(57)【要約】【課題】絶縁トランスを搭載する電力変換装置において半導体デバイスの数を削減する。【解決手段】交流側の一方の入力端から絶縁トランスの１次側中性点に至る交流側第１電路と、他方の入力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、交流側第１電路及び共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向性があり、オフ状態で双方向に通電遮断し、分岐点と１次側巻線の一端部及び他端部との間にそれぞれ挿入される第１スイッチ及び第２スイッチと、２次側巻線の両端部にそれぞれ正極が接続された各整流素子の負極を互いに接続して、一方の出力端に至る直流側第１電路と、２次側中性点から他方の出力端に至る直流側第２電路と、２つの出力端間に設けられたコンデンサと、各スイッチを制御する制御部と、を備えている電力変換装置である。【選択図】図１
2016208693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流から直流への電力変換を行う電力変換装置であって、
１次側巻線及び２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、
交流側の一方の入力端から前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、
交流側の他方の入力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、
前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、
前記２次側巻線の一端部に正極が接続された第１整流素子と、
前記２次側巻線の他端部に正極が接続された第２整流素子と、
前記第１整流素子及び前記第２整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方の出力端に至る直流側第１電路と、
前記２次側中性点から直流側の他方の出力端に至る直流側第２電路と、
前記一方の出力端と前記他方の出力端との間に設けられたコンデンサと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させる制御部と、
を備えている電力変換装置。
【請求項２】
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、入力される交流電圧の符号に応じて、一対の前記半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態として、他方をスイッチング動作させる、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
交流と直流との間で双方向に電力変換を行う電力変換装置であって、
交流側の１次側巻線及び直流側の２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、
交流側の一方のポートから前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、
交流側の他方のポートから共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、
前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、
前記２次側巻線の一端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第３スイッチと、
前記２次側巻線の他端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第４スイッチと、
前記第３スイッチの整流素子及び前記第４スイッチの整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方のポートに至る直流側第１電路と、
前記２次側中性点から直流側の他方のポートに至る直流側第２電路と、
前記直流側の一方のポートと前記直流側の他方のポートとの間に設けられたコンデンサと、
交流から直流への変換時は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させ、逆に、直流から交流への変換時は、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、
を備えている電力変換装置。
【請求項５】
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体である、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
直流から交流への変換時に、前記制御部は、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのいずれか一方のオン状態に対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのいずれか一方をオン状態とすることで交流電圧の符号の正、他方をオン状態とすることで交流電圧の符号の負、を作り出す請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
直流から交流への電力変換を行う電力変換装置であって、
交流側の１次側巻線及び直流側の２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、
交流側の一方の出力端から前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、
交流側の他方の出力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、
前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、
一端が、前記２次側巻線の一端部に接続された第３スイッチと、
一端が、前記２次側巻線の他端部に接続された第４スイッチと、
前記第３スイッチの他端及び前記第４スイッチの他端を互いに接続して、直流側の一方の入力端に至る直流側第１電路と、
前記２次側中性点から直流側の他方の入力端に至る直流側第２電路と、
前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、
を備えている電力変換装置。
【請求項８】
前記制御部は、交流電圧を検出する電圧センサ、直流電圧を検出する電圧センサ、及び、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサを含み、
前記制御部は、前記交流電圧に同期する交流電流が前記リアクトルに流れるよう、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのスイッチングを行う、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
交流側の端部の両電路間に、コンデンサを備えている請求項４〜請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
直流側の端部の両電路間と負荷との間に、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータを備えた請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流を直流に変換するか、又は、直流を交流に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１７〜図２１はそれぞれ、従来の代表的な絶縁型直流電源（交流から直流への電力変換装置）を示す回路図である。
まず、図１７に示す絶縁型直流電源は、絶縁トランス２０１と、ダイオードブリッジの整流回路２０２と、昇圧チョッパ回路２０３とを備えている。この回路は、半導体デバイスの使用数（ダイオード５個、スイッチ１個の合計６個）が少なく、制御もシンプルであるため、広く用いられている。なお、既知の回路であり、回路図及び図記号より回路動作は自明であるため、ここでは詳細な説明は省略する（以下同様）。
【０００３】
図１８に示す絶縁型直流電源は、ＡＣアダプタ等に広く用いられる回路であり、整流回路２０２と、昇圧チョッパ回路２０３と、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０４とを備えている。この回路は、半導体デバイスの使用数（ダイオード７個、スイッチ３個の合計１０個）が図１７の回路より多い。
【０００４】
図１９に示す絶縁型直流電源は、図１８における整流回路２０２及び昇圧チョッパ回路２０３を、バイポーラ型昇圧チョッパ回路２０５に置き換えて整流と力率制御を行うものである。この場合、半導体デバイスの数（ダイオード４個、スイッチ４個の合計８個）は、図１８の回路よりも少ないが、図１７の回路よりは多い。
【０００５】
図２０に示す絶縁型直流電源は、整流回路２０６と、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０７とを備えている（例えば、特許文献１の図５参照。）。この場合の半導体デバイスの使用数は８個（ダイオード６個、スイッチ２個の合計８個）である。
図２１に示す絶縁型直流電源は、整流回路２０８と、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０９とを備えている（例えば、特許文献１の図２参照。）。この場合の半導体デバイスの使用数は８個（ダイオード４個、スイッチ４個の合計８個）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２１６７３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来の絶縁型直流電源（電力変換装置）において、まず、図１７の回路は、半導体デバイスの数は最も少ないが、絶縁トランス２０１が、商用系統の周波数で使用される低周波トランスとなる。そのため、高周波トランスと比較すると、絶縁トランス２０１のサイズ及び重量が大きい。また、絶縁トランス２０１の励磁電流が大きく、そのため、無負荷時や軽負荷時の効率が悪い。
【０００８】
一方、図１８〜２１に示す絶縁型直流電源は、いずれも、半導体デバイスの使用数が８個以上である。交流側から高周波絶縁トランスまでの区間で見ると、６個以上である。半導体デバイスは、オン抵抗による電力損失や、スイッチングに伴う電力損失がある。
また、スイッチの場合、駆動回路の他、寄生インダクタンスによって起こるターンオフサージを吸収するスナバ回路等、周辺回路を設置するスペースが必要である。さらに、スイッチ自身を冷却するため放熱器も必要であるが、そのサイズがスイッチより大きい。従って、半導体デバイスが多いほど、装置全体を小型化することが困難になる。
