特開 2024-130832 電力変換装置及びその制御方法

(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】P2024130832

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】電力変換装置及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023040746

(22)【出願日】2023-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】ラクスマン マハルジャン

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730AS01

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS08

5H730BB26

5H730BB27

5H730DD03

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE05

5H730EE07

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

5H730FG10

5H730FG22

(57)【要約】

【課題】スイッチング損失の増大を抑制可能な電力変換装置の提供。
【解決手段】一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、フルブリッジ回路又はハーフブリッジ回路として動作する一次側ブリッジ回路と、ハーフブリッジ回路として動作する二次側ブリッジ回路と、前記一次側ブリッジ回路及び前記二次側ブリッジ回路を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える、電力変換装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、
フルブリッジ回路又はハーフブリッジ回路として動作する一次側ブリッジ回路と、
ハーフブリッジ回路として動作する二次側ブリッジ回路と、
前記一次側ブリッジ回路及び前記二次側ブリッジ回路を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える、電力変換装置。

【請求項2】

前記一次側ブリッジ回路の直流電圧をＥ１、前記二次側ブリッジ回路の直流電圧をＥ２とするとき、
前記制御装置は、Ｅ１／Ｅ２が所定値よりも小さい場合、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させる、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御装置は、Ｅ１／Ｅ２が前記所定値以上の場合、前記一次側ブリッジ回路をハーフブリッジ回路として動作させる、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記一次側ブリッジ回路の直流電圧の最大変動幅は、前記二次側ブリッジ回路の直流電圧の最大変動幅よりも大きい、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記一次側ブリッジ回路は、ハイサイドの第１アームとローサイドの第２アームとが直列に接続された第１レグと、ハイサイドの第３アームとローサイドの第４アームとが直列に接続された第２レグと、ハイサイドの第１キャパシタとローサイドの第２キャパシタとが直列に接続された第３レグとを有し、前記第１アームと前記第２アームとの第１接続点と前記第３アームと前記第４アームとの第２接続点とを接続する第１ブリッジ部分に前記一次巻線が設けられ、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとの第３接続点と前記第２接続点とを接続する第２ブリッジ部分にスイッチが設けられた、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記制御装置は、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて前記スイッチを制御することで、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える、請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記一次側ブリッジ回路の直流電圧をＥ１、前記二次側ブリッジ回路の直流電圧をＥ２とするとき、
前記制御装置は、Ｅ１／Ｅ２が所定値よりも小さい場合、前記スイッチをオフ状態とすることで、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させる、請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記制御装置は、Ｅ１／Ｅ２が前記所定値以上の場合、前記スイッチをオン状態とし、かつ、前記第２レグのスイッチングを止めることで、前記一次側ブリッジ回路をハーフブリッジ回路として動作させる、請求項７に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記二次側ブリッジ回路は、ハイサイドの第５アームとローサイドの第６アームとが直列に接続された第４レグと、ハイサイドの第３キャパシタとローサイドの第４キャパシタとが直列に接続された第５レグとを有し、前記第５アームと前記第６アームとの第４接続点と前記第３キャパシタと前記第４キャパシタとの第５接続点とを接続する第３ブリッジ部分に前記二次巻線が設けられた、請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記制御装置は、前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間で電力が伝送されるように、前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間のスイッチングの位相差を制御する、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項11】

トランスと一次側ブリッジ回路と二次側ブリッジ回路とを備える電力変換装置の制御方法であって、
前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える、電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

２つの単相ブリッジ回路が高周波絶縁トランスを介して接続されたＤＡＢ（Dual Active Bridge）と呼ばれる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが知られている（例えば、非特許文献１参照）。このコンバータは、ブリッジ間の位相差を調整する電力制御を採用した場合には、スイッチング損失を低減可能なＺＶＳ（Zero-Voltage Switching：ゼロ電圧スイッチング）を適用できるため、大電力用途に適している。

【0003】

また、ブリッジ間の位相差の制御に加えて、片側または両側の交流電圧のデューティ比を制御することで、低損失化を図る電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】R.W.A.A. De Doncker, D.M. Divan, and M.H. Kheraluwala,"A Three-Phase Soft-Switched High-Power-Density dc/dc Converter for High-Power Applications", IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 27, Number 1, Pages 63-73, January/February 1991.

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６２５９００９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の技術では、一次側ブリッジ回路の直流電圧と二次側ブリッジ回路の直流電圧との差によっては、スイッチング損失が増大する場合がある。

【0007】

本開示は、スイッチング損失の増大を抑制可能な電力変換装置及びその制御方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の第１態様では、
一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、
フルブリッジ回路又はハーフブリッジ回路として動作する一次側ブリッジ回路と、
ハーフブリッジ回路として動作する二次側ブリッジ回路と、
前記一次側ブリッジ回路及び前記二次側ブリッジ回路を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える、電力変換装置が提供される。

【0009】

本開示の第２態様では、
トランスと一次側ブリッジ回路と二次側ブリッジ回路とを備える電力変換装置の制御方法であって、
前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える、電力変換装置の制御方法が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本開示は、スイッチング損失の増大を抑制可能な電力変換装置及びその制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態の電力変換装置の一構成例を示す図である。

【図2】制御装置の機能を例示するブロック図である。

【図3】一次側ブリッジ回路をハーフブリッジ回路として動作させる場合を例示するタイミングチャートである。

【図4】一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させる場合を例示するタイミングチャートである。

