双方向チョッパ回路
【課題】安価且つ簡素な構成であって、例えば車両の燃費向上等を図ることができる高効率な双方向チョッパ回路を提供する。
【解決手段】双方向チョッパ回路１は、端子Ｔ１１に接続される主リアクトル１２と、端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に直列接続されて主リアクトル１２が接続点Ｐ１に接続されたスイッチ１３，１４と、端子Ｔ１１と主リアクトル１２との間に接続された補助リアクトル１６と、スイッチ１３，１４の何れか一方に対応して設けられ、対応するスイッチに並列接続されたコンデンサ２１とダイオード２２との直列接続体と、この直列接続体をなすコンデンサ２１とダイオード２２との接続点Ｐ２と主リアクトル１２と補助リアクトル１６との接続点Ｐ３との間に接続された補助スイッチと２４を有する補助回路１７とを備える。
【解決手段】双方向チョッパ回路１は、端子Ｔ１１に接続される主リアクトル１２と、端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に直列接続されて主リアクトル１２が接続点Ｐ１に接続されたスイッチ１３，１４と、端子Ｔ１１と主リアクトル１２との間に接続された補助リアクトル１６と、スイッチ１３，１４の何れか一方に対応して設けられ、対応するスイッチに並列接続されたコンデンサ２１とダイオード２２との直列接続体と、この直列接続体をなすコンデンサ２１とダイオード２２との接続点Ｐ２と主リアクトル１２と補助リアクトル１６との接続点Ｐ３との間に接続された補助スイッチと２４を有する補助回路１７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向チョッパ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低炭素社会を実現すべく、動力発生源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や動力発生源としてモータのみを用いる電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の研究が盛んに行われている。このようなハイブリッド自動車や電気自動車は、モータを駆動する電力を供給する再充電が可能なリチウムイオン二次電池等のバッテリと、バッテリの電圧を変換するチョッパ回路と、チョッパ回路で変換された電圧を用いてモータを駆動するインバータ等の駆動回路とを備える。
【０００３】
ここで、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両は、エネルギーを有効利用するために、モータを回生ブレーキとして用いてモータで発電された電力によってバッテリの充電を行うようにしている。このため、上記の車両では、上記のチョッパ回路としては、例えばバッテリからモータに供給される電力（順方向の電力）の電圧を昇圧するとともに、モータで発電されてバッテリに回収される電力（逆方向の電力）の電圧を降圧する双方向チョッパ回路が用いられる。
【０００４】
上記の車両に設けられる双方向チョッパ回路は、小型・高効率・高出力であることが求められる。近年、ソフトスイッチング技術を用いた高効率なチョッパ回路として、ＳＡＺＺ（Snubber Assisted Zero voltage and Zero current transition）チョッパ回路が提案されている。ここで、上記のソフトスイッチング技術とは、共振現象等を利用して電圧又は電流を零とした状態でスイッチング動作を行うことによって電力損失を低減させる技術であり、上記のＳＡＺＺチョッパ回路とは、スナバ回路を利用してソフトスイッチングを実現するチョッパ回路である。
【０００５】
以下の特許文献１には、スイッチング動作を行うトランジスタのコレクタとエミッタとの間に共振コンデンサを並列接続し、共振コンデンサの電荷が零になった時点でトランジスタをオンさせて零電圧でソフトスイッチングを行う昇降圧チョッパ回路が開示されている。また、以下の特許文献２には、上記のＳＡＺＺチョッパ回路を応用した双方向昇降圧チョッパ回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３９０２５６号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の特許文献１，２等に開示されたソフトスイッチング技術を用いたチョッパ回路は、高い効率が得られるという極めて優れた利点を有しており、今後ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されることが期待される。しかしながら、このようなチョッパ回路は、回路構成が複雑であり、部品点数も多くなることからコストが上昇し、その上製品として成立させる作り込みが極めて困難であるという問題がある。
【０００８】
ここで、バッテリからモータに供給される電力（順方向の電力）の電圧と、モータで発電されてバッテリに回収される電力（逆方向の電力）の電圧との双方を変換可能な双方向チョッパ回路においては、順方向の電力よりも逆方向の電力の変換効率が高いことが、車両の燃費向上に大きく寄与すると考えられる。その理由は、主に熱として放出されているエネルギーをより多く電気エネルギーとして再利用できるからである。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安価且つ簡素な構成であって、例えば車両の燃費向上等を図ることができる高効率な双方向チョッパ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の双方向チョッパ回路は、第１入出力端（Ｔ１１、Ｔ１２）に接続されるリアクトル（１２）と、第２入出力端（Ｔ２１，Ｔ２２）の間に直列接続されて前記リアクトルが接続点（Ｐ１）に接続された第１，第２スイッチ（１３、１４）とを備える双方向チョッパ回路（１）において、前記第１入出力端と前記リアクトルとの間に接続された補助リアクトル（１６）と、前記第１，第２スイッチの何れか一方に対応して設けられ、対応するスイッチに並列接続されたコンデンサ（２１）とダイオード（２２）との直列接続体と、該直列接続体をなすコンデンサとダイオードとの接続点（Ｐ２）と前記リアクトルと前記補助リアクトルとの接続点（Ｐ３）との間に接続された補助スイッチ（２４）とを有する補助回路（１７）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第１スイッチが、前記第１入出力端側から前記第２入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチであり、前記第２スイッチが、前記第２入出力端側から前記第１入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチであることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第２入出力端が、前記第１入出力端よりも高電圧側に配置されることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記補助回路が、電力を回収するバッテリ（５６）が、前記第１入出力端側に接続される場合には前記第２スイッチに対応して設けられ、前記第２入出力端側に接続される場合には前記第１スイッチに対応して設けられることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第１，第２スイッチが、逆並列ダイオード付き絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第１入出力端間に接続された第１コンデンサ（１１）と、前記第２入出力端間に接続された第２コンデンサ（１５）とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１入出力端とリアクトルとの間に補助リアクトルを接続し、スイッチをソフトスイッチングする補助回路を第１，第２スイッチの何れか一方に対応して設けたため、安価且つ簡素な構成であって高効率な双方向チョッパ回路を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路の昇圧動作・降圧動作に寄与する構成をそれぞれ抜き出した回路図である。
