JP2010104074A

JP2010104074A - 車両搭載用マルチフェーズコンバータおよびその設計方法

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Publication number: JP2010104074A
Application number: JP2008270707A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Fuma; 弘雄夫馬; Yuji Nishibe; 祐司西部; Kota Manabe; 晃太真鍋; Nobuyuki Kitamura; 伸之北村
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: WO2010047413A3; WO2010047413A2; CN102197577B; US8610414B2; DE112009002554T8; US20110193408A1; CN102197577A; DE112009002554T5; JP5049245B2

Abstract

【課題】車両搭載用の昇圧コンバータに用いられる昇圧用コイルを小型化することを目的とする。
【解決手段】複数の昇圧コイルと、各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路とを備え、入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータの設計方法において、複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する程度を示す結合率を、当該結合率と各昇圧コイルの電流リップル成分との関係に基づいて決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに磁気結合する複数の昇圧コイルを備え、各昇圧コイルの誘導起電力に応じた電圧を出力する車両搭載用マルチフェーズコンバータおよびその設計方法に関する。

モータの駆動力によって走行するハイブリッド自動車、電気自動車等が広く用いられている。このようなモータ駆動車両は、電池電圧を昇圧し、昇圧した電圧をモータ駆動回路に出力する昇圧コンバータを備える。

昇圧コンバータは、昇圧コイル、昇圧コイルに流れる電流をスイッチングするスイッチング回路等を備える。昇圧コイルは電流のスイッチングにより誘導起電力を発生する。昇圧コンバータは、入力電圧に誘導起電力を加えた昇圧電圧をモータ駆動回路に出力する。これによって、昇圧コンバータは、電池電圧より大きい電圧をモータ駆動回路に出力することができる。

昇圧コンバータの昇圧コイルは、車両のエンジンコンパートメントに配置されることが多い。昇圧コイルの体積が大きい場合、エンジンコンパートメントの容積を大きくする必要が生じ、車室を狭くせざるを得ない場合がある。

本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、車両搭載用の昇圧コンバータに用いられる昇圧用コイルを小型化することを目的とする。

特開２００５−６５３８４号公報特開２００８−２２５９４号公報

本発明は、複数の昇圧コイルと、各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路と、を備え、入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータの設計方法において、前記複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する程度を示す結合率を、当該結合率と各昇圧コイルの電流リップル成分との関係に基づいて決定する設計工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る設計方法においては、前記設計工程は、前記出力電圧の前記入力電圧に対する比を変化させたときの各昇圧コイルの電流リップル成分の変化に基づいて前記結合率を決定する工程を含むことが好適である。

また、本発明は、複数の昇圧コイルと、各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより、各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路と、を備え、入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、前記スイッチング回路は、前記入力電圧の前記出力電圧に対する比が、車両の走行制御に応じて所定の変化範囲で変化するよう、各昇圧コイルに流れる電流をスイッチングし、前記複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する程度を示す結合率は、前記比が前記変化範囲の中央値以下であるときに、各昇圧コイルの電流リップル成分が、前記結合率を０とした場合における各昇圧コイルの電流リップル成分より小さくなるよう決定されていることを特徴とする。

また、本発明は、複数の昇圧コイルと、各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより、各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路と、を備え、入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、前記複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する割合を示す結合率を０．１以上０．４以下の値としたことを特徴とする。

また、本発明に係る車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいては、前記スイッチング回路は、前記入力電圧の前記出力電圧に対する比が車両の走行制御に応じて変化するよう、各昇圧コイルに流れる電流をスイッチングすることが好適である。

本発明によれば、車両搭載用の昇圧コンバータに用いられる昇圧用コイルを小型化することができる。

図１に本発明の第１の実施形態に係る２相マルチフェーズコンバータの構成を示す。２相マルチフェーズコンバータは、互いに磁気結合する２つの昇圧コイルを備え、各昇圧コイルに流れる電流を異なるタイミングでスイッチング制御するものである。出力端子からは各昇圧コイルの誘導起電力に応じた電圧が出力される。

２相マルチフェーズコンバータの構成について説明する。上スイッチ１６−１の一端は下スイッチ１８−１の一端に接続される。下スイッチ１８−１の他端は電池１０の負極端子に接続され、上スイッチ１６−１の他端と下スイッチ１８−１の他端との間には、コンデンサ２０が接続される。第１昇圧コイル１２の一端は電池１０の正極端子に接続され、他端は上スイッチ１６−１および下スイッチ１８−１の接続点に接続される。

