(57)【要約】【課題】主スイッチの電圧を制御する補助回路のコイルが通電している状態で補助スイッチがターンオフした場合の、サージ電圧の発生を抑制する。【解決手段】電流制御回路２２ｃを設けることで、コイルＬ２が通電した状態で補助スイッチＳ２がターンオフした場合に、コイルＬ２に電流が通流することを継続させる。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の出力電力を周期的なスイッチング動作によって制御する主スイッチと、
前記主スイッチのオフ期間に前記主スイッチにかかる電圧に応じた電流が通流するコイルを含む共振パスを形成して前記主スイッチの電圧を電流共振現象によって制御する補助スイッチと、
前記コイルに電流が通流している状態で前記補助スイッチがターンオフした場合に、前記共振パスとは異なるパスを経由して前記コイルに電流が通流することを継続させて前記電流を前記直流電源へ回生する電流制御回路と、
を備えた、電力変換装置。
【請求項２】
前記電流制御回路は、
抵抗とダイオードとの直列接続体を含み、
前記直列接続体は、前記補助スイッチ及び前記コイルの間の部分的な共振パスと、前記直流電源の低電位側との間に並列接続されて、前記異なるパスを形成する、請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記共振パスは、前記コイルと電気的に直列接続されて前記電流共振現象を発生するコンデンサを含み、
前記抵抗の最小値は、少なくとも前記コンデンサに蓄積された電荷が抜け切る値に設定されている、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記抵抗の最大値は、前記補助コイルに流れる電流が最大のときに前記補助スイッチをオフした場合、前記補助スイッチにかかる逆電圧が、前記補助スイッチの素子耐圧よりも小さくなるように設定されている、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記ダイオードのカソードが前記部分的な共振パスに接続されるとともに、前記ダイオードのアノードに前記抵抗が接続されており、
前記電流制御回路は、
前記コイルの高電位側と、前記ダイオードのアノードとの間に接続されたコンデンサを含む、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電流制御回路は、
前記コンデンサと前記ダイオードのアノードとの接続点にアノードが接続され、前記直流電源の低電位側にカソードが接続された回生ダイオードを含む、請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記部分的な共振パスにおける前記直列接続体の接続点と前記コイルとの間に、可飽和リアクトルが設けられた、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記抵抗は、非線形抵抗である、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電流制御回路は、
複数のダイオードの直列接続体を含み、
前記直列接続体は、前記補助スイッチ及び前記コイルの間の部分的な共振パスと、前記直流電源の低電位側との間に並列接続されて、前記異なるパスを形成し、かつ、
前記複数のダイオードの等価抵抗値が前記補助スイッチのオン期間に前記共振パスに優先的に電流が流れる値に設定されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記コイルは、可飽和特性を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力直流電源の出力電圧を制御可能な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池電気自動車（Fuel Cell Electric Vehicle；ＦＣＥＶ）、ハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle：ＨＥＶ）、電気自動車（Electric Vehicle：ＥＶ）等の電気自動車関連分野では、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧を例えばＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換装置を用いて制御することができる。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータには、パワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor；ＦＥＴ）等の半導体パワーデバイス（半導体スイッチ）をオン／オフ制御して電圧変換を行なうものがある。
【０００４】
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、低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、中でも、スイッチのスイッチング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。
【０００５】
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して、小型、軽量で高効率、高周波の電力変換を可能にする回路技術の１つにソフトスイッチング技術がある。ソフトスイッチング技術は、電流共振現象を利用してスイッチの電圧及び／又は電流をゼロとした状態でスイッチをスイッチングすることにより、スイッチング時の電力損失（スイッチング損失）を低減しようとする技術である。なお、電圧がゼロの状態でのスイッチングはＺＶＳ(Zero Voltage Switching)と呼ばれ、電流がゼロの状態でのスイッチングはＺＣＳ(Zero Current Switching)と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１０２４３８号公報