【０００９】
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、高周波の絶縁トランスを搭載し、交流−直流間での電力変換を行う機能を備えた電力変換装置において、半導体デバイスの数を削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（交流から直流への変換）
本発明の電力変換装置は、交流から直流への電力変換を行う電力変換装置であって、１次側巻線及び２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の入力端から前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、交流側の他方の入力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、前記２次側巻線の一端部に正極が接続された第１整流素子と、前記２次側巻線の他端部に正極が接続された第２整流素子と、前記第１整流素子及び前記第２整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方の出力端に至る直流側第１電路と、前記２次側中性点から直流側の他方の出力端に至る直流側第２電路と、前記一方の出力端と前記他方の出力端との間に設けられたコンデンサと、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させる制御部と、を備えている電力変換装置である。
【００１１】
（交流−直流間の双方向）
また、本発明は、交流と直流との間で双方向に電力変換を行う電力変換装置であって、交流側の１次側巻線及び直流側の２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方のポートから前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、交流側の他方のポートから共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、前記２次側巻線の一端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第３スイッチと、前記２次側巻線の他端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第４スイッチと、前記第３スイッチの整流素子及び前記第４スイッチの整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方のポートに至る直流側第１電路と、前記２次側中性点から直流側の他方のポートに至る直流側第２電路と、前記直流側の一方のポートと前記直流側の他方のポートとの間に設けられたコンデンサと、交流から直流への変換時は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させ、逆に、直流から交流への変換時は、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている電力変換装置である。
【００１２】
（直流から交流への変換）
また、本発明は、直流から交流への電力変換を行う電力変換装置であって、交流側の１次側巻線及び直流側の２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の出力端から前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、交流側の他方の出力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、一端が、前記２次側巻線の一端部に接続された第３スイッチと、一端が、前記２次側巻線の他端部に接続された第４スイッチと、前記第３スイッチの他端及び前記第４スイッチの他端を互いに接続して、直流側の一方の入力端に至る直流側第１電路と、前記２次側中性点から直流側の他方の入力端に至る直流側第２電路と、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高周波の絶縁トランスを搭載し、交流−直流間での電力変換を行う機能を備えた電力変換装置において、交流側から絶縁トランスまでの半導体デバイスの数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態としての、絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。
【図２】リアクトルに流すべきリアクトル電流指令値Ｉｃ＊を求めるまでの制御ブロック図である。
【図３】参照波Ｖｒｅｆを求める制御ブロック図である。
【図４】絶縁整流コンバータのＰＷＭゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
【図５】絶縁整流コンバータのＰＷＭゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
【図６】降圧チョッパの制御ブロック図である。
【図７】交流電圧の符号が正から負に遷移する区間の一部における、入力の交流電圧Ｖａ、絶縁整流コンバータのゲート駆動パルスＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，Ｇａｔｅ３，Ｇａｔｅ４、リアクトル電流指令値Ｉｃ＊及び検出値Ｉｃを示す波形図である。
【図８】絶縁整流コンバータ及び降圧チョッパにおける入出力の波形図である。
【図９】第２実施形態としての、絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。
【図１０】リアクトル電流指令値及び参照波を求めるための制御ブロック図である。
【図１１】ＰＷＭゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
【図１２】双方向チョッパにおけるリアクトルの電流指令値を求める制御ブロック図である。
【図１３】ＰＷＭゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
【図１４】絶縁双方向コンバータのゲート駆動パルス、及び、電圧、電流波形を示す波形図である。
【図１５】絶縁双方向コンバータ及び双方向チョッパの逆変換における入出力の波形図である。
【図１６】順変換から逆変換に移行したときの波形図である。
【図１７】従来の代表的な絶縁型直流電源の第１例を示す回路図である。
【図１８】従来の代表的な絶縁型直流電源の第２例を示す回路図である。
【図１９】従来の代表的な絶縁型直流電源の第３例を示す回路図である。
【図２０】従来の代表的な絶縁型直流電源の第４例を示す回路図である。
【図２１】従来の代表的な絶縁型直流電源の第５例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
【００１６】
（１）交流から直流への電力変換を行う電力変換装置であって、１次側巻線及び２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の入力端から前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、交流側の他方の入力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、前記２次側巻線の一端部に正極が接続された第１整流素子と、前記２次側巻線の他端部に正極が接続された第２整流素子と、前記第１整流素子及び前記第２整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方の出力端に至る直流側第１電路と、前記２次側中性点から直流側の他方の出力端に至る直流側第２電路と、前記一方の出力端と前記他方の出力端との間に設けられたコンデンサと、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させる制御部と、を備えている電力変換装置である。
【００１７】
上記（１）のように構成された電力変換装置では、第１スイッチ及び第２スイッチの双方がオンの期間に、リアクトルにエネルギーが蓄積される。そして、第１スイッチ及び第２スイッチのいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランスの２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトルはリセットされる。２次側巻線の電圧は、第１整流素子及び第２整流素子によって整流され、コンデンサによる平滑を経て、出力される。第１スイッチ及び第２スイッチは双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号（方向）に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランスで変圧し、２次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランスまでの変換を、第１スイッチ及び第２スイッチのみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランスを有しながらも、スイッチの総数を抑えた、交流から直流への電力変換装置を得ることができる。
【００１８】
（２）また、（１）の電力変換装置において、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体であってもよい。
この場合、一対のスイッチ素子の直列体によって所望の特性を容易に得ることができる。このようなスイッチ素子としては、例えば、ボディダイオードを含むＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）、逆並列ダイオードを接続したＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、逆並列にショットキーバリアダイオードを接続したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用することができる。
【００１９】
（３）また、上記（２）の電力変換装置において、前記制御部は、入力される交流電圧の符号に応じて、一対の前記半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態として、他方をスイッチング動作させるようにしてもよい。
