(57)【要約】【課題】電力変換効率を向上させることができる電力変換装置を得ること。【解決手段】電力変換装置１００が、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を用いた降圧コンバータ回路５０と、ＤＣトランス回路６０と、ＰＷＭ制御部１５と、を備え、ＤＣトランス回路６０は、降圧コンバータ回路５０に接続されたブリッジ回路３０と、ブリッジ回路３０に接続されたトランス１４と、トランス１４に接続されたプッシュプル回路４０とを含み、ＰＷＭ制御部１５は、ブリッジ回路３０およびプッシュプル回路４０が備えるスイッチング素子を、降圧コンバータ回路５０からＤＣトランス回路６０へ流れるリアクトル電流ＩLが閾値以上の状態ではリアクトル電流ＩLの波形が谷となるタイミングでスイッチングさせ、リアクトル電流ＩLが閾値よりも小さい状態では波形が山となるタイミングでスイッチングさせる。【選択図】図１
2019169999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子からの入力電圧を受付けるとともに、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の何れか一方をオンにするタイミングで他方をオフにする処理を繰り返してリアクトルである出力コイルへのエネルギーの蓄積と放出とを繰り返すことで前記入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータ回路と、
一次巻線から二次巻線へ電力を伝達するトランスを有した直流トランス回路と、
前記降圧コンバータ回路から前記直流トランス回路へ流れるリアクトル電流に基づいて、前記直流トランス回路および前記降圧コンバータ回路を制御する制御部と、
を備え、
前記直流トランス回路は、前記降圧コンバータ回路および前記一次巻線に接続されるとともに第３のスイッチング素子を備えたブリッジ回路と、前記二次巻線および出力端子に接続されるとともに第４のスイッチング素子を備えたプッシュプル回路とを含み、
前記制御部は、前記リアクトル電流が基準値以上である状態では、前記リアクトル電流の波形が第１の閾値以下となるタイミングで前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子をスイッチングさせ、前記リアクトル電流が前記基準値よりも小さい状態では、前記リアクトル電流の波形が第２の閾値以上となるタイミングで前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子をスイッチングさせる、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記降圧コンバータ回路内で前記リアクトル電流を検出するとともに、検出した前記リアクトル電流に対応する信号を出力するリアクトル電流検出部と、
前記リアクトル電流検出部からの信号に基づいて、前記リアクトル電流が前記基準値よりも小さくなったと判断すると、前記ブリッジ回路および前記プッシュプル回路へのスイッチングのタイミングを切替えさせるタイミング切替信号を前記制御部に送るタイミング切替制御部と、
をさらに備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】
前記ブリッジ回路は、前記第３のスイッチング素子として、２つのスイッチング素子を含んだ第１のスイッチペアと、２つのスイッチング素子を含んだ第２のスイッチペアとを含み、
前記プッシュプル回路は、第１の整流素子および第２の整流素子を含み、
前記制御部は、
前記第１のスイッチペアおよび前記第１の整流素子をオンにするタイミングで前記第２のスイッチペアおよび前記第２の整流素子をオフにし、前記第１のスイッチペアおよび前記第１の整流素子をオフにするタイミングで前記第２のスイッチペアおよび前記第２の整流素子をオンにする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１の整流素子および前記第２の整流素子は、電界効果トランジスタである、
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カレントフェッド型のＤＣ（Direct  Current）／ＤＣコンバータを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁型の大容量の電源変換装置の１つに、降圧コンバータとプッシュプルコンバータとを備えたカレントフェッド型のＤＣ／ＤＣコンバータがある。カレントフェッド型のＤＣ／ＤＣコンバータは、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータと比べて二次側にチョークコイルを設ける必要がないので、チョークコイルの銅損を発生させず、高い電力変換効率を実現することが可能である。
【０００３】
