電力伝達用絶縁回路及び電力変換装置
【課題】製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制しつつ、回路に流れる電流を簡易に検出することが可能な電力伝達用絶縁回路を得る。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ１と、出力端２５へ電力を出力するキャパシタＣ２と、入力端２４から入力された電力をキャパシタＣ１に供給するか否かを切り替える入力スイッチ部２１と、入力スイッチ部２１がキャパシタＣ１に電力を供給していないときに、キャパシタＣ１に蓄積された電力をキャパシタＣ２に供給するか否かを切り替える出力スイッチ部２２と、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する検出部２３と、検出部２３が検出する電圧に基づいて電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値ｉＬを算出する算出部１３と、を備える。
【解決手段】電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ１と、出力端２５へ電力を出力するキャパシタＣ２と、入力端２４から入力された電力をキャパシタＣ１に供給するか否かを切り替える入力スイッチ部２１と、入力スイッチ部２１がキャパシタＣ１に電力を供給していないときに、キャパシタＣ１に蓄積された電力をキャパシタＣ２に供給するか否かを切り替える出力スイッチ部２２と、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する検出部２３と、検出部２３が検出する電圧に基づいて電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値ｉＬを算出する算出部１３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝達用絶縁回路及び電力変換装置に関し、特に、入力端と出力端との間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路、及びそれを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）及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、一般家庭の交流電力を用いて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、電気自動車及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又は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及び重量が大きいので、ＡＣ／ＤＣコンバータの大型化及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った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。
【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】
ＡＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置においては、過電流が出力されることを防ぐだめに、電力伝達用絶縁回路の出力電流を検出することが求められている。特に車載バッテリに用いられる電力変換装置においては大電力が扱われるため、大電流に対応した電流検出を行わなければならない。大電流を検出可能な電流検出方法として、電力伝達用絶縁回路にシャント抵抗を取り付けて、シャント抵抗に流れる電流をアイソレーションアンプによって絶縁しつつ検出する方法がある。
【０００９】
しかしながら、シャント抵抗を用いた方法は、シャント抵抗に電流が流れることで損失が発生したり、アイソレーションアンプが高価であるという問題点があった。また、これらの電流検出用の素子を追加することで、回路の大型化を招くという問題点もあった。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制しつつ、回路に流れる電流を簡易に検出することが可能な電力伝達用絶縁回路、及びそれを備えた電力変換装置を得ることを目的とするものである。
【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、入力端から入力された電力を出力端に伝達しつつ絶縁を行う電力伝達用絶縁回路であって、第１の蓄電素子と、前記出力端へ電力を出力する第２の蓄電素子と、前記入力端から入力された電力を前記第１の蓄電素子に供給するか否かを切り替える入力スイッチ部と、前記入力スイッチ部が前記第１の蓄電素子に電力を供給していないときに、前記第１の蓄電素子に蓄積された電力を前記第２の蓄電素子に供給するか否かを切り替える出力スイッチ部と、前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出する両端電圧に基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する算出部と、を備えることを特徴とするものである。
【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、入力端から入力された電力を第１の蓄電素子に供給するか否かを切り替える。出力スイッチ部は、入力スイッチ部が第１の蓄電素子に電力を供給していないときに、第１の蓄電素子に蓄積された電力を第２の蓄電素子に供給するか否かを切り替える。第２の蓄電素子は、第１の蓄電素子から供給された電力を蓄積しつつ、出力端に電力を出力する。よって、入力端から入力された電力は、第１の蓄電素子と第２の蓄電素子とを介して出力端に伝達される。また、出力スイッチ部は、入力スイッチ部が第１の蓄電素子に電力を供給していないときに第２の蓄電素子に電力を供給するので、出力端と入力端とを絶縁することができる。さらに、電圧検出部は、第２の蓄電素子の両端電圧を検出し、算出部は、電圧検出部が検出する両端電圧に基づいて、電力伝達用絶縁回路に流れる電流値を算出する。したがって、第２の蓄電素子の両端電圧を用いた演算によって、電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を簡易に求めることができる。その結果、アイソレーションアンプ等を用いた電流検出回路は不要となるため、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【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、前記電力伝達用絶縁回路は、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第１期間、前記入力スイッチ部がオンで前記出力スイッチ部がオフである第２期間、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第３期間、及び前記入力スイッチ部がオフで前記出力スイッチ部がオンである第４期間を、この順に周期的に繰り返し、前記電圧検出部は、前記第１期間の始点である第１時点において、前記両端電圧である第１電圧を検出し、前記第１時点より後、前記第３期間の終了以前の第２時点において、前記両端電圧である第２電圧を検出し、前記算出部は、前記第１電圧と前記第２電圧とに基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出することを特徴とするものである。
【００１４】
第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、電圧検出部は、第１期間の始点である第１時点において第１電圧を検出し、第１時点より後、第３期間の終了以前の第２時点において第２電圧を検出する。そして、算出部は、第１電圧と第２電圧とに基づいて、電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する。第１電圧及び第２電圧をパラメータとする所定の式を用いて演算を行うことにより、電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を精度良く求め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１又は第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記第１の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、前記第２の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、前記入力スイッチ部は、前記入力端の一方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第１のスイッチ素子、及び前記入力端の他方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第２のスイッチ素子を含み、前記出力スイッチ部は、前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第３のスイッチ素子、及び前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第４のスイッチ素子を含むことを特徴とするものである。