この場合、第１スイッチ及び第２スイッチの合計４個の半導体スイッチのうち、交流電圧の符号が正又は負の期間に高周波でスイッチング動作する半導体スイッチは２個となるので、スイッチング損失を低減することができる。なお、スイッチング動作させない方の半導体スイッチを導通状態とするには、スイッチ素子をオンに保持するか、または、スイッチ素子をオフに保持して、逆並列のダイオードを通電経路として利用すればよい。
【００２０】
（４）また、交流と直流との間で双方向に電力変換を行う電力変換装置であって、交流側の１次側巻線及び直流側の２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方のポートから前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、交流側の他方のポートから共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、前記２次側巻線の一端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第３スイッチと、前記２次側巻線の他端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第４スイッチと、前記第３スイッチの整流素子及び前記第４スイッチの整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方のポートに至る直流側第１電路と、前記２次側中性点から直流側の他方のポートに至る直流側第２電路と、前記直流側の一方のポートと前記直流側の他方のポートとの間に設けられたコンデンサと、交流から直流への変換時は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させ、逆に、直流から交流への変換時は、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている。
【００２１】
上記（４）のように構成された電力変換装置では、交流から直流への変換に際し、第１スイッチ及び第２スイッチの双方がオンの期間に、リアクトルにエネルギーが蓄積される。そして、第１スイッチ及び第２スイッチのいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランスの２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトルはリセットされる。２次側巻線の電圧は、第１整流素子及び第２整流素子によって整流され、コンデンサによる平滑を経て、出力される。第１スイッチ及び第２スイッチは双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号（方向）に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
【００２２】
従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランスで変圧し、２次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランスまでの変換を、第１スイッチ及び第２スイッチのみのスイッチングによって、実現することができる。
【００２３】
一方、直流から交流への変換に際しては、第３スイッチ，第４スイッチを交互にオン状態とすることにより、絶縁トランスの２次側（直流側）回路は、プッシュプルコンバータとして動作させることができる。絶縁トランスの１次側では、第３スイッチ及び第４スイッチのいずれか一方のオン状態と対応して、第１スイッチ及び第２スイッチのいずれか一方をオン状態とすることにより、交流を発生させることができる。
こうして、絶縁トランスを有しながらも、スイッチの総数を抑えた、双方向の電力変換装置を得ることができる。
【００２４】
（５）また、（４）の電力変換装置において、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体であってもよい。
この場合、一対のスイッチ素子の直列体によって所望の特性を容易に得ることができる。このようなスイッチ素子としては、例えば、ボディダイオードを含むＭＯＳＦＥＴ、逆並列ダイオードを接続したＩＧＢＴ、逆並列にショットキーバリアダイオードを接続したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用することができる。
【００２５】
（６）また、（５）の電力変換装置において、直流から交流への変換時に、前記制御部は、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのいずれか一方のオン状態に対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのいずれか一方をオン状態とすることで交流電圧の符号の正、他方をオン状態とすることで交流電圧の符号の負、を作り出すことができる。
この場合、各スイッチのオン時間をパルス幅変調制御することにより容易に、所望の交流電圧を作り出すことができる。
【００２６】
（７）また、直流から交流への電力変換を行う電力変換装置としては、交流側の１次側巻線及び直流側の２次側巻線のそれぞれに１次側中性点及び２次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の出力端から前記１次側中性点に至る交流側第１電路と、交流側の他方の出力端から共通電路を経て分岐点で２電路に分岐して前記１次側巻線の両端部に至る交流側第２電路と、前記交流側第１電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の一端部との間に挿入される第１スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記１次側巻線の他端部との間に挿入される第２スイッチと、一端が、前記２次側巻線の一端部に接続された第３スイッチと、一端が、前記２次側巻線の他端部に接続された第４スイッチと、前記第３スイッチの他端及び前記第４スイッチの他端を互いに接続して、直流側の一方の入力端に至る直流側第１電路と、前記２次側中性点から直流側の他方の入力端に至る直流側第２電路と、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている電力変換装置。
【００２７】
上記（７）のように構成された電力変換装置では、第３スイッチ，第４スイッチを交互にオン状態とすることにより、絶縁トランスの２次側（直流側）回路は、プッシュプルコンバータとして動作させることができる。絶縁トランスの１次側では、第３スイッチ及び第４スイッチのいずれか一方のオン状態と対応して、第１スイッチ及び第２スイッチのいずれか一方をオン状態とすることにより、交流を発生させることができる。
このような構成によれば、絶縁トランスから交流側までの変換を、第１スイッチ及び第２スイッチのみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランスを有しながらも、スイッチの総数を抑えた、直流から交流への電力変換装置を得ることができる。
【００２８】
（８）また、（１）〜（７）のいずれかにおいて、前記制御部は、交流電圧を検出する電圧センサ、直流電圧を検出する電圧センサ、及び、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサを含み、前記制御部は、前記交流電圧に同期する交流電流が前記リアクトルに流れるよう、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのスイッチングを行うようにしてもよい。
この場合、交流入力の力率を１に近づけることができる。
【００２９】
（９）また、（４）〜（８）のいずれかにおいて、交流側の端部の両電路間に、コンデンサを備えていてもよい。
この場合、第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチング動作によるリプルをコンデンサによって吸収することができる。
【００３０】
（１０）また、（１）〜（６）のいずれかの電力変換装置において、直流側の端部の両電路間と負荷との間に、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータを備えてもよい。
直流側の末端の両電路間の出力電圧（直流電圧）には、負荷のインピーダンスによって交流周期の半分の周期の低周波リプルが重畳される場合がある。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、このような低周波リプルを平滑化することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、必要に応じて、降圧型、昇圧型、昇降圧型から選択することができる。なお、電流容量を増大させるためには複数のＤＣ／ＤＣコンバータを並列に設けることができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータごとに相互に絶縁する必要がある場合は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。
【００３１】
［実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態の詳細について図面を参照して説明する。絶縁トランスを含む、交流−直流間の電力変換装置の主要部としては、例えば以下の３種類がある。
（ａ）絶縁整流コンバータ：絶縁トランスを介して交流から直流への電力変換を行うもの。
（ｂ）絶縁双方向コンバータ：絶縁トランスを介して交流と直流との間で双方向に電力変換を行うもの。
（ｃ）絶縁インバータ：絶縁トランスを介して直流から交流への電力変換を行うもの。
ここで、（ｃ）は、機能的に（ｂ）に含まれるので、以下、（ａ）の絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置、及び、（ｂ）の絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置について、それぞれ説明する。
【００３２】
《第１実施形態：絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置》
【００３３】
（全体回路構成の概要）
図１は、第１実施形態としての、絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。図において、電力変換装置１００は、主回路としての絶縁整流コンバータ１０及び降圧チョッパ２０、並びに、これらを制御する制御部３０とを備えている。制御機能も含めて考えれば、制御部３０は絶縁整流コンバータ１０の一部でもあり、また、降圧チョッパ２０の一部でもある。
この電力変換装置１００は、交流入力を、直流出力に変換する。
【００３４】
