特開 2024-151051 電力変換器、電力変換器の制御方法、充電装置及び車両

(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】P2024151051

(43)【公開日】2024-10-24

(54)【発明の名称】電力変換器、電力変換器の制御方法、充電装置及び車両

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20241017BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

H02M3/28 Q

H02M3/28 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023064166

(22)【出願日】2023-04-11

(71)【出願人】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】千葉 明輝

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730AS17

5H730BB26

5H730BB66

5H730BB82

5H730BB85

5H730BB88

5H730DD03

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE04

5H730EE07

5H730FG07

5H730FG22

(57)【要約】

【課題】出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲に対する出力電圧の出力範囲を広げることができる電力変換器を提供する。
【解決手段】直流電圧Ｖｉｎの正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子ＱＨと下スイッチ素子ＱＬとの接続点に接続された共振インダクタＬｒ、トランスＴの一次巻線Ｎ１及び共振キャパシタＣｒと、を含むＬＬＣ回路１０を用いて、上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬのスイッチング動作によって直流電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏに変換する電力変換器１であって、トランスＴの二次巻線Ｎ２が直列に接続された複数段のＬＬＣ回路１０と、複数段のＬＬＣ回路１０のいずれか１以上で共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成させ、他のＬＬＣ回路１０をスイッチング動作させる制御部３０とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電圧の正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子と、前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子との接続点に接続された共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタと、を含むＬＬＣコンバータを用いて、前記上スイッチ素子及び前記下スイッチ素子のスイッチング動作によって前記直流電圧を出力電圧に変換する電力変換器であって、
前記トランスの二次巻線が直列に接続された複数段の前記ＬＬＣコンバータと、
複数段の前記ＬＬＣコンバータのいずれか１以上で前記共振インダクタと前記共振キャパシタの直列共振回路を形成させ、他の前記ＬＬＣコンバータをスイッチング動作させる制御部と、を備える電力変換器。

【請求項2】

前記制御部は、前記出力電圧の出力電圧指令値が閾電圧未満である場合に、前記直列共振回路を形成させる請求項１記載の電力変換器。

【請求項3】

前記制御部は、前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子のいずれか一方を常時オン状態とし、他方を常時オフ状態とすることで、前記共振インダクタと前記共振キャパシタの前記直列共振回路を形成させる請求項１又は２に記載の電力変換器。

【請求項4】

前記二次巻線が直列に接続された複数段の前記ＬＬＣコンバータを一つの相として、複数相のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成し、
前記ＬＬＣコンバータは、前記一次巻線と前記共振キャパシタとの接続点に一端が接続された相間接続用共振キャパシタを備え、
前記相間接続用共振キャパシタの他端は、同じ段の前記ＬＬＣコンバータに備えられた前記相間接続用共振キャパシタの他端と接続されている請求項１又は２に記載の電力変換器。

【請求項5】

直流電圧の正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子と、前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子との接続点に接続された共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタと、を含むＬＬＣコンバータを用いて、前記上スイッチ素子及び前記下スイッチ素子のスイッチング動作によって前記直流電圧を出力電圧に変換する電力変換器の制御方法であって、
前記トランスの二次巻線が直列に接続された複数段の前記ＬＬＣコンバータを備え、
複数段の前記ＬＬＣコンバータのいずれか１以上で前記共振インダクタと前記共振キャパシタの直列共振回路を形成し、他の前記ＬＬＣコンバータをスイッチング動作する電力変換器の制御方法。

【請求項6】

蓄電池を充電する充電装置であって、
前記直流電圧を、前記蓄電池を充電する前記出力電圧に変換する請求項１又は２に記載の電力変換器を備える充電装置。

【請求項7】

蓄電池が搭載された車両であって、
車外からの供給電力を、前記蓄電池を充電する前記出力電圧に変換する請求項１又は２に記載の電力変換器を備える車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

電気自動車等に搭載された蓄電池（バッテリー）に充電を充電する充電装置は、効率の良いＬＬＣ回路（共振回路）が採用されていることが多くなっている（例えば、特許文献１参照）。ＬＬＣ回路は、効率が良い入出力範囲があり、それ以外ではかえって効率が非常に悪化する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－２４９３７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複数個のＬＬＣ回路を設け、出力を並列接続もしくは直列接続に切り替えることで、効率の良い入出力範囲を得ることができる。図１１に示す電力変換器１００は、２個のハーフブリッジＬＬＣコンバータ（以下、ＬＬＣ回路２００と称す）と、切替スイッチＳＷとを備える。切替スイッチＳＷは、２個のＬＬＣ回路２００の出力を直列接続もしくは並列接続に切り替える。図１１において、(ａ)は、２個のＬＬＣ回路２００の出力が並列接続された状態を、(ｂ)は、２個の出力が直列接続された状態をそれぞれ示す。

