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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-12
(45)【発行日】2022-12-20
(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換システム
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20221213BHJP
H02M 7/493 20070101ALI20221213BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 E
H02M7/493
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020173803
(22)【出願日】2020-10-15
(65)【公開番号】P2022065310
(43)【公開日】2022-04-27
【審査請求日】2021-12-28
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ゴー・テックチャン
(72)【発明者】
【氏名】種村 恭佑
(72)【発明者】
【氏名】戸村 修二
【審査官】麻生 哲朗
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１８２８８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０１４１５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１６８９４６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４８
Ｈ０２Ｍ ７／４９３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
並列接続された第１から第Ｎのスイッチングアームであって、各前記スイッチングアームが、直列接続された上スイッチング素子および下スイッチング素子を備える第１から第Ｎのスイッチングアームと、Ｊを１からＮ－１のいずれかの整数として、第Ｊの前記スイッチングアームの直列接続点と第Ｊ＋１の前記スイッチングアームの直列接続点との間に接続された第Ｊのセカンダリ巻線と、
第Ｎの前記スイッチングアームの直列接続点と、第１の前記スイッチングアームの直列接続点との間に接続された第Ｎのセカンダリ巻線と、
第１から第Ｎの前記セカンダリ巻線にそれぞれ結合する第１から第Ｎのプライマリ巻線と、
第１から第Ｎの前記プライマリ巻線のそれぞれの両端に形成される交流入出力ポートと、
第１から第Ｎの前記スイッチングアームの両端に形成される第１の直流入出力ポートと、
第１から第Ｎの前記セカンダリ巻線のそれぞれの中途点と、第１から第Ｎの前記スイッチングアームの一方の並列接続点とに形成される第２の直流入出力ポートと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
請求項１に記載の電力変換装置において、各前記スイッチングアームは、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子が交互にオンオフを繰り返すスイッチングをし、
第Ｊ＋１の前記スイッチングアームが、第Ｊの前記スイッチングアームに対して遅れた位相でスイッチングをすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項3】
請求項２に記載の電力変換装置において、第Ｊ＋１の前記スイッチングアームが、第Ｊの前記スイッチングアームに対して、３６０°／Ｎの位相遅れでスイッチングをすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、前記第１の直流入出力ポートに現れる電圧と、前記第２の直流入出力ポートに現れる電圧とが、第１から第Ｎの前記スイッチングアームのそれぞれが備える前記上スイッチング素子および下スイッチング素子のデューティ比に応じて制御されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置と、各前記プライマリ巻線における前記交流入出力ポートに接続されたＡＣ／ＡＣコンバータと、を備え、
前記ＡＣ／ＡＣコンバータは、
前記ＡＣ／ＡＣコンバータに供給された交流電力に基づいて自らに流れる電流を、スイッチングよって調整することを特徴とする電力変換システム。
【請求項6】
請求項５に記載の電力変換システムにおいて、複数の前記電力変換装置と、
各前記電力変換装置が備える各前記プライマリ巻線に対応して設けられた前記ＡＣ／ＡＣコンバータと、を備え、
複数の前記電力変換装置が、それぞれの前記第１の直流入出力ポートで並列接続されると共に、それぞれの前記第２の直流入出力ポートで並列接続されており、
Ｋを１からＮのいずれかの整数として、複数の前記電力変換装置のそれぞれが備える第Ｋの前記プライマリ巻線に接続された前記ＡＣ／ＡＣコンバータが、それぞれの交流電源ポートで直列接続されていることを特徴とする電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置および電力変換システムに関し、特に、並列接続された複数のスイッチングアームを備える装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動自動車が広く用いられている。電動自動車には、駆動用モータに電力を供給するための主機電池が搭載されている。電動自動車のプラグイン機能では、商用電源から供給される電力によって主機電池が充電される。また、走行時には、回生制動によって発電した電力によって主機電池が充電される。ハイブリッド自動車では、エンジンによるジェネレータの駆動によって発電した電力によっても主機電池が充電される。主機電池の他、電動自動車にはアクセサリ機器に電力を供給する補機電池が搭載されている。補機電池は、主機電池から供給される電力による他、プラグイン機能によっても充電される。
【0003】
このように、電動自動車では、２つの直流電力源として主機電池および補機電池が搭載されている。一般に、電動自動車では、主機電池および補機電池のように、複数の直流電力源（コンデンサを含む）の相互間で電力の伝送を行い、各直流電力源に充放電を行わせる電力変換装置が搭載されている。
【0004】
以下の特許文献１には、３相のトランスを備え、各相の１次コイルに交流電力が供給され、各相の２次コイルに出力側回路としてＡＣ／ＤＣコンバータが接続された電力変換装置が記載されている。出力側回路にはコンデンサが接続され、２次コイルの中性点には、直流電源（直流電力源）が接続されている。出力側回路のスイッチングによって、直流電源とコンデンサとの間で電力の伝送が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１８－１８２８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
複数相の交流電力源および２つの直流電力源の相互間で電力を伝送する場合、複数相の交流電力源が電力変換装置に接続されるため、回路構成が複雑となる場合がある。また、電力変換装置の制御が複雑となり、動作状況によっては、複数相の交流電力源および２つの直流電力源の相互間で十分な電力を伝送することが困難となる場合がある。
【0007】
