電力変換装置及び充電装置
【課題】広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変である電力変換装置、及び当該装置を備えることにより広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能な充電装置を提供する。
【解決手段】充電装置１は、交流電源ＰＳから供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１と、コンバータ１１で変換された直流電力の変換を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを備えており、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、高周波トランス２３と、高周波トランス２３の一次側及び二次側の各々に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う電力変換回路２１，２５とを備えており、電力変換回路２１，２５の少なくとも一方は、高周波トランス２３が備える巻線の一端Ｐ１に接続されたスイッチングレッグＬ１１と、巻線の他端Ｐ２に接続されたスイッチングレッグＬ１２と、巻線の中点Ｐ３に接続されたスイッチングレッグＬ１３とを備える。
【解決手段】充電装置１は、交流電源ＰＳから供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１と、コンバータ１１で変換された直流電力の変換を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを備えており、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、高周波トランス２３と、高周波トランス２３の一次側及び二次側の各々に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う電力変換回路２１，２５とを備えており、電力変換回路２１，２５の少なくとも一方は、高周波トランス２３が備える巻線の一端Ｐ１に接続されたスイッチングレッグＬ１１と、巻線の他端Ｐ２に接続されたスイッチングレッグＬ１２と、巻線の中点Ｐ３に接続されたスイッチングレッグＬ１３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力の変換を行う電力変換装置及び当該装置を備える充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、直流電力の変換を行う電力変換装置は、一般的にＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれており、非絶縁型のものと絶縁型のものに大別される。絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータは、例えばトランス（変圧器）と、トランスの一次側に接続されて直流電力を交流電力に変換する第１変換器と、トランスの二次側に接続されて交流電力を直流電力に変換する第２変換器とを備える構成である。
【０００３】
近年、トランスの一次側から二次側へ直流電力を伝送するのみならず、トランスの二次側から一次側に直流電力を伝送することができる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが開発されている。この双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの一次側及び二次側の双方にスイッチング回路（ブリッジ回路）が設けられており、トランスの一次側に設けられたスイッチング回路を駆動するタイミングと、トランスの二次側に設けられたスイッチング回路を駆動するタイミングとを変えることで、一次側から二次側への直流電力の伝送、或いは、二次側から一次側への直流電力の伝送が可能である。
【０００４】
上記の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで、例えば二次側に設けられたリチウムイオンバッテリ等の二次電池を必要に応じて充電するとともに、二次電池に充電されている直流電力を必要に応じて一次側に取り出すことが可能な充電装置を実現することができる。尚、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細については、例えば以下の非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】井上重徳，他１名，「双方向絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いたエネルギー蓄積システムの基礎実験」，平成１８年電気学会全国大会講演論文集，第２００６巻，第４号，ｐ．４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記の特許文献１に開示された双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの二次側の出力電圧が一次側巻線と二次側巻線との巻線比でほぼ決まってしまう。このため、このような双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備える充電装置は、効率的に充電を行うことができる電圧範囲が狭いという問題がある。ここで、充電対象の二次電池の電圧が一定であれば、その二次電池の特性に応じて双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを設計すれば二次電池を効率的に充電することができる。しかしながら、充電対象である二次電池の出力電圧が数十〜数百Ｖ程度の範囲である場合には、全ての二次電池を効率良く充電することが困難であるという問題があった
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変である電力変換装置、及び当該装置を備えることにより広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能な充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、高周波トランス（２３）と、該高周波トランスの一次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路（２１）と、前記高周波トランスの二次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路（２５）とを備え、直流電力の変換を行う電力変換装置（１３）において、前記第１，第２電力変換回路の少なくとも一方は、前記高周波トランスが備える巻線の一端（Ｐ１）に接続されてスイッチング素子（３１ａ、３１ｂ）を直列接続してなる第１スイッチングレッグ（Ｌ１１）と、前記巻線の他端（Ｐ２）に接続されてスイッチング素子（３１ｃ、３１ｄ）を直列接続してなる第２スイッチングレッグ（Ｌ１２）と、前記巻線の一端と他端との間の中点（Ｐ３）に接続されてスイッチング素子（３１ｅ、３２ｆ）を直列接続してなる少なくとも１つの第３スイッチングレッグ（Ｌ１３）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態又は開放状態にするスイッチ（２４）を備えることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記スイッチが、双方向スイッチ、リレースイッチ、又はコンタクタであることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を開放状態にした場合には、前記第１，第２スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行い、前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態にした場合には、前記第１，第３スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行う制御装置（１４）を備えることを特徴としている。
本発明の充電装置は、交流電源（ＰＳ）から供給される交流電力を用いて二次電池（Ｂ）の充電を行う充電装置（１）において、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ（１１）と、前記コンバータで変換された直流電力の変換を行う上記の電力変換装置とを備えることを特徴としている。
