(57)【要約】【課題】昇圧動作を開始するまでに要する時間が短く、かつ低コストなＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、スイッチング回路１の直流端子間に平滑コンデンサＣ１が接続され、スイッチング回路２の直流端子間には平滑インダクタＬと平滑コンデンサＣ２が直列接続され、スイッチング素子Ｓ０とクランプコンデンサＣｃを備える電圧クランプ回路３が接続される。平滑コンデンサＣ１，Ｃ２には、直流電源Ｖ１，Ｖ２が並列接続される。スイッチング回路１の交流端子間の巻線Ｎ１と、スイッチング回路２の交流端子間の巻線Ｎ２とはトランスＴで磁気結合する。ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、直流電源Ｖ１から直流電源Ｖ２へ電力供給する降圧動作および／または直流電源Ｖ２から直流電源Ｖ１へ電力供給する昇圧動作と、その後に実施する昇圧動作との間にクランプコンデンサＣｃの放電動作を行う。【選択図】図１
2015139358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流端子間に第１の平滑コンデンサが接続され、かつ交流端子間に１次巻線が接続された第１のスイッチング回路と、
直流端子間に平滑インダクタと第２の平滑コンデンサとが直列接続され、かつ交流端子間に２次巻線が接続された第２のスイッチング回路と、
前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、
直列に接続されたクランプコンデンサとクランプスイッチング素子とを含み、前記第２のスイッチング回路の直流端子間、または前記第２のスイッチング回路の交流端子と前記第２の平滑コンデンサの一端との間に接続された電圧クランプ回路と、
前記第１の平滑コンデンサの両端間である第１の端子間に入力した電力を、前記第２の平滑コンデンサの両端間である第２の端子間に出力する第１の動作モードまたは前記第２の端子間に入力した電力を前記第１の端子間に出力する第２の動作モードで制御可能であり、前記第１の動作モードの後または前記第２の動作モードの中断後に実施する前記第２の動作モードとの間に、前記クランプスイッチング素子をスイッチングして前記クランプコンデンサが放電した電力を前記第１の端子間および／または前記第２の端子間に出力する第３の動作モードで制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記制御部は、前記第３の動作モードにて、前記第２のスイッチング回路が含むスイッチング素子がすべてオフのときには、前記クランプスイッチング素子をオフに制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記第２のスイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列接続した第１のスイッチングレッグと、
第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とを直列接続し、かつ前記第１のスイッチングレッグに並列接続した第２のスイッチングレッグと、
を備え、
前記第１のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の直列接続点と、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子の直列接続点との間を交流端子間とした、
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記第２のスイッチング回路の直流端子間に前記電圧クランプ回路を接続し、前記第２の動作モードは、前記クランプスイッチング素子をオン状態に固定して前記第１のスイッチング素子ないし前記第４のスイッチング素子をスイッチングする動作を含む、
ことを特徴とする請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記２次巻線は、第１の２次巻線の一端と第２の２次巻線の一端との接続体を備え、
前記第２のスイッチング回路は、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を備え、
前記第１の２次巻線の他端に前記第１のスイッチング素子の一端を接続し、
前記第２の２次巻線の他端に前記第２のスイッチング素子の一端を接続し、
前記第１のスイッチング素子の他端と前記第２のスイッチング素子の他端とを接続し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の接続点と前記第１の２次巻線と前記第２の２次巻線の接続点との間を直流端子間とし、
前記第１のスイッチング素子の一端と前記第２のスイッチング素子の一端との間を交流端子間とした、
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記平滑インダクタは、第１の平滑インダクタの一端と第２の平滑インダクタの一端との接続体を備え、
前記第２のスイッチング回路は、第１のスイッチング素子の一端と第２のスイッチング素子の一端との接続体とを備え、
前記第１のスイッチング素子の他端に前記第１の平滑インダクタの他端を接続し、
前記第２のスイッチング素子の他端に前記第２の平滑インダクタの他端を接続し、
前記第１の平滑インダクタと前記第２の平滑インダクタの接続点と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続点との間に前記第２の平滑コンデンサを接続し、
前記第１のスイッチング素子の両端間および前記第２のスイッチング素子の両端間を直流端子間とし、
前記第１のスイッチング素子の他端と前記第２のスイッチング素子の他端との間を交流端子間とした、
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記第３の動作モードは、前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードにおける前記クランプスイッチング素子のスイッチング周波数より低いスイッチング周波数で前記クランプスイッチング素子をスイッチングする動作を含む、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記第１のスイッチング回路は、
第５のスイッチング素子と第６のスイッチング素子とを直列接続した第３のスイッチングレッグと、
第７のスイッチング素子と第８のスイッチング素子とを直列接続し、かつ前記第３のスイッチングレッグに並列接続した第４のスイッチングレッグと、
を備え、
前記第３のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、
前記第５のスイッチング素子と前記第６のスイッチング素子の直列接続点と、前記第７のスイッチング素子と前記第８のスイッチング素子の直列接続点との間を交流端子間とした、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項９】
前記第１の端子間に接続された第１の直流電源と、前記第２の端子間に接続された第２の直流電源との間で電力を授受する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１０】
前記１次巻線および／または前記２次巻線と直列接続された共振コンデンサおよび／または共振インダクタを備えた、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１１】
前記スイッチング素子のそれぞれに逆並列接続されたダイオードを備えた、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ、
を備えたことを特徴とする二次電池充放電システム。
【請求項１３】
直流端子間に第１の平滑コンデンサが接続され、かつ交流端子間に１次巻線が接続された第１のスイッチング回路と、
直流端子間に第２の平滑コンデンサと平滑インダクタが直列接続され、かつ交流端子間に２次巻線が接続された第２のスイッチング回路と、
前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、
直列に接続されたクランプコンデンサとクランプスイッチング素子とを含み、前記第２のスイッチング回路の直流端子間、または前記第２のスイッチング回路の交流端子と前記第２の平滑コンデンサの一端との間に接続された電圧クランプ回路と、
前記第１のスイッチング回路および前記第２のスイッチング回路を制御する制御部と、
を備えたＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法であって、
前記制御部は、
前記第１の平滑コンデンサの両端間である第１の端子間に入力した電力を、前記第２の平滑コンデンサの両端間である第２の端子間に出力する第１の動作モードで制御するか、または、前記第２の端子間に入力した電力を前記第１の端子間に出力する第２の動作モードで制御したのちに中断するステップと、
前記クランプスイッチング素子をスイッチングして前記クランプコンデンサが放電した電力を前記第１の端子間および／または前記第２の端子間に出力する第３の動作モードで制御するステップと、
前記第３の動作モードの後に、前記第２の動作モードの制御を開始するステップと、
を実行することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源の電力を直流負荷や直流電源に供給するＤＣ−ＤＣコンバータおよび、それを備えた二次電池充放電システム、およびＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全への意識の高まりから、蓄電池や太陽電池、燃料電池などの直流電源を備えたシステムが開発されている。これらのシステムにおいては、直流電源から負荷や他の直流電源に電力供給するＤＣ−ＤＣコンバータが必要になる。
