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1. (WO2015174331) DISPOSITIF DE CONVERSION DE PUISSANCE
Document

明 細 書

発明の名称 電力変換装置

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32  

明 細 書

発明の名称 : 電力変換装置

技術分野

[0001]
 この発明は、入力電力を多出力に電力分配制御するとともに、負荷の状態に応じて電力供給源を切り替えることができる電力変換装置に関するものである。

背景技術

[0002]
 従来の電力変換装置には、トランスに複合巻線を用いて多出力の電源構成を得るようにしたものがある(例えば、下記の特許文献1参照)。すなわち、この従来技術の電力変換装置は、互いに磁気結合をした複合巻線を有したトランスを用いて交流電源からの電力を二つの直流電源を充電する際に、どちらかの直流電源に優先順位を設けて充電することを目的とし、また、交流電源がないときには一方の直流電源を供給源として双方向スイッチにより、他方の直流電源を充電するようにしている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特許第4263736号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 しかしながら、上記の特許文献1記載のものは、充電を制御するための双方向型スイッチ回路がスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを用いて構成されているため、双方向型スイッチ回路でPWMにより直流電源への受電量を制御しようとしてもブリッジ型に接続されたダイオードにより整流されてしまうため、直流電源への充電量をコントロールできず、結果として交流入力電力を分配制御できないという課題があった。
[0005]
 また、交流入力電圧の供給有無を検出する検出部を備え、検出部による検出結果から交流入力電圧が供給されていないと判断した場合に、直流電源から電力供給するよう記述されているが、交流入力側の電力容量によっては、交流入力電圧は存在するが、負荷への電力供給を行なえない状態が存在する。
[0006]
 この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、磁気的に結合した複数の巻線に複数の電源が接続される場合において、電力供給源を切り替えることで、連続的に電力供給可能な電力変換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

[0007]
 この発明に係る電力変換装置は、
互いに磁気的に結合された3以上の巻線でトランスが構成され、
上記巻線の内の一つの巻線に対しては、交流電源の交流電力を直流化するAC/DCコンバータ、上記AC/DCコンバータの出力電圧を平滑化するコンデンサ、および上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化するスイッチング回路が順次接続され、
上記巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線には、直流電源の電力変換用のスイッチング回路とが接続されているものであって、
上記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、上記電圧検出部の検出値に基づいて各々の上記スイッチング回路の動作状態を判定する動作状態判定回路と、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源と上記直流電源との間で電源切り替えを行う電源切替部と、を備える。
[0008]
 また、この発明に係る電力変換装置は、
互いに磁気的に結合された3以上の巻線でトランスが構成され、
上記巻線の内の一つの巻線に対しては、交流電源の交流電力を直流化するAC/DCコンバータ、上記AC/DCコンバータの出力電圧を平滑化するコンデンサ、および上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化するスイッチング回路が順次接続され、
上記巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線には、直流電源の電力変換用のスイッチング回路とが接続されているものであって、
上記交流電源の電圧を検出する電圧検出部と、上記電圧検出部の検出値に基づいて各々の上記スイッチング回路の動作状態を判定する動作状態判定回路と、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源と上記直流電源との間で電源切り替えを行う電源切替部と、を備える。

発明の効果

[0009]
 この発明の電力変換装置によれば、負荷電力に対する電源の電力不足を検知し、供給能力のある電源に切り替えることによって、負荷へ連続して電力供給を行うことが可能となる。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] この発明の実施の形態1による電力変換装置の回路構成図である。
[図2] この発明の実施の形態1による電力変換装置の回路構成図である。
[図3] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Aにおける電力フローの説明図である。
[図4] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Aにおける電力フローの説明図である。
[図5] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Bにおける電力フローの説明図である。
[図6] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Bにおける電力フローの説明図である。
[図7] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Cにおける電力フローの説明図である。
[図8] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Cにおける電力フローの説明図である。
[図9] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Dにおける電力フローの説明図である。
[図10] この発明の実施の形態1による電力変換装置の動作状態1-Dにおける電力フローの説明図である。
[図11] この発明の実施の形態1による動作状態切り替え制御のフローチャートの説明図である。
[図12] この発明の実施の形態1による電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。
[図13] 図12に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。
[図14] 図12に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。
[図15] この発明の実施の形態2による電力変換装置の回路構成図である。
[図16] この発明の実施の形態2による電力変換装置の回路構成図である。
[図17] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Aにおける電力フローの説明図である。
[図18] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Aにおける電力フローの説明図である。
[図19] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Bにおける電力フローの説明図である。
[図20] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Bにおける電力フローの説明図である。
[図21] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Cにおける電力フローの説明図である。
[図22] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Cにおける電力フローの説明図である。
[図23] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Dにおける電力フローの説明図である。
[図24] この発明の実施の形態2による電力変換装置の動作状態2-Dにおける電力フローの説明図である。
[図25] この発明の実施の形態2による動作状態切り替え制御のフローチャートの説明図である。
[図26] この発明の実施の形態2による電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。
[図27] 図26に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。
[図28] 図26に示す制御部の構成の詳細を示すブロック図である。
[図29] この発明の実施の形態3による電力変換装置の回路構成図である。
[図30] この発明の実施の形態3による電力変換装置の回路構成図である。
[図31] この発明の実施の形態4による電力変換装置の回路構成図である。
[図32] この発明の実施の形態4による電力変換装置の回路構成図である。

