JP7371674B2

JP7371674B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7371674B2
Application number: JP2021153084A
Authority: JP
Inventors: ゴー・テックチャン; 恭佑種村; 修二戸村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2041-09-21
Also published as: JP2023044947A

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、スイッチングによって電力伝送を行う装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両が広く用いられている。近年では、電動車両に搭載されたバッテリから商用電源システム等の電力系統に電力を供給し、電力系統からバッテリに電力を供給するＶ２Ｇ（Vehicle to Grid）と呼ばれる技術につき研究が行われている。Ｖ２Ｇでは、バッテリから出力された電力を調整して電力系統に供給し、あるいは、電力系統から供給された電力を調整してバッテリに出力する電力変換装置が用いられる。また、電動車両に搭載されたバッテリから一般家庭、オフィス等で用いられる電気機器に電力を供給するＶ２Ｈ（Vehicle to Home）と呼ばれる技術についても研究が行われている。Ｖ２Ｈにおいても、バッテリと電気機器との間の電力経路に電力変換装置が用いられる。電力変換装置には、交流電力を直流電力に変換し、あるいは直流電力を交流電力に変換するＡＣ／ＤＣ電力変換装置や、直流電圧のレベルを変換するＤＣ／ＤＣ電力変換装置がある。

電力変換装置には、特許文献１や非特許文献１および２に記載されているように、２つのスイッチング回路をトランスによって結合したものがある。特許文献１には、絶縁型の電力変換回路システムが記載されている。このシステムでは、スイッチングトランジスタを含む２つの変換回路がトランスによって結合されており、トランスが昇圧または降圧用のリアクトルとして用いられている。すなわち、トランスの巻線に現れるインダクタンスが昇圧や降圧に用いられている。

非特許文献１に記載されているＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、一方のスイッチング回路をスイッチングする位相と、他方のスイッチング回路をスイッチングする位相との差異に応じて、一方から他方に電力が伝送される。非特許文献２に記載されているＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、２つのスイッチング回路が、同一の位相でスイッチングされる。各スイッチング回路が備えるスイッチング素子のスイッチングデューティ比を調整することで、一方のスイッチング回路に入力される電圧と、他方のスイッチング回路から出力される電圧との比率が制御される。

特開２０１７－６０２８５号公報

"B. Cougo,J. W. Kolar" Integration of Leakage Inductance in Tape Wound Core Transformers for Dual Active Bridge Converters, 2012 7th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS) 宅間春介, 大島涼, 日下佳祐, 伊東淳一: 「インダイレクトマトリックスコンバータを用いた絶縁形DC-ACコンバータのスイッチング損失低減手法」, 電気学会論文誌D, Vol. 140, No. 3, pp. 130-139 (2020)

上記の特許文献および非特許文献に見られるように、電力変換装置では、ユーザが操作する箇所と高電圧が印加されている箇所との間の絶縁性を高めてユーザの操作を容易にするため、トランスが用いられる。また、リアクトルやトランスの漏れインダクタンスが、昇圧または降圧に用いられる。しかし、リアクトルやトランスは、電力変換装置に用いられる回路素子の中では体積が大きく、装置を大型化とする要因となる。

本発明は、電力変換装置に用いられる回路素子を小型化することを目的とする。

本発明は、プライマリ巻線に結合するセカンダリ巻線と、前記セカンダリ巻線の両端が接続されると共に、負荷／電源回路が一対の端子に接続されるスイッチング回路であって、前記プライマリ巻線に印加される電圧に応じてスイッチングを行い、前記セカンダリ巻線に現れる交流電圧を直流電圧に変換し、前記負荷／電源回路に出力するスイッチング回路と、前記一対の端子に両端が接続されたコンデンサアームであって、直列接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサを備えるコンデンサアームと、前記セカンダリ巻線のタップと、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点との間に接続されたリアクトルと、を備え、前記セカンダリ巻線の一端、前記スイッチング回路、前記第１コンデンサおよび前記リアクトルを経て前記セカンダリ巻線のタップに至る第１ループに、前記スイッチングによって電流が流れ、前記第１コンデンサが充放電され、前記セカンダリ巻線の他端、前記スイッチング回路、前記第２コンデンサおよび前記リアクトルを経て前記セカンダリ巻線のタップに至る第２ループに、前記スイッチングによって電流が流れ、前記第２コンデンサが充放電され、前記コンデンサアームの端子間の電圧、および前記負荷／電源回路に流れる電流が、前記スイッチングによって制御されることを特徴とする。

また、本発明は、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を備えるＵ相スイッチングアームと、直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子を備えるＶ相スイッチングアームと、プライマリ巻線に結合するセカンダリ巻線であって、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の接続点と、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点との間に設けられたセカンダリ巻線と、直列に接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサを備えるコンデンサアームと、前記セカンダリ巻線のタップと、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点との間に設けられたリアクトルと、を備え、前記第１スイッチング素子の一端、前記第３スイッチング素子の一端および前記第１コンデンサの一端が共通に接続され、前記第２スイッチング素子の一端、前記第４スイッチング素子の一端および前記第２コンデンサの一端が共通に接続されるように、前記Ｕ相スイッチングアーム、前記Ｖ相スイッチングアームおよび前記コンデンサアームが並列接続されていることを特徴とする。

