(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、
前記一次巻線と直列に接続される第１のスイッチング手段と、
前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、
直列に接続された前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第２のスイッチング手段及び当該第２のスイッチング手段と直列に接続される第３のスイッチング手段とを備え、
前記一次巻線及び第１のスイッチング手段の両端と、前記第２のスイッチング手段及び第３のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴とする双方向直流−直流変換装置。
【請求項２】
一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、
前記一次巻線と直列に接続される第１のスイッチング手段と、
前記一次巻線及び第１のスイッチング手段の両端に接続される第２のスイッチング手段と、
前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、
前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第３のスイッチング手段及び当該第３のスイッチング手段と直列に接続される第４のスイッチング手段とを備え、
前記一次巻線の予め設定した中途取り出し点と前記第１のスイッチング手段の前記一次巻線側とは逆側の端部との間と、前記第３のスイッチング手段及び第４のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴とする双方向直流−直流変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源等からの直流入力を変圧器を介して任意の直流出力に変換するようにした直流−直流変換装置に関し、特に、変圧器の一次側及び二次側の何れもが入力或いは出力となり得る双方向直流−直流変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流入力を直流出力に変換し且つ双方向に変換可能な直流−直流変換装置としては、例えば、図７に示すようなものがある。
この直流−直流変換装置１０は、逆極性に接続された絶縁型変圧器２を備えて構成され、その一次巻線２１と直列に、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチＳＷ３１が接続されている。また、前記スイッチＳＷ３１には、逆並列にダイオードＤ３１が接続されている。そして、これら直列に接続された一次巻線２１及びスイッチＳＷ３１が正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に接続され、さらに、これら直列に接続された一次巻線２１及びスイッチＳＷ３１と並列に正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 間に、平滑コンデンサＣ１が接続されている。
【０００３】
同様に、二次巻線２２と直列にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチＳＷ４１が接続され、このスイッチＳＷ４１と逆並列にダイオードＤ４１が接続されている。そして、これら直列に接続された二次巻線２２及びスイッチＳＷ４１が正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に接続され、さらに、これら直列に接続された二次巻線２２及びスイッチＳＷ４１と並列に正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 間に、平滑コンデンサＣ２が接続されている。
【０００４】
図８及び図９は、直流−直流変換装置１０の各部の波形を示したものである。なお、図８は、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 側を入力側、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 側を出力側とした場合の波形図、図９は、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 側を入力側、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 側を出力側とした場合の波形図を表したものである。
また、（ａ）はスイッチＳＷ３１のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ31又はスイッチＳＷ４１のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ41を表し、（ｂ）はスイッチＳＷ３１のドレイン・ソース間の電圧Ｖ31と、スイッチＳＷ３１及びダイオードＤ３１を流れる電流Ｉ31とを表し、スイッチＳＷ３１のドレイン電流を正、ダイオードＤ３１を流れる電流を負としている。（ｃ）はスイッチＳＷ４１のドレイン・ソース間の電圧Ｖ41と、スイッチＳＷ４１及びダイオードＤ４１を流れる電流Ｉ41とを表し、スイッチＳＷ４１のドレイン電流を正、ダイオードＤ４１を流れる電流を負としている。
【０００５】
また、（ｄ）は変圧器２の一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21、（ｅ）は変圧器２の二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22、（ｆ）は平滑コンデンサＣ１及びＣ２の両端の電圧ＶC1及びＶC2を表している。
