电力转换装置的制作方法

1.本公开涉及一种将规定电压的输入电力转换为规定电压的输出电力的电力转换装置。


背景技术：

2.为了从电压呈正弦波状变动的交流电源电压输出规定的电压，例如提出了专利文献1的电源装置。根据专利文献1，通过控制开关元件，来与交流电源电压的一个周期中的当时的电压对应地在一个周期的期间内将初级绕组中的施加交流电源电压的绕组切换两次以上，在交流电源电压低的定时，提高变压器的初级绕组与次级绕组的匝数比，在交流电源电压高的定时，降低该匝数比。初级绕组由匝数不同的多个绕组构成，通过该多个绕组的组合来任意地切换变压器的匝数比。
3.另外，为了提高将规定电压的输入电力转换为规定电压的输出电力的电力转换装置的效率，提出了一种具备多个开关元件、内置有漏电感的变压器以及电容器的llc谐振型的电力转换装置。变压器的初级绕组、变压器的漏电感以及电容器构成llc谐振电路。在llc谐振型的电力转换装置中，能够通过使开关元件的开关频率变化，来使输出电压变化。一般来说，当使开关频率降低时，输出电压增大，当使开关频率增大时，输出电压降低。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本专利第5911591号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的问题
8.在llc谐振型的电力转换装置中，输出电压相对于开关频率的特性根据变压器的漏电感而变化。在同一开关频率的情况下，变压器的漏电感越大，则输出电压越小。
9.在llc谐振型的电力转换装置中，考虑应用如专利文献1那样对变压器的初级绕组与次级绕组的匝数比进行切换的技术的情况。例如，在要降低次级侧的输出电压时，以使变压器的初级绕组相对于次级绕组的匝数比变大的方式切换绕组。在响应于该绕组的切换而变压器的漏电感变小的情况下，因匝数比变大而产生的效果被因漏电感变小而产生的影响抵消。因而，难以在不降低效率的情况下产生遍及广电压范围的输出电压。
10.本公开的目的在于提供一种llc谐振型的电力转换装置，其能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
11.用于解决问题的方案
12.本公开的一个方式所涉及的电力转换装置具备：
13.第一输入端子和第二输入端子；
14.第一输出端子和第二输出端子；
15.至少一个第一桥臂电路，所述第一桥臂电路包括串联连接在所述第一输入端子与
所述第二输入端子之间的两个开关元件；
16.变压器，其具有初级绕组和次级绕组；
17.电容器；
18.开关电路；以及
19.输出电路，其与所述第一输出端子及所述第二输出端子连接，
20.其中，所述电容器连接在所述至少一个第一桥臂电路中的一个第一桥臂电路与所述初级绕组的一端之间，
21.所述开关电路选择性地将所述次级绕组的互不相同的多个绕组区间中的一个绕组区间连接到所述输出电路。
22.发明的效果
23.本公开的一个方式所涉及的电力转换装置是llc谐振型的电力转换装置，并且能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
附图说明
24.图1是示出第一实施方式所涉及的电力转换装置100的结构的框图。
25.图2是示出图1的变压器t1的例示性的结构的截面图。
26.图3是示出第一实施方式的变形例所涉及的变压器t1a的例示性的结构的截面图。
27.图4是示出图1的变压器t1的初级侧的漏电感la和次级侧的漏电感lb的等效电路图。
28.图5是示出从图4的次级侧的漏电感lb换算得到的初级侧的漏电感n2·
lb的等效电路图。
29.图6是示出从图5的初级侧的漏电感进一步换算得到的初级侧的漏电感l1的等效电路图。
30.图7是用于说明图1的电力转换装置100的基本的动作的波形图。
31.图8是示出将次级绕组的端子t1e连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作时的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性的曲线图。
32.图9是示出将次级绕组的端子t1c连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作时的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性的曲线图。
33.图10是用于说明由图1的控制器107进行的llc谐振电路和开关频率fs的决定的曲线图。
34.图11是示出由图1的控制器107执行的电力转换处理的流程图。
35.图12是示出第二实施方式所涉及的电力转换装置200的结构的框图。
36.图13是示出第三实施方式所涉及的电力转换装置300的结构的框图。
37.图14是示出图13的整流电路304的安装例的电路图。
38.图15是示出在图13的电力转换装置300中将次级绕组w2的区间w2a w2b连接到输出电路时的开关元件sw1～sw4、sw31～sw36的动作的时序图。
39.图16是说明在图13的电力转换装置300中将次级绕组w2的区间w2b连接到输出电路时的整流电路304的动作的电路图。
40.图17是示出在图13的电力转换装置300中将次级绕组w2的区间w2b连接到输出电
路时的开关元件sw1～sw4、sw31～sw36的动作的时序图。
41.图18是示出图13的整流电路304的第一变形例的电路图。
42.图19是示出图13的整流电路304的第二变形例的电路图。
43.图20是示出第四实施方式所涉及的电力转换装置400的结构的框图。
