(57)【要約】【課題】ソフトスイッチングコンバータの補助回路を構成する補助スイッチの破壊を未然に防止することが可能なコンバータ制御装置を提供する。【解決手段】ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０は、フリーホイールダイオードＤ６を含むフリーホイール回路２２ｃを備える。補助回路２２ｂの第２直列接続体は、ダイオードＤ２のアノードが第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のカソードが第２スイッチング素子Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端の極は、コイルＬ２とフリーホイールダイオードＤ６の接続部位に接続されている。【選択図】図１２
2011109775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
前記補助回路を構成する補助コイルが通電した状態で、該補助回路を構成する補助スイッチがオフした場合に、前記通電時と同一方向に電流を流し続けるためのフリーホイール回路を備えるコンバータ制御装置。
【請求項２】
前記補助コイルは、一端が前記燃料電池の高電位側に接続されるとともに、他端が前記補助スイッチの一方の極に接続され、
前記フリーホイール回路は、フリーホイールダイオードを備え、
前記フリーホイールダイオードは、アノード端子が前記燃料電池の低電位側に接続されるとともに、カソード端子が前記補助コイルと前記補助スイッチの接続部位に接続されている、請求項１に記載のコンバータ制御装置。
【請求項３】
前記ソフトスイッチングコンバータの主昇圧回路は、
一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、
カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、
前記補助回路は、
前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを有する請求項２に記載のコンバータ制御装置。
【請求項４】
燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を、相毎に備えた多相ソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されており、
前記補助回路を構成する補助コイルが通電した状態で、該補助コイルの通電状態を形成するためにオンしていた１つ以上の相の補助スイッチがオフした場合に、前記通電時と同一方向に電流を流し続けるためのフリーホイール回路を備えるコンバータ制御装置。
【請求項５】
燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
前記補助回路の補助スイッチを構成する半導体素子のゲート抵抗値を可変にする抵抗制御回路を備え、
前記補助スイッチのーンオフ時のゲート抵抗値は、ターンオン時のゲート抵抗値よりも大きく、かつ、素子破壊抵抗閾値よりも大きい、コンバータの制御装置。
【請求項６】
前記補助スイッチのターンオンからターンオフへの遷移を検知する検知手段をさらに備え、
前記抵抗制御回路は、前記検知手段によって前記遷移が検知されたとき、前記半導体素子のゲート抵抗値を、設定された素子破壊抵抗閾値よりも大きな値に設定する、請求項５に記載のコンバータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。
【０００３】
ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御している。このような制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータとしては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、ＰＷＭ動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。
【０００４】
このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)又はＺＣＳ(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やそれに与えるストレスが低い。これに対してパワー半導体デバイスの持つスイッチング機能により電圧・電流を直接ターンオン・オフするスイッチング方式はハードスイッチングと称されている。以下の記述においてはＺＶＳ／ＺＣＳの双方もしくはその一方が実現されている方式をソフトスイッチング、それ以外をハードスイッチングという。
【０００５】
ソフトスイッチングは、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードを備えた一般的な昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにスイッチング損失を低減するための補助回路を付加したもの（いわゆるソフトスイッチングコンバータ）によって実現される（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１０２４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１９は、ソフトスイッチコンバータの補助回路のサージ電圧の発生メカニズムを説明するための図である。
補助回路１の補助スイッチ（例えばＩＧＢＴ）２がオン状態にあり、補助コイル３に電流が流れている（すなわち通電している）状態において、補助回路１に異常などが生じて補助スイッチ２がターンオフすると、補助コイル３に流れる電流は急激に遮断される。かかる急激な電流の遮断が生じると、電流変化率ｄｉ／ｄｔが非常に大きくなり、大きなサージ電圧ΔＶの発生する（下記式（Ａ）参照）。
このサージ電圧が補助スイッチ２電圧定格を超えると、素子破壊を引き起こし、最悪の場合にはシステム停止せざるを得ないという問題が生じてしまう。
【数１】
2011109775.tif 000003
Ｌ；補助コイルのインダクタンス値
