(57)【要約】【課題】  ソフトスイッチング用の補助回路に定格電流の小さいスイッチング素子を使用可能な電圧変換装置を提供する。【解決手段】  電圧変換装置１０は、電圧平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２と、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ６と、ダイオードＤ１〜Ｄ６と、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６と、平滑用リアクトルＬ１と、共振用リアクトルＬ２と、電流センサーＳ１とを備える。平滑用リアクトルＬ１は、ノードＮ１，Ｎ２間に接続される。共振用リアクトルＬ２およびＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６は、ノードＮ１，Ｎ２間に直列に接続される。ダイオードＤ５，Ｄ６は、それぞれ、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６のエミッタ−コレクタ間に逆並列に接続される。共振用リアクトルＬ２は、平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合し、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６からの電荷の引き抜き時にリアクトル電流ＩＬ１を減少させる。【選択図】        図１
2005176540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を平滑化する第１および第２の電圧平滑用コンデンサと、
前記第１の電圧平滑用コンデンサと前記第２の電圧平滑用コンデンサとの間に接続された電圧変換器とを備え、
前記電圧変換器は、
ソフトスイッチング機能を有し、前記第１の電圧平滑用コンデンサと前記第２の電圧平滑用コンデンサとの間で電圧を変換する電圧変換回路と、
所定時に、前記電圧変換回路に含まれる平滑用リアクトルに流れる電流を減少させながら前記電圧変換回路に含まれる緩衝用コンデンサに蓄積された電荷を引き抜く補助回路とを含む、電圧変換装置。
【請求項２】
前記電圧変換回路は、
直列に接続された上アームおよび下アームと、
一方端が前記上アームと前記下アームとの中間点に接続され、他方端が前記第１の電圧平滑用コンデンサに接続された前記平滑用リアクトルとを含み、
前記上アームおよび前記下アームの各々は、並列接続されたスイッチング素子および緩衝用コンデンサからなり、
前記補助回路は、
前記平滑用リアクトルに並列に接続され、前記平滑用リアクトルに磁気的に結合された共振用リアクトルと、
前記中間点と前記第１の電圧平滑用コンデンサとの間に前記共振用リアクトルに直列に接続されたスイッチング素子とを含む、請求項１に記載の電圧変換装置。
【請求項３】
前記電圧変換回路は、
直列に接続された第１の上アームおよび第１の下アームを有し、前記第１の電平滑用コンデンサに並列に接続された第１のチョッパ回路と、
直列に接続された第２の上アームおよび第２の下アームを有し、前記第２の電圧平滑用コンデンサに並列に接続された第２のチョッパ回路と、
前記第１の上アームと前記第１の下アームとの第１の中間点と、前記第２の上アームと前記第２の下アームとの第２の中間点との間に接続された前記平滑用リアクトルとを含み、
前記第１および第２の上アームおよび前記第１および第２の下アームの各々は、並列接続されたスイッチング素子および緩衝用コンデンサからなり、
前記補助回路は、
前記平滑用リアクトルに並列に接続され、前記平滑用リアクトルに磁気的に結合された共振用リアクトルと、
前記第１の中間点と前記第２の中間点との間に前記共振用リアクトルに直列に接続され、前記第１の中間点と前記第２の中間点との間で電流を流すスイッチング回路とを含む、請求項１に記載の電圧変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング回路は、
前記第２の中間点から前記第１の中間点の方向へ電流を流す第１のスイッチング素子と、
前記第１の中間点から前記第２の中間点の方向へ電流を流す第２のスイッチング素子とからなる、請求項３に記載の電圧変換装置。
【請求項５】
前記第１の電圧平滑用コンデンサと前記第２の電圧平滑用コンデンサとの間で流れる電流の方向を判定するための電流センサーをさらに備える、請求項３または請求項４に記載の電圧変換装置。
【請求項６】
前記電圧変換回路は、前記第１の電圧平滑用コンデンサから前記第２の電圧平滑用コンデンサへの方向において電圧の昇圧動作および降圧動作を行ない、および前記第２の電圧平滑用コンデンサから前記第１の電圧平滑用コンデンサへの方向において電圧の昇圧動作および降圧動作を行なう、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ソフトスイッチング機能を有する電圧変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、１２Ｖ系の電源Ｖ１と４２Ｖ系の電源Ｖ２との間で昇圧動作および降圧動作を行なう共振形双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを開示する。共振形双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２，Ｑｒ１，Ｑｒ２と、緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２と、平滑用インダクタンスＬと、共振用インダクタンスＬｒとを備える。
【０００３】
ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２は、電源Ｖ２側の正母線と負母線との間に直列に接続される。平滑用インダクタンスＬは、一方端がＭＯＳＦＥＴＱ１とＭＯＳＦＥＴＱ２との接続点に接続され、他方端が電源Ｖ１の正母線に接続される。緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２の両端に接続される。
【０００４】
共振用インダクタンスＬｒおよびＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２は、ＭＯＳＦＥＴＱ１とＭＯＳＦＥＴＱ２との接続点と、電源Ｖ１の正母線との間に直列に接続される。すなわち、直列に接続された共振用インダクタンスＬｒおよびＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２は、平滑用インダクタンスＬに並列に接続される。そして、共振用インダクタンスＬｒおよびＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２は、補助回路Ｈ１を構成する。