また、本発明の充電装置は、前記制御装置が、前記二次電池の特性に応じて、前記コンバータ、前記第１，第２電力変換回路、及び前記スイッチの制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高周波トランスの一次側及び二次側にそれぞれ設けられる第１，第２電力変換回路の少なくとも一方を、高周波トランスが備える巻線の一端に接続される第１スイッチングレッグと、巻線の他端に接続される第２スイッチングレッグと、巻線の中点に接続される少なくとも１つの第３スイッチングレッグとを備える構成にしたため、広い電圧範囲に亘って出力電圧を可変にすることができるという効果がある。これにより、充電装置においては、広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による充電装置に設けられるスイッチの例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電力変換装置及び充電装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の充電装置１は、コンバータ１１、コンデンサ１２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３（電力変換装置）、及び制御装置１４を備えており、交流電源ＰＳから供給される交流電力（例えば、電圧が２００Ｖである三相交流電力）から充電用の直流電力を生成する。
【００１２】
充電装置１によって生成された直流電力は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力端子Ｔ１，Ｔ２から外部に出力され、例えば出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されたリチウムイオン二次電池等の二次電池Ｂを充電するために用いられる。尚、出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続される二次電池Ｂは、数十〜数百Ｖ程度の範囲の出力電圧を取り得るものであるとする。ここで、本実施形態の充電装置１は、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂの充電のみならず、二次電池Ｂに充電された直流電力の取り出しも可能であるが、以下では説明を簡単にするために、主として交流電源ＰＳから供給される交流電力を用いて二次電池Ｂを充電する場合について説明する。
【００１３】
コンバータ１１は、ＡＣリアクトル１１ａ及びＰＷＭコンバータ１１ｂを備えており、交流電源ＰＳから供給される三相交流電源を直流電力に変換する。ＡＣリアクトル１１ａは、ＰＷＭコンバータ１１ｂの入力端（交流電源ＰＳとＰＷＭコンバータ１１ｂとの間）に設けられており、交流電源ＰＳから供給される三相交流電源に重畳されている高調波ノイズを除去する。
【００１４】
ＰＷＭコンバータ１１ｂは、例えば三相全波整流回路を構成する複数のダイオード（例えば、６個のダイオード）と、これらダイオードの各々に並列接続されたトランジスタ等のスイッチング素子とを備えており、制御装置１４の制御の下で、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を整流する。尚、制御装置１４によって、ＰＷＭコンバータ１１ｂに設けられたスイッチング素子がＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御されることにより、出力電圧の制御及び力率の補償が行われる。コンデンサ１２は、コンバータ１１の出力端子間（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力端子間）に設けられており、コンバータ１１で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。
【００１５】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、電力変換回路２１（第１電力変換回路）、リアクトル２２、高周波トランス２３、スイッチ２４、電力変換回路２５（第２電力変換回路）、及びコンデンサ２６を備えており、制御装置１４の制御の下で直流電力の変換を行う。具体的には、コンバータ１１で変換された直流電力の変換を行って出力端子Ｔ１，Ｔ２から出力する。尚、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂから供給される直流電力の変換を行ってコンバータ１１に出力する場合もある。
【００１６】
電力変換回路２１は、スイッチング素子を直列接続してなる３つのスイッチングレッグＬ１１〜Ｌ１３（第１〜第３スイッチングレッグ）を備えており、制御装置１４の制御の下で、コンバータ１１で変換された直流電力を交流電力に変換してリアクトル２２側に出力する。尚、この電力変換回路２１は、リアクトル２２側から入力される交流電力を直流電力に変換してコンバータ１１に出力することも可能である。
【００１７】
スイッチングレッグＬ１１は、直列接続されたトランジスタ３１ａ，３１ｂ（スイッチング素子）と、トランジスタ３１ａに並列接続されたダイオード３２ａ及びコンデンサ３３ａと、トランジスタ３１ｂに並列接続されたダイオード３２ｂ及びコンデンサ３３ｂとを備える。スイッチングレッグＬ１２は、直列接続されたトランジスタ３１ｃ，３１ｄ（スイッチング素子）と、トランジスタ３１ｃに並列接続されたダイオード３２ｃ及びコンデンサ３３ｃと、トランジスタ３１ｄに並列接続されたダイオード３２ｄ及びコンデンサ３３ｄとを備える。同様に、スイッチングレッグＬ１３は、直列接続されたトランジスタ３１ｅ，３１ｆ（スイッチング素子）と、トランジスタ３１ｅに並列接続されたダイオード３２ｅ及びコンデンサ３３ｅと、トランジスタ３１ｆに並列接続されたダイオード３２ｆ及びコンデンサ３３ｆとを備える。
【００１８】
以上のトランジスタ３１ａ〜３１ｆは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、制御装置１４によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ３１ａ〜３１ｆとして、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いることも可能である。尚、コンデンサ３３ａ〜３３ｆは、トランジスタ３１ａ〜３１ｆのスイッチング時に生じる過渡的な高電圧を吸収するために設けられるスナバコンデンサである。
【００１９】
具体的に、スイッチングレッグＬ１１〜Ｌ１３に設けられるトランジスタ３１ａ，３１ｃ，３１ｅは、コレクタ電極がコンバータ１１の一方の出力端（コンデンサ１２の一方の電極）に接続されており、エミッタ電極がトランジスタ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆのコレクタ電極にそれぞれ接続されている。また、スイッチングレッグＬ１１〜Ｌ１３に設けられるトランジスタ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆは、エミッタ電極がコンバータ１１の他方の出両端（コンデンサ１２の他方の電極）に接続されている。これらトランジスタ３１ａ〜３１ｆのベース電極は制御装置１４に接続されている。尚、ダイオード３２ａ〜３２ｆ及びコンデンサ３３ａ〜３３ｆは、トランジスタ３１ａ〜３１ｆのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ接続されている。
【００２０】
ここで、スイッチングレッグＬ１１をなすトランジスタ３１ａのエミッタ電極とトランジスタ３１ｂのコレクタ電極との接続点は、リアクトル２２を介して高周波トランス２３の一次巻線２３ａの一端Ｐ１に接続されている。また、スイッチングレッグＬ１２をなすトランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の一次巻線２３ａの他端Ｐ２に接続されている。
【００２１】
更に、スイッチングレッグＬ１３をなすトランジスタ３１ｅのエミッタ電極とトランジスタ３１ｆのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の一次巻線２３ａの中点Ｐ３に接続されている。尚、ここにいう中点Ｐ３は、一次巻線２３ａを正確に二分する点という狭い意味ではなく、一次巻線２３ａの一端Ｐ１と他端Ｐ２との間の任意の点という広い意味であり、その位置は充電装置１の仕様によって設定される。
【００２２】
