(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】P2024145289
(43)【公開日】2024-10-15
(54)【発明の名称】双方向コンバータ
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20241004BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 P
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023057578
(22)【出願日】2023-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】000000262
【氏名又は名称】株式会社ダイヘン
(74)【代理人】
【識別番号】100135389
【弁理士】
【氏名又は名称】臼井 尚
(74)【代理人】
【識別番号】100168044
【弁理士】
【氏名又は名称】小淵 景太
(72)【発明者】
【氏名】山根 康嗣
(72)【発明者】
【氏名】五十棲 健太
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AA02
5H730AS04
5H730AS05
5H730AS08
5H730AS17
5H730BB13
5H730BB14
5H730BB57
5H730DD02
5H730DD16
5H730EE59
5H730FD01
5H730FD11
5H730FD31
5H730FG05
5H730FV00
(57)【要約】
【課題】昇圧状態と降圧状態とが切り替わる時にオーバーシュートまたはアンダーシュートが発生することを抑制可能な双方向コンバータを提供する。
【解決手段】双方向コンバータＡ１では、電力変換回路１は、第１端子対Ｔ１および第２端子対Ｔ２の一方を一次側、他方を二次側として、一次側から二次側に、昇圧して電力伝送を行う昇圧モードと、降圧して電力伝送を行う降圧モードと、昇圧および降圧での電力伝送を選択的に行う昇降圧モードとで、動作可能である。昇降圧モードでは、昇圧状態と降圧状態とで複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御が共通する。昇圧モードと降圧モードとは、昇降圧モードを介して切り替わる。制御部４は、一次側から二次側への伝送電力の値が閾値（切替判定値）よりも小さい時に、昇降圧モードへの移行を許可し、且つ、伝送電力の値が閾値（切替判定値）以上の時に、昇降圧モードへの移行を禁止する。
【選択図】図１
【解決手段】双方向コンバータＡ１では、電力変換回路１は、第１端子対Ｔ１および第２端子対Ｔ２の一方を一次側、他方を二次側として、一次側から二次側に、昇圧して電力伝送を行う昇圧モードと、降圧して電力伝送を行う降圧モードと、昇圧および降圧での電力伝送を選択的に行う昇降圧モードとで、動作可能である。昇降圧モードでは、昇圧状態と降圧状態とで複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御が共通する。昇圧モードと降圧モードとは、昇降圧モードを介して切り替わる。制御部４は、一次側から二次側への伝送電力の値が閾値（切替判定値）よりも小さい時に、昇降圧モードへの移行を許可し、且つ、伝送電力の値が閾値（切替判定値）以上の時に、昇降圧モードへの移行を禁止する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１高電位側端子および第１低電位側端子を含む第１端子対と、
第２高電位側端子および第２低電位側端子を含む第２端子対と、
複数のスイッチング素子、インダクタ、および、前記複数のスイッチング素子のうちの対応する１つにそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオードを含み、前記第１端子対および前記第２端子対の間で双方向の電力伝送が可能な電力変換回路と、
前記複数のスイッチング素子の各々のオンとオフとを切り替える駆動制御を行う制御部と、
を備え、
前記複数のスイッチング素子は、前記第１高電位側端子と前記インダクタの一端とに接続された第１スイッチング素子と、前記第１低電位側端子と前記インダクタの前記一端とに接続された第２スイッチング素子と、前記第２高電位側端子と前記インダクタの他端とに接続された第３スイッチング素子と、前記第２低電位側端子と前記インダクタの前記他端とに接続された第４スイッチング素子と、を含み、
前記電力変換回路は、前記第１端子対および前記第２端子対の一方を一次側、前記第１端子対および前記第２端子対の他方を二次側として、前記一次側から前記二次側に昇圧して電力伝送を行う昇圧モードと、前記一次側から前記二次側に降圧して電力伝送を行う降圧モードと、前記一次側から前記二次側に昇圧および降圧での電力伝送を選択的に行う昇降圧モードとで、動作可能であり、
前記昇降圧モードでは、昇圧状態と降圧状態とで前記複数のスイッチング素子の前記駆動制御が共通し、
前記昇圧モードと前記降圧モードとは、前記昇降圧モードを介して切り替わり、
前記制御部は、前記一次側から前記二次側への伝送電力の値が閾値よりも小さい時に、前記昇降圧モードへの移行を許可し、且つ、前記伝送電力の値が前記閾値以上の時に、前記昇降圧モードへの移行を禁止する、双方向コンバータ。
第２高電位側端子および第２低電位側端子を含む第２端子対と、
複数のスイッチング素子、インダクタ、および、前記複数のスイッチング素子のうちの対応する１つにそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオードを含み、前記第１端子対および前記第２端子対の間で双方向の電力伝送が可能な電力変換回路と、
前記複数のスイッチング素子の各々のオンとオフとを切り替える駆動制御を行う制御部と、
を備え、
前記複数のスイッチング素子は、前記第１高電位側端子と前記インダクタの一端とに接続された第１スイッチング素子と、前記第１低電位側端子と前記インダクタの前記一端とに接続された第２スイッチング素子と、前記第２高電位側端子と前記インダクタの他端とに接続された第３スイッチング素子と、前記第２低電位側端子と前記インダクタの前記他端とに接続された第４スイッチング素子と、を含み、
前記電力変換回路は、前記第１端子対および前記第２端子対の一方を一次側、前記第１端子対および前記第２端子対の他方を二次側として、前記一次側から前記二次側に昇圧して電力伝送を行う昇圧モードと、前記一次側から前記二次側に降圧して電力伝送を行う降圧モードと、前記一次側から前記二次側に昇圧および降圧での電力伝送を選択的に行う昇降圧モードとで、動作可能であり、
前記昇降圧モードでは、昇圧状態と降圧状態とで前記複数のスイッチング素子の前記駆動制御が共通し、
前記昇圧モードと前記降圧モードとは、前記昇降圧モードを介して切り替わり、
前記制御部は、前記一次側から前記二次側への伝送電力の値が閾値よりも小さい時に、前記昇降圧モードへの移行を許可し、且つ、前記伝送電力の値が前記閾値以上の時に、前記昇降圧モードへの移行を禁止する、双方向コンバータ。
【請求項2】
前記電力変換回路は、前記第１端子対に印加される第１電圧と前記第２端子対に印加される第２電圧との電圧差の絶対値が設定値よりも大きい時に、前記昇圧モードまたは前記降圧モードで動作し、前記電圧差の絶対値が設定値以下である時に、前記昇降圧モードで動作する、請求項１に記載の双方向コンバータ。
【請求項3】
前記制御部は、前記伝送電力の値が前記閾値以上の時、前記電圧差の絶対値が前記設定値よりも大きい状態を維持するように、前記複数のスイッチング素子の駆動を制御する、請求項２に記載の双方向コンバータ。
【請求項4】
前記制御部は、制御信号生成部と、ＰＷＭ信号生成部と、駆動信号生成部と、切替可否判定部と、動作モード判定部とを含み、
前記制御信号生成部は、前記電力変換回路に流れる制御対象電流の検出値および設定値に基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々のスイッチングを制御するための制御信号を生成し、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、
前記切替可否判定部は、前記伝送電力の値と前記閾値との比較により、前記昇降圧モードへの移行を許可するか禁止するかを判定し、
前記動作モード判定部は、前記昇圧モード、前記降圧モードおよび前記昇降圧モードのいずれの動作モードであるかを判定し、
前記駆動信号生成部は、前記ＰＷＭ信号と前記動作モードの判定結果とに基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々に入力する駆動信号を生成しており、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記切替可否判定部が前記昇降圧モードへの移行を禁止すると判定した場合、前記電圧差の絶対値が前記設定値よりも大きい状態を維持するように前記制御信号に制限を加える、請求項３に記載の双方向コンバータ。
前記制御信号生成部は、前記電力変換回路に流れる制御対象電流の検出値および設定値に基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々のスイッチングを制御するための制御信号を生成し、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、
前記切替可否判定部は、前記伝送電力の値と前記閾値との比較により、前記昇降圧モードへの移行を許可するか禁止するかを判定し、
前記動作モード判定部は、前記昇圧モード、前記降圧モードおよび前記昇降圧モードのいずれの動作モードであるかを判定し、
