特開 2024-29689 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】P2024029689

(43)【公開日】2024-03-06

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240228BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 W

H02M3/28 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022132084

(22)【出願日】2022-08-22

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】野木 雅之

(72)【発明者】

【氏名】森 学人

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730BB26

5H730BB57

5H730BB66

5H730BB83

5H730DD04

5H730EE13

5H730FF09

5H730FG01

5H730ZZ05

(57)【要約】

【課題】 並列接続された複数のスイッチング素子の電流アンバランスを低減する。
【解決手段】 実施形態の電力変換装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが正極線と負極線との間に直列接続されて構成された第１レグと、第１レグに並列接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが直列接続されて構成された第２レグとを含む第１ハーフブリッジ回路と、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とが正極線と負極線との間に直列接続されて構成された第３レグと、第３レグに並列接続され、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とが直列接続されて構成された第４レグとを含む第２ハーフブリッジ回路と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続ノードに接続された第１コンデンサと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との接続ノードに接続された第２コンデンサとを含むコンデンサユニットとを含む。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが第１正極線と第１負極線との間に直列接続されて構成された第１レグと、前記第１レグに並列接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが直列接続されて構成された第２レグとを含む第１ハーフブリッジ回路と、
第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とが前記第１正極線と前記第１負極線との間に直列接続されて構成された第３レグと、前記第３レグに並列接続され、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とが直列接続されて構成された第４レグとを含む第２ハーフブリッジ回路と、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続ノードに接続された第１コンデンサと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との接続ノードに接続された第２コンデンサとを含む第１コンデンサユニットと、
前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との接続ノードに接続された第３コンデンサと、前記第７スイッチング素子と前記第８スイッチング素子との接続ノードに接続された第４コンデンサとを含む第２コンデンサユニットと、
を具備し、
前記第１及び第２ハーフブリッジ回路からなるフルブリッジ回路が出力する交流電流の周波数は、商用周波数より高い
電力変換装置。

【請求項2】

１次巻線及び２次巻線を有する変圧器をさらに具備し、
前記第１及び第２コンデンサは、前記１次巻線の一端に接続され、
前記第３及び第４コンデンサは、前記１次巻線の他端に接続され、
前記第１乃至第４コンデンサの各々と前記変圧器の漏れインダクタンスとは、共振回路を構成する
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１コンデンサユニットは、前記第１及び第２コンデンサに接続された第１導体を含み、
前記第２コンデンサユニットは、前記第３及び第４コンデンサに接続された第２導体を含み、
前記第１導体と前記第２導体とは、平行平板化される
請求項１又は２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とが第２正極線と第２負極線との間に直列接続されて構成された第５レグと、前記第５レグに並列接続され、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とが直列接続されて構成された第６レグとを含む第３ハーフブリッジ回路と、
第９スイッチング素子と第１０スイッチング素子とが前記第２正極線と前記第２負極線との間に直列接続されて構成された第７レグと、前記第７レグに並列接続され、第１１スイッチング素子と第１２スイッチング素子とが直列接続されて構成された第８レグとを含む第４ハーフブリッジ回路と、
前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との接続ノードに接続された第５コンデンサと、前記第７スイッチング素子と前記第８スイッチング素子との接続ノードに接続された第６コンデンサとを含む第３コンデンサユニットと、
前記第９スイッチング素子と前記第１０スイッチング素子との接続ノードに接続された第７コンデンサと、前記第１１スイッチング素子と前記第１２スイッチング素子との接続ノードに接続された第８コンデンサとを含む第４コンデンサユニットと、
をさらに具備し、
前記第５及び第６コンデンサは、前記２次巻線の一端に接続され、
前記第７及び第８コンデンサは、前記２次巻線の他端に接続され、
前記第５乃至第８コンデンサの各々と前記変圧器の漏れインダクタンスとは、共振回路を構成する
請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項5】

