特開 2024-16604 電源装置及び電源装置の制御方法

(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】P2024016604

(43)【公開日】2024-02-07

(54)【発明の名称】電源装置及び電源装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240131BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022118849

(22)【出願日】2022-07-26

(71)【出願人】

【識別番号】000002037

【氏名又は名称】新電元工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鎌倉 輝男

(72)【発明者】

【氏名】小林 貴之

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA02

5H730AA14

5H730AA15

5H730AA20

5H730AS01

5H730AS08

5H730BB27

5H730DD03

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE13

5H730FD01

5H730FD11

5H730FG07

(57)【要約】

【課題】スイッチング素子の選択肢の制限を緩和する。
【解決手段】第１アーム及び第２アームを含む、第１ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路から出力される交流電圧が第１巻線に入力され、誘起された交流電圧を第２巻線から出力する、変圧器と、第３アーム及び第４アームを含む、第２ブリッジ回路と、第１駆動パルス及び第２駆動パルスと、第３駆動パルス及び第４駆動パルスと、の間の第１位相差を、出力指令値に応じて±１８０°を中心として制御するとともに、第１駆動パルスと第２駆動パルスとの間の第２位相差、及び、第３駆動パルスと第４駆動パルスとの間の第３位相差を、出力指令値に応じて制御する、制御部と、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１アーム及び第２アームを含む、第１ブリッジ回路と、
前記第１ブリッジ回路から出力される交流電圧が第１巻線に入力され、誘起された交流電圧を第２巻線から出力する、変圧器と、
第３アーム及び第４アームを含み、前記第２巻線から出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する、第２ブリッジ回路と、
前記第１アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第１駆動パルス及び前記第２アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第２駆動パルスと、前記第３アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第３駆動パルス及び前記第４アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第４駆動パルスと、の間の第１位相差を、出力指令値に応じて±１８０°を中心として制御するとともに、前記複数の第１駆動パルスと前記複数の第２駆動パルスとの間の第２位相差、及び、前記複数の第３駆動パルスと前記複数の第４駆動パルスとの間の第３位相差を、前記出力指令値に応じて制御する、制御部と、
を含む、
ことを特徴とする、電源装置。

【請求項2】

前記制御部は、
前記出力指令値に応じて、前記複数の第１駆動パルスから前記複数の第４駆動パルスまでの周波数を制御する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記制御部は、
前記第１位相差を、前記出力指令値に応じて、±１８０°を中心として±９０°の範囲で制御する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。

【請求項4】

前記制御部は、
前記出力指令値が増加するに従って、前記第１位相差を増加させる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記出力指令値が基準値の場合に、前記第２位相差及び前記第３位相差を最大値に制御し、前記出力指令値が前記基準値から離れるに従って、前記第２位相差及び前記第３位相差を減少させる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。

【請求項6】

第１アーム及び第２アームを含む、第１ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路から出力される交流電圧が第１巻線に入力され、誘起された交流電圧を第２巻線から出力する、変圧器と、第３アーム及び第４アームを含み、前記第２巻線から出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する、第２ブリッジ回路と、を含む電源装置の制御方法であって、
前記第１アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第１駆動パルス及び前記第２アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第２駆動パルスと、前記第３アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第３駆動パルス及び前記第４アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第４駆動パルスと、の間の第１位相差を、出力指令値に応じて±１８０°を中心として制御するとともに、前記複数の第１駆動パルスと前記複数の第２駆動パルスとの間の第２位相差及び前記複数の第３駆動パルスと前記複数の第４駆動パルスとの間の第３位相差を、前記出力指令値に応じて制御する、
ことを特徴とする、電源装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電源装置及び電源装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、絶縁型ＤＡＢ（Dual Active Bridge）双方向コンバータが記載されている。ＤＡＢコンバータは、デューティ比を０．５で一定にし且つスイッチング周波数を一定にし、１次側ブリッジ回路と２次側ブリッジ回路との間の位相差を制御することにより、出力電圧、出力電流又は出力電力を制御できる。

【0003】

特許文献２には、スイッチング素子に流れるピーク電流を抑制するために、パルスを位相制御する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第５０２７２６４号明細書

【特許文献2】特開２０１８－２６９６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＤＡＢコンバータの位相差制御では、ソフトスイッチングが出来ずにハードスイッチングになってしまう動作領域が存在する。従って、ＤＡＢコンバータは、ハードスイッチングを許容できる回路設計が必要となる。そのため、スイッチング素子の選択肢に制限が生じ、また、設計も難化する。