発明を実施するための形態

[0011]
実施の形態1.
 図1及び図2は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の回路構成図である。
 この実施の形態1の電力変換装置は、例えば、電動車両の充電器を中心とした電源システムに適用されるものである。交流電源1は商用交流電源や自家発電機などであり、第1直流電源11は車両走行用の高圧バッテリであり、第2直流電源34は車両電装品の電源である鉛バッテリ等のバッテリであり、インバータ17は車内で使用可能な交流100V電源として使用される。
[0012]
 交流電源1は、電圧電流検出部51を介してAC/DCコンバータ2に接続される。交流電圧VacinはAC/DCコンバータ2で直流に変換されて直流電圧VL1として平滑用のコンデンサ3に蓄積され、この直流電圧VL1は第1スイッチング回路4により交流電圧Vtr1に変換される。第1スイッチング回路4は、4つのスイッチング素子4a~4dをブリッジ型に接続したインバータとして構成され、交流電源1からの入力電力の受電量を制御する。
[0013]
 第1スイッチング回路4の第1交流端に昇圧コイル5の第1端が接続され、昇圧コイル5の第2端に複合巻線トランス(以下、トランスという)6の1次側となる第1巻線6aの第1端が接続される。第1巻線6aの第2端は第1スイッチング回路4の第2交流端に接続される。
[0014]
 トランス6の2次側となる第2巻線6bの第1端は、昇圧コイル7の第1端に接続される。昇圧コイル7の第2端は、第2スイッチング回路8の第1交流端と2つのスイッチング素子9a、9bを備えたスイッチ9に接続される。第2巻線6bの第2端は第2スイッチング回路8の第2交流端に接続される。第2スイッチング回路8は、4つのスイッチング素子8a~8dをブリッジ型に接続して構成されている。そして、第1直流電源11を充電する際には、スイッチ9をオフしてスイッチング素子8a~8dを動作させることにより、第2スイッチング回路8をフルブリッジ型の昇圧チョッパとして機能させる。また、第1直流電源11を放電する際には、スイッチ9をオンしてスイッチング素子8a~8dを動作させることにより、第2スイッチング回路8をハーフブリッジ型のインバータとして機能させる。
[0015]
 スイッチ9の出力は、直列に接続された2つのコンデンサ10a、10bの接続点に接続される。第2スイッチング回路8の直流プラス端子は、コンデンサ10aのもう一端と共通に接続され、電圧電流検出部53を介して第1直流電源11のプラス端に接続される。第2スイッチング回路8の直流マイナス端子は、コンデンサ10bのもう一端と共通に接続され、電圧電流検出部53を介して第1直流電源11のマイナス端に接続される。なお、2つのコンデンサ10a、10bは、ここでは同容量となるように構成されている。
[0016]
 トランス6の3次側となる第3巻線6cは、その第1端が昇圧コイル12の第1端に接続される。昇圧コイル12の第2端は、第3スイッチング回路13の第1交流端に接続される。第3巻線6cの第2端は、第3スイッチング回路13の第2交流端に接続される。第3スイッチング回路13は、整流素子13aとスイッチング素子13bを直列接続したレグと、整流素子13cとスイッチング素子13dを直列接続したレグを、並列接続して構成している。そして、第3スイッチング回路13は、通常は整流回路として機能し、また後述の平滑用のコンデンサ15に生じる直流電圧VL2が所定値よりも低い場合には昇圧チョッパとして機能する。
[0017]
 トランス6の第3巻線6cに生じた交流電圧Vtr3は、第3スイッチング回路13で直流変換される。第3スイッチング回路13で直流変換された電圧は、平滑コイル14とコンデンサ15とで平滑化され、電圧電流検出部54を介してコンデンサ16に蓄積され直流電圧VL2となる。コンデンサ16の両端子は、4つのスイッチング素子17a~17dで構成されるインバータ17の直流入力端に接続される。インバータ17の交流出力端は、平滑コイル18a、18b、平滑コンデンサ19、コモンモードチョークコイル20、電圧電流検出部55、および負荷機器接続端21に順次接続される。負荷機器接続端21において、これに接続される図示しない各種の機器(以下、交流負荷という)の供給電源である交流電圧Vacoutを生成する。
[0018]
 トランス6の4次側となる第4巻線6d1、6d2は、センタータップ型に構成されている。第4巻線6d1、6d2の両端には第4スイッチング回路30を構成する2つのスイッチング素子30a、30bの第1端がそれぞれ接続されている。第4巻線6d1、6d2のセンタータップとなる接続点には、スイッチング素子33が接続されるとともに、2つのスイッチング素子35a、35bで構成されるスイッチ35が接続される。
[0019]
 スイッチング素子33の出力側は、還流ダイオード36と平滑コイル31との接続点に接続される。平滑コイル31の出力とスイッチ35の出力と平滑コンデンサ32の第1端とが共通に接続され、電圧電流検出部56を経て第2直流電源34のプラス端に接続される。スイッチング素子30a、30bのそれぞれの第2端は互いに接続され、還流ダイオード36のアノード端、平滑コンデンサ32の第2端及び第2直流電源34のマイナス端に接続される。第4スイッチング回路30は、2つのスイッチング素子30a及び30b、スイッチング素子33、還流ダイオード36並びに平滑コイル31で構成されている。そして、第2直流電源34を充電する際には、スイッチング素子33、還流ダイオード36、および平滑コイル31の構成により第4スイッチング回路30を降圧チョッパとして機能させる。また、第2直流電源34を放電する際には、スイッチ35をオンすることでスイッチング素子33、還流ダイオード36および平滑コイル31をバイパスさせて、2つのスイッチング素子30a、30bの動作により第4スイッチング回路30をインバータとして機能させる。
[0020]
 なお、第1~第4スイッチング回路4、8、13、30を構成する各スイッチング素子や、インバータ17を構成する各スイッチング素子は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に限らず、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などであってもよい。
 また、制御部100は第1~第4スイッチング回路4、8、13、30や、インバータ17の動作を制御する役割を果たす。
[0021]
 次に、上記構成の電力変換装置における電力分配の概要について説明する。
 まず、交流電源1が接続されていてこの交流電源1を電力供給源とする場合について説明する。交流電源1の電圧VacinをAC/DCコンバータ2で直流電圧VL1に変換し、この直流電圧VL1をトランス6で絶縁された2次側直流電圧Vbat1に変換して第1直流電源11を充電する。また、直流電圧VL1は、トランス6で絶縁された3次側の直流電圧VL2に変換され、インバータ17により負荷機器接続端21に接続される交流負荷に対する交流電圧Vacoutを生成する。さらに、直流電圧VL1はトランス6で絶縁された4次側の直流電圧Vbat2に変換されて第2直流電源34を充電する。
[0022]
 次に、交流電源1が接続されていないために第1直流電源11を電力供給源とする場合について説明する。第1直流電源11の電圧Vbat1が、トランス6で絶縁された3次側の直流電圧VL2に変換された後、インバータ17により負荷機器接続端21に接続される交流負荷に対する交流電圧Vacoutを生成する。また、第1直流電源11の電圧Vbat1は、トランス6で絶縁された4次側の直流電圧Vbat2に変換されて第2直流電源34を充電する。
[0023]
 次に、交流電源1が接続されておらず、かつ第1直流電源11の充電量が不十分なため、第2直流電源34を電力供給源とする場合について説明する。第2直流電源34の電圧Vbat2がトランス6で絶縁された3次側の直流電圧VL2に変換された後、インバータ17により負荷機器接続端21に接続される交流負荷に対する交流電圧Vacoutを生成する。また、第2直流電源34の電圧Vbat2は、トランス6で絶縁された2次側の直流電圧Vbat1に変換されて第1直流電源11を充電する。
[0024]
 図1及び図2に示した矢印はこの発明の実施の形態1による電力変換装置の電力方向を定義している。
 ここで、交流電源1からAC/DCコンバータ2、第1スイッチング回路4を介してトランスの一次側である第1巻線6aに供給される電力をP1_inとする。また、トランスの2次側となる第2巻線6bより第2スイッチング回路8を介して第1直流電源11に供給される電力をP2_outとし、第1直流電源11より第2スイッチング回路8を介してトランスの2次側となる第2巻線6bに供給される電力をP2_inとする。