本発明の目的は、複数の電力源の相互間で十分な電力を伝送することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、並列接続された第１から第Ｎのスイッチングアームであって、各前記スイッチングアームが、直列接続された上スイッチング素子および下スイッチング素子を備える第１から第Ｎのスイッチングアームと、Ｊを１からＮ－１のいずれかの整数として、第Ｊの前記スイッチングアームの直列接続点と第Ｊ＋１の前記スイッチングアームの直列接続点との間に接続された第Ｊのセカンダリ巻線と、第Ｎの前記スイッチングアームの直列接続点と、第１の前記スイッチングアームの直列接続点との間に接続された第Ｎのセカンダリ巻線と、第１から第Ｎの前記セカンダリ巻線にそれぞれ結合する第１から第Ｎのプライマリ巻線と、第１から第Ｎの前記プライマリ巻線のそれぞれの両端に形成される交流入出力ポートと、第１から第Ｎの前記スイッチングアームの両端に形成される第１の直流入出力ポートと、第１から第Ｎの前記セカンダリ巻線のそれぞれの中途点と、第１から第Ｎの前記スイッチングアームの一方の並列接続点とに形成される第２の直流入出力ポートと、 を備えることを特徴とする。
【0009】
望ましくは、各前記スイッチングアームは、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子が交互にオンオフを繰り返すスイッチングをし、第Ｊ＋１の前記スイッチングアームが、第Ｊの前記スイッチングアームに対して遅れた位相でスイッチングをする。
【0010】
望ましくは、第Ｊ＋１の前記スイッチングアームが、第Ｊの前記スイッチングアームに対して、３６０°／Ｎの位相遅れでスイッチングをする。
【0011】
望ましくは、前記第１の直流入出力ポートに現れる電圧と、前記第２の直流入出力ポートに現れる電圧とが、第１から第Ｎの前記スイッチングアームのそれぞれが備える前記上スイッチング素子および下スイッチング素子のデューティ比に応じて制御される。
【0012】
本発明は、前記電力変換装置と、各前記プライマリ巻線における前記交流入出力ポートに接続されたＡＣ／ＡＣコンバータと、を備え、前記ＡＣ／ＡＣコンバータは、前記ＡＣ／ＡＣコンバータに供給された交流電力に基づいて自らに流れる電流を、スイッチングよって調整することを特徴とする。
【0013】
望ましくは、複数の前記電力変換装置と、各前記電力変換装置が備える各前記プライマリ巻線に対応して設けられた前記ＡＣ／ＡＣコンバータと、を備え、複数の前記電力変換装置が、それぞれの前記第１直流入出力ポートで並列接続されると共に、それぞれの前記第２直流入出力ポートで並列接続されており、Ｋを１からＮのいずれかの整数として、複数の前記電力変換装置のそれぞれが備える第Ｋの前記プライマリ巻線に接続された前記ＡＣ／ＡＣコンバータが、それぞれの交流電源ポートで直列接続されている。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、複数の電力源の相互間で十分な電力を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第１実施形態に係る電力変換装置を示す図である。
【図2】電力変換装置で用いられる各信号、および各プライマリ巻線の端子間電圧を示す図である。
【図3】時間帯ｔ１における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線に流れる電流の経路を示す図である。
【図4】時間帯ｔ２における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線に流れる電流の経路を示す図である。
【図5】時間帯ｔ３における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線に流れる電流の経路を示す図である。
【図6】時間帯ｔ４における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線に流れる電流の経路を示す図である。
【図7】時間帯ｔ５における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線に流れる電流の経路を示す図である。
【図8】時間帯ｔ６における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線に流れる電流の経路を示す図である。
【図9】各ゲート信号、各リアクトルに流れる電流、および第２コンデンサ電流を示す図である。
【図10】電力変換装置で用いられる各信号、および各プライマリ巻線の端子間電圧を示す図である。
【図11】電力変換装置で用いられる各信号、および各プライマリ巻線の端子間電圧を示す図である。
【図12】各下スイッチング素子のデューティ比Ｄと、各相のトランスのトランス平均電圧Ｖｔとの関係についての実験結果を示す図である。
【図13】電力変換装置の動作についての実験結果を示す図である。
【図14】第２実施形態に係る電力変換装置を示す図である。
【図15】各プライマリ巻線電圧を示す図である。
【図16】スイッチングアームの数と、第Ｊのスイッチングアームのスイッチングに対する、第Ｊ＋１のスイッチングアームのスイッチングの位相差（位相遅れ）との関係を示す図である。
【図17】応用実施形態に係る電力変換システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。複数の図面に示された同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。本明細書における「上」、「下」、「左」、「右」等の方向を示す用語は、回路図における方向を示し、各部材を配置する際の姿勢を限定するものではない。
【0017】
図１には、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１００が示されている。電力変換装置１００は、Ｕ相トランス１２Ｕ、Ｖ相トランス１２Ｖ、Ｗ相トランス１２Ｗ、Ａ相リアクトルＬａ、Ｂ相リアクトルＬｂ、Ｃ相リアクトルＬｃ、Ａ相スイッチングアーム１８Ａ、Ｂ相スイッチングアーム１８Ｂ、Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃ、第１コンデンサＣ１、第１正極端子２０ｐ、第１負極端子２０ｎ、第２コンデンサＣ２、第２正極端子２２ｐ、第２負極端子２２ｎおよび制御装置１０を備えている。
【0018】
Ａ相スイッチングアーム１８Ａは、上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓａｎを備えている。上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓａｎは直列接続されている。すなわち、上スイッチング素子Ｓａｐの下端は、下スイッチング素子の上端に接続されている。上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓａｎのそれぞれは、下端から上端に向けて電流を流すダイオードを含んでいる。上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓａｎには、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子が用いられてよい。
【0019】
Ｂ相スイッチングアーム１８ＢおよびＣ相スイッチングアーム１８Ｃは、Ａ相スイッチングアーム１８Ａと同様の構成を有している。Ｂ相スイッチングアーム１８Ｂは、直列接続された上スイッチング素子Ｓｂｐおよび下スイッチング素子Ｓｂｎを備えている。Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃは、直列接続された上スイッチング素子Ｓｃｐおよび下スイッチング素子Ｓｃｎを備えている。