図７において、図示しない直流電源を、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に接続して直流電力を供給し、図８に示すように、時点ｔ21でスイッチＳＷ３１をオン状態に制御すると（図８（ａ））、スイッチＳＷ３１が導通状態となり、一次巻線２１に、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 間への入力電圧が印加される（図８（ｄ））。これによって、一次巻線２１に励磁電流が流れ、スイッチＳＷ３１を流れる電流Ｉ31は直線的に増加し（図８（ｂ））、変圧器２にエネルギを蓄える。
【０００６】
このとき、変圧器２は逆極性となっているから、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22は逆極性（図８（ｅ））となり、ダイオードＤ４１に逆電圧がかかることになるから、ダイオードＤ４１に電流は流れない（図８（ｃ））。
また、スイッチＳＷ３１は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ31は略零となり（図８（ｂ））、また、スイッチＳＷ４１の両端の電圧Ｖ41は平滑コンデンサＣ２の両端の電圧ＶC2と同等となる（図８（ｃ））。
【０００７】
この状態から、時点ｔ22でスイッチＳＷ３１をオフ状態に切り換えると（図８（ａ））、変圧器２に逆起電力が発生することから（図８（ｄ）、（ｅ））、ダイオードＤ４１が導通し、ダイオードＤ４１、二次巻線２２、コンデンサＣ２の経路で電流が流れ、変圧器２に蓄えられたエネルギが二次巻線２２により放出されて、平滑コンデンサＣ２及び正側端子Ｐ2 に供給される。また、ダイオードＤ４１を流れる電流Ｉ41は直線的に変化する（図８（ｃ））。
【０００８】
そして、時点ｔ23で、スイッチＳＷ３１をオン状態に切り換えると、上記の時点ｔ21と同様に動作し、このとき、変圧器２に蓄えられたエネルギを二次側に放出しきれないうちに、スイッチＳＷ３１がオン状態に切り換わった場合には、図８（ｂ）に示すように、残留エネルギが、スイッチＳＷ３１を流れる電流Ｉ31に、直流分として重畳される。続いて、時点ｔ24で、スイッチＳＷ３１をオフ状態に切り換え、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧ＶC2が一定となるように、スイッチＳＷ３１をオン・オフ制御することによって、上記と同様の動作が繰り返し行われて、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に直流電力が供給される。
【０００９】
逆に、図７において、図示しない直流電源を、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に接続して直流電力を供給するようにした場合には、図９に示すように、時点ｔ26でスイッチＳＷ４１をオン状態に制御すると（図９（ａ））、二次巻線２２に、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 への入力電圧が印加されることから（図９（ｅ））、スイッチＳＷ４１を流れる電流Ｉ41が直線的に増加する（図９（ｃ））。このとき、変圧器２は逆極性となっているため、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21は逆極性（図９（ｄ））となり、ダイオードＤ３１に逆電圧がかかることになり、ダイオードＤ３１に電流Ｉ31は流れない（図９（ｂ））。
【００１０】
また、スイッチＳＷ４１は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ41は略零となる（図９（ｃ））。
この状態から、時点ｔ27でスイッチＳＷ４１をオフ状態に切り換えると（図９（ａ））、変圧器２に逆起電力が発生することから（図９（ｄ）、（ｅ））、ダイオードＤ３１が導通し、ダイオードＤ３１、一次巻線２１、平滑コンデンサＣ１の経路で電流が流れ、変圧器２に蓄えられたエネルギが一次巻線２１により放出されて、平滑コンデンサＣ１及び正側端子Ｐ1 に供給され、ダイオードＤ３１を流れる電流Ｉ31は直線的に変化する（図９（ｂ））。
【００１１】
そして、変圧器２に蓄えられたエネルギを一次側に放出し終わった後（図９（ｂ））、時点ｔ28でスイッチＳＷ４１をオン状態に切り換えると、上記の時点ｔ26と同様に動作し、スイッチＳＷ４１を、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧が一定となるように、オン・オフ制御することによって、上記と同様の動作が繰り返し行われて、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に直流電力が供給される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、スイッチＳＷ３１又はＳＷ４１を流れる電流Ｉ31、Ｉ41は直線的に変化するため、図８の時点ｔ22或いは時点ｔ24でスイッチＳＷ３１をオフに切り換えるとき、或いは図９の時点ｔ27或いは時点ｔ29でスイッチＳＷ４１をオフに切り換えるときに、遮断電流が大きくなり、スイッチング損失が大きいという問題がある。
【００１３】
また、スイッチＳＷ３１、ＳＷ４１がオフ制御されている期間に、これらスイッチＳＷ３１、ＳＷ４１のドレイン・ソース間には、場合によっては入力電圧の二倍程度の電圧が印加されるため、耐圧の高い素子が必要となる。このように耐圧の高い素子は、オン抵抗が大きく、導通損失が増加し、このような導通損失の増加は、半導体スイッチ素子の発熱につながり、また、電力変換効率が低下することになる。
【００１４】
