(57)【要約】【課題】電力変換装置において、出力電圧の高周波化を可能にする。【解決手段】第１入力側回路１６は、直流電源１２からの電圧を変換して正電圧及び負電圧を交互に供給する。第２入力側回路１８は、直流電源１２からの電圧を変換して正電圧及び負電圧を交互に供給する。出力側回路２０は、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８とから磁気結合により電圧の供給を受け、負荷１４に供給する。第１入力側回路１６と第２入力側回路１８は、正電圧及び負電圧の出力の位相を互いにずらして正電圧及び負電圧を交互に供給するとともに、正電圧と負電圧とで異なる振幅幅を有する電圧を供給する。【選択図】図１
2018038149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの電圧を変換して正電圧及び負電圧を交互に供給する第１入力側回路と、
電源からの電圧を変換して正電圧及び負電圧を交互に供給する第２入力側回路と、
前記第１入力側回路と前記第２入力側回路とから磁気結合により電圧の供給を受け、負荷に供給する出力側回路と、
を含み、
前記第１入力側回路と前記第２入力側回路は、正電圧及び負電圧の出力の位相を互いにずらして正電圧及び負電圧を交互に供給するとともに、正電圧と負電圧とで異なる振幅幅を有する電圧を供給する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１入力側回路は、
電源に並列に設けられた第１入力側コイルと、
前記第１入力側コイルに直列に設けられ、予め設定されたオン期間でオンし、予め設定されたオフ期間でオフする第１スイッチング素子と、
前記第１入力側コイルに並列に設けられた第１コンデンサと、
前記第１スイッチング素子と前記第１コンデンサとに直列に設けられ、前記第１スイッチング素子がオンしている間はオフし、前記第１スイッチング素子がオフしている間はオンする第２スイッチング素子と、
を含み、
前記第２入力側回路は、
前記電源に並列に設けられた第２入力側コイルと、
前記第２入力側コイルに直列に設けられ、前記第２スイッチング素子がオンして間、前記第２スイッチング素子がオンしている期間の長さよりも短い期間の間はオンし、それ以外の期間はオフする第３スイッチング素子と、
前記第２入力側コイルに並列に設けられた第２コンデンサと、
前記第３スイッチング素子と前記第２コンデンサとに直列に設けられ、前記第３スイッチング素子がオンしている間はオフし、前記第３スイッチング素子がオフしている間はオンする第４スイッチング素子と、
を含み、
前記出力側回路は、
前記第１入力側コイルと磁気結合する第１出力側コイルと、
前記第２入力側コイルと磁気結合する第２出力側コイルと、
を含む、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、
前記位相の差は１８０度である、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
正電圧の振幅幅は負電圧の振幅幅よりも大きい、
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置が知られている。例えば特許文献１に記載の電力変換装置においては、複数のスイッチング素子によって複数の相が構成され、各相からの出力電圧を複数のトランスによって合成することにより交流電圧が形成される。また、特許文献２に記載の電力変換装置においては、高圧の直流電源から低圧かつ高周波の交流電源への電力変換が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，１９８，１７８号明細書
【特許文献２】特開２０１５−２１１５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の電力変換装置においては、各スイッチング素子と各トランスに印加される電圧は、電力変換回路に入力される電圧と等しいため、その入力電圧に耐えられる耐圧素子を用いる必要がある。一般的に、耐圧がより高いスイッチング素子ほどオン抵抗が高くなる。それ故、入力電圧に耐えられる耐圧素子を用いた場合、スイッチング損失が増大する。また、特許文献１に記載の電力変換装置においては、スイッチング素子数が多いため、損失の低減が困難である。また、特許文献１に記載の電力変換装置においては、各トランスから出力される電圧は同じ振幅幅を有しており、各トランスから出力される電圧の位相を制御し（例えば位相差を３０度に設定し）、各トランスから出力される電圧を合成することにより、出力電圧の高圧化が可能となる。しかし、位相差を１８０度に設定した場合、合成された電圧はゼロ（０Ｖ）になるため、電圧が生成されないという問題が生じる。従って、位相差を１８０度に設定することができず、その結果、位相差を制御することによって出力電圧を高周波化することができない。
【０００５】
上記特許文献２に記載の電力変換装置においては、多数のダイオードが用いられるため、導通損失が増大する。また、電力変換装置に入力される電圧に依存するトランスのコア損失を低減することができないため、全体の効率を向上させることが困難である。
【０００６】