【0006】

本開示は、スイッチング素子の選択肢の制限を緩和することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様の電源装置は、
第１アーム及び第２アームを含む、第１ブリッジ回路と、
前記第１ブリッジ回路から出力される交流電圧が第１巻線に入力され、誘起された交流電圧を第２巻線から出力する、変圧器と、
第３アーム及び第４アームを含み、前記第２巻線から出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する、第２ブリッジ回路と、
前記第１アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第１駆動パルス及び前記第２アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第２駆動パルスと、前記第３アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第３駆動パルス及び前記第４アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第４駆動パルスと、の間の第１位相差を、出力指令値に応じて±１８０°を中心として制御するとともに、前記複数の第１駆動パルスと前記複数の第２駆動パルスとの間の第２位相差、及び、前記複数の第３駆動パルスと前記複数の第４駆動パルスとの間の第３位相差を、前記出力指令値に応じて制御する、制御部と、
を含む、
ことを特徴とする。

【0008】

前記電源装置において、
前記制御部は、
前記出力指令値に応じて、前記複数の第１駆動パルスから前記複数の第４駆動パルスまでの周波数を制御する、
ことを特徴とする。

【0009】

前記電源装置において、
前記制御部は、
前記第１位相差を、前記出力指令値に応じて、±１８０°を中心として±９０°の範囲で制御する、
ことを特徴とする。

【0010】

前記電源装置において、
前記制御部は、
前記出力指令値が増加するに従って、前記第１位相差を増加させる、
ことを特徴とする。

【0011】

前記電源装置において、
前記制御部は、
前記出力指令値が基準値の場合に、前記第２位相差及び前記第３位相差を最大値に制御し、前記出力指令値が前記基準値から離れるに従って、前記第２位相差及び前記第３位相差を減少させる、
ことを特徴とする。

【0012】

本開示の一態様の電源装置の制御方法は、
第１アーム及び第２アームを含む、第１ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路から出力される交流電圧が第１巻線に入力され、誘起された交流電圧を第２巻線から出力する、変圧器と、第３アーム及び第４アームを含み、前記第２巻線から出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する、第２ブリッジ回路と、を含む電源装置の制御方法であって、
前記第１アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第１駆動パルス及び前記第２アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第２駆動パルスと、前記第３アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第３駆動パルス及び前記第４アームの複数のスイッチング素子に出力する複数の第４駆動パルスと、の間の第１位相差を、出力指令値に応じて±１８０°を中心として制御するとともに、前記複数の第１駆動パルスと前記複数の第２駆動パルスとの間の第２位相差及び前記複数の第３駆動パルスと前記複数の第４駆動パルスとの間の第３位相差を、前記出力指令値に応じて制御する、
ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、スイッチング素子の選択肢の制限を緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施形態の電源装置の構成を示す図である。

【図2】図２は、ＤＡＢのブリッジ回路間の第１位相差φ_ｐ－ｓと出力電力との関係を示す図である。

【図3】図３は、ＤＡＢのブリッジ回路間の第１位相差φ_ｐ－ｓと循環電流との関係を示す図である。

【図4】図４は、第１比較例の動作領域を示す図である。

【図5】図５は、第１比較例の動作領域を示す図である。

【図6】図６は、第２比較例の出力指令値と第１位相差φ_ｐ－ｓとの関係の一例を示す図である。

【図7】図７は、第２比較例の出力指令値とスイッチング周波数との関係の一例を示す図である。

【図8】図８は、第２比較例の動作領域を示す図である。

【図9】図９は、第２比較例の動作領域を示す図である。

【図10】図１０は、第２比較例の出力指令値と出力電力との関係を示す図である。

【図11】図１１は、第１比較例及び第２比較例の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図12】図１２は、第１比較例及び第２比較例の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図13】図１３は、第１比較例及び第２比較例の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図14】図１４は、実施形態の出力指令値と第１位相差φ_ｐ－ｓとの関係の一例を示す図である。

【図15】図１５は、実施形態の出力指令値と第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓとの関係の一例を示す図である。

【図16】図１６は、実施形態の出力指令値と出力電力との関係の一例を示す図である。

【図17】図１７は、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図18】図１８は、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図19】図１９は、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図20】図２０は、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図21】図２１は、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【図22】図２２は、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して、本開示に係る実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

【0016】

＜実施形態＞
本開示では、ソフトスイッチングが出来ていることの指標として、スイッチング素子がオフからオンになる時に電流が負であり、且つ、スイッチング素子がオンからオフになる時に電流が正である、という指標を用いる。

【0017】

（構成）
図１は、実施形態の電源装置の構成を示す図である。電源装置１は、ＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式であり、双方向のＤＣ－ＤＣコンバータである。実施形態では、電源装置１は、電源２から出力されコンデンサ３で平滑化後の直流の電圧Ｖｉｎの供給を受けて、直流の電圧Ｖｏｕｔを負荷４に出力するものとする。

【0018】

電源装置１は、１次側の第１ブリッジ回路１２と、リアクトル１３と、トランス１４と、２次側の第２ブリッジ回路１５と、コンデンサ１６と、制御部１８と、を含む。

【0019】

第１ブリッジ回路１２は、第１アーム２１及び第２アーム２２を含む単相フルブリッジ回路である。第１アーム２１は、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２を含む。第２アーム２２は、トランジスタＴｒ３及びトランジスタＴｒ４を含む。

