(57)【要約】【課題】損失を軽減しつつ小型化および低コスト化を図ることが可能な昇降圧回路および電力変換装置を提供する。【解決手段】昇降圧回路５２は、共通のコアに巻回された巻線Ｌ１と１または複数の巻線Ｌ１とを含み、前記入力電圧が印加される巻線部１１と、前記入力電圧が第１の極性であるときに、前記第１の巻線に印加される電圧をオンオフする電圧制御部１２と、前記入力電圧が第２の極性であるときに、前記第２の巻線に印加される電圧をオンオフする電圧制御部１３と、前記入力電圧が前記第１の極性である状態において巻線Ｌ１への前記電圧の印加がオフされるときに巻線部１１から出力される電圧、および前記入力電圧が前記第２の極性である状態において巻線Ｌ２への前記電圧の印加がオフされるときに巻線部１１から出力される電圧を平滑化して前記負荷へ出力する電圧平滑部１４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を昇圧または降圧して負荷に供給するための昇降圧回路であって、
共通のコアに巻回された第１の巻線と１または複数の第２の巻線とを含み、前記入力電圧が印加される巻線部と、
前記入力電圧が第１の極性であるときに、前記第１の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第１の電圧制御部と、
前記入力電圧が第２の極性であるときに、前記第２の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第２の電圧制御部と、
前記入力電圧が前記第１の極性である状態において前記第１の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧、および前記入力電圧が前記第２の極性である状態において前記第２の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧を平滑化して前記負荷へ出力する平滑部と、
を備える、昇降圧回路。
【請求項２】
前記巻線部から出力される前記電圧とは、前記第２の巻線に誘起される電圧である、請求項１に記載の昇降圧回路。
【請求項３】
前記第１の電圧制御部は、前記第１の巻線に印加される前記入力電圧をスイッチングによりオンオフする第１のスイッチ素子を含み、
前記第２の電圧制御部は、前記第２の巻線に印加される前記入力電圧をスイッチングによりオンオフする第２のスイッチ素子を含み、
前記第１のスイッチ素子は、前記入力電圧が前記第２の極性であるときにオフとなり、
前記第２のスイッチ素子は、前記入力電圧が前記第１の極性であるときにオフとなる、請求項１または２に記載の昇降圧回路。
【請求項４】
前記第１の巻線は、前記第１のスイッチ素子の第１端に接続される第１端、および前記第２のスイッチ素子の第２端に接続される第２端を有し、
前記第２の巻線は、前記第２のスイッチ素子の第１端に接続される第１端、および前記第１のスイッチ素子の第２端に接続される第２端を有する、請求項３に記載の昇降圧回路。
【請求項５】
前記第１の巻線の第２端と前記第２のスイッチ素子の第２端との第１の接続ノード、および前記第２の巻線の第２端と前記第１のスイッチ素子の第２端との第２の接続ノードの間に前記入力電圧が印加されることで、前記入力電圧が前記第１の極性であるときに前記第１の接続ノードを介して前記第１の巻線に電流が供給され、前記入力電圧が前記第２の極性であるときに前記第２の接続ノードを介して前記第２の巻線に電流が供給される、請求項４に記載の昇降圧回路。
【請求項６】
前記第１の電圧制御部は、前記入力電圧が前記第２の極性であるときに、前記第１の電圧制御部を介して前記第１の巻線に供給される電流を遮断する第１の遮断回路を含み、
前記第２の電圧制御部は、前記入力電圧が前記第１の極性であるときに、前記第２の電圧制御部を介して前記第２の巻線に供給される電流を遮断する第２の遮断回路を含む、請求項１から５のいずれか一つに記載の昇降圧回路。
【請求項７】
前記昇降圧回路は、前記負荷から前記第２の巻線に印加される直流電圧をオンオフする負荷電流切替スイッチ素子をさらに備える、請求項１から６のいずれか一つに記載の昇降圧回路。
【請求項８】
前記負荷電流切替スイッチ素子がオンの期間に、前記直流電圧に基づいた相互誘導により前記第１の巻線には前記第１の極性の誘導電圧が発生し、
前記負荷電流切替スイッチ素子がオンからオフに切り替えられた時に、前記第１の巻線の自己誘導により前記第１の巻線には前記第２の極性の誘導電圧が発生する、請求項７に記載の昇降圧回路。
【請求項９】
前記第１の電圧制御部は、
前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に、前記第１のスイッチ素子と並列に接続される第１の整流回路と、
前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に、前記第１のスイッチ素子および前記第１の整流回路と直列に接続される誘導電流切替スイッチ素子と、
前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に、前記誘導電流切替スイッチ素子と並列に接続される第２の整流回路と、
を含み、
前記第２の電圧制御部は、前記第１の巻線の第２端と前記第２の巻線の第１端との間に接続される電流遮断回路を含む、請求項７または８に記載の昇降圧回路。
【請求項１０】
前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記第１のスイッチ素子がオンである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記第１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、前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードから前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードへの方向の前記誘導電圧の昇圧または降圧を行う、請求項９に記載の昇降圧回路。
【請求項１１】
前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオフである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオンである状態とを切り替えることで、前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードから前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードへの方向の前記誘導電圧の昇圧または降圧を行う、請求項９に記載の昇降圧回路。
【請求項１２】
前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記第１のスイッチ素子がオンである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記第１のスイッチ素子がオフである状態とを切り替える第１極性電圧出力動作と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオフである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオンである状態とを切り替える第２極性電圧出力動作とを切り替えることで、前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードおよび前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードから外部へ交流電圧を出力する、請求項９に記載の昇降圧回路。
【請求項１３】
前記昇降圧回路は、前記第１の電圧制御部および前記第２の電圧制御部における前記スイッチ素子によって発生するサージを抑制するサージ抑制回路をさらに備える、請求項３，４，５，９，１０，１１，１２のいずれか一つに記載の昇降圧回路。
【請求項１４】
入力電圧が入力される入力端と、
出力端と、
前記入力端へ入力される前記入力電圧を昇圧または降圧し、前記出力端から負荷へ前記昇圧また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、
共通のコアに巻回された第１の巻線と１または複数の第２の巻線とを含み、前記入力電圧が印加される巻線部と、
