直流−直流電力変換器
【課題】昇降圧動作時におけるスイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることができる直流−直流電力変換器を提供する。
【解決手段】直流−直流電力変換器１０は、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第１接続構成に切り替える第１動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第２接続構成に切り替える第２動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有する制御手段２０を備え、制御手段２０は、第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷との間で、第１動作モードと第３動作モードとを交互に使用することによって電力の授受を行う場合には、第１動作モードと第３動作モードとの合間に第２動作モードを挿入する。
【解決手段】直流−直流電力変換器１０は、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第１接続構成に切り替える第１動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第２接続構成に切り替える第２動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有する制御手段２０を備え、制御手段２０は、第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷との間で、第１動作モードと第３動作モードとを交互に使用することによって電力の授受を行う場合には、第１動作モードと第３動作モードとの合間に第２動作モードを挿入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流−直流電力変換器に関するものであり、特に、双方向昇降圧形の直流−直流電力変換器におけるスイッチング損失低減に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流−直流電力変換器は、例えば、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは第１直流電圧源及び直流負荷の間に接続され、第１直流電圧源及び第２直流電圧源の出力電圧或いは第１直流電圧源及び直流負荷の出力電圧に基づき、第１直流電圧源から第２直流電圧源或いは直流負荷に電力を供給したり、第２直流電圧源或いは直流負荷から第１直流電圧源に電力を供給したりすることが可能な双方向形のスイッチング回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）として用いられる。
【０００３】
例えば、直流−直流電力変換器は、作業車両などの電動車両に用いられることがある。電動車両は、一般的に、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置からの直流電力をインバータ回路等の電力変換回路にて交流電力に変換して得られた交流電力でモータ等の車両駆動電動機を作動させるようになっている。そして、直流−直流電力変換器は、例えば、蓄電装置等の第１直流電圧源と、インバータ回路等の電力変換回路が接続されたキャパシタ等の第２直流電圧源或いは直流負荷との間に設けられ、力行モード時には第１直流電圧源から第２直流電圧源或いは直流負荷に電力を供給する一方、回生モード時には第２直流電圧源或いは直流負荷から第１直流電圧源に電力を供給することが可能な構成とされている。
【０００４】
従来の直流−直流電力変換器として、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは第１直流電圧源及び直流負荷に接続される半導体スイッチやダイオード等の複数のスイッチング素子と、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは第１直流電圧源及び直流負荷にスイッチング素子を介して接続されるインダクタとを備え、スイッチング素子は、インダクタを第１直流電圧源に接続する第１接続構成と、インダクタを第１直流電圧源及び第２直流電圧源の双方或いは第１直流電圧源及び直流負荷の双方に接続する第２接続構成と、インダクタを第２直流電圧源或いは直流負荷に接続する第３接続構成とを切り替え可能な構成とされた直流−直流電力変換器が知られており、具体的には、特許文献１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ回路（特許文献１の図１参照）を例示できる。
【０００５】
図８は、従来の直流−直流電力変換器の一例である直流−直流電力変換器１０Ａの概略構成を示す回路図である。
【０００６】
図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２と、インダクタＬと、第３スイッチング素子ＳＷ３と、第４スイッチング素子ＳＷ４とを備えている。
【０００７】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、第１半導体スイッチＳ１と第１ダイオードＤ１とを備えている。第１半導体スイッチＳ１は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第１ダイオードＤ１は、第１半導体スイッチＳ１が電流をオン，オフ制御できる方向とは逆の方向に電流を流せるように第１半導体スイッチＳ１に並列接続されている。
【０００８】
第２スイッチング素子ＳＷ２は、第２半導体スイッチＳ２と第２ダイオードＤ２とを備えている。第２半導体スイッチＳ２は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第２ダイオードＤ２は、第２半導体スイッチＳ２が電流をオン，オフ制御できる方向とは逆の方向に電流を流せるように第２半導体スイッチＳ２に並列接続されている。
【０００９】
インダクタＬは、一端が第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のカソード側（接続点Ｂ参照）に接続され、かつ、他端が第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のカソード側（接続点Ｃ参照）に接続されている。
【００１０】
第３スイッチング素子ＳＷ３は、第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側から第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側への一方向にのみ電流を流すことができるように構成されており、電流の流入側が第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側（接続点Ａ参照）に接続され、電流の流出側が第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側（接続点Ｄ参照）に接続されている。
【００１１】
詳しくは、第３スイッチング素子ＳＷ３は、第３半導体スイッチＳ３と第３ダイオードＤ３とを備えている。第３半導体スイッチＳ３は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第３ダイオードＤ３は、第３半導体スイッチＳ３が電流をオン，オフ制御できる方向に電流を流せるように第３半導体スイッチＳ３に直列接続されている。
【００１２】
第４スイッチング素子ＳＷ４は、第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側から第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側への一方向にのみ電流を流すことができるように構成されており、電流の流入側が第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側（接続点Ｄ参照）に接続され、電流の流出側が第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側（接続点Ａ参照）に接続されている。
【００１３】
詳しくは、第４スイッチング素子ＳＷ４は、第４半導体スイッチＳ４と第４ダイオードＤ４とを備えている。第４半導体スイッチＳ４は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第４ダイオードＤ４は、第４半導体スイッチＳ４が電流をオン，オフ制御できる方向に電流を流せるように第４半導体スイッチＳ４に直列接続されている。
【００１４】
そして、直流−直流電力変換器１０Ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のカソード側（接続点Ｂ参照）と第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側（接続点Ｄ参照）との間に、第１スイッチング素子ＳＷ１側が陽極になるように第１直流電圧源Ｅ１が接続されるようになっている。
【００１５】
また、直流−直流電力変換器１０Ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側（接続点Ａ参照）と第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のカソード側（接続点Ｃ参照）との間に、第２スイッチング素子ＳＷ２側が陽極になるように第２直流電圧源Ｅ２が接続されるようになっている。
【００１６】
なお、直流−直流電力変換器１０Ａが作業車両に適用される場合には、例えば、第１及び第２電圧源Ｅ１，Ｅ２は、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置とすることができる。また、第１及び第２電圧源Ｅ１，Ｅ２には、モータ等の車両駆動電動機を作動させるインバータ回路等の電力変換回路を接続することができる。
【００１７】
図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａでは、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態及びオフ状態を示す動作モードとして、力行モードで動作する次の第１モードから第３モードを行う。
【００１８】
図９は、図８に示す従来の直流−直流電力変換器１０Ａにおいて力行モードで動作している状態を示す回路図である。図９（ａ）は、第１モードを示しており、図９（ｂ）は、第２モードを示しており、図９（ｃ）は、第３モードを示している。
【００１９】
力行モードにおいては、第１モードは、図９（ａ）に示すように、第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態となり、第１及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ及び第２スイッチング素子ＳＷ２を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第１電流経路Ｒ１を形成するモードとされている。
【００２０】
第２モードは、図９（ｂ）に示すように、第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ、第２直流電圧源Ｅ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３（第３ダイオードＤ３）を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第２電流経路Ｒ２を形成するモードとされている。
【００２１】
第３モードは、図９（ｃ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２から第１スイッチング素子ＳＷ１（第１ダイオードＤ１）及びインダクタＬを経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第３電流経路Ｒ３を形成するモードとされている。
【００２２】
そして、力行モードを実行するときは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２との大小関係に応じて、第１モードと第２モードとの間、第２モードと第３モードとの間、第１モードと第３モードとの間において短い周期（例えば１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の何れかの周期）で切り替える切り替え動作を実行する。
【００２３】
図１０は、従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第２及び第３半導体スイッチＳ２，Ｓ３のオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。なお、図１０において、「○」印はオン状態を示しており、「●」印はオフ状態を示している。また、第１モードの第３半導体スイッチＳ３に付した「＊」印は、昇圧動作及び昇降圧動作時では第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２によって第３半導体スイッチＳ３に逆バイアス電圧がかかることから、オン状態でもオフ状態でもどちらでもよいことを示している。「＊」印の後の括弧内については後述する。
【００２４】
図１０に示すように、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも大きい場合には、第２モードと第３モードとを切り替える降圧動作を実行し、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも小さい場合には、第１モードと第２モードとを切り替える昇圧動作を実行する。第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合、或いは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とがほぼ等しい場合（電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差の絶対値が所定範囲内にある場合）には、第１モードと第３モードとを切り替える昇降圧動作を実行する。
【００２５】
ここで、第３半導体スイッチＳ３は、昇圧動作及び昇降圧動作時の第１モードにおいてオン状態でもオフ状態でもどちらでもよいが（図１０の「＊」印参照）、昇圧動作時では、第２モードでオン状態となっているために、第１モードと第２モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第１モードでは実使用上はオン状態（括弧内「○」印参照）とし、また、昇降圧動作時では、第３モードでオフ状態となっているために、第１モードと第３モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第１モードでは実使用上はオフ状態（括弧内「●」印参照）とする。
【００２６】
また、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａでは、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態及びオフ状態を示す動作モードとして、回生モードで動作する次の第４モードから第６モードを行う。
【００２７】
図１１は、図８に示す従来の直流−直流電力変換器１０Ａにおいて回生モードで動作している状態を示す回路図である。図１１（ａ）は、第４モードを示しており、図１１（ｂ）は、第５モードを示しており、図１１（ｃ）は、第６モードを示している。
【００２８】
回生モードにおいては、第４モードは、図１１（ａ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第２スイッチング素子ＳＷ２（第２ダイオードＤ２）及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第４電流経路Ｒ４を形成するモードとされている。
【００２９】
第５モードは、図１１（ｂ）に示すように、第４スイッチング素子ＳＷ４がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第４スイッチング素子ＳＷ４（第４ダイオードＤ４）、第２直流電圧源Ｅ２及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第５電流経路Ｒ５を形成するモードとされている。
【００３０】
第６モードは、図１１（ｃ）に示すように、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態となり、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２からインダクタＬ及び第１スイッチング素子ＳＷ１を経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第６電流経路Ｒ６を形成するモードとされている。
【００３１】
そして、回生モードを実行するときは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２との大小関係に応じて、第４モードと第５モードとの間、第５モードと第６モードとの間、第４モードと第６モードとの間において短い周期（例えば１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の何れかの周期）で切り替える切り替え動作を実行する。
【００３２】
図１２は、従来の回生モードにおける昇圧動作、降圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１及び第４半導体スイッチＳ１，Ｓ４のオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。なお、図１２において、「○」印はオン状態を示しており、「●」印はオフ状態を示している。また、また、第６モードの第４半導体スイッチＳ４に付した「＊」印は、昇圧動作及び昇降圧動作時では第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１によって第４半導体スイッチＳ４に逆バイアス電圧がかかることから、オン状態でもオフ状態でもどちらでもよいことを示している。「＊」印の後の括弧内については後述する。
