特開 2024-30751 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】P2024030751

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240229BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

H02M3/155 S

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022133842

(22)【出願日】2022-08-25

(71)【出願人】

【識別番号】000002059

【氏名又は名称】シンフォニアテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100142022

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 一晃

(72)【発明者】

【氏名】坂本 竜也

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA15

5H730AS04

5H730AS05

5H730BB13

5H730BB14

5H730DD02

5H730FD01

5H730FF02

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】昇圧部及び降圧部を備え、前記昇圧部の出力側に、前記降圧部に電力を供給する中間コンデンサが位置する電力変換装置において、前記中間コンデンサのコストを低減し且つ電力変換装置の小型化を実現可能な構成を実現する。
【解決手段】電力変換装置１は、昇圧チョッパ回路１０と、降圧チョッパ回路２０と、昇圧チョッパ回路１０の出力側に位置し、降圧チョッパ回路２０に電力を供給する中間コンデンサ１５と、駆動制御部３０とを備えている。駆動制御部３０は、中間コンデンサ１５の正極側に電気的に接続された昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と、中間コンデンサ１５の正極側に電気的に接続された降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源に電気的に接続され、出力電圧指令に応じて入力電圧を昇圧する昇圧部と、
前記昇圧部の出力側に対して電気的に接続され、前記出力電圧指令に応じて降圧した電圧を出力する降圧部と、
前記昇圧部の出力側に位置し、前記降圧部に電力を供給する中間コンデンサと、
前記昇圧部及び前記降圧部の駆動をそれぞれ制御する駆動制御部と、
を備えた電力変換装置であって、
前記昇圧部は、前記中間コンデンサに対して電気的に並列に接続されていて、互いに電気的に直列に接続された一対の昇圧側スイッチング素子を有し、
前記降圧部は、前記中間コンデンサに対して電気的に並列に接続されていて、互いに電気的に直列に接続された一対の降圧側スイッチング素子を有し、
前記駆動制御部は、前記一対の昇圧側スイッチング素子のうち前記中間コンデンサの正極側に電気的に接続された昇圧側上アームスイッチング素子がオン状態であるオン期間と、前記一対の降圧側スイッチング素子のうち前記中間コンデンサの正極側に電気的に接続された降圧側上アームスイッチング素子がオン状態であるオン期間とが重なるように、前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する、
電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記駆動制御部は、前記昇圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間の中心と前記降圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間の中心とが一致するように、前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する、
電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記駆動制御部は、前記昇圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間が前記降圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間と重なるように、前記一対の昇圧側スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを、前記出力電圧指令に応じて決まるスイッチング動作のタイミングとは異なるタイミングに変更する、
電力変換装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置において、
前記駆動制御部は、
前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子のうちスイッチング動作のタイミングを変更するスイッチング素子に入力される駆動信号を生成するための指令信号を、キャリア周波数の三角波に対する位相がずれるように変換する指令信号処理部と、
前記変換後の指令信号と前記三角波とを比較する三角波比較部と、
前記三角波比較部による比較結果を用いて、前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を有する、
電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、出力電圧指令に応じて電圧変換を行う昇圧部及び降圧部を有する電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

出力電圧指令に応じて電圧変換を行う昇圧部及び降圧部を有する電力変換装置が知られている。このような電力変換装置の一例として、例えば特許文献１には、降圧チョッパ及び昇圧チョッパを備えた直流－直流変換器が開示されている。

【0003】

前記直流－直流変換器では、前記特許文献１の図９に示すように、前記降圧チョッパと前記昇圧チョッパとが、入力電圧を昇圧後、降圧するように接続されている。前記昇圧チョッパは、入力電圧が印加される正極入力端子と負極入力端子との間に接続された入力コンデンサと、前記入力コンデンサに並列に接続されたリアクトル及びスイッチング素子の直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続された還流ダイオード及び中間コンデンサの直列回路とを備える。前記降圧チョッパは、前記中間コンデンサに並列に接続されたスイッチング素子及び還流ダイオードの直列回路と、前記還流ダイオードに並列に接続されたリアクトル及び出力コンデンサの直列回路とを備える。

【0004】

すなわち、前記図９に示す回路では、前記昇圧チョッパと前記降圧チョッパとが、中間コンデンサを介して接続されている。前記昇圧チョッパのスイッチング素子を駆動させることにより、中間コンデンサに充電して入力電圧を昇圧させる。一方、前記降圧チョッパのスイッチング素子を駆動させることにより、昇圧させた入力電圧を降圧させて、出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－１４９８８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、前記特許文献１の図９に示す回路のように昇圧チョッパと降圧チョッパとが中間コンデンサを介して接続されている構成では、前記中間コンデンサに流れる電流が大きく変動する。そのため、前記中間コンデンサの容量を、或る程度、確保する必要がある。

【0007】

よって、上述のような回路構成では、前記中間コンデンサとして、比較的大型のコンデンサを用いる必要がある。したがって、前記中間コンデンサとして高価なコンデンサを用いる必要があるとともに、前記中間コンデンサを搭載した電力変換装置が大型化する。

