WO2021166233A1 - 電力変換装置、それを含む車両及び制御方法 - Google Patents

電力変換装置、それを含む車両及び制御方法 Download PDF

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WO2021166233A1
WO2021166233A1 PCT/JP2020/007144 JP2020007144W WO2021166233A1 WO 2021166233 A1 WO2021166233 A1 WO 2021166233A1 JP 2020007144 W JP2020007144 W JP 2020007144W WO 2021166233 A1 WO2021166233 A1 WO 2021166233A1
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voltage
conversion circuit
coil
power
circuit
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PCT/JP2020/007144
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English (en)
French (fr)
Inventor
圭司 田代
智彰 氏丸
Original Assignee
住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac

Definitions

  • This disclosure relates to a power converter, a vehicle including the power converter, and a control method.
  • Power conversion devices are used in various electric devices and equipment, including vehicles.
  • a vehicle such as a PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) or an EV (Electric Vehicle) is equipped with an in-vehicle charger, a DC / DC converter, and a plurality of power conversion units.
  • the AC power of the system can be converted into DC power to charge the in-vehicle battery, and the output voltage of the in-vehicle battery can be converted into an appropriate voltage and supplied to each device inside the vehicle during traveling or the like.
  • Patent Document 1 a vehicle equipped with a high-voltage battery and a low-voltage battery is mounted, and voltage conversion is performed between two DC power supplies (high-voltage battery and low-voltage battery), and the AC voltage input to these DC power supplies is used.
  • a switching power supply that performs appropriate charging based on the above is disclosed.
  • the power conversion device includes a transformer including a first coil, a second coil, and a third coil, a first conversion circuit connected to the first coil, and a second coil connected to the second coil.
  • the first conversion circuit includes a conversion circuit and a rectifying circuit connected to the third coil, converts the DC voltage input to the first conversion circuit, generates a first AC voltage, and supplies the first AC voltage to the first coil.
  • the second conversion circuit determines the second AC voltage applied to the second coil so as to output a predetermined first DC voltage
  • the rectifier circuit determines the third AC voltage supplied from the third coil.
  • the voltage generated by rectifying the voltage is output, and the second AC voltage has a first phase difference with respect to the first AC voltage.
  • the vehicle according to another aspect of the present disclosure is equipped with the above power conversion device.
  • a control method includes a transformer including the first coil, the second coil and the third coil, a first conversion circuit connected to the first coil, and a first coil connected to the second coil. It is a control method of a power conversion device including a 2 conversion circuit and a rectifying circuit connected to a 3rd coil.
  • the DC voltage input to the 1st conversion circuit is converted into the 1st conversion circuit, and the 1st AC
  • the circuit includes a step of rectifying the third AC voltage supplied from the third coil and outputting the generated voltage, and the second AC voltage has a first phase difference with respect to the first AC voltage.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration when the power conversion device according to the embodiment of the present disclosure is mounted on a vehicle.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a vehicle according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the power conversion device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing the control timing of the power conversion device shown in FIG. 3 and the voltage and current generated accordingly.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a current flow in the first mode of the power conversion device shown in FIG.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a current flow in the second mode of the power conversion device shown in FIG.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a current flow in the third mode of the power conversion device shown in FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a current flow in the fourth mode of the power conversion device shown in FIG.
  • FIG. 9 is a graph showing the inductor current.
  • FIG. 10 is a waveform diagram showing the control timing of the power conversion device shown in FIG. 3 and the voltage and current generated accordingly.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing an equivalent circuit.
  • FIG. 12 is a flowchart showing feedback control of the power conversion device.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a power supply when the battery is being charged.
  • FIG. 14 is a block diagram showing power supply when the battery is not charged (when the vehicle is running, etc.).
  • FIG. 15 is a block diagram showing a power supply when the high-voltage battery is discharged.
  • FIG. 16 is a block diagram showing power supply to a load due to discharge of a high-voltage battery.
  • FIG. 17 is a circuit diagram showing a PFC circuit capable of bidirectional operation.
  • FIG. 18 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the power conversion device according to the modified example.
  • FIG. 19 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of FIG.
  • a multi-output converter it is required to control the power flow between each circuit unit and the output voltage independently.
  • a DC / DC converter of an in-vehicle charger and a DC / DC converter may be integrated using one transformer to form a combined power converter.
  • the charging power for charging the high-voltage battery from the power system and the output voltage for charging the low-voltage battery (lead battery) can be controlled independently.
  • the switching power supply device disclosed in Patent Document 1 the charging power for charging the high-voltage battery and the output voltage for charging the low-voltage battery cannot be controlled independently.
  • an object of the present disclosure is to provide a power conversion device capable of independently controlling a power flow and an output voltage between each circuit unit, a vehicle including the power conversion device, and a control method.
  • the power conversion device includes a transformer including a first coil, a second coil, and a third coil, a first conversion circuit connected to the first coil, and a second coil.
  • the first conversion circuit includes the connected second conversion circuit and the rectifying circuit connected to the third coil, and converts the DC voltage input to the first conversion circuit to generate the first AC voltage.
  • Supply to the first coil, the second conversion circuit determines the second AC voltage applied to the second coil so as to output a predetermined first DC voltage, and the rectifier circuit is supplied from the third coil.
  • the voltage generated by rectifying the third AC voltage is output, and the second AC voltage has a first phase difference with respect to the first AC voltage.
  • the power conversion device can be made smaller and lighter. Further, electric power can be transmitted in a desired direction between the first conversion circuit and the second conversion circuit.
  • the first AC voltage and the second AC voltage have the same pulse width.
  • the power conversion device further includes a control unit that controls the operation of the first conversion circuit and the second conversion circuit, and the control unit adjusts the pulse width according to the voltage output from the rectifier circuit. adjust.
  • the voltage of the output port of the rectifier circuit can be set to a desired value.
  • the control unit supplies the electric power supplied from the first conversion circuit to the second conversion circuit or the power supplied from the second conversion circuit to the first conversion circuit via the first coil and the second coil.
  • the first phase difference is adjusted according to the electric power.
  • the power flow and the output voltage between the circuit units can be controlled independently. That is, by adjusting the pulse width, the voltage of the output port of the rectifier circuit can be set to a desired value.
  • the phase difference the power transmitted between the first conversion circuit and the second conversion circuit can be set to a desired value.
  • electric power can be transmitted in a desired direction between the first conversion circuit and the second conversion circuit.
  • the power conversion device further includes a control unit that controls the operation of the first conversion circuit and the second conversion circuit, and the control unit is connected to the first conversion circuit via the first coil and the second coil.
  • the first phase difference is adjusted according to the power supplied to the second conversion circuit or the power supplied from the second conversion circuit to the first conversion circuit.
  • the flow of electric power between each circuit unit can be controlled. That is, by adjusting the phase difference, the power transmitted between the first conversion circuit and the second conversion circuit can be set to a desired value. Further, by changing the positive / negative of the phase difference, electric power can be transmitted in a desired direction between the first conversion circuit and the second conversion circuit.
  • each of the first conversion circuit and the second conversion circuit is a full bridge circuit composed of a plurality of switching elements. As a result, power can be transmitted in both directions between the first conversion circuit and the second conversion circuit with a transformer in between.
  • control unit controls on and off of a plurality of switching elements constituting each of the first conversion circuit and the second conversion circuit by a phase shift method.
  • the pulse width and the phase difference can be easily adjusted.
  • the power conversion device is mounted on a vehicle including a high-voltage battery and a low-voltage battery, the high-voltage battery is connected to the output section of the second conversion circuit, and the low-voltage battery is connected to the output section of the rectifier circuit. NS. This makes it possible to reduce the size and weight of the power conversion device in the vehicle.
  • the second conversion circuit converts the DC voltage input to the second conversion circuit, generates a fourth AC voltage, and supplies the fourth AC voltage to the second coil.
  • the conversion circuit determines the fifth AC voltage applied from the first coil so as to output a predetermined second DC voltage, and the fifth AC voltage has a second phase difference with respect to the fourth AC voltage. ..
  • the control unit drives the first conversion circuit and the second conversion circuit in different phases during the charge / discharge operation of the vehicle, and the first conversion circuit except during the charge / discharge operation of the vehicle. And the second conversion circuit is driven in the same phase.
  • the electric power from the system can be converted into appropriate electric power for charging the high-voltage battery, and the high-voltage battery can be discharged to supply electric power to the system side.
  • the voltage of the high-voltage battery can be converted into an appropriate voltage and supplied to the auxiliary equipment load.
  • the control unit mutually exchanges the first conversion circuit and the second conversion circuit when the high-voltage battery is charged or discharged while the input unit of the first conversion circuit is connected to the power system.
  • the first conversion circuit is stopped and the second conversion circuit is driven.
  • the electric power from the system can be converted into appropriate electric power for charging the high-voltage battery, and the high-voltage battery can be discharged to supply electric power to the system side.
  • the voltage of the high-voltage battery can be converted into an appropriate voltage and supplied to the auxiliary equipment load.
  • the power conversion device is mounted on a vehicle including a high-voltage battery and a low-voltage battery, the high-voltage battery is connected to the output section of the second conversion circuit, and the low-voltage battery is connected to the output section of the rectifier circuit. Will be done. This makes it possible to reduce the size and weight of the power conversion device in the vehicle.
  • the power conversion device further includes at least one of a first inductor connected in series with the first coil and a second inductor connected in series with the second coil, and includes the first inductor.
  • the first AC voltage generated by the first conversion circuit is supplied to the first coil and the first inductor instead of being supplied to the first coil, and when the second inductor is included, it is determined by the second conversion circuit.
  • the second AC voltage is applied to the second coil and the second inductor instead of being applied to the second coil.
  • the third coil is a coil having a center tap
  • the rectifier circuit includes a choke coil that connects the center tap and the output terminal of the rectifier circuit. This makes it possible to perform full-wave rectification with a smaller number of parts as compared with a coil that does not have a center tap, and it is possible to improve transformer utilization efficiency and reduce the size of the transformer.
  • the vehicle according to the second aspect of the present disclosure is a vehicle equipped with the above power conversion device.
  • the power conversion device is small and lightweight, so that the power conversion device can be easily mounted on the vehicle.
  • the control method according to the third aspect of the present disclosure is connected to a transformer including the first coil, the second coil and the third coil, a first conversion circuit connected to the first coil, and a second coil. It is a control method of a power conversion device including a second conversion circuit and a rectifying circuit connected to a third coil.
  • the DC voltage input to the first conversion circuit is converted into the first conversion circuit.
  • the rectifying circuit includes a step of rectifying the third AC voltage supplied from the third coil and outputting the generated voltage, and the second AC voltage has a first phase difference with respect to the first AC voltage. Have. As a result, the power conversion device can be made smaller and lighter. Further, electric power can be transmitted in a desired direction between the first conversion circuit and the second conversion circuit.
  • the power conversion device 100 includes a first DC / AC conversion circuit (first conversion circuit) 102, a transformer 104, and a second DC / AC conversion circuit (second conversion circuit). ) 106, a rectifier circuit 108, and a control unit 110.
  • FIG. 1 shows a system configuration when the power conversion device 100 is mounted on a vehicle. This system includes a PFC (Power Factor Direction) circuit 122, a capacitor 124, a power converter 100, a high-voltage battery 126, a booster circuit 128, an inverter circuit 130, a motor 132, a low-voltage battery 134, and an accessory system load 136.
  • PFC Power Factor Direction
  • the input unit 140 of the power conversion device 100 that is, the input unit of the first DC / AC conversion circuit 102 is connected to the PFC circuit 122 via the capacitor 124. Power is supplied to the input unit 140 from the PFC circuit 122.
  • the electric power supplied from the PFC circuit 122 is DC electric power converted from the AC electric power supplied from the AC power source 120 such as the electric power system.
  • the PFC circuit 122 is a power factor improving circuit, which suppresses harmonics superimposed on the AC power input from the AC power supply 120 and generates stable DC power.
  • the first DC / AC conversion circuit 102 receives control from the control unit 110, converts the DC power (DC voltage) input from the input unit 140, and supplies the generated AC voltage to the primary coil of the transformer 104. As a result, an AC voltage is generated in the secondary coil of the transformer 104.
  • One of the two secondary coils of the transformer 104 is connected to the second DC / AC conversion circuit 106, and the AC voltage generated in the secondary coil is input to the second DC / AC conversion circuit 106.
  • the second DC / AC conversion circuit 106 is controlled by the control unit 110 to convert the input AC voltage to generate a DC voltage.
  • the first output unit 142 of the power conversion device 100 that is, the output unit of the second DC / AC conversion circuit 106 is connected to the high voltage battery 126, and the DC voltage generated by the second DC / AC conversion circuit 106 is the high voltage battery 126. Is entered in. As a result, the high-voltage battery 126 can be charged by the electric power supplied from the AC power supply 120.