【0020】

実施形態では、各トランジスタがＭＯＳＦＥＴであることとしたが、本開示はこれに限定されない。各トランジスタは、シリコンパワーデバイス、ＧａＮパワーデバイス、ＳｉＣパワーデバイス（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））などでも良い。

【0021】

各トランジスタは、積極的に電流を流すことができる寄生ダイオード（ボディダイオード）を有する、又は、逆並列にダイオードが接続されている。寄生ダイオードとは、ＭＯＳＦＥＴのバックゲートとソース及びドレインとの間のｐｎ接合である。

【0022】

各トランジスタが、本開示の「スイッチング素子」の一例に相当する。

【0023】

トランジスタＴｒ１のソースは、トランジスタＴｒ２のドレインに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ１のドレインは、トランジスタＴｒ３のドレインに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ３のソースは、トランジスタＴｒ４のドレインに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ２のソースは、トランジスタＴｒ４のソースに電気的に接続されている。

【0024】

トランジスタＴｒ１のドレイン及びトランジスタＴｒ３のドレインは、第１ブリッジ回路１２の一方の入力端子１２ａに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ２のソース及びトランジスタＴｒ４のソースは、第１ブリッジ回路１２の他方の入力端子１２ｂに電気的に接続されている。

【0025】

入力端子１２ａは、コンデンサ３の一端（高電位側端）に電気的に接続されている。入力端子１２ｂは、コンデンサ３の他端（低電位側端）に電気的に接続されている。

【0026】

入力端子１２ａと入力端子１２ｂとの間には、電圧Ｖｉｎが供給される。

【0027】

トランジスタＴｒ１のソース及びトランジスタＴｒ２のドレインは、第１ブリッジ回路１２の一方の出力端子１２ｃに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ３のソース及びトランジスタＴｒ４のドレインは、第１ブリッジ回路１２の他方の出力端子１２ｄに電気的に接続されている。

【0028】

リアクトル１３の一端は、出力端子１２ｃに電気的に接続されている。なお、実施形態では、リアクトル１３を１次側に配置したが、本開示はこれに限定されない。リアクトル１３は、２次側に配置しても良いし、１次側及び２次側の両方に配置しても良い。

【0029】

トランス１４は、第１巻線１４ａと、第２巻線１４ｂと、コア１４ｃと、を含む。第１巻線１４ａ及び第２巻線１４ｂは、コア１４ｃに巻回されている。

【0030】

トランス１４が、本開示の「変圧器」の一例に相当する。

【0031】

第１巻線１４ａと第２巻線１４ｂとの巻数比は、１：１が例示されるが、本開示はこれに限定されない。

【0032】

第１巻線１４ａの一端は、リアクトル１３の他端に電気的に接続されている。第１巻線１４ａの他端は、出力端子１２ｄに電気的に接続されている。

【0033】

第１ブリッジ回路１２は、電圧Ｖｉｎ、又は、電圧－Ｖｉｎを、出力端子１２ｃと出力端子１２ｄとの間に出力する。

【0034】

例えば、第１ブリッジ回路１２は、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ４がオン状態、且つ、トランジスタＴｒ２及びトランジスタＴｒ３がオフ状態に制御されている場合、電圧Ｖｉｎを、出力端子１２ｃと出力端子１２ｄとの間に出力する。

【0035】

また例えば、第１ブリッジ回路１２は、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ４がオフ状態、且つ、トランジスタＴｒ２及びトランジスタＴｒ３がオン状態に制御されている場合、電圧－Ｖｉｎを、出力端子１２ｃと出力端子１２ｄとの間に出力する。

【0036】

第２ブリッジ回路１５は、第３アーム３１及び第４アーム３２を含む単相フルブリッジ回路である。第３アーム３１は、トランジスタＴｒ５及びトランジスタＴｒ６を含む。第４アーム３２は、トランジスタＴｒ７及びトランジスタＴｒ８を含む。

【0037】

トランジスタＴｒ５のソースは、トランジスタＴｒ６のドレインに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ５のドレインは、トランジスタＴｒ７のドレインに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ７のソースは、トランジスタＴｒ８のドレインに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ６のソースは、トランジスタＴｒ８のソースに電気的に接続されている。

【0038】

トランジスタＴｒ５のソース及びトランジスタＴｒ６のドレインは、第２ブリッジ回路１５の一方の入力端子１５ａに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ７のソース及びトランジスタＴｒ８のドレインは、第２ブリッジ回路１５の他方の入力端子１５ｂに電気的に接続されている。

【0039】

トランジスタＴｒ５のドレイン及びトランジスタＴｒ７のドレインは、第２ブリッジ回路１５の一方の出力端子１５ｃに電気的に接続されている。トランジスタＴｒ６のソース及びトランジスタＴｒ８のソースは、第２ブリッジ回路１５の他方の出力端子１５ｄに電気的に接続されている。