望ましくは、前記プライマリ巻線に印加される電圧が、正、０、負、０の順で変化することに応じて、前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンになり、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオフになる第１状態、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンになり、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオフになる第２状態、前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオフになり、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンになる第３状態、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオフになり、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンになる第４状態が、順に実現されることを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置に用いられる回路素子を小型化することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換システムを示す図である。プライマリ巻線電圧Ｖｐの時間波形を示す図である。第１状態のコンデンサ分割型電力変換装置に流れる電流を示す図である。第２状態のコンデンサ分割型電力変換装置に流れる電流を示す図である。第３状態のコンデンサ分割型電力変換装置に流れる電流を示す図である。第４状態のコンデンサ分割型電力変換装置に流れる電流を示す図である。各スイッチング素子の状態、リアクトルの端子間電圧ＶＬ、および各コンデンサの状態を示す図である。セカンダリ巻線電圧Ｖｓ、リアクトル電圧ＶＬ、リアクトルＬに流れる電流ｉＬ、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１および下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２の時間波形の概形を示す図である。プライマリ巻線側からセカンダリ巻線側に電力が伝送される場合の等価回路を示す図である。セカンダリ巻線側からプライマリ巻線側に電力が伝送される場合の等価回路を示す図である。コンデンサ分割型電力変換装置のシミュレーション結果を示す図である。コンデンサ分割型電力変換装置のシミュレーション結果を示す図である。コンデンサ分割型電力変換装置のシミュレーション結果を示す図である。コンデンサ分割型電力変換装置の実験結果を示す図である。本発明の第２実施形態に係る３ポート電力変換システムを示す図である。本発明の第３実施形態に係る３ポート／２ポート電力変換システムを示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示された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。本明細書における上下左右等の方向を示す用語は、図面における方向を示す。方向を示すこれらの用語は各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。

図１には、本発明の第１実施形態に係る電力変換システム１００が示されている。電力変換システム１００は、電力変換装置１０およびコンデンサ分割型電力変換装置２０を備えている。電力変換装置１０は、Ｘ相スイッチングアーム１２Ｘ、Ｙ相スイッチングアーム１２Ｙ、コンデンサＣ０、プライマリ巻線１８、正極端子１４ｐおよび負極端子１４ｎを備えている。

Ｘ相スイッチングアーム１２Ｘは、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ５およびＳ６を備え、スイッチングアーム１２Ｙは、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ７およびＳ８を備えている。各スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられてよい。スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられる場合、２つのＩＧＢＴが直列接続されるとは、一方のＩＧＢＴのエミッタ端子に他方のＩＧＢＴのコレクタ端子が接続されることをいう。スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、２つのＭＯＳＦＥＴが直列接続されるとは、一方のＭＯＳＦＥＴのソース端子に他方のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子が接続されることをいう。また、各スイッチング素子にはダイオードが含まれている。スイッチング素子にＩＧＢＴが用いられる場合、エミッタ端子にアノード端子が接続され、コレクタ端子にカソード端子が接続されている。スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、ソース端子にアノード端子が接続され、ドレイン端子にカソード端子が接続されている。

以下の説明では、Ｘ相スイッチングアーム１２ＸおよびＹ相スイッチングアーム１２Ｙを、それぞれ、スイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙという。スイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙは並列に接続されている。すなわち、スイッチング素子Ｓ５のスイッチング素子Ｓ６とは反対側の端子（上側の端子）と、スイッチング素子Ｓ７のスイッチング素子Ｓ８とは反対側の端子（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のスイッチング素子Ｓ５とは反対側の端子（下側の端子）と、スイッチング素子Ｓ８のスイッチング素子Ｓ７とは反対側の端子（下側の端子）とが接続されている。

スイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙには、コンデンサＣ０が並列に接続されている。すなわち、スイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙの２つの並列接続点の間には、コンデンサＣ０が接続されている。スイッチングアーム１２Ｘ、１２ＹおよびコンデンサＣ０の上側の並列接続点は正極端子１４ｐに接続され、スイッチングアーム１２Ｘ、１２ＹおよびコンデンサＣ０の下側の並列接続点は負極端子１４ｎに接続されている。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の接続点との間には、プライマリ巻線１８が接続されている。

各スイッチング素子にＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる点、各スイッチング素子がダイオードを含む点、スイッチング素子の直列接続の定義およびスイッチングアームの並列接続の定義については、以下のスイッチング素子についても同様である。

コンデンサ分割型電力変換装置２０は、Ｕ相スイッチングアーム２６Ｕ、Ｖ相スイッチングアーム２６Ｖ、コンデンサアームＣ、セカンダリ巻線２２、リアクトルＬ、正極端子３２ｐおよび負極端子３２ｎを備えている。Ｕ相スイッチングアーム２６Ｕは、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ１およびＳ２（第１スイッチング素子および第２スイッチング素子）を備えている。Ｖ相スイッチングアーム２６Ｖは、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ３およびＳ４（第３スイッチング素子および第４スイッチング素子）を備えている。コンデンサアームＣは、直列接続された上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄ（第１コンデンサおよび第２コンデンサ）を備えている。Ｕ相スイッチングアーム２６Ｕ、Ｖ相スイッチングアーム２６ＶおよびコンデンサアームＣは並列接続されている。Ｕ相スイッチングアーム２６Ｕ、Ｖ相スイッチングアーム２６ＶおよびコンデンサアームＣの上側の並列接続点および下側の並列接続点は、それぞれ、正極端子３２ｐおよび負極端子３２ｎに接続されている。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続点と、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続点との間には、セカンダリ巻線２２が接続されている。セカンダリ巻線２２は、プライマリ巻線１８に結合し、プライマリ巻線１８と共にトランスを構成する。セカンダリ巻線２２を構成する導線の中途の点にあるタップと、上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄの接続点との間には、リアクトルＬが接続されている。タップは、セカンダリ巻線２２を構成する導線の中点にあるセンタータップであってよい。