  • the high-voltage battery 126 is connected to the motor 132 via the booster circuit 128 and the inverter circuit 130.
  • the output voltage of the high-voltage battery 126 is boosted to a high voltage (direct current) suitable for driving the motor 132 by the booster circuit 128.
  • the generated high-voltage DC voltage is converted into an AC voltage by the inverter circuit 130.
  • the converted AC voltage is supplied to the motor 132. As a result, the motor 132 is driven and the vehicle can run.
  • the other of the two secondary coils of the transformer 104 is connected to the rectifier circuit 108, and the AC voltage generated in the secondary coil is input to the rectifier circuit 108.
  • the rectifier circuit 108 smoothes the input AC voltage to generate a DC voltage.
  • the second output unit 144 of the power conversion device 100 that is, the output unit of the rectifier circuit 108 is connected to the low voltage battery 134, and the DC voltage generated by the rectifier circuit 108 is input to the low voltage battery 134.
  • the low-voltage battery 134 can be charged by the electric power supplied from the AC power supply 120.
  • the low voltage battery 134 is connected to the auxiliary machine load 136. By discharging the low-voltage battery 134, electric power is supplied to the auxiliary machine load 136.
  • the system shown in FIG. 1 can be mounted on a vehicle 200 such as a PHEV or EV.
  • vehicle 200 such as a PHEV or EV.
  • the power conversion device 100 mounted on the vehicle 200 constitutes a power supply unit together with the high-voltage battery 126, the low-voltage battery 134, and the like.
  • the output power (direct current) of the high-voltage battery 126 is converted into AC power by the inverter circuit 130 and used to drive the motor 132.
  • the power converter 100 is used to convert voltage between the high voltage battery 126 and the low voltage battery 134.
  • the power conversion device 100 converts the output voltage of the high-voltage battery 126 into a low voltage and supplies it to the low-voltage battery 134. As a result, the low-voltage battery 134 is charged, and the auxiliary machine load 136 is operated by the discharge of the low-voltage battery 134.
  • the power conversion device 100 is also used to charge the high-pressure battery 126 and the low-pressure battery 134 with the AC power supplied from the external AC power source, and an appropriate charging voltage for the high-pressure battery 126 and the low-pressure battery 134.
  • the auxiliary machine load 136 is an accessory device necessary for operating an engine, a motor, and the like, and mainly includes a cell motor, an alternator, a radiator cooling fan, and the like.
  • the auxiliary machine load 136 may include lighting, a wiper drive unit, a navigation device, an air conditioner, a heater, and the like.
  • the first DC / AC conversion circuit 102 includes switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4.
  • the switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4 are bridge-connected to form a full-bridge circuit.
  • the switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4 are composed of, for example, FETs (Field Effect Transistors).
  • FIG. 3 shows a parasitic diode (body diode) formed inside the FET.
  • the second DC / AC conversion circuit 106 includes switching elements Q5, Q6, Q7 and Q8.
  • the switching elements Q5, Q6, Q7 and Q8 are bridge-connected to form a full-bridge circuit.
  • the switching elements Q5, Q6, Q7 and Q8 are composed of, for example, FETs.
  • the transformer 104 includes a core 150, a first coil 152, a second coil 154 and a third coil 156 wound around the core 150, and a first inductor (coil) L1 and a second inductor (coil) L2.
  • the first coil 152 functions as the primary coil of the transformer 104
  • each of the second coil 154 and the third coil 156 functions as the secondary coil of the transformer 104.
  • the third coil 156 is, for example, a center tap type coil in which two coils are connected in series and the connection node (hereinafter referred to as a center tap) serves as one of the output terminals.
  • the first inductor L1 and the second inductor L2 may be an inductive component, and in FIG. 3, the first inductor L1 and the second inductor L2 utilize the leakage inductance of the transformer 104, and are included in the transformer 104. Shown.
  • the output terminals of the first DC / AC conversion circuit 102 are connected to both terminals of the first inductor L1 and the first coil 152 connected in series.
  • the input terminal of the second DC / AC conversion circuit 106 is connected to the second inductor L2 and the second coil 154 connected in series.
  • a DC voltage E1 is input from the PFC circuit 122 between the nodes N1 and N2 (input unit 140) of the first DC / AC conversion circuit 102.
  • the first DC / AC conversion circuit 102 sets the DC voltage E1 input between the nodes N1 and N2 to an AC voltage. Is converted to and supplied to the first coil 152 of the transformer 104.
  • the AC voltage generated in the second coil 154 is input to the second DC / AC conversion circuit 106, and the on and off of the switching elements Q5, Q6, Q7 and Q8 are controlled by the control unit 110. It is converted to a DC voltage, and the DC voltage E2 is output between the nodes N3 and N4 of the second DC / AC conversion circuit 106. That is, the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104, and the second DC / AC conversion circuit 106 function as DC / DC converters.
  • the rectifier circuit 108 includes switching elements Q101 and Q102, a choke coil L3, and a capacitor C1.
  • the switching elements Q101 and Q102 are composed of, for example, FETs.
  • the input terminals of the rectifier circuit 108 are connected to both terminals of the third coil 156.
  • One terminal of the choke coil L3 is connected to the center tap of the third coil 156, and the other terminal is connected to the node N5.
  • Capacitor C1 is connected to nodes N5 and N6.
  • the AC voltage is supplied to the first coil 152 by controlling the on and off of the switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4 of the first DC / AC conversion circuit 102 by the control unit 110. Then, an AC voltage is generated in the third coil 156.
  • the AC voltage generated in the third coil 156 is input to the rectifier circuit 108, and is rectified by alternately flowing current through the parasitic diodes of the switching elements Q101 and Q102.
  • the choke coil L3 and the capacitor C1 smooth the rectified current to generate a choke current i3, and a DC voltage V out is generated between the nodes N5 and N6. That is, the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104, and the rectifier circuit 108 function as DC / DC converters.
  • the rectifier circuit 108 performs the rectification operation as described above.
  • the on and off of the switching elements Q101 and Q102 of the rectifier circuit 108 may be controlled by the control unit 110 in a synchronous rectification method.
  • the control unit 110 includes a CPU 160, a memory 162, and an I / F unit (interface unit) 164.
  • the memory 162 stores a program executed by the CPU 160.
  • the I / F unit 164 is a signal for controlling on and off of each switching element constituting the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 as described above. (Gate voltage of each switching element) is output. Further, power and voltage measuring devices (sensors and the like) (not shown) are arranged in the first output unit 142 and the second output unit 144.
  • the I / F unit 164 receives the measured values in the first output unit 142 and the second output unit 144 and stores them in the memory 162. The stored measurements are used in feedback control as described below.
  • the CPU 160 executes these processes by executing the program read from the memory 162.
  • control unit 110 may control the on and off of the switching elements Q101 and Q102 constituting the rectifier circuit 108, if necessary.
  • the control unit 110 may be realized by a semiconductor element (PLD, FPGA, ASIC, etc.).
  • Each switching element may be a semiconductor element other than the FET, for example, a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • each control signal (gate voltage) of the switching elements Q1 to Q8, the output voltage V1 of the first DC / AC conversion circuit 102 generated by the control signal (gate voltage), the input voltage V2 of the second DC / AC conversion circuit 106, and the inductor are shown.
  • the voltage ( VL1 + VL2 ) and the inductor current i are shown.
  • the horizontal axis represents time. All time axes are the same. That is, the dotted lines in the vertical direction represent the same timing (same time).
  • the “same” is not limited to the case where they are exactly the same, but also includes the case where there is a difference (for example, an error) within a predetermined range. If the time difference is sufficiently small with respect to the switching period, the difference can be ignored as an error and can be interpreted as the same (the same applies hereinafter). In addition, those that do not correspond to "same” used in this sense are called “different”.
  • the inductor voltage is the sum of the voltage V L2 of the voltage V L1 (see FIG. 3) and the second inductor L2 of the first inductor L1 (see FIG. 3).
  • the inductor current is the inductor current i (see FIG. 3) flowing through the first inductor L1.
  • the number of turns of the first coil 152 and the second coil 154 of the transformer 104 are the same, and the number of turns between the center tap and each of the terminals in the third coil 156 is the same as that of the first coil 152 (second coil 154). It is assumed that the number of turns is 1 / n.
  • the switching elements Q1 to Q8 are controlled by the phase shift method. That is, the switching elements Q1 to Q8 are all controlled with the same period T, the switching elements Q1 and Q2 are alternately turned on at a duty of 50%, and the switching elements Q3 and Q4 are also turned on alternately at a duty of 50%. That is, the pulse widths are the same (including the case where the difference between the two pulse widths is sufficiently small (for example, several percent or less) with respect to the switching period as described above).
  • the switching element Q3 is turned on with a phase difference from the switching element Q1 (delayed by the pulse width T0 (time)).
  • the phase difference of the pulse width T0 (time) is 2 ⁇ ⁇ T0 / T (rad) in terms of angle.
  • the switching elements Q5 and Q6 are alternately turned on at a duty of 50%, and the switching elements Q7 and Q8 are also turned on alternately at a duty of 50%.
  • the switching element Q7 is turned on with a phase difference of the pulse width T0 with respect to the switching element Q5.
  • the switching element Q5 is turned on with a phase difference of time Tp with respect to the switching element Q1.
  • the phase difference of time Tp is 2 ⁇ ⁇ Tp / T (rad) in terms of angle. Since the time Tp is treated as the phase difference in this way, it is referred to as the phase difference Tp below.
  • the half cycle (T / 2) is divided into four periods (time t1 to t4) according to the on state or the off state of the switching elements Q1 to Q8, and the power conversion device 100 corresponds to them. It operates in four modes.
  • the operation modes of the power conversion device 100 at each of the times t1 to t4 are referred to as the first to fourth modes.
  • the switching elements Q1, Q4, Q6 and Q8 are on, and the switching elements Q2, Q3, Q5 and Q7 are off.
  • the switching elements Q1, Q4, Q5 and Q8 are on, and the switching elements Q2, Q3, Q6 and Q7 are off.
  • the switching elements Q1, Q3, Q5 and Q8 are on, and the switching elements Q2, Q4, Q6 and Q7 are off.
  • the switching elements Q1, Q3, Q5 and Q7 are on, and the switching elements Q2, Q4, Q6 and Q8 are off.
  • the output voltage V1 of the first DC / AC conversion circuit 102 and the input voltage V2 of the second DC / AC conversion circuit 106 change as shown in FIG.
  • each mode will be specifically described.
  • the input voltage (voltage between nodes N1 and N2) E1 to the first DC / AC conversion circuit 102 by the power supply from the system is the output voltage of the second DC / AC conversion circuit 106.
  • the voltage between the nodes N3 and N4, that is, the input voltage to the high voltage battery 126) is larger than E2 (E1> E2> 0).
  • the direction of the current flowing through the first inductor L1 and the second inductor L2 from the AC power supply 120 side (power system) to the high-voltage battery 126 side is "positive", and when the current increases, it is called “charging” of the inductor. , When it decreases, it is called “discharge”.
  • a current flows through the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 as shown by the thick arrow.
  • the output terminal of the first DC / AC conversion circuit 102 is short-circuited, and the output voltage V1 of the first DC / AC conversion circuit 102 is 0.
  • a voltage is applied to the first inductor L1 in a direction in which the current decreases, and the first inductor L1 is discharged.
  • the input voltage V2 of the second DC / AC conversion circuit 106 is equal to the output voltage E2 of the second DC / AC conversion circuit 106, as in the second mode.
  • the inductor voltage ( VL1 + VL2 ) is calculated in consideration of the positive direction of the voltages of E1, E2, V1 and V2 (see the upward arrow in FIG. 3).
  • V1, V2 and the inductor voltage ( VL1 + VL2 ) change as shown in FIG. V2 has a phase difference Tp with respect to V1.
  • the latter half cycle of one cycle can be divided into four sections as in the first half cycle, and the power conversion device 100 operates in four different modes.
  • the operation of each period in the latter half cycle in which each of the first to fourth modes is shifted by T / 2 operates in the same manner as the corresponding first to fourth modes.
  • the on state and the off state of each switching element are reversed, the current flowing through the first inductor L1 and the second inductor L2 is opposite to the first half cycle. That is, as shown in FIG.
  • V1, V2 and the inductor voltage ( VL1 + VL2 ) in the latter half cycle are the values obtained by reversing the V1, V2 and the inductor voltage in the first half cycle with reference to 0 ( The value is the reverse of the sign.
  • Each of V1, V2 and the inductor voltage changes with the period T.
  • Equation 1 The amount of change in current from point A to point B (difference between the current value at point A and the current value at point B) is expressed by Equation 1.
