(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却手段を改良して効率を向上させた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を提供する。【解決手段】筐体１００を仕切板３０により分離した第１の領域１０に、直流電源Ｅｄ１に接続されたブリッジ回路ＢＣ１、冷却体ＣＵ１、電流検出回路１１、ファン回転数調節回路１２及び冷却ファンＣＦ１を設置し、第２の領域２０に、直流電源Ｅｄ２に接続されたブリッジ回路ＢＣ２、冷却体ＣＵ２、電流検出回路２１、ファン回転数調節回路２２及び冷却ファンＣＦ２を設置する。直流電源Ｅｄ１から直流電源Ｅｄ２に電力を供給するときは、ブリッジ回路ＢＣ２のダイオード素子が高温状態で動作するように、ファン回転数調節回路２２による設定回転数で冷却ファンＣＦ２を運転し、温度Ｔａ２を調節する。パワーフローが逆の時は、前記同様の原理により、ブリッジ回路ＢＣ１のダイオード素子が高温状態で動作するように、冷却ファンＣＦ１を運転し、温度Ｔａ１を調節する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の電圧源に接続された半導体スイッチからなる第１のブリッジ回路と、第２の電圧源に接続された半導体スイッチからなる第２のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路と前記第２のブリッジ回路とを絶縁する絶縁トランスと、前記第１のブリッジ回路が搭載された第１の冷却体と、前記第２のブリッジ回路が搭載された第２の冷却体と、を備え、  前記第1の電圧源と第２の電圧源との間で相互に電力を供給可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筺体内で、前記第１の冷却体の周囲温度と前記第２の冷却体の周囲温度とを分離する温度分離手段と、
前記第1の電圧源と前記第２の電圧源との間のパワーフローの方向に応じて、前記温度分離手段により分離された前記周囲温度をそれぞれ調節する温度調節手段を備え、
前記温度調節手段は、
前記第１の電圧源から前記第２の電圧源に電力を供給するときは、前記第２のブリッジ回路の半導体スイッチが高温状態で動作するように前記第２の冷却体の周囲温度を調節し、前記第２の電圧源から前記第１の電圧源に電力を供給するときは、前記第１のブリッジ回路の半導体スイッチが高温状態で動作するように前記第１の冷却体の周囲温度を調節することを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記温度分離手段として、
前記筺体内に仕切板を設けたことを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記温度調節手段として、
前記第１の電圧源の電流を検出する第１の電流検出回路と、前記第１の電流検出回路により検出した電流方向に基づいてパワーフローの方向を判別し、その方向に応じて前記第１の冷却ファンの回転数を設定する第１のファン回転数調節回路と、前記第１のファン回転数調節回路により設定された回転数に従って運転され、前記第１の冷却体の周囲温度を調節する第１の冷却ファンと、
前記第２の電圧源の電流を検出する第２の電流検出回路と、前記第２の電流検出回路により検出した電流方向に基づいてパワーフローの方向を判別し、その方向に応じて前記第２の冷却ファンの回転数を設定する第２のファン回転数調節回路と、前記第２のファン回転数調節回路により設定された回転数に従って運転され、前記第２の冷却体の周囲温度を調節する第２の冷却ファンと、
を備えたことを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記第１の電圧源または前記第２の電圧源のうち少なくとも一方が、車載のバッテリーであることを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【請求項５】
請求項３に記載した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記第１の電圧源または前記第２の電圧源のうち少なくとも一方が、車載のバッテリーであることを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【請求項６】
請求項１に記載した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記第１のブリッジ回路及び前記第２のブリッジ回路を構成する前記半導体スイッチは、ダイオード素子が逆並列に接続されたトランジスタ素子であることを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【請求項７】