【０００３】
特許文献１の要約書の解決手段には、「直流電源１２とトランス１３との間に半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を配設し、トランス１３と負荷１４との間に整流回路１５と出力平滑回路１６とを設ける。整流回路１５と出力平滑回路１６との間にＲＣＤスナバ回路１７を設け、整流回路１５の出力側電圧Ｖ１に含まれるサージ電圧をスナバダイオードＤｓを介してスナバコンデンサＣｓにより吸収し、スナバコンデンサＣｓの電荷をスナバ抵抗Ｒｓを介して放電し、負荷１４に電力として供給する。」と記載されている。
しかしながら、この特許文献１に記載されたコンバータは、サージ電圧をクランプするスナバコンデンサに充電された電荷を負荷に電力として供給する際に、スナバ抵抗を介すため、スナバ抵抗でエネルギが消費されてしまう。
【０００４】
一方、特許文献２の要約書の解決手段には、「双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、第１の電源に接続された電圧型フルブリッジ回路と第２の電源に接続された電流型スイッチング回路とを接続するトランス３０を備えている。ここで、スイッチング素子２０３，２０４とクランプコンデンサ４８とで構成した電圧クランプ回路を電流型スイッチング回路に接続し、共振リアクトル２０に流れる電流を操るように、スイッチング素子１０１〜１０４、２０１〜２０４を協調動作させる制御回路１００を備えた。」と記載されている。非特許文献１も、特許文献２と同様な構成が開示されている。
これらのＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧形回路から電流形回路へ電力を供給する降圧動作と、電流形回路から電圧形回路へ電力を供給する昇圧動作とを行う。これらのＤＣ−ＤＣコンバータはまた、クランプコンデンサに充電された電荷を放電する際に、スナバ抵抗ではなくオン状態のクランプスイッチング素子を介して放電するため、スナバ抵抗によるエネルギ損失を未然に防止できる。
以下、本明細書において降圧動作とは、電圧形回路から電流形回路へ電力を供給することをいう。昇圧動作とは、電流形回路から電圧形回路へ電力を供給することをいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７９４０３号公報
【特許文献２】特開２００９−５５７４７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Wang, C. Y. Lin, L. Zhu, D. Qu, F. C. Lee and J. S. Lai、“Bi- directional DC to DC Converters for Fuel Cell Systems”、IEEE power electronics in transportation、IEEE、1998、pp.47-51
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的にＤＣ−ＤＣコンバータでは、電力変換動作を開始する場合、回路中に過大な電流が流れないようにするために出力を絞った状態で動作を開始し、その後、徐々に出力を増加させることが多い。特許文献２や非特許文献１に記載されたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力を絞った状態で昇圧動作を開始する場合には、電流形回路が備えたスイッチング素子のオン時間比率が低く、クランプスイッチング素子のオン時間比率が高い状態になる。
【０００８】
しかしながら、これらのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、クランプコンデンサは、降圧動作時には、その動作時の出力電圧よりも高い電圧に充電される。更にクランプコンデンサは、昇圧動作時には、その入力電圧よりも高い電圧に充電される。クランプコンデンサは、これら降圧動作や昇圧動作の停止後にも、この電圧を所定時間に亘り保持する。したがって、クランプコンデンサが高い電圧に充電されている状態で昇圧動作を開始すると、クランプスイッチング素子のオン時間の比率が高いために、クランプスイッチング素子や平滑インダクタに過大な電流が流れる虞があった。
【０００９】
この過電流を抑制するには、クランプコンデンサの電荷が抵抗成分を介して徐々に放電し、クランプコンデンサの電圧が降下したのちに昇圧動作を開始する方法がある。この方法では、降圧動作や昇圧動作を停止してから次に昇圧動作を開始するまでに所定の時間を要するという問題がある。
過電流を抑制するには、別途クランプコンデンサを放電するための回路を付加することも考えられるが、コストアップの要因になる虞があった。
【００１０】
そこで、本発明は、昇圧動作を開始するまでに要する時間が短く、かつ低コストなＤＣ−ＤＣコンバータおよび、それを用いた二次電池充放電システム、およびＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、第１の発明は、直流端子間に第１の平滑コンデンサが接続され、かつ交流端子間に１次巻線が接続された第１のスイッチング回路と、直流端子間に平滑インダクタと第２の平滑コンデンサとが直列接続され、かつ交流端子間に２次巻線が接続された第２のスイッチング回路と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、直列に接続されたクランプコンデンサとクランプスイッチング素子とを含み、前記第２のスイッチング回路の直流端子間、または前記第２のスイッチング回路の交流端子と前記第２の平滑コンデンサの一端との間に接続された電圧クランプ回路と、前記第１の平滑コンデンサの両端間である第１の端子間に入力した電力を、前記第２の平滑コンデンサの両端間である第２の端子間に出力する第１の動作モードまたは前記第２の端子間に入力した電力を前記第１の端子間に出力する第２の動作モードで制御可能であり、前記第１の動作モードの後または前記第２の動作モードの中断後に実施する前記第２の動作モードとの間に、前記クランプスイッチング素子をスイッチングして前記クランプコンデンサが放電した電力を前記第１の端子間および／または前記第２の端子間に出力する第３の動作モードで制御する制御部と、を備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータとした。
【００１２】
第２の発明では、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを備えたことを特徴とする二次電池充放電システムとした。
【００１３】
第３の発明では、直流端子間に第１の平滑コンデンサが接続され、かつ交流端子間に１次巻線が接続された第１のスイッチング回路と、直流端子間に第２の平滑コンデンサと平滑インダクタが直列接続され、かつ交流端子間に２次巻線が接続された第２のスイッチング回路と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、直列に接続されたクランプコンデンサとクランプスイッチング素子とを含み、前記第２のスイッチング回路の直流端子間、または前記第２のスイッチング回路の交流端子と前記第２の平滑コンデンサの一端との間に接続された電圧クランプ回路と、前記第１のスイッチング回路および前記第２のスイッチング回路を制御する制御部と、を備えたＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法であって、前記制御部は、前記第１の平滑コンデンサの両端間である第１の端子間に入力した電力を、前記第２の平滑コンデンサの両端間である第２の端子間に出力する第１の動作モードで制御するか、または、前記第２の端子間に入力した電力を前記第１の端子間に出力する第２の動作モードで制御したのちに中断するステップと、前記クランプスイッチング素子をスイッチングして前記クランプコンデンサが放電した電力を前記第１の端子間および／または前記第２の端子間に出力する第３の動作モードで制御するステップと、前記第３の動作モードの後に、前記第２の動作モードの制御を開始するステップと、を実行することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、昇圧動作を開始するまでに要する時間が短く、かつ低コストなＤＣ−ＤＣコンバータおよび、それを用いた二次電池充放電システム、およびＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図２】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作のうちモードａ１を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作のうちモードａ２を示す図である。
【図４】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作のうちモードａ３を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作のうちモードａ４を示す図である。
【図６】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作のうちモードａ５を示す図である。
【図７】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作のうちモードａ６を示す図である。
