(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源側端子と負荷側端子との間において昇圧動作および降圧動作を双方向で行う双方向昇降圧チョッパ回路において、
前記電源側端子と負荷側端子との間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な４つのチョッパ部を備え、
前記各チョッパ部は、
等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルと、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記３つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備えることを特徴とする、双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項２】
前記各チョッパ部は、前記３つの主リアクトルを共有リアクトルとして有し、当該３つの主リアクトル中の中間の主リアクトルの両端に前記各チョッパ回路の補助スイッチを対称に接続することを特徴とする、請求項１に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項３】
前記各チョッパ部は、各補助スイッチの一端を前記共有リアクトルに接続することを特徴とする、請求項２に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項４】
前記４つのチョッパ部は、
電源側端子から負荷側端子へ昇圧動作を行う第１の昇圧チョッパ部と、
電源側端子から負荷側端子へ降圧動作を行う第１の降圧チョッパ部と、
負荷側端子から電源側端子へ昇圧動作を行う第２の昇圧チョッパ部と、
負荷側端子から電源側端子へ降圧動作を行う第２の降圧チョッパ部であること特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項５】
前記電源側端子に接続した第２の昇圧チョッパ部と前記電源側端子に接続した第１の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に前記主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流し、
前記負荷側端子に接続した第１の昇圧チョッパ部と前記負荷側端子に接続した第２の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に前記主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の、前記した主リアクトルと異なる１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流すことを特徴とする、請求項４に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項６】
前記チョッパ部は、
一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電圧端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備え、
当該補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧又は低電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧又は低電圧とすることを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項７】
前記補助スイッチは、ターンオン時に、出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記２つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項６に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項８】
前記主スイッチは、ターンオン時に、当該スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、前記２つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項６に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項９】
前記補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させることによって、主スイッチを零電圧かつ零電流もしくは低電圧かつ低電流の状態からオン動作させることを特徴とする、請求項５から請求項８いずれか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【請求項１０】
前記補助スイッチは、逆阻止型ＩＧＢＴ、又は、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴとダイオードの直列接続、あるいは逆阻止能力を有さないＩＧＢＴとダイオードの直列接続で構成することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向昇降圧チョッパ回路に関し、特に、スイッチング損失の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車等の電気自動車駆動用では１００kWの出力レンジで動作する高効率で大電力のチョッパ回路が用いられる。従来、この電気自動車の分野では、ハードスイッチングによる変換器が使用されている。
【０００３】
従来、リアクトルを用いて、電圧の昇圧や降圧を行う昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路が知られている。このリアクトルを用いた昇圧動作では、トランジスタ等のスイッチング素子を高速にオン・オフすることによってリアクトルに直流電力を蓄積し、この直流電力を出力することで昇圧を行う。また、降圧動作では、トランジスタ等のスイッチング素子を高速にオン・オフすることによってリアクトルに直流電力を蓄積し、この直流電力をダイオードを介して環流させることで降圧を行う。昇降圧チョッパ回路は、この昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路とを組み合わせることで構成している。
【０００４】
これらスイッチング素子の動作として、ハードスイッチング方式とソフトスイッチング方式が知られている。ハードスイッチング方式では、スイッチング素子のターンオンあるいはターンオフにおいて、過渡電圧と過渡電流が交差する時間が長いため、電力損失が大きいという問題が指摘されている。このスイッチング損失は、スイッチング周波数の高周波化に伴って増大する。ハードスイッチング方式を用いた燃料電池回路としては、例えば特許文献１が知られている。
【０００５】
これに対して、ソフトスイッチング方式では、共振現象等を利用して電圧又は電流をゼロとした状態でスイッチング動作を行うことによって、電力損失を低減させようとするものである。燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野では低損失が求められるため、ソフトスイッチングによるチョッパ回路が求められている。
【０００６】
従来、大電力用チョッパ回路としては、Ｃブリッジチョッパ回路が知られている（例えば、特許文献２）。Ｃブリッジチョッパ回路は、例えば２つのスイッチと１つのコンデンサを用いた構成であり、ロスレススナバ回路による大電流遮断が可能で、無損失である点で大電流用途に適している。
【０００７】
しかしながら、このＣブリッジチョッパ回路は、主スイッチとダイオードが主回路に直列接続されているため、全体の電力損失が大きいという課題があり、また、コンデンサで接続された二つの主スイッチを同時ターンオンすると、出力ダイオードの逆回復時のリカバリ電流により発生する過電圧と、スナバコンデンサの充電電圧が重畳することで、大きな過電圧が発生し、出力ダイオードが破損するおそれがあるという課題がある。
【０００８】
そこで、本出願の発明者らは、準共振形回生アクティブスナバ（Quasi-resonant  Regenerating  Active  Snubber：ＱＲＡＳ）方式のチョッパ回路を提案している（例えば、非特許文献１、特許文献３参照）。ＱＲＡＳチョッパ回路では、主スイッチと補助スイッチを備え、主スイッチにリアクトルを直列接続する構成によって、主スイッチに流れる電流を遅延させて、主スイッチのターンオン時に電流が零となるようにしている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−６３９２３号公報
【特許文献２】特開２００４−２７４８７７号公報
【特許文献３】特開２００５−２６１１２４号公報
【非特許文献１】電気学会産業応用部門大会講演論文集  弦田，神頭、河村「高効率大電力チョッパ回路ＱＲＡＳ」2004-6
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したＱＲＡＳチョッパ回路では、主スイッチにリアクトルを接続することでソフトスイッチングを実現しているが、リアクトルに電流が流れることによる内部抵抗で発生する熱損失によって変換効率が低下するという問題がある。
【００１１】
