(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の一対の入出力端の間に接続された第１スイッチ回路と、
前記第１の一対の入出力端の一端と前記第１スイッチ回路の一端との間に接続されたコイルと、
前記第１スイッチ回路に並列に接続された第１巻線と、
前記第１スイッチ回路の前記一端と前記第１巻線の一端との間に接続された第１蓄電回路と、
前記第１巻線とともにトランスを構成し、第２の一対の入出力端の間に接続され、互いに直列に接続された第２巻線および第３巻線と、
前記第２巻線の前記第３巻線が接続される一端と反対側の他端と前記第２の一対の入出力端の一端との間に接続された第２スイッチ回路と、
前記第３巻線の前記第２巻線が接続される一端と反対側の他端と前記第２の一対の入出力端の他端との間に接続された第３スイッチ回路と、
前記第２の一対の入出力端の前記一端および前記第２スイッチ回路の前記第２の一対の入出力端側の一端に一端が接続された第２蓄電回路と、
一端が前記第２蓄電回路の他端に接続され、他端が前記第２の一対の入出力端の前記他端および前記第３スイッチ回路の前記第２の一対の入出力端側の一端に接続された第３蓄電回路と、
前記第２蓄電回路と前記第３蓄電回路との接続点と前記第２巻線と前記第３巻線との接続点とが電気的に接続されている、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記第２巻線と前記第３巻線との接続点は、センタータップであり、
前記第２蓄電回路の容量と前記第３蓄電回路の容量との差は基準値以下である、請求項１に記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
第１期間中、前記第１スイッチ回路がオンし、かつ前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオフし、前記第１期間より短い第２期間中に前記第１スイッチ回路がオフし、前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオンすることで、前記第１の一対の入出力端側から前記第２の一対の入出力端側へ電流が流れる、請求項１または請求項２に記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
第１期間中、前記第１スイッチ回路がオフし、かつ前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオンし、前記第１期間より短い第２期間中に前記第１スイッチ回路がオンし、前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオフすることで、前記第２の一対の入出力端側から前記第１の一対の入出力端側へ電流が流れる、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記第２の一対の入出力端を介して出力される電力を変換する電力変換装置と
を備える、電力変換システム。
【請求項６】
前記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記第１の一対の入出力端に接続される充放電装置をさらに備える、請求項５に記載の電力変換システム。
【請求項７】
前記電力変換装置または前記第２の一対の入出力端を介して前記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を出力する分散型電源をさらに備える、請求項５または請求項６に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、および電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に示すように、様々な絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている。
特許文献１  特開２０１４−１８０１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、コスト削減などの観点から、スイッチ回路に印加される電圧を抑制することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の一対の入出力端の間に接続された第１スイッチ回路と、第１の一対の入出力端の一端と第１スイッチ回路の一端との間に接続されたコイルと、第１スイッチ回路に並列に接続された第１巻線と、第１スイッチ回路の一端と第１巻線の一端との間に接続された第１蓄電回路と、第１巻線とともにトランスを構成し、第２の一対の入出力端の間に接続され、互いに直列に接続された第２巻線および第３巻線と、第２巻線の第３巻線が接続される一端と反対側の他端と第２の一対の入出力端の一端との間に接続された第２スイッチ回路と、第３巻線の第２巻線が接続される一端と反対側の他端と第２の一対の入出力端の他端との間に接続された第３スイッチ回路と、第２の一対の入出力端の一端および第２スイッチ回路の第２の一対の入出力端側の一端に一端が接続された第２蓄電回路と、一端が第２蓄電回路の他端に接続され、他端が第２の一対の入出力端の他端および第３スイッチ回路の第２の一対の入出力端側の一端に接続された第３蓄電回路と、第２蓄電回路と第３蓄電回路との接続点と第２巻線と第３巻線との接続点とが電気的に接続されている。
【０００５】
上記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第２巻線と第３巻線との接続点は、センタータップであり、第２蓄電回路の容量と第３蓄電回路の容量との差は基準値以下でよい。
【０００６】
上記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第１期間中、第１スイッチ回路がオンし、かつ第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオフし、第１期間より短い第２期間中に第１スイッチ回路がオフし、第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオンすることで、第１の一対の入出力端側から第２の一対の入出力端側へ電流が流れてよい。
【０００７】