同様に、上スイッチ１６−２の一端は下スイッチ１８−２の一端に接続される。下スイッチ１８−２の他端は電池１０の負極端子に接続され、上スイッチ１６−２の他端と下スイッチ１８−２の他端との間には、コンデンサ２０が接続される。第２昇圧コイル１４の一端は電池１０の正極端子に接続され、他端は上スイッチ１６−２および下スイッチ１８−２の接続点に接続される。

コンデンサ２０の一端は出力端子２２に接続され、他端は出力端子２４に接続される。出力端子２２および２４には、車両駆動用モータジェネレータを駆動する車両駆動回路２６が接続される。

第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４は、電池１０から各昇圧コイルに電流が流れた場合または各昇圧コイルから電池１０に電流が流れた場合に、一方で発生した磁束が他方における磁束を減少させるよう、負に磁気結合する。第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４は、それぞれ、結合部ａＬおよび単独部（１−ａ）Ｌを直列接続したインダクタンスによって表される。ここで、ａは結合率であり０以上１以下の値をとる。結合率ａは、第１昇圧コイル１２の誘導起電力が、第２昇圧コイル１４の端子間電圧に寄与する割合、および、第２昇圧コイル１４の誘導起電力が、第１昇圧コイル１２の端子間電圧に寄与する割合を示す。すなわち、単独部（１−ａ）Ｌは、各昇圧コイルの自己インダクタンスを示し、結合部ａＬは、第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４の相互インダクタンスを示す。図１において結合部ａＬの傍らに付した点は、一方の結合部ａＬにおいて、点が付されている側の端子を正とする誘導起電力が発生したときに、他方の結合部ａＬに点が付されている側の端子を正とする誘導起電力が発生することを意味する。

なお、図１の回路は等価回路による表現であり、実際の第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４は、巻線のあらゆる部分で分布的に磁気結合する構成とすることができる。

２相マルチフェーズコンバータの動作について説明する。コントロールユニット２８は、各スイッチのオンオフ制御を行う。下スイッチ１８−１をオンとすることにより、第１昇圧コイル１２には電池１０の正極から電流が流れ、続いて下スイッチ１８−１をオフとすることにより、第１昇圧コイル１２には電流変化に基づく誘導起電力が発生する。そして、上スイッチ１６−１をオンとすることにより、電池電圧Ｖｂに第１昇圧コイル１２の誘導起電力が加えられた電圧がコンデンサ２０に印加される。

また、下スイッチ１８−２をオンとすることにより、第２昇圧コイル１４には電池１０の正極から電流が流れ、続いて下スイッチ１８−２をオフとすることにより、第２昇圧コイル１４には電流変化に基づく誘導起電力が発生する。そして、上スイッチ１６−２をオンとすることにより、電池電圧Ｖｂに第２昇圧コイル１４の誘導起電力が加えられた電圧がコンデンサ２０に印加される。

第１昇圧コイル１２に生じた誘導起電力は、結合率ａに応じて第２昇圧コイル１４に電圧を誘起し、第２昇圧コイル１４に生じた誘導起電力は、結合率ａに応じて第１昇圧コイル１２に電圧を誘起する。

このように各スイッチを制御することにより、電池電圧Ｖｂより大きい電圧Ｖｈでコンデンサ２０が充電され、電池電圧Ｖｂより大きい電圧Ｖｈを出力端子２２および２４から出力することができる。

次に、より具体的な制御について説明する。本実施形態に係る２相マルチフェーズコンバータは、次の３つの制御状態をとるものとする。（１）上スイッチ１６−１および下スイッチ１８−２をオンとし、他のスイッチをオフとする状態、（２）下スイッチ１８−１および上スイッチ１６−２をオンとし、他のスイッチをオフとする状態（３）下スイッチ１８−１および１８−２をオンとし、他のスイッチをオフとする状態。以下では、（１）〜（３）の状態をそれぞれ、上１オン状態、上２オン状態、および両下オン状態とする。なお、一般には、２つの上スイッチをオンとした両上オン状態をとってもよいことは言うまでもない。

