CN102474177B - 变换器控制装置 - Google Patents

Abstract

提供一种变换器控制装置，能够简单且早期检测构成软开关变换器的辅助电路的异常。如果第一开关元件(S1)截止，则控制器检测缓冲电容器(C2)的两端电压Vc2和第一开关元件(S1)的两端电压Vs1并求出差分电压ΔV。控制器比较所求出的差分电压ΔV和存储在存储器(省略图示)中的电压阈值，判断差分电压ΔV是否为电压阈值以上。在差分电压ΔV不足电压阈值的情况下，控制器判断为辅助电路(22b)正常而结束处理，另一方面，在差分电压ΔV为电压阈值以上的情况下，判断为在辅助电路(22b)上发生故障(开路故障)而转移到故障防护动作，并结束处理。

Description

变换器控制装置

技术领域

本发明涉及控制燃料电池的输出电压的变换器控制装置。

背景技术

在搭载在汽车等上的燃料电池系统中，为了对应超过燃料电池发电能力的急速的负载变化等，提出了具备燃料电池和蓄电池作为动力源的各种混合动力型的燃料电池系统。

在混合动力型的燃料电池系统中，用DC/DC变换器控制燃料电池的输出电压和蓄电池的输出电压。作为进行这种控制的DC/DC变换器，广泛利用通过使功率晶体管、IGBT、FET等开关元件进行PWM动作而进行电压转换的形式的变换器。伴随着电子设备的节能化、小型化以及高性能化，对DC/DC变换器期待进一步的低损耗、高功率以及低噪声化，尤其是，期望降低与PWM动作相伴的开关损耗或开关冲击(switching surge)。

作为降低这种开关损耗或开关冲击的技术的一种有软开关技术。在此，软开关是指用于实现ZVS(Zero Voltage Switching：零电压开关)或ZCS(Zero Current Switching：零电流开关)的开关方式，功率半导体装置的开关损耗或对其产生的损坏较少。相对于此，通过功率半导体装置所具备的开关功能来直接导通(turn-on)或截止(turn-off)电压或电流的开关方式被称为硬开关。在下面的记载中将实现了ZVS/ZCS两种或其中一种的方式称为软开关，除此之外的称为硬开关。

软开关是例如通过在具备电感器、开关元件、二极管的一般的升降压型DC/DC变换器上附加用于降低开关损耗的辅助电路的(所谓的软开关变换器)来实现(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-102438号公报

发明内容

发明要解决的问题

在这种软开关变换器中，如果辅助电路上发生异常，则无法实现软开关，因此需要简单且早期检测所涉及的辅助电路的异常。

本发明是鉴于上述说明的情况而做出的，其目的在于提供一种变换器控制装置，简单且早期检测构成软开关变换器的辅助电路的异常。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本发明涉及的变换器控制装置是具备控制燃料电池的输出电压的主升压电路和辅助电路的软开关变换器的控制装置，该变换器控制装置的特征在于，上述辅助电路具备：辅助开关，与构成上述主升压电路的主开关并联连接；以及钳位二极管和缓冲电容器串联连接的第一串联连接体，与上述主开关并联连接，并且与上述燃料电池的高电位侧的端子和低电位侧的端子连接，上述变换器控制装置具备：检测单元，在上述主开关截止的情况下，检测被上述钳位二极管钳制的上述缓冲电容器的两端电压；以及判断单元，比较上述缓冲电容器的两端电压和所设定的正常电压阈值，在该两端电压超过正常电压阈值的情况下，判断为在上述辅助电路上发生异常。

根据所涉及的构成，在缓冲电容器的两端电压超过正常电压阈值的情况下，判断为辅助电路上发生异常(开路故障等)。在此，如果在主开关上发生较大的冲击电压Vsu(参照图14)，则在主开关上产生较大的能量损耗，最差的情况下存在因异常过热而导致元件损坏或导致元件的绝缘膜损坏的可能性，但根据上述构成，由于能够简单且早期检测辅助电路的异常，因此能够迅速地转移到故障防护动作，由此能够将元件损坏等问题防范于未然。

在此，在上述构成中优选还具备差分导出单元，该差分导出单元求出上述缓冲电容器的两端电压和上述主开关的两端电压的差分电压，上述判断单元比较上述差分电压和所设定的故障判断阈值，在该差分电压超过该故障判断值的情况下判断为在上述辅助电路中发生异常。

另外，在上述构成中优选还具备故障防护单元，在判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下，该故障防护单元停止上述主升压电路的动作。

另外，在上述构成中优选还具备故障防护单元，在判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下，该故障防护单元将流过上述主升压电路的上述主开关的电流的变化率限制在阈值变化率以下。