前記入力電圧が第１の極性であるときに、前記第１の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第１の電圧制御部と、
前記入力電圧が第２の極性であるときに、前記第２の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第２の電圧制御部と、
前記入力電圧が第１の極性である状態において前記第１の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧、および前記入力電圧が第２の極性である状態において前記第２の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧を平滑化する平滑部と、
を含む電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇降圧回路およ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およ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）およ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、電気自動車およびプラグイン方式のハイブリッドカーの特長の１つは、家庭用コンセント等の外部電源を用いて車載バッテリを充電できることである。そして、ＡＣ１００Ｖまたは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替えることで、出力する直流電圧の昇圧または降圧が可能な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、昇圧または降圧が可能な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】
電気自動車の電源に使用される電圧は家庭用の電圧と比べ高く、構成部品に求められる電力容量も大きいものとなる。上記特許文献１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置に用いられる昇降圧回路において、ダイオードブリッジはＡＣ入力に対して全波整流を行い、スイッチ素子は、ダイオードブリッジによって全波整流された電圧がリアクトルに印加されるか否かを切り替える。
【０００７】
しかしながら、昇降圧回路の前段に全波整流回路を設けた場合、入力側から電力を供給する経路にダイオードが二つ存在するため、導通損失の増加による効率の低下が問題となる。また、昇降圧回路のスイッチ素子に大きな負荷がかかるため、電力容量の大きなスイッチ素子を使用するか、あるいは複数のスイッチ素子を並列に接続して使用する必要があるので、装置の大型化および製造コストの増大を招いていた。
【０００８】
さらに、電気自動車の電源に用いられる電力変換装置は、自動車に搭載されるため、装置のサイズを小さくすることが強く望まれている。このような装置サイズの小型化、低コスト化は、車載用途に限らず一般的な電気機器に対する要望でもある。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、損失を軽減しつつ小型化および低コスト化が可能な昇降圧回路および電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様に係る昇降圧回路は、入力電圧を昇圧または降圧して負荷に供給するための昇降圧回路であって、共通のコアに巻回された第１の巻線と１または複数の第２の巻線とを含み、前記入力電圧が印加される巻線部と、前記入力電圧が第１の極性であるときに、前記第１の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第１の電圧制御部と、前記入力電圧が第２の極性であるときに、前記第２の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第２の電圧制御部と、前記入力電圧が前記第１の極性である状態において前記第１の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧、および前記入力電圧が前記第２の極性である状態において前記第２の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧を平滑化して前記負荷へ出力する平滑部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１の態様に係る昇降圧回路によれば、第１の電圧制御部は、入力電圧が第１の極性であるときに、第１の巻線に印加される入力電圧をオンオフする。第２の電圧制御部は、入力電圧が第２の極性であるときに、第２の巻線に印加される入力電圧をオンオフする。この入力電圧の印加により、入力電圧が第１の極性である状態において第１の巻線への電圧の印加がオフされるとき、および入力電圧が第２の極性である状態において第２の巻線への電圧の印加がオフされるときに、巻線部は電圧を出力する。平滑部は巻線部から出力された電圧を平滑化する。よって、第１の電圧制御部と第２の電圧制御部とが行う電圧制御により、入力電流の波形と入力電圧の波形とが相似形となるように制御することで、力率の改善を行いつつ、昇圧または降圧された直流電圧を出力することができる。したがって、全波整流回路を用いずとも入力電圧の昇圧または降圧を行うことができるので、損失を軽減しつつ回路の小型化および低コスト化を図ることができ、かつ力率改善機能を持つ昇降圧回路を得ることが可能となる。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る昇降圧回路は、第１の態様に係る昇降圧回路において特に、前記巻線部から出力される前記電圧とは、前記第２の巻線に誘起される電圧であることを特徴とする。
【００１３】
第２の態様に係る昇降圧回路によれば、第１の巻線と第２の巻線とは共通のコアに巻回されているので、第１の巻線に電圧が印加された場合にも、第２の巻線に電圧が誘起される。よって、第２の巻線に誘起される電圧を出力することで、入力電圧の極性に関わらず、力率の改善を行いつつ、昇圧または降圧された直流電圧を出力することが可能となる。
【００１４】
本発明の第３の態様に係る昇降圧回路は、第１または第２の態様に係る昇降圧回路において特に、前記第１の電圧制御部は、前記第１の巻線に印加される前記入力電圧をスイッチングによりオンオフする第１のスイッチ素子を含み、前記第２の電圧制御部は、前記第２の巻線に印加される前記入力電圧をスイッチングによりオンオフする第２のスイッチ素子を含み、前記第１のスイッチ素子は、前記入力電圧が前記第２の極性であるときにオフとなり、前記第２のスイッチ素子は、前記入力電圧が前記第１の極性であるときにオフとなることを特徴とする。
【００１５】
第３の態様に係る昇降圧回路によれば、第１の電圧制御部は、第１のスイッチ素子によるスイッチングにより第１の巻線に印加される入力電圧をオンオフする。第２の電圧制御部は、第２のスイッチ素子によるスイッチングにより第２の巻線に印加される入力電圧をオンオフする。そして、入力電圧が第２の極性であるとき、第１のスイッチ素子はオフとなり第１の巻線に入力電圧が印加されないため、第２のスイッチ素子によるスイッチングにより巻線部が出力する電圧をオンオフすることができる。入力電圧が第１の極性であるとき、第２のスイッチ素子はオフとなり第２の巻線に入力電圧が印加されないため、第２のスイッチ素子によるスイッチングにより巻線部が出力する電圧をオンオフすることができる。したがって、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子が行うスイッチングにより、巻線部が出力する直流電圧を任意のレベルに変更することが可能となる。
【００１６】
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、前記第１の巻線は、前記第１のスイッチ素子の第１端に接続される第１端、および前記第２のスイッチ素子の第２端に接続される第２端を有し、前記第２の巻線は、前記第２のスイッチ素子の第１端に接続される第１端、および前記第１のスイッチ素子の第２端に接続される第２端を有することを特徴とする。
【００１７】
