(57)【要約】【課題】増幅回路から電圧を取得するタイミングを、増幅回路の出力する電圧あるいはその電圧に基づいて推定した電流に応じて変更可能にすることで、デューティの下限値を変更可能にしてデューティの上下限範囲を拡大する電力変換装置を提供する。【解決手段】第一のスイッチ素子Ｓ１と第二のスイッチ素子Ｓ２とコイルＬとを備える電力変換回路２と、第二のスイッチ素子Ｓ２とグランドとに接続される抵抗素子Ｒと、抵抗素子Ｒの両端の電圧を増幅する増幅回路３と、増幅回路３で増幅した電圧に基づいてコイルＬに流れる電流を推定し、第一のスイッチ素子Ｓ１と第二のスイッチ素子Ｓ２をＰＷＭ制御するためのデューティを求める制御回路４と、を備え、制御回路４は、増幅した電圧に応じて、増幅回路３から増幅した電圧を取得するタイミングを変更する電力変換装置である。【選択図】図２
2017143653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のスイッチ素子の一方の端子と第一の端子とが接続され、前記第一のスイッチ素子の他方の端子と第二のスイッチ素子の一方の端子とコイルの一方の端子とが接続され、前記コイルの他方の端子と第二の端子とが接続される電力変換回路と、
一方の端子が前記第二のスイッチ素子の他方の端子と接続され、他方の端子がグランドに接続される抵抗素子と、
前記抵抗素子の両端の電圧を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路で増幅した電圧に基づいて前記コイルに流れる電流を推定し、前記第一のスイッチ素子と前記第二のスイッチ素子をＰＷＭ制御するためのデューティを求める制御回路と、を備える電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記増幅した電圧に応じて、前記増幅回路から前記増幅した電圧を取得するタイミングを変更する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記増幅回路は、オペアンプを有する回路であること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換回路は、双方向型昇降圧回路であること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置であって、
前記電力変換回路の前記第一の端子とバッテリとが接続され、前記電力変換回路の前記第二の端子と充放電可能なストレージとが接続される、
を特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチ素子及びコイルを有する電力変換回路（ブリッジ回路）を備え、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を用いて電力変換をする電力変換装置（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなど）では、デューティを決めるために必要なコイルに流れる電流の推定を、低価格で実現するため、シャント抵抗、増幅回路、制御回路を用いている。
【０００３】
関連する技術として、半導体スイッチ素子、コイルを有する電力変換回路（ブリッジ回路）及び制御回路を備えるＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。例えば、特許文献１を参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−００９７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シャント抵抗、増幅回路、制御回路を用いて電流を求める場合、シャント抵抗両端の電圧を増幅回路で増幅し、増幅した電圧を制御回路で電流に変換しているため、電流を精度よく計測するには、増幅回路から精度よく増幅した電圧を出力させなければならない。そのためには増幅回路に入力されるシャント抵抗両端の電圧の変化に対し、増幅回路が追従するまでの追従時間以上の時間を待ったのちに、制御回路は増幅回路から増幅した電圧を取得しなければならない。すなわち、シャント抵抗両端の電圧を増幅回路が正しく増幅できるようになるまで待ったのちに、増幅回路から増幅した電圧を制御回路は取得しなければならない。