電力変換装置１０の正極端子１４ｐと負極端子１４ｎとの間には直流電圧Ｖｄｃｉｎが印加される。電力変換装置１０の状態は時間経過と共に順に、スイッチング素子Ｓ５およびＳ８がオンでありスイッチング素子Ｓ６およびＳ７がオフであるＡ状態、スイッチング素子Ｓ５およびＳ７がオンでありスイッチング素子Ｓ６およびＳ８がオフであるＢ状態、スイッチング素子Ｓ６およびＳ７がオンでありスイッチング素子Ｓ５およびＳ８がオフであるＣ状態、スイッチング素子Ｓ５およびＳ７がオフでありスイッチング素子Ｓ６およびＳ８がオンであるＤ状態となる。電力変換装置１０の状態は順にＡ状態～Ｄ状態となり、順にＡ状態～Ｄ状態となる過程が繰り返される。

図２には、プライマリ巻線１８に現れる電圧Ｖｐ（プライマリ巻線電圧Ｖｐ）の時間波形が示されている。時間帯ｔ１～ｔ４において電力変換装置１０は、それぞれＡ状態～Ｄ状態となる。時間帯ｔ１においてプライマリ巻線電圧ＶｐはＶｉｎとなり、時間帯ｔ２においてプライマリ巻線電圧Ｖｐは０となる。時間帯ｔ３においてプライマリ巻線電圧Ｖｐは－Ｖｉｎとなり、時間帯ｔ４においてプライマリ巻線電圧Ｖｐは０となる。プライマリ巻線１８の巻き数に対するセカンダリ巻線２２の巻き数の比率である巻線比をＮとした場合、セカンダリ巻線２２に現れる電圧Ｖｓ（セカンダリ巻線電圧Ｖｓ）は、はプライマリ巻線１８に現れる電圧のＮ倍となる。

コンデンサ分割型電力変換装置２０が備えるスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４は、それぞれ、電力変換装置１０が備えるスイッチング素子Ｓ５～Ｓ８と同期してスイッチングを行う。すなわち、コンデンサ分割型電力変換装置２０の状態は、時間経過と共に順に、スイッチング素子Ｓ１およびＳ４がオンでありスイッチング素子Ｓ２およびＳ３がオフである第１状態、スイッチング素子Ｓ１およびＳ３がオンでありスイッチング素子Ｓ２およびＳ４がオフである第２状態、スイッチング素子Ｓ２およびＳ３がオンでありスイッチング素子Ｓ１およびＳ４がオフである第３状態、スイッチング素子Ｓ１およびＳ３がオフでありスイッチング素子Ｓ２およびＳ４がオンである第４状態となる。コンデンサ分割型電力変換装置２０の状態は順に第１状態～第４状態となり、順に第１状態～第４状態となる過程が繰り返される。すなわち、コンデンサ分割型電力変換装置２０では、プライマリ巻線１８に印加される電圧が、正（Ｖｉｎ）、０、負（－Ｖｉｎ）、０の順で変化することに応じて、第１状態～第４状態が順に実現され、順に第１状態～第４状態が実現される過程が繰り返される。

図３Ａには、第１状態のコンデンサ分割型電力変換装置２０に流れる各電流が示されている。第１状態では、セカンダリ巻線２２の上端からスイッチング素子Ｓ１、上コンデンサＣｕ、およびリアクトルＬを経て、セカンダリ巻線２２のタップに至る電流ｉｃ１が流れる。電流ｉｃ１によって上コンデンサＣｕが充電される。また、セカンダリ巻線２２の下端からスイッチング素子Ｓ４、下コンデンサＣｄ、およびリアクトルＬを経てセカンダリ巻線２２のタップに至る電流ｉｃ２が流れる。電流ｉｃ２は下コンデンサＣｄの放電による電流である。

第１状態では、さらに、セカンダリ巻線２２の上端からスイッチング素子Ｓ１を流れ、正極端子３２ｐから流出し、正極端子３２ｐと負極端子３２ｎとの間に接続された負荷／電源回路（図示せず）を流れた後に負極端子３２ｎから流入し、スイッチング素子Ｓ４を経てセカンダリ巻線２２の下端に至る電流ｉＲが流れる。ここで、負荷／電源回路は、動作状況に応じて負荷回路または電源回路として動作する回路であってよい。また、負荷／電源回路は、専ら負荷回路として動作する回路であってもよいし、専ら電源回路として動作する回路であってもよい。負荷／電源回路はバッテリであってもよい。

図３Ｂには、第２状態のコンデンサ分割型電力変換装置２０に流れる電流が示されている。第２状態では、セカンダリ巻線２２のタップから、リアクトルＬ、上コンデンサＣｕ、およびスイッチング素子Ｓ１を経て、セカンダリ巻線２２の上端に至る電流ｉｃ１が流れる。電流ｉｃ１は上コンデンサＣｕの放電による電流である。

