阅读说明：本技术 电力变换装置 (Power conversion device ) 是由 和田敏裕 石原浩毅 于 2017-05-19 设计创作，主要内容包括：电力变换装置(101)具备：第一平滑电路(105),连接于第一电气装置(102)；第二平滑电路(109),连接于第二电气装置(106)；第一桥电路(110),连接于第一平滑电路(105)；变压器(112),初级侧连接有第三电气装置(111),次级侧连接有第一桥电路(110)和第二平滑电路(109)；以及控制器(113),控制器(113)使第一桥电路(110)的占空比以高于第一和第二平滑电路(105、109)的截止频率的频率变动,控制占空比的不变分量而控制第一和第二电气装置(102、106)之间的电力授受的同时控制占空比的变动分量的相位,控制与第三电气装置(111)之间的电力授受。(A power conversion device (101) is provided with: a first smoothing circuit (105) connected to the first electrical device (102); a second smoothing circuit (109) connected to the second electrical device (106); a first bridge circuit (110) connected to the first smoothing circuit (105); a transformer (112) having a primary side connected to a third electrical device (111) and a secondary side connected to a first bridge circuit (110) and a second smoothing circuit (109); and a controller (113), wherein the controller (113) controls the phase of the variable component of the duty ratio while controlling the transmission and reception of electric power between the first and second electric devices (102, 106) by varying the duty ratio of the first bridge circuit (110) at a frequency higher than the cutoff frequencies of the first and second smoothing circuits (105, 109) and controlling the invariant component of the duty ratio, and controls the transmission and reception of electric power to and from the third electric device (111).)

电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种电力变换装置，其中无需使用多个电力变换电路而在三个以上的电源、负载或蓄电装置之间变换电力来控制电力的传输。

背景技术

以往，为了使用电力变换装置来控制三个以上的电气装置之间的电力传输，需要每个电气装置单独具备电力变换装置。需要具有控制三个以上的电气装置之间的电力传输的功能、低成本且小型轻量的电力变换装置。

为了解决该问题，公开了如下电力变换装置：使用具备磁耦合的三个以上的线圈的变压器，使用每个线圈具备的全桥电路来控制对各线圈施加的交流电压(例如，专利文献1)。公开了如下电力变换装置：通过包括使用了开关元件的半桥电路和电感器的双向斩波器来控制第一和第二电气装置之间的电力传输，进而将电感器用作变压器的次级侧线圈，从而能够向第三电气装置供给电力(例如，专利文献2、3)。另外，公开了代替双向斩波器而使用了升降压双向斩波器的电力变换装置(例如，专利文献4)。此外，公开了如下电力变换装置：在时间上分离第一与第二电气装置之间的电力传输和第一或第二电气装置与第三电气装置之间的电力传输，根据状况切换变压器的自感(例如，专利文献5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-244523号公报(段落[0010]、[0046]、[0048]、[0058]及图1、4)

专利文献2：日本特开2002-345243号公报(段落[0007]、[0020]-[0024]及图3)

专利文献3：日本特开2009-171776号公报(段落[0009]、[0042]、[0045]、[0107]、[0121]、[0122]及图1)

专利文献4：日本特开2005-33867号公报(段落[0007]、[0023]-[0028]以及图1)

专利文献5：日本特开2008-312394号公报(段落[0008]、[0015]、[0017]、[0024]、[0026]、[0027]、[0029]及图1、2)

发明内容

发明所要解决的技术课题

但是，在专利文献1公开的发明中，需要与电气装置的数量对应的全桥电路以及线圈，在装置的低成本化、小型轻量化方面存在问题。在专利文献2-4公开的发明中，存在如下相矛盾的要求：为了在第一和第二电气装置之间得到直流电流，变压器次级侧线圈需要切断纹波电流，但为了向第三电气装置供给电力，变压器次级侧线圈必须使纹波电流通过，结果导致电力传输效率降低。在专利文献5公开的发明中，虽然解决了该问题，但存在无法同时进行第一与第二电气装置之间的电力传输和第一或第二电气装置与第三电气装置之间的电力传输的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，目的在于提供能够同时且高效地进行三个电气装置之间的电力传送的电力变换装置。

解决技术课题的技术方案

本发明的电力变换装置具备：连接于第一电气装置的第一平滑电路；连接于第二电气装置的第二平滑电路；连接于第一平滑电路的第一桥电路；变压器，初级侧连接有第三电气装置，次级侧连接有第一桥电路和第二平滑电路；以及，对第一桥电路进行开关控制的控制器，控制器使第一桥电路的占空比以高于第一平滑电路的截止频率和第二平滑电路的截止频率的频率变动，控制占空比的不变分量(constant component)，控制第一电气装置与第二电气装置之间的电力授受的同时控制占空比的变动分量(varying component)的相位，控制与第三电气装置之间的电力授受。

发明效果

在本发明的电力变换装置中，控制器使第一桥电路的占空比以高于第一平滑电路的截止频率和第二平滑电路的截止频率的频率变动，控制占空比的不变分量，控制第一电气装置与第二电气装置之间的电力授受的同时控制占空比的变动分量的相位，控制与第三电气装置之间的电力授受。因此，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的电力变换装置的结构图。

图2是本发明的实施方式1的电力变换装置的占空比的控制方法的说明图。

图3是本发明的实施方式1的电力变换装置的控制量与电力传输的关系的说明图。

图4是本发明的实施方式1的电力变换装置的控制器的框图。

图5是本发明的实施方式1的电力变换装置的其它结构图。

图6是本发明的实施方式3的电力变换装置的结构图。

图7是本发明的实施方式4的电力变换装置的结构图。

图8是本发明的实施方式5的电力变换装置的结构图。

图9是本发明的实施方式6的电力变换装置的结构图。

图10是本发明的实施方式7的电力变换装置的结构图。

图11是本发明的实施方式8的电力变换装置的结构图。

具体实施方式

实施方式1.

