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特開2025-22766エネルギーバランスとハイブリッド電源を実現可能な電力変換器及び電力変換方法
(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】P2025022766
(43)【公開日】2025-02-14
(54)【発明の名称】エネルギーバランスとハイブリッド電源を実現可能な電力変換器及び電力変換方法
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20250206BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
H02M3/155 U
H02M3/155 V
【審査請求】有
【請求項の数】19
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024106701
(22)【出願日】2024-07-02
(31)【優先権主張番号】202310954928.2
(32)【優先日】2023-08-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(71)【出願人】
【識別番号】521279527
【氏名又は名称】台達電子工業股▲ふん▼有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】林鴻杰
(72)【発明者】
【氏名】謝奕平
(72)【発明者】
【氏名】陳信智
(72)【発明者】
【氏名】黄弘宇
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AA15
5H730AS01
5H730AS04
5H730AS05
5H730AS08
5H730AS17
5H730BB13
5H730BB14
5H730BB57
5H730BB85
5H730BB86
5H730BB88
5H730DD03
5H730DD12
5H730EE13
5H730FF09
(57)【要約】
【課題】エネルギーバランスとハイブリッド電源を実現可能な電力変換器及び電力変換方法を提供する。
【解決手段】電力変換器は、電源と複数の負荷とに接続され、第１スイッチモジュールを含み、スイッチモジュールは、インダクタと、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と、第３スイッチング素子と、第４スイッチング素子とを含み、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子は、電源を複数の電圧に変換して複数の負荷に供給するために、インダクタがエネルギーを蓄積又は放出するように、オン又はオフに切り替わる。
【選択図】図１
【解決手段】電力変換器は、電源と複数の負荷とに接続され、第１スイッチモジュールを含み、スイッチモジュールは、インダクタと、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と、第３スイッチング素子と、第４スイッチング素子とを含み、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子は、電源を複数の電圧に変換して複数の負荷に供給するために、インダクタがエネルギーを蓄積又は放出するように、オン又はオフに切り替わる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電源と複数の負荷とに接続される電力変換器であって、第１スイッチモジュールを含み、
前記第１スイッチモジュールは、
インダクタと、
第１入力端子に接続された第１端と、前記インダクタの第１端に接続された第２端とを有する第１スイッチング素子と、
前記インダクタの第２端に接続された第１端と、第２入力端子に接続された第２端とを有する第２スイッチング素子と、
第１出力端子に接続された第１端と、前記第２スイッチング素子の前記第１端及び前記インダクタの前記第２端に接続された第２端とを有する第３スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記第２端及び前記インダクタの前記第１端に接続された第１端と、第２出力端子に接続された第２端とを有する第４スイッチング素子と、を備え、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子は、前記電源を複数の電圧に変換して前記複数の負荷に供給するために、前記インダクタがエネルギーを蓄積又は放出するように、オン又はオフに切り替わる、電力変換器。
前記第１スイッチモジュールは、
インダクタと、
第１入力端子に接続された第１端と、前記インダクタの第１端に接続された第２端とを有する第１スイッチング素子と、
前記インダクタの第２端に接続された第１端と、第２入力端子に接続された第２端とを有する第２スイッチング素子と、
第１出力端子に接続された第１端と、前記第２スイッチング素子の前記第１端及び前記インダクタの前記第２端に接続された第２端とを有する第３スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記第２端及び前記インダクタの前記第１端に接続された第１端と、第２出力端子に接続された第２端とを有する第４スイッチング素子と、を備え、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子は、前記電源を複数の電圧に変換して前記複数の負荷に供給するために、前記インダクタがエネルギーを蓄積又は放出するように、オン又はオフに切り替わる、電力変換器。
【請求項2】
前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第１電圧を発生するための第１コンデンサと、
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第２電圧を発生するための第２コンデンサと、
前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第３電圧を発生するための第３コンデンサと、をさらに含み、
前記電源は直流電源であり、前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はＮチャネル同期整流型である、請求項１に記載の電力変換器。
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第２電圧を発生するための第２コンデンサと、
前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第３電圧を発生するための第３コンデンサと、をさらに含み、
前記電源は直流電源であり、前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はＮチャネル同期整流型である、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項3】
直列接続された複数の第１コンデンサによって構成され、前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第１電圧を発生するための第１コンデンサ列と、
直列接続された複数の第２コンデンサによって構成され、前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第２電圧を発生するための第２コンデンサ列と、
直列接続された複数の第３コンデンサによって構成され、前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第３電圧を発生するための第３コンデンサ列と、をさらに含み、
前記電源は直流電源であり、前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はＮチャネル同期整流型である、請求項１に記載の電力変換器。
直列接続された複数の第２コンデンサによって構成され、前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第２電圧を発生するための第２コンデンサ列と、
直列接続された複数の第３コンデンサによって構成され、前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第３電圧を発生するための第３コンデンサ列と、をさらに含み、