[0025]
 さらに、トランスの3次側となる第3巻線6cより第3スイッチング回路13、インバータ17を介して負荷機器接続端21に接続される交流負荷へ供給される電力をP3_outとする。また、トランスの4次側となる第4巻線6d1、6d2より第4スイッチング回路30を介して第2直流電源34に供給される電力をP4_outとする。さらに、第2直流電源34よりスイッチング素子30a、30bを介しトランスの4次側となる第4巻線6d1、6d2に供給される電力をP4_inとする。
[0026]
 図1及び図2に示した実施の形態1における電力変換装置において、動作状態は図3~図10に示した4つの動作状態[1-A~1-D]があるので、これらの4つの動作状態について説明する。
[0027]
 図3及び図4は動作状態1-Aの電力フローを示す。これは、交流電源1が接続されていて、この交流電源1を電力供給源とする場合である。このとき、交流電源1からの入力電力P1_inは、第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとに分配される。
[0028]
 図5及び図6は動作状態1-Bの電力フローを示す。これは、交流電源1が接続されていないなどの理由により交流電源1からの入力電力P1_inがなく、第1直流電源11を電力供給源とする場合である。このとき、第1直流電源11の放電電力P2_inを、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとに分配される。
[0029]
 図7及び図8は動作状態1-Cの電力フローを示す。これは、図5及び図6の場合と同様に、交流電源1が接続されていないなどの理由により交流電源1からの入力電力P1_inがなく、かつ第1直流電源11の充電電力が不足しており、このため、第2直流電源34を電力供給源とする場合である。このとき、第2直流電源34の放電電力P4_inは、第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outとに分配される。
[0030]
 なお、図3~図8では、電力供給源となる部分を除く残りの受電部分を全て負荷として、これらの各負荷に対して電力供給を行う場合を説明したが、いずれか1つの負荷への電力供給をゼロとする場合も含まれる。例えば、図3及び図4において、第1直流電源11への供給電力P2_outをゼロとしてもかまわないし、第1直流電源11への供給電力P2_outと負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outを共にゼロとしてもかまわない。
[0031]
 図9及び図10は動作状態1-Dの電力フローを示す。これは、交流電源1からの入力電力P1_inがなく、かつ第1直流電源11と第2直流電源34が共に充電電力が不足していて放電できない場合であり、または、第1直流電源11、負荷機器接続端21に接続される交流負荷、第2直流電源34への電力供給を全て行わない場合である。このとき、電力変換装置は全動作を停止し、全ての電力フローはゼロとなる。
[0032]
 図11は動作状態切り替え制御のフローチャートを示す。
[0033]
 まず、ステップS01において、負荷となる第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとの合計電力を交流電源1からの入力電力P1_inで賄うことができるかどうかを判定する。ステップS01の判定で賄うことができる場合(YESの場合)、ステップS02に移行し動作状態1-Aと判定される。
[0034]
 ステップS01の判定で賄うことができない場合(NOの場合)、ステップS03に移行する。ステップS03では、交流電源1からの電力供給をやめ、第1直流電源11を電力供給源とし、負荷となる負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとの合計電力を第1直流電源11からの入力電力P2_inで賄うことができるかどうかを判定する。ステップS03の判定で賄うことができる場合(YESの場合)、ステップS04に移行し動作状態1-Bと判定される。
[0035]
 ステップS03の判定で賄うことができない場合(NOの場合)、ステップS05に移行する。ステップS05では、第1直流電源11からの電力供給をやめ、第2直流電源34を電力供給源とし、負荷となる第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outとの合計電力を第2直流電源34の入力電力P4_inで賄うことができるかどうかを判定する。ステップS05の判定で賄うことができる場合(YESの場合)、ステップS06に移行し、動作状態1-Cと判定される。一方、ステップS05の判定で賄うことができない場合(NOの場合)、ステップS07に移行し、動作状態1-Dと判定される。
[0036]
 また、図11に示すフローチャートから分かるように、動作状態1-Aで動作している状態において、交流電源1からの入力電力が減少するか、いずれかの負荷への供給電力が増加し、負荷への供給電力が交流電源1からの入力電力を上回ると、交流電源1からの電力供給をやめ、第1直流電源11からの放電を優先させる。このとき、第1直流電源11が充電されていれば、動作状態1-Bへ動作状態を切り替えることができる。
[0037]
 第1直流電源11が充電されていない場合でも、第2直流電源34が充電されていれば、動作状態1-Cへ動作状態を切り替えることができる。さらに、第1直流電源11と第2直流電源34ともに充電されていない場合では、停止状態である動作状態1-Dへ動作状態を切り替えることができる。
[0038]
 動作状態1-Bで動作している状態において、交流電源1が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態1-Aへ動作状態を切り替えることができる。また、第1直流電源11からの放電電力が減少した場合では、動作状態1-Cに動作状態を切り替えることができる。
[0039]
 動作状態1-Cで動作している状態において、交流電源1が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態1-Aへ動作状態を切り替えることができる。また、第2直流電源34からの放電電力が減少した場合では、動作状態1-Dに動作状態を切り替えることができる。
[0040]
 なお、図11に示したフローチャートにおいては、交流電源1の電力を優先的に使用できるように最上段の判定をステップS01としているが、これに限らず、第1、第2直流電源11、34の放電を優先させたい場合では、最上段の判定をステップS03もしくはステップS05としてもよい。また、ステップS01の後段の判定をステップS05とし、ステップS05の後段の判定にステップS03を配置してもよい。
[0041]
 図12に図11に示した動作状態切り替え制御フローを実行する制御部100の構成図を示す。
[0042]
 制御部100は、AC/DCコンバータ2、第1~第4スイッチング回路4、8、13、30、スイッチ9、およびインバータ17の各制御を行うゲート信号演算回路102を備える。ゲート信号演算回路102は、電圧電流検出部51~56の検出信号をもとにゲート信号の演算を行っている。動作状態判定回路101は、電圧電流検出部51~56の検出信号をもとに、AC/DCコンバータ2、第1~第4スイッチング回路4、8、13、30、スイッチ9、およびインバータ17の各動作状態を判定し、その判定結果を示す動作状態判定信号を演算する。出力切替回路103は、動作状態判定回路101からの動作状態判定信号に基づいてゲート信号演算回路102からのゲート信号の内から動作状態に応じたゲート信号を選択して出力させる。ただし、ゲート信号の演算や動作状態判定に用いない電圧電流検出信号は制御部100に入力しなくてもよい。
[0043]
 上記の電圧電流検出部51が特許請求の範囲における交流電源1の電圧を検出する電圧検出部に対応する。また、上記の電圧電流検出部52が特許請求の範囲におけるコンデンサ3の電圧を検出する電圧検出部に対応する。さらに、出力切替回路103が特許請求の範囲における電源切替部に対応する。
[0044]
 動作中の電力の過不足を検出する方法として、コンデンサ3の電圧VL1を検出する方法が考えられる。例えば、動作状態1-Aと動作状態1-Bをコンデンサ3の電圧VL1を用いて切り替える場合の制御部100の構成図の一例を図13及び図14に示す。
[0045]
