(57)【要約】【課題】ポート間の電圧の大小関係を制約する条件を緩和できる、電力変換装置を提供すること。【解決手段】１次側回路と、前記１次側回路と変圧器で磁気結合する２次側回路とを備える電力変換装置であって、前記１次側回路又は前記２次側回路は、第１のポートと、第２のポートと、第１の電圧部と、第２の電圧部と、前記第１の電圧部と前記第２の電圧部との間で電圧を変換する電圧変換部と、前記第１のポートと前記第２のポートと前記電圧変換部との接続状態を、前記第１のポートと前記第１の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第２の電圧部が接続された第１の状態と、前記第１のポートと前記第２の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第１の電圧部が接続された第２の状態とに切り替える切替部とを備えることを特徴とする、電力変換装置。【選択図】図１
2014230373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側回路と、前記１次側回路と変圧器で磁気結合する２次側回路とを備える電力変換装置であって、
前記１次側回路又は前記２次側回路は、
第１のポートと、
第２のポートと、
第１の電圧部と、
第２の電圧部と、
前記第１の電圧部と前記第２の電圧部との間で電圧を変換する電圧変換部と、
前記第１のポートと前記第２のポートと前記電圧変換部との接続状態を、前記第１のポートと前記第１の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第２の電圧部が接続された第１の状態と、前記第１のポートと前記第２の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第１の電圧部が接続された第２の状態とに切り替える切替部とを備えることを特徴とする、電力変換装置。
【請求項２】
前記切替部は、前記第１のポートにおける目標ポート電圧と前記第２のポートにおける目標ポート電圧とに応じて、前記接続状態を切り替える、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記切替部は、前記第１のポートにおける目標ポート電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧よりも高いとき、前記接続状態を前記第１の状態に切り替え、前記第１のポートにおける目標ポート電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧よりも低いとき、前記接続状態を前記第２の状態に切り替える、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１の状態は、前記第１のポートの電圧が前記電圧変換部により降圧されて前記第２のポートに出力される状態であり、前記２の状態は、前記第１のポートの電圧が前記電圧変換部により昇圧されて前記第２のポートに出力される状態である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第２のポートの電圧に応じて、前記電圧変換部による昇降圧を制御する制御部を備える、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記第２のポートにおける検出電圧と前記第２のポートにおける目標ポート電圧との偏差に応じて、前記電圧変換部による昇降圧を制御する、請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電圧変換部は、前記第１のポートの電圧を変換する上下アームを有し、
前記制御部は、前記検出電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧に対して低いほど、前記上下アームのうち一方のオン時間を長くする、請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記接続状態が前記第１の状態である場合、前記検出電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧に対して低いほど、前記上下アームのうち上アームのオン時間を長くし、前記接続状態が前記第２の状態である場合、前記検出電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧に対して低いほど、前記上下アームのうち下アームのオン時間を長くする、請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電圧変換部は、前記第１のポートの電圧を変換する上下アームを有し、
前記制御部は、前記偏差に応じて制御する対象を、前記上下アームのうち一方のアームから他方のアームに切り替える、請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記対象は、前記偏差に応じて決定されたオン時間に従って制御される、請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記第１のポートにおける目標ポート電圧と前記第２のポートにおける目標ポート電圧とに応じて、前記電圧変換部の昇降圧動作を切り替える、請求項５から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記第１のポートにおける目標ポート電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧よりも高いとき、前記昇降圧動作を降圧動作に切り替え、前記第１のポートにおける目標ポート電圧が前記第２のポートにおける目標ポート電圧よりも低いとき、前記昇降圧動作を昇圧動作に切り替える、請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記第１の状態は、前記第２のポートの電圧が前記電圧変換部により昇圧されて前記第１のポートに出力される状態であり、前記第２の状態は、前記第２のポートの電圧が前記電圧変換部により降圧されて前記第１のポートに出力される状態である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記第１のポートの電圧に応じて、前記電圧変換部による電圧変換を制御する制御部を備える、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記第１の状態は、前記第１のポートの電圧が前記電圧変換部により降圧されて前記第２のポートに出力される状態であり、前記第２の状態は、前記第２のポートの電圧が前記電圧変換部により降圧されて前記第１のポートに出力される状態である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記第１の状態は、前記第２のポートの電圧が前記電圧変換部により昇圧されて前記第１のポートに出力される状態であり、前記第２の状態は、前記第１のポートの電圧が前記電圧変換部により昇圧されて前記第２のポートに出力される状態である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記第１のポートと前記第２のポートの電圧に応じて、前記電圧変換部による電圧変換を制御する制御部を備える、請求項１５又は１６に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
第１の電圧部と第２の電圧部との間で電圧を変換する電圧変換部によって、第１のポートと第２のポートとの間で電圧を変換する電圧変換方法であって、
