(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列接続された複数の単位回路を有し、前記複数の単位回路の各々がスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子の動作を制御するコントローラと、
前記コントローラに接続されているとともに、前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサと、を備え、
前記コントローラは、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子の全てを駆動しながら、前記複数の温度センサから前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のそれぞれの前記温度を取得する第１処理と、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のそれぞれの前記温度に基づいて、前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のなかから保護対象素子を決定する第２処理と、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子から前記保護対象素子を除いた非保護対象素子を駆動して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を目標値に制御する第３処理と、を実行可能であり、
前記第２処理では、前記温度が最も低いスイッチング素子よりも前記温度が所定値以上高い全てのスイッチング素子が、前記保護対象素子として決定され、
前記第２処理で決定される前記保護対象素子には、少なくとも前記温度が最も高いスイッチング素子が含まれる、
ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記コントローラは、前記第３処理では前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流が前記目標値に対して不足するときに、前記保護対象素子及び前記非保護対象素子の両者を駆動して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を前記目標値に制御する第４処理を実行する、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
並列接続された複数の単位回路を有し、前記複数の単位回路の各々がスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子の動作を制御するコントローラと、
前記コントローラに接続されているとともに、前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサと、を備え、
前記コントローラは、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子の全てを駆動しながら、前記複数の温度センサから前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のそれぞれの前記温度を取得する第１処理と、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のそれぞれの前記温度に基づいて、前記複数の単位回路の前記スイッチング素子のなかから保護対象素子を決定する第２処理と、
前記複数の単位回路の前記スイッチング素子から前記保護対象素子を除いた非保護対象素子を駆動して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を目標値に制御する第３処理と、
前記第３処理では前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流が前記目標値に対して不足するときに、前記保護対象素子及び前記非保護対象素子の両者を駆動して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を前記目標値に制御する第４処理と、を実行可能であり、
前記第２処理で決定される前記保護対象素子には、少なくとも前記温度が最も高いスイッチング素子が含まれる、
ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の前記複数の単位回路の各々は、前記スイッチング素子に接続されたリアクトルをさらに有し、
前記第１処理では、前記複数の単位回路の前記リアクトルのそれぞれに流れる電流が不連続になるように、前記複数の単位回路の前記スイッチング素子の全てが駆動される、請求項１から３のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。このＤＣ−ＤＣコンバータは、並列接続された複数のスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、複数のスイッチング素子の動作を制御するコントローラと、コントローラに接続されているとともに複数のスイッチング素子のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサを備える。コントローラは、複数のスイッチング素子の一部のみを駆動して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の制御を開始し、駆動中のスイッチング素子の測定温度が閾値を超えたときは、駆動するスイッチング素子の数を増加する。このような構成によると、負荷の大きさに応じて、駆動するスイッチング素子の数を変更することができ、常に全てのスイッチング素子を駆動するものと比較して、スイッチング素子における損失（例えばスイッチング損失）を低減することができる。
【０００３】
