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JP5935789B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

電力変換装置及び電力変換方法 Download PDF

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Description

本発明は、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間で電力を変換する技術に関する。
従来、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間で電力を変換する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１１−１９３７１３号公報
しかしながら、フルブリッジ回路に構成される各スイッチング素子の特性（例えば、電流特性などの電気的特性）が各スイッチング素子間でばらつくと、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間の電力変換効率が低下することがある。
そこで、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間の電力変換効率が向上する、電力変換装置及び電力変換方法の提供を目的とする。
一つの案では、
１次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される１次側ポートと、
前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートと、
前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを調整して、前記１次側フルブリッジ回路と前記２次側フルブリッジ回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第１位相差による前記伝送電力を生成するための電力変換の効率と前記第２位相差による前記伝送電力を生成するための電力変換の効率とのうち、効率の良い方のアーム回路間の位相差を効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくする、電力変換装置が提供される。
一態様によれば、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間の電力変換効率が向上する。
電力変換装置の構成例を示した図 制御部の構成例を示したブロック図 １次側回路及び２次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート 電力変換方法の一例を示すフローチャート 標準の位相差φを算出するためのマップの一例である。 電力変換方法の一例を示すフローチャート 電力変換装置の構成例を示した図
＜電源装置１０１の構成＞
図１は、電力変換装置の第１の実施形態である電源装置１０１の構成例を示したブロック図である。電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。電源装置１０１は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。電源装置１０１は、エンジンを走行駆動源とする車両に搭載されてもよい。
電源装置１０１は、例えば、１次側高電圧系負荷６１ａが接続される第１入出力ポート６０ａと、１次側低電圧系負荷６１ｃ及び１次側低電圧系電源６２ｃが接続される第２入出力ポート６０ｃとを、１次側ポートとして有している。１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷６１ｃに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷６１ａに、電源回路１０に構成される１次側変換回路２０によって昇圧された電力を供給する。１次側低電圧系電源６２ｃの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。
電源装置１０１は、例えば、２次側高電圧系負荷６１ｂ及び２次側高電圧系電源６２ｂが接続される第３入出力ポート６０ｂと、２次側低電圧系負荷６１ｄが接続される第４入出力ポート６０ｄとを、２次側ポートとして有している。２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに電力を供給する。また、２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと異なる電圧系（例えば、２８８Ｖ系よりも低い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって降圧された電力を供給する。２次側高電圧系電源６２ｂの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
電源回路１０は、上述の４つの入出力ポートを有し、それらの４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートが選択され、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。なお、電源回路１０を備えた電源装置１０１は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な装置でもよい。例えば、電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄが無い３つの入出力ポートを有する回路でもよい。
ポート電力Ｐａ，Ｐｃ，Ｐｂ，Ｐｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｂ，Ｖｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。ポート電流Ｉａ，Ｉｃ，Ｉｂ，Ｉｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電流（入力電流又は出力電流）である。
電源回路１０は、第１入出力ポート６０ａに設けられるキャパシタＣ１と、第２入出力ポート６０ｃに設けられるキャパシタＣ３と、第３入出力ポート６０ｂに設けられるキャパシタＣ２と、第４入出力ポート６０ｄに設けられるキャパシタＣ４とを備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。
キャパシタＣ１は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ３は、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ２は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。キャパシタＣ４は、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。
キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、電源回路１０の内部に設けられてもよいし、電源回路１０の外部に設けられてもよい。