【図８】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ１を示す図である。
【図９】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ２を示す図である。
【図１０】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ３を示す図である。
【図１１】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ４を示す図である。
【図１２】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ５を示す図である。
【図１３】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ６を示す図である。
【図１４】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ７を示す図である。
【図１５】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちモードｂ８を示す図である。
【図１６】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちスイッチング動作（その１）を示すタイミングチャートである。
【図１７】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちスイッチング動作（その２）を示すタイミングチャートである。
【図１８】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作のうちスイッチング動作（その３）を示すタイミングチャートである。
【図１９】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの放電動作のうちモードｃ１を示す図である。
【図２０】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの放電動作のうちモードｃ２を示す図である。
【図２１】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの放電動作のうちモードｃ３を示す図である。
【図２２】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作から昇圧動作への切り替えを示す図である。
【図２３】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの変形例の昇圧動作のうちスイッチング動作を示すタイミングチャートである。
【図２４】第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作から変形例の昇圧動作への切り替えを示す図である。
【図２５】第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図２６】第３の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータ９の回路構成図である。
図１に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、スイッチング回路１，２と、電圧クランプ回路３と、これらの回路が備えた各スイッチング素子のオンオフ状態を制御する制御部５とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、直流電源Ｖ１（第１の直流電源）と、直流負荷４が接続された直流電源Ｖ２（第２の直流電源）との間に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、直流電源Ｖ１から直流負荷４や直流電源Ｖ２に電力を供給したり、直流電源Ｖ２から直流電源Ｖ１に電力を供給するものである。
【００１８】
スイッチング回路１（第１のスイッチング回路）の直流端子間であるノードＮｄ５，Ｎｄ６間には、平滑コンデンサＣ１（第１の平滑コンデンサ）が接続される。スイッチング回路１の交流端子間であるノードＮｄ１，Ｎｄ２間には、共振コンデンサＣｒと共振インダクタＬｒと巻線Ｎ１（一次巻線）とが直列接続される。この共振コンデンサＣｒには、巻線Ｎ１に流れる電流の直流成分を除去してトランスＴの偏磁を軽減する効果がある。
スイッチング回路２の直流端子間であるノードＮｄ７，Ｎｄ８間には、平滑インダクタＬと平滑コンデンサＣ２（第２の平滑コンデンサ）とが直列接続される。スイッチング回路２の交流端子間であるノードＮｄ３，Ｎｄ４間には、巻線Ｎ２（二次巻線）が接続される。
トランスＴは、巻線Ｎ１と巻線Ｎ２とを磁気結合する。
スイッチング回路１に接続される平滑コンデンサＣ１の両端間（第１の端子間）は、ノードＮｄ５，Ｎｄ６である。スイッチング回路２に接続される平滑コンデンサＣ２（第２の平滑コンデンサ）の両端間（第２の端子間）は、ノードＮｄ９，Ｎｄ１０である。ノードＮｄ５，Ｎｄ６と、ノードＮｄ９，Ｎｄ１０とが、このＤＣ−ＤＣコンバータ９の入出力端子間である。ノードＮｄ５，Ｎｄ６には、直流電源Ｖ１が並列接続される。ノードＮｄ９，Ｎｄ１０には、直流電源Ｖ２が並列接続される。
【００１９】
スイッチング回路２（第２のスイッチング回路）は、フルブリッジ接続されたスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を含んで構成される。すなわち、スイッチング素子Ｓ１（第１のスイッチング素子）と、スイッチング素子Ｓ２（第２のスイッチング素子）とは、ノードＮｄ３で直列接続されて第１のスイッチングレッグを構成する。スイッチング素子Ｓ３（第３のスイッチング素子）とスイッチング素子Ｓ４（第４のスイッチング素子）とは、ノードＮｄ４を介して直列接続されて第２のスイッチングレッグを構成する。このスイッチング回路２は、第１のスイッチングレッグと第２のスイッチングレッグとを並列接続し、第１のスイッチングレッグの両端間であるノードＮｄ７，Ｎｄ８間を直流端子間とし、ノードＮｄ３，Ｎｄ４間を交流端子間としている。
【００２０】
スイッチング回路１は、スイッチング回路２と同様に、フルブリッジ接続されたスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４を含んで構成される。すなわち、スイッチング素子Ｈ１（第５のスイッチング素子）と、スイッチング素子Ｈ２（第６のスイッチング素子）とは、ノードＮｄ１を介して直列接続されて第３のスイッチングレッグを構成する。スイッチング素子Ｈ３（第７のスイッチング素子）と、スイッチング素子Ｈ４（第８のスイッチング素子）とは、ノードＮｄ２を介して直列接続されて第４のスイッチングレッグを構成する。スイッチング回路１は、第３のスイッチングレッグと第４のスイッチングレッグとを並列接続し、第３のスイッチングレッグの両端間であるＮｄ５，Ｎｄ６間を直流端子間とし、ノードＮｄ１，Ｎｄ２間を交流端子間としている。
【００２１】
電圧クランプ回路３は、直列接続されたスイッチング素子Ｓ０（クランプスイッチング素子）とクランプコンデンサＣｃとを含んでいる。第１実施形態の電圧クランプ回路３は、スイッチング回路２の直流端子間に接続される。これにより、電圧クランプ回路３は、この端子間に印加されるサージ電圧を抑制することができる。
【００２２】
スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４，Ｓ０〜Ｓ４には、それぞれダイオードＤＨ１〜ＤＨ４，ＤＳ０〜ＤＳ４が逆並列接続される。これらスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４，Ｓ０〜Ｓ４としてＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いた場合には、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを利用することができる。よって、ダイオードＤＨ１〜ＤＨ４，ＤＳ０〜ＤＳ４は省略可能となる。
【００２３】
平滑コンデンサＣ１とスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４とは、電圧形フルブリッジ回路を構成する。平滑インダクタＬとスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４とは、電流形フルブリッジ回路を構成する。第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９は、この電圧形フルブリッジ回路と電流形フルブリッジ回路とが、トランスＴで接続されて構成される。電流形フルブリッジ回路には更に、スイッチング素子Ｓ０とクランプコンデンサＣｃとで構成された電圧クランプ回路３が接続される。
【００２４】
クランプコンデンサＣｃには、電圧センサ１０が接続され、クランプコンデンサＣｃの電圧を検出する。平滑コンデンサＣ１には、電圧センサ１１が接続され、電圧形フルブリッジ回路の直流入出力電圧を検出する。また、平滑コンデンサＣ２には、電圧センサ１２が接続され、電流形フルブリッジ回路の直流入出力電圧を検出する。電流センサ１３は、平滑インダクタＬの電流を検出する。これらの電圧センサ１０，１１，１２の出力側と、電流センサ１３の出力側とは、制御部５に接続される。
制御部５は、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４，Ｓ０〜Ｓ４のゲートに接続され、これらスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４，Ｓ０〜Ｓ４を制御する。