具体实施方式
44.以下，参照附图来说明本公开所涉及的实施方式。此外，在以下的各实施方式中，对相同的构成要素标注了相同的附图标记。
45.[第一实施方式]
[0046]
[整体结构]
[0047]
图1是示出第一实施方式所涉及的电力转换装置100的结构的框图。电力转换装置100与直流的电源装置101及直流的负载装置102连接。电力转换装置100将从电源装置101供给的规定电压的输入电力转换为规定电压的输出电力，并将输出电力供给到负载装置102。
[0048]
电力转换装置100具备：输入端子p1、p2、开关元件组103、电容器c1、变压器t1、开关电路sw10、整流电路104、电容器c10、输出端子p3、p4、电压检测器105、电流检测器106以及控制器107。
[0049]
输入端子p1、p2与电源装置101连接。
[0050]
在本说明书中，将输入端子p1还称为“第一输入端子”，将输入端子p2还称为“第二输入端子”。
[0051]
开关元件组103包括多个桥臂电路，所述多个桥臂电路分别包括串联连接在输入端子p1、p2之间的两个开关元件。在图1的例子中，开关元件组103包含包括开关元件sw1、sw2的桥臂电路q1、以及包含开关元件sw3、sw4的桥臂电路q2。在图1的例子中，开关元件sw1～sw4构成全桥电路。开关元件sw1～sw4例如是mosfet。
[0052]
变压器t1具备具有端子t1a、t1b的初级绕组w1、以及具有端子t1c、t1d、t1e的次级绕组w2。次级绕组w2包括互不相同的多个绕组区间。在图1的例子中，次级绕组w2包括次级绕组的端子t1c、t1d之间的区间w2a w2b来作为第一绕组区间，并且包括次级绕组的端子t1d、t1e之间的区间w2b来作为第二绕组区间。因而，第一绕组区间和第二绕组区间具有互不相同的匝数。另外，变压器t1内置有漏电感l1。
[0053]
在本说明书中，将端子t1a还称为变压器t1的初级绕组的“第一端子”，将端子t1b还称为变压器t1的初级绕组的“第二端子”。另外，在本说明书中，将端子t1c还称为变压器t1的次级绕组的“第一端子”，将端子t1d还称为变压器t1的次级绕组的“第二端子”，将端子t1e还称为变压器t1的次级绕组的“第三端子”。
[0054]
变压器t1的初级绕组的端子t1a连接于开关元件sw1、sw2之间的节点n1。变压器t1的初级绕组的端子t1b经由电容器c1连接于开关元件sw3、sw4之间的节点n2。
[0055]
变压器t1的次级绕组的端子t1c、t1e经由开关电路sw10连接于整流电路104，变压器t1的次级绕组的端子t1d连接于整流电路104。
[0056]
开关电路sw10选择性地将变压器t1的次级绕组的端子t1c、t1e中的一方连接到整流电路104。由此，开关电路sw10将次级绕组的端子t1c、t1d之间的区间w2a w2b作为第一绕
组区间连接于次级侧的输出电路，将次级绕组的端子t1d、t1e之间的区间w2b作为第二绕组区间连接于次级侧的输出电路。
[0057]
在第一实施方式和第二实施方式中，将整流电路104、电容器c10、电压检测器105以及电流检测器106还统称为“输出电路”。
[0058]
整流电路104是包括二极管d1～d4的二极管电桥，该整流电路104连接在变压器t1的次级绕组与输出端子p3、p4之间。整流电路104对变压器t1的次级绕组中产生的电流进行整流。
[0059]
电容器c10使通过整流电路104而被整流后的电流平滑化。
[0060]
输出端子p3、p4与负载装置102连接。
[0061]
在本说明书中，将输出端子p3还称为“第一输出端子”，将输出端子p4还称为“第二输出端子”。
[0062]
电压检测器105检测从电力转换装置100向负载装置102输出的输出电压vout，并将检测出的输出电压vout通知给控制器107。电流检测器106检测从电力转换装置100向负载装置102输出的输出电流iout，并将检测出的输出电流iout通知给控制器107。
[0063]
控制器107从负载装置102接收表示应向负载装置102输出的目标电压vreq的大小的请求信号。控制器107基于目标电压vreq、输出电压vout以及输出电流iout，来产生向各开关元件sw1～sw4的栅极端子施加的控制信号，从而控制各开关元件sw1～sw4。控制器107使包括开关元件sw1、sw2的桥臂电路q1以及包括开关元件sw3、sw4的桥臂电路q2以规定的开关频率fs进行动作。另外，控制器107根据从电压检测器105通知的输出电压vout来切换开关电路sw10，从而切换与整流电路104连接的次级绕组的端子t1c、t1e。
[0064]
[变压器t1的结构]
[0065]
变压器t1构成为：次级绕组的端子t1c被连接到整流电路104时(即连接了第一绕组区间时)的变压器t1的漏电感与次级绕组的端子t1e被连接到整流电路104时(即连接了第二绕组区间时)的变压器t1的漏电感互不相同。例如，变压器t1构成为：第一绕组区间的匝数ns1大于第二绕组区间的匝数ns2，并且第一绕组区间被连接到整流电路104时的变压器t1的漏电感l11小于第二绕组区间被连接到整流电路104时的变压器t1的漏电感l12。
[0066]
为了产生这种漏电感，例如，变压器t1构成为从初级绕组w1到次级绕组w2的区间w2b的距离大于从初级绕组w1到次级绕组w2的区间w2a的距离。
[0067]
图2是示出图1的变压器t1的例示性的结构的截面图。变压器t1具备芯x1、初级绕组w1以及次级绕组w2。初级绕组w1和次级绕组w2绕轴a
‑
