JP2005184965A - 電圧変換装置およびそれを搭載した自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御性の良い電圧変換装置を提供する。
【解決手段】 電圧変換装置１０は、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、平滑用リアクトルＬ１と、補助回路Ｈ１，Ｈ２とを備える。補助回路Ｈ１，Ｈ２は、ノードＮ１とノードＮ２との間に平滑用リアクトルＬ１に並列に接続される。補助回路Ｈ１は、直列に接続された緩衝用コンデンサＣ３、ダイオードＤ５、ＮＰＮトランジスタＱ５を含む。また、補助回路Ｈ１は、ノードＮ３と負母線ＬＮ３との間に直列に接続された共振用リアクトルＬ２およびダイオードＤ７を含む。補助回路Ｈ２は、直列に接続された緩衝用コンデンサＣ４、ダイオードＤ８およびＮＰＮトランジスタＱ６を含む。また、補助回路Ｈ２は、ノードＮ４と負母線ＬＮ３との間に直列に接続された共振用リアクトルＬ３およびダイオードＤ１０を含む。
【選択図】 図１

Description

この発明は、２つの電源の間で双方向の電圧変換を行なう電圧変換装置およびそれを搭載した自動車に関するものである。

特許文献１は、１２Ｖ系の電源Ｖ１と４２Ｖ系の電源Ｖ２との間で昇圧動作および降圧動作を行なう共振形双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを開示する。共振形双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２，Ｑｒ１，Ｑｒ２と、緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２と、平滑用インダクタンスＬと、共振用インダクタンスＬｒとを備える。

ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２は、電源Ｖ２側の正母線と負母線との間に直列に接続される。平滑用インダクタンスＬは、一方端がＭＯＳＦＥＴＱ１とＭＯＳＦＥＴＱ２との接続点に接続され、他方端が電源Ｖ１の正母線に接続される。緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２の両端に接続される。

共振用インダクタンスＬｒおよびＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２は、ＭＯＳＦＥＴＱ１とＭＯＳＦＥＴＱ２との接続点と、電源Ｖ１の正母線との間に直列に接続される。すなわち、直列に接続された共振用インダクタンスＬｒおよびＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２は、平滑用インダクタンスＬに並列に接続される。そして、共振用インダクタンスＬｒおよびＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２は、補助回路Ｈ１を構成する。

補助回路Ｈ１は、昇圧動作および降圧動作の両方において、ＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２をスイッチング制御して緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２の充放電を共振用インダクタンスＬｒに流れる共振電流により制御し、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２のソフトスイッチングを実現する。
特開２００３−３３０１３号公報 特許第３４０２３６２号公報 特許第３４０２２５４号公報

しかし、従来の共振形双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２のソフトスイッチングにより昇圧動作および降圧動作を行なうために、補助回路Ｈ１に含まれるＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２をオン／オフする必要があり、ＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２の制御が煩雑になるという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、制御性の良い電圧変換装置を提供することである。

また、この発明の別の目的は、制御性の良い電圧変換装置を搭載した自動車を提供することである。

この発明による電圧変換装置は、第１の電源から出力される第１の電源電圧と第２の電源から出力される第２の電源電圧との間で双方向の電圧変換を行なう電圧変換装置であって、第１および第２の電圧平滑用コンデンサと、電圧変換器とを備える。第１の電圧平滑用コンデンサは、第１の電源側に接続され、電圧を平滑化する。第２の電圧平滑用コンデンサは、第２の電源側に接続され、電圧を平滑化する。電圧変換器は、第１の電圧平滑用コンデンサと第２の電圧平滑用コンデンサとの間に接続される。そして、電圧変換器は、電圧変換回路と、補助回路とを含む。電圧変換回路は、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる上アームおよび下アームを有し、第１の電圧平滑用コンデンサと第２の電圧平滑用コンデンサとの間で電圧を変換する。補助回路は、電圧変換回路に含まれる平滑用リアクトルの一方端が接続される第１の電源側の第１のノードと平滑用リアクトルの他方端が接続される第２の電源側の第２のノードとの間に平滑用リアクトルに並列に接続され、電圧変換において第１のノードと第２のノードとの間に電流を流すように常時活性化される。そして、補助回路は、電圧変換において平滑用リアクトルに流れる電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって上アームおよび／または下アームを導通させるとともに、蓄積された電荷を放電する。

好ましくは、電圧変換回路は、平滑用リアクトルと、第１および第２の上アームと、第１および第２の下アームとからなる。平滑用リアクトルは、第１のノードと第２のノードとの間に接続される。第１の上アームは、第１の電源の正母線と第１のノードとの間に接続され、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる。第１の下アームは、第１のノードと第１の電源の負母線との間に接続され、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる。第２の上アームは、第２の電源の正母線と第２のノードとの間に接続され、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる。第２の下アームは、第２のノードと第２の電源の負母線との間に接続され、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる。補助回路は、第１および第２の補助回路からなる。第１の補助回路は、第１の電源電圧から第２の電源電圧への第１の電圧変換において第２のノードから第１のノードへ電流を流すように常時活性化される。第２の補助回路は、第２の電源電圧から第１の電源電圧への第２の電圧変換において第１のノードから第２のノードへ電流を流すように常時活性化される。そして、第１の補助回路は、第１の電圧変換において電荷の蓄積によって第１の下アームおよび第２の上アームを導通させるとともに、蓄積された電荷を放電する。第２の補助回路は、第２の電圧変換において電荷の蓄積によって第１の上アームおよび第２の下アームを導通させるとともに、蓄積された電荷を放電する。

好ましくは、第１の補助回路は、第１の上アームおよび第２の下アームのオンからオフへの第１のスイッチング時、平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって第１および第２のノード上の電位をそれぞれ低下および上昇させて第１の下アームおよび第２の上アームを導通させ、第１の上アームおよび第２の下アームのオフからオンへの第２のスイッチング時、第１のスイッチング時に蓄積された電荷を放電する。第２の補助回路は、第１の下アームおよび第２の上アームのオンからオフへの第３のスイッチング時、平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって第１および第２のノード上の電位をそれぞれ上昇および低下させて第１の上アームおよび第２の下アームを導通させ、第１の下アームおよび第２の上アームのオフからオンへの第４のスイッチング時、第３のスイッチング時に蓄積された電荷を放電する。

好ましくは、第１の補助回路は、第１の導通回路と、第１の放電回路とからなる。第１の導通回路は、第１のスイッチング時、共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して第１の下アームおよび第２の上アームを導通させる。第１の放電回路は、第２のスイッチング時、第１の導通回路に蓄積された電荷を放電する。第２の補助回路は、第２の導通回路と、第２の放電回路とからなる。第２の導通回路は、第３のスイッチング時、共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して第１の上アームおよび第２の下アームを導通させる。第２の放電回路は、第４のスイッチング時、第２の導通回路に蓄積された電荷を放電する。そして、第１の導通回路は、第１のスイッチング素子と、第１の緩衝用コンデンサと、第１のダイオードとからなる。第１のスイッチング素子は、第１のノード側に接続される。第１の緩衝用コンデンサは、第２のノード側に第１のスイッチング素子と直列に接続される。第１のダイオードは、第２のノードから第１のノードへ電流を流すように第１のスイッチング素子と緩衝用コンデンサとの間に第１のスイッチング素子および第１の緩衝用コンデンサと直列に接続される。第１の放電回路は、第１の緩衝用コンデンサの第１のノード側の電極に接続される第３のノードと第１の電源の負母線との間に直列に接続された第１の共振用リアクトルおよび第２のダイオードからなる。第２の導通回路は、第２の緩衝用コンデンサと、第２のスイッチング素子と、第３のダイオードとからなる。第２の緩衝用コンデンサは、第１のノード側に接続される。第２のスイッチング素子は、第２のノード側に第２の緩衝用コンデンサと直列に接続される。第３のダイオードは、第１のノードから第２のノードへ電流を流すように第２の緩衝用コンデンサと第２のスイッチング素子との間に第２のスイッチング素子および第２の緩衝用コンデンサと直列に接続される。第２の放電回路は、第２の緩衝用コンデンサの第２のノード側の電極に接続される第４のノードと第２の電源の負母線との間に直列に接続された第２の共振用リアクトルおよび第４のダイオードからなる。そして、第１のスイッチング素子は、第１の電圧変換中、常時オンされる。また、第２のスイッチング素子は、第２の電圧変換中、常時オンされる。

好ましくは、電圧変換装置は、第１の電源と前記第２の電源との間で流れる電流の方向を判定するための電流センサーをさらに備える。第１のスイッチング素子は、電流が第１の電源から第２の電源の方向へ流れると判定されると、オンされる。第２のスイッチング素子は、電流が第２の電源から第１の電源の方向へ流れると判定されると、オンされる。

好ましくは、双方向の電圧変換は、第１の電源電圧を第２の電源電圧に昇圧または降圧する電圧変換と、第２の電源電圧を第１の電源電圧に昇圧または降圧する電圧変換とからなる。

好ましくは、電圧変換回路は、平滑用リアクトルと、上アームおよび下アームとからなる。平滑用リアクトルは、第１のノードと第２のノードとの間に接続される。上アームは、第２の電源の正母線と第２のノードとの間に接続され、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる。下アームは、第２のノードと第２の電源の負母線との間に接続され、ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる。補助回路は、第１および第２の補助回路からなる。第１の補助回路は、第１の電源電圧から第２の電源電圧への第１の電圧変換において第２のノードから第１のノードへ電流を流すように常時活性化される。第１の補助回路は、第２の電源電圧から第１の電源電圧への第２の電圧変換において第１のノードから第２のノードへ電流を流すように常時活性化される。そして、第１の補助回路は、第１の電圧変換において電荷の蓄積によって上アームを導通させるとともに、蓄積された電荷を放電する。また、第２の補助回路は、第２の電圧変換において電荷の蓄積によって下アームを導通させるとともに、蓄積された電荷を放電する。