【００２５】
制御部５は、ノードＮｄ５，Ｎｄ６間（第１の端子間）に入力した電力を、ノードＮｄ９，Ｎｄ１０間（第２の端子間）に出力する降圧動作モード（第１の動作モード）、または、ノードＮｄ９，Ｎｄ１０間に入力した電力をノードＮｄ５，Ｎｄ６間に出力する昇圧動作モード（第２の動作モード）で制御可能である。降圧動作モードは、後記する図２ないし図７で詳細に説明する。昇圧動作モードは、後記する図８ないし図１５で詳細に説明する。
制御部５は更に、降圧動作モードの後または昇圧動作モードの中断後に、クランプスイッチング素子Ｓ０をスイッチングしてクランプコンデンサＣｃが放電した電力をノードＮｄ５，Ｎｄ６間および／またはノードＮｄ９，Ｎｄ１０間に出力する放電動作モード（第３の動作モード）で制御し、その後に昇圧動作モードで制御する。放電動作モードは、後記する図１９ないし図２１で詳細に説明する。
【００２６】
以下、図２ないし図７を用いて、図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ９が、直流電源Ｖ１から直流電源Ｖ２へ電力供給する降圧動作を説明する。図２ないし図７は、それぞれモードａ１〜ａ６におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の回路動作を示している。以下の図２ないし図７では、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の回路の要部のみを示し、更に破線矢印で電流の流れを示している。
【００２７】
なお、本明細書では、オン状態のスイッチング素子の両端の電圧や、ダイオードの順方向降下電圧と同等程度かそれ以下の電圧のことを、「ゼロ電圧」と記載する。また、スイッチング素子の両端の電圧がゼロ電圧のときに、このスイッチング素子をターンオンすることを「ゼロ電圧スイッチング」と記載する。ゼロ電圧スイッチングには、スイッチング損失を抑える効果がある。
【００２８】
図２は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作のうちモードａ１を示す図である。
図２に示すように、モードａ１では、スイッチング素子Ｈ１，Ｈ４がオン状態、スイッチング素子Ｈ２，Ｈ３がオフ状態であり、直流電源Ｖ１の電圧が、スイッチング素子Ｈ１，Ｈ４、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒを介して巻線Ｎ１に印加されている。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３はオフ状態であり、巻線Ｎ２に生じた電圧が、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４を介して平滑インダクタＬと直流電源Ｖ２に印加され、平滑インダクタＬの電流が直流電源Ｖ２に供給されている。
【００２９】
このとき、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４としてＭＯＳＦＥＴを用いている場合は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオン状態にすれば、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４に流れる電流をスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４へ分流することで損失を低減できる場合がある。このように、ＭＯＳＦＥＴと逆並列接続されたダイオード、またはＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに、ダイオードの順方向電流が流れるとき、このＭＯＳＦＥＴをオン状態にして損失を低減することを、以下「同期整流」と記載する。
【００３０】
また、巻線Ｎ２に生じた電圧が、ダイオードＤＳ０，ＤＳ１，ＤＳ４を介してクランプコンデンサＣｃを充電している。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｓ０をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。
【００３１】
図３は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作のうちモードａ２を示す図である。
モードａ１（図２参照）において、制御部５がスイッチング素子Ｈ４をターンオフすると、スイッチング素子Ｈ４を流れていた電流はダイオードＤＨ３に転流し、図３に示すモードａ２の状態になる。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｈ３をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。共振インダクタＬｒに流れる電流は、巻線Ｎ１、ダイオードＤＨ３、スイッチング素子Ｈ１、共振コンデンサＣｒを通る経路で環流する循環電流となる。
【００３２】
スイッチング素子Ｓ０はオン状態を継続しており、クランプコンデンサＣｃの電圧が、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４を介して巻線Ｎ２に印加されている。巻線Ｎ１に生じた電圧が、ダイオードＤＨ３、スイッチング素子Ｈ１、共振コンデンサＣｒを介して共振インダクタＬｒに印加され、共振インダクタＬｒに流れる循環電流が減少してゆく。このとき、クランプコンデンサＣｃの放電電流は、スイッチング素子Ｓ０、平滑インダクタＬを介して出力に供給される。
【００３３】
図４は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作のうちモードａ３を示す図である。
モードａ２（図３参照）において、制御部５がスイッチング素子Ｓ０をターンオフすると、クランプコンデンサＣｃの放電が終了し、図４に示すモードａ３の状態になる。スイッチング素子Ｓ０を流れていた電流は、ダイオードＤＳ１〜ＤＳ４に転流し、平滑インダクタＬに流れる電流がダイオードＤＳ１〜ＤＳ４に分流した状態になる。このとき、制御部５がスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンすれば、同期整流が実行される。平滑インダクタＬの電流は、巻線Ｎ２とダイオードＤＳ１〜ＤＳ４を通り、直流電源Ｖ２に供給される。
【００３４】
モードａ３では、巻線Ｎ２には電圧が印加されなくなるため、巻線Ｎ１に電圧が生じなくなる。したがって、この電圧が共振インダクタＬｒに印加されなくなるから循環電流の減少も終了し、モードａ２にて低減された循環電流が維持される。
【００３５】
図５は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作のうちモードａ４を示す図である。
モードａ３（図４参照）において、制御部５がスイッチング素子Ｈ１をターンオフすると、スイッチング素子Ｈ１を流れていた電流は、直流電源Ｖ１を介してダイオードＤＨ２に転流し、図５に示すモードａ４の状態になる。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｈ２をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。共振インダクタＬｒの電流は、巻線Ｎ１、ダイオードＤＨ３を通る経路で直流電源Ｖ１へ流れ、この直流電源Ｖ１からダイオードＤＨ２、共振コンデンサＣｒを通る経路で共振インダクタＬｒに戻る。共振インダクタＬｒには直流電源Ｖ１の電圧が印加され、共振インダクタＬｒの電流は減少してゆく。同期整流のためにオンしているスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、モードａ５が終了するまでにオフしておく。
【００３６】
図６は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作のうちモードａ５を示す図である。
モードａ４（図５参照）において、共振インダクタＬｒの電流が減少してゼロに達した後は、図６に示すモードａ５の状態になる。スイッチング素子Ｈ２，Ｈ３はオン状態であるから、共振インダクタＬｒの電流は逆向きに増加してゆく。これに伴い、巻線Ｎ１，Ｎ２を流れる電流も向きを反転して増加し、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４の電流は減少してゆく。
【００３７】
図７は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作のうちモードａ６を示す図である。
モードａ５（図６参照）において、巻線Ｎ２の電流が平滑インダクタＬの電流に達し、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４の電流がゼロに達すると、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４に逆回復電流が流れる。その後、ダイオードＤＳ１，ＤＳ４が逆回復すると、この逆回復電流はダイオードＤＳ０に転流し、モードａ６の状態になる。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｓ０をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。制御部５は、例えば、電圧センサ１０でクランプコンデンサＣｃの電圧上昇を検知することにより、ダイオードＤＳ０への転流を検知する。
【００３８】