スイッチングレッグＬ１２に設けられたトランジスタ３１ｃ，３１ｄ、及び、スイッチングレッグＬ１３に設けられたトランジスタ３１ｅ，３１ｆは、制御装置１４によって排他的に駆動される。このため、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｄ、或いは、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１３に設けられた４つのトランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、コンバータ１１からの直流電力が交流電力に変換されてリアクトル２２側に出力される。これに対し、例えばトランジスタ３１ａ〜３１ｆが全てオフ状態である場合にリアクトル２２側から交流電力が供給されると、その交流電力がダイオード３２ａ〜３２ｆにより整流されてコンバータ１１に出力される。
【００２３】
リアクトル２２は、一端がスイッチングレッグＬ１１に設けられたトランジスタ３１ａのエミッタ電極とトランジスタ３１ｂのコレクタ電極との接続点に接続されており、他端が高周波トランス２３に設けられた一次側巻線２３ａの一端Ｐ１に接続されている。このリアクトル２２は、力率を調整するために設けられる。尚、一次側巻線２３ａの他端Ｐ２は、スイッチングレッグＬ１２（トランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点）に接続されており、一次側巻線２３ａの中点Ｐ３は、スイッチングレッグＬ１３（トランジスタ３１ｅのエミッタ電極とトランジスタ３１ｆのコレクタ電極との接続点）に接続されている。
【００２４】
高周波トランス２３は、上述した一次側巻線２３ａと二次側巻線２３ｂとを備える。この高周波トランス２３は、一次側巻線２３ａの全体（一端Ｐ１と他端Ｐ２との間）に対する二次側巻線２３ｂの巻線比が例えば「６」に設定されており、一次側巻線２３ａの一部（一端Ｐ１と中点Ｐ３との間）に対する二次側巻線２３ｂの巻線比が例えば「１０」に設定されている。尚、この巻線比の設定は、充電装置１の仕様に応じて任意に設定することができる。この高周波トランス２３が設けられていることにより、交流電源ＰＳと二次電池Ｂとの間が絶縁されることになる。
【００２５】
スイッチ２４は、高周波トランス２３に設けられた一次巻線２３ａの中点Ｐ３とスイッチングレッグＬ１２（トランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点）との間に設けられており、制御装置１４の制御の下でこれらの間を短絡状態又は開放状態にする。このスイッチ２４は、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｄを駆動している最中に、スイッチングレッグＬ１３に電流が流れるのを防止するために設けられる。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態による充電装置に設けられるスイッチの例を示す回路図である。図２（ａ）に示すスイッチは、２つのトランジスタと２つのダイオードからなる双方向スイッチである。この双方向スイッチは、一方のトランジスタのベース電極に制御信号を印加すると一方向（例えば、紙面左側から右側）に電流が流れ、他方のトランジスタのベース電極に制御信号を印加すると他方向（例えば、紙面右側から左側）に電流が流れる。また、図２（ｂ）に示すスイッチは、電磁リレー等のリレースイッチである。尚、図２（ａ），（ｂ）に例示するスイッチ以外にも、電磁接触器（コンタクタ）を用いることも可能である。
【００２７】
電力変換回路２５は、スイッチング素子を直列接続してなる２つのスイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２を備えており、制御装置１４の制御の下で高周波トランス２３の一次側から二次側に移行される交流電力を直流電力に変換して出力端子Ｔ１，Ｔ２側に出力する。尚、この電力変換回路２５は、出力端子Ｔ１，Ｔ２側から供給される直流電力を交流電力に変換して高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂに出力することも可能である。
【００２８】
スイッチングレッグＬ２１は、直列接続されたトランジスタ４１ａ，４１ｂと、トランジスタ４１ａに並列接続されたダイオード４２ａ及びコンデンサ４３ａと、トランジスタ４１ｂに並列接続されたダイオード４２ｂ及びコンデンサ４３ｂとを備える。スイッチングレッグＬ２２は、直列接続されたトランジスタ４１ｃ，４１ｄと、トランジスタ４１ｃに並列接続されたダイオード４２ｃ及びコンデンサ４３ｃと、トランジスタ４１ｄに並列接続されたダイオード４２ｄ及びコンデンサ４３ｄとを備える。
【００２９】
トランジスタ４１ａ〜４１ｄは、電力変換回路２１に設けられるトランジスタ３１ａ〜３１ｆと同様に絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、制御装置１４によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ４１ａ〜４１ｄとして、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタを用いることも可能である。
【００３０】
具体的に、スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられるトランジスタ４１ａ，４１ｃは、コレクタ電極が出力端子Ｔ１（コンデンサ２６の一方の電極）に接続されており、エミッタ電極がトランジスタ４１ｂ，４１ｄのコレクタ電極にそれぞれ接続されている。また、スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられるトランジスタ４１ｂ，４１ｄは、エミッタ電極が出力端子Ｔ２（コンデンサ２６の他方の電極）に接続されている。これらトランジスタ４１ａ〜４１ｄのベース電極は制御装置１４に接続されている。尚、ダイオード４２ａ〜４２ｄ及びコンデンサ４３ａ〜４３ｄは、トランジスタ４１ａ〜４１ｄのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ接続されている。
【００３１】
ここで、スイッチングレッグＬ２１をなすトランジスタ４１ａのエミッタ電極とトランジスタ４１ｂのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の二次巻線２３ｂの一端に接続されている。また、スイッチングレッグＬ２２をなすトランジスタ４１ｃのエミッタ電極とトランジスタ４１ｄのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の二次巻線２３ｂの他端に接続されている。
【００３２】
スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられた４つのトランジスタ４１ａ〜４１ｄの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、出力端子Ｔ１，Ｔ２側（コンデンサ２６側）からの直流電力が交流電力に変換されて高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂに出力される。これに対し、例えばトランジスタ４１ａ〜４１ｄが全てオフ状態である場合に、高周波トランス２３の一次側から二次側に交流電力が移行されると、その交流電力がダイオード４２ａ〜４２ｄにより整流されて出力端子Ｔ１，Ｔ２側（コンデンサ２６）側に出力される。コンデンサ２６は、充電装置１の出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されており、電力変換回路２５で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。
【００３３】
制御装置１４は、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂの充電制御を行う。具体的には、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂの特性に応じて、コンバータ１１、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路３１，２５、及びスイッチ２４の制御を行う。
【００３４】
次に、上記構成における充電装置１を用いて二次電池Ｂを充電する場合の動作について説明する。尚、本実施形態の充電装置１は、高周波トランス２３の一次側から二次側に電力を移行させる場合に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１，２５の各々を制御すれば移行される電力量の制御が可能であるが、ここでは説明を簡単にするために、電力変換回路２１のみを制御して充電を行う場合について説明する。
【００３５】