a进行卷绕。在图2的例子中，初级绕组w1、次级绕组w2的区间w2a以及次级绕组w2的区间w2b被沿纵向配置。即，初级绕组w1、次级绕组w2的区间w2a以及次级绕组w2的区间w2b被卷绕在沿着轴a
‑
a的长边方向上的互不相同的位置。由此，能够实现从初级绕组w1到次级绕组w2的区间w2b的距离大于从初级绕组w1到次级绕组w2的区间w2a的距离并且满足ns1>ns2且l11<l12的变压器t1。
[0068]
图3是示出第一实施方式的变形例所涉及的变压器t1a的例示性的结构的截面图。在图3的例子中，初级绕组w1、次级绕组w2的区间w2a以及次级绕组w2的区间w2b被沿横向配置。即，初级绕组w1、次级绕组w2的区间w2a以及次级绕组w2的区间w2b被卷绕在离轴a
‑
a的距离互不相同的位置。由此，能够实现从初级绕组w1到次级绕组w2的区间w2b的距离大于从初级绕组w1到次级绕组w2的区间w2a的距离并且满足ns1>ns2且l11<l12的变压器t1。
[0069]
此外，变压器t1的构造不限定于图2和图3所记载的构造，只要满足了ns1>ns2且l11<l12，则能够获得本实施方式的效果。
[0070]
变压器t1具有初级侧的漏电感和次级侧的漏电感这两者，但是次级侧的漏电感能够换算为初级侧的漏电感。以下，参照图4～图6来说明漏电感的换算。
[0071]
图4是示出图1的变压器t1的初级侧的漏电感la和次级侧的漏电感lb的等效电路图。la表示初级侧的漏电感，lb表示次级侧的漏电感，lm’表示励磁电感。变压器具备匝数为np的初级绕组w1和匝数为ns的次级绕组w2。
[0072]
图5是示出从图4的次级侧的漏电感lb换算得到的初级侧的漏电感n2·
lb的等效电路图。在此，n表示匝数比n＝np/ns。
[0073]
图6是示出从图5的初级侧的漏电感进一步换算得到的初级侧的漏电感l1的等效电路图。通过下面的式子表示与图4的初级侧的漏电感la及次级侧的漏电感lb等效的漏电感l1。
[0074]
[数式1]
[0075][0076]
[电力转换装置100的动作]
[0077]
图7是用于说明图1的电力转换装置100的基本的动作的波形图。图7的第1部分至第4部分示出向开关元件sw1、sw2、sw3、sw4的栅极端子施加的控制信号。图7的第5部分示出向开关元件sw1的两端施加的电压vds(漏极源极电压)。图7的第6部分示出流向开关元件sw1的电流ids(漏极源极电流)。
[0078]
在图7的时刻t1～t2的时间期间，开关元件sw2、sw3被接通。此时，电流沿“p1
→
sw3
→
c1
→
t1
→
sw2
→
p2”的路径流动。
[0079]
在图7的时刻t2，开关元件sw2、sw3被断开，之后，电流沿“p2
→
sw4的体二极管
→
c1
→
t1
→
sw1的体二极管
→
p1”的路径流动。在开关元件sw1的体二极管、开关元件sw4的体二极管中流动电流的时间期间内，在时刻t3，开关元件sw1、sw4被接通。由此，开关元件sw1、sw4以零电压开关进行动作。
[0080]
在图7的时刻t3～t4的时间期间，开关元件sw1、sw4被接通。此时，电流沿“p1
→
sw1
→
t1
→
c1
→
sw4
→
p2”的路径流动。
[0081]
在图7的时刻t4，开关元件sw1、sw4被断开，之后，电流沿“p2
→
sw2的体二极管
→
t1
→
c1
→
sw3的体二极管
→
p1”的路径流动。在开关元件sw2的体二极管、开关元件sw3的体二极管中流动电流的时间期间内，在时刻t5，开关元件sw2、sw3被接通。由此，开关元件sw2、sw3以零电压开关进行动作。
[0082]
电力转换装置100具备至少一个电容器c1，所述至少一个电容器c1连接在变压器t1的初级绕组的端子t1a或t1b与节点n1、n2之间，该节点n1、n2是桥臂电路q1、q2中的两个开关元件之间的节点。由此，变压器t1的初级绕组、漏电感l1以及电容器c1构成llc谐振电路。
[0083]
在此，说明现有技术所涉及的llc谐振型的电力转换装置的动作。
[0084]
在llc谐振型的电力转换装置中，需要使各开关元件以遍及广频率范围的开关频率进行动作，以产生遍及广电压范围的输出电压。若降低开关频率则变压器的芯的铁损增
大，若增大开关频率则变压器的绕组的铜损增大。需要增大变压器的尺寸，以减轻变压器的铁损及铜损。另外，若增大开关频率则各开关元件的损耗也增大。
[0085]
作为现有技术所涉及的例示性的电力转换装置，假定具备变压器、设置于变压器的初级侧的四个开关元件及电容器、以及设置于变压器的次级侧的整流电路及电容器的电路。四个开关元件被进行桥连接。初级侧的电容器连接在任意的桥臂电路q1、q2中的两个开关元件之间的节点同变压器的初级绕组之间。
[0086]
针对该电力转换装置，导入以下参数。
[0087]
fs：各开关元件的开关频率
[0088]
l1：变压器的漏电感
[0089]
np：变压器的初级绕组的匝数
[0090]
ns：变压器的次级绕组的匝数
[0091]
ae：变压器的有效截面积
[0092]
lp：变压器的初级绕组的电感
[0093]
vf：整流电路的各二极管的正向电压
[0094]
vo：电力转换装置的输出电压
[0095]
此时，通过下面的式子表示变压器的磁通密度的最大变化量δb。
[0096]
[数式2]
[0097][0098]
其中，n＝np/ns。另外，mv相当于耦合度的倒数，通过下面的式子表示mv。
[0099]
[数式3]
[0100][0101]
通过下面的斯泰因梅茨公式近似地计算出变压器的铁损pcv。
[0102]
[数式4]
[0103]
pcv＝cm