直流電源Ｖ１の電圧が巻線Ｎ１に印加される。巻線Ｎ２に生じた電圧が、ダイオードＤＳ２，ＤＳ３を介して平滑インダクタＬと直流電源Ｖ２に印加され、平滑インダクタＬの電流が直流電源Ｖ２に供給される。また、巻線Ｎ２に生じた電圧が、ダイオードＤＳ０を介してクランプコンデンサＣｃに印加され、クランプコンデンサＣｃは充電される。
このモードａ６は、モードａ１（図２参照）の対称動作である。以降、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、モードａ２〜ａ５の対称動作の後、モードａ１（図２参照）へ戻る。
【００３９】
以上のように、スイッチング回路２の直流端子間の電圧は、１スイッチング周期の間に変化する。一方、平滑コンデンサＣ２（図１参照）すなわち直流電源Ｖ２の電圧は、１スイッチング周期を通して概ね所定値を維持する。ここで、一般的に定常状態におけるインダクタの両端電圧の１スイッチング周期における平均値はゼロになる。また、クランプコンデンサＣｃは、スイッチング回路２の直流端子間の概ねピーク電圧で充電される。したがって、この降圧動作中に、クランプコンデンサＣｃは、平滑コンデンサＣ２の電圧よりも高い電圧に充電される。平滑コンデンサＣ２の電圧とは、すなわち出力電圧である。
【００４０】
図８ないし図１５を用いて、直流電源Ｖ２から直流電源Ｖ１へ電力供給する昇圧動作を説明する。図８ないし図１５は、それぞれモードｂ１〜ｂ８における回路動作を示す。
【００４１】
図８は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ１を示す図である。
図８に示すモードｂ１では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がオン状態、スイッチング素子Ｓ０がオフ状態である。平滑インダクタＬに直流電源Ｖ２の電圧が印加され、エネルギを蓄積している。また、スイッチング素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４がオフ状態、スイッチング素子Ｈ３がオン状態である。共振インダクタＬｒには、共振コンデンサＣｒ、ダイオードＤＨ１、スイッチング素子Ｈ３、巻線Ｎ１を通る経路で電流が流れている。
【００４２】
図９は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ２を示す図である。
モードｂ１（図８参照）において、制御部５がスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をターンオフすると、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３を流れていた電流は、ダイオードＤＳ０に転流してクランプコンデンサＣｃを充電し、図９に示すモードｂ２の状態になる。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｓ０をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。巻線Ｎ２にはクランプコンデンサＣｃの電圧が印加され、巻線Ｎ１に電圧が生じる。この巻線Ｎ１の電圧は共振インダクタＬｒに印加されるため、共振インダクタＬｒの電流は増加してゆく。平滑インダクタＬに蓄積されたエネルギは放出されていく。
【００４３】
図１０は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ３を示す図である。
モードｂ２（図９参照）において、制御部５がスイッチング素子Ｈ３をターンオフすると、スイッチング素子Ｈ３を流れていた電流はダイオードＤＨ４に転流し、図１０に示すモードｂ３の状態になる。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｈ４をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。共振インダクタＬｒの電流は、共振コンデンサＣｒ、ダイオードＤＨ１を通る経路で直流電源Ｖ１へ流れ、この直流電源Ｖ１からダイオードＤＨ４、巻線Ｎ１を通る経路で電流が流れる。これにより、直流電源Ｖ１にエネルギが供給される。
【００４４】
図１１は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ４を示す図である。
モードｂ３（図１０参照）において、共振インダクタＬｒの電流の増加に伴い、クランプコンデンサＣｃの充電電流は減少していき、やがて放電に転じると、図１１に示すモードｂ４の状態になる。スイッチング素子Ｓ０はオン状態であるから、引き続きクランプコンデンサＣｃの電圧が巻線Ｎ２に印加されている。
【００４５】
図１２は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ５を示す図である。
モードｂ４（図１１参照）において、制御部５がスイッチング素子Ｓ０をターンオフすると、スイッチング素子Ｓ０に流れていたクランプコンデンサＣｃの放電電流がダイオードＤＳ２，ＤＳ３に転流し、図１２に示すモードｂ５の状態になる。このとき、制御部５は、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をターンオンする（ゼロ電圧スイッチング）。巻線Ｎ２にクランプコンデンサＣｃの電圧が印加されなくなるため、巻線Ｎ１に電圧が生じなくなり、共振インダクタＬｒには直流電源Ｖ１の電圧が印加され、共振インダクタＬｒの電流は減少してゆく。また、モードｂ１と同様に直流電源Ｖ２のエネルギを平滑インダクタＬに蓄積している。
【００４６】
図１３は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ６を示す図である。
モードｂ５（図１２参照）において、共振インダクタＬｒの電流の減少に伴い、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の電流の向きが反転すると、図１３に示すモードｂ６の状態になる。
【００４７】
図１４は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ７を示す図である。
モードｂ６（図１３参照）において、共振インダクタＬｒの電流が更に減少しゼロに達すると、図１４に示すモードｂ７の状態になる。スイッチング素子Ｈ４はオン状態であるから、ダイオードＤＨ１の逆回復電流が、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、巻線Ｎ１、スイッチング素子Ｈ４を通る経路で電流が流れ、この逆回復電流が共振インダクタＬｒに蓄積される。
【００４８】
図１５は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちモードｂ８を示す図である。
モードｂ７（図１４参照）において、ダイオードＤＨ１が逆回復すると、ダイオードＤＨ１に流れていた逆回復電流がダイオードＤＨ２に転流し、図１５に示すモードｂ８の状態になる。共振インダクタＬｒに回収したダイオードＤＨ１の逆回復電流は、スイッチング素子Ｈ４、ダイオードＤＨ２、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、巻線Ｎ１を通る経路で環流する。
このモードｂ８は、モードｂ１の対称動作である。以降、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、モードｂ２〜ｂ７の対称動作の後、モードｂ１（図８参照）へ戻る。
【００４９】
以上のように、この昇圧動作中にも降圧動作中と同様に、クランプコンデンサＣｃは、平滑コンデンサＣ２（図１参照）の電圧すなわち入力電圧よりも高い電圧に充電されている。
この昇圧動作では、基本的にはスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の全てをオン状態に保つモードｂ５〜ｂ８の期間を変化させることにより出力電力を増減させる。
【００５０】
図１６ないし図１８に示す波形は、昇圧動作におけるスイッチング素子Ｓ０〜Ｓ４のオンオフ状態ＶｇＳ０〜ＶｇＳ４を示す波形である。
図１６は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちスイッチング動作（その１）を示すタイミングチャートである。
時刻ｔ０ａにおいて、スイッチング素子Ｓ０がターンオフし、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がターンオンする。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、オンを継続する。
時刻ｔ１ａにおいて、スイッチング素子Ｓ０がターンオンし、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がターンオフする。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、オンを継続する。
時刻ｔ２ａにおいて、スイッチング素子Ｓ０がターンオフし、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がターンオンする。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、オンを継続する。
時刻ｔ３ａにおいて、スイッチング素子Ｓ０がターンオンし、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がターンオフする。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、オンを継続する。以降、各スイッチング素子は、同様な動作を繰り返す。