好ましくは、第１の補助回路は、下アームのオンからオフへの第１のスイッチング時、平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって第２のノード上の電位を上昇させて上アームを導通させ、下アームのオフからオンへの第２のスイッチング時、第１のスイッチング時に蓄積された電荷を放電する。第２の補助回路は、上アームのオンからオフへの第３のスイッチング時、平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって第２のノード上の電位を低下させて下アームを導通させ、上アームのオフからオンへの第４のスイッチング時、第３のスイッチング時に蓄積された電荷を放電する。

好ましくは、第１の補助回路は、第１の導通回路と、第１の放電回路とからなる。第１の導通回路は、第１のスイッチング時、共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して上アームを導通させる。第１の放電回路は、第２のスイッチング時、第１の導通回路に蓄積された電荷を放電する。第２の補助回路は、第２の導通回路と、第２の放電回路とからなる。第２の導通回路は、第３のスイッチング時、共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して下アームを導通させる。第２の放電回路は、第４のスイッチング時、第２の導通回路に蓄積された電荷を放電する。そして、第１の導通回路は、第１のスイッチング素子と、第１の緩衝用コンデンサと、第１のダイオードとからなる。第１のスイッチング素子は、第１のノード側に接続される。第１の緩衝用コンデンサは、第２のノード側に第１のスイッチング素子と直列に接続される。第１のダイオードは、第２のノードから第１のノードへ電流を流すように第１のスイッチング素子および第１の緩衝用コンデンサと直列に接続される。第１の放電回路は、第１の緩衝用コンデンサの第１のノード側の電極に接続される第３のノードと第２の電源の負母線との間に直列に接続された第１の共振用リアクトルおよび第１のダイオードからなる。第２の導通回路は、第２のスイッチング素子と、第２の緩衝用コンデンサと、第２のダイオードとからなる。第２のスイッチング素子は、第１のノード側に接続される。第２の緩衝用コンデンサは、第２のノード側に第２のスイッチング素子と直列に接続される。第２のダイオードは、第１のノードから第２のノードへ電流を流すように第２のスイッチング素子および第２の緩衝用コンデンサと直列に接続される。第２の放電回路は、第２の緩衝用コンデンサの第１のノード側の電極に接続される第４のノードと第２の正母線との間に直列に接続された第２の共振用リアクトルおよび第２のダイオードからなる。そして、第１のスイッチング素子は、第１の電圧変換中、常時オンされる。また、第２のスイッチング素子は、第２の電圧変換中、常時オンされる。

好ましくは、電圧変換装置は、第１の電源と第２の電源との間で流れる電流の方向を判定するための電流センサーをさらに備える。そして、第１のスイッチング素子は、電流が第１の電源から第２の電源の方向へ流れると判定されると、オンされる。また、第２のスイッチング素子は、電流が第２の電源から第１の電源の方向へ流れると判定されると、オンされる。

好ましくは、双方向の電圧変換は、第１の電源電圧を第２の電源電圧に昇圧する電圧変換と、第２の電源電圧を第１の電源電圧に降圧する電圧変換とからなる。

また、この発明による自動車は、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電圧変換装置を搭載した自動車である。

この発明による電圧変換装置においては、補助回路は、第１の電源電圧と第２の電源電圧との間の電圧変換において常時活性化される。そして、補助回路は、電圧変換において平滑用リアクトルに流れる電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって電圧変換回路に含まれる上アームおよび／または下アームを導通させる。また、補助回路は、蓄積した電荷を放電する。つまり補助回路は、第１の電源電圧と第２の電源電圧との間の電圧変換において常時活性化され、上アームおよび／または下アームのスイッチング損失を減少させながら上アームおよび下アームのソフトスイッチングを実現する。

したがって、この発明によれば、補助回路を活性化したまま第１の電源電圧と第２の電源電圧との間で電圧変換を行なうことができる。その結果、電圧変換装置の制御性を向上できる。

また、この発明によれば、スイッチング損失を低減できる。その結果、スイッチング周波数を可聴域よりも高く設定でき、電圧変換装置のスイッチングによる騒音を低減できる。

また、この発明による自動車は、上述した電圧変換装置を搭載する。

したがって、この発明によれば、電圧変換装置の制御性、すなわち、自動車の制御性を向上できる。また、この発明によれば、自動車の騒音を低減できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電圧変換装置の回路図である。図１を参照して、実施の形態１による電圧変換装置１０は、電圧平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２と、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、平滑用リアクトルＬ１と、補助回路Ｈ１，Ｈ２と、電流センサーＳ１とを備える。

電圧変換装置１０は、電源Ｖ１と電源Ｖ２との間に接続され、電源Ｖ１と電源Ｖ２との間で電圧変換を行なう。そして、電源Ｖ１には負荷Ｒ１が接続され、電源Ｖ２には負荷Ｒ２が接続される。

電圧平滑用コンデンサＣ１は、電源Ｖ１の正母線ＬＮ１と負母線ＬＮ３との間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、正母線ＬＮ１と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１は、コレクタが正母線ＬＮ１に接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタに接続される。また、ＮＰＮトランジスタＱ２は、エミッタが負母線ＬＮ３に接続される。そして、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、電圧平滑用コンデンサＣ１に並列に接続される。

各ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ−コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

電圧平滑用コンデンサＣ２は、電源Ｖ２の正母線ＬＮ２と負母線ＬＮ３との間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４は、正母線ＬＮ２と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ３は、コレクタが正母線ＬＮ２に接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタＱ４のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ４は、エミッタが負母線ＬＮ３に接続される。そして、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４は、電圧平滑用コンデンサＣ２に並列に接続される。

各ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタ−コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるようにダイオードＤ３，Ｄ４がそれぞれ接続されている。

平滑用リアクトルＬ１は、ＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との接続点であるノードＮ１と、ＮＰＮトランジスタＱ３とＮＰＮトランジスタＱ４との接続点であるノードＮ２との間に接続される。

補助回路Ｈ１およびＨ２は、ノードＮ１とノードＮ２との間に平滑用リアクトルＬ１に並列に接続される。補助回路Ｈ１は、緩衝用コンデンサＣ３と、ダイオードＤ５〜Ｄ７と、ＮＰＮトランジスタＱ５と、共振用リアクトルＬ２とを含む。

緩衝用コンデンサＣ３、ダイオードＤ５およびＮＰＮトランジスタＱ５は、ノードＮ１とノードＮ２との間に直列に接続される。より具体的には、ＮＰＮトランジスタＱ５は、エミッタがノードＮ１に接続され、コレクタがダイオードＤ５の出力端子に接続される。緩衝用コンデンサＣ３は、一方の電極がノードＮ２に接続され、他方の電極がダイオードＤ５の入力端子に接続される。ダイオードＤ５は、ノードＮ２からノードＮ１の方向へ電流を流すようにＮＰＮトランジスタＱ５と緩衝用コンデンサＣ３との間に接続される。ダイオードＤ６は、ＮＰＮトランジスタＱ５のエミッタ−コレクタ間にエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように接続される。

共振用リアクトルＬ２およびダイオードＤ７は、緩衝用コンデンサＣ３とダイオードＤ５との間のノードＮ３と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。この場合、共振用リアクトルＬ２は、一方端がノードＮ３に接続され、他方端がダイオードＤ７の出力端子に接続される。ダイオードＤ７は、負母線ＬＮ３からノードＮ３の方向へ電流を流すように接続される。

補助回路Ｈ２は、緩衝用コンデンサＣ４と、共振用リアクトルＬ３と、ＮＰＮトランジスタＱ６と、ダイオードＤ８〜Ｄ１０とを含む。

緩衝用コンデンサＣ４、ダイオードＤ８およびＮＰＮトランジスタＱ６は、ノードＮ１とノードＮ２との間に直列に接続される。より具体的には、緩衝用コンデンサＣ４は、一方の電極がノードＮ１に接続され、他方の電極がダイオードＤ８の入力端子に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ６は、エミッタがノードＮ２に接続され、コレクタがダイオードＤ８の出力端子に接続される。ダイオードＤ８は、ノードＮ１からノードＮ２の方向へ電流を流すように緩衝用コンデンサＣ４とＮＰＮトランジスタＱ６との間に接続される。ダイオードＤ９は、ＮＰＮトランジスタＱ６のエミッタ−コレクタ間にエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように接続される。

共振用リアクトルＬ３およびダイオードＤ１０は、緩衝用コンデンサＣ４とダイオードＤ８との間のノードＮ４と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。この場合、共振用リアクトルＬ３は、一方端がノードＮ４に接続され、他方端がダイオードＤ１０の出力端子に接続される。ダイオードＤ１０は、負母線ＬＮ３からノードＮ４の方向へ電流を流すように接続される。

電流センサーＳ１は、電源Ｖ１と電圧平滑用コンデンサＣ１との間の正母線ＬＮ１に設けられる。

電圧平滑用コンデンサＣ１は、正母線ＬＮ１と負母線ＬＮ３との間に印加される直流電圧を平滑化してＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２、電源Ｖ１および負荷Ｒ１へ供給する。また、電圧平滑用コンデンサＣ２は、正母線ＬＮ２と負母線ＬＮ３との間に印加される直流電圧を平滑化してＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４、電源Ｖ２および負荷Ｒ２へ供給する。

