JP7782307B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチングによって電力伝送を行う電力変換装置に関する。

特許文献１には、昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いて交流電圧を昇圧し、入力交流電圧のピーク値より大きい直流電圧を生成する昇圧型ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）制御装置が開示されている。

非特許文献１には、絶縁トランスの両側にフルブリッジ回路を持つＤＡＢ（Ｄｕａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｒｉｄｇｅ）方式を用いたマトリックスコンバータ回路が開示されている。

昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置で交流電圧を昇圧して直流電圧を生成できるメカニズムと、容量が大きなコンデンサが必要となる理由について、図１１～図１４を用いて以下に説明する。

図１１は、昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置２００の構成を示す図である。図１１に示すように、電力変換装置２００は、第１スイッチングアームＳＡ１、第２スイッチングアームＳＡ２、コンデンサアームＣ、入力リアクトルＬ、フィルタ用コンデンサＣｆを備える。そして、電力変換装置２００は、入力側の正極端子Ｔ１及び負極端子Ｔ２と、出力側の正極端子Ｔ３および負極端子Ｔ４とを備える。

第１スイッチングアームＳＡ１は、直列に接続された第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２を備える。第２スイッチングアームＳＡ２は、直列に接続された第３スイッチング素子Ｓ３および第４スイッチング素子Ｓ４を備える。第１スイッチングアームＳＡ１および第２スイッチングアームＳＡ２は、並列に接続されている。このように第１スイッチングアームＳＡ１および第２スイッチングアームＳＡ２が並列に接続されることによって、フルブリッジインバータＦＢＩ１を構成している。

コンデンサアームＣは、直列に接続された第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２を備える。コンデンサアームＣは、フルブリッジインバータＦＢＩ１と並列に接続されている。つまり、第１スイッチングアームＳＡ１および第２スイッチングアームＳＡ２の２つの並列接続点の間に、コンデンサアームＣが接続されている。そして、第１スイッチングアームＳＡ１、第２スイッチングアームＳＡ２およびコンデンサアームＣの上側の並列接続点および下側の並列接続点は、それぞれ、正極端子Ｔ３および負極端子Ｔ４に接続されている。正極端子Ｔ３と負極端子Ｔ４との間には、例えば、トランスのプライマリ巻線などの出力負荷が接続される。

第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２の接続点には、入力リアクトルＬの一端が接続されている。そして、入力リアクトルＬの他端には、フィルタ用コンデンサＣｆ及び正極端子Ｔ１が接続されている。また、第３スイッチング素子Ｓ３および第４スイッチング素子Ｓ４の接続点には、フィルタ用コンデンサＣｆ及び負極端子Ｔ２が接続されている。

正極端子Ｔ１と負極端子Ｔ２との間には、交流電圧Ｖｉｎが印加される。このように交流電圧Ｖｉｎが印加された状態で、電力変換装置２００の各スイッチング素子の動作と入力リアクトルＬを流れる電流Ｉ_Ｌの変動を図１２に示す。図１２では、各スイッチング素子のオンオフ動作について、オンをハイ状態として表示し、オフをロー状態として表示している。交流電圧Ｖｉｎが正の場合、図１２に示すように、第３スイッチング素子Ｓ３はオフで固定して第４スイッチング素子Ｓ４をオンで固定した状態で、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２が交互にオンとなるように、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のオンとオフを切り替える。そして、第１スイッチング素子Ｓ１がオンの時は常に第２スイッチング素子Ｓ２をオフとして、第１スイッチング素子Ｓ１がオフの時は常に第２スイッチング素子Ｓ２をオンとする。ただし、交流電圧Ｖｉｎが負の場合は、第１スイッチング素子Ｓ１をオフで固定して第２スイッチング素子Ｓ２をオンで固定した状態で、第３スイッチング素子Ｓ３および第４スイッチング素子Ｓ４のオンとオフを交互に切り替える。なお、交流電圧Ｖｉｎは厳密には正弦波であるが、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング周期が交流電圧Ｖｉｎの周期より十分に短いので図１２における交流電圧Ｖｉｎの値はほぼ一定となっている。

図１２に示す（１）の期間では、第２スイッチング素子Ｓ２および第４スイッチング素子Ｓ４がオンであり、第１スイッチング素子Ｓ１および第３スイッチング素子Ｓ３がオフであるため、図１３に破線の矢印で示す経路で電流が流れ、入力リアクトルＬを充電する。