【０００５】
補助回路Ｈ１は、昇圧動作および降圧動作の両方において、ＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２をスイッチング制御して緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２の充放電を共振用インダクタンスＬｒに流れる共振電流により制御し、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２のソフトスイッチングを実現する。
【特許文献１】特開２００３−３３０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の共振用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２のソフトスイッチングを実現するために緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２に蓄積された電荷を素早く引き出す必要がある。そして、緩衝用コンデンサＣ１，Ｃ２に蓄積された電荷を素早く引き出すためには、平滑用インダクタンスに流れる電流よりも大きい電流を共振用インダクタンスに流す必要がある。
【０００７】
その結果、共振用インダクタンスに直列に接続されたスイッチ（ＭＯＳＦＥＴＱｒ１，Ｑｒ２）として定格電流の大きいスイッチが必要になるという問題がある。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ソフトスイッチング用の補助回路に定格電流の小さいスイッチング素子を使用可能な電圧変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、電圧変換装置は、第１および第２の電圧平滑用コンデンサと、電圧変換器とを備える。第１および第２の電圧平滑用コンデンサは、電圧を平滑化する。電圧変換器は、第１の電圧平滑用コンデンサと第２の電圧平滑用コンデンサとの間に接続される。そして、電圧変換器は、ソフトスイッチング機能を有し、第１の電圧平滑用コンデンサと第２の電圧平滑用コンデンサとの間で電圧を変換する電圧変換回路と、所定時に、電圧変換回路に含まれる平滑用リアクトルに流れる電流を減少させながら電圧変換回路に含まれる緩衝用コンデンサに蓄積された電荷を引き抜く補助回路とを含む。
【００１０】
好ましくは、電圧変換回路は、直列に接続された上アームおよび下アームと、一方端が上アームと下アームとの中間点に接続され、他方端が第１の電圧平滑用コンデンサに接続された平滑用リアクトルとを含む。上アームおよび下アームの各々は、並列接続されたスイッチング素子および緩衝用コンデンサからなる。補助回路は、平滑用リアクトルに並列に接続され、平滑用リアクトルに磁気的に結合された共振用リアクトルと、中間点と第１の電圧平滑用コンデンサとの間に共振用リアクトルに直列に接続されたスイッチング素子とを含む。
【００１１】
好ましくは、電圧変換回路は、直列に接続された第１の上アームおよび第１の下アームを有し、第１の電平滑用コンデンサに並列に接続された第１のチョッパ回路と、直列に接続された第２の上アームおよび第２の下アームを有し、第２の電圧平滑用コンデンサに並列に接続された第２のチョッパ回路と、第１の上アームと第１の下アームとの第１の中間点と、第２の上アームと第２の下アームとの第２の中間点との間に接続された平滑用リアクトルとを含む。そして、第１および第２の上アームおよび第１および第２の下アームの各々は、並列接続されたスイッチング素子および緩衝用コンデンサからなる。補助回路は、平滑用リアクトルに並列に接続され、平滑用リアクトルに磁気的に結合された共振用リアクトルと、第１の中間点と第２の中間点との間に共振用リアクトルに直列に接続され、第１の中間点と第２の中間点との間で電流を流すスイッチング回路とを含む。
【００１２】
好ましくは、スイッチング回路は、第２の中間点から第１の中間点の方向へ電流を流す第１のスイッチング素子と、第１の中間点から第２の中間点の方向へ電流を流す第２のスイッチング素子とからなる。
【００１３】
好ましくは、電圧変換装置は、第１の電圧平滑用コンデンサと第２の電圧平滑用コンデンサとの間で流れる電流の方向を判定するための電流センサーをさらに備える。
【００１４】
好ましくは、電圧変換回路は、第１の電圧平滑用コンデンサから第２の電圧平滑用コンデンサへの方向において電圧の昇圧動作および降圧動作を行ない、および第２の電圧平滑用コンデンサから第１の電圧平滑用コンデンサへの方向において電圧の昇圧動作および降圧動作を行なう。
【発明の効果】
【００１５】
この発明による電圧変換装置においては、補助回路の共振用リアクトルが電圧変換回路に含まれる平滑用リアクトルに磁気的に結合しているため、補助回路は、平滑用リアクトルに流れる電流を減少させながら、電圧変換回路に含まれる緩衝用コンデンサに蓄積された電荷を引き抜く。その結果、緩衝用コンデンサに蓄積された電流を引き抜くために補助回路に流れる電流が減少する。
【００１６】
したがって、この発明によれば、補助回路の定格電流を低下させることができる。その結果、定格電流が小さいスイッチング素子を補助回路に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１による電圧変換装置の回路図である。図１を参照して、実施の形態１による電圧変換装置１０は、電圧平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２と、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ６と、ダイオードＤ１〜Ｄ６と、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６と、平滑用リアクトルＬ１と、共振用リアクトルＬ２と、電流センサーＳ１とを備える。
【００１９】
電圧変換装置１０は、電源Ｖ１と電源Ｖ２との間に接続され、電源Ｖ１と電源Ｖ２との間で電圧変換を行なう。そして、電源Ｖ１には負荷Ｒ１が接続され、電源Ｖ２には負荷Ｒ２が接続される。
【００２０】
電圧平滑用コンデンサＣ１は、電源Ｖ１の正母線ＬＮ１と負母線ＬＮ３との間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、正母線ＬＮ１と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１は、コレクタが正母線ＬＮ１に接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタに接続される。また、ＮＰＮトランジスタＱ２は、エミッタが負母線ＬＮ３に接続される。そして、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、電圧平滑用コンデンサＣ１に並列に接続される。