【０００８】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、ソフトスイッチングコンバータの補助回路を構成する補助スイッチの破壊を未然に防止することが可能なコンバータ制御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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係るコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記補助回路を構成する補助コイルが通電した状態で、該補助回路を構成する補助スイッチがオフした場合に、前記通電時と同一方向に電流を流し続けるためのフリーホイール回路を備えることを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、補助回路を構成する補助コイルが通電した状態において、補助スイッチにオープン故障などが発生し、該補助スイッチがオンからオフに切り換わったとしても、通電時と同一方向に電流を流し続けるためのフリーホイール回路の存在により、補助コイルに電流を流し続けることができ、これにより補助スイッチを破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐことが可能となる。
【００１１】
ここで、上記構成にあっては、前記補助コイルは、一端が前記燃料電池の高電位側に接続されるとともに、他端が前記補助スイッチの一方の極に接続され、前記フリーホイール回路は、フリーホイールダイオードを備え、前記フリーホイールダイオードは、アノード端子が前記燃料電池の低電位側に接続されるとともに、カソード端子が前記補助コイルと前記補助スイッチの接続部位に接続されている態様が好ましい。
【００１２】
また、上記構成にあっては、前記ソフトスイッチングコンバータの主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、前記補助回路は、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを有する態様も好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る別のコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を、相毎に備えた多相ソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されており、前記補助回路を構成する補助コイルが通電した状態で、該補助コイルの通電状態を形成するためにオンしていた１つ以上の相の補助スイッチがオフした場合に、前記通電時と同一方向に電流を流し続けるためのフリーホイール回路を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る別のコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記補助回路の補助スイッチを構成する半導体素子のゲート抵抗値を可変にする抵抗制御回路を備え、前記補助スイッチのーンオフ時のゲート抵抗値は、ターンオン時のゲート抵抗値よりも大きく、かつ、素子破壊抵抗閾値よりも大きいことを特徴する。ここで、上記構成にあっては、前記補助スイッチのターンオンからターンオフへの遷移を検知する検知手段をさらに備え、前記抵抗制御回路は、前記検知手段によって前記遷移が検知されたとき、前記半導体素子のゲート抵抗値を、設定された素子破壊抵抗閾値よりも大きな値に設定する態様であっても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ソフトスイッチングコンバータの補助回路を構成する補助スイッチの破壊を未然に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。
【図２】従来のＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。
【図３】ソフトスイッチング処理を示すフローチャートである。
【図４】モード１の動作を示す図である。
【図５】モード２の動作を示す図である。
【図６】モード３の動作を示す図である。
【図７】モード４の動作を示す図である。
【図８】モード５の動作を示す図である。
【図９】モード６の動作を示す図である。
【図１０】モード５のスナバコンデンサ電圧Ｖｃ、素子電圧Ｖｅ、素子電流Ｉｅの関係を例示した図である。
【図１１】従来のＦＣソフトスイッチングコンバータの問題を説明するための図である。
【図１２】第１実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。
【図１３】同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。
【図１４Ａ】変形例１に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。
【図１４Ｂ】変形例２に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。
【図１５】変形例３に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの回路構成を示す図である。
【図１６】第２実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。
【図１７】同実施形態に係るゲート電圧制御回路の回路構成を示す図である。
【図１８】変形例１に係るゲート電圧制御回路の回路構成を示す図である。
【図１９】ソフトスイッチングコンバータの補助回路におけるサージ電圧の発生メカニズムを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．第１実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は第１実施形態に係る車両に搭載されたＦＣＨＶシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１８】