另外，在上述构成中，优选上述故障防护单元通过将判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下的上述主开关的栅极电阻设定为大于判断为上述辅助电路正常情况下的上述主开关的栅极电阻的值，来将上述电流的变换率限制在阈值变化率以下。

另外，在上述构成中，优选上述故障防护单元通过将判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下的负载的最大容许值设定为小于判断为上述辅助电路正常情况下的负载的最大容许值，来将上述电流的变换率限制在阈值变化率以下。

此外，在上述构成中，上述辅助电路优选还具备第二串联连接体，该第二串联连接体由二极管、辅助线圈和上述辅助开关串联连接而成，连接在上述钳位二极管和上述缓冲电容器的连接部位与上述主线圈的一端之间。

另外，在上述构成中，上述主升压电路优选还具备：主线圈，一端与上述燃料电池的高电位侧端子连接；第一二极管，阴极与上述主线圈的另一端连接；以及平滑电容，与上述第一二极管的阳极和上述燃料电池的低电位侧的端子连接，上述主开关的一端与上述主线圈的另一端连接，另一端与上述燃料电池的低电位侧的端子连接。

另外，在上述构成中，优选上述软开关变换器是每个相具备上述辅助电路的多相软开关变换器，构成上述各相的辅助电路的辅助线圈在所有相的辅助电路中共用。

发明效果

根据本发明，能够简单且早期检测构成软开关变换器的辅助电路的异常。

附图说明

图1是本实施方式涉及的FCHV系统的系统构成图。

图2是表示本实施方式涉及的多相的FC软开关变换器的电路构成的图。

图3是表示本实施方式涉及的FC软开关变换器的一个相量的电路构成的图。

图4是表示本实施方式涉及的软开关处理的流程图。

图5是表示模式1的动作的图。

图6是表示模式2的动作的图。

图7是表示模式3的动作的图。

图8是表示模式4的动作的图。

图9是表示模式5的动作的图。

图10是表示模式6的动作的图。

图11是例示了模式5的缓冲电容器(snubber capacitor)C2的电压Vc、施加于第一开关元件S1的电压Ve、流过第一开关元件S1的电流Ie的关系的图。

图12是表示从模式2到模式3的迁移过程中的电压、电流变动的图。

图13是表示辅助电路为正常的情况下的缓冲电容器的两端电压、第一开关元件的两端电压、流过第一开关元件的电流的图。

图14是表示辅助电路开路故障(Open Fault)的情况下的缓冲电容器的两端电压、第一开关元件的两端电压、流过第一开关元件的电流的图。

图15是表示辅助电路故障判断处理的流程图。

图16是表示变形例涉及的辅助电路故障判断处理的流程图。

图17是例示了辅助电路的其他构成的图。

图18是例示了辅助电路的其他构成的图。

附图标记说明

100：FCHV系统；

110：燃料电池；

120：蓄电池；

130：负载；

140：逆变器；

2500：FC变换器；

160：控制器；

170：传感器组；

180：蓄电池变换器；

250：FC软开关变换器；

22a：主升压电路；

22b：辅助电路；

22c：续流电路(free-wheel circuit)；

S1、S2：开关元件；

C1、C3：平滑电容器；

C2：缓冲电容器；

L1、L2：线圈；

D1、D2、D3、D4、D5：二极管；

D6：续流二极管(free-wheel diode)。

具体实施方式

A.本实施方式

下面，参照各图说明本发明涉及的实施方式。

图1表示搭载在本实施方式涉及的车辆上的FCHV系统的构成。此外，在以下的说明中，作为车辆的一例假定为燃料电池汽车(FCHV：Fuel Cell Hybrid Vehicle：燃料电池混合动力汽车)，但也可以适用于电动汽车等中。另外，不仅能够适用于汽车，而且能够适用于各种移动体(例如，船舶、飞机、机器人等)、固定式电源，还可以适用于便携型的燃料电池系统中。

A-1.系统的整体构成

FCHV系统100在燃料电池110和逆变器140之间设置有FC变换器2500，并且在蓄电池120和逆变器140之间设置有DC/DC变换器(以下，称为蓄电池变换器)180。

燃料电池110是将多个单位电池串联层叠而成的固体高分子电解质型的电池堆。燃料电池110上安装有用于检测燃料电池110的输出电压Vfcmes的电压传感器V0以及用于检测输出电流Ifcmes的电流传感器10。在燃料电池110中，在阳极上产生式(1)的氧化反应，在阴极上产生式(2)的还原反应，作为燃料电池110整体产生式(3)的产电反应(electrogenic reaction)。