請求項１に記載した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記第１のブリッジ回路及び前記第２のブリッジ回路を構成する前記半導体スイッチは、逆並列に接続された外付けまたは内蔵のダイオード素子を有するＭＯＳＦＥＴ素子であることを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチの冷却手段を改良して装置の効率を向上させた双方向ＤＣ/ＤＣコンバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、一般的なダイオード素子（ＩＧＢＴモジュールなどに内蔵されているフリーホイーリングダイオードや、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードも含む）の順電圧ＶＦ−順電流ＩＦ特性を示している。図３に示すように、一般的なダイオード素子は、同じ大きさの順電流ＩＦ１を流した場合、素子温度（接合部温度）Ｔｊが高くなると順電圧がＶＦ１→ＶＦ２のように低くなる、いわゆる負の温度特性を持っている。なお、図３において、プロットａは素子温度Ｔｊが基準温度（Ｒ．Ｔ．＝２５［℃］）の時のＶＦ１−ＩＦ１特性、プロットｂは素子温度Ｔｊが１２５［℃］の時のＶＦ２−ＩＦ１特性である。
このダイオード素子の温度特性に着目し、ダイオード素子を高温状態で動作させて導通損失を低減することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の効率を向上させる方法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を構成する整流回路の冷却体の体積をＤＣ／ＡＣ変換回路の冷却体の体積より小さくすることにより、整流回路内のダイオード素子を高温状態で動作させる技術が開示されている。
図４は、この特許文献１に記載されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成図であり、１００はＤＣ／ＤＣコンバータ装置筺体、１１０は直流電源、１２０は半導体スイッチを有するＤＣ／ＡＣ変換回路、１２１はその冷却体、１３０は高周波変圧器、１４０はダイオード素子からなる整流回路、１４１はその冷却体、１５０はＬＣフィルタ、１６０は負荷、１７０は冷却ファンを示している。
【０００４】
このＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、整流回路１４０の冷却体１４１の熱抵抗値がＤＣ／ＡＣ変換回路１２０の冷却体１２１の熱抵抗値よりも大きいため、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作時には冷却体１４１の温度が冷却体１２１よりも高くなる。すなわち、整流回路１４０内のダイオード素子を高温で動作させることになり、前述した負の温度特性により、ダイオード素子の導通損失を減少させて装置効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５-２６１０７５号公報（段落［００１１］，［００１２］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、特許文献１に記載されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置によれば、整流回路の冷却体の体積を調整してダイオード素子を高温状態で動作させることにより、装置効率を向上させることが可能である。
しかしながら、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置においては、双方向のパワーフローを考慮しなければならないため、ダイオード素子を高温状態で動作させるためだけに冷却体の体積を調整することは難しい。以下、その理由について説明する。
【０００７】
図５は、従来の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の一例を示す構成図であり、いわゆる共振形双方向コンバータ装置を示している。共振形双方向コンバータ装置は、スイッチング損失やスイッチングノイズの低減等を図りながらエネルギーを双方向に授受可能な電力変換装置として、広く利用されている。
【０００８】
図５において、第１のブリッジ回路ＢＣ１は、半導体スイッチとして、ダイオード素子が逆並列に接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ４を備え、冷却体ＣＵ１に搭載されている。同様に、第２のブリッジ回路ＢＣ２は、半導体スイッチとして、ダイオード素子が逆並列に接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５〜Ｑ８を備え、冷却体ＣＵ２に搭載されている。
第１のブリッジ回路ＢＣ１の正負の直流端子には、直流電源Ｅｄ１及び平滑用コンデンサＣ１が互いに並列に接続され、第２のブリッジ回路ＢＣ２の正負の直流端子には、同じく直流電源Ｅｄ２及び平滑用コンデンサＣ２が互いに並列に接続されている。