实施方式1涉及一种电力变换装置，具备：连接于第一电气装置的第一平滑电路；连接于第二电气装置的第二平滑电路；连接于第一平滑电路的第一桥电路；变压器，初级侧连接有第三电气装置，次级侧连接有第一桥电路和第二平滑电路；以及控制器，对桥电路进行开关控制，控制器使桥电路的占空比以高于第一平滑电路和第二平滑电路的截止频率的频率变动，控制占空比的不变分量，控制在第一电气装置与第二电气装置之间流动的直流电流的同时控制占空比的变动分量的相位。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图1、作为占空比的控制方法的说明图的图2、作为控制量与电力传输的关系的说明图的图3、作为控制器的框图的图4以及作为电力变换装置的其它结构图的图5，对本申请发明的实施方式1的电力变换装置的结构以及工作进行说明。

首先，基于图1说明实施方式1的电力变换装置的整体结构。

电力变换装置101作为主要构成要素具备：第一平滑电路105、第二平滑电路109、第一半桥电路110、变压器112以及控制器113。而且，对电力变换装置101连接有第一电气装置102、第二电气装置106和第三电气装置111。

在此，第一平滑电路105包括第一电感器103及第一电容器104，第二平滑电路109包括第二电感器107及第二电容器108。第一半桥电路110包括开关元件S1和S2。

此外，在以下实施方式1的说明中，只要不需要特别区分，就将第一半桥电路110记载为半桥电路110。

接下来，说明电力变换装置101的主要构成要素与三个电气装置的关系。

第一平滑电路105连接于第一电气装置102，第二平滑电路109连接于第二电气装置106。此外，半桥电路110连接于第一平滑电路105。

在变压器112的初级侧连接有第三电气装置111，在变压器112的次级侧连接有半桥电路110和第二平滑电路109。

控制器113连接于半桥电路110，控制开关元件S1以及S2。

在实施方式1中，第一电气装置102和第二电气装置106通过直流电流进行电力的授受。第三电气装置111作为交流电压源而工作，通过控制该交流电流的相位而与第一电气装置102以及第二电气装置106进行电力的授受。

半桥电路110通过控制器113被进行开关控制，以对变压器112的次级侧施加低于半桥电路110的开关频率的频率的交流电压。变压器112的次级侧自感被设计为抑制该开关频率的纹波电流，使与该交流电压对应的频率的交流电流通过。由此，变压器112根据变压器112的次级侧的交流电压与第三电气装置111的交流电压的相位差，在变压器112的初级侧与次级侧之间进行电力的授受。

第一平滑电路105和第二平滑电路109被设计为切断与变压器112的次级侧的交流电压对应的交流电流，使直流电流通过。由此，来自第三电气装置111的交流电力经由变压器112被传输至变压器112的次级侧线圈。来自第三电气装置111的该交流电力被第二平滑电路109反射，通过半桥电路110和第一平滑电路105被进行交直变换，并被传输到第一电气装置102。

同时，通过在变压器112的次级侧线圈流过的直流电流来从第一电气装置102向第二电气装置106传输电力。以上说明的电力的授受及传输全部能够双向地进行。

因此，实施方式1的电力变换装置101能够任意且双向地进行三个电气装置之间的电力传输。另外，实施方式1中的电力变换装置101对各电气装置不具备单独的电力变换器，并且不使用对各电气装置具备单独的线圈的变压器，因此能够小型且低成本地实现。

进而，实施方式1的电力变换装置101没有与变压器112的电感有关的相矛盾的设计要求，因此能够高效地进行电力传输，由此实现节能。

接下来，基于图1说明实施方式1中的电力变换装置101的工作。

首先，当将第一电气装置102的开路电压设为vd1，将第一电气装置102的内部电阻设为R1时，第一电气装置102的电压为vb1＝vd1－R1·ib1。同样地，当将第二电气装置106的开路电压设为vd2，将内部电阻设为R2时，第二电气装置106的电压为vb2＝vd2－R2·ib2。其中，ib1、ib2分别为从第一、第二电气装置102、106到电力变换装置101的流入电流。

控制器113互补地驱动半桥电路110的开关元件S1和S2。即，如果开关元件S1为导通，则开关元件S2为非导通。如果开关元件S1为非导通，则开关元件S2为导通。

在此，设想以脉冲宽度调制(PWM(pulse width modulation))方式控制开关元件S1的情况。设开关元件S1的占空比为ρ，假设当前ρ为恒定值(将其设为ρd)时，半桥电路110的中点电压为ρd·vb1+vn。其中，vn是由开关造成的纹波。

以下，将该平均的中点电压ρd·vb1记载为vm。

在平均的中点电压vm大于第二电气装置106的电压vb2的情况下，从第一电气装置102到第二电气装置106的直流电流增加。当该直流电流增加时，由于第一电气装置102的内部电阻，第一电气装置102的电压vb1下降，由于第二电气装置106的内部电阻而vb2上升。其结果是，在平均的中点电压vm变为与vb2相等时，直流电流的增加停止。

相反，在平均的中点电压vm小于vb2的情况下，从第一电气装置102到第二电气装置106的直流电流减少。当该直流电流减少时，由于第一电气装置102的内部电阻而vb1上升，由于第二电气装置106的内部电阻而vb2下降。其结果是，在平均的中点电压vm变为与vb2相等时，直流电流的减少停止。

以上，以直流电流从第一电气装置102流向第二电气装置106为前提进行了说明，但直流电流可为负。在该情况下，直流电流从第二电气装置106流向第一电气装置102。

接下来，说明具体的电流值的求取方法。

当假设平均的中点电压vm与第二电气装置106的电压vb2相等时，得到式(1)。

ρd(vd1－R1·ib1)＝vd2－R2·ib2…(1)