H₂→2H⁺+2e^-      ……(1)

(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O    ……(2)

H₂+(1/2)O₂→H₂O        ……(3)

单位电池具有以下的构造，即，通过用于供给燃料气体和氧化气体的隔板夹住MEA，该MEA是由燃料极以及空气极两个电极夹住高分子电解质膜等的构造。阳极将阳极用催化层设置在多孔质支撑层上，阴极将阴极用催化层设置在多孔质支撑层上。

在燃料电池110上设置有向阳极供给燃料气体的系统、向阴极供给氧化气体的系统以及提供冷却液的系统(均省略图示)，根据来自控制器160的控制信号，控制燃料气体的供给量和氧化气体的供给量，从而能够发电所期望的电力。

FC变换器2500起到控制燃料电池110的输出电压Vfcmes的作用，将输入到初级侧(输入侧：燃料电池110侧)的输出电压Vfcmes转换成(升压或降压)与初级侧不同的电压值而输出到次级侧(输出侧：逆变器140侧)，另外，反之，将输入到次级侧的电压转换成与次级侧不同的电压而输出到初级侧的、双方向的电压转换装置。通过该FC变换器2500控制燃料电池110的输出电压Vfcmes，使其成为与目标输出相对应的电压。

蓄电池120与燃料电池110并联连接在负载130上，起到剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器的作用。作为蓄电池120例如利用镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。

蓄电池变换器180负责控制逆变器140的输入电压的作用，例如具有与FC变换器2500相同的电路构成。此外，作为蓄电池变换器180可以采用升压型的变换器，但取而代之也可以采用能够进行升压动作以及降压动作的升降压型的变换器，可以采用能够控制逆变器140的输入电压的所有的构成。

逆变器140是例如用脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，按照来自控制器160的控制指令，将从燃料电池110或蓄电池120输出的直流电转换成三相交流电而控制牵引马达131的旋转扭矩。

牵引马达131成为本车辆的主动力，在减速时产生再生电力。差速机构(differential)132为减速装置，将牵引马达131的高速旋转减速到预定的转数，使设置有轮胎133的轴旋转。轴上设置有未图示的车轮速度传感器等，通过此检测该车辆的车速等。此外，在本实施方式中，将接收从燃料电池110供给的电力而能够动作的所有的设备(包括牵引马达131、差速机构132)统称为负载130。

控制器160是FCHV系统100的控制用计算机系统，例如具备CPU、RAM、ROM等。控制器160输入从传感器组170供给的各种信号(例如，表示加速器开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池110的输出电流、输出端子电压的信号等)而求出负载130的需求电力(即，系统整体的需求电力)。

负载130的需求电力是例如车辆行驶电力和辅助设备电力的合计值。辅助设备电力包括在车载辅助设备类(加湿器、空调机压缩器、氢气泵以及冷却水循环泵等)中所消耗的电力、车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置以及悬挂装置等)中所消耗的电力、配设于乘坐人员空间内的装置(空调装置、照明器具以及音响等)中所消耗的电力等。

另外，控制器(变换器控制装置)160决定燃料电池110和蓄电池120的各自的输出电力的分配量，运算发电指令值。如果求出对燃料电池110以及蓄电池120的需求电力，则控制器160控制FC变换器2500以及蓄电池变换器180的动作，以便能够获得上述的燃料电池110以及蓄电池120所需的电力。

A-2.FC变换器的构成

如图1所示，FC变换器2500具备由U相、V相、W相构成的作为三相共振型变换器的电路构成。三相共振型变换器的电路构成是组合了将所输入的直流电压暂时转换成交流的逆变器类似的电路部分、和将其交流再次整流而转换成不同的直流电压的部分。在本实施方式中，作为FC变换器2500采用具备续流电路(详细将后述)的多相软开关变换器(以下称为多相FC软开关变换器)。

A-2-1.多相FC软开关变换器的说明。

图2是表示搭载在FCH系统100中的多相FC软开关变换器2500的电路构成的图。图3是表示多相FC软开关变换器2500的一个相量的电路构成的图。

在以下的说明中，将构成多相FC软开关变换器2500的U相、V相、W相的FC软开关变换器分别称为FC软开关变换器250a、25b、250c，在不需要特别区分的情况下，简单称为FC软开关变换器2500。另外，将输入到FC软开关变换器250的升压前的电压称为变换器输入电压Vin，将从FC软开关变换器250输出的升压后的电压称为变换器输出电压Vout。