本発明の目的は、電力変換装置において、出力電圧の高周波化を可能にすることにある。あるいは、素子に印加される電圧を低減することにより、損失を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、電源からの電圧を変換して正電圧及び負電圧を交互に供給する第１入力側回路と、電源からの電圧を変換して正電圧及び負電圧を交互に供給する第２入力側回路と、前記第１入力側回路と前記第２入力側回路とから磁気結合により電圧の供給を受け、負荷に供給する出力側回路と、を含み、前記第１入力側回路と前記第２入力側回路は、正電圧及び負電圧の出力の位相を互いにずらして正電圧及び負電圧を交互に供給するとともに、正電圧と負電圧とで異なる振幅幅を有する電圧を供給する、ことを特徴とする電力変換装置である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、前記第１入力側回路は、電源に並列に設けられた第１入力側コイルと、前記第１入力側コイルに直列に設けられ、予め設定されたオン期間でオンし、予め設定されたオフ期間でオフする第１スイッチング素子と、前記第１入力側コイルに並列に設けられた第１コンデンサと、前記第１スイッチング素子と前記第１コンデンサとに直列に設けられ、前記第１スイッチング素子がオンしている間はオフし、前記第１スイッチング素子がオフしている間はオンする第２スイッチング素子と、を含み、前記第２入力側回路は、前記電源に並列に設けられた第２入力側コイルと、前記第２入力側コイルに直列に設けられ、前記第２スイッチング素子がオンして間、前記第２スイッチング素子がオンしている期間の長さよりも短い期間の間はオンし、それ以外の期間はオフする第３スイッチング素子と、前記第２入力側コイルに並列に設けられた第２コンデンサと、前記第３スイッチング素子と前記第２コンデンサとに直列に設けられ、前記第３スイッチング素子がオンしている間はオフし、前記第３スイッチング素子がオフしている間はオンする第４スイッチング素子と、を含み、前記出力側回路は、前記第１入力側コイルと磁気結合する第１出力側コイルと、前記第２入力側コイルと磁気結合する第２出力側コイルと、を含む、ことを特徴とする電力変換装置である。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、前記位相の差は１８０度である、ことを特徴とする電力変換装置である。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、正電圧の振幅幅は負電圧の振幅幅よりも大きい、ことを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、電力変換装置において、出力電圧の高周波化が可能となる。あるいは、電力変換装置を構成する各素子に印加される電圧を低減することが可能となり、これにより、損失を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。
【図２】本実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。
【図３】コンデンサの電圧の一例を示す図である。
【図４】制御回路の構成を示す図である。
【図５】キャリア波とゲート信号との関係を示す図である。
【図６】各波形の一例を示す図である。
【図７】期間Ａにおける電流経路を示す図である。
【図８】期間Ｂにおける電流経路を示す図である。
【図９】期間Ｃにおける電流経路を示す図である。
【図１０】期間Ｄにおける電流経路を示す図である。
【図１１】比較例に係る電圧の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１には、本実施形態に係る電力変換装置（例えば絶縁型電力変換装置）が示されている。本実施形態に係る電力変換装置１０は、直流電源１２から供給された電力を調整する機能を備えた装置である。電力変換装置１０は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車又は燃料電池自動車等の車両に搭載され、当該車両に設けられた負荷１４に供給する電力を調整する装置である。もちろん、電力変換装置１０は、車両以外の別の用途に用いられてもよい。
【００１４】
電力変換装置１０は、第１入力側回路１６と、第２入力側回路１８と、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８とから磁気結合により電力の供給を受け、負荷１４に電力を供給する出力側回路２０と、制御回路２２と、を含む回路である。
【００１５】
直流電源１２は直流電圧を供給する電源である。直流電源１２として、例えば充放電可能な電源が用いられてもよい。充放電可能な電源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。
【００１６】
負荷１４は、電力変換装置１０の構成要素ではないが、例えば、車両に搭載されるエアコンやＡＶ機器等である。
【００１７】
第１入力側回路１６は、出力側回路２０と磁気結合する回路である。第１入力側回路１６は、第１入力側コイル２４と、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第１コンデンサ２６と、第３コンデンサ２８と、を含む。第１入力側回路１６は、直流電源１２から供給される電力を直交変換して、直交変換された電力を出力側回路２０に供給する機能を有する。
【００１８】
第２入力側回路１８は、出力側回路２０と磁気結合する回路である。第２入力側回路１８は、第２入力側コイル３０と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、第２コンデンサ３２と、第４コンデンサ３４と、を含む。第２入力側回路１８は、直流電源１２から供給される電力を直交変換して、直交変換された電力を出力側回路２０に供給する機能を有する。
【００１９】
直流電源１２のプラス端子は、第１入力側コイル２４の一方端子、第１コンデンサ２６の一方端子、及び、第３コンデンサ２８の一方端子に接続されている。直流電源１２のマイナス端子は、第３スイッチング素子Ｓ３の他方端子、及び、第４コンデンサ３４の他方端子に接続されている。
【００２０】
第１入力側コイル２４の一方端子は、直流電源１２のプラス端子、第１コンデンサ２６の一方端子、及び、第３コンデンサ２８の一方端子に接続されている。第１入力側コイル２４の他方端子は、第１スイッチング素子Ｓ１の一方端子、及び、第２スイッチング素子Ｓ２の他方端子に接続されている。
【００２１】
第１スイッチング素子Ｓ１は、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子である。第１スイッチング素子Ｓ１においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。第１スイッチング素子Ｓ１には駆動回路が設けられている。第１スイッチング素子Ｓ１は、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、駆動回路によってスイッチング制御（オンオフ制御）がなされる。