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、半導体スイッチング素子の遮断電流及び発熱を低減し、電力変換効率を向上させることの可能な双方向直流−直流変換装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る双方向直流−直流変換装置は、一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、前記一次巻線と直列に接続される第１のスイッチング手段と、前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、直列に接続された前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第２のスイッチング手段及び当該第２のスイッチング手段と直列に接続される第３のスイッチング手段とを備え、前記一次巻線及び第１のスイッチング手段の両端と、前記第２のスイッチング手段及び第３のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴としている。
【００１６】
この請求項１に係る発明では、一次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第１及び第３のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させコンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第１のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第１及び第３のスイッチング手段を遮断し第２のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させる。このとき、第１のスイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、第１のスイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【００１７】
逆に、二次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第１及び第３のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させコンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第３のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第１及び第３のスイッチング手段を遮断し第２のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させる。このとき、第３のスイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、第３のスイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【００１８】
また、請求項２に係る双方向直流−直流変換装置は、一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、前記一次巻線と直列に接続される第１のスイッチング手段と、前記一次巻線及び第１のスイッチング手段の両端に接続される第２のスイッチング手段と、前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第３のスイッチング手段及び当該第３のスイッチング手段と直列に接続される第４のスイッチング手段とを備え、前記一次巻線の予め設定した中途取り出し点と前記第１のスイッチング手段の前記一次巻線側とは逆側の端部との間と、前記第３のスイッチング手段及び第４のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴としている。
【００１９】
この請求項２に係る発明では、一次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第１及び第４のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させ、コンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第１のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第１及び第４のスイッチング手段を遮断させ、第２及び第３のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させると共に、第２のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。このとき、各スイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、各スイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【００２０】
逆に、二次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第１及び第４のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させコンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第４のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第１及び第４のスイッチング手段を遮断し第２及び第３のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させると共に、第３のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。