(57)【要約】【課題】小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路及び電力変換装置を得る。【解決手段】昇降圧回路５６は、交流電源２０１から入力される入力電圧を昇圧又は降圧して負荷に供給するための昇降圧回路であって、入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する全波整流部１６と、互いに磁気結合した巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２を含み、全波整流部１６によって整流された電圧が巻線Ｌ１に印加される巻線部１１と、巻線部１１が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は巻線部１１が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、昇降圧回路５６に流れる電流の経路を切り替える経路切替部１２と、を備え、経路切替部１２によって電流の経路が切り替えられることにより、昇圧動作及び降圧動作においては、交流電源２０１から流入した電流が巻線Ｌ１を流れる。【選択図】図１１
2012120387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から入力される入力電圧を昇圧又は降圧して負荷に供給するための昇降圧回路であって、
前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、
互いに磁気結合した第１の巻線及び第２の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第１の巻線に印加される巻線部と、
前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、
を備え、
前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第１の巻線を流れる、昇降圧回路。
【請求項２】
前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記降圧動作においては、前記第２の巻線から出力された電流が前記負荷に供給される、請求項１に記載の昇降圧回路。
【請求項３】
前記経路切替部は、
前記第１の巻線を介しかつ前記負荷を介さない経路に流れる電流をオンオフする第１のスイッチ素子と、
前記第１の巻線及び前記負荷を介して流れる電流をオンオフする第２のスイッチ素子と、
を含む、請求項１又は２に記載の昇降圧回路。
【請求項４】
前記昇圧動作は、前記第１のスイッチ素子がオンかつ前記第２のスイッチ素子がオフである状態と、前記第１のスイッチ素子がオフかつ前記第２のスイッチ素子がオンである状態とを切り替えることで行われ、
前記降圧動作は、前記第１のスイッチ素子がオフかつ前記第２のスイッチ素子がオンである状態と、前記第１のスイッチ素子がオフかつ前記第２のスイッチ素子がオフである状態とを切り替えることで行われる、請求項３に記載の昇降圧回路。
【請求項５】
前記第１の巻線は、前記整流部の出力端の一方に接続される第１端、及び第２端を有し、
前記第２の巻線は、第１端、及び前記負荷の一方端側とに接続される第２端を有し、
前記第１のスイッチ素子は、前記第１の巻線の第２端と前記第２のスイッチとの接続ノード、及び前記整流部の出力端の他方と前記第２の巻線の第２端と前記負荷の一方端側との接続ノードの間に接続され、
前記第２のスイッチ素子は、前記第１の巻線の第２端と前記第１のスイッチとの接続ノード、及び前記第２の巻線の第１端と前記負荷の他方端側との接続ノードの間に接続される、請求項３又は４に記載の昇降圧回路。
【請求項６】
電源から入力電圧が入力される入力端と、
出力端と、
前記入力電圧を昇圧又は降圧し、前記出力端から負荷へ昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、
を備え、
前記昇降圧回路は、
前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、
互いに磁気結合した第１の巻線及び第２の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第１の巻線に印加される巻線部と、
前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、
を備え、
前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第１の巻線を流れる、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇降圧回路及び電力変換装置に関し、特に力率改善機能を有する昇降圧回路及び電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）及びプラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。
【０００３】
すなわち、電気自動車及びプラグイン方式のハイブリッドカーの特長の一つは、家庭用コンセント等の外部電源を用いて主電池である車載バッテリを充電できることである。そして、ＡＣ１００Ｖ又はＡＣ２００Ｖの家庭用コンセントを用いて車載バッテリを充電するには、交流電圧（ＡＣ）をバッテリ用の直流電圧（ＤＣ）に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータが必要となる。
【０００４】
下記特許文献１には、スイッチングによりデューティ比を変えることで、出力する直流電圧の昇圧又は降圧が可能なＡＣ／ＤＣコンバータが開示されている。当該ＡＣ／ＤＣコンバータによれば、昇降圧回路において、ＡＣ入力に対して全波整流を行った後、スイッチングによるチョッパ制御によってリアクトルに蓄積されたエネルギーの放出をオンオフすることで、昇圧又は降圧が可能なＤＣ出力を得る。また、このオンオフの制御により、リアクトルに流れる電流の波形を入力電圧の波形と相似形となるように制御すれば、当該ＡＣ／ＤＣコンバータの電力変換時における力率の改善を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０４６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示されたＡＣ／ＤＣコンバータには、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路によって電圧の昇降圧を行うものがある。昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路は、入力電圧がリアクトルに印加されるか否かの切り替えをスイッチ素子のスイッチングによって行い、リアクトルに磁気エネルギーを蓄積する。そして、スイッチ素子の切り替えによりリアクトルに蓄積したエネルギーを放出することで、昇圧又は降圧された電圧を出力する。
【０００７】
しかし、この昇降圧チョッパ方式を用いる昇降圧回路は、スイッチ素子のスイッチングにより入力電流をオフにする期間があるため、入力電流をオフにする期間がない昇圧チョッパ方式の回路に比べ、同レベルの出力電流を得ようとすると入力電流を大きく設定する必要がある。そして、入力電流が大きくなると、昇降圧回路内でのリップル電流も大きくなるため、回路素子での損失が大きくなってしまう。
【０００８】
また、大きな入力電流に対応するため、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路は、昇圧チョッパ方式の回路と比べ、回路素子に高い電力容量が求められる。よって、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路は、昇圧チョッパ方式の回路と比べて装置のサイズが増大してしまう。
【０００９】
さらに、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路では、リアクトルに流れる入力電流をスイッチ素子によってオフにする期間があるので、入力電流と入力電圧との波形の相似性が崩れることにより力率が悪化するという問題点もある。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路及び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】
【００１１】
本発明の第１の態様に係る昇降圧回路は、電源から入力される入力電圧を昇圧又は降圧して負荷に供給するための昇降圧回路であって、前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、互いに磁気結合した第１の巻線及び第２の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第１の巻線に印加される巻線部と、前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、を備え、前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第１の巻線を流れることを特徴とする。
【００１２】