【0020】
Ａ相スイッチングアーム１８Ａ、Ｂ相スイッチングアーム１８ＢおよびＣ相スイッチングアーム１８Ｃは並列接続されている。すなわち、各相のスイッチングアームの上端が共通に接続され、各相のスイッチングアームの下端が共通に接続されている。各相のスイッチングアームの上端には、正極導線２４ｐが接続されており、正極導線２４ｐの右端は第１正極端子２０ｐに接続されている。各相のスイッチングアームの下端には、負極導線２４ｎが接続されており、負極導線２４ｎの右端は第１負極端子２０ｎに接続されている。Ａ相スイッチングアーム１８Ａ、Ｂ相スイッチングアーム１８ＢおよびＣ相スイッチングアーム１８Ｃには、第１コンデンサＣ１が並列接続されている。すなわち、第１正極端子２０ｐと第１負極端子２０ｎとの間には、第１コンデンサＣ１が接続されている。
【0021】
Ｕ相トランス１２Ｕ、Ｖ相トランス１２ＶおよびＷ相トランス１２Ｗのそれぞれは、磁気的に結合するプライマリ巻線１４およびセカンダリ巻線１６を備えている。Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６は、Ａ相スイッチングアーム１８Ａにおける直列接続点と、Ｂ相スイッチングアーム１８Ｂにおける直列接続点との間に接続されている。ここで、スイッチングアームの直列接続点とは、上スイッチング素子の下端と、下スイッチング素子の上端とが接続された点をいう。Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６は、Ｂ相スイッチングアーム１８Ｂの直列接続点と、Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃの直列接続との間に接続されている。Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６は、Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃの直列接続点と、Ａ相スイッチングアーム１８Ａの直列接続との間に接続されている。
【0022】
Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６の中途点（タップ）には、Ａ相リアクトルＬａの一端が接続されている。Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６の中途点には、Ｂ相リアクトルＬｂの一端が接続され、Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６の中途点には、Ｃ相リアクトルＬｃの一端が接続されている。各相のセカンダリ巻線１６においてリアクトルが接続される中途点は、各相のセカンダリ巻線１６のセンタータップであってよい。Ａ相リアクトルＬａ、Ｂ相リアクトルＬｂおよびＣ相リアクトルＬｃの他端は、第２正極端子２２ｐに共通に接続されている。負極導線２４ｎにおける第１負極端子２０ｎとは反対側の一端は、第２負極端子２２ｎに接続されている。第２正極端子２２ｐと第２負極端子２２ｎとの間には、第２コンデンサＣ２が接続されている。
【0023】
制御装置１０は、各スイッチングアームが備える上スイッチング素子および下スイッチング素子を制御する。すなわち、制御装置１０は、Ａ相スイッチングアーム１８Ａ、Ｂ相スイッチングアーム１８ＢおよびＣ相スイッチングアーム１８Ｃのそれぞれに対応するＡ相キャリア信号、Ｂ相キャリア信号およびＣ相キャリア信号と、目標値信号との比較に基づいて定まるデューティ比で、各スイッチングアームを制御する。ここで、デューティ比とは、スイッチングの１周期に対しスイッチング素子がオンになる時間の比率をいう。
【0024】
図２（ａ）には、制御装置１０が生成するＡ相キャリア信号ＣＡａ、Ｂ相キャリア信号ＣＡｂ、Ｃ相キャリア信号ＣＡｃおよび目標値信号Ｓｔが示されている。横軸は時間を示し、縦軸は各信号の値を示す。Ａ相キャリア信号ＣＡａ、Ｂ相キャリア信号ＣＡｂおよびＣ相キャリア信号ＣＡｃは、０以上１以下の範囲で値が変動する三角波信号であり、これらの信号には相互に１２０°の位相差がある。目標値信号Ｓｔは、第１正極端子２０ｐと第１負極端子２０ｎとの間の第１電圧Ｖ１（第１コンデンサＣ１の端子間電圧）、および第２正極端子２２ｐと第２負極端子２２ｎとの間の第２電圧Ｖ２（第２コンデンサＣ２の端子間電圧）の関係を調整するための信号である。図２（ａ）に示される例では、目標値信号Ｓｔの値は、一定値０．５である。目標値信号Ｓｔは、Ａ相キャリア信号ＣＡａ、Ｂ相キャリア信号ＣＡｂ、Ｃ相キャリア信号ＣＡｃの周波数よりも低い周波数で変動してもよい。
【0025】
図２（ｂ）には、上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓａｎを制御するゲート信号ｇａｐおよびｇａｎの時間波形が示されている。図２（ｃ）には、上スイッチング素子Ｓｂｐおよび下スイッチング素子Ｓｂｎを制御するゲート信号ｇｂｐおよびｇｂｎの時間波形が示されている。図２（ｄ）には、上スイッチング素子Ｓｃｐおよび下スイッチング素子Ｓｃｎを制御するゲート信号ｇｃｐおよびｇｃｎが示されている。
【0026】
制御装置１０は、Ａ相キャリア信号ＣＡａと目標値信号Ｓｔとの比較に基づいて、ゲート信号ｇａｐおよびｇａｎを生成する。すなわち、制御装置１０は、Ａ相キャリア信号ＣＡａの値が目標値信号Ｓｔの値を超えるときはゲート信号ｇａｐをハイにし、Ａ相キャリア信号ＣＡａの値が目標値信号Ｓｔの値以下であるときはゲート信号ｇａｐをローにする。ゲート信号ｇａｎは、ゲート信号ｇａｐのハイおよびローを反転した信号である。すなわち、制御装置１０は、Ａ相キャリア信号ＣＡａの値が目標値信号Ｓｔの値を超えるときはゲート信号ｇａｎをローにし、Ａ相キャリア信号ＣＡａの値が目標値信号Ｓｔの値以下であるときはゲート信号ｇａｎをハイにする。
【0027】
ゲート信号ｇａｐがハイであるときは上スイッチング素子Ｓａｐはオンになり、ゲート信号ｇａｐがローであるときは上スイッチング素子Ｓａｐはオフになる。同様に、ゲート信号ｇａｎがハイであるときは下スイッチング素子Ｓａｎはオンになり、ゲート信号ｇａｎがローであるときは下スイッチング素子Ｓａｎはオフになる。
【0028】
制御装置１０は、同様の処理に基づいて、Ｂ相キャリア信号ＣＡｂと目標値信号Ｓｔとの比較に基づいてゲート信号ｇｂｐおよびｇｂｎを生成し、Ｃ相キャリア信号ＣＡｃと目標値信号Ｓｔとの比較に基づいてゲート信号ｇｃｐおよびｇｃｎを生成する。Ｂ相におけるゲート信号ｇｂｐおよびｇｂｎのハイ／ローと上スイッチング素子Ｓｂｐおよび下スイッチング素子Ｓｂｎのオン／オフの関係は、Ａ相と同様である。Ｃ相におけるゲート信号ｇｃｐおよびｇｃｎのハイ／ローと上スイッチング素子Ｓｃｐおよび下スイッチング素子Ｓｃｎのオン／オフの関係は、Ａ相およびＢ相と同様である。
【0029】
このような制御によれば、下スイッチング素子Ｓａｎ、ＳｂｎおよびＳｃｎのデューティ比は目標値信号Ｓｔの値となる。また、上スイッチング素子Ｓａｐ、ＳｂｐおよびＳｃｐのデューティ比は、１から目標値信号Ｓｔの値を減算した値となる。図２（ａ）～（ｄ）に示されている例では、各スイッチング素子のデューティ比は０．５となる。
【0030】