 まず、動作状態1-Aの制御について説明する。動作状態1-Aは、上述の通り、交流電源1が接続されていてこれを電源システムの電力供給源とする場合であって、交流電源1からの入力電力P1_inは、第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとに分配される。
[0046]
 図13及び図14において、動作状態1-Aの制御ブロックは、例えば、ゲート信号演算回路102の中の制御ブロックC1~C7で表される。制御ブロックC1~C7による制御は、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとを優先させ、その残りの電力を第1直流電源11への充電電力P2_outとして供給するように動作させる制御例である。
[0047]
 この場合、図13の制御ブロックC1で示すように、AC/DCコンバータ2は定電流で電力供給を行う。すなわち、AC/DCコンバータ2は、交流電源1の電流指令値Iacin*と電圧電流検出部51の電流検出値Iacinとの偏差を比例制御(P制御)し、PWM制御することにより、定電流でコンデンサ3に向けて電力を供給しつつ、同時に交流電流を高力率に制御する。このとき、交流電源1の電流指令値Iacin*は任意に設定してよい。
 また、図13の制御ブロックC2で示すように、第1スイッチング回路4は、任意の時比率指令値Duty*による一定の時比率でPWM動作することでトランス6に交流電力を供給する。
[0048]
 図13の制御ブロックC3に示すように、第2スイッチング回路8は、コンデンサ3の電圧指令値VL1*と電圧電流検出部52の電圧検出値VL1との偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)を行い、第1直流電源11の電流指令値Ibat1*とする。この電流指令値Ibat1*と電圧電流検出部53の電流検出値Ibat1との偏差を比例制御(P制御)し、PWM制御することで、第1直流電源11の充電電流制御を行なう。このとき、図13の制御ブロックC4に示すように、スイッチ9をオフして、第2スイッチング回路8をフルブリッジ型の昇圧チョッパとして機能させる。
[0049]
 図14の制御ブロックC5に示すように、第3スイッチング回路13は、平滑コンデンサ15の電圧指令値VL2*と電圧電流検出部54の電圧検出値VL2との偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)し、PWM制御することで、平滑コンデンサ15の電圧VL2を制御する。
 また、図14の制御ブロックC6に示すように、インバータ17は、出力交流電圧の指令値Vacout*と電圧電流検出部54の電圧検出値VL2の商により正弦波インバータの変調率とし、PWM制御により交流電圧Vacoutを負荷機器接続端21へ出力する。
[0050]
 図14の制御ブロックC7に示すように、第4スイッチング回路30を構成するスイッチング素子33は、第2直流電源34の電圧指令値Vbat2*と電圧電流検出部56の電圧検出値Vbat2との偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)し、PWM制御することで第2直流電源34の充電電圧制御を行う。
[0051]
 以上のように、動作状態1-Aの場合、制御ブロックC1~C4で演算されたゲート信号は、出力切替部103a~dを通して、それぞれAC/DCコンバータ2、第1スイッチング回路4、第2スイッチング回路8、スイッチ9に入力される。また、制御ブロックC5~C7で演算されたゲート信号は、第3スイッチング回路13、インバータ17、第4スイッチング回路30のスイッチング素子33に入力される。
[0052]
 次に、図14に示す動作状態判定回路101について説明する。ここで、動作状態判定回路101をコンデンサ3の電圧VL1の上昇または下降を判定する回路で構成する。
 すなわち、電圧電流検出部52の電圧出力値VL1とコンデンサ3の電圧指令値VL1*との偏差を減算器101aで演算する。任意に設定した電圧変動上限値ΔVL1と、このΔVL1に-1を乗じた電圧変動下限値-ΔVL1とをそれぞれ設定し、これら電圧変動上限値ΔVL1及び電圧変動下限値-ΔVL1と、減算器101aで演算された偏差とを比較器101b、101cでそれぞれ比較する。
[0053]
 コンデンサ3の電圧出力値VL1が電圧指令値VL1*からΔVL1以上上昇すると、比較器101bから出力される上昇判定信号Sig_VL1_Highが1となる。同様に、コンデンサ3の電圧出力値VL1が電圧指令値VL1*からΔVL1以上下降すると、比較器101cから出力される下降判定信号Sig_VL1_Lowが1となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部101dで検出することで、動作状態判定信号を作成する。
[0054]
 状態判定部101dの動作状態判定信号は、出力切替回路103の各出力切替部103a~103dに入力される。各出力切替部103a~103dは、この動作状態判定信号に応じて、ゲート信号演算回路102から出力されるゲート信号を切り替える。
[0055]
 例えば、動作状態1-Aで動作している時に、負荷となる負荷機器接続端21、第1直流電源11、および第2直流電源34に対して出力される全体の電力が増加し、交流電源1からの入力電力が不足すると、コンデンサ3の電圧出力値VL1が下降する。そして、コンデンサ3の電圧出力値VL1が電圧指令値VL1*からΔVL1以上下降すると、下降判定信号Sig_VL1_Lowが1となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部101dで検出し、これに応じて状態判定部101dは動作状態判定信号を出力切替部103aに出力する。出力切替部103aは、制御ブロックC1で演算されたゲート信号を0のゲート信号に切り替え、AC/DCコンバータ2に出力するゲート信号を0として、AC/DCコンバータ2の動作を停止する。
 同様に、出力切替部103bは、制御ブロックC2で演算されたゲート信号を0のゲート信号に切り替え、第1スイッチング回路4のゲート信号も0としてその動作を停止する。
[0056]
 さらに、出力切替部103cは、制御ブロックC3で演算されたゲート信号の代わりに、第2スイッチング回路8のオン時間を所定のDuty*に設定するとともに、出力切替部103dにより、スイッチ9へのゲート信号を0から1に切り替えスイッチ9をオンすることで、電力供給源が交流電源1から第1直流電源11へと切り替わる。つまり、動作状態が1-Aから動作状態1-Bへと切り替わる。このとき、第3スイッチング回路13、インバータ17、第4スイッチング回路30のように、動作状態によらず同じ制御演算(例えば制御ブロックC5~C7)で動作し続けるものはゲート信号を切り替えず、連続的に動作させる。
[0057]
 以上のように、AC/DCコンバータ2の出力電圧の平滑用として用いられるコンデンサ3の場合、入力側からの入力電力が増加するか、または出力側へ供給する出力電力が減少すると、過渡的にコンデンサ電圧は上昇する。一方、入力側からの入力電力が減少するか、または出力側へ供給する出力電力が増加すると、過渡的にコンデンサ電圧が減少する。この現象をコンデンサ3の電圧電流検出部51からの電圧検出値VL1を用いて検出することで、図1及び図2の電力変換装置における出力電力に対する入力電力の過不足を検知し、これにより、動作状態1-Aと動作状態1-Bとの間の切り替えが可能となる。
[0058]
 上記と同様に、第3スイッチング回路13の出力側に接続された平滑用のコンデンサ15の電圧変動を検知し、これにより、交流電源1、第1直流電源11、第2直流電源34との間で電源を切り替えることが可能となる。
[0059]
 すなわち、動作状態1-Aのときに、コンデンサ15の電圧が予め設定したしきい値よりも低下した場合には、コンデンサ3の電圧も低下しているので、第1スイッチング回路4の動作を停止して、第1直流電源11を電源とする状態に切り替える。つまり、動作状態1-Aから動作状態1-Bに切り替える。
[0060]
 また、動作状態1-Bのときに、コンデンサ15の電圧が予め設定したしきい値よりも低下した場合には、第1直流電源11の充電電力が低下しているので、第2スイッチング回路8の動作を停止して、第2直流電源34を電源とする状態に切り替える。つまり、動作状態1-Bから動作状態1-Cに切り替える。
[0061]
 さらに、動作状態1-Cのときに、コンデンサ15の電圧が予め設定したしきい値よりも低下した場合には、第2直流電源34の充電電力が低下しているので、第4スイッチング回路30の動作を停止する。つまり、動作状態1-Cから動作状態1-Dに切り替える。
[0062]
