(57)【要約】【課題】高い力率で交流電圧を直流電圧に変換することができる小型で安価な変換装置の提供。【解決手段】整流回路１１は、交流電源２が出力した変換対象の交流電圧を直流電圧に整流する。整流回路１１が整流した直流電圧がコイルＬ１を介してインバータ１２の入力端子Ｓ１，Ｓ２間に印加される。インバータ１２は入力端子Ｓ１，Ｓ２間に印加された直流電圧を交流電圧に変換する。変圧器１３はインバータ１２が変換した交流電圧を変圧し、整流回路１４はインバータ１２が変圧した交流電圧を整流する。制御部１６は、インバータ１２の動作を制御し、制御部１６が制御する動作に入力端子Ｓ１，Ｓ２間を短絡する短絡動作が含まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換対象の交流電圧を整流した直流電圧が印加される入力端子対を有し、該入力端子対間に印加された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、該インバータが変換した交流電圧を変圧する変圧器と、該変圧器が変圧した交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記インバータの動作を制御する制御部とを備える変換装置において、
前記入力端子対の一方の端子に接続されるコイルを備え、
前記制御部が制御する動作に前記入力端子対間を短絡する短絡動作が含まれること
を特徴とする変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記変換対象の交流電圧の絶対値に応じて、前記インバータに前記短絡動作を行わせる期間を調整するように構成してあること
を特徴とする請求項１に記載の変換装置。
【請求項３】
前記インバータ及び変圧器間に接続されるコンデンサを更に備え、
前記制御部は、前記変換対象の交流電圧の絶対値に応じて、前記インバータが変換する交流電圧の周波数を調整するように構成してあること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変換装置。
【請求項４】
前記インバータは
複数のスイッチからなるブリッジ回路と、
該ブリッジ回路の出力端子対間に接続されるコンデンサと
を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電圧を直流電圧に変換する変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭に引き込まれた交流電源（商用電源）が出力する交流電圧を直流電圧に変換する変換装置を搭載し、変換装置が変換した直流電圧をバッテリに印加することによってバッテリを充電するプラグインハイブリッド車又は電気自動車が普及している。
【０００３】
家庭に引き込まれた交流電源が出力する交流電圧を直流電圧に変換する変換装置は、一般に、発電所から各家庭への送電効率を上げるために、８０％以上の高い力率で交流電圧を直流電圧に変換する必要がある。現在、高い力率で交流電圧を直流電圧に変換する変換装置が実現されている（特許文献１参照）。
【０００４】
図６は従来の変換装置の要部構成を示す回路図である。変換装置７は、整流回路７１，７５、力率改善回路７２、インバータ７３、変圧器７４、平滑回路７６及び制御部７７を備える。
【０００５】
交流電源８が出力した変換対象の交流電圧は整流回路７１によって直流電圧に整流され、整流された直流電圧は力率改善回路７２を介してインバータ７３に出力される。インバータ７３は、図示しない複数のスイッチからなるブリッジ回路を有し、制御部７７が複数のスイッチを各別にオン／オフすることによって、力率改善回路７２を介して印加された直流電圧を高周波の交流電圧に変換し、変換した交流電圧を変圧器７４の一方のコイルの両端子間に印加する。
【０００６】
変圧器７４は、一方のコイルの両端子間に印加された交流電圧を変圧し、変圧した交流電圧を他方のコイルの両端子から整流回路７５に出力する。整流回路７５は、変圧器７４が変圧した交流電圧を直流電圧に整流し、整流した直流電圧を平滑回路７６に出力する。平滑回路７６は、整流回路７５が出力した直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧をバッテリ９に充電する。
【０００７】
力率改善回路７２は、コイルＬ７、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）７ａ、ダイオード７ｂ及びコンデンサＣ７を有する。コイルＬ７について、一方の端子は整流回路７１に、他方の端子は、ＦＥＴ７ａのドレイン、及び、ダイオード７ｂのアノードに接続している。ダイオード７ｂのカソードは、コンデンサＣ７の一方の端子、及び、インバータ７３に接続している。ＦＥＴ７ａのソースは、コンデンサＣ７の他方の端子と、整流回路７１とインバータ７３とに接続している。ダイオード７ｂはインバータ７３から整流回路７１への方向に電流が流れることを防止している。