第１の態様に係る昇降圧回路によれば、整流部は、入力電圧が所定の極性の電圧となるよう整流を行う。巻線部は、第１の巻線に整流された電圧を受けることで、互いに磁気結合した第１の巻線と第２の巻線とに磁気エネルギーを蓄積する。経路切替部が電流の経路を切り替えることで、第１の巻線と第２の巻線とに蓄積された磁気エネルギーの放出タイミングを制御することにより、昇圧動作を行う場合は巻線部から昇圧された電圧を出力し、降圧動作を行う場合は巻線部から降圧された電圧を出力する。したがって、電流の経路を切り替えることで昇圧動作と降圧動作とを個別に行えるため、当該昇圧動作を行う場合には、同一の経路で昇降圧を行う昇降圧チョッパ方式の回路に比べ損失を軽減できる。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を少なくすることができるので、回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。また、当該昇圧動作を行う場合に、入力電流を遮断せず、かつ入力電流の波形が入力電圧の波形と相似形となるように経路切替部による経路の切り替えを行えば、力率の改善を行うことができる。さらに、整流部が入力電圧を所定の極性の電圧に整流するので、入力電圧の極性によって回路の動作を変える必要がなく、簡単な制御で動作させることが可能である。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る昇降圧回路によれば、第１の態様に係る昇降圧回路において特に、前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記降圧動作においては、前記第２の巻線から出力された電流が前記負荷に供給されることを特徴とする。
【００１４】
第２の態様に係る昇降圧回路によれば、降圧動作においては、経路切替部が電流の経路を切り替えることにより、第１の巻線に入力電流が流れることで第１の巻線と第２の巻線とに蓄積された磁気エネルギーを、第２の巻線からの誘導電流として負荷に供給する。よって、第２の巻線に直接入力電流を流さずに降圧動作を行うことができるので、第２の巻線への電流供給回路を省くことで、回路をさらに小型化することが可能となる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る昇降圧回路は、第１又は第２の態様に係る昇降圧回路において特に、前記経路切替部は、前記第１の巻線を介しかつ前記負荷を介さない経路に流れる電流をオンオフする第１のスイッチ素子と、前記第１の巻線及び前記負荷を介して流れる電流をオンオフする第２のスイッチ素子と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
第３の態様に係る昇降圧回路によれば、第１のスイッチ素子は、第１の巻線を介しかつ負荷を介さない経路に流れる電流をオンオフする。第２のスイッチ素子は、第１の巻線及び負荷を介して流れる電流をオンオフする。よって、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを制御することで、巻線部に磁気エネルギーを蓄積するタイミングと、その蓄積した磁気エネルギーを負荷に供給するタイミングとを制御することができる。したがって、これらのスイッチ素子の切り替えを適切に行えば、簡単な回路で昇圧動作又は降圧動作を行うことが可能となる。
【００１７】
本発明の第４の態様に係る昇降圧回路は、第３の態様に係る昇降圧回路において特に、前記昇圧動作は、前記第１のスイッチ素子がオンかつ前記第２のスイッチ素子がオフである状態と、前記第１のスイッチ素子がオフかつ前記第２のスイッチ素子がオンである状態とを切り替えることで行われ、前記降圧動作は、前記第１のスイッチ素子がオフかつ前記第２のスイッチ素子がオンである状態と、前記第１のスイッチ素子がオフかつ前記第２のスイッチ素子がオフである状態とを切り替えることで行われることを特徴とする。
【００１８】
第４の態様に係る昇降圧回路によれば、これらのスイッチ素子による状態の切り替えにより、昇圧動作において、巻線部に磁気エネルギーを蓄積し、その磁気エネルギーによって第１の巻線に生じた誘導電圧を入力電圧に加増して負荷に出力するので、簡易なスイッチ制御により負荷に昇圧された電圧を出力することができる。この昇圧動作を行っている間、第１の巻線に流れる入力電流は遮断されないので、入力電流の波形が入力電圧の波形と相似形となるように経路切替部による経路の切り替えを行うことで、力率の改善が可能である。また、降圧動作において、巻線部に磁気エネルギーを蓄積し、その磁気エネルギーによって発生した誘導電圧を第２の巻線から出力するので、簡易なスイッチ制御により負荷に降圧された電圧を出力することができる。
【００１９】
本発明の第５の態様に係る昇降圧回路は、第３又は第４の態様に係る昇降圧回路において特に、前記第１の巻線は、前記整流部の出力端の一方に接続される第１端、及び第２端を有し、前記第２の巻線は、第１端、及び前記負荷の一方端側とに接続される第２端を有し、前記第１のスイッチ素子は、前記第１の巻線の第２端と前記第２のスイッチとの接続ノード、及び前記整流部の出力端の他方と前記第２の巻線の第２端と前記負荷の一方端側との接続ノードの間に接続され、前記第２のスイッチ素子は、前記第１の巻線の第２端と前記第１のスイッチとの接続ノード、及び前記第２の巻線の第１端と前記負荷の他方端側との接続ノードの間に接続されることを特徴とする。
【００２０】
第５の態様に係る昇降圧回路によれば、これらの回路構成により、第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子のオンオフを制御するという容易なスイッチ制御を行うだけで、巻線部が昇圧した電圧を負荷に出力する昇圧動作と、巻線部が降圧した電圧を負荷に出力する降圧動作とを行うことができる。よって、小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路を簡単な回路構成で実現することが可能である。
【００２１】
本発明の第６の態様に係る電力変換装置は、電源から入力電圧が入力される入力端と、出力端と、前記入力電圧を昇圧又は降圧し、前記出力端から負荷へ昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、を備え、前記昇降圧回路は、前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、互いに磁気結合した第１の巻線及び第２の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第１の巻線に印加される巻線部と、前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、を備え、前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第１の巻線を流れることを特徴とする。
【００２２】
第６の態様に係る電力変換装置によれば、整流部は、電源から入力された入力電圧が所定の極性の電圧となるよう整流を行う。巻線部は、第１の巻線に整流部によって整流された電圧を受けることで、互いに磁気結合した第１の巻線と第２の巻線とに磁気エネルギーを蓄積する。そして、経路切替部が電流の経路を切り替えることで、第１の巻線と第２の巻線とに蓄積された磁気エネルギーの放出タイミングを制御することにより、昇圧動作を行う場合は巻線部から昇圧された電圧を出力端に出力し、降圧動作を行う場合は巻線部から降圧された電圧を出力端に出力する。したがって、電流の経路を切り替えることで昇圧動作と降圧動作とを個別に行うため、当該昇圧動作を行う場合には、同一の経路で昇降圧を行う昇降圧チョッパ方式の回路に比べ損失を軽減できる。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を少なくすることができるので、回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。また、当該昇圧動作を行う場合に、入力電流を遮断せず、かつ入力電流の波形が入力電圧の波形と相似形となるように経路切替部による経路の切り替えを行えば、力率の改善を行うことができる。さらに、整流部が入力電圧を所定の極性の電圧とすることで、入力電圧の極性によって回路の動作を変える必要がないため、簡単な制御で動作させることが可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路及び電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を概略的に示した図である。
【図２】第１極性昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。
【図３】第１極性昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。
【図４】第２極性昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。
【図５】第２極性昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。
【図６】第１極性降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。
【図７】第１極性降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。
【図８】第２極性降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。
【図９】第２極性降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。
【図１０】昇降圧回路の出力電圧が所定値の場合における昇降圧回路の動作の切り替えタイミングを示した図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を概略的に示した図である。
【図１２】昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。
【図１３】昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。
【図１４】降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。
【図１５】降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。