第４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の巻線の第１端と第２の巻線の第２端との間に接続される。第２のスイッチ素子は、第１の巻線の第２端と第２の巻線の第１端との間に接続される。したがって、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のスイッチングにより、入力電圧が印加される電路が、第１の巻線への電路か第２の巻線への電路かを切り替えることができる。
【００１８】
本発明の第５の態様に係る昇降圧回路は、第４の態様に係る昇降圧回路において特に、前記第１の巻線の第２端と前記第２のスイッチ素子の第２端との第１の接続ノード、および前記第２の巻線の第２端と前記第１のスイッチ素子の第２端との第２の接続ノードの間に前記入力電圧が印加されることで、前記入力電圧が前記第１の極性であるときに前記第１の接続ノードを介して前記第１の巻線に電流が供給され、前記入力電圧が前記第２の極性であるときに前記第２の接続ノードを介して前記第２の巻線に電流が供給されることを特徴とする。
【００１９】
第５の態様に係る昇降圧回路によれば、入力電圧が第１の極性であるときに、第１の巻線の第２端と第２のスイッチ素子との第１の接続ノードに電流が供給される。入力電圧が第２の極性であるときに、前記第２の巻線の第２端と前記第１のスイッチ素子との第２の接続ノードに電流が供給される。よって、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のスイッチングを制御するだけで、入力電圧の極性ごとに別の巻線に電流を供給することができ、簡易に全波整流回路が不要な昇降圧回路を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明の第６の態様に係る昇降圧回路は、第１から第５のいずれか一つの態様に係る昇降圧回路において特に、前記第１の電圧制御部は、前記入力電圧が前記第２の極性であるときに、前記第１の電圧制御部を介して前記第１の巻線に供給される電流を遮断する第１の遮断回路を含み、前記第２の電圧制御部は、前記入力電圧が前記第１の極性であるときに、前記第２の電圧制御部を介して前記第２の巻線に供給される電流を遮断する第２の遮断回路を含むことを特徴とする。
【００２１】
第６の態様に係る昇降圧回路によれば、第１の遮断回路は、入力電圧が第２の極性であるときに、第１の電圧制御部を介して第１の巻線に供給される電流を遮断する。第２の遮断回路は、入力電圧が第２の極性であるときに、第２の電圧制御部を介して第２の巻線に供給される電流を遮断する。よって、入力電圧が第１の極性であるときには、第２の巻線には入力電圧が印加されず、入力電圧が第２の極性であるときには第１の巻線には入力電圧が印加されない。したがって、入力電圧が第１の極性であるときには、第１の電圧制御部による第１の巻線に印加される入力電圧のオンオフ制御により、巻線部が出力する直流電圧を任意のレベルに変更することが可能となる。また、入力電圧が第２の極性であるときには第２の電圧制御部による第２の巻線に印加される入力電圧のオンオフ制御により、巻線部が出力する直流電圧を任意のレベルに変更することが可能となる。
【００２２】
さらに、第１の遮断回路は入力電圧が第２の極性であるときに、第１の電圧制御部を介して流れる電流を遮断するので、第２の極性の入力電圧によって第１の電圧制御部に含まれる素子に過電流が流れることを防止することが可能である。また入力電圧が第１の極性であるときに、第２の電圧制御部を介して流れる電流を遮断するので、第１の極性の入力電圧によって第２の電圧制御部に含まれる素子に過電流が流れることを防止することが可能である。
【００２３】
本発明の第７の態様に係る昇降圧回路は、第１から第６のいずれか一つの態様に係る昇降圧回路において特に、前記負荷から前記第２の巻線に印加される直流電圧をオンオフする負荷電流切替スイッチ素子をさらに備えることを特徴とする。
【００２４】
第７の態様に係る昇降圧回路によれば、負荷電流切替スイッチ素子は、負荷から第２の巻線に印加される直流電圧をオンオフする。よって、負荷が電池などの直流電圧源であれば、負荷電流切替スイッチ素子を制御することにより、第２の巻線に流れる電流のオンオフを制御することができる。したがって、負荷からの直流電力を受けた巻線部から出力される電圧を第１の電圧制御部により制御すれば、外部に直流電力または交流電力を出力することが可能となる。
【００２５】
本発明の第８の態様に係る昇降圧回路は、第７の態様に係る昇降圧回路において特に、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンの期間に、前記直流電圧に基づいた相互誘導により前記第１の巻線には前記第１の極性の誘導電圧が発生し、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンからオフに切り替えられた時に、前記第１の巻線の自己誘導により前記第１の巻線には前記第２の極性の誘導電圧が発生することを特徴とする。
【００２６】
第８の態様に係る昇降圧回路によれば、負荷電流切替スイッチ素子がオンの期間では、第２の巻線に直流電圧が印加されることにより、相互誘導によって第１の巻線に第１の極性の誘導電圧が発生する。負荷電流切替スイッチ素子がオンからオフに切り替えられた時には、第１の巻線の自己誘導により第２の極性の誘導電圧が発生する。したがって、負荷電流切替スイッチ素子のスイッチングを制御することで第１の巻線に第１の極性の電圧または第２の極性の電圧を発生させることが可能である。
【００２７】
本発明の第９の態様に係る昇降圧回路は、第７または第８の態様に係る昇降圧回路において特に、前記第１の電圧制御部は、前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に接続される第１のスイッチ素子と、前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に、前記第１のスイッチ素子と並列に接続される第１の整流回路と、前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に、前記第１のスイッチ素子および前記第１の整流回路と直列に接続される誘導電流切替スイッチ素子と、前記第１の巻線の第１端と前記第２の巻線の第２端との間に、前記誘導電流切替スイッチ素子と並列に接続される第２の整流回路と、を含み、前記第２の電圧制御部は、前記第１の巻線の第２端と前記第２の巻線の第１端との間に接続される電流遮断回路を含むことを特徴とする。
【００２８】
第９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の巻線に発生した誘導電圧によって流れる電流が、第２の電圧制御部に供給されることを防ぐことができる。また、第１の電圧制御部は、第１のスイッチ素子と誘導電流切替スイッチ素子とを制御することにより、第１の電圧制御部を介して流れる電流をオンオフすることが可能となる。
【００２９】
本発明の第１０の態様に係る昇降圧回路は、第９の態様に係る昇降圧回路において特に、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記第１のスイッチ素子がオンである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記第１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、前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードから前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードへの方向の前記誘導電圧の昇圧または降圧を行うことを特徴とする。
【００３０】
第１０の態様に係る昇降圧回路によれば、負荷電流切替スイッチ素子と第１のスイッチ素子とを制御することにより、前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードから前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードへの方向の直流電圧を、任意のレベルに変更することが可能となる。
【００３１】
