特開 2022-85571 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】P2022085571

(43)【公開日】2022-06-08

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20220601BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020197321

(22)【出願日】2020-11-27

(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

【Ｆターム（参考）】

5H006CB01

5H006CB07

5H006CB08

5H006CC01

5H006CC02

5H006CC08

5H006DB01

(57)【要約】

【課題】出力電力の変更に基づく変換効率の低下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、第１端子１１～１３及び第２端子２１，２２と、トランス３０と、第１端子１１～１３とトランス３０との間に設けられた１次側回路４０と、１次側回路４０とトランス３０の１次側巻線３１とを接続する１次側接続線ＬＮ１と、２次側回路５０と、を備えている。ここで、電力変換装置１０は、１次側接続線ＬＮ１上に設けられ、リアクトル値Ｌを変更可能な可変インダクタ回路７０と、２次側回路５０から第２端子２１，２２に向けて出力される電力である出力電力Ｐｏｕｔに応じて、可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを変更する制御回路８０と、を備えている。
【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、複数の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電力の電力変換を行う１次側回路と、
前記１次側回路と前記１次側巻線とを接続する１次側接続線と、
前記２次側巻線と前記第２端子との間に設けられ、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２次側回路と、
前記１次側接続線上に設けられ、リアクトル値を変更可能な可変インダクタ回路と、
前記複数の１次側スイッチング素子及び前記可変インダクタ回路を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記２次側回路から前記第２端子に向けて出力される電力である出力電力に応じて、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を変更することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記複数の１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周期内において前記１次側巻線に電流が連続的に流れる連続モードと、
１周期内に前記１次側巻線に電流が流れない期間が設けられた不連続モードと、
を備え、
前記制御部は、
前記出力電力が第１電力値である場合には、前記制御モードを前記連続モードに設定し、且つ、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を第１設定値に設定し、
前記出力電力が前記第１電力値よりも小さい第２電力値である場合には、前記制御モードを前記不連続モードに設定し、且つ、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を、前記第１設定値よりも高い第２設定値に設定する請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記複数の１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次側巻線に電流が流れない期間が設けられた不連続モードを備え、
前記制御部は、前記制御モードが前記不連続モードである状況下において前記出力電力が小さくなるに従って前記可変インダクタ回路のリアクトル値を高くする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記可変インダクタ回路は、
第１インダクタと、
前記第１インダクタに対して直列に接続された第２インダクタと、
前記第２インダクタに対して並列に接続されたインダクタスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記インダクタスイッチを制御することにより、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を変更する請求項１～３のうちいずれか一項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、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。

【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、電力変換装置は、当該電力変換装置に対して要求される電力に応じて、２次側回路から出力される電力である出力電力を変更する場合がある。この場合、出力電力に応じて変換効率が低下する場合がある。

【0005】

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は出力電力の変更に基づく変換効率の低下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】

【0006】

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、複数の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電力の電力変換を行う１次側回路と、前記１次側回路と前記１次側巻線とを接続する１次側接続線と、前記２次側巻線と前記第２端子との間に設けられ、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２次側回路と、前記１次側接続線上に設けられ、リアクトル値を変更可能な可変インダクタ回路と、前記複数の１次側スイッチング素子及び前記可変インダクタ回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記２次側回路から前記第２端子に向けて出力される電力である出力電力に応じて、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を変更することを特徴とする。

【0007】

かかる構成によれば、第１端子に入力される電力は、１次側回路によって変換される。そして、１次側回路によって変換された電力は、可変インダクタ回路及びトランスを介して２次側回路に入力され、２次側回路によって整流されて出力される。

【0008】

また、本構成によれば、１次側回路と２次側回路とはトランスによって絶縁されている。これにより、何らかの異常が発生した場合であっても、１次側回路と２次側回路との間で直流電力の伝送が行われにくいため、安全性の向上を図ることができる。

【0009】

ここで、本願発明者らは、出力電力の変更によって変換効率が低下する要因の１つが、１次側巻線を流れる電流の傾きであることを見出した。この知見に着目し、本電力変換装置では、１次側接続線上に可変インダクタ回路を設け、出力電力に応じて可変インダクタ回路のリアクトル値を変更する構成を採用した。これにより、出力電力に適した電流の傾きにすることができ、それを通じて変換効率の低下を抑制できる。