如图3所示，各FC软开关变换器250具备用于进行升压动作的主升压电路22a、和用于进行软开关动作的辅助电路22b、续流电路22c而构成。

主升压电路22a通过由第一开关元件S1和二极管D4构成的开关电路的开关动作来经由二极管D5将储存在线圈L1中的能量释放到负载130而使燃料电池110的输出电压升压，其中，该第一开关元件S1由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等构成。

具体而言，线圈L1的一端与燃料电池110的高电位侧的端子连接，第一开关元件S1的一端的极部与线圈L1的另一端连接，第一开关元件S1的另一端的极部与燃料电池110的低电位侧的端子连接。另外，二极管D5的阴极端子与线圈L1的另一端连接，再有，起到平滑电容器作用的电容器C3连接在二极管D5的阳极端子和第一开关元件S1的另一端之间。在主升压电路22a的燃料电池110侧设置有平滑电容器C1，通过此能够降低燃料电池110的输出电流的脉动。此外，设置有检测第一开关元件S1的两端电压的电压传感器Sv1。

在此，施加于电容器C3的电压VH成为FC软开关变换器150的变换器输出电压Vout，施加于平滑电容器C1的电压VL成为作为燃料电池110的输出电压的、FC软开关变换器150的变换器输入电压Vin。

辅助电路22b包括与第一开关S1并联连接的第一串联连接体，该第一串联连接体包括钳位二极管D3和与该钳位二极管D3串联连接的缓冲电容器C2。第一串联连接体的钳位二极管D3的阴极端子与线圈L1的另一端连接，钳位二极管D3的阳极端子与缓冲电容器C2的一端连接。再有，缓冲电容器C2的另一端与燃料电池110的低电位侧的端子连接。此外，设置有检测缓冲电容器C2的两端电压的电压传感器Sv2。

再有，辅助电路22b包括第二串联连接体，该第二串联连接体由二极管D2和第二开关元件S2以及二极管D1和各相共同的辅助线圈L2构成。

第二串联连接体的二极管D2的阳极端子与第一串联连接体的二极管D3和缓冲电容器C2的连接部位连接。再有，二极管D2的阴极与第二开关元件(辅助开关)S2的一端的极部连接。另外，第二开关元件S2的另一端的极部与辅助线圈L2和续流电路22c的连接部位连接。续流二极管D6的阳极与燃料电池110的低电位侧连接的同时，续流二极管D6的阴极端子与辅助线圈L2连接。该续流电路22c具备各相共同的续流二极管D6，是用于实现故障防护(Fail-Safe)功能的电路，为了即使在辅助线圈L2通电中第二开关元件S2发生开路故障等情况下也将产生损坏第二开关元件S2的冲击电压防范于未然。此外，不具备续流电路22c的构成也能够适用本发明。

在这种构成的FC软开关变换器250中，控制器160通过调节各相的第一开关元件S1的开关占空比，来控制FC软开关变换器250的升压比、即变换器输出电压Vout对变换器输入电压Vin的比。另外，通过在第一开关元件S1的开关动作中伴有辅助电路12b的第二开关元件S2的开关动作，来实现软开关。

接着，参照图4说明通过FC软开关变换器250进行的软开关动作。图4是表示伴有软开关动作的、FC软开关变换器250的一个周期处理(以下称为软开关处理)的流程图，通过控制器160依次执行图4所示的步骤S101～S106来形成一个周期。此外，在以下的说明中，将表示FC软开关变换器25的电流、电压的状态的模式分别表示为模式1至模式6，并将其状态显示于图5～图10。另外，在图5～图10中用箭头表示流过电路的电流。

<软开关动作>

首先，进行图4所示的软开关处理的初始状态是从燃料电池110向负载130供给所需的电力的状态，即，通过第一开关元件S1、第二开关元件S2一起截止，电流经由线圈L1、二极管D5供给至负载130的状态。

(模式1：参照图5)

在步骤S101中，保持第一开关元件S1的截止(OFF)的同时，导通(ON)第二开关元件S2。如果进行所涉及的开关动作，通过FC软开关变换器150的输出电压VH和输入电压VL的电位差，流过负载130侧的电流经由线圈L1、二极管D3、第二开关元件S2、辅助线圈L2而逐渐移动到辅助电路12b侧。此外，在图5中，用白色掏空箭头表示电流从负载130侧流向辅助电路12b侧的样子。

另外，通过导通(ON)第二开关元件S2，产生图5所示的箭头Dm11朝向的电流的循环。在此，第二开关元件S2的电流变化速度是按照辅助线圈L2的两端电压(VH-VL)和辅助线圈L2的电感而增加，但由于流过第二开关元件S2的电流被辅助线圈L2所抑制，因此其结果，实现经由二极管D5而流到负载130侧的电流(参照图5所示的箭头Dm12)的软关断(soft turn off)。

