電力伝達用絶縁回路、電力変換装置、および電力伝達回路
【課題】損失の偏りを抑制することで、スイッチ素子の信頼性を向上させ、放熱部品の簡素化が可能な電力伝達用絶縁回路、電力変換装置、および電力伝達回路を得る。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ１と、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含みスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２において受けた電力をキャパシタＣ１に供給する入力スイッチ部１１と、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含みキャパシタＣ１に蓄えられた電力をスイッチ素子Ｚ３，Ｚ４から負荷へ供給する出力スイッチ部２４と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４を制御する制御部１３とを備え、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２のオンオフの切り替えにおいて、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２をオンまたはオフするタイミングをずらす、またはスイッチ素子Ｚ３，Ｚ４のオンオフの切り替えにおいて、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４をオンまたはオフするタイミングをずらす制御を行う。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ１と、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含みスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２において受けた電力をキャパシタＣ１に供給する入力スイッチ部１１と、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含みキャパシタＣ１に蓄えられた電力をスイッチ素子Ｚ３，Ｚ４から負荷へ供給する出力スイッチ部２４と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４を制御する制御部１３とを備え、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２のオンオフの切り替えにおいて、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２をオンまたはオフするタイミングをずらす、またはスイッチ素子Ｚ３，Ｚ４のオンオフの切り替えにおいて、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４をオンまたはオフするタイミングをずらす制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置、またはそれらに用いられる電力伝達回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
すなわち、電気自動車およびプラグイン方式のハイブリッドカーの特長の一つは、家庭用コンセント等の外部電源を用いて主電池である車載バッテリを充電できることである。そして、ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの家庭用コンセントを用いて車載バッテリを充電するには、交流電圧（ＡＣ）をバッテリ用の直流電圧（ＤＣ）に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータが必要となる。
【０００４】
このようなＡＣ／ＤＣコンバータにおいては、安全対策上、入力側と出力側とを絶縁するのが望ましい。しかしながら、入力側と出力側との絶縁を行うために絶縁トランスを用いた場合、絶縁トランスのコイル部品などの体積および重量が大きいので、ＡＣ／ＤＣコンバータの大型化および重量化を招くことになる。
【０００５】
このような課題を解決するための構成として、下記特許文献１には、絶縁トランスを用いずに入力側と出力側との絶縁を行うＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、電源側の入力電圧を変圧して負荷側に出力するＤＣ／ＤＣコンバータであって、直流電源電圧が充電される第１キャパシタと、第１キャパシタに充電された電荷が放電される第２キャパシタと、第１キャパシタの両側に接続される２つのスイッチ素子と、第２キャパシタの両側に接続される２つのスイッチ素子と、負荷側に流れる電流を平滑化するリアクトルと、を備える。
【０００６】
下記特許文献１に記載の構成を用いれば、これら４つのスイッチ素子を用いて回路を絶縁することができ、第１キャパシタが充放電する電荷の移動によって入力側から出力側に電力の伝達を行うことが可能である。このスイッチ素子を用いて入力側と出力側とを絶縁する電力伝達用絶縁回路は、交流電圧から直流電圧への電力変換を行う場合においても用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２２３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の電力伝達用絶縁回路は、対になった２つのスイッチ素子を含む入力側のスイッチ部と、対になった２つのスイッチ素子を含む出力側のスイッチ部とを備えており、これらスイッチ部が備えるスイッチ対のオンオフを制御することにより、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する。このスイッチ対のオンオフの制御において、理想的には双方のスイッチ素子を同時にオンオフするべきであるが、スイッチ素子を制御する信号の遅延およびスイッチ素子におけるスイッチング時間のばらつきなどにより、双方のスイッチ素子のオンオフを完全に同時にすることは難しい。よって、２つのスイッチ素子におけるオンオフのタイミングがずれてしまい、片方のスイッチ素子にスイッチング損失が偏って発生することになる。
【０００９】
そして、各スイッチ素子においてスイッチング損失に偏りがあると、一方のスイッチ素子が他方のスイッチ素子より大きく発熱してしまう。よって、一方のスイッチ素子が他方のスイッチ素子と比べ高温となり、高温となった方のスイッチ素子は耐久時間の減少および誤作動などが生じる可能性があった。また、高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要があり、放熱部品の大型化および高価格化を招いていた。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、各スイッチ素子の損失の偏りを抑制することにより、スイッチ素子の信頼性を向上させ、放熱部品の簡素化が可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置、またはそれらに用いられる電力伝達回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様に係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端において受けた入力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端と電気的に接続された第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端と電気的に接続された第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負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記入力電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、入力スイッチ部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、入力電力が蓄電素子に供給されるか否かを切り替える。出力スイッチ部は、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、蓄電素子に蓄えられた電力を負荷に供給するか否かを切り替える。そして、制御部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御と、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御とを行う。よって、入力スイッチ制御においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、入力スイッチ部が蓄電素子に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。また、出力スイッチ制御においては、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。したがって、一つのスイッチ素子に損失が集中して発生しないように入力スイッチ制御および出力スイッチ制御を行えば、入力電力を供給する電源と負荷との絶縁を確保しながら電源側から負荷に電力の伝達を行う際に、各スイッチ素子における発熱量の偏りを抑制し、一つのスイッチ素子だけが高温となる状態を防ぐことができる。そして、スイッチ素子の温度上昇が抑制できるので、スイッチ素子の耐久時間の減少および誤動作などが生じる可能性を低減させ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力スイッチ制御において、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１入力スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２入力スイッチ制御と、を行う入力オフ制御、または前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３入力スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４入力スイッチ制御と、を行う入力オン制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部が第１入力スイッチ制御を行えば、第２のスイッチ素子より第１のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第２入力スイッチ制御を行えば、第１のスイッチ素子より第２のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第３入力スイッチ制御を行えば、第２のスイッチ素子より第１のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第４入力スイッチ制御を行えば、第１のスイッチ素子より第２のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。よって、入力オフ制御において第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを同頻度で行えば、入力スイッチ部が蓄電素子への電力の供給を終了する際に第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能である。また、入力オン制御において第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを同頻度で行えば、入力スイッチ部が蓄電素子への電力の供給を開始する際に第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力オフ制御と前記入力オン制御との双方を行うことを特徴とする。
【００１６】
第３の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部は、入力オフ制御と入力オン制御との双方を行うので、入力オフ制御において第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを同頻度で行い、かつ入力オン制御において第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを同頻度で行えば、入力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を平均化することが可能となる。
【００１７】
本発明の第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第２または第３の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力オフ制御を行う場合には、前記第１入力スイッチ制御と前記第２入力スイッチ制御とを交互に行い、前記入力オン制御を行う場合には、前記第３入力スイッチ制御と前記第４入力スイッチ制御とを交互に行うことを特徴とする。
【００１８】
第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、入力オフ制御を行う場合に、制御部が第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを交互に行うので、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御との頻度が均一化し、入力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。また、入力オン制御を行う場合に、制御部が第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを交互に行うので、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御との頻度が均一化し、入力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。
【００１９】
本発明の第５の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１から第４のいずれか一つの態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記出力スイッチ制御において、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より早くオフする第１出力スイッチ制御と、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より早くオフする第２出力スイッチ制御と、を行う出力オフ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より遅くオンする第３出力スイッチ制御と、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より遅くオンする第４出力スイッチ制御と、を行う出力オン制御を行うことを特徴とする。
【００２０】
第５の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部が第１出力スイッチ制御を行えば、第４のスイッチ素子より第３のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第２出力スイッチ制御を行えば、第３のスイッチ素子より第４のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第３出力スイッチ制御を行えば、第４のスイッチ素子より第３のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第４出力スイッチ制御を行えば、第３のスイッチ素子より第４のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。よって、出力オフ制御において第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを同頻度で行えば、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷への電力の供給を終了する際に第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能である。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを同頻度で行えば、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷への電力の供給を開始する際に第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能となる。
【００２１】
本発明の第６の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第５の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記出力オフ制御と前記出力オン制御との双方を行うことを特徴とする。
【００２２】
第６の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部は、出力オフ制御と出力オン制御との双方を行うので、出力オフ制御において第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを同頻度で行い、かつ出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを同頻度で行えば、出力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を平均化することが可能となる。
【００２３】
本発明の第７の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第５または第６の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記出力オフ制御を行う場合には、前記第１出力スイッチ制御と前記第２出力スイッチ制御とを交互に行い、前記出力オン制御を行う場合には、前記第３出力スイッチ制御と前記第４出力スイッチ制御とを交互に行うことを特徴とする。
【００２４】
第７の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、出力オフ制御を行う場合に、制御部が第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを交互に行うので、第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御との頻度が均一化し、出力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。また、出力オン制御を行う場合に、制御部が第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に行うので、第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御との頻度が均一化し、出力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。
【００２５】
本発明の第８の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１から第７のいずれか一つの態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力スイッチ部における前記各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前記各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３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すことを特徴とする。
【００２６】
第８の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、入力電力の電源と蓄電素子とが通電する第１の期間と、蓄電素子と負荷とが通電する第３の期間とを切り替えることで、電源と負荷とを絶縁しながら、電源から負荷への電力の伝達を行う。そして、第１の期間と第３の期間とを切り替える際には、第１の期間と第３の期間との間に、入力スイッチ部および出力スイッチ部の各スイッチ素子がすべてオフである第２の期間および第４の期間を設けるので、スイッチ素子のオンオフが瞬時に切り替わらず立ち上がりおよび立ち下がりに時間がかかる場合にも、確実に電源と負荷との絶縁を確保することが可能となる。