前記電源は直流電源であり、前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はＮチャネル同期整流型である、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記複数の負荷のうちの第１負荷は、前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、前記複数の負荷のうちの第２負荷は、前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の負荷のうちの第３負荷は、前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続される、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項5】
前記電源は交流電源であり、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はバックツーバック双方向スイッチである、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項6】
第２スイッチモジュールと、第４コンデンサとをさらに含み、
前記第２スイッチモジュールの第３スイッチング素子の第１端は前記第２出力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第４スイッチング素子の第２端は第３出力端子に接続され、
前記第４コンデンサは、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第４電圧を発生し、
前記複数の負荷のうちの第４負荷は、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項１に記載の電力変換器。
前記第２スイッチモジュールの第３スイッチング素子の第１端は前記第２出力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第４スイッチング素子の第２端は第３出力端子に接続され、
前記第４コンデンサは、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第４電圧を発生し、
前記複数の負荷のうちの第４負荷は、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項7】
前記複数の負荷に蓄積されたエネルギーがあり、前記電源に給電できる場合、
前記複数の負荷のうちの１つは、第１電源として前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、
前記複数の負荷のうちの１つは、第２電源として前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、
前記複数の負荷のうちの１つは、第３電源として前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、
前記電源は、負荷として前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項１に記載の電力変換器。
前記複数の負荷のうちの１つは、第１電源として前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、
前記複数の負荷のうちの１つは、第２電源として前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、
前記複数の負荷のうちの１つは、第３電源として前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、
前記電源は、負荷として前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項8】
電源と複数の負荷とに接続される電力変換器であって、第１スイッチモジュールを含み、
前記第１スイッチモジュールは、
インダクタと、
第１出力端子に接続された第１端と、前記インダクタの第１端に接続された第２端とを有する第１スイッチング素子と、
前記インダクタの第２端に接続された第１端と、第２入力端子に接続された第２端とを有する第２スイッチング素子と、
第２出力端子に接続された第１端と、前記第２スイッチング素子の前記第１端及び前記インダクタの前記第２端に接続された第２端とを有する第３スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記第２端及び前記インダクタの前記第１端に接続された第１端と、第３出力端子に接続された第２端とを有する第４スイッチング素子と、を備え、電力変換器。
前記第１スイッチモジュールは、
インダクタと、
第１出力端子に接続された第１端と、前記インダクタの第１端に接続された第２端とを有する第１スイッチング素子と、
前記インダクタの第２端に接続された第１端と、第２入力端子に接続された第２端とを有する第２スイッチング素子と、
第２出力端子に接続された第１端と、前記第２スイッチング素子の前記第１端及び前記インダクタの前記第２端に接続された第２端とを有する第３スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記第２端及び前記インダクタの前記第１端に接続された第１端と、第３出力端子に接続された第２端とを有する第４スイッチング素子と、を備え、電力変換器。
【請求項9】
第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第１電圧を発生するための第１コンデンサと、
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第２電圧を発生するための第２コンデンサと、
前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第３電圧を発生するための第３コンデンサと、をさらに含み、
前記電源は直流電源であり、前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はＮチャネル同期整流型である、請求項８に記載の電力変換器。
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第２電圧を発生するための第２コンデンサと、
前記第２入力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の電圧のうちの第３電圧を発生するための第３コンデンサと、をさらに含み、
前記電源は直流電源であり、前記第１入力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続され、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はＮチャネル同期整流型である、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項10】
第２スイッチモジュールと、第４コンデンサとをさらに含み、
前記第２スイッチモジュールの第１スイッチング素子の第１端は前記第１入力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第２スイッチング素子の第２端は前記第３出力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第３スイッチング素子の第１端は前記第１出力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第４スイッチング素子の第２端は前記第２出力端子に接続され、
前記第４コンデンサは、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項９に記載の電力変換器。
前記第２スイッチモジュールの第１スイッチング素子の第１端は前記第１入力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第２スイッチング素子の第２端は前記第３出力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第３スイッチング素子の第１端は前記第１出力端子に接続され、前記第２スイッチモジュールの第４スイッチング素子の第２端は前記第２出力端子に接続され、
前記第４コンデンサは、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項９に記載の電力変換器。
