(57)【要約】【課題】広い負荷範囲にわたって電力効率を向上でき、しかも双方向で同じ電圧及び電力を出力可能な双方向共振型コンバータを提供することである。【解決手段】第１回路１１と第２回路１２とをトランス１３を介して接続し、第１回路１１と第２回路１２との間で電力の供給を双方向で行う際に、第２回路１２から第１回路１１に電力を供給するときは、切換手段３０は第２回路の共振コンデンサ２６が共振動作に寄与しないように切り換えて、第１回路１１を倍電圧整流回路として働かせ、第１回路１１から第２回路１２に電力を供給するときは、切換手段３０は第２回路の共振コンデンサ２６が共振動作に寄与するように切り換えて、負荷電圧が高いときは第２回路１２を倍電圧整流回路として働かせ、負荷電圧が低いときは全波整流回路として働かせる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回路と第２回路とをトランスを介して接続し、第１回路または第２回路に共振インダクタンスを設け、前記第１回路に共振コンデンサを設けるとともに前記第２回路にも共振コンデンサを設け、前記第１回路と前記第２回路との間で電力の供給を双方向で行う双方向共振形コンバータにおいて、
前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように接続切換を行う切換手段を設け、
前記第２回路から前記第１回路に電力を供給するときは、前記切換手段は前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように切り換えて、第１回路を倍電圧整流回路として働かせ、
前記第１回路から前記第２回路に電力を供給するときは、前記切換手段は前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与するように切り換えて、前記第２回路を、負荷電圧が高いときは倍電圧整流回路として働かせ、負荷電圧が低いときは全波整流回路として働かせることを特徴とする双方向共振型コンバータ。
【請求項２】
前記第１回路は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子を直列接続し一対の直流電圧端子の間に接続したハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路に並列に接続された直列接続の２個の共振コンデンサとを有し、
前記第２回路は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子を直列接続した２個のレグを一対の直流電圧端子の間に接続したフルブリッジ回路と、前記フルブリッジ回路に並列に接続された直列接続の２個の共振コンデンサとを有し、
前記第１回路の共振コンデンサは、前記ハーフブリッジ回路のいずれかのスイッチング素子がオンしたとき、前記共振インダクタンス及び前記トランスの前記１次巻線と直列回路を形成するように接続され、
前記切換手段により前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与するように切り換えられたときは、前記第２回路の共振コンデンサは、前記共振インダクタンス及び前記トランスの前記２次巻線と直列回路を形成するように接続され、前記共振インダクタンスは前記第１回路の共振コンデンサ及び前記第２回路の共振コンデンサと協働して直列共振し、
前記切換手段により前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように切り換えられたときは、前記第２回路の共振コンデンサは、前記第２回路の一対の直流電圧端子の間に接続され、前記共振インダクタンスは前記第１回路の共振コンデンサと協働して直列共振することを特徴とする請求項１記載の双方向共振型コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダクタンスとキャパシタンスとの直列共振作用を利用し、直流電源系で電力を融通し合う双方向共振型コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
双方向共振型コンバータは、トランスの両側にそれぞれ双方向型の直交変換部を有し、インダクタンスとキャパシタンスとの直列共振作用を利用して直流電源系で電力を融通し合うものである。
【０００３】
ここで、電力変換効率の高い直列共振型コンバータとして、主に共振コンデンサと共振インダクタスとの直列共振を利用し、スイッチング素子を流れる電流がほぼゼロのときにスイッチング素子をスイッチングさせるゼロ電流スイッチングを行うことで、スイッチング損失を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、直列共振型コンバータとして、負荷電圧及び負荷電流が大きく変化するときに、共振インダクタンスと共振コンデンサからなる直列共振回路における共振キャパシタンスの大きさが自動的に変更されて、共振電流波形を正弦波状に又は正弦波形に近づけるように改善し、広い負荷範囲にわたって直列共振コンバータの電力効率を向上させるようにしたものがある（特許文献２参照）。