まず、充電すべき二次電池Ｂを充電装置１に接続し、二次電池Ｂの正電極及び負電極を充電装置１の出力端子Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ導通させる。二次電池Ｂの接続が完了すると、制御装置１４は、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂに関する情報（例えば、出力電圧や残容量等の情報）を取得する。例えば、図１に示す通り、二次電池Ｂの監視を行う監視回路Ｄが二次電池Ｂに設けられている場合には、この監視回路Ｄから二次電池Ｂに関する情報を取得する。尚、二次電池Ｂの出力電圧等の情報を検出する検出回路を出力端子Ｔ１，Ｔ２との間に設け、この検出回路から二次電池Ｂに関する情報を取得しても良い。
【００３６】
二次電池Ｂに関する情報を取得すると、制御装置１４は、取得した情報に応じてスイッチ２４のオン状態・オフ状態を切り替える。例えば、二次電池Ｂの出力電圧が数十Ｖ程度である場合にはスイッチ２４をオフ状態にし、二次電池Ｂの出力電圧が数百Ｖ程度である場合にはスイッチ２４をオン状態にする。つまり、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、高周波トランス２３の一次側巻線２３ａの中点Ｐ３とスイッチングレッグＬ１３との間を開放し、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、高周波トランス２３の一次側巻線２３ａの中点Ｐ３とスイッチングレッグＬ１３との間を短絡する。
【００３７】
以上の作業及び制御が終了し、充電開始の指示が行われると、制御装置１４から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１に制御信号が出力され、電力変換回路２１に設けられたトランジスタ３１ａ〜３１ｆのスイッチング動作が開始される。具体的に、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、電力変換回路２１に設けられた６つのトランジスタ３１ａ〜３１ｆのうち、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｆのスイッチング動作が開始される。これに対し、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１３に設けられた４つのトランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆのスイッチング動作が開始される。
【００３８】
これにより、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力はコンバータ１１によって直流電力に変換され、トランジスタ３１ａ〜３１ｄ、或いは、トランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆのスイッチング動作によってコンバータ１１で変換された直流電力が交流電力に変換される。電力変換回路２１によって変換された交流電力は、リアクトル２２を介して高周波トランス２３の一次側巻線２３ａに供給される。
【００３９】
ここで、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、トランジスタ３１ａ〜３１ｄのスイッチング動作によって変換された交流電力は、高周波トランス２３の巻線比が低い状態（昇圧比が小さい状態）で一次側から二次側に移行される。このため、高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂには巻線比に応じたさほど高くない電圧（例えば、数十Ｖ程度）の電圧が誘起される。これに対し、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、トランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆのスイッチング動作によって変換された交流電力は、高周波トランス２３の巻線比が高い状態（昇圧比が大きい状態）で一次側から二次側に移行される。このため、高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂには巻線比に応じた高い電圧（例えば、数百Ｖ程度）の電圧が誘起される。
【００４０】
高周波トランス２３の二次側に移行された交流電力は電力変換回路２５に入力され、電力変換回路２５に設けられたダイオード４１ａ〜４１ｄによって整流された後にコンデンサ２６で平滑されて直流電力に変換される。この直流電力は、接続端子Ｔ１，Ｔ２を介して二次電池Ｂに供給され、これにより二次電池Ｂが充電される。このようにして、充電装置１による二次電池Ｂの充電が行われる。
【００４１】
以上の通り、本実施形態では、高周波トランス２３の一次巻線２３ａの一端Ｐ１及び他端Ｐ２にそれぞれ接続されるスイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に加えて、一次巻線２３ａの中点Ｐ３に接続されるスイッチングレッグＬ１３を設け、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続される二次電池Ｂの出力電圧に応じて、スイッチングレッグＬ１２，Ｌ１３に設けられたトランジスタを排他的にスイッチングするようにしたため、広い電圧範囲に亘って充電装置１の出力電圧を変えることができる。これにより、充電装置１を用いて様々な種類の二次電池の充電を効率的に行うことができる。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態による電力変換装置及び充電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、高周波トランス２３の一次巻線２３ａに１つの中点Ｐ３が設定されており、この中点Ｐ３に接続される１つのスイッチングレッグＬ１３が設けられた例について説明したが、一次巻線２３ａの異なる位置に複数の中点を設定し、各々の中点に接続される複数のスイッチングレッグを設ける構成にしても良い。かかる構成にすることで、電圧の可変範囲を細かく設定することができる。
【００４３】
また、上記実施形態では、電力変換回路２１に３つのスイッチングレッグが設けられており、電力変換回路２５には２つのスイッチングレッグが設けられている構成を例に挙げて説明した。しかしながら、しかしながら、電力変換回路２１に代えて、或いは電力変換回路２１とともに、電力変換回路２５が３つのスイッチングレッグを備える構成にすることも可能である。
【００４４】
更に、上記実施形態では、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を用いて二次電池Ｂの充電を行う充電装置を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は単相交流電力を用いて二次電池Ｂの充電を行う充電装置にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 充電装置
１１ コンバータ
１３ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 制御装置
２１，２５ 電力変換回路
２３ 高周波トランス
２４ スイッチ
３１ａ〜３１ｆ トランジスタ
Ｂ 二次電池
Ｌ１１〜Ｌ１３ スイッチングレッグ
Ｐ１ 一端
Ｐ２ 他端
Ｐ３ 中点
ＰＳ 交流電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力の変換を行う電力変換装置及び当該装置を備える充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、直流電力の変換を行う電力変換装置は、一般的にＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれており、非絶縁型のものと絶縁型のものに大別される。絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータは、例えばトランス（変圧器）と、トランスの一次側に接続されて直流電力を交流電力に変換する第１変換器と、トランスの二次側に接続されて交流電力を直流電力に変換する第２変換器とを備える構成である。
【０００３】
近年、トランスの一次側から二次側へ直流電力を伝送するのみならず、トランスの二次側から一次側に直流電力を伝送することができる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが開発されている。この双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの一次側及び二次側の双方にスイッチング回路（ブリッジ回路）が設けられており、トランスの一次側に設けられたスイッチング回路を駆動するタイミングと、トランスの二次側に設けられたスイッチング回路を駆動するタイミングとを変えることで、一次側から二次側への直流電力の伝送、或いは、二次側から一次側への直流電力の伝送が可能である。