【請求項11】
前記複数の負荷のうちの第１負荷は、前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に介在して接続され、前記複数の負荷のうちの第２負荷は、前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に介在して接続され、前記複数の負荷のうちの第３負荷は、前記第２出力端子と前記第３出力端子との間に介在して接続され、前記複数の負荷のうちの第４負荷は、前記第３出力端子と前記第２入力端子との間に介在して接続される、請求項９に記載の電力変換器。
【請求項12】
前記電源は交流電源であり、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子はバックツーバック双方向スイッチである、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項13】
請求項１に記載の電力変換器の電力変換方法であって、
前記電力変換器は、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と、第３スイッチング素子と、第４スイッチング素子と、インダクタと、第１コンデンサと、第２コンデンサと、第３コンデンサとを備え、
複数の負荷の電圧を検出して、第１の動作モードと、第２の動作モードと、第３の動作モードと、第４の動作モードと、第５の動作モードと、第６の動作モードと、のいずれを実行するかを決定するステップと、
前記第１の動作モードから前記第６の動作モードのうちの１つに基づいて、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、及び前記第４スイッチング素子のオンオフを制御して、前記インダクタにエネルギーを蓄積又は放出させて、前記複数の負荷にそれぞれ第１電圧、第２電圧及び第３電圧を発生させるステップと、を含む、電力変換方法。
前記電力変換器は、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と、第３スイッチング素子と、第４スイッチング素子と、インダクタと、第１コンデンサと、第２コンデンサと、第３コンデンサとを備え、
複数の負荷の電圧を検出して、第１の動作モードと、第２の動作モードと、第３の動作モードと、第４の動作モードと、第５の動作モードと、第６の動作モードと、のいずれを実行するかを決定するステップと、
前記第１の動作モードから前記第６の動作モードのうちの１つに基づいて、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、及び前記第４スイッチング素子のオンオフを制御して、前記インダクタにエネルギーを蓄積又は放出させて、前記複数の負荷にそれぞれ第１電圧、第２電圧及び第３電圧を発生させるステップと、を含む、電力変換方法。
【請求項14】
前記第１の動作モードにおいて、
前記第１スイッチング素子をオンにすることで、前記第１コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに第１電圧を発生させるステップと、
前記第１スイッチング素子をオフにすることで、前記インダクタに蓄積された第１電圧を第２コンデンサに放出させて、前記第２コンデンサに第２電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
前記第１スイッチング素子をオンにすることで、前記第１コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに第１電圧を発生させるステップと、
前記第１スイッチング素子をオフにすることで、前記インダクタに蓄積された第１電圧を第２コンデンサに放出させて、前記第２コンデンサに第２電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
【請求項15】
前記第２の動作モードにおいて、
前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第２電圧を発生させるステップと、
前記第４スイッチング素子をオフにし、前記第３スイッチング素子をオンにすることで、前記インダクタに蓄積された前記第２電圧を前記第１コンデンサに放出させて、前記第１コンデンサに前記第１電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第２電圧を発生させるステップと、
前記第４スイッチング素子をオフにし、前記第３スイッチング素子をオンにすることで、前記インダクタに蓄積された前記第２電圧を前記第１コンデンサに放出させて、前記第１コンデンサに前記第１電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
【請求項16】
前記第３の動作モードにおいて、
前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第２電圧を発生させるステップと、
前記第３スイッチング素子をオフにし、前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記インダクタに蓄積された前記第２電圧を前記第３コンデンサに放出させて、前記第３コンデンサに前記第３電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第２電圧を発生させるステップと、
前記第３スイッチング素子をオフにし、前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記インダクタに蓄積された前記第２電圧を前記第３コンデンサに放出させて、前記第３コンデンサに前記第３電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
【請求項17】
前記第４の動作モードにおいて、
前記第２スイッチング素子をオンにすることで、前記第３コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第３電圧を発生させるステップと、
前記第２スイッチング素子をオフにし、前記インダクタに蓄積された前記第３電圧を前記第２コンデンサに放出させて、前記第２コンデンサに前記第２電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
前記第２スイッチング素子をオンにすることで、前記第３コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第３電圧を発生させるステップと、
前記第２スイッチング素子をオフにし、前記インダクタに蓄積された前記第３電圧を前記第２コンデンサに放出させて、前記第２コンデンサに前記第２電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
【請求項18】
前記第５の動作モードにおいて、
前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第２電圧を発生させるステップと、
前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオフにすることで、前記インダクタに蓄積されたエネルギーを前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサ及び前記第３コンデンサに放出させて、前記第１コンデンサに前記第１電圧を発生させ、前記第２コンデンサに前記第２電圧を発生させ、前記第３コンデンサに前記第３電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオンにすることで、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに前記第２電圧を発生させるステップと、
前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオフにすることで、前記インダクタに蓄積されたエネルギーを前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサ及び前記第３コンデンサに放出させて、前記第１コンデンサに前記第１電圧を発生させ、前記第２コンデンサに前記第２電圧を発生させ、前記第３コンデンサに前記第３電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
【請求項19】
前記第６の動作モードにおいて、