図３Ｃには、第３状態のコンデンサ分割型電力変換装置２０に流れる各電流が示されている。第３状態では、セカンダリ巻線２２のタップからリアクトルＬ、上コンデンサＣｕ、およびスイッチング素子Ｓ３を経て、セカンダリ巻線２２の下端に至る電流ｉｃ１が流れる。電流ｉｃ１は上コンデンサＣｕの放電による電流である。また、セカンダリ巻線２２のタップからリアクトルＬ、下コンデンサＣｄ、およびスイッチング素子Ｓ２を経て、セカンダリ巻線２２の上端に至る電流ｉｃ２が流れる。電流ｉｃ２によって下コンデンサＣｄが充電される。

第３状態では、さらに、セカンダリ巻線２２の下端からスイッチング素子Ｓ３を流れ、正極端子３２ｐから流出し、正極端子３２ｐと負極端子３２ｎとの間に接続された負荷／電源回路を流れた後に負極端子３２ｎから流入し、スイッチング素子Ｓ２を流れてセカンダリ巻線２２の上端に至る電流ｉＲが流れる。

図３Ｄには、第４状態のコンデンサ分割型電力変換装置２０に流れる電流が示されている。第４状態では、セカンダリ巻線２２の上端からスイッチング素子Ｓ２、下コンデンサＣｄおよびリアクトルＬを経て、セカンダリ巻線２２のタップに至る電流ｉｃ２が流れる。電流ｉｃ２は下コンデンサＣｄの放電による電流である。

図４には、時間帯ｔ１～ｔ４、すなわち、第１状態～第４状態における、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４の状態と、リアクトルＬの端子間電圧ＶＬ（リアクトル電圧ＶＬ）が示され、さらには、上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄの状態が示されている。図４における「１」の表記はスイッチング素子がオンであることを示し、「０」の表記はスイッチング素子がオフであることを示す。第１状態～第４状態のそれぞれにおける各スイッチング素子の状態は上述の通りである。

時間帯ｔ１では、リアクトル電圧ＶＬは０となる。時間帯ｔ２では、リアクトル電圧ＶＬは、上コンデンサＣｕの端子間電圧Ｖｃ１と同一となる。時間帯ｔ３では、リアクトル電圧ＶＬは０となる。時間帯ｔ４では、リアクトル電圧ＶＬは、下コンデンサＣｄの端子間電圧Ｖｃ２と同一となる。ただし、時間帯ｔ４におけるリアクトル電圧ＶＬは、時間帯ｔ２におけるリアクトル電圧ＶＬとは極性が逆となる。

図４における「充電」の表記はコンデンサが充電される状態であることを示し、「放電」の表記はコンデンサが放電する状態であることを示す。「なし」の表記は、コンデンサが、充電されず放電もしないことを示す。時間帯ｔ１において上コンデンサＣｕは充電され、下コンデンサＣｄは放電する。時間帯ｔ２において上コンデンサＣｕは放電し、下コンデンサＣｄは充電されず放電もしない。時間帯ｔ３において、上コンデンサＣｕは放電し、下コンデンサＣｄは充電される。時間帯ｔ４において上コンデンサＣｕは充電されず放電もせず、下コンデンサＣｄは放電する。

コンデンサ分割型電力変換装置２０の構成および動作は、Ｕ相スイッチングアーム２６ＵとＶ相スイッチングアーム２６Ｖとから構成されるスイッチング回路を含む回路構成によって説明することができる。このスイッチング回路は、セカンダリ巻線２２の両端が接続されると共に、負荷／電源回路が各スイッチングアームの両端（一対の端子）に接続される回路である。スイッチング回路は、プライマリ巻線１８に印加される電圧に応じてスイッチングを行い、セカンダリ巻線２２に現れる交流電圧を直流電圧に変換し、負荷／電源回路に出力する。

セカンダリ巻線２２の一端、スイッチング回路、上コンデンサＣｕおよびリアクトルＬを経てセカンダリ巻線２２のタップに至る第１ループに、スイッチング回路のスイッチングによって電流が流れ、上コンデンサＣｕが充放電される。また、セカンダリ巻線２２の他端、スイッチング回路、下コンデンサＣｄおよびリアクトルＬを経てセカンダリ巻線２２のタップに至る第２ループに、スイッチング回路のスイッチングによって電流が流れ、下コンデンサＣｄが充放電される。さらに、スイッチング回路のスイッチングによって、コンデンサアームＣの端子間の電圧、および負荷／電源回路に流れる電流が制御される。

図５には、上から順に、セカンダリ巻線電圧Ｖｓ、リアクトル電圧ＶＬ、リアクトルＬに流れる電流ｉＬ、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１および下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２の時間波形の概形が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電圧または電流の値を示す。

セカンダリ巻線電圧Ｖｓは、セカンダリ巻線２２の下端を電位の基準とする。リアクトル電圧ＶＬは、リアクトルＬの右端を電位の基準とする。リアクトルＬに流れる電流ｉＬは、リアクトルＬの右端から流入する向きを正とする。上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１は、上コンデンサＣｕの上端から流入する向きを正とする。下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２は、下コンデンサＣｄの上端から流入する向きを正とする。

セカンダリ巻線電圧Ｖｓは、図２に示されたプライマリ巻線電圧Ｖｐの巻線比Ｎ倍である。時間帯ｔ１においてセカンダリ巻線電圧ＶｓはＶｔとなり、時間帯ｔ２においてセカンダリ巻線電圧Ｖｓは０となる。時間帯ｔ３においてセカンダリ巻線電圧Ｖｓは－Ｖｔとなり、時間帯ｔ４においてセカンダリ巻線電圧Ｖｓは０となる。ただし、セカンダリ巻線電圧Ｖｓの波高値Ｖｔは、プライマリ巻線電圧Ｖｐの波高値Ｖｉｎの巻線比Ｎ倍である。