【００２２】
第１スイッチング素子Ｓ１の一方端子は、第１入力側コイル２４の他方端子、第２スイッチング素子Ｓ２の他方端子に接続されている。第１スイッチング素子Ｓ１の他方端子は、第３コンデンサ２８の他方端子、第２入力側コイル３０の一方端子、第２コンデンサ３２の一方端子、及び、第４コンデンサ３４の一方端子に接続されている。
【００２３】
第２スイッチング素子Ｓ２は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。第２スイッチング素子Ｓ２においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。第２スイッチング素子Ｓ２には駆動回路が設けられている。第２スイッチング素子Ｓ２は、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、駆動回路によってスイッチング制御（オンオフ制御）がなされる。
【００２４】
第２スイッチング素子Ｓ２の一方端子は、第１コンデンサ２６の他方端子に接続されている。第２スイッチング素子Ｓ２の他方端子は、第１入力側コイル２４の他方端子、及び、第１スイッチング素子Ｓ１の一方端子に接続されている。
【００２５】
第１コンデンサ２６の一方端子は、直流電源１２のプラス端子、第１入力側コイル２４の一方端子、及び、第３コンデンサ２８の一方端子に接続されている。第１コンデンサ２６の他方端子は、第２スイッチング素子Ｓ２の一方端子に接続されている。
【００２６】
第２スイッチング素子Ｓ２と第１コンデンサ２６によって、クランプ回路が構成される。クランプ回路は、第１入力側コイル２４の両端電圧が所定の電圧を超えないようにする回路であり、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２を使って望むタイミングのときだけクランプ動作されるアクティブクランプ回路である。
【００２７】
第３コンデンサ２８の一方端子は、直流電源１２のプラス端子、第１入力側コイル２４の一方端子、及び、第１コンデンサ２６の一方端子に接続されている。第３コンデンサ２８の他方端子は、第１スイッチング素子Ｓ１の他方端子、第２入力側コイル３０の一方端子、第２コンデンサ３２の一方端子、及び、第４コンデンサ３４の一方端子に接続されている。
【００２８】
第１スイッチング素子Ｓ１がオンのときに第２スイッチング素子Ｓ２をオフとし、直流電源１２から供給される電力を第１入力側コイル２４に電磁エネルギとして蓄積しつつ、第２スイッチング素子Ｓ２の寄生ダイオードを介して第１コンデンサ２６を充電する。第１スイッチング素子Ｓ１がオフのときに第２スイッチング素子Ｓ２をオンとして、第１コンデンサ２６から第１入力側コイル２４に電流を流して励磁を逆にする。
【００２９】
第２入力側コイル３０の一方端子は、第１スイッチング素子Ｓ１の他方端子、第３コンデンサ２８の他方端子、第２コンデンサ３２の一方端子、及び、第４コンデンサ３４の一方端子に接続されている。第２入力側コイル３０の他方端子は、第３スイッチング素子Ｓ３の一方端子、及び、第４スイッチング素子Ｓ４の他方端子に接続されている。
【００３０】
第３スイッチング素子Ｓ３は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。第３スイッチング素子Ｓ３においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。第３スイッチング素子Ｓ３には駆動回路が設けられている。第３スイッチング素子Ｓ３は、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、駆動回路によってスイッチング制御（オンオフ制御）がなされる。
【００３１】
第３スイッチング素子Ｓ３の一方端子は、第２入力側コイル３０の他方端子、及び、第４スイッチング素子Ｓ４の他方端子に接続されている。第３スイッチング素子Ｓ３の他方端子は、第４コンデンサ３４の他方端子、及び、直流電源１２のマイナス端子に接続されている。
【００３２】
第４スイッチング素子Ｓ４は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。第４スイッチング素子Ｓ４おいては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオードが配置されている。第４スイッチング素子Ｓ４には駆動回路が設けられている。第４スイッチング素子Ｓ４は、制御回路２２からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、駆動回路によってスイッチング制御（オンオフ制御）がなされる。
【００３３】
第４スイッチング素子Ｓ４の一方端子は、第２コンデンサ３２の他方端子に接続されている。第４スイッチング素子Ｓ４の他方端子は、第２入力側コイル３０の他方端子、及び、第３スイッチング素子Ｓ３の一方端子に接続されている。
【００３４】
第２コンデンサ３２の一方端子は、第１スイッチング素子Ｓ１の他方端子、第３コンデンサ２８の他方端子、第２入力側コイル３０の一方端子、及び、第４コンデンサ３４の一方端子に接続されている。第２コンデンサ３２の他方端子は、第４スイッチング素子Ｓ４の一方端子に接続されている。
【００３５】
第４スイッチング素子Ｓ４と第２コンデンサ３２によって、クランプ回路が構成される。クランプ回路は、第２入力側コイル３０の両端電圧が所定の電圧を超えないようにする回路であり、第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４を使って望むタイミングのときだけクランプ動作されるアクティブクランプ回路である。
【００３６】
