特許 6202212 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6202212

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 H

   H02M3/28 V

【請求項の数】9

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2016-547734(P2016-547734)

(86)(22)【出願日】2015年6月23日

(86)【国際出願番号】JP2015067955

(87)【国際公開番号】WO2016038967

(87)【国際公開日】20160317

【審査請求日】2017年2月10日

(31)【優先権主張番号】特願2014-184782(P2014-184782)

(32)【優先日】2014年9月11日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】特許業務法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鵜野 良之

【審査官】 小原 正信

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第2002/0054498（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開2011-193713（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第3682773（ＪＰ，Ｂ２）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、
第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記１次コイルの第１端に接続された第１インダクタと、
第１端が、前記第２アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記１次コイルの第２端に接続された第２インダクタと、
第１端が、前記第３アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第１端に接続された第３インダクタと、
第１端が、前記第４アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第２端に接続された第４インダクタと、
前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、
前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、
を備え、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードと、
前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第３アーム及び前記第４アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードと
の少なくとも何れか一方を有する、電力変換装置。

【請求項2】

前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続された第５インダクタ、及び、前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間に接続された第６インダクタの少なくとも一方を備える、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、
第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第１端に接続された第３インダクタと、
第１端が、前記第２アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第２端に接続された第４インダクタと、
前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、
前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続される第５インダクタと、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、
前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、
を備え、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードと、
前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第３アーム及び前記第４アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードと
の少なくとも何れか一方を有する、電力変換装置。

【請求項4】

前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間に接続された第６インダクタとを備える、請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、
第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記１次コイルの第１端に接続された第１インダクタと、
第１端が、前記第２アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記１次コイルの第２端に接続された第２インダクタと、
前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、
前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、
を備え、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードを有する、電力変換装置。

【請求項6】

第１インダクタ及び第２インダクタ、並びに、第３インダクタ及び第４インダクタの少なくとも一方は、磁気結合する、請求項１から５の何れかに記載の電力変換装置。

【請求項7】

第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、
上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、
１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、
第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第１端に接続された第３インダクタと、
前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、
前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続される第５インダクタと、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、
前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、
を備え、
前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードを有する、電力変換装置。

【請求項8】

前記第１アーム、前記第２アーム、前記第３アーム及び前記第４アームの上側スイッチ素子及び下側スイッチ素子は、ボディダイオードを有するＭＯＳ−ＦＥＴであり、
前記第１スイッチング制御部は、前記動作モードにおいて、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子又は前記下側スイッチ素子のオンを禁止する第１禁止部を有し、
前記第２スイッチング制御部は、前記動作モードにおいて、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子又は前記下側スイッチ素子のオンを禁止する第２禁止部を有する、
請求項１から７の何れかに記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子と、前記第１アームの前記下側スイッチ素子及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子とを交互にオンオフさせる第３スイッチング制御部と、
前記第３アームの前記上側スイッチ素子及び前記第４アームの前記下側スイッチ素子と、前記第３アームの前記下側スイッチ素子及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子とを交互にオンオフさせる第４スイッチング制御部と、
前記第１スイッチング制御部及び前記第２スイッチング制御部によるスイッチング制御モードと、前記第３スイッチング制御部及び前記第４スイッチング制御部によるスイッチング制御モードとを交互に切り替える切替部と、
を備える、請求項１から８の何れかに記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の入出力ポートのうち、任意の入出力ポート間で電力変換を行う電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、４つの入出力ポートのうち、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路が開示されている。この電力変換回路は、２つの入出力ポートを有する１次側変換回路と、その１次側変換回路に磁気結合し、他の２つの入出力ポートを有する２次側変換回路とを備える。そして、１次側変換回路と２次側変換回路とは、センタータップ式の変圧器により磁気結合する。

【0003】

１次側変換回路は１次側フルブリッジ回路を有する。１次側フルブリッジ回路は、変圧器の１次側コイルの両端に接続された２つのインダクタを磁気結合して構成される結合インダクタを有する。また、２次側変換回路は２次側フルブリッジ回路を有する。２次側フルブリッジ回路は、変圧器の２次側コイルの両端に接続された２つのインダクタを磁気結合して構成される結合インダクタを有する。そして、スイッチング周期のオン時間を変更することで、１次側変換回路と２次側変換回路の電力変換比率を変更する。１次側変換回路と２次側変換回路の電力伝送量は、スイッチング周期の位相差によって制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１９３７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の電力変換回路では、１次側から２次側への電力伝送が不要な場合、１次側及び２次側フルブリッジ回路のスイッチング周期の位相差を０にする必要がある。この場合、１次側から２次側へと伝送される電力は、２次側から１次側へと回生される。そして、この回生時に不要な損失が発生するため、効率のよい電力伝送を行えないといった問題がある。

【0006】

そこで、本発明の目的は、電力伝送時の損失を抑制でき、効率よく電力伝送を行える電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、第１端が前記１次コイルの第１端に接続され、第２端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続された第１インダクタと、第１端が前記１次コイルの第２端に接続され、第２端が、前記第２アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続された第２インダクタと、第１端が前記２次コイルの第１端に接続され、第２端が、前記第３アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続された第３インダクタと、第１端が前記２次コイルの第２端に接続され、第２端が、前記第４アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続された第４インダクタと、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部とを備え、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードと、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第３アーム及び前記第４アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードとの少なくとも何れか一方を有することを特徴とする。

