２に電流ｉＬ２が流れる。そして、電流ｉＬ１およびｉＬ２の大きさの相違に応じてバッテリ２０に流れる電流によってバッテリ２０が充電される。

図８には、電力変換モードでの動作および充電モードでの動作を選択的に実行する制御部２８の構成が示されている。図３および図６に示されている構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

制御部２８は、第１減算器３２、電圧制御器３４、第２減算器３６および電流制御器３８に加えて、モード設定部５８、選択部５９、電力変換モード・信号生成部６０、充電モード・信号生成部６２を備えている。電力変換モード・信号生成部６０は、図３に示された基準デューティ比発生部４０、加算器４２、Ｕ相比較器４４、Ｖ相比較器４６、反転器４８および５０を備えている。充電モード・信号生成部６２は、図６に示された基準デューティ比発生部５６、Ｕ相減算器５２、Ｖ相加算器５４、Ｕ相比較器４４、Ｖ相比較器４６、反転器４８および５０を備えている。

選択部５９は、モード設定部５８の制御に応じて、電流制御器３８が出力する第２制御値δ２を電力変換モード・信号生成部６０、または、充電モード・信号生成部６２に出力する。電力変換モードにおいてモード設定部５８は、電流制御器３８が出力する第２制御値δ２を電力変換モード・信号生成部６０に出力するよう選択部５９を制御する。充電モードにおいてモード設定部５８は、電流制御器３８が出力する第２制御値δ２を充電モード・信号生成部６２に出力するよう選択部５９を制御する。電力変換モードにおいて、電力変換モード・信号生成部６０は、キャリア信号および第２制御値δ２に基づいて制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４を出力する。充電モードにおいて、充電モード・信号生成部６２は、キャリア信号および第２制御値δ２に基づいて制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４を出力する。

図９には、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６の構成例が示されている。ＡＣ／ＡＣコンバータ１６は、交流電源１８から電力変換装置に供給される電力の力率を調整する電力調整回路としての機能を有している。ＡＣ／ＡＣコンバータ１６は、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６によって構成されるハーフブリッジＷ、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８によって構成されるハーフブリッジＸ、ならびにリアクトル６４を備えている。ハーフブリッジＷは、スイッチング素子Ｓ５の一端と、スイッチング素子Ｓ６の一端とを接続したものである。スイッチング素子Ｓ５およびＳ６には、オンのときに双方向に電流が流れる双方向スイッチング素子が用いられる。同様に、ハーフブリッジＸは、スイッチング素子Ｓ７の一端と、スイッチング素子Ｓ８の一端とを接続したものである。スイッチング素子Ｓ７およびＳ８には、オンのときに双方向に電流が流れる双方向スイッチング素子が用いられる。

ハーフブリッジＷおよびＸは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子Ｓ５の上側の端子とスイッチング素子Ｓ７の上側の端子とが接続されている。また、スイッチング素子Ｓ６の下側の端子とスイッチング素子Ｓ８の下側の端子とが接続されている。

スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点にはリアクトル６４の一端が接続されている。リアクトル６４の他端とスイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間には、交流電源１８が接続されている。

制御部２８から出力される制御信号Ｃｎ５およびＣｎ６によって、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６は交互にオンオフする。同様に制御部２８から出力される制御信号Ｃｎ７およびＣｎ８によって、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８は交互にオンオフする。

制御部２８によって、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ８は、交流電源１８が出力する交流電圧の時間波形と同様の時間波形を有する電流がリアクトル６４に流れるようにスイッチングされる。これによって、交流電源１８からトランス１０に供給される電力の力率が適切な値に調整される。

図１０には、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点と、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間に現れるスイッチング電圧Ｖｗｘの時間波形が示されている。また、リアクトル６４に流れる電流ｉｑの時間波形がスイッチング電圧Ｖｗｘの時間波形と共に示されている。

スイッチング電圧Ｖｗｘは、交流電源１８が出力する電圧に応じて極性およびパルス幅が変化する。すなわち、交流電源１８の出力電圧の極性と同一の極性を有し、出力電圧が大きいとき程パルス幅が長くなり、出力電圧が小さいとき程パルス幅が短くなる。