Ａ−１．システムの全体構成
図１は、ＦＣＨＶシステム１００のシステム全体図である。
ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とインバータ１４０の間にＦＣコンバータ２５０が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１８０が設けられている。
【００１９】
燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池１１０には、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを検出するための電圧センサＶ０、及び出力電流Ｉｆｃｍｅｓを検出するための電流センサＩ０が取り付けられている。燃料電池１１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２０】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ ・・・（３）
【００２１】
単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだＭＥＡを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
【００２２】
燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統（いずれも図示略）が設けられており、コントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。
【００２３】
ＦＣコンバータ２５０は、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池１１０側）に入力された出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ１４０側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ２５０により、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓが目標出力に応じた電圧となるように制御する。
【００２４】
バッテリ１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ１２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。
【００２５】
バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ２５０と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ１８０として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ１４０の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００２６】
インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０またはバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。
【００２７】
トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１１０から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称している。
【００２８】
コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。
【００２９】
負荷１３０の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００３０】
そして、コントローラ（コンバータ制御装置）１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１１０及びバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ２５０及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。
【００３１】
Ａ−２．ＦＣコンバータの構成
図１に示すように、ＦＣコンバータ２５０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相によって構成された三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。本実施形態では、ＦＣコンバータ２５０として昇圧型のソフトスイッチングコンバータ（以下、ＦＣソフトスイッチングコンバータ）を採用しており、後述するフリーホイール回路を設定した点に特徴がある。以下、フリーホイール回路を備えていない従来のＦＣソフトスイッチングコンバータと比較しながら本実施形態の特徴について詳細に説明する。
【００３２】
Ａ−２−１．従来のＦＣソフトスイッチングコンバータの説明
図２は、ＦＣＨＶシステム１００に搭載される従来のＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の１相分の回路構成を示す図である。なお、以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０を構成する１相分のコンバータをＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０と呼ぶ。また、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。
【００３３】
図２に示すように、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０は、昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路１２ｂとを備えて構成されている。
