JP2012157162A - 電力伝達用絶縁回路および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減することが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、スイッチ素子Ｚ１およびＺ２を含み、スイッチ素子Ｚ１の第１端およびスイッチ素子Ｚ２の第１端において受けた電力を蓄電素子Ｃ１に供給するための入力スイッチ部２１と、スイッチ素子Ｚ３およびＺ４を含み、蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電力を出力するための出力スイッチ部２２と、蓄電素子Ｃ１の充電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングを決定する動作、および蓄電素子Ｃ１の放電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングを決定する動作の少なくとも一方を行なうための制御部１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関し、特に、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関する。

一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）およびプラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。

このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換する電源装置用絶縁回路の一例が、たとえば、特許第３５９５３２９号公報（特許文献１）に記載されている。すなわち、この電源装置用絶縁回路は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、上記整流回路から供給される直流電流に残存する脈流成分を低減する第１のコンデンサと、上記第１のコンデンサから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第１のスイッチ回路と、上記第１のスイッチ回路から供給される電流を蓄積する第２のコンデンサと、上記第２のコンデンサから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第２のスイッチ回路と、上記第２のスイッチ回路から供給される電流を保持するとともに負荷側に放出する第３のコンデンサとを備える。また、ＯＮとなる時間がＯＦＦとなる時間よりも短く設定された方形波によって構成されるコントロール信号φ１、および上記コントロール信号φ１と相補的にＯＮするとともにＯＮ時間がＯＦＦ時間よりも短く設定されたコントロール信号φ２を生成するゲートコントロール回路を備える。上記コントロール信号φ１により上記第１のスイッチ回路の開閉を行い、上記コントロール信号φ２により上記第２のスイッチ回路の開閉を行なう。このような構成により、大きな容積を占める電源トランスを使用することなく交流電圧を直流電圧に変換し、かつ交流電源側と負荷側とを電気的に絶縁することができる。

特許第３５９５３２９号公報

特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、第１のスイッチ回路における各スイッチ素子をオンすると、第２のコンデンサへ充電電流が流れ、電荷が蓄積され始める。そして、第２のコンデンサを通して充電電流が流れている状態で上記各スイッチ素子をオフした場合には、充電電流と上記各スイッチ素子の両端電圧との積に基づく大きなスイッチング損失が発生してしまう。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減することが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する蓄電素子と、第１端、および上記蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ素子、ならびに第１端、および上記蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチ素子を含み、上記第１のスイッチ素子の第１端および上記第２のスイッチ素子の第１端において受けた電力を上記蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記蓄電素子の第１端に接続された第１端、および第２端を有する第３のスイッチ素子ならびに上記蓄電素子の第２端に接続された第１端、および第２端を有する第４のスイッチ素子を含み、上記蓄電素子に蓄えられた電力を出力するための出力スイッチ部と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御するための制御部とを備え、上記制御部は、上記蓄電素子の充電電流に基づいて上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作、および上記蓄電素子の放電電流に基づいて上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作の少なくとも一方を行なう。

このように、蓄電素子の充電電流または放電電流を監視する構成により、これらの電流が略ゼロになるタイミングを常時検出し、これらの電流が略ゼロになったタイミングにおいて各スイッチ素子をオフすることができる。これにより、スイッチング損失を低減して電力効率を向上させながら、各スイッチ素子の駆動周波数を最大化し、高速な動作が可能となる。また、蓄電素子のサイズを大きくする必要が無く、回路面積の増大を防ぐことができる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減することができる。

好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、さらに、上記蓄電素子の充電電流および放電電流を測定するための電流検出部を備え、上記制御部は、上記電流検出部による測定結果に基づいて上記タイミングを決定する。

このように、蓄電素子を通して流れる電流を直接監視する構成により、たとえば各蓄電素子の両端電圧を測定して当該電流が略ゼロになるタイミングを算出する構成と比べて、当該タイミングを正確に得ることができる。また、当該タイミングを簡易な処理で取得することができるため、スイッチ制御を迅速に行なうことができる。また、蓄電素子用の電流センサを設ける構成により、１つの電流センサで、蓄電素子の充電電流が略ゼロになるタイミング、および蓄電素子の放電電流が略ゼロになるタイミングを検出することができる。