また、ＱＲＡＳチョッパ回路の主スイッチのターンオン時およびターンオフ時に、主スイッチも過電流過電圧が発生するという問題がある。この主スイッチのターンオフ過電圧は、スナバコンデンサのクランプ電圧が主スイッチに印加されることで発生する。また主スイッチのターンオン時に、出力ダイオードの逆回復により主スイッチに過大な電流が流れるという問題もある。
【００１２】
また、出力ダイオードの逆回復によって、出力ダイオードに大きな逆スパイク電圧が発生し、出力ダイオード自体が破損するおそれがあるという問題もある。
【００１３】
上記したように、従来提案されているソフトスイッチングによりスイッチング動作を行うチョッパ回路では、（ａ）リアクトルに流れる電流によって発生する熱損失の課題、（ｂ）主スイッチのターンオン時およびターンオフ時、あるいは出力ダイオードの逆回復による主スイッチの過電流過電圧や、出力ダイオードの逆回復の逆スパイク電圧による、主スイッチや出力ダイオードの破損の課題等の種々の課題を有している。
【００１４】
燃料電池電気自動車を高効率運転させるには、燃料電池、二次電池および負荷となるモータとの間において、双方向で昇降圧の電力変換を行う必要がある。ここで、双方向とは電源から負荷に向かう方向と、負荷から電源側に回生される方向である。燃料電池電気自動車等の負荷が種々に変動する場合には、電源側と負荷側の電圧関係も種々に変化し、双方向において昇圧と降圧を行う場合が生じる。
【００１５】
したがって、双方向昇降圧チョッパ回路では、電源側から負荷側に向かう昇圧動作、電源側から負荷側に向かう降圧動作、負荷側から電源側に向かう昇圧動作、負荷側から電源側に向かう降圧動作の４つの電力変換動作を行うことが求められる。主スイッチとリアクトルから成るチョッパ回路を用いて双方向昇降圧チョッパ回路を構成すると、例えば図１１に示される回路構成が想定される。図１１の回路構成では、双方向昇降圧チョッパ回路は、一つのリアクトルＬ1を介在させて４つの主スイッチＳ1〜Ｓ4でブリッジを組むことで構成する例を示している。この構成例において、ハードスイッチングによってスイッチング動作させた場合には、前記したように電力損失が大きいという問題がある。
【００１６】
また、上記のソフトスイッチングを行うチョッパ回路を用いて、双方向昇降圧チョッパ回路を構成した場合においても、各チョッパ回路は上記した熱損失や素子破損の課題を有している。
【００１７】
したがって、低損失でかつ高信頼性が得られる双方向昇降圧チョッパ回路が求められているが、現在要求されるような低損失でかつ高信頼性が得られる双方向昇降圧チョッパ回路は提案されていない。
【００１８】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制することを目的とする。
【００１９】
また、ソフトスイッチング動作によってリアクトルで発生する熱損失を低減し、変換効率を向上させることを目的とする。
【００２０】
また、主スイッチのターンオン時における過電流過電圧を防ぐことを目的とする。
【００２１】
また、本発明は出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、第１の端子と第２の端子との間において昇圧動作および降圧動作を双方向で行う双方向昇降圧チョッパ回路であり、両端子間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な４つのチョッパ部を備える。
【００２３】
４つのチョッパ部は、それぞれ、以下の構成によってスナバ補助ＺＶＺＣＴ（Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper）チョッパ部を構成する。各チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルと、一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続したスナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備える。
【００２４】
主スイッチのターンオン時における電流を零とするために、従来はリアクトルを用いた構成とするのに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ部は、補助スイッチを備えた構成とする。この補助スイッチをオンさせることによってスナバコンデンサの電圧を零電圧として、主スイッチのターンオン時の電圧を零電圧とし、また、補助スイッチを介してスナバコンデンサと主リアクトルとの回生共振を生成し、この零電圧となる時点で、主スイッチをオンさせることで、この回生共振による電流を主スイッチの主電流を打ち消す方向に通流させることで、ターンオン時の主スイッチの電流及び電圧を零とする。
【００２５】
これによって、従来のチョッパ回路のようにリアクトルを用いることなく、主スイッチのターンオン時において、零電圧でかつ零電流でソフトスイッチングを行って、熱損失を無くしてチョッパ部の変換効率を向上させ、また、過電流過電圧を防ぐ。
【００２６】
また、補助スイッチにより、出力ダイオードに蓄積された電荷を直流電源に回生させることで、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ。
【００２７】
また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルを備え、各チョッパ部は、この３つの主リアクトルを共有リアクトルとして有する。また、各チョッパ部は、各補助スイッチの一端をこの共有リアクトルに接続する。この共有リアクトルによって４つのチョッパ部を接続し、各チョッパ部による双方向の昇降圧動作を可能とする。
【００２８】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える４つのチョッパ部は、第１の端子から第２の端子へ昇圧動作を行う第１の昇圧チョッパ部と、第１の端子から第２の端子へ降圧動作を行う第１の降圧チョッパ部と、第２の端子から第１の端子へ昇圧動作を行う第２の昇圧チョッパ部と、第２の端子から第１の端子へ降圧動作を行う第２の降圧チョッパ部であり、各チョッパ回路を切り換えて動作させることで、一つの回路で双方向の昇降圧動作の４つの動作を行うことができる。
【００２９】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、第１の端子に接続した第２の昇圧チョッパ部と第１の端子に接続した第１の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流す。
【００３０】
また、第２の端子に接続した第１の昇圧チョッパ部と第２の端子に接続した第２の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の、上記の主リアクトルと異なる１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流す。
【００３１】
本発明を昇圧型チョッパ回路に適用した場合の、より詳細な形態は、一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルの直列接続体と、一方の極を主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源の低電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備える構成である。
【００３２】
本発明の補助スイッチは、ターンオン時に、出力ダイオードに蓄積される電荷を、３つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに対して、主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、直流電源に回生する。これによって、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ他に、主リアクトルに通流させる方向を主リアクトルの主電流と逆方向とすることによって、主リアクトルで発生する熱損失を低減させることができる。
【００３３】
本発明の主スイッチは、ターンオン時に、スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、３つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、直流電源に回生する。この主リアクトルに通流させる回生電流を主リアクトルの主電流と逆方向とすることによって、主リアクトルで発生する熱損失を低減させることができる。
【００３４】
主スイッチのターンオン時において、零電流かつ零電圧によるソフトスイッチングを行わせるために、補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させる。これによって、主スイッチを零電圧かつ零電流の状態からオン動作させることができる。
【００３５】
また、補助スイッチは、逆阻止型ＩＧＢＴ、又は、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴとダイオードの直列接続、あるいは逆阻止能力を有さないＩＧＢＴとダイオードの直列接続で構成することができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制することができる。