【0008】

この構成では、各アームの上側スイッチ素子と下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であるため、変圧器の１次コイル又は２次コイルの両端の電位差は０である。したがって、変圧器には励磁電流が発生せず、絶縁方向（１次側から２次側へ、又はその逆）の電力伝送は行われない。この結果、非絶縁方向（第１入出力ポート及び第３入出力ポート間）の電力伝送を行う場合、従来のように電力が回生されることで生じる不要な損失を抑えることができ、効率のよい電力伝送を行える。

【0009】

前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続された第５インダクタ、及び、前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間に接続された第６インダクタの少なくとも一方を備えることが好ましい。

【0010】

この構成では、第５インダクタ又は第６インダクタを設け、そのインダクタンスを調整することで、１次側変換回路又は２次側変換回路の電力伝送量の調整を行える。

【0011】

本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第１端に接続された第３インダクタと、第１端が、前記第２アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第２端に接続された第４インダクタと、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記２次コイルのセンタータップに接続された第４入出力ポートと、前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続される第５インダクタと、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、を備え、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードと、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第３アーム及び前記第４アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードとの少なくとも何れか一方を有することを特徴とする。

【0012】

この構成では、非絶縁方向（第１入出力ポート及び第３入出力ポート間）の電力伝送を行う場合、従来のように電力が回生されることで生じる不要な損失を抑えることができ、効率のよい電力伝送を行える。

【0013】

前記２次コイルのセンタータップと前記第４入出力ポートとの間に接続された第６インダクタとを備えることが好ましい。

【0014】

この構成では、第６インダクタを設け、そのインダクタンスを調整することで、２次側変換回路の電力伝送量の調整を行える。

【0015】

本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記１次コイルの第１端に接続された第１インダクタと、第１端が、前記第２アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記１次コイルの第２端に接続された第２インダクタと、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、を備え、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードを有することを特徴とする。

【0016】

この構成では、非絶縁方向の電力伝送を行う場合、従来のように電力が回生されることで生じる不要な損失を抑えることができ、効率のよい電力伝送を行える。また、部品点数の削減となり、電力伝送装置の小型化が実現できる。

【0017】

第１インダクタ及び第２インダクタ、並びに、第３インダクタ及び第４インダクタの少なくとも一方は、磁気結合することが好ましい。

【0018】

本発明の電力変換装置は、第１入出力ポート及び第２入出力ポートと、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第１アーム及び第２アームを有し、前記第１アーム及び前記第２アームが前記第１入出力ポートに接続された１次側フルブリッジ回路と、上側スイッチ素子と下側スイッチ素子とが直列接続された第３アーム及び第４アームを有し、前記第３アーム及び前記第４アームが前記第２入出力ポートに接続された２次側フルブリッジ回路と、１次コイル及び２次コイルを有する変圧器と、第１端が、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子の接続点に接続され、第２端が前記２次コイルの第１端に接続された第３インダクタと、前記１次コイルのセンタータップに接続された第３入出力ポートと、前記１次コイルのセンタータップと前記第３入出力ポートとの間に接続される第５インダクタと、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第１スイッチング制御部と、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子と、前記下側スイッチ素子とを交互にオンオフする第２スイッチング制御部と、を備え、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時であり、かつ前記第１アーム及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子のターンオン及びターンオフのタイミングが同時である動作モードを有することを特徴とする。

【0019】

この構成では、非絶縁方向の電力伝送を行う場合、従来のように電力が回生されることで生じる不要な損失を抑えることができ、効率のよい電力伝送を行える。また、部品点数の削減となり、電力伝送装置の小型化が実現できる。

【0020】

前記第１アーム、前記第２アーム、前記第３アーム及び前記第４アームの上側スイッチ素子及び下側スイッチ素子は、ボディダイオードを有するＭＯＳ−ＦＥＴであり、前記第１スイッチング制御部は、前記動作モードにおいて、前記第１アーム及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子または前記下側スイッチ素子のオンを禁止する第１禁止部を有し、前記第２スイッチング制御部は、前記動作モードにおいて、前記第３アーム及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子又は前記下側スイッチ素子のオンを禁止する第２禁止部を有することが好ましい。

【0021】

この構成では、上側スイッチ素子又は下側スイッチ素子をスイッチング制御しないことで、電力損失をさらに低減できる。

【0022】

本発明の電力変換装置は、前記第１アームの前記上側スイッチ素子及び前記第２アームの前記下側スイッチ素子と、前記第１アームの前記下側スイッチ素子及び前記第２アームの前記上側スイッチ素子とを交互にオンオフさせる第３スイッチング制御部と、前記第３アームの前記上側スイッチ素子及び前記第４アームの前記下側スイッチ素子と、前記第３アームの前記下側スイッチ素子及び前記第４アームの前記上側スイッチ素子とを交互にオンオフさせる第４スイッチング制御部と、前記第１スイッチング制御部及び前記第２スイッチング制御部によるスイッチング制御モードと、前記第３スイッチング制御部及び前記第４スイッチング制御部によるスイッチング制御モードとを交互に切り替える切替部とを備えることが好ましい。