電源回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成された電力変換回路である。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、１次側磁気結合リアクトル２０４及び２次側磁気結合リアクトル３０４を介して接続され、且つ、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃから構成される１次側ポートと、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄから構成される２次側ポートとは、変圧器４００を介して接続されている。
１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート６０ａと、第２入出力ポート６０ｃとを含んで構成された１次側回路である。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成された１次側電力変換部である。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。１次側第１アーム回路２０７は、１次側第１上アームＵ１及び１次側第１下アーム／Ｕ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第１電力変換回路部（１次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。１次側第２アーム回路２１１は、１次側第２上アームＶ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第２電力変換回路部（１次側Ｖ相電力変換回路部）である。
１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、１次側第１リアクトル２０４ａと結合係数ｋ１で磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。
中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。
第１入出力ポート６０ａは、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。第２入出力ポート６０ｃは、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。
センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。
２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート６０ｂと、第４入出力ポート６０ｄとを含んで構成された２次側回路である。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成された２次側電力変換部である。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。２次側第１アーム回路３０７は、２次側第１上アームＵ２及び２次側第１下アーム／Ｕ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第１電力変換回路部（２次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。２次側第２アーム回路３１１は、２次側第２上アームＶ２及び２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第２電力変換回路部（２次側Ｖ相電力変換回路部）である。
２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、２次側第１リアクトル３０４ａと結合係数ｋ２で磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。
中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。
第３入出力ポート６０ｂは、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。第４入出力ポート６０ｄは、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。
センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。
図１において、電源装置１０１は、センサ部７０を備えている。センサ部７０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Ｙに対応する検出値Ｙｄを制御部５０に対して出力する検出手段である。検出値Ｙｄは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部７０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電圧Ｖａと入出力電圧Ｖｃの少なくとも一方の検出電圧を１次側電圧検出値として出力する１次側電圧検出部と、入出力電圧Ｖｂと入出力電圧Ｖｄの少なくとも一方の検出電圧を２次側電圧検出値として出力する２次側電圧検出部とを有している。
センサ部７０の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部５０に対して出力する電圧検出回路とを有している。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電流Ｉａと入出力電流Ｉｃの少なくとも一方の検出電流を１次側電流検出値として出力する１次側電流検出部と、入出力電流Ｉｂと入出力電流Ｉｄの少なくとも一方の検出電流を２次側電流検出値として出力する２次側電流検出部とを有している。
センサ部７０の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部５０に対して出力する電流検出回路とを有している。
電源装置１０１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部５０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙの検出値Ｙｄが、該ポートに設定された目標値Ｙｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Ｙｏは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷（例えば、１次側低電圧系負荷６１ｃ等）毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Ｙｏは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。
また、制御部５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐが、設定された目標伝送電力Ｐｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力は、指令伝送電力とも呼ばれる。