また、特許文献１に記載のカレントフェッド型のＤＣ／ＤＣコンバータでは、降圧コンバータ回路が、オンおよびオフが交互に行われるスイッチ素子とリアクトルであるコイルとを備える。スイッチング素子が、交互にオンおよびオフされることで、特許文献１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータでは、コイルに流れる電流であるリアクトル電流は三角波となる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、三角波の谷となるタイミングで、プッシュプルコンバータ内の二次側に接続されている整流スイッチ素子をスイッチングし、これにより、スイッチング損失の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１２７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のＤＣ／ＤＣコンバータでは、リアクトル電流を降圧インバータからプッシュプルコンバータへ流れ込む方向をリアクトル電流の正の方向とすると、軽負荷時には、リアクトル電流の値が負になりプッシュプルコンバータ内の二次側の回路における電流の向きが通常時の逆になるタイミングがある。しかしながら、特許文献１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータは、軽負荷時にも、電流の向きが通常時の逆になるタイミングで整流スイッチ素子をターンオフしている。このタイミングで整流スイッチ素子がターンオフされると、プッシュプルコンバータ内の二次側の回路で電流が流れる経路がなくなり、整流スイッチ素子の両端に大きなサージ電圧が発生するので、その対策により電力変換効率が悪化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力変換効率を向上させることができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、入力端子からの入力電圧を受付けるとともに、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の何れか一方をオンにするタイミングで他方をオフにする処理を繰り返してリアクトルである出力コイルへのエネルギーの蓄積と放出とを繰り返すことで入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータ回路を備える。また、本発明の電力変換装置は、一次巻線から二次巻線へ電力を伝達するトランスを有した直流トランス回路と、降圧コンバータ回路から直流トランス回路へ流れるリアクトル電流に基づいて、直流トランス回路および降圧コンバータ回路を制御する制御部と、を備える。直流トランス回路は、降圧コンバータ回路および一次巻線に接続されるとともに第３のスイッチング素子を備えたブリッジ回路と、二次巻線および出力端子に接続されるとともに第４のスイッチング素子を備えたプッシュプル回路とを含む。制御部は、リアクトル電流が基準値以上である状態では、リアクトル電流の波形が第１の閾値以下となるタイミングで第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子をスイッチングさせ、リアクトル電流が基準値よりも小さい状態では、リアクトル電流の波形が第２の閾値以上となるタイミングで第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子をスイッチングさせる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる電力変換装置は、電力変換効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電力変換装置の構成を示す図
【図２】実施の形態にかかる電力変換装置の高負荷時の動作タイミングを示す図
【図３】実施の形態にかかる電力変換装置の軽負荷時の動作タイミングを示す図
【図４】実施の形態にかかる電力変換装置の電流の流れを説明するための図
【図５】実施の形態にかかるＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation：パルス幅変調）制御部およびタイミング切替制御部を実現するハードウェア構成の第１例を示す図
【図６】実施の形態にかかるＰＷＭ制御部およびタイミング切替制御部を実現するハードウェア構成の第２例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置の構成を示す図である。電力変換装置１００は、絶縁型の大容量の電源変換装置である。電力変換装置１００は、カレントフェッド型のＤＣ（直流）／ＤＣコンバータであり、入力端子１，２と、降圧コンバータ回路５０と、ＤＣトランス回路６０と、ＰＷＭ制御部１５と、タイミング切替制御部１７と、負荷に電力を供給するための出力端子３,４とを備えている。ＤＣトランス回路６０は、フルブリッジコンバータである。電力変換装置１００では、ＤＣトランス回路６０の入力段に２入力２出力の降圧コンバータ回路５０が接続されている。
【００１２】
入力端子１，２は、一次電源としての入力電圧が印加されるとともに、入力電圧を降圧コンバータ回路５０に送る。降圧コンバータ回路５０は、入力電圧を降圧してＤＣトランス回路６０に送る回路である。ＤＣトランス回路６０は、一次側から二次側へ電力を伝達する回路である。
【００１３】