コントロールユニット２８は、上１オン、両下オン、上２オン、両下オン、上１オン、両下オン、上２オン、両下オン、・・・・というように、上１オンおよび上２オン状態の次に両下オン状態をとるよう、各スイッチを制御する。また、コントロールユニット２８は、上１オン状態をとる時間と上２オン状態をとる時間とが等しくなるよう、各スイッチを制御する。

電池電圧Ｖｂに対する出力電圧Ｖｈの比として定義される昇圧比は、上１オン状態または上２オン状態となる時間Ｔ₁、および両下オン状態となる時間Ｔ₂を変化させることで調整することができる。制御周期Ｔｃ＝Ｔ₁＋Ｔ₂を一定とした場合、時間Ｔ₁およびＴ₂と昇圧比αとの間には、α＝２（１＋Ｔ₂／Ｔ₁）の関係がある。

コントロールユニット２８は、制御周期Ｔｃ＝Ｔ₁＋Ｔ₂を一定とし、時間Ｔ₂の時間Ｔ₁に対する比率を変化させることにより昇圧比を調整し、出力電圧Ｖｈを調整する。

このような構成によれば、コントロールユニット２８は、車両の走行制御に応じて２相マルチフェーズコンバータの出力電力を調整し、車両駆動回路２６に与える電圧を調整することができる。車両駆動回路は、２相マルチフェーズコンバータから出力された電圧に基づいてモータジェネレータに加速トルクを発生させて車両を加速し、または、モータジェネレータに制動トルクを発生させて車両を減速する。

次に、２相マルチフェーズコンバータの各昇圧コイルの設計方法について説明する。第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４の構造は、磁気飽和性能に基づいて定める。ここで、磁気飽和性能とは、磁気飽和の起こり難さを示す性能をいう。また、磁気飽和とは、昇圧コイルのインダクタンスが電流に対して非線形となる状態をいう。昇圧コイルに流れる電流がある飽和閾値に達すると磁気飽和が生じ、２相マルチフェーズコンバータの昇圧性能が低下する。

一般に、コイル体積と飽和閾値との間には、コイル体積が大きい程、飽和閾値が大きくなるという関係がある。したがって、飽和閾値を小さくすることができれば昇圧コイルの体積を小さくすることができる。しかし、飽和閾値を小さくするためには、昇圧性能を損ねることなく昇圧コイルに流れる電流を低減する必要が生じる。

ここで、昇圧コイルに流れる電流は直流成分とリップル成分とを含む。このうち、リップル成分が、昇圧コイルにおける誘導起電力の発生、すなわち、２相マルチフェーズコンバータにおける昇圧動作に寄与する。したがって、昇圧コイルの直流成分を低減すれば、２相マルチフェーズコンバータにおける昇圧性能を損ねることなく、昇圧コイルに流れる電流を低減することができる。

そこで、本実施形態に係る２相マルチフェーズコンバータでは、第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４を負に磁気結合させることにより、各昇圧コイルに流れる電流の直流成分を低減する。昇圧コイルに流れる電流の直流成分を小さくすることにより、昇圧性能を損ねることなく、昇圧コイルに流れる電流の大きさを低減することができる。これによって、飽和閾値を小さくすることができ、昇圧コイルの体積を低減することができる。

本実施形態に係る２相マルチフェーズコンバータにおいては、結合率をａとしたときは、結合率が０の場合に比して昇圧コイルの体積を、およそ（１−ａ）倍とすることができることが確かめられた。すなわち、ａ＝０．１とすることで、ａ＝０．０のときに比して昇圧コイルの体積を、およそ１０％低減させることができる。

第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４の構造は、さらに、放熱特性に基づいて定める。昇圧コイルは、車両に搭載される他の部品の性能を確保するため、ある所定の温度を超えないよう設計する。本実施形態では、昇圧コイルの温度が所定の温度を超えないようにするため、昇圧コイルの発熱量に応じた放熱設計を行う。すなわち、昇圧コイルの発熱量が大きい程、昇圧コイルの体積を大きくし、放熱量を大きくする。したがって、昇圧コイルの発熱量が小さい程、昇圧コイルの体積を小さくすることができる。

昇圧コイルは、その電流のリップル成分に基づいて発熱する。したがって、昇圧性能を損ねることなくリップル成分を低減することにより、昇圧コイルの発熱量を低減することができ、昇圧コイルの体積を小さくすることができる。