本発明の第１１の態様に係る昇降圧回路は、第９の態様に係る昇降圧回路において特に、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオフである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオンである状態とを切り替えることで、前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードから前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードへの方向の前記誘導電圧の昇圧または降圧を行うことを特徴とする。
【００３２】
第１１の態様に係る昇降圧回路によれば、負荷電流切替スイッチ素子と誘導電流切替スイッチ素子とを制御することにより、前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードから前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードへの方向の直流電圧を、任意のレベルに変更することが可能となる。
【００３３】
本発明の第１２の態様に係る昇降圧回路は、第９の態様に係る昇降圧回路において特に、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記第１のスイッチ素子がオンである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記第１のスイッチ素子がオフである状態とを切り替える第１極性電圧出力動作と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオンかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオフである状態と、前記負荷電流切替スイッチ素子がオフかつ前記誘導電流切替スイッチ素子がオンである状態とを切り替える第２極性電圧出力動作とを切り替えることで、前記第１の巻線の第２端と前記第２の電圧制御部との接続ノードおよび前記第２の巻線の第２端と前記第１の電圧制御部との接続ノードから外部へ交流電圧を出力することを特徴とする。
【００３４】
第１２の態様に係る昇降圧回路によれば、第１極性電圧出力動作と第２極性電圧出力動作とを切り替えることで、負荷から印加された直流電圧を電力変換し、外部へ交流電圧として出力することが可能となる。
【００３５】
本発明の第１３の態様に係る昇降圧回路は、第３，第４，第５，第９，第１０，第１１，第１２のいずれか一つの態様に係る昇降圧回路において特に、前記第１の電圧制御部および前記第２の電圧制御部における前記スイッチ素子によって発生するサージを抑制するサージ抑制回路をさらに備えることを特徴とする。
【００３６】
第１３の態様に係る昇降圧回路によれば、サージ抑制回路は、第１の電圧制御部および第２の電圧制御部におけるスイッチ素子から発生するスイッチングサージを抑制することで、スイッチングサージに起因する回路の誤作動および回路素子の故障を防止することが可能である。
【００３７】
本発明の第１４の態様に係る電力変換装置は、入力電圧が入力される入力端と、出力端と、前記入力端へ入力される前記入力電圧を昇圧または降圧し、前記出力端から負荷へ前記昇圧また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、共通のコアに巻回された第１の巻線と１または複数の第２の巻線とを含み、前記入力電圧が印加される巻線部と、前記入力電圧が第１の極性であるときに、前記第１の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第１の電圧制御部と、前記入力電圧が第２の極性であるときに、前記第２の巻線に印加される前記入力電圧をオンオフする第２の電圧制御部と、前記入力電圧が第１の極性である状態において前記第１の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧、および前記入力電圧が第２の極性である状態において前記第２の巻線への前記入力電圧の印加がオフされるときに前記巻線部から出力される電圧を平滑化する平滑部と、を含むことを特徴とする。
【００３８】
第１４の態様に係る電力変換装置によれば、入力端から入力された入力電圧を、昇降圧回路に入力する。昇降圧回路においては、第１の電圧制御部は、入力電圧が第１の極性であるとき、第１の巻線に印加される入力電圧をオンオフする。第２の電圧制御部は、入力電圧が第２の極性であるとき、第２の巻線に印加される入力電圧をオンオフする。この入力電圧の印加により、入力電圧が第１の極性である状態において第１の巻線への電圧の印加がオフされるとき、および入力電圧が第２の極性である状態において第２の巻線への電圧の印加がオフされるときに、巻線部は電圧を出力する。平滑部は巻線部から出力された電圧を平滑化し、この平滑化された電圧を出力端が出力電圧として出力する。よって、第１の電圧制御部と第２の電圧制御部とが行う入力電圧のオンオフ制御により、入力電流の波形と入力電圧の波形とが相似形となるように制御すれば、力率の改善を行いつつ、入力電圧を昇圧または降圧された直流電圧に電力変換することができる。したがって、入力電圧の極性によって入力電圧を印加する巻線を切り替えることにより、全波整流回路が必要なく、損失を軽減しつつ回路の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、損失を軽減しつつ小型化および低コスト化が可能な昇降圧回路および電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】入力電圧が第１の極性であるときに電流の流れる電路を示す図である。
【図３】入力電圧が第１の極性であるときの昇降圧回路における電流と電圧との関係を示した図である。
【図４】入力電圧が第２の極性であるときに電流の流れる電路を示す図である。
【図５】入力電圧が第２の極性であるときの昇降圧回路における電流と電圧との関係を示した図である。
【図６】複数出力の電力変換装置の構成を示した図である。
【図７】第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図８】第１極性電圧出力動作おける電流の流れる電路を示す図である。
【図９】第１極性電圧出力動作におけるスイッチングのタイミングと電流および電圧との関係を示す図である。
【図１０】第２極性電圧出力動作おける電流の流れる電路を示す図である。
【図１１】第２極性電圧出力動作におけるスイッチングのタイミングと電流および電圧との関係を示す図である。
【図１２】電力変換装置が負荷に出力する交流電圧の例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
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、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り返さない。
【００４２】
〈第１の実施形態〉
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【００４３】
図１を参照して、電力変換装置１０１は、ノイズフィルタ５１と、昇降圧回路５２と、電力伝達用絶縁回路５３とを備える。昇降圧回路５２は、巻線部１１と、電圧制御回路１２，１３と、電圧平滑回路１４と、制御部１５と、コンデンサＣ４と、ダイオードＤ５とを含む。電圧制御部１２は、スイッチ素子Ｑ１と、ダイオードＤ１，Ｄ３と、コンデンサＣ１と、抵抗素子Ｒ１とを含む。電圧制御部１３は、スイッチ素子Ｑ２と、ダイオードＤ２,Ｄ４と、コンデンサＣ２と、抵抗素子Ｒ２とを含む。電圧平滑回路１４は、コンデンサＣ３を含む。巻線部１１は、共通のコアを有する巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とを含む。巻線部１１は、たとえば二巻線リアクトルである。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００４４】
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１端に接続されたコレクタと、ダイオードＤ１のアノードに接続されたエミッタとを有する。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、巻線Ｌ２の第１端に接続されたコレクタと、ダイオードＤ２のアノードに接続されたエミッタとを有する。
【００４５】