另一方面，在半桥电路110中，电流ib2按照占空比ρd进行分配，因此得到式(2)。

ib1＝－ρd·ib2…(2)

通过求解式(1)和式(2)，通过式(3)求出占空比为ρd时的电流。

ib1＝(vd1/(R2+ρd²·R1))·ρd(ρd－ρ0)

ib2＝(－vd1/(R2+ρd²·R1))·(ρd－ρ0)…(3)

其中，ρ0＝vd2/vd1，即(第二电气装置106的开路电压/第一电气装置102的开路电压)。

接下来，假定在变压器112的次级侧线圈中流过直流电流，在平均的中点电压vm与vb2相等的状况下，使占空比ρ以高于第一平滑电路105以及第二平滑电路109的截止频率的频率振荡性地变动。即，将vs设为该交流电压，得到式(4)。

vm＝vb2+vs+vn…(4)

当第一平滑电路105以及第二平滑电路109中包括的电容器104、108的电容足够大时，无论交流电压如何，电容器104、108的电压vc1、vc2都被保持为vb1、vb2，因此被施加于变压器112的次级侧线圈的电压为式(5)。

vt2＝vs+vn＝ρvb1－vb2+vn…(5)

在此，考虑变压器112的工作。当将变压器初级侧的电压设为vt1，将变压器初级侧、次级侧的交流电流分别设为it1、it2时，式(6)、(7)成立。

(d/dt)it1＝(Lt2/(Lt1·Lt2－Mt²))·vt1－(Mt/(Lt1·Lt²－Mt²))·vt2…(6)

(d/dt)it2＝－(Mt/(Lt1·Lt2－Mt²))·vt1+(Lt1/(Lt1·Lt2－Mt²))·vt2…(7)

其中，Lt1、Lt2是变压器112的初级侧、次级侧各自的自感，Mt是变压器112的互感。

在此，将变压器112的初级侧电压vt1设为式(8)。

vt1＝va1·sinωat…(8)

其中，va1是变压器112的初级侧电压的振幅，ωa是变压器112的初级侧电压的角频率。此时，如式(9)那样控制交流电压vs。

vs＝va2·sin(ωat+θ)...(9)

其中，va2是变压器112的次级侧交流电压的振幅，θ是变压器112的次级侧交流电压相对于变压器112的初级侧电压vt1的相位差。

当将式(9)代入式(5)，进而与式(8)一并代入式(6)时，得到式(10)。

(d/dt)iti＝((Lt2·va1)/(Lt1·Lt2-Mt²))·sinωat-((Mt·va2)/(Lt1·Lt2-Mt²))·sin(ωat+θ)-(Mt/(Lt1·Lt2-Mt²))·vn

…(10)

在此，vn是高频的纹波，因此当进行积分时变为0，得到式(11)。

it1＝-((Lt2·va1)/(ωa(Lt1·Lt2-Mt²)))·cosωat+((Mt·va2)/(ωa(Lt1·Lt2-Mt²)))·cos(ωat+θ)

...(11)

此时，第三电气装置111的功耗Pb3根据三角函数的正交性而变为式(12)，通过控制相位θ，能够控制向第三电气装置111的电力传输。

【数学式1】

同样地，根据式(7)得到式(13)。

(d/dt)it2＝-((Mt·va1)/(Lt1·Lt2-Mt²))·sinωat+((Lt1·va2)/(Lt1·Lt2-Mt²))·sin(ωat+θ)+(Mt/(Lt1·Lt2-Mt²))·vn

…(13)

由于vn是高频的纹波，所以当进行积分时变为0，得到式(14)。

it2＝((Mt·va1)/(ωa(Lt1·Lt2-Mt²)))·cosωat-((Lt1·va2)/(ωa(Lt1·Lt2-Mt²)))·cos(ωat+θ)

...(14)

当前，变压器112的次级侧的交流电流it2与开关频率相比十分平滑，因此到半桥电路110的平滑电路105侧的电流按照占空比ρ进行分配。即，到半桥电路110的平滑电路105侧的电流为ρ·it2。

根据式(5)以及式(9)得到式(15)。

ρ＝ρd+ρa·sin(ωat+θ)＝(vb2/vb1)+(va2/vb1)·sin(ωat+θ)

...(15)

在此，ρa＝vb2/vb1，即(第二电气装置106的电压/第一电气装置102的电压)。

由于平滑电路105的作用，交流电流被平滑，因此流向第一电气装置102的电流除了直流电流以外为式(16)。

【数学式2】

当与直流电流合并时，从第一电气装置102向电力变换装置101流入的电力Pb1为式(17)。

Pb1＝((vb2·vd1)/(R2+ρd²·R1))·(ρd-ρ0)-((Mt·va1·va2)/(2ωa(Lt1·Lt2-Mt²)))·sinθ

...(17)

从第二电气装置106向电力变换装置101流入的电力Pb2为式(18)。

Pb2＝－((vb2·vd1)/(R2+ρd²·R1))·(ρd－ρ0)＝－Pb1－Pb3

…(18)

如以上说明的那样，通过分别控制占空比ρ的直流分量ρd和占空比ρ的交流分量的相位θ，能够任意且双向地控制第一电气装置102、第二电气装置106及第三电气装置111之间的电力传输。

此外，权利要求书中的占空比的不变分量为占空比ρ的直流分量ρd。占空比的变动分量为占空比ρ的交流分量。

接下来，基于图2说明电力变换装置101的占空比的控制方法。

图2是示出半桥电路110的开关元件S1、S2的导通、非导通和占空比ρ以及第三电气装置的电压、即变压器112的初级侧的电压vt1的波形的图。通过使占空比的中心ρd和相位差θ变化，来控制第一电气装置至第三电气装置之间的电力授受。