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが第１正極線と第１負極線との間に直列接続されて構成された第１レグと、前記第１レグに並列接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが直列接続されて構成された第２レグとを含む第１ハーフブリッジ回路と、
第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とが前記第１正極線と前記第１負極線との間に直列接続されて構成された第３レグと、前記第３レグに並列接続され、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とが直列接続されて構成された第４レグとを含む第２ハーフブリッジ回路と、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続ノードに接続された第１リアクトルと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との接続ノードに接続された第２リアクトルとを含む第１リアクトルユニットと、
前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との接続ノードに接続された第３リアクトルと、前記第７スイッチング素子と前記第８スイッチング素子との接続ノードに接続された第４リアクトルを含む第２リアクトルユニットと、
を具備し、
前記第１及び第２ハーフブリッジ回路からなるフルブリッジ回路が出力する交流電流の周波数は、商用周波数より高い
電力変換装置。

【請求項6】

１次巻線及び２次巻線を有する変圧器をさらに具備し、
前記第１及び第２リアクトルは、前記１次巻線の一端に接続され、
前記第３及び第４リアクトルは、前記１次巻線の他端に接続される
請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とが第２正極線と第２負極線との間に直列接続されて構成された第５レグと、前記第５レグに並列接続され、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とが直列接続されて構成された第６レグとを含む第３ハーフブリッジ回路と、
第９スイッチング素子と第１０スイッチング素子とが前記第２正極線と前記第２負極線との間に直列接続されて構成された第７レグと、前記第７レグに並列接続され、第１１スイッチング素子と第１２スイッチング素子とが直列接続されて構成された第８レグとを含む第４ハーフブリッジ回路と、
前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との接続ノードに接続された第５リアクトルと、前記第７スイッチング素子と前記第８スイッチング素子との接続ノードに接続された第６リアクトルとを含む第３リアクトルユニットと、
前記第９スイッチング素子と前記第１０スイッチング素子との接続ノードに接続された第７リアクトルと、前記第１１スイッチング素子と前記第１２スイッチング素子との接続ノードに接続された第８リアクトルとを含む第４リアクトルユニットと、
をさらに具備し、
前記第５及び第６リアクトルは、前記２次巻線の一端に接続され、
前記第７及び第８リアクトルは、前記２次巻線の他端に接続される
請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記第１正極線と前記第１負極線との間に接続された第１蓄電池をさらに具備する
請求項１又は５に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記第２正極線と前記第２負極線との間に接続された第２蓄電池をさらに具備する
請求項４又は７に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両の補助電源装置では、絶縁変圧器を小型化するために高周波絶縁技術が適用され始めている。商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも高い周波数の交流電力をインバータ回路により生成することで、変圧器を大幅に小型化できるとともに、変圧器の重量を大幅に低減できる。このような技術は、鉄道車両の補助電源装置に限らず、蓄電池の充放電変換器等、電源の絶縁を必要とする電源装置に用いられている。

【0003】

一方、電源装置が高出力になってくると、使用しているスイッチング素子、例えばＩＧＢＴやＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子の並列数を増やす必要が出てくる。

【0004】

この時、並列接続された複数の半導体素子にできるだけ均等に電流を流すことが望ましい。しかし、電力変換装置を構成する導体のインダクタンスの影響で、並列接続された複数の半導体素子への電流バランスが均一化しにくいという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－３８４５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、並列接続された複数のスイッチング素子の電流アンバランスを低減することが可能な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】

【0007】

実施形態に係る電力変換装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが第１正極線と第１負極線との間に直列接続されて構成された第１レグと、前記第１レグに並列接続され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とが直列接続されて構成された第２レグとを含む第１ハーフブリッジ回路と、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とが前記第１正極線と前記第１負極線との間に直列接続されて構成された第３レグと、前記第３レグに並列接続され、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とが直列接続されて構成された第４レグとを含む第２ハーフブリッジ回路と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続ノードに接続された第１コンデンサと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との接続ノードに接続された第２コンデンサとを含む第１コンデンサユニットと、前記第５スイッチング素子と前記第６スイッチング素子との接続ノードに接続された第３コンデンサと、前記第７スイッチング素子と前記第８スイッチング素子との接続ノードに接続された第４コンデンサとを含む第２コンデンサユニットとを具備する。前記第１及び第２ハーフブリッジ回路からなるフルブリッジ回路が出力する交流電流の周波数は、商用周波数より高い。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。

