(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源（３０）が接続される入力側から、トランス（Ｔｒ）を介して出力側へと電力を供給する電力変換装置であって、
前記直流電源の正極に入力端が接続されるチョークコイル（１１）と、
センタータップ（１３）を有し、両端がそれぞれ第１スイッチング素子（Ｑ１）、第２スイッチング素子（Ｑ２）を介して所定接続点（１２）に接続され、前記センタータップが前記直流電源の負極に接続され且つ前記所定接続点が前記チョークコイルの出力端に接続されており、又は、前記センタータップが前記チョークコイルの出力端に接続され且つ前記所定接続点が前記直流電源の前記負極に接続されている、前記トランスを構成する第１コイル（Ｌ１）と、
前記直流電源と前記チョークコイルとの接続を切り替える、第３スイッチング素子（Ｑ３）と、
前記第３スイッチング素子がＯＦＦであるときに、前記チョークコイルの入力端と前記所定接続点とを通電可能に接続する通電手段（Ｄ３）と、
前記第１コイルと磁気的に結合する、前記トランスを構成する第２コイル（Ｌ２）と、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とのそれぞれに、ＯＮ信号とＯＦＦ信号との一方を送信するパルス生成部（２０）と、
前記第２コイル側の電圧である出力電圧を検出する電圧検出手段（１８）と、を備え、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をいずれもＯＮとする制御と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の一方をＯＮとし、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の他方と前記第３スイッチング素子とをＯＦＦとする制御とを交互に繰り返し、
前記出力電圧が所定値よりも小さい場合には、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をいずれもＯＮとする制御と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の一方をＯＮとし、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の他方と前記第３スイッチング素子とをＯＦＦとする制御とを交互に繰り返す第１モードとし、
前記出力電圧が所定値よりも大きい場合には、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を共にＯＮとする制御と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の一方をＯＮとし他方をＯＦＦとする制御とを交互に繰り返し、且つ、第３スイッチング素子のＯＮ状態を継続する第２モードとすることを特徴とする、電力変換装置。
【請求項２】
前記チョークコイルの電流値を検出する電流検出手段（１９）をさらに備え、
前記電流値が予め定められた値である指令値となるように、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、及び前記第３スイッチング素子を制御することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電流値が前記指令値となるように、ピーク電流制御を行うことを特徴とする、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記指令値は、前記第１モードと前記第２モードとで異なることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電流値に、鋸歯状波であるスロープ信号を加算するスロープ補償部（７３）をさらに備え、
前記第１モードと前記第２モードとでは、前記スロープ信号のスロープ量が異なることを特徴とする、請求項２〜４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、直流電源から供給される電力を変圧して出力側へと供給する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源を用いて容量負荷へ充電を行うものとして、特許文献１記載の電源制御装置がある。特許文献１記載の電源制御装置は、主蓄電装置と、主蓄電装置の電力ラインの間に接続される容量負荷と、主蓄電装置の電力ラインの間に、双方向コンバータを介して容量負荷と並列接続された補機用蓄電装置とを備えている。主蓄電装置と補機用蓄電装置との間での電力の授受は、双方向コンバータを用いて行われる。また、補機用蓄電装置の電力を双方向コンバータを用いて容量負荷へ供給することにより、容量負荷の電圧が主蓄電装置の電圧と等しくなるまで充電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９５６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の電源制御装置における双方向コンバータが、補機用蓄電池側にチョークコイルを備える電流入力型プッシュプル方式ＤＣＤＣコンバータであった場合には、容量負荷への充電は、チョークコイルの電流の増加と減少を繰り返すことにより行われる。また、特許文献１記載の電源制御装置では、システムの低コスト化や小型化の観点から、突入電流を防止するための制限抵抗等が設けられていない。
【０００５】