  • the amount of change in current from point B to point C is expressed by Equation 2.
  • the amount of change in current from point C to point D is expressed by Equation 3.
  • the amount of change in current from point D to point E is zero.
  • the amount of change in the current from the point E to the point F is a negative value obtained by inverting the sign of the value represented by the equation 1.
  • the amount of change in the current from the point F to the point G is a negative value obtained by inverting the sign of the value represented by the equation 2.
  • the amount of change in the current from the point G to the point H is a positive value obtained by inverting the sign of the value represented by the equation 3.
  • the amount of change in current from point H to point I is zero.
  • the difference (Peak-to-peak value) ⁇ Ipp between the maximum value and the minimum value of the inductor current i is the absolute value of the amount of current change from point C to point D, and the current change from point E to point F. It is the total value of the absolute value of the amount and the absolute value of the amount of change in the current from the point F to the point G, and is expressed by Equation 4.
  • FIG. 9 shows one cycle of the inductor current waveform shown at the bottom of FIG.
  • the power P is expressed as in Equation 5.
  • Equation 6 is obtained by dividing Equation 5 by the half-cycle time (T / 2) and converting it into the transmission energy per unit time, that is, the average transmission power.
  • the power P depends on the pulse width T0 and the phase difference Tp. Therefore, the power P can be set to a desired value by adjusting at least one of the pulse width T0 and the phase difference Tp.
  • the circuit configurations of the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104, and the second DC / AC conversion circuit 106 are such that the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 are symmetrical with the transformer 104 in between.
  • power can be supplied from the high-voltage battery 126 to the AC power supply 120 side.
  • each control signal (gate voltage) of the switching elements Q1 to Q8, the output voltage V1 of the first DC / AC conversion circuit 102, and the input voltage of the second DC / AC conversion circuit 106 are shown.
  • V2 and the voltage and choke current of the third coil 156 generated by them are shown.
  • the voltage of the third coil 156 is the voltage between the center tap and the terminal of the third coil 156, that is, a voltage halved of the voltage V3 between both ends of the third coil 156 (hereinafter referred to as V3 / 2). (See FIG. 3).
  • the choke current is the choke current i3 (see FIG. 3) flowing through the choke coil L3.
  • V1 is equal to the input voltage of the first DC / AC conversion circuit 102, that is, the voltage E1 between the nodes N1 and N2. Therefore, the voltage of the transformer 170 becomes L2 ⁇ E1 / (L1 + L2). Since the number of turns of the third coil 156 is 1 / n of the number of turns of the second coil 154, the voltage (V3 / 2) generated between the center tap and the terminal of the third coil 156, that is, FIG. V31 in the first mode shown in is L2 ⁇ E1 / ⁇ n ⁇ (L1 + L2) ⁇ .
  • L3 represents the inductance of the choke coil L3.
  • the voltage of the transformer 170 is a value obtained by dividing the voltage V2 between the first inductor L1 and the second inductor L2. Further, as described above, V2 is equal to the output voltage of the second DC / AC conversion circuit 106, that is, the voltage E2 between the nodes N3 and N4. Therefore, the voltage of the transformer 170 is L1 ⁇ E2 / (L1 + L2).
  • the choke current i3 increases during the first and second modes, and the choke current decreases during the third mode.
  • E1 , E2, L1, L2 and V out the increasing / decreasing direction of the choke current i3 may be opposite to that in FIG.
  • Equation 11 is obtained for V out.
  • the output voltage V out of the rectifier circuit 108 depends on the pulse width T0. Therefore, by adjusting the pulse width T0, the output voltage V out of the rectifier circuit 108, that is, the voltage supplied to the low voltage battery 134 can be set to a desired value.
  • the power conversion device 100 has a common function of the DC / DC converter for supplying power to the high-voltage battery 126 and a function of the DC / DC converter for supplying power to the low-voltage battery 134. Since it is realized by using circuit elements (first DC / AC conversion circuit 102 and transformer 104), it is smaller and lighter than the conventional one. In addition to this, in the power converter 100, the values of E1, E2, L1, L2 and T used in the system to which the power converter 100 is applied and the equations 6 and 11 are used to obtain P and The pulse width T0 and the phase difference Tp can be determined so that each V out has a desired value.
  • the pulse width T0 is adjusted according to the voltage on the system side (E1), the voltage on the high-voltage battery side (E2), and the voltage supplied to the low-voltage battery 134 (for example, a lead battery) (V out ), and the pulse width T0 is adjusted from the outside.
  • the phase difference Tp according to the charge / discharge request instruction, the power transmission between each circuit block can be arbitrarily controlled.
  • the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 can be supplied in both directions between the circuits 106.
  • the effective current is halved compared to a coil without a center tap, so a thin winding can be used for the third coil 156, and the transformer 104 can be used.
  • the leakage inductance of the transformer 104 is used as the first inductor L1 and the second inductor L2, but the first inductor L1 and the second inductor L2 may be realized by a coil externally attached to the transformer 104.
  • the power flow and the output voltage between the circuit blocks can be controlled more reliably and independently.
  • Equations 6 and 11 are in an ideal state, when the power conversion device 100 is applied to a system, it is possible to measure the voltage and power of each circuit block and perform feedback control as necessary. preferable.
  • a power measuring device and a voltage measuring device are provided in each of the first output unit 142 and the second output unit 144, and the measured signal is input to the I / F unit of the control unit 110. Enter in 164.
  • the CPU 160 uses the acquired data (for example, the value obtained by AD-converting the analog signal input to the I / F unit 164) to set the current power P and the output voltage V out to the desired values (for example).
  • Feedback control can be performed by comparing with the value stored in the memory 162 in advance. As a result, desired power transmission can be realized even if there is an error factor.
  • the feedback control by the control unit 110 will be described with reference to FIG.
  • the process of FIG. 12 is executed by the CPU 160 of the control unit 110.
  • step 300 the CPU 160 reads out the control conditions stored in advance in the memory 162 as initial values. After that, control shifts to step 302.
  • the initial values include T, T0, Tp, L1, L2, L3, n (real numbers representing the turns ratio), E1, E2, P and V out .
  • the initial values of P and V out are target values.
  • the CPU 160 uses the read T, T0, and Tp to output a control signal (for example, the gate voltage of the FET) for controlling the on and off of the switching elements Q1 to Q8 at the timing shown in FIG.
  • a control signal for example, the gate voltage of the FET
  • step 302 the CPU 160 acquires power and voltage from the measuring devices provided in the first output unit 142 and the second output unit 144 via the I / F unit 164. After that, control shifts to step 304.
  • the signal input to the I / F unit 164 is stored in the memory 162 as digital data.
  • step 304 the CPU 160 reads the power stored in step 302 from the memory 162, compares it with the initial value of P, and determines whether or not the difference (power difference) between the two is within a predetermined range. If it is determined that the power difference is within a predetermined range, control proceeds to step 308. Otherwise, control shifts to step 306.
  • step 306 the CPU 160 changes the pulse width T0 currently used for controlling the switching element so that the power difference calculated in step 304 becomes small. That is, the CPU 160 newly determines the pulse width T0 so that the power difference becomes small according to the equation 6, and outputs a control signal for controlling the on / off of the switching elements Q1 to Q8 using the value. do. After that, control shifts to step 308.
  • step 308 the CPU 160 reads the voltage stored in step 302 from the memory 162 , compares it with the initial value of V out , and determines whether or not the difference (voltage difference) between the two is within a predetermined range. If it is determined that the voltage difference is within a predetermined range, control proceeds to step 312. Otherwise, control shifts to step 310.
  • step 310 the CPU 160 changes the phase difference Tp currently used for controlling the switching element so that the voltage difference calculated in step 304 becomes small. That is, the CPU 160 newly determines the phase difference Tp so that the voltage difference becomes small according to the equation 11, and outputs a control signal for controlling the on / off of the switching elements Q1 to Q8 using the value. do. After that, control shifts to step 312.
  • step 312 the CPU 160 determines whether or not to end the on / off control of the switching element. If it is determined to end, the CPU 160 ends this program. Otherwise, control returns to step 302 and repeats the above process.
  • the end instruction is given, for example, by stopping the power supply to the power converter 100.
  • each of the power P and the output voltage V out can be maintained at the initial value read from the memory 162.
  • the flowchart shown in FIG. 12 can be changed in various ways. For example, the order of processing related to determination of power difference and voltage difference may be changed. Further, the process of newly determining the pulse width T0 and the phase difference Tp may be collectively executed after the determination of the power difference and the voltage difference. Further, instead of directly measuring the electric power, the electric power may be calculated by measuring the current and the voltage.
  • FIGS. 13 to 15 The operation of the on-board power conversion device 100 will be described with reference to FIGS. 13 to 15.
  • the high-voltage battery 126, the booster circuit 128, the inverter circuit 130, the motor 132, the low-voltage battery 134, and the auxiliary machine load 136 are not shown.
  • FIG. 13 shows a state in which the vehicle 200 is connected to the electric power system and charges the high voltage battery 126 and the low voltage battery 134.
  • the operation of the power conversion device 100 at this time is referred to as a vehicle charging operation.
  • the AC voltage supplied from the AC power supply 120 is converted into a DC voltage by the PFC circuit 122 and input to the input unit 140 of the power conversion device 100.
  • the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 are controlled by the control unit 110, and the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104 and the second DC / AC conversion circuit 106 function as DC / DC converters.
  • the DC voltage input to the input unit 140 is converted into a DC voltage suitable for charging the high-voltage battery 126.
  • the converted DC voltage is supplied from the first output unit 142 to the high voltage battery 126.
  • the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104, and the rectifier circuit 108 function as DC / DC converters, so that the DC voltage input to the input unit 140 is converted into a DC voltage suitable for charging the low-voltage battery 134. Will be done.
  • the converted DC voltage is supplied from the second output unit 144 to the low-voltage battery 134. As a result, electric power is supplied as shown by the thick arrow in FIG. 13, and the high-voltage battery 126 and the low-voltage battery 134 are charged.
  • the appropriate charging power of the high-pressure battery 126 and the DC voltage suitable for charging the low-voltage battery 134 are control signals in which the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 have a phase difference Tp. It is controlled by (control signals of switching elements Q1 to Q8 shown in FIG. 4), and is generated by adjusting the pulse width T0 and the phase difference Tp.
  • FIG. 14 shows a state in which the vehicle 200 is not connected to the electric power system, such as when the vehicle 200 is running.
  • the high-voltage battery 126 power is supplied to the low-voltage battery 134 via the second DC / AC conversion circuit 106, the transformer 104, and the rectifier circuit 108, as shown by the thick arrow in FIG.
  • the first DC / AC conversion circuit 102 may be stopped and the second DC / AC conversion circuit 106 may be driven in a state where the vehicle 200 is not connected to the power system.
  • the stop means a state in which the first DC / AC conversion circuit 102 does not operate as an electric circuit.
  • all of the switching elements Q1 to Q4 constituting the first DC / AC conversion circuit 102 may be turned off.
  • the voltage of the capacitor 124 on the power system side rises to a predetermined value (for example, a value equal to the voltage of the high voltage battery 126), but after that, no current flows through the power system.
  • the power transmission from the second DC / AC conversion circuit 106 to the first DC / AC conversion circuit 102 is eliminated.
  • the discharge of the high-voltage battery 126 supplies power to the low-voltage battery 134 via the second DC / AC conversion circuit 106, the transformer 104, and the rectifier circuit 108, as shown by the thick arrow in FIG. ..
  • FIG. 15 shows a state in which the vehicle 200 is connected to the power system and the high voltage battery 126 is discharged.
  • the operation of the power conversion device 100 at this time is referred to as a vehicle discharge operation.
  • the above-mentioned vehicle charging operation and the vehicle discharging operation described here are collectively referred to as a vehicle charging / discharging operation.
  • the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104, and the second DC / AC conversion circuit 106 are symmetrically configured, and the first DC / AC conversion circuit (first conversion circuit) 102 and the second DC / AC conversion circuit (second conversion) are configured.
  • the role of the circuit) 106 can be exchanged and operated.
  • the second DC / AC conversion circuit 106 is used as the first conversion circuit
  • the first DC / AC conversion circuit 102 is used as the second conversion circuit.
  • Power can be supplied to the power supply 120 side.
  • the control unit 110 sets the phase difference Tp to negative (Tp ⁇ 0) and controls the switching elements Q1 to Q8 constituting the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106. good.
  • the electric power supplied to the electric power system side by discharging the high-voltage battery 126 may be sold to an electric power company or may be supplied to a load 148 of an electric product or the like as shown in FIG.
