JP7610221B2 - Power conversion device and vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置、および車両に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a vehicle.
近年、充放電可能な電源（バッテリ）としてリチウムイオンバッテリが用いられるようになってきており、リチウムイオンバッテリの充放電にはコンバータ（電力変換装置）が必要となる。リチウムイオンバッテリは、充電状態によって開放電圧が大きく変化する特性を有する。そのため、コンバータには、幅広い入出力電圧比および双方向電力送電に対応でき、且つ、高効率に電力変換できることが求められている。双方向コンバータとしては、ＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータが知られている（例えば非特許文献１）。 In recent years, lithium-ion batteries have come to be used as chargeable and dischargeable power sources (batteries), and a converter (power conversion device) is required to charge and discharge lithium-ion batteries. A lithium-ion battery has a characteristic in that its open-circuit voltage changes significantly depending on the state of charge. For this reason, converters are required to be able to handle a wide range of input/output voltage ratios and bidirectional power transmission, and to perform power conversion with high efficiency. A known example of a bidirectional converter is the DAB (Dual Active Bridge) converter (for example, Non-Patent Document 1).
非特許文献１に記載された従来のＤＡＢコンバータでは、入出力電圧比によってはソフトスイッチング動作が困難になり、電力変換効率が低下することがある。 In the conventional DAB converter described in Non-Patent Document 1, depending on the input/output voltage ratio, soft switching operation can become difficult, and power conversion efficiency can decrease.
そこで、本発明は、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することができる電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a power conversion device that can perform highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての電力変換装置は、第１機器と第２機器との間で双方向に電力を供給するための電力変換を行う電力変換装置であって、第１変圧器と、前記第１変圧器とは巻数比が異なる第２変圧器とを含む変圧器ユニットと、前記変圧器ユニットの１次側に設けられ、前記第１機器に接続された１次側回路と、前記変圧器ユニットの２次側に設けられ、前記第２機器に接続された２次側回路と、を備え、前記１次側回路は、第１接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第１レグと、第２接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第２レグと、第３接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第３レグと、を有し、前記２次側回路は、第４接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第４レグと、第５接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第５レグと、第６接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第６レグと、を有し、前記第１変圧器の１次側コイルの一端が前記第１接点に接続され、他端が前記第２接点に接続され、前記第２変圧器の１次側コイルの一端が前記第２接点に接続され、他端が前記第３接点に接続され、前記第１変圧器の２次側コイルの一端が前記第４接点に接続され、他端が前記第５接点に接続され、前記第２変圧器の２次側コイルの一端が前記第５接点に接続され、他端が前記第６接点に接続され、前記１次側回路および前記２次側回路は、前記電力変換装置の動作モードとして、前記第１変圧器のみを動作させる第１モード、前記第２変圧器のみを動作させる第２モード、前記第１変圧器と前記第２変圧器とを並列に動作させる第３モード、前記第１変圧器と前記第２変圧器とを直列に動作させる第４モードを選択的に実行可能に構成されている、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power conversion device as one aspect of the present invention is a power conversion device that performs power conversion to supply power bidirectionally between a first device and a second device, and includes a transformer unit including a first transformer and a second transformer having a turns ratio different from that of the first transformer, a primary side circuit provided on a primary side of the transformer unit and connected to the first device, and a secondary side circuit provided on a secondary side of the transformer unit and connected to the second device, wherein the primary side circuit has a first leg including two switch elements connected in series via a first contact, a second leg including two switch elements connected in series via a second contact, and a third leg including two switch elements connected in series via a third contact, and the secondary side circuit has a fourth leg including two switch elements connected in series via a fourth contact, and a fifth leg including two switch elements connected in series via a fifth contact. and a sixth leg including two switch elements connected in series via a sixth contact, wherein one end of a primary coil of the first transformer is connected to the first contact and the other end is connected to the second contact, one end of a primary coil of the second transformer is connected to the second contact and the other end is connected to the third contact, one end of a secondary coil of the first transformer is connected to the fourth contact and the other end is connected to the fifth contact, one end of a secondary coil of the second transformer is connected to the fifth contact and the other end is connected to the sixth contact, and the primary side circuit and the secondary side circuit are configured to be able to selectively execute, as operation modes of the power conversion device, a first mode in which only the first transformer is operated, a second mode in which only the second transformer is operated, a third mode in which the first transformer and the second transformer are operated in parallel, and a fourth mode in which the first transformer and the second transformer are operated in series.
本発明によれば、例えば、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することができる電力変換装置を提供することができる。 The present invention provides a power conversion device that can perform highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内での構成の変更や変形も含む。また、本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明に必須のものとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、その説明を省略する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiment, and includes configuration changes and modifications within the scope of the present invention. Furthermore, not all of the combinations of features described in the present embodiment are necessarily essential to the present invention. Note that identical components are given the same reference numbers and their description will be omitted.
図１は、本発明に係る一実施形態の電力変換装置１０の構成例を示す図である。本実施形態の電力変換装置１０は、第１機器Ｄ１と第２機器Ｄ２との間で双方向に電力を供給するための電力変換を行う双方向絶縁コンバータである。つまり、電力変換装置１０は、第１機器Ｄ１から第２機器Ｄ２への電力の供給と、第２機器Ｄ２から第１機器Ｄ１への電力の供給とを実行可能に構成されている。第１機器Ｄ１は、例えばリチウムイオンバッテリなどの充放電可能なバッテリでありうる。第２機器Ｄ２は、第１機器Ｄ１としてのバッテリから電力が供給される負荷（例えばモータ等の機器）、あるいは、第１機器Ｄ１としてのバッテリに電力を供給する電源（例えば充電器）でありうる。本実施形態では、第１機器Ｄ１としてバッテリを用い、第２機器Ｄ２として負荷を用いる例を説明する。 FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention. The power conversion device 10 of this embodiment is a bidirectional insulating converter that performs power conversion to supply power in both directions between a first device D1 and a second device D2. That is, the power conversion device 10 is configured to be able to supply power from the first device D1 to the second device D2 and to supply power from the second device D2 to the first device D1. The first device D1 may be a chargeable and dischargeable battery such as a lithium ion battery. The second device D2 may be a load (e.g., a device such as a motor) to which power is supplied from the battery as the first device D1, or a power source (e.g., a charger) that supplies power to the battery as the first device D1. In this embodiment, an example is described in which a battery is used as the first device D1 and a load is used as the second device D2.
また、本実施形態の電力変換装置１０は、電気車両やハイブリット車両などに搭載されうる。電力変換装置１０が搭載される車両としては、四輪車であってもよいし、鞍乗型車両（自動二輪車、三輪車）などの四輪車以外の車両であってもよい。さらに、本実施形態の電力変換装置１０は、例えば船舶や航空機など、車両以外の移動体に搭載されてもよい。 The power conversion device 10 of this embodiment can be mounted on an electric vehicle, a hybrid vehicle, or the like. The vehicle on which the power conversion device 10 is mounted may be a four-wheeled vehicle, or a vehicle other than a four-wheeled vehicle, such as a saddle-type vehicle (motorcycle, three-wheeled vehicle). Furthermore, the power conversion device 10 of this embodiment may be mounted on a moving body other than a vehicle, such as a ship or an aircraft.
［電力変換装置の構成例］
本実施形態の電力変換装置１０の構成例について図１を参照しながら説明する。本実施形態の電力変換装置１０は、図１に示されるように、変圧器ユニット１１と、１次側回路１２Ａと、２次側回路１２Ｂと、制御部１３とを備えうる。制御部１３は、ＣＰＵに代表されるプロセッサ、半導体メモリ等の記憶デバイス、外部デバイスとのインタフェース等を含むコンピュータによって構成され、１次側回路１２Ａに含まれる複数のスイッチ素子および２次側回路１２Ｂに含まれる複数のスイッチ素子を制御することにより、変圧器ユニット１１における電力変換を制御しうる。ここで、本実施形態では、制御部１３を電力変換装置１０の構成要素として設けているが、それに限られるものではなく、例えば、車両に設けられたＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの外部の制御装置を制御部１３として機能させてもよい。
[Example of configuration of power conversion device]
A configuration example of the power conversion device 10 of the present embodiment will be described with reference to Fig. 1. As shown in Fig. 1, the power conversion device 10 of the present embodiment may include a transformer unit 11, a primary side circuit 12A, a secondary side circuit 12B, and a control unit 13. The control unit 13 is configured by a computer including a processor such as a CPU, a storage device such as a semiconductor memory, an interface with an external device, and the like, and may control power conversion in the transformer unit 11 by controlling a plurality of switch elements included in the primary side circuit 12A and a plurality of switch elements included in the secondary side circuit 12B. Here, in the present embodiment, the control unit 13 is provided as a component of the power conversion device 10, but is not limited thereto. For example, an external control device such as an ECU (Electronic Control Unit) provided in a vehicle may function as the control unit 13.
変圧器ユニット１１は、第１変圧器Ｔｒ１と、第２変圧器Ｔｒ２とを有する。第１変圧器Ｔｒ１は、巻数ｎｐ１を有する１次側コイルと、巻数ｎｓ１を有する２次側コイルとで構成される。また、第２変圧器Ｔｒ２は、巻数ｎｐ２を有する１次側コイルと、巻数ｎｓ２を有する２次側コイルとで構成される。第２変圧器Ｔｒ２は、その巻数比（ｎｓ２/ｎｐ２）が第１変圧器Ｔｒ１の巻数比（ｎｓ１／ｎｐ１）と異なるように構成される。本実施形態の場合、第２変圧器Ｔｒ２の巻線比は、第１変圧器Ｔｒ１の巻線比より大きい。なお、本実施形態の変圧器ユニット１１では、第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイルに対してインダクタＬ３（コイル）が直列接続されており、第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルに対してインダクタＬ４（コイル）が直列接続されている。 The transformer unit 11 includes a first transformer Tr1 and a second transformer Tr2. The first transformer Tr1 includes a primary coil having a number of turns np1 and a secondary coil having a number of turns nsl . The second transformer Tr2 includes a primary coil having a number of turns np2 and a secondary coil having a number of turns ns2 . The second transformer Tr2 is configured such that its turn ratio ( nsl / np2 ) is different from the turn ratio ( nsl / npl ) of the first transformer Tr1. In this embodiment, the turn ratio of the second transformer Tr2 is greater than the turn ratio of the first transformer Tr1. In the transformer unit 11 of the present embodiment, an inductor L3 (coil) is connected in series to the secondary coil of the first transformer Tr1, and an inductor L4 (coil) is connected in series to the secondary coil of the second transformer Tr2.