そこで、従来はシャント抵抗両端の電圧の大小により追従時間が変化するにもかかわらず追従時間を固定にし、固定した追従時間以上の時間を経過したのち制御回路は増幅回路から増幅した電圧を取得している。固定した追従時間として、例えば、対象とする電力変換装置において、シャント抵抗に流れると想定される最大電流に対応したシャント抵抗両端の電圧に対応する追従時間を用いることが考えられる。しかし、そうするとデューティの下限値は、その固定した追従時間より短くすることができない場合が発生する。例えば、電力変換回路の入力電圧と出力電圧との差分が小さい場合に、ＰＷＭ制御により求めたデューティが下限値以下になると、この下限値の制約により、デューティを下限値以下にできないため、ＰＷＭ制御の制御性が悪くなり、効率よくＰＷＭ制御をすることができなくなる。
【０００６】
本発明の一側面に係る目的は、増幅回路から電圧を取得するタイミングを、増幅回路の出力する電圧あるいはその電圧に基づいて推定した電流に応じて変更可能にすることで、デューティの下限値を変更可能にし、デューティの上下限範囲を拡大する電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る一つの形態である電力変換装置は、電力変換回路、増幅回路、制御回路を備える。
電力変換回路は、第一のスイッチ素子の一方の端子と第一の端子とが接続され、第一のスイッチ素子の他方の端子と第二のスイッチ素子の一方の端子とコイルの一方の端子とが接続され、コイルの他方の端子と第二の端子とが接続される。
【０００８】
抵抗素子は、一方の端子が前記第二のスイッチ素子の他方の端子と接続され、他方の端子がグランドに接続される。増幅回路は、抵抗素子の両端の電圧を増幅する。
制御回路は、増幅回路で増幅した電圧に基づいてコイルに流れる電流を推定し、第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子をＰＷＭ制御するためのデューティを求める。そして制御回路は、増幅した電圧に応じて、増幅回路から増幅した電圧を取得するタイミングを変更する。
【０００９】
なお、増幅回路は、オペアンプを有する回路である。また、電力変換回路は、双方向型昇降圧回路である。
更に、電力変換回路の第一の端子とバッテリとが接続され、電力変換回路の第二の端子と充放電可能なストレージとが接続されている。
【発明の効果】
【００１０】
増幅回路から電圧を取得するタイミングを、増幅回路の出力する電圧あるいはその電圧に基づいて推定した電流に応じて変更可能にすることで、デューティの下限値を変更可能にし、デューティの上下限範囲を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】電力変換装置（双方向昇降圧型）の一実施例を示す図である。
【図２】電力変換装置（降圧型）の一実施例を示す図である。
【図３】ＰＷＭ制御を行うシステムの一実施例を示すブロック図である。
【図４】スイッチ素子Ｓ２の状態とコイルに流れる電流と増幅回路の出力電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、電力変換装置１（双方向昇降圧型）の一実施例を示す図である。図１の電力変換装置１は、電力変換回路２（フルブリッジ回路）、シャント抵抗Ｒ（抵抗素子）、増幅回路３、制御回路４を有する。例えば、電力変換装置１は車両に設けられる。
【００１３】
図１に示す電力変換回路２の構成は、スイッチ素子Ｓ１（第一のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）と入出力端子５（第一の端子）とが接続され、スイッチ素子Ｓ１のソース（他方の端子）とスイッチ素子Ｓ２（第二のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）とコイルＬの一方の端子とが接続され、スイッチ素子Ｓ３（第三のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）と入出力端子６（第二の端子）とが接続され、スイッチ素子Ｓ３のソース（他方の端子）とスイッチ素子Ｓ４（第四のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）とコイルＬの他方の端子とが接続される。なお、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどである。