第４コンデンサ３４の一方端子は、第１スイッチング素子Ｓ１の他方端子、第３コンデンサ２８の他方端子、第２入力側コイル３０の一方端子、及び、第２コンデンサ３２の一方端子に接続されている。第４コンデンサ３４の他方端子は、直流電源１２のマイナス端子、及び、第３スイッチング素子Ｓ３の他方端子が接続されている。
【００３７】
第３スイッチング素子Ｓ３がオンのときに第４スイッチング素子Ｓ４をオフとし、直流電源１２から供給される電力を第２入力側コイル３０に電磁エネルギとして蓄積しつつ、第４スイッチング素子Ｓ４の寄生ダイオードを介して第２コンデンサ３２を充電する。第３スイッチング素子Ｓ３がオフのときに第４スイッチング素子Ｓ４をオンとして、第２コンデンサ３２から第２入力側コイル３０に電流を流して励磁を逆にする。
【００３８】
出力側回路２０は、第１出力側コイル３６と、第２出力側コイル３８と、第１ダイオード４０と、第２ダイオード４２と、第３ダイオード４４と、平滑コイル４６と、平滑コンデンサ４８と、を含む。出力側回路２０は、第１入力側回路１６及び第２入力側回路１８から供給された電力を整流して平滑化した電力を負荷１４に供給する回路である。
【００３９】
第１出力側コイル３６は、第１入力側コイル２４と磁気結合するリアクトルである。第１出力側コイル３６の一方端子は、第１ダイオード４０のアノード端子に接続されている。第１出力側コイル３６の他方端子は、第２出力側コイル３８の一方端子、負荷１４の他方端子、第３ダイオード４４のアノード端子、及び、平滑コンデンサ４８の他方端子に接続されている。第１入力側コイル２４と第１出力側コイル３６によって、第１トランスＴ１が構成される。
【００４０】
第２出力側コイル３８は、第２入力側コイル３０と磁気結合するリアクトルでる。第２出力側コイル３８の一方端子は、負荷１４の他方端子、第１出力側コイル３６の他方端子、第３ダイオードのアノード端子、及び、平滑コンデンサ４８の他方端子に接続されている。第２出力側コイル３８の他方端子は、第２ダイオード４２のアノード端子に接続されている。第２入力側コイル３０と第２出力側コイル３８によって、第２トランスＴ２が構成される。
【００４１】
第１ダイオード４０のアノード端子は、第１出力側コイル３６の一方端子に接続されている。第１ダイオード４０のカソード端子は、第２ダイオード４２のカソード端子、第３ダイオード４４のカソード端子、及び、平滑コイル４６の一方端子に接続されている。
【００４２】
第２ダイオード４２のアノード端子は、第２出力側コイル３８の他方端子に接続されている。第２ダイオード４２のカソード端子は、第１ダイオード４０のカソード端子、第３ダイオードのカソード端子、及び、平滑コイル４６の一方端子に接続されている。
【００４３】
第３ダイオード４４のアノード端子は、負荷１４の他方端子、第１出力側コイル３６の他方端子、第２出力側コイル３８の一方端子、及び、平滑コンデンサ４８の他方端子に接続されている。第３ダイオード４４のカソード端子は、第１ダイオード４０のカソード端子、第２ダイオード４２のカソード端子、及び、平滑コイル４６の一方端子に接続されている。
【００４４】
第１ダイオード４０と第３ダイオード４４によって、第１整流回路が構成される。第１整流回路は、第１入力側回路１６から供給された電力を整流する回路である。
【００４５】
第２ダイオード４２と第３ダイオード４４によって、第２整流回路が構成される。第２整流回路は、第２入力側回路１８から供給された電力を整流する回路である。
【００４６】
平滑コイル４６の一方端子は、第１ダイオード４０のカソード端子、第２ダイオード４２のカソード端子、及び、第３ダイオード４４のカソード端子に接続されている。平滑コイル４６の他方端子は、負荷１４の一方端子、及び、平滑コンデンサ４８の一方端子に接続されている。
【００４７】
平滑コンデンサ４８の一方端子は、負荷１４の一方端子、及び、平滑コイル４６の他方端子に接続されている。平滑コンデンサ４８の他方端子は、負荷１４の他方端子、第１出力側コイル３６の他方端子、第２出力側コイル３８の一方端子、及び、第３ダイオード４４のアノード端子に接続されている。
【００４８】
平滑コイル４６と平滑コンデンサ４８によって、平滑回路が構成される。平滑回路は、第１整流回路及び第２整流回路によって整流された電力を平滑化して負荷１４に供給する回路である。
【００４９】
制御回路２２は、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４のオン期間及びオフ期間を制御することにより、第１トランスＴ１と第２トランスＴ２に形成される電圧の極性を制御する。制御回路２２は、例えば、各スイッチング素子のオン及びオフを制御することにより、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８のそれぞれから正電圧及び負電圧を交互に出力側回路２０に供給する。このとき、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８が、正電圧及び負電圧の出力の位相を互いにずらして正電圧及び負電圧を交互に供給するとともに、正電圧と負電圧とで異なる振幅幅を有する電圧を出力側回路２０に供給するように、制御回路２２は、各スイッチング素子のオン及びオフを制御する。その位相差は例えば１８０度である。第１トランスＴ１と第２トランスＴ２のそれぞれに形成された電圧が合成され、この合成によって生成された合成電圧が出力側回路２０に供給される。この合成により、交流電圧の高周波化が可能となる。
【００５０】
電力変換装置１０を正常に動作させるために、第１入力側回路１６が供給する電圧（平均電圧）と第２入力側回路１８が供給する電圧（平均電圧）とが同一となるように、電圧が制御される。本実施形態においては、第３コンデンサ２８と第４コンデンサ３４を直列に接続することにより、第１入力側回路１６が供給する電圧と第２入力側回路１８が供給する電圧とのバランスがとられている。例えば、直流電源１２から供給される電圧が２００Ｖの場合、第３コンデンサ２８と第４コンデンサ３４がそれぞれ１００Ｖの電圧を一定に制御するように、電圧のバランスがとられる。この点について、図２及び図３を参照して説明する。図２には、電力変換装置１０が示されている。図３には、第３コンデンサ２８と第４コンデンサ３４の電圧の一例が示されている。