【図３】本発明の一実施形態によるチョッパ回路を車両に適用した状態を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるチョッパ回路を車両に適用した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の双方向チョッパ回路１は、端子Ｔ１１，Ｔ１２（第１入出力端）及び端子Ｔ２１，Ｔ２２（第２入出力端）を備えており、電圧を変換しつつ端子Ｔ１１，Ｔ１２側から端子Ｔ２１，Ｔ２２側へ、或いは、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側へ直流電力の供給を行う。
【００１４】
具体的に、図１に示す双方向チョッパ回路１は、端子Ｔ２１，Ｔ２２が端子Ｔ１１，Ｔ１２よりも高電圧側に配置され、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に供給される直流電力の電圧を昇圧して端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力し、或いは、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に供給される直流電力の電圧を降圧して端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力する。尚、本実施形態では、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にバッテリが接続され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に負荷が接続されるものとする。また、図１においては、双方向チョッパ回路１の動作を制御する制御装置の図示は省略している。
【００１５】
図１に示す通り、双方向チョッパ回路１は、コンデンサ１１（第１コンデンサ）、主リアクトル１２（リアクトル）、スイッチ１３（第１スイッチ）、スイッチ１４（第２スイッチ）、コンデンサ１５（第２コンデンサ）、補助リアクトル１６、及び補助回路１７を備える。コンデンサ１１は、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されており、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から供給されて端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力すべき電力を平滑化して直流電力にする。尚、コンデンサ１１は、端子Ｔ１１，Ｔ１２側から供給される直流電力に重畳されているノイズの除去も行う。
【００１６】
主リアクトル１２は、端子Ｔ１１とスイッチ１３，１４の接続点Ｐ１との間に接続されており、スイッチ１３，１４等のスイッチング動作に応じて電力の蓄積や放出を行う。スイッチ１３は、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に供給される直流電力の電圧を昇圧して端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力する際に駆動されるスイッチである。これに対し、スイッチ１４は、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に供給される直流電力の電圧を降圧して端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力する際に駆動されるスイッチである。
【００１７】
これらスイッチ１３，１４は、端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に直列接続されており、例えば逆並列ダイオード付きＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）によって実現される。尚、スイッチ１３，１４としては、ＩＧＢＴ以外にも、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いることも可能である。これらスイッチ１３，１４は、上述した不図示の制御装置によって制御され、例えば１００ｋＨｚ程度のスイッチング周波数で駆動される。
【００１８】
コンデンサ１５は、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続されており、端子Ｔ１１，Ｔ１２側から供給されて端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力すべき電力を平滑化して直流電力にする。尚、コンデンサ１５は、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から供給される直流電力に重畳されているノイズの除去も行う。補助リアクトル１６は、端子Ｔ１１と主リアクトル１２との間に接続されており、スイッチ１３，１４や補助回路１７に設けられる補助スイッチ２４（詳細は後述する）のスイッチング動作に応じて電力の蓄積や放出を行う。
【００１９】
補助回路１７は、スイッチ１４に対応して設けられており、主リアクトル１２及び補助リアクトル１６とともにスイッチ１４のソフトスイッチングを実現する回路である。これら補助回路１７、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６とスイッチ１４とによってＳＡＺＺチョッパ回路が形成されている。ここで、スイッチ１３，１４のうちのスイッチ１４のみに対応させて補助回路１７を設けるのは、安価且つ簡素な構成を実現しつつ、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側への電力供給を効率良く行うためである。
【００２０】
上述の通り、補助回路１７は、対応するスイッチのソフトスイッチングを実現する回路であるため、スイッチ１３，１４の各々に対応させて設けることも可能である。補助回路１７をスイッチ１３，１４の各々に対応させて設ければ、端子Ｔ１１，Ｔ１２側から端子Ｔ２１，Ｔ２２側への電力供給と端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側への電力供給との双方を効率良く行うことが可能である。
【００２１】
しかしながら、スイッチ１３，１４の各々に対応させて補助回路１７を設けてしまうと、双方向チョッパ回路１の回路構成が複雑になり、部品点数も多くなることからコストが上昇してしまう。そこで、本実施形態では、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側への電力供給（端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されるバッテリへの電力供給）の効率を高めつつ安価且つ簡素な構成にするために、補助回路１７をスイッチ１４のみに対応させて設けている。
【００２２】
補助回路１７は、コンデンサ２１、ダイオード２２、ダイオード２３、及び補助スイッチ２４を備える。コンデンサ２１及びダイオード２２は直列接続されており、スイッチ１４に対して並列接続される。コンデンサ２１とダイオード２２との直列接続体は、スイッチ１４のスイッチング動作によって生じる過度的な高電圧を吸収するために設けられる保護回路である。つまり、コンデンサ２１はスナバコンデンサであり、ダイオード２２はスナバダイオードである。
【００２３】
ダイオード２３及び補助スイッチ２４は直列接続されており、コンデンサ２１とダイオード２２との接続点Ｐ２と、主リアクトル１２と補助リアクトル１６との接続点Ｐ３との間に接続される。ダイオード２３は、アノード電極が補助スイッチ２４に接続され、カソード電極がコンデンサ２１とダイオード２２との接続点Ｐ２に接続されている。補助スイッチ２４は、例えば逆並列ダイオード付きＩＧＢＴによって実現される。この補助スイッチ２４としては、スイッチ１３，１４と同様に、ＩＧＢＴ以外にも、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ用いることも可能である。
【００２４】
次に、上記構成における双方向チョッパ回路１の動作について説明する。図２は、本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路の昇圧動作・降圧動作に寄与する構成をそれぞれ抜き出した回路図であって、（ａ）は昇圧動作に寄与する構成を示す回路図であり、（ｂ）は降圧動作に寄与する構成を示す回路図である。以下、昇圧動作及び降圧動作について順に説明する。
【００２５】
〈昇圧動作〉