【００２１】
各ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ−コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。また、各ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ−コレクタ間には、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ４がそれぞれ接続されている。
【００２２】
電圧平滑用コンデンサＣ２は、電源Ｖ２の正母線ＬＮ２と負母線ＬＮ３との間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４は、正母線ＬＮ２と負母線ＬＮ３との間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ３は、コレクタが正母線ＬＮ２に接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタＱ４のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ４は、エミッタが負母線ＬＮ３に接続される。そして、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４は、電圧平滑用コンデンサＣ２に並列に接続される。
【００２３】
各ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタ−コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるようにダイオードＤ３，Ｄ４がそれぞれ接続されている。また、各ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタ−コレクタ間には、緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６がそれぞれ接続されている。
【００２４】
平滑用リアクトルＬ１は、ＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との接続点であるノードＮ１と、ＮＰＮトランジスタＱ３とＮＰＮトランジスタＱ４との接続点であるノードＮ２との間に接続される。
【００２５】
共振用リアクトルＬ２およびＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６は、ノードＮ１とノードＮ２との間に直列に接続される。より具体的には、共振用リアクトルＬ２は、ＮＰＮトランジスタＱ６とノードＮ２との間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ６は、コレクタが共振用リアクトルＬ２の一方端に接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタＱ５のエミッタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ５は、コレクタがノードＮ１に接続される。また、各ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６のエミッタ−コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ５，Ｄ６がそれぞれ接続されている。そして、直列接続された共振用リアクトルＬ２およびＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６は、平滑用リアクトルＬ１に並列に接続される。
【００２６】
電流センサーＳ１は、電源Ｖ１と電圧平滑用コンデンサＣ１との間の正母線ＬＮ１に設けられる。
【００２７】
図１において、点Ａは、平滑用リアクトルＬ１のコイルの巻き始めを表わし、点Ｂは、共振用リアクトルＬ２のコイルの巻き始めを表わす。したがって、平滑用リアクトルＬ１のコイルの巻き終わりと共振用リアクトルＬ２のコイルの巻き始めが同電位となるように平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２が設けられる。
【００２８】
電圧平滑用コンデンサＣ１は、正母線ＬＮ１と負母線ＬＮ３との間に印加される直流電圧を平滑化してＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２、電源Ｖ１および負荷Ｒ１へ供給する。また、電圧平滑用コンデンサＣ２は、正母線ＬＮ２と負母線ＬＮ３との間に印加される直流電圧を平滑化してＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４、電源Ｖ２および負荷Ｒ２へ供給する。
【００２９】
電流センサーＳ１は、正母線ＬＮ１を流れる電流の向きを判定するためのセンサーである。ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ６は、制御装置（図示せず）からのＰＷＭ信号によりスイッチング制御される。平滑用リアクトルＬ１は、電源Ｖ１と電源Ｖ２との間の電圧変換に利用する電気エネルギーを蓄える。
【００３０】
共振用リアクトルＬ２は、平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合される。そして、共振用リアクトルＬ２は、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６との間で共振電流を発生させるとともに平滑用リアクトルＬ１に流れる電流を磁気的結合がない場合よりも速く（急激に）減少させる。
【００３１】
なお、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４に印加される電圧ＶＱ１〜ＶＱ４およびＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４を流れる電流ＩＱ１〜ＩＱ４を次のように定義する。電圧ＶＱ１は、正母線ＬＮ１側を正とした電圧であり、電圧ＶＱ２は、ノードＮ１側を正として電圧であり、電圧ＶＱ３は、正母線ＬＮ２側を正とした電圧であり、電圧ＶＱ４は、ノードＮ２側を正とした電圧である。
【００３２】
また、電流ＩＱ１は、正母線ＬＮ１からノードＮ１へ流れる方向を正とする電流であり、電流ＩＱ２は、ノードＮ１から負母線ＬＮ３へ流れる方向を正とする電流であり、電流ＩＱ３は、正母線ＬＮ２からノードＮ２へ流れる方向を正とする電流であり、電流ＩＱ４は、ノードＮ２から負母線ＬＮ３へ流れる方向を正とする電流である。
【００３３】