第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との関係は、目標値信号Ｓｔの値、すなわち、下スイッチング素子Ｓａｎ、ＳｂｎおよびＳｃｎのデューティ比をＤとして（数１）で示される。（数１）は、各スイッチングアームのスイッチングによって、第１電圧Ｖ１に対する第２電圧Ｖ２の比率である昇圧比が、目標信号の値Ｄで定まることを示している。
【0031】
（数１）Ｖ２＝Ｄ・Ｖ１
【0032】
図２に示された制御では、Ｂ相スイッチングアーム１８Ｂは、Ａ相スイッチングアーム１８Ａに対して１２０°の位相遅れでスイッチングをする。Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃは、Ｂ相スイッチングアーム１８Ｂに対して１２０°の位相遅れでスイッチングをし、Ａ相スイッチングアーム１８Ａは、Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃに対して１２０°の位相遅れでスイッチングをする。ここで、スイッチングアームがスイッチングをするとは、スイッチングアームが備える上スイッチング素子および下スイッチング素子が交互にオンオフすることをいう。上スイッチング素子および下スイッチング素子が交互にオンオフするとは、上スイッチング素子がオンからオフになったときに、下スイッチング素子がオフからオンになり、上スイッチング素子がオフからオンになったときに、下スイッチング素子がオンからオフになることをいう。
【0033】
図２（ｅ）には、Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４の端子間電圧が示されている。Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４の端子間には、セカンダリ巻線１６の端子間電圧の巻線比ｎ倍の電圧が現れる。ここで巻線比ｎはセカンダリ巻線１６の巻き数に対するプライマリ巻線１４の巻き数の比率として定義される。
【0034】
図２（ａ）には、各キャリア信号の１周期を６等分したものが、早い方から順に時間帯ｔ１～ｔ６として示されている。時間帯ｔ１およびｔ２では、上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓｂｎがオンになる。Ｕ相トランス１２Ｕの上端および下端は、それぞれ、上スイッチング素子Ｓａｐおよび下スイッチング素子Ｓｂｎに接続されている。そのため、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６には、第１電圧Ｖ１が現れ、その巻線比ｎ倍の電圧ｎ・Ｖ１がプライマリ巻線１４に現れる。
【0035】
時間帯ｔ３では、上スイッチング素子ＳａｐおよびＳｂｐがオンになる。Ｕ相トランス１２Ｕの上端および下端は、それぞれ、上スイッチング素子ＳａｐおよびＳｂｐに接続されている。そのため、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６が短絡され、プライマリ巻線１４の電圧は０となる。
【0036】
時間帯ｔ４およびｔ５では、下スイッチング素子Ｓａｎおよび上スイッチング素子Ｓｂｐがオンになる。Ｕ相トランス１２Ｕの上端および下端は、それぞれ、下スイッチング素子Ｓａｎおよび上スイッチング素子Ｓｂｐに接続されている。そのため、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６には、第１電圧Ｖ１の極性を反転した電圧－Ｖ１が現れ、その巻線比ｎ倍の電圧－ｎ・Ｖ１がプライマリ巻線１４に現れる。
【0037】
時間帯ｔ６では、下スイッチング素子ＳａｎおよびＳｂｎがオンになる。Ｕ相トランス１２Ｕの上端および下端は、それぞれ、下スイッチング素子ＳａｎおよびＳｂｎに接続されている。そのため、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６が短絡され、プライマリ巻線１４の電圧は０となる。
【0038】
図２（ｆ）には、Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の端子間電圧が示されている。Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の端子間には、Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６の端子間電圧の巻線比ｎ倍の電圧が現れる。
【0039】
Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４の端子間電圧は、Ａ相スイッチングアーム１８ＡおよびＢ相スイッチングアーム１８Ｂのスイッチングによって定まる。そして、Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の端子間電圧は、Ｂ相スイッチングアーム１８ＢおよびＣ相スイッチングアーム１８Ｃのスイッチングによって定まる。Ｂ相スイッチングアーム１８ＢおよびＣ相スイッチングアーム１８Ｃは、Ａ相スイッチングアーム１８ＡおよびＢ相スイッチングアーム１８Ｂに対して１２０°の位相遅れでスイッチングをする。したがって、Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の端子間電圧の位相は、Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４の端子間電圧に対して１２０°遅れたものとなる。
【0040】
図２（ｇ）には、Ｗ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４の端子間電圧が示されている。Ｗ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４の端子間には、Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６に端子間電圧の巻線比ｎ倍の電圧が現れる。Ｖ相と同様の原理によって、Ｗ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４の端子間電圧の位相は、Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の端子間電圧に対して１２０°遅れたものとなる。
【0041】
図２（ｅ）～図２（ｇ）から明らかなように、Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４の端子間電圧、Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の端子間電圧およびＷ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４の端子間電圧の加算合計値は０となる。
【0042】
各プライマリ巻線１４の端子間電圧の波高値の平均値Ｖｔ（以下、トランス平均電圧Ｖｔという）は、（数２）によって表される。
【0043】
（数２）Ｖｔ＝ｎ・［Ｖ１・｛１－（０．５－Ｄ）｝］
【0044】
制御装置１０は、目標値信号Ｓｔの値を変化させることで、各下スイッチング素子のデューティ比Ｄを変化させて、（数２）によって関係付けられるトランス平均電圧Ｖｔおよび第１電圧Ｖ１を制御する。これと共に、制御装置１０は、（数１）によって関係付けられる第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２を制御する。これらの制御によって、各トランスのプライマリ巻線１４の両端と、第１正極端子２０ｐおよび第１負極端子２０ｎと、第２正極端子２２ｐおよび第２負極端子２２ｎとの相互間で双方向に電力が伝送され得る。
【0045】
Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４には、Ｕ相交流電力源からＵ相トランス１２Ｕに出力されるＵ相電力の力率を調整するＵ相ＡＣ／ＡＣコンバータが接続されてよい。Ｕ相ＡＣ／ＡＣコンバータは、Ｕ相交流電力源から出力される正弦波電圧をスイッチングすることで、Ｕ相の交流電力源および自らに流れる電流の時間波形を調整し、Ｕ相電力の力率を調整する。同様に、Ｖ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４には、Ｖ相交流電力源からＶ相トランス１２Ｖに出力されるＶ相電力の力率を調整するＶ相ＡＣ／ＡＣコンバータが接続されてよい。同様に、Ｗ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４には、Ｗ相交流電力源からＷ相トランス１２Ｗに出力されるＷ相電力の力率を調整するＶ相ＡＣ／ＡＣコンバータが接続されてよい。例えば、各相の交流電力源に流れる電流の時間波形を、対応する相の交流電力源から出力される正弦波電圧の時間波形に一致または近似させることで、各相の交流電力源から各相のトランスに出力される電力の力率が向上する。Ｕ相交流電力源、Ｖ相交流電力源およびＷ相交流電力源は、相互間の位相差が１２０°の正弦波電圧を出力する交流電力源であってよい。
【0046】
以下の（表１）には、時間帯ｔ１～ｔ６のそれぞれにおける各スイッチング素子の状態と、各プライマリ巻線１４の電圧の極性が示されている。各スイッチング素子Ｓａｐ、Ｓａｎ、Ｓｂｐ、Ｓｂｎ、ＳｃｐおよびＳｃｎの欄における「１」の符号はスイッチング素子がオンであることを示し、「０」の符号はスイッチング素子がオフであることを示す。プライマリ巻線電圧Ｖｔｕ、ＶｔｖおよびＶｔｗの欄における「＋」および「－」の符号は、プライマリ巻線電圧の極性を示す。「０」の符号は、プライマリ巻線電圧が０であることを示す。
【0047】
【表1】
【0048】
図３～図８には、それぞれ、時間帯ｔ１～ｔ６における各スイッチング素子の状態と、各トランスのセカンダリ巻線１６に流れる電流の経路が示されている。スイッチング素子を囲む丸印は、その丸印で囲まれたスイッチング素子がオンの状態にあることを示す。丸印が付されていないスイッチング素子はオフの状態にある。
【0049】
Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６に流れるａｂ相電流Ｉａｂは、実線の矢印によって示されている。Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６に流れるｂｃ相電流Ｉｂｃは、破線の矢印によって示されている。Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６に流れるｃａ相電流Ｉｃａは、一点鎖線の矢印によって示されている。各プライマリ巻線の傍らに付された「＋」、「０」または「－」の符号は、各プライマリ巻線の端子間に現れる電圧の極性、またはその電圧が０であることを示す。
【0050】
ａｂ相電流Ｉａｂについて説明する。図３および図４に示されているように、時間帯ｔ１およびｔ２では、ａｂ相電流Ｉａｂは、第１負極端子２０ｎから流入し、下スイッチング素子Ｓｂｎ、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓａｐを流れ、第１正極端子２０ｐから流出する。図５に示されているように、時間帯ｔ３では、ａｂ相電流Ｉａｂは、上スイッチング素子Ｓｂｐ、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓａｐを環流する。
【0051】
図６および図７に示されているように、時間帯ｔ４およびｔ５では、ａｂ相電流Ｉａｂは、第１負極端子２０ｎから流入し、下スイッチング素子Ｓａｎ、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓｂｐを流れ、第１正極端子２０ｐから流出する。図８に示されているように時間帯ｔ６では、ａｂ相電流Ｉａｂは、下スイッチング素子Ｓａｎ、Ｕ相トランス１２Ｕのセカンダリ巻線１６、および下スイッチング素子Ｓｂｎを環流する。
【0052】
Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６に流れるｂｃ相電流Ｉｂｃについて説明する。図５および図６に示されているように、時間帯ｔ３およびｔ４では、ｂｃ相電流Ｉｂｃは、第１負極端子２０ｎから流入し、下スイッチング素子Ｓｃｎ、Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓｂｐを流れ、第１正極端子２０ｐから流出する。図７に示されているように、時間帯ｔ５では、ｂｃ相電流Ｉｂｃは、上スイッチング素子Ｓｃｐ、Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓｂｐを環流する。
【0053】
図８および図３に示されているように、時間帯ｔ６およびｔ１では、ｂｃ相電流Ｉｂｃは、第１負極端子２０ｎから流入し、下スイッチング素子Ｓｂｎ、Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓｃｐを流れ、第１正極端子２０ｐから流出する。図４に示されているように時間帯ｔ２では、ｂｃ相電流Ｉｂｃは、下スイッチング素子Ｓｂｎ、Ｖ相トランス１２Ｖのセカンダリ巻線１６、および下スイッチング素子Ｓｃｎを環流する。
【0054】
Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６に流れるｃａ相電流Ｉｃａについて説明する。図７および図８に示されているように、時間帯ｔ５およびｔ６では、ｃａ相電流Ｉｃａは、第１負極端子２０ｎから流入し、下スイッチング素子Ｓａｎ、Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓｃｐを流れ、第１正極端子２０ｐから流出する。図３に示されているように、時間帯ｔ１では、ｃａ相電流Ｉｃａは、上スイッチング素子Ｓａｐ、Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓｃｐを環流する。
【0055】
図４および図５に示されているように、時間帯ｔ２およびｔ３では、ｃａ相電流Ｉｃａは、第１負極端子２０ｎから流入し、下スイッチング素子Ｓｃｎ、Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６、および上スイッチング素子Ｓａｐを流れ、第１正極端子２０ｐから流出する。図６に示されているように時間帯ｔ４では、ｃａ相電流Ｉｃａは、下スイッチング素子Ｓｃｎ、Ｗ相トランス１２Ｗのセカンダリ巻線１６、および下スイッチング素子Ｓａｎを環流する。
【0056】
図９（ａ）～（ｃ）には、ゲート信号ｇａｐ、ｇｂｐおよびｇｃｐの時間波形が示されている。これらの時間波形は、それぞれ、図２（ｂ）～（ｄ）に示された時間波形と同様の時間波形である。図９（ｄ）には、Ａ相リアクトルＬａに流れる放電電流ｉａ１、Ｂ相リアクトルＬｂに流れる放電電流ｉｂ１およびＣ相リアクトルＬｃに流れる放電電流ｉｃ１の時間波形が示されている。各リアクトルに流れる放電電流は、第２コンデンサＣ２から各セカンダリ巻線１６の中途点に流れる向きを正とする。
【0057】