降圧コンバータ回路５０は、入力端子１，２から入力される入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路であり、平滑回路２０と、ハイサイド（高電位側）のスイッチング素子Ｑ１と、ローサイド（低電位側）のスイッチング素子Ｑ２と、出力コイルＬ１と、リアクトル電流検出部１６と、接続点Ｐ１〜Ｐ４とを備えている。平滑回路２０は、電圧および電流を平滑化する回路であり、入力コイルＬinと、入力コンデンサＣinとを備えている。
【００１４】
入力コイルＬinの一端は、入力端子１に接続されており、他端は、接続点Ｐ１に接続されている。接続点Ｐ１は、入力コイルＬinの他端と、入力コンデンサＣinの一端と、スイッチング素子Ｑ１の一端とに接続されている。接続点Ｐ３は、スイッチング素子Ｑ１の他端と、スイッチング素子Ｑ２の一端と、出力コイルＬ１の一端とに接続されている。接続点Ｐ２は、入力端子２と、入力コンデンサＣinの他端と、接続点Ｐ４とに接続されている。接続点Ｐ４は、リアクトル電流検出部１６の一端と、スイッチング素子Ｑ２の他端と、接続点Ｐ２とに接続されている。
【００１５】
このように、入力コイルＬinは、入力端子１および接続点Ｐ１に接続され、入力コンデンサＣinは、接続点Ｐ１，Ｐ２に接続され、スイッチング素子Ｑ１は、接続点Ｐ１，Ｐ３に接続され、スイッチング素子Ｑ２は、接続点Ｐ３，Ｐ４に接続されている。また、出力コイルＬ１の他端である出力側は、ＤＣトランス回路６０に接続され、リアクトル電流検出部１６の他端である出力側は、ＤＣトランス回路６０に接続されている。
【００１６】
入力コイルＬinは、入力端子１，２に印加された入力電流を平滑化するコイルであり、入力コンデンサＣinは、入力端子１，２に印加された入力電圧を平滑化するコンデンサである。
【００１７】
スイッチング素子Ｑ１は、ＰＷＭ制御部１５から指示されたタイミングでオンとオフとを切替える。スイッチング素子Ｑ２は、ＰＷＭ制御部１５から指示されたタイミングでオンとオフとを切替える。出力コイルＬ１は、チョークコイルである。降圧コンバータ回路５０からＤＣトランス回路６０へは、リアクトル電流ＩLが流れる。リアクトル電流検出部１６は、このリアクトル電流ＩLを検出する。リアクトル電流ＩLおよびリアクトル電流検出部１６の詳細については後述する。
【００１８】
降圧コンバータ回路５０では、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とが交互にオンとオフとを繰り返す。すなわち、降圧コンバータ回路５０は、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２の何れか一方をオンにするタイミングで他方をオフにする処理を繰り返す。降圧コンバータ回路５０は、スイッチング素子Ｑ１がオンの時に出力コイルＬ１にエネルギーを蓄積し、スイッチング素子Ｑ１がオフの時に出力コイルＬ１の蓄積エネルギーを放出し、これにより入力端子１，２からの入力電圧を降圧して出力する。スイッチング素子Ｑ１が第１のスイッチング素子である場合には、スイッチング素子Ｑ２が第２のスイッチング素子であり、スイッチング素子Ｑ２が第１のスイッチング素子である場合には、スイッチング素子Ｑ１が第２のスイッチング素子である。
【００１９】
直流トランス回路であるＤＣトランス回路６０は、２入力２出力のブリッジ回路３０と、２入力３出力のトランス１４と、３入力２出力のプッシュプル回路４０と、出力コンデンサ１３と、接続点Ｐ１４，Ｐ１５とを備えている。なお、ＤＣトランス回路６０は、ブリッジ回路３０の代わりにプッシュプル回路を備えていてもよい。ブリッジ回路３０は、降圧コンバータ回路５０およびトランス１４に接続されている。また、トランス１４は、プッシュプル回路４０に接続され、プッシュプル回路４０は、出力端子３，４に接続されている。
【００２０】
ブリッジ回路３０は、フルブリッジ回路であり、一次側のスイッチング素子であるスイッチング素子５〜８と、接続点Ｐ５〜Ｐ８とを有している。スイッチング素子５，８が第１のスイッチペアである場合、スイッチング素子６，７が第２のスイッチペアであり、スイッチング素子５，８が第２のスイッチペアである場合、スイッチング素子６，７が第１のスイッチペアである。
【００２１】
スイッチング素子５の一端およびスイッチング素子７の一端は、接続点Ｐ５に接続され、接続点Ｐ５が出力コイルＬ１の他端に接続されている。また、スイッチング素子６の一端およびスイッチング素子８の一端は、接続点Ｐ６に接続され、接続点Ｐ６がリアクトル電流検出部１６の他端に接続されている。また、スイッチング素子５の他端と、スイッチング素子６の他端とが接続点Ｐ７に接続され、接続点Ｐ７が後述の一次巻線Ｌｐの一端に接続されている。また、スイッチング素子７の他端と、スイッチング素子８の他端とが接続点Ｐ８に接続され、接続点Ｐ８が一次巻線Ｌｐの他端に接続されている。
【００２２】
トランス１４は、一次側の巻線である一次巻線Ｌｐと、二次側の巻線である二次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２とを有している。トランス１４は、一次巻線Ｌｐから二次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２へ、磁気エネルギーを介して電力を伝達する。