【0023】

この構成では、絶縁方向（１次側から２次側、又はその逆）へ電力を伝送するモードと、伝送しないモードとを交互に切り替えることで、絶縁方向の電力伝送を効率よく行える。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、電力伝送時の損失を抑制して、効率の良い電力伝送を行える。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】実施形態１に係る電力変換装置の回路図

【図2】制御部の機能を示すブロック図

【図3】電力変換装置のコンバータ回路の機能のうち、昇降圧回路としての機能を説明するための図

【図4】電力変換装置のコンバータ回路機能のうち、ＤＡＢコンバータとしての機能を説明するための図

【図5】１次側変換回路及び２次側変換回路各部の電圧波形、及びインダクタに流れる電流波形を示す図

【図6】１次側変換回路の各スイッチ素子のタイミングチャート、及び、１次側変換回路各部の電圧波形を示す図

【図7】２次側変換回路の各スイッチ素子のタイミングチャート、及び、２次側変換回路各部の電圧波形を示す図

【図8】電力変換装置の変形例の回路図

【図9】電力変換装置の変形例の回路図

【図10】電力変換装置の変形例の回路図

【図11】電力変換装置の変形例の回路図

【図12】電力変換装置の変形例の回路図

【図13】電力変換装置の変形例の回路図

【図14】１次側変換回路の各スイッチ素子のタイミングチャート、及び、１次側変換回路各部の電圧波形を示す図

【図15】電力変換装置の動作モードを説明するための図

【発明を実施するための形態】

【0026】

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。

【0027】

電力変換装置１は、１次側変換回路１０と２次側変換回路２０とを備えている。１次側変換回路１０と２次側変換回路２０とは、変圧器３０で磁気結合する。１次側変換回路１０は、入出力端子ＩＯ１，ＩＯ２を有する第１入出力ポートＰ１と、入出力端子ＩＯ２，ＩＯ３を有する第３入出力ポートＰ３とを備える。２次側変換回路２０は、入出力端子ＩＯ４，ＩＯ５を有する第２入出力ポートＰ２と、入出力端子ＩＯ５，ＩＯ６を有する第４入出力ポートＰ４とを備える。電力変換装置１は、４つの入出力ポートＰ１〜Ｐ４の何れかと、他の入出力ポートとの間で電力変換を行う。

【0028】

１次側変換回路１０は１次側フルブリッジ回路（以下、単にフルブリッジ回路と言う）を備える。このフルブリッジ回路は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４を有する。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４はｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴである。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路は、入出力端子ＩＯ１，ＩＯ２に接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４の直列回路は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路に並列に接続されている。これらスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のゲートには、１次側ドライバ１３からゲート信号を入力される。これにより、各スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４はオンオフする。

【0029】

スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路は、本発明の「第１アーム」の一例である。スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４の直列回路は、本発明の「第２アーム」の一例である。また、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３は、本発明の「上側スイッチ素子」の一例である。スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４は、本発明の「下側スイッチ素子」の一例である。

【0030】

スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点には、インダクタＬ１１の第１端が接続されている。また、フルブリッジ回路のスイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４の接続点には、インダクタＬ１２の第１端が接続されている。そして、インダクタＬ１１，Ｌ１２の第２端は、変圧器３０の１次コイルの両端に接続されている。インダクタＬ１１，Ｌ１２は、磁気結合する結合インダクタである。インダクタＬ１１，Ｌ１２は、本発明の「第１インダクタ」及び「第２インダクタ」の一例である。

【0031】

変圧器３０は、１次コイル３１，３２と２次コイル３３，３４とを備えている。１次コイル３１，３２は直列に接続されている。また、１次コイル３１，３２の接続点（センタータップ）には、第３入出力ポートＰ３の入出力端子ＩＯ３が接続されている。

【0032】

２次側変換回路２０は２次側フルブリッジ回路（以下、単にフルブリッジ回路と言う）を備える。このフルブリッジ回路は、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４を有する。スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４はｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴである。スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の直列回路は、入出力端子ＩＯ４，ＩＯ５に接続されている。また、スイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４の直列回路は、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の直列回路に並列に接続されている。これらスイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４のゲートには、２次側ドライバ２３からゲート信号を入力される。これにより、各スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４はオンオフする。

【0033】

スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の直列回路は、本発明の「第３アーム」の一例である。スイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４の直列回路は、本発明の「第４アーム」の一例である。また、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２は、本発明の「上側スイッチ素子」の一例である。スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２４は、本発明の「下側スイッチ素子」の一例である。

【0034】

スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の接続点には、インダクタＬ２１の第１端が接続されている。また、フルブリッジ回路のスイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４の接続点には、インダクタＬ２２の第１端が接続されている。そして、インダクタＬ２１，Ｌ２２の第２端は、変圧器３０の２次コイルの両端に接続されている。このインダクタＬ２１，Ｌ２２は、磁気結合する結合インダクタである。インダクタＬ２１，Ｌ２２は、本発明の「第３インダクタ」及び「第４インダクタ」の一例である。

【0035】

変圧器３０の２次コイル３３，３４は直列に接続されている。また、２次コイル３３，３４の接続点（センタータップ）には、第４入出力ポートＰ４の入出力端子ＩＯ６が接続されている。

【0036】

電力変換装置１は制御部３５を備えている。制御部３５は、１次側ドライバ１３及び２次側ドライバ２３それぞれへ制御信号を出力する。この制御信号が入力された１次側ドライバ１３及び２次側ドライバ２３は、各スイッチ素子へゲート信号を出力する。