【図2】図２は、第１コンデンサユニット及び第２コンデンサユニットの構成を説明する斜視図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る電力変換装置の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【0010】

［１］ 第１実施形態
［１－１］ 電力変換装置１の構成
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。

【0011】

電力変換装置１は、第１ハーフブリッジ回路１０、第２ハーフブリッジ回路１４、直流コンデンサ２２、第１コンデンサユニット２３、第２コンデンサユニット２６、変圧器２９、第３ハーフブリッジ回路３０、第４ハーフブリッジ回路３４、直流コンデンサ４２、第３コンデンサユニット４３、及び第４コンデンサユニット４６を備える。

【0012】

第１ハーフブリッジ回路１０、第２ハーフブリッジ回路１４、第１コンデンサユニット２３、及び第２コンデンサユニット２６は、第１インバータ回路を構成する。第３ハーフブリッジ回路３０、第４ハーフブリッジ回路３４、第３コンデンサユニット４３、及び第４コンデンサユニット４６は、第２インバータ回路を構成する。

【0013】

まず、第１インバータ回路の構成について説明する。
第１ハーフブリッジ回路１０は、正極線２０と負極線２１との間に並列接続された複数の第１レグ１１を備える。複数の第１レグ１１の各々は、第１スイッチング素子１２と第２スイッチング素子１３とが直列接続されて構成される。

【0014】

第１スイッチング素子１２及び第２スイッチング素子１３の各々は、半導体素子で構成され、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成される。スイッチング素子１２、１３は、ワイドバンドギャップを有するＳｉＣ（Silicon Carbide）を用いたＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いてもよい。スイッチング素子にＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを用いることで、スイッチング速度を高速化できるとともに、スイッチング損失を低減することができる。

【0015】

第１スイッチング素子１２のコレクタは、正極線２０に接続され、そのエミッタは、第２スイッチング素子１３のコレクタに接続される。第２スイッチング素子１３のエミッタは、負極線２１に接続される。第１スイッチング素子１２及び第２スイッチング素子１３のゲートは、制御回路２に接続される。第１スイッチング素子１２及び第２スイッチング素子１３の各々には、逆並列に（すなわち、カソードが高電位側となるように）、還流ダイオードが接続される。

【0016】

本実施形態では、第１ハーフブリッジ回路１０が４個の第１レグ１１を備える場合を例示している。第１ハーフブリッジ回路１０は、少なくとも２個の第１レグ１１を備える。第１レグ１１の数は、電力変換装置１に要求される出力電力に応じて適宜設定される。

【0017】

第２ハーフブリッジ回路１４は、正極線２０と負極線２１との間に並列接続された複数の第２レグ１５を備える。複数の第２レグ１５の各々は、第３スイッチング素子１６と第４スイッチング素子１７とが直列接続されて構成される。

【0018】

第２レグ１５の構成は、第１レグ１１の構成と同じである。第３スイッチング素子１６及び第４スイッチング素子１７の各々には、逆並列に還流ダイオードが接続される。本実施形態では、第２ハーフブリッジ回路１４が４個の第２レグ１５を備える場合を例示している。第２ハーフブリッジ回路１４は、少なくとも２個の第２レグ１５を備える。

【0019】

正極線２０と負極線２１との間には、直流コンデンサ２２が接続される。直流コンデンサ２２は、電圧を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。

【0020】

正極線２０には、端子Ｔ１が接続され、負極線２１には、端子Ｔ２が接続される。端子Ｔ１と端子Ｔ２との間には、直流電源３が接続される。直流電源３は、例えば、充放電が可能な蓄電池で構成される。

【0021】

第１コンデンサユニット２３は、第１ハーフブリッジ回路１０に接続される。第１コンデンサユニット２３は、複数の第１レグ１１に対応した数の複数のコンデンサ２４を備える。複数のコンデンサ２４の一端はそれぞれ、複数の第１レグ１１の接続ノードに接続される。第１レグ１１の接続ノードは、第１スイッチング素子１２と第２スイッチング素子１３との接続ノードに対応する。複数のコンデンサ２４の他端は、Ｕ相交流用の配線２５に接続される。