リップル成分の大きさは、結合率ａ、昇圧比α等に依存する。そこで、以下では、リップル成分を低減するための条件について説明する。

まず、２相マルチフェーズコンバータの制御状態が両下オン状態である場合について、キルヒホッフの第２法則を適用する。すなわち、電池１０の正極端子から第１昇圧コイル１２および下スイッチ１８−１を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループ、および、電池１０の正極端子から第２昇圧コイル１４および下スイッチ１８−２を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループについて閉路方程式を立てる。閉路方程式を解くことによって、第１昇圧コイル１２の電流Ｉ₁の時間微分、および第２昇圧コイル１４の電流Ｉ₂の時間微分を、次の式のように求めることができる。

Ｖｂは電池電圧、ｔは時間変数である。また、第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４のインダクタンスは等しい値Ｌとしている。

次に、２相マルチフェーズコンバータの制御状態が上１オン状態である場合について、キルヒホッフの第２法則を適用する。すなわち、電池１０の正極端子から第１昇圧コイル１２、上スイッチ１６−１、およびコンデンサ２０を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループ、および、電池１０の正極端子から第２昇圧コイル１４および下スイッチ１８−２を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループについて閉路方程式を立てる。閉路方程式を解くことによって、第１昇圧コイル１２の電流Ｉ₁の時間微分、および第２昇圧コイル１４の電流Ｉ₂の時間微分を、次の式のように求めることができる。

ここで、Ｖｈは出力電圧である。

さらに、２相マルチフェーズコンバータの制御状態が上２オン状態である場合について、キルヒホッフの第２法則を適用する。すなわち、電池１０の正極端子から第１昇圧コイル１２および下スイッチ１８−１を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループ、および、電池１０の正極端子から第２昇圧コイル１４、上スイッチ１６−２、およびコンデンサ２０を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループについて閉路方程式を立てる。閉路方程式を解くことによって、第１昇圧コイル１２の電流Ｉ₁の時間微分、および第２昇圧コイル１４の電流Ｉ₂の時間微分を、次の式のように求めることができる。

図２に、結合率をａ＝０．０、ａ＝０．２５、ａ＝０．５、およびａ＝０．７５の４通りとした場合について、電池電圧Ｖｂ＝２００Ｖに対し、出力電圧Ｖｈを４５０Ｖ〜７５０Ｖの範囲で変化させたときの各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分を求めた結果を示す。第１昇圧コイル１２に流れる電流のリップル成分と、第２昇圧コイル１４に流れる電流のリップル成分は等しく、図２のリップル成分は第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４の両者に共通である。なお、第１昇圧コイル１２および第２昇圧コイル１４のインダクタンスは、Ｌ＝５００μＨ、制御周期ＴｃはＴｃ＝Ｔ₁＋Ｔ₂＝１μｓｅｃとした。

また、上記のように、昇圧比αには、α＝Ｖｈ／Ｖｂ＝２（１＋Ｔ₂／Ｔ₁）の関係があることから、

の関係がある。

図２のリップル成分は、時間変化ｄｔをＴ₁またはＴ₂として求める。すなわち、時刻０〜Ｔ₁の間において、（数２）の右辺に（数６）によって求まるＴ₁を乗じた値だけ値が変化し、時刻Ｔ₁〜Ｔ₁＋Ｔ₂の間において、（数１）の右辺に（数７）によって求まるＴ₂を乗じた値だけ値が変化し、時刻Ｔ₁＋Ｔ₂〜Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₁の間において、（数４）の右辺に（数６）によって求まるＴ₁を乗じた値だけ値が変化し、さらに、時刻Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₁〜Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₁＋Ｔ₂の間において、（数１）の右辺に（数７）によって求まるＴ₂を乗じた値だけ値が変化するような電流波形の波高値をリップル成分として求める。