【0037】

図２は制御部３５の機能を示すブロック図である。制御部３５は、電力変換モード決定部３５１と、位相差決定部３５２と、Ｄｕｔｙ比決定部３５３と、１次側出力部３５４と、２次側出力部３５５とを備える。

【0038】

電力変換モード決定部３５１は、例えば、制御部３５に入力された外部信号に基づいて、電力変換装置１の電力変換モードを決定する。電力変換モードには第１〜第１２モードがある。

【0039】

第１モードは、第１入出力ポートＰ１から入力された電力を変換して第３入出力ポートＰ３へ出力するモードである。第２モードは、第１入出力ポートＰ１から入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２へ出力するモードである。第３モードは、第１入出力ポートＰ１から入力された電力を変換して第４入出力ポートＰ４へ出力するモードである。

【0040】

第４モードは、第３入出力ポートＰ３から入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１へ出力するモードである。第５モードは、第３入出力ポートＰ３から入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２へ出力するモードである。第６モードは、第３入出力ポートＰ３から入力された電力を変換して第４入出力ポートＰ４へ出力するモードである。

【0041】

第７モードは、第２入出力ポートＰ２から入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１へ出力するモードである。第８モードは、第２入出力ポートＰ２から入力された電力を変換して第３入出力ポートＰ３へ出力するモードである。第９モードは、第２入出力ポートＰ２から入力された電力を変換して第４入出力ポートＰ４へ出力するモードである。

【0042】

第１０モードは、第４入出力ポートＰ４から入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１へ出力するモードである。第１１モードは、第４入出力ポートＰ４から入力された電力を変換して第３入出力ポートＰ３へ出力するモードである。第１２モードは、第４入出力ポートＰ４から入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２へ出力するモードである。

【0043】

位相差決定部３５２は、電力変換モード決定部３５１が決定したモードに応じて、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれが有するスイッチ素子のスイッチング周期の位相差φを決定する。決定された位相差φによって、第１入出力ポートＰ１から第２入出力ポートＰ２へ（又はその逆方向へ）電力が伝送される。

【0044】

Ｄｕｔｙ比決定部３５３は、決定されたモードに応じて、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれが有するスイッチ素子のＤｕｔｙ比を決定する。決定されたＤｕｔｙ比によって、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれにおいて電圧が制御（昇圧又は降圧）される。

【0045】

１次側出力部３５４は、電力変換モード決定部３５１が決定したモードに基づいて、１次側変換回路１０の各スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のゲートへゲート信号を、１次側ドライバ１３から出力させる。これにより、各スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４はオンオフする。また、１次側出力部３５４は、位相差決定部３５２及びＤｕｔｙ比決定部３５３により決定された位相差φ及びＤｕｔｙ比に応じたゲート信号を出力させる。１次側出力部３５４は、本発明の「第１スイッチング制御部」の一例である。

【0046】

２次側出力部３５５は、電力変換モード決定部３５１が決定したモードに基づいて、２次側変換回路２０の各スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４のゲートへゲート信号を、２次側ドライバ２３から出力させる。これにより、各スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４はオンオフする。また、２次側出力部３５５は、位相差決定部３５２及びＤｕｔｙ比決定部３５３により決定された位相差φ及びＤｕｔｙ比に応じたゲート信号を出力させる。２次側出力部３５５は、本発明の「第２スイッチング制御部」の一例である。

【0047】

以上のように構成された電力変換装置１の動作について説明する。電力変換装置１は、昇降圧回路としての機能、及びDual Active Bridge（以下ＤＡＢ）コンバータ回路としての機能を備える。

【0048】

図３は、電力変換装置１のコンバータ回路の機能のうち、昇降圧回路としての機能を説明するための図である。図４は、電力変換装置１のコンバータ回路機能のうち、ＤＡＢコンバータとしての機能を説明するための図である。

【0049】

電力変換装置１の１次側変換回路１０側の昇降圧回路としての機能に関して説明する。図３に示すように、例えば、第１入出力ポートＰ１の入出力端子ＩＯ１，ＩＯ２には、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２（又は、Ｑ１３，Ｑ１４）の直列回路が接続されている。そして、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２（又は、Ｑ１３，Ｑ１４）に接続するインダクタＬ１１，Ｌ１２は、磁気結合する結合インダクタであるため、図３のように漏れインダクタＬｒ１，Ｌｒ２と励磁インダクタＭ１の等価回路で表すことができる。

【0050】

また、励磁インダクタＭ１を流れる電流は変圧器３０の１次コイル３１，３２に分配されて流れるため、ここでは磁束がキャンセルされ、励磁インダクタＭ１と入出力端子ＩＯ３とはショートされているのと同等とみなせる。すなわち、第１入出力ポートＰ１及び第３入出力ポートＰ３間には、降圧回路が接続されている。このため、第１入出力ポートＰ１から入力された電圧は、降圧されて第３入出力ポートＰ３から出力される。また、第３入出力ポートＰ３及び第１入出力ポートＰ１間には、昇圧回路が接続されている。このため、第３入出力ポートＰ３から入力された電圧は、昇圧されて第１入出力ポートＰ１から出力される。

