JP6363430B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力電圧を所定電圧に変換する電力変換装置に関する。

一般的なＤＣＤＣコンバータは、スイッチング素子のオンオフにより直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧をトランスの１次側に入力して変圧し、トランスの２次電圧を整流及び平滑化して所定の直流電圧を出力する。この種のＤＣＤＣコンバータとして、複数の直流電圧を出力可能なものも提案されている。例えば、特許文献１に記載のＤＣＤＣコンバータは、複数の２次側巻線、複数の主回路、及び主回路のスイッチング素子を制御する複数の制御回路を備え、複数の独立した出力電圧を出力できる。

特開２００７−３２５３８６号公報

特許文献１に記載のＤＣＤＣコンバータの出力電圧は、入力電圧、トランスの１次側巻線に対する２次側巻線の巻数比、及びスイッチング素子をスイッチングするデューティ比で決まる。特許文献１に記載のＤＣＤＣコンバータでは、各２次側回路において、１次側巻線の巻数に対して２次側巻線の巻数が一定になっており、それゆえに実際の使用に際して不都合の発生が懸念される。

例えば、入力電圧が変動する場合は、デューティ比を調整して目標の出力電圧に維持するが、デューティ比を調整できる範囲は限られている。そのため、特許文献１に記載のＤＣＤＣコンバータは、入力電圧がデューティ比で調整可能な範囲を超える変動をした場合に、目標の出力電圧を出力できなくなる。また、発明者らの知見によれば、スイッチング素子のスイッチングに伴い出力電流にリプル電流が重畳することが確認されている。こうした実情から、技術改善の余地があると考えられる。

本発明は、上記実情に鑑み、適正な電力変換を実施することができる電力変換装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、トランスの１次側巻線に入力された入力電圧を所定電圧に変換して出力する電力変換装置であって、複数の巻線部を有する２次側巻線と、前記複数の巻線部のうち前記変換に用いる巻線部を切替えることにより、前記２次側巻線の巻数を可変にする巻数切替手段と、前記２次側巻線と出力端子側との間の経路に設けられ、前記入力電圧と前記所定電圧との比及び前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻数比から定まるデューティ比によりオンオフされるスイッチング手段と、前記巻数切替手段による前記巻線部の切替え、及び前記スイッチング手段のオンオフを実行する駆動手段と、を備える。

本電力変換装置では、巻数切替手段により変換に用いる巻線部を切り替えることにより、２次側巻線の巻数を可変にすることができる。すなわち、１次側巻線と２次側巻線との巻数比を変えることができる。よって、入力電圧が変動した際に２次側巻線の巻数を変更することでデューティ比の調整をしたり、強制的に大小異なるデューティ比を混在させることでリプル電流の高調波成分のレベルを低減したりすることができる。その結果、適正な電力変換を実施することができる。

第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 第１実施形態に係るスイッチング素子の動作を示す図。 第１実施形態に係るリプル電流の波形を示す図。 参考例に係るリプル電流の波形を示す図。 第１実施形態及び参考例に係るリプル電流の高調波成分のレベルを示す図。 第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 第３実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 第４実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 第５実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 参考例に係る電力変換装置の構成を示す図。

以下、電力変換装置を具現化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各実施形態に係る電力変換装置は、入力電圧を変換して一定の所定電圧（例えば１５Ｖ）を出力することを想定している。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る電力変換装置の構成について、図１を参照しつつ説明する。第１実施形態に係る電力変換装置Ｓは、電力変換部１０とコントローラ２０とを有している。電力変換部１０は、トランスＴの１次側巻線Ｌ１、１次側巻線Ｌ１に磁気的に結合した２次側巻線Ｌ２、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４、整流ダイオードＤａ，Ｄｂ、チョークコイルＬｃ、平滑コンデンサＣ及びドライバ回路１１を備える。１次側巻線Ｌ１の入力側は図略しているが、１次側巻線Ｌ１には、インバータ回路を介して直流電源であるバッテリが接続される。インバータ回路は、例えば図１０に示すフルブリッジのスイッチング回路を採用できる。第１実施形態では、ＳＷ１〜ＳＷ４が巻数切替手段及びスイッチング手段に相当し、ドライバ回路１１が駆動手段に相当する。

２次側巻線Ｌ２の出力端子側は、トランスＴの２次電圧を全波整流する回路となっている。２次側巻線Ｌ２は、直列接続された複数の巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄを有し、各巻線部の両端は接続点Ｐ１〜Ｐ５となっている。接続点Ｐ１及びＰ５は、２次側巻線Ｌ２の両端に相当する。また、接続点Ｐ３は、中性点に相当し、接続点Ｐ３から引き出された接続線は負極側の出力端子Ｔｏ２に接続されている。２次側巻線Ｌ２の接続点間には、複数の巻数が異なる２次巻線部が形成される。詳しくは、接続点Ｐ１とＰ３との間には、巻線部Ｌ２ａとＬ２ｂとから構成される２次巻線部（以下、Ｌ２ａｂとする）が形成され、接続点Ｐ２とＰ３との間には、巻線部Ｌ２ｂから構成される２次巻線部Ｌ２ｂが形成される。また、接続点Ｐ５とＰ３との間には、巻線部Ｌ２ｃとＬ２ｄとから構成される２次巻線部（以下、Ｌ２ｃｄとする）が形成され、接続点Ｐ４とＰ３との間には、巻線部Ｌ２ｃから構成される２次巻線部Ｌ２ｃが形成される。