·
fs
x
·
δb
y
·
ae
·
le
[0104]
其中，cm、x以及y是依赖于变压器的芯的种类的系数。le表示有效磁路长度。
[0105]
根据数式2～数式4可知：如上所述，越是降低开关频率fs，则变压器的芯的铁损越是增大。
[0106]
另外，如上所述，越是增大开关频率，则变压器的绕组的铜损越是增大，并且，各开关元件的损耗也越是增大。
[0107]
以下，说明通过第一实施方式所涉及的电力转换装置100以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压的情况。
[0108]
图8是示出将次级绕组的端子t1e连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作时的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性的曲线图。即，图8示出具有匝数ns2的次级绕组w2的区间w2b被连接到整流电路104从而变压器t1具有漏电感l12时的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性。根据图8，电力转换装置100具有根据负载装置102的阻抗z1～z7而不同的特性。
[0109]
电力转换装置100具有根据从输入端子p1起经由被接通的开关元件和变压器t1的初级绕组到达输入端子p2的路径上包括的电容及电感而不同并且根据负载装置102的阻抗或电阻而不同的、输出电压vout与输入电压vin之比也即增益。
[0110]
电力转换装置100的增益k例如如下面的式子那样被公式化。
[0111]
[数式5]
[0112][0113]
在此，使用以下参数。
[0114]
q：与电容器c1及漏电感l1有关的q值
[0115]
m：变压器初级绕组的电感lp与漏电感l1之比
[0116]
f：标准化后的开关频率
[0117]
q值通过下面的式子给出。
[0118]
[数式6]
[0119][0120]
[数式7]
[0121][0122]
其中，ro表示负载装置102的阻抗或电阻，rac表示在初级侧观察的等效负载电阻。
[0123]
电感之比m通过下面的式子给出。
[0124]
[数式8]
[0125][0126]
标准化后的开关频率f通过下面的式子给出。
[0127]
[数式9]
[0128][0129]
其中，fr表示与电容器c1及漏电感l1有关的谐振频率，通过下面的式子给出。
[0130]
[数式10]
[0131][0132]
增益k等效地表示变压器t1的次级侧的交流的输出电压与变压器t1的初级侧的向llc谐振电路的交流的输入电压之比。
[0133]
通过对增益k乘以电力转换装置100的输入电压vin，来获得图8的输出电压vout。
[0134]
根据数式5可知：电力转换装置100产生根据llc谐振电路的电容及电感而不同、且根据负载装置102的阻抗或电阻而不同、且根据开关频率fs而不同的输出电压vout。
[0135]
关于负载装置102的阻抗或电阻，基于由电压检测器105和电流检测器106检测到的输出电压vout和输出电流iout而获得为输出电压vout与输出电流iout之比vout/iout。关于负载装置102的阻抗或电阻，也可以基于输出功率pout而获得为vout2/pout。
[0136]
在图8中，如以下那样设定了负载装置102的阻抗z1～z7。此外，此时，在电力转换装置100产生恒定的输出功率pout＝vout
×
iout＝7040w这一条件下，由电压检测器105和电流检测器106检测以下输出电压vout和输出电流iout。
[0137]
z1＝5.7ω(vout＝200v，iout＝35.2a)
[0138]
z2＝8.9ω(vout＝250v，iout＝28.2a)
[0139]
z3＝12.8ω(vout＝300v，iout＝23.4a)
[0140]
z4＝17.4ω(vout＝350v，iout＝20.1a)
[0141]
z5＝22.7ω(vout＝400v，iout＝17.6a)
[0142]
z6＝28.8ω(vout＝450v，iout＝15.6a)
[0143]
z7＝35.5ω(vout＝500v，iout＝14.1a)
[0144]
图9是示出将次级绕组的端子t1c连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作时的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性的曲线图。即，图9示出具有匝数ns1的次级绕组w2的区间w2a w2b被连接到整流电路104从而变压器t1具有漏电感l11时的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性。在本实施方式中，以使l11＝0.7
×
l12、ns1＝1.6
×
ns2的方式设定了值。在图9的情况下，关于输入电压vin、初级绕组的电感lp、电容器c1、初级绕组的匝数np，设定了与图8的情况相同的条件。
[0145]
在图9中也设定了与图8的情况相同的负载装置102的阻抗z1～z7。
[0146]