【図１６】昇降圧回路の出力電圧が所定値の場合における昇降圧回路の動作の切り替えタイミングを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。
【００２６】
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０１の構成を概略的に示した図である。電力変換装置１０１は、ノイズフィルタ５１、昇降圧回路５２、電力伝達用絶縁回路５３、入力端５４、及び出力端５５を備える。昇降圧回路５２は、巻線部１１、経路切替部１２、整流部１３、平滑部１４、制御部１５、及びコンデンサＣ２を含む。経路切替部１２は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４、及びダイオードＤ１，Ｄ２を含む。整流部１３は、ダイオードＤ３〜Ｄ６を含む。平滑部１４は、コンデンサＣ１を含む。巻線部１１は、共通のコアを有し、互いに磁気結合された巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とを含む。巻線部１１は、例えば二巻線リアクトルである。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００２７】
ノイズフィルタ５１の出力側の一方端は、巻線Ｌ１の第１端に接続される。ノイズフィルタ５１の出力側の他方端には、スイッチ素子Ｑ２のコレクタとダイオードＤ２のカソードとスイッチ素子Ｑ４のコレクタとの接続ノードであるノードＰ１に接続される。
【００２８】
スイッチ素子Ｑ１は、制御部１５からの制御信号を受けるゲートと、巻線Ｌ１の第２端とダイオードＤ１のカソードとスイッチ素子Ｑ３のコレクタとの接続ノードであるノードＰ２に接続されるコレクタと、ダイオードＤ１のアノードとスイッチ素子Ｑ２のエミッタとダイオードＤ２のアノードと電力伝達用絶縁回路５３の入力側の一方端との接続ノードであるノードＰ３に接続されたエミッタとを有する。
【００２９】
スイッチ素子Ｑ２は、制御部１５からの制御信号を受けるゲートと、ノードＰ１に接続されたコレクタと、ノードＰ３に接続されたエミッタとを有する。
【００３０】
スイッチ素子Ｑ３は、制御部１５からの制御信号を受けるゲートと、ノードＰ２に接続されたコレクタと、スイッチ素子Ｑ４のエミッタと電力伝達用絶縁回路５３の入力側の他方端との接続ノードであるノードＰ４に接続されたエミッタとを有する。
【００３１】
スイッチ素子Ｑ４は、制御部１５からの制御信号を受けるゲートと、ノードＰ１に接続されたコレクタと、ノードＰ４に接続されたエミッタとを有する。
【００３２】
整流部１３のダイオードＤ３〜Ｄ６は、巻線Ｌ２から出力される電流が、負荷２０２の極性に従って流れるようにダイオードブリッジを構成している。なお、負荷２０２の極性とは、ノードＰ３とノードＰ４との電位を比べ、ノードＰ４の方が電位が高い状態の極性である。
【００３３】
コンデンサＣ１は電力伝達用絶縁回路５３の入力側の一方端と他方端との間に接続される。コンデンサＣ２はノイズフィルタ５１の出力側の一方端と他方端との間に接続される。
【００３４】
電力変換装置１０１は、交流電源２０１から供給された交流電圧を直流電圧に変換して負荷２０２に供給する。負荷２０２は、例えばＥＶ及びプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電源（バッテリ）である。
【００３５】
入力端５４には、交流電源２０１から交流電圧が入力される。入力端５４に電気的に接続されたノイズフィルタ５１は、当該交流電圧のノイズを除去して昇降圧回路５２へ出力する。
【００３６】
昇降圧回路５２に入力された交流電圧は、コンデンサＣ２によってノイズの除去が行われる。昇降圧回路５２は、当該交流電圧を任意のレベルの直流電圧に変圧し、電力伝達用絶縁回路５３へ出力する。電力伝達用絶縁回路５３は、昇降圧回路５２と出力端５５との間の絶縁を行いながら出力端５５へ任意のレベルに設定された直流電圧を出力する。出力端５５からは、当該直流電圧が出力電圧として出力される。このとき、電力伝達用絶縁回路５３は、昇降圧回路５２に対する負荷として機能する。
【００３７】
昇降圧回路５２が行う変圧について、より具体的に説明する。昇降圧回路５２において、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に制御信号を入力することで、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフを制御する。このスイッチングの制御により、昇降圧回路５２は、巻線Ｌ１に流れる電流がコンデンサＣ１及び電力伝達用絶縁回路５３を介さない経路で流れる状態と、巻線Ｌ１に流れる電流がコンデンサＣ１及び電力伝達用絶縁回路５３を介する経路で流れる状態と、巻線Ｌ１に電流が流れない状態との切り替えを行う。この電流の流れる経路の切り替えによって、昇降圧回路５２は、昇圧された出力電圧を出力する昇圧動作と、降圧された出力電圧を出力する降圧動作とを行う。
【００３８】
まず、昇降圧回路５２が行う昇圧動作の説明を行う。昇降圧回路５２は、交流電源２０１からの入力電圧が第１の極性であるときに昇圧動作を行う場合は第１極性昇圧動作を行い、当該入力電圧が第２の極性であるときに昇圧動作を行う場合は第２極性昇圧動作を行う。なお、第１の極性とは、ノードＰ１とノードＰ２との電位を比べ、ノードＰ２の方が電位が高い状態となるような入力電圧の極性である。また、第２の極性とは、ノードＰ１とノードＰ２との電位を比べ、ノードＰ１の方が電位が高い状態となるような入力電圧の極性である。
【００３９】
第１極性昇圧動作を行うとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ４がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５がスイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ３のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路５２は電力伝達用絶縁回路５３に昇圧された電圧を出力する。この第１極性昇圧動作におけるスイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ３のスイッチング制御とは、スイッチ素子Ｑ１がオンかつスイッチ素子Ｑ３がオフである状態と、スイッチ素子Ｑ１がオフかつスイッチ素子Ｑ３がオンである状態との切り替えを行うものである。
【００４０】
図２は、第１極性昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Ｖｉｎ１は昇降圧回路５２の入力電圧である。電圧Ｖｏｕｔ１は昇降圧回路５２の出力電圧である。電流Ｉｉｎ１は、昇降圧回路５２の入力電流である。
【００４１】
スイッチ素子Ｑ１がオンかつスイッチ素子Ｑ３がオフである状態のとき、電圧Ｖｉｎ１が昇降圧回路５２に印加されることによって電流Ｉｉｎ１が発生する。この電流Ｉｉｎ１は、巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ１、及びダイオードＤ２を介する経路に流れる。つまり、図２において太実線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ１が流れる。このとき、電流Ｉｉｎ１が巻線Ｌ１に流れることにより巻線Ｌ１に磁束Φが発生し、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ１と磁気結合している巻線Ｌ２に磁気エネルギーが蓄積される。
【００４２】
そして、スイッチ素子Ｑ１がオフかつスイッチ素子Ｑ３がオンである状態のとき、電流Ｉｉｎ１は、巻線Ｌ１及びスイッチ素子Ｑ３を介してコンデンサＣ１と電力伝達用絶縁回路５３とに供給される。コンデンサＣ１によって昇降圧回路５２の出力電圧は平滑化され、電力伝達用絶縁回路５３には直流電圧が出力される。このとき、図２において点線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ１が流れる。この電流Ｉｉｎ１は、巻線Ｌ１を介して流れるため、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とに発生している磁束Φに基づいた電流値となる。
【００４３】
図３は、第１極性昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。図３において、電流ＩＱ１は、スイッチ素子Ｑ１に流れる電流である。電流ＩＱ３は、スイッチ素子Ｑ３に流れる電流である。なお、図３においては、スイッチ素子Ｑ１がオンかつスイッチ素子Ｑ３がオフである期間を期間Ｔｏｎとし、スイッチ素子Ｑ１がオフかつスイッチ素子Ｑ３がオンである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【００４４】
期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとが切り替わっても、巻線Ｌ１に発生している磁束Φは連続的に変化する。また、期間Ｔｏｎでは電流Ｉｉｎ１が電力伝達用絶縁回路５３を介して流れず、期間Ｔｏｆｆでは電流Ｉｉｎ１が電力伝達用絶縁回路５３を介して流れるので、電流Ｉｉｎ１は電圧Ｖｉｎ１の増減に追随しつつ、期間Ｔｏｎで増加し、期間Ｔｏｆｆで減少する波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより、電流Ｉｉｎ１は電圧Ｖｉｎ１の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路５２の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【００４５】