【００３３】
図１２に示すように、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも大きい場合には、第５モードと第６モードとを切り替ええる昇圧動作を実行し、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも小さい場合には、第４モードと第５モードとを切り替える降圧動作を実行する。第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合、或いは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とがほぼ等しい場合（電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差の絶対値が所定範囲内にある場合）には、第４モードと第６モードとを切り替える昇降圧動作を実行する。
【００３４】
ここで、第４半導体スイッチＳ４は、昇圧動作及び昇降圧動作時の第６モードにおいてオン状態でもオフ状態でもどちらでもよいが（図１２の「＊」印参照）、昇圧動作時では、第５モードでオン状態となっているために、第５モードと第６モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第６モードでは実使用上はオン状態（括弧内「○」印参照）とし、また、昇降圧動作時では、第４モードでオフ状態となっているために、第４モードと第６モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第６モードでは実使用上はオフ状態（括弧内「●」印参照）とする。
【００３５】
なお、第１電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１、第２電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２は、例えば、図示を省略した電圧計にて測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特開２０１１−３５９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
ところで、直流−直流電力変換器に用いられるスイッチング素子を構成する半導体スイッチは、オフ状態からオン状態に移行するときに、オフ状態時に加わっていた電圧に比例したスイッチング損失（いわゆるオン損失）が発生したり、オン状態からオフ状態に移行するときに、オフ状態時に加わる電圧に比例したスイッチング損失（いわゆるオフ損失）が発生したりする。また、直流−直流電力変換器に用いられるスイッチング素子を構成するダイオードは、導通状態から非導通状態に移行する際に非導通状態時に加わる電圧に比例したスイッチング損失（いわゆるリカバリ損失（逆回復損失））が発生したりする。
【００３８】
この点に関し、図８に示すような、従来の直流−直流電力変換器では、次のようなスイッチング素子に対するスイッチング損失が発生する。
【００３９】
［力行モード時でのスイッチング損失］
図１３は、従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチＳ２，Ｓ３のオン損失及びオフ損失並びに第１及び第３ダイオードＤ１，Ｄ３のリカバリ損失を示す表である。なお、図１３において、第１から第４半導体スイッチＳ１〜Ｓ４の「○」印はオン状態を示しており、「●」印はオフ状態を示している。また、第１から第４ダイオードＤ１〜Ｄ４の「○」印は導通状態を示しており、「●」印は非導通状態を示している。これらのことは、後述する図１４、図２から図４についても同様である。
【００４０】
（力行モードにおける降圧動作）
力行モードにおける降圧動作時において、第２モードから第３モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオン状態からオフ状態になるときに（図１３のα１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【００４１】
また、第３モードから第２モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオフ状態からオン状態になるときに（図１３のβ１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第３モードから第２モードに移行して第１ダイオードＤ１が導通状態から非導通状態になるときに（図１３のβ２参照）、第１ダイオードＤ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４２】
（力行モードにおける昇圧動作）
力行モードにおける昇圧動作時において、第１モードから第２モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオン状態からオフ状態になるときに（図１３のα２参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【００４３】
また、第２モードから第１モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオフ状態からオン状態になるときに（図１３のβ３参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第２モードから第１モードに移行して第３ダイオードＤ３が導通状態から非導通状態になるときに（図１３のβ４参照）、第３ダイオードＤ３において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４４】
（力行モードにおける昇降圧動作）
力行モードにおける昇降圧動作時において、第１モードから第３モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオン状態からオフ状態になるときに（図１３のα３参照）、第２半導体スイッチＳ２において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオフ損失が発生する。
【００４５】
また、第２モードから第１モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオフ状態からオン状態になるときに（図１３のβ５参照）、第２半導体スイッチＳ２において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失が発生する。一方、第３モードから第１モードに移行して第１ダイオードＤ１が導通状態から非導通状態になるときに（図１３のβ６参照）、第１ダイオードＤ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４６】
［回生モード時でのスイッチング損失］
図１４は、従来の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチＳ１，Ｓ４のオン損失及びオフ損失並びに第２及び第４ダイオードＤ２，Ｄ４のリカバリ損失を示す表である。
【００４７】
（回生モードにおける降圧動作）
回生モードにおける降圧動作時において、第５モードから第４モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオン状態からオフ状態になるときに（図１４のα４参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【００４８】
また、第４モードから第５モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオフ状態からオン状態になるときに（図１４のβ７参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第４モードから第５モードに移行して第２ダイオードＤ２が導通状態から非導通状態になるときに（図１４のβ８参照）、第２ダイオードＤ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４９】
（回生モードにおける昇圧動作）
回生モードにおける昇圧動作時において、第６モードから第５モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオン状態からオフ状態になるときに（図１４のα５参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【００５０】
また、第５モードから第６モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオフ状態からオン状態になるときに（図１４のβ９参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第５モードから第６モードに移行して第４ダイオードＤ４が導通状態から非導通状態になるときに（図１４のβ１０参照）、第４ダイオードＤ４において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【００５１】
（回生モードにおける昇降圧動作）
回生モードにおける昇降圧動作時において、第６モードから第４モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオン状態からオフ状態になるときに（図１４のα６参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオフ損失が発生する。
【００５２】
また、第４モードから第６モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオフ状態からオン状態になるときに（図１４のβ１１参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失が発生する。一方、第４モードから第６モードに移行して第２ダイオードＤ２が導通状態から非導通状態になるときに（図１４のβ１２参照）、第２ダイオードＤ２において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失が発生する。
【００５３】
図１５は、従来の力行モードにおいて図１３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。また、図１６は、従来の回生モードにおいて図１４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。
【００５４】
図１５の斜線部分に示すように、力行モードでの昇降圧動作時においては、第１ダイオードＤ１と第２半導体スイッチＳ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失とがそれぞれ集中している。
【００５５】
また、図１６の斜線部分に示すように、回生モードでの昇降圧動作時においては、第１半導体スイッチＳ１と第２ダイオードＤ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失とがそれぞれ集中している。
【００５６】
一般的に、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、加わる電圧に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が比例関係にあり、しかも、スイッチング素子の温度に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が正の相関を有する。
【００５７】
従って、力行モードでは、第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２に供給される電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチのリカバリ損失並びにオン損失及びオフ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。一方、回生モードでは、第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２に供給される電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２のオン損失及びオフ損失並びにリカバリ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。
【００５８】
また、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、定格電圧に対して発生するスイッチング損失が比例関係にある。すなわち、定格電圧が高くなるほどスイッチング損失が大きくなる。
【００５９】
従って、力行モードでは、第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２に加わる電圧（具体的にはＶ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２の定格電圧が大きくなってリカバリ損失並びにオン損失及びオフ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。一方、回生モードでは、第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２に加わる電圧（具体的にはＶ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２の定格電圧が大きくなってオン損失及びオフ損失並びにリカバリ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。このことは、例えば、定格電圧が３０Ｖ，４０Ｖ，６０Ｖというように、１０Ｖ単位や数１０Ｖ単位で細かに設定されているＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に比べて、定格電圧が６００Ｖの次は１２００Ｖというように、数百Ｖ単位で大まかに設定されているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合には、定格電圧の選択肢が少ないため、特に顕著となる。
【００６０】
そこで、本発明は、昇降圧動作時におけるスイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることができる直流−直流電力変換器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】
【００６１】
本発明は、前記課題を解決するために、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは直流負荷に接続される複数のスイッチング素子と、前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に前記スイッチング素子を介して接続されるインダクタと、前記スイッチング素子を作動制御する制御手段とを備え、前記スイッチング素子は、前記インダクタを前記第１直流電圧源に接続する第１接続構成と、前記インダクタを前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源の双方或いは前記第１直流電圧源及び前記直流負荷の双方に接続する第２接続構成と、前記インダクタを前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に接続する第３接続構成とを切り替え可能な構成とされており、前記制御手段は、前記スイッチング素子を作動制御して前記第１接続構成に切り替える第１動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第２接続構成に切り替える第２動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有し、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で電力の授受を行う直流−直流電力変換器であって、前記制御手段は、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で、前記第１動作モードと前記第３動作モードとを交互に使用する昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することを特徴とする直流−直流電力変換器を提供する。
【００６２】
本発明によれば、前記昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することで、前記昇降圧動作時において、前記スイッチング素子のうち、前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧或いは前記直流負荷から供給される電圧が集中するスイッチング素子を他のスイッチング素子に分散させることができ、ひいては、前記スイッチング素子のうち、スイッチング損失が集中するスイッチング素子を他のスイッチング素子に分散させることができる。従って、前記昇降圧動作時における前記スイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることが可能となる。
【００６３】
本発明において、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に挿入する前記第２動作モードの一変調周期における割合は、前記第１直流電圧源の電圧と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷の電圧とのうち、小さい方の電圧を大きい方の電圧で除算した値が上限とされている態様を例示できる。
【００６４】
この特定事項では、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に挿入する前記第２動作モードの一変調周期における割合を可及的に大きくすることができ、ひいては、前記インダクタに流れる電流を可及的に小さくすることができ、それだけ前記インダクタ及び前記スイッチング素子で発生する損失を低く抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００６５】
