(57)【要約】【課題】  入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失の電力変換装置を提供する。【解決手段】  交流を整流する整流部１０と、力率向上のための素子２３を含み整流部からの直流電圧を、昇圧し、または降圧する、昇降圧部２０と、直流電圧によって充電され後段の出力部へと放電する中央コンデンサ１５と、昇降圧部と中央コンデンサとの間に直列配置される第１の前段スイッチング素子１１、第２の前段スイッチング素子１２と、中央コンデンサと出力部との間に直列配置される第１の後段スイッチング素子１６、第２の後段スイッチング素子１７と、これらを制御する制御部とを備えることを特徴とする。【選択図】        図１
2011103761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置であって、
交流を整流する整流部と、
力率向上のための素子を含み、前記整流部からの直流電圧を、昇圧し、または降圧する、昇降圧部と、
前記昇降圧部からの直流電圧によって充電され後段の出力部へと放電するための中央コンデンサと、
前記昇降圧部の正電位側と前記中央コンデンサの正電位側との間に直列配置される第１の前段スイッチング素子、および、前記昇降圧部のグランド側と中央コンデンサのグランド側との間に直列配置される第２の前段スイッチング素子と、
前記中央コンデンサの正電位側と出力部の正電位側との間に直列配置される第１の後段スイッチング素子および、前記中央コンデンサのグランド側と出力部のグランド側との間に直列配置される第２の後段スイッチング素子と、
前記昇降圧部、ならびに第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子とを制御する制御部とを備えることを特徴とする、電力変換装置。
【請求項２】
前記昇降圧部は、インダクタ、昇降圧部スイッチング素子、昇降圧部ダイオード、および昇降圧部コンデンサ、によって構成され、前記昇降圧部ダイオードは正電位側に挿入され、また、前記昇降圧部コンデンサは、前記昇降圧部の最終段において正電位側とグランド側との間に配置され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】
前記昇降圧部において、直列接続された前記昇降圧部スイッチング素子および前記昇降圧部ダイオードは正電位側に直列挿入され、前記インダクタが、前記昇降圧部スイッチング素子と昇降圧部ダイオードとの間の正電位側とグランド側との間に配置され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】
前記昇降圧部において、直列接続された前記インダクタおよび前記昇降圧部ダイオードは正電位側に直列挿入され、前記昇降圧部スイッチング素子が、前記インダクタと昇降圧部ダイオードとの間の正電位側とグランド側との間に配置され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５】
前記昇降圧部コンデンサは複数の昇降圧部コンデンサから形成され、かつ、前記第１および／または前記第２の前段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の前段スイッチング素子は、前記中央コンデンサの正電位側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また前記複数の第２の前段スイッチング素子は、前記中央コンデンサのグランド側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、前記制御部は、前記各スイッチング素子を制御することで、前記中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記中央コンデンサは複数の中央コンデンサから形成され、かつ、前記第１および／または前記第２の前段スイッチング素子、および／または、前記第１および／または前記第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の、前記第１の前段スイッチング素子および／または第１の後段スイッチング素子は、正電位側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また前記複数の、前記第２の前段スイッチング素子および／または第２の後段スイッチング素子は、グランド側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、前記制御部は、前記各スイッチング素子を制御することで、前記中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第１および第２の後段スイッチング素子の出力側に出力部コンデンサを備え、該出力部コンデンサは複数の出力部コンデンサから形成され、かつ、前記第１および／または前記第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の後段スイッチング素子は、前記中央コンデンサの正電位側と所定の出力部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また前記複数の第２の後段スイッチング素子は、前記中央コンデンサのグランド側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、前記制御部は、前記各スイッチング素子を制御することで、前記出力部から放電する出力電圧を変えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子の電圧をモニタする電圧モニタリング部を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記スイッチング素子間の電圧が基準電圧以上になったとき、前記制御部が前記ゲート電圧を低下ないしゼロにするか、または配線回路により前記ゲート電圧を低下ないしゼロにすることを特徴とする、請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記出力部に、リレーに並行して電気抵抗を直列配置されたサブリレーが設けられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の前段および後段スイッチング素子、ならびに昇降圧部スイッチング素子を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記中央コンデンサが前記昇降圧部の最低出力電圧に充電されるまでの使用開始時に、前記第１および第２の前段スイッチング素子のオン抵抗を増大させることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御部は、起動時に、前記昇降圧部の出力電圧を所定値以下の増加率で増加させるように、前記昇降圧部スイッチング素子を制御することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記交流電力から直流電力を発生して前記出力部から出力するとき、前記昇降圧部からの昇降圧出力電圧Ｖａが、前記中央コンデンサの電圧Ｖｂよりも高くなるように制御することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記第１および第２の前段スイッチング素子および前記第１および第２の後段スイッチング素子が逆阻止能力を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記第１および第２の前段スイッチング素子、ならびに、前記第１および第２の後段スイッチング素子、のそれぞれに、直列に、逆阻止用ダイオードを挿入することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記出力部に二次電池が接続され、該二次電池から前記交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置となるように、前記昇降圧部ダイオードをスイッチング素子に置き換え、また、前記整流部においてブリッジを組む４つのダイオードを、４つのスイッチング素子に置き換えたことを特徴とする、請求項２〜１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記二次電池から前記交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置において前記第１および第２の前段スイッチング素子と後段スイッチング素子とを、逆阻止能力を持つ双方向スイッチング素子とすることを特徴とする、請求項１６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、電力変換装置に関し、より具体的には、一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric  Vehicle）、プラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid  Vehicle）等の電池を充電する等のために用いられる、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶやプラグイン方式のＨＶでは、一般家庭の電力を用いて駆動用の主電池を充電する。このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換するスイッチング電源装置の提案がなされている（特許文献１〜３）。このスイッチング電源装置によれば、交流を全波整流した後、コンデンサの前段に、一対の前段スイッチング素子を配置し、また後段に、一対の後段スイッチング素子を配置する。一対の前段スイッチング素子と、一対の後段スイッチング素子とを交互にオンオフすることで、全波整流された電力をコンデンサに充電し（前段スイッチング素子オン、後段スイッチング素子オフ、の状態で）、また充電された電力を後段へと放電する（前段スイッチング素子オフ、後段スイッチング素子オン、の状態で）。これによって、トランスを用いることなく小型化した上で、高い周波数でオンオフしてもトランスによる損失が発生しないため効率よく直流電力を供給することができる。さらに、上記のバッチ式継電方法により、交流入力側と、直流電力供給側（負荷側）とを絶縁することができる。
また、直流電力を入力させて直流電力を出力させるＤＣ／ＤＣコンバータの提案がなされており、これについても、トランスを用いない上記バッチ式継電方法によって、小型化、軽量化、および損失軽減を得ることができる（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０７９４２５号公報
【特許文献２】特開２００８−０７９４２６号公報
【特許文献３】特開２００８−０７９４２７号公報
【特許文献４】特開２００４−２２２３７９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、上記のスイッチング電源装置およびＤＣ／ＤＣコンバータでは、出力側の電圧は、入力電圧より低いことが条件とされる。この条件の下では、一般家庭のＡＣ電源を用いて、ＥＶ等の主電池に充電することはできない。
本発明は、入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失の電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電力変換装置は、交流電力と直流電力とを相互に変換する。この電力変換装置は、交流を整流する整流部と、力率向上のための素子を含み整流部からの直流電圧を、昇圧し、または昇降圧する、昇降圧部と、昇降圧部からの直流電圧によって充電され後段の出力部へと放電するための中央コンデンサと、昇降圧部の正電位側と中央コンデンサの正電位側との間に直列配置される第１の前段スイッチング素子、および、昇降圧部のグランド側と中央コンデンサのグランド側との間に直列配置される第２の前段スイッチング素子と、中央コンデンサの正電位側と出力部の正電位側との間に直列配置される第１の後段スイッチング素子、および、中央コンデンサのグランド側と出力部のグランド側との間に直列配置される第２の後段スイッチング素子と、前記昇降圧部、ならびに第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子とを制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【０００６】