【０００８】
ＦＥＴ７ａのゲートは制御部７７に接続しており、制御部７７はＦＥＴ７ａのゲートに印加する電圧を調整することによってＦＥＴ７ａをオン／オフする。ＦＥＴ７ａにおいて、ゲートに印加している電圧が所定電圧以上である場合、ドレイン及びゲート間に電流が流れてＦＥＴ７ａがオンとなり、ゲートに印加している電圧が所定電圧未満である場合、ドレイン及びゲート間に電流が流れずＦＥＴ７ａがオフとなる。
【０００９】
ＦＥＴ７ａがオフである状態では、整流回路７１が出力した脈動する直流電圧がコンデンサＣ７の両端子間の電圧を上回った場合に変換装置７に電流が流れる。この状態では、交流電源８が出力した変換対象の交流電圧において、交流電源８に還流する交流電流と位相が一致する部分が少ないため、力率は低い。
【００１０】
そこで、制御部７７は、ＦＥＴ７ａをオンにすることによって、一定時間コイルＬ７に電流を流した後、ＦＥＴ７ａをオフにすることによって、コイルＬ７の両端子間の電圧を昇圧する。コイルＬ７は電流の変化をなくすように作用する。このため、ＦＥＴ７ａがオフになってコイルＬ７に流れる電流が少なくなった場合、コイルＬ７は同量の電流を流し続けようとコイルＬ７の両端子間の電圧を上昇させる。コイルＬ７が上昇させる電圧の絶対値は、ＦＥＴ７ａをオンにしているオン期間が長い程大きくなる。
【００１１】
制御部７７は、ＦＥＴ７ａのオン期間を調整することによってコイルＬ７のインバータ７３側の端子から出力する電圧の絶対値を調整することができ、該電圧を適宜コンデンサＣ７の両端子間の電圧よりも上回せることができる。
【００１２】
制御部７７は、ＦＥＴ７ａのオン期間を調整してコイルＬ７の他方の端子の電圧を上昇させることにより、変換対象の交流電圧の位相に一致する多量の電流を交流電源８に還流させることができる。これにより、変換装置７は高い力率で交流電圧を直流電圧に変換することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３１９４５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の変換装置７では、力率を高くするために、ＦＥＴ７ａ及びコンデンサＣ７等の多くの部品を備えなければならず、大型であり、且つ、製造費用が嵩むという問題点がある。
【００１５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い力率で交流電圧を直流電圧に変換することができる小型で安価な変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る変換装置は、変換対象の交流電圧を整流した直流電圧が印加される入力端子対を有し、該入力端子対間に印加された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、該インバータが変換した交流電圧を変圧する変圧器と、該変圧器が変圧した交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記インバータの動作を制御する制御部とを備える変換装置において、前記入力端子対の一方の端子に接続されるコイルを備え、前記制御部が制御する動作に前記入力端子対間を短絡する短絡動作が含まれることを特徴とする。
【００１７】
本発明にあっては、変換対象の交流電圧を整流した直流電圧がコイルを介してインバータの入力端子対間に印加される。インバータは入力端子対間に印加された直流電圧を交流電圧に変換する。変圧器はインバータが変換した交流電圧を変圧し、整流回路は、変圧器が変圧した交流電圧を整流する。制御部はインバータの動作を制御し、制御部が制御する動作に入力端子対間を短絡する短絡動作が含まれる。
【００１８】
入力端子対の一方にコイルが接続されているため、入力端子対間が短絡した場合、変換対象の交流電圧を出力する交流電源の両端子間が短絡することはなく、交流電源に電流が還流する。
【００１９】
制御部は、インバータに直流電圧から交流電圧への変換を行わせる動作に、適宜、短絡動作を含んでいるため、直流電圧に整流される交流電圧と位相が一致する多量の電流が交流電源に還流し、力率が高い。更に、力率が高い変換を実現するために追加される部品がコイルのみであるため、装置が小型で安価である。
【００２０】
本発明に係る変換装置は、前記制御部は、前記変換対象の交流電圧の絶対値に応じて、前記インバータに前記短絡動作を行わせる期間を調整するように構成してあることを特徴とする。
【００２１】
本発明にあっては、制御部は、変換対象の交流電圧の絶対値に応じて、インバータに短絡動作を行わせる期間を調整するので、力率をより高くすることが可能となる。
【００２２】