昇圧動作時には、不図示の制御装置によってスイッチ１３のみが駆動され、スイッチ１４及び補助スイッチ２４が駆動されずにオフ状態にされる。このため、双方向チョッパ回路１は、図２（ａ）に示す回路で表される。図２（ａ）に示す通り、双方向チョッパ回路１は、昇圧動作時には、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間に、補助リアクトル１６、主リアクトル１２、及びダイオード（スイッチ１４）が順に接続され、接続点Ｐ１と端子Ｔ１２，Ｔ２２との間にスイッチ１３が接続された回路になる。
【００２６】
ここで、本実施形態において、スイッチ１４は、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴで実現されていることから、不図示の制御装置によってオフ状態にされるとＩＧＢＴがオフ状態になってダイオードとして機能することになる。このため、図２（ａ）においては、スイッチ１４をダイオードとして図示している。尚、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にはコンデンサ１１が接続され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間にコンデンサ１５が接続されている。
【００２７】
図２（ａ）に示す回路は、補助リアクトル１６と主リアクトル１２とを１つのリアクトルとみれば、スイッチ１３をスイッチング（ハードスイッチング）することによって、端子Ｔ１１，Ｔ１２に現れる電圧を昇圧して端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力する典型的な昇圧チョッパ回路である。このため、不図示の制御装置によってスイッチ１３が駆動されると、例えば端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続されたバッテリから供給される直流電力が昇圧されて端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力されることになる。
【００２８】
〈降圧動作〉
降圧動作時には、不図示の制御装置によってスイッチ１４及び補助スイッチ２４が駆動され、スイッチ１３は駆動されずにオフ状態にされる。このため、双方向チョッパ回路１は、図２（ｂ）に示す回路で表される。図２（ｂ）に示す通り、双方向チョッパ回路１は、降圧動作時には、端子Ｔ２１と端子Ｔ１１との間に、スイッチ１４、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６が順に接続され、接続点Ｐ１と端子Ｔ１２，Ｔ２２との間にダイオード（スイッチ１３）が接続され、更にスイッチ１４に対応して補助回路１７が設けられた回路になる。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、スイッチ１３も、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴで実現されていることから、不図示の制御装置によってオフ状態にされるとＩＧＢＴがオフ状態になってダイオードとして機能することになる。このため、図２（ｂ）においては、スイッチ１３をダイオードとして図示している。尚、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にはコンデンサ１１が接続され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間にコンデンサ１５が接続されている。
【００３０】
図２（ｂ）に示す回路は、補助回路１７を考慮せずに主リアクトル１２と補助リアクトル１６とを１つのリアクトルとみれば、スイッチ１４をスイッチング（ハードスイッチング）することによって、端子Ｔ２１，Ｔ２２に現れる電圧を降圧して端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力する典型的な降圧チョッパ回路である。このため、不図示の制御装置によってスイッチ１４が駆動されると、例えば端子Ｔ２１，Ｔ２２に供給される直流電力が降圧されて端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力され、端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続されたバッテリに供給されることになる。
【００３１】
双方向チョッパ回路１は、以上の典型的な降圧チョッパ回路に対し、スイッチ１４をソフトスイッチングさせるための補助回路１７を設けた構成である。尚、図２（ｂ）においては、説明の簡単化及び図示の簡略化のために、補助回路１７に設けられるダイオード２３と、補助スイッチ２４をなすＩＧＢＴに逆並列接続されるダイオードとの図示を省略している。
【００３２】
図２（ｂ）に示す双方向チョッパ回路１の動作は、以下に説明する第１〜第６動作モードの６つの動作モードからなり、これら第１〜第６動作モードが繰り返される。第１動作モードは、スイッチ１４がオフ状態である場合に、補助スイッチ２４をオン状態にしてダイオード（スイッチ１３）のキャリアを消滅させる動作モードである。補助スイッチ２４がオン状態になる前は、スイッチ１４がオフ状態であることから、主リアクトル１２及び補助リアクトル１６、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されたバッテリ、及びダイオード１３を順に介する経路で電流が流れている。
【００３３】
補助スイッチ２４がオン状態になると、コンデンサ１１から、補助リアクトル１６、補助スイッチ２４、ダイオード２２、及びダイオード（スイッチ１３）を順に介してコンデンサ１１に至る経路に電流が流れる。これにより、ダイオード（スイッチ１３）のキャリアが消滅してダイオード（スイッチ１３）がオフ状態になる。尚、第１動作モードの最中は、コンデンサ２１からの放電が行われず、コンデンサ２１の電圧はほぼ一定に一次される。
【００３４】
第２動作モードは、第１動作モードの終了後に、コンデンサ２１からの放電を行わせる動作モードである。第１動作モードが終了すると、スイッチ１４に加えてダイオード（スイッチ１３）がオフ状態になる。すると、コンデンサ２１、コンデンサ１５、コンデンサ１１、補助リアクトル１６、及び補助スイッチ２４を順に介してコンデンサ２１に至る経路で電流が流れる。これにより、コンデンサ２１からの放電が行われて、コンデンサ２１の電圧は零へと向かう。尚、第２動作モードにおいては、主リアクトル１２に流れる電流が、補助スイッチ２４及びダイオード２２を介して環流されることになる。
【００３５】
第３動作モードは、第２動作モードの終了後に、スイッチ１４をソフトスイッチングによりオン状態にする動作モードである。第２動作モードが終了すると、コンデンサ２１の電圧が零になる。このタイミングでスイッチ１４をオン状態にする。スイッチ１４がオン状態になると、端子Ｔ１１から端子Ｔ１１に向かう方向の電流がスイッチに流れることになる。
【００３６】
ここで、第３動作モードでは、スイッチ１４及び補助スイッチ２４がオン状態でダイオード（スイッチ１３）がオフ状態であることから、コンデンサ１１、補助リアクトル１６、補助スイッチ２４、ダイオード２２、スイッチ１４、及びコンデンサ１５を順に介してコンデンサ１１に至る経路で電流が流れる。この電流は、スイッチ１４に本来流れる電流（端子Ｔ１１から端子Ｔ１１に向かう方向の電流）を打ち消す方向に流れる。これにより、スイッチ１４では、電流が零の状態でスイッチング動作（ターンオン）がなされるＺＣＳ（Zero Current Switching）が実現されることとなる。
【００３７】
第４動作モードは、第３動作モードの終了後に、スイッチ１４、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６を流れる電流を増大させる動作モードである。上述した第３動作モードで流れる電流（スイッチ１４に本来流れる電流を打ち消す方向に流れる電流）が徐々に減少して零になるとダイオード２２がオフ状態になる。すると、コンデンサ１５から、スイッチ１４、主リアクトル１２、補助リアクトル１６、及びコンデンサ１１を順に介してコンデンサ１５に至る経路で電流が流れ初める。
【００３８】
