(57)【要約】【課題】絶縁トランスの１次側と２次側にそれぞれブリッジ回路が設けられる電力変換装置であって、降圧時における出力電流の調整範囲が改善された電力変換装置を提供する。【解決手段】制御回路１５は、第１ブリッジ回路１１の複数のスイッチング素子のスイッチング位相と、第２ブリッジ回路１２の複数のスイッチング素子のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換し、出力電力を低下させるときに位相差を小さく制御し、入力電力の降圧時に位相差が予め定められた下限値に達した場合、位相差を下限値に固定した状態で、第２ブリッジ回路１２の複数のスイッチング素子のオン時間を短く制御する。【選択図】図１
2018170845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を有し、負荷に出力電力を供給する第１ブリッジ回路と、
複数のスイッチング素子を有し、直流電源から入力電力を受ける第２ブリッジ回路と、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、
前記第１ブリッジ回路の前記複数のスイッチング素子と前記第２ブリッジ回路の前記複数のスイッチング素子を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１ブリッジ回路の前記複数のスイッチング素子のスイッチング位相と、前記第２ブリッジ回路の前記複数のスイッチング素子のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換し、前記出力電力を低下させるときに前記位相差を小さく制御し、
前記入力電力の降圧時に前記位相差が予め定められた下限値に達した場合、前記位相差を前記下限値に固定した状態で、前記第２ブリッジ回路の前記複数のスイッチング素子のオン時間を短く制御する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記入力電力の降圧時に前記位相差が前記下限値に達した場合、前記位相差による電力制御から、前記オン時間による電力制御に切り替える、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記オン時間による電力制御を、前記位相差による電力制御時の固定されたオン時間の予め定められた割合以下のオン時間から開始する、
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記割合は２／３である、
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記オン時間による電力制御中に当該オン時間が予め定められた最大時間に達した場合、前記位相差による電力制御に戻る、
ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御回路は、デッドタイムを設けて前記第１ブリッジ回路の前記複数のスイッチング素子をスイッチングさせ、
前記下限値は、前記デッドタイムの２倍より大きい、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を所望の直流電力に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蓄電システムや電気自動車の普及拡大に伴い、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの需要が増加している。絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの一つに、デュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ：Ｄｕａｌ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｂｒｉｄｇｅ）コンバータがある（例えば、特許文献１参照）。ＤＡＢコンバータは、絶縁トランスの１次側と２次側にそれぞれ設けられたブリッジ回路を備え、１次側のブリッジ回路のスイッチング制御と２次側のブリッジ回路のスイッチング制御との位相差を調整することにより、電力の方向および量を調整することができる。具体的には、位相差が小さくなれば出力電力を下げることができ、位相差が大きくなれば出力電力を上げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１５２６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなＤＡＢコンバータでは、降圧時においては出力電圧が入力電圧より低いため、位相差を十分に小さく調整しても、入力側から出力側に電力供給している期間において時間経過に伴い出力電流が増加する。従って、降圧時に出力電流を十分に小さく調整することは困難であり、出力電流の調整範囲には改善の余地がある。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁トランスの１次側と２次側にそれぞれブリッジ回路が設けられる電力変換装置であって、降圧時における出力電流の調整範囲が改善された電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、複数のスイッチング素子を有し、負荷に出力電力を供給する第１ブリッジ回路と、複数のスイッチング素子を有し、直流電源から入力電力を受ける第２ブリッジ回路と、第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、第１ブリッジ回路の複数のスイッチング素子と第２ブリッジ回路の複数のスイッチング素子を制御する制御回路と、を備える。