上記したＤＣ−ＤＣコンバータでは、複数のスイッチング素子の一部のみが駆動されることがあるため、複数のスイッチング素子の間で使用頻度に差が生じ得る。通常、スイッチング素子の使用頻度が高くなるほど、スイッチング素子及びその周辺構造の劣化（以下、単にスイッチング素子の劣化という）は早く進行する。従って、複数のスイッチング素子の間で使用頻度に差が生じると、一部のスイッチング素子の劣化が早期に進行してしまい、他のスイッチング素子の劣化が許容範囲内であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータの製品寿命が早期に尽きてしまう。この点に関して、特許文献１のＤＣ−ＤＣコンバータでは、複数のスイッチング素子の一部を駆動するときに、駆動するスイッチング素子をランダムに又は周期的に変更されており、これによって、複数のスイッチング素子が同一の頻度で使用されるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１―１９３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
工業製品では、製造上のばらつきが存在する。複数のスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータでも、複数のスイッチング素子（それらの周辺構造を含む）の間では、製造上のばらつきが存在する。従って、複数のスイッチング素子が同一の頻度で使用されたとしても、製造上のばらつきに起因して、複数のスイッチング素子の劣化は互いに異なる速度で進行する。複数のスイッチング素子のなかで、一つのスイッチング素子の劣化が許容範囲を超えてしまうと、他のスイッチング素子の劣化が許容範囲内であるとしても、その段階でＤＣ−ＤＣコンバータの製品寿命は尽きてしまう。換言すると、製造上のばらつきにかかわらず、複数のスイッチング素子の間で劣化度合いを均一化することができれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの製品寿命を向上することができる。
【０００６】
本明細書は、複数のスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、複数のスイッチング素子の間で劣化度合いを均一化し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示するＤＣ−ＤＣコンバータは、並列接続された複数の単位回路を有し、複数の単位回路の各々がスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、複数の単位回路のスイッチング素子（以下、単に複数のスイッチング素子と称する）の動作を制御するコントローラと、コントローラに接続されているとともに、複数のスイッチング素子のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサとを備える。コントローラは、複数のスイッチング素子の全てを駆動しながら複数のスイッチング素子のそれぞれの温度を取得する第１処理と、複数のスイッチング素子のそれぞれの温度に基づいて複数のスイッチング素子のなかから保護対象素子を決定する第２処理と、複数のスイッチング素子から保護対象素子を除いた非保護対象素子を駆動してＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を目標値に制御する第３処理とを実行可能である。第２処理で決定される保護対象素子には、少なくとも温度が最も高いスイッチング素子が含まれる。
【０００８】
上記したＤＣ−ＤＣコンバータでは、コントローラが、第１処理、第２処理及び第３処理を実行する。第１処理では、コントローラが、複数のスイッチング素子の全てを駆動しながら、複数のスイッチング素子のそれぞれの温度を取得する。第１処理で取得される温度は、スイッチング素子の実際の劣化度合いに対応し、スイッチング素子の劣化が進んでいるほど、スイッチング素子の温度は高くなる。第２処理では、コントローラが、複数のスイッチング素子のそれぞれの温度に基づいて、複数のスイッチング素子のなかから保護対象素子を決定する。第２処理において保護対象素子が決定される場合、その保護対象素子には、少なくとも温度が最も高いスイッチング素子が含まれる。即ち、複数のスイッチング素子のなかで、特に劣化が大きいスイッチング素子が、保護対象素子に決定される。そして、第３処理では、コントローラが、複数のスイッチング素子から保護対象素子を除いた非保護対象素子を駆動して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を目標値に制御する。即ち、コントローラは、劣化が特に大きいスイッチング素子を温存し、劣化が小さいスイッチング素子のみを駆動して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の動作を制御する。このような構成によると、劣化の大きいスイッチング素子の使用頻度が低下する一方で、劣化の小さいスイッチング素子の使用頻度が上昇することになり、複数のスイッチング素子の間で劣化度合いが均一化される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池車の動力システム１００を示す図。
【図２】コントローラ３０が出力する駆動信号Ｇ１〜Ｇ４の一例を示す図。
【図３】駆動信号Ｇ１のパルス幅Ｗと、リアクトル２２ａに流れる電流を示す。
【図４】駆動信号Ｇ１のパルス幅Ｗと、リアクトル２２ａに流れる電流を示す。図４のパルス幅Ｗは、図３のパルス幅Ｗよりも広い。
【図５】コントローラ３０による初期動作の流れを示すフローチャート。
【図６】コントローラ３０による定常動作の流れを示すフローチャート。
【図７】スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４の一例を示す表。
【図８】本実施例によるスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４の経年変化を示す。
【図９】比較例によるスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４の経年変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ１０（以下、コンバータ１０と記す）について説明する。図１は、コンバータ１０の一適用例である、燃料電池車用の動力システム１００を示す。なお、コンバータ１０は、燃料電池車用の動力システム１００に限られず、各種の動力システムや電力変換装置に適用することができる。
