(57)【要約】【課題】電流型プッシュプル方式の電圧変換装置において、回路構成を複雑にすることなく、スイッチング素子をオフ時の過電圧から保護する。【解決手段】電圧変換装置１００は、トランスＴｒの一次巻線Ｗ１、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、およびインダクタＬを有する第１変換回路１１と、トランスＴｒの二次巻線Ｗ２、および整流素子Ｄ３、Ｄ４を有する第２変換回路１２と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する制御部１４とを備えている。制御部１４は、第１変換回路１１の動作中は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を、５０％を超える所定のデューティ値の駆動信号によりオン・オフさせ、第１変換回路１１の動作を停止させる際に、駆動信号のデューティ値を、前記所定のデューティ値より小さくかつ５０％を超えるデューティ値まで低下させ、その後、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する第１変換回路と、
前記第１変換回路で変換された交流電圧を直流電圧に変換する第２変換回路と、を備え、
前記第１変換回路と前記第２変換回路とはトランスによって絶縁されており、
前記第１変換回路は、
前記トランスの一次巻線と、
前記直流電源の正極が接続される第１入力端子と、
前記直流電源の負極が接続される第２入力端子と、
前記一次巻線の一端と前記第２入力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、
前記一次巻線の他端と前記第２入力端子との間に接続された第２スイッチング素子と、
前記一次巻線の中間端子と前記第１入力端子との間に接続されたインダクタと、を有し、
前記第２変換回路は、
前記トランスの二次巻線と、
前記二次巻線に接続された整流素子と、
前記整流素子で直流に変換された電圧が出力される出力端子と、を有し、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部が設けられている、電流型プッシュプル方式の電圧変換装置において、
前記制御部は、
前記第１変換回路の動作中は、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を、５０％を超える所定のデューティ値の駆動信号によりオン・オフさせ、
前記第１変換回路の動作を停止させる際に、前記駆動信号のデューティ値を、前記所定のデューティ値より小さくかつ５０％を超えるデューティ値まで低下させ、その後、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧変換装置において、
前記制御部は、
前記駆動信号のデューティ値を低下させた後、所定時間が経過した時点で、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電圧変換装置において、
前記インダクタに流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記インダクタと直列に接続された開閉器と、をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせた後、前記電流検出回路で検出された電流の値が所定値未満にならない場合は、前記開閉器をオフにする、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電圧変換装置において、
前記インダクタに流れる電流を検出する電流検出回路をさらに備え、
前記制御部は、
前記駆動信号のデューティ値を低下させた後、前記電流検出回路で検出された電流の値が所定値未満となった時点で、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電圧変換装置において、
前記インダクタと直列に接続された開閉器をさらに備え、
前記制御部は、
前記駆動信号のデューティ値を低下させた後、前記電流検出回路で検出された電流の値が減少しない場合は、前記開閉器をオフさせるとともに、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電圧変換装置において、
前記インダクタに流れる電流を検出する電流検出回路をさらに備え、
前記制御部は、
前記駆動信号のデューティ値を低下させた後、前記電流検出回路で検出された電流の値が一旦減少した後に上昇を始めた時点で、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電圧変換装置において、
前記インダクタと直列に接続された開閉器をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１変換回路の動作を停止させる際に、まず前記開閉器をオフにし、次に前記駆動信号のデューティ値を低下させ、その後、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の電圧変換装置において、
前記制御部は、
前記駆動信号のデューティ値を低下させる場合に、当該デューティ値をリニア関数または指数関数に従って漸減させる、ことを特徴とする電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換装置に関し、特に、電流型プッシュプル回路を用いた電圧変換装置におけるスイッチング素子の破壊を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、入力側と出力側が絶縁された絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力側に、直流電源の直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換する第１変換回路が設けられ、出力側に、第１変換回路で変換された交流電圧を整流して直流電圧に変換する第２変換回路が設けられる。そして、第１変換回路と第２変換回路とは、トランスによって絶縁されている。
