WO2014050354A1

WO2014050354A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2014050354A1
Application number: PCT/JP2013/072037
Authority: WO
Inventors: 孝志福重; 祐輔圖子
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2014-04-03

Abstract

電源の分散化が可能な電力変換装置を提供すること。絶縁トランス（４３）を介在させた第１スイッチ部（４１）および第２スイッチ部（４２）を備えた電力変換モジュール（１１）、（１２）、（１３）を、交流の出力相数と同じ数（３）だけ並列に接続した電力変換モジュール群（１０）を形成し、複数の電力変換モジュール群（１０）の出力端子（ＵＰ），（ＶＰ），（ＷＰ），（ＵＮ），（ＶＮ），（ＷＮ）を直列に接続したことを特徴とする電力変換装置とした。

Description

電力変換装置

　本発明は、電流を直流－交流間で変換するのに用いる電力変換装置に関する。

　従来、大容量、高圧に対応可能な電力変換装置において、スイッチ素子として高電圧のものを用いずに、複数の小型のスイッチ素子により形成した電力変換回路（モジュール）を複数個直列に接続させたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この従来技術では、電力変換回路を直列に接続した組を、それぞれ、電源に並列に接続し、各組の出力を、電力変換装置から交流の各相への出力としている。

特開２０１１－１８２５１７号公報 Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2010IEEE,On page(s):830-837,Volume:Issue:,12-16に記載されたGuidi,G,Pavlovsky,M.,Kawamura,A.,Imakubo,T.,Sasaki,K."Improvement of light load efficiency of Dual Active Bridge DC-DC converter by using dual leakage transformer and variable frequency"

　しかしながら、従来は、電力変換回路は分散化させているものの、高電圧の電源は分散化されていない。実際には、複数のバッテリを直列に接続したものを１つの電源とし、この電源に各電力変換回路（モジュール）を並列に接続している。
このため、高電圧の電源を構成しているバッテリの１つに異常が発生すると、電源としての機能が失われ、各電力変換回路から各相への電力出力ができなくなるという問題があった。

　本発明は、上記問題に着目してなされたもので、電源の分散化が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、電力伝達手段を介在させた第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段を備えた電力変換モジュールを、交流の出力相数と同じ数だけ並列に接続した電力変換モジュール群を形成し、複数の電力変換モジュール群の出力端子を直列に接続したことを特徴とする電力変換装置とした。

　本発明の電力変換装置では、電力変換モジュール群を駆動させると、各第二のスイッチ手段の出力は、合計されて各相へ出力される。
そこで、各電力変換モジュールの第二のスイッチ手段の単独の出力は、電力変換モジュール群の合計出力と比較して、小さな出力で済む。よって、各電力変換モジュールの第一のスイッチ手段の入力は、電力変換装置の全体出力に比べて、従来よりも小さな入力で済む。
このため、第一のスイッチ部のＰ側の入力端子およびＮ側の入力端子を、それぞれ、独立した電源に接続可能となり、電源の分散化が可能となる。

本発明の実施の形態１の電力変換装置を示す全体概略図である。実施の形態１の電力変換装置に用いた分散モジュールユニットの構成を示す構成説明図である。実施の形態１の電力変換装置に用いた電力変換モジュールの構成を示す回路図である。実施の形態２の電力変換装置に用いた電力変換モジュールの構成を示す回路図であって、ＦＷＤ内蔵のスイッチ素子の使用例を示している。実施の形態３の電力変換装置に用いた電力変換モジュールの構成を示す回路図である。実施の形態４の電力変換装置に用いた電力変換モジュールの構成を示す回路図である。実施の形態５の電力変換装置に用いた電力変換モジュールの構成を示す回路図である。実施の形態６の電力変換装置を示す全体概略図である。実施の形態７の電力変換装置を示す全体概略図である。実施の形態７の電力変換装置に用いた分散モジュールユニットの構成を示す構成説明図である。実施の形態８の電力変換装置に用いた分散モジュールユニットの構成を示す構成説明図である。実施の形態９の電力変換装置を示す全体概略図である。実施の形態１０の電力変換装置を示す全体概略図である。

　以下、本発明の電力変換装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１の電力変換装置の構成を説明する。
図１は本発明の実施の形態１の電力変換装置Ａを示す全体概略図であり、この電力変換装置Ａは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のモータＭを、直流電源により駆動する三相インバータとして用いる。なお、モータＭは、例えば、車両の駆動用のモータを適用することができる。