制御回路は、第１ブリッジ回路の複数のスイッチング素子のスイッチング位相と、第２ブリッジ回路の複数のスイッチング素子のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換し、出力電力を低下させるときに位相差を小さく制御し、入力電力の降圧時に位相差が予め定められた下限値に達した場合、位相差を下限値に固定した状態で、第２ブリッジ回路の複数のスイッチング素子のオン時間を短く制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、降圧時における出力電流の調整範囲を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。
【図２】図１の電力変換装置の降圧時の位相差制御モードの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】図１の電力変換装置の降圧時のオン時間制御モードの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】図１の電力変換装置の降圧時のオフ時間に対する出力電力の変化を示す図である。
【図５】比較例の電力変換装置の降圧時の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、一実施形態に係る電力変換装置１０の構成を説明するための図である。電力変換装置１０は、直流電源Ｖｄｃ１から供給される直流電力を電力変換して直流電源Ｖｄｃ２に出力すること、および、直流電源Ｖｄｃ２から供給される直流電力を電力変換して直流電源Ｖｄｃ１に出力することが可能な絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＡＢコンバータ）である。電力変換装置１０は、昇圧することもでき、降圧することもできる。
【００１０】
直流電源Ｖｄｃ１は例えば、蓄電池、電気二重層コンデンサ、太陽電池、燃料電池などが該当する。直流電源Ｖｄｃ２として、例えば、電力変換装置１０から供給される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に出力するＤＣ−ＡＣインバータが接続されてもよい。直流電源Ｖｄｃ１が蓄電池であり、直流電源Ｖｄｃ２がＤＣ−ＡＣインバータである場合、ＤＣ−ＡＣインバータは、商用電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して、電力変換装置１０は当該直流電力を電力変換して蓄電池を充電することができる。
【００１１】
電力変換装置１０は、第１コンデンサＣ１、第１ブリッジ回路１１、絶縁トランスＴＲ１、第１漏れインダクタンスＬ１、第２漏れインダクタンスＬ２、第２ブリッジ回路１２、第２コンデンサＣ２、電流検出部１３，１４、及び、制御回路１５を備える。
【００１２】
直流電源Ｖｄｃ１と並列に第１コンデンサＣ１が接続される。第１コンデンサＣ１には例えば、電解コンデンサが使用される。第１ブリッジ回路１１は、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２が直列接続された第１アームと、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４が直列接続された第２アームが並列接続されて構成されるフルブリッジ回路である。第１ブリッジ回路１１は直流電源Ｖｄｃ１及び第１コンデンサＣ１と並列接続され、第１アームの中点Ｎ１と第２アームの中点Ｎ２が、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線の両端にそれぞれ接続される。
【００１３】
第２ブリッジ回路１２は、第５スイッチング素子Ｑ５と第６スイッチング素子Ｑ６が直列接続された第３アームと、第７スイッチング素子Ｑ７と第８スイッチング素子Ｑ８が直列接続された第４アームが並列接続されて構成されるフルブリッジ回路である。第３アームの中点Ｎ３と第４アームの中点Ｎ４が、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線の両端にそれぞれ接続される。第２ブリッジ回路１２は第２コンデンサＣ２及び直流電源Ｖｄｃ２と並列接続される。
【００１４】
第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８には例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用できる。第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子および第３スイッチング素子Ｑ３のドレイン端子は、直流電源Ｖｄｃ１の正極に接続される。第２スイッチング素子Ｑ２のソース端子および第４スイッチング素子Ｑ４のソース端子は、直流電源Ｖｄｃ１の負極に接続される。第１スイッチング素子Ｑ１のソース端子と第２スイッチング素子Ｑ２のドレイン端子が接続され、第３スイッチング素子Ｑ３のソース端子と第４スイッチング素子Ｑ４のドレイン端子が接続される。