【0051】

なお、２次側変換回路２０側の昇降圧機能に関しては、１次側変換回路１０側と同様に説明できる。すなわち、第２入出力ポートＰ２から入力された電圧は、降圧されて第４入出力ポートＰ４から出力される。また、第４入出力ポートＰ４から入力された電圧は、昇圧されて第２入出力ポートＰ２から出力される。

【0052】

次に、電力変換装置１のＤＡＢコンバータ回路としての機能に関して説明する。図４に示すように、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０はそれぞれ、フルブリッジ回路を備えている。そして、インダクタＬ１１，Ｌ１２（又はＬ２１，Ｌ２２）は、磁気結合する結合インダクタであるため、漏れインダクタＬｒ１，Ｌｒ２（又はＬｒ３，Ｌｒ４）と励磁インダクタの等価回路で表すことができる。インダクタＬ１１，Ｌ１２（又はＬ２１，Ｌ２２）は極性に対し逆方向に電流が流れるため、励磁インダクタはキャンセルされ漏れインダクタＬｒ１，Ｌｒ２（又はＬｒ３，Ｌｒ４）のみが作用する。そして、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０は磁気結合する。

【0053】

すなわち、第１入出力ポートＰ１及び第２入出力ポートＰ２を入出力とするＤＡＢコンバータ回路を構成している。したがって、第１アームと第２アームとを位相差１８０度（π）でスイッチング動作させ、第３アームと第４アームとを位相差１８０度（π）でスイッチング動作させ、１次側変換回路１０側と２次側変換回路２０側とのスイッチ素子のスイッチング周期の位相差を調整することにより、第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）に入力された電力を変換して第２入出力ポートＰ２（又は第４入出力ポートＰ４）に伝送することができる。また、第２入出力ポートＰ２（又は第４入出力ポートＰ４）に入力された電力を変換して第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）に伝送することができる。

【0054】

以下に、電力変換装置１の動作について説明する。

【0055】

図５は、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０各部の電圧波形、及びインダクタＬ１１に流れる電流波形を示す図である。ここで、Ｖｕ１は、スイッチ素子Ｑ１２のドレイン・ソース間電圧、Ｖｖ１は、スイッチ素子Ｑ１４のドレイン・ソース間電圧、Ｖｕ２は、スイッチ素子Ｑ２２のドレイン・ソース間電圧、Ｖｖ２は、スイッチ素子Ｑ２４のドレイン・ソース間電圧である（図１参照）。

【0056】

この例では、第１入出力ポートＰ１に入力電源を接続し、他ポートに負荷を接続し、Ｖｕ１，Ｖｖ１がそれぞれオン時間δとなり、互いに１８０度の位相差となり、また、Ｖｕ２，Ｖｖ２がそれぞれオン時間δとなり、互いに１８０度の位相差となるよう、制御部３５は１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０それぞれの各スイッチ素子をスイッチング制御する。

【0057】

図５の電流Ｉ１の波形に示すように、Ｖｕ１がハイ（Ｈ）、Ｖｖ１がロー（Ｌ）の場合、入出力端子ＩＯ１→スイッチ素子Ｑ１１→インダクタＬ１１→変圧器３０の１次コイル３１→入出力端子ＩＯ３の順に電流が流れる。Ｖｕ１がロー（Ｌ）、Ｖｖ１がハイ（Ｈ）の場合、入出力端子ＩＯ１→スイッチ素子Ｑ１３→インダクタＬ１２→変圧器３０の１次コイル３２→入出力端子ＩＯ３の順に電流が流れる。Ｖｕ１，Ｖｖ１がロー（Ｌ）の場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２→変圧器３０の１次コイル３１，３２→入出力端子ＩＯ３→負荷→入出力端子ＩＯ２→スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４の順に電流が流れる。すなわち、Ｖｕ１及びＶｖ１のハイ・ローが繰り返されることで、第１入出力ポートＰ１から入力された電圧は降圧されて、第３入出力ポートＰ３へ出力される。このときの電圧の降圧比は、オン時間δによって定めることができる。

【0058】

なお、第３入出力ポートＰ３から第１入出力ポートＰ１への電力変換についても、Ｖｕ１及びＶｖ１のハイ・ローが繰り返されることで、第３入出力ポートＰ３から入力された電圧を昇圧して、第１入出力ポートＰ１へ出力される。そして、昇圧比は、オン時間δによって定めることができる。また、２次側変換回路２０側に関しても、１次側変換回路１０側と同様に説明できる。

【0059】

また、前記のように１次側変換回路１０において電流が流れると、変圧器３０の１次コイル３１，３２に電圧が印加され、変圧器３０の２次コイル３３，３４に電圧が誘起される。そして、Ｖｕ２，Ｖｖ２がＶｕ１，Ｖｖ１と位相差φ（＞０）となるよう、２次側変換回路２０の各スイッチ素子をスイッチング制御すると、第２入出力ポートＰ２（又は、第４入出力ポートＰ４）へ電流が流れる。これにより、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０への電力伝送が行われる。

【0060】

例えば、変圧器３０の２次コイル３３側が高電位である場合、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２４がオンのとき、２次側変換回路２０では、変圧器３０の２次コイル３３→インダクタＬ２１→スイッチ素子Ｑ２１→入出力端子ＩＯ４の経路に電流が流れる。また、変圧器３０の２次コイル３４側が高電位である場合、スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２３がオンのとき、変圧器３０の２次コイル３４→インダクタＬ２２→スイッチ素子Ｑ２３→入出力端子ＩＯ４の経路に電流が流れる。