ここで、チョークコイルの電流が減少するための条件は、補機用蓄電池の電圧が、容量負荷の電圧を、双方向コンバータを構成するコイルの巻数比で除算した値より小さいことである。したがって、充電の開始時等、容量負荷の電圧が小さい場合には、チョークコイルの電流は増加し続けることとなる。その結果として、ＤＣＤＣコンバータの劣化や破損につながるおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は過電流を抑制することが可能な電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、直流電源が接続される入力側から、トランスを介して出力側へと電力を供給する電力変換装置であって、前記直流電源の正極に入力端が接続されるチョークコイルと、センタータップを有し、両端がそれぞれ第１スイッチング素子、第２スイッチング素子を介して所定接続点に接続され、前記センタータップが前記直流電源の負極に接続され且つ前記所定接続点が前記チョークコイルの出力端に接続されており、又は、前記センタータップが前記チョークコイルの出力端に接続され且つ前記所定接続点が前記直流電源の前記負極に接続されている、前記トランスを構成する第１コイルと、前記直流電源と前記チョークコイルとの接続を切り替える、第３スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子がＯＦＦであるときに、前記チョークコイルの入力端と前記所定接続点とを通電可能に接続する通電手段と、前記第１コイルと磁気的に結合する、前記トランスを構成する第２コイルと、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とのそれぞれに、ＯＮ信号とＯＦＦ信号との一方を送信するパルス生成部と、を備え、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子がいずれもＯＮである期間と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の一方がＯＮであり、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の他方及び前記第３スイッチング素子がＯＦＦである期間とを含む制御を行う。
【０００８】
上記構成では、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素素子をいずれもＯＮとした場合に、チョークコイルに流れる電流を増加させることができる。一方、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の一方をＯＮとし、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の他方と第３スイッチング素子とをＯＦＦとすれば、直流電源が切り離された状態で、第１コイル側から第２コイル側からへと電力を供給することとなるため、第２コイル側の電圧に関わらず、チョークコイルに流れる電流を減少させつつ電力を供給することができる。ゆえに、第２コイル側の電圧が低い場合においてもチョークコイルの電流を減少させる期間を設けることができ、チョークコイルの電流が過剰に増加することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。
【図２】期間αでの電気経路を示す図である。
【図３】（ａ）が、期間βでの電気経路を示す図であり、（ｂ）が期間βでの別の電気経路を示す図である。
【図４】（ａ）が、期間γでの電気経路を示す図であり、（ｂ）が期間γでの別の電気経路を示す図である。
【図５】第１モードの制御を示すタイムチャートである。
【図６】第２モードの制御を示すタイムチャートである。
【図７】第１実施形態における制御ブロック図である。
【図８】第１実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図９】第２実施形態における第１モードの制御を示すタイムチャートである。
【図１０】第３実施形態に係る電力変換装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
【００１１】
＜第１実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、公称電圧が１２Ｖである鉛バッテリ等の二次電池と、公称電圧が数百Ｖであるリチウムイオンバッテリ等の高電圧蓄電池とを備えるハイブリッドカーに搭載される。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る電力変換装置の回路図である。本実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣＤＣコンバータ１０であり、ＤＣＤＣコンバータ１０の正極側入力端３０ａ、負極側入力端３０ｂは直流電源である二次電池３０が接続され、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端には容量負荷４０（平滑コンデンサ）が並列接続され、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端には正極側出力端５０ａ、負極側出力端５０ｂが設けられている。二次電池３０に蓄積された電力はＤＣＤＣコンバータ１０により変圧され、正極側出力端５０ａ、負極側出力端５０ｂから出力される。正極側出力端５０ａ、負極側出力端５０ｂから入力された電力は、ＤＣＤＣコンバータ１０により変圧され、二次電池３０に入力される。正極側出力端５０ａ、負極側出力端５０ｂには、図示しない高電圧蓄電池、電気負荷、発電機等が接続されており、二次電池３０との間で電力の授受が可能となっている。
【００１３】
ＤＣＤＣコンバータ１０は、チョークコイル１１と、トランスＴｒと、ブリッジ回路１４と、第１スイッチング素子Ｑ１と、第２スイッチング素子Ｑ２とを備えている。
【００１４】
トランスＴｒは、互いに磁気的に結合した第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とにより構成され、第１コイルＬ１は、センタータップ１３を有している。第２コイルＬ２の巻数は、第１コイルＬ１の巻数のＮ／２倍である。すなわち、第２コイルＬ２の巻数が、第１コイルＬ１のいずれか一方の端からセンタータップ１３までの巻数のＮ倍となっている。第２コイルＬ２は、ブリッジ回路１４、及び、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端を介して、容量負荷４０に接続されている。
【００１５】
第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２はＭＯＳＦＥＴであり、第１コイルＬ１の両端は、それぞれ、第１スイッチング素子Ｑ１のソース、第２スイッチング素子Ｑ２のソースに接続されている。一方、第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン及び第２スイッチング素子Ｑ２のドレインは、共に、所定接続点１２に接続されている。所定接続点１２には、チョークコイル１１の第１端が接続され、チョークコイル１１の第２端は、第３スイッチング素子Ｑ３を介して、正極側入力端３０ａに接続されている。また、第１コイルＬ１のセンタータップ１３は、負極側入力端３０ｂを介して、二次電池３０の負極に接続されている。