次に、１次側回路１２Ａの構成について説明する。１次側回路１２Ａは、変圧器ユニット１１の１次側に設けられ、第１機器Ｄ１（バッテリ）に接続される。１次側回路１２Ａは、複数のスイッチ素子によって構成され、制御部１３によって当該複数のスイッチ素子が制御されることにより、変圧器ユニット１１（第１変圧器Ｔｒ１、第２変圧器Ｔｒ２）の１次側コイルの電圧を制御することができる。具体的には、１次側回路１２Ａは、三相に拡張した昇圧機能を有するカレントフェド型コンバータ（ＣＦＣ；Current Fed converter）として構成され、互いに対して並列接続された第１レグ２１、第２レグ２２、および第３レグ２３を有する。 Next, the configuration of the primary circuit 12A will be described. The primary circuit 12A is provided on the primary side of the transformer unit 11 and is connected to the first device D1 (battery). The primary circuit 12A is configured with a plurality of switch elements, and the voltage of the primary coil of the transformer unit 11 (first transformer Tr1, second transformer Tr2) can be controlled by the control unit 13 controlling the plurality of switch elements. Specifically, the primary circuit 12A is configured as a current fed converter (CFC) with a boost function expanded to three phases, and has a first leg 21, a second leg 22, and a third leg 23 connected in parallel to each other.
第１レグ２１は、第１接点ｂ１（電気接点）で直列接続された２つの第１スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ２）を含み、一端が第１ラインａ１に接続され、他端が第２ラインａ２に接続されるように配置される。第１レグ２１の当該一端は、スイッチ素子Ｓｐ１の２つの端子のうち第１接点ｂ１に接続される端子とは反対側の端子であり、第１レグ２１の当該他端は、スイッチ素子Ｓｐ２の２つの端子のうち第１接点ｂ１に接続される端子とは反対側の端子である。 The first leg 21 includes two first switch elements (switch elements S p1 , S p2 ) connected in series by a first contact b 1 (electrical contact), and is arranged such that one end is connected to the first line a 1 and the other end is connected to the second line a 2. The one end of the first leg 21 is one of the two terminals of the switch element S p1 opposite to the terminal connected to the first contact b 1 , and the other end of the first leg 21 is one of the two terminals of the switch element S p2 opposite to the terminal connected to the first contact b 1 .
第２レグ２２は、第２接点ｂ２（電気接点）で直列接続された２つの第２スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ３、Ｓｐ４）を含み、一端が第１ラインａ１に接続され、他端が第２ラインａ２に接続されるように第１レグ２１に並列に配置される。第２レグ２２の当該一端は、スイッチ素子Ｓｐ３の２つの端子のうち第２接点ｂ２に接続される端子とは反対側の端子であり、第２レグ２２の当該他端は、スイッチ素子Ｓｐ４の２つの端子のうち第２接点ｂ２に接続される端子とは反対側の端子である。 The second leg 22 includes two second switch elements (switch elements S p3 , S p4 ) connected in series by a second contact b2 (electrical contact), and is arranged in parallel to the first leg 21 such that one end is connected to the first line a1 and the other end is connected to the second line a2 . The one end of the second leg 22 is a terminal opposite to the terminal connected to the second contact b2, out of the two terminals of the switch element S p3, and the other end of the second leg 22 is a terminal opposite to the terminal connected to the second contact b2, out of the two terminals of the switch element S p4 .
第３レグ２３は、第３接点ｂ３（電気接点）で直列接続された２つの第３スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ５、Ｓｐ６）を含み、一端が第１ラインａ１に接続され、他端が第２ラインａ２に接続されるように第１レグ２１および第２レグ２２に並列に配置される。第３レグ２３の当該一端は、スイッチ素子Ｓｐ５の２つの端子のうち第３接点ｂ３に接続される端子とは反対側の端子であり、第３レグ２３の当該他端は、スイッチ素子Ｓｐ６の２つの端子のうち第３接点ｂ３に接続される端子とは反対側の端子である。 The third leg 23 includes two third switch elements (switch elements S p5 , S p6 ) connected in series by a third contact b3 (electrical contact), and is arranged in parallel with the first leg 21 and the second leg 22 such that one end is connected to the first line a1 and the other end is connected to the second line a2 . The one end of the third leg 23 is the terminal opposite to the terminal connected to the third contact b3, of the two terminals of the switch element S p5 , and the other end of the third leg 23 is the terminal opposite to the terminal connected to the third contact b3, of the two terminals of the switch element S p6 .
各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング動作を行うトランジスタ（パワー素子）等が用いられうる。また、第１ラインａ１および第２ラインａ２の各々は電流経路として理解されてもよく、第１ラインａ１は、キャパシタＣ１（コンデンサ）を介して第２ラインａ２に接続されている。 Each of the switch elements S p1 to S p6 may be a transistor (power element) that performs a switching operation, such as an IGBT or a MOSFET. Each of the first line a 1 and the second line a 2 may be understood as a current path, and the first line a 1 is connected to the second line a 2 via a capacitor C 1 (capacitor).
第１機器Ｄ１（バッテリ）は、一端（マイナス端子）が第２ラインａ２に接続され、他端（プラス端子）が第１接点ｂ１および第３接点ｂ３に接続されるように配置される。本実施形態の場合、図１に示されるように、第１機器Ｄ１の当該他端は、インダクタＬ１（コイル）を介して第１接点ｂ１に接続されるとともに、インダクタＬ２（コイル）を介して第３接点ｂ３に接続される。また、本実施形態の１次側回路１２Ａでは、第１機器Ｄ１と並列に接続されたキャパシタＣ２（コンデンサ）設けられている。このようにインダクタＬ１～Ｌ２およびキャパシタＣ１～Ｃ２を設けることにより、ＣＬフィルタを形成することができ、第１機器Ｄ１への高調波電流の流入を防止することができる。また、インダクタＬ１およびインダクタＬ２を設けてカレントフェド型コンバータを構成することで、第１機器Ｄ１の両端電圧よりも高い電圧を各変圧器に印加できるようになる。 The first device D1 (battery) is arranged such that one end (negative terminal) is connected to the second line a2 , and the other end (positive terminal) is connected to the first contact b1 and the third contact b3 . In the case of this embodiment, as shown in FIG. 1, the other end of the first device D1 is connected to the first contact b1 via the inductor L1 (coil) and to the third contact b3 via the inductor L2 (coil). In addition, in the primary side circuit 12A of this embodiment, a capacitor C2 (capacitor) is provided that is connected in parallel with the first device D1. By providing the inductors L1 to L2 and the capacitors C1 to C2 in this way, a CL filter can be formed, and the inflow of harmonic current into the first device D1 can be prevented. In addition, by providing the inductors L1 and L2 to configure a current-fed converter, a voltage higher than the voltage across the first device D1 can be applied to each transformer.
ここで、変圧器ユニット１１と１次側回路１２Ａとの接続について説明する。変圧器ユニット１１の第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルは、一端が第１接点ｂ１に接続され、他端が第２接点ｂ２に接続されるように配置される。そして、変圧器ユニット１１の第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルは、一端が第２接点ｂ２に接続され、他端が第３接点ｂ３に接続されるように配置される。また、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルの当該他端、および第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルの当該他端は、キャパシタＣ３（コンデンサ）を介して第２接点ｂ２に接続される。このようにキャパシタＣ３を設けることにより、１次側回路１２Ａにおいてフルブリッジ動作とハーフブリッジ動作とを選択的に切り換えて行うことが可能となる。また、キャパシタＣ３を設けることにより、スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６の制御偏差等に起因して生じる変圧器に印加される電圧の直流成分をカットし、第１変圧器Ｔｒ１および第２変圧器Ｔｒ２のコイル電流に直流電流成分が生じる直流偏磁を低減する効果も得られる。 Here, the connection between the transformer unit 11 and the primary circuit 12A will be described. The primary coil of the first transformer Tr1 of the transformer unit 11 is arranged so that one end is connected to the first contact b1 and the other end is connected to the second contact b2 . The primary coil of the second transformer Tr2 of the transformer unit 11 is arranged so that one end is connected to the second contact b2 and the other end is connected to the third contact b3 . The other end of the primary coil of the first transformer Tr1 and the other end of the primary coil of the second transformer Tr2 are connected to the second contact b2 via a capacitor C3 (capacitor). By providing the capacitor C3 in this way, it is possible to selectively switch between full-bridge operation and half-bridge operation in the primary circuit 12A. In addition, by providing the capacitor C3 , the DC component of the voltage applied to the transformer caused by the control deviation of the switch elements S p1 to S p6 , etc., is cut, and the effect of reducing DC bias magnetism caused by a DC current component in the coil current of the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 is obtained.
上記のように構成された１次側回路１２Ａでは、各レグ２１～２３における２つのスイッチ素子のオン／オフを所定時間毎に交互に切り替えることによりフルブリッジ動作が実行可能である。一例として、第１レグ２１における２つの第１スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ２）のオン／オフを所定時間毎に交互に切り替え、第２レグ２２における２つの第２スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ３、Ｓｐ４）のオン／オフを当該所定時間毎に交互に切り替え、且つ、第３レグ２３における２つの第３スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ５、Ｓｐ６）のオン／オフを当該所定時間毎に交互に切り替えることでフルブリッジ動作が実行可能である。また、１次側回路１２Ａでは、第１レグ２１、第２レグ２２または第３レグ２３における２つのスイッチ素子のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとすることでハーフブリッジ動作が実行可能である。一例として、第１レグ２１における２つの第１スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ２）のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとする、もしくは第２レグ２２における２つの第２スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ３、Ｓｐ４）のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとする、もしくは第３レグ２３における２つの第３スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｐ５、Ｓｐ６）のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとすることでハーフブリッジ動作が実行可能である。 In the primary circuit 12A configured as described above, a full-bridge operation can be performed by alternately switching on/off two switch elements in each of the legs 21 to 23 at predetermined time intervals. As an example, a full-bridge operation can be performed by alternately switching on/off two first switch elements (switch elements S p1 and S p2 ) in the first leg 21 at predetermined time intervals, alternately switching on/off two second switch elements (switch elements S p3 and S p4 ) in the second leg 22 at predetermined time intervals, and alternately switching on/off two third switch elements (switch elements S p5 and S p6 ) in the third leg 23 at predetermined time intervals. In addition, in the primary circuit 12A, a half-bridge operation can be performed by always keeping one of the two switch elements in the first leg 21, the second leg 22, or the third leg 23 always on and always keeping the other off. As an example, half-bridge operation can be performed by always keeping one of the two first switch elements (switch elements S p1 , S p2 ) in the first leg 21 on and the other off, or by always keeping one of the two second switch elements (switch elements S p3 , S p4 ) in the second leg 22 on and the other off, or by always keeping one of the two third switch elements (switch elements S p5 , S p6 ) in the third leg 23 on and the other off.
次に、２次側回路１２Ｂの構成について説明する。２次側回路１２Ｂは、変圧器ユニット１１の２次側に設けられ、第２機器Ｄ２（負荷、充電器）に接続される。２次側回路１２Ｂは、複数のスイッチ素子によって構成され、制御部１３によって当該複数のスイッチ素子が制御されることにより、変圧器ユニット１１（第１変圧器Ｔｒ１、第２変圧器Ｔｒ２）の２次側コイルの電圧を制御することができる。具体的には、１次側回路１２Ａは、互いに対して並列接続された第４レグ２４、第５レグ２５、および第６レグ２６を有する。 Next, the configuration of the secondary circuit 12B will be described. The secondary circuit 12B is provided on the secondary side of the transformer unit 11, and is connected to the second device D2 (load, charger). The secondary circuit 12B is composed of multiple switch elements, and the voltage of the secondary coil of the transformer unit 11 (first transformer Tr1, second transformer Tr2) can be controlled by the control unit 13 controlling the multiple switch elements. Specifically, the primary circuit 12A has a fourth leg 24, a fifth leg 25, and a sixth leg 26 connected in parallel to each other.