本発明に係る変換装置は、前記インバータ及び変圧器間に接続されるコンデンサを更に備え、前記制御部は、前記変換対象の交流電圧の絶対値に応じて、前記インバータが変換する交流電圧の周波数を調整するように構成してあることを特徴とする。
【００２３】
本発明にあっては、インバータと、インバータが変換した交流電圧を変圧する変圧器との間にコンデンサが接続されるため、インバータに接続する変圧器の一方のコイルとコンデンサとによって直列共振回路が構成される。インバータが変圧器の一方のコイルに出力する交流電圧の周波数によって、直列共振回路のインピーダンスが変更する。
【００２４】
従って、制御部は、インバータが行う動作が短絡動作から他の動作に移って電流が直列共振回路を介して交流電源に還流した場合に、インバータが出力する交流電圧の周波数の調整によって直列共振回路のインピーダンスを調整し、交流電源に還流する電流の絶対値を調整することが可能となる。これにより、変換対象の交流電圧と位相が一致して交流電源に還流する電流が増加し、力率をより高くすることが可能となる。
【００２５】
本発明に係る変換装置は、前記インバータは複数のスイッチからなるブリッジ回路と、該ブリッジ回路の出力端子対間に接続されるコンデンサとを有することを特徴とする。
【００２６】
本発明にあっては、複数のスイッチからなるブリッジ回路の出力端子対間にコンデンサが接続されており、コンデンサは、複数のスイッチのオン／オフによって発生する雑音を除去するので、インバータから変圧器に雑音が少ない交流電圧が出力される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、コイルを介して入力端子対間に印加された直流電圧を交流電圧に変換するインバータの動作に入力端子対間を短絡する短絡動作が含まれるため、高い力率で交流電圧を変換することができる小型で安価な変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る変換装置の要部構成を示す回路図である。
【図２】変換装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】変換装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】インバータが短絡動作を行う期間の調整による交流電流の絶対値の調整方法を説明するための説明図である。
【図５】直列共振回路のインピーダンス調整による交流電流の絶対値の調整方法を説明するための説明図である。
【図６】従来の変換装置の要部構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る変換装置の要部構成を示す回路図である。この変換装置１は、例えば周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ等である変換対象の交流電圧を出力する交流電源２の両端子と、バッテリ３の両端子とに接続しており、交流電源２の両端子から出力した変換対象の交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧をバッテリ３の両端子間に印加する。これによりバッテリ３は充電される。
【００３０】
変換装置１は、整流回路１１，１４、インバータ１２、変圧器１３、平滑回路１５、制御部１６、コイルＬ１及びコンデンサＣ１を備える。インバータ１２は入力端子Ｓ１，Ｓ２及び出力端子Ｕ１，Ｕ２を有し、変圧器１３はコイル１３ａ，１３ｂによって構成されている。
【００３１】
整流回路１１は、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を有し、ダイオードＤ１のアノード、及び、ダイオードＤ２のカソードは交流電源２の一方の端子に、ダイオードＤ３のアノード、及び、ダイオードＤ４のカソードは交流電源２の他方の端子に接続している。ダイオードＤ１，Ｄ３夫々のカソードはコイルＬ１を介してインバータ１２の入力端子Ｓ１に、ダイオードＤ２，Ｄ４夫々のアノードはインバータ１２の入力端子Ｓ２に接続している。
【００３２】
このようにダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が接続された整流回路１１は、交流電源２が出力する変換対象の交流電圧を直流電圧に整流し、整流した直流電圧を、コイルＬ１を介して、インバータ１２の入力端子Ｓ１，Ｓ２間に印加する。入力端子Ｓ１，Ｓ２によってインバータ１２の入力端子対が構成されている。
【００３３】
インバータ１２は、入力端子Ｓ１，Ｓ２及び出力端子Ｕ１，Ｕ２の他に、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４、及び、コンデンサＣ２を更に有する。入力端子Ｓ１にはＦＥＴ２１，２３夫々のドレインが接続され、入力端子Ｓ２にはＦＥＴ２２，２４夫々のソースが接続されている。
【００３４】