【００３７】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、補助スイッチをオンさせることによって、スナバコンデンサの電圧を零電圧として主スイッチのターンオン時の電圧を零電圧とし、また、この零電圧となる時点で、補助スイッチをオンさせることで、補助スイッチを介してスナバコンデンサと主リアクトルとの回生共振を生成させ、この回生共振による電流を主スイッチの主電流を打ち消す方向に通流させることで、主スイッチを零電圧、零電流の状態でターンオンさせることができる。
【００３８】
これによって、従来のチョッパ回路のようにリアクトルを用いることなく、主スイッチのターンオン時において零電圧で、かつ零電流でソフトスイッチングを行って、熱損失を無くしてチョッパ回路の変換効率を向上させることができ、また、過電流過電圧を防ぐことができる。これにより、ソフトスイッチング動作によってリアクトルで発生する熱損失を低減し、変換効率を向上させることができる。
【００３９】
また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、主スイッチのターンオン時における過電流過電圧を防ぐことができ、補助スイッチによって出力ダイオードに蓄積された電荷を直流電源に回生させることで、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００４１】
以下、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の構成例について、図１を用いて説明する。
【００４２】
図１において、双方向昇降圧チョッパ回路は、電源側と負荷側との間で、電源側から負荷側の方向、および負荷側から電源側の方向の双方向において、それぞれ昇圧動作および降圧動作の、計４つの動作態様について電力変換を行う。
【００４３】
図１では、電源側は直流電源Ｅと入力コンデンサＣinの並列接続で構成し、負荷側は負荷ＲＬと出力コンデンサＣoutの並列接続で構成している。
【００４４】
双方向昇降圧チョッパ回路は、２つの昇圧チョッパ部と２つの降圧チョッパ部とによって、双方向かつ昇圧および降圧の４つの動作態様を実現する。
【００４５】
以下、図１において、電源側から負荷側に向かう方向を順方向とし、負荷側から電源側に向かう方向を逆方向として説明する。
【００４６】
各チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトル（Ｌ1〜Ｌ3）と、一方の極を主リアクトルの直列接続体の一端（リアクトルＬ1あるいはリアクトルＬ3）に接続し、他方の極を直流電源Ｅの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチＳ1〜Ｓ4と、主スイッチＳ1〜Ｓ4の両極間に接続するスナバダイオードＤ1〜Ｄ4とスナバコンデンサＣ1〜Ｃ4の直列接続体と、スナバダイオードＤ1〜Ｄ4とスナバコンデンサＣ1〜Ｃ4との接続点と、２つの主リアクトル（Ｌ1〜Ｌ3）の直列接続体の接続点との間（リアクトルＬ1とリアクトルＬ2の間、あるいはリアクトルＬ3とリアクトルＬ1の間）に接続した補助スイッチＳ1ａ〜Ｓ4aとを備える。
【００４７】
電源側から負荷側に向かう順方向において昇圧動作を行う順方向昇圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ2，Ｌ3と、一方の極を主リアクトルＬ2，Ｌ3の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ2に接続されるリアクトルＬ1）に接続し、他方の極を負荷側の一方の端子に直接に接続する主スイッチＳ1と、主スイッチＳ1の両極間に接続するスナバダイオードＤ1とスナバコンデンサＣ1の直列接続体と、スナバダイオードＤ1とスナバコンデンサＣ1との接続点と、２つの主リアクトルＬ2とＬ3の間に接続した補助スイッチＳ1ａとにより構成される。
【００４８】
電源側から負荷側に向かう順方向において降圧動作を行う順方向降圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ1，Ｌ2と、一方の極を主リアクトルＬ1，Ｌ2の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ2に接続されるリアクトルＬ3）に接続し、他方の極を直流電源Ｅの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチＳ4と、主スイッチＳ4の両極間に接続するスナバダイオードＤ4とスナバコンデンサＣ4の直列接続体と、スナバダイオードＤ4とスナバコンデンサＣ4との接続点と、２つの主リアクトルＬ1とＬ2の間に接続した補助スイッチＳ4aとにより構成される。
【００４９】
また、負荷側から電源側に向かう逆方向において昇圧動作を行う逆方向昇圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ1，Ｌ2と、一方の極を主リアクトルＬ1，Ｌ2の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ2に接続されるリアクトルＬ3）に接続し、他方の極を直流電源Ｅの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチＳ3、主スイッチＳ3の両極間に接続するスナバダイオードＤ3とスナバコンデンサＣ3の直列接続体と、スナバダイオードＤ3とスナバコンデンサＣ3との接続点と、２つの主リアクトルＬ1とＬ2の間に接続した補助スイッチＳ3aとにより構成される。
【００５０】
負荷側から電源側に向かう逆方向において降圧動作を行う逆方向降圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ1，Ｌ2と、一方の極を主リアクトルＬ1，Ｌ2の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ3に接続されるリアクトルＬ2）に接続し、他方の極を負荷側の一方の端子に直接に接続する主スイッチＳ2、主スイッチＳ2の両極間に接続するスナバダイオードＤ2とスナバコンデンサＣ2の直列接続体と、スナバダイオードＤ2とスナバコンデンサＣ2との接続点と、２つの主リアクトルＬ3とＬ2の間に接続した補助スイッチＳ2aとにより構成される。
【００５１】
双方向昇降圧チョッパ回路は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルＬ1，Ｌ2，Ｌ3を備える。上記の順方向昇圧チョッパ部、順方向降圧チョッパ部、逆方向昇圧チョッパ部、および逆方向降圧チョッパ部は、３つの主リアクトルＬ1，Ｌ2，Ｌ3のうちで、チョッパ回路の回路を構成する上において、主リアクトルＬ2を共有する構成とすることで、一つの双方向昇降圧チョッパ回路を構成している。
【００５２】
上記各チョッパ部は、スナバ補助ＺＶＺＣＴ（Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper）チョッパ回路を構成している。
【００５３】
ここで、図２は、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路を構成するチョッパ部の回路構成を示す図であり、図２（ａ）は、上記した各チョッパ部の内の昇圧動作を行う回路構成を切り出して示し、図２（ｂ）は、上記した各チョッパ部の内の降圧動作を行う回路構成を切り出して示している。図２（ａ），（ｂ）のチョッパ回路構成は、共に主スイッチＳ1と補助スイッチＳ2と、主リアクトルＬ1,Ｌ2と、スナバダイオードＤ1及びスナバコンデンサＣ2と、出力ダイオードＤ5及び出力平滑コンデンサＣ3とを備える。
【００５４】
図２（ａ）に示す昇圧チョッパ回路構成では、主リアクトルＬ1，Ｌ2は２分割したリアクトルを直列接続したものであるが、等価的に１つのリアクトルを構成し、一端を直流電源Ｅ1の高電位側端子に接続している。主スイッチＳ1は、一方の極を主リアクトルＬ1，Ｌ2の直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源Ｅ1の低電圧端子に直接に接続する。主スイッチＳ1の両極間は、出力ダイオードＤ5と出力平滑コンデンサＣ3との直列接続体を並列に接続し、出力平滑コンデンサＣ3には負荷が並列に接続される。また、主スイッチＳ1の両極間にはスナバダイオードＤ1とスナバコンデンサＣ2の直列接続体を接続している。補助スイッチＳ2は、スナバダイオードＤ1とスナバコンデンサＣ2との接続点と、２つの主リアクトルＬ1とＬ2の直列接続体の接続点との間に接続する。
【００５５】
次に、図２（ｂ）に示す降圧チョッパ回路構成では、主リアクトルＬ1，Ｌ2は２分割したリアクトルを直列接続したものであるが、等価的に１つのリアクトルを構成し、一端を負荷ＲLおよび平滑コンデンサＣ3側端子に接続している。主スイッチＳ1は、一方の極を主リアクトルＬ1，Ｌ2の直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源Ｅ1の高電圧端子に直接に接続する。主スイッチＳ1の一方の極には、出力ダイオードＤ5が接続され、主リアクトルＬ2の一方の端部には出力平滑コンデンサＣ3が負荷が並列に接続される。また、主スイッチＳ1の両極間にはスナバダイオードＤ1とスナバコンデンサＣ2の直列接続体を接続している。補助スイッチＳ2は、スナバダイオードＤ1とスナバコンデンサＣ2との接続点と、２つの主リアクトルＬ1とＬ2の直列接続体の接続点との間に接続する。
【００５６】