此外，在图2中，A为“到第二电气装置的电力控制量”，B为“来自第三电气装置的电力控制量”。

接下来，基于图3说明电力变换装置101的各控制量与第一电气装置102、第二电气装置106及第三电气装置111之间的电力传输的关系。

图3是示出相对于占空比的中心ρd和相位差θ，到各电气装置的电力是如何授受的图。图3的横轴为sinθ，图3的纵轴为ρd，图3中的曲线为Pb1＝0。

在图3中，C为“到第二电气装置的电力大”，D为“来自第三电气装置的电力大”。另外，ρ0＝vd2/vd1。

在图3的曲线的上侧，电力从第一电气装置102向其它电气装置流出。在图3的曲线的下侧，电力从其它电气装置向第一电气装置102流入。

在图3的ρd＜ρ0的区域中，电力从第二电气装置106向其它电气装置流出。在图3的ρd＞ρ0的区域中，电力从其它电气装置向第二电气装置106流入。

在图3的sinθ＞0的区域中，电力从第三电气装置111向其它电气装置流出。在图3的sinθ＜0的区域中，电力从其它电气装置向第三电气装置111流入。

接下来，基于图4说明电力变换装置101的控制器113的结构例。

图4是示出控制器113的一例的框图。

实施方式1所示的控制器113具备：由矩形波产生部114和积分电路115构成的三角波生成部116；以及比较器118。

矩形波产生部114生成对半桥电路110的开关元件S1以及S2进行控制的开关频率的矩形波。积分电路115将来自矩形波产生部114的矩形波变换为三角波。

作为积分电路115的输出的三角波由比较器118与输入信号117进行比较，生成控制半桥电路110的互补的信号。

根据该结构，由于占空比与输入信号117成比例，因此例如通过由微控制器等生成输入信号117，能够实现电力变换装置101的半桥电路110的控制。

具体而言，通过使输入信号117与期望的占空比ρ成比例，能够将占空比ρ控制为对具有期望的相位的交流分量叠加期望的大小的直流而得到的波形。

在实施方式1的电力变换装置101中，第一平滑电路105不限于图1的结构图中说明的电容器和电感器的组合。只要是具有同样的平滑功能的电路，就能够应用任意的电路。

第一电气装置102、第二电气装置106可以是例如照明、直流电动机、逆变器等直流负载。或者也可以是直流发电机、转换器、太阳能电池等直流电源。另外也可以是蓄电池、电容器等蓄电元件。

图5示出第二电气装置106为是蓄电元件的具体例，作为第一电气装置102或第二电气装置106是蓄电元件的例子。

在第一电气装置102或第二电气装置106为蓄电元件时，由于蓄电元件自身具有平滑功能，因此该蓄电元件可以兼作对应的平滑电路。

在图5中，第二电气装置106是蓄电元件，兼作图1的第二平滑电路106。

或者，如非专利文献“M.Uno and K.Tanaka‘Influence of high-frequencycharge-discharge cycling induced by cell voltage equalizers on the lifeperformance of lithium-ion cells,’IEEE Trans.Vehicular technol.,vol.60,no.4,pp.1505-1516,2011.”中记载的那样，通过将电力变换装置101的占空比ρ的变动分量的频率设定为蓄电池电极界面的双电层电容(electric double-layer capacitance)成为支配性的值，能够抑制由蓄电池的充放电引起的劣化。

更优选的是，通过将电力变换装置101的占空比ρ的变动分量的频率设定于蓄电池的内部阻抗为最小的频率附近，能够抑制蓄电池的发热，并且能够使由蓄电池的充放电引起的电力损耗最小。

第三电气装置111可以是例如商用交流系统。另外，也可以是转换器、交流电动机等交流负载。或者也可以是交流发电机、逆变器等交流电源。

半桥电路110的开关元件S1、S2优选为电力用MOSFET(Metal-Oxide SiliconField-Effect Transmitter，金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(insulated gatebipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)等。但也可以是通常的晶体管。

在控制器113中可以优选设置如下机构，该机构测定第一至第三电气装置的电流、电压或电力，以使它们取得期望的值的方式调整占空比的中心ρ0和相位差θ。该机构例如也可以作为微控制器的软件来安装。

另外，控制器113并不限定于图4所示的电路，例如也能够通过数字信号处理器(DSP(digital signal processor))等直接生成对半桥电路110输入的信号。

另外，权利要求书中的桥电路是半桥电路110。

在实施方式1的电力变换装置101中，由于第一电气装置102利用直流电流进行工作，因此通过将到第一电气装置102的电力传输设为0，能够进行第二电气装置106与第三电气装置111的双向电力传输，并且能够切断到第一电气装置102的电流。

或者，通过将到第二电气装置106的电力传输设为0，能够进行第一电气装置102与第三电气装置111的双向电力传输，并且能够切断到第二电气装置106的电流。

由此，例如在不间断电源装置等的用途中，通过使用蓄电池作为第一电气装置102和第二电气装置106，能够在利用一个蓄电池持续装置的运行的同时，进行另一个蓄电池的更换或维护。

或者，能够在不影响与第三电气装置111的电力授受的情况下，在第一电气装置102与第二电气装置106之间交换电流。利用该方法，例如能够在持续蓄电池系统的运行的同时，在两个蓄电池之间调整蓄电量。或者，通过在持续蓄电池系统的运行的同时使一个蓄电池以规定的电流模式工作，能够进行蓄电池的诊断。

并且，通过在第一电气装置102与第二电气装置106之间周期性地进行电力的授受，例如能够在持续蓄电池系统的运行的同时使蓄电池升温。

如以上说明的那样，实施方式1的电力变换装置具备：连接于第一电气装置的第一平滑电路；连接于第二电气装置的第二平滑电路；连接于第一平滑电路的第一桥电路；变压器，初级侧连接有第三电气装置，次级侧连接有第一桥电路和第二平滑电路；以及对桥电路进行开关控制的控制器，控制器使桥电路的占空比以高于第一平滑电路和第二平滑电路的截止频率的频率变动，控制占空比的不变分量，控制在第一电气装置与第二电气装置之间流动的直流电流，并且同时控制占空比的变动分量的相位。因此，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输。

实施方式2.