【００１１】
最初に、動力システム１００について説明する。動力システム１００は、燃料電池１０２、コンバータ１０、インバータ１０６及びモータ１０８を備える。燃料電池１０２は、動力システム１００における第１の電源であり、水素と酸素を反応させることによって直流電力を供給する。燃料電池１０２は、メインリレー１０４、コンバータ１０及びインバータ１０６を介して、モータ１０８に電気的に接続されている。メインリレー１０４は、有接点のリレーであり、燃料電池１０２とコンバータを電気的に接続及び遮断する。
【００１２】
コンバータ１０は、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、燃料電池１０２からの直流電力を昇圧して、インバータ１０６へ供給する。コンバータ１０の詳細については後述する。インバータ１０６は、複数のスイッチング素子を有する三相インバータであり、コンバータ１０からの直流電力を三相交流電力に変換して、モータ１０８へ供給する。インバータ１０６は、モータ１０８へ供給する三相交流電力の電圧及び周波数を、自由に調節することができる。モータ１０８は、動力システム１００における原動機であり、燃料電池車の駆動輪に接続されている。モータ１０８は、インバータ１０６からの三相交流電力によって駆動される。このように、動力システム１００では、燃料電池１０２からの電力が、メインリレー１０４、コンバータ１０及びインバータ１０６を介して、モータ１０８に供給される。
【００１３】
動力システム１００はさらに、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０及びバッテリ１１２を備える。バッテリ１１２は、動力システム１００における第２の電源であり、再充電可能な複数の電池セル（例えばリチウムイオンセル）を有する。バッテリ１１２は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０を介して、インバータ１０６及びコンバータ１０へ電気的に接続されている。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、バッテリ１１２からの直流電力を昇圧して、インバータ１０６に供給することができる。また、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、インバータ１０６又はコンバータ１０からの直流電力を降圧して、バッテリ１１２へ供給することができる。動力システム１００は、燃料電池１０２からの電力に代えて、又は加えて、バッテリ１１２からの電力をモータ１０８へ供給して、モータ１０８を駆動することができる。バッテリ１１２は、主に、燃料電池１０２からの電力によって充電される。加えて、動力システム１００は、例えば燃料電池車が減速するときに、モータ１０８が発電する電力によってバッテリ１１２を充電することができる。
【００１４】
次に、コンバータ１０について説明する。コンバータ１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２０（以下、コンバータ回路２０と記す）と、コントローラ３０と、複数の温度センサ３２ａ〜３２ｄと、複数の電流センサ３４ａ〜３４ｄを備える。コンバータ回路２０は、互いに並列に接続された複数の単位回路２０ａ〜２０ｄを有する。複数の単位回路２０ａ〜２０ｄには、第１単位回路２０ａ、第２単位回路２０ｂ、第３単位回路２０ｃ及び第４単位回路２０ｄが含まれる。複数の単位回路２０ａ〜２０ｄは、互いに等しい構造を有しており、各々の単位回路２０ａ〜２０ｄが、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する回路構造を有する。
【００１５】
例えば、第１単位回路２０ａは、リアクトル２２ａ、ダイオード２４ａ及びスイッチング素子２６ａを有する。リアクトル２２ａの一端は、メインリレー１０４を介して燃料電池１０２の正極へ電気的に接続されている。リアクトル２２ａの他端は、ダイオード２４ａのアノード及びスイッチング素子２６ａの一端へ電気的に接続されている。ダイオード２４ａのカソードは、インバータ１０６の高電位側（上アーム）へ電気的に接続されており、スイッチング素子２６ａの他端は、インバータ１０６の低電位側（下アーム）に接続されている。また、スイッチング素子２６ａの他端は、メインリレー１０４を介して燃料電池１０２の負極に接続されている。このような構成により、第１単位回路２０ａは、スイッチング素子２６ａが断続的にオンされることによって、燃料電池１０２からの直流電力を昇圧して、インバータ１０６へ供給することができる。
【００１６】
同様に、第２〜第４単位回路２０ｂ〜２０ｄは、リアクトル２２ｂ〜２２ｄ、ダイオード２４ｂ〜２４ｄ及びスイッチング素子２６ｂ〜２６ｄをそれぞれ有しており、第１単位回路２０ａと同一の構成を有している。そして、第２〜第４単位回路２０ｂ〜２０ｄのそれぞれは、スイッチング素子２６ｂ〜２６ｄが断続的にオンされることによって、燃料電池１０２からの直流電力を昇圧して、インバータ１０６へ供給することができる。ここで、本明細書において「スイッチング素子を駆動する」とは、典型的には、スイッチング素子を断続的にオンすることを意味する。
【００１７】
本実施例では、コンバータ回路２０が四つの単位回路２０ａ〜２０ｄを有するが、コンバータ回路２０は、少なくとも二つの単位回路を有すればよい。本明細書で開示する技術は、並列接続された二以上のスイッチング素子を有する各種のＤＣ−ＤＣコンバータへ好適に適用することができる。以下、第１単位回路２０ａのスイッチング素子２６ａを第１スイッチング素子２６ａと記すことがある。同様に、第２〜第４単位回路２０ｂ〜２０ｄのスイッチング素子２６ｂ〜２６ｄを、それぞれ第２スイッチング素子２６ｂ、第３スイッチング素子２６ｃ、第４スイッチング素子２６ｄと記すことがある。スイッチング素子２６ａ〜２６ｄは、特に限定されないが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってよい。
【００１８】