【0022】

第２コンデンサユニット２６は、第２ハーフブリッジ回路１４に接続される。第２コンデンサユニット２６は、複数の第２レグ１５に対応した数の複数のコンデンサ２７を備える。複数のコンデンサ２７の一端はそれぞれ、複数の第２レグ１５の接続ノードに接続される。第２レグ１５の接続ノードは、第３スイッチング素子１６と第４スイッチング素子１７との接続ノードに対応する。複数のコンデンサ２７の他端は、Ｖ相交流用の配線２８に接続される。

【0023】

変圧器２９は、高周波絶縁変圧器である。変圧器２９は、１次巻線及び２次巻線を有する。１次巻線と２次巻線とは、絶縁されている。変圧器２９は、１次巻線に入力された電圧を、１次巻線と２次巻線との巻数比に応じて変換し、変換した電圧を２次巻線に出力する。２次側から１次側に電圧変換する場合も同様である。変圧器２９の巻数比は、要求される出力電圧に応じて設定される。

【0024】

第１ハーフブリッジ回路１０は、第１コンデンサユニット２３及び配線２５を介して、変圧器２９の１次巻線の一端に接続される。第２ハーフブリッジ回路１４は、第２コンデンサユニット２６及び配線２８を介して変圧器２９の１次巻線の他端に接続される。

【0025】

次に、第２インバータ回路の構成について説明する。
第３ハーフブリッジ回路３０は、正極線４０と負極線４１との間に並列接続された複数の第３レグ３１を備える。複数の第３レグ３１の各々は、第５スイッチング素子３２と第６スイッチング素子３３とが直列接続されて構成される。

【0026】

第５スイッチング素子３２及び第６スイッチング素子３３の各々は、半導体素子で構成され、例えば、ＩＧＢＴ、又はＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴで構成される。第５スイッチング素子３２のコレクタは、正極線４０に接続され、そのエミッタは、第６スイッチング素子３３のコレクタに接続される。第６スイッチング素子３３のエミッタは、負極線４１に接続される。第５スイッチング素子３２及び第６スイッチング素子３３のゲートは、制御回路２に接続される。第５スイッチング素子３２及び第６スイッチング素子３３の各々には、逆並列に還流ダイオードが接続される。

【0027】

本実施形態では、第３ハーフブリッジ回路３０が４個の第３レグ３１を備える場合を例示している。第３ハーフブリッジ回路３０は、少なくとも２個の第３レグ３１を備える。第３レグ３１の数は、電力変換装置１に要求される出力電力に応じて適宜設定される。

【0028】

第４ハーフブリッジ回路３４は、正極線４０と負極線４１との間に並列接続された複数の第４レグ３５を備える。複数の第４レグ３５の各々は、第７スイッチング素子３６と第８スイッチング素子３７とが直列接続されて構成される。

【0029】

第４レグ３５の構成は、第３レグ３１の構成と同じである。第７スイッチング素子３６及び第８スイッチング素子３７の各々には、逆並列に還流ダイオードが接続される。本実施形態では、第４ハーフブリッジ回路３４が４個の第４レグ３５を備える場合を例示している。第４ハーフブリッジ回路３４は、少なくとも２個の第４レグ３５を備える。

【0030】

正極線４０と負極線４１との間には、直流コンデンサ４２が接続される。直流コンデンサ４２は、電圧を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。

【0031】

正極線４０には、端子Ｔ３が接続され、負極線４１には、端子Ｔ４が接続される。端子Ｔ３と端子Ｔ４との間には、直流電源４が接続される。直流電源４は、例えば、充放電が可能な蓄電池で構成される。

【0032】

第３コンデンサユニット４３は、第３ハーフブリッジ回路３０に接続される。第３コンデンサユニット４３は、複数の第３レグ３１に対応した数の複数のコンデンサ４４を備える。複数のコンデンサ４４の一端はそれぞれ、複数の第３レグ３１の接続ノードに接続される。第３レグ３１の接続ノードは、第５スイッチング素子３２と第６スイッチング素子３３との接続ノードに対応する。複数のコンデンサ４４の他端は、Ｕ相交流用の配線４５に接続される。

