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JP2022002454A - 電力変換装置 - Google Patents

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JP2022002454A JP2020107078A JP2020107078A JP2022002454A JP 2022002454 A JP2022002454 A JP 2022002454A JP 2020107078 A JP2020107078 A JP 2020107078A JP 2020107078 A JP2020107078 A JP 2020107078A JP 2022002454 A JP2022002454 A JP 2022002454A
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Abstract

【課題】回路構成の複雑化を抑制しながら、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】この電力変換装置１００は、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第１レグ１ａをオフした状態で、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３および第２下アーム１４を、オン時間が重ならないように交互にオンして、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に貯まる電力を大きくするように構成されている。【選択図】図１３

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、第１ブリッジ回路および第２ブリッジ回路を備える電力変換装置に関する。
従来、第１ブリッジ回路および第２ブリッジ回路を備える電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、共振コンデンサを有する第１ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路にトランスを介して接続され、共振コンデンサを有する第２ブリッジ回路とを備える電力変換装置が開示されている。この特許文献１の電力変換装置では、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を供給する場合に、昇圧動作を行うために、第２ブリッジ回路の共振コンデンサの使用を切り替えるための切替回路を第２ブリッジ回路に設けている。
特開２０１３−２３００６７号公報
しかしながら、上記特許文献１の電力変換装置では、第１ブリッジ回路および第２ブリッジ回路の両方に共振コンデンサを設けるとともに、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を供給する場合に、昇圧動作を行うために、第２ブリッジ回路の共振コンデンサの使用を切り替えるための切替回路を第２ブリッジ回路に設けている。このため、第２ブリッジ回路に共振コンデンサおよび切替回路を設ける必要があるため、回路構成が複雑化するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、回路構成の複雑化を抑制しながら、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことが可能な電力変換装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による電力変換装置は、第１上アームおよび第１下アームを有する第１レグと、第２上アームおよび第２下アームを有する第２レグと、第１レグおよび第２レグの間に設けられた共振コンデンサと、を含む第１ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路に対してトランスを介して接続された第２ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路および第２ブリッジ回路のスイッチングを制御する制御部と、を備え、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路の第１レグをオフした状態で、第１ブリッジ回路の第２上アームおよび第２下アームを、オン時間が重ならないように交互にオンして、第１ブリッジ回路の共振コンデンサに貯まる電力を大きくするように構成されている。
この発明の一の局面による電力変換装置では、上記のように、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路の第１レグをオフした状態で、第１ブリッジ回路の第２上アームおよび第２下アームを、オン時間が重ならないように交互にオンして、第１ブリッジ回路の共振コンデンサに貯まる電力を大きくする制御を行う制御部を設ける。これにより、第１ブリッジ回路のスイッチングを制御することにより、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができるので、共振コンデンサおよび共振コンデンサの使用を切り替えるための切替回路を第２ブリッジ回路に設ける必要がない。その結果、回路構成の複雑化を抑制しながら、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路の第２上アームのオン時間と第２下アームのオン時間とを制御するように構成されている。このように構成すれば、第１ブリッジ回路の第２上アームのオン時間と第２下アームのオン時間とを大きくすることにより、第１ブリッジ回路の共振コンデンサに貯まる電力を大きくすることができる。これにより、第１ブリッジ回路の第２上アームのオン時間と第２下アームのオン時間とを制御することにより、第１ブリッジ回路から出力される昇圧電圧の値を容易に制御することができる。