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオンにすることで、前記第１コンデンサに蓄積されたエネルギー、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギー及び前記第３コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに総電圧を発生させるステップと、
前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子をオフにすることで、前記インダクタに蓄積された前記総電圧を前記第２コンデンサに放出させて、前記第２コンデンサに前記第２電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオンにすることで、前記第１コンデンサに蓄積されたエネルギー、前記第２コンデンサに蓄積されたエネルギー及び前記第３コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記インダクタに蓄積させて、前記インダクタに総電圧を発生させるステップと、
前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子をオフにすることで、前記インダクタに蓄積された前記総電圧を前記第２コンデンサに放出させて、前記第２コンデンサに前記第２電圧を発生させるステップと、を含む、請求項１３に記載の電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エネルギーバランス回路及びコンデンサ電圧調整方法に関し、複数の出力コンデンサを有する電力変換器及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、無停電電源装置、再生可能エネルギーシステム、燃料電池、ハイブリッド自動車などにおいて、双方向電力変換器や１対多電力変換器などの非絶縁型電力変換器が広く使用されている。電力変換器は、複数の負荷に単一の電源を供給したり、１つの負荷から別の負荷に電力を転送したりすることで、エネルギーバランスやハイブリッド電源を実現する。これらの場合、電力変換器の設計目標には、少なくとも（１）高い変換効率、（２）大電流に耐える能力、（３）低い入力電流リップル、（４）小型で低コスト、が含まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
そこで、上記の用途に適用でき、設計目標を達成できる１対多電力変換器をどのように設計するかが、当業界の重要な課題の１つである。
【0004】
本発明は、エネルギーバランスとハイブリッド電源を実現可能な電力変換器及び電力変換方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換器は、電源と複数の負荷とに接続され、第１スイッチモジュールを含み、前記第１スイッチモジュールは、インダクタと、第１入力端子に接続された第１端と、前記インダクタの第１端に接続された第２端とを有する第１スイッチング素子と、前記インダクタの第２端に接続された第１端と、第２入力端子に接続された第２端とを有する第２スイッチング素子と、第１出力端子に接続された第１端と、前記第２スイッチング素子の前記第１端及び前記インダクタの前記第２端に接続された第２端とを有する第３スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の前記第２端及び前記インダクタの前記第１端に接続された第１端と、第２出力端子に接続された第２端とを有する第４スイッチング素子と、を備え、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子は、前記電源を複数の電圧に変換して前記複数の負荷に供給するために、前記インダクタがエネルギーを蓄積又は放出するように、オン又はオフに切り替わる。
【0006】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換方法は、複数の負荷の電圧を検出し、第１の動作モードから第６の動作モードのいずれを実行するかを決定するステップと、前記第１の動作モードから前記第６の動作モードのうちの１つに基づいて、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、及び第４スイッチング素子のオンオフを制御して、インダクタにエネルギーを蓄積又は放出させて、前記複数の負荷にそれぞれ第１電圧、第２電圧、及び第３電圧を発生させるステップと、を含む
【発明の効果】
【0007】
本発明に係る電力変換器と電源変換方法の特徴と利点は次の通りである。（１）スイッチング素子のデューティサイクルを調整することで、コンデンサユニットの電圧を制御することができ、部品の数を減らすことができるため、小型で低コストという利点を実現することができる。（２）インダクタのエネルギー蓄積と放出、及び複数のスイッチング素子の制御により、コンデンサセルの電圧間のエネルギー伝達を制御することができ、コンデンサセルの電圧を調整して異なる負荷の需要に対応することができる。
【0008】
本発明の目的を達成するためになされた本発明の技術、手段、及び効果をより良く理解するために、本発明の目的及び特徴は、本発明の詳細な説明及び添付図面を参照することによってより良く理解されると考えられるが、添付図面は、参照及び説明のみを提供するものであり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の第１実施形態に係る電力変換器の回路図である。
【図2】第１の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。
【図3】第２の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。
【図4】第３の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。
【図5】第４の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。
【図6】第５の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。
【図7】第６の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。
【図8】本発明の第２実施形態に係る電力変換器の回路図である。
【図9】本発明の第３実施形態に係る電力変換器の回路図である。
【図10】本発明の第４実施形態に係る電力変換器の回路図である。
【図11】本発明の第５実施形態に係る電力変換器の回路図である。
【図12】本発明の第６実施形態に係る電力変換器の回路図である。
【図13】本発明に係る電源変換方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の技術的内容及び詳細な説明について、図面を参照しながら以下に説明する。
【0011】
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換器１０の回路図である。図１を参照すると、電力変換器１０は、電源１１と複数の負荷（第１負荷９１、第２負荷９２及び第３負荷９３を含む）とに接続される。電力変換器１０は、第１スイッチモジュール１２を含む。図１に示すように、第１スイッチモジュール１２は、インダクタＬ１、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４を含む。また、複数の負荷のうちの第１負荷９１は、第１入力端子ＩＮ１と第１出力端子ＯＵＴ１との間に介在して接続され、複数の負荷のうちの第２負荷９２は、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、及び複数の負荷のうちの第３負荷９３は、第２入力端子ＩＮ２と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続される。
【0012】