図２に示されるように、結合率ａ＝０．２５の場合には結合率ａ＝０．０の場合よりもリップル成分は小さい。そして、結合率ａが増加するに従いリップル成分の出力電圧Ｖｈに対する傾きが大きくなり、結合率ａ＝０．５の特性は、出力電圧Ｖｈ＝６００Ｖ付近で結合率ａ＝０．０の特性（基準特性）と交わる。すなわち、特性が交わる点より低電圧側では、結合率ａ＝０．５の場合のリップル成分の方が基準特性のリップル成分よりも小さくなり、特性が交わる点より高電圧側では、結合率ａ＝０．５の場合のリップル成分の方が基準特性のリップル成分よりも大きくなる。また、結合率ａが大きくなる程、基準特性との交点は低電圧側に移動する。結合率ａ＝０．７５の場合にあっては、出力電圧Ｖｈ＝４６０Ｖを超える範囲で、結合率ａ＝０．７５の場合のリップル成分の方が基準特性のリップル成分よりも大きくなる。ハイブリッド自動車等のモータ駆動車両では、出力電圧Ｖｈが４５０Ｖ〜７５０Ｖとなる頻度が高い。したがって、各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分を低減し、各昇圧コイルの体積を低減するという観点から、結合率は０．４以下とすることが好ましい。

さらに、上記のように、磁気飽和を回避しつつ各昇圧コイルの体積を低減するという観点からは、結合率ａは０．１以上とすることが好ましい。よって、車両搭載用の２相マルチフェーズコンバータに用いる昇圧コイルの結合率ａは、０．１以上０．４以下とすることが好ましい。

より一般的には、昇圧比が変化範囲の中央値以下の値であるときに、各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分が、結合率を０とした場合における各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分より小さくなるよう、結合率を決定することが好ましい。すなわち、図２では、出力電圧の変化範囲をＶｈ＝４５０Ｖ〜７５０Ｖとした場合、出力電圧Ｖｈが６００Ｖを超える範囲において、リップル成分の特性が基準特性と交わるよう結合率を決定することが好ましい。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３に第２の実施形態に係る３相マルチフェーズコンバータの構成を示す。３相マルチフェーズコンバータは、互いに磁気結合する３つの昇圧コイルを備え、各昇圧コイルに流れる電流を異なるタイミングでスイッチング制御するものである。図１に示す２相マルチフェーズコンバータと同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

３相マルチフェーズコンバータは、２相マルチフェーズコンバータに、さらに、第３昇圧コイル３０、上スイッチ１６−３、下スイッチ１８−３を設けた構成を有する。上スイッチ１６−３の一端は下スイッチ１８−３の一端に接続される。下スイッチ１８−３の他端は電池１０の負極端子に接続され、上スイッチ１６−３の他端および下スイッチ１８−３の他端は、コンデンサ２０の両端に接続される。また、第３昇圧コイル３０の一端は電池１０の正極端子に接続され、他端は上スイッチ１６−３および下スイッチ１８−３の接続点に接続される。

第１昇圧コイル１２、第２昇圧コイル１４、および第３昇圧コイル３０は、電池１０から各昇圧コイルに電流が流れた場合または各昇圧コイルから電池１０に電流が流れた場合に、１つの昇圧コイルで発生した磁束が他の２つの昇圧コイルにおける磁束を減少させるよう、負に磁気結合する。第１昇圧コイル１２、第２昇圧コイル１４、第３昇圧コイル３０は、それぞれ、２つの結合部ａＬおよび単独部（１−２ａ）Ｌを直列接続したインダクタンスによって表される。ここで、ａは結合率であり０以上０．５以下の値をとる。結合率ａは、１つの昇圧コイルの誘導起電力が、他の２つの昇圧コイルの誘導起電力にそれぞれ寄与する割合を示す。すなわち、単独部（１−２ａ）Ｌは、各昇圧コイルの自己インダクタンスを示し、結合部ａＬは、３つの昇圧コイルのうちの２つの間での相互インダクタンスを示す。なお、図３の回路は等価回路による表現であり、実際の第１昇圧コイル１２、第２昇圧コイル１４、および第３昇圧コイル３０は、巻線のあらゆる部分で分布的に磁気結合する構成とすることができる。

本実施形態に係る３相マルチフェーズコンバータの制御状態は、次の４つの状態をとるものとする。（１）上スイッチ１６−１、下スイッチ１８−２および１８−３をオンとし、他のスイッチをオフとする状態、（２）上スイッチ１６−２、下スイッチ１８−１および１８−３をオンとし、他のスイッチをオフとする状態、（３）上スイッチ１６−３、下スイッチ１８−１および１８−２をオンとし、他のスイッチをオフとする状態、（４）下スイッチ１８−１〜１８−３をオンとし、他のスイッチをオフとする状態。以下では、（１）〜（４）の状態をそれぞれ、上１オン状態、上２オン状態、上３オン状態および全下オン状態とする。なお、一般には、３つの上スイッチをオンとし、他のスイッチをオフとした全上オン状態をとってもよいことは言うまでもない。