第５動作モードは、第４動作モードの終了後に、スイッチ１４及び補助スイッチ２４をソフトスイッチングによりオフ状態にする動作モードである。スイッチ１４では、コンデンサ２１の電圧が零の状態でスイッチング動作（ターンオフ）がなされるＺＶＳ（Zero Voltage Switching)が実現され、補助スイッチ１４では、電流が零の状態でスイッチング動作（ターンオフ）がなされるＺＣＳが実現される。尚、スイッチ１４及び補助スイッチ２４がオフ状態になると、コンデンサ１１、コンデンサ１５、コンデンサ２１、ダイオード２２、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６を順に介してコンデンサ１１に至る経路で電流が流れる。
【００３９】
第６動作モードは、第５動作モードの終了後に、ダイオード（スイッチ１３）がオン状態になって主リアクトル１２及び補助リアクトル１６に蓄積された電力を端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力して、端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続されたバッテリに供給する動作モードである。ダイオード（スイッチ１３）がオン状態になると、主リアクトル１２及び補助リアクトル１６、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されたバッテリ、及びダイオード１３を順に介する経路で電流が流れる。
【００４０】
以上の通り、本実施形態では、端子Ｔ１１に接続された主リアクトル１２と、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に直列接続されて主リアクトル１２が接続点Ｐ１に接続されたスイッチ１３，１４とを備える双方向チョッパ回路において、端子Ｔ１１と主リアクトル１２との間に補助リアクトル１６を接続するとともに、スイッチ１４をソフトスイッチングさせるための補助回路１７をスイッチ１４に対応させて設けている。このため、安価且つ簡素な構成で、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続されたバッテリに対して効率良く直流電力を供給することができる。
【００４１】
図３，図４は、本発明の一実施形態によるチョッパ回路を車両に適用した状態を示す図である。尚、ここでは、ハイブリッド車に適用した例について説明する。図３，図４に示す通り、車両５０は、エンジン５１、モータ５２、ドライブシャフト５３、ディファレンシャルギア５４、及びタイヤ５４を備えており、エンジン５１及びモータ５２の回転駆動力をドライブシャフト５３に伝達し、ドライブシャフト５３に伝達された回転駆動力をディファレンシャルギア５４で変換してタイヤ５５を駆動する。
【００４２】
この車両５０は、モータ５２を駆動するために、バッテリ５６、双方向チョッパ回路１、及びインバータ５７を備える。バッテリ５６は、モータ５２を駆動する電力を供給する再充電が可能なリチウムイオン二次電池等であり、チョッパ回路１の端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続される。双方向チョッパ回路１は、図１，図２を用いて説明した回路であり、バッテリ５６からの直流電力を昇圧してインバータ５７に供給するとともに、インバータ５７からの直流電力を降圧してバッテリ５６に供給する。
【００４３】
インバータ５７は、バッテリ５６から供給される直流電力を三相交流電力に変換してモータ５２を駆動する回路であり、チョッパ回路１の端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続される。尚、インバータ５７は、モータ５２で発電される三相交流電力を直流電力に変換して双方向チョッパ回路１に供給することも可能である。このインバータ５７は、不図示の制御装置によって制御される。
【００４４】
上記構成において、例えば運転者によってアクセルペダルが踏み込まれると、不図示の制御装置によって双方向チョッパ回路１が制御され、図３に示す通りバッテリ５６からの直流電力が双方向チョッパ回路１によって昇圧されてインバータ５７に供給される。インバータ５７に供給された直流電力は、不図示の制御装置の制御の下で三相交流電力に変換されてモータ５２に供給される。これにより、モータ５２が駆動され、その回転駆動力がドライブシャフト５３及びディファレンシャルギア５４を介して伝達され、タイヤ５５が駆動される。
【００４５】
これに対し、例えば運転者によってブレーキペダルが踏み込まれると、不図示の制御装置によってインバータ５７が制御されてモータ５２が回生ブレーキとして動作し、モータ５２で発電された交流電力がインバータ５７で直流電力に変換されて双方向チョッパ回路１に供給される。すると、不図示の制御装置によって双方向チョッパ回路１が制御され、図４に示す通り、双方向チョッパ回路１に供給された直流電力が高圧されてバッテリ５６に供給され、これによりバッテリ５６の充電が行われる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、回生ブレーキとして動作するモータ５２から回収された電力をバッテリ５６に供給する際に、双方向チョッパ回路１においてスイッチ１４を補助回路１７によりソフトスイッチングさせている。このため、スイッチ１４をハードスイッチングさせる場合に比べてモータ５２で発電された電力を効率良く回収することができるため、車両５０の燃費向上等を図ることができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、スイッチ１３，１４のうちのスイッチ１４のみに対応させて補助回路１７を設ける例について説明したが、補助回路１７をスイッチ１３のみに対応させて設けても良い。ここで、バッテリ５６へのエネルギー回収効率を考慮すると、バッテリ５６が低電圧側に配置される端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続される場合にはスイッチ１４に対応させて補助回路１７を設け、バッテリ５６が高電圧側に配置される端子Ｔ２１，Ｔ２２に接続される場合にはスイッチ１３に対応させて補助回路１７を設けるのが望ましい。
【００４８】
また、上記実施形態では、車両がハイブリッド車である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は、充電が可能なバッテリと、このバッテリから供給される電力によって動力を発生する動力発生源としてのモータを備える車両一般に適用することができる。例えば、上記のハイブリッド車以外に、電気自動車、電動式の重機等の車両にも本発明を適用可能である
【符号の説明】
【００４９】
１ 双方向チョッパ回路
１１，１５ コンデンサ
１２ 主リアクトル
１３，１４ スイッチ
１６ 補助リアクトル
１７ 補助回路
２１ コンデンサ
２２ ダイオード
２４ 補助スイッチ
５６ バッテリ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 接続点
Ｔ１１，Ｔ１２ 端子
Ｔ２１，Ｔ２２ 端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向チョッパ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低炭素社会を実現すべく、動力発生源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や動力発生源としてモータのみを用いる電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の研究が盛んに行われている。このようなハイブリッド自動車や電気自動車は、モータを駆動する電力を供給する再充電が可能なリチウムイオン二次電池等のバッテリと、バッテリの電圧を変換するチョッパ回路と、チョッパ回路で変換された電圧を用いてモータを駆動するインバータ等の駆動回路とを備える。
【０００３】
ここで、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両は、エネルギーを有効利用するために、モータを回生ブレーキとして用いてモータで発電された電力によってバッテリの充電を行うようにしている。このため、上記の車両では、上記のチョッパ回路としては、例えばバッテリからモータに供給される電力（順方向の電力）の電圧を昇圧するとともに、モータで発電されてバッテリに回収される電力（逆方向の電力）の電圧を降圧する双方向チョッパ回路が用いられる。
【０００４】