【００２３】
プッシュプル回路４０は、二次側の整流素子である整流素子９，１０と、接続点Ｐ９〜Ｐ１３とを備えている。整流素子９は、ボディダイオード１１を含んでおり、整流素子１０は、ボディダイオード１２を含んでいる。ここでは、説明の便宜上、整流素子９およびボディダイオード１１を別構成の素子として図示し、整流素子１０およびボディダイオード１２を別構成の素子として図示している。整流素子９が第１の整流素子である場合、整流素子１０が第２の整流素子であり、整流素子９が第２の整流素子である場合、整流素子１０が第１の整流素子である。整流素子９，１０の一例は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）といった、電界効果トランジスタである。
【００２４】
整流素子９の一端は、接続点Ｐ９を介して二次巻線Ｌｓ１の一端に接続され、整流素子９の他端は、接続点Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ１３を介して整流素子１０の一端に接続されている。整流素子９がオンの場合には、接続点Ｐ１０から接続点Ｐ９に向かって電流が流れ、オフのときには接続点Ｐ９，Ｐ１０間で電流は流れない。ボディダイオード１１は、整流素子９に含まれるものであるが、ここではボディダイオード１１のカソードが接続点Ｐ９に接続され、アノードが接続点Ｐ１０に接続されているものとして説明する。
【００２５】
整流素子１０の他端は、接続点Ｐ１２を介して二次巻線Ｌｓ２の一端に接続され、整流素子１０の他端は、接続点Ｐ１３，Ｐ１１，Ｐ１０を介して整流素子９の他端に接続されている。整流素子１０がオンの場合には、接続点Ｐ１３から接続点Ｐ１２に向かって電流が流れ、オフのときには接続点Ｐ１２，Ｐ１３間で電流は流れない。ボディダイオード１２は、整流素子１０に含まれるものであるが、ここではボディダイオード１２のカソードが接続点Ｐ１２に接続され、アノードが接続点Ｐ１３に接続されているものとして説明する。
【００２６】
二次巻線Ｌｓ１の他端と二次巻線Ｌｓ２の他端との接続点である中性点は、接続点Ｐ１５に接続されており、接続点Ｐ１５が出力端子３に接続されている。また、接続点Ｐ１１は、接続点Ｐ１０と、接続点Ｐ１３と、接続点Ｐ１４とに接続されており、接続点Ｐ１４が出力端子４に接続されている。また、出力コンデンサ１３は、接続点Ｐ１４および接続点Ｐ１５に接続されている。
【００２７】
リアクトル電流検出部１６は、降圧コンバータ回路５０内でリアクトル電流ＩLを検出する。降圧コンバータ回路５０からＤＣトランス回路６０へは、出力コイルＬ１からスイッチング素子５，７に向かって流れ込む方向を基準としたリアクトル電流ＩLが流れる。換言すると、リアクトル電流ＩLは、出力側の回路であるＤＣトランス回路６０が、降圧コンバータ回路５０から引き込む負荷電流である。
【００２８】
リアクトル電流検出部１６は、検出したリアクトル電流ＩLに対応する信号を出力する。具体的には、リアクトル電流検出部１６は、検出したリアクトル電流ＩLを電圧信号に変換してタイミング切替制御部１７に入力する。なお、リアクトル電流検出部１６は、ＤＣトランス回路６０内に配置されてもよい。
【００２９】
タイミング切替制御部１７は、リアクトル電流検出部１６から入力される電圧信号をモニタし、電圧信号に基づいて、リアクトル電流ＩLが後述の基準値Ｘよりも小さくなったか否かを判断する。タイミング切替制御部１７は、例えば、リアクトル電流ＩLの平均値が基準値Ｘよりも小さくなったか否かを判断する。タイミング切替制御部１７は、リアクトル電流ＩLが基準値Ｘよりも小さくなったと判断すると、タイミング切替信号をＰＷＭ制御部１５に入力する。タイミング切替信号は、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフにするタイミングを切替えさせるための信号である。
【００３０】
また、タイミング切替制御部１７が用いる基準値Ｘは、電力変換装置１００の負荷が臨界電流値を下回るような軽負荷であるか否かを判定するための基準値Ｘである。本実施の形態では、リアクトル電流ＩLが基準値Ｘ以上である状態が高負荷時の状態であり、リアクトル電流ＩLが基準値Ｘよりも小さい状態が軽負荷時の状態である。
【００３１】
制御部であるＰＷＭ制御部１５は、タイミング切替信号を受付けるための入力端子を備えており、この入力端子が、タイミング切替制御部１７からのタイミング切替信号を受付ける。ＰＷＭ制御部１５は、タイミング切替信号が送られていない時は、リアクトル電流ＩLが最小となる三角波の谷（極小値）のタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御する。
【００３２】
一方、ＰＷＭ制御部１５は、タイミング切替信号が送られている間は、リアクトル電流ＩLが最大となる三角波の山（極大値）のタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御する。
【００３３】