上記の第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とは、交互に、オンオフする。第１および第２の前段スイッチング素子がオン状態（第１および第２の後段スイッチング素子オフ状態）で中央コンデンサに蓄電した後、第１および第２の後段スイッチング素子がオン状態（第１および第２の前段スイッチング素子オフ状態）で直流電力を出力する。
上記の構成によれば、中央コンデンサよりも交流入力側に昇降圧部を設けるため、一般家庭用電力を用いて、高い定格電圧を有する直流装置に直流電力を供給することができ、たとえばＥＶ等の主バッテリ（定格電圧３３０Ｖ）を充電することができる。そして、デューティの設定によって、入力電圧より高い電圧または低い電圧のどちらの出力も可能となる。また、昇降圧部は、上述のように、一般家庭用電力をＥＶ等の主バッテリのような高い定格電圧の直流装置に電力供給するためだけでなく、力率が向上するように構成できる。すなわち、スイッチング素子、インダクタ、コンデンサ等を用いて、ＡＣ電源からの入力電流波形を整形し、無効電力を減少させることができる。
また、上記の第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とは、交互にオンオフするので、中央コンデンサに充電された電荷（電力）を出力側に送電する際、交流入力側と出力側との間に、常にオフ状態のスイッチング素子が介在する。このオフ状態のスイッチング素子の介在によって、安全性を向上することができる。さらに所定の場合、とくに絶縁性能を確保することができる。
なお、正電位側は、整流部によって電流を流される配線側であり、グランド側はその逆側の配線側である。また力率を改善するための昇降圧部は、昇圧のみ行う昇圧部であってもよいし、文字通り、昇降圧を行う昇降圧部であってもよい。
【０００７】
昇降圧部は、インダクタ、昇降圧部スイッチング素子、昇降圧部ダイオード、および昇降圧部コンデンサ、によって構成され、昇降圧部ダイオードは正電位側に挿入され、また、昇降圧部コンデンサは、昇降圧部の最終段において正電位側とグランド側との間に配置されるようにできる。これによって、簡単な回路で、力率改善のために、昇圧のみする昇降圧部、および昇降圧する昇降圧部、を構成することができ、さらに昇降圧部スイッチング素子、インダクタおよび昇降圧部コンデンサを選択し、周波数等を設定することで、力率を向上することができる。この結果、たとえば家庭への配電を過大にしなくてもよくなり、家庭の配電系統への負荷を減らすことができる。
ここで、昇降圧部は、いわゆるアクティブ平滑フィルタに対応するものであり、最終段に電圧を平滑するための昇降圧部コンデンサを備える。
【０００８】
昇降圧部において、直列接続された昇降圧部スイッチング素子および昇降圧部ダイオードは正電位側に直列挿入され、インダクタが、昇降圧部スイッチング素子と昇降圧部ダイオードとの間の正電位側とグランド側との間に配置されることができる。これによって、力率改善のために昇降圧をする昇降圧部を、簡単な回路で構成することができる。
【０００９】
昇降圧部において、直列接続されたインダクタおよび昇降圧部ダイオードは正電位側に直列挿入され、昇降圧部スイッチング素子が、インダクタと昇降圧部ダイオードとの間の正電位側とグランド側との間に配置される構成をとることができる。これによって、力率改善のために昇圧のみ行う昇降圧部を、簡単な回路で構成することができる。
【００１０】
昇降圧部コンデンサは複数の昇降圧部コンデンサから形成され、かつ、第１および／または第２の前段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の前段スイッチング素子は、中央コンデンサの正電位側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また複数の第２の前段スイッチング素子は、中央コンデンサのグランド側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、制御部は、各スイッチング素子を制御することで、中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることができる。これによって、トランスを用いることなく、昇降圧部の各コンデンサおよび各前段スイッチング素子を配線することで、要求される電圧に応じて、出力電圧を変えることができる。上記の複数の昇降圧部コンデンサの容量、配置構造等、および第１および第２の前段スイッチング素子の接続構造等は、要求される性能に応じて設定することができる。
【００１１】
中央コンデンサは複数の中央コンデンサから形成され、かつ、第１および／または第２の前段スイッチング素子、および／または、第１および／または第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の、第１の前段スイッチング素子および／または第１の後段スイッチング素子は、正電位側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また複数の、第２の前段スイッチング素子および／または第２の後段スイッチング素子は、グランド側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、制御部は、各スイッチング素子を制御することで、中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることができる。これによって、トランスを用いることなく、より広い範囲の要求に応えてより広く出力電圧を変えることが可能になる。
【００１２】
第１および第２の後段スイッチング素子の出力側に出力部コンデンサを備え、該出力部コンデンサは複数の出力部コンデンサから形成され、かつ、第１および／または第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の後段スイッチング素子は、中央コンデンサの正電位と所定の出力部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また複数の第２の後段スイッチング素子は、中央コンデンサのグランド側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、制御部は、各スイッチング素子を制御することで、出力部から放電する出力電圧を変えることができる。これによって、トランスを用いることなく、出力部のコンデンサを複数にすることで、簡単に出力電圧を簡単に変えることが可能になる。
【００１３】
第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子の電圧をモニタする電圧モニタリング部を備えることができる。これによって、突入電流等やフェールセイフの備えを得ることができる。
【００１４】
スイッチング素子間の電圧が基準電圧以上になったとき、制御部がゲート電圧を低下ないしゼロにするか、または配線回路によりゲート電圧を低下ないしゼロにすることができる。これによって、ソフト的（プログラムロジック）、またハード的（ワイヤードロジック）、によって、突入電流防止を図り、かつフェールセイフ対策を実現することができる。
【００１５】
出力部に、リレーに並行して電気抵抗を直列配置されたサブリレーを設けることができる。中央コンデンサのプリチャージ用として、出力部において、二次電池との間に抵抗を直列させたサブリレーを用いることで、中央コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。
【００１６】
第１および第２の前段および後段スイッチング素子、ならびに昇降圧部スイッチング素子を制御する制御部を備え、制御部は、中央コンデンサが昇降圧部の最低出力電圧に充電されるまでの使用開始時に、第１および第２の前段スイッチング素子のオン抵抗を増大させることができる。これによって、起動時に、たとえばスイッチング素子のゲート電圧を下げて駆動させることでオン抵抗を増大させることができる。これによって、中央コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。
【００１７】
制御部は、起動時に、昇降圧部の出力電圧を所定値以下の増加率で増加させるように、昇降圧部スイッチング素子を制御することができる。出力電圧を緩やかに増大させることで、第１および第２の前段スイッチング素子のオンデューティＤを最小許容値から徐々に増加させることができる。この結果、中央コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。
【００１８】
制御部は、交流電力から直流電力を発生して出力部から出力するとき、昇降圧部からの昇降圧出力電圧Ｖａが、中央コンデンサの電圧Ｖｂよりも高くなるように制御することができる。これによって、所望の電圧の出力を安定して行うことが可能になる。また、順方向にバイアスがかかるので、逆阻止能力がない、通常の半導体スイッチング素子（順方向耐圧を持つ）を用いても、交流入力側と出力側とが、確実に絶縁される。中央コンデンサよりも後段の出力部の電位Ｖｃを、Ｖｃ＜Ｖｂ＜Ｖａのように制御することもできる。
【００１９】
第１および第２の前段スイッチング素子および第１および第２の後段スイッチング素子が逆阻止能力を有することができる。これによって、第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とを、交互にオンオフすることによって、交流入力側と出力側とが、確実に絶縁されて、より一層、安全性を向上することができる。逆阻止能力を有するスイッチング素子としてはつぎの素子がある。逆阻止ＩＧＢＴ（Insulated  gate  bipolar  transistor）は、最も高周波域までカバーできる。またＧＴＯ(Gate  turn-off)サイリスタは容量は大きいが、周波数は制限される。
【００２０】
第１および第２の前段スイッチング素子、ならびに、第１および第２の後段スイッチング素子、のそれぞれに、直列に、逆阻止用ダイオードを挿入することができる。このように、逆阻止用ダイオードを挿入することで、ＭＯＳＦＥＴ、一般ＩＧＢＴ、ＪＦＥＴを用いながら、第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とを、交互にオンオフすることによって直流装置に直流電力を供給しながら、交流入力側と出力側とが、確実に絶縁されて、より一層、安全性を向上することができる。
【００２１】
出力部に二次電池を接続して、該二次電池から交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置となるように、昇降圧部ダイオードをスイッチング素子に置き換え、また、整流部においてブリッジを組む４つのダイオードを、４つのスイッチング素子に置き換えることができる。これによって、自動車の電池を用いて、家庭用電気器具等に電力を供給することができ、停電の時や、電力配線網の無い野外等において役立つことができる。また、停電やキャンプ等の場合でなくても、たとえば安価な夜間電力を充電しておいて、昼間に用いることで、電力代の節減を行うことができる。
【００２２】
二次電池から交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置において、第１および第２の前段および後段スイッチング素子を、逆阻止能力を持つ双方向スイッチング素子とすることができる。これによって、各スイッチング素子が、順／逆方向の両方について導通／阻止能力を持つことになり、家庭の交流側と自動車の二次電池側との間において、双方向の絶縁性を確保しつつ相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の電力変換装置によれば、入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失の電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２の電力変換装置におけるバッチ式継電部を示す図である。
【図３】ドレイン電流−ドレイン・ソース間電圧の関係に及ぼすゲート電圧の影響を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３における電力変換装置を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態４における電力変換装置の使用方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態６における電力変換装置を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態７における電力変換装置を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態８における電力変換装置を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態９における電力変換装置を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１０における電力変換装置を示す図である。