ＦＥＴ２１のソース、及び、ＦＥＴ２２のドレイン夫々は出力端子Ｕ１に、ＦＥＴ２３のソース、及び、ＦＥＴ２４のドレイン夫々は出力端子Ｕ２に接続している。ＦＥＴ２１，２２，２３，２４夫々のゲートは制御部１６に各別に接続されている。ＦＥＴ２１，２２，２３，２４はブリッジ回路を構成している。インバータ１２の内部において、出力端子Ｕ１，Ｕ２間には、コンデンサＣ２が接続されている。インバータ１２の外部において、出力端子Ｕ１，Ｕ２間には、変圧器１３のコイル１３ａ及びコンデンサＣ１によって構成される直列共振回路が接続されている。
【００３５】
ＦＥＴ２１，２２，２３，２４夫々は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、半導体スイッチとして機能し、制御部１６によってオン／オフされる。ＦＥＴ２１，２２，２３，２４夫々は、制御部１６が所定電圧以上の電圧をゲートに印加した場合、ドレイン及びゲート間に電流が流れてオンになり、制御部１６が所定電圧未満の電圧をゲートに印加した場合、ドレイン及びゲート間に電流が流れずにオフになる。
【００３６】
制御部１６は、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４を各別にオン／オフすることによって、インバータ１２の動作を制御する。制御部１６は、ＦＥＴ２１，２４夫々をオンにしてＦＥＴ２２，２３夫々をオフにすることによって実現する第１動作と、ＦＥＴ２１，２４夫々をオフにしてＦＥＴ２２，２３夫々をオンにすることによって実現する第２動作とを交互にインバータ１２に行わせる。
【００３７】
制御部１６がインバータ１２に第１動作を行わせた場合、コイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路において、電流が出力端子Ｕ１からＵ２に流れる。同様に、制御部１６がインバータ１２に第２動作を行わせた場合、コイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路において、電流が出力端子Ｕ２からＵ１に流れる。
【００３８】
このため、制御部１６が第１及び第２動作をインバータ１２に交互に行わせることによって、インバータ１２の出力端子Ｕ１，Ｕ２から交流電圧が出力され、変圧器１３のコイル１３ａの両端子間に交流電圧が印加される。インバータ１２が出力する交流電圧の周波数は、インバータ１２が第１及び第２動作を交互に行う間隔によって決まり、例えば１００ｋＨｚに調整される。インバータ１２が第１及び第２動作を交互に行う間隔が短い程、インバータ１２が出力する交流電圧の周波数は高くなる。
【００３９】
制御部１６は、更に、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４全てをオンにすることによって入力端子Ｓ１，Ｓ２間を短絡する短絡動作を第１及び第２動作の間にインバータ１２に適宜行わせる。インバータ１２が短絡動作を行った場合、交流電源２に電流が還流する。このとき、コイルＬ１がインバータ１２の入力端子Ｓ１に接続されているため、交流電源２の両端子間が短絡することはない。コイルＬ１は、交流電源２の両端子間の短絡を防止できればよいため、昇圧用のコイルのように大きなインダクタンスを必要とせず、コイルＬ１のサイズは小さい。
【００４０】
制御部１６は、ダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ２のカソードの接続ノードと、ダイオードＤ３のアノード及びダイオードＤ４のカソードの接続ノードとに各別に接続されており、交流電源２が整流回路１１に出力した変換対象の交流電圧を監視している。
【００４１】
制御部１６は、交流電源２が出力した変換対象の交流電圧の絶対値に応じて、インバータ１２に短絡動作を行わせる期間を調整する。インバータ１２に短絡動作を行わせている期間が長い程、交流電源２に還流する電流の絶対値は大きくなる。
【００４２】
制御部１６がインバータ１２に短絡動作を行わせている間、コイルＬ１にはエネルギーが蓄積される。
インバータ１２が行う動作が短絡動作から第１又は第２動作に移った場合、コイルＬ１は電流をコイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路を介して交流電源２に還流させ、蓄積していたエネルギーを放出する。
【００４３】
直列共振回路のインピーダンスは、インバータ１２が出力する交流電圧の周波数が直列共振回路の共振周波数に一致している場合にゼロであり、インバータ１２が出力する交流電圧の周波数が共振周波数から離れるほど大きくなる。直列共振回路の共振周波数は、コイル１３ａのインダクタンスをＬｒ、コンデンサＣ１の容量をＣｒとした場合、直列共振回路の共振周波数は、１／（２π×√（Ｌｒ×Ｃｒ））によって算出される値である。
【００４４】