【０００５】
図４は、従来の直列共振型コンバータの一例を示す回路図であり、特許文献２の図９に示される直列共振型コンバータの回路図である。第１回路１１と第２回路１２とは、１次巻線１３ａ及び２次巻線１３ｂを有したトランス１３を介して接続されている。
【０００６】
第１回路１１は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子１４ａ、１４ｂを直列接続し一対の直流電圧端子１５ａ、１５ｂの間に接続したハーフブリッジ回路１６を有する。ハーフブリッジ回路１６のスイッチング素子１４ａ、１４ｂにはダイオード１７ａ、１７ｂが並列に接続されている。また、ハーフブリッジ回路１６には、並列に直列接続の２個の共振コンデンサ１８ａ、１８ｂが接続され、共振コンデンサ１８ａ、１８ｂにはダイオード１９ａ、１９ｂが並列に接続されている。
【０００７】
そして、スイッチング素子１４ａ、１４ｂの接続点は、共振インダクタンス２０を介してトランス１３の１次巻線１３ａの一方端子に接続される。また、共振コンデンサ１８ａ、１８ｂの接続点は、トランス１３の１次巻線１３ａの他方端子に接続される。これにより、共振インダクタンス２０は１次巻線１３ａに直列接続される。共振コンデンサ１８ａ、１８ｂの接続点は、トランス１３の１次巻線１３ａの他方端子に接続される。さらに、一対の直流電圧端子１５ａ、１５ｂの間にコンデンサ２１が接続され、直流電圧端子１５ａ、１５ｂには直流電圧Ｖ１の電源が接続されている。
【０００８】
一方、第２回路１２は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子２２ａ、２２ｂを直列接続し一対の直流電圧端子２３ａ、２３ｂの間に接続したハーフブリッジ回路２４を有する。ハーフブリッジ回路２４のスイッチング素子２２ａ、２２ｂにはダイオード２５ａ、２５ｂが並列に接続されている。また、ハーフブリッジ回路２４には、並列に直列接続の２個の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂが接続され、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂには逆充電防止ダイオード２７ａ、２７ｂが並列に接続されている。
【０００９】
そして、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂの接続点は、トランス１３の２次巻線１３ｂの一方端子に接続され、スイッチング素子２２ａ、２２ｂの接続点は、トランス１３の２次巻線１３ｂの他方端子に接続されている。さらに、一対の直流電圧端子２３ａ、２３ｂの間にコンデンサ２８が接続され、直流電圧端子２３ａ、２３ｂには直流電圧Ｖ２の電源が接続されている。
【００１０】
この直列共振形コンバータは双方向で使用できる。すなわち、第１回路１１から第２回路１２に電力を供給するだけでなく、第２回路１２から第１回路１１に電力を供給することもできる。この直列共振形コンバータを双方向で使用した場合、コンデンサ２１は、第１回路１１から第２回路１２に電力を供給するときは入力コンデンサとして働き、第２回路１２から第１回路１１に電力を供給するときは平滑コンデンサとして働く。また、コンデンサ２８は、第１回路１１から第２回路１２に電力を供給するときは平滑コンデンサとして働き、第２回路１２から第１回路１１に電力を供給するときは入力コンデンサとして働く。
【００１１】
ここで、図４の矢印Ｘ方向、すなわち第１回路１１から第２回路１２に電力の供給を行う際に第１回路１１のスイッチング１４ａをオンさせた場合は、第１回路１１の電流は、ループ１：コンデンサ２１→スイッチング素子１４ａ→共振インダクタンス２０→一次巻線１３ａ→共振コンデンサ１８ｂ（充電）→コンデンサ２１、ループ２：スイッチング素子１４ａ→共振インダクタンス２０→一次巻線１３ａ→共振コンデンサ１８ａ（放電）→スイッチング素子１４ａとなる。このとき、第２回路の電流は、ループ３：二次巻線１３ｂ→共振コンデンサ２６ａ（放電）→コンデンサ２８→イオード２５ｂ→二次巻線１３ｂ、ループ４：二次巻線１３ｂ→共振コンデンサ２６ｂ（充電）→ダイオード２５ｂ→二次巻線１３ｂとなる。なお、矢印Ｘ方向に電力を供給するときには、第２回路では、スイッチング素子２２ａ、２２ｂは順方向へ導通しないので、スイッチング素子２２ａ、２２ｂはなくてもよい。なお、ダイオード２５ａ、２５ｂが導通するときに、ダイオード２５ａ、２５ｂよりもインピーダンスの小さいスイッチング素子２２ａ、２２ｂを逆方向に導通させることで損失を減らすことができる。  負荷電圧、ここでは直流電圧Ｖ２が高いときは、第２回路の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂを共振動作に寄与させる。これにより、第１回路１１の共振コンデンサ１８ａ、１８ｂ及び第２回路の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂと、共振インダクタンス２０との共振動作により、逆充電防止ダイオード２７ａ、２７ｂがないものとなり、第２回路１２は倍電圧整流回路として機能する。