好ましくは、上記制御部は、上記入力スイッチ部における各上記スイッチ素子をオンし、かつ上記出力スイッチ部における各上記スイッチ素子をオフする第１の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオンする第２の期間とを順番に繰り返し、上記制御部は、上記第１の期間から上記第２の期間へ遷移する際に上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを上記蓄電素子の充電電流に基づいて決定する動作、および上記第２の期間から上記第１の期間へ遷移する際に上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを上記蓄電素子の放電電流に基づいて決定する動作の少なくとも一方を行なう。

このような構成により、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する動作において、スイッチング損失を低減することができる。

より好ましくは、上記制御部は、上記第１の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第３の期間と、上記第２の期間と、上記入力スイッチ部における上記各スイッチ素子および上記出力スイッチ部における上記各スイッチ素子をオフする第４の期間とをこの順番で繰り返し、上記制御部は、上記第１の期間から上記第３の期間へ遷移する際に上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを上記蓄電素子の充電電流に基づいて決定する動作、および上記第２の期間から上記第４の期間へ遷移する際に上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを上記蓄電素子の放電電流に基づいて決定する動作の少なくとも一方を行なう。

このように、デッドタイムを設ける構成により、電力伝達用絶縁回路の入力側および出力側間の絶縁を確実に確保することができる。

好ましくは、上記制御部は、上記蓄電素子の充電電流に基づいて上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作、および上記蓄電素子の放電電流に基づいて上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作の両方を行なう。

このように、蓄電素子の充電電流が略ゼロになるタイミングにおいて入力スイッチ部における各スイッチ素子をオフする動作、および蓄電素子の放電電流が略ゼロになるタイミングにおいて出力スイッチ部における各スイッチ素子をオフする動作の両方を行なう構成により、電力伝達用絶縁回路におけるスイッチング損失を大幅に低減することができる。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、受けた交流電力を整流するための整流部と、上記整流部および上記負荷間を絶縁しながら、上記整流部によって整流された電力を上記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、上記電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する蓄電素子と、上記整流部と上記蓄電素子の第１端との間に接続された第１のスイッチ素子および上記整流部と上記蓄電素子の第２端との間に接続された第２のスイッチ素子を含み、上記整流部によって整流された電力を上記蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記蓄電素子の第１端に接続された第１端、および第２端を有する第３のスイッチ素子ならびに上記蓄電素子の第２端に接続された第１端、および第２端を有する第４のスイッチ素子を含み、上記蓄電素子に蓄えられた電力を出力するための出力スイッチ部と、上記第１のスイッチ素子ないし上記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御するための制御部とを備え、上記制御部は、上記蓄電素子の充電電流に基づいて上記第１のスイッチ素子および上記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作、および上記蓄電素子の放電電流に基づいて上記第３のスイッチ素子および上記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作の少なくとも一方を行なう。

このように、蓄電素子の充電電流または放電電流を監視する構成により、これらの電流が略ゼロになるタイミングを常時検出し、これらの電流が略ゼロになったタイミングにおいて各スイッチ素子をオフすることができる。これにより、スイッチング損失を低減して電力効率を向上させながら、各スイッチ素子の駆動周波数を最大化し、高速な動作が可能となる。また、蓄電素子のサイズを大きくする必要が無く、回路面積の増大を防ぐことができる。したがって、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減することができる。

本発明によれば、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路による電力伝達動作を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路において、制御部がキャパシタ電流に基づくスイッチ制御を行なわないと仮定した場合におけるゲート駆動信号とキャパシタ電流とを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるゲート駆動信号とキャパシタ電流とを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
［構成および基本動作］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。

図１を参照して、電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１と、整流部５１とを備える。電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０〜Ｃ２と、入力スイッチ部２１と、出力スイッチ部２２と、制御部１４と、電流検出部１５とを含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。

電力変換装置２０１は、交流電源３０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷３０２に供給する。負荷３０２は、たとえば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電池である。

整流部５１は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源３０１から受けた交流電力を全波整流して電力伝達用絶縁回路１０１へ出力する。