在此，从模式1到模式2的迁移完成时间tmode1是通过下述式(4)来表示。

$t\mathrm{mod}e1=\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{2},0)\&times;\frac{L2\mathrm{id}}{(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(4\right)$

Ip：相电流

L2id：辅助线圈L2的电感

(模式2：参照图6)

如果经过了上述迁移完成时间而转移到步骤S102，则流过二极管D5的电流变成零，电流经由线圈L1以及二极管D5流入到辅助电路12b侧(参照图6所示的箭头Dm21)，并且代替之通过缓冲电容器C2和燃料电池110的电压VL的电位差，充电到缓冲电容器C2中的电荷流向辅助电路12b侧(参照图6所示的箭头Dm22)。施加到第一开关元件S1的电压取决于该缓冲电容器C2的容量。

在此，图12是表示从模式2到模式3的迁移过程中的电压和电流的变动的图，用粗实线表示燃料电池110的电压，用细实线表示缓冲电容器C2的电压，用虚线表示缓冲电容器C2的电流。

开始图6所示的Dm21的路径的通电之后(参照图12所示的(A))，通过缓冲电容器C2的电压VH和燃料电池110的电压VL的电位差，开始图6所示的Dm22的路径的通电，即向辅助线圈L2的通电(参照图12所示的(B))。在此，如图12所示，缓冲电容器C2的电流持续上升至缓冲电容器C2的电压达到燃料电池110的电压VL为止。

具体而言，因缓冲电容器C2的电压VH和燃料电池110的电压VL的电位差而储存在缓冲电容器C2中的电荷开始再生于电源侧(图6所示的箭头Dm22)，但由于存在原来的电位差为(VH-VL)，因此储存在缓冲电容器C2中的电荷的流动(放电)达到电源电压(即燃料电池110的电压VL)时(图12所示的时刻Tt1)停止，但因辅助线圈L2的特性(即，想使电流继续流过的特性)而即使缓冲电容器C2的电压在VL以下也想使电荷继续流过(参照图12所示的(C))。此时，如果下述式(4)’成立，则缓冲电容器C2的电荷全部流过(放电)。

$\frac{1}{2}L\&times;I^2>\frac{1}{2}C\&times;V^2\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\left(4\right)}^{\text{'}}$

左边：储存在辅助线圈L2中的能量

右边：残存于缓冲电容器C2中的能量

如果储存在缓冲电容器C2中的电荷消失，则通过图6所示的Dm23的路径进行续流动作而继续通电(参照图12所示(D))。由此，储存在辅助线圈L2中的能量全部被释放。此外，由于在辅助线圈L2的一端连接有二极管D2的阳极，因此LC共振停止于半波。因此，缓冲电容器C2放电之后保持0V。

在此，从模式2到模式3的迁移完成时间tmode2是通过下述式(5)来表示。

tmod e2＝tmod e2′…(5)

$t\mathrm{mode}{2}^{\&prime;}=\mathrm{\&pi;}\sqrt{L2\mathrm{id}*C2d}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\left(5\right)}^{\text{'}}$

C2d：电容器C2的容量

(模式3：参照图7)

如果结束在图6所示的Dm22的路径中电流流过的动作而缓冲电容器C2的电荷被释放或者变成最小电压(MIN电压)，则第一开关元件S1导通(ON)，转移到步骤S103。在缓冲电容器C2的电压变成零的状态下，由于施加到第一开关元件S1的电压也变成零，因此实现ZVS(Zero Voltage Switching：零电压开关)。在所涉及的状态中，流过线圈L1的电流Il1成为箭头Dm31所示的流过辅助电路12b侧的电流Idm31和箭头Dm32所示的经由第一开关元件S1而流过的电流Idm32的和(参照下式(6))。

Il1＝Idm31+Idm32  …(6)

在此，流过第一开关元件S1的电流Idm31取决于流过辅助电路12b侧的电流Idm31的减少速度。流过辅助电路12b侧的电流Id31的电流变化速度是通过下述式(7)所表示，即流过辅助电路12b侧的电流Idm31是以下述式(7)的变化速度逐渐减少，因此即使导通第一开关元件S1，流过第一开关元件S1的电流也不会急速上升，从而实现ZCS(Zero Current Switching：零电流开关)。

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{-\mathrm{VL}}{L2}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(7\right)$

(模式4：参照图8)