上記の車両に設けられる双方向チョッパ回路は、小型・高効率・高出力であることが求められる。近年、ソフトスイッチング技術を用いた高効率なチョッパ回路として、ＳＡＺＺ（Snubber Assisted Zero voltage and Zero current transition）チョッパ回路が提案されている。ここで、上記のソフトスイッチング技術とは、共振現象等を利用して電圧又は電流を零とした状態でスイッチング動作を行うことによって電力損失を低減させる技術であり、上記のＳＡＺＺチョッパ回路とは、スナバ回路を利用してソフトスイッチングを実現するチョッパ回路である。
【０００５】
以下の特許文献１には、スイッチング動作を行うトランジスタのコレクタとエミッタとの間に共振コンデンサを並列接続し、共振コンデンサの電荷が零になった時点でトランジスタをオンさせて零電圧でソフトスイッチングを行う昇降圧チョッパ回路が開示されている。また、以下の特許文献２には、上記のＳＡＺＺチョッパ回路を応用した双方向昇降圧チョッパ回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３９０２５６号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の特許文献１，２等に開示されたソフトスイッチング技術を用いたチョッパ回路は、高い効率が得られるという極めて優れた利点を有しており、今後ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されることが期待される。しかしながら、このようなチョッパ回路は、回路構成が複雑であり、部品点数も多くなることからコストが上昇し、その上製品として成立させる作り込みが極めて困難であるという問題がある。
【０００８】
ここで、バッテリからモータに供給される電力（順方向の電力）の電圧と、モータで発電されてバッテリに回収される電力（逆方向の電力）の電圧との双方を変換可能な双方向チョッパ回路においては、順方向の電力よりも逆方向の電力の変換効率が高いことが、車両の燃費向上に大きく寄与すると考えられる。その理由は、主に熱として放出されているエネルギーをより多く電気エネルギーとして再利用できるからである。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安価且つ簡素な構成であって、例えば車両の燃費向上等を図ることができる高効率な双方向チョッパ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の双方向チョッパ回路は、第１入出力端（Ｔ１１、Ｔ１２）に接続されるリアクトル（１２）と、第２入出力端（Ｔ２１，Ｔ２２）の間に直列接続されて前記リアクトルが接続点（Ｐ１）に接続された第１，第２スイッチ（１３、１４）とを備える双方向チョッパ回路（１）において、前記第１入出力端と前記リアクトルとの間に接続された補助リアクトル（１６）と、前記第１，第２スイッチの何れか一方に対応して設けられ、対応するスイッチに並列接続されたコンデンサ（２１）とダイオード（２２）との直列接続体と、該直列接続体をなすコンデンサとダイオードとの接続点（Ｐ２）と前記リアクトルと前記補助リアクトルとの接続点（Ｐ３）との間に接続された補助スイッチ（２４）とを有する補助回路（１７）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第１スイッチが、前記第１入出力端側から前記第２入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチであり、前記第２スイッチが、前記第２入出力端側から前記第１入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチであることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第２入出力端が、前記第１入出力端よりも高電圧側に配置されることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記補助回路が、電力を回収するバッテリ（５６）が、前記第１入出力端側に接続される場合には前記第２スイッチに対応して設けられ、前記第２入出力端側に接続される場合には前記第１スイッチに対応して設けられることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第１，第２スイッチが、逆並列ダイオード付き絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴としている。
また、本発明の双方向チョッパ回路は、前記第１入出力端間に接続された第１コンデンサ（１１）と、前記第２入出力端間に接続された第２コンデンサ（１５）とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１入出力端とリアクトルとの間に補助リアクトルを接続し、スイッチをソフトスイッチングする補助回路を第１，第２スイッチの何れか一方に対応して設けたため、安価且つ簡素な構成であって高効率な双方向チョッパ回路を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路の昇圧動作・降圧動作に寄与する構成をそれぞれ抜き出した回路図である。
【図３】本発明の一実施形態によるチョッパ回路を車両に適用した状態を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるチョッパ回路を車両に適用した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の双方向チョッパ回路１は、端子Ｔ１１，Ｔ１２（第１入出力端）及び端子Ｔ２１，Ｔ２２（第２入出力端）を備えており、電圧を変換しつつ端子Ｔ１１，Ｔ１２側から端子Ｔ２１，Ｔ２２側へ、或いは、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側へ直流電力の供給を行う。
【００１４】
具体的に、図１に示す双方向チョッパ回路１は、端子Ｔ２１，Ｔ２２が端子Ｔ１１，Ｔ１２よりも高電圧側に配置され、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に供給される直流電力の電圧を昇圧して端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力し、或いは、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に供給される直流電力の電圧を降圧して端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力する。尚、本実施形態では、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にバッテリが接続され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に負荷が接続されるものとする。また、図１においては、双方向チョッパ回路１の動作を制御する制御装置の図示は省略している。
【００１５】
図１に示す通り、双方向チョッパ回路１は、コンデンサ１１（第１コンデンサ）、主リアクトル１２（リアクトル）、スイッチ１３（第１スイッチ）、スイッチ１４（第２スイッチ）、コンデンサ１５（第２コンデンサ）、補助リアクトル１６、及び補助回路１７を備える。コンデンサ１１は、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されており、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から供給されて端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力すべき電力を平滑化して直流電力にする。尚、コンデンサ１１は、端子Ｔ１１，Ｔ１２側から供給される直流電力に重畳されているノイズの除去も行う。
【００１６】
主リアクトル１２は、端子Ｔ１１とスイッチ１３，１４の接続点Ｐ１との間に接続されており、スイッチ１３，１４等のスイッチング動作に応じて電力の蓄積や放出を行う。スイッチ１３は、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に供給される直流電力の電圧を昇圧して端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力する際に駆動されるスイッチである。これに対し、スイッチ１４は、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に供給される直流電力の電圧を降圧して端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力する際に駆動されるスイッチである。