以上説明したように、本発明によると、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で前記第１動作モードと前記第３動作モードとを交互に使用する昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することで、前記昇降圧動作時における前記スイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態に係る直流−直流電力変換器の概略構成を示す回路図である。
【図２】本実施の形態における降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１から第４半導体スイッチのオン状態とオフ状態との対応関係を示す表であって、（ａ）は、力行モードでの対応関係を示す図であり、（ａ）は、回生モードでの対応関係を示す図である。
【図３】本実施の形態の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第１ダイオードのリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【図４】本実施の形態の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第２ダイオードのリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【図５】本実施の形態の力行モードにおいて図３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【図６】本実施の形態の回生モードにおいて図４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【図７】インダクタＬに流れる電流の時間的変化の一例を示すグラフであって、（ａ）は、第２動作モードの一変調周期における割合が比較的小さい場合を示す図であり、（ｂ）は、第２動作モードの一変調周期における割合を可及的に大きくした場合を示す図である。
【図８】従来の直流−直流電力変換器の一例である直流−直流電力変換器の概略構成を示す回路図である。
【図９】図８に示す従来の直流−直流電力変換器において力行モードで動作している状態を示す回路図であって、（ａ）は、第１モードを示す図であり、（ｂ）は、第２モードを示す図であり、（ｃ）は、第３モードを示す図である。
【図１０】従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第２及び第３半導体スイッチのオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。
【図１１】図８に示す従来の直流−直流電力変換器において回生モードで動作している状態を示す回路図であって、（ａ）は、第４モードを示す図であり、（ｂ）は、第５モードを示す図であり、（ｃ）は、第６モードを示す図である。
【図１２】従来の回生モードにおける昇圧動作、降圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１及び第４半導体スイッチのオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。
【図１３】従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第１及び第３ダイオードのリカバリ損失を示す表である。
【図１４】従来の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第２及び第４ダイオードのリカバリ損失を示す表である。
【図１５】従来の力行モードにおいて図１３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【図１６】従来の回生モードにおいて図１４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００６８】
図１は、本発明の実施の形態に係る直流−直流電力変換器１０の概略構成を示す回路図である。なお、図１に示す直流−直流電力変換器１０において、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａと同じ構成要素には同一符号を付している。
【００６９】
図１に示す直流−直流電力変換器１０は、複数のスイッチング素子（ここでは第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４）と、インダクタＬと、制御手段（ここでは制御装置２０）とを備えている。
【００７０】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２に接続されるか或いは第１直流電圧源Ｅ１及び直流負荷に接続される。この例では、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２に接続されている。
【００７１】
インダクタＬは、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２に第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも一つを介して接続されるか或いは第１直流電圧源Ｅ１及び直流負荷に第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも一つを介して接続される。この例では、インダクタＬは、第１直流電圧源Ｅ１に第２スイッチング素子ＳＷ２を介して接続されており、第２直流電圧源Ｅ２に第１スイッチング素子ＳＷ１を介して接続されている。
【００７２】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、第１接続構成と、第２接続構成と、第３接続構成とを切り替え可能な構成とされている。なお、第１から第３接続構成については、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａの図９（ａ）から図９（ｃ）及び図１１（ａ）から図１１（ｃ）に示す接続構成と同じである。このため、ここでは、第１から第４半導体スイッチＳ１〜Ｓ４及び第１から第４ダイオードの接続構成についての詳しい説明は省略する。
【００７３】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第１接続構成とされた場合には、インダクタＬを第１直流電圧源Ｅ１に接続する（図９（ａ）及び図１１（ａ）参照）。
【００７４】
また、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第２接続構成とされた場合には、インダクタＬを第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２の双方に接続するか或いは第１直流電圧源Ｅ１及び直流負荷の双方に接続する。この例では、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第２接続構成とされた場合には、インダクタＬを一方の同じ極性（具体的には負極）同士を直列に接続した第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２の他方の極性（具体的には正極）に接続する（図９（ｂ）及び図１１（ｂ）参照）。
【００７５】
また、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第３接続構成とされた場合には、インダクタＬを第２直流電圧源Ｅ２に接続するか或いは直流負荷に接続する。この例では、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第３接続構成とされた場合には、インダクタＬを第２直流電圧源Ｅ２に接続する（図９（ｃ）及び図１１（ｃ）参照）。
【００７６】
本実施の形態に係る直流−直流電力変換器１０は、さらに制御装置２０を備えている。制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理部２１と、記憶部２２とを備えている。記憶部２２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶メモリを含み、各種制御プログラムや必要な関数およびテーブルや、各種のデータを記憶するようになっている。
【００７７】
制御装置２０は直流−直流電力変換器１０の第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング動作を制御するように構成されている。
【００７８】
制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との間或いは第１直流電圧源Ｅ１と直流負荷との間（この例では第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との間）で昇圧動作、降圧動作及び昇降圧動作の何れかの動作を行うことによって電力の授受（融通）を行う。
【００７９】
詳しくは、制御装置２０は、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第１接続構成に切り替える第１動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第２接続構成に切り替える第２動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有している。
【００８０】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態及びオフ状態を示す動作モードとして、力行モードで動作する第１モードから第３モード（第１動作モードから第３動作モードの一例）、及び、回生モードで動作する第４モードから第６モード（第１動作モードから第３動作モードの他の例）は、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａと同じである。
【００８１】
すなわち、力行モードにおいては、第１モードは、図９（ａ）に示すように、第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態となり、第１、第３及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ及び第２スイッチング素子ＳＷ２を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第１電流経路Ｒ１を形成するモードとされている。
【００８２】
第２モードは、図９（ｂ）に示すように、第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ、第２直流電圧源Ｅ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第２電流経路Ｒ２を形成するモードとされている。
【００８３】
第３モードは、図９（ｃ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２から第１スイッチング素子ＳＷ１及びインダクタＬを経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第３電流経路Ｒ３を形成するモードとされている。
【００８４】
一方、回生モードにおいては、第４モードは、図１１（ａ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第２スイッチング素子ＳＷ２及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第４電流経路Ｒ４を形成するモードとされている。
【００８５】
第５モードは、図１１（ｂ）に示すように、第４スイッチング素子ＳＷ４がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第４スイッチング素子ＳＷ４、第２直流電圧源Ｅ２及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第５電流経路Ｒ５を形成するモードとされている。
【００８６】
第６モードは、図１１（ｃ）に示すように、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態となり、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２からインダクタＬ及び第１スイッチング素子ＳＷ１を経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第６電流経路Ｒ６を形成するモードとされている。
【００８７】
図２は、本実施の形態における降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１から第４半導体スイッチＳ１〜Ｓ４のオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。図２（ａ）は、力行モードでの対応関係を示しており、図２（ａ）は、回生モードでの対応関係を示している。
【００８８】
制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも所定の電圧ΔＶ分だけ大きい予め設定した第１電圧Ｖ２ａ（出力電圧Ｖ２＋所定の電圧ΔＶ）よりも大きい場合には、力行モードでは第２モードと第３モードとを切り替える降圧動作を実行し、回生モードでは第５モードと第６モードとを切り替える昇圧動作を実行する。
【００８９】
一方、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも所定の電圧ΔＶ分だけ小さい予め設定した第２電圧Ｖ２ｂ（出力電圧Ｖ２−所定の電圧ΔＶ）よりも小さい場合には、力行モードでは第１モードと第２モードとを切り替える昇圧動作を実行し、回生モードでは第４モードと第５モードとを切り替える降圧動作を実行する。
【００９０】
なお、所定の電圧ΔＶは、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷の定格電圧等に応じて決定することができ、それには限定されないが、５Ｖ程度以下を例示できる。
【００９１】
そして、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より大きく、かつ、第１電圧Ｖ２ａ（出力電圧Ｖ２＋所定の電圧ΔＶ）以下の場合、及び、第２電圧Ｖ２ｂ（出力電圧Ｖ２−所定の電圧ΔＶ）以上、かつ、第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より小さい場合には、力行モードでは昇降圧動作として第１モードと第３モードとの合間に第２モードを挿入し（具体的には第１モード又は第３モードの状態では第１モード又は第３モードから第２モードに、第２モードの状態では第２モードから第１モード又は第３モードに切り替え）、回生モードでは昇降圧動作として第４モードと第６モードとの合間に第５モードを挿入する（具体的には第４モード又は第６モードの状態では第４モード又は第６モードから第５モードに、第５モードの状態では第５モードから第４モード又は第６モードに切り替える）昇降圧動作を実行する。また、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合には、力行モードでは第２モードのみを実行し、回生モードでは第５モードのみを実行する。
【００９２】
なお、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より大きく、かつ、第１電圧Ｖ２ａ（出力電圧Ｖ２＋所定の電圧ΔＶ）以下の場合、及び、第２電圧Ｖ２ｂ（出力電圧Ｖ２−所定の電圧ΔＶ）以上、かつ、第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より小さい場合に力行モードで第２モードのみを実行し、回生モードで第５モードのみを実行してもよいし、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合に昇降圧動作を実行してもよい。
【００９３】
次に、本実施の形態において、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生するスイッチング損失について以下に説明する。
【００９４】
［力行モード時でのスイッチング損失］
図３は、本実施の形態の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチＳ２，Ｓ３のオン損失及びオフ損失並びに第１ダイオードＤ１のリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【００９５】
なお、降圧動作及び昇圧動作時での損失は、従来と同様であり、ここでは説明を省略し、昇降圧動作時の損失についてのみ説明する。
【００９６】
（力行モードにおける昇降圧動作）
力行モードにおける昇降圧動作時において、第２モードから第３モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオン状態からオフ状態になるときに（図３のα１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【００９７】
また、第３モードから第２モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオフ状態からオン状態になるときに（図３のβ１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第３モードから第２モードに移行して第１ダイオードＤ１が導通状態から非導通状態になるときに（図３のβ２参照）、第１ダイオードＤ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【００９８】
また、第１モードから第２モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオン状態からオフ状態になるときに（図３のα２参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【００９９】
また、第２モードから第１モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオフ状態からオン状態になるときに（図３のβ３参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第２モードから第１モードに移行して第３ダイオードＤ３が導通状態から非導通状態になるときに（図３のβ４参照）、第３ダイオードＤ３において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【０１００】
