特許 6634850 電力変換回路システム

(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】6634850

(24)【登録日】2019年12月27日

(45)【発行日】2020年1月22日

(54)【発明の名称】電力変換回路システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20200109BHJP

   H01F 30/10 20060101ALI20200109BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 V

   H01F30/10 M

   H01F30/10 A

   H01F30/10 C

   H01F30/10 R

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-15542(P2016-15542)

(22)【出願日】2016年1月29日

(65)【公開番号】特開2017-135924(P2017-135924A)

(43)【公開日】2017年8月3日

【審査請求日】2018年10月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井上 俊太郎

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 健一

(72)【発明者】

【氏名】杉山 隆英

【審査官】 麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１８６４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２８６９９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ３０／００−３８／１２

Ｈ０１Ｆ ３８／１６

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フルブリッジ回路を備える１次側変換回路と、
フルブリッジ回路と単一のトランスを介して接続され、互いに並列化された少なくとも第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路を備える２次側変換回路と、
を備え、
２次側変換回路は、少なくとも互いに直列接続された第１のセル、第２のセル、及び第３のセルを備え、
第１のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルの正極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路の負極母線は第２のセルの負極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、
第２のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の負極母線は第３のセルの負極側に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第２のセルと第３のセルの接続点に接続され、
第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線及び第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線は、両端の脚部に差動巻で巻回され、
トランスは、ギャップを有する中央脚部と、両端脚部を備える３脚コアのトランスであって、両端の脚部にトランスの１次側巻線及び２次側巻線が差動巻で巻回され、
トランスの両端脚部を通る周囲経路で磁束を生じさせて１次側変換回路と２次側変換回路の間で電力を伝送し、トランスのギャップを有する中央脚部を通る経路で磁束を生じさせて第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路の間で電力を伝送する
ことを特徴とする電力変換回路システム。

【請求項2】

請求項１記載の電力変換回路システムにおいて、さらに、
中央脚部に第１のセル電圧均等化回路及び第２のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線が巻回される
ことを特徴とする電力変換回路システム。

【請求項3】

フルブリッジ回路を備える１次側変換回路と、
フルブリッジ回路と単一のトランスを介して接続され、互いに並列化された少なくとも第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路を備える２次側変換回路と、
を備え、
２次側変換回路は、少なくとも互いに直列接続された第１のセル、第２のセル、及び第３のセルを備え、
第１のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルの正極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路の負極母線は第２のセルの負極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線と直列にリアクトル巻線が接続され、
第２のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の負極母線は第３のセルの負極側に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第２のセルと第３のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線と直列にリアクトル巻線が接続され、
第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線及び第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線は、両端の脚部に差動巻で巻回され、かつ、第１のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線及び第２のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線は、中央の脚部に巻回される
ことを特徴とする電力変換回路システム。

【請求項4】

フルブリッジ回路を備える１次側変換回路と、
フルブリッジ回路と単一のトランスを介して接続され、互いに並列化された少なくとも第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路を備える２次側変換回路と、
を備え、
２次側変換回路は、少なくとも互いに直列接続された第１のセル、第２のセル、及び第３のセルを備え、
第１のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルの正極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路の負極母線は第２のセルの負極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第１のセルと第２のセルの接続点にリアクトル巻線を介して接続され、
第２のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の負極母線は第３のセルの負極側に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第２のセルと第３のセルの接続点にリアクトル巻線を介して接続され、
第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線及び第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線は、両端の脚部に差動巻で巻回され、かつ、第１のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線及び第２のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線は、中央の脚部に巻回される
ことを特徴とする電力変換回路システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電力変換回路システムに関し、特に絶縁電力伝送とセル電圧均等化に関する。