さらに、平滑用リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合、ノードＮ１からノードＮ２への方向を正とする電流であり、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換する場合、ノードＮ２からノードＮ１への方向を正とする電流である。共振用リアクトルＬ２に流れるリアクトル電流ＩＬ２は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換する場合、ノードＮ２からノードＮ１への方向を正とする電流であり、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換する場合、ノードＮ１からノードＮ２への方向を正とする電流である。
【００３４】
図２は、磁気的に結合された平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２の平面配置図である。
【００３５】
図２を参照して、平滑用リアクトルＬ１は、コア１，３と、コイル４とからなり、共振用リアクトルＬ２は、コア２，３と、コイル５とからなる。コイル４は、コア１，３に巻回される。そして、コイル４には、端子６から端子７の方向へ電流が流れる。コイル５は、コア２，３に巻回される。そして、コイル５には、端子８から端子９の方向へ電流が流れる。このように、コイル４，５は、コア３に共通に巻回される。これにより、コイル４に流れる電流により発生した磁束は、矢印２５の方向にコア３中を伝搬し、コイル５に流れる電流により発生した磁束は、矢印２６の方向にコア３中を伝搬する。つまり、コイル４に流れる電流により発生した磁束は、コイル５に流れる電流により発生した磁束と同じ方向にコア３中を伝搬する。その結果、共振用リアクトルＬ２は、平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合し、平滑用リアクトルＬ１のコイル４に流れる電流を減少させる。
【００３６】
図３は、磁気的に結合された平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２の他の平面配置図である。図３を参照して、平滑用リアクトルＬ１は、コア１１と、コイル１３，１４とからなる。共振用リアクトルＬ２は、コア１２と、コイル１５，１６とからなる。
【００３７】
コイル１３は、コア１１の脚柱１１Ａに巻回される。コイル１４は、コア１１の脚柱１１Ｂおよびコア１２の脚柱１２Ｂに巻回される。コイル１５は、コア１２の脚柱１２Ａに巻回される。コイル１６は、コア１１の脚柱１１Ｂおよびコア１２の脚柱１２Ｂに巻回される。このようにコイル１４，１６は、コア１１の脚柱１１Ｂおよびコア１２の脚柱１２Ｂに共通に巻回される。
【００３８】
コイル１３には、端子１７から端子１８の方向へ電流が流れ、コイル１４には、端子１９から端子２０の方向へ電流が流れる。これにより、コイル１３，１４に流れる電流により発生した磁束は、矢印２７の方向にコア１１中を伝搬する。
【００３９】
また、コイル１５には、端子２１から端子２２の方向へ電流が流れ、コイル１６には、端子２３から端子２４の方向へ電流が流れる。これにより、コイル１５，１６に流れる電流により発生した磁束は、矢印２８の方向にコア１２中を伝搬する。
【００４０】
これにより、コイル１５，１６に流れる電流により発生した磁束は、コイル１３，１４に流れる電流により発生した磁束を減少させるように作用する。その結果、共振用リアクトルＬ２は、平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合し、平滑用リアクトルＬ１のコイル１３，１４に流れる電流を減少させる。
【００４１】
上記においては、共振用リアクトルＬ２が平滑用リアクトルＬ１に流れる電流を減少させるように平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合する平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２の平面配置について説明したが、この発明においては、図２および図３に示す平面配置に限らず、共振用リアクトルＬ２が平滑用リアクトルＬ１に流れる電流を減少させるように平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合する平面配置であれば、どのような配置であってもよい。
【００４２】
図４および図５は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。また、図６は、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の動作波形図である。
【００４３】
電流センサーＳ１が電源Ｖ１からＮＰＮトランジスタＱ１の方向へ流れる電流を検出すると、制御装置（図示せず）は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換するモードＭＤＥ１であると判定し、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオンし、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオフする。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ４→電源Ｖ１の経路を電流が流れ、平滑用リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積される（図４の（ａ）参照）。
【００４４】
この場合、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は０Ｖであり、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は、所定の電圧に維持される。また、電流ＩＱ１，ＩＱ４は徐々に増加し、それに伴って平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１も徐々に増加する。また、電流ＩＱ２，ＩＱ３およびリアクトル電流ＩＬ２は０Ａに維持される。
【００４５】
その後、タイミングｔ１でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオフするとき、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される（図４の（ｂ）参照）。そうすると、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６は充電され、これに伴って電圧ＶＱ１，ＶＱ４は上昇する。
【００４６】