図１２に示す（２）の期間では、第１スイッチング素子Ｓ１および第４スイッチング素子Ｓ４がオンであり、第２スイッチング素子Ｓ２および第３スイッチング素子Ｓ３がオフであるため、図１４に破線の矢印で示す経路で電流が流れ、充電された入力リアクトルＬが放電し、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２を充電する。

このように図１２に示す（１）の期間で入力リアクトルＬを充電し、図１２に示す（２）の期間で入力リアクトルＬが放電して第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２を充電するサイクルを繰り返すことによって、第１コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１と第２コンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２との合計値である入力コンデンサ電圧Ｖｃを昇圧することができる。この入力コンデンサ電圧Ｖｃが電力変換装置２００の出力電圧となる。このようにフルブリッジインバータＦＢＩ１を動作させた条件でシミュレーションした結果を図１５に示す。図１５には、正極端子Ｔ１と負極端子Ｔ２との間に流すＡＣ入力電流Ｉｉｎ、コンデンサ前電流Ｉａｃおよび入力コンデンサ電圧Ｖｃのシミュレーション波形を示している。コンデンサ前電流Ｉａｃとは、フルブリッジインバータＦＢＩ１によって全波整流された電流である。図１５に示すように、電力変換装置２００では、入力コンデンサ電圧Ｖｃを昇圧させることができる。しかし、フルブリッジインバータＦＢＩ１で全波整流されたコンデンサ前電流Ｉａｃを直流にするための第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、非常に大きな容量が必要となる。

特開２０１４－９９９４６号公報

宅間春介，伊藤淳一：「還流電流を利用したＤＡＢマトリックスコンバータのサージ電圧低減法」＜URL：http://itohserver01.nagaokaut.ac.jp/itohlab/paper/2021/20210801_%E9%9B%BB%E5%AD%A6%E8%AB%96D/takuma.pdf＞

特許文献１に開示されている昇圧型ＰＦＣ制御装置では、昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いて出力直流電圧を可変にできるが、容量が大きい平滑用コンデンサが必要となるため、コストがかかる。

このように搭載するコンデンサの容量が大きくなることを抑制できる電力変換装置として、非特許文献１で開示されたマトリックスコンバータ回路が存在する。しかし、非特許文献１で開示されたマトリックスコンバータ回路は、搭載するコンデンサの容量を小さくできるものの、マトリックスコンバータがＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を行うための電流制御（電圧制御）と出力電圧の制御を行い、インバータが出力電圧の制御を行うため、制御が複雑になっている。

そこで、本発明は、搭載するコンデンサの容量が小さく制御が簡素な電力変換装置を提供することを目的とする

本発明に係る電力変換装置は、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を備える第１スイッチングアームと、直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子を備える第２スイッチングアームと、直列に接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサを備えるコンデンサアームと、直列に接続された第５スイッチング素子および第６スイッチング素子を備える第３スイッチングアームと、直列に接続された第７スイッチング素子および第８スイッチング素子を備える第４スイッチングアームと、セカンダリ巻線に磁気的に結合するプライマリ巻線であって、前記第５スイッチング素子および前記第６スイッチング素子の接続点と、前記第７スイッチング素子および前記第８スイッチング素子の接続点との間に設けられたプライマリ巻線と、前記プライマリ巻線に結合し、前記プライマリ巻線と共にトランスを構成するセカンダリ巻線と、前記プライマリ巻線のタップと、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点との間に設けられたリアクトルと、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の接続点に接続された入力リアクトルと、を備え、前記第１スイッチングアームの前記第１スイッチング素子側の一端、前記第２スイッチングアームの前記第３スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第１コンデンサ側の一端、前記第３スイッチングアームの前記第５スイッチング素子側の一端および前記第４スイッチングアームの前記第７スイッチング素子側の一端が共通に接続され、前記第１スイッチングアームの前記第２スイッチング素子側の一端、前記第２スイッチングアームの前記第４スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第２コンデンサ側の一端、前記第３スイッチングアームの前記第６スイッチング素子側の一端および前記第４スイッチングアームの前記第８スイッチング素子側の一端が共通に接続されることで、前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアーム、前記コンデンサアーム、前記第３スイッチングアームおよび前記第４スイッチングアームが並列接続されており、前記入力リアクトルに入力端子の一方が接続され、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点に前記入力端子の他方が接続されていることを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置は、前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオンになっており、前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオフになっている第１状態、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオンになっており、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオフになっている第２状態、前記第１スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンになっており、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフになっている第３状態、前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンになっており、前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフになっている第４状態、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第４スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンになっており、前記第３スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフになっている第５状態が、順に実現され、前記トランスへの電力供給を大きくしたいときは前記第２状態と前記第５状態の頻度を増やし、前記トランスへの電力供給を小さくしたいときは前記第２状態と前記第５状態の頻度を減らすことを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記第１状態では、前記第２コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環し、前記第４状態で、前記第１コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環してもよい。