实施方式2的电力变换装置构成为在实施方式1的电力变换装置中，利用第二平滑电路的电容器和变压器的次级侧自感的谐振效应。

由于实施方式2的电力变换装置是与实施方式1的电力变换装置101相同的结构，因此基于图1以与实施方式1的差异为中心进行说明。

在实施方式2的电力变换装置中，第二平滑电路109中包括的电容器108被设计为与变压器112的次级侧自感相配合而在交流电压的频率下利用谐振效应。具体而言，以使被施加于变压器112的次级侧的电压的变动的振幅大于第一电气装置102的电压的方式，选择变压器12的次级侧自感和第一电容器108的电容。

在实施方式1的电力变换装置中，变压器112的次级侧电压被限制于从－vb2到vb1－vb2的范围内。因此，无法任意地增大被施加于变压器112的次级侧的交流电压的振幅。

第三电气装置111的最大电力与交流电压的振幅成比例，因此实施方式1的电力变换装置关于与第三电气装置111的电力传输存在制约。

在实施方式2的电力变换装置中，通过利用电容器108和变压器112的次级侧自感的谐振效应，缓和关于电力传输的制约。其结果是，实施方式2的电力变换装置与实施方式1的电力变换装置相比，能够在与第三电气装置111之间授受更大的电力。

以下，对电容器108和变压器112的次级侧自感的谐振的效应进行说明。

当将电容器108的电压设为vc2时，变压器112的次级侧电压vt2由式(19)表示。

vt2＝vs+vn＝vm－vc2+vn…(19)

在此，当将电容器108的电容设为C2时，vs对于交流的vm的的响应由式(20)表示。

(d/dt)vs＝(d/dt)vm－(d/dt)vc2＝(d/dt)vm－(1/C2)·it2

…(20)

当使式(20)与式(7)联立时得到式(21)。

【数学式3】

其中，β＝Mt/((Lt1·Lt2-Mt²))，γ＝Lt1/((Lt1·Lt2-Mt²))。

求解式(21)时得到式(22)。

it2＝((ωa·β·va1)/(ωa²-γ/C2))·cosωat-((ωa·γ·va2)/(ωa²-γ/C2))·cos(ωat+θ)

...(22)

另外，根据变压器的方程式得到式(23)。

it1＝-(va1/(ωa·Lt1))·cosωat-((Mt/Lt1)·(ωa·β·va1)/(ωa²-γ/C2))·cosωat+((Mt/Lt1)·(ωa·γ·va2)/(ωa²-γ/C2))·cos(ωat+θ)...(23)

与实施方式1同样地，当计算第三电气装置111中的功耗时得到式(24)。

【数学式4】

实施方式1中的第三电气装置111的功耗Pb3的最大值根据式(12)而为(Mt·va1·va2)/(2ωa(Lt1·Lt2-Mt²))。

另一方面，实施方式2中的第三电气装置1t1的功耗Pb3的最大值根据式(24)而为((ωa²)/(ωa²-γ/C2))·((Mt·va1·va2)/(2ωa(Lt1·Lt2-Mt²)))。

因此，通过以使电容器108和变压器112的谐振频率与ωa一致或至少接近ωa的方式设定C2，能够任意地增大第三电气装置111的功耗Pb3的最大值。

结果是，实施方式2的电力变换装置除了实施方式1的电力变换装置的效果之外，还能够在与第三电气装置之间传输更大的电力。

此外，在实施方式2的电力变换装置中，利用了第二平滑电路109与变压器112的谐振效应，但也可以利用第一平滑电路105与变压器112的谐振效应。或者也可以使用第一平滑电路105和第二平滑电路109这两者来利用谐振效应。

如以上说明的那样，实施方式2的电力变换装置构成为利用实施方式1的电力变换装置的第二平滑电路的电容器与变压器的次级侧自感的谐振效应。因此，实施方式2的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输。并且能够在与第三电气装置之间传输更大的电力。

实施方式3.

实施方式3的电力变换装置构成为在实施方式1的电力变换装置中追加连接变压器的次级侧和第二平滑电路的第二半桥电路。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图6，以与实施方式1的差异为中心，对实施方式3的电力变换装置进行说明。在图6中，对与实施方式1的图1相同或相当的部分标注相同的附图标记。

此外，为了区别于实施方式1，设为电力变换装置201以及控制器213。

首先，基于图6说明电力变换装置201的结构。

与实施方式1的电力变换装置101的结构的差别在于，在变压器112的次级侧与第二平滑电路109之间连接有第二半桥电路202。第二半桥电路202包括开关元件S3和S4。

另外，控制器213连接于第一半桥电路110和第二半桥电路202，控制第一半桥电路110的开关元件S1、S2及第二半桥电路202的开关元件S3、S4。

在实施方式3的电力变换装置201中，构成第一半桥电路110的开关元件S1和S2被互补地驱动。另外，构成第二半桥电路202的开关元件S3和S4也被互补地驱动。

通过以占空比ρ1对开关元件S1和S2进行PWM控制，能够使第一半桥电路110的平均的中点电位为vm1＝ρ1·vb1。同样地，通过以占空比ρ2对开关元件S3和S4进行PWM控制，能够使第二半桥电路202的平均的中点电位为vm2＝ρ2·vb2。对占空比ρ1和ρ2叠加互补的变动分量。

在实施方式1的电力变换装置101中，能够使第一半桥电路110的平均的中点电位低于vd1，但无法使其高于vd1。因此，为了从第一电气装置102向第二电气装置106传输电力，第一电气装置102的开路电压vd1必须高于第二电气装置106的开路电压vd2。