【0061】

このように、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子を位相差φ（＞０）でスイッチング制御することにより、第１入出力ポートＰ１から入力された電圧が、ＤＡＢコンバータ回路としての機能によって２次側変換回路２０側に伝送されて、第２入出力ポートＰ２及び第４入出力ポートＰ４から出力される。図５に示すように、位相差φを変化させるとＶｕ１，Ｖｕ２がハイ（スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ２１がオン）で、Ｖｖ１，Ｖｖ２がロー（スイッチ素子Ｑ１４，Ｑ２４がオン）の時間Ｔ１が変化し、同様に、Ｖｕ１，Ｖｕ２がロー（スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ２２がオン）で、Ｖｖ１，Ｖｖ２がハイ（スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ２３がオン）の時間Ｔ２が変化する。このことにより、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０への電力送電量は、位相差φによって制御できる。なお、第３入出力ポートＰ３から第２入出力ポートＰ２又は第４入出力ポートＰ４への電力伝送についても、同様である。

【0062】

また、位相差φを変更することで、第２入出力ポートＰ２から第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）への電力伝送、第４入出力ポートＰ４から第１入出力ポートＰ１（又は第３入出力ポートＰ３）への電力伝送が可能となる。詳しくは、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子を位相差φ（＜０）でスイッチング制御することにより、２次側変換回路２０から１次側変換回路１０に電力が伝送される。

【0063】

位相差φを０として、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子をスイッチング制御することにより、絶縁方向への電力伝送は行われない。１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０は対称回路である。このため、第１入出力ポートＰ１及び第２入出力ポートＰ２それぞれにバッテリ等の電源が接続され、位相差φが０である場合、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０は対称動作する。この場合、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０へ伝送された電力は、２次側変換回路２０から１次側変換回路１０へ回生される。同様に、２次側変換回路２０から１次側変換回路１０へ伝送された電力は、１次側変換回路１０から２次側変換回路２０へ回生される。その結果として絶縁方向への電力伝送は行われない。第３入出力ポートＰ３及び第４入出力ポートＰ４間についても同様である。しかしながら、この場合、回生によって無駄な電力消費が発生する。

【0064】

そこで、本実施形態に係る電力変換装置１は、非絶縁方向への電力伝送のみを行う場合に、回生による無駄な電力消費を発生させないよう、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０のスイッチ素子をスイッチング制御する。以下、非絶縁方向への電力伝送のみを行う場合のスイッチング制御について説明する。

【0065】

図６は、１次側変換回路１０の各スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のタイミングチャート、及び、１次側変換回路１０各部の電圧波形を示す図である。この例でも、図５と同様に、第１入出力ポートＰ１に入力電源を接続したとして説明する。

【0066】

１次側変換回路１０側では、制御部３５は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３と、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４とを、交互にオンオフする。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３がオン、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４がオフの場合、入出力端子ＩＯ１→スイッチ素子Ｑ１１→インダクタＬ１１→変圧器３０の１次コイル３１→入出力端子ＩＯ３の経路と、入出力端子ＩＯ１→スイッチ素子Ｑ１３→インダクタＬ１２→変圧器３０の１次コイル３２→入出力端子ＩＯ３の経路とに電流が流れる。このときのＶｕ１，Ｖｖ１の電位はハイ（Ｈ）である。また、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３がオフ、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４がオンの場合、入出力端子ＩＯ２→スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４→インダクタＬ１１，Ｌ１２→変圧器３０の１次コイル３１，３２→入出力端子ＩＯ３の経路で電流が流れる。このときのＶｕ１，Ｖｖ１の電位はロー（Ｌ）である。

【0067】

すなわち、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点と、スイッチ素子Ｑ１３，Ｑ１４の接続点との電位差Ｖｕｖ１は常に０である。このため、変圧器３０の１次コイル３１，３２に印加される電圧は０であり、第１入出力ポートＰ１から２次側変換回路２０側への電力伝送は行われない。第３入出力ポートＰ３から２次側変換回路２０側への電力伝送についても同様である。

【0068】

図７は、２次側変換回路２０の各スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４のタイミングチャート、及び、２次側変換回路２０各部の電圧波形を示す図である。この例では、第２入出力ポートＰ２に入力電源を接続したとして説明する。

【0069】

２次側変換回路２０側では、制御部３５は、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２３とスイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２４とを、交互にオンオフする。スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２３がオン、スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２４がオフの場合、入出力端子ＩＯ４→スイッチ素子Ｑ２１→インダクタＬ２１→変圧器３０の２次コイル３３→入出力端子ＩＯ６の経路と、入出力端子ＩＯ４→スイッチ素子Ｑ２３→インダクタＬ２２→変圧器３０の２次コイル３４→入出力端子ＩＯ６の経路とに電流が流れる。このときのＶｕ１，Ｖｖ１の電位はハイ（Ｈ）である。また、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２３がオフ、スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２４がオンの場合、入出力端子ＩＯ５→スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２４→インダクタＬ２１，Ｌ２２→変圧器３０の２次コイル３３，３４→入出力端子ＩＯ６の経路で電流が流れる。このときのＶｕ２，Ｖｖ２の電位はロー（Ｌ）である。