【００２７】
本発明の第９の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第８の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記第１の期間の長さおよび前記第３の期間の長さがそれぞれ一定となるように制御し、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第１の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第１の期間が開始され、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第３の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第１のオンオフ制御、または前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第１の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第１の期間が開始され、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第３の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第２のオンオフ制御を行うことを特徴とする。
【００２８】
第９の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部は、第１の期間と第３の期間とがそれぞれ一定となるように各スイッチ素子を制御する。そして、第１のオンオフ制御または第２のオンオフ制御を行えば、第１のスイッチ素子と第３のスイッチ素子との双方がオフである期間、および第２のスイッチ素子と第４のスイッチ素子との双方がオフである期間を一定に保ちながら、入力電源側と負荷との絶縁を確保しつつ電源から負荷への電力の伝達を行うことができる。したがって、スイッチ素子の制御の周期を変動させずに動作させることができるので、制御部が行うスイッチ制御を簡易にすることが可能である。
【００２９】
本発明の第１０の態様に係る電力変換装置は、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、前記交流電力を整流するための整流部と、前記整流部によって整流された電力を昇圧または降圧するための昇降圧回路と、前記昇降圧回路および前記負荷間を絶縁しながら、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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、前記昇降圧回路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、および前記昇降圧回路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、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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端と前記負荷との間に接続された第３のスイッチ素子、および前記蓄電素子の第２端と前記負荷との間に接続された第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前記負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、を含み、前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行うことを特徴とする。
【００３０】
第１０の態様に係る電力変換装置によれば、電力変換装置が備える電力伝達用絶縁回路は、昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を受けて、昇降圧回路と負荷との間を絶縁しながら、昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を負荷に伝達する。この電力伝達において、入力スイッチ部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力が蓄電素子に供給されるか否かを切り替える。出力スイッチ部は、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、蓄電素子に蓄えられた電力を負荷に供給するか否かを切り替える。そして、制御部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御と、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御とを行う。よって、入力スイッチ制御においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、入力スイッチ部が蓄電素子に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。また、出力スイッチ制御においては、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。したがって、一つのスイッチ素子に損失が集中して発生しないように入力スイッチ制御および出力スイッチ制御を行えば、電力伝達を行う際の各スイッチ素子における発熱量の偏りを抑制し、一つのスイッチ素子だけが高温となる状態を防ぐことができる。そして、スイッチ素子の温度上昇が抑制できるので、スイッチ素子の耐久時間の減少および誤動作などが生じる可能性を低減させ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００３１】
本発明の第１１の態様に係る電力伝達回路は、第１端および第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端において受けた入力電力を、前記第１のスイッチ素子の第２端および前記第２のスイッチ素子の第２端から出力するためのスイッチ対と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子のオンオフをそれぞれ制御するスイッチ制御を行うための制御部と、を備え、前記制御部は、前記スイッチ制御において、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２スイッチ制御と、を行う入力オフ制御、または前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４スイッチ制御と、を行う入力オン制御を行うことを特徴とする。
【００３２】
第１１の態様に係る電力伝達回路によれば、スイッチ対は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、入力電力が出力されるか否かを切り替える。そして、制御部が第１スイッチ制御を行えば、第２のスイッチ素子より第１のスイッチ素子の方にスイッチング損失が多く発生する。制御部が第２スイッチ制御を行えば、第１のスイッチ素子より第２のスイッチ素子の方にスイッチング損失が多く発生する。よって、スイッチ制御において第１スイッチ制御と第２スイッチ制御とを同頻度で行えば、スイッチ対が入力電力を出力する際に第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能である。したがって、スイッチング損失によって発生する発熱により、一つのスイッチ素子だけが他のスイッチ素子より高温となるのを防ぐことができる。そして、スイッチ素子の温度上昇が抑制できるので、スイッチ素子の耐久時間の減少および誤動作などが生じる可能性を低減させ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、各スイッチ素子の損失の偏りを抑制することにより、スイッチ素子の信頼性を向上させ、放熱部品の簡素化が可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置、またはそれらに用いられる電力伝達回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置を概略的に示した図である。
【図２】スイッチ素子のスイッチング時間が異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。
【図３】スイッチ素子に対する制御信号の入力タイミングが異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。
【図４】入力スイッチ制御の一例を示したタイムチャートである。
【図５】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例１を示したタイムチャートである。
【図６】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例２を示したタイムチャートである。
【図７】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例３を示したタイムチャートである。
【図８】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例４を示したタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一または相応する要素を示すものとする。
【００３６】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置２０１を概略的に示した図である。電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１、整流部１０２、および昇降圧回路１０３を備えて構成されている。電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０〜Ｃ２、ダイオードＤ１〜Ｄ４、入力スイッチ部１１、出力スイッチ部１２、および制御部１３を含む。電力伝達回路である入力スイッチ部１２は、対になるスイッチであるスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。電力伝達回路である出力スイッチ部１２は、対になるスイッチであるスイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、たとえば同種のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００３７】
電力変換装置２０１は、交流電源２０２から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。負荷２０３は、例えば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用のバッテリである。
【００３８】
整流部１０２は、例えば、ダイオードブリッジを含み、交流電源２０２から受けた交流電力を全波整流して昇降圧回路１０３へ出力する。
【００３９】
昇降圧回路１０３は、整流部１０２によって全波整流された電力を昇圧または降圧することにより任意の電圧レベルの直流電力に変換し、電力伝達用絶縁回路１０１へ出力する。
【００４０】
スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端に接続された第１端である端子Ｎ１、およびキャパシタＣ１の第１端に接続された第２端である端子Ｎ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端に接続された第１端である端子Ｎ３、およびキャパシタＣ１の第２端に接続された第２端である端子Ｎ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、キャパシタＣ１の第１端に接続された第１端である端子Ｎ５、およびキャパシタＣ２の第１端に接続された第２端である端子Ｎ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ１の第２端に接続された第１端である端子Ｎ７、およびキャパシタＣ２の第２端に接続された第２端である端子Ｎ８を有する。
【００４１】
ダイオードＤ１はスイッチ素子Ｚ１に並列に接続されており、ダイオードＤ１のカソードは端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ１のアノードは端子Ｎ２に接続されている。ダイオードＤ２はスイッチ素子Ｚ２に並列に接続されており、ダイオードＤ２のカソードは端子Ｎ４に接続され、ダイオードＤ２のアノードは端子Ｎ３に接続されている。ダイオードＤ３はスイッチ素子Ｚ３に並列に接続されており、ダイオードＤ３のカソードは端子Ｎ５に接続され、ダイオードＤ３のアノードは端子Ｎ６に接続されている。ダイオードＤ４はスイッチ素子Ｚ４に並列に接続されており、ダイオードＤ４のカソードは端子Ｎ８に接続され、ダイオードＤ４のアノードは端子Ｎ７に接続されている。
【００４２】
そして、ダイオードＤ１はスイッチ素子Ｚ１のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ１を保護している。ダイオードＤ２はスイッチ素子Ｚ２のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ２を保護している。ダイオードＤ３はスイッチ素子Ｚ３のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ３を保護している。ダイオードＤ４はスイッチ素子Ｚ４のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ４を保護している。
【００４３】
キャパシタＣ０は、昇降圧回路１０３が出力する直流電力を蓄える。入力スイッチ部１１は、端子Ｎ１および端子Ｎ３において受けた電力をキャパシタＣ１に供給するか否かを切り替える。出力スイッチ部１２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力をキャパシタＣ２および負荷２０３に供給するか否かを切り替える。キャパシタＣ２に蓄えられる電力は、負荷２０３へと供給される。
【００４４】
制御部１３は、制御信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４にそれぞれ出力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフを切り替える。この制御部１３のスイッチ制御により、入力スイッチ部１１では、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替える動作が行われ、出力スイッチ部１２では、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替える動作が行われる。
【００４５】
具体的には、電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１３の制御によって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオン状態であり、かつスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオフ状態である第１の期間と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の全てがオフ状態である第２の期間と、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオフ状態であり、かつスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオン状態である第３の期間と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の全てがオフ状態である第４の期間と、をこの順番で行う動作を１サイクルとし、このサイクルを繰り返し行う。このスイッチ動作の繰り返しにより、電力伝達用絶縁回路１０１は、昇降圧回路１０３および負荷２０３間を絶縁しながら、昇降圧回路１０３が出力した電力を負荷２０３に伝達する。
【００４６】
このようなスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフの切り替えにおいて、スイッチ素子に電流が流れている状態またはスイッチ素子に電圧が印加されている状態でスイッチ素子のオンオフを切り替えたとき、スイッチ素子にはスイッチング損失が発生する。このスイッチング損失は、各スイッチ素子のスイッチング時間のばらつき、およびスイッチ素子のオンオフを制御する制御信号の遅延等により、スイッチ素子ごとに偏りが発生することがある。なお、本実施の形態においては、スイッチ素子がオフからオンに遷移することを「立ち上がり」と称し、オンからオフに遷移することを「立ち下がり」と称するものとする。
【００４７】
図２は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２のスイッチング時間が異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。なお、本実施の形態において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、論理ハイレベルの制御信号Ｇ１〜Ｇ４が入力されることでオンし、論理ローレベルの制御信号Ｇ１〜Ｇ４が入力されることでオフするものとする。また、本発明の実施の形態においては、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４それぞれの両端に印加される電圧を両端電圧Ｖ１〜Ｖ４としている。スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２を通過する電流を通過電流Ｉ１とし、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４を通過する電流を通過電流Ｉ２としている。
【００４８】
図２を参照して、時刻Ｔ１において、制御部１３が出力する制御信号Ｇ１および制御信号Ｇ２は、論理ローレベルから論理ハイレベルに切り替わっている。ＩＧＢＴなどのトランジスタを用いたスイッチ素子においては、オフ状態とオン状態との切り替えを瞬時には行えず、オフ状態およびオン状態へは、ある程度の時間をかけて遷移していく。このスイッチ素子のオンオフの切り替えに要する時間は、スイッチング時間と呼ばれている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２は、時刻Ｔ１からそれぞれのスイッチング時間をかけて立ち上がる。図２においては、スイッチ素子Ｚ１よりもスイッチ素子Ｚ２の方が、スイッチング時間が長い場合を示している。よって、時刻Ｔ２においてスイッチ素子Ｚ１が先にオン状態への遷移が終了し、時刻Ｔ３においてスイッチ素子Ｚ２がオン状態への遷移が終了している。
【００４９】
また、時刻Ｔ４において、制御信号Ｇ１および制御信号Ｇ２は論理ハイレベルから論理ローレベルに切り替わっており、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２はそれぞれのスイッチング時間をかけて立ち下がる。よって、時刻Ｔ５においてスイッチ素子Ｚ１が先にオフ状態への遷移が終了し、時刻Ｔ６においてスイッチ素子Ｚ２がオフ状態への遷移が終了している。
【００５０】
そして、スイッチ素子がオン状態であるとき、スイッチ素子の両端は通電しているため、スイッチ素子の両端電圧は、ほぼ０となる。また、スイッチ素子がオフ状態であるとき、スイッチ素子の両端は絶縁されるので、スイッチ素子の両端電圧はスイッチ素子の入力側と出力側との電位差となる。スイッチ素子は、「立ち上がり」および「立ち下がり」の際、スイッチング時間をかけてオン状態からオフ状態、またはオフ状態からオン状態に切り替わるので、「立ち上がり」および「立ち下がり」の間、両端電圧はスイッチング時間をかけて連続的に変化する。
【００５１】
また、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２は、電力伝達用絶縁回路１０１における電流の往路と復路とに設置されたスイッチ対であるため、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２のいずれかがオフ状態であれば、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２を通過する電流である通過電流Ｉ１は流れない。つまり、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオン状態のとき、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２には、通過電流Ｉ１が流れる。したがって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方が立ち下がるとき、または立ち上がるとき、通過電流Ｉ１は連続的に変化する。