本実施形態では、巻線Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの巻数を全てＮａとする。２次巻線部Ｌ２ａｂの巻数は２Ｎａ、２次巻線部Ｌ２ｂの巻数はＮａ、２次巻線部Ｌ２ｃｄの巻数は２Ｎａ、２次巻線部Ｌ２ｃの巻数はＮａとなる。すなわち、２種類の巻数の２次巻線部が形成される。２次巻線部Ｌ２ａｂ，Ｌ２ｂは、１次側巻線Ｌ１に正の電圧が印加されたときに２次電流が流れる２次巻線部である。２次巻線部Ｌ２ｃｄ，Ｌ２ｃは、１次側巻線Ｌ１に負の電圧が印加されたときに２次電流が流れる２次巻線部である。なお、図１に示す矢印の向きを正の電圧とする。

巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの両端のうちの一端である接続点Ｐ１，Ｐ２から引き出された接続線には、それぞれスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が接続されている。スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２は、整流ダイオードＤａのアノード端子に接続されている。整流ダイオードＤａのカソード端子は、平滑化回路の正極側の端子Ｔｏ３に接続されている。平滑化回路は、チョークコイルＬｃ及び平滑コンデンサＣから構成されている。

また、巻線部Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄの両端のうちの一端である接続点Ｐ４，Ｐ５から引き出された接続線には、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４がそれぞれ接続されている。スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４は、整流ダイオードＤｂのアノード端子に接続されている。整流ダイオードＤｂのカソード端子は、平滑化回路の正極側の端子Ｔｏ３に接続されている。電力変換部１０の出力端子Ｔｏ１及びＴｏ２には、所定電圧の負荷１２が接続されている。

スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、各２次巻線部と出力端子側との間の経路に設けられ、後述するデューティ比Ｄｕによりオンオフされるものである。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）や、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を採用できる。

そして、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄのうち電力変換に用いる巻線部を切替えることにより、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を可変とする。詳しくは、トランスＴの１次電圧が正のときに、スイッチング素子ＳＷ１をオンにすると２次巻線部Ｌ２ａｂが整流ダイオードＤａに接続され、スイッチング素子ＳＷ２をオンにすると２次巻線部Ｌ２ｂが整流ダイオードＤａに接続される。また、１次電圧が負のときに、スイッチング素子ＳＷ４をオンにすると２次巻線部Ｌ２ｃｄが整流ダイオードＤｂに接続され、スイッチング素子ＳＷ３をオンにすると２次巻線部Ｌ２ｃが整流ダイオードＤｂに接続される。すなわち、オンにするスイッチング素子によって、電力変換に用いる２次巻線部が選択され、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が可変となる。

２次巻線部Ｌ２ａｂ，Ｌ２ｃｄが選択される場合、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２は２Ｎａであり、２次巻線部Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃが選択される場合、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２はＮａである。よって、１次側巻線の巻数Ｎ１は定数で、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２はＮａ又は２Ｎａとなるので、２次側巻線Ｌ２に対する１次側巻線の巻数比Ｎ１／Ｎ２は可変となる。

ドライバ回路１１は、上位のコントローラ２０からの指令に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を駆動する。すなわち、ドライバ回路１１は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４による巻線部の切替え、及びスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフを実行する。コントローラ２０は、例えばＥＣＵであり、図示しない電圧センサにより検出された入力電圧Ｖｉ及び出力電圧Ｖｏを取得して、ドライバ回路１１に指令を出す。なお、１次側巻線の端子間電圧が入力電圧Ｖｉに相当し、出力端子Ｔｏ１及びＴｏ２の端子間電圧が出力電圧Ｖｏに相当する。

出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｉ×（Ｎ２／Ｎ１）×Ｄｕとなる。ここで、デューティ比Ｄｕは、トランスＴの１次電圧の半周期Ｔｓに対するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン時間Ｔｏｎ、すなわちＤｕ＝Ｔｏｎ／Ｔｓと定義する。デューティ比Ｄｕがとり得る値の範囲は０〜１である。

所定の出力電圧Ｖｏを出力するためには、デューティ比Ｄｕ＝（Ｖｏ／Ｖｉ）×（Ｎ１／Ｎ２）でスイッチングする必要がある。ドライバ回路１１は、電力変換に用いる２次巻線部に応じて、入出力電圧比Ｖｏ／Ｖｉ及び巻数比Ｎ１／Ｎ２から定まるデューティ比Ｄｕで、その２次巻線部に接続されたスイッチング素子をスイッチングする。

よって、ドライバ回路１１は、２次巻線部Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃに接続されたスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３を、２次巻線部Ｌ２ａｂ，Ｌ２ｃｄに接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４と比較して、２倍のデューティ比Ｄｕでスイッチングする。

