(57)【要約】【課題】ＺＶＳによる動作が可能な電源回路等を提供すること。【解決手段】本発明の一形態の電源回路は、電源電位ノードと出力電位ノードとの間に接続された第１のリアクトルＬ１と、出力電位ノードと直流電源１１の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第１のスイッチＳ１と、出力電位ノードと接地電位ノードとの間に第１のスイッチＳ１と並列に接続された第１のコンデンサＣ３と、電源電位ノードと出力電位ノードとの間に第１のリアクトルＬ１と並列に接続されかつ互いに直列接続された第２のリアクトルＬ２及び第２のスイッチＳ２と、出力電位ノードと接地電位ノードとの間に第１のスイッチＳ１及び第１のコンデンサＣ３と並列に接続された第２のコンデンサＣ２と、第１のスイッチＳ１の両端の電圧が減少状態であると判定した場合に、第１のスイッチＳ１の状態変化を禁止させるように構成されたスイッチ制御回路と、を備える。【選択図】図２
2011167018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力される直流電圧を所定の電圧に昇圧して出力電位ノードから出力する電源回路であって、
前記直流電源の高電位側に接続された電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に接続された第１のリアクトルと、
前記出力電位ノードと前記直流電源の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第１のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチと並列に接続された第１のコンデンサと、
前記電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に前記第１のリアクトルと並列に接続されかつ互いに直列接続された第２のリアクトル及び第２のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチ及び前記第１のコンデンサと並列に接続された第２のコンデンサと、
前記第１のスイッチの両端の電圧が減少状態であると判定した場合に、前記第１のスイッチの状態変化を禁止させるように構成されたスイッチ制御回路と、を備える
ことを特徴とする電源回路。
【請求項２】
直流電源から入力される直流電圧を所定の電圧に昇圧して出力電位ノードから出力する電源回路であって、
前記直流電源の高電位側に接続された電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に接続された第１のリアクトルと、
前記出力電位ノードと前記直流電源の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第１のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチと並列に接続された第１のコンデンサと、
前記電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に前記第１のリアクトルと並列に接続されかつ互いに直列接続された第２のリアクトル及び第２のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチ及び前記第１のコンデンサと並列に接続された第２のコンデンサと、
前記第１のスイッチの両端の電圧が不変状態または増加状態であると判定した場合に、前記第１のスイッチを非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成されたスイッチ制御回路と、を備える
ことを特徴とする電源回路。
【請求項３】
前記第２のコンデンサの両端の電圧を測定する第２の電圧測定部をさらに備え、
前記スイッチ制御回路は、前記第２の電圧測定部の測定結果に基づいて前記第１のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御するよう構成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源回路。
【請求項４】
前記第１のスイッチの両端の電圧を測定する第１の電圧測定部をさらに備え、
前記スイッチ制御回路は、前記第１の電圧測定部の測定結果に基づいて前記第１のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御するよう構成された
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源回路。
【請求項５】
前記第１のリアクトルに流れる電流と前記第２のリアクトルに流れる電流とを測定する電流測定部をさらに備え、
前記スイッチ制御回路は、前記第２のリアクトルに流れる電流が、前記第１のリアクトルに流れる電流より低くなる前に、前記第１のスイッチを非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成された
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源回路。
【請求項６】
前記第２のリアクトル及び前記第２のスイッチのいずれか一方並びに前記第２のコンデンサが接続された第１ノードにカソードが接続され、前記出力電位ノードにアノードが接続された第１のダイオードをさらに備える
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電源回路。
【請求項７】
前記第２のリアクトルにアノードが接続され、前記第２のスイッチにカソードが接続された第２のダイオードをさらに備える
ことを特徴とする請求項６に記載の電源回路。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電源回路と、