【００５２】
スイッチ素子に発生するスイッチング損失は、スイッチ素子の「立ち上がり」または「立ち下がり」の際の通過電流と両端電圧との積で表すことができる。つまり、図２において斜線部で表した面積に相当するスイッチング損失ＳＬ１〜ＳＬ４が、それぞれのスイッチ素子で発生していることになる。よって、スイッチ素子Ｚ１よりもスイッチ素子Ｚ２の方がスイッチング時間が長い場合、双方のスイッチ素子に対し同時に制御信号を入力したとしても、「立ち上がり」を行うとき、スイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ１よりスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ２の方が大きくなる。また、「立ち下がり」を行うとき、スイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ４よりスイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ３の方が大きくなる。このように、スイッチ素子のスイッチング時間にばらつきがあると、各スイッチ素子に発生する損失は等しくならず偏りが発生する。
【００５３】
また、電流の往路と復路とにスイッチ素子がそれぞれ配設されるスイッチ対において、スイッチング時間にばらつきがなければ、理想的にはスイッチ対の２つのスイッチ素子を、双方がオンである状態と双方がオフである状態とを同時に切り替えるようにするのが望ましい。しかし、実際の回路上では、制御部１３における制御信号を出力するドライバ回路の駆動および制御信号の伝達路における遅延などにより、それぞれのスイッチ素子に制御信号が入力するタイミングが同時にならない場合がある。これらの制御信号の入力タイミングを同時にするには、制御部における信号生成のタイミング制御などを細かく調整する必要があった。
【００５４】
図３は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２に対する制御信号の入力タイミングが異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。時刻Ｔ１において、制御部１３が出力する制御信号Ｇ１は論理ローレベルから論理ハイレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ１は、時刻Ｔ１からスイッチング時間をかけて立ち上がる。また、時刻Ｔ２において、制御信号Ｇ１よりも遅延した制御信号Ｇ２は論理ローレベルから論理ハイレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ２は、時刻Ｔ２からスイッチング時間をかけて立ち上がる。
【００５５】
また、時刻Ｔ４において、制御部１３が出力する制御信号Ｇ１は論理ハイレベルから論理ローレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ１は、時刻Ｔ４からスイッチング時間をかけて立ち下がる。また、時刻Ｔ５において、制御信号Ｇ１よりも遅延した制御信号Ｇ２は論理ハイレベルから論理ローレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ２は、時刻Ｔ５からスイッチング時間をかけて立ち下がる。
【００５６】
そして、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２を通過する通過電流Ｉ１は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオン状態であるときに流れるので、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオン制御される際、遅くオンするスイッチ素子Ｚ２の立ち上がりに応答して流れる。また、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオフ制御される際、早くオフするスイッチ素子Ｚ１の立ち下がりに応答して、通過電流Ｉ１は遮断される。
【００５７】
したがって、図３に示したタイミングでスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２に制御信号Ｇ１，Ｇ２が入力された場合は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオンする際に、先にオンしたスイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ１より後にオンしたスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ２の方が大きくなる。また、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオフする際に、後にオフしたスイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ４より先にオフしたスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ３の方が大きくなる。このように、制御信号の入力タイミングにずれがあると、各スイッチ素子に発生する損失は等しくならず偏りが発生する。
【００５８】
以上のように、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２において、スイッチング時間にばらつきがあったり、制御信号が同時に入力されなかったりすると、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ２とにおいて発生するスイッチング損失は等しくならず、偏りが発生してしまう。このスイッチング損失の偏りがある状態で、電力伝達用絶縁回路１０１において電力の伝達を行うと、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ２とのうち、スイッチング損失が大きい方のスイッチ素子がより大きく発熱し高温となってしまう。高温となった方のスイッチ素子は耐久時間の減少および誤作動などが生じる可能性がある。また、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ２とで例示して説明したが、出力スイッチ部１２のスイッチ素子Ｚ３とスイッチ素子Ｚ４とにおいても、同様にスイッチング損失の偏りは発生する可能性がある。
【００５９】
そこで、本発明においては、スイッチング損失の偏りを抑制するために、制御部１３が入力スイッチ制御および出力スイッチ制御の少なくとも一方を行う。具体的には、入力スイッチ制御は、制御部１３が制御信号Ｇ１および制御信号Ｇ２をスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２にそれぞれ入力するタイミングを、所定の時間だけずらす。この入力スイッチ制御は、入力オフ制御および入力オン制御の少なくとも一方を行うものである。
【００６０】
入力オフ制御とは、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオン状態からオフ状態にする際に、スイッチ素子Ｚ１をスイッチ素子Ｚ２より早くオフする第１入力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ２をスイッチ素子Ｚ１より早くオフする第２入力スイッチ制御とを行うものである。
【００６１】
入力オン制御とは、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオフ状態からオン状態にする際に、スイッチ素子Ｚ１をスイッチ素子Ｚ２より遅くオンする第３入力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ２をスイッチ素子Ｚ１より遅くオンする第４入力スイッチ制御とを行うものである。
【００６２】
また、出力スイッチ制御は、制御部１３が制御信号Ｇ３および制御信号Ｇ４をスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４に入力するタイミングを、所定の時間だけずらす。この出力スイッチ制御は、出力オフ制御および出力オン制御の少なくとも一方を行うものである。
【００６３】
出力オフ制御とは、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方をオン状態からオフ状態にする際に、スイッチ素子Ｚ３をスイッチ素子Ｚ４より早くオフする第１出力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ４をスイッチ素子Ｚ３より早くオフする第２出力スイッチ制御とを行うものである。
【００６４】
出力オン制御とは、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方をオフ状態からオン状態にする際に、スイッチ素子Ｚ３をスイッチ素子Ｚ４より遅くオンする第３出力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ４をスイッチ素子Ｚ３より遅くオンする第４出力スイッチ制御とを行うものである。
【００６５】
図４は、入力スイッチ制御の一例を示したタイムチャートである。制御部１３が出力する制御信号Ｇ１，Ｇ２は、それぞれ論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移し、その後論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移している。つまり、制御信号Ｇ１，Ｇ２はパルス状の信号となっており、図４においては、制御信号Ｇ１，Ｇ２は二回のパルスを含んでいる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２はオフ状態からオン状態への切り替えと、オン状態からオフ状態への切り替えとが２回行われている。このとき、制御部１３は、入力スイッチ制御として、第４入力スイッチ制御と、第１入力スイッチ制御と、第３入力スイッチ制御と、第２入力スイッチ制御とを、この順番で行っている。
【００６６】
具体的には、まず、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオンするときに第４入力スイッチ制御を行う。この第４入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ１において制御信号Ｇ１が論理ハイレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ２において制御信号Ｇ２が論理ハイレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ１がオンしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ２がオンする。この第４入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ１は、スイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ２より小さいものとなる。
【００６７】
次に、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオフするときに第１入力スイッチ制御を行う。この第１入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ４において制御信号Ｇ１が論理ローレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ６において制御信号Ｇ２が論理ローレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ１がオフしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ２がオフする。この第１入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ４は、スイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ３より小さいものとなる。
【００６８】
次に、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオンするときに第３入力スイッチ制御を行う。この第３入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ７において制御信号Ｇ２が論理ハイレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ８において制御信号Ｇ１が論理ハイレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ２がオンしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ１がオンする。この第３入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ６は、スイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ５よりも小さいものとなる。
【００６９】
次に、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオフするときに第２入力スイッチ制御を行う。この第２入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ１０において制御信号Ｇ２が論理ローレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ１２において制御信号Ｇ２が論理ローレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ２がオフしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ１がオフする。この第２入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ７は、スイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ８よりも小さいものとなる。
【００７０】
これらの入力スイッチ制御によって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２のオン状態およびオフ状態を切り替えるタイミングを、所定の時間ずらすことができる。すなわち、一方のスイッチ素子が立ち上がってから他方のスイッチ素子を立ち上げたり、一方のスイッチ素子が立ち下がってから他方のスイッチ素子を立ち下げたりすることで、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御することが可能である。
【００７１】
なお、制御信号のパルスが数マイクロ秒程度の時間だけ論理ハイレベルを維持するパルスであった場合、上記所定の時間は、たとえば数百ナノ秒程度である。また、図４においては、当該所定の時間がスイッチ素子のスイッチング時間よりも長い場合を例示したが、所定の時間はスイッチ素子のスイッチング時間より短くてもよく、一方のスイッチ素子が完全に立ち上がる前に、他方スイッチ素子が立ち上がり始めてもよいし、一方のスイッチ素子が完全に立ち下がる前に、他方のスイッチ素子が立ち下がってもよい。
【００７２】
そして、入力スイッチ制御においては、各スイッチ素子のオンオフを切り替えるタイミングのずれは、所定の時間に維持されているので、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とにおいて、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２が対称的な動作を行う。また、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とにおいて、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２が対称的な動作を行う。よって、入力オン制御を行うことで、スイッチング損失ＳＬ１およびスイッチング損失ＳＬ５の和と、スイッチング損失ＳＬ２およびスイッチング損失６の和とは、ほぼ等しくなる。また、入力オフ制御を行うことで、スイッチング損失ＳＬ３およびスイッチング損失ＳＬ７の和と、スイッチング損失ＳＬ４およびスイッチング損失ＳＬ８の和とは、ほぼ等しくなる。
【００７３】
したがって、電力伝達用絶縁回路１０１において、入力オン制御および入力オフ制御の少なくとも一方を行えば、入力スイッチ部１１のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りが抑制される。そして、入力スイッチ制御において、入力オン制御と入力オフ制御との双方を行えば、入力スイッチ部１１のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りがさらに抑制される。
【００７４】
また、図４においては入力スイッチ制御の説明を行ったが、同様に、制御部１３が出力スイッチ制御の出力オン制御および出力オフ制御の少なくとも一方を行えば、出力スイッチ部１２のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りが抑制される。そして、出力スイッチ制御において、出力オン制御と出力オフ制御との双方を行えば、出力スイッチ部１２のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りがさらに抑制される。そして、電力伝達用絶縁回路１０１において、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行えば、さらにスイッチング損失の偏りが抑制される。
【００７５】
図５は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例１を示したタイムチャートである。制御例１においては、第４入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、第２出力スイッチ制御、第３入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、および第１出力スイッチ制御をこの順番に繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返すスイッチ制御が行われている。
【００７６】
制御例１のスイッチ制御においては、制御部１３が、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオンである第１の期間の長さと、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオンである第３の期間の長さとが、それぞれ一定となるように、各スイッチ素子の制御を行っている。図５においては、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の間、および時刻Ｔ９から時刻Ｔ１０の間が第１の期間であり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８の間、および時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２の間が第３の期間である。
【００７７】
すなわち、制御例１では、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に第１の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に次の第１の期間が開始される。また、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に第３の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の第３の期間が開始される。
【００７８】
つまり、制御例１では、入力オン制御において第４入力スイッチ制御と第３入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００７９】