またこのとき、期間Ｔｏｎにおける磁束Φの変化量ΔΦ１と入力電圧Ｖｉｎ１の実効電圧Ｖｅｉｎ１との関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数１】
2012120387.tif 000003
と表される。
【００４６】
さらに、期間Ｔｏｆｆにおける磁束Φの変化量ΔΦ２と入力電圧Ｖｉｎ１の実効電圧Ｖｅｉｎ１と出力電圧Ｖｏｕｔ１の実効電圧Ｖｅｏｕｔ１との関係は、
【数２】
2012120387.tif 000004
と表される。
【００４７】
そして、期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路５２の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ１と変化量ΔΦ２とは同量と見なせるので、実効電圧Ｖｅｉｎ１と実効電圧Ｖｅｏｕｔ１との関係は、
【数３】
2012120387.tif 000005
となる。
【００４８】
よって、第１極性昇圧動作における昇降圧回路５２の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ１／Ｖｅｉｎ１は、スイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ３のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路５２の出力電圧は任意のレベルに昇圧され電力伝達用絶縁回路５３に出力される。このようにして、第１極性昇圧動作が行われる。
【００４９】
また、昇降圧回路５２が第２極性昇圧動作を行うとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ３がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５がスイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ４のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路５２は電力伝達用絶縁回路５３に昇圧された電圧を出力する。この第２極性昇圧動作におけるスイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ４のスイッチング制御とは、スイッチ素子Ｑ２がオンかつスイッチ素子Ｑ４がオフである状態と、スイッチ素子Ｑ２がオフかつスイッチ素子Ｑ４がオンである状態との切り替えを行うものである。
【００５０】
図４は、第２極性昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Ｖｉｎ２は昇降圧回路５２の入力電圧である。電圧Ｖｏｕｔ２は昇降圧回路５２の出力電圧である。電流Ｉｉｎ２は、昇降圧回路５２の入力電流である。
【００５１】
スイッチ素子Ｑ２がオンかつスイッチ素子Ｑ４がオフである状態のとき、電圧Ｖｉｎ２が昇降圧回路５２に印加されることによって電流Ｉｉｎ２が発生する。この電流Ｉｉｎ２は、巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ２、及びダイオードＤ１を介する経路に流れる。つまり、図４において太実線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ２が流れる。このとき、電流Ｉｉｎ２が巻線Ｌ１に流れることにより巻線Ｌ１に磁束Φが発生し、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２に磁気エネルギーが蓄積される。
【００５２】
スイッチ素子Ｑ２がオフかつスイッチ素子Ｑ４がオンである状態のとき、電流Ｉｉｎ２は、巻線Ｌ１及びスイッチ素子Ｑ４を介してコンデンサＣ１と電力伝達用絶縁回路５３とに供給される。コンデンサＣ１によって昇降圧回路５２の出力電圧は平滑化され、電力伝達用絶縁回路５３には直流電圧が出力される。このとき、図４において点線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ２が流れる。この電流Ｉｉｎ２は、巻線Ｌ１を介して流れるため、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とに発生している磁束Φに基づいた電流値となる。
【００５３】
図５は、第２極性昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。図５において、電流ＩＱ２は、スイッチ素子Ｑ２に流れる電流である。電流ＩＱ４は、スイッチ素子Ｑ４に流れる電流である。なお、図５においては、スイッチ素子Ｑ２がオンかつスイッチ素子Ｑ４がオフである期間を期間Ｔｏｎとし、スイッチ素子Ｑ２がオフかつスイッチ素子Ｑ４がオンである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【００５４】
期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとが切り替わっても、巻線Ｌ１に発生している磁束Φは連続的に変化する。また、期間Ｔｏｎでは電流Ｉｉｎ２が電力伝達用絶縁回路５３を介して流れず、期間Ｔｏｆｆでは電流Ｉｉｎ２が電力伝達用絶縁回路５３を介して流れるので、電流Ｉｉｎ２は電圧Ｖｉｎ２の増減に追随しつつ、期間Ｔｏｎで増加し、期間Ｔｏｆｆで減少する波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより、電流Ｉｉｎ２は電圧Ｖｉｎ２の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路５２の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【００５５】
またこのとき、期間Ｔｏｎにおける磁束Φの変化量ΔΦ１と入力電圧Ｖｉｎ２の実効電圧Ｖｅｉｎ２との関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数４】
2012120387.tif 000006
と表される。
【００５６】
さらに、期間Ｔｏｆｆにおける磁束Φの変化量ΔΦ２と入力電圧Ｖｉｎ２の実効電圧Ｖｅｉｎ２と出力電圧Ｖｏｕｔ２の実効電圧Ｖｅｏｕｔ２との関係は、
【数５】
2012120387.tif 000007
と表される。
【００５７】
そして、期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路５２の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ１と変化量ΔΦ２とは同量と見なせるので、実効電圧Ｖｅｉｎ２と実効電圧Ｖｅｏｕｔ２との関係は、
【数６】
2012120387.tif 000008
となる。
【００５８】
よって、第２極性昇圧動作における昇降圧回路５２の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ２／Ｖｅｉｎ２は、スイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ４のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路５２の出力電圧は任意のレベルに昇圧され電力伝達用絶縁回路５３に出力される。このようにして、第２極性昇圧動作が行われる。
【００５９】
次に、昇降圧回路５２が行う降圧動作の説明を行う。昇降圧回路５２は、交流電源２０１からの入力電圧が第１の極性であるときに降圧動作を行う場合は第１極性降圧動作を行い、当該入力電圧が第２の極性であるときに降圧動作を行う場合は第２極性降圧動作を行う。
【００６０】
第１極性降圧動作を行うとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，及びＱ４がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５がスイッチ素子Ｑ３のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路５２は電力伝達用絶縁回路５３に降圧された電圧を出力する。
【００６１】
図６は、第１極性降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Ｖｉｎ３は昇降圧回路５２の入力電圧である。電圧Ｖｏｕｔ３は昇降圧回路５２の出力電圧である。電流Ｉｉｎ３は、昇降圧回路５２の入力電流である。
【００６２】
スイッチ素子Ｑ３がオンである状態のとき、電圧Ｖｉｎ３が昇降圧回路５２に印加されることによって電流Ｉｉｎ３が発生する。この電流Ｉｉｎ３は、巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ３、コンデンサＣ１並びに電力伝達用絶縁回路５３、及びダイオードＤ２を介する経路に流れる。つまり、図６において太実線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ３が流れる。このとき、巻線Ｌ１に電流Ｉｉｎ３が流れることにより巻線Ｌ１に磁束Φが発生し、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２に磁気エネルギーが蓄積される。
【００６３】
そして、スイッチ素子Ｑ３がオフである期間は電流Ｉｉｎ３が遮断されるので、巻線Ｌ２には自己誘導により誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、図６で示す点線矢印の向きに電流ＩＣが流れる。すなわち、巻線Ｌ２に蓄えられた磁気エネルギーによって、ダイオードＤ５、コンデンサＣ１並びに電力伝達用絶縁回路５３、及びダイオードＤ４を介する経路に電流ＩＣが流れる。この電流ＩＣによりコンデンサＣ１の蓄電と電力伝達用絶縁回路５３への電力供給が行われ、昇降圧回路５２の出力電圧は平滑化される。
【００６４】