【図１１】図１０の電力変換装置における、バッチ式継電部の双方向逆阻止スイッチング素子を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態１１における電力変換装置を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１２における電力変換装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置５０の一例を示す図である。この電力変換装置５０は、家庭用の交流電源を用いてＥＶ等の主電池４０を充電することを目的とする。電力変換装置５０は、大きく次の４つの部分から構成される。すなわち（１）整流部１０、（２）昇圧部（力率向上のための素子を含む）２０、（３）バッチ式継電部３０、（４）制御部５１、の４つの部分である。
【００２６】
まず、（１）整流部１０は、ブリッジを組む４つのダイオード４１〜４４によって構成され、ＡＣ電源から入力部９を経て入力された交流電力を整流して脈流の直流電力にする。電圧を平滑化するために、ブリッジの後に、平滑化コンデンサを配置してもよい。
【００２７】
（２）昇圧部２０は、インダクタ２１と、出力側を順方向とするダイオード２２と、昇圧部スイッチング素子２３と、昇圧部コンデンサ２５とで構成される。昇圧部スイッチング素子２３には、たとえばＭＯＳＦＥＴ(Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor)を用いることができる。このＭＯＳＦＥＴ２３のゲートには制御部５１からの信号が読み込まれ、ＡＣ電源周波数に対し十分大きい数ｋＨｚ〜数百Ｈｚの周波数でスイッチングを行うことで、ＡＣ電源からの入力電流波形を正弦波に近づけ、力率改善を行う。またチョッピングで昇圧された電力を直流にして電圧および電流が平滑となるように、ダイオード２２、インダクタ２１、および昇圧部コンデンサ２５が配置される。
【００２８】
（３）バッチ式継電部３０では、第１の前段スイッチング素子１１および第２の前段スイッチング素子１２がオン状態、かつ、第１の後段スイッチング素子１６および第２の後段スイッチング素子１７がオフ状態で、中央コンデンサ１５に昇圧部２０からの直流電力を充電する。充電のときは、ＡＣ電源の入力部と、メインバッテリ４０への出力部との間に、オフ状態の第１の後段スイッチング素子１６および第２の後段スイッチング素子１７が介在する。充電された中央コンデンサ１５は、所定の電圧に達するが、中央コンデンサ１５における電圧Ｖｂは、昇圧部２０からの出力電圧Ｖａ、または昇圧部コンデンサ２５に生じる電圧Ｖａより低くするのがよい。出力部３９からメインバッテリ４０への出力する出力電圧Ｖｃを安定に保持するためである。
中央コンデンサ１５が充電された後、メインバッテリ４０を充電するために、放電する。放電のときは、第１の前段スイッチング素子１１および第２の前段スイッチング素子１２がオフとされ、かつ第１の後段スイッチング素子１６および第２の後段スイッチング素子１７がオンとされる。制御部５１からの配線は図示していないが、各スイッチング素子の制御電極（ゲート電極等）には制御部５１からの信号が読み込まれる。上記の各スイッチング素子１１，１２，１６，１７のオンオフは、１０ｋＨｚ以上で行われる。
出力部３９におけるメインバッテリ４０への充電の電圧等を平滑にするためにバッチ式継電部３０の後段に平滑コンデンサ３５を配置するのがよい。
メインバッテリ４０への充電のときには、ＡＣ電源入力側とメインバッテリ４０との間には、オフ状態の第１および第２の前段スイッチング素子１１，１２が介在する。
【００２９】
制御部５１は、図示は省略しているが、昇圧部スイッチング素子２３、および、バッチ式継電部３０の４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７、の制御電極に配線されており、スイッチングのオンオフ指令の信号を発信している。制御部５１は、このあと説明するゲート電圧を下げてスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）のオン抵抗を高めて、中央コンデンサへの突入電流を抑制する等のスイッチング素子の動作の制御を支配する。
【００３０】
図１に示す電力変換装置５０によれば、一般家庭用のＡＣ電源を用いて、ＥＶ、ＨＶ等の二次電池４０を充電することができる。このとき、力率向上のためのスイッチング素子２３等を含む昇圧部２０によって昇圧するので、家庭への電力配電を過大にすることなく、限られた配電から有効に電力を二次電池４０に充電することができる。また、昇圧部２０による昇圧により、家庭用ＡＣ電源から定格電圧３３０ＶのＥＶ等の主電池に効率よく安定して充電することができる。
さらに、図１に示すように、この電力変換装置５０ではトランスを用いることなく、ＡＣ電源の入力部９とメインバッテリ４０への出力部３９との間に、オフ状態のスイッチング素子を、常時、介在させる。
本実施の形態では、スイッチング素子１１，１２，１６，１７には、どのような半導体素子を用いてもよい。たとえば、逆阻止能力を持たないＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等でもよいし、また逆阻止能力を有する逆阻止用ＩＧＢＴ等を用いてもよい。逆阻止能力を持つ半導体素子の場合、入力側と出力側とは、絶縁される。また、逆阻止能力を持たない場合でも、制御部による制御方法によっては一定の安全性向上を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における電力変換装置の、４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７を含むバッチ式継電部３０の一例を示す図である。図２に示すバッチ式継電部３０は、コンデンサ充電の際の瞬間的な突入電流の防止およびフェイルセーフを得ることを目的としている。本変形例２では、４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７にかかる電圧をモニタリングする。モニタリングする電圧は、ドレイン・ソース間電圧である。電圧のモニタリングは既存の任意の装置を用いることができる。スイッチング素子間の電圧が基準電圧以上になったとき、ゲート電圧を低下またはゼロにするように制御をかける。
【００３２】
図３は、ドレイン・ソース間電圧−ドレイン電流の関係に及ぼすゲート電圧の影響を示す図である。ドレイン電流は、前段スイッチング素子１１，１２、後段スイッチング素子１６，１７、および中央コンデンサ１５を流れる電流である。ゲート電圧は、制御部５１から、各スイッチング素子１１，１２，１６，１７のゲートに入力される制御のための信号の電圧である。図３によれば、ゲート電圧を低下させることでドレイン電流を減少させることができる。とくにゲート電圧をゼロにするとドレイン電流を非常に小さくすることができる。すなわち、スイッチング素子１１，１２，１６，１７にかかる電圧をモニタリングして、基準電圧以上になったとき、ゲート電圧を低下ないしゼロにすることで、瞬間的な突入電流の発生を防止し、フェイルセーフを得ることができる。
【００３３】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における電力変換装置５０の一例を示す図である。この実施の形態３では、図１に示す電力変換装置の出力部３９において、メインリレー３３に並行して、直列配置の電気抵抗３１を有するサブリレー３２を設ける点に特徴を有する。出力部３９においては、電力変換装置５０の起動時に、メインリレー３３がオフ状態、かつサブリレー３２がオン状態とする。稼働初期を経過して定常運転に移行する際に、メインリレー３３をオン状態にした上で、サブリレー３２をオフにする。
上記のように、起動時に、中央コンデンサ１５のプリチャージ用として、出力部に二次電池との間に抵抗３１を直列させたサブリレー３２を用いることで、ＡＣ電源側から中央コンデンサ１５への突入電流を小さくすることができる。
【００３４】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、制御部５１による第１および第２のスイッチング素子１１，１２の制御において、ゲート電圧を低くする点に特徴を有する。図５に示すように、ゲート電圧Ｖｇｓを低くすることで、各スイッチング素子のオン抵抗を高くする。スイッチング素子１１，１２のオン抵抗を高くすることによって、稼働初期における中央コンデンサ１５への突入電流を低くすることができる。
【００３５】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、昇圧部２０の昇圧部スイッチング素子２３を制御して、昇圧電圧を徐々に増加する。昇圧部２０への入力電圧をＶ１とし、出力される昇圧後の電圧をＶ２とし、昇圧部スイッチング素子２３のオンデューティ比をＤとすると、Ｖ２＝Ｖ１／（１−Ｄ）、の関係が成り立つ。この関係に基づいて、起動時に、一気に所定の高い電圧にするのではなく、オンデューティ比を許容される最小値から徐々に高めることで、出力電圧Ｖ２を、低い電圧から徐々に高くすることができる。このような制御方法によって、中央コンデンサ１５への突入電流を低くすることができる。なお、上述の電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃの大小を論じた場合のＶａ，Ｖｂ，Ｖｃは、定常状態での電圧である。
【００３６】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における電力変換装置５０の一例を示す図である。この電力変換装置５０は、図１の電力変換装置５０における昇圧部２０のダイオード２２をスイッチング素子２２ａに、また、整流部１０の４つのダイオード４１，４２，４３，４４をスイッチング素子４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａに置き換えた点に構成上の特徴がある。このダイオードのスイッチング素子への置き換えによって、ＡＣ電源から二次電池４０への充電だけでなく、加えて、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することができる。制御部５１についても、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給するソフトが組み込まれていて、それへの制御の切り替えを行う。上記の兼用装置によれば、家庭と自動車との間で電力のやりとりが可能となり、たとえば安価な夜間電力によってメインバッテリ４０を充電しておき、昼間に家庭の冷暖房機器をメインバッテリ４０の電力で運転すること等が可能になる。
【００３７】
図６に示す、バッチ式継電部３０の４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７には、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ等を用いることができる。制御部５１による制御によって、メインバッテリ４０から交流側に電力を供給することができる。この場合、昇圧部２０では、上記電圧Ｖａから家庭用交流電圧を生成するのに必要な電圧まで降圧することになる。交流側に電力を供給する際には、前段および後段の全素子を常時オンとするように制御することで導通損失を低減することができる。
【００３８】
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７における電力変換装置５０の一例を示す図である。この電力変換装置５０は、バッチ式継電部３０における４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７が、すべて、逆阻止用ダイオード１１ｄ，１２ｄ，１６ｄ，１７ｄを直列に挿入されている点に特徴を有する。バッチ式継電部３０のスイッチング素子１１，１２，１６，１７が、通常の、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴのようにとくに逆阻止能力を持たず、かつ逆阻止用ダイオードを挿入されない場合、負荷（メインバッテリ４０）からＡＣ電源方向に対して絶縁性を持たない。このため、制御部５１による制御方法によっては、オフ状態のスイッチング素子を介在させることで一定の安全性を得ることはできるが、入力側と負荷側との間にトランスを介在させた場合に得られるレベルの絶縁性を得ることはできない。しかし、図７に示すように、逆阻止用ダイオード１１ｄ，１２ｄ，１６ｄ，１７ｄを各スイッチング素子１１，１２，１６，１７に配置することで、トランスを用いた場合と同様に、出力側から入力側への方向に対し、高いレベルの確実な絶縁性を得ることができる。