ゲート信号ｇａｐがハイになり、上スイッチング素子Ｓａｐがオンになっている間、放電電流ｉａ１は一旦最大値になり、時間経過と共に減少する。ゲート信号ｇｂｐがハイになり、上スイッチング素子Ｓｂｐがオンになっている間、放電電流ｉｂ１は一旦最大値になり、時間経過と共に減少する。ゲート信号ｇｃｐがハイになり、上スイッチング素子Ｓｃｐがオンになっている間、放電電流ｉｃ１は一旦最大値になり、時間経過と共に減少する。
【0058】
図９（ｅ）には、Ａ相リアクトルＬａに流れる充電電流ｉａ２、Ｂ相リアクトルＬｂに流れる充電電流ｉｂ２およびＣ相リアクトルＬｃに流れる充電電流ｉｃ２の時間波形が示されている。各リアクトルに流れる充電電流は、各セカンダリ巻線１６の中途点から第２コンデンサＣ２に流れる向きを正とする。
【0059】
ゲート信号ｇａｐがローになり（ゲート信号ｇａｎがハイになり）、下スイッチング素子Ｓａｎがオンになっている間、充電電流ｉａ２が０から時間経過と共に増加する。ゲート信号ｇｂｐがローになり（ゲート信号ｇｂｎがハイになり）、下スイッチング素子Ｓｂｎがオンになっている間、充電電流ｉｂ２が０から時間経過と共に増加する。ゲート信号ｇｃｐがローになり（ゲート信号ｇｃｎがハイになり）、下スイッチング素子Ｓｃｎがオンになっている間、充電電流ｉｃ２が０から時間経過と共に増加する。
【0060】
図９（ｆ）には、第２コンデンサ電流ｉｄｃ２が示されている。第２コンデンサ電流ｉｄｃ２は、第２コンデンサＣ２から各リアクトルに流れる電流を正とする。第２コンデンサ電流ｉｄｃ２は、放電電流ｉａ１、ｉｂ１およびｉｃ１を加算した値から、充電電流ｉａ２、ｉｂ２およびｉｃ２を減算した値となる。第２コンデンサ電流ｉｄｃ２の周波数は、Ａ相キャリア信号ＣＡａ、Ｂ相キャリア信号ＣＡｂおよびＣ相キャリア信号ＣＡｃの周波数の３倍となる。
【0061】
以下の（表２）には、時間帯ｔ１～ｔ６のそれぞれにおける各スイッチング素子の状態、各リアクトルに流れる電流の極性、および放電電流の極性が示されている。各スイッチング素子Ｓａｐ、ＳｂｐおよびＳｃｐの欄における「１」の符号は、スイッチング素子がオンであることを示し、「０」の符号は、スイッチング素子がオフであることを示す。リアクトルＬａ、ＬｂおよびＬｃの欄における「－」の符号は、第２コンデンサＣ２の放電に起因する電流が流れることを示し、「＋」の符号は、第２コンデンサＣ２の充電に寄与する電流が流れることを示す。第２コンデンサ電流ｉｄｃ２の欄における「＋」の符号は、第２コンデンサ電流ｉｄｃ２の増加を示し、「－」の符号は、第２コンデンサ電流ｉｄｃ２の減少を示す。
【0062】
【表2】
【0063】
図２には、目標値信号Ｓｔの値を一定値０．５とした場合について各時間波形が示されているのに対し、図１０には、目標値信号Ｓｔの値を一定値０．３とした場合について各時間波形が示されている。図１１には、目標値信号Ｓｔの値を一定値、－０．３とした場合について各時間波形が示されている。
【0064】
図２、図１０および図１１に示されているように、本実施形態に係る電力変換装置１００では、各プライマリ巻線１４の端子間電圧が正となる時間長、および各プライマリ巻線１４の端子間電圧が負となる時間長は、目標値信号Ｓｔの値に関わらず一定である。すなわち、各プライマリ巻線１４の端子間電圧が正となる時間帯についての端子間電圧の積分値は、目標値信号Ｓｔの値に関わらず一定である。同様に、各プライマリ巻線１４の端子間電圧が負となる時間帯についての端子間電圧の積分値は、目標値信号Ｓｔの値に関わらず一定である。また、本実施形態に係る電力変換装置１００では、各プライマリ巻線１４の端子間電圧が正となる時間長、および各プライマリ巻線１４の端子間電圧が負となる時間長は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相について同一である。したがって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のいずれについても、目標値信号Ｓｔの値が変動したとしても、各プライマリ巻線１４から電力変換装置１００に供給される電力の変動は小さい。
【0065】
図１２には、目標値信号Ｓｔの値、すなわち各下スイッチング素子のデューティ比Ｄと、各相のトランスのトランス平均電圧Ｖｔとの関係についての実験結果が示されている。横軸はデューティ比Ｄを示し、縦軸はトランス平均電圧Ｖｔを示す。この図に示されているように、デューティ比Ｄが変化したとしても、トランス平均電圧Ｖｔは一定である。したがって、デューティ比Ｄが変化したとしても、各プライマリ巻線１４から電力変換装置１００に供給される電力の変動は小さい。
【0066】
従来の電力変換装置では、スイッチング素子のデューティ比によっては、交流電力源から供給される電力が不十分となってしまう場合があった。また、スイッチング素子のデューティ比によっては、相ごとに交流電力源から供給される電力にばらつきが生じる場合があった。本実施形態に係る電力変換装置１００によれば、目標値信号Ｓｔの値が変化したとしても、各プライマリ巻線１４から電力変換装置１００に供給される電力の大きさが安定化される。したがって、目標値信号Ｓｔの値によっては電力変換装置に供給される電力が不十分となるという問題点が解消され得る。また、トランスが用いられており、プライマリ巻線１４側の回路と、セカンダリ巻線１６側の回路との間で十分な絶縁性が確保される。
【0067】
図１３（ａ）～（ｃ）には、図１に示される電力変換装置１００の動作についての実験結果が示されている。図１３（ａ）～（ｃ）の横軸は時間を示す。図１３（ａ）の縦軸は、第１電圧Ｖ１が８８Ｖであり、第２電圧Ｖ２が５０Ｖである場合における、Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線電圧ＶｔｕおよびＡ相リアクトルＬａに流れる電流ｉａを示す。正の電流ｉａは、上記の放電電流ｉａ１に相当し、負の電流ｉａは上記の充電電流ｉａ２に相当する。図１３（ｂ）の縦軸は、第１電圧Ｖ１が８８Ｖであり、第２電圧Ｖ２が４４Ｖである場合における、Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線電圧Ｖｔｕおよび電流ｉａを示す。図１３（ｃ）の縦軸は、第１電圧Ｖ１が８８Ｖであり、第２電圧Ｖ２が３７Ｖである場合における、Ｕ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線電圧Ｖｔｕおよび電流ｉａを示す。
【0068】
図１４には、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１０２が示されている。電力変換装置１０２は、１・２相トランス１２１２、２・３相トランス１２２３、・・・・・・６・１相トランス１２６１を備えている。また、電力変換装置１０２は、第１リアクトルＬ１～第６リアクトルＬ６を備えている。電力変換装置１０２は、さらに、第１相スイッチングアーム１８１～第６相スイッチングアーム１８６、第１コンデンサＣ１、第１正極端子２０ｐ、第１負極端子２０ｎ、第２コンデンサＣ２、第２正極端子２２ｐ、第２負極端子２２ｎおよび制御装置３０を備えている。
【0069】
第ｊ相スイッチングアーム１８ｊは、直列接続された上スイッチング素子Ｓｊｐおよび下スイッチング素子Ｓｊｎを備えている。ただし、ｊは、１～６のうちいずれかの整数である。第１相スイッチングアーム１８１～第６相スイッチングアーム１８６は並列接続されている。各相のスイッチングアームの上端には、正極導線２４ｐが接続されており、正極導線２４ｐの右端は第１正極端子２０ｐに接続されている。各相のスイッチングアームの下端には、負極導線２４ｎが接続されており、負極導線２４ｎの右端は第１負極端子２０ｎに接続されている。第１相スイッチングアーム１８１～第６相スイッチングアーム１８６には、第１コンデンサＣ１が並列接続されている。すなわち、第１正極端子２０ｐと第１負極端子２０ｎとの間には、第１コンデンサＣ１が接続されている。