【0010】

上記電力変換装置について、前記制御部は、前記複数の１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周期内において前記１次側巻線に電流が連続的に流れる連続モードと、１周期内に前記１次側巻線に電流が流れない期間が設けられた不連続モードと、を備え、前記制御部は、前記出力電力が第１電力値である場合には、前記制御モードを前記連続モードに設定し、且つ、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を第１設定値に設定し、前記出力電力が前記第１電力値よりも小さい第２電力値である場合には、前記制御モードを前記不連続モードに設定し、且つ、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を、前記第１設定値よりも高い第２設定値に設定するとよい。

【0011】

かかる構成によれば、第２電力値よりも大きい第１電力値を出力する場合には、制御モードが連続モードに設定される。連続モードは、不連続モードよりも、大きい電力を出力し易い制御モードである。これにより、第１電力値の出力を比較的容易に実現できる。また、制御モードが連続モードである場合には、電流の傾きが大きい方が１周期内における電流のピーク値が低くなり易いため、変換効率が高くなり易い。この点、本構成によれば、出力電力が第１電力値である場合には、リアクトル値は、第２設定値よりも電流の傾きが大きくなり易い第１設定値に設定される。これにより、出力電力の変更に伴う変換効率の低下を抑制できる。

【0012】

一方、第１電力値よりも小さい第２電力値を出力する場合には、制御モードが不連続モードに設定される。不連続モードは、連続モードよりも、小さい電力を出力し易い制御モードである。これにより、仮に第２電力値が連続モードでは出力することができないような値であったとしても、第２電力値の出力を実現できる。また、制御モードが不連続モードである場合には、電流の傾きが小さい方が１周期内における電流のピーク値が低くなり易いため、変換効率が高くなり易い。この点、本構成によれば、出力電力が第２電力値である場合には、リアクトル値は、第１設定値よりも電流の傾きが小さくなり易い第２設定値に設定される。これにより、出力電力の変更に伴う変換効率の低下を抑制できる。

【0013】

上記電力変換装置について、前記制御部は、前記複数の１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次側巻線に電流が流れない期間が設けられた不連続モードを備え、前記制御部は、前記制御モードが前記不連続モードである状況下において前記出力電力が小さくなるに従って前記可変インダクタ回路のリアクトル値を高くするとよい。

【0014】

かかる構成によれば、出力電力が小さくなるに従って必要な電流量が小さくなることに対応させて、出力電力が小さくなるに従って可変インダクタ回路のリアクトル値を高くすることにより、必要な電流量を確保しつつ、変換効率を向上させることができる。

【0015】

上記電力変換装置について、前記可変インダクタ回路は、第１インダクタと、前記第１インダクタに対して直列に接続された第２インダクタと、前記第２インダクタに対して並列に接続されたインダクタスイッチと、を備え、前記制御部は、前記インダクタスイッチを制御することにより、前記可変インダクタ回路のリアクトル値を変更するとよい。

【0016】

かかる構成によれば、インダクタスイッチを制御することによりリアクトル値を変更できる。

【発明の効果】

【0017】

この発明によれば、出力電力の変更に基づく変換効率の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】電力変換装置の概要を模式的に示す回路図。

【図2】連続モードの１周期において１次側巻線に流れる電流波形を模式的に示すグラフ。

【図3】不連続モードの１周期において１次側巻線に流れる電流波形を模式的に示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。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という。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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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を交流電力に変換する。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することにより交流の電力変換を行う。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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

２次側回路５０は、１次側巻線３１と磁気結合している２次側巻線３２と、第２端子２１，２２との双方に接続されている。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。

【0032】

２次側回路５０は、トランス３０から２次側回路５０に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第２端子２１，２２に向けて出力する。以下、２次側回路５０から第２端子２１，２２に向けて出力される電力を出力電力Ｐｏｕｔという。

【0033】

本実施形態の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。

【0034】

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。

【0035】

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。本実施形態では、２次側回路５０から第２端子２１，２２に向けて出力された出力電力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。

【0036】

電力変換装置１０は、１次側接続線ＬＮ１上に設けられ、リアクトル値（換言すればインダクタンス）Ｌを変更可能な可変インダクタ回路７０を備えている。
可変インダクタ回路７０は、例えば第１インダクタ７１と、第１インダクタ７１に対して直列に接続された第２インダクタ７２と、第２インダクタ７２に対して並列に接続されたインダクタスイッチ７３と、を備えている。