【0033】

第４コンデンサユニット４６は、第４ハーフブリッジ回路３４に接続される。第４コンデンサユニット４６は、複数の第４レグ３５に対応した数の複数のコンデンサ４７を備える。複数のコンデンサ４７の一端はそれぞれ、複数の第４レグ３５の接続ノードに接続される。第４レグ３５の接続ノードは、第７スイッチング素子３６と第８スイッチング素子３７との接続ノードに対応する。複数のコンデンサ４７の他端は、Ｖ相交流用の配線４８に接続される。

【0034】

第３ハーフブリッジ回路３０は、第３コンデンサユニット４３及び配線４５を介して、変圧器２９の２次巻線の一端に接続される。第４ハーフブリッジ回路３４は、第４コンデンサユニット４６及び配線４８を介して変圧器２９の２次巻線の他端に接続される。

【0035】

制御回路２は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、プロセッサにより実行されるプログラムを記録可能なメモリとを備えた演算回路である。制御回路２は、所望の交流電力を生成するように、スイッチング素子１２、１３、１６、１７のオン及びオフのタイミングを制御する。具体的には、制御回路２は、スイッチング素子１２、１３を交互にオンし、スイッチング素子１６、１７を交互にオンする。また、制御回路２は、スイッチング素子１２、１７を同時にオンする。これにより、制御回路２は、直流電源３及び第１インバータ回路を用いて、直流電力から交流電力を生成する。

【0036】

制御回路２は、所望の交流電力を生成するように、スイッチング素子３２、３３、３６、３７のオン及びオフのタイミングを制御する。具体的には、制御回路２は、スイッチング素子３２、３３を交互にオンし、スイッチング素子３６、３７を交互にオンする。また、制御回路２は、スイッチング素子３２、３７を同時にオンする。これにより、制御回路２は、直流電源４及び第２インバータ回路を用いて、直流電力から交流電力を生成する。

【0037】

［１－２］ コンデンサユニット２３、２６の構成
次に、第１コンデンサユニット２３及び第２コンデンサユニット２６の具体的な構成について説明する。図２は、第１コンデンサユニット２３及び第２コンデンサユニット２６の構成を説明する斜視図である。

【0038】

第１コンデンサユニット２３は、複数のコンデンサ２４を備える。図２では、複数のコンデンサ２４の集合を直方体で簡略化して示している。第１コンデンサユニット２３は、Ｕ相交流用の導体２３Ａを備える。導体２３Ａは、複数のコンデンサ２４の他端に接続されるとともに、配線２５に接続される。導体２３Ａは、配線２５を介して変圧器２９の１次巻線の一端に接続される。導体２３Ａは、第１コンデンサユニット２３のある一辺から水平方向に突出するように構成される。

【0039】

第２コンデンサユニット２６は、複数のコンデンサ２７を備える。図２では、複数のコンデンサ２７の集合を直方体で簡略化して示している。第２コンデンサユニット２６は、Ｖ相交流用の導体２６Ａを備える。導体２６Ａは、複数のコンデンサ２７の他端に接続されるとともに、配線２８に接続される。導体２６Ａは、配線２８を介して変圧器２９の１次巻線の一端に接続される。導体２６Ａは、第２コンデンサユニット２６のある一辺から水平方向に突出するように構成される。

【0040】

導体２３Ａ及び導体２６Ａとしては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はそれらの合金を用いることができる。

【0041】

導体２３Ａと導体２６Ａとは、近接して配置される。すなわち、導体２３Ａと導体２６Ａとは、平行平板化される。例えば、導体２３Ａは、２回折れ曲がるようにして、導体２６Ａに近接するように構成される。

【0042】

導体２３Ａと導体２６Ａとを平行平板化することで、導体２３Ａ及び導体２６Ａのインダクタンスが低減される。よって、ハーフブリッジ回路から変圧器までの経路中のインピーダンスについて、コンデンサによるインピーダンスが支配的となる。これにより、コンデンサのインピーダンスを用いてレグを流れる電流のアンバランスを制御することが容易となり、レグに流れる電流のアンバランスを低減できる。