前記第１のポートと前記第２のポートと前記電圧変換部との接続状態を、前記第１のポートと前記第１の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第２の電圧部が接続された第１の状態と、前記第１のポートと前記第２の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第１の電圧部が接続された第２の状態とに切り替えることを特徴とする、電圧変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を変換する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、１次側回路のスイッチングと２次側回路のスイッチングとの位相差を変更することによって、１次側回路に構成される１次側ポートと２次側回路に構成される２次側ポートとの間の電力伝送量を調整可能な、電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この電力変換装置は、１次側ポートと２次側ポートとの間で双方向の昇降圧が可能なＤＣ−ＤＣコンバータである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９３７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、１次側回路に構成される２つのポート間、又は２次側回路に構成される２つのポート間では、回路の構成上、降圧する方向と昇圧する方向がいずれも単方向であるため、一方のポートの電圧は他方のポートの電圧よりも大きくなければならない。本発明は、ポート間の電圧の大小関係を制約する条件を緩和できる、電力変換装置及び電圧変換方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、
１次側回路と、前記１次側回路と変圧器で磁気結合する２次側回路とを備える電力変換装置であって、
前記１次側回路又は前記２次側回路は、
第１のポートと、
第２のポートと、
第１の電圧部と、
第２の電圧部と、
前記第１の電圧部と前記第２の電圧部との間で電圧を変換する電圧変換部と、
前記第１のポートと前記第２のポートと前記電圧変換部との接続状態を、前記第１のポートと前記第１の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第２の電圧部が接続された第１の状態と、前記第１のポートと前記第２の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第１の電圧部が接続された第２の状態とに切り替える切替部とを備えることを特徴とする、電力変換装置を提供するものである。
【０００６】
また、上記目的を達成するため、本発明は、
第１の電圧部と第２の電圧部との間で電圧を変換する電圧変換部によって、第１のポートと第２のポートとの間で電圧を変換する電圧変換方法であって、
前記第１のポートと前記第２のポートと前記電圧変換部との接続状態を、前記第１のポートと前記第１の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第２の電圧部が接続された第１の状態と、前記第１のポートと前記第２の電圧部が接続され且つ前記第２のポートと前記第１の電圧部が接続された第２の状態とに切り替えることを特徴とする、電圧変換方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ポート間の電圧の大小関係を制約する条件を緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】電力変換装置の実施形態である電源装置の構成例を示したブロック図
【図２】制御部の構成例を示したブロック図
【図３】１次側回路及び２次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート
【図４】制御部の一構成例を示したブロック図
【図５】電圧変換方法の一例を示したフローチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜電源装置１０１の構成＞
図１は、電力変換装置の実施形態である電源装置１０１の構成例を示したブロック図である。電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。電源装置１０１は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。
【００１０】
電源装置１０１は、例えば、１次側高電圧系負荷６１ａが接続される第１入出力ポート６０ａと、１次側低電圧系負荷６１ｃ及び１次側低電圧系電源６２ｃが接続される第２入出力ポート６０ｃとを、１次側ポートとして有している。１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷６１ｃに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷６１ａに、電源回路１０に構成される１次側変換回路２０によって昇圧された電力を供給する。１次側低電圧系電源６２ｃの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。
【００１１】
電源装置１０１は、例えば、２次側高電圧系負荷６１ｂ及び２次側高電圧系電源６２ｂが接続される第３入出力ポート６０ｂと、２次側低電圧系負荷６１ｄが接続される第４入出力ポート６０ｄとを、２次側ポートとして有している。２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに電力を供給する。また、２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと異なる電圧系（例えば、２８８Ｖ系よりも低い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって降圧された電力を供給する。２次側高電圧系電源６２ｂの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
【００１２】
電源回路１０は、上述の４つの入出力ポートを有し、それらの４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートが選択され、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。
【００１３】
ポート電力Ｐａ，Ｐｃ，Ｐｂ，Ｐｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｂ，Ｖｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。ポート電流Ｉａ，Ｉｃ，Ｉｂ，Ｉｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電流（入力電流又は出力電流）である。
【００１４】
電源回路１０は、第１入出力ポート６０ａに設けられるキャパシタＣ１と、第２入出力ポート６０ｃに設けられるキャパシタＣ３と、第３入出力ポート６０ｂに設けられるキャパシタＣ２と、第４入出力ポート６０ｄに設けられるキャパシタＣ４とを備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。
【００１５】
キャパシタＣ１は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ３は、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ２は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。キャパシタＣ４は、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。