この場合、好ましくは、制御部は、第１ブリッジ回路の出力電圧と目標電圧との誤差に基づいて、第１ブリッジ回路の第２上アームのオン時間と第２下アームのオン時間とを調整するように構成されている。このように構成すれば、第１ブリッジ回路の出力電圧が目標電圧となるように、第１ブリッジ回路の第２上アームのオン時間と第２下アームのオン時間とを調整することにより、第１ブリッジ回路の出力電圧を目標電圧に容易に近づけることができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路の第２上アームおよび第２下アームを、オフ時間が互いに重なるようにオフして、第１ブリッジ回路の第１レグおよび第２レグに並列に設けられた平滑コンデンサに電力を貯めるように構成されている。このように構成すれば、第１ブリッジ回路の共振コンデンサに電力が貯まりすぎるのを抑制して第１ブリッジ回路から出力される昇圧電圧を容易に所望の値にすることができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、第２ブリッジ回路は、第３上アームおよび第３下アームを有する第３レグと、第４上アームおよび第４下アームを有する第４レグと、を含み、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路の第３上アームおよび第３下アームを反転させて交互にオンオフし、第２ブリッジ回路の第４上アームおよび第４下アームを反転させて交互にオンオフするとともに、第１ブリッジ回路の第２上アームを第３上アームのオンに同期させてオンし、第２下アームを第３下アームのオンに同期させてオンする制御を行うように構成されている。このように構成すれば、トランスに対して互いに異なる方向の電流を交互に通電させることができるので、トランスに対して一方向のみに電流を通電させる場合と異なり、連続的に第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができる。
この場合、好ましくは、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路の第３上アームおよび第３下アームを各々デューティ比を０．５として交互に反転させてオンオフし、第２ブリッジ回路の第４上アームおよび第４下アームを各々デューティ比を０．５とするとともに、第４上アームを第３下アームのオンに同期させてオンし、第４下アームを第３上アームのオンに同期させてオンする制御を行うように構成されている。このように構成すれば、トランスに対して互いに異なる方向に通電する時間を等しくすることができるので、バランスよくトランスに電流を通電して、安定して連続的に昇圧動作を行うことができる。
上記第２ブリッジ回路が第３レグおよび第４レグを含む構成の電力変換装置において、好ましくは、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に降圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路の第３上アームおよび第４上アームのオン時間が互いに重なるようにオンし、第２ブリッジ回路の第３下アームおよび第４下アームのオン時間が互いに重なるようにオンして、第１ブリッジ回路の共振コンデンサに貯まる電力を小さくすることにより、降圧するように構成されている。このように構成すれば、昇圧動作および降圧動作のどちらにおいても第１ブリッジ回路のスイッチングと第２ブリッジ回路のスイッチングとを制御するので、スイッチングのタイミングを制御することにより昇圧動作および降圧動作をシームレスに行うことができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、制御部は、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路の第２上アームのオン時間と第２下アームのオン時間とを同じにして、第２上アームおよび第２下アームのスイッチングの制御を行うように構成されている。このように構成すれば、第２上アームをオンすることにより共振コンデンサに貯まる電力と、第２下アームをオンすることにより共振コンデンサに貯まる電力とを略等しくすることができるので、第２上アームおよび第２下アームを用いて安定して昇圧動作を行うことができる。
本発明によれば、上記のように、回路構成の複雑化を抑制しながら、第２ブリッジ回路から第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができる。
一実施形態による電力変換装置の構成を示した図である。 一実施形態による電力変換装置の制御部の構成を示したブロック図である。 一実施形態による電力変換装置の制御量λと第２上アームおよび第２下アームのデューティ比との関係を示した図である。 一実施形態による電力変換装置の制御量λと第３上アームに対する第４上アームの位相角のズレとの関係を示した図である。 一実施形態による電力変換装置の制御量λと電圧変換率Ｍとの関係を示した図である。 一実施形態による電力変換装置の降圧時の動作を説明するためのタイムチャートである。 一実施形態による電力変換装置の状態Ｉにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＩＩにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＩＩＩにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＩＶにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態Ｖにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＶＩにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の昇圧時の動作を説明するためのタイムチャートである。 一実施形態による電力変換装置の状態ＶＩＩにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＶＩＩＩにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＩＸにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態Ｘにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＸＩにおける電流経路を示した回路図である。 一実施形態による電力変換装置の状態ＸＩＩにおける電流経路を示した回路図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５を参照して、一実施形態による電力変換装置１００の構成について説明する。