また、この電力変換装置１００は、制御用の計測要素として、交流入力が供給される入力端Ｐａ１，Ｐａ２間の電圧を検出する電圧センサ３１、リアクトル１に流れる電流を検出する電流センサ３２、絶縁整流コンバータ１０の出力端Ｐｄ１，Ｐｄ２間の電圧を検出する電圧センサ３３、及び、降圧チョッパ２０の出力端Ｐｄ３，Ｐｄ４間の電圧を検出する電圧センサ３４を備えている。各センサ３１〜３４の検出出力は、制御部３０に送られる。各センサ３１〜３４は、機能的には制御部３０の一部であると考えることができる。
【００３５】
（絶縁整流コンバータの回路構成）
絶縁整流コンバータ１０は、主回路の主要な構成部品として、リアクトル１、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、絶縁トランス２、第１整流素子Ｄ１、第２整流素子Ｄ２、及び、コンデンサ３を備えており、これらは、図１に示すように接続されている。なお、「第１」、「第２」は便宜上の呼び名であり、デバイスとしては対等である。従って、逆になってもよい。
【００３６】
第１スイッチＳ１は、一対の半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２は、例えばＭＯＳＦＥＴであり、それぞれ、並列にボディダイオードＤＳ１１，ＤＳ１２を有する。これら一対の半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２は、ソース側を互いに接続するように直列接続されている。なお、逆に、ドレイン側を互いに接続するように直列接続することもできる。但し、ソース側を互いに接続すると、制御が共通に行える利点がある。
【００３７】
同様に、第２スイッチＳ２は、一対の半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２は、例えばＭＯＳＦＥＴであり、それぞれ、並列にボディダイオードＤＳ２１，ＤＳ２２を有する。
【００３８】
なお、ここでは半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２のスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた回路を例示したが、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを使用してもよい。ＩＧＢＴをスイッチ素子とする場合、逆方向への電流は、ダイオードに流すことができる。
また、逆並列にショットキーバリアダイオードを接続したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用することもできる。
また、第１スイッチＳ１，第２スイッチＳ２はそれぞれ、一対の半導体スイッチによってスイッチ直列体を構成するものとして説明したが、このようなスイッチ直列体の回路を内蔵するワンチップデバイスを作製することも可能である。
【００３９】
絶縁トランス２は、１次側巻線２１及び２次側巻線２２のそれぞれに１次側中性点２１ｎ及び２次側中性点２２ｎを有する。
ここで、交流側の一方の入力端Ｐａ１から電流センサ３２及びリアクトル１を介して１次側中性点２１ｎに至る電路を、交流側第１電路Ｌ１と称する。また、入力端Ｐａ１との間に交流電圧を生じさせる他方の入力端Ｐａ２から絶縁トランス２までの交流側第２電路Ｌ２は、共通電路Ｌ２０を経て分岐点Ｐ１で２電路Ｌ２１，Ｌ２２に分岐して１次側巻線２１の両端部に至る。すなわち、分岐後の電路Ｌ２１は、第１スイッチＳ１を介して１次側巻線２１の一方の端部２１ｂに接続されている。また、分岐後の電路Ｌ２２は、第２スイッチＳ２を介して１次側巻線２１の他方の端部２１ａに接続されている。
【００４０】
なお、この例では、交流側第１電路Ｌ１に介挿されているリアクトル１を示したが、リアクトル１は、交流側第２電路Ｌ２の共通電路Ｌ２０に設けてもよい。また、交流側第１電路Ｌ１及び交流側第２電路Ｌ２の共通電路Ｌ２０の双方に介挿してもよい。
【００４１】
第１スイッチＳ１は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が共にオンのときは、１次側巻線２１の端部２１ｂから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる（双方向に通電可能状態）。この場合、半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が共にオフのときは、１次側巻線２１の端部２１ｂから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない（双方向に遮断状態）。
【００４２】
半導体スイッチＳ１１がオンで、Ｓ１２がオフの場合、１次側巻線２１の端部２１ｂから分岐点Ｐ１へ向かう方向にはダイオードＤＳ１２を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチＳ１１がオフで、Ｓ１２がオンの場合は、分岐点Ｐ１から１次側巻線２１の端部２１ｂへ向かう方向にはダイオードＤＳ１１を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
【００４３】
同様に、第２スイッチＳ２は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２が共にオンのときは、１次側巻線２１の端部２１ａから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる（双方向に通電可能状態）。この場合、半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２が共にオフのときは、１次側巻線２１の端部２１ａから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない（双方向に遮断状態）。
【００４４】
半導体スイッチＳ２１がオンで、Ｓ２２がオフの場合、１次側巻線２１の端部２１ａから分岐点Ｐ１へ向かう方向にはダイオードＤＳ２２を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチＳ２１がオフで、Ｓ２２がオンの場合は、分岐点Ｐ１から１次側巻線２１の端部２１ａへ向かう方向にはダイオードＤＳ２１を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
【００４５】
以上の第１スイッチＳ１の場所及び動作、第２スイッチＳ２の場所及び動作を要約すると、第１スイッチＳ１は、分岐点Ｐ１と１次側巻線２１の一端部２１ｂとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
また、第２スイッチＳ２は、分岐点Ｐ１と１次側巻線２１の他端部２１ａとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
【００４６】
また、制御部３０により、入力される交流電圧の符号に応じて、直列体を成す一対の半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態（オン保持又はダイオード利用）として、他方をスイッチング動作させることもできる。
この場合、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の合計４個の半導体スイッチ（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２）のうち、交流電圧の符号が正又は負の期間に高周波でスイッチング動作する半導体スイッチは２個となるので、スイッチング損失を低減することができる。
【００４７】
次に、第１整流素子Ｄ１はダイオードであり、正極（アノード）が絶縁トランス２の２次側巻線の一方の端部２２ａに接続されている。また、第２整流素子Ｄ２は同様のダイオードであり、正極（アノード）が２次側巻線２２の他方の端部２２ｂに接続されている。ここで、第１整流素子Ｄ１及び第２整流素子Ｄ２の各負極（カソード）は、合流点Ｐ２で互いに接続され、直流側の一方の出力端Ｐｄ１に至る。この電路を、直流側第１電路Ｌ３と称すると、もう一方の直流側第２電路Ｌ４は、２次側中性点２２ｎから、一方の出力端Ｐｄ１との間に直流電圧を生じさせる直流側の他方の出力端Ｐｄ２に至る電路である。
【００４８】
絶縁整流コンバータ１０としての、直流側の出力端Ｐｄ１，Ｐｄ２間には、平滑用のコンデンサ３が接続されている。
【００４９】
制御部３０は、電圧センサ３１によって検出される交流入力電圧、電流センサ３２によって検出される交流電流、絶縁整流コンバータ１０の出力端Ｐｄ１，Ｐｄ２間で電圧センサ３３が検出する直流電圧、及び、降圧チョッパ２０の出力端Ｐｄ３，Ｐｄ４間で電圧センサ３４が検出する直流出力電圧に基づいて、絶縁整流コンバータ１０及び降圧チョッパ２０を制御する。
制御部３０は、例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、絶縁整流コンバータ１０及び降圧チョッパ２０に必要な制御機能を実現する。この場合、ソフトウェアは、制御部３０の記憶装置（図示せず。）に格納される。なお、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部３０を構成することも可能である。
【００５０】
（絶縁整流コンバータの動作）
上記のように構成された絶縁整流コンバータ１０においては、交流入力に対して、制御部３０は、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を共にオン状態とする。このとき、例えば入力端Ｐａ１から、リアクトル１を含む交流側第１電路Ｌ１、絶縁トランス２の１次側巻線２１の中性点２１ｎ、１次側巻線２１の両端部２１ｂ，２１ａ、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を通り、共通電路Ｌ２０を介して入力端Ｐａ２に戻る閉ループが形成され、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。なお、１次側巻線２１には中性点２１ｎに対して互いに逆向きに電流が流れることで１次側巻線２１の両端電圧が０となり、２次側巻線２２に電圧は発生しない。
【００５１】
次に、制御部３０は、例えば、第１スイッチＳ１をオフにする。このとき、リアクトル１に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線２２の電圧は、第１整流素子Ｄ１及び第２整流素子Ｄ２によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。
【００５２】
