WO2021192359A1

WO2021192359A1 - 双方向ｄｃ－ｄｃコンバータ

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Publication number: WO2021192359A1
Application number: PCT/JP2020/034590
Authority: WO
Inventors: アビジタチョデリ; 叶田　玲彦
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2021-09-30
Also published as: JP2021158703A

Abstract

第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、前記第１の直流電源に対応する第１の直流電力と、前記第２の直流電源に対応する第２の直流電力とを双方向に電力変換可能なＤＣ－ＤＣコンバータは、前記第１の直流電力が入力されると、入力された前記第１の直流電力を前記第２の直流電力に変換して出力し、前記第２の直流電力が入力されると、入力された前記第２の直流電力を前記第１の直流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部の入力側および出力側の接続先を、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源との間でそれぞれ切り替えるスイッチと、前記スイッチを制御する制御部と、を備える。

Description

双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ

　本発明は、２つの直流電源間で入出力される直流電力を双方向に変換する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

　近年、風力発電や太陽光発電等の様々な再生可能エネルギーによる発電電力の利用が進んでおり、これに伴って、異なる発電方法で得られた複数種類の発電電力を集めて送電網に出力するシステムへの需要が増加している。また、電気自動車、無停電電源、モバイルコンピュータ等の様々な用途に用いられ、低電力から高電力までの幅広い範囲に対応可能な直流電源の充電システムも求められている。これらのシステムを実現するためには、複数の直流電源を共通に接続する技術が重要となる。

　上記システムにおいて重要な構成要素の一つに、絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータがある。絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータは、使用される電力範囲に応じて様々な構成を採用可能であり、一般的には半導体スイッチ、高周波トランス、各種受動素子（インダクタ、コンデンサ）等を用いて構成される。絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの基本的な機能は、出力電圧および出力電流を調整することにある。

　絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの代表例として、下記の特許文献１のような双方向ＤＣ－ＤＣコンバータが広く知られている。特許文献１には、トランスの一次側と二次側に、複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードを組み合わせてそれぞれ構成された一対のブリッジ回路を備え、直流電源Ｖ１，Ｖ２間で入出力される直流電力を双方向に変換可能な双方向ＤＣ－ＤＣコンバータが開示されている。

米国特許出願公開第２０１５／０３８１０６４号明細書

　特許文献１に記載の従来の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータでは、トランスの一次側と二次側にＩＧＢＴとダイオードを組み合わせたパワー半導体素子のブリッジ回路をそれぞれ設ける必要があり、高コスト化の要因となっている。

　本発明による双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、前記第１の直流電源に対応する第１の直流電力と、前記第２の直流電源に対応する第２の直流電力とを双方向に電力変換可能なＤＣ－ＤＣコンバータであって、前記第１の直流電力が入力されると、入力された前記第１の直流電力を前記第２の直流電力に変換して出力し、前記第２の直流電力が入力されると、入力された前記第２の直流電力を前記第１の直流電力に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部の入力側および出力側の接続先を、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源との間でそれぞれ切り替えるスイッチと、前記スイッチを制御する制御部と、を備える。

　本発明によれば、低コストで実現可能な双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの概略構成図である。電力変換部の回路構成を示す図である。複数の電力変換回路の並列接続による電力変換部の概略構成図である。正方向に電力が流れる場合のスイッチの切り替え状態を示す図である。逆方向に電力が流れる場合のスイッチの切り替え状態を示す図である。制御部によるスイッチの切り替え制御を説明する図である。制御部の機能構成図である。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおける各部品の配置例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの概略構成図である。

　以下では、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの概略構成図である。図１に示す双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、直流電源１００と直流電源１０１の間に接続されており、直流電源１００と直流電源１０１の間で双方向に直流電力の変換が可能なＤＣ－ＤＣコンバータである。すなわち、直流電源１００から直流電源１０１の方向に電力が流れる場合は、直流電源１００から出力された直流電力が双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１において電力変換され、直流電源１０１に入力される。反対に、直流電源１０１から直流電源１００の方向に電力が流れる場合は、直流電源１０１から出力された直流電力が双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１において電力変換され、直流電源１００に入力される。