前記直流電源とを備えることを特徴とする電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源回路及び電源システムに関し、特に、より適切なタイミングでソフトスイッチングを行うことが可能な電源回路及び電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧変換器として、直流（ＤＣ）電圧を昇圧または降圧するための電源回路であるＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、パーソナルコンピュータ、ＡＶ機器、携帯電話機、及び電源システム等の電気回路を含む電気機器に広く用いられている。近年では、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の電源システムにＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる例もある。
【０００３】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子、リアクトル（コイル）、コンデンサ、及びダイオード等の電子部品を組み合わせて構成することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータには、スイッチング素子のソフトスイッチングによる動作を実現する共振型コンバータと呼ばれるものがある。共振型コンバータにおけるソフトスイッチングは、電流共振現象等を利用して、電圧及び電流の少なくとも一方をゼロとした状態でスイッチング素子を動作させることを可能にし、スイッチング素子の動作時における電力損失の低減を図るものである。従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば特開２００６−３４０４７６号公報（特許文献１）または国際公開第２００６／０９８３７６号パンフレット（特許文献２）などに開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４０４７６号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０９８３７６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング素子をソフトスイッチングにより動作させる際に、リアクトルやコンデンサなどの電子部品の特性がばらつくことを十分に考慮していなかった。そのため、当該電子部品の特性のばらつきにより、適切なＺＶＳ（Ｚｅｒｏ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ：ゼロボルトスイッチング）ができず、電力損失を生じることがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決する電源回路等を提供することを一つの目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題等を解決するために、本発明の一形態である電源回路は、直流電源から入力される直流電圧を所定の電圧に昇圧して出力電位ノードから出力する電源回路であって、前記直流電源の高電位側に接続された電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に接続された第１のリアクトルと、前記出力電位ノードと前記直流電源の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第１のスイッチと、前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチと並列に接続された第１のコンデンサと、前記電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に前記第１のリアクトルと並列に接続されかつ互いに直列接続された第２のリアクトル及び第２のスイッチと、前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチ及び前記第１のコンデンサと並列に接続された第２のコンデンサと、前記第１のスイッチの両端の電圧が減少状態であると判定した場合に、前記第１のスイッチの状態変化を禁止させるように構成されたスイッチ制御回路と、を備える。
【０００８】
かかる構成の電源回路によれば、第１のスイッチの両端の電圧が減少状態であると判定した場合には、第１のスイッチの状態変化が起こらないようにする。これによって、電源回路を構成する電子部品の特性にばらつきがあった場合でも、ＺＶＳにより電源回路を動作させることが可能となり、無駄な電力の損失を抑制することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の一形態である電源回路は、直流電源から入力される直流電圧を所定の電圧に昇圧して出力電位ノードから出力する電源回路であって、前記直流電源の高電位側に接続された電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に接続された第１のリアクトルと、前記出力電位ノードと前記直流電源の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第１のスイッチと、前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチと並列に接続された第１のコンデンサと、前記電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に前記第１のリアクトルと並列に接続されかつ互いに直列接続された第２のリアクトル及び第２のスイッチと、前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第１のスイッチ及び前記第１のコンデンサと並列に接続された第２のコンデンサと、前記第１のスイッチの両端の電圧が不変状態または増加状態であると判定した場合に、前記第１のスイッチを非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成されたスイッチ制御回路と、を備える構成としてもよい。
【００１０】