【0037】

かかる構成によれば、インダクタスイッチ７３の状態に応じてリアクトル値Ｌが変わる。詳細には、インダクタスイッチ７３がＯＮ状態である場合には、リアクトル値Ｌは第１インダクタ７１のインダクタンスとなる。一方、インダクタスイッチ７３がＯＦＦ状態である場合には、リアクトル値Ｌは、両インダクタ７１，７２のインダクタンスの合成値となる。

【0038】

ここで、インダクタスイッチ７３がＯＮ状態である場合のリアクトル値Ｌを第１設定値Ｌ１とし、インダクタスイッチ７３がＯＦＦ状態である場合のリアクトル値Ｌを第２設定値Ｌ２とする。第２設定値Ｌ２は、第１設定値Ｌ１よりも高い。すなわち、本実施形態の可変インダクタ回路７０は、インダクタスイッチ７３を制御することにより、リアクトル値Ｌを、第１設定値Ｌ１又は第２設定値Ｌ２に切り替えることができる。

【0039】

ちなみに、第１インダクタ７１及び第２インダクタ７２の具体的な構成は任意であり、例えば専用のコイルによって構成されていてもよいし、１次側接続線ＬＮ１の寄生インダクタンスによって構成されていてもよい。両インダクタ７１，７２の少なくとも一方が１次側接続線ＬＮ１の寄生インダクタンスによって構成されている場合、１次側接続線ＬＮ１の幅や長さを調整することにより、インダクタンスを調整するとよい。また、両インダクタ７１，７２のいずれか一方は、トランス３０の漏れインダクタンスによって構成されていてもよい。

【0040】

電力変換装置１０は、１次側回路４０、２次側回路５０及び可変インダクタ回路７０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、２次側回路５０及び可変インダクタ回路７０、詳細には１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、２次側スイッチング素子及びインダクタスイッチ７３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。

【0041】

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。

【0042】

制御回路８０は、複数の１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御することにより、１次側回路４０において電力変換を行わせるとともに出力電力Ｐｏｕｔを制御する。
詳細には、制御回路８０は、複数の１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６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、交流電力の電力変換を行う。スイッチングパターンとは、各１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の状態の組み合わせである。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。

【0043】

ここで、制御回路８０は、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図２及び図３を用いて説明する。

【0044】

図２は、連続モードの１周期において１次側巻線３１に流れる電流波形を模式的に示すグラフであり、リアクトル値Ｌが第１設定値Ｌ１である場合を実線で示し、リアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２である場合を一点鎖線で示す。図３は、不連続モードの１周期において１次側巻線３１に流れる電流波形を模式的に示すグラフであり、リアクトル値Ｌが第１設定値Ｌ１である場合を実線で示し、リアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２である場合を一点鎖線で示す。

【0045】

図２に示すように、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Ｉ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Ｉ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。

【0046】

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Ｉ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。

【0047】

図３に示すように、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Ｉが流れないゼロ期間Ｔｘ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、ゼロ期間Ｔｘ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。

【0048】

詳細には、ゼロ期間Ｔｘ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。ゼロ期間Ｔｘは、ゼロパターンが設定されている期間である。

【0049】

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を制御する。この場合、制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔに応じて可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを変更する。この点について以下に詳細に説明する。

【0050】

本実施形態では、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し、且つ、リアクトル値Ｌを第１設定値Ｌ１に設定する。

【0051】

一方、制御回路８０は、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し、且つ、リアクトル値Ｌを第１設定値Ｌ１よりも高い第２設定値Ｌ２に設定する。

【0052】

図２及び図３を用いて、各モードにおけるリアクトル値Ｌと電流Ｉとの関係について詳細に説明する。
まず連続モードにおけるリアクトル値Ｌと電流Ｉとの関係について説明する。

【0053】

図２に示すように、連続モードでは、１次側巻線３１に電流Ｉが連続的に流れる。これにより、出力電力Ｐｏｕｔを大きくすることができる。この特性を考慮して、本実施形態の制御回路８０は、相対的に大きい第１電力値Ｐｏｕｔ１を出力する場合には、制御モードを連続モードに設定する。

【0054】

電流Ｉの波形は、リアクトル値Ｌに応じて変化する。詳細には、電流Ｉの立ち上がり及び立ち下がりの傾きは、リアクトル値Ｌに応じて変化するものであり、具体的にはリアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２である場合の方が第１設定値Ｌ１である場合よりも傾きが小さくなる。