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記第１状態では、前記第２コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環することによって前記第２コンデンサに電圧を形成し、前記第４状態で、前記第１コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環することによって前記第１コンデンサに電圧を形成してもよい。

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記入力端子の間に印加された交流電圧を整流かつ昇圧させた電圧を前記プライマリ巻線へ印加できてもよい。

本発明は、搭載するコンデンサの容量が小さく制御が簡素な電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態の電力変換装置を含む電力変換システムの回路図である。 本実施形態の電力変換装置の第１状態における電流経路を示す図である。 本実施形態の電力変換装置の第２状態における電流経路を示す図である。 本実施形態の電力変換装置の第３状態における電流経路を示す図である。 本実施形態の電力変換装置の第４状態における電流経路を示す図である。 本実施形態の電力変換装置の第５状態における電流経路を示す図である。 本実施形態の電力変換装置で第１状態、第２状態、第３状態、第４状態、第５状態の順番に変えた条件でシミュレーションした結果を示す図である。 図７にシミュレーションの結果を示す電流および電圧の定義を説明する図である。 本実施形態の電力変換装置を低負荷の条件でシミュレーションした結果を示す図である。 本実施形態の電力変換装置を高負荷の条件でシミュレーションした結果を示す図である。 昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置の構成を示す回路図である。 昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置の動作を説明する図である。 図１２に示す（１）の期間における電流の流れを示す図である。 図１２に示す（２）の期間における電流の流れを示す図である。 昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置でシミュレーションした結果を示す図である。

以下、図１～図１０を参照しながら、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０ついて説明する。本実施形態の電力変換装置１０を含む電力変換システム１００の回路図を図１に示す。図１に示すように、電力変換システム１００は、電力変換装置１０および電力変換装置２０を備える。

電力変換装置１０は、第１スイッチングアーム１１、第２スイッチングアーム１２、コンデンサアームＣ、第３スイッチングアーム１３、第４スイッチングアーム１４、プライマリ巻線１５、リアクトルＬ１、入力リアクトルＬ２、フィルタ用コンデンサ１６、正極端子１７ｐおよび負極端子１７ｎを備える。

第１スイッチングアーム１１は、直列に接続された第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２を備える。第２スイッチングアーム１２は、直列に接続された第３スイッチング素子Ｓ３および第４スイッチング素子Ｓ４を備える。第３スイッチングアーム１３は、直列に接続された第５スイッチング素子Ｓ５および第６スイッチング素子Ｓ６を備える。第４スイッチングアーム１４は、直列に接続された第７スイッチング素子Ｓ７および第８スイッチング素子Ｓ８を備える。各スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられてよい。スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられる場合、２つのＩＧＢＴが直列接続されるとは、一方のＩＧＢＴのエミッタ端子に他方のＩＧＢＴのコレクタ端子が接続されることをいう。スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、２つのＭＯＦＦＥＴが直列接続されるとは、一方のＭＯＳＦＥＴのソース端子に他方のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子が接続されることをいう。また、各スイッチング素子には、ダイオードが含まれている。スイッチング素子にＩＧＢＴが用いられる場合、エミッタ端子にアノード端子が接続され、コレクタ端子にカソード端子が接続されている。スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、ソース端子にアノード端子が接続され、ドレイン端子にカソード端子が接続されている。