【0005】

ＬＬＣ回路２００の出力電圧Ｖｏは、スイッチング周波数に応じて変化する。図１２は、スイッチング周波数と出力電圧Ｖｏとの出力特性例を示し、低圧出力では、周波数が大きく上昇する。２個のＬＬＣ回路２００の出力特性は、並列接続した場合と直列接続した場合とで異なる。スイッチング周波数の運用範囲（以下、運用周波数範囲と称す）をＸ１１～Ｘ１２（Ｘ１１＜Ｘ１２）とした場合、出力電圧Ｖｏの出力範囲は、直列接続でＶ１～Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）、並列接続でＶ２～Ｖ３（Ｙ２＞Ｙ３）となる。切替スイッチＳＷにより、出力電圧Ｖｏ＝Ｖ２で並列接続と直列接続とを切り替えることで、運用周波数範囲Ｘ１～Ｘ２に対し、出力電圧Ｖｏの出力範囲は、Ｖ１～Ｖ３に広げることができる。

【0006】

しかしながら、切替スイッチＳＷは、蓄電池が接続されたＬＬＣ回路２００の出力側に設ける必要があるため、回路故障による蓄電池短絡など大きなエネルギ－を持つサージ電流が発生することがある。従って、切替スイッチＳＷは、機械式リレーを用いる必要があり、半導体スイッチを用いることができない。機械式リレーは、高額で大サイズであり、廉価で小サイズの半導体スイッチに置き換えるができない。

【0007】

本発明の一態様は、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲に対する出力電圧の出力範囲を広げることができる電力変換器、電力変換器の制御方法、充電装置及び車両を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る電力変換器は、直流電圧の正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子を含むＬＬＣコンバータを備える。ＬＬＣコンバータは、前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子との接続点に接続された共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタを含む。電力変換器は、ＬＬＣコンバータを用いて、前記上スイッチ素子及び前記下スイッチ素子のスイッチング動作によって前記直流電圧を出力電圧に変換する。電力変換器は、前記トランスの二次巻線が直列に接続された複数段の前記ＬＬＣコンバータを備える。電力変換器は、複数段の前記ＬＬＣコンバータのいずれか１以上で前記共振インダクタと前記共振キャパシタの直列共振回路を形成させ、他の前記ＬＬＣコンバータをスイッチング動作させる制御部を備える。
本発明の一態様に係る電力変換器の制御方法は、ＬＬＣコンバータのスイッチング動作によって直流電圧を出力電圧に変換する電力変換器の制御方法である。電力変換器は、直流電圧の正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子を含むＬＬＣコンバータを備える。ＬＬＣコンバータは、前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子との接続点に接続された共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタを含む。電力変換器は、ＬＬＣコンバータを用いて、前記上スイッチ素子及び前記下スイッチ素子のスイッチング動作によって前記直流電圧を出力電圧に変換する。電力変換器は、前記トランスの二次巻線が直列に接続された複数段の前記ＬＬＣコンバータを備える。電力変換器は、前記出力電圧が閾電圧未満である場合、複数段の前記ＬＬＣコンバータのいずれか１以上で前記共振インダクタと前記共振キャパシタの直列共振回路を形成し、他の前記ＬＬＣコンバータをスイッチング動作する。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲を広げることができる。運用周波数範囲は、共振周波数付近の狭い範囲に設定でき、変換効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】電力変換器の充電装置としての使用例を示す図である。

【図2】電力変換器の構成例を示す図である。

【図3】単独動作時の電力変換器を示す図である。

【図4】インピーダンスの変化を示す図である。

【図5】図２に示す電力変換器の出力特性例を示す図である。

【図6】３段構成の電力変換器の構成例を示す図である。

【図7】図６に示す電力変換器の２回路直列接続動作時及び単独動作を示す図である。

【図8】図６に示す電力変換器の出力特性例を示す図である。

【図9】マルチフェーズＬＬＣコンバータの構成例を示す図である。

【図10】マルチフェーズＬＬＣコンバータの他の構成例を示す図である。

【図11】従来の電力変換器の構成例を示す図である。

【図12】図１１に示す従来の電力変換器の出力特性例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態において、同様の機能を示す構成には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

【0012】

本実施の形態の電力変換器１は、図１を参照すると、電気自動車等の車両２に搭載された蓄電池３（バッテリー）に充電を充電する充電装置として用いられる。

【0013】

図１（ａ）に示すように、車外から車両２への供給電力が商用電源等の交流（ＡＣ）電圧である場合、電力変換器１は、ＰＦＣ（力率改善回路）４と共に車両２に搭載される。ＰＦＣ４は、車両２に供給された交流電圧を直流（ＤＣ）電圧に変換し、電力変換器１は、ＰＦＣ４によって変換された直流電圧を所望の出力電圧に変換して蓄電池３を充電する。

