(57)【要約】【課題】スイッチング素子への負荷を軽減することができる電圧変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】リアクトルと、前記リアクトルと基準電位との間に挿入された第１のスイッチング素子と、前記リアクトルと前記基準電位よりも高い電位との間に挿入された第２のスイッチング素子とを有し、入力される電圧を昇圧又は降圧する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の前記第１及び第２のスイッチング素子を制御する制御手段と、を有する電圧変換装置であって、前記制御手段は、所定の時間間隔毎に前記リアクトルに流れる電流の方向を監視する電流方向監視手段と、前記電流方向監視手段が監視した前記電流の方向に基づいて、前記リアクトルの前記電流の方向の変化する状態を判定する電流状態判定手段と、前記電流状態判定手段の判定結果に基づいて、前記第１及び第２のスイッチング素子のうちの一方のスイッチング素子を停止するスイッチング素子制御手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
2009247054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアクトルと、前記リアクトルと基準電位との間に挿入された第１のスイッチング素子と、前記リアクトルと前記基準電位よりも高い電位との間に挿入された第２のスイッチング素子とを有し、入力される電圧を昇圧又は降圧する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の前記第１及び第２のスイッチング素子を制御する制御手段と、を有する電圧変換装置であって、
前記制御手段は、所定の時間間隔毎に前記リアクトルに流れる電流の方向を監視する電流方向監視手段と、
前記電流方向監視手段が監視した前記電流の方向に基づいて、前記リアクトルの前記電流の方向の変化する状態を判定する電流状態判定手段と、
前記電流状態判定手段の判定結果に基づいて、前記第１及び第２のスイッチング素子のうちの一方のスイッチング素子を停止するスイッチング素子制御手段と、を有することを特徴とする電圧変換装置。
【請求項２】
前記スイッチング素子制御手段は、前記電流方向監視手段が監視した前記電流の方向が、複数回連続して前記リアクトル側から前記第１又は第２のスイッチング素子側に流れる方向である場合には前記第２のスイッチング素子を停止し、複数回連続して前記第１又は第２のスイッチング素子側から前記リアクトル側に流れる方向である場合には前記第１のスイッチング素子を停止することを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
【請求項３】
前記電流方向監視手段は、前記スイッチング素子制御手段が前記第１及び第２のスイッチング素子の制御を開始するタイミングに同期して前記リアクトルに流れる電流の方向の監視を開始することを特徴とする請求項１又は２記載の電圧変換装置。
【請求項４】
前記電流方向監視手段は、前記第１及び第２のスイッチング素子のターンオン及びターンオフに同期したタイミングで前記リアクトルに流れる電流の方向を監視し、監視結果を保持することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング素子を有する電圧変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、直流電源の正極端子に接続される上アームのスイッチング素子と、直流電源の負極端子に接続される下アームのスイッチング素子とを直列に接続したハーフブリッジ回路において、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子との接続点にリアクトルを直列に接続した回路構成の電圧変換装置が知られている。このような電圧変換装置では、電圧変換装置を構成する制御手段からの指令により、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを交互にターンオン／ターンオフさせることにより、入力電圧を昇圧又は降圧して負荷に一定の電圧を供給する。
【０００３】
又、２組のハーフブリッジ回路の出力端をリアクトルで接続したフルブリッジ回路構成の電圧変換装置が知られている。このような電圧変換装置では、所定のスイッチング素子を常時ターンオンにし、他のスイッチング素子をターンオン／ターンオフさせることにより、入力電圧を昇圧又は降圧して負荷に一定の電圧を供給する（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２９５６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電圧変換装置では、昇圧時か降圧時かにかかわらず、制御手段からの指令により、常に上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とがターンオン／ターンオフを繰り返している。又は常時ターンオンされているスイッチング素子が存在する。そのため、スイッチング素子に負荷がかかりスイッチング素子が破壊される虞があるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、スイッチング素子への負荷を軽減することができる電圧変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１の発明は、リアクトルと、前記リアクトルと基準電位との間に挿入された第１のスイッチング素子と、前記リアクトルと前記基準電位よりも高い電位との間に挿入された第２のスイッチング素子とを有し、入力される電圧を昇圧又は降圧する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の前記第１及び第２のスイッチング素子を制御する制御手段と、を有する電圧変換装置であって、前記制御手段は、所定の時間間隔毎に前記リアクトルに流れる電流の方向を監視する電流方向監視手段と、前記電流方向監視手段が監視した前記電流の方向に基づいて、前記リアクトルの前記電流の方向の変化する状態を判定する電流状態判定手段と、前記電流状態判定手段の判定結果に基づいて、前記第１及び第２のスイッチング素子のうちの一方のスイッチング素子を停止するスイッチング素子制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スイッチング素子への負荷を軽減することができる電圧変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【０００９】