上記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第１期間中、第１スイッチ回路がオフし、かつ第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオンし、第１期間より短い第２期間中に第１スイッチ回路がオンし、第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオフすることで、第２の一対の入出力端側から第１の一対の入出力端側へ電流が流れてよい。
【０００８】
本発明の一態様に係る電力変換システムは、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの第２の一対の入出力端を介して出力される電力を変換する電力変換装置とを備える。
【０００９】
上記電力変換システムは、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の一対の入出力端に接続される充放電装置をさらに備えてよい。
【００１０】
上記電力変換システムは、電力変換装置または第２の一対の入出力端を介して絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を出力する分散型電源をさらに備えてよい。
【００１１】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る電力変換システムの全体構成の一例を示す図である。
【図２Ａ】各スイッチ回路のオンオフタイミングについて説明するための図である。
【図２Ｂ】各スイッチ回路のオンオフタイミングについて説明するための図である。
【図３Ａ】第１期間が第２期間より長い場合の電流の流れについて説明するための図である。
【図３Ｂ】第１期間が第２期間より長い場合の電流の流れについて説明するための図である。
【図４】従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【図５Ａ】第１期間が第２期間より短い場合の電流の流れについて説明するための図である。
【図５Ｂ】第１期間が第２期間より短い場合の電流の流れについて説明するための図である。
【図６】変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成の一例を示す図である。
【図７】変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る電力変換システム１０００の全体構成の一例を示す図である。電力変換システム１０００は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、充放電装置５０、パワーコンディショナ１００、太陽電池アレイ２００、系統電源３００を含む。
【００１５】
パワーコンディショナ１００は、太陽電池アレイ２００と系統電源３００とを連系させる。パワーコンディショナ１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２とインバータ１０４とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、太陽電池アレイ２００から出力される直流電圧を昇圧する。インバータ１０４は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、系統電源３００側に出力する。パワーコンディショナ１００は、電力変換装置の一例である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、例えば、太陽電池アレイ２００の電圧が３００Ｖより小さい場合に、太陽電池アレイ２００から出力される直流電圧を３００Ｖ以上に昇圧して出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、例えば、太陽電池アレイ２００の電圧が３００Ｖ以上である場合に、太陽電池アレイ２００から出力される直流電圧を昇圧せずにそのまま出力する。
【００１６】
太陽電池アレイ２００は、複数の太陽電池モジュールが直列に接続された複数の太陽電池ストリングが並列に接続されている。太陽電池アレイ２００は、分散型電源の一例である。分散型電源として、ガスエンジン、ガスタービン、マイクロガスタービン、燃料電池、風力発電装置、電気自動車、または蓄電システムなどが用いられてよい。なお、太陽電池アレイ２００とパワーコンディショナ１００との間には、昇圧回路がさらに設けられてもよい。また、パワーコンディショナ１００には、並列に接続された複数の太陽電池アレイ２００が接続されてもよい。
【００１７】
充放電装置５０は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して充放電可能な二次電池を含む。充放電装置５０に蓄電された電力は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０およびパワーコンディショナ１００を介して系統電源３００側に出力されることで、充放電装置５０は、放電する。また、例えば、太陽電池アレイ２００から出力された電力が、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して充放電装置５０に入力されることで、充放電装置５０は、充電される。
【００１８】
絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、充放電装置５０から出力される電力を昇圧して、パワーコンディショナ１００側に出力する。絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、太陽電池アレイ２００から出力される電力を降圧して、充放電装置５０側に出力する。
【００１９】
絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、一対の入出力端１１、スイッチ回路１２、コイル１４、巻線１６、コンデンサ１８、巻線２２、巻線２４、スイッチ回路２６、スイッチ回路２８、コンデンサ３２、コンデンサ３４、および一対の入出力端４６を備える。
【００２０】
一対の入出力端１１は、第１の一対の入出力端の一例である。一対の入出力端１１には、充放電装置５０が接続される。スイッチ回路１２は、一対の入出力端１１の間に接続される。スイッチ回路１２は、第１スイッチ回路の一例である。スイッチ回路１２は、例えば、パワーモジュールでよく、ＩＧＢＴモジュール、パワーＭＯＳＦＥＴモジュールなどでよい。