【００５１】
図３中の符号５０は、第１入力側回路１６に含まれる第１スイッチング素子Ｓ１のオン期間を示しており、符号５２は、第２入力側回路１８に含まれる第３スイッチング素子Ｓ３のオン期間を示している。第１スイッチング素子Ｓ１がオンのとき、第２スイッチング素子Ｓ２はオフとなっており、第３スイッチング素子Ｓ３がオンのとき、第４スイッチング素子Ｓ４はオフになっている。
【００５２】
第１スイッチング素子Ｓ１がオンのとき、第３コンデンサ２８が放電され、第１スイッチング素子Ｓ１を含む電流経路５４が形成され、その電流経路５４を介して第４コンデンサ３４が充電される。その後、第１スイッチング素子Ｓ１がオフとなり、第３スイッチング素子Ｓ３がオンになると、第４コンデンサ３４に蓄えられていたエネルギが放電され、第３スイッチング素子Ｓ３を含む電流経路５５が形成され、その電流経路５５を介して第３コンデンサ２８が充電される。図３中の符号５６は、第３コンデンサ２８の電圧の時間変化を示しており、符号５７は、第４コンデンサ３４の電圧の時間変化を示している。上記の動作を繰り返すことにより、符号５６，５７で示すように、第３コンデンサ２８と第４コンデンサ３４は、同様のエネルギを交互に放電及び充電する。これにより、平均電圧を一定に制御することが可能となる。
【００５３】
なお、第２スイッチング素子Ｓ２と第４スイッチング素子Ｓ４がオンのとき、電流経路５４，５５は形成されないので、第３コンデンサ２８と第４コンデンサ３４によるバランス制御に影響を与えない。
【００５４】
以下、図４を参照して、制御回路２２の構成について説明する。図４には、制御回路２２の構成が示されている。制御回路２２には、低電圧側の負荷１４の電圧指令値（低圧負荷指令値）と、負荷１４に印加されている電圧の値（測定値）と、が入力され、電圧ＰＩ制御部５８によって負荷１４に印加される電圧が制御される。電圧ＰＩ制御部５８の指令値は、ＰＩ差分処理後、０〜１の値を有するキャリア波６０，６２と比較される。キャリア波６０は、第１入力側回路１６に含まれる第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を制御するためのゲート信号を生成するための波形である。キャリア波６２は、第２入力側回路１８に含まれる第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作を制御するためのゲート信号を生成するための波形である。キャリア波６０，６２は一例として三角波である。この比較によって、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作を制御するためのゲート信号（制御信号）が生成される。各ゲート信号は、各スイッチング素子に対応する駆動回路に供給される。これにより、各ゲート信号に従って、各スイッチング素子のスイッチング動作が制御される。
【００５５】
本実施形態では、出力電圧（合成電圧）を高周波化するために、キャリア波６０の位相を基準として、キャリア波６２の位相がずらされる。
【００５６】
図５には、キャリア波とゲート信号との関係が示されている。横軸は時間である。キャリア波６０とキャリア波６２との間の位相差は、例えば１８０度である。符号６４で示す期間は１制御周期に対応する。電圧ＰＩ制御部５８の指令値とキャリア波６０，６２とが比較され、これにより、各スイッチング素子を制御するためのゲート信号が生成される。ゲート信号６６は、第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号６８は、第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号７０は、第３スイッチング素子Ｓ３のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号７２は、第４スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作を制御するための信号である。
【００５７】
第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２は、交互にオン及びオフを繰り返す。つまり、第１スイッチング素子Ｓ１がオンしている間、第２スイッチング素子Ｓ２はオフし、第１スイッチング素子Ｓ１がオフしている間、第２スイッチング素子Ｓ２はオンする。例えば、第２スイッチング素子Ｓ２がオンしている期間は、第１スイッチング素子Ｓ１がオンしている期間よりも長い。
【００５８】
第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４は、交互にオン及びオフを繰り返す。つまり、第３スイッチング素子Ｓ３がオンしている間、第４スイッチング素子Ｓ４はオフし、第３スイッチング素子Ｓ３がオフしている間、第４スイッチング素子Ｓ４はオンする。例えば、第４スイッチング素子Ｓ４がオンしている期間は、第３スイッチング素子Ｓ３がオンしている期間よりも長い。
【００５９】
例えば、第１スイッチング素子Ｓ１がオンしている期間の長さと、第３スイッチング素子Ｓ３がオンしている期間の長さは等しい。また、第２スイッチング素子Ｓ２がオンしている期間の長さと、第４スイッチング素子Ｓ４がオンしている期間の長さは等しい。第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号６６と第３スイッチング素子Ｓ３のゲート信号７０との間の位相差は、例えば１８０度である。同様に、第２スイッチング素子Ｓ２のゲート信号６８と第４スイッチング素子Ｓ４のゲート信号７２との間の位相差は、例えば１８０度である。
【００６０】