　電力変換装置Ａは、複数の分散モジュールユニット１を直列に接続してユニット群ＵＧを構成している。なお、図１では分散モジュールユニット１を、７個接続した例を図示しているが、この接続する個数は、図示の７個に限定されるものではない。
そして、電力変換装置Ａは、包括コントローラ２の制御に基づいて、モータＭの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に、図示の正弦波出力を、位相をずらして出力する。

　各分散モジュールユニット１の構成を図２の構成説明図により説明する。
分散モジュールユニット１は、電力変換モジュール群１０とバッテリモジュール２０と駆動制御部３０とを備えている。
電力変換モジュール群１０は、本実施の形態１により駆動させるモータＭの相の数に応じた数である３つの電力変換モジュール１１，１２，１３を並列に接続して構成されている。

　各電力変換モジュール１１，１２，１３は、それぞれ、バッテリモジュール２０に並列に接続されたＰ側の入力端子１１ａ，１２ａ，１３ａおよびＮ側の入力端子１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを備えている。また、各電力変換モジュール１１，１２，１３は、それぞれ、分散モジュールユニット１の出力端子（ユニット出力端子）であるＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰとＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮに接続されている。

　各電力変換モジュール１１～１３の構成について、Ｕ相の電力変換モジュール１１を代表して説明する。
電力変換モジュール１１は、第１スイッチ部４１と第２スイッチ部４２と絶縁トランス（電力伝達手段）４３とを備えた、詳細は後述するが、いわゆるデュアルアクティブブリッジ（Dual Active Bridge）電力コンバータにより構成されている。

　第１スイッチ部４１は、前述したＰ側の入力端子１１ａおよびＮ側の入力端子１１ｂに接続されている。一方、第２スイッチ部４２は、Ｐ側の出力端子ＵＰおよびＮ側の出力端子ＵＮに接続されている。
絶縁トランス４３は、第１スイッチ部４１に接続された一次コイル４３ａと、これに絶縁されて第２スイッチ部４２に接続された二次コイル４３ｂと、の間で、電磁誘導により相互に電力を伝達する周知のものである。

　さらに、図３に拡大して示すように、各スイッチ部４１，４２は、それぞれ、二対のスイッチ素子４１ａ，４１ｂ、４１ｃ，４１ｄ、４２ａ，４２ｂ、４２ｃ，４２ｄをフルブリッジ接続した構造となっている。

　第１スイッチ部４１は、両入力端子１１ａ，１１ｂに接続されているバッテリモジュール２０（図２参照）の直流電圧を交流電圧へ変換する。
  この交流電圧は、絶縁トランス４３を介して第２スイッチ部４２へ送られる。すなわち、絶縁トランス４３では、両コイル４３ａ，４３ｂによる電磁誘導で相互に電圧を送る。
  第２スイッチ部４２は、絶縁トランス４３により伝達された交流電圧を直流電圧へ変換し、電力変換モジュール１１の出力端子であり、分散モジュールユニット１のＵ相のユニット出力端子でもある両出力端子ＵＰ，ＵＮに出力する。なお、他の電力変換モジュール１２，１３にあっても、同様に、第２スイッチ部４２が、図２に示す各出力端子ＶＰ，ＶＮ、ＷＰ，ＷＮに出力する。
  図３に戻り、本実施の形態１では、両スイッチ部４１，４２に並列に平滑コンデンサ４４，４５が設けられている。

　上述した電力変換モジュール１１（１２，１３）では、その変換パワーＰｗは、下記の式（１）で表される。
Ｐｗ＝［（Ｅ１・Ｅ２）／ωＬ］φ［１－（φ／π）］　・・・（１）
なお、この式において、Ｅ１は、第１スイッチ側電源電圧（Ｖ）、Ｅ２は第２スイッチ側電源電圧（Ｖ）、ωは角振動数（ｒａｄ／ｓ）、Ｌは漏洩インダクタンス（ｈ）、φは位相変移である。

　駆動制御部３０は、各電力変換モジュール１１，１２，１３の各スイッチ素子４１ａ～４１ｄ、４２ａ～４２ｄをＰＷＭ制御により駆動させるもので、モジュールドライバ３１とモジュールコントローラ３２とを備えている。そして、モジュールコントローラ３２は、図１に示す通信回路４を介して、包括コントローラ２に接続されている。

　各分散モジュールユニット１のＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰとＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮは、前述したように、直列に接続されている。そして、図１において最も上位に配置された分散モジュールユニット１の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰが、電力変換装置Ａの出力端子としてモータＭの各コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗに接続されている。一方、図１において最も下位に配置された分散モジュールユニット１のＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮが、基準電位３に接続されている。