【0014】

図１（ｂ）に示すように、車外から車両２への供給電力が直流電圧である場合、電力変換器１は、ＰＦＣ（力率改善回路）４と共に充電ステーション等の車両２外の施設に設置される。ＰＦＣ４は、商用電源等から供給された交流電圧を直流（ＤＣ）電圧に変換し、電力変換器１は、ＰＦＣ４によって変換された直流電圧を所望の直流電圧に変換して車両２に供給して蓄電池３を充電する。

【0015】

電力変換器１は、図２を参照すると、２個のハーフブリッジＬＬＣコンバータ（以下、ＬＬＣ回路１０と称す）を備えた２段構成であり、整流器２０と、制御部３０と、を備える。

【0016】

ＬＬＣ回路１０は、直流電圧Ｖｉｎの正極と負極との間に、スイッチングレッグ（switching leg）として上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬが直列に接続されている。上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬは、例えば、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）で構成される。上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬは、ソース-ドレイン間にボディダイオードを有する。上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧａＮデバイス、ＳｉＣ（Silicon Carbide）デバイス等のスイッチング素子を用いてもよい。

【0017】

直流電圧Ｖｉｎの正極に接続された上スイッチ素子ＱＨは、スイッチングレッグの上アーム（upper arm）である。直流電圧Ｖｉｎの負極側に接続された下スイッチ素子ＱＬは、スイッチングレッグの下アーム（lower arm）である。

【0018】

ＬＬＣ回路１０は、上スイッチ素子ＱＨと下スイッチ素子ＱＬとの接続点に、一端が接続された共振インダクタＬｒを備える。ＬＬＣ回路１０は、トランスＴと、共振キャパシタＣｒと、を備える。トランスＴの一次巻線Ｎ１と共振キャパシタＣｒとは、共振インダクタＬｒの他端と直流電圧Ｖｉｎの負極との間に、直列に接続されている。

【0019】

２個のＬＬＣ回路１０のそれぞれのトランスＴは、二次巻線Ｎ２が直列に接続されている。以下、トランスＴの二次巻線Ｎ２が直列に接続された２個のＬＬＣ回路１０は、区別する場合、１段目、２段目と呼称する。

【0020】

整流器２０は、直列に接続された二次巻線Ｎ２から出力される交流電流を整流して高電位出力端子と低電位出力端子から出力する。整流器２０は、センタータップ整流、ブリッジ整流、倍電圧整流、コックウォルトン整流などの回路方式を採用できる。また、整流器２０は、ダイオードの代わりにＦＥＴを用いて同期整流とすることもできる。整流器２０は、高電位出力端子と低電位出力端子との間に接続された出力キャパシタを備えてもよい。この場合、整流器２０は、出力キャパシタＣｏと共に、整流平滑回路を構成する。

【0021】

制御部３０は、半導体基板上に集積化された半導体装置であり、出力電圧指令値に基づいて、１段目及び２段目のＬＬＣ回路１０のスイッチングレッグ（上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬ）を駆動するパルス信号Ｓｇ２、Ｓｇ１を生成する。

【0022】

制御部３０は、パルス信号生成部３１と、インバータ回路ＩＮＶ１とを備える。パルス信号生成部３１は、出力電圧指令値に基づいて、１段目及び２段目のＬＬＣ回路１０における下スイッチ素子ＱＬを駆動するパルス信号Ｓｇ１を生成する。インバータ回路ＩＮＶ１は、パルス信号Ｓｇ１を反転させ、１段目及び２段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨを駆動するパルス信号Ｓｇ２を生成する。パルス信号生成部３１は、周波数制御により、パルス信号Ｓｇ１（パルス信号Ｓｇ２）のスイッチング周波数を上げることで出力電圧Ｖｏを下げ、スイッチング周波数を下げることで出力電圧Ｖｏを上げる。

【0023】

制御部３０は、動作切替部３２と、オア回路ＯＲ２と、アンド回路ＡＮＤ２、インバータ回路ＩＮＶ２とを備える。動作切替部３２は、出力電圧指令値が閾電圧Ｖｔｈ以上である場合にＬｏｗレベルとなり、出力電圧指令値が閾電圧Ｖｔｈ未満である場合にＨｉレベルとなる２段動作切替信号Ｓ２を出力する。