図１に示すように、電力変換装置１００は、供給された直流電力の電圧を変換して直流電力を出力するように構成されている。電力変換装置１００は、たとえば、電気自動車に搭載されている。電力変換装置１００が搭載された電気自動車は、バッテリに充電された電力によってモータを駆動させることによって走行する。また、電気自動車は、コネクタを介して外部電源に接続されて、電力変換装置１００により電力変換して、外部電源からバッテリに充電可能に構成されている。また、電気自動車は、バッテリの電力を、車内の電気装備に供給可能に構成されている。また、電気自動車は、バッテリの電力を、電力変換装置１００により電力変換して、外部に接続された住宅などに単相３線の商用電力（１００Ｖ／２００Ｖの交流電力）を供給可能に構成されている。
電力変換装置１００は、図１に示すように、第１ブリッジ回路１と、第２ブリッジ回路２と、トランス３と、制御部４と、を備えている。第１ブリッジ回路１は、第１上アーム１１および第１下アーム１２を有する第１レグ１ａと、第２上アーム１３および第２下アーム１４を有する第２レグ１ｂと、を含んでいる。また、第１ブリッジ回路１は、第１レグ１ａおよび第２レグ１ｂに並列に設けられた平滑コンデンサ１５を含んでいる。また、第１ブリッジ回路１は、第１レグ１ａおよび第２レグ１ｂの間に設けられた共振コンデンサ１６を含んでいる。
第２ブリッジ回路２は、第３上アーム２１および第３下アーム２２を有する第３レグ２ａと、第４上アーム２３および第４下アーム２４を有する第４レグ２ｂと、を含んでいる。また、第２ブリッジ回路２は、第３レグ２ａおよび第４レグ２ｂに並列に設けられた平滑コンデンサ２５を含んでいる。第２ブリッジ回路２は、トランス３を介して第１ブリッジ回路１に接続されている。
第１ブリッジ回路１の各アーム（第１上アーム１１、第１下アーム１２、第２上アーム１３および第２下アーム１４）と、第２ブリッジ回路２の各アーム（第３上アーム２１、第３下アーム２２、第４上アーム２３および第４下アーム２４）は、スイッチング素子を含んでいる。スイッチング素子は、制御部４からのゲート信号に基づいてスイッチング（オンオフを切り替える）するように構成されている。スイッチング素子は、オンした場合に一方向および他方向の両方に通電可能であり、オフの場合に一方向（図１の下から上方向）にのみ通電可能である。
電力変換装置１００は、第１ブリッジ回路１に電力を入力し、電力を変換して、第２ブリッジ回路２から電力を出力する動作と、第２ブリッジ回路２に電力を入力し、電力を変換して、第１ブリッジ回路１から電力を出力する動作と、を行うことが可能な双方向電力変換装置である。具体的には、電力変換装置１００は、バッテリの充電時に、第１ブリッジ回路１が双方向動作可能なインバータを介して外部電源に接続され、第２ブリッジ回路２がバッテリに接続される。つまり、電力変換装置１００は、バッテリの充電時に、第１ブリッジ回路１に供給された直流電力を変換して、第２ブリッジ回路２から出力するように構成されている。電力変換装置１００は、バッテリの放電時に、第１ブリッジ回路１が双方向動作可能なインバータを介して外部の設備に接続され、第２ブリッジ回路２がバッテリに接続される。つまり、電力変換装置１００は、バッテリの放電時に、バッテリから第２ブリッジ回路２に供給された直流電力を変換して、第１ブリッジ回路１から出力するように構成されている。
トランス３は、第１ブリッジ回路１と第２ブリッジ回路２とを、絶縁的に接続している。また、トランス３は、第１ブリッジ回路１の電圧と第２ブリッジ回路２の電圧とを変換する。トランス３は、第１ブリッジ回路１側の１次巻線と、第２ブリッジ回路２側の２次巻線とを含んでいる。１次巻線の巻数：２次巻線の巻数は、ｎ：１である。
制御部４は、第１ブリッジ回路１および第２ブリッジ回路２のスイッチングを制御する。つまり、制御部４は、ゲート信号により各アーム（第１上アーム１１、第１下アーム１２、第２上アーム１３、第２下アーム１４、第３上アーム２１、第３下アーム２２、第４上アーム２３および第４下アーム２４）のオンオフを制御するように構成されている。
制御部４は、たとえば、信号を処理するマイクロコントローラにより構成されている。具体的には、制御部４は、演算処理部とメモリとが設けられた集積回路を含んでいる。
図２に示すように、制御部４は、制御的な構成として、加減算部４１と、誤差増幅部４２と、リミッタ４３と、リミッタ４４と、パルス生成部４５とを含んでいる。制御部４は、出力電圧および電圧指令値（目標電圧）に基づいて、ゲート信号を出力して、第１ブリッジ回路１および第２ブリッジ回路２のスイッチングを制御するように構成されている。
制御部４の加減算部４１は、電圧指令値から電圧測定値（出力電圧値）を減じて誤差を誤差増幅部４２に入力する。電圧測定値は、第１ブリッジ回路１に電力を入力して第２ブリッジ回路２から電力を出力する場合は、第２ブリッジ回路２側の電圧値が用いられる。また、電圧測定値は、第２ブリッジ回路２に電力を入力して第１ブリッジ回路１から電力を出力する場合は、第１ブリッジ回路１側の電圧値が用いられる。
誤差増幅部４２は、加減算部４１から入力された誤差を増幅して処理し、０以上１以下の範囲の制御量λを算出する。また、誤差増幅部４２は、算出した制御量λをリミッタ４３および４４に出力する。
リミッタ４３は、制御量λが０以上０．２５未満である場合、図３に示すように、第２上アーム１３および第２下アーム１４のデューティ比が０となるよう制御する信号をパルス生成部４５に出力する。また、リミッタ４３は、制御量λが０以上０．２５未満である場合、図４に示すように、第３上アーム２１に対する第４上アーム２３の位相角のズレが、０度から１８０度の範囲となるよう制御する信号をパルス生成部４５に出力する。
リミッタ４４は、制御量λが０．２５以上０．５以下である場合、図３に示すように、第２上アーム１３および第２下アーム１４のデューティ比が０から０．２５の範囲となるよう制御する信号をパルス生成部４５に出力する。また、リミッタ４３は、制御量λが０．２５以上０．５以下である場合、図４に示すように、第３上アーム２１に対する第４上アーム２３の位相角のズレが、１８０度となるよう制御する信号をパルス生成部４５に出力する。
パルス生成部４５は、リミッタ４３および４４から出力される信号に基づいて、第１上アーム１１、第１下アーム１２、第２上アーム１３、第２下アーム１４、第３上アーム２１、第３下アーム２２、第４上アーム２３および第４下アーム２４のそれぞれのゲートＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７およびＧ８に送信するゲート信号を生成する。
図５に示すように、制御量λが０以上０．２５未満の場合、電圧変換率Ｍが１未満であり、降圧動作となる。また、制御量λが０．２５より大きく０．５未満の場合、電圧変換率Ｍが１より大きくなり、昇圧動作となる。なお、電圧変換率Ｍは、Ｍ＝（巻線数の比ｎ）×（出力電圧）／（入力電圧）の式により表される。