かかる構成の電源回路によれば、第１のスイッチの両端の電圧が不変状態または増加状態であると判定した場合に、第１のスイッチの状態変化が起こるようにする。これによって、電源回路を構成する電子部品の特性にばらつきがあった場合でも、ＺＶＳにより電源回路を動作させることが可能となり、無駄な電力の損失を抑制することが可能となる。また、第１のスイッチの両端の電圧が増加状態である場合に第１のスイッチを導通状態から非導通状態へと変化させたとしても、その時点以降において第１のスイッチの両端の電圧が減少することはないことを考慮すると、やはり無駄な電力の損失を抑制することができる。
【００１１】
また、上記電源回路において、前記第２のコンデンサの両端の電圧を測定する第２の電圧測定部をさらに備え、前記スイッチ制御回路は、前記第２の電圧測定部の測定結果に基づいて前記第１のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御するよう構成されていることが好ましい。
【００１２】
かかる構成の電源回路によれば、第１のスイッチの両端の電圧を直接測定することなく、当該第１のスイッチの両端の電圧と同様に変化する第２のコンデンサの両端の電圧の測定結果に基づいて第１のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御させることができる。
【００１３】
また、上記電源回路において、前記第１のスイッチの両端の電圧を測定する第１の電圧測定部をさらに備え、前記スイッチ制御回路は、前記第１の電圧測定部の測定結果に基づいて前記第１のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御するよう構成されていることが好ましい。
【００１４】
かかる構成の電源回路によれば、第１のスイッチの両端の電圧を直接測定しながら、当該測定結果に基づいて第１のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御させることができる。
【００１５】
また、上記電源回路において、前記第１のリアクトルに流れる電流と前記第２のリアクトルに流れる電流とを測定する電流測定部をさらに備え、前記スイッチ制御回路は、前記第２のリアクトルに流れる電流が、前記第１のリアクトルに流れる電流より低くなる前に、前記第１のスイッチを非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成されていることが好ましい。
【００１６】
第１のリアクトルを流れる電流が第２のリアクトルを流れる電流より高くなると、第２のコンデンサに再度電荷の蓄積が始まり、第２のコンデンサの両端の電圧が高くなり始める。第２のコンデンサの両端の電圧が高くなると、第１のスイッチの両端の電圧も同様に高くなる。第１のスイッチの電圧が高くなった状態で、第１のスイッチを非導通状態から導通状態に変化させると、ＺＶＳによる動作ではないために電力の損失が生じる。
【００１７】
上記構成の電源回路によれば、第２のリアクトルに流れる電流が第１のリアクトルに流れる電流より低くなる前に、第１のスイッチを非導通状態から導通状態へと変化させる。これによって、第１のスイッチの両端の電圧が上昇することで電源回路がＺＶＳによる動作でなくなることを回避することができる。すなわち、第２のコンデンサに電荷が蓄積されることにより第１のスイッチの両端の電圧が上昇し、電源回路がＺＶＳによる動作でなくなることを防止することができる。
【００１８】
また、上記電源回路において、前記第２のリアクトル及び前記第２のスイッチのいずれか一方並びに前記第２のコンデンサが接続された第１ノードにカソードが接続され、前記出力電位ノードにアノードが接続された第１のダイオードをさらに備えることが好ましい。
【００１９】
また、上記電源回路において、前記第２のリアクトルにアノードが接続され、前記第２のスイッチにカソードが接続された第２のダイオードをさらに備えることが好ましい。
【００２０】
かかる構成の電源回路によれば、第２のリアクトルに電源電位ノードから出力電位ノードに向かう方向に意図せず電流が逆流することにより、第２のコンデンサに電荷が蓄積されることを防止することができる。
【００２１】
また、本発明によれば、上記いずれかの電源回路と直流電源とを備える電源システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る電源システム及び当該電源システムを搭載した車両の構成例を示す模式図。
【図２】実施形態に係る電源回路の構成例を示す図。
【図３】実施形態に係る電源回路の動作時における各部の信号波形を重ねて表示した図。
【図４】実施形態に係る電源回路の動作時における各部の信号波形を並べて表示した図。
【図５】実施形態に係る電源回路の第１の動作状態を示す図。
【図６】実施形態に係る電源回路の第２の動作状態を示す図。
【図７】実施形態に係る電源回路のスイッチングの制御に関する第１の波形図。
【図８】実施形態に係る電源回路のスイッチングの制御に関する第２の波形図。
【図９】実施形態に係る電源回路のスイッチングの制御に関する第３の波形図。
【図１０】実施形態に係る電源回路のスイッチングの制御に関する第４の波形図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る一実施形態について、以下の構成に従って、図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下の実施形態はあくまで本発明の一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、各図面において、同一の部品には同一の符号を付してその説明を省略する。
１．定義
２．電源システムを搭載した車両の構成例
３．電源回路の構成例
４．電源回路の動作例
５．電源回路の制御の一例
６．まとめ
７．補足
【００２４】
＜１．定義＞
まず、本明細書における用語を以下のとおり定義する。
【００２５】