【0055】

ここで、決定された出力電力Ｐｏｕｔを得るために必要な半周期内における電流Ｉの積分量（以下、「電流量」という。）は決まっている。このため、制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔに対応する電流量が得られるようにリアクトル値Ｌに対応させてパルス幅調整（換言すれば各スイッチングパターンの時間調整）を行う。このため、電流Ｉの傾きに応じて電流Ｉのピーク値が変わる。詳細には、リアクトル値Ｌが大きくなることに従って電流Ｉの立ち上がり及び立ち下がりの傾きが小さくなると、必要な電流量を確保するためにその分ピーク値が高くなる。となると、制御モードが連続モードである条件下では、リアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２である場合の電流Ｉのピーク値である第２ピーク値Ｉｐ２は、リアクトル値Ｌが第１設定値Ｌ１である場合の電流Ｉのピーク値である第１ピーク値Ｉｐ１よりも高くなり易い。

【0056】

次に、不連続モードにおけるリアクトル値Ｌと電流Ｉとの関係について説明する。
図３に示すように、不連続モードでは、１次側巻線３１に電流Ｉが流れないゼロ期間Ｔｘが設けられている。ゼロ期間Ｔｘは、正の電流Ｉが流れる期間と負の電流Ｉが流れる期間との間に設けられている。これにより、電流量を小さくすることができるため、連続モードでは出力することができないような小さい出力電力Ｐｏｕｔであっても出力させることが可能となる。この特性を考慮して、本実施形態の制御回路８０は、相対的に小さい第２電力値Ｐｏｕｔ２を出力する場合には、制御モードを不連続モードに設定する。

【0057】

ここで、連続モード時と同様に、不連続モードにおける電流Ｉの立ち上がり及び立ち下がりの傾きは、リアクトル値Ｌに応じて変化する。詳細には、リアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２である場合の方が第１設定値Ｌ１である場合よりも傾きが小さくなる。

【0058】

かかる構成において、制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔに対応する電流量が得られるようにリアクトル値Ｌに対応させてパルス幅調整（換言すればゼロパターンの時間調整）を行う。具体的には、制御回路８０は、同一の電流量が得られるように電流Ｉの傾きの違いに対応させてゼロ期間Ｔｘを調整する。これにより、リアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２となっている場合のゼロ期間Ｔｘである第２ゼロ期間Ｔｘ２は、リアクトル値Ｌが第１設定値Ｌ１となっている場合のゼロ期間Ｔｘである第１ゼロ期間Ｔｘ１よりも短くなる。

【0059】

また、図３に示すように、不連続モード時には、電流Ｉの傾きの違いに対応させてゼロ期間Ｔｘが調整されるため、制御モードが不連続モードである条件下では、第２ピーク値Ｉｐ２は第１ピーク値Ｉｐ１よりも低くなる。

【0060】

次に本実施形態の作用について説明する。
第１端子１１～１３に入力される電力は、１次側回路４０によって交流電力に変換される。そして、１次側回路４０によって変換された交流電力は、可変インダクタ回路７０及び１次側巻線３１（本実施形態ではトランス３０）を介して、２次側回路５０に入力され、２次側回路５０によって整流されて出力される。

【0061】

なお、本実施形態では、可変インダクタ回路７０及びトランス３０によって電圧変換が行われる。これにより、２次側回路５０は、可変インダクタ回路７０及びトランス３０によって電圧変換された交流電力を整流している。ただし、これに限られず、可変インダクタ回路７０及びトランス３０による電圧変換が行われない構成でもよい。つまり、変圧比は「１」でもよい。

【0062】

電流Ｉのピーク値は、電力変換装置１０の変換効率に寄与するパラメータである。詳細には、電流Ｉのピーク値が小さくなると、変換効率は高くなり易い。
ここで、既に説明したとおり、連続モードでは、第１ピーク値Ｉｐ１が第２ピーク値Ｉｐ２よりも低くなるため、リアクトル値Ｌが第１設定値Ｌ１である場合の方が第２設定値Ｌ２である場合よりも変換効率が高くなり易い。この点、本実施形態では、制御モードが連続モードである場合にはリアクトル値Ｌが第１設定値Ｌ１に設定されるため、変換効率が高くなり易い。

【0063】

一方、制御モードが不連続モードである条件下では、第２ピーク値Ｉｐ２が第１ピーク値Ｉｐ１よりも低くなるため、リアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２である場合の方が第１設定値Ｌ１である場合よりも変換効率が高くなり易い。この点、本実施形態では、制御モードが不連続モードである場合にはリアクトル値Ｌが第２設定値Ｌ２に設定されるため、変換効率が高くなり易い。