【0070】
１・２相トランス１２１２～６・１相トランス１２６１のそれぞれは、プライマリ巻線１４およびセカンダリ巻線１６を備えている。ｋ・ｋ＋１相トランス１２ｋ・ｋ＋１のセカンダリ巻線１６は、第ｋ相スイッチングアーム１８ｋにおける直列接続点と、第ｋ＋１相スイッチングアーム１８ｋ＋１における直列接続点との間に接続されている。ただし、ｋは１～５のうちのいずれかの整数である。第６・１相トランス１２６１のセカンダリ巻線１６は、第６相スイッチングアーム１８６の直列接続点と、第１相スイッチングアーム１８１の直列接続との間に接続されている。
【0071】
ｋ・ｋ＋１相トランス１２ｋ・ｋ＋１のセカンダリ巻線１６の中途点には、第ｋリアクトルＬｋの一端が接続されている。６・１相トランス１２６１のセカンダリ巻線１６の中途点には、第６リアクトルＬ６の一端が接続されている。各相のセカンダリ巻線１６においてリアクトルが接続される中途点は、各相のセカンダリ巻線１６のセンタータップであってよい。第１リアクトルＬ１～第６リアクトルＬ６の他端は、第２正極端子２２ｐに共通に接続されている。負極導線２４ｎにおける第１負極端子２０ｎとは反対側の一端は、第２負極端子２２ｎに接続されている。第２正極端子２２ｐと第２負極端子２２ｎとの間には、第２コンデンサＣ２が接続されている。
【0072】
制御装置３０は、ゲート信号ｇｊｐおよびｇｊｎを、第ｊ相スイッチングアーム１８ｊが備える上スイッチング素子Ｓｊｐおよび下スイッチング素子Ｓｊｎにそれぞれ出力し、上スイッチング素子Ｓｊｐおよび下スイッチング素子Ｓｊｎを制御する。すなわち、制御装置３０は、第１実施形態に係る制御装置１０と同様の処理を実行し、第ｊ相スイッチングアーム１８ｊに対応する第ｊ相キャリア信号と、目標値信号Ｓｔとの比較に基づいて定まるデューティ比で、第ｊ相スイッチングアーム１８ｊを制御する。
【0073】
第ｋ＋１相スイッチングアーム１８ｋ＋１は、第ｋ相スイッチングアーム１８ｋに対して６０°の位相遅れでスイッチングをする。第１相スイッチングアーム１８１は、第６スイッチングアームに対して６０°の位相遅れでスイッチングをする。
【0074】
図１５（ａ）～（ｆ）には、それぞれ、１・２相トランス１２１２～６・１相トランスのプライマリ巻線電圧Ｖｔ１２～Ｖｔ６１が示されている。時間帯ｔ１では、１・２相トランス１２６１のプライマリ巻線電圧はｎ・Ｖ１であり、時間帯ｔ４では、１・２相トランス１２１２のプライマリ巻線電圧は－ｎ・Ｖ１である。その他の時間帯では、１・２相トランス１２１２のプライマリ巻線電圧は０である。
【0075】
プライマリ巻線電圧Ｖｔ２３の位相は、プライマリ巻線電圧Ｖｔ１２に対して６０°遅れている。プライマリ巻線電圧Ｖｔ３４の位相は、プライマリ巻線電圧Ｖｔ２３に対して６０°遅れている。プライマリ巻線電圧Ｖｔ４５の位相は、プライマリ巻線電圧Ｖｔ３４に対して６０°遅れている。プライマリ巻線電圧Ｖｔ５６の位相は、プライマリ巻線電圧Ｖｔ４５に対して６０°遅れている。プライマリ巻線電圧Ｖｔ６１の位相は、プライマリ巻線電圧Ｖｔ５６に対して６０°遅れている。図１５（ｇ）に示されているように、プライマリ巻線電圧Ｖｔ１２～Ｖｔ６１の加算合計値は０である。
【0076】
第１実施形態と同様、本実施形態に係る電力変換装置１０２についても、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との関係は（数１）によって表され、各トランスのトランス平均電圧Ｖｔと、第１電圧Ｖ１との関係は（数２）によって表される。
【0077】
本実施形態に係る電力変換装置１０２によれば、第１実施形態と同様の原理によって、目標値信号Ｓｔの値が変化したとしても、各プライマリ巻線１４から電力変換装置１０２に供給される電力の大きさが安定化される。したがって、目標値信号Ｓｔの値によっては電力変換装置に供給される電力が不十分となるという問題点が解消され得る。また、トランスが用いられており、プライマリ巻線１４側の回路と、セカンダリ巻線１６側の回路との間で十分な絶縁性が確保される。
【0078】
このように、本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、並列接続された第１～第Ｎのスイッチングアームを備えている。第１実施形態ではＮ＝３であり、Ａ相スイッチングアーム１８Ａ～Ｃ相スイッチングアーム１８Ｃが、それぞれ、第１～第３のスイッチングアームに相当する。第２実施形態ではＮ＝６であり、第１相スイッチングアーム１８１～第６相スイッチングアーム１８６が、それぞれ、第１～第６のスイッチングアームに相当する。各スイッチングアームは、直列接続された上スイッチング素子および下スイッチング素子を備えている。
【0079】
本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、Ｊを１からＮ－１のいずれかの整数として、第Ｊのスイッチングアームの直列接続点と第Ｊ＋１のスイッチングアームの直列接続点との間に接続された第Ｊのセカンダリ巻線を備えている。第１実施形態では、Ｕ相トランス１２ＵおよびＶ相トランス１２Ｖのそれぞれにおけるセカンダリ巻線１６が、第Ｊのセカンダリ巻線に相当する。第２実施形態では、１・２相トランス１２１２～５・６相トランス１２５６のそれぞれにおけるセカンダリ巻線１６が、第Ｊのセカンダリ巻線に相当する。
【0080】
また、本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、第Ｎのスイッチングアームの直列接続点と、第１のスイッチングアームの直列接続点との間に接続された第Ｎのセカンダリ巻線を備えている。第１実施形態ではＷ相トランス１２Ｗにおけるセカンダリ巻線１６が、第Ｎのセカンダリ巻線に相当し、第２実施形態では、６・１相トランス１２６１におけるセカンダリ巻線１６が、第Ｎのセカンダリ巻線に相当する。
【0081】
また、本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、第１～第Ｎのセカンダリ巻線にそれぞれ結合する第１～第Ｎのプライマリ巻線を備えている。第１実施形態では、Ｕ相トランス１２Ｕ、Ｖ相トランス１２ＶおよびＷ相トランス１２Ｗのそれぞれにおけるプライマリ巻線１４が、それぞれ第１～第Ｎのプライマリ巻線に相当する。第２実施形態では、１・２相トランス１２１２、２・３相トランス１２２３、・・・・・・・６・１相トランス１２６１のそれぞれにおけるプライマリ巻線１４が、第１～第Ｎのプライマリ巻線に相当する。
【0082】
また、本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、第１から第Ｎのプライマリ巻線のそれぞれの両端に形成される交流入出力ポートを備えている。また、本発明の各実施形態に係る電力変換装置は、第１から第Ｎのスイッチングアームの両端に形成される第１の直流入出力ポート（第１正極端子２０ｐおよび第１負極端子２０ｎによって構成される第１の直流入出力端子対）と、第１から第Ｎのセカンダリ巻線のそれぞれの中途点、および第１から第Ｎのスイッチングアームの一方の並列接続点に形成される第２の直流入出力ポート（第２正極端子２２ｐおよび第２負極端子２２ｎによって構成される第２の直流入出力端子対）とを備えている。
【0083】
図１６には、スイッチングアームの数と、第Ｊのスイッチングアームのスイッチングに対する、第Ｊ＋１のスイッチングアームのスイッチングの位相差（位相遅れ）との関係が示されている。横軸はスイッチングアームの数Ｎを示し、縦軸は位相差を示している。位相差は、３６０°／Ｎで示される。
