特開 2022-154383 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022154383

(43)【公開日】2022-10-13

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20221005BHJP

   H02M 5/297 20060101ALI20221005BHJP

   H02M 5/293 20060101ALI20221005BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 601A

H02M7/12 M

H02M5/297

H02M5/293 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021057402

(22)【出願日】2021-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】青木 暉

(72)【発明者】

【氏名】脇阪 伸也

【テーマコード（参考）】

5H006

5H750

【Ｆターム（参考）】

5H006AA01

5H006CA01

5H006CA02

5H006CB01

5H006CB08

5H006CC08

5H006DA04

5H006DB01

5H006DC05

5H750AA03

5H750BA01

5H750BA08

5H750CC06

5H750CC07

5H750CC11

5H750DD01

5H750DD25

5H750FF05

5H750FF07

(57)【要約】

【課題】入力電流に生じ得る高調波歪みを抑制できる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１０は、１次側巻線３１及び２次側巻線３２を有するトランス３０と、１次側回路４０と、２次側回路５０と、制御回路８０と、を備えている。１次側回路４０は、複数の１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を有し、２次側回路５０は、２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４を有する。制御回路８０は、１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及び２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４を制御する制御モードとして不連続モードを備えている。不連続モードは、降圧不連続モードと昇圧不連続モードとを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１端子及び第２端子と、
１次側巻線及び２次側巻線を有するトランスと、
前記第１端子と前記１次側巻線との間に設けられ、１次側スイッチング素子を有し且つ前記第１端子から入力される入力電力の電力変換を行う１次側回路と、
前記２次側巻線と前記第２端子との間に設けられ、２次側スイッチング素子を有する２次側回路と、
前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を制御する制御部と、
を備え、
前記２次側回路は、前記トランスから入力される交流電力を整流し、その整流された直流電力を前記第２端子に向けて出力するものであり、
前記制御部は、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を周期的にスイッチングする制御モードとして、１周期内に前記１次側巻線から前記２次側巻線へ電力伝送する第１電力伝送期間及び第２電力伝送期間と、前記１次側巻線に電流が流れない電流ゼロ期間とを有する不連続モードを備えるとともに、
前記１次側スイッチング素子又は前記２次側スイッチング素子のいずれか一方の制御を切り替えることで、前記１次側巻線と、当該１次側巻線と前記１次側回路との間のインダクタンスとに印加される電圧との合成電圧の極性と、前記２次側巻線に印加される電圧の極性とが、逆極性となるように、前記両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧を発生させる第１制御と、
前記合成電圧と、前記２次側巻線に印加される電圧との双方が前記両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧で、かつ、互いに逆極性となるように、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子の双方の制御を切り替える第２制御と、
を備え、
前記不連続モードは、第１不連続モードと第２不連続モードとを有し、
前記第１不連続モードは、前記第１電力伝送期間終了後及び前記第２電力伝送期間終了後に、前記第１制御を行うことで、前記第１電力伝送期間及び前記第２電力伝送期間から前記電流ゼロ期間に移行させるモードであり、
