(57)【要約】【課題】種々の電力定格に応じたＤＣ／ＤＣ電力変換装置を短い製作期間でかつ低コストで実現可能とするものである。【解決手段】ハーフブリッジ回路Ａｍ１〜Ａｍ４（ｍ＝１〜３）とＬＣ直列体ＬＣｒｍ１、ＬＣｒｍ２とを有する多段電力変換ユニットｍおよび平滑コンデンサＣｓ１〜Ｃｓ３を有する平滑コンデンサユニット４を備え、入出力端子（ＶＨ−Ｖｃｏｍ）／（ＶＬ−Ｖｃｏｍ）間で電圧変換を行うＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、多段電力変換ユニットｍを互いに同一定格とし、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に要求される電流定格に応じて多段電力変換ユニットｍの個数を設定する。【選択図】図１
2009219303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧端子と低圧端子との間に接続された一対の半導体素子を有し上記両素子の接続点を中間端子とするハーフブリッジ回路を複数個互いに直列に接続してなる直列接続体と上記各ハーフブリッジ回路の中間端子の相互間に接続されたエネルギ移行用コンデンサと上記各ハーフブリッジ回路の高圧端子および低圧端子を導出する第１の接続端子群とを有する多段電力変換ユニットをＭ個（Ｍは２以上の整数）、
および上記複数個の互いに直列に接続された平滑コンデンサと上記各平滑コンデンサの高圧端子および低圧端子を上記各直列接続体を構成する上記各ハーフブリッジ回路のそれぞれ高圧端子および低圧端子に接続するため上記各平滑コンデンサの高圧端子および低圧端子を導出する互いに並列に接続された上記Ｍ組の第２の接続端子群と上記各平滑コンデンサの高圧端子または低圧端子に接続された入出力端子とを有する平滑コンデンサユニットを備え、
上記半導体素子を駆動して上記各直列接続体における上記複数個のハーフブリッジ回路の一方の群を上記平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換する直流／交流変換回路として動作させ上記複数個のハーフブリッジ回路の他方の群を上記エネルギ移行用コンデンサを介して上記一方の群のハーフブリッジ回路から出力された交流電圧を直流電圧に変換して上記平滑コンデンサに出力する交流／直流変換回路として動作させることにより上記入出力端子の間で所定の直流電圧比の電力変換を行うＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、
上記各多段電力変換ユニットを互いに同一の定格とするとともに、上記ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に要求される電流定格に応じて上記多段電力変換ユニットの個数Ｍを設定するようにしたことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２】
上記Ｍ個の多段電力変換ユニットと上記平滑コンデンサユニットとを共通の筐体内に収容したことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項３】
上記各ハーフブリッジ回路の半導体素子を駆動するための駆動信号の発生タイミングが上記Ｍ個の多段電力変換ユニットの間で互いに異なるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項４】
上記多段電力変換ユニットの半導体素子を駆動するための駆動信号を所定の周期で発生させる場合、上記所定の周期における上記駆動信号の発生位相を上記Ｍ個の多段電力変換ユニットの間で所定量シフトさせるようにしたことを特徴とする請求項３記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項５】
上記多段電力変換ユニット毎の異常状態を検知する異常検知手段と上記異常検知手段が異常状態を検知した上記多段電力変換ユニットの動作を停止させる保護動作手段とを備え、上記保護動作手段の動作に基づき上記多段電力変換ユニットにおける上記駆動信号の発生位相のシフト量を変更するようにしたことを特徴とする請求項４記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項６】
上記多段電力変換ユニット毎の異常状態を検知する異常検知手段と上記異常検知手段が異常状態を検知した上記多段電力変換ユニットの動作を停止させる保護動作手段とを備え、上記保護動作手段の動作に基づき動作中の上記多段電力変換ユニットの個数Ｍ１（Ｍ≧Ｍ１≧２とする）を求め、上記多段電力変換ユニットにおける上記駆動信号の発生位相を上記所定の周期の１／Ｍ１ずつシフトさせるようにしたことを特徴とする請求項４記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項７】
高圧端子と低圧端子との間に接続された一対の半導体素子を有し上記両素子の接続点を中間端子とする第１および第２のハーフブリッジ回路と上記第１および第２のハーフブリッジ回路のそれぞれと並列に接続された第１および第２の平滑コンデンサと上記第１および第２のハーフブリッジ回路の中間端子の相互間に接続されたエネルギ移行用コンデンサと上記各ハーフブリッジ回路の高圧端子および低圧端子を導出する第１の接続端子群とを有する多段電力変換ユニットをＮ個（Ｎは２以上の整数）、
および入出力端子と上記Ｎ個の上記第１のハーフブリッジ回路の上記高圧端子および低圧端子を互いに並列にして上記入出力端子に接続し上記Ｎ個の上記第２のハーフブリッジ回路と上記第１のハーフブリッジ回路のいずれかとの上記高圧端子および低圧端子を互いに直列にして上記入出力端子に接続するための第２の接続端子群とを有する配線ユニットを備え、