例えば、所定の出力電圧Ｖｏを１５Ｖ、入力電圧Ｖｉを２００Ｖ、Ｎ１：Ｎａ＝８：１とする。２次巻線部Ｌ２ａｂを選択する場合、巻数比Ｎ１／Ｎ２＝４となるので、スイッチング素子ＳＷ１をデューティ比Ｄｕ＝０．３でスイッチングすると、１５Ｖの出力電圧Ｖｏを得られる。一方、２次巻線部Ｌ２ｂを選択する場合、巻数比Ｎ１／Ｎ２＝８となるので、スイッチング素子ＳＷ２をデューティ比Ｄｕ＝０．６でスイッチングすると、１５Ｖの出力電圧Ｖｏを得られる。同様に、２次巻線部Ｌ２ｃｄを選択する場合は、スイッチング素子ＳＷ４をデューティ比Ｄｕ＝０．３でスイッチングし、２次巻線部Ｌ２ｃを選択する場合は、スイッチング素子ＳＷ３をデューティ比Ｄｕ＝０．６でスイッチングすれば、１５Ｖの出力電圧Ｖｏが得られる。

すなわち、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、巻数切替手段として機能し、いずれか１つのスイッチング素子以外を選択的にオフすることで、変換に用いる巻線部を切り替える。さらに、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、スイッチング手段として機能し、選択的にオフしたもの以外のスイッチング素子をオンオフすることで電圧調整を実施する。

次に、参考例に係る電力変換装置１００について、図１０を参照して説明する。電力変換装置１００では、バッテリ１３から出力された直流電圧が、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４から構成されたフルブリッジ回路で交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、トランスＴｒの１次側巻線Ｌ１に入力されて変圧され、トランスＴｒの２次側に出力される。１次電圧が正のとき、２次電流は、２次側巻線の巻線部Ｌ２ａｒ及び整流ダイオードＤａｒを流れて整流されて、チョークコイルＬｃｒ及び負荷１２ｒに流れる。１次電圧が負のとき、２次電流は、２次側巻線の巻線部Ｌ２ｂｒ及び整流ダイオードＤｂｒを流れて整流されて、チョークコイルＬｃｒ及び負荷１２ｒに流れる。電力変換装置１００は、巻線部Ｌ２ａｒと巻線部Ｌ２ｂｒの巻数を等しくし、スイッチング素子Ｑ１とＱ２のデューティ比Ｄｕｒと、スイッチング素子Ｑ２とＱ３のデューティ比Ｄｕｒとを等しくすることで、１次電圧の極性に関わらず同じ出力電圧Ｖｏに変換する。

よって電力変換装置１００では、巻数比Ｎ１／Ｎ２は固定であり変えることができない。バッテリ１３の電圧が変動すると、その影響で１次側の入力電圧Ｖｉが変動する。電力変換装置１００では、１次側の入力電圧Ｖｉが変動すると、巻線比Ｎ１／Ｎ２が固定のため、出力電圧Ｖｏも変動して、目標とする所定の出力電圧Ｖｏを得られなくなる。仮に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比Ｄｕｒを調整して入力電圧Ｖｉを一定に維持しようとしても、デューティ比Ｄｕｒで調整可能な範囲は限られる。入力電圧Ｖｉの変動がデューティ比Ｄｕｒで調整可能な範囲を超える場合、入力電圧Ｖｉを一定に維持できず、所定の出力電圧Ｖｏを得られない。なお、このような入力電圧Ｖｉの変動は、バッテリ１３が劣化したときや、負荷１２ｒが想定外の使われ方をしたときなどに生じる。

これに対して、本実施形態に係る電力変換装置Ｓでは、選択する２次巻線部に応じて巻数比Ｎ１／Ｎ２を変えることができる。そのため、入力電圧Ｖｉが、スイッチング素子のデューティ比Ｄｕで調整可能な範囲を超える変動をした場合でも、巻数比Ｎ１／Ｎ２を変えることにより、所定の出力電圧Ｖｏを出力することができる。

例えば、入力電圧が２００Ｖから１００Ｖにまで低下した場合、２次巻線部Ｌ２ｂを選択すると、１５Ｖの出力電圧Ｖｏを得るためには、スイッチング素子ＳＷ２をデューティ比Ｄｕ＝１．２でスイッチングさせる必要がある。しかしながら、デューティ比Ｄｕ＝１．２は、デューティ比Ｄｕがとり得る値の範囲を超えている。そのため、２次巻線部Ｌ２ｂを選択すると、１５Ｖの出力電圧Ｖｏを得ることができない。一方、２次巻線部Ｌ２ａｂを選択すると、スイッチング素子ＳＷ１をデューティ比Ｄｕ＝０．６でスイッチングさせることにより、１５Ｖの出力電圧Ｖｏを得られる。コントローラ２０は、入力電圧Ｖｉの変動を監視し、ドライバ回路１１に、入力電圧Ｖｉに対して出力電圧Ｖｏを出力可能な２次巻線部の選択を指令する。

次に、電力変換装置Ｓの動作について、図２〜５を参照しつつ説明する。電力変換装置Ｓの出力電流は、完全に直流成分のみに変換されるわけではなく、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング周波数に由来する交流成分、いわゆるリプル電流が含まれる。

リプル電流は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のデューティ比Ｄｕに応じた波形となる。そのため、例えば、２次巻線部Ｌ２ａｂ及びＬ２ｃを選択し、１次電圧が正のときと負のときとで２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を変えると、１次電圧が正のときと負のときとで異なる波形のリプル電流が出力電流に重畳される。図２に示すように、スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比Ｄｕを０．３、スイッチング素子ＳＷのデューティ比Ｄｕを０．６とした場合、リプル電流の波形は図３に示すように、デューティ比Ｄｕ＝０．６及び０．３に対応した２種類の波形が順次繰り返す波形になる。