電流センサーＳ１は、正母線ＬＮ１を流れる電流の向きを判定するためのセンサーである。ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４は、制御装置（図示せず）からのＰＷＭ信号によりスイッチング制御される。

ＮＰＮトランジスタＱ５は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オンされ、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オフされる。

また、ＮＰＮトランジスタＱ６は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オンされ、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オフされる。

平滑用リアクトルＬ１は、電源電圧Ｖａ１と電源電圧Ｖａ２との間の電圧変換に利用する電気エネルギーを蓄える。緩衝用コンデンサＣ３は、平滑用リアクトルＬ１からのリアクトル電流によって充電され、共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ４およびダイオードＤ７と共に共振回路を構成するとき、蓄積した電荷を放電する。

ダイオードＤ５は、緩衝用コンデンサＣ３を充電するときの充電方向を制御する。ＮＰＮトランジスタＱ５は、電力の通過方向を制御する。共振用リアクトルＬ２は、緩衝用コンデンサＣ３との間で共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ３に蓄積された電荷を引き抜く。ダイオードＤ７は、共振電流が流れる方向を制御する。

緩衝用コンデンサＣ４は、平滑用リアクトルＬ１からのリアクトル電流によって充電され、共振用リアクトルＬ３、ＮＰＮトランジスタＱ２およびダイオードＤ１０と共に共振回路を構成するとき、蓄積した電荷を放電する。

ダイオードＤ８は、緩衝用コンデンサＣ４を充電するときの充電方向を制御する。ＮＰＮトランジスタＱ６は、電力の通過方向を制御する。共振用リアクトルＬ３は、緩衝用コンデンサＣ４との間で共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ４に蓄積された電荷を引き抜く。ダイオードＤ１０は、共振電流が流れる方向を制御する。

なお、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４に印加される電圧ＶＱ１〜ＶＱ４およびＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４を流れる電流ＩＱ１〜ＩＱ４を次のように定義する。電圧ＶＱ１は、正母線ＬＮ１側を正とした電圧であり、電圧ＶＱ２は、ノードＮ１側を正として電圧であり、電圧ＶＱ３は、正母線ＬＮ２側を正とした電圧であり、電圧ＶＱ４は、ノードＮ２側を正とした電圧である。

また、電流ＩＱ１は、正母線ＬＮ１からノードＮ１へ流れる方向を正とする電流であり、電流ＩＱ２は、ノードＮ１から負母線ＬＮ３へ流れる方向を正とする電流であり、電流ＩＱ３は、正母線ＬＮ２からノードＮ２へ流れる方向を正とする電流であり、電流ＩＱ４は、ノードＮ２から負母線ＬＮ３へ流れる方向を正とする電流である。

さらに、平滑用リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１は、ノードＮ１からノードＮ２への方向を正とする電流である。

図２は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１に示す電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。また、図３は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１に示す電圧変換装置１０における動作波形図である。

図２および図３を参照して、電流センサーＳ１が電源Ｖ１からＮＰＮトランジスタＱ１の方向へ流れる電流を検出すると、制御装置（図示せず）は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換するモードＭＤＥ１であると判定し、電源電圧Ｖａ１から電源電圧Ｖａ２への電圧変換中、ＮＰＮトランジスタＱ５をオンし続ける。

また、制御装置は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオンし、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオフする。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ４→電源Ｖ１の経路を電流が流れ、平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積される（図２の（ａ）参照）。

この場合、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は０Ｖであり、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は、所定の電圧に維持される。また、電流ＩＱ１，ＩＱ４は徐々に増加し、それに伴って平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１も徐々に増加する。また、電流ＩＱ２，ＩＱ３は０Ａに維持される。

その後、タイミングｔ１でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオフされると、緩衝用コンデンサＣ３、ダイオードＤ５およびＮＰＮトランジスタＱ５に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される（図２の（ｂ）参照）。この場合、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオフすると、平滑用リアクトルＬ１をノードＮ１からノードＮ２の方向へ流れるリアクトル電流ＩＬ１は、緩衝用コンデンサＣ３、ダイオードＤ５およびＮＰＮトランジスタＱ５の経路に流れ、緩衝用コンデンサＣ３を充電する。すなわち、緩衝用コンデンサＣ３、ダイオードＤ５およびＮＰＮトランジスタＱ５は、平滑用リアクトルＬ１と共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ３は、共振電流によって充電される。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４に流れる電流が急激に低下するためＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４のスイッチング損失が減少する。

緩衝用コンデンサＣ３がリアクトル電流ＩＬ１によって充電されると、それに伴って電圧ＶＱ１，ＶＱ４は上昇する。また、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は、緩衝用コンデンサＣ３の充電に伴って低下し、タイミングｔ２で０Ｖになる。すなわち、緩衝用コンデンサＣ３の充電に伴って、ノードＮ１上の電位は低下し、ノードＮ２上の電位は上昇して、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は上昇し、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は低下する。

そうすると、ダイオードＤ２およびＤ３がオンされ、電流ＩＱ２，ＩＱ３は、負の方向に流れ、ＮＰＮトランジスタＱ２→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ３→電圧平滑用コンデンサＣ２の経路で電流が還流する（図２の（ｃ）および図３参照）。

その後、電流ＩＱ２，ＩＱ３が負の方向の最大値に達したタイミングｔ３でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３がオンされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。そして、負の方向に流れる電流ＩＱ２，ＩＱ３は、平滑用リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーの減少に伴って徐々に減少する。

そして、タイミングｔ４でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３がオフされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。その後、タイミングｔ５でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４が再びオンされると（すなわち、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ））、緩衝用コンデンサＣ３→ＮＰＮトランジスタＱ４→ダイオードＤ７→共振用リアクトルＬ２の経路で共振電流が流れる（図２の（ｄ）参照）。

この場合、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオンした直後においては、緩衝用コンデンサＣ３には、タイミングｔ１からタイミングｔ３までの間における充電による電荷が蓄積されているため、ＮＰＮトランジスタＱ４を流れる電流ＩＱ４は、タイミングｔ５以降、急激に増加する。そして、緩衝用コンデンサＣ３が共振電流によって放電されると、電流ＩＱ４は、ＮＰＮトランジスタＱ１に流れる電流ＩＱ１と同じように徐々に増加する（図３参照）。そして、上述した図２の（ａ）へ移行する。

このように、図２の（ａ）から（ｄ）までの各ステップを経て電圧変換装置１０は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換する。この場合、Ｖａ１＜Ｖａ２であれば、電圧変換装置１０は昇圧動作を行なうことになり、Ｖａ１＞Ｖａ２であれば、電圧変換装置１０は降圧動作を行なうことになる。

また、緩衝用コンデンサＣ３は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオンからオフへスイッチングされると、平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１によって充電され得るようにノードＮ１とノードＮ２との間に配置されているため、ＮＰＮトランジスタＱ５を常時オンすることができる。

すなわち、各ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４の両端に緩衝用コンデンサが接続されている場合、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオンして平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーを蓄積した後、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオフしてＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３に接続された緩衝用コンデンサを放電させ、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３に接続されたダイオードを導通させるためには、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ２からノードＮ１へ流すことを禁止する必要があるためＮＰＮトランジスタＱ５を常時オンすることができない。

しかし、本発明のように緩衝用コンデンサＣ３をノードＮ１とノードＮ２との間に配置した場合、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ２からノードＮ１へ流すことによって緩衝用コンデンサＣ３を充電し、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３の両端の電圧ＶＱ２，ＶＱ３を０Ｖまで低下させてダイオードＤ２，Ｄ３を導通させることができる。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ５を常時オンすることができる。そして、補助回路Ｈ１は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオンからオフへスイッチングされると、リアクトル電流ＩＬ１によって緩衝用コンデンサＣ３に電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によってノードＮ１およびＮ２上の電位をそれぞれ低下および上昇させてダイオードＤ２，Ｄ３を導通させる。

図４は、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１に示す電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。また、図５は、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１に示す電圧変換装置１０における動作波形図である。

図４および図５を参照して、電流センサーＳ１がＮＰＮトランジスタＱ１から電源Ｖ１の方向へ流れる電流を検出すると、制御装置（図示せず）は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するモードＭＤＥ２であると判定し、電源電圧Ｖａ２から電源電圧Ｖａ１への電圧変換中、ＮＰＮトランジスタＱ６をオンし続ける。

また、制御装置は、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオンし、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオフする。そして、ＮＰＮトランジスタＱ３→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ２→電源Ｖ２の経路を電流が流れ、平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積される（図４の（ａ）参照）。

この場合、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は０Ｖであり、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は、所定の電圧に維持される。また、電流ＩＱ２，ＩＱ３は徐々に増加し、それに伴って平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１も徐々に増加する（リアクトル電流ＩＬ１は、ノードＮ１からノードＮ２の方向を正としているため、図５においては負方向に増加する）。電流ＩＱ１，ＩＱ４は０Ａに維持される。

その後、タイミングｔ６でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオフすると、緩衝用コンデンサＣ４、ダイオードＤ８およびＮＰＮトランジスタＱ６に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される（図４の（ｂ）参照）。この場合、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオフすると、平滑用リアクトルＬ１をノードＮ２からノードＮ１の方向へ流れるリアクトル電流ＩＬ１は、緩衝用コンデンサＣ４、ダイオードＤ８およびＮＰＮトランジスタＱ６の経路に流れ、緩衝用コンデンサＣ４を充電する。すなわち、緩衝用コンデンサＣ４、ダイオードＤ８およびＮＰＮトランジスタＱ６は、平滑用リアクトルＬ１と共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ４は、共振電流によって充電される。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３に流れる電流が急激に低下するためＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３のスイッチング損失が減少する。