【００１６】
キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、電源回路１０の内部に設けられてもよいし、電源回路１０の外部に設けられてもよい。
【００１７】
電源回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成された電力変換回路である。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、１次側磁気結合リアクトル２０４及び２次側磁気結合リアクトル３０４を介して接続され、且つ、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。
【００１８】
１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート６０ａと、第２入出力ポート６０ｃとを含んで構成された１次側回路である。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成された１次側電力変換部である。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
【００１９】
１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。
【００２０】
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。１次側第１アーム回路２０７は、１次側第１上アームＵ１及び１次側第１下アーム／Ｕ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第１電力変換回路部（１次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。１次側第２アーム回路２１１は、１次側第２上アームＶ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第２電力変換回路部（１次側Ｖ相電力変換回路部）である。
【００２１】
１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、１次側第１リアクトル２０４ａと結合係数ｋ１で磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。
【００２２】
中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。
【００２３】
第１入出力ポート６０ａは、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。第２入出力ポート６０ｃは、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。
【００２４】
センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。
【００２５】
２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート６０ｂと、第４入出力ポート６０ｄとを含んで構成された２次側回路である。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成された２次側電力変換部である。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
【００２６】
２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。
【００２７】
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。２次側第１アーム回路３０７は、２次側第１上アームＵ２及び２次側第１下アーム／Ｕ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第１電力変換回路部（２次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。２次側第２アーム回路３１１は、２次側第２上アームＶ２及び２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第２電力変換回路部（２次側Ｖ相電力変換回路部）である。
【００２８】
２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、２次側第１リアクトル３０４ａと結合係数ｋ２で磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。
【００２９】
中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。
【００３０】
第３入出力ポート６０ｂは、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。第４入出力ポート６０ｄは、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。
【００３１】
センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。
【００３２】
図１において、電源装置１０１は、センサ部７０を備えている。センサ部７０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Ｙに対応する検出値Ｙｄを制御部５０に対して出力する検出手段である。検出値Ｙｄは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部７０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
【００３３】
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電圧Ｖａと入出力電圧Ｖｃの少なくとも一方の検出電圧を１次側電圧検出値として出力する１次側電圧検出部と、入出力電圧Ｖｂと入出力電圧Ｖｄの少なくとも一方の検出電圧を２次側電圧検出値として出力する２次側電圧検出部とを有している。
【００３４】
センサ部７０の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部５０に対して出力する電圧検出回路とを有している。
【００３５】
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電流Ｉａと入出力電流Ｉｃの少なくとも一方の検出電流を１次側電流検出値として出力する１次側電流検出部と、入出力電流Ｉｂと入出力電流Ｉｄの少なくとも一方の検出電流を２次側電流検出値として出力する２次側電流検出部とを有している。
【００３６】
センサ部７０の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部５０に対して出力する電流検出回路とを有している。
【００３７】
電源装置１０１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部５０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
【００３８】