【背景技術】

【0002】

図１２は、特許文献１に記載された、セル電圧均等化機能と、双方向絶縁型コンバータ機能を有する電源システムの回路構成を示す。

【0003】

この回路は、各フルブリッジ回路間に、トランスと磁気結合リアクトルが１つずつ配置されており、合計４つの磁気素子を有する。

【0004】

すなわち、電源システムは、第１電源１０、第２電源１２、電力変換回路１４及び遮断器１６（１６ａ〜１６ｃ）を含んで構成される。

【0005】

第１電源１０は、例えば、リチウムイオン充電池、ニッケル・水素充電池等を適用することができる。第１電源１０の出力電圧（第１電圧）Ｖ１は、例えば、１００Ｖ以上２００Ｖ以下の範囲とされる。第１電源１０は、第１サブ電源１０ａ及び第２サブ電源１０ｂから構成される。第１サブ電源１０ａ及び第２サブ電源１０ｂは、同じ程度の出力容量及び出力電圧であり、例えば、第１電源１０の出力電圧Ｖ１が２００Ｖである場合、第１サブ電源１０ａの出力電圧（第１サブ電圧ＶＳ１）及び第２サブ電源１０ｂの出力電圧（第２サブ電圧ＶＳ２）がそれぞれ１００Ｖとなる。第１電源１０が複数の電池の直列接続体である場合、それを２分割した各電池群を第１サブ電源１０ａ及び第２サブ電源１０ｂとする。

【0006】

第２電源１２は、例えば、鉛充電池等を適用することができる。第２電源１２は、第１電源１０の負荷となる主機よりも低電力の補機負荷２０２に対する電源とされることが多く、その出力電圧（第２電圧）Ｖ２は例えば１４Ｖとされる。

【0007】

電力変換回路１４は、第１電源１０（第１サブ電源１０ａ，第２サブ電源１０ｂ）及び第２電源１２から電力供給を受けて、第１電源１０及び第２電源１２の出力電圧とは異なる電圧を生成して出力する回路である。例えば、電力変換回路１４は、近年ハイブリッド自動車や電気自動車等において近年必要とされている大電力補機負荷２０４に対して電力を供給する。大電力補機負荷２０４に対する出力電圧（第３電圧）Ｖ３は、第２電源１２の出力電圧Ｖ２より高く設定され、例えば４０Ｖ以上４８Ｖ以下とされる。また、電力変換回路１４は、補機負荷２０２よりも低い電圧で動作する低電圧補機負荷２０６に対して電力を供給する。低電圧補機負荷２０６に対する出力電圧（第４電圧）Ｖ４は、第２電源１２の出力電圧Ｖ２より低く設定され、例えば１２Ｖとされる。

【0008】

遮断器１６ａ，１６ｂは、第１電源１０と電力変換回路１４との間の電気的接続を開閉するために設けられるスイッチである。遮断器１６ａは、第１サブ電源１０ａの高圧側端子と電力変換回路１４との間に設けられる。遮断器１６ｂは、第２サブ電源１０ｂの低圧側端子と電力変換回路１４との間に設けられる。また、遮断器１６ｃは、補機負荷２０２への電力供給ラインと低電圧補機負荷２０６への電力供給ラインとの間の電気的接続を開閉するために設けられるスイッチである。これらの遮断器１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、それぞれ独立して外部の制御ユニット（図示しない）から開閉制御可能とされる。

【0009】

電力変換回路１４は、第１サブ電力変換回路１４ａと第２サブ電力変換回路１４ｂとを含んで構成される。第１サブ電力変換回路１４ａ及び第２サブ電力変換回路１４ｂは、それぞれ複数の電源として機能するマルチポートコンバータである。第１サブ電力変換回路１４ａの端子Ｔ１，Ｔ２には第１サブ電源１０ａの高圧側端子及び低圧側端子がそれぞれ接続される。また、第２サブ電力変換回路１４ｂの端子Ｔ１，Ｔ２には第２サブ電源１０ｂの高圧側端子及び低圧側端子が接続される。また、第１サブ電力変換回路１４ａの端子Ｔ２と第２サブ電力変換回路１４ｂの端子Ｔ１が接続される。 また、第１サブ電力変換回路１４ａの端子Ｔ３と第２サブ電力変換回路１４ｂの端子Ｔ３とが接続され、そこに大電力補機負荷２０４が接続される。第１サブ電力変換回路１４ａの端子Ｔ４には補機負荷２０２が接続される。第２サブ電力変換回路１４ｂの端子Ｔ４には低電圧補機負荷２０６が接続される。

【0010】

上のセル群から下のセル群へ電力を伝送する場合は、マルチポートコンバータの各トランスに発生する電圧の位相差を別々に変化させ、図中の矢印で示すような経路で電力伝送を行う。