【特許文献２】特開２００１−２２４１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、特許文献２には、図２４に示すようなチョッパ回路（特許文献の図１２に相当）が記載されている。図２４において、５６はコイル（リアクトル）、５４は（出力）ダイオード、５７は（出力）コンデンサ、５３は（メイン）スイッチ（第１スイッチング素子）、１５は（スナバ）コンデンサ、１４は（スナバ）ダイオード、１７ａは（補助）スイッチ（第２スイッチング素子）、１７ｂは（回生）ダイオード、１６は（補助共振）コイル（リアクトル）、１９は（回生）ダイオード、５１は燃料電池等の電源（直流電源）をそれぞれ表わしている。
【０００８】
このような回路において、スナバコンデンサ１５に蓄積された電気エネルギーは、補助スイッチ１７ａのオンにより、回生ダイオード１７ｂを介し、補助共振リアクトル１６へ移行し、その後、補助共振リアクトル１６に移った電気エネルギーは、補助共振リアクトル１６、電源５１およびダイオード１９で形成される閉回路で、電源５１へ回生される。
【０００９】
当該回路では、補助共振リアクトル１６に移った電気エネルギーが電源５１へ回生した後、ダイオード１９の蓄積電荷のため、ダイオードリカバリによるサージ過電圧が発生し得る。また、主スイッチ５３のターンオフ時にも、補助スイッチ１７ａの漂遊容量及び補助共振リアクトル１６の共振現象によるサージ過電圧が補助スイッチ１７ａの両端に発生し得る。
【００１０】
これらのサージ過電圧は、電力損失を増加させ、電力変換効率を低下させる。また、サージ過電圧が、補助スイッチ１７ａやダイオード１９の定格電圧を超えると、素子破損にいたる場合がある。また、サージ電圧で直接破損しなくても、サージ電圧により制御回路が誤動作したり、ゲート回路が誤動作して、主スイッチ５３や補助スイッチ１７ａが破損してしまったりする場合もある。そのため、十分な検証を行なって、回路保護を図ることが要求される。
【００１１】
図１４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（ノイズや、補助スイッチの異常停止等）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が発生する（下記式（１）参照）。
【００１２】
このサージ電圧が補助スイッチ２の定格電圧を超えると、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。
【数１】
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Ｌ；補助コイルのインダクタンス値
【００１３】
そこで、本発明は、補助回路のコイルに電流が通流している状態で補助スイッチがターンオフしても、電力変換装置の保護を図れるようにすることを目的の一つとする。
【００１４】
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る電力変換装置の一態様は、直流電源の出力電力を周期的なスイッチング動作によって制御する主スイッチと、前記主スイッチのオフ期間に前記主スイッチにかかる電圧に応じた電流が通流するコイルを含む共振パスを形成して前記主スイッチの電圧を電流共振現象によって制御する補助スイッチと、前記コイルに電流が通流している状態で前記補助スイッチがターンオフした場合に、前記共振パスとは異なるパスを経由して前記コイルに電流が通流することを継続させて前記電流を前記直流電源へ回生する電流制御回路と、を備える。
【００１６】
ここで、前記電流制御回路は、抵抗とダイオードとの直列接続体を含み、前記直列接続体は、前記補助スイッチ及び前記コイルの間の部分的な共振パスと、前記直流電源の低電位側との間に並列接続されて、前記異なるパスを形成する、こととしてもよい。
【００１７】
また、前記共振パスは、前記コイルと電気的に直列接続されて前記電流共振現象を発生するコンデンサを含み、前記抵抗の最小値は、少なくとも前記コンデンサに蓄積された電荷が抜け切る値に設定されてもよい。
【００１８】
さらに、前記抵抗の最大値は、前記補助コイルに流れる電流が最大のときに前記補助スイッチをオフした場合、前記補助スイッチにかかる逆電圧が、前記補助スイッチの素子耐圧よりも小さくなるように設定されてもよい。
【００１９】
また、前記ダイオードのカソードが前記部分的な共振パスに接続されるとともに、前記ダイオードのアノードに前記抵抗が接続されており、前記電流制御回路は、前記コイルの高電位側と、前記ダイオードのアノードとの間に接続されたコンデンサを含む、こととしてもよい。
【００２０】
さらに、前記電流制御回路は、前記コンデンサと前記ダイオードのアノードとの接続点にアノードが接続され、前記直流電源の低電位側にカソードが接続された回生ダイオードを含む、こととしてもよい。
【００２１】
また、前記部分的な共振パスにおける前記直列接続体の接続点と前記コイルとの間に、可飽和リアクトルが設けられてもよい。
さらに、前記抵抗は、非線形抵抗であってもよい。
【００２２】
また、前記電流制御回路は、複数のダイオードの直列接続体を含み、前記直列接続体は、前記補助スイッチ及び前記コイルの間の部分的な共振パスと、前記直流電源の低電位側との間に並列接続されて、前記異なるパスを形成し、かつ、前記複数のダイオードの等価抵抗値が前記補助スイッチのオン期間に前記共振パスに優先的に電流が流れる値に設定されていてもよい。
さらに、前記コイルは、可飽和特性を有していてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、補助回路のコイルに電流が通流している状態で補助スイッチがターンオフしても、電力変換装置を保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。
【図２】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】モード１において補助スイッチが誤ターンオフした場合の動作を説明するための図である。