また、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５は放電され、これに伴って電圧ＶＱ２，ＶＱ３は、低下し、タイミングｔ２で０Ｖになる。そうすると、ダイオードＤ２およびＤ３がオンされ、電流ＩＱ２，ＩＱ３は、負の方向に流れ、ＮＰＮトランジスタＱ２→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ３→電圧平滑用コンデンサＣ２の経路で電流が還流する（図４の（ｃ）および図６参照）。
【００４７】
その後、電流ＩＱ２，ＩＱ３が負の方向の最大値に達した後のタイミングｔ３でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３がオンされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。そして、負の方向に流れる電流ＩＱ２，ＩＱ３は、平滑用リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーの減少に伴って徐々に減少する。
【００４８】
そして、タイミングｔ４でＮＰＮトランジスタＱ６がゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によりオンされると、共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ６およびダイオードＤ５を介してリアクトル電流ＩＬ２がノードＮ２からノードＮ１の方向へ流れ、リアクトル電流ＩＬ１は、共振用リアクトルＬ２との磁気的結合により減少し、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３を負方向に流れる電流ＩＱ２，ＩＱ３も、急激に減少する（図４の（ｄ）および図６参照）。そして、リアクトル電流ＩＬ２がリアクトル電流ＩＬ１を上回った時点で電流ＩＱ２，ＩＱ３は、負方向から正方向に反転する（図５の（ｅ）および図６参照）。
【００４９】
その後、タイミングｔ５でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によりオフされる。そうすると、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５は充電され、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６は放電される（図５の（ｆ）参照）。この場合、リアクトル電流ＩＬ２は、正方向に流れている。そして、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５の充電に伴って電圧ＶＱ２，ＶＱ３は上昇し、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６の放電に伴って電圧ＶＱ１，ＶＱ４は０Ｖまで低下する（図６参照）。
【００５０】
そうすると、ダイオードＤ１，Ｄ４がオンされ、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４を流れる電流ＩＱ１，ＩＱ４は負方向に変化し、ＮＰＮトランジスタＱ４→共振用リアクトルＬ２→ＮＰＮトランジスタＱ１→電圧平滑用コンデンサＣ１の経路で電流が還流する（図５の（ｇ）および図６参照）。
【００５１】
その後、タイミングｔ６でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４はゼロ電圧スイッチングによりオンされ、リアクトル電流ＩＬ２が０Ａに低下した後、ＮＰＮトランジスタＱ６は、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によりオフされる（図５の（ｈ）および図６参照）。そして、上述した図４の（ａ）へ移行する。
【００５２】
このように、図４の（ａ）から図５の（ｈ）までの各ステップを経て電圧変換装置１０は、電源電圧Ｖａ１を電源電圧Ｖａ２に変換する。この場合、Ｖａ１＜Ｖａ２であれば、電圧変換装置１０は昇圧動作を行なうことになり、Ｖａ１＞Ｖａ２であれば、電圧変換装置１０は降圧動作を行なうことになる。
【００５３】
リアクトル電流ＩＬ２がリアクトル電流ＩＬ１を上回った時点以降、リアクトル電流ＩＬ２は、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６に充電された電荷を引き抜く機能を果たすが、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６に蓄積された電荷をタイミングｔ５からタイミングｔ６までのデッドタイム期間に引き抜くためには、リアクトル電流ＩＬ２とリアクトル電流ＩＬ１との間に電流差ΔＩＬ１が必要である。
【００５４】
共振用リアクトルＬ２は、平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合し、タイミングｔ４以降、リアクトル電流ＩＬ１を減少させている。その結果、共振用リアクトルＬ２が平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合しない場合よりもリアクトル電流ＩＬ１が減少し、リアクトル電流ＩＬ１との間に電流差ΔＩＬ１を保持する必要のあるリアクトル電流ＩＬ２も減少する。つまり、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６から電荷を引き抜くための条件は、リアクトル電流ＩＬ１＜リアクトル電流ＩＬ２であるので、リアクトル電流ＩＬ１を磁気的結合により減少させることができれば、リアクトル電流ＩＬ２も減少する。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ６の定格電流を低下させることができる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ６として定格電流が小さいＮＰＮトランジスタを使用できる。
【００５５】
図７および図８は、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。また、図９は、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の動作波形図である。
【００５６】
電流センサーＳ１がＮＰＮトランジスタＱ１から電源Ｖ１の方向へ流れる電流を検出すると、制御装置（図示せず）は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換するモードＭＤＥ２であると判定し、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオンし、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４をオフする。そして、ＮＰＮトランジスタＱ３→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ２→電源Ｖ２の経路を電流が流れ、平滑用リアクトルＬ１にエネルギーが蓄積される（図７の（ａ）参照）。