図１は本発明に係る電圧変換装置１０の概略の構成を例示する図である。図１を参照するに、電圧変換装置１０は、電圧変換手段２０と、制御手段３０とを有する。電圧変換手段２０は、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２と、電流モニタＭ２３と、リアクトルＬ２４と、コンデンサＣ２５及びＣ２６とを有する。
【００１０】
制御手段３０は、電流方向監視手段３１と、電流状態判定手段３２と、スイッチング素子制御手段３３とを有する。２０ａ〜２０ｇは電圧変換手段２０の端子を、３０ａ〜３０ｃは制御手段３０の端子を示している。なお、端子２０ａ〜２０ｇ及び３０ａ〜３０ｃは便宜上設けた物であり、このような端子は必須ではない。
【００１１】
電圧変換手段２０において、端子２０ａにはＱ２１のエミッタが接続されており、端子２０ｂにはＱ２１のゲートが接続されている。端子２０ｃにはＱ２２のゲートが接続されており、端子２０ｄにはＱ２２のコレクタが接続されている。端子２０ａと端子２０ｄとの間には、コンデンサＣ２６が接続されている。Ｑ２１のコレクタは、Ｑ２２のエミッタ及び電流モニタＭ２３の一端（１）と接続されている。電流モニタＭ２３の他端（２）は、リアクトルＬ２４の一端と接続されている。電流モニタＭ２３の他端（３）は、端子２０ｇと接続されている。
【００１２】
リアクトルＬ２４の他端は、コンデンサＣ２５の一端及び端子２０ｆと接続されている。コンデンサＣ２５の他端は、Ｑ２１のエミッタ、端子２０ａ及び端子２０ｅと接続されている。電圧変換手段２０の端子２０ｂ及び２０ｃは、制御手段３０の端子３０ａ及び３０ｂを介して制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３と接続されている。電圧変換手段２０の端子２０ｇは、制御手段３０の端子３０ｃを介して制御手段３０の電流方向監視手段３１と接続されている。
【００１３】
制御手段３０の電流方向監視手段３１、電流状態判定手段３２及びスイッチング素子制御手段３３は、相互に情報の授受が可能な構成とされている。端子２０ａと端子２０ｄとの間には、例えば、インバータが接続される。端子２０ｅと端子２０ｆとの間には、例えば、バッテリが接続される。なお、電圧変換手段２０の端子２０ａ、２０ｅは同電位であり、電圧変換装置１０の基準電位となる。
【００１４】
電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）は、ゲートにＭＯＳＦＥＴを組み込んだバイポーラ・トランジスタである。第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２は、制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３からの指令に応じてターンオン／ターンオフする機能を有する。
【００１５】
電流モニタＭ２３は、リアクトルＬ２４に流れる電流の値及び方向を検出する機能を有する。すなわち、電流モニタＭ２３は、プラスマイナスの符号を有する電流値を検出することができる。ここでは、電流モニタＭ２３の一端（２）から他端（１）に向かう方向をプラス方向、電流モニタＭ２３の一端（１）から他端（２）に向かう方向をマイナス方向と定義する。電流モニタＭ２３としては、例えば、カレントトランス等を用いることができる。又、微少な検出抵抗を用いても構わない。
【００１６】
電流モニタＭ２３で検出されたプラスマイナスの符号を有する電流値は、プラスマイナスの符号を有する電圧値に変換され、端子２０ｇ及び端子３０ｃを介して制御手段３０の電流監視手段３１に入力される。リアクトルＬ２４は、電気エネルギーを一時的に蓄積する機能を有する。コンデンサＣ２５及びＣ２６は、電圧の変動を低減し平滑化する機能を有する。
【００１７】
電圧変換手段２０は、制御手段３０の指令に応じて第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２をターンオン／ターンオフすることにより、端子２０ｅと端子２０ｆとの間に印加される電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に昇圧し、端子２０ａと端子２０ｄとの間から出力する機能を有する。又、電圧変換手段２０は、制御手段３０の指令に応じて第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２をターンオン／ターンオフすることにより、端子２０ａと端子２０ｄとの間に印加される電圧Ｖ２を電圧Ｖ１に降圧し、端子２０ｅと端子２０ｆとの間から出力する機能を有する。
【００１８】
制御手段３０は、電流方向監視手段３１、電流状態判定手段３２及びスイッチング素子制御手段３３の他に、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）やメモリ等を備えており、電圧変換手段２０を制御する機能を有する。制御手段３０は、例えば、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ  ）内に設けられている。
【００１９】
制御手段３０の電流監視手段３１は、所定の時間間隔Ｔ毎に、電流モニタＭ２３で検出されたリアクトル２４の電流の方向を監視し、監視結果を保持する機能を有する。電流監視手段３１により保持されたリアクトル２４の電流の方向の監視結果は、電流状態判定手段３２に入力される。電流状態判定手段３２は、ある時間に保持されたリアクトル２４の電流の方向の監視結果と、ある時間よりも所定の時間間隔Ｔ後に保持されたリアクトル２４の電流の方向の監視結果とに基づいて、リアクトル２４の電流の方向の変化する状態を判定する機能を有する。