複数の温度センサ３２ａ〜３２ｄは、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄのそれぞれの温度を測定する。複数の温度センサ３２ａ〜３２ｄは、第１温度センサ３２ａ、第２温度センサ３２ｂ、第３温度センサ３２ｃ及び第４温度センサ３２ｄを含む。第１温度センサ３２ａは、第１スイッチング素子２６ａの近傍（又は第１スイッチング素子２６ａに一体）に設けられており、第１スイッチング素子２６ａの温度Ｔ１を測定する。同様に、第２〜第４温度センサ３２ｂ〜３２ｄは、第２〜第４スイッチング素子２６ｂ〜２６ｄの温度Ｔ２〜Ｔ４をそれぞれ測定する。複数の温度センサ３２ａ〜３２ｄは、コントローラ３０に接続されており、複数の温度センサ３２ａ〜３２ｄによって測定された温度Ｔ１〜Ｔ４は、コントローラ３０へ教示される。なお、複数の温度センサ３２ａ〜３２ｄの構成は特に限定されない。
【００１９】
複数の電流センサ３４ａ〜３４ｄは、複数のリアクトル２２ａ〜２２ｄのそれぞれに流れる電流を測定する。複数の電流センサ３４ａ〜３４ｄは、第１電流センサ３４ａ、第２電流センサ３４ｂ、第３電流センサ３４ｃ及び第４電流センサ３４ｄを含む。第１電流センサ３４ａは、第１単位回路２０ａのリアクトル２２ａの近傍に設けられており、当該リアクトル２２ａに流れる電流値Ｃ１を測定する。同様に、第２〜第４電流センサ３４ｂ〜３４ｄは、第２〜第４単位回路２０ｂ〜２０ｄのリアクトル２２ｂ〜２２ｄに流れる電流値ｃ２〜Ｃ４をそれぞれ測定する。複数の電流センサ３４ａ〜３４ｄは、コントローラ３０に接続されており、複数の電流センサ３４ａ〜３４ｄによって測定された電流値Ｃ１〜Ｃ４は、コントローラ３０へ教示される。コントローラ３０は、測定された電流値Ｃ１〜Ｃ４に基づいて、それぞれのリアクトル２２ａ〜２２ｄに流れる瞬間電流及び平均電流と、コンバータ回路２０の全体としての出力電流を知ることができる。
【００２０】
コントローラ３０は、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの動作を制御することによって、コンバータ回路２０の出力電流を制御する。コントローラ３０は、出力電流の目標値Ｃｔに基づいて、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄに対する駆動信号Ｇ１〜Ｇ４を出力する。一例ではあるが、出力電流の目標値Ｃｔは、燃料電池車のメインコントローラから教示される。駆動信号Ｇ１は、第１スイッチング素子２６ａをオン及びオフさせる信号である。同様に、駆動信号Ｇ２〜Ｇ４は、第２〜第４スイッチング素子２６ｂ〜２６ｄをそれぞれオン及びオフさせる信号である。コントローラ３０が出力する駆動信号Ｇ１〜Ｇ４は、対応するスイッチング素子２６ａ〜２６ｄへそれぞれ入力される。
【００２１】
図２は、駆動信号Ｇ１〜Ｇ４の一例を示す。図２に示すように、コントローラ３０は、駆動信号Ｇ１〜Ｇ４として、ハイレベル（Ｈ）のパルス信号を周期的に出力する。駆動信号Ｇ１〜Ｇ４がハイレベル（Ｈ）のとき、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄはオンされ、駆動信号Ｇ１〜Ｇ４がローレベル（Ｌ）のとき、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄはオフされる。これにより、それぞれのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄが断続的にオンされる。四つの駆動信号Ｇ１〜Ｇ４において、パルス信号の周期Ｐは一定であるが、互いに四分の一周期（即ち、Ｐ／４）の位相差が設けられている。駆動信号Ｇ１〜Ｇ４におけるパルス幅Ｗは、コンバータ回路２０の出力電流に対応する。即ち、パルス幅Ｗが大きくなるほど、コンバータ回路２０の出力電流は大きくなる。コントローラ３０は、複数の電流センサ３４ａ〜３４ｄによって測定された電流値Ｃ１〜Ｃ４に基づいて、駆動信号Ｇ１〜Ｇ４のパルス幅Ｗを変化させることにより、コンバータ回路２０の出力電流を目標値Ｃｔに制御する。
【００２２】
図３、図４を参照して、駆動信号Ｇ１と、第１単位回路２０ａのリアクトル２２ａに流れる電流の関係について説明する。なお、駆動信号Ｇ２〜Ｇ４と、第２〜第４単位回路２０ｂ〜２０ｄのリアクトル２２ｂ〜２２ｄに流れる電流の関係についても同様である。図３、図４に示すように、駆動信号Ｇ１がハイレベル（Ｈ）の間、第１スイッチング素子２６ａがオンされることによって、リアクトル２２ａに流れる電流値Ｃ１は徐々に増加する。この期間Ａにおいて、リアクトル２２ａは、燃料電池１０２からの電力によってエネルギーを蓄える。その後、駆動信号Ｇ１がローレベルに変化すると、スイッチング素子２６ａがオフされることによって、リアクトル２２ａに流れる電流は徐々に減少する。この期間Ｂにおいて、リアクトル２２ａに蓄えられたエネルギーが、燃料電池１０２からの電力とともにインバータ１０６へ供給される。このように、スイッチング素子２６ａが周期的にオン及びオフされると、リアクトル２２ａに流れる電流は周期的に変動する。
【００２３】
図３と図４では、駆動信号Ｇ１におけるパルス幅Ｗが互い異なる。図３に示すように、パルス幅Ｗが比較的に狭いときは、リアクトル２２ａに流れる電流が比較的に小さいので、リアクトル２２ａには不連続に電流が流れる。このような状態を、本明細書では不連続モードという。一方、図４に示すように、パルス幅Ｗが比較的に広いときは、リアクトル２２ａに電流が比較的に大きくなるので、リアクトル２２ａには連続して電流が流れる。このような状態を、本明細書では連続モードという。
【００２４】
次に、図５、図６を参照して、コントローラ３０が実行する処理の流れを説明する。コントローラ３０は、ユーザが燃料電池車を使い始めるときに、図５に示す初期動作を実行し、その後に図６に示す定常動作へ移行する。図５のステップＳ２において、ユーザが燃料電池車のメインスイッチ（図示省略）をオンすると（ＹＥＳ）、続くステップＳ４において、動力システム１００のメインリレー１０４がオンされる。これにより、コンバータ回路２０が、電源である燃料電池１０２へ電気的に接続される。メインリレー１０４の動作は、コンバータ１０のコントローラ３０によって制御されてもよいし、燃料電池車が有する他のコントローラによって制御されてもよい。このとき、燃料電池１０２の暖気運転も開始される。
【００２５】