  • the DC voltage suitable for the input voltage (voltage across the capacitor 124) from the first DC / AC conversion circuit 102 to the PFC circuit 122 and the DC voltage suitable for charging the low-voltage battery 134 are the same as described above. Will be generated. That is, the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 are controlled by control signals having a phase difference Tp (Tp ⁇ 0) (control signals of switching elements Q1 to Q8 shown in FIG. 4). It is generated by adjusting the pulse width T0 and the phase difference Tp.
  • a pulse is generated so that an appropriate charging power of the high-voltage battery 126 and a DC voltage suitable for charging the low-voltage battery 134 are generated with respect to the input voltage E1 of the first DC / AC conversion circuit 102. If the width T0 and the phase difference Tp are adjusted, these values can be used for the discharge operation of the vehicle.
  • the second Appropriate power can be supplied from the 1DC / AC conversion circuit 102 to the power system side or the load 148, and a DC voltage suitable for charging the low-voltage battery 134 can be supplied.
  • the output power of the first DC / AC conversion circuit 102 becomes a desired power with respect to the input voltage E2 of the second DC / AC conversion circuit 106, and a DC voltage suitable for charging the low voltage battery 134.
  • the pulse width T0 and the phase difference Tp may be adjusted so that In the charging operation of the vehicle, a pulse width having the same pulse width as the adjusted pulse width T0 and a phase difference having the same absolute value as the adjusted phase difference Tp and the opposite sign can be used. It is not necessary to use the same pulse width T0 and the same phase difference Tp (the symbols are opposite) in the vehicle charging operation and the vehicle discharging operation. That is, the pulse width T0 and the phase difference Tp may be adjusted independently in each of the vehicle charging operation and the vehicle discharging operation.
  • the PFC circuit 122 is bidirectional.
  • bidirectional operation is possible by using an active element such as a FET in the device constituting the PFC circuit 122.
  • the ratio of the number of turns of the first coil 152, the number of turns of the second coil 154, and the number of turns between the center tap of the third coil 156 and the terminal is n: n: 1 (although the case where n is a positive real number) has been described, the present invention is not limited to this.
  • the ratio of the number of turns of the first coil 152, the number of turns of the second coil 154, and the number of turns of the third coil 156 between the center tap and the terminal is n1: n2: 1 (n1 and n2 are n1 ⁇ It may be a positive real number (n2).
  • the circuits of the first DC / AC conversion circuit 102, the transformer 104, and the second DC / AC conversion circuit 106 can be considered as the equivalent circuits shown in FIG.
  • the circuit of FIG. 18 can be considered as the equivalent circuit of FIG. Therefore, in the above equation, L2 and E2 may be replaced with (n1 / n2) 2 ⁇ L2 and (n1 / n2) ⁇ E2, respectively. Thereby, the formulas 12 and 13 can be obtained from the formulas 6 and 11.
  • the power P transmitted between the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 depends on the pulse width T0 and the phase difference Tp, and the output voltage V out of the rectifier circuit 108. Is found to depend on the pulse width T0. Therefore, by adjusting the pulse width T0 and the phase difference Tp using the equations 12 and 13 , each of the power P and the output voltage V out can be independently set to desired values. If necessary, it is preferable to measure the voltage and power of each circuit block and perform feedback control as described above.
  • each of the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 is a full bridge circuit
  • the present invention is not limited to this.
  • Each of the first DC / AC conversion circuit 102 and the second DC / AC conversion circuit 106 may be, for example, a half-bridge circuit.
  • the third coil 156 may be a coil having no tap between both ends of the coil.
  • the switching elements Q1 to Q8 are 50%, but the present invention is not limited to this.
  • the switching elements (switching elements Q1 and Q2, etc.) connected in series may not be turned on at the same time, and the duty may be a value other than 50% (for example, 48%).
  • each switching element constituting the power conversion device 100 is an N-type FET has been described, but the present invention is not limited to this.
  • a P-type FET may be used to form a full bridge circuit and a rectifier circuit that form a power conversion device.
  • Power conversion device 102 1st DC / AC conversion circuit (1st conversion circuit) 104, 170 Transformer 106 2nd DC / AC conversion circuit (2nd conversion circuit) 108 Rectifier circuit 110 Control unit 120 AC power supply 122 PFC circuit 124, C1 Capacitor 126 High-voltage battery 128 Booster circuit 130 Inverter circuit 132 Motor 134 Low-voltage battery 136 Auxiliary system load 140 Input unit 142 1st output unit 144 2nd output unit 148 Load 150 Core 152 1st coil 154 2nd coil 156 3rd coil 160 CPU 162 memory 164 I / F unit 172 and 174 supply 200 vehicle 300,302,304,306,308,310,312 step i inductor current i3 choke current E1, E2, V1, V2, V3, V L1, V L2, V out voltage L1 1st inductor L2 2nd inductor L3 choke coil N1, N2, N3, N4, N5, N6 node n, n1, n2 positive real

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Abstract

電力変換装置は、第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、第１コイルに接続された第１変換回路と、第２コイルに接続された第２変換回路と、第３コイルに接続された整流回路とを含み、第１変換回路は、第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して第１コイルに供給し、第２変換回路は、所定の第１直流電圧を出力するように、第２コイルに印加される第２交流電圧を決定し、整流回路は、第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力し、第２交流電圧は、第１交流電圧に対して第１位相差を有する。

Description

電力変換装置、それを含む車両及び制御方法
　本開示は、電力変換装置、それを含む車両及び制御方法に関する。
　車両を始め、種々の電気装置及び電気設備において、電力変換装置が利用されている。例えば、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）又はＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の車両には、車載充電器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び複数の電力変換ユニットが搭載されている。これにより、系統の交流電力を直流電力に変換して車載バッテリを充電し、走行時等には、車載バッテリの出力電圧を適切な電圧に変換し、車両内部の各機器に供給できる。車両への搭載性の向上及びコスト低減の観点から、これらの複数の電力変換装置を多出力の電力変換装置として一体化することが考えられる。
　下記特許文献１には、高圧バッテリ及び低圧バッテリを備えた車両に搭載され、２つの直流電源（高圧バッテリ及び低圧バッテリ）間で電圧変換を行うと共にこれらの直流電源に対し、入力した交流電圧に基づいて適切な充電を行うスイッチング電源装置が開示されている。
特開２００８－１１８７２７号公報
　本開示のある局面に係る電力変換装置は、第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、第１コイルに接続された第１変換回路と、第２コイルに接続された第２変換回路と、第３コイルに接続された整流回路とを含み、第１変換回路は、第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して第１コイルに供給し、第２変換回路は、所定の第１直流電圧を出力するように、第２コイルに印加される第２交流電圧を決定し、整流回路は、第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力し、第２交流電圧は、第１交流電圧に対して第１位相差を有する。
　本開示の別の局面に係る車両は、上記の電力変換装置を搭載している。
　本開示のさらに別の局面に係る制御方法は、第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、第１コイルに接続された第１変換回路と、第２コイルに接続された第２変換回路と、第３コイルに接続された整流回路とを含む電力変換装置の制御方法であって、第１変換回路に、第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して第１コイルに供給させるステップと、第２変換回路に、所定の第１直流電圧を出力するように、第２コイルに印加される第２交流電圧を決定させるステップと、整流回路に、第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力させるステップとを含み、第２交流電圧は、第１交流電圧に対して第１位相差を有する。
図１は、本開示の実施形態に係る電力変換装置が車両に搭載される場合の構成を示すブロック図である。 図２は、本開示の実施形態に係る車両を示す模式図である。 図３は、図１に示した電力変換装置の構成を示す回路図である。 図４は、図３に示した電力変換装置の制御タイミングと、それに応じて生成される電圧及び電流を示す波形図である。 図５は、図４に示した電力変換装置の第１モードにおける電流の流れを示す回路図である。 図６は、図４に示した電力変換装置の第２モードにおける電流の流れを示す回路図である。 図７は、図４に示した電力変換装置の第３モードにおける電流の流れを示す回路図である。 図８は、図４に示した電力変換装置の第４モードにおける電流の流れを示す回路図である。 図９は、インダクタ電流を示すグラフである。 図１０は、図３に示した電力変換装置の制御タイミングと、それに応じて生成される電圧及び電流を示す波形図である。 図１１は、等価回路を示す回路図である。 図１２は、電力変換装置のフィードバック制御を示すフローチャートである。 図１３は、バッテリの充電時における電力供給を示すブロック図である。 図１４は、バッテリの非充電時（車両走行時等）における電力供給を示すブロック図である。 図１５は、高圧バッテリの放電時における電力供給を示すブロック図である。 図１６は、高圧バッテリの放電による負荷への電力供給を示すブロック図である。 図１７は、双方向動作が可能なＰＦＣ回路を示す回路図である。 図１８は、変形例に係る電力変換装置の等価回路を示す回路図である。 図１９は、図１８の等価回路を示す回路図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　多出力コンバータでは、各回路部間の電力の流れ、及び、出力電圧を独立に制御することが要求される。例えば、車載充電器のＤＣ／ＤＣ変換部とＤＣ／ＤＣコンバータとを、１つのトランスを用いて一体化して複合電力変換器を構成する場合がある。この場合、電力系統から高圧バッテリを充電する充電電力と、低電圧バッテリ（鉛バッテリ）を充電するための出力電圧とを独立に制御できれば好ましい。しかし、特許文献１に開示されたスイッチング電源装置によっては、高圧バッテリを充電する充電電力と、低電圧バッテリを充電するための出力電圧とを独立に制御できない。