　双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、コンバータ回路部１２１および制御部１２２を備える。コンバータ回路部１２１は、スイッチ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃおよび１０２ｄと、突入電流制限抵抗１０４と、バイパススイッチ１０５と、電力変換部１０７と、電圧センサ１１５，１１７，１１８および１２０と、電流センサ１１６および１１９と、を備えて構成される。

　スイッチ１０２ａは、電力変換部１０７の正極入力端子と接続された正極入力配線１０３の接続先を、第１正極入力母線１２８または第２正極入力母線１１１のいずれかに切り替える。第１正極入力母線１２８は直流電源１００の正極側に接続されており、第２正極入力母線１１１は直流電源１０１の正極側に接続されている。このスイッチ１０２ａの切り替え動作により、電力変換部１０７の正極入力端子が直流電源１００または直流電源１０１の正極側に接続される。

　スイッチ１０２ｂは、電力変換部１０７の負極入力端子と接続された負極入力配線１０８の接続先を、第１負極入力母線１２９または第２負極入力母線１１２のいずれかに切り替える。第１負極入力母線１２９は直流電源１００の負極側に接続されており、第２負極入力母線１１２は直流電源１０１の負極側に接続されている。このスイッチ１０２ｂの切り替え動作により、電力変換部１０７の負極入力端子が直流電源１００または直流電源１０１の負極側に接続される。

　スイッチ１０２ｃは、電力変換部１０７の正極出力端子と接続された正極出力配線１０９の接続先を、第１正極出力母線１１３または第２正極出力母線１３０のいずれかに切り替える。第１正極出力母線１１３は直流電源１００の正極側に接続されており、第２正極出力母線１３０は直流電源１０１の正極側に接続されている。このスイッチ１０２ｃの切り替え動作により、電力変換部１０７の正極出力端子が直流電源１００または直流電源１０１の正極側に接続される。

　スイッチ１０２ｄは、電力変換部１０７の負極出力端子と接続された負極出力配線１１０の接続先を、第１負極出力母線１１４または第２負極出力母線１３１のいずれかに切り替える。第１負極出力母線１１４は直流電源１００の負極側に接続されており、第２負極出力母線１３１は直流電源１０１の負極側に接続されている。このスイッチ１０２ｄの切り替え動作により、電力変換部１０７の負極出力端子が直流電源１００または直流電源１０１の負極側に接続される。

　コンバータ回路部１２１では、以上説明したスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え動作により、電力変換部１０７の入力側および出力側の接続先が、直流電源１００と直流電源１０１との間でそれぞれ切り替えられる。スイッチ１０２ａ～１０２ｄの動作は、制御部１２２から入力されるスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄに応じてそれぞれ制御される。なお、スイッチ１０２ａ～１０２ｄは、例えば各種リレーを用いて構成される。

　突入電流制限抵抗１０４は、正極入力配線１０３においてスイッチ１０２ａと電力変換部１０７の間に接続されており、電力変換部１０７への入力電流を所定値未満に制限する。バイパススイッチ１０５は、正極入力配線１０３において突入電流制限抵抗１０４と並列に接続されており、突入電流制限抵抗１０４の両端間をバイパスする。

　バイパススイッチ１０５は、スイッチ１０２ａの切り替え状態に応じて制御される。具体的には、スイッチ１０２ａの切り替え動作によって電力変換部１０７の入力側が直流電源１００から直流電源１０１へと、または直流電源１０１から直流電源１００へと切り替えられたときに、バイパススイッチ１０５が切断状態に切り替えられる。これにより、突入電流制限抵抗１０４によって電力変換部１０７への突入電流が制限される。その後、スイッチ１０２ａの切り替え動作が行われてから所定時間が経過すると、バイパススイッチ１０５が導通状態に切り替えられる。これにより、突入電流が流れていないときには突入電流制限抵抗１０４の両端間がバイパスされ、電力変換部１０７への入力電力の損失が低減される。

　なお、突入電流制限抵抗１０４およびバイパススイッチ１０５は、正極入力配線１０３側でなく、負極入力配線１０８側に接続されていてもよい。また、突入電流に対して電力変換部１０７の許容入力電流が十分であれば、突入電流制限抵抗１０４およびバイパススイッチ１０５を設けなくてもよい。