【0008】

本発明の目的は、昇圧部及び降圧部を備え、前記昇圧部の出力側に、前記降圧部に電力を供給する中間コンデンサが位置する電力変換装置において、前記中間コンデンサのコストを低減し且つ電力変換装置の小型化を実現可能な構成を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一実施形態に係る電力変換装置は、直流電源に電気的に接続され、出力電圧指令に応じて入力電圧を昇圧する昇圧部と、前記昇圧回路の出力側に対して直列に接続され、前記出力電圧指令に応じて入力電圧を降圧する降圧部と、前記昇圧部の出力側に位置し、前記降圧部に電力を供給する中間コンデンサと、前記昇圧部及び前記降圧部の駆動をそれぞれ制御する駆動制御部と、を備えた電力変換装置である。前記昇圧部は、前記中間コンデンサに対して電気的に並列に接続されていて、互いに電気的に直列に接続された一対の昇圧側スイッチング素子を有する。前記降圧部は、前記中間コンデンサに対して電気的に並列に接続されていて、互いに電気的に直列に接続された一対の降圧側スイッチング素子を有する。前記駆動制御部は、前記一対の昇圧側スイッチング素子のうち前記中間コンデンサの正極側に電気的に接続された昇圧側上アームスイッチング素子がオン状態であるオン期間と、前記一対の降圧側スイッチング素子のうち前記中間コンデンサの正極側に電気的に接続された降圧側上アームスイッチング素子がオン状態であるオン期間とが重なるように、前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する（第１の構成）。

【0010】

このように昇圧部の出力側に位置し且つ降圧部に電力を供給する中間コンデンサに対して、一対の昇圧側スイッチング素子及び一対の降圧側スイッチング素子がそれぞれ電気的に並列に接続されている回路構成では、前記昇圧部によって入力電圧を昇圧する際に、前記中間コンデンサに電流が流れる一方、前記降圧部によって降圧する際に、前記中間コンデンサから電流が流れる。よって、前記昇圧部及び前記降圧部の動作によって、前記中間コンデンサに流れる電流が大きく変動する。

【0011】

これに対し、駆動制御部によって、昇圧側上アームスイッチング素子がオン状態であるオン期間と降圧側上アームスイッチング素子がオン状態であるオン期間とが重なるように、前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子の少なくとも一方のスイッチング動作を制御することにより、前記昇圧部から前記降圧部に電流を直接流す期間を設けることができる。よって、前記昇圧部及び前記降圧部の動作によって前記中間コンデンサに流れる電流の変動を抑制することができる。

【0012】

したがって、前記中間コンデンサの容量を小さくできるため、前記中間コンデンサのコストを低減し且つ電力変換装置の小型化を図れる。

【0013】

前記駆動制御部は、前記昇圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間の中心と前記降圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間の中心とが一致するように、前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する（第２の構成）。

【0014】

これにより、昇圧部及び降圧部を動作させる際に、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とをより確実に且つより広い範囲で重ねることができる。そのため、前記昇圧部及び前記降圧部の動作時に、前記昇圧部から前記降圧部に電流を直接流す期間をより長くすることができる。よって、前記昇圧部及び前記降圧部の動作によって中間コンデンサに流れる電流の変動を抑制することができる。

【0015】

したがって、前記中間コンデンサの容量をより小さくできるため、前記中間コンデンサのコストをより低減し且つ電力変換装置のより小型化を図れる。

【0016】

前記第１の構成において、前記駆動制御部は、前記昇圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間が前記降圧側上アームスイッチング素子の前記オン期間と重なるように、前記一対の昇圧側スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを、前記出力電圧指令に応じて決まるスイッチング動作のタイミングとは異なるタイミングに変更する（第３の構成）。

【0017】

これにより、昇圧部及び降圧部を動作させる際に、一対の昇圧側スイッチング素子の駆動を制御して、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とを容易に重ねることができる。よって、請求項１の構成を容易に実現できる。

【0018】

前記第１から第３の構成のうちいずれか一つの構成において、前記駆動制御部は、前記一対の昇圧側スイッチング素子及び前記一対の降圧側スイッチング素子のうちスイッチング動作のタイミングを変更するスイッチング素子に入力される駆動信号を生成するための指令信号を、キャリア周波数の三角波に対する位相がずれるように変換する指令信号処理部と、前記変換後の指令信号と前記三角波とを比較する三角波比較部と、前記三角波比較部による比較結果を用いて、前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を有する（第４の構成）。

【0019】

これにより、指令信号を変換して、前記第１の構成を実現できる。よって、スイッチング素子に入力される駆動信号を作成する際に用いられるキャリア周波数を変える場合に比べて、前記第１の構成を容易に実現できる。