【００１５】
同様に、第５スイッチング素子Ｑ５のドレイン端子および第７スイッチング素子Ｑ７のドレイン端子は、直流電源Ｖｄｃ２の正極に接続される。第６スイッチング素子Ｑ６のソース端子および第８スイッチング素子Ｑ８のソース端子は、直流電源Ｖｄｃ２の負極に接続される。第５スイッチング素子Ｑ５のソース端子と第６スイッチング素子Ｑ６のドレイン端子が接続され、第７スイッチング素子Ｑ７のソース端子と第８スイッチング素子Ｑ８のドレイン端子が接続される。
【００１６】
第１ダイオードＤ１〜第８ダイオードＤ８は、それぞれの第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のソースからドレイン方向に形成される寄生ダイオードを利用できる。なお、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用してもよい。この場合、第１ダイオードＤ１〜第８ダイオードＤ８は、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８にそれぞれ並列に、逆向きに接続される。
【００１７】
絶縁トランスＴＲ１は、一次巻線に接続される第１ブリッジ回路１１の出力電圧を、一次巻線と二次巻線の巻数比に応じて変換し、二次巻線に接続される第２ブリッジ回路１２に出力する。また絶縁トランスＴＲ１は、二次巻線に接続される第２ブリッジ回路１２の出力電圧を、一次巻線と二次巻線の巻数比に応じて変換し、一次巻線に接続される第１ブリッジ回路１１に出力する。第１ブリッジ回路１１の第１アームの中点Ｎ１と、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線の一端との間に第１漏れインダクタンスＬ１が形成される。第２ブリッジ回路１２の第１アームの中点Ｎ３と、絶縁トランスＴＲ１の二次巻線の一端との間に第２漏れインダクタンスＬ２が形成される。
【００１８】
第１ブリッジ回路１１と絶縁トランスＴＲ１の一次巻線との間、及び、第２ブリッジ回路１２と絶縁トランスＴＲ１の二次巻線との間のそれぞれに、設計者が任意のインダクタンス値を有するインダクタ素子を接続してもよい。
【００１９】
第２ブリッジ回路１２と並列に第２コンデンサＣ２が接続される。第２コンデンサＣ２には例えば、電解コンデンサが使用される。
【００２０】
電流検出部１３は、電力変換装置１０から直流電源Ｖｄｃ１に出力される出力電流Ｉｏ１を検出して制御回路１５に出力する。電流検出部１４は、電力変換装置１０から直流電源Ｖｄｃ２に出力される出力電流Ｉｏ２を検出して制御回路１５に出力する。直流電源Ｖｄｃ１の電圧（第１コンデンサＣ１の両端電圧）と直流電源Ｖｄｃ２の電圧（第２コンデンサＣ２の両端電圧）を検出する電圧検出部（不図示）を設け、当該電圧を制御回路１５に出力する構成を追加してもよい。
【００２１】
制御回路１５の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
【００２２】
制御回路１５は、直流電源Ｖｄｃ１から直流電源Ｖｄｃ２の方向に電力変換する場合、出力電流Ｉｏ２が電流指令値を維持するよう、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御する。制御回路１５は、直流電源Ｖｄｃ２から直流電源Ｖｄｃ１の方向に電力変換する場合、出力電流Ｉｏ１が電流指令値を維持するよう、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８を制御する。
【００２３】
制御回路１５は、昇圧時と降圧時とにおいて互いに異なる制御を行う。ここで、昇圧時であるか、降圧時であるかは、直流電源Ｖｄｃ１と直流電源Ｖｄｃ２の大小関係と、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線と二次巻線の巻数比とに基づいて決まる。例えば、絶縁トランスＴＲ１の一次巻線と二次巻線の巻数比が２：１であり、直流電源Ｖｄｃ１の電圧を３００Ｖ、直流電源Ｖｄｃ２の電圧を２００Ｖと想定する。この条件で直流電源Ｖｄｃ１から直流電源Ｖｄｃ２の方向に電力変換する場合、二次側電圧（２００Ｖ）が一次側電圧の二次側換算電圧（１５０Ｖ）より高くなるので、昇圧時となる。また、この条件で直流電源Ｖｄｃ２から直流電源Ｖｄｃ１の方向に電力変換する場合、一次側電圧（３００Ｖ）が二次側電圧の一次側換算電圧（４００Ｖ）より低くなるので、降圧時となる。換言すると、入力側から出力側に電力供給している期間において時間経過に伴い出力電流が減少する場合、昇圧時となる。また、入力側から出力側に電力供給している期間において時間経過に伴い出力電流が増加する場合、降圧時となる。
【００２４】
制御回路１５は、昇圧時には、既知のＤＡＢコンバータの制御と同様の制御を行う。つまり、制御回路１５は、昇圧時には、第１ブリッジ回路１１の第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４のスイッチング位相と、第２ブリッジ回路１２の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のスイッチング位相との位相差を制御して電力変換し、電力変換装置１０の出力電力の量および方向を制御する。このとき制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間（時比率）を固定で制御する。このときのオン時間を基準時間とも称す。
