(57)【要約】【課題】  低出力時の出力制御性を向上させることができるＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供する。【解決手段】  ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータと、このＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部とを有している。制御部は、まず発電装置からのコンバータ最大出力要求信号を入力し、最大出力電力とスイッチング周波数との関係を表したデータマップを用いて、ＤＣ−ＤＣコンバータに要求される最大出力電力に応じたスイッチング周波数を求める。そして制御部は、発電装置からのコンバータ出力要求信号を入力し、出力電力と位相差との関係を表したデータマップを用いて、ＤＣ−ＤＣコンバータに要求される出力電力に応じた位相差を求め、スイッチング周波数及び位相差に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータを制御する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側スイッチング回路及び出力側スイッチング回路を有する位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力要求に応じたスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定手段と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求に応じた位相差を設定する位相差設定手段と、
前記スイッチング周波数及び前記位相差に基づいて前記入力側スイッチング回路及び前記出力側スイッチング回路を制御する制御手段とを備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
【請求項２】
前記スイッチング周波数設定手段は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力要求とスイッチング周波数との関係を表す第１データマップを用いて、前記スイッチング周波数を設定し、
前記位相差設定手段は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求と位相差との関係を表す第２データマップを用いて、前記スイッチング周波数設定手段で設定されたスイッチング周波数に対応した前記位相差を設定することを特徴とする請求項１記載の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、位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータを備えたＤＣ−ＤＣコンバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＤＣ−ＤＣコンバータ装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ素子をデジタル制御するものが知られている。
【特許文献１】米国特許５０２７２６４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来技術のようにデジタル制御によりＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を制御する場合、単位位相差当たりの出力分解能は、ロジック回路のクロック周波数に依存して一定となる。このとき、単位位相差当たりの出力分解能が大きい場合には、特に低出力時における出力電力の制御精度が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、低出力時の出力制御性を向上させることができるＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、入力側スイッチング回路及び出力側スイッチング回路を有する位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力要求に応じたスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定手段と、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求に応じた位相差を設定する位相差設定手段と、スイッチング周波数及び位相差に基づいて入力側スイッチング回路及び出力側スイッチング回路を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００６】
位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、単位位相差当たりの出力分解能は、入力側スイッチング回路及び出力側スイッチング回路のスイッチング周波数によって変動する。具体的には、スイッチング周波数が高くなるほど、単位位相差当たりの出力分解能が小さくなる。本発明は、そのような特性に着目して為されたものである。即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力要求に応じたスイッチング周波数を設定し、更にＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求に応じた位相差を設定し、これらのスイッチング周波数及び位相差に基づいて入力側スイッチング回路及び出力側スイッチング回路を制御することで、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を制御する。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力が低くなるほどスイッチング周波数が高くなるように設定されている場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの低出力時には、ＤＣ−ＤＣコンバータに要求される最大出力は低くなるため、スイッチング周波数が高くなる。このため、上述した特性によって単位位相差当たりの出力分解能が小さくなる。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの低出力時の出力制御性が向上するようになる。
【０００７】