【００３９】
（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８における電力変換装置５０の一例を示す図である。実施の形態１等において例示した電力変換装置５０の力率改善のための昇降圧部２０は、昇圧コンバータによって構成した。しかし、本実施の形態では力率改善回路を、昇圧および降圧が可能な昇降圧コンバータ２０ｇによって構成する。図８に示すように、力率改善のための昇降圧部（コンバータ）２０ｇでの入力電圧をＶｉとし、出力電圧をＶａとし、昇降圧部スイッチング素子２３のオンデューティ（オンDuty）をＤとすると、Ｖａ＝−｛Ｄ／（１−Ｄ）｝・Ｖｉが成り立つ。このような回路構成にすることで、デューティの設定次第で、入力電圧よりも、高い出力電圧、または低い出力電圧のどちらも可能となる。すなわち、Ｖｉ＜Ｖａ、またはＶｉ＞Ｖａ、の両方が可能となる。ただし、出力電圧の極性が反転するので、バッチ式継電部３０ｇにおいて中央コンデンサ１５の前段および後段のスイッチング素子１１ｇ，１２ｇ，１６ｇ，１７ｇは、極性を反転させる。
【００４０】
昇圧のみ行うコンバータでは、入力電圧Ｖｉよりも出力電圧Ｖａを低くすることができない。すなわちＶｉ＜Ｖａ、とすることができない。また、中央コンデンサ１５およびスイッチング素子１１ｇ，１２ｇ，１６ｇ，１７ｇで構成されるバッチ式継電部では、ＡＣ電源とメインバッテリ４０との間の絶縁を行うのみであり、電圧調整機能は備えていない。このため、とくにＡＣ２００Ｖの電源の場合、出力電圧の可能な範囲の下限は、２００Ｖｒｍｓ×２１／２＝２８２Ｖ程度となり、定格電圧２００Ｖ等のバッテリの充電には対応できない。
しかし、上記のように、昇降圧が可能な昇降圧部２０ｇとすることで、昇圧のみ行うコンバータに比べて、Ｖｉ＞Ｖａとすることが可能となる。この結果、定格電圧２００Ｖ程度またはそれ以下の定格電圧のバッテリへの充電が可能になる。
【００４１】
（実施の形態９）
図９は、本発明の実施の形態９における電力変換装置５０の一例を示す図である。実施の形態１等において例示した電力変換装置５０の力率改善のための昇降圧部２０では、昇降圧部の最終段に配置する昇降圧部コンデンサ２５は一つであった。しかし、本実施の形態では、図９に示すように、複数の昇降圧部コンデンサ２５ａ，２５ｂを配置して、これら複数の昇降圧部コンデンサ２５ａ，２５ｂの正電位側およびグランド側と、中央コンデンサ１５のグランド側との間に、複数の第２の前段スイッチング素子１２ａ，１２ｂを配置する。昇降圧部２０ｈにおけるコンデンサ２５ａ，２５ｂ以外の部分は、実施の形態１における昇圧部２０の部分と同じである。
【００４２】
制御部５１は、要求される電圧に応じてスイッチング素子１１，１２ａ，１２ｂ，１６，１７を切り替えることで、出力電圧を変えることができる。これによって、変圧器を用いることなく、また実施の形態８（図８）におけるようにデューティの設定に配慮することなく、出力電圧を変えることができ、ＡＣ電源の実効電圧に限定されることなく所定範囲の定格電圧のバッテリを充電することができる。また、ＡＣ電源の入力側と、直流の出力側とを上記のレベルで絶縁することができる。
図９では、複数の昇降圧部コンデンサ２５ａ，２５ｂと、複数の第２の前段スイッチング素子１２ａ，１２ｂとの場合を示している。しかし、複数の第２の前段スイッチング素子に加えて、第１の前段スイッチング素子を複数にして複数の昇降圧部コンデンサに配線することで、出力電圧を変えてもよい。
また、中央コンデンサ１５を複数にして、第１および／または第２の前段スイッチング素子、および／または、第１および／または第２の前段スイッチング素子、を各自複数にしてもよい。このような、中央コンデンサの複数化、および全てまたはいずれかのスイッチング素子の複数化、によって、より広い範囲に、出力電圧を制御して変化させることができる。
また、出力部のコンデンサ３５を複数にして、第１の後段スイッチング素子および／または第２の後段スイッチング素子を、各自、複数にしてもよい。これによって、出力部のコンデンサを複数にすることで簡単に出力電圧を制御して変化させることができる。
【００４３】
（実施の形態１０）
図１０は、本発明の実施の形態１０における電力変換装置５０の一例を示す図である。実施の形態６の電力変換装置５０は、ダイオードのスイッチング素子への置き換えによって、ＡＣ電源から二次電池４０への充電だけでなく、加えて、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することができる装置であった。本実施の形態の電力変換装置５０は、実施の形態６と同じ機能を有しながら、バッチ式継電部３０ｓのスイッチング素子１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓを逆阻止能力を持つ双方向スイッチング素子とした点に特徴を有する。これら逆阻止能力を持つ双方向スイッチング素子としては、逆阻止ＩＧＢＴを用いることができる。
スイッチング素子１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓは、図１１に示すように、それぞれ、順方向通電部と逆方向通電部とを持ち、一方の方向の通電部が作動しているとき、逆方向の通電部は逆阻止機能を発現する。各双方向スイッチング素子において、Ｑ１Ａが順方向通電部であり、Ｑ２Ｂが逆方向通電部である。これによって、各スイッチング素子１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓが、順／逆方向について、導通／阻止能力を持つことになる。この結果、ＡＣ電源（家庭交流電源）側と車両二次電池側との間の双方向について絶縁性を確保した上で、相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
【００４４】
（実施の形態１１）
図１２は、本発明の実施の形態１１における電力変換装置５０の一例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置５０では、実施の形態１０と同様に、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することを可能としながら、実施の形態１０と異なる形態の素子によって逆阻止能力を持つようにしている。その逆阻止能力を持たせるために、本実施の形態では、バッチ式継電部３０ｓのスイッチング素子１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａに、逆阻止能力のないＩＧＢＴと本来逆阻止能力を有する通常のダイオードとを組み合わせたものを用いた点に特徴を有する。
スイッチング素子１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａは、それぞれ、順方向通電部と逆方向通電部とを持ち、一方の方向の通電部が作動しているとき、逆方向の通電部は逆阻止機能を発現する。これによって、各スイッチング素子１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａが、順／逆方向について、導通／阻止能力を持つことになる。この結果、ＡＣ電源（家庭交流電源）側と車両二次電池側との間の双方向について絶縁性を確保した上で、相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
また、本実施の形態では、通常の逆阻止能力のないＩＧＢＴと通常のダイオードとを組み合わせるため、部品コスト低減を得ることが可能である。
【００４５】
（実施の形態１２）
図１３は、本発明の実施の形態１２における電力変換装置５０の一例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置５０では、実施の形態１１と同様に、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することを可能としながら、実施の形態１０と異なる形態の素子によって逆阻止能力を持つようにしている。その逆阻止能力を持たせるために、本実施の形態では、バッチ式継電部３０ｓのスイッチング素子１１ｂ，１２ｂ，１６ｂ，１７ｂに、逆阻止能力のないＭＯＳＦＥＴと逆阻止能力を本来有するダイオードとを組み合わせたものを用いた点に特徴を有する。
スイッチング素子１１ｂ，１２ｂ，１６ｂ，１７ｂは、実施の形態１０、１１と同様に、順方向通電部と逆方向通電部とを持ち、一方の方向の通電部が作動しているとき、逆方向の通電部は逆阻止機能を発現する。この結果、ＡＣ電源（家庭交流電源）側と車両二次電池側との間の双方向について絶縁性を確保した上で、相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
また、本実施の形態では、通常の逆阻止能力のないＭＯＳＦＥＴと通常のダイオードとを組み合わせるため、部品コスト低減を得ることが可能である。
【００４６】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の電力変換装置によれば、入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失の、一般家庭のＡＣ電源によりＥＶ等のメインバッテリを充電することができる電力変換装置を得ることができる。また、整流部のブリッジのダイオードおよび昇圧部のダイオードをスイッチング素子に置き換えることで、上記の機能に加えて、二次電池から家庭にＡＣ電力を供給することができる。さらに二次電池から一般家庭への交流電力の供給という機能は除かれるが、バッチ式継電部のスイッチング素子に逆阻止能力を付随させることで、トランスを用いた場合と同じレベルの絶縁性を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
９  入力部、１０  整流部、１１，１２，１６，１７  バッチ式継電部のスイッチング素子、１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａ  バッチ式継電部の双方向通電逆阻止スイッチング素子、１１ｂ，１２ｂ，１６ｂ，１７ｂ  バッチ式継電部の双方向通電逆阻止スイッチング素子、１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓ  バッチ式継電部の双方向通電逆阻止スイッチング素子、１５  中央コンデンサ、２０  昇圧部、２０ｇ  昇降圧部、２０ｈ  複数コンデンサによる昇降圧部、２１  インダクタ、２２  昇圧部のダイオード、２２ａ  昇圧部のスイッチング素子、２３  昇圧部スイッチング素子、２５  昇圧部コンデンサ、２５ａ，２５ｂ、昇降圧部の複数コンデンサ、３０  バッチ式継電部、３０ｇ  昇降圧部の後段のバッチ式継電部（逆極性スイッチング）、３０ｈ  複数の前段第２スイッチング素子を有するバッチ式継電部、３０ｓ  双方向通電逆阻止スイッチング素子配置のバッチ式継電部、３１  電気抵抗、３２  サブリレー、３３  メインリレー、３５  平滑コンデンサ、３９  出力部、４０  メインバッテリ（二次電池）、４１，４２，４３，４４  整流部のダイオード、４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａ  整流部のスイッチング素子、５１  制御部。
【図１】
2011103761.tif 000003
【図２】
2011103761.tif 000004
【図３】
2011103761.tif 000005
【図４】
2011103761.tif 000006
【図５】
2011103761.tif 000007
【図６】
2011103761.tif 000008
【図７】
2011103761.tif 000009
【図８】
2011103761.tif 000010
【図９】
2011103761.tif 000011
【図１０】
2011103761.tif 000012
【図１１】
2011103761.tif 000013
【図１２】
2011103761.tif 000014
【図１３】
2011103761.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月10日(2010.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
家庭等に配電された交流電力と直流電力とを相互に変換する、自動車用の電力変換装置であって、
交流を整流する整流部と、
力率向上のための素子を含み、前記整流部からの直流電圧を、昇圧し、または降圧する、昇降圧部と、