【0070】

すなわち、スイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２２の接続点と、スイッチ素子Ｑ２３，Ｑ２４の接続点との電位差Ｖｕｖ２は常に０である。このため、変圧器３０の２次コイル３３，３４に印加される電圧は０で、第２入出力ポートＰ２から１次側変換回路１０への電力伝送は行われない。第４入出力ポートＰ４から１次側変換回路１０側への電力伝送についても同様である。

【0071】

このように、本実施形態では、変圧器３０の１次コイル３１，３２及び２次コイル３３，３４に電圧が印加されないようにして、絶縁方向への電力伝送が行われないようにすることで、回生による無駄な電力消費は発生しない。また、１次側変換回路１０と２次側変換回路２０とでスイッチング制御を同期させる必要がなく、１次側変換回路１０内での電力伝送（例えば、第１入出力ポートＰ１から第３入出力ポートＰ３への電力伝送）と、２次側変換回路２０内での電力伝送（例えば、第２入出力ポートＰ２から第４入出力ポートＰ４への電力伝送）とをそれぞれ独立させて実行できる。また、第１入出力ポートＰ１と第３入出力ポートＰ３との間で電力伝送を行い、第２入出力ポートＰ２と第４入出力ポートＰ４との間で電力伝送を行う必要がない場合は、１次側変換回路１０のみをスイッチング制御し、２次側変換回路２０のスイッチングを停止してもよい。同様に、２次側変換回路２０のみをスイッチング制御し１次側変換回路１０のスイッチングを停止してもよい。

【0072】

以上説明したように、電力変換装置１は、昇降圧回路としての機能、及びＤＡＢコンバータ回路としての機能を備え、４つの入出力ポートＰ１〜Ｐ４の何れかと、他の入出力ポートとの間で電力変換を行うことができる。そして、非絶縁方向のみ電力伝送を行う場合、絶縁方向へ電力が伝送しないようにすることで、不要な電力消費が発生せず、効率のよい電力伝送が行える。

【0073】

図８、図９、図１０、図１１、図１２及び図１３は、電力変換装置の変形例の回路図である。

【0074】

図８に示す電力変換装置１Ａが有するインダクタＬ１１，Ｌ１２（又はＬ２１，Ｌ２２）は磁気結合せず、それぞれ独立している。この場合であっても、電力変換装置１と同様に効率のよい電力伝送を行える。

【0075】

図９に示す電力変換装置１Ｂは、１次コイル３１，３２のセンタータップと入出力端子ＩＯ３との間に接続されたインダクタＬ１３と、２次コイル３３，３４のセンタータップと入出力端子ＩＯ６との間に接続されたインダクタＬ２３とを備えている。この場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２（又はＬ２１，Ｌ２２）は磁気結合していてもよいし、それぞれが独立していてもよい。

【0076】

ここで、インダクタＬ１３は、本発明に係る「第５インダクタ」の一例であり、インダクタＬ２３は、本発明に係る「第６インダクタ」の一例である。

【0077】

図１０に示す電力変換装置１Ｃは、電力変換装置１Ｂの回路構成において、インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２３を備えない構成である。図１１に示す電力変換装置１Ｄは、電力変換装置１Ｂの回路構成において、インダクタＬ１１，Ｌ１２を備えない構成である。この場合、インダクタＬ２１，Ｌ２２は磁気結合していてもよいし、それぞれが独立していてもよい。

【0078】

図１２に示す電力変換装置１Ｅは、３つの入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３を備えている。そして、電力変換装置１Ｅは、３つの入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３のうち、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路である。そして、電力変換装置１Ｅの２次側回路２０は、インダクタＬ２１，Ｌ２２を備えない。

【0079】

図１３に示す電力変換装置１Ｆは、電力変換装置１Ｅと同様に、３つの入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３を備えている。そして、電力変換装置１Ｆの１次側回路１０は、インダクタＬ１１，Ｌ１２を備えず、インダクタＬ１３を備えている。また、２次側回路２０は、インダクタＬ２１のみを備えている。

【0080】

これら図９〜図１３に示す各電力伝送装置の回路構成であっても、電力変換装置１と同様に効率のよい電力伝送を行える。

【0081】

（実施形態２）
実施形態２では、絶縁方向への電力伝送を行わない場合に、１次側変換回路１０ではスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３のみをオンオフさせ、２次側変換回路２０ではスイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２３のみをオンオフさせる。図２に示す、１次側出力部３５４は、本発明に係る「第１禁止部」の一例である。また、２次側出力部３５５は、本発明に係る「第２禁止部」の一例である。

【0082】

図１４は、１次側変換回路１０の各スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のタイミングチャート、及び、１次側変換回路１０各部の電圧波形を示す図である。本実施形態の電力変換装置は、図１と同じであり、第１入出力ポートＰ１に入力電源を接続したとして説明する。なお、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０のスイッチング制御は同じであるため、１次側変換回路１０のスイッチング制御についてのみ説明する。

【0083】

１次側変換回路１０側では、制御部３５は、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３のみを同時にオンオフし、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４は常にオフにする。この場合、図３の等価回路で考えると、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４はボディダイオードを有するＭＯＳ−ＦＥＴであるため、常時オフであっても、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３のみをスイッチングさせることで、ボディダイオードにより整流が行われる。