在实施方式3的电力变换装置201中，由于能够使第二半桥电路202的平均的中点电位低于vd2，因此无论第一电气装置102的开路电压vd1是否高于第二电气装置106的开路电压vd2，都能够在第一电气装置102和第二电气装置106之间双向地传输电力。

另外，通过使占空比ρ1或ρ2中的至少任意一方以高于第一平滑电路105或第二平滑电路109的截止频率的频率振动，从而在与第三电气装置111之间也能够进行电力的传输。

实施方式3的电力变换装置201也可以构成为如实施方式2的电力变换装置那样，利用第一平滑电路105中包括的电容器104或第二平滑电路109中包括的电容器108的至少任一方与变压器112的次级侧自感的谐振效应。根据该结构，与实施方式2的电力变换装置同样地，能够在与第三电气装置111之间传输更大的电力。

如以上说明的那样，实施方式3的电力变换装置构成为在实施方式1的电力变换装置中追加连接变压器的次级侧和第二平滑电路的第二半桥电路。因此，实施方式3的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输。并且，无论第一电气装置的开路电压是否高于第二电气装置的开路电压，都能够在第一电气装置和第二电气装置之间双向地传输电力。

实施方式4.

实施方式4的电力变换装置构成为，将实施方式1的电力变换装置的第三电气装置设为直流工作，并且将与第三电气装置连接的第三平滑电路和与第三平滑电路连接的第三以及第四半桥电路连接于变压器的初级侧。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图7，以与实施方式1的差异为中心，对实施方式4的电力变换装置进行说明。在图7中，对与实施方式1的图1相同或相当的部分标注相同的附图标记。

此外，为了区别于实施方式1，设为电力变换装置301、第三电气装置302以及控制器313。

首先，基于图7说明电力变换装置301的结构。

与实施方式1的电力变换装置101的结构的差别在于变压器112的初级侧的结构。

第三平滑电路305连接于第三电气装置302，第三半桥电路306及第四半桥电路307连接于第三平滑电路305。变压器112的初级侧连接于第三半桥电路306及第四半桥电路307。

第三平滑电路305包括第三电感器303和第三电容器304。第三半桥电路306包括开关元件S5和S6，第四半桥电路307包括开关元件S7和S8。

另外，控制器313连接于第一半桥电路110、第三半桥电路306及第四半桥电路307。而且，控制器313控制第一半桥电路110、第三半桥电路306以及第四半桥电路307各自的开关元件S1、S2、S5、S6以及S7、S8。

另外，在图7中，ib3是从第三电气装置302到电力变换装置301的流入电流。vb3是第三电气装置302的电压，vd3是开路电压，R3是内部电阻。vc3是电容器304的电压，vm3是第三半桥电路306的平均的中点电位，vm4是第四半桥电路307的平均的中点电位。

在实施方式4的电力变换装置301中，控制器313与实施方式1所记载的电力变换装置101同样地，控制第一半桥电路110以使得在第一电气装置102与第二电气装置106之间传输直流电流，并且在变压器112的次级侧流过低于开关频率的频率的交流电流。

同时，控制器313控制第三半桥电路306和第四半桥电路307，以使变压器112的初级侧产生与实施方式1的第三电气装置111相同的交流电流。

根据实施方式4的电力变换装置301，能够在三个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且，在实施方式4的电力变换装置301中，能够任意选择变压器112的工作频率，通过将其设定到高频率而能够使变压器112小型化。

实施方式4的电力变换装置301也可以构成为如实施方式2的电力变换装置那样，利用第一平滑电路105中包括的电容器104或第二平滑电路109中包括的电容器108的至少任一方与变压器112的次级侧自感的谐振效应。通过采用该结构，与实施方式2的电力变换装置同样地，能够在与第三电气装置之间传输更大的电力。

在实施方式4的电力变换装置301中，第三电气装置可以是例如照明、直流电动机、逆变器等直流负载。或者也可以是直流发电机、转换器、太阳能电池等直流电源。并且也可以是蓄电池、电容器等蓄电元件。在第三电气装置为蓄电元件时，由于蓄电池自身具有平滑功能，因此可以省略第三平滑电路305。

如以上说明的那样，实施方式4的电力变换装置构成为，将实施方式1的电力变换装置的第三电气装置设为直流工作，并且将与第三电气装置连接的第三平滑电路和与第三平滑电路连接的第三以及第四半桥电路连接于变压器的初级侧。因此，实施方式4的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输。并且，能够在三个直流工作的电气装置之间任意地交换电力，能够任意选择变压器的工作频率，通过设定到高频率而能够使变压器小型化。

实施方式5.

实施方式5的电力变换装置构成为，对于实施方式3的电力变换装置，将第三电气装置设为直流工作，并且将与第三电气装置连接的第三平滑电路和与第三平滑电路连接的第三以及第四半桥电路连接于变压器的初级侧。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图8，以与实施方式3的差异为中心，对实施方式5的电力变换装置进行说明。在图8中，对与实施方式1的图1或实施方式3的图6相同或相当的部分标注相同的附图标记。

此外，为了区别于实施方式1、3，设为电力变换装置401、第三电气装置302以及控制器413。

首先，基于图8说明电力变换装置401的结构。

与实施方式3的电力变换装置201的结构的差别在于变压器112的初级侧的结构。

第三平滑电路305连接于第三电气装置302，第三平滑电路305连接于第三半桥电路306及第四半桥电路307。变压器112的初级侧连接于第三半桥电路306及第四半桥电路307。

第三平滑电路305包括第三电感器303和第三电容器304。第三半桥电路306包括开关元件S5和S6，第四半桥电路307包括开关元件S7和S8。

另外，控制器413连接于第一半桥电路110、第二半桥电路202、第三半桥电路306及第四半桥电路307。而且，控制器313控制第一半桥电路110至第四半桥电路307各自的开关元件S1、S2至开关元件S7、S8。