チョークコイル１１と第３スイッチング素子Ｑ３との間と、センタータップ１３と負極側入力端３０ｂとの間は、第３ダイオードＤ３により接続されている。第３ダイオードＤ３は、負極側から正極側への通電を可能とし、正極側から負極側への通電を遮断する通電手段である。なお、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２は、それぞれ、逆方向に並列接続された第１寄生ダイオードＤ１、第２寄生ダイオードＤ２を有している。
【００１６】
ブリッジ回路１４は、ＭＯＳＦＥＴである第４〜第７スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ７及び、第４〜第７スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ７のそれぞれに対して逆方向に並列接続された、第４〜第７寄生ダイオードＤ４〜Ｄ７により構成されている。第２コイルＬ２の端部の一方は、第４スイッチング素子Ｑ４のソース及び第５スイッチング素子Ｑ５のドレインに接続されている。第２コイルＬ２の端部の他方は、第６スイッチング素子Ｑ６のソース及び第７スイッチング素子Ｑ７のドレインに接続されている。第４スイッチング素子Ｑ４のドレイン及び第６スイッチング素子Ｑ６のドレインは、高圧側の出力端に接続されており、第５スイッチング素子Ｑ５のソース及び第７スイッチング素子Ｑ７のソースは、低圧側の出力端に接続されている。このブリッジ回路１４では、第１コイルＬ１側から第２コイルＬ２側へと電力を供給する際には、第４〜第７寄生ダイオードＤ４〜Ｄ７により整流回路として機能し、第２コイルＬ２側から第１コイルＬ１側へと電力を供給する際には、第４〜第７スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ７によりスイッチング回路として機能する。なお、ブリッジ回路１４をスイッチング回路として機能させる際の制御については、公知のものであるため、説明を省略する。
【００１７】
ＤＣＤＣコンバータ１０は、入力電圧検出手段１７、出力電圧検出手段１８、電流検出手段１９、パルス生成部２０、駆動回路２１を備えている。入力電圧検出手段１７は、例えば電圧センサであり、二次電池３０からチョークコイル１１へ入力される電圧である入力電圧Ｖｉｎを検出する。出力電圧検出手段１８は、例えば電圧センサであり、容量負荷４０の電圧である出力電圧Ｖｃを検出する。電流検出手段１９は、例えば電流センサであり、チョークコイル１１の電流を示すリアクトル電流ＩＬを検出する。なお、出力電圧Ｖｃは容量負荷４０の電圧であるため、「容量負荷電圧」と称してもよい。
【００１８】
入力電圧検出手段１７が検出した入力電圧Ｖｉｎ、及び、出力電圧検出手段１８が検出した出力電圧Ｖｃは、パルス生成部２０に入力される。パルス生成部２０は、入力された入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｃに基づいて、第１スイッチング素子Ｑ１の駆動信号である第１ＰＷＭ信号、及び、第２スイッチング素子Ｑ２の駆動信号である第２ＰＷＭ信号を生成し、駆動回路２１へ送信する。
【００１９】
駆動回路２１は、パルス生成部２０から受信した第１ＰＷＭ信号に基づいて第１スイッチング素子Ｑ１を駆動し、第２ＰＷＭ信号に基づいて第２スイッチング素子Ｑ２を駆動する。
【００２０】
本実施形態では、二次電池３０に蓄積された電力により容量負荷４０の充電を行う。この際に、ＤＣＤＣコンバータ１０は、電流入力型プッシュプルＤＣＤＣコンバータとして機能する。充電は、車両の電源がＯＮとなった場合に、車両に搭載されているＥＣＵ内で充電開始指令が生成され、開始される。一方、充電は、高電圧蓄電池の電圧に近い電圧を目標電圧とし、出力電圧Ｖｃが目標電圧となるまで行われる。なお、目標電圧は、ＥＣＵ内のメモリに記憶されている値を用いてもよいし、高電圧蓄電池の電圧の測定値に基づいて目標電圧を演算してもよい。なお、充電開始指令、及び目標電圧の値を、車両外部から取得する手段を採用することもできる。
【００２１】
図２は、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をいずれもＯＮとした場合の、回路に流れる電流の経路を示している。この状態では、第１コイルＬ１は短絡状態であるため、第１コイルＬ１の電圧はゼロである。したがって、チョークコイル１１には入力電圧Ｖｉｎが印加され、リアクトル電流ＩＬが増加する。このとき、リアクトル電流ＩＬの時間あたりの変化量であるｄＩＬ／ｄｔ（Ａ／ｓ）は、チョークコイル１１の自己インダクタンスをＬ（Ｈ）とすると、次式（１）で表される。
【００２２】
【数１】
0006406133.tif 000002
すなわち、リアクトル電流ＩＬは、直線的に増加する。なお、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をいずれもＯＮとする期間を、期間αとする。
【００２３】
図３（ａ）は、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＮとし、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦとした場合の、回路に流れる電流の経路を示している。また、図３（ｂ）は、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＮとし、第１スイッチング素子Ｑ１及び第３スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦとした場合の、回路に流れる電流の経路を示している。このとき、リアクトル電流ＩＬの時間当たりの変化量であるｄＩＬ／ｄｔ（Ａ／ｓ）は、次式（２）で表される。
【００２４】
【数２】
0006406133.tif 000003
すなわち、リアクトル電流ＩＬは直線的に減少する。なお、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方をＯＮとし、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方と、第３スイッチング素子Ｑ３とをＯＦＦとする期間を期間βとする。
【００２５】