【0040】

入力端子１５ａは、第２巻線１４ｂの一端に電気的に接続されている。入力端子１５ｂは、第２巻線１４ｂの他端に電気的に接続されている。

【0041】

出力端子１５ｃは、コンデンサ１６の一端（高電位側端）に電気的に接続されている。出力端子１５ｄは、コンデンサ１６の他端（低電位側端）に電気的に接続されている。

【0042】

コンデンサ１６の電圧が、電圧Ｖｏｕｔである。コンデンサ１６の一端（高電位側端）は、負荷４の一端（高電位側端）に電気的に接続されている。コンデンサ１６の他端（低電位側端）は、負荷４の他端（低電位側端）に電気的に接続されている。

【0043】

制御部１８は、複数の第１駆動パルスＰ１を第１アーム２１に出力し、複数の第２駆動パルスＰ２を第２アーム２２に出力し、複数の第３駆動パルスＰ３を第３アーム３１に出力し、複数の第４駆動パルスＰ４を第４アーム３２に出力することにより、第１アーム２１から第４アーム３２までを制御する。

【0044】

制御部１８は、第１駆動パルスＰ１及び第２駆動パルスＰ２と、第３駆動パルスＰ３及び第４駆動パルスＰ４と、の間の第１位相差φ_ｐ－ｓを制御することにより、第１ブリッジ回路１２と第２ブリッジ回路１５との間の第１位相差φ_ｐ－ｓを制御する。

【0045】

図２は、ＤＡＢのブリッジ回路間の第１位相差φ_ｐ－ｓと出力電力との関係を示す図である。図２において、横軸は、第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）を表し、縦軸は、正規化した出力電力を表す。波形２０１は、第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）と、正規化した出力電力と、の関係を示す。

【0046】

図３は、ＤＡＢのブリッジ回路間の第１位相差φ_ｐ－ｓと循環電流との関係を示す図である。図３において、横軸は、第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）を表し、縦軸は、正規化した循環電流を表す。波形２０２は、第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）と、正規化した循環電流と、の関係を示す。

【0047】

（第１比較例の制御）
図３の波形２０２で示すように、第１位相差φ_ｐ－ｓが－１８０°から－９０°までの範囲、及び、＋９０°から＋１８０°までの範囲では、負荷４への電力供給に寄与しない循環電流が多くなる。

【0048】

そこで、第１比較例は、デューティ比を０．５で一定にし且つスイッチング周波数を一定の基準周波数（例えば、５０ｋＨｚ）にする。デューティ比は、制御の１周期に対するスイッチング素子のオン時間（又はオフ時間）の比率である。そして、第１比較例は、図２及び図３に示すように、第１位相差φ_ｐ－ｓを、０°を中心（無負荷時）として、出力指令値に応じて－９０°から＋９０°までの範囲（以下、「第１比較例の位相差範囲２１０」と称する。）で位相差制御する。

【0049】

図４は、第１比較例の動作領域を示す図である。図４において、横軸は、第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）を表し、縦軸は、１次側電圧（電圧Ｖｉｎ）に対する２次側電圧（電圧Ｖｏｕｔ）の比を表す。

【0050】

なお、図４において、電圧比が負の領域は、計算上のものである。実際の回路（図１参照）へ負電圧を印加した場合、トランジスタの寄生ダイオードが導通してしまうので、電源装置１は動作を行うことができない。

【0051】

第１比較例では、図４の領域３０１及び領域３０３は、ソフトスイッチング動作領域であるが、領域３０２、領域３０４、領域３０５及び領域３０６は、ハードスイッチング動作領域である。

【0052】

図５は、第１比較例の動作領域を示す図である。図５は、図４の中の領域３１０の拡大図である。

【0053】

（第２比較例）
第２比較例は、循環電流（図３参照）を利用してソフトスイッチング動作を実現する。つまり、第２比較例は、第１位相差φ_ｐ－ｓを、±１８０°（絶対的な位相差）を中心（無負荷時）として、出力指令値に応じて制御する。ＤＡＢコンバータの制御の観点では、絶対的な位相差＋１８０°と絶対的な位相差－１８０°とは、等価である。

【0054】

図２及び図３を参照すると、第２比較例は、第１位相差φ_ｐ－ｓを、±１８０°（絶対的な位相差）を中心（無負荷時）として、出力指令値に応じて、一例として＋９０°（絶対的な位相差）から－９０°（絶対的な位相差）までの範囲（以下、「第２比較例の位相差範囲２１１」と称する。）で制御する。