【０００３】
このような絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータには、第１変換回路および第２変換回路が、電流型プッシュプル回路で構成されているものがある。電流型プッシュプル回路は、トランスの一次側にインダクタと２つのスイッチング素子を備え、二次側に整流素子を備えている。スイッチング素子が共にオンの区間において、インダクタに電気エネルギーが蓄積され、一方のスイッチング素子がオフになると、インダクタが電流源として作用し、インダクタの電気エネルギーの放出により、他方のスイッチング素子とトランスの一次巻線に電流が流れ、二次側に電力が伝達される。このような電流型プッシュプル回路を用いた絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、たとえば特許文献１〜３に記載されている。
【０００４】
ところで、電流型プッシュプル方式の電圧変換装置では、動作を停止するために２つのスイッチング素子を共にオフさせた時に、インダクタの電流が急変することに起因して、スイッチング素子の両端に過大な電圧（サージ電圧）が印加され、スイッチング素子が破壊することがある。この対策として、特許文献１、２では、ダイオードやコンデンサからなるスナバ回路を設け、スイッチング素子がオフした時のインダクタの電流を、スナバ回路で吸収するようにしている。また、特許文献３では、スイッチング素子に流れている電流に対して逆方向の電流を発生させることで、スイッチング素子の電流を減少させ、スイッチング素子のオフ時のサージ電圧を抑制するようにしている。
【０００５】
特許文献１、２の場合は、トランスの一次側に、インダクタの電流を吸収するためのスナバ回路を設ける必要があり、回路構成が複雑になる。特許文献３の場合は、スイッチング素子の電流に対して逆方向の電流を発生させるスイッチング素子を、トランスの二次側に設ける必要があり、同様に回路構成が複雑になる。
【０００６】
スイッチング素子を過電圧から保護する技術は、特許文献４、５にも記載されている。特許文献４では、昇圧回路の出力電圧が過電圧になると、スイッチング素子の駆動信号のデューティを一定値以下に制限している。特許文献５では、スイッチング素子の電流を検出する抵抗の両端電圧が閾値を超えると、駆動信号のデューティを低下させている。ただし、これらの文献に記載されている電圧変換装置は、電流型プッシュプル方式ではなく、同方式におけるスイッチング素子のオフ時の問題点と対策を示したものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−３１３０７号公報
【特許文献２】特開２０１２−５２６５号公報
【特許文献３】特開２０１５−７７０４６号公報
【特許文献４】特開２００７−２７４８５２号公報
【特許文献５】特開２００８−５４４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、電流型プッシュプル方式の電圧変換装置において、回路構成を複雑にすることなく、スイッチング素子をオフ時の過電圧から保護することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電圧変換装置は、直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する第１変換回路と、この第１変換回路で変換された交流電圧を直流電圧に変換する第２変換回路とを備えており、第１変換回路と第２変換回路とはトランスによって絶縁されている。第１変換回路は、トランスの一次巻線と、直流電源の正極が接続される第１入力端子と、直流電源の負極が接続される第２入力端子と、一次巻線の一端と第２入力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、一次巻線の他端と第２入力端子との間に接続された第２スイッチング素子と、一次巻線の中間端子と第１入力端子との間に接続されたインダクタとを有している。第２変換回路は、トランスの二次巻線と、この二次巻線に接続された整流素子と、この整流素子で直流に変換された電圧が出力される出力端子とを有している。また、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部が設けられている。制御部は、第１変換回路の動作中は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を、５０％を超える所定のデューティ値の駆動信号によりオン・オフさせる。また、制御部は、第１変換回路の動作を停止させる際に、駆動信号のデューティ値を、前記の所定のデューティ値より小さくかつ５０％を超えるデューティ値まで低下させ、その後、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせる。
【００１０】
このような本発明の電圧変換装置にあっては、第１変換回路の動作を停止させる場合、まず、駆動信号のデューティ値をそれまでのデューティ値よりも低下させることで、インダクタに流れる電流が減少し、その後、インダクタの電流が十分減少した時点で、第１および第２スイッチング素子をオフさせることができる。このため、各スイッチング素子を共にオフにしても、インダクタの電流が小さいので、各素子に耐圧を超えるサージ電圧が印加されるのが回避され、スイッチング素子の破壊を防止することができる。また、デューティ値の制御だけで対応できるので、回路構成が複雑化することもない。
【００１１】
本発明では、インダクタに流れる電流を検出する電流検出回路や、インダクタと直列に接続された開閉器が設けられていてもよい。