【0084】

スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３がオンであるとき、インダクタＬ１１，Ｌ１２を流れる電流Ｉ１，Ｉ２が上昇する。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３がオフになると、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積されたエネルギーがスイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４のボディダイオードを通して放出される。インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積されたエネルギーが放出されるＩ１，Ｉ２はゼロになる。このとき、ボディダイオードはオフするので、電圧Ｖｄが現れる。

【0085】

仮に第３入出力ポートＰ３にバッテリ等の電源が接続されていて、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４持スイッチング制御し、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４がオンであるとき、第３入出力ポートＰ３→インダクタＬ１１，Ｌ１２→スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４の経路で電流が流れる。すなわち、第３入出力ポートから第１入出力ポートＰ１への回生電流（図７の破線部分）が発生する。これに対し、本実施形態では、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４を常時オフにするため、回生電流の発生を抑制でき、回生電流による損失を抑えることができる。

【0086】

なお、例えば、第１入出力ポートＰ１に接続された入力電源から、第３入出力ポートＰ３に接続された負荷へ電力を供給する場合、その負荷が軽負荷であれば、軽負荷への電流は小さい。このため、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４をスイッチングせず、ボディダイオードを利用して整流した場合であっても、そのボディダイオードでの損失は大きくない。

【0087】

以上説明したように、絶縁方向への電力伝送を行わず、非絶縁方向への電力伝送のみを行う場合に、１次側変換回路１０ではスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３のみをスイッチング制御し、２次側変換回路２０ではスイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２３のみをスイッチング制御する。これにより、回生電流の発生を抑制でき、回生電流による損失を抑えることができる。その結果、非絶縁方向への電力伝送の効率を向上させることができる。

【0088】

（実施形態３）
本実施形態に係る電力変換装置は、絶縁方向へ電力伝送する場合、絶縁方向へ電力を伝送するモード（以下、絶縁電力伝送モードと言う）と、絶縁方向へ電力を伝送せず、非絶縁方向のみへ電力を伝送するモード（以下、非絶縁電力伝送モードと言う）とを交互に切り替える。

【0089】

図１５は、電力変換装置１の動作モードを説明するための図である。

【0090】

以下、図１において、第１入出力ポートＰ１に入力電源が接続され、第２入出力ポートＰ２に負荷が接続され、第１入出力ポートＰ１から第２入出力ポートＰ２へ電力伝送する場合について説明する。

【0091】

第１入出力ポートＰ１から第２入出力ポートＰ２へ電力伝送する場合、制御部３５は、実施形態１で説明したように、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子を位相差φでスイッチング制御する。このときの位相差φは、電力変換装置１が高効率で動作できる値とする。軽負荷である場合には、電力変換モード決定部３５１は、図９に示す、絶縁電力伝送モードと非絶縁電力伝送モードとを交互に実行する動作モードに切り替える。１次側出力部３５４及び２次側出力部３５５は、電力変換モード決定部３５１が決定した動作モードに基づいて、各スイッチ素子をスイッチング制御する。

【0092】

絶縁電力伝送モードでは、制御部３５の１次側出力部３５４及び２次側出力部３５５は、１次側変換回路１０及び２次側変換回路２０の各スイッチ素子を位相差φでスイッチング制御する。非絶縁電力伝送モードでは、制御部３５の１次側出力部３５４及び２次側出力部３５５は、１次側変換回路１０のスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１３と、スイッチ素子Ｑ１２，Ｑ１４とを交互にオンオフし、２次側変換回路２０のスイッチ素子Ｑ２１，Ｑ２３と、スイッチ素子Ｑ２２，Ｑ２４とを交互にオンオフする。電力変換モード決定部３５１は、本発明に係る「切替部」の一例である。１次側出力部３５４は、本発明に係る「第３スイッチング制御部」の一例である。２次側出力部３５５は、本発明に係る「第４スイッチング制御部」の一例である。

【0093】

絶縁方向へ伝送する電力が小さい場合、すなわち位相差φが小さいと、回生電流が発生し損失が大きくなる。しかしながら、本実施形態のように、高効率で動作できる位相差φで動作させ、絶縁電力伝送モードと非絶縁電力伝送モードとの切り替えによって絶縁方向へ伝送する電力を調整することによって、絶縁方向への電力伝送の効率を向上させることができる。

【符号の説明】

【0094】

ＩＯ１，ＩＯ２，ＩＯ３，ＩＯ４，ＩＯ５，ＩＯ６…入出力端子
Ｌ１１，Ｌ１２…インダクタ
Ｌ２１，Ｌ２２…インダクタ
Ｌ１３，Ｌ２３…インダクタ
Ｐ１…第１入出力ポート
Ｐ２…第２入出力ポート
Ｐ３…第３入出力ポート
Ｐ４…第４入出力ポート
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４…スイッチ素子
Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４…スイッチ素子
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４…分圧抵抗
Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４…分圧抵抗
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…電力変換装置
１０…１次側変換回路
１３…１次側ドライバ
２０…２次側変換回路
２３…２次側ドライバ
３０…変圧器
３１，３２…１次コイル
３３，３４…２次コイル
３５…制御部
３５１…電力変換モード決定部
３５２…位相差決定部
３５３…Ｄｕｔｙ比決定部
３５４…１次側出力部
３５５…２次側出力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】