図４（ａ）は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第３スイッチング素子Ｑ３をＯＮとし、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦとした場合の、回路に流れる電流の経路を示している。また、図４（ｂ）は、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３をＯＮとし、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦとした場合の、回路に流れる電流の経路を示している。このとき、リアクトル電流ＩＬの時間当たりの変化量であるｄＩＬ／ｄｔ（Ａ／ｓ）は、次式（３）で表される。
【００２６】
【数３】
0006406133.tif 000004
すなわち、入力電圧Ｖｉｎが、出力電圧Ｖｃを巻数比Ｎで除算した値より大きければ、ΔＩが正の値をとるため、リアクトル電流ＩＬは増加する。一方、入力電圧Ｖｉｎが、出力電圧Ｖｃを巻数比Ｎで除算した値より小さければ、ΔＩが負の値をとるため、リアクトル電流ＩＬは減少する。なお、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方及び第３スイッチング素子Ｑ３をＯＮとし、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方をＯＦＦとする期間を期間γとする。
【００２７】
この期間γの制御では、容量負荷４０への充電の開始時等の、出力電圧Ｖｃが小さい場合において、リアクトル電流ＩＬは増加する。そのため、期間αと期間γとを用いて容量負荷４０への充電を行えば、リアクトル電流ＩＬは増加し続けることとなり、チョークコイル１１の劣化等が生ずるおそれがある。
【００２８】
そこで、本実施形態では、出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１以下の場合には、期間αと期間βとを交互に繰り返す第１モードの制御を行うものとし、出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１よりも大きい場合には、期間αと期間γとを交互に繰り返す第２モードの制御を行うものとしている。なお、第１モードと第２モードとを切り替える所定値Ｖ１は、入力電圧Ｖｉｎに巻数比Ｎを乗算した値よりも大きい値である。すなわち、出力電圧Ｖｃが、期間γにおいてリアクトル電流ＩＬが減少するまで上昇すれば、第２モードの制御を行うものとしている。
【００２９】
第１モードの制御を行う際の、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３の制御状態、リアクトル電流ＩＬの値、及び、出力電流Ｉｃを、図５に示す。第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２は、互いのＯＮ期間が重複するように、Ｄｕｔｙ値が５０％よりも大きい値に設定されている。
一方、第３スイッチング素子Ｑ３は、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ制御を開始すると同時にＯＮ制御を開始し、第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ制御を開始すると同時にＯＦＦ制御を開始する。さらに、第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮ制御を開始すると同時にＯＮ制御を開始し、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ制御を開始すると同時に、ＯＦＦ制御を開始する。すなわち、第３スイッチング素子Ｑ３のＯＮ制御を開始するタイミングは、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ制御を開始するタイミング及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮ制御を開始するタイミングとそれぞれ等しく、第３スイッチング素子Ｑ３のＯＦＦ制御を開始するタイミングは、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ制御を開始するタイミング及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ制御を開始するタイミングとそれぞれ等しい。
【００３０】
第１モードでは、このように制御することで、図５に示すように期間αの制御と期間βの制御とが交互に繰り返されることとなる。リアクトル電流ＩＬは、期間αにおいて増加し、期間βにおいて減少することとなる。図５における出力電流Ｉｃは、第２コイルＬ２側に流れる電流である。出力電流Ｉｃは期間αではゼロであり、期間βにおいて、リアクトル電流ＩＬに対応した値となる。
【００３１】
この第１モードにおける第１〜第３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のＯＮタイミング及びＯＦＦタイミングは、リアクトル電流ＩＬの平均値ＩＬ＿ａｖｅが第１指令値Ｉｒｅｆ１となるように制御される。なお、第１指令値Ｉｒｅｆ１は、リアクトル電流ＩＬが過剰なものとならないように予め定められた値であり、メモリ等に記憶されている。
【００３２】
この第１モードの制御を行ううえで、期間αでのリアクトル電流ＩＬの増加量と、期間βでのリアクトル電流ＩＬの減少量が等しければ、リアクトル電流ＩＬが過剰なものとなることがない。このとき、期間αと期間βとの長さの比を、Ｄ：（１−Ｄ）とすると、次式（４）が成立すればよく、次式（５）により、期間αの長さを示すＤが求まる。
【００３３】
【数４】
0006406133.tif 000005
【００３４】
【数５】
0006406133.tif 000006
加えて、低調波発振を抑制すべく、リアクトル電流ＩＬにスロープ電流Ｉｓを加算した値が、第１指令値Ｉｒｅｆ１よりも大きい値である第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊となるように、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦとするタイミングを制御する。このスロープ電流Ｉｓは、直線的に増加する、仮想的な値である。なお、スロープ電流Ｉｓの時間当たりの増加量をｍ１としている。このとき、第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊は次式（９）で算出することができる。なお、次式（６）では、トランスＴｒによる変圧において電力の損失が無い理想的なものであるとしているが、一般的にはトランスＴｒでは電力の損失がある。この場合には、１未満の値である電力変換効率により、電流の補正項である右辺第２項を補正すればよい。