主昇圧回路１２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなる第１スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギを負荷１３０にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１０の出力電圧を昇圧する。
【００３４】
詳述すると、コイルＬ１の一端が燃料電池１１０の高電位側の端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１の一端の極がコイルＬ１の他端に接続され、第１のスイッチング素子Ｓ１の他端の極が燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のアノードがコイルＬ１の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサＣ３は、ダイオードＤ５のカソードと第１スイッチング素子Ｓ１の他端との間に接続されている。主昇圧回路１２ａには、燃料電池１１０側に平滑コンデンサＣ１が設けられており、これにより燃料電池１１０の出力電流のリップルを低減することが可能となる。
ここで、コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔとなり、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬは、燃料電池１１０の出力電圧であってＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ入力電圧Ｖｉｎとなる。
【００３５】
補助回路１２ｂには、第１スイッチング素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオードＤ３と当該ダイオードＤ３に直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第１直列接続体が含まれている。第１直列接続体は、ダイオードＤ３のアノードがコイルＬ１の他端に接続され、ダイオードＤ３のカソードがスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。さらに、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。
【００３６】
さらに、補助回路１２ｂには、誘導素子であるコイルＬ２と、ダイオードＤ２と、第２スイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第２直列接続体が含まれる。この第２直列接続体は、コイルＬ２の一端が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のアノードがコイルＬ２の他端に接続される一方、ダイオードＤ２のカソードが第２スイッチング素子Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続されている。なお、この第２直列接続体の回路トポロジーについて、コイルＬ２、ダイオードＤ２、第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の直列順序は適宜入れ替えた態様も採用し得る。例えば、コイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の順序を入れ替えることで、実際の実装回路ではコイルＬ１とコイルＬ２を一体化することができ、半導体素子のモジュール化が容易となる。
【００３７】
このように構成されるＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０においては、コントローラ１６０が第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチングデューティー比を調整することで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Ｖｉｎに対するコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔの比が制御される。また、第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチングが実現される。
【００３８】
次に、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０によるソフトスイッチング動作について、図３〜図７を参照しながら説明する。ここで、図３は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の一サイクルの処理（以下、ソフトスイッチング処理）のフローチャートであり、コントローラ１６０が図３に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０６を順次実行することによって一サイクルを形成する。なお、以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の電流、電圧の状態をあらわすモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図４〜図７に示す。また、図４〜図７では回路を流れる電流を矢印で示す。
【００３９】
＜ソフトスイッチング動作＞
まず、図３に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１０から負荷１３０に要求される電力が供給されている状態、すなわち第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流が負荷１３０に供給される状態にある。
【００４０】
（モード１；図４参照）
ステップＳ１０１においては、第１スイッチング素子Ｓ１のオフを保持する一方、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の出力電圧ＶＨと入力電圧ＶＬの電位差により、負荷１３０側に流れていた電流がコイルＬ１、ダイオードＤ３、コイルＬ２、第２スイッチング素子Ｓ２を介して補助回路１２ｂ側に徐々に移行してゆく。なお、図４中では、負荷１３０側から補助回路１２ｂ側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