【0043】

第３コンデンサユニット４３及び第４コンデンサユニット４６の構成も、第１コンデンサユニット２３及び第２コンデンサユニット２６の構成と同じである。すなわち、第３コンデンサユニット４３におけるＵ相交流用の導体（配線４５と複数のコンデンサ４４とを接続する導体）と、第４コンデンサユニット４６におけるＶ相交流用の導体（配線４８と複数のコンデンサ４７とを接続する導体）とは、平行平板化される。

【0044】

［１－３］ 動作
制御回路２は、第１レグ１１の第１スイッチング素子１２及び第２スイッチング素子１３と、第２レグ１５の第３スイッチング素子１６及び第４スイッチング素子１７との動作を制御する。制御回路２は、第１スイッチング素子１２及び第４スイッチング素子１７と、第２スイッチング素子１３及び第３スイッチング素子１６とを交互にオンするように、ゲート電圧を制御する。

【0045】

第１ハーフブリッジ回路１０及び第２ハーフブリッジ回路１４からなるフルブリッジ回路は、直流電力から単相交流電力を生成する。

【0046】

第１コンデンサユニット２３の複数のコンデンサ２４は、共振コンデンサとして機能する。変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスは、共振インダクタとして機能する。複数のコンデンサ２４の各々と、変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスとは、共振回路を構成する。

【0047】

第２コンデンサユニット２６の複数のコンデンサ２７は、共振コンデンサとして機能する。変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスは、共振インダクタとして機能する。複数のコンデンサ２７の各々と、変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスとは、共振回路を構成する。

【0048】

第１ハーフブリッジ回路１０、第２ハーフブリッジ回路１４、第１コンデンサユニット２３、及び第２コンデンサユニット２６を備えた第１インバータ回路は、共振型インバータ回路を構成する。共振コンデンサの静電容量と、変圧器の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスとにより、共振周波数が決定される。

【0049】

制御回路２は、生成する交流電流の周波数を商用周波数より高く設定する。交流電力の周波数は、スイッチング素子のスイッチング周波数に対応する。商用周波数は、商用電源の周波数であり、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。

【0050】

第３ハーフブリッジ回路３０及び第４ハーフブリッジ回路３４からなるフルブリッジ回路は、直流電力から単相交流電力を生成する。

【0051】

第３コンデンサユニット４３の複数のコンデンサ４４は、共振コンデンサとして機能する。変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスは、共振インダクタとして機能する。複数のコンデンサ４４と、変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスとは、共振回路を構成する。

【0052】

第４コンデンサユニット４６の複数のコンデンサ４７は、共振コンデンサとして機能する。変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスは、共振インダクタとして機能する。複数のコンデンサ４７と、変圧器２９の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスとは、共振回路を構成する。

【0053】

第３ハーフブリッジ回路３０、第４ハーフブリッジ回路３４、第３コンデンサユニット４３、及び第４コンデンサユニット４６を備えた第２インバータ回路は、共振型インバータ回路を構成する。共振コンデンサの静電容量と、変圧器の漏れインダクタンス及び交流電流が流れる経路におけるインダクタンスとにより、共振周波数が決定される。制御回路２は、生成する交流電流の周波数を商用周波数より高く設定する。

【0054】

電力変換装置１は、変圧器の１次側及び２次側の双方にフルブリッジ回路を備えたＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを構成する。

【0055】

制御回路２は、１次側の直流電源３と２次側の直流電源４との間で、電力を融通することが可能である。制御回路２は、１次側交流電圧の位相と２次側交流電圧の位相とをずらすように制御する。電力が送られる方向は、１次側交流電圧と２次側交流電圧との位相差によって決定される。２次側交流電圧の位相が１次側交流電圧の位相より遅れている場合、電力は１次側から２次側に送られる。反対に、１次側交流電圧の位相が２次側交流電圧の位相より遅れている場合、電力は逆方向に送られる。制御回路２は、変圧器の１次側と２次側とのインバータ回路における電圧の位相を制御することで、双方向の電力融通を行うことが可能である。