　電力変換部１０７は、正極入力配線１０３および負極入力配線１０８を介して入力された直流電力に対して電力変換を行い、正極出力配線１０９および負極出力配線１１０を介して、電力変換後の直流電力を出力する。電力変換部１０７の動作は、制御部１２２から入力されるコンバータ制御信号１２３に応じて制御される。

　電圧センサ１１５は、直流電源１００の電圧を検出する。電圧センサ１１７は、電力変換部１０７の入力電圧を検出する。電圧センサ１１８は、電力変換部１０７の出力電圧を検出する。電圧センサ１２０は、直流電源１０１の電圧を検出する。これらの電圧センサによる各電圧の検出結果は、センサ信号１２５として、コンバータ回路部１２１から制御部１２２へ出力される。

　電流センサ１１６は、電力変換部１０７の入力電流を検出する。電流センサ１１９は、電力変換部１０７の出力電流を検出する。これらの電流センサによる各電流の検出結果は、センサ信号１２５として、コンバータ回路部１２１から制御部１２２へ出力される。

　制御部１２２は、各センサからのセンサ信号１２５に基づいて所定の演算処理を行うことにより、コンバータ制御信号１２３およびスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを生成し、電力変換部１０７とスイッチ１０２ａ～１０２ｄにそれぞれ出力する。これにより、電力変換部１０７およびスイッチ１０２ａ～１０２ｄを制御する。制御部１２２は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成され、メモリ等に予め記憶されたプログラムを実行することで所望の演算処理を実現する。なお、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の論理回路をマイクロコンピュータの代わりに用いて、またはマイクロコンピュータと併用して、制御部１２２を構成してもよい。

　図２は、電力変換部１０７の回路構成を示す図である。電力変換部１０７は、フルブリッジＬＬＣコンバータである電力変換回路３１６を用いて構成されている。電力変換回路３１６は、入力電圧センサ３１２と、入力コンデンサ３１３と、出力電圧センサ３１４と、出力コンデンサ３１５と、インバータレグ３１７および３１８と、ダイオードレグ３１９および３２０と、絶縁トランス３２１と、出力電流センサ３２２と、を備えて構成される。

　入力電圧センサ３１２は、正極入力配線１０３と負極入力配線１０８の間に接続されており、これらの間の電圧を電力変換回路３１６の入力電圧として検出する。入力コンデンサ３１３は、正極入力配線１０３と負極入力配線１０８の間に接続されており、電力変換回路３１６の入力電圧を平滑化する。

　出力電圧センサ３１４は、正極出力配線１０９と負極出力配線１１０の間に接続されており、これらの間の電圧を電力変換回路３１６の出力電圧として検出する。出力コンデンサ３１５は、正極出力配線１０９と負極出力配線１１０の間に接続されており、電力変換回路３１６の出力電圧を平滑化する。出力電流センサ３２２は、正極出力配線１０９に接続されており、電力変換回路３１６の出力電流を検出する。

　インバータレグ３１７は、スイッチング素子３０１，３０２の直列接続により構成されている。同様に、インバータレグ３１８は、スイッチング素子３０３，３０４の直列接続により構成されている。スイッチング素子３０１～３０４は、制御部１２２から入力されるコンバータ制御信号１２３に応じてそれぞれ動作し、オンまたはオフいずれかの状態に切り替わる。スイッチング素子３０１～３０４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal‐Oxide‐Semiconductor Field‐Effect Transistor）を用いて構成される。スイッチング素子３０１～３０４には、還流ダイオードが逆並列にそれぞれ接続されている。

　上記インバータレグ３１７および３１８により、Ｈブリッジ型のインバータブリッジ回路が構成される。このインバータブリッジ回路は、絶縁トランス３２１の一次側に配置されており、電力変換回路３１６に入力された直流電力を交流電力に変換して、絶縁トランス３２１の一次側に供給する。

　絶縁トランス３２１は、鉄心の周囲に一次巻線と二次巻線が所定の巻数比でそれぞれ巻回されることにより構成されており、電圧変換部３１１およびインダクタ３０９を有する。電圧変換部３１１は、一次巻線と二次巻線の巻数比に応じた電圧変換を行う部分であり、漏れ磁束成分を考慮しない理想的なトランスに相当する。インダクタ３０９は、絶縁トランス３２１の漏れ磁束に相当する部分であり、所定のインダクタンスを有する。絶縁トランス３２１とインバータレグ３１７の間には、コンデンサ３１０が接続されている。このように、インダクタ３０９およびコンデンサ３１０を用いて絶縁トランス３２１の一次側に共振回路が構成されることで、ＬＬＣコンバータである電力変換回路３１６が実現される。なお、インダクタ３０９を絶縁トランス３２１の漏れ磁束成分ではなく、絶縁トランス３２１の一次側に接続されたコイルにより実現してもよい。