緩衝用コンデンサＣ４がリアクトル電流ＩＬ１によって充電されると、それに伴って電圧ＶＱ２，ＶＱ３は上昇する。また、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は、緩衝用コンデンサＣ４の充電に伴って低下し、タイミングｔ７で０Ｖになる。すなわち、緩衝用コンデンサＣ４の充電に伴って、ノードＮ１上の電位は上昇し、ノードＮ２上の電位は低下して、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は上昇し、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は低下する。

そうすると、ダイオードＤ１およびＤ４がオンされ、電流ＩＱ１，ＩＱ４は、負の方向に流れ、ＮＰＮトランジスタＱ４→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ１→電圧平滑用コンデンサＣ１の経路で電流が還流する（図４の（ｃ）および図５参照）。

その後、電流ＩＱ１，ＩＱ４が負の方向の最大値に達したタイミングｔ８でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオンされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。そして、負の方向に流れる電流ＩＱ１，ＩＱ４は、平滑用リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーの減少に伴って徐々に減少する。

そして、タイミングｔ９でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオフされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。その後、タイミングｔ１０でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３が再びオンされると（すなわち、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ））、緩衝用コンデンサＣ４→ＮＰＮトランジスタＱ２→ダイオードＤ１０→共振用リアクトルＬ３の経路で共振電流が流れる（図４の（ｄ）参照）。

この場合、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオンした直後においては、緩衝用コンデンサＣ４には、タイミングｔ６からタイミングｔ８までの間における充電による電荷が蓄積されているため、ＮＰＮトランジスタＱ２を流れる電流ＩＱ２は、タイミングｔ１０以降、急激に増加する。そして、緩衝用コンデンサＣ４が共振電流によって放電されると、電流ＩＱ２は、ＮＰＮトランジスタＱ３に流れる電流ＩＱ３と同じように徐々に増加する（図５参照）。そして、上述した図４の（ａ）へ移行する。

このように、図４の（ａ）から（ｄ）までの各ステップを経て電圧変換装置１０は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換する。この場合、Ｖａ２＜Ｖａ１であれば、電圧変換装置１０は昇圧動作を行なうことになり、Ｖａ２＞Ｖａ１であれば、電圧変換装置１０は降圧動作を行なうことになる。

また、緩衝用コンデンサＣ４は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオンからオフへスイッチングされると、平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１によって充電され得るようにノードＮ１とノードＮ２との間に配置されているため、ＮＰＮトランジスタＱ６を常時オンすることができる。

すなわち、各ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４の両端に緩衝用コンデンサが接続されている場合、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオンして平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーを蓄積した後、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオフしてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４に接続された緩衝用コンデンサを放電させ、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４に接続されたダイオードを導通させるためには、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ１からノードＮ２へ流すことを禁止する必要があるためＮＰＮトランジスタＱ６を常時オンすることができない。

しかし、本発明のように緩衝用コンデンサＣ４をノードＮ２とノードＮ１との間に配置した場合、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ１からノードＮ２へ流すことによって緩衝用コンデンサＣ４を充電し、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４の両端の電圧ＶＱ１，ＶＱ４を０Ｖまで低下させてダイオードＤ１，Ｄ４を導通させることができる。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ６を常時オンすることができる。そして、補助回路Ｈ２は、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３がオンからオフへスイッチングされると、リアクトル電流ＩＬ１によって緩衝用コンデンサＣ４に電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によってノードＮ１およびＮ２上の電位をそれぞれ上昇および低下させてダイオードＤ１，Ｄ４を導通させる。

このように、電圧変換装置１０においては、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２へ変換する場合、ＮＰＮトランジスタＱ５を常時オンし、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１へ変換する場合、ＮＰＮトランジスタＱ６を常時オンするので、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の制御性を向上できる。すなわち、電圧変換装置１０の制御性を向上できる。

また、電圧変換装置１０においては、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４のオンからオフへのスイッチング時、緩衝用コンデンサＣ３は、リアクトル電流ＩＬ１によって充電され、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４に流れる電流ＩＱ１，ＩＱ４を減少させる。また、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３のオンからオフへのスイッチング時、緩衝用コンデンサＣ４は、リアクトル電流ＩＬ１によって充電され、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３に流れる電流ＩＱ２，ＩＱ３を減少させる。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４におけるスイッチング損失を低減できる。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング周波数を可聴域以上の周波数に設定でき、電圧変換装置１０におけるスイッチングによる騒音を低減できる。

なお、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４、ダイオードＤ１〜Ｄ４および平滑用リアクトルＬ１は、「電圧変換回路」を構成する。

また、補助回路Ｈ１およびＨ２は、平滑用リアクトルＬ１に並列に接続され、電圧変換においてノードＮ１とノードＮ２との間に電流を流すように常時活性化される「補助回路」を構成する。

さらに、補助回路Ｈ１は、電源電圧Ｖａ１から電源電圧Ｖａ２への電圧変換においてノードＮ２からノードＮ１へ電流を流すように常時活性化される「第１の補助回路」を構成する。

さらに、補助回路Ｈ２は、電源電圧Ｖａ２から電源電圧Ｖａ１への電圧変換においてノードＮ１からノードＮ２へ電流を流すように常時活性化される「第２の補助回路」を構成する。

さらに、ＮＰＮトランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、「第１の上アーム」を構成し、ＮＰＮトランジスタＱ３およびダイオードＤ３は、「第２の上アーム」を構成する。

さらに、ＮＰＮトランジスタＱ２およびダイオードＤ２は、「第１の下アーム」を構成し、ＮＰＮトランジスタＱ４およびダイオードＤ４は、「第２の下アーム」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ３、ダイオードＤ５，Ｄ６およびＮＰＮトランジスタＱ５は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４のオンからオフへのスイッチング時、共振電流によって電荷を蓄積して第１の下アーム（ＮＰＮトランジスタＱ２およびダイオードＤ２）および第２の上アーム（ＮＰＮトランジスタＱ３およびダイオードＤ３）を導通させる「第１の導通回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ３、共振用リアクトルＬ２およびダイオードＤ７は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４のオフからオンへのスイッチング時、第１の導通回路に蓄積された電荷を放電する「第１の放電回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ４、ダイオードＤ８，Ｄ９およびＮＰＮトランジスタＱ６は、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３のオンからオフへのスイッチング時、共振電流によって電荷を蓄積して第１の上アーム（ＮＰＮトランジスタＱ１およびダイオードＤ１）および第２の下アーム（ＮＰＮトランジスタＱ４およびダイオードＤ４）を導通させる「第２の導通回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ４、共振用リアクトルＬ３およびダイオードＤ１０は、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３のオフからオンへのスイッチング時、第２の導通回路に蓄積された電荷を放電する「第２の放電回路」を構成する。

図６は、図１に示す電圧変換装置１０を応用した駆動システムの概略ブロック図である。図６を参照して、駆動システム１００は、バッテリＢと、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃと、補機２０と、燃料電池３０と、インバータ４０と、モータ５０と、エアポンプ６０と、水素ポンプ７０と、ウォータポンプ８０とを備える。駆動システム１００は、例えば、自動車に搭載される。

電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃの各々は、上述した電圧変換装置１０からなる。そして、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、ノードＮ５とノードＮ６との間に並列に接続される。この場合、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、電圧平滑用コンデンサＣ１がバッテリＢ側に配置され、電圧平滑用コンデンサＣ２が燃料電池３０側に配置されるように、ノードＮ５とノードＮ６との間に接続される。

バッテリＢは、ノードＮ５に接続される。補機２０は、バッテリＢと電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃとの間のノードＮ５に接続される。燃料電池３０およびインバータ４０は、ノードＮ６に接続される。エアポンプ６０、水素ポンプ７０およびウォータポンプ８０も、ノードＮ６に接続される。

電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、バッテリＢと燃料電池３０との間で上述した動作によって双方向の電圧変換を行なう。この場合、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、バッテリＢからの電源電圧Ｖａ１を上述した動作によって燃料電池３０の電源電圧Ｖａ２に変換してノードＮ６へ供給する。また、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、燃料電池３０からの電源電圧Ｖａ２またはモータ５０によって発電され、かつ、インバータ４０によって変換され直流電圧を変換してバッテリＢを充電する。

補機２０は、バッテリＢからの直流電圧により駆動される。燃料電池３０は、エアポンプ６０からの空気、水素ポンプ７０からの水素およびウォータポンプ８０からの水により発電し、その発電した電力をノードＮ６に供給する。

インバータ４０は、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃまたは燃料電池３０からの直流電圧をノードＮ６を介して受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータ５０を駆動する。また、インバータ４０は、モータ５０が発電した交流電圧を直流電圧に変換してノードＮ６に供給する。モータ５０は、インバータ４０からの制御によって自動車の駆動輪を駆動する。また、モータ５０は、自動車の駆動輪からの動力によって交流電圧を発電してインバータ４０に供給する。

エアポンプ６０は、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃからの直流電圧によって駆動され、空気を燃料電池３０に供給する。水素ポンプ７０は、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃからの直流電圧によって駆動され、水素を燃料電池３０に供給する。ウォータポンプ８０は、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃからの直流電圧によって駆動され、水を燃料電池３０に供給する。

駆動システム１００は、バッテリＢからの直流電圧を電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃによって変換した電圧または燃料電池３０からの電圧を用いて自動車の駆動輪を駆動するとともに、モータ５０が駆動輪の動力によって発電した電力によってバッテリＢを充電する。