【００２５】
制御回路１５は、降圧時には、まず位相差制御モードで動作する。位相差制御モードでは、制御回路１５は、昇圧時の制御と同様に第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８のスイッチング位相を制御して電力変換する。
【００２６】
以下では、降圧時において直流電源Ｖｄｃ２から直流電源Ｖｄｃ１の方向に電力変換する一例について説明する。つまり、第２ブリッジ回路１２が直流電源Ｖｄｃ２から直流の入力電力を受け、第１ブリッジ回路１１が負荷としての直流電源Ｖｄｃ１に直流の出力電力を供給する。
【００２７】
図２は、図１の電力変換装置１０の降圧時の位相差制御モードの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。期間Ｔ１では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオフ、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオン、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８をデッドタイムｔｄの期間のオフ後にオン、並びに第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７をオフに制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。なお第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７のターンオフと、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８のターンオン間にデッドタイムｔｄを設けている。デッドタイムｔｄは貫通電流を防止して無駄な電力消費を抑えるために挿入される。
【００２８】
期間Ｔ２では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をデッドタイムｔｄの期間のオフ後にオン、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオフ、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８をオン、並びに第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７をオフに制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。なお第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３のターンオフと、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４のターンオン間にデッドタイムｔｄを設けている。
【００２９】
期間Ｔ３では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオン、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオフ、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８をオフ、並びに第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７をデッドタイムｔｄの期間のオフ後にオンに制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。なお第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８のターンオフと、第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７のターンオン間にデッドタイムｔｄを設けている。
【００３０】
期間Ｔ４では制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオフ、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をデッドタイムｔｄの期間のオフ後にオン、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８をオフ、並びに第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７をオンに制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。なお第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４のターンオフと、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３のターンオン間にデッドタイムｔｄを設けている。
【００３１】