【図１２】本実施形態に係る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１４】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。
【図１５】第１変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【図１６】サージ吸収回路を備えない回路の動作波形図の一例を示す図である。
【図１７】サージ吸収回路を備えない回路の動作波形図の一例を示す図である。
【図１８】第１変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの動作波形図の一例を示す図である。
【図１９】第２変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【図２０】第３変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【図２１】第４変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【図２２】第５変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【図２３】第６変形例のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【図２４】従来のＦＣソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔Ａ〕一実施形態
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。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。
【００２６】
図１は本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ＦＣＨＶを想定するが、ＨＥＶやＥＶ等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、ロボット等）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。
【００２７】
（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、例示的に、燃料電池（Fuel Cell：ＦＣ）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」ともいう）１８０を備える。
【００２８】
燃料電池１１０は、直流電源の一例であり、例えば、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を検出する電圧センサＶ0、及び出力電流Ｉfcmesを検出する電流センサＩ0を備えることができる。燃料電池１１０においては、アノード極において下記（２）式の酸化反応が生じ、カソード極において下記（３）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては下記（４）式の起電反応が生じる。
【００２９】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                        （２）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ     （３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ              （４）
【００３０】
単位セルは、例示的に、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の２つの電極で挟み込んだＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）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。アノード極は例えばアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極は例えばカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
【００３１】
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）を設けることができ、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。
【００３２】
ＦＣコンバータ２５０は、燃料電池１１０の出力電圧Ｖfcmesを制御する電力変換装置の一例である。例えば、ＦＣコンバータ２５０は、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）に出力する一方、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ことができる。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ことができる。
【００３３】
バッテリ１２０は、例示的に、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ー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時の電気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を利用できる。
【００３４】
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もので、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、これに代えて昇圧および降圧の双方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の入力電圧を制御可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００３５】