【0056】

第１ハーフブリッジ回路１０は、並列接続された複数の第１レグ１１を備える。複数の第１レグ１１にはそれぞれ複数のコンデンサ２４が接続される。これにより、複数の第１レグ１１における電流のアンバランスを低減できる。

【0057】

第２ハーフブリッジ回路１４、第３ハーフブリッジ回路３０、及び第４ハーフブリッジ回路３４についても、第１ハーフブリッジ回路１０と同様に、複数のレグにおける電流のアンバランスを低減できる。

【0058】

また、第１コンデンサユニット２３の導体２３Ａと、第２コンデンサユニット２６の導体２６Ａとは、平行平板化される。これにより、導体２３Ａ及び導体２６Ａのインダクタンスが低減され、ハーフブリッジ回路から変圧器までの経路中のインピーダンスについて、コンデンサによるインピーダンスが支配的となる。これにより、コンデンサのインピーダンスを用いてレグを流れる電流のアンバランスを制御することが容易となり、レグに流れる電流のアンバランスを低減できる。

【0059】

同様に、第２ハーフブリッジ回路１４、第３ハーフブリッジ回路３０、及び第４ハーフブリッジ回路３４についても、レグに流れる電流のアンバランスを低減できる。

【0060】

なお、本実施形態では、変圧器の２次側にもインバータ回路を接続している。しかし、これに限定されず、変圧器の１次側を共振型インバータ回路で構成し、２次側は共振型インバータ回路以外の任意の回路又は負荷で構成してもよい。また、２次側の直流電源４のみを負荷に置き換えてもよい。

【0061】

［１－４］ 第１実施形態の効果
以上詳述したように第１実施形態では、第１ハーフブリッジ回路１０は、並列接続された複数の第１レグ１１を備える。各第１レグ１１は、直列接続された第１スイッチング素子１２及び第２スイッチング素子１３で構成される。そして、複数の第１レグ１１の接続ノードにはそれぞれ、複数のコンデンサ２４が接続される。複数のコンデンサ２４は、変圧器２９の１次巻線に接続される。第２ハーフブリッジ回路１４、第３ハーフブリッジ回路３０、及び第４ハーフブリッジ回路３４の構成も第１ハーフブリッジ回路１０と同じである。

【0062】

従って第１実施形態によれば、各ハーフブリッジ回路に含まれる並列接続された複数のスイッチング素子の電流アンバランスを低減できる。すなわち、並列接続された複数のレグの電流アンバランスを均一化することができる。

【0063】

また、ハーフブリッジ回路が並列接続された複数のレグを備えている。これにより、大きな電力を出力可能な電力変換装置を実現できる。

【0064】

第１コンデンサユニット２３用の導体２３Ａと、第２コンデンサユニット２６用の導体２６Ａとを平行平板化するようにしている。これにより、導体２３Ａと導体２６Ａとのインダクタンスが低減される。この交流側のインダクタンスを低減することで、コンデンサのインピーダンスを用いてレグを流れる電流のアンバランスを制御することが容易となる。よって、レグに流れる電流のアンバランスをより低減できる。

【0065】

また、電力変換装置１は、商用周波数よりも高い周波数の交流電力を、フルブリッジ回路を用いて生成するようにしている。これにより、電力変換装置１に含まれる変圧器２９を大幅に小型化できるとともに、変圧器の重量を大幅に低減できる。

【0066】

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、複数のレグにそれぞれ複数のリアクトルを接続し、複数のレグに流れる電流のアンバランスを低減するようにしている。

【0067】

図３は、第２実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。

【0068】

電力変換装置１は、第１ハーフブリッジ回路１０、第２ハーフブリッジ回路１４、直流コンデンサ２２、第１リアクトルユニット５０、第２リアクトルユニット５２、変圧器２９、第３ハーフブリッジ回路３０、第４ハーフブリッジ回路３４、直流コンデンサ４２、第３リアクトルユニット５４、及び第４リアクトルユニット５６を備える。第１ハーフブリッジ回路１０、第２ハーフブリッジ回路１４、直流コンデンサ２２、変圧器２９、第３ハーフブリッジ回路３０、第４ハーフブリッジ回路３４、及び直流コンデンサ４２の構成は、第１実施形態と同じである。