制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙの検出値Ｙｄが、該ポートに設定された目標値Ｙｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Ｙｏは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷（例えば、１次側低電圧系負荷６１ｃ等）毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Ｙｏは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。
【００３９】
また、制御部５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐが、設定された目標伝送電力Ｐｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力Ｐｏは、例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。
【００４０】
制御部５０は、所定の制御パラメータＸの値を変化させることによって、電源回路１０で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路１０の第１乃至第４の各入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄにおける入出力値Ｙを調整できる。主な制御パラメータＸとして、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）の２種類の制御変数が挙げられる。
【００４１】
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。デューティ比Ｄ（オン時間δ）は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比（オン時間）である。
【００４２】
これらの２つの制御パラメータＸは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部５０は、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）を用いた１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００のデューティ比制御及び／又は位相制御によって、電源回路１０の各入出力ポートにおける入出力値Ｙを変化させる。
【００４３】
図２は、制御部５０のブロック図である。制御部５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
【００４４】
電力変換モード決定処理部５０２は、例えば、所定の外部信号（例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差を表す信号）に基づいて、次に述べる電源回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＡと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＢと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＣがある。
【００４５】
そして、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＤと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＥと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＦがある。
【００４６】
さらに、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＧと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＨと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＩがある。
【００４７】
それから、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＪと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＫと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＬがある。
【００４８】
位相差φ決定処理部５０４は、電源回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。
【００４９】
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
【００５０】
１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
【００５１】
２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
【００５２】
＜電源装置１０１の動作＞
上記電源装置１０１の動作について、図１及び図２を用いて説明する。例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧の電力が電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート６０ｂ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポート６０ｄから出力される。
【００５３】
ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート６０ｃと第１入出力ポート６０ａについて着目すると、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側第１リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
【００５４】
さらに、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側第２リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート６０ｄの端子６２２と第３入出力ポート６０ｂとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。
【００５５】
次に、電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート６０ａと第３入出力ポート６０ｂについて着目すると、第１入出力ポート６０ａには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが結合係数ｋＴで磁気結合することで、変圧器４００が巻き数１：Ｎのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂに伝送させ、あるいは、第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａに伝送させることができる。
【００５６】
図３は、制御部５０の制御によって、電源回路１０に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図３において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図３において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
【００５７】
ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。