前記昇降圧部からの直流電圧によって充電され後段の出力部へと放電するための中央コンデンサと、
前記昇降圧部の正電位側と前記中央コンデンサの正電位側との間に直列配置される第１の前段スイッチング素子、および、前記昇降圧部のグランド側と中央コンデンサのグランド側との間に直列配置される第２の前段スイッチング素子と、
前記中央コンデンサの正電位側と出力部の正電位側との間に直列配置される第１の後段スイッチング素子および、前記中央コンデンサのグランド側と出力部のグランド側との間に直列配置される第２の後段スイッチング素子と、
前記昇降圧部、ならびに第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子とを制御する制御部とを備え、
前記昇降圧部は、インダクタ、昇降圧部スイッチング素子、昇降圧部トランジスタ、および昇降圧部コンデンサ、によって構成され、昇降圧部トランジスタは正電位側に挿入され、また、昇降圧部コンデンサは、昇降圧部の最終段において正電位側とグランド側との間に配置され、
前記出力部に前記自動車に搭載されている二次電池が接続され、該二次電池から前記家庭等の交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置となるように、前記整流部を４つのスイッチング素子で構成し、かつ、前記第１および第２の前段スイッチング素子と後段スイッチング素子とを双方向スイッチング素子とし、
前記二次電池から前記家庭等の交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置において、前記家庭等の交流電力側と前記二次電池側との間の絶縁性を高めるために、前記双方向の第１および第２の前段スイッチング素子と後段スイッチング素子とに、逆阻止能力を持たせたことを特徴とする、電力変換装置。
【請求項２】
前記第１および第２の前段スイッチング素子、並びに前記第１および第２の後段スイッチング素子に、逆阻止能力を持つ、順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子を用い、前記二次電池の充電時において、前記第１の前段および後段スイッチング素子は、前記制御部によりオンオフを交互に行いながら前記交流側から二次電池側へ電流を流す順方向に、また前記第２の前段および後段スイッチング素子は、上記第１の前段および後段スイッチング素子のタイミングに合わせて、オンオフを交互に行って前記二次電池側から交流側に電流を流す順方向に、通電し、前記４つのスイッチング素子のすべてで前記順方向と対をなす前記逆方向の経路で逆阻止能力を継続し、一方、前記二次電池からの前記交流電力側への交流電力の供給時において、前記第１の前段および後段スイッチング素子は、前記制御部によりオンオフを交互に行いながら前記二次電池側から交流側へ電流を流す逆方向に、また前記第２の前段および後段スイッチング素子は、上記第１の前段および後段スイッチング素子のタイミングに合わせて、オンオフを交互に行って前記交流側から二次電池側へ電流を流す逆方向に、通電し、前記４つのスイッチング素子のすべてで前記順方向の経路で逆阻止能力を継続す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】
前記逆阻止能力を持って順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子に、双方向それぞれに逆阻止ＩＧＢＴを用いたことを特徴とする、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記逆阻止能力を持って順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子に、双方向それぞれに、逆阻止能力を持たないＩＧＢＴと、ダイオードとを用いたことを特徴とする、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記逆阻止能力を持って順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子に、双方向それぞれに、逆阻止能力を持たないＭＯＳＦＥＴと、ダイオードとを用いたことを特徴とする、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記昇降圧部コンデンサは複数の昇降圧部コンデンサから形成され、かつ、前記第１および／または前記第２の前段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の前段スイッチング素子は、前記中央コンデンサの正電位側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また前記複数の第２の前段スイッチング素子は、前記中央コンデンサのグランド側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、前記制御部は、前記各スイッチング素子を制御することで、前記中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記中央コンデンサは複数の中央コンデンサから形成され、かつ、前記第１および／または前記第２の前段スイッチング素子、および／または、前記第１および／または前記第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の、前記第１の前段スイッチング素子および／または第１の後段スイッチング素子は、正電位側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また前記複数の、前記第２の前段スイッチング素子および／または第２の後段スイッチング素子は、グランド側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、前記制御部は、前記各スイッチング素子を制御することで、前記中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第１および第２の後段スイッチング素子の出力側に出力部コンデンサを備え、該出力部コンデンサは複数の出力部コンデンサから形成され、かつ、前記第１および／または前記第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の後段スイッチング素子は、前記中央コンデンサの正電位側と所定の出力部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また前記複数の第２の後段スイッチング素子は、前記中央コンデンサのグランド側と所定の出力部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、前記制御部は、前記各スイッチング素子を制御することで、前記出力部から放電する出力電圧を変えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記出力部に、リレーに並行して電気抵抗を直列配置されたサブリレーが設けられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子の電圧をモニタする電圧モニタリング部を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記スイッチング素子間の電圧が基準電圧以上になったとき、前記制御部が前記ゲート電圧を低下ないしゼロにするか、または配線回路により前記ゲート電圧を低下ないしゼロにすることを特徴とする、請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の前段および後段スイッチング素子、ならびに昇降圧部スイッチング素子を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記中央コンデンサが前記昇降圧部の最低出力電圧に充電されるまでの使用開始時に、前記第１および第２の前段スイッチング素子のオン抵抗を増大させることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御部は、起動時に、前記昇降圧部の出力電圧を所定値以下の増加率で増加させるように、前記昇降圧部スイッチング素子を制御することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記交流電力から直流電力を発生して前記出力部から出力するとき、前記昇降圧部からの昇降圧出力電圧Ｖａが、前記中央コンデンサの電圧Ｖｂよりも高くなるように制御することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電力変換装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、より具体的には、一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric  Vehicle）、プラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid  Vehicle）等の電池を充電する等のために用いられる、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶやプラグイン方式のＨＶでは、一般家庭の電力を用いて駆動用の主電池を充電する。このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換するスイッチング電源装置の提案がなされている（特許文献１〜３）。このスイッチング電源装置によれば、交流を全波整流した後、コンデンサの前段に、一対の前段スイッチング素子を配置し、また後段に、一対の後段スイッチング素子を配置する。一対の前段スイッチング素子と、一対の後段スイッチング素子とを交互にオンオフすることで、全波整流された電力をコンデンサに充電し（前段スイッチング素子オン、後段スイッチング素子オフ、の状態で）、また充電された電力を後段へと放電する（前段スイッチング素子オフ、後段スイッチング素子オン、の状態で）。これによって、トランスを用いることなく小型化した上で、高い周波数でオンオフしてもトランスによる損失が発生しないため効率よく直流電力を供給することができる。さらに、上記のバッチ式継電方法により、交流入力側と、直流電力供給側（負荷側）とを絶縁することができる。
また、直流電力を入力させて直流電力を出力させるＤＣ／ＤＣコンバータの提案がなされており、これについても、トランスを用いない上記バッチ式継電方法によって、小型化、軽量化、および損失軽減を得ることができる（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０７９４２５号公報
【特許文献２】特開２００８−０７９４２６号公報
【特許文献３】特開２００８−０７９４２７号公報
【特許文献４】特開２００４−２２２３７９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、上記のスイッチング電源装置およびＤＣ／ＤＣコンバータでは、出力側の電圧は、入力電圧より低いことが条件とされる。この条件の下では、一般家庭のＡＣ電源を用いて、ＥＶ等の主電池に充電することはできない。
本発明は、入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失で、かつ安全性を高めた、双方向に電力供給ができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電力変換装置は、家庭等に配電された交流電力と直流電力とを相互に変換する、自動車用の電力変換装置である。この電力変換装置は、交流を整流する整流部と、力率向上のための素子を含み、整流部からの直流電圧を、昇圧し、または降圧する、昇降圧部と、昇降圧部からの直流電圧によって充電され後段の出力部へと放電するための中央コンデンサと、昇降圧部の正電位側と中央コンデンサの正電位側との間に直列配置される第１の前段スイッチング素子、および、昇降圧部のグランド側と中央コンデンサのグランド側との間に直列配置される第２の前段スイッチング素子と、中央コンデンサの正電位側と出力部の正電位側との間に直列配置される第１の後段スイッチング素子および、中央コンデンサのグランド側と出力部のグランド側との間に直列配置される第２の後段スイッチング素子と、昇降圧部、ならびに第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子とを制御する制御部とを備える。昇降圧部は、インダクタ、昇降圧部スイッチング素子、昇降圧部トランジスタ、および昇降圧部コンデンサ、によって構成され、昇降圧部トランジスタは正電位側に挿入され、また、昇降圧部コンデンサは、昇降圧部の最終段において正電位側とグランド側との間に配置され、出力部に自動車に搭載されている二次電池が接続され、該二次電池から家庭等の交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置となるように、整流部を４つのスイッチング素子で構成し、かつ、第１および第２の前段スイッチング素子と後段スイッチング素子とを双方向スイッチング素子とし、二次電池から家庭等の交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置において、家庭等の交流電力側と二次電池側との間の絶縁性を高めるために、双方向の第１および第２の前段スイッチング素子と後段スイッチング素子とに、逆阻止能力を持たせたことを特徴とする。