このとき、各スイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、各スイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流−直流変換装置１０の回路図である。図１に示すように、この直流−直流変換装置１０は、一次側及び二次側が同極性となるように接続された絶縁型変圧器２を備えて構成され、変圧器２の一次巻線２１と直列に、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチＳＷ３１が接続されている。また、前記スイッチＳＷ３１には、逆並列にダイオードＤ３１が接続されている。そして、これら直列に接続された一次巻線２１及びスイッチＳＷ３１が正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に接続され、さらに、これら直列に接続された一次巻線２１及びスイッチＳＷ３１と並列に、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 間に、平滑コンデンサＣ１が接続されている。
【００２２】
一方、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 間には、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチＳＷ４２及びこれと直列に接続されたスイッチＳＷ４１が接続されている。さらに、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 間に平滑コンデンサＣ２が接続されている。
前記スイッチＳＷ４１及びＳＷ４２には、それぞれ、逆並列にダイオードＤ４１及びＤ４２が接続されている。そして、スイッチＳＷ４２のドレイン及びソース間に、変圧器２の二次巻線２２及びこれと直列に接続されたコンデンサＣ３が接続されている。
【００２３】
次に、上記第１の実施の形態の動作を説明する。
図２及び図３は、直流−直流変換装置１０の各部の波形を示したものであり、図２は、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 側を入力側、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 側を出力側とした場合の波形を表し、図３は、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 側を入力側、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 側を出力側とした場合の波形を表したものである。
【００２４】
なお、図２及び図３において、（ａ）はスイッチＳＷ３１のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ31、スイッチＳＷ４１のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ41及びスイッチＳＷ４２のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ42を表している。（ｂ）はスイッチＳＷ３１のドレイン・ソース間の電圧Ｖ31と、スイッチＳＷ３１及びダイオードＤ３１を流れる電流Ｉ31とを表したものであって、スイッチＳＷ３１のドレイン電流を正、ダイオードＤ３１を流れる電流を負としている。（ｃ）はスイッチＳＷ４１及びＳＷ４２のドレイン・ソース間の電圧Ｖ41、Ｖ42と、スイッチＳＷ４１及びダイオードＤ４１を流れる電流Ｉ41と、スイッチＳＷ４２及びダイオードＤ４２を流れる電流Ｉ42とを表したものであって、スイッチＳＷ４１、ＳＷ４２のドレイン電流を正、ダイオードＤ４１、Ｄ４２を流れる電流を負としている。また、実線がスイッチＳＷ４１又はダイオードＤ４１に対応し、破線がスイッチＳＷ４２又はダイオードＤ４２に対応している。
【００２５】
また、（ｄ）は変圧器２の一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21、（ｅ）は変圧器２の二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22、（ｆ）はコンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3、（ｇ）は平滑コンデンサＣ１及びＣ２の両端の電圧ＶC1、ＶC2を表している。
図１において、図示しない直流電源を、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に接続して直流電力を供給し、図２に示すように、時点ｔ1 でスイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ４２をオフ状態に制御すると（図２（ａ））、スイッチＳＷ３１は導通状態となり、一次巻線２１に正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 間への入力電圧が印加される（図２（ｄ））。これにより、一次巻線２１に一次電流が流れて、二次巻線２２にエネルギを伝達する。変圧器２は同極性であるから、ダイオード４１、コンデンサＣ３、二次巻線２２、平滑コンデンサＣ２の経路で電流が流れ、変圧器２のインダクタンス及びコンデンサ３の共振によって、ダイオードＤ４１を流れる電流Ｉ41（図２（ｃ））は正弦波状に増減し、これに伴って、スイッチＳＷ３１を流れる電流Ｉ31も正弦波状に増減する（図２（ｂ））。
【００２６】
前記二次巻線２２のエネルギは、正側端子Ｐ2 を介して図示しない負荷に供給されると共に、コンデンサＣ３に電荷を蓄え、これに伴ってコンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3（図２（ｆ））が正弦波状に減少すると、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図２（ｅ））は、逆に、正弦波状に増加する。