ダイオードＤ２のカソードと巻線Ｌ１の第２端との接続ノードであるノードＰ１には、ノイズフィルタ５１の一方端側が接続される。ダイオードＤ１のカソードと巻線Ｌ２の第２端との接続ノードであるノードＰ２には、ダイオードＤ５のカソードとノイズフィルタ５１の他方端側とが接続される。
【００４６】
電力変換装置１０１は、交流電源２０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０２に供給する。負荷２０２は、たとえば、ＥＶおよ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。
【００４７】
ノイズフィルタ５１は、交流電源２０１から受けた交流電力のノイズを除去して昇降圧回路５２へ出力する。
【００４８】
昇降圧回路５２は、ノイズフィルタ５１から受けた交流電力を直流電力に変換し、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と負荷２０２との間の絶縁を行いながら電力を伝達する。昇降圧回路５２は、この電力変換において、出力する直流電圧のレベルを調整する。
【００４９】
より詳細には、昇降圧回路５２において、スイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ２は、制御部１５によるスイッチングの制御によって、昇降圧回路５２への入力電圧が巻線Ｌ１に印加される状態、当該入力電圧が巻線Ｌ２に印加される状態、および巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とに当該入力電圧が印加されない状態の切り替えを行う。
【００５０】
交流電源２０１からの入力電圧が第１の極性であるとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ２がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ１をスイッチングすることにより、巻線Ｌ１に印加される入力電圧のオンオフを制御する。図２は、入力電圧が第１の極性であるときに電流の流れる電路を示す図である。
【００５１】
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Ｐ１の方が電位が高い状態にある電圧の極性である。また、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にある電圧の極性を第２の極性とする。
【００５２】
図２において、電流Ｉｉｎは昇降圧回路５２の入力電流である。電圧Ｖｉｎは昇降圧回路５２の入力電圧である。電圧Ｖｏｕｔは昇降圧回路５２の出力電圧である。電流ＩＣはコンデンサＣ３および負荷２０２と、ダイオードＤ５と、巻線Ｌ２とを含む電路に流れる電流である。
【００５３】
入力電圧が第１の極性である状態でスイッチ素子Ｑ１がオンしたとき、入力電圧による電位差により図２の電流Ｉｉｎの矢印で示す向きに電流が流れる。すなわち、ノイズフィルタ５１の一方端側から巻線Ｌ１、スイッチ素子Ｑ１およびダイオードＤ１を通してノイズフィルタ５１の他方端側へ電流Ｉｉｎが流れる。このとき、巻線Ｌ１に流れた電流により巻線Ｌ１内には磁束Φが発生する。
【００５４】
巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とは共通のコアを有するので、巻線Ｌ１にて発生した磁束Φは、共通のコアを介して巻線Ｌ２内を鎖交する。つまり、磁束Φは、巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とが共有する磁束である。巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とには、磁束Φの大きさに応じた磁気エネルギーが蓄積される。
【００５５】
そして、スイッチ素子Ｑ１がオフしたとき、電流Ｉｉｎは遮断されるので、巻線Ｌ２には自己誘導により誘導電圧が発生する。このとき、図２で示す矢印の向きに電流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、コンデンサＣ３の一方端側からダイオードＤ５の導通方向の向きに、巻線Ｌ２を通してコンデンサＣ３の他方端側へ電流ＩＣが流れる。この電流ＩＣによりコンデンサＣ３の蓄電と負荷２０２への電力供給とを行い、昇降圧回路５２の出力電圧を平滑化する。
【００５６】
図３は、入力電圧が第１の極性であるときの昇降圧回路５２における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図３においては、スイッチ素子Ｑ１がオンである期間を期間Ｔｏｎ、スイッチ素子Ｑ１がオフである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【００５７】
図３を参照して、電流Ｉｉｎは、スイッチ素子Ｑ１がオンしたときに、交流電圧である電圧Ｖｉｎに応じて流れる。電流Ｉｉｎは巻線Ｌ１を流れるため、その立ち上がりの遅れは巻線Ｌ１のインダクタンスに応じた時定数によって決まる。つまり、電流Ｉｉｎは電圧Ｖｉｎに追随するような波形となり、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Ｉｉｎは、電圧Ｖｉｎの波形と相似形の波形となる。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。
【００５８】
電流ＩＣは、スイッチ素子Ｑ１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Ｑ１のスイッチングによってオンオフされず、電流Ｉｉｎと電流ＩＣとに応じて連続的に変化する。出力電圧Ｖｏｕｔは、コンデンサ３によって平滑化され、直流電圧として出力される。
【００５９】
このとき、入力電圧Ｖｉｎの実効電圧Ｖｅｉｎと磁束Φとの関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１を用いて表すと、
【数１】
2012095408.tif 000003
と表される。
【００６０】
また、入力電圧Ｖｏｕｔの実効電圧Ｖｅｏｕｔと磁束Φとの関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２を用いて表すと、
【数２】
2012095408.tif 000004
と表される。
【００６１】
すなわち、入力電圧の実効電圧Ｖｅｉｎと出力電圧の実効電圧Ｖｅｏｕｔとの関係は、
【数３】
2012095408.tif 000005
となる。
【００６２】
巻数ｎ１と巻数ｎ２とは、巻線Ｌ１および巻線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Ｖｅｏｕｔ／Ｖｅｉｎは、スイッチ素子Ｑ１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。スイッチ素子Ｑ１のスイッチングにより出力レベルが設定された直流電圧である電圧Ｖｅｏｕｔは、電力伝達用絶縁回路５３を介して負荷２０２に出力される。
【００６３】
また、昇降圧回路５２において、交流電源２０１からの入力電圧が第１の極性である状態でスイッチ素子Ｑ１をオフしたとき、電圧制御部１３の両端には出力電圧Ｖｏｕｔから入力電圧Ｖｉｎを差し引いた電圧が印加される。そこで、ダイオードＤ２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、交流電源２０１から電圧制御部１３を介して流れる電流を遮断することで、スイッチ素子Ｑ２に逆方向電圧が印加されることを防ぎ、スイッチ素子Ｑ２を保護する。
【００６４】
一方、交流電源２０１からの入力電圧が第２の極性であるとき、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ１がオフとなるように制御を行う。そして、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ２をスイッチングすることにより、巻線Ｌ２に印加される入力電圧のオンオフを制御する。図４は、入力電圧が第２の極性であるときに電流の流れる電路を示す図である。
【００６５】
図４において、電流Ｉｉｎは昇降圧回路５２の入力電流である。電圧Ｖｉｎは昇降圧回路５２の入力電圧である。電圧Ｖｏｕｔは昇降圧回路５２の出力電圧である。電流ＩＣはコンデンサＣ３および負荷２０２と、ダイオードＤ５と、巻線Ｌ２とを含む電路に流れる電流である。
【００６６】