第１スイッチング素子Ｓ１は、第１端と第２端とを含み、第１スイッチング素子Ｓ１の第１端は、第１入力端子ＩＮ１に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１の第２端は、インダクタＬ１の第１端に接続される。第２スイッチング素子Ｓ２は、第１端と第２端とを含み、第２スイッチング素子Ｓ２の第１端は、インダクタＬ１の第２端に接続され、第２スイッチング素子Ｓ２の第２端は、第２入力端子ＩＮ２に接続される。第３スイッチング素子Ｓ３は、第１端と第２端とを含み、第３スイッチング素子Ｓ３の第１端は、第１出力端子ＯＵＴ１に接続され、第３スイッチング素子Ｓ３の第２端は、第２スイッチング素子Ｓ２の第１端とインダクタＬ１の第２端とに接続される。第４スイッチング素子Ｓ４は、第１端と第２端とを含み、第４スイッチング素子Ｓ４の第１端は、第１スイッチング素子Ｓ１の第２端とインダクタＬ１の第１端とに接続され、第４スイッチング素子Ｓ４の第２端は、第２出力端子ＯＵＴ２に接続される。
【0013】
第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４は、電源１１を複数の電圧に変換して複数の負荷９１、９２、９３に供給するために、インダクタＬ１がエネルギーを蓄積又は放出するように、オン又はオフに切り替わる。
【0014】
図１に示すように、電力変換器１０は、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ２と、第３コンデンサＣ３とをさらに含む。第１コンデンサＣ１は、第１入力端子ＩＮ１と第１出力端子ＯＵＴ１との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第１電圧Ｖ１を発生する。第２コンデンサＣ２は、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第２電圧Ｖ２を発生する。第３コンデンサＣ３は、第２入力端子ＩＮ２と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第３電圧Ｖ３を発生する。
【0015】
一実施形態において、電源１１は、直流電源であってもよく、第１入力端子ＩＮ１と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続され、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４は、Ｎチャネル同期整流型である。
【0016】
一実施形態において、電力変換器１０は、デジタル信号プロセッサ、プログラマブルロジックコントローラ、マイクロコントローラなどのコントローラ（図示せず）によって制御される。コントローラは、複数の負荷（又はコンデンサ）の電圧変化率を測定するように配置され、電力変換器１０が第１の動作モードから第６の動作モードのうちの１つを実行することを決定する。具体的には、複数の負荷のうち１つの負荷のエネルギー低下率が他の負荷のエネルギー低下率よりも著しく低い場合、エネルギー低下率が最も低い負荷に蓄積されたエネルギーを、エネルギー低下率が最も高い負荷に移す必要がある。言い換えれば、最も電力を消費しない負荷に蓄積されたエネルギーを、最も電力を消費する負荷に移すことで、エネルギーバランスとハイブリッド電源を実現することができる。他の実施形態において、コントローラは、エネルギースケジューリングを可能にするために、電力変換器１０がどの動作モードを実行するかを制御するためのユーザコマンドを受信する。
【0017】
図２は、第１の動作モードにおける本発明の電力変換器１０の概略図である。図２に示すように、第１スイッチング素子Ｓ１がオンになることにより、第１コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーはインダクタＬ１に蓄積する（図示の第１エネルギー蓄積経路Ｐｓ１）。このとき、インダクタＬ１の両端電圧は第１電圧Ｖ１である。第１スイッチング素子Ｓ１がオフになることにより、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが第２コンデンサＣ２に放出する（図示の第１エネルギー放出経路Ｐｒ１）ことで、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生する。電力変換器１０は、第１の動作モードにおいて、第１コンデンサＣ１から第２コンデンサＣ２にエネルギーを伝達し、第２コンデンサＣ２の電圧を安定させることができる。一実施形態において、電力変換器１０が第１の動作モードを実行するための条件は、Ｅ１＞Ｅ３＞Ｅ２、及びＥ１＞＞Ｅ２（即ち、第１負荷９１に蓄積されたエネルギーは第２負荷９２に蓄積されたエネルギーよりはるかに大きい）のうちの少なくとも１つを含む。ここで、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３はそれぞれ第１負荷９１、第２負荷９２及び第３負荷９３に蓄積されたエネルギーである。第１の動作モードにおいて、第１エネルギー蓄積経路Ｐｓ１及び第１エネルギー放出経路Ｐｒ１は第３スイッチング素子Ｓ３のボディダイオードを経由するので、第３スイッチング素子Ｓ３を同期整流スイッチ又はダイオードに置き換えることができる。
【0018】
図３は、第２の動作モードにおける本発明の電力変換器１０の概略図である。図３に示すように、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４がオンになることにより、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーはインダクタＬ１に蓄積する（図示の第２エネルギー蓄積経路Ｐｓ２）。このとき、インダクタＬ１の両端電圧は第２電圧Ｖ２である。第４スイッチング素子Ｓ４がオフし、第３スイッチング素子Ｓ３がオンのままであるため、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが第１コンデンサＣ１に放出する（図示の第２エネルギー放出経路Ｐｒ２）ことで、第１コンデンサＣ１に第１電圧Ｖ１を発生する。電力変換器１０は、第２の動作モードにおいて、第２コンデンサＣ２から第１コンデンサＣ１にエネルギーを伝達し、第１コンデンサＣ１の電圧を安定させることができる。一実施形態において、電力変換器１０が第２の動作モードを実行する条件は、Ｅ２＞Ｅ３＞Ｅ１、及びＥ２＞＞Ｅ１（即ち、第２負荷９２に蓄積されたエネルギーは第１負荷９１に蓄積されたエネルギーよりはるかに大きい）のうちの少なくとも１つを含む。第２の動作モードにおいて、第２エネルギー放出経路Ｐｒ２は第１スイッチング素子Ｓ１のボディダイオードを経由するので、第１スイッチング素子Ｓ１を同期整流スイッチング素子又はダイオードに置き換えることができる。
【0019】
図４は、第３の動作モードにおける本発明の電力変換器１０の概略図である。図４に示すように、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４がオンになることにより、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーはインダクタＬ１に蓄積する（図示の第３エネルギー蓄積経路Ｐｓ３）。このとき、インダクタＬ１の両端電圧は第２電圧Ｖ２である。第３スイッチング素子Ｓ３がオフし、第４スイッチング素子Ｓ４がオンのままであるため、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが第３コンデンサＣ３に放出する（図示の第３エネルギー放出経路Ｐｒ３）ことで、第３コンデンサＣ３に第３電圧Ｖ３を発生する。電力変換器１０は、第３の動作モードにおいて、第２コンデンサＣ２から第３コンデンサＣ３にエネルギーを伝達し、第３コンデンサＣ３に電圧を安定させることができる。一実施形態において、電力変換器１０が第３の動作モードを実行する条件は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ３、及びＥ２＞＞Ｅ３（即ち、第２負荷９２に蓄積されたエネルギーは第３負荷９３に蓄積されたエネルギーよりはるかに大きい）のうちの少なくとも１つを含む。第３モードにおいて、第３エネルギー放出経路Ｐｒ３は第２スイッチング素子Ｓ２のボディダイオードを経由するので、第２スイッチング素子Ｓ２を同期整流スイッチング素子又はダイオードに置き換えることができる。
【0020】