制御部１６は、インバータ１２に第１及び第２動作を交互に行わせる間隔を調整することによって出力端子Ｕ１，Ｕ２から出力される交流電圧の周波数を変更し、コイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路のインピーダンスを調整する。制御部１６は、インバータ１２が行う動作を短絡動作から他の動作に移して電流が直列共振回路を介して交流電源２に還流した場合に、直列共振回路のインピーダンスを調整することによって、交流電源２に還流する電流の絶対値を調整することができる。
【００４５】
制御部１６は、交流電源２が出力する交流電圧に応じて、インバータ１２の出力端子Ｕ１，Ｕ２から出力する交流電圧の周波数を調整して、コイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路のインピーダンスを調整する。
【００４６】
コンデンサＣ２は、制御部１６がＦＥＴ２１，２２，２３，２４を各別にオン／オフする際に発生する雑音を除去する。これにより、インバータ１２は出力端子Ｕ１，Ｕ２から雑音が少ない交流電圧を出力する。インバータ１２が行う動作が短絡動作から第１又は第２動作に移った場合に、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出され、大きな電流がインバータ１２内を流れ、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４等の素子が破壊される虞がある。しかし、コンデンサＣ２により、インバータ１２内に流れる電流が平均化されるため、素子の破壊が防止される。
【００４７】
変圧器１３は、図示しない環状の鉄心にコイル１３ａ，１３ｂ夫々を巻くことによって構成される。変圧器１３は、インバータ１２の出力端子Ｕ１，Ｕ２から出力されて変圧器１３のコイル１３ａの両端子間に印加された交流電圧を変圧し、変圧した交流電圧をコイル１３ｂの両端子から整流回路１４に出力する。
【００４８】
コイル１３ｂの両端子から出力される交流電圧の振幅は、コイル１３ｂの巻数をコイル１３ａの巻数で割った値と、コイル１３ａの両端子間に印加される交流電圧の振幅との積によって決まる。
【００４９】
整流回路１４は、ダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８を有し、ダイオードＤ５のアノード、及び、ダイオードＤ６のカソードはコイル１３ｂの一方の端子に、ダイオードＤ７のアノード、及び、ダイオードＤ８のカソードはコイル１３ｂの他方の端子に接続している。ダイオードＤ５及びＤ７夫々のカソードは平滑回路１５が有するコイルＬ２の一方の端子に、ダイオードＤ６及びＤ８夫々のアノードは平滑回路１５が有するコンデンサＣ３の一方の端子に接続している。
【００５０】
このようにダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８が接続された整流回路１４は、変圧器１３のコイル１３ｂの両端子から出力された交流電圧を直流電圧に整流し、整流した直流電圧を平滑回路１５に出力する。
【００５１】
平滑回路１５のコイルＬ２の他方の端子はコンデンサＣ１の他方の端子とバッテリ３の正極端子とに接続しており、平滑回路１５のコンデンサＣ１の一方の端子は、ダイオードＤ６，Ｄ８夫々のアノードの他にバッテリ３の負極端子に接続されている。
【００５２】
平滑回路１５は、コイルＬ２及びコンデンサＣ３によって、整流回路１４が整流した直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧をバッテリ３に印加する。これにより、バッテリ３は充電される。
【００５３】
整流回路１４が整流した脈動する直流電圧がコンデンサＣ３の両端子間の電圧を超えた場合に平滑回路１５内に電流が流れ、整流回路１１、インバータ１２、変圧器１３及び整流回路１４に電流が流れる。従って、インバータ１２が第１又は第２動作を行っている間では、整流回路１４が整流した脈動する直流電圧がコンデンサＣ３の両端子間の電圧を超えた場合に電流が交流電源２に還流し、他の場合においては電流が交流電源２に還流しない。このような状態では力率が低下するため、制御部１６は、インバータ１２に第１及び第２動作を交互に行わせている間に短絡動作を適宜行わせることによって、電流を交流電源２に還流させて力率を高くする。
【００５４】
図２及び図３は変換装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。制御部１６は、交流電源２が変換装置１に図２に示す変換対象の交流電圧Ｖａを印加している間に、インバータ１２のＦＥＴ２１，２２，２３，２４を各別にオン／オフする。ここで、交流電圧Ｖａは、交流電源２において、ダイオードＤ４側の端子を基準としたダイオードＤ１側の端子の電圧である。
【００５５】