【００１４】
シャント抵抗Ｒは、一方の端子がスイッチ素子Ｓ２のソース（他方の端子）とスイッチ素子Ｓ４のソースとに接続され、他方の端子がグランドに接続される。
増幅回路３は、シャント抵抗Ｒの両端の電圧を増幅する。例えば、オペアンプなどを備えた回路である。
【００１５】
制御回路４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などを用いて構成される回路である。制御回路４の端子は、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のゲート（制御端子）と制御線により接続されている。また、制御回路４の他の端子は増幅回路３の出力端子と信号線により接続されている。
【００１６】
制御回路４の動作について説明する。
制御回路４はスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をＰＷＭ制御する。また、制御回路４は、増幅回路３で増幅した電圧を、設定されているタイミングで取得する。正しく増幅した電圧を取得するタイミングは、制御回路４がスイッチ素子Ｓ２又はスイッチ素子Ｓ４を駆動（オン）させてから、シャント抵抗ＲとコイルＬに電流が流れている状態において、シャント抵抗Ｒ両端の電圧に対応した増幅回路３の追従時間以上の時間である。追従時間は、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が大きい（シャント抵抗Ｒに流れる電流が大きい）とき長くなり、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が小さい（シャント抵抗Ｒに流れる電流が小さい）とき短くなる。
【００１７】
続いて、制御回路４は、そのタイミングで取得した増幅した電圧（電圧検出値Ｖｍ）を用いて推定した電流推定値Ｉｅｓｔ（コイルＬに流れる電流）、電流指令値Ｉｒｅｆ、前回のデューティなどのパラメータに基づいて、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４それぞれをＰＷＭ制御するためのデューティを求める。
【００１８】
また、制御回路４は、電圧検出値Ｖｍあるいは電流推定値Ｉｅｓｔに応じて、増幅回路３から増幅した電圧を取得するタイミングを変更する。電圧検出値Ｖｍを用いる場合、例えば、制御回路４は、シャント抵抗Ｒ両端の電圧を増幅回路３で増幅した電圧を用いて、増幅した電圧とタイミングとが関連付けられる情報を参照し、次回の増幅した電圧を取得するタイミングを決定し、記憶部に決定したタイミングを記憶する。推定した電流推定値Ｉｅｓｔを用いる場合、例えば、制御回路４は、電圧検出値Ｖｍに基づいて推定した電流推定値Ｉｅｓｔを用いて、電流推定値Ｉｅｓｔとタイミングとが関連付けられる情報を参照し、次回の増幅した電圧を取得するタイミングを決定し、記憶部に決定したタイミングを記憶する。なお、制御回路４は、デューティを用いて、デューティとタイミングとが関連付けられる情報を参照し、次回の増幅した電圧を取得するタイミングを決定してもよい。
【００１９】
このように、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が小さい（シャント抵抗Ｒに流れる電流が小さい）場合でも、増幅した電圧を取得するタイミングを、スイッチ素子Ｓ２あるいはスイッチ素子Ｓ４が駆動したのちの早い時間に変更できるので、スイッチ素子Ｓ２あるいはスイッチ素子Ｓ４のデューティの下限値を小さくすることができる。従って、デューティの上下限範囲を拡大することができる。例えば、電力変換回路の入力電圧と出力電圧との差分が小さい場合でも、適切なデューティを用いることができるため、ＰＷＭ制御の制御性が良くなり（応答性が改善され）、効率よくＰＷＭ制御をすることができる。
【００２０】