【発明の効果】

【0020】

本発明の一実施形態に係る電力変換装置は、昇圧部と、降圧部と、前記昇圧部の出力側に位置し且つ前記降圧部に電力を供給する中間コンデンサと、前記昇圧部及び前記降圧部の駆動をそれぞれ制御する駆動制御部とを備える。前記駆動制御部は、前記昇圧部の昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と前記降圧部の降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子及び一対の降圧側スイッチング素子の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する。

【0021】

これにより、前記昇圧部及び前記降圧部の動作時に、前記昇圧部から前記降圧部に電流を直接流す期間を設けることができる。よって、前記昇圧部及び前記降圧部の動作によって前記中間コンデンサに流れる電流の変動を抑制することができる。したがって、前記中間コンデンサの容量を小さくできるため、前記中間コンデンサのコストを低減し且つ電力変換装置の小型化を図れる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、実施形態１に係る電力変換装置の概略構成を示す図である。

【図2】図２は、昇圧チョッパ駆動制御部の概略構成を示す機能ブロック図である。

【図3】図３は、昇圧チョッパ駆動制御部において指令信号処理部によって生成された信号と三角波との比較の様子を模式的に示す図である。

【図4】図４は、降圧チョッパ駆動制御部の概略構成を示す機能ブロック図である。

【図5】図５は、電力変換装置の昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路内を流れる電流の向きの一例を示す図である。

【図6】図６は、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とが重なっていない場合において、電力変換装置の昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路の各位置を流れる電流の変化の一例を示す図である。

【図7】図７は、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間の中心と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間の中心とを一致させた場合において、電力変換装置の昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路の各位置を流れる電流の変化の一例を示す図である。

【図8】図８は、実施形態２に係る電力変換装置の昇圧チョッパ駆動制御部の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図9】図９は、昇圧チョッパ駆動制御部において指令信号処理部によって生成された信号と位相が１８０度ずれた三角波との比較の様子を模式的に示す図である。

【図10】図１０は、昇圧側上アームスイッチング素子のデューティ比が降圧側上アームスイッチング素子のデューティ比よりも大きい場合のスイッチング動作の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

【0024】

［実施形態１］
（全体構成）
図１は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置１の概略構成を示す図である。この電力変換装置１は、入力電圧を昇圧した後に降圧して、所定の出力電圧を出力する。電力変換装置１は、例えば、インバータやバッテリの試験を行うためのバッテリ模擬装置（ＢＴＳ）として用いられる。

【0025】

電力変換装置１は、昇圧チョッパ回路１０（昇圧部）と、降圧チョッパ回路２０（降圧部）と、駆動制御部３０とを有する。昇圧チョッパ回路１０は、図示しない直流電源に接続されていて、前記直流電源から得られる入力電圧を昇圧する。降圧チョッパ回路２０は、昇圧チョッパ回路１０によって昇圧された電圧を降圧する。

【0026】

昇圧チョッパ回路１０は、入力側コンデンサ１１と、リアクトル１２と、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４と、中間コンデンサ１５と、還流ダイオード１６，１７とを有する。

【0027】

入力側コンデンサ１１は、前記直流電源の正極側端子と負極側端子との間を電気的に接続している。一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４は、電気的に直列に接続されている。一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の中点は、リアクトル１２を介して入力側コンデンサ１１の正極側に電気的に接続されている。一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４における一方の端点は、入力側コンデンサ１１の負極側に電気的に接続されている。

【0028】

一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４のうち入力側コンデンサ１１に対して電気的に並列に接続されているスイッチング素子１４が、昇圧側下アームスイッチング素子である。一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４のうち他方のスイッチング素子１３が、昇圧側上アームスイッチング素子である。

【0029】

還流ダイオード１６は、昇圧側上アームスイッチング素子１３に対して電気的に並列に接続されている。還流ダイオード１７は、昇圧側下アームスイッチング素子１４に対して電気的に並列に接続されている。還流ダイオード１６，１７は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に耐圧を超えるような逆電位がかかった場合に電流が流れるように設けられている。

【0030】

中間コンデンサ１５は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に対して電気的に並列に接続されている。昇圧側上アームスイッチング素子１３は、中間コンデンサ１５の正極側に電気的に接続されている。昇圧側下アームスイッチング素子１４は、中間コンデンサ１５の負極側に電気的に接続されている。

【0031】

上述の構成を有する昇圧チョッパ回路１０は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４を駆動させることにより、図示しない直流電源から入力される電流を中間コンデンサ１５に流して、前記直流電源から入力される電圧を昇圧させる。

【0032】

なお、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４は、一方の昇圧側スイッチング素子のみがオン状態になるように駆動制御される。

【0033】

降圧チョッパ回路２０は、出力側コンデンサ２１と、リアクトル２２と、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４と、還流ダイオード２６，２７とを有する。

【0034】

一対の降圧側スイッチング素子２３，２４は、電気的に直列に接続されているとともに、昇圧チョッパ回路１０の中間コンデンサ１５に対して電気的に並列に接続されている。一対の降圧側スイッチング素子２３，２４の中点は、リアクトル２２を介して出力側コンデンサ２１の正極側に電気的に接続されている。一対の降圧側スイッチング素子２３，２４における一方の端点が、出力側コンデンサ２１の負極側に電気的に接続されている。