第１スイッチングアーム１１および第２スイッチングアーム１２は、並列に接続されている。つまり、第１スイッチング素子Ｓ１の第２スイッチング素子Ｓ２とは反対側（図１の上側）の端子と、第３スイッチング素子Ｓ３の第４スイッチング素子Ｓ４の反対側（図１の上側）の端子とが接続され、第２スイッチング素子Ｓ２の第１スイッチング素子Ｓ１とは反対側（図１の下側）の端子と、第４スイッチング素子Ｓ４の第３スイッチング素子Ｓ３の反対側（図１の下側）の端子とが接続されている。このように第１スイッチングアーム１１および第２スイッチングアーム１２が並列に接続されることによって、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１を構成している。

第３スイッチングアーム１３および第４スイッチングアーム１４は、並列に接続されている。つまり、第５スイッチング素子Ｓ５の第６スイッチング素子Ｓ６とは反対側の端子（上側の端子）と、第７スイッチング素子Ｓ７の第８スイッチング素子Ｓ８の反対側の端子（上側の端子）とが接続され、第６スイッチング素子Ｓ６の第５スイッチング素子Ｓ５とは反対側の端子（下側の端子）と、第８スイッチング素子Ｓ８の第７スイッチング素子Ｓ７の反対側の端子（下側の端子）とが接続されている。このように第３スイッチングアーム１３および第４スイッチングアーム１４が並列に接続されることによって、第２フルブリッジインバータＦＢＩ２を構成している。

コンデンサアームＣは、直列に接続された第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２を備える。そして、コンデンサアームＣは、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１および第２フルブリッジインバータＦＢＩ２と並列に接続されている。つまり、コンデンサアームＣは、第１スイッチングアーム１１および第２スイッチングアーム１２の２つの並列接続点の間に接続されており、更に、第３スイッチングアーム１３および第４スイッチングアーム１４の２つの並列接続点の間にも接続されている。

第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２の接続点には、入力リアクトルＬ２の一端が接続されている。そして、入力リアクトルＬ２の他端には、フィルタ用コンデンサ１６及び正極端子１７ｐが接続されている。また、第３スイッチング素子Ｓ３および第４スイッチング素子Ｓ４の接続点には、フィルタ用コンデンサ１６及び負極端子１７ｎが接続されている。

第５スイッチング素子Ｓ５及び第６スイッチング素子Ｓ６の接続点と、第７スイッチング素子Ｓ７及び第８スイッチング素子Ｓ８の接続点との間には、プライマリ巻線１５が接続されている。そして、プライマリ巻線１５を構成する導線の中途の点に設けられたタップと、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の接続点との間には、リアクトルＬ１が接続されている。タップは、プライマリ巻線１５を構成する導線の中点にあるセンタータップであってもよい。

各スイッチング素子にＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる点、各スイッチング素子がダイオードを含む点、スイッチング素子の直列接続の定義については、以下に述べるスイッチング素子についても同様である。

電力変換装置２０は、スイッチングアーム２１、スイッチングアーム２２、コンデンサＣ３、セカンダリ巻線２３、正極端子２４ｐおよび負極端子２４ｎを備える。

スイッチングアーム２１は、直列に接続された第９スイッチング素子Ｓ９および第１０スイッチング素子Ｓ１０を備える。スイッチングアーム２２は、直列に接続された第１１スイッチング素子Ｓ１１および第１２スイッチング素子Ｓ１２を備える。スイッチングアーム２１およびスイッチングアーム２２は、並列に接続されている。つまり、第９スイッチング素子Ｓ９の第１０スイッチング素子Ｓ１０とは反対側（図１の上側）の端子と、第１１スイッチング素子Ｓ１１の第１２スイッチング素子Ｓ１２の反対側（図１の上側）の端子とが接続され、第１０スイッチング素子Ｓ１０の第９スイッチング素子Ｓ９とは反対側（図１の下側）の端子と、第１２スイッチング素子Ｓ１２の第１１スイッチング素子Ｓ１１の反対側（図１の下側）の端子とが接続されている。このようにスイッチングアーム２１およびスイッチングアーム２２が並列に接続されることによって、第３フルブリッジインバータＦＢＩ３を構成している。

第９スイッチング素子Ｓ９および第１０スイッチング素子Ｓ１０の接続点と、第１１スイッチング素子Ｓ１１及び第１２スイッチング素子Ｓ１２の接続点との間には、セカンダリ巻線２３が接続されている。セカンダリ巻線２３は、プライマリ巻線１５に結合し、プライマリ巻線１５と共にトランスを構成する。