　したがって、本開示は、各回路部間の電力の流れと出力電圧とを独立に制御可能な電力変換装置、それを含む車両及び制御方法を提供することを目的とする。
　［本開示の効果］
　本開示によれば、小型化及び軽量化を実現すると共に、各回路部間の電力の流れと出力電圧とを独立に制御できる電力変換装置を実現でき、電力変換装置の車両への搭載が容易になる。
　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の実施形態の内容を列記して説明する。以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
　（１）本開示の第１の局面に係る電力変換装置は、第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、第１コイルに接続された第１変換回路と、第２コイルに接続された第２変換回路と、第３コイルに接続された整流回路とを含み、第１変換回路は、第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して第１コイルに供給し、第２変換回路は、所定の第１直流電圧を出力するように、第２コイルに印加される第２交流電圧を決定し、整流回路は、第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力し、第２交流電圧は、第１交流電圧に対して第１位相差を有する。これにより、電力変換装置の小型化及び軽量化を実現できる。また、第１変換回路及び第２変換回路の間で、所望の方向に電力を伝送できる。
　（２）好ましくは、第１交流電圧及び第２交流電圧は、同じパルス幅を有する。
　（３）より好ましくは、電力変換装置は、第１変換回路及び第２変換回路の動作を制御する制御部をさらに含み、制御部は、整流回路から出力される電圧に応じて、パルス幅を調整する。これにより、整流回路の出力ポートの電圧を所望の値にできる。
　（４）さらに好ましくは、制御部は、第１コイル及び第２コイルを介して、第１変換回路から第２変換回路に供給する電力、又は、第２変換回路から第１変換回路に供給する電力に応じて、第１位相差を調整する。これにより、各回路部間の電力の流れと出力電圧とを独立に制御できる。即ち、パルス幅を調整することにより、整流回路の出力ポートの電圧を所望の値にできる。位相差を調整することにより、第１変換回路及び第２変換回路の間で伝送される電力を所望の値にできる。また、位相差の正負を変更することにより、第１変換回路及び第２変換回路の間で、所望の方向に電力を伝送できる。
　（５）好ましくは、電力変換装置は、第１変換回路及び第２変換回路の動作を制御する制御部をさらに含み、制御部は、第１コイル及び第２コイルを介して第１変換回路から第２変換回路に供給する電力、又は、第２変換回路から第１変換回路に供給する電力に応じて、第１位相差を調整する。これにより、各回路部間の電力の流れを制御できる。即ち、位相差を調整することにより、第１変換回路及び第２変換回路の間で伝送される電力を所望の値にできる。また、位相差の正負を変更することにより、第１変換回路及び第２変換回路の間で、所望の方向に電力を伝送できる。
　（６）より好ましくは、第１変換回路及び第２変換回路の各々は、複数のスイッチング素子により構成されるフルブリッジ回路である。これにより、トランスを間に挟んで、第１変換回路及び第２変換回路の間で双方向に電力伝送が可能になる。
　（７）さらに好ましくは、制御部は、第１変換回路及び第２変換回路の各々を構成する複数のスイッチング素子のオン及びオフを位相シフト方式で制御する。これにより、パルス幅及び位相差を容易に調整できる。
　（８）好ましくは、電力変換装置は、高圧バッテリ及び低圧バッテリを含む車両に搭載され、高圧バッテリは、第２変換回路の出力部に接続され、低圧バッテリは、整流回路の出力部に接続される。これにより、車両において、電力変換装置の小型化及び軽量化を実現できる。
　（９）より好ましくは、高圧バッテリの放電時に、第２変換回路は、第２変換回路に入力される直流電圧を変換し、第４交流電圧を生成して第２コイルに供給し、第１変換回路は、所定の第２直流電圧を出力するように、第１コイルから印加される第５交流電圧を決定し、第５交流電圧は、第４交流電圧に対して第２位相差を有する。これにより、車両において、第１変換回路及び第２変換回路の間で、所望の方向に電力を伝送でき、車両の充放電が可能になる。
　（１０）さらに好ましくは、制御部は、車両の充放電動作中は、第１変換回路及び第２変換回路を相互に異なる位相で駆動し、車両の充放電動作中以外は、第１変換回路及び第２変換回路を同じ位相で駆動する。これにより、高圧バッテリの充電時には、系統からの電力を、高圧バッテリを充電するための適切な電力に変換でき、高圧バッテリを放電させて系統側に電力を供給できる。また、車両の走行時には、高圧バッテリの電圧を適切な電圧に変換して補機系負荷に供給できる。
　（１１）好ましくは、制御部は、第１変換回路の入力部が電力系統に接続されている状態で、高圧バッテリが充電又は放電しているとき、第１変換回路及び第２変換回路を相互に異なる位相で駆動し、第１変換回路の入力部が電力系統に接続されていない状態で、高圧バッテリが放電しているとき、第１変換回路を停止させ、第２変換回路を駆動させる。これにより、高圧バッテリの充電時には、系統からの電力を、高圧バッテリを充電するための適切な電力に変換でき、高圧バッテリを放電させて系統側に電力を供給できる。また、車両の走行時には、高圧バッテリの電圧を適切な電圧に変換して補機系負荷に供給できる。
　（１２）より好ましくは、電力変換装置は、高圧バッテリ及び低圧バッテリを含む車両に搭載され、高圧バッテリは、第２変換回路の出力部に接続され、低圧バッテリは、整流回路の出力部に接続される。これにより、車両において、電力変換装置の小型化及び軽量化を実現できる。
　（１３）さらに好ましくは、電力変換装置は、第１コイルに直列接続された第１インダクタ、及び、第２コイルに直列接続された第２インダクタの少なくとも一方をさらに含み、第１インダクタを含む場合、第１変換回路により生成される第１交流電圧は、第１コイルに供給される代わりに、第１コイル及び第１インダクタに供給され、第２インダクタを含む場合、第２変換回路により決定される第２交流電圧は、第２コイルに印加される代わりに、第２コイル及び第２インダクタに印加される。これにより、トランスの漏れインダクタンスをインダクタとして利用する場合よりも、より確実に各回路部間の電力の流れと出力電圧とを独立に制御できる。
　（１４）好ましくは、第３コイルは、センタータップを有するコイルであり、整流回路は、センタータップと整流回路の出力端子とを接続するチョークコイルを含む。これにより、センタータップを有しないコイルと比較して少ない部品点数で全波整流することが可能になり、トランス利用効率を高めてトランスを小型化できる。
　（１５）本開示の第２の局面に係る車両は、上記の電力変換装置を搭載した車両である。これにより、電力変換装置が小型及び軽量であるので、電力変換装置の車両への搭載が容易になる。
　（１６）本開示の第３の局面に係る制御方法は、第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、第１コイルに接続された第１変換回路と、第２コイルに接続された第２変換回路と、第３コイルに接続された整流回路とを含む電力変換装置の制御方法であって、第１変換回路に、第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して第１コイルに供給させるステップと、第２変換回路に、所定の第１直流電圧を出力するように、第２コイルに印加される第２交流電圧を決定させるステップと、整流回路に、第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力させるステップとを含み、第２交流電圧は、第１交流電圧に対して第１位相差を有する。これにより、電力変換装置の小型化及び軽量化を実現できる。また、第１変換回路及び第２変換回路の間で、所望の方向に電力を伝送できる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下の実施形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
　図１を参照して、本開示の実施形態に係る電力変換装置１００は、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路（第１変換回路）１０２と、トランス１０４と、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路（第２変換回路）１０６と、整流回路１０８と、制御部１１０とを含む。図１は、電力変換装置１００が車両に搭載される場合のシステム構成を示している。このシステムは、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路１２２、キャパシタ１２４、電力変換装置１００、高圧バッテリ１２６、昇圧回路１２８、インバータ回路１３０、モータ１３２、低圧バッテリ１３４及び補機系負荷１３６を含む。
　電力変換装置１００の入力部１４０、即ち第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の入力部は、キャパシタ１２４を介してＰＦＣ回路１２２に接続されている。入力部１４０には、ＰＦＣ回路１２２から電力が供給される。ＰＦＣ回路１２２から供給される電力は、電力系統等の交流電源１２０から供給される交流電力が変換された直流電力である。ＰＦＣ回路１２２は力率改善回路であり、交流電源１２０から入力される交流電力に重畳している高調波を抑制し、安定した直流電力を生成する。
　第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２は、制御部１１０による制御を受けて、入力部１４０から入力する直流電力（直流電圧）を変換して生成した交流電圧をトランス１０４の１次コイルに供給する。これにより、トランス１０４の２次コイルに交流電圧が発生する。トランス１０４の２つの２次コイルの一方は第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６に接続されており、この２次コイルに発生した交流電圧は第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６に入力される。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６は、制御部１１０による制御を受けて、入力される交流電圧を変換して直流電圧を生成する。電力変換装置１００の第１出力部１４２、即ち第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力部は、高圧バッテリ１２６に接続されており、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６により生成された直流電圧は高圧バッテリ１２６に入力される。これにより、交流電源１２０から供給される電力により高圧バッテリ１２６を充電できる。
　高圧バッテリ１２６は、昇圧回路１２８及びインバータ回路１３０を介してモータ１３２に接続されている。高圧バッテリ１２６が放電する場合、高圧バッテリ１２６の出力電圧は、昇圧回路１２８によりモータ１３２の駆動に適した高電圧（直流）に昇圧される。生成された高電圧の直流電圧は、インバータ回路１３０により交流電圧に変換される。変換後の交流電圧は、モータ１３２に供給される。これにより、モータ１３２が駆動し、車両走行が可能になる。
　トランス１０４の２つの２次コイルの他方は、整流回路１０８に接続されており、この２次コイルに発生した交流電圧は整流回路１０８に入力される。整流回路１０８は、入力される交流電圧を平滑して直流電圧を生成する。電力変換装置１００の第２出力部１４４、即ち整流回路１０８の出力部は、低圧バッテリ１３４に接続されており、整流回路１０８により生成された直流電圧は低圧バッテリ１３４に入力される。これにより、交流電源１２０から供給される電力により低圧バッテリ１３４を充電できる。低圧バッテリ１３４は、補機系負荷１３６に接続されている。低圧バッテリ１３４が放電することにより、補機系負荷１３６に電力が供給される。
　図２を参照して、図１に示したシステムは、例えばＰＨＥＶ又はＥＶ等の車両２００に搭載され得る。図２においては、図１に示した構成の一部のみを図示している。車両２００に搭載される電力変換装置１００は、高圧バッテリ１２６及び低圧バッテリ１３４等と共に電源部を構成する。上記したように、高圧バッテリ１２６の出力電力（直流）は、インバータ回路１３０により交流電力に変換されて、モータ１３２を駆動するために使用される。電力変換装置１００は、高圧バッテリ１２６及び低圧バッテリ１３４の間で電圧を変換するために使用される。電力変換装置１００は、高圧バッテリ１２６の出力電圧を低電圧に変換して低圧バッテリ１３４に供給する。これにより、低圧バッテリ１３４は充電され、低圧バッテリ１３４の放電により補機系負荷１３６が作動する。
　電力変換装置１００は、上記したように、外部の交流電源から供給される交流電力により高圧バッテリ１２６及び低圧バッテリ１３４を充電するためにも使用され、高圧バッテリ１２６及び低圧バッテリ１３４に適切な充電電圧を供給する。なお、補機系負荷１３６は、エンジン及びモータ等を稼動するのに必要な付属機器であり、主としてセルモータ、オルタネータ、ラジエータクーリングファン等を含む。補機系負荷１３６は、照明、ワイパー駆動部、ナビゲーション装置、エアコン、ヒータ等を含んでもよい。
　（回路構成）
　図３を参照して、電力変換装置１００の具体的な回路構成を説明する。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を含む。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４はブリッジ接続されてフルブリッジ回路を構成している。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４は、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成されている。図３には、ＦＥＴ内部に形成される寄生ダイオード（ボディダイオード）を示している。
　第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６は、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７及びＱ８を含む。スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７及びＱ８は、ブリッジ接続されてフルブリッジ回路を構成している。スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７及びＱ８は、例えばＦＥＴで構成されている。
　トランス１０４は、コア１５０と、コア１５０に巻回された第１コイル１５２、第２コイル１５４及び第３コイル１５６と、第１インダクタ（コイル）Ｌ１及び第２インダクタ（コイル）Ｌ２とを含む。第１コイル１５２は、トランス１０４の１次コイルとして機能し、第２コイル１５４及び第３コイル１５６の各々は、トランス１０４の２次コイルとして機能する。第３コイル１５６は、例えば２つのコイルが直列接続され、その接続ノード（以下、センタータップという）が出力端子の１つを担うセンタータップ方式のコイルである。第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２は、誘導成分であればよく、図３においては、第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２はトランス１０４の漏れインダクタンスを利用することとし、トランス１０４に含めて図示している。
　第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力端子は、直列接続された第１インダクタＬ１及び第１コイル１５２の両端子に接続されている。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力端子は、直列接続された第２インダクタＬ２及び第２コイル１５４に接続されている。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２のノードＮ１及びＮ２（入力部１４０）の間には、ＰＦＣ回路１２２から直流電圧Ｅ１が入力される。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４の各々のオン及びオフが制御部１１０により制御されることにより、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２は、ノードＮ１及びＮ２間に入力される直流電圧Ｅ１を交流電圧に変換してトランス１０４の第１コイル１５２に供給する。これにより第２コイル１５４に発生した交流電圧は、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６に入力され、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７及びＱ８の各々のオン及びオフが制御部１１０により制御されることにより、直流電圧に変換され、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６のノードＮ３及びＮ４間に直流電圧Ｅ２が出力される。即ち、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。