制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する場合に、共振コンデンサ１６が設けられている整流側の第１ブリッジ回路１を倍電圧整流動作させるとともに、所定の電圧値となるように、余剰エネルギーを電力供給側（第２ブリッジ回路２側）に回生させて昇圧動作させるように制御する。また、制御部４は、余剰エネルギーを回生できない電圧変換率の範囲では、共振コンデンサが設けられていない電力供給側の第２ブリッジ回路２を位相シフト動作させるように制御する。
これにより、電圧の変動が比較的大きいバッテリから出力する電力を、外部に出力する場合でも、幅広い範囲で昇圧することができるので、出力電圧を一定に制御することが可能である。その結果、バッテリからの入力電圧が想定以上に変動した場合でも、安定した電圧の直流電力を出力することができるので、装置の信頼性を向上させることが可能である。
制御部４は、入力される電力を、出力される電圧が一定となるように制御して電力を変換するように構成されている。つまり、出力される電力の電圧値を監視しながら、フィードバック制御を行うことにより、出力電力の電圧が一定となるように制御する。
ここで、本実施形態では、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第１レグ１ａをオフした状態で、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３および第２下アーム１４を、オン時間が重ならないように交互にオンして、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に貯まる電力を大きくする制御を行うように構成されている。
また、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを制御するように構成されている。
また、制御部４は、第１ブリッジ回路１の出力電圧と目標電圧との誤差に基づいて、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを調整するように構成されている。
また、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３および第２下アーム１４を、オフ時間が互いに重なるようにオフして、第１ブリッジ回路１の第１レグ１ａおよび第２レグ１ｂに並列に設けられた平滑コンデンサ１５に電力を貯めるように構成されている。
また、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路２の第３上アーム２１および第３下アーム２２を反転させて交互にオンオフし、第２ブリッジ回路２の第４上アーム２３および第４下アーム２４を反転させて交互にオンオフするとともに、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３を第３上アーム２１のオンに同期させてオンし、第２下アーム１４を第３下アーム２２のオンに同期させてオンする制御を行うように構成されている。
また、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路２の第３上アーム２１および第３下アーム２２を各々デューティ比を０．５として交互に反転させてオンオフし、第２ブリッジ回路２の第４上アーム２３および第４下アーム２４を各々デューティ比を０．５とするとともに、第４上アーム２３を第３下アーム２２のオンに同期させてオンし、第４下アーム２４を第３上アーム２１のオンに同期させてオンする制御を行うように構成されている。
また、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に降圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路２の第３上アーム２１および第４上アーム２３のオン時間が互いに重なるようにオンし、第２ブリッジ回路２の第３下アーム２２および第４下アーム２４のオン時間が互いに重なるようにオンして、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に貯まる電力を小さくすることにより、降圧するように構成されている。
また、制御部４は、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを同じにして、第２上アーム１３および第２下アーム１４のスイッチングの制御を行うように構成されている。
また、制御部４は、第１ブリッジ回路１から第２ブリッジ回路２に電力を伝達する場合、パルス周波数変調制御および位相シフト制御により、入力電圧を昇圧および降圧させて出力するように制御する。
（降圧動作）
図６〜図１２を参照して、電力変換装置１００において、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に降圧動作を行う場合について説明する。
図６に示すように、降圧動作では、第１ブリッジ回路１の第１上アーム１１、第１下アーム１２、第２上アーム１３および第２下アーム１４は全てオフにされる。つまり、ゲートＧ１、Ｇ２、Ｇ３およびＧ４は、常にオフにされる。また、第３上アーム２１および第３下アーム２２は、デューティ比０．５において交互にオンオフされる。つまり、ゲートＧ５は、位相角が０度から１８０度まではオンにされ、１８０度から３６０度（＝０度）まではオフにされる。また、ゲートＧ６は、位相角が０度から１８０度まではオフにされ、１８０度から３６０度（＝０度）まではオンにされる。
また、第４上アーム２３および第４下アーム２４は、デューティ比０．５において交互にオンオフされる。また、第４上アーム２３は、第３上アーム２１に対してシフト量θだけ遅延させてオンオフされる。また、第４下アーム２４は、第３下アーム２２に対してシフト量θだけ遅延させてオンオフされる。つまり、ゲートＧ７は、位相角がθから１８０度＋θまではオンにされ、１８０度＋θから３６０度＋θ（＝θ度）まではオフにされる。また、ゲートＧ８は、位相角がθから１８０度＋θまではオフにされ、１８０度＋θから３６０度＋θ（＝θ度）まではオンにされる。
なお、シフト量θを減少させることにより、第３上アーム２１のオンおよび第４上アーム２３のオン（第３下アーム２２のオンおよび第４下アーム２４のオン）が重なる時間が長くなる。オンが重なる時間が長くなれば、トランス３に印加される電圧が０になる時間が長くなるため、出力電圧が小さくなる。