【００１２】
本発明において、制御部は、駆動信号のデューティ値を低下させた後、所定時間が経過した時点で、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせてもよい。
【００１３】
この場合、制御部は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせた後、電流検出回路で検出された電流の値が所定値未満にならない場合は、開閉器をオフにしてもよい。
【００１４】
本発明において、制御部は、駆動信号のデューティ値を低下させた後、電流検出回路で検出された電流の値が所定値未満となった時点で、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせてもよい。
【００１５】
この場合、制御部は、駆動信号のデューティ値を低下させた後、電流検出回路で検出された電流の値が減少しないときは、開閉器をオフさせるとともに、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせてもよい。
【００１６】
本発明において、制御部は、駆動信号のデューティ値を低下させた後、電流検出回路で検出された電流の値が一旦減少した後に上昇を始めた時点で、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせてもよい。
【００１７】
本発明において、制御部は、第１変換回路の動作を停止させる際に、まず開閉器をオフにし、次に駆動信号のデューティ値を低下させ、その後、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子をオフさせてもよい。
【００１８】
本発明において、制御部は、駆動信号のデューティ値を低下させる場合に、当該デューティ値をリニア関数または指数関数に従って漸減させてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電流型プッシュプル方式の電圧変換装置において、回路構成を複雑にすることなく、スイッチング素子をオフ時の過電圧から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る電圧変換装置の一例を示す回路図である。
【図２】駆動信号（デューティ値＞５０％）の波形図である。
【図３】駆動信号（デューティ値＝５０％）の波形図である。
【図４】２つのスイッチング素子が同時にオフしたときの電流経路を示す図である。
【図５】インダクタに流れる電流と、スイッチング素子のドレイン・ソース間のピーク電圧との関係を表したグラフである。
【図６】スイッチング素子の動作停止の例を示すタイムチャートである。
【図７】動作停止までの時間が長い場合のタイムチャートである。
【図８】動作停止の他の例を示すタイムチャートである。
【図９】動作停止の他の例を示すタイムチャートである。
【図１０】動作停止の他の例を示すタイムチャートである。
【図１１】デューティ値を漸減させる例を示すタイムチャートである。
【図１２】デューティ値を漸減させる他の例を示すタイムチャートである。
【図１３】停止制御の詳細手順を示すフローチャートである。
【図１４】停止制御の他の例を示すフローチャートである。
【図１５】停止処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１６】本発明に係る電圧変換装置の他の例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る電圧変換装置の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。
【００２２】
最初に、図１を参照して、電圧変換装置の構成を説明する。図１において、電圧変換装置１００は、前述した電流型プッシュプル方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、第１変換回路１１、第２変換回路１２、ゲートドライバ１３、および制御部１４を備えている。第１変換回路１１と第２変換回路１２は、トランスＴｒによって絶縁されている。この電圧変換装置１００は、たとえば車両に搭載され、バッテリ電圧を昇圧して車載機器などの負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータとして利用される。
【００２３】
第１変換回路１１は、直流電源Ｂの直流電圧をスイッチングし、かつ昇圧して交流電圧に変換する回路であり、トランスＴｒの一次巻線Ｗ１と、２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、インダクタＬと、リレーＲｙと、電流検出回路１５と、入力端子Ｔ１、Ｔ２とを有している。
【００２４】
入力端子Ｔ１には、直流電源Ｂの正極（＋側）が接続され、入力端子Ｔ２には、直流電源Ｂの負極（−側）が接続される。直流電源Ｂの負極は、グランドＧに接地されている。スイッチング素子Ｑ１は、一次巻線Ｗ１の一端と入力端子Ｔ２との間に接続されており、スイッチング素子Ｑ２は、一次巻線Ｗ１の他端と入力端子Ｔ２との間に接続されている。インダクタＬとリレーＲｙは、一次巻線Ｗ１の中間端子ｍと入力端子Ｔ１との間に、直列に接続されている。電流検出回路１５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と入力端子Ｔ２との間に接続されている。
【００２５】