また、制御例１においては、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間において、第２入力スイッチ制御によって第１の期間が終了した後、第３出力スイッチ制御によって第３の期間が開始されている。よって、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ３とが双方オフ状態である期間ＴＢは、第２の期間と第３出力スイッチ制御においてスイッチ素子Ｚ４がオンになるタイミングを早める上記所定の時間とを足し合わせた時間に相当する。また、スイッチ素子Ｚ２とスイッチ素子Ｚ４とが双方オフ状態である期間ＴＡは、第２の期間と第２入力スイッチ制御においてスイッチ素子Ｚ１がオフになるタイミングを遅らせる上記所定の時間とを足し合わせた時間に相当する。したがって、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間において、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ３とが双方オフである期間、およびスイッチ素子Ｚ２とスイッチ素子Ｚ４とが双方オフである期間は、第２の期間とスイッチングのタイミングをずらす所定の時間とを足し合わせた時間だけ確保される。
【００８０】
同様に、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の間において、出力スイッチ制御によって第３の期間が終了した後、第３入力スイッチ制御によって第１の期間が開始されている。スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ３とが双方オフである期間ＴＤ、およびスイッチ素子Ｚ２とスイッチ素子Ｚ４とが双方オフである期間ＴＣは、第４の期間とスイッチングのタイミングをずらす所定の時間とを足し合わせた時間だけ確保される。したがって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ３が双方オフ状態である期間の長さと、スイッチ素子Ｚ２およびスイッチ素子Ｚ４が双方オフ状態である期間の長さとが、一定に保たれる。これらの期間により、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間を絶縁するために必要な、電力を伝達しない時間が確保される。
【００８１】
また、本発明において、入力スイッチ制御および出力スイッチ制御を行う際の各スイッチ素子の制御の順番は、制御例１に示した順番に限定されるものではない。本発明においては、下記に示す制御例２または制御例３のような順番で制御を行ってもよいし、入力オン制御、入力オフ制御、出力オン制御、および出力オフ制御の少なくとも一つを行い、スイッチ素子におけるスイッチング損失の偏りを抑制できる制御を行うものであればよい。
【００８２】
図６は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例２を示したタイムチャートである。制御例２においては、第４入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、第１出力スイッチ制御、第３入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、および第２出力スイッチ制御をこの順番で繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返す。制御例２における第１の期間から第４の期間のサイクルについては、制御例１と同様である。
【００８３】
制御例２では、入力オン制御において第４入力スイッチ制御と第３入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００８４】
図７は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例３を示したタイムチャートである。制御例３においては、第４入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、第２出力スイッチ制御、第３入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、および第１出力スイッチ制御をこの順番に繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返す。制御例３における第１の期間から第４の期間のサイクルについては、制御例１と同様である。
【００８５】
制御例３では、入力オン制御において第４入力スイッチ制御と第３入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００８６】
以上のように、入力オン制御、入力オフ制御、出力オン制御、および出力オフ制御の少なくとも一つを行うことで、電力伝達用絶縁回路１０１は、各スイッチ素子におけるスイッチング損失の偏りを抑制することができる。よって、各スイッチ素子における発熱量の偏りも抑制され、いずれかのスイッチ素子のみが大きな発熱をすることを防ぐことができる。したがって、いずれかのスイッチ素子だけが高温となることでスイッチ素子の耐久時間が減少したり、誤作動をしたりするのを防ぎ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００８７】
また、入力オン制御および入力オフ制御の双方を行えば、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２におけるスイッチング損失の偏りがさらに抑制され、当該スイッチ素子での発熱の偏りを抑えることができる。出力オン制御および出力オフ制御の双方を行えば、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４におけるスイッチング損失の偏りがさらに抑制され、当該スイッチ素子での発熱の偏りを抑えることができる。
【００８８】
また、電力伝達用絶縁回路１０１によって昇降圧回路１０３が出力した電力を負荷２０３に伝達する際、昇降圧回路１０３が出力した電力をキャパシタＣ１に供給する第１の期間と、キャパシタＣ１に蓄えた電力を負荷２０３に供給する第３の期間との間に、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４を全てオフにする第２の期間および第４の期間を設ける。よって、各スイッチ素子の制御において、制御信号Ｇ１〜Ｇ４が入力されてからスイッチ素子の立ち下がりおよび立ち上がりに時間がかかり、オンオフの切り替えが瞬時に行えない場合にでも、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間の絶縁を確保することができる。
【００８９】
さらに、制御例１のスイッチ制御を行った場合には、制御部１３が制御信号Ｇ１〜Ｇ４の信号パルス幅を制御しながら、期間ＴＡ〜ＴＤの長さを一定に保つことができる。よって、入力スイッチ制御および出力スイッチ制御においてスイッチ素子への制御信号をずらす所定の時間の長さが一定であっても、第２の期間と第４の期間とを適切に確保できるので、スイッチ制御の周期を変動させずに動作させることができる。したがって、制御部１３が行うスイッチ制御を簡単にすることが可能である。
【００９０】
なお、制御を簡単にするためのスイッチ制御は、制御例１のスイッチ制御に限られるものではなく、例えば、第３入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、第１出力スイッチ制御、第４入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、および第２出力スイッチ制御をこの順番に繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返す制御例４のようなスイッチ制御であってもよい。図８は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例４を示したタイムチャートである。
【００９１】
制御例４のスイッチ制御においては、制御部１３が、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオンである第１の期間の長さと、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオンである第３の期間の長さとが、それぞれ一定となるように、各スイッチ素子の制御を行っている。
【００９２】
すなわち、制御例４では、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に第１の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の第１の期間が開始される。また、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に第３の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に次の第３の期間が開始される。
【００９３】
したがって、制御例４では、入力オン制御において第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第４出力スイッチ制御と第３出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００９４】
制御例４は、制御例１と同様に、期間ＴＡ〜ＴＤの長さを一定に保つことができる。よって、入力スイッチ制御および出力スイッチ制御におけるスイッチ素子への制御信号をずらす所定の時間の長さが一定であっても、第２の期間と第４の期間とを適切に確保できるので、スイッチ制御の周期を変動させずに動作させることができる。したがって、制御部１３が行うスイッチ制御を簡単にすることが可能である。
【００９５】
なお、本発明の実施の形態においては、入力オフ制御を行う際、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを交互に行い、かつ入力オン制御を行う際、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを交互に行い、かつ出力オフ制御を行う際、第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを交互に行い、かつ出力オン制御を行う際、第３出力スイッチ制御を第４出力スイッチ制御とを交互に行うことで、それらのスイッチ制御の頻度を均一化し、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失の平均化およびスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失の平均かを行う制御の例を説明している。しかし、本発明においては、必ずしもそれぞれのスイッチ制御を交互に行う必要はない。
【００９６】
つまり、入力オフ制御を行う場合には、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。入力オン制御を行う場合には、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。出力オフ制御を行う場合には、第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。出力オン制御を行う場合には、第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。
【００９７】
また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４がＩＧＢＴである構成を例示したが、本発明においてスイッチ素子はＩＧＢＴに限らず、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の他のスイッチ素子であってもよい。
【００９８】
また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１は、蓄電素子としてキャパシタＣ０〜Ｃ２を備える構成を例示したが、本発明において蓄電素子はキャパシタに限らず、コイル（インダクタ）等の他の蓄電素子であってもよい。
【００９９】
また、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり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、上記した意味ではなく、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。
【符号の説明】
【０１００】
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｚ１〜Ｚ４ スイッチ素子
１１ 入力スイッチ部
１２ 出力スイッチ部
１３ 制御部
１０１ 電力伝達用絶縁回路
１０２ 整流部
１０３ 昇降圧回路
２０１ 電力変換装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置、またはそれらに用いられる電力伝達回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
すなわち、電気自動車およびプラグイン方式のハイブリッドカーの特長の一つは、家庭用コンセント等の外部電源を用いて主電池である車載バッテリを充電できることである。そして、ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの家庭用コンセントを用いて車載バッテリを充電するには、交流電圧（ＡＣ）をバッテリ用の直流電圧（ＤＣ）に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータが必要となる。
【０００４】
このようなＡＣ／ＤＣコンバータにおいては、安全対策上、入力側と出力側とを絶縁するのが望ましい。しかしながら、入力側と出力側との絶縁を行うために絶縁トランスを用いた場合、絶縁トランスのコイル部品などの体積および重量が大きいので、ＡＣ／ＤＣコンバータの大型化および重量化を招くことになる。
【０００５】
このような課題を解決するための構成として、下記特許文献１には、絶縁トランスを用いずに入力側と出力側との絶縁を行うＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、電源側の入力電圧を変圧して負荷側に出力するＤＣ／ＤＣコンバータであって、直流電源電圧が充電される第１キャパシタと、第１キャパシタに充電された電荷が放電される第２キャパシタと、第１キャパシタの両側に接続される２つのスイッチ素子と、第２キャパシタの両側に接続される２つのスイッチ素子と、負荷側に流れる電流を平滑化するリアクトルと、を備える。
【０００６】
下記特許文献１に記載の構成を用いれば、これら４つのスイッチ素子を用いて回路を絶縁することができ、第１キャパシタが充放電する電荷の移動によって入力側から出力側に電力の伝達を行うことが可能である。このスイッチ素子を用いて入力側と出力側とを絶縁する電力伝達用絶縁回路は、交流電圧から直流電圧への電力変換を行う場合においても用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２２３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の電力伝達用絶縁回路は、対になった２つのスイッチ素子を含む入力側のスイッチ部と、対になった２つのスイッチ素子を含む出力側のスイッチ部とを備えており、これらスイッチ部が備えるスイッチ対のオンオフを制御することにより、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する。このスイッチ対のオンオフの制御において、理想的には双方のスイッチ素子を同時にオンオフするべきであるが、スイッチ素子を制御する信号の遅延およびスイッチ素子におけるスイッチング時間のばらつきなどにより、双方のスイッチ素子のオンオフを完全に同時にすることは難しい。よって、２つのスイッチ素子におけるオンオフのタイミングがずれてしまい、片方のスイッチ素子にスイッチング損失が偏って発生することになる。
【０００９】
そして、各スイッチ素子においてスイッチング損失に偏りがあると、一方のスイッチ素子が他方のスイッチ素子より大きく発熱してしまう。よって、一方のスイッチ素子が他方のスイッチ素子と比べ高温となり、高温となった方のスイッチ素子は耐久時間の減少および誤作動などが生じる可能性があった。また、高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要があり、放熱部品の大型化および高価格化を招いていた。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、各スイッチ素子の損失の偏りを抑制することにより、スイッチ素子の信頼性を向上させ、放熱部品の簡素化が可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置、またはそれらに用いられる電力伝達回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様に係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端において受けた入力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端と電気的に接続された第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端と電気的に接続された第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負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記入力電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、入力スイッチ部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、入力電力が蓄電素子に供給されるか否かを切り替える。出力スイッチ部は、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、蓄電素子に蓄えられた電力を負荷に供給するか否かを切り替える。そして、制御部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御と、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御とを行う。よって、入力スイッチ制御においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、入力スイッチ部が蓄電素子に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。また、出力スイッチ制御においては、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。したがって、一つのスイッチ素子に損失が集中して発生しないように入力スイッチ制御および出力スイッチ制御を行えば、入力電力を供給する電源と負荷との絶縁を確保しながら電源側から負荷に電力の伝達を行う際に、各スイッチ素子における発熱量の偏りを抑制し、一つのスイッチ素子だけが高温となる状態を防ぐことができる。そして、スイッチ素子の温度上昇が抑制できるので、スイッチ素子の耐久時間の減少および誤動作などが生じる可能性を低減させ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力スイッチ制御において、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１入力スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２入力スイッチ制御と、を行う入力オフ制御、または前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３入力スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４入力スイッチ制御と、を行う入力オン制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部が第１入力スイッチ制御を行えば、第２のスイッチ素子より第１のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第２入力スイッチ制御を行えば、第１のスイッチ素子より第２のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第３入力スイッチ制御を行えば、第２のスイッチ素子より第１のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第４入力スイッチ制御を行えば、第１のスイッチ素子より第２のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。よって、入力オフ制御において第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを同頻度で行えば、入力スイッチ部が蓄電素子への電力の供給を終了する際に第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能である。また、入力オン制御において第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを同頻度で行えば、入力スイッチ部が蓄電素子への電力の供給を開始する際に第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力オフ制御と前記入力オン制御との双方を行うことを特徴とする。