コンデンサＣ３は、第３フルブリッジインバータＦＢＩ３と並列に接続されている。つまり、コンデンサＣ３は、スイッチングアーム２１およびスイッチングアーム２２の２つの並列接続点の間に接続されている。そして、スイッチングアーム２１、スイッチングアーム２２及びコンデンサＣ３の片側（図１の上側）の並列接続点は正極端子２４ｐに接続され、スイッチングアーム２１、スイッチングアーム２２及びコンデンサＣ３の反対側（図１の下側）の並列接続点は負極端子２４ｎに接続されている。

電力変換装置１０の正極端子１７ｐと負極端子１７ｎとの間には、交流電圧Ｖａｃが印加される。電力変換装置２０の正極端子２４ｐと負極端子２４ｎとの間には、負荷が接続される。なお、電力変換装置２０の構成は、特に限定されるものではなく、電力変換装置１０のプライマリ巻線１５と磁気的に結合するセカンダリ巻線２３を備え、負荷に電力を供給するための回路であればよい。

電力変換装置１０では、時間の経過と共に、以下に説明する第１状態、第２状態、第３状態、第４状態、第５状態の順番に状態が変わる。電力変換装置１０では、この順番に第１状態から第５状態まで切り換わる過程が繰り返される。図２～図６は、それぞれ第１状態、第２状態、第３状態、第４状態、第５状態のときに電力変換装置１０に流れる電流の状態を示している。

図７は、電力変換装置１０を、第１状態、第２状態、第３状態、第４状態、第５状態の順番に切り換えたときのコンデンサ前電流Ｉａｃ、入力コンデンサ電圧Ｖｃ、トランス電流Ｉｔｒおよびトランス電圧Ｖｔｒについてシミュレーションした結果を示す。図７に示す（１）のタイミングで第１状態となり、図７に示す（２）の期間が第２状態であり、図７に示す（３）の期間が第３状態であり、図７に示す（４）の期間が第４状態であり、図７に示す（５）の期間が第５状態である。また、図７には、第１スイッチング素子Ｓ１から第８スイッチング素子Ｓ８までの８個のスイッチング素子のオンとオフの状態を示す。図７では、各スイッチング素子のオンオフ信号がハイ状態のときにオン、ロー状態のときにオフを示している。

ここで、図７にシミュレーション波形を示したコンデンサ前電流Ｉａｃ、入力コンデンサ電圧Ｖｃ、トランス電流Ｉｔｒおよびトランス電圧Ｖｔｒの定義について、図８を用いて以下に説明する。コンデンサ前電流Ｉａｃは、フルブリッジインバータＦＢＩ１からコンデンサアームＣおよび第２フルブリッジインバータＦＢＩ２へ流れ込む電流である。入力コンデンサ電圧Ｖｃは、第１コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１と第２コンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とを合計した電圧である。トランス電流Ｉｔｒは、プライマリ巻線１５の一端から他端に向けてプライマリ巻線１５を流れる電流であり、トランス電圧Ｖｔｒはプライマリ巻線１５の両端に印加される電圧である。

第１状態とは、第２スイッチング素子Ｓ２、第４スイッチング素子Ｓ４、第６スイッチング素子Ｓ６および第８スイッチング素子Ｓ８がオンになっており、第１スイッチング素子Ｓ１、第３スイッチング素子Ｓ３、第５スイッチング素子Ｓ５および第７スイッチング素子Ｓ７がオフになっている状態である。

第１状態における電力変換装置１０の電流の流れを図２に破線の矢印で示す。第１状態では、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１において第２スイッチング素子Ｓ２および第４スイッチング素子Ｓ４を電流が流れることで入力リアクトルＬ２が充電される。そして、第２フルブリッジインバータＦＢＩ２では、第６スイッチング素子Ｓ６および第８スイッチング素子Ｓ８がオンとなっており、プライマリ巻線１５の両端がショートされているため、トランス電圧Ｖｔｒがゼロとなる。そのため第２コンデンサＣ２からリアクトルＬ１を経由してプライマリ巻線１５のタップで分岐して第６スイッチング素子Ｓ６または第８スイッチング素子Ｓ８を経由して第２コンデンサＣ２へ戻る経路で電流が流れる。すなわち、第２コンデンサＣ２、リアクトルＬ１およびプライマリ巻線１５の間を電流が循環し、第２コンデンサＣ２に電圧が印加される。