【００１６】
第３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のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子をオンすることで、入力端から入力された電力を第１の蓄電素子に供給することができる。出力スイッチ部は、第３のスイッチ素子及び第４のスイッチ素子をオンすることで、第１の蓄電素子に蓄積された電力を第２の蓄電素子に供給することができる。したがって、第１〜第４のスイッチ素子のオン／オフを制御することで、算出部により電流値を算出しつつ、入力端と出力端との絶縁、及び入力端から出力端への電力の伝達を簡易に行うことが可能となる。
【００１７】
本発明の第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１〜第３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、前記電圧検出部はフォトカプラを有することを特徴とするものである。
【００１８】
第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、フォトカプラの発光素子と受光素子との間は絶縁されているため、電圧を検出する対象である電力伝達系回路と、電圧値から電流値の算出などを行う信号処理系回路との絶縁を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明の第５の態様に係る電力変換装置は、入力電圧を昇圧又は降圧し、昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、前記昇降圧回路が昇圧又は降圧した前記電圧を受けて、絶縁を行いつつ出力側に電力を伝達する、第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路と、を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
第５の態様に係る電力変換装置は、第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路を備える。従って、電力変換装置全体としても、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制しつつ、回路に流れる電流を簡易に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を概略的に示す回路図である。
【図２】電圧検出部の構成を示す図である。
【図３】スイッチ素子のオンオフ状態とキャパシタの両端電圧との関係を示したタイムチャートである。
【図４】キャパシタ及び負荷を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、同一又は相応する要素を示すものとする。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置２０１の構成を概略的に示す回路図である。図１の接続関係で示すように電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１、整流部１０２、及び昇降圧回路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、入力スイッチ部２１、出力スイッチ部２２、入力端２４、出力端２５、検出部２３、算出部１３、及び制御部１４を含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。検出部２３は、電圧検出部１０〜１２を含む。
【００２５】
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及びプラグイン方式のＨＶ等の駆動用のバッテリである。
【００２６】
整流部１０２は、例えばダイオードブリッジを含んで構成されており、交流電源２０２から入力された交流電力を全波整流することにより、直流電力を出力する。
【００２７】
昇降圧回路１０３は、整流部１０２から入力された直流電力を昇圧又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て出力する。
【００２８】
電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端である端子Ｔ１１と電気的に接続された第１端である端子Ｔ１、及びキャパシタＣ１の第１端である端子Ｔ１３と電気的に接続された第２端である端子Ｔ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端である端子Ｔ１２と電気的に接続された第１端である端子Ｔ３、及びキャパシタＣ１の第２端である端子Ｔ１４と電気的に接続された第２端である端子Ｔ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、端子Ｔ１３と電気的に接続された第１端である端子Ｔ５、及びキャパシタＣ２の第１端である端子Ｔ１５と電気的に接続された第２端である端子Ｔ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、端子Ｔ１４と電気的に接続された第１端である端子Ｔ７、及びキャパシタＣ２の第２端である端子Ｔ１６と電気的に接続された第２端である端子Ｔ８を有する。
【００２９】
キャパシタＣ０は、昇降圧回路１０３から入力された直流電力を蓄える。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１の端子Ｔ１及びスイッチ素子Ｚ２の端子Ｔ３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２２は、キャパシタＣ１に蓄積された電荷をキャパシタＣ２及び負荷２０３に供給するか否かを切り替える。キャパシタＣ２に蓄積された電荷は、放電されて出力端２５から負荷２０３に供給される。
【００３０】
制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に入力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフを切り替える。電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１４のスイッチ制御により、整流部１０２及び負荷２０３間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷２０３に伝達する。
【００３１】
電圧検出部１０は、スイッチ素子Ｚ１の端子Ｔ１及びスイッチ素子Ｚ２の端子Ｔ３間の電圧Ｖ０、すなわちキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０を検出する。電圧Ｖ０は、昇降圧回路１０３が出力する直流電圧の電圧であり、電力伝達用絶縁回路１０１の入力電圧でもある。電圧検出部１１は、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１を検出する。電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。
【００３２】
図２は、電圧検出部１０の構成を示す図である。図２では電圧検出部１０の構成を代表的に示しているが、電圧検出部１１，１２の構成もこれと同様である。
【００３３】
図２を参照して、電圧検出部１０は、フォトカプラＸ１、入力抵抗Ｒ１、及び出力抵抗Ｒ２を含む。キャパシタＣ０の端子Ｔ１１及び端子Ｔ１２間に、入力抵抗Ｒ１とフォトカプラＸ１の発光素子とが直列に接続されている。フォトカプラＸ１の電源電圧Ｖｃｃが供給されるノードと接地電圧が供給されるノードとの間に、フォトカプラＸ１の受光素子と出力抵抗Ｒ２とが直列に接続されている。
【００３４】