【図5】一実施形態の電力変換装置の制御方法を例示するフローチャートである。

【図6】一比較形態の電力変換装置の一構成例を示す図である。

【図7】一比較形態の電力変換装置及びその制御方法による場合のシミュレーション動作波形の一例を示すタイミングチャートである。

【図8】一実施形態の電力変換装置及びその制御方法による場合のシミュレーション動作波形の一例を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。

【0013】

図１は、一実施形態の電力変換装置の一構成例を示す図である。図１に示す電力変換装置１００は、トランス３０の両側にブリッジ回路を備える双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。電力変換装置１００は、一次側ブリッジ回路１３０と二次側ブリッジ回路１４０との間で双方向に電力を供給できる。

【0014】

電力変換装置１００は、トランス３０と、一次側ブリッジ回路１３０と、二次側ブリッジ回路１４０と、制御装置１５０と、を備える。

【0015】

トランス３０は、一次巻線３１と二次巻線３２とを有し、一次巻線３１と二次巻線３２とが磁気的に結合する変圧器である。一次巻線３１および二次巻線３２の巻線比は、適宜、設定される。本明細書においては、説明の便宜上、一次巻線３１および二次巻線３２の巻線比は１：１である場合について例示する。

【0016】

一次側ブリッジ回路１３０は、一次側直流端子（正側端子および負側端子）に接続され、一次側直流端子に接続される外部装置との間で電力を授受する。また、一次側ブリッジ回路１３０は、トランス３０の一次側に接続され、トランス３０の一次巻線３１との間で電力を授受する。

【0017】

一次側ブリッジ回路１３０は、一次側の直流母線対Ｐ１，Ｎ１を有し、一次側直流端子の正側端子が正側の直流母線Ｐ１に、一次側直流端子の負側端子が負側の直流母線Ｎ１に接続される。一次側ブリッジ回路１３０は、トランス３０の一次巻線３１に一次側の直流母線対Ｐ１，Ｎ１によって印加される電圧の極性を切り替える。

【0018】

一次側ブリッジ回路１３０は、複数のレグ１１，１２を有するフルブリッジ回路を有する。

【0019】

一次側ブリッジ回路１３０は、例えば、ハイサイドのアームＱ１とローサイドのアームＱ２とが直列に接続されたレグ１１と、ハイサイドのアームＱ３とローサイドのアームＱ４とが直列に接続されたレグ１２とを有する。アームＱ１は、第１アームの一例であり、アームＱ２は、第２アームの一例であり、アームＱ３は、第３アームの一例であり、アームＱ４は、第４アームの一例である。レグ１１は、第１レグの一例であり、レグ１２は、第２レグの一例である。

【0020】

一次側ブリッジ回路１３０は、アームＱ１とアームＱ２との中間接続点ａ１と、アームＱ３とアームＱ４との中間接続点ｂ１とを接続するブリッジ部分２１に、トランス３０の一次巻線３１が設けられたフルブリッジ回路を有する。一次側ブリッジ回路１３０は、トランス３０の一次巻線３１に直列に接続されるリアクトルをブリッジ部分２１に有してもよい。中間接続点ａ１は、第１接続点の一例である。中間接続点ｂ１は、第２接続点の一例である。ブリッジ部分２１は、第１ブリッジ部分の一例である。

【0021】

一次側ブリッジ回路１３０は、レグ１３と、アームＱ１～Ｑ４と、を有する。

【0022】

レグ１３は、一次側の直流母線対Ｐ１，Ｎ１の間に接続され、直流母線対Ｐ１，Ｎ１間の電圧（レグ１３の両端電圧）を平滑化する。レグ１３は、ハイサイドのキャパシタＣ１とローサイドのキャパシタＣ２とが直流母線対Ｐ１，Ｎ１の間に直列に接続された構成を含む。レグ１３は、第３レグの一例である。キャパシタＣ１は、第１キャパシタの一例である。キャパシタＣ２は、第２キャパシタの一例である。

【0023】

一次側ブリッジ回路１３０は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との中間接続点ｍ１と、アームＱ３とアームＱ４との中間接続点ｂ１とを接続するブリッジ部分２２に、スイッチＳＷ１が設けられている。中間接続点ｍ１は、第３接続点の一例である。ブリッジ部分２２は、第２ブリッジ部分の一例である。

【0024】

スイッチＳＷ１は、スイッチ駆動部１８０によってオン状態又はオフ状態に駆動される素子又は回路であり、例えば、ブリッジ部分２２を遮断するか否かを切り替えるトランジスタを含む。スイッチＳＷ１は、オン状態になることでブリッジ部分２２を導通可能とし、オフ状態になることでブリッジ部分２２を非導通とする。スイッチＳＷ１は、オン状態になることで、中間接続点ｍ１と中間接続点ｂ１との間において双方向の導通を可能とする双方向スイッチである。スイッチＳＷ１の具体例として、ＲＢ－ＩＧＢＴ（Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）などが挙げられる。

【0025】

アームＱ１～Ｑ４は、一次側のスイッチング素子である。その具体例として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子が挙げられる。