これに対して、参考例に係る電力変換装置１０では、所定の出力電圧Ｖｏを得るためには、スイッチング素子Ｑ１とＱ２のデューティ比Ｄｕｒと、スイッチング素子Ｑ２とＱ３のデューティ比Ｄｕｒとを等しくする必要がある。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比Ｄｕｒを０．６とした場合、リプル電流の波形は、図４に示すように、デューティ比Ｄｕ＝０．６に対応した１種類の波形が繰り返す波形になる。

図３のリプル波形をフーリエ変換した高調波成分のレベルを図５に実線で示し、図４のリプル波形をフーリエ変換した高調波成分のレベルを図５に一点鎖線で示す。本実施形態に係る高調波成分は、参考例に係る高調波成分よりも周波数成分は多くなっている。しかしながら、本実施形態に係る高調波成分は、参考例に係る高調波成分よりも、ＡＭ帯域でレベルがピークとなる周波数の０．６ＭＨｚにおいて、レベルが２ｄＢ低減している。本実施形態では、スイッチング素子のオンオフの１周期ごとに、２次側巻線の巻数Ｎ２を変更することにより、複数のデューティ比Ｄｕを混在させている。その結果、リプル電流の高調波成分が拡散されてピークレベルが抑制されている。リプル電流は高周波ノイズのノイズ源となるため、リプル電流の高調波成分のレベルを抑制することにより、高周波ノイズを低減することができる。

混在させるデューティ比Ｄｕの種類が多いほど、リプル電流の高調波成分のレベル抑制効果は大きく、ひいては、高周波ノイズの低減効果は大きい。よって、本実施形態では２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２の種類は２種類だが、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２の種類を増やせば、さらに高周波ノイズの低減効果を大きくすることもできる。

本実施形態では、ドライバ回路１１は、コントローラ２０の指令を受けて、スイッチング素子のオンオフの１周期ごとに、異なる巻数の２次巻線部を選択するようにスイッチング素子を駆動し、さらに、選択された２次巻線部に接続されたスイッチング素子を、対応するデューティ比Ｄｕにより駆動する。すなわち、巻数切替手段としてのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、スイッチング手段としてのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフの１周期ごとに、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を変更するものである。

例えば、所定の出力電圧Ｖｏを１５Ｖ、入力電圧Ｖｉを２００Ｖ、Ｎ１：Ｎａ＝８：１とし、選択する２次巻線部の組合せをＬ２ａｂ，Ｌ２ｃ、すなわち２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２の組合せをＮａ，２Ｎａとする。この場合、ドライバ回路１１は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３を交互にオンするように、それぞれのデューティ比Ｄｕでスイッチングする。すなわち、ドライバ回路１１は、デューティ比０．３と０．６を交互に繰り返すように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３をスイッチングする。あるいは、選択する２次巻線部の組合せをＬ２ｂ，Ｌ２ｃｄとし、ドライバ回路１１は、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４を交互にそれぞれのデューティ比Ｄｕでスイッチングしてもよい。

また、ドライバ回路１１は、スイッチング素子のオンオフの複数周期ごとに、異なる巻数の２次巻線を選択するようにスイッチング素子を駆動してもよい。すなわち、巻数切替手段としてのスイッチング素子は、スイッチング手段としてのスイッチング素子のオンオフの複数周期ごとに、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を変更するものでもよい。例えば、選択する２次巻線部の組合せをＬ２ａｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｃｄにし、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ２，ＳＷ３の順に、順次それぞれのデューティ比Ｄｕでスイッチングした場合、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２は、２Ｎａ，２Ｎａ，Ｎａ，Ｎａの順に順次変更される。すなわち、スイッチング素子のオンオフの２周期ごとに、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が変更されるとともに、デューティ比Ｄｕが変更される。

あるいは、選択する２次巻線部の組合せをＬ２ａｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃにし、ドライバ回路１１は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ２，ＳＷ３の順に、順次それぞれのデューティ比Ｄｕでスイッチングしてもよい。また、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２の種類を増やし、３種類以上のデューティ比Ｄｕの組合せを繰り返すようにスイッチングしてもよい。

混在させるデューティ比Ｄｕの種類、及びデューティ比Ｄｕの繰り返しパターンによって、抑制されるリプル電流の高調波成分が変わる。すなわち、巻数Ｎ２の組合せ及び巻数Ｎ２を変更する周期により、抑制されるリプル電流の高調波成分が変わる。リプル電流のうち抑制対象となる周波数域は定められている。コントローラ２０は、抑制対象となる周波数域に応じた巻数Ｎ２の組合せ及び周期で巻数Ｎ２を変更するように、ドライバ回路１１に指令を出す。ドライバ回路１１は、コントローラ２０からの指令に基づいたパターンで、スイッチング素子を駆動する。これにより、スイッチング素子は、抑制対象となる周波数域に応じた巻数Ｎ２の組合せ及び周期で巻数Ｎ２を変更する。なお、抑制対象となる周波数域に応じた巻数Ｎ２の組合せ及び周期のいずれか一方だけを用いて、巻数Ｎ２を変更してもよい。