前記第２不連続モードは、前記第１電力伝送期間の開始前に、前記第１制御を行うことで、前記電流ゼロ期間から前記第１電力伝送期間に移行させるとともに、前記第２電力伝送期間の開始前に、前記第２制御を行うことで、前記電流ゼロ期間から前記第２電力伝送期間に移行させるモードであり、
前記制御部は、
前記入力電力の電圧である入力電圧と前記２次側回路から出力される出力電圧との比率に基づく判定値が、基準値以下である場合に前記第１不連続モードを設定し、前記判定値が前記基準値よりも大きい場合に前記第２不連続モードを設定する第１設定部と、
前記判定値が前記基準値よりも大きい状態が所定期間に亘って継続した場合に、前記第１設定部の設定に関わらず、前記第１不連続モードを設定する第２設定部と、
を備えている電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、１次側巻線及び２次側巻線を有するトランスを備えた電力変換装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の電力変換装置は、１次側回路としての第１スイッチング回路と、２次側回路としての第２スイッチング回路と、を備え、トランスは第１スイッチング回路と第２スイッチング回路との間に設けられている。また、１次側回路及び２次側回路はスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチングを行うことにより電力変換が行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１５３２３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、スイッチング素子のスイッチングによる電力変換が行われる場合、電力変換装置に入力される入力電力の電流である入力電流に高調波歪み（ＲＨＤ）が生じ得る。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は入力電流に生じ得る高調波歪みを抑制できる電力変換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成する電力変換装置は、第１端子及び第２端子と、１次側巻線及び２次側巻線を有するトランスと、前記第１端子と前記１次側巻線との間に設けられ、１次側スイッチング素子を有し且つ前記第１端子から入力される入力電力の電力変換を行う１次側回路と、前記２次側巻線と前記第２端子との間に設けられ、２次側スイッチング素子を有する２次側回路と、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、前記２次側回路は、前記トランスから入力される交流電力を整流し、その整流された直流電力を前記第２端子に向けて出力するものであり、前記制御部は、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を周期的にスイッチングする制御モードとして、１周期内に前記１次側巻線から前記２次側巻線へ電力伝送する第１電力伝送期間及び第２電力伝送期間と、前記１次側巻線に電流が流れない電流ゼロ期間とを有する不連続モードを備えるとともに、前記１次側スイッチング素子又は前記２次側スイッチング素子のいずれか一方の制御を切り替えることで、前記１次側巻線と、当該１次側巻線と前記１次側回路との間のインダクタンスとに印加される電圧との合成電圧の極性と、前記２次側巻線に印加される電圧の極性とが、逆極性となるように、前記両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧を発生させる第１制御と、前記合成電圧と、前記２次側巻線に印加される電圧との双方が前記両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧で、かつ、互いに逆極性となるように、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子の双方の制御を切り替える第２制御と、を備え、前記不連続モードは、第１不連続モードと第２不連続モードとを有し、前記第１不連続モードは、前記第１電力伝送期間終了後及び前記第２電力伝送期間終了後に、前記第１制御を行うことで、前記第１電力伝送期間及び前記第２電力伝送期間から前記電流ゼロ期間に移行させるモードであり、前記第２不連続モードは、前記第１電力伝送期間の開始前に、前記第１制御を行うことで、前記電流ゼロ期間から前記第１電力伝送期間に移行させるとともに、前記第２電力伝送期間の開始前に、前記第２制御を行うことで、前記電流ゼロ期間から前記第２電力伝送期間に移行させるモードであり、前記制御部は、前記入力電力の電圧である入力電圧と前記２次側回路から出力される出力電圧との比率に基づく判定値が、基準値以下である場合に前記第１不連続モードを設定し、前記判定値が前記基準値よりも大きい場合に前記第２不連続モードを設定する第１設定部と、前記判定値が前記基準値よりも大きい状態が所定期間に亘って継続した場合に、前記第１設定部の設定に関わらず、前記第１不連続モードを設定する第２設定部と、を備えている。