【0026】

レグ１１は、アームＱ１とアームＱ２とが直流母線対Ｐ１，Ｎ１の間に直列に接続された構成を含み、レグ１２は、アームＱ３とアームＱ４とが直流母線対Ｐ１，Ｎ１の間に直列に接続された構成を含む。アームＱ１～Ｑ４は、それぞれ、第１主端子と、第２主端子と、制御端子とを有する。例えば、第１主端子は、ドレイン又はコレクタに対応し、第２主端子は、ソース又はエミッタに対応し、制御端子は、ゲートに対応する。アームＱ１～Ｑ４は、主端子間に逆接続されたダイオードを含んでよい。アームＱ１～Ｑ４がＭＯＳＦＥＴの場合、このダイオードは寄生ダイオードであってもよい。図１は、還流ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を例示する。

【0027】

このような構成により、一次側ブリッジ回路１３０は、スイッチＳＷ１がオフ状態において、アームＱ１及びアームＱ４がオン、アームＱ２及びアームＱ３がオフとなると、中間接続点ａ１を直流母線Ｐ１に電気的に接続し、中間接続点ｂ１を直流母線Ｎ１に電気的に接続して、中間接続点ａ１と中間接続点ｂ１の間の電圧Ｖ１を正電圧"Ｅ１"とする。Ｅ１は、直流母線対Ｐ１，Ｎ１の間の電圧値である。また、一次側ブリッジ回路１３０は、スイッチＳＷ１がオフ状態において、アームＱ１及びアームＱ４がオフ、アームＱ２及びアームＱ３がオンとなると、中間接続点ａ１を直流母線Ｎ１に電気的に接続し、中間接続点ｂ１を直流母線Ｐ１に電気的に接続して、電圧Ｖ１を負電圧"－Ｅ１"とする。このように、スイッチＳＷ１がオフ状態のときには、一次側ブリッジ回路１３０は、トランス３０の一次巻線３１に一次側の直流母線対Ｐ１，Ｎ１によって印加される電圧の極性を切り替えるフルブリッジ回路として動作する。

【0028】

さらに、一次側ブリッジ回路１３０は、スイッチＳＷ１がオフ状態において、アームＱ１及びアームＱ３がオン、アームＱ２及びアームＱ４がオフとなると、中間接続点ａ１及び中間接続点ｂ１の両方を直流母線Ｐ１に電気的に接続して、電圧Ｖ１を実質的にゼロとする。又は、一次側ブリッジ回路１３０は、スイッチＳＷ１がオフ状態において、アームＱ１及びアームＱ３がオフ、アームＱ２及びアームＱ４がオンとなると、中間接続点ａ１及び中間接続点ｂ１の両方を直流母線Ｎ１に電気的に接続して、電圧Ｖ１を実質的にゼロとする。

【0029】

一方、一次側ブリッジ回路１３０は、スイッチＳＷ１がオン状態、かつ、アームＱ３及びアームＱ４がオフ状態において、アームＱ１がオン、アームＱ２がオフとなると、中間接続点ａ１を直流母線Ｐ１に電気的に接続し、中間接続点ｂ１を中間接続点ｍ１に電気的に接続して、電圧Ｖ１を正電圧"Ｅ１／２"とする。つまり、電圧Ｖ１は、キャパシタＣ１の電圧（Ｅ１の半分）となる。また、一次側ブリッジ回路１３０は、スイッチＳＷ１がオン状態、かつ、アームＱ３及びアームＱ４がオフ状態において、アームＱ１がオフ、アームＱ２がオンとなると、中間接続点ａ１を直流母線Ｎ１に電気的に接続し、中間接続点ｂ１を中間接続点ｍ１に電気的に接続して、電圧Ｖ１を負電圧"－Ｅ１／２"とする。つまり、電圧Ｖ１は、キャパシタＣ２の電圧（Ｅ１の半分）となる。このように、スイッチＳＷ１がオン状態のときには、一次側ブリッジ回路１３０は、トランス３０の一次巻線３１に一次側の直流母線対Ｐ１，Ｎ１によって印加される電圧の極性を切り替えるハーフブリッジ回路として動作する。

【0030】

二次側ブリッジ回路１４０は、二次側直流端子（正側端子および負側端子）に接続され、二次側直流端子に接続される外部装置との間で電力を授受する。また、二次側ブリッジ回路１４０は、トランス３０の二次側に接続され、トランス３０の二次巻線３２との間で電力を授受する。

【0031】

二次側ブリッジ回路１４０は、二次側の直流母線対Ｐ２，Ｎ２を有し、二次側直流端子の正側端子が正側の直流母線Ｐ２に、二次側直流端子の負側端子が負側の直流母線Ｎ２に接続される。二次側ブリッジ回路１４０は、トランス３０の二次巻線３２に二次側の直流母線対Ｐ２，Ｎ２によって印加される電圧の極性を切り替える。

【0032】

二次側ブリッジ回路１４０は、レグ１４を有するハーフブリッジ回路を有する。

【0033】

二次側ブリッジ回路１４０は、例えば、ハイサイドのアームＱ５とローサイドのアームＱ６とが直列に接続されたレグ１４を有する。アームＱ５は、第５アームの一例であり、アームＱ６は、第６アームの一例である。レグ１４は、第４レグの一例である。

【0034】

二次側ブリッジ回路１４０は、レグ１５と、アームＱ５，Ｑ６と、を有する。

【0035】

レグ１５は、二次側の直流母線対Ｐ２，Ｎ２の間に接続され、直流母線対Ｐ２，Ｎ２間の電圧（レグ１５の両端電圧）を平滑化する。レグ１５は、ハイサイドのキャパシタＣ３とローサイドのキャパシタＣ４とが直流母線対Ｐ２，Ｎ２の間に直列に接続された構成を含む。レグ１５は、第５レグの一例である。キャパシタＣ３は、第３キャパシタの一例である。キャパシタＣ４は、第４キャパシタの一例である。