　各分散モジュールユニット１を上記のように直列に接続し、駆動制御部３０により各電力変換モジュール１１～１３をＰＷＭ制御することにより、各分散モジュールユニット１の出力の和を、図示のような正弦波とすることができる。

　（実施の形態１の作用）
  各分散モジュールユニット１の各電力変換モジュール１１～１３では、第１スイッチ部４１に印加する電圧をＰＷＭ制御することにより、絶縁トランス４３を介して、第２スイッチ部４２から出力される電圧を制御することができる。
  そして、各分散モジュールユニット１のＰ側、Ｎ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ、ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを直列に接続し、各コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗに接続した構造では、第２スイッチ部４２の出力を加算した出力により、図１に示す正弦波の電流を形成できる。
  よって、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）への正弦波出力の位相をずらして供給してモータＭを駆動することができる。

　また、逆に、モータＭに回転力が入力された際に、各コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗにて発電された電力を、第１スイッチ部４１と第２スイッチ部４２との間で変換し、バッテリモジュール２０に充電することも可能である。

　上述したように、実施の形態１の電力変換装置は、各電力変換モジュール群１０を駆動させると、各電力変換モジュール１１～１３における第２スイッチ部４２の出力は、合計されて交流の各相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相へ出力される。
  そこで、各電力変換モジュール１１～１３の第２スイッチ部４２の単独の出力は、電力変換装置Ａからの合計出力と比較して、小さな出力で済む。よって、各電力変換モジュール１１～１３の第１スイッチ部４１の電力入力は、電力変換装置Ａの全体出力に比べて、従来よりも小さな入力で済む。
  このため、第１スイッチ部４１のＰ側の入力端子１１ａ，１２ａ，１３ａおよびＮ側の入力端子１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを、それぞれ、独立した電源に接続可能となる。よって、実施の形態１に示すように、電力変換モジュール群１０ごとに、独立したバッテリモジュール２０に接続し、電源の分散化が可能となる。
  この場合、複数のバッテリモジュール２０のいずれかに異常が生じ、ある分散モジュールユニット１における電力変換モジュール群１０にて電力出力できない場合でも、他の分散モジュールユニット１における電力変換モジュール群１０の駆動が可能である。したがって、これらの第２スイッチ部４２の出力を合計して交流の各相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相へ出力可能である。よって、この場合でも、モータＭの運転を継続可能である。

　（実施の形態１の効果）
  本実施の形態１の電力変換装置では、以下に列挙する作用効果を奏する。
  １）実施の形態１の電力変換装置は、
Ｐ側の入力端子１１ａ，１２ａ，１３ａおよびＮ側の入力端子１１ｂ，１２ｂ，１３ｂに接続される第一のスイッチ手段としての第１スイッチ部４１と、Ｐ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰおよびＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮに接続される第二のスイッチ手段としての第２スイッチ部４２と、第１スイッチ部４１と第２スイッチ部４２の間で電気的には絶縁して電力を伝達する電力伝達手段としての絶縁トランス４３と、を備えた電力変換モジュール１１，１２，１３と、
第１スイッチ部４１および第２スイッチ部４２の動作を制御する制御手段としての駆動制御部３０および包括コントローラ２と、
を有し、
電力変換モジュール１１，１２，１３は、交流の出力相数と同じ数（３）が並列に接続された電力変換モジュール群１０を形成し、
複数の電力変換モジュール群１０の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを直列に接続したことを特徴とする。
  したがって、上述したように、電力変換モジュール群１０ごとに、独立したバッテリモジュール２０に接続して電源の分散化が可能となる。
  また、このように電源を複数のバッテリモジュール２０に分散化した場合、いずれかのバッテリモジュール２０に異常が生じても、異常が生じていないバッテリモジュール２０を搭載した分散モジュールユニット１では、電力出力が可能である。そして、各分散モジュールユニット１では、直列に接続している第２スイッチ部４２の出力を合計して交流の各相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相へ出力可能である。よって、この場合でも、モータＭの運転を継続可能である。これにより、例えば、このモータＭが、車両の駆動用に用いられている場合、車両が走行不能となるのを抑制できる。
  さらに、各電力変換モジュール１１～１３の第２スイッチ部４２の出力を合計して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相へ出力されるため、電力変換モジュール群１０を直列に接続する数を任意に設定することにより、電力変換装置Ａの全体の出力を調整することが可能である。よって、装置の出力調整を行う場合に、各電力変換モジュール１１～１３を構成する両スイッチ部４１，４２の構成要素などによる設定に加え、上記直列の接続数による調節も可能となり、出力調節設定自由度が向上する。