然后，在步骤S104中持续步骤S103的状态，增加流入到线圈L1的电流量而逐渐增加储存到线圈L1中的能量(参照图8中的箭头Dm42)。在此，由于在辅助电路12b中存在二极管D2，因此反向电流不会流到辅助线圈L2，不会经由第二开关元件S2对缓冲电容器C2进行充电。另外，在此刻第一开关元件S1导通(ON)，因此不会经由二极管D3对缓冲电容器C2进行充电。因此，变成线圈L1的电流＝第一开关元件S1的电流，储存在线圈L1中能量逐渐增加。在此，第一开关元件S1导通时间Ts1通过下述式(8)来近似地表示。

Ts1＝(1-VL/VH)×Tcon  …(8)

Tcon：控制周期

此外，控制周期是指将步骤S101到步骤S106的一连串的处理为一个周期(one cycle)时的、软开关处理的时间周期。

(模式5：参照图9)

如果在步骤S104中所期望的能量储存到线圈L1中，则第一开关元件S12截止(OFF)，电流流过图9中用箭头Dm51表示的路径。在此，图11是例示了模式5中的缓冲电容器C2的电压Vc、施加于第一开关元件S1的电压Ve、流过第一开关元件S1的电流Ie的关系的图。如果进行上述的开关动作，则电荷充电到在模式2中电荷被释放而成为低电压状态的缓冲电容器C2中，由此缓冲电容器C2的电压Vc朝向FC软开关变换器150的变换器输出电压VH而上升。此时，施加到第一开关元件S1的电压Ve的上升速度因向缓冲电容器C2的充电而被抑制(即，电压的上升变迟缓)，从而能够进行降低截止时(参照图11所示的α)的开关损耗的ZVS动作。

(模式6：参照图10)

如果缓冲电容器C2被充电到电压VH，则储存在线圈L1中的能量释放到负载130侧(参照图10所示的箭头Dm61)。在此，第一开关元件S1的截止时间Ts2是通过下述式(9)来近似地表示。

Ts2＝(VL/VH)×Tcon  …(9)

通过进行以上说明的软开关处理，来尽可能地抑制FC软开关变换器150的开关损耗的基础上，能够将燃料电池110的输出电压提高到所期望的电压而供给到负载130。

<辅助电路22b的故障判断>

在此，图13是表示FC软开关变换器150的辅助电路22b为正常的情况下的缓冲电容器C2的两端电压(实线)、第一开关元件S1的两端电压(虚线)、流过第一开关元件S1的电流(点划线)的图，图14是表示在FC软开关变换器150的辅助电路22b上发生开路故障的情况(即，第二开关元件S2始终截止的情况)下的缓冲电容器C2的两端电压(实线)、第一开关元件S1的两端电压(虚线)、流过第一开关元件S1的电流(点划线)的图。

此外，在以下中，为了说明的方便而将辅助电路22b正常情况下的缓冲电容器C2的两端电压Vc2、第一开关元件S1的两端电压Vs1分别称为软开关C2电压、软开关S1电压，并将辅助电路22b开路故障情况下的缓冲电容器C2的两端电压Vc2、第一开关元件S1的两端电压Vs1分别称为硬开关C2电压、硬开关S1电压。

a.辅助电路22b正常的情况(参照图13)

在辅助电路22b为正常状态下，如果开关元件截止(OFF)(参照图8所示模式4→图9所示的模式5)，则储存在线圈L1中的能量被释放而电流流过在图9中用Dm51表示的路径。由此，电荷充电到在模式2中电荷被释放而成为低电压状态的缓冲电容器C2中，软开关C2的电压逐渐上升。在此，软开关S1的电压被钳位二极管D3所钳制，软开关C2的电压逐渐收敛到软开关S1的电压即电压VH。

b.辅助电路22b上发生开路故障的情况(参照图14)

在辅助电路22上发生开路故障的情况下，在开关元件截止(OFF)之前硬开关C2的两端电压Vc2保持VH。在此，如果第一开关元件S1被截止，则由于辅助电路22b不正常动作，因此在第一开关元件S1上产生冲击电压Vsu。该冲击电压Vsu被钳位二极管D3所钳制，通过缓冲电容器C2表现为硬开关C2电压。硬开关S1电压最终逐渐收敛到VH，但由于硬开关C2电压被冲击电压Vsu所钳制，因此在本实施方式中，求出缓冲电容器C2的两端电压Vc2和第一开关元件S1的两端电压Vs1的差分电压ΔV，在所求出的差分电压ΔV为差分电压阈值以上的情况下，判断为在辅助电路22b上发生了故障(开路故障)。当然，也可以不求出差分电压ΔV，仅检测缓冲电容器C2的两端电压Vc2，在所检测的电容器C2的两端电压Vc2为正常电压阈值以上的情况下，判断为发生了故障(开路故障)(详细参照变形例1)。此外，关于差分电压阈值、正常电压阈值，可以事先通过实验等来求出。下面，参照图15说明辅助电路22b的故障判断处理。