ステップＳ６へ進み、コントローラ３０は、コンバータ回路２０の出力電流の目標値Ｃｔ０を設定する。このステップＳ６で設定される目標値Ｃｔ０は、初期動作のみで使用されるものであり、コントローラ３０に予め記憶されている。なお、当該目標値Ｃｔ０は、燃料電池車が有する他のコントローラから受け取ってもよい。次に、ステップＳ８へ進み、コントローラ３０は、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの全てを駆動して、コンバータ回路２０の出力電流を目標値Ｃｔ０に制御する。本実施例では、四つのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄが同じデューティ比で等しく駆動されるので、各々のリアクトル２２ａ〜２２ｄに流れる平均電流は目標値Ｃｔ０の１／４となり、互いに等しい。また、各々のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄに流れる平均電流も互いに等しくなる。
【００２６】
次に、ステップＳ１０へ進み、コントローラ３０は、電流センサ３４ａ〜３４ｄによって測定された電流値Ｃ１〜Ｃ４に基づいて、各々のリアクトル２２ａ〜２２ｄに流れる電流が、不連続モード（図３参照）であるのか否かを判定する。そして、不連続モードであれば（ＹＥＳ）、コントローラ３０はステップＳ１２へ進む。不連続モードでなければ（ＮＯ）、コントローラ３０は、目標値Ｃｔ０を再設定するためにステップＳ６へ戻り、目標値Ｃｔ０を小さくする。ステップＳ６〜Ｓ１０の処理は、各々のリアクトル２２ａ〜２２ｄに流れる電流が不連続モードになるまで繰り返される。これにより、次のステップＳ１２へ進む段階で、コントローラ３０は複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの全てを駆動しており、かつ、各々のリアクトル２２ａ〜２２ｄには不連続モードで電流が流れている。各々のリアクトル２２ａ〜２２ｄに不連続モードで電流が流れるほど、出力電流の目標値Ｃｔ０が小さな値に設定されることで、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄに流れる平均電流も比較的に小さな値に調節されている。
【００２７】
ステップＳ１２へ進むと、コントローラ３０は、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４を取得する。これにより、コントローラ３０は、全てのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄを駆動しながら、それぞれのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４を取得する。ステップＳ６〜Ｓ１２の処理は、特許請求の範囲に記載された第１処理の一例である。コンバータ回路２０では、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄ及びその周辺構造（例えば、隣接するはんだ層）の劣化が進行するほど、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの通電時における温度上昇が大きくなる。従って、このステップＳ１２で取得される第１スイッチング素子２６ａの温度Ｔ１は、第１スイッチング素子２６ａの実際の劣化度合いに対応する。同様に、温度Ｔ２〜Ｔ４は、第２〜第４スイッチング素子２６ｂ〜２６ｄの実際の劣化度合いにそれぞれ対応する。
【００２８】
ここで、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４は、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化度合いだけでなく、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄに流れる電流の大きさや、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄで生じるスイッチング損失にも依存し得る。即ち、各々のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄに流れる電流が等しくなければ、その電流の差に応じた温度差がスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４に現れる。また、各々のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄのスイッチング頻度が等しくなければ、そのスイッチング頻度の差に応じた温度差がスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４に現れる。この点に関して、上述したステップ１２では、全てのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄが同じデューティ比で等しくスイッチングされており、全てのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの間で平均電流及びスイッチング頻度は互いに等しい。従って、上述したステップＳ１２で取得される温度Ｔ１〜Ｔ４には、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化度合いがより正確に反映される。
【００２９】