【００１２】
一方、負荷電圧となる直流電圧Ｖ２が低いときは、第２回路の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂを共振動作に寄与させない。これにより、第２回路の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂがないものとなり、第１回路１１の共振コンデンサ１８ａ、１８ｂと共振インダクタンス２０との共振動作により、第２回路１２は全波整流回路として機能する。これにより、負荷電圧及び負荷電流が大きく変化するときであっても、共振電流波形を正弦波状に又は正弦波形に近づけるように改善し、広い負荷範囲にわたって直列共振コンバータの電力効率を向上させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−４７２４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１４９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、図４の矢印Ｙ方向、すなわち第２回路１２から第１回路１１に電力の供給を行う際には、第２回路１２の広い出力電圧範囲がそのまま入力電圧範囲となるので、第１回路１１の出力可能な電圧及び電力は共に低下してしまう。
【００１５】
図４の矢印Ｘ方向に電力を供給する場合、第２回路１２の出力電圧Ｖ２の最大値Ｖ２maxは、第１回路１１の入力電圧をＶ１、トランス１３の巻数比
をＮ２／Ｎ１とすると（１）式で示される。
【００１６】
Ｖ２max＝Ｖ１・Ｎ２／Ｎ１    …（１）
一方、第２回路の入力電圧範囲がＶ２max／２≦Ｖ２≦Ｖ２maxであるとする。図４の矢印Ｙ方向に電力を供給する場合に、入力電圧が最小値Ｖ２max／２であるとすると、第１回路１１の出力電圧Ｖ１の最大値Ｖ１maxは（２）式で示される。
【００１７】
Ｖ１max＝（Ｖ２max／２）・Ｎ２／Ｎ１  …（２）
そして、（２）式に（１）式を代入すると、（３）式となる。
【００１８】
Ｖ１max＝Ｖ１／２    …（３）
つまり、第２回路１２の入力電圧が最小値Ｖ２max／２である場合には、第１回路１１の出力電圧は、最大値でＶ１／２となり、出力電圧Ｖ１を出力できない。
【００１９】
本発明の目的は、広い負荷範囲にわたって電力効率を向上でき、しかも双方向で同じ電圧及び電力を出力可能な双方向共振型コンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１の発明に係る双方向共振型コンバータは、第１回路と第２回路とをトランスを介して接続し、第１回路または第２回路に共振インダクタンスを設け、前記第１回路に共振コンデンサを設けるとともに前記第２回路にも共振コンデンサを設け、前記第１回路と前記第２回路との間で電力の供給を双方向で行う双方向共振形コンバータにおいて、前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように接続切換を行う切換手段を設け、前記第２回路から前記第１回路に電力を供給するときは、前記切換手段は前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように切り換えて、前記第１回路を倍電圧整流回路として働かせ、前記第１回路から前記第２回路に電力を供給するときは、前記切換手段は前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与するように切り換えて、前記第２回路を、負荷電圧が高いときは倍電圧整流回路として働かせ、負荷電圧が低いときは全波整流回路として働かせることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明に係る双方向共振型コンバータは、請求項１の発明において、前記第１回路は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子を直列接続し一対の直流電圧端子の間に接続したハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路に並列に接続された直列接続の２個の共振コンデンサとを有し、前記第２回路は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子を直列接続した２個のレグを一対の直流電圧端子の間に接続したフルブリッジ回路と、前記フルブリッジ回路に並列に接続された直列接続の２個の共振コンデンサとを有し、前記第１回路の共振コンデンサは、前記ハーフブリッジ回路のいずれかのスイッチング素子がオンしたとき、前記共振インダクタンス及び前記トランスの前記１次巻線と直列回路を形成するように接続され、前記切換手段により前