第４レグ２４は、第４接点ｂ４（電気接点）で直列接続された２つの第４スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ１、Ｓｓ２）を含み、一端が第３ラインａ３に接続され、他端が第４ラインａ４に接続されるように配置される。第４レグ２４の当該一端は、スイッチ素子Ｓｓ１の２つの端子のうち第４接点ｂ４に接続される端子とは反対側の端子であり、第４レグ２４の当該他端は、スイッチ素子Ｓｓ２の２つの端子のうち第４接点ｂ４に接続される端子とは反対側の端子である。 The fourth leg 24 includes two fourth switch elements (switch elements Ss1 , Ss2 ) connected in series by a fourth contact b4 (electrical contact), and is arranged such that one end is connected to the third line a3 and the other end is connected to the fourth line a4 . The one end of the fourth leg 24 is the terminal opposite to the terminal connected to the fourth contact b4 , out of the two terminals of the switch element Ss1 , and the other end of the fourth leg 24 is the terminal opposite to the terminal connected to the fourth contact b4, out of the two terminals of the switch element Ss2.
第５レグ２５は、第５接点ｂ５（電気接点）で直列接続された２つの第５スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ３、Ｓｓ４）を含み、一端が第３ラインａ３に接続され、他端が第４ラインａ４に接続されるように第４レグ２４に並列に配置される。第５レグ２５の当該一端は、スイッチ素子Ｓｓ３の２つの端子のうち第５接点ｂ５に接続される端子とは反対側の端子であり、第５レグ２５の当該他端は、スイッチ素子Ｓｓ４の２つの端子のうち第５接点ｂ５に接続される端子とは反対側の端子である。 The fifth leg 25 includes two fifth switch elements (switch elements Ss3 , Ss4 ) connected in series by a fifth contact b5 (electrical contact), and is arranged in parallel to the fourth leg 24 such that one end is connected to the third line a3 and the other end is connected to the fourth line a4 . The one end of the fifth leg 25 is the terminal opposite to the terminal connected to the fifth contact b5, of the two terminals of the switch element Ss3 , and the other end of the fifth leg 25 is the terminal opposite to the terminal connected to the fifth contact b5, of the two terminals of the switch element Ss4 .
第６レグ２６は、第６接点ｂ６（電気接点）で直列接続された２つの第６スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ５、Ｓｓ６）を含み、一端が第３ラインａ３に接続され、他端が第４ラインａ４に接続されるように第４レグ２４および第５レグ２５に並列に配置される。第６レグ２６の当該一端は、スイッチ素子Ｓｓ５の２つの端子のうち第６接点ｂ６に接続される端子とは反対側の端子であり、第６レグ２６の当該他端は、スイッチ素子Ｓｓ６の２つの端子のうち第６接点ｂ６に接続される端子とは反対側の端子である。 The sixth leg 26 includes two sixth switch elements (switch elements Ss5 , Ss6 ) connected in series by a sixth contact b6 (electrical contact), and is arranged in parallel with the fourth leg 24 and the fifth leg 25 such that one end is connected to the third line a3 and the other end is connected to the fourth line a4 . This one end of the sixth leg 26 is the terminal opposite to the terminal connected to the sixth contact b6 , of the two terminals of the switch element Ss5 , and this other end of the sixth leg 26 is the terminal opposite to the terminal connected to the sixth contact b6 , of the two terminals of the switch element Ss6 .
各スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング動作を行うトランジスタ（パワー素子）等が用いられうる。また、第３ラインａ３および第４ラインａ４の各々は電流経路として理解されてもよく、第３ラインａ３は、キャパシタＣ４（コンデンサ）を介して第４ラインａ４に接続されている。第２機器Ｄ２（負荷、充電器）は、一端が第３ラインａ３に接続され、他端が第４ラインａ４に接続されるように配置される。 As each of the switch elements Ss1 to Ss6 , a transistor (power element) performing a switching operation, such as an IGBT or a MOSFET, can be used. Also, each of the third line a3 and the fourth line a4 may be understood as a current path, and the third line a3 is connected to the fourth line a4 via a capacitor C4 (capacitor). The second device D2 (load, charger) is arranged so that one end is connected to the third line a3 and the other end is connected to the fourth line a4 .
ここで、変圧器ユニット１１と２次側回路１２Ｂとの接続について説明する。変圧器ユニット１１の第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイルは、一端が第４接点ｂ４に接続され、他端が第５接点ｂ５に接続されるように配置される。そして、変圧器ユニット１１の第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルは、一端が第５接点ｂ５に接続され、他端が第６接点ｂ６に接続されるように配置される。また、第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイルの当該他端、および第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルの当該他端は、キャパシタＣ５（コンデンサ）を介して第５接点ｂ５に接続される。このようにキャパシタＣ５を設けることにより、２次側回路１２Ｂにおいてフルブリッジ動作とハーフブリッジ動作とを選択的に切り換えて行うことが可能となる。また、キャパシタＣ５を設けることにより、スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６の制御偏差等に起因して生じる変圧器に印可される電圧の直流成分をカットし、第１変圧器Ｔｒ１および第２変圧器Ｔｒ２のコイル電流に直流電流成分が生じる直流偏磁を低減する効果も得られる。 Here, the connection between the transformer unit 11 and the secondary circuit 12B will be described. The secondary coil of the first transformer Tr1 of the transformer unit 11 is arranged so that one end is connected to the fourth contact b4 and the other end is connected to the fifth contact b5 . The secondary coil of the second transformer Tr2 of the transformer unit 11 is arranged so that one end is connected to the fifth contact b5 and the other end is connected to the sixth contact b6 . The other end of the secondary coil of the first transformer Tr1 and the other end of the secondary coil of the second transformer Tr2 are connected to the fifth contact b5 via a capacitor C5 (capacitor). By providing the capacitor C5 in this way, it is possible to selectively switch between full-bridge operation and half-bridge operation in the secondary circuit 12B. Furthermore, by providing the capacitor C5 , the DC component of the voltage applied to the transformer caused by the control deviation of the switch elements Ss1 to Ss6 is cut, and the effect of reducing DC bias magnetism caused by a DC current component in the coil current of the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 is obtained.
上記のように構成された２次側回路１２Ｂでは、各レグ２４～２６における２つのスイッチ素子のオン／オフを所定時間毎に交互に切り替えることによりフルブリッジ動作が実行可能である。一例として、第４レグ２４における２つの第４スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ１、Ｓｓ２）のオン／オフを所定時間毎に交互に切り替え、第５レグ２５における２つの第５スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ３、Ｓｓ４）のオン／オフを当該所定時間毎に交互に切り替え、且つ、第６レグ２６における２つの第６スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ５、Ｓｓ６）のオン／オフを当該所定時間毎に交互に切り替えることでフルブリッジ動作が実行可能である。また、２次側回路１２Ｂでは、第４レグ２４、第５レグ２５または第６レグ２６における２つのスイッチ素子のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとすることでハーフブリッジ動作が実行可能である。一例として、第４レグ２４における２つの第４スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ１、Ｓｓ２）のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとする、もしくは第５レグ２５における２つの第５スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ３、Ｓｓ４）のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとする、もしくは第６レグ２６における２つの第６スイッチ素子（スイッチ素子Ｓｓ５、Ｓｓ６）のうち一方を常にオンとして他方を常にオフとすることでハーフブリッジ動作が実行可能である。 In the secondary circuit 12B configured as described above, a full-bridge operation can be performed by alternately switching on/off two switch elements in each of the legs 24 to 26 at predetermined time intervals. As an example, a full-bridge operation can be performed by alternately switching on/off two fourth switch elements (switch elements S s1 , S s2 ) in the fourth leg 24 at predetermined time intervals, alternately switching on/off two fifth switch elements (switch elements S s3 , S s4 ) in the fifth leg 25 at predetermined time intervals, and alternately switching on/off two sixth switch elements (switch elements S s5 , S s6 ) in the sixth leg 26 at predetermined time intervals. In addition, in the secondary circuit 12B, a half-bridge operation can be performed by always keeping one of the two switch elements in the fourth leg 24, the fifth leg 25, or the sixth leg 26 always on and always keeping the other off. As one example, half-bridge operation can be performed by always keeping one of the two fourth switch elements (switch elements Ss1 , Ss2 ) in the fourth leg 24 on and the other off, or by always keeping one of the two fifth switch elements (switch elements Ss3 , Ss4 ) in the fifth leg 25 on and the other off, or by always keeping one of the two sixth switch elements (switch elements Ss5 , Ss6 ) in the sixth leg 26 on and the other off.
次に、従来のコンバータと本発明のコンバータとにおける１次側回路の構成・動作の違いについて説明する。図２（ａ）は、従来のコンバータにおける１次側回路の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、本発明のコンバータ（本実施形態の電力変換装置１０）の１次側回路の構成を示す模式図である。図２（ｂ）のスイッチ素子Ｓａ～Ｓｂは、図１のスイッチ素子Ｓｐ３～Ｓｐ４に対応し、図２（ｂ）の素子Ａは、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイル、または第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルに対応するものとして理解されてもよい。図２（ｂ）の素子Ａが第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルに対応する場合、図２（ｂ）のスイッチ素子Ｓｃ～Ｓｄは、図１のスイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ２に対応する。一方、図２（ｂ）の素子Ａが第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルに対応する場合、図２（ｂ）のスイッチ素子Ｓｃ～Ｓｄは、図１のスイッチ素子Ｓｐ５～Ｓｐ６に対応する。また、図２（ｂ）のキャパシタＣ３は、図１のキャパシタＣ３に対応する。 Next, the difference in configuration and operation of the primary circuit between the conventional converter and the converter of the present invention will be described. FIG. 2(a) is a schematic diagram showing the configuration of the primary circuit in the conventional converter, and FIG. 2(b) is a schematic diagram showing the configuration of the primary circuit of the converter of the present invention (the power conversion device 10 of this embodiment). The switch elements S a to S b in FIG. 2(b) correspond to the switch elements S p3 to S p4 in FIG. 1, and the element A in FIG. 2(b) may be understood as corresponding to the primary coil of the first transformer Tr1 or the primary coil of the second transformer Tr2. When the element A in FIG. 2(b) corresponds to the primary coil of the first transformer Tr1, the switch elements S c to S d in FIG. 2(b) correspond to the switch elements S p1 to S p2 in FIG. 1. On the other hand, when element A in Fig. 2(b) corresponds to the secondary coil of the second transformer Tr2, switch elements S c to S d in Fig. 2(b) correspond to switch elements S p5 to S p6 in Fig. 1. Also, capacitor C 3 in Fig. 2(b) corresponds to capacitor C 3 in Fig. 1.