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、それぞれＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる。スイッチング素子Ｑ１は、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ１および寄生容量Ｃ１を有している。同様に、スイッチング素子Ｑ２は、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ２および寄生容量Ｃ２を有している。スイッチング素子Ｑ１のドレインは、一次巻線Ｗ１の一端に接続されており、スイッチング素子Ｑ２のドレインは、一次巻線Ｗ１の他端に接続されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ソースは、電流検出回路１５を介して、入力端子Ｔ２に接続されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートは、ゲートドライバ１３に接続されている。
【００２６】
インダクタＬの一端は、一次巻線Ｗ１の中間端子ｍに接続されており、インダクタＬの他端は、リレーＲｙの一端に接続されている。リレーＲｙの他端は、入力端子Ｔ１に接続されている。電流検出回路１５の一端は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ソースに接続されており、電流検出回路１５の他端は、入力端子Ｔ２に接続されている。電流検出回路１５は、インダクタＬに流れる電流を検出する。電流検出回路１５で検出された電流の値は、検出信号として制御部１４へ入力される。
【００２７】
スイッチング素子Ｑ１は、本発明における「第１スイッチング素子」の一例であり、スイッチング素子Ｑ２は、本発明における「第２スイッチング素子」の一例である。リレーＲｙは、本発明における「開閉器」の一例である。入力端子Ｔ１は、本発明における「第１入力端子」に相当し、入力端子Ｔ２は、本発明における「第２入力端子」に相当する。
【００２８】
第２変換回路１２は、第１変換回路１１により昇圧された交流電圧を整流して、直流電圧に変換する回路であり、トランスＴｒの二次巻線Ｗ２と、この二次巻線Ｗ２に発生した交流電圧を整流するダイオードＤ３、Ｄ４と、整流された電圧を平滑化するコンデンサＣ３、Ｃ４と、平滑化された電圧を充電するコンデンサＣ５と、直流電圧が出力される出力端子Ｔ３、Ｔ４とを有している。ダイオードＤ３、Ｄ４は、本発明における「整流素子」の一例である。
【００２９】
ダイオードＤ３のアノードと、ダイオードＤ４のカソードは、二次巻線Ｗ２の一端に接続されている。ダイオードＤ３のカソードは、コンデンサＣ３、Ｃ５のそれぞれの一端と共に、出力端子Ｔ３に接続されている。コンデンサＣ３の他端は、コンデンサＣ４の一端に接続されており、この接続点に二次巻線Ｗ２の他端が接続されている。ダイオードＤ４のアノードは、コンデンサＣ４、Ｃ５のそれぞれの他端と共に、出力端子Ｔ４に接続されている。出力端子Ｔ３、Ｔ４には、負荷１６が接続される。この負荷１６は、たとえば車載用の機器であるが、これに限らず、ＤＣ−ＡＣコンバータや、他のＤＣ−ＤＣコンバータなどであってもよい。
【００３０】
ゲートドライバ１３は、制御部１４からの制御信号により動作し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオン・オフさせるための駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２を生成する。これらの駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２は、たとえば図２のような、所定のデューティ値Ｄを持ったＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号であり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートへ与えられる。駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２が「Ｈ」（High）の区間では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はオンとなり、駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２が「Ｌ」（Low）の区間では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はオフとなる。Ｔは、ＰＷＭ信号の周期を表している。
【００３１】
電流型プッシュプル方式の電圧変換装置では、図２に示すように、駆動信号であるＰＷＭ信号のデューティ値Ｄ（オンデューティ値）が、５０％を超える値に設定される。このため、各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、同時にオフすることはなく、一方がオフ状態のときは他方が必ずオン状態となるように、スイッチング動作を行う。デューティ値Ｄをこのように設定するのは、以下の理由による。
【００３２】
図３に示すように、ＰＷＭ信号のデューティ値Ｄが５０％に設定されていると、信号の立上りと立下がりのタイミングで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が同時にオフ状態となる場合がある（５０％未満でも同様）。前述したように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン区間において、インダクタＬに電気エネルギーが蓄積されるが、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が同時にオフ状態になると、図４の矢印に示したように、インダクタＬの電気エネルギーの放出による大電流が、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の浮遊容量Ｃ１、Ｃ２を充電する。このため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のドレイン・ソース間の電圧が過大になり、この電圧が耐圧を超えると、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が破壊する。そこで、図２のように、デューティＤをＤ＞５０％とすることで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が同時にオフ状態とならないようにしている。