このように、ＰＷＭ制御部１５は、高負荷時には、リアクトル電流ＩLの谷のタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０へのスイッチングを実行する。また、ＰＷＭ制御部１５は、軽負荷時には、リアクトル電流ＩLの谷のタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０へのスイッチングを実行する。
【００３４】
図１および後述の図２，３では、スイッチング素子５，８の駆動信号を「ＶGS(a)」で示し、スイッチング素子６，７の駆動信号を「ＶGS(b)」で示し、整流素子９の駆動信号を「ＶGS(c)」で示し、整流素子１０の駆動信号を「ＶGS(d)」で示している。また、スイッチング素子Ｑ１の駆動信号を「ＶGS(Q1)」で示し、スイッチング素子Ｑ２の駆動信号を「ＶGS(Q2)」で示している。また、接続点Ｐ１５から出力端子３に流れる信号でＰＷＭ制御部１５へ入力されるフィードバック信号を「Ｖfb」で示している。
【００３５】
ＰＷＭ制御部１５は、駆動信号ＶGS(a)をスイッチング素子５，８に入力し、駆動信号ＶGS(b)をスイッチング素子６，７に入力し、駆動信号ＶGS(c)を整流素子９に入力し、駆動信号ＶGS(d)を整流素子１０に入力する。また、ＰＷＭ制御部１５は、駆動信号ＶGS(Q1)をスイッチング素子Ｑ１に入力し、駆動信号ＶGS(Q2)をスイッチング素子Ｑ２に入力する。また、ＰＷＭ制御部１５へは、接続点Ｐ１５の電圧がフィードバック信号Ｖfbとして印加される。
【００３６】
ここで、各駆動信号のオンおよびオフのタイミングについて説明する。以下では、電力変換装置１００の高負荷時の動作を説明した後、電力変換装置１００の軽負荷時の動作を説明する。
【００３７】
図２は、実施の形態にかかる電力変換装置の高負荷時の動作タイミングを示す図である。図２では、リアクトル電流ＩLと、各素子の駆動信号ＶGS(Q1)，ＶGS(Q2)，ＶGS(a)，ＶGS(b)，ＶGS(c)，ＶGS(d)のオンおよびオフのタイミングとを示している。図２中の「ＩL」がリアクトル電流ＩLの波形である。高負荷時には、リアクトル電流ＩLの平均値が、基準値Ｘ以上となっている。
【００３８】
電力変換装置１００は、例えば、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０へのスイッチング周期を、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２へのスイッチング周期の２倍とする。また、電力変換装置１００は、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０に対し、一周期に対するオン時間の比であるデューティ比を５０％に固定する。これにより、電力変換装置１００は、トランス１４をＤＣトランスのように動作させることができるので、トランス１４の二次側にはチョークコイルが不要となる。また、電力変換装置１００は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間であるパルス導通幅を可変制御することによって、出力端子３，４からの出力電圧を一定に保つ。なお、これらのスイッチング周期、デューティ比、およびパルス導通幅は、電力変換装置１００の軽負荷時の動作でも同じである。
【００３９】
リアクトル電流ＩLは、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とが交互にオンとオフとを繰り返すことによって、三角波状となる。この高負荷時のリアクトル電流ＩLは、交互にオンとオフとのスイッチングを繰り返しながらも常時正の値で推移する。
【００４０】
この場合において、ＰＷＭ制御部１５は、リアクトル電流ＩLが最小となる三角波の谷のタイミング、すなわちスイッチング素子Ｑ１がターンオンするタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御する。具体的には、ＰＷＭ制御部１５が、スイッチング素子Ｑ１がターンオンするタイミングで、スイッチング素子５，８の「ＶGS(a)」および整流素子９の「ＶGS(c)」をオンにする場合は、スイッチング素子６，７の「ＶGS(b)」および整流素子１０の「ＶGS(d)」をオフにする。一方、ＰＷＭ制御部１５が、スイッチング素子Ｑ１がターンオンするタイミングで、スイッチング素子５，８の「ＶGS(a)」および整流素子９の「ＶGS(c)」をオフにする場合には、スイッチング素子６，７の「ＶGS(b)」および整流素子１０の「ＶGS(d)」をオンにする。これにより、電力変換装置１００は、高負荷時にスイッチング損失の低減を図ることができる。
【００４１】
図３は、実施の形態にかかる電力変換装置の軽負荷時の動作タイミングを示す図である。図３では、図２と同様に、リアクトル電流ＩLと、各素子の駆動信号ＶGS(Q1)，ＶGS(Q2)，ＶGS(a)，ＶGS(b)，ＶGS(c)，ＶGS(d)のオンおよびオフのタイミングとを示している。軽負荷時にも、リアクトル電流ＩLは、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とが交互にオンとオフとのスイッチングを繰り返すことによって、三角波状となる。この軽負荷時のリアクトル電流ＩLは、三角波の谷では負の値となり三角波の頂上では正の値となる。