コントロールユニット２８は、上１オン、全下オン、上２オン、全下オン、上３オン、全下オン、上１オン、全下オン、上２オン、全下オン、・・・・というように、上１オン、上２オンおよび上３オン状態の各状態の次に全下オン状態をとるよう、各スイッチを制御する。また、コントロールユニット２８は、上１オン状態、上２オン状態、および上３オン状態の各時間が等しくなるよう、各スイッチを制御する。

電池電圧Ｖｂに対する出力電圧Ｖｈの比として定義される昇圧比は、３相マルチフェーズコンバータが、上１オン状態、上２オン状態、または上３オン状態となる時間Ｔ₁、および全下オン状態となる時間Ｔ₂を変化させることで調整することができる。制御周期Ｔｃ＝Ｔ₁＋Ｔ₂を一定とした場合、時間Ｔ₁およびＴ₂と昇圧比αとの間には、α＝３（１＋Ｔ₂／Ｔ₁）の関係がある。

このような構成によれば、コントロールユニット２８は、車両の走行制御に応じて、３相マルチフェーズコンバータの出力電力Ｖｈを調整し、車両駆動回路２６に与える電圧を調整することができる。

次に、各昇圧コイルの設計について説明する。第１昇圧コイル１２、第２昇圧コイル１４および第３昇圧コイル３０を相互に負に磁気結合させることにより、昇圧コイルの体積を低減させることができる点については、２相マルチフェーズコンバータと同様である。

ここでは、各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分を低減し、各昇圧コイルの発熱量を低減することにより昇圧コイルの体積を小さくする設計につき説明する。

まず、３相マルチフェーズコンバータの制御状態が全下オン状態である場合について、キルヒホッフの第２法則を適用する。すなわち、電池１０の正極端子から第１昇圧コイル１２および下スイッチ１８−１を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループ、電池１０の正極端子から第２昇圧コイル１４および下スイッチ１８−２を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループ、および電池１０の正極端子から第３昇圧コイル３０および下スイッチ１８−３を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループについて閉路方程式を立てる。そして、（数１）と同様、閉路方程式を解くことにより、各昇圧コイルに流れる電流の時間微分を求めることができる。

さらに、上１オン状態、上２オン状態、および上３オン状態の各状態について、キルヒホッフの第２法則を適用し閉路方程式を立てる。すなわち、３つの昇圧コイルのうち接続される上スイッチがオンとなっているものについては、電池１０の正極端子から昇圧コイル、上スイッチ、およびコンデンサ２０を経て、電池１０の負極端子に至る電流ループについて閉路方程式を立て、３つの昇圧コイルのうち接続される下スイッチがオンであるものについては、電池１０の正極端子から昇圧コイルおよび下スイッチを経て、電池１０の負極端子に至る電流ループについて閉路方程式を立てる。そして、（数２）および（数３）、または（数４）および（数５）を求めた場合と同様にして、各昇圧コイルに流れる電流の時間微分を求める。これによって、各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分を求めることができる。

結合率をａ＝０．０、ａ＝０．１、ａ＝０．２、ａ＝０．３およびａ＝０．４の５通りとした場合について、電池電圧Ｖｂ＝２００Ｖに対し、出力電圧Ｖｈを６００Ｖ〜９００Ｖの範囲で変化させたときの各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分を求めた結果を図４に示す。図４（ｂ）は図４（ａ）の縦軸のスケールを縮小したものである。ここでは、各昇圧コイルのインダクタンスをＬ＝１００μＨ、制御周期ＴｃをＴｃ＝Ｔ₁＋Ｔ₂＝１μｓｅｃとした。

結合率ａ＝０．１およびａ＝０．２の場合には、結合率ａ＝０．０の場合よりもリップル成分は小さい。結合率ａが増加するに従いリップル成分の出力電圧Ｖｈに対する傾きが大きくなり、結合率ａ＝０．３の特性は、出力電圧Ｖｈ＝８２０Ｖ付近で結合率ａ＝０．０の特性（基準特性）と交わる。すなわち、特性が交わる点より低電圧側では、結合率ａ＝０．３の場合のリップル成分の方が基準特性のリップル成分よりも小さくなり、特性が交わる点より高電圧側では、結合率ａ＝０．３の場合のリップル成分の方が基準特性のリップル成分よりも大きくなる。また、結合率ａが大きくなる程、基準特性との交点は低電圧側に移動する。結合率ａ＝０．４の場合にあっては、出力電圧Ｖｈ＝７００Ｖを超える範囲で、結合率ａ＝０．４の場合のリップル成分の方が基準特性のリップル成分よりも大きくなる。