【0084】
図１７には、本発明の応用実施形態に係る電力変換システム１０４が示されている。電力変換システム１０４は、電力変換装置１００－１～１００－３が並列に接続された構成を有し、交流端子４２ｕ，４２ｖおよび４２ｗにおいて３相交流電力を入出力するシステムである。
【0085】
電力変換装置１００－１～１００－３のそれぞれは、第１実施形態に係る電力変換装置１００と同様の構成を有し、電力変換装置１００と同様の動作をする。電力変換装置１００－１～１００－３のそれぞれの第１正極端子２０ｐおよび第１負極端子２０ｎは、共通に接続されている。同様に、電力変換装置１００－１～１００－３のそれぞれの第２正極端子２２ｐおよび第２負極端子２２ｎもまた、共通に接続されている。
【0086】
電力変換装置１００－ｒにおけるＵ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４の両端には、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－ｒが接続されている。電力変換装置１００－ｒにおけるＶ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４の両端には、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｖ－ｒが接続されている。電力変換装置１００－ｒにおけるＷ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４の両端には、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｗ－ｒが接続されている。ここで、ｒは１～３のいずれかの整数である。
【0087】
ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－ｒ、４０ｖ－ｒおよび４０ｗ－ｒのそれぞれは、交流端子５０α、５０β、ローパスフィルタ５２および本体回路５４を備えており、交流端子５０αおよび５０βは、ローパスフィルタ５２を介して本体回路５４に接続されている。
【0088】
交流端子４２ｕは、リアクトル５６ｕを介して、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－１の交流端子５０αに接続されている。ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－１の交流端子５０βは、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－２の交流端子５０αに接続されている。ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－２の交流端子５０βは、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－３の交流端子５０αに接続されている。
【0089】
交流端子４２ｖ、リアクトル５６ｖ、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｖ－１、４０ｖ－２および４０ｖ－３は、Ｕ相と同様に直列接続されている。交流端子４２ｗ、リアクトル５６ｗ、ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｗ－１、４０ｗ－２および４０ｗ－３もまた、Ｕ相およびＷ相と同様に直列接続されている。ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｗ－１～４０ｗ－３のそれぞれの交流端子５０βは共通に接続されている。
【0090】
このように、本応用実施形態では、複数の電力変換装置１００－１～１００－Ｍが、それぞれの第１直流入出力ポート（第１直流入出力端子対２０ｐ，２０ｎ）で並列接続されると共に、それぞれの第２直流入出力ポート（第２直流入出力端子対２２ｐ，２２ｎ）で並列接続されている。Ｋを１からＮのいずれかの整数として、複数の電力変換装置１００のそれぞれが備える第Ｋのプライマリ巻線１４に接続されたＡＣ／ＡＣコンバータが、それぞれの交流電源ポート（交流端子５０αおよび５０βから構成される交流端子対）で直列接続されている。以下に説明するように、ＡＣ／ＡＣコンバータは、自らに供給された交流電力に基づいて自らに流れる電流を、スイッチングによって調整する。
【0091】
交流端子４２ｕ、４２ｖおよび４２ｗには、３相交流電圧が印加される。例えば、交流端子４２ｖの電圧の位相は、交流端子４２ｕの電圧に対し１２０°遅れる。交流端子４２ｗの電圧の位相は、交流端子４２ｕの電圧に対し１２０°遅れる。交流端子４２ｕの電圧の位相は、交流端子４２ｗの電圧に対し１２０°遅れる。
【0092】
ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｕ－１～４０ｕ－３は、交流端子４２ｕに流れる電流の時間波形をスイッチングによって調整すると共に、スイッチングに基づく電圧を各電力変換装置１００－１～１００－３のＵ相トランス１２Ｕのプライマリ巻線１４に出力する。ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｖ－１～４０ｖ－３は、交流端子４２ｖに流れる電流の時間波形をスイッチングによって調整すると共に、スイッチングに基づく電圧を各電力変換装置１００－１～１００－３のＶ相トランス１２Ｖのプライマリ巻線１４に出力する。ＡＣ／ＡＣコンバータ４０ｗ－１～４０ｗ－３は、交流端子４２ｗに流れる電流の時間波形をスイッチングによって調整すると共に、スイッチングに基づく電圧を各電力変換装置１００－１～１００－３のＷ相トランス１２Ｗのプライマリ巻線１４に出力する。
【0093】
これによって、交流端子４２ｕ、交流端子４２ｖおよび交流端子４２ｗに入力される３相交流電力の力率が向上すると共に、各電力変換装置１００－１～１００－３に各トランス１２Ｕ～１２Ｖから電力が供給される。
【0094】
本発明の各実施形態に係る電力変換装置、または応用実施形態に係る電力変換システムは、プラグイン機能を有する電動自動車に搭載されてもよい。第１の直流入出力端子対には、走行用のバッテリが接続されてもよい。第２の直流入出力端子対には補機用のバッテリが接続されてもよい。各相のトランスのプライマリ巻線１４は、商用電力系統に接続するためのＡＣ／ＡＣコンバータ等の装置が接続されてよい。本発明の各実施形態に係る電力変換装置、または応用実施形態に係る電力変換システムは、電動自動車の他、その他の電力によって動作する一般的な産業機械に用いられてもよい。
【符号の説明】
【0095】
１０，３０ 制御装置、１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ，１２１２，１２２３、１２３４，１２４５，１２５６、１２６１ トランス、１４ プライマリ巻線，１６ セカンダリ巻線、１８Ａ Ａ相スイッチングアーム，１８Ｂ Ｂ相スイッチングアーム、１８Ｃ Ｃ相スイッチングアーム、２０ｐ 第１正極端子、２０ｎ 第１負極端子、２２ｐ 第２正極端子、２２ｎ 第２負極端子、２４ｐ 正極導線、２４ｎ 負極導線、４２ｕ，４２ｖ，４２ｗ，５０α，５０β 交流端子、５２ ローパスフィルタ、５４ 本体回路、５６ｕ，５６ｖ，５６ｗ リアクトル，１００，１００－１，１００－２，１００－３，１０２ 電力変換装置、１０４ 電力変換システム。
【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】