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ことができる。
【００３６】
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。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。シャフトには図示を省略した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を検知できる。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。
【００３７】
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表わす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧を表わす信号等）を入力して、負荷１３０の要求電力（例えば、システム全体の要求電力）を求める。
【００３８】
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）で消費される電力等が含まれる。
【００３９】
そして、コントローラ（制御回路）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。
【００４０】
（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」ともいう）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の一つがある。以下、フリーホイール回路を備えない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について詳細に説明する。
【００４１】
（Ａ−２−１）フリーホイール回路を備えない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。
【００４２】
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、例示的に、昇圧動作を行なうための主昇圧回路１２ａと、ソフトスイッチング動作を行なうための補助回路１２ｂとを備える。
【００４３】
主昇圧回路（以下、単に「主回路」ともいう）１２ａは、ＩＧＢＴ等を用いた第１スイッチング素子（メインスイッチ）Ｓ１と（逆並列）ダイオードＤ４とを有するスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられた電気エネルギーを負荷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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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（補助スイッチ）Ｓ２及び（逆並列）ダイオードＤ１を有す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等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等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と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。
【００４８】
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。
【００４９】
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では回路に流れる電流を矢印で示す。
【００５０】
＜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なわれる初期状態は、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。
【００５１】
（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なうと、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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（５）によって表される。
【数２】
2011109776.tif 000004
Ｉｐ；相電流
Ｌ２ｉｄ；コイルＬ２のインダクタンス
【００５４】
（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。
【００５５】
ここで、モード２では、第１スイッチング素子Ｓ１のオフ期間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。別言すると、第２スイッチング素子Ｓ２がオンされると、第１スイッチング素子Ｓ１のオフ期間に第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧に応じた電流が通流するコイルＬ２を含む共振パスが形成されて、第１スイッチング素子Ｓ１の電圧を電流共振現象によって制御することができる。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、一部は第１スイッチング素子Ｓ１の逆並列ダイオードＤ４を介して補助回路１２ｂ側に流れてゆく。
【００５６】
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（６）によって表される。