図５は、第４の動作モードにおける本発明の電力変換器１０の概略図である。図５に示すように、第２スイッチング素子Ｓ２がオンになることにより、第３コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーはインダクタＬ１に蓄積する（図示の第４エネルギー蓄積経路Ｐｓ４）。このとき、インダクタＬ１の両端電圧は第３電圧Ｖ３である。第２スイッチング素子Ｓ２がオフすることに基づいて、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーは第２コンデンサＣ２にエネルギー放出する（図示の第４エネルギー放出経路Ｐｒ４）ことで、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生する。電力変換器１０は、第４の動作モードにおいて、第３コンデンサＣ３から第２コンデンサＣ２にエネルギーを伝達し、第２コンデンサＣ２の電圧を安定させる。一実施形態において、電力変換器１０が第４の動作モードを実行する条件は、Ｅ３＞Ｅ１＞Ｅ２、及びＥ３＞＞Ｅ２（即ち、第３負荷９３に蓄積されたエネルギーは第２負荷９２に蓄積されたエネルギーよりはるかに大きい）のうちの少なくとも１つを含む。第４モードにおいて、第４エネルギー蓄積経路Ｐｓ４及び第４エネルギー放出経路Ｐｒ４は第４スイッチング素子Ｓ４のボディダイオードを経由するので、第４スイッチング素子Ｓ４を同期整流スイッチング素子又はダイオードに置き換えることができる。
【0021】
図６は、第５の動作モードにおける本発明の電力変換器１０の概略図である。図６に示すように、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４がオンになることにより、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーはインダクタＬ１に蓄積する（図示の第５エネルギー蓄積経路Ｐｓ５）。このとき、インダクタＬ１の両端電圧は第２電圧Ｖ２である。第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４がオフになることにより、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２及び第３コンデンサＣ３にエネルギー放出する（図示の第５エネルギー放出経路Ｐｒ５）ことで、第１コンデンサＣ１に第１電圧Ｖ１を発生し、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生し、及び第３コンデンサＣ３に第３電圧Ｖ３を発生し、これら３つのコンデンサの直列経路にＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３の電圧を発生する。電力変換器１０は、第５の動作モードにおいて、第２コンデンサＣ２から第１コンデンサＣ１及び第３コンデンサＣ３にエネルギーを伝達し、第１コンデンサＣ１及び第３コンデンサＣ３の電圧を安定させることができる。一実施形態において、電力変換器１０が第５の動作モードを実行する条件は、Ｅ２＞Ｅ１≒Ｅ３（即ち、第２負荷９２に蓄積されたエネルギーは第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーより大きく、第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーはほぼ等しい）、及びＥ２＞＞Ｅ１≒Ｅ３（即ち、第２負荷９２に蓄積されたエネルギーは第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーよりはるかに大きく、第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーはほぼ等しい）のうちの少なくとも１つを含む。第５の動作モードにおいて、第３エネルギー放出経路Ｐｒ３は第１スイッチング素子Ｓ１のボディダイオード及び第２スイッチング素子Ｓ２のボディダイオードを経由するので、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２を同期整流スイッチング素子又はダイオードに置き換えることができる。
【0022】
図７は、第６の動作モードにおける本発明の電力変換器の概略図である。図７に示すように、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２がオンになることにより、第１コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギー、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギー及び第３コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーはインダクタＬ１に蓄積する（図示の第６エネルギー蓄積経路Ｐｓ６）。このとき、インダクタＬ１の両端電圧はＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３の電圧である。第１スイッチング素子Ｓ１又は第２スイッチング素子Ｓ２がオフになることにより、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーは第２コンデンサＣ２にエネルギー放出する（図示の第６エネルギー放出経路Ｐｒ６）ことで、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生する。電力変換器１０は、第６の動作モードにおいて、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２及び第３コンデンサＣ３から第２コンデンサＣ２にエネルギーを伝達し、第２コンデンサＣ２の電圧を安定させることができる。一実施形態において、電力変換器１０が第６の動作モードを実行する条件は、Ｅ２＜Ｅ１≒Ｅ３（即ち、第２負荷９２に蓄積されたエネルギーは第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーより小さく、第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーはほぼ等しい）、及びＥ２＜＜Ｅ１≒Ｅ３（即ち、第２負荷９２に蓄積されたエネルギーは第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーよりはるかに小さく、第１負荷９１に蓄積されたエネルギーと第３負荷９３に蓄積されたエネルギーはほぼ等しい）のうちの少なくとも１つを含む。第６の動作モードにおいて、第６エネルギー放出経路Ｐｒ６は第３スイッチング素子Ｓ３のボディダイオード及び第４スイッチング素子Ｓ４のボディダイオードを経由するので、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４を同期整流スイッチング素子又はダイオードに置き換えることができる。
【0023】
図８は、本発明の第２実施形態に係る電力変換器２０の回路図である。図８に示す第２実施形態と図１に示す第１実施形態との主な違いは、第２実施形態がマルチコンデンサ接続（即ち、マルチコンデンサ直列接続）構造であることである。本実施形態において、マルチコンデンサ直列構造は、第１コンデンサ列と、第２コンデンサ列と、第３コンデンサ列と、を含む。第１コンデンサ列は、第１入力端子ＩＮ１と第１出力端子ＯＵＴ１との間に介在して接続され、複数の電圧（例えば電圧Ｖ１１、Ｖ１２）の第１電圧Ｖ１を発生し、直列接続された複数の第１コンデンサＣ１１、Ｃ１２を含む。第２コンデンサ列は、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、複数の電圧（例えば電圧Ｖ２１、Ｖ２２）の第２電圧Ｖ２２を発生し、直列接続された複数の第２コンデンサＣ２１、Ｃ２２を含む。第３コンデンサ列は、第２入力端子ＩＮ２と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、複数の電圧（例えば電圧Ｖ３１、Ｖ３２）の第３電圧Ｖ３を発生し、直列接続された複数の第３コンデンサＣ３１、Ｃ３２を含む。この回路構造では、電源１１は直流電源であり、第１入力端子ＩＮ１と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続され、かつ、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４はＮチャネル同期整流型である。図９は、本発明の第３実施形態に係る電力変換器３０の回路図である。本実施形態において、電源１１は交流電源であってもよい。したがって、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４はバックツーバック双方向スイッチ（（ｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋ ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｗｉｔｃｈ），例えば２個のＭＯＳＦＥＴを直列かつ逆向きに接続する））であるため、交流電源の正と負の半サイクルの極性が異なり、バックツーバック双方向スイッチの双方向導通特性によって、コンデンサ電圧を調整することができる。