根据图8和图9可知：电力转换装置100产生根据llc谐振电路的漏电感l1而不同、且根据变压器t1的次级绕组w2的匝数ns而不同、且根据负载装置102的阻抗z1～z7而不同、且根据开关频率fs而不同的输出电压vout。在以相同的开关频率fs进行动作时，将次级绕组的端子t1c连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作的情况(即，次级绕组w2的匝数为ns1且漏电感为l11的情况)下的输出电压vout高于将次级绕组的端子t1e连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作的情况(即，次级绕组w2的匝数为ns2且漏电感为l12的情况)下的输出电压vout。另外，在以相同的输出电压vout进行动作时，将次级绕组的端子t1c连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作的情况(即，次级绕组w2的匝数为ns1且漏电感为l11的情况)下的开关频率fs高于将次级绕组的端子t1e连接到整流电路104来使llc谐振电路进行动作的情况(即，次级绕组w2的匝数为ns2且漏电感为l12的情况)下的开关频率fs。因而，电力转换装置100利用开关电路sw10选择性地将次级绕组w2的互不相同的多个绕组区间中的一个绕组区间连接到输出电路，由此能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
[0147]
控制器107基于输出电压vout被包含于预先决定的多个电压范围中的哪一个电压范围，来决定与整流电路104连接的次级绕组的端子，从而控制sw10。由此，控制器107使具有次级绕组w2的匝数ns1及漏电感l11的llc谐振电路、以及具有次级绕组w2的匝数ns2及漏电感l12的llc谐振电路选择性地进行动作。
[0148]
另外，控制器107基于从输入端子p1起经由通过控制器107而被接通的开关元件sw1～sw4和变压器t1的初级绕组到达输入端子p2的路径上包括的电容和电感、输出电压
vout和输出电流iout以及向负载装置102输出的目标电压vreq，来决定开关频率fs。
[0149]
另外，根据输出电压vout和输出电流iout如上所述那样获知负载装置102的阻抗或电阻。基于正在使用中的llc谐振电路以及负载装置102的阻抗或电阻，来决定当前时间点的、电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性。此时，能够基于目标电压vreq，来决定是增大开关频率fs还是减少开关频率fs。
[0150]
关于电力转换装置100的输出电压vout相对于开关频率fs的特性，无论针对与整流电路104连接的次级绕组的端子为t1c的情况，还是针对与整流电路104连接的次级绕组的端子为t1e的情况，都是在电力转换装置100的设计及制造的时间点就是已知的。控制器107将多个llc谐振电路的特性进行比较，来决定进行动作的llc谐振电路。决定进行动作的llc谐振电路的条件是考虑输出电压vout相对于开关频率fs的特性(例如曲线的斜率)、电力转换装置100的输出电压vout的范围、变压器t1的特性等来决定的。例如，考虑变压器t1的损耗的折衷，将输出电压vout的范围的中间电压(即，(最大电压 最小电压)
÷
2)设为用于决定进行动作的llc谐振电路的阈值。对于最小电压～中间电压，使用能够在更低的开关频率的范围内输出最小电压～中间电压的llc谐振电路。对于中间电压～最大电压，使用能够在更高的开关频率的范围内输出中间电压～最大电压的llc谐振电路。由此，能够使得不易产生变压器t1的损耗。也可以根据进行动作的llc谐振电路的特性来使用与中间电压不同的阈值。
[0151]
例如，在从电压检测器105通知的输出电压vout大于控制器107中设定的阈值电压vcth时，切换开关电路sw10，使得次级绕组的端子t1c被连接到整流电路104。即，在输出电压vout大于阈值电压vcth时，变压器t1的次级绕组w2的匝数变为ns1，漏电感变为l11。在从电压检测器105通知的输出电压vout小于控制器107中设定的阈值电压vcth时，切换开关电路sw10，使得次级绕组的端子t1e被连接到整流电路104。即，在输出电压vout小于阈值电压vcth时，变压器t1的次级绕组w2的匝数变为ns2，漏电感变为l12。
[0152]
图10是用于说明由图1的控制器107进行的llc谐振电路和开关频率fs的决定的曲线图。为了简化图示，图10仅示出设定了图8和图9的各绘图中的、负载装置102的阻抗z1、z4以及z7的情况。在图10的例子中，将vout＝350v设为阈值，基于输出电压vout被包含于350v以上的电压范围和小于350v的电压范围中的哪一个电压范围，来决定与整流电路104连接的次级绕组的端子是t1c还是t1e。
[0153]
例如，在初始状态的输出电压vout＝200低于阈值的电压350v、且目标电压vreq＝500高于阈值的电压350v时，电力转换装置100如以下那样进行动作。首先，在输出电压vout小于阈值的电压350v时(点a1～a2)，控制器107控制开关电路sw10，使得整流电路104与次级绕组的端子t1e连接，来使llc谐振电路进行动作。由此，电力转换装置100能够一边以比较低的开关频率fs进行动作，一边产生低的输出电压vout。控制器107通过逐渐降低开关频率fs，来使输出电压vout逐渐增大。在输出电压vout达到阈值的电压350v时(点a2)，控制器107控制开关电路sw10，使得整流电路104与次级绕组的端子t1c连接，来使llc谐振电路进行动作。与此同时，控制器107使开关频率fs根据包括电容器c1的llc谐振电路的特性而变化(点a2
→
点a3)。由此，电力转换装置100能够一边以比较高的开关频率fs进行动作，一边产生高的输出电压vout。控制器107通过逐渐降低开关频率fs，来使输出电压vout逐渐增大到目标电压vreq(点a3～a4)。