【００１６】
第３の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部は、入力オフ制御と入力オン制御との双方を行うので、入力オフ制御において第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを同頻度で行い、かつ入力オン制御において第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを同頻度で行えば、入力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を平均化することが可能となる。
【００１７】
本発明の第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第２または第３の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力オフ制御を行う場合には、前記第１入力スイッチ制御と前記第２入力スイッチ制御とを交互に行い、前記入力オン制御を行う場合には、前記第３入力スイッチ制御と前記第４入力スイッチ制御とを交互に行うことを特徴とする。
【００１８】
第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、入力オフ制御を行う場合に、制御部が第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを交互に行うので、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御との頻度が均一化し、入力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。また、入力オン制御を行う場合に、制御部が第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを交互に行うので、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御との頻度が均一化し、入力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。
【００１９】
本発明の第５の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１から第４のいずれか一つの態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記出力スイッチ制御において、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より早くオフする第１出力スイッチ制御と、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より早くオフする第２出力スイッチ制御と、を行う出力オフ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より遅くオンする第３出力スイッチ制御と、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より遅くオンする第４出力スイッチ制御と、を行う出力オン制御を行うことを特徴とする。
【００２０】
第５の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部が第１出力スイッチ制御を行えば、第４のスイッチ素子より第３のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第２出力スイッチ制御を行えば、第３のスイッチ素子より第４のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第３出力スイッチ制御を行えば、第４のスイッチ素子より第３のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。制御部が第４出力スイッチ制御を行えば、第３のスイッチ素子より第４のスイッチ素子の方に、スイッチング損失が多く発生する。よって、出力オフ制御において第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを同頻度で行えば、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷への電力の供給を終了する際に第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能である。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを同頻度で行えば、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷への電力の供給を開始する際に第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能となる。
【００２１】
本発明の第６の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第５の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記出力オフ制御と前記出力オン制御との双方を行うことを特徴とする。
【００２２】
第６の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部は、出力オフ制御と出力オン制御との双方を行うので、出力オフ制御において第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを同頻度で行い、かつ出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを同頻度で行えば、出力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を平均化することが可能となる。
【００２３】
本発明の第７の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第５または第６の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記出力オフ制御を行う場合には、前記第１出力スイッチ制御と前記第２出力スイッチ制御とを交互に行い、前記出力オン制御を行う場合には、前記第３出力スイッチ制御と前記第４出力スイッチ制御とを交互に行うことを特徴とする。
【００２４】
第７の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、出力オフ制御を行う場合に、制御部が第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを交互に行うので、第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御との頻度が均一化し、出力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。また、出力オン制御を行う場合に、制御部が第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に行うので、第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御との頻度が均一化し、出力スイッチ部の各スイッチ素子において発生するスイッチング損失を適切に平均化することが可能となる。
【００２５】
本発明の第８の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１から第７のいずれか一つの態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記入力スイッチ部における前記各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前記各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３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すことを特徴とする。
【００２６】
第８の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、入力電力の電源と蓄電素子とが通電する第１の期間と、蓄電素子と負荷とが通電する第３の期間とを切り替えることで、電源と負荷とを絶縁しながら、電源から負荷への電力の伝達を行う。そして、第１の期間と第３の期間とを切り替える際には、第１の期間と第３の期間との間に、入力スイッチ部および出力スイッチ部の各スイッチ素子がすべてオフである第２の期間および第４の期間を設けるので、スイッチ素子のオンオフが瞬時に切り替わらず立ち上がりおよび立ち下がりに時間がかかる場合にも、確実に電源と負荷との絶縁を確保することが可能となる。
【００２７】
本発明の第９の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第８の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記制御部は、前記第１の期間の長さおよび前記第３の期間の長さがそれぞれ一定となるように制御し、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第１の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第１の期間が開始され、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第３の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第１のオンオフ制御、または前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第１の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第１の期間が開始され、前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第３の期間が開始され、当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第２のオンオフ制御を行うことを特徴とする。
【００２８】
第９の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、制御部は、第１の期間と第３の期間とがそれぞれ一定となるように各スイッチ素子を制御する。そして、第１のオンオフ制御または第２のオンオフ制御を行えば、第１のスイッチ素子と第３のスイッチ素子との双方がオフである期間、および第２のスイッチ素子と第４のスイッチ素子との双方がオフである期間を一定に保ちながら、入力電源側と負荷との絶縁を確保しつつ電源から負荷への電力の伝達を行うことができる。したがって、スイッチ素子の制御の周期を変動させずに動作させることができるので、制御部が行うスイッチ制御を簡易にすることが可能である。
【００２９】
本発明の第１０の態様に係る電力変換装置は、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、前記交流電力を整流するための整流部と、前記整流部によって整流された電力を昇圧または降圧するための昇降圧回路と、前記昇降圧回路および前記負荷間を絶縁しながら、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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、前記昇降圧回路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、および前記昇降圧回路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、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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端と前記負荷との間に接続された第３のスイッチ素子、および前記蓄電素子の第２端と前記負荷との間に接続された第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前記負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、を含み、前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行うことを特徴とする。
【００３０】
第１０の態様に係る電力変換装置によれば、電力変換装置が備える電力伝達用絶縁回路は、昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を受けて、昇降圧回路と負荷との間を絶縁しながら、昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を負荷に伝達する。この電力伝達において、入力スイッチ部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力が蓄電素子に供給されるか否かを切り替える。出力スイッチ部は、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、蓄電素子に蓄えられた電力を負荷に供給するか否かを切り替える。そして、制御部は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御と、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子をオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御とを行う。よって、入力スイッチ制御においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、入力スイッチ部が蓄電素子に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。また、出力スイッチ制御においては、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらかが先にオンまたはオフするかを制御できるため、出力スイッチ部が蓄電素子から負荷に電力の供給をするか否かを切り替える際に、第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御できる。したがって、一つのスイッチ素子に損失が集中して発生しないように入力スイッチ制御および出力スイッチ制御を行えば、電力伝達を行う際の各スイッチ素子における発熱量の偏りを抑制し、一つのスイッチ素子だけが高温となる状態を防ぐことができる。そして、スイッチ素子の温度上昇が抑制できるので、スイッチ素子の耐久時間の減少および誤動作などが生じる可能性を低減させ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００３１】
本発明の第１１の態様に係る電力伝達回路は、第１端および第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端において受けた入力電力を、前記第１のスイッチ素子の第２端および前記第２のスイッチ素子の第２端から出力するためのスイッチ対と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子のオンオフをそれぞれ制御するスイッチ制御を行うための制御部と、を備え、前記制御部は、前記スイッチ制御において、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２スイッチ制御と、を行う入力オフ制御、または前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３スイッチ制御と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４スイッチ制御と、を行う入力オン制御を行うことを特徴とする。
【００３２】
第１１の態様に係る電力伝達回路によれば、スイッチ対は、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替えることで、入力電力が出力されるか否かを切り替える。そして、制御部が第１スイッチ制御を行えば、第２のスイッチ素子より第１のスイッチ素子の方にスイッチング損失が多く発生する。制御部が第２スイッチ制御を行えば、第１のスイッチ素子より第２のスイッチ素子の方にスイッチング損失が多く発生する。よって、スイッチ制御において第１スイッチ制御と第２スイッチ制御とを同頻度で行えば、スイッチ対が入力電力を出力する際に第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子にて発生するスイッチング損失の偏りを抑制することが可能である。したがって、スイッチング損失によって発生する発熱により、一つのスイッチ素子だけが他のスイッチ素子より高温となるのを防ぐことができる。そして、スイッチ素子の温度上昇が抑制できるので、スイッチ素子の耐久時間の減少および誤動作などが生じる可能性を低減させ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、各スイッチ素子の損失の偏りを抑制することにより、スイッチ素子の信頼性を向上させ、放熱部品の簡素化が可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置、またはそれらに用いられる電力伝達回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置を概略的に示した図である。
【図２】スイッチ素子のスイッチング時間が異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。
【図３】スイッチ素子に対する制御信号の入力タイミングが異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。
【図４】入力スイッチ制御の一例を示したタイムチャートである。
【図５】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例１を示したタイムチャートである。
【図６】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例２を示したタイムチャートである。
【図７】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例３を示したタイムチャートである。
【図８】入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例４を示したタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一または相応する要素を示すものとする。
【００３６】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置２０１を概略的に示した図である。電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１、整流部１０２、および昇降圧回路１０３を備えて構成されている。電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０〜Ｃ２、ダイオードＤ１〜Ｄ４、入力スイッチ部１１、出力スイッチ部１２、および制御部１３を含む。電力伝達回路である入力スイッチ部１２は、対になるスイッチであるスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。電力伝達回路である出力スイッチ部１２は、対になるスイッチであるスイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、たとえば同種のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００３７】