位相差ｔｓは、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８がターンオフするタイミングと、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４がターンオフするタイミングとの間の時間である。位相差ｔｓは、期間Ｔ１および期間Ｔ３と等しい。第１漏れインダクタンスＬ１及び絶縁トランスＴＲ１の一次巻線に流れる電流ＩＬは、位相差ｔｓに応じて制御される。よって、出力電流Ｉｏ１および出力電力も位相差ｔｓに応じて制御される。制御回路１５は、出力電流Ｉｏ１および出力電力を低下させるときに位相差ｔｓを小さく制御し、出力電流Ｉｏ１および出力電力を増加させるときに位相差ｔｓを大きく制御する。
【００３２】
制御回路１５は、入力電力の降圧時に位相差ｔｓが予め定められた下限値に達した場合、即ち位相差ｔｓを下限値まで小さくしても出力電流Ｉｏ１が電流指令値まで低下しない場合、オン時間制御モードで動作する。下限値は、例えばデッドタイムｔｄの２倍より大きく、デッドタイムｔｄの２倍にマージン値を加えた値である。
【００３３】
図３は、図１の電力変換装置１０の降圧時のオン時間制御モードの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。直流電源Ｖｄｃ２から直流電源Ｖｄｃ１の方向に電力変換する場合、オン時間制御モードでは、制御回路１５は、位相差ｔｓを下限値に固定した状態で、送電側の第２ブリッジ回路１２の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間ｔｏｎを短く制御する。具体的には制御回路１５は、降圧時に位相差ｔｓが下限値に達した場合、位相差ｔｓによる電力制御から、オン時間ｔｏｎによる電力制御に切り替える。第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４の制御は、位相差制御モードと同一である。
【００３４】
期間Ｔ２と期間Ｔ３の間に、期間Ｔａが設けられる。期間Ｔａでは、制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオン、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオフ、並びに第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８をオフに制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。
【００３５】
期間Ｔ４と期間Ｔ１の間に、期間Ｔｂが設けられる。期間Ｔｂでは、制御回路１５は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第４スイッチング素子Ｑ４をオフ、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をオン、並びに第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８をオフに制御するための駆動信号を生成し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８の制御端子（ゲート端子）に供給する。
【００３６】
制御回路１５は、第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間ｔｏｎを制御して電力変換装置１０の出力電力の量を制御する。オン時間ｔｏｎを短くして第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のスイッチング状態が実線から破線に変更された場合、電流ＩＬは実線から破線に変化し、出力電流Ｉｏ１および出力電力が小さくなる。よって、出力電流Ｉｏ１および出力電力を、位相差ｔｓによる電力制御時の最小値より小さくすることができる。
【００３７】
図３においてオフ時間ｔｏｆｆとは、第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８がターンオフしてから第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７がターンオンするまでの時間、および、第６スイッチング素子Ｑ６及び第７スイッチング素子Ｑ７がターンオフしてから第５スイッチング素子Ｑ５及び第８スイッチング素子Ｑ８がターンオンするまでの時間を表す。
【００３８】
図４は、図１の電力変換装置１０の降圧時のオフ時間ｔｏｆｆに対する出力電力の変化を示す図である。図４は、直流電源Ｖｄｃ１の電圧は１０７Ｖであり、直流電源Ｖｄｃ２の電圧は３００Ｖであり、スイッチング周波数は２０ｋＨｚであり、位相差ｔｓの下限値は２．５μｓである場合のシミュレーション結果を示す。図４に示すように、オフ時間ｔｏｆｆが増加するに従い、即ちオン時間ｔｏｎが基準時間（約２５μｓ）から減少するに従い、出力電力（即ち出力電流Ｉｏ１）は増加してから減少する。オフ時間ｔｏｆｆが約２．５μｓのときに、出力電力は最大値になっている。出力電力が最大値になるオフ時間ｔｏｆｆは、各種条件に応じて変化する。
【００３９】