【0024】
図１０は、本発明の第４実施形態に係る電力変換器４０の回路図である。本実施形態と図１に示す第１実施形態との主な違いは、第４実施形態に係る電力変換器４０が２つのスイッチモジュール、即ち第１スイッチモジュール１２－１及び第２スイッチモジュール１２－２を有し、コンデンサユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の数は４つ、即ち第４コンデンサＣ４が追加されることである。本実施形態において、第１スイッチモジュール１２－１は、第１実施形態の第１スイッチモジュール１２に対応する。また、第２スイッチモジュール１２－２の第３スイッチング素子Ｓ３の第１端は第２出力端子ＯＵＴ２に接続され、及び第２スイッチモジュール１２－２の第４スイッチング素子Ｓ４の第２端は第３出力端子ＯＵＴ３に接続される。第４コンデンサＣ４は、第３出力端子ＯＵＴ３と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第４電圧Ｖ４を発生する。ここで、複数の負荷のうちの第４負荷９４は第３出力端子ＯＵＴ３と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続される。
【0025】
図１１は、本発明の第５実施形態に係る電力変換器５０の回路図である。図１１に示す電力変換器５０は、電源１１と複数の負荷（第１負荷９１、第２負荷９２、第３負荷９３及び第４負荷９４を含む）とに接続され、第１スイッチモジュール１２－３を含む。第１スイッチモジュール１２－３は、インダクタＬ１と、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、を含む。第１スイッチング素子Ｓ１は、第１出力端子ＯＵＴ１に接続される第１端と、インダクタＬ１の第１端に接続される第２端と、を含む。第２スイッチング素子Ｓ２は、第１端、インダクタＬ１の第２端に接続される第１端と、第２入力端子ＩＮ２に接続される第２端をと含む。第３スイッチング素子Ｓ３は、第２出力端子ＯＵＴ２に接続される第１端と、第２スイッチング素子Ｓ２の第１端及びインダクタＬ１の第２端に接続される第２端と、を含む。第４スイッチング素子Ｓ４は、第１スイッチング素子Ｓ１の第２端及びインダクタＬ１の第１端に接続される第１端と、第３出力端子ＯＵＴ３に接続される第２端と、を含む。
【0026】
図１１に示す電力変換器５０は、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２及び第３コンデンサＣ３をさらに含む。第１コンデンサＣ１は、第１入力端子ＩＮ１と第１出力端子ＯＵＴ１との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第１電圧Ｖ１を発生する。第２コンデンサＣ２は、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第２電圧Ｖ２を発生する。第３コンデンサＣ３は、第２入力端子ＩＮ２と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続され、複数の電圧のうちの第３電圧Ｖ３を発生する。ここで、電源１１は直流電源である、第１入力端子ＩＮ１と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続され、かつ、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４はＮチャネル同期整流型である。
【0027】
図１１に示す電力変換器５０は第２スイッチモジュール１２－４と第４コンデンサＣ４とをさらに含む。第２スイッチモジュール１２－４は、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、を含む。第１スイッチング素子Ｓ１の第１端は第１入力端子ＩＮ１に接続され、第２スイッチング素子Ｓ２の第２端は第３出力端子ＯＵＴ３に接続され、第３スイッチング素子Ｓ３の第１端は第１出力端子ＯＵＴ１に接続され、及び第４スイッチング素子Ｓ４の第２端は第２出力端子ＯＵＴ２に接続される。第４コンデンサＣ４は、第３出力端子ＯＵＴ３と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続される。
【0028】
ここで、複数の負荷のうちの第１負荷９１は、第１入力端子ＩＮ１と第１出力端子ＯＵＴ１との間に介在して接続される。複数の負荷のうちの第２負荷９２は、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続される。複数の負荷のうちの第３負荷９３は、第２出力端子ＯＵＴ２と第３出力端子ＯＵＴ３との間に介在して接続される。複数の負荷のうちの第４負荷９４は、第３出力端子ＯＵＴ３と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続される。
【0029】
異なる実施形態において、本実施形態において、電源１１は交流電源であってもよい。したがって、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４はバックツーバック双方向スイッチ（（ｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋ ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｗｉｔｃｈ），例えば２個のＭＯＳＦＥＴを直列かつ逆向きに接続する））であるため、交流電源の正と負の半サイクルの極性が異なり、バックツーバック双方向スイッチの双方向導通特性によって、コンデンサ電圧を調整することができる。
【0030】
図１２は、本発明の第６実施形態に係る電力変換器６０の回路図である。複数の負荷に蓄積されたエネルギーがあり、電源１１に給電できる場合、複数の負荷のうちの１つは、第１電源５１として、第１入力端子ＩＮ１と第１出力端子ＯＵＴ１との間に介在して接続される。複数の負荷のうちの１つは、第２電源５２として、第１出力端子ＯＵＴ１と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続される。複数の負荷のうちの１つは、第３電源５３として、第２入力端子ＩＮ２と第２出力端子ＯＵＴ２との間に介在して接続される。本実施形態において、電源１１は負荷９０として、第１入力端子ＩＮ１と第２入力端子ＩＮ２との間に介在して接続される。ここで、第１電源５１及び第１コンデンサＣ１は、電池、例えば、スーパーキャパシタ（電気二重層キャパシタ）、リチウム電池、鉛蓄電池であってもよいが、これらに限定されない。同様に、第２電源５２と第２コンデンサＣ２及び第３電源５３と第３コンデンサＣ３は電池である。電池によって安定した入力電圧を供給し、前述したように、スイッチモジュール１２のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を制御することにより、双方向の電力フローを実現し、電池電圧を安定して充放電し、電源１１（即ち負荷９０）の需要を供給することができる。
【0031】
図１３は、本発明に係る電源変換方法のフローチャートである。前述した異なる電力変換器の実施形態のうちの１つを参照して説明する。電力変換器は第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、インダクタＬ１と、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ２と、第３コンデンサＣ３含む。電力変換方法は、複数の負荷の電圧を検出して、第１の動作モードから第６の動作モードのいずれを実行するかを決定する（ステップＳ１０）。その後、第１の動作モードから第６の動作モードのうちの１つに基づいて、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４のオンオフを制御して、インダクタＬ１にエネルギーを蓄積又は放出させて、複数の負荷にそれぞれ第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２及び第３電圧Ｖ３を発生させる（ステップＳ２０）。
【0032】