【0024】

オア回路ＯＲ２は、一方の入力端子にパルス信号Ｓｇ１が、他方の入力端子に２段動作切替信号Ｓ２がそれぞれ入力され、出力端子が２段目のＬＬＣ回路１０における下スイッチ素子ＱＬに接続されている。アンド回路ＡＮＤ２は、一方の入力端子にパルス信号Ｓｇ１が、他方の入力端子にインバータ回路ＩＮＶ２によって反転された２段動作切替信号Ｓ２がそれぞれ入力され、出力端子が２段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨに接続されている。

【0025】

出力電圧指令値が閾電圧Ｖｔｈ以上である場合、２段動作切替信号Ｓ２は、Ｌｏｗレベルとなる。オア回路ＯＲ２は、他方の入力端子にＬｏｗレベルが、アンド回路ＡＮＤ２は、他方の入力端子にＨｉレベルがそれぞれ入力される。従って、２段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬは、１段目のＬＬＣ回路１０と同様に、パルス信号Ｓｇ２及びパルス信号Ｓｇ１によってそれぞれ駆動される。電力変換器１は、直列に接続された１段目及び２段目のＬＬＣ回路１０がいずれもスイッチング動作する直列接続動作となる。

【0026】

出力電圧指令値が閾電圧Ｖｔｈ未満である場合、２段動作切替信号Ｓ２は、Ｈｉレベルとなる。オア回路ＯＲ２は、他方の入力端子にＨｉレベルが、アンド回路ＡＮＤ２は、他方の入力端子にＬｏｗレベルがそれぞれ入力される。従って、図３（ａ）に示すように、２段目のＬＬＣ回路１０において、上スイッチ素子ＱＨは、常時オフ状態になり、下スイッチ素子ＱＬは、常時オン状態になる。電力変換器１は、２段目のＬＬＣ回路１０が共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成し、１段目のＬＬＣ回路１０のみがスイッチング動作する単独動作となる。

【0027】

下スイッチ素子ＱＬを常時オン状態にしたことで、２段階目のＬＬＣ回路１０には、図３（ｂ）に示すように、共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路が形成される。共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路のインピーダンスＺは、以下の式（１）で示される。式（１）において、ωは、角周波数であり、周波数ｆを用いて、ω＝２πｆで表される。

【0028】

【数1】

【0029】

角周波数ωが以下の式（２）に示すωｒである場合のインピーダンスＺは、以下の式（３）に示すようにゼロとなる。

【0030】

【数2】

【0031】

【数3】

【0032】

このようにインピーダンスＺがゼロとなる角周波数ωｒは、共振角周波数と称され、共振周波数ｆｒは、ｆｒ＝ωｒは／２πとなる。インピーダンスＺは、図４に示すように、スイッチングの周波数が共振周波数ｆｒから遠ざかるほど大きな値となる。

【0033】

周波数によってインピーダンスＺが変化するということは、トランスＴの２次側から見てもインピーダンスが変化し、図３(ｃ)に示すように、２段目のトランスＴは、インピーダンス可変の等価回路として表すことができる。

【0034】

特に、インピーダンスＺがゼロとなる共振周波数ｆｒおいて、２段目のトランスＴは１次側で短絡していることになり、図３（ｄ）に示すように、２次側もインピーダンスがゼロになる。すなわち、２段目のトランスＴは、二次巻線Ｎ２も短絡されていることと同じである。

【0035】

従って、１段目のＬＬＣ回路１０は、最も効率がよい共振周波数ｆｒ付近でスイッチング動作させ、２段目のＬＬＣ回路１０は、共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成させる。すると、図３（ｄ）に示すように、２段目は短絡したものとみなせるため、電力変換器１は、1段目のＬＬＣ回路１０のみとみなせる。すなわち、１段目及び２段目のＬＬＣ回路１０をスイッチング動作させる直列接続動作と、１段目のＬＬＣ回路１０のみをスイッチング動作させる単独動作とを、２次側に切替スイッチを設けることなく、切り替えることができる。

【0036】

図５は、直列接続動作と単独動作とにおけるスイッチングの周波数と出力電圧Ｖｏとの出力特性例である。図５を参照すると、同じ周波数の出力電圧Ｖｏは、単独動作が直列接続動作よりも低くなる。共振周波数ｆｒを挟んだＸ１～Ｘ２（Ｘ１＜Ｘ２）をスイッチング周波数の運用範囲（以下、運用周波数範囲と称す）として設定した場合、直列接続動作は、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏは、Ｖａ～Ｖｂ（Ｖａ＞Ｖｂ）である。単独動作の出力電圧Ｖｏは、共振周波数ｆｒの付近で直列接続動作の１／２である。単独動作の出力電圧Ｖｏは、共振周波数ｆｒから離れるほどインピーダンスＺによって直列接続動作の１／２よりも低くなる。単独動作は、出力電圧Ｖｏ＝０となる最大周波数が直列接続動作よりも抑えられる。