【００１７】
これらスイッチ１３，１４は、端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に直列接続されており、例えば逆並列ダイオード付きＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）によって実現される。尚、スイッチ１３，１４としては、ＩＧＢＴ以外にも、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いることも可能である。これらスイッチ１３，１４は、上述した不図示の制御装置によって制御され、例えば１００ｋＨｚ程度のスイッチング周波数で駆動される。
【００１８】
コンデンサ１５は、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続されており、端子Ｔ１１，Ｔ１２側から供給されて端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力すべき電力を平滑化して直流電力にする。尚、コンデンサ１５は、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から供給される直流電力に重畳されているノイズの除去も行う。補助リアクトル１６は、端子Ｔ１１と主リアクトル１２との間に接続されており、スイッチ１３，１４や補助回路１７に設けられる補助スイッチ２４（詳細は後述する）のスイッチング動作に応じて電力の蓄積や放出を行う。
【００１９】
補助回路１７は、スイッチ１４に対応して設けられており、主リアクトル１２及び補助リアクトル１６とともにスイッチ１４のソフトスイッチングを実現する回路である。これら補助回路１７、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６とスイッチ１４とによってＳＡＺＺチョッパ回路が形成されている。ここで、スイッチ１３，１４のうちのスイッチ１４のみに対応させて補助回路１７を設けるのは、安価且つ簡素な構成を実現しつつ、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側への電力供給を効率良く行うためである。
【００２０】
上述の通り、補助回路１７は、対応するスイッチのソフトスイッチングを実現する回路であるため、スイッチ１３，１４の各々に対応させて設けることも可能である。補助回路１７をスイッチ１３，１４の各々に対応させて設ければ、端子Ｔ１１，Ｔ１２側から端子Ｔ２１，Ｔ２２側への電力供給と端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側への電力供給との双方を効率良く行うことが可能である。
【００２１】
しかしながら、スイッチ１３，１４の各々に対応させて補助回路１７を設けてしまうと、双方向チョッパ回路１の回路構成が複雑になり、部品点数も多くなることからコストが上昇してしまう。そこで、本実施形態では、端子Ｔ２１，Ｔ２２側から端子Ｔ１１，Ｔ１２側への電力供給（端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されるバッテリへの電力供給）の効率を高めつつ安価且つ簡素な構成にするために、補助回路１７をスイッチ１４のみに対応させて設けている。
【００２２】
補助回路１７は、コンデンサ２１、ダイオード２２、ダイオード２３、及び補助スイッチ２４を備える。コンデンサ２１及びダイオード２２は直列接続されており、スイッチ１４に対して並列接続される。コンデンサ２１とダイオード２２との直列接続体は、スイッチ１４のスイッチング動作によって生じる過度的な高電圧を吸収するために設けられる保護回路である。つまり、コンデンサ２１はスナバコンデンサであり、ダイオード２２はスナバダイオードである。
【００２３】
ダイオード２３及び補助スイッチ２４は直列接続されており、コンデンサ２１とダイオード２２との接続点Ｐ２と、主リアクトル１２と補助リアクトル１６との接続点Ｐ３との間に接続される。ダイオード２３は、アノード電極が補助スイッチ２４に接続され、カソード電極がコンデンサ２１とダイオード２２との接続点Ｐ２に接続されている。補助スイッチ２４は、例えば逆並列ダイオード付きＩＧＢＴによって実現される。この補助スイッチ２４としては、スイッチ１３，１４と同様に、ＩＧＢＴ以外にも、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ用いることも可能である。
【００２４】
次に、上記構成における双方向チョッパ回路１の動作について説明する。図２は、本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路の昇圧動作・降圧動作に寄与する構成をそれぞれ抜き出した回路図であって、（ａ）は昇圧動作に寄与する構成を示す回路図であり、（ｂ）は降圧動作に寄与する構成を示す回路図である。以下、昇圧動作及び降圧動作について順に説明する。
【００２５】
〈昇圧動作〉
昇圧動作時には、不図示の制御装置によってスイッチ１３のみが駆動され、スイッチ１４及び補助スイッチ２４が駆動されずにオフ状態にされる。このため、双方向チョッパ回路１は、図２（ａ）に示す回路で表される。図２（ａ）に示す通り、双方向チョッパ回路１は、昇圧動作時には、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間に、補助リアクトル１６、主リアクトル１２、及びダイオード（スイッチ１４）が順に接続され、接続点Ｐ１と端子Ｔ１２，Ｔ２２との間にスイッチ１３が接続された回路になる。
【００２６】
ここで、本実施形態において、スイッチ１４は、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴで実現されていることから、不図示の制御装置によってオフ状態にされるとＩＧＢＴがオフ状態になってダイオードとして機能することになる。このため、図２（ａ）においては、スイッチ１４をダイオードとして図示している。尚、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にはコンデンサ１１が接続され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間にコンデンサ１５が接続されている。
【００２７】
図２（ａ）に示す回路は、補助リアクトル１６と主リアクトル１２とを１つのリアクトルとみれば、スイッチ１３をスイッチング（ハードスイッチング）することによって、端子Ｔ１１，Ｔ１２に現れる電圧を昇圧して端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力する典型的な昇圧チョッパ回路である。このため、不図示の制御装置によってスイッチ１３が駆動されると、例えば端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続されたバッテリから供給される直流電力が昇圧されて端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力されることになる。
【００２８】
〈降圧動作〉
降圧動作時には、不図示の制御装置によってスイッチ１４及び補助スイッチ２４が駆動され、スイッチ１３は駆動されずにオフ状態にされる。このため、双方向チョッパ回路１は、図２（ｂ）に示す回路で表される。図２（ｂ）に示す通り、双方向チョッパ回路１は、降圧動作時には、端子Ｔ２１と端子Ｔ１１との間に、スイッチ１４、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６が順に接続され、接続点Ｐ１と端子Ｔ１２，Ｔ２２との間にダイオード（スイッチ１３）が接続され、更にスイッチ１４に対応して補助回路１７が設けられた回路になる。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、スイッチ１３も、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴで実現されていることから、不図示の制御装置によってオフ状態にされるとＩＧＢＴがオフ状態になってダイオードとして機能することになる。このため、図２（ｂ）においては、スイッチ１３をダイオードとして図示している。尚、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にはコンデンサ１１が接続され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間にコンデンサ１５が接続されている。