このとき、スイッチＳＷ３１及びスイッチＳＷ４１は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ31及びＶ41は略零となり（図２（ｃ））、また、スイッチＳＷ４２の両端には、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22とコンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3との差電圧が印加されることになり（図２（ｃ））、ほぼ一定値となりこれが出力電圧となる。
【００２７】
この状態から、時点ｔ2 でスイッチＳＷ３１及びＳＷ４１をオフ、スイッチＳＷ４２をオンに切り換えると（図２（ａ））、コンデンサＣ３に蓄えられていた電荷により、コンデンサＣ３、ダイオードＤ４２、二次巻線２２の経路で電流が流れ、ダイオードＤ４２を流れる電流Ｉ42（図２（ｃ））は、正弦波状に減少する。
これに伴って、コンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3（図２（ｆ））は正弦波状に増加し、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図２（ｅ））は逆極性となり正弦波状に増加する。また、ダイオードＤ４２、二次巻線２２を流れる電流が正弦波状に減少することに伴って、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21（図２（ｄ））は逆極性の正弦波状に増加する電圧となる。また、スイッチＳＷ３１の両端の電圧Ｖ31（図２（ｂ））は、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21とは逆極性となり、正弦波状に増加する。
【００２８】
このとき、スイッチＳＷ４２は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ42は略零となり、また、スイッチＳＷ４１の両端の電圧Ｖ41は、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧ＶC2と同等となる（図２（ｃ））。
そして、時点ｔ3 で、再度、スイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ４２をオフに制御し、平滑コンデンサＣ2 の両端の電圧が一定となるように、上記と同様に順次、各スイッチＳＷ３１〜ＳＷ４２を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に直流電力が供給される。
【００２９】
逆に、図１において、図示しない直流電源を、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に接続して直流電力を供給し、図３に示すように、時点ｔ6 でスイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ４２をオフ状態に制御すると（図３（ａ））、二次巻線２２には、正側端子Ｐ2 及びＮ2 間への入力電圧と、コンデンサＣ３の電圧ＶC3との差電圧が印加される。これによって、変圧器２のインダクタンスとコンデンサＣ３とが共振し、二次巻線２２、コンデンサＣ３、スイッチＳＷ４１の経路で電流が流れてコンデンサＣ３に電荷が蓄えられ、スイッチＳＷ４１を流れる電流Ｉ41は正弦波状に増減する（図３（ｃ））。また、ダイオードＤ３１、一次巻線２１、平滑コンデンサＣ１の経路で電流が流れると共に、正側端子Ｐ1 を介して図示しない負荷にエネルギを供給し、ダイオードＤ３１を流れる電流Ｉ31は正弦波状に増減し（図３（ｂ））、コンデンサＣ３に電荷が蓄えられ、これに伴ってその両端の電圧ＶC3（図３（ｆ））が正弦波状に増加すると、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図３（ｅ））は逆に正弦波状に減少する。また、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21（図３（ｄ））は、コンデンサＣ１の両端の電圧ＶC1と同等となりこれが出力電圧となる。
【００３０】
このとき、スイッチＳＷ３１及びスイッチＳＷ４１は導通状態であるから、その両端の電圧Ｖ31及びＶ41は略零となり、また、スイッチＳＷ４２の両端には、入力電圧が印加されることになる（図３（ｂ）、（ｃ））。
この状態から、時点ｔ7 で、スイッチＳＷ３１及びＳＷ４１をオフ、スイッチＳＷ４２をオンに切り換えると（図３（ａ））、ダイオードＤ４２に電流が流れコンデンサＣ３に電荷が蓄えられた後、コンデンサＣ３に蓄えられた電荷によってスイッチＳＷ４２を流れる電流Ｉ42（図３（ｃ））が正弦波状に増加し、コンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3が正弦波状に減少する（図３（ｆ））。二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図３（ｅ））は、逆極性となり、コンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3の減少に伴って、逆に増加する。
【００３１】
また、スイッチＳＷ４２、二次巻線２２を流れる電流Ｉ42が正弦波状に増加することに伴って、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21（図３（ｄ））は、逆極性となり正弦波状に減少し、スイッチＳＷ３１の両端の電圧Ｖ31（図３（ｂ））は、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21とは逆極性となり、正弦波状に減少する。