時間帯ｔ１においてリアクトル電圧ＶＬは０となり、時間帯ｔ２においてリアクトル電圧ＶＬはＶｃ１（上コンデンサＣｕの端子間電圧）となる。時間帯ｔ３においてリアクトル電圧ＶＬは０となり、時間帯ｔ４においてリアクトル電圧ＶＬは－Ｖｃ２（下コンデンサＣｄの端子間電圧）となる。

リアクトルＬに流れる電流ｉＬ（リアクトル電流ｉＬ）は、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１から下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２を減算したものである。上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１は、時間帯ｔ１において正方向に増加する。時間帯ｔ２においては、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１は減少して０となり、さらには負の値となって負方向に増加する。時間帯ｔ３において、負の値である上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１は正方向に増加して０に達する。時間帯ｔ４において、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１は０となる。

下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２は、時間帯ｔ１において負の値であり、正方向に増加して０に達する。時間帯ｔ２において、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２は０となる。時間帯ｔ３において、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２は正の値となって正方向に増加する。時間帯ｔ４においては、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２は減少して０となり、さらには負の値となって負方向に増加する。

時間帯ｔ１では、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１の傾きと、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２の傾きは同一であり、電流ｉｃ１および電流ｉｃ２は極性が逆である。そのため、リアクトル電流ｉＬ＝ｉｃ１－ｉｃ２は一定となる。

時間帯ｔ２では、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２が０であることから、リアクトル電流ｉＬは、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１と一致する。

時間帯ｔ３では、時間帯ｔ１と同様、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１の傾きと、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２の傾きは同一であり、電流ｉｃ１および電流ｉｃ２は極性が逆である。そのため、リアクトル電流ｉＬ＝ｉｃ１－ｉｃ２は一定である。

時間帯ｔ４では、上コンデンサＣｕに流れる電流ｉｃ１が０であることから、リアクトル電流ｉＬは、下コンデンサＣｄに流れる電流ｉｃ２の極性を反転したものと一致する。

リアクトル電圧ＶＬは、リアクトル電流ｉＬを時間微分した値の極性を反転したものである。時間帯ｔ１ではリアクトル電流ｉＬは一定であるためリアクトル電圧ＶＬは０となる。時間帯ｔ２ではリアクトル電流ｉＬは減少しているため、リアクトル電圧ＶＬは正の値Ｖｃ１となる。時間帯ｔ３ではリアクトル電流ｉＬは一定であるためリアクトル電圧ＶＬは０となる。時間帯ｔ４ではリアクトル電流ｉＬは増加しているため、リアクトル電圧ＶＬは負の値－Ｖｃ２となる。

以上説明した動作を踏まえて、コンデンサ分割型電力変換装置２０の動作原理について説明する。以下の説明では、Ｕ相スイッチングアーム２６ＵおよびＶ相スイッチングアーム２６Ｖを、それぞれ、スイッチングアーム２６Ｕおよび２６Ｕという。コンデンサ分割型電力変換装置２０では、スイッチングアーム２６Ｕおよび２６Ｖのスイッチングによって、リアクトルＬに誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって電流ｉｃ１およびｉｃ２が流れ、上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄのそれぞれは、充電および放電を交互に繰り返す。上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄのうち一方が放電しているときは、他方は充電しているか、充放電をしない状態にある。また、上コンデンサＣｕおよびＣｄのうち一方が充電されているときは、他方は放電している。

このような動作によってコンデンサアームＣの両端には一定の電圧が現れ、負荷／電源回路に電流ｉＲが流れて直流電力が供給され、または負荷／電源回路からコンデンサ分割型電力変換装置２０に直流電力が供給される。プライマリ巻線側からセカンダリ巻線側へ供給された電力は負荷／電源回路に供給される。あるいは、負荷／電源回路から供給された電力がセカンダリ巻線側からプライマリ巻線側へ伝送される。

コンデンサ分割型電力変換装置２０から負荷／電源回路に供給される電力は、スイッチング素子Ｓ１およびＳ３のオン時比率を小さくし、スイッチング素子Ｓ２およびＳ４のオン時比率を大きくする程大きくなる。ここで、オン時比率とは、スイッチング周期に対する、スイッチング素子がオンとなる時間の比率をいう。

図６（ａ）にはプライマリ巻線側からセカンダリ巻線側に電力が伝送される場合の等価回路が示されている。図６（ｂ）には、この場合におけるセカンダリ巻線電圧Ｖｓ、電流ｉＲ、リアクトル電流ｉＬ、セカンダリ巻線２２のタップより上側（セカンダリ巻線上部）に流れる電流ｉｔ１（セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１）の時間波形が示されている。ここで、図６（ｂ）に示されている各横軸は時間を示し、縦軸は電圧または電流の値を示す。

図６（ａ）に示されているように、上コンデンサＣｕ、リアクトルＬ、およびセカンダリ巻線上部によって形成されるループには電流ｉｃ１が流れる。下コンデンサＣｄ、セカンダリ巻線２２のタップより下側（セカンダリ巻線下部）およびリアクトルＬによって形成されるループには電流ｉｃ２が流れる。リアクトル電流ｉＬは、電流ｉｃ１から電流ｉｃ２を減算したものであり、ｉＬ＝ｉｃ１－ｉｃ２が成立する。