【００４１】
さらに、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンすることにより、図４に示す矢印Ｄm11の向きに電流の循環が発生する。ここで、第２スイッチング素子Ｓ２の電流変化速度は、コイルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）とコイルＬ２のインダクタンスに従い増加していくが、第２スイッチング素子Ｓ２に流れる電流はコイルＬ２により抑制されるため、結果としてダイオードＤ５を介して負荷１３０側に流れる電流（図４に示す矢印Ｄm12参照）のソフトターンオフが実現される。
ここで、モード１からモード２への遷移完了時間ｔｍ１は下記式（４）によって表される。
【数２】
2011109775.tif 000004
Ｉｐ；相電流
Ｌ２ｉｄ；コイルＬ２のインダクタンス
【００４２】
（モード２；図５参照）
上記遷移完了時間が経過し、ステップＳ１０２に移行すると、ダイオードＤ５を流れる電流はゼロとなり、コイルＬ１及びダイオードＤ３を介して補助回路１２ｂ側に電流が流れ込むとともに（図５に示す矢印Ｄm21参照）、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れてゆく（図５に示す矢印Ｄm22参照）。このスナバコンデンサＣ２の容量に応じて、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧が決定される。ここで、モード２では、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフするときにスナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂに流れることで、スナバコンデンサＣ２にかかる電圧は低下（ＶＨ→０）してゆく。このとき、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２のＬＣ共振により、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロになるまで、電流は流れ続ける。ここで、コイルＬ２の一端にはダイオードＤ２のアノードが接続されているため、ＬＣ共振は半波で止まる。このため、スナバコンデンサＣ２は、放電後に０Ｖを保持することになる。なお、補助回路１２ｂを流れる電流のうち、一部はダイオードＤ４を介して補助回路１２ｂ側に流れてゆく。
ここで、モード２からモード３への遷移完了時間ｔｍ２は下記式（５）によって表される。
【数３】
2011109775.tif 000005
Ｃ２ｄ；コンデンサＣ２の容量
【００４３】
（モード３；図６参照）
上記遷移完了時間が経過し、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜けきると、第１スイッチング素子Ｓ２がターンオンされ、ステップＳ１０３に移行する。スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態では、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなる。かかる状態では、コイルＬ１に流れる電流Ｉｌ１は、矢印Ｄｍ３１に示す補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１と矢印Ｄｍ３２に示す第１スイッチング素子Ｓ１を介して流れる電流Ｉｄｍ３２の和となる（下記式（６）参照）。
【数４】
2011109775.tif 000006
【００４４】
ここで、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流Ｉｄｍ３１は、補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の減少速度に応じて決定される。補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の電流変化速度は下記式（７）によって表わされる。すなわち、補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１は、下記式（７）の変化速度で減少していくため、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオンしたとしても第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流が急に立ち上がることはなく、ＺＣＳ（Zero Current Switching）が実現される。
【数５】
2011109775.tif 000007
【００４５】
（モード４；図７参照）
そして、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３の状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させてコイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく（図７に矢印Ｄm42参照）。ここで、補助回路１２ｂにおけるコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２との間には、アノードがコイルＬ２の一端に接続されるとともにカソードが第２スイッチング素子Ｓ２の一端に接続されたダイオードＤ２が存在するため、コイルＬ２に逆電流は流れず（図７に示す矢印Ｄm41参照）、第２スイッチング素子Ｓ２を介してスナバコンデンサＣ２は充電されない。また、この時点で第１スイッチング素子Ｓ１はターンオンしているため、ダイオードＤ３を経由してスナバコンデンサＣ２が充電されることもない。従って、コイルＬ１の電流＝第１スイッチング素子Ｓ１の電流となり、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオン時間Ｔｓ１は、下記式（８）によって表される。