【００５７】
この場合、電圧ＶＱ２，ＶＱ３は０Ｖであり、電圧ＶＱ１，ＶＱ４は、所定の電圧に維持される。また、電流ＩＱ２，ＩＱ３は徐々に増加し、それに伴って平滑用リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬ１も徐々に増加する。また、電流ＩＱ１，ＩＱ４およびリアクトル電流ＩＬ２は０Ａに維持される。
【００５８】
その後、タイミングｔ７でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３をオフするとき、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される（図７の（ｂ）参照）。そうすると、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５は充電され、これに伴って電圧ＶＱ２，ＶＱ３は上昇する。
【００５９】
また、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６は放電され、これに伴って電圧ＶＱ１，ＶＱ４は、低下し、タイミングｔ８で０Ｖになる。そうすると、ダイオードＤ１およびＤ４がオンされ、電流ＩＱ１，ＩＱ４は、負の方向に流れ、ＮＰＮトランジスタＱ４→平滑用リアクトルＬ１→ＮＰＮトランジスタＱ１→電圧平滑用コンデンサＣ１の経路で電流が還流する（図７の（ｃ）および図９参照）。
【００６０】
その後、電流ＩＱ１，ＩＱ４が負の方向の最大値に達した後のタイミングｔ９でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４がオンされる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）される。そして、負の方向に流れる電流ＩＱ１，ＩＱ４は、平滑用リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーの減少に伴って徐々に減少する。
【００６１】
そして、タイミングｔ１０でＮＰＮトランジスタＱ５がゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によりオンされると、共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ５およびダイオードＤ６を介してリアクトル電流ＩＬ２がノードＮ１からノードＮ２の方向へ流れ、リアクトル電流ＩＬ１は、共振用リアクトルＬ２との磁気的結合により減少し、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４を負方向に流れる電流ＩＱ１，ＩＱ４も、急激に減少する（図７の（ｄ）および図９参照）。そして、リアクトル電流ＩＬ２がリアクトル電流ＩＬ１を上回った時点で電流ＩＱ１，ＩＱ４は、負方向から正方向に反転する（図８の（ｅ）および図９参照）。
【００６２】
その後、タイミングｔ１１でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によりオフされる。そうすると、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６は充電され、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５は放電される（図８の（ｆ）参照）。この場合、リアクトル電流ＩＬ２は、正方向に流れている。そして、緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ６の充電に伴って電圧ＶＱ１，ＶＱ４は上昇し、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５の放電に伴って電圧ＶＱ２，ＶＱ３は０Ｖまで低下する（図９参照）。
【００６３】
そうすると、ダイオードＤ２，Ｄ３がオンされ、ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３を流れる電流ＩＱ２，ＩＱ３は負方向に変化し、ＮＰＮトランジスタＱ２→共振用リアクトルＬ２→ＮＰＮトランジスタＱ３→電圧平滑用コンデンサＣ２の経路で電流が還流する（図８の（ｇ）および図９参照）。
【００６４】
その後、タイミングｔ１２でＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ３はゼロ電圧スイッチングによりオンされ、リアクトル電流ＩＬ２が０Ａに低下した後、ＮＰＮトランジスタＱ５は、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によりオフされる（図８の（ｈ）および図９参照）。そして、上述した図７の（ａ）へ移行する。
【００６５】
このように、図７の（ａ）から図８の（ｈ）までの各ステップを経て電圧変換装置１０は、電源電圧Ｖａ２を電源電圧Ｖａ１に変換する。この場合、Ｖａ２＜Ｖａ１であれば、電圧変換装置１０は昇圧動作を行なうことになり、Ｖａ２＞Ｖａ１であれば、電圧変換装置１０は降圧動作を行なうことになる。
【００６６】
リアクトル電流ＩＬ２がリアクトル電流ＩＬ１を上回った時点以降、リアクトル電流ＩＬ２は、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５に充電された電荷を引き抜く機能を果たすが、緩衝用コンデンサＣ４，Ｃ５に蓄積された電荷をタイミングｔ１１からタイミングｔ１２までのデッドタイム期間に引き抜くためには、リアクトル電流ＩＬ２とリアクトル電流ＩＬ１との間に電流差ΔＩＬ２が必要である。
【００６７】
共振用リアクトルＬ２は、平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合し、タイミングｔ１０以降、リアクトル電流ＩＬ１を減少させている。その結果、共振用リアクトルＬ２が平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合しない場合よりもリアクトル電流ＩＬ１が速く（急激に）減少し、リアクトル電流ＩＬ１との間に電流差ΔＩＬ２を保持する必要のあるリアクトル電流ＩＬ２も減少する。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ５の定格電流を低下させることができる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ５として定格電流が小さいＮＰＮトランジスタを使用できる。
【００６８】