制御部５０は、所定の制御パラメータＸの値を変化させることによって、電源回路１０で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路１０の第１乃至第４の各入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄにおける入出力値Ｙを調整できる。主な制御パラメータＸとして、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）の２種類の制御変数が挙げられる。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。デューティ比Ｄ（オン時間δ）は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比（オン時間）である。
これらの２つの制御パラメータＸは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部５０は、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）を用いた１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００のデューティ比制御及び／又は位相制御によって、電源回路１０の各入出力ポートにおける入出力値Ｙを変化させる。
図２は、制御部５０のブロック図である。制御部５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
電力変換モード決定処理部５０２は、例えば、所定の外部信号（例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差を表す信号）に基づいて、次に述べる電源回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＡと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＢと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＣがある。
そして、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＤと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＥと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＦがある。
さらに、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＧと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＨと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＩがある。
それから、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＪと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＫと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＬがある。
位相差φ決定処理部５０４は、電源回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
＜電源装置１０１の動作＞
上記電源装置１０１の動作について、図１及び図２を用いて説明する。例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧の電力が電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート６０ｂ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポート６０ｄから出力される。
ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート６０ｃと第１入出力ポート６０ａについて着目すると、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側第１リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側第２リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート６０ｄの端子６２２と第３入出力ポート６０ｂとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。
次に、電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート６０ａと第３入出力ポート６０ｂについて着目すると、第１入出力ポート６０ａには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが結合係数ｋＴで磁気結合することで、変圧器４００が巻き数１：Ｎのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂに伝送させ、あるいは、第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａに伝送させることができる。
図３は、制御部５０の制御によって、電源回路１０に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図３において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図３において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比が互いに等しくなるように、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくする（各オン時間δ＝１次側オン時間δ１１＝２次側オン時間δ１２＝時間値α）。
１次側変換回路２０の昇降圧比は、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。同様に、２次側変換回路３０の昇降圧比は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。１次側変換回路２０の昇降圧比は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の変圧比であり、２次側変換回路３０の昇降圧比は、第３入出力ポート６０ｂと第４入出力ポート６０ｄとの間の変圧比である。
したがって、例えば、
１次側変換回路２０の昇降圧比
＝第２入出力ポート６０ｃの電圧／第１入出力ポート６０ａの電圧
＝δ１１／Ｔ＝α／Ｔ
２次側変換回路３０の昇降圧比
＝第４入出力ポート６０ｄの電圧／第３入出力ポート６０ｂの電圧
＝δ１２／Ｔ＝α／Ｔ
と表される。つまり、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比は互いに同じ値（＝α／Ｔ）である。
なお、図３のオン時間δは、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１のオン時間δ１１を表すとともに、２次側第１上アームＵ２及び２次側第２上アームＶ２のオン時間δ１２を表す。また、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。