このような特性は、次の理由により生じると考えられる。電力変換装置１０は、第２ブリッジ回路１２の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８が全てオフの状態にある期間Ｔａ，Ｔｂでは、電流ＩＬが一旦ゼロになるとゼロに維持されることを除き、位相差ｔｓの期間Ｔ１，Ｔ３と基本的には同じように動作する。図４の例では、オフ時間ｔｏｆｆが０〜約２．５μｓの領域では、第５スイッチング素子Ｑ５と第８スイッチング素子Ｑ８がターンオフした後、電流ＩＬがゼロになる前に第６スイッチング素子Ｑ６と第７スイッチング素子Ｑ７がターンオンする。よって、オフ時間ｔｏｆｆと位相差ｔｓとの和が位相差ｔｓになったことと等価になる。そのため、オフ時間ｔｏｆｆが０〜約２．５μｓの領域では、オフ時間ｔｏｆｆが増加すると、位相差ｔｓが増加したことと等価になり、出力電力が増加する。
【００４０】
このような図４の特性から、位相差制御モードからオン時間制御モードに切り替わったときにオン時間ｔｏｎを基準値から減少させた場合、出力電流Ｉｏ１が一旦増加するので、電力制御が多少不安定になる可能性がある。そこで、図４の特性も考慮して制御することがより好ましい。制御回路１５は、オン時間ｔｏｎによる電力制御を、位相差ｔｓによる電力制御時の固定されたオン時間ｔｏｎ（基準値）の予め定められた割合以下のオン時間ｔｏｎから開始する。これにより、オン時間ｔｏｎの減少に伴い出力電流Ｉｏ１が減少する領域でオン時間ｔｏｎによる電力制御を開始することができる。従って、このような制御を行わない場合と比較して、オン時間ｔｏｎによる電力制御に切り替わったときに出力電流Ｉｏ１が一旦増加することを抑制でき、電力制御を安定させることができる。
【００４１】
上記割合は、実験やシミュレーションなどによって適宜決定されるが、例えば、２／３であってもよい。割合が２／３である場合、各種条件が変化しても、より確実に、オン時間ｔｏｎの減少に伴い出力電流Ｉｏ１が減少する領域でオン時間ｔｏｎによる電力制御を開始することができる。
【００４２】
また制御回路１５は、電流指令値が増加したことなどにより、オン時間ｔｏｎによる電力制御中に当該オン時間ｔｏｎが予め定められた最大時間に達した場合、即ちオン時間ｔｏｎを最大時間まで大きくしても出力電流Ｉｏ１が電流指令値まで増加しない場合、位相差ｔｓによる電力制御に戻る。
【００４３】
つまり制御回路１５は、オン時間ｔｏｎが最大時間に達した場合、位相差制御モードに戻り、送電側の第２ブリッジ回路１２の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間ｔｏｎを基準時間に固定した状態で、出力電流Ｉｏ１が電流指令値に近づくように位相差ｔｓを下限値より大きく制御する。最大時間は、実験やシミュレーションなどによって適宜決定されるが、例えば、基準時間と等しくてもよいし、出力電力が最大になるオン時間ｔｏｎより短い時間であってもよい。これにより、出力電流Ｉｏ１を、オン時間ｔｏｎによる電力制御時の最大値より大きくすることができる。最大時間が、出力電力が最大になるオン時間ｔｏｎより短い時間である場合には、電力制御を安定させることができる。
【００４４】
ここで、比較例の電力変換装置の降圧時の動作について説明する。比較例では、オン時間は常に一定であってオン時間による電力制御が行われず、位相差ｔｓの下限値も設けられていないことが図１の電力変換装置１０と異なる。
【００４５】
図５は、比較例の電力変換装置の降圧時の動作を説明するためのタイミングチャートである。比較例では、位相差ｔｓを十分に小さく調整しても、入力側から出力側に電力供給している期間Ｔ２と期間Ｔ４において時間経過に伴い電流ＩＬの絶対値、即ち出力電流Ｉｏ１が増加する。降圧時においては出力電圧が入力電圧より低いためである。従って、降圧時に出力電流Ｉｏ１を十分に小さく調整することは困難である。
【００４６】
また比較例では、期間Ｔ１が終了すると第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４がターンオンし、期間Ｔ３が終了すると第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３がターンオンするが、これらはハードスイッチングとなる。従って、スイッチング損失が発生するため、電力変換効率が悪化する。
【００４７】
これに対して本実施形態によれば、降圧時に位相差ｔｓが下限値に達した場合、位相差ｔｓを下限値に固定した状態で、送電側の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８のオン時間ｔｏｎを短く制御する。これにより、第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８がオフの状態にある間、直流電源Ｖｄｃ２から第２ブリッジ回路１２に供給される電流は遮断される。そのため、出力電流Ｉｏ１を、位相差ｔｓによる電力制御時の最小値より小さくすることができる。従って、降圧時における出力電流Ｉｏ１の調整範囲を改善できる。
【００４８】
また、オン時間ｔｏｎを短くすることにより、電流ＩＬが実質的にゼロになっている状態で送電側の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８をターンオンさせることができるので、これらをソフトスイッチングさせることができる。従って、電力変換効率の悪化を抑制できる。
【００４９】
また、位相差ｔｓの下限値はデッドタイムｔｄの２倍より大きいので、位相差ｔｓによる電力制御中にハードスイッチングの発生を抑制し、第１スイッチング素子Ｑ１〜第８スイッチング素子Ｑ８をソフトスイッチングさせることができる。従って、電力変換効率の悪化を抑制できる。