【０００６】
上記の第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とは、交互に、オンオフする。第１および第２の前段スイッチング素子がオン状態（第１および第２の後段スイッチング素子オフ状態）で中央コンデンサに蓄電した後、第１および第２の後段スイッチング素子がオン状態（第１および第２の前段スイッチング素子オフ状態）で直流電力を出力する。
上記の構成によれば、中央コンデンサよりも交流入力側に昇降圧部を設けるため、一般家庭用電力を用いて、高い定格電圧を有する直流装置に直流電力を供給することができ、たとえばＥＶ等の主バッテリ（定格電圧３３０Ｖ）を充電することができる。そして、デューティの設定によって、入力電圧より高い電圧または低い電圧のどちらの出力も可能となる。また、昇降圧部は、上述のように、一般家庭用電力をＥＶ等の主バッテリのような高い定格電圧の直流装置に電力供給するためだけでなく、力率が向上するように構成できる。すなわち、スイッチング素子、インダクタ、コンデンサ等を用いて、ＡＣ電源からの入力電流波形を整形し、無効電力を減少させることができる。
また、上記の第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とは、交互にオンオフするので、中央コンデンサに充電された電荷（電力）を出力側に送電する際、交流入力側と出力側との間に、常にオフ状態のスイッチング素子が介在する。このオフ状態のスイッチング素子の介在によって、安全性を向上することができる。さらに所定の場合、とくに絶縁性能を確保することができる。
なお、正電位側は、整流部によって電流を流される配線側であり、グランド側はその逆側の配線側である。また力率を改善するための昇降圧部は、昇圧のみ行う昇圧部であってもよいし、文字通り、昇降圧を行う昇降圧部であってもよい。
また、上記の昇降圧部によって、簡単な回路で、力率改善のために、昇圧のみする昇降圧部、および昇降圧する昇降圧部、を構成することができ、さらに昇降圧部スイッチング素子、インダクタおよび昇降圧部コンデンサを選択し、周波数等を設定することで、力率を向上することができる。この結果、たとえば家庭への配電を過大にしなくてもよくなり、家庭の配電系統への負荷を減らすことができる。
ここで、昇降圧部は、いわゆるアクティブ平滑フィルタに対応するものであり、最終段に電圧を平滑するための昇降圧部コンデンサを備える。
また、該二次電池から交流電力側に交流電力を供給できる兼用の装置とすることで、自動車の電池を用いて、家庭用電気器具等に電力を供給することができ、停電の時や、電力配線網の無い野外等において役立つことができる。また、停電やキャンプ等の場合でなくても、たとえば安価な夜間電力を充電しておいて、昼間に用いることで、電力代の節減を行うことができる。
さらに４つの双方向スイッチング素子に逆阻止能力を持たせることで、各スイッチング素子が、順／逆方向の両方について導通／阻止能力を持つことになり、家庭の交流側と自動車の二次電池側との間において、双方向の絶縁性を確保しつつ相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
【０００７】
第１および第２の前段スイッチング素子、並びに第１および第２の後段スイッチング素子に、逆阻止能力を持つ、順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子を用い、二次電池の充電時において、第１の前段および後段スイッチング素子は、制御部によりオンオフを交互に行いながら交流側から二次電池側へ電流を流す順方向に、また第２の前段および後段スイッチング素子は、上記第１の前段および後段スイッチング素子のタイミングに合わせて、オンオフを交互に行って二次電池側から交流側に電流を流す順方向に、通電し、４つのスイッチング素子のすべてで順方向と対をなす逆方向の経路で逆阻止能力を継続し、一方、二次電池からの交流電力側への交流電力の供給時において、第１の前段および後段スイッチング素子は、制御部によりオンオフを交互に行いながら二次電池側から交流側へ電流を流す逆方向に、また第２の前段および後段スイッチング素子は、上記第１の前段および後段スイッチング素子のタイミングに合わせて、オンオフを交互に行って交流側から二次電池側へ電流を流す逆方向に、通電し、４つのスイッチング素子のすべてで順方向の経路で逆阻止能力を継続することができる。これによって、家庭の交流側と自動車の二次電池側との間において、双方向の絶縁性を確保しつつ相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
たとえば逆阻止能力を持って順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子として、双方向それぞれに逆阻止ＩＧＢＴを用いることができる。その他、逆阻止能力を持って順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子として、双方向それぞれに、逆阻止能力を持たないＩＧＢＴと、ダイオードとを用いることができる。さらに、逆阻止能力を持って順方向および逆方向に通電する双方向スイッチング素子として、双方向それぞれに、逆阻止能力を持たないＭＯＳＦＥＴと、ダイオードとを用いることができる。これによって、多様な選択肢の中から、技術仕様、経済性などを考慮して適切なものを選ぶことができる。
【０００８】
昇降圧部において、直列接続された昇降圧部スイッチング素子および昇降圧部ダイオードは正電位側に直列挿入され、インダクタが、昇降圧部スイッチング素子と昇降圧部ダイオードとの間の正電位側とグランド側との間に配置されることができる。これによって、力率改善のために昇降圧をする昇降圧部を、簡単な回路で構成することができる。
【０００９】
昇降圧部において、直列接続されたインダクタおよび昇降圧部ダイオードは正電位側に直列挿入され、昇降圧部スイッチング素子が、インダクタと昇降圧部ダイオードとの間の正電位側とグランド側との間に配置される構成をとることができる。これによって、力率改善のために昇圧のみ行う昇降圧部を、簡単な回路で構成することができる。
【００１０】
昇降圧部コンデンサは複数の昇降圧部コンデンサから形成され、かつ、第１および／または第２の前段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の前段スイッチング素子は、中央コンデンサの正電位側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また複数の第２の前段スイッチング素子は、中央コンデンサのグランド側と所定の昇降圧部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、制御部は、各スイッチング素子を制御することで、中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることができる。これによって、トランスを用いることなく、昇降圧部の各コンデンサおよび各前段スイッチング素子を配線することで、要求される電圧に応じて、出力電圧を変えることができる。上記の複数の昇降圧部コンデンサの容量、配置構造等、および第１および第２の前段スイッチング素子の接続構造等は、要求される性能に応じて設定することができる。
【００１１】
中央コンデンサは複数の中央コンデンサから形成され、かつ、第１および／または第２の前段スイッチング素子、および／または、第１および／または第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の、第１の前段スイッチング素子および／または第１の後段スイッチング素子は、正電位側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また複数の、第２の前段スイッチング素子および／または第２の後段スイッチング素子は、グランド側と所定の中央コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、制御部は、各スイッチング素子を制御することで、中央コンデンサから放電する出力電圧を変えることができる。これによって、トランスを用いることなく、より広い範囲の要求に応えてより広く出力電圧を変えることが可能になる。
【００１２】
第１および第２の後段スイッチング素子の出力側に出力部コンデンサを備え、該出力部コンデンサは複数の出力部コンデンサから形成され、かつ、第１および／または第２の後段スイッチング素子は、各自、複数のスイッチング素子から形成され、該複数の第１の後段スイッチング素子は、中央コンデンサの正電位と所定の出力部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、また複数の第２の後段スイッチング素子は、中央コンデンサのグランド側と所定の出力部コンデンサの正電位側またはグランド側との間に配置され、制御部は、各スイッチング素子を制御することで、出力部から放電する出力電圧を変えることができる。これによって、トランスを用いることなく、出力部のコンデンサを複数にすることで、簡単に出力電圧を簡単に変えることが可能になる。
【００１３】
第１および第２の前段スイッチング素子と後段のスイッチング素子の電圧をモニタする電圧モニタリング部を備えることができる。これによって、突入電流等やフェールセイフの備えを得ることができる。
【００１４】
スイッチング素子間の電圧が基準電圧以上になったとき、制御部がゲート電圧を低下ないしゼロにするか、または配線回路によりゲート電圧を低下ないしゼロにすることができる。これによって、ソフト的（プログラムロジック）、またハード的（ワイヤードロジック）、によって、突入電流防止を図り、かつフェールセイフ対策を実現することができる。
【００１５】
出力部に、リレーに並行して電気抵抗を直列配置されたサブリレーを設けることができる。中央コンデンサのプリチャージ用として、出力部において、二次電池との間に抵抗を直列させたサブリレーを用いることで、中央コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。
【００１６】
第１および第２の前段および後段スイッチング素子、ならびに昇降圧部スイッチング素子を制御する制御部を備え、制御部は、中央コンデンサが昇降圧部の最低出力電圧に充電されるまでの使用開始時に、第１および第２の前段スイッチング素子のオン抵抗を増大させることができる。これによって、起動時に、たとえばスイッチング素子のゲート電圧を下げて駆動させることでオン抵抗を増大させることができる。これによって、中央コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。
【００１７】
制御部は、起動時に、昇降圧部の出力電圧を所定値以下の増加率で増加させるように、昇降圧部スイッチング素子を制御することができる。出力電圧を緩やかに増大させることで、第１および第２の前段スイッチング素子のオンデューティＤを最小許容値から徐々に増加させることができる。この結果、中央コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。
【００１８】
制御部は、交流電力から直流電力を発生して出力部から出力するとき、昇降圧部からの昇降圧出力電圧Ｖａが、中央コンデンサの電圧Ｖｂよりも高くなるように制御することができる。これによって、所望の電圧の出力を安定して行うことが可能になる。また、順方向にバイアスがかかるので、逆阻止能力がない、通常の半導体スイッチング素子（順方向耐圧を持つ）を用いても、交流入力側と出力側とが、確実に絶縁される。中央コンデンサよりも後段の出力部の電位Ｖｃを、Ｖｃ＜Ｖｂ＜Ｖａのように制御することもできる。
【００１９】