【０００４】
上記の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで、例えば二次側に設けられたリチウムイオンバッテリ等の二次電池を必要に応じて充電するとともに、二次電池に充電されている直流電力を必要に応じて一次側に取り出すことが可能な充電装置を実現することができる。尚、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細については、例えば以下の非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】井上重徳，他１名，「双方向絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いたエネルギー蓄積システムの基礎実験」，平成１８年電気学会全国大会講演論文集，第２００６巻，第４号，ｐ．４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記の特許文献１に開示された双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの二次側の出力電圧が一次側巻線と二次側巻線との巻線比でほぼ決まってしまう。このため、このような双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備える充電装置は、効率的に充電を行うことができる電圧範囲が狭いという問題がある。ここで、充電対象の二次電池の電圧が一定であれば、その二次電池の特性に応じて双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを設計すれば二次電池を効率的に充電することができる。しかしながら、充電対象である二次電池の出力電圧が数十〜数百Ｖ程度の範囲である場合には、全ての二次電池を効率良く充電することが困難であるという問題があった
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変である電力変換装置、及び当該装置を備えることにより広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能な充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、高周波トランス（２３）と、該高周波トランスの一次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路（２１）と、前記高周波トランスの二次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路（２５）とを備え、直流電力の変換を行う電力変換装置（１３）において、前記第１，第２電力変換回路の少なくとも一方は、前記高周波トランスが備える巻線の一端（Ｐ１）に接続されてスイッチング素子（３１ａ、３１ｂ）を直列接続してなる第１スイッチングレッグ（Ｌ１１）と、前記巻線の他端（Ｐ２）に接続されてスイッチング素子（３１ｃ、３１ｄ）を直列接続してなる第２スイッチングレッグ（Ｌ１２）と、前記巻線の一端と他端との間の中点（Ｐ３）に接続されてスイッチング素子（３１ｅ、３２ｆ）を直列接続してなる少なくとも１つの第３スイッチングレッグ（Ｌ１３）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態又は開放状態にするスイッチ（２４）を備えることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記スイッチが、双方向スイッチ、リレースイッチ、又はコンタクタであることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を開放状態にした場合には、前記第１，第２スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行い、前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態にした場合には、前記第１，第３スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行う制御装置（１４）を備えることを特徴としている。
本発明の充電装置は、交流電源（ＰＳ）から供給される交流電力を用いて二次電池（Ｂ）の充電を行う充電装置（１）において、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ（１１）と、前記コンバータで変換された直流電力の変換を行う上記の電力変換装置とを備えることを特徴としている。
また、本発明の充電装置は、前記制御装置が、前記二次電池の特性に応じて、前記コンバータ、前記第１，第２電力変換回路、及び前記スイッチの制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高周波トランスの一次側及び二次側にそれぞれ設けられる第１，第２電力変換回路の少なくとも一方を、高周波トランスが備える巻線の一端に接続される第１スイッチングレッグと、巻線の他端に接続される第２スイッチングレッグと、巻線の中点に接続される少なくとも１つの第３スイッチングレッグとを備える構成にしたため、広い電圧範囲に亘って出力電圧を可変にすることができるという効果がある。これにより、充電装置においては、広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による充電装置に設けられるスイッチの例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電力変換装置及び充電装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の充電装置１は、コンバータ１１、コンデンサ１２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３（電力変換装置）、及び制御装置１４を備えており、交流電源ＰＳから供給される交流電力（例えば、電圧が２００Ｖである三相交流電力）から充電用の直流電力を生成する。
【００１２】
充電装置１によって生成された直流電力は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力端子Ｔ１，Ｔ２から外部に出力され、例えば出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されたリチウムイオン二次電池等の二次電池Ｂを充電するために用いられる。尚、出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続される二次電池Ｂは、数十〜数百Ｖ程度の範囲の出力電圧を取り得るものであるとする。ここで、本実施形態の充電装置１は、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂの充電のみならず、二次電池Ｂに充電された直流電力の取り出しも可能であるが、以下では説明を簡単にするために、主として交流電源ＰＳから供給される交流電力を用いて二次電池Ｂを充電する場合について説明する。
【００１３】
コンバータ１１は、ＡＣリアクトル１１ａ及びＰＷＭコンバータ１１ｂを備えており、交流電源ＰＳから供給される三相交流電源を直流電力に変換する。ＡＣリアクトル１１ａは、ＰＷＭコンバータ１１ｂの入力端（交流電源ＰＳとＰＷＭコンバータ１１ｂとの間）に設けられており、交流電源ＰＳから供給される三相交流電源に重畳されている高調波ノイズを除去する。
【００１４】
ＰＷＭコンバータ１１ｂは、例えば三相全波整流回路を構成する複数のダイオード（例えば、６個のダイオード）と、これらダイオードの各々に並列接続されたトランジスタ等のスイッチング素子とを備えており、制御装置１４の制御の下で、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を整流する。尚、制御装置１４によって、ＰＷＭコンバータ１１ｂに設けられたスイッチング素子がＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御されることにより、出力電圧の制御及び力率の補償が行われる。コンデンサ１２は、コンバータ１１の出力端子間（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力端子間）に設けられており、コンバータ１１で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。
