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公開番号2025073723
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-13
出願番号2023184737
出願日2023-10-27
発明の名称電力変換装置および電力変換方法
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人開知
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250502BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】広い出力電圧範囲で高い効率が得られる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置1は直流電流を交流電流に変換する第1のフルブリッジ回路11と、第1のフルブリッジ回路11と第1のトランスT2を介して接続され第1のフルブリッジ回路11の変換交流電流を直流に変換する第1の整流回路12とを有する第1の共振形コンバータ10と、直流電流を交流電流に変換する第2のフルブリッジ回路21と、第2のフルブリッジ回路21と第2のトランスT2を介して接続され第2のフルブリッジ回路21で変換された交流電流を直流電流に変換する第2の整流回路22とを有する第2の共振形コンバータ21と、第1の共振形コンバータ10、第2の共振形コンバータ20を制御する制御部2を備える。制御部2は出力電力の電圧値に基づき第1のフルブリッジ回路11及び第2のフルブリッジ回路21をフルブリッジ動作かハーフブリッジ動作かを選択する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
直流電源からの直流電流を交流電流に変換する第１のフルブリッジ回路と、前記第1のフルブリッジ回路と第１のトランスを介して接続され、前記第１のフルブリッジ回路により変換された交流電流を直流電流に変換する第１の整流回路と、を有する第１の共振形コンバータと、
直流電流からの直流電流を交流電流に変換する第２のフルブリッジ回路と、前記第２のフルブリッジ回路と第２のトランスを介して接続され、前記第２のフルブリッジ回路により変換された交流電流を直流電流に変換する第２の整流回路と、を有する第２の共振形コンバータと、
前記第１の共振形コンバータ、前記第２の共振形コンバータを制御する制御部と、
を備え、入力電力を出力電力に変換する電力変換装置であって、
前記制御部は、少なくとも前記出力電力の電圧値に基づいて、前記第１のフルブリッジ回路及び前記第２のフルブリッジ回路を、フルブリッジによる動作とするか、前記第１のフルブリッジ回路及び前記第２のフルブリッジ回路が備えた一部のスイッチング素子をオフ状態に維持するハーフブリッジによる動作とするかを選択することを特徴とする電力変換装置。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１のフルブリッジ回路に接続された第１の平滑コンデンサと、
前記第２のフルブリッジ回路に接続された第２の平滑コンデンサと、
前記第１のフルブリッジ回路の出力に接続された第１の共振コンデンサと、
前記第２のフルブリッジ回路の出力に接続された第２の共振コンデンサと、
を備え、
前記第１のフルブリッジ回路と前記第２のフルブリッジ回路とは互いに直列に接続され、前記第１の整流回路と前記第２の整流回路とは互いに並列に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１のフルブリッジ回路に接続された第１の平滑コンデンサと、
前記第２のフルブリッジ回路に接続された第２の平滑コンデンサと、
前記第１のフルブリッジ回路の出力に接続された第１の共振コンデンサと、
前記第２のフルブリッジ回路の出力に接続された第２の共振コンデンサと、
を備え、
前記第１のフルブリッジ回路と前記第２のフルブリッジ回路とは互いに並列に接続され、前記第１の整流回路と前記第２の整流回路とは互いに直列に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記入力電力の電圧値が第１の入力電圧閾値より高い場合は、前記第１のフルブリッジ回路及び前記第２のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とし、
前記入力電力の電圧値が第２の入力電圧閾値より低い場合は、前記第１のフルブリッジ回路及び前記第２のフルブリッジ回路をフルブリッジによる動作とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記出力電力の電圧値が第１の出力電圧閾値より高い場合は、前記第１のフルブリッジ回路及び前記第２のフルブリッジ回路をフルブリッジによる動作とし、