前記駆動信号生成部は、前記ＰＷＭ信号と前記動作モードの判定結果とに基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々に入力する駆動信号を生成しており、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記切替可否判定部が前記昇降圧モードへの移行を禁止すると判定した場合、前記電圧差の絶対値が前記設定値よりも大きい状態を維持するように前記制御信号に制限を加える、請求項３に記載の双方向コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、双方向コンバータに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、２つの電圧源の間で双方向に電力変換を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが知られている。例えば、特許文献１には、従来の双方向コンバータが開示されている。特許文献１に記載の双方向コンバータは、昇降圧部と、スイッチング制御部と、を備える。
【0003】
昇降圧部は、第１ないし第４のスイッチ素子と、インダクタとを有する。また、昇降圧部は、第１の電圧源が接続される第１の端子対（第１の入出力端子および第１の基準端子）と、第２の電圧源が接続される第２の端子対（第２の入出力端子および第２の基準端子）とを有する。昇降圧部は、スイッチング制御部の制御に基づいて、第１の電圧源から第２の電圧源に電力伝送する場合と、第２の電圧源から第１の電圧源に電力伝送する場合とのそれぞれで、降圧動作または昇圧動作を行う。
【0004】
スイッチング制御部は、第１の端子対から第２の端子対に電力伝送する場合、第２及び第４のスイッチ素子をオフしたまま、降圧動作時には第１のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に第３のスイッチ素子をオフにし、昇圧動作時には第１のスイッチ素子をオンすると共に第３のスイッチ素子のスイッチングを制御する。一方、第２の端子対から第１の端子対に電力伝送する場合、第１及び第３のスイッチ素子をオフしたまま、降圧動作時には第４のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に第２のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時には第４のスイッチ素子をオンすると共に第２のスイッチ素子のスイッチングを制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１２－２０５４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載の双方向コンバータにおいて、上記のように第１ないし第４のスイッチング素子のスイッチングを制御すると、第１の端子対に印加される電圧と第２の端子対に印加される電圧との大小が切り替わる時（昇圧状態と降圧状態とが切り替わる時）に、オーバーシュートまたはアンダーシュートが発生することがある。オーバーシュートおよびアンダーシュートは、内部回路および外部回路（外部の電源および負荷など）の各々の破壊または寿命を短くする要因であるとともに、第１の端子対および第２の端子対間の電圧変換に悪影響を及ぼす。
【0007】
本開示は、上記事情に鑑みて考え出されたものであり、その目的は、昇圧状態と降圧状態とが切り替わる時にオーバーシュートおよびアンダーシュートが発生することを抑制可能な双方向コンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の双方向コンバータは、第１高電位側端子および第１低電位側端子を含む第１端子対と、第２高電位側端子および第２低電位側端子を含む第２端子対と、複数のスイッチング素子、インダクタ、および、前記複数のスイッチング素子のうちの対応する１つにそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオードを含み、前記第１端子対および前記第２端子対の間で双方向の電力伝送が可能な電力変換回路と、前記複数のスイッチング素子の各々のオンとオフとを切り替える駆動制御を行う制御部と、を備え、前記複数のスイッチング素子は、前記第１高電位側端子と前記インダクタの一端とに接続された第１スイッチング素子と、前記第１低電位側端子と前記インダクタの前記一端とに接続された第２スイッチング素子と、前記第２高電位側端子と前記インダクタの他端とに接続された第３スイッチング素子と、前記第２低電位側端子と前記インダクタの前記他端とに接続された第４スイッチング素子と、を含み、前記電力変換回路は、前記第１端子対および前記第２端子対の一方を一次側、前記第１端子対および前記第２端子対の他方を二次側として、前記一次側から前記二次側に昇圧して電力伝送を行う昇圧モードと、前記一次側から前記二次側に降圧して電力伝送を行う降圧モードと、前記一次側から前記二次側に昇圧および降圧での電力伝送を選択的に行う昇降圧モードとで、動作可能であり、前記昇降圧モードでは、昇圧状態と降圧状態とで前記複数のスイッチング素子の前記駆動制御が共通し、前記昇圧モードと前記降圧モードとは、前記昇降圧モードを介して切り替わり、前記制御部は、前記一次側から前記二次側への伝送電力の値が閾値よりも小さい時に、前記昇降圧モードへの移行を許可し、且つ、前記伝送電力の値が前記閾値以上の時に、前記昇降圧モードへの移行を禁止する。
【0009】
前記双方向コンバータの好ましい実施の形態において、前記電力変換回路は、前記第１端子対に印加される第１電圧と前記第２端子対に印加される第２電圧との電圧差の絶対値が設定値よりも大きい時に、前記昇圧モードまたは前記降圧モードで動作し、前記電圧差の絶対値が設定値以下である時に、前記昇降圧モードで動作する。
【0010】
前記双方向コンバータの好ましい実施の形態において、前記制御部は、前記伝送電力の値が前記閾値以上の時、前記電圧差の絶対値が前記設定値よりも大きい状態を維持するように、前記複数のスイッチング素子の駆動を制御する。
【0011】
前記双方向コンバータの好ましい実施の形態において、前記制御部は、制御信号生成部と、ＰＷＭ信号生成部と、駆動信号生成部と、切替可否判定部と、動作モード判定部とを含み、前記制御信号生成部は、前記電力変換回路に流れる制御対象電流の検出値および設定値に基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々のスイッチングを制御するための制御信号を生成し、前記ＰＷＭ信号生成部は、前記制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記切替可否判定部は、前記伝送電力の値と前記閾値との比較により、前記昇降圧モードへの移行を許可するか禁止するかを判定し、前記動作モード判定部は、前記昇圧モード、前記降圧モードおよび前記昇降圧モードのいずれの動作モードであるかを判定し、前記駆動信号生成部は、前記ＰＷＭ信号と前記動作モードの判定結果とに基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々に入力する駆動信号を生成しており、前記ＰＷＭ信号生成部は、前記切替可否判定部が前記昇降圧モードへの移行を禁止すると判定した場合、前記電圧差の絶対値が前記設定値よりも大きい状態を維持するように前記制御信号に制限を加える。
【発明の効果】
【0012】
本開示の双方向コンバータでは、昇圧モードと降圧モードとは、昇降圧モードを介して切り替わる。この昇降圧モードでは、各スイッチング素子の駆動制御は、昇圧状態でも降圧状態でも共通する。この構成によれば、昇圧状態と降圧状態とが切り替わるタイミングにおいて、電力変換回路における電流の流れが同じとなる。したがって、本開示の双方向コンバータによれば、昇圧状態と降圧状態とが切り替わる時に、電力変換回路における電流の流れに変化が生じないので、オーバーシュートおよびアンダーシュートの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】一実施形態に係る双方向コンバータを示す全体構成図である。
【図2】一実施形態に係る双方向コンバータの適用例を示す構成図である。
【図3】一実施形態に係る双方向コンバータの各動作モードと各信号との関係を示す表である。
【図4】一実施形態に係る双方向コンバータの各動作モード（第１昇圧モード、第１昇降圧モードおよび第１降圧モード）における制御状態を示す図である。
【図5】一実施形態に係る双方向コンバータの各動作モード（第２昇圧モード、第２昇降圧モードおよび第２降圧モード）における制御状態を示す図である。
【図6】一実施形態に係る双方向コンバータの制御部の詳細な構成例を示す機能ブロック図である。
【図7】一実施形態に係る双方向コンバータの制御部が行う動作モードの判定処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本開示の双方向コンバータの好ましい実施の形態について、図面を参照して、以下に説明する。
【0015】
図１は、第１実施形態に係る双方向コンバータＡ１を示している。双方向コンバータＡ１は、第１端子対Ｔ１、第２端子対Ｔ２、電力変換回路１、電流検出器２１、３つの設定部３１，３２，３３、制御部４および２つの検出部５１，５２を備える。
【0016】