【００１５】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、電力変換回路２１（第１電力変換回路）、リアクトル２２、高周波トランス２３、スイッチ２４、電力変換回路２５（第２電力変換回路）、及びコンデンサ２６を備えており、制御装置１４の制御の下で直流電力の変換を行う。具体的には、コンバータ１１で変換された直流電力の変換を行って出力端子Ｔ１，Ｔ２から出力する。尚、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂから供給される直流電力の変換を行ってコンバータ１１に出力する場合もある。
【００１６】
電力変換回路２１は、スイッチング素子を直列接続してなる３つのスイッチングレッグＬ１１〜Ｌ１３（第１〜第３スイッチングレッグ）を備えており、制御装置１４の制御の下で、コンバータ１１で変換された直流電力を交流電力に変換してリアクトル２２側に出力する。尚、この電力変換回路２１は、リアクトル２２側から入力される交流電力を直流電力に変換してコンバータ１１に出力することも可能である。
【００１７】
スイッチングレッグＬ１１は、直列接続されたトランジスタ３１ａ，３１ｂ（スイッチング素子）と、トランジスタ３１ａに並列接続されたダイオード３２ａ及びコンデンサ３３ａと、トランジスタ３１ｂに並列接続されたダイオード３２ｂ及びコンデンサ３３ｂとを備える。スイッチングレッグＬ１２は、直列接続されたトランジスタ３１ｃ，３１ｄ（スイッチング素子）と、トランジスタ３１ｃに並列接続されたダイオード３２ｃ及びコンデンサ３３ｃと、トランジスタ３１ｄに並列接続されたダイオード３２ｄ及びコンデンサ３３ｄとを備える。同様に、スイッチングレッグＬ１３は、直列接続されたトランジスタ３１ｅ，３１ｆ（スイッチング素子）と、トランジスタ３１ｅに並列接続されたダイオード３２ｅ及びコンデンサ３３ｅと、トランジスタ３１ｆに並列接続されたダイオード３２ｆ及びコンデンサ３３ｆとを備える。
【００１８】
以上のトランジスタ３１ａ〜３１ｆは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、制御装置１４によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ３１ａ〜３１ｆとして、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いることも可能である。尚、コンデンサ３３ａ〜３３ｆは、トランジスタ３１ａ〜３１ｆのスイッチング時に生じる過渡的な高電圧を吸収するために設けられるスナバコンデンサである。
【００１９】
具体的に、スイッチングレッグＬ１１〜Ｌ１３に設けられるトランジスタ３１ａ，３１ｃ，３１ｅは、コレクタ電極がコンバータ１１の一方の出力端（コンデンサ１２の一方の電極）に接続されており、エミッタ電極がトランジスタ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆのコレクタ電極にそれぞれ接続されている。また、スイッチングレッグＬ１１〜Ｌ１３に設けられるトランジスタ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆは、エミッタ電極がコンバータ１１の他方の出両端（コンデンサ１２の他方の電極）に接続されている。これらトランジスタ３１ａ〜３１ｆのベース電極は制御装置１４に接続されている。尚、ダイオード３２ａ〜３２ｆ及びコンデンサ３３ａ〜３３ｆは、トランジスタ３１ａ〜３１ｆのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ接続されている。
【００２０】
ここで、スイッチングレッグＬ１１をなすトランジスタ３１ａのエミッタ電極とトランジスタ３１ｂのコレクタ電極との接続点は、リアクトル２２を介して高周波トランス２３の一次巻線２３ａの一端Ｐ１に接続されている。また、スイッチングレッグＬ１２をなすトランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の一次巻線２３ａの他端Ｐ２に接続されている。
【００２１】
更に、スイッチングレッグＬ１３をなすトランジスタ３１ｅのエミッタ電極とトランジスタ３１ｆのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の一次巻線２３ａの中点Ｐ３に接続されている。尚、ここにいう中点Ｐ３は、一次巻線２３ａを正確に二分する点という狭い意味ではなく、一次巻線２３ａの一端Ｐ１と他端Ｐ２との間の任意の点という広い意味であり、その位置は充電装置１の仕様によって設定される。
【００２２】
スイッチングレッグＬ１２に設けられたトランジスタ３１ｃ，３１ｄ、及び、スイッチングレッグＬ１３に設けられたトランジスタ３１ｅ，３１ｆは、制御装置１４によって排他的に駆動される。このため、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｄ、或いは、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１３に設けられた４つのトランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、コンバータ１１からの直流電力が交流電力に変換されてリアクトル２２側に出力される。これに対し、例えばトランジスタ３１ａ〜３１ｆが全てオフ状態である場合にリアクトル２２側から交流電力が供給されると、その交流電力がダイオード３２ａ〜３２ｆにより整流されてコンバータ１１に出力される。
【００２３】
リアクトル２２は、一端がスイッチングレッグＬ１１に設けられたトランジスタ３１ａのエミッタ電極とトランジスタ３１ｂのコレクタ電極との接続点に接続されており、他端が高周波トランス２３に設けられた一次側巻線２３ａの一端Ｐ１に接続されている。このリアクトル２２は、力率を調整するために設けられる。尚、一次側巻線２３ａの他端Ｐ２は、スイッチングレッグＬ１２（トランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点）に接続されており、一次側巻線２３ａの中点Ｐ３は、スイッチングレッグＬ１３（トランジスタ３１ｅのエミッタ電極とトランジスタ３１ｆのコレクタ電極との接続点）に接続されている。
【００２４】
高周波トランス２３は、上述した一次側巻線２３ａと二次側巻線２３ｂとを備える。この高周波トランス２３は、一次側巻線２３ａの全体（一端Ｐ１と他端Ｐ２との間）に対する二次側巻線２３ｂの巻線比が例えば「６」に設定されており、一次側巻線２３ａの一部（一端Ｐ１と中点Ｐ３との間）に対する二次側巻線２３ｂの巻線比が例えば「１０」に設定されている。尚、この巻線比の設定は、充電装置１の仕様に応じて任意に設定することができる。この高周波トランス２３が設けられていることにより、交流電源ＰＳと二次電池Ｂとの間が絶縁されることになる。
【００２５】
スイッチ２４は、高周波トランス２３に設けられた一次巻線２３ａの中点Ｐ３とスイッチングレッグＬ１２（トランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点）との間に設けられており、制御装置１４の制御の下でこれらの間を短絡状態又は開放状態にする。このスイッチ２４は、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｄを駆動している最中に、スイッチングレッグＬ１３に電流が流れるのを防止するために設けられる。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態による充電装置に設けられるスイッチの例を示す回路図である。図２（ａ）に示すスイッチは、２つのトランジスタと２つのダイオードからなる双方向スイッチである。この双方向スイッチは、一方のトランジスタのベース電極に制御信号を印加すると一方向（例えば、紙面左側から右側）に電流が流れ、他方のトランジスタのベース電極に制御信号を印加すると他方向（例えば、紙面右側から左側）に電流が流れる。また、図２（ｂ）に示すスイッチは、電磁リレー等のリレースイッチである。尚、図２（ａ），（ｂ）に例示するスイッチ以外にも、電磁接触器（コンタクタ）を用いることも可能である。
【００２７】
電力変換回路２５は、スイッチング素子を直列接続してなる２つのスイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２を備えており、制御装置１４の制御の下で高周波トランス２３の一次側から二次側に移行される交流電力を直流電力に変換して出力端子Ｔ１，Ｔ２側に出力する。尚、この電力変換回路２５は、出力端子Ｔ１，Ｔ２側から供給される直流電力を交流電力に変換して高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂに出力することも可能である。