图15是表示由控制器160执行的辅助电路22b的故障判断处理的流程图。

控制器(差分导出单元)160，例如，如果伴随着从图8所示的模式4转移到图9所示模式5而开关元件S1截止(OFF)(步骤S1)，则检测缓冲电容器C2的两端电压Vc2和第一开关元件S1的两端电压Vs1并求出差分电压ΔV。

控制器160比较所求出的差分电压ΔV和存储在存储器(省略图示)中的电压阈值，判断差分电压ΔV是否为差分电压阈值以上(步骤S2)。

控制器160在差分电压ΔV不足差分电压阈值的情况下，判断辅助电路22b为正常而结束处理。

另一方面，在差分电压ΔV为差分电压阈值以上的情况下，控制器(判断单元、故障防护单元)160判断为辅助电路22b上发生了故障(开路故障)，转移到步骤S3中所示的故障防护动作而结束处理。在此，作为故障防护动作，停止判断为辅助电路22b上发生了开路故障的相(例如U相)的变换器，利用剩余的相(例如V相、W相)的变换器驱动负载130。

如周知，如果在开关元件S1上发生较大的冲击电压Vsu(参照图15)，则在开关元件S1上产生较大的能量损失，最差的情况下因异常过热而发生引起元件损坏等问题。因此，在本实施方式中，如上所述，对于判断为在辅助电路22b上发生了开路故障的相的变换器，停止运转，由此能够将元件损坏等问题防范于未然。

B.变形例

<变形例1>

图16是表示变形例1所涉及的辅助电路22b的故障判断处理的流程图。此外，在图16所示的步骤中，对于与上述图15对应的步骤标上相同的附图标记，并省略详细说明。

如果第一开关元件S1截止(OFF)(步骤S1)，则控制器(差分导出单元)160检测缓冲电容器C2的两端电压Vc2。

控制器160比较所检测的缓冲电容器C2的两端电压Vc2和存储在存储器(省略图示)中的正常电压阈值，判断缓冲电容器C2的两端电压Vc2是否为正常电压阈值以上(步骤Sa2)。

在缓冲电容器C2的两端电压Vc2不足正常电压阈值的情况下，控制器160判断辅助电路22b为正常而结束处理。

另一方面，在缓冲电容器C2的两端电压Vc2为正常电压阈值以上的情况下，控制器(判断单元、故障防护单元)160判断为辅助电路22b上发生了故障(开路故障)，转移到步骤S3中所示的故障防护动作而结束处理。在此，作为故障防护动作，停止判断为在辅助电路22b上发生了开路故障的相(例如U相)的变换器，利用剩余的相(例如V相、W相)的变换器而驱动负载130。

<变形例2>

在上述的本实施方式中，作为故障防护动作说明了停止判断为发生了开路故障的相的变换器，并利用剩余的相的变换器而驱动负载130的情况，但不限定于此。例如，对判断为发生了开路故障的相，也可以不进行软开关而进行硬开关。但是，在进行硬开关的情况下，关于第一开关元件S1，有可能发生元件损坏等问题，因此只要通过限制输出来事先抑制电流的变化率即可。具体而言，控制器(故障防护单元)160进行监视和限制，以便流过第一开关元件S1的电流的变化率在预先设定的阈值变化率以下。具体而言，在进行硬开关的情况下，也可以通过加大第一开关元件S1的栅极电阻或者将负载130的最大容许值设定为较低，来限制输出。在此，关于第一开关元件S1的栅极电阻，例如准备在辅助电路22b正常的情况给下所利用的栅极电阻(以下，称为第一栅极电阻)R1、和在辅助电路22b上发生了开路故障的情况下利用的电阻较大的栅极电阻(以下，称为第二栅极电阻)R2(＞R1)。控制器160根据图15、图16所示的故障判断处理的执行结果，进行第一开关元件S1的栅极电阻的选择切换。即，如果判断为辅助电路22b正常(步骤S2或步骤S2a：“否”)，则控制器160选择第一栅极电阻R1，另一方面，如果判断为在辅助电路22b上发生了开路故障(步骤S2或步骤S2a：“是”)，则选择第二栅极电阻R2。也可以通过所涉及的构成来将元件损坏等问题防范于未然。此外，关于进行负载130的最大容许值的选择切换的情况下的动作，可以与进行第一开关元件S1的栅极电阻的选择切换的情况相同地进行说明，因此省略说明。另外，关于第一开关元件S1的栅极电阻值、负载130的最大容许值，也可以事先通过实验等来求出。