【００５８】
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比が互いに等しくなるように、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくする（各オン時間δ＝１次側オン時間δ１１＝２次側オン時間δ１２＝時間値α）。
【００５９】
１次側変換回路２０の昇降圧比は、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。同様に、２次側変換回路３０の昇降圧比は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。１次側変換回路２０の昇降圧比は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の変圧比であり、２次側変換回路３０の昇降圧比は、第３入出力ポート６０ｂと第４入出力ポート６０ｄとの間の変圧比である。
【００６０】
したがって、例えば、
１次側変換回路２０の昇降圧比
＝第２入出力ポート６０ｃの電圧／第１入出力ポート６０ａの電圧
＝δ１１／Ｔ＝α／Ｔ
２次側変換回路３０の昇降圧比
＝第４入出力ポート６０ｄの電圧／第３入出力ポート６０ｂの電圧
＝δ１２／Ｔ＝α／Ｔ
と表される。つまり、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比は互いに同じ値（＝α／Ｔ）である。
【００６１】
なお、図３のオン時間δは、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１のオン時間δ１１を表すとともに、２次側第１上アームＵ２及び２次側第２上アームＶ２のオン時間δ１２を表す。また、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。
【００６２】
また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間の電力伝送量Ｐを調整することができ、位相差φ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送し、位相差φ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送することができる。
【００６３】
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。例えば、位相差φは、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７との間でのスイッチングタイミングのずれであり、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１との間でのスイッチングタイミングのずれである。それらのずれは互いに等しいまま制御される。つまり、Ｕ１とＵ２の位相差φ及びＶ１とＶ２の位相差φは、同じ値に制御される。
【００６４】
したがって、例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧を昇圧して第１入出力ポート６０ａに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート６０ｂに入力された電圧を降圧して第４入出力ポート６０ｄに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を所望の電力伝送量Ｐで第３入出力ポート６０ｂに伝送するための位相差φを設定する。
【００６５】
１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
【００６６】
２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
【００６７】
上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
【００６８】
制御部５０により位相差φに応じて調整される伝送電力Ｐ（電力伝送量Ｐともいう）は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器４００を介して送られる電力であり、
Ｐ＝（Ｎ×Ｖａ×Ｖｂ）／（π×ω×Ｌ）×Ｆ（Ｄ，φ）
・・・式１
で表される。
【００６９】
なお、Ｎは、変圧器４００の巻き数比、Ｖａは、第１入出力ポート６０ａの入出力電圧、Ｖｂは、第３入出力ポート６０ｂの入出力電圧、πは円周率、ω（＝２π×ｆ＝２π／Ｔ）は１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチングの角周波数、ｆは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周波数、Ｔは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周期、Ｌは、磁気結合リアクトル２０４，３０４と変圧器４００の電力伝送に関わる等価インダクタンス、Ｆ（Ｄ，φ）は、デューティ比Ｄと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Ｄに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。デューティ比Ｄ及び位相差φは、所定の上下限値に挟まれた範囲内で変化するように設計された制御パラメータである。
【００７０】
制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち少なくとも一つの所定のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、当該所定のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを変化させることにより伝送電力Ｐを調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
【００７１】
例えば、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先である片方のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、伝送電力Ｐの伝送先のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを上昇変化させることにより伝送電力Ｐを増加方向に調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
【００７２】
ところで、電源回路１０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間において双方向で昇降圧が可能なＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。しかしながら、１次側フルブリッジ回路２００の構成上、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間では、昇圧する方向と降圧する方向は互いに逆向きの単方向である。つまり、昇圧する方向は一方向に固定され、降圧する方向も昇圧する方向と逆向きの一方向に固定される。そのため、何ら対策をしなければ、ポート電圧Ｖａはポート電圧Ｖｃよりも常に大きくなければならない。
【００７３】
そこで、その対策のため、１次側変換回路２０は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃと１次側フルブリッジ回路２００との接続状態を、第１の状態Ａと第２の状態Ｂのいずれか一方に切り替える切替部として、切替回路２１３を備えている。切替回路２１３の切り替え動作は、制御部５０によって制御される。