【0011】

図１３は、図１２の回路における、トランスＴｒ１とトランスＴｒ２の電圧波形を示す。ＶＨ１及びＶＨ２は、それぞれ上のセル群及び下のセル群の高圧側の電圧を示し、ＶＬ１及びＶＬ２は、それぞれ上のセル群及び下のセル群の低圧側の電圧を示す。上のセル群のトランスＴｒ１の電圧位相差θ１と、下のセル群のトランスＴｒ２の電圧位相差θ２を制御することで伝送電力を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１５−１８６４３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

図１２に示す回路では、セル電圧均等化を行う際にトランスＴｒ１、Ｔｒ２に別々の位相θ１，θ２を与えるため、トランスは必ず複数個必要となり、均等化すべきセルの数だけトランスの数が増大することになるから、回路サイズが増大してしまう。

【0014】

従って、図１４（ａ）に示すような、１次側と２次側のトランス電圧の位相差で伝送電力を制御する双方向絶縁型コンバータ２０と、図１４（ｂ）に示すような、スイッチングデューティで隣り合うセル間でリアクトルを介して電流をやり取りすることで伝送電力を制御するセル電圧均等化回路２２とを統合する際に、できるだけ回路の小型化を図ることが望まれている。

【0015】

図１５は、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示す２つの機能回路２０，２２を単に統合した回路２４の回路構成例を示す。また、図１６は、図１５の回路におけるトランス３０の構成を示す。この回路は、図１４（ｂ）に示すセル電圧均等化回路２２のリアクトルをギャップ付きトランスとみなし、図１４（ａ）に示す双方向絶縁型コンバータ２０のトランスとして兼用したものである。

【0016】

図１７は、図１５の回路における無負荷時のシミュレーション結果を示す。図１７（ａ）は１次側及び２次側の電圧波形１００，１０２，１０４、及びトランス３０の漏れインダクタンスの波形１０６である。図１７（ｂ）は、トランス３０の各巻線に流れる電流である。

【0017】

１次側コイル及び２次側コイルに印加される電圧波形の位相が同一であるので、トランスを介した絶縁電力のやり取りは行われず、均等化回路動作のみが行われる。

【0018】

図１８は、図１５の回路における負荷時のシミュレーション結果を示す。１次側＝１００Ｗ、２次側＝１００Ｗの場合である。１次側コイル及び２次側コイルに印加される電圧波形に位相差があるため、トランスの漏れインダクタンス成分にパルス状電圧が印加され、トランスに台形状の電流が流れる。結果として、トランスを介した絶縁電力伝送が行われる。この場合、２次側台形状電流波形にＤＣオフセット電流が流れていることから、均等化回路動作も同時に行われている。

【0019】

このように、図１５の回路２４は、双方向絶縁コンバータ及びセル電圧均等化回路として動作し得るものの、図１６に示すようにコの字形状のギャップ付トランス３０を用いるため、励磁電流を十分小さくして回路の高効率を図る場合には大きなコアを必要とするため、回路の小型化が困難となる。

【0020】

図１９及び図２０は、回路の統合に伴う磁気素子の大型化に対して、２つの磁気経路を有する磁気素子を用いた回路２６の回路構成を示す。この回路では、図２０に示すように、トランス４０としてギャップを有する中央の脚部及びギャップのない左右の脚部を有する３脚コアのトランスとし、左右の脚部にトランス４０の１次側巻線及び２次側巻線を巻回し、ギャップのない周囲の磁気経路がトランスコアとして機能して双方向絶縁型コンバータとして機能し、ギャップを有する磁気経路がリアクトルコアとして機能して均等化回路として機能すべくコイルを配置する。

【0021】

図２０（ａ）に示すように、均等化回路動作により２次側巻線へ流れるＤＣ電流が左右で常に等しい、すなわち左の脚部の巻線に流れる電流ｉａ１＝右の脚部に流れる電流ｉａ２であれば磁気素子は飽和することなく動作する。しかし、図２０（ｂ）に示すように均等化回路では左右のコイルへ流れるＤＣ電流が常に等しいとは限らず、例えばｉａ１＞ｉａ２となると、磁束はギャップのない周囲磁気経路ですぐに飽和してしまう。従って、このような回路は実際には動作不能である。

【0022】

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、絶縁電力伝送回路とセル電圧均等化機能とを統合する際に、部品数を削減するとともに回路の小型化を図ることが可能なシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0023】