【0037】

運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲は、適切な閾電圧Ｖｔｈ（例えば、出力電圧Ｖｏ＝Ｖｂ）を設定し、閾電圧Ｖｔｈ未満を直列接続動作から単独動作に切り替えることで、出力電圧Ｖｏ＝Ｖｂをよりも低圧側に広がることになる。

【0038】

共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路は、上スイッチ素子ＱＨを常時オフ状態、下スイッチ素子ＱＬを常時オン状態として形成したが、上スイッチ素子ＱＨを常時オン状態、下スイッチ素子ＱＬを常時オフ状態として形成してもよい。ただし、この場合は、上スイッチ素子ＱＨを常時オン状態にするための別の電圧を用意する必要がある。

【0039】

単独動作は、１段目のＬＬＣ回路１０を共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路とし、２段目のＬＬＣ回路１０のみをスイッチング動作させてもよい。

【0040】

図６に示す電力変換器１ａは、トランスＴの二次巻線Ｎ２が直列に接続された３段のＬＬＣ回路１０を備えた３段構成になっている。電力変換器１ａは、３段のＬＬＣ回路１０を駆動する制御部３０ａを備える。

【0041】

制御部３０ａは、半導体基板上に集積化された半導体装置であり、出力電圧指令値に基づいて、１段目乃至３段目のＬＬＣ回路１０のスイッチングレッグ（上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬ）を駆動するパルス信号Ｓｇ１、Ｓｇ２を生成する。

【0042】

制御部３０ａは、パルス信号生成部３１と、インバータ回路ＩＮＶ１とを備える。パルス信号生成部３１は、出力電圧指令値に基づいて、１段目乃至３段目のＬＬＣ回路１０における下スイッチ素子ＱＬを駆動するパルス信号Ｓｇ１を生成する。インバータ回路ＩＮＶ１は、パルス信号Ｓｇ１を反転させ、１段目乃至３段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨを駆動するパルス信号Ｓｇ２を生成する。パルス信号生成部３１は、周波数制御により、パルス信号Ｓｇ１（パルス信号Ｓｇ２）のスイッチング周波数を上げることで出力電圧Ｖｏを下げ、スイッチング周波数を下げることで出力電圧Ｖｏを上げる。

【0043】

制御部３０ａは、動作切替部３２ａと、オア回路ＯＲ２、ＯＲ３と、アンド回路ＡＮＤ２、ＡＮＤ３、インバータ回路ＩＮＶ２、ＩＮＶ３とを備える。動作切替部３２ａは、出力電圧指令値が第１閾電圧Ｖｔｈ１以上である場合にＬｏｗレベルとなり、出力電圧指令値が第１閾電圧Ｖｔｈ１未満である場合にＨｉレベルとなる３段動作切替信号Ｓ３を出力する。動作切替部３２ａは、出力電圧指令値が第１閾電圧Ｖｔｈ１よりも低い第２閾電圧Ｖｔｈ２以上である場合にＬｏｗレベルとなり、出力電圧指令値が第２閾電圧Ｖｔｈ２未満である場合にＨｉレベルとなる２段動作切替信号Ｓ２を出力する。

【0044】

オア回路ＯＲ３は、一方の入力端子にパルス信号Ｓｇ１が、他方の入力端子に３段動作切替信号Ｓ３がそれぞれ入力され、出力端子が３段目のＬＬＣ回路１０における下スイッチ素子ＱＬに接続されている。アンド回路ＡＮＤ３は、一方の入力端子にパルス信号Ｓｇ１が、他方の入力端子にインバータ回路ＩＮＶ３によって反転された３段動作切替信号Ｓ３がそれぞれ入力され、出力端子が３段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨに接続されている。

【0045】

オア回路ＯＲ２は、一方の入力端子にパルス信号Ｓｇ１が、他方の入力端子に２段動作切替信号Ｓ２がそれぞれ入力され、出力端子が２段目のＬＬＣ回路１０における下スイッチ素子ＱＬに接続されている。アンド回路ＡＮＤ２は、一方の入力端子にパルス信号Ｓｇ１が、他方の入力端子にインバータ回路ＩＮＶ２によって反転された２段動作切替信号Ｓ２がそれぞれ入力され、出力端子が２段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨに接続されている。

【0046】

出力電圧指令値が第１閾電圧Ｖｔｈ１以上である場合、３段動作切替信号Ｓ３及び２段動作切替信号Ｓ２は、Ｌｏｗレベルとなる。オア回路ＯＲ３、ＯＲ２は、他方の入力端子にＬｏｗレベルが、アンド回路ＡＮＤ３、ＡＮＤ２は、他方の入力端子にＨｉレベルがそれぞれ入力される。従って、３段目及び２段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬは、１段目のＬＬＣ回路１０と同様に、パルス信号Ｓｇ２及びパルス信号Ｓｇ１によってそれぞれ駆動される。電力変換器１は、直列に接続された１段目乃至３段目のＬＬＣ回路１０がいずれもスイッチング動作する３回路直列接続動作となる。