また、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４は、各々のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄと冷却器との位置関係の違いといった、各々のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの間に存在し得る放熱性の差にも依存する。例えば、冷却器には冷却水が流れており、冷却水の上側側に位置する範囲に対して、下流側に位置する範囲では、冷却水の温度が高くなる。このような冷却水の温度差に起因して、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４にも温度差が生じ得る。この点に関して、上述したステップ１２では、各々のリアクトル２２ａ〜２２ｄに流れる電流が不連続モードになるほど、出力電流の目標値Ｃｔ０が小さな値に設定される。その結果、各々のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄにおける発熱量は比較的に小さくなるので、冷却器を流れる冷却水の温度上昇も比較的に小さくなる。これにより、冷却水の温度差に起因する上述した影響が抑制されることになり、ステップＳ１２で取得される温度Ｔ１〜Ｔ４には、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化度合いがより正確に反映される。
【００３０】
次のステップＳ１４において、コントローラ３０は、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４の順位を確定する。一例として、図７に示すように、第１〜第４スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４がそれぞれ１２０℃、１１３℃、１０８℃、１０３℃であったとする。この場合、第１スイッチング素子２６ａの温度Ｔ１が最も高く、次に第２スイッチング素子２６ｂの温度Ｔ２が高く、次に第３スイッチング素子２６ｃの温度Ｔ３が高く、第４スイッチング素子２６ｃの温度Ｔ４が最も低いことが特定される。なお、図７中のＳＷ１〜ＳＷ４は、第１〜第４スイッチング素子２６ａ〜２６ｄをそれぞれ示す。
【００３１】
次のステップＳ１６において、コントローラ３０は、最も高い温度（Ｔ１＝１２０℃）と最も低い温度（Ｔ１＝１０３℃）との間の温度差が、所定値以上であるのか否かを判定する。一例ではあるが、本実施例の所定値は５℃に定められている。なお、この所定値は、例えば１℃〜１０℃の範囲において、自由に定めることができる。温度差が所定値以上であれば（ＹＥＳ）、コントローラ３０はステップＳ１８へ進む。温度差が所定値未満であれば（ＮＯ）、図６に示す初期動作を終了して、図６に示す定常動作へ進む。
【００３２】
次のステップＳ１６において、コントローラ３０は、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄのなかで、最も高い温度のスイッチング素子を保護対象素子に決定し、当該スイッチング素子の動作を停止する。例えば、図７に示す例によると、第１スイッチング素子２６ａの温度Ｔ１が最も高いことから、第１スイッチング素子２６ａが保護対象素子に決定される。その後、コントローラ３０は、ステップＳ１６へ戻り、残りのスイッチング素子について、ステップＳ１６及びＳ１８の処理を再度実行する。例えば、図７に示す例によると、二番目に高い温度Ｔ２と最も低い温度Ｔ４との間の温度差（＋１０℃）が所定値（５℃）以上であるから、第２スイッチング素子２６ｂも保護対象素子に決定される。さらに、ステップＳ１６、Ｓ１８の処理が実行されることで、第３スイッチング素子２６ｃも保護対象素子に決定される。このように、ステップＳ１４〜Ｓ１８の処理では、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄのそれぞれの温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいて、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄのなかから保護対象素子が決定される。ステップＳ１４〜Ｓ１８の処理は、特許請求の範囲に記載された第２処理の一例である。
【００３３】
上述した図５の初期動作は、ユーザが燃料電池車のメインスイッチをオンした後、短時間（例えば１秒以内）に完了する。その後、コントローラ３０は、図６に示す定常動作へ移行する。図６のステップＳ２２において、コントローラ３０は、コンバータ回路２０の出力電流の目標値Ｃｔを取得する。目標値Ｃｔは、ユーザのアクセル操作や車両状態等に基づいて、例えば燃料電池車のメインコントローラ（図示省略）によって決定される。次に、ステップＳ２４では、コントローラ３０が、ステップＳ２２で取得した目標値Ｃｔに基づいて、駆動するスイッチング素子の数を決定する。一例ではあるが、目標値Ｃｔが比較的に小さいときは、駆動するスイッチング素子の数が１又は２に決定され、目標値Ｃｔが比較的に大きいときは、駆動するスイッチング素子の数が３又は４に決定される。即ち、目標値Ｃｔが大きくなるほど、駆動するスイッチング素子の数も多くなる。
【００３４】
次に、ステップＳ２６では、ステップＳ２４で決定した駆動するスイッチング素子の数が、非保護対象素子の数以下であるのか否かを判定する。非保護対象素子とは、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄのなかで保護対象素子に決定されなかったスイッチング素子を意味する。駆動するスイッチング素子の数が、非保護対象素子の数以下であれば、コントローラ３０はステップＳ２８へ進み、非保護対象素子のみを駆動して、コンバータ回路２０の出力電流を目標値Ｃｔに制御（フィードバック制御）する。このステップＳ２８の処理は、特許請求の範囲に記載された第３処理の一例である。一方、駆動するスイッチング素子の数が、非保護対象素子の数を超える場合、コントローラ３０はステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では、コントローラ３０が、非保護対象素子だけでなく、保護対象素子をさらに含むスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの一部又は全部を駆動して、コンバータ回路２０の出力電流を目標値Ｃｔに制御（フィードバック制御）する。これにより、保護対象素子を決定することによって、コンバータ回路２０の能力が犠牲になることを避けることができる。このステップＳ３０の処理は、特許請求の範囲に記載された第４処理の一例である。コントローラ３０は、メインリレー１０４がオンされている間、図６に示す定常動作を繰り返し実行する。
【００３５】