本発明は、フルブリッジ回路を備える１次側変換回路と、フルブリッジ回路と単一のトランスを介して接続され、互いに並列化された少なくとも第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路を備える２次側変換回路とを備え、２次側変換回路は、少なくとも互いに直列接続された第１のセル、第２のセル、及び第３のセルを備え、第１のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルの正極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路の負極母線は第２のセルの負極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の負極母線は第３のセルの負極側に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第２のセルと第３のセルの接続点に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線及び第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線は、両端の脚部に差動巻で巻回され、トランスは、ギャップを有する中央脚部と、両端脚部を備える３脚コアのトランスであって、両端の脚部にトランスの１次側巻線及び２次側巻線が差動巻で巻回され、トランスの両端脚部を通る周囲経路で磁束を生じさせて１次側変換回路と２次側変換回路の間で電力を伝送し、トランスのギャップを有する中央脚部を通る経路で磁束を生じさせて第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路の間で電力を伝送することを特徴とする電力変換回路システムである。

【0024】

本発明の１つの実施形態では、さらに、中央脚部に第１のセル電圧均等化回路及び第２のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線が巻回される。

【0026】

また、本発明は、フルブリッジ回路を備える１次側変換回路と、フルブリッジ回路と単一のトランスを介して接続され、互いに並列化された少なくとも第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路を備える２次側変換回路とを備え、２次側変換回路は、少なくとも互いに直列接続された第１のセル、第２のセル、及び第３のセルを備え、第１のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルの正極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路の負極母線は第２のセルの負極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線と直列にリアクトル巻線が接続され、第２のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の負極母線は第３のセルの負極側に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第２のセルと第３のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線と直列にリアクトル巻線が接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線及び第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線は、両端の脚部に差動巻で巻回され、かつ、第１のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線及び第２のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線は、中央の脚部に巻回されることを特徴とする電力変換回路システムである。

【0027】

また、本発明は、フルブリッジ回路を備える１次側変換回路と、フルブリッジ回路と単一のトランスを介して接続され、互いに並列化された少なくとも第１のセル電圧均等化回路と第２のセル電圧均等化回路を備える２次側変換回路とを備え、２次側変換回路は、少なくとも互いに直列接続された第１のセル、第２のセル、及び第３のセルを備え、第１のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルの正極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路の負極母線は第２のセルの負極側に接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第１のセルと第２のセルの接続点にリアクトル巻線を介して接続され、第２のセル電圧均等化回路の正極母線は第１のセルと第２のセルの接続点に接続され、第２のセル電圧均等化回路の負極母線は第３のセルの負極側に接続され、第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線の中点は第２のセルと第３のセルの接続点にリアクトル巻線を介して接続され、第１のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線及び第２のセル電圧均等化回路のトランスの２次側巻線は、両端の脚部に差動巻で巻回され、かつ、第１のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線及び第２のセル電圧均等化回路のリアクトル巻線は、中央の脚部に巻回されることを特徴とする電力変換回路システムである。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、単一の磁気素子（トランス）により絶縁電力伝送回路とセル電圧均等化機能とを統合することができ、部品数を削減するとともに回路の小型化を図ることができる。

【0029】

また、トランスの３脚コアの両端脚部のみならず、ギャップを有する中央脚部にリアクトル巻線を巻回することで、絶縁電力伝送におけるインダクタンス成分の調整を行うことができ、設計の自由度を上げることができる。

【0030】

さらに、トランスの３脚コアの両端脚部のみならず、ギャップを有する中央脚部にリアクトル巻線を巻回するとともに、当該リアクトル巻線を逆相電流が流れない所定位置に接続することで、効率低下を抑制しつつ、セル電圧均等化におけるインダクタンス成分を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】実施形態の回路構成図である。