好ましくは、スイッチング周波数設定手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力要求とスイッチング周波数との関係を表す第１データマップを用いて、スイッチング周波数を設定し、位相差設定手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求と位相差との関係を表す第２データマップを用いて、スイッチング周波数設定手段で設定されたスイッチング周波数に対応した位相差を設定する。このような第１データマップ及び第２データマップを予め用意しておくことにより、複雑な演算処理を行うことなしに、スイッチング周波数及び位相差を求めることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低出力時の出力制御性を向上させることができるので、高性能のＤＣ−ＤＣコンバータ装置を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係わるＤＣ−ＤＣコンバータ装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係わるＤＣ−ＤＣコンバータ装置の一実施形態を備えた電力変換システムを示す概略構成図である。同図において、電力変換システム１は、例えば車両に搭載されるものである。
【００１１】
電力変換システム１は、発電装置２と、蓄電装置（バッテリー）３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置４とを備えている。発電装置２は、例えばエンジンから排出される排気ガスの熱を回収して発電を行う排熱回収装置である。
【００１２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ装置４は、発電装置２からの電気エネルギーを蓄電装置３に回収する際、発電装置２の出力電圧（発電電圧）を蓄電装置３の電圧に昇圧または降圧するものである。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置４は、発電装置２と蓄電装置３との間に接続された位相制御式のＤＣ−ＤＣコンバータ５と、発電装置２からの信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ５を制御する制御部６とを有している。
【００１３】
図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の主回路の概略回路図である。同図において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、発電装置２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（ＤＣ−ＡＣ変換部）７と、インバータ７の出力電圧を昇圧または降圧するトランス８と、トランス８の二次電圧（交流電圧）を直流電圧に変換する整流器（ＡＣ−ＤＣ変換部）９とを有している。
【００１４】
インバータ７は、トランス８の一次側（入力側）に接続され、スイッチ素子（ＦＥＴ）１０ａ〜１０ｄ及びダイオード１１ａ〜１１ｄからなるフルブリッジ型の入力側スイッチング回路１２を有している。整流器９は、トランス８の二次側（出力側）に接続され、スイッチ素子（ＦＥＴ）１３ａ〜１３ｄ及びダイオード１４ａ〜１４ｄからなるフルブリッジ型の出力側スイッチング回路１５を有している。整流器９は、トランス８の二次電圧をスイッチ素子１３ａ〜１３ｄにより同期整流する。
【００１５】
このようなＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力Ｐは、下記式（１），（２）によって得られる。
【数１】
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ここで、Ｌ：トランスの漏れインダクタンス
Ｔ：スイッチ素子のスイッチング周期
ＴＡ：入力側スイッチ素子及び出力側スイッチ素子の導通タイミングの位相差
δ：同位相差（deg）
Ｅ１：入力側の電圧
Ｅ２：出力側の電圧
【００１６】
従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力Ｐを制御するためには、上記のスイッチング周期Ｔ及び位相差ＴＡ（図６参照）を求め、これに応じて入力側スイッチング回路１２及び出力側スイッチング回路１５を制御する。
【００１７】
制御部６は、発電装置２からのコンバータ最大出力要求信号及びコンバータ出力要求信号を入力し、所定の処理を行い、ＤＣ−ＤＣコンバータ５のスイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄをそれぞれ制御する。制御部６により実行される制御処理手順の詳細を図３に示す。
【００１８】
同図において、まず発電装置２からのコンバータ最大出力要求信号を入力する（手順Ｓ１１０）。ここで、コンバータ最大出力要求信号とは、発電装置２の最大発電量に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される最大出力電力のデータを含む信号のことである。
【００１９】
発電装置２の発電状態は、車両の走行状態によって異なる。例えば車両が市街地を走行している場合と、車両が郊外の一般道を走行している場合と、車両が高速道を走行している場合とを比較すると、発電装置２により得られる最大発電量は、市街地走行時、郊外一般道走行時、高速道走行時の順に大きくなる。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される最大出力電力は、車両の走行状態によって変動することとなる。なお、車両の走行状態の情報は、車速センサやヨーレートセンサ等から得ることができる。
【００２０】
続いて、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される最大出力電力に応じたスイッチング周波数ｆを求める（手順Ｓ１２０）。
【００２１】
具体的には、制御部６のメモリ（図示せず）には、図４に示すようなデータマップ（第１データマップ）が予め記憶されている。このデータマップは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の最大出力電力Ｐｍａｘとスイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄのスイッチング周波数ｆとの関係を表したものであり、最大出力電力Ｐｍａｘが大きくなるに従ってスイッチング周波数ｆが低くなるという特性を有している。
【００２２】
なお、スイッチング周波数ｆは、上記のスイッチング周期Ｔの逆数（ｆ＝１／Ｔ）として表される。また、図４に示すデータマップにおいて、例えばｆ１は市街地走行時のスイッチング周波数ｆであり、ｆ２は郊外一般道走行時のスイッチング周波数ｆであり、ｆ３は高速道走行時のスイッチング周波数ｆである。
【００２３】