上記半導体素子を駆動して上記第１および第２のハーフブリッジ回路のいずれか一方を上記平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換する直流／交流変換回路として動作させ上記第１および第２のハーフブリッジ回路のいずれか他方を上記エネルギ移行用コンデンサを介して上記一方のハーフブリッジ回路から出力された交流電圧を直流電圧に変換して上記平滑コンデンサに出力する交流／直流変換回路として動作させることにより上記入出力端子の間で所定の直流電圧比の電力変換を行うＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、
上記各多段変換ユニットを互いに同一の定格とするとともに、上記ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に要求される電圧定格に応じて上記多段電力変換ユニットの個数Ｎを設定するようにしたことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項８】
上記Ｎ個の多段電力変換ユニットと上記配線ユニットとを共通の筐体内に収容したことを特徴とする請求項７記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項９】
上記入出力端子の間で電力変換を双方向に行うものである場合、上記各ハーフブリッジ回路を第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子との直列接続体で構成したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１０】
上記入出力端子の間で電力変換をいずれか一方向に行うものである場合、上記各ハーフブリッジ回路の内上記直流／交流変換回路として動作させるハーフブリッジ回路は第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子との直列接続体で構成し上記各ハーフブリッジ回路の内上記交流／直流変換回路として動作させるハーフブリッジ回路は第１の半導体ダイオード素子と第２の半導体ダイオード素子との直列接続体で構成したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１１】
上記エネルギ移行用コンデンサと直列にインダクタを挿入するとともに、上記半導体スイッチング素子をオンオフ駆動するためのゲート信号は、その駆動周期が上記エネルギ移行用コンデンサの容量と上記インダクタのインダクタンスとで決まる共振周期とほぼ等しく、そのオン時間が上記共振周期の１／２にほぼ等しいことを特徴とする請求項９または１０に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータは、正の電位に接続する半導体スイッチと負の電位に接続する半導体スイッチとを備えた少なくとも２個以上の半導体スイッチを具備するインバータ回路と、直列に接続される複数の整流器と直列に接続される複数のコンデンサとを備えた多倍圧整流回路で構成され、インバータ回路で交流電圧を作り、更に、多倍圧整流回路で高圧直流電圧を作り負荷に供給する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１９１６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、種々の電流または電圧定格の装置の製作が想定される場合、また、電力定格の変更が想定される場合、その電力定格に応じて、個々にＤＣ／ＤＣ電力変換装置を製作するか一定の単位容量のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を複数台組み合わせて構成する必要があるため、製作期間や製作コストが増大するという課題があった。
この発明は、以上のような従来の課題を解決するもので、種々の電力定格に応じたＤＣ／ＤＣ電力変換装置を短い製作期間でかつ低コストで実現可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、高圧端子と低圧端子との間に接続された一対の半導体素子を有し両素子の接続点を中間端子とするハーフブリッジ回路を複数個互いに直列に接続してなる直列接続体と各ハーフブリッジ回路の中間端子の相互間に接続されたエネルギ移行用コンデンサと各ハーフブリッジ回路の高圧端子および低圧端子を導出する第１の接続端子群とを有する多段電力変換ユニットをＭ個（Ｍは２以上の整数）、
および複数個の互いに直列に接続された平滑コンデンサと各平滑コンデンサの高圧端子および低圧端子を各直列接続体を構成する各ハーフブリッジ回路のそれぞれ高圧端子および低圧端子に接続するため各平滑コンデンサの高圧端子および低圧端子を導出する互いに並列に接続されたＭ組の第２の接続端子群と各平滑コンデンサの高圧端子または低圧端子に接続された入出力端子とを有する平滑コンデンサユニットを備え、
半導体素子を駆動して各直列接続体における複数個のハーフブリッジ回路の一方の群を平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換する直流／交流変換回路として動作させ複数個のハーフブリッジ回路の他方の群をエネルギ移行用コンデンサを介して一方の群のハーフブリッジ回路から出力された交流電圧を直流電圧に変換して平滑コンデンサに出力する交流／直流変換回路として動作させることにより入出力端子の間で所定の直流電圧比の電力変換を行うＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、
各多段電力変換ユニットを互いに同一の定格とするとともに、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に要求される電流定格に応じて多段電力変換ユニットの個数Ｍを設定するようにしたものである。
【０００６】