キャパシタＣ０の両端に電圧が印加されたとき、当該電圧に応じた量の電流がフォトカプラＸ１の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラＸ１の受光素子に伝達される。すなわち、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた量の電流が、フォトカプラＸ１における受光素子を通して流れる。これにより、電圧検出部１０は、キャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０の電圧値を検出することができる。フォトカプラＸ１の発光素子と受光素子との間に電気的接続はなく、絶縁されている。そのため、算出部１３とキャパシタＣ０との間は絶縁され、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた大きさの電圧が、安全に算出部１３へ伝達される。同様に、電圧検出部１１は、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１の電圧値を検出し、両端電圧Ｖ１に応じた大きさの電圧が算出部１３へ伝達される。また、電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値を検出し、両端電圧Ｖ２に応じた大きさの電圧が算出部１３へ伝達される。
【００３５】
算出部１３は、電圧検出部１２が検出したキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値に基づいて、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値を算出する。この電流値の算出手法の詳細については後述する。算出部１３は、算出した出力電流の電流値を制御部１４に入力する。
【００３６】
次に、電力伝達用絶縁回路１０１が行う電力伝達におけるスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の動作と、キャパシタＣ０〜Ｃ２の両端電圧Ｖ０〜Ｖ２との関係について説明する。図３は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフの状態とキャパシタＣ０〜Ｃ２の両端電圧Ｖ０〜Ｖ２との関係を示したタイムチャートである。電力伝達用絶縁回路１０１は、この順に連続する期間Ｐ１〜Ｐ４を一周期として繰り返す定常動作を行うことで、昇降圧回路１０３及び負荷２０３間の電力伝達を行っている。なお、図３においては、直流電圧である電圧Ｖ０の大きさは電圧値Ｖ００である。期間Ｐ１開始時の電圧Ｖ１の大きさは電圧値Ｖ１０であり、期間Ｐ４開始時の電圧Ｖ１の大きさは電圧値Ｖ１１である。期間Ｐ１開始時の電圧Ｖ２の大きさは電圧値Ｖ２０であり、期間Ｐ４開始時の電圧Ｖ２の大きさは電圧値Ｖ２１である。
【００３７】
図３を参照して、まず制御部１４は、期間Ｐ１において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側と出力側との間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。つまり、このデッドタイムを設けることにより、入力スイッチ部２１及び出力スイッチ部２２の各スイッチ素子を介して電力伝達用絶縁回路１０１の入力側と出力側との間が短絡することが防止されている。これにより、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間の絶縁が確保される。またこのとき、キャパシタＣ２に蓄積されていた電荷は、放電されて負荷２０３に供給される。キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に低下する。
【００３８】
次に制御部１４は、期間Ｐ２において、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４をオフする。これにより、キャパシタＣ０から放電された電荷によってキャパシタＣ１が充電される。キャパシタＣ１に蓄積されている電荷が増加することにより、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１は徐々に上昇する。また、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４がオフされていることにより、昇降圧回路１０３と負荷２０３と間の絶縁は確保されている。またこのとき、キャパシタＣ２に蓄積されていた電荷は、放電されて負荷２０３に供給される。キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に低下する。
【００３９】
次に制御部１４は、期間Ｐ３において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、期間Ｐ１と同様に、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側と出力側との間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。またこのとき、キャパシタＣ２に蓄積されていた電荷は、放電されて負荷２０３に供給される。キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に低下する。
【００４０】
次に制御部１４は、期間Ｐ４において、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２をオフし、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４をオンする。これにより、キャパシタＣ１から放電された電荷によってキャパシタＣ２が充電される。キャパシタＣ１に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１は徐々に低下する。また、キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が増加することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に上昇する。また、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２がオフされていることにより、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間の絶縁は確保されている。
【００４１】
このように、期間Ｐ２の開始時から終了時までの間で、電圧Ｖ１は電圧値Ｖ１０から電圧値Ｖ１１に上昇する。期間Ｐ４の開始時から終了時までの間で、電圧Ｖ１は電圧値Ｖ１１から電圧値Ｖ１０に低下する。また、期間Ｐ１の開始時から期間Ｐ３の終了時までの間で、電圧Ｖ２は電圧値Ｖ２０から電圧値Ｖ２１に低下する。期間Ｐ４の開始時から終了時までの間で、電圧Ｖ２は電圧値Ｖ２１から電圧値Ｖ２０に上昇する。電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２は、このような電圧値の上昇及び低下を繰り返し行うことで脈動している。この期間Ｐ１〜Ｐ４を作り出す、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚである。
【００４２】
以下、算出部１３による電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の算出手法について説明する。図４は、キャパシタＣ２及び負荷２０３を示す回路図である。図４に示すように、キャパシタＣ２の静電容量をＣ２、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値をＶ２、負荷２０３の抵抗値をＲＬ、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値をｉＬとする。また、図３を参照して、期間Ｐ１の開始点である第１時点におけるキャパシタの両端電圧Ｖ２の電圧値はＶ２０である。そして、第１時点よりも後、かつ期間Ｐ３の終了以前である第２時点におけるキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値をＶ２（ｔ）とする。ここで「ｔ」は、第１時点と第２時点との間の時間間隔であり、期間Ｐ１〜Ｐ３の合計時間より短い。
【００４３】
このとき、図３に示した期間Ｐ１〜Ｐ３においては、抵抗値ＲＬは一定とみなすことができるため、電圧値Ｖ２（ｔ）は下記式（１）によって表される。
【００４４】
【数１】
【００４５】
従って、抵抗値ＲＬは下記式（２）によって表され、電流値ｉＬは下記式（３）によって表される。
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
式（３）より、電圧値Ｖ２０と電圧値Ｖ２（ｔ）とが分かれば、電流値ｉＬを求めることができる。
【００４９】
そこで、まず電圧検出部１２は、期間Ｐ１の開始点である第１時点において、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。そして、その検出結果である電圧値Ｖ２０を算出部１３に入力する。次に電圧検出部１２は、第１時点よりも後、かつ期間Ｐ３の終了以前である第２時点において、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。そして、その検出結果である電圧値Ｖ２（ｔ）を算出部１３に入力する。そして算出部１３は、入力された電圧値Ｖ２０及び電圧値Ｖ２（ｔ）を用いて式（３）の演算を行うことにより、電流値ｉＬを算出する。