【0055】

なお、第２比較例は、後述するように第１位相差φ_ｐ－ｓ及びスイッチング周波数の２つの値で制御することとすると、＋９０°（絶対的な位相差）より小さい位相差範囲２１１ａ及び－９０°（絶対的な位相差）より大きい位相差範囲２１１ｂを利用することも可能である。位相差範囲２１１ａ及び位相差範囲２１１ｂでは、出力電力が小さくなるというデメリットがあるものの、損失を小さくすることができるというメリットがある。例えば、図２に示すように位相差範囲２１１から位相差範囲２１１ｂへ動作点が移動した場合は、電力的には低下傾向を示すが、図３に示すように、循環電流も低下傾向を示す。具体的には、図２で示すところの約－１１２．５°（位相差範囲２１１）と約－６７．５°（位相差範囲２１１ｂ）とでは周波数が同一であれば同等の出力になる。その時、図３を参照すると、循環電流は明らかに約－６７．５°の方が少なくなる（低損失になる）結果となる。周波数を変更した場合、変換電力は変化する（２倍の周波数で電力は半分になる）が、出力電力と循環電流との比率（図２と図３との比率）は変化しない。そのため、ハードスイッチング領域へ入ってしまわないように注意が必要であるが、損失低減のために、位相差範囲２１１ｂまで踏み込んでしまってもよい。

【0056】

第２比較例の位相差範囲２１１では、第１比較例の位相差範囲２１０と比して、トランジスタがオフからオンになるときに負の向き、オンからオフになるときに正の向きの循環電流が多く流れる。第２比較例は、上記の循環電流を利用することにより、上記した指標を満たすことができる。

【0057】

図６は、第２比較例の出力指令値と第１位相差φ_ｐ－ｓとの関係の一例を示す図である。図６において、横軸は、正規化した出力指令値を表し、縦軸は、±１８０°（絶対的な位相差）に対する相対的な第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）を表す。波形５０１は、出力指令値と、第１位相差φ_ｐ－ｓと、の関係を示す。

【0058】

第２比較例は、波形５０１で示すように、出力指令値が－１００から１００まで増加するに従って、第１位相差φ_ｐ－ｓを－９０°（相対的な位相差。絶対的な位相差としては＋９０°）から、＋９０°（相対的な位相差。絶対的な位相差としては－９０°）まで、単調増加させる。

【0059】

但し、このままでは、循環電流が必要以上に多くなり、損失が大きくなる。そこで、第２比較例は、スイッチング周波数を制御することにより、上記の循環電流を調整（抑制）する。第２比較例は、スイッチング周波数を高くすることにより、循環電流を抑制できる。

【0060】

図７は、第２比較例の出力指令値とスイッチング周波数との関係の一例を示す図である。図７において、横軸は、正規化した出力指令値を表し、縦軸は、スイッチング周波数（ｋＨｚ（キロヘルツ））を表す。波形５１１は、出力指令値と、スイッチング周波数と、の関係を示す。

【0061】

第２比較例は、波形５１１で示すように、出力指令値が０（無負荷時）の場合にスイッチング周波数を最大にし、出力指令値が０から離れるに従って、スイッチング周波数を直線状に低くする。この例では、第２比較例は、出力指令値が０（無負荷時）の場合にスイッチング周波数を２００ｋＨｚにし、出力指令値が±１００の場合にスイッチング周波数を５０ｋＨｚ（基準周波数）にする。

【0062】

図８は、第２比較例の動作領域を示す図である。図８において、横軸は、±１８０°（絶対的な位相差）に対する相対的な第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）を表し、縦軸は、１次側電圧（電圧Ｖｉｎ）に対する２次側電圧（電圧Ｖｏｕｔ）の比を表す。

【0063】

なお、図８において、電圧比が負の領域は、計算上のものである。実際の回路（図１参照）へ負電圧を印加した場合、トランジスタの寄生ダイオードが導通してしまうので、電源装置１は動作を行うことができない。

【0064】

第２比較例では、図８の領域３２２は、ソフトスイッチング動作領域であり、領域３２１、領域３２３、領域３２４、領域３２５及び領域３２６は、ハードスイッチング動作領域である。

【0065】

図９は、第２比較例の動作領域を示す図である。図９は、図８の中の領域３３０の拡大図である。図９に示す範囲では、全部がソフトスイッチング動作領域（領域３２２）である。

【0066】

図９を図５と比較すると、第２比較例は、図６及び図７で示す位相差制御及びスイッチング周波数制御を行うことにより、第１比較例ではハードスイッチングであった領域（図５の領域３０２、領域３０５参照）で、ソフトスイッチング動作を可能とすることができる。

【0067】

なお、図８及び図９では、横軸を第１位相差φ_ｐ－ｓとしている。しかし、第２比較例では、出力電力は、位相差だけではなく、スイッチング周波数にも依存する。図８及び図９の横軸は、あくまでも、第２比較例の第１位相差φ_ｐ－ｓだけに着目した特性となる。

【0068】

また、図２を参照すると、第１比較例の位相差範囲２１０では、第１位相差φ_ｐ－ｓと出力電力との関係が正の相関（右肩上がり、図２の－９０°（絶対的な位相差）から＋９０°（絶対的な位相差）までの範囲参照）である。これに対して、第２比較例の位相差範囲２１１では、第１位相差φ_ｐ－ｓと出力電力との関係が負の相関（右肩下がり、図２の＋９０°（絶対的な位相差）から－９０°（絶対的な位相差）までの範囲参照）である。そのため、第２比較例では、出力指令値と出力電力との関係が、負の相関（第１比較例と逆）になる。