【0006】

かかる構成によれば、判定値が基準値よりも大きい状態が所定期間に亘って継続した場合には、第１不連続モードが設定される。当該第１不連続モードは、第２不連続モードよりも入力電流の高調波歪みが小さくなり易いモードである。これにより、入力電流の高調波歪みを抑制できる。

【発明の効果】

【0007】

この発明によれば、入力電流に生じ得る高調波歪みを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】電力変換装置の電気的な構成を模式的に示すブロック図。

【図2】不連続モード制御処理のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、電力変換装置の一実施形態について説明する。なお、以下の記載は、電力変換装置の一例を示すものであり、電力変換装置が本実施形態の内容に限定されるものではない。

【0010】

図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、例えば交流電源１０１との接続に用いられる第１端子（入力部）１１～１３を備えている。交流電源１０１が第１端子１１～１３に接続されることにより、電力変換装置１０に交流電力が入力される。

【0011】

交流電源１０１は、例えば３相の系統電力を出力する系統電源である。本実施形態では、３相の系統電力に対応させて、第１端子１１～１３は３つである。但し、これに限られず、単相の系統電力に対応させて、入力端子は２つでもよい。すなわち、電力変換装置１０に入力される電力は単相でもよいし、三相でもよい。

【0012】

なお、説明の便宜上、第１端子１１～１３に入力される交流電力（換言すれば交流電源１０１が出力する電力）を入力電力Ｐｉｎといい、入力電力Ｐｉｎの電圧を入力電圧Ｖｉｎといい、入力電力Ｐｉｎの電流を入力電流Ｉｉｎという。この場合、第１端子１１～１３は、入力電力Ｐｉｎが入力される端子ともいえる。入力電力Ｐｉｎが系統電力（換言すれば商用電力）である場合、入力電圧Ｖｉｎ及び入力電流Ｉｉｎは、系統電圧及び系統電流といえる。

【0013】

ここで、入力電圧Ｖｉｎは、交流電源１０１の状態に応じて変動し得るものである。例えば、交流電源１０１が系統電源である場合、国に応じて入力電圧Ｖｉｎは異なり得る。また、系統電源の使用状況によっては、入力電圧Ｖｉｎが低下する場合があり得る。なお、入力電圧Ｖｉｎは実効値でもよいし、振幅の値でもよい。

【0014】

本実施形態の電力変換装置１０は、入力電力Ｐｉｎを直流電力に変換して出力するものである。電力変換装置１０は、当該電力変換装置１０によって変換された直流電力が出力される第２端子（出力部）２１，２２を備えている。

【0015】

図１に示すように、本実施形態では、電力変換装置１０は、トランス３０と、１次側回路４０と、２次側回路５０と、を備えている。
トランス３０は、互いに磁気結合した１次側巻線３１及び２次側巻線３２を有している。両巻線３１，３２はコイルである。トランス３０は、交流電力の電圧変換を行うものであり、その変圧比は、１次側巻線３１と２次側巻線３２との巻数比に対応する。

【0016】

電力変換装置１０は、１次側巻線３１と１次側回路４０とを接続する１次側接続線ＬＮ１と、２次側巻線３２と２次側回路５０とを接続している２次側接続線ＬＮ２と、を備えている。これにより、１次側回路４０と２次側回路５０とは、トランス３０を介して電気的に接続されている。したがって、１次側回路４０と２次側回路５０との間では交流電力の伝送は許容されている一方、直流電力の伝送が規制されている。この場合、１次側回路４０と２次側回路５０とは絶縁されているといえる。すなわち、本実施形態において絶縁とは、直流電力の伝送が規制されていることを意味する。

【0017】

本実施形態の１次側回路４０は、第１端子１１～１３と１次側巻線３１との間に設けられており、１次側巻線３１に接続されているとともに、第１端子１１～１３に接続されている。これにより、１次側回路４０は、第１端子１１～１３を介して交流電源１０１に接続される。

【0018】

１次側回路４０は、電力変換を行うものであり、本実施形態では第１端子１１～１３から入力される電力である入力電力Ｐｉｎを電力変換する。本実施形態の１次側回路４０は、交流電力の双方向変換を可能に構成されている。１次側回路４０は、例えば１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を備えたマトリックスコンバータである。１次側回路４０は、１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより電力変換を行う。例えば、１次側回路４０は、入力電力Ｐｉｎを所定電圧の交流電力に変換してトランス３０の１次側巻線３１に向けて出力したり、トランス３０から入力された交流電力を変換して交流電源１０１に出力したりする。なお、１次側回路４０は、周波数を変換してもよい。つまり、１次側回路４０による電力変換は、周波数変換を含んでもよい。

【0019】

１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、順方向及び逆方向の双方の電圧をＯＮ／ＯＦＦすることができる双方向スイッチング素子である。１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の具体的な構成は任意であるが、例えば互いに並列に接続された複数のＩＧＢＴ及びダイオードの組み合わせ又はＭＯＳＦＥＴを有するとよい。

【0020】

なお、１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の具体的な構成は、これに限られず、単方向スイッチング素子でもよい。この場合、単方向スイッチング素子に対して並列にダイオードが接続されているとよい。

【0021】

電力変換装置１０は単方向の電力変換装置でもよい。この場合、１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、単方向の交流入力ならば、例えば、ＩＧＢＴとダイオードの組合せ、ＭＯＳＦＥＴ等であるとよく、単方向の直流入力ならば、例えば、ＩＧＢＴとダイオードの組合せ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等であるとよい。