【００２０】
電流状態判定手段３２の判定結果は、スイッチング素子制御手段３３に入力される。スイッチング素子制御手段３３は、電流状態判定手段３２の判定結果に基づいて所定の駆動信号を生成する。スイッチング素子制御手段３３により生成された所定の駆動信号は、端子３０ａ及び３０ｂから電圧変換手段２０の端子２０ｂ及び２０ｃを介して電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の各ゲートに供給される。
【００２１】
電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２が、制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３から供給される所定の駆動信号に応じてターンオン／ターンオフすることにより、リアクトルＬ２４に流れる電流が制御される。リアクトルＬ２４は、電気エネルギーを一時的に蓄積する機能を有するため、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２が、制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３から供給される所定の駆動信号に応じてターンオン／ターンオフすることにより、リアクトルＬ２４は電気エネルギーの蓄積と放出とを繰り返し、電圧変換手段２０における電圧変換動作が実現される。なお、昇圧又は降圧の比（Ｖ１／Ｖ２）は、制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３から第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の各ゲートに供給される所定の駆動信号のデューティ（Ｈの時間／（Ｈ＋Ｌの時間）により定まる。
【００２２】
続いて、制御手段３０の動作をより詳しく説明する。図２は、本発明に係る電圧変換手段２０において昇圧又は降圧動作時にリアクトルＬ２４に流れる電流を例示する図である。図２において、縦軸ＩはリアクトルＬ２４に流れる電流値、横軸ｔは時間、Ｑ２１・Ｇ及びＱ２２・Ｇは、制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３により生成され、電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２のゲートに印加される駆動信号を示している。
【００２３】
なお、縦軸Ｉの＋は、昇圧動作時にリアクトルＬ２４に、電流モニタＭ２３の一端（２）から他端（１）に向かう方向に電流が流れている状態、縦軸Ｉの−は、降圧動作時にリアクトルＬ２４に、電流モニタＭ２３の一端（１）から他端（２）に向かう方向に電流が流れている状態を示している。
【００２４】
ＣＬＫは、電流監視手段３１が、電流モニタＭ２３で検出されたリアクトル２４の電流の方向を監視し、監視結果を保持するタイミングを示している。電流監視手段３１は、ＣＬＫがＬからＨに切り替わるタイミングで、所定の時間間隔Ｔ（周期Ｔ）毎にリアクトル２４の電流の方向の監視結果を保持する。ＣＬＫがＬからＨに切り替わるタイミングは、例えば、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２のターンオン及びターンオフのタイミングと同期している。ＣＬＫは、電流監視手段３１自身が生成しても構わないし、他から供給しても構わない。
【００２５】
なお、括弧内に示すＱ２１・Ｇ及びＱ２２・Ｇは、従来の電圧変換装置において、電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２のゲートに印加されていた駆動信号である。従来は、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の各ゲートには、常にターンオン／ターンオフを繰り返す駆動信号（パルス信号）が印加されており、スイッチング素子Ｑ２１又はＱ２２が停止する期間は設けられてなかった。従って、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２への負荷が大きかった。又、常にターンオン／ターンオフを繰り返しているため、ターンオン／ターンオフ切り替え時には制御手段３０の負荷も大きかった。
【００２６】
図１及び図２を参照すると、始めに、制御手段３０のスイッチング素子制御手段３３は、デューティを決定し所定の駆動信号を生成する。スイッチング素子制御手段３３により生成された所定の駆動信号は、端子３０ａ及び３０ｂから電圧変換手段２０の端子２０ｂ及び２０ｃを介して電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の各ゲートに供給される。次いで、制御手段３０の電流監視手段３１は、ＣＬＫがＬからＨに切り替わるタイミングで所定の時間間隔Ｔ毎に、電流モニタＭ２３で検出されたリアクトル２４の電流の方向を監視し、監視結果を保持する。
【００２７】
次いで、電流状態判定手段３２は、ある時間ｔで保持したリアクトル２４の電流の方向（ｔ）と、ｔ＋Ｔで保持したリアクトル２４の電流の方向（ｔ＋Ｔ）に基づいて、リアクトル２４の電流の方向の変化する状態が、図２に示す状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃの何れの状態にあるかを判定する。状態Ａは、リアクトル２４の電流の方向（ｔ）及びリアクトル２４の電流の方向（ｔ＋Ｔ）がいずれもプラス方向である状態、状態Ｂは、リアクトル２４の電流の方向（ｔ）及びリアクトル２４の電流の方向（ｔ＋Ｔ）の何れか一方がプラス方向であり、他方がマイナス方向である状態、状態Ｃは、リアクトル２４の電流の方向（ｔ）及びリアクトル２４の電流の方向（ｔ＋Ｔ）がいずれもマイナス方向である状態である。
【００２８】
スイッチング素子制御手段３３は、電流状態判定手段３２の判定結果に基づいて所定の駆動信号を生成する。すなわち、電流状態判定手段３２が、状態Ａであると判定した場合には、図２に示すように、電圧変換手段２０の第２のスイッチング素子Ｑ２２が停止し、第１のスイッチング素子Ｑ２１のみがターンオン／ターンオフを繰り返す駆動信号を生成する。