【0036】

二次側ブリッジ回路１４０は、アームＱ５とアームＱ６との中間接続点ａ２と、キャパシタＣ３とキャパシタＣ４との中間接続点ｍ２とを接続するブリッジ部分２３に、トランス３０の二次巻線３２が設けられたハーフブリッジ回路を有する。二次側ブリッジ回路１４０は、トランス３０の二次巻線３２に直列に接続されるリアクトルをブリッジ部分２３に有してもよい。中間接続点ａ２は、第４接続点の一例である。中間接続点ｍ２は、第５接続点の一例である。ブリッジ部分２３は、第３ブリッジ部分の一例である。

【0037】

アームＱ５，Ｑ６は、二次側のスイッチング素子である。その具体例として、アームＱ１～Ｑ４と同様、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子が挙げられる。

【0038】

レグ１４は、アームＱ５とアームＱ６とが直流母線対Ｐ２，Ｎ２の間に直列に接続された構成を含む。アームＱ５，Ｑ６は、アームＱ１～Ｑ４と同様、それぞれ、第１主端子と、第２主端子と、制御端子と、ダイオードと、を有する。図１は、還流ダイオードＤ５，Ｄ６を例示する。

【0039】

このような構成により、二次側ブリッジ回路１４０は、アームＱ５がオン、アームＱ６がオフとなると、中間接続点ａ２を直流母線Ｐ２に電気的に接続して、中間接続点ａ２と中間接続点ｍ２の間の電圧Ｖ２を正電圧"Ｅ２／２"とする。つまり、電圧Ｖ２は、キャパシタＣ３の電圧（Ｅ２の半分）となる。Ｅ２は、直流母線対Ｐ２，Ｎ２の間の電圧値である。また、二次側ブリッジ回路１４０は、アームＱ５がオフ、アームＱ６がオンとなると、中間接続点ａ２を直流母線Ｎ２に電気的に接続して、電圧Ｖ２を負電圧"－Ｅ２／２"とする。つまり、電圧Ｖ２は、キャパシタＣ４の電圧（Ｅ２の半分）となる。このように、二次側ブリッジ回路１４０は、トランス３０の二次巻線３２に二次側の直流母線対Ｐ２，Ｎ２によって印加される電圧の極性を切り替えるハーフブリッジ回路として動作する。

【0040】

制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０と二次側ブリッジ回路１４０との間で電力が伝送されるように、一次側ブリッジ回路１３０と二次側ブリッジ回路１４０との間のスイッチングの位相差（以下、位相差δとも称する）を制御する。制御装置１５０は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との位相差δを制御することによって、一次側ブリッジ回路１３０と二次側ブリッジ回路１４０との間で伝送される電力を調整する。制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０のアームＱ１～Ｑ４の制御端子のオン又はオフを制御するための制御信号ｇ１～ｇ４と、二次側ブリッジ回路１４０のアームＱ５，Ｑ６の制御端子のオン又はオフを制御するための制御信号ｇ５，ｇ６とを出力する。制御装置１５０は、スイッチＳＷ１のオン又はオフを制御するためのスイッチ信号ｓ１を出力する。

【0041】

電力変換装置１００は、一次側ＧＤＵ１６０、二次側ＧＤＵ１７０及びスイッチ駆動部１８０を備える。一次側ＧＤＵ１６０は、制御信号ｇ１～ｇ４に従って、一次側ブリッジ回路１３０のアームＱ１～Ｑ４のオン又はオフのスイッチングを制御する一次側駆動回路である。二次側ＧＤＵ１７０は、制御信号ｇ５，ｇ６に従って、二次側ブリッジ回路１４０のアームＱ５，Ｑ６のオン又はオフのスイッチングを制御する二次側駆動回路である。スイッチ駆動部１８０は、スイッチ信号ｓ１に従って、スイッチＳＷ１のオン又はオフのスイッチングを制御するスイッチ駆動回路である。

【0042】

制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０及び二次側ブリッジ回路１４０のそれぞれの直流電圧検出値、及び、片側のブリッジ回路（この例では、二次側ブリッジ回路１４０）の直流電流検出値を取得する。制御装置１５０は、これらの検出値と電流又は電力の指令値とに基づいて、ブリッジ間の伝送電力を制御するための制御信号ｇ１～ｇ６を生成してアームＱ１～Ｑ６を制御する。本実施形態では、制御装置１５０は、電圧検出値Ｅ１、電圧検出値Ｅ２及び電流検出値Ｉ２をセンサから取得し、これらの検出値と電流指令値Ｉ２＊とに基づいて、ブリッジ間の伝送電力を制御するための制御信号ｇ１～ｇ６を生成してアームＱ１～Ｑ６を制御する。

【0043】

電圧検出値Ｅ１は、一次側ブリッジ回路１３０の直流電圧の検出値であり、より具体的には、直流母線対Ｐ１，Ｎ１の間の電圧Ｅ１の検出値である。電圧検出値Ｅ２は、二次側ブリッジ回路１４０の直流電圧の検出値であり、より具体的には、直流母線対Ｐ２，Ｎ２の間の電圧Ｅ２の検出値である。電流検出値Ｉ２は、二次側ブリッジ回路１４０の直流電流の検出値であり、より具体的には、直流母線Ｐ２に流れる電流Ｉ２の検出値である。電流指令値Ｉ２＊は、二次側ブリッジ回路１４０の直流電流の指令値であり、より具体的には、直流母線Ｐ２に流れる電流Ｉ２の指令値である。指令値は、目標値とも称される。