【００３３】
図１に戻って、制御部１４は、ＣＰＵやメモリなどから構成されている。制御部１４は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン・オフを制御するための制御信号をゲートドライバ１３に与え、リレーＲｙのオン・オフを制御するための制御信号をリレーＲｙに与える。制御部１４には、電流検出回路１５から検出信号（電流値）が入力される。また、制御部１４には、出力端子Ｔ３、Ｔ４の両端の出力電圧を検出する図示しない電圧検出回路から、フィードバック信号（出力電圧値）が入力される。制御部１４は、このフィードバック信号と所定の目標値とに基づいて、駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２のデューティ値を演算する。さらに、制御部１４には、図示しない車載ＥＣＵ（電子制御ユニット）などから、動作停止指令信号が入力される。制御部１４は、この動作停止指令信号に基づいてゲートドライバ１３を制御し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン・オフ動作を停止させる。そのほかにも、制御部１４は、外部から入力される各種の信号に基づいて、所定の制御動作を行う。
【００３４】
上述した電圧変換装置１００の通常時の動作は、概略以下のとおりである。電圧変換装置１００は、リレーＲｙがオンとなり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートに、ゲートドライバ１３から駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２が印加されることによって、動作を開始する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が共にオンのときは、直流電源ＢからリレーＲｙ、インダクタＬ、一次巻線Ｗ１、およびスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を通って電流が流れ、インダクタＬに電気エネルギーが蓄積される。このとき、一次巻線Ｗ１は短絡状態となり、二次巻線Ｗ２に電圧は発生しない。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方がオフになると、一次巻線Ｗ１の短絡状態が解放され、電流源であるインダクタＬから一次巻線Ｗ１を通ってオン側のスイッチング素子に流れる電流により、二次巻線Ｗ２に電圧が発生する。この電圧は、二次側のダイオードＤ３、Ｄ４、およびコンデンサＣ３、Ｃ４により整流・平滑されて、コンデンサＣ５に充電され、出力端子Ｔ３、Ｔ４から負荷１６へ供給される。
【００３５】
次に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにして、第１変換回路１１の動作を停止させる場合の手順につき、図５および図６を参照しながら説明する。
【００３６】
図５は、インダクタＬの電流値と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓのピーク値との関係の一例を示したグラフである。実線は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が動作（オン・オフ）している定常時のピーク電圧、破線は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が停止（オフ）した時のピーク電圧を表している。
【００３７】
第１変換回路１１の動作中は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が５０％を超えるデューティ値（たとえば７０％）の駆動信号によりオン・オフしているので、インダクタＬには大きな電流が流れている。図５において、たとえば、インダクタＬに９アンペアの電流が流れている状態で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにした場合、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓのピーク値は、矢印ａのように約５０ボルトから１８０ボルトに急上昇する。このピーク値は、ドレイン・ソース間の耐圧（一点鎖線）を１００ボルトとした場合、当該耐圧をはるかに超えるため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が破壊されることになる。一方、たとえば、インダクタＬに２．５アンペアの電流が流れている状態で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにしても、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓのピーク値は、矢印ｂのように約８０ボルトまで上昇するにとどまり、ドレイン・ソース間の耐圧を超えない。
【００３８】
そこで、本発明では、インダクタＬに大きな電流が流れている状態で、第１変換回路１１の動作を停止させる際に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を急にオフにするのではなく、まず、駆動信号のデューティ値をそれまでのデューティ値よりも低下させることで、インダクタＬの電流を減少させ、その後に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせるようにしている。