前記出力電力の電圧値が第２の出力電圧閾値より低い場合は、前記第１のフルブリッジ回路及び前記第２のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記出力電力の電圧値が前記第１の出力電圧閾値より低く、前記第２の出力電圧閾値より高い電圧の場合は、前記第１のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とし、前記第２のフルブリッジ回路をフルブリッジによる動作とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１のフルブリッジ回路は、互いに直列接続された第１の上アームスイッチング素子および第１の下アームスイッチング素子を有する第１のスイッチングレッグと、互いに直列接続された第２の上アームスイッチング素子および第２の下アームスイッチング素子を有し、前記第１のスイッチングレッグに並列に接続された第２のスイッチングレッグと、を備え、
前記制御部は、
フルブリッジにより動作する前記第１のフルブリッジ回路の、前記スイッチングレッグ間の位相差を変化させ、前記第２のフルブリッジ回路がハーフブリッジにより動作する前記第２の共振形コンバータの入力電圧値を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記出力電力の電圧値が前記第１の出力電圧閾値より低く、前記第２の出力電圧閾値より高い電圧の場合であって、前記第１のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とした状態で、前記出力電力の電圧値が前記第２の出力電圧閾値より低い電圧に低下した場合は、前記第２のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、前記入力電力の電圧値が前記第２の入力電圧閾値より高く、前記第２の入力電圧閾値より低い電圧の場合であって、前記第１のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とした状態で、前記入力電力の電圧値が前記第２の入力電圧閾値より高くなった場合は、前記第２のフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記第1のフルブリッジ回路および前記第２のフルブリッジ回路のそれぞれは、複数のスイッチング素子を有し、
前記制御部は、ハーフブリッジによる動作とした前記第1のフルブリッジ回路および前記第２のフルブリッジ回路の複数の前記スイッチング素子のうち、オフ状態に維持する前記スイッチング素子を順次入れ替えることを特徴とする電力変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、入出力間で電力を変換する電力変換装置および電力変換方法に関する。
続きを表示（約 1,100 文字）【背景技術】
【０００２】
世界のエネルギー使用量を削減するため、半導体のスイッチング素子を用いた電力変換装置に高効率化が求められている。電力変換装置を高効率化するためには、スイッチング素子で損失するエネルギーを削減する必要がある。
【０００３】
効率が高いＤＣ－ＤＣコンバータとして共振形コンバータの回路方式が知られている。この共振形コンバータでは、例えばトランスの巻線と直列に挿入されたインダクタンス成分（共振インダクタ）と共振コンデンサにより、スイッチング素子ターンオン時のゼロ電圧スイッチングと、スイッチング素子ターンオフ時の遮断電流低減を実現し、スイッチング損失を低減可能である。
【０００４】
しかし、このタイプの共振形コンバータは、出力電圧が低い条件や入力電圧が高い条件では、出力を絞るためにスイッチング周期を短くする必要があり、遮断電流の増加とスイッチング周波数の増加によりターンオフ時のスイッチング損失が増加して効率が低くなりやすい。
【０００５】
特許文献１に、フルブリッジ構成の１次側回路を備え、フルブリッジによる動作と変形ハーフブリッジによる動作とを切り替えることで、広い出力電圧範囲に対応するＤＣ／ＤＣコンバータの技術が開示されている。他にも、フルブリッジ回路を備えた共振形コンバータにおいて、出力電圧に応じてフルブリッジによる動作とハーフブリッジによる動作とを切り替えることで出力電圧範囲を拡大する技術が一般的に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２２－１８３９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の共振形コンバータでは、出力電圧が高いときにフルブリッジ回路をフルブリッジによる動作をさせ、出力電圧が低いときにフルブリッジ回路をハーフブリッジによる動作をさせることで、出力電圧が高いときと低いときの両方の条件において、高い効率で動作することが可能である。
【０００８】
しかし、フルブリッジによる動作とハーフブリッジによる動作では、高い効率が得られる出力電圧範囲が大きく異なるため、出力電圧が中間的な値の条件では十分に高い効率が得られない場合があった。
【０００９】
本発明の目的は、広い出力電圧範囲で高い効率が得られる電力変換装置および電力変換方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、次のように構成される。
（【００１１】以降は省略されています）

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