上述したように、電源電圧Ｖａ１と電源電圧Ｖａ２との間で電圧変換を行なう場合、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６との間で共振電流を発生させる共振用リアクトルＬ２を電圧変換において電気エネルギーを蓄積する平滑用リアクトルＬ１と磁気的に結合し、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６に蓄積された電荷の引抜時に平滑用リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１を減少させることによって、リアクトル電流ＩＬ２を減少させることができる。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の定格電流を低下させることができる。すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６として定格電流の小さいＮＰＮトランジスタを使用できる。
【００６９】
なお、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６、平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２は、電圧平滑用コンデンサＣ１と電圧平滑用コンデンサＣ２との間に接続された「電圧変換器」を構成する。
【００７０】
また、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４、ダイオードＤ１〜Ｄ４、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６および平滑用リアクトルＬ１は、ソフトスイッチング機能を有し、電圧平滑用コンデンサＣ１と電圧平滑用コンデンサＣ２との間で電圧を変換する「電圧変換回路」を構成する。
【００７１】
さらに、共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６およびダイオードＤ５，Ｄ６は、所定時に、電圧変換回路（ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４、ダイオードＤ１〜Ｄ４、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６および平滑用リアクトルＬ１）に含まれる平滑用リアクトルＬ１に流れる電流（ＩＬ１）を減少させるとともに電圧変換回路に含まれる緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６に蓄積された電荷を引き抜く「補助回路」を構成する。
【００７２】
さらに、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２および緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ４は、「第１のチョッパ回路」を構成し、ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４、ダイオードＤ３，Ｄ４および緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６は、「第２のチョッパ回路」を構成する。
【００７３】
さらに、ＮＰＮトランジスタＱ１、ダイオードＤ１および緩衝用コンデンサＣ３は、「上アーム」を構成し、ＮＰＮトランジスタＱ２、ダイオードＤ２および緩衝用コンデンサＣ４は、「下アーム」を構成する。
【００７４】
さらに、ＮＰＮトランジスタＱ３、ダイオードＤ３および緩衝用コンデンサＣ５は、「上アーム」を構成し、ＮＰＮトランジスタＱ４、ダイオードＤ４および緩衝用コンデンサＣ６は、「下アーム」を構成する。
【００７５】
実施の形態１によれば、電圧変換装置１０は、リアクトル電流ＩＬ１を低減させるように平滑用コンデンサＬ１に磁気的に結合した共振用リアクトルＬ２を備えるので、補助回路（共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６およびダイオードＤ５，Ｄ６からなる）は、平滑用リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１を低減させながら緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６から電荷を引き抜く。その結果、緩衝用コンデンサＣ３〜Ｃ６から電荷を引き抜くためのリアクトル電流ＩＬ２が減少する。
【００７６】
したがって、この発明によれば、補助回路のＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の定格電流を小さくできる。すなわち、定格電流が小さいＮＰＮトランジスタを補助回路に使用できる。その結果、低コスト化が可能となる。
【００７７】
また、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４は、ソフトスイッチングされるので、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ４の駆動周波数を可聴領域以上に設定できる。その結果、リアクトルの騒音を低減できる。
【００７８】
［実施の形態２］
図１０は、実施の形態２による電圧変換装置の回路図である。図１０を参照して、実施の形態２による電圧変換装置１０Ａは、電圧変換装置１０のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２および緩衝用コンデンサＣ３，Ｃ４を削除したものであり、その他は、電圧変換装置１０と同じである。
【００７９】
電圧変換装置１０Ａは、電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電源Ｖａ２に昇圧して電源Ｖ２および／または負荷Ｒ２に供給し、電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に降圧して電源Ｖ１および／または負荷Ｒ１に供給する。
【００８０】
電圧変換装置１０Ａにおける昇圧動作は、図４の（ａ）から図５の（ｈ）に示す動作に従って行なわれ、降圧動作は、図７の（ａ）から図８の（ｈ）に示す動作に従って行なわれる。そして、共振用リアクトルＬ２は、昇圧動作および降圧動作においてリアクトル電流ＩＬ１を減少させるとともに緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６に蓄積された電荷を引き抜く。
【００８１】
なお、ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ６、ダイオードＤ３〜Ｄ６、緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６、平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２は、電圧平滑用コンデンサＣ１と電圧平滑用コンデンサＣ２との間に接続された「電圧変換器」を構成する。