ここで、第１の動作モードにおいて、第１スイッチング素子Ｓ１をオンにすることで、第１コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーをインダクタＬ１に蓄積させて、インダクタＬ１に第１電圧Ｖ１を発生させるステップと、第１スイッチング素子Ｓ１をオフにすることで、インダクタＬ１に蓄積された第１電圧Ｖ１を第２コンデンサＣ２に放出させて、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生させるステップと、を含む。
【0033】
ここで、第２の動作モードにおいて、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４をオンにすることで、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーをインダクタＬ１に蓄積させて、インダクタＬ１に第２電圧Ｖ２を発生させるステップと、第４スイッチング素子Ｓ４をオフにし、第３スイッチング素子Ｓ３をオンにすることで、インダクタＬ１に蓄積された第２電圧Ｖ２を第１コンデンサＣ１に放出させて、第１コンデンサＣ１に第１電圧Ｖ１を発生させるステップと、を含む。
【0034】
ここで、第３の動作モードにおいて、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４をオンにすることで、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーをインダクタＬ１に蓄積させて、インダクタＬ１に第２電圧Ｖ２を発生させるステップと、第３スイッチング素子Ｓ３をオフにし、第４スイッチング素子Ｓ４をオンにすることで、インダクタＬ１に蓄積された第２電圧Ｖ２を第３コンデンサＣ３に放出させて、第３コンデンサＣ３に第３電圧Ｖ３を発生させるステップと、を含む。
【0035】
ここで、第４の動作モードにおいて、第２スイッチング素子Ｓ２をオンにすることで、第３コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーをインダクタＬ１に蓄積させて、インダクタＬ１に第３電圧Ｖ３を発生させるステップと、第２スイッチング素子Ｓ２をオフにすることで、インダクタＬ１に蓄積された第３電圧Ｖ３を第２コンデンサＣ２に放出させて、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生させるステップと、を含む。
【0036】
ここで、第５の動作モードにおいて、第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４をオンにすることで、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーをインダクタＬ１に蓄積させて、インダクタＬ１に第２電圧Ｖ２を発生させるステップと、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４をオフにすることで、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーを第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２及び第３コンデンサＣ３に放出させて、第１コンデンサＣ１に第１電圧Ｖ１を発生させ、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生させ、第３コンデンサＣ３に第３電圧Ｖ３を発生させるステップと、を含む。
【0037】
ここで、第６の動作モードにおいて、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２をオンにすることで、第１コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギー、第２コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギー及び第３コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーをインダクタＬ１に蓄積させて、インダクタＬ１に総電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３（即ち第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２、第３電圧Ｖ３の総和）を発生させるステップと、第１スイッチング素子Ｓ１又は第２スイッチング素子Ｓ２をオフにすることで、インダクタＬ１に蓄積する総電圧を第２コンデンサＣ２に放出させて、第２コンデンサＣ２に第２電圧Ｖ２を発生させるステップと、を含む。
【0038】
以上をまとめると、本発明の特徴と利点は次の通りである。（１）スイッチング素子のデューティサイクルを調整することで、コンデンサユニットの電圧を制御することができ、部品の数を減らすことができるため、小型で低コストという利点を実現することができる。（２）インダクタのエネルギー蓄積と放出、及び複数のスイッチング素子の制御により、コンデンサセルの電圧間のエネルギー移動を制御することができ、コンデンサセルの電圧を調整して異なる負荷の需要に対応することができる。
【0039】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもなく、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の全ての範囲は以下の特許請求の範囲に基づくものであり、本発明の特許請求の範囲に合致する精神とその類似の変形例は、本発明の範囲に含まれるべきであり、当業者であれば、本発明の技術的範囲内において、容易に思いつくことができ、また、その変形例や修正例も、以下の特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0040】
１０、２０、３０、４０、５０、６０ 電力変換器
１１ 電源
１２、１２－１、１２－３ 第１スイッチモジュール
１２－２ 第２スイッチモジュール
１２－４ 第２スイッチモジュール
Ｓ１ 第１スイッチング素子
Ｓ２ 第２スイッチング素子
Ｓ３ 第３スイッチング素子
Ｓ４ 第４スイッチング素子
Ｌ１ インダクタ
ＩＮ１ 第１入力端子
ＩＮ２ 第２入力端子
ＯＵＴ１ 第１出力端子
ＯＵＴ２ 第２出力端子
ＯＵＴ３ 第３出力端子
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｃ３ 第３コンデンサ
Ｃ４ 第４コンデンサ
５１ 第１電源
５２ 第２電源
５３ 第３電源
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧
Ｖ３ 第３電圧
Ｖ４ 第４電圧
９１ 第１負荷
９２ 第２負荷
９３ 第３負荷
９４ 第４負荷
Ｐｓ１ 第１エネルギー蓄積経路
Ｐｓ２ 第２エネルギー蓄積経路
Ｐｓ３ 第３エネルギー蓄積経路
Ｐｓ４ 第４エネルギー蓄積経路
Ｐｓ５ 第５エネルギー蓄積経路
Ｐｓ６ 第６エネルギー蓄積経路
Ｐｒ１ 第１エネルギー放出経路
Ｐｒ２ 第２エネルギー放出経路
Ｐｒ３ 第３エネルギー放出経路
Ｐｒ４ 第４エネルギー放出経路
Ｐｒ５ 第５エネルギー放出経路
Ｐｒ６ 第６エネルギー放出経路
１１ 電源
１２、１２－１、１２－３ 第１スイッチモジュール
１２－２ 第２スイッチモジュール
１２－４ 第２スイッチモジュール
Ｓ１ 第１スイッチング素子
Ｓ２ 第２スイッチング素子
Ｓ３ 第３スイッチング素子
Ｓ４ 第４スイッチング素子
Ｌ１ インダクタ
ＩＮ１ 第１入力端子
ＩＮ２ 第２入力端子
ＯＵＴ１ 第１出力端子
ＯＵＴ２ 第２出力端子
ＯＵＴ３ 第３出力端子
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｃ３ 第３コンデンサ
Ｃ４ 第４コンデンサ
５１ 第１電源
５２ 第２電源
５３ 第３電源
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧
Ｖ３ 第３電圧
Ｖ４ 第４電圧
９１ 第１負荷
９２ 第２負荷
９３ 第３負荷
９４ 第４負荷
Ｐｓ１ 第１エネルギー蓄積経路
Ｐｓ２ 第２エネルギー蓄積経路
Ｐｓ３ 第３エネルギー蓄積経路
Ｐｓ４ 第４エネルギー蓄積経路
Ｐｓ５ 第５エネルギー蓄積経路
Ｐｓ６ 第６エネルギー蓄積経路
Ｐｒ１ 第１エネルギー放出経路
Ｐｒ２ 第２エネルギー放出経路
Ｐｒ３ 第３エネルギー放出経路
Ｐｒ４ 第４エネルギー放出経路
Ｐｒ５ 第５エネルギー放出経路
Ｐｒ６ 第６エネルギー放出経路
【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】