　ダイオードレグ３１９は、ダイオード３０５，３０６の直列接続により構成されている。同様に、ダイオードレグ３２０は、ダイオード３０７，３０８の直列接続により構成されている。ダイオードレグ３１９および３２０により、ダイオードブリッジ回路が構成される。このダイオードブリッジ回路は、絶縁トランス３２１の二次側に配置されており、絶縁トランス３２１の二次側から出力される交流電力を直流電力に変換して、正極出力配線１０９および負極出力配線１１０に出力する。

　電力変換回路３１６は、以上説明した回路構成により、正極入力配線１０３および負極入力配線１０８を介して入力された直流電力の電圧および電流を調整して、正極出力配線１０９および負極出力配線１１０に出力することができる。こうした電力変換回路３１６の動作により、本実施形態の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１における電力変換部１０７が実現される。

　なお、複数の電力変換回路３１６を並列に接続することで電力変換部１０７を構成してもよい。図３は、複数の電力変換回路３１６の並列接続による電力変換部１０７の概略構成図である。図３に示した電力変換部１０７では、正極入力配線１０３および負極入力配線１０８と、正極出力配線１０９および負極出力配線１１０との間に、Ｎ個の電力変換回路３１６が並列に接続されている。各電力変換回路３１６の回路構成は、図２で説明したのとそれぞれ同様である。このようにすれば、幅広い電力範囲に対応可能な電力変換部１０７を構成することができる。

　次に、直流電源１００と直流電源１０１の間に流れる電力の方向に応じたスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え動作について、図４および図５を参照して以下に説明する。

　図４は、正方向に電力が流れる場合のスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え状態を示す図である。図４では、スイッチ１０２ａにより、電力変換部１０７の正極入力端子と接続された正極入力配線１０３の接続先が、第１正極入力母線１２８側に切り替えられている。また、スイッチ１０２ｂにより、電力変換部１０７の負極入力端子と接続された負極入力配線１０８の接続先が、第１負極入力母線１２９側に切り替えられている。これにより、直流電源１００から出力される直流電力が、スイッチ１０２ａ，１０２ｂを介して電力変換部１０７に入力される。

　一方、図４では、スイッチ１０２ｃにより、電力変換部１０７の正極出力端子と接続された正極出力配線１０９の接続先が、第２正極出力母線１３０側に切り替えられている。また、スイッチ１０２ｄにより、電力変換部１０７の負極出力端子と接続された負極出力配線１１０の接続先が、第２負極出力母線１３１側に切り替えられている。これにより、電力変換部１０７から出力される直流電力が、スイッチ１０２ｃ，１０２ｄを介して直流電源１０１に入力される。

　本実施形態の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１では、制御部１２２により、スイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え状態を図４のように制御することで、直流電源１００から電力変換部１０７を介して直流電源１０１の方向に電力が流れるようにすることができる。

　図５は、逆方向に電力が流れる場合のスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え状態を示す図である。図５では、スイッチ１０２ａにより、電力変換部１０７の正極入力端子と接続された正極入力配線１０３の接続先が、第２正極入力母線１１１側に切り替えられている。また、スイッチ１０２ｂにより、電力変換部１０７の負極入力端子と接続された負極入力配線１０８の接続先が、第２負極入力母線１１２側に切り替えられている。これにより、直流電源１０１から出力される直流電力が、スイッチ１０２ａ，１０２ｂを介して電力変換部１０７に入力される。

　一方、図５では、スイッチ１０２ｃにより、電力変換部１０７の正極出力端子と接続された正極出力配線１０９の接続先が、第１正極出力母線１１３側に切り替えられている。また、スイッチ１０２ｄにより、電力変換部１０７の負極出力端子と接続された負極出力配線１１０の接続先が、第１負極出力母線１１４側に切り替えられている。これにより、電力変換部１０７から出力される直流電力が、スイッチ１０２ｃ，１０２ｄを介して直流電源１００に入力される。