続いて、制御部３０は、再び第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を共にオン状態とする。これにより、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。次に、制御部３０は、第２スイッチＳ２をオフにする。このとき、リアクトル１に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線２２の電圧は、第１整流素子Ｄ１及び第２整流素子Ｄ２によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。
【００５３】
こうして、制御部３０は、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作を行わせる。スイッチングの周波数は、例えば１０〜２０ｋＨｚである。従って、第１スイッチＳ１，第２スイッチＳ２についてのオン期間、オフ期間は、交流入力（例えば周波数５０Ｈｚ）の波長に比べて極めて短い期間である。
【００５４】
（絶縁整流コンバータについてのまとめ）
以上のように、上記の絶縁整流コンバータ１０では、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の双方がオンの期間に、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。そして、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線２２の電圧は、第１整流素子Ｄ１及び第２整流素子Ｄ２によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２は双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号（方向）に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
【００５５】
従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランス２で変圧し、２次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランス２までの変換を、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランス２を有しながらも、スイッチの総数を抑えた、交流から直流への絶縁整流コンバータ１０を得ることができる。
【００５６】
（降圧チョッパの詳細）
次に、降圧チョッパ２０は、スイッチＳ５、ダイオードＤ３、リアクトル１３、及び、コンデンサ４を備えている。スイッチＳ５は、例えばボディダイオードＤＳ５を有するＭＯＳＦＥＴである。降圧チョッパ２０は、スイッチＳ５を所定のデューティでスイッチングすることにより、絶縁整流コンバータ１０の出力電圧を降圧し、出力端Ｐｄ３，Ｐｄ４に出力する。出力端Ｐｄ３，Ｐｄ４間の電圧は、電圧センサ３４によって検出される。
【００５７】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータとして降圧チョッパ２０を設けるのは一例に過ぎず、必要に応じて、降圧型、昇圧型、昇降圧型から選択することができる。なお、電流容量を増大させるためには複数のＤＣ／ＤＣコンバータを並列に設けることができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータごとに相互に絶縁する必要がある場合は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。
【００５８】
このように、絶縁整流コンバータ１０の終端の両電路間と負荷との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることで、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うことができる。すなわち、絶縁整流コンバータ１０の終端の両電路間の出力電圧（直流電圧）には、負荷のインピーダンスによって交流周期の半分の周期の低周波リプルが重畳される場合がある。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、このような低周波リプルを平滑化し、より高品質な直流出力を得ることができる。
【００５９】
（制御ブロック図の例）
次に、制御部３０による制御の具体例を、制御ブロック図を用いて説明する。
まず、例えば、交流の周波数は５０Ｈｚ、交流電圧の実効値は２０２Ｖ、直流出力電圧は４８Ｖ、負荷抵抗は１Ω（約２．３ｋＷ）とする。絶縁型整流コンバータ１０の出力電圧は１００Ｖ、絶縁トランス２の巻線比は３：１とする。絶縁型整流コンバータ１０と降圧チョッパ２０との間には、１００Ｈｚの低周波リプルを平滑化するため、キャパシタンスＣｍが４ｍＦのコンデンサ３を置いた。
【００６０】
図２は、リアクトル１に流すべきリアクトル電流指令値Ｉｃ＊を求めるまでの制御ブロック図である。
交流入力の力率を１にするためには、交流電圧に同期した電流を流さなければならない。まず、交流電圧Ｖａ及びリアクトル電流Ｉｃを、それぞれ、電圧センサ３１及び電流センサ３２によって検出する。リアクトル電流指令値Ｉｃ＊は、リアクトル電流検出値Ｉｃの波形が交流電圧Ｖａに一致するように定める。
【００６１】
リアクトル電流指令値Ｉｃ＊は、絶縁トランス２の２次側にある平滑用のコンデンサ３（キャパシタンスＣｍ）を流れる無効電流と、絶縁型整流コンバータ１０の出力電流とを合わせて１次側に換算したものと考えることができる。キャパシタンスＣｍの無効電流は出力の目標電圧１００Ｖ（＝Ｖｍ＊）とキャパシタンスＣｍの両端での電圧検出値Ｖｍとの偏差にＰＩ補償器を通した値を、１次側の値に換算するために、絶縁トランス２の巻線比（ｎ１／ｎ２）の逆数である１／３（図２の「Ｋ」）を乗じたものとする。これによって絶縁整流コンバータ１０の出力電圧のフィードバック制御が制御系に組み込まれる。
【００６２】
出力電流は、絶縁整流コンバータ１０のリアクトル電流検出値Ｉｃ（の絶対値）で代用する。リアクトル電流検出値Ｉｃは、元からトランス１次側の値なので換算は必要ない。これを、先に求めた無効電流成分と合わせて交流周期（５０Ｈｚ）で平均化したものを絶縁整流コンバータ１０の平均電流指令値とする。この平均値に交流電圧Ｖａを規格化した正弦波を乗ずることによってリアクトル電流指令値Ｉｃ＊を得ることができる。
【００６３】
図３は、参照波Ｖｒｅｆを求める制御ブロック図である。図において、リアクトル電流指令値Ｉｃ＊とリアクトル電流検出値Ｉｃとの偏差にＰＩ補償器を通した値を、交流電圧検出値（交流電圧）Ｖａから減じる。その結果の値を、キャパシタンスＣｍの両端での電圧検出値Ｖｍを１次側に換算した電圧で割り、参照波Ｖｒｅｆを求めることができる。
【００６４】
図４及び図５は、絶縁整流コンバータ１０のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）ゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２は、それぞれ、半導体スイッチ及び逆並列ダイオードを一対、互いに逆極性となるよう直列接続したスイッチ直列体である。そこで、交流電圧の符号に応じて、スイッチ直列体の一方の半導体スイッチを高周波（例えば１０ｋＨｚ）でスイッチングし、他方の半導体スイッチは、オフとしてダイオードを通電経路として使うか又はダイオードに依存せずオンに保持する。すなわち、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の各々を構成する２つの半導体スイッチ（Ｓ１１及びＳ１２，Ｓ２１及びＳ２２）は、個別にオン、オフ制御される。
【００６５】
そのために例えば、一旦、非絶縁チョッパのハイサイドに相当する仮想ゲートを作って（図４の（ａ）、図５の（ａ））、この仮想ゲートを、仮想ゲート用の搬送波（２０ｋＨｚ）の倍周期（１０ｋＨｚ）の矩形パルスと共に、ＮＡＮＤゲートに入力する（図４の（ｂ）、図５の（ｂ））。各半導体スイッチの矩形パルスの位相を互いに１８０度ずらせば（図４の（ｃ）、図５の（ｃ））、二つのスイッチのオフ期間が交互になるパルスをつくることができる。
【００６６】
入力される交流電圧の符号が正のときにスイッチングを行う半導体スイッチＳ１１，Ｓ２１については、参照波と搬送波とをコンパレータに通して得た仮想ゲート駆動パルスＧａｔｅＡを用いる（図４)。このＧａｔｅＡに基づいて、半導体スイッチＳ１１，Ｓ２１のゲート駆動パルスＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２が得られる。
【００６７】
一方、入力される交流電圧の符号が負のときにスイッチングを行う半導体スイッチＳ１２，Ｓ２２については、符号反転した参照波を用いて得られる仮想ゲート駆動パルスＧａｔｅＢを用いる（図５）。このＧａｔｅＢに基づいて、半導体スイッチＳ１２，Ｓ２２のゲート駆動パルスＧａｔｅ３，Ｇａｔｅ４が得られる。
【００６８】
図６は、降圧チョッパ２０の制御ブロック図である。降圧チョッパ２０としては、出力電圧の上限値、下限値をそれぞれ定電圧で設定して出力電圧検出値Ｖｏｕｔと比較する２つのコンパレータと、フリップフロップとを使った簡単なヒステリシス制御を行った。こうして、半導体スイッチＳ５のゲート駆動パルスＧａｔｅ５が得られる。
【００６９】
（波形図）
図７は、交流電圧の符号が正から負に遷移する区間の一部における、入力の交流電圧Ｖａ、絶縁整流コンバータ１０のゲート駆動パルスＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２，Ｇａｔｅ３，Ｇａｔｅ４、リアクトル電流指令値Ｉｃ＊（滑らかな方）及び検出値Ｉｃ（リプルのある方）を示す波形図である。交流電圧Ｖａの符号が正の前半では、ゲート駆動パルスＧａｔｅ１，Ｇａｔｅ２に基づいて、半導体スイッチＳ１１とＳ２１とがスイッチングを行っている。直列の他方の半導体スイッチＳ１２，Ｓ２２のゲート駆動パルスはＨレベル（オン）を保持している。但し、この場合の直列の他方の半導体スイッチＳ１２，Ｓ２２のゲート駆動パルスはＬレベル（オフ）を保持してもよく、その場合は、逆並列ダイオードが通電経路となる。
【００７０】
交流電圧Ｖａの符号が負になる後半では、ゲート駆動パルスＧａｔｅ３，Ｇａｔｅ４に基づいて、半導体スイッチＳ１２とＳ２２とがスイッチングを行っている。直列の他方の半導体スイッチＳ１１，Ｓ２１のゲート駆動パルスはＨレベル（オン）を保持している。但し、この場合の直列の他方の半導体スイッチＳ１１，Ｓ２１のゲート駆動パルスはＬレベル（オフ）を保持してもよく、その場合は、逆並列ダイオードが通電経路となる。
【００７１】
リアクトル電流検出値Ｉｃはリプルを含むが、リアクトル電流指令値Ｉｃ＊に良く追随し、概ね合致している。リプルの周期は、半導体スイッチのスイッチング周期の半分になる。
【００７２】