　整流回路１０８は、スイッチング素子Ｑ１０１及びＱ１０２と、チョークコイルＬ３と、キャパシタＣ１とを含む。スイッチング素子Ｑ１０１及びＱ１０２は、例えばＦＥＴで構成されている。整流回路１０８の入力端子は第３コイル１５６の両端子に接続されている。チョークコイルＬ３は、一方の端子が第３コイル１５６のセンタータップに接続され、他方の端子がノードＮ５に接続されている。キャパシタＣ１は、ノードＮ５及びＮ６に接続されている。
　上記したように、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４の各々のオン及びオフが制御部１１０により制御されることにより、交流電圧が第１コイル１５２に供給されると、第３コイル１５６に交流電圧が発生する。第３コイル１５６に発生した交流電圧は、整流回路１０８に入力され、スイッチング素子Ｑ１０１及びＱ１０２の寄生ダイオードに交互に電流が流れることより整流される。チョークコイルＬ３及びキャパシタＣ１は、整流された電流を平滑してチョーク電流ｉ３を生成し、ノードＮ５及びＮ６間に直流電圧Ｖｏｕｔが発生する。即ち、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び整流回路１０８は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。
　整流回路１０８のスイッチング素子Ｑ１０１及びＱ１０２のオン及びオフが制御部１１０により制御されなくても、上記したように整流回路１０８は整流動作を行う。整流回路１０８のスイッチング素子Ｑ１０１及びＱ１０２のオン及びオフは、制御部１１０により同期整流方式で制御されてもよい。
　制御部１１０は、ＣＰＵ１６０、メモリ１６２及びＩ／Ｆ部（インターフェイス部）１６４を含む。メモリ１６２は、ＣＰＵ１６０が実行するプログラムを記憶する。Ｉ／Ｆ部１６４は、ＣＰＵ１６０の制御を受けて、上記したように、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６を構成する各スイッチング素子のオン及びオフを制御するための信号（各スイッチング素子のゲート電圧）を出力する。また、第１出力部１４２及び第２出力部１４４には、電力及び電圧の測定装置（センサ等）（図示せず）が配置されている。Ｉ／Ｆ部１６４は、第１出力部１４２及び第２出力部１４４における測定値を受信し、メモリ１６２に記憶する。記憶された測定値は、後述するようにフィードバック制御において使用される。ＣＰＵ１６０は、メモリ１６２から読出したプログラムを実行することにより、これらの処理を実行する。
　上記したように、制御部１１０は、必要に応じて、整流回路１０８を構成するスイッチング素子Ｑ１０１及びＱ１０２のオン及びオフを制御してもよい。制御部１１０は、半導体素子（ＰＬＤ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等）により実現されてもよい。各スイッチング素子は、ＦＥＴ以外の半導体素子、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子であってもよい。
　（動作）
　図４～図１０を参照して、電力変換装置１００の動作に関して説明する。
　図４には、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の各々の制御信号（ゲート電圧）と、それにより発生する第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電圧Ｖ１、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｖ２、インダクタ電圧（ＶＬ１＋ＶＬ２）及びインダクタ電流ｉとを示す。横軸は時間を表す。全ての時間軸は同じである。即ち、上下方向の点線は同じタイミング（同時刻）を表す。「同じ」とは、完全に一致する場合に限らず、所定範囲の差異（例えば誤差）がある場合をも含む。スイッチング周期に対して時間的差異が十分小さい場合、その差異を誤差として無視でき、同じと解釈できる（以下同様）。また、この意味で使用する「同じ」に該当しないものを、「異なる」という。インダクタ電圧は、第１インダクタＬ１の電圧ＶＬ１（図３参照）及び第２インダクタＬ２の電圧ＶＬ２（図３参照）の和である。インダクタ電流は、第１インダクタＬ１に流れるインダクタ電流ｉ（図３参照）である。トランス１０４の第１コイル１５２及び第２コイル１５４の巻き数は等しく、第３コイル１５６においてセンタータップと両端子の各々との間の巻き数は共に、第１コイル１５２（第２コイル１５４）の巻き数の１／ｎであるとする。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８は位相シフト方式で制御される。即ち、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８は全て同じ周期Ｔで制御され、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は交互にデューティ５０％でオンされ、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４も交互にデューティ５０％でオンされる。即ち、パルス幅が同じである（上記したように、２つのパルス幅の差がスイッチング周期に対して十分に小さい（例えば数％以下）場合を含む）。スイッチング素子Ｑ３は、スイッチング素子Ｑ１に対して位相差を持って（パルス幅Ｔ０（時間）だけ遅れて）オンされる。パルス幅Ｔ０（時間）の位相差は、角度で表すと２π・Ｔ０／Ｔ（ｒａｄ）である。同様に、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６は交互にデューティ５０％でオンされ、スイッチング素子Ｑ７及びＱ８も交互にデューティ５０％でオンされる。スイッチング素子Ｑ７はスイッチング素子Ｑ５に対してパルス幅Ｔ０の位相差を持ってオンされる。さらに、スイッチング素子Ｑ５はスイッチング素子Ｑ１に対して時間Ｔｐの位相差を持ってオンされる。時間Ｔｐの位相差は、角度で表すと２π・Ｔｐ／Ｔ（ｒａｄ）である。このように、時間Ｔｐを位相差として扱うので、以下においては位相差Ｔｐという。
　これにより、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８のオン状態又はオフ状態に応じて、半周期（Ｔ／２）は４つの期間（時間ｔ１～ｔ４）に区分され、それらに対応して、電力変換装置１００は４種類のモードで動作する。以下、時間ｔ１～ｔ４のそれぞれにおける電力変換装置１００の動作モードを、第１～第４モードという。第１モード（時間ｔ１）では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６及びＱ８がオンであり、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５及びＱ７がオフである。第２モード（時間ｔ２）では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ５及びＱ８がオンであり、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６及びＱ７がオフである。第３モード（時間ｔ３）では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５及びＱ８がオンであり、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６及びＱ７がオフである。第４モード（時間ｔ４）では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５及びＱ７がオンであり、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６及びＱ８がオフである。
　これにより、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電圧Ｖ１及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｖ２は、図４に示したように変化する。以下に、各モードに関して具体的に説明する。ここでは、図３に示したように、系統からの電力供給による第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２への入力電圧（ノードＮ１及びＮ２間の電圧）Ｅ１は、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力電圧（ノードＮ３及びＮ４間の電圧、即ち高圧バッテリ１２６への入力電圧）Ｅ２よりも大きい（Ｅ１＞Ｅ２＞０）とする。第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２に流れる電流は、交流電源１２０側（電力系統）から高圧バッテリ１２６側に流れる向きを「正」とし、その電流が増加するときをインダクタの「充電」といい、減少するときを「放電」という。
　最初に、電力系統と高圧バッテリ間の電力変換動作に関して説明する。
　（第１モード）
　図５を参照して、第１モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６には、太線の矢印で示すように電流が流れる。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電圧Ｖ１は、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の入力電圧、即ちノードＮ１及びＮ２間の電圧Ｅ１と等しい（図３参照）。したがって、第１インダクタＬ１には電流が増加する向きに電圧が印加され、第１インダクタＬ１は充電される。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力端子は短絡され、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｖ２は０である。
　（第２モード）
　図６を参照して、第２モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６には、太線の矢印で示すように電流が流れる。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電圧Ｖ１は、第１モードと同様に、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の入力電圧、即ちノードＮ１及びＮ２間の電圧Ｅ１と等しい。したがって、第１インダクタＬ１には電流が増加する向きに電圧が印加され、第１インダクタＬ１は充電される。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｖ２は、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力電圧Ｅ２と等しくなる。Ｅ１＞Ｅ２であるので、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力側（高圧バッテリ１２６側）に電力が伝達される。
　（第３モード）
　図７を参照して、第３モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６には、太線の矢印で示すように電流が流れる。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力端子は短絡され、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電圧Ｖ１は０である。第１インダクタＬ１には電流が減少する向きに電圧が印加され、第１インダクタＬ１は放電する。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｖ２は、第２モードと同様に、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力電圧Ｅ２と等しい。第１インダクタＬ１に蓄積されていたエネルギーが放電されることにより、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力側（高圧バッテリ１２６側）に電力が伝達される。
　（第４モード）
　図８を参照して、第４モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６には、太線の矢印で示すように電流が流れる。第３モードと同様に、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力端子は短絡され、Ｖ１＝０である。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力端子も短絡され、Ｖ２＝０である。このとき、素子の抵抗等を無視すると、第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２に印加される電圧は０になる。第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２の各々に流れる電流は還流し、高圧バッテリ１２６側には電力は伝達されない。
　上記をまとめると、表１のようになる。インダクタ電圧（ＶＬ１＋ＶＬ２）は、Ｅ１、Ｅ２、Ｖ１及びＶ２の電圧の正方向（図３の上向きの矢印参照）を考慮して算出されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　したがって、第１～第４モードにおいて、Ｖ１、Ｖ２及びインダクタ電圧（ＶＬ１＋ＶＬ２）は、図４に示したように変化する。Ｖ２は、Ｖ１に対して位相差Ｔｐを有する。
　１周期の後半の半周期も、前半の半周期と同様に４つの区間に区分でき、電力変換装置１００は４種類のモードで動作する。第１～第４モードの各々をＴ／２ずらした後半の半周期における各期間の動作は、対応する第１～第４モードと同様に動作する。但し、各スイッチング素子のオン状態及びオフ状態が逆になるので、第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２に流れる電流は前半の半周期とは逆になる。即ち、図４に示したように、後半の半周期のＶ１、Ｖ２及びインダクタ電圧（ＶＬ１＋ＶＬ２）は、前半の半周期のＶ１、Ｖ２及びインダクタ電圧を、０を基準として反転した値（符号の正負を逆にした値）になる。Ｖ１、Ｖ２及びインダクタ電圧の各々は、周期Ｔで変化する。
　表１に示した値から、インダクタ電流ｉの変化量を算出できる。インダクタンスＬを有するインダクタの両端に印加する直流電圧をＥとし、時間ΔＴの間の電流変化量をΔＩとすると、ΔＩ＝Ｅ・ΔＴ／Ｌ　となる。電圧Ｅ及び時間ΔＴに、表１のインダクタ電圧及び期間を用いると、第１～第３モードにおけるインダクタ電流ｉの変化量Δｉは、下記の式１～式３で表される。なお、第４モードのインダクタ電流の変化量は０（ゼロ）である。式中のＬ１及びＬ２は、それぞれ第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２のインダクタンスを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図４に示したインダクタ電流の波形には、各頂点にＡ～Ｉの記号を付している。点Ａから点Ｂへの電流の変化量（点Ａの電流値と点Ｂの電流値との差）は、式１で表される。点Ｂから点Ｃへの電流の変化量は、式２で表される。点Ｃから点Ｄへの電流の変化量は、式３で表される。点Ｄから点Ｅへの電流の変化量は０である。
　１周期の後半の半周期に関しても、同様に算出できる。即ち、点Ｅから点Ｆへの電流の変化量は、式１で表される値の符号を反転した負の値である。点Ｆから点Ｇへの電流の変化量は、式２で表される値の符号を反転した負の値である。点Ｇから点Ｈへの電流の変化量は、式３で表される値の符号を反転した正の値である。点Ｈから点Ｉへの電流の変化量は０である。
　図４から、インダクタ電流ｉの最大値と最小値との差（Ｐｅａｋ－ｔｏ－ｐｅａｋ値）ΔＩｐｐは、点Ｃから点Ｄへの電流変化量の絶対値、点Ｅから点Ｆへの電流変化量の絶対値、及び、点Ｆから点Ｇへの電流変化量の絶対値の合計値であり、式４で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６におけるスイッチング素子の接続及びその制御信号の対称性を考慮すると、ΔＩｐｐの中央値（ΔＩｐｐ／２）が０Ａ（アンペア）になる。このことを考慮して、点Ａ～点Ｉの電流値を算出できる。その結果を図９に示す。図９は、図４の最下段に示したインダクタ電流波形の１周期を示している。
　半周期当たりに高圧バッテリ１２６により伝送されるエネルギー量（電力Ｐ）は、第１～第４モードにおけるインダクタ電流と高圧バッテリ１２６の電圧との積を時間積分して得られる。第１モード及び第４モードにおいては、高圧バッテリ１２６の電圧は０（Ｖ２＝０）であるので、第２モード及び第３モードにおけるインダクタ電流と高圧バッテリ１２６の電圧との積を時間積分すればよい。表１に示した電圧Ｖ２と図９に示したインダクタ電流の値とを用いて、電力Ｐは式５のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式５を、半周期の時間（Ｔ／２）で除して単位時間当たりの伝送エネルギー、即ち平均伝送電力に換算すると、式６が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式６から、電力Ｐは、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐに依存することが分かる。したがって、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐの少なくとも一方を調整することにより、電力Ｐを所望の値に設定できる。