上記のスイッチング制御により、電力変換装置１０の動作の期間は、４つの期間（期間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に分けられ、期間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはその順番で繰り返し発生する。期間Ａでは、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４がオンしている期間である。期間Ｂは、期間Ａの後の期間であって、第２スイッチング素子Ｓ２と第４スイッチング素子Ｓ４がオンしている期間である。期間Ｃは、期間Ｂの後の期間であって、第２スイッチング素子Ｓ２と第３スイッチング素子Ｓ３がオンしている期間である。期間Ｄは、期間Ｃの後の期間であって、第２スイッチング素子Ｓ２と第４スイッチング素子Ｓ４がオンしている期間である。このような制御を行うことにより、第２スイッチング素子Ｓ２がオンしている間、第２スイッチング素子Ｓ２がオンしている間の長さよりも短い期間の間、第３スイッチング素子Ｓ３はオンし、それ以外の期間では、第３スイッチング素子Ｓ３はオフする。
【００６１】
オン期間とオフ期間とのデューティ比によって、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３、及び、第４スイッチング素子Ｓ４に印加される電圧が変化する。以下の式（１）には、第１スイッチング素子Ｓ１（又は第３スイッチング素子Ｓ３）の電圧Ｖｓ、第２スイッチング素子Ｓ２（又は第４スイッチング素子Ｓ４）に繋がっている第１コンデンサ２６（又は第２コンデンサ３２）の電圧Ｖｃ、直流電源１２の電圧Ｖｂと、指令値の比率Ｄと、の関係が示されている。
Ｖｓ＝Ｖｃ＋Ｖｂ
Ｖｃ＋Ｖｂ＝Ｖｂ／（１−Ｄ）・・・（１）
よって、Ｖｃ＝（Ｖｂ／（１−Ｄ）)−Ｖｂとなる。
【００６２】
第１スイッチング素子Ｓ１がオンのとき、第１トランスＴ１の電圧＝Ｖｂとなる。一方、第１スイッチング素子Ｓ１がオフのとき、第１トランスＴ１の電圧＝Ｖｃとなる。つまり、正電圧期間と負電圧期間とで、電圧の振幅が異なる。第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４についても、同様に、第３スイッチング素子Ｓ３がオンのとき、第２トランスＴ２の電圧＝Ｖｂとなり、第３スイッチング素子Ｓ３がオフのとき、第２トランスＴ２の電圧＝Ｖｃとなる。
【００６３】
以下、図６から図１０を参照して、電力変換装置１０の動作について詳しく説明する。図６には、各波形が示されている。横軸は時間を示している。図７から図１０には、各期間において電力変換装置１０に形成される電流経路が示されている。
【００６４】
図６中の波形７４は、第１トランスＴ１に形成される電圧（第１入力側コイル２４から第１出力側コイル３６に供給される電圧）の時間変化を示す波形である。波形７６は、第２トランスＴ２に形成される電圧（第２入力側コイル３０から第２出力側コイル３８に供給される電圧）の時間変化を示す波形である。波形７８は、出力側回路２０に供給される電圧の時間変化を示す波形である。つまり、波形７８は、第１入力側回路１６から供給される電圧（第１トランスに形成される電圧）と第２入力側回路１８から供給される電圧（第２トランスに形成される電圧）とを合成することで得られた電圧（平滑前の電圧）の時間変化を示す波形である。波形８０は、リアクトルとしての平滑コイル４６に印加される電流の時間変化を示す波形である。図６に示されているように、電力変換装置１０の動作の期間は、４つの期間（期間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に分けられ、期間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄがその順番で繰り返し発生する。
【００６５】
まず、期間Ａにおける動作について説明する。期間Ａでは、図６中のゲート信号６６で示すように第１スイッチング素子Ｓ１をオンとし、ゲート信号６８で示すように第２スイッチング素子Ｓ２をオフとし、ゲート信号７０で示すように第３スイッチング素子Ｓ３をオフとし、ゲート信号７２で示すように第４スイッチング素子Ｓ４をオンとする。図７には、期間Ａにおいて形成される電流経路が示されている。
【００６６】
第１スイッチング素子Ｓ１をオンとし、第２スイッチング素子Ｓ２をオフとすると、図７に示すように、第１入力側回路１６に、第１入力側コイル２４と第１スイッチング素子Ｓ１と第３コンデンサ２８とを経由する電流経路８２が形成される。これにより、直流電源１２からの電圧が第１スイッチング素子Ｓ１に印加され、第１トランスＴ１（第１入力側コイル２４と第１出力側コイル３６）によって、励磁インダクタンスの電流が上昇し、出力側（２次側）に逆起電力が発生する。これにより、出力側回路２０に、第１ダイオード４０と平滑コイル４６と負荷１４とを経由する電流経路８４が形成され、第１ダイオード４０を通じて電流が流れる。平滑コイル４６にエネルギが蓄えられて負荷１４に給電する。図６中の波形７４で示すように、期間Ａは第１入力側回路１６の正電圧期間であり、期間Ａにおいては、第１入力側回路１６から正電圧が出力側回路２０に供給される。
【００６７】
一方、第４スイッチング素子Ｓ４をオンとし、第３スイッチング素子Ｓ３をオフとすると、第２トランスＴ２（第２入力側コイル３０と第２出力側コイル３８）の励磁インダクタンスの変化により、第４スイッチング素子Ｓ４に接続されている第２コンデンサ３２への充電が始まり、第２トランスＴ２の励磁インダクタンスの電流が低下する。励磁インダクタンスがゼロになると、第２コンデンサ３２に蓄えられているエネルギが放電される。これにより、図７に示すように、第２入力側回路１８に、第２入力側コイル３０と第４スイッチング素子Ｓ４と第２コンデンサ３２を経由する電流経路８６（循環経路）が形成される。このとき、第３ダイオード４４が機能するため、第２トランスＴ２の２次側（第２出力側コイル３８）に逆起電力は発生しない。図７中の波形７６で示すように、期間Ａは第２入力側回路１８の負電圧期間であり、期間Ａにおいては、第２入力側回路１８から負電圧が出力側回路２０に供給される。
【００６８】