第２の発明に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、高圧端子と低圧端子との間に接続された一対の半導体素子を有し両素子の接続点を中間端子とする第１および第２のハーフブリッジ回路と第１および第２のハーフブリッジ回路のそれぞれと並列に接続された第１および第２の平滑コンデンサと第１および第２のハーフブリッジ回路の中間端子の相互間に接続されたエネルギ移行用コンデンサと各ハーフブリッジ回路の高圧端子および低圧端子を導出する第１の接続端子群とを有する多段電力変換ユニットをＮ個（Ｎは２以上の整数）、
および入出力端子とＮ個の第１のハーフブリッジ回路の高圧端子および低圧端子を互いに並列にして入出力端子に接続しＮ個の第２のハーフブリッジ回路と第１のハーフブリッジ回路のいずれかとの高圧端子および低圧端子を互いに直列にして入出力端子に接続するための第２の接続端子群とを有する配線ユニットを備え、
半導体素子を駆動して第１および第２のハーフブリッジ回路のいずれか一方を平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換する直流／交流変換回路として動作させ第１および第２のハーフブリッジ回路のいずれか他方をエネルギ移行用コンデンサを介して一方のハーフブリッジ回路から出力された交流電圧を直流電圧に変換して平滑コンデンサに出力する交流／直流変換回路として動作させることにより入出力端子の間で所定の直流電圧比の電力変換を行うＤＣ／ＤＣ電力変換装置であって、
各多段変換ユニットを互いに同一の定格とするとともに、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に要求される電圧定格に応じて多段電力変換ユニットの個数Ｎを設定するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明は、平滑コンデンサユニットと要求される電流定格に応じて設定される互いに同一の定格の多段電力変換ユニットＭ個とでＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成することが出来るので、部品や設備の共有化、設計期間の節減等で、製作期間の短縮化とコストの低減化が実現する。
【０００８】
第２の発明は、配線ユニットと要求される電圧定格に応じて設定される互いに同一の定格の多段電力変換ユニットＮ個とでＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成することが出来るので、部品や設備の共有化、設計期間の節減等で、製作期間の短縮化とコストの低減化が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す図である。図２は、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の概略構造を示す図である。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、入出力端子であるＶＬ端子とＶｃｏｍ端子との間に入力した直流電圧を、約３倍に昇圧された直流電圧として、入出力端子であるＶＨ端子とＶｃｏｍ端子との間に出力する機能を有する。
【００１０】
まず、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成について説明する。図１に示すように、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数で、この例ではＭ＝３）の多段電力変換ユニット１〜３と、電圧を平滑化し、またエネルギ移行のための電圧源としても機能する３個の平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３を直列接続した平滑コンデンサユニット４とで構成される。
多段電力変換ユニットｍ（ｍは１〜３の整数）は、第１の半導体スイッチング素子および第２の半導体スイッチング素子であるそれぞれ低圧側素子および高圧側素子としての２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｓｍ１Ｌ、Ｓｍ１Ｈ）、（Ｓｍ２Ｌ、Ｓｍ２Ｈ）、（Ｓｍ３Ｌ、Ｓｍ３Ｈ）、（Ｓｍ４Ｌ、Ｓｍ４Ｈ）をそれぞれ直列接続した４個のハーフブリッジ回路Ａｍ１〜Ａｍ４と、エネルギ移行用コンデンサとインダクタとの直列体で構成されエネルギ移行素子として機能する２個のＬＣ直列体ＬＣｒｍ１（Ｃｒｍ１、Ｌｒｍ１）、ＬＣｒｍ２（Ｃｒｍ２、Ｌｒｍ２）と、平滑コンデンサユニット４に接続するための４個の接続端子ｍ０〜ｍ３（第１の接続端子群）、各構成部材を電気的に接続するための電気配線パターンが設けられるとともに、各構成部材を固定するための金属基板ｍ５とから構成される。
なお、各ＭＯＳＦＥＴは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーＭＯＳＦＥＴ、金属基板ｍ５はアルミベース板に絶縁層を介して配線パターンが設けられた金属基板である。
【００１１】
ハーフブリッジ回路Ａｍ１とＡｍ４との低圧側電位と高圧側電位は並列接続、ハーフブリッジ回路Ａｍ１〜Ａｍ３の低圧側電位と高圧側電位とは直列接続され、ハーフブリッジ回路Ａｍ１とＡｍ４の低圧側電位は接続端子ｍ０に、ハーフブリッジ回路Ａｍ１とＡｍ４の高圧側電位とハーフブリッジ回路Ａｍ２の低圧側電位は接続端子ｍ１に、ハーフブリッジ回路Ａｍ２の高圧側電位とハーフブリッジ回路Ａｍ３の低圧側電位は接続端子ｍ２に、ハーフブリッジ回路Ａｍ３の高圧側電位は接続端子ｍ３に、それぞれ接続される。そして、ハーフブリッジ回路Ａｍ１の２つのＭＯＳＦＥＴの接続される中間端子とハーフブリッジ回路Ａｍ２の２つのＭＯＳＦＥＴの接続される中間端子との間にＬＣ直列体ＬＣｒｍ１を接続し、ハーフブリッジ回路Ａｍ４の２つのＭＯＳＦＥＴの接続される中間端子とハーフブリッジ回路Ａｍ３の２つのＭＯＳＦＥＴの接続される中間端子との間にＬＣ直列体ＬＣｒｍ２を接続する。