【0022】

１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、１次側上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と、１次側中間線４１，４２，４３によって１次側上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と直列に接続された１次側下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６とによって構成されている。１次側上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と１次側下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６との直列接続体は、互いに並列に接続された状態で、１次側接続線ＬＮ１によって１次側巻線３１に接続されている。

【0023】

電力変換装置１０は、１次側接続線ＬＮ１上に設けられたインダクタ７０を備えている。インダクタ７０は、専用のコイルによって構成されていてもよいし、トランス３０の寄生インダクタンスによって構成されていてもよい。

【0024】

２次側回路５０は、２次側巻線３２に接続されている。これにより、１次側巻線３１に入力される交流電力は、２次側巻線３２によって変圧されて２次側回路５０に入力される。

【0025】

２次側回路５０は、トランス３０から入力された交流電力を整流し、その整流された直流電力を第２端子２１，２２に向けて出力する。ここで、説明の便宜上、２次側回路５０から第２端子２１，２２に向けて出力される直流電力を出力電力Ｐｏｕｔといい、出力電力Ｐｏｕｔの電圧及び電流を出力電圧Ｖｏｕｔ及び出力電流Ｉｏｕｔという。

【0026】

本実施形態の２次側回路５０は、２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４を有する。２次側回路５０は、ＡＣ／ＤＣの双方向変換を可能に構成されている。例えば、２次側回路５０は、複数（例えば４つ）の２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４を有するフルブリッジ回路を含み、２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより電力変換を行う。例えば、２次側回路５０は、トランス３０から入力される交流電力を直流電力に変換したり、第２端子２１，２２から入力される直流電力を交流電力に変換したりする。

【0027】

２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４の具体的な構成は任意であるが、例えば互いに並列に接続された複数のＩＧＢＴ及びダイオードの組み合わせ又はＭＯＳＦＥＴであるとよい。

【0028】

すなわち、本実施形態の電力変換装置１０は、１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及び２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４が周期的にＯＮ／ＯＦＦすることにより、交流電力及び直流電力間の双方向変換を行うデュアルアクティブブリッジ形式のマトリックスコンバータである。

【0029】

図１に示すように、電力変換装置１０は、２次側回路５０と第２端子２１，２２との間に設けられた出力コンデンサ６０を備えている。出力コンデンサ６０によって、２次側回路５０から出力される直流電力の電圧が安定する。すなわち、出力コンデンサ６０は、２次側回路５０から出力される直流電力を安定化するためのものともいえる。出力電力Ｐｏｕｔは、出力コンデンサ６０によって安定化された状態で、第２端子２１，２２から出力される。

【0030】

電力変換装置１０は、１次側回路４０及び２次側回路５０を制御する制御部としての制御回路８０を備えている。本実施形態では、制御回路８０は、１次側回路４０及び２次側回路５０、詳細には両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４を制御するための制御処理を実行するプログラムや必要な情報が記憶されたメモリと、上記プログラムに基づいて制御処理を実行するＣＰＵとを有する構成でもよい。

【0031】

ただし、これに限られず、制御回路８０は、例えば専用ハードウェア回路を有する構成でもよいし、１又は複数の専用ハードウェア回路とソフトウェア処理を実行するＣＰＵとの組み合わせでもよい。換言すれば、制御回路８０の具体的な構成は任意であり、例えば１つ以上の専用のハードウェア回路、及び、コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ（制御回路）の少なくとも一方によって実現されていればよい。

【0032】

制御回路８０は、両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４を所定のスイッチングパターンで順次スイッチング動作させることにより電力変換を行う。制御回路８０は、複数のスイッチングパターンを予め定められた順序で切り替えるスイッチングを１周期として、当該スイッチングを周期的に行うことにより、電力変換を行わせる。

【0033】

ここで、制御回路８０は、両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４を周期的にスイッチングする制御モードとして、連続モードと不連続モードとを備えている。当該制御モードについて説明する。

【0034】

連続モードは、１周期内において１次側巻線３１（換言すればトランス３０）に電流が連続的に流れる制御モードである。換言すれば、連続モードは、１次側巻線３１に電流が連続的に流れるように各１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を周期的にスイッチングするモードである。