第２状態とは、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のいずれか片方のみオンになっており、第４スイッチング素子Ｓ４、第５スイッチング素子Ｓ５および第８スイッチング素子Ｓ８がオンになっており、第３スイッチング素子Ｓ３、第６スイッチング素子Ｓ６および第７スイッチング素子Ｓ７がオフになっている状態である。

第１スイッチング素子Ｓ１をオンとして第２スイッチング素子Ｓ２をオフとした第２状態における電力変換装置１０の電流の流れを図３に破線の矢印で示す。第２状態では、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１において第１スイッチング素子Ｓ１および第４スイッチング素子Ｓ４を電流が流れることで入力リアクトルＬ２が放電され、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２が充電される。そして、第２フルブリッジインバータＦＢＩ２においてプライマリ巻線１５の両端にトランス電圧Ｖｔｒが印加され、プライマリ巻線１５にトランス電流Ｉｔｒが流れる。この場合、コンデンサアームＣでは、入力リアクトルＬ２から流入する充電電流とプライマリ巻線１５へ流出する放電電流が打ち消し合い、入力リアクトルＬ２から直接プライマリ巻線１５へ電流が流れる。そのため、第２状態では、図７に示すように、入力コンデンサ電圧Ｖｃが上昇し、負荷へ電力が提供されてトランス電流Ｉｔｒが大きくなっていく。

なお、第２状態では、第１スイッチング素子Ｓ１をオフ、第２スイッチング素子Ｓ２をオンとしてもよい。この場合、後述する第５状態と同様に、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２により、プライマリ巻線１５の両端にトランス電圧Ｖｔｒが印加されるため、プライマリ巻線１５にトランス電流Ｉｔｒが流れる。

第３状態とは、第１スイッチング素子Ｓ１、第４スイッチング素子Ｓ４、第５スイッチング素子Ｓ５および第７スイッチング素子Ｓ７がオンになっており、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３、第６スイッチング素子Ｓ６および第８スイッチング素子Ｓ８がオフになっている状態である。

第３状態における電力変換装置１０の電流の流れを図４に破線の矢印で示す。第３状態では、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１で第１スイッチング素子Ｓ１および第４スイッチング素子Ｓ４を電流が流れることによって、入力リアクトルＬ２が放電され、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２が充電される。そして、第２フルブリッジインバータＦＢＩ２では、プライマリ巻線１５の両端がショートされているため、トランス電圧Ｖｔｒはゼロとなる。したがって、第１コンデンサＣ１から第６スイッチング素子Ｓ６または第８スイッチング素子Ｓ８を経由してプライマリ巻線１５のタップで合流してリアクトルＬ１を経由して第１コンデンサＣ１へ戻る経路で電流が流れる。すなわち、第１コンデンサＣ１、リアクトルＬ１およびプライマリ巻線１５の間を電流が循環する。第３状態では、入力リアクトルＬ２の放電電流が第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２に流入するため、図７に示すように、入力コンデンサ電圧Ｖｃが上昇する。

第４状態とは、第２スイッチング素子Ｓ２、第４スイッチング素子Ｓ４、第５スイッチング素子Ｓ５および第７スイッチング素子Ｓ７がオンになっており、第１スイッチング素子Ｓ１、第３スイッチング素子Ｓ３、第６スイッチング素子Ｓ６および第８スイッチング素子Ｓ８がオフになっている状態である。

第４状態における電力変換装置１０の電流の流れを図５に破線の矢印で示す。第４状態では、図５に示すように、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１で第１スイッチング素子Ｓ１および第４スイッチング素子Ｓ４を電流が流れることによって、入力リアクトルＬ２を充電する。そして、第２フルブリッジインバータＦＢＩ２では、第５スイッチング素子Ｓ５および第７スイッチング素子Ｓ７がオンとなっており、第３状態と同様に電流が第１コンデンサＣ１、リアクトルＬ１およびプライマリ巻線１５の間を循環するため、第１コンデンサＣ１に電圧を形成する。

第５状態とは、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のいずれか片方のみオンになっており、第４スイッチング素子Ｓ４、第６スイッチング素子Ｓ６および第７スイッチング素子Ｓ７がオンになっており、第３スイッチング素子Ｓ３、第５スイッチング素子Ｓ５および第８スイッチング素子Ｓ８がオフになっている状態である。