【００５０】
このような電流値ｉＬの算出処理は例えば１００ミリ秒間隔で定期的に実行されることにより、出力電流の異常の有無が監視される。この出力電流の監視において、出力電流の電流値が異常値を示した場合には、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフすることにより、負荷２０３に異常な電流が流れることを防止する。
【００５１】
また、負荷２０３がバッテリ等である場合には、バッテリの充電が進行してバッテリの電圧と電力伝達用絶縁回路１０１の出力電圧との差が小さくなったときに、バッテリへ供給される電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流が小さくなって、充電がそれ以上進行しにくい状態となることがある。このような場合、算出部１３によって電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値ｉＬを算出し、充電の進行に伴って電流値ｉＬが小さくなってきたことを検出した場合には、昇降圧回路１０３によって電力伝達用絶縁回路１０１の出力電圧をより高いレベルに設定することで、バッテリに押し込み充電を行うことが可能となる。この押し込み充電により、バッテリの充電を速やかに完了することができる。
【００５２】
このように本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、入力スイッチ部２１は、入力端２４から入力され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２２は、入力スイッチ部２１がキャパシタＣ１に電力を供給していないときに、キャパシタＣ１に蓄積された電力をキャパシタＣ２に供給するか否かを切り替える。キャパシタＣ２は、キャパシタＣ１から供給された電力を蓄積しつつ、出力端２５に電力を出力する。よって、入力端２４から入力された電力は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とを介して出力端２５に伝達される。また、出力スイッチ部２２は、入力スイッチ部２１がキャパシタＣ１に電力を供給していないときにキャパシタＣ２に電力を供給するので、出力端２５と入力端２４とを絶縁することができる。さらに、電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出し、算出部１３は、電圧検出部１２が検出する両端電圧Ｖ２に基づいて、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流値ｉＬを算出する。したがって、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を用いた演算によって、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流の電流値ｉＬを簡易に求めることができる。その結果、アイソレーションアンプ等を用いた電流検出回路は不要となるため、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【００５３】
また、本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、電圧検出部１２は、第１期間Ｐ１の始点である第１時点において電圧値Ｖ２０（第１電圧）を検出し、第１時点より後、第３期間Ｐ３の終了以前の第２時点において電圧値Ｖ２（ｔ）（第２電圧）を検出する。そして、算出部１３は、電圧値Ｖ２０と電圧値Ｖ２（ｔ）とに基づいて、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流の電流値ｉＬを算出する。電圧値Ｖ２０及び電圧値Ｖ２（ｔ）をパラメータとする式（３）を用いて演算を行うことにより、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流の電流値ｉＬを精度良く求めることが可能となる。
【００５４】
また、本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１（第１のスイッチ素子）及びスイッチ素子Ｚ２（第２のスイッチ素子）をオンすることで、入力端２４から入力された電力をキャパシタＣ１に供給することができる。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３（第３のスイッチ素子）及びスイッチ素子Ｚ４（第４のスイッチ素子）をオンすることで、キャパシタＣ１に蓄積された電力をキャパシタＣ２に供給することができる。したがって、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオン／オフを制御することで、算出部１３により電流値ｉＬを算出しつつ、入力端２４と出力端２５との絶縁、及び入力端２４から出力端２５への電力の伝達を簡易に行うことが可能となる。
【００５５】
また、本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、フォトカプラＸ１の発光素子と受光素子との間は絶縁されているため、電圧を検出する対象である電力伝達系回路と、電圧値から電流値の算出などを行う信号処理系回路（算出部１３及び制御部１４等）との絶縁を行うことが可能となる。
【００５６】
また、本実施の形態に係る電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１を備える。従って、電力変換装置２０１全体としても、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【００５７】
なお、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及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。例えば、本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を備えるが、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。
【符号の説明】
【００５８】
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｚ１〜Ｚ４ スイッチ素子
１０〜１２ 電圧検出部
１３ 算出部
１４ 制御部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
２３ 検出部
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、電力伝達用絶縁回路及び電力変換装置に関し、特に、入力端と出力端との間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路、及びそれを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）及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、一般家庭の交流電力を用いて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、電気自動車及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又は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及び重量が大きいので、ＡＣ／ＤＣコンバータの大型化及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った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。
【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】
ＡＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置においては、過電流が出力されることを防ぐだめに、電力伝達用絶縁回路の出力電流を検出することが求められている。特に車載バッテリに用いられる電力変換装置においては大電力が扱われるため、大電流に対応した電流検出を行わなければならない。大電流を検出可能な電流検出方法として、電力伝達用絶縁回路にシャント抵抗を取り付けて、シャント抵抗に流れる電流をアイソレーションアンプによって絶縁しつつ検出する方法がある。
【０００９】
しかしながら、シャント抵抗を用いた方法は、シャント抵抗に電流が流れることで損失が発生したり、アイソレーションアンプが高価であるという問題点があった。また、これらの電流検出用の素子を追加することで、回路の大型化を招くという問題点もあった。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制しつつ、回路に流れる電流を簡易に検出することが可能な電力伝達用絶縁回路、及びそれを備えた電力変換装置を得ることを目的とするものである。