従来のコンバータにおける１次側回路では、ハーフブリッジ動作を実行可能にするため、図２（ａ）に示されるように、双方向ＦＥＴ（スイッチ素子Ｓｕｃｐ、Ｓｕｃｎ）と分圧キャパシタ（Ｃｐ、Ｃｎ）とが設けられる。それに対し、本発明のコンバータでは、図２（ｂ）に示されるように、双方向ＦＥＴおよび分圧キャパシタの代わりに、１つのキャパシタＣ３が素子Ａ（変圧器の１次側コイル）に直列に設けられているだけである。そのため、回路の簡略化およびコストの点で有利になりうる。そして、本発明のコンバータでは、キャパシタＣ３が接続されているレグにおける２つのスイッチ素子Ｓａ、Ｓｂのオン／オフを所定時間毎に交互に切り替えることによりフルブリッジ動作が実行可能となり、当該２つのスイッチ素子Ｓａ、Ｓｂのうち一方を常にオンとして他方を常にオフとすることによりハーフブリッジ動作が実行可能となる。なお、「キャパシタＣ３が接続されているレグ」は図１の第２レグ２２に対応し、「２つのスイッチ素子Ｓａ、Ｓｂ」は図１のスイッチ素子Ｓｐ３、Ｓｐ４にそれぞれ対応する。 In the primary circuit of the conventional converter, in order to perform half-bridge operation, bidirectional FETs (switch elements S ucp , S ucn ) and voltage dividing capacitors (C p , C n ) are provided as shown in FIG. 2(a). In contrast, in the converter of the present invention, instead of the bidirectional FETs and voltage dividing capacitors, only one capacitor C 3 is provided in series with element A (the primary coil of the transformer) as shown in FIG. 2(b). This can be advantageous in terms of circuit simplification and cost. In the converter of the present invention, the full-bridge operation can be performed by alternately switching on/off two switch elements S a , S b in the leg to which the capacitor C 3 is connected at predetermined time intervals, and the half-bridge operation can be performed by keeping one of the two switch elements S a , S b always on and the other always off. It should be noted that the "leg to which the capacitor C3 is connected" corresponds to the second leg 22 in FIG. 1, and the "two switch elements S a and S b " correspond to the switch elements S p3 and S p4 in FIG. 1, respectively.
図３は、図２（ｂ）に示される本発明のコンバータにおけるハーフブリッジ動作の一例を示している。図３（ａ）は、１次側回路のハーフブリッジ動作を示す模式図を示しており、図３（ｂ）は、ハーフブリッジ動作における各スイッチ素子Ｓａ～Ｓｄの動作波形および素子Ａへの印加電圧Ｖｏの波形を示す図（タイミングチャート）である。図３の例では、スイッチ素子Ｓａを常にオフし、且つスイッチ素子Ｓｂを常にオンしている状態において、スイッチ素子Ｓｃ、Ｓｄのオン／オフを所定時間毎に交互に切り替える。これにより、素子Ａへの印加電圧Ｖｏの振幅が各レグへの印加電圧Ｅの半分になるため、ハーフブリッジ動作を実行することができる。なお、図３の例では、スイッチ素子Ｓａを常にオフし、スイッチ素子Ｓｂを常にオンしたが、その逆（即ち、スイッチ素子Ｓａを常にオン、スイッチ素子Ｓｂを常にオフ）であってもハーフブリッジ動作を実行することができる。 FIG. 3 shows an example of half-bridge operation in the converter of the present invention shown in FIG. 2(b). FIG. 3(a) shows a schematic diagram showing the half-bridge operation of the primary side circuit, and FIG. 3(b) is a diagram (timing chart) showing the operation waveforms of each switch element S a to S d in the half-bridge operation and the waveform of the voltage V o applied to element A. In the example of FIG. 3, in a state in which the switch element S a is always off and the switch element S b is always on, the switch elements S c and S d are alternately switched on/off at predetermined time intervals. As a result, the amplitude of the voltage V o applied to element A becomes half the voltage E applied to each leg, so that the half-bridge operation can be performed. Note that in the example of FIG. 3, the switch element S a is always off and the switch element S b is always on, but the half-bridge operation can be performed even if the opposite (i.e., the switch element S a is always on and the switch element S b is always off) is used.
［電力変換装置の動作モード］
本実施形態の電力変換装置１０では、上記の構成とすることで、動作モードとして、図４に示されるように、変圧器ユニット１１における第１変圧器Ｔｒ１および第２変圧器Ｔｒ２を選択的に動作させる４種類のモード（以下では基本モードと表記することがある）が実行可能となる。つまり、本実施形態の電力変換装置１０は、第１～第４基本モードを選択的に実行可能となる。
[Power Converter Operation Modes]
With the above configuration, the power conversion device 10 of this embodiment can execute four types of operation modes (hereinafter sometimes referred to as basic modes) in which the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 in the transformer unit 11 are selectively operated, as shown in Fig. 4. That is, the power conversion device 10 of this embodiment can selectively execute the first to fourth basic modes.
第１基本モード（第１モード）は、第２変圧器Ｔｒ２を動作させずに、第１変圧器Ｔｒ１のみを動作させることによって電力変換を行うモード（Ｔｒ１モード）である。この第１基本モードでは、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルの巻数（ｎｐ１）と第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイルの巻数（ｎｓ１）との比（ｎｓ１／ｎｐ１）が代表的な入出力電圧比として得られる。また、第２基本モード（第２モード）は、第１変圧器Ｔｒ１を動作させずに、第２変圧器Ｔｒ２のみを動作させることによって電力変換を行うモード（Ｔｒ２モード）である。この第２基本モードでは、第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルの巻数（ｎｐ２）と第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルの巻数（ｎｓ２）との比（ｎｓ２／ｎｐ２）が代表的な入出力電圧比として得られる。なお、入出力電圧比は、第１機器Ｄ１および第２機器Ｄ２のうち一方からの入力電圧に対する他方への出力電圧の比として定義される。例えば、第１機器Ｄ１から第２機器Ｄ２に電力を供給する場合、入出力電圧比は、第１機器Ｄ１からの入力電圧に対する第２機器Ｄ２への出力電圧の比として定義されうる。 The first basic mode (first mode) is a mode (Tr1 mode) in which power conversion is performed by operating only the first transformer Tr1 without operating the second transformer Tr2. In this first basic mode, the ratio (n s1 /n p1 ) of the number of turns (n p1 ) of the primary coil of the first transformer Tr1 to the number of turns (n s1 ) of the secondary coil of the first transformer Tr1 is obtained as a representative input/output voltage ratio. Meanwhile, the second basic mode (second mode) is a mode (Tr2 mode) in which power conversion is performed by operating only the second transformer Tr2 without operating the first transformer Tr1. In this second basic mode, the ratio ( ns2 / np2 ) between the number of turns ( np2 ) of the primary coil of the second transformer Tr2 and the number of turns ( ns2 ) of the secondary coil of the second transformer Tr2 is obtained as a representative input/output voltage ratio. The input/output voltage ratio is defined as the ratio of the input voltage from one of the first device D1 and the second device D2 to the output voltage to the other. For example, when power is supplied from the first device D1 to the second device D2, the input/output voltage ratio can be defined as the ratio of the output voltage to the second device D2 to the input voltage from the first device D1.
第３基本モード（第３モード）は、第１変圧器Ｔｒ１と第２変圧器Ｔｒ２とを並列に且つ独立して動作させることによって電力変換を行うモード（Ｔｒ１//Ｔｒ２モード）である。この第３基本モードにおける代表的な入出力電圧比は、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルの巻数と第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイルの巻数との比（ｎｓ１／ｎｐ１）、および、第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルの巻数と第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルの巻数との比（ｎｓ２／ｎｐ２）となる。また、第４基本モード（第４モード）は、第１変圧器Ｔｒ１と第２変圧器Ｔｒ２とを直列に一体として動作させることによって電力変換を行うモード（Ｔｒ１＆Ｔｒ２モード）である。この第４基本モードにおける代表的な入出力電圧比は、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルの巻数と第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルの巻数との合計に対する、第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイルの巻数と第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルの巻数との合計の比（（ｎｓ１＋ｎｓ２）／（ｎｐ１＋ｎｐ２））となる。 The third basic mode (third mode) is a mode (Tr1//Tr2 mode) in which power conversion is performed by operating the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 in parallel and independently. Representative input/output voltage ratios in this third basic mode are the ratio (n s1 /n p1 ) between the number of turns of the primary coil of the first transformer Tr1 and the number of turns of the secondary coil of the first transformer Tr1, and the ratio (n s2 /n p2 ) between the number of turns of the primary coil of the second transformer Tr2 and the number of turns of the secondary coil of the second transformer Tr2. The fourth basic mode (fourth mode) is a mode (Tr1 & Tr2 mode) in which power conversion is performed by operating the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 in series as a single unit. A typical input/output voltage ratio in this fourth basic mode is the ratio of the sum of the number of turns of the secondary coil of the first transformer Tr1 and the number of turns of the secondary coil of the second transformer Tr2 to the sum of the number of turns of the primary coil of the first transformer Tr1 and the number of turns of the primary coil of the second transformer Tr2 ((n s1 + n s2 )/(n p1 + n p2 )).
また、本実施形態の電力変換装置１０では、上記の構成とすることで、動作モードとして、１次側回路１２Ａおよび２次側回路１２Ｂの各々をフルブリッジ動作およびハーフブリッジ動作の各々で選択的に切り換えて動作させる４種類のモード（以下ではサブモードと表記することがある）が実行可能となる。つまり、本実施形態の電力変換装置１０は、第１～第４サブモードを選択的に実行可能となる。 In addition, with the power conversion device 10 of this embodiment, the above configuration makes it possible to execute four types of operating modes (hereinafter sometimes referred to as submodes) in which the primary side circuit 12A and the secondary side circuit 12B are selectively switched between full-bridge operation and half-bridge operation. In other words, the power conversion device 10 of this embodiment can selectively execute the first to fourth submodes.
第１サブモードは、１次側回路１２Ａおよび２次側回路１２Ｂの両方をフルブリッジ動作させるモードである。第２サブモードは、１次側回路１２Ａのみをハーフブリッジ動作させ、２次側回路１２Ｂをフルブリッジ動作させるモードである。第３サブモードは、２次側回路１２Ｂのみをハーフブリッジ動作させ、１次側回路１２Ａをフルブリッジ動作させるモードである。第４サブモードは、１次側回路１２Ａおよび２次側回路１２Ｂの両方をハーフブリッジ動作させるモードである。 The first sub-mode is a mode in which both the primary circuit 12A and the secondary circuit 12B are operated in full-bridge operation. The second sub-mode is a mode in which only the primary circuit 12A is operated in half-bridge operation, and the secondary circuit 12B is operated in full-bridge operation. The third sub-mode is a mode in which only the secondary circuit 12B is operated in half-bridge operation, and the primary circuit 12A is operated in full-bridge operation. The fourth sub-mode is a mode in which both the primary circuit 12A and the secondary circuit 12B are operated in half-bridge operation.
本実施形態の電力変換装置１０では、図５に示されるように、第１～第３基本モードの各々について第１～第４サブモードの各々が選択的に実行可能であり、第４基本モードについて第２～第４サブモードの各々が選択的に実行可能である。したがって、本実施形態の電力変換装置１０では、上記の構成とすることで、１５種類の動作モードの各々で変圧器ユニット１１を動作させ、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することができる。 As shown in FIG. 5, in the power conversion device 10 of this embodiment, the first to fourth sub-modes can be selectively executed for each of the first to third basic modes, and the second to fourth sub-modes can be selectively executed for the fourth basic mode. Therefore, in the power conversion device 10 of this embodiment, by using the above configuration, the transformer unit 11 can be operated in each of the 15 operating modes, and power conversion can be performed with high efficiency over a wider range of input/output voltage ratios.