【0044】

制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０の電圧検出値Ｅ１と二次側ブリッジ回路１４０の電圧検出値Ｅ２との比（以下、比Ａとも称する）に応じて、一次側ブリッジ回路１３０をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える。この例では、制御装置１５０は、比Ａに応じてスイッチＳＷ１を制御することで、一次側ブリッジ回路１３０をフルブリッジ回路として動作させるかハーフブリッジ回路として動作させるか切り替える。電圧検出値Ｅ１と電圧検出値Ｅ２との大小関係は、「Ｅ１＜Ｅ２」「Ｅ１＞Ｅ２」「Ｅ１＝Ｅ２」のいずれの場合でもよい。

【0045】

制御装置１５０の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが動作することにより実現される。制御装置１５０の機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよい。

【0046】

図２は、制御装置の機能を例示するブロック図である。制御装置１５０は、例えば、電流制御部５１、スイッチ制御部５２および制御信号生成部５３を有する。

【0047】

電流制御部５１は、電流検出値Ｉ２及び電流指令値Ｉ２＊に基づいて、一次側ブリッジ回路１３０と二次側ブリッジ回路１４０との間のスイッチングの位相差δを演算する。電流制御部５１は、減算器５４及びＰＩ調節器５５を含む。減算器５４は、電流指令値Ｉ２＊と電流検出値Ｉ２との差（電流差ΔＩ）を算出する。ＰＩ調節器５５は、減算器５４により算出された電流差ΔＩが零に収束するような位相差δをＰＩ制御又はＰＩＤ制御により演算する（Ｐ：比例制御、Ｉ：積分制御、Ｄ：微分制御）。

【0048】

スイッチ制御部５２は、電圧検出値Ｅ１及び電圧検出値Ｅ２に基づいて比Ａを演算し、比Ａの演算値に応じて、スイッチ信号ｓ１及び選択信号ｆを生成する。スイッチ制御部５２は、例えば、比Ａ（＝Ｅ１／Ｅ２）に応じて、スイッチＳＷ１をオン状態又はオフ状態とするスイッチ信号ｓ１を生成し、かつ、レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）のスイッチングを許可するか禁止するかを指定する選択信号ｆを生成する。電圧検出値Ｅ１と電圧検出値Ｅ２との大小関係は、「Ｅ１＜Ｅ２」「Ｅ１＞Ｅ２」「Ｅ１＝Ｅ２」のいずれの場合でもよい。

【0049】

スイッチ制御部５２は、例えば、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂ以上の場合、一次側ブリッジ回路１３０をハーフブリッジ回路として動作させると判定する。スイッチ制御部５２は、この場合、スイッチＳＷ１をオン状態するスイッチ信号ｓ１を生成するとともに、レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）のスイッチングを禁止する選択信号ｆを生成する。

【0050】

一方、スイッチ制御部５２は、例えば、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂよりも小さい場合、一次側ブリッジ回路１３０をフルブリッジ回路として動作させると判定する。スイッチ制御部５２は、この場合、スイッチＳＷ１をオフ状態するスイッチ信号ｓ１を生成するとともに、レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）のスイッチングを許可する選択信号ｆを生成する。

【0051】

所定値Ｂは、一次側ブリッジ回路１３０の運転モードの切り替え判定用の閾値の一例である。所定値Ｂは、零よりも大きく１よりも小さな値である（０＜Ｂ＜１）。

【0052】

制御信号生成部５３は、電流制御部５１より出力される位相差δとスイッチ制御部５２より出力される選択信号ｆに基づいて、制御信号ｇ１～ｇ６を生成する。制御信号生成部５３は、レグ１２のスイッチングが選択信号ｆにより禁止されているとき、電流制御部５１より出力される位相差δが生じるように、アームＱ３，Ｑ４をオフ状態に固定し且つアームＱ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６をスイッチングさせる制御信号ｇ１～ｇ６を生成する。一方、制御信号生成部５３は、レグ１２のスイッチングが選択信号ｆにより許可されているとき、電流制御部５１より出力される位相差δが生じるように、アームＱ１～Ｑ６をスイッチングさせる制御信号ｇ１～ｇ６を生成する。

【0053】

図３は、一次側ブリッジ回路をハーフブリッジ回路として動作させる場合を例示するタイミングチャートである。横軸のωｔは、位相を表す。図３は、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂ以上の条件において、一次側ブリッジ回路１３０から二次側ブリッジ回路１４０への電力伝送（電流指令値Ｉ２＊は正）の場合を示している。ハイレベルは、オン状態を示し、ローレベルは、オフ状態を示す。