電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端Ｔ１、およびキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第２端Ｔ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端Ｔ３、およびキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第２端Ｔ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端Ｔ５、およびキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と電気的に接続された第２端Ｔ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端Ｔ７、およびキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と電気的に接続された第２端Ｔ８を有する。

キャパシタＣ０は、整流部５１によって整流された電力を蓄える。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１の第１端Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３において受けた電力すなわちキャパシタＣ０に蓄えられた電力をキャパシタＣ１に供給する。出力スイッチ部２２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力をキャパシタＣ２に供給する。キャパシタＣ２に蓄えられた電力は、放電されて負荷３０２に供給される。

制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に出力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンおよびオフをそれぞれ切り替える。電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１４のスイッチ制御により、整流部５１および負荷３０２間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷３０２に伝達する。

電流検出部１５は、たとえばホール素子であり、キャパシタＣ１と直列に接続される。電流検出部１５は、キャパシタＣ１を通して流れるキャパシタ電流ＩＣ、すなわちキャパシタＣ１の充電電流および放電電流を測定する。

［動作］
次に、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達および故障検出を行なう際の動作について図面を用いて説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。

図２を参照して、まず、制御部１４は、期間Ｔ１において、スイッチ素子Ｚ１をオンし、スイッチ素子Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３をオフし、スイッチ素子Ｚ４をオフする。これにより、キャパシタＣ０に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ１に蓄えられる。スイッチ素子Ｚ３およびＺ４がオフされていることにより、整流部５１および負荷３０２間の絶縁が確保される。

次に、制御部１４は、期間Ｔ２において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。すなわち、入力スイッチ部２１における各スイッチおよび出力スイッチ部２２における各スイッチを介して電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間、すなわち整流部５１および負荷３０２間が短絡することを防ぐことができる。

次に、制御部１４は、期間Ｔ３において、スイッチ素子Ｚ１をオフし、スイッチ素子Ｚ２をオフし、スイッチ素子Ｚ３をオンし、スイッチ素子Ｚ４をオンする。これにより、キャパシタＣ１に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ２に蓄えられる。スイッチ素子Ｚ１およびＺ２がオフされていることにより、整流部５１および負荷３０２間の絶縁が確保される。

次に、制御部１４は、期間Ｔ４において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、期間Ｔ２と同様に、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。

ここで、期間Ｔ１〜Ｔ４において、キャパシタＣ１は整流部５１からの電力により充電されており、また、キャパシタＣ２に蓄えられた電力は放電されて負荷３０２に供給されている。また、期間Ｔ２およびＴ４においては、キャパシタＣ１における電荷の移動はない。

そして、制御部１４は、これら期間Ｔ１、期間Ｔ２、期間Ｔ３および期間Ｔ４をこの順番で繰り返すことにより、整流部５１と協働して、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間を絶縁しながら、交流電源３０１からの交流電力を直流電力に変換して負荷３０２に供給する。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路による電力伝達動作を示す図である。

図３を参照して、電力伝達用絶縁回路１０１では、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオンし、かつ出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフすることにより、キャパシタＣ１を充電する動作と、入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオフし、かつ出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオンすることにより、キャパシタＣ１を放電する動作とを交互に繰り返すことにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間を絶縁しながら、交流電源３０１からの電力を負荷３０２に伝達する。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路において、制御部がキャパシタ電流に基づくスイッチ制御を行なわないと仮定した場合におけるゲート駆動信号とキャパシタ電流とを示す図である。

ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４に対するキャパシタ電流ＩＣの波形は、理想的には図４に示すようになる。

タイミングＴＡにおいて、キャパシタ電流ＩＣすなわちキャパシタＣ１の充電電流が流れているときにゲート駆動信号Ｇ１およびＧ２を論理ローレベルにしてスイッチ素子Ｚ１およびＺ２をオフした場合には、キャパシタ電流ＩＣとスイッチ素子Ｚ１およびＺ２の両端電圧との積に基づく大きなスイッチング損失が発生する。

また、タイミングＴＢにおいて、キャパシタ電流ＩＣすなわちキャパシタＣ１の放電電流が流れているときにゲート駆動信号Ｇ３およびＧ４を論理ローレベルにしてスイッチ素子Ｚ３およびＺ４をオフした場合には、キャパシタ電流ＩＣとスイッチ素子Ｚ３およびＺ４の両端電圧との積に基づく大きなスイッチング損失が発生する。