また、例えば、電力変換装置１を車両に設ける場合に、入出力端子５には、補機、オルタネータ、スタータモータ、バッテリが接続され、入出力端子６には、充放電可能なストレージ、負荷が接続されるシステムが考えられる。そのようなシステムにおいても、バッテリの電圧とストレージの電圧との差分が小さい場合でも、適切なデューティを用いることができるので、ＰＷＭ制御の制御性が良くなり（応答性が改善され）、効率よくＰＷＭ制御をすることができる。なお、バッテリは、例えば、鉛バッテリなどで、ストレージは、例えば、リチウムイオン電池及びリチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタなどのキャパシタが考えられる。なお、上記システムは、不図示のエンジンの始動時又はエンジンの再始動時に、バッテリからスタータモータに電力が供給され、ストレージから負荷に電力が供給される。
【００２１】
制御回路４の動作について説明をする。
本例では説明を分かり易くするために降圧型電力変換装置を用いて説明をする。図２は、電力変換装置１（降圧型）の一実施例を示す図である。図２に示す電力変換回路２（ハーフブリッジ回路）の構成は、スイッチ素子Ｓ１のドレインと入出力端子５とが接続され、スイッチ素子Ｓ１のソースとスイッチ素子Ｓ２のドレインとコイルＬの一方の端子とが接続される。コイルＬの他方の端子は入出力端子６と接続される。シャント抵抗Ｒの一方の端子はスイッチ素子Ｓ２のソースと接続され、シャント抵抗Ｒの一方の端子はグランドに接続される。図２の増幅回路３の説明は、図１と同じ回路なので省略する。図２の制御回路４の端子と、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のゲート（制御端子）とは制御線により接続されている。図２の例では、制御回路４は、スイッチ素子Ｓ２を駆動（オン）させてから、シャント抵抗ＲとコイルＬに電流が流れている状態において、増幅回路３で増幅した電圧を、設定されているタイミングで取得する。
【００２２】
図３は、ＰＷＭ制御を行うシステムの一実施例を示すブロック図である。図３に示すシステムは、演算器３０１、電圧取得部３０２、電流推定部３０３、ＰＩ制御部３０４、演算器３０５、上下限制限部３０６、タイミング算出部３０７を有する。
【００２３】
演算器３０１は、電流指令値Ｉｒｅｆ（電力変換装置１に出力させる目標電流）と電流推定値Ｉｅｓｔとの差分ΔＩ（＝Ｉｒｅｆ−Ｉｅｓｔ）を算出する。
電圧取得部３０２は、前回デューティ指令値を求める際に設定されたタイミングで増幅回路３からシャント抵抗Ｒ両端の電圧を増幅した電圧を取得し電圧検出値Ｖｍとする。
【００２４】
電流推定部３０３は、電圧検出値Ｖｍを用いてコイルＬに流れる電流を推定する。
ＰＩ制御部３０４は、差分ΔＩを用いてＰＩ制御をしてデューティの変化量Δｄを算出する。
【００２５】
演算器３０５は、前回デューティ指令値ｄ（ｎ−１）に変化量Δｄを加算し、新しいデューティ値ｄ（＝ｄ（ｎ−１）＋Δｄ）を算出する。
上下限制限部３０６は、デューティ値ｄに上下限制限をする。例えば、上下限制限部３０６は、デューティ値ｄが予め設定されている上限値より大きくなると、デューティ値ｄを上限値に変更し、上限値をデューティ指令値ｄ（ｎ）として出力する。
【００２６】
タイミング算出部３０７は、電圧検出値Ｖｍあるいは電流推定値Ｉｅｓｔに応じて、増幅回路３から増幅した電圧を取得するタイミングを算出し、タイミングを変更する。図３の例では、タイミング算出部３０７は、増幅した電圧あるいは電流推定値Ｉｅｓｔに基づいて生成されたデューティ指令値を取得し、デューティ指令値の示すパルス幅に応じて、増幅回路３から増幅した電圧を取得するタイミングを変更する。
【００２７】
なお、図３の例では図示されていないが、タイミング算出部３０７は、増幅した電圧あるいは電流推定値Ｉｅｓｔを用いて、増幅回路３から増幅した電圧を取得するタイミングを算出し、タイミングを変更してもよい。また、変更したタイミングは、次に制御回路４が増幅回路３から増幅した電圧を取得する際に用いるタイミングとなる。
【００２８】
図４は、スイッチ素子Ｓ２の状態とコイルＬに流れる電流と増幅回路３の出力電圧との関係を示すグラフである。図４のグラフには、縦軸にスイッチ素子Ｓ２の駆動／停止（オン／オフ）の状態、コイルＬに流れる電流［Ａ］、増幅回路３の増幅した電圧［Ｖ］を示し、横軸に時間を示している。図４のＡの期間ＴはＰＷＭ制御の一周期を示している。図４のＢの期間Ｔ２は制御回路４が増幅した電圧を取得したのち、増幅した電圧をＡＤ変換をし、制御回路４の記憶部に電圧検出値Ｖｍを記憶するまでにかかるサンプリング時間である。
【００２９】