［回生モード時でのスイッチング損失］
図４は、本実施の形態の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチＳ１，Ｓ４のオン損失及びオフ損失並びに第２ダイオードＤ２のリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【０１０１】
なお、回生モードにおける降圧動作及び昇圧動作時での損失は、従来と同様であり、ここでは説明を省略し、昇降圧動作時の損失についてのみ説明する。
【０１０２】
（回生モードにおける昇降圧動作）
回生モードにおける昇降圧動作時において、第５モードから第４モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオン状態からオフ状態になるときに（図４のα４参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【０１０３】
また、第４モードから第５モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオフ状態からオン状態になるときに（図４のβ７参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第４モードから第５モードに移行して第２ダイオードＤ２が導通状態から非導通状態になるときに（図４のβ８参照）、第２ダイオードＤ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【０１０４】
また、第６モードから第５モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオン状態からオフ状態になるときに（図４のα５参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【０１０５】
また、第５モードから第６モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオフ状態からオン状態になるときに（図４のβ９参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第５モードから第６モードに移行して第４ダイオードＤ４が導通状態から非導通状態になるときに（図４のβ１０参照）、第４ダイオードＤ４において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【０１０６】
図５は、本実施の形態の力行モードにおいて図３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。また、図６は、本実施の形態の回生モードにおいて図４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。
【０１０７】
図５の斜線部分に示すように、従来の力行モードでの昇降圧動作時においては、第１ダイオードＤ１と第２半導体スイッチＳ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失とがそれぞれ集中している。
【０１０８】
これに対して、本実施の形態の力行モードでの昇降圧動作時においては、第１ダイオードＤ１に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失のうち出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失を、第３ダイオードＤ３に分散させることができ、また、第２半導体スイッチＳ２に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失のうち出力電圧Ｖ１に比例したオン損失及びオフ損失を、第３半導体スイッチＳ３に分散させることができる。
【０１０９】
また、図６の斜線部分に示すように、従来の回生モードでの昇降圧動作時においては、第１半導体スイッチＳ１と第２ダイオードＤ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失とがそれぞれ集中している。
【０１１０】
これに対して、本実施の形態の回生モードでの昇降圧動作時においては、第１半導体スイッチＳ１に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失のうち出力電圧Ｖ２に比例したオン損失及びオフ損失を、第４半導体スイッチＳ４に分散させることができ、また、第２ダイオードＤ２に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失のうち出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失を、第４ダイオードＤ４に分散させることができる。
【０１１１】
既述したように、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、加わる電圧に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が比例関係にあり、しかも、スイッチング素子の温度に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が正の相関を有する。
【０１１２】
この点、本実施の形態によれば、第１モード（第１動作モードの一例）と第３モード（第３動作モードの一例）とを交互に使用する昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、力行モードでは第１モード（第１動作モードの一例）と第３モード（第３動作モードの一例）との合間に第２モード（第２動作モードの一例）を挿入することで、昇降圧動作時において、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２から供給される電圧が集中する第１スイッチング素子ＳＷ１の第１ダイオードＤ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２半導体スイッチＳ２を第３スイッチング素子ＳＷ３の第３ダイオードＤ３及び第３半導体スイッチＳ３に分散させることができる（図５参照）。
【０１１３】
そうすると、第１スイッチング素子ＳＷ１の第１ダイオードＤ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２半導体スイッチＳ２の温度を低減させることができ、これにより、リカバリ損失が集中する第１ダイオードＤ１を第３ダイオードＤ３に分散させることができると共に、オン損失及びオフ損失が集中する第２半導体スイッチＳ２を第３半導体スイッチＳ３に分散させることができる。
【０１１４】
従って、温度が低くなった分、昇降圧動作時における第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることが可能となる。
【０１１５】
一方、回生モードでは第４モード（第１動作モードの他の例）と第６モード（第３動作モードの他の例）との合間に第５モード（第２動作モードの他の例）を挿入することで、昇降圧動作時において、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２から供給される電圧が集中する第１スイッチング素子ＳＷ１の第１半導体スイッチＳ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２ダイオードＤ２を第４スイッチング素子ＳＷ４の第４半導体スイッチＳ４及び第４ダイオードＤ４に分散させることができる（図６参照）。
【０１１６】
そうすると、第１スイッチング素子ＳＷ１の第１半導体スイッチＳ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２ダイオードＤ２の温度を低減させることができ、これにより、オン損失及びオフ損失が集中する第１半導体スイッチＳ１を第４半導体スイッチＳ４に分散させることができると共に、リカバリ損失が集中する第２ダイオードＤ２を第４ダイオードＤ４に分散させることができる。
【０１１７】
従って、温度が低くなった分、昇降圧動作時における第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることが可能となる。
【０１１８】
また、既述したように、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、定格電圧が高くなるほど損失が大きくなる。
【０１１９】
この点、本実施の形態によれば、定格電圧が高くなりがちな第１及び第２半導体スイッチＳＷ１及びＳＷ２において、力行モードでは、第１ダイオードＤ１に加わる電圧を（Ｖ１＋Ｖ２）からＶ１にすると共に、第２半導体スイッチＳ２に加わる電圧を（Ｖ１＋Ｖ２）からＶ２にすることができ（図５参照）、それだけ第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２でのリカバリ損失並びにオン損失及びオフ損失を小さくでき、ひいては電力変換効率を向上させることができる。一方、回生モードでは、第１半導体スイッチＳ１に加わる電圧を（Ｖ１＋Ｖ２）からＶ１にすると共に、第２ダイオードＤ２に加わる電圧（具体的にはＶ１＋Ｖ２）からＶ２にすることができ（図６参照）、それだけ第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２でのオン損失及びオフ損失並びにリカバリ損失を小さくでき、ひいては電力変換効率を向上させることができる。このことは、定格電圧の選択肢が少ないＩＧＢＴの場合に、特に有効となる。
【０１２０】
こうして向上される電力変換効率は、全体としては０．数％（具体的には９５％→９５．５％程度）であったとしても、損失部分だけに注目して視れば、例えば、損失（具体的には５％程度）のうちスイッチング素子の損失は、その半分程度（具体的には２．５％程度）であることから、たとえ電力変換効率が全体としては０．数％（具体的には９５％→９５．５％程度）であったとしても、スイッチング素子の損失ベースで数１０％（具体的には２０％（＝０．５％／２．５％×１００）程度）向上したことになる。つまり、スイッチング素子を冷却するための放熱部材を数１０％（具体的には２０％程度）削減することができ、これにより放熱部材にかかる費用及び放熱部材が占めるスペースを削減することができ、それだけ低コスト化かつ省スペース化を実現させることが可能となる。
【０１２１】
ところで、インダクタＬ及び第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生する損失をさらに低く抑えるという観点から、インダクタＬに流れる電流を可及的に小さくすることが好ましい。この点に関し、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）でインダクタＬに流れる電流は、第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷との双方に流れるため、第１直流電圧源Ｅ１だけに流れる第１動作モード（具体的には力行モードでは第１モード、回生モードでは第４モード）及び第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷だけに流れる第３動作モード（具体的には力行モードでは第３モード、回生モードでは第６モード）の双方の性質を有する。従って、第２動作モードの一変調周期における割合を大きくするほど、インダクタＬに流れる電流が減少する。
【０１２２】
かかる観点から、第１モードと第３モードとを交互に使用する昇降圧動作時において、第１動作モード（具体的には力行モードでは第１モード、回生モードでは第４モード）と第３動作モード（具体的には力行モードでは第３モード、回生モードでは第６モード）との合間に挿入する第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期における割合を可及的に大きくすることが好ましい。
【０１２３】
一方、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）では、インダクタＬが第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との双方或いは第１直流電圧源Ｅ１と直流負荷との双方（この例では第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との双方）に接続されることから、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とのうち、大きい方の電圧から小さい方の電圧を差し引いた値が小さいほど、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期における割合を大きくすることができる。
【０１２４】
そこで、本実施の形態では、制御装置２０は、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期における割合は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とのうち、小さい方の電圧を大きい方の電圧で除算した値が上限とされる構成とされている。
【０１２５】
図７は、インダクタＬに流れる電流の時間的変化の一例を示すグラフである。図７（ａ）は、第２動作モードIIの一変調周期Ｔにおける割合が比較的小さい場合を示しており、図７（ｂ）は、第２動作モードIIの一変調周期Ｔにおける割合を可及的に大きくした場合を示している。なお、図７に示す例では、昇降圧動作として、第１動作モードＩ→第２動作モードII→第３動作モードIII→第２動作モードII→第１動作モードＩ→・・・の繰り返しとしたが、それに限定されるものではない。
【０１２６】
図７（ａ）に示すように、第２動作モードII（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期Ｔにおける割合（ｔ／Ｔ）が比較的小さいと、インダクタＬに流れる電流の平均値Ｉａｖが大きくなってしまい、それだけインダクタＬ及び第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生する損失が大きくなる。
【０１２７】
これに対し、図７（ｂ）に示すように、第２動作モードII（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期Ｔにおける割合（ｔ／Ｔ）を、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１（例えば１００Ｖ）と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２（例えば８０Ｖ）とのうち、小さい方の電圧（例えばＶ２＝８０Ｖ）を大きい方の電圧（例えばＶ１＝１００Ｖ）で除算した値（例えば８０Ｖ／１００Ｖ＝０．８）が上限となるようにすることで、割合（ｔ／Ｔ）を可及的に大きくすることができ、ひいては、インダクタＬに流れる電流の平均値Ｉａｖを可及的に小さくすることができ、それだけインダクタＬ及び第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生する損失を低く抑えることが可能となる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、力行モード時に第１直流電圧源Ｅ１から第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷に電力を供給し、回生モード時に第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷から第１直流電圧源Ｅ１に電力を供給するようにしたが、力行モード時に第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷から第１直流電圧源Ｅ１に電力を供給し、回生モード時に第１直流電圧源Ｅ１から第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷に電力を供給するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２９】
１０ 直流−直流電力変換器
２０ 制御装置
Ｄ１ 第１ダイオード
Ｄ２ 第２ダイオード
Ｄ３ 第３ダイオード
Ｄ４ 第４ダイオード
Ｅ１ 第１電圧源
Ｅ２ 第２電圧源
Ｌ インダクタ
Ｓ１ 第１半導体スイッチ
Ｓ２ 第２半導体スイッチ
Ｓ３ 第３半導体スイッチ
Ｓ４ 第４半導体スイッチ
ＳＷ１ 第１スイッチング素子
ＳＷ２ 第２スイッチング素子
ＳＷ３ 第３スイッチング素子
ＳＷ４ 第４スイッチング素子
Ｉ 第１動作モード
II 第２動作モード
III 第３動作モード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流−直流電力変換器に関するものであり、特に、双方向昇降圧形の直流−直流電力変換器におけるスイッチング損失低減に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流−直流電力変換器は、例えば、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは第１直流電圧源及び直流負荷の間に接続され、第１直流電圧源及び第２直流電圧源の出力電圧或いは第１直流電圧源及び直流負荷の出力電圧に基づき、第１直流電圧源から第２直流電圧源或いは直流負荷に電力を供給したり、第２直流電圧源或いは直流負荷から第１直流電圧源に電力を供給したりすることが可能な双方向形のスイッチング回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）として用いられる。
【０００３】
例えば、直流−直流電力変換器は、作業車両などの電動車両に用いられることがある。電動車両は、一般的に、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置からの直流電力をインバータ回路等の電力変換回路にて交流電力に変換して得られた交流電力でモータ等の車両駆動電動機を作動させるようになっている。そして、直流−直流電力変換器は、例えば、蓄電装置等の第１直流電圧源と、インバータ回路等の電力変換回路が接続されたキャパシタ等の第２直流電圧源或いは直流負荷との間に設けられ、力行モード時には第１直流電圧源から第２直流電圧源或いは直流負荷に電力を供給する一方、回生モード時には第２直流電圧源或いは直流負荷から第１直流電圧源に電力を供給することが可能な構成とされている。