[0154]
在仅使用将次级绕组的端子t1e连接到整流电路104而形成的llc谐振电路进行动作的情况下，为了例如在200v～500v的范围产生输出电压vout，必须使开关频率fs以遍及大约120khz～260khz的范围的方式变化。另外，在仅使用将次级绕组的端子t1c连接到整流电路104而形成的llc谐振电路进行动作的情况下，为了例如在200v～500v的范围产生输出电压vout，必须使开关频率fs以遍及大约140khz～620khz(400khz以上未图示。)的范围的方式变化。另一方面，根据电力转换装置100，通过将与整流电路104连接的次级绕组的端子切换为t1c或t1e来选择性地使llc谐振电路进行动作，从而使开关频率fs以遍及大约140khz～260khz的范围的方式变化，由此能够在200v～500v的范围产生输出电压vout。这样，根据电力转换装置100，能够通过缩小使开关频率fs变化的范围，来使得不易产生与低开关频率fs和高开关频率fs相关联的损耗。
[0155]
图11是示出由图1的控制器107执行的电力转换处理的流程图。
[0156]
在图11的电力转换处理的初始状态下，仅控制器107进行动作，各开关元件sw1～sw4不进行动作，输出电压vout为零。
[0157]
在步骤s1中，控制器107从负载装置102接收目标电压vreq的请求信号。在步骤s2中，控制器107基于目标电压vreq被包含于预先决定的多个电压范围中的哪一个电压范围(例如，是否为阈值的电压350v以上)，来决定与整流电路104连接的次级绕组的端子。在步骤s3中，控制器107基于目标电压vreq来决定开关频率fs。此时，负载装置102的阻抗或电阻是未知的，但是控制器107使用基于负载装置102的阻抗z的某些初始值而决定的、输出电压vout相对于开关频率fs的特性，来决定开关频率fs。在步骤s4中，控制器107开始开关元件sw1～sw4的开关动作。
[0158]
在步骤s5中，控制器107检测输出电压vout和输出电流iout。在步骤s6中，控制器107判断输出电压vout是否处于正在使用中的llc谐振电路的动作范围内(例如，是否为阈值的电压350v以上)，在判断为“是”时前进到步骤s7，在判断为“否”时前进到步骤s9。
[0159]
在步骤s7中，控制器107基于目标电压vreq、输出电压vout以及输出电流iout来决定开关频率fs。在步骤s8中，控制器107变更开关频率fs。
[0160]
在步骤s9中，控制器107停止开关元件sw1～sw4的开关动作。在步骤s10中，控制器107基于输出电压vout来决定与整流电路104连接的次级绕组的端子。在步骤s11中，控制器107基于目标电压vreq、输出电压vout以及输出电流iout，来决定开关频率fs。在步骤s12中，控制器107开始开关元件sw1～sw4的开关动作。
[0161]
在步骤s13中，控制器107判断是否满足开关动作的停止条件，在判断为“是”时前进到步骤s14，在判断为“否”时返回到步骤s5。停止条件例如包括以下条件：在负载装置102是充电装置的情况下，控制器107从负载装置102接收到表示满充电的通知信号等。另外，停止条件也可以包括以下条件：检测到某些异常(保护电路的动作)；接收到来自外部的停止信号等。在步骤s14中，控制器107停止开关元件sw1～sw4的开关动作。
[0162]
如以上说明的那样，根据第一实施方式所涉及的电力转换装置100，是llc谐振型的电力转换装置，并且能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
[0163]
根据第一实施方式所涉及的电力转换装置100，既能够避免以过度低的开关频率fs进行动作，也能够避免以过度高的开关频率fs进行动作。因而，能够在不增大变压器t1的
尺寸的情况下使得不易产生芯的铁损和绕组的铜损。另外，由于能够避免以过度高的开关频率fs进行动作，因此还能够使得不易产生开关元件sw1～sw4的损耗。
[0164]
例如，在负载装置102是充电装置的情况下，从开始充电起随着时间经过而负载装置102的内部电压上升，因此需要增大向负载装置102供给的电压。第一实施方式所涉及的电力转换装置100能够使输出电压vout追随这样的负载装置102的状态的变化而变化。
[0165]
[第二实施方式]
[0166]
在第一实施方式中，说明了在初级侧具备被构成为全桥电路的多个开关元件的电力转换装置。在第二实施方式中，说明在初级侧具备被构成为半桥电路的多个开关元件的电力转换装置。
[0167]
图12是示出第二实施方式所涉及的电力转换装置200的结构的框图。电力转换装置200具备开关元件组203和控制器207来代替图1的开关元件组103和控制器107。电力转换装置200具有从图1的电力转换装置100中去除了开关元件sw3、sw4的结构。变压器t1的初级绕组的端子t1a连接于开关元件sw1、sw2之间的节点n1。变压器t1的初级绕组的端子t1b经由电容器c1连接于输入端子p2。在该情况下，也与第一实施方式所涉及的电力转换装置同样，是llc谐振型的电力转换装置，并且能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
[0168]
[第三实施方式]
[0169]