【0035】

一対の降圧側スイッチング素子２３，２４のうち出力側コンデンサ２１に対して電気的に並列に接続されているスイッチング素子２４が、降圧側下アームスイッチング素子である。一対の降圧側スイッチング素子２３，２４のうち他方のスイッチング素子２３が、降圧側上アームスイッチング素子である。

【0036】

還流ダイオード２６は、降圧側上アームスイッチング素子２３に対して電気的に並列に接続されている。還流ダイオード２７は、降圧側下アームスイッチング素子２４に対して電気的に並列に接続されている。還流ダイオード２６，２７は、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４に耐圧を超えるような逆電位がかかった場合に電流が流れるように設けられている。

【0037】

上述の構成を有する降圧チョッパ回路２０は、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４を駆動させることにより、昇圧チョッパ回路１０からリアクトル２２に電流を流して、昇圧チョッパ回路１０の出力側の電圧を降圧させる。

【0038】

駆動制御部３０は、昇圧チョッパ回路１０における一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び降圧チョッパ回路２０における一対の降圧側スイッチング素子２３，２４の駆動をそれぞれ制御する。詳しくは、駆動制御部３０は、昇圧チョッパ駆動制御部３１と、降圧チョッパ駆動制御部３６とを有する。

【0039】

昇圧チョッパ駆動制御部３１は、図示しないコントローラから入力される昇圧電圧指令に基づいて、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４を駆動することにより、昇圧チョッパ回路１０の出力側の電圧を前記昇圧電圧指令に応じた電圧に昇圧する。すなわち、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、前記昇圧電圧指令に基づいて、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に対する駆動信号を生成する。なお、前記昇圧電圧指令は、図示しないコントローラにおいて後述する出力電圧指令に応じて生成される。

【0040】

また、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、降圧チョッパ回路２０の降圧側上アームスイッチング素子２３がオン状態になる期間（以下、オン期間という）と昇圧チョッパ回路１０の昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の駆動を制御する駆動信号を生成する。

【0041】

昇圧チョッパ駆動制御部３１の詳しい構成は後述する。

【0042】

降圧チョッパ駆動制御部３６は、図示しないコントローラから入力される出力電圧指令に基づいて、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４を駆動することにより、降圧チョッパ回路２０の出力電圧を前記出力電圧指令に応じた電圧に降圧する。すなわち、降圧チョッパ駆動制御部３６は、前記出力電圧指令に基づいて、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４に対する駆動信号を生成する。

【0043】

降圧チョッパ駆動制御部３６の詳しい構成は後述する。

【0044】

（駆動制御部）
次に、駆動制御部３０の構成について、図２から図４を用いて詳細に説明する。図２は、昇圧チョッパ駆動制御部３１の概略構成を示す機能ブロック図である。図３は、昇圧チョッパ駆動制御部３１において指令信号処理部３２によって生成された信号と三角波との比較の様子を模式的に示す図である。図４は、降圧チョッパ駆動制御部３６の概略構成を示すブロック図である。上述のとおり、駆動制御部３０は、昇圧チョッパ駆動制御部３１と、降圧チョッパ駆動制御部３６とを有する。

【0045】

図２に示すように、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、指令信号処理部３２と、三角波比較部３３と、駆動信号生成部３４とを有する。

【0046】

指令信号処理部３２は、昇圧チョッパ駆動制御部３１に入力される昇圧電圧指令を、後述する三角波比較部３３でキャリア周波数の三角波と比較可能な指令信号に変換する処理を行う。具体的には、指令信号処理部３２は、減算器３２ａと、ＰＩ演算部３２ｂと、リミッタ３２ｃと、信号反転部３２ｄと、スケール変換部３２ｅとを有する。

【0047】

減算器３２ａは、前記昇圧電圧指令と昇圧チョッパ回路１０の出力側の電圧との差を求める。ＰＩ演算部３２ｂは、減算器３２ａによって求められた差に対し、ＰＩ演算を行う。リミッタ３２ｃは、ＰＩ演算部３２ｂの演算結果において、所定値以上の値をカットする。信号反転部３２ｄは、信号の正負を反転させる。スケール変換部３２ｅは、反転した信号が正の範囲になるように前記信号のスケール変換を行う。これにより、後述する三角波比較部３３に入力される指令信号が生成される。

【0048】

なお、指令信号処理部３２の構成は、前記昇圧電圧指令と昇圧チョッパ回路１０の出力側の電圧との差を、キャリア周波数の三角波と比較可能な信号に変換可能な構成であれば、どのような構成であってもよい。

【0049】

上述のように指令信号処理部３２が信号処理を行うことにより、図３（ａ）に示すように、三角波比較部３３に入力される指令信号を、破線から実線に変換することができる。すなわち、指令信号処理部３２は、スイッチング動作のタイミングを変更するスイッチング素子に入力される駆動信号を生成するための指令信号を、キャリア周波数の三角波に対する位相がずれるように変換する。