【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）電力変換装置１０は、第１端子１１～１３及び第２端子２１，２２と、１次側巻線３１及び２次側巻線３２を有するトランス３０と、第１端子１１～１３と１次側巻線３１との間に設けられた１次側回路４０と、１次側回路４０と１次側巻線３１とを接続する１次側接続線ＬＮ１と、２次側回路５０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、第１端子１１～１３から入力される電力の電力変換を行う。２次側回路５０は、トランス３０と第２端子２１，２２との間に設けられており、トランス３０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第２端子２１，２２に向けて出力する。

【0065】

かかる構成において、電力変換装置１０は、１次側接続線ＬＮ１上に設けられ、リアクトル値Ｌを変更可能な可変インダクタ回路７０と、複数の１次側スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及び可変インダクタ回路７０とを制御する制御部としての制御回路８０と、を備えている。制御回路８０は、２次側回路５０から第２端子２１，２２に向けて出力される電力である出力電力Ｐｏｕｔに応じて、可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを変更する。

【0066】

かかる構成によれば、１次側回路４０と２次側回路５０とはトランス３０によって絶縁されている。これにより、何らかの異常が発生した場合であっても、１次側回路４０と２次側回路５０との間で直流電力の伝送が行われにくいため、安全性の向上を図ることができる。

【0067】

また、本構成によれば、出力電力Ｐｏｕｔに応じてリアクトル値Ｌを変更することにより、出力電力Ｐｏｕｔの変動に基づく変換効率の低下を抑制することができる。
詳述すると、本願発明者らは、出力電力Ｐｏｕｔの変更によって変換効率が低下する要因の１つが、１次側巻線３１を流れる電流Ｉの傾きであることを見出した。この知見に着目し、本実施形態の電力変換装置１０は、１次側接続線ＬＮ１上に可変インダクタ回路７０を備え、出力電力Ｐｏｕｔに応じて可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを変更する構成を採用した。これにより、出力電力Ｐｏｕｔに適した電流Ｉの傾きにすることができ、それを通じて変換効率の低下を抑制できる。

【0068】

なお、本構成によれば、両巻線３１，３２の巻数を調整することによりトランス３０の変圧比を調整することができるため、出力電力Ｐｏｕｔの電圧を所望の値にするために必要な１次側回路４０の変圧比を小さくすることができる。

【0069】

（２）制御回路８０は、複数の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制御モードとして、連続モードと不連続モードとを有している。連続モードは、１周期内において１次側巻線３１に電流Ｉが連続的に流れる制御モードである。不連続モードは、１周期内において１次側巻線３１に電流Ｉが流れないゼロ期間Ｔｘが設けられた制御モードである。

【0070】

かかる構成において、制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔが第１電力値Ｐｏｕｔ１である場合には、制御モードを連続モードに設定し、且つ、可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを第１設定値Ｌ１に設定する。一方、制御回路８０は、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し、且つ、可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを第１設定値Ｌ１よりも高い第２設定値Ｌ２に設定する。

【0071】

かかる構成によれば、第２電力値Ｐｏｕｔ２よりも大きい第１電力値Ｐｏｕｔ１を出力する場合には、制御モードが連続モードに設定される。連続モードは、不連続モードよりも、大きい電力を出力し易い制御モードである。これにより、第１電力値Ｐｏｕｔ１の出力を比較的容易に実現できる。また、制御モードが連続モードである場合には、電流Ｉの傾きが大きい方が電流Ｉのピーク値が低くなり易いため、変換効率が高くなり易い。この点、本構成によれば、出力電力Ｐｏｕｔが第１電力値Ｐｏｕｔ１である場合には、リアクトル値Ｌは、第２設定値Ｌ２よりも電流Ｉの傾きが大きくなり易い第１設定値Ｌ１に設定される。これにより、出力電力Ｐｏｕｔの変更に伴う変換効率の低下を抑制できる。