図７に示すように、状態Ｉにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、第１上アーム１１、平滑コンデンサ１５、第２下アーム１４、共振コンデンサ１６を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第４下アーム２４、平滑コンデンサ２５、第３上アーム２１を通る電流回路となる。この場合、図６に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは増加する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１および第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は減少する。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２および第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは増加する。
図８に示すように、状態ＩＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、第１上アーム１１、平滑コンデンサ１５、第２下アーム１４、共振コンデンサ１６を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第４上アーム２３、第３上アーム２１を通る電流回路となる。この場合、図６に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは減少する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１および第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は増加する。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２および第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。
図９に示すように、状態ＩＩＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、電流が流れない。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第４上アーム２３、第３上アーム２１を通る電流回路となる。この場合、図６に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは一定である。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１および第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２および第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは一定である。
図１０に示すように、状態ＩＶにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、共振コンデンサ１６、第２上アーム１３、平滑コンデンサ１５、第１下アーム１２を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第３下アーム２２、平滑コンデンサ２５、第４上アーム２３を通る電流回路となる。この場合、図６に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは減少する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１および第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２および第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は減少する。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは減少する。
図１１に示すように、状態Ｖにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、共振コンデンサ１６、第２上アーム１３、平滑コンデンサ１５、第１下アーム１２を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第３下アーム２２、第４下アーム２４を通る電流回路となる。この場合、図６に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは増加する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１および第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２および第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は増加する。
図１２に示すように、状態ＶＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、電流が流れない。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第３下アーム２２、第４下アーム２４を通る電流回路となる。この場合、図６に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは一定である。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１および第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２および第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは一定である。
（昇圧動作）
図１３〜図１９を参照して、電力変換装置１００において、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合について説明する。