【0050】

三角波比較部３３は、指令信号処理部３２から出力された指令信号と、キャリア周波数の三角波とを比較し、両者の交点を立ち下がりまたは立ち上がりとする矩形波信号を生成する。図３（ｂ）に、三角波比較部３３によって生成される矩形波信号の一例を示す。上述のように指令信号処理部３２において信号変換を行うことにより、図３（ｂ）に示すように、三角波比較部３３によって得られる矩形波信号の位相がずれる（図の例では１８０度）。

【0051】

駆動信号生成部３４は、三角波比較部３３から出力された矩形波信号を用いて、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に対する駆動信号を生成する。具体的には、駆動信号生成部３４は、前記矩形波信号を、昇圧側上アームスイッチング素子１３の駆動信号とする。駆動信号生成部３４は、前記矩形波信号に対してオンオフを反転させた信号を生成して、昇圧側下アームスイッチング素子１４の駆動信号とする。

【0052】

以上のような昇圧チョッパ駆動制御部３１の構成により、昇圧電圧指令に基づいて生成される駆動信号とは異なる位相の駆動信号を生成することができる。すなわち、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４のスイッチング動作のタイミングを、前記昇圧電圧指令の基になる出力電圧指令に応じて決まるスイッチング動作のタイミングとは異なるタイミングに変更する。これにより、詳しくは後述するように、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の動作時に、昇圧側上アームスイッチング素子１３及び降圧側上アームスイッチング素子２３の両方がオン状態になる期間を設けることができる。

【0053】

図４に示すように、降圧チョッパ駆動制御部３６は、指令信号処理部３７と、三角波比較部３８と、駆動信号生成部３９とを有する。

【0054】

指令信号処理部３７は、降圧チョッパ駆動制御部３６に入力される出力電圧指令を、後述する三角波比較部３８でキャリア周波数の三角波と比較可能な信号に変換する処理を行う。具体的には、指令信号処理部３７は、減算器３７ａと、ＰＩ演算部３７ｂと、リミッタ３７ｃとを有する。

【0055】

減算器３７ａは、前記出力電圧指令と降圧チョッパ回路２０の出力電圧との差を求める。ＰＩ演算部３７ｂは、減算器３７ａによって求められた差に対し、ＰＩ演算を行う。リミッタ３７ｃは、ＰＩ演算部３７ｂの演算結果において、所定値以上の値をカットする。

【0056】

三角波比較部３８は、指令信号処理部３７から出力された信号と、キャリア周波数の三角波とを比較し、両者の交点を立ち下がりまたは立ち上がりとする矩形波信号を生成する。

【0057】

駆動信号生成部３９は、三角波比較部３８から出力された矩形波信号を用いて、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４に対する駆動信号を生成する。具体的には、駆動信号生成部３９は、前記矩形波信号を、降圧側上アームスイッチング素子２３の駆動信号とする。駆動信号生成部３９は、前記矩形波信号に対してオンオフを反転させた信号を生成して、降圧側下アームスイッチング素子２４の駆動信号とする。

【0058】

（電力変換装置の動作）
次に、上述の構成を有する電力変換装置１の動作について、図５から図７を用いて説明する。図５は、電力変換装置１の昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０内を流れる電流の向きの一例を示す図である。図６は、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なっていない場合において、電力変換装置１の昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の各位置を流れる電流の変化の一例を示す図である。図７は、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間の中心と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間の中心とを一致させた場合において、電力変換装置１の昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の各位置を流れる電流の変化の一例を示す図である。

【0059】

電力変換装置１の昇圧チョッパ回路１０では、昇圧側上アームスイッチング素子１３がオン状態になると、図５に実線矢印Ａ,Ｂで示すように、電流が入力側コンデンサ１１からリアクトル１２及び昇圧側上アームスイッチング素子１３を介して中間コンデンサ１５に流れる。これにより、入力電圧が昇圧される。このとき、昇圧側下アームスイッチング素子１４は、オフ状態である。

【0060】

一方、昇圧側上アームスイッチング素子１３がオフ状態になると、昇圧側下アームスイッチング素子１４がオン状態になり、電流はリアクトル１２から昇圧側下アームスイッチング素子１４に流れて、入力側コンデンサ１１に流れる。

【0061】

電力変換装置１の降圧チョッパ回路２０では、降圧側上アームスイッチング素子２３がオン状態になると、図５に実線矢印Ｃ，Ｄで示すように、電流が中間コンデンサ１５から降圧側上アームスイッチング素子２３を介してリアクトル２２に流れる。これにより、昇圧チョッパ回路１０の出力側の電圧を降圧することができる。このとき、降圧側下アームスイッチング素子２４は、オフ状態である。

【0062】

なお、リアクトル２２に流れた電流は、出力側コンデンサ２１に流れる。リアクトル２２及び出力側コンデンサ２１によって、出力電流は平滑化される。出力電流の流れる向きを、図５では実線矢印Ｆで示す。