さらに、入力電圧Ｖｉが変動した場合には、ドライバ回路１１は、コントローラ２０の指令に基づいて、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が、入力電圧Ｖｉの変動に対応して所定の出力電圧Ｖｏを得られる巻数となるように、スイッチング素子を駆動して電力変換に用いる巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの切替えを実行する。

例えば、入力電圧Ｖｉが１００Ｖまで低下した場合は、２次巻線部Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃを選択すると１５Ｖの出力電圧Ｖｏを得られなくなる。よって、この場合は、ドライバ回路１１は、２次巻線部Ｌ２ａｂ，Ｌ２ｃｄのみを選択する。すなわち、ドライバ回路１１は、通常時には、スイッチング素子のオンオフの１又は複数の周期ごとに、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を変更して、複数のデューティ比Ｄｕを混在させ、入力電圧が変動した場合には、変動に対応できない巻数の２次巻線部を選択しないようにする。

以上説明した第１実施形態は、以下の効果を奏する。

（１）スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４によって電力変換に用いる巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄを切り替えることにより、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を可変にできる。すなわち、１次側巻線と２次側巻線との巻数比Ｎ１／Ｎ２を変えることができる。よって、入力電圧Ｖｉが大きく変動して、入出力電圧比Ｖｏ／Ｖｉ及び巻数比Ｎ１／Ｎ２から定まるデューティ比Ｄｕが使用可能な範囲外となった場合でも、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を変えることにより、巻数比Ｎ１／Ｎ２を変えてデューティ比Ｄｕを使用可能な範囲内にできる。したがって、入力電圧Ｖｉがデューティ比Ｄｕで調整可能な範囲を超える変動した場合でも、目標である所定の出力電圧Ｖｏを出力できる。

（２）入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの比を一定にする条件下であれば、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２を変更することに伴い、スイッチング素子のデューティ比Ｄｕが変更されることになる。この場合、デューティ比Ｄｕがスイッチング素子のオンオフの１又は複数の周期ごとに変更されることで、異なる波形が混在したリプル電流となる。そのため、単一のデューティ比Ｄｕでスイッチング素子をスイッチングする場合よりも、スイッチング周波数に由来するリプル電流の高調波成分を拡散させ、高調波成分のレベルを抑制できる。ひいては、単一のデューティ比Ｄｕでスイッチング素子をオンオフする場合よりも、高周波ノイズを低減できる。

（３）リプル電流のうち抑制対象となる周波数域に応じた巻数Ｎ２の組合せで、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が変更されるため、抑制対象である周波数域のノイズを適切に低減できる。また、リプル電流のうち抑制対象となる周波数域に応じた周期で、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が変更されるため、抑制対象である周波数域のノイズを適切に低減できる。

（４）入力電圧Ｖｉが変動した場合には、２次側巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が、入力電圧Ｖｉの変動に対応して所定の出力電圧Ｖｏを出力する巻数となるように、電力変換に用いる巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｂが切り替えられる。よって、入力電圧Ｖｉが変動しても、所定の出力電圧Ｖｏを維持できる。

（５）巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄにそれぞれ接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４により、電力変換に用いる巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの切替え及びデューティ制御の両方を行うことができる。よって、電力変換装置１０の部品数を減らすことができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、第１実施形態と異なる点について図６を参照して説明する。図６は、第２実施形態に係る電力変換装置の２次側の構成を示した図である。第２実施形態に係る電力変換装置の省略した構成は図１と同じである。

第２実施形態に係る電力変換装置は、整流ダイオードＤａ，Ｄｂを備えない。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が整流ダイオードＤａの役割をし、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４が整流ダイオードＤｂの役割をする。すなわち、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、整流機能を実現する。

詳しくは、ドライバ回路１１は、２次巻線部Ｌ２ａｂ又はＬ２ｂを選択して、スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をオンにするときは、スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４をオフにし、２次電流が端子Ｔｏ３から２次巻線部Ｌ２ｃｄ，Ｌ２ｃへ向かって流れないようにする。また、ドライバ回路１１は、２次巻線部Ｌ２ｃｄ又はＬ２ｃを選択して、スイッチング素子ＳＷ３又はＳＷ４をオンにするときは、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２をオフにして、２次電流が端子Ｔｏ３から２次巻線部Ｌ２ａｂ，Ｌ２ｂへ向かって流れないようにする。

第２実施形態によれば、第１実施形態の（１）〜（５）と同様の効果を奏する。さらに、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が整流機能を実現することにより、整流ダイオードを備える必要がない。よって、電力変換装置の部品数を減らすことができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、第１実施形態と異なる点について図７を参照して説明する。図７は、第３実施形態に係る電力変換装置の２次側の構成を示した図である。第３実施形態に係る電力変換装置の省略した構成は図１と同じである。

第３実施形態に係る電力変換装置は、巻数切替手段とスイッチング手段とが異なる素子で構成され、各巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの両端のうちの中性点Ｐ３と異なる側に、巻数切替手段及びスイッチング手段が直列に接続されている。詳しくは、スイッチング素子ＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａは、第１実施形態に係るスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４と同じ場所に接続されており、巻数切替手段に相当する。また、スイッチング素子ＳＷ５ａ，ＳＷ６ａは、第１実施形態に係る整流ダイオードＤａ，Ｄｂと同じ場所に接続されており、スイッチング手段に相当するとともに、整流機能を実現する。