正極端子３２ｐと負極端子３２ｎに接続された負荷／電源回路には直流電流ｉＲが流れる。これに対応して図６（ａ）には、直流電流ｉＲを流す電流源ｉＲが示されている。セカンダリ巻線２２の上端からは、セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１＝ｉｃ１＋ｉＲが流出する。これに対応して図６（ａ）には、セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１を流す電流源ｉｔ１が示されている。セカンダリ巻線２２の下端には、セカンダリ巻線下部電流ｉｔ２＝ｉｃ２＋ｉＲが流入する。これに対応して図６（ａ）には、セカンダリ巻線下部電流ｉｔ２を流す電流源ｉｔ２が示されている。

図７（ａ）には、図６（ｂ）と同様の定義により、セカンダリ巻線側からプライマリ巻線側に電力が伝送される場合の等価回路が示されている。図７（ｂ）には、この場合におけるセカンダリ巻線電圧Ｖｓ、電流ｉＲ、リアクトル電流ｉＬ、セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１の時間波形が示されている。ここで、図７（ｂ）に示されている各横軸は時間を示し、縦軸は電圧または電流の値を示す。

図６および図７に示されているように、正極端子３２ｐと負極端子３２ｎに接続された負荷／電源回路に流れる電流ｉＲは、電流ｉｃ１およびｉｃ２から独立しており、電流ｉＲが電流ｉｃ１およびｉｃ２の変化によって受ける影響は小さい。リアクトルＬ、上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄの素子定数を変更した場合には、電流ｉｃ１およびｉｃ２が変化するものの、理論的には負荷／電源回路に流れる電流ｉＲは変化しない。これによって、リアクトルＬ、上コンデンサＣｕおよび下コンデンサＣｄには、素子定数の小さいものを用いることができ、コンデンサ分割型電力変換装置２０が小型化される。

図８～図１０には、コンデンサ分割型電力変換装置２０のシミュレーション結果が示されている。図８～図１０のそれぞれには、上から順にセカンダリ巻線電圧Ｖｓ、リアクトル電圧ＶＬ、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４の制御信号ＧＳ１～ＧＳ４、電流ｉｃ１およびｉｃ２、リアクトル電流ｉＬ、正極端子３２ｐと負極端子３２ｎとの間の電圧Ｖｄｃｏｕｔが示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電圧または電流の値を示す。制御信号ＧＳ１～ＧＳ４は、ハイであるときにスイッチング素子がオンになり、ローであるときにスイッチング素子がオフになる信号である。

図９で示される動作では、図８に示される動作よりもスイッチング素子Ｓ１およびＳ３のオン時比率が小さく、スイッチング素子Ｓ２およびＳ４のオン時比率が大きい。また、図１０で示される動作では、図９に示される動作よりもスイッチング素子Ｓ１およびＳ３のオン時比率が小さく、スイッチング素子Ｓ２およびＳ４のオン時比率が大きい。したがって、図９で示される動作では，図８に示される動作に比べて電圧Ｖｄｃｏｕｔが大きくなり、図１０で示される動作では、図９に示される動作に比べて電圧Ｖｄｃｏｕｔが大きくなる。

図１１には、コンデンサ分割型電力変換装置２０の実験結果が示されている。図１１（ａ）には、負荷／電源回路に流れる電流ｉＲ（以下、負荷電流ｉＲという）を０としたときの直流電圧Ｖｄｃｉｎ、入力電流ｉｄｃｉｎ、負荷電圧Ｖｄｃｏｕｔ、セカンダリ巻線電圧Ｖｓ、セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１、リアクトル電圧ＶＬおよびリアクトル電流ｉＬが示されている。ここで、入力電流ｉｄｃｉｎは、正極端子１４ｐから電力変換装置１０に流入する電流である。

図１１（ｂ）には、負荷電流ｉＲを増加させたときの直流電圧Ｖｄｃｉｎ、入力電流ｉｄｃｉｎ、負荷電圧Ｖｄｃｏｕｔ、セカンダリ巻線電圧Ｖｓ、セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１、リアクトル電圧ＶＬおよびリアクトル電流ｉＬが示されている。負荷電流ｉＲが増加することで、入力電流ｉｄｃｉｎが増加し、セカンダリ巻線上部電流ｉｔ１の波高値が増加することが示されている。また、負荷電流ｉＲが増加したとしても、リアクトル電圧ＶＬ、リアクトル電流ｉＬおよび負荷電圧Ｖｄｃｏｕｔは大きく変化しないことが示されている。

図１２には、本発明の第２実施形態に係る３ポート電力変換システム１０２が示されている。３ポート電力変換システム１０２は、コンデンサ分割型電力変換装置２０および２ポート電力変換装置４０を備えている。２ポート電力変換装置４０は、図１に示された電力変換装置１０に、リアクトルＬ１、第２ポートコンデンサＣ２、第２ポート正極端子４２ｐおよび第２ポート負極端子４２ｎを追加したものである。

スイッチングアーム１２Ｘ、スイッチングアーム１２ＹおよびコンデンサＣ０の下側の並列接続点は、負極端子１４ｎの他、第２ポート負極端子４２ｎにも接続されている。プライマリ巻線１８のタップにはリアクトルＬ１の一端が接続され、リアクトルＬ１の他端は第２ポート正極端子４２ｐに接続されている。第２ポート正極端子４２ｐと第２ポート負極端子４２ｎとの間には、第２ポートコンデンサＣ２が接続されている。

