JP2010136552A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置及びｄｃ／ｄｃコンバータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子のスイッチングオン時間のばらつきの影響を低減するＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法を提供する。
【解決手段】スイッチングオン時間ｔｏｎに対応する駆動信号のオン時間Ｔｏｎが閾値時間Ｔｔｈより短い時間となったときに、３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡを交替駆動から同時にスイッチングする全相同時駆動とを切り替えるコンバータ制御部４８を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、１次側と２次側との間に、スイッチング素子を有し電圧変換を行う複数の相アームが並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置及びＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法に関する。

従来から、図１１に示すように、充電により再生できない１次電池３を一の電源とし、前記１次電池３よりも電圧の低い充放電可能な２次電池４を他の電源として準備し、該２次電池４と前記１次電池３との間に双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ５を配し、１次電池３の電圧と２次電池４を昇圧した電圧によりインバータ１を通じてモータ２を駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ装置６が提案されている（特許文献１の第１０図）。

この場合、２次電池４は、１次電池３及び（又は）モータ２の回生電源をＤＣ／ＤＣコンバータ５により降圧した電圧により充電される。

このＤＣ／ＤＣコンバータ装置６では、スイッチング素子７、８を、デッドタイムを挟んで駆動信号により交互にオンオフさせている（特許文献１の第９図）。

国際公開第２００２／０９３７３０号パンフレット

ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータでは、高圧側の電圧に対する低圧側の電圧の比の値が、スイッチング素子の駆動信号のデューティ（駆動デューティ）［｛Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）｝＝（Ｔｏｎ／Ｔ）｛Ｔｏｎはオン期間（オン時間）、Ｔｏｆｆはオフ期間（オフ時間）、Ｔはスイッチング周期（Ｔ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）｝］対応しているが、スイッチング素子に供給される駆動信号の駆動デューティが一定であっても、スイッチング素子のオン時間（ｔｏｎという。）がばらつく場合があるということが分かった。

スイッチング素子のオン時間がばらつくとＤＣ／ＤＣコンバータ装置の出力電圧の安定性が低下する等、制御性が低下する。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、スイッチング素子のオン時間のばらつきの影響を低減することを可能とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置及びＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法を提供することを目的とする。

この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、１次側と２次側との間に、それぞれスイッチング素子を有し電圧変換を行う複数の相アームが並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、前記スイッチング素子のスイッチングオン時間が閾値時間より長い時間であるときに複数の前記相アームを交替してスイッチングする交替駆動と、前記スイッチングオン時間が前記閾値時間より短い時間であるときに複数の前記相アームを同時にスイッチングする全相同時駆動と、を切り替える制御部を備えることを特徴とする。

また、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法は、１次側と２次側との間に、それぞれスイッチング素子を有し電圧変換を行う複数の相アームが並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法であって、前記スイッチング素子のスイッチングオン時間が閾値時間より長い時間であるときに複数の前記相アームを交替してスイッチングする交替駆動過程と、前記スイッチングオン時間が前記閾値時間より短い時間であるときに複数の前記相アームを同時にスイッチングする全相同時駆動過程と、を切り替えることを特徴とする。

この場合、前記閾値時間は、前記各スイッチング素子のスイッチングオン時間のばらつきが許容範囲内になる時間に設定することが好ましい。

この発明によれば、スイッチングオン時間が閾値時間より短い時間となったときに、ＤＣ／ＤＣコンバータの相アームを交替駆動から全相同時駆動に切り替えるようにしたので、スイッチング素子のスイッチングオン時間のばらつきによる制御性の低下を抑制することができる。

以下、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法を実施するＤＣ／ＤＣコンバータ装置が適用された車両等の実施形態について図面を参照して説明する。

Ａ．全体的な構成の説明
［全体構成］
図１は、この実施形態に係る燃料電池車両１０の概略全体構成図を示している。

この燃料電池車両１０は、基本的には、１次側１Ｓに１次電圧Ｖ１を発生する第１直流電源装置としてのバッテリ１２と２次側２Ｓに２次電圧Ｖ２を発生する第２直流電源装置としての燃料電池（Fuel Cell）１４とから構成されるハイブリッド直流電源装置と、このハイブリッド直流電源装置から電力が供給される負荷である走行用のモータ１６とから構成される。

［燃料電池とそのシステム］
燃料電池１４は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池１４には、反応ガス供給部１８が配管を通じて接続されている。反応ガス供給部１８は、一方の反応ガスである水素（燃料ガス）を貯留する水素タンクと、他方の反応ガスである空気（酸化剤ガス）を圧縮するコンプレッサを備えている。反応ガス供給部１８から燃料電池１４に供給された水素と空気の燃料電池１４内での電気化学反応により生成された発電電流がモータ１６とバッテリ１２に供給される。

燃料電池システム１１は、燃料電池１４及び反応ガス供給部１８とこれらを制御する燃料電池制御部（ＦＣ制御部）４４とから構成される。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ］
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、一方側が１次側１Ｓに接続されたバッテリ１２に接続され、他方側が燃料電池１４とモータ１６との接続点である２次側２Ｓに接続されたチョッパ型の電圧変換装置である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次電圧Ｖ１を２次電圧Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２）に電圧変換（昇圧変換）するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に電圧変換（降圧変換）する昇降圧型の電圧変換装置である。

［インバータとモータ及びドライブ系］
インバータ２２は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流を２次側２ＳからＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通じて１次側１Ｓに供給し、バッテリ１２を充電等する。

モータ１６は、トランスミッション２４を通じて車輪２６を回転する。なお、実際上、インバータ２２とモータ１６を併せて負荷２３という。

［高圧バッテリ］
１次側１Ｓに接続される高圧（High Voltage）のバッテリ１２は、蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