【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、入力端から入力された電力を出力端に伝達しつつ絶縁を行う電力伝達用絶縁回路であって、第１の蓄電素子と、前記出力端へ電力を出力する第２の蓄電素子と、前記入力端から入力された電力を前記第１の蓄電素子に供給するか否かを切り替える入力スイッチ部と、前記入力スイッチ部が前記第１の蓄電素子に電力を供給していないときに、前記第１の蓄電素子に蓄積された電力を前記第２の蓄電素子に供給するか否かを切り替える出力スイッチ部と、前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出する両端電圧に基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する算出部と、を備えることを特徴とするものである。
【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、入力端から入力された電力を第１の蓄電素子に供給するか否かを切り替える。出力スイッチ部は、入力スイッチ部が第１の蓄電素子に電力を供給していないときに、第１の蓄電素子に蓄積された電力を第２の蓄電素子に供給するか否かを切り替える。第２の蓄電素子は、第１の蓄電素子から供給された電力を蓄積しつつ、出力端に電力を出力する。よって、入力端から入力された電力は、第１の蓄電素子と第２の蓄電素子とを介して出力端に伝達される。また、出力スイッチ部は、入力スイッチ部が第１の蓄電素子に電力を供給していないときに第２の蓄電素子に電力を供給するので、出力端と入力端とを絶縁することができる。さらに、電圧検出部は、第２の蓄電素子の両端電圧を検出し、算出部は、電圧検出部が検出する両端電圧に基づいて、電力伝達用絶縁回路に流れる電流値を算出する。したがって、第２の蓄電素子の両端電圧を用いた演算によって、電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を簡易に求めることができる。その結果、アイソレーションアンプ等を用いた電流検出回路は不要となるため、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【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、前記電力伝達用絶縁回路は、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第１期間、前記入力スイッチ部がオンで前記出力スイッチ部がオフである第２期間、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第３期間、及び前記入力スイッチ部がオフで前記出力スイッチ部がオンである第４期間を、この順に周期的に繰り返し、前記電圧検出部は、前記第１期間の始点である第１時点において、前記両端電圧である第１電圧を検出し、前記第１時点より後、前記第３期間の終了以前の第２時点において、前記両端電圧である第２電圧を検出し、前記算出部は、前記第１電圧と前記第２電圧とに基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出することを特徴とするものである。
【００１４】
第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、電圧検出部は、第１期間の始点である第１時点において第１電圧を検出し、第１時点より後、第３期間の終了以前の第２時点において第２電圧を検出する。そして、算出部は、第１電圧と第２電圧とに基づいて、電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する。第１電圧及び第２電圧をパラメータとする所定の式を用いて演算を行うことにより、電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を精度良く求め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１又は第２の態様に係る電力伝達用絶縁回路において特に、前記第１の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、前記第２の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、前記入力スイッチ部は、前記入力端の一方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第１のスイッチ素子、及び前記入力端の他方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第２のスイッチ素子を含み、前記出力スイッチ部は、前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第３のスイッチ素子、及び前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第４のスイッチ素子を含むことを特徴とするものである。
【００１６】
第３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のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子をオンすることで、入力端から入力された電力を第１の蓄電素子に供給することができる。出力スイッチ部は、第３のスイッチ素子及び第４のスイッチ素子をオンすることで、第１の蓄電素子に蓄積された電力を第２の蓄電素子に供給することができる。したがって、第１〜第４のスイッチ素子のオン／オフを制御することで、算出部により電流値を算出しつつ、入力端と出力端との絶縁、及び入力端から出力端への電力の伝達を簡易に行うことが可能となる。
【００１７】
本発明の第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路は、第１〜第３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、前記電圧検出部はフォトカプラを有することを特徴とするものである。
【００１８】
第４の態様に係る電力伝達用絶縁回路によれば、フォトカプラの発光素子と受光素子との間は絶縁されているため、電圧を検出する対象である電力伝達系回路と、電圧値から電流値の算出などを行う信号処理系回路との絶縁を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明の第５の態様に係る電力変換装置は、入力電圧を昇圧又は降圧し、昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、前記昇降圧回路が昇圧又は降圧した前記電圧を受けて、絶縁を行いつつ出力側に電力を伝達する、第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路と、を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
第５の態様に係る電力変換装置は、第１の態様に係る電力伝達用絶縁回路を備える。従って、電力変換装置全体としても、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制しつつ、回路に流れる電流を簡易に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を概略的に示す回路図である。
【図２】電圧検出部の構成を示す図である。
【図３】スイッチ素子のオンオフ状態とキャパシタの両端電圧との関係を示したタイムチャートである。
【図４】キャパシタ及び負荷を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、同一又は相応する要素を示すものとする。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置２０１の構成を概略的に示す回路図である。図１の接続関係で示すように電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１、整流部１０２、及び昇降圧回路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、入力スイッチ部２１、出力スイッチ部２２、入力端２４、出力端２５、検出部２３、算出部１３、及び制御部１４を含む。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２を含む。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４を含む。検出部２３は、電圧検出部１０〜１２を含む。