入力電圧が第２の極性である状態でスイッチ素子Ｑ２がオンしたとき、入力電圧による電位差により図４の電流Ｉｉｎの矢印で示す向きに電流が流れる。すなわち、ノイズフィルタ５１の一方端側から巻線Ｌ２、スイッチ素子Ｑ２、およびダイオードＤ２を通してノイズフィルタ５１の他方端側へ電流Ｉｉｎが流れる。巻線Ｌ２には、巻線Ｌ２に流れる電流Ｉｉｎに応じた磁束Φが発生し、磁気エネルギーが蓄積される。
【００６７】
そして、スイッチ素子Ｑ２がオフしたとき、電流Ｉｉｎは遮断されるので、巻線Ｌ２には自己誘導により誘導電圧が発生する。このとき、図４で示す矢印の向きに電流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、コンデンサＣ３の一方端側からダイオードＤ５の導通方向の向きに、巻線Ｌ２を通してコンデンサＣ３の他方端側へ電流ＩＣが流れる。この電流ＩＣによりコンデンサＣ３の蓄電と負荷２０２への電力供給とを行い、昇降圧回路５２の出力電圧を平滑化する。
【００６８】
図５は、入力電圧が第２の極性であるときの昇降圧回路５２における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図５においては、スイッチ素子Ｑ２がオンである期間を期間Ｔｏｎ、スイッチ素子Ｑ２がオフである期間を期間Ｔｏｆｆとしている。
【００６９】
図５を参照して、電流Ｉｉｎは、スイッチ素子Ｑ２がオンしたときに、交流電圧である入力電圧Ｖｉｎに応じて流れる。電流Ｉｉｎは巻線Ｌ２を流れるため、その立ち上がりの遅れは巻線Ｌ２のインダクタンスに応じた時定数によって決まる。つまり、電流Ｉｉｎは電圧Ｖｉｎに追随するような波形となり、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Ｉｉｎは、電圧Ｖｉｎの波形と相似形の波形となる。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。
【００７０】
電流ＩＣは、スイッチ素子Ｑ２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。巻線Ｌ２に発生する磁束Φは、スイッチ素子Ｑ２のスイッチングによってオンオフされず、電流Ｉｉｎと電流ＩＣとに応じて連続的に変化する。出力電圧Ｖｏｕｔは、コンデンサ３によって平滑化され、直流電圧として出力される。
【００７１】
このとき、入力電圧Ｖｉｎの実効電圧Ｖｅｉｎと磁束Φとの関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２を用いて表すと、
【数４】
2012095408.tif 000006
と表される。
【００７２】
また、入力電圧Ｖｏｕｔの実効電圧Ｖｅｏｕｔと磁束Φとの関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２を用いて表すと、
【数５】
2012095408.tif 000007
と表される。
【００７３】
すなわち、入力電圧の実効電圧Ｖｅｉｎと出力電圧の実効電圧Ｖｅｏｕｔとの関係は、
【数６】
2012095408.tif 000008
となる。
【００７４】
よって、昇降圧回路５２の入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ／Ｖｅｉｎは、スイッチ素子Ｑ２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。スイッチ素子Ｑ２のスイッチングにより出力レベルが設定された直流電圧である電圧Ｖｅｏｕｔは、電力伝達用絶縁回路５３を介して負荷２０２に出力される。
【００７５】
また、昇降圧回路５２において、交流電源２０１からの入力電圧が第２の極性である状態でスイッチ素子Ｑ２をオフしたとき、電圧制御部１２の両端には出力電圧Ｖｏｕｔから入力電圧Ｖｉｎを差し引いた電圧が印加される。そこで、ダイオードＤ１は、交流電源２０１からの入力電圧が第２の極性であるときに、交流電源２０１から電圧制御部１２を介して流れる電流を遮断することで、スイッチ素子Ｑ１に逆方向電圧が印加されることを防ぎ、スイッチ素子Ｑ１を保護する。
【００７６】
また、交流電源２０１からの入力電圧の極性に関わらず、ダイオードＤ３はスイッチ素子Ｑ１のスイッチングにより発生した逆流電流からスイッチ素子Ｑ１を保護している。ダイオードＤ４はスイッチ素子Ｑ２のスイッチングにより発生した逆流電流からスイッチ素子Ｑ２を保護している。
【００７７】
さらに、交流電源２０１からの入力電圧の極性に関わらず、コンデンサＣ１および抵抗素子Ｒ１は、スイッチ素子Ｑ１で発生したスイッチングサージのサージ電流を抑制する。コンデンサＣ２および抵抗素子Ｒ２は、スイッチ素子Ｑ２で発生したスイッチングサージのサージ電流を抑制する。
【００７８】
以上のように、電力変換装置１０１は、昇降圧回路５２によって交流電源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とスイッチ素子Ｑ２とのスイッチングを制御することで、出力する直流電圧の昇圧または降圧が可能となり、入力された交流電力を直流電力に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かかる電力変換装置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。
【００７９】
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の極性の動作または第２の極性動作のいずれかを行い、出力する直流電圧の昇圧または降圧が可能となり、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。
【００８０】
そして、昇降圧回路５２が交流電力を直流電力に変換する際に、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２とが行うスイッチングにより、入力電流Ｉｉｎの波形と入力電圧Ｖｉｎの波形とが相似形となるように制御すれば、当該電力変換における力率を改善することができる。
【００８１】
さらに、昇降圧回路５２においては、入力電圧の極性によって入力電圧を印加する巻線を切り替えることにより、全波整流回路が必要ない。また、二巻線リアクトルである巻線部１１は、一つのコアに複数の巻線が巻回されているので、一巻線リアクトルと比べてもさほど変わらない大きさとなる。よって、昇降圧回路５２は、巻線部１１を含んでも大型化することはない。
【００８２】
また、昇降圧回路５２は、ダイオードＤ１，Ｄ２によって、交流電源２０１からの入力電圧の極性に応じて使用しないスイッチ素子に流れる電流を遮断し、逆方向電圧が印加されることを防いでいる。よって、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２に比較的電力容量の小さいスイッチ素子を用いることができるので、昇降圧回路５２の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。
【００８３】
また、昇降圧回路５２は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２で発生するスイッチングサージを抑制する回路を含んでいるので、スイッチングサージによる回路の誤作動とスイッチ素子およびダイオードの故障を防止することが可能である。
【００８４】
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０１では、さらに、図６のような構成を採用してもよい。図６は、複数出力の電力変換装置１０１の構成を示した図である。
【００８５】
図６を参照して、電力変換装置１０１は、ノイズフィルタ５１と、昇降圧回路５２と、電力伝達用絶縁回路５３，５４とを備える。昇降圧回路５２は、巻線部１１と、電圧制御回路１２，１３と、電圧平滑回路１４，１６と、制御部１５と、コンデンサＣ４と、ダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。電圧制御部１２は、スイッチ素子Ｑ１と、ダイオードＤ１とを含む。電圧制御部１３は、スイッチ素子Ｑ２と、ダイオードＤ２とを含む。電圧平滑回路１４は、コンデンサＣ３を含む。電圧平滑回路１６は、コンデンサＣ４を含む。巻線部１１は、共通のコアを有する巻線Ｌ１と巻線Ｌ２と巻線Ｌ３とを含む。
【００８６】