このとき、スイッチＳＷ４２は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ42は略零となり、また、スイッチＳＷ４１の両端の電圧Ｖ41は、入力電圧と同等となる（図３（ｃ））。
【００３２】
そして、時点ｔ8 で、再度、スイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ４２をオフに制御し、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧が一定となるように、上記と同様にして順次、各スイッチＳＷ３１〜ＳＷ４２を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に直流電力が供給される。
ここで、図２及び図３に示すように、スイッチＳＷ３１及びＳＷ４１に流れる電流は、正弦波状の電流である。したがって、図８或いは図９に示す従来と比較して、スイッチＳＷ３１或いはＳＷ４１を遮断する際の、遮断電流を小さくできることがわかる。また、スイッチＳＷ４１及びＳＷ４２に印加される電圧は、入力電圧或いは出力電圧とほぼ同等となる。
【００３３】
したがって、従来は入力電圧の二倍程度の電圧が印加されていたのに対し、大幅に印加電圧を低減することができる。よって、スイッチの遮断電流を小さくし、スイッチング損失を低減することができると共に、耐圧の低い素子を適用することができるから、スイッチの発熱を低減し、電力変換効率を向上させることができる。
なお、第１の実施の形態は請求項１に対応し、スイッチＳＷ３１及びダイオードＤ３１が第１のスイッチング手段に対応し、スイッチＳＷ４２及びダイオードＤ４２が第２のスイッチング手段に対応し、スイッチＳＷ４１及びダイオードＤ４１が第３のスイッチング手段に対応している。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
この第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態における直流−直流変換装置１０において、変圧器２の一次側の構成が異なること以外は同一である。よって、同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
第２の実施の形態においては、図４に示すように、一次巻線２１にさらに、一次巻線２１ｒが巻き上げられている。つまり、一次巻線２１ｒの一端は、一次巻線２１と正側端子Ｐ1 との接続点に接続され、一次巻線２１ｒの他端は、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチＳＷ３２を介して、スイッチＳＷ３１のソース側に接続されている。そして、スイッチＳＷ３２には、逆並列にダイオードＤ３２が接続されている。なお、前記一次巻線２１と一次巻線２１ｒの巻線数は等しくなるように設定されている。
【００３５】
次に、上記第２の実施の形態の動作を説明する。
図５及び図６は、直流−直流変換装置１０の各部の波形を示したものであり、図５は、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 側を入力側、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 側を出力側とした場合の波形、図６は、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 側を入力側、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 側を出力側とした場合の波形を表したものである。
【００３６】
なお、（ａ）はスイッチＳＷ３１のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ31、スイッチＳＷ３２のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ32、スイッチＳＷ４１のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ41及びスイッチＳＷ４２のゲート端子に入力される電圧Ｖｇ42を表している。（ｂ）はスイッチＳＷ３１及びＳＷ３２のドレイン・ソース間の電圧Ｖ31、Ｖ32と、スイッチＳＷ３１及びダイオードＤ３１を流れる電流Ｉ31と、スイッチＳＷ３２及びダイオードＤ３２を流れる電流Ｉ32と、を表したものであって、スイッチＳＷ３１、ＳＷ３２のドレイン電流を正、ダイオードＤ３１、Ｄ３２を流れる電流を負としている。また、実線がスイッチＳＷ３１又はダイオードＤ３１に対応し、破線がスイッチＳＷ３２又はダイオードＤ３２に対応している。（ｃ）はスイッチＳＷ４１及びＳＷ４２のドレイン・ソース間の電圧Ｖ41、Ｖ42と、スイッチＳＷ４１又はダイオードＤ４１を流れる電流Ｉ41と、スイッチＳＷ４２又はダイオードＤ４２を流れる電流Ｉ42と、を表したものであって、スイッチＳＷ４１、ＳＷ４２のドレイン電流を正、ダイオードＤ４１、Ｄ４２を流れる電流を負としている。また、実線がスイッチＳＷ４１又はダイオードＤ４１に対応し、破線がスイッチＳＷ４２又はダイオードＤ４２に対応している。
【００３７】
また、（ｄ）は変圧器２の一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21、（ｅ）は変圧器２の二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22、（ｆ）はコンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3、（ｇ）は平滑コンデンサＣ１及びＣ２の両端の電圧ＶC1、ＶC2を表している。