 このように、コンデンサ3、15の電圧を検出する方法を用いることで、交流電源1の接続有無や負荷機器の電力増減を個別に検出すること無く電力供給源を切り替え、制御動作を連続させることができる。
[0063]
 上記の他に、動作中の電力の過不足を検出する方法として、交流電源1の電圧、電流を検出する方法が考えられる。すなわち、交流電源1の電圧、電流を検出する電圧電流検出部51の検出結果を用いて交流電源1の入力電力P1_inがゼロであるか否かを検知し、これにより、交流電源1が接続されているかどうかを検出することで、動作状態1-Aと動作状態1-Bとの間の切り替えが可能となる。
[0064]
 同様に、第1直流電源11および第2直流電源34の電圧もしくは電流の検出値から電力の過不足を検出することができる。例えば、第1直流電源11や第2直流電源34の充電電流と放電電流に対してそれぞれ上限値を設け、充電電流の上限値以上の電流を充電する状態では電力が余剰な状態、また、放電電流の上限値以上の電流を放電する状態では電力が不足した状態と判断し、これにより、動作状態1-Bと動作状態1-Cとの間、あるいは動作状態1-Cと動作状態1-Dとの間の切り替えが可能となる。
[0065]
 動作状態を切り替える際、図12~図14に示したように、全ての動作モードのゲート信号を演算しながら、動作状態判定回路101からの動作状態判定信号をもとに必要な信号を出力するようにしているが、この方法の他に、ゲート信号演算回路102に動作状態判定回路101からの動作状態判定信号を入力し、該当する動作状態のゲート信号のみを演算する方法でも動作状態を切り替えることができる。この方法を用いることで、マイコン等のデジタル機器で演算処理を行う場合、必要最小限の演算量で制御することが可能となる。
[0066]
 また、動作状態を切り替える際に、電力供給源となる部分を除く残りの受電部分である負荷の内、いずれかの負荷への電力供給量を制限して負荷へ供給する合計電力を低減するようにすれば、優先度の高い負荷への電力供給を最大限継続することができる。
[0067]
 例えば、動作状態1-Cのとき、すなわち、第2直流電源34を電源として動作している場合に、この第1直流電源11への電力供給動作を予め停止すれば、動作状態1-Dに移行するのを事前に回避して負荷機器接続端21に接続される交流負荷への電力供給を継続させることができる。
[0068]
 また、第1直流電源11と第2直流電源34の電圧、電流などから充電量に余裕のある直流電源を判定し、充電量に余裕のある直流電源から負荷機器へ電力供給することもできる。また、第1直流電源11もしくは第2直流電源34から負荷機器へ電力供給を行っている場合に、交流電源1からの電力供給に切り替えることによって第1直流電源11あるいは第2直流電源34の放電よりも交流電源1からの電力供給を優先した制御が実現できる。
[0069]
 以上のように、この実施の形態1の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができ、負荷への電力供給を連続させることができる。
[0070]
実施の形態2.
 図15及び図16は、この発明の実施の形態2による電力変換装置の回路構成図であり、図1及び図2に示した実施の形態1と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
[0071]
 この実施の形態2の構成上の特徴は、AC/DCコンバータ2の出力端側に、第1スイッチング回路4と並列に電圧電流検出部54を介して4つのスイッチング素子17a~17dcで構成されるインバータ17の直流入力端が接続されている。そして、このインバータ17の交流出力端には平滑コイル18a、18b、平滑コンデンサ19、コモンモードチョークコイル20、電圧電流検出部55、および負荷機器接続端21が順次接続されている。そして、この負荷機器接続端21において図示しない交流負荷の供給電源である交流電圧Vacoutが生成される。
[0072]
 その他の構成は、実施の形態1の場合と基本的に同じであるから、対応する構成部分には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。また、第1、第2、第4スイッチング回路4、8、30やインバータ17などの動作についても、基本的には実施の形態1と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
[0073]
 また、図15及び図16に示した矢印はこの発明の実施の形態2による電力変換装置の電力方向を定義している。
 ここに、交流電源1からAC/DCコンバータ2を介してコンデンサ3に供給される電力をP1_inとする。また、トランスの2次側となる第2巻線6bより第2スイッチング回路8を介して第1直流電源11に供給される電力をP2_outとする。また、第1直流電源11より第2スイッチング回路8を介してトランスの2次側となる第2巻線6bに供給される電力をP2_inとする。
[0074]
 さらに、コンデンサ3より、インバータ17を介して負荷機器接続端21に接続される交流負荷へ供給される電力をP3_outとする。また、トランスの4次側となる第4巻線6d1、6d2より第4スイッチング回路30を介して第2直流電源34に供給される電力をP4_outとする。さらに、第2直流電源34よりスイッチング素子30a、30bを介しトランスの4次側となる第4巻線6d1、6d2に供給される電力をP4_inとする。
[0075]
 図15及び図16に示した実施の形態2における電力変換装置において、動作状態は図17~図24に示した4つの動作状態[2-A~2-D]があるので、これらの4つの動作状態について説明する。
[0076]
 図17及び図18は動作状態2-Aの電力フローを示す。これは、交流電源1が接続されていて、この交流電源1を電力供給源とする場合である。このとき、交流電源1からの入力電力P1_inは、第1直流電源への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとに分配される。
[0077]
 図19及び図20は動作状態2-Bの電力フローを示す。これは、交流電源1が接続されていないなどの理由により交流電源1からの入力電力P1_inがなく、第1直流電源11を電力供給源とする場合である。このとき、第1直流電源11の放電電力P2_inを、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとに分配する。
[0078]
 図21及び図22は動作状態2-Cの電力フローを示す。これは、交流電源1が接続されていないなどの理由により交流電源1からの入力電力P1_inがなく、かつ第1直流電源11の充電電力が不足しており、このため、第2直流電源34を電力供給源とする場合である。このとき、第2直流電源34の放電電力P4_inを、第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outとに分配する。
[0079]
 なお、図17~22では電力供給源となる部分を除く残りの受電部分を全て負荷として、これらの各負荷に対して電力供給を行う場合を説明したが、いずれか1つの負荷以外への電力供給をゼロとする場合も含まれる。例えば図17及び図18において、第1直流電源への供給電力P2_outをゼロとしてもかまわないし、第1直流電源への供給電力P2_outと負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outを共にゼロとしてもかまわない。
[0080]
 図23及び図24は動作状態2-Dの電力フローを示す。これは、交流電源1からの入力電力P1_inがなく、かつ、第1直流電源11、第2直流電源34が共に充電電力が不足していて放電できない場合、もしくは第1直流電源11、負荷機器接続端21に接続される交流負荷、第2直流電源34への電力供給を行わない場合である。このとき、電力変換装置は全動作を停止し、全ての電力フローはゼロとなる。
[0081]
 図25は動作状態切り替え制御のフローチャートを示す。
[0082]
 まず、ステップS08において、負荷となる第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとの合計電力を、交流電源1からの入力電力P1_inで賄うことができるかどうかを判定する。ステップS08の判定で賄うことができる場合(YESの場合)、ステップS09に移行し動作状態2-Aと判定される。
[0083]
 ステップS08の判定で賄うことができない場合(NOの場合)、ステップS10に移行する。ステップS10では、交流電源1からの電力供給をやめ、第1直流電源11を電力供給源とし、負荷となる負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとの合計電力を第1直流電源11からの入力電力P2_inで賄うことができるかどうかを判定する。ステップS10の判定で賄うことができる場合(YESの場合)、ステップS11に移行し動作状態2-Bと判定される。