図７は、第１極性降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図７においては、スイッチ素子Ｑ３がオンである期間を期間Ｔｏｎとし、スイッチ素子Ｑ３がオフである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【００６５】
図７を参照して、期間Ｔｏｎの間、電流Ｉｉｎ３は交流電圧である電圧Ｖｉｎ３に応じて流れるので、電流Ｉｉｎ３は電圧Ｖｉｎ３に追随するような波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Ｉｉｎ３は、電圧Ｖｉｎ３の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路５２の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【００６６】
電流ＩＣは、スイッチ素子Ｑ３がオフの間に巻線Ｌ２の誘導電圧に応じて流れる。よって、誘導電圧が減少するのに応じて電流ＩＣも減少する。磁束Φは、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とで共有の磁束であるため、スイッチ素子Ｑ３のスイッチングによってオンオフされず、電流Ｉｉｎ３と電流ＩＣとに応じて連続的に変化する。出力電圧Ｖｏｕｔ３は、コンデンサＣ１によって平滑化され、直流電圧として出力される。
【００６７】
このとき、入力電圧Ｖｉｎ３の実効電圧Ｖｅｉｎ３と出力電圧Ｖｏｕｔ３の実効電圧Ｖｅｏｕｔ３と期間Ｔｏｎにおける磁束Φの変化量ΔΦ１との関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数７】
2012120387.tif 000009
と表される。
【００６８】
また、入力電圧Ｖｏｕｔ３の実効電圧Ｖｅｏｕｔ３と期間Ｔｏｆｆにおける磁束Φの変化量ΔΦ２との関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２を用いて表すと、
【数８】
2012120387.tif 000010
と表される。
【００６９】
そして、期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路５２の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ１と変化量ΔΦ２とは同量と見なせるので、入力電圧の実効電圧Ｖｅｉｎ３と出力電圧の実効電圧Ｖｅｏｕｔ３との関係は、
【数９】
2012120387.tif 000011
となる。
【００７０】
巻数ｎ１と巻数ｎ２とは、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２それぞれの諸元に基づいて決まる定数であるので、昇降圧回路５２の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ３／Ｖｅｉｎ３は、スイッチ素子Ｑ３のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路５２の出力電圧は任意のレベルに降圧され電力伝達用絶縁回路５３に出力される。このようにして、第１極性降圧動作が行われる。
【００７１】
また、第２極性降圧動作を行うとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ３がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５がスイッチ素子Ｑ４のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路５２は電力伝達用絶縁回路５３に降圧された電圧を出力する。
【００７２】
図８は、第２極性降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Ｖｉｎ４は昇降圧回路５２の入力電圧である。電圧Ｖｏｕｔ４は昇降圧回路５２の出力電圧である。電流Ｉｉｎ４は、昇降圧回路５２の入力電流である。
【００７３】
スイッチ素子Ｑ４がオンである状態のとき、電圧Ｖｉｎ４が昇降圧回路５２に印加されることによって電流Ｉｉｎ４が発生する。この電流Ｉｉｎ４は、巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ４、コンデンサＣ１並びに電力伝達用絶縁回路５３、及びダイオードＤ１を介する経路に流れる。つまり、図８において太実線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ４が流れる。このとき、巻線Ｌ１に電流Ｉｉｎ４が流れることにより巻線Ｌ１に磁束Φが発生し、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２に磁気エネルギーが蓄積される。
【００７４】
そして、スイッチ素子Ｑ４がオフである期間は電流Ｉｉｎ４が遮断されるので、巻線Ｌ２には自己誘導により誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、図８で示す点線矢印の向きに電流ＩＣが流れる。すなわち、巻線Ｌ２に蓄えられた磁気エネルギーによって、ダイオードＤ６、コンデンサＣ１並びに電力伝達用絶縁回路５３、及びダイオードＤ３を介する経路に電流ＩＣが流れる。この電流ＩＣによりコンデンサＣ１の蓄電と電力伝達用絶縁回路５３への電力供給が行われ、昇降圧回路５２の出力電圧は平滑化される。
【００７５】
図９は、第２極性降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図９においては、スイッチ素子Ｑ４がオンである期間を期間Ｔｏｎとし、スイッチ素子Ｑ４がオフである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【００７６】
図９を参照して、期間Ｔｏｎの間、電流Ｉｉｎ４は交流電圧である電圧Ｖｉｎ４に応じて流れるので、電流Ｉｉｎ４は電圧Ｖｉｎ４に追随するような波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Ｉｉｎ４は、電圧Ｖｉｎ４の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路５２の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【００７７】
電流ＩＣは、スイッチ素子Ｑ４がオフの間に巻線Ｌ２の誘導電圧に応じて流れる。よって、誘導電圧が減少するのに応じて電流ＩＣも減少する。磁束Φは、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とで共有の磁束であるため、スイッチ素子Ｑ４のスイッチングによってオンオフされず、電流Ｉｉｎ４と電流ＩＣとに応じて連続的に変化する。出力電圧Ｖｏｕｔ４は、コンデンサＣ１によって平滑化され、直流電圧として出力される。
【００７８】
このとき、入力電圧Ｖｉｎ４の実効電圧Ｖｅｉｎ４と出力電圧Ｖｏｕｔ４の実効電圧Ｖｅｏｕｔ４と期間Ｔｏｎにおける磁束Φの変化量ΔΦとの関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数１０】
2012120387.tif 000012
と表される。
【００７９】
また、入力電圧Ｖｏｕｔ４の実効電圧Ｖｅｏｕｔ４と期間Ｔｏｆｆにおける磁束Φの変化量ΔΦ２との関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２を用いて表すと、
【数１１】
2012120387.tif 000013
と表される。
【００８０】
そして、期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路５２の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ１と変化量ΔΦ２とは同量と見なせるので、入力電圧の実効電圧Ｖｅｉｎ４と出力電圧の実効電圧Ｖｅｏｕｔ４との関係は、
【数１２】
2012120387.tif 000014
となる。
【００８１】
巻数ｎ１と巻数ｎ２とは、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２それぞれの諸元に基づいて決まる定数であるので、昇降圧回路５２の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ４／Ｖｅｉｎ４は、スイッチ素子Ｑ４のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路５２の出力電圧は任意のレベルに降圧され、電力伝達用絶縁回路５３に出力される。このようにして、第２極性降圧動作が行われる。
【００８２】
なお、昇降圧回路５２は第１極性昇圧動作、第２極性昇圧動作、第１極性降圧動作、及び第２極性降圧動作のいずれかを行うので、出力電圧を所定値に設定する場合、交流電源２０２からの入力電圧の極性及び大きさによって、これらの動作状態を切り替える。図１０は、昇降圧回路５２の出力電圧Ｖｏｕｔが所定値の場合における昇降圧回路の動作の切り替えタイミングを示した図である。図１０において、昇降圧回路５２の入力電圧を電圧Ｖｉｎ及び出力電圧を電圧Ｖｏｕｔとし、第１の極性を縦軸正方向として表示している。
【００８３】
図１０を参照して、期間Ｔ１においては、第１の極性である入力電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値以下である。よって、制御部１５によってスイッチングの制御をすることにより第１極性昇圧動作を行うことで、昇降圧回路５２は入力電圧Ｖｉｎを昇圧し、所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００８４】