電力変換回路１は、第１電圧源Ｂ１と第２電圧源Ｂ２の間に電気的に接続される。第１電圧源Ｂ１は、第１端子対Ｔ１に接続され、第２電圧源Ｂ２は、第２端子対Ｔ２に接続される。第１端子対Ｔ１は、第１高電位側端子Ｔ１１および第１低電位側端子Ｔ１２を含み、第２端子対Ｔ２は、第２高電位側端子Ｔ２１および第２低電位側端子Ｔ２２を含む。第１端子対Ｔ１には、第１電圧源Ｂ１の電源電圧が印加されており、第２端子対Ｔ２には、第２電圧源Ｂ２の電源電圧が印加されている。以下では、第１電圧源Ｂ１の電源電圧を「第１電圧Ｅ１」といい、第２電圧源Ｂ２の電源電圧を「第２電圧Ｅ２」という。よって、第１端子対Ｔ１には、第１電圧Ｅ１が印加され、第２端子対Ｔ２には、第２電圧Ｅ２が印加される。第１低電位側端子Ｔ１２と第２低電位側端子Ｔ２２とは、電気的に接続されており、同電位である。電力変換回路１は、これらの第１端子対Ｔ１と第２端子対Ｔ２との間で電力を双方向に伝送可能である。以下において、第１端子対Ｔ１から第２端子対Ｔ２に電力が伝送されている時の電力伝送方向を「第１方向」、第２端子対Ｔ２から第１端子対Ｔ１に電力が転送されている時の電力伝送方向を「第２方向」ということがある。電力伝送方向が第１方向（Ｔ１→Ｔ２）である時、第１端子対Ｔ１が一次側であり、第２端子対Ｔ２が二次側である。一方、電力伝送方向が第２方向（Ｔ２→Ｔ１）である時、第２端子対Ｔ２が一次側であり、第１端子対Ｔ１が二次側である。
【0017】
電力変換回路１は、４つのスイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４およびインダクタＬ１を含む。スイッチ部ＳＷ１およびスイッチ部ＳＷ２は、互いに直列に接続されて、第１端子対Ｔ１に接続されている。図示された例では、スイッチ部ＳＷ１は、第１端子対Ｔ１の第１高電位側端子Ｔ１１に接続され、スイッチ部ＳＷ２は、第１端子対Ｔ１の第１低電位側端子Ｔ１２に接続されている。スイッチ部ＳＷ３およびスイッチ部ＳＷ４は、互いに直列に接続されて、第２端子対Ｔ２に接続されている。図示された例では、スイッチ部ＳＷ３は、第２端子対Ｔ２の第２高電位側端子Ｔ２１に接続され、スイッチ部ＳＷ４は、第２端子対Ｔ２の第２低電位側端子Ｔ２２に接続されている。インダクタＬ１は、２つのスイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２の直列回路と、２つのスイッチ部ＳＷ３，ＳＷ４の直列回路との間に電気的に接続される。４つのスイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４は、以上のように接続されることで、Ｈブリッジ回路を構成する。特に、本開示の双方向コンバータＡ１では、図１に示すように、スイッチ部ＳＷ１の高電位側と、スイッチ部ＳＷ３の高電位側とが接続されていないことから、４つのスイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４は、オープンＨブリッジ回路である。
【0018】
図１に示すように、４つのスイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４はそれぞれ、４つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のうちの対応する１つと４つのダイオードＤ１～Ｄ４のうちの対応する１つとを含む。
【0019】
各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、例えばトランジスタである。当該トランジスタの種類は、何ら限定されないが、例えばバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）あるいはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが採用される。図１に示す例では、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、バイポーラトランジスタである。各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４には、制御部４から駆動信号（例えばオン信号、オフ信号およびＰＷＭ信号）が入力される。各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、入力される駆動信号に基づいて、常時オン状態、常時オフ状態およびスイッチング状態のいずれかで動作する。スイッチング状態では、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオン（導通状態）とオフ（遮断状態）とが交互に切り替わる。スイッチング素子Ｑ１は、第１高電位側端子Ｔ１１とインダクタＬ１の一端とに接続されている。スイッチング素子Ｑ２は、第１低電位側端子Ｔ１２とインダクタＬ１の一端とに接続されている。スイッチング素子Ｑ３は、第２高電位側端子Ｔ２１とインダクタＬ１の他端とに接続されている。スイッチング素子Ｑ４は、第２低電位側端子Ｔ２２とインダクタＬ１の他端とに接続されている。
【0020】
ダイオードＤ１は、スイッチ部ＳＷ１において、スイッチング素子Ｑ１に逆並列に接続されている。同様に、ダイオードＤ２は、スイッチ部ＳＷ２において、スイッチング素子Ｑ２に逆並列に接続され、ダイオードＤ３は、スイッチ部ＳＷ３において、スイッチング素子Ｑ３に逆並列に接続され、ダイオードＤ４は、スイッチ部ＳＷ４において、スイッチング素子Ｑ４に逆並列に接続されている。なお、各ダイオードＤ１～Ｄ４は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４と異なる部品であってもよいし、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に内蔵されるダイオード成分であってもよい。
【0021】
本実施形態では、各スイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４は、高電位側から低電位側に電流が流れる状態と、低電位側から高電位側に電流が流れる状態と、電流が流れない状態とがある。例えば、スイッチ部ＳＷ１において、高電位側から低電位側に電流が流れている状態では、スイッチング素子Ｑ１に電流が流れる。また、スイッチ部ＳＷ１において、低電位側から高電位側に電流が流れている状態では、ダイオードＤ１に電流が流れる。スイッチ部ＳＷ１において、電流が流れない状態では、スイッチング素子Ｑ１にもダイオードＤ１にも電流が流れない。このことは、他のスイッチ部ＳＷ２～ＳＷ４においても同様である。
【0022】
電力変換回路１は、第１電圧Ｅ１および第２電圧Ｅ２の大小関係と、第１端子対Ｔ１と第２端子対Ｔ２との間の電力伝送方向（第１方向か第２方向か）とによって、昇圧モード、降圧モードおよび昇降圧モードのいずれかの動作モードで動作する。これらの昇圧モード、降圧モードよび昇降圧モードは、電力伝送方向が第１方向である場合と、電力伝送方向が第２方向である場合とでそれぞれで存在する。なお、理解の便宜上、電力伝送方向が第１方向である場合の昇圧モード、降圧モードおよび昇降圧モードをそれぞれ、第１昇圧モード、第１降圧モード、第１昇降圧モードといい、電力の伝送方向が第２方向である場合の昇圧モード、降圧モードおよび昇降圧モードをそれぞれ、第２昇圧モード、第２降圧モード、第２昇降圧モードということがある。昇圧モード、降圧モードおよび昇降圧モードでの各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御は、互いに異なる。
【0023】
昇圧モードは、一次側から二次側に昇圧して電力伝送を行う動作モードである。第１昇圧モードでは、第１端子対Ｔ１が一次側となり、且つ第２端子対Ｔ２が二次側となって、電力変換回路１は、第１端子対Ｔ１に入力される電圧を、昇圧して第２端子対Ｔ２から出力する。第２昇圧モードでは、第２端子対Ｔ２が一次側となり、第１端子対Ｔ１が二次側となって、電力変換回路１は、第２端子対Ｔ２に入力される電圧を、昇圧して第１端子対Ｔ１から出力する。
【0024】
降圧モードは、一次側から二次側に降圧して電力伝送を行う動作モードである。第１降圧モードでは、第１端子対Ｔ１が一次側となり、且つ第２端子対Ｔ２が二次側となって、電力変換回路１は、第１端子対Ｔ１に入力される電圧を、降圧して第２端子対Ｔ２から出力する。第２降圧モードでは、第２端子対Ｔ２が一次側となり、第１端子対Ｔ１が二次側となって、電力変換回路１は、第２端子対Ｔ２に入力される電圧を、降圧して第１端子対Ｔ１から出力する。
【0025】
昇降圧モードは、一次側から二次側に昇圧および降圧での電力伝送を選択的に行う動作モードである。第１昇降圧モードでは、第１端子対Ｔ１が一次側となり、且つ第２端子対Ｔ２が二次側となって、電力変換回路１は、第１端子対Ｔ１に入力される電圧を、昇圧または降圧して第２端子対Ｔ２から出力する。第２昇降圧モードでは、第２端子対Ｔ２が一次側となり、且つ第１端子対Ｔ１が二次側となって、電力変換回路１は、第２端子対Ｔ２に入力される電圧を、昇圧または降圧して第１端子対Ｔ１から出力する。昇降圧モード（第１昇降圧モードおよび第２昇降圧モードの各々）では、昇圧する場合でも降圧する場合でも、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御は共通する。
【0026】
双方向コンバータＡ１において、昇圧モードと降圧モードとは、昇降圧モードを介して、切り替わる。よって、昇圧モードから降圧モードに切り替わる際には、まず、昇圧モードから昇降圧モードに切り替わる。そして、当該昇降圧モードで、第１電圧Ｅ１と第２電圧Ｅ２との大小関係が切り替わった後、昇降圧モードから降圧モードに切り替わる。反対に、降圧モードから昇圧モードに切り替わる際には、まず、降圧モードから昇降圧モードに切り替わる。そして、当該昇降圧モードで第１電圧Ｅ１と第２電圧Ｅ２との大小関係が切り替わった後、昇降圧モードから昇圧モードに切り替わる。つまり、第１電圧Ｅ１と第２電圧Ｅ２との大小関係は、昇降圧モードで動作している時に反転する。
【0027】