制御部１６は、図２に示すように、インバータ１２に、ＦＥＴ２１，２４夫々がオンでありＦＥＴ２２，２３夫々がオフである第１動作、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４全てがオンである短絡動作、及び、ＦＥＴ２１，２４夫々がオフでありＦＥＴ２２，２３夫々がオンである第２動作を行わせている。制御部１６は、第１動作、短絡動作、第２動作、及び、短絡動作の順にインバータ１２に動作を繰り返し行わせている。制御部１６がインバータ１２に第１動作、短絡動作、第２動作、及び、短絡動作の順に行わせる繰り返し周期は、交流電圧Ｖａの周期よりも十分に短い。
【００５６】
図２には、更に、交流電源２に還流する交流電流Ｉａの波形、及び、変圧器１３のコイル１３ａに印加される交流電圧Ｖｂの波形が示されている。交流電流Ｉａについては、ダイオードＤ２のカソードから交流電源２を介してダイオードＤ３のアノードに流れる電流を正としている。また、交流電圧Ｖｂは、コイル１３ａにおいて、コンデンサＣ１側の端子の電圧を基準とした出力端子Ｕ１の電圧である。
【００５７】
図２に示すように、制御部１６がインバータ１２に短絡動作を行わせている間、変圧器１３のコイル１３ａの両端子間には電圧が印加されず交流電圧Ｖｂはゼロである。更に、制御部１６がインバータ１２に短絡動作を行わせている間、交流電源２の交流電圧Ｖａが正である場合には交流電源２に正の電流が流れ（Ｉａ＞０）、交流電源２の交流電圧Ｖａが負である場合には交流電源２に負の電流が流れる（Ｉａ＜０）。
【００５８】
また、インバータ１２が行う動作が短絡動作から第１又は第２動作に移った場合、整流回路１４が平滑回路１５に出力する脈動する直流電圧がコンデンサＣ３の両端子間の電圧を超えない限り、交流電源２に還流しないため、交流電源２に還流する交流電流Ｉａの絶対値は徐々にゼロになるまで低下する。
【００５９】
従って、制御部１６が第１及び第２動作の間に短絡動作を適宜行わせることによって、交流電圧Ｖａの位相に一致した交流電流Ｉａが交流電源２に還流し、力率が高くなる。
【００６０】
また、制御部１６がインバータ１２に第１動作を行わせた場合、変圧器１３のコイル１３ａに正の電圧が印加され（Ｖｂ＞０）、制御部１６がインバータ１２に第２動作を行わせた場合、変圧器１３のコイル１３ａに負の電圧が印加される（Ｖｂ＜０）。
【００６１】
従って、制御部１６がインバータ１２に行わせる動作が短絡動作を介して第１動作から第２動作に、又は、第２動作から第１動作に移った場合、コイル１３ａに印加される電圧の正負が反転するため、図２に示すような交流電圧Ｖｂがインバータ１２の出力端子Ｕ１，Ｕ２から出力される。交流電圧Ｖｂの周波数は、制御部１６が第１動作、短絡動作、第２動作、及び、短絡動作の順にインバータ１２に行わせる繰り返し周期の逆数となる。
【００６２】
図２に示す交流電圧Ｖｂが変圧器１３のコイル１３ａの両端子間に印加した場合にコイル１３ｂの両端子から出力される交流電圧Ｖｃが図３に示されている。交流電圧Ｖｃは、コイル１３ｂのダイオードＤ８側の端子の電圧を基準としたコイル１３ｂのダイオードＤ５側の端子の電圧である。
【００６３】
図３に示すようにコイル１３ｂの両端子から出力される交流電圧Ｖｃの波形は、コイル１３ａの両端子間に印加される交流電圧Ｖｂの波形に類似しており、交流電圧Ｖｃの振幅は交流電圧Ｖｂの振幅よりも大きくなっている。
【００６４】
交流電圧Ｖｃが整流回路１４に整流されて、図３に示すような脈動する直流電圧Ｖｄが整流回路１４から平滑回路１５に出力される。ここで、直流電圧Ｖｄは、ダイオードＤ８のアノードの電圧を基準としたダイオードＤ７のカソードの電圧である。
【００６５】
脈動する直流電圧Ｖｄは平滑回路１５によって平滑化され、図３に示すような一定の直流電圧Ｖｅが平滑回路１５から出力されてバッテリ３に印加される。これによりバッテリ３が充電される。直流電圧Ｖｅは、コンデンサＣ３において、ダイオードＤ８側の端子の電圧を基準としたコイルＬ２側の端子の電圧である。
【００６６】
図４はインバータ１２が短絡動作を行う期間の調整による交流電流Ｉａの絶対値の調整方法を説明するための説明図である。図４には、ＦＥＴ２１，２４のオン／オフ状態、及び、ＦＥＴ２２，２３のオン／オフ状態のタイミングチャートが示されている。
【００６７】
前述したように、交流電源２に還流する電流の絶対値は、制御部１６がインバータ１２に短絡動作を行わせている期間が長い程大きい。制御部１６は、交流電源２の交流電圧Ｖａの絶対値に応じて、インバータ１２に短絡動作を行わせている期間を調整する。
【００６８】
図４に示すように、制御部１６は、ＦＥＴ２１，２４夫々がオン状態からオフ状態に移行する時点Ｔ１と、ＦＥＴ２２，２３夫々がオン状態からオフ状態に移行する時点Ｔ２とを調整することによって、インバータ１２に短絡動作を行わせる期間を調整する。
【００６９】