【００３５】
【数６】
0006406133.tif 000007
続いて、第２モードの制御を行う際の、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３の制御状態、リアクトル電流ＩＬの値、及び、出力電流Ｉｃの値を、図６に示す。第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２は、互いのＯＮ期間が重複するように、Ｄｕｔｙ値が５０％よりも大きい値に設定されている。第３スイッチング素子Ｑ３は、常にＯＮ状態とする制御が行われる。
【００３６】
第２モードでは、このように制御することで、図６に示すように期間αと期間γが交互に繰り返されることとなる。上述した通り、第２モードは、上式（３）が負の値となる場合に行われる。このため、リアクトル電流ＩＬは、期間αにおいて増加し、期間γにおいて減少することとなる。また、出力電流Ｉｃは期間αではゼロであり、期間γにおいて、リアクトル電流ＩＬに対応した値となる。
【００３７】
この第２モードにおける第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮタイミング及びＯＦＦタイミングは、リアクトル電流ＩＬの平均値ＩＬ＿ａｖｅが第２指令値Ｉｒｅｆ２となるように制御される。なお、第２指令値Ｉｒｅｆ２は、リアクトル電流ＩＬが過剰なものとならないように予め定められた値であり、メモリ等に記憶されている。また、第２指令値Ｉｒｅｆ２は第１指令値Ｉｒｅｆ１と同じ値でもよいし、異なる値でもよい。
【００３８】
この第２モードにおいても、第１モードと同様に、期間αにおけるリアクトル電流ＩＬの増加量と、期間γにおけるリアクトル電流ＩＬの減少量が等しくなるように制御する。このとき、期間αと期間γとの長さの比を、Ｄ：（１−Ｄ）とすると、次式（７）が成立すればよく、次式（８）により、期間αの長さを示すＤが求まる。
【００３９】
【数７】
0006406133.tif 000008
【００４０】
【数８】
0006406133.tif 000009
加えて、第２モードにおいても、低調波発振を抑制すべく、リアクトル電流ＩＬにスロープ電流Ｉｓを加算した値が、第２指令値Ｉｒｅｆ２よりも大きい値である第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊となるように、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦとするタイミングを制御する。なお、スロープ電流Ｉｓの時間当たりの増加量をｍ２としている。このとき、第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊は次式（９）で算出することができる。なお、次式（９）においても、１未満の値である電力変換効率により、電流の補正項である右辺第２項を補正してもよい。
【００４１】
【数９】
0006406133.tif 000010
続いて、パルス生成部２０が実行する処理を、図７の制御ブロック図により説明する。定電流制御部５０では、第１モードにおけるリアクトル電流ＩＬの指令値である第１指令値Ｉｒｅｆ１と、第２モードにおけるリアクトル電流ＩＬの指令値である第２指令値Ｉｒｅｆ２とを、メモリから読み出して制御に用いる。
【００４２】
定電流制御部５０において、第１指令値Ｉｒｅｆ１は、加算部５２に入力される。その加算部５２には、電流補正部５１により算出された電流補正項が入力される。電流補正部５１が算出する電流補正項は上式（６）の右辺第２項である。一方、第２指令値Ｉｒｅｆ２は、加算部５４に入力される。その加算部５２には、電流補正部５３により算出された電流補正項が入力される。電流補正部５３が算出する電流補正項は上式（９）の右辺第２項である。
【００４３】
定電流制御部５０から出力された第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊及び第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊は、モード選択部６０に入力される。モード選択部６０には、さらに、出力電圧Ｖｃも入力され、その出力電圧Ｖｃと、所定値Ｖ１とを比較する。そして、第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊及び第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊のいずれを出力するかを決定して出力する。
【００４４】
モード選択部６０から出力された第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊、第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊の一方は、ピーク電流制御部７０に入力され、ＤＡ変換器７１においてアナログ値に変換され、コンパレータ７２のマイナス端子に入力される。
【００４５】
一方、ピーク電流制御部７０のスロープ補償部７３は、レジスタの値により得られるスロープ電流Ｉｓの値を信号として生成し、ＤＡ変換器７４に入力する。このスロープ電流Ｉｓは、上述した通り、各制御周期において０Ａから直線的に単調増加する鋸歯状波の信号である。そして、ＤＡ変換器７４によりアナログ波形とされたスロープ電流Ｉｓとリアクトル電流ＩＬとを、加算部７５において加算して、コンパレータ７２のプラス端子に入力する。なお、スロープ補償部７３は、直接アナログ波形を生成し、ＤＡ変換器７４を介さずコンパレータ７２に入力するものとしてもよい。
【００４６】
このスロープ補償部７３は、第１モードと第２モードとで、スロープ電流Ｉｓの時間当たりの増加量であるｍ１，ｍ２を異なるものとしている。具体的には、第１モードでの時間当たりの増加量であるｍ１を、第２モードでの時間当たりの増加量であるｍ２よりも大きく設定している。なお、ｍ１とｍ２を等しい値としてもよい。
【００４７】