図７は、図６に示す駆動システム１００における電力の制御パターンを示す図である。図７の（ａ）〜（ｄ）において、横軸は、電流を表わし、縦軸は、電圧を表わす。また、Ｖは、駆動システム１００のシステム電圧を表わす。さらに、曲線ｋ１は、燃料電池３０の電圧−電流特性を表わし、直線ｋ２は、バッテリＢの電圧−電流特性を表わす。

図７を参照して、通常、所定のパワーが要求されると、車両要求パワーをバッテリＢからの電力と燃料電池３０からの電力によって負担する。すなわち、燃料電池３０に流れる電流をＩｆｃ、バッテリ電流をＩｂとすると、車両要求パワー＝Ｖ・Ｉｂ＋Ｖ・ＩｆｃおよびＶ・Ｉｂ≒Ｖ・Ｉｆｃになるように、燃料電池３０の動作点ＤＰ１およびバッテリＢの動作点ＤＰ２がそれぞれ曲線ｋ１および直線ｋ２上で決定される（図７の（ａ）参照）。そして、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、バッテリＢの電源電圧Ｖａ１を上述した動作によって電源電圧Ｖａ２に変換してノードＮ６に供給する。インバータ４０は、燃料電池３０および電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃからの直流電圧を交流電圧に変換してモータ５０を駆動する。

図７の（ａ）に示す基本特性から燃料電池３０の電力負担が増加し、バッテリＢからの電力負担が減少した場合、車両要求パワー＝−Ｖ・Ｉｂ＋Ｖ・ＩｆｃおよびＶ・Ｉｆｃ＞Ｖ・Ｉｂが成立するように、燃料電池３０の動作点ＤＰ１およびバッテリＢの動作点ＤＰ２がそれぞれ曲線ｋ１および直線ｋ２上で決定される（図７の（ｂ）参照）。この場合、動作点ＤＰ２が第２象限に存在するように図７の（ａ）に示す直線ｋ２が平行移動される。

そして、燃料電池３０は、発電した電力をノードＮ６へ供給する。インバータ４０は、燃料電池３０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータ５０を駆動する。また、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、燃料電池３０からの電源電圧Ｖａ２を上述した動作によって電源電圧Ｖａ１に変換してバッテリＢを充電する。

図７の（ａ）に示す基本特性からバッテリＢの電力負担が増加し、燃料電池３０の電力負担が減少した場合、車両要求パワー＝Ｖ・Ｉｂ＋Ｖ・ＩｆｃおよびＶ・Ｉｆｃ＜Ｖ・Ｉｂが成立するように、燃料電池３０の動作点ＤＰ１およびバッテリＢの動作点ＤＰ２がそれぞれ曲線ｋ１および直線ｋ２上で決定される（図７の（ｃ）参照）。この場合、動作点ＤＰ１は、曲線ｋ１上でＩｆｃ＜Ｉｂになるように決定され、動作点ＤＰ２は、直線ｋ２が上方向へ平行移動してＩｆｃ＜Ｉｂになるように決定される。

そして、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、バッテリＢからの電源電圧Ｖａ１を上述した動作によって電源電圧Ｖａ２に変換してノードＮ６へ供給し、燃料電池３０は、発電した電力をノードＮ６へ供給する。インバータ４０は、殆ど電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃからの直流電圧を交流電圧に変換してモータ５０を駆動する。そして、燃料電池３０によって発電された電力によるバッテリＢの充電は禁止される。

図７の（ａ）に示す基本特性からモータ５０が発電した電力によってバッテリＢを充電する特性へ移行した場合、車両要求パワー＝−Ｖ・Ｉｂになるように、動作点ＤＰ２が決定される（図７の（ｄ）参照）。この場合、モータ５０が発電した電力によってバッテリＢを充電するので、燃料電池３０は、停止され、動作点ＤＰ１は、曲線ｋ１上に存在しない。一方、動作点ＤＰ２は、バッテリＢが充電されるので、バッテリ電流Ｉｂがマイナスになる第２象限へ移動する。

そして、インバータ４０は、モータ５０が発電した交流電圧を直流電圧に変換してノードＮ６へ供給する。電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、ノードＮ６上の直流電圧を変換してバッテリＢを充電する。

このように、駆動システム１００においては、各種の制御パターンが存在する。そして、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃは、各種の制御パターンにおいて、上述した動作によってバッテリＢと燃料電池３０との間でＮＰＮトランジスタＱ５またはＮＰＮトランジスタＱ６をオンしたまま双方向の電圧変換を行なう。その結果、電圧変換装置１０を備える駆動システム１００を搭載した自動車において、駆動輪を駆動するための電圧変換および駆動輪の動力によって発電した電圧の電圧変換において駆動システム１００の制御性、つまり自動車の制御性を向上できる。

図８は、図６に示す電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃにおけるスイッチング損失と通過電力との関係図である。図８において、横軸は、通過電力を表し、縦軸は、スイッチング損失を表す。そして、曲線ｋ３は、従来の電圧変換装置を用いた場合を表し、曲線ｋ４は、この発明による電圧変換装置を用いた場合を示す。

駆動システム１００においては、通過電力が５［ｋＷ］までは、１相スイッチング、すなわち、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃのうちの１つの電圧変換装置により電圧変換を行ない、通過電力が５［ｋＷ］を超えると３相スイッチング、すなわち、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃの全ての電圧変換装置により電圧変換を行なう。

図８から明らかなように、通過電力の全ての領域において、この発明による電圧変換装置を用いることによってスイッチング損失が減少する。これは、電圧変換装置１０Ａ〜１０ＣのＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４のオンからオフへのスイッチング時にリアクトル電流ＩＬ１が緩衝用コンデンサＣ３に流れることによってＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４に流れる電流ＩＱ１，ＩＱ４が減少し、また、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３のオンからオフへのスイッチング時にリアクトル電流ＩＬ１が緩衝用コンデンサＣ４に流れることによってＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３に流れる電流ＩＱ２，ＩＱ３が減少することに起因するものである。

図９は、図６に示す電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃにおける通過電力積算絶対値と通過電力との関係図である。図９において、横軸は、通過電力を表し、縦軸は、通過電力積算絶対値を表す。そして、通過電力は、図６に示す電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃを通過する電力である。すなわち、通過電力は、ノードＮ５からノードＮ６への通過電力およびノードＮ６からノードＮ５への通過電力の両方を含む。また、通過電力積算絶対値は、図６に示す電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃを通過する電力の積算値である。

図９を参照して、通過電力が−５［ｋＷ］〜５［ｋＷ］の範囲である領域ＲＥ１では、３相スイッチングから１相スイッチングへ切換えられるので、通過電力積算絶対値が大きくなってもスイッチング損失は減少する。領域ＲＥ１では、ノードＮ５からノードＮ６への電力通過およびノードＮ６からノードＮ５への電力通過が存在するが、この両方において１相スイッチングが行なわれるので、電圧変換装置（電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃのいずれか）のスイッチング損失は減少する。

通過電力が５［ｋＷ］以上である領域ＲＥ２では、３相スイッチングが行なわれるが、通過電力積算絶対値が低いので、スイッチング損失は低い。すなわち、バッテリＢの電力をインバータ４０に供給してモータ５０を駆動する領域において電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃのスイッチング損失が低減される。通過電力が−５［ｋＷ］以下である領域ＲＥ３では、３相スイッチングが行なわれ、通過電力積算絶対値も大きいが、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃにおいては、上述したようにスイッチング損失を低減できる。すなわち、バッテリＢを充電する領域において電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃのスイッチング損失が低減される。

したがって、駆動システム１００においては、電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃにおける通過電力の全領域においてスイッチング損失を低減できる。その結果、駆動システム１００を搭載した自動車（ハイブリッド自動車および電気自動車）の燃費を向上できる。

［実施の形態２］
図１０は、実施の形態２による電圧変換装置の回路図である。図１０を参照して、実施の形態２による電圧変換装置１１０は、電圧変換装置１０のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を削除し、補助回路Ｈ１，Ｈ２を補助回路Ｈ３に代えたものであり、その他は、電圧変換装置１０と同じである。

電圧変換装置１１０においては、ノードＮ１は、電圧平滑用コンデンサＣ１の正電極、すなわち、電源Ｖ１の正母線ＬＮ１に接続される。

なお、電圧変換装置１１０は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２（＞Ｖａ１）に昇圧し、または電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に降圧する電圧変換装置である。

補助回路Ｈ３は、ノードＮ１とノードＮ２との間に平滑用リアクトルＬ１に並列に接続される。そして、補助回路Ｈ３は、緩衝用コンデンサＣ５と、共振用リアクトルＬ４，Ｌ５と、ＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４とを含む。

緩衝用コンデンサＣ５およびＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８は、ノードＮ１とノードＮ２との間に直列に接続される。より具体的には、緩衝用コンデンサＣ５は、一方の電極がノードＮ２に接続され、他方の電極がＮＰＮトランジスタＱ７のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ７は、エミッタがＮＰＮトランジスタＱ８のエミッタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ８は、コレクタがノードＮ１に接続される。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれ、ＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８のエミッタ−コレクタ間にエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように接続される。

共振用リアクトルＬ４およびダイオードＤ１３は、緩衝用コンデンサＣ５とＮＰＮトランジスタＱ７との間のノードＮ７と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。この場合、共振用リアクトルＬ４は、一方端が負母線ＬＮ３に接続され、他方端がダイオードＤ１３の入力端子に接続される。ダイオードＤ１３は、共振用リアクトルＬ４からノードＮ７の方向へ電流を流すようにノードＮ７と共振用リアクトルＬ４との間に接続される。