【００１２】
平滑コンデンサユニット４は、ＬＣ直列体のコンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２の静電容量値と比較して、十分大きな静電容量を有する平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３を３個直列接続するとともに、各平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３を多段電力変換ユニット１〜３に接続するための第２の接続端子群と、昇圧前後の電圧を外部回路に接続するための入出力端子ＶＨ、ＶＬ、Ｖｃｏｍとを備えている。平滑コンデンサＣｓ１の低圧側電位は多段電力変換ユニット１〜３の接続端子１０、２０、３０と入出力端子Ｖｃｏｍに、平滑コンデンサＣｓ１の高圧側電位と平滑コンデンサＣｓ２の低圧側電位は多段電力変換ユニット１〜３の接続端子１１、２１、３１と入出力端子ＶＬに、平滑コンデンサＣｓ２の高圧側電位と平滑コンデンサＣｓ３の低圧側電位は多段電力変換ユニット１〜３の接続端子１２、２２、３２に、平滑コンデンサＣｓ３の高圧側電位は多段電力変換ユニット１〜３の接続端子１３、２３，３３と入出力端子ＶＨとに、それぞれ接続される。
多段電力変換ユニット１〜３と平滑コンデンサユニット４は、共通の金属筐体５に収容固定され、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成する。
【００１３】
次に、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の概略動作について説明する。入出力端子ＶＨ−Ｖｃｏｍ間電圧をＶ２、ＶＬ−Ｖｃｏｍ間電圧をＶ１とする。
電圧Ｖ２が電圧Ｖ１の３倍よりも低い値のときは、電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に昇圧する昇圧回路として動作する。昇圧回路として動作する時は、ハーフブリッジ回路Ａｍ１とＡｍ４は、そのＭＯＳＦＥＴ（Ｓｍ１Ｌ、Ｓｍ１Ｈ、Ｓｍ４Ｌ、Ｓｍ４Ｈ）のオンオフ動作により、低電圧端子ＶＬ−Ｖｃｏｍ間に入力される直流電圧を交流電圧に変換しそのエネルギを高電圧端子ＶＨ−Ｖｃｏｍ間に送る直流／交流変換回路である駆動用インバータ回路として動作する。この時、ハーフブリッジ回路Ａｍ２、Ａｍ３は、駆動用インバータ回路Ａｍ１、Ａｍ４で駆動された交流電圧を直流電圧に整流し、そのエネルギを高電圧端子ＶＨ−Ｖｃｏｍへ移行する交流／直流変換回路である整流回路として動作する。
【００１４】
電圧Ｖ２が電圧Ｖ１の３倍よりも大きい値のときは、電圧Ｖ２を電圧Ｖ１に降圧する降圧回路として動作する。降圧回路として動作するときは、ハーフブリッジ回路Ａｍ２、Ａｍ３は、そのＭＯＳＦＥＴ（Ｓｍ２Ｌ、Ｓｍ２Ｈ、Ｓｍ３Ｌ、Ｓｍ３Ｈ）のオンオフ動作により、高電圧端子ＶＨ−Ｖｃｏｍ間に入力されるエネルギを低電圧端子ＶＬ−Ｖｃｏｍ間に送る駆動用インバータ回路として動作する。この時、ハーフブリッジ回路Ａｍ１、Ａｍ４は、駆動用インバータ回路Ａｍ２、Ａｍ３で駆動された電流を整流し、エネルギを低電圧端子ＶＬ−Ｖｃｏｍへ移行する整流回路として動作する。
【００１５】
次に、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の詳細動作について説明する。各ＭＯＳＦＥＴのゲート端子には、各ＭＯＳＦＥＴを駆動するためのゲート信号Ｇｍ１Ｌ〜Ｇｍ４Ｌ、Ｇｍ１Ｈ〜Ｇｍ４Ｈが入力される。各ＭＯＳＦＥＴはゲート信号がＨｉｇｈの時にオンする。ゲート信号Ｇｍ１Ｌ〜Ｇｍ４Ｌ、Ｇｍ１Ｈ〜Ｇｍ４Ｈは、インダクタＬｒのインダクタンスとエネルギ移行用コンデンサＣｒの容量とで定まる共振周期と略等しい周期Ｔの、デューティー約５０％のオンオフ信号であり、低圧側ＭＯＳＦＥＴを駆動するゲート信号Ｇｍ１Ｌ〜Ｇｍ４Ｌと、高圧側ＭＯＳＦＥＴを駆動するゲート信号Ｇｍ１Ｈ〜Ｇｍ４Ｈとは、オンとオフとが相反する信号である。
【００１６】
まず、昇圧回路としての動作について説明する。昇圧動作時は、平滑コンデンサＣｓ１にはＶ１の電圧が、平滑コンデンサＣｓ２、Ｃｓ３には平均的に（Ｖ２−Ｖ１）／２の電圧が充電されており、Ｖ１＞（Ｖ２−Ｖ１）／２となっている。ゲート信号Ｇｍ１Ｌ、Ｇｍ４ＬがＨｉｇｈとなりＳｍ１Ｌ、Ｓｍ４Ｌがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２に移行する。
【００１７】
Cs1⇒Sm2L⇒Lrm1⇒Crm1⇒Sm1L
Cs1⇒Cs2⇒Sm3L⇒Lrm2⇒Crm2⇒Sm4L
【００１８】
次いで、ゲート信号Ｇｍ１Ｈ、Ｇｍ４ＨがＨｉｇｈとなりＳｍ１Ｈ、Ｓｍ４Ｈがオン状態となると、電圧差があるため、エネルギ移行用コンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサＣｓ２、Ｃｓ３に移行する。
【００１９】
Crm1⇒Lrm1⇒Sm2H⇒Cs2⇒Sm1H
Crm2⇒Lrm2⇒Sm3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Sm4H
【００２０】
次に、降圧回路としての動作について説明する。降圧動作時は、平滑コンデンサＣｓ１にはＶ１の電圧が、平滑コンデンサＣｓ２、Ｃｓ３には平均的に（Ｖ２−Ｖ１）／２の電圧が充電されており、Ｖ１＜（Ｖ２−Ｖ１）／２となっている。ゲート信号Ｇｍ１Ｈ、Ｇｍ２Ｈ、Ｇｍ３Ｈ、Ｇｍ４ＨがＨｉｇｈとなりＳｍ１Ｈ、Ｓｍ２Ｈ、Ｓｍ３Ｈ、Ｓｍ４Ｈがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサＣｓ２、Ｃｓ３に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２に移行する。