２次巻線部Ｌ２ａｂを選択する場合は、スイッチング素子ＳＷ１ａをオンにした状態で、スイッチング素子ＳＷ５ａをオンオフさせてデューティ制御する。２次巻線部Ｌ２ｂを選択する場合は、スイッチング素子ＳＷ２ａをオンにした状態で、スイッチング素子ＳＷ５ａをオンオフさせてデューティ制御する。２次巻線部Ｌ２ｃｄ，Ｌ２ｃを選択する場合も同様である。

例えば、２次巻線部Ｌ２ａｂ及び２次巻線部Ｌ２ｃを選択する場合は、スイッチング素子ＳＷ１ａ及びＳＷ３ａをオン状態にしたまま、スイッチング素子ＳＷ５ａとＳＷ６ａを交互にオンとなるように、それぞれのデューティ比Ｄｕでスイッチングさせる。

スイッチング素子ＳＷ１ａ〜ＳＷ６ａとしては、ＭＯＳＦＥＴや、ＩＧＢＴ等を採用できるが、スイッチング素子ＳＷ１ａ〜ＳＷ４ａは、スイッチング素子ＳＷ５ａ，ＳＷ６ａよりも低速のスイッチング素子を採用してもよい。

第３実施形態によれば、第１実施形態の（１）〜（４）と同様の効果を奏する。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、第３実施形態と異なる点について図８を参照して説明する。図８は、第４実施形態に係る電力変換装置の２次側の構成を示した図である。第４実施形態に係る電力変換装置の省略した構成は図１と同じである。

第４実施形態に係る電力変換装置は、巻数切替手段とスイッチング手段とを異なる素子で構成している。直接に接続された巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ同士の接続点Ｐ２〜Ｐ４から引き出された接続線には、それぞれスイッチング素子ＳＷ１ｂ〜ＳＷ３ｂが接続されている。また、接続点Ｐ１，Ｐ５から引き出された接続線には、それぞれスイッチング素子ＳＷ４ｂ，ＳＷ５ｂが接続されている。スイッチング素子ＳＷ１ｂ〜ＳＷ３ｂが巻数切替手段に相当し、スイッチング素子ＳＷ４ｂ，ＳＷ５ｂがスイッチング手段に相当する。また、スイッチング素子ＳＷ４ｂ，ＳＷ５ｂは整流機能を実現する。

１次電圧が正のときにスイッチング素子ＳＷ１ｂをオンにすると、巻線部Ｌ２ａから構成される２次巻線部Ｌ２ａが選択され、１次電圧が負のときにスイッチング素子ＳＷ１ｂをオンにすると、巻線部Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄから構成される２次巻線部Ｌ２ｂｃｄが選択される。また、１次電圧が正のときにスイッチング素子ＳＷ２ｂをオンにすると、巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂから構成される２次巻線部Ｌ２ａｂが選択され、１次電圧が負のときにスイッチング素子ＳＷ２ｂをオンにすると、巻線部Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄから構成される２次巻線部Ｌ２ｃｄが選択される。また、１次電圧が正のときにスイッチング素子ＳＷ３ｂをオンにすると、巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃから構成される２次巻線部Ｌ２ａｂｃが選択され、１次電圧が負のときにスイッチング素子ＳＷ３ｂをオンにすると、巻線部Ｌ２ｄから構成される２次巻線Ｌ２ｄが選択される。

第４実施形態に係る電力変換装置では、巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ同士の接続点Ｐ２〜Ｐ４のいずれか１点が中性点となる。スイッチング素子ＳＷ１ｂをオンにすると接続点Ｐ２が中性点となり、スイッチング素子ＳＷ２ｂをオンにすると接続点Ｐ３が中性点になり、スイッチング素子ＳＷ３ｂをオンにすると接続点Ｐ４が中性点になる。すなわち、第４実施形態に係る電力変換装置では、オンするスイッチング素子によって、中性点の位置をＰ２〜Ｐ４で可変できる。

これに対して、第１〜３実施形態に係る電力変換装置では、中性点の位置がＰ３で固定であった。そのため、１次電圧が正のときは、接続点Ｐ１からＰ３の間の巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂから２次巻線部を選択し、１次電圧が負のときは、接続点Ｐ５からＰ３の間の巻線部Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄから２次巻線部を選択しなければならなかった。

第４実施形態に係る電力変換装置では、中性点の位置を可変できるため、１次電圧が正のときは、接続点Ｐ１からＰ４の間の巻線部Ｌ２ａ〜Ｌ２ｃから２次巻線部を選択し、１次電圧が負のときは、接続点Ｐ５からＰ２の間の巻線部Ｌ２ｂ〜Ｌ２ｄから２次巻線部を選択できる。よって、２次巻線部の選択の幅が広がる。

第４実施形態によれば、第１実施形態の（１）〜（４）と同様の効果を奏する。さらに、２次側巻線Ｌ２の中性点の位置を可変できるため、中性点の位置を固定した場合よりも、２次巻線部の巻数の種類を増やすことができる。ひいては、混在させるデューティ比Ｄｕの種類を増やして、ノイズの低減効果を高めることができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、第４実施形態と異なる点について図９を参照して説明する。図９は、第５実施形態に係る電力変換装置の２次側の構成を示した図である。第５実施形態に係る電力変換装置の省略した構成は図１と同じである。