図４において、図示しない直流電源を、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に接続して直流電力を供給し、図５に示すように、時点ｔ11でスイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２をオフ状態に制御すると（図５（ａ））、一次巻線２１に正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 間への入力電圧が印加され（図５（ｄ））、一次巻線２１に一次電流が流れて、二次巻線２２にエネルギを伝達する。変圧器２は同極性であるから、ダイオード４１、コンデンサＣ３、二次巻線２２、平滑コンデンサＣ２の経路で、平滑コンデンサＣ２を充電する経路で電流が流れると共に、正側端子Ｐ2 を介して図示しない負荷にエネルギを供給し、このとき、変圧器２のインダクタンス及びコンデンサＣ３の共振によって、ダイオードＤ４１を流れる電流Ｉ41は正弦波状に増減し（図５（ｃ））、これに伴って、一次巻線２１、スイッチＳＷ３１を流れる電流Ｉ31（図５（ｂ））も正弦波状に増減する。
【００３８】
前記二次巻線２２は、正側端子Ｐ2 を介して図示しない負荷にエネルギを供給すると共に、コンデンサＣ３に電荷を蓄える。これに伴って、コンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3（図５（ｆ））が正弦波状に減少すると、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図５（ｅ））は、逆に、正弦波状に増加する。
このとき、スイッチＳＷ３１及びスイッチＳＷ４１は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ31及びＶ41は略零となり、また、スイッチＳＷ３２の両端の電圧Ｖ32は入力電圧と一次巻線２１ｒとの加算電圧、スイッチＳＷ４２の両端の電圧Ｖ42は、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22とコンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3との差電圧が印加されることになり、ほぼ一定値となり、これが出力電圧となる。
【００３９】
この状態から、時点ｔ12でスイッチＳＷ３１及びＳＷ４１をオフ、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２をオンに切り換えると（図５（ａ））、コンデンサＣ３に蓄えられていた電荷により、コンデンサＣ３、ダイオードＤ４２、二次巻線２２の経路で電流が流れ、ダイオードＤ４２を流れる電流Ｉ42は正弦波状に増減する（図５（ｃ））。
これに伴って、コンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3（図５（ｆ））は正弦波状に増加し、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図５（ｅ））は、逆極性となり正弦波状に増加する。また、ダイオードＤ４２、二次巻線２２を流れる電流Ｉ42が正弦波状に増減することに伴って、一次巻線２１ｒ、スイッチＳＷ３２、平滑コンデンサＣ１の経路で電流が流れ、スイッチＳＷ３２を流れる電流Ｉ32は正弦波状に増減する（図５（（ｂ））。
【００４０】
このとき、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ32、Ｖ42は略零となり、また、スイッチＳＷ３１の両端の電圧Ｖ31は入力電圧と一次巻線２１との加算電圧、スイッチＳＷ４１の両端の電圧は、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧ＶC2と同等となる（図５（ｂ）、（ｃ））。また、一次巻線２１ｒの両端の電圧は逆極性となり入力電圧にクランプされていることから、二次巻線２１の両端の電圧Ｖ21は、入力電圧の逆極性と同等となる（図５（ｄ））。
【００４１】
そして、時点ｔ13で、再度、スイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２をオフに制御し、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧ＶC2が一定となるように、上記と同様にして、順次、各スイッチＳＷ３１〜ＳＷ４２を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に直流電力が供給される。
逆に、図４において、図示しない直流電源を、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 に接続して直流電力を供給し、図６に示すように、時点ｔ16でスイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２をオフ状態に制御すると（図６（ａ））、二次巻線２２には、正側端子Ｐ2 及び負側端子Ｎ2 間への入力電圧とコンデンサＣ３の電圧ＶC3との差電圧が印加される。これによって、変圧器２のインダクタンスとコンデンサＣ３とが共振し、二次巻線２２、コンデンサＣ３、スイッチＳＷ４１の経路で電流が流れ、コンデンサＣ３に電荷が蓄えられる。このとき、二次巻線２２、スイッチＳＷ４１を流れる電流Ｉ41は正弦波状に増減し（図６（ｃ））、これに伴って、ダイオードＤ３１、一次巻線２１、平滑コンデンサＣ１の経路で流れる電流Ｉ31も正弦波状に増減し（図６（ｂ））、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21は平滑コンデンサＣ１の両端の電圧ＶC1と同等となり、これが出力電圧となる（図６（ｄ））。また、この時、電流Ｉ31は、正側端子Ｐ1 を介して図示しない負荷にエネルギを供給する。
【００４２】
前記コンデンサＣ３に電荷が蓄えられ、これに伴ってその両端の電圧ＶC3が正弦波状に増加すると（図６（ｆ））、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22は、逆に正弦波状に減少する（図６（ｅ））。