【００３９】
これにつき、図６を参照しながら、さらに詳細に説明する。図６（ａ）は駆動信号のデューティ値の時間的変化、図６（ｂ）はインダクタＬの電流値の時間的変化をそれぞれ表している。デューティ値は制御部１４により可変され、インダクタＬの電流値は電流検出回路１５により検出される。
【００４０】
図６（ａ）において、第１変換回路１１の動作中は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が、５０％を超えるデューティ値（ここでは７０％）の駆動信号によりオン・オフしている。この状態から、第１変換回路１１の動作を停止するには、時刻ｔ１でデューティ値を７０％から５１％まで低下させる。この５１％のデューティ値は、それまでのデューティ値（７０％）より小さく、かつ５０％を超えるデューティ値である。なお、５１％は一例であって、５２％や５３％などでもよく、要は５０％をわずかに上回る値であればよい。このようにデューティ値を小さくすることで、インダクタＬの電流は、図６（ｂ）に示すように減少する。そして、デューティ値を低下させた時点（時刻ｔ１）から、所定時間τが経過した時点（時刻ｔ２）で、ゲートドライバ１３からの駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２を停止させて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにする。
【００４１】
このようにすると、インダクタＬの電流が十分小さくなった状態（図６（ｂ）でＩｘ未満）で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフするので、図５で説明したように、オフ時のドレイン・ソース間のピーク電圧が耐圧を超えることはない。このため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を共にオフさせても、サージ電圧によってスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が破壊されるのを防止することができる。
【００４２】
ここで、図６（ｂ）の所定時間τは、できるだけ短時間（たとえば１ｍｓ）であることが好ましい。理由は以下のとおりである。図７に示すように、デューティ値を低下させた時点（時刻ｔ１）から、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにする時点（時刻ｔ４）までの時間τ’が長いと、その間に、デューティ値の低下により減少したインダクタＬの電流が増加に転じる（時刻ｔ３）。これは、デューティ値を５１％に下げた直後は、二次側（第２変換回路１２）の出力電圧はまだ高い値を保っているが、その後、出力電圧は低下してゆき、５１％のデューティ値に対応する電圧で安定しようとするため、これに応じて一次側のインダクタＬの電流が増加してゆくからである。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにする時点（時刻ｔ４）では、インダクタＬの電流がかなり増大しているため、オフ時のドレイン・ソース間のピーク電圧が、耐圧を超えてしまうことが起こりうる。したがって、インダクタＬの電流が増加に転じるまでに、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせる必要がある。
【００４３】
以上のように、上述した実施形態によれば、第１変換回路１１の動作を停止するに先立って、まず駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２のデューティ値Ｄを下げることにより、インダクタＬに流れる電流を減少させ、その後、所定時間τが経過してインダクタＬの電流が十分小さくなった時点で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせている。このため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を共にオフにしても、各素子のドレイン・ソース間に耐圧を超えるサージ電圧が印加されないので、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の破壊を防止することができる。また、特許文献１、２のようにインダクタ電流を吸収するスナバ回路を設けたり、特許文献３のように逆方向電流を発生させるスイッチング素子を設けたりする必要がなく、デューティ値の制御だけで対応できるので、回路構成が複雑化することもない。
【００４４】
以上の実施形態では、駆動信号のデューティ値を下げた後、所定時間τが経過した時点で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにしたが（図６）、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせるタイミングには、これ以外にも種々のものが考えられる。たとえば、図８に示すように、時刻ｔ１で駆動信号のデューティ値を下げた後、インダクタＬに流れる電流の値、すなわち電流検出回路１５で検出された電流値を監視し、当該電流値が所定値Ｉｙ未満となった時刻ｔ２’で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせてもよい。
【００４５】
また、図９に示すように、駆動信号のデューティ値を下げても、インダクタＬに流れる電流の値が減少しない場合は、ただちにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにしてもよい。この場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一方または両方に、ドレイン・ソース間が常時導通状態となる短絡故障が発生していると考えられるので、回路保護の点から、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフにすると同時に、リレーＲｙもオフにする。