【数３】
2011109776.tif 000005
Ｃ２ｄ；コンデンサＣ２の容量
【００５７】
（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Ｓ１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（７）参照）。
【数４】
2011109776.tif 000006
【００５８】
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（８）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（８）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】
2011109776.tif 000007
【００５９】
（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に蓄えられる電気エネルギーを徐々に増加してゆく（図７の矢印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。
【００６０】
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。したがって、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に蓄えられる電気エネルギー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（９）によって表される。
【数６】
2011109776.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。
【００６１】
（モード５；図８参照）
ステップＳ１０４においてコイルＬ１に所望の電気エネルギーが蓄えられると、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。
【００６２】
上記スイッチング動作が行なわれると、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。
【００６３】
（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に蓄えられた電気エネルギーが負荷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（１０）によって表される。
【数７】
2011109776.tif 000009
【００６４】
以上説明したソフトスイッチング処理を行なうことで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。
【００６５】
＜第２スイッチング素子Ｓ２が誤ってオフした場合＞
図１１は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の上述したモード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、第２スイッチング素子Ｓ２がオープン故障する等して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が発生する。サージ電圧ΔＶが素子の定格電圧を超えると、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。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、これに限られない。本実施形態では、このようなサージ電圧ΔＶの発生を防止あるいは抑制する一手段として、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。
【００６６】
（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とを比較すると、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との配置順序を入れ替えた補助回路２２ｂを有しており、かつ、（フリーホイール）ダイオードＤ６及び抵抗Ｒ１の直列接続体を含む電流制御回路の一例としてのフリーホイール回路２２ｃが新たに形成されていることが分かる。なお、ダイオードＤ６及び抵抗Ｒ１の直列接続体の接続関係は互いに入れ替えても電気的に等価である。
【００６７】
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とフリーホイール回路２２ｃを形成する抵抗Ｒ１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のカソードは抵抗Ｒ１の一端に接続される。抵抗Ｒ１の他端はコイルＬ２に接続されている。
【００６８】
かかる構成において、コイルＬ２が通電した状態（第２スイッチング素子；オン）で第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障等が発生し、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する。すると、（フリーホイール）ダイオードＤ６、抵抗Ｒ１、コイルＬ２、及び燃料電池１１０を経由する閉回路に、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する。したがって、補助回路２２ｂにおける共振パスとは異なるパス（以下、「迂回パス」ともいう）を経由して、第２スイッチング素子Ｓ２のターンオフ前後で同じ方向へコイルＬ２に電流を流し続けることができ、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防ぐことが可能となる。また、迂回パスを流れる電流は燃料電池１１０へ回生するので、電力損失も抑制できる。
【００６９】
＜抵抗Ｒ１の役割＞