【0047】

出力電圧指令値が第１閾電圧Ｖｔｈ１未満、第２閾電圧Ｖｔｈ２以上である場合、３段動作切替信号Ｓ３は、Ｈｉレベル、２段動作切替信号Ｓ２は、Ｌｏｗレベルとなる。オア回路ＯＲ３は、他方の入力端子にＨｉレベルが、アンド回路ＡＮＤ２は、他方の入力端子にＬｏｗレベルがそれぞれ入力される。オア回路ＯＲ２は、他方の入力端子にＬｏｗレベルが、アンド回路ＡＮＤ３は、他方の入力端子にＨｉレベルがそれぞれ入力される。従って、３段目のＬＬＣ回路１０において、上スイッチ素子ＱＨは、常時オフ状態になり、下スイッチ素子ＱＬは、常時オン状態になる。２段目のＬＬＣ回路１０における上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬは、１段目のＬＬＣ回路１０と同様に、パルス信号Ｓｇ２及びパルス信号Ｓｇ１によってそれぞれ駆動される。電力変換器１は、図７（ａ）に示すように、３段目ＬＬＣ回路１０が共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路となり、直列に接続された１段目及び２段目のＬＬＣ回路１０がスイッチング動作する２回路直列接続動作となる。

【0048】

出力電圧指令値が第２閾電圧Ｖｔｈ２未満である場合、３段動作切替信号Ｓ３及び２段動作切替信号Ｓ２はＨｉレベルとなる。オア回路ＯＲ２は、他方の入力端子にＨｉレベルが、アンド回路ＡＮＤ２は、他方の入力端子にＬｏｗレベルがそれぞれ入力される。従って、３段目及び２段目のＬＬＣ回路１０において、上スイッチ素子ＱＨは、常時オフ状態になり、下スイッチ素子ＱＬは、常時オン状態になる。電力変換器１は、図７（ｂ）に示すように、３段目及び２段目のＬＬＣ回路１０が共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路となり、１段目のＬＬＣ回路１０のみがスイッチング動作する単独動作となる。

【0049】

図８は、３回路直列接続動作と２回路直列接続動作と単独動作とにおけるスイッチングの周波数と出力電圧Ｖｏとの出力特性例である。図８を参照すると、同じ周波数であれば、出力電圧Ｖｏは、２回路直列接続動作が３回路直列接続動作よりも低く、単独動作が２回路直列接続動作よりもさらに低くなる。共振周波数ｆｒを挟んだＸ１～Ｘ２（Ｘ１＜Ｘ２）を運用周波数範囲として設定した場合、３回路直列接続動作の運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏは、図７に示す例では、Ｖａ～Ｖｂ（Ｖａ＞Ｖｂ）である。２回路直列接続動作の出力電圧Ｖｏは、共振周波数ｆｒの付近で３回路直列接続動作の２／３である。２回路直列接続動作の出力電圧Ｖｏは、共振周波数ｆｒから離れるほどインピーダンスＺによって直列接続動作の２／３よりも低くなる。２回路直列接続動作は、出力電圧Ｖｏ＝０となる最大周波数が３回路直列接続動作よりも抑えられる。２回路直列接続動作の運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏは、図８に示す例では、Ｖｂ～Ｖｃ（Ｖｂ＞Ｖｃ）である。単独動作の出力電圧Ｖｏは、共振周波数ｆｒの付近で２回路直列接続動作の１／２である。単独動作の出力電圧Ｖｏは、共振周波数ｆｒから離れるほど二つのインピーダンスＺによって２回路直列接続動作の１／２よりも低くなる。単独動作は、出力電圧Ｖｏ＝０となる最大周波数が２回路直列接続動作よりもさらに抑えられる。

【0050】

運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲は、適切な第１閾電圧Ｖｔｈ１（例えば、出力電圧Ｖｏ＝Ｖｂ）未満を３回路直列接続動作から２回路直列接続動作に切り替えることで、出力電圧Ｖｏ＝Ｖｂをよりも低圧側に広がることになる。運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲は、適切な第２閾電圧Ｖｔｈ２（例えば、出力電圧Ｖｏ＝Ｖｃ）未満を２回路直列接続動作から単独動作に切り替えることで、出力電圧Ｖｏ＝Ｖｃをよりも低圧側にさらに広がることになる。