【0069】

図１０は、第２比較例の出力指令値と出力電力との関係の一例を示す図である。図１０において、横軸は、正規化した出力指令値を表し、縦軸は、正規化した出力電力を表す。波形５２１は、出力指令値と、出力電力と、の関係を示す。

【0070】

第２比較例では、波形５２１で示すように、出力指令値が増加すると、出力電力が減少する。第２比較例は、この特性のままで使用しても良い。或いは、例えば、出力指令値の符号が反転されて入力されることとして、出力指令値と出力電力との関係が正の相関になるようにしても良い。

【0071】

（第１比較例及び第２比較例の回路シミュレーション結果）
図１１から図１３までは、第１比較例及び第２比較例の回路シミュレーション結果を示す図である。

【0072】

図１１は、逆方向最大出力時（第１位相差φ_ｐ－ｓ＝－９０°（相対的な位相差））の回路シミュレーション結果を示す図である。図１２は、無出力時（無負荷時）（第１位相差φ_ｐ－ｓ＝０°（相対的な位相差））の回路シミュレーション結果を示す図である。図１３は、順方向最大出力時（第１位相差φ_ｐ－ｓ＝＋９０°（相対的な位相差））の回路シミュレーション結果を示す図である。

【0073】

図１１から図１３までにおいて、第１行目は、電圧Ｖｉｎと電圧Ｖｏｕｔとの電圧比が１：２の場合（図５及び図９の動作点４０１、動作点４０４及び動作点４０７参照）の回路シミュレーション結果を示す。

【0074】

第２行目は、電圧Ｖｉｎと電圧Ｖｏｕｔとの電圧比が１：１の場合（図５及び図９の動作点４０２、動作点４０５及び動作点４０８参照）の回路シミュレーション結果を示す。

【0075】

第３行目は、電圧Ｖｉｎと電圧Ｖｏｕｔとの電圧比が２：１の場合（図５及び図９の動作点４０３、動作点４０６及び動作点４０９参照）の回路シミュレーション結果を示す。

【0076】

図１１から図１３までの各欄において、１番目の波形は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間の電圧を表す。ドレインーソース間の電圧がハイレベルの場合、トランジスタはオフである。ドレインーソース間の電圧がローレベルの場合、トランジスタはオンである。

【0077】

２番目の波形は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0078】

３番目の波形は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間の電圧を表す。ドレインーソース間の電圧がハイレベルの場合、トランジスタはオフである。ドレインーソース間の電圧がローレベルの場合、トランジスタはオンである。

【0079】

４番目の波形は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0080】

図１１を参照すると、欄６０１は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０１参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0081】

欄６０２は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０１参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0082】

欄６０３は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０２参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0083】

欄６０４は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０２参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0084】

欄６０５は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０３参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0085】

欄６０６は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０３参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0086】

図１２を参照すると、欄６１１は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０４参照）を示す。この場合、第１ブリッジ回路１２のトランジスタは上記した指標を満たしていないので（１番目及び２番目の波形参照）、ハードスイッチング動作である。

【0087】

欄６１２は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０４参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0088】

欄６１３は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０５参照）を示す。この場合、第１ブリッジ回路１２のトランジスタは上記した指標を満たしていないので（１番目及び２番目の波形参照）、ハードスイッチング動作である。第２ブリッジ回路１５のトランジスタも上記した指標を満たしていないので（３番目及び４番目の波形参照）、ハードスイッチング動作である。

【0089】

欄６１４は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０５参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0090】

欄６１５は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０６参照）を示す。この場合、第２ブリッジ回路１５のトランジスタは上記した指標を満たしていないので（３番目及び４番目の波形参照）、ハードスイッチング動作である。

【0091】

欄６１６は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０６参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0092】

図１３を参照すると、欄６２１は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０７参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0093】

欄６２２は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０７参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0094】

欄６２３は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０８参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0095】

欄６２４は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０８参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0096】

欄６２５は、第１比較例の回路シミュレーション結果（図５の動作点４０９参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0097】

欄６２６は、第２比較例の回路シミュレーション結果（図９の動作点４０９参照）を示す。この場合、上記した指標を満たしているので、ソフトスイッチング動作である。

【0098】

図１１から図１３までに示すように、第２比較例は、動作点４０１から動作点４０９までの全部でソフトスイッチング動作が可能であることが確認できた。

【0099】

第２比較例は、第１比較例と比べて、ソフトスイッチング動作が可能な領域を拡げることができる。これにより、第２比較例は、スイッチング素子の選択肢の増加、スイッチング損失の低減、サージノイズ抑制、安全動作領域改善による素子のストレス低減などが可能となる。また、第２比較例は、結果的に設計の容易化、低コスト化、電力変換効率の向上、小型化等の性能向上も見込める。