抵抗Ｒ１は、（１）スナバコンデンサＣ２に溜まった電荷を完全に抜け切るようにし、また、（２）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、第２スイッチング素子Ｓ２に発生する逆電圧により第２スイッチング素子Ｓ２等が破壊されてしまうのを未然に防止する役割を果たす。
【００７０】
よって、本実施形態では、抵抗Ｒ１は、少なくともスナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷が抜け切る値（以下、最小抵抗値Ｒｍｉｎ）以上に設定し、かつ、コイルＬ２の通電中に第２スイッチング素子Ｓ２がオフするような異常（オープン故障等）が生じたとしても第２スイッチング素子Ｓ２等が素子破壊しないように、第２スイッチング素子Ｓ２に発生する逆電圧が第２スイッチング素子Ｓ２等の耐圧電圧よりも小さくなる値（以下、最大抵抗値Ｒｍａｘ）未満に設定している（Ｒｍｉｎ≦Ｒ１＜Ｒｍａｘ）。
【００７１】
以上説明したフリーホイール回路２２ｃを設けることで、正常動作時においてスナバコンデンサＣ２に溜まった電荷を完全に抜く（別言すれば、ソフトスイッチング動作を妨げない）ことが可能となり、また、コイルＬ２が通電した状態でターンオフしても、図１３に示す矢印Ｄm71の向き（上述したコイルＬ２の通電時と同一の方向）に電流を循環させることが可能となる。したがって、サージ電圧の発生を抑制することができ、過電圧による第２スイッチング素子Ｓ２等の素子破壊を抑制することが可能となる。
【００７２】
〔Ｂ〕変形例
次に、以下では、上述したコンバータ１５０の各種変形例について説明する。以降の説明において、既述の符号と同一符号を付して示す要素は、特に断らない限り、既述の要素を同一若しくは同様の要素である。
（Ｂ−１）第１変形例
図１５は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の第１変形例を示す回路図である。
図１５に示すＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０は、図１２及び図１３に例示した回路に比して、可飽和リアクトル１６ａ及びコンデンサＣ４を備える点が異なる。なお、図１５において、既述の入力コンデンサＣ１の図示は省略している。この点は、以降の変形例２〜６で用いる図１９〜図２３においても同様である。
【００７３】
可飽和リアクトル１６ａは、通流する電流量によってインダクタンス値が変化する特性を有し、例示的に、通流する電流値が所定電流値未満の時は大きなインダクタンス値となって絶縁特性を示す一方、所定電流値以上の時は飽和状態となり非常に小さなインダクタンス値となって導体特性を示す。
【００７４】
このような特性を有する可飽和リアクトル１６ａは、例示的に、第２コイル（補助共振リアクトル）Ｌ２と、抵抗Ｒ１に直列接続されてフリーホイール回路２２ｃの一例を成すダイオードＤ６のカソードとの間に接続することができる。このような位置に可飽和リアクトル１６ａを設けることで、ダイオードＤ６に蓄積される電荷によって補助スイッチＳ２を通流する電流値に急激な変化が生じて、補助共振リアクトルＬ２の両端にサージ電圧が発生することを抑制することができる。
【００７５】
コンデンサＣ４は、例示的に、燃料電池１１０の高電位側と、フリーホイール回路２２ｃを成すダイオードＤ６及び抵抗Ｒ１の接続点（ダイオードＤ６のアノード）との間に、補助共振リアクトルＬ２及び可飽和リアクトル１６ａの直列接続体に対して並列に設けることができる。コンデンサＣ４は、抵抗Ｒ１及びダイオードＤ６とともに電流制御回路の一例を成す。
【００７６】
コンデンサＣ４をダイオードＤ６のアノードに接続することで、補助スイッチＳ２がオフになりダイオードＤ６がオンになると、ダイオードＤ６、可飽和リアクトル１６ａ及び補助共振リアクトルＬ２を経由して燃料電池１１０側へ電流を流す電気経路を形成することができる。
【００７７】
別言すると、例えばコンデンサＣ４を、補助共振リアクトルＬ２（又は補助共振リアクトルＬ２及び可飽和リアクトル１６ａの直列接続体）の両端に並列に設けた場合のように、補助共振リアクトルＬ２に逆方向に電流が流れることを防ぐことができる。
【００７８】
コンデンサＣ４は、補助共振リアクトルＬ２に電流が通流している状態で補助スイッチＳ２がターンオフした場合に、ダイオードＤ６がオンとなることにより、補助共振リアクトルＬ２及び可飽和リアクトル１６ａに蓄積された電気エネルギーを一時的に蓄積することができる。
【００７９】
したがって、補助共振リアクトルＬ２に電流が通流している状態で補助スイッチＳ２がターンオフしても、補助共振リアクトルＬ２に蓄積した電気エネルギーを一時的にコンデンサＣ４に蓄積しながら、補助共振リアクトルＬ２、燃料電池１１０、フリーホイール回路２２ｃ（抵抗Ｒ２１、ダイオードＤ６）及び可飽和リアクトル１６ａを経由する閉回路に電流を流し続けて、燃料電池１１０に回生させることができる。
【００８０】
別言すれば、本例における抵抗Ｒ２及びダイオードＤ６の直列接続体は、補助共振リアクトルＬ２に電流を流し続けるフリーホイール回路２２ｃの一例を成すとともに、コンデンサＣ４との組み合わせでサージ電圧を吸収するサージ吸収回路２２ｄの一例を成す。
【００８１】
したがって、フリーホイール回路２２ｃのみを設けた既述の実施形態に比して、サージ電圧をさらに抑制することができ、補助スイッチＳ２等のより一層の保護を図ることが可能となる。また、本例では、コンデンサＣ４を、補助共振リアクトルＬ２の一端と、抵抗Ｒ１及びダイオードＤ６の直列接続体の接続点との間に接続することで、フリーホイール回路２２ｃを成すダイオードＤ６の保護を図ることも可能となっている。
【００８２】
以下、本変形例のコンバータ１５０の動作について、図１６〜図１８に示した各モードの動作波形図を参照しながら、サージ吸収回路２２ｄ（フリーホイール回路２２ｃ）を備えない回路との比較で説明する。なお、図１６及び図１７がサージ吸収回路２２ｄ（フリーホイール回路２２ｃ）を備えない回路の動作波形図、図１８がサージ吸収回路２２ｄ（フリーホイール回路２２ｃ）を備えた本変形例の回路の動作波形図である。また、図１６〜図１８中に示す記号の意味は、以下のとおりである。