図１３に示すように、昇圧動作では、第１ブリッジ回路１の第１上アーム１１および第１下アーム１２はオフにされる。つまり、ゲートＧ１およびＧ２は、常にオフにされる。また、第３上アーム２１および第３下アーム２２は、デューティ比０．５において交互にオンオフされる。つまり、ゲートＧ５は、位相角が０度から１８０度まではオンにされ、１８０度から３６０度（＝０度）まではオフにされる。また、ゲートＧ６は、位相角が０度から１８０度まではオフにされ、１８０度から３６０度（＝０度）まではオンにされる。
また、第４上アーム２３および第４下アーム２４は、デューティ比０．５において交互にオンオフされる。また、第４上アーム２３は、第３上アーム２１に対して１８０度だけ遅延させてオンオフされる。また、第４下アーム２４は、第３下アーム２２に対して１８０度だけ遅延させてオンオフされる。つまり、ゲートＧ７は、位相角が０度から１８０度まではオフにされ、１８０度から３６０度（＝０度）まではオンにされる。また、ゲートＧ８は、位相角が０度から１８０度まではオンにされ、１８０度から３６０度（＝０度）まではオフにされる。
また、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３および第２下アーム１４は、デューティ比が制御されてオンオフされる。また、第２上アーム１３および第２下アーム１４のデューティ比は等しい。また、第２上アーム１３は、第３上アーム２１の立ち上がりまたは第３下アーム２２の立下りに同期してオンにされる。また、第２下アーム１４は、第４下アーム２４の立ち上がりまたは第４上アーム２３の立下りに同期してオンにされる。つまり、ゲートＧ３は、位相角が０度からＡ１の間オンにされる。また、ゲートＧ４は、位相角が１８０度からＡ１の間オンにされる。
なお、第２上アーム１３および第２下アーム１４のデューティ比（Ａ１の期間）を調整することにより、出力電圧が制御される。第２上アーム１３および第２下アーム１４のデューティ比（Ａ１の期間）を増加させると、状態ＶＩＩおよび状態ＸＩの時間が長くなり、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒの振幅が増加する。そして、状態ＩＩおよび状態Ｖにおいて、トランス３に発生する電圧に対して共振コンデンサ１６の電圧が加算された電圧が平滑回路に印加されることにより、出力電圧が大きくなる。
図１４に示すように、状態ＶＩＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、第１上アーム１１、第２上アーム１３、共振コンデンサ１６を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第４下アーム２４、平滑コンデンサ２５、第３上アーム２１を通る電流回路となる。この場合、図１３に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは増加する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１は減少する。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２は０である。また、第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は増加する。また、第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは増加する。
図１５に示すように、状態ＶＩＩＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、第１上アーム１１、平滑コンデンサ１５、第２下アーム１４、共振コンデンサ１６を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第４下アーム２４、平滑コンデンサ２５、第３上アーム２１を通る電流回路となる。この場合、図１３に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは減少する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１は増加する。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２は０である。また、第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は増加する。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは増加する。
図１６に示すように、状態ＩＸにおいて、第１ブリッジ回路１では、電流が流れない。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第４下アーム２４、平滑コンデンサ２５、第３上アーム２１を通る電流回路となる。この場合、図１３に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは増加する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２は０である。また、第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは一定である。
図１７に示すように、状態Ｘにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、共振コンデンサ１６、第２下アーム１４、第１下アーム１２を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第３下アーム２２、平滑コンデンサ２５、第４上アーム２３を通る電流回路となる。この場合、図１３に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは減少する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２は減少する。また、第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は増加する。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは減少する。