スイッチング電圧Ｖｗｘに応じて流れる電流は、スイッチング電圧Ｖｗｘの時間波形を平滑化した時間波形となり、正弦波に近似された時間波形となる。これによって、交流電源１８からＡＣ／ＡＣコンバータ１６およびトランス１０を介してスイッチング回路２１に供給される電力の力率が適切に調整され、交流電源１８からバッテリ２０に十分な電力が供給される。

ここでは、交流電源１８が単相交流電源である場合について説明した。交流電源１８が多相交流電源である場合には、相数に応じた数のハーフブリッジを備える構成が採用される。すなわち、複数のハーフブリッジのそれぞれが備える２つのスイッチング素子の接続点に、多相交流電源の対応する相が接続され、各相にリアクタンスが設けられる。

本実施形態に係る電力変換装置によれば、ＡＣ／ＡＣコンバータ１６およびスイッチング回路２１がトランス１０によって結合されている。スイッチング回路２１が備えるスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のスイッチングの状態を異ならせることで、電力変換モードでの動作と充電モードでの動作とが切り換えられる。したがって、電力変換モードと充電モードとの切り換えにスイッチ回路等のハードウエアが用いられなくてもよく、構成が単純化される。

また、ユーザが触れる側のＡＣ／ＡＣコンバータとバッテリ２０側の回路とが、トランス１０によって絶縁されるため、ＡＣ／ＡＣコンバータ側の絶縁設計が容易となる。

なお、上記では、負荷回路をインバータ２４およびモータジェネレータ２６として、電力変換装置が電動車両に搭載される実施形態について説明した。負荷回路は、一般的な産業用機械であってもよいし、家庭用の電源供給装置であってもよい。

１０トランス、１２－１第１プライマリ巻線、１２－２第２プライマリ巻線、１４セカンダリ巻線、１６ＡＣ／ＡＣコンバータ、１８交流電源、２０バッテリ、２１スイッチング回路、２２コンデンサ、２３負極導体、２４インバータ、２６モータジェネレータ、２８制御部、３０コア、３２第１減算器、３４電圧制御器、３６第２減算器、３８電流制御器、４０，５６基準デューティ比発生部、４２加算器、４４Ｕ相比較器、４６Ｖ相比較器、４８，５０反転器、５２Ｕ相減算器、５４Ｖ相加算器、５８モード設定部、５９選択部、６０電力変換モード・信号生成部、６２充電モード・信号生成部。