【図2】図1のトランス構成図である。

【図3】図１のシミュレーション結果説明図である。

【図4】図１のシミュレーション結果説明図である。

【図5】他の実施形態の回路構成図である。

【図6】図５のトランス構成図である。

【図7】さらに他の実施形態の回路構成図である。

【図8】図７のトランス構成図である。

【図9】さらに他の実施形態の回路構成図である。

【図10】図９のトランス構成図である。

【図11】図９のシミュレーション結果説明図である。

【図12】従来の回路構成図である。

【図13】従来の電圧波形図である。

【図14】双方向絶縁コンバータとセル均等化回路の回路構成図である。

【図15】双方向絶縁コンバータとセル均等化回路の統合回路図である。

【図16】図１５のトランス構成図である。

【図17】図１５のシミュレーション結果説明図である。

【図18】図１５のシミュレーション結果説明図である。

【図19】双方向絶縁コンバータとセル均等化回路の統合回路図である。

【図20】図１９の磁束の流れを示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

【0033】

図１は、本実施形態の電力変換回路システムの回路図を示す。本実施形態の回路構成は、基本的には図１９に示す回路構成の２次側の均等化回路部分をマルチフェーズ化したものである。１次側変換回路と２次側変換回路は、磁気素子としての単一のトランス１２で絶縁され、１次側変換回路はフルブリッジ回路として構成され、２次側変換回路は２並列化されたセル電圧均等化回路、つまり双方向非絶縁コンバータが階段状に接続された構成である。より詳しくは以下の通りである。

【0034】

１次側変換回路の正極母線と負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ１及びＳ２からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ３及びＳ４からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。１次側変換回路のセルＣ１は、１次側変換回路の正極母線と負極母線の間に配置される。

【0035】

左アームを構成するスイッチングトランジスタＳ１及びＳ２の接続点Ｍｕと、右アームを構成するスイッチングトランジスタＳ３及びＳ４の接続点Ｍｖの間に、トランス１２の１次側巻線が接続される。すなわち、トランスの１次側巻線は、２つの双方向チョッパ回路の中間点に接続される。

【0036】

他方、２次側変換回路は、２並列化された第１の２次側変換回路（第１のセル電圧均等化回路）と第２の２次側変換回路（第２のセル電圧均等化回路）を備える。

【0037】

第１の２次側変換回路の正極母線と負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ５及びＳ６からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ７及びＳ８からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。

【0038】

左アームを構成するスイッチングトランジスタＳ５及びＳ６の接続点Ｍα１と、右アームを構成するスイッチングトランジスタＳ７及びＳ８の接続点Ｍβ１の間に、トランス１２の２次側巻線が接続される。

【0039】

また、第２の２次側変換回路の正極母線と負極母線の間に、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ９及びＳ１０からなる左アームと、互いに直列に接続されるスイッチングトランジスタＳ１１及びＳ１２からなる右アームが設けられ、これら左アームと右アームは互いに並列に接続されフルブリッジ回路を構成する。

【0040】

左アームを構成するスイッチングトランジスタＳ９及びＳ１０の接続点Ｍα２と、右アームを構成するスイッチングトランジスタＳ１１及びＳ１２の接続点Ｍβ２の間に、トランス１２の２次側巻線が接続される。

【0041】

２次側変換回路のセルは、図において互いに直列接続された３つのセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４として示される。セルＣ２及びＣ３は接続点Ｂ１で接続され、セルＣ３とセルＣ４は接続点Ｂ２で接続される。第１の２次側変換回路の正極母線はセルＣ２の正極側に接続され、第１の２次側変換回路の負極母線は接続点Ｂ２に接続され、第１の２次側変換回路のトランスの２次側巻線の中点は接続点Ｂ１に接続される。第２の２次側変換回路の正極母線は接続点Ｂ１に接続され、第２の２次側変換回路の負極母線はセルＣ４の負極側に接続され、第２の２次側変換回路のトランスの２次側巻線の中点は接続点Ｂ２に接続される。セルＣ１〜Ｃ４の出力電圧は、例えば１４Ｖである。

【0042】

１次側変換回路と２次側変換回路は、上記のように単一のトランス１２で絶縁されており、１次側のフルブリッジ回路と２次側の全てのセル電圧均等化回路は図中点線で示すように磁気結合される。絶縁電力は１次側と２次側のスイッチングの位相差によって制御され、セル間電圧はスイッチングデューティで制御される。各スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ１２のスイッチングは、図示しない制御回路からの制御信号によりオン／オフ制御される。

【0043】

図２は、図１の回路構成における単一のトランス１２の構成を示す。トランスコアは、中央の脚部及び左右の脚部（両端の脚部）を有する３脚コアであり、中央の脚部にギャップを有し、左右の脚部にはギャップを有しない。