【0100】

（実施形態）
第２比較例で、循環電流の多くが無効電力となる著しい軽負荷時、及び、完全無効電流になる無負荷時においては、循環電流は、スイッチング周波数ｆの逆数１／ｆに比例する。理論上は、スイッチング周波数ｆを高くすればするほど、循環電流を０Ａ（アンペア）近傍まで抑制できる。しかし、実際には、回路内の各素子は、動作速度に限界がある。つまり、スイッチング周波数ｆには限界があり、第２比較例の循環電流の抑制には限界がある。

【0101】

そこで、実施形態は、第１位相差φ_ｐ－ｓを制御するとともに、第１駆動パルスＰ１と第２駆動パルスＰ２との間の第２位相差φ_ｐ－ｐをも制御することにより、第１アーム２１と第２アーム２２との間の第２位相差φ_ｐ－ｐをも制御する。更に、実施形態は、第３駆動パルスＰ３と第４駆動パルスＰ４との間の第３位相差φ_ｓ－ｓをも制御することにより、第３アーム３１と第４アーム３２との間の第３位相差φ_ｓ－ｓをも制御する。

【0102】

実施形態では、第２位相差φ_ｐ－ｐと第３位相差φ_ｓ－ｓとは同じであることとするが、本開示はこれに限定されない。第２位相差φ_ｐ－ｐと第３位相差φ_ｓ－ｓとは異なっていても良い。

【0103】

図１４は、実施形態の出力指令値と第１位相差φ_ｐ－ｓとの関係の一例を示す図である。図１４において、横軸は、正規化した出力指令値を表し、縦軸は、±１８０°（絶対的な位相差）に対する相対的な第１位相差φ_ｐ－ｓ（ｄｅｇ）を表す。波形５３１は、出力指令値と、第１位相差φ_ｐ－ｓと、の関係を示す。

【0104】

実施形態は、波形５３１で示すように、出力指令値が－１００から１００まで増加するに従って、第１位相差φ_ｐ－ｓを－９０°（相対的な位相差。絶対的な位相差としては＋９０°）から、＋９０°（相対的な位相差。絶対的な位相差としては－９０°）まで、直線状に増加させる。

【0105】

図１５は、実施形態の出力指令値と第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓとの関係の一例を示す図である。図１５において、横軸は、正規化した出力指令値を表す。縦軸は、第１比較例及び第２比較例のアーム間位相差（固定値。以下、「基準位相差」と称する場合がある。）に対する相対的な第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓ（ｄｅｇ）を表す。波形５３２は、出力指令値と、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓと、の関係を示す。

【0106】

実施形態は、波形５３２で示すように、出力指令値が０（無負荷時）の場合に、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを最大値に制御し、出力指令値が０から離れるに従って、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを直線状に減少させる。図１５の例では、実施形態は、出力指令値が０（無負荷時）の場合に、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを１７０°（基準位相差に対する相対的な位相差）にし、出力指令値が±１００の場合に、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを０°（基準位相差に対する相対的な位相差）にする。

【0107】

図１６は、実施形態の出力指令値と出力電力との関係の一例を示す図である。図１６において、横軸は、正規化した出力指令値を表し、縦軸は、正規化した出力電力を表す。波形５３３は、出力指令値と、出力電力と、の関係を示す。

【0108】

実施形態では、波形５３３で示すように、出力指令値が増加すると、出力電力が減少する。実施形態は、この特性のままで使用しても良い。或いは、例えば、出力指令値の符号が反転されて入力されることとして、出力指令値と出力電力との関係が正の相関になるようにしても良い。

【0109】

なお、波形５３３は、あくまでも、出力指令値と出力電力との関係の一例を示すものであり、本開示はこれに限定されない。実際の製品化に当たっては、パラメータ（波形５３１及び波形５３２）の調整により、波形５３３に差異が生ずることが考えられる。

【0110】

（第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果）
図１７から図２２までは、第２比較例及び実施形態の回路シミュレーション結果を示す図である。

【0111】

図１７は、第２比較例の無負荷時の、最低スイッチング周波数に対する周波数倍率と、循環電流実効値低減率と、の関係を示す図である。図１７において、横軸は、最低スイッチング周波数に対する周波数倍率を表し、縦軸は、循環電流実効値低減率を表す。

【0112】

波形５４１は、周波数倍率と、循環電流実効値低減率と、の関係を示す。最低スイッチング周波数は、基準周波数（例えば、５０ｋＨｚ）である。図１７の例では、周波数倍率１倍から４倍まで、つまりスイッチング周波数が例えば５０ｋＨｚから例えば２００ｋＨｚまでを示している。

【0113】

第２比較例は、波形５４１で示すように、スイッチング周波数を高くするほど、循環電流を抑制できる。

【0114】

図１８は、実施形態の無負荷時の、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓと、循環電流実効値低減率と、の関係を示す図である。図１８において、横軸は、基準位相差に対する相対的な第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを表し、縦軸は、循環電流実効値低減率を表す。