また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。Ｕ１とＶ１との位相差は、タイミングｔ２とタイミングｔ６との間の時間差であり、Ｕ２とＶ２との位相差は、タイミングｔ１とタイミングｔ５との間の時間差である。
さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φｕと、Ｖ１とＶ２の位相差φｖとの少なくとも一方を変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間で伝送される伝送電力Ｐを調整することができる。位相差φｕは、タイミングｔ１とタイミングｔ２との間の時間差であり、位相差φｖは、タイミングｔ５とタイミングｔ６との間の時間差である。
位相差φｕ＞０又は位相差φｖ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送電力Ｐを伝送し、位相差φｕ＜０又は位相差φｖ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送電力Ｐを伝送することができる。つまり、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間において、上アームが先にオンした電力変換回路部を備えるフルブリッジ回路から、上アームが後にオンした電力変換回路部を備えるフルブリッジ回路に、伝送電力Ｐが伝送される。
例えば、図３の場合、２次側第１上アームＵ２のターンオンのタイミングｔ１が１次側第１上アームＵ１のターンオンのタイミングｔ２よりも先である。したがって、２次側第１上アームＵ２を有する２次側第１アーム回路３０７を備える２次側フルブリッジ回路３００から、１次側第１上アームＵ１を有する１次側第１アーム回路２０７を備える１次側フルブリッジ回路２００に、伝送電力Ｐが伝送される。同様に、２次側第２上アームＶ２のターンオンのタイミングｔ５が１次側第２上アームＶ１のターンオンのタイミングｔ６よりも先である。したがって、２次側第２上アームＶ２を有する２次側第２アーム回路３１１を備える２次側フルブリッジ回路３００から、１次側第２上アームＶ１を有する１次側第２アーム回路２１１を備える１次側フルブリッジ回路２００に、伝送電力Ｐが伝送される。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。例えば、位相差φｕは、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７との対応する相間でのスイッチングタイミングのずれであり、位相差φｖは、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１との対応する相間でのスイッチングタイミングのずれである。
制御部５０は、通常、位相差φｕと位相差φｖとを互いに等しくしたまま制御するが、伝送電力Ｐに要求される精度が満たされる範囲内で、位相差φｕと位相差φｖとを互いにずらして制御してもよい。すなわち、位相差φｕと位相差φｖは、通常、互いに同じ値に制御されるが、伝送電力Ｐに要求される精度が満たされれば、互いに異なる値に制御されてもよい。
したがって、例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧を昇圧して第１入出力ポート６０ａに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート６０ｂに入力された電圧を降圧して第４入出力ポート６０ｄに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を所望の電力伝送量Ｐで第３入出力ポート６０ｂに伝送するための位相差φを設定する。
１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
制御部５０により位相差φに応じて調整される伝送電力Ｐ（電力伝送量Ｐともいう）は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器４００を介して送られる電力であり、
Ｐ＝（Ｎ×Ｖａ×Ｖｂ）／（π×ω×Ｌ）×Ｆ（Ｄ，φ）
・・・式１
で表される。
なお、Ｎは、変圧器４００の巻き数比、Ｖａは、第１入出力ポート６０ａの入出力電圧、Ｖｂは、第３入出力ポート６０ｂの入出力電圧である。πは、円周率、ω（＝２π×ｆ＝２π／Ｔ）は、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチングの角周波数である。ｆは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周波数、Ｔは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周期、Ｌは、磁気結合リアクトル２０４，３０４と変圧器４００の電力伝送に関わる等価インダクタンスである。Ｆ（Ｄ，φ）は、デューティ比Ｄと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Ｄに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。デューティ比Ｄ及び位相差φは、所定の上下限値に挟まれた範囲内で変化するように設計された制御パラメータである。
制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち少なくとも一つの所定のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、当該所定のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを変化させることにより伝送電力Ｐを調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
例えば、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先である片方のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、伝送電力Ｐの伝送先のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを上昇変化させることにより伝送電力Ｐを増加方向に調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
＜電力変換効率を向上させる電力変換方法＞
制御部５０は、位相差φｕ及び位相差φｖ（図３参照）を調整して、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で伝送される伝送電力Ｐを制御する制御部の一例である。
位相差φｕは、１次側第１アーム回路２０７のスイッチングと２次側第１アーム回路３０７のスイッチングとの間の時間差である。例えば、位相差φｕは、１次側第１上アームＵ１のターンオンのタイミングｔ２と２次側第１上アームＵ２のターンオンのタイミングｔ１との間の差である。１次側第１アーム回路２０７のスイッチングと２次側第１アーム回路３０７のスイッチングは、制御部５０によって互いに同相で（すなわち、Ｕ相で）制御される。同様に、位相差φｖは、１次側第２アーム回路２１１のスイッチングと２次側第２アーム回路３１１のスイッチングとの間の時間差である。例えば、位相差φｖは、１次側第２上アームＶ１のターンオンのタイミングｔ６と２次側第２上アームＶ２のターンオンのタイミングｔ５との間の差である。１次側第２アーム回路２１１のスイッチングと２次側第２アーム回路３１１のスイッチングは、制御部５０によって互いに同相で（すなわち、Ｖ相で）制御される。