コンパレータ７２は、マイナス端子に入力された、第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊及び第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊の一方と、プラス端子に入力された、リアクトル電流ＩＬにスロープ電流Ｉｓが加算された値との比較を行う。そして、プラス端子の入力値がマイナス端子の入力値よりも小さい期間において、ハイ状態の信号をＲＳフリップフロップ７７のＳ端子に入力し、プラス端子の入力値がマイナス端子の入力値よりも大きい期間において、ロー状態の信号をＲＳフリップフロップ７７のＳ端子に入力する。また、ＲＳフリップフロップ７７のＲ端子には、クロック７６からクロック信号が入力される。
【００４８】
ＲＳフリップフロップ７７は、第１モードにおいて、入力された信号がハイ状態の信号であれば、第１〜第３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をいずれも共にＯＮとする信号を送信する。一方、入力された信号がロー状態の信号であれば、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方をＯＮとし、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方と、第３スイッチング素子Ｑ３とをＯＦＦとする信号を送信する。
【００４９】
ＲＳフリップフロップ７７は、第２モードにおいて、入力された信号がハイ状態の信号であれば、第１〜第３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をいずれもＯＮとする信号を送信する。一方、入力された信号がロー状態の信号であれば、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方と第３スイッチング素子Ｑ３をＯＮとし、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方をＯＦＦとする信号を出力する。
【００５０】
ＲＳフリップフロップ７７の出力は、Ｄｕｔｙ制限部７８によってＤｕｔｙ値の上限値及び下限値を設定された上で、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２を駆動する駆動回路２１に出力される。具体的には、第１モード及び第２モードにおいて、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ期間と第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮ期間とが重複するように、Ｄｕｔｙ値が５０％よりも大きい値となるように制御する。
【００５１】
続いて、パルス生成部２０が実行する一連の処理について、図５のフローチャートを用いて説明する。図８のフローチャートに係る制御は、所定の制御周期で実行される。
【００５２】
まず、起動要求を取得したか否かを判定する（Ｓ１０１）。この起動要求の指令信号は、例えば、上位の制御装置であるＥＣＵ等から送信される。起動要求を取得していない場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、一連の制御を行わず、待機状態を継続する。
【００５３】
起動要求を取得すれば（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、出力電圧Ｖｃを取得し（Ｓ１０２）、その出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１以下であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１以下であれば（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、第１モードでの制御を行う（Ｓ１０４）。出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１以下でなければ（Ｓ１０３：ＮＯ）、第２モードで制御を行う（Ｓ１０５）。
【００５４】
第１モード及び第２モードの一方の制御が所定時間行われた後、制御の終了判定を行う（Ｓ１０６）。Ｓ１０６の処理では、例えば、出力電圧Ｖｃを取得し、その出力電圧Ｖｃが所定の上限値以上となったか否かを判定すればよい。なお、出力電圧Ｖｃが所定の上限値以上となったか否かの判定は、Ｓ１０３で否定的な判定がなされた後に行うものとしてもよい。制御を終了すると判定した場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、一連の処理を終了して起動要求がなされるまで待機する。制御を終了すると判定しない場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、終了要求を取得したか否かを判定する（Ｓ１０７）。この終了要求の指令信号は、ＥＣＵ等の上位の制御装置から送信される。終了要求を取得すれば（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、一連の処理を終了して起動要求がなされるまで待機する。終了要求を取得しなければ（Ｓ１０７：ＮＯ）、Ｓ１０２以降の処理を再度実行する。
【００５５】
なお、図８のフローチャートでは、容量負荷４０への充電制御に関する制御のみを示しているが、ＤＣＤＣコンバータ１０は容量負荷４０への充電制御以外の電力変換も行う。例えば、接続端子４０ａ，４０ｂを介して供給される電力を降圧し、二次電池３０への充電を行う制御が挙げられる。その制御は、周知の制御であるため、説明を省略する。
【００５６】
上記構成により、本実施形態に係る電力変換装置は、以下の効果を奏する。
【００５７】
・出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１よりも小さい場合において、第１モードの制御を行うことにより、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方がＯＮであり、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方と第３スイッチング素子Ｑ３がＯＦＦである期間βを設けるものとしている。この期間βでは、出力電圧Ｖｃの値に関わらず、リアクトル電流ＩＬを減少させることができる。したがって、リアクトル電流ＩＬが増加し続けることを防ぐことができ、ひいては、ＤＣＤＣコンバータ１０の劣化及び故障を抑制することができる。