時刻ｔ０ａ〜ｔ１ａは、モードｂ５〜ｂ８の期間に相当する。スイッチング素子Ｓ０は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の全てがオン状態の期間を除いた期間にオン状態としている。
【００５１】
図１７は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちスイッチング動作（その２）を示すタイミングチャートである。
各時刻ｔ０ｂ〜ｔ３ｂは、それぞれ図１６に示す時刻ｔ０ａ〜ｔ３ａに対応している。
図１６のスイッチング動作の後、図１７に示すように、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン期間を短くすることにより、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の全てをオン状態に保つモードｂ５〜ｂ８の期間が短くなり出力電力が減少する。このとき、スイッチング素子Ｓ０のオン期間は増加する。このように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン期間を短くすると、スイッチング素子Ｓ０のオン期間は長くなる。
【００５２】
図１８は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧動作のうちスイッチング動作（その３）を示すタイミングチャートである。
図１７のスイッチング動作の後、制御部５は、さらに出力電力を減少させるために、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン期間を短くする。これにより、図１８に示すようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の全てがオン状態となる期間がなくなり、スイッチング素子Ｓ０は常にオン状態となる。
具体的には、時刻ｔ１０において、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がターンオンする。スイッチング素子Ｓ０は、オンを継続する。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、オフを継続する。
時刻ｔ１１において、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がターンオフする。スイッチング素子Ｓ０は、オンを継続する。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、オフを継続する。
時刻ｔ１２において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がターンオンする。スイッチング素子Ｓ０は、オンを継続する。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、オフを継続する。
時刻ｔ１３において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がターンオフする。スイッチング素子Ｓ０は、オンを継続する。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、オフを継続する。以降、各スイッチング素子は、同様な動作を繰り返す。
【００５３】
一般的にＤＣ−ＤＣコンバータでは、電力変換動作を開始する場合、回路中に過大な電流が流れないようにするために出力を絞った状態で動作を開始し、徐々に出力を増加させるようにする。第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９において、出力を絞った状態で昇圧動作を開始する場合には、前述のようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン時間比率が低く、スイッチング素子Ｓ０のオン時間比率が高い状態で昇圧動作を開始することになる。
【００５４】
しかしながら、第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９のクランプコンデンサＣｃは、降圧動作中や昇圧動作中において、降圧動作時の出力電圧や昇圧動作時の入力電圧よりも高い電圧に充電されている。このクランプコンデンサＣｃの電圧は、降圧動作や昇圧動作の停止後も残っている。なお、降圧動作時の出力電圧や昇圧動作時の入力電圧とは、平滑コンデンサＣ２（図１参照）の電圧のことである。したがって、この電圧がクランプコンデンサＣｃに残った状態で昇圧動作を開始すると、スイッチング素子Ｓ０のオン時間比率が高いために、スイッチング素子Ｓ０や平滑インダクタＬに過大な電流が流れる場合がある。
そこで、第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９では、降圧動作や昇圧動作の停止時に、次に述べる放電動作を実施して、クランプコンデンサＣｃに残った電圧を放電するようにしている。
【００５５】
図１９ないし図２１を用いて、クランプコンデンサＣｃに残った電圧を直流電源Ｖ２へ放電する放電動作を説明する。図１９ないし図２１は、それぞれモードｃ１〜ｃ３における回路動作を示す。
【００５６】
図１９は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の放電動作のうちモードｃ１を示す図である。
図１９に示すように、モードｃ１では、スイッチング素子Ｓ０がオン状態、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がオフ状態である。クランプコンデンサＣｃの電圧が、平滑インダクタＬと直流電源Ｖ２に印加され、平滑インダクタＬの電流が増加してゆく。クランプコンデンサＣｃの電荷は、スイッチング素子Ｓ０、平滑インダクタＬを介して直流電源Ｖ２に放電される。
【００５７】
図２０は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の放電動作のうちモードｃ２を示す図である。
モードｃ１（図１９参照）において、スイッチング素子Ｓ０をターンオフすると、スイッチング素子Ｓ０に流れていた電流がダイオードＤＳ１〜ＤＳ４に転流し、図２０に示すモードｃ２の状態になる。平滑インダクタＬには直流電源Ｖ２の電圧が印加され、平滑インダクタＬの電流が減少してゆく。
【００５８】
図２１は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の放電動作のうちモードｃ３を示す図である。
平滑インダクタＬの電流が更に減少しゼロに達すると、回路中に流れる電流はなくなり、図２１に示すモードｃ３の状態になる。このとき、ダイオードＤＳ１〜ＤＳ４の逆回復電流やスイッチング素子Ｓ０〜Ｓ４の静電容量成分により、平滑インダクタＬに振動的な電流が流れる場合がある。
以降、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、モードｃ１〜ｃ３を繰り返す。
【００５９】
この放電動作では、モードｃ１の期間を変化させることにより、スイッチング素子Ｓ０や平滑インダクタＬに流れる電流の大きさを増減できる。より短い時間でクランプコンデンサＣｃを直流電源Ｖ２の電圧程度まで放電するためには、回路部品の故障などの不具合が起きない範囲で平滑インダクタＬの電流を大きくすることが望ましい。この平滑インダクタＬの電流を大きくするためには、スイッチング素子Ｓ０のオン期間を長くして、モードｃ１の期間を長くすればよい。このとき、スイッチング素子Ｓ０のスイッチング周波数を降圧動作中や昇圧動作中よりも低くすれば、より平滑インダクタＬの電流を大きくすることができる。
【００６０】
なお、上記した放電動作において、モードｃ３の状態になった後、速やかにスイッチング素子Ｓ０をターンオンしてモードｃ１の状態にすると、スイッチングノイズを低減できる場合がある。また、モードｃ２において、平滑インダクタＬの電流がゼロになる前にスイッチング素子Ｓ０をターンオンしてモードｃ１の状態にすると、平滑インダクタＬの電流を大きく保つことができ、クランプコンデンサＣｃの放電を更に短い時間で完了できる。
【００６１】
図２２は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作から昇圧動作への切り替えを示す図である。
図２２に示すように、クランプコンデンサＣｃの両端には電圧ＶＣｃが印加される。平滑コンデンサＣ２の両端には、電圧ＶＣ２が印加される。
【００６２】
時刻ｔ３０よりも前である期間（ａ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、降圧動作であるモードａ１ないしモードａ５（図２ないし図６参照）と、それらの対称動作とを繰り返す。このとき、クランプコンデンサＣｃの電圧ＶＣｃは、平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２より高くなっている。
時刻ｔ３０〜ｔ３１で示される期間（ｃ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、放電動作であるモードｃ１ないしモードｃ３を繰り返す。これにより、クランプコンデンサＣｃから電荷を放電する。
時刻ｔ３１において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、クランプコンデンサＣｃの電圧ＶＣｃが、平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２程度まで低下したならば、期間（ｆ）に遷移する。