另外，作为差分电压ΔV成为电压阈值以上的原因可以想到以下情况，即，在开关元件截止之前，缓冲电容器C2的电荷未充分释放。在此情况下，可以通过适当改变辅助电路22b的第二开关元件S的导通(ON)、截止(OFF)时刻，来确认缓冲电容器2的电荷是否充分被释放之后，再一次求出差分电压ΔV来判断辅助电路22b上是否发生了开路故障。

<变形例3>

另外，在上述的本实施方式中，作为辅助电路22b所包含的第二串联连接体说明了二极管D2的阳极端子与第一串联连接体的二极管D3和缓冲电容器C2的连接部位连接且二极管D2的阴极与第二开关元件(辅助开关)S2的一端的极部连接的例子(参照图3)，但关于该第二串联连接体的电路拓扑，也可以采用适当替换由线圈L2、二极管D2、第二开关元件S2等构成的开关电路的串联顺序的方式。具体而言，如图16、图17所示，也可以去掉续流电路22c，并且替换由线圈L2和第二开关元件S2等构成的开关电路的顺序。

Claims (9)

1.一种变换器控制装置，是具备控制燃料电池的输出电压的主升压电路和辅助电路的软开关变换器的控制装置，该变换器控制装置的特征在于，

上述主升压电路具备：主线圈，一端与上述燃料电池的高电位侧的端子连接，

上述辅助电路具备：

钳位二极管和缓冲电容器串联连接的第一串联连接体，与构成上述主升压电路的主开关并联连接，并且与上述燃料电池的高电位侧的端子和低电位侧的端子连接；以及

第二串联连接体，该第二串联连接体由二极管、辅助线圈和辅助开关串联连接而成，连接在上述钳位二极管和上述缓冲电容器的连接部位与上述主线圈的一端之间，

上述变换器控制装置具备：

检测单元，在上述主开关截止的情况下，检测被上述钳位二极管钳制的上述缓冲电容器的两端电压；以及

判断单元，比较上述缓冲电容器的两端电压和所设定的正常电压阈值，在该两端电压超过正常电压阈值的情况下判断为在上述辅助电路中发生异常。

2.根据权利要求1所述的变换器控制装置，其特征在于，

还具备差分导出单元，该差分导出单元求出上述缓冲电容器的两端电压和上述主开关的两端电压的差分电压，

上述判断单元比较上述差分电压和所设定的故障判断阈值，在该差分电压超过该故障判断阈值的情况下判断为在上述辅助电路中发生异常。

3.根据权利要求1或2所述的变换器控制装置，其特征在于，

还具备故障防护单元，在判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下，该故障防护单元停止上述主升压电路的动作。

4.根据权利要求1或2所述的变换器控制装置，其特征在于，

还具备故障防护单元，在判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下，该故障防护单元将流过上述主升压电路的上述主开关的电流的变化率限制在阈值变化率以下。

5.根据权利要求4所述的变换器控制装置，其特征在于，

上述故障防护单元通过将判断为在上述辅助电路中发生异常的情况下的上述主开关的栅极电阻设定为大于判断为上述辅助电路正常情况下的上述主开关的栅极电阻的值，来将上述电流的变换率限制在阈值变化率以下。

6.根据权利要求1、2或5所述的变换器控制装置，其特征在于，

上述主升压电路还具备：

第一二极管，阳极与上述主线圈的另一端连接；以及

平滑电容器，与上述第一二极管的阴极和上述燃料电池的低电位侧的端子连接，

上述主开关的一端与上述主线圈的另一端连接，上述主开关的另一端与上述燃料电池的低电位侧的端子连接。

7.根据权利要求3所述的变换器控制装置，其特征在于，

上述主升压电路还具备：

第一二极管，阳极与上述主线圈的另一端连接；以及

平滑电容器，与上述第一二极管的阴极和上述燃料电池的低电位侧的端子连接，

上述主开关的一端与上述主线圈的另一端连接，上述主开关的另一端与上述燃料电池的低电位侧的端子连接。

8.根据权利要求4所述的变换器控制装置，其特征在于，

上述主升压电路还具备：

第一二极管，阳极与上述主线圈的另一端连接；以及

平滑电容器，与上述第一二极管的阴极和上述燃料电池的低电位侧的端子连接，

上述主开关的一端与上述主线圈的另一端连接，上述主开关的另一端与上述燃料电池的低电位侧的端子连接。

9.根据权利要求1所述的变换器控制装置，其特征在于，

上述软开关变换器是每个相具备上述辅助电路的多相软开关变换器，

构成上述各相的辅助电路的辅助线圈在所有相的辅助电路中共用。