【数６】
2011109775.tif 000008
Ｔｃｏｎ；制御周期
なお、制御周期とは、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの一連の処理を一周期（一サイクル）としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。
【００４６】
（モード５；図８参照）
ステップＳ１０４においてコイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２がターンオフされ、図８に矢印Ｄm51で示す経路に電流が流れる。ここで、図１０は、モード５におけるスナバコンデンサＣ２の電圧（以下、スナバコンデンサ電圧）Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧（以下、素子電圧）Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流（以下、素子電流）Ｉｅの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード２において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサ電圧ＶｃはＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧ＶＨに向かって上昇する。このとき、素子電圧Ｖｅの上昇速度は、スナバコンデンサＣ２への充電により抑制され（すなわち、素子電圧の立ち上がりが鈍化され）、素子電流Ｉｅにおいてテール電流が存在する領域（図１０に示すα参照）でのスイッチング損失を低減することが可能となる。
【００４７】
（モード６；図９参照）
スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギが負荷１３０側に解放される（図９に示す矢印Ｄm61参照）。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフ時間Ｔｓ２は、下記式（９）によって表される。
【数７】
2011109775.tif 000009
【００４８】
以上説明したソフトスイッチング処理を行うことでＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１０の出力電圧を所望の電圧に上昇し、負荷１３０に供給することが可能となる。
【００４９】
＜従来のＦＣソフトスイッチングコンバータの問題＞
図１１は、従来のＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の問題を説明するための図であり、上述したモード１での状態を示す図である。
第２スイッチング素子Ｓ２がオンすることで矢印Ｄm11の向きに電流の循環が発生してコイルＬ２が通電した状態において、オープン故障するなどして第２スイッチング素子Ｓ２がオンからオフに切り換わると、コイルＬ２に流れる電流は急激に遮断される。かかる急激な電流の遮断が生じると、電流変化率ｄｉ／ｄｔが非常に大きくなり、大きなサージ電圧ΔＶの発生し、素子破壊を引き起こし、最悪の場合にはシステム停止せざるを得ないという問題が生じてしまう（発明が解決しようとする課題の項参照）。なお、上記ではコイルＬ２に流れる電流が急激に遮断される例として第２スイッチング素子Ｓ２がオープン故障した場合を例示したが、これに限られる趣旨でないことは理解されよう。本実施形態では、このようなサージ電圧ΔＶの発生を防止するために、コイルＬ２の通電中に第２スイッチング素子Ｓ２がターンオフしても、このコイルＬ２に電流を流し続けることができるフリーホイール回路を設定する。
【００５０】
Ａ−２−２．本実施形態のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０の説明
図１２は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０の１相分の回路構成を示す図である。なお、図２に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
図１２と図２を比較して明らかなように、本実施形態に係るソフトスイッチングコンバータ２５０は、図２に示す補助回路１２ｂのコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２の配置順序入れ換えた補助回路２２ｂを有しており、かつ、フリーホイールダイオードＤ６を含むフリーホイール回路２２ｃが形成されている点に特徴の１つがある。
【００５１】
本実施形態に係る補助回路２２ｂの第２直列接続体は、ダイオードＤ２のアノード端子が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端の極は、コイルＬ２とフリーホイール回路２２ｃを形成するフリーホイールダイオードＤ６の接続部位に接続されている。フリーホイールダイオードＤ６のアノードは、燃料電池１１０の低電位側に接続される一方、フリーホイールダイオードＤ６のカソードはコイルＬ２に接続されている。
【００５２】
かかる構成によれば、コイルＬ２が通電した状態（第２スイッチング素子；オン）において、第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障などが発生し、第２スイッチング素子Ｓ２がオンからオフに切り換わったとしても、フリーホイールダイオードＤ６の存在により、図１３に示すように矢印Ｄm71の向き（上述したコイルＬ２の通電時と同一の方向）に電流の循環が発生し、コイルＬ２に電流を流し続けることができ、これにより第２スイッチング素子Ｓ２を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐことが可能となる。
【００５３】
＜変形例１＞
図１４Ａは、変形例１に係るＦＣソフトスイッチングコンバータ３５０の回路構成を示す図である。
図１４Ａと図２を比較して明らかなように、変形例１に係るソフトスイッチングコンバータ３５０は、図２に示す補助回路１２ｂのコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２が直接接続され、かつ、ツェナーダイオードＤ７（またはバリスタＶ１）を含むフリーホイール回路２２ｃが形成されている点に特徴がある。