スイッチングアーム１２Ｘのスイッチングによって、リアクトルＬ１と、プライマリ巻線１８のうちタップよりも上側の部分（プライマリ巻線１８の上部）に流れる電流が変化し、リアクトルＬ１と、プライマリ巻線１８の上部に誘導起電力が発生する。コンデンサＣ０の端子間電圧と、この誘導起電力とを併せた電圧によって、第２ポートコンデンサＣ２がスイッチング素子Ｓ５を介して充電される。あるいは、第２ポートコンデンサＣ２の端子間電圧と、この誘導起電力とを併せた電圧によって、コンデンサＣ０がスイッチング素子Ｓ５を介して充電される。

同様に、スイッチングアーム１２Ｙのスイッチングによって、リアクトルＬ１と、プライマリ巻線１８のうちタップよりも下側の部分（プライマリ巻線１８の下部）に流れる電流が変化し、リアクトルＬ１と、プライマリ巻線１８の下部には誘導起電力が発生する。コンデンサＣ０の端子間電圧と、この誘導起電力とを併せた電圧によって、第２ポートコンデンサＣ２がスイッチング素子Ｓ７を介して充電される。あるいは、第２ポートコンデンサＣ２の端子間電圧と、この誘導起電力とを併せた電圧によって、コンデンサＣ０がスイッチング素子Ｓ７を介して充電される。

このような構成によって、正極端子３２ｐおよび負極端子３２ｎによる第１ポートと、第２ポート正極端子４２ｐおよび第２ポート負極端子４２ｎによる第２ポートと、正極端子１４ｐおよび負極端子１４ｎによる第３ポートとの相互間で、直流電力の伝送が行われる。

第２ポート正極端子４２ｐと第２ポート負極端子４２ｎとの間の電圧は、スイッチング素子Ｓ５およびＳ７のオン時比率が大きく、スイッチング素子Ｓ６およびＳ８のオン時比率が小さい程大きくなる。

図１３には、本発明の第３実施形態に係る３ポート／２ポート電力変換システム１０４が示されている。３ポート／２ポート電力変換システム１０４は、電力変換器２０ａ～２０ｃと、３相電力変換装置６０とを備えている。電力変換器２０ａ～２０ｃのそれぞれは、図１に示されたコンデンサ分割型電力変換装置２０と同様の構成を有し、同様のスイッチング動作を実行する。

３相電力変換装置６０は、スイッチングアーム６２Ａ～６２Ｃ、プライマリ巻線１８ａ～１８ｃ、リアクトルＬａ～Ｌｃ、コンデンサＣ３，Ｃ４、正極端子６６ｐ，６８ｐ、および負極端子６６ｎ，６８ｎを備えている。スイッチングアーム６２Ａは、直列接続されたスイッチング素子ＳａｐおよびＳａｎを備えている。スイッチングアーム６２Ｂは、直列接続されたスイッチング素子ＳｂｐおよびＳｂｎを備えており、スイッチングアーム６２Ｃは、直列接続されたスイッチング素子ＳｃｐおよびＳｃｎを備えている。

スイッチングアーム６２Ａ～６２ＣおよびコンデンサＣ３は並列接続されている。スイッチングアーム６２Ａ～６２ＣおよびコンデンサＣ３の上側の並列接続点は、正極端子６６ｐに接続され、スイッチングアーム６２Ａ～６２ＣおよびコンデンサＣ３の下側の並列接続点は、負極端子６６ｎに接続されている。スイッチング素子ＳａｐおよびＳａｎの接続点と、スイッチング素子ＳｂｐおよびＳｂｎの接続点との間には、プライマリ巻線１８ａが接続されている。スイッチング素子ＳｂｐおよびＳｂｎの接続点と、スイッチング素子ＳｃｐおよびＳｃｎの接続点との間には、プライマリ巻線１８ｂが接続されている。スイッチング素子ＳｃｐおよびＳｃｎの接続点と、スイッチング素子ＳａｐおよびＳａｎの接続点との間には、プライマリ巻線１８ｃが接続されている。

プライマリ巻線１８ａのタップには、リアクトルＬａの一端が接続されている。プライマリ巻線１８ｂのタップ、およびプライマリ巻線１８ｃのタップには、それぞれ、リアクトルＬｂの一端、およびリアクトルＬｃの一端が接続されている。リアクトルＬａ～Ｌｃの各他端は正極端子６８ｐに接続されている。スイッチングアーム６２Ａ～６２ＣおよびコンデンサＣ３の下側の並列接続点は、負極端子６６ｎの他、負極端子６８ｎにも接続されている。正極端子６８ｐと負極端子６８ｎとの間には、コンデンサＣ４が接続されている。

以下に説明するスイッチング動作によって、正極端子６６ｐおよび負極端子６６ｎによるポートと、正極端子６８ｐおよび負極端子６８ｎによるポートと、各電力変換器における正極端子３２ｐおよび３２ｎによるポートとの間では、相互に直流電力の伝送が行われる。