なお、このチョッパ回路の構成において、前記したＱＲＡＳチョッパ回路とは、リアクトルに接続される回生ダイオードや、主スイッチングと補助スイッチの共通スナバ保護機能を持たせるためのダイオードを削除した点、補助スイッチＳ2は逆阻止型のIGBTである点、主スイッチに接続される電流遅延用のリアクトルを削除した点、主スイッチのターンオン時において零電流のみではなく、零電流でかつ零電圧によりスイッチングを行う点で相違している。
【００５７】
なお、補助スイッチＳ2として逆阻止型のIGBTを用いることで、従来必要であった回生ダイオードを削除することができる。
【００５８】
また、このチョッパ回路構成の補助スイッチＳ2は、ターンオフ動作が零電流スイッチングとなるため、主スイッチングＳ1と補助スイッチＳ2の共通スナバ保護機能を持たせるためのダイオードを削除することができる。
【００５９】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、補助スイッチを介して主リアクトルの一部に出力ダイオードの蓄積電荷を通流させることで消滅させ、これにより逆回復電流を抑制することができる。
【００６０】
図２（ａ），（ｂ）において、補助スイッチＳ2のターンオン時において、出力ダイオードＤ5に蓄積していた電荷による電流ＩR（図２（ａ），（ｂ）中の破線で示す）は、主リアクトルＬ2を主リアクトルの主電流の方向とは逆方向に流れる。この電流ＩRは主リアクトルＬ2の通電電流を減少させる。そのため、この主リアクトルＬ2で発生する有効電力分ΔＰＲ＝ＩR2・Ｒ2は、主リアクトルＬ2の抵抗分Ｒ2による損失分を減少させるものとして働く。なお、主スイッチＳ1をオンとする前に補助スイッチＳ2をオンとすることで、出力ダイオードＤ5に蓄積された電荷を入力側に回生する。
【００６１】
したがって、このチョッパ回路構成によれば、出力ダイオードＤ5の蓄積電荷が消滅する際の電流ＩRは主リアクトルの損失を減らす方向となり、チョッパ回路の効率を高める方向に作用する。
【００６２】
従来のＱＲＡＳチョッパ回路では、リアクトルＬ2が大きいため、出力ダイオードＤ5の蓄積電荷を消滅することができず、出力ダイオードのターンオフ時に、蓄積電荷による大きな逆回復サージ電圧が発生する。これに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、効率を高める方向に作用する蓄積電荷消滅電流が流れるため逆回復電流抑制回路とし、出力ダイオードによる大きな逆回復サージ電圧は発生しない。
【００６３】
また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、回生共振現象を利用することで零電圧零電流の状態を作り出してターンオンさせることでスイッチング損失を低減することができる。
【００６４】
従来のＱＲＡＳチョッパ回路では、主スイッチＳ1のターンオン時に電流がゆっくり立ち上がるように、主スイッチＳ1と電源の一体との間にリアクトルを接続している。これに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、補助スイッチＳ2によって回生パスを形成することによって、このリアクトルを不要としている。この回生パスは、スナバコンデンサＣ2の回生共振現象を利用するものであり、これによって主スイッチＳ1に零電圧零電流の状態を作り出す。
【００６５】
これによって、従来ターンオン時に発生していた電源電圧を大幅に越えるスナバコンデンサのクランプ電圧を電源電圧までの低い電圧に抑制することができる。そのため、スナバコンデンサの容量を主スイッチのターンオン時間に合わせて小さく選択することができ、スナバ回生電力自体を小さくすることができ、チョッパ回路全体の効率を向上させることができる。
【００６６】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、主スイッチＳ1のターンオフをソフトスイッチング化するためにスナバコンデンサＣ2を設けているが、このスナバコンデンサＣ2に蓄積されたエネルギーを主スイッチＳ1のターンオン時に、補助スイッチＳ2及び入力側を通って、主スイッチＳ1に接続される逆並列ダイオードに流れることで主スイッチＳ1に流れ込む電流を零とし、さらにスナバコンデンサＣ2の放電によって主スイッチＳ1の両端にかかる電圧を零とする。
【００６７】
また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、回生電流Ｉs（図２（ａ），（ｂ）中の一点鎖線で示す）は、主リアクトルＬ2の通電電流を減少させる方向で回生するため、回生作用時に発生する有効電力分ΔＰs＝ＩS2・Ｒ2は、主リアクトルＬ2の損失を減らす方向になり、チョッパ回路の効率を高める方向に作用する。なお、Ｒ2は主リアクトルＬ2の内部抵抗である。
【００６８】
上記したように、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、出力ダイオードの蓄積電荷を消滅させる逆回復電流抑制回路として作用する他、回生共振を用いて回生リアクトルを不要とするソフトスイッチングとして作用する。
【００６９】
また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、主リアクトルを分割した構成とすることで、回生リアクトルを不要とする他、出力ダイオードやスナバコンデンサの蓄積されるエネルギーを直接に電源側に回生するのではなく、主リアクトルの主電流を打ち消す方向で流すことで、主リアクトルでの電力損失を低減させることができる。
【００７０】
本発明のチョッパ回路は、スナバコンデンサのエネルギーを、補助的な回生コンデンサを用いることなく、直接に主リアクトル移行させることができる。例えば、配線のリアクトルの影響でスナバコンデンサの充電電圧が出力電圧よりも高く充電された場合でも、入力電源方向へは主リアクトルＬ2に回生エネルギーを移行し、また、出力方向への回生エネルギーは、主リアクトルＬ1にそれぞれ移行させて回生させることができる。そのため、主リアクトルと別にリアクトルを用いて主回路以外の補助回路パスを介して回生する方式よりも高い効率とすることができる。
【００７１】
次に、図３〜図５を用いて本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成の動作例について説明する。なお、図３は昇圧チョッパ回路構成の動作図であり、図４は降圧チョッパ回路構成の動作図であり、図５は各部の基本動作波形図である。
【００７２】
図３に示す昇圧チョッパ回路構成において、モード１（図３（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ1がオフの状態において、-ｔ2の時点で補助スイッチＳ2がオンし、出力ダイオードＤ5のキャリア消滅のモードが始まる。この瞬間、補助スイッチＳ2は電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ2の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ2の電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオードＤ5のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、このモードは終了する。
【００７３】
なお、図３（ａ）において、実線は電源側から負荷側に流れる主電流を示し、破線は補助スイッチＳ2aがオンすることによって、出力ダイオードＤ5に蓄積されるキャリアにより逆方向に流れる電流である。
【００７４】
モード２（図３（ｂ）のMode2）では、-ｔ1の時点において、出力ダイオードＤ5がオフし、スナバコンデンサＣ2の電圧ＶC2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図３（ｂ）中の破線は、この電流を示している。また、図３（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ1に流れる電流が、出力ダイオードＤ5がオフすることで補助スイッチＳ2aを通して環流する電流を示している。
【００７５】
モード３（図３（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧ＶC2が零電圧となる時点ｔ0において、主スイッチＳ1がオンとなり、共振回生電流（図３（ｃ）中の破線）は、主スイッチＳ1の主電流を打ち消す方向に通流する。このとき、主スイッチＳ1は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ2にモード１及びモード２の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ1の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ2を介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。
【００７６】
モード４（図３（ｄ）のMode4）では、ｔ1において、主リアクトルＬ2の回生電流が減少して零となり、ダイオードＤ1がオフし、主リアクトルＬ1及びＬ2の電流は、主スイッチＳ1を介して再び直線状に増加に向かう。
【００７７】