根据实施方式5的电力变换装置401，能够在三个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且，实施方式5的电力变换装置401能够任意选择变压器112的工作频率，通过将其设定到高频率而能够使变压器112小型化。

无论第一电气装置102的开路电压vd1是否高于第二电气装置106的开路电压vd2，实施方式5的电力变换装置401都能够在第一电气装置102和第二电气装置106之间双向地传输电力。

实施方式5的电力变换装置401也可以构成为如第二实施方式所述的电力变换装置那样，利用第一平滑电路105中包括的电容器104或第二平滑电路109中包括的电容器108的至少任一方与变压器112的次级侧自感的谐振效应。通过采用该结构，与实施方式2的电力变换装置同样地，能够在与第三电气装置之间传输更大的电力。

如以上说明的那样，实施方式5的电力变换装置构成为，对于实施方式3的电力变换装置，将第三电气装置设为直流工作，并且将与第三电气装置连接的第三平滑电路和与第三平滑电路连接的第三以及第四半桥电路连接于变压器的初级侧。因此，实施方式5的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输，并且无论第一电气装置的开路电压与第二电气装置的开路电压的高低如何，都能够在第一电气装置和第二电气装置之间双向地传输电力。另外，能够在三个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且能够任意选择变压器的工作频率，通过设定到高频率而能够使变压器小型化。

实施方式6.

实施方式6的电力变换装置构成为，将实施方式1的电力变换装置的第三电气装置设为直流工作，并且还连接第四电气装置(直流工作)，将与第三电气装置连接的第三平滑电路和第三半桥电路以及与第四电气装置连接的第四平滑电路连接于变压器的初级侧。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图9，以与实施方式1的差异为中心，对实施方式6的电力变换装置进行说明。在图9中，对与实施方式1的图1相同或相当的部分标注相同的附图标记。

此外，为了区别于实施方式1，设为电力变换装置501、第四电气装置502以及控制器513。

首先，基于图9说明电力变换装置501的结构。

与实施方式1的电力变换装置101的结构的差别在于变压器112的初级侧的结构。

第三平滑电路305连接于第三电气装置302，第三半桥电路306连接于第三平滑电路305。

对电力变换装置501连接有第四电气装置502，对该第四电气装置502连接有第四平滑电路。

变压器112的初级侧连接于第三半桥电路306和第四平滑电路。

第三平滑电路305包括第三电感器303和第三电容器304。第三半桥电路306包括开关元件S5和S6。第四平滑电路505包括第四电感器503和第四电容器504。

另外，控制器513连接于第一半桥电路110及第三半桥电路306。而且，控制器513控制第一半桥电路110以及第三半桥电路306各自的开关元件S1、S2以及S5、S6。

另外，在图9中，ib4为从第四电气装置502到电力变换装置501的流入电流。Vv4为第四电气装置502的电压，vd4为开路电压，R4为内部电阻，vc4为电容器504的电压。

实施方式6的电力变换装置501在小型且轻量的结构中，能够在四个电气装置之间任意且双向地传输电力。

实施方式6的电力变换装置501能够任意选择变压器112的工作频率，通过将其设定到高频率而能够使变压器112小型化。

实施方式6的电力变换装置501也可以构成为利用第一平滑电路105中包括的电容器104或第二平滑电路109中包括的电容器108的至少任一方与变压器112的次级侧自感的谐振效应。

另外，实施方式6的电力变换装置501也可以构成为利用第三平滑电路305中包括的电容器304或第四平滑电路505中包括的电容器504的至少任一方与变压器112的初级侧自感的谐振效应。

通过设为这样的结构，能够在第一电气装置102、第二电气装置106与第三电气装置302、第四电气装置502之间传输更大的电力。

在实施方式6的电力变换装置501中，第四电气装置可以是例如照明、直流电动机、逆变器等直流负载。或者也可以是直流发电机、转换器、太阳能电池等直流电源。另外还可以是蓄电池、电容器等蓄电元件。在第四电气装置为蓄电元件时，由于蓄电池自身具有平滑功能，因此可以省略第四平滑电路505。

如以上说明的那样，实施方式6的电力变换装置构成为，将实施方式1的电力变换装置的第三电气装置设为直流工作，并且还连接第四电气装置(直流工作)，将与第三电气装置连接的第三平滑电路、第三半桥电路以及与第四电气装置连接的第四平滑电路连接于变压器的初级侧。因此，实施方式6的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输。另外，能够在四个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。还能够任意选择变压器的工作频率，通过设定到高频率而能够使变压器小型化。

实施方式7.

实施方式7的电力变换装置构成为，将实施方式3的电力变换装置的第三电气装置设为直流工作，并且还连接第四电气装置(直流工作)，将与第三电气装置连接的第三平滑电路和第三半桥电路以及与第四电气装置连接的第四平滑电路连接于变压器的初级侧。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图10，以与实施方式3的差异为中心，对实施方式7的电力变换装置进行说明。在图10中，对与实施方式1的图1或实施方式3的图6相同或相当的部分标注相同的附图标记。

此外，为了区别于实施方式1、3，设为电力变换装置601、第三电气装置302、第四电气装置502以及控制器613。

首先，基于图10说明电力变换装置601的结构。

与实施方式3的电力变换装置201的结构的差别在于变压器112的初级侧的结构。

第三平滑电路305连接于第三电气装置302，第三半桥电路306连接于第三平滑电路305。

对电力变换装置601连接有第四电气装置502，对该第四电气装置502连接有第四平滑电路。

变压器112的初级侧连接于第三半桥电路306和第四平滑电路。

第三平滑电路305包括第三电感器303和第三电容器304。第三半桥电路306包括开关元件S5和S6。第四平滑电路505包括第四电感器503和第四电容器504。

并且，控制器613连接于第一半桥电路110、第二半桥电路202及第三半桥电路306。而且，控制器313控制第一半桥电路110至第三半桥电路306各自的开关元件S1、S2至开关元件S5、S6。