　２）実施の形態１の電力変換装置は、
電力変換モジュール群１０は、各電力変換モジュール１１～１３のＰ側の入力端子１１ａ～１３ａおよびＮ側の入力端子１１ｂ～１３ｂを、それぞれ、直流電源のＰ側およびＮ側に接続する一方、各電力変換モジュール１１～１３のＰ側のＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰおよびＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを、それぞれ、他の電力変換モジュール群１０における同相の電力変換モジュール１１～１３のＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮおよびＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰに直列に接続し、
直列に接続された両端に位置するＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰを、電力変換装置Ａの出力端子とし、かつ、Ｎ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを基準電位３に接続したことを特徴とする。
このように接続することにより、電力変換モジュール群１０を直列に接続したものを電力変換装置Ａとし、モータＭを駆動させることができる。

　３）実施の形態１の電力変換装置は、
電力変換モジュール群１０を１つと、直流電源としてのバッテリモジュール２０を１つと、制御手段において１つの電力変換モジュール群１０の作動を制御する制御部としての駆動制御部３０を１つと、を備え、各電力変換モジュール１１～１３の第２スイッチ部４２に接続されたＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰおよびＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮをユニット出力端子として備えた分散モジュールユニット１を備え、
複数の前記分散モジュールユニット１を、Ｐ側のユニット出力端子およびＮ側のユニット出力端子どうしを直列に接続して、ユニット群ＵＧを形成し、
ユニット群ＵＧの両端の一方のユニット出力端子としてのＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰを、電力変換装置Ａの出力端子とし、両端の他方のユニット出力端子としてのＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを、基準電位３に接続する出力端子としたことを特徴とする。
本実施の形態１では、電力変換モジュール群１０、バッテリモジュール２０、駆動制御部３０を１つの単位とする分散モジュールユニット１を、複数直列に接続してユニット群ＵＧを形成して電力変換装置Ａを構成した。
したがって、電力変換装置Ａの組立時には、分散モジュールユニット１を単位として組み立てることができ、電力変換手段、制御手段、電源をそれぞれ独立して組み付けるものと比較して、組立性に優れる。また、故障発生の際の、保守点検時にも、分散モジュールユニット１を単位として点検や交換が可能であり、保守・交換性に優れる。

　４）実施の形態１の電力変換装置は、
両スイッチ部４１，４２の間の電力伝達手段は、第１スイッチ部４１に接続された一次コイル４３ａと、第２スイッチ部４２に接続された二次コイル４３ｂとを備えた絶縁トランス４３であるであることを特徴とする。
したがって、両スイッチ部４４１，４２を絶縁した状態で、両コイル４３ａ，４３ｂの電磁誘導により電力を伝達することが可能である。

　５）実施の形態１の電力変換装置は、
電力変換モジュール１１～１３は、両スイッチ部４１，４２が、それぞれ、ブリッジ接続の二対のスイッチ素子４１ａ～４１ｄ、４２ａ～４２ｄを備えた構造であることを特徴とする。
このように、スイッチ部４１，４２としてブリッジタイプのものを用いたため、非ブリッジタイプの他の絶縁型のコンバータなどを用いた場合と比較して、以下に列挙する効果を奏する。
・スイッチング損失が小さく高効率化が可能である。
・スイッチ素子４１ａ～４１ｄ、４２ａ～４２ｄとして、耐圧が低いものを用いることが可能であり、これにより、電力損失を抑えることができ、かつ、小型化、省コスト化が可能である。

　６）実施の形態１の電力変換装置は、
制御手段としての駆動制御部３０および包括コントローラ２は、直列に接続された各電力変換モジュール１１～１３の出力電圧の和が、正弦波を形成する制御を行うことを特徴とする。
これにより、多相交流タイプのモータＭの駆動が実施可能となる。

　（他の実施の形態）
次に、他の実施の形態の電力変換装置について説明する。
なお、他の実施の形態は、実施の形態１の変形例であるため、実施の形態１と共通する構成には実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点のみ説明する。