モード５（図３（ｅ）のMode5）では、ｔ2において、主スイッチＳ1、補助スイッチＳ2が同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ1はスナバコンデンサＣ2による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ2は零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ2は零電流となった時点で主スイッチＳ1より先に、ターンオフしてもよい。
【００７８】
モード６（図３（ｆ）のMode6）では、ｔ3において、出力ダイオードＤ5がオンし、主リアクトルＬ1,Ｌ2に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。ｔ4で補助スイッチＳ2が再びオンし、モード１より次サイクルが開始される。
【００７９】
以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードＤ5の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。
【００８０】
本発明の双方向昇降圧チョッパ回路では、昇圧チョッパ回路構成と降圧チョッパ回路構成の回路構成は対称性を有しているため、両チョッパ回路構成はほぼ同様の動作となる。
【００８１】
図４に示す降圧チョッパ回路構成において、モード１（図４（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ1がオフの状態において、-ｔ2の時点で補助スイッチＳ2がオンし、出力ダイオードＤ5のキャリア消滅のモードが始まる（図４（ａ）中破線で示す電流）。この瞬間、補助スイッチＳ2は電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ2の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ2の電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオードＤ5のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、このモードは終了する。
【００８２】
なお、図４（ａ）において、実線は負荷側に流れる主電流を示し、破線は補助スイッチＳ2がオンすることによって、出力ダイオードＤ5に蓄積されるキャリアにより逆方向に流れる電流である。
【００８３】
モード２（図４（ｂ）のMode2）では、-ｔ1の時点において、出力ダイオードＤ5がオフし、スナバコンデンサＣ2の電圧ＶC2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図４（ｂ）中の破線は、この電流を示している。また、図４（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ1に流れる電流が、出力ダイオードＤ5がオフすることで補助スイッチＳ2を通して環流する電流を示している。
【００８４】
モード３（図４（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧ＶC2が零電圧となる時点ｔ0において、主スイッチＳ1がオンとなり、共振回生電流（図４（ｃ）中の破線）は、主スイッチＳ1の主電流を打ち消す方向に通流する。このとき、主スイッチＳ1は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ2にモード１の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ1の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ2を介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。
【００８５】
モード４（図４（ｄ）のMode4）では、ｔ1において、主リアクトルＬ2の回生電流が減少して零となり、ダイオードＤ1がオフし、主リアクトルＬ1及びＬ2の電流は、主スイッチＳ1を介して再び直線状に増加に向かう。
【００８６】
モード５（図４（ｅ）のMode5）では、ｔ2において、主スイッチＳ1、補助スイッチＳ2が同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ1はスナバコンデンサＣ2による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ2は零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ2は零電流となった時点で主スイッチＳ1より先に、ターンオフしてもよい。
【００８７】
モード６（図４（ｆ）のMode6）では、ｔ3において、出力ダイオードＤ5がオンし、主リアクトルＬ1,Ｌ2に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。ｔ4で補助スイッチＳ2が再びオンし、モード１より次サイクルが開始される。
【００８８】
以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードＤ5の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。
【００８９】
上記した、Mode１の補助スイッチＳ2がオンすることによる出力ダイオードＤ5の回復動作（リカバリ動作）、Mode２のスナバコンデンサＣ2の放電動作（零電位に、蓄積エネルギーをリアクトルに遷移させるＺＶＴ動作（Zero Voltage Transition）、Mode３の主スイッチＳ1の逆並列ダイオードに逆電流がながれ、主スイッチＳ1の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching零電流）動作は、主スイッチＳ1のターンオン時の部分共振動作を構成する。
【００９０】
なお、ＺＣＳ（Zero Current Switching零電流）動作は、補助スイッチＳ1aのターンオン時には、Mode１においてリアクトルによって電流変化が抑制されることにより生じ、また、補助スイッチＳ1aのターンオフ時には、Mode４において、エネルギー回生動作が終了した後、ダイオードによる逆阻止状態で零電流を保持した状態からの動作により生じる。
【００９１】
次に、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の動作について、図６〜図１０を用いて説明する。なお、図６は順方向昇圧動作の動作図であり、図８は順方向降圧動作の動作図であり、図９は逆方向昇圧動作の動作図であり、図１０は逆方向降圧動作の動作図であり、図７は、各動作における波形図である。以下では、各動作について、Mode1〜Mode6の６つの動作状態について示し、図８中に示す数１〜６は、このMode1〜Mode6の６つの動作状態に対応している。また、図６、８〜１０では、主に各昇降圧チョッパ部での動作説明を行うために、電源側および負荷側における動作を簡略し、電源側の入力コンデンサＣinと負荷側の出力コンデンサＣoutとの間の電流状態によって動作状態を説明する。
【００９２】
はじめに、順方向昇圧動作について、図６、図７を用いて説明する。順方向昇圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ1、補助スイッチＳ1a等を備える順方向昇圧チョッパ部によって行われる。
【００９３】
順方向昇圧動作では、主スイッチＳ4に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ2、Ｓ3、補助スイッチＳ2a、Ｓ3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ2の逆並列ダイオードを出力ダイオードとして動作する。
【００９４】
図６に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、モード１（図６（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ1および補助スイッチＳ1aがオフの状態において、補助スイッチＳ1aがオンすることによって、補助スイッチＳ1a、主リアクトルＬ3、主スイッチＳ4 、入力コンデンサＣin、出力コンデンサＣout、主スイッチＳ2の逆並列ダイオード、スナバコンデンサＣ1の経路が形成される。図６（ａ）中の実線はこの経路を示している。
【００９５】
主スイッチＳ2の逆並列ダイオード（ここでは出力ダイオードに相当する）に蓄積されていたキャリアは、ダイオードの順方向に対して逆の方向に流れ、キャリア消滅が開始される。補助スイッチＳ1aがオンとなった瞬間、補助スイッチＳ1aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンすることになる。補助スイッチＳ1aがターンオンする間、スナバコンデンサＣ1の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。
【００９６】
補助スイッチＳ1aの電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から主スイッチＳ2の逆並列ダイオードの蓄積キャリアは、前記経路を流れて消滅し、逆回復してオフ状態となる。このダイオードの回復消滅動作によって、このモード１は終了する。
【００９７】
また、図７中の“１”で示す状態は、主スイッチＳ1に流れる電流が零、補助スイッチ1aの電圧が降下し、電流が増加する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が減少する状態を示している。