制御部５０は、位相差φｕと位相差φｖのうち、効率の良い方のアーム回路間の位相差を効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくする電力変換制御を行う。例えば、制御部５０は、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７の同相間の電力変換の効率ηｕが、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１の同相間の電力変換の効率ηｖより良い場合、位相差φｕを位相差φｖより大きくする。逆に、制御部５０は、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７の同相間の電力変換の効率ηｕが、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１の同相間の電力変換の効率ηｖより悪い場合、位相差φｖを位相差φｕより大きくする。
効率ηｕは、１次側第１上アームＵ１のオン時間と２次側第１上アームＵ２のオン時間とが重複する期間ｔ２−ｔ３に伝送される伝送電力Ｐを生成するための電力変換の効率を表す。効率ηｖは、１次側第２上アームＶ１のオン時間と２次側第２上アームＶ２のオン時間とが重複する期間ｔ６−ｔ７に伝送される伝送電力Ｐを生成するための電力変換の効率を表す。
したがって、位相差φｕと位相差φｖのうち、効率の良い方のアーム回路間の位相差が効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくされることにより、アーム回路に構成される各アームの特性が各アーム間でばらついても、伝送電力Ｐの伝送効率が向上する。よって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間の電力変換効率ηが向上する。
例えば、
効率ηｕ＝（１次側第１上アームＵ１のドレイン効率
＋１次側第２下アーム／Ｖ１のドレイン効率
＋２次側第１上アームＵ２のドレイン効率
＋２次側第２下アーム／Ｖ２のドレイン効率）÷４
・・・式２
効率ηｖ＝（１次側第２上アームＶ１のドレイン効率
＋１次側第１下アーム／Ｕ１のドレイン効率
＋２次側第２上アームＶ２のドレイン効率
＋２次側第１下アーム／Ｕ２のドレイン効率）÷４
・・・式３
と定義できる。
ドレイン効率は、例えば、各相がオンしているときの各相アームの消費電力（≒ドレイン電圧×ドレイン電流）に対する、フルブリッジ回路に接続される入出力ポートから出力される出力電力（＝出力電圧×出力電流）の比で定義される。各相がオンしているときの各相アームの消費電力とは、例えば１次側第１上アームＵ１の場合、１次側第１上アームＵ１がオンしているときのドレイン電圧とドレイン電流との積である。フルブリッジ回路に接続される入出力ポートから出力される出力電力とは、１次側フルブリッジ回路２００に接続される１次側ポートと２次側フルブリッジ回路３００に接続される２次側ポートのうち、片方のポートから出力されるポート電力である。
各アームのドレイン電圧は、各アームのドレイン−ソース間の電圧であり、各アームのドレイン電流は、各アームのドレイン−ソース間を流れる電流である。各アームのドレイン電圧及びドレイン電流、並びに片方のポートから出力されるポート電力は、センサ部７０によって検出される。
また、例えば、
効率ηｕ＝（１次側第１上アームＵ１の発熱量
＋１次側第２下アーム／Ｖ１の発熱量
＋２次側第１上アームＵ２の発熱量
＋２次側第２下アーム／Ｖ２の発熱量）
÷（４×全８アーム中の最大発熱量）
・・・式４
効率ηｖ＝（１次側第２上アームＶ１の発熱量
＋１次側第１下アーム／Ｕ１の発熱量
＋２次側第２上アームＶ２の発熱量
＋２次側第１下アーム／Ｕ２の発熱量）
÷（４×全８アーム中の最大発熱量）
・・・式５
と定義できる。
発熱量は、温度に置換されてよい。全８アーム中の最大発熱量（又は、最大温度）とは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００とに構成される８個のアームのうち、最も大きな発熱量（又は、最も高い温度）である。各アームの発熱量又は温度は、センサ部７０によって検出される。
なお、効率ηｕ，ηｖは、上記のように定義された値に限られず、効率ηｕ，ηｖを等価的に表す指標であればよい。
図４は、制御部５０によって実行される電力変換方法の第１の例を示すフローチャートである。
ステップＳ１０で、制御部５０は、各アームの効率を計算して、例えば上記のように定義された効率ηｕ及び効率ηｖを演算する。
ステップＳ２０で、制御部５０は、ステップＳ１０で算出された、効率ηｕと効率ηｖとの大小関係を比較する。制御部５０は、効率ηｕが効率ηｖよりも大きいと判定した場合、位相差φｕを延長し且つ位相差φｖを短縮することによって、位相差φｕを位相差φｖより大きくする（ステップＳ３０）。一方、制御部５０は、効率ηｕが効率ηｖよりも小さいと判定した場合、位相差φｕを短縮し且つ位相差φｖを延長することによって、位相差φｖを位相差φｕよりも大きくする（ステップＳ４０）。
ステップＳ３０では、制御部５０は、標準の位相差φに変化量Δφを加算して得られた値を位相差φｕとし、標準の位相差φから変化量Δφを減算して得られた値を位相差φｖとする。一方、ステップＳ４０では、制御部５０は、標準の位相差φに変化量Δφを加算して得られた値を位相差φｖとし、標準の位相差φから変化量Δφを減算して得られた値を位相差φｕとする。
変化量Δφは、例えば、
Δφ＝標準の位相差φ×（ηｕ−ηｖ）
・・・式６
と定義される。式６の右辺には、任意の比例定数が乗算されてもよい。
制御部５０は、標準の位相差φを、式１から算出してもよいし、式１の関係を定めたマップから算出してもよい。
図５は、標準の位相差φを算出するためのマップの一例を示した図である。当該マップは、メモリに予め記憶されている。制御部５０は、指令伝送電力Ｐ＊と指令デューティ比Ｄ＊とに基づいて、図５のマップに従って、標準の位相差φ（例えば、φ１，φ２，φ３，φ４，・・・）を算出する。指令伝送電力Ｐ＊は、伝送電力Ｐの目標値（例えば、目標伝送電力Ｐ１ ＊，Ｐ２ ＊，Ｐ３ ＊，・・・）であり、指令デューティ比Ｄ＊は、デューティ比Ｄの目標値（例えば、目標デューティ比Ｄ１ ＊，Ｄ２ ＊，Ｄ３ ＊，Ｄ４ ＊，Ｄ５ ＊，・・・）である。
制御部５０は、ステップＳ３０，Ｓ４０のように標準の位相差φを変化量Δφの加減により補正することによって、位相差φｕ及び位相差φｖの最適値を算出できる。また、制御部５０は、位相差φｕと位相差φｖのうち、効率の良い方のアーム回路間の位相差を延長し、且つ、効率の悪い方のアーム回路間の位相差を短縮することで、伝送電力Ｐが指令伝送電力Ｐ＊に対して変動しないように、電力変換効率ηを向上できる。伝送電力Ｐが指令伝送電力Ｐ＊に対して変動することが抑制されるため、片方のフルブリッジ回路からポートに出力される出力電力の変動も抑制できる。
なお、位相差φｕと位相差φｖが互いに異なる値に調整されると、フルブリッジ回路の出力のリップルが増える可能性がある。そのため、変化量Δφの上限値は、例えば、出力電圧のリップルが所定の範囲内に収束する値に設定されるとよい。
また、制御部５０は効率ηｕ，ηｖを各アームのスイッチング周期ごとに演算すると、その演算負荷が高くなる。そこで、例えば、制御部５０は、効率ηｕ，ηｖの演算及び位相差φｕ，φｖの調整を、各アームのスイッチング周期よりも十分に遅い周期（例えば、２〜３秒）で繰り返してもよい。