【００３０】
図２（ｂ）に示す回路は、補助回路１７を考慮せずに主リアクトル１２と補助リアクトル１６とを１つのリアクトルとみれば、スイッチ１４をスイッチング（ハードスイッチング）することによって、端子Ｔ２１，Ｔ２２に現れる電圧を降圧して端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力する典型的な降圧チョッパ回路である。このため、不図示の制御装置によってスイッチ１４が駆動されると、例えば端子Ｔ２１，Ｔ２２に供給される直流電力が降圧されて端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力され、端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続されたバッテリに供給されることになる。
【００３１】
双方向チョッパ回路１は、以上の典型的な降圧チョッパ回路に対し、スイッチ１４をソフトスイッチングさせるための補助回路１７を設けた構成である。尚、図２（ｂ）においては、説明の簡単化及び図示の簡略化のために、補助回路１７に設けられるダイオード２３と、補助スイッチ２４をなすＩＧＢＴに逆並列接続されるダイオードとの図示を省略している。
【００３２】
図２（ｂ）に示す双方向チョッパ回路１の動作は、以下に説明する第１〜第６動作モードの６つの動作モードからなり、これら第１〜第６動作モードが繰り返される。第１動作モードは、スイッチ１４がオフ状態である場合に、補助スイッチ２４をオン状態にしてダイオード（スイッチ１３）のキャリアを消滅させる動作モードである。補助スイッチ２４がオン状態になる前は、スイッチ１４がオフ状態であることから、主リアクトル１２及び補助リアクトル１６、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されたバッテリ、及びダイオード１３を順に介する経路で電流が流れている。
【００３３】
補助スイッチ２４がオン状態になると、コンデンサ１１から、補助リアクトル１６、補助スイッチ２４、ダイオード２２、及びダイオード（スイッチ１３）を順に介してコンデンサ１１に至る経路に電流が流れる。これにより、ダイオード（スイッチ１３）のキャリアが消滅してダイオード（スイッチ１３）がオフ状態になる。尚、第１動作モードの最中は、コンデンサ２１からの放電が行われず、コンデンサ２１の電圧はほぼ一定に一次される。
【００３４】
第２動作モードは、第１動作モードの終了後に、コンデンサ２１からの放電を行わせる動作モードである。第１動作モードが終了すると、スイッチ１４に加えてダイオード（スイッチ１３）がオフ状態になる。すると、コンデンサ２１、コンデンサ１５、コンデンサ１１、補助リアクトル１６、及び補助スイッチ２４を順に介してコンデンサ２１に至る経路で電流が流れる。これにより、コンデンサ２１からの放電が行われて、コンデンサ２１の電圧は零へと向かう。尚、第２動作モードにおいては、主リアクトル１２に流れる電流が、補助スイッチ２４及びダイオード２２を介して環流されることになる。
【００３５】
第３動作モードは、第２動作モードの終了後に、スイッチ１４をソフトスイッチングによりオン状態にする動作モードである。第２動作モードが終了すると、コンデンサ２１の電圧が零になる。このタイミングでスイッチ１４をオン状態にする。スイッチ１４がオン状態になると、端子Ｔ１１から端子Ｔ１１に向かう方向の電流がスイッチに流れることになる。
【００３６】
ここで、第３動作モードでは、スイッチ１４及び補助スイッチ２４がオン状態でダイオード（スイッチ１３）がオフ状態であることから、コンデンサ１１、補助リアクトル１６、補助スイッチ２４、ダイオード２２、スイッチ１４、及びコンデンサ１５を順に介してコンデンサ１１に至る経路で電流が流れる。この電流は、スイッチ１４に本来流れる電流（端子Ｔ１１から端子Ｔ１１に向かう方向の電流）を打ち消す方向に流れる。これにより、スイッチ１４では、電流が零の状態でスイッチング動作（ターンオン）がなされるＺＣＳ（Zero Current Switching）が実現されることとなる。
【００３７】
第４動作モードは、第３動作モードの終了後に、スイッチ１４、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６を流れる電流を増大させる動作モードである。上述した第３動作モードで流れる電流（スイッチ１４に本来流れる電流を打ち消す方向に流れる電流）が徐々に減少して零になるとダイオード２２がオフ状態になる。すると、コンデンサ１５から、スイッチ１４、主リアクトル１２、補助リアクトル１６、及びコンデンサ１１を順に介してコンデンサ１５に至る経路で電流が流れ初める。
【００３８】
第５動作モードは、第４動作モードの終了後に、スイッチ１４及び補助スイッチ２４をソフトスイッチングによりオフ状態にする動作モードである。スイッチ１４では、コンデンサ２１の電圧が零の状態でスイッチング動作（ターンオフ）がなされるＺＶＳ（Zero Voltage Switching)が実現され、補助スイッチ１４では、電流が零の状態でスイッチング動作（ターンオフ）がなされるＺＣＳが実現される。尚、スイッチ１４及び補助スイッチ２４がオフ状態になると、コンデンサ１１、コンデンサ１５、コンデンサ２１、ダイオード２２、主リアクトル１２、及び補助リアクトル１６を順に介してコンデンサ１１に至る経路で電流が流れる。
【００３９】
第６動作モードは、第５動作モードの終了後に、ダイオード（スイッチ１３）がオン状態になって主リアクトル１２及び補助リアクトル１６に蓄積された電力を端子Ｔ１１，Ｔ１２から出力して、端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続されたバッテリに供給する動作モードである。ダイオード（スイッチ１３）がオン状態になると、主リアクトル１２及び補助リアクトル１６、端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続されたバッテリ、及びダイオード１３を順に介する経路で電流が流れる。
【００４０】
以上の通り、本実施形態では、端子Ｔ１１に接続された主リアクトル１２と、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に直列接続されて主リアクトル１２が接続点Ｐ１に接続されたスイッチ１３，１４とを備える双方向チョッパ回路において、端子Ｔ１１と主リアクトル１２との間に補助リアクトル１６を接続するとともに、スイッチ１４をソフトスイッチングさせるための補助回路１７をスイッチ１４に対応させて設けている。このため、安価且つ簡素な構成で、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続されたバッテリに対して効率良く直流電力を供給することができる。
【００４１】
図３，図４は、本発明の一実施形態によるチョッパ回路を車両に適用した状態を示す図である。尚、ここでは、ハイブリッド車に適用した例について説明する。図３，図４に示す通り、車両５０は、エンジン５１、モータ５２、ドライブシャフト５３、ディファレンシャルギア５４、及びタイヤ５４を備えており、エンジン５１及びモータ５２の回転駆動力をドライブシャフト５３に伝達し、ドライブシャフト５３に伝達された回転駆動力をディファレンシャルギア５４で変換してタイヤ５５を駆動する。
【００４２】
この車両５０は、モータ５２を駆動するために、バッテリ５６、双方向チョッパ回路１、及びインバータ５７を備える。バッテリ５６は、モータ５２を駆動する電力を供給する再充電が可能なリチウムイオン二次電池等であり、チョッパ回路１の端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続される。双方向チョッパ回路１は、図１，図２を用いて説明した回路であり、バッテリ５６からの直流電力を昇圧してインバータ５７に供給するとともに、インバータ５７からの直流電力を降圧してバッテリ５６に供給する。
【００４３】