【０００４】
従来の直流−直流電力変換器として、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは第１直流電圧源及び直流負荷に接続される半導体スイッチやダイオード等の複数のスイッチング素子と、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは第１直流電圧源及び直流負荷にスイッチング素子を介して接続されるインダクタとを備え、スイッチング素子は、インダクタを第１直流電圧源に接続する第１接続構成と、インダクタを第１直流電圧源及び第２直流電圧源の双方或いは第１直流電圧源及び直流負荷の双方に接続する第２接続構成と、インダクタを第２直流電圧源或いは直流負荷に接続する第３接続構成とを切り替え可能な構成とされた直流−直流電力変換器が知られており、具体的には、特許文献１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ回路（特許文献１の図１参照）を例示できる。
【０００５】
図８は、従来の直流−直流電力変換器の一例である直流−直流電力変換器１０Ａの概略構成を示す回路図である。
【０００６】
図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２と、インダクタＬと、第３スイッチング素子ＳＷ３と、第４スイッチング素子ＳＷ４とを備えている。
【０００７】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、第１半導体スイッチＳ１と第１ダイオードＤ１とを備えている。第１半導体スイッチＳ１は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第１ダイオードＤ１は、第１半導体スイッチＳ１が電流をオン，オフ制御できる方向とは逆の方向に電流を流せるように第１半導体スイッチＳ１に並列接続されている。
【０００８】
第２スイッチング素子ＳＷ２は、第２半導体スイッチＳ２と第２ダイオードＤ２とを備えている。第２半導体スイッチＳ２は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第２ダイオードＤ２は、第２半導体スイッチＳ２が電流をオン，オフ制御できる方向とは逆の方向に電流を流せるように第２半導体スイッチＳ２に並列接続されている。
【０００９】
インダクタＬは、一端が第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のカソード側（接続点Ｂ参照）に接続され、かつ、他端が第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のカソード側（接続点Ｃ参照）に接続されている。
【００１０】
第３スイッチング素子ＳＷ３は、第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側から第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側への一方向にのみ電流を流すことができるように構成されており、電流の流入側が第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側（接続点Ａ参照）に接続され、電流の流出側が第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側（接続点Ｄ参照）に接続されている。
【００１１】
詳しくは、第３スイッチング素子ＳＷ３は、第３半導体スイッチＳ３と第３ダイオードＤ３とを備えている。第３半導体スイッチＳ３は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第３ダイオードＤ３は、第３半導体スイッチＳ３が電流をオン，オフ制御できる方向に電流を流せるように第３半導体スイッチＳ３に直列接続されている。
【００１２】
第４スイッチング素子ＳＷ４は、第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側から第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側への一方向にのみ電流を流すことができるように構成されており、電流の流入側が第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側（接続点Ｄ参照）に接続され、電流の流出側が第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側（接続点Ａ参照）に接続されている。
【００１３】
詳しくは、第４スイッチング素子ＳＷ４は、第４半導体スイッチＳ４と第４ダイオードＤ４とを備えている。第４半導体スイッチＳ４は、一方向にのみ電流をオン，オフ制御可能な半導体デバイスとされている。第４ダイオードＤ４は、第４半導体スイッチＳ４が電流をオン，オフ制御できる方向に電流を流せるように第４半導体スイッチＳ４に直列接続されている。
【００１４】
そして、直流−直流電力変換器１０Ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のカソード側（接続点Ｂ参照）と第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のアノード側（接続点Ｄ参照）との間に、第１スイッチング素子ＳＷ１側が陽極になるように第１直流電圧源Ｅ１が接続されるようになっている。
【００１５】
また、直流−直流電力変換器１０Ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１に含まれる第１ダイオードＤ１のアノード側（接続点Ａ参照）と第２スイッチング素子ＳＷ２に含まれる第２ダイオードＤ２のカソード側（接続点Ｃ参照）との間に、第２スイッチング素子ＳＷ２側が陽極になるように第２直流電圧源Ｅ２が接続されるようになっている。
【００１６】
なお、直流−直流電力変換器１０Ａが作業車両に適用される場合には、例えば、第１及び第２電圧源Ｅ１，Ｅ２は、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置とすることができる。また、第１及び第２電圧源Ｅ１，Ｅ２には、モータ等の車両駆動電動機を作動させるインバータ回路等の電力変換回路を接続することができる。
【００１７】
図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａでは、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態及びオフ状態を示す動作モードとして、力行モードで動作する次の第１モードから第３モードを行う。
【００１８】
図９は、図８に示す従来の直流−直流電力変換器１０Ａにおいて力行モードで動作している状態を示す回路図である。図９（ａ）は、第１モードを示しており、図９（ｂ）は、第２モードを示しており、図９（ｃ）は、第３モードを示している。
【００１９】
力行モードにおいては、第１モードは、図９（ａ）に示すように、第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態となり、第１及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ及び第２スイッチング素子ＳＷ２を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第１電流経路Ｒ１を形成するモードとされている。
【００２０】
第２モードは、図９（ｂ）に示すように、第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ、第２直流電圧源Ｅ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３（第３ダイオードＤ３）を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第２電流経路Ｒ２を形成するモードとされている。
【００２１】
第３モードは、図９（ｃ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２から第１スイッチング素子ＳＷ１（第１ダイオードＤ１）及びインダクタＬを経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第３電流経路Ｒ３を形成するモードとされている。
【００２２】
そして、力行モードを実行するときは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２との大小関係に応じて、第１モードと第２モードとの間、第２モードと第３モードとの間、第１モードと第３モードとの間において短い周期（例えば１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の何れかの周期）で切り替える切り替え動作を実行する。
【００２３】
図１０は、従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第２及び第３半導体スイッチＳ２，Ｓ３のオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。なお、図１０において、「○」印はオン状態を示しており、「●」印はオフ状態を示している。また、第１モードの第３半導体スイッチＳ３に付した「＊」印は、昇圧動作及び昇降圧動作時では第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２によって第３半導体スイッチＳ３に逆バイアス電圧がかかることから、オン状態でもオフ状態でもどちらでもよいことを示している。「＊」印の後の括弧内については後述する。
【００２４】
図１０に示すように、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも大きい場合には、第２モードと第３モードとを切り替える降圧動作を実行し、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも小さい場合には、第１モードと第２モードとを切り替える昇圧動作を実行する。第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合、或いは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とがほぼ等しい場合（電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差の絶対値が所定範囲内にある場合）には、第１モードと第３モードとを切り替える昇降圧動作を実行する。
【００２５】
ここで、第３半導体スイッチＳ３は、昇圧動作及び昇降圧動作時の第１モードにおいてオン状態でもオフ状態でもどちらでもよいが（図１０の「＊」印参照）、昇圧動作時では、第２モードでオン状態となっているために、第１モードと第２モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第１モードでは実使用上はオン状態（括弧内「○」印参照）とし、また、昇降圧動作時では、第３モードでオフ状態となっているために、第１モードと第３モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第１モードでは実使用上はオフ状態（括弧内「●」印参照）とする。
【００２６】
また、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａでは、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態及びオフ状態を示す動作モードとして、回生モードで動作する次の第４モードから第６モードを行う。
【００２７】
図１１は、図８に示す従来の直流−直流電力変換器１０Ａにおいて回生モードで動作している状態を示す回路図である。図１１（ａ）は、第４モードを示しており、図１１（ｂ）は、第５モードを示しており、図１１（ｃ）は、第６モードを示している。
【００２８】
回生モードにおいては、第４モードは、図１１（ａ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第２スイッチング素子ＳＷ２（第２ダイオードＤ２）及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第４電流経路Ｒ４を形成するモードとされている。
【００２９】
第５モードは、図１１（ｂ）に示すように、第４スイッチング素子ＳＷ４がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第４スイッチング素子ＳＷ４（第４ダイオードＤ４）、第２直流電圧源Ｅ２及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第５電流経路Ｒ５を形成するモードとされている。
【００３０】
第６モードは、図１１（ｃ）に示すように、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態となり、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２からインダクタＬ及び第１スイッチング素子ＳＷ１を経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第６電流経路Ｒ６を形成するモードとされている。
【００３１】
そして、回生モードを実行するときは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２との大小関係に応じて、第４モードと第５モードとの間、第５モードと第６モードとの間、第４モードと第６モードとの間において短い周期（例えば１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の何れかの周期）で切り替える切り替え動作を実行する。
【００３２】
図１２は、従来の回生モードにおける昇圧動作、降圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１及び第４半導体スイッチＳ１，Ｓ４のオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。なお、図１２において、「○」印はオン状態を示しており、「●」印はオフ状態を示している。また、また、第６モードの第４半導体スイッチＳ４に付した「＊」印は、昇圧動作及び昇降圧動作時では第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１によって第４半導体スイッチＳ４に逆バイアス電圧がかかることから、オン状態でもオフ状態でもどちらでもよいことを示している。「＊」印の後の括弧内については後述する。
【００３３】
図１２に示すように、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも大きい場合には、第５モードと第６モードとを切り替ええる昇圧動作を実行し、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも小さい場合には、第４モードと第５モードとを切り替える降圧動作を実行する。第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合、或いは、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とがほぼ等しい場合（電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差の絶対値が所定範囲内にある場合）には、第４モードと第６モードとを切り替える昇降圧動作を実行する。
【００３４】
ここで、第４半導体スイッチＳ４は、昇圧動作及び昇降圧動作時の第６モードにおいてオン状態でもオフ状態でもどちらでもよいが（図１２の「＊」印参照）、昇圧動作時では、第５モードでオン状態となっているために、第５モードと第６モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第６モードでは実使用上はオン状態（括弧内「○」印参照）とし、また、昇降圧動作時では、第４モードでオフ状態となっているために、第４モードと第６モードとの間でオン／オフ切り替えを行わないように第６モードでは実使用上はオフ状態（括弧内「●」印参照）とする。
【００３５】
なお、第１電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１、第２電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２は、例えば、図示を省略した電圧計にて測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特開２０１１−３５９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
ところで、直流−直流電力変換器に用いられるスイッチング素子を構成する半導体スイッチは、オフ状態からオン状態に移行するときに、オフ状態時に加わっていた電圧に比例したスイッチング損失（いわゆるオン損失）が発生したり、オン状態からオフ状態に移行するときに、オフ状態時に加わる電圧に比例したスイッチング損失（いわゆるオフ損失）が発生したりする。また、直流−直流電力変換器に用いられるスイッチング素子を構成するダイオードは、導通状態から非導通状態に移行する際に非導通状態時に加わる電圧に比例したスイッチング損失（いわゆるリカバリ損失（逆回復損失））が発生したりする。
【００３８】
この点に関し、図８に示すような、従来の直流−直流電力変換器では、次のようなスイッチング素子に対するスイッチング損失が発生する。
【００３９】
［力行モード時でのスイッチング損失］
図１３は、従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチＳ２，Ｓ３のオン損失及びオフ損失並びに第１及び第３ダイオードＤ１，Ｄ３のリカバリ損失を示す表である。なお、図１３において、第１から第４半導体スイッチＳ１〜Ｓ４の「○」印はオン状態を示しており、「●」印はオフ状態を示している。また、第１から第４ダイオードＤ１〜Ｄ４の「○」印は導通状態を示しており、「●」印は非導通状態を示している。これらのことは、後述する図１４、図２から図４についても同様である。