双方向コンバータＡ１では、昇圧モードまたは降圧モードから昇降圧モードに移行する際、電力変換回路１の一次側から二次側への伝送電力の値が閾値よりも小さい時に、昇降圧モードへの切り替えを許可する。一方、電力変換回路１の一次側から二次側への伝送電力の値が閾値以上である時、昇降圧モードへの切り替えを許可しない（禁止する）。以下では、この閾値を「切替判定値」ということがある。本実施形態では、電力変換回路１の一次側から二次側への伝送電力の値として、電力変換回路１の出力電力（二次側の電力）を用いるが、電力変換回路１の入力電力（一次側の電力）を用いてもよい。
【0028】
図２は、双方向コンバータＡ１の適用例を示している。図２（ａ）は、双方向コンバータＡ１を太陽光発電システムに用いた例である。図２（ｂ）は、双方向コンバータＡ１をＥＶ（Electric Vehicle）充放電システムに用いた例である。図２（ｃ），（ｄ）は、双方向コンバータＡ１を蓄電システムと太陽光発電システムとの複合システムに用いた例である。図２（ｅ）は、双方向コンバータＡ１をＶ２Ｘ（Vehicle to Everything）システムと太陽光発電システムとの複合システムに用いた例である。図２（ａ）～（ｅ）において、Ｋ１は系統電源、ＰＣＳはパワーコンディショナ、ＰＶは太陽光パネル、ＥＶは電気自動車、Ｂａｔｔは蓄電池、ＦＣは周波数変換装置、Ｓｔｄは充放電スタンドを示している。なお、図２（ａ）～（ｅ）に示す双方向コンバータＡ１の適用例は、一例であって、これらに限定されない。双方向コンバータＡ１の電力変換回路１は、双方向の電力伝送が可能であるが、一方向に電力伝送を行うものに適用することも可能である。図２（ｂ）に示す例において、双方向コンバータＡ１は、パワーコンディショナＰＣＳと電気自動車ＥＶとの間に接続される。そして、双方向コンバータＡ１は、パワーコンディショナＰＣＳを介して入力される電力を変換して、電気自動車ＥＶに出力することで、電気自動車ＥＶの充電を行う。一方、双方向コンバータＡ１は、電気自動車ＥＶから入力される電力を変換して、パワーコンディショナＰＣＳに出力することで、電気自動車ＥＶの放電を行う。
【0029】
電流検出器２１は、電力変換回路１に流れる制御対象電流として、第２低電位側端子Ｔ２２に流れる電流（二次電流Ｉ2）を検出する。電流検出器２１は、二次電流Ｉ2の検出値に応じた検出信号を、制御部４（後述の制御信号生成部４１）に出力する。図１から理解されるように、二次電流Ｉ2の検出値は、第２低電位側端子Ｔ２２から各スイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４側に電流が流れている時に、正の値となる。なお、電流検出器２１は、第２低電位側端子Ｔ２２に流れる電流ではなく、第１高電位側端子Ｔ１１、第１低電位側端子Ｔ１２または第２高電位側端子Ｔ２１に流れる電流を検出するものであってもよい。
【0030】
検出部５１は、第１端子対Ｔ１における電気的な特性値を検出する。検出部５１は、第１端子対Ｔ１に印加される第１電圧Ｅ１（すなわち第１電圧源Ｂ１の電源電圧）を検出する電圧検出器５１１と、第１端子対Ｔ１における第１電力Ｐ１を検出する電力検出器５１２とを含む。検出部５１の出力（第１電圧Ｅ１の検出値および第１電力Ｐ１の検出値）は、制御部４に出力される。
【0031】
検出部５２は、第２端子対Ｔ２における電気的な特性値を検出する。検出部５２は、第２端子対Ｔ２に印加される第２電圧Ｅ２（すなわち第２電圧源Ｂ２の電源電圧）を検出する電圧検出器５２１と、第２端子対Ｔ２における第２電力Ｐ２を検出する電力検出器５２２とを含む。検出部５２の出力（第２電圧Ｅ２の検出値および第２電力Ｐ２の検出値）は、制御部４に出力される。
【0032】
設定部３１は、二次電流Ｉ2の設定を行う。設定部３１は、二次電流Ｉ2の設定値を、制御部４（後述の制御信号生成部４１）に出力する。二次電流Ｉ2の設定値は、例えば、第１端子対Ｔ１から第２端子対Ｔ２に電力伝送を行う時には、正の値であり、第２端子対Ｔ２から第１端子対Ｔ１に電力伝送を行う時には、負の値である。なお、設定部３１で設定する電流値は、電流検出器２１による電流の検出箇所に応じて、適宜変更される。
【0033】
設定部３２は、昇降圧モードへの切り替えを許可するか否かの判定するための閾値（上記切替判定値）の設定を行う。本実施形態では、先述の通り、切替判定値は、電力変換回路１の出力電力（二次側の電力）に対する値である。切替判定値は、たとえば双方向コンバータＡ１に規定される定格電力に対して設定され、一例では定格電力の２０％以下の値が設定される。本実施形態では、切替判定値は、昇圧モードから昇降圧モードへの切り替え時と、降圧モードから昇降圧モードへの切り替え時とで、同じ値が設定されるが、異なる値が設定されてもよい。設定部３２は、切替判定値の設定値を制御部４（後述の切替可否判定部４２）に出力する。
【0034】
設定部３３は、各動作モードにおいて、昇圧モードおよび降圧モードと、昇降圧モードとを切り替える切替電圧を設定する。設定部３３は、切替電圧の設定値を制御部４（後述の動作モード判定部４３）に出力する。
【0035】
制御部４は、複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の各々に駆動信号を入力することで、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンとオフとを切り替える駆動制御を行う。制御部４は、駆動信号として、ＰＷＭ信号、オン信号またはオフ信号を選択的に出力する。ＰＷＭ信号が入力されたスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、ＰＷＭ制御される。オン信号が入力されたスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、常時オンに制御される。オフ信号が入力されたスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、常時オフに制御される。図１に示すように、制御部４は、制御信号生成部４１、切替可否判定部４２、動作モード判定部４３、ＰＷＭ信号生成部４５および駆動信号生成部４７を含む。以下の説明において、ある出力がローレベルである信号を「Ｌ信号」といい、ある出力がハイレベルである信号を「Ｈ信号」という。先述のＰＷＭ信号は、ある出力がローレベルとハイレベルとを交互に繰り返す信号に相当する。また、Ｌ信号は、デューティ比が０％である信号に相当し、Ｈ信号は、デューティ比が１００％である信号に相当する。なお、ローレベルおよびハイレベルの具体的な大きさは、対応する出力ごとに設定される。
【0036】
制御信号生成部４１には、設定部３１の出力（二次電流Ｉ2の設定値）と電流検出器２１の出力（二次電流Ｉ2の検出値）とがそれぞれ入力される。制御信号生成部４１は、二次電流Ｉ2の値を設定部３１で設定された設定値にするための制御信号を生成する。制御信号生成部４１は、生成した制御信号をＰＷＭ信号生成部４５に出力する。
【0037】
切替可否判定部４２には、設定部３２の出力（切替判定値の設定値）と２つの電力検出器５１２，５２２の各出力（第１電力Ｐ１および第２電力Ｐ２の各検出値）とがそれぞれ入力される。切替可否判定部４２は、昇圧モードまたは降圧モードの時に、昇降圧モードへの切り替えを許可するか否かの判定を行う。切替可否判定部４２は、一次側から二次側への伝送電力の値が切替判定値よりも小さいか否かの判定を行う。例えば、切替可否判定部４２は、電力伝送方向が第１方向である時、第２電力Ｐ２が切替判定値よりも小さければ、昇降圧モード（第１昇降圧モード）への切り替えを許可し、第２電力Ｐ２が切替判定値以上であれば昇降圧モード（第１昇降圧モード）への切り替えを許可しない（禁止する）。一方、切替可否判定部４２は、電力伝送方向が第２方向である時、第１電力Ｐ１が切替判定値よりも小さければ昇降圧モード（第２昇降圧モード）への切り替えを許可し、第１電力Ｐ１が切替判定値以上であれば昇降圧モード（第２昇降圧モード）への切り替えを許可しない（禁止する）。切替可否判定部４２は、この判定結果を示す信号（以下「切替許可信号」という）を、動作モード判定部４３に出力する。切替許可信号は、昇降圧モードへの切り替えを許可する場合、Ｈ信号となり、昇降圧モードへの切り替えを許可しない（禁止する）場合、Ｌ信号となる。
【0038】
動作モード判定部４３には、設定部３３の出力（切替電圧の設定値）と２つの電圧検出器５１１，５２１の各出力（第１電圧Ｅ１および第２電圧Ｅ２の各検出値）がそれぞれ入力される。動作モード判定部４３は、動作モードの判定を行い、各動作モードに応じて昇圧許可信号および降圧許可信号を出力する。図３に示すように、動作モード判定部４３は、昇圧モードであると判定すると、昇圧許可信号をＨ信号に、降圧許可信号をＬ信号にする。また、降圧モードであると判定すると、昇圧許可信号をＬ信号に、降圧許可信号をＨ信号にする。また、昇降圧モードであると判定すると、昇圧許可信号および降圧許可信号をともにＬ信号にする。
【0039】
動作モード判定部４３は、電力変換回路１の一次側電圧と二次側電圧との電圧差（一次側電圧－二次側電圧）を演算する。電力伝送方向が第１方向である時、第１電圧Ｅ１が一次側電圧であり、第２電圧Ｅ２が二次側電圧である。一方、電力伝送方向が第２方向である時、第２電圧Ｅ２が一次側電圧であり、第１電圧Ｅ１が二次側電圧である。なお、動作モード判定部４３は、電力伝送方向が第１方向であるか第２方向であるかは、第１電力Ｐ１および第２電力Ｐ２の一方または両方、あるいは、二次電流Ｉ2に基づいて判断する。例えば、動作モード判定部４３は、二次電流Ｉ2が正の値である時に電力伝送方向が第１方向であると判断し、二次電流Ｉ2が負の値である時に電力伝送方向が第２方向であると判断する。動作モード判定部４３は、電圧差の絶対値が切替電圧よりも大きく（｜電圧差｜＞切替電圧）且つ電圧差が負の値（一次側電圧＜二次側電圧）である時、昇圧モードであると判定する。また、電圧差の絶対値が切替電圧よりも大きく（｜電圧差｜＞切替電圧）且つ電圧差が正の値（一次側電圧＞二次側電圧）である時、降圧モードであると判定する。また、電圧差の絶対値が切替電圧以下（｜電圧差｜≦切替電圧）である時、電圧差が正の値（一次側電圧＞二次側電圧）であるか負の値（一次側電圧＜二次側電圧）であるかに関わらず、昇降圧モードであると判定する。なお、昇圧モード、降圧モードおよび昇降圧モードの判定においては、上記電力伝送方向が第１方向であるか第２方向であるかに応じて、第１昇圧モードであるか第２昇圧モードであるか、第１降圧モードであるか第２降圧モードであるか、第１昇降圧モードであるか第２昇降圧モードであるかをそれぞれ判定する。なお、切替電圧は、第１電圧Ｅ１と第２電圧Ｅ２とに応じて適宜設定され、第１電圧Ｅ１および第２電圧Ｅ２の一方が０Ｖ～８００Ｖであり、他方が３００Ｖ～４５０Ｖである例において、例えば１００Ｖである。