【００４６】
また、図１０に示すように、駆動信号のデューティ値を下げてから、インダクタＬに流れる電流の値が一旦減少した後に上昇を始めた時点（時刻ｔ３’）で、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせてもよい。
【００４７】
以上の実施形態では、駆動信号のデューティ値を、たとえば７０％から５１％に急に下げた例を示したが（図６〜図１０）、デューティ値を漸減させてもよい。図１１は、デューティ値をリニア関数に従って漸減させる例であり、図１２は、デューティ値を指数関数に従って漸減させる例である。
【００４８】
次に、制御部１４による停止制御の手順を、フローチャートに基づいてさらに詳しく説明する。
【００４９】
図１３は、停止制御の第１実施形態を示すフローチャートであって、時間経過に基づいてスイッチング素子をオフさせる場合（図６）の詳細手順を示している。図１３の各ステップは、制御部１４によって実行される。
【００５０】
ステップＳ１では、制御部１４からリレーＲｙに与えられる制御信号に基づいて、リレーＲｙがオンする。これにより、第１変換回路１１が直流電源Ｂに接続される。そして、ステップＳ２において、ゲートドライバ１３からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２が与えられ、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がスイッチング動作を行う。次のステップＳ３では、制御部１４が動作停止指令信号（図１）を受信したか否かが判定される。動作停止指令信号を受信した場合は（ステップＳ３；ＹＥＳ）、ステップＳ４へ進んで、以下に述べる停止処理が行われる。
【００５１】
図１５は、ステップＳ４の停止処理の詳細な手順を示している。停止処理が開始されると、まずステップＳ４１において、制御部１４からリレーＲｙに制御信号が与えられ、リレーＲｙがオフになる。次に、ステップＳ４２において、制御部１４は、駆動信号のデューティ値を５１％まで低下させる。そして、ステップＳ４３において、所定時間（図６のτ）が経過したか否かを判定し、所定時間が経過していなければ（ステップＳ４３；ＮＯ）、ステップＳ４３を繰り返し実行し、所定時間が経過すると（ステップＳ４３；ＹＥＳ）、ステップＳ４４へ進む。ステップＳ４４では、制御部１４からゲートドライバ１３へ与えられる制御信号に基づいて、ゲートドライバ１３が駆動信号の出力を停止する結果、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフとなり、スイッチング動作が停止する。なお、図１５の停止処理は、動作停止指令信号に基づいて行われるもので、スイッチング動作を再開する必要がないことから、最初にリレーＲｙをオフにしている。
【００５２】
図１３に戻って、ステップＳ３で動作停止指令信号を受信しない場合は（ステップＳ３；ＮＯ）、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、電流検出回路１５により過電流が検出されたか否か、すなわち、インダクタＬに一定以上の電流が流れたか否かが判定される。過電流が検出されなければ（ステップＳ５；ＮＯ）、ステップＳ２へ戻ってスイッチング動作を継続する。過電流が検出された場合は（ステップＳ５；ＹＥＳ）、インダクタＬの電流を減少させるために、ステップＳ６において、駆動信号のデューティ値を５１％まで低下させる。
【００５３】
ステップＳ７では、デューティ値を低下させた後、所定時間（図６（ｂ）のτ）が経過したか否かが判定される。所定時間が経過していなければ（ステップＳ７；ＮＯ）、ステップＳ７を繰り返し実行し、所定時間が経過すると（ステップＳ７；ＹＥＳ）、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、制御部１４からゲートドライバ１３へ与えられる制御信号に基づいて、ゲートドライバ１３が駆動信号の出力を停止する結果、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフとなる。こうしてスイッチング動作が停止した後、ステップＳ９へ進む。
【００５４】
ステップＳ９では、電流検出回路１５により検出されたインダクタＬの電流値が、所定値（図６（ｂ）のＩｘ）未満であるか否かが判定される。インダクタＬの電流値が、所定値未満である場合は（ステップＳ９；ＹＥＳ）、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に異常がないと判断して、処理を終了する。一方、インダクタＬの電流値が、所定値未満でない場合は（ステップＳ９；ＮＯ）、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に短絡故障が発生している可能性があるため、ステップＳ１０へ進んでリレーＲｙをオフにする。なお、ステップＳ９、Ｓ１０をステップＳ８の前に実行してもよい。
【００５５】
図１４は、停止制御の第２実施形態を示すフローチャートであって、インダクタ電流の検出結果に基づいてスイッチング素子をオフさせる場合（図８）の詳細手順を示している。図１４の各ステップは、制御部１４によって実行される。
【００５６】
ステップＳ２１では、制御部１４からリレーＲｙに与えられる制御信号に基づいて、リレーＲｙがオンする。これにより、第１変換回路１１が直流電源Ｂに接続される。そして、ステップＳ２２において、ゲートドライバ１３からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に駆動信号Ｓｇ１、Ｓｇ２が与えられ、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がスイッチング動作を行う。次のステップＳ２３では、制御部１４が動作停止指令信号（図１）を受信したか否かが判定される。動作停止指令信号を受信した場合は（ステップＳ２３；ＹＥＳ）、ステップＳ２４へ進んで、前述した停止処理（図１５）が行われる。