　（実施の形態２）
  次に、実施の形態２の電力変換装置について説明する。
  実施の形態２は、実施の形態１に用いた電力変換モジュールの変形例である。
  この実施の形態２では、図４に示すように、電力変換モジュール２１１の第１スイッチ部２４１および第２スイッチ部２４２は、実施の形態１と同様に、それぞれ、二対のフルブリッジ接続のスイッチ素子２４１ａ，２４１ｂ、２４１ｃ，２４１ｄ、２４２ａ，２４２ｂ、２４２ｃ，２４２ｄを備えている。
  そして、各スイッチ素子２４１ａ～２４１ｄ、２４２ａ～２４２ｄとして、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を並列に内蔵し、電流変動に対し遅れをもって電圧変動する電圧遅れを有したものを用いている。
  したがって、スイッチ素子２４１ａ～２４１ｄ、２４２ａ～２４２ｄのＯＮ／ＯＦＦの切り換え時に、共振現象を利用し、このＯＮ／ＯＦＦの切り換えを、電圧または電流がゼロになるタイミングで行う、いわゆるソフトスイッチングが可能となる。これにより、スイッチング損失を低減して、高効率化を図ることが可能になる。

　（実施の形態２の効果）
７）実施の形態２の電力変換装置は、
ブリッジ接続の各スイッチ素子２４１ａ～２４１ｄ、２４２ａ～２４２ｄは、電流変動に対し遅れをもって電圧変動する電圧遅れ変動手段としてのＦＷＤを並列に内蔵していることを特徴とする。
したがって、ソフトスイッチングを可能として、各電力変換モジュール２１１の効率が向上し、これにより、電力変換モジュール２１１を直列接続した電力変換回路全体の効率も向上する。

　（実施の形態３）
  次に、実施の形態３の電力変換装置について説明する。
  実施の形態３は、実施の形態１に用いた電力変換モジュールの変形例である。
  この実施の形態３では、図５に示すように、電力変換モジュール３１１の第１スイッチ部３４１および第２スイッチ部３４２は、実施の形態１と同様に、二対のフルブリッジ接続のスイッチ素子３４１ａ，３４１ｂ、３４１ｃ，３４１ｄ、３４２ａ，３４２ｂ、３４２ｃ，３４２ｄを備えている。
  そして、各スイッチ素子３４１ａ～３４１ｄ、３４２ａ～３４２ｄに、電流変動に対し遅れをもって電圧変動する電圧遅れを持たせるために、キャパシタ３００を並列に設けている。

　これにより、スイッチ素子３４１ａ～３４１ｄ、３４２ａ～３４２ｄのＯＮ／ＯＦＦの切り換え時に、共振現象を利用し、このＯＮ／ＯＦＦの切り換えを、電圧または電流がゼロになるタイミングで行う、いわゆるソフトスイッチングが可能となる。

　（実施の形態３の効果）
８）実施の形態３の電力変換装置は、ブリッジ接続のスイッチ素子３４１ａ～３４１ｄ、３４２ａ～３４２ｄは、電流変動に対し遅れをもって電圧変動する電圧遅れ変動手段としてのキャパシタ３００を並列に備えていることを特徴とする。
したがって、ソフトスイッチングを可能として、各電力変換モジュール３１１の効率が向上し、これにより、電力変換モジュール３１１を直列接続した電力変換回路全体の効率も向上する。

　なお、実施の形態３および前述の実施の形態２に示したように、電力変換モジュールにおいてスイッチ素子と並列にキャパシタ（電流変動に対し遅れを持って電圧変動させる構成）を接続した構成自体は、下記の文献２により公知である。本実施の形態３および前述した実施の形態２では、このように高効率化を図った電力変換モジュール３１１，２１１を直列に接続することにより電力変換装置全体の高効率化を図ることが可能である。
（非特許文献１）：Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2010IEEE,On page(s):830-837,Volume:Issue:,12-16に記載されたGuidi,G,Pavlovsky,M.,Kawamura,A.,Imakubo,T.,Sasaki,K.”Improvement of light load efficiency of Dual Active Bridge DC-DC converter by using dual leakage transformer and variable frequency”

　（実施の形態４）
実施の形態４は、実施の形態１に用いた電力変換モジュールの変形例である。
この実施の形態４では、図６に示すように、電力変換モジュール４１１の第１スイッチ部４４１および第２スイッチ部４４２は、実施の形態１と同様に、フルブリッジ接続の二対のスイッチ素子４１ａ，４１ｂ、４１ｃ，４１ｄ、４２ａ，４２ｂ、４２ｃ，４２ｄを備えている。