【００２１】
巻線１６は、第１巻線の一例であり、スイッチ回路１２に並列に接続される。コイル１４は、一対の入出力端１１の正極側の一端とスイッチ回路１２の正極側の一端との間に接続される。コンデンサ１８は、第１蓄電回路の一例であり、スイッチ回路１２の正極側の一端と、巻線１６の正極側の一端との間に接続される。
【００２２】
巻線２２は、第２巻線の一例であり、巻線２４は、第３巻線の一例である。巻線２２および巻線２４は、巻線１６とともにトランスを構成する。巻線２２および巻線２４は、一対の入出力端４６の間に接続され、互いに直列に接続されている。一対の入出力端４６は、第２の一対の入出力端の一例である。巻線２２と巻線２４との接続点４２は、センタータップでよい。巻線２２の巻き数は、巻線２４の巻き数と同一でよい。
【００２３】
スイッチ回路２６は、第２スイッチ回路の一例であり、スイッチ回路２８は、第３スイッチ回路の一例である。スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、例えば、パワーモジュールでよく、ＩＧＢＴモジュール、パワーＭＯＳＦＥＴモジュールなどでよい。
【００２４】
スイッチ回路２６は、巻線２２の巻線２４が接続される一端と反対側の他端と、一対の入出力端４６の一端（正極）との間に接続される。スイッチ回路２８は、巻線２４の巻線２２が接続される一端と反対側の他端と一対の入出力端４６の他端（負極）との間に接続される。
【００２５】
コンデンサ３２は、第２蓄電回路の一例であり、コンデンサ３４は、第３蓄電回路の一例である。コンデンサ３２およびコンデンサ３４は、互いに直列に接続される。
【００２６】
コンデンサ３２は、一端が、一対の入出力端４６の一端（正極）およびスイッチ回路２６の一対の入出力端４６の一端（正極）側の一端に接続される。コンデンサ３４は、一端が、コンデンサ３２の他端に接続され、他端が、一対の入出力端４６の他端（負極）およびスイッチ回路２８の一対の入出力端４６の他端（負極）側の一端に接続される。コンデンサ３２の容量とコンデンサ３４の容量との差は、基準値以下でよい。コンデンサ３２の容量とコンデンサ３４の容量との差は、基準割合以下（例えば、１０％以下）でよい。コンデンサ３２の容量は、コンデンサ３４の容量と同一でよい。
【００２７】
コンデンサ３２とコンデンサ３４との接続点４４と、巻線２２と巻線２４との接続点４２とは、ライン４５を介して電気的に接続される。巻線１６のトランスを構成する巻線２２および巻線２４のセンタータップである接続点４２と、コンデンサ３２とコンデンサ３４との接続点４４とを電気的に接続することで、巻線２２および巻線２４に励磁される電圧が、コンデンサ３２とコンデンサ３４とにより分圧されるので、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に印加される電圧を低減できる。
【００２８】
以上のように構成された絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０において、スイッチ回路１２のオンオフと、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８のオンオフとを制御することで、充放電装置５０から出力される電力を昇圧して出力したり、太陽電池アレイ２００から出力される電力を降圧して充放電装置５０に入力したりできる。
【００２９】
図２Ａおよび図２Ｂは、スイッチ回路１２、スイッチ回路２６、スイッチ回路２８のオンオフタイミングについて説明するための図である。
【００３０】
図２Ａにおいて、第１期間Ｔ１中、スイッチ回路１２がオンし、かつスイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオフする。また、第１期間Ｔ１に続く第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２中にスイッチ回路１２がオフし、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオンすることで、一対の入出力端１１側から一対の入出力端４６へ、電流が流れる。これにより、充放電装置５０が放電する。
【００３１】
図２Ｂにおいて、第１期間Ｔ１中、スイッチ回路１２がオフし、かつスイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオンする。また、第１期間Ｔ１に続く第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２中にスイッチ回路１２がオンし、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオフすることで、一対の入出力端４６側から一対の入出力端１１側へ電流が流れる。これにより、充放電装置５０が充電される。
【００３２】
図３Ａおよび図３Ｂは、充放電装置５０が放電する場合について説明するための図である。図３Ａは、第１期間Ｔ１の状態、図３Ｂは、第２期間Ｔ２の状態を示す。
【００３３】
第１期間Ｔ１において、スイッチ回路１２は、オン状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８はオフ状態である。この状態では、コイル１４および１次側の巻線１６が励磁され、２次側の巻線２２および巻線２４には電流が流れない。この状態で、スイッチ回路２６に印加される電圧Ｖｄ２よびスイッチ回路２８に印加される電圧Ｖｄ３は、コンデンサ１８に印加される電圧がＶｃ、コンデンサ３２に印加されている電圧がＶｃ２、コンデンサ３４に印加されている電圧がＶｃ３であり、巻線１６と巻線２２および巻線２４のそれぞれとの巻線数の比が１：ｎであるとすると、以下のようになる。
Ｖｄ２＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ２＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
Ｖｄ３＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ３＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
Ｖｃ＝Ｖ１、Ｖｃ２＝Ｖｃ３＝Ｖ２／２
【００３４】