【００８２】
また、ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４、ダイオードＤ３，Ｄ４、緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６および平滑用リアクトルＬ１は、ソフトスイッチング機能を有し、電圧平滑用コンデンサＣ１と電圧平滑用コンデンサＣ２との間で電圧を変換する「電圧変換回路」を構成する。
【００８３】
さらに、共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６およびダイオードＤ５，Ｄ６は、所定時に、電圧変換回路（ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４、ダイオードＤ３，Ｄ４、緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６および平滑用リアクトルＬ１）に含まれる平滑用リアクトルＬ１に流れる電流（ＩＬ１）を減少させるとともに電圧変換回路に含まれる緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６に蓄積された電荷を引き抜く「補助回路」を構成する。
【００８４】
その他は、実施の形態１と同じである。
【００８５】
実施の形態２によれば、電圧変換装置１０は、リアクトル電流ＩＬ１を低減させるように平滑用コンデンサＬ１に磁気的に結合した共振用リアクトルＬ２を備えるので、補助回路（共振用リアクトルＬ２、ＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６およびダイオードＤ５，Ｄ６からなる）は、平滑用リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ１を低減させながら緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６から電荷を引き抜く。その結果、緩衝用コンデンサＣ５，Ｃ６から電荷を引き抜くためのリアクトル電流ＩＬ２が減少する。
【００８６】
したがって、この発明によれば、補助回路のＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の定格電流を小さくできる。すなわち、定格電流が小さいＮＰＮトランジスタを補助回路に使用できる。その結果、低コスト化が可能となる。
【００８７】
また、ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４は、ソフトスイッチングされるので、ＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の駆動周波数を可聴領域以上に設定できる。その結果、リアクトルの騒音を低減できる。
【００８８】
上記の実施の形態１，２においては、スイッチング素子としてＮＰＮトランジスタを用いた場合について説明したが、この発明は、これに限らず、ＭＯＳトランジスタおよびＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）等の半導体スイッチが用いられてもよい。そして、ＭＯＳトランジスタがＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ６の代わりに用いられた場合、ダイオードＤ１〜Ｄ６は使用されない。ＭＯＳトランジスタは、ソースからドレインの方向へ電流を流す寄生ダイオードを含んでいるからである。
【００８９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
この発明は、ソフトスイッチング用の補助回路に定格電流の小さいスイッチング素子を使用可能な電圧変換装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】実施の形態１による電圧変換装置の回路図である。
【図２】磁気的に結合された平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２の平面配置図である。
【図３】磁気的に結合された平滑用リアクトルＬ１および共振用リアクトルＬ２の他の平面配置図である。
【図４】電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。
【図５】電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。
【図６】電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１を電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２に変換する場合の動作波形図である。
【図７】電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。
【図８】電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の電圧変換装置１０の動作を説明するための回路図である。
【図９】電源Ｖ２の電源電圧Ｖａ２を電源Ｖ１の電源電圧Ｖａ１に変換する場合の動作波形図である。
【図１０】実施の形態２による電圧変換装置の回路図である。
【符号の説明】
【００９２】
１〜３，１１，１２  コア、４，５，１３〜１６  コイル、６〜９，１７〜２４  端子、１０，１０Ａ  電圧変換装置、１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ  脚柱、２５〜２８  矢印、Ｒ１，Ｒ２  負荷、Ｖ１，Ｖ２  電源、Ｃ１，Ｃ２  電圧平滑用コンデンサ、Ｃ３〜Ｃ６  緩衝用コンデンサ、Ｑ１〜Ｑ６  ＮＰＮトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード、Ｌ１  平滑用リアクトル、Ｌ２  共振用リアクトル、ＬＮ１，ＬＮ２  正母線、ＬＮ３  負母線、Ｎ１，Ｎ２  ノード、Ｓ１  電流センサー。
【図１】
2005176540.tif 000003
【図２】
2005176540.tif 000004
【図３】
2005176540.tif 000005
【図４】
2005176540.tif 000006
【図５】
2005176540.tif 000007
【図６】
2005176540.tif 000008
【図７】
2005176540.tif 000009
【図８】
2005176540.tif 000010
【図９】
2005176540.tif 000011
【図１０】
2005176540.tif 000012