　さらに、二次側の第２スイッチ部４４２は、フルブリッジ接続のスイッチ素子４２ａ～４２ｄの出力側と、電力変換モジュール４１１の出力端子ＵＰ，ＵＮとの間に、一対のスイッチ素子４０１，４０２を備えたハーフブリッジタイプの変換回路４００を備えている。
この変換回路４００の各スイッチ素子４０１，４０２のスイッチング動作により、第２スイッチ部４４２の出力を任意に降圧可能となる。

　（実施の形態４の効果）
９）実施の形態４の電力変換装置は、第２スイッチ部４４２は、ブリッジ接続されたスイッチ素子４２ａ～４２ｄの出力側と電力変換モジュール４１１の出力端子ＵＰ，ＵＮとの間に、スイッチ素子４０１，４０２をハーフブリッジ接続させた変換回路４００を備えていることを特徴とする。
この変換回路４００の各スイッチ素子４０１，４０２のスイッチング動作により、第２スイッチ部４４２の出力を任意に降圧可能となる。よって、電力変換モジュール４１１からの出力電圧の電圧値を任意に設定可能であり、モータ制御の簡単化を図ることができる。

　（実施の形態５）
実施の形態５は、実施の形態４の変形例である。
この実施の形態５では、図７に示すように、電力変換モジュール５１１の第１スイッチ部５４１および第２スイッチ部５４２は、実施の形態１と同様に、フルブリッジ接続のスイッチ素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを備えている。

　そして、二次側の第２スイッチ部５４２のスイッチ素子４２ａ～４２ｄの出力側と、電力変換モジュール５１１の出力端子ＵＰ，ＵＮとの間に設けた変換回路５００は、フルブリッジ接続された、二対のスイッチ素子５０１，５０２，５０３，５０４を備えている。
この変換回路５００の各スイッチ素子５０１～５０４のスイッチング動作により、第２スイッチ部５４２の出力の降圧および昇圧が可能となる。

　（実施の形態５の効果）
  １０）実施の形態５の電力変換装置は、第２スイッチ部５４２は、ブリッジ接続されたスイッチ素子４２ａ～４２ｄの出力側と電力変換モジュール５１１の出力端子ＵＰ，ＵＮとの間に、スイッチ素子５０１～５０４をフルブリッジ接続させた変換回路５００を備えていることを特徴とする。
  この変換回路５００の各スイッチ素子５０１～５０４のスイッチング動作により、第２スイッチ部５４２の出力の降圧および昇圧が可能となる。したがって、出力電圧の出力範囲をより拡大できる。
  よって、電力変換モジュール５１１からの出力電圧の電圧値の任意の設定範囲がさらに拡大し、モータ制御のさらなる簡単化を図ることができる。

　（実施の形態６）
  実施の形態６は、分散モジュールユニット１、基準電位３、モータ（負荷）Ｍの接続を実施の形態１と逆にした例である。
  この実施の形態６では、実施の形態１と同様のユニット群ＵＧを備えている。
  そして、図８に示すように、ユニット群ＵＧにおいて図において最も上位の分散モジュールユニット１のＰ側の各出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰを基準電位３に接続している。一方、ユニット群ＵＧの図において、最も下位の分散モジュールユニット１のＮ側の各出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮをモータＭの各コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗに接続している。
  このように、ユニット化した分散モジュールユニット１では、基準電位３の正負を逆にした接続も可能であり、高い設計自由度が得られる。
  また、この実施の形態６にあっても、実施の形態１と同様に、上述した１）～６）の効果を奏する。

　（実施の形態７）
実施の形態７は、電力変換装置の負荷として５相のモータＭ５を用いた例である。
分散モジュールユニット７０１は、図９に示すように、５つのＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＲＰ，ＳＰを備えるとともに、５つのＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ，ＲＮ，ＳＮを備えている。

　そして、５つのＰ側の各出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＲＰ，ＳＰが、モータＭ５の各コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗ，Ｃｒ，Ｃｓに接続され、５つのＮ側の各出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ，ＲＮ，ＳＮが基準電位７０３に接続されている。

　そこで、分散モジュールユニット７０１は、図１０に示すように、５つの電力変換モジュール７１１，７１２，７１３，７１４，７１５を並列に接続した電力変換モジュール群７１０を備えている。