根据实施方式7的电力变换装置601，能够在四个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且，实施方式7的电力变换装置601能够任意选择变压器112的工作频率，通过将其设定到高频率而能够使变压器112小型化。

无论第一电气装置102的开路电压vd1是否高于第二电气装置106的开路电压vd2，实施方式7的电力变换装置601都能够在第一电气装置102和第二电气装置106之间双向地传输电力。

实施方式7的电力变换装置601也可以构成为利用第一平滑电路105中包括的电容器104或第二平滑电路109中包括的电容器108的至少任一方与变压器112的次级侧自感的谐振效应。

另外，实施方式7的电力变换装置601也可以构成为利用第三平滑电路305中包括的电容器304或第四平滑电路505中包括的电容器504的至少任一方与变压器112的初级侧自感的谐振效应。

通过设为这样的结构，能够在第一电气装置102、第二电气装置106和第三电气装置302、第四电气装置502之间传输更大的电力。

如以上说明的那样，实施方式7的电力变换装置构成为，对于实施方式3的电力变换装置，将第三电气装置设为直流工作，并且还连接第四电气装置(直流工作)，将与第三电气装置连接的第三平滑电路和第三半桥电路以及与第四电气装置连接的第四平滑电路连接于变压器的初级侧。因此，实施方式7的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输，并且无论第一电气装置的开路电压和第二电气装置的开路电压的高低如何，都能够在第一电气装置和第二电气装置之间双向地传输电力。另外，能够在四个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且，能够任意选择变压器的工作频率，通过设定到高频率而能够使变压器小型化。

实施方式8.

实施方式8的电力变换装置构成为，将实施方式3的电力变换装置的第三电气装置设为直流工作，并且还连接第四电气装置(直流工作)，将与第三电气装置连接的第三平滑电路和第三半桥电路以及与第四电气装置连接的第四平滑电路和第四半桥电路连接于变压器的初级侧。

以下，基于作为电力变换装置的结构图的图11，以与实施方式3的差异为中心，对实施方式8的电力变换装置进行说明。在图11中，对与实施方式1的图1或实施方式3的图6相同或相当的部分标注相同的附图标记。

此外，为了区别于实施方式1、3，设为电力变换装置701、第三电气装置302、第四电气装置502以及控制器713。

首先，基于图11说明电力变换装置701的结构。

与实施方式3的电力变换装置201的结构的差别在于变压器112的初级侧的结构。

第三平滑电路305连接于第三电气装置302，第三半桥电路306连接于第三平滑电路305。

对电力变换装置701连接有第四电气装置502，对该第四电气装置502连接有第四平滑电路，还连接有第四半桥电路307。

变压器112的初级侧连接于第三半桥电路306和第四半桥电路307。

第三平滑电路305包括第三电感器303和第三电容器304。第三半桥电路306包括开关元件S5和S6。第四平滑电路505包括第四电感器503和第四电容器504。第四半桥电路307包括开关元件S7和S8。

并且，控制器713连接于第一半桥电路110、第二半桥电路202、第三半桥电路306及第四半桥电路307。而且，控制器713控制第一半桥电路110至第四半桥电路307各自的开关元件S1、S2至开关元件S7、S8。

根据实施方式8的电力变换装置701，能够在四个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且，实施方式8的电力变换装置701能够任意选择变压器112的工作频率，通过将其设定到高频率而能够使变压器112小型化。

无论第一电气装置102的开路电压vd1是否高于第二电气装置106的开路电压vd2，实施方式8的电力变换装置701都能够在第一电气装置102和第二电气装置106之间双向地传输电力。

另外，无论第三电气装置302的开路电压vd3是否高于第四电气装置502的开路电压vd4，实施方式8的电力变换装置701都能够在第三电气装置302和第四电气装置502之间双向地传输电力。

实施方式8的电力变换装置701也可以构成为利用第一平滑电路105中包括的电容器104或第二平滑电路109中包括的电容器108的至少任一方与变压器112的次级侧自感的谐振效应。

另外，实施方式8的电力变换装置701也可以构成为利用第三平滑电路305中包括的电容器304或第四平滑电路505中包括的电容器504的至少任一方与变压器112的初级侧自感的谐振效应。

通过设为这样的结构，能够在第一电气装置102、第二电气装置106与第三电气装置302、第四电气装置502之间传输更大的电力。

如以上说明的那样，实施方式7的电力变换装置构成为，对于实施方式3的电力变换装置，将第三电气装置设为直流工作，并且还连接第四电气装置(直流工作)，将与第三电气装置连接的第三平滑电路和第三半桥电路以及与第四电气装置连接的第四平滑电路和第四半桥电路连接于变压器的初级侧。因此，实施方式8的电力变换装置与实施方式1同样地，在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输，并且无论第一电气装置的开路电压和第二电气装置的开路电压的高低如何，都能够在第一电气装置和第二电气装置之间双向地传输电力。另外，无论第三电气装置的开路电压和第四电气装置的开路电压的高低如何，都能够在第三电气装置和第四电气装置之间双向地传输电力。另外，能够在四个直流工作的电气装置之间任意地交换电力。并且，能够任意选择变压器的工作频率，通过设定到高频率而能够使变压器小型化。

此外，本发明在其发明的范围内，能够自由组合各实施方式，或者对实施方式适当地进行变形、省略。

工业实用性

由于本发明在小型且轻量的结构中，能够进行三个以上的电气装置之间的电力传输的控制，能够实现高效的电力传输，因此能够广泛应用于控制电力的传输的电力变换装置。