【００５４】
本実施形態に係る補助回路２２ｂの第２直列接続体は、コイルＬ２の一端と第２スイッチング素子（補助スイッチＳ２）の一端の極が接続されている。また、このコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２の接続部位にツェナーダイオードＤ７のカソード（またはバリスタＶ１の一端）が接続される一方、ツェナーダイオードＤ７のアノード（またはバリスタＶ１の他端）が燃料電池１１０の低電位側に接続されている。
【００５５】
かかる構成によれば、コイルＬ２が通電した状態（第２スイッチング素子；オン）において、第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障などが発生し、第２スイッチング素子Ｓ２がオンからオフに切り換わったとしても、ツェナーダイオードＤ７（またはバリスタＶ１）の存在により、図１４Ａの矢印Ｄv1の向きに電流を流すことができ（すなわちコイルＬ２の電流をフリーホイールさせることができ）、これにより第２スイッチング素子Ｓ２を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐことが可能となる。
【００５６】
＜変形例２＞
図１４Ｂは、変形例２に係るＦＣソフトスイッチングコンバータ４５０の回路構成を示す図である。
図１４Ｂと図１４Ａを比較して明らかなように、変形例２に係るソフトスイッチングコンバータ４５０は、ツェナーダイオードＤ７（またはバリスタＶ１）を含むフリーホイール回路２２ｃがコイルＬ２に並列に接続されている点に特徴がある。
【００５７】
本実施形態に係る補助回路２２ｂの第２直列接続体は、コイルＬ２の一端と第２スイッチング素子（補助スイッチＳ２）の一端の極が接続されている。また、このコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２の接続部位にツェナーダイオードＤ７のカソード（またはバリスタＶ１の一端）が接続される一方、ツェナーダイオードＤ７のアノード（またはバリスタＶ１の他端）がコイルＬ２の他端に接続されている。
【００５８】
かかる構成によっても、コイルＬ２が通電した状態（第２スイッチング素子；オン）において、第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障などが発生し、第２スイッチング素子Ｓ２がオンからオフに切り換わったとしても、ツェナーダイオードＤ７（またはバリスタＶ１）の存在により、図１４Ｂの矢印Ｄｖ２の向きに電流を流すことができ（すなわちコイルＬ２の電流をフリーホイールさせることができ）、これにより第２スイッチング素子Ｓ２を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐことが可能となる。
【００５９】
＜変形例３＞
上述した本実施形態では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０について、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインターリーブ構成を採用し、相ごとに補助回路２２ｂ及びフリーホイール回路２２ｃを設けた場合について説明したが、部品点数及びコストの低減を図るために、これらの回路素子の一部を共通化しても良い。
【００６０】
図１５は、変形例３に係るＦＣソフトスイッチングコンバータ５５０の回路構成を示す図である。
本変形例３においては、補助回路３２ｂの動作時間は主昇圧回路３２ａの動作時間に比して短いことを利用して、各相に設けられた補助回路３２ｂについてコイルＬ２を共通化するとともに、フリーホイール回路３２ｃ（ここではフリーホイールダイオードＤ６）を共通化している。その他の構成等は第１実施形態と同様であるため、対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を割愛する。このように回路素子の一部を共通化することで、回路全体のコスト増大を抑制するようにしても良い。
なお、コイルＬ２の一部に耐圧が低い部分を設定し、コイルＬ２に発生する電圧が素子破壊電圧に至る前にコイルＬ２の内部を短絡してサージ電圧の発生を防止しても良い。
【００６１】
Ｂ．第２実施形態
図１６は、第２実施形態に係るＦＣＨＶシステム３００のシステム全体図であり、図１７はゲート電圧制御回路５００の回路構成を示す図である。
このＦＣＨＶシステム３００は、フリーホイール回路３２ｃの代わりにゲート電圧制御回路５００を備えている。その他の構成は、図１に示すＦＣＨＶシステム１００と同様であるため、対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
【００６２】
ゲート電圧制御回路５００は、回路駆動用の電源５１０と、ターンオン制御部５２０と、ターンオフ制御部５３０と、ドライブ回路５４０とを備えている。ターンオン制御部５２０は、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンするためのスイッチＷ１と、ターンオン用のゲート抵抗Ｒ１とを備える一方、ターンオフ制御部５３０は、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオフするためのスイッチＷ２、Ｗ３と、ターンオフ用のゲート抵抗Ｒ２、Ｒ３とを備える。ゲート抵抗Ｒ３の抵抗値は、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値よりも大きく設定されている。ここで、サージ電圧ΔＶは電流変化率ｄｉ／ｄｔに比例するため（発明が解決しようとする課題の項参照）、本実施形態では第２スイッチング素子Ｓ２のターンオフ用のゲート抵抗Ｒ３を大きく設定し、電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくすることでサージ電圧ΔＶの減少を図っている。なお、ゲート抵抗Ｒ３については、サージ電圧ΔＶがスイッチング素子Ｓ２の耐電圧を超えないように、抵抗値（素子破壊抵抗閾値）を設定しておけば良い。このようなゲート抵抗はスイッチング損失としてエネルギーを消費するエネルギー放出源としても機能する。