　上記では、系統側の電力を高圧バッテリに供給する場合を説明したが、これに限定されない。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の回路構成は、トランス１０４を挟んで、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６が対称であるので、同様の制御を行うことにより、高圧バッテリ１２６から交流電源１２０側に電力を供給することができる。但し、位相差Ｔｐを負（Ｔｐ＜０）にする、即ち電圧Ｖ１に対する電圧Ｖ２のタイミング（例えば、立ち上がりのタイミング）が早くなるようにスイッチング素子を制御する必要がある。
　次に、電力系統及び低圧バッテリ間の電力変換動作に関して説明する。図１０には、図４と同様に、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の各々の制御信号（ゲート電圧）と、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電圧Ｖ１と、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｖ２と、それらにより発生する第３コイル１５６の電圧及びチョーク電流とを示している。第３コイル１５６の電圧は、センタータップと第３コイル１５６の端子との間の電圧、即ち、第３コイル１５６の両端間の電圧Ｖ３の１／２の電圧（以下、Ｖ３／２と表記）である（図３参照）。チョーク電流はチョークコイルＬ３を流れるチョーク電流ｉ３（図３参照）である。
　（第１モード）
　図５を参照して、第１モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び整流回路１０８には、太線の矢印で示したように電流が流れる。図３に示したトランス１０４のうちコア１５０、第１コイル１５２、第２コイル１５４及びその周辺の回路は、図１１に示す等価回路で表される。電源１７２及び１７４はそれぞれ、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６を表す。上記したように、第１モードにおいてはＶ２＝０であるので、トランス１７０の電圧は、電圧Ｖ１が第１インダクタＬ１と第２インダクタＬ２とで分圧された値となる。また、上記したように、Ｖ１は、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の入力電圧、即ちノードＮ１及びＮ２間の電圧Ｅ１と等しい。よって、トランス１７０の電圧は、Ｌ２・Ｅ１／（Ｌ１＋Ｌ２）となる。第３コイル１５６の巻き数は、第２コイル１５４の巻き数の１／ｎであるので、第３コイル１５６のセンタータップと端子との間に発生する電圧（Ｖ３／２）、即ち、図１０に示した第１モードにおけるＶ３１は、Ｌ２・Ｅ１／｛ｎ・（Ｌ１＋Ｌ２）｝　となる。したがって、チョークコイルＬ３の両端の電圧は、Ｌ２・Ｅ１／｛ｎ・（Ｌ１＋Ｌ２）｝－Ｖｏｕｔ　となり、第１モードの期間（ｔ１＝Ｔｐ）におけるチョーク電流ｉ３の変化量Δｉ３は、式７で表される。式中、Ｌ３は、チョークコイルＬ３のインダクタンスを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　（第２モード）
　図６を参照して、第２モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び整流回路１０８には、太線の矢印で示したように電流が流れる。上記したように、第２モードにおいては、電圧Ｖ２は第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力電圧Ｅ２と等しくなるので、トランス１７０の電圧は、電圧Ｖ１及びＶ２の間の値、即ち、（Ｌ２・Ｅ１＋Ｌ１・Ｅ２）／（Ｌ１＋Ｌ２）　となる。第３コイル１５６のセンタータップと端子との間に発生する電圧（Ｖ３／２）、即ち、図１０に示した第２モードにおけるＶ３２は、（Ｌ２・Ｅ１＋Ｌ１・Ｅ２）／｛ｎ・（Ｌ１＋Ｌ２）｝　となる。したがって、チョークコイルＬ３の両端の電圧は、（Ｌ２・Ｅ１＋Ｌ１・Ｅ２）／｛ｎ・（Ｌ１＋Ｌ２）｝－Ｖｏｕｔ　となり、第２モードの期間（ｔ２＝Ｔ０－Ｔｐ）におけるチョーク電流ｉ３の変化量Δｉ３は式８で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　（第３モード）
　図７を参照して、第３モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び整流回路１０８には、太線の矢印で示したように電流が流れる。上記したように、第３モードにおいてはＶ１＝０であるので、トランス１７０の電圧は、電圧Ｖ２が第１インダクタＬ１と第２インダクタＬ２とで分圧された値となる。また、上記したように、Ｖ２は、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の出力電圧、即ちノードＮ３及びＮ４間の電圧Ｅ２と等しい。よって、トランス１７０の電圧は、Ｌ１・Ｅ２／（Ｌ１＋Ｌ２）となる。第３コイル１５６のセンタータップと端子との間に発生する電圧（Ｖ３／２）、即ち、図１０に示した第３モードにおけるＶ３３は、Ｌ１・Ｅ２／｛ｎ・（Ｌ１＋Ｌ２）｝　となる。したがって、チョークコイルＬ３の両端の電圧は、Ｌ１・Ｅ２／｛ｎ・（Ｌ１＋Ｌ２）｝－Ｖｏｕｔ　となり、第３モードの期間（ｔ３＝Ｔｐ）におけるチョーク電流ｉ３の変化量Δｉ３は、式９で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　（第４モード）
　図８を参照して、第４モードにおいて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び整流回路１０８には、太線の矢印で示したように電流が流れる。上記したように、第４モードにおいては、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力端子は短絡され、Ｖ１＝０であり、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力端子は短絡され、Ｖ２＝０である。よって、トランス１７０の電圧は０であり、第３コイル１５６のセンタータップと端子との間に発生する電圧（Ｖ３／２）は０である。したがって、チョークコイルＬ３の両端の電圧は－Ｖｏｕｔ　となり、第４モードの期間（ｔ４＝Ｔ／２－Ｔｐ）におけるチョーク電流ｉ３の変化量Δｉ３は、式１０で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　なお、図１０において、第１及び第２モードの間、チョーク電流ｉ３が増加し、第３モードの間、チョーク電流が減少しているが、上記の式７～式９から分かるように、Ｅ１、Ｅ２、Ｌ１、Ｌ２及びＶｏｕｔの値によっては、チョーク電流ｉ３の増減方向は図１０と逆になり得る。
　定常状態においては、第１～第４モードにおけるチョーク電流ｉ３の変化量Δｉ３の合計が０になることを考慮すると、Ｖｏｕｔに関して式１１が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式１１から、整流回路１０８の出力電圧Ｖｏｕｔは、パルス幅Ｔ０に依存することが分かる。したがって、パルス幅Ｔ０を調整することにより、整流回路１０８の出力電圧Ｖｏｕｔ、即ち低圧バッテリ１３４に供給する電圧を、所望の値に設定できる。
　以上のように、電力変換装置１００は、高圧バッテリ１２６に電力を供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータの機能と、低圧バッテリ１３４に電力を供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータの機能とを、共通の回路要素（第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及びトランス１０４）を用いて実現しているので、従来よりも小型及び軽量である。これに加えて、電力変換装置１００においては、電力変換装置１００が適用されるシステムで使用されるＥ１、Ｅ２、Ｌ１、Ｌ２及びＴの値と、式６及び式１１とを用いて、Ｐ及びＶｏｕｔがそれぞれ所望の値になるように、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐを決定できる。例えば、系統側の電圧（Ｅ１）、高圧バッテリ側の電圧（Ｅ２）、低圧バッテリ１３４（例えば、鉛バッテリ）に供給する電圧（Ｖｏｕｔ）に応じて、パルス幅Ｔ０を調整し、外部からの充放電要求指示に応じて、位相差Ｔｐを調整すれば、各回路ブロック間の電力伝達を任意に制御できる。
　第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６をフルブリッジ回路で構成し、位相シフト方式で制御することにより、後述するように、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の間で双方向に電力供給が可能になる。第３コイル１５６にセンタータップ方式のコイルを採用することにより、センタータップを有さないコイルと比較して実効電流が半分になるので、第３コイル１５６に細い巻線を使用でき、トランス１０４を小型化できる。
　上記では、トランス１０４の漏れインダクタンスを第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２として利用したが、第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２は、トランス１０４に外付けされるコイルにより実現されてもよい。第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２を、外付けのコイルにより実現することにより、各回路ブロック間の電力の流れと出力電圧とを、より確実に独立に制御できる。
　（フィードバック制御）
　式６及び式１１は、理想的な状態におけるものであるので、電力変換装置１００をシステムに適用する場合、必要に応じて、各回路ブロックの電圧及び電力を測定してフィードバック制御を行うことが好ましい。例えば、図１の構成において、第１出力部１４２及び第２出力部１４４のそれぞれに電力測定装置及び電圧測定装置（センサ等）を設けて、測定された信号を制御部１１０のＩ／Ｆ部１６４に入力する。これにより、ＣＰＵ１６０は、取得したデータ（例えば、Ｉ／Ｆ部１６４に入力されたアナログ信号をＡＤ変換した値）を用いて、現在の電力Ｐ及び出力電圧Ｖｏｕｔを、それぞれの所望の値（予めメモリ１６２に記憶されている値）と比較して、フィードバック制御できる。これにより、誤差要因があっても、所望の電力伝達を実現できる。
　図１２を参照して、制御部１１０によるフィードバック制御に関して説明する。図１２の処理は、制御部１１０のＣＰＵ１６０により実行される。
　ステップ３００において、ＣＰＵ１６０は、メモリ１６２に予め記憶されている制御条件を初期値として読出す。その後、制御はステップ３０２に移行する。初期値には、Ｔ、Ｔ０、Ｔｐ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｎ（巻数比を表す実数）、Ｅ１、Ｅ２、Ｐ及びＶｏｕｔが含まれる。ここで、Ｐ及びＶｏｕｔの初期値は目標値である。ＣＰＵ１６０は、読出したＴ、Ｔ０及びＴｐを用いて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８のオン及びオフを制御するための制御信号（例えばＦＥＴのゲート電圧）を、図４に示したタイミングで出力する。
　ステップ３０２において、ＣＰＵ１６０は、第１出力部１４２及び第２出力部１４４に設けられた測定装置から、電力及び電圧を、Ｉ／Ｆ部１６４を介して取得する。その後、制御はステップ３０４に移行する。Ｉ／Ｆ部１６４に入力された信号は、デジタルデータとしてメモリ１６２に記憶される。
　ステップ３０４において、ＣＰＵ１６０は、メモリ１６２から、ステップ３０２で記憶した電力を読出してＰの初期値と比較し、両者の差（電力差）が所定の範囲内にあるか否かを判定する。電力差が所定範囲内にあると判定された場合、制御はステップ３０８に移行する。そうでなければ、制御はステップ３０６に移行する。
　ステップ３０６において、ＣＰＵ１６０は、スイッチング素子の制御に現在使用しているパルス幅Ｔ０を、ステップ３０４で算出した電力差が小さくなるように変更する。即ち、ＣＰＵ１６０は、式６にしたがって、電力差が小さくなるように新たにパルス幅Ｔ０を決定し、その値を用いて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８のオン及びオフを制御するための制御信号を出力する。その後、制御はステップ３０８に移行する。
　ステップ３０８において、ＣＰＵ１６０は、メモリ１６２からステップ３０２で記憶した電圧を読出してＶｏｕｔの初期値と比較し、両者の差（電圧差）が所定の範囲内にあるか否かを判定する。電圧差が所定範囲内にあると判定された場合、制御はステップ３１２に移行する。そうでなければ、制御はステップ３１０に移行する。
　ステップ３１０において、ＣＰＵ１６０は、スイッチング素子の制御に現在使用している位相差Ｔｐを、ステップ３０４で算出した電圧差が小さくなるように変更する。即ち、ＣＰＵ１６０は、式１１にしたがって、電圧差が小さくなるように新たに位相差Ｔｐを決定し、その値を用いて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８のオン及びオフを制御するための制御信号を出力する。その後、制御はステップ３１２に移行する。
　ステップ３１２において、ＣＰＵ１６０は、スイッチング素子のオン及びオフの制御を終了するか否かを判定する。終了すると判定された場合、ＣＰＵ１６０は本プログラムを終了する。そうでなければ、制御はステップ３０２に戻り、上記した処理を繰返す。終了の指示は、例えば、電力変換装置１００への電力供給が停止されることにより成される。
　以上により、誤差要因があっても、電力Ｐ及び出力電圧Ｖｏｕｔの各々を、メモリ１６２から読出した初期値に維持できる。なお、図１２に示したフローチャートは種々変更され得る。例えば、電力差及び電圧差の判定に関する処理の順序を入換えてもよい。また、新たにパルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐを決定する処理を、電力差及び電圧差の判定の後にまとめて実行してもよい。また、電力を直接測定する代わりに、電流及び電圧を測定して電力を算出してもよい。
　（車載の電力変換装置の動作）
　図１３～図１５を参照して、車載された電力変換装置１００の動作を説明する。図１３～図１５においては、図１に示した構成のうち、高圧バッテリ１２６、昇圧回路１２８、インバータ回路１３０、モータ１３２、低圧バッテリ１３４及び補機系負荷１３６を図示していない。
　（車両の充電動作）
　図１３は、車両２００が電力系統に接続され、高圧バッテリ１２６及び低圧バッテリ１３４を充電する状態を示す。このときの電力変換装置１００の動作を、車両の充電動作という。上記したように、交流電源１２０から供給される交流電圧は、ＰＦＣ回路１２２により直流電圧に変換され、電力変換装置１００の入力部１４０に入力される。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６が制御部１１０による制御を受けて、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６がＤＣ／ＤＣコンバータとして機能することにより、入力部１４０に入力された直流電圧は、高圧バッテリ１２６の充電に適した直流電圧に変換される。変換後の直流電圧は、第１出力部１４２から高圧バッテリ１２６に供給される。また、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び整流回路１０８がＤＣ／ＤＣコンバータとして機能することにより、入力部１４０に入力された直流電圧は、低圧バッテリ１３４の充電に適した直流電圧に変換される。変換後の直流電圧は、第２出力部１４４から低圧バッテリ１３４に供給される。これにより、図１３において太線の矢印で示すように電力が供給され、高圧バッテリ１２６及び低圧バッテリ１３４は充電される。高圧バッテリ１２６の適切な充電電力及び低圧バッテリ１３４の充電に適した直流電圧は、上記したように、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６が、位相差Ｔｐを有する制御信号（図４に示したスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の制御信号）により制御され、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐが調整されることにより生成される。
　（車両走行時）
　図１４は、車両２００の走行中等、車両２００が電力系統に接続されていない状態を示す。このとき、例えば、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６は同じ位相の制御信号により、即ち、図４に示したスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の制御信号において、Ｔｐ＝０とした制御信号により制御される。式６において、Ｔｐ＝０とするとＰ＝０となり、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の間で長期的な意味での電力伝送がないことが分かる。高圧バッテリ１２６の放電により、図１４において太線の矢印で示すように、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６、トランス１０４及び整流回路１０８を介して、低圧バッテリ１３４に電力が供給される。