以上のように、本実施例のコンバータ１０では、定常動作に先立って、保護対象素子を決定するための初期動作が実行される。初期動作では、コントローラ３０が、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの全てを駆動しながら、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４を取得する（図５のステップＳ８〜Ｓ１２）。ここで取得される温度Ｔ１〜Ｔ４は、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの実際の劣化度合いに対応しており、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化が大きいほど、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４は高くなる。なお、ここでいうスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化とは、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化のみでなく、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄに隣接するはんだ層といった、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄに係る周辺構造の劣化も含む。例えば、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄに隣接するはんだ層にクラックが生じると、はんだ層を介したスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの放熱性が低下するためである。
【００３６】
初期動作ではさらに、コントローラ３０が、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいて、複数のスイッチング素子のなかから保護対象素子を決定する（図５のステップＳ１４〜Ｓ１８）。この処理では、温度が最も高いスイッチング素子と温度が最も低いスイッチング素子との間の温度差が所定値以上であるときに、温度が最も高いスイッチング素子が保護対象素子に決定される。なお、本実施例のコントローラ３０は、残りのスイッチング素子に対してこの処理を繰り返すことによって、温度が最も低いスイッチング素子よりも温度が所定値以上高い全てのスイッチング素子を、保護対象素子に決定する。このような構成によると、複数のスイッチング素子が保護対象素子に決定されることで、非保護対象素子の使用頻度がより高まることになり、複数のスイッチング素子の間で劣化度合いを早期に均一化することができる。ただし、コントローラ３０は、図５のステップＳ１４〜Ｓ１８を必ずしも繰り返す必要はなく、温度が最も高いスイッチング素子のみを保護対象素子に決定してもよい。
【００３７】
初期動作に続く定常動作では、コントローラ３０が、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄから保護対象素子を除いた非保護対象素子を駆動して、コンバータ回路２０の出力電流を目標値Ｃｔに制御する（図６のステップＳ２２、Ｓ２８）。即ち、コントローラ３０は、劣化が特に大きいスイッチング素子を温存しつつ、劣化が小さいスイッチング素子のみを使用して、コンバータ回路２０の動作を制御する。これにより、劣化が大きいスイッチング素子の使用頻度が低下する一方で、劣化が小さいスイッチング素子の使用頻度が上昇することになり、複数のスイッチング素子の間で劣化が均一化される。なお、コントローラ３０は、非保護対象素子だけではコンバータ回路２０の出力電流が目標値Ｃｔに対して不足するときに、保護対象素子を含めて複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの一部又は全部を駆動することができる（図６のステップＳ２４、Ｓ２６、Ｓ３０）。
【００３８】
本実施例のコンバータ１０では、保護対象素子を決定する初期動作（図５参照）が、動力システム１００の起動時に実行される。保護対象素子の決定は、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいて行われるので、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄに予め温度差が生じていると、保護対象素子を正しく決定できないおそれがある。この点に関して、動力システム１００の起動時であれば、通常、全てのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４は十分に低下しており、それらの間に実質的な温度差は存在しない。従って、動力システム１００の起動時であれば、保護対象素子の決定を正しく行うことができる。ただし、保護対象素子を決定する処理は、動力システム１００の起動時に限られず、他の適切なタイミングで実行することもできる。
【００３９】
次に、図８、図９を参照して、本実施例のコンバータ１０による効果について説明する。図８は、本実施例のコンバータ１０に関して、定常動作中におけるスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４の経年変化を模式的に示す。図９は、比較例に関して、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４の経年変化を模式的に示す。図９に示す比較例は、保護対象素子を決定することなく、全てのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄが同じ頻度で使用されたものである。図８、図９において、縦軸Ｔは温度Ｔ１〜Ｔ４の大きさを示し、横軸Ｙは時の流れを示す。また、図８には、図９のグラフが破線で示されている。図９の比較例が示すように、全てのスイッチング素子２６ａ〜２６ｄが同じ頻度で使用されていても、スイッチング素子２６ａ〜２６ｄの温度Ｔ１〜Ｔ４は、互いに異なる速度で上昇していく。これは、工業製品であるコンバータ回路２０では、製造上のばらつきが避けられず、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄ（それらの周辺構造を含む）の間にも、製造上のばらつきが存在するためである。そして、図９に示す比較例では、タイミングＹ１において、第４スイッチング素子２６ｄの温度Ｔ４が、許容限界温度Ｔｘに達している。この場合、他のスイッチング素子２６ａ〜２６ｃの温度Ｔ１〜Ｔ３が許容限界温度Ｔｘ未満であっても、コンバータ回路２０の製品寿命は尽きたことになる。