【００４０】
（力行モードにおける降圧動作）
力行モードにおける降圧動作時において、第２モードから第３モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオン状態からオフ状態になるときに（図１３のα１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【００４１】
また、第３モードから第２モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオフ状態からオン状態になるときに（図１３のβ１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第３モードから第２モードに移行して第１ダイオードＤ１が導通状態から非導通状態になるときに（図１３のβ２参照）、第１ダイオードＤ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４２】
（力行モードにおける昇圧動作）
力行モードにおける昇圧動作時において、第１モードから第２モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオン状態からオフ状態になるときに（図１３のα２参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【００４３】
また、第２モードから第１モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオフ状態からオン状態になるときに（図１３のβ３参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第２モードから第１モードに移行して第３ダイオードＤ３が導通状態から非導通状態になるときに（図１３のβ４参照）、第３ダイオードＤ３において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４４】
（力行モードにおける昇降圧動作）
力行モードにおける昇降圧動作時において、第１モードから第３モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオン状態からオフ状態になるときに（図１３のα３参照）、第２半導体スイッチＳ２において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオフ損失が発生する。
【００４５】
また、第２モードから第１モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオフ状態からオン状態になるときに（図１３のβ５参照）、第２半導体スイッチＳ２において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失が発生する。一方、第３モードから第１モードに移行して第１ダイオードＤ１が導通状態から非導通状態になるときに（図１３のβ６参照）、第１ダイオードＤ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４６】
［回生モード時でのスイッチング損失］
図１４は、従来の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチＳ１，Ｓ４のオン損失及びオフ損失並びに第２及び第４ダイオードＤ２，Ｄ４のリカバリ損失を示す表である。
【００４７】
（回生モードにおける降圧動作）
回生モードにおける降圧動作時において、第５モードから第４モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオン状態からオフ状態になるときに（図１４のα４参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【００４８】
また、第４モードから第５モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオフ状態からオン状態になるときに（図１４のβ７参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第４モードから第５モードに移行して第２ダイオードＤ２が導通状態から非導通状態になるときに（図１４のβ８参照）、第２ダイオードＤ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【００４９】
（回生モードにおける昇圧動作）
回生モードにおける昇圧動作時において、第６モードから第５モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオン状態からオフ状態になるときに（図１４のα５参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【００５０】
また、第５モードから第６モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオフ状態からオン状態になるときに（図１４のβ９参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第５モードから第６モードに移行して第４ダイオードＤ４が導通状態から非導通状態になるときに（図１４のβ１０参照）、第４ダイオードＤ４において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【００５１】
（回生モードにおける昇降圧動作）
回生モードにおける昇降圧動作時において、第６モードから第４モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオン状態からオフ状態になるときに（図１４のα６参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオフ損失が発生する。
【００５２】
また、第４モードから第６モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオフ状態からオン状態になるときに（図１４のβ１１参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失が発生する。一方、第４モードから第６モードに移行して第２ダイオードＤ２が導通状態から非導通状態になるときに（図１４のβ１２参照）、第２ダイオードＤ２において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とを加えた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失が発生する。
【００５３】
図１５は、従来の力行モードにおいて図１３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。また、図１６は、従来の回生モードにおいて図１４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。
【００５４】
図１５の斜線部分に示すように、力行モードでの昇降圧動作時においては、第１ダイオードＤ１と第２半導体スイッチＳ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失とがそれぞれ集中している。
【００５５】
また、図１６の斜線部分に示すように、回生モードでの昇降圧動作時においては、第１半導体スイッチＳ１と第２ダイオードＤ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失とがそれぞれ集中している。
【００５６】
一般的に、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、加わる電圧に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が比例関係にあり、しかも、スイッチング素子の温度に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が正の相関を有する。
【００５７】
従って、力行モードでは、第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２に供給される電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチのリカバリ損失並びにオン損失及びオフ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。一方、回生モードでは、第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２に供給される電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２のオン損失及びオフ損失並びにリカバリ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。
【００５８】
また、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、定格電圧に対して発生するスイッチング損失が比例関係にある。すなわち、定格電圧が高くなるほどスイッチング損失が大きくなる。
【００５９】
従って、力行モードでは、第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２に加わる電圧（具体的にはＶ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２の定格電圧が大きくなってリカバリ損失並びにオン損失及びオフ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。一方、回生モードでは、第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２に加わる電圧（具体的にはＶ１＋Ｖ２）が大きいと、それだけ第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２の定格電圧が大きくなってオン損失及びオフ損失並びにリカバリ損失が大きくなり、それに伴って電力変換効率が低下する。このことは、例えば、定格電圧が３０Ｖ，４０Ｖ，６０Ｖというように、１０Ｖ単位や数１０Ｖ単位で細かに設定されているＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に比べて、定格電圧が６００Ｖの次は１２００Ｖというように、数百Ｖ単位で大まかに設定されているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合には、定格電圧の選択肢が少ないため、特に顕著となる。
【００６０】
そこで、本発明は、昇降圧動作時におけるスイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることができる直流−直流電力変換器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】
【００６１】
本発明は、前記課題を解決するために、第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは直流負荷に接続される複数のスイッチング素子と、前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に前記スイッチング素子を介して接続されるインダクタと、前記スイッチング素子を作動制御する制御手段とを備え、前記スイッチング素子は、前記インダクタを前記第１直流電圧源に接続する第１接続構成と、前記インダクタを前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源の双方或いは前記第１直流電圧源及び前記直流負荷の双方に接続する第２接続構成と、前記インダクタを前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に接続する第３接続構成とを切り替え可能な構成とされており、前記制御手段は、前記スイッチング素子を作動制御して前記第１接続構成に切り替える第１動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第２接続構成に切り替える第２動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有し、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で電力の授受を行う直流−直流電力変換器であって、前記制御手段は、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で、前記第１動作モードと前記第３動作モードとを交互に使用する昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することを特徴とする直流−直流電力変換器を提供する。
【００６２】
本発明によれば、前記昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することで、前記昇降圧動作時において、前記スイッチング素子のうち、前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧或いは前記直流負荷から供給される電圧が集中するスイッチング素子を他のスイッチング素子に分散させることができ、ひいては、前記スイッチング素子のうち、スイッチング損失が集中するスイッチング素子を他のスイッチング素子に分散させることができる。従って、前記昇降圧動作時における前記スイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることが可能となる。
【００６３】
本発明において、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に挿入する前記第２動作モードの一変調周期における割合は、前記第１直流電圧源の電圧と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷の電圧とのうち、小さい方の電圧を大きい方の電圧で除算した値が上限とされている態様を例示できる。
【００６４】
この特定事項では、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に挿入する前記第２動作モードの一変調周期における割合を可及的に大きくすることができ、ひいては、前記インダクタに流れる電流を可及的に小さくすることができ、それだけ前記インダクタ及び前記スイッチング素子で発生する損失を低く抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００６５】
以上説明したように、本発明によると、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で前記第１動作モードと前記第３動作モードとを交互に使用する昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することで、前記昇降圧動作時における前記スイッチング素子のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態に係る直流−直流電力変換器の概略構成を示す回路図である。
【図２】本実施の形態における降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１から第４半導体スイッチのオン状態とオフ状態との対応関係を示す表であって、（ａ）は、力行モードでの対応関係を示す図であり、（ａ）は、回生モードでの対応関係を示す図である。
【図３】本実施の形態の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第１ダイオードのリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【図４】本実施の形態の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第２ダイオードのリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【図５】本実施の形態の力行モードにおいて図３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【図６】本実施の形態の回生モードにおいて図４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【図７】インダクタＬに流れる電流の時間的変化の一例を示すグラフであって、（ａ）は、第２動作モードの一変調周期における割合が比較的小さい場合を示す図であり、（ｂ）は、第２動作モードの一変調周期における割合を可及的に大きくした場合を示す図である。
【図８】従来の直流−直流電力変換器の一例である直流−直流電力変換器の概略構成を示す回路図である。
【図９】図８に示す従来の直流−直流電力変換器において力行モードで動作している状態を示す回路図であって、（ａ）は、第１モードを示す図であり、（ｂ）は、第２モードを示す図であり、（ｃ）は、第３モードを示す図である。
【図１０】従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第２及び第３半導体スイッチのオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。
【図１１】図８に示す従来の直流−直流電力変換器において回生モードで動作している状態を示す回路図であって、（ａ）は、第４モードを示す図であり、（ｂ）は、第５モードを示す図であり、（ｃ）は、第６モードを示す図である。
【図１２】従来の回生モードにおける昇圧動作、降圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１及び第４半導体スイッチのオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。
【図１３】従来の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第１及び第３ダイオードのリカバリ損失を示す表である。