「ソフトスイッチング」：電圧及び電流の少なくとも一方をゼロとした状態でスイッチング素子を動作させることを可能にし、スイッチング素子の動作時における電力損失の低減を図るものであり、ＺＶＳ（ゼロボルトスイッチング）とＺＣＳ（ゼロカレントスイッチング）を含む。
【００２６】
＜２．電源システムを搭載した車両の構成例＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電源システム１０及び当該電源システム１０を搭載した車両１の構成例を模式的に示す図である。
【００２７】
電源システム１０は、例示的に、燃料電池（ＦＣ）１１を有する燃料電池システムであり、車両１は、燃料電池システム１０を駆動電力の供給源とする電気機器の一例としての燃料電池自動車である。なお、車両１は、電気自動車やハイブリッド自動車を含んでもよい。
【００２８】
＜車両１＞
車両１は、駆動輪２を駆動するモータ１６、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０、及びアクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ２１等を備えて構成される。アクセルペダルセンサ２１は、ＥＣＵ２０に電気的に接続されており、例えば、ＥＣＵ２０は、検出したアクセスペダルの開度に応じてモータ１６（駆動輪２）の回転速度を制御可能に構成される。
【００２９】
＜燃料電池システム１０＞
燃料電池システム１０は、前記燃料電池（ＦＣ）１１のほか、非限定的な一例として、ＦＣ昇圧コンバータ１２、バッテリ１３、バッテリ昇圧コンバータ１４、及びインバータ１５等を備える。
【００３０】
＜燃料電池（ＦＣ）１１＞
ＦＣ１１は、電気化学反応を利用して発電する装置である。ＦＣ１１には、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、またはアルカリ電解質型等の種々のタイプの燃料電池を適用可能である。ＦＣ１１が発電した電力は、車両１の駆動輪２を駆動するモータ１６の駆動電力や、バッテリ１３の充電に用いられる。
【００３１】
＜バッテリ１３＞
バッテリ１３は、充放電可能な二次電池であり、リチウムイオン、ニッケル水素、またはニッケルカドミウム等の種々のタイプの二次電池を適用可能である。バッテリ１３は、車両１やＦＣ１１の運転時に使用される種々の電気機器に電力を供給することができる。ここでいう電気機器には、例えば、車両１の照明機器、空調機器、油圧ポンプ、ＦＣ１１の燃料ガスや改質原料を供給するポンプ、または改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
【００３２】
これらのＦＣ１１及びバッテリ１３は、図１に例示するように、インバータ１５に対して電気的に並列に接続されている。
【００３３】
＜ＦＣ昇圧コンバータ１２＞
ＦＣ１１からインバータ１５に至る電気経路には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が設けられている。ＦＣ昇圧コンバータ１２は、入力の直流（ＤＣ）電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであり、ＦＣ１１で発生したＤＣ電圧を変換可能な範囲で所定のＤＣ電圧に変換（例えば昇圧）して、インバータ１５に印加することができる。このようにＦＣ１１の電圧をＦＣ昇圧コンバータによって昇圧することにより、ＦＣ１１の出力電圧が低くても、モータ１６の駆動に要する高い電圧を確保することが可能となる。
【００３４】
＜バッテリ昇圧コンバータ１４＞
一方、バッテリ１３からインバータ１５に至る電気経路には、バッテリ昇圧コンバータ１４が、ＦＣ昇圧コンバータ１２とインバータ１５との間の電気経路に対して並列に接続されている。当該バッテリ昇圧コンバータ１４も、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、バッテリ１３又はインバータ１５から印加されたＤＣ電圧を変換可能な範囲で所定のＤＣ電圧に変換することができる。
【００３５】
バッテリ昇圧コンバータ１４には、昇圧及び降圧の双方を可能な昇降圧型のコンバータを適用でき、例えば、バッテリ１３からの入力ＤＣ電圧を変換（昇圧）してインバータ１５側に出力する一方、ＦＣ１１又はモータ１６からの入力ＤＣ電圧を変換（降圧）してバッテリ１３に出力することが可能である。これにより、バッテリ１３の充放電が可能となる。
【００３６】
また、バッテリ昇圧コンバータ１４は、出力電圧が制御されることで、インバータ１５の端子電圧を制御することが可能である。当該制御は、インバータ１５に対して並列に接続されたＦＣ１１及びバッテリ１３の各電源の相対的な出力電圧差を制御して、両者の電力を適切に使い分けることを可能にする。
【００３７】
＜インバータ１５＞
インバータ１５は、ＦＣ１１からＦＣ昇圧コンバータ１２を介して、また、バッテリ１３からバッテリ昇圧コンバータ１４を介して、ＤＣ電圧の入力を受け、当該入力ＤＣ電圧を交流（ＡＣ）電圧に変換し、これをモータ１６の駆動電圧として供給する。その際、ＥＣＵ２０は、要求動力に応じたＡＣ電圧がモータ１６に供給されるよう、インバータ１５のスイッチング動作を制御する。
【００３８】
＜電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０＞
ＥＣＵ２０は、既述の制御のほか、車両１及び燃料電池システム１０の動作（運転）を統括的に制御する。ＥＣＵ２０は、例示的に、演算処理装置の一例としてのＣＰＵ、記憶装置の一例としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたマイクロコンピュータとして実現できる。ＥＣＵ２０は、モータ１６や燃料電池システム１０の各要素、種々のセンサ群と電気的に接続され、各種センサ値の受信、演算処理、指令（制御信号）の送信等を適宜に実施する。センサ群には、アクセルペダルセンサ２１のほか、例示的に、バッテリ１３の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ、及び車速（モータ１６の回転数）を検出する車速センサ等が含まれ得る。また、ＥＣＵ２０はＦＣ昇圧コンバータ１２におけるスイッチング動作などを制御可能に構成されている。