　本実施形態の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１では、制御部１２２により、スイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え状態を図５のように制御することで、直流電源１０１から電力変換部１０７を介して直流電源１００の方向に電力が流れるようにすることができる。

　図６は、制御部１２２によるスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え制御を説明する図である。制御部１２２は、図６に示すように、モード１、モード２およびモード３を所定時間ごとに繰り返すことで、スイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え制御を行うことができる。モード１とは、スイッチ１０２ａ，１０２ｂを直流電源１００側への切り替え状態７０１として、電力変換部１０７の入力側を直流電源１００に接続するとともに、スイッチ１０２ｃ，１０２ｄを直流電源１０１側への切り替え状態７０３として、電力変換部１０７の出力側を直流電源１０１に接続するように、制御部１２２からスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを出力する制御モードのことである。一方、モード３とは、スイッチ１０２ａ，１０２ｂを直流電源１０１側への切り替え状態７０３として、電力変換部１０７の入力側を直流電源１０１に接続するとともに、スイッチ１０２ｃ，１０２ｄを直流電源１００側への切り替え状態７０１として、電力変換部１０７の出力側を直流電源１００に接続するように、制御部１２２からスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを出力する制御モードのことである。なお、モード１は、図４に示したスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え状態に相当し、モード３は、図５に示したスイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替え状態に相当する。

　また、モード２とは、スイッチ１０２ａ～１０２ｄを上記の切り替え状態７０１，７０３の中間状態７０２として、電力変換部１０７の入力側および出力側に流れる電流がそれぞれほぼゼロまで低下するように、制御部１２２からスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを出力する制御モードのことである。なお、モード２は、図１に示したスイッチ１０２ａ～１０２ｄの状態に相当する。

　モード１からモード３への切り替え時と、モード３からモード１への切り替え時とのいずれにおいても、これらのモード間に挟まれて、移行期間としてのモード２が所定時間だけ設定される。モード２のときには、直流電源１００，１０１と電力変換部１０７との間の入出力電力が遮断される。これにより、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１内での急激な電流変化や電圧変化を抑制し、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１内の各部品を保護することができる。なお、モード２の設定時間は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１を構成する各部品の特性や、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１が搭載されるシステム側の要求値などに応じて決定することが可能である。

　図７は、制御部１２２の機能構成図である。制御部１２２は、その機能として、電力流れ方向決定部８０１、制御モード選択部８０２、コンバータ制御信号生成部８０３およびスイッチ制御信号生成部８０４の各機能ブロックを有する。制御部１２２は、例えば所定のプログラムを実行することで、これらの機能ブロックを実現することができる。

　電力流れ方向決定部８０１は、直流電源１００と直流電源１０１の間における電力の流れ方向を決定する。電力流れ方向決定部８０１は、例えば、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１が搭載されるシステムの操作を行うオペレータが不図示の操作部を介して入力した制御指令に応じて、電力の流れ方向を決定する。あるいは、オペレータの操作を介さずに、所定のプログラムを用いて電力の流れ方向を自動的に決定してもよい。電力流れ方向決定部８０１は、決定した電力の流れ方向を示す指令信号８０５を、制御モード選択部８０２に出力する。

　制御モード選択部８０２は、各センサからのセンサ信号１２５と、電力流れ方向決定部８０１からの指令信号８０５とに基づいて、制御モードの選択を行う。制御モード選択部８０２は、センサ信号１２５が示す直流電源１００，１０１の電圧、電力変換部１０７の入出力電圧および入出力電流と、指令信号８０５が示す電力の流れ方向とに基づき、図６で説明した前述のモード１、モード２、モード３のいずれかを選択する。そして、選択した制御モードに応じた指令信号８０６を、コンバータ制御信号生成部８０３およびスイッチ制御信号生成部８０４に出力する。

　コンバータ制御信号生成部８０３は、制御モード選択部８０２からの指令信号８０６に基づいて、コンバータ制御信号１２３を生成する。そして、生成したコンバータ制御信号１２３を電力変換部１０７に出力することで、電力変換部１０７の動作を制御する。