時刻ｔ３１〜ｔ３２で示される期間（ｆ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、図１８で示す昇圧動作を行う。図１８において、制御部５が各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン期間を増加させるとスイッチング素子Ｓ０にオフの期間が生じ、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、図１７に示す昇圧動作かつ、期間（ｂ）に遷移する。
時刻ｔ３２以降である期間（ｂ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、当初は図１７で示す昇圧動作を行い、その後に図１６に示すように動作する。制御部５は、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン期間を徐々に増加させ、クランプコンデンサＣｃの電圧ＶＣｃも上昇してゆく。
【００６３】
このように、第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９は、降圧動作を実施した後に昇圧動作を実施する場合に、降圧動作と昇圧動作との間に、クランプコンデンサＣｃの電圧を低下させる放電動作を実施する。これにより、降圧動作中に充電されたクランプコンデンサＣｃの電圧を速やかに低下させ、短い時間で昇圧動作を開始することができる。
ＤＣ−ＤＣコンバータ９はまた、クランプコンデンサＣｃを放電するための回路を用いずに、スイッチング素子Ｓ０をスイッチングすることにより放電するため、低コストである。
ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、昇圧動作の停止時にも放電動作を実施することにより、クランプコンデンサＣｃの電圧を速やかに低下させ、次に昇圧動作を開始する際の過電流を抑制できる。ＤＣ−ＤＣコンバータ９はまた、昇圧動作の中断後に放電動作を介して昇圧動作を再開することによっても、昇圧動作を再開する際の過電流を抑制できる。
【００６４】
（第１の実施形態の変形例）
図２２に示した放電動作において、制御部５は、スイッチング素子Ｓ０以外のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４もスイッチング動作させれば、クランプコンデンサＣｃから直流電源Ｖ１へ放電することもできる。ここでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ９が、そのようなスイッチング動作を行う変形例を示している。
図２３は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の変形例の昇圧動作のうちスイッチング動作を示すタイミングチャートである。
時刻ｔ２０において、スイッチング素子Ｓ０，Ｓ２，Ｓ３がターンオンする。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、オフを継続する。
時刻ｔ２１において、スイッチング素子Ｓ０，Ｓ２，Ｓ３がターンオフする。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４は、オフを継続する。
時刻ｔ２２において、スイッチング素子Ｓ０，Ｓ１，Ｓ４がターンオンする。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、オフを継続する。
時刻ｔ２３において、スイッチング素子Ｓ０，Ｓ１，Ｓ４がターンオフする。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、オフを継続する。以降、各スイッチング素子は、同様な動作を繰り返す。
制御部５は、放電動作モードにて、スイッチング回路２が含むスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がすべてオフのときには、スイッチング素子Ｓ０をオフに制御している。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、クランプコンデンサＣｃを緩やかに放電させると共に、スムースに昇圧動作に移行することができる。
【００６５】
図２４は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９の降圧動作から変形例の昇圧動作への切り替えを示す図である。
時刻ｔ４０よりも前である期間（ａ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、降圧動作であるモードａ１ないしモードａ５（図２ないし図６参照）と、それらの対称動作とを繰り返す。このとき、クランプコンデンサＣｃの電圧ＶＣｃは、平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２より高くなっている。
時刻ｔ４０〜ｔ４２で示される期間（ｅ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、図２３に示した制御を繰り返す。これにより、クランプコンデンサＣｃから緩やかに電荷を放電する。この制御により、クランプコンデンサＣｃの電圧ＶＣｃは緩やかに下降し、時刻ｔ４１以降は緩やかな上昇に転じ、所定の電圧に収束する。
図２４に示すように、期間（ｅ）の放電動作においてクランプコンデンサＣｃの電圧ＶＣｃを平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２まで低下させずに、期間（ｂ）の昇圧動作につなげることができる。このようにすることで、変形例のＤＣ−ＤＣコンバータ９は、期間（ａ）の降圧動作を停止した直後から、直流電源Ｖ１への電力供給を開始することができる。
【００６６】
（第２の実施形態）
図２５は、第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９１の回路図である。
図２５に示すように、第２の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９１は、第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９（図１参照）と同様なスイッチング回路１と、第１の実施形態とは異なるスイッチング回路２１と、電圧クランプ回路３１と、これらの回路が備えた各スイッチング素子のオンオフ状態を制御する制御部５とを備える。第２の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９１は、第１の実施形態と同様に、直流電源Ｖ１と、直流負荷４が接続された直流電源Ｖ２との間に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９１は、直流電源Ｖ１から直流負荷４や直流電源Ｖ２に電力を供給したり、直流電源Ｖ２から直流電源Ｖ１に電力を供給するものである。
【００６７】
スイッチング回路１の構成は、第１の実施形態と同様である。
スイッチング回路２１の直流端子間であるノードＮｄ７１，Ｎｄ８間には、平滑インダクタＬと平滑コンデンサＣ２（第２の平滑コンデンサ）とが直列接続される。巻線Ｎ２１（第１の二次巻線）の一端と巻線Ｎ２２（第２の二次巻線）の一端とは、ノードＮｄ７１に接続される。スイッチング回路２の交流端子間であるノードＮｄ３１，Ｎｄ４１間には、巻線Ｎ２２の他端と巻線Ｎ２１の他端とが接続される。
トランスＴ１は、センタータップされた巻線Ｎ２１，Ｎ２２と、巻線Ｎ１とを磁気結合する。
スイッチング回路１に接続される平滑コンデンサＣ１の両端間（第１の端子間）は、ノードＮｄ５，Ｎｄ６である。スイッチング回路２１に接続される平滑コンデンサＣ２の両端間（第２の端子間）は、ノードＮｄ９１，Ｎｄ１０１である。ノードＮｄ５，Ｎｄ６と、ノードＮｄ９１，Ｎｄ１０１とは、このＤＣ−ＤＣコンバータ９１の入出力端子間である。ノードＮｄ５，Ｎｄ６には、直流電源Ｖ１が並列接続される。ノードＮｄ９１，Ｎｄ１０１には、直流電源Ｖ２が並列接続される。
【００６８】
スイッチング回路２１は、巻線Ｎ２１の他端とスイッチング素子Ｓ１１の一端とをノードＮｄ４１で接続し、巻線Ｎ２２の他端とスイッチング素子Ｓ２１の一端とをノードＮｄ３１で接続している。スイッチング回路２１は更に、スイッチング素子Ｓ１１の他端とスイッチング素子Ｓ２１の他端とをノードＮｄ８で接続している。スイッチング回路２１の直流端子間は、巻線Ｎ２１，Ｎ２２の接続点であるノードＮｄ７１と、ノードＮｄ８との間である。スイッチング回路２１の交流端子間は、ノードＮｄ３１，Ｎｄ４１間である。スイッチング回路２１の直流端子間であるノードＮｄ７１，Ｎｄ８間には、平滑インダクタＬと平滑コンデンサＣ２（第２の平滑コンデンサ）とが直列接続される。
【００６９】
電圧クランプ回路３１は、スイッチング素子Ｓ３１，Ｓ４１と、クランプコンデンサＣｃ１とを備える。スイッチング素子Ｓ３１の一端は、スイッチング素子Ｓ４１の一端とクランプコンデンサＣｃ１の一端とに接続される。スイッチング素子Ｓ３１の他端は、ノードＮｄ４１に接続される。スイッチング素子Ｓ４１の他端は、ノードＮｄ３１に接続される。クランプコンデンサＣｃ１の他端は、平滑コンデンサＣ２の一端であるノードＮｄ１０１に接続される。
スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４，Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１，Ｓ４１には、それぞれダイオードＤＨ１〜ＤＨ４，ＤＳ１１，ＤＳ２１，ＤＳ３１，ＤＳ４１が逆並列接続される。
【００７０】
このように第２の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９１は、スイッチング回路２１を２つのスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ２１で構成できるため、第１の実施形態のスイッチング回路２と比べてスイッチング素子の数を低減することができる。