【0063】

一方、降圧側上アームスイッチング素子２３がオフ状態になると、降圧側下アームスイッチング素子２４がオン状態になり、降圧チョッパ回路２０には電流が流れない。

【0064】

以上のような昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０内での各位置の電流の変化を、図６に示す。図６は、図５における実線矢印Ａ～Ｅの電流の変化の一例を示す図である。なお、実線矢印Ｅは、中間コンデンサ１５に流れる電流である。図６では、図５に示す実線矢印の方向に電流が流れる場合を正の電流として示している。図６において、１３は、昇圧側上アームスイッチング素子１３のスイッチング動作を示し、２３は、降圧側上アームスイッチング素子２３のスイッチング動作を示す。なお、図６に示す場合では、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４がそれぞれデューティ比５０％で駆動している。

【0065】

図６に示すように、昇圧側上アームスイッチング素子１３がオフ状態のときには、実線矢印Ａで示す電流は増大して実線矢印Ｂで示す電流は流れない一方、昇圧側上アームスイッチング素子１３がオン状態のときには、実線矢印Ａで示す電流は減少して実線矢印Ｂで示す電流は流れるが徐々に減少する。

【0066】

降圧側上アームスイッチング素子２３がオン状態のときには、実線矢印Ｄで示す電流は増大して実線矢印Ｃで示す電流が徐々に増える一方、降圧側上アームスイッチング素子２３がオフ状態のときには、実線矢印Ｄで示す電流は減少して実線矢印Ｃで示す電流は流れない。

【0067】

昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間の中心が、降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間の中心に対して１８０度位相がずれている場合、図６に示すように、実線矢印Ｅで示す電流は、中間コンデンサ１５の放電時に流れる実線矢印Ｃで示す電流に、中間コンデンサ１５の充電時に流れる電流（実線矢印Ｂで示す電流とは逆方向に流れる）を加えた値である。すなわち、実線矢印Ｅで示す電流は、中間コンデンサ１５に充放電の際に流れる電流である。なお、オン期間の中心とは、前記オン期間における始期と終期の中間の時点である。

【0068】

このように、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なっていない場合、中間コンデンサ１５には、図６に示すように、実線矢印Ｅで示す電流が流れる。中間コンデンサ１５に流れる電流の変動が大きいため、中間コンデンサ１５はその電流の変動に耐えられるような静電容量を有する必要がある。

【0069】

これに対し、本実施形態では、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の駆動を制御する。具体的には、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、既述のとおり、指令信号処理部３２によって得られる指令信号を用いて駆動信号を生成することにより、昇圧電圧指令に基づいて生成される駆動信号とは異なる位相の駆動信号を生成することができる。

【0070】

例えば、昇圧チョッパ駆動制御部３１は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４がそれぞれデューティ比５０％で駆動している場合に、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の駆動信号の位相を１８０度ずらして、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間の中心と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間の中心とを一致させることができる。これにより、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なる。

【0071】

上述のように一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の駆動信号の位相を１８０度ずらして、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間の中心と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間の中心とを一致させた場合、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の各位置には、図７に示すように電流が流れる。すなわち、実線矢印Ａ及び実線矢印Ｂで示す電流の位相は、それぞれ、図６において実線矢印Ａ及び実線矢印Ｂで示す電流の位相に対して１８０度ずれている。

【0072】

これにより、実線矢印Ｅで示す電流、すなわち中間コンデンサ１５に流れる電流は、図７に示すように、打ち消し合って、低減される。すなわち、上述のような一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の駆動制御によって、昇圧チョッパ回路１０から降圧チョッパ回路２０に直接電流が流れる期間を設けることができ、中間コンデンサ１５に流れる電流の変動を抑制できる。

【0073】

したがって、中間コンデンサ１５に充放電の際に流れる電流の変動を抑制することができる。よって、中間コンデンサ１５の容量を小さくすることができ、中間コンデンサ１５のコスト低減及び電力変化装置の小型化を図れる。

【0074】

本実施形態に係る電力変換装置１は、直流電源に電気的に接続され、出力電圧指令に応じて入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路１０と、昇圧チョッパ回路１０の出力側に対して電気的に接続され、前記出力電圧指令に応じて前記出力電圧指令に応じて降圧した電圧を出力する降圧チョッパ回路２０と、昇圧チョッパ回路１０の出力側に位置し、降圧チョッパ回路２０に電力を供給する中間コンデンサ１５と、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の駆動をそれぞれ制御する駆動制御部３０と、を備えている。昇圧チョッパ回路１０は、中間コンデンサ１５に対して電気的に並列に接続されていて、互いに電気的に直列に接続された一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４を有する。降圧チョッパ回路２０は、中間コンデンサ１５に対して電気的に並列に接続されていて、互いに電気的に直列に接続された一対の降圧側スイッチング素子２３，２４を有する。駆動制御部３０は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４のうち中間コンデンサ１５の正極側に電気的に接続された昇圧側上アームスイッチング素子１３がオン状態であるオン期間と、一対の降圧側スイッチング素子２３，２４のうち中間コンデンサ１５の正極側に電気的に接続された降圧側上アームスイッチング素子２３がオン状態であるオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する。