【０００９】
第１のブリッジ回路ＢＣ１の交流端子間には、共振用リアクトルＬｒ、絶縁トランスＴｒの一方の巻線Ｎ１、共振用コンデンサＣｒが直列に接続され、絶縁トランスＴｒの他方の巻線Ｎ２の両端は、第２のブリッジ回路ＢＣ２の交流端子に接続されている。
なお、１００は筺体、ＣＦ１，ＣＦ２は筺体内温度Ｔａを調節するための冷却ファンである。
【００１０】
図５に示す双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、筺体内温度Ｔａが一定であって、双方向のパワーフローにおける電力（電圧、電流）、例えば第１のブリッジ回路ＢＣ１の絶縁トランスＴｒ側への出力電力と第２のブリッジ回路ＢＣ２の絶縁トランスＴｒ側への出力電力とが同じである場合、冷却体ＣＵ１，ＣＵ２には同じ冷却性能が必要になるため、特許文献１のように冷却体ＣＵ１，ＣＵ２の体積を調整して熱抵抗を異ならせる方法を採ることはできない。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、冷却体の体積を調整する等の方法によらずに、いずれの方向のパワーフローに対しても損失を低減して装置の効率を向上させた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、第1の電圧源に接続された半導体スイッチからなる第１のブリッジ回路と、第２の電圧源に接続された半導体スイッチからなる第２のブリッジ回路と、第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路とを絶縁する絶縁トランスと、第１のブリッジ回路が搭載された第１の冷却体と、第２のブリッジ回路が搭載された第２の冷却体と、を備え、第1の電圧源と第２の電圧源との間で相互に電力を供給可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を対象としている。
そして、本発明の特徴は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筺体内で、第１の冷却体の周囲温度と第２の冷却体の周囲温度とを分離する温度分離手段と、第1の電圧源と第２の電圧源との間のパワーフローの方向に応じて、温度分離手段により分離された周囲温度をそれぞれ調節する温度調節手段と、を備える。ここで、温度調節手段は、第１の電圧源から第２の電圧源に電力を供給するときは、第２のブリッジ回路の半導体スイッチ素子が高温状態で動作するように第２の冷却体の周囲温度を調節し、第２の電圧源から前記第１の電圧源に電力を供給するときは、第１のブリッジ回路の半導体スイッチ素子が高温状態で動作するように第１の冷却体の周囲温度を調節する。
なお、前記温度分離手段は、請求項２に記載するように、筺体内に仕切板を設けて構成すると良い。
【００１３】
また、前記温度調節手段は、請求項３に記載するように、第１の電圧源の電流を検出する第１の電流検出回路と、検出した電流方向に基づいてパワーフローの方向を判別し、その方向に応じて第１の冷却ファンの回転数を設定する第１のファン回転数調節回路と、設定された回転数に従って運転され、第１の冷却体の周囲温度を調節する第１の冷却ファンと、第２の電圧源の電流を検出する第２の電流検出回路と、検出した電流方向に基づいてパワーフローの方向を判別し、その方向に応じて第２の冷却ファンの回転数を設定する第２のファン回転数調節回路と、設定された回転数に従って運転され、第２の冷却体の周囲温度を調節する第２の冷却ファンと、を備えたものである。
【００１４】
なお、請求項４，５に記載するように、第１の電圧源または第２の電圧源のうち少なくとも一方を車載のバッテリーとすれば、本発明の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を車載型の充電器として構成することができる。
【００１５】
請求項６に記載するように、第１のブリッジ回路及び第２のブリッジ回路を構成する半導体スイッチは、例えば、ダイオード素子が逆並列に接続されたＩＧＢＴ等のトランジスタ素子によって構成することが望ましい。
更に、請求項７に記載するように、第１のブリッジ回路及び第２のブリッジ回路を構成する半導体スイッチには、ダイオード素子が逆並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ素子を用いることができる。この場合、ダイオード素子はＭＯＳＦＥＴ素子に外付けされるものでも良いし、ＭＯＳＦＥＴ素子の内蔵ダイオードであっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、パワーフローの方向に応じて各領域の冷却ファンの回転数を調節し、ブリッジ回路が搭載された冷却体の周囲温度を制御することにより、ダイオード素子の損失を低減して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成図である。