図６は、入出力電圧比と出力電力（２次側回路１２Ｂからの出力電圧と理解されてもよい）との関係を示す概念図である。図６における領域Ｒは、電力変換装置１０において動作可能な領域（即ち、ソフトスイッチングが可能な領域）を示している。図６に示されるように、第１基本モードでは、入出力電圧比が比較的低い部分をカバーすることができる。一方、第２基本モードでは、入出力電圧比が比較的高い部分をカバーすることができる。また、第３基本モードでは、入出力電圧比が第１基本モードより高く且つ第２基本モードより低い部分のうち、出力電力が比較的高い部分をカバーすることができる。この第３基本モードでは、第１変圧器Ｔｒと第２変圧器Ｔｒとで電流が分流され、第１変圧器Ｔｒ１および第２変圧器Ｔｒ２の一方を用いるよりも導電損失を低減することができる。そして、第４基本モードでは、入出力電圧比が第１基本モードより高く且つ第２基本モードより低い部分のうち、出力電力が比較的低い部分をカバーすることができる。このように、本実施形態の電力変換装置１０は、１５種類の動作モードを有するため、制御部１３は、対象となる入出力電圧比（即ち、要求される入出力電圧比）に応じて動作モードを細かく切り換えることができる。これにより、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することが可能となる。 Figure 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the input/output voltage ratio and the output power (which may be understood as the output voltage from the secondary circuit 12B). Region R in Figure 6 indicates the region in which the power conversion device 10 can operate (i.e., the region in which soft switching is possible). As shown in Figure 6, the first basic mode can cover the portion where the input/output voltage ratio is relatively low. On the other hand, the second basic mode can cover the portion where the input/output voltage ratio is relatively high. In addition, the third basic mode can cover the portion where the output power is relatively high among the portions where the input/output voltage ratio is higher than the first basic mode and lower than the second basic mode. In this third basic mode, the current is divided between the first transformer Tr and the second transformer Tr, and the conduction loss can be reduced more than when one of the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 is used. And, in the fourth basic mode, the portion where the input/output voltage ratio is higher than the first basic mode and lower than the second basic mode among the portions where the output power is relatively low can be covered. In this way, the power conversion device 10 of this embodiment has 15 different operating modes, so the control unit 13 can finely switch between operating modes depending on the target input/output voltage ratio (i.e., the required input/output voltage ratio). This makes it possible to perform highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
［電力変換装置の動作例］
次に、本実施形態の電力変換装置１０の動作例について説明する。電力変換装置１０は、１次側回路１２Ａの各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６および２次側回路１２Ｂの各スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６のオン（導通）／オフ（非導通）を、所定の期間（時間）ごとに切り換えることにより、電力変換を行うことができる。図７～図１０は、電力変換装置１０の動作例を示している。図７は第１基本モード（Ｔｒ１モード）における動作例を示し、図８は第２基本モード（Ｔｒ２モード）における動作例を示し、図９は第３基本モード（Ｔｒ１//Ｔｒ２モード）における動作例を示し、図１０は第４基本モード（Ｔｒ１＆Ｔｒ２モード）における動作例を示している。また、図７～図１０の各々において、（ａ）は第１サブモードにおける動作例を示し、（ｂ）は第２サブモードにおける動作例を示し、（ｃ）は第３サブモードにおける動作例を示し、（ｄ）は第４サブモードにおける動作例を示している。
[Example of operation of power conversion device]
Next, an operation example of the power conversion device 10 of this embodiment will be described. The power conversion device 10 can perform power conversion by switching the switch elements S p1 to S p6 of the primary side circuit 12A and the switch elements S s1 to S s6 of the secondary side circuit 12B on (conductive)/off (non-conductive) every predetermined period (time). Figures 7 to 10 show an operation example of the power conversion device 10. Figure 7 shows an operation example in the first basic mode (Tr1 mode), Figure 8 shows an operation example in the second basic mode (Tr2 mode), Figure 9 shows an operation example in the third basic mode (Tr1//Tr2 mode), and Figure 10 shows an operation example in the fourth basic mode (Tr1&Tr2 mode). In addition, in each of Figures 7 to 10, (a) shows an example of operation in the first sub-mode, (b) shows an example of operation in the second sub-mode, (c) shows an example of operation in the third sub-mode, and (d) shows an example of operation in the fourth sub-mode.
図７～図１０における各表は、１次側回路１２Ａの各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６および２次側回路１２Ｂの各スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６のオン（導通）／オフ（非導通）を期間１～期間４で順番に切り換えることを示している。各表における各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６、Ｓｓ１～Ｓｓ６について、「１」はオン状態（通電状態）を示しており、「０」はオフ状態（非通電状態）を示している。また、各表では、期間４が終了した場合に期間１から再び開始されるものとして理解されてもよい。なお、図７～図１０における各表は、あくまで、各動作モード（基本モード、サブモード）を実行するための各スイッチ素子の動作の一例であり、図７～図１０に示される動作例とは異なる各スイッチ動作のオン／オフ制御を行った場合においても各動作モード（基本モード、サブモード）を実現することが可能である。 Each table in FIG. 7 to FIG. 10 shows that the switch elements S p1 to S p6 of the primary circuit 12A and the switch elements S s1 to S s6 of the secondary circuit 12B are switched on (conductive)/off (non-conductive) in the order of period 1 to period 4. For each of the switch elements S p1 to S p6 and S s1 to S s6 in each table, "1" indicates an on state (conductive state), and "0" indicates an off state (non-conductive state). In each table, it may be understood that when period 4 ends, period 1 is started again. Note that each table in FIG. 7 to FIG. 10 is merely an example of the operation of each switch element for executing each operation mode (basic mode, sub mode), and each operation mode (basic mode, sub mode) can be realized even when the on/off control of each switch operation different from the operation example shown in FIG. 7 to FIG. 10 is performed.
ここで、各基本モードにおける代表的な電力変換装置１０の動作例について、回路図を参照しながら説明する。図１１～図１４は、各基本モードにおける代表的な電力変換装置１０の動作例をそれぞれ示している。なお、以下で説明する電力変換装置１０の動作例は、図７～図１０を用いて説明した動作例を分かり易くするために簡略化したものであるため、図７～図１０に示される動作例と必ずしも一致するものではない。例えば、１次側回路１２Ａにおける各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６の切り換えタイミングと、２次側回路１２Ｂにおける各スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６の切り換えタイミングとは同時ではなく、図７～図１０に示される動作例に従って行われうる。 Here, a typical operation example of the power conversion device 10 in each basic mode will be described with reference to a circuit diagram. Figures 11 to 14 show typical operation examples of the power conversion device 10 in each basic mode. Note that the operation examples of the power conversion device 10 described below are simplified to make the operation examples described using Figures 7 to 10 easier to understand, and do not necessarily match the operation examples shown in Figures 7 to 10. For example, the switching timing of each of the switch elements S p1 to S p6 in the primary side circuit 12A and the switching timing of each of the switch elements S s1 to S s6 in the secondary side circuit 12B are not simultaneous, and can be performed according to the operation examples shown in Figures 7 to 10.
図１１は、第１基本モードの第１サブモードにおける電力変換装置１０を動作例（即ち、図７（ａ）に対応する例）を示している。図１１では、１次側回路１２Ａのみを示しており、変圧器ユニット１１および２次側回路１２Ｂの図示を省略している。また、図１１では、１次側回路１２Ａにおける各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６を簡略化して図示している。図１１における「ＥＭＰＰ」は、第１機器Ｄ１（バッテリ）の電圧を示しており、「Ｅｐｄｃ」は、１次側回路１２Ａの各レグ２１～２３に印加される電圧（即ち、ラインａ１とラインａ２との電位差）を示している。なお、第２基本モードの第１サブモードにおける電力変換装置１０の動作も、第１基本モードの第１サブモードにおける電力変換装置１０の動作と同様に考えることができる。 FIG. 11 shows an operation example of the power conversion device 10 in the first sub-mode of the first fundamental mode (i.e., an example corresponding to FIG. 7(a)). In FIG. 11, only the primary circuit 12A is shown, and the transformer unit 11 and the secondary circuit 12B are omitted. In FIG. 11, each switch element S p1 to S p6 in the primary circuit 12A is shown in a simplified manner. In FIG. 11, "E MPP " indicates the voltage of the first device D1 (battery), and "E pdc " indicates the voltage applied to each leg 21 to 23 of the primary circuit 12A (i.e., the potential difference between the line a 1 and the line a 2 ). Note that the operation of the power conversion device 10 in the first sub-mode of the second fundamental mode can be considered to be similar to the operation of the power conversion device 10 in the first sub-mode of the first fundamental mode.
図１１は、第１基本モードの第１サブモードの一例であり、上側の状態１Ａと下側の状態１Ｂとを切り換えることで実現することができる。上側の状態１Ａでは、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ４、Ｓｐ６をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｐ５をオフ（非導通）させる。一方、下側の状態１Ｂでは、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｐ５をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ４、Ｓｐ６をオフ（非導通）させる。ここで、１次側回路１２Ａのスイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ３、Ｓｐ５におけるオン／オフのデューティ比Ｄｐは、Ｄｐ＝ｔｐ／Ｔによって表されうる。一方、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ４、Ｓｐ６においては、ラインａ１とラインａ２の短絡を防ぐためにスイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ３、Ｓｐ５がオフしている期間にオンとなるため，オン／オフのデューティ比は１－Ｄｐとなる。上記の式における「ｔｐ」はスイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ３、Ｓｐ５のオン時間であり、「Ｔ」は各スイッチ素子のスイッチング動作の周期である。なお、図１１はデューティ比をＤｐ＝０．５とした例であるが、それ以外のデューティ比でも第１基本モードの第１サブモードを実現可能である。 11 shows an example of the first sub-mode of the first basic mode, which can be realized by switching between an upper state 1A and a lower state 1B. In the upper state 1A, the switch elements S p1 , S p4 , and S p6 are turned on (conductive), and the switch elements S p2 , S p3 , and S p5 are turned off (non-conductive). On the other hand, in the lower state 1B, the switch elements S p2 , S p3 , and S p5 are turned on (conductive), and the switch elements S p1 , S p4 , and S p6 are turned off (non-conductive). Here, the on/off duty ratio D p of the switch elements S p1 , S p3 , and S p5 of the primary circuit 12A can be expressed by D p =t p /T. On the other hand, in order to prevent a short circuit between line a1 and line a2 , switch elements S p2 , S p4 , and S p6 are on during the period when switch elements S p1 , S p3 , and S p5 are off, and therefore the on/off duty ratio is 1-D p . In the above formula, "t p " is the on time of switch elements S p1 , S p3 , and S p5 , and "T" is the period of the switching operation of each switch element. Note that while Fig. 11 shows an example in which the duty ratio is D p = 0.5, the first sub-mode of the first basic mode can also be realized with other duty ratios.