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与するように切り換えられたときは、前記第２回路の共振コンデンサは、前記共振インダクタンス及び前記トランスの前記２次巻線と直列回路を形成するように接続され、前記共振インダクタンスは前記第１回路の共振コンデンサ及び前記第２回路の共振コンデンサと協働して直列共振し、前記切換手段により前記第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように切り換えられたときは、前記第２回路の共振コンデンサは、前記第２回路の一対の直流電圧端子の間に接続され、前記共振インダクタンスは前記第１回路の共振コンデンサと協働して直列共振することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように接続切換を行う切換手段を設け、第２回路から第１回路に電力を供給するときは、切換手段により第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与しないように切り換えて第１回路を倍電圧整流回路として働かせ、一方、第１回路から第２回路に電力を供給するときは、切換手段により第２回路の共振コンデンサが共振動作に寄与するように切り換えて、第２回路を、負荷電圧が高いときは倍電圧整流回路として働かせ、負荷電圧が低いときは全波整流回路として働かせるので、第１回路から第２回路へ電力を供給する場合、第２回路から第１回路に電力を供給する場合の双方向で同じ電圧及び電力の出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る双方向共振型コンバータの一例を示す回路図。
【図２】本発明の実施形態に係る双方向共振型コンバータの切換手段を投入したときの等価回路図。
【図３】本発明の実施形態に係る双方向共振型コンバータの切換手段を開放したときの等価回路図。
【図４】従来の直列共振型コンバータの一例を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る双方向共振型コンバータの一例を示す回路図である。本発明の実施形態に係る双方向共振型コンバータは、図４に示した従来例に対し、第２回路１２のハーフブリッジ回路２４に代えてフルブリッジ回路２９を設けるとともに、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂが共振動作に寄与しないように接続切換を行う切換手段３０を設け、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂの逆充電防止ダイオード２７ａ、２７ｂを省略したものである。図４と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２５】
第２回路１２のフルブリッジ回路２９は、交互にオンオフする２個のスイッチング素子３１ａ、３１ｂを直列接続したレグ３２ａと、交互にオンオフする２個のスイッチング素子３３ａ、３３ｂを直列接続したレグ３２ｂとを並列に直流電圧端子２３ａ、２３ｂの間に接続して、これら２個のレグ３２ａ、３２ｂを一対として構成されている。フルブリッジ回路２９のスイッチング素子３１ａ、３１ｂにはダイオード３４ａ、３４ｂが並列に接続され、同様に、フルブリッジ回路２９のスイッチング素子３３ａ、３３ｂにはダイオード３５ａ、３５ｂが並列に接続されている。
【００２６】
第１回路１１から第２回路１２に電力の供給を行う場合、すなわち、図１の矢印Ｘ方向に電力を供給する場合には、切換手段３０を投入する。これにより、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂは共振動作に寄与するように接続される。この場合、第１回路１１のハーフブリッジ回路はインバータ回路として動作し、第２回路１２のフルブリッジ回路２９のスイッチング素子３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂはオフのままである。
【００２７】
図２は、切換手段３０を投入したときの等価回路図である。この等価回路は、特許文献２の図７に示す回路と同じであり、広い出力電圧範囲でゼロ電流スイッチングとなる。すなわち、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂは、トランス１３の２次巻線１３ｂの一方端子に接続され、トランス１３を介して共振インダクタンス２０と直列回路を形成するように接続される。
【００２８】
これにより、第２回路１２の負荷電圧である直流電圧Ｖ２が高いときは、共振インダクタンス２０は、第１回路１１の共振コンデンサ１８ａ、１８ｂ及び第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂと協働して直列共振して、第２回路１２は倍電圧整流回路として働く。一方、第２回路１２の負荷電圧である直流電圧Ｖ２が低いときは、共振インダクタンス２０は、第１回路１１の共振コンデンサ１８ａ、１８ｂと協働して直列共振して、第２回路１２は全波整流回路として働く。