Claims

入力電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、
負荷回路が接続されるスイッチング回路と、
前記電力調整回路および前記スイッチング回路を結合する磁気結合回路と、を備え、
前記スイッチング回路は、
バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから前記負荷回路に電力を供給する電力変換モード、または、前記電力調整回路から前記磁気結合回路を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モードのいずれかで動作し、
前記スイッチング回路は、
並列接続された２つのハーフブリッジであって、直列接続された２つのスイッチング素子をそれぞれが含む、２つのハーフブリッジと、
並列接続された２つの前記ハーフブリッジに並列に接続され、前記負荷回路が接続されるコンデンサと、を備え、
前記磁気結合回路は、
一方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子の接続点に一端が接続された第１プライマリ巻線と、
他方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子の接続点に一端が接続された第２プライマリ巻線と、
前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に磁気的に結合し、前記電力調整回路に接続されたセカンダリ巻線と、を備え、
前記第１プライマリ巻線の他端および前記第２プライマリ巻線の他端が共通に接続されており、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線の接続点に前記バッテリが接続されており、
前記電力変換モードでは、一方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子と、他方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子とが、同一のデューティ比で、かつ同一のタイミングでオンオフ動作し、
前記充電モードでは、一方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子と、他方の前記ハーフブリッジが備える２つのスイッチング素子とが、同一のまたは異なるデューティ比で、かつ異なるタイミングでオンオフ動作することを特徴とする電力変換装置。
入力電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、
負荷回路が接続されるスイッチング回路と、
前記電力調整回路および前記スイッチング回路を結合する磁気結合回路と、を備え、
前記スイッチング回路は、
バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから前記負荷回路に電力を供給する電力変換モード、または、前記電力調整回路から前記磁気結合回路を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モードのいずれかで動作し、
前記スイッチング回路は、
直列接続されたスイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２を含むハーフブリッジＵと、
直列接続されたスイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４を含むハーフブリッジＶと、
前記負荷回路が接続されるコンデンサと、を備え、
前記スイッチング素子Ｓ１の前記スイッチング素子Ｓ２側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の端子とが接続され、前記スイッチング素子Ｓ２の前記スイッチング素子Ｓ１側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の端子とが接続され、
前記コンデンサは、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３の接続点と、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点との間に接続され、
前記磁気結合回路は、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ２の接続点に一端が接続された第１プライマリ巻線と、
前記スイッチング素子Ｓ３および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点に一端が接続された第２プライマリ巻線と、
前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に磁気的に結合し、前記電力調整回路に接続されたセカンダリ巻線と、を備え、
前記第１プライマリ巻線の他端および前記第２プライマリ巻線の他端が共通に接続されており、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線の接続点に前記バッテリが接続され、
前記電力変換モードの動作では、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオンになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオフになる第１状態と、前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオフになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオンになる第２状態とが交互に生じ、
前記充電モードの動作では、
前記第１状態、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオフになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオンになる第３状態、
前記第１状態、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ４が共にオンになり、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ３が共にオフになる第４状態、が順に生じる過程が繰り返されることを特徴とする電力変換装置。
入力電力をスイッチングによって調整する電力調整回路と、
負荷回路が接続されるスイッチング回路と、
前記電力調整回路および前記スイッチング回路を結合する磁気結合回路と、を備え、
前記スイッチング回路は、
バッテリから出力される電力に対するスイッチングによって、前記バッテリから前記負荷回路に電力を供給する電力変換モード、または、前記電力調整回路から前記磁気結合回路を介して供給される電力に対するスイッチングによって前記バッテリを充電する充電モードのいずれかで動作し、
前記スイッチング回路は、
直列接続され、交互にオンオフするスイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２を含むハーフブリッジＵと、
直列接続され、交互にオンオフするスイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４を含むハーフブリッジＶと、
前記負荷回路が接続されるコンデンサと、を備え、
前記スイッチング素子Ｓ１の前記スイッチング素子Ｓ２側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の端子とが接続され、前記スイッチング素子Ｓ２の前記スイッチング素子Ｓ１側とは反対側の端子と、前記スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の端子とが接続され、
前記コンデンサは、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ３の接続点と、前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点との間に接続され、
前記磁気結合回路は、
前記スイッチング素子Ｓ１および前記スイッチング素子Ｓ２の接続点に一端が接続された第１プライマリ巻線と、
前記スイッチング素子Ｓ３および前記スイッチング素子Ｓ４の接続点に一端が接続された第２プライマリ巻線と、
前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に磁気的に結合し、前記電力調整回路に接続されたセカンダリ巻線と、を備え、
前記第１プライマリ巻線の他端および前記第２プライマリ巻線の他端が共通に接続されており、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線の接続点に前記バッテリが接続され、
前記電力変換モードの動作では、
前記スイッチング素子Ｓ２および前記スイッチング素子Ｓ４は、デューティ比指令値と、キャリアとの比較に応じて求められた制御信号に応じて同一タイミングでオンオフし、
前記充電モードの動作では、
前記スイッチング素子Ｓ２は、制御値および基準デューティ比の差異を示すデューティ比指令値と、キャリアとの比較に応じて求められた制御信号に応じてオンオフし、
前記スイッチング素子Ｓ３は、前記制御値および前記基準デューティ比が加算されたデューティ比指令値と、前記スイッチング素子Ｓ２と共通のキャリアとの比較に応じて求められた制御信号に応じてオンオフすることを特徴とする電力変換装置。