【００２５】
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及びプラグイン方式のＨＶ等の駆動用のバッテリである。
【００２６】
整流部１０２は、例えばダイオードブリッジを含んで構成されており、交流電源２０２から入力された交流電力を全波整流することにより、直流電力を出力する。
【００２７】
昇降圧回路１０３は、整流部１０２から入力された直流電力を昇圧又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て出力する。
【００２８】
電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチ素子Ｚ１は、キャパシタＣ０の第１端である端子Ｔ１１と電気的に接続された第１端である端子Ｔ１、及びキャパシタＣ１の第１端である端子Ｔ１３と電気的に接続された第２端である端子Ｔ２を有する。スイッチ素子Ｚ２は、キャパシタＣ０の第２端である端子Ｔ１２と電気的に接続された第１端である端子Ｔ３、及びキャパシタＣ１の第２端である端子Ｔ１４と電気的に接続された第２端である端子Ｔ４を有する。スイッチ素子Ｚ３は、端子Ｔ１３と電気的に接続された第１端である端子Ｔ５、及びキャパシタＣ２の第１端である端子Ｔ１５と電気的に接続された第２端である端子Ｔ６を有する。スイッチ素子Ｚ４は、端子Ｔ１４と電気的に接続された第１端である端子Ｔ７、及びキャパシタＣ２の第２端である端子Ｔ１６と電気的に接続された第２端である端子Ｔ８を有する。
【００２９】
キャパシタＣ０は、昇降圧回路１０３から入力された直流電力を蓄える。入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１の端子Ｔ１及びスイッチ素子Ｚ２の端子Ｔ３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２２は、キャパシタＣ１に蓄積された電荷をキャパシタＣ２及び負荷２０３に供給するか否かを切り替える。キャパシタＣ２に蓄積された電荷は、放電されて出力端２５から負荷２０３に供給される。
【００３０】
制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ４をスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４に入力することにより、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフを切り替える。電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１４のスイッチ制御により、整流部１０２及び負荷２０３間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷２０３に伝達する。
【００３１】
電圧検出部１０は、スイッチ素子Ｚ１の端子Ｔ１及びスイッチ素子Ｚ２の端子Ｔ３間の電圧Ｖ０、すなわちキャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０を検出する。電圧Ｖ０は、昇降圧回路１０３が出力する直流電圧の電圧であり、電力伝達用絶縁回路１０１の入力電圧でもある。電圧検出部１１は、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１を検出する。電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。
【００３２】
図２は、電圧検出部１０の構成を示す図である。図２では電圧検出部１０の構成を代表的に示しているが、電圧検出部１１，１２の構成もこれと同様である。
【００３３】
図２を参照して、電圧検出部１０は、フォトカプラＸ１、入力抵抗Ｒ１、及び出力抵抗Ｒ２を含む。キャパシタＣ０の端子Ｔ１１及び端子Ｔ１２間に、入力抵抗Ｒ１とフォトカプラＸ１の発光素子とが直列に接続されている。フォトカプラＸ１の電源電圧Ｖｃｃが供給されるノードと接地電圧が供給されるノードとの間に、フォトカプラＸ１の受光素子と出力抵抗Ｒ２とが直列に接続されている。
【００３４】
キャパシタＣ０の両端に電圧が印加されたとき、当該電圧に応じた量の電流がフォトカプラＸ１の発光素子を通して流れ、この電流量がフォトカプラＸ１の受光素子に伝達される。すなわち、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた量の電流が、フォトカプラＸ１における受光素子を通して流れる。これにより、電圧検出部１０は、キャパシタＣ０の両端電圧Ｖ０の電圧値を検出することができる。フォトカプラＸ１の発光素子と受光素子との間に電気的接続はなく、絶縁されている。そのため、算出部１３とキャパシタＣ０との間は絶縁され、キャパシタＣ０の両端電圧に応じた大きさの電圧が、安全に算出部１３へ伝達される。同様に、電圧検出部１１は、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１の電圧値を検出し、両端電圧Ｖ１に応じた大きさの電圧が算出部１３へ伝達される。また、電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値を検出し、両端電圧Ｖ２に応じた大きさの電圧が算出部１３へ伝達される。
【００３５】
算出部１３は、電圧検出部１２が検出したキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値に基づいて、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値を算出する。この電流値の算出手法の詳細については後述する。算出部１３は、算出した出力電流の電流値を制御部１４に入力する。
【００３６】
次に、電力伝達用絶縁回路１０１が行う電力伝達におけるスイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４の動作と、キャパシタＣ０〜Ｃ２の両端電圧Ｖ０〜Ｖ２との関係について説明する。図３は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオンオフの状態とキャパシタＣ０〜Ｃ２の両端電圧Ｖ０〜Ｖ２との関係を示したタイムチャートである。電力伝達用絶縁回路１０１は、この順に連続する期間Ｐ１〜Ｐ４を一周期として繰り返す定常動作を行うことで、昇降圧回路１０３及び負荷２０３間の電力伝達を行っている。なお、図３においては、直流電圧である電圧Ｖ０の大きさは電圧値Ｖ００である。期間Ｐ１開始時の電圧Ｖ１の大きさは電圧値Ｖ１０であり、期間Ｐ４開始時の電圧Ｖ１の大きさは電圧値Ｖ１１である。期間Ｐ１開始時の電圧Ｖ２の大きさは電圧値Ｖ２０であり、期間Ｐ４開始時の電圧Ｖ２の大きさは電圧値Ｖ２１である。
【００３７】
図３を参照して、まず制御部１４は、期間Ｐ１において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側と出力側との間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。つまり、このデッドタイムを設けることにより、入力スイッチ部２１及び出力スイッチ部２２の各スイッチ素子を介して電力伝達用絶縁回路１０１の入力側と出力側との間が短絡することが防止されている。これにより、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間の絶縁が確保される。またこのとき、キャパシタＣ２に蓄積されていた電荷は、放電されて負荷２０３に供給される。キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に低下する。
【００３８】
次に制御部１４は、期間Ｐ２において、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２をオンし、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４をオフする。これにより、キャパシタＣ０から放電された電荷によってキャパシタＣ１が充電される。キャパシタＣ１に蓄積されている電荷が増加することにより、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１は徐々に上昇する。また、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４がオフされていることにより、昇降圧回路１０３と負荷２０３と間の絶縁は確保されている。またこのとき、キャパシタＣ２に蓄積されていた電荷は、放電されて負荷２０３に供給される。キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に低下する。
【００３９】