第５実施形態に係る電力変換装置では、スイッチング素子ＳＷ１ｃ〜ＳＷ３ｃが、第４実施形態に係るスイッチング素子ＳＷ１ｂ〜ＳＷ３ｂと同じ位置に接続されており、巻数切替手段及びスイッチング手段に相当する。また、整流ダイオードＤｃ，Ｄｄが、第４実施形態に係るスイッチング素子ＳＷ４ｂ，ＳＷ５ｂと同じ位置に接続されている。

第５実施形態に係る電力変換装置では、１次電圧が正のときに、スイッチング素子ＳＷ２ｃをスイッチングすると、２次巻線部Ｌ２ａｂが選択され、２次巻線部Ｌ２ａｂを流れる２次電流は整流ダイオードＤｃで整流されて、チョークコイルＬｃへ流れる。また、１次電圧が負のときに、スイッチング素子ＳＷ２ｃをスイッチングすると、２次巻線部Ｌ２ｃｄが選択され、２次巻線部Ｌ２ｃｄを流れる２次電流は整流ダイオードＤｄで整流されて、チョークコイルＬｃへ流れる。他の２次巻線部を選択する場合も同様である。

第５実施形態によれば、第４実施形態と同様の効果を奏するとともに、スイッチング素子の数を減らすことができる。

（他の実施形態）
・実施形態１〜３に係る電力変換装置は、２次側回路を半波整流回路にしてもよい。このようにしても、実施形態１〜３と同様の効果を得られる。

・実施形態１〜３に係る電力変換装置では、トランスＴの２次側に、各２次巻線部が個別に形成されていてもよい。

・巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄの巻数は等しくする必要はなく、それぞれ任意の巻数にしてもよい。また、巻線部の数を増やして、２次側巻線の巻数の種類を増やしてもよい。

・ドライバ回路１１は、コントローラ２０が内蔵されているものであってもよい。

１０…電力変換装置、１１…ドライバ回路、Ｌ２…２次側巻線、Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ…巻線部、ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチング素子。

Claims (11)