図８は、絶縁整流コンバータ１０及び降圧チョッパ２０における入出力の波形図である。上から順に、絶縁整流コンバータ１０へ入力される交流電圧Ｖａ、入力電流としてのリアクトル電流検出値Ｉｃ、コンデンサ３の両端での電圧検出値Ｖｍ、降圧チョッパ２０の出力電圧検出値Ｖｏｕｔを表している。入力電流の力率は０．９９９、歪み率は３．３％（４０次以下では０．５％）と、ともに申し分無い値が得られている。電圧検出値Ｖｍは、縦軸の数値範囲を狭くして表しているので交流波形のように見えるが、交流電圧Ｖａの２倍の周波数成分を含む、最小９０．４０Ｖ、最大１０９．０Ｖ、平均値１００Ｖの直流電圧である。そして、降圧チョッパ２０を介した出力電圧Ｖｏｕｔは４８．０２Ｖ（最大４８．５０Ｖ，最小４７．５３Ｖ）で、目標値に一致しており、リプルは２％と小さく、良好な結果が得られる。
【００７３】
（補足）
本実施形態の絶縁整流コンバータ１０は、整流、力率改善、絶縁の機能を１台のコンバータで行うことができるので、回路が簡素化され、小型化・高効率化が可能になる。
リプルが小さな直流電圧が必要な場合には、絶縁整流コンバータ１０の出力側に一定の出力電圧を出力する降圧チョッパ２０のようなＤＣ／ＤＣコンバータを追加すればよい。このＤＣ／ＤＣコンバータは部品の少ない非絶縁回路にすることができる。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータを複数並列にして大容量化する際に有利である。例えば出力回路が５並列のときに、非絶縁整流型では整流回路と合わせた半導体デバイスの合計数が２４個になるのに対して、本実施形態の絶縁整流コンバータ１０では１６個で足りる。このため小型化、低損失化が可能になる。なお、本実施形態では直流側のチョッパはＤＣバス側（コンデンサ３の両端）からみて降圧チョッパ２０としたが、求められる最終出力電圧に応じて、これを昇圧チョッパ、あるいは昇降圧チョッパに変えてもよい。
【００７４】
《第２実施形態：絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置》
【００７５】
（全体回路構成の概要）
図９は、第２実施形態としての、絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。図において、電力変換装置１００は、主回路としての絶縁双方向コンバータ１０及び双方向チョッパ２０、並びに、これらを制御する制御部３０とを備えている。制御機能も含めて考えれば、制御部３０は絶縁整流コンバータ１０の一部でもあり、また、双方向チョッパ２０の一部でもある。
この電力変換装置１００は、交流入力を直流出力に変換し、また、直流入力を交流出力に変換することができる。
【００７６】
また、この電力変換装置１００は、制御用の計測要素として、交流側のポートＰａ１，Ｐａ２間の電圧を検出する電圧センサ３１、リアクトル１に流れる電流を検出する電流センサ３２、絶縁双方向コンバータ１０のポートＰｄ１，Ｐｄ２間の電圧を検出する電圧センサ３３、双方向チョッパ２０のポートＰｄ３，Ｐｄ４間の電圧を検出する電圧センサ３４、及び、リアクトル１３に流れる電流を検出する電流センサ３５を備えている。各センサ３１〜３５の検出出力は、制御部３０に送られる。各センサ３１〜３５は、機能的には制御部３０の一部であると考えることができる。
【００７７】
（絶縁双方向コンバータの回路構成）
絶縁双方向コンバータ１０は、主回路の主要な構成部品として、交流側のコンデンサ５、２線にまたがるリアクトル１、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、絶縁トランス２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、及び、コンデンサ３を備えており、これらは、図９に示すように接続されている。なお、「第１」、「第２」は便宜上の呼び名であり、デバイスとしては対等である。従って、逆になってもよい。同様に、「第３」、「第４」は便宜上の呼び名であり、デバイスとしては対等であるので、逆になってもよい。
【００７８】
第１スイッチＳ１は、一対の半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチＳ１１は、スイッチ素子としてのＭＯＳＦＥＴ及びボディダイオードＤＳ１１を備えている。また、半導体スイッチＳ１２は、スイッチ素子としてのＭＯＳＦＥＴ及びボディダイオードＤＳ１２を備えている。これら一対の半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２は、ソース側を互いに接続するように直列接続されている。なお、逆に、ドレイン側を互いに接続するように直列接続することもできる。但し、ソース側を互いに接続すると、制御が共通に行える利点がある。
【００７９】
同様に、第２スイッチＳ２は、一対の半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチＳ２１は、スイッチ素子としてのＭＯＳＦＥＴ及びボディダイオードＤＳ２１を備えている。また、半導体スイッチＳ２２は、スイッチ素子としてのＭＯＳＦＥＴ及びボディダイオードＤＳ２２を備えている。
【００８０】
なお、ＭＯＳＦＥＴは、半導体スイッチとしての一例に過ぎない。また、第１スイッチＳ１，第２スイッチＳ２はそれぞれ、一対の半導体スイッチによってスイッチ直列体を構成するものとして説明したが、このようなスイッチ直列体の回路を内蔵するワンチップデバイスを作製することも可能である。
【００８１】
絶縁トランス２は、１次側巻線２１及び２次側巻線２２のそれぞれに１次側中性点２１ｎ及び２次側中性点２２ｎを有する。
ここで、交流側の一方のポートＰａ１から電流センサ３２及びリアクトル１を介して１次側中性点２１ｎに至る電路を、交流側第１電路Ｌ１と称する。また、ポートＰａ１との間に交流電圧を生じさせる他方のポートＰａ２から絶縁トランス２までの交流側第２電路Ｌ２は、共通電路Ｌ２０を経て分岐点Ｐ１で２電路Ｌ２１，Ｌ２２に分岐して１次側巻線２１の両端部に至る。すなわち、分岐後の電路Ｌ２１は、第１スイッチＳ１を介して１次側巻線２１の一方の端部２１ｂに接続されている。また、分岐後の電路Ｌ２２は、第２スイッチＳ２を介して１次側巻線２１の他方の端部２１ａに接続されている。
【００８２】
第１スイッチＳ１は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が共にオンのときは、１次側巻線２１の端部２１ｂから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる（双方向に通電可能状態）。この場合、半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチＳ１１，Ｓ１２が共にオフのときは、１次側巻線２１の端部２１ｂから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない（双方向に遮断状態）。
【００８３】
半導体スイッチＳ１１がオンで、Ｓ１２がオフの場合、１次側巻線２１の端部２１ｂから分岐点Ｐ１へ向かう方向にはダイオードＤＳ１２を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチＳ１１がオフで、Ｓ１２がオンの場合は、分岐点Ｐ１から１次側巻線２１の端部２１ｂへ向かう方向にはダイオードＤＳ１１を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
【００８４】
同様に、第２スイッチＳ２は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２が共にオンのときは、１次側巻線２１の端部２１ａから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる（双方向に通電可能状態）。この場合、半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチＳ２１，Ｓ２２が共にオフのときは、１次側巻線２１の端部２１ａから分岐点Ｐ１へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない（双方向に遮断状態）。
【００８５】
半導体スイッチＳ２１がオンで、Ｓ２２がオフの場合、１次側巻線２１の端部２１ａから分岐点Ｐ１へ向かう方向にはダイオードＤＳ２２を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチＳ２１がオフで、Ｓ２２がオンの場合は、分岐点Ｐ１から１次側巻線２１の端部２１ａへ向かう方向にはダイオードＤＳ２１を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
【００８６】
以上の第１スイッチＳ１の場所及び動作、第２スイッチＳ２の場所及び動作を要約すると、第１スイッチＳ１は、分岐点Ｐ１と１次側巻線２１の一端部２１ｂとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
また、第２スイッチＳ２は、分岐点Ｐ１と１次側巻線２１の他端部２１ａとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
【００８７】
また、制御部３０により、入力される交流電圧の符号に応じて、直列体を成す一対の半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態（オン保持又はダイオード利用）として、他方をスイッチング動作させることもできる。
この場合、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の合計４個の半導体スイッチ（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２）のうち、交流電圧の符号が正又は負の期間に高周波でスイッチング動作する半導体スイッチは２個となるので、スイッチング損失を低減することができる。
【００８８】
次に、第３スイッチＳ３は、スイッチ素子としてのＭＯＳＦＥＴ及びボディダイオードＤＳ３を備えている。ＭＯＳＦＥＴのソース及びボディダイオードＤＳ３の正極（アノード）が、絶縁トランス２の２次側巻線の一方の端部２２ａに接続されている。第４スイッチＳ４は、スイッチ素子としてのＭＯＳＦＥＴ及びボディダイオードＤＳ４を備えている。ＭＯＳＦＥＴのソース及びボディダイオードＤＳ４の正極（アノード）が、絶縁トランス２の２次側巻線の他方の端部２２ｂに接続されている。
【００８９】
各スイッチＳ３，Ｓ４（ＭＯＳＦＥＴ）のドレイン及び各ボディダイオードＤＳ３，ＤＳ４の各負極（カソード）は、それぞれ、合流点Ｐ２で互いに接続され、直流側の一方のポートＰｄ１に至る。この電路を、直流側第１電路Ｌ３と称すると、もう一方の直流側第２電路Ｌ４は、２次側中性点２２ｎから、一方のポートＰｄ１との間に直流電圧を生じさせる直流側の他方のポートＰｄ２に至る電路である。