【００２１】
Cs2⇒Sm2H⇒Lrm1⇒Crm1⇒Sm1H
Cs2⇒Cs3⇒Sm3H⇒Lrm2⇒Crm2⇒Sm4H
【００２２】
次いで、ゲート信号Ｇｍ１Ｌ、Ｇｍ２Ｌ、Ｇｍ３Ｌ、Ｇｍ４ＬがＨｉｇｈとなりＳｍ１Ｌ、Ｓｍ２Ｌ、Ｓｍ３Ｌ、Ｓｍ４Ｌがオン状態となると、電圧差があるため、エネルギ移行用コンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２に移行する。
【００２３】
Crm1⇒Lrm1⇒Sm2L⇒Cs1⇒Sm1L
Crm2⇒Lrm2⇒Sm3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Sm4L
【００２４】
このように、昇圧動作および降圧動作において、エネルギ移行用コンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２の充放電により、平滑コンデンサＣｓ１と平滑コンデンサＣｓ２、Ｃｓ３の間でエネルギを移行することで、ＶＬ端子とＶｃｏｍ端子間に入力した直流電圧を、約３倍に昇圧された直流電圧としてＶＨ端子とＶｃｏｍ端子間に出力する。また、各エネルギ移行用コンデンサＣｒｍ１、Ｃｒｍ２には、インダクタＬｒｍ１、Ｌｒｍ２が直列に接続されてＬＣ直列体を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
【００２５】
次に、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置全体の動作について説明する。
多段電力変換ユニット１〜３を駆動するゲート信号は駆動周期を一致させると共に、駆動信号を所定の周期で発生させるものとし、位相信号に基づいて多段電力変換ユニット毎の位相を上記所定の周期の２π／３（rad）ずらして駆動する。これにより、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３の充放電タイミングがずれ、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３に流れる電流が１周期内で分散して発生すると共に、充放電電流を並列回路間で融通し合うため、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３に流れるリプル電流が低減する。ここで、本実施の形態１では多段電力変換ユニットの並列数が３個であるため、各ユニット毎の位相差を２π／３（rad）としたが、一般にＭ（Ｍは２以上の整数）個の多段電力変換ユニットを並列接続する場合は、位相差を２π／Ｍ（rad）として駆動することにより、平滑コンデンサのリプル電流低減効果が最大となる。
平滑コンデンサのリプル電流低減により、平滑コンデンサの発熱が抑制され信頼性が向上する、電流低減により抵抗分による損失が低減し電力変換効率が向上するといった効果が得られる。また、平滑コンデンサに必要な容量を低下できるため、平滑コンデンサのサイズを小さくでき、装置構成の小型化を促進できるといった効果も得られる。
【００２６】
次に、図３を用いて、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の多段電力変換ユニット１〜３を駆動するためのゲート信号の生成方法について説明する。
基準ゲート信号発生手段６は、上位ＣＰＵより与えられる動作モードに応じた基準ゲート信号Ｇ０Ｘ（Ｇ０１Ｌ、Ｇ０２Ｌ、Ｇ０３Ｌ、Ｇ０４Ｌ、Ｇ０１Ｈ、Ｇ０２Ｈ、Ｇ０３Ｈ、Ｇ０４Ｈ）を生成する。多段電力変換ユニット１、２、３には、自ユニットの異常状態を監視し、異常検知した場合は異常信号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を出力する異常検知手段が備えられている。
位相調整手段７は、多段電力変換ユニット１〜３の異常信号を入力し、異常信号が入力された多段電力変換ユニットのスイッチング動作を停止するための停止信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を出力する。また、異常信号が入力されていない正常な多段電力変換ユニット数をカウントし、正常ユニット数を上位ＣＰＵに出力するとともに、正常な多段電力変換ユニットの位相シフト量を決定し、その位相信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を多段電力変換ユニット１、２、３に、それぞれ出力する。
【００２７】
ユニットゲート信号発生手段１６は、基準ゲート信号Ｇ０Ｘに対し、位相信号Ｐ１に応じた位相量をシフトしたゲート信号Ｇ１ＸＬ、Ｇ１ＸＨを生成する。同様に、ユニットゲート信号発生手段２６、３６は、基準ゲート信号Ｇ０Ｘに対し、位相信号Ｐ２、Ｐ３に応じた位相量をシフトしたゲート信号Ｇ２ＸＬ、Ｇ２ＸＨ、Ｇ３ＸＬ、Ｇ３ＸＨを生成する。なお、停止信号が入力された多段電力変換ユニットに対しては、ゲート信号を全てＬｏｗとし、自ユニット内のＭＯＳＦＥＴを全てＯＦＦさせる。
【００２８】
次に、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置としての電流容量が増加する場合、平滑コンデンサユニット４の数量を増やさずに、多段電力変換ユニット（そのゲート信号発生手段を含む）数のみの増加で、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置が構成できる理由について説明する。