また、例えば、制御部５０は、各アームの経年劣化に対応できるように、効率ηｕ，ηｖの演算及び位相差φｕ，φｖの調整を、イグニッションスイッチのオンからオフまでの間の任意のタイミングで所定の回数（例えば、１回）行ってもよい。また、例えば、制御部５０は、各アームの温度変化に対応できるように、効率ηｕ，ηｖの演算及び位相差φｕ，φｖの調整を、周囲温度が所定の閾値温度に上昇したタイミングで行ってもよい。
図６は、制御部５０によって実行される電力変換方法の第２の例を示すフローチャートである。
ステップＳ５０で、制御部５０は、各アームの効率を計算して、例えば上記のように定義された効率ηｕ及び効率ηｖを演算する。
ステップＳ６０で、制御部５０は、各アームがオンしているときの各アームのゲート電流Ｉｇを検出し、その検出値をメモリに記憶する。制御部５０は、イグニッションスイッチがオンからオフするまでの期間にゲート電流Ｉｇを複数回検出した場合、複数回検出したゲート電流Ｉｇの平均値、又は複数回検出したゲート電流Ｉｇのうちの最後の検出値をメモリに記憶する。
ゲート電流Ｉｇは、アームのゲート電極に流れる制御電流の一例であり、ゲート電極は、アームの制御電極の一例である。図１には、１次側第１上アームＵ１のゲート電極Ｇに流れるゲート電流がゲート電流Ｉｇの一例として例示されているが、それ以外のアームのゲート電極にもゲート電流が流れることは勿論である。
ステップＳ７０で、制御部５０は、各アームのゲート電流Ｉｇの変化に基づいて、各アームの故障の有無を判定する。制御部５０は、例えば、今回検出されたゲート電流Ｉｇの検出値がメモリに記憶されたゲート電流Ｉｇの記憶値に対して所定の変化量以上変化しているアームを、故障したアームと判定する。あるいは、制御部５０は、例えば、今回検出されたゲート電流Ｉｇの検出値が所定の電流閾値を超えたアームを、故障したアームと判定する。
制御部５０は、各アームのいずれも故障していないと判定した場合、ステップＳ８０の処理を実行し、各アームのいずれかが故障していると判定した場合、ステップＳ１１０の処理を実行する。
ステップＳ８０で、制御部５０は、ステップＳ５０で算出された、効率ηｕと効率ηｖとの大小関係を比較する。制御部５０は、効率ηｕが効率ηｖよりも大きいと判定した場合、位相差φｕを延長し且つ位相差φｖを短縮することによって、位相差φｕを位相差φｖより大きくする（ステップＳ９０）。一方、制御部５０は、効率ηｕが効率ηｖよりも小さいと判定した場合、位相差φｕを短縮し且つ位相差φｖを延長することによって、位相差φｖを位相差φｕよりも大きくする（ステップＳ１００）。ステップＳ９０，Ｓ１００は、それぞれ、上記のステップＳ３０，Ｓ４０と同じでよい。
一方、制御部５０は、ステップＳ７０で各アームのいずれかが故障していると判定した場合、故障しているアームを使用しない制御に変更する（ステップＳ１１０）。これにより、アームの故障が促進することを抑制できる。
ステップＳ１１０で、制御部５０は、例えば、以下のようなフェールセーフ制御を少なくとも一つ実施する。制御部５０は、例えば、効率の良い方のアーム回路間の位相差を効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくする制御を中止する。制御部５０は、例えば、アームの故障を外部に通知する。制御部５０は、例えば、基準値以上のゲート電流Ｉｇが流れるゲート電極を有するアームを使用しないハーフブリッジでフルブリッジ回路を動作させて、フルブリッジ回路間で伝送される伝送電力Ｐ及び片方のフルブリッジ回路から出力される出力電力を制御する。この際、制御部５０は、伝送電力Ｐ又は出力回路の上限値を通常時よりも下げることが好ましい。
したがって、アームに故障が発生しても、伝送電力Ｐを伝送し続けることができる。
＜電源装置１０２の構成＞
図７は、電力変換装置の第２の実施形態である電源装置１０２の構成例を示したブロック図である。上述の実施形態と同一又は同様の構成及び効果についての説明は、省略又は簡略する。電源装置１０２は、例えば、第１の電源回路１１と、第２の電源回路１２と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。
電源装置１０２は、第１及び第２入出力ポート６０ａ，６０ｃと第３及び第４入出力ポート６０ｂ，６０ｄとの間で、互いに並列に接続された２つの電源回路１１，１２を備えたＤＣ−ＤＣコンバータである。このように複数の電源回路を冗長的に備えることによって、各負荷６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄに対して供給可能な出力電力を増やしたり、複数の電源回路のうちの一部の電源回路が故障した際のフェールセーフ性能を向上させたりすることができる。
電源装置１０２は、電源回路１１と電源回路１２とを並列に備えている。電源回路１１と電源回路１２は、いずれも、図１の電源回路１０と同一である。
ポート電力Ｐａ１，Ｐｃ１，Ｐｂ１，Ｐｄ１は、それぞれ、電源回路１１において入力又は出力される電力であり、ポート電力Ｐａ２，Ｐｃ２，Ｐｂ２，Ｐｄ２は、それぞれ、電源回路１２において入力又は出力される電力である。ポート電圧Ｖａ１，Ｖｃ１，Ｖｂ１，Ｖｄ１は、それぞれ、電源回路１１において入力又は出力される電圧である。ポート電圧Ｖａ２，Ｖｃ２，Ｖｂ２，Ｖｄ２は、それぞれ、電源回路１２において入力又は出力される電圧である。ポート電流Ｉａ１，Ｉｃ１，Ｉｂ１，Ｉｄ１は、それぞれ、電源回路１１において入力又は出力される電流である。ポート電流Ｉａ２，Ｉｃ２，Ｉｂ２，Ｉｄ２は、それぞれ、電源回路１２において入力又は出力される電流である。
制御部５０は、電源回路１１，１２それぞれの位相差φ及びデューティ比Ｄを調整することによって、電源回路１１，１２それぞれの入出力ポートにおける入出力電力を変化させる。これにより、電源装置１０２の各入出力ポート６０ａ〜６０ｄにおける入出力値Ｙを変化させる。制御部５０は、例えば、入出力値Ｙの検出値Ｙｄが目標値Ｙｏに追従するように、電源回路１１，１２のうち少なくとも一つの電源回路のデューティ比Ｄ及び位相差φを変化させる。
制御部５０は、電源回路１１，１２のうち、効率の良い方の電源回路における位相差φｕ及び位相差φｖを延長し、且つ、効率の悪い方の電源回路における位相差φｕ及び位相差φｖを短縮する。これによって、電源回路１１，１２それぞれの電力変換効率を考慮して、電源装置１０２における１次側ポートと２次側ポートとの間の電力変換効率を向上できる。そして、伝送電力Ｐが指令伝送電力Ｐ＊に対して変動しないように、電源装置１０２における１次側ポートと２次側ポートとの間の電力変換効率を向上できる。伝送電力Ｐが指令伝送電力Ｐ＊に対して変動することが抑制されるため、フルブリッジ回路からポートに出力される出力電力の変動も抑制できる。
例えば、制御部５０は、電源回路１１の効率η１１が電源回路１２の効率η１２よりも良い場合、電源回路１１における位相差φｕ及び位相差φｖを両方とも延長し、電源回路１２における位相差φｕ及び位相差φｖを両方とも短縮する。逆に、制御部５０は、電源回路１２の効率η１２が電源回路１１の効率η１１よりも良い場合、電源回路１２における位相差φｕ及び位相差φｖを両方とも延長し、電源回路１１における位相差φｕ及び位相差φｖを両方とも短縮する。