【００５８】
・容量負荷４０への充電が進行した場合等、出力電圧Ｖｃが所定値Ｖ１より大きくなった場合には、第２モードの制御を行うことにより、第１〜第３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３がいずれもＯＮである期間αと、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方と第３スイッチング素子Ｑ３がＯＮであり、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方がＯＦＦである期間γを設けている。したがって、期間αにおいてリアクトル電流ＩＬを増加させることができ、期間γにおいて、リアクトル電流ＩＬを減少させることにより、充電が進行した容量負荷４０への充電を迅速に行いつつ、リアクトル電流ＩＬの過剰な増加を抑制することができる。
【００５９】
・ピーク電流制御部７０において、定電流制御部５０から入力された第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊、及び第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊を用いて定電流制御を行っている。これにより、入力電圧Ｖｉｎに変化が生じた場合等において、過電流に対するロバスト性を向上させることができる。加えて、第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊を算出する上で、期間αにおけるリアクトル電流ＩＬの増加量と期間βにおけるリアクトル電流ＩＬの減少量が等しくなるようにしており、第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊を算出する上で、期間αにおけるリアクトル電流ＩＬの増加量と期間γにおけるリアクトル電流ＩＬの減少量が等しくなるようにしている。したがって、リアクトル電流ＩＬの過剰な増加及び過剰な減少を抑制することができ、迅速な充電と回路の保護とを両立することができる。
【００６０】
＜第２実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、回路構成は第１実施形態と共通しており、第１モードにおける制御が一部異なっている。具体的には、本実施形態では、第３スイッチング素子Ｑ３のＯＮタイミング及びＯＦＦタイミングを、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮタイミング及びＯＦＦタイミングと同期させていない。図９は、本実施形態に係る電力変換装置における、第１〜３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３の制御状態と、そのときのリアクトル電流ＩＬを示している。
【００６１】
期間αは、第１〜第３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３がいずれもＯＮである。期間βは、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方がＯＮであり、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方と第３スイッチング素子Ｑ３がＯＦＦである。期間γは、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の一方と第３スイッチング素子Ｑ３がＯＮであり、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の他方がＯＦＦである。期間δは、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２が共にＯＮであり、第３スイッチング素子Ｑ３がＯＦＦである。
【００６２】
本実施形態では、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦタイミングを一定としておき、第３スイッチング素子Ｑ３のＯＦＦタイミングを可変とすることにより、リアクトル電流ＩＬの増加量と減少量とを等しいものとすればよい。また、第３スイッチング素子Ｑ３のＯＦＦタイミングを固定しておき、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦタイミングを可変とすることにより、リアクトル電流ＩＬの増加量と減少量とを等しいものとしてもよい。
【００６３】
このように、少なくとも期間α及び期間γを設けることで、リアクトル電流ＩＬを増加させることができる期間と、リアクトル電流ＩＬを減少させることができる期間とを得ることができる。
【００６４】
なお、本実施形態において、第２モードにおける制御は第１実施形態と同様の制御を行うため、その説明を省略する。
【００６５】
上記構成により、本実施形態に係る電力変換装置は、第１実施形態に準ずる効果を奏する。
【００６６】
＜第３実施形態＞
本実施形態に係る電力変換装置は、回路構成が第１実施形態と一部異なっている。図１０は本実施形態に係る電力変換装置の回路図である。
【００６７】
本実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣＤＣコンバータ１０であり、ＤＣＤＣコンバータ１０の正極側入力端３０ａ、負極側入力端３０ｂは直流電源である二次電池３０が接続され、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端には容量負荷４０（平滑コンデンサ）が並列接続され、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端には正極側出力端５０ａ、負極側出力端５０ｂが設けられている。
【００６８】
ＤＣＤＣコンバータ１０は、チョークコイル１１と、トランスＴｒと、ブリッジ回路１４と、第１スイッチング素子Ｑ１と、第２スイッチング素子Ｑ２とを備えている。
【００６９】