共振用リアクトルＬ５およびダイオードＤ１４は、ノードＮ７と正母線ＬＮ２との間に直列に接続される。この場合、共振用リアクトルＬ５は、一方端が正母線ＬＮ２に接続され、他方端がダイオードＤ１４の出力端子に接続される。ダイオードＤ１４は、ノードＮ７から共振用リアクトルＬ５の方向へ電流を流すようにノードＮ７と共振用リアクトルＬ５との間に接続される。

ＮＰＮトランジスタＱ７は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換するとき、制御装置（図示せず）からの制御によって常時オンされ、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オフされる。

また、ＮＰＮトランジスタＱ８は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オンされ、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換するとき、制御装置からの制御によって常時オフされる。

緩衝用コンデンサＣ５は、平滑用リアクトルＬ１からのリアクトル電流によって充電される。そして、緩衝用コンデンサＣ５は、電源電圧Ｖａ１から電源電圧Ｖａ２への電圧変換において、共振用リアクトルＬ４およびダイオードＤ１３と共に共振回路を構成し、蓄積した電荷を放電する。また、緩衝用コンデンサＣ５は、電源電圧Ｖａ２から電源電圧Ｖａ１への電圧変換において、共振用リアクトルＬ５およびダイオードＤ１４と共に共振回路を構成し、蓄積した電荷を放電する。

ＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８は、電力の通過方向を制御する。共振用リアクトルＬ４は、電源電圧Ｖａ１から電源電圧Ｖａ２への電圧変換において緩衝用コンデンサＣ５との間で共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ５に蓄積された電荷を引き抜く。共振用リアクトルＬ５は、電源電圧Ｖａ２から電源電圧Ｖａ１への電圧変換において緩衝用コンデンサＣ５との間で共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ５に蓄積された電荷を引き抜く。ダイオードＤ１３，Ｄ１４は、共振電流が流れる方向を制御する。

図１１は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置１１０の動作を説明するための回路図である。また、図１２は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置１１０における動作波形図である。

図１１および図１２を参照して、電流センサーＳ１が電源Ｖ１から電源Ｖ２の方向へ流れる電流を検出すると、制御装置（図示せず）は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換するモードＭＤＥ１であると判定し、電源電圧Ｖａ１から電源電圧Ｖａ２への電圧変換中、ＮＰＮトランジスタＱ７をオンし続ける。

また、制御装置は、ＮＰＮトランジスタＱ４をオンし、ＮＰＮトランジスタＱ３をオフする。そして、平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ４→電源Ｖ１の経路を電流が流れ、平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積される（図１１の（ａ）参照）。

この場合、電圧ＶＱ４は０Ｖであり、電圧ＶＱ３は、所定の電圧に維持される。また、電流ＩＱ４は徐々に増加し、それに伴って平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１も徐々に増加する。また、電流ＩＱ３は０Ａに維持される。

その後、タイミングｔ１１でＮＰＮトランジスタＱ４がオフされると、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ７およびダイオードＤ１２の経路および緩衝用コンデンサＣ５、ダイオードＤ１４および共振用リアクトルＬ５の経路に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される（図１１の（ｂ）参照）。この場合、ＮＰＮトランジスタＱ４をオフすると、平滑用リアクトルＬ１をノードＮ１からノードＮ２の方向へ流れるリアクトル電流ＩＬ１は、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ７およびダイオードＤ１２の経路に流れ、緩衝用コンデンサＣ５を充電する。すなわち、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ７およびダイオードＤ１２は、平滑用リアクトルＬ１と共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ５は、共振電流によって充電される。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ４に流れる電流が急激に低下するためＮＰＮトランジスタＱ４のスイッチング損失が減少する。

緩衝用コンデンサＣ５がリアクトル電流ＩＬ１によって充電されると、それに伴って電圧ＶＱ４は上昇する。また、電圧ＶＱ３は、緩衝用コンデンサＣ５の充電に伴って低下し、タイミングｔ１２で０Ｖになる。すなわち、緩衝用コンデンサＣ５の充電に伴って、ノードＮ２上の電位は上昇して、電圧ＶＱ４は上昇し、電圧ＶＱ３は低下する。

そうすると、ダイオードＤ３がオンされ、電流ＩＱ３は、負の方向に流れ、平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ３→電圧平滑用コンデンサＣ２の経路で電流が還流する（図１１の（ｃ）および図１２参照）。

その後、電流ＩＱ３が負の方向の最大値に達した後のタイミングｔ１３でＮＰＮトランジスタＱ３がオンされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ３はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。これに伴って、共振用リアクトルＬ５に流れるリアクトル電流ＩＬ５は、０Ａになる。そして、負の方向に流れる電流ＩＱ３は、平滑用リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーの減少に伴って徐々に減少する。

そして、タイミングｔ１４でＮＰＮトランジスタＱ３がオフされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ３は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。その後、タイミングｔ１５でＮＰＮトランジスタＱ４が再びオンされると（すなわち、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ））、緩衝用コンデンサＣ５→ＮＰＮトランジスタＱ４→共振用リアクトルＬ４→ダイオードＤ１３の経路で共振電流が流れる（図１１の（ｄ）参照）。

この場合、ＮＰＮトランジスタＱ４をオンした直後においては、緩衝用コンデンサＣ５には、タイミングｔ１１からタイミングｔ１３までの間における充電による電荷が蓄積されているため、ＮＰＮトランジスタＱ４を流れる電流ＩＱ４は、タイミングｔ１５以降、急激に増加する。そして、緩衝用コンデンサＣ５が共振電流によって放電されると、電流ＩＱ４は、平滑用リアクトルＩＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１と同じように徐々に増加する（図１２参照）。そして、上述した図１１の（ａ）へ移行する。

このように、図１１の（ａ）から（ｄ）までの各ステップを経て電圧変換装置１１０は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換する。この場合、Ｖａ１＜Ｖａ２であるので、電圧変換装置１１０は昇圧動作を行なうことになる。

また、緩衝用コンデンサＣ５は、ＮＰＮトランジスタＱ４がオンからオフへスイッチングされると、平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１によって充電され得るようにノードＮ１とノードＮ２との間に配置されているため、ＮＰＮトランジスタＱ７を常時オンすることができる。

すなわち、各ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の両端に緩衝用コンデンサが接続されている場合、ＮＰＮトランジスタＱ４をオンして平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーを蓄積した後、ＮＰＮトランジスタＱ４をオフしてＮＰＮトランジスタＱ３に接続された緩衝用コンデンサを放電させ、ＮＰＮトランジスタＱ３に接続されたダイオードを導通させるためには、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ２からノードＮ１へ流すことを禁止する必要があるためＮＰＮトランジスタＱ７を常時オンすることができない。

しかし、本発明のように緩衝用コンデンサＣ５をノードＮ１とノードＮ２との間に配置した場合、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ２からノードＮ１へ流すことによって緩衝用コンデンサＣ５を充電し、ＮＰＮトランジスタＱ３の両端の電圧ＶＱ３を０Ｖまで低下させてダイオードＤ３を導通させることができる。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ７を常時オンすることができる。そして、補助回路Ｈ３は、ＮＰＮトランジスタＱ４がオンからオフへスイッチングされると、リアクトル電流ＩＬ１によって緩衝用コンデンサＣ５に電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によってノードＮ２上の電位を上昇させてダイオードＤ３を導通させる。

図１３は、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置１１０の動作を説明するための回路図である。また、図１４は、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置１１０における動作波形図である。

図１３および図１４を参照して、電流センサーＳ１が電源Ｖ２から電源Ｖ１の方向へ流れる電流を検出すると、制御装置（図示せず）は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するモードＭＤＥ２であると判定し、電源電圧Ｖａ２から電源電圧Ｖａ１への電圧変換中、ＮＰＮトランジスタＱ８をオンし続ける。

また、制御装置は、ＮＰＮトランジスタＱ３をオンし、ＮＰＮトランジスタＱ４をオフする。そして、ＮＰＮトランジスタＱ３→平滑用リアクトルＬ１→電圧平滑用コンデンサＣ１→電源Ｖ２の経路を電流が流れ、平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積される（図１３の（ａ）参照）。

この場合、電圧ＶＱ３は０Ｖであり、電圧ＶＱ４は、所定の電圧に維持される。また、電流ＩＱ３は徐々に増加し、それに伴って平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１も徐々に増加する。電流ＩＱ４は０Ａに維持される。

その後、タイミングｔ１６でＮＰＮトランジスタＱ３をオフすると、ＮＰＮトランジスタＱ８、ダイオードＤ１１および緩衝用コンデンサＣ５の経路およびＮＰＮトランジスタＱ８、ダイオードＤ１１、ダイオードＤ１４および共振用リアクトルＬ５の経路に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ３は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される（図１３の（ｂ）参照）。この場合、ＮＰＮトランジスタＱ３をオフすると、平滑用リアクトルＬ１をノードＮ２からノードＮ１の方向へ流れるリアクトル電流ＩＬ１は、ＮＰＮトランジスタＱ８、ダイオードＤ１１および緩衝用コンデンサＣ５の経路に流れ、緩衝用コンデンサＣ５を充電する。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ８、ダイオードＤ１１および緩衝用コンデンサＣ５の経路は、平滑用リアクトルＬ１と共振回路を構成し、緩衝用コンデンサＣ５は、共振電流によって充電される。

緩衝用コンデンサＣ５がリアクトル電流ＩＬ１によって充電されると、それに伴って電圧ＶＱ３は上昇する。また、電圧ＶＱ４は、緩衝用コンデンサＣ５の充電に伴って低下し、タイミングｔ１７で０Ｖになる。すなわち、緩衝用コンデンサＣ５の充電に伴って、ノードＮ２上の電位は低下して、電圧ＶＱ３は上昇し、電圧ＶＱ４は低下する。