効率η１１は、電源回路１１における１次側ポートと２次側ポートとの間の電力変換効率であり、例えば、電源回路１１における、入力電力に対する出力電力の比で表される。効率η１２は、電源回路１２における１次側ポートと２次側ポートとの間の電力変換効率であり、例えば、電源回路１１における、入力電力に対する出力電力の比で表される。
１次側ポートと２次側ポートのうち、一方のポートに入力される入力電力をＰｉｎ、他方のポートから出力される出力電力をＰｏｕｔ、一方のポートに入力される入力電圧をＶｉｎ、他方のポートから出力される出力電圧をＶｏｕｔ、一方のポートに入力される入力電流をＩｉｎ、他方のポートから出力される出力電流をＩｏｕｔと定義すると、効率η１１は、
効率η１１＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ
＝（Ｖｏｕｔ×Ｉｏｕｔ）／（Ｖｉｎ×Ｉｉｎ）
・・・式７
と表すことができる。効率η１２についても、式７と同様に表すことができる。
例えば、図７の電源回路１１において、第３入出力ポートに入力されるポート電力Ｐｂ１を変換して第１入出力ポートに変換後のポート電力Ｐａ１を出力し、第１入出力ポートの電力Ｐａ１を変換して第２入出力ポートに変換後のポート電力Ｐｃ１を出力する場合、電源回路１１の効率η１１は、式７によれば、
η１１＝（Ｖａ１×Ｉａ１＋Ｖｃ１×Ｉｃ１）／（Ｖｂ１×Ｉｂ１）
・・・式８
と表すことができる。なお、式８は、第４入出力ポートを使用しない場合の式であり、第４入出力ポートにおいて入出力される電力は零とする（例えば、２次側低電圧系負荷６１ｄ及びキャパシタＣ４の構成が無い）。効率η１２についても、式８と同様に表すことができる。
電源装置１０２の制御部５０によって実行される電力変換方法は、上述の図４又は図６に示されたフローチャートを援用できる。以下、図６に示されたフローチャートに従って、電源装置１０２の制御部５０によって実行される電力変換方法について説明する。なお、上述のステップと同様の説明については省略する。
ステップＳ５０で、制御部５０は、各アームの効率を計算して、例えば上記のように定義された効率ηｕ及び効率ηｖを電源回路１１，１２それぞれについて演算する。さらに、ステップＳ１０で、制御部５０は、電源回路１１の効率η１１と、電源回路１２の効率η１２とを演算する。
例えば、
効率η１１＝電源回路１１の出力電力
÷（電源回路１１の総ドレイン電流×総ドレイン電圧）
・・・式９
効率η１２＝電源回路１２の出力電力
÷（電源回路１２の総ドレイン電流×総ドレイン電圧）
・・・式１０
と定義できる。
電源回路１１（又は、電源回路１２）の出力電力とは、電源回路１１（又は、電源回路１２）の片方のフルブリッジ回路から出力されるポート電力である。総ドレイン電流とは、電源回路に構成される８つのアームのドレイン電流の総和であり、総ドレイン電圧とは、電源回路に構成される８つのアームのドレイン電圧の総和である。
ステップＳ８０では、制御部５０は、ステップＳ５０で算出された、電源回路１１における効率ηｕと効率ηｖとの大小関係を比較するとともに、電源回路１２における効率ηｕと効率ηｖとの大小関係を比較する。さらに、ステップＳ８０では、制御部５０は、ステップＳ５０で算出された、効率η１１と効率η１２との大小関係を比較する。
制御部５０は、ステップ８０での比較結果に従って、以下のように、標準の位相差φを変化量Δφ，ΔΦで補正して、位相差φｕ，φｖを導出する。変化量Δφは、例えば、上記の式６で定義されてよい。変化量ΔΦは、例えば、
ΔΦ＝標準の位相差φ×（η１１−η１２）
・・・式１１
と定義される。式１１の右辺には、任意の比例定数が乗算されてもよい。
制御部５０は、電源回路１１の効率ηｕが電源回路１１の効率ηｖよりも大きく且つ効率η１１が効率η１２よりも大きいとステップＳ８０で判定した場合、
電源回路１１のφｕ＝（φ＋Δφ）＋ΔΦ
電源回路１１のφｖ＝（φ−Δφ）＋ΔΦ
・・・式１２
に従って、電源回路１１に指定された標準の位相差φを変化量Δφ，ΔΦで補正して、電源回路１１の位相差φｕ，φｖを導出する。一方、制御部５０は、電源回路１２の効率ηｕが電源回路１２の効率ηｖよりも大きく且つ効率η１１が効率η１２よりも大きいとステップＳ８０で判定した場合、
電源回路１２のφｕ＝（φ＋Δφ）−ΔΦ
電源回路１２のφｖ＝（φ−Δφ）−ΔΦ
・・・式１３
に従って、電源回路１２に指定された標準の位相差φを変化量Δφ，ΔΦで補正して、電源回路１２の位相差φｕ，φｖを導出する。
また、制御部５０は、電源回路１１の効率ηｕが電源回路１１の効率ηｖよりも大きく且つ効率η１１が効率η１２よりも小さいとステップＳ８０で判定した場合、
電源回路１１のφｕ＝（φ＋Δφ）−ΔΦ
電源回路１１のφｖ＝（φ−Δφ）−ΔΦ
・・・式１４
に従って、電源回路１１に指定された標準の位相差φを変化量Δφ，ΔΦで補正して、電源回路１１の位相差φｕ，φｖを導出する。一方、制御部５０は、電源回路１２の効率ηｕが電源回路１２の効率ηｖよりも大きく且つ効率η１１が効率η１２よりも小さいとステップＳ８０で判定した場合、
電源回路１２のφｕ＝（φ＋Δφ）＋ΔΦ
電源回路１２のφｖ＝（φ−Δφ）＋ΔΦ
・・・式１５
に従って、電源回路１２に指定された標準の位相差φを変化量Δφ，ΔΦで補正して、電源回路１２の位相差φｕ，φｖを導出する。
また、制御部５０は、効率ηｕが効率ηｖよりも小さい場合、式１２〜式１５の各右辺において、（φ＋Δφ）を（φ−Δφ）に置換し、（φ−Δφ）を（φ＋Δφ）に置換した式に従って、電源回路１１，１２それぞれの位相差φｕ，φｖを導出する。
制御部５０は、ステップＳ７０で各アームのいずれかが故障していると判定した場合、故障しているアームを使用しない制御に変更する（ステップＳ１１０）。
ステップＳ１１０で、制御部５０は、例えば、以下のようなフェールセーフ制御を少なくとも一つ実施する。制御部５０は、例えば、故障と判定されたアームを備えている一方の電源回路を完全に停止し、故障と判定されていない正常なアームを備えている他方の電源回路を使用して、伝送電力Ｐ及び出力電力を制御する。制御部５０は、例えば、故障と判定されたアームを使用しないハーフブリッジで一方の電源回路のフルブリッジ回路を動作させて、故障と判定されていない正常なアームを備えている他方の電源回路を使用して、伝送電力Ｐ及び出力電力を制御する。制御部５０は、最大出力が要求される場合、正常な電源回路を作動させて、ハーフブリッジで動作する電源回路を支援してもよいし、故障したアームを備える電源回路を臨時にハーフブリッジで作動させて、出力電力の不足を防止してもよい。
最大出力が要求される場合とは、例えば、カーブの手前、交差点の手前で低速でウィンカーを出すシーンなどが挙げられる。最大出力が要求される場所はメモリに格納され、制御部５０は、最大出力が要求される場所又はその場所を車両が通過する手前で上述のようなフェールセーフ制御を実施する。
以上、電力変換装置及び電力変換方法を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
また、第１入出力ポート６０ａに電源が接続されてもよいし、第４入出力ポート６０ｄに電源が接続されてもよい。また、第２入出力ポート６０ｃに電源が接続されなくてもよいし、第３入出力ポート６０ｂに電源が接続されなくてもよい。
また、図１において、第２入出力ポート６０ｃに１次側低電圧系電源６２ｃが接続されているが、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃのいずれにも電源が接続されなくてもよい。