期間Ａにおいては、第１入力側回路１６から出力側回路２０に供給される正電圧の振幅幅は、第２入力側回路１８から出力側回路２０に供給される負電圧の振幅幅よりも大きい。そのため、波形７８で示すように、第１入力側回路１６から供給される電圧と第２入力側回路１８から供給される電圧とを合成することで生成された合成電圧（出力電圧）は、正電圧となる。
【００６９】
次に、期間Ｂにおける動作について説明する。期間Ｂは、期間Ａの後の期間であって、期間Ａと期間Ｃとの間の期間である。期間Ｂでは、図６中のゲート信号６６で示すように第１スイッチング素子Ｓ１をオフとし、ゲート信号６８で示すように第２スイッチング素子Ｓ２をオンとし、ゲート信号７０で示すように第３スイッチング素子Ｓ３をオフとし、ゲート信号７２で示すように第４スイッチング素子Ｓ４をオンとする。図８には、期間Ｂにおいて形成された電流経路が示されている。
【００７０】
第２スイッチング素子Ｓ２をオンとし、第１スイッチング素子Ｓ１をオフとすると、第１トランスＴ１（第１入力側コイル２４と第１出力側コイル３６）の励磁インダクタンスの変化により、第２スイッチング素子Ｓ２に接続されている第１コンデンサ２６への充電が始まり、第１トランスＴ１の励磁インダクタンスの電流が低下する。励磁インダクタンスがゼロになると、第１コンデンサ２６に蓄えられているエネルギが放電される。これにより、図８に示すように、第１入力側回路１６に、第１入力側コイル２４と第２スイッチング素子Ｓ２と第１コンデンサ２６とを経由する電流経路８８（循環経路）が形成される。このとき、第１ダイオード４０が機能するため、第１トランスＴ１の２次側（第１出力側コイル３６）に逆起電力は発生しない。図７中の波形７４で示すように、期間Ｂは第１入力側回路１６の負電圧期間であり、期間Ｂにおいては、第１入力側回路１６から負電圧が出力側回路２０に供給される。
【００７１】
第２入力側回路１８においては、第３スイッチング素子Ｓ３がオフに維持されており、第４スイッチング素子Ｓ４がオンに維持されているため、期間Ａと同様に、電流経路８６（循環経路）が形成される。このとき、第３ダイオード４４が機能するため、第２トランスＴ２の２次側（第２出力側コイル３８）に逆起電力は発生しない。図７中の波形７６で示すように、期間Ｂは第２入力側回路１８の負電圧期間であり、期間Ｂにおいては、第２入力側回路１８から負電圧が出力側回路２０に供給される。
【００７２】
出力側回路２０においては、期間Ａ中の動作によって平滑コイル４６（リアクトル）に蓄えられたエネルギが放出され、これにより、第３ダイオード４４と平滑コイル４６と負荷１４とを経由する電流経路９０が形成され、第３ダイオード４４を通じて電流が流れる。その電流値は低くなる。
【００７３】
期間Ｂにおいては、正電圧よりも振幅幅が小さい負電圧が、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８のそれぞれから出力側回路２０に供給される。そのため、波形７８で示すように、合成電圧（出力電圧）は負電圧となる。
【００７４】
次に、期間Ｃにおける動作について説明する。期間Ｃは、期間Ｂの後の期間であって、期間Ｂと期間Ｄとの間の期間である。期間Ｃでは、図６中のゲート信号６６で示すように第１スイッチング素子Ｓ１をオフとし、ゲート信号６８で示すように第２スイッチング素子Ｓ２をオンとし、ゲート信号７０で示すように第３スイッチング素子Ｓ３をオンとし、ゲート信号７２で示すように第４スイッチング素子Ｓ４をオフとする。図９には、期間Ｃにおいて形成された電流経路が示されている。
【００７５】
第１入力側回路１６においては、第１スイッチング素子Ｓ１がオフに維持されており、第２スイッチング素子Ｓ２がオンに維持されているため、期間Ｂと同様に、電流経路８８（循環経路）が形成される。このとき、第１ダイオード４０が機能するため、第１トランスＴ１の２次側（第１出力側コイル３６）に逆起電力は発生しない。図７中の波形７４で示すように、期間Ｃは第１入力側回路１６の負電圧期間であり、期間Ｃにおいては、第１入力側回路１６から負電圧が出力側回路２０に供給される。
【００７６】
第３スイッチング素子Ｓ３をオンとし、第４スイッチング素子Ｓ４をオフとすると、図９に示すように、第２入力側回路１８に、第２入力側コイル３０と第３スイッチング素子Ｓ３とを経由する電流経路９２が形成される。これにより、直流電源１２からの電圧が第３スイッチング素子Ｓ３に印加され、第２トランスＴ２（第２入力側コイル３０と第２出力側コイル３８）によって、励磁インダクタンスの電流が上昇し、出力側（２次側）に逆起電力が発生する。これにより、出力側回路２０に、第２ダイオード４２と平滑コイル４６と負荷１４とを経由する電流経路９４が形成され、第２ダイオード４２を通じて電流が流れる。平滑コイル４６にエネルギが蓄えられて負荷１４に給電する。図６中の波形７６で示すように、期間Ｃは第２入力側回路１８の正電圧期間であり、期間Ｃにおいては、第２入力側回路１８から正電圧が出力側回路２０に供給される。
【００７７】
期間Ｃにおいては、第２入力側回路１８から出力側回路２０に供給される正電圧の振幅幅は、第１入力側回路１６から出力側回路２０に供給される負電圧の振幅幅よりも大きい。そのため、波形７８で示すように、第１入力側回路１６から供給される電圧と第２入力側回路１８から供給された電圧とを合成することで生成された合成電圧（出力電圧）は、正電圧となる。
【００７８】
次に、期間Ｄにおける動作について説明する。期間Ｄは、期間Ｃの後の期間であって、期間Ｃと次の期間Ａとの間の期間である。期間Ｄでは、期間Ｂと同様のスイッチング制御が行われる。つまり、期間Ｄでは、図６中のゲート信号６６で示すように第１スイッチング素子Ｓ１をオフとし、ゲート信号６８で示すように第２スイッチング素子Ｓ２をオンとし、ゲート信号７０で示すように第３スイッチング素子Ｓ３をオフとし、ゲート信号７２で示すように第４スイッチング素子Ｓ４をオンとする。図１０には、期間Ｄにおいて形成される電流経路が示されている。期間Ｄにおいては、期間Ｂと同様に、第１入力側回路１６に電流経路８８（循環経路）が形成され、第２入力側回路１８に電流経路８６（循環経路）が形成される。出力側回路２０においては、期間Ｂと同様に、電流経路９０が形成され、第３ダイオード４４を通じて電流が流れる。その電流値は低くなる。期間Ｄにおいては、期間Ｂと同様に、正電圧よりも振幅幅が小さい負電圧が、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８のそれぞれから出力側回路２０に供給される。そのため、波形７８で示すように、合成電圧（出力電圧）は負電圧となる。