【００２８】
スイッチングレッグＬ２１は、直列接続されたトランジスタ４１ａ，４１ｂと、トランジスタ４１ａに並列接続されたダイオード４２ａ及びコンデンサ４３ａと、トランジスタ４１ｂに並列接続されたダイオード４２ｂ及びコンデンサ４３ｂとを備える。スイッチングレッグＬ２２は、直列接続されたトランジスタ４１ｃ，４１ｄと、トランジスタ４１ｃに並列接続されたダイオード４２ｃ及びコンデンサ４３ｃと、トランジスタ４１ｄに並列接続されたダイオード４２ｄ及びコンデンサ４３ｄとを備える。
【００２９】
トランジスタ４１ａ〜４１ｄは、電力変換回路２１に設けられるトランジスタ３１ａ〜３１ｆと同様に絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、制御装置１４によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ４１ａ〜４１ｄとして、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタを用いることも可能である。
【００３０】
具体的に、スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられるトランジスタ４１ａ，４１ｃは、コレクタ電極が出力端子Ｔ１（コンデンサ２６の一方の電極）に接続されており、エミッタ電極がトランジスタ４１ｂ，４１ｄのコレクタ電極にそれぞれ接続されている。また、スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられるトランジスタ４１ｂ，４１ｄは、エミッタ電極が出力端子Ｔ２（コンデンサ２６の他方の電極）に接続されている。これらトランジスタ４１ａ〜４１ｄのベース電極は制御装置１４に接続されている。尚、ダイオード４２ａ〜４２ｄ及びコンデンサ４３ａ〜４３ｄは、トランジスタ４１ａ〜４１ｄのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ接続されている。
【００３１】
ここで、スイッチングレッグＬ２１をなすトランジスタ４１ａのエミッタ電極とトランジスタ４１ｂのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の二次巻線２３ｂの一端に接続されている。また、スイッチングレッグＬ２２をなすトランジスタ４１ｃのエミッタ電極とトランジスタ４１ｄのコレクタ電極との接続点は、高周波トランス２３の二次巻線２３ｂの他端に接続されている。
【００３２】
スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられた４つのトランジスタ４１ａ〜４１ｄの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、出力端子Ｔ１，Ｔ２側（コンデンサ２６側）からの直流電力が交流電力に変換されて高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂに出力される。これに対し、例えばトランジスタ４１ａ〜４１ｄが全てオフ状態である場合に、高周波トランス２３の一次側から二次側に交流電力が移行されると、その交流電力がダイオード４２ａ〜４２ｄにより整流されて出力端子Ｔ１，Ｔ２側（コンデンサ２６）側に出力される。コンデンサ２６は、充電装置１の出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されており、電力変換回路２５で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。
【００３３】
制御装置１４は、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂの充電制御を行う。具体的には、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂの特性に応じて、コンバータ１１、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路３１，２５、及びスイッチ２４の制御を行う。
【００３４】
次に、上記構成における充電装置１を用いて二次電池Ｂを充電する場合の動作について説明する。尚、本実施形態の充電装置１は、高周波トランス２３の一次側から二次側に電力を移行させる場合に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１，２５の各々を制御すれば移行される電力量の制御が可能であるが、ここでは説明を簡単にするために、電力変換回路２１のみを制御して充電を行う場合について説明する。
【００３５】
まず、充電すべき二次電池Ｂを充電装置１に接続し、二次電池Ｂの正電極及び負電極を充電装置１の出力端子Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ導通させる。二次電池Ｂの接続が完了すると、制御装置１４は、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された二次電池Ｂに関する情報（例えば、出力電圧や残容量等の情報）を取得する。例えば、図１に示す通り、二次電池Ｂの監視を行う監視回路Ｄが二次電池Ｂに設けられている場合には、この監視回路Ｄから二次電池Ｂに関する情報を取得する。尚、二次電池Ｂの出力電圧等の情報を検出する検出回路を出力端子Ｔ１，Ｔ２との間に設け、この検出回路から二次電池Ｂに関する情報を取得しても良い。
【００３６】
二次電池Ｂに関する情報を取得すると、制御装置１４は、取得した情報に応じてスイッチ２４のオン状態・オフ状態を切り替える。例えば、二次電池Ｂの出力電圧が数十Ｖ程度である場合にはスイッチ２４をオフ状態にし、二次電池Ｂの出力電圧が数百Ｖ程度である場合にはスイッチ２４をオン状態にする。つまり、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、高周波トランス２３の一次側巻線２３ａの中点Ｐ３とスイッチングレッグＬ１３との間を開放し、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、高周波トランス２３の一次側巻線２３ａの中点Ｐ３とスイッチングレッグＬ１３との間を短絡する。
【００３７】
以上の作業及び制御が終了し、充電開始の指示が行われると、制御装置１４から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１に制御信号が出力され、電力変換回路２１に設けられたトランジスタ３１ａ〜３１ｆのスイッチング動作が開始される。具体的に、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、電力変換回路２１に設けられた６つのトランジスタ３１ａ〜３１ｆのうち、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｆのスイッチング動作が開始される。これに対し、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１３に設けられた４つのトランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆのスイッチング動作が開始される。
【００３８】
これにより、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力はコンバータ１１によって直流電力に変換され、トランジスタ３１ａ〜３１ｄ、或いは、トランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆのスイッチング動作によってコンバータ１１で変換された直流電力が交流電力に変換される。電力変換回路２１によって変換された交流電力は、リアクトル２２を介して高周波トランス２３の一次側巻線２３ａに供給される。
【００３９】
ここで、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、トランジスタ３１ａ〜３１ｄのスイッチング動作によって変換された交流電力は、高周波トランス２３の巻線比が低い状態（昇圧比が小さい状態）で一次側から二次側に移行される。このため、高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂには巻線比に応じたさほど高くない電圧（例えば、数十Ｖ程度）の電圧が誘起される。これに対し、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、トランジスタ３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３１ｆのスイッチング動作によって変換された交流電力は、高周波トランス２３の巻線比が高い状態（昇圧比が大きい状態）で一次側から二次側に移行される。このため、高周波トランス２３の二次側巻線２３ｂには巻線比に応じた高い電圧（例えば、数百Ｖ程度）の電圧が誘起される。