【００４２】
電力変換装置１００において負荷が軽くなり、リアクトル電流ＩLが基準値Ｘよりも小さくなると、タイミング切替制御部１７がタイミング切替信号をＰＷＭ制御部１５に入力する。ＰＷＭ制御部１５は、タイミング切替信号を受付けている間は、リアクトル電流ＩLが最大となる三角波の山（正の値）のタイミング、すなわちスイッチング素子Ｑ１がターンオフするタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御する。具体的には、ＰＷＭ制御部１５が、スイッチング素子Ｑ１がターンオフするタイミングで、スイッチング素子５，８の「ＶGS(a)」および整流素子９の「ＶGS(c)」をオンにする場合には、スイッチング素子６，７の「ＶGS(b)」および整流素子１０の「ＶGS(d)」をオフにする。一方、ＰＷＭ制御部１５が、スイッチング素子Ｑ１がターンオフするタイミングで、スイッチング素子５，８の「ＶGS(a)」および整流素子９の「ＶGS(c)」をオフにする場合には、スイッチング素子６，７の「ＶGS(b)」および整流素子１０の「ＶGS(d)」をオンにする。
【００４３】
なお、ＰＷＭ制御部１５は、高負荷時には、スイッチング素子Ｑ１がターンオンするタイミングに限らず、このターンオンのタイミング付近でスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御してもよい。換言すると、ＰＷＭ制御部１５は、高負荷時には、リアクトル電流ＩLが下限値付近になるタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をスイッチングさせてもよい。具体的には、ＰＷＭ制御部１５は、高負荷時には、リアクトル電流ＩLが第１の閾値以下となっているタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をスイッチングさせてもよい。例えば、第１の閾値には、リアクトル電流ＩLの平均値よりも小さな値が設定される。第１の閾値は、正の値である。
【００４４】
また、ＰＷＭ制御部１５は、軽負荷時には、スイッチング素子Ｑ１がターンオフするタイミングに限らず、このターンオフするタイミング付近でスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御してもよい。換言すると、ＰＷＭ制御部１５は、軽負荷時には、リアクトル電流ＩLが上限値付近になるタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をスイッチングさせてもよい。具体的には、ＰＷＭ制御部１５は、軽負荷時には、リアクトル電流ＩLが第２の閾値以上となっているタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をスイッチングさせてもよい。例えば、第２の閾値には、リアクトル電流ＩLの平均値よりも大きな値が設定される。第２の閾値は、正の値である。
【００４５】
なお、本実施の形態では、リアクトル電流ＩLが三角波である場合について説明したが、リアクトル電流ＩLは三角波以外ののこぎり波などであってもよい。
【００４６】
図４は、実施の形態にかかる電力変換装置の電流の流れを説明するための図である。ここでは、整流素子９がターンオフする時の電流の流れについて説明する。まず、高負荷時の電流の流れについて説明し、その後、軽負荷時の電流の流れについて説明する。
【００４７】
図２で説明したように、高負荷時には、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０のオンまたはオフは、リアクトル電流ＩLの値が正の状態で行われる。リアクトル電流ＩLの値が正の状態では、入力電流Ｉinが、降圧コンバータ回路５０の出力コイルＬ１から、接続点Ｐ５、スイッチング素子５、接続点Ｐ７、一次巻線Ｌｐ、接続点Ｐ８、スイッチング素子８、接続点Ｐ６を順番に通って降圧コンバータ回路５０のリアクトル電流検出部１６へ流れる。
【００４８】
このように、一次巻線Ｌｐに入力電流Ｉinの変化が起きると、レンツの法則に従って、入力電流Ｉinの変化を妨げるように、入力電流Ｉinの方向とは反対向きの起電力である逆起電力が発生する。この結果、二次巻線Ｌｓ１にも誘導起電力が発生して誘導電流が流れる。
【００４９】
すなわち、ＤＣトランス回路６０では、出力電流Ｉoが、接続点Ｐ１４、接続点Ｐ１１、接続点Ｐ１０、整流素子９、接続点Ｐ９、二次巻線Ｌｓ１を順番に通って、接続点Ｐ１５へ流れる。このタイミングで、整流素子９が、ターンオフすると、ターンオフする直前まで整流素子９に流れていた出力電流Ｉoは、ターンオフした瞬間にボディダイオード１１に流れる。これにより、出力電流Ｉoの流れが継続するので大きなサージ電圧は発生しない。同様に、整流素子１０のターンオフ時にも大きなサージ電圧は発生しない。なお、図４では、出力電流Ｉoの流れを分かりやすくするために、整流素子９，１０がターンオフしている状態をスイッチがオフしている状態で示している。
【００５０】