【００５０】
さらに、比較例から制御回路１５の制御を変更するだけで電力変換装置１０を実現できるため、追加のスイッチング素子や追加のダイオードを必要とせず、コスト増加を抑制できる。
【００５１】
以上、本発明について、実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００５２】
上述した、第１ブリッジ回路１１の第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４に対するスイッチング制御と、第２ブリッジ回路１２の第５スイッチング素子Ｑ５〜第８スイッチング素子Ｑ８に対するスイッチング制御を逆にすれば、逆方向のＤＣ−ＤＣ変換が可能である。例えば、降圧時に直流電源Ｖｄｃ１から直流電源Ｖｄｃ２の方向に電力変換する場合、次のように制御される。制御回路１５は、降圧時に位相差ｔｓが下限値に達した場合、即ち位相差ｔｓを下限値まで小さくしても出力電流Ｉｏ２が電流指令値まで低下しない場合、オン時間制御モードで動作する。オン時間制御モードでは、制御回路１５は、位相差ｔｓを下限値に固定した状態で、送電側の第１ブリッジ回路１１の第１スイッチング素子Ｑ１〜第４スイッチング素子Ｑ４のオン時間ｔｏｎを短く制御する。
【００５３】
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
【００５４】
［項目１］
複数のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）を有し、負荷（Ｖｄｃ１）に出力電力を供給する第１ブリッジ回路（１１）と、
複数のスイッチング素子（Ｑ５〜Ｑ８）を有し、直流電源（Ｖｄｃ２）から入力電力を受ける第２ブリッジ回路（１２）と、
前記第１ブリッジ回路（１１）と前記第２ブリッジ回路（１２）の間に接続された絶縁トランス（ＴＲ１）と、
前記第１ブリッジ回路（１１）の前記複数のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）と前記第２ブリッジ回路（１２）の前記複数のスイッチング素子（Ｑ５〜Ｑ８）を制御する制御回路（１５）と、を備え、
前記制御回路（１５）は、
前記第１ブリッジ回路（１１）の前記複数のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）のスイッチング位相と、前記第２ブリッジ回路（１２）の前記複数のスイッチング素子（Ｑ５〜Ｑ８）のスイッチング位相との位相差（ｔｓ）を制御して電力変換し、前記出力電力を低下させるときに前記位相差（ｔｓ）を小さく制御し、
前記入力電力の降圧時に前記位相差（ｔｓ）が予め定められた下限値に達した場合、前記位相差（ｔｓ）を前記下限値に固定した状態で、前記第２ブリッジ回路（１２）の前記複数のスイッチング素子（Ｑ５〜Ｑ８）のオン時間（ｔｏｎ）を短く制御する、
ことを特徴とする電力変換装置（１０）。
［項目２］
前記制御回路（１５）は、前記入力電力の降圧時に前記位相差（ｔｓ）が前記下限値に達した場合、前記位相差（ｔｓ）による電力制御から、前記オン時間（ｔｏｎ）による電力制御に切り替える、
ことを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（１０）。
［項目３］
前記制御回路（１５）は、前記オン時間（ｔｏｎ）による電力制御を、前記位相差（ｔｓ）による電力制御時の固定されたオン時間（ｔｏｎ）の予め定められた割合以下のオン時間（ｔｏｎ）から開始する、
ことを特徴とする項目２に記載の電力変換装置（１０）。
［項目４］
前記割合は２／３である、
ことを特徴とする項目３に記載の電力変換装置（１０）。
［項目５］
前記制御回路（１５）は、前記オン時間（ｔｏｎ）による電力制御中に当該オン時間（ｔｏｎ）が予め定められた最大時間に達した場合、前記位相差（ｔｓ）による電力制御に戻る、
ことを特徴とする項目２から４のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０）。
［項目６］
前記制御回路（１５）は、デッドタイム（ｔｄ）を設けて前記第１ブリッジ回路（１１）の前記複数のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）をスイッチングさせ、
前記下限値は、前記デッドタイム（ｔｄ）の２倍より大きい、
ことを特徴とする項目１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０）。
【符号の説明】
【００５５】
Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２…直流電源、ＴＲ１…絶縁トランス、Ｑ１…第１スイッチング素子、Ｑ２…第２スイッチング素子、Ｑ３…第３スイッチング素子、Ｑ４…第４スイッチング素子、Ｑ５…第５スイッチング素子、Ｑ６…第６スイッチング素子、Ｑ７…第７スイッチング素子、Ｑ８…第８スイッチング素子、１０…電力変換装置、１１…第１ブリッジ回路、１２…第２ブリッジ回路、１５…制御回路。
【図１】
2018170845.tif 000003
【図２】
2018170845.tif 000004
【図３】
2018170845.tif 000005
【図４】
2018170845.tif 000006
【図５】
2018170845.tif 000007