【００４０】
高周波トランス２３の二次側に移行された交流電力は電力変換回路２５に入力され、電力変換回路２５に設けられたダイオード４１ａ〜４１ｄによって整流された後にコンデンサ２６で平滑されて直流電力に変換される。この直流電力は、接続端子Ｔ１，Ｔ２を介して二次電池Ｂに供給され、これにより二次電池Ｂが充電される。このようにして、充電装置１による二次電池Ｂの充電が行われる。
【００４１】
以上の通り、本実施形態では、高周波トランス２３の一次巻線２３ａの一端Ｐ１及び他端Ｐ２にそれぞれ接続されるスイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に加えて、一次巻線２３ａの中点Ｐ３に接続されるスイッチングレッグＬ１３を設け、出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続される二次電池Ｂの出力電圧に応じて、スイッチングレッグＬ１２，Ｌ１３に設けられたトランジスタを排他的にスイッチングするようにしたため、広い電圧範囲に亘って充電装置１の出力電圧を変えることができる。これにより、充電装置１を用いて様々な種類の二次電池の充電を効率的に行うことができる。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態による電力変換装置及び充電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、高周波トランス２３の一次巻線２３ａに１つの中点Ｐ３が設定されており、この中点Ｐ３に接続される１つのスイッチングレッグＬ１３が設けられた例について説明したが、一次巻線２３ａの異なる位置に複数の中点を設定し、各々の中点に接続される複数のスイッチングレッグを設ける構成にしても良い。かかる構成にすることで、電圧の可変範囲を細かく設定することができる。
【００４３】
また、上記実施形態では、電力変換回路２１に３つのスイッチングレッグが設けられており、電力変換回路２５には２つのスイッチングレッグが設けられている構成を例に挙げて説明した。しかしながら、しかしながら、電力変換回路２１に代えて、或いは電力変換回路２１とともに、電力変換回路２５が３つのスイッチングレッグを備える構成にすることも可能である。
【００４４】
更に、上記実施形態では、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を用いて二次電池Ｂの充電を行う充電装置を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は単相交流電力を用いて二次電池Ｂの充電を行う充電装置にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 充電装置
１１ コンバータ
１３ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 制御装置
２１，２５ 電力変換回路
２３ 高周波トランス
２４ スイッチ
３１ａ〜３１ｆ トランジスタ
Ｂ 二次電池
Ｌ１１〜Ｌ１３ スイッチングレッグ
Ｐ１ 一端
Ｐ２ 他端
Ｐ３ 中点
ＰＳ 交流電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波トランスと、該高周波トランスの一次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路と、前記高周波トランスの二次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路とを備え、直流電力の変換を行う電力変換装置において、
前記第１，第２電力変換回路の少なくとも一方は、前記高周波トランスが備える巻線の一端に接続されてスイッチング素子を直列接続してなる第１スイッチングレッグと、
前記巻線の他端に接続されてスイッチング素子を直列接続してなる第２スイッチングレッグと、
前記巻線の一端と他端との間の中点に接続されてスイッチング素子を直列接続してなる少なくとも１つの第３スイッチングレッグと
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態又は開放状態にするスイッチを備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記スイッチは、双方向スイッチ、リレースイッチ、又はコンタクタであることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を開放状態にした場合には、前記第１，第２スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行い、前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態にした場合には、前記第１，第３スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行う制御装置を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】
交流電源から供給される交流電力を用いて二次電池の充電を行う充電装置において、
前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力の変換を行う請求項４記載の電力変換装置と
を備えることを特徴とする充電装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記二次電池の特性に応じて、前記コンバータ、前記第１，第２電力変換回路、及び前記スイッチの制御を行うことを特徴とする請求項５記載の充電装置。
【請求項１】
高周波トランスと、該高周波トランスの一次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路と、前記高周波トランスの二次側に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路とを備え、直流電力の変換を行う電力変換装置において、
前記第１，第２電力変換回路の少なくとも一方は、前記高周波トランスが備える巻線の一端に接続されてスイッチング素子を直列接続してなる第１スイッチングレッグと、
前記巻線の他端に接続されてスイッチング素子を直列接続してなる第２スイッチングレッグと、
前記巻線の一端と他端との間の中点に接続されてスイッチング素子を直列接続してなる少なくとも１つの第３スイッチングレッグと
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態又は開放状態にするスイッチを備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記スイッチは、双方向スイッチ、リレースイッチ、又はコンタクタであることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を開放状態にした場合には、前記第１，第２スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行い、前記スイッチを制御して前記中点と前記第３スイッチングレッグとの間を短絡状態にした場合には、前記第１，第３スイッチングレッグに設けられたスイッチング素子の制御を行う制御装置を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】
交流電源から供給される交流電力を用いて二次電池の充電を行う充電装置において、
前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータで変換された直流電力の変換を行う請求項４記載の電力変換装置と
を備えることを特徴とする充電装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記二次電池の特性に応じて、前記コンバータ、前記第１，第２電力変換回路、及び前記スイッチの制御を行うことを特徴とする請求項５記載の充電装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−５５９４（Ｐ２０１３−５５９４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４３５７（Ｐ２０１１−１３４３５７）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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