【0040】
さらに、動作モード判定部４３は、切替可否判定部４２から入力される切替許可信号に基づいて、制限信号をＰＷＭ信号生成部４５に出力する。当該制限信号は、電圧維持制御を有効にするか否かを示す信号であり、電圧維持制御とは、上記電圧差の絶対値が切替電圧以下とならないように制限することである。動作モード判定部４３は、入力される切替許可信号がＬ信号である時、電圧維持制御を有効にするため、Ｈ信号の制限信号を生成し、入力される切替許可信号がＨ信号である時、電圧維持制御を無効にするため、Ｌ信号の制限信号を生成する。動作モード判定部４３は、生成した制限信号をＰＷＭ信号生成部４５に出力する。
【0041】
ＰＷＭ信号生成部４５には、制御信号生成部４１の出力（制御信号）と、動作モード判定部４３の出力（制限信号、昇圧許可信号および降圧許可信号）がそれぞれ入力される。ＰＷＭ信号生成部４５は、入力される制御信号、昇圧許可信号、降圧許可信号および制限信号を用いてＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部４５は、入力される制限信号がＬ信号である時（すなわち電圧維持制御が無効である時）、制御信号に応じたＰＷＭ信号を生成する。一方、制限信号がＨ信号である時（すなわち電圧維持制御が有効である時）、現在の動作モードが降圧モードであるか昇圧モードであるかに応じて、入力される制御信号のレベルに制限を加えて、ＰＷＭ信号を生成する。
【0042】
例えば、ＰＷＭ信号生成部４５は、降圧許可信号がＨ信号であり（降圧モードであり）且つ制限信号がＨ信号である時、入力される制御信号のレベルが第１所定値よりも大きければ、レベルを第１所定値に制限した制御信号を用いて、ＰＷＭ信号を生成する。一方、入力される制御信号のレベルが第１所定値以下であれば、入力される制御信号を用いてＰＷＭ信号を生成する。このように、降圧モードである場合の電圧維持制御では、制御信号が第１所定値以上とならないように制限を設けることで、生成されるＰＷＭ信号のデューティ比が一定以上とならないように制限する。これにより、一次側電圧から二次側電圧の降圧比の低下が制限されるので、上記電圧差の絶対値は、切替電圧以下とならないように制限される。上記第１所定値は、電圧差の絶対値が切替電圧以下とならないようにするための値であって、生成するＰＷＭ信号のデューティ比が一定値以上とならないようにするための値が設定される。
【0043】
また、ＰＷＭ信号生成部４５は、制限信号がＨ信号であり且つ昇圧許可信号がＨ信号である時、入力される制御信号のレベルが第２所定値よりも小さければ、レベルを第２所定値に制限した制御信号を用いて、ＰＷＭ信号を生成する。一方、入力される制御信号のレベルが第２所定値以上であれば、入力される制御信号を用いてＰＷＭ信号を生成する。このように、昇圧モードである場合の電圧維持制御では、制御信号が第２所定値以下とならないように制限を設けることで、生成されるＰＷＭ信号のデューティ比が一定以下とならないように制限する。これにより、一次側電圧から二次側電圧への昇圧比の低下が制限されるので、上記電圧差の絶対値は、切替電圧以下とならないように制限される。上記第２所定値は、電圧差の絶対値が切替電圧以下とならないようにするための値であって、生成するＰＷＭ信号のデューティ比が一定値以下とならないようにするための値が設定される。
【0044】
ＰＷＭ信号生成部４５は、以上のように生成したＰＷＭ信号を、駆動信号生成部４７に出力する。
【0045】
駆動信号生成部４７には、ＰＷＭ信号生成部４５の出力（ＰＷＭ信号）と動作モード判定部４３の各出力（昇圧許可信号および降圧許可信号）がそれぞれ入力される。駆動信号生成部４７は、入力されるＰＷＭ信号、昇圧許可信号および降圧許可信号を基に、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。
【0046】
本実施形態では、各動作モードにおける各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号は、次の通りである。第１昇圧モードの場合、図３に示すように、駆動信号生成部４７には、Ｈ信号の昇圧許可信号とＬ信号の降圧許可信号とが入力され、スイッチング素子Ｑ１がオン、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフ、スイッチング素子Ｑ４がＰＷＭ制御となるように、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。第１降圧モードの場合、図３に示すように、駆動信号生成部４７には、Ｌ信号の昇圧許可信号とＨ信号の降圧許可信号とが入力され、スイッチング素子Ｑ１がＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４がオフとなるように、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。第１昇降圧モードの場合、図３に示すように、駆動信号生成部４７には、Ｌ信号の昇圧許可信号とＬ信号の降圧許可信号とが入力され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフとなるように、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。この例とは異なり、第１昇降圧モードの場合、駆動信号生成部４７は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がＰＷＭ制御となるように、各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の駆動信号を生成してもよい。この場合の各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の駆動信号は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の駆動信号が反転した信号である。
【0047】
第２昇圧モードの場合、図３に示すように、駆動信号生成部４７には、Ｈ信号の昇圧許可信号とＬ信号の降圧許可信号とが入力され、スイッチング素子Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、スイッチング素子Ｑ２がＰＷＭ制御となるように、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。第２降圧モードの場合、図３に示すように、駆動信号生成部４７には、Ｌ信号の昇圧許可信号とＨ信号の降圧許可信号とが入力され、スイッチング素子Ｑ３がＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４がオフとなるように、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。第２昇降圧モードの場合、図３に示すように、駆動信号生成部４７には、Ｌ信号の昇圧許可信号とＬ信号の降圧許可信号とが入力され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオフとなるように、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動信号を生成する。この例とは異なり、第２昇降圧モードの場合、駆動信号生成部４７は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がＰＷＭ制御となるように、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の駆動信号を生成してもよい。この場合の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の駆動信号は、各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の駆動信号が反転した信号である。
【0048】
制御部４の構成は、上記した例（図１に示す例）に限定されない。図１に示す構成と異なり、切替許可信号が、切替可否判定部４２からＰＷＭ信号生成部４５に入力されるようにしてもよい。この場合、ＰＷＭ信号生成部４５は、入力される切替許可信号がＬ信号である時に、制御信号に制限を加える。
【0049】
図４および図５は、各動作モード（昇圧モード、降圧モードおよび昇降圧モード）における、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフの状態と流れる電流の状態とを示している。図４（ａ）は第１昇圧モードを、図４（ｂ）は第１昇降圧モードを、図４（ｃ）は第１降圧モードの時をそれぞれ示している。図５（ａ）は第２昇圧モードを、図５（ｂ）は第２昇降圧モードを、図５（ｃ）は第２降圧モードの時をそれぞれ示している。
【0050】