また、本発明は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置に適用できる。例えば、本発明は、図１に例示された４つの入出力ポートのうちいずれか一つの入出力ポートが無い構成を有する電源装置に対しても適用できる。
また、上述の説明において、１次側を２次側と定義し、２次側を１次側と定義してもよい。上述の説明では、伝送電力Ｐが２次側ポートから１次側ポートに伝送される場合を例示したが、伝送電力Ｐが１次側ポートから２次側ポートに伝送される場合に上述の説明を適用できる。
また、位相差φｕと位相差φｖのうち、一方の位相差を他方の位相差よりも大きくするとは、他方の位相差を一方の位相差よりも小さくすることと同義である。制御部５０は、一方の位相差を固定したまま他方の位相差を短縮することによって、一方の位相差を他方の位相差よりも大きくしてもよい。逆に、制御部５０は、他方の位相差を固定したまま一方の位相差を延長することによって、一方の位相差を他方の位相差よりも大きくしてもよい。
また、制御部５０は、効率ηｕと効率ηｖとが等しいと判定した場合、位相差φｕと位相差φｖとを互いに等しい値（典型的には、標準の位相差φ）に設定するとよい。
１０ 電源回路
２０ １次側変換回路
３０ ２次側変換回路
５０ 制御部
６０ａ 第１入出力ポート
６０ｂ 第３入出力ポート
６０ｃ 第２入出力ポート
６０ｄ 第４入出力ポート
７０ センサ部
１０１，１０２ 電源装置（電力変換装置の一例）
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７ １次側第１アーム回路（第１アーム回路の一例）
２１１ １次側第２アーム回路（第２アーム回路の一例）
２０７ｍ，２１１ｍ 中点
２９７ １次側第２正極母線
２９８ １次側正極母線（１次側第１正極母線）
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０４ ２次側磁気結合リアクトル
３０７ ２次側第１アーム回路（第３アーム回路の一例）
３１１ ２次側第２アーム回路（第４アーム回路の一例）
３０７ｍ，３１１ｍ 中点
３９７ ２次側第２正極母線
３９８ ２次側正極母線（２次側第１正極母線）
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
Ｕ＊，Ｖ＊ 上アーム
／Ｕ＊，／Ｖ＊ 下アーム

Claims (8)

  1. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートと、
    前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを調整して、前記１次側フルブリッジ回路と前記２次側フルブリッジ回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記第１位相差による前記伝送電力を生成するための電力変換の効率と前記第２位相差による前記伝送電力を生成するための電力変換の効率とのうち、効率の良い方のアーム回路間の位相差を効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくする、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、効率の良い方のアーム回路間の位相差を延長し、且つ、効率の悪い方のアーム回路間の位相差を短縮する、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記効率は、前記アーム回路に構成されるスイッチング素子の消費電力と前記フルブリッジ回路の出力電力との比率に応じて決定される、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 前記効率は、前記アーム回路に構成されるスイッチング素子の発熱量に応じて決定される、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御部は、前記アーム回路に構成されるスイッチング素子の制御電極に流れる制御電流の変化に基づいて、効率の良い方のアーム回路間の位相差を効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくすることを中止する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、基準値以上の制御電流が流れる制御電極を有するスイッチング素子を使用しないで、前記伝送電力を制御する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  7. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートとを有する電源回路を複数並列に接続されて備えるとともに、
    複数の前記電源回路それぞれについて、前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを調整して、前記１次側フルブリッジ回路と前記２次側フルブリッジ回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、複数の前記電源回路のうちの第１の電源回路における前記１次側ポートと前記２次側ポートとの間の電力変換の効率と、複数の前記電源回路のうちの第２の電源回路における前記１次側ポートと前記２次側ポートとの間の電力変換の効率とのうち、効率の良い方の電源回路における前記第１位相差及び前記第２位相差を延長し、且つ、効率の悪い方の電源回路における前記第１位相差及び前記第２位相差を短縮する、電力変換装置。
  8. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    第１上アームと第１下アームとが直列に接続される第１アーム回路と、第２上アームと第２下アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１上アームと前記第１下アームとの中点と前記第２上アームと前記第２下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記１次側コイルが設けられる、１次側フルブリッジ回路と、
    第３上アームと第３下アームとが直列に接続される第３アーム回路と、第４上アームと第４下アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第３上アームと前記第３下アームとの中点と前記第４上アームと前記第４下アームとの中点を接続するブリッジ部分に、前記２次側コイルが設けられる、２次側フルブリッジ回路と、
    前記１次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される１次側ポートと、
    前記２次側フルブリッジ回路の正極母線に接続される２次側ポートとを備える電力変換装置について、前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを調整して、前記１次側フルブリッジ回路と前記２次側フルブリッジ回路との間で伝送される伝送電力を制御する、電力変換方法であって、
    前記第１位相差による前記伝送電力を生成するための電力変換の効率と前記第２位相差による前記伝送電力を生成するための電力変換の効率とのうち、効率の良い方のアーム回路間の位相差を効率の悪い方のアーム回路間の位相差よりも大きくする、電力変換方法。
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