電力変換装置１０１は、図１にて示した電力変換装置１０１と同様の動作を行い、交流電源２０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０２と負荷２０３とに供給する。このとき、巻線Ｌ２と巻線Ｌ３とに巻数の異なる巻線を使用することで負荷２０２への出力電圧と負荷２０３への出力電圧とを異なるレベルの電圧に設定することもできる。
【００８７】
〈第２の実施形態〉
電気自動車の電源に用いられる電力変換装置においては、車載バッテリへの充電を行う電力変換だけでなく、車載バッテリを電源として交流電圧を出力することで電気機器を使用したり、車載バッテリから直流電圧を出力することで別のバッテリへの充電を行ったりする電力変換へのニーズが高まっている。そこで、本発明に係る電力変換装置において、バッテリを電源として外部にＡＣまたはＤＣを出力する。
【００８８】
図７は、第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【００８９】
図７を参照して、電力変換装置１０１は、ノイズフィルタ５１と、昇降圧回路５２と、電力伝達用絶縁回路５３とを備える。昇降圧回路５２は、巻線部１１と、電圧制御回路１２，１３と、電圧平滑回路１４と、制御部１５と、コンデンサＣ４と、ダイオードＤ５と、スイッチ素子Ｑ４とを含む。電圧制御部１２は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３と、ダイオードＤ１，Ｄ３とを含む。電圧制御部１３は、スイッチ素子Ｑ２と、ダイオードＤ２,Ｄ４とを含む。電圧平滑回路１４は、コンデンサＣ３を含む。巻線部１１は、共通のコアを有する巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とを含む。巻線部１１は、たとえば二巻線リアクトルである。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００９０】
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１端に接続されたコレクタと、スイッチ素子Ｑ３のエミッタに接続されたエミッタとを有する。ダイオードＤ３は、巻線Ｌ１の第１端に接続されたカソードと、スイッチ素子Ｑ３のエミッタに接続されたアノードとを有し、スイッチ素子Ｑ１と並列に接続される。
【００９１】
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、巻線Ｌ２の第１端に接続されたコレクタと、ダイオードＤ２のアノードに接続されたエミッタとを有する。ダイオードＤ４は、巻線Ｌ２の第１端に接続されたカソードと、ダイオードＤ２のアノードに接続されたアノードとを有し、スイッチ素子Ｑ２と並列に接続される。
【００９２】
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、巻線Ｌ２の第２端に接続されたコレクタと、スイッチ素子Ｑ１のエミッタに接続されたエミッタとを有する。ダイオードＤ１は、巻線Ｌ２の第２端に接続されたカソードと、スイッチ素子Ｑ１のエミッタに接続されたアノードとを有し、スイッチ素子Ｑ３と並列に接続される。
【００９３】
ダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｑ２のエミッタおよびダイオードＤ４に接続されたアノードと、巻線Ｌ１の第２端とノイズフィルタの一方端側との接続ノードであるノードＰ１とに接続されたカソードを有する。
【００９４】
スイッチ素子Ｑ４は、コンデンサＣ３の第１端および電力伝達用絶縁回路５３の一方端側に接続されたエミッタと、ダイオードＤ１のカソードと巻線Ｌ２の第２端との接続ノードであるノードＰ２に接続されたコレクタとを有する。ダイオードＤ５は、コンデンサＣ３の第１端および電力伝達用絶縁回路５３の一方端側に接続されたアノードと、ノードＰ２に接続されたカソードとを有し、スイッチ素子Ｑ４と並列に接続される。
【００９５】
ノードＰ１には、ノイズフィルタ５１の一方端側が接続される。ノードＰ２には、ノイズフィルタ５１の他方端側が接続される。巻線Ｌ２の第１端とスイッチ素子Ｑ２のコレクタとの接続ノードには、コンデンサＣ３の他方端側と、電力伝達用絶縁回路５３の他方端側とが接続される。
【００９６】
電力変換装置１０１は、交流電源２０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０２に供給する。負荷２０２は、たとえば、ＥＶおよ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。
【００９７】
ノイズフィルタ５１は、交流電源２０１から受けた交流電力のノイズを除去して昇降圧回路５２へ出力する。
【００９８】
電力伝達用絶縁回路５３は、昇降圧回路５２と負荷２０２との間の絶縁を行いながら、昇降圧回路５２および負荷２０２の間の電力伝達を行う。
【００９９】
昇降圧回路５２は、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４をオフにすることで、第１の実施形態の昇降圧回路５２と同様に、交流電源２０１から入力された交流電力を直流電力に変換して負荷２０２に出力する。
【０１００】
また、電力変換装置１０１は、負荷２０２から直流電圧が入力される場合に、負荷２０２から入力される直流電圧の昇圧または降圧を行う第１極性電圧出力動作および第２極性電圧出力動作を行う。図８は、第１極性電圧出力動作おける電流の流れる電路を示す図である。昇降圧回路５２によってバッテリなどである負荷２０２から供給された直流電力の昇圧または降圧を行うことで、第１極性電圧出力動作において電力変換装置１０１は第１の極性の直流電圧を負荷２０４に供給する。
【０１０１】
図８において、電流Ｉｉｎ２は、負荷２０２から供給され、巻線Ｌ２に流れる電流である。電圧Ｖｉｎ２は、負荷２０２によって昇降圧回路５２に印加される電圧である。電流Ｉｏｕｔ２は、昇降圧回路５２の出力電流である。電圧Ｖｏｕｔ２は、昇降圧回路５２の出力電圧である。
【０１０２】
より詳細には、昇降圧回路５２において、スイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ４がオンとなるように、制御部１５はスイッチング制御を行う。スイッチ素子Ｑ４がオンである期間では、負荷２０２から入力された直流電圧により、巻線Ｌ２に電流Ｉｉｎ２が流れる。このとき巻線Ｌ２と共通のコアを有する巻線Ｌ１は、相互誘導によりノードＰ１からノードＰ２への方向の誘導電圧が生じる。そして、スイッチ素子Ｑ１がオンであるので、電流Ｉｏｕｔ２が流れる。つまり、このとき巻線部１１は変圧器として機能し、電圧Ｖｏｕｔ２が負荷２０４に出力される。
【０１０３】
図９は、第１極性電圧出力動作におけるスイッチングのタイミングと電流および電圧との関係を示す図である。図９において、期間Ｔｏｎは、スイッチ素子Ｑ４がオンかつスイッチ素子Ｑ１がオンである期間である。期間Ｔｏｆｆは、スイッチ素子Ｑ４がオフかつスイッチ素子Ｑ１がオフである期間である。また、第１極性電圧出力動作を行っているとき、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３はオフである。
【０１０４】
このとき、スイッチ素子Ｑ４がオンである期間における入力電圧Ｖｉｎ２の実効電圧Ｖｅｉｎ２と出力電圧Ｖｏｕｔ２の実効電圧Ｖｅｏｕｔ２との関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１と巻線Ｌ２の巻数ｎ２とを用いて表すと、
【数７】
2012095408.tif 000009
と表される。
【０１０５】
また、スイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ４がオフである期間においては、電路が遮断されるため、電流Ｉｉｎ２、および電流Ｉｏｕｔ２は流れない。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔ２の実効電圧Ｖｅｏｕｔ２は、スイッチ素子Ｑ１がオンかつスイッチ素子Ｑ４がオンである期間Ｔｏｎとスイッチ素子Ｑ１がオフかつスイッチ素子Ｑ４がオフである期間Ｔｏｆｆとを切り替えることで、チョッパ制御により昇圧または降圧される。このチョッパ制御におけるスイッチングの周波数は、たとえば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。このようにして、昇降圧回路５２は第１極性電圧出力動作を行う。