　すなわち、各電力変換モジュール７１１～７１５は、それぞれ、バッテリモジュール２０に並列に接続されたＰ側の入力端子７１１ａ，７１２ａ，７１３ａ，７１４ａ，７１５ａおよびＮ側の入力端子７１１ｂ，７１２ｂ，７１３ｂ，７１４ｂ，７１５ｂを備えている。また、各電力変換モジュール７１１～７１５は、それぞれ、分散モジュールユニット７０１の出力端子であるＰ側の出力端子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＲＰ，ＳＰとＮ側の出力端子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ，ＲＮ，ＳＮに接続されている。
なお、各電力変換モジュール７１１～７１５の構成は、それぞれ、実施の形態１あるいは実施の形態２～５と同様であるものとする。

　上述のように構成することで、５相のモータにも適用することができる。
また、この構成により、実施の形態１と同様に、上述した１）～６）の効果を奏する。

　（実施の形態８）
実施の形態８は、電力変換モジュールをパラレル構造とした例である。
すなわち、図１１に示すように、分散モジュールユニット８０１は、実施の形態１と同様に、３つの電力変換モジュール８１１，８１２，８１３を並列に接続した電力変換モジュール群８１０を備えている。

　各電力変換モジュール８１１，８１２，８１３は、それぞれ、実施の形態１で示した電力変換モジュール１１，１２，１３に並列に電力変換モジュール１４，１５，１６を接続して構成されている。

　ここで、電力変換モジュール８１１を代表して説明すると、電力変換モジュール８１１は、実施の形態１にて示した電力変換モジュール１１と同様の構成の電力変換モジュール１４を並列に接続して構成されている。
この電力変換モジュール１４は、入力端子１４ａ，１４ｂを、それぞれ、入力端子１１ａ，１１ｂと並列にバッテリモジュール２０に接続し、出力端子１４ｃ，１４ｄを、それぞれ、出力端子ＵＰ，ＵＮに並列に接続している。
なお、電力変換モジュール１５，１６にあっても、入力端子１５ａ，１５ｂ、１６ａ，１６ｂを、それぞれ、入力端子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂと並列にバッテリモジュール２０に接続し、出力端子１５ｃ，１５ｄ、１６ｃ，１６ｄを、それぞれ、出力端子ＶＰ，ＶＮ、ＷＰ，ＷＮに並列に接続している。

　したがって、実施の形態８では、例えば、Ｕ相の出力制御の際に、両電力変換モジュール１１，１４の出力タイミングをそれぞれ独立に制御し、両電力変換モジュール１１，１４の１つあたりの出力を抑えることが可能である。この場合、図示を省略した内部のスイッチ部に用いるスイッチ素子として、容量、出力が小さなものの使用が可能である。
また、実施の形態８にあっては、各電力変換モジュール８１１，８１２，８１３では、一対の電力変換モジュール１１，１４、１２，１５、１３，１６を備えているため、出力の安定供給が可能となり、耐久性にも優れる。
なお、実施の形態１と同様に、上述した１）～６）の効果も奏する。

　（実施の形態９）
実施の形態９は、図１２に示すように、第１ユニット群９０１と第２ユニット群９０２とを、モータＭおよび基準電位３に並列に接続した例である。
なお、各ユニット群９０１，９０２を構成する分散モジュールユニット１は、それぞれ、実施の形態１にて示した電力変換装置Ａと同様の構成とする。

　このように、構成した実施の形態９では、両ユニット群９０１，９０２の出力タイミングをそれぞれ独立に制御し、分散モジュールユニット１の１つあたりの出力を抑えることが可能である。この場合、実施の形態９では図示を省略したスイッチ部に用いるスイッチ子として、容量、出力が小さなものが使用可能である。
また、ユニット群として両ユニット群９０１，９０２に分けることにより、故障によりモータＭが停止するリスクを軽減できる。
なお、実施の形態１と同様に、上述した１）～６）の効果も奏する。

　（実施の形態１０）
実施の形態１０は、実施の形態１の変形例であり、各分散モジュールユニット１の接続の態様を実施の形態１と変更した例である。

　図１３に示すように、各分散モジュールユニット１同士の接続は、実施の形態１と同様に直列に接続しているが、図において１つ置きに隣り合う分散モジュールユニット同士を接続している。例えば、パッケージングなどに伴う分散モジュールユニット１の配置によっては、このような接続とすることもでき、要は、全体で直列に接続されていればよい。このように、分散モジュールユニット１の構造とすることにより、このような接続にも対応でき、設計自由度に優れる。
なお、実施の形態１と同様に、上述した１）～６）の効果も奏する。

　以上、本発明の電力変換装置を実施の形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施の形態に限られるものではなく、請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