1. トランス（Ｔ）の１次側巻線（Ｌ１）に入力された入力電圧を所定電圧に変換して出力する電力変換装置（Ｓ）であって、
   複数の巻線部（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ）を有する２次側巻線（Ｌ２）と、
   前記複数の巻線部のうち前記変換に用いる巻線部を切替えることにより、前記２次側巻線の巻数を可変にする巻数切替手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
   前記２次側巻線と出力端子側との間の経路に設けられ、前記入力電圧と前記所定電圧との比及び前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻数比から定まるデューティ比によりオンオフされるスイッチング手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
   前記巻数切替手段による前記巻線部の切替え、及び前記スイッチング手段のオンオフを実行する駆動手段（１１）と、を備え、
   前記巻数切替手段は、前記スイッチング手段のオンオフの１又は複数の周期ごとに、前記２次側巻線の巻数を変更するものであり、
   出力電流に重畳されるリプル電流のうち抑制対象となる周波数域が定められており、
   前記巻数切替手段は、前記周波数域に応じた巻数の組合せで前記２次側巻線の巻数を変更する電力変換装置。
2. 前記巻数切替手段は、前記周波数域に応じた周期で前記２次側巻線の巻数を変更する請求項１に記載の電力変換装置。
3. トランス（Ｔ）の１次側巻線（Ｌ１）に入力された入力電圧を所定電圧に変換して出力する電力変換装置（Ｓ）であって、
   複数の巻線部（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ）を有する２次側巻線（Ｌ２）と、
   前記複数の巻線部のうち前記変換に用いる巻線部を切替えることにより、前記２次側巻線の巻数を可変にする巻数切替手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
   前記２次側巻線と出力端子側との間の経路に設けられ、前記入力電圧と前記所定電圧との比及び前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻数比から定まるデューティ比によりオンオフされるスイッチング手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
   前記巻数切替手段による前記巻線部の切替え、及び前記スイッチング手段のオンオフを実行する駆動手段（１１）と、を備え、
   前記巻数切替手段は、前記スイッチング手段のオンオフの１又は複数の周期ごとに、前記２次側巻線の巻数を変更するものであり、
   出力電流に重畳されるリプル電流のうち抑制対象となる周波数域が定められており、
   前記巻数切替手段は、前記周波数域に応じた周期で前記２次側巻線の巻数を変更する電力変換装置。
4. 前記複数の巻線部にそれぞれ接続される複数のスイッチング素子（ＳＷ１〜ＳＷ４）を有し、
   前記複数のスイッチング素子は、前記巻数切替手段として機能し、いずれかを選択的にオフすることで、前記変換に用いる巻線部を切り替えるとともに、前記スイッチング手段として機能し、前記選択的にオフしたもの以外のスイッチング素子をオンオフすることで電圧調整を実施する請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. トランス（Ｔ）の１次側巻線（Ｌ１）に入力された入力電圧を所定電圧に変換して出力する電力変換装置（Ｓ）であって、
   複数の巻線部（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ）を有する２次側巻線（Ｌ２）と、
   前記複数の巻線部のうち前記変換に用いる巻線部を切替えることにより、前記２次側巻線の巻数を可変にする巻数切替手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
   前記２次側巻線と出力端子側との間の経路に設けられ、前記入力電圧と前記所定電圧との比及び前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻数比から定まるデューティ比によりオンオフされるスイッチング手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
   前記巻数切替手段による前記巻線部の切替え、及び前記スイッチング手段のオンオフを実行する駆動手段（１１）と、を備え、
   前記複数の巻線部にそれぞれ接続される複数のスイッチング素子（ＳＷ１〜ＳＷ４）を有し、
   前記複数のスイッチング素子は、前記巻数切替手段として機能し、いずれかを選択的にオフすることで、前記変換に用いる巻線部を切り替えるとともに、前記スイッチング手段として機能し、前記選択的にオフしたもの以外のスイッチング素子をオンオフすることで電圧調整を実施する電力変換装置。
6. 前記スイッチング素子は、整流機能を実現する請求項４または５に記載の電力変換装置。
7. 前記２次側巻線は、直列接続された前記複数の巻線部、及びその巻線部同士の接続点のいずれか１点である中性点を有し、
   前記巻線部同士の接続点（Ｐ２〜Ｐ４）には、それぞれ第１スイッチング素子（ＳＷ１ｂ〜ＳＷ３ｂ）が接続されており、
   前記２次側巻線の両端（Ｐ１，Ｐ５）には、それぞれ第２スイッチング素子（ＳＷ４ｂ〜ＳＷ５ｂ）が接続されており、
   前記第１スイッチング素子は、前記巻数切替手段として機能し、
   前記第２スイッチング素子は、前記スイッチング手段として機能する請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
8. トランス（Ｔ）の１次側巻線（Ｌ１）に入力された入力電圧を所定電圧に変換して出力する電力変換装置（Ｓ）であって、
   複数の巻線部（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ）を有する２次側巻線（Ｌ２）と、
   前記複数の巻線部のうち前記変換に用いる巻線部を切替えることにより、前記２次側巻線の巻数を可変にする巻数切替手段（ＳＷ１ｂ〜ＳＷ３ｂ）と、
   前記２次側巻線と出力端子側との間の経路に設けられ、前記入力電圧と前記所定電圧との比及び前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻数比から定まるデューティ比によりオンオフされるスイッチング手段（ＳＷ４ｂ，ＳＷ５ｂ）と、
   前記巻数切替手段による前記巻線部の切替え、及び前記スイッチング手段のオンオフを実行する駆動手段（１１）と、を備え、
   前記２次側巻線は、直列接続された前記複数の巻線部、及びその巻線部同士の接続点のいずれか１点である中性点を有し、
   前記巻数切替手段（ＳＷ１ｂ〜ＳＷ３ｂ）は、前記巻線部同士の接続点（Ｐ２〜Ｐ４）にそれぞれ接続されており、
   前記スイッチング手段（ＳＷ４ｂ，ＳＷ５ｂ）は、前記２次側巻線の両端（Ｐ１，Ｐ５）にそれぞれ接続されている電力変換装置。
9. 前記２次側巻線は、直列接続された前記複数の巻線部、及びその巻線部同士の接続点のいずれか１点である中性点を有し、
   前記巻線部同士の接続点（Ｐ２〜Ｐ４）にはそれぞれスイッチング素子（ＳＷ１ｃ〜ＳＷ３ｃ）が接続されており、
   前記２次側巻線の両端（Ｐ１，Ｐ５）にはそれぞれ整流ダイオード（Ｄｃ，Ｄｄ）が接続されており、
   前記スイッチング素子は、前記巻数切替手段及び前記スイッチング手段として機能する請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
10. トランス（Ｔ）の１次側巻線（Ｌ１）に入力された入力電圧を所定電圧に変換して出力する電力変換装置（Ｓ）であって、
    複数の巻線部（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ）を有する２次側巻線（Ｌ２）と、
    前記複数の巻線部のうち前記変換に用いる巻線部を切替えることにより、前記２次側巻線の巻数を可変にする巻数切替手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
    前記２次側巻線と出力端子側との間の経路に設けられ、前記入力電圧と前記所定電圧との比及び前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻数比から定まるデューティ比によりオンオフされるスイッチング手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、
    前記巻数切替手段による前記巻線部の切替え、及び前記スイッチング手段のオンオフを実行する駆動手段（１１）と、を備え、
    前記２次側巻線は、直列接続された前記複数の巻線部、及びその巻線部同士の接続点のいずれか１点である中性点を有し、
    前記巻線部同士の接続点（Ｐ２〜Ｐ４）にはそれぞれスイッチング素子（ＳＷ１ｃ〜ＳＷ３ｃ）が接続されており、
    前記２次側巻線の両端（Ｐ１，Ｐ５）にはそれぞれ整流ダイオード（Ｄｃ，Ｄｄ）が接続されており、
    前記スイッチング素子は、前記巻数切替手段及び前記スイッチング手段として機能する電力変換装置。
11. 前記駆動手段は、前記入力電圧が変動した場合に、前記２次側巻線が前記入力電圧の変動に対応して前記所定電圧を出力する巻数となるように、前記巻数切替手段による前記巻線部の切替えを実行する請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換装置。