図１２は、第１基本モードにおける１次側回路１２Ａの各スイッチ素子の動作波形、および１次側回路１２Ａからの出力電圧の波形を示すタイミングチャートである。本実施形態の１次側回路１２Ａではデューティ比Ｄｐに応じて出力電圧の傾向が変化するため、「Ｄｐ＜０．５」の場合を図１２（ａ）に、「Ｄｐ＝０．５」の場合を図１２（ｂ）に、「Ｄｐ＞０．５」の場合を図１２（ｃ）にそれぞれ例示している。「Ｄｐ＜０．５」の場合、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルに印加される電圧の実効値｜Ｖｐａｂ｜（図１参照）は、図１２（ａ）に示される式によって表される。「Ｄｐ＝０．５」の場合、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルに印加される電圧の実効値｜Ｖｐａｂ｜は、図１２（ｂ）に示される式によって表される。また、「Ｄｐ＞０．５」の場合、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイルに印加される電圧の実効値｜Ｖｐａｂ｜は、図１２（ｃ）に示される式によって表される。ここで、図１２（ａ）～（ｃ）の各式における「Ｅｐｄｃ」は、前述したように、１次側回路１２Ａにおける各レグ２１～２３に印加される電圧を示している。 12 is a timing chart showing the operation waveforms of each switch element of the primary circuit 12A in the first basic mode and the waveform of the output voltage from the primary circuit 12A. In the primary circuit 12A of this embodiment, the tendency of the output voltage changes according to the duty ratio Dp , so the case of " Dp <0.5" is illustrated in FIG. 12(a), the case of " Dp = 0.5" is illustrated in FIG. 12(b), and the case of " Dp >0.5" is illustrated in FIG. 12(c). In the case of " Dp <0.5", the effective value | Vpab | of the voltage applied to the primary coil of the first transformer Tr1 (see FIG. 1) is expressed by the formula shown in FIG. 12(a). In the case of " Dp = 0.5", the effective value | Vpab | of the voltage applied to the primary coil of the first transformer Tr1 is expressed by the formula shown in FIG. 12(b). When "D p >0.5", the effective value |V pab | of the voltage applied to the primary coil of the first transformer Tr1 is expressed by the equation shown in Fig. 12(c). Here, "E pdc " in each equation in Fig. 12(a) to (c) indicates the voltage applied to each of the legs 21 to 23 in the primary circuit 12A, as described above.
図１３（ａ）は、第３基本モードの第１サブモードにおける電力変換装置１０の動作例（即ち、図９（ａ）に対応する例）を示しており、図１３（ｂ）は、第３基本モードの第２サブモードにおける電力変換装置１０の動作例（即ち、図９（ｂ）に対応する例）を示している。図１３（ａ）～（ｂ）では、１次側回路１２Ａのみを示しており、変圧器ユニット１１および２次側回路１２Ｂの図示を省略している。また、図１３（ａ）～（ｂ）では、図１１と同様に、１次側回路１２Ａにおける各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６を簡略化して図示しており、「ＥＭＰＰ」は第１機器Ｄ１（バッテリ）の電圧、「Ｅｐｄｃ」は、１次側回路１２Ａの各レグ２１～２３に印加される電圧をそれぞれ示している。 FIG. 13(a) shows an operation example of the power conversion device 10 in the first sub-mode of the third basic mode (i.e., an example corresponding to FIG. 9(a)), and FIG. 13(b) shows an operation example of the power conversion device 10 in the second sub-mode of the third basic mode (i.e., an example corresponding to FIG. 9(b)). In FIGS. 13(a)-(b), only the primary side circuit 12A is shown, and the transformer unit 11 and the secondary side circuit 12B are omitted from the illustration. In addition, in FIGS. 13(a)-(b), similar to FIG. 11, each of the switch elements S p1 to S p6 in the primary side circuit 12A is shown in a simplified manner, and "E MPP " indicates the voltage of the first device D1 (battery), and "E pdc " indicates the voltage applied to each of the legs 21 to 23 of the primary side circuit 12A.
図１３（ａ）は、第３基本モードの第１サブモードの一例であり、上側の状態２Ａと下側の状態２Ｂとを切り換えることで実現することができる。上側の状態２Ａでは、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｐ６をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ４、Ｓｐ５をオフ（非導通）させる。一方、下側の状態２Ｂでは、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ４、Ｓｐ５をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｐ６をオフ（非導通）させる。この第３基本モードの第１サブモードにおける電力変換装置１０の動作では、スイッチ素子Ｓｐ３、Ｓｐ４をスイッチングすることで、キャパシタＣ３（図１参照）を導線とみなすことができる。 13A shows an example of the first sub-mode of the third basic mode, which can be realized by switching between an upper state 2A and a lower state 2B. In the upper state 2A, the switch elements S p2 , S p3 , and S p6 are turned on (conductive), and the switch elements S p1 , S p4 , and S p5 are turned off (non-conductive). On the other hand, in the lower state 2B, the switch elements S p1 , S p4 , and S p5 are turned on (conductive), and the switch elements S p2 , S p3 , and S p6 are turned off (non-conductive). In the operation of the power conversion device 10 in the first sub-mode of the third basic mode, the capacitor C 3 (see FIG. 1) can be regarded as a conductor by switching the switch elements S p3 and S p4 .
図１３（ｂ）は、第３基本モードの第２サブモードの一例であり、上側の状態３Ａと下側の状態３Ｂとを切り換えることで実現することができる。上側の状態３Ａでは、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ４、Ｓｐ５をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｐ６をオフ（非導通）させる。一方、下側の状態３Ｂでは、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ４、Ｓｐ６をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ３、Ｓｐ５をオフ（非導通）させる。この第３基本モードの第２サブモードにおける電力変換装置１０の動作では、上側の状態３Ａと下側の状態３Ｂとの切り換えにおいて、スイッチ素子Ｓｐ３をオフ（非導通）してＳｐ４をオン（導通）した状態を維持させることにより、キャパシタＣ３に生じる電圧を（Ｅｐｄｃ／２）とし、ハーフブリッジ動作を行うことができる。 13B shows an example of the second submode of the third basic mode, which can be realized by switching between an upper state 3A and a lower state 3B. In the upper state 3A, the switch elements S p1 , S p4 , and S p5 are turned on (conductive) and the switch elements S p2 , S p3 , and S p6 are turned off (non-conductive). On the other hand, in the lower state 3B, the switch elements S p2 , S p4 , and S p6 are turned on (conductive) and the switch elements S p1 , S p3 , and S p5 are turned off (non-conductive). In operation of the power conversion device 10 in the second sub-mode of this third basic mode, when switching between the upper state 3A and the lower state 3B, by maintaining switch element S p3 off (non-conducting) and S p4 on (conducting), the voltage generated across capacitor C 3 is set to (E pdc /2), and half-bridge operation can be performed.
図１４は、第４基本モードの第２サブモードにおける電力変換装置１０の動作例（即ち、図１０（ｂ）に対応する例）を示している。図１４（ａ）は１次側回路１２Ａを示し、図１４（ｂ）は２次側回路１２Ｂを示している。また、図１４では、図１１、図１３と同様に、１次側回路１２Ａにおける各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６、および、２次側回路１２Ｂにおける各スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６を簡略化して図示しており、「ＥＭＰＰ」は、第１機器Ｄ１（バッテリ）の電圧、「Ｅｐｄｃ」は、１次側回路１２Ａの各レグ２１～２３に印加される電圧をそれぞれ示している。「Ｅｉｎｖ」は、変圧器ユニット１１からの出力電圧（第２機器Ｄ２への出力電圧として理解されてもよい）を示している。 FIG. 14 shows an example of operation of the power conversion device 10 in the second sub-mode of the fourth basic mode (i.e., an example corresponding to FIG. 10(b)). FIG. 14(a) shows the primary side circuit 12A, and FIG. 14(b) shows the secondary side circuit 12B. Also, in FIG. 14, similar to FIGS. 11 and 13, each switch element S p1 to S p6 in the primary side circuit 12A and each switch element S s1 to S s6 in the secondary side circuit 12B are illustrated in a simplified manner, with "E MPP " indicating the voltage of the first device D1 (battery), and "E pdc " indicating the voltages applied to the legs 21 to 23 of the primary side circuit 12A. "E inv " indicates the output voltage from the transformer unit 11 (which may be understood as the output voltage to the second device D2).
図１４は、第４基本モードの第２サブモードの一例であり、上側の状態と下側の状態とを切り換えることで実現することができる。図１４（ａ）に示される１次側回路１２Ａの上側の状態４Ａでは、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ４、Ｓｐ６をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｐ５をオフ（非導通）させる。一方、下側の状態４Ｂでは、スイッチ素子Ｓｐ２、Ｓｐ４、Ｓｐ５をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｐ１、Ｓｐ３、Ｓｐ６をオフ（非導通）させる。また、図１４（ｂ）に示される２次側回路１２Ａの上側の状態５Ａでは、スイッチ素子Ｓｓ１、Ｓｓ６をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４、Ｓｐ５をオフ（非導通）させる。一方、下側の状態５Ｂでは、スイッチ素子Ｓｓ２、Ｓｓ５をオン（導通）させ、スイッチ素子Ｓｓ１、Ｓｓ３、Ｓｓ４、Ｓｐ６をオフ（非導通）させる。なお、１次側回路１２Ａにおける各スイッチ素子Ｓｐ１～Ｓｐ６の切り換えタイミングと、２次側回路１２Ｂにおける各スイッチ素子Ｓｓ１～Ｓｓ６の切り換えタイミングとは同時ではなく、図１０（ｂ）に示される動作例に従って行われうる。 Fig. 14 shows an example of the second sub-mode of the fourth basic mode, which can be realized by switching between an upper state and a lower state. In an upper state 4A of the primary circuit 12A shown in Fig. 14(a), the switch elements S p1 , S p4 , and S p6 are turned on (conductive), and the switch elements S p2 , S p3 , and S p5 are turned off (non-conductive). On the other hand, in a lower state 4B, the switch elements S p2 , S p4 , and S p5 are turned on (conductive), and the switch elements S p1 , S p3 , and S p6 are turned off (non-conductive). Also, in an upper state 5A of the secondary circuit 12A shown in Fig. 14(b), the switch elements S s1 and S s6 are turned on (conductive), and the switch elements S s2 , S s3 , S s4 , and S p5 are turned off (non-conductive). On the other hand, in the lower state 5B, the switch elements Ss2 and Ss5 are turned on (conducting), and the switch elements Ss1 , Ss3 , Ss4 , and Sp6 are turned off (non-conducting). Note that the switching timing of each of the switch elements Sp1 to Sp6 in the primary circuit 12A and the switching timing of each of the switch elements Ss1 to Ss6 in the secondary circuit 12B are not simultaneous, but may be performed according to the operation example shown in FIG. 10(b).