【0115】

波形５４４は、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓと、循環電流実効値低減率と、の関係を示す。図１８の例では、相対的な第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを０°から１６０°まで示している。

【0116】

実施形態は、波形５４４で示すように、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを大きくするほど、循環電流を抑制できる。

【0117】

図１８を図１７と比較すると、第２比較例が周波数倍率４．０倍で循環電流実効値低減率が０．２５であるのに対して、実施形態は、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓが１６０°で循環電流実効値低減率が０．１９である。

【0118】

このように、実施形態は、スイッチング周波数に限界がある第２比較例よりも、循環電流を抑制できる。これにより、実施形態は、各回路構成素子に発生する導通損失を低減できる。

【0119】

図１９は、第２比較例及び実施形態の波形を示す図である。詳しくは、図１９は、第２比較例及び実施形態の動作点５４２（図１７及び図１８参照。周波数倍率＝１．０、且つ、相対的な第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓ＝０°）での各部の波形を示す図である。

【0120】

波形５５１は、リアクトル１３を流れる循環電流を示す。

【0121】

波形５５２は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間の電圧を表す。ドレイン－ソース間の電圧がハイレベルの場合、トランジスタはオフである。ドレイン－ソース間の電圧がローレベルの場合、トランジスタはオンである。

【0122】

波形５５３は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0123】

波形５５４は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0124】

波形５５５は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0125】

図２０は、第２比較例の波形を示す図である。詳しくは、図２０は、第２比較例の動作点５４３（図１７参照。周波数倍率＝２．５）での各部の波形を示す図である。

【0126】

波形５５６は、リアクトル１３を流れる循環電流を示す。波形５５６で表される循環電流の実効値は、波形５５１（図１９参照）で表される循環電流の実効値の約０．３７倍である。

【0127】

波形５５７は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0128】

波形５５８は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0129】

波形５５９は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0130】

波形５６０は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0131】

図２１は、実施形態の波形を示す図である。詳しくは、図２１は、実施形態の動作点５４５（図１８参照。相対的な第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓ＝１００°）での各部の波形を示す図である。

【0132】

波形５６１は、リアクトル１３を流れる循環電流を示す。波形５６１で表される循環電流の実効値は、波形５５１（図１９参照）で表される循環電流の実効値の約０．６５倍である。

【0133】

波形５６２は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0134】

波形５６３は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0135】

波形５６４は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0136】

波形５６５は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0137】

なお、図１８では、スイッチング周波数を基準周波数に固定した状態での結果を示したが、実施形態でも、第２比較例と同様に、スイッチング周波数をも制御することで、循環電流の更なる低減を図ることも可能である。その場合、図７の波形５１１で示したように、出力指令値が０（無負荷時）の場合にスイッチング周波数を最大にし、出力指令値が０から離れるに従って、スイッチング周波数を低くすると良い。

【0138】

図２２は、実施形態の波形を示す図である。詳しくは、図２２は、実施形態の動作点５４５（図１８参照。相対的な第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓ＝１００°）で、更に周波数倍率＝２．５にした場合の、各部の波形を示す図である。

【0139】

波形５６６は、リアクトル１３を流れる循環電流を示す。波形５６６で表される循環電流の実効値は、波形５５１（図１９参照）で表される循環電流の実効値の約０．２４倍である。

【0140】

波形５６７は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0141】

波形５６８は、第１ブリッジ回路１２のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0142】

波形５６９は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間の電圧を表す。

【0143】

波形５７０は、第２ブリッジ回路１５のトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ５）のドレイン－ソース間（寄生ダイオードを含む。）の電流を表す。

【0144】

（まとめ）
実施形態は、第１位相差φ_ｐ－ｓを制御することにより、第２比較例と同様に、ソフトスイッチング動作が可能な領域を拡げることができる。これにより、実施形態は、スイッチング素子の選択肢の増加、スイッチング損失の低減、サージノイズ抑制、安全動作領域改善による素子のストレス低減などが可能となる。また、実施形態は、結果的に設計の容易化、低コスト化、電力変換効率の向上、小型化等の性能向上も見込める。

【0145】

更に、実施形態は、第２位相差φ_ｐ－ｐ及び第３位相差φ_ｓ－ｓを制御することにより、各ブリッジ回路からトランス１４側へ出力される電圧実効値を低減することができ、その結果、リアクトル１３の実効電圧を低減することができる。これにより、実施形態は、循環電流を抑制でき、損失を抑制できる。

【0146】

以上、本開示の実施形態を説明したが、これら実施形態の内容により本開示が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0147】

１ 電源装置
２ 電源
３、１６ コンデンサ
４ 負荷
１２ 第１ブリッジ回路
１３ リアクトル
１４ トランス
１５ 第２ブリッジ回路
１８ 制御部
２１ 第１アーム
２２ 第２アーム
３１ 第３アーム
３２ 第４アーム
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ５、Ｔｒ６、Ｔｒ７、Ｔｒ８ トランジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】