続いて、発電装置２からのコンバータ出力要求信号を入力する（手順Ｓ１３０）。ここで、コンバータ出力要求信号とは、車両の走行状態によって逐次変動する発電装置２の発電量に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される出力電力のデータを含む信号のことである。
【００２４】
続いて、手順Ｓ１２０で求めたスイッチング周波数ｆについて、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される出力電力に応じた位相差δを求める（手順Ｓ１４０）。
【００２５】
具体的には、制御部６のメモリ（図示せず）には、図５に示すようなデータマップ（第２データマップ）が予め記憶されている。このデータマップは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力Ｐとスイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄの導通タイミング（ＯＮ／ＯＦＦタイミング）の位相差δとの関係を表したものであり、出力電力Ｐが上がるに従って位相差δが大きくなるという特性を有している。また、図５に示すデータマップは、上記のスイッチング周波数ｆ毎に設定されている。
【００２６】
続いて、手順Ｓ１２０で求めたスイッチング周波数ｆと手順Ｓ１４０で求めた位相差δとに基づいて、スイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄを制御することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力を制御する（手順Ｓ１５０）。
【００２７】
具体的には、スイッチング周波数ｆ及び位相差δからスイッチング周期Ｔ及び位相差ＴＡを算出し、スイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄのゲートを制御するためのゲート制御信号を生成し、このゲート制御信号をスイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄのゲートに送出する。スイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄに対するゲート制御信号は、例えば図６に示すようなＯＮ／ＯＦＦ信号である。
【００２８】
以上において、手順Ｓ１１０，Ｓ１２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の最大出力要求に応じたスイッチング周波数ｆを設定するスイッチング周波数設定手段を構成する。手順Ｓ１３０，Ｓ１４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力要求に応じた位相差δを設定する位相差設定手段を構成する。手順Ｓ１５０は、スイッチング周波数ｆ及び位相差δに基づいて入力側スイッチング回路１２及び出力側スイッチング回路１５を制御する制御手段を構成する。
【００２９】
一般に位相差制御方式によるＤＣ−ＤＣコンバータでは、細かな出力制御を行うことが多い低出力時において、単位位相差当たりの出力分解能が出力電力の制御性に影響を与えやすくなる。具体的には、単位位相差当たりの出力分解能が大きいと、低出力時の出力制御精度が悪くなる。なお、高出力時には、出力電力自体が高いうえに出力変動が比較的少ないため、単位位相差当たりの出力分解能が大きくても、出力電力の制御性に影響を与えることは殆ど無い。
【００３０】
ところで、単位位相差当たりの出力分解能は、図７に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数ｆによって変動する。具体的には、スイッチング周波数ｆが高くなるほど、単位位相差当たりの出力分解能が小さくなる。
【００３１】
そこで、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置１では、まず発電装置２の最大発電量つまりＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される最大出力電力に応じたスイッチング周波数ｆを決定する。そして、その時の車両の走行状態からＤＣ−ＤＣコンバータ５に要求される出力電力に応じたゲート制御信号の位相差δを求め、スイッチング周波数ｆ及び位相差δに基づいてスイッチ素子１０ａ〜１０ｄ及びスイッチ素子１３ａ〜１３ｄを制御する。
【００３２】
このとき、例えば車両が市街地を走行するような低出力制御時には、図４に示すデータマップから分かるように、高出力制御時に比べて高いスイッチング周波数ｆが得られるため、図７に示すように単位位相差当たりの出力分解能が小さくなる。従って、低出力制御時における出力電力の制御性を良好にすることができる。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、車両に搭載される電力変換システムに適用されるものであるが、本発明は、そのような車両の他に、例えば工場の高炉等から排出されるガスの熱を利用して発電を行うもの等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係わるＤＣ−ＤＣコンバータ装置の一実施形態を備えた電力変換システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータの主回路の概略回路図である。
【図３】図２に示した制御部により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。
【図４】ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力電力とスイッチング周波数との関係を表したグラフ（データマップ）である。
【図５】ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力と位相差との関係を表したグラフ（データマップ）である。
【図６】図２に示した各スイッチ素子に対するゲート制御信号の一例を示すタイミング図である。
【図７】ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数と単位位相差当たりの出力分解能との関係を表したグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１…ＤＣ−ＤＣコンバータ装置、５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６…制御部（スイッチング周波数設定手段、位相差設定手段、制御手段）、１２…入力側スイッチング回路、１５…出力側スイッチング回路。
【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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