第１昇圧モードでは、図４（ａ）に示すように、制御部４は、スイッチング素子Ｑ１をオンにし、且つ２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の両方をオフにしたまま、スイッチング素子Ｑ４をスイッチングさせる。これにより、第１昇圧モードにおいて、電力変換回路１は、次の２つの状態を繰り返す。１つ目の状態では、図４（ａ）の上図に示すように、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４のそれぞれには、高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３のいずれにも電流が流れない。この時、第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）からインダクタＬ１に電力が供給される。２つ目の状態では、図４（ａ）の下図に示すように、スイッチ部ＳＷ１には、高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ３には、低電位側から高電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ４のそれぞれには電流が流れない。この時、第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）からインダクタＬ１に電力が供給されつつ、インダクタＬ１から第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）に電力が供給される。
【0051】
第１昇降圧モードでは、図４（ｂ）に示すように、制御部４は、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をスイッチングさせ、且つ２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の両方をオフにする。これにより、第１昇降圧モードにおいて、電力変換回路１は、次の２つの状態を繰り返す。１つ目の状態では、図４（ｂ）の上図に示すように、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４のそれぞれには高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３のそれぞれには電流が流れない。これにより、第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）からインダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。２つ目の状態では、図４（ｂ）の下図に示すように、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４のそれぞれには電流が流れず、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３には、低電位側から高電位側に電流が流れる。これにより、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが、第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）に放出される。なお、２つ目の状態において１つ目の状態からインダクタＬ１に電流が連続的に流れるため、２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がそれぞれオンになっても、各ダイオードＤ２，Ｄ３に電流が流れる。つまり、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３の各々では、低電位側から高電位側に電流が流れる。これは、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン電圧が各ダイオードＤ２，Ｄ３の順方向電圧よりも低ければ、同期整流と同じ効果が得られるためである。よって、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をオフにしなくても、各ダイオードＤ２，Ｄ３に電流を流すことができる。このため、先述の通り、第１昇降圧モードにおいて、２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は、ＰＷＭ制御されてもよい。
【0052】
第１降圧モードでは、図４（ｃ）に示すように、制御部４は、３つのスイッチング素子Ｑ２～Ｑ４のそれぞれオフにしたまま、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせる。これにより、第１降圧モードにおいて、電力変換回路１は、次の２つの状態を繰り返す。１つ目の状態では、図４（ｃ）の上図に示すように、スイッチ部ＳＷ１には高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ３には低電位側から高電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ４には電流が流れない。この時、第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）からインダクタＬ１に電極が供給されつつ、インダクタＬ１から第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）に電力が供給される。２つ目の状態では、図４（ｃ）の下図に示すように、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３には低電位側から高電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４には電流が流れない。この時、インダクタＬ１から第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）に電力が供給される。
【0053】
第２昇圧モードでは、図５（ａ）に示すように、制御部４は、スイッチング素子Ｑ３をオンにし、且つ２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の両方をオフにしたまま、スイッチング素子Ｑ２をスイッチングさせる。これにより、第２昇圧モードにおいて、電力変換回路１は、次の２つの状態を繰り返す。１つ目の状態では、図５（ａ）の上図に示すように、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３のそれぞれには、高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４のいずれにも電流が流れない。この時、第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）からインダクタＬ１に電力が供給される。２つ目の状態では、図５（ａ）の下図に示すように、スイッチ部ＳＷ３には、高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ１には、低電位側から高電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ４のそれぞれには電流が流れない。この時、第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）からインダクタＬ１に電力が供給されつつ、インダクタＬ１から第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）に電力が供給される。
【0054】
第２昇降圧モードでは、図５（ｂ）に示すように、制御部４は、２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をスイッチングさせ、且つ２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の両方をオフにする。これにより、第２昇降圧モードにおいて、電力変換回路１は、次の２つの状態を繰り返す。１つ目の状態では、図５（ｂ）の上図に示すように、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３のそれぞれには高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４のそれぞれには電流が流れない。これにより、第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）からインダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。２つ目の状態では、図５（ｂ）の下図に示すように、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３のそれぞれには電流が流れず、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４には、低電位側から高電位側に電流が流れる。これにより、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが、第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）に放出される。なお、２つ目の状態において１つ目の状態からインダクタＬ１に電流が連続的に流れるため、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がそれぞれオンになっても、各ダイオードＤ１，Ｄ４に電流が流れる。つまり、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４の各々では、低電位側から高電位側に電流が流れる。これは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のオン電圧が各ダイオードＤ１，Ｄ４の順方向電圧よりも低ければ、同期整流と同じ効果が得られるためである。よって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をオフにしなくても、各ダイオードＤ１，Ｄ４に電流を流すことができる。このため、先述の通り、第２昇降圧モードにおいて、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４は、ＰＷＭ制御されてもよい。