また、図３で説明したように、軽負荷時にも、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０のオンまたはオフは、リアクトル電流ＩLの値が正の状態で行われる。リアクトル電流ＩLの値が正の状態での入力電流Ｉinは、高負荷時と同様に、降圧コンバータ回路５０の出力コイルＬ１から、接続点Ｐ５、スイッチング素子５、接続点Ｐ７、一次巻線Ｌｐ、接続点Ｐ８、スイッチング素子８、接続点Ｐ６を順番に通って降圧コンバータ回路５０のリアクトル電流検出部１６へ流れる。
【００５１】
この時のＤＣトランス回路６０の整流素子９における出力電流Ｉoの流れも高負荷時と同じ方向である。このタイミングで、整流素子９が、ターンオフした場合の、出力電流Ｉoの流れも高負荷時と同じ方向である。したがって、整流素子９がターンオフした瞬間にボディダイオード１１に出力電流Ｉoが流れるので大きなサージ電圧は発生しない。同様に、整流素子１０のターンオフ時にも大きなサージ電圧は発生しない。
【００５２】
このように、本実施の形態では、軽負荷時にもリアクトル電流ＩLの値が正のタイミングで、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０のオンまたはオフを制御する。このため、軽負荷時にも高負荷時と同様に大きなサージ電圧は発生しない。なお、このような軽負荷の状態では、リアクトル電流ＩLの電流値が最大となるタイミングでスイッチングしたとしても最大の電流値自体が小さいので、スイッチング損失は小さく抑えることができる。このように、本実施の形態では、高負荷時と軽負荷時とで、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御するタイミングを変えている。
【００５３】
ここで、軽負荷時にも高負荷時と同様のタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御した場合について説明する。軽負荷時においても、高負荷時と同様に、リアクトル電流ＩLが最小となる三角波の谷のタイミング、すなわちスイッチング素子Ｑ１がターンオンするタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０がオンまたはオフに制御されたとする。
【００５４】
軽負荷時の場合、リアクトル電流ＩLが最小となる三角波の谷のタイミングは、リアクトル電流ＩLが負の値となる。このため、軽負荷時の場合に、三角波の谷のタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０がオンまたはオフに制御されると、リアクトル電流ＩLの値が負の状態でスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０がオンまたはオフに制御されることとなる。リアクトル電流ＩLの値が負の状態では、リアクトル電流ＩLの値が正の状態の場合と反対の方向に電流が流れる。すなわち、図４で示した電流の流れと逆方向に電流が流れる。具体的には、入力電流Ｉinが、降圧コンバータ回路５０のリアクトル電流検出部１６から、接続点Ｐ６、スイッチング素子８、接続点Ｐ８、一次巻線Ｌｐ、接続点Ｐ７、スイッチング素子５、接続点Ｐ５を順番に通って降圧コンバータ回路５０の出力コイルＬ１へ流れている。
【００５５】
この時、ＤＣトランス回路６０では、高負荷時と反対方向に電流が流れている。すなわち、出力電流Ｉoが、接続点Ｐ１５、二次巻線Ｌｓ１、接続点Ｐ９、整流素子９、接続点Ｐ１０、接続点Ｐ１１を順番に通って、接続点Ｐ１４へ流れている。このタイミングで、整流素子９がターンオフすると、ボディダイオード１１は導通できないので、ターンオフする直前まで整流素子９に流れていた出力電流Ｉoはターンオフした瞬間に流れる経路がなくなる。このように、軽負荷時には、リアクトル電流ＩLの方向が反転しているタイミングで整流素子９がスイッチングしてしまうので、ボディダイオード１１が導通しない。このため、ＤＣトランス回路６０で大きな電流変化（ｄｉ／ｄｔ）が発生し、整流素子９の両端に大きなサージ電圧が発生する。このサージ電圧の対策を行うと、電力変換効率を悪化させてしまう。整流素子１０についても同様である。
【００５６】
ところで、素子の両端に発生するサージ電圧に対する対策としては、サージ電圧に耐え得るほどの高耐圧のスイッチング素子を用いる方法がある。この方法の場合、高耐圧のスイッチング素子のオン抵抗が高くなるので、スイッチング素子自体の発熱が問題となることがある。
【００５７】
また、他の対策として、スイッチング素子の両端にスナバ回路を設置するもしくはスイッチング素子をアバランシェ動作させることによってサージ分のエネルギーを熱として放出する方法がある。これらの方法の場合、スナバ回路の設置もしくはアバランシェ動作の何れの方法であってもサージエネルギーを熱に変換するので、発熱が問題となる。
【００５８】
一方、本実施の形態では、軽負荷時にもリアクトル電流ＩLが正の値となっているタイミングでスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をオンまたはオフに制御しているので、整流素子９，１０がターンオフしたタイミングでのサージ電圧を抑制することができる。
【００５９】