【００８３】
ＶS1：メインスイッチＳ１にかかる電圧
ＩS1：メインスイッチＳ１を流れる電流
ＶS2：補助スイッチＳ２にかかる電圧
ＩS2：補助スイッチＳ２を流れる電流
ＶC3：コンデンサＣ３にかかる電圧（出力電圧）
ＶgateS1：メインスイッチＳ１のゲート電圧
ＶgateS2：補助スイッチＳ２のゲート電圧
ＶCLUMP：クランプ電圧
ｔ０：補助スイッチのターンオンタイミング
ｔ１：メインスイッチＳ１のターンオンタイミング
ｔ２：補助スイッチＳ２の適正なターンオフタイミング
ｔｆ：補助スイッチＳ２の誤ったターンオフタイミング
ｔ３：メインスイッチＳ１のターンオフタイミング
【００８４】
＜サージ吸収回路２２ｄを備えない回路の場合＞
まず、図１６を参照して、サージ吸収回路２２ｄを備えない回路の動作を説明する。図１６においては、補助スイッチＳ２のゲート電圧ＶgateS2のオン時間（パルス幅）（タイミングｔ０〜ｔ２の時間）が、補助スイッチＳ２を電流ＩS2が流れる時間である通流時間（通電パルス幅、例えば３．５μｓ）に対して適正である（例えば６μｓと十分ある）場合の動作例を示している。この場合、補助スイッチＳ２の電流ＩS2がゼロになった状態で補助スイッチＳ２がターンオフするので、サージ過電圧は発生しない。
【００８５】
これに対して、図１７に例示するように、補助スイッチＳ２のゲート電圧ＶgateS2のオン時間が例えばノイズによる誤動作等の影響で適正な時間（タイミングｔ０〜ｔ２）よりも短い時間（タイミングｔ０〜ｔｆの時間、例えば、２．５μｓ）になり適正でなくなった場合、補助スイッチＳ２が、電流Ｉs2の通流中に（非ゼロの状態で）ターンオフする。すると、補助共振リアクトルＬ２及び可飽和リアクトル１６ａを通流する電流が突然遮断されてしまうため、補助スイッチＳ２の両端にサージ過電圧（図１７においては例示的にＶS2＝１０００Ｖ）が発生し、補助スイッチ１７が破損してしまう。
【００８６】
＜サージ吸収回路２２ｄを備えたコンバータ１５０の場合＞
一方、本変形例のコンバータ１５０において、図１７の場合と同様に、補助スイッチＳ２のゲート電圧ＶgateS2のオン時間が適正な時間よりも短く（例えば２．５μｓ）、補助スイッチＳ２が電流ＩS2の通流中にターンオフしたとする。この場合、補助共振リアクトルＬ２及び可飽和リアクトル１６ａを流れる電流は、補助スイッチＳ２がオフしてもサージ吸収回路２２ｄの作用で、コンデンサ２０に一時的に蓄積させながら燃料電池１１０に回生させることができる。
【００８７】
したがって、図１８に例示するように、補助スイッチＳ２の両端電圧をクランプ電圧ＶCLUMP以下（例示的に、図１７の場合と比べて１／５の２００Ｖ以下）に抑えることができる。よって、補助スイッチＳ２の両端にサージ過電圧が発生することはなく、補助スイッチＳ２を保護することができる。なお、サージ吸収回路２２ｄを設けても、既述のように抵抗Ｒ２１の存在により、補助スイッチＳ２のオン期間（モード１〜４）におけるソフトスイッチング動作は妨げられない。したがって、補助スイッチＳ２のゲート電圧ＶgateS2のオン時間が補助スイッチＳ２の通流時間に対して適正である場合のコンバータ１５０の動作は、図１６に示す波形図と同等である。
【００８８】
以上のように、本変形例のコンバータ１５０によれば、電流共振現象を利用して主回路１２ａ（メインスイッチＳ１）のソフトスイッチングを実現する補助回路２２ｂ（補助スイッチＳ２）に電流が通流している状態で補助スイッチＳ２がターンオフしたとしても、補助回路２２ｂを通流していた電流（電気エネルギー）をサージ吸収回路２２ｄ（フリーホイール回路２２ｃ）によって一時的に吸収しながら燃料電池１１０に逃がす（回生する）ことができる。
【００８９】
したがって、制御回路の異常や外乱等の影響で補助スイッチＳ２が本来の適正なタイミングとは異なるタイミングで誤ってターンオフしても、補助スイッチＳ２の両端に発生する電圧をクランプ電圧ＶCLUMP以下に抑制してサージ過電圧の発生を防止することができ、定格電圧を超える過電圧から補助スイッチＳ２等の半導体パワーデバイスを保護することができる。また、サージ過電圧の発生を防止できるから、電力損失を低減して電力変換効率を向上することができる。
【００９０】
結果として、コンバータ１５０に用いられる半導体パワーデバイスの破損や、制御回路の誤動作を防止して、コンバータ１５０の性能や信頼性、ひいては当該コンバータ１５０が装備される車両等の性能や信頼性の向上を図ることができる。
【００９１】
（Ｂ−２）第２変形例（図１９）
図１９は、コンバータ１５０の第２変形例を示す回路図である。図１９に示すＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０は、図１５に例示した回路に比して、ダイオードＤ７をさらに備える点が異なる。
【００９２】
ダイオードＤ７は、図１９に例示するように、アノードをコンデンサＣ４の一端に接続し、かつ、カソードを燃料電池１１０の低電位側に接続することができる。これにより、コンデンサＣ４に蓄積された電荷を、抵抗２１やダイオードＤ６を経由しない経路で迅速に放電させて燃料電池１１０に効率良く回生させることができ、回生時の電力損失を最小限に抑制することができる。
【００９３】
また、当該電気経路が形成されることで、補助回路２２ｂ（補助スイッチＳ２）に加えて、主回路１２ａ（メインスイッチＳ１）の両端に発生するサージ電圧もサージ吸収回路２２で吸収することができる。換言すれば、サージ吸収回路２２ｄを主回路１２ａと補助回路２２ｂとで共用することができる。したがって、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２の双方をサージ過電圧から保護することができる。
【００９４】
（Ｂ−３）第３変形例（図２０）
図２０は、コンバータ１５０の第３変形例を示す回路図である。図２０に示すＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０は、図１２及び図１３に例示した回路に比して、可飽和リアクトル１６ａを補助共振リアクトルＬ２の一端（補助スイッチＳ２側）に直列接続した点が異なる。別言すると、第３変形例のコンバータ１５０は、図１５に例示した第１変形例の回路構成におけるコンデンサ２０を省いた構成に相当する。