そうすると、ダイオードＤ４がオンされ、電流ＩＱ４は、負の方向に流れ、ＮＰＮトランジスタＱ４→平滑用リアクトルＬ１→電圧平滑用コンデンサＣ１の経路で電流が還流する（図１３の（ｃ）および図１４参照）。

その後、電流ＩＱ４が負の方向の最大値に達した後のタイミングｔ１８でＮＰＮトランジスタＱ４がオンされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ４はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。これに伴って共振用リアクトルＩＬ５に流れるリアクトル電流ＩＬ５は０Ａになる。そして、負の方向に流れる電流ＩＱ４は、平滑用リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーの減少に伴って徐々に減少する。

そして、タイミングｔ１９でＮＰＮトランジスタＱ４がオフされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。その後、タイミングｔ２０でＮＰＮトランジスタＱ３が再びオンされると（すなわち、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ））、緩衝用コンデンサＣ５→ダイオードＤ１４→共振用リアクトルＬ５→ＮＰＮトランジスタＱ３の経路で共振電流が流れる（図１３の（ｄ）参照）。

この場合、ＮＰＮトランジスタＱ３をオンした直後においては、緩衝用コンデンサＣ５には、タイミングｔ１６からタイミングｔ１８までの間における充電による電荷が蓄積されているため、ＮＰＮトランジスタＱ３を流れる電流ＩＱ３は、タイミングｔ２０以降、急激に増加する。そして、緩衝用コンデンサＣ５が共振電流によって放電されると、電流ＩＱ３は、平滑用リアクトルＩＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１と同じように徐々に増加する（図１４参照）。そして、上述した図１３の（ａ）へ移行する。

このように、図１３の（ａ）から（ｄ）までの各ステップを経て電圧変換装置１１０は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換する。この場合、Ｖａ２＞Ｖａ１であるので、電圧変換装置１１０は降圧動作を行なうことになる。

また、緩衝用コンデンサＣ５は、ＮＰＮトランジスタＱ４がオンからオフへスイッチングされると、平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１によって充電され得るようにノードＮ１とノードＮ２との間に配置されているため、ＮＰＮトランジスタＱ８を常時オンすることができる。

すなわち、各ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の両端に緩衝用コンデンサが接続されている場合、ＮＰＮトランジスタＱ３をオンして平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーを蓄積した後、ＮＰＮトランジスタＱ３をオフしてＮＰＮトランジスタＱ４に接続された緩衝用コンデンサを放電させ、ＮＰＮトランジスタＱ４に接続されたダイオードを導通させるためには、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ１からノードＮ２へ流すことを禁止する必要があるためＮＰＮトランジスタＱ８を常時オンすることができない。

しかし、本発明のように緩衝用コンデンサＣ５をノードＮ２とノードＮ１との間に配置した場合、リアクトル電流ＩＬ１をノードＮ１からノードＮ２へ流すことによって緩衝用コンデンサＣ５を充電し、ＮＰＮトランジスタＱ４の両端の電圧ＶＱ４を０Ｖまで低下させてダイオードＤ４を導通させることができる。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ８を常時オンすることができる。そして、補助回路Ｈ３は、ＮＰＮトランジスタＱ３がオンからオフへスイッチングされると、リアクトル電流ＩＬ１によって緩衝用コンデンサＣ５に電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によってノードＮ２上の電位を低下させてダイオードＤ４を導通させる。

このように、電圧変換装置１１０においては、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２へ変換する場合、ＮＰＮトランジスタＱ７を常時オンし、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１へ変換する場合、ＮＰＮトランジスタＱ８を常時オンするので、ＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８の制御性を向上できる。すなわち、電圧変換装置１１０の制御性を向上できる。

また、電圧変換装置１１０においては、ＮＰＮトランジスタＱ４のオンからオフへのスイッチング時、緩衝用コンデンサＣ５は、リアクトル電流ＩＬ１によって充電され、ＮＰＮトランジスタＱ４に流れる電流ＩＱ４を減少させる。したがって、ＮＰＮトランジスタＱ４におけるスイッチング損失を低減できる。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４のスイッチング周波数を可聴域以上の周波数に設定でき、電圧変換装置１１０におけるスイッチングによる騒音を低減できる。

なお、ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４、ダイオードＤ３，Ｄ４および平滑用リアクトルＬ１は、「電圧変換回路」を構成する。

また、補助回路Ｈ３は、平滑用リアクトルＬ１に並列に接続され、電圧変換においてノードＮ１とノードＮ２との間に電流を流すように常時活性化される「補助回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ７、ダイオードＤ１２，Ｄ１３および共振用リアクトルＬ４は、電源電圧Ｖａ１から電源電圧Ｖａ２への電圧変換においてノードＮ２からノードＮ１へ電流を流すように常時活性化される「第１の補助回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ８、ダイオードＤ１１，Ｄ１４および共振用リアクトルＬ５は、電源電圧Ｖａ２から電源電圧Ｖａ１への電圧変換においてノードＮ１からノードＮ２へ電流を流すように常時活性化される「第２の補助回路」を構成する。

さらに、ＮＰＮトランジスタＱ３およびダイオードＤ３は、「上アーム」を構成し、ＮＰＮトランジスタＱ４およびダイオードＤ４は、「下アーム」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ７およびダイオードＤ１２は、ＮＰＮトランジスタＱ４のオンからオフへのスイッチング時、共振電流によって電荷を蓄積して上アーム（ＮＰＮトランジスタＱ３およびダイオードＤ３）を導通させる「第１の導通回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ５、共振用リアクトルＬ４およびダイオードＤ１３は、ＮＰＮトランジスタＱ４のオフからオンへのスイッチング時、第１の導通回路に蓄積された電荷を放電する「第１の放電回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ８およびダイオードＤ１１は、ＮＰＮトランジスタＱ３のオンからオフへのスイッチング時、共振電流によって電荷を蓄積して下アーム（ＮＰＮトランジスタＱ４およびダイオードＤ４）を導通させる「第２の導通回路」を構成する。

さらに、緩衝用コンデンサＣ５、共振用リアクトルＬ５およびダイオードＤ１４は、ＮＰＮトランジスタＱ３のオフからオンへのスイッチング時、第２の導通回路に蓄積された電荷を放電する「第２の放電回路」を構成する。

電圧変換装置１１０は、図６に示す駆動システム１００の電圧変換装置１０Ａ〜１０Ｃに応用可能である。そして、電圧変換装置１１０を用いた駆動システム１００の動作は、実施の形態１において説明したとおりである。また、電圧変換装置１１０を用いた駆動システム１００においては、電圧変換装置１０を用いた場合と同様の効果が得られる。

その他は、実施の形態１と同じである。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、制御性の良い電圧変換装置に適用される。また、この発明は、制御性の良い電圧変換装置を搭載した自動車に適用される。

この発明の実施の形態１による電圧変換装置の回路図である。 電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１に示す電圧変換装置の動作を説明するための回路図である。 電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１に示す電圧変換装置における動作波形図である。 電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１に示す電圧変換装置の動作を説明するための回路図である。 電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１に示す電圧変換装置における動作波形図である。 図１に示す電圧変換装置を応用した駆動システムの概略ブロック図である。 図６に示す駆動システムにおける電力の制御パターンを示す図である。 図６に示す電圧変換装置におけるスイッチング損失と通過電力との関係図である。 図６に示す電圧変換装置における通過電力積算絶対値と通過電力との関係図である。 実施の形態２による電圧変換装置の回路図である。 電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置の動作を説明するための回路図である。 電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置における動作波形図である。 電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置の動作を説明するための回路図である。 電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の図１０に示す電圧変換装置における動作波形図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１１０ 電圧変換装置、２０ 補機、３０ 燃料電池、４０ インバータ、５０ モータ、６０ エアポンプ、７０ 水素ポンプ、８０ ウォータポンプ、Ｂ バッテリ、Ｒ１，Ｒ２ 負荷、Ｖ１，Ｖ２ 電源、Ｃ１，Ｃ２ 電圧平滑用コンデンサ、Ｃ３〜Ｃ５ 緩衝用コンデンサ、Ｑ１〜Ｑ８ ＮＰＮトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ１ 平滑用リアクトル、Ｌ２〜Ｌ５ 共振用リアクトル、ＬＮ１，ＬＮ２ 正母線、ＬＮ３ 負母線、Ｎ１〜Ｎ７ ノード、Ｓ１ 電流センサー、Ｈ１〜Ｈ３ 補助回路。

Claims (12)