【００５７】
ステップＳ２３で動作停止指令信号を受信しない場合は（ステップＳ２３；ＮＯ）、ステップＳ２５へ進む。ステップＳ２５では、電流検出回路１５により過電流が検出されたか否か、すなわち、インダクタＬに一定以上の電流が流れたか否かが判定される。過電流が検出されなければ（ステップＳ２５；ＮＯ）、ステップＳ２２へ戻ってスイッチング動作を継続する。過電流が検出された場合は（ステップＳ２５；ＹＥＳ）、インダクタＬの電流を減少させるために、ステップＳ２６において、駆動信号のデューティ値を５１％まで低下させる。
【００５８】
ステップＳ２７では、デューティ値を低下させた後、インダクタＬの電流が減少したか否かが判定される。インダクタＬの電流が減少していない場合は（ステップＳ２７；ＮＯ）、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に短絡故障が発生している可能性があり、デューティ値の変更では対応できないため、ステップＳ３０、Ｓ３１へ進み、リレーＲｙをオフにするとともに、スイッチング動作を停止させる。一方、インダクタＬの電流が減少した場合は（ステップＳ２７；ＹＥＳ）、ステップＳ２８へ進む。
【００５９】
ステップＳ２８では、電流検出回路１５により検出されたインダクタＬの電流値が、所定値（図８（ｂ）のＩｙ）未満であるか否かが判定される。インダクタＬの電流値が所定値未満でない場合は（ステップＳ２８；ＮＯ）、ステップＳ２７へ戻り、ステップＳ２７、Ｓ２８を反復する。そして、インダクタＬの電流値が所定値未満になると（ステップＳ２８；ＹＥＳ）、ステップＳ２９へ進む。ステップＳ２９では、制御部１４からゲートドライバ１３へ与えられる制御信号に基づいて、ゲートドライバ１３が駆動信号の出力を停止する結果、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフとなり、スイッチング動作が停止する。なお、ステップＳ２９でスイッチング動作が停止した場合は、リレーＲｙがオフではないので、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２へ駆動信号を与えて、スイッチング動作を再開することができる。
【００６０】
図１６は、電圧変換装置の他の例を示している。この電圧変換装置２００では、第１変換回路１１の構成は、図１の第１変換回路１１の構成と同じであり、第２変換回路２２の構成が、図１の第２変換回路１２の構成と異なっている。第２変換回路２２においては、二次巻線Ｗ２の一端にダイオードＤ５のアノードが接続され、二次巻線Ｗ２の他端にダイオードＤ６のアノードが接続されている。ダイオードＤ５、Ｄ６のカソードは、コンデンサＣ６の一端と共に、出力端子Ｔ３に接続されている。コンデンサＣ６の他端は、出力端子Ｔ４および二次巻線Ｗ２の中間端子ｎに接続されているとともに、グランドＧに接地されている。ダイオードＤ５、Ｄ６は、本発明における「整流素子」の一例である。図１６の電圧変換装置２００においても、図１の電圧変換装置１００と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
本発明では、以上述べた実施形態以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。
【００６２】
前記の各実施形態においては、電圧変換装置１００、２００がＤＣ−ＤＣコンバータであったが、本発明の電圧変換装置は、たとえばＤＣ−ＡＣコンバータであってもよい。この場合は、第２変換回路１２、２２で得られた直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換する第３変換回路が、第２変換回路１２、２２の後段に設けられる。
【００６３】
前記の各実施形態においては、第２変換回路１２、２２の整流素子としてダイオードＤ３〜Ｄ６を用いたが、ダイオードの替わりにＦＥＴを用いてもよい。
【００６４】
前記の各実施形態においては、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２にＦＥＴを用いたが、ＦＥＴの替わりにトランジスタやＩＧＢＴなどを用いてもよい。
【００６５】
前記の各実施形態においては、第１変換回路１１に設けられる開閉器として、リレーＲｙを例に挙げたが、リレーの替わりにスイッチ、ＦＥＴ、トランジスタなどを用いてもよい。
【００６６】
前記の各実施形態においては、車両に搭載される電圧変換装置を例に挙げたが、本発明は、車両用以外の電圧変換装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１１  第１変換回路
１２、２２  第２変換回路
１３  ゲートドライバ
１４  制御部
１５  電流検出回路
１００、２００  電圧変換装置
Ｂ    直流電源
Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６  ダイオード（整流素子）
Ｌ    インダクタ
ｍ    中間端子
Ｑ１  スイッチング素子（第１スイッチング素子）
Ｑ２  スイッチング素子（第２スイッチング素子）
Ｒｙ  リレー（開閉器）
Ｔ１  入力端子（第１入力端子）
Ｔ２  入力端子（第２入力端子）
Ｔ３、Ｔ４  出力端子
Ｔｒ  トランス
Ｗ１  一次巻線
Ｗ２  二次巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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