図４に、多段電力変換ユニット数と出力電流、平滑コンデンサのリプル電流の関係を示す。Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の多段電力変換ユニットを並列接続する場合は、位相差を２π／Ｍ（rad）として駆動することにより、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３の充放電タイミングがずれ、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３に流れる電流が１周期内で分散して発生すると共に、充放電電流を並列回路間で融通し合うため、平滑コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３に流れるリプル電流が低減する。多段電力変換ユニット数Ｍを増加するほど、平滑コンデンサに流れる電流が１周期内でさらに分散して発生するため、効果的にリプル電流が低減できる。
【００２９】
このように、並列接続された多段電力変換ユニット間の位相差を最適化することで、多段電力変換ユニット数を増加して電力容量を増加した場合でも、平滑コンデンサに流れるリプル電流は増加しないため、平滑コンデンサ容量を増やす必要がなくなる。本実施の形態１では、位相調整手段７は正常動作する多段電力変換ユニット数をカウントし、多段電力変換ユニット毎の位相差を最適化する機能を有しているため、多段電力変換ユニット数に拘わらず、平滑コンデンサのリプル電流が常に最小となるように動作することが可能となる。
このように、本実施の形態１においては、平滑コンデンサユニット４を共通仕様とし、多段電力変換ユニット数のみを変更することで、様々な電流容量に対応したＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成することができ、部品や設備の共有化、設計期間の短縮による低コスト化が可能となる。
【００３０】
次に、図１および図３で示したＤＣ／ＤＣ電力変換装置において、３並列接続された多段電力変換ユニットのうち、いずれか一つが故障した時の動作について、図５を用いて説明する。
位相調整手段７は、異常信号Ｅ１〜Ｅ３より正常動作ユニット数をカウントし、正常動作ユニット数がＭ（Ｍは２以上の整数で、この例ではＭ＝３）個の時、多段電力変換ユニット毎の位相差を２π／３（ｒａｄ）となるような位相信号Ｐ１〜Ｐ３を出力する。多段電力変換ユニット１〜３が全て正常に動作している時の位相シフト量は２π／３（ｒａｄ）となるため、図５では、多段電力変換ユニット１の位相信号Ｐ１を０（ｒａｄ）、多段電力変換ユニット２の位相信号Ｐ２を２π／３（ｒａｄ）、多段電力変換ユニット３の位相信号Ｐ３を４π／３（ｒａｄ）としている。
多段電力変換ユニット３で異常が発生すると、異常信号Ｅ３がＨｉｇｈとなり、位相調整手段７に伝達される。正常動作ユニット数は２個となるため、位相調整手段７は、多段電力変換ユニット毎の位相差を２π／２＝π（ｒａｄ）となるような位相信号Ｐ１、Ｐ２を出力するとともに、多段電力変換ユニット３に対し、停止信号Ｓ３を出力する。
【００３１】
多段電力変換ユニット１のゲート信号発生手段１６は、位相信号Ｐ１の位相シフト量が異常発生前、異常発生後ともに０（ｒａｄ）であるため、基準ゲート信号Ｇ０Ｘに対して位相遅れのないゲート信号Ｇ１ＸＬ、Ｇ１ＸＨを出力する。多段電力変換ユニット２のゲート信号発生手段２６は、基準ゲート信号Ｇ０Ｘに対し、異常発生前は２π／３（ｒａｄ）、異常発生後はπ（ｒａｄ）の位相遅れを伴うゲート信号Ｇ２ＸＬ、Ｇ２ＸＨを出力する。位相シフト量を変更するタイミングは、各ゲート信号がＨｉｇｈとなるときとする。多段電力変換ユニット３のゲート信号発生手段３６は、基準ゲート信号Ｇ０Ｘに対し、異常発生前は４π／３（ｒａｄ）の位相遅れを伴うゲート信号Ｇ３ＸＬ、Ｇ３ＸＨを出力するが、異常発生後は、位相調整手段７内の保護動作手段（図示なし）から出力される停止信号によりゲート信号（Ｇ３１Ｌ〜Ｇ３４Ｌ、Ｇ３１Ｈ〜Ｇ３４Ｈ）を全てＬｏｗとし、多段電力変換ユニット２のＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３１Ｌ〜Ｓ３４Ｌ、Ｓ３１Ｈ〜Ｓ３４Ｈ）を全てＯＦＦさせる。ゲート信号をＬｏｗとするタイミングは、各ゲート信号がＨｉｇｈとなるときとする。
【００３２】
このような構成とすることで、多並列接続された多段電力変換ユニットの一部が故障した場合においても、故障した多段電力変換ユニットのみの動作を停止し、正常な多段電力変換ユニットを動作させることができるため、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置としての冗長性を確保することが可能となる。
また、正常な多段電力変換ユニット数を上位ＣＰＵに伝達することで、上位ＣＰＵはＤＣ／ＤＣ電力変換装置が変換しうる電力容量を把握することができるため、異常発生時はディレーティング動作することが可能となる。これにより、正常な多段電力変換ユニットの過負荷動作を避けることができ、信頼性の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、多並列接続された多段電力変換ユニットの一部が故障した場合においても、平滑コンデンサのリプル電流が常に最小となるように動作するため、平滑コンデンサの発熱が抑制され信頼性が向上する、電流低減により抵抗分による損失が低減し電力変換効率が向上するといった効果が得られる。
【００３３】
図６に、電流容量が小さい場合のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の概略構造を示す。基本構成は図１、２と同じであり、平滑コンデンサユニット４と金属筐体５は図２と同じものを使用しているが、多段電力変換ユニットを３個（１〜３）ではなく、２個（１〜２）使用している点が異なる。平滑コンデンサユニット４を共通仕様とできる理由は、上述したとおりである。
この図６で示す状態から、図２で示すＤＣ／ＤＣ電力変換装置にその電流容量を増大する場合は、多段電力変換ユニット３を増設接続し、既述した要領でゲート信号の発生位相を調整するのみで対処できる訳である。
【００３４】