1. 第１の電源から出力される第１の電源電圧と第２の電源から出力される第２の電源電圧との間で双方向の電圧変換を行なう電圧変換装置であって、
   前記第１の電源側に接続され、電圧を平滑化する第１の電圧平滑用コンデンサと、
   前記第２の電源側に接続され、電圧を平滑化する第２の電圧平滑用コンデンサと、
   前記第１の電圧平滑用コンデンサと前記第２の電圧平滑用コンデンサとの間に接続された電圧変換器とを備え、
   前記電圧変換器は、
   ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる上アームおよび下アームを有し、前記第１の電圧平滑用コンデンサと前記第２の電圧平滑用コンデンサとの間で電圧を変換する電圧変換回路と、
   前記電圧変換回路に含まれる平滑用リアクトルの一方端が接続される前記第１の電源側の第１のノードと前記平滑用リアクトルの他方端が接続される前記第２の電源側の第２のノードとの間に前記平滑用リアクトルに並列に接続され、前記電圧変換において前記第１のノードと前記第２のノードとの間に電流を流すように常時活性化される補助回路とを含み、
   前記補助回路は、前記電圧変換において前記平滑用リアクトルに流れる電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって前記上アームおよび／または前記下アームを導通させるとともに、前記蓄積された電荷を放電する、電圧変換装置。
2. 前記電圧変換回路は、
   前記第１のノードと前記第２のノードとの間に接続された前記平滑用リアクトルと、
   前記第１の電源の正母線と前記第１のノードとの間に接続され、前記ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる第１の上アームと、
   前記第１のノードと前記第１の電源の負母線との間に接続され、前記ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる第１の下アームと、
   前記第２の電源の正母線と前記第２のノードとの間に接続され、前記ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる第２の上アームと、
   前記第２のノードと前記第２の電源の負母線との間に接続され、前記ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる第２の下アームとからなり、
   前記補助回路は、
   前記第１の電源電圧から前記第２の電源電圧への第１の電圧変換において前記第２のノードから前記第１のノードへ電流を流すように常時活性化される第１の補助回路と、
   前記第２の電源電圧から前記第１の電源電圧への第２の電圧変換において前記第１のノードから前記第２のノードへ電流を流すように常時活性化される第２の補助回路とからなり、
   前記第１の補助回路は、前記第１の電圧変換において前記電荷の蓄積によって前記第１の下アームおよび前記第２の上アームを導通させるとともに、前記蓄積された電荷を放電し、
   前記第２の補助回路は、前記第２の電圧変換において前記電荷の蓄積によって前記第１の上アームおよび前記第２の下アームを導通させるとともに、前記蓄積された電荷を放電する、請求項１に記載の電圧変換装置。
3. 前記第１の補助回路は、前記第１の上アームおよび前記第２の下アームのオンからオフへの第１のスイッチング時、前記平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって前記第１および第２のノード上の電位をそれぞれ低下および上昇させて前記第１の下アームおよび前記第２の上アームを導通させ、前記第１の上アームおよび前記第２の下アームのオフからオンへの第２のスイッチング時、前記第１のスイッチング時に前記蓄積された電荷を放電し、
   前記第２の補助回路は、前記第１の下アームおよび前記第２の上アームのオンからオフへの第３のスイッチング時、前記平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって前記第１および第２のノード上の電位をそれぞれ上昇および低下させて前記第１の上アームおよび前記第２の下アームを導通させ、前記第１の下アームおよび前記第２の上アームのオフからオンへの第４のスイッチング時、前記第３のスイッチング時に前記蓄積された電荷を放電する、請求項２に記載の電圧変換装置。
4. 前記第１の補助回路は、
   前記第１のスイッチング時、前記共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して前記第１の下アームおよび前記第２の上アームを導通させる第１の導通回路と、
   前記第２のスイッチング時、前記第１の導通回路に蓄積された電荷を放電する第１の放電回路とからなり、
   前記第２の補助回路は、
   前記第３のスイッチング時、前記共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して前記第１の上アームおよび前記第２の下アームを導通させる第２の導通回路と、
   前記第４のスイッチング時、前記第２の導通回路に蓄積された電荷を放電する第２の放電回路とからなり、
   前記第１の導通回路は、
   前記第１のノード側に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第２のノード側に前記第１のスイッチング素子と直列に接続された第１の緩衝用コンデンサと、
   前記第２のノードから前記第１のノードへ電流を流すように前記第１のスイッチング素子および前記第１の緩衝用コンデンサと直列に接続された第１のダイオードとからなり、
   前記第１の放電回路は、前記第１の緩衝用コンデンサの前記第１のノード側の電極に接続される第３のノードと前記第１の電源の負母線との間に直列に接続された第１の共振用リアクトルおよび第２のダイオードからなり、
   前記第２の導通回路は、
   前記第１のノード側に接続された第２の緩衝用コンデンサと、
   前記第２のノード側に前記第２の緩衝用コンデンサと直列に接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第１のノードから前記第２のノードへ電流を流すように前記第２のスイッチング素子および前記第２の緩衝用コンデンサと直列に接続された第３のダイオードとからなり、
   前記第２の放電回路は、前記第２の緩衝用コンデンサの前記第２のノード側の電極に接続される第４のノードと前記第２の電源の負母線との間に直列に接続された第２の共振用リアクトルおよび第４のダイオードからなり、
   前記第１のスイッチング素子は、前記第１の電圧変換中、常時オンされ、
   前記第２のスイッチング素子は、前記第２の電圧変換中、常時オンされる、請求項３に記載の電圧変換装置。
5. 前記第１の電源と前記第２の電源との間で流れる電流の方向を判定するための電流センサーをさらに備え、
   前記第１のスイッチング素子は、電流が前記第１の電源から前記第２の電源の方向へ流れると判定されると、オンされ、
   前記第２のスイッチング素子は、電流が前記第２の電源から前記第１の電源の方向へ流れると判定されると、オンされる、請求項４に記載の電圧変換装置。
6. 前記双方向の電圧変換は、
   前記第１の電源電圧を前記第２の電源電圧に昇圧または降圧する電圧変換と、
   前記第２の電源電圧を前記第１の電源電圧に昇圧または降圧する電圧変換とからなる、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
7. 前記電圧変換回路は、
   前記第１のノードと前記第２のノードとの間に接続された前記平滑用リアクトルと、
   前記第２の電源の正母線と前記第２のノードとの間に接続され、前記ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる上アームと、
   前記第２のノードと前記第２の電源の負母線との間に接続され、前記ソフトスイッチング機能によりスイッチングされる下アームとからなり、
   前記補助回路は、
   前記第１の電源電圧から前記第２の電源電圧への第１の電圧変換において前記第２のノードから前記第１のノードへ電流を流すように常時活性化される第１の補助回路と、
   前記第２の電源電圧から前記第１の電源電圧への第２の電圧変換において前記第１のノードから前記第２のノードへ電流を流すように常時活性化される第２の補助回路とからなり、
   前記第１の補助回路は、前記第１の電圧変換において前記電荷の蓄積によって前記上アームを導通させるとともに、前記蓄積された電荷を放電し、
   前記第２の補助回路は、前記第２の電圧変換において前記電荷の蓄積によって前記下アームを導通させるとともに、前記蓄積された電荷を放電する、請求項１に記載の電圧変換装置。
8. 前記第１の補助回路は、前記下アームのオンからオフへの第１のスイッチング時、前記平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって前記第２のノード上の電位を上昇させて前記上アームを導通させ、前記下アームのオフからオンへの第２のスイッチング時、前記第１のスイッチング時に前記蓄積された電荷を放電し、
   前記第２の補助回路は、前記上アームのオンからオフへの第３のスイッチング時、前記平滑用リアクトルと共振回路を構成して電荷を蓄積し、その電荷の蓄積によって前記第２のノード上の電位を低下させて前記下アームを導通させ、前記上アームのオフからオンへの第４のスイッチング時、前記第３のスイッチング時に前記蓄積された電荷を放電する、請求項７に記載の電圧変換装置。
9. 前記第１の補助回路は、
   前記第１のスイッチング時、前記共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して前記上アームを導通させる第１の導通回路と、
   前記第２のスイッチング時、前記第１の導通回路に蓄積された電荷を放電する第１の放電回路とからなり、
   前記第２の補助回路は、
   前記第３のスイッチング時、前記共振回路に流れる共振電流によって電荷を蓄積して前記下アームを導通させる第２の導通回路と、
   前記第４のスイッチング時、前記第２の導通回路に蓄積された電荷を放電する第２の放電回路とからなり、
   前記第１の導通回路は、
   前記第１のノード側に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第２のノード側に前記第１のスイッチング素子と直列に接続された第１の緩衝用コンデンサと、
   前記第２のノードから前記第１のノードへ電流を流すように前記第１のスイッチング素子および前記第１の緩衝用コンデンサと直列に接続された第１のダイオードとからなり、
   前記第１の放電回路は、前記第１の緩衝用コンデンサの前記第１のノード側の電極に接続される第３のノードと前記第２の電源の負母線との間に直列に接続された第１の共振用リアクトルおよび第１のダイオードからなり、
   前記第２の導通回路は、
   前記第１のノード側に接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第２のノード側に前記第２のスイッチング素子と直列に接続された第２の緩衝用コンデンサと、
   前記第１のノードから前記第２のノードへ電流を流すように前記第２のスイッチング素子および前記第２の緩衝用コンデンサと直列に接続された第２のダイオードとからなり、
   前記第２の放電回路は、前記第２の緩衝用コンデンサの前記第１のノード側の電極に接続される第４のノードと前記第２の電源の正母線との間に直列に接続された第２の共振用リアクトルおよび第２のダイオードからなり、
   前記第１のスイッチング素子は、前記第１の電圧変換中、常時オンされ、
   前記第２のスイッチング素子は、前記第２の電圧変換中、常時オンされる、請求項８に記載の電圧変換装置。
10. 前記第１の電源と前記第２の電源との間で流れる電流の方向を判定するための電流センサーをさらに備え、
    前記第１のスイッチング素子は、電流が前記第１の電源から前記第２の電源の方向へ流れると判定されると、オンされ、
    前記第２のスイッチング素子は、電流が前記第２の電源から前記第１の電源の方向へ流れると判定されると、オンされる、請求項９に記載の電圧変換装置。
11. 前記双方向の電圧変換は、
    前記第１の電源電圧を前記第２の電源電圧に昇圧する電圧変換と、
    前記第２の電源電圧を前記第１の電源電圧に降圧する電圧変換とからなる、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電圧変換装置を搭載した自動車。

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