[0084]
 ステップS10の判定で賄うことができない場合(NOの場合)、ステップS12に移行する。ステップS12では、第1直流電源11からの電力供給をやめ、第2直流電源34を電力供給源とし、負荷となる第1直流電源11への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outとの合計電力を第2直流電源34の入力電力P4_inで賄うことができるかどうかを判定する。ステップS12の判定で賄うことができる場合(YESの場合)、ステップS13に移行し、動作状態2-Cと判定される。一方、ステップS12の判定で、賄うことができない場合、ステップS14に移行し、動作状態2-Dと判定される。
[0085]
 また、図25に示すフローチャートから分かるように、動作状態2-Aで動作している状態において、交流電源1からの入力電力が減少するか、いずれかの負荷への供給電力が増加し、負荷への供給電力が交流電源1からの入力電力を上回ると、交流電源1からの受電をやめ、第1直流電源11からの放電を優先させる。このとき、第1直流電源11が充電されていれば、動作状態2-Bへ動作状態を切り替えることができる。
[0086]
 第1直流電源11が充電されていない場合でも、第2直流電源34が充電されていれば、動作状態2-Cへ動作状態を切り替えることができる。さらに、第1直流電源11と第2直流電源34ともに充電されていない場合では、停止状態である動作状態2-Dへ動作状態を切り替えることができる。
[0087]
 動作状態2-Bで動作している状態において、交流電源1が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態2-Aへ動作状態を切り替えることができる。また、第1直流電源11からの放電電力が減少した場合では、動作状態2-Cに動作状態を切り替えることができる。
[0088]
 動作状態2-Cで動作している状態において、交流電源1が接続されるか、負荷への供給電力が減少した場合では、動作状態2-Aへ動作状態を切り替えることができる。また、第2直流電源34からの放電電力が減少した場合では、動作状態2-Dに動作状態を切り替えることができる。
[0089]
 なお、図25に示したフローチャートにおいては、交流電源1の電力を優先的に使用できるように最上段の判定をステップS08としているが、これに限らず、直流電源の放電を優先させたい場合では、最上段の判定をステップS10もしくはステップS12としてもよい。また、ステップS08の後段の判定をステップS12とし、ステップS12の後段の判定にステップS10を配置してもよい。
[0090]
 図26は図25に示した動作状態切り替え制御フローを実行する制御部100の構成図を示す。
[0091]
 制御部100は、AC/DCコンバータ2、第1、第2、第4スイッチング回路4、8、30、スイッチ9、およびインバータ17の各制御を行うゲート信号演算回路102を備える。ゲート信号演算回路102は、電圧電流検出部51~53、55、56の検出信号をもとにゲート信号の演算を行っている。また、動作状態判定回路101は、電圧電流検出部51~53、55、56の検出信号をもとに、AC/DCコンバータ2、第1、第2、第4スイッチング回路4、8、30、スイッチ9、およびインバータ17の各動作状態を判定し、その判定結果を示す動作状態判定信号を演算する。出力切替回路103は、動作状態判定回路101からの動作状態判定信号に基づいてゲート信号演算回路102からのゲート信号の内から動作状態に応じたゲート信号を選択して出力させる。ただし、ゲート信号の演算や動作状態判定に用いない電圧電流検出信号は制御部100に入力しなくてもよい。
[0092]
 なお、上記の電圧電流検出部51が特許請求の範囲における交流電源1の電圧を検出する電圧検出部に対応し、上記の電圧電流検出部52が特許請求の範囲におけるコンデンサ3の電圧を検出する電圧検出部に対応し、出力切替回路103が特許請求の範囲における電源切替部に対応している。
[0093]
 動作中の電力の過不足を検出する方法として、コンデンサ3の電圧VL1を検出する方法が考えられる。例えば、動作状態2-Aと動作状態2-Bを、コンデンサ3の電圧VL1を用いて切り替える場合の制御部100の構成図の一例を図27及び図28に示す。
[0094]
 まず、動作状態2-Aの制御について説明する。動作状態2-Aは、上述の通り、交流電源1が接続されていて、この交流電源1を電力供給源とする場合であって、交流電源1からの入力電力P1_inは、第1直流電源への充電電力P2_outと、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとに分配される。
[0095]
 図27及び図28において、動作状態2-Aの制御ブロックは、例えば、ゲート信号演算回路102の中の制御ブロックE1~E6で表される。制御ブロックE1~E6による制御は、負荷機器接続端21に接続される交流負荷への供給電力P3_outと、第2直流電源34への充電電力P4_outとを優先させ、その残りの電力を第1直流電源11への充電電力P2_outとして供給するように動作させる制御例である。
[0096]
 この場合、図27の制御ブロックE1で示すように、AC/DCコンバータ2は定電流で電力供給を行う。すなわち、AC/DCコンバータ2は、交流電源1の電流指令値Iacin*と電圧電流検出部51の電流検出値Iacinとの偏差を比例制御(P制御)し、PWM制御することにより、定電流でコンデンサ3に向けて電力を供給しつつ、同時に交流電流を高力率に制御する。このとき、交流電源1の電流指令値Iacin*は任意に設定してよい。
 また、図27の制御ブロックE2で示すように、第1スイッチング回路4は、任意の時比率指令値Duty*による一定の時比率でPWM動作することでトランス6に交流電力を供給する。
[0097]
 図27の制御ブロックE3で示すように、第2スイッチング回路8は、コンデンサ3の電圧指令値VL1*と電圧電流検出部52の電圧検出値VL1との偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)を行い、第1直流電源11の電流指令値Ibat1*とする。この電流指令値Ibat1*と電圧電流検出部53の電流検出値Ibat1との偏差を比例制御(P制御)し、PWM制御することで、第1直流電源11の充電電流制御を行なう。このとき、図27の制御ブロックE4に示すように、スイッチ9をオフして、第2スイッチング回路8をフルブリッジ型の昇圧チョッパとして機能させる。
[0098]
 また、図28の制御ブロックE5で示すように、インバータ17は、出力交流電圧の指令値Vacout*と電圧電流検出部52の電圧検出値VL1の商により正弦波インバータの変調率とし、PWM制御により交流電圧Vacoutを負荷機器接続端21へ出力する。
[0099]
 さらに、図28の制御ブロックE6に示すように、第4スイッチング回路30を構成するスイッチング素子33は、第2直流電源34の電圧指令値Vbat2*と電圧電流検出部56の電圧検出値Vbat2との偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)し、PWM制御することで第2直流電源34の充電電圧制御を行う。
[0100]
 以上のように、動作状態2-Aの場合、制御ブロックE1~E4で演算されたゲート信号は、出力切替部103a~dを通して、それぞれAC/DCコンバータ2、第1スイッチング回路4、第2スイッチング回路8、スイッチ9に入力される。また、制御ブロックE5~E6で演算されたゲート信号は、インバータ17、第4スイッチング回路30のスイッチング素子33に入力される。
[0101]
 次に、図28に示す動作状態判定回路101について説明する。ここで、動作状態判定回路101をコンデンサ3の電圧VL1の上昇または下降を判定する回路で構成する。
 すなわち、電圧電流検出部52の電圧出力値VL1とコンデンサ3の電圧指令値VL1*との偏差を減算器101aで演算する。任意に設定した電圧変動上限値ΔVL1と、このΔVL1に-1を乗じた電圧変動下限値-ΔVL1とをそれぞれ設定し、これら電圧変動上限値ΔVL1及び電圧変動下限値-ΔVL1と、減算器101aで演算された偏差とを比較器101b、101cでそれぞれ比較する。
[0102]