【００６３】
ドライブ回路（抵抗制御回路）５４０は、コントローラ１６０から与えられる信号に従って、第２スイッチング素子Ｓ２のターンオン、ターンオフを制御するとともに、ターンオフ用のゲート抵抗値を制御する回路である。システムが正常なとき、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンする場合には、ドライブ回路４４０はスイッチＷ１をオンとする一方、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオフする場合には、ドライブ回路５４０はスイッチＷ２及びＷ３をオンとする。
一方、ドライブ回路５４０は、コイルＬ２が通電中であって、第２スイッチング素子Ｓ２がオフされたことを検知すると、サージ電圧ΔＶの発生に起因した第２スイッチング素子Ｓ２の素子破壊を防止するべく、抵抗Ｒ３のみの高抵抗へと切り換える。より具体的には、ドライブ回路（検知手段）５４０は、コイルＬ２に流れる電流を検知するとともに、第２スイッチング素子Ｓ２のコレクタ・エミッタ間の電圧などを把握することでスイッチング状態（オン・オフ状態）を検知する。ドライブ回路５４０は、コイルＬ２が通電中であり、かつ、この状態で第２スイッチング素子Ｓ２がオフしたことを検知すると、スイッチＳ２をオフとしてゲート抵抗をＲ２とＲ３を並列接続した低抵抗から、抵抗Ｒ３のみの高抵抗へと切り換える。
【００６４】
かかる構成によれば、第２スイッチング素子Ｓ２のターンオフ用のゲート抵抗Ｒ３を大きく設定し、電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくすることでサージ電圧ΔＶの減少を図っているため、回路異常の発生などにより、上述したサージ電圧ΔＶが発生した場合でも第２スイッチング素子Ｓ２の素子破壊を未然に防止することが可能となる。
【００６５】
なお、第２スイッチング素子Ｓ２として、回路異常などが発生した場合でもオフしないタイプのスイッチング素子、すなわちノーマリーオン形(normally on type)のスイッチング素子を採用しても良い。
【００６６】
また、コイルＬ２の通電の有無（通電判定）を実施する通電判定回路を設け、コイルＬ２が通電中である場合には第２スイッチング素子Ｓ２がオフできないように、ゲート抵抗Ｒ１〜Ｒ３を制御しても良い。
【００６７】
＜変形例１＞
ここで、上述した第２実施形態では、第２スイッチング素子Ｓ２のターンオンからターンオフへの遷移を検知し、第２スイッチング素子Ｓ２のゲート抵抗を能動的に切り換える場合について説明したが、受動的に切り換えるようにしても良い。
【００６８】
図１８は、変形例１に係るゲート電圧制御回路６００を示す図である。
ゲート電圧制御回路６００は、回路駆動用の電源６１０と、ゲート抵抗回路６２０と、第２補助スイッチＳ２のゲート（Ｇ）−エミッタ（Ｅ）間に接続されたコンデンサＣｇｅとを備えて構成される。
ゲート抵抗回路６２０は、並列接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２と、カソードが抵抗Ｒ２に接続されたダイオードＤｇを備えている。
【００６９】
かかる構成によれば、第２スイッチング素子Ｓ２がターンオンする際（コンデンサＣｇｅが充電される際）のゲート抵抗Ｒは、抵抗Ｒ１とＲ２が並列接続された低抵抗になる一方、第２スイッチング素子Ｓ２がターンオフする際（コンデンサＣｇｅが放電する際）のゲート抵抗Ｒは、抵抗Ｒ１のみの高抵抗へと切り換えられる。このように、スイッチング素子Ｓ２のゲート抵抗を受動的に切り換えるようにすることで、第２スイッチング素子Ｓ２のターンオフ時のゲート抵抗Ｒを大きく設定し、電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくすることでサージ電圧ΔＶの減少を図ることが可能となる。なお、抵抗Ｒ１については、サージ電圧ΔＶがスイッチング素子Ｓ２の耐電圧を超えないように、抵抗値（素子破壊抵抗閾値）を設定しておけば良い。
【符号の説明】
【００７０】
１００，３００…ＦＣＨＶシステム、１１０…燃料電池、１２０…バッテリ、１３０…負荷、１４０…インバータ、１５０，２５０…ＦＣコンバータ、１６０…コントローラ、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、４００…ゲート電圧制御回路、４１０…電源、４２０…ターンオン制御部、４３０…ターンオフ制御部、４４０…ドライブ回路、２２ａ…主昇圧回路、２２ｂ…補助回路、２２ｃ…フリーホイール回路、Ｓ１,Ｓ２…スイッチング素子、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５…ダイオード、Ｄ６…フリーホイールダイオード
【図１】
2011109775.tif 000010
【図２】
2011109775.tif 000011
【図３】
2011109775.tif 000012
【図４】
2011109775.tif 000013
【図５】
2011109775.tif 000014
【図６】
2011109775.tif 000015
【図７】
2011109775.tif 000016
【図８】
2011109775.tif 000017
【図９】
2011109775.tif 000018
【図１０】
2011109775.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011109775.tif 000022
【図１４Ａ】
2011109775.tif 000023
【図１４Ｂ】
2011109775.tif 000024
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2011109775.tif 000027
【図１８】
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【図１９】
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