【００４０】
一方、図８に示す本実施例では、最初、第１〜第３スイッチング素子２６ａ〜２６ｃが保護対象素子に決定される。その結果、第１〜第３スイッチング素子２６ａ〜２６ｃは、使用頻度が低下することによって、その劣化の進行が抑制される。一方、第４スイッチング素子２６ｄは、その使用頻度が上昇することによって、その劣化が助長される。その後、第４スイッチング素子２６ｄの温度Ｔ４が、第３スイッチング素子２６ｃの温度Ｔ３に近くなると、第３スイッチング素子２６ｃは保護対象素子に決定されなくなる。その結果、第３スイッチング素子２６ｃは、その使用頻度が上昇することによって、第４スイッチング素子２６ｄと同じような速度で劣化していく。同様にして、次は第２スイッチング素子２６ｂが保護対象素子に決定されなくなり、その後に第１スイッチング素子２６ａが保護対象素子に決定されなくなる。この段階で、複数のスイッチング素子２６ａ〜２６ｄの劣化度合いは均一化されている。その結果、コンバータ回路２０の製品寿命がＹ１からＹ２へ改善される。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書に記載された技術的事項は、それぞれが独立した技術的事項であり、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。以下に、本明細書の開示内容から把握される技術的事項を列記する。
【００４２】
本明細書は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）を開示する。このＤＣ−ＤＣコンバータは、並列接続された複数のスイッチング素子（２６ａ〜２６ｄ）を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路（２０）と、複数のスイッチング素子の動作を制御するコントローラ（３０）と、コントローラに接続されているとともに複数のスイッチング素子のそれぞれの温度（Ｔ１〜Ｔ４）を測定する複数の温度センサ（３２ａ〜３２ｄ）とを備える。コントローラは、複数のスイッチング素子の全てを駆動しながら、複数の温度センサから複数のスイッチング素子のそれぞれの温度を取得する第１処理と、複数のスイッチング素子のそれぞれの温度に基づいて、複数のスイッチング素子のなかから保護対象素子を決定する第２処理と、複数のスイッチング素子から保護対象素子を除いた非保護対象素子を駆動して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を目標値（Ｃｔ）に制御する第３処理とを実行可能である。第２処理では、温度が最も高いスイッチング素子と温度が最も低いスイッチング素子との間の温度差が所定値以上であるときに、温度が最も高いスイッチング素子が保護対象素子に決定される。
【００４３】
上記のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第２処理では、温度が最も低いスイッチング素子よりも温度が所定値以上高い全てのスイッチング素子が、保護対象素子として決定されるとよい。このような構成によると、このような構成によると、複数のスイッチング素子が保護対象素子に決定されることで、非保護対象素子の使用頻度がより高まることになり、複数のスイッチング素子の間で劣化度合いを早期に均一化することができる。
【００４４】
上記したＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、コントローラは、第３処理ではＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流が目標値に対して不足するときに、保護対象素子及び非保護対象素子の両者を駆動して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流を目標値に制御する第４処理を実行するとよい。このような構成によると、ＤＣ−ＤＣコンバータの性能を犠牲にすることなく、複数のスイッチング素子の間で劣化度合いを均一化することができる。
【００４５】
上記したＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、それぞれが複数のスイッチング素子の対応する一つに接続された複数のリアクトル（２２ａ〜２２ｄ）をさらに有するとよい。この場合、第１処理では、それぞれのリアクトルに流れる電流が不連続になるように、複数のスイッチング素子の全てが駆動されるとよい。このような構成によると、第１処理では、それぞれのスイッチング素子に流れる電流が比較的に小さな範囲に制限され、それぞれのスイッチング素子の発熱量を比較的に小さくすることができる。これにより、複数のスイッチング素子の間に存在し得る放熱性の差（例えば、冷却器との位置関係の違い）に起因する影響が抑制されることになり、第１処理で取得される複数のスイッチング素子の温度には、スイッチング素子の劣化度合いがより正確に反映される。
【符号の説明】
【００４６】
１０：ＤＣ−ＤＣコンバータ（コンバータ）
２０：ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
２０ａ〜２０ｄ：単位回路
２２ａ〜２２ｄ：リアクトル
２４ａ〜２４ｄ：ダイオード
２６ａ〜２６ｄ：スイッチング素子
３０：コントローラ
３２ａ〜３２ｄ：温度センサ
３４ａ〜３４ｄ：電流センサ
１００  ：動力システム
１０２  ：燃料電池
１０４  ：メインリレー
１０６  ：インバータ
１０８  ：モータ
１１０  ：第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１２  ：バッテリ
【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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