３相マルチフェーズコンバータは、２相マルチフェーズコンバータが用いられる車両よりも大型の車両に用いられることが多い。そのため、出力電圧Ｖｈが６００Ｖ〜７５０Ｖとなる頻度が高い。したがって、各昇圧コイルに流れる電流の電流リップルを低減し、各昇圧コイルの体積を低減するという観点から、結合率ａは０．４以下とすることが好ましい。

さらに、上記のように、磁気飽和を回避しつつ各昇圧コイルの体積を低減するという観点からは、結合率ａは０．１以上とすることが好ましい。したがって、車両搭載用の３相マルチフェーズコンバータに用いる昇圧コイルの結合率ａは、０．１以上０．４以下とすることが好ましい。

より一般的には、２相マルチフェーズコンバータと同様、昇圧比が変化範囲の中央値以下の値であるときに、各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分が、結合率を０とした場合における各昇圧コイルに流れる電流のリップル成分より小さくなるよう、結合率を決定することが好ましい。すなわち、図４で出力電圧Ｖｈの変化範囲をＶｈ＝６００Ｖ〜７５０Ｖとした場合、出力電圧Ｖｈが６７５Ｖ以上となる範囲で、リップル成分の特性が基準特性と交わるよう結合率を決定することが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の実施形態に係る設計方法によれば、マルチフェーズコンバータの昇圧コイルに流れる電流のリップル成分を低減し、昇圧コイルの体積を低減することができる。

２相マルチフェーズコンバータの構成を示す図である。２相マルチフェーズコンバータについて、出力電圧と各昇圧コイルのリップル成分との関係を示す図である。３相マルチフェーズコンバータの構成を示す図である。３相マルチフェーズコンバータについて、出力電圧と各昇圧コイルのリップル成分との関係を示す図である。

符号の説明

１０電池、１２第１昇圧コイル、１４第２昇圧コイル、１６−１〜１６−３上スイッチ、１８−１〜１８−３下スイッチ、２０コンデンサ、２２，２４出力端子、２６車両駆動回路、２８コントロールユニット、３０第３昇圧コイル。

Claims

複数の昇圧コイルと、
各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路と、を備え、
入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータの設計方法において、
前記複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する程度を示す結合率を、当該結合率と各昇圧コイルの電流リップル成分との関係に基づいて決定する設計工程を含むことを特徴とする設計方法。
請求項１に記載の設計方法において、
前記設計工程は、
前記出力電圧の前記入力電圧に対する比を変化させたときの各昇圧コイルの電流リップル成分の変化に基づいて前記結合率を決定する工程を含むことを特徴とする設計方法。
複数の昇圧コイルと、
各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより、各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路と、を備え、
入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
前記スイッチング回路は、
前記入力電圧の前記出力電圧に対する比が、車両の走行制御に応じて所定の変化範囲で変化するよう、各昇圧コイルに流れる電流をスイッチングし、
前記複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する程度を示す結合率は、
前記比が前記変化範囲の中央値以下であるときに、各昇圧コイルの電流リップル成分が、前記結合率を０とした場合における各昇圧コイルの電流リップル成分より小さくなるよう決定されていることを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。
複数の昇圧コイルと、
各昇圧コイルに流れる電流のスイッチングにより、各昇圧コイルに誘導起電力を発生させるスイッチング回路と、を備え、
入力電圧と各昇圧コイルに発生した誘導起電力とに基づく出力電圧を車両駆動回路に印加する、車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
前記複数の昇圧コイルのうちの１つにおける誘導起電力が、他の１つの端子間電圧に寄与する割合を示す結合率を０．１以上０．４以下の値としたことを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。
請求項４に記載の車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
前記スイッチング回路は、
前記入力電圧の前記出力電圧に対する比が車両の走行制御に応じて変化するよう、各昇圧コイルに流れる電流をスイッチングすることを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。