時点Ｔ１は、ＦＥＴ２２，２３がオフ状態からオン状態に移行する時点の中で時点Ｔ１以前にある最も近い時点Ｔａから、ＦＥＴ２１，２４がオフ状態からオン状態に移行する時点の中で時点Ｔ１以後にある最も近い時点Ｔｂまでの範囲で調整される。制御部１６は、インバータ１２が短絡動作を行う時間を短くする場合には時点Ｔ１を時点Ｔａに近づけ、インバータ１２が短絡動作を行う時間を長くする場合には時点Ｔ１を時点Ｔｂに近づける。
【００７０】
同様に、時点Ｔ２は、ＦＥＴ２１，２４のオフ状態からオン状態に移行する時点の中で時点Ｔ２以前にある最も近い時点Ｔｃから、ＦＥＴ２２，２３のオフ状態からオン状態に移行する時点の中で時点Ｔ２以後にある最も近い時点Ｔｄまでの範囲で調整される。制御部１６は、インバータ１２が短絡動作を行う時間を短くする場合には時点Ｔ２を時点Ｔｃに近づけ、インバータ１２が短絡動作を行う時間を長くする場合には時点Ｔ２を時点Ｔｄに近づける。
【００７１】
制御部１６は、図２に示す交流電源２が出力する交流電圧Ｖａの絶対値に応じて、インバータ１２が短絡動作を行う時間を調整する。これにより、制御部１６は、交流電流Ｉａを、交流電圧Ｖａと位相が一致する部分がより多い交流電流に調整することができ、変換装置１は、より高い力率で交流電源２によって印加された交流電圧を変換することが可能となる。
【００７２】
制御部１６は、例えば、交流電圧Ｖａの絶対値が小さい場合にインバータ１２が短絡動作を行う時間を長くし、交流電圧Ｖａの絶対値が大きい場合にインバータ１２が短絡動作を行う時間を短くする。
【００７３】
これは、交流電圧Ｖａの絶対値の大小に応じて、インバータ１２が短絡動作を単位時間行った場合に交流電源２に還流する電流の絶対値が大小になり、更には、交流電圧Ｖａの絶対値が大きい場合、整流回路１４が出力する直流電圧がコンデンサＣ３の両端子間の電圧を超えて交流電源２に電流が還流するためである。
【００７４】
従って、交流電圧Ｖａの絶対値が小さい場合には、単位時間に交流電源２に還流する交流電流Ｉａの絶対値が小さいため、インバータ１２が短絡動作を行う時間を長くし、交流電圧Ｖａの絶対値が大きい場合、単位時間に交流電源２に還流する交流電流Ｉａの絶対値が大きいため、インバータ１２が短絡動作を行う時間を短くする。
【００７５】
なお、図２に示す交流電流Ｉａの波形においては、交流電圧Ｖａの絶対値が大きく、整流回路１４が出力する直流電圧がコンデンサＣ３の両端子間の電圧を超えた場合に交流電源２に還流する電流を、説明を簡単にするため記載していない。更に、図２に示すＦＥＴ２１，２４のオン／オフ状態、及び、ＦＥＴ２２，２３のオン／オフ状態のタイミングチャートにおいては、インバータ１２が短絡動作を行う時間は均一になっている。
【００７６】
図５は直列共振回路のインピーダンス調整による交流電流Ｉａの絶対値の調整方法を説明するための説明図である。図５Ａは、コイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路に印加される交流電圧Ｖｂの周波数に対する該直列共振回路のインピーダンスを示している。図５Ａに示すように、インバータ１２が出力端子Ｕ１，Ｕ２から出力する交流電圧Ｖｂの周波数が直列共振回路の共振周波数と一致している場合、直列共振回路のインピーダンスはゼロであり、交流電圧Ｖｂの周波数が共振周波数から離れる程、直列共振回路のインピーダンスは大きい。
【００７７】
図５Ｂは交流電圧Ｖｂの各周波数における交流電流Ｉａの波形を示している。前述したように、制御部１６がインバータ１２に短絡動作を行わせている間、交流電流Ｉａの絶対値は時間の経過と共に徐々に大きくなる。また、制御部１６がインバータ１２に行わせる動作が短絡動作から第１又は第２動作に移って整流回路１４が出力する直流電圧がコンデンサＣ３の両端子間の電圧を下回る場合、交流電流Ｉａの絶対値は徐々にゼロまで低下する。
【００７８】
制御部１６がインバータ１２に第１又は第２動作を行わせている間に低下する交流電流Ｉａの絶対値は、図５Ｂに示すように、コイル１３ａ及びコンデンサＣ１からなる直列共振回路のインピーダンスが小さい程大きい。
【００７９】
従って、制御部１６は、交流電圧Ｖｂの周波数を調整することによって、直列共振回路のインピーダンスを調整し、更には、交流電流Ｉａの大きさを調整することができる。これにより、制御部１６は、交流電流Ｉａを交流電圧Ｖａと位相が一致する部分がより多い交流電流に調整することができ、変換装置１は、より高い力率で交流電源２によって印加された変換対象の交流電圧を変換することが可能となる。
【００８０】
なお、制御部１６は、インバータ１２に繰り返し行わせる第１動作、短絡動作、第２動作及び短絡動作の繰り返し周期を短く（又は長く）することによって、交流電圧Ｖｂの周波数を高く（又は低く）する。
【００８１】
制御部１６は、例えば、交流電圧Ｖａの絶対値が小さい場合に交流電圧Ｖｂの周波数を直列共振回路の共振周波数に近づけて直列共振回路のインピーダンスを小さくし、交流電圧Ｖａの絶対値が大きい場合に交流電圧Ｖｂの周波数を直列共振回路の共振周波数から離して直列共振回路のインピーダンスを大きくする。