第１および第２の前段スイッチング素子および第１および第２の後段スイッチング素子が逆阻止能力を有することができる。これによって、第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とを、交互にオンオフすることによって、交流入力側と出力側とが、確実に絶縁されて、より一層、安全性を向上することができる。逆阻止能力を有するスイッチング素子としてはつぎの素子がある。逆阻止ＩＧＢＴ（Insulated  gate  bipolar  transistor）は、最も高周波域までカバーできる。またＧＴＯ(Gate  turn-off)サイリスタは容量は大きいが、周波数は制限される。
【００２０】
第１および第２の前段スイッチング素子、ならびに、第１および第２の後段スイッチング素子、のそれぞれに、直列に、逆阻止用ダイオードを挿入することができる。このように、逆阻止用ダイオードを挿入することで、ＭＯＳＦＥＴ、一般ＩＧＢＴ、ＪＦＥＴを用いながら、第１および第２の前段スイッチング素子と、第１および第２の後段スイッチング素子とを、交互にオンオフすることによって直流装置に直流電力を供給しながら、交流入力側と出力側とが、確実に絶縁されて、より一層、安全性を向上することができる。
【００２１】
【００２２】
【発明の効果】
【００２３】
本発明の電力変換装置によれば、入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失で、かつ安全性を高めた、双方向に電力供給ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の参考例として挙げた実施の形態１における電力変換装置を示す図である。
【図２】本発明の参考例として挙げた実施の形態２の電力変換装置におけるバッチ式継電部を示す図である。
【図３】ドレイン電流−ドレイン・ソース間電圧の関係に及ぼすゲート電圧の影響を示す図である。
【図４】本発明の参考例として挙げた実施の形態３における電力変換装置を示す図である。
【図５】本発明の参考例として挙げた実施の形態４における電力変換装置の使用方法を説明するための図である。
【図６】本発明の参考例として挙げた実施の形態６における電力変換装置を示す図である。
【図７】本発明の参考例として挙げた実施の形態７における電力変換装置を示す図である。
【図８】本発明の参考例として挙げた実施の形態８における電力変換装置を示す図である。
【図９】本発明の参考例として挙げた実施の形態９における電力変換装置を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１０における電力変換装置を示す図である。
【図１１】図１０の電力変換装置における、バッチ式継電部の双方向逆阻止スイッチング素子を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態１１における電力変換装置を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１２における電力変換装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の参考例として挙げた実施の形態１における電力変換装置５０の一例を示す図である。この電力変換装置５０は、家庭用の交流電源を用いてＥＶ等の主電池４０を充電することを目的とする。電力変換装置５０は、大きく次の４つの部分から構成される。すなわち（１）整流部１０、（２）昇圧部（力率向上のための素子を含む）２０、（３）バッチ式継電部３０、（４）制御部５１、の４つの部分である。
【００２６】
まず、（１）整流部１０は、ブリッジを組む４つのダイオード４１〜４４によって構成され、ＡＣ電源から入力部９を経て入力された交流電力を整流して脈流の直流電力にする。電圧を平滑化するために、ブリッジの後に、平滑化コンデンサを配置してもよい。
【００２７】
（２）昇圧部２０は、インダクタ２１と、出力側を順方向とするダイオード２２と、昇圧部スイッチング素子２３と、昇圧部コンデンサ２５とで構成される。昇圧部スイッチング素子２３には、たとえばＭＯＳＦＥＴ(Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor)を用いることができる。このＭＯＳＦＥＴ２３のゲートには制御部５１からの信号が読み込まれ、ＡＣ電源周波数に対し十分大きい数ｋＨｚ〜数百Ｈｚの周波数でスイッチングを行うことで、ＡＣ電源からの入力電流波形を正弦波に近づけ、力率改善を行う。またチョッピングで昇圧された電力を直流にして電圧および電流が平滑となるように、ダイオード２２、インダクタ２１、および昇圧部コンデンサ２５が配置される。
【００２８】
（３）バッチ式継電部３０では、第１の前段スイッチング素子１１および第２の前段スイッチング素子１２がオン状態、かつ、第１の後段スイッチング素子１６および第２の後段スイッチング素子１７がオフ状態で、中央コンデンサ１５に昇圧部２０からの直流電力を充電する。充電のときは、ＡＣ電源の入力部と、メインバッテリ４０への出力部との間に、オフ状態の第１の後段スイッチング素子１６および第２の後段スイッチング素子１７が介在する。充電された中央コンデンサ１５は、所定の電圧に達するが、中央コンデンサ１５における電圧Ｖｂは、昇圧部２０からの出力電圧Ｖａ、または昇圧部コンデンサ２５に生じる電圧Ｖａより低くするのがよい。出力部３９からメインバッテリ４０への出力する出力電圧Ｖｃを安定に保持するためである。
中央コンデンサ１５が充電された後、メインバッテリ４０を充電するために、放電する。放電のときは、第１の前段スイッチング素子１１および第２の前段スイッチング素子１２がオフとされ、かつ第１の後段スイッチング素子１６および第２の後段スイッチング素子１７がオンとされる。制御部５１からの配線は図示していないが、各スイッチング素子の制御電極（ゲート電極等）には制御部５１からの信号が読み込まれる。上記の各スイッチング素子１１，１２，１６，１７のオンオフは、１０ｋＨｚ以上で行われる。
出力部３９におけるメインバッテリ４０への充電の電圧等を平滑にするためにバッチ式継電部３０の後段に平滑コンデンサ３５を配置するのがよい。
メインバッテリ４０への充電のときには、ＡＣ電源入力側とメインバッテリ４０との間には、オフ状態の第１および第２の前段スイッチング素子１１，１２が介在する。
【００２９】
制御部５１は、図示は省略しているが、昇圧部スイッチング素子２３、および、バッチ式継電部３０の４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７、の制御電極に配線されており、スイッチングのオンオフ指令の信号を発信している。制御部５１は、このあと説明するゲート電圧を下げてスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）のオン抵抗を高めて、中央コンデンサへの突入電流を抑制する等のスイッチング素子の動作の制御を支配する。
【００３０】
図１に示す電力変換装置５０によれば、一般家庭用のＡＣ電源を用いて、ＥＶ、ＨＶ等の二次電池４０を充電することができる。このとき、力率向上のためのスイッチング素子２３等を含む昇圧部２０によって昇圧するので、家庭への電力配電を過大にすることなく、限られた配電から有効に電力を二次電池４０に充電することができる。また、昇圧部２０による昇圧により、家庭用ＡＣ電源から定格電圧３３０ＶのＥＶ等の主電池に効率よく安定して充電することができる。
さらに、図１に示すように、この電力変換装置５０ではトランスを用いることなく、ＡＣ電源の入力部９とメインバッテリ４０への出力部３９との間に、オフ状態のスイッチング素子を、常時、介在させる。
本実施の形態では、スイッチング素子１１，１２，１６，１７には、どのような半導体素子を用いてもよい。たとえば、逆阻止能力を持たないＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等でもよいし、また逆阻止能力を有する逆阻止用ＩＧＢＴ等を用いてもよい。逆阻止能力を持つ半導体素子の場合、入力側と出力側とは、絶縁される。また、逆阻止能力を持たない場合でも、制御部による制御方法によっては一定の安全性向上を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の参考例として挙げた実施の形態２における電力変換装置の、４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７を含むバッチ式継電部３０の一例を示す図である。図２に示すバッチ式継電部３０は、コンデンサ充電の際の瞬間的な突入電流の防止およびフェイルセーフを得ることを目的としている。本変形例２では、４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７にかかる電圧をモニタリングする。モニタリングする電圧は、ドレイン・ソース間電圧である。電圧のモニタリングは既存の任意の装置を用いることができる。スイッチング素子間の電圧が基準電圧以上になったとき、ゲート電圧を低下またはゼロにするように制御をかける。
【００３２】
図３は、ドレイン・ソース間電圧−ドレイン電流の関係に及ぼすゲート電圧の影響を示す図である。ドレイン電流は、前段スイッチング素子１１，１２、後段スイッチング素子１６，１７、および中央コンデンサ１５を流れる電流である。ゲート電圧は、制御部５１から、各スイッチング素子１１，１２，１６，１７のゲートに入力される制御のための信号の電圧である。図３によれば、ゲート電圧を低下させることでドレイン電流を減少させることができる。とくにゲート電圧をゼロにするとドレイン電流を非常に小さくすることができる。すなわち、スイッチング素子１１，１２，１６，１７にかかる電圧をモニタリングして、基準電圧以上になったとき、ゲート電圧を低下ないしゼロにすることで、瞬間的な突入電流の発生を防止し、フェイルセーフを得ることができる。
【００３３】
（実施の形態３）
図４は、本発明の参考例として挙げた実施の形態３における電力変換装置５０の一例を示す図である。この実施の形態３では、図１に示す電力変換装置の出力部３９において、メインリレー３３に並行して、直列配置の電気抵抗３１を有するサブリレー３２を設ける点に特徴を有する。出力部３９においては、電力変換装置５０の起動時に、メインリレー３３がオフ状態、かつサブリレー３２がオン状態とする。稼働初期を経過して定常運転に移行する際に、メインリレー３３をオン状態にした上で、サブリレー３２をオフにする。
上記のように、起動時に、中央コンデンサ１５のプリチャージ用として、出力部に二次電池との間に抵抗３１を直列させたサブリレー３２を用いることで、ＡＣ電源側から中央コンデンサ１５への突入電流を小さくすることができる。
【００３４】
（実施の形態４）
本発明の参考例として挙げた実施の形態４では、制御部５１による第１および第２のスイッチング素子１１，１２の制御において、ゲート電圧を低くする点に特徴を有する。図５に示すように、ゲート電圧Ｖｇｓを低くすることで、各スイッチング素子のオン抵抗を高くする。スイッチング素子１１，１２のオン抵抗を高くすることによって、稼働初期における中央コンデンサ１５への突入電流を低くすることができる。
【００３５】
（実施の形態５）
本発明の参考例として挙げた実施の形態５では、昇圧部２０の昇圧部スイッチング素子２３を制御して、昇圧電圧を徐々に増加する。昇圧部２０への入力電圧をＶ１とし、出力される昇圧後の電圧をＶ２とし、昇圧部スイッチング素子２３のオンデューティ比をＤとすると、Ｖ２＝Ｖ１／（１−Ｄ）、の関係が成り立つ。この関係に基づいて、起動時に、一気に所定の高い電圧にするのではなく、オンデューティ比を許容される最小値から徐々に高めることで、出力電圧Ｖ２を、低い電圧から徐々に高くすることができる。このような制御方法によって、中央コンデンサ１５への突入電流を低くすることができる。なお、上述の電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃの大小を論じた場合のＶａ，Ｖｂ，Ｖｃは、定常状態での電圧である。
【００３６】
（実施の形態６）
図６は、本発明の参考例として挙げた実施の形態６における電力変換装置５０の一例を示す図である。この電力変換装置５０は、図１の電力変換装置５０における昇圧部２０のダイオード２２をスイッチング素子２２ａに、また、整流部１０の４つのダイオード４１，４２，４３，４４をスイッチング素子４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａに置き換えた点に構成上の特徴がある。このダイオードのスイッチング素子への置き換えによって、ＡＣ電源から二次電池４０への充電だけでなく、加えて、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することができる。制御部５１についても、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給するソフトが組み込まれていて、それへの制御の切り替えを行う。上記の兼用装置によれば、家庭と自動車との間で電力のやりとりが可能となり、たとえば安価な夜間電力によってメインバッテリ４０を充電しておき、昼間に家庭の冷暖房機器をメインバッテリ４０の電力で運転すること等が可能になる。