上述したように、本実施形態の電力変換装置１０は、第１変圧器Ｔｒ１のみを動作させる第１基本モード、第２変圧器Ｔｒのみを動作させる第２基本モード、第１変圧器Ｔｒ１と第２変圧器Ｔｒ２とを並列に動作させる第３基本モード、第１変圧器Ｔｒ１と第２変圧器Ｔｒ２とを直列に動作させる第４基本モードを選択的に実行可能に構成される。これにより、入出力電圧比が互いに異なる複数の動作モードの各々で動作することができるため、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することができる。 As described above, the power conversion device 10 of this embodiment is configured to be selectively operable in a first basic mode in which only the first transformer Tr1 is operated, a second basic mode in which only the second transformer Tr is operated, a third basic mode in which the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 are operated in parallel, and a fourth basic mode in which the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2 are operated in series. This allows operation in each of a number of operating modes with different input/output voltage ratios, enabling highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
また、本実施形態の電力変換装置１０は、１次側回路１２Ａおよび２次側回路１２Ｂの両方をフルブリッジ動作させる第１サブモード、１次側回路１２Ａのみをハーフブリッジ動作させる第２サブモード、２次側回路１２Ｂのみをハーフブリッジ動作させる第３サブモード、１次側回路１２Ａおよび２次側回路１２Ｂの両方をハーフブリッジ動作させる第４サブモードを選択的に実行可能に構成される。これにより、より多くの動作モードで動作可能となるため、入出力電圧比に応じて動作モードを細かく切り換え、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することが可能となる。 The power conversion device 10 of this embodiment is configured to be able to selectively execute a first sub-mode in which both the primary circuit 12A and the secondary circuit 12B are operated in full-bridge mode, a second sub-mode in which only the primary circuit 12A is operated in half-bridge mode, a third sub-mode in which only the secondary circuit 12B is operated in half-bridge mode, and a fourth sub-mode in which both the primary circuit 12A and the secondary circuit 12B are operated in half-bridge mode. This allows operation in more operating modes, making it possible to finely switch between operating modes depending on the input/output voltage ratio and achieve highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
さらに、本実施形態の電力変換装置１０では、１次側回路１２Ａにおいて、第１変圧器Ｔｒ１の１次側コイル、および第２変圧器Ｔｒ２の１次側コイルがキャパシタＣ３を介して第２接点ｂ２に接続される。このような単純な構成により、１次側回路１２Ａにおいてフルブリッジ動作とハーフブリッジ動作とを選択的に切り換えて行うことが可能となる。同様に、２次側回路１２Ｂにおいて、第１変圧器Ｔｒ１の２次側コイル、および第２変圧器Ｔｒ２の２次側コイルがキャパシタＣ５を介して第５接点ｂ５に接続される。このような単純な構成により、２次側回路１２Ｂにおいてフルブリッジ動作とハーフブリッジ動作とを選択的に切り換えて行うことが可能となる。 Furthermore, in the power conversion device 10 of the present embodiment, in the primary circuit 12A, the primary coil of the first transformer Tr1 and the primary coil of the second transformer Tr2 are connected to the second contact b2 via the capacitor C3 . With such a simple configuration, it is possible to selectively switch between full-bridge operation and half-bridge operation in the primary circuit 12A. Similarly, in the secondary circuit 12B, the secondary coil of the first transformer Tr1 and the secondary coil of the second transformer Tr2 are connected to the fifth contact b5 via the capacitor C5 . With such a simple configuration, it is possible to selectively switch between full-bridge operation and half-bridge operation in the secondary circuit 12B.
＜実施形態のまとめ＞
１．上記実施形態の電力変換装置は、
第１機器（例えばＤ１）と第２機器（例えばＤ２）との間で双方向に電力を供給するための電力変換を行う電力変換装置（例えば１０）であって、
第１変圧器（例えばＴｒ１）と、前記第１変圧器とは巻数比が異なる第２変圧器（例えばＴｒ２）とを含む変圧器ユニット（例えば１１）と、
前記変圧器ユニットの１次側に設けられ、前記第１機器に接続された１次側回路（例えば１２Ａ）と、
前記変圧器ユニットの２次側に設けられ、前記第２機器に接続された２次側回路（例えば１２Ｂ）と、
を備え、
前記１次側回路および前記２次側回路は、前記電力変換装置の動作モードとして、前記第１変圧器のみを動作させる第１モード、前記第２変圧器のみを動作させる第２モード、前記第１変圧器と前記第２変圧器とを並列に動作させる第３モード、前記第１変圧器と前記第２変圧器とを直列に動作させる第４モードを選択的に実行可能に構成されている。
この構成によれば、入出力電圧比が互いに異なる複数の動作モードの各々で動作することができるため、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することができる。
Summary of the embodiment
1. The power conversion device of the above embodiment is
A power conversion device (e.g., 10) that performs power conversion to supply power bidirectionally between a first device (e.g., D1) and a second device (e.g., D2),
A transformer unit (e.g., 11) including a first transformer (e.g., Tr1) and a second transformer (e.g., Tr2) having a different turn ratio from that of the first transformer;
A primary circuit (e.g., 12A) provided on the primary side of the transformer unit and connected to the first device;
A secondary circuit (e.g., 12B) provided on the secondary side of the transformer unit and connected to the second device;
Equipped with
The primary side circuit and the secondary side circuit are configured to selectively execute, as operating modes of the power conversion device, a first mode in which only the first transformer is operated, a second mode in which only the second transformer is operated, a third mode in which the first transformer and the second transformer are operated in parallel, and a fourth mode in which the first transformer and the second transformer are operated in series.
According to this configuration, since it is possible to operate in each of a plurality of operation modes having mutually different input/output voltage ratios, it is possible to perform highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
２．上記実施形態において、
前記１次側回路および前記２次側回路は、前記電力変換装置の動作モードとして、前記１次側回路および前記２次側回路の両方をフルブリッジ動作させる第１サブモード、前記１次側回路のみをハーフブリッジ動作させる第２サブモード、前記２次側回路のみをハーフブリッジ動作させる第３サブモード、前記１次側回路および前記２次側回路の両方をハーフブリッジ動作させる第４サブモードを選択的に実行可能に構成されている。
この構成によれば、より多くの動作モードで動作可能となるため、入出力電圧比に応じて動作モードを細かく切り換え、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することが可能となる。
2. In the above embodiment,
The primary side circuit and the secondary side circuit are configured to be able to selectively execute, as operating modes of the power conversion device, a first sub-mode in which both the primary side circuit and the secondary side circuit are operated in full-bridge operation, a second sub-mode in which only the primary side circuit is operated in half-bridge operation, a third sub-mode in which only the secondary side circuit is operated in half-bridge operation, and a fourth sub-mode in which both the primary side circuit and the secondary side circuit are operated in half-bridge operation.
According to this configuration, since operation in more operation modes is possible, the operation mode can be switched finely according to the input/output voltage ratio, and highly efficient power conversion can be achieved over a wider range of input/output voltage ratios.
３．上記実施形態において、
前記第１モード、前記第２モードおよび前記第３モードの各々において、前記第１サブモード、前記第２サブモード、前記第３サブモードおよび前記第４サブモードの各々が選択的に実行可能であり、
前記第４モードにおいて、前記第２サブモード、前記第３サブモードおよび前記第４サブモードの各々が選択的に実行可能である。
この構成によれば、１５種類の動作モードを選択的に実行することができ、より幅広い入出力電圧比において高効率に電力変換することが可能となる。
3. In the above embodiment,
In each of the first mode, the second mode, and the third mode, each of the first sub-mode, the second sub-mode, the third sub-mode, and the fourth sub-mode is selectively executable;
In the fourth mode, each of the second sub-mode, the third sub-mode, and the fourth sub-mode is selectively executable.
According to this configuration, 15 different operation modes can be selectively executed, enabling highly efficient power conversion over a wider range of input/output voltage ratios.
４．上記実施形態において、
前記１次側回路に含まれる複数のスイッチ素子（例えばＳｐ１～Ｓｐ６）と前記２次側回路に含まれる複数のスイッチ素子（例えばＳｓ１～Ｓｓ６）とを制御することにより動作モードが切り換えられる。
この構成によれば、１次側回路および２次側回路における複数のスイッチ素子のオン／オフ制御により、入出力電圧比に応じて動作モードを適切に切り換えることができる。
4. In the above embodiment,
The operation mode is switched by controlling a plurality of switch elements (eg, S p1 to S p6 ) included in the primary circuit and a plurality of switch elements (eg, S s1 to S s6 ) included in the secondary circuit.
According to this configuration, the operation mode can be appropriately switched according to the input/output voltage ratio by controlling the on/off of a plurality of switch elements in the primary circuit and the secondary circuit.
５．上記実施形態において、
前記１次側回路は、第１接点（例えばｂ１）を介して直列接続された２つの第１スイッチ素子（例えばＳｐ１、Ｓｐ２）を含む第１レグ（例えば２１）と、第２接点（例えばｂ２）を介して直列接続された２つの第２スイッチ素子（例えばＳｐ３、Ｓｐ４）を含む第２レグ（例えば２２）と、第３接点（例えばｂ３）を介して直列接続された２つの第３スイッチ素子（例えばＳｐ５、Ｓｐ６）を含む第３レグ（例えば２３）と、を有し、
前記２次側回路は、第４接点（例えばｂ４）を介して直列接続された２つの第４スイッチ素子（例えばＳｓ１、Ｓｓ２）を含む第４レグ（例えば２４）と、第５接点（例えばｂ５）を介して直列接続された２つの第５スイッチ素子（例えばＳｓ３、Ｓｓ４）を含む第５レグ（例えば２５）と、第６接点（例えばｂ６）を介して直列接続された２つの第６スイッチ素子（例えばＳｓ５、Ｓｓ６）を含む第６レグ（２６）と、を有し、
前記第１変圧器の１次側コイルは、一端が前記第１接点に接続され、他端が前記第２接点に接続されるように配置され、
前記第２変圧器の１次側コイルは、一端が前記第２接点に接続され、他端が前記第３接点に接続されるように配置され、
前記第１変圧器の２次側コイルは、一端が前記第４接点に接続され、他端が前記第５接点に接続されるように配置され、
前記第２変圧器の２次側コイルは、一端が前記第５接点に接続され、他端が前記第６接点に接続されるように配置されている。
この構成によれば、第１～第４モード（第１～第４基本モード）を選択的に実行することができる電力変換装置が実現可能となる。さらには、第１～第４サブモードを選択的に実行することができる電力変換装置が実現可能となる。
5. In the above embodiment,
The primary side circuit has a first leg (e.g., 21) including two first switch elements (e.g., S p1 , S p2 ) connected in series via a first contact (e.g., b 1 ), a second leg (e.g., 22 ) including two second switch elements (e.g., S p3 , S p4 ) connected in series via a second contact (e.g., b 2 ), and a third leg (e.g., 23) including two third switch elements (e.g., S p5 , S p6 ) connected in series via a third contact (e.g., b 3 ),
The secondary side circuit has a fourth leg (e.g., 24 ) including two fourth switch elements (e.g., Ss1 , Ss2 ) connected in series via a fourth contact (e.g., b4), a fifth leg (e.g., 25 ) including two fifth switch elements (e.g., Ss3 , Ss4 ) connected in series via a fifth contact (e.g., b5), and a sixth leg ( 26 ) including two sixth switch elements (e.g., Ss5 , Ss6 ) connected in series via a sixth contact (e.g., b6),
a primary coil of the first transformer is arranged such that one end is connected to the first contact and the other end is connected to the second contact;
a primary coil of the second transformer is arranged such that one end is connected to the second contact and the other end is connected to the third contact;
a secondary coil of the first transformer is disposed so that one end is connected to the fourth contact and the other end is connected to the fifth contact;
The secondary coil of the second transformer is arranged so that one end is connected to the fifth contact and the other end is connected to the sixth contact.