　例えば、実施の形態の電力変換装置は、電流の直流－交流間に用いるものであれば、モータの駆動以外にも使用することができる。
実施の形態では、両スイッチ手段として、それぞれ、フルブリッジ構造のものを示したが、これに限定されず、ブリッジ構造の場合、ハーフブリッジ構造のものを用いることができる。あるいは、ブリッジ構造に限らず、絶縁型フォワードコンバータ、絶縁型フライバックコンバータと称される構造のものを用いることが可能である。

　また、実施の形態では、電力変換モジュール群を、１つのユニット（分散モジュールユニット）に搭載した例を示したが、これに限定されず、電力変換モジュール群を複数直列に接続したものを、１つのユニットとすることも可能であるし、あるいは、ユニット化せずに、１つの電力変換装置に必要な全電力変換モジュール群を、全て直列に接続して１つの電力変換装置のケースあるいは基板に搭載することも可能である。
また、実施の形態９では、２つのユニット群をモータに並列に接続した例を示したが、この接続の態様としては、これに限定されない。例えば、モータとして、多重巻き構造のものを使用した場合には、多重のそれぞれに、各ユニット群を独立して直列に接続することも可能である。

Claims

　Ｐ側の入力端子およびＮ側の入力端子に接続される第一のスイッチ手段と、Ｐ側の出力端子およびＮ側の出力端子に接続される第二のスイッチ手段と、前記第一のスイッチ手段と前記第二のスイッチ手段の間で電気的には絶縁して電力を伝達する電力伝達手段と、を備えた電力変換モジュールと、
　前記第一のスイッチ手段および前記第二のスイッチ手段の動作を制御する制御手段と、
を有し、
　前記電力変換モジュールは、交流の出力相数と同じ数が並列に接続された電力変換モジュール群を形成し、
　複数の前記電力変換モジュール群の出力端子を直列に接続したことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記電力変換モジュール群は、各電力変換モジュールの各相の前記Ｐ側の入力端子および前記Ｎ側の入力端子を、それぞれ、直流電源のＰ側およびＮ側に接続する一方、各電力変換モジュールの各相の前記Ｐ側の出力端子および前記Ｎ側の出力端子を、それぞれ、他の電力変換モジュール群における同相の前記電力変換モジュールの前記Ｎ側の出力端子および前記Ｐ側の出力端子に直列に接続し、
　前記直列に接続された両端に位置する前記Ｐ側の出力端子および前記Ｎ側の出力端子の一方を、電力変換装置出力端子とし、かつ、他方を基準電位に接続した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、
　前記電力変換モジュール群を１つと、前記直流電源を１つと、前記制御手段において前記１つの電力変換モジュール群の作動を制御する制御部を１つと、を備え、各電力変換モジュールの前記第二のスイッチ手段に接続された前記Ｐ側の出力端子および前記Ｎ側の出力端子をユニット出力端子とする分散モジュールユニットを備え、
　複数の前記分散モジュールユニットを、前記Ｐ側のユニット出力端子および前記Ｎ側のユニット出力端子どうしを直列に接続して、ユニット群を形成し、
　前記ユニット群の両端の一方の前記ユニット出力端子を、前記電力変換装置出力端子とし、前記両端の他方の前記ユニット出力端子を、前記基準電位に接続する出力端子としたことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記電力伝達手段は、前記第一のスイッチ手段に接続された一次コイルと、前記第二のスイッチ手段に接続された二次コイルとを備えた絶縁トランスであることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記電力変換モジュールは、両スイッチ手段が、それぞれ、ブリッジ接続した対のスイッチ素子を備えた構造であることを特徴とする電力変換装置。
　請求項５に記載の電力変換装置において、
　前記第二のスイッチ手段は、前記ブリッジ接続された前記スイッチ素子の出力側と前記電力変換モジュールの出力端子との間に、スイッチ素子をハーフブリッジ接続させた変換回路を備えていることを特徴とする電力変換装置。
　請求項５に記載の電力変換装置において、
　前記第二のスイッチ手段は、前記ブリッジ接続された前記スイッチ素子の出力側と前記電力変換モジュールの出力端子との間に、スイッチ素子をフルブリッジ接続させた変換回路を備えていることを特徴とする電力変換装置。
　請求項５に記載の電力変換装置において、
　両スイッチ手段は、電流変動に対し遅れをもって電圧変動させる電圧遅れ変動手段を並列に備えていることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記制御手段は、前記直列に接続された各電力変換モジュールの出力電圧の和が、正弦波を形成する制御を行うことを特徴とする電力変換装置。