　スイッチ制御信号生成部８０４は、制御モード選択部８０２からの指令信号８０６に基づいて、スイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを生成する。そして、生成したスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄをスイッチ１０２ａ～１０２ｄにそれぞれ出力することで、スイッチ１０２ａ～１０２ｄの動作を制御する。

　制御部１２２は、以上説明した各機能ブロックの処理により、直流電源１００と直流電源１０１の間における電力の流れ方向と、電力変換部１０７の入力電圧、入力電流、出力電圧および出力電流とに基づいて、コンバータ制御信号１２３およびスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを生成することができる。

　なお、コンバータ制御信号生成部８０３およびスイッチ制御信号生成部８０４は、電力変換部１０７の入力電流または出力電流が所定の最大電流値、例えば１０［Ａ］以下となるように、コンバータ制御信号１２３およびスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄをそれぞれ出力してもよい。このようにすれば、電力変換部１０７を含む双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１全体を過大な電流から保護することができるため、安全性の向上や劣化の抑制を図ることができる。

　図８は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１における各部品の配置例を示す図である。図８の配置例では、回路基板９０２にスイッチ１０２ａ～１０２ｄが搭載されており、回路基板９０３に電力変換部１０７の各部品、すなわち入力コンデンサ３１３、出力コンデンサ３１５、インバータレグ３１７，３１８、ダイオードレグ３１９，３２０、絶縁トランス３２１およびコンデンサ３１０が搭載されている。なお、図８では入力電圧センサ３１２、出力電圧センサ３１４および出力電流センサ３２２の図示を省略している。

　回路基板９０３は、絶縁トランス３２１によって形成される絶縁境界線９０１により、一次側（入力側）と二次側（出力側）に電気的に分離される。同様に、回路基板９０２は、スイッチ１０２ａ～１０２ｄによって形成される絶縁境界線９００により、一次側（入力側）と二次側（出力側）に電気的に分離される。回路基板９０２の一次側と回路基板９０３の一次側は電気的に接続され、回路基板９０２の二次側と回路基板９０３の二次側は電気的に接続される。

　回路基板９０２は、回路基板９０３から所定の間隔を離して、回路基板９０３の上に重ねて配置される。これにより、回路基板９０２，９０３における一次側と二次側との電気的絶縁を確保した状態で、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１における各部品の搭載スペースを削減し、小型化を図ることができる。

　以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、直流電源１００と直流電源１０１の間に接続され、直流電源１００に対応する直流電力（第１の直流電力）と、直流電源１０１に対応する直流電力（第２の直流電力）とを双方向に変換可能なＤＣ－ＤＣコンバータである。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、直流電源１００から第１の直流電力が入力されると、入力された第１の直流電力を第２の直流電力に変換して直流電源１０１へ出力し、直流電源１０１から第２の直流電力が入力されると、入力された第２の直流電力を第１の直流電力に変換して直流電源１００へ出力する電力変換部１０７と、電力変換部１０７の入力側および出力側の接続先を、直流電源１００と直流電源１０１との間でそれぞれ切り替えるスイッチ１０２ａ～１０２ｄと、スイッチ１０２ａ～１０２ｄを制御する制御部１２２と、を備える。このようにしたので、絶縁トランス３２１の一次側のみにスイッチング素子３０１～３０４と還流ダイオードを組み合わせたインバータブリッジ回路を備えており、そのため一方向のみの電力変換が可能な電力変換部１０７を用いて、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１を実現できる。そのため、低コストで実現可能な双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを提供することができる。

（２）双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、電力変換部１０７の入力側および出力側の接続先を直流電源１００と直流電源１０１との間でそれぞれ切り替えるためのスイッチとして、スイッチ１０２ａ～１０２ｄを有する。スイッチ１０２ａは、電力変換部１０７の正極入力端子を、直流電源１００または直流電源１０１の正極側に接続する。スイッチ１０２ｂは、電力変換部１０７の負極入力端子を、直流電源１００または直流電源１０１の負極側に接続する。スイッチ１０２ｃは、電力変換部１０７の正極出力端子を、直流電源１００または直流電源１０１の正極側に接続する。スイッチ１０２ｄは、電力変換部１０７の負極出力端子を、直流電源１００または直流電源１０１の負極側に接続する。このようにしたので、電力変換部１０７の入力側および出力側の接続先を、直流電源１００と直流電源１０１との間で確実に切り替え可能なスイッチを実現できる。