【0075】

このように昇圧チョッパ回路１０の出力側に位置し且つ降圧チョッパ回路２０に電力を供給する中間コンデンサ１５に対して、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４がそれぞれ電気的に並列に接続されている回路構成では、昇圧チョッパ回路１０によって入力電圧を昇圧する際に、中間コンデンサ１５に電流が流れる一方、降圧チョッパ回路２０によって降圧する際に、中間コンデンサ１５から電流が流れる。よって、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の動作によって、中間コンデンサ１５に流れる電流が大きく変動する。

【0076】

これに対し、駆動制御部３０によって、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４の少なくとも一方のスイッチング動作を制御することにより、昇圧チョッパ回路１０から降圧チョッパ回路２０に電流を直接流す期間を設けることができる。よって、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の動作によって中間コンデンサ１５に流れる電流の変動を抑制することができる。

【0077】

したがって、中間コンデンサ１５の容量を小さくできるため、中間コンデンサ１５のコスト低減及び電力変換装置１の小型化を図れる。

【0078】

また、本実施形態では、駆動制御部３０は、昇圧側上アームスイッチング素子１３の前記オン期間の中心と降圧側上アームスイッチング素子２３の前記オン期間の中心とが一致するように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４の少なくとも一方のスイッチング動作を制御する。

【0079】

これにより、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０を動作させる際に、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とをより確実に且つより広い範囲で重ねることができる。そのため、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の動作時に、昇圧チョッパ回路１０から降圧チョッパ回路２０に電流を直接流す期間をより長くすることができる。よって、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０の動作によって中間コンデンサ１５に流れる電流の変動を抑制することができる。

【0080】

したがって、中間コンデンサ１５の容量をより小さくできるため、中間コンデンサ１５のコストをより低減できるとともに電力変換装置１をより小型化できる。

【0081】

また、本実施形態では、駆動制御部３０は、昇圧側上アームスイッチング素子１３の前記オン期間が降圧側上アームスイッチング素子２３の前記オン期間と重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４のスイッチング動作のタイミングを、出力電圧指令に応じて決まるスイッチング動作のタイミングとは異なるタイミングに変更する。

【0082】

これにより、昇圧チョッパ回路１０及び降圧チョッパ回路２０を動作させる際に、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４の駆動を制御して、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とを容易に重ねることができる。したがって、本実施形態の構成を容易に実現できる。

【0083】

また、本実施形態では、駆動制御部３０は、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に入力される駆動信号を生成するための指令信号を、キャリア周波数の三角波に対する位相がずれるように変換する指令信号処理部３２と、前記変換後の指令信号と前記三角波とを比較する三角波比較部３３と、三角波比較部３３による比較結果を用いて、前記駆動信号を生成する駆動信号生成部３４と、を有する。

【0084】

これにより、指令信号を変換して、本実施形態の構成を実現できる。よって、スイッチング素子に入力される駆動信号を生成する際に用いるキャリア周波数を変える場合に比べて、本実施形態の構成を容易に実現できる。

【0085】

［実施形態２］
図８は、実施形態２に係る電力変換装置の昇圧チョッパ駆動制御部１３１の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。本実施形態では、昇圧チョッパ駆動制御部１３１は、キャリア周波数の三角波の位相を変更して位相がずれた信号を生成する点で、実施形態１の構成とは異なる。以下では、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１と異なる構成についてのみ説明する。

【0086】

図８に示すように、駆動制御部１３０は、昇圧チョッパ駆動制御部１３１と降圧チョッパ駆動制御部３６とを有する。昇圧チョッパ駆動制御部１３１は、降圧チョッパ駆動制御部３６と同様の構成を有する。すなわち、昇圧チョッパ駆動制御部１３１は、指令信号処理部１３２と、三角波比較部３３と、駆動信号生成部３４とを有する。

【0087】

指令信号処理部１３２は、降圧チョッパ駆動制御部３６の指令信号処理部３７と同様、減算器１３２ａと、ＰＩ演算部１３２ｂと、リミッタ１３２ｃとを有する。減算器１３２ａは、実施形態１の減算器３２ａと同様の機能を有する。ＰＩ演算部１３２ｂは、実施形態１のＰＩ演算部３２ｂと同様の機能を有する。リミッタ１３２ｃは、実施形態１のリミッタ３２ｃと同様の機能を有する。よって、指令信号処理部１３２の構成に関する詳しい説明は省略する。

【0088】

指令信号処理部１３２によって生成された指令信号は、三角波比較部３３に入力される。三角波比較部３３に入力される三角波の信号は、降圧チョッパ駆動制御部３６の三角波比較部３８に入力される三角波の信号に対して位相が１８０度ずれた信号である。位相が１８０度ずれた三角波の信号は、位相変換部１４０によって生成される。すなわち、駆動制御部１３０は、位相変換部１４０を有する。