第２期間Ｔ２において、スイッチ回路１２は、オフ状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、オン状態である。この状態では、コイル１４および１次側の巻線１６に励磁された励磁エネルギーによる電流は、図３Ｂに示す破線矢印のように流れ、コンデンサ１８を充電し、２次側にエネルギーを移動させる。このとき、Ｖｃ２およびＶｃ３は、Ｖ２／２に保たれ、Ｖｄ１＝Ｖ１＋Ｖ２／ｎとなる。
【００３５】
ここで、図４に示すような従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、Ｖｄ２＝ｎＶ１＋Ｖ２となる。上記の通り、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０において、第１期間Ｔ１中は、Ｖｄ２＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２である。したがって、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに比べて、スイッチ回路２６（およびスイッチ回路２８）に印加される電圧を、半分に低減できる。
【００３６】
図５Ａおよび図５Ｂは、充放電装置５０が充電される場合について説明するための図である。図５Ａは、第１期間Ｔ１の状態、図５Ｂは、第２期間Ｔ２の状態を示す。
【００３７】
第１期間Ｔ１において、スイッチ回路１２は、オフ状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、オン状態である。この状態では、図５Ａに示す破線矢印のように電流が流れ、一対の入出力端４６側から一対の入出力端１１側にエネルギーが移動する。このとき、巻線２２および巻線２４に流れる電流によって、巻線１６が励磁される。
【００３８】
第２期間Ｔ２において、スイッチ回路１２は、オン状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、オフ状態である。この状態では、図５Ｂに示す破線矢印のように電流が流れ、コイル１４および巻線１６に励磁された励磁エネルギーによる電流が流れ、一対の入出力端１１側にエネルギーが移動して、コンデンサ１８を充電する。このとき、Ｖｄ２およびＶｄ３の状態は、図３Ａと同じ状態となる。すなわち、
Ｖｄ２＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ２＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
Ｖｄ３＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ３＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
となる。
【００３９】
以上の通り、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオフ状態のときに、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に印加される電圧Ｖｄ２およびＶｄ３を、従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側のスイッチ回路に印加される電圧Ｖｄ２の半分に低減できる。
【００４０】
例えば、充放電装置５０が系統電源３００と連系するパワーコンディショナ１００の電源となるためには、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のＶ２の電圧は、３００Ｖ以上必要である。充放電装置５０の定格電圧は、一般に１００Ｖ前後である。そして、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を安定して制御するためには、デューティ比は、０．５程度であることが望ましい。したがって、トランスの巻き数比は、ｎ＝３程度であることが望ましい。
【００４１】
ｎ＝３とすると、図４に示す回路構成によれば、Ｖｄ２＝６００Ｖとなる。さらに、複数の太陽電池アレイ２００を並列に接続した場合、並列に接続された複数の太陽電池アレイ２００から出力される最大電圧は、４５０Ｖ程度になることがある。この場合、Ｖｄ２＝７５０Ｖとなる。一方、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に用いられるＩＧＢＴまたはパワーＭＯＦＥＴなどのパワーモジュールは、耐電圧が、６００Ｖ〜６５０Ｖ程度であるものが比較的多く、かつ性能に優れ、コストも低い。しかし、上記の通り、図４に示す回路構成によれば、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に対して、上記のようなパワーモジュールを用いることができず、耐電圧が比較的高い、高価なパワーモジュールを使わざるを得ない。しかし、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、Ｖｄ２の電圧を従来の回路構成に比べて半分程度に抑えることができる。したがって、比較的安価なパワーモジュールを用いることができ、コストを削減できる。
【００４２】
ここで、一対の入出力端１１側から一対の入出力端４６側に電流を流すだけであれば、図６に示す変形例のように、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８の代わりに、ダイオード２７およびダイオード２９を設けてもよい。また、一対の入出力端４６側から一対の入出力端１１側に電流を流すだけであれば、図７に示す変形例のように、スイッチ回路１２の代わりに、ダイオード１３を設けてもよい。
【００４３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００４５】
１０  絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１，４６  一対の入出力端
１２，２６，２８  スイッチ回路
１４  コイル
１８，３２，３４  コンデンサ
１６，２２，２４  巻線
５０  充放電装置
１００  パワーコンディショナ
２００  太陽電池アレイ
３００  系統電源
１０００  電力変換システム
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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