【0054】

スイッチ信号ｓ１の論理レベルは、スイッチ制御部５２によりハイレベルに固定されているので、スイッチＳＷ１は、オン状態となっている。制御信号ｇ３，ｇ４の論理レベルは、制御信号生成部５３によりローレベルに固定されているので、レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）は、スイッチング動作していない。レグ１１（アームＱ１，Ｑ２）及びレグ１４（アームＱ５，Ｑ６）は、パルス幅πを有する所定のデューティ比でスイッチング動作している。レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）は、スイッチング動作していないので、一次側ブリッジ回路１３０は、ハーフブリッジ回路として動作する。制御装置１５０は、ハーフブリッジ回路として動作する一次側ブリッジ回路１３０とハーフブリッジ回路として動作する二次側ブリッジ回路１４０のそれぞれの交流電圧間の位相差δを調整して、一次側から二次側への伝送電力を制御する。

【0055】

図４は、一次側ブリッジ回路をフルブリッジ回路として動作させる場合を例示するタイミングチャートである。横軸のωｔは、位相を表す。図４は、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂよりも小さい条件において、一次側ブリッジ回路１３０から二次側ブリッジ回路１４０への電力伝送（電流指令値Ｉ２＊は正）の場合を示している。ハイレベルは、オン状態を示し、ローレベルは、オフ状態を示す。

【0056】

スイッチ信号ｓ１の論理レベルは、スイッチ制御部５２によりローレベルに固定されているので、スイッチＳＷ１は、オフ状態となっている。制御信号ｇ１～ｇ６の論理レベルは、固定されていないので、レグ１１（アームＱ１，Ｑ２）、レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）及びレグ１４（アームＱ５，Ｑ６）は、パルス幅πを有する所定のデューティ比でスイッチング動作している。したがって、一次側ブリッジ回路１３０は、フルブリッジ回路として動作する。制御装置１５０は、フルブリッジ回路として動作する一次側ブリッジ回路１３０とハーフブリッジ回路として動作する二次側ブリッジ回路１４０のそれぞれの交流電圧間の位相差δを調整して、一次側から二次側への伝送電力を制御する。

【0057】

図５は、一実施形態の電力変換装置の制御方法を例示するフローチャートである。制御装置１５０は、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂ以上か否かを判定する（ステップＳ１０）。制御装置１５０は、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂ以上とステップＳ１０で判定した場合、一次側ブリッジ回路１３０をハーフブリッジ回路として動作させる（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において、制御装置１５０は、スイッチ信号ｓ１の論理レベルを、スイッチＳＷ１がオンとなるレベル（この例では、ハイレベル）に固定し、かつ、制御信号ｇ３，ｇ４の論理レベルを、レグ１２（アームＱ３，Ｑ４）のスイッチングが停止するレベル（この例では、ローレベル）に固定する。一方、制御装置１５０は、Ｅ１／Ｅ２が所定値Ｂ未満とステップＳ１０で判定した場合、一次側ブリッジ回路１３０をフルブリッジ回路として動作させる（ステップＳ３０）。ステップＳ３０において、制御装置１５０は、スイッチ信号ｓ１の論理レベルを、スイッチＳＷ１がオフとなるレベル（この例では、ローレベル）に固定する。

【0058】

次に、本実施形態の電力変換装置と比較するため、一比較形態の電力変換装置について説明する。

【0059】

図６は、一比較形態の電力変換装置の一構成例を示す図である。一比較形態の電力変換装置２００（図６）は、本実施形態の電力変換装置１００（図１）と同様に、トランス３０の両側にブリッジ回路を備える双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。電力変換装置２００は、一次側ブリッジ回路１３０がハーフブリッジ回路のみで構成されている点で、電力変換装置１００と相違し、それ以外の点は、電力変換装置１００と同様である。

【0060】

図７は、一比較形態の電力変換装置２００（図６）及びその制御方法による場合のシミュレーション動作波形の一例を示すタイミングチャートである。図８は、一実施形態の電力変換装置１００（図１）及びその制御方法による場合のシミュレーション動作波形の一例を示すタイミングチャートである。図７及び図８は、Ｅ１＜Ｅ２の場合を示す。横軸は、時間を表す。

【0061】

図７及び図８のシミュレーション条件は、
・Ｅ１＝３７５［Ｖ］，Ｅ２＝７５０［Ｖ］ （Ｅ１／Ｅ２＝０．５）
・電力伝送方向：一次側から二次側への方向
・トランス３０の巻線比は１：１
・所定値Ｂ＝０．７５
とした。すなわち、一実施形態の電力変換装置１００の場合、一次側ブリッジ回路１３０は、Ｅ１／Ｅ２≧０．７５の場合、ハーフブリッジ回路として動作し、Ｅ１／Ｅ２＜０．７５の場合、フルブリッジ回路として動作する。

【0062】

図７（一比較形態の電力変換装置２００の場合）において、電圧Ｖ１は、一次側ブリッジ回路１３０における中間接続点ａ１と中間接続点ｍ１との間の交流電圧を表す。電圧Ｖ２は、二次側ブリッジ回路１４０における中間接続点ａ２と中間接続点ｍ２との間の交流電圧を表す。電流Ｉａｃ１は、一次側ブリッジ回路１３０の交流電流（トランス３０の一次巻線３１に流れる電流）を示す。

【0063】

一比較形態の制御装置１５０は、ある周波数で一次側ブリッジ回路１３０をスイッチングすることで、電圧Ｖ１を正電圧および負電圧の間でスイッチングさせる。制御装置１５０は、アームＱ１をオンとし且つアームＱ２をオフとする制御信号ｇ１，ｇ２を一次側ブリッジ回路１３０に供給することにより、電圧Ｖ１を正電圧"Ｅ１／２"とすることができる。また、制御装置１５０は、アームＱ１をオフとし且つアームＱ２をオンとする制御信号ｇ１，ｇ２を一次側ブリッジ回路１３０に供給することにより、電圧Ｖ１を負電圧"－Ｅ１／２"とすることができる。