【００３７】
図６に示す、バッチ式継電部３０の４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７には、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ等を用いることができる。制御部５１による制御によって、メインバッテリ４０から交流側に電力を供給することができる。この場合、昇圧部２０では、上記電圧Ｖａから家庭用交流電圧を生成するのに必要な電圧まで降圧することになる。交流側に電力を供給する際には、前段および後段の全素子を常時オンとするように制御することで導通損失を低減することができる。
【００３８】
（実施の形態７）
図７は、本発明の参考例として挙げた実施の形態７における電力変換装置５０の一例を示す図である。この電力変換装置５０は、バッチ式継電部３０における４つのスイッチング素子１１，１２，１６，１７が、すべて、逆阻止用ダイオード１１ｄ，１２ｄ，１６ｄ，１７ｄを直列に挿入されている点に特徴を有する。バッチ式継電部３０のスイッチング素子１１，１２，１６，１７が、通常の、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴのようにとくに逆阻止能力を持たず、かつ逆阻止用ダイオードを挿入されない場合、負荷（メインバッテリ４０）からＡＣ電源方向に対して絶縁性を持たない。このため、制御部５１による制御方法によっては、オフ状態のスイッチング素子を介在させることで一定の安全性を得ることはできるが、入力側と負荷側との間にトランスを介在させた場合に得られるレベルの絶縁性を得ることはできない。しかし、図７に示すように、逆阻止用ダイオード１１ｄ，１２ｄ，１６ｄ，１７ｄを各スイッチング素子１１，１２，１６，１７に配置することで、トランスを用いた場合と同様に、出力側から入力側への方向に対し、高いレベルの確実な絶縁性を得ることができる。
【００３９】
（実施の形態８）
図８は、本発明の参考例として挙げた実施の形態８における電力変換装置５０の一例を示す図である。実施の形態１等において例示した電力変換装置５０の力率改善のための昇降圧部２０は、昇圧コンバータによって構成した。しかし、本実施の形態では力率改善回路を、昇圧および降圧が可能な昇降圧コンバータ２０ｇによって構成する。図８に示すように、力率改善のための昇降圧部（コンバータ）２０ｇでの入力電圧をＶｉとし、出力電圧をＶａとし、昇降圧部スイッチング素子２３のオンデューティ（オンDuty）をＤとすると、Ｖａ＝−｛Ｄ／（１−Ｄ）｝・Ｖｉが成り立つ。このような回路構成にすることで、デューティの設定次第で、入力電圧よりも、高い出力電圧、または低い出力電圧のどちらも可能となる。すなわち、Ｖｉ＜Ｖａ、またはＶｉ＞Ｖａ、の両方が可能となる。ただし、出力電圧の極性が反転するので、バッチ式継電部３０ｇにおいて中央コンデンサ１５の前段および後段のスイッチング素子１１ｇ，１２ｇ，１６ｇ，１７ｇは、極性を反転させる。
【００４０】
昇圧のみ行うコンバータでは、入力電圧Ｖｉよりも出力電圧Ｖａを低くすることができない。すなわちＶｉ＜Ｖａ、とすることができない。また、中央コンデンサ１５およびスイッチング素子１１ｇ，１２ｇ，１６ｇ，１７ｇで構成されるバッチ式継電部では、ＡＣ電源とメインバッテリ４０との間の絶縁を行うのみであり、電圧調整機能は備えていない。このため、とくにＡＣ２００Ｖの電源の場合、出力電圧の可能な範囲の下限は、２００Ｖｒｍｓ×２１／２＝２８２Ｖ程度となり、定格電圧２００Ｖ等のバッテリの充電には対応できない。
しかし、上記のように、昇降圧が可能な昇降圧部２０ｇとすることで、昇圧のみ行うコンバータに比べて、Ｖｉ＞Ｖａとすることが可能となる。この結果、定格電圧２００Ｖ程度またはそれ以下の定格電圧のバッテリへの充電が可能になる。
【００４１】
（実施の形態９）
図９は、本発明の参考例として挙げた実施の形態９における電力変換装置５０の一例を示す図である。実施の形態１等において例示した電力変換装置５０の力率改善のための昇降圧部２０では、昇降圧部の最終段に配置する昇降圧部コンデンサ２５は一つであった。しかし、本実施の形態では、図９に示すように、複数の昇降圧部コンデンサ２５ａ，２５ｂを配置して、これら複数の昇降圧部コンデンサ２５ａ，２５ｂの正電位側およびグランド側と、中央コンデンサ１５のグランド側との間に、複数の第２の前段スイッチング素子１２ａ，１２ｂを配置する。昇降圧部２０ｈにおけるコンデンサ２５ａ，２５ｂ以外の部分は、実施の形態１における昇圧部２０の部分と同じである。
【００４２】
制御部５１は、要求される電圧に応じてスイッチング素子１１，１２ａ，１２ｂ，１６，１７を切り替えることで、出力電圧を変えることができる。これによって、変圧器を用いることなく、また実施の形態８（図８）におけるようにデューティの設定に配慮することなく、出力電圧を変えることができ、ＡＣ電源の実効電圧に限定されることなく所定範囲の定格電圧のバッテリを充電することができる。また、ＡＣ電源の入力側と、直流の出力側とを上記のレベルで絶縁することができる。
図９では、複数の昇降圧部コンデンサ２５ａ，２５ｂと、複数の第２の前段スイッチング素子１２ａ，１２ｂとの場合を示している。しかし、複数の第２の前段スイッチング素子に加えて、第１の前段スイッチング素子を複数にして複数の昇降圧部コンデンサに配線することで、出力電圧を変えてもよい。
また、中央コンデンサ１５を複数にして、第１および／または第２の前段スイッチング素子、および／または、第１および／または第２の前段スイッチング素子、を各自複数にしてもよい。このような、中央コンデンサの複数化、および全てまたはいずれかのスイッチング素子の複数化、によって、より広い範囲に、出力電圧を制御して変化させることができる。
また、出力部のコンデンサ３５を複数にして、第１の後段スイッチング素子および／または第２の後段スイッチング素子を、各自、複数にしてもよい。これによって、出力部のコンデンサを複数にすることで簡単に出力電圧を制御して変化させることができる。
【００４３】
（実施の形態１０）
図１０は、本発明の実施の形態１０における電力変換装置５０の一例を示す図である。実施の形態６の電力変換装置５０は、ダイオードのスイッチング素子への置き換えによって、ＡＣ電源から二次電池４０への充電だけでなく、加えて、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することができる装置であった。本実施の形態の電力変換装置５０は、実施の形態６と同じ機能を有しながら、バッチ式継電部３０ｓのスイッチング素子１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓを逆阻止能力を持つ双方向スイッチング素子とした点に特徴を有する。これら逆阻止能力を持つ双方向スイッチング素子としては、逆阻止ＩＧＢＴを用いることができる。
スイッチング素子１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓは、図１１に示すように、それぞれ、順方向通電部と逆方向通電部とを持ち、一方の方向の通電部が作動しているとき、逆方向の通電部は逆阻止機能を発現する。各双方向スイッチング素子において、Ｑ１Ａが順方向通電部であり、Ｑ２Ｂが逆方向通電部である。これによって、各スイッチング素子１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓが、順／逆方向について、導通／阻止能力を持つことになる。この結果、ＡＣ電源（家庭交流電源）側と車両二次電池側との間の双方向について絶縁性を確保した上で、相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
【００４４】
（実施の形態１１）
図１２は、本発明の実施の形態１１における電力変換装置５０の一例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置５０では、実施の形態１０と同様に、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することを可能としながら、実施の形態１０と異なる形態の素子によって逆阻止能力を持つようにしている。その逆阻止能力を持たせるために、本実施の形態では、バッチ式継電部３０ｓのスイッチング素子１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａに、逆阻止能力のないＩＧＢＴと本来逆阻止能力を有する通常のダイオードとを組み合わせたものを用いた点に特徴を有する。
スイッチング素子１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａは、それぞれ、順方向通電部と逆方向通電部とを持ち、一方の方向の通電部が作動しているとき、逆方向の通電部は逆阻止機能を発現する。これによって、各スイッチング素子１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａが、順／逆方向について、導通／阻止能力を持つことになる。この結果、ＡＣ電源（家庭交流電源）側と車両二次電池側との間の双方向について絶縁性を確保した上で、相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
また、本実施の形態では、通常の逆阻止能力のないＩＧＢＴと通常のダイオードとを組み合わせるため、部品コスト低減を得ることが可能である。
【００４５】
（実施の形態１２）
図１３は、本発明の実施の形態１２における電力変換装置５０の一例を示す図である。本実施の形態の電力変換装置５０では、実施の形態１１と同様に、二次電池４０の電力を用いてＡＣ電源側へと交流電力を供給することを可能としながら、実施の形態１０と異なる形態の素子によって逆阻止能力を持つようにしている。その逆阻止能力を持たせるために、本実施の形態では、バッチ式継電部３０ｓのスイッチング素子１１ｂ，１２ｂ，１６ｂ，１７ｂに、逆阻止能力のないＭＯＳＦＥＴと逆阻止能力を本来有するダイオードとを組み合わせたものを用いた点に特徴を有する。
スイッチング素子１１ｂ，１２ｂ，１６ｂ，１７ｂは、実施の形態１０、１１と同様に、順方向通電部と逆方向通電部とを持ち、一方の方向の通電部が作動しているとき、逆方向の通電部は逆阻止機能を発現する。この結果、ＡＣ電源（家庭交流電源）側と車両二次電池側との間の双方向について絶縁性を確保した上で、相互に電力のやりとりを行うことが可能になる。
また、本実施の形態では、通常の逆阻止能力のないＭＯＳＦＥＴと通常のダイオードとを組み合わせるため、部品コスト低減を得ることが可能である。
【００４６】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の電力変換装置によれば、入力側と出力側との電圧に対する制限をなくして、かつ、小型、低損失の、一般家庭のＡＣ電源によりＥＶ等のメインバッテリを充電することができ、また、上記の機能に加えて、二次電池から家庭にＡＣ電力を供給することができる。さらにバッチ式継電部の双方向スイッチング素子に逆阻止能力を付随させることで、トランスを用いた場合と同じレベルの絶縁性を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
９  入力部、１０  整流部、１１，１２，１６，１７  バッチ式継電部のスイッチング素子、１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａ  バッチ式継電部の双方向通電逆阻止スイッチング素子、１１ｂ，１２ｂ，１６ｂ，１７ｂ  バッチ式継電部の双方向通電逆阻止スイッチング素子、１１ｓ，１２ｓ，１６ｓ，１７ｓ  バッチ式継電部の双方向通電逆阻止スイッチング素子、１５  中央コンデンサ、２０  昇圧部、２０ｇ  昇降圧部、２０ｈ  複数コンデンサによる昇降圧部、２１  インダクタ、２２  昇圧部のダイオード、２２ａ  昇圧部のスイッチング素子、２３  昇圧部スイッチング素子、２５  昇圧部コンデンサ、２５ａ，２５ｂ、昇降圧部の複数コンデンサ、３０  バッチ式継電部、３０ｇ  昇降圧部の後段のバッチ式継電部（逆極性スイッチング）、３０ｈ  複数の前段第２スイッチング素子を有するバッチ式継電部、３０ｓ  双方向通電逆阻止スイッチング素子配置のバッチ式継電部、３１  電気抵抗、３２  サブリレー、３３  メインリレー、３５  平滑コンデンサ、３９  出力部、４０  メインバッテリ（二次電池）、４１，４２，４３，４４  整流部のダイオード、４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａ  整流部のスイッチング素子、５１  制御部。