スイッチングアーム６２Ａおよび６２Ｂは、それぞれ、図１に示されたスイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙと同様のスイッチングを行ってよい。スイッチングアーム６２Ｂおよび６２Ｃは、それぞれ、図１に示されたスイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙと同様のスイッチングを行ってよい。また、スイッチングアーム６２Ｃおよび６２Ａは、それぞれ、図１に示されたスイッチングアーム１２Ｘおよび１２Ｙと同様のスイッチングを行ってよい。

スイッチングアーム６２Ｂがスイッチングする位相は、スイッチングアーム６２Ａがスイッチングする位相に対して１２０°だけ遅れてよい。スイッチングアーム６２Ｃがスイッチングする位相は、スイッチングアーム６２Ｂがスイッチングする位相に対して１２０°だけ遅れてよい。スイッチングアーム６２Ａがスイッチングする位相は、スイッチングアーム６２Ｃがスイッチングする位相に対して１２０°だけ遅れてよい。

このように、相互に１２０°の位相差を持たせて各スイッチングアームをスイッチングすることで、セカンダリ巻線電圧Ｖｂは、セカンダリ巻線電圧Ｖａに対して位相が１２０°だけ遅れる。また、セカンダリ巻線電圧Ｖｃはセカンダリ巻線電圧Ｖｂに対して位相が１２０°だけ遅れ、セカンダリ巻線電圧Ｖａは、セカンダリ巻線電圧Ｖｃに対して位相が１２０°だけ遅れる。これによって、電力変換器２０ａ～２０ｃに現れる電圧および電流の大きさが均一化され、電力変換器２０ａ～２０ｃで伝送される電力が均一化されるため、３ポート／２ポート電力変換システム１０４全体で伝送可能な電力が増加する。電力変換器２０ａ～２０ｃで伝送される電力が均一化されるため、特定の電力変換器で電力損失が大きくなることが回避される。

上記の電力変換装置１０、コンデンサ分割型電力変換装置２０、２ポート電力変換装置４０、および３相電力変換装置は、Ｖ２Ｇ、Ｖ２Ｈ等における電力伝送設備に用いられてよい。また、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載されてもよい。

１０電力変換装置、１２ＸＸ相スイッチングアーム、１２ＹＹ相スイッチングアーム、１４ｐ，３２ｐ，４２ｐ，６６ｐ正極端子、１４ｎ，３２ｎ，４２ｎ，６６ｎ負極端子、１８プライマリ巻線、２０コンデンサ分割型電力変換装置、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ電力変換器、２２セカンダリ巻線、２６ＵＵ相スイッチングアーム、２６ＶＶ相スイッチングアーム、４０２ポート電力変換装置、６０３相電力変換装置、６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃスイッチングアーム、１００電力変換システム、１０２３ポート電力変換システム、１０４３ポート／２ポート電力変換システム、Ｓ１～Ｓ８，Ｓａｐ，Ｓａｎ，Ｓｂｐ，Ｓｂｎ，Ｓｃｐ，Ｓｃｎスイッチング素子、Ｃコンデンサアーム、Ｃ０，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４コンデンサ、Ｃｕ上コンデンサ、Ｃｄ下コンデンサ、Ｌ，Ｌ１，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃリアクトル。

Claims

プライマリ巻線に結合するセカンダリ巻線と、
前記セカンダリ巻線の両端が接続されると共に、負荷／電源回路が一対の端子に接続されるスイッチング回路であって、前記プライマリ巻線に印加される電圧に応じてスイッチングを行い、前記セカンダリ巻線に現れる交流電圧を直流電圧に変換し、前記負荷／電源回路に出力するスイッチング回路と、
前記一対の端子に両端が接続されたコンデンサアームであって、直列接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサを備えるコンデンサアームと、
前記セカンダリ巻線のタップと、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点との間に接続されたリアクトルと、を備え、
前記セカンダリ巻線の一端、前記スイッチング回路、前記第１コンデンサおよび前記リアクトルを経て前記セカンダリ巻線のタップに至る第１ループに、前記スイッチングによって電流が流れ、前記第１コンデンサが充放電され、
前記セカンダリ巻線の他端、前記スイッチング回路、前記第２コンデンサおよび前記リアクトルを経て前記セカンダリ巻線のタップに至る第２ループに、前記スイッチングによって電流が流れ、前記第２コンデンサが充放電され、
前記コンデンサアームの端子間の電圧、および前記負荷／電源回路に流れる電流が、前記スイッチングによって制御されることを特徴とする電力変換装置。
直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を備えるＵ相スイッチングアームと、
直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子を備えるＶ相スイッチングアームと、
プライマリ巻線に結合するセカンダリ巻線であって、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の接続点と、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点との間に設けられたセカンダリ巻線と、
直列に接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサを備えるコンデンサアームと、
前記セカンダリ巻線のタップと、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点との間に設けられたリアクトルと、を備え、
前記第１スイッチング素子の一端、前記第３スイッチング素子の一端および前記第１コンデンサの一端が共通に接続され、前記第２スイッチング素子の一端、前記第４スイッチング素子の一端および前記第２コンデンサの一端が共通に接続されるように、前記Ｕ相スイッチングアーム、前記Ｖ相スイッチングアームおよび前記コンデンサアームが並列接続されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記プライマリ巻線に印加される電圧が、正、０、負、０の順で変化することに応じて、前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンになり、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオフになる第１状態、
前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンになり、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオフになる第２状態、
前記第１スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオフになり、前記第２スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンになる第３状態、
前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオフになり、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンになる第４状態が、順に実現されることを特徴とする電力変換装置。