このように、本実施の形態１においては、平滑コンデンサユニット４を共通仕様とし、多段電力変換ユニット数のみを変更することで、様々な電流容量に対応したＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成することができ、部品や設備の共有化、設計期間の短縮による低コスト化が可能となる。
【００３５】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置について説明する。
図７は、この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す図である。図８は、この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の概略構造を示す図である。図中、実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、個々の詳細な説明は省略する。本実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、実施の形態１と同様、入出力端子であるＶＬ端子とＶｃｏｍ端子との間に入力した直流電圧を、約３倍に昇圧された直流電圧として、入出力端子であるＶＨ端子とＶｃｏｍ端子との間に出力する機能を有する。異なる点は、多段電力変換ユニット１、２、３ではなく、多段電力変換ユニット６００、６０１を用いてＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成しているところである。
【００３６】
多段電力変換ユニット６００は、第１のハーフブリッジ回路１００と第１の平滑コンデンサＣｓ１１との並列接続体、第２のハーフブリッジ回路２００と第２の平滑コンデンサＣｓ１２との並列接続体、ＬＣ直列体ユニット５０１、各接続端子１０１〜１０３、２０１〜２０３および第１の接続端子群１０４、１０５、２０４、２０５から構成されている。そして、第１のハーフブリッジ回路１００は、第１の半導体スイッチング素子および第２の半導体スイッチング素子であるそれぞれ低圧側素子および高圧側素子としての２つのＭＯＳＦＥＴを直列接続したハーフブリッジ回路で、この実施の形態２では、このハーフブリッジ回路１００を更にＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１１Ｌ、Ｓ１１Ｈ）、（Ｓ２１Ｌ、Ｓ２１Ｈ）、（Ｓ３１Ｌ、Ｓ３１Ｈ）からなる３個のハーフブリッジ回路を並列に接続したものとしている。同様に、ハーフブリッジ回路２００は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ１２Ｌ、Ｓ１２Ｈ）、（Ｓ２２Ｌ、Ｓ２２Ｈ）、（Ｓ３２Ｌ、Ｓ３２Ｈ）からなる３個のハーフブリッジ回路を並列に接続したものとしている。
なお、並列接続したこれら３個のハーフブリッジ回路は、先の実施の形態１で説明した通り、そのゲート信号の位相を互いにずらして制御することは勿論である。
【００３７】
ＬＣ直列体ユニット５０１は、エネルギ移行用コンデンサＣｒ１１、Ｃｒ２１、Ｃｒ３１およびインダクタＬｒ１１、Ｌｒ２１、Ｌｒ３１をそれぞれ直列接続したＬＣ直列体ＬＣｒ１１、ＬＣｒ２１、ＬＣｒ３１を備え、接続端子１０１〜１０３、２０１〜２０３を介して第１のハーフブリッジ回路１００と第２のハーフブリッジ回路２００の各２つのＭＯＳＦＥＴの中間接続点に接続されている。
【００３８】
多段電力変換ユニット６０１は、多段電力変換ユニット６００と同様の構成であり、第１および第２のハーフブリッジ回路３００、４００、第１および第２の平滑コンデンサＣｓ１３、Ｃｓ１４、ＬＣ直列体ユニット５０２、各接続端子３０１〜３０３、４０１〜４０３および第１の接続端子群３０４、３０５、４０４、４０５を備えている。
【００３９】
配線ユニットであるインサートバスバー５００は、ハーフブリッジ回路１００、２００、３００、４００の高圧端子１０４、２０４、３０４、４０４（第２の接続端子群）と、低圧端子１０５、２０５、３０５、４０５（第２の接続端子群）を接続するための配線部材と、昇圧前後の電圧を外部回路に接続するための入出力端子ＶＨ、ＶＬ、Ｖｃｏｍを備えている。各配線の接続は、Ｖｃｏｍ端子には第１のハーフブリッジ回路１００、３００の低圧端子１０５、３０５が、ＶＬ端子には第１のハーフブリッジ回路１００、３００の高圧端子１０４、３０４と第２のハーフブリッジ回路２００の低圧端子２０５が、ＶＨ端子には第２のハーフブリッジ回路４００の高圧端子４０４が、第２のハーフブリッジ回路２００の高圧端子２０４は第２のハーフブリッジ回路４００の低圧端子４０５と、それぞれ接続される。
そして、多段電力変換ユニット６００、６０１（ハーフブリッジ回路１００、２００、３００、４００、平滑コンデンサＣｓ１１、Ｃｓ１２、Ｃｓ１３、Ｃｓ１４）と、ＬＣ直列体ユニット５０１、５０２と、インサートバスバー５００とは、共通の金属筐体５に収容固定され、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成する。
【００４０】
本実施の形態２においては、多段電力変換ユニットを複数備えた構成としたことで、その多段電力変換ユニットの個数を変更することで、様々な昇圧比に対応したＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成することができる。以下、その内容について説明する。
図９に、Ｎ個の多段電力変換ユニットを組み合わせて構成したＤＣ／ＤＣ電力変換装置を示す。
そして、Ｎ個の第１のハーフブリッジ回路１〜Ｎの高圧端子および低圧端子を互いに並列にしてＶＬ端子およびＶｃｏｍ端子に接続する。Ｎ個の第２のハーフブリッジ回路１〜Ｎの高圧端子、低圧端子および第１のハーフブリッジ回路１の高圧端子、低圧端子を直列にしてＶＨ端子およびＶｃｏｍ端子に接続する。
【００４１】