【0051】

単独動作は、３段目もしくは２段目のいずれかのＬＬＣ回路１０のみを動作させ、他のＬＬＣ回路１０を共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路としてもよい。２回路直列接続動作は、２段目もしくは１段目のいずれかのＬＬＣ回路１０を共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路とし、他の２段のＬＬＣ回路１０をスイッチング動作させてもよい。

【0052】

ＬＬＣ回路１０の段数Ｎは、４以上であってもよい。ＬＬＣ回路１０がＮ段である場合、Ｎ回路直列接続動作、（Ｎ－１）回路直列接続動作、～、単独動作のＮ通りの動作に切り替えることができる。

【0053】

Ｎ段のＬＬＣ回路１０を用いてマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成しても良い。図９に示す電力変換器１ｃは、Ｎ×Ｍ個のハーフブリッジＬＬＣコンバータ（以下、ＬＬＣ回路１０ｃと称す）を備え、Ｍ相のマルチフェーズＬＬＣコンバータである。Ｎ、Ｍは、２以上の自然数である。

【0054】

電力変換器１ｃは、各相は、トランスＴの二次巻線Ｎ２が直列に接続されたＮ段のＬＬＣ回路１０ｃで構成され、１～Ｍ相を３６０°／Ｍの位相差でスイッチング動作させる。

【0055】

ＬＬＣ回路１０ｃは、ＬＬＣ回路１０の構成に加えて、トランスＴの一次巻線Ｎ１と共振キャパシタＣｒとの接続点に一端が接続された相間接続用共振キャパシタＣＲ１を備えている。相間接続用共振キャパシタＣＲ１の他端は、同じ段のＬＬＣ回路１０ｃに備えられた相間接続用共振キャパシタＣＲ１の他端と接続されている。

【0056】

電力変換器１ｃは、制御部３０ｃを備える。制御部３０ｃは、半導体基板上に集積化された半導体装置である。制御部３０ｃは、出力電圧指令値に基づいて、１～Ｍ相の上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬを３６０°／Ｍの位相差で駆動するパルス信号Ｓｇ２_１～Ｓｇ２_Ｍ、Ｓｇ１_１～Ｓｇ１_Ｍを生成するパルス信号生成部３１ｃを備える。

【0057】

電力変換器１ｃは、動作切替部３２ｃを備える。動作切替部３２ｃは、出力電圧指令値に応じて、２段からＮ段の動作をそれぞれ切り替える２段動作切替信号Ｓ２～Ｎ段動作切替信号ＳＮを出力する。２段動作切替信号Ｓ２～Ｎ段動作切替信号ＳＮは、ｎ（２～Ｎの自然数）段のＬＬＣ回路１０ｃは、ｎ段動作切替信号ＳｎがＬｏｗレベルの場合、１弾と同様にパルス信号Ｓｇ２_ｎ、Ｓｇ１_ｎによって駆動される。ｎ段のＬＬＣ回路１０ｃは、ｎ段動作切替信号ＳｎがＨｉレベルの場合、共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成する。

【0058】

ｍ（１～Ｍの自然数）相の１～Ｎ段の二次巻線Ｎ２_１ｍ～Ｎ２_Ｎｍに流れる電流は、直列に接続されているため、同じである。すなわち、ｍ（１～Ｍの自然数）相の１～Ｎ段の一次巻線Ｎ１_１ｍ～Ｎ１_Ｎｍに流れる電流（図９に示す行方向の電流）は、同じである。ｎ段の一次巻線Ｎ１_ｎ１～Ｎ１_ｎＭに流れる電流（図９に示す列方向の電流）は、相間接続用共振キャパシタＣＲ１で電流バランスがとられる。従って、全てのＬＬＣ回路１０ｃは、電流バランスする。

【0059】

図１０に示す電力変換器１ｄは、電力変換器１ｃの構成に加え、倍電圧整流のためのキャパシタＣａ、Ｃｂを備える。キャパシタＣａ、Ｃｂは、両方あってもよく、いずれか一方のみでもよい。

【0060】

（まとめ）
（１）本発明の各実施形態にかかる電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、ＬＬＣ回路１０（ＬＬＣコンバータ）を用いて直流電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏに変換する。ＬＬＣ回路１０は、直流電圧Ｖｉｎの正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬを含む。ＬＬＣ回路１０は、上スイッチ素子ＱＨと下スイッチ素子ＱＬとの接続点に接続された共振インダクタＬｒ、トランスＴの一次巻線Ｎ１及び共振キャパシタＣｒ含む。電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、ＬＬＣ回路１０を用いて、上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬのスイッチング動作によって直流電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏに変換する。電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、トランスＴの二次巻線Ｎ２が直列に接続された複数段のＬＬＣ回路１０を備える。電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、出力電圧Ｖoが閾電圧Ｖｔｈ未満である場合、複数段のＬＬＣ回路１０のいずれか１以上で共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成させ、他のＬＬＣ回路１０をスイッチング動作させる制御部３０を備える。