【0035】

詳細には、１次側上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と１次側下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６とにおいて直列に接続されたもの同士が同時にＯＮ状態となる場合、１次側巻線３１には電流が流れない。したがって、連続モードでは、１周期内において１次側上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と１次側下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６とにおいて直列に接続されたもの同士が同時にＯＮ状態となる期間が設けられていない。すなわち、連続モードは、各１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６における直列接続されたペアのうち少なくとも一方がＯＦＦ状態となっているモードである。換言すれば、連続モードにおいて実行される複数のスイッチングパターンは、直列接続されたペアについて少なくとも一方がＯＦＦ状態となるように設定されている。

【0036】

連続モードは、１次側巻線３１に流れる電流値が基準電流値よりも大きくなったタイミングで１次側巻線３１の印加電圧と２次側巻線３２の印加電圧の極性が互いに逆になるように制御する降圧連続モードを有する。連続モードは、１次側巻線３１に流れる電流値が基準電流値よりも大きくなったタイミングで１次側巻線３１の印加電圧と２次側巻線３２の印加電圧の極性が同じになるように制御する昇圧連続モードを有する。

【0037】

不連続モードは、１周期内において１次側巻線３１（換言すればトランス３０）に電流が流れない電流ゼロ期間が設けられた制御モードである。換言すれば、不連続モードは、電流ゼロ期間が設けられるように各１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を周期的にスイッチングするモードである。

【0038】

詳細には、電流ゼロ期間は、１周期内において１次側上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と１次側下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６とにおける直列に接続されたもの同士が同時にＯＮ状態となる期間である。すなわち、不連続モードにおいて実行される複数のスイッチングパターンは、直列接続されたペアの双方がＯＮ状態となるゼロパターンを含む。ゼロパターンは、例えば両アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４、両アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５、又は両アームスイッチング素子Ｑ３，Ｑ６のいずれかのペアが同時にＯＮ状態となるように設定されたスイッチングパターンである。電流ゼロ期間は、ゼロパターンが設定されている期間である。

【0039】

不連続モードは、１周期内に１次側巻線３１から２次側巻線３２へ電力伝送する第１電力伝送期間及び第２電力伝送期間を含む制御モードである。第１電力伝送期間では、例えば１次側巻線３１の印加電圧が正となっている。第２電力伝送期間では、例えば１次側巻線３１の印加電圧が負となっている。

【0040】

不連続モードは、第１不連続モードとしての降圧不連続モードと、第２不連続モードとしての昇圧不連続モードと、を有している。
降圧不連続モードは、第１電力伝送期間終了後及び第２電力伝送期間終了後に、第１制御を行うことで、第１電力伝送期間及び第２電力伝送期間から電流ゼロ期間に移行させるモードである。つまり、降圧不連続モードは、第１電力伝送期間→第１制御→電流ゼロ期間→第２電力伝送期間→第１制御→電流ゼロ期間となるように１次側回路４０及び２次側回路５０を制御するモードである。

【0041】

昇圧不連続モードは、第１電力伝送期間の開始前に、第１制御を行うことで、電流ゼロ期間から第１電力伝送期間に移行させるとともに、第２電力伝送期間の開始前に、第２制御を行うことで、電流ゼロ期間から第２電力伝送期間に移行させるモードである。つまり、昇圧不連続モードは、電流ゼロ期間→第１制御→第１電力伝送期間→電流ゼロ期間→第２制御→第２電力伝送期間となるように１次側回路４０及び２次側回路５０を制御するモードである。すなわち、降圧不連続モードは、第１制御を含み且つ第２制御を含まない制御モードである。昇圧不連続モードは、第２制御を含む制御モードである。なお、不連続モードは、電流ゼロ期間及び両電力伝送期間を有し、且つ、第１制御及び第２制御を含まないモードを含んでもよい。

【0042】

第１制御及び第２制御について説明する。なお、以降の説明において、１次側巻線３１とインダクタ７０とに印加される電圧の合成値を単に合成電圧という。本実施形態では、インダクタ７０が、１次側巻線３１と１次側回路４０との間のインダクタンスに相当する。

【0043】

第１制御は、１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６又は２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４のいずれか一方の制御を切り替えることにより、合成電圧の極性と２次側巻線３２の印加電圧の極性とが逆になるように、両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧を発生させる制御である。換言すれば、第１制御は、１次側巻線３１の印加電圧と２次側巻線３２の印加電圧とが逆極性になるような短パルス電圧が１次側巻線３１又は２次側巻線３２に印加されるように１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６又は２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４のいずれか一方のスイッチングパターンを切り替える制御である。