【００９０】
絶縁双方向コンバータ１０としての、直流側のポートＰｄ１，Ｐｄ２間には、平滑用のコンデンサ３が接続されている。
【００９１】
制御部３０は、電圧センサ３１によって検出される交流入力電圧、電流センサ３２によって検出される交流電流、絶縁双方向コンバータ１０のポートＰｄ１，Ｐｄ２間で電圧センサ３３が検出する直流電圧、及び、双方向チョッパ２０のポートＰｄ３，Ｐｄ４間で電圧センサ３４が検出する直流出力電圧に基づいて、絶縁双方向コンバータ１０及び双方向チョッパ２０を制御する。
制御部３０は、例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、絶縁双方向コンバータ１０及び双方向チョッパ２０に必要な機能を実現する。この場合、ソフトウェアは、制御部３０の記憶装置（図示せず。）に格納される。なお、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部３０を構成することも可能である。
【００９２】
（絶縁双方向コンバータの動作）
（順方向（交流から直流へ））
交流から直流への変換を行う場合の絶縁双方向コンバータ１０の機能は、第１実施形態における絶縁整流コンバータ１０と同様である。
まず、交流入力に対して、制御部３０は、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を共にオン状態とする。このとき、例えばポートＰａ１から、リアクトル１を含む交流側第１電路Ｌ１、絶縁トランス２の１次側巻線２１の中性点２１ｎ、１次側巻線２１の両端部２１ｂ，２１ａ、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を通り、リアクトルを含む共通電路Ｌ２０を介してポートＰａ２に戻る閉ループが形成され、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。なお、１次側巻線２１には中性点２１ｎに対して互いに逆向きに電流が流れることで１次側巻線２１の両端電圧が０となり、２次側巻線２２に電圧は発生しない。
【００９３】
次に、制御部３０は、例えば、第１スイッチＳ１をオフにする。このとき、リアクトル１に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線２２の電圧は、ボディダイオードＤＳ３及びＤＳ４によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。
【００９４】
続いて、制御部３０は、再び第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２を共にオン状態とする。これにより、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。次に、制御部３０は、第２スイッチＳ２をオフにする。このとき、リアクトル１に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線２２の電圧は、ボディダイオードＤＳ３及びＤＳ４によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。
【００９５】
こうして、制御部３０は、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作を行わせる。スイッチングの周波数は、例えば１０〜２０ｋＨｚである。従って、第１スイッチＳ１，第２スイッチＳ２についてのオン期間、オフ期間は、交流入力（例えば周波数５０Ｈｚ）の波長に比べて極めて短い期間である。
【００９６】
以上のように、上記の絶縁双方向コンバータ１０では、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の双方がオンの期間に、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。そして、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線２２の電圧は、ボディダイオードＤＳ３及びＤＳ４によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２は双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号（方向）に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
【００９７】
従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランス２で変圧し、２次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランス２までの変換を、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランス２を有しながらも、スイッチの総数を抑えた、交流から直流への絶縁双方向コンバータ１０を得ることができる。
【００９８】
（双方向チョッパの詳細）
次に、双方向チョッパ２０は、ボディダイオードＤＳ５を有するスイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ５、ボディダイオードＤＳ６を有するスイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ６、リアクトル１３、及び、コンデンサ４を備えている。双方向チョッパ２０は、スイッチＳ５，Ｓ６を所定のデューティでスイッチングすることにより、絶縁双方向コンバータ１０の出力電圧を降圧し、ポートＰｄ３，Ｐｄ４に出力する。ポートＰｄ３，Ｐｄ４間の電圧は、電圧センサ３４によって検出される。出力電流は、電流センサ３５によって検出される。
【００９９】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータとして双方向チョッパ２０を設けるのは一例であり、必要に応じて、降圧型、昇圧型、昇降圧型から選択することができる。なお、電流容量を増大させるためには複数のＤＣ／ＤＣコンバータを並列に設けることができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータごとに相互に絶縁する必要がある場合は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。
【０１００】
このように、絶縁双方向コンバータ１０の端部の両電路間と負荷との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることで、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うことができる。すなわち、絶縁双方向コンバータ１０の端部の両電路間の出力電圧（直流電圧）には、負荷のインピーダンスによって交流周期の半分の周期の低周波リプルが重畳される場合がある。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、このような低周波リプルを平滑化することができる。
【０１０１】
（逆変換（直流から交流へ））
一方、逆変換では、直流を交流に変換する。ポートＰｄ３，Ｐｄ４に入力される直流電圧は、双方向チョッパ２０のスイッチＳ５，Ｓ６を交互にオンにすることにより、所定電圧に昇圧することができる。昇圧された直流電圧は、絶縁双方向コンバータ１０に入力される。
ここで、絶縁トランス２の２次側回路はプッシュプルコンバータとして動作させることができる。但し、１次側回路のスイッチが双方向の電流・電圧を阻止するため、少なくとも双方向スイッチに含まれるスイッチのいずれかを能動的にオンにしなければプッシュプルコンバータとして動作しない。
【０１０２】
そこで、図９の回路において、絶縁トランス２の２次側の第３スイッチＳ３をオンとするとき、１次側では、第１スイッチＳ１をオンとする。また、絶縁トランス２の２次側の第４スイッチＳ４をオンとするとき、１次側では、第２スイッチＳ２をオンとする。これにより、交流側のポートＰａ１−Ｐａ２には、符号が正の電圧が発生する。
逆に、符号が負の電圧を発生させるには、絶縁トランス２の２次側の第３スイッチＳ３をオンとするとき、１次側では、第２スイッチＳ２をオンとする。また、絶縁トランス２の２次側の第４スイッチＳ４をオンとするとき、１次側では、第１スイッチＳ１をオンとする。これにより、交流側のポートＰａ１−Ｐａ２には、符号が負の電圧が発生する。
そして、それぞれのオン時間をＰＷＭ制御することにより、交流波形を得ることができる。
【０１０３】
上記の絶縁双方向コンバータ１０は、非絶縁のインバータと同様に、直流側に交流の半周期の脈流が流れる。直流電源又は負荷に流れる電流を平滑化するには絶縁双方向コンバータ１０の直流側の、平滑用のコンデンサ３を挟んで右側に、リアクトルを配置したチョッパを接続すればよい。チョッパは、コンデンサ３から見るとブリッジ、リアクトルの順になるので降圧型となる。この構成では、交流電源、直流電源との接続部は共にリアクトル入力となり、入出力電流が連続となる。このため基本的にノーマルチョークは必要なく、フィルタ回路を簡素化することができる。
【０１０４】
双方向スイッチである第１スイッチＳ１，第２スイッチＳ２は、ソースを共通にした２つのＭＯＳＦＥＴ、あるいは、エミッタを共通にした逆並列ダイオードを含むＩＧＢＴを用いることができる。電流検出は絶縁双方向コンバータに含まれる交流のリアクトル１の電流（電流センサ３２）、双方向チョッパ２０に含まれる直流のリアクトル１３の電流（電流センサ３５）の２箇所で行う。電圧は交流電圧（電圧センサ３１）、リンク電圧（電圧センサ３３）、直流電圧（電圧センサ３４）の３箇所にて検出する。
【０１０５】
（絶縁双方向コンバータについてのまとめ）
上記のような絶縁双方向コンバータ１０によれば、交流から直流への変換に際し、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の双方がオンの期間に、リアクトル１にエネルギーが蓄積される。そして、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランス２の２次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル１はリセットされる。２次側巻線の電圧は、ボディダイオードＤＳ３，ＤＳ４によって整流され、コンデンサ３による平滑を経て、出力される。第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２は双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号（方向）に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