また、期間Ｔ２においては、第１極性である入力電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値より大きい。よって、制御部１５によってスイッチングの制御をすることにより第１極性降圧動作を行うことで、昇降圧回路５２は入力電圧Ｖｉｎを降圧し、所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００８５】
また、期間Ｔ３において、第１の極性である入力電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値以下である。よって、期間Ｔ１と同様に第１極性昇圧動作を行うことにより昇降圧回路５２は所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００８６】
また、期間Ｔ４において、第２の極性である入力電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値以下である。よって、制御部１５によってスイッチングの制御をすることにより第２極性昇圧動作を行うことで、昇降圧回路５２は入力電圧Ｖｉｎを昇圧し、所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００８７】
また、期間Ｔ５においては、第２極性である入力電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値より大きい。よって、制御部１５によってスイッチングの制御をすることにより第２極性降圧動作を行うことで、昇降圧回路５２は入力電圧Ｖｉｎを降圧し、所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００８８】
また、期間Ｔ６において、第２の極性である入力電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値以下である。よって、期間Ｔ４と同様に第２極性昇圧動作を行うことにより昇降圧回路５２は所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００８９】
このように、交流電源２０１から入力される入力電圧Ｖｉｎの極性、及び入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの絶対値の大小関係により、昇降圧回路５２が昇圧動作を行うか降圧動作を行うかを切り替えることで、入力電圧Ｖｉｎが増減しても昇降圧回路５２は所定値である出力電圧の出力を行う。
【００９０】
なお、昇降圧回路５２への入力電圧が正弦波である場合を例示したが、本発明において入力電圧は正弦波に限定されるものではない。昇降圧回路５２は、入力電圧の極性及び入力電圧と出力電圧と絶対値の大小関係により昇降圧回路５２の動作を切り替えることで、入力電圧が他の波形であっても所定値である出力電圧を出力する。
【００９１】
以上のように、昇降圧回路５２は、交流電源２０１からの入力電圧の極性が、第１の極性であっても第２の極性であっても、制御部１５によりスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチングを制御することで、電力伝達用絶縁回路５３に昇圧又は降圧された直流電圧を出力することが可能となる。よって、電力変換装置１０１は、電力伝達用絶縁回路５３を介して負荷２０２に当該直流電圧を出力することで、入力された交流電力を直流電力に電力変換することができる。したがって、本発明の実施の形態に係る電力変換装置１０１は、入力電圧の昇降圧を行う際、全波整流回路を用いる必要がないため、全波整流回路を用いる場合と比べ損失の軽減を行うことが可能である。
【００９２】
なお、電力変換装置１０１に入力される電力は交流電力に限らず、直流電力が入力されてもよい。この場合、本実施の形態で説明した、交流電源２０１の極性が第１の極性の場合又は第２の極性の場合のいずれかの動作を行い、出力する直流電圧を任意のレベルに設定することができる。
【００９３】
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０１は、磁気結合された巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とを用いることにより簡単な回路構成によって、いわゆる昇圧チョッパ方式により昇圧を行う昇圧動作と、いわゆる降圧チョッパ方式により降圧を行う降圧動作とを切り替えることができる。したがって、同レベルの出力電流を得ようとする場合、昇降圧回路５２は、いわゆる昇降圧チョッパ方式にて昇圧を行う回路よりも入力する電流が少なくて済む。よって、昇降圧回路５２のスイッチングによって発生するリプル電流が少なくなり、損失を軽減することが可能である。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を小さくすることができるので、各回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。
【００９４】
さらに、昇圧動作を行うときに入力電流が遮断される期間がないため、経路切替部１２のスイッチ素子のスイッチング周波数を適切に設定することで、昇降圧チョッパ方式の回路に比べ、入力電流の波形と入力電圧の波形とがより相似した波形となるので、力率の改善を行うことが可能である。
【００９５】
また、入力電圧の極性ごとに、スイッチ素子により電流が流れる経路を切り替えて動作するので、入力電圧の昇降圧を行う際、全波整流回路を用いる必要がない。よって、全波整流回路による損失がないため、全波整流回路を用いる昇降圧回路と比べ、損失の軽減を行うことが可能である。特に、回路素子に高い電流が流れる昇圧動作を行うときには、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とに磁気エネルギーが蓄積される期間において、入力電流が通過する素子の数が少ない。すなわち、第１極性昇圧動作においては、磁気エネルギーを蓄積する巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ１、及びダイオードＤ２だけに電流が流れる。第２極性昇圧動作においては、磁気エネルギーを蓄積する巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ２、及びダイオードＤ１だけに電流が流れる。よって、大きな入力電流を必要とする磁気エネルギーの蓄積を行う期間において、入力電流が通過する素子の数が少なく、さらに損失が軽減される。
【００９６】
また、第１極性降圧動作及び第２極性降圧動作を行うときには、巻線Ｌ１と磁気結合された巻線Ｌ２から降圧された電圧を出力するので、巻線Ｌ１に入力電流を供給すれば巻線Ｌ２に入力電流を直接供給しなくてもよい。よって、巻線Ｌ２への入力電流供給回路が不要となり、更に回路の小型化を行うことができる。
【００９７】
また、巻線Ｌ２から電流が出力されるとき、整流部１３はダイオードＤ３〜Ｄ６によってダイオードブリッジを構成し、電流ＩＣが負荷の極性に合わせて供給されるように整流を行う。したがって、巻線Ｌ２から出力される電流が、負荷の極性に反する方向に流れることを防ぎ、巻線Ｌ２に発生した誘導電圧を負荷に適切に印加することが可能となる。この整流部１３のダイオードＤ３〜Ｄ６に電流が流れるときには、損失が発生するが、降圧動作であるため、出力電圧のレベルを調整すれば入力電流を大きくする必要はない。
【００９８】
〈第２の実施形態〉
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１０２の構成を概略的に示した図である。電力変換装置１０２は、ノイズフィルタ５１、昇降圧回路５６、電力伝達用絶縁回路５３、入力端５４、及び出力端５５を備える。昇降圧回路５６は、巻線部１１、経路切替部１２、平滑部１４、制御部１５、全波整流部１６、遮断部１７、及びコンデンサＣ２を含む。経路切替部１２は、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６を含む。平滑部１４は、コンデンサＣ１を含む。全波整流部１６は、ダイオードＤ７〜Ｄ１０を含む。遮断部１７は、ダイオードＤ１１を含む。巻線部１１は、共通のコアを有し、互いに磁気結合された巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とを含む。巻線部１１は、例えば二巻線リアクトルである。スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００９９】
ノイズフィルタ５１の出力側は、全波整流部１６であるダイオードＤ７〜Ｄ１０によって構成されたダイオードブリッジに接続される。全波整流部１６の出力側の一方端は、巻線Ｌ１の第１端に接続される。
【０１００】
スイッチ素子Ｑ５は、制御部１５からの制御信号を受けるゲート、巻線Ｌ１の第２端とスイッチ素子Ｑ６のコレクタとに接続されるコレクタ、及び全波整流部１６の出力側の他方端とダイオードＤ１１のアノードと電力伝達用絶縁回路５３の入力側の一方端とに接続されるエミッタを有する。
【０１０１】
スイッチ素子Ｑ６は、制御部１５からの制御信号を受けるゲート、巻線Ｌ１の第２端とスイッチ素子Ｑ５のコレクタとに接続されるコレクタ、及び巻線Ｌ２の第１端と電力伝達用絶縁回路５３の入力側の他方端とに接続されるエミッタを有する。
【０１０２】
コンデンサＣ１は電力伝達用絶縁回路５３の入力側の一方端と他方端との間に接続される。コンデンサＣ２は全波整流部１６の出力側の一方端と他方端との間に接続される。
【０１０３】
電力変換装置１０２は、交流電源２０１から供給された交流電圧を直流電圧に変換して負荷２０２に供給する。負荷２０２は、例えばＥＶ及びプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電源（バッテリ）である。
【０１０４】