次に制御部１４は、期間Ｐ３において、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフする。これにより、期間Ｐ１と同様に、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側と出力側との間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。またこのとき、キャパシタＣ２に蓄積されていた電荷は、放電されて負荷２０３に供給される。キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に低下する。
【００４０】
次に制御部１４は、期間Ｐ４において、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２をオフし、スイッチ素子Ｚ３，Ｚ４をオンする。これにより、キャパシタＣ１から放電された電荷によってキャパシタＣ２が充電される。キャパシタＣ１に蓄積されている電荷が減少することにより、キャパシタＣ１の両端電圧Ｖ１は徐々に低下する。また、キャパシタＣ２に蓄積されている電荷が増加することにより、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２は徐々に上昇する。また、スイッチ素子Ｚ１，Ｚ２がオフされていることにより、昇降圧回路１０３と負荷２０３との間の絶縁は確保されている。
【００４１】
このように、期間Ｐ２の開始時から終了時までの間で、電圧Ｖ１は電圧値Ｖ１０から電圧値Ｖ１１に上昇する。期間Ｐ４の開始時から終了時までの間で、電圧Ｖ１は電圧値Ｖ１１から電圧値Ｖ１０に低下する。また、期間Ｐ１の開始時から期間Ｐ３の終了時までの間で、電圧Ｖ２は電圧値Ｖ２０から電圧値Ｖ２１に低下する。期間Ｐ４の開始時から終了時までの間で、電圧Ｖ２は電圧値Ｖ２１から電圧値Ｖ２０に上昇する。電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２は、このような電圧値の上昇及び低下を繰り返し行うことで脈動している。この期間Ｐ１〜Ｐ４を作り出す、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のスイッチングの周波数は、例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚである。
【００４２】
以下、算出部１３による電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の算出手法について説明する。図４は、キャパシタＣ２及び負荷２０３を示す回路図である。図４に示すように、キャパシタＣ２の静電容量をＣ２、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値をＶ２、負荷２０３の抵抗値をＲＬ、電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値をｉＬとする。また、図３を参照して、期間Ｐ１の開始点である第１時点におけるキャパシタの両端電圧Ｖ２の電圧値はＶ２０である。そして、第１時点よりも後、かつ期間Ｐ３の終了以前である第２時点におけるキャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２の電圧値をＶ２（ｔ）とする。ここで「ｔ」は、第１時点と第２時点との間の時間間隔であり、期間Ｐ１〜Ｐ３の合計時間より短い。
【００４３】
このとき、図３に示した期間Ｐ１〜Ｐ３においては、抵抗値ＲＬは一定とみなすことができるため、電圧値Ｖ２（ｔ）は下記式（１）によって表される。
【００４４】
【数１】
【００４５】
従って、抵抗値ＲＬは下記式（２）によって表され、電流値ｉＬは下記式（３）によって表される。
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
式（３）より、電圧値Ｖ２０と電圧値Ｖ２（ｔ）とが分かれば、電流値ｉＬを求めることができる。
【００４９】
そこで、まず電圧検出部１２は、期間Ｐ１の開始点である第１時点において、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。そして、その検出結果である電圧値Ｖ２０を算出部１３に入力する。次に電圧検出部１２は、第１時点よりも後、かつ期間Ｐ３の終了以前である第２時点において、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出する。そして、その検出結果である電圧値Ｖ２（ｔ）を算出部１３に入力する。そして算出部１３は、入力された電圧値Ｖ２０及び電圧値Ｖ２（ｔ）を用いて式（３）の演算を行うことにより、電流値ｉＬを算出する。
【００５０】
このような電流値ｉＬの算出処理は例えば１００ミリ秒間隔で定期的に実行されることにより、出力電流の異常の有無が監視される。この出力電流の監視において、出力電流の電流値が異常値を示した場合には、制御部１４は、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４をオフすることにより、負荷２０３に異常な電流が流れることを防止する。
【００５１】
また、負荷２０３がバッテリ等である場合には、バッテリの充電が進行してバッテリの電圧と電力伝達用絶縁回路１０１の出力電圧との差が小さくなったときに、バッテリへ供給される電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流が小さくなって、充電がそれ以上進行しにくい状態となることがある。このような場合、算出部１３によって電力伝達用絶縁回路１０１の出力電流の電流値ｉＬを算出し、充電の進行に伴って電流値ｉＬが小さくなってきたことを検出した場合には、昇降圧回路１０３によって電力伝達用絶縁回路１０１の出力電圧をより高いレベルに設定することで、バッテリに押し込み充電を行うことが可能となる。この押し込み充電により、バッテリの充電を速やかに完了することができる。
【００５２】
このように本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、入力スイッチ部２１は、入力端２４から入力され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２２は、入力スイッチ部２１がキャパシタＣ１に電力を供給していないときに、キャパシタＣ１に蓄積された電力をキャパシタＣ２に供給するか否かを切り替える。キャパシタＣ２は、キャパシタＣ１から供給された電力を蓄積しつつ、出力端２５に電力を出力する。よって、入力端２４から入力された電力は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とを介して出力端２５に伝達される。また、出力スイッチ部２２は、入力スイッチ部２１がキャパシタＣ１に電力を供給していないときにキャパシタＣ２に電力を供給するので、出力端２５と入力端２４とを絶縁することができる。さらに、電圧検出部１２は、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を検出し、算出部１３は、電圧検出部１２が検出する両端電圧Ｖ２に基づいて、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流値ｉＬを算出する。したがって、キャパシタＣ２の両端電圧Ｖ２を用いた演算によって、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流の電流値ｉＬを簡易に求めることができる。その結果、アイソレーションアンプ等を用いた電流検出回路は不要となるため、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【００５３】
また、本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、電圧検出部１２は、第１期間Ｐ１の始点である第１時点において電圧値Ｖ２０（第１電圧）を検出し、第１時点より後、第３期間Ｐ３の終了以前の第２時点において電圧値Ｖ２（ｔ）（第２電圧）を検出する。そして、算出部１３は、電圧値Ｖ２０と電圧値Ｖ２（ｔ）とに基づいて、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流の電流値ｉＬを算出する。電圧値Ｖ２０及び電圧値Ｖ２（ｔ）をパラメータとする式（３）を用いて演算を行うことにより、電力伝達用絶縁回路１０１に流れる電流の電流値ｉＬを精度良く求めることが可能となる。
【００５４】
また、本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、入力スイッチ部２１は、スイッチ素子Ｚ１（第１のスイッチ素子）及びスイッチ素子Ｚ２（第２のスイッチ素子）をオンすることで、入力端２４から入力された電力をキャパシタＣ１に供給することができる。出力スイッチ部２２は、スイッチ素子Ｚ３（第３のスイッチ素子）及びスイッチ素子Ｚ４（第４のスイッチ素子）をオンすることで、キャパシタＣ１に蓄積された電力をキャパシタＣ２に供給することができる。したがって、スイッチ素子Ｚ１〜Ｚ４のオン／オフを制御することで、算出部１３により電流値ｉＬを算出しつつ、入力端２４と出力端２５との絶縁、及び入力端２４から出力端２５への電力の伝達を簡易に行うことが可能となる。