電力変換装置２０１は、交流電源２０２から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。負荷２０３は、例えば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用のバッテリである。
【００３８】
整流部１０２は、例えば、ダイオードブリッジを含み、交流電源２０２から受けた交流電力を全波整流して昇降圧回路１０３へ出力する。
【００３９】
昇降圧回路１０３は、整流部１０２によって全波整流された電力を昇圧または降圧することにより任意の電圧レベルの直流電力に変換し、電力伝達用絶縁回路１０１へ出力する。
【００４０】
スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端に接続された第１端である端子Ｎ１、およびキャパシタＣ１の第１端に接続された第２端である端子Ｎ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端に接続された第１端である端子Ｎ３、およびキャパシタＣ１の第２端に接続された第２端である端子Ｎ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、キャパシタＣ１の第１端に接続された第１端である端子Ｎ５、およびキャパシタＣ２の第１端に接続された第２端である端子Ｎ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、キャパシタＣ１の第２端に接続された第１端である端子Ｎ７、およびキャパシタＣ２の第２端に接続された第２端である端子Ｎ８を有する。
【００４１】
ダイオードＤ１はスイッチ素子Ｚ１に並列に接続されており、ダイオードＤ１のカソードは端子Ｎ１に接続され、ダイオードＤ１のアノードは端子Ｎ２に接続されている。ダイオードＤ２はスイッチ素子Ｚ２に並列に接続されており、ダイオードＤ２のカソードは端子Ｎ４に接続され、ダイオードＤ２のアノードは端子Ｎ３に接続されている。ダイオードＤ３はスイッチ素子Ｚ３に並列に接続されており、ダイオードＤ３のカソードは端子Ｎ５に接続され、ダイオードＤ３のアノードは端子Ｎ６に接続されている。ダイオードＤ４はスイッチ素子Ｚ４に並列に接続されており、ダイオードＤ４のカソードは端子Ｎ８に接続され、ダイオードＤ４のアノードは端子Ｎ７に接続されている。
【００４２】
そして、ダイオードＤ１はスイッチ素子Ｚ１のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ１を保護している。ダイオードＤ２はスイッチ素子Ｚ２のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ２を保護している。ダイオードＤ３はスイッチ素子Ｚ３のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ３を保護している。ダイオードＤ４はスイッチ素子Ｚ４のスイッチングにより発生する逆流電流からスイッチ素子Ｚ４を保護している。
【００４３】
キャパシタＣ０は、昇降圧回路１０３が出力する直流電力を蓄える。入力スイッチ部１１は、端子Ｎ１および端子Ｎ３において受けた電力をキャパシタＣ１に供給するか否かを切り替える。出力スイッチ部１２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力をキャパシタＣ２および負荷２０３に供給するか否かを切り替える。キャパシタＣ２に蓄えられる電力は、負荷２０３へと供給される。
【００４４】
制御部１３は、制御信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４にそれぞれ出力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフを切り替える。この制御部１３のスイッチ制御により、入力スイッチ部１１では、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替える動作が行われ、出力スイッチ部１２では、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオンである状態と双方がオフである状態とを切り替える動作が行われる。
【００４５】
具体的には、電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１３の制御によって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオン状態であり、かつスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオフ状態である第１の期間と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の全てがオフ状態である第２の期間と、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオフ状態であり、かつスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオン状態である第３の期間と、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の全てがオフ状態である第４の期間と、をこの順番で行う動作を１サイクルとし、このサイクルを繰り返し行う。このスイッチ動作の繰り返しにより、電力伝達用絶縁回路１０１は、昇降圧回路１０３および負荷２０３間を絶縁しながら、昇降圧回路１０３が出力した電力を負荷２０３に伝達する。
【００４６】
このようなスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフの切り替えにおいて、スイッチ素子に電流が流れている状態またはスイッチ素子に電圧が印加されている状態でスイッチ素子のオンオフを切り替えたとき、スイッチ素子にはスイッチング損失が発生する。このスイッチング損失は、各スイッチ素子のスイッチング時間のばらつき、およびスイッチ素子のオンオフを制御する制御信号の遅延等により、スイッチ素子ごとに偏りが発生することがある。なお、本実施の形態においては、スイッチ素子がオフからオンに遷移することを「立ち上がり」と称し、オンからオフに遷移することを「立ち下がり」と称するものとする。
【００４７】
図２は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２のスイッチング時間が異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。なお、本実施の形態において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４は、論理ハイレベルの制御信号Ｇ１〜Ｇ４が入力されることでオンし、論理ローレベルの制御信号Ｇ１〜Ｇ４が入力されることでオフするものとする。また、本発明の実施の形態においては、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４それぞれの両端に印加される電圧を両端電圧Ｖ１〜Ｖ４としている。スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２を通過する電流を通過電流Ｉ１とし、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４を通過する電流を通過電流Ｉ２としている。
【００４８】
図２を参照して、時刻Ｔ１において、制御部１３が出力する制御信号Ｇ１および制御信号Ｇ２は、論理ローレベルから論理ハイレベルに切り替わっている。ＩＧＢＴなどのトランジスタを用いたスイッチ素子においては、オフ状態とオン状態との切り替えを瞬時には行えず、オフ状態およびオン状態へは、ある程度の時間をかけて遷移していく。このスイッチ素子のオンオフの切り替えに要する時間は、スイッチング時間と呼ばれている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２は、時刻Ｔ１からそれぞれのスイッチング時間をかけて立ち上がる。図２においては、スイッチ素子Ｚ１よりもスイッチ素子Ｚ２の方が、スイッチング時間が長い場合を示している。よって、時刻Ｔ２においてスイッチ素子Ｚ１が先にオン状態への遷移が終了し、時刻Ｔ３においてスイッチ素子Ｚ２がオン状態への遷移が終了している。
【００４９】
また、時刻Ｔ４において、制御信号Ｇ１および制御信号Ｇ２は論理ハイレベルから論理ローレベルに切り替わっており、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２はそれぞれのスイッチング時間をかけて立ち下がる。よって、時刻Ｔ５においてスイッチ素子Ｚ１が先にオフ状態への遷移が終了し、時刻Ｔ６においてスイッチ素子Ｚ２がオフ状態への遷移が終了している。
【００５０】
そして、スイッチ素子がオン状態であるとき、スイッチ素子の両端は通電しているため、スイッチ素子の両端電圧は、ほぼ０となる。また、スイッチ素子がオフ状態であるとき、スイッチ素子の両端は絶縁されるので、スイッチ素子の両端電圧はスイッチ素子の入力側と出力側との電位差となる。スイッチ素子は、「立ち上がり」および「立ち下がり」の際、スイッチング時間をかけてオン状態からオフ状態、またはオフ状態からオン状態に切り替わるので、「立ち上がり」および「立ち下がり」の間、両端電圧はスイッチング時間をかけて連続的に変化する。
【００５１】
また、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２は、電力伝達用絶縁回路１０１における電流の往路と復路とに設置されたスイッチ対であるため、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２のいずれかがオフ状態であれば、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２を通過する電流である通過電流Ｉ１は流れない。つまり、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオン状態のとき、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２には、通過電流Ｉ１が流れる。したがって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方が立ち下がるとき、または立ち上がるとき、通過電流Ｉ１は連続的に変化する。
【００５２】
スイッチ素子に発生するスイッチング損失は、スイッチ素子の「立ち上がり」または「立ち下がり」の際の通過電流と両端電圧との積で表すことができる。つまり、図２において斜線部で表した面積に相当するスイッチング損失ＳＬ１〜ＳＬ４が、それぞれのスイッチ素子で発生していることになる。よって、スイッチ素子Ｚ１よりもスイッチ素子Ｚ２の方がスイッチング時間が長い場合、双方のスイッチ素子に対し同時に制御信号を入力したとしても、「立ち上がり」を行うとき、スイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ１よりスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ２の方が大きくなる。また、「立ち下がり」を行うとき、スイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ４よりスイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ３の方が大きくなる。このように、スイッチ素子のスイッチング時間にばらつきがあると、各スイッチ素子に発生する損失は等しくならず偏りが発生する。
【００５３】
また、電流の往路と復路とにスイッチ素子がそれぞれ配設されるスイッチ対において、スイッチング時間にばらつきがなければ、理想的にはスイッチ対の２つのスイッチ素子を、双方がオンである状態と双方がオフである状態とを同時に切り替えるようにするのが望ましい。しかし、実際の回路上では、制御部１３における制御信号を出力するドライバ回路の駆動および制御信号の伝達路における遅延などにより、それぞれのスイッチ素子に制御信号が入力するタイミングが同時にならない場合がある。これらの制御信号の入力タイミングを同時にするには、制御部における信号生成のタイミング制御などを細かく調整する必要があった。
【００５４】
図３は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２に対する制御信号の入力タイミングが異なる場合に発生するスイッチング損失の大きさを表した一例である。時刻Ｔ１において、制御部１３が出力する制御信号Ｇ１は論理ローレベルから論理ハイレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ１は、時刻Ｔ１からスイッチング時間をかけて立ち上がる。また、時刻Ｔ２において、制御信号Ｇ１よりも遅延した制御信号Ｇ２は論理ローレベルから論理ハイレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ２は、時刻Ｔ２からスイッチング時間をかけて立ち上がる。
【００５５】
また、時刻Ｔ４において、制御部１３が出力する制御信号Ｇ１は論理ハイレベルから論理ローレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ１は、時刻Ｔ４からスイッチング時間をかけて立ち下がる。また、時刻Ｔ５において、制御信号Ｇ１よりも遅延した制御信号Ｇ２は論理ハイレベルから論理ローレベルに切り替わっている。よって、スイッチ素子Ｚ２は、時刻Ｔ５からスイッチング時間をかけて立ち下がる。
【００５６】
そして、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２を通過する通過電流Ｉ１は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオン状態であるときに流れるので、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオン制御される際、遅くオンするスイッチ素子Ｚ２の立ち上がりに応答して流れる。また、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオフ制御される際、早くオフするスイッチ素子Ｚ１の立ち下がりに応答して、通過電流Ｉ１は遮断される。
【００５７】
したがって、図３に示したタイミングでスイッチ素子Ｚ１，Ｚ２に制御信号Ｇ１，Ｇ２が入力された場合は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオンする際に、先にオンしたスイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ１より後にオンしたスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ２の方が大きくなる。また、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２の双方がオフする際に、後にオフしたスイッチ素子Ｚ１におけるスイッチング損失ＳＬ４より先にオフしたスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失ＳＬ３の方が大きくなる。このように、制御信号の入力タイミングにずれがあると、各スイッチ素子に発生する損失は等しくならず偏りが発生する。
【００５８】
以上のように、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２において、スイッチング時間にばらつきがあったり、制御信号が同時に入力されなかったりすると、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ２とにおいて発生するスイッチング損失は等しくならず、偏りが発生してしまう。このスイッチング損失の偏りがある状態で、電力伝達用絶縁回路１０１において電力の伝達を行うと、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ２とのうち、スイッチング損失が大きい方のスイッチ素子がより大きく発熱し高温となってしまう。高温となった方のスイッチ素子は耐久時間の減少および誤作動などが生じる可能性がある。また、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ２とで例示して説明したが、出力スイッチ部１２のスイッチ素子Ｚ３とスイッチ素子Ｚ４とにおいても、同様にスイッチング損失の偏りは発生する可能性がある。
【００５９】
そこで、本発明においては、スイッチング損失の偏りを抑制するために、制御部１３が入力スイッチ制御および出力スイッチ制御の少なくとも一方を行う。具体的には、入力スイッチ制御は、制御部１３が制御信号Ｇ１および制御信号Ｇ２をスイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２にそれぞれ入力するタイミングを、所定の時間だけずらす。この入力スイッチ制御は、入力オフ制御および入力オン制御の少なくとも一方を行うものである。
【００６０】
入力オフ制御とは、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオン状態からオフ状態にする際に、スイッチ素子Ｚ１をスイッチ素子Ｚ２より早くオフする第１入力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ２をスイッチ素子Ｚ１より早くオフする第２入力スイッチ制御とを行うものである。
【００６１】
入力オン制御とは、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオフ状態からオン状態にする際に、スイッチ素子Ｚ１をスイッチ素子Ｚ２より遅くオンする第３入力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ２をスイッチ素子Ｚ１より遅くオンする第４入力スイッチ制御とを行うものである。
【００６２】
また、出力スイッチ制御は、制御部１３が制御信号Ｇ３および制御信号Ｇ４をスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４に入力するタイミングを、所定の時間だけずらす。この出力スイッチ制御は、出力オフ制御および出力オン制御の少なくとも一方を行うものである。
【００６３】
出力オフ制御とは、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方をオン状態からオフ状態にする際に、スイッチ素子Ｚ３をスイッチ素子Ｚ４より早くオフする第１出力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ４をスイッチ素子Ｚ３より早くオフする第２出力スイッチ制御とを行うものである。
【００６４】
出力オン制御とは、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方をオフ状態からオン状態にする際に、スイッチ素子Ｚ３をスイッチ素子Ｚ４より遅くオンする第３出力スイッチ制御と、スイッチ素子Ｚ４をスイッチ素子Ｚ３より遅くオンする第４出力スイッチ制御とを行うものである。
【００６５】
図４は、入力スイッチ制御の一例を示したタイムチャートである。制御部１３が出力する制御信号Ｇ１，Ｇ２は、それぞれ論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移し、その後論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移している。つまり、制御信号Ｇ１，Ｇ２はパルス状の信号となっており、図４においては、制御信号Ｇ１，Ｇ２は二回のパルスを含んでいる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２はオフ状態からオン状態への切り替えと、オン状態からオフ状態への切り替えとが２回行われている。このとき、制御部１３は、入力スイッチ制御として、第４入力スイッチ制御と、第１入力スイッチ制御と、第３入力スイッチ制御と、第２入力スイッチ制御とを、この順番で行っている。
【００６６】
具体的には、まず、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオンするときに第４入力スイッチ制御を行う。この第４入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ１において制御信号Ｇ１が論理ハイレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ２において制御信号Ｇ２が論理ハイレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ１がオンしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ２がオンする。この第４入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ１は、スイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ２より小さいものとなる。