入力端５４には、交流電源２０１から交流電圧が入力される。入力端５４に電気的に接続されたノイズフィルタ５１は、当該交流電圧のノイズを除去して昇降圧回路５６へ出力する。
【０１０５】
昇降圧回路５６は、ノイズフィルタ５１から受けた交流電圧を全波整流部１６によって全波整流する。全波整流された入力電圧はコンデンサＣ２によってノイズの除去が行われる。そして、昇降圧回路５６は、全波整流された入力電圧を任意のレベルの直流電圧に変換して、電力伝達用絶縁回路５３に出力する。電力伝達用絶縁回路５３は、昇降圧回路５６と出力端５５との間の絶縁を行いながら出力端５５へ任意のレベルに設定された直流電圧を出力する。出力端５５からは当該直流電圧が出力電圧として出力される。このとき、電力伝達用絶縁回路５３は、昇降圧回路５２に対する負荷として機能する。
【０１０６】
昇降圧回路５６が行う電力変換について、より具体的に説明する。昇降圧回路５６において、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６に制御信号を入力することで、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６のオンオフを制御する。このスイッチングの制御により、昇降圧回路５６は、巻線Ｌ１に流れる電流がコンデンサＣ１及び電力伝達用絶縁回路５３を介さない経路で流れる状態と、巻線Ｌ１に流れる電流がコンデンサＣ１及び電力伝達用絶縁回路５３を介する経路で流れる状態と、巻線Ｌ１に電流が流れない状態との切り替えを行う。この電流の流れる経路の切り替えによって、昇降圧回路５６は、昇圧された出力電圧を出力する昇圧動作と、降圧された出力電圧を出力する降圧動作とを行う。
【０１０７】
まず、昇降圧回路５６が行う昇圧動作の説明を行う。昇圧動作を行うとき、制御部１５がスイッチ素子Ｑ５及びスイッチ素子Ｑ６のスイッチングの制御を行うことにより、昇降圧回路５６は電力伝達用絶縁回路５３に昇圧された電圧を出力する。この昇圧動作におけるスイッチ素子Ｑ５及びスイッチ素子Ｑ６のスイッチングとは、スイッチ素子Ｑ５がオンかつスイッチ素子Ｑ６がオフである状態と、スイッチ素子Ｑ５がオフかつスイッチ素子Ｑ６がオンである状態との切り替えを行うものである。
【０１０８】
図１２は、昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Ｖｉｎ５は交流電源２０１から昇降圧回路５６に入力され、全波整流部１６によって全波整流された電圧である。電圧Ｖｏｕｔ５は昇降圧回路５６の出力電圧である。電流Ｉｉｎ５は、昇降圧回路５６の入力電流である。
【０１０９】
スイッチ素子Ｑ５がオンかつスイッチ素子Ｑ６がオフである状態のとき、電圧Ｖｉｎ５が巻線Ｌ１に入力されることによって電流Ｉｉｎ５が発生する。この電流Ｉｉｎ５は、巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ５、及び全波整流部１６を介する経路に流れる。つまり、図１２において太実線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ５が流れる。このとき、電流Ｉｉｎ５が巻線Ｌ１に流れることにより巻線Ｌ１に磁束Φが発生し、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ１と磁気結合している巻線Ｌ２に磁気エネルギーが蓄積される。
【０１１０】
スイッチ素子Ｑ５がオフかつスイッチ素子Ｑ６がオンである状態のとき、電流Ｉｉｎ５は、巻線Ｌ１及びスイッチ素子Ｑ６を介してコンデンサＣ１と電力伝達用絶縁回路５３とに供給される。コンデンサＣ１によって昇降圧回路５６の出力電圧は平滑化され、電力伝達用絶縁回路５３には直流電圧が出力される。このとき、図１２において点線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ５が流れる。この電流Ｉｉｎ５は、巻線Ｌ１を介して流れるため、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とに発生している磁束Φに基づいた電流値となる。
【０１１１】
図１３は、昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。図１３において、電流ＩＱ５は、スイッチ素子Ｑ５に流れる電流である。電流ＩＱ６は、スイッチ素子Ｑ６に流れる電流である。なお、図１３においては、スイッチ素子Ｑ５がオンかつスイッチ素子Ｑ６がオフである期間を期間Ｔｏｎとし、スイッチ素子Ｑ５がオフかつスイッチ素子Ｑ６がオンである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【０１１２】
期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとが切り替わっても、巻線Ｌ１に発生している磁束Φは連続的に変化する。また、期間Ｔｏｎでは電流Ｉｉｎ５が電力伝達用絶縁回路５３を介して流れず、期間Ｔｏｆｆでは電流Ｉｉｎ５が電力伝達用絶縁回路５３を介して流れるので、電流Ｉｉｎ５は電圧Ｖｉｎ５の増減に追随しつつ、期間Ｔｏｎで増加し、期間Ｔｏｆｆで減少する波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより、電流Ｉｉｎ５は電圧Ｖｉｎ５の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路５６の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【０１１３】
またこのとき、期間Ｔｏｎにおける磁束Φの変化量ΔΦ１と入力電圧Ｖｉｎ５の実効電圧Ｖｅｉｎ５との関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数１３】
2012120387.tif 000015
と表される。
【０１１４】
さらに、期間Ｔｏｆｆにおける磁束Φの変化量ΔΦ２と入力電圧Ｖｉｎ５の実効電圧Ｖｅｉｎ５と出力電圧Ｖｏｕｔ５の実効電圧Ｖｅｏｕｔ５との関係は、
【数１４】
2012120387.tif 000016
と表される。
【０１１５】
そして、期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路５６の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ１と変化量ΔΦ２とは同量と見なせるので、実効電圧Ｖｅｉｎ５と実効電圧Ｖｅｏｕｔ５との関係は、
【数１５】
2012120387.tif 000017
となる。
【０１１６】
よって、昇圧動作における昇降圧回路５６の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ５／Ｖｅｉｎ５は、スイッチ素子Ｑ５及びスイッチ素子Ｑ６のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路５６の出力電圧は任意のレベルに昇圧され、電力伝達用絶縁回路５３に出力される。このようにして、昇圧動作が行われる。
【０１１７】
次に、昇降圧回路５６が行う降圧動作の説明を行う。降圧動作を行うとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ５がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５がスイッチ素子Ｑ６のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路５６は電力伝達用絶縁回路５３に降圧された電圧を出力する。
【０１１８】
図１４は、降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Ｖｉｎ６は交流電源２０１から昇降圧回路５６に入力され、全波整流部１６によって整流された電圧である。電圧Ｖｏｕｔ６は昇降圧回路５６の出力電圧である。電流Ｉｉｎ６は、昇降圧回路５６の入力電流である。
【０１１９】
スイッチ素子Ｑ６がオンである状態のとき、電圧Ｖｉｎ６が巻線Ｌ１に入力されることによって電流Ｉｉｎ６が発生する。この電流Ｉｉｎ６は、巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ６、コンデンサＣ１並びに電力伝達用絶縁回路５３、及び全波整流部１６を介する経路に流れる。つまり、図１４において太実線矢印にて示した経路に電流Ｉｉｎ６が流れる。このとき、巻線Ｌ１に電流Ｉｉｎ６が流れることにより巻線Ｌ１に磁束Φが発生し、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２に磁気エネルギーが蓄積される。
【０１２０】
そして、スイッチ素子Ｑ６がオフである期間は電流Ｉｉｎ６が遮断されるので、巻線Ｌ２には自己誘導により誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、図１４で示す点線矢印の向きに電流ＩＣが流れる。すなわち、巻線Ｌ２に蓄えられた磁気エネルギーによって、ダイオードＤ１１とコンデンサＣ１並びに電力伝達用絶縁回路５３とを介する経路に電流ＩＣが流れる。この電流ＩＣによりコンデンサＣ１の蓄電と電力伝達用絶縁回路５３への電力供給が行われ、昇降圧回路５６の出力電圧は平滑化される。
【０１２１】
図１５は、降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図１５においては、スイッチ素子Ｑ６がオンである期間を期間Ｔｏｎとし、スイッチ素子Ｑ６がオフである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【０１２２】
図１５を参照して、期間Ｔｏｎの間、電流Ｉｉｎ６は全波整流電圧である電圧Ｖｉｎ６に応じて流れるので、電流Ｉｉｎ６は電圧Ｖｉｎ６に追随するような波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Ｉｉｎ６は、電圧Ｖｉｎ６の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路５６の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【０１２３】