【００７４】
１次側フルブリッジ回路２００は、第１の電圧部と第２の電圧部との間で電圧を変換する電圧変換部であって、第１の電圧部の電圧を降圧して第２の電圧部に出力し又は第２の電圧部の電圧を昇圧して第１の電圧部に出力する昇降圧部である。図１には、第１の電圧部としてキャパシタＣ１が例示され、第２の電圧部としてキャパシタＣ３が例示されている。キャパシタＣ１は、高電位の１次側正極母線２９８が接続された高電圧部であり、キャパシタＣ３は、低電位の１次側正極母線２９７及びセンタータップ２０２ｍが接続された低電圧部である。
【００７５】
第１の状態Ａとは、第１入出力ポート６０ａとキャパシタＣ１が接続され且つ第２入出力ポート６０ｃとキャパシタＣ３が接続された状態である。第２の状態Ｂとは、第１入出力ポート６０ａとキャパシタＣ３が接続され且つ第２入出力ポート６０ｃとキャパシタＣ１が接続された状態である。図１には、第１の状態Ａが描画されている。
【００７６】
切替回路２１３は、例えば、第１の入出力ポート６０ａの接続先を切り替えるスイッチ２１４と、第２入出力ポート６０ｃの接続先を切り替えるスイッチ２１５とを有している。スイッチ２１４は、第１の入出力ポート６０ａの接続先をキャパシタＣ１とキャパシタＣ３のいずれか一方に切り替え、スイッチ２１５は、第２入出力ポート６０ｃの接続先をキャパシタＣ１とキャパシタＣ３のいずれか一方に切り替える。
【００７７】
切替回路２１３により第１の状態Ａに切り替えられる場合、第１の入出力ポート６０ａの接続先はスイッチ２１４によりキャパシタＣ１に切り替えられ、且つ、第２の入出力ポート６０ｃの接続先はスイッチ２１５によりキャパシタＣ３に切り替えられる。切替回路２１３により第２の状態Ｂに切り替えられる場合、第１の入出力ポート６０ａの接続先はスイッチ２１４によりキャパシタＣ３に切り替えられ、且つ、第２の入出力ポート６０ｃの接続先はスイッチ２１５によりキャパシタＣ１に切り替えられる。
【００７８】
切替回路２１３は、入出力ポート６０ａ，６０ｃとキャパシタＣ１，Ｃ３との間に挿入されている。スイッチ２１４は、１次側正極母線２９８において端子６１３とキャパシタＣ１との間に挿入され、スイッチ２１５は、１次側正極母線２９７において端子６１６とキャパシタＣ３との間に挿入されている。スイッチ２１４，２１５の具体例として、トランジスタ等のスイッチング素子が挙げられる。
【００７９】
したがって、１次側変換回路２０が切替回路２１３を備えることにより、第１入出力ポート６０ａの電圧と第２入出力ポート６０ｃの電圧との大小関係を制約する条件を緩和できる。つまり、ポート電圧Ｖａがポート電圧Ｖｃよりも大きくても、ポート電圧Ｖｃがポート電圧Ｖａよりも大きくてもよい。
【００８０】
例えば、第２入出力ポート６０ｃの電圧が第１入出力ポート６０ａの電圧より上昇しても、第２の状態Ｂに切り替わることで、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間で１次側フルブリッジ回路２００による電圧変換が可能である。同様に、第１入出力ポート６０ａの電圧が第２入出力ポート６０ｃの電圧より低下しても、第２の状態Ｂに切り替わることで、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間で１次側フルブリッジ回路２００による電圧変換が可能である。
【００８１】
１次側変換回路２０が切替回路２１３を備えることにより、例えば、電源装置１０１を、第１入出力ポート６０ａの電圧と第２入出力ポート６０ｃの電圧との大小関係が任意のタイミングで逆転するアプリケーションに適用できる。例えば、電源装置１０１を、ポート電圧Ｖａの可変範囲の下限値がポート電圧Ｖｃの可変範囲の下限値よりも高いアプリケーションや、ポート電圧Ｖａの可変範囲の上限値がポート電圧Ｖｃの可変範囲の上限値よりも低いアプリケーションに適用できる。
【００８２】
ポート電圧Ｖａの可変範囲は、例えば、第１入出力ポート６０ａにおける目標ポート電圧Ｖａｏが取りうる電圧範囲に対応し、ポート電圧Ｖｃの可変範囲は、例えば、第２入出力ポート６０ｃにおける目標ポート電圧Ｖｃｏが取りうる電圧範囲に対応する。また、目標ポート電圧Ｖａｏは所定の一定値（例えば、１５Ｖ）に設定され、且つ、目標ポート電圧Ｖｃｏはその一定値を含む所定の電圧範囲（例えば、１０Ｖ以上２０Ｖ以下）に設定されてよい。あるいは、目標ポート電圧Ｖｃｏは一定値（例えば、１５Ｖ）に設定され、且つ、目標ポート電圧Ｖａｏはその一定値を含む所定の電圧範囲（例えば、１０Ｖ以上２０Ｖ以下）に設定されてよい。
【００８３】
１次側フルブリッジ回路２００は、切替回路２１３により第１の状態Ａに切り替えられた場合、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａを降圧して降圧した電圧を第２入出力ポート６０ｃに出力することができる。つまり、この場合の第１の状態Ａは、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａが１次側フルブリッジ回路２００により降圧されて第２入出力ポート６０ｃに出力される降圧動作状態Ａ１である。
【００８４】
あるいは、１次側フルブリッジ回路２００は、切替回路２１３により第１の状態Ａに切り替えられた場合、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃを昇圧して昇圧した電圧を第１入出力ポート６０ａに出力することができる。つまり、この場合の第１の状態Ａは、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃが１次側フルブリッジ回路２００により昇圧されて第１入出力ポート６０ａに出力される昇圧動作状態Ａ２である。
【００８５】
一方、１次側フルブリッジ回路２００は、切替回路２１３により第２の状態Ｂに切り替えられた場合、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａを昇圧して昇圧した電圧を第２入出力ポート６０ｃに出力することができる。つまり、この場合の第２の状態Ｂは、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａが１次側フルブリッジ回路２００により昇圧されて第２入出力ポート６０ｃに出力される昇圧動作状態Ｂ１である。
【００８６】
あるいは、１次側フルブリッジ回路２００は、切替回路２１３により第２の状態Ｂに切り替えられた場合、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃを降圧して降圧した電圧を第１入出力ポート６０ａに出力することができる。つまり、この場合の第２の状態Ｂは、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃが１次側フルブリッジ回路２００により降圧されて第１入出力ポート６０ａに出力される降圧動作状態Ｂ２である。
【００８７】
図４は、制御部５０の構成例を示したブロック図である。制御部５０は、ＰＩＤ制御部５１と、比較部５４と、制御切替部５５とを有している。
【００８８】
ＰＩＤ制御部５１は、ＰＩＤ制御によって、伝送電力Ｐの伝送先ポートのうち第１のポートのポート電圧Ｖｐ１を第１の目標電圧Ｖｏ１に収束させるための位相差φの指令値φｏを、スイッチング周期Ｔ毎に生成する位相差指令値生成部５２を有している。
【００８９】