【0055】
第２降圧モードでは、図５（ｃ）に示すように、制御部４は、３つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４のそれぞれオフにしたまま、スイッチング素子Ｑ３をスイッチングさせる。これにより、第２降圧モードにおいて、電力変換回路１は、次の２つの状態を繰り返す。１つ目の状態では、図５（ｃ）の上図に示すように、スイッチ部ＳＷ３には高電位側から低電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ１には低電位側から高電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ４には電流が流れない。この時、第２電圧源Ｂ２（第２端子対Ｔ２）からインダクタＬ１に電極が供給されつつ、インダクタＬ１から第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）に電力が供給される。２つ目の状態では、図５（ｃ）の下図に示すように、スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ４には低電位側から高電位側に電流が流れ、スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３には電流が流れない。この時、インダクタＬ１から第１電圧源Ｂ１（第１端子対Ｔ１）に電力が供給される。
【0056】
次に、電力伝送方向が第１方向である場合における制御部４の詳細な構成例について、図６を参照して、説明する。図６は、電力伝送方向が第１方向である場合における制御部４の制御ブロック図を示している。当該制御ブロック図は、一例であって、これに限定されない。なお、本実施形態の双方向コンバータＡ１は、インダクタＬ１を挟んで第１端子対Ｔ１側と第２端子対Ｔ２側とが対称的であるため、電力伝送方向が第２方向である場合も同様に構成される。この場合、一次側と二次側とが反対となり、また、駆動信号生成部４７から各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４への駆動信号は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３への駆動信号として考えればよい。
【0057】
図６に示すように、制御信号生成部４１は、演算器４１１および制御器４１２を含む。切替可否判定部４２は、比較器４２１を含む。動作モード判定部４３は、演算器４３１および判定回路４３２を含む。ＰＷＭ信号生成部４５は、キャリア発生器４５１、制限器４５２、および比較器４５３を含む。駆動信号生成部４７は、ＯＲ回路４７１およびＡＮＤ回路４７２を含む。
【0058】
演算器４１１には、電流検出器２１の出力（二次電流Ｉ2の検出値）と設定部３１の出力（二次電流Ｉ2の設定値）とが入力される。演算器４１１は、二次電流Ｉ2の設定値から二次電流Ｉ2の検出値を減算する。
【0059】
制御器４１２には、演算器４１１の出力（演算結果）が入力される。制御器４１２は、例えばＰＩ制御（比例・積分制御）を行う。制御器４１２は、ＰＩ制御ではなく、Ｐ制御（比例制御）またはＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）を行う構成であってもよい。
【0060】
比較器４２１には、設定部３２の出力（切替判定値）および電力検出器５２２の出力（第２電力Ｐ２）がそれぞれ入力される。なお、電力伝送方向が第２方向である場合、電力検出器５２２の出力の代わりに、電力検出器５１２の出力が入力される。比較器４２１の非反転入力端子には、設定部３２が接続され、比較器４２１の反転入力端子には、電力検出器５２２が接続される。比較器４２１は、第２電力Ｐ２が切替判定値よりも小さい時（Ｐ２＜Ｐｔｈ）、Ｈ信号の切替許可信号を出力し、第２電力Ｐ２が切替判定値以上である時（Ｐ２≧Ｐｔｈ）、Ｌ信号の切替許可信号を出力する。すなわち、一次側から二次側への伝送電力の値が切替判定値よりも小さい時に、切替許可信号はＨ信号となり、一次側から二次側への伝送電力の値が切替判定値以上である時に、切替許可信号はＬ信号となる。
【0061】
演算器４３１には、２つの電圧検出器５１１，５２１の各出力（第１電圧Ｅ１および第２電圧Ｅ２の各検出値）が入力される。演算器４３１は、一次側電圧から二次側電圧を減算することで、一次側電圧と二次側電圧との電圧差を算出する。図６に示す例では、第１端子対Ｔ１側が一次側であり、第２端子対Ｔ２側が二次側であるので、演算器４３１は、第１電圧Ｅ１の検出値（電圧検出器５１１の出力）から第２電圧Ｅ２の検出値（電圧検出器５２１の出力）を減算する（Ｅ１－Ｅ２）。
【0062】
判定回路４３２には、演算器４３１の出力（演算結果）、設定部３３の出力（切替電圧）および切替可否判定部４２の出力（切替許可信号）がそれぞれ入力される。判定回路４３２は、演算器４３１の演算結果（Ｅ１－Ｅ２）の絶対値が切替電圧以下である時、昇降圧モード（第１昇降圧モード）であると判定する。また、判定回路４３２は、演算器４３１の演算結果（Ｅ１－Ｅ２）の絶対値が切替電圧以上である時、第１電圧Ｅ１が第２電圧Ｅ２よりも小さければ（Ｅ１＜Ｅ２）、昇圧モード（第１昇圧モード）であると判定し、第１電圧Ｅ１が第２電圧Ｅ２よりも大きければ（Ｅ１＞Ｅ２）、降圧モード（第１降圧モード）であると判定する。判定回路４３２は、昇圧モードであると判定すると、Ｈ信号の昇圧許可信号とＬ信号の降圧許可信号とを出力する。また、判定回路４３２は、降圧モードであると判定すると、Ｌ信号の昇圧許可信号とＨ信号の降圧許可信号とを出力する。また、判定回路４３２は、昇降圧モードであると判定すると、Ｌ信号の昇圧許可信号とＬ信号の降圧許可信号とを出力する。
【0063】
さらに、判定回路４３２は、切替可否判定部４２から入力される切替許可信号がＨ信号である時、上記電圧維持制御を無効にするため、Ｌ信号の制限信号を生成する。一方、判定回路４３２は、切替可否判定部４２から入力される切替許可信号がＬ信号である時、上記電圧維持制御を有効にするため、Ｈ信号の制限信号を生成する。判定回路４３２は、生成した制限信号をＰＷＭ信号生成部４５に出力する。
【0064】
キャリア発生器４５１は、例えば三角波のキャリア信号を発生させる。
【0065】
制限器４５２には、制御器４１２の出力（制御信号）と判定回路４３２の出力（制限信号、降圧許可信号および昇降圧許可信号）とがそれぞれ入力される。制限器４５２は、入力される制限信号がＬ信号である時、制御器４１２の出力（制御信号）をそのまま、出力する。一方、制限器４５２は、入力される制限信号がＨ信号であり且つ降圧許可信号がＨ信号である時、制御器４１２の出力（制御信号）を、当該制御信号のレベルが上記第１所定値以下となるように制限を加えて、出力する。具体的には、制限器４５２は、入力される制御信号のレベルが第１所定値よりも大きければ、当該制御信号のレベルを第１所定値に制限して出力する。一方、入力される制御信号のレベルが第１所定値以下であれば、入力される制御信号をそのまま出力する。また、制限器４５２は、入力される制限信号がＨ信号であり且つ昇圧許可信号がＨ信号である時、制御器４１２の出力（制御信号）を、当該制御信号のレベルが上記第２所定値以上となるように制限を加えて、出力する。具体的には、制限器４５２は、入力される制御信号のレベルが第２所定値よりも小さければ、当該制御信号のレベルを第２所定値に制限して出力する。一方、入力される制御信号のレベルが第２所定値以上であれば、入力される制御信号をそのまま出力する。
【0066】
比較器４５３には、制限器４５２の出力、および、キャリア発生器４５１の出力がそれぞれ入力される。比較器４５３の非反転入力端子には、キャリア発生器４５１が接続されており、比較器４５３の反転入力端子には、制限器４５２が接続されている。比較器４５３の出力は、上記ＰＷＭ信号である。降圧モードにおいて制限器４５２によって制御信号のレベルが制限された場合には、比較器４５３の出力（ＰＷＭ信号）は、デューティ比が一定値未満となる。ＰＷＭ信号のデューティ比が一定値未満となることで、一次側電圧（例えば第１電圧Ｅ１）と二次側電圧（例えば第２電圧Ｅ２）との電圧差（絶対値）が切替電圧よりも大きくなるように制御できる。一方、昇圧モードにおいて制限器４５２によって制御信号のレベルが制限された場合には、比較器４５３の出力（ＰＷＭ信号）は、デューティ比が一定値よりも大きくなる。ＰＷＭ信号のデューティ比が一定値よりも大きくなることで、一次側電圧（例えば第１電圧Ｅ１）と二次側電圧（例えば第２電圧Ｅ２）との電圧差（絶対値）が切替電圧よりも大きくなるように制御できる。
【0067】
ＯＲ回路４７１には、比較器４５３の出力（ＰＷＭ信号）と判定回路４３２の出力（昇圧許可信号）とがそれぞれ入力される。ＯＲ回路４７１の出力は、スイッチング素子Ｑ１（ゲート電極）に入力される。つまり、ＯＲ回路４７１の出力は、スイッチング素子Ｑ１の駆動信号である。ＯＲ回路４７１は、入力される昇圧許可信号がＨ信号である時、オン信号を出力する。また、ＯＲ回路４７１は、入力される昇圧許可信号がＬ信号である時、比較器４５３（ＰＷＭ信号生成部４５）から入力されるＰＷＭ信号を出力する。これにより、スイッチング素子Ｑ１は、図４に示すように、第１昇圧モードの時に、常時オンとなり、第１昇降圧モードおよび第１降圧モードの時に、ＰＷＭ制御される。