図１８に示すように、状態ＸＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、トランス３、共振コンデンサ１６、第２上アーム１３、平滑コンデンサ１５、第１下アーム１２を通る電流回路となる。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第３下アーム２２、平滑コンデンサ２５、第４上アーム２３を通る電流回路となる。この場合、図１３に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは増加する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２は増加する。また、第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は増加する。また、第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは減少する。
図１９に示すように、状態ＸＩＩにおいて、第１ブリッジ回路１では、電流が流れない。また、第２ブリッジ回路２では、トランス３、第３下アーム２２、平滑コンデンサ２５、第４上アーム２３を通る電流回路となる。この場合、図１３に示すように、第２ブリッジ回路２を流れる電流Ｉｓは減少する。また、第１上アーム１１に流れる電流Ｉ１は０である。また、第１下アーム１２に流れる電流Ｉ２は０である。また、第２上アーム１３に流れる電流Ｉ３は０である。また、第２下アーム１４に流れる電流Ｉ４は０である。また、共振コンデンサ１６の電圧Ｖｃｒは一定である。
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、上記のように、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第１レグ１ａをオフした状態で、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３および第２下アーム１４を、オン時間が重ならないように交互にオンして、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に貯まる電力を大きくする制御を行う制御部４を設ける。これにより、第１ブリッジ回路１のスイッチングを制御することにより、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができるので、共振コンデンサおよび共振コンデンサの使用を切り替えるための切替回路を第２ブリッジ回路２に設ける必要がない。その結果、回路構成の複雑化を抑制しながら、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを制御するように構成する。これにより、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを大きくすることにより、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に貯まる電力を大きくすることができる。これにより、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを制御することにより、第１ブリッジ回路１から出力される昇圧電圧の値を容易に制御することができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第１ブリッジ回路１の出力電圧と目標電圧との誤差に基づいて、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを調整するように構成する。これにより、第１ブリッジ回路１の出力電圧が目標電圧となるように、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを調整することにより、第１ブリッジ回路１の出力電圧を目標電圧に容易に近づけることができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３および第２下アーム１４を、オフ時間が互いに重なるようにオフして、第１ブリッジ回路１の第１レグ１ａおよび第２レグ１ｂに並列に設けられた平滑コンデンサ１５に電力を貯めるように構成する。これにより、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に電力が貯まりすぎるのを抑制して第１ブリッジ回路１から出力される昇圧電圧を容易に所望の値にすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路２の第３上アーム２１および第３下アーム２２を反転させて交互にオンオフし、第２ブリッジ回路２の第４上アーム２３および第４下アーム２４を反転させて交互にオンオフするとともに、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３を第３上アーム２１のオンに同期させてオンし、第２下アーム１４を第３下アーム２２のオンに同期させてオンする制御を行うように構成する。これにより、トランス３に対して互いに異なる方向の電流を交互に通電させることができるので、トランス３に対して一方向のみに電流を通電させる場合と異なり、連続的に第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行うことができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路２の第３上アーム２１および第３下アーム２２を各々デューティ比を０．５として交互に反転させてオンオフし、第２ブリッジ回路２の第４上アーム２３および第４下アーム２４を各々デューティ比を０．５とするとともに、第４上アーム２３を第３下アーム２２のオンに同期させてオンし、第４下アーム２４を第３上アーム２１のオンに同期させてオンする制御を行うように構成する。これにより、トランス３に対して互いに異なる方向に通電する時間を等しくすることができるので、バランスよくトランス３に電流を通電して、安定して連続的に昇圧動作を行うことができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に降圧動作を行う場合に、第２ブリッジ回路２の第３上アーム２１および第４上アーム２３のオン時間が互いに重なるようにオンし、第２ブリッジ回路２の第３下アーム２２および第４下アーム２４のオン時間が互いに重なるようにオンして、第１ブリッジ回路１の共振コンデンサ１６に貯まる電力を小さくすることにより、降圧するように構成する。これにより、昇圧動作および降圧動作のどちらにおいても第１ブリッジ回路１のスイッチングと第２ブリッジ回路２のスイッチングとを制御するので、スイッチングのタイミングを制御することにより昇圧動作および降圧動作をシームレスに行うことができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、第２ブリッジ回路２から第１ブリッジ回路１に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、第１ブリッジ回路１の第２上アーム１３のオン時間と第２下アーム１４のオン時間とを同じにして、第２上アーム１３および第２下アーム１４のスイッチングの制御を行うように構成する。これにより、第２上アーム１３をオンすることにより共振コンデンサ１６に貯まる電力と、第２下アーム１４をオンすることにより共振コンデンサ１６に貯まる電力とを略等しくすることができるので、第２上アーム１３および第２下アーム１４を用いて安定して昇圧動作を行うことができる。