（３）スイッチ１０２ａ～１０２ｄは、リレーを用いてそれぞれ構成することができる。このようにすれば、耐環境性や信頼性の高いスイッチ１０２ａ～１０２ｄを安価に実現できる。

（４）電力変換部１０７は、例えば回路基板９０３に搭載されており、スイッチ１０２ａ～１０２ｄは、例えば回路基板９０２にそれぞれ搭載されている。回路基板９０２は、回路基板９０３から所定の間隔を離して、回路基板９０３の上に重ねて配置することができる。このようにすれば、入力側と出力側の電気的絶縁性を確保しつつ、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１の小型化を図ることができる。

（５）制御部１２２は、直流電源１００と直流電源１０１の間で入出力される電力の方向と、電力変換部１０７の入力電圧、入力電流、出力電圧および出力電流とに基づいて、電力変換部１０７を制御するためのコンバータ制御信号１２３と、スイッチ１０２ａ～１０２ｄを制御するためのスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄとをそれぞれ出力する。このようにしたので、制御部１２２を用いて、電力変換部１０７およびスイッチ１０２ａ～１０２ｄの動作を適切に制御することができる。

（６）双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、電力変換部１０７の入力電圧を検出する電圧センサ１１７と、電力変換部１０７の入力電流を検出する電流センサ１１６と、電力変換部１０７の出力電圧を検出する電圧センサ１１８と、電力変換部１０７の出力電流を検出する電流センサ１１９と、を備える。このようにしたので、制御部１２２がコンバータ制御信号１２３およびスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを出力するために必要な電力変換部１０７の入出力電圧および入出力電流を、確実に取得することができる。

（７）制御部１２２は、電力変換部１０７の入力電流または出力電流が所定の最大電流値、例えば１０［Ａ］以下となるように、コンバータ制御信号１２３およびスイッチ制御信号１２４ａ～１２４ｄを出力してもよい。このようにすれば、電力変換部１０７を含む双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１全体を過大な電流から保護し、安全性の向上や劣化の抑制を図ることができる。

（８）双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、電力変換部１０７の入力側に接続されて電力変換部１０７への入力電流を制限する突入電流制限抵抗１０４と、突入電流制限抵抗１０４と並列に接続されるバイパススイッチ１０５と、を備える。このようにしたので、電力変換部１０７への突入電流を制限するとともに、突入電流が流れていないときには電力変換部１０７への入力電力の損失を低減することができる。

（９）電力変換部１０７は、絶縁トランス３２１と、スイッチング素子３０１～３０４を用いて構成され、絶縁トランス３２１の一次側に配置されたインバータブリッジ回路（インバータレグ３１７，３１８）と、ダイオード３０５～３０８を用いて構成され、絶縁トランス３２１の二次側に配置されたダイオードブリッジ回路（ダイオードレグ３１９，３２０）と、を有する電力変換回路３１６を、一つまたは複数個並列に接続して構成される。このようにしたので、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１が使用される電力範囲に応じた適切な構成により、電力変換部１０７を実現できる。

（１０）制御部１２２は、それぞれ直流電源１００と電力変換部１０７、および、直流電源１０１と電力変換部１０７の間の電流をほぼゼロに低減する状態であるモード２を間に挟んで、スイッチ１０２ａ～１０２ｄの切り替えを行う。このようにしたので、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１内での急激な電流変化や電圧変化を抑制し、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１内の各部品を保護することができる。

（第２の実施形態）
　図９は、本発明の第２の実施形態に係る双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの概略構成図である。図９に示す双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１Ａは、第１の実施形態で説明した双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１と同様に、直流電源１００と直流電源１０１の間に接続されており、直流電源１００と直流電源１０１の間で双方向に直流電力の変換が可能なＤＣ－ＤＣコンバータである。

　本実施形態の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１Ａと、第１の実施形態の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１との違いは、コンバータ回路部１２１において、電力変換部１０７の出力側にダイオード２００が追加で設けられている点である。ダイオード２００は、電力変換部１０７の出力側に高電圧や大電流が印加されることで電力変換部１０７が破壊されるのを防止するためのものである。これ以外の点では、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１と双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１Ａとは共通である。