このとき、スイッチＳＷ３１及びスイッチＳＷ４１は導通状態であるから、その両端の電圧Ｖ31及びＶ41は略零となり、また、スイッチＳＷ３２の両端の電圧Ｖ32は、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧ＶC1と同等となり、スイッチＳＷ４２の両端には、入力電圧が印加されることになる（図６（ｂ）、（ｃ））。
【００４３】
この状態から、時点ｔ17で、スイッチＳＷ３１及びＳＷ４１をオフ、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２をオンに切り換えると（図６（ａ））、コンデンサＣ３に蓄えられていた電荷によって、コンデンサＣ３、二次巻線２２、スイッチＳＷ４２の経路で電流が流れ、スイッチＳＷ４２を流れる電流Ｉ42は、正弦波状に増減し（図６（ｃ））、これに伴って、コンデンサＣ３の両端の電圧ＶC3（図６（ｆ））は正弦波状に減少する。また、二次巻線２２の両端の電圧Ｖ22（図６（ｅ））は、逆極性となり、コンデンサＣ３の電荷ＶC3の減少に伴って正弦波状に増加する。
【００４４】
また、コンデンサＣ３、二次巻線２２を流れる電流Ｉ42が正弦波状に変化することに伴って、ダイオードＤ３２、一次巻線２１ｒ、コンデンサＣ１の経路で流れる電流Ｉ32（図６（ｂ））が正弦波状に増減する。このとき、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21（図６（ｄ））は逆極性となり、スイッチＳＷ３１の両端の電圧Ｖ31（図６（ｂ））は、一次巻線２１の両端の電圧Ｖ21と逆極性の電圧となる。また、このとき、電流Ｉ32は、正側端子Ｐ1 を介して図示しない負荷にエネルギを供給する。
【００４５】
このとき、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２は導通状態であるからその両端の電圧Ｖ32、Ｖ42は略零となり、また、スイッチＳＷ４１の両端の電圧Ｖ41は、入力電圧と同等となる（図６（ｂ）、（ｃ））。
そして、時点ｔ18で、再度、スイッチＳＷ３１、ＳＷ４１をオン、スイッチＳＷ３２、ＳＷ４２をオフに制御し、平滑コンデンサＣ1 の両端の電圧が一定となるように、上記と同様にして順次、各スイッチＳＷ３１〜ＳＷ４２を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子Ｐ1 及び負側端子Ｎ1 に直流電力が供給される。
【００４６】
ここで、図５及び図６に示すように、スイッチＳＷ３１及びＳＷ４１に流れる電流は、正弦波状に増減する電流である。したがって、スイッチＳＷ３１及びＳＷ４１に流れる電流量を考慮してスイッチＳＷ３１、ＳＷ４１を切り換えることによって、この場合も、上記第１の実施の形態と同様に、遮断電流を小さくできる。また、スイッチＳＷ４１及びＳＷ４２に印加される電圧は、入力電圧或いは出力電圧とほぼ同等となることから、この場合も、スイッチング損失を低減することができると共に、スイッチの発熱を低減し、電力変換効率を向上させることができる。
【００４７】
さらに、第２の実施の形態は、スイッチングのほぼ全周期で負荷にエネルギを供給することができ、変圧器の利用率を向上させることができる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング手段としてＭＯＳトランジスタを用いた場合について説明したが、これに限らず、他の半導体スイッチング素子であっても適用でき、上記と同等の作用効果を得ることができる。
なお、第２の実施の形態は請求項２に対応し、スイッチＳＷ３１及びダイオードＤ３１が第１のスイッチング手段に対応し、スイッチＳＷ３２及びダイオードＤ３２が第２のスイッチング手段に対応し、スイッチＳＷ４２及びダイオードＤ４２が第３のスイッチング手段に対応し、スイッチＳＷ４１及びダイオードＤ４１が第４のスイッチング手段に対応している。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る双方向直流−直流変換装置によれば、スイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させるようにしたから、スイッチング手段の遮断電流を低減することができ、また、スイッチング手段に印加される電圧を低減することができるから、スイッチング損失を低減することができると共に、スイッチング手段の発熱を低減し、電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における直流−直流変換装置の一例を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図３】第１の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における直流−直流変換装置の一例を示す回路図である。
【図５】第２の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図６】第２の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図７】従来の直流−直流変換装置の一例を示す回路図である。
【図８】従来の動作説明に供する波形図である。
【図９】従来の動作説明に供する波形図である。
【符号の説明】
２  変圧器
１０  直流−直流変換装置
２１、２１ａ、２１ｂ  一次巻線
２２  二次巻線
ＳＷ３１、ＳＷ３２、ＳＷ４１、ＳＷ４２  スイッチ
Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２  ダイオード
Ｃ１、Ｃ２  平滑コンデンサ
Ｃ３  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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