例えば、ＰＩＤ制御部５１の位相差指令値生成部５２は、伝送電力Ｐの伝送先ポートのうち高電位側のポートである第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａを目標ポート電圧Ｖａｏに収束させるための位相差φの指令値φｏを生成する。位相差指令値生成部５２は、ポート電圧Ｖａの目標ポート電圧Ｖａｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖａの検出電圧Ｖａｄとの偏差に基づいてＰＩＤ制御を行うことによって、当該偏差を零に収束させるための指令値φｏをスイッチング周期Ｔ毎に生成する。
【００９０】
制御部５０は、ＰＩＤ制御部５１によって生成された指令値φｏに従って、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング制御を行うことによって、ポート電圧Ｖｐ１が第１の目標電圧Ｖｏ１に収束するように、伝送電力Ｐを調整する。例えば、制御部５０は、ポート電圧Ｖａの検出電圧Ｖａｄがポート電圧Ｖａの目標ポート電圧Ｖａｏに収束するように、位相差φの指令値φｏを変更することによって、式１によって定められる伝送電力Ｐを調整する。
【００９１】
また、ＰＩＤ制御部５１は、ＰＩＤ制御によって、伝送電力Ｐの伝送先ポートのうち第２のポートのポート電圧Ｖｐ２を第２の目標電圧Ｖｏ２に収束させるためのデューティ比Ｄの指令値Ｄｏを、スイッチング周期Ｔ毎に生成するデューティ比指令値生成部５３を有している。
【００９２】
例えば、ＰＩＤ制御部５１のデューティ比指令値生成部５３は、伝送電力Ｐの伝送先ポートのうち低電位側のポートである第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃを目標ポート電圧Ｖｃｏに収束させるためのデューティ比Ｄの指令値Ｄｏを生成する。デューティ比指令値生成部５３は、ポート電圧Ｖｃの目標ポート電圧Ｖｃｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖｃの検出電圧Ｖｃｄとの偏差に基づいてＰＩＤ制御を行うことによって、当該偏差を零に収束させるための指令値Ｄｏをスイッチング周期Ｔ毎に生成する。
【００９３】
制御部５０は、ＰＩＤ制御部５１によって生成された指令値Ｄｏに従って、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング制御を行うことによって、ポート電圧Ｖｐ２が第２の目標電圧Ｖｏ２に収束するように、昇降圧比を調整する。この昇降圧比は、伝送電力Ｐの伝送先ポートのうちの第１のポートと第２のポートとの間の変圧比である。例えば、制御部５０は、ポート電圧Ｖｃの検出電圧Ｖｃｄがポート電圧Ｖｃの目標ポート電圧Ｖｃｏに収束するように、デューティ比Ｄの指令値Ｄｏを変更することによって、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の昇降圧比を調整する。
【００９４】
なお、ＰＩＤ制御部５１は、デューティ比Ｄの指令値Ｄｏに代えて、オン時間δの指令値δｏを生成するオン時間指令値生成部を有してもよい。
【００９５】
図４は、切替回路２１３及び制御切替部５５が、ポート電圧Ｖａが降圧されて第２入出力ポート６０ｃに出力される降圧動作状態Ａ１と、ポート電圧Ｖａが昇圧されて第２入出力ポート６０ｃに出力される昇圧動作状態Ｂ１とに選択的に切り替える例を示している。つまり、降圧動作状態Ａ１のときでも昇圧動作状態Ｂ１のときでも、第２入出力ポート６０ｃが、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する場合が示されている。
【００９６】
制御部５０は、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する第２入出力ポート６０ｃの電圧に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による昇降圧を制御する。制御部５０は、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃの目標ポート電圧Ｖｃｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖｃの検出電圧Ｖｃｄとの偏差に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による昇降圧を制御する。
【００９７】
切替回路２１３は、第１入出力ポート６０ａにおける目標ポート電圧Ｖａｏと第２入出力ポート６０ｃにおける目標ポート電圧Ｖｃｏとに応じて、第１の状態Ａと第２の状態Ｂのいずれか一方に切り替える。例えば、比較部５４は、目標ポート電圧Ｖａｏと目標ポート電圧Ｖｃｏとを比較し、切替回路２１３は、その比較結果に応じて、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの接続先を切り替える。
【００９８】
制御切替部５５は、第１入出力ポート６０ａにおける目標ポート電圧Ｖａｏと第２入出力ポート６０ｃにおける目標ポート電圧Ｖｃｏとに応じて、１次側フルブリッジ回路２００の昇降圧動作を、降圧動作と昇圧動作のいずれか一方に切り替える。例えば、比較部５４は、目標ポート電圧Ｖａｏと目標ポート電圧Ｖｃｏとを比較し、制御切替部５５は、その比較結果に応じて、１次側フルブリッジ回路２００の昇降圧動作を切り替える。
【００９９】
また、制御切替部５５は、デューティ比指令値生成部５３によって生成された指令値Ｄｏに応じて決まるオン時間δに従って制御する対象を、ポート電圧Ｖａを電圧変換する上下アームのうち一方のアームから他方のアームに切り替える。図１において、この場合の上アームは、１次側第１上アームＵ１と１次側第２上アームＶ１に相当し、この場合の下アームは、１次側第１下アーム／Ｕ１と１次側第２下アーム／Ｖ１に相当する。
【０１００】
デューティ比指令値生成部５３は、ポート電圧Ｖｃの検出電圧Ｖｃｄが目標ポート電圧Ｖｃｏに対して低いほど、上アーム又は下アームのオン時間δが長くなるように、デューティ比Ｄを大きくする指令値Ｄｏを生成する。
【０１０１】
したがって、制御部５０は、第１の状態Ａに切り替えられた状態で、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１を指令値Ｄｏに従ってオンオフすることにより、ポート電圧Ｖａが降圧するように、１次側フルブリッジ回路２００を作動できる。そして、ポート電圧Ｖａの降圧回路として機能する１次側フルブリッジ回路２００において、上アームＵ１，Ｖ１のオン時間δが指令値Ｄｏに従って長くなることで、ポート電圧Ｖｃを目標ポート電圧Ｖｃｏに近づくように上昇させることができる。
【０１０２】
一方、制御部５０は、第２の状態Ｂに切り替えられた状態で、１次側第１下アーム／Ｕ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１を共通の指令値Ｄｏに従ってオンオフすることにより、ポート電圧Ｖａが昇圧するように、１次側フルブリッジ回路２００を作動できる。そして、ポート電圧Ｖａの昇圧回路として機能する１次側フルブリッジ回路２００において、下アーム／Ｕ１，／Ｖ１のオン時間δが指令値Ｄｏに従って長くなることで、ポート電圧Ｖｃを目標ポート電圧Ｖｃｏに近づくように上昇させることができる。
【０１０３】
図５は、電圧変換方法の一例を示したフローチャートである。図５の電圧変換方法は、制御部５０によって実行される。
【０１０４】
ステップＳ１０において、比較部５４は、ポート電圧Ｖａの目標ポート電圧Ｖａｏとポート電圧Ｖｃの目標ポート電圧Ｖｃｏとの大小関係を判定する。制御部５０は、目標ポート電圧Ｖａｏが目標ポート電圧Ｖｃｏよりも大きいと比較部５４により判定された場合、ステップＳ２０及びＳ３０の処理を実行する。一方、制御部５０は、目標ポート電圧Ｖａｏが目標ポート電圧Ｖｃｏよりも小さいと比較部５４により判定された場合、ステップＳ４０及びＳ５０の処理を実行する。
【０１０５】