　以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１Ａは、電力変換部１０７の出力側に接続されたダイオード２００を備えている。このようにしたので、電力変換部１０７の出力側を確実に保護することができる。

　なお、本発明は上述した実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するためのものであり、必ずしも全ての構成要素を含む必要はない。本発明を逸脱しない範囲で、任意の構成要素の追加、削除、置換が可能である。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０２０－５３７３３（２０２０年３月２５日出願）

　１：双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ、１００，１０１：直流電源、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ：スイッチ、１０４：突入電流制限抵抗、１０５：バイパススイッチ、１０７：電力変換部、１１５，１１７，１１８，１２０：電圧センサ、１１６，１１９：電流センサ、１２１：コンバータ回路部、１２２：制御部、１２３：コンバータ制御信号、１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ，１２４ｄ：スイッチ制御信号、１２５：センサ信号、２００：ダイオード、３０１，３０２，３０３，３０４：スイッチング素子、３０５，３０６，３０７，３０８：ダイオード、３１６：電力変換回路、３１７，３１８：インバータレグ、３１９，３２０：ダイオードレグ、３２１：絶縁トランス

Claims

　第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、前記第１の直流電源に対応する第１の直流電力と、前記第２の直流電源に対応する第２の直流電力とを双方向に電力変換可能なＤＣ－ＤＣコンバータであって、
　前記第１の直流電力が入力されると、入力された前記第１の直流電力を前記第２の直流電力に変換して出力し、前記第２の直流電力が入力されると、入力された前記第２の直流電力を前記第１の直流電力に変換して出力する電力変換部と、
　前記電力変換部の入力側および出力側の接続先を、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源との間でそれぞれ切り替えるスイッチと、
　前記スイッチを制御する制御部と、を備える双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記スイッチは、
　前記電力変換部の正極入力端子を、前記第１の直流電源または前記第２の直流電源の正極側に接続する第１のスイッチと、
　前記電力変換部の負極入力端子を、前記第１の直流電源または前記第２の直流電源の負極側に接続する第２のスイッチと、
　前記電力変換部の正極出力端子を、前記第１の直流電源または前記第２の直流電源の正極側に接続する第３のスイッチと、
　前記電力変換部の負極出力端子を、前記第１の直流電源または前記第２の直流電源の負極側に接続する第４のスイッチと、を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項２に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチおよび前記第４のスイッチは、リレーを用いてそれぞれ構成される双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項２に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記電力変換部は、第１の回路基板に搭載されており、
　前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチおよび前記第４のスイッチは、第２の回路基板にそれぞれ搭載されており、
　前記第２の回路基板は、前記第１の回路基板から所定の間隔を離して、前記第１の回路基板の上に重ねて配置される双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記制御部は、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の間で入出力される電力の方向と、前記電力変換部の入力電圧、入力電流、出力電圧および出力電流とに基づいて、前記電力変換部を制御するためのコンバータ制御信号と、前記スイッチを制御するためのスイッチ制御信号とをそれぞれ出力する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項５に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記入力電圧を検出する入力電圧センサと、
　前記入力電流を検出する入力電流センサと、
　前記出力電圧を検出する出力電圧センサと、
　前記出力電流を検出する出力電流センサと、を備える双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項５に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記制御部は、前記電力変換部の入力電流または出力電流が所定の最大電流値以下となるように、前記コンバータ制御信号および前記スイッチ制御信号を出力する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記電力変換部の出力側に接続されたダイオードを備える双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記電力変換部の入力側に接続されて前記電力変換部への入力電流を制限する突入電流制限抵抗と、前記突入電流制限抵抗と並列に接続されるバイパススイッチと、を備える双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記電力変換部は、絶縁トランスと、複数のスイッチング素子を用いて構成され、前記絶縁トランスの一次側に配置されたインバータブリッジ回路と、複数のダイオードを用いて構成され、前記絶縁トランスの二次側に配置されたダイオードブリッジ回路と、を有する電力変換回路を、一つまたは複数個並列に接続して構成される双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
　請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
　前記制御部は、それぞれ前記第１の直流電源と前記電力変換部、および、第２の直流電源と前記電力変換部の間の電流をほぼゼロに低減する状態を間に挟んで、前記スイッチの切り替えを行う双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。