【００６７】
次に、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオフするときに第１入力スイッチ制御を行う。この第１入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ４において制御信号Ｇ１が論理ローレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ６において制御信号Ｇ２が論理ローレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ１がオフしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ２がオフする。この第１入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ４は、スイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ３より小さいものとなる。
【００６８】
次に、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオンするときに第３入力スイッチ制御を行う。この第３入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ７において制御信号Ｇ２が論理ハイレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ８において制御信号Ｇ１が論理ハイレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ２がオンしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ１がオンする。この第３入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ６は、スイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ５よりも小さいものとなる。
【００６９】
次に、制御部１３は、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方をオフするときに第２入力スイッチ制御を行う。この第２入力スイッチ制御によって、時刻Ｔ１０において制御信号Ｇ２が論理ローレベルに切り替わり、それに所定の時間だけ遅れて、時刻Ｔ１２において制御信号Ｇ２が論理ローレベルに切り替わる。この制御信号Ｇ１，Ｇ２に従い、スイッチ素子Ｚ２がオフしてから、所定の時間だけ遅れてスイッチ素子Ｚ１がオフする。この第２入力スイッチ制御を行った場合にスイッチ素子Ｚ１で発生するスイッチング損失ＳＬ７は、スイッチ素子Ｚ２で発生するスイッチング損失ＳＬ８よりも小さいものとなる。
【００７０】
これらの入力スイッチ制御によって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２のオン状態およびオフ状態を切り替えるタイミングを、所定の時間ずらすことができる。すなわち、一方のスイッチ素子が立ち上がってから他方のスイッチ素子を立ち上げたり、一方のスイッチ素子が立ち下がってから他方のスイッチ素子を立ち下げたりすることで、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２のどちらにスイッチング損失が偏るかを制御することが可能である。
【００７１】
なお、制御信号のパルスが数マイクロ秒程度の時間だけ論理ハイレベルを維持するパルスであった場合、上記所定の時間は、たとえば数百ナノ秒程度である。また、図４においては、当該所定の時間がスイッチ素子のスイッチング時間よりも長い場合を例示したが、所定の時間はスイッチ素子のスイッチング時間より短くてもよく、一方のスイッチ素子が完全に立ち上がる前に、他方スイッチ素子が立ち上がり始めてもよいし、一方のスイッチ素子が完全に立ち下がる前に、他方のスイッチ素子が立ち下がってもよい。
【００７２】
そして、入力スイッチ制御においては、各スイッチ素子のオンオフを切り替えるタイミングのずれは、所定の時間に維持されているので、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とにおいて、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２が対称的な動作を行う。また、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とにおいて、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２が対称的な動作を行う。よって、入力オン制御を行うことで、スイッチング損失ＳＬ１およびスイッチング損失ＳＬ５の和と、スイッチング損失ＳＬ２およびスイッチング損失６の和とは、ほぼ等しくなる。また、入力オフ制御を行うことで、スイッチング損失ＳＬ３およびスイッチング損失ＳＬ７の和と、スイッチング損失ＳＬ４およびスイッチング損失ＳＬ８の和とは、ほぼ等しくなる。
【００７３】
したがって、電力伝達用絶縁回路１０１において、入力オン制御および入力オフ制御の少なくとも一方を行えば、入力スイッチ部１１のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りが抑制される。そして、入力スイッチ制御において、入力オン制御と入力オフ制御との双方を行えば、入力スイッチ部１１のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りがさらに抑制される。
【００７４】
また、図４においては入力スイッチ制御の説明を行ったが、同様に、制御部１３が出力スイッチ制御の出力オン制御および出力オフ制御の少なくとも一方を行えば、出力スイッチ部１２のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りが抑制される。そして、出力スイッチ制御において、出力オン制御と出力オフ制御との双方を行えば、出力スイッチ部１２のスイッチ素子において発生するスイッチング損失の偏りがさらに抑制される。そして、電力伝達用絶縁回路１０１において、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行えば、さらにスイッチング損失の偏りが抑制される。
【００７５】
図５は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例１を示したタイムチャートである。制御例１においては、第４入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、第２出力スイッチ制御、第３入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、および第１出力スイッチ制御をこの順番に繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返すスイッチ制御が行われている。
【００７６】
制御例１のスイッチ制御においては、制御部１３が、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオンである第１の期間の長さと、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオンである第３の期間の長さとが、それぞれ一定となるように、各スイッチ素子の制御を行っている。図５においては、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の間、および時刻Ｔ９から時刻Ｔ１０の間が第１の期間であり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８の間、および時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２の間が第３の期間である。
【００７７】
すなわち、制御例１では、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に第１の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に次の第１の期間が開始される。また、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に第３の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の第３の期間が開始される。
【００７８】
つまり、制御例１では、入力オン制御において第４入力スイッチ制御と第３入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００７９】
また、制御例１においては、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間において、第２入力スイッチ制御によって第１の期間が終了した後、第３出力スイッチ制御によって第３の期間が開始されている。よって、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ３とが双方オフ状態である期間ＴＢは、第２の期間と第３出力スイッチ制御においてスイッチ素子Ｚ４がオンになるタイミングを早める上記所定の時間とを足し合わせた時間に相当する。また、スイッチ素子Ｚ２とスイッチ素子Ｚ４とが双方オフ状態である期間ＴＡは、第２の期間と第２入力スイッチ制御においてスイッチ素子Ｚ１がオフになるタイミングを遅らせる上記所定の時間とを足し合わせた時間に相当する。したがって、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間において、スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ３とが双方オフである期間、およびスイッチ素子Ｚ２とスイッチ素子Ｚ４とが双方オフである期間は、第２の期間とスイッチングのタイミングをずらす所定の時間とを足し合わせた時間だけ確保される。
【００８０】
同様に、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の間において、出力スイッチ制御によって第３の期間が終了した後、第３入力スイッチ制御によって第１の期間が開始されている。スイッチ素子Ｚ１とスイッチ素子Ｚ３とが双方オフである期間ＴＤ、およびスイッチ素子Ｚ２とスイッチ素子Ｚ４とが双方オフである期間ＴＣは、第４の期間とスイッチングのタイミングをずらす所定の時間とを足し合わせた時間だけ確保される。したがって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ３が双方オフ状態である期間の長さと、スイッチ素子Ｚ２およびスイッチ素子Ｚ４が双方オフ状態である期間の長さとが、一定に保たれる。これらの期間により、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間を絶縁するために必要な、電力を伝達しない時間が確保される。
【００８１】
また、本発明において、入力スイッチ制御および出力スイッチ制御を行う際の各スイッチ素子の制御の順番は、制御例１に示した順番に限定されるものではない。本発明においては、下記に示す制御例２または制御例３のような順番で制御を行ってもよいし、入力オン制御、入力オフ制御、出力オン制御、および出力オフ制御の少なくとも一つを行い、スイッチ素子におけるスイッチング損失の偏りを抑制できる制御を行うものであればよい。
【００８２】
図６は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例２を示したタイムチャートである。制御例２においては、第４入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、第１出力スイッチ制御、第３入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、および第２出力スイッチ制御をこの順番で繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返す。制御例２における第１の期間から第４の期間のサイクルについては、制御例１と同様である。
【００８３】
制御例２では、入力オン制御において第４入力スイッチ制御と第３入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００８４】
図７は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例３を示したタイムチャートである。制御例３においては、第４入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、第２出力スイッチ制御、第３入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、および第１出力スイッチ制御をこの順番に繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返す。制御例３における第１の期間から第４の期間のサイクルについては、制御例１と同様である。
【００８５】
制御例３では、入力オン制御において第４入力スイッチ制御と第３入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００８６】
以上のように、入力オン制御、入力オフ制御、出力オン制御、および出力オフ制御の少なくとも一つを行うことで、電力伝達用絶縁回路１０１は、各スイッチ素子におけるスイッチング損失の偏りを抑制することができる。よって、各スイッチ素子における発熱量の偏りも抑制され、いずれかのスイッチ素子のみが大きな発熱をすることを防ぐことができる。したがって、いずれかのスイッチ素子だけが高温となることでスイッチ素子の耐久時間が減少したり、誤作動をしたりするのを防ぎ、スイッチ素子の信頼性を向上させることが可能である。さらに、発熱の偏りで高温となるスイッチ素子に合わせて温度設計を行う必要がないため、スイッチ素子の放熱を行う放熱部品を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００８７】
また、入力オン制御および入力オフ制御の双方を行えば、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２におけるスイッチング損失の偏りがさらに抑制され、当該スイッチ素子での発熱の偏りを抑えることができる。出力オン制御および出力オフ制御の双方を行えば、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４におけるスイッチング損失の偏りがさらに抑制され、当該スイッチ素子での発熱の偏りを抑えることができる。
【００８８】
また、電力伝達用絶縁回路１０１によって昇降圧回路１０３が出力した電力を負荷２０３に伝達する際、昇降圧回路１０３が出力した電力をキャパシタＣ１に供給する第１の期間と、キャパシタＣ１に蓄えた電力を負荷２０３に供給する第３の期間との間に、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４を全てオフにする第２の期間および第４の期間を設ける。よって、各スイッチ素子の制御において、制御信号Ｇ１〜Ｇ４が入力されてからスイッチ素子の立ち下がりおよび立ち上がりに時間がかかり、オンオフの切り替えが瞬時に行えない場合にでも、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間の絶縁を確保することができる。
【００８９】
さらに、制御例１のスイッチ制御を行った場合には、制御部１３が制御信号Ｇ１〜Ｇ４の信号パルス幅を制御しながら、期間ＴＡ〜ＴＤの長さを一定に保つことができる。よって、入力スイッチ制御および出力スイッチ制御においてスイッチ素子への制御信号をずらす所定の時間の長さが一定であっても、第２の期間と第４の期間とを適切に確保できるので、スイッチ制御の周期を変動させずに動作させることができる。したがって、制御部１３が行うスイッチ制御を簡単にすることが可能である。
【００９０】
なお、制御を簡単にするためのスイッチ制御は、制御例１のスイッチ制御に限られるものではなく、例えば、第３入力スイッチ制御、第２入力スイッチ制御、第３出力スイッチ制御、第１出力スイッチ制御、第４入力スイッチ制御、第１入力スイッチ制御、第４出力スイッチ制御、および第２出力スイッチ制御をこの順番に繰り返すことで、第１の期間から第４の期間のサイクルを繰り返す制御例４のようなスイッチ制御であってもよい。図８は、入力スイッチ制御と出力スイッチ制御との双方を行う場合の制御例４を示したタイムチャートである。
【００９１】
制御例４のスイッチ制御においては、制御部１３が、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の双方がオンである第１の期間の長さと、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の双方がオンである第３の期間の長さとが、それぞれ一定となるように、各スイッチ素子の制御を行っている。
【００９２】
すなわち、制御例４では、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に第１の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の第１の期間が開始される。また、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に第３の期間が開始される。そして、当該一方のスイッチ素子をオフした時に第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから所定の時間が経過した時に次の第３の期間が開始される。
【００９３】
したがって、制御例４では、入力オン制御において第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、入力オフ制御において第２入力スイッチ制御と第１入力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失は平均化される。また、出力オン制御において第４出力スイッチ制御と第３出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行い、出力オフ制御において第２出力スイッチ制御と第１出力スイッチ制御とを交互に繰り返し行っている。よって、スイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失は平均化される。
【００９４】
制御例４は、制御例１と同様に、期間ＴＡ〜ＴＤの長さを一定に保つことができる。よって、入力スイッチ制御および出力スイッチ制御におけるスイッチ素子への制御信号をずらす所定の時間の長さが一定であっても、第２の期間と第４の期間とを適切に確保できるので、スイッチ制御の周期を変動させずに動作させることができる。したがって、制御部１３が行うスイッチ制御を簡単にすることが可能である。
【００９５】
なお、本発明の実施の形態においては、入力オフ制御を行う際、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを交互に行い、かつ入力オン制御を行う際、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを交互に行い、かつ出力オフ制御を行う際、第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを交互に行い、かつ出力オン制御を行う際、第３出力スイッチ制御を第４出力スイッチ制御とを交互に行うことで、それらのスイッチ制御の頻度を均一化し、スイッチ素子Ｚ１およびスイッチ素子Ｚ２におけるスイッチング損失の平均化およびスイッチ素子Ｚ３およびスイッチ素子Ｚ４におけるスイッチング損失の平均かを行う制御の例を説明している。しかし、本発明においては、必ずしもそれぞれのスイッチ制御を交互に行う必要はない。
【００９６】