これに対して、電力伝達用絶縁回路１０１では、制御部１４は、キャパシタＣ１の充電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングを決定する動作、およびキャパシタＣ１の放電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングを決定する動作を行なう。制御部１４は、電流検出部１５によるキャパシタ電流ＩＣの測定結果に基づいてこれらのタイミングを決定する。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路におけるゲート駆動信号とキャパシタ電流とを示す図である。

図５を参照して、制御部１４は、期間Ｔ１から期間Ｔ２へ遷移する際にスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングをキャパシタＣ１の充電電流に基づいて決定する動作、および期間Ｔ３から期間Ｔ４へ遷移する際にスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングをキャパシタＣ１の放電電流に基づいて決定する動作を行なう。

より詳細には、制御部１４は、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロ、すなわちキャパシタＣ１の充電が完了したタイミングＴＣで、ゲート駆動信号Ｇ１およびＧ２を論理ローレベルにしてスイッチ素子Ｚ１およびＺ２をオフする。

また、制御部１４は、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロ、すなわちキャパシタＣ１の放電が完了したタイミングＴＤで、ゲート駆動信号Ｇ３およびＧ４を論理ローレベルにしてスイッチ素子Ｚ３およびＺ４をオフする。

ところで、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、第１のスイッチ回路における各スイッチ素子をオンすると、第２のコンデンサへ充電電流が流れ、電荷が蓄積され始める。そして、第２のコンデンサを通して充電電流が流れている状態で上記各スイッチ素子をオフした場合には、充電電流と上記各スイッチ素子の両端電圧との積に基づく大きなスイッチング損失が発生してしまう。

また、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロになった後にスイッチ素子をオフする方法としては、ゲート駆動信号の周波数を低くする方法が考えられる。

しかしながら、このような方法では、ゲート駆動信号の周波数が低くなることで電力伝達用絶縁回路１０１の出力電圧のリップルが大きくなるため、たとえば平滑用のキャパシタＣ２の容量を大きくする必要が生じる。そうすると、電力伝達用絶縁回路１０１におけるキャパシタのサイズが大きくなり、回路面積が大きくなってしまう。

また、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロになるタイミングは、負荷３０２の動作状況および種類等によって変わるため、ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４の周波数を大幅に低くする必要が生じるか、または、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロになっていないタイミングでスイッチ素子をオフしてしまう可能性がある。

これに対して、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、キャパシタＣ１の充電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングを決定する動作、およびキャパシタＣ１の放電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングを決定する動作を行なう。

すなわち、電力伝達用絶縁回路１０１では、キャパシタ電流ＩＣを監視する構成により、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロになるタイミングを常時検出し、キャパシタ電流ＩＣが略ゼロになったタイミングにおいて各スイッチ素子をオフすることができる。これにより、スイッチング損失を低減して電力効率を向上させながら、各スイッチ素子の駆動周波数を最大化し、高速な動作が可能となる。また、キャパシタのサイズを大きくする必要が無く、回路面積の増大を防ぐことができる。

したがって、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減することができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、電流検出部１５は、キャパシタＣ１の充電電流および放電電流を測定する。そして、制御部１４は、電流検出部１５による測定結果に基づいて各スイッチ素子をオフするタイミングを決定する。

このように、キャパシタＣ１を通して流れる電流を直接監視する構成により、たとえば各キャパシタの両端電圧を測定してキャパシタ電流ＩＣが略ゼロになるタイミングを算出する構成と比べて、当該タイミングを正確に得ることができる。また、当該タイミングを簡易な処理で取得することができるため、スイッチ制御を迅速に行なうことができる。

また、キャパシタＣ１用の電流センサを設ける構成により、１つの電流センサで、キャパシタＣ１の充電電流が略ゼロになるタイミング、およびキャパシタＣ１の放電電流が略ゼロになるタイミングを検出することができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、期間Ｔ１から期間Ｔ３へ遷移する際にスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングをキャパシタＣ１の充電電流に基づいて決定する動作、および期間Ｔ３から期間Ｔ１へ遷移する際にスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングをキャパシタＣ１の放電電流に基づいて決定する動作を行なう。