【0089】

図９は、昇圧チョッパ駆動制御部１３１において指令信号処理部１３２によって生成された指令信号と位相が１８０度ずれた三角波との比較の様子を模式的に示す図である。三角波比較部３３には、図９（ａ）に実線で示すように、破線で示す三角波の信号（降圧チョッパ駆動制御部３６の三角波比較部３３に入力される信号）に対して位相が１８０度ずれた信号が入力される。

【0090】

駆動信号生成部３４は、三角波比較部３３による比較結果に基づいて、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に対する駆動信号を生成する。生成される駆動信号（図９（ｂ）において実線）は、図９（ｂ）に示すように、位相が１８０度ずれる前の三角波の信号を用いて生成される駆動信号（図９（ｂ）において破線）に対して、位相が１８０度ずれている。

【0091】

本実施形態では、昇圧チョッパ駆動制御部１３１は、降圧チョッパ駆動制御部３６によって生成される駆動信号に対して位相が１８０度ずれた駆動信号を生成することができる。

【0092】

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

【0093】

前記各実施形態では、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４及び一対の降圧側スイッチング素子２３，２４がデューティ比５０％で駆動する場合のスイッチング動作について説明した。しかしながら、一対の昇圧側スイッチング素子及び一対の降圧側スイッチング素子は、デューティ比５０％以外でスイッチング動作してもよい。このように、一対の昇圧側スイッチング素子及び一対の降圧側スイッチング素子がデューティ比５０％以外でスイッチング動作する場合でも、昇圧チョッパ駆動制御部は、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子を駆動制御すればよい。

【0094】

例えば、図１０に示すように、昇圧チョッパ駆動制御部は、昇圧側上アームスイッチング素子１３のデューティ比を降圧側上アームスイッチング素子２３のデューティ比よりも大きくして、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子を駆動制御してもよい。なお、図１０において、破線は、昇圧側上アームスイッチング素子１３及び降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間の中心である。

【0095】

前記各実施形態では、昇圧チョッパ駆動制御部３１，１３１は、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間の中心と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間の中心とが一致するように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に対する駆動信号を生成している。しかしながら、昇圧チョッパ駆動制御部は、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とが重なっていれば、それらのオン期間の中心が一致するように一対の昇圧側スイッチング素子に対する駆動信号を生成しなくてもよい。すなわち、前記各実施形態のように、指令信号またはキャリア周波数の三角波の位相を１８０度ずらす構成に限らず、指令信号またはキャリア周波数の三角波の位相を１８０度以外の角度でずらしてもよい。

【0096】

前記各実施形態では、昇圧チョッパ駆動制御部３１，１３１が、昇圧側上アームスイッチング素子１３のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子２３のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子１３，１４に対する駆動信号を生成している。しかしながら、降圧チョッパ駆動制御部が、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とが重なるように、一対の降圧側スイッチング素子に対する駆動信号を生成してもよい。この場合には、降圧チョッパ駆動制御部が、前記各実施形態の昇圧チョッパ駆動制御部３１，１３１のように指令信号またはキャリア周波数の三角波の位相をずらす構成を有していればよい。また、昇圧チョッパ駆動制御部及び降圧チョッパ駆動制御部が、昇圧側上アームスイッチング素子のオン期間と降圧側上アームスイッチング素子のオン期間とが重なるように、一対の昇圧側スイッチング素子及び一対の降圧側スイッチング素子に対する駆動信号を生成してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0097】

本発明は、昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路とを備え、前記昇圧チョッパ回路の出力側に、前記降圧チョッパ回路に電力を供給する中間コンデンサが位置する電力変換装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0098】

１ 電力変換装置
１０ 昇圧チョッパ回路（昇圧部）
１１ 入力側コンデンサ
１２、２２ リアクトル
１３ 昇圧側上アームスイッチング素子（昇圧側スイッチング素子）
１４ 昇圧側下アームスイッチング素子（昇圧側スイッチング素子）
１５ 中間コンデンサ
１６、１７、２６、２７ 還流ダイオード
２０ 降圧チョッパ回路（降圧部）
２１ 出力側コンデンサ
２３ 降圧側上アームスイッチング素子（降圧側スイッチング素子）
２４ 降圧側下アームスイッチング素子（降圧側スイッチング素子）
３０、１３０ 駆動制御部
３１、１３１ 昇圧チョッパ駆動制御部
３２、３７、１３２ 指令信号処理部
３２ａ、３７ａ、１３２ａ 減算器
３２ｂ、３７ｂ、１３２ｂ ＰＩ演算部
３２ｃ、３７ｃ、１３２ｃ リミッタ
３２ｄ 信号反転部
３２ｅ スケール変換部
３３、３８ 三角波比較部
３４、３９ 駆動信号生成部
３６ 降圧チョッパ駆動制御部
１４０ 位相変換部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】