【0044】

第２制御は、合成電圧と２次側巻線３２の印加電圧との双方が両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧で、かつ、互いに逆極性となるように、両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４双方の制御を切り替える制御である。換言すれば、第２制御は、１次側巻線３１の印加電圧と２次側巻線３２の印加電圧とが逆極性になるような短パルス電圧が１次側巻線３１及び２次側巻線３２の双方に印加されるように１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及び２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４双方のスイッチングパターンを切り替える制御である。

【0045】

図１に示すように、電力変換装置１０は、入力電圧Ｖｉｎを検出する入力電圧センサ９１と、出力電圧Ｖｏｕｔを検出する出力電圧センサ９２と、を備えている。両電圧センサ９１，９２は、検出結果を制御回路８０に向けて出力する。これにより、制御回路８０は、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔを把握できる。

【0046】

制御回路８０は、外部からの指令などに基づいて出力電力Ｐｏｕｔを決定し、その決定された出力電力Ｐｏｕｔが出力されるように１次側回路４０及び２次側回路５０を制御する。

【0047】

制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔ、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔなどに基づいて、制御モードの設定を行う。
例えば、制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔが第１電力値Ｐｏｕｔ１である場合、制御モードを連続モードに設定する。

【0048】

一方、制御回路８０は、例えば出力電力Ｐｏｕｔが第１電力値Ｐｏｕｔ１よりも小さい第２電力値Ｐｏｕｔ２である場合には、制御モードを不連続モードに設定する。
制御回路８０は、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとに基づいて、不連続モードとして、第１不連続モード又は第２不連続モードを設定する不連続モード制御処理を実行する。制御回路８０は、不連続モード制御処理を予め定められた切替周期Ｔ１が経過する度に実行する。すなわち、不連続モード制御処理の実行周期は切替周期Ｔ１である。ただし、これに限られず、不連続モード制御処理は不定期に実行されてもよい。

【0049】

図２を用いて不連続モード制御処理について説明する。
図２に示すように、制御回路８０は、ステップＳ１０１にて、両電圧センサ９１，９２によって検出される入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔの比率に基づく判定値ηと、基準値ηｔｈとを比較する。トランス３０の巻数比をＮとすると、判定値ηは、Ｎ×Ｖｏｕｔ／（Ｖｉｎ×√２）から算出される値である。判定値ηは、電力変換装置１０の稼働中、適宜算出されるものであり、例えばステップＳ１０１が行われる度に、換言すれば切替周期Ｔ１ごとに算出される。

【0050】

基準値ηｔｈは、Ｎ×Ｖｏｕｔ０／（Ｖｉｎ０×√２）から算出される値であって、通常、電力変換装置１０の設計者により設定される値である。基準値ηｔｈは、例えば、以下の３つの値のいずれかに設定される。

【0051】

１．降圧不連続モードにおいて、両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４のデューティ比を最大にした状態で、所定の入力電圧Ｖｉｎ０が入力された時に出力される出力電圧Ｖｏｕｔ０と、当該所定の入力電圧Ｖｉｎ０との比率に基づいて算出される値。

【0052】

２．昇圧不連続モードにおいて、両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４のデューティ比を最小にした状態で、所定の入力電圧Ｖｉｎが入力された時に出力される出力電圧Ｖｏｕｔ０と、当該所定の入力電圧Ｖｉｎ０との比率に基づいて算出される値。

【0053】

３．第１電力伝送期間、第２電力伝送期間、電流ゼロ期間を有し、第１制御及び第２制御を含まない不連続モードにおいて、両スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１４のデューティ比を最大にした状態で、所定の入力電圧Ｖｉｎ０が入力された時に出力される出力電圧Ｖｏｕｔ０と、当該所定の入力電圧Ｖｉｎ０との比率に基づいて算出される値。

【0054】

なお、所定の入力電圧Ｖｉｎ０は、設計者が予め適宜設定しうる値である。
制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈ以下である場合には、ステップＳ１０２にて、所定期間Ｔ２のカウントをリセットする。所定期間Ｔ２のカウントについては後述する。