【００３９】
＜３．電源回路の構成例＞
次に、本実施形態における電源回路の一例であるＦＣ昇圧コンバータ１２について説明する。図２は、当該ＦＣ昇圧コンバータ１２の具体的な構成例を示す図である。図２に示すＦＣ昇圧コンバータ１２は、主回路１２ａ及び補助回路１２ｂを備え、直流電源としてのＦＣ１１から電圧を入力され、インバータ１５（モータ１６）側へ電圧を出力するよう構成される。
【００４０】
＜主回路１２ａ＞
主回路１２ａは、メインスイッチＳ１及び逆並列ダイオードＤ４を含むスイッチ回路、リアクトル（コイル）Ｌ１、出力ダイオードＤ５、入力コンデンサＣ１、及び出力コンデンサＣ３を備える。主回路１２ａにおいて、リアクトルＬ１は、ＦＣ１１の高電位側に接続された電源電位ノードと、負荷であるインバータ１５（モータ１６）に接続された出力電圧ノードとの間に接続される。出力ダイオードＤ５は、リアクトルＬ１と直列に接続され、そのアノードはリアクトルＬ１に、カソードは出力電位ノードに接続される。メインスイッチＳ１は、出力ダイオードＤ５のアノード及びリアクトルＬ１の接続点と、ＦＣ１１の低電位側に接続された接地電位（ＧＮＤ）との間に接続される。また、出力ダイオードＤ５のアノードとＦＣ１１の低電位側に接続された接地電位との間には、メインスイッチＳ１と並列に逆並列ダイオードＤ４が接続される。ここで、逆並列ダイオードＤ４のアノードは接地電位側に、カソードは出力ダイオードＤ５のアノードに接続される。入力コンデンサＣ１は、電源電位ノードと接地電位ノードとの間に接続される。当該入力コンデンサＣ１は、その両端に印加される入力電圧（電源電圧）を平滑化してリプルを低減する。出力コンデンサＣ３は、出力電位ノードと接地電位ノードとの間に接続される。当該出力コンデンサＣ３は、電源回路１２からの出力電圧を平滑化して変動を低減する。
【００４１】
上記のような構成の主回路１２ａは、メインスイッチＳ１のスイッチングにより導通状態及び非導通状態が周期的に変化されることにより、リアクトルＬ１に流れる電流量に応じたリアクトルＬ１の電気エネルギーの蓄積及び解放を周期的に繰り返す。リアクトルＬ１から解放された電気エネルギーは、ＦＣ１１の出力電圧に重畳されて、負荷であるモータ１６（インバータ１５）側に出力ダイオードＤ５経由で出力される。これにより、主回路１２ａは、ＦＣ１１から入力された直流電圧ＶＬを所定の出力電圧ＶＨに昇圧する。
【００４２】
メインスイッチＳ１には、非限定的な一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を適用可能である。この場合、メインスイッチＳ１の一方の電極（例えばコレクタ）がリアクトルＬ１と出力ダイオードＤ５との間の電気経路に並列接続されるとともに、他方の電極（例えばエミッタ）が、ＦＣ１１の低電位側（接地電位ノード）に接続される。そして、メインスイッチＳ１のゲート電極にパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等のスイッチ制御信号（ゲート電圧）が与えられることで、メインスイッチＳ１の導通状態及び非導通状態が制御される。また、スイッチ制御信号のデューティ比を制御することで、出力ダイオードＤ５へ向かう方向にリアクトルＬ１に流れる平均的な電流量を制御して、昇圧コンバータ１２の昇圧度を変化させることができる。スイッチ制御信号は、例えばＥＣＵ２０に含まれるスイッチ制御回路等によって生成される。
【００４３】
＜補助回路１２ｂ＞
補助回路１２ｂは、回生ダイオードＤ３、リアクトル（コイル）Ｌ２、スナバ逆流防止ダイオードＤ２、補助スイッチＳ２及び逆並列ダイオードＤ１を含むスイッチ回路、並びに共振コンデンサＣ２を備える。補助回路１２ｂにおいて、出力ダイオードＤ５のアノード及びリアクトルＬ１の接続点と入力電圧ノードとの間には、回生ダイオードＤ３、リアクトルＬ２、スナバ逆流防止ダイオードＤ２、及び補助スイッチＳ２が、順に、直列に接続される。また、逆並列ダイオードＤ１は、補助スイッチＳ２と並列に接続され、カソードがスナバ逆流防止ダイオードＤ２のカソードに、アノードが電源電位ノードに接続される。回生ダイオードＤ３は、アノードが出力ダイオードＤ５のアノードとリアクトルＬ１との接続点に、カソードがリアクトルＬ２及び共振コンデンサＣ２のそれぞれの一方の電極と接続される。スナバ逆流防止ダイオードＤ２は、アノードがリアクトルＬ２と、カソードが補助スイッチＳ２の一方の電極及び逆並列ダイオードＤ１のカソードと接続される。共振コンデンサＣ２は、回生ダイオードＤ３のカソード及びリアクトルＬ２の一方の電極と接地電位ノードとの間に接続される。なお、リアクトルＬ２、及び補助スイッチＳ２と逆並列ダイオードＤ１とを含むスイッチ回路の接続位置とは、互いに入れ替えてもよい。
【００４４】
上記のような構成の補助回路１２ｂは、補助スイッチＳ２を導通状態にすることで、リアクトルＬ２及び共振コンデンサＣ２によるＬＣ共振現象が発生する。当該ＬＣ共振現象を利用することで、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２のソフトスイッチングを実現することができる。
【００４５】
＜４．電源回路の動作例＞
上記のとおり構成された電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２において、ソフトスイッチング動作に基づく昇圧動作の１サイクルは、例えば以下のようにモード１〜モード６の状態遷移で表すことができる。以下、図３乃至図６を参照しながら具体的に説明する。
【００４６】
＜初期状態＞
メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２がともに非導通状態の初期状態では、図３中に点線で示す経路で電流が通流し、インバータ１５（モータ１６）側に電力が供給される。
【００４７】
＜モード１＞