【００９８】
モード２（図６（ｂ）のMode2）では、主スイッチＳ2の逆並列ダイオード（出力ダイオードに相当）がオフし、スナバコンデンサＣ1の電圧ＶＣ1は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図６（ｂ）中の実線は、スナバコンデンサＣ1、補助スイッチＳ1a、主リアクトルＬ3、主スイッチＳ4 、入力コンデンサＣinの経路で流れる電流を示している。このモードは、スナバコンデンサＣ1の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。
【００９９】
また、図７中の“２”で示す状態は、主スイッチＳ1に流れる電流が増加し、補助スイッチ1aの電流が増加する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が零状態を示している。
【０１００】
モード３（図６（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧ＶC2が零電圧となる時点において、主スイッチＳ1がオンとなり、共振回生電流は、主スイッチＳ1の主電流を打ち消す方向に通流する。
【０１０１】
図６（ｃ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ1、スナバダイオードＤ1、主リアクトルＬ3、主スイッチＳ4、入力コンデンサＣin の経路を示している。このモードでは、スナバコンデンサＣ1からの環流電流による打ち消しによって、主スイッチＳ1は電流零からのターンオンとなる。モード１及びモード２の期間中に主リアクトルＬ3に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ1の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ1aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。この動作は、主スイッチＳ1の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching  零電流）動作である。
【０１０２】
また、図７中の“３”で示す状態は、主スイッチＳ1の電圧が零、補助スイッチ1aの電流が減少する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が零状態を示している。
【０１０３】
モード４（図６（ｄ）のMode4）では、主リアクトルＬ3の回生電流が減少して零となり、スナバダイオードＤ1がオフし、主リアクトルＬ3の電流は、主スイッチＳ1を介して再び直線状に増加に向かう。図６（ｄ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ1、主リアクトルＬ3、主スイッチＳ4、入力コンデンサＣin の経路を示している。また、図７中の“４”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。
【０１０４】
モード５（図３（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ1、補助スイッチＳ1aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ1はスナバコンデンサＣ1によって零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ1aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。図６（ｅ）の実線は、このモードにおける、入力コンデンサＣin、主スイッチＳ4、主リアクトルＬ3〜Ｌ1、スナバダイオードＤ1、スナバコンデンサＣ1の経路を示している。また、図７中の“５”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。
【０１０５】
但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ1aは零電流となった時点で主スイッチＳ1より先に、ターンオフしてもよい。
【０１０６】
モード６（図６（ｆ）のMode6）では、主リアクトルの電流増加による電圧上昇によって、主スイッチＳ2の逆並列ダイオードがオン状態となり、主リアクトルＬ1〜Ｌ3に蓄えられたエネルギーが負荷（出力コンデンサＣout）へ供給される。図６（ｆ）の実線は、このモードにおける、入力コンデンサＣin、主スイッチＳ4、主リアクトルＬ3〜Ｌ1、主スイッチＳ2の逆並列ダイオード、出力コンデンサＣoutの経路を示している。また、図７中の“６”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。
【０１０７】
このモード６の後、補助スイッチＳ1aが再びオンすることによって、前記したモード１に戻って次サイクルが開始される。
【０１０８】
以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオード（ここでは、主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。
【０１０９】
次に、順方向降圧動作について、図８を用いて説明する。順方向降圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ4、補助スイッチＳ4a等を備える順方向降圧チョッパ部によって行われる。
【０１１０】
順方向降圧動作では、主スイッチＳ2に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ1、Ｓ3、補助スイッチＳ1a、Ｓ3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ3の逆並列ダイオードを環流ダイオードとして動作する。
【０１１１】
図８に示す降圧チョッパ部において、モード１（図８（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ1，Ｓ3がオフの状態において、補助スイッチＳ4aがオンし、主スイッチＳ2、主リアクトルＬ1、補助スイッチＳ4a、スナバコンデンサＤ4、主スイッチＳ3の逆並列ダイオード（環流ダイオードとして動作）、出力コンデンサＣoutの経路が形成される。図６（ａ）中の実線はこの経路を示している。このモードでは、環流ダイオード（主スイッチＳ3の逆並列ダイオード）によるキャリア消滅が行われる。
【０１１２】
補助スイッチＳ4aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ4の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ4a電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオード（主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、モード１は終了する。
【０１１３】
モード２（図８（ｂ）のMode2）では、出力ダイオード（主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）がオフし、スナバコンデンサＣ4の電圧ＶC4は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図８（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ1に流れる電流が、出力ダイオード（主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）がオフすることで補助スイッチＳ4aを通して環流する電流を示している。
【０１１４】
このモードは、スナバコンデンサＣ4の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。
【０１１５】
モード３（図８（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ4に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧ＶC4が零電圧となる時点において、主スイッチＳ4がオンとなり、主リアクトルＬ1からの共振回生電流は、主スイッチＳ4の主電流を打ち消す方向に通流する。これにより、主スイッチＳ4は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ2にモード１の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ4の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ4aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。
【０１１６】
この動作は、主スイッチＳ4の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching  零電流）動作である。
【０１１７】
モード４（図８（ｄ）のMode4）では、主スイッチＳ4はオン状態となり、主リアクトルＬ1の回生電流が減少して零となり、出力ダイオード（主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）がオフし、主リアクトルＬ1の電流は、主スイッチＳ4を介して再び直線状に増加に向かう。