在第一实施方式和第二实施方式中，说明了以下电力转换装置：在次级侧具备二极管电桥的整流电路，另外，在次级绕组与整流电路之间具备开关电路，以选择性地将次级绕组的多个绕组区间中的一个绕组区间连接到输出电路。另一方面，在第三实施方式中，说明以下电力转换装置：在次级侧具备包括多个开关元件的整流电路(同步整流电路)，使用该整流电路来选择性地将次级绕组的多个绕组区间中的一个绕组区间连接到输出电路。
[0170]
[整体结构]
[0171]
图13是示出第三实施方式所涉及的电力转换装置300的结构的框图。电力转换装置300具备整流电路304和控制器307来代替图1的开关电路sw10、整流电路104以及控制器107。
[0172]
整流电路304具备至少三个桥臂电路，所述至少三个桥臂电路各自包括彼此串联连接的两个开关元件，所述至少三个桥臂电路分别与次级绕组w2的至少三个端子t1c～t1e中的一个端子连接。在图13的例子中，整流电路304包含包括开关元件sw31、sw32的桥臂电路q3、包括开关元件sw33、sw34的桥臂电路q4、以及包括开关元件sw35、sw36的桥臂电路q5。变压器t1的次级绕组w2的端子t1c连接于开关元件sw31、sw32之间的节点n3。变压器t1的次级绕组w2的端子t1e连接于开关元件sw33、sw34之间的节点n4。变压器t1的次级绕组w2的端子t1d连接于开关元件sw35、sw36之间的节点n5。
[0173]
图14是示出图13的整流电路304的安装例的电路图。开关元件sw31～sw36例如是包括体二极管的mosfet。
[0174]
整流电路304在控制器307的控制下使用三个桥臂电路q3～q5中的两个桥臂电路来将次级绕组w2的区间w2a w2b(第一绕组区间)和区间w2b(第二绕组区间)中的一方连接到次级侧的输出电路，并且将次级绕组w2的一个绕组区间中产生的电流进行同步整流后供给到次级侧的输出电路。
[0175]
在第三实施方式和第四实施方式中，将电容器c10、电压检测器105以及电流检测器106还统称为“输出电路”。
[0176]
控制器307与图1的控制器107同样地产生向各开关元件sw1～sw4的栅极端子施加的控制信号，来控制各开关元件sw1～sw4。
[0177]
另外，控制器307根据从电压检测器105通知的输出电压vout，来控制整流电路304，以将次级绕组w2的区间w2a w2b和区间w2b中的一方连接到输出电路。在要将区间w2a w2b连接到输出电路的情况下，控制器307将开关元件sw33、sw34断开。在要将区间w2b连接到输出电路的情况下，控制器307将开关元件sw31、sw32断开。
[0178]
另外，控制器307控制整流电路304，以将次级绕组w2的一个绕组区间中产生的电流进行同步整流后供给到输出电路。在要对区间w2a w2b中产生的电流进行同步整流的情况下，控制器307参照图14和图15，如后述的那样使整流电路304的开关元件sw31、sw32、sw35、sw36与初级侧的各开关元件sw1～sw4同步地接通/断开。此时，如上所述，控制器307将开关元件sw33、sw34断开。另外，在要对区间w2b中产生的电流进行同步整流的情况下，控制器307参照图16和图17，如后述的那样使整流电路304的开关元件sw33、sw34、sw35、sw36与初级侧的各开关元件sw1～sw4同步地接通/断开。此时，如上所述，控制器307将开关元件sw31、sw32断开。
[0179]
图13的电力转换装置300的其它构成要素与图1的电力转换装置100的对应的构成要素同样地构成，并且同样地进行动作。
[0180]
整流电路304实质上作为第一实施方式和第二实施方式的整流电路104进行动作，并且还作为开关电路sw10进行动作。因而，在第三实施方式和第四实施方式中，将整流电路304还称为“开关电路”。
[0181]
在第三实施方式和第四实施方式中，将开关元件组103、203的各桥臂电路q1、q2还称为“第一桥臂电路”。另外，在第三实施方式和第四实施方式中，将整流电路304的各桥臂电路q3～q5还称为“第二桥臂电路”。
[0182]
[电力转换装置300的动作]
[0183]
图13还示出将次级绕组w2的区间w2a w2b连接到输出电路时的整流电路304的动作。如图13所示，开关元件sw33、sw34被断开，以将区间w2a w2b连接到输出电路。图15是示出在图13的电力转换装置300中将次级绕组w2的区间w2a w2b连接到输出电路时的开关元件sw1～sw4、sw31～sw36的动作的时序图。图15的第1部分至第4部分示出向初级侧的开关元件sw1～sw4的栅极端子施加的控制信号。图15的第5部分通过矩形波概要性地示出从变压器t1的次级绕组的端子t1d来看的端子t1c的电压的波形。图15的第6部分至第11部分示出向整流电路304的开关元件sw31～sw36的栅极端子施加的控制信号。在图15中，为了简化图示，省略了各控制信号的死区时间。
[0184]
在图15的时刻t11～t12的时间期间，开关元件sw1、sw4被接通，开关元件sw2、sw3被断开，此时，从变压器t1的次级绕组的端子t1d来看的端子t1c的电压变为正。因而，通过将开关元件sw31、sw36接通，并且将开关元件sw32、sw35断开，来使从输出端子p4来看的输出端子p3的电压变为正。
[0185]
在图15的时刻t12～t13的时间期间，开关元件sw2、sw3被接通，开关元件sw1、sw4被断开，此时，从变压器t1的次级绕组的端子t1d来看的端子t1c的电压变为负。因而，通过
将开关元件sw32、sw35接通，并且将开关元件sw31、sw36断开，来使从输出端子p4来看的输出端子p3的电压变为正。
[0186]
在图15的时刻t11～t13的整个时间期间，开关元件sw33、sw34是断开的，以将区间w2a w2b连接到输出电路。