第１スイッチング素子Ｓ１をオフとして第２スイッチング素子Ｓ２をオンとした第５状態における電力変換装置１０の電流の流れを図６に破線の矢印で示す。第５状態では、第１フルブリッジインバータＦＢＩ１で第２スイッチング素子Ｓ２および第４スイッチング素子Ｓ４を電流が流れることによって、入力リアクトルＬ２が充電される。そして、第２フルブリッジインバータＦＢＩ２では、第６スイッチング素子Ｓ６及び第７スイッチング素子Ｓ７を通る電流経路が形成される。これによって、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２からプライマリ巻線１５の両端にトランス電圧Ｖｔｒが印加され、プライマリ巻線１５にトランス電流Ｉｔｒが流れる。そのため、図７に示すように、入力コンデンサ電圧Ｖｃが下降する。

なお、第５状態は、第１スイッチング素子Ｓ１がオンで第２スイッチング素子Ｓ２をオフであってもよい。この場合、第１スイッチング素子Ｓ１をオンとして第２スイッチング素子Ｓ２をオフとした第２状態と同様に、コンデンサアームＣでは、入力リアクトルＬ２から流入する充電電流とプライマリ巻線１５へ流出する放電電流が打ち消し合い、入力リアクトルＬ２から直接プライマリ巻線１５へ電流が流れる。

第１状態から第５状態までの５つの状態は、電力伝送期間（第２状態と第５状態）、電圧制御期間（第３状態）および循環期間（第１状態と第４状態）の３つの期間に分類することができる。電力伝送期間は、プライマリ巻線１５にトランス電圧Ｖｔｒが印加され、トランス電流Ｉｔｒが流れ、電力変換装置２０との間で電力が伝送される期間である。電圧制御期間は、入力リアクトルＬ２の放電によってコンデンサアームＣに対して充電が行われ、入力コンデンサ電圧Ｖｃが制御される。循環期間では、第１コンデンサＣ１または第２コンデンサＣ２とプライマリ巻線１５との間で電流を循環させて、入力コンデンサ電圧Ｖｃが維持される。

このように、電力変換装置１０では、トランスへの電力供給を大きくしたいときは、電力伝送期間の頻度を増やし、トランスへの電力供給を小さくしたいときは、電力伝送期間の頻度を減らす。例えば、低負荷の場合は、トランスへの電力供給が小さくてよいため、電力伝送期間の動作頻度を少なくする。高負荷の場合は、トランスへの電力供給を大きくする必要があるため、電力伝送期間の動作頻度を増加させる。

コンデンサ前電流Ｉａｃ、入力コンデンサ電圧Ｖｃ、トランス電流Ｉｔｒおよびトランス電圧Ｖｔｒについて、低負荷の条件でシミュレーションした結果を図９に示し、高負荷の条件でシミュレーションした結果を図１０に示す。図９に示すように、低負荷の条件では電力伝送期間の動作頻度が少なく、電圧制御期間および循環期間によって第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の電圧を制御している。そして、図１０に示すように、高負荷の条件では、電力伝送期間の動作頻度を増加することにより、トランスへの電力供給を増やしている。

電力変換装置１０は、電力伝送期間において、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２からトランスへ電力を供給するのではなく、入力リアクトルＬ２から直接プライマリ巻線１５へ電流を流すことが可能であるため、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の充放電量を減らすことができる。また、電力変換装置１０は、電力伝送期間の動作頻度の増減により、コンデンサ前電流Ｉａｃを制御することにより、入力コンデンサ電圧Ｖｃを制御できるため、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の充放電量を減らすことができる。そのため、電力変換装置１０では、搭載するコンデンサの容量を小さくすることができる。また、電力変換装置１０は、このような簡素な制御により、正極端子１７ｐと負極端子１７ｎとの間に印加された交流電圧を整流かつ昇圧させた電圧をプライマリ巻線１５へ印加することができる。