【0044】

１次側変換回路のトランス１２の１次側巻線は、左の脚部及び右の脚部に差動巻きで巻回される。左の脚部の巻線端部は接続点Ｍｕに接続され、右の脚部の巻線端部は接続点Ｍｖに接続される。

【0045】

第１の２次側変換回路のトランス１２の２次側巻線は、左の脚部及び右の脚部に差動巻で巻回される。左の脚部の巻線端部は接続点Ｍα１に接続され、右の脚部の巻線端部は接続点Ｍβ１に接続され、２次側巻線の中点は接続点Ｂ１に接続される。

【0046】

第２の２次側変換回路のトランス１２の２次側巻線は、左の脚部及び右の脚部に差動巻で巻回される。左の脚部の巻線端部は接続点Ｍα２に接続され、右の脚部の巻線端部は接続点Ｍβ２に接続され、２次側巻線の中点は接続点Ｂ２に接続される。

【0047】

このように、トランス１２の１次側巻線及び２次側巻線を差動巻（差動接続）とすることで、コイルに流れるＤＣ電流が左右の脚部で必ず等しくなり、ｉａ１＝ｉａ２となる。これによりギャップのない周囲磁気経路での磁束の飽和を防止できる。結果として、図１９及び図２０に示された回路構成と異なり、ギャップのない磁気経路ではトランスとして、ギャップのある磁気経路ではリアクトルとしてトランス１２が磁気素子として機能することになる。トランスとしての磁気経路にギャップがないことから、トランスコアを大きくしなくてもトランスの励磁インダクタンスが十分に大きくなるので磁気素子の大型化を招くことなく、双方向絶縁型コンバータ機能とセル均等化機能の統合が実現される。

【0048】

図３は、無負荷時の回路シミュレーション結果を示す。各図において横軸は時間であり、図３（ａ）は、１次側の電圧Ｖｕｖの波形１００、２次側の電圧Ｖαβ１の波形１０２、２次側の電圧Ｖαβ２の波形１０４、及びトランス１２の漏れインダクタンス成分Ｖαβ１−Ｎ＊Ｖｕｖの波形１０６を示す。また、図３（ｂ）は、トランス１２の各巻線に流れる電流であり、ｉｕは１次側変換回路の１次側巻線に流れる電流、ｉα１は第１の２次変換回路の２次側巻線に流れる電流、ｉα２は第２の２次変換回路の２次側巻線に流れる電流である。

【0049】

１次側と２次側の電圧波形の位相は同じであり、波形１０６に示すようにトランスの漏れインダクタンス成分へのパルス状電圧波形の印加は行われない。また、図３（ｂ）の波形に示すように、トランスの漏れインダクタンス成分に電圧が印加されないので励磁電流のみがトランス１２の各巻線に流れる。従って、絶縁電力のやり取りは行われない。

【0050】

図４は、負荷時の回路シミュレーション結果を示す。図４（ａ）は１次側及び２次側電圧波形であり、図４（ｂ）はトランス１２の各巻線に流れる電流である。１次側を２００Ｗ、２次側を１００Ｗとした場合である。波形１００〜１０４に示すように１次側と２次側のコイルに印加される電圧波形に位相差があるため、波形１０６に示すようにトランスの漏れインダクタンス成分にパルス状の電圧波形が印加される。このため、図４（ｂ）に示すようにトランス１２の各巻線に台形状の電流波形が生じる。結果として、トランス１２を介した絶縁電力の伝送が行われる。また、２次側の台形状電流波形にＤＣ電流が重畳しているので、均等化回路動作も同時に行われる。

【0051】

図５及び図６は、他の実施形態の回路構成及びトランス１２の構成を示す。図１及び図２の回路構成との相違は、トランス１２のコア中央脚部にもコイルを配置した点である。すなわち、第１の２次側変換回路の接続点Ｍα１と接続点Ｍβ１との間に、トランス１２の２次側巻線と直列に、互いに磁気結合したコイル（リアクトル巻線）を巻回し、かつ、第２の２次側変換回路の接続点Ｍα２と接続点Ｍβ２との間に、トランス１２の２次側巻線と直列に、互いに磁気結合したコイル（リアクトル巻線）を巻回する。なお、図６ではコイルの巻回状態を明示するために、各コイルの接続関係を図示していないが、トランス１２の１次側巻線と２次側巻線の接続状態は図２と同様であり、これに加えて、コア中央脚部のギャップ上部に第１の２次変換回路の２つのコイルが巻回され、２つのコイルのうちの一方のコイルは接続点Ｍα１と第１の２次変換回路のトランス２次側巻線に接続され、他方のコイルは接続点Ｍβ１と第１の２次変換回路のトランス２次側巻線に接続される。また、コア中央脚部のギャップ下部に第２の２次変換回路の２つのコイルが巻回され、２つのコイルのうちの一方のコイルは接続点Ｍα２と第２の２次変換回路のトランス２次側巻線に接続され、他方のコイルは接続点Ｍβ２と第２の２次変換回路のトランス２次側巻線に接続される。