【0055】

その後、制御回路８０は、ステップＳ１０３にて、降圧不連続モードを設定して、本不連続モード制御処理を終了する。本実施形態では、判定値ηが基準値ηｔｈ以下であることが降圧条件であり、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きいことが昇圧条件である。

【0056】

一方、制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい場合には、ステップＳ１０１を否定判定してステップＳ１０４に進み、所定期間Ｔ２のカウント中であるか否かを判定する。所定期間Ｔ２は、例えば切替周期Ｔ１よりも長い。例えば、切替周期Ｔ１が１ｓｅｃである場合、所定期間Ｔ２は２ｓｅｃである。

【0057】

所定期間Ｔ２のカウント中である場合、制御回路８０は、ステップＳ１０６に進む。一方、所定期間Ｔ２のカウントが行われていない場合には、制御回路８０は、ステップＳ１０５にて所定期間Ｔ２のカウントをスタートして、ステップＳ１０６に進む。

【0058】

ステップＳ１０６では、制御回路８０は、所定期間Ｔ２が経過しているか否かを判定する。所定期間Ｔ２が経過していない場合には、制御回路８０は、ステップＳ１０７にて不連続モードとして昇圧不連続モードを設定して、不連続モード制御処理を終了する。

【0059】

一方、制御回路８０は、所定期間Ｔ２が経過している場合には、ステップＳ１０２に進み、所定期間Ｔ２のカウントをリセットして、ステップＳ１０３に進む。これにより、不連続モードとして降圧不連続モードが設定される。

【0060】

すなわち、制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈ以下である場合に降圧不連続モードを設定する。そして、制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい状態が所定期間Ｔ２に亘って継続していない場合には昇圧不連続モードに設定する。一方、制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい状態が所定期間Ｔ２に亘って継続した場合には降圧不連続モードに設定する。

【0061】

ここで、降圧条件としての判定値ηが基準値ηｔｈ以下である場合に降圧不連続モードに設定し、昇圧条件としての判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい場合には昇圧不連続モードに設定する処理を実行する制御回路８０を第１設定部とする。本実施形態の第１設定部は、ステップＳ１０１の処理を肯定判定してステップＳ１０３の処理を実行する一方、ステップＳ１０１及びステップＳ１０６の処理を否定判定してステップＳ１０７の処理を実行する制御回路８０である。

【0062】

この場合、制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい状態が所定期間Ｔ２に亘って継続した場合には、第１設定部の設定に関わらず、降圧不連続モードに設定する処理を実行する第２設定部を備えているといえる。本実施形態の第２設定部は、ステップＳ１０６の処理を肯定判定してステップＳ１０３の処理を実行する制御回路８０である。

【0063】

次に本実施形態の作用について説明する。
判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい状態が所定期間Ｔ２に亘って継続した場合には、第２制御を含む昇圧不連続モードではなく、第２制御を含まない降圧不連続モードに設定される。第２制御を含まない降圧不連続モードは、第２制御を含む昇圧不連続モードと比較して、入力電流Ｉｉｎの高調波歪みが小さくなり易いモードである。これにより、入力電流Ｉｉｎの高調波歪みが小さくなり易い。

【0064】

以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
（１）制御回路８０は、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きい状態が所定期間Ｔ２に亘って継続した場合には、第２制御を含む昇圧不連続モードではなく、第２制御を含まない降圧不連続モードに設定する。これにより、入力電流Ｉｉｎの高調波歪みを抑制できる。

【0065】

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。また、技術的に矛盾が生じない範囲内で、上記実施形態と各別例とを組み合わせてもよいし、各別例同士を組み合わせてもよい。

【0066】

○ 電力変換装置１０は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータでもよい。詳細には、電力変換装置１０は２つの入力端子を有し、１次側回路４０は、２つの入力端子に入力される直流電力を交流電力に変換するものでもよい。この場合、１次側回路４０は、例えば４つの１次側スイッチング素子を有するフルブリッジ回路であってもよい。

【0067】

○ 連続モードを省略してもよい。
○ １次側回路４０は、第１端子１１～１３から入力される電力を電力変換することができればよく、その具体的な回路構成は任意である。

【0068】

○ ２次側回路５０は、トランス３０から入力される交流電力を整流することができればよく、その具体的な回路構成は任意である。例えば、２次側回路５０は、２次側スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４及びダイオードの双方を有する構成でもよい。