１０ 電力変換装置、１１ 第１スイッチングアーム、１２ 第２スイッチングアーム、１３ 第３スイッチングアーム、１４ 第４スイッチングアーム、１５ プライマリ巻線、１６ フィルタ用コンデンサ、１７ｐ 正極端子、１７ｎ 負極端子、２０ 電力変換装置、２１，２２ スイッチングアーム、２３ セカンダリ巻線、２４ｐ 正極端子、２４ｎ 負極端子、１００ 電力変換システム、２００ 電力変換装置、Ｃ コンデンサアーム、Ｃ１ 第１コンデンサ、Ｃ２ 第２コンデンサ、Ｃ３ コンデンサ、ＦＢＩ１ 第１フルブリッジインバータ、ＦＢＩ２ 第２フルブリッジインバータ、ＦＢＩ３ 第３フルブリッジインバータ、Ｌ１ リアクトル、Ｌ２ 入力リアクトル、Ｓ１ 第１スイッチング素子、Ｓ２ 第２スイッチング素子、Ｓ３ 第３スイッチング素子、Ｓ４ 第４スイッチング素子、Ｓ５ 第５スイッチング素子、Ｓ６ 第６スイッチング素子、Ｓ７ 第７スイッチング素子、Ｓ８ 第８スイッチング素子、Ｓ９ 第９スイッチング素子、Ｓ１０ 第１０スイッチング素子、Ｓ１１ 第１１スイッチング素子、Ｓ１２ 第１２スイッチング素子。

Claims (4)

1. 直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を備える第１スイッチングアームと、
   直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子を備える第２スイッチングアームと、
   直列に接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサを備えるコンデンサアームと、
   直列に接続された第５スイッチング素子および第６スイッチング素子を備える第３スイッチングアームと、
   直列に接続された第７スイッチング素子および第８スイッチング素子を備える第４スイッチングアームと、
   セカンダリ巻線に磁気的に結合するプライマリ巻線であって、前記第５スイッチング素子および前記第６スイッチング素子の接続点と、前記第７スイッチング素子および前記第８スイッチング素子の接続点との間に設けられたプライマリ巻線と、
   前記プライマリ巻線に結合し、前記プライマリ巻線と共にトランスを構成するセカンダリ巻線と、
   前記プライマリ巻線のタップと、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの接続点との間に設けられたリアクトルと、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の接続点に接続された入力リアクトルと、を備え、
   前記第１スイッチングアームの前記第１スイッチング素子側の一端、前記第２スイッチングアームの前記第３スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第１コンデンサ側の一端、前記第３スイッチングアームの前記第５スイッチング素子側の一端および前記第４スイッチングアームの前記第７スイッチング素子側の一端が共通に接続され、前記第１スイッチングアームの前記第２スイッチング素子側の一端、前記第２スイッチングアームの前記第４スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第２コンデンサ側の一端、前記第３スイッチングアームの前記第６スイッチング素子側の一端および前記第４スイッチングアームの前記第８スイッチング素子側の一端が共通に接続されることで、前記第１スイッチングアーム、前記第２スイッチングアーム、前記コンデンサアーム、前記第３スイッチングアームおよび前記第４スイッチングアームが並列接続されており、
   前記入力リアクトルに入力端子の一方が接続され、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点に前記入力端子の他方が接続されており、
   前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオンになっており、前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオフになっている第１状態、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオンになっており、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオフになっている第２状態、
   前記第１スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンになっており、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフになっている第３状態、
   前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンになっており、前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフになっている第４状態、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第４スイッチング素子、前記第６スイッチング素子および前記第７スイッチング素子がオンになっており、前記第３スイッチング素子、前記第５スイッチング素子および前記第８スイッチング素子がオフになっている第５状態が、順に実現され、
   前記トランスへの電力供給を大きくしたいときは前記第２状態と前記第５状態の頻度を増やし、前記トランスへの電力供給を小さくしたいときは前記第２状態と前記第５状態の頻度を減らすことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第２状態または前記第５状態では、前記第１スイッチング素子をオンとして前記第２スイッチング素子をオフとした場合、前記入力リアクトルから前記コンデンサアームへ流入する充電電流と前記コンデンサアームから前記プライマリ巻線へ流出する放電電流とが打ち消し合い、前記入力リアクトルから前記プライマリ巻線へ直接電流が流れることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記第１状態では、前記第２コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環し、
   前記第４状態で、前記第１コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記入力端子の間に印加された交流電圧を整流かつ昇圧させた電圧を前記プライマリ巻線へ印加できることを特徴とする電力変換装置。