図３に示すように、初期状態から、メインスイッチＳ１は非導通状態のまま、補助スイッチＳ２が非導通状態から導通状態へと変化すると、出力ダイオードＤ５に蓄積していた電荷が回生ダイオードＤ３、リアクトルＬ２、及び補助スイッチＳ２を経由して入力コンデンサＣ１へ流れて消滅させられる（ソフトターンオフ）。一方、ＦＣ１１側からリアクトルＬ１及び出力ダイオードＤ５を経由して流れていた電流が、補助回路１２ｂ側に徐々に移行していく。図３中の矢印１００はその様子を表現している。これにより、補助回路１２ｂには、図３に示すように、リアクトルＬ１、回生ダイオードＤ３、リアクトルＬ２、スナバ逆流防止ダイオードＤ２、及び補助スイッチＳ２の経路で電流２００が還流する。
【００４８】
ここで、図４は、実施形態に係る電源回路の動作時における各部の信号波形を示す波形図である。図４では、リアクトルＬ２に流れる電流を示すＬ２電流、回生ダイオードＤ３に流れる電流を示すＤ３電流、リアクトルＬ１に流れる電流を示すＬ１電流、メインスイッチＳ１に流れる電流を示すＳ１電流、共振コンデンサＣ２に流れる電流を示すＣ２電流、及び共振コンデンサＣ２に流れる電圧を示すＣ２電圧の波形がそれぞれ示されている。
【００４９】
図５は、図４に示した各部の電流または電圧の波形を、それぞれ縦に並べて表示した波形図である。
【００５０】
図４及び図５に示すように、モード１の期間（時間Ｔ０〜Ｔ１の期間）において、リアクトルＬ２及び補助スイッチＳ２に流れる電流（Ｌ２電流）は、リアクトルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）とリアクトルＬ２のインダクタンス値とに応じて増加する。
【００５１】
＜モード２＞
その後、例えば図６中に実線３００で示すように、共振コンデンサＣ２に蓄積されていた電荷がリアクトルＬ２側へ徐々に放電され、電流がリアクトルＬ２、補助スイッチＳ２及び入力コンデンサＣ１の経路で通流する。これにより、リアクトルＬ２及び共振コンデンサＣ２によるＬＣ共振現象が発生し、共振コンデンサＣ２の両端電圧が正弦波状に正から零へ徐々に減少する（図４及び図５の時間Ｔ１〜Ｔ２参照）。補助スイッチＳ２がＯＮとなる瞬間（図４及び図５の時間Ｔ１）において、補助スイッチＳ２は零電流なのでソフトスイッチングでターンオンすることになる。
【００５２】
＜モード３＞
共振コンデンサＣ２の電荷がすべて放電されて共振コンデンサＣ２の電圧が零となった後（図４及び図５の時間Ｔ２参照）、リアクトルＬ２に流れるＬ２電流がリアクトルＬ１に流れるＬ１電流よりも低くなる前のタイミング（例えば図４及び図５の時間Ｔ３参照）でメインスイッチＳ１をＯＮする。すると、補助回路１２ｂを還流していた電流がメインスイッチＳ１を通流し始め、メインスイッチＳ１に流れるＳ１電流が、一度低下した後、徐々に増加していく。なお、メインスイッチＳ１をＯＮするタイミングは、リアクトルＬ２に流れるＬ２電流がリアクトルＬ１に流れるＬ１電流よりも低くなる前のタイミングであればよいので、図４に示す時間Ｔ２から時間Ｔ４の範囲の任意のタイミングを選択可能である。
【００５３】
＜モード４＞
この時、メインスイッチＳ１は、零電流及び零電圧からのターンオンとなる。メインスイッチＳ１が導通状態であることにより、メインスイッチＳ１、ＦＣ１１、及びリアクトルＬ１の経路で電流が通流し、リアクトルＬ１に電気エネルギーが徐々に蓄積されていく。このとき、補助回路１２ｂには電流は流れないので、共振コンデンサＣ２に対する充電は行なわれず、共振コンデンサＣ２の電圧は零電圧のままである（図４及び図５参照）。
【００５４】
＜モード５＞
その後、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２をともに非導通状態にする。両スイッチＳ１及びＳ２は、同時に非導通状態にしてもよいし、補助スイッチＳ２を先に非導通状態にしてもよい。この時、共振コンデンサＣ２の電圧が零であるから、補助スイッチＳ２は、零電流及び零電圧からのターンオフ、メインスイッチＳ１は、零電圧からのターンオフとなる。メインスイッチＳ１が非導通状態になることにより、リアクトルＬ１に流れていた電流は、回生ダイオードＤ３、共振コンデンサＣ２、ＦＣ１１、及びリアクトルＬ１の経路で流れ始め、共振コンデンサＣ２への充電が始まる。共振コンデンサＣ２への充電により、メインスイッチＳ１が非導通状態になる時の電圧上昇速度が抑制され、テール電流が存在する領域での損失を低減することが可能となる。
【００５５】
＜モード６＞
共振コンデンサＣ２が出力電圧ＶＨと同電圧になるまで充電されると、出力ダイオードＤ５が導通し、リアクトルＬ１にそれまでに蓄積された電気エネルギーがインバータ１５（モータ１６）側へ供給される。その後、補助スイッチＳ２が再度導通状態となり、モード１から次のサイクルが開始する。
【００５６】
＜５．電源回路の制御の一例＞
次に、本実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２における、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２の制御について、図７乃至図１０を参照し具体例を挙げながら説明する。ここで、本実施形態の特徴のひとつは、メインスイッチＳ１の電圧が零になっている状態で、メインスイッチＳ１を導通状態から非導通状態へと変化させ、ＦＣ昇圧コンバータ１２がＺＶＳによる動作をするように制御する点である。なお、当該メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２の状態変化は、ＥＣＵ２０に含まれるスイッチ制御回路によって制御される。
【００５７】
図７は、メインスイッチＳ１におけるＺＶＳが行われているＦＣ昇圧コンバータ１２の動作例における、メインスイッチＳ１のゲート電圧（Ｓ１ゲート電圧）、補助スイッチＳ２のゲート電圧（Ｓ２ゲート電圧）、及びメインスイッチＳ１の両端の電圧（Ｓ１電圧）の時間変化を示す波形の概念図である。なお、本実施形態では一例として、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２はそれぞれ電圧がＨｉであれば導通状態となり、Ｌｏであれば非導通状態となるものとする。
【００５８】