【0069】

○ 電力変換装置１０は、２次側回路５０（換言すれば出力コンデンサ６０）と第２端子２１，２２との間に設けられたＤＣ／ＤＣ変換回路又はＤＣ／ＡＣ変換回路を別途備えていてもよい。つまり、２次側回路５０から出力される電力と、第２端子２１，２２から出力される電力とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

【0070】

電力変換装置１０が、２次側回路５０と第２端子２１，２２との間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータを有する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第２端子２１，２２から所望の電圧が出力されるように２次側回路５０からの出力電圧Ｖｏｕｔに対応させて電圧変換を行うとよい。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔが変更された場合であっても、第２端子２１，２２から所望の電圧を出力することができる。

【0071】

上記別例においては、出力電圧Ｖｏｕｔを一定にすることができる。この場合、ステップＳ１０１の判定処理は、入力電圧Ｖｉｎが基準値ηｔｈに対応する閾値電圧よりも大きいか否かの判定処理と等価となる。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔが一定の場合には、判定値ηが基準値ηｔｈよりも大きいか否かの判定は、入力電圧Ｖｉｎが基準値ηｔｈに対応する閾値電圧よりも大きいか否かの判定ともいえる。

【0072】

○ 電力変換装置１０は、第１端子１１～１３と１次側回路４０との間にフィルタ回路などの所定の回路を有していてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる好適な一例について以下に記載する。

【0073】

（イ）１次側巻線及び２次側巻線を有するトランスと、前記１次側巻線に接続され、１次側スイッチング素子を有する１次側回路と、前記２次側巻線に接続され、２次側スイッチング素子を有する２次側回路と、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を制御することにより電力変換を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子を周期的にスイッチングする制御モードとして、１周期内に前記１次側巻線から前記２次側巻線へ電力伝送する第１電力伝送期間及び第２電力伝送期間と、前記１次側巻線に電流が流れない電流ゼロ期間とを有する不連続モードを備え、前記不連続モードは、第１制御を含み且つ第２制御を含まない降圧不連続モードと、前記第２制御を含む昇圧不連続モードと、を有し、前記第１制御は、前記１次側巻線の印加電圧と前記２次側巻線の印加電圧とが逆極性となるような前記両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧が前記１次側巻線又は前記２次側巻線のいずれか一方にて発生するように、前記１次側スイッチング素子又は前記２次側スイッチング素子のいずれか一方のスイッチングパターンを切り替える制御であり、前記第２制御は、前記１次側巻線の印加電圧と前記２次側巻線の印加電圧とが逆極性になるような前記両電力伝送期間よりも短い短パルス電圧が前記１次側巻線及び前記２次側巻線の双方に印加されるように前記１次側スイッチング素子及び前記２次側スイッチング素子の双方のスイッチングパターンを切り替える制御であり、前記制御部は、前記入力電力の電圧である入力電圧と前記２次側回路から出力される出力電圧との比率に基づく降圧条件が成立している場合には前記降圧不連続モードを設定する一方、前記比率に基づく昇圧条件が成立している場合には前記昇圧不連続モードを設定する第１設定部と、前記昇圧条件が成立した状態が所定期間に亘って継続した場合には、前記第１設定部の設定に関わらず前記降圧不連続モードを設定する第２設定部と、を備えている電力変換装置

【符号の説明】

【0074】

１０…電力変換装置、１１～１３…第１端子、２１，２２…第２端子、３０…トランス、３１…１次側巻線、３２…２次側巻線、４０…１次側回路、５０…２次側回路、７０…インダクタ、８０…制御回路、１０１…交流電源、Ｑ１～Ｑ６…１次側スイッチング素子、Ｑ１１～Ｑ１４…２次側スイッチング素子、Ｐｉｎ…入力電力、Ｐｏｕｔ…出力電力、Ｖｉｎ…入力電圧、Ｖｏｕｔ…出力電圧、Ｉｉｎ…入力電流、Ｉｏｕｔ…出力電流、η…判定値、ηｔｈ…基準値、Ｔ２…所定期間。

【図1】

【図2】