【００２９】
電流状態判定手段３２が、状態Ｂであると判定した場合には、図２に示すように、電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２がターンオン／ターンオフを繰り返す駆動信号を生成する。電流状態判定手段３２が、状態Ｃであると判定した場合には、図２に示すように、電圧変換手段２０の第２のスイッチング素子Ｑ２２のみがターンオン／ターンオフを繰り返し、第１のスイッチング素子Ｑ２１が停止する駆動信号を生成する。
【００３０】
このように、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の一方をターンオン／ターンオフする必要がない場合を判定し、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の一方を停止することにより、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２への負荷を軽減することができる。なお、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の一方を停止しても昇圧又は降圧が正常になされるのは、停止している第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２を構成するダイオードを経由して電流が流れるためである。
【００３１】
状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃのそれぞれの状態に応じてスイッチング素子制御手段３３により生成された所定の駆動信号は、端子３０ａ及び３０ｂから電圧変換手段２０の端子２０ｂ及び２０ｃを介して電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の各ゲートに供給される。なお、駆動信号は、電流状態判定手段３２が、リアクトル２４の電流の現在の状態が、状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃの何れの状態にあるかを判定してから、所定の時間（ディレイ時間）が経過後に、端子３０ａ及び３０ｂから電圧変換手段２０の端子２０ｂ及び２０ｃを介して電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の各ゲートに供給される。所定の時間（ディレイ時間）は、例えば、ＣＬＫの一周期分の時間（Ｔ）と同一にすることができる。
【００３２】
本発明によれば、従来、常にターンオン／ターンオフが繰り返されていた駆動信号を、リアクトルＬ２４の電流の方向の変化する状態により、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の一方をターンオン／ターンオフする必要がない場合を判定し、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の一方を停止する。その結果、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２への負荷を軽減することが可能となり、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の耐久性を向上することができる。又、電圧変換装置１０の消費電力を低減することができる。
【００３３】
又、制御手段３０の負荷を軽減することが可能となり、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の制御が、制御手段３０の実行する他の処理と重なった場合でも、処理が破綻する虞を低減することができる。例えば、制御手段３０が車両の走行を制御するＥＣＵであり、上り坂を走行する車両に最適な走行制御をするために、制御手段３０の処理が重くなったような場合に、処理が破綻すると走行燃費の悪化等の問題を生じるが、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２の一方を停止することにより、制御手段３０の負荷が軽減されるため、処理が破綻する虞は少なくなり、最適な制御が可能となる。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３５】
例えば、本発明の実施の形態では、電圧変換手段２０の第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２に絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いる例を示したが、第１のスイッチング素子Ｑ２１及び第２のスイッチング素子Ｑ２２はこれに限定されず、例えば、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）等を用いても構わない。
【００３６】
又、図２において、リアクトルＬ２４に流れる電流が＋側から−側に下がっていく例を示したが、リアクトルＬ２４に流れる電流が−側から＋側に上がっていく場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る電圧変換装置１０の概略の構成を例示する図である。
【図２】本発明に係る電圧変換手段２０において昇圧又は降圧動作時にリアクトルＬ２４に流れる電流を例示する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  電圧変換装置
２０  電圧変換手段
２０ａ〜２０ｇ  電圧変換手段２０の端子
３０  制御手段
３０ａ〜ｃ  制御手段３０の端子
３１  電流方向監視手段
３２  電流状態判定手段
３３  スイッチング素子制御手段
Ｑ２１  第１のスイッチング素子
Ｑ２２  第２のスイッチング素子
Ｍ２３  電流モニタ
Ｌ２４  リアクトル
Ｃ２５，Ｃ２６  コンデンサ
Ｖ１，Ｖ２  電圧
【図１】
2009247054.tif 000003
【図２】
2009247054.tif 000004