図７に示すように、時間Ｔ１において補助スイッチＳ２がＨｉになり導通状態になる。このとき、メインスイッチＳ１はＬｏであり非導通状態である。補助スイッチＳ２が導通状態になると、メインスイッチＳ１の両端に印加される電圧は徐々に減少し、時間Ｔ２において零となる。つまり、メインスイッチＳ１をＺＶＳにより動作させるためには、メインスイッチＳ１の両端の電圧が零になる時間Ｔ２以降にメインスイッチＳ１を導通させる必要がある。ここで、メインスイッチＳ１のゲート電圧及び補助スイッチＳ２のゲート電圧を制御するスイッチ制御回路は所定のクロックにより動作しているため、スイッチ制御回路は時間Ｔ１１〜Ｔ１９のいずれかのタイミングでメインスイッチＳ１のゲート電圧及び補助スイッチＳ２のゲート電圧を変化させることができる。上記のように、時間Ｔ１〜Ｔ２の間にメインスイッチＳ１を導通させるとＺＶＳによる動作にならないため、スイッチ制御回路は、この時間Ｔ１〜Ｔ２においてメインスイッチＳ１のゲート電圧を変化させず、メインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させることを禁止する。そして、スイッチ制御回路は、時間Ｔ２以降のタイミングである、例えば時間Ｔ１４でメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させる。
【００５９】
このとき、スイッチ制御回路は、いくつかの方法により、メインスイッチＳ１の両端の電圧の状態を検出することができる。第１の方法は、メインスイッチＳ１の両端の電圧を測定する第１の電圧測定部を設ける方法である。第２の方法は、メインスイッチＳ１の両端の電圧が零になる状態では、共振コンデンサＣ２の両端の電圧も零となることを利用し、共振コンデンサＣ２の両端の電圧を測定する第２の電圧測定部を設ける方法である。スイッチ制御回路は、この第１の電圧測定部または第２の電圧測定部の測定結果に基づいて、メインスイッチＳ１の両端の電圧が減少状態であるか否かを判定する。そして、スイッチ制御回路は、メインスイッチＳ１の両端の電圧が減少状態であると判定した場合はメインスイッチＳ１の状態変化を禁止し、不変状態または増加状態であると判定した場合はメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させる。なお、メインスイッチＳ１の両端の電圧が減少状態であるか否かは、メインスイッチＳ１の両端の電圧または共振コンデンサＣ２の両端の電圧の時間変化を測定し、その電圧の傾きがプラスかマイナスかによって判定するなどの方法を用いることができる。このようにスイッチ制御回路がメインスイッチＳ１の導通状態及び非導通状態を制御することにより、上記のようにＦＣ昇圧コンバータ１２をＺＶＳにより動作させることが可能となる。
【００６０】
ここで、仮にメインスイッチＳ１におけるＺＶＳが適切に行われない場合、ＦＣ昇圧コンバータ１２の各部における電圧の波形は図８のようになる。図８に示す例では、メインスイッチＳ１は、その両端の電圧が未だ零にならず、減少中である時間Ｔ１３において非導通状態から導通状態へと変化している。このようにメインスイッチＳ１が非導通状態から導通状態へと変化するとＺＶＳによる動作が適切に行われず、消費電力が高くなってしまう。
【００６１】
次に、スイッチ制御回路がメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させるタイミングが遅くなった例について、図９を参照しながら説明する。
【００６２】
ＦＣ昇圧コンバータ１２において、リアクトルＬ１の電流及びリアクトルＬ２の電流は図４及び図５に示すように変化する。ここで、メインスイッチＳ１が非導通状態のままリアクトルＬ１の電流がリアクトルＬ２の電流よりも低くなると、共振コンデンサＣ２への充電が開始され、共振コンデンサＣ２の両端の電圧が上昇を始める。図９はこの状態を示す各部の波形図である。図９において、波線はメインスイッチＳ１が非導通状態から導通状態へと変化させられなかった場合のメインスイッチＳ１の両端の電圧を示す。また、時間Ｔ３はリアクトルＬ１の電流及びリアクトルＬ２の電流が同じ値になったタイミングである。図９では、スイッチ制御回路は時間Ｔ１８においてメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させており、時間Ｔ３から上昇を開始したメインスイッチＳ１の両端の電圧が、時間Ｔ１８から減少し始めていることが分かる。
【００６３】
そこで、本実施形態におけるＦＣ昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１に流れる電流及びリアクトルＬ２に流れる電流を測定可能な電流測定部を設け、それぞれの電流を測定する。そして、スイッチ制御回路は、当該電流測定部の測定結果に基づいて、リアクトルＬ２に流れる電流がリアクトルＬ１に流れる電流よりも低くなる前に、メインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させる。
【００６４】
ここで、仮にリアクトルＬ２の電流がリアクトルＬ１の電流よりも低くなるまでメインスイッチＳ１が非導通状態のままであった場合、それ以降のタイミングでリアクトルＬ２の電流が上昇することなどでメインスイッチＳ１の両端の電圧が零になることはない。よって、リアクトルＬ２の電流がリアクトルＬ１の電流よりも低い状態であったとしてもメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させる。そして、次回、メインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させるタイミングで、前回のタイミングよりも早いタイミングでメインスイッチＳ１の状態を変化させる。具体的には、図９に示すように時間Ｔ１８でメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させた場合、次回は図１０に示すように時間Ｔ１７でメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させる。
【００６５】