ここで、実施の形態におけるＰＷＭ制御部１５およびタイミング切替制御部１７の機能を実現するハードウェア構成について説明する。図５は、実施の形態にかかるＰＷＭ制御部およびタイミング切替制御部を実現するハードウェア構成の第１例を示す図である。図６は、実施の形態にかかるＰＷＭ制御部およびタイミング切替制御部を実現するハードウェア構成の第２例を示す図である。
【００６０】
ＰＷＭ制御部１５およびタイミング切替制御部１７は、図５に示した制御回路３００、すなわちプロセッサ２００、メモリ２０２およびインタフェース２０４により実現することができる。プロセッサ２００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）、システムＬＳＩ（Large  Scale  Integration）などである。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）等である。
【００６１】
メモリ２０２には、ＰＷＭ制御部１５の機能およびタイミング切替制御部１７の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報の授受を行うとともに、メモリ２０２で記憶されているプログラムを読み出して実行することによって、ＰＷＭ制御部１５およびタイミング切替制御部１７による処理を実行する。メモリ２０２に格納されているプログラムは、ＰＷＭ制御部１５およびタイミング切替制御部１７の手順または方法に対応する複数の命令をコンピュータに実行させるものであるともいえる。メモリ２０２は、プロセッサ２００が各種処理を実行する際の一時メモリとしても使用される。
【００６２】
プロセッサ２００が実行するプログラムは、コンピュータで実行可能な、データ処理を行うための複数の命令を含むコンピュータ読取り可能かつ非遷移的な（non-transitory）記録媒体を有するコンピュータプログラムプロダクトであってもよい。
【００６３】
なお、図５に示すプロセッサ２００およびメモリ２０２は、図６のように処理回路２０３に置き換えられてもよい。処理回路２０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable  Gate  Array）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
【００６４】
なお、ＰＷＭ制御部１５の機能およびタイミング切替制御部１７の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。リアクトル電流検出部１６は、降圧コンバータ回路５０内の回路部品で実現することができる。
【００６５】
このように、本実施の形態では、ＰＷＭ制御部１５は、リアクトル電流ＩLの方向が反転している期間にスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０がスイッチングしないよう、負荷の大きさに応じてスイッチングのタイミングを切り替えている。具体的には、ＰＷＭ制御部１５は、軽負荷時および高負荷時の何れの場合も、リアクトル電流ＩLの値が正の状態でスイッチング素子５〜８および整流素子９，１０をスイッチングしている。これにより、軽負荷時および高負荷時の何れであっても、整流素子９，１０の両端に大きなサージ電圧が発生することを防げるので、サージ分の損失を減らすことができる。したがって、電力変換装置１００は、電力変換効率を向上させることが可能となる。
【００６６】
また、大きなサージ電圧が発生することを防げるので、電力変換装置１００において、耐圧および耐電力を小さくすることができる。これにより、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０を小型化することが可能となる。また、大きなサージ電圧が発生することを防げるので、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０の劣化を防止できる。
【００６７】
また、スイッチング素子５〜８および整流素子９，１０の両端にサージ対策のスナバ回路を用意する必要がなくなるので、電力変換装置１００内の部品点数を削減できる。また、スイッチングの際に発生するサージ電圧に起因するノイズを低減することができる。
【００６８】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１，２  入力端子、３，４  出力端子、５〜８，Ｑ１，Ｑ２  スイッチング素子、９，１０  整流素子、１１，１２  ボディダイオード、１３  出力コンデンサ、１４  トランス、１５  ＰＷＭ制御部、１６  リアクトル電流検出部、１７  タイミング切替制御部、２０  平滑回路、３０  ブリッジ回路、４０  プッシュプル回路、５０  降圧コンバータ回路、６０  ＤＣトランス回路、１００  電力変換装置、Ｃin  入力コンデンサ、Ｌ１  出力コイル、Ｌin  入力コイル、Ｌｐ  一次巻線、Ｌｓ１，Ｌｓ２  二次巻線、Ｐ１〜Ｐ１５  接続点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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