【図３】一般的なダイオード素子の順電圧ＶＦ−順電流ＩＦ特性図である。
【図４】特許文献１に記載されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成図である。
【図５】従来の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は、この実施形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成図であり、図１はパワーフローが直流電源Ｅｄ１→直流電源Ｅｄ２のとき、図２はパワーフローが直流電源Ｅｄ２→直流電源Ｅｄ１のときの動作を説明するためのものである。
なお、図５における構成要素と同一機能を有するものには同一の参照符号を付してある。
【００１９】
図１及び図２において、筐体１００は、請求項における温度分離手段としての仕切板３０により、第１の領域１０と第２の領域２０とに分離されている。
第１の領域１０には、第１のブリッジ回路ＢＣ１及びその冷却体ＣＵ１が設置されており、筐体１００には、冷却体ＣＵ１の周囲温度Ｔａ１を調節するための第１の冷却ファンＣＦ１及び通気口１０１が設けられている。また、第２の領域２０には、第２のブリッジ回路ＢＣ２及びその冷却体ＣＵ２が設置されており、筐体１００には、冷却体ＣＵ２の周囲温度Ｔａ２を調節するための第２の冷却ファンＣＦ２及び通気口１０２が設けられている。
【００２０】
第１のブリッジ回路ＢＣ１は、半導体スイッチとしてダイオード素子が逆並列に接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ４によって構成され、第２のブリッジ回路ＢＣ２も同様に、ＩＧＢＴ素子Ｑ５〜Ｑ８によって構成されている。
また、第１のブリッジ回路ＢＣ１の交流端子間には、共振用リアクトルＬｒ、絶縁トランスＴｒの一方の巻線Ｎ１、共振用コンデンサＣｒが直列に接続され、絶縁トランスＴｒの他方の巻線Ｎ２の両端は、第２のブリッジ回路ＢＣ２の交流端子に接続されている。
更に、第１のブリッジ回路ＢＣ１の正負の直流端子には、第１の直流電源Ｅｄ１及び平滑用コンデンサＣ１が互いに並列に接続され、第２のブリッジ回路ＢＣ２の正負の直流端子には、同じく第２の直流電源Ｅｄ２及び平滑用コンデンサＣ２が互いに並列に接続されている。
【００２１】
さて、領域１０には第１の直流電源Ｅｄ１の電流を検出する第１の電流検出回路１１と、この電流検出回路１１が検出した電流方向に応じて第１の冷却ファンＣＦ１の回転数を調節する第１のファン回転数調節回路１２とが設けられている。同様に、領域２０にも、第２の直流電源Ｅｄ２の電流を検出する第２の電流検出回路２１と、この電流検出回路２１が検出した電流方向に応じて第２の冷却ファンＣＦ２の回転数を調節する第２のファン回転数調節回路２２とが設けられている。
ここで、電流検出回路１１，２１、ファン回転数調節回路１２，２２及び冷却ファンＣＦ１，ＣＦ１は、請求項における温度調節手段を構成している。
なお、第１のブリッジ回路ＢＣ１及び第２のブリッジ回路ＢＣ２を構成する半導体スイッチには、ダイオード素子が逆並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ素子を用いても良い。この場合、ダイオード素子はＭＯＳＦＥＴ素子に外付けされるものでも良いし、ＭＯＳＦＥＴ素子の内蔵ダイオードであっても良い。
【００２２】
次に、図１に基づいて、パワーフローが直流電源Ｅｄ１→直流電源Ｅｄ２のときの動作について説明する。
図１において、第１のブリッジ回路ＢＣ１は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ４がスイッチング動作を行って直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路として動作し、第２のブリッジ回路ＢＣ２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５〜Ｑ８の逆並列ダイオード素子がオン／オフ動作を行って交流電力を直流電力に変換する整流回路として動作する。
【００２３】
このとき、第２のブリッジ回路ＢＣ２側の電流検出回路２１は直流電源Ｅｄ２の電流を検出する。そして、検出された電流の方向から、ファン回転数調節回路２２は、パワーフローの方向が直流電源Ｅｄ１→直流電源Ｅｄ２であってブリッジ回路ＢＣ２が整流動作していることを判別し、冷却ファンＣＦ２の回転数を低下させる。
なお、ファン回転数調節回路２２は、ファン回転数に対する温度Ｔａ２の特性データを予め取得しておき、この特性データに基づいて冷却ファンＣＦ２の回転数ｎ２を設定するものであり、目標とする温度Ｔａ２となるような回転数設定値ｎ２に基づいて冷却ファンＣＦ２を運転するものである。
【００２４】