【0069】

第１リアクトルユニット５０は、第１ハーフブリッジ回路１０に接続される。第１リアクトルユニット５０は、複数の第１レグ１１に対応した数の複数のリアクトル５１を備える。複数のリアクトル５１の一端はそれぞれ、複数の第１レグ１１の接続ノードに接続される。複数のリアクトル５１の他端は、Ｕ相交流用の配線２５に接続される。

【0070】

第２リアクトルユニット５２は、第２ハーフブリッジ回路１４に接続される。第２リアクトルユニット５２は、複数の第２レグ１５に対応した数の複数のリアクトル５３を備える。複数のリアクトル５３の一端はそれぞれ、複数の第２レグ１５の接続ノードに接続される。複数のリアクトル５３の他端は、Ｖ相交流用の配線２８に接続される。

【0071】

第３リアクトルユニット５４は、第３ハーフブリッジ回路３０に接続される。第３リアクトルユニット５４は、複数の第３レグ３１に対応した数の複数のリアクトル５５を備える。複数のリアクトル５５の一端はそれぞれ、複数の第３レグ３１の接続ノードに接続される。複数のリアクトル５５の他端は、Ｕ相交流用の配線４５に接続される。

【0072】

第４リアクトルユニット５６は、第４ハーフブリッジ回路３４に接続される。第４リアクトルユニット５６は、複数の第４レグ３５に対応した数の複数のリアクトル５７を備える。複数のリアクトル５７の一端はそれぞれ、複数の第４レグ３５の接続ノードに接続される。複数のリアクトル５７の他端は、Ｖ相交流用の配線４８に接続される。

【0073】

リアクトル５１、５３、５５、５７は、チョークコイルとして機能する。

【0074】

上記のように構成された電力変換装置１は、ＤＡＢ方式の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを構成する。制御回路２は、変圧器の１次側と２次側とのインバータ回路における電圧の位相を制御することで、双方向の電力融通を行うことが可能である。

【0075】

第１ハーフブリッジ回路１０は、並列接続された複数のレグ１１を備える。複数のレグ１１にはそれぞれ複数のリアクトル５１が接続される。第１ハーフブリッジ回路１０がスイッチング動作を行う際に、複数のリアクトル５１及び変圧器２９の漏れインダクタンスに電圧が印加される。複数のリアクトル５１のインダクタンスによって生じるインピーダンスにより、複数のレグ１１における電流アンバランスを低減できる。

【0076】

第２ハーフブリッジ回路１４、第３ハーフブリッジ回路３０、及び第４ハーフブリッジ回路３４についても、第１ハーフブリッジ回路１０と同様に、複数のレグにおける電流アンバランスを低減できる。

【0077】

なお、本実施形態では、変圧器の２次側にもインバータ回路を接続している。しかし、これに限定されず、変圧器の１次側をインバータ回路で構成し、２次側はインバータ回路以外の任意の回路又は負荷で構成してもよい。また、２次側の直流電源４のみを負荷に置き換えてもよい。

【0078】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。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ともに、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。

【符号の説明】

【0079】

１…電力変換装置、２…制御回路、３，４…直流電源、１０，１４，３０，３４…ハーフブリッジ回路、１１，１５，３１，３５…レグ、１２，１３，１６，１７，３２，３３，３６，３７…スイッチング素子、２０，４０…正極線、２１，４１…負極線、２２，４２…直流コンデンサ、２３，２６，４３，４６…コンデンサユニット、２４，２７，４４，４７…コンデンサ、２３Ａ，２６Ａ…導体、２５，２８，４５，４８…配線、２９…変圧器、５０，５２，５４，５６…リアクトルユニット、５１，５３，５５，５７…リアクトル、Ｔ１～Ｔ４…端子。

【図1】

【図2】

【図3】