このように制御することで、あるタイミングではメインスイッチＳ１の両端の電圧が上昇しているタイミングでメインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へと変化させたとしても、次回のタイミングではメインスイッチＳ１の両端の電圧が上昇する前のタイミングでメインスイッチＳ１の状態を変化させることができる。
【００６６】
＜６．まとめ＞
上記実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１、メインスイッチＳ１、出力コンデンサＣ３、リアクトルＬ２、補助スイッチＳ２、共振コンデンサＣ２、及びＥＣＵ２０に含まれるスイッチ制御回路を備える。そして、スイッチ制御回路は、メインスイッチＳ１の両端の電圧が減少状態であると判定した場合に、当該メインスイッチＳ１の状態変化を禁止させるように構成されている。これによって、電源回路を構成する電子部品の特性にばらつきがあった場合でも、ＺＶＳにより電源回路を動作させることが可能となり、無駄な電力の損失を抑制することが可能となる。
【００６７】
また、上記実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチ制御回路は、メインスイッチＳ１の両端の電圧が不変状態または増加状態であると判定した場合に、メインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成されてもよい。これによって、電源回路を構成する電子部品の特性にばらつきがあった場合でも、ＺＶＳにより電源回路を動作させることが可能となり、無駄な電力の損失を抑制することが可能となる。
【００６８】
また、本実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２は、共振コンデンサＣ２の両端の電圧を測定する第２の電圧測定部をさらに備え、スイッチ制御回路は、当該第２の電圧測定部の測定結果に基づいてメインスイッチＳ１の導通状態及び非導通状態を制御するよう構成されている。これによれば、メインスイッチＳ１の両端の電圧と同様に変化する共振コンデンサＣ２の両端の電圧の測定結果に基づいて、メインスイッチＳ１の導通状態及び非導通状態を制御させることができる。
【００６９】
また、本実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２は、メインスイッチＳ１の両端の電圧を測定する第１の電圧測定部をさらに備え、スイッチ制御回路は、当該第１の電圧測定部の測定結果に基づいてメインスイッチＳ１の導通状態及び非導通状態を制御するよう構成されている。これによれば、メインスイッチＳ１の両端の電圧を直接測定しながら、当該測定結果に基づいてメインスイッチＳ１の導通状態及び非導通状態を制御させることができる。
【００７０】
また、本実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１に流れる電流とリアクトルＬ２に流れる電流とを測定する電流測定部をさらに備える。そして、スイッチ制御回路は、リアクトルＬ２に流れる電流が、リアクトルＬ１に流れる電流より低くなる前に、メインスイッチＳ１を非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成されている。これによれば、メインスイッチＳ１の両端の電圧が上昇することで電源回路がＺＶＳによる動作でなくなることを回避することができる。
【００７１】
また、本実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ２にアノードが接続され、補助スイッチＳ２にカソードが接続されたスナバ逆流防止ダイオードＤ２をさらに備える。これによれば、リアクトルＬ２に電源電位ノードから出力電位ノードに向かう方向に意図せず電流が逆流することにより、共振コンデンサＣ２に電荷が蓄積されることを防止することができる。
【００７２】
また、本実施形態における電源回路としてのＦＣ昇圧コンバータ１２、直流電源としてのＦＣ１１を備える電源システムに用いることが可能である。また、この電源システムは、図１に示すように車両などに搭載することが可能である。
【００７３】
＜７．補足＞
上記実施形態では、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２は、いずれも電圧がＨｉのときに導通状態となり、Ｌｏのときに非導通状態となる例を挙げたが、これに限るものではない。すなわち、これらのスイッチは、電圧がＬｏのときに導通状態となり、Ｈｉのときに非導通状態になるものでもよい。また、それぞれのスイッチにおいて電圧と導通・非導通状態が逆になっていてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
Ｃ１……入力コンデンサ
Ｃ２……共振コンデンサ
Ｃ３……出力コンデンサ
Ｄ１……逆並列ダイオード
Ｄ２……スナバ逆流防止ダイオード
Ｄ３……回生ダイオード
Ｄ４……逆並列ダイオード
Ｄ５……出力ダイオード
Ｌ１……リアクトル
Ｌ２……リアクトル
Ｓ１……メインスイッチ
Ｓ２……補助スイッチ
Ｔ０〜Ｔ３・Ｔ１１〜Ｔ１９……時間
１０……電源システム（燃料電池システム）
１２……電源回路（昇圧コンバータ）
１２ａ……主回路
１２ｂ……補助回路
１３……バッテリ
１４……バッテリ昇圧コンバータ
１５……インバータ
１６……モータ
２１……アクセルペダルセンサ
【図１】
2011167018.tif 000003
【図２】
2011167018.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011167018.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011167018.tif 000008
【図７】
2011167018.tif 000009
【図８】
2011167018.tif 000010
【図９】
2011167018.tif 000011
【図１０】
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