このような構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する動作において、スイッチング損失を低減することができる。

より詳細には、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、期間Ｔ１から期間Ｔ２へ遷移する際にスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングをキャパシタＣ１の充電電流に基づいて決定する動作、および期間Ｔ３から期間Ｔ４へ遷移する際にスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングをキャパシタＣ１の放電電流に基づいて決定する動作を行なう。

このように、デッドタイムを設ける構成により、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確実に確保することができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、キャパシタＣ１の充電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２をオフするタイミングを決定する動作、およびキャパシタＣ１の放電電流に基づいてスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４をオフするタイミングを決定する動作の両方を行なう。

このように、キャパシタＣ１の充電電流が略ゼロになるタイミングにおいて入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオフする動作、およびキャパシタＣ１の放電電流が略ゼロになるタイミングにおいて出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする動作の両方を行なう構成により、電力伝達用絶縁回路１０１におけるスイッチング損失を大幅に低減することができる。

なお、制御部１４は、キャパシタＣ１の充電電流が略ゼロになるタイミングにおいて入力スイッチ部２１における各スイッチ素子をオフする動作、およびキャパシタＣ１の放電電流が略ゼロになるタイミングにおいて出力スイッチ部２２における各スイッチ素子をオフする動作の少なくとも一方を行なう構成であれば、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、スイッチング損失を低減する、という本発明の目的を達成することが可能である。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、キャパシタＣ１用の電流センサを設ける構成であるとしたが、これに限定するものではない。電流の検出精度が問題にならなければ、キャパシタＣ１用の電流センサの代わりに、キャパシタＣ０用の電流センサおよびキャパシタＣ２用の電流センサを設ける構成であってもよい。

また、電力伝達用絶縁回路１０１では、キャパシタＣ０により、整流部５１によって整流された電力が平滑化されるが、整流部５１によって整流された電力を平滑化するためのキャパシタが整流部５１に設けられる場合には、電力伝達用絶縁回路１０１においてキャパシタＣ０を設けない構成が可能となる。ただし、キャパシタＣ０を設けることにより、電力伝達用絶縁回路１０１への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図るという効果が得られる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、キャパシタＣ０〜Ｃ２を備える構成であるとしたが、キャパシタに限らず、コイル（インダクタ）等の他の蓄電素子を備える構成であってもよい。

また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、制御部１４は、期間Ｔ１〜Ｔ４を繰り返す構成であるとしたが、これに限定するものではない。期間Ｔ２およびＴ４は理想的には設ける必要は無く、制御部１４が期間Ｔ１および期間Ｔ３を順番に繰り返す構成であればよい。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と比べてキャパシタ電流の測定方法を変更した電力伝達用絶縁回路に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と同様である。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路の構成を示す図である。

図６を参照して、電力変換装置２０２は、電力伝達用絶縁回路１０２と、整流部５１とを備える。電力伝達用絶縁回路１０２は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と比べて、電流検出部１５の代わりに出力電圧検出部１０，１１，１２を含む。

出力電圧検出部１０は、スイッチ素子Ｚ１の第１端Ｔ１およびスイッチ素子Ｚ２の第１端Ｔ３間の電圧Ｖ０すなわちキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０を検出する。出力電圧検出部１１は、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１を検出する。出力電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。

制御部１４は、出力電圧検出部１０によって検出されたキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０、出力電圧検出部１１によって検出されたキャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１、および出力電圧検出部１２によって検出されたキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２に基づいて、キャパシタＣ１の充電電流が略ゼロになるタイミング、およびキャパシタＣ１の放電電流が略ゼロになるタイミングを取得する。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路における各キャパシタの電圧波形を概略的に示す図である。

図７を参照して、キャパシタＣ１の充電電流が略ゼロになるタイミングである期間Ｔ１の終了間際では、電圧Ｖ０および電圧Ｖ１の差が小さくなる。これを利用して、制御部１４は、出力電圧検出部１０の検出結果および出力電圧検出部１１の検出結果に基づいて、キャパシタＣ１の充電電流が略ゼロになるタイミングを取得することが可能である。