【００８２】
これは、前述したように、交流電圧Ｖａの絶対値が小さい場合には、単位時間に交流電源２に還流する電流の絶対値が小さく、交流電圧Ｖａの絶対値が大きい場合、単位時間に交流電源２に還流する電流の絶対値が大きいためである。
【００８３】
なお、図２に示すＦＥＴ２１，２４のオン／オフ状態、及び、ＦＥＴ２２，２３のオン／オフ状態のタイミングチャートにおいては、インバータ１２が繰り返し行う第１動作、短絡動作、第２動作及び短絡動作の周期は一定であり、図２に示す交流電圧Ｖｂの波形においては、周波数が一定である。
【００８４】
以上に説明したように、変換装置１は、交流電源２によって印加された変換対象の交流電圧Ｖａを高い力率で直流電圧Ｖｅに変換することができる。更に、力率が高い変換を実現するために変換装置１の構成に追加される部品がコイルＬ１のみであるため、装置は小型で安価である。
【００８５】
なお、本実施の形態において、制御部１６は、インバータ１２に短絡動作を行わせる場合に、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４全てをオンにする必要はない。制御部１６は、ＦＥＴ２１，２２夫々をオン（又はオフ）にしてＦＥＴ２３，２４夫々をオフ（又はオン）にすることによって、インバータ１２に短絡動作を行わせてもよい。
【００８６】
更には、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４全てがオンである場合に交流電源２に還流する電流の絶対値は、ＦＥＴ２１，２２夫々がオン（又はオフ）であってＦＥＴ２３，２４夫々がオフ（又はオン）である場合に交流電源２に還流する電流の絶対値よりも大きい。このため、制御部１６は、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４全てをオンにすることによって実現される短絡動作と、ＦＥＴ２１，２２夫々をオン（又はオフ）にしてＦＥＴ２３，２４夫々をオフ（又はオン）にすることによって実現される短絡動作とを組み合わせて、交流電源２に還流する電流の絶対値を調整してもよい。
【００８７】
また、本実施の形態において、制御部１６は、交流電源２が出力した交流電圧Ｖａの大きさに応じて、インバータ１２に短絡動作を行わせる期間を調整する必要はなく、例えば、該期間を一定にしてもよい。
【００８８】
また、制御部１６は、交流電源２が出力した交流電圧Ｖａの大きさに応じて、インバータ１２が変換する交流電圧Ｖｂの周波数を調整する必要はなく、例えば、交流電圧Ｖｂの周波数を一定にしてもよい。
【００８９】
更に、変換装置１は必ずしもコンデンサＣ２を備える必要はない。この場合であっても変換装置１は、交流電源２が出力する交流電圧Ｖａを高い力率で直流電圧Ｖｅに変換することができる。
【００９０】
また、制御部１６は、第１及び第２動作の間に、インバータ１２に短絡動作を繰り返し行わせなくてもよい、適宜、短絡動作を省き、第１動作（又は第２動作）の後に第２動作（又は第１動作）をインバータ１２に行わせてもよい。
【００９１】
インバータ１２が有するＦＥＴ２１，２２，２３，２４夫々は、半導体スイッチとして機能すればよいため、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴに限定されず、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴであってもよく、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）であってもよい。更には、インバータ１２は、ＦＥＴ２１，２２，２３，２４夫々の代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。
【００９２】
開示された実施の形態は、全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。本発明の範囲は上述の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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９３】
１  変換装置
１１，１４  整流回路
１２  インバータ
１３  変圧器
１６  制御部
２１，２２，２３，２４  ＦＥＴ
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｌ１  コイル
Ｓ１，Ｓ２  入力端子
Ｖａ，Ｖｂ  交流電圧
Ｖｅ  直流電圧
【図１】
2013169118.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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