動作は基本的には先の実施の形態１の場合と同様であるので詳細は省略するが、例えば、第１のハーフブリッジ回路１〜Ｎを直流／交流変換回路である駆動用インバータ回路として動作させ、第２のハーフブリッジ回路１〜Ｎを交流／直流変換回路である整流回路として動作させることにより、ＶＬ端子とＶｃｏｍ端子間とＶＨ端子とＶｃｏｍ端子間との間に、１：（Ｎ＋１）の電圧比を有するＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成することが出来る。
【００４２】
図１０は、先の図７、８で示す昇圧比約３倍のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を、昇圧比約４倍のＤＣ／ＤＣ電力変換装置に電圧定格を変更したものを示す。特に先の図８と比較すると判るように、多段電力変換ユニット６００、６０１と同一の定格を有する多段電力変換ユニット６０２を増設することで、簡便に電圧定格の変更が可能となる。従って、様々な昇圧比に対応したＤＣ／ＤＣ電力変換装置が要求される場合、部品や設備の共有化、設計期間の短縮による低コスト化が可能となる。
【００４３】
また、ハーフブリッジ回路として、汎用の３相インバータモジュール等の多相インバータモジュールを使用することができるため、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の更なる低コスト化が可能となる。もっとも、この発明としては、必ずしも、図７に示したように、各ハーフブリッジ回路を２つのＭＯＳＦＥＴを３個並列にした構成とする必要はない。
【００４４】
なお、本実施の形態では、平滑コンデンサＣｓ１１、Ｃｓ１２、Ｃｓ１３、Ｃｓ１４を、ハーフブリッジ回路１００、２００、３００、４００にそれぞれ内蔵したが、各平滑コンデンサをインサートバスバー５００に内蔵しても、同様の効果が得られる。
【００４５】
また、以上の実施の形態１、２は、入出力端子の間で電力変換を双方向に行うものとしたが、入出力端子の間で電力変換をいずれか一方向に行うものである場合は、各ハーフブリッジ回路の内駆動用インバータ回路（直流／交流変換回路）として動作させるハーフブリッジ回路は第１の半導体スイッチング素子と第２の半導体スイッチング素子との直列接続体で構成する必要があるが、各ハーフブリッジ回路の内整流回路（交流／直流変換回路）として動作させるハーフブリッジ回路は第１の半導体ダイオード素子と第２の半導体ダイオード素子との直列接続体で構成してもよい。これにより、ハーフブリッジ回路の構成を簡便化してコストを低減できる。
【００４６】
同様に、実施の形態１、２では、半導体スイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いて説明したが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いても同様の効果が得られる。また、多段電力変換ユニットの電気配線と各構成部材の支持部材として金属基板を用いて説明したが、プリント配線基板や、バスバーを樹脂モールドで一体成形したインサート成形品を用いても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の概略構造を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号発生方法を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の、多段電力変換ユニット数と平滑コンデンサのリプル電流の関係を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号発生方法を示すシーケンス図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置で、図２とはその電流定格が異なるものの概略構造を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の概略構造を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置で、その電圧定格を一般化して示すものの構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置で、図８とはその電圧定格が異なるものの概略構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３，６００，６０１  多段電力変換ユニット、４  平滑コンデンサユニット、
５  金属筐体、
１０〜１３，２０〜２３，３０〜３３，１０１〜１０５，２０１〜２０５，３０１〜３０５，４０１〜４０５  接続端子、
１００〜４００，Ａ１１〜Ａ１４，Ａ２１〜Ａ２４，Ａ３１〜Ａ３４  ハーフブリッジ回路、
５００  インサートバスバー、５０１，５０２  ＬＣ直列体ユニット、
Ｓ１１Ｌ〜Ｓ１４Ｌ，Ｓ１１Ｈ〜Ｓ１４Ｈ，Ｓ２１Ｌ〜Ｓ２４Ｌ，Ｓ２１Ｈ〜Ｓ２４Ｈ，Ｓ３１Ｌ〜Ｓ３４Ｌ，Ｓ３１Ｈ〜Ｓ３４Ｈ  ＭＯＳＦＥＴ、
Ｌｒ１１，Ｌｒ１２，Ｌｒ２１，Ｌｒ２２，Ｌｒ３１，Ｌｒ３２  インダクタ、
Ｃｒ１１，Ｃｒ１２，Ｃｒ２１，Ｃｒ２２，Ｃｒ３１，Ｃｒ３２  エネルギ移行用コンデンサ、
Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３，Ｃｓ１１，Ｃｓ１２，Ｃｓ１３，Ｃｓ１４  平滑コンデンサ、
ＶＨ，ＶＬ，Ｖｃｏｍ  入出力端子。
【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７】
2009219303.tif 000009
【図８】
2009219303.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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