　また、車両２００が電力系統に接続されていない状態において、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２を停止し、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６を駆動させてもよい。停止とは、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２が、電気回路としての動作を行わない状態を意味する。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２を停止させるには、例えば、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の全てをオフにすればよい。これにより、電力系統側のキャパシタ１２４の電圧が所定の値（例えば、高圧バッテリ１２６の電圧と等しい値）まで上昇するが、その後は、電力系統に電流が流れることはない。即ち、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６から第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２への電力伝送はなくなる。上記と同様に、高圧バッテリ１２６の放電により、図１４において太線の矢印で示すように、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６、トランス１０４及び整流回路１０８を介して、低圧バッテリ１３４に電力が供給される。
　（車両の放電動作）
　図１５は、車両２００が電力系統に接続されており、高圧バッテリ１２６が放電している状態を示す。このときの電力変換装置１００の動作を、車両の放電動作という。上記した車両の充電動作と、ここで説明する車両の放電動作とを合せて、車両の充放電動作という。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６は対称に構成されており、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路（第１変換回路）１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路（第２変換回路）１０６の役割を入換えて動作させることができる。即ち、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６を第１変換回路とし、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２を第２変換回路として、図１５において、左向きの太線の矢印で示すように、高圧バッテリ１２６側から交流電源１２０側に電力を供給できる。このとき、制御部１１０は、位相差Ｔｐを負（Ｔｐ＜０）に設定して、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８を制御すればよい。高圧バッテリ１２６の放電により電力系統側に供給される電力は、電力会社に販売しても、図１６に示すように、電気製品等の負荷１４８に供給されてもよい。高圧バッテリ１２６から負荷１４８に電力を供給する場合、電力系統の有無は任意である。なお、高圧バッテリ１２６から電力系統側に電力が供給される場合、上記した車両２００の走行時と同様に、低圧バッテリ１３４側へも電力供給できる（図１５及び図１６における右向きの矢印参照）。
　このとき、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２からＰＦＣ回路１２２への入力電圧（キャパシタ１２４の両端の電圧）に適した直流電圧、及び、低圧バッテリ１３４の充電に適した直流電圧は、上記と同様に生成される。即ち、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６が、位相差Ｔｐ（Ｔｐ＜０）を有する制御信号（図４に示したスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の制御信号）により制御され、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐが調整されることにより生成される。したがって、車両の充電動作に関して、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の入力電圧Ｅ１に対して、高圧バッテリ１２６の適切な充電電力及び低圧バッテリ１３４の充電に適した直流電圧が生成されるように、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐを調整しておけば、車両の放電動作にもそれらの値を使用できる。即ち、調整後のパルス幅Ｔ０と同じパルス幅、及び、調整後の位相差Ｔｐと絶対値が同じであり符号が逆（負）である位相差を使用してスイッチング素子を制御すれば、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２から電力系統側又は負荷１４８に適切な電力を供給し、低圧バッテリ１３４の充電に適した直流電圧を供給できる。
　また、車両の放電動作に関して、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の入力電圧Ｅ２に対して、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２の出力電力が所望の電力になり、低圧バッテリ１３４の充電に適した直流電圧が生成されるように、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐを調整してもよい。車両の充電動作において、調整後のパルス幅Ｔ０と同じパルス幅、及び、調整後の位相差Ｔｐと絶対値が同じであり符号が逆である位相差を使用できる。なお、車両の充電動作と車両の放電動作とにおいて、同じパルス幅Ｔ０と、絶対値が同じ位相差Ｔｐ（符号は逆）とを使用しなくてもよい。即ち、車両の充電動作及び車両の放電動作の各々において独立に、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐを調整してもよい。
　電力系統側に電力を供給するためには、ＰＦＣ回路１２２が双方向であることが必要である。例えば、図１７に示すように、ＰＦＣ回路１２２を構成するデバイスにＦＥＴ等の能動素子を使用することにより、双方向動作が可能となる。
　（変形例）
　上記では、図３において、第１コイル１５２の巻き数、第２コイル１５４の巻き数、及び、第３コイル１５６のセンタータップと端子との間の巻き数の比が、ｎ：ｎ：１（ｎは正の実数）である場合を説明したが、これに限定されない。第１コイル１５２の巻き数、第２コイル１５４の巻き数、及び、第３コイル１５６のセンタータップと端子との間の巻き数の比が、ｎ１：ｎ２：１（ｎ１及びｎ２は、ｎ１≠ｎ２である正の実数）であってもよい。その場合、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２、トランス１０４及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の回路は、図１８に示した等価回路と考えることができる。さらに、図１８の回路は、図１９の等価回路と考えることができる。したがって、上記した式において、Ｌ２及びＥ２を、それぞれ（ｎ１／ｎ２）２・Ｌ２、及び、（ｎ１／ｎ２）・Ｅ２　に置き換えればよい。これにより、式６及び式１１から式１２及び式１３を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　式１２及び式１３から、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６間で伝送される電力Ｐは、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐに依存し、整流回路１０８の出力電圧Ｖｏｕｔは、パルス幅Ｔ０に依存することが分かる。したがって、式１２及び式１３を用いて、パルス幅Ｔ０及び位相差Ｔｐを調整することにより、電力Ｐ及び出力電圧Ｖｏｕｔの各々を独立に所望の値にできる。なお、必要に応じて、上記したように、各回路ブロックの電圧及び電力を測定してフィードバック制御を行うことが好ましい。
　上記では、第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の各々がフルブリッジ回路である場合を説明したが、これに限定されない。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路１０２及び第２ＤＣ／ＡＣ変換回路１０６の各々は、例えばハーフブリッジ回路であってもよい。
　上記では、第３コイル１５６がセンタータップ方式のコイルである場合を説明したが、これに限定されない。第３コイル１５６は、コイルの両端の間にタップを有しないコイルであってもよい。
　上記では、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の制御信号のデューティが５０％である場合を説明したが、これに限定されない。直列接続されたスイッチング素子（スイッチング素子Ｑ１及びＱ２等）が、同時にオンされなければよく、デューティは５０％以外の値（例えば４８％）であってもよい。
　上記では、電力変換装置１００を構成する各スイッチング素子がＮ型のＦＥＴである場合を説明したが、これに限定されない。Ｐ型のＦＥＴを用いて、電力変換装置を構成するフルブリッジ回路及び整流回路を構成してもよい。
　以上、実施の形態を説明することにより本開示を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本開示は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本開示の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。
１００　　電力変換装置
１０２　　第１ＤＣ／ＡＣ変換回路（第１変換回路）
１０４、１７０　　トランス
１０６　　第２ＤＣ／ＡＣ変換回路（第２変換回路）
１０８　　整流回路
１１０　　制御部
１２０　　交流電源
１２２　　ＰＦＣ回路
１２４、Ｃ１　　キャパシタ
１２６　　高圧バッテリ
１２８　　昇圧回路
１３０　　インバータ回路
１３２　　モータ
１３４　　低圧バッテリ
１３６　　補機系負荷
１４０　　入力部
１４２　　第１出力部
１４４　　第２出力部
１４８　　負荷
１５０　　コア
１５２　　第１コイル
１５４　　第２コイル
１５６　　第３コイル
１６０　　ＣＰＵ
１６２　　メモリ
１６４　　Ｉ／Ｆ部
１７２、１７４　　電源
２００　　車両
３００、３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２　　ステップ
ｉ　　インダクタ電流
ｉ３　　チョーク電流
Ｅ１、Ｅ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、ＶＬ１、ＶＬ２、Ｖｏｕｔ　　電圧
Ｌ１　　第１インダクタ
Ｌ２　　第２インダクタ
Ｌ３　　チョークコイル
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６　　ノード
ｎ、ｎ１、ｎ２　　正の実数
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４　　時間
Ｔ０　　パルス幅（時間）
Ｔｐ　　位相差（時間）
Ｔ　　周期
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ１０１、Ｑ１０２　　スイッチング素子
 

Claims (16)

  1. 　第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、
    　前記第１コイルに接続された第１変換回路と、
    　前記第２コイルに接続された第２変換回路と、
    　前記第３コイルに接続された整流回路とを含み、
    　前記第１変換回路は、前記第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して前記第１コイルに供給し、
    　前記第２変換回路は、所定の第１直流電圧を出力するように、前記第２コイルに印加される第２交流電圧を決定し、
    　前記整流回路は、前記第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力し、
    　前記第２交流電圧は、前記第１交流電圧に対して第１位相差を有する、電力変換装置。
  2. 　前記第１交流電圧及び前記第２交流電圧は、同じパルス幅を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記第１変換回路及び前記第２変換回路の動作を制御する制御部をさらに含み、
    　前記制御部は、前記整流回路から出力される前記電圧に応じて、前記パルス幅を調整する、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記制御部は、前記第１コイル及び前記第２コイルを介して、前記第１変換回路から前記第２変換回路に供給する電力、又は、前記第２変換回路から前記第１変換回路に供給する電力に応じて、前記第１位相差を調整する、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記第１変換回路及び前記第２変換回路の動作を制御する制御部をさらに含み、
    　前記制御部は、前記第１コイル及び前記第２コイルを介して前記第１変換回路から前記第２変換回路に供給する電力、又は、前記第２変換回路から前記第１変換回路に供給する電力に応じて、前記第１位相差を調整する、請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
  6. 　前記第１変換回路及び前記第２変換回路の各々は、複数のスイッチング素子により構成されるフルブリッジ回路である、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 　前記制御部は、前記第１変換回路及び前記第２変換回路の各々を構成する前記複数のスイッチング素子のオン及びオフを位相シフト方式で制御する、請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 　高圧バッテリ及び低圧バッテリを含む車両に搭載され、
    　前記高圧バッテリは、前記第２変換回路の出力部に接続され、
    　前記低圧バッテリは、前記整流回路の出力部に接続される、請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  9. 　前記高圧バッテリの放電時に、
    　　前記第２変換回路は、前記第２変換回路に入力される直流電圧を変換し、第４交流電圧を生成して前記第２コイルに供給し、
    　　前記第１変換回路は、所定の第２直流電圧を出力するように、前記第１コイルから印加される第５交流電圧を決定し、
    　前記第５交流電圧は、前記第４交流電圧に対して第２位相差を有する、請求項８に記載の電力変換装置。
  10. 　前記制御部は、
    　　前記車両の充放電中は、前記第１変換回路及び前記第２変換回路を相互に異なる位相で駆動し、
    　　前記車両の充放電中以外は、前記第１変換回路及び前記第２変換回路を同じ位相で駆動する、請求項８又は請求項９に記載の電力変換装置。
  11. 　前記制御部は、
    　　前記第１変換回路の入力部が電力系統に接続されている状態で、前記高圧バッテリが充電又は放電しているとき、前記第１変換回路及び前記第２変換回路を相互に異なる位相で駆動し、
    　　前記第１変換回路の入力部が前記電力系統に接続されていない状態で、前記高圧バッテリが放電しているとき、前記第１変換回路を停止させ、前記第２変換回路を駆動させる、請求項８又は請求項９に記載の電力変換装置。
  12. 　高圧バッテリ及び低圧バッテリを含む車両に搭載され、
    　前記高圧バッテリは、前記第２変換回路の出力部に接続され、
    　前記低圧バッテリは、前記整流回路の出力部に接続される、請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
  13. 　前記第１コイルに直列接続された第１インダクタ、及び、前記第２コイルに直列接続された第２インダクタの少なくとも一方をさらに含み、
    　前記第１インダクタを含む場合、前記第１変換回路により生成される前記第１交流電圧は、前記第１コイルに供給される代わりに、前記第１コイル及び前記第１インダクタに供給され、
    　前記第２インダクタを含む場合、前記第２変換回路により決定される前記第２交流電圧は、前記第２コイルに印加される代わりに、前記第２コイル及び前記第２インダクタに印加される、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  14. 　前記第３コイルは、センタータップを有するコイルであり、
    　前記整流回路は、前記センタータップと前記整流回路の出力端子とを接続するチョークコイルを含む、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  15. 　請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載した車両。
  16. 　第１コイル、第２コイル及び第３コイルを含むトランスと、前記第１コイルに接続された第１変換回路と、前記第２コイルに接続された第２変換回路と、前記第３コイルに接続された整流回路とを含む電力変換装置の制御方法であって、
    　前記第１変換回路に、前記第１変換回路に入力される直流電圧を変換し、第１交流電圧を生成して前記第１コイルに供給させるステップと、
    　前記第２変換回路に、所定の第１直流電圧を出力するように、前記第２コイルに印加される第２交流電圧を決定させるステップと、
    　前記整流回路に、前記第３コイルから供給される第３交流電圧を整流して生成した電圧を出力させるステップとを含み、
    　前記第２交流電圧は、前記第１交流電圧に対して第１位相差を有する、制御方法。
     
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