【0061】

上記（１）に記載の電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄによれば、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲を広げることができるため、運用周波数範囲を共振周波数付近の狭い範囲に設定でき、変換効率を向上できる。

【0062】

（２）上記（１）に記載の電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄにおいて、制御部３０は、出力電圧Ｖｏの出力電圧指令値が閾電圧Ｖｔｈ未満である場合に、直列共振回路を形成させる。

【0063】

上記（２）に記載の電力変換器、１ａ、１ｃ、１ｄによれば、低圧出力での運用周波数を抑制できる。

【0064】

（３）上記（１）又は（２）に記載の電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄにおいて、制御部３０は、上スイッチ素子ＱＨと下スイッチ素子ＱＬのいずれか一方を常時オン状態とし、他方を常時オフ状態とすることで、共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成させる。

【0065】

上記（３）に記載の電力変換器、１ａ、１ｃ、１ｄによれば、共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路は、上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬの簡単な制御で形成できる。

【0066】

（４）上記（１）～（３）の電力変換器１ｃ、１ｄにおいて、二次巻線Ｎ２が直列に接続された複数段のＬＬＣ回路１０ｃを一つの相として、複数相のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成する。ＬＬＣ回路１０ｃは、一次巻線Ｎ１と共振キャパシタＣｒとの接続点に一端が接続された相間接続用共振キャパシタＣｒ１を備える。相間接続用共振キャパシタＣｒ１の他端は、同じ段のＬＬＣ回路１０ｃに備えられ相間接続用共振キャパシタＣｒ１の他端と接続されている。

【0067】

上記（４）に記載の電力変換器１ｃ、１ｄによれば、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲を広げることができと共に、各相の電流バランスをとることができる。

【0068】

（５）本発明の各実施形態にかかる電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄの制御方法は、ＬＬＣ回路１０（ＬＬＣコンバータ）のスイッチング動作によって直流電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏに変換する電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄの制御方法である。ＬＬＣ回路１０は、直流電圧Ｖｉｎの正極と負極との間に直列に接続された上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬを含む。ＬＬＣ回路１０は、上スイッチ素子ＱＨと下スイッチ素子ＱＬとの接続点に接続された共振インダクタＬｒ、トランスＴの一次巻線Ｎ１及び共振キャパシタＣｒ含む。電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、ＬＬＣ回路１０を用いて、上スイッチ素子ＱＨ及び下スイッチ素子ＱＬのスイッチング動作によって直流電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏに変換する。電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、トランスＴの二次巻線Ｎ２が直列に接続された複数段のＬＬＣ回路１０を備える。電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄは、複数段のＬＬＣ回路１０のいずれか１以上で共振インダクタＬｒと共振キャパシタＣｒの直列共振回路を形成し、他のＬＬＣ回路１０をスイッチング動作する。

【0069】

上記（５）に記載の電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄの制御方法によれば、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲を広げることができるため、運用周波数範囲を共振周波数付近の狭い範囲に設定でき、変換効率を向上できる。

【0070】

（６）蓄電池３を充電する充電装置であって、上記（１）～（４）の電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄの出力電圧Ｖｏによって蓄電池３を充電する。

【0071】

上記（６）に記載の充電装置によれば、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲を広げることができるため、運用周波数範囲を共振周波数付近の狭い範囲に設定でき、蓄電池３を効率よく充電できる。

【0072】

（７）蓄電池３が搭載された車両２であって、外部からの供給電力を、蓄電池３を充電する出力電圧Ｖｏに変換する上記（１）～（４）の電力変換器１、１ａ、１ｃ、１ｄを備える。

【0073】

上記（７）に記載の車両２によれば、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧Ｖｏの範囲を広げることができるため、運用周波数範囲を共振周波数付近の狭い範囲に設定でき、搭載された蓄電池３を効率よく充電できる。

【0074】

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでも無い。

【符号の説明】

【0075】

１、１ａ、１ｃ、１ｄ 電力変換器
２ 車両
３ 蓄電池
１０、１０ｃ ハーフブリッジＬＬＣコンバータ（ＬＬＣ回路）
２０ 整流器
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 制御部
３１、３１ｃ パルス信号生成部
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 動作切替部
１００ 電力変換器
Ｃｒ 共振キャパシタ
Ｃｒ１ 相間接続用共振キャパシタ
Ｌｒ 共振インダクタ
ＱＨ 上スイッチ素子
ＱＬ 下スイッチ素子
Ｔ トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】