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００７１】
（第３の実施形態）
図２６は、第３の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ９２の回路図である。
図２６に示すように、第３の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９２は、第１の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９（図１参照）と同様なスイッチング回路１と、第１の実施形態とは異なるスイッチング回路２２と、電圧クランプ回路３１と、これらの回路が備えた各スイッチング素子のオンオフ状態を制御する制御部５とを備える。第３の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９２は、第１の実施形態と同様に、直流電源Ｖ１と、直流負荷４が接続された直流電源Ｖ２との間に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９２は、直流電源Ｖ１から直流負荷４や直流電源Ｖ２に電力を供給したり直流電源Ｖ２から直流電源Ｖ１に電力を供給するものである。
【００７２】
スイッチング回路１の構成は、第１の実施形態と同様である。
スイッチング回路２２には、平滑インダクタＬ１，Ｌ２を介して平滑コンデンサＣ２が接続される。平滑インダクタＬ１（第１の平滑インダクタ）の一端と平滑インダクタＬ２（第２の平滑インダクタ）の一端とは、ノードＮｄ９２で接続される。平滑コンデンサＣ２には、直流電源Ｖ２が並列接続される。スイッチング回路２２の交流端子間であるノードＮｄ３２，Ｎｄ４２の間には、巻線Ｎ２３が接続される。
トランスＴ２は、巻線Ｎ１と巻線Ｎ２３とを磁気結合する。
スイッチング回路１に接続される平滑コンデンサＣ１の両端間（第１の端子間）は、ノードＮｄ５，Ｎｄ６である。スイッチング回路２２に接続される平滑コンデンサＣ２の両端間（第２の端子間）は、ノードＮｄ９２，Ｎｄ１０２である。ノードＮｄ５，Ｎｄ６と、ノードＮｄ９２，Ｎｄ１０２とは、このＤＣ−ＤＣコンバータ９２の入出力端子間である。ノードＮｄ５，Ｎｄ６には、直流電源Ｖ１が並列接続される。ノードＮｄ９２，Ｎｄ１０２には、直流電源Ｖ２が並列接続される。
【００７３】
スイッチング回路２２において、スイッチング素子Ｓ１２の一端は、ノードＮｄ８でスイッチング素子Ｓ２２の一端と接続される。スイッチング素子Ｓ１２の他端は、ノードＮｄ４２で平滑インダクタＬ１の他端と接続される。スイッチング素子Ｓ２２の他端は、ノードＮｄ３２で平滑インダクタＬ２の他端と接続される。
平滑インダクタＬ１，Ｌ２は、ノードＮｄ９２で接続される。スイッチング素子Ｓ１２，Ｓ２２の接続点であるノードＮｄ１０２（ノードＮｄ８）と、ノードＮｄ９２との間には、平滑コンデンサＣ２が接続される。
スイッチング回路２２は、スイッチング素子Ｓ１２の両端間であるノードＮｄ４２，Ｎｄ８間を第１の直流端子間とし、スイッチング素子Ｓ２２の両端間であるノードＮｄ３２，Ｎｄ８間を第２の直流端子間としている。スイッチング回路２２は更に、ノードＮｄ３２，Ｎｄ４２間を交流端子間としている。
【００７４】
電圧クランプ回路３１は、スイッチング素子Ｓ３１，Ｓ４１と、クランプコンデンサＣｃ１とを備える。電圧クランプ回路３１において、スイッチング素子Ｓ３１の一端は、スイッチング素子Ｓ４１の一端とクランプコンデンサＣｃ１の一端とに接続される。スイッチング素子Ｓ３１の他端は、ノードＮｄ４２に接続される。スイッチング素子Ｓ４１の他端は、ノードＮｄ３２に接続される。クランプコンデンサＣｃ１の他端は、平滑コンデンサＣ２の一端であるノードＮｄ１０２（ノードＮｄ８）に接続される。
スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ４１には、それぞれダイオードＤＨ１〜ＤＨ４，ＤＳ１２，ＤＳ２２，ＤＳ３１，ＤＳ４１が逆並列接続される。
このように第３の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９２は、第２の実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ９１と比べて巻線の数を低減することができる。
第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００７５】
第１〜第３実施形態で説明したように、本発明は、電圧形スイッチング回路と、平滑インダクタを備えた電流形スイッチング回路とをトランスで接続し、電流形スイッチング回路に電圧クランプ回路を接続したＤＣ−ＤＣコンバータに対して広く適用することができる。
【００７６】
（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
【００７７】
上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。
【００７８】
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。
（ａ）  本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば、二次電池充放電システム、無停電電源装置、電動車両などに組み込んで用いてもよい。
（ｂ）  本発明のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）など、任意の半導体素子を用いてもよい。
（ｃ）  本発明の制御部５は、例えば、カスタムＩＣ（Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やディスクリート部品などで構成されていてもよい。また、マイクロコンピュータと、このマイクロコンピュータが読み込んで実行するソフトウェアプログラムとの組合せで構成されてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１  スイッチング回路  （第１のスイッチング回路）
２、２１、２２  スイッチング回路  （第２のスイッチング回路）
３、３１  電圧クランプ回路
４  直流負荷
５  制御部
１０，１１，１２  電圧センサ
１３  電流センサ
Ｖ１  直流電源  （第１の直流電源）
Ｖ２  直流電源  （第２の直流電源）
Ｃ１  平滑コンデンサ  （第１の平滑コンデンサ）
Ｃ２  平滑コンデンサ  （第２の平滑コンデンサ）
Ｌ  平滑インダクタ
Ｌ１  平滑インダクタ  （第１の平滑インダクタ）
Ｌ２  平滑インダクタ  （第２の平滑インダクタ）
Ｃｒ  共振コンデンサ
Ｌｒ  共振インダクタ
Ｃｃ，Ｃｃ１  クランプコンデンサ
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２  トランス
Ｎ１  巻線  （一次巻線）
Ｎ２，Ｎ２３  巻線  （二次巻線）
Ｎ２１  巻線  （第１の二次巻線）
Ｎ２２  巻線  （第２の二次巻線）
Ｓ０，Ｓ３１，Ｓ４１  スイッチング素子  （クランプスイッチング素子）
Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ１２  スイッチング素子  （第１のスイッチング素子）
Ｓ２，Ｓ２１，Ｓ２２  スイッチング素子  （第２のスイッチング素子）
Ｓ３  スイッチング素子  （第３のスイッチング素子）
Ｓ４  スイッチング素子  （第４のスイッチング素子）
Ｈ１  スイッチング素子  （第５のスイッチング素子）
Ｈ２  スイッチング素子  （第６のスイッチング素子）
Ｈ３  スイッチング素子  （第７のスイッチング素子）
Ｈ４  スイッチング素子  （第８のスイッチング素子）
ＤＨ１〜ＤＨ４，ＤＳ０〜ＤＳ４，ＤＳ１１，ＤＳ１２，ＤＳ２１，ＤＳ２２，ＤＳ３１，ＤＳ４１  ダイオード
【図１】
2015139358.tif 000003
【図２】
2015139358.tif 000004
【図３】
2015139358.tif 000005
【図４】
2015139358.tif 000006
【図５】
2015139358.tif 000007
【図６】
2015139358.tif 000008
【図７】
2015139358.tif 000009
【図８】
2015139358.tif 000010
【図９】
2015139358.tif 000011
【図１０】
2015139358.tif 000012
【図１１】
2015139358.tif 000013
【図１２】
2015139358.tif 000014
【図１３】
2015139358.tif 000015
【図１４】
2015139358.tif 000016
【図１５】
2015139358.tif 000017
【図１６】
2015139358.tif 000018
【図１７】
2015139358.tif 000019
【図１８】
2015139358.tif 000020
【図１９】
2015139358.tif 000021
【図２０】
2015139358.tif 000022
【図２１】
2015139358.tif 000023
【図２２】
2015139358.tif 000024
【図２３】
2015139358.tif 000025
【図２４】
2015139358.tif 000026
【図２５】
2015139358.tif 000027
【図２６】
2015139358.tif 000028