つまり、入力オフ制御を行う場合には、第１入力スイッチ制御と第２入力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。入力オン制御を行う場合には、第３入力スイッチ制御と第４入力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。出力オフ制御を行う場合には、第１出力スイッチ制御と第２出力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。出力オン制御を行う場合には、第３出力スイッチ制御と第４出力スイッチ制御とを同頻度で行うスイッチ制御を行えばよい。
【００９７】
また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４がＩＧＢＴである構成を例示したが、本発明においてスイッチ素子はＩＧＢＴに限らず、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の他のスイッチ素子であってもよい。
【００９８】
また、本発明の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１は、蓄電素子としてキャパシタＣ０〜Ｃ２を備える構成を例示したが、本発明において蓄電素子はキャパシタに限らず、コイル（インダクタ）等の他の蓄電素子であってもよい。
【００９９】
また、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり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、上記した意味ではなく、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。
【符号の説明】
【０１００】
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｚ１〜Ｚ４ スイッチ素子
１１ 入力スイッチ部
１２ 出力スイッチ部
１３ 制御部
１０１ 電力伝達用絶縁回路
１０２ 整流部
１０３ 昇降圧回路
２０１ 電力変換装置
【特許請求の範囲】
【請求項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端において受けた入力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端と電気的に接続された第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端と電気的に接続された第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負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記入力電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行う、電力伝達用絶縁回路。
【請求項２】
前記制御部は、前記入力スイッチ制御において、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１入力スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２入力スイッチ制御と、
を行う入力オフ制御、または
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３入力スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４入力スイッチ制御と、
を行う入力オン制御を行う、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記入力オフ制御と前記入力オン制御との双方を行う、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
前記制御部は、
前記入力オフ制御を行う場合には、前記第１入力スイッチ制御と前記第２入力スイッチ制御とを交互に行い、
前記入力オン制御を行う場合には、前記第３入力スイッチ制御と前記第４入力スイッチ制御とを交互に行う、請求項２または３に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項５】
前記制御部は、前記出力スイッチ制御において、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より早くオフする第１出力スイッチ制御と、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より早くオフする第２出力スイッチ制御と、
を行う出力オフ制御、または
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より遅くオンする第３出力スイッチ制御と、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より遅くオンする第４出力スイッチ制御と、
を行う出力オン制御を行う、請求項１から４のいずれか一つに記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項６】
前記制御部は、前記出力オフ制御と前記出力オン制御との双方を行う、請求項５に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項７】
前記制御部は、
前記出力オフ制御を行う場合には、前記第１出力スイッチ制御と前記第２出力スイッチ制御とを交互に行い、
前記出力オン制御を行う場合には、前記第３出力スイッチ制御と前記第４出力スイッチ制御とを交互に行う、請求項５または６に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項８】
前記制御部は、
前記入力スイッチ部における前記各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前記各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３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す、請求項１から７のいずれか一つに記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項９】
前記制御部は、
前記第１の期間の長さおよび前記第３の期間の長さがそれぞれ一定となるように制御し、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第１の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第１の期間が開始され、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第３の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第１のオンオフ制御、または
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第１の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第１の期間が開始され、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第３の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第２のオンオフ制御を行う、請求項８に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項１０】
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、
前記交流電力を整流するための整流部と、
前記整流部によって整流された電力を昇圧または降圧するための昇降圧回路と、
前記昇降圧回路および前記負荷間を絶縁しながら、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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、
前記昇降圧回路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、および前記昇降圧回路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、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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端と前記負荷との間に接続された第３のスイッチ素子、および前記蓄電素子の第２端と前記負荷との間に接続された第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前記負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行う、電力変換装置。
【請求項１１】
第１端および第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端において受けた入力電力を、前記第１のスイッチ素子の第２端および前記第２のスイッチ素子の第２端から出力するためのスイッチ対と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子のオンオフをそれぞれ制御するスイッチ制御を行うための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記スイッチ制御において、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２スイッチ制御と、
を行う入力オフ制御、または
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４スイッチ制御と、
を行う入力オン制御を行う、電力伝達回路。
【請求項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端において受けた入力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端と電気的に接続された第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端と電気的に接続された第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負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記入力電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行う、電力伝達用絶縁回路。
【請求項２】
前記制御部は、前記入力スイッチ制御において、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１入力スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２入力スイッチ制御と、
を行う入力オフ制御、または
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３入力スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４入力スイッチ制御と、
を行う入力オン制御を行う、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記入力オフ制御と前記入力オン制御との双方を行う、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
前記制御部は、
前記入力オフ制御を行う場合には、前記第１入力スイッチ制御と前記第２入力スイッチ制御とを交互に行い、
前記入力オン制御を行う場合には、前記第３入力スイッチ制御と前記第４入力スイッチ制御とを交互に行う、請求項２または３に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項５】
前記制御部は、前記出力スイッチ制御において、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より早くオフする第１出力スイッチ制御と、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より早くオフする第２出力スイッチ制御と、
を行う出力オフ制御、または
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第３のスイッチ素子を前記第４のスイッチ素子より遅くオンする第３出力スイッチ制御と、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第４のスイッチ素子を前記第３のスイッチ素子より遅くオンする第４出力スイッチ制御と、
を行う出力オン制御を行う、請求項１から４のいずれか一つに記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項６】
前記制御部は、前記出力オフ制御と前記出力オン制御との双方を行う、請求項５に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項７】
前記制御部は、
前記出力オフ制御を行う場合には、前記第１出力スイッチ制御と前記第２出力スイッチ制御とを交互に行い、
前記出力オン制御を行う場合には、前記第３出力スイッチ制御と前記第４出力スイッチ制御とを交互に行う、請求項５または６に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項８】
前記制御部は、
前記入力スイッチ部における前記各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前記各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３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す、請求項１から７のいずれか一つに記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項９】
前記制御部は、
前記第１の期間の長さおよび前記第３の期間の長さがそれぞれ一定となるように制御し、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第１の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第１の期間が開始され、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第３の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第１のオンオフ制御、または
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に前記第１の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第１の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に次の前記第１の期間が開始され、
前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の一方を他方のスイッチ素子より前記所定の時間だけ遅くオフした後、当該一方のスイッチ素子がオンした時に前記第３の期間が開始され、
当該一方のスイッチ素子をオフした時に前記第３の期間が終了した後、当該一方のスイッチ素子がオンしてから前記所定の時間が経過した時に次の前記第３の期間が開始されるように制御する第２のオンオフ制御を行う、請求項８に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項１０】
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、
前記交流電力を整流するための整流部と、
前記整流部によって整流された電力を昇圧または降圧するための昇降圧回路と、
前記昇降圧回路および前記負荷間を絶縁しながら、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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、
前記昇降圧回路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、および前記昇降圧回路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、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧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端と前記負荷との間に接続された第３のスイッチ素子、および前記蓄電素子の第２端と前記負荷との間に接続された第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前記負荷に供給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それぞれ制御するための制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記昇降圧回路によって昇圧または降圧された電力を前記蓄電素子に供給するか否かを切り替える動作において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす入力スイッチ制御、または前記第３のスイッチ素子および前記第４のスイッチ素子の双方がオンである状態および双方がオフである状態を切り替えることにより、前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記負荷に供給するか否かを切り替える動作において、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とをオンまたはオフするタイミングをずらす出力スイッチ制御を行う、電力変換装置。
【請求項１１】
第１端および第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端において受けた入力電力を、前記第１のスイッチ素子の第２端および前記第２のスイッチ素子の第２端から出力するためのスイッチ対と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子のオンオフをそれぞれ制御するスイッチ制御を行うための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記スイッチ制御において、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より早くオフする第１スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオフである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より早くオフする第２スイッチ制御と、
を行う入力オフ制御、または
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第１のスイッチ素子を前記第２のスイッチ素子より遅くオンする第３スイッチ制御と、
前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子の双方がオンである状態へ遷移させる際に、前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子より遅くオンする第４スイッチ制御と、
を行う入力オン制御を行う、電力伝達回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５７１１７（Ｐ２０１２−１５７１１７Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２６６２（Ｐ２０１１−１２６６２）
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（３９５０１１６６５）株式会社オートネットワーク技術研究所 (2,668)
【出願人】（０００１８３４０６）住友電装株式会社 (6,135)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（３９５０１１６６５）株式会社オートネットワーク技術研究所 (2,668)
【出願人】（０００１８３４０６）住友電装株式会社 (6,135)
【Ｆターム（参考）】
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