【図１４】従来の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びに第２及び第４ダイオードのリカバリ損失を示す表である。
【図１５】従来の力行モードにおいて図１３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【図１６】従来の回生モードにおいて図１４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００６８】
図１は、本発明の実施の形態に係る直流−直流電力変換器１０の概略構成を示す回路図である。なお、図１に示す直流−直流電力変換器１０において、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａと同じ構成要素には同一符号を付している。
【００６９】
図１に示す直流−直流電力変換器１０は、複数のスイッチング素子（ここでは第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４）と、インダクタＬと、制御手段（ここでは制御装置２０）とを備えている。
【００７０】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２に接続されるか或いは第１直流電圧源Ｅ１及び直流負荷に接続される。この例では、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２に接続されている。
【００７１】
インダクタＬは、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２に第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも一つを介して接続されるか或いは第１直流電圧源Ｅ１及び直流負荷に第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも一つを介して接続される。この例では、インダクタＬは、第１直流電圧源Ｅ１に第２スイッチング素子ＳＷ２を介して接続されており、第２直流電圧源Ｅ２に第１スイッチング素子ＳＷ１を介して接続されている。
【００７２】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、第１接続構成と、第２接続構成と、第３接続構成とを切り替え可能な構成とされている。なお、第１から第３接続構成については、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａの図９（ａ）から図９（ｃ）及び図１１（ａ）から図１１（ｃ）に示す接続構成と同じである。このため、ここでは、第１から第４半導体スイッチＳ１〜Ｓ４及び第１から第４ダイオードの接続構成についての詳しい説明は省略する。
【００７３】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第１接続構成とされた場合には、インダクタＬを第１直流電圧源Ｅ１に接続する（図９（ａ）及び図１１（ａ）参照）。
【００７４】
また、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第２接続構成とされた場合には、インダクタＬを第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２の双方に接続するか或いは第１直流電圧源Ｅ１及び直流負荷の双方に接続する。この例では、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第２接続構成とされた場合には、インダクタＬを一方の同じ極性（具体的には負極）同士を直列に接続した第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２の他方の極性（具体的には正極）に接続する（図９（ｂ）及び図１１（ｂ）参照）。
【００７５】
また、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第３接続構成とされた場合には、インダクタＬを第２直流電圧源Ｅ２に接続するか或いは直流負荷に接続する。この例では、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、制御装置２０による作動制御によって第３接続構成とされた場合には、インダクタＬを第２直流電圧源Ｅ２に接続する（図９（ｃ）及び図１１（ｃ）参照）。
【００７６】
本実施の形態に係る直流−直流電力変換器１０は、さらに制御装置２０を備えている。制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理部２１と、記憶部２２とを備えている。記憶部２２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶メモリを含み、各種制御プログラムや必要な関数およびテーブルや、各種のデータを記憶するようになっている。
【００７７】
制御装置２０は直流−直流電力変換器１０の第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング動作を制御するように構成されている。
【００７８】
制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との間或いは第１直流電圧源Ｅ１と直流負荷との間（この例では第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との間）で昇圧動作、降圧動作及び昇降圧動作の何れかの動作を行うことによって電力の授受（融通）を行う。
【００７９】
詳しくは、制御装置２０は、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第１接続構成に切り替える第１動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第２接続構成に切り替える第２動作モードと、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を作動制御して第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有している。
【００８０】
第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態及びオフ状態を示す動作モードとして、力行モードで動作する第１モードから第３モード（第１動作モードから第３動作モードの一例）、及び、回生モードで動作する第４モードから第６モード（第１動作モードから第３動作モードの他の例）は、図８に示す直流−直流電力変換器１０Ａと同じである。
【００８１】
すなわち、力行モードにおいては、第１モードは、図９（ａ）に示すように、第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態となり、第１、第３及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ及び第２スイッチング素子ＳＷ２を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第１電流経路Ｒ１を形成するモードとされている。
【００８２】
第２モードは、図９（ｂ）に示すように、第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１からインダクタＬ、第２直流電圧源Ｅ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３を経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第２電流経路Ｒ２を形成するモードとされている。
【００８３】
第３モードは、図９（ｃ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２から第１スイッチング素子ＳＷ１及びインダクタＬを経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第３電流経路Ｒ３を形成するモードとされている。
【００８４】
一方、回生モードにおいては、第４モードは、図１１（ａ）に示すように、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が全てオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第２スイッチング素子ＳＷ２及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第４電流経路Ｒ４を形成するモードとされている。
【００８５】
第５モードは、図１１（ｂ）に示すように、第４スイッチング素子ＳＷ４がオン状態となり、それ以外の第１、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第１直流電圧源Ｅ１から第４スイッチング素子ＳＷ４、第２直流電圧源Ｅ２及びインダクタＬを経て第１直流電圧源Ｅ１に戻る第５電流経路Ｒ５を形成するモードとされている。
【００８６】
第６モードは、図１１（ｃ）に示すように、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態となり、第２及び第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態となって、第２直流電圧源Ｅ２からインダクタＬ及び第１スイッチング素子ＳＷ１を経て第２直流電圧源Ｅ２に戻る第６電流経路Ｒ６を形成するモードとされている。
【００８７】
図２は、本実施の形態における降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での各モードと第１から第４半導体スイッチＳ１〜Ｓ４のオン状態とオフ状態との対応関係を示す表である。図２（ａ）は、力行モードでの対応関係を示しており、図２（ａ）は、回生モードでの対応関係を示している。
【００８８】
制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも所定の電圧ΔＶ分だけ大きい予め設定した第１電圧Ｖ２ａ（出力電圧Ｖ２＋所定の電圧ΔＶ）よりも大きい場合には、力行モードでは第２モードと第３モードとを切り替える降圧動作を実行し、回生モードでは第５モードと第６モードとを切り替える昇圧動作を実行する。
【００８９】
一方、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２よりも所定の電圧ΔＶ分だけ小さい予め設定した第２電圧Ｖ２ｂ（出力電圧Ｖ２−所定の電圧ΔＶ）よりも小さい場合には、力行モードでは第１モードと第２モードとを切り替える昇圧動作を実行し、回生モードでは第４モードと第５モードとを切り替える降圧動作を実行する。
【００９０】
なお、所定の電圧ΔＶは、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷の定格電圧等に応じて決定することができ、それには限定されないが、５Ｖ程度以下を例示できる。
【００９１】
そして、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より大きく、かつ、第１電圧Ｖ２ａ（出力電圧Ｖ２＋所定の電圧ΔＶ）以下の場合、及び、第２電圧Ｖ２ｂ（出力電圧Ｖ２−所定の電圧ΔＶ）以上、かつ、第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より小さい場合には、力行モードでは昇降圧動作として第１モードと第３モードとの合間に第２モードを挿入し（具体的には第１モード又は第３モードの状態では第１モード又は第３モードから第２モードに、第２モードの状態では第２モードから第１モード又は第３モードに切り替え）、回生モードでは昇降圧動作として第４モードと第６モードとの合間に第５モードを挿入する（具体的には第４モード又は第６モードの状態では第４モード又は第６モードから第５モードに、第５モードの状態では第５モードから第４モード又は第６モードに切り替える）昇降圧動作を実行する。また、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合には、力行モードでは第２モードのみを実行し、回生モードでは第５モードのみを実行する。
【００９２】
なお、制御装置２０は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１が第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より大きく、かつ、第１電圧Ｖ２ａ（出力電圧Ｖ２＋所定の電圧ΔＶ）以下の場合、及び、第２電圧Ｖ２ｂ（出力電圧Ｖ２−所定の電圧ΔＶ）以上、かつ、第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２より小さい場合に力行モードで第２モードのみを実行し、回生モードで第５モードのみを実行してもよいし、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とが等しい場合に昇降圧動作を実行してもよい。
【００９３】
次に、本実施の形態において、第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生するスイッチング損失について以下に説明する。
【００９４】
［力行モード時でのスイッチング損失］
図３は、本実施の形態の力行モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第２及び第３半導体スイッチＳ２，Ｓ３のオン損失及びオフ損失並びに第１ダイオードＤ１のリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【００９５】
なお、降圧動作及び昇圧動作時での損失は、従来と同様であり、ここでは説明を省略し、昇降圧動作時の損失についてのみ説明する。
【００９６】
（力行モードにおける昇降圧動作）
力行モードにおける昇降圧動作時において、第２モードから第３モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオン状態からオフ状態になるときに（図３のα１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【００９７】
また、第３モードから第２モードに移行して第３半導体スイッチＳ３がオフ状態からオン状態になるときに（図３のβ１参照）、第３半導体スイッチＳ３において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第３モードから第２モードに移行して第１ダイオードＤ１が導通状態から非導通状態になるときに（図３のβ２参照）、第１ダイオードＤ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【００９８】
また、第１モードから第２モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオン状態からオフ状態になるときに（図３のα２参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【００９９】
また、第２モードから第１モードに移行して第２半導体スイッチＳ２がオフ状態からオン状態になるときに（図３のβ３参照）、第２半導体スイッチＳ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第２モードから第１モードに移行して第３ダイオードＤ３が導通状態から非導通状態になるときに（図３のβ４参照）、第３ダイオードＤ３において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【０１００】
［回生モード時でのスイッチング損失］
図４は、本実施の形態の回生モードにおける降圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作時での第１及び第４半導体スイッチＳ１，Ｓ４のオン損失及びオフ損失並びに第２ダイオードＤ２のリカバリ損失を従来の昇降圧動作時の損失と比較して示す表である。
【０１０１】
なお、回生モードにおける降圧動作及び昇圧動作時での損失は、従来と同様であり、ここでは説明を省略し、昇降圧動作時の損失についてのみ説明する。
【０１０２】
（回生モードにおける昇降圧動作）
回生モードにおける昇降圧動作時において、第５モードから第４モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオン状態からオフ状態になるときに（図４のα４参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオフ損失が発生する。
【０１０３】
また、第４モードから第５モードに移行して第４半導体スイッチＳ４がオフ状態からオン状態になるときに（図４のβ７参照）、第４半導体スイッチＳ４において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したオン損失が発生する。一方、第４モードから第５モードに移行して第２ダイオードＤ２が導通状態から非導通状態になるときに（図４のβ８参照）、第２ダイオードＤ２において第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失が発生する。
【０１０４】
また、第６モードから第５モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオン状態からオフ状態になるときに（図４のα５参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオフ損失が発生する。
【０１０５】
また、第５モードから第６モードに移行して第１半導体スイッチＳ１がオフ状態からオン状態になるときに（図４のβ９参照）、第１半導体スイッチＳ１において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したオン損失が発生する。一方、第５モードから第６モードに移行して第４ダイオードＤ４が導通状態から非導通状態になるときに（図４のβ１０参照）、第４ダイオードＤ４において第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失が発生する。
【０１０６】