 コンデンサ3の電圧出力値VL1が電圧指令値VL1*からΔVL1以上上昇すると、比較器101bから出力される上昇判定信号Sig_VL1_Highが1となる。同様に、コンデンサ3の電圧出力値VL1が電圧指令値VL1*からΔVL1以上下降すると、比較器101cから出力される下降判定信号Sig_VL1_Lowが1となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部101dで検出することで、動作状態判定信号を作成する。
[0103]
 状態判定部101dの動作状態判定信号は、出力切替回路103の各出力切替部103a~103dに入力される。各出力切替部103a~103dは、この動作状態判定信号に応じて、ゲート信号演算回路102から出力されるゲート信号を切り替える。
[0104]
 例えば、動作状態2-Aで動作している時に、負荷となる負荷機器接続端21、第1直流電源11、および第2直流電源34に対して出力される全体の電力が増加し、交流電源1からの入力電力が不足すると、コンデンサ3の電圧出力値VL1が下降する。そして、コンデンサ3の電圧出力値VL1が電圧指令値VL1*からΔVL1以上下降すると、下降判定信号Sig_VL1_Lowが1となる。この判定信号の立ち上がりを状態判定部101dで検出し、これに応じて状態判定部101dは動作状態判定信号を出力切替部103aに出力する。出力切替部103aは、制御ブロックE1で演算されたゲート信号を制御ブロックF1のゲート信号0に切り替え、AC/DCコンバータ2にゲート信号0を出力して、AC/DCコンバータ2の動作を停止する。
[0105]
 また、出力切替部103bは、制御ブロックE2で演算されたゲート信号の代わりに制御ブロックF2で演算されたゲート信号に切り替えて、第1スイッチング回路4に出力する。制御ブロックF2では、コンデンサ3の電圧VL1を一定に制御するために、コンデンサ3の電圧指令値VL1*と電圧電流検出部52の電圧検出値VL1との偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)し、PWM制御のためのゲート信号を演算する。
[0106]
 さらに、出力切替部103cは、制御ブロックE3で演算されたゲート信号の代わりに制御ブロックF3で演算されたゲート信号に切り替えて、第2スイッチング回路8に出力する。制御ブロックF3では、第1直流電源11を放電させるために、任意の時比率指令値Duty*によって固定の時比率でPWM動作させるゲート信号を演算する。このとき、出力切替部103dは、スイッチ9へのゲート信号を0から1に切り替えてスイッチをオンする。
 その結果、電力供給源が交流電源1から第1直流電源11へと切り替わる。つまり、動作状態2-Aから動作状態2-Bへと切り替わる。このとき、インバータ17、第4スイッチング回路30のように、動作状態によらず同じ制御演算(例えば制御ブロックE5~E6)で動作し続けるものはゲート信号を切り替えず、連続的に動作させる。
[0107]
 以上のように、AC/DCコンバータ2の出力電圧の平滑用として用いられるコンデンサ3の場合、入力側からの入力電力が増加するか、出力側へ供給する出力電力が減少すると、過渡的にコンデンサ電圧は上昇する。一方、入力側からの入力電力が減少するか、出力側へ供給する出力電力が増加すると、過渡的にコンデンサ電圧が減少する。この現象をコンデンサ3の電圧電流検出部52からの電圧検出値VL1を用いて検出することで、図15及び図16の電力変換装置における出力電力に対する入力電力の過不足を検知し、これにより、動作状態2-Aと動作状態2-Bとの間での切り替えが可能となる。
[0108]
 このようにコンデンサ3の電圧を検出する方法を用いることで、交流電源1の接続有無や負荷機器の電力増減を個別に検出すること無く電力供給源を切り替え、制御動作を連続させることができる。
[0109]
 上記の他に、動作中の電力の過不足を検出する方法として、交流電源1の電圧、電流を検出する方法が考えられる。すなわち、交流電源1の電圧、電流を検出する電圧電流検出部51の検出結果を用いて交流電源1の入力電力P1_inがゼロであるか否かを検知し、これにより、交流電源1が接続されているかどうかを検出することで、動作状態2-Aと動作状態2-Bとの間での切り替えが可能となる。
[0110]
 同様に、第1直流電源11および第2直流電源34の電圧もしくは電流の検出値から電力の過不足を検出することができる。例えば、第1直流電源11や第2直流電源34の充電電流と放電電流に対してそれぞれ上限値を設け、充電電流の上限値以上の電流を充電する状態では電力が余剰な状態、また、放電電流の上限値以上の電流を放電する状態では電力が不足した状態と判断する。これにより、動作状態2-Bと動作状態2-Cとの間、あるいは動作状態2-Cと動作状態2-Dとの間での切り替えが可能となる。
[0111]
 動作状態を切り替える際、図26~図28に示したように、全ての動作モードのゲート信号を演算しながら、動作状態判定回路101の出力信号をもとに必要な信号を出力する方法の他に、ゲート信号演算回路102に動作状態判定回路101の出力信号を入力し、該当する動作状態のゲート信号演算のみを行う方法でも動作状態を切り替えることができる。この方法を用いることで、マイコン等のデジタル機器で演算処理を行う場合、必要最小限の演算量で制御することが可能となる。
[0112]
 また、動作状態を切り替える際に、電力供給源となる部分を除く残りの受電部分である負荷の内、いずれかの負荷への電力供給を制限することで、負荷へ供給する合計電力を低減することで、優先度の高い負荷への電力供給を最大限継続することができる。
[0113]
 第1直流電源11と第2直流電源34の電圧電流などから充電量に余裕のある直流電源を判定し、充電量に余裕のある直流電源から負荷機器へ電力供給することもできる。また、第1直流電源11もしくは第2直流電源34から負荷機器へ電力供給を行っている場合に、交流電源1からの電力供給に切り替えることによって直流電源の放電よりも交流電源1からの電力供給を優先した制御が実現できる。
[0114]
 以上のように、この実施の形態2の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができる。
[0115]
実施の形態3.
 図29及び図30は、この発明の実施の形態3による電力変換装置の回路構成図であり、図1に示した実施の形態1と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
[0116]
 この実施の形態3の特徴は、図1及び図2に示した実施の形態1の構成に対して、トランス6の第4巻線6d1、6d2、およびこれらの第4巻線6d1、6d2に接続される第4スイッチング回路30や第2直流電源34を含む回路が削除されていることである。その他の構成は、実施の形態1の場合と同じである。
[0117]
 したがって、実施の形態1における第4スイッチング回路30や第2直流電源34を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態1と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
[0118]
 この実施の形態3の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができ、負荷への電力供給を連続させることができる。
[0119]
実施の形態4.
 図31及び図32は、この発明の実施の形態4による電力変換装置の回路構成図であり、図1に示した実施の形態1と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
[0120]
 この実施の形態4の特徴は、図1及び図2に示した実施の形態1の構成に対して、トランス6の第3巻線6c、およびこの第3巻線6cに接続される第3スイッチング回路13やインバータ17を含む回路が削除されていることである。その他の構成は、実施の形態1の場合と同じである。
[0121]
 したがって、実施の形態1における第3スイッチング回路13やインバータ17を含む回路の動作を除けば、基本的な動作は、実施の形態1と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
[0122]
 この実施の形態4の電力変換装置によれば、電源からの供給電力が負荷電力に対して不足する場合に、電力不足を検知し、供給能力のある電源に供給電源を切り替えることができ、負荷への電力供給を連続させることができる。
[0123]
 なお、この発明は、上記の実施の形態1~4に示した構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施の形態1~4の構成を適宜組み合わせたり、その構成に一部変形を加えたり、構成を一部省略することが可能である。