図４のＡに示す波形４００の期間（時間ｔ０からｔ４）は、デューティ指令値の下限値を固定して用いた場合のスイッチ素子Ｓ２の状態を示し、波形４００の斜線範囲の期間（時間ｔ０からｔ２）は、電圧検出値Ｖｍあるいは電流推定値Ｉｅｓｔに応じて、デューティの下限値を変更した場合のスイッチ素子Ｓ２の状態を示している。
【００３０】
図４のＢに示す波形４０１は、デューティ指令値の下限値を固定して用いた場合に、コイルＬに流れる電流を示している。
図４のＣに示す波形４０２（実線）は、時間ｔ０からｔ４において、スイッチ素子Ｓ２が駆動してシャント抵抗Ｒに電流が流れた場合に、追従時間のない理想的な増幅回路を用いてシャント抵抗Ｒ両端の電圧を増幅した電圧の変化を示している。
【００３１】
図４のＣに示す波形４０３（一点鎖線）は、時間ｔ０からｔ４において、スイッチ素子Ｓ２が駆動してシャント抵抗Ｒに電流が流れた場合に、増幅回路３から出力される電圧の変化を示している。波形４０３の時間ｔ０からｔ３は増幅回路３の固定した追従時間を示し、波形４０３の時間ｔ３からｔ４はシャント抵抗Ｒ両端の電圧を精度よく増幅できる時間を示している。
【００３２】
図４のＣに示す波形４０３の時間ｔ０からｔ３では、増幅回路３が安定していないので、理想的な波形４０２と波形４０３とは一致しない。そのため、この期間ではシャント抵抗Ｒ両端の電圧を精度よく増幅できない。時間ｔ０からｔ３に示す追従時間以上の時間を経過すると、波形４０２と波形４０３とが一致するので、シャント抵抗Ｒ両端の電圧を精度よく増幅できる。
【００３３】
ところが、図４のＣに示す波形４０３に示したように追従時間（時間ｔ０からｔ３）を固定して増幅した電圧を取得すると、シャント抵抗Ｒに小さな電流が流れてシャント抵抗Ｒ両端の電圧が小さい場合でも、固定した追従時間（時間ｔ０からｔ３）以上の時間を経過してから増幅した電圧を取得することになる。そうすると、デューティ指令値の下限値は、追従時間とサンプリング時間（期間Ｔ２）とを加算した時間より短くすることができないため、シャント抵抗Ｒに流れる電流が小さいと、ＰＷＭ制御の制御性が悪くなり、効率よくＰＷＭ制御をすることができない場合が発生する。そこで、追従時間を固定しないで、シャント抵抗Ｒ両端の電圧変化に応じて、増幅した電圧を取得するタイミングを算出して、タイミングを適時変更できるようにする。すなわち、増幅回路３の追従時間の変化に応じて、増幅した電圧を取得するタイミングを変更できるようにする。その結果、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が小さくなり、固定した追従時間より追従時間が短くなった場合でも、短くなった追従時間とサンプリング時間（期間Ｔ２）とを加算した時間まで、デューティ指令値の下限値を小さくできる。
【００３４】
図４のＣに示す波形４０４（二点鎖線）は、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が小さくなり、固定した追従時間（時間ｔ０からｔ３）より、追従時間（時間ｔ０からｔ１）が短くなった場合の増幅回路３から出力される電圧の変化を示している。
【００３５】
実施形態によれば、増幅回路３から電圧を取得するタイミングを、増幅回路３の出力する電圧あるいはその電圧に基づいて推定した電流に応じて変更可能にすることで、デューティの下限値を小さくしてデューティの上下限範囲を拡大できるので、ＰＷＭ制御の制御性が良くなり（応答性が改善され）、効率よくＰＷＭ制御をすることができるようになる。
【００３６】
なお、上記では図１、図２を用いて双方向昇降圧型電力変換装置及び降圧型電力変換装置について説明したが、昇圧型電力変換装置にも適用することができる。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  電力変換装置
２  電力変換回路
３  増幅回路
４  制御回路
５、６  入出力端子
３０１、３０５  演算器
３０２  電圧取得部
３０３  電流推定部
３０４  ＰＩ制御部
３０６  上下限制限部
３０７  タイミング算出部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  スイッチ素子
Ｒ  シャント抵抗
Ｌ  コイル
【図１】
2017143653.tif 000003
【図２】
2017143653.tif 000004
【図３】
2017143653.tif 000005
【図４】
2017143653.tif 000006