目標ポート電圧Ｖａｏが目標ポート電圧Ｖｃｏよりも高い場合、制御切替部５５は、１次側フルブリッジ回路２００の昇降圧動作を降圧動作に切り替え（ステップＳ２０）、且つ、切替回路２１３は、第１の状態Ａに切り替える（ステップＳ３０）。つまり、この場合は、降圧動作状態Ａ１に相当する。
【０１０６】
一方、目標ポート電圧Ｖａｏが目標ポート電圧Ｖｃｏよりも低い場合、制御切替部５５は、１次側フルブリッジ回路２００の昇降圧動作を昇圧動作に切り替え（ステップＳ４０）、切替回路２１３は、第２の状態Ｂに切り替える（ステップＳ５０）。つまり、この場合は、昇圧動作状態Ｂ１に相当する。
【０１０７】
以上、電力変換装置及び電力変換方法を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
【０１０８】
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
【０１０９】
また、第１入出力ポート６０ａに電源が接続されてもよいし、第４入出力ポート６０ｄに電源が接続されてもよい。また、第２入出力ポート６０ｃに電源が接続されなくてもよいし、第３入出力ポート６０ｂに電源が接続されなくてもよい。
【０１１０】
また、図１において、第２入出力ポート６０ｃに１次側低電圧系電源６２ｃが接続されているが、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃのいずれにも電源が接続されなくてもよい。
【０１１１】
また、切替回路２１３及び制御部５０は、ポート電圧Ｖｃが昇圧されて第１入出力ポート６０ａに出力される昇圧動作状態Ａ２と、ポート電圧Ｖｃが降圧されて第１入出力ポート６０ａに出力される降圧動作状態Ｂ２とに選択的に切り替えてもよい。
【０１１２】
この場合、制御部５０は、昇圧動作状態Ａ２のとき、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する第１入出力ポート６０ａの電圧に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による昇降圧を制御する。制御部５０は、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａの目標ポート電圧Ｖａｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖａの検出電圧Ｖａｄとの偏差に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による昇降圧を制御する。
【０１１３】
あるいは、切替回路２１３及び制御部５０は、ポート電圧Ｖａが降圧されて第２入出力ポート６０ｃに出力される降圧動作状態Ａ１と、ポート電圧Ｖｃが降圧されて第１入出力ポート６０ａに出力される降圧動作状態Ｂ２とに選択的に切り替えてもよい。
【０１１４】
この場合、制御部５０は、降圧動作状態Ａ１のとき、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する第２入出力ポート６０ｃの電圧に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による電圧変換を制御する。例えば、制御部５０は、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃの目標ポート電圧Ｖｃｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖｃの検出電圧Ｖｃｄとの偏差に応じて、ポート電圧Ｖａが降圧するように１次側フルブリッジ回路２００を作動させる。一方、制御部５０は、降圧動作状態Ｂ２のとき、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する第１入出力ポート６０ａの電圧に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による電圧変換を制御する。例えば、制御部５０は、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａの目標ポート電圧Ｖａｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖａの検出電圧Ｖａｄとの偏差に応じて、ポート電圧Ｖｃが降圧するように１次側フルブリッジ回路２００を作動させる。
【０１１５】
あるいは、切替回路２１３及び制御部５０は、ポート電圧Ｖｃが昇圧されて第１入出力ポート６０ａに出力される昇圧動作状態Ａ２と、ポート電圧Ｖａが昇圧されて第２入出力ポート６０ｃに出力される昇圧動作状態Ｂ１とに選択的に切り替えてもよい。
【０１１６】
この場合、制御部５０は、昇圧動作状態Ａ２のとき、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する第１入出力ポート６０ａの電圧に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による電圧変換を制御する。例えば、制御部５０は、第１入出力ポート６０ａのポート電圧Ｖａの目標ポート電圧Ｖａｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖａの検出電圧Ｖａｄとの偏差に応じて、ポート電圧Ｖｃが昇圧するように１次側フルブリッジ回路２００を作動させる。一方、制御部５０は、昇圧動作状態Ｂ１のとき、電圧変換後の電圧を出力する出力ポートとして機能する第２入出力ポート６０ｃの電圧に応じて、１次側フルブリッジ回路２００による電圧変換を制御する。例えば、制御部５０は、第２入出力ポート６０ｃのポート電圧Ｖｃの目標ポート電圧Ｖｃｏとセンサ部７０によって取得されたポート電圧Ｖｃの検出電圧Ｖｃｄとの偏差に応じて、ポート電圧Ｖａが昇圧するように１次側フルブリッジ回路２００を作動させる。
【０１１７】
また、２次側変換回路３０も、切替回路２１３と同様の切替部を備えることにより、第３入出力ポート６０ｂの電圧と第４入出力ポート６０ｄの電圧との大小関係を制約する条件を緩和できる。つまり、ポート電圧Ｖｂがポート電圧Ｖｄよりも大きくても、ポート電圧Ｖｄがポート電圧Ｖｂよりも大きくてもよい。１次側変換回路２０についての上述の構成が、２次側変換回路３０にも適用できる。
【符号の説明】
【０１１８】
１０  電源回路
２０  １次側変換回路
３０  ２次側変換回路
５０  制御部
５１  ＰＩＤ制御部
５２  位相差指令値生成部
５３  デューティ比指令値生成部
５４  比較部
５５  制御切替部
６０ａ  第１入出力ポート
６０ｂ  第３入出力ポート
６０ｃ  第２入出力ポート
６０ｄ  第４入出力ポート
７０  センサ部
１０１  電源装置（電力変換装置の一例）
２００  １次側フルブリッジ回路
２０２  １次側コイル
２０４  １次側磁気結合リアクトル
２０７  １次側第１アーム回路
２１１  １次側第２アーム回路
２０７ｍ，２１１ｍ  中点
２１３  切替回路
２９７  １次側第２正極母線
２９８  １次側正極母線（１次側第１正極母線）
２９９  １次側負極母線
３００  ２次側フルブリッジ回路
３０２  ２次側コイル
３０４  ２次側磁気結合リアクトル
３０７  ２次側第１アーム回路
３１１  ２次側第２アーム回路
３０７ｍ，３１１ｍ  中点
３９７  ２次側第２正極母線
３９８  ２次側正極母線（２次側第１正極母線）
３９９  ２次側負極母線
４００  変圧器
Ｕ＊，Ｖ＊  上アーム
／Ｕ＊，／Ｖ＊  下アーム
【図１】
2014230373.tif 000003
【図２】
2014230373.tif 000004
【図３】
2014230373.tif 000005
【図４】
2014230373.tif 000006
【図５】
2014230373.tif 000007