図５は、本実施の形態の力行モードにおいて図３に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。また、図６は、本実施の形態の回生モードにおいて図４に示す表から半導体スイッチのオン損失及びオフ損失並びにダイオードのリカバリ損失を動作別に抜粋した表を示している。
【０１０７】
図５の斜線部分に示すように、従来の力行モードでの昇降圧動作時においては、第１ダイオードＤ１と第２半導体スイッチＳ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失とがそれぞれ集中している。
【０１０８】
これに対して、本実施の形態の力行モードでの昇降圧動作時においては、第１ダイオードＤ１に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失のうち出力電圧Ｖ２に比例したリカバリ損失を、第３ダイオードＤ３に分散させることができ、また、第２半導体スイッチＳ２に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失のうち出力電圧Ｖ１に比例したオン損失及びオフ損失を、第３半導体スイッチＳ３に分散させることができる。
【０１０９】
また、図６の斜線部分に示すように、従来の回生モードでの昇降圧動作時においては、第１半導体スイッチＳ１と第２ダイオードＤ２とに、出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失と出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失とがそれぞれ集中している。
【０１１０】
これに対して、本実施の形態の回生モードでの昇降圧動作時においては、第１半導体スイッチＳ１に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したオン損失及びオフ損失のうち出力電圧Ｖ２に比例したオン損失及びオフ損失を、第４半導体スイッチＳ４に分散させることができ、また、第２ダイオードＤ２に集中していた出力電圧（Ｖ１＋Ｖ２）に比例したリカバリ損失のうち出力電圧Ｖ１に比例したリカバリ損失を、第４ダイオードＤ４に分散させることができる。
【０１１１】
既述したように、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、加わる電圧に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が比例関係にあり、しかも、スイッチング素子の温度に対してスイッチング損失（オン損失及びオフ損失）並びにリカバリ損失が正の相関を有する。
【０１１２】
この点、本実施の形態によれば、第１モード（第１動作モードの一例）と第３モード（第３動作モードの一例）とを交互に使用する昇降圧動作を行うことによって電力の授受を行う場合には、力行モードでは第１モード（第１動作モードの一例）と第３モード（第３動作モードの一例）との合間に第２モード（第２動作モードの一例）を挿入することで、昇降圧動作時において、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２から供給される電圧が集中する第１スイッチング素子ＳＷ１の第１ダイオードＤ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２半導体スイッチＳ２を第３スイッチング素子ＳＷ３の第３ダイオードＤ３及び第３半導体スイッチＳ３に分散させることができる（図５参照）。
【０１１３】
そうすると、第１スイッチング素子ＳＷ１の第１ダイオードＤ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２半導体スイッチＳ２の温度を低減させることができ、これにより、リカバリ損失が集中する第１ダイオードＤ１を第３ダイオードＤ３に分散させることができると共に、オン損失及びオフ損失が集中する第２半導体スイッチＳ２を第３半導体スイッチＳ３に分散させることができる。
【０１１４】
従って、温度が低くなった分、昇降圧動作時における第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることが可能となる。
【０１１５】
一方、回生モードでは第４モード（第１動作モードの他の例）と第６モード（第３動作モードの他の例）との合間に第５モード（第２動作モードの他の例）を挿入することで、昇降圧動作時において、第１直流電圧源Ｅ１及び第２直流電圧源Ｅ２から供給される電圧が集中する第１スイッチング素子ＳＷ１の第１半導体スイッチＳ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２ダイオードＤ２を第４スイッチング素子ＳＷ４の第４半導体スイッチＳ４及び第４ダイオードＤ４に分散させることができる（図６参照）。
【０１１６】
そうすると、第１スイッチング素子ＳＷ１の第１半導体スイッチＳ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の第２ダイオードＤ２の温度を低減させることができ、これにより、オン損失及びオフ損失が集中する第１半導体スイッチＳ１を第４半導体スイッチＳ４に分散させることができると共に、リカバリ損失が集中する第２ダイオードＤ２を第４ダイオードＤ４に分散させることができる。
【０１１７】
従って、温度が低くなった分、昇降圧動作時における第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング損失を従来よりも低減させることでき、それだけ電力変換効率を向上させることが可能となる。
【０１１８】
また、既述したように、スイッチング素子を構成するダイオード及び半導体スイッチにおいては、定格電圧が高くなるほど損失が大きくなる。
【０１１９】
この点、本実施の形態によれば、定格電圧が高くなりがちな第１及び第２半導体スイッチＳＷ１及びＳＷ２において、力行モードでは、第１ダイオードＤ１に加わる電圧を（Ｖ１＋Ｖ２）からＶ１にすると共に、第２半導体スイッチＳ２に加わる電圧を（Ｖ１＋Ｖ２）からＶ２にすることができ（図５参照）、それだけ第１ダイオードＤ１及び第２半導体スイッチＳ２でのリカバリ損失並びにオン損失及びオフ損失を小さくでき、ひいては電力変換効率を向上させることができる。一方、回生モードでは、第１半導体スイッチＳ１に加わる電圧を（Ｖ１＋Ｖ２）からＶ１にすると共に、第２ダイオードＤ２に加わる電圧（具体的にはＶ１＋Ｖ２）からＶ２にすることができ（図６参照）、それだけ第１半導体スイッチＳ１及び第２ダイオードＤ２でのオン損失及びオフ損失並びにリカバリ損失を小さくでき、ひいては電力変換効率を向上させることができる。このことは、定格電圧の選択肢が少ないＩＧＢＴの場合に、特に有効となる。
【０１２０】
こうして向上される電力変換効率は、全体としては０．数％（具体的には９５％→９５．５％程度）であったとしても、損失部分だけに注目して視れば、例えば、損失（具体的には５％程度）のうちスイッチング素子の損失は、その半分程度（具体的には２．５％程度）であることから、たとえ電力変換効率が全体としては０．数％（具体的には９５％→９５．５％程度）であったとしても、スイッチング素子の損失ベースで数１０％（具体的には２０％（＝０．５％／２．５％×１００）程度）向上したことになる。つまり、スイッチング素子を冷却するための放熱部材を数１０％（具体的には２０％程度）削減することができ、これにより放熱部材にかかる費用及び放熱部材が占めるスペースを削減することができ、それだけ低コスト化かつ省スペース化を実現させることが可能となる。
【０１２１】
ところで、インダクタＬ及び第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生する損失をさらに低く抑えるという観点から、インダクタＬに流れる電流を可及的に小さくすることが好ましい。この点に関し、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）でインダクタＬに流れる電流は、第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷との双方に流れるため、第１直流電圧源Ｅ１だけに流れる第１動作モード（具体的には力行モードでは第１モード、回生モードでは第４モード）及び第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷だけに流れる第３動作モード（具体的には力行モードでは第３モード、回生モードでは第６モード）の双方の性質を有する。従って、第２動作モードの一変調周期における割合を大きくするほど、インダクタＬに流れる電流が減少する。
【０１２２】
かかる観点から、第１モードと第３モードとを交互に使用する昇降圧動作時において、第１動作モード（具体的には力行モードでは第１モード、回生モードでは第４モード）と第３動作モード（具体的には力行モードでは第３モード、回生モードでは第６モード）との合間に挿入する第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期における割合を可及的に大きくすることが好ましい。
【０１２３】
一方、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）では、インダクタＬが第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との双方或いは第１直流電圧源Ｅ１と直流負荷との双方（この例では第１直流電圧源Ｅ１と第２直流電圧源Ｅ２との双方）に接続されることから、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とのうち、大きい方の電圧から小さい方の電圧を差し引いた値が小さいほど、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期における割合を大きくすることができる。
【０１２４】
そこで、本実施の形態では、制御装置２０は、第２動作モード（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期における割合は、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２とのうち、小さい方の電圧を大きい方の電圧で除算した値が上限とされる構成とされている。
【０１２５】
図７は、インダクタＬに流れる電流の時間的変化の一例を示すグラフである。図７（ａ）は、第２動作モードIIの一変調周期Ｔにおける割合が比較的小さい場合を示しており、図７（ｂ）は、第２動作モードIIの一変調周期Ｔにおける割合を可及的に大きくした場合を示している。なお、図７に示す例では、昇降圧動作として、第１動作モードＩ→第２動作モードII→第３動作モードIII→第２動作モードII→第１動作モードＩ→・・・の繰り返しとしたが、それに限定されるものではない。
【０１２６】
図７（ａ）に示すように、第２動作モードII（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期Ｔにおける割合（ｔ／Ｔ）が比較的小さいと、インダクタＬに流れる電流の平均値Ｉａｖが大きくなってしまい、それだけインダクタＬ及び第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生する損失が大きくなる。
【０１２７】
これに対し、図７（ｂ）に示すように、第２動作モードII（具体的には力行モードでは第２モード、回生モードでは第５モード）の一変調周期Ｔにおける割合（ｔ／Ｔ）を、第１直流電圧源Ｅ１の出力電圧Ｖ１（例えば１００Ｖ）と第２直流電圧源Ｅ２の出力電圧Ｖ２（例えば８０Ｖ）とのうち、小さい方の電圧（例えばＶ２＝８０Ｖ）を大きい方の電圧（例えばＶ１＝１００Ｖ）で除算した値（例えば８０Ｖ／１００Ｖ＝０．８）が上限となるようにすることで、割合（ｔ／Ｔ）を可及的に大きくすることができ、ひいては、インダクタＬに流れる電流の平均値Ｉａｖを可及的に小さくすることができ、それだけインダクタＬ及び第１から第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で発生する損失を低く抑えることが可能となる。
【０１２８】
なお、本実施の形態では、力行モード時に第１直流電圧源Ｅ１から第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷に電力を供給し、回生モード時に第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷から第１直流電圧源Ｅ１に電力を供給するようにしたが、力行モード時に第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷から第１直流電圧源Ｅ１に電力を供給し、回生モード時に第１直流電圧源Ｅ１から第２直流電圧源Ｅ２或いは直流負荷に電力を供給するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２９】
１０ 直流−直流電力変換器
２０ 制御装置
Ｄ１ 第１ダイオード
Ｄ２ 第２ダイオード
Ｄ３ 第３ダイオード
Ｄ４ 第４ダイオード
Ｅ１ 第１電圧源
Ｅ２ 第２電圧源
Ｌ インダクタ
Ｓ１ 第１半導体スイッチ
Ｓ２ 第２半導体スイッチ
Ｓ３ 第３半導体スイッチ
Ｓ４ 第４半導体スイッチ
ＳＷ１ 第１スイッチング素子
ＳＷ２ 第２スイッチング素子
ＳＷ３ 第３スイッチング素子
ＳＷ４ 第４スイッチング素子
Ｉ 第１動作モード
II 第２動作モード
III 第３動作モード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは直流負荷に接続される複数のスイッチング素子と、前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に前記スイッチング素子を介して接続されるインダクタと、前記スイッチング素子を作動制御する制御手段とを備え、
前記スイッチング素子は、前記インダクタを前記第１直流電圧源に接続する第１接続構成と、前記インダクタを前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源の双方或いは前記第１直流電圧源及び前記直流負荷の双方に接続する第２接続構成と、前記インダクタを前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に接続する第３接続構成とを切り替え可能な構成とされており、
前記制御手段は、前記スイッチング素子を作動制御して前記第１接続構成に切り替える第１動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第２接続構成に切り替える第２動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有し、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で電力の授受を行う直流−直流電力変換器であって、
前記制御手段は、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で、前記第１動作モードと前記第３動作モードとを交互に使用することによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することを特徴とする直流−直流電力変換器。
【請求項２】
請求項１に記載の直流−直流電力変換器であって、
前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に挿入する前記第２動作モードの一変調周期における割合は、前記第１直流電圧源の電圧と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷の電圧とのうち、小さい方の電圧を大きい方の電圧で除算した値が上限とされていることを特徴とする直流−直流電力変換器。
【請求項１】
第１直流電圧源及び第２直流電圧源或いは直流負荷に接続される複数のスイッチング素子と、前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に前記スイッチング素子を介して接続されるインダクタと、前記スイッチング素子を作動制御する制御手段とを備え、
前記スイッチング素子は、前記インダクタを前記第１直流電圧源に接続する第１接続構成と、前記インダクタを前記第１直流電圧源及び前記第２直流電圧源の双方或いは前記第１直流電圧源及び前記直流負荷の双方に接続する第２接続構成と、前記インダクタを前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷に接続する第３接続構成とを切り替え可能な構成とされており、
前記制御手段は、前記スイッチング素子を作動制御して前記第１接続構成に切り替える第１動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第２接続構成に切り替える第２動作モードと、前記スイッチング素子を作動制御して前記第３接続構成に切り替える第３動作モードとを有し、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で電力の授受を行う直流−直流電力変換器であって、
前記制御手段は、前記第１直流電圧源と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷との間で、前記第１動作モードと前記第３動作モードとを交互に使用することによって電力の授受を行う場合には、前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に前記第２動作モードを挿入することを特徴とする直流−直流電力変換器。
【請求項２】
請求項１に記載の直流−直流電力変換器であって、
前記第１動作モードと前記第３動作モードとの合間に挿入する前記第２動作モードの一変調周期における割合は、前記第１直流電圧源の電圧と前記第２直流電圧源或いは前記直流負荷の電圧とのうち、小さい方の電圧を大きい方の電圧で除算した値が上限とされていることを特徴とする直流−直流電力変換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−３１２９９（Ｐ２０１３−３１２９９Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５８０５（Ｐ２０１１−１６５８０５）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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