This configuration makes it possible to realize a power conversion device that can selectively execute the first to fourth modes (first to fourth basic modes) and further, a power conversion device that can selectively execute the first to fourth sub-modes.
６．上記実施形態において、
前記第１レグ、前記第２レグおよび前記第３レグの各々は、一端が第１ライン（例えばａ１）に接続され、他端が第２ライン（例えばａ２）に接続されるように配置され、
前記第１ラインは、キャパシタ（例えばＣ１）を介して前記第２ラインに接続され、
前記第１機器は、一端が前記第２ラインに接続され、他端が前記第１接点および前記第３接点に接続されるように配置されている。
この構成によれば、第１～第４モード（第１～第４基本モード）を選択的に実行することができる電力変換装置が実現可能となる。さらには、第１～第４サブモードを選択的に実行することができる電力変換装置が実現可能となる。
6. In the above embodiment,
Each of the first leg, the second leg, and the third leg is arranged such that one end is connected to a first line (e.g., a1 ) and the other end is connected to a second line (e.g., a2 );
the first line is connected to the second line via a capacitor (e.g., C1 );
The first device is arranged such that one end is connected to the second line and the other end is connected to the first contact and the third contact.
This configuration makes it possible to realize a power conversion device that can selectively execute the first to fourth modes (first to fourth basic modes) and further, a power conversion device that can selectively execute the first to fourth sub-modes.
７．上記実施形態において、
前記第１機器の前記他端は、インダクタを介して前記第１接点に接続されている。
この構成によれば、第１機器の両端電圧よりも高い電圧を各変圧器に印加でき，各変圧器の巻数比に対応する変圧比より更に高い変圧比（昇圧比）を達成することができる。
7. In the above embodiment,
The other end of the first device is connected to the first contact via an inductor.
With this configuration, a voltage higher than the voltage across the first device can be applied to each transformer, and a transformation ratio (step-up ratio) higher than the transformation ratio corresponding to the turns ratio of each transformer can be achieved.
８．上記実施形態において、
前記第１機器の前記他端は、インダクタを介して前記第３接点に接続されている。
この構成によれば、第１機器の両端電圧よりも高い電圧を各変圧器に印加でき，各変圧器の巻数比に対応する変圧比より更に高い変圧比（昇圧比）を達成することができる。
8. In the above embodiment,
The other end of the first device is connected to the third contact via an inductor.
With this configuration, a voltage higher than the voltage across the first device can be applied to each transformer, and a transformation ratio (step-up ratio) higher than the transformation ratio corresponding to the turns ratio of each transformer can be achieved.
９．上記実施形態において、
前記第４レグ、前記第５レグおよび前記第６レグの各々は、一端が第３ライン（例えばａ３）に接続され、他端が第４ライン（例えばａ４）に接続されるように配置され、
前記第２機器は、一端が前記第３ラインに接続され、他端が前記第４ラインに接続されるように配置されている。
この構成によれば、第１～第４モード（第１～第４基本モード）を選択的に実行することができる電力変換装置が実現可能となる。さらには、第１～第４サブモードを選択的に実行することができる電力変換装置が実現可能となる。
9. In the above embodiment,
Each of the fourth leg, the fifth leg, and the sixth leg is arranged such that one end is connected to a third line (e.g., a3 ) and the other end is connected to a fourth line (e.g., a4 );
The second device is arranged such that one end is connected to the third line and the other end is connected to the fourth line.
This configuration makes it possible to realize a power conversion device that can selectively execute the first to fourth modes (first to fourth basic modes) and further, a power conversion device that can selectively execute the first to fourth sub-modes.
１０．上記実施形態において、
前記第１変圧器の１次側コイルおよび前記第２変圧器の１次側コイルは、第２キャパシタ（例えばＣ３）を介して前記第２接点に接続されている。
この構成によれば、１次側回路においてハーフブリッジ動作を行うことが可能となるとともに、第１変圧器Ｔｒ１および第２変圧器Ｔｒ２のコイル電流に直流電流成分が生じる直流偏磁を低減することもできる。
10. In the above embodiment,
The primary coil of the first transformer and the primary coil of the second transformer are connected to the second contact via a second capacitor (eg, C 3 ).
According to this configuration, it is possible to perform a half-bridge operation in the primary circuit, and it is also possible to reduce DC bias magnetism that generates a DC current component in the coil current of the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2.
１１．上記実施形態において、
前記第１変圧器の２次側コイルおよび前記第２変圧器の２次側コイルは、第３キャパシタ（例えばＣ５）を介して前記第５接点に接続されている。
この構成によれば、２次側回路においてハーフブリッジ動作を行うことが可能となるとともに、第１変圧器Ｔｒ１および第２変圧器Ｔｒ２の励磁電流に直流電流成分が生じる直流偏磁を低減することもできる。
11. In the above embodiment,
The secondary coil of the first transformer and the secondary coil of the second transformer are connected to the fifth node via a third capacitor (eg, C 5 ).
According to this configuration, it is possible to perform a half-bridge operation in the secondary circuit, and it is also possible to reduce DC bias magnetism that generates a DC current component in the excitation current of the first transformer Tr1 and the second transformer Tr2.
１２．上記実施形態において、
前記第１機器は、バッテリであり、
前記第２機器は、前記第１機器から電力が供給される負荷、または、前記第１機器に電力を供給する電源である。
この構成によれば、第１機器としてのバッテリから第２機器としての負荷への電力供給、および第２機器としての電源から第１機器としてのバッテリへの電力供給の双方向給電が可能である。
12. In the above embodiment,
the first device is a battery;
The second device is a load to which power is supplied from the first device, or a power source that supplies power to the first device.
According to this configuration, it is possible to perform bidirectional power supply from the battery as the first device to the load as the second device, and from the power source as the second device to the battery as the first device.
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the present invention.
１０：電力変換装置、１１：変圧器ユニット、Ｔｒ１：第１変圧器、Ｔｒ２：第２変圧器、１２Ａ：１次側回路、１２Ｂ：２次側回路、２１～２６：第１～第６レグ、Ｓｐ１～Ｓｐ６：１次側回路のスイッチ素子、Ｓｓ１～Ｓｓ６：２次側回路のスイッチ素子 10: power conversion device, 11: transformer unit, Tr1: first transformer, Tr2: second transformer, 12A: primary circuit, 12B: secondary circuit, 21 to 26: first to sixth legs, S p1 to S p6 : switch elements of the primary circuit, S s1 to S s6 : switch elements of the secondary circuit
Claims (12)
第１変圧器と、前記第１変圧器とは巻数比が異なる第２変圧器とを含む変圧器ユニットと、
前記変圧器ユニットの１次側に設けられ、前記第１機器に接続された１次側回路と、
前記変圧器ユニットの２次側に設けられ、前記第２機器に接続された２次側回路と、
を備え、
前記１次側回路は、第１接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第１レグと、第２接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第２レグと、第３接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第３レグと、を有し、
前記２次側回路は、第４接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第４レグと、第５接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第５レグと、第６接点を介して直列接続された２つのスイッチ素子を含む第６レグと、を有し、
前記第１変圧器の１次側コイルの一端が前記第１接点に接続され、他端が前記第２接点に接続され、
前記第２変圧器の１次側コイルの一端が前記第２接点に接続され、他端が前記第３接点に接続され、
前記第１変圧器の２次側コイルの一端が前記第４接点に接続され、他端が前記第５接点に接続され、
前記第２変圧器の２次側コイルの一端が前記第５接点に接続され、他端が前記第６接点に接続され、
前記１次側回路および前記２次側回路は、前記電力変換装置の動作モードとして、前記第１変圧器のみを動作させる第１モード、前記第２変圧器のみを動作させる第２モード、前記第１変圧器と前記第２変圧器とを並列に動作させる第３モード、前記第１変圧器と前記第２変圧器とを直列に動作させる第４モードを選択的に実行可能に構成されている、ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device that performs power conversion to supply power bidirectionally between a first device and a second device,
a transformer unit including a first transformer and a second transformer having a turns ratio different from that of the first transformer;
a primary side circuit provided on a primary side of the transformer unit and connected to the first device;
a secondary circuit provided on a secondary side of the transformer unit and connected to the second device;
Equipped with
the primary side circuit has a first leg including two switch elements connected in series via a first contact, a second leg including two switch elements connected in series via a second contact, and a third leg including two switch elements connected in series via a third contact,
the secondary side circuit has a fourth leg including two switch elements connected in series via a fourth contact, a fifth leg including two switch elements connected in series via a fifth contact, and a sixth leg including two switch elements connected in series via a sixth contact,
One end of a primary coil of the first transformer is connected to the first contact and the other end is connected to the second contact,
one end of a primary coil of the second transformer is connected to the second contact and the other end is connected to the third contact;
one end of a secondary coil of the first transformer is connected to the fourth contact and the other end is connected to the fifth contact;
one end of a secondary coil of the second transformer is connected to the fifth contact and the other end is connected to the sixth contact;
a first mode in which only the first transformer is operated, a second mode in which only the second transformer is operated, a third mode in which the first transformer and the second transformer are operated in parallel, and a fourth mode in which the first transformer and the second transformer are operated in series, as operating modes of the power conversion device, the primary side circuit and the secondary side circuit are configured to be selectively executable.
前記第４モードにおいて、前記第２サブモード、前記第３サブモードおよび前記第４サブモードの各々が選択的に実行可能である、
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。 In each of the first mode, the second mode, and the third mode, each of the first sub-mode, the second sub-mode, the third sub-mode, and the fourth sub-mode is selectively executable;
In the fourth mode, each of the second sub-mode, the third sub-mode, and the fourth sub-mode is selectively executable.
3. The power conversion device according to claim 2.
前記第１ラインは、キャパシタを介して前記第２ラインに接続され、
前記第１機器は、一端が前記第２ラインに接続され、他端が前記第１接点および前記第３接点に接続されるように配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。 each of the first leg, the second leg, and the third leg is arranged such that one end is connected to a first line and the other end is connected to a second line;
the first line is connected to the second line via a capacitor;
The first device is arranged such that one end is connected to the second line and the other end is connected to the first contact and the third contact.
5. The power conversion device according to claim 1, wherein the first and second electrodes are electrically connected to each other .
前記第２機器は、一端が前記第３ラインに接続され、他端が前記第４ラインに接続されるように配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力変換装置。 each of the fourth leg, the fifth leg, and the sixth leg is arranged such that one end is connected to the third line and the other end is connected to the fourth line;
the second device is arranged such that one end is connected to the third line and the other end is connected to the fourth line;
8. The power conversion device according to claim 1, wherein the first and second electrodes are electrically connected to each other.
前記第２機器は、前記第１機器から電力が供給される負荷、または、前記第１機器に電力を供給する電源である、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。 the first device is a battery;
The second device is a load to which power is supplied from the first device, or a power source that supplies power to the first device.
11. The power conversion device according to claim 1 .
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