また、キャパシタＣ１の放電電流が略ゼロになるタイミングである期間Ｔ３の終了間際では、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２の差が小さくなる。これを利用して、制御部１４は、出力電圧検出部１１の検出結果および出力電圧検出部１２の検出結果に基づいて、キャパシタＣ１の放電電流が略ゼロになるタイミングを取得することが可能である。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

上記実施の形態は、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、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１１，１２ 出力電圧検出部
１４ 制御部
１５ 電流検出部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
５１ 整流部
１０１，１０２ 電力伝達用絶縁回路
２０１，２０２ 電力変換装置
３０１ 交流電源
３０２ 負荷
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４ スイッチ素子

Claims (6)

1. 第１端および第２端を有する蓄電素子と、
   第１端、および前記蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ素子、ならびに第１端、および前記蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチ素子を含み、前記第１のスイッチ素子の第１端および前記第２のスイッチ素子の第１端において受けた電力を前記蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
   前記蓄電素子の第１端に接続された第１端、および第２端を有する第３のスイッチ素子ならびに前記蓄電素子の第２端に接続された第１端、および第２端を有する第４のスイッチ素子を含み、前記蓄電素子に蓄えられた電力を出力するための出力スイッチ部と、
   前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御するための制御部とを備え、
   前記制御部は、前記蓄電素子の充電電流に基づいて前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作、および前記蓄電素子の放電電流に基づいて前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作の少なくとも一方を行なう、電力伝達用絶縁回路。
2. 前記電力伝達用絶縁回路は、さらに、
   前記蓄電素子の充電電流および放電電流を測定するための電流検出部を備え、
   前記制御部は、前記電流検出部による測定結果に基づいて前記タイミングを決定する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
3. 前記制御部は、前記入力スイッチ部における各前記スイッチ素子をオンし、かつ前記出力スイッチ部における各前記スイッチ素子をオフする第１の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフし、かつ前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオンする第２の期間とを順番に繰り返し、
   前記制御部は、前記第１の期間から前記第２の期間へ遷移する際に前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを前記蓄電素子の充電電流に基づいて決定する動作、および前記第２の期間から前記第１の期間へ遷移する際に前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを前記蓄電素子の放電電流に基づいて決定する動作の少なくとも一方を行なう、請求項１または請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
4. 前記制御部は、前記第１の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第３の期間と、前記第２の期間と、前記入力スイッチ部における前記各スイッチ素子および前記出力スイッチ部における前記各スイッチ素子をオフする第４の期間とをこの順番で繰り返し、
   前記制御部は、前記第１の期間から前記第３の期間へ遷移する際に前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを前記蓄電素子の充電電流に基づいて決定する動作、および前記第２の期間から前記第４の期間へ遷移する際に前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを前記蓄電素子の放電電流に基づいて決定する動作の少なくとも一方を行なう、請求項３に記載の電力伝達用絶縁回路。
5. 前記制御部は、前記蓄電素子の充電電流に基づいて前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作、および前記蓄電素子の放電電流に基づいて前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作の両方を行なう、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電力伝達用絶縁回路。
6. 交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、
   受けた交流電力を整流するための整流部と、
   前記整流部および前記負荷間を絶縁しながら、前記整流部によって整流された電力を前記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、
   前記電力伝達用絶縁回路は、
   第１端および第２端を有する蓄電素子と、
   前記整流部と前記蓄電素子の第１端との間に接続された第１のスイッチ素子および前記整流部と前記蓄電素子の第２端との間に接続された第２のスイッチ素子を含み、前記整流部によって整流された電力を前記蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
   前記蓄電素子の第１端に接続された第１端、および第２端を有する第３のスイッチ素子ならびに前記蓄電素子の第２端に接続された第１端、および第２端を有する第４のスイッチ素子を含み、前記蓄電素子に蓄えられた電力を出力するための出力スイッチ部と、
   前記第１のスイッチ素子ないし前記第４のスイッチ素子のオン・オフを制御するための制御部とを備え、
   前記制御部は、前記蓄電素子の充電電流に基づいて前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作、および前記蓄電素子の放電電流に基づいて前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子をオフするタイミングを決定する動作の少なくとも一方を行なう、電力変換装置。

Images