インバータ５７は、バッテリ５６から供給される直流電力を三相交流電力に変換してモータ５２を駆動する回路であり、チョッパ回路１の端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続される。尚、インバータ５７は、モータ５２で発電される三相交流電力を直流電力に変換して双方向チョッパ回路１に供給することも可能である。このインバータ５７は、不図示の制御装置によって制御される。
【００４４】
上記構成において、例えば運転者によってアクセルペダルが踏み込まれると、不図示の制御装置によって双方向チョッパ回路１が制御され、図３に示す通りバッテリ５６からの直流電力が双方向チョッパ回路１によって昇圧されてインバータ５７に供給される。インバータ５７に供給された直流電力は、不図示の制御装置の制御の下で三相交流電力に変換されてモータ５２に供給される。これにより、モータ５２が駆動され、その回転駆動力がドライブシャフト５３及びディファレンシャルギア５４を介して伝達され、タイヤ５５が駆動される。
【００４５】
これに対し、例えば運転者によってブレーキペダルが踏み込まれると、不図示の制御装置によってインバータ５７が制御されてモータ５２が回生ブレーキとして動作し、モータ５２で発電された交流電力がインバータ５７で直流電力に変換されて双方向チョッパ回路１に供給される。すると、不図示の制御装置によって双方向チョッパ回路１が制御され、図４に示す通り、双方向チョッパ回路１に供給された直流電力が高圧されてバッテリ５６に供給され、これによりバッテリ５６の充電が行われる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、回生ブレーキとして動作するモータ５２から回収された電力をバッテリ５６に供給する際に、双方向チョッパ回路１においてスイッチ１４を補助回路１７によりソフトスイッチングさせている。このため、スイッチ１４をハードスイッチングさせる場合に比べてモータ５２で発電された電力を効率良く回収することができるため、車両５０の燃費向上等を図ることができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態による双方向チョッパ回路について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、スイッチ１３，１４のうちのスイッチ１４のみに対応させて補助回路１７を設ける例について説明したが、補助回路１７をスイッチ１３のみに対応させて設けても良い。ここで、バッテリ５６へのエネルギー回収効率を考慮すると、バッテリ５６が低電圧側に配置される端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続される場合にはスイッチ１４に対応させて補助回路１７を設け、バッテリ５６が高電圧側に配置される端子Ｔ２１，Ｔ２２に接続される場合にはスイッチ１３に対応させて補助回路１７を設けるのが望ましい。
【００４８】
また、上記実施形態では、車両がハイブリッド車である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は、充電が可能なバッテリと、このバッテリから供給される電力によって動力を発生する動力発生源としてのモータを備える車両一般に適用することができる。例えば、上記のハイブリッド車以外に、電気自動車、電動式の重機等の車両にも本発明を適用可能である
【符号の説明】
【００４９】
１ 双方向チョッパ回路
１１，１５ コンデンサ
１２ 主リアクトル
１３，１４ スイッチ
１６ 補助リアクトル
１７ 補助回路
２１ コンデンサ
２２ ダイオード
２４ 補助スイッチ
５６ バッテリ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 接続点
Ｔ１１，Ｔ１２ 端子
Ｔ２１，Ｔ２２ 端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１入出力端に接続されるリアクトルと、第２入出力端の間に直列接続されて前記リアクトルが接続点に接続された第１，第２スイッチとを備える双方向チョッパ回路において、
前記第１入出力端と前記リアクトルとの間に接続された補助リアクトルと、
前記第１，第２スイッチの何れか一方に対応して設けられ、対応するスイッチに並列接続されたコンデンサとダイオードとの直列接続体と、該直列接続体をなすコンデンサとダイオードとの接続点と前記リアクトルと前記補助リアクトルとの接続点との間に接続された補助スイッチとを有する補助回路と
を備えることを特徴とする双方向チョッパ回路。
【請求項２】
前記第１スイッチは、前記第１入出力端側から前記第２入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチであり、
前記第２スイッチは、前記第２入出力端側から前記第１入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチである
ことを特徴とする請求項１記載の双方向チョッパ回路。
【請求項３】
前記第２入出力端は、前記第１入出力端よりも高電圧側に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の双方向チョッパ回路。
【請求項４】
前記補助回路は、電力を回収するバッテリが、前記第１入出力端側に接続される場合には前記第２スイッチに対応して設けられ、前記第２入出力端側に接続される場合には前記第１スイッチに対応して設けられることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の双方向チョッパ回路。
【請求項５】
前記第１，第２スイッチは、逆並列ダイオード付き絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の双方向チョッパ回路。
【請求項６】
前記第１入出力端間に接続された第１コンデンサと、
前記第２入出力端間に接続された第２コンデンサと
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の双方向チョッパ回路。
【請求項１】
第１入出力端に接続されるリアクトルと、第２入出力端の間に直列接続されて前記リアクトルが接続点に接続された第１，第２スイッチとを備える双方向チョッパ回路において、
前記第１入出力端と前記リアクトルとの間に接続された補助リアクトルと、
前記第１，第２スイッチの何れか一方に対応して設けられ、対応するスイッチに並列接続されたコンデンサとダイオードとの直列接続体と、該直列接続体をなすコンデンサとダイオードとの接続点と前記リアクトルと前記補助リアクトルとの接続点との間に接続された補助スイッチとを有する補助回路と
を備えることを特徴とする双方向チョッパ回路。
【請求項２】
前記第１スイッチは、前記第１入出力端側から前記第２入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチであり、
前記第２スイッチは、前記第２入出力端側から前記第１入出力端側に電力供給を行う場合に駆動されるスイッチである
ことを特徴とする請求項１記載の双方向チョッパ回路。
【請求項３】
前記第２入出力端は、前記第１入出力端よりも高電圧側に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の双方向チョッパ回路。
【請求項４】
前記補助回路は、電力を回収するバッテリが、前記第１入出力端側に接続される場合には前記第２スイッチに対応して設けられ、前記第２入出力端側に接続される場合には前記第１スイッチに対応して設けられることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の双方向チョッパ回路。
【請求項５】
前記第１，第２スイッチは、逆並列ダイオード付き絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の双方向チョッパ回路。
【請求項６】
前記第１入出力端間に接続された第１コンデンサと、
前記第２入出力端間に接続された第２コンデンサと
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の双方向チョッパ回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−９０４９９（Ｐ２０１３−９０４９９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３０７０４（Ｐ２０１１−２３０７０４）
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]