[0187]
图16是说明在图13的电力转换装置300中将次级绕组w2的区间w2b连接到输出电路时的整流电路304的动作的电路图。如图16所示，开关元件sw31、sw32被断开，以将区间w2b连接到输出电路。图17是示出在图13的电力转换装置300中将次级绕组w2的区间w2b连接到输出电路时的开关元件sw1～sw4、sw31～sw36的动作的时序图。图17的各部分表示与图15的各部分相同的信号。
[0188]
在图17的时刻t11～t12的时间期间，开关元件sw1、sw4被接通，开关元件sw2、sw3被断开，此时，从变压器t1的次级绕组的端子t1d来看的端子t1c的电压变为正。因而，通过将开关元件sw33、sw36接通，并且将开关元件sw34、sw35断开，来使从输出端子p4来看的输出端子p3的电压变为正。
[0189]
在图17的时刻t12～t13的时间期间，开关元件sw2、sw3被接通，开关元件sw1、sw4被断开，此时，从变压器t1的次级绕组的端子t1d来看的端子t1c的电压变为负。因而，通过将开关元件sw34、sw35接通，并且将开关元件sw33、sw36断开，来使从输出端子p4来看的输出端子p3的电压变为正。
[0190]
在图17的时刻t11～t13的整个时间期间，开关元件sw31、sw32是断开的，以将区间w2b连接到输出电路。
[0191]
根据第三实施方式所涉及的电力转换装置300，与第一实施方式所涉及的电力转换装置100同样地，是llc谐振型的电力转换装置，并且能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
[0192]
另外，根据第三实施方式所涉及的电力转换装置300，通过具备进行同步整流的整流电路304，能够相比于使用二极管电桥的整流电路的情况而言减少损耗。
[0193]
[整流电路的变形例]
[0194]
图18是示出图13的整流电路304的第一变形例的电路图。图18的整流电路304a具备针对反偏置电压具有充分的耐压的逆阻型的开关元件sw31a、sw32a，来代替图14中的为mosfet的开关元件sw31、sw32。开关元件sw31a在接通时使电流仅向上流动，在断开时阻断电流。开关元件sw32a在接通时使电流仅向下流动，在断开时阻断电流。开关元件sw31a、sw32a例如是绝缘栅双极型晶体管(igbt)。
[0195]
图19是示出图13的整流电路304的第二变形例的电路图。图19的整流电路304b具备针对反偏置电压具有充分的耐压的逆阻型的开关元件sw33a、sw34a，来代替图18中的为mosfet的开关元件sw33、sw34。开关元件sw33a在接通时使电流仅向上流动，在断开时阻断电流。开关元件sw34a在接通时使电流仅向下流动，在断开时阻断电流。开关元件sw33a、sw34a例如是绝缘栅双极型晶体管(igbt)。
[0196]
整流电路304也可以使用其它任意的开关元件来代替为mosefet或为igbt的开关元件。
[0197]
[第四实施方式]
[0198]
在第三实施方式中，说明了在初级侧具备被构成为全桥电路的多个开关元件的电
力转换装置。在第四实施方式中，说明在初级侧具备被构成为半桥电路的多个开关元件的电力转换装置。
[0199]
图20是示出第四实施方式所涉及的电力转换装置400的结构的框图。电力转换装置400具备开关元件组203和控制器407来代替图13的开关元件组103和控制器307。电力转换装置400具有从图13的电力转换装置300中去除了开关元件sw3、sw4的结构。变压器t1的初级绕组的端子t1a连接于开关元件sw1、sw2之间的节点n1。变压器t1的初级绕组的端子t1b经由电容器c1连接于输入端子p2。在该情况下，也与第三实施方式所涉及的电力转换装置同样地，是llc谐振型的电力转换装置，并且能够以相比于现有技术而言更高的效率产生遍及广电压范围的输出电压。
[0200]
[其它变形例]
[0201]
在本公开的各实施方式中，说明了变压器t1的次级绕组w2具备三个端子t1c～t1d的情况，但是只要能够选择性地将次级绕组w2的互不相同的多个绕组区间中的一个绕组区间连接到输出电路，则次级绕组w2也可以具备四个以上的端子。
[0202]
在本公开的第三实施方式和第四实施方式中，说明了整流电路304具备三个桥臂电路q3～q5的情况，但是在次级绕组w2具备四个以上的端子的情况下，整流电路也可以具备与这些端子分别连接的四个以上的桥臂电路。整流电路使用这些桥臂电路中的两个桥臂电路，来将次级绕组的互不相同的多个绕组区间中的一个绕组区间连接到输出电路，并且将次级绕组的一个绕组区间中产生的电流进行同步整流后供给到输出电路。
[0203]
在本公开的第一实施方式和第二实施方式中，电力控制电路也可以具备使用多个开关元件来进行同步整流的整流电路来代替二极管电桥的整流电路。
[0204]
产业上的可利用性
[0205]
本公开所涉及的电力转换装置例如能够应用于用于对电动汽车或混合动力汽车的电池进行充电的车载的电力转换装置。
[0206]
附图标记说明
[0207]
100、200、300、400：电力转换装置；101：电源装置；102：负载装置；103、203：开关元件组；104、304：整流电路；105：电压检测器；106：电流检测器；107、207、307、407：控制器；c1、c10：电容器；d1～d4：二极管；l1：漏电感；p1、p2：输入端子；p3、p4：输出端子；q1～q5：桥臂电路；sw1～sw4、sw31～sw36：开关元件；sw10：开关电路；t1：变压器。