【００９５】
可飽和リアクトル１６ａは、第１変形例でも述べたように、フリーホイール回路Ｄ６を成すダイオードＤ６に蓄積される電荷によって補助スイッチＳ２を通流する電流値に急激な変化が生じて、補助共振リアクトルＬ２の両端にサージ電圧が発生することを抑制することができる。
【００９６】
（Ｂ−４）第４変形例（図２１）
既述のフリーホイール回路２２ｃを成すダイオードＤ６と抵抗Ｒ１との直列接続体は、例えば図２１に示すように、ダイオードＤ６と、ＺＮＲ（Zinc-oxide Non-linear Resistor）等の非線形抵抗素子（「バリスタ」とも呼ばれる）２３との直列接続体としてもよい。
【００９７】
非線形抵抗素子２３は、印加電圧によって抵抗値が変化する特性を有し、例えば、適正電圧が印加された時には高抵抗値であって絶縁特性を示す一方、適正範囲を超える過電圧が印加された時には低抵抗値であって導体特性を示す。
【００９８】
したがって、適正電圧が印加された時の抵抗値を既述の抵抗Ｒ１と同等に設定しておけば、補助スイッチＳ２のオン期間（モード１〜４）におけるソフトスイッチング動作を妨げずに、既述の実施形態と同様のサージ電圧抑制効果を得ることができる。また、非線形抵抗素子２３は、サージ過電圧が発生した場合に限って導通状態となり、その他の場合には絶縁状態となるから、抵抗Ｒ１を用いる場合に比して電力損失の低減化を図ることができる。
【００９９】
（Ｂ−５）第５変形例（図２３）
既述のフリーホイール回路２２ｃは、例えば図２２に示すように、複数のダイオードＤ６−１〜Ｄ６−ｎ（ここでは、例示的にｎ＝４の４つ）の直列接続体としてもよい。
【０１００】
ここで、ダイオードＤ６−１〜Ｄ６−ｎの合計の等価抵抗値を、メインスイッチＳ１のソフトスイッチング動作に影響を与えない程度のオン電圧を発生させる値に設定しておけば、抵抗Ｒ１を設けた理由で説明した理由と同様に、補助スイッチＳ２のオン期間（モード１〜４）におけるソフトスイッチング動作を妨げずに、サージ過電圧抑制効果を得ることができる。
【０１０１】
一例として、図２２においては、逆導通型ＩＧＢＴであるメインスイッチＳ１の逆並列ダイオードＤ４、（スナバ）ダイオードＤ３、及び（スナバ逆流防止）ダイオードＤ２を経由する電気経路に存在する３つのダイオードＤ２〜Ｄ４の合計等価抵抗値よりも大きな値にダイオードＤ６−１〜Ｄ６−４の合計等価抵抗値を設定する。別言すると、複数のダイオードＤ６−１〜Ｄ６−４の等価抵抗値は、補助スイッチＳ２のオン期間に補助回路２２ｂの共振パスに優先的に電流が流れる値に設定される。
【０１０２】
これにより、補助スイッチＳ２のオン期間（モード１〜４）では、補助スイッチＳ２、ダイオードＤ２、可飽和リアクトル１６ａ及び補助共振リアクトルＬ２を経由する経路（共振パス）に電流が優先的に流れる。したがって、補助スイッチＳ２のオン期間（モード１〜４）におけるソフトスイッチング動作は妨げられない。
【０１０３】
（Ｂ−６）第６変形例（図２３）
既述の補助リアクトルＬ２と可飽和リアクトル１６ａとの直列接続体は、図２３に例示するように一体化して可飽和特性をもたせた１個の補助可飽和リアクトルＬ２ａに変更してもよい。補助可飽和リアクトルＬ２ａに変更すれば、コンバータ１５０の小型化、低コスト化を図ることができる。なお、このような補助可飽和リアクトルＬ２ａは、図１２及び図１３に例示した構成に適用してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１００…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ソフトスイッチングコンバータ、１６０…コントローラ、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、１２ａ…主昇圧回路（主回路）、１２ｂ，１６ａ…可飽和リアクトル、２２ｂ…補助回路、２２ｃ…フリーホイール回路、２２ｄ…サージ吸収回路、２３…非線形抵抗素子、Ｓ１…スイッチング素子（メインスイッチ）、Ｓ２…スイッチング素子（補助スイッチ）、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｃ４…コンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル（リアクトル）、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５，Ｄ６−１〜Ｄ６−４，Ｄ７…ダイオード、Ｄ６…（フリーホイール）ダイオード、Ｒ１…抵抗
【図１】
2011109776.tif 000010
【図２】
2011109776.tif 000011
【図３】
2011109776.tif 000012
【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】
2011109776.tif 000017
【図９】
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【図１０】
2011109776.tif 000019
【図１１】
2011109776.tif 000020
【図１２】
2011109776.tif 000021
【図１３】
2011109776.tif 000022
【図１４】
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【図１５】
2011109776.tif 000024
【図１６】
2011109776.tif 000025
【図１７】
2011109776.tif 000026
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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