冷却ファンＣＦ２の回転数が低下すると、仕切板３０によって分離された領域２０における冷却体ＣＵ２の周囲温度Ｔａ２が高くなるため、ブリッジ回路ＢＣ２内のダイオード素子が高温状態で動作する。この結果、図３により説明したダイオード素子のＶＦ−ＩＦ特性（負の温度特性）によってダイオード素子の導通損失が減少するので、パワーフローが直流電源Ｅｄ１→直流電源Ｅｄ２のときの装置全体の効率が向上する。
【００２５】
このとき、領域１０では、電流検出回路１１が直流電源Ｅｄ１の電流を検出しており、検出された電流の方向から、ファン回転数調節回路１２は、パワーフローの方向が直流電源Ｅｄ１→直流電源Ｅｄ２であってブリッジ回路ＢＣ１がＤＣ／ＡＣ変換動作していることを判別する。
すなわち、ブリッジ回路ＢＣ１のＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ４がスイッチング動作を行っており、冷却体ＣＵ１を十分に冷却する必要があるから、ファン回転数調節回路１２は、冷却体ＣＵ１の周囲温度Ｔａ１が目標値になるように所定の回転数ｎ１で冷却ファンＣＦ１を運転し、通気口１０１からの冷却風により領域１０を冷却する。なお、ファン回転数調節回路１２においても、ファン回転数に対する温度Ｔａ１の特性データを予め取得しておき、この特性データに基づいて冷却ファンＣＦ１の回転数ｎ１を設定するように構成されている。
【００２６】
次いで、図２は、パワーフローが直流電源Ｅｄ２→直流電源Ｅｄ１のときの動作を示している。
この場合には、図１と逆の動作となり、第２のブリッジ回路ＢＣ２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５〜Ｑ８がスイッチング動作を行って直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路として動作し、第１のブリッジ回路ＢＣ１は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ４の逆並列ダイオード素子がオン／オフ動作を行って交流電力を直流電力に変換する整流回路として動作する。
【００２７】
ファン回転数調節回路１２は、電流検出回路１１が検出した直流電源Ｅｄ１の電流の方向から、パワーフローの方向が直流電源Ｅｄ２→直流電源Ｅｄ１であることを判別して、冷却ファンＣＦ１の回転数を低下させる。
冷却ファンＣＦ１の回転数が低下すると、冷却体ＣＵ１の周囲温度Ｔａ１が上昇し、冷却体ＣＵ１の温度が高くなるため、ブリッジ回路ＢＣ１内のダイオード素子が高温状態で動作する。この結果、前記同様にダイオード素子のＶＦ−ＩＦ特性によってダイオード素子の導通損失が減少するので、パワーフローが直流電源Ｅｄ２→直流電源Ｅｄ１のときの装置全体の効率が向上する。
このときの領域２０側の動作は図１における領域１０側の動作と同様であり、ファン回転数調節回路２２は、温度Ｔａ２が目標値になるように所定の回転数ｎ２で冷却ファンＣＦ２を運転し、通気口１０２からの冷却風により冷却体ＣＵ２の周囲を冷却する。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、ブリッジ回路ＢＣ１及び冷却体ＣＵ１が設置される領域１０とブリッジ回路ＢＣ２及び冷却体ＣＵ２が設置される領域２０とを仕切板３０によって分離し、パワーフローの方向に応じて、整流回路として動作するブリッジ回路側の冷却ファンの回転数を低下させて冷却体の周囲温度を調節し、ダイオード素子を高温動作させて損失を低減することができる。これにより、パワーフローの方向がどちらであっても、装置全体の効率を向上させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、第１，第２の電圧源の間で相互に電力を供給する各種の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ装置に適用可能である。
例えば、一方の電圧源を車載型のバッテリーとし、他方の電圧源から前記バッテリーを充電する充電装置としても利用することができる。この場合、他方の電圧源は、前記バッテリーとは電圧値が異なる別系統のバッテリーでも良いし、発電機の出力から得た直流電圧源であっても良い。
【符号の説明】
【００３０】
Ｅｄ１，Ｅｄ２：直流電源
ＢＣ１，ＢＣ２：ブリッジ回路
ＣＵ１，ＣＵ２：冷却体
Ｑ１〜Ｑ８：ＩＧＢＴ素子
Ｃ１，Ｃ２：平滑用コンデンサ
Ｌｒ：共振用リアクトル
Ｃｒ：共振用コンデンサ
Ｔｒ：絶縁トランス
Ｎ１，Ｎ２：巻線
ＣＦ１，ＣＦ２：冷却ファン
１０，２０：領域
１１，２１：電流検出回路
１２，２２：ファン回転数調節回路
３０：仕切板
１００：筺体
１０１，１０２：通気口
【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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