【００７９】
期間Ｄの後には新たな期間Ａが設けられており、上述したように、期間Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄにおける動作が繰り返し実行される。
【００８０】
以上のように、本実施形態によると、複数の入力側回路（例えば、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８）によって電圧を出力側回路２０に供給するので、１つの入力側回路によって電圧を出力側回路２０に供給する場合と比較して、入力側回路を構成する各素子（例えばスイッチング素子、ダイオード）や各トランスに印加される電圧を低減することが可能となる。例えば、２つの入力側回路（例えば、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８）を用いることにより、各素子や各トランスに印加される電圧を半分に低減することが可能となる。これにより、耐圧がより低い素子を用いることが可能となる。一般的に、耐圧がより低いスイッチング素子は、耐圧がより高いスイッチング素子と比べて、オン抵抗が低い。それ故、耐圧がより低いスイッチング素子を用いることにより、スイッチング損失を低減することが可能となる。また、ダイオードの設置数を減らして、導通損失を低減することが可能となる。
【００８１】
また、第１入力側回路１６と第２入力側回路１８のそれぞれから供給される電圧の位相を制御することにより、各入力側回路からの電圧が分配的に出力側回路２０に供給される。これにより、出力側回路２０に供給される電圧を高周波化することが可能となる。また、負荷１４に接続された平滑コイル４６（リアクトル）の小型化が可能となる。
【００８２】
また、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４における、オン期間とオフ期間とのデューティ比を調整することにより、出力側回路２０に供給される電圧の値を変えることが可能となる。これにより、出力側回路２０に任意の電圧を供給することが可能となる。
【００８３】
以下、図１１を参照して、比較例について説明する。図１１には、比較例に係る電圧の時間変化が示されている。比較例においては、２つのトランス（第１トランスと第２トランス）のそれぞれに形成される電圧を合成することにより合成電圧が生成される。その合成電圧は、出力側回路に供給される。比較例においては、第１トランスと第２トランスのそれぞれに、同じ振幅幅を有する電圧が形成される。
【００８４】
符号９６は、第１トランスに形成される電圧の時間変化を示しており、符号９８は、第２トランスに形成される電圧の時間変化を示している。第１トランスに形成される電圧と第２トランスに形成される電圧との間の位相差は３０度である。それ故、符号９８で示されている電圧は、符号９６で示されている電圧よりも３０度分の位相差をもって出力される。符号１００は、第１トランスに形成される電圧と第２トランスに形成される電圧とを合成することにより生成される合成電圧（出力電圧）の時間変化を示している。位相差が３０度の場合、合成電圧の高圧化が可能となる。
【００８５】
符号１０２は、第１トランスに形成される電圧の時間変化を示しており、符号１０４は、第２トランスに形成される電圧の時間変化を示している。第１トランスに形成される電圧と第２トランスに形成される電圧との間の位相差は１８０度である。それ故、符号１０４で示されている電圧は、符号１０２で示されている電圧よりも１８０度分の位相差をもって出力される。符号１０６は、第１トランスに形成される電圧と第２トランスに形成される電圧とを合成することにより生成される合成電圧（出力電圧）の時間変化を示している。第１トランスに形成される電圧の振幅幅と第２トランスに形成される電圧の振幅幅とが等しく、また、位相差が１８０度であるため、合成電圧はゼロＶ（０Ｖ）になる。
【００８６】
以上のように、比較例においては、位相差を１８０度に設定した場合、合成電圧は０Ｖになるため、事実上、位相差を１８０度に設定することができない。それ故、位相差制御によって出力電圧（合成電圧）を高周波化することができない。これに対して、本実施形態によると、第１トランスＴ１に形成される電圧の振幅幅と第２トランスＴ２に形成される電圧の振幅幅を異ならせているため、それらの位相差を１８０度に設定しても、出力電圧（合成電圧）はゼロＶ（０Ｖ）にはならず、その結果、出力電圧の高周波化が可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１０  電力変換装置、１２  直流電源、１４  負荷、１６  第１入力側回路、１８  第２入力側回路、２０  出力側回路、２２  制御回路、２４  第１入力側コイル、２６  第１コンデンサ、２８  第３コンデンサ、３０  第２入力側コイル、３２  第２コンデンサ、３４  第４コンデンサ、３６  第１出力側コイル、３８  第２出力側コイル、４０  第１ダイオード、４２  第２ダイオード、４４  第３ダイオード、４６  平滑コイル、４８  平滑コンデンサ。
【図１】
2018038149.tif 000003
【図２】
2018038149.tif 000004
【図３】
2018038149.tif 000005
【図４】
2018038149.tif 000006
【図５】
2018038149.tif 000007
【図６】
2018038149.tif 000008
【図７】
2018038149.tif 000009
【図８】
2018038149.tif 000010
【図９】
2018038149.tif 000011
【図１０】
2018038149.tif 000012
【図１１】
2018038149.tif 000013