電流ＩＣは、スイッチ素子Ｑ６がオフの間に巻線Ｌ２の誘導電圧に応じて流れる。よって、誘導電圧が減少するのに応じて電流ＩＣも減少する。磁束Φは、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とで共有の磁束であるため、スイッチ素子Ｑ３のスイッチングによってオンオフされず、電流Ｉｉｎ６と電流ＩＣとに応じて連続的に変化する。出力電圧Ｖｏｕｔ６は、コンデンサＣ１によって平滑化され、直流電圧として出力される。
【０１２４】
このとき、入力電圧Ｖｉｎ６の実効電圧Ｖｅｉｎ６と出力電圧Ｖｏｕｔ６の実効電圧Ｖｅｏｕｔ６と期間Ｔｏｎにおける磁束Φの変化量ΔΦ１との関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数１６】
2012120387.tif 000018
と表される。
【０１２５】
また、入力電圧Ｖｏｕｔ６の実効電圧Ｖｅｏｕｔ６と期間Ｔｏｆｆにおける磁束Φの変化量ΔΦ２との関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２を用いて表すと、
【数１７】
2012120387.tif 000019
と表される。
【０１２６】
そして、期間Ｔｏｎと期間Ｔｏｆｆとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路５６の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ１と変化量ΔΦ２とは同量と見なせるので、入力電圧の実効電圧Ｖｅｉｎ６と出力電圧の実効電圧Ｖｅｏｕｔ６との関係は、
【数１８】
2012120387.tif 000020
となる。
【０１２７】
巻数ｎ１と巻数ｎ２とは、巻線Ｌ１及び巻線Ｌ２それぞれの諸元に基づいて決まる定数であるので、昇降圧回路５６の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ６／Ｖｅｉｎ６は、スイッチ素子Ｑ６のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路５６の出力電圧は任意のレベルに降圧され、電力伝達用絶縁回路５３に出力される。このようにして、降圧動作が行われる。
【０１２８】
昇降圧回路５６は昇圧動作及び降圧動作のいずれか一方を行うので、出力電圧を所定値に設定する場合、交流電源２０２からの入力電圧の大きさによって、昇圧動作と降圧動作との切り替えを行う。図１６は、昇降圧回路５６の出力電圧Ｖｏｕｔが所定値の場合における昇降圧回路の動作の切り替えタイミングを示した図である。図１６において、電圧Ｖｉｎは交流電源２０１から昇降圧回路５６に入力され、全波整流部１６によって整流された電圧である。
【０１２９】
図１６を参照して、期間Ｔ７においては、電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値以下である。よって、制御部１５によってスイッチングの制御をすることにより昇圧動作を行うことで、昇降圧回路５６は入力電圧を昇圧し、所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【０１３０】
また、期間Ｔ８においては、電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値より大きい。よって、制御部１５によってスイッチングの制御をすることにより降圧動作を行うことで、昇降圧回路５６は入力電圧を降圧し、所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【０１３１】
また、期間Ｔ９において、電圧Ｖｉｎの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値以下である。よって、期間Ｔ７と同様に昇圧動作を行うことにより昇降圧回路５６は所定値の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【０１３２】
このように、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの絶対値の大小関係により、昇降圧回路５６が昇圧動作を行うか降圧動作を行うかを切り替えることで、入力電圧Ｖｉｎが増減しても昇降圧回路５６は所定値である出力電圧の出力を行う。
【０１３３】
なお、昇降圧回路５６への入力電圧が正弦波である場合を例示したが、本発明において入力電圧は正弦波に限定されるものではない。昇降圧回路５６は、入力電圧と出力電圧との絶対値の大小関係により昇降圧回路５６の動作を切り替えることで、入力電圧が他の波形であっても所定値である出力電圧を出力する。
【０１３４】
以上のように、昇降圧回路５６は、制御部１５によりスイッチ素子Ｑ５，Ｑ６のスイッチングを制御することで、電力伝達用絶縁回路５３に昇圧又は降圧された直流電圧を出力することが可能となる。よって、電力変換装置１０２は、電力伝達用絶縁回路５３を介して負荷２０２に当該直流電圧を出力することで、入力された交流電力を直流電力に電力変換することができる。また、全波整流部１６が入力電圧を全波整流することにより、入力電圧の極性によって回路の制御を変える必要がなく、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６のオンオフを切り替える簡単なスイッチング制御を行うだけで、昇圧又は降圧された出力電圧を出力することが可能である。なお、電力変換装置１０２に入力される電力は交流電力に限らず、直流電力が入力されてもよい。
【０１３５】
本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１０２は、磁気結合された巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とを用いることにより簡単な回路構成によって、いわゆる昇圧チョッパ方式により昇圧を行う昇圧動作と、いわゆる降圧チョッパ方式により降圧を行う降圧動作とを切り替えることができる。したがって、同レベルの出力電流を得ようとする場合、昇降圧回路５６は、いわゆる昇降圧チョッパ方式にて昇圧を行う回路よりも入力する電流が少なくて済む。よって、昇降圧回路５６のスイッチングによって発生するリプル電流が少なくなり、損失を軽減することが可能である。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を小さくすることができるので、各回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。
【０１３６】
さらに、昇圧動作を行うときに入力電流が遮断される期間がないため、経路切替部１２のスイッチ素子のスイッチング周波数を適切に設定することで、昇降圧チョッパ方式の回路に比べ、入力電流の波形と入力電圧の波形とがより相似した波形となるので、力率の改善を行うことが可能である。
【０１３７】
また、降圧動作を行うときには、巻線Ｌ１と磁気結合された巻線Ｌ２から降圧された電圧を出力するので、巻線Ｌ１に入力電流を供給すれば巻線Ｌ２に入力電流を直接供給しなくてもよい。よって、巻線Ｌ２への入力電流供給回路が不要となり、更に回路の小型化を行うことができる。
【０１３８】
また、遮断部１７のダイオードＤ１１は、巻線Ｌ２に発生した誘導電圧によって発生した電流が、負荷及びコンデンサＣ１の極性とは逆方向に流れることを防ぐ。よって、巻線Ｌ２に発生した誘導電圧を負荷及びコンデンサＣ１に適切に印加することが可能となる。
【０１３９】
なお、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態において、巻線部１１が二巻線リアクトルの場合を例示したが、本発明において、巻線部１１はトランスなどであってもよく、共通のコアを有し互いに磁気結合された複数の巻線を含めばよい。
【０１４０】
また、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり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、上記した意味ではなく、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及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。
【符号の説明】
【０１４１】
１１  巻線部
１２  経路切替部
１３  整流部
１４  平滑部
１５  制御部
１６  全波整流部
１７  遮断部
５１  ノイズフィルタ
５２，５６  昇降圧回路
１０１，１０２  電力変換装置
２０１  交流電源
２０２  負荷
【図１】
2012120387.tif 000021
【図２】
2012120387.tif 000022
【図３】
2012120387.tif 000023
【図４】
2012120387.tif 000024
【図５】
2012120387.tif 000025
【図６】
2012120387.tif 000026
【図７】
2012120387.tif 000027
【図８】
2012120387.tif 000028
【図９】
2012120387.tif 000029
【図１０】
2012120387.tif 000030
【図１１】
2012120387.tif 000031
【図１２】
2012120387.tif 000032
【図１３】
2012120387.tif 000033
【図１４】
2012120387.tif 000034
【図１５】
2012120387.tif 000035
【図１６】
2012120387.tif 000036