【0072】

一方、第１電力値Ｐｏｕｔ１よりも小さい第２電力値Ｐｏｕｔ２を出力する場合には、制御モードが不連続モードに設定される。不連続モードは、連続モードよりも、小さい電力を出力し易い制御モードである。これにより、仮に第２電力値Ｐｏｕｔ２が連続モードでは出力することができないような値であったとしても、第２電力値Ｐｏｕｔ２の出力を実現できる。また、制御モードが不連続モードである場合には、電流Ｉの傾きが小さい方が電流Ｉのピーク値が低くなり易いため、変換効率が高くなり易い。この点、本構成によれば、出力電力Ｐｏｕｔが第２電力値Ｐｏｕｔ２である場合には、リアクトル値Ｌは、第１設定値Ｌ１よりも電流Ｉの傾きが小さくなり易い第２設定値Ｌ２に設定される。これにより、出力電力Ｐｏｕｔの変更に伴う変換効率の低下を抑制できる。

【0073】

（３）可変インダクタ回路７０は、第１インダクタ７１と、第１インダクタ７１に対して直列に接続された第２インダクタ７２と、第２インダクタ７２に対して並列に接続されたインダクタスイッチ７３と、を備えている。制御回路８０は、インダクタスイッチ７３を制御することによりリアクトル値Ｌを変更する。

【0074】

かかる構成によれば、インダクタスイッチ７３を制御することによりリアクトル値Ｌを変更できる。
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。

【0075】

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。例えば、１次側回路４０はフルブリッジ回路である。

【0076】

○ 可変インダクタ回路７０の具体的な構成は任意である。例えば、第１インダクタ７１を省略してもよい。この場合、第１設定値Ｌ１は「０」となる。すなわち、可変インダクタ回路７０がとり得るリアクトル値Ｌは「０」を含む。

【0077】

また、可変インダクタ回路７０は、リアクトル値Ｌを３種類以上の設定値に変更可能であってもよい。例えば、可変インダクタ回路７０は、両インダクタ７１，７２と直列又は並列に接続された第３インダクタと、第３インダクタに対して並列に接続されたインダクタスイッチと、を更に備えてもよい。

【0078】

○ 制御回路８０は、制御モードが不連続モードである状況下において出力電力Ｐｏｕｔが小さくなるに従って可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを高くしてもよい。例えば、制御回路８０は、第２電力値Ｐｏｕｔ２よりも小さい第３電力値Ｐｏｕｔ３を出力する場合、制御モードを不連続モードに設定し、且つ、リアクトル値Ｌを第２設定値Ｌ２よりも高い第３設定値Ｌ３に設定してもよい。これにより、電流Ｉのピーク値を低くすることができ、変換効率の向上を図ることができる。

【0079】

ここで、リアクトル値Ｌを高くすることによって電流Ｉの傾きが小さくなると、電流量が小さくなり易いため、必要な電流量を確保しにくくなることが懸念される。この点、本別例によれば、出力電力Ｐｏｕｔが小さくなると必要な電流量が小さくなることに対応させて、出力電力Ｐｏｕｔが小さくなるに従って可変インダクタ回路７０のリアクトル値Ｌを高くしている。これにより、必要な電流量を確保して第３電力値Ｐｏｕｔ３を実現しつつ、変換効率を向上させることができる。

【0080】

○ 制御回路８０は、出力電力Ｐｏｕｔが予め定められた閾値電力以上である場合に制御モードを連続モードに設定し、出力電力Ｐｏｕｔが予め定められた閾値電力未満である場合に制御モードを不連続モードに設定してもよい。この場合、第１電力値Ｐｏｕｔ１は閾値電力以上であり、第２電力値Ｐｏｕｔ２は閾値電力未満であるとよい。

【0081】

○ １次側回路４０は、第１端子１１～１３から入力される電力を交流電力に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。
○ 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を有さずダイオードを有する構成でもよい。この場合、制御回路８０は２次側回路５０を制御しなくてもよい。また、２次側回路５０は、ダイオードを有さず２次側スイッチング素子を有する構成でもよいし、２次側スイッチング素子及びダイオードの双方を有する構成でもよい。

【0082】

○ 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。

【符号の説明】

【0083】

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…可変インダクタ回路、７１…第１インダクタ、７２…第２インダクタ、７３…インダクタスイッチ、８０…制御回路、１０１…交流電源、Ｑ１～Ｑ６…１次側スイッチング素子、Ｐｉｎ…入力電力、Ｐｏｕｔ…出力電力、Ｐｏｕｔ１…第１電力値、Ｐｏｕｔ２…第２電力値、ＬＮ１…１次側接続線、ＬＮ２…２次側接続線、Ｌ…リアクトル値、Ｌ１…第１設定値、Ｌ２…第２設定値、Ｔｘ…ゼロ期間、Ｉ…電流。

【図1】

【図2】

【図3】