【０１１８】
モード５（図４（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ4、補助スイッチＳ4aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ4はスナバコンデンサＣ4による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ4aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。
【０１１９】
図８（ｅ）の実線は、このモードにおける経路を示している。
【０１２０】
但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ2は零電流となった時点で主スイッチＳ1より先に、ターンオフしてもよい。
【０１２１】
モード６（図８（ｆ）のMode6）では、主スイッチＳ4、補助スイッチＳ4aはオフ状態であり、出力ダイオード（主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）がオンし、主リアクトルＬ1,Ｌ2に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。図８（ｆ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ3、主リアクトルＬ3〜Ｌ1、主スイッチＳ2の逆並列ダイオード、出力コンデンサＣoutの経路を示している。
【０１２２】
その後、補助スイッチＳ4aが再びオンし、前記したモード１より次サイクルが開始される。なお、電圧、電流状態は、前記した図７と同様であるのでここでの説明は省略する。
【０１２３】
以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードの逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。
【０１２４】
次に、逆方向昇圧動作について、図９を用いて説明する。逆方向昇圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ3、補助スイッチＳ3a等を備える逆方向昇圧チョッパ部によって行われる。
【０１２５】
逆方向昇圧動作では、主スイッチＳ2に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ1、Ｓ4、補助スイッチＳ1a、Ｓ4aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ4の逆並列ダイオードを出力ダイオードとして動作する。
【０１２６】
図９に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ3および補助スイッチＳ3aがオフの状態において、主スイッチＳ2は常時導通状態であるため、出力コンデンサＣoutから主リアクトルＬ3〜Ｌ1、主スイッチＳ4、入力コンデンサＣinの経路で流れる状態にある（Mode６の状態）。この状態において、モード１（図９（ａ）のMode1）において、補助スイッチＳ3aがオンすることによって、補助スイッチＳ3a、主リアクトルＬ1、主スイッチＳ2 、出力コンデンサＣout、入力コンデンサＣin、主スイッチＳ4の逆並列ダイオード、スナバダイオードＤ3の経路が形成される。図９（ａ）中の実線はこの経路を示している。
【０１２７】
主スイッチＳ4の逆並列ダイオード（ここでは出力ダイオードに相当する）に蓄積されていたキャリアは、ダイオードの順方向に対して逆の方向に流れ、キャリア消滅が開始される。補助スイッチＳ3aがオンとなった瞬間、補助スイッチＳ3aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンすることになる。補助スイッチＳ3aがターンオンする間、スナバコンデンサＣ3の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。
【０１２８】
補助スイッチ3aの電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から主スイッチＳ4の逆並列ダイオードの蓄積キャリアは、前記経路を流れて消滅し、逆回復してオフ状態となる。このダイオードの回復消滅動作によって、このモード１は終了する。
【０１２９】
モード２（図９（ｂ）のMode2）では、主スイッチＳ4の逆並列ダイオード（出力ダイオードに相当）がオフし、スナバコンデンサＣ3の電圧ＶC1は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図９（ｂ）中の実線は、スナバコンデンサＣ3、補助スイッチ3a、主リアクトルＬ1、主スイッチＳ2 、出力コンデンサＣoutの経路で流れる電流を示している。このモードは、スナバコンデンサＣ3の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。
【０１３０】
モード３（図６（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ3に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧ＶC3が零電圧となる時点において、主スイッチＳ3がオンとなり、共振回生電流は、主スイッチＳ3の主電流を打ち消す方向に通流する。
【０１３１】
図９（ｃ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ3、スナバダイオードＤ3、主リアクトルＬ1、主スイッチＳ2、出力コンデンサＣout の経路を示している。このモードでは、スナバコンデンサＣ3からの環流電流による打ち消しによって、主スイッチＳ3は電流零からのターンオンとなる。モード１及びモード２の期間中に主リアクトルＬ1に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ3の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ3aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。この動作は、主スイッチＳ3の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching  零電流）動作である。
【０１３２】
モード４（図９（ｄ）のMode4）では、主リアクトルＬ1の回生電流が減少して零となり、スナバダイオードＤ3がオフし、主リアクトルＬ1の電流は、主スイッチＳ3を介して再び直線状に増加に向かう。図９（ｄ）の実線は、このモードにおける、主スイッチS3、主リアクトルＬ1、主スイッチＳ2、出力コンデンサＣout の経路を示している。
【０１３３】
モード５（図９（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ3、補助スイッチＳ3aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ3はスナバコンデンサＣ3によって零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ3aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。図９（ｅ）の実線は、このモードにおける、出力コンデンサＣout、主スイッチＳ2、主リアクトルＬ1〜Ｌ3、スナバダイオードＤ3、スナバコンデンサＣ3の経路を示している。
【０１３４】
但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ3aは零電流となった時点で主スイッチＳ3より先に、ターンオフしてもよい。
【０１３５】
モード６（図９（ｆ）のMode6）では、主リアクトルの電流増加による電圧上昇によって、主スイッチＳ4の逆並列ダイオードがオン状態となり、主リアクトルＬ1〜Ｌ3に蓄えられたエネルギーが入力側（入力コンデンサＣin）へ回生される。図９（ｆ）の実線は、このモードにおける、出力コンデンサＣout、主スイッチＳ2、主リアクトルＬ3〜Ｌ1、主スイッチＳ4の逆並列ダイオード、入力コンデンサＣinの経路を示している。
【０１３６】
このモード６の後、補助スイッチＳ3aが再びオンすることによって、前記したモード１に戻って次サイクルが開始される。
【０１３７】
以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオード（ここでは、主スイッチＳ2の逆並列ダイオード）の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。
【０１３８】
次に、逆方向降圧動作について、図１０を用いて説明する。逆方向降圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ2、補助スイッチＳ2a等を備える逆方向降圧チョッパ部によって行われる。
【０１３９】
逆方向降圧動作では、主スイッチＳ4に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ1、Ｓ3、補助スイッチＳ1a、Ｓ3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ1の逆並列ダイオードを環流ダイオードとして動作する。