請求の範囲

[請求項1]
互いに磁気的に結合された3以上の巻線でトランスが構成され、
上記巻線の内の一つの巻線に対しては、交流電源の交流電力を直流化するAC/DCコンバータ、上記AC/DCコンバータの出力電圧を平滑化するコンデンサ、および上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化するスイッチング回路が順次接続され、
上記巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線には、直流電源の電力変換用のスイッチング回路とが接続されているものであって、
上記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、上記電圧検出部の検出値に基づいて各々の上記スイッチング回路の動作状態を判定する動作状態判定回路と、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源と上記直流電源との間で電源切り替えを行う電源切替部と、を備える電力変換装置。
[請求項2]
互いに磁気的に結合された3以上の巻線でトランスが構成され、
上記巻線の内の一つの巻線に対しては、交流電源の交流電力を直流化するAC/DCコンバータ、上記AC/DCコンバータの出力電圧を平滑化するコンデンサ、および上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化するスイッチング回路が順次接続され、
上記巻線の内の残り巻線の内の少なくとも一つの巻線には、直流電源の電力変換用のスイッチング回路とが接続されているものであって、
上記交流電源の電圧を検出する電圧検出部と、上記電圧検出部の検出値に基づいて各々の上記スイッチング回路の動作状態を判定する動作状態判定回路と、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源と上記直流電源との間で電源切り替えを行う電源切替部と、を備える電力変換装置。
[請求項3]
上記トランスを構成する上記巻線は、第1巻線、第2巻線、第3巻線、および第4巻線からなり、上記直流電源は、第1直流電源と第2直流電源からなり、上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化する上記スイッチング回路を第1スイッチング回路とし、また、上記直流電源の電力変換用の上記スイッチング回路は、第2スイッチング回路と第4スイッチング回路とからなり、上記第1巻線に対して、上記第1スイッチング回路が接続され、上記第2巻線に対して上記第2スイッチング回路を介して上記第1直流電圧源が接続され、上記第3巻線に対して整流用の第3スイッチング回路を介して交流負荷への電力変換用のインバータが接続され、上記第4巻線に対して上記第4スイッチング回路を介して上記第2直流電源が接続されており、
上記電源切替部は、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源、上記第1直流電源または上記第2直流電源との間で電源切り替えを行うものである請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
[請求項4]
上記トランスを構成する上記巻線は、第1巻線、第2巻線、および第4巻線からなり、上記直流電源は第1直流電源と第2直流電源からなり、上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化する上記スイッチング回路を第1スイッチング回路とし、また、上記直流電源の電力変換用の上記スイッチング回路は、第2スイッチング回路と第4スイッチング回路とからなり、上記第1巻線に対して、上記第1スイッチング回路が接続され、上記第2巻線に対して上記第2スイッチング回路を介して上記第1直流電圧源が接続され、上記第4巻線に対して上記第4スイッチング回路を介して上記第2直流電圧源が接続され、かつ、上記AC/DCコンバータに対して、上記第1スイッチング回路と並列に交流負荷への電力変換用のインバータが接続されており、
上記電源切替部は、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源、上記第1直流電源または上記第2直流電源との間で電源切り替えを行うものである請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
[請求項5]
上記トランスを構成する上記巻線は、第1巻線、第2巻線、および第3巻線からなり、上記直流電源は第1直流電源からなり、上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化する上記スイッチング回路を第1スイッチング回路とし、また、上記直流電源の電力変換用の上記スイッチング回路は第2スイッチング回路からなり、上記第1巻線に対して、上記第1スイッチング回路が接続され、上記第2巻線に対して上記第2スイッチング回路を介して上記第1直流電圧源が接続され、上記第3巻線に対して整流用の第3スイッチング回路を介して交流負荷への電力変換用のインバータが接続されており、
上記電源切替部は、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源と上記第1直流電源との間で電源切り替えを行うものである請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
[請求項6]
上記トランスを構成する上記巻線は、第1巻線、第2巻線、および第4巻線からなり、上記直流電源は、第1直流電源と第2直流電源からなり、上記コンデンサによる平滑化後の直流電圧を交流化する上記スイッチング回路を第1スイッチング回路とし、また、上記直流電源の電力変換用の上記スイッチング回路は、第2スイッチング回路と第4スイッチング回路とからなり、上記第1巻線に対して、上記第1スイッチング回路が接続され、上記第2巻線に対して上記第2スイッチング回路を介して上記第1直流電圧源が接続され、上記第4巻線に対して上記第4スイッチング回路を介して上記第2直流電源が接続されており、
上記電源切替部は、上記動作状態判定回路による判定結果に基づいて上記交流電源、上記第1直流電源または上記第2直流電源との間で電源切り替えを行うものである請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
[請求項7]
上記第1直流電源と上記第2直流電源の充電状態を検出する検出部を備え、この検出部の検出結果に基づいて上記第1直流電源と上記第2の直流電源のいずれか一方を優先して放電させる制御を行う制御部を備える請求項3、4、6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
[請求項8]
電源を切り替える場合に、上記電源に対する負荷の内、いずれかの負荷への供給電力を制限する請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]

[ 図 20]

[ 図 21]

[ 図 22]

[ 図 23]

[ 図 24]

[ 図 25]

[ 図 26]

[ 図 27]

[ 図 28]

[ 図 29]

[ 図 30]

[ 図 31]

[ 図 32]