【０１０６】
従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランス２で変圧し、２次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランス２までの変換を、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のみのスイッチングによって、実現することができる。
【０１０７】
一方、直流から交流への変換に際しては、第３スイッチＳ３，第４スイッチＳ４を交互にオン状態とすることにより、絶縁トランス２の２次側（直流側）回路は、プッシュプルコンバータとして動作させることができる。絶縁トランス２の１次側では、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４のいずれか一方のオン状態と対応して、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のいずれか一方をオン状態とすることにより、交流を発生させることができる。
こうして、絶縁トランス２を有しながらも、スイッチの総数を抑えた、双方向の電力変換装置を得ることができる。
【０１０８】
（制御ブロック図の例）
次に、制御部３０による制御の具体例を、制御ブロック図を用いて説明する。
まず、例えば、交流の周波数は５０Ｈｚ、交流電圧の実効値は２０２Ｖ、直流電圧は２００Ｖ、とする。交流電源の周波数は５０Ｈｚ、交流電圧Ｖａの実効値は２０２Ｖとする。直流側には電圧２００Ｖの電源を接続する。絶縁双方向コンバータ１０と双方向チョッパ２０の相互接続点の目標値は３５０Ｖ、絶縁トランス２の巻線比は１：１とする。交流側のコンデンサ５は、絶縁双方向コンバータ１０のスイッチングリプルを平滑化するためキャパシタンスＣａが２２μＦのフィルムコンデンサとする。コンデンサ３（キャパシタンスＣｍ）は、１００Ｈｚの低周波リプルを平滑化するため４ｍＦの電解コンデンサとする。
【０１０９】
（制御ブロック図）
図１０は、リアクトル電流指令値及び参照波を求めるための制御ブロック図である。図の左側の制御ブロック図において、まず、交流電流指令値Ｉａ＊を与える。Ｉａ＊は交流電圧検出値（交流電圧）Ｖａに対して任意の位相を設定することができる。交流電源から直流電源に向かって流れる電流を正と定義したとき、位相を０度とすれば交流電源から直流電源への充電、位相を１８０度とすれば、直流電源から交流電源への放電となる。その他、遅れ位相、進み位相を任意に設定することができる。Ｉａ＊にコンデンサ５のキャパシタンスＣａを流れる無効電流（交流電圧検出値の微分にＣａを掛けて計算）を加算することによって、リアクトル電流指令値Ｉｃ＊を得る。
【０１１０】
図１０の右側において、Ｉｃ＊とリアクトル電流検出値Ｉｃとの偏差を比例積分補償器に入力するリアクトル電流フィードバックによって、リアクトル電圧を得ることができる。交流電圧検出値から、このリアクトル電圧を減算し、トランス巻き数比を考慮して１次側（双方向スイッチ側）に換算したコンデンサ３（Ｃｍ）の電圧検出値Ｖｍで除することによって参照波Ｖ＿ｒｅｆを得る。
【０１１１】
図１１は、ＰＷＭゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
図１１の（ａ）において、参照波と搬送波（三角波）を比較器に入力することによって仮想ゲートＡの駆動パルスＧａｔｅＡを得る。次に、（ｂ）において、ＧａｔｅＡと、周期が搬送波の２倍（周波数が半分）の矩形波をＡＮＤゲートに入力することによってＧａｔｅ４Ｐ、さらにこれをＮＯＴゲートに入力することによってＧａｔｅ１Ｐを得る。同様に、（ｃ）において、ＧａｔｅＡと、上記矩形波とは位相が１８０度ずれた矩形波をＡＮＤゲートに入力することによってＧａｔｅ３Ｐ、さらにこれをＮＯＴゲートに入力することによってＧａｔｅ２Ｐを得る。
【０１１２】
また、（ｆ）において、符号を反転した参照波と搬送波とを比較器に入力することによって仮想ゲートＢの駆動パルスＧａｔｅＢを得る。（ｇ）において、ＧａｔｅＡの場合と同様に、ＧａｔｅＢと、周期が搬送波の２倍（周波数が半分）の矩形波をＡＮＤゲートに入力することによってＧａｔｅ３Ｎを得て、さらにこれをＮＯＴゲートに入力することによってＧａｔｅ１Ｎを得る。（ｈ）において、同じくＧａｔｅＢと、上記矩形波と位相が１８０度ずれた矩形波をＡＮＤゲートに入力することによってＧａｔｅ４Ｎ、さらにこれをＮＯＴゲートに入力することによってＧａｔｅ２Ｎを得る。
【０１１３】
Ｇａｔｅ１Ｐ及びＧａｔｅ１Ｎ、Ｇａｔｅ２Ｐ及びＧａｔｅ２Ｎを、それぞれＡＮＤゲート入力することによってＧａｔｅ１、Ｇａｔｅ２を得る。これらは絶縁双方向コンバータ１０の１次側の二つの双方向スイッチである第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２のゲート駆動パルスである。また、Ｇａｔｅ３ＰとＧａｔｅ３Ｎ、Ｇａｔｅ４ＰとＧａｔｅ４ＮをそれぞれＯＲゲートに入力することによってＧａｔｅ３、Ｇａｔｅ４を得る。これらは絶縁双方向コンバータ１０の２次側の第３スイッチＳ３，第４スイッチＳ４のゲート駆動パルスである。
【０１１４】
図１２は、双方向チョッパ２０におけるリアクトル１３の電流指令値を求める制御ブロック図である。
まず、コンデンサ３（キャパシタンスＣｍ）の目標電圧をＶｍ＊として、電圧検出値Ｖｍとの偏差を比例積分補償器に入力してＶｍのフィードバックを行い、Ｃｍを流れる無効電流を得る。Ｖｍと直流電源電圧Ｖｇを考慮して、これを直流電源側の電流値に換算する。直流電源電流からこの無効電流を減算することによってリアクトル１３（直流リアクトル）の電流指令値Ｉｇ＊を得るが、ここでは、直流電源電流の検出回路を省略するためリアクトル１３の電流検出値Ｉｇで代用している。絶縁双方向コンバータによって発生する低周波リプルを平滑コンデンサＣｍで吸収して直流電源にはリプルを含まない直流電流を流すため、電流指令値Ｉｇ＊はそのままの値ではなく交流の半周期で平均化した数値を用いる。
【０１１５】
図１３は、ＰＷＭゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
まず、Ｉｇ＊と検出値Ｉｇとの偏差を比例積分補償器に入力して、これに直流電源の電圧検出値Ｖｇを加算、さらにＣｍの電圧検出値で割ることによって参照波Ｖｍ＿ｒｅｆを得る。この参照波Ｖｍ＿ｒｅｆを搬送波と共に比較器に入力することによって双方向チョッパ２０のハイサイドのスイッチＳ５の駆動パルスＧａｔｅ５を得る。Ｇａｔｅ５をＮＯＴゲートに入力することによってローサイドのスイッチＳ６の駆動パルスＧａｔｅ６を得る。
【０１１６】
（波形図）
図１４は、絶縁双方向コンバータ１０のゲート駆動パルス、及び、電圧、電流波形を示す波形図である。この図では逆変換においてリアクトル１の電流Ｉｃの符号が正から負へ変化する期間を示している。交流側から直流側へ流れる電流を正としているため、交流電圧とリアクトル電流の位相は互いに１８０度ずれている。Ｇａｔｅ１とＧａｔｅ２とはオフ期間が交互に現れ、Ｉｃの符号が正の期間では、Ｇａｔｅ１のオフ期間はＧａｔｅ３のオン期間に、Ｇａｔｅ２のオフ期間はＧａｔｅ４のオン期間に、それぞれ一致する。Ｉｃが負の期間になると、Ｇａｔｅ１のオフ期間はＧａｔｅ４のオン期間、Ｇａｔｅ２のオフ期間はＧａｔｅ３のオン期間にそれぞれ一致するように変化する。
【０１１７】
図１５は、絶縁双方向コンバータ１０及び双方向チョッパ２０の逆変換における入出力の波形図である。交流電圧Ｖａに対して、交流出力電流Ｉａｃは同期しており力率は限りなく１に近づき、９９．９％である。出力電流の総合歪率は１．６％で十分に小さい。リンク電圧Ｖｍには１００Ｈｚの低周波リプルが重畳しているが、チョッパによって直流電源から出力する電流（Ｉｂ）はリプル率０．６％に平滑化されており問題無い。
【０１１８】
図１６は、順変換から逆変換に移行したときの波形図である。この例では交流電流指令値Ｉａ＊の振幅と位相を０．１秒の間に徐々に変化させることによって順変換から逆変換への切替を行っているが、交流電流Ｉａ、直流電流Ｉｂともに波形が乱れることなく変化している。
【０１１９】
第１実施形態と同様に、絶縁双方向コンバータ１０は、整流、力率改善、絶縁、逆変換の機能を１台のコンバータで行うことができるので、回路が簡素化され、小型化・高効率化が可能になる。
【０１２０】
《付記》
なお、上述の各実施形態については、その少なくとも一部を、相互に任意に組み合わせてもよい。
なお、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】
【０１２１】
１  リアクトル
２  絶縁トランス
３，４，５  コンデンサ
１０  絶縁整流コンバータ、絶縁双方向コンバータ
１３  リアクトル
２０  降圧チョッパ、双方向チョッパ
２１  １次側巻線
２１ａ，２１ｂ  端部
２１ｎ  １次側中性点
２２  ２次側巻線
２２ａ，２２ｂ  端部
２２ｎ  ２次側中性点
３０  制御部
３１  電圧センサ
３２  電流センサ
３３，３４  電圧センサ
３５  電流センサ
１００  電力変換装置
２０１  絶縁トランス
２０２  整流回路
２０３  昇圧チョッパ回路
２０４  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０５  バイポーラ型昇圧チョッパ回路
２０６  整流回路
２０７  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０８  整流回路
２０９  ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｄ１  第１整流素子
Ｄ２  第２整流素子
ＤＳ１１，ＤＳ１２，ＤＳ２１，ＤＳ２２  ダイオード
Ｌ１  交流側第１電路
Ｌ２  交流側第２電路
Ｌ３  直流側第１電路
Ｌ４  直流側第２電路
Ｌ２０  共通電路
Ｌ２１，Ｌ２２  電路
Ｐ１  分岐点
Ｐ２  合流点
Ｐａ１，Ｐａ２  入力端、ポート
Ｐｄ１，Ｐｄ２  出力端、ポート
Ｐｄ３，Ｐｄ４  出力端、ポート
Ｓ１  第１スイッチ
Ｓ２  第２スイッチ
Ｓ３  第３スイッチ
Ｓ４  第４スイッチ
Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２  半導体スイッチ
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図７】
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【図８】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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