トランスＴｒは、互いに磁気的に結合した第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とにより構成され、第１コイルＬ１は、センタータップ１３を有している。第２コイルＬ２の巻数は、第１コイルＬ１の巻数のＮ／２倍である。すなわち、第２コイルＬ２の巻数が、第１コイルＬ１のいずれか一方の端からセンタータップ１３までの巻数のＮ倍となっている。第２コイルＬ２は、ブリッジ回路１４、及び、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端を介して、容量負荷４０に接続されている。
【００７０】
第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２はＭＯＳＦＥＴであり、第１コイルＬ１の両端は、それぞれ、第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン、第２スイッチング素子Ｑ２のドレインに接続されている。第１コイルＬ１のセンタータップ１３にはチョークコイル１１の第１端が接続され、チョークコイル１１の第２端は、第３スイッチング素子Ｑ３を介して、正極側入力端３０ａに接続されている。一方、所定接続点１２は、負極側入力端３０ｂを介して、二次電池３０の負極に接続されている。チョークコイル１１と第３スイッチング素子Ｑ３との間と、所定接続点１２と負極側入力端３０ｂとの間は、第３ダイオードＤ３により接続されている。第３ダイオードＤ３は、負極側から正極側への通電を可能とし、正極側から負極側への通電を遮断する通電手段である。なお、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２は、それぞれ、逆方向に並列接続された第１寄生ダイオードＤ１、第２寄生ダイオードＤ２を有している。
【００７１】
ブリッジ回路１４は、第１実施形態と同様のものであるため、その説明を省略する。
【００７２】
ＤＣＤＣコンバータ１０は、入力電圧検出手段１７、出力電圧検出手段１８、電流検出手段１９、パルス生成部２０、駆動回路２１を備えている。入力電圧検出手段１７は、例えば電圧センサであり、二次電池３０からチョークコイル１１へ入力される電圧である入力電圧Ｖｉｎを検出する。出力電圧検出手段１８は、例えば電圧センサであり、容量負荷４０の電圧である出力電圧Ｖｃを検出する。電流検出手段１９は、例えば電流センサであり、チョークコイル１１の電流を示すリアクトル電流ＩＬを検出する。
【００７３】
入力電圧検出手段１７が検出した入力電圧Ｖｉｎ、及び、出力電圧検出手段１８が検出した出力電圧Ｖｃは、パルス生成部２０に入力される。パルス生成部２０は、入力された入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｃに基づいて、第１スイッチング素子Ｑ１の駆動信号である第１ＰＷＭ信号、及び、第２スイッチング素子Ｑ２の駆動信号である第２ＰＷＭ信号を生成し、駆動回路２１へ送信する。
【００７４】
駆動回路２１は、パルス生成部２０から受信した第１ＰＷＭ信号に基づいて第１スイッチング素子Ｑ１を駆動し、第２ＰＷＭ信号に基づいて第２スイッチング素子Ｑ２を駆動する。
【００７５】
なお、本実施形態において、第１〜３スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３の制御については、第１実施形態又は第２実施形態と同様の制御が行われる。
【００７６】
上記構成により、本実施形態に係る電力変換装置は、第１実施形態に準ずる効果を奏する。
【００７７】
＜変形例＞
・各実施形態では、負極側から正極側への通電を可能とし、正極側から負極側への通電を遮断する通電手段として、第３ダイオードＤ３を用いるものとしているが、第３ダイオードＤ３の代わりにスイッチング素子を設け、そのスイッチング素子を第３スイッチング素子Ｑ３と同期させて駆動するものとしてもよい。
【００７８】
・第１実施形態では、チョークコイル１１と正極側入力端３０ａとの間に第３スイッチング素子Ｑ３を設けるものとしたが、センタータップ１３と負極側入力端３０ｂとの間に第３スイッチング素子Ｑ３を設けるものとしてもよい。また、チョークコイル１１と正極側入力端３０ａとの間、及び、センタータップ１３と負極側入力端３０ｂとの間のいずれにも第３スイッチング素子Ｑ３を設けるものとし、同期させて制御するものとしてもよい。
【００７９】
・第３実施形態では、チョークコイル１１と正極側入力端３０ａとの間に第３スイッチング素子Ｑ３を設けるものとしたが、所定接続点１２と負極側入力端３０ｂとの間に第３スイッチング素子Ｑ３を設けるものとしてもよい。また、チョークコイル１１と正極側入力端３０ａとの間、及び、所定接続点１２と負極側入力端３０ｂとの間のいずれにも第３スイッチング素子Ｑ３を設けるものとし、同期させて制御するものとしてもよい。
【００８０】
・各実施形態では、ピーク電流制御を行うものとしたが、ピーク電流制御を行わず、出力電圧Ｖｃに対応付けて予め設定されたＤｕｔｙ値に基づいて、制御を行うものとしてもよい。
【００８１】
・各実施形態では、スロープ電流Ｉｓを加算してピーク電流制御を行うものとしたが、スロープ電流Ｉｓを加算せず、リアクトル電流ＩＬの値が第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊、第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊となるように制御してもよい。この場合には、上式（６）、上式（９）により第１補正指令値Ｉｒｅｆ１＊、第２補正指令値Ｉｒｅｆ２＊を算出する上で、スロープ電流Ｉｓの期間αでの増加分であるΔＩｓを加算しないものとすればよい。
【００８２】
・上記各実施形態において、電力変換装置がハイブリッドカーに備えられるものとしたが、ハイブリッドカー以外においても適用可能である。また、ＤＣＤＣコンバータ１０を、双方向に電力の授受を可能なものとしたが、第１コイルＬ１側から第２コイルＬ２側への電力の供給のみが可能なものとしてもよく、その場合には、ブリッジ回路１４をダイオードブリッジ回路とすればよい。
【符号の説明】
【００８３】
１１…チョークコイル、１２…所定接続点、１３…センタータップ、１８…出力電圧検出手段、１９…電流検出手段、２０…パルス生成部、３０…二次電池、７３…スロープ補償部、Ｌ１…第１コイル、Ｌ２…第２コイル、Ｑ１…第１スイッチング素子、Ｑ２…第２スイッチング素子、Ｑ３…第３スイッチング素子、Ｔｒ…トランス。
【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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