【0064】

一比較形態の制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０と同じ周波数で二次側ブリッジ回路１４０をスイッチングさせることで、電圧Ｖ２を正電圧および負電圧の間でスイッチングさせる。制御装置１５０は、アームＱ５をオンとし且つアームＱ６をオフとする制御信号ｇ５，ｇ６を二次側ブリッジ回路１４０に供給することにより、電圧Ｖ２を正電圧"Ｅ２／２"とすることができる。また、制御装置１５０は、アームＱ５をオフとし且つアームＱ６をオンとする制御信号ｇ５，ｇ６を二次側ブリッジ回路１４０に供給することにより、電圧Ｖ２を負電圧"－Ｅ２／２"とすることができる。

【0065】

制御装置１５０は、電圧Ｖ１のスイッチングと電圧Ｖ２のスイッチングとの間に位相差δを持たせる。

【0066】

図７において、電圧Ｖ１の極性と電圧Ｖ２の極性が不一致となる期間において、Ｖ１が正でＶ２が負の期間Ｔ１では、電流Ｉａｃ１は増加し、Ｖ１が負でＶ２が正の期間Ｔ３では、電流Ｉａｃ１は減少する。一方、電圧Ｖ１の極性と電圧Ｖ２の極性が一致する期間では、Ｅ１とＥ２の大小関係（Ｖ１とＶ２の大小関係）の違いによって、電流Ｉａｃ１は、減少又は増加する。Ｖ１，Ｖ２が正の期間Ｔ２では、Ｅ１＜Ｅ２（Ｖ１＜Ｖ２）の場合（図７）は、電流Ｉａｃ１は減少し、Ｅ１＞Ｅ２（Ｖ１＞Ｖ２）の場合（不図示）は、電流Ｉａｃ１は増加する。Ｖ１，Ｖ２が負の期間Ｔ４では、Ｅ１＜Ｅ２（－Ｖ１＞－Ｖ２）の場合（図７）は、電流Ｉａｃ１は増加し、Ｅ１＞Ｅ２（－Ｖ１＜－Ｖ２）の場合（不図示）は、電流Ｉａｃ１は減少する。

【0067】

電圧Ｖ１の極性と電圧Ｖ２の極性が一致する期間Ｔ２の中間タイミングにおいて、電流Ｉａｃ１の流れる向きが正から負に反転している。反転前の正の電流Ｉａｃ１は、オン状態のアームＱ１に流れていることを表し、反転後の負の電流Ｉａｃ１は、オン状態のアームＱ１に逆並列に接続される還流ダイオードＤ１に流れていることを表す。期間Ｔ２の終了時点でアームＱ１がオフ及びアームＱ２がオンとなると、アームＱ２は、ハードターンオンスイッチングとなるので、スイッチング損失が増大する。

【0068】

電圧Ｖ１の極性と電圧Ｖ２の極性が一致する期間Ｔ４の中間タイミングにおいて、電流Ｉａｃ１の流れる向きが負から正に反転している。反転前の負の電流Ｉａｃ１は、オン状態のアームＱ２に流れいていることを表し、反転後の正の電流Ｉａｃ１は、オン状態のアームＱ２に逆並列に接続される還流ダイオードＤ２に流れていることを表す。期間Ｔ４の終了時点でアームＱ１がオン及びアームＱ２がオフとなると、アームＱ１は、ハードターンオンスイッチングとなるので、スイッチング損失が増大する。

【0069】

このように、図７では、高電圧側（二次側）はＺＶＳを達成できているものの、低電圧側（一次側）はＺＶＳを達成できずハードスイッチングになっていることがわかる。これは、Ｅ１／Ｅ２＝０．５で、一次側ブリッジ回路１３０の直流電圧Ｅ１と二次側ブリッジ回路１４０の直流電圧Ｅ２との差が大きいためである。したがって、電力変換装置２００（特に、一次側ブリッジ回路１３０）のスイッチング損失が増加する。

【0070】

一方、図８（一実施形態の電力変換装置１００の場合）において、電圧Ｖ１は、一次側ブリッジ回路１３０における中間接続点ａ１と中間接続点ｂ１との間の交流電圧を表す。電圧Ｖ２は、二次側ブリッジ回路１４０における中間接続点ａ２と中間接続点ｍ２との間の交流電圧を表す。電流Ｉａｃ１は、一次側ブリッジ回路１３０の交流電流（トランス３０の一次巻線３１に流れる電流）を示す。

【0071】

図８では、Ｅ１／Ｅ２（＝０．５）は所定値Ｂ（＝０．７５）よりも小さいため、一実施形態の制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０をフルブリッジ回路として動作させる。

【0072】

一実施形態の制御装置１５０は、ある周波数で一次側ブリッジ回路１３０をスイッチングすることで、電圧Ｖ１を正電圧および負電圧の間でスイッチングさせる。制御装置１５０は、アームＱ１及びアームＱ４をオンとし且つアームＱ２及びアームＱ３をオフとする制御信号ｇ１～ｇ４を一次側ブリッジ回路１３０に供給することにより、電圧Ｖ１を正電圧"Ｅ１"とすることができる。また、制御装置１５０は、アームＱ１及びアームＱ４をオフとし且つアームＱ２及びアームＱ３をオンとする制御信号ｇ１～ｇ４を一次側ブリッジ回路１３０に供給することにより、電圧Ｖ１を負電圧"－Ｅ１"とすることができる。