【0068】
ＡＮＤ回路４７２には、比較器４５３の出力（ＰＷＭ信号）と判定回路４３２の出力（降圧許可信号）とがそれぞれ入力される。図６に示すように、判定回路４３２の出力は、ＡＮＤ回路４７２に反転入力される。ＡＮＤ回路４７２の出力は、スイッチング素子Ｑ４（ゲート電極）に入力される。つまり、ＡＮＤ回路４７２の出力は、スイッチング素子Ｑ４の駆動信号である。ＡＮＤ回路４７２は、入力される降圧許可信号がＨ信号である時、オフ信号を出力する。ＡＮＤ回路４７２は、入力される降圧許可信号がＬ信号である時、比較器４５３（ＰＷＭ信号生成部４５）から入力されるＰＷＭ信号を出力する。これにより、スイッチング素子Ｑ４は、図４に示すように、第１昇圧モードおよび第１昇降圧モードの時に、ＰＷＭ制御され、第１降圧モードの時に、常時オフとなる。
【0069】
なお、図６に示す制御部４の構成は、電力伝送方向が第１方向である場合での主要な構成部分を抽出したものである。例えば、ＰＷＭ信号生成部４５は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に対するＰＷＭ信号を生成する構成を含むが、これらの記載を省略する。例えば、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に対するＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４に対するＰＷＭ信号を反転させたものとなる（好ましくはこれらのＰＷＭ信号にデッドタイムが設けられる）。また、駆動信号生成部４７には、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の駆動信号を生成する構成を含むが、これらの記載を省略する。例えば、駆動信号生成部４７は、図３および図４から理解されるように、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を常時オフにする駆動信号（オフ信号）を生成して、対応するスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３にそれぞれ出力する。
【0070】
次に、制御部４が行う動作モードの判定処理について、図７を参照して説明する。図７は、電力伝送方向が第１方向である場合における動作モードの判定処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の双方向コンバータＡ１は、インダクタＬ１を挟んで第１端子対Ｔ１側と第２端子対Ｔ２側とが対称的であるため、電力伝送方向が第２方向である場合も同様に処理される。この場合、一次側と二次側とを反転させて同様に処理される。
【0071】
図７に示すように、制御部４は、まず、二次側電力（第２電力Ｐ２）が切替判定値よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１０１）。当該二次側電力は、一次側から二次側への伝送電力の値に相当する。なお、ステップＳ１０１において、二次側電力（第２電力Ｐ２）ではなく、一次側電力（第１電力Ｐ１）を用いてもよい。ステップＳ１０１で、二次側電力（第２電力Ｐ２）が切替判定値以上であると判断されると（Ｓ１０１：ＮＯ）、制御部４は、電圧維持制御を実行するために制限信号をＨ信号（切替許可信号をＬ信号）にすることで、制御信号に制限を加える（Ｓ１０２）。一方、ステップＳ１０１で、二次側電力（第２電力Ｐ２）が切替判定値よりも小さいと判断されると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、続いて、制御部４は、一次側電圧（第１電圧Ｅ１）と二次側電圧（第２電圧Ｅ２）との電圧差（一次側電圧－二次側電圧）を算出する（Ｓ１０３）。なお、ステップＳ１０２の処理を行った場合も、ステップＳ１０３の処理に移行する。
【0072】
次いで、制御部４は、ステップＳ１０３で算出した電圧差の絶対値が切替電圧以下であるか否かを判断する（Ｓ１０４）。ステップＳ１０４で、電圧差の絶対値が切替電圧以下であると判断されると（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、制御部４は、動作モードが昇降圧モードであると判定する（Ｓ１０５）。一方、ステップＳ１０４で、電圧差の絶対値が切替電圧よりも大きいと判断されると（Ｓ１０４：ＮＯ）、制御部４は、続いて、一次側電圧（第１電圧Ｅ１）が二次側電圧（第２電圧Ｅ２）よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１０６）。なお、ステップＳ１０４の処理の前に、ステップＳ１０２の処理が行われた場合、電圧維持制御によって、制御信号が制限されるので、ステップＳ１０４で、電圧差の絶対値が切替電圧以下であると判断されない。つまり、ステップＳ１０２の処理が行われた場合には、ステップＳ１０４で、電圧差の絶対値が切替電圧よりも大きいと判断されることになる。
【0073】
次いで、ステップＳ１０６で、一次側電圧（第１電圧Ｅ１）が二次側電圧（第２電圧Ｅ２）よりも小さいと判断されると（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、制御部４は、動作モードが昇圧モードであると判定する。一方、ステップＳ１０６で、一次側電圧（第１電圧Ｅ１）が二次側電圧（第２電圧Ｅ２）以上であると判断されると（Ｓ１０６：ＮＯ）、制御部４は、動作モードが降圧モードであると判定する（Ｓ１０８）。
【0074】
制御部４は、図７に示す処理を所定の周期で繰り返し行い、動作モードを判定する度に、判定した動作モードに応じて、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御を行う。なお、図７に示す処理は一例であって、これに限定されない。
【0075】
双方向コンバータＡ１の作用および効果は、次の通りである。
【0076】
双方向コンバータＡ１では、制御部４は、昇圧モードと降圧モードとを、昇降圧モードを介して切り替える。この時、一次側電圧と二次側電圧との大小関係（昇圧状態と降圧状態と）が昇降圧モードで切り替わる。この昇降圧モードでは、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御は、昇圧状態でも降圧状態でも共通する。この構成によれば、昇圧状態と降圧状態とが切り替わるタイミングにおいて、電力変換回路１における電流の流れが同じとなる。したがって、双方向コンバータＡ１では、第１電圧Ｅ１と第２電圧Ｅ２との大小関係が変わる時、すなわち、昇圧状態と降圧状態とが切り替わる時に、電力変換回路１における電流の流れに変化が生じないので、オーバーシュートおよびアンダーシュートの発生を抑制できる。ただし、昇降圧モードは、昇圧モードおよび降圧モードよりも、電力変換回路１（複数のスイッチ部ＳＷ１～ＳＷ４）に流れる電流が大きくなる。そのため、昇降圧モードでは、昇圧モードおよび降圧モードよりもスイッチング損失および導通損失が大きくなる。そこで、双方向コンバータＡ１では、一次側から二次側への伝送電力の値が閾値（上記切替判定値）以上の時に、昇降圧モードへの移行を禁止する。つまり、一次側から二次側への伝送電力の値が閾値（上記切替判定値）以上の時には、昇圧モードと降圧モードとの（昇降圧モードを介した）切り替わりが禁止される。これにより、損失が小さい小電力時にのみ、昇降圧モードに移行するため、昇圧モードと降圧モードとの（昇降圧モードを介した）切り替え時に発生する損失を低減することができる。したがって、双方向コンバータＡ１は、昇圧状態と降圧状態とが切り替わる際のオーバーシュートおよびアンダーシュートを抑制しつつ、昇圧モードと降圧モードとの（昇降圧モードを介した）切り替わり時の電力損失を抑制できる。
【0077】
双方向コンバータＡ１では、制御部４は、一次側から二次側への伝送電力の値が閾値（切替判定値）以上の時、一次側電圧と二次側電圧との電圧差の絶対値が設定値（切替電圧）よりも大きい状態を維持するように複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動を制御する。例えば、電力伝送方向が第１方向の時、第１電力Ｐ１または第２電力Ｐ２が切替判定値以上の時、第１電圧Ｅ１と第２電圧Ｅ２との電圧差（Ｅ１－Ｅ２）の絶対値が切替電圧よりも大きい状態を維持するように、複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の駆動制御を行う。この構成によれば、一次側から二次側への伝送電力の値が閾値（切替判定値）以上の時には、電圧差が切替電圧以下とならない。これにより、双方向コンバータＡ１は、伝送電力が切替判定値以上の時には、昇降圧モードに移行させないようにできる。
【0078】
本開示に係る双方向コンバータは、上記した実施形態に限定されるものではない。本開示の双方向コンバータの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【0079】
Ａ１：双方向コンバータ、１：電力変換回路、ＳＷ１～ＳＷ４：スイッチ部、Ｑ１～Ｑ４：スイッチング素子、Ｄ１～Ｄ４：ダイオード、Ｌ１：インダクタ、４：制御部、４１：制御信号生成部、４２：切替可否判定部、４３：動作モード判定部、４５：ＰＷＭ信号生成部、４７：駆動信号生成部、Ｔ１：第１端子対、Ｔ１１：第１高電位側端子、Ｔ１２：第１低電位側端子、Ｔ２：第２端子対、Ｔ２１：第２高電位側端子、Ｔ２２：第２低電位側端子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】