【０１０６】
図１０は、第２極性電圧出力動作おける電流の流れる電路を示す図である。電力変換装置１０１は、第２極性電圧出力動作において、バッテリなどである負荷２０２から供給された直流電力を、昇降圧回路５２によって昇圧または降圧を行い、第２の極性の電圧として負荷２０４に供給する。
【０１０７】
図１０において、電流Ｉｉｎ２は、負荷２０２から供給され巻線Ｌ２に流れる電流である。電圧Ｖｉｎ２は、負荷２０２によって昇降圧回路５２に印加される電圧である。電流Ｉｏｕｔ２は、昇降圧回路５２の出力電流である。電圧Ｖｏｕｔ２は、昇降圧回路５２の出力電圧である。
【０１０８】
より詳細には、昇降圧回路５２において、スイッチ素子Ｑ４がオンかつスイッチ素子Ｑ３がオフである状態となるように、制御部１５はスイッチ素子Ｑ４およびスイッチ素子Ｑ３を制御する。スイッチ素子Ｑ４がオンである期間では、負荷２０２から入力された直流電圧により、巻線Ｌ２に電流Ｉｉｎ２が流れる。このとき、巻線Ｌ２には、電流Ｉｉｎ２に起因する磁束Φが発生している。この磁束Φは共通のコアを介して巻線Ｌ１内を鎖交する。
【０１０９】
次に、スイッチ素子Ｑ４がオフかつスイッチ素子Ｑ３がオンである状態になるように、制御部１５は、スイッチ素子Ｑ４およびスイッチ素子Ｑ３を制御する。このスイッチ素子の状態の切り替えが行われた時、巻線Ｌ２に流れていた電流Ｉｉｎ２が遮断されるので、巻線Ｌ１には自己誘導により巻線Ｌ２と巻線Ｌ１との共通のコアに発生していた磁束Φを維持する方向に誘導電圧が発生する。このとき、スイッチ素子Ｑ３はオンであるため、巻線Ｌ１にて発生した誘導電圧によって、電流Ｉｏｕｔ２が流れ、負荷２０４に電力が供給される。
【０１１０】
図１１は、第２極性電圧出力動作におけるスイッチングのタイミングと電流および電圧との関係を示す図である。期間Ｔｏｎは、スイッチ素子Ｑ４がオフかつスイッチ素子Ｑ３がオンである期間である。期間Ｔｏｆｆは、スイッチ素子Ｑ４がオンかつスイッチ素子Ｑ３がオフである期間である。また、第２極性出力動作を行っているとき、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はオフである。
【０１１１】
図１１を参照して、電流Ｉｉｎ２は、スイッチ素子Ｑ４がオンしたときに、負荷２０２から印加される直流電圧に応じて流れる。電流Ｉｉｎ２は巻線Ｌ２を流れるため、その立ち上がりの遅れは巻線Ｌ２のインダクタンスに応じた時定数によって決まる。
【０１１２】
電流Ｉｏｕｔ２は、スイッチ素子Ｑ３がオンの間に巻線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Ｉｏｕｔ２も減少する。巻線Ｌ２に発生する磁束Φは、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Ｉｉｎ２と電流Ｉｏｕｔ２とに応じて連続的に変化する。
【０１１３】
このとき、入力電圧Ｖｉｎ２の実効電圧Ｖｅｉｎ２と磁束Φとの関係は、巻線Ｌ２の巻数ｎ２、およびスイッチ素子Ｑ４がオンかつスイッチ素子Ｑ３がオフである期間Ｔｏｆｆを用いて表すと、
【数８】
2012095408.tif 000010
と表される。
【０１１４】
また、入力電圧Ｖｏｕｔ２の実効電圧Ｖｅｏｕｔ２と磁束Φとの関係は、巻線Ｌ１の巻数ｎ１、およびスイッチ素子Ｑ４がオフかつスイッチ素子Ｑ３がオンである期間Ｔｏｎを用いて表すと、
【数９】
2012095408.tif 000011
と表される。
【０１１５】
巻線Ｌ１と巻線Ｌ２とは共通のコアを有するので、入力電圧の実効電圧Ｖｅｉｎ２と出力電圧の実効電圧Ｖｅｏｕｔ２との関係は、
【数１０】
2012095408.tif 000012
となる。
【０１１６】
巻数ｎ１と巻数ｎ２とは、巻線Ｌ１、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、負荷２０２から負荷２０４への入出力電圧比Ｖｅｏｕｔ２／Ｖｅｉｎ２は、スイッチ素子Ｑ４とスイッチ素子Ｑ３と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することができる。このときのスイッチングの周波数は、たとえば数ｋＨｚから数十ｋＨｚである。
【０１１７】
よって、昇降圧回路５２は、負荷２０２から直流電圧が印加されるとき、制御部１５によるスイッチ制御によりデューティ比を変えることによって、出力直流電圧の昇圧または降圧が可能となり、出力電圧を任意のレベルに設定することができる。
【０１１８】
このように、昇降圧回路５２は、第１極性電圧出力動作または第２極性電圧出力動作を行うことで、負荷２０２から印加された直流電圧を昇圧または降圧して負荷２０４に出力することができる。また、第１極性電圧出力動作と第２極性電圧出力動作とで、負荷２０４に出力する電圧の方向が逆方向であるので、第１極性電圧出力動作と第２極性電圧出力動作とを切り替えることで、昇降圧回路５２は負荷２０４に交流電圧の出力を行う。
【０１１９】
図１２は、電力変換装置１０１が負荷２０４に出力する交流電圧の例を示した図である。ただし、図１２におけるＶｏｕｔ２は、第１極性の電圧を正、第２極性の電圧を負として表示している。昇降圧回路５２は、制御部１５によって、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチングを制御することで、例えば正弦波と相似形となるように第１の極性の昇圧または降圧を行った電圧と第１の極性の昇圧または降圧を行った電圧を出力する。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチングは、例えば数ｋＨｚから数十ｋＨｚの周波数で行われるため、商用電源の周波数と比べるとスイッチ素子のスイッチングは十分に短い。よって、昇降圧回路５２が出力する電圧は外部の負荷２０４において交流電圧として用いることができる。
【０１２０】
以上のように、電力変換装置１０１は、交流電源２０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０２に供給することが可能である。また、昇降圧回路５２によって負荷２０２から印加された直流電圧を昇圧または降圧することによって、第１の極性の直流電圧、第２の極性の直流電圧、または交流電圧に電力変換することが可能となる。
【０１２１】
また、電力変換装置１０１は、外部の交流電源から印加された交流電圧を直流電圧に変換する際に、入力電圧の極性によって入力電圧を印加する巻線を切り替えるので、全波整流回路が必要なく、損失を軽減しつつ回路の小型化および低コスト化を図ることが可能である。
【０１２２】
なお、本発明の第２の実施形態において、第１の実施形態にて示したように、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４と並列にコンデンサおよび抵抗素子を接続することで、各スイッチ素子におけるスイッチングサージの抑制を行ってもよい。
【０１２３】
なお、本発明の第１の実施形態および第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、共通のコアを持つ複数の巻線を含めばよい。
【０１２４】
上記実施の形態は、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、上記説明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。
【符号の説明】
【０１２５】
１１  巻線部
１２，１３  電圧制御部
１４，１６  電圧平滑部
１５  制御部
５１  ノイズフィルタ
５２  昇降圧回路
５３，５４  電力伝達用絶縁回路
１０１  電力変換装置
２０１  交流電源
２０２，２０３，２０４  負荷
【図１】
2012095408.tif 000013
【図２】
2012095408.tif 000014
【図３】
2012095408.tif 000015
【図４】
2012095408.tif 000016
【図５】
2012095408.tif 000017
【図６】
2012095408.tif 000018
【図７】
2012095408.tif 000019
【図８】
2012095408.tif 000020
【図１０】
2012095408.tif 000021
【図１１】
2012095408.tif 000022
【図１２】
2012095408.tif 000023
【図９】
2012095408.tif 000024