【０１４０】
図１０に示す降圧チョッパ部において、モード１（図１０（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ1， Ｓ3がオフの状態において、補助スイッチＳ2aがオンし、主スイッチＳ4、主リアクトルＬ3、補助スイッチＳ2a、スナバコンデンサＤ2、主スイッチＳ1の逆並列ダイオード（環流ダイオードとして動作）、入力コンデンサＣinの経路が形成される。図１０（ａ）中の実線はこの経路を示している。このモードでは、環流ダイオード（主スイッチＳ1の逆並列ダイオード）によるキャリア消滅が行われる。
【０１４１】
補助スイッチＳ2aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ2の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ2a電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオード（主スイッチＳ4の逆並列ダイオード）のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、モード１は終了する。
【０１４２】
モード２（図１０（ｂ）のMode2）では、入力ダイオード（主スイッチＳ4の逆並列ダイオード）がオフし、スナバコンデンサＣ2の電圧ＶC2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図１０（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ3に流れる電流が、出力ダイオード（主スイッチＳ4の逆並列ダイオード）がオフすることで補助スイッチＳ2aを通して環流する電流を示している。
【０１４３】
このモードは、スナバコンデンサＣ2の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。
【０１４４】
モード３（図１０（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧ＶC2が零電圧となる時点において、主スイッチＳ2がオンとなり、主リアクトルＬ3からの共振回生電流は、主スイッチＳ2の主電流を打ち消す方向に通流する。これにより、主スイッチＳ2は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ3にモード１の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ2の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ2aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。
【０１４５】
この動作は、主スイッチＳ2の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching  零電流）動作である。
【０１４６】
モード４（図１０（ｄ）のMode4）では、主スイッチＳ2はオン状態となり、主リアクトルＬ1の回生電流が減少して零となり、出力ダイオード（主スイッチＳ4の逆並列ダイオード）がオフし、主リアクトルＬ3の電流は、主スイッチＳ2を介して再び直線状に増加に向かう。
【０１４７】
モード５（図１０（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ2、補助スイッチＳ2aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ2はスナバコンデンサＣ2による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ2aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。
【０１４８】
図１０（ｅ）の実線は、このモードにおける経路を示している。
【０１４９】
但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ2aは零電流となった時点で主スイッチＳ2より先に、ターンオフしてもよい。
【０１５０】
モード６（図１０（ｆ）のMode6）では、主スイッチＳ2、補助スイッチＳ2aはオフ状態であり、出力ダイオード（主スイッチＳ4の逆並列ダイオード）がオンし、主リアクトルＬ3に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。図１０（ｆ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ1、主リアクトルＬ1〜Ｌ3、主スイッチＳ4の逆並列ダイオード、入力コンデンサＣinの経路を示している。
【０１５１】
その後、補助スイッチＳ2aが再びオンし、前記したモード１より次サイクルが開始される。なお、電圧、電流状態は、前記した図７と同様であるのでここでの説明は省略する。
【０１５２】
以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードの逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。
【０１５３】
なお、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路に各チョッパ部では、補助スイッチを主スイッチよりわずかに早くオンさせることでソフトスイッチングを行うが、主スイッチと補助スイッチを同時にもしくは補助スイッチを主スイッチよりも後にオンさせることでターンオンのソフトスイッチングを行わず、回生動作のみを行うように動作させることもできる。
【０１５４】
また、本発明のチョッパ回路は、主スイッチと補助スイッチを直並列接続して構成する他に、電源システム全体を多重化構成としてもよい。
【０１５５】
また、本発明のチョッパ回路の主リアクトルは分割構造としても、一体構造としてもよい。
【０１５６】
また、本発明のチョッパ回路において、主スイッチの逆並列ダイオードは、零電圧零電流のソフトスイッチングを行わない場合には、削除してもよい。
【０１５７】
また、本発明のチョッパ回路において、入力電源に回生する電流リプル吸収能力がある場合には、入力平滑コンデンサを削除してもよい。
【０１５８】
また、本発明に係わるチョッパ回路では、昇圧動作時に入力電圧と出力電圧の電圧差が少ない場合（昇圧率が低く、主スイッチのオン期間が短い場合）、もしくは、降圧動作時に入力電圧と出力電圧の電圧差が大きい場合（降圧率が高く、主スイッチのオン期間が短い場合）、スナバコンデンサに電圧が残留する場合がある。この場合、ダイオードリカバリ電流消滅による低電流の効果と、残留電圧による低電圧の効果で、その分、低電圧・低電流からのターンオンとなり、電圧・電流の重なりが少なくなってスイッチング損失が低減される。
【０１５９】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明のチョッパ回路は、燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の一回路構成例を示す図である。
【図２】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路を構成するチョッパ部の回路構成を示す図である。
【図３】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える昇圧チョッパ回路構成の動作例を説明するための回路図である。
【図４】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える降圧チョッパ回路構成の動作例を説明するための回路図である。
【図５】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の基本動作波形図である。
【図６】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の順方向昇圧動作を説明するための動作図である。
【図７】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の動作を説明するための動作波形図である。
【図８】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の順方向降圧動作を説明するための動作図である。
【図９】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の逆方向昇圧動作を説明するための動作図である。
【図１０】本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の逆方向昇降動作を説明するための動作図である。
【図１１】従来のチョッパ回路により想定される双方向昇降圧チョッパ回路を示す図である。
【符号の説明】
【０１６２】
Ｅ，Ｅ１…直流電源
Ｓ1〜Ｓ4…主スイッチ
Ｓ1a〜Ｓ4a…補助スイッチ
Ｃ1〜Ｃ4…スナバコンデンサ
Ｄ1〜Ｄ4…スナバダイオード
Ｌ1〜Ｌ3，Ｌ2…主リアクトル
Ｃin…入力コンデンサ
Ｃout…出力コンデンサ
Ｃ0…平滑出力コンデンサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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