【0052】

互いに磁気結合した中央脚部のリアクトル巻線を両脚部の巻線とフルブリッジ回路の間に配置することで、双方向絶縁コンバータ動作に関わる小さなインダクタンス成分の調整を中央脚部リアクトル巻線同士の磁気結合の漏れによっても調整できるようになり、設計の自由度が増大する。

【0053】

図７及び図８は、さらに他の実施形態の回路構成及びトランス１２の構成を示す。図１及び図２の回路構成との相違は、トランス１２のコア中央脚部にもコイルを配置し、かつ、当該コイル（リアクトル巻線）をセルの接続点Ｂ１と第１の２次側変換回路のトランス２次側巻線の中点との間、及びセルの接続点Ｂ２と第２の２次側変換回路のトランス２次側巻線の中点との間に接続した点である。これら２つのリアクトル巻線は互いに磁気結合し、図８に示すようにトランス１２のコア中央脚部のギャップ上部に巻回される。

【0054】

このように、逆相電流が流れない位置に中央脚部のリアクトル巻線を配置することで、効率低下を抑制しつつ、均等化回路動作に関わるインダクタンス成分を大きくすることができる。

【0055】

図９及び図１０は、さらに他の実施形態の回路構成及びトランス１２の構成を示す。図１の回路構成では、２次側のセルとしてセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４の３つのセルを例示したが、フルブリッジ回路とコイルを追加することで、磁気素子数は単一のまま、セル数を４つ以上とすることができる。図９及び図１０は、セル数を５つとした場合の回路構成である。図１０に示すように、セル数が増大しても、２次側変換回路のトランス２次側巻線をコア左右の脚部に差動巻で巻回することで、単一のトランス１２を維持し得る。

【0056】

図１１は、シミュレーション結果を示す。図１０に示すように、各セルの電圧初期値として、Ｃ１＝１４Ｖ、Ｃ２＝１７Ｖ、Ｃ３＝１６Ｖ、Ｃ４＝１３Ｖ、Ｃ５＝１２Ｖ、Ｃ６＝１１Ｖとばらつきを持たせた場合である。なお、各セルの容量は１ｍＦである。時間の経過とともに、セルＣ２〜Ｃ６の電圧が均等化されていくのが分かる。

【0057】

以上のように、本実施形態では、中央脚部にギャップを有する３脚コアの左右脚部（両端脚部）にコイルを巻回し、当該コイルは２並列化されたセル均等化回路から流れてくる電流の同相モード成分に対して中央ギャップ部分を通る経路で磁束を発生させ、逆相モード成分に対してはギャップのない周囲経路（外周経路）で磁束を発生させるような差動巻（差動接続）構成とすることで、磁気素子の大型化を招くことなく、かつ、単一の磁気素子で双方向絶縁型コンバータ機能（絶縁電力伝送機能）とセル電圧均等化機能を統合できる。

【0058】

また、本実施形態では、１次側変換回路及び２次側変換回路のいずれも全てのスイッチング素子をスイッチングトランジスタで構成しており、ターンオン、ターンオフともにソフトスイッチングであり効率が向上する。

【0059】

さらに、本実施形態では、双方向絶縁コンバータの一方の側とセル均等化回路のレグを共有化しているので、半導体素子と磁気素子での損失をシェアして効率が向上する。

【0060】

本実施形態の電力変換回路システムは、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車等に搭載することができる。

【符号の説明】

【0061】

１２，３０，４０ トランス、Ｓ１〜Ｓ２０ スイッチングトランジスタ、Ｃ１〜Ｃ６ セル、２０ 双方向絶縁型コンバータ、２２ セル電圧均等化回路、２４，２６ 統合回路。

【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】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】