【００２９】
従って、負荷電圧及び負荷電流が大きく変化するときに、直列共振回路における共振キャパシタンスの大きさが自動的に変更されて、共振電流波形を正弦波状に又は正弦波形に近づけるように改善し、広い負荷範囲にわたって電力効率を向上させることができる。
【００３０】
次に、第２回路１２から第１回路１１に電力の供給を行う場合、すなわち、図１の矢印Ｙ方向に電力を供給する場合には、切換手段３０を開放する。これにより、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂは共振動作に寄与しないように接続される。この場合、第２回路１２のフルブリッジ回路２９はインバータ回路として動作し、第１回路１１のスイッチング素子１４ａ、１４ｂはオフのままである。
【００３１】
図３は、切換手段３０を開放したときの等価回路図である。この等価回路は、特許文献１の図１に示す回路と同じである。すなわち、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂはコンデンサ２８に並列に接続され、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂはコンデンサ２８の一部として機能する。共振コンデンサ２６ａ、２６ｂのキャパシタンスは、コンデンサ２８のキャパシタンスに比較して小さいので、図３では、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂの図示を省略している。また、共振インダクタンス２０は第１回路１１の共振コンデンサ１８ａ、１８ｂと協働して直列共振する。
【００３２】
図３に示すように、第２回路１２から第１回路１１に電力の供給を行う場合（矢印Ｙ方向に電力を供給する場合）は、第１回路１１は倍電圧整流回路となる。このため、入力電圧Ｖ２が最小値Ｖ２max／２のときに出力可能な出力電圧Ｖ１の最大値Ｖ１maxは、（４）式で示される。
【００３３】
Ｖ１max＝（Ｖ２max／２）・（Ｎ１／Ｎ２）・２＝Ｖ１
つまり、入力電圧Ｖ２が最小値Ｖ２max／２である場合であっても出力電圧値Ｖ１を出力することが可能である。
【００３４】
また、矢印Ｙの向きに電力を供給する場合、もし、従来例のように、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂが機能すると、負荷に供給可能な電力値は、共振コンデンサ２６ａ、２６ｂに充放電される電力値で決定されるので、入力電圧が低いと供給できる電力が少なくなる。
【００３５】
一方、本発明の実施形態の場合には、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂが機能しないため、入力電圧が低い場合でも所定の出力電力(矢印Ｘの向きに電力を供給しているときの最大電力)を出力することが可能である。ここで、切換手段３０としては、例えばIGBT等の半導体素子が望ましく、その場合、スイッチング速度の遅い低損失の素子を使用できる。
【００３６】
このように、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂを切り離し可能とする切換手段３０を設け、電力供給方向によってこの切換手段３０で回路方式を切り換える。第１回路１１から第２回路１２に電力を供給する場合には、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂを共振動作に寄与させて、負荷電圧、ここでは直流電圧Ｖ２が高いときは第２回路１２を倍電圧整流回路として働かせ、負荷電圧である直流電圧Ｖ２が低いときは全波整流回路として働かせる。第２回路１２から第１回路１１に電力を供給する場合には、第２回路１２の共振コンデンサ２６ａ、２６ｂが共振動作に寄与しないように切り換えて、第１回路１１を倍電圧整流回路として働かせる。従って、双方向で同じ電圧、電力を出力可能な共振形コンバータが実現可能となる。
【００３７】
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１１…第１回路、１２…第２回路、１３…トランス、１３ａ…１次巻線、１３ｂ…２次巻線、１４…スイッチング素子、１５…直流電圧端子、１６…ハーフブリッジ回路、１７…ダイオード、１８…共振コンデンサ、１９…ダイオード、２０…共振インダクタンス、２１…コンデンサ、２２…スイッチング素子、２３…直流電圧端子、２４…ハーフブリッジ回路、２５…ダイオード、２６…共振コンデンサ、２７…逆充電防止ダイオード、２８…コンデンサ、２９…フルブリッジ回路２９、３０…切換手段、３１…スイッチング素子、３２…レグ、３３…スイッチング素子、３４…ダイオード、３５…ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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