【００５５】
また、本実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路１０１によれば、フォトカプラＸ１の発光素子と受光素子との間は絶縁されているため、電圧を検出する対象である電力伝達系回路と、電圧値から電流値の算出などを行う信号処理系回路（算出部１３及び制御部１４等）との絶縁を行うことが可能となる。
【００５６】
また、本実施の形態に係る電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１を備える。従って、電力変換装置２０１全体としても、製造コストの上昇及び回路規模の増大を抑制することが可能となる。
【００５７】
なお、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及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。例えば、本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を備えるが、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。
【符号の説明】
【００５８】
Ｃ０〜Ｃ２ キャパシタ
Ｚ１〜Ｚ４ スイッチ素子
１０〜１２ 電圧検出部
１３ 算出部
１４ 制御部
２１ 入力スイッチ部
２２ 出力スイッチ部
２３ 検出部
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】
入力端から入力された電力を出力端に伝達しつつ絶縁を行う電力伝達用絶縁回路であって、
第１の蓄電素子と、
前記出力端へ電力を出力する第２の蓄電素子と、
前記入力端から入力された電力を前記第１の蓄電素子に供給するか否かを切り替える入力スイッチ部と、
前記入力スイッチ部が前記第１の蓄電素子に電力を供給していないときに、前記第１の蓄電素子に蓄積された電力を前記第２の蓄電素子に供給するか否かを切り替える出力スイッチ部と、
前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出する両端電圧に基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する算出部と、
を備える電力伝達用絶縁回路。
【請求項２】
前記電力伝達用絶縁回路は、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第１期間、前記入力スイッチ部がオンで前記出力スイッチ部がオフである第２期間、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第３期間、及び前記入力スイッチ部がオフで前記出力スイッチ部がオンである第４期間を、この順に周期的に繰り返し、
前記電圧検出部は、前記第１期間の始点である第１時点において、前記両端電圧である第１電圧を検出し、前記第１時点より後、前記第３期間の終了以前の第２時点において、前記両端電圧である第２電圧を検出し、
前記算出部は、前記第１電圧と前記第２電圧とに基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項３】
前記第１の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、
前記第２の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、
前記入力スイッチ部は、前記入力端の一方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第１のスイッチ素子、及び前記入力端の他方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第２のスイッチ素子を含み、
前記出力スイッチ部は、前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第３のスイッチ素子、及び前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第４のスイッチ素子を含む、請求項１又は２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
前記電圧検出部はフォトカプラを有する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項５】
入力電圧を昇圧又は降圧し、昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、
前記昇降圧回路が昇圧又は降圧した前記電圧を受けて、絶縁を行いつつ出力側に電力を伝達する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路と、
を備える電力変換装置。
【請求項１】
入力端から入力された電力を出力端に伝達しつつ絶縁を行う電力伝達用絶縁回路であって、
第１の蓄電素子と、
前記出力端へ電力を出力する第２の蓄電素子と、
前記入力端から入力された電力を前記第１の蓄電素子に供給するか否かを切り替える入力スイッチ部と、
前記入力スイッチ部が前記第１の蓄電素子に電力を供給していないときに、前記第１の蓄電素子に蓄積された電力を前記第２の蓄電素子に供給するか否かを切り替える出力スイッチ部と、
前記第２の蓄電素子の両端電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出する両端電圧に基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する算出部と、
を備える電力伝達用絶縁回路。
【請求項２】
前記電力伝達用絶縁回路は、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第１期間、前記入力スイッチ部がオンで前記出力スイッチ部がオフである第２期間、前記入力スイッチ部及び前記出力スイッチ部がともにオフである第３期間、及び前記入力スイッチ部がオフで前記出力スイッチ部がオンである第４期間を、この順に周期的に繰り返し、
前記電圧検出部は、前記第１期間の始点である第１時点において、前記両端電圧である第１電圧を検出し、前記第１時点より後、前記第３期間の終了以前の第２時点において、前記両端電圧である第２電圧を検出し、
前記算出部は、前記第１電圧と前記第２電圧とに基づいて、前記電力伝達用絶縁回路に流れる電流の値を算出する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項３】
前記第１の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、
前記第２の蓄電素子は第１端と第２端とを有し、
前記入力スイッチ部は、前記入力端の一方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第１のスイッチ素子、及び前記入力端の他方端側に接続される第１端と前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第２のスイッチ素子を含み、
前記出力スイッチ部は、前記第１の蓄電素子の第１端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第１端に接続される第２端とを有する第３のスイッチ素子、及び前記第１の蓄電素子の第２端に接続される第１端と前記第２の蓄電素子の第２端に接続される第２端とを有する第４のスイッチ素子を含む、請求項１又は２に記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項４】
前記電圧検出部はフォトカプラを有する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力伝達用絶縁回路。
【請求項５】
入力電圧を昇圧又は降圧し、昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、
前記昇降圧回路が昇圧又は降圧した前記電圧を受けて、絶縁を行いつつ出力側に電力を伝達する、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路と、
を備える電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１７５８１０（Ｐ２０１２−１７５８１０Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５４７５（Ｐ２０１１−３５４７５）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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