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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（変形例）が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、電力変換装置は、電気自動車に搭載されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、電力変換装置は、電気自動車などの移動体に搭載されずに、屋内や屋外に固定的に設けられていてもよい。
また、上記実施形態では、電力変換装置は、電気自動車に搭載されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、電力変換装置は、電気およびエンジンで駆動するハイブリッド自動車や燃料電池により発電する燃料電池自動車に搭載されていてもよい。また、車載用電力変換装置は、電車に搭載されていてもよい。
また、上記実施形態では、電力変換装置は、第１ブリッジ回路に共振コンデンサを設ける構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１ブリッジ回路に共振コンデンサに直列に共振リアクトルを設けてもよい。
１ 第１ブリッジ回路
１ａ 第１レグ
１ｂ 第２レグ
２ 第２ブリッジ回路
２ａ 第３レグ
２ｂ 第４レグ
３ トランス
４ 制御部
１１ 第１上アーム
１２ 第１下アーム
１３ 第２上アーム
１４ 第２下アーム
１５ 平滑コンデンサ
１６ 共振コンデンサ
２１ 第３上アーム
２２ 第３下アーム
２３ 第４上アーム
２４ 第４下アーム
２５ 平滑コンデンサ
１００ 電力変換装置

Claims (8)

  1. 第１上アームおよび第１下アームを有する第１レグと、第２上アームおよび第２下アームを有する第２レグと、前記第１レグおよび前記第２レグの間に設けられた共振コンデンサと、を含む第１ブリッジ回路と、
    前記第１ブリッジ回路に対してトランスを介して接続された第２ブリッジ回路と、
    前記第１ブリッジ回路および前記第２ブリッジ回路のスイッチングを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、前記第１ブリッジ回路の前記第１レグをオフした状態で、前記第１ブリッジ回路の前記第２上アームおよび前記第２下アームを、オン時間が重ならないように交互にオンして、前記第１ブリッジ回路の前記共振コンデンサに貯まる電力を大きくするように構成されている、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、前記第１ブリッジ回路の前記第２上アームのオン時間と前記第２下アームのオン時間とを制御するように構成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御部は、前記第１ブリッジ回路の出力電圧と目標電圧との誤差に基づいて、前記第１ブリッジ回路の前記第２上アームのオン時間と前記第２下アームのオン時間とを調整するように構成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、前記第１ブリッジ回路の前記第２上アームおよび前記第２下アームを、オフ時間が互いに重なるようにオフして、前記第１ブリッジ回路の前記第１レグおよび前記第２レグに並列に設けられた平滑コンデンサに電力を貯めるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記第２ブリッジ回路は、第３上アームおよび第３下アームを有する第３レグと、第４上アームおよび第４下アームを有する第４レグと、を含み、
    前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、前記第２ブリッジ回路の前記第３上アームおよび前記第３下アームを反転させて交互にオンオフし、前記第２ブリッジ回路の前記第４上アームおよび前記第４下アームを反転させて交互にオンオフするとともに、前記第１ブリッジ回路の前記第２上アームを前記第３上アームのオンに同期させてオンし、前記第２下アームを前記第３下アームのオンに同期させてオンする制御を行うように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、前記第２ブリッジ回路の前記第３上アームおよび前記第３下アームを各々デューティ比を０．５として交互に反転させてオンオフし、前記第２ブリッジ回路の前記第４上アームおよび前記第４下アームを各々デューティ比を０．５とするとともに、前記第４上アームを前記第３下アームのオンに同期させてオンし、前記第４下アームを前記第３上アームのオンに同期させてオンする制御を行うように構成されている、請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に降圧動作を行う場合に、前記第２ブリッジ回路の第３上アームおよび前記第４上アームのオン時間が互いに重なるようにオンし、前記第２ブリッジ回路の第３下アームおよび前記第４下アームのオン時間が互いに重なるようにオンして、前記第１ブリッジ回路の前記共振コンデンサに貯まる電力を小さくすることにより、降圧するように構成されている、請求項５または６に記載の電力変換装置。
  8. 前記制御部は、前記第２ブリッジ回路から前記第１ブリッジ回路に電力を伝達する際に昇圧動作を行う場合に、前記第１ブリッジ回路の前記第２上アームのオン時間と前記第２下アームのオン時間とを同じにして、前記第２上アームおよび前記第２下アームのスイッチングの制御を行うように構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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