【0073】

一実施形態の制御装置１５０は、一次側ブリッジ回路１３０と同じ周波数で二次側ブリッジ回路１４０をスイッチングさせることで、電圧Ｖ２を正電圧および負電圧の間でスイッチングさせる。制御装置１５０は、アームＱ５をオンとし且つアームＱ６をオフとする制御信号ｇ５，ｇ６を二次側ブリッジ回路１４０に供給することにより、電圧Ｖ２を正電圧"Ｅ２／２"とすることができる。また、制御装置１５０は、アームＱ５をオフとし且つアームＱ６をオンとする制御信号ｇ５，ｇ６を二次側ブリッジ回路１４０に供給することにより、電圧Ｖ２を負電圧"－Ｅ２／２"とすることができる。

【0074】

制御装置１５０は、電圧Ｖ１のスイッチングと電圧Ｖ２のスイッチングとの間に位相差δを持たせる。

【0075】

図８において、電圧Ｖ１の極性と電圧Ｖ２の極性が一致する期間Ｔ２，Ｔ４では、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差が零に近づいている。このため、期間Ｔ２の中間タイミングにおいて、電流Ｉａｃ１の流れる向きは正のまま反転していないし、期間Ｔ４の中間タイミングにおいて、電流Ｉａｃ１の流れる向きは負のまま反転していない。

【0076】

期間Ｔ２における正の電流Ｉａｃ１は、オン状態のアームＱ１，Ｑ４に流れていることを表し、期間Ｔ４における負の電流Ｉａｃ１は、オン状態のアームＱ２，Ｑ３に流れていることを表す。期間Ｔ２の終了時点でアームＱ１，Ｑ４がオフになると、正の電流Ｉａｃ１は、オフ状態のアームＱ２，Ｑ３それぞれに逆並列に接続される還流ダイオードＤ２，Ｄ３に流れる。そして、還流ダイオードＤ２，Ｄ３が導通している状態でアームＱ２，Ｑ３がオンになるとＺＶＳが達成する。同様に、期間Ｔ４の終了時点でアームＱ２，Ｑ３がオフになると、負の電流Ｉａｃ１は、オフ状態のアームＱ１、Ｑ４それぞれに逆並列に接続される還流ダイオードＤ１，Ｄ４に流れる。そして、還流ダイオードＤ１，Ｄ４が導通している状態でアームＱ１，Ｑ４がオンになるとＺＶＳが達成する。このように、図８では、高圧側（二次側）および低圧側の両側は、ＺＶＳを達成できていることがわかる。したがって、一実施形態の電力変換装置１００は、一比較形態の電力変換装置２００に比較して、スイッチング損失が低減する。

【0077】

また、図８は、図７に比べて、交流の電流Ｉａｃ１のピーク値および無効電流（循環電流）成分が大幅に減少している。これにより、電力変換装置１００の損失が更に低減し、電力変換装置１００の電力変換効率が向上する。

【0078】

このように、本実施形態の電力変換装置１００及びその制御方法によれば、スイッチング損失の増大を抑制することができる。

【0079】

また、一次側ブリッジ回路１３０の直流電圧Ｅ１の最大変動幅は、二次側ブリッジ回路１４０の直流電圧Ｅ２の最大変動幅よりも大きい場合、スイッチング損失の増大を抑制する効果が高まる。制御装置１５０は、Ｅ１とＥ２の比に応じて、直流電圧の変動幅が大きい方のブリッジ回路（この場合、一次側ブリッジ回路１３０）をハーフブリッジ回路として動作させるのかフルブリッジ回路として動作させるのか切り替える。したがって、変動幅が相対的に大きな直流電圧Ｅ１の値に応じて、ハーフブリッジ回路として動作させるのかフルブリッジ回路として動作させるのかを適切に選択可能となる。

【0080】

なお、ＺＶＳとは、スイッチング素子の第１主端子と第２主端子との間の電圧が略零の状態（具体的には、スイッチング素子に並列に存在するダイオードに順方向電流が流れている状態）で当該スイッチングをオンさせることをいう。ハードスイッチングとは、スイッチング素子の第１主端子と第２主端子との間に略零でない電圧が印加されている状態（具体的には、スイッチング素子に並列に存在するダイオードに順方向電流が流れていない状態）で当該スイッチングをオンさせることをいう。

【0081】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0082】

例えば、二次側ブリッジ回路１４０を一次側ブリッジ回路とし、一次側ブリッジ回路１３０を二次側ブリッジ回路と定義してもよい。

【符号の説明】

【0083】

１００ 電力変換装置
１１，１２，１３，１４ レグ
２１，２２，２３ ブリッジ部分
３０ トランス
３１ 一次巻線
３２ 二次巻線
５１ 電流制御部
５２ スイッチ制御部
５３ 制御信号生成部
１３０ 一次側ブリッジ回路
１４０ 二次側ブリッジ回路
１５０ 制御装置
１６０ 一次側ＧＤＵ
１７０ 二次側ＧＤＵ
１８０ スイッチ駆動部
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｄ１～Ｄ８ 還流ダイオード
Ｑ１～Ｑ８ アーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】