［各種センサ、メインスイッチ及び通信線］
メインスイッチ（電源スイッチ）３４と各種センサ３６が統括制御部４０に接続される。メインスイッチ３４は、燃料電池車両１０及び燃料電池システム１１をオン（起動又は始動）オフ（停止）するイグニッションスイッチとしての機能を有する。各種センサ３６は、車両状態及び環境状態等の状態情報を検出する。通信線３８としては、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等が使用される。

［制御部］
通信線３８に対して、統括制御部４０、ＦＣ制御部４４、モータ制御部４６、コンバータ制御部４８、及びバッテリ制御部５２が相互に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、このＤＣ／ＤＣコンバータ２０を制御するコンバータ制御部４８とによりＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０が形成される。

各制御部４０、４４、４６、４８、５２は、それぞれマイクロコンピュータを含み、メインスイッチ３４等の各種スイッチ及び各種センサ３６の状態情報を検出するとともに制御部４０、４４、４６、４８、５２同士で共有し、これらスイッチ及びセンサからの状態情報及び互いに他の制御部からの情報（指令等）を入力とし、各ＣＰＵがメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する機能実現部（機能実現手段）として動作する。制御部４０、４４、４６、４８、５２は、ＣＰＵ、メモリの他、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。

Ｂ．詳細な構成の説明
［ＤＣ／ＤＣコンバータ装置］
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の詳細な構成を示している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡと、リアクトル９０とから構成される。

Ｕ相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｕとダイオード８３ｕ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｕとダイオード８４ｕ）とで構成される。

Ｖ相アームＶＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｖとダイオード８３ｖ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｖとダイオード８４ｖ）とで構成される。

Ｗ相アームＷＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｗとダイオード８３ｗ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｗとダイオード８４ｗ）とで構成される。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗには、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

リアクトル９０は、各相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡの中点（共通接続点）とバッテリ１２の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗは、コンバータ制御部４８から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨ、ＶＨ、ＷＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗは、ゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＬ、ＶＬ、ＷＬのハイレベルによりそれぞれオンにされる。なお、コンバータ制御部４８は、１次側平滑コンデンサ９４に並列に設けられた電圧センサ９１により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ１０１により１次電流Ｉ１を検出し、２次側平滑コンデンサ９６に並列に設けられた電圧センサ９２により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１０２により２次電流Ｉ２を検出する。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作］
この実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０は、３相アーム交替駆動動作又は全相同時駆動動作で動作する。

（３相アーム交替駆動動作：３相交替駆動又は３相運転ともいう。）
図３のタイムチャートは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の３相アーム交替駆動動作の説明図である。

降圧動作（回生動作）に係る降圧チョッパ制御では、負荷２３や燃料電池１４から流れ出す２次電流Ｉ２がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過して１次電流Ｉ１としてバッテリ１２を充電等する。昇圧動作（力行動作）に係る昇圧チョッパ制御では、バッテリ１２から流れ出す１次電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過し２次電流Ｉ２としてモータ１６を含む負荷２３を駆動する。

スイッチング周期を２π＝Ｔ、上下アームスイッチング素子８１、８２に対してハイレベルの駆動信号が送信される期間をＴｏｎとすると、デッドタイムｄｔを無視すれば、降圧チョッパ制御での駆動デューティ（ＯＮデューティ）は、（１）式で表され、昇圧チョッパ制御での駆動デューティは、（２）式で表される。
Ｔｏｎ／Ｔ＝Ｖ１／Ｖ２ …（１）
Ｔｏｎ／Ｔ＝（１−Ｖ１／Ｖ２） …（２）

駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬの波形中、ハッチングを付けた「ＯＮ」と表示している期間Ｔｏｎは、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬが供給されているアームスイッチング素子（例えば、駆動信号ＵＨに対応するアームスイッチング素子は上アームスイッチング素子８１ｕ）が通流している（電流が流れている）期間を示している。ハッチングを付けていない「ＯＮ」と表示している期間（期間はＴｏｎに等しい）は、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬが供給されているアームスイッチング素子（例えば、駆動信号ＵＬに対応するアームスイッチング素子は下アームスイッチング素子８２ｕ）が通流していない（電流が流れていない）期間を示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれの動作の場合にも、１スイッチング周期２π毎に、同じ相の上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）及び下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）にハイレベルの駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを出力する。また、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは、ＵＶＷ相を交替（ローテーション）して出力する。降圧チョッパ制御では、駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨにより上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）を通流させ、昇圧チョッパ制御では、駆動信号ＵＬ、ＶＬ、ＷＬにより下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）を通流させる。

この場合、上下アームスイッチング素子８１、８２間が同時に通流して２次電圧Ｖ２が短絡することを防止するために、各駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは、それぞれデッドタイムｄｔを挟んでハイレベルの「ＯＮ」とするようにしている。すなわち、デッドタイムｄｔを挟んで、いわゆる同期スイッチングを行っている。

降圧チョッパ制御では、まず、駆動信号ＵＨにより上アームスイッチング素子８１ｕ（Ｕ相）のみが通流している期間には、２次電流Ｉ２が上アームスイッチング素子８１ｕを通じてリアクトル９０に１次電流Ｉ１として流れ、リアクトル９０にエネルギが蓄積されるとともに、バッテリ１２に充電される。

次に、駆動信号ＵＬのみがハイレベルとなっている期間には、当該下アームスイッチング素子８２ｕは通流せず、ダイオード８４ｕ、８４ｖ、８４ｗが導通してリアクトル９０に蓄積されているエネルギが放出され、バッテリ１２に充電される。以下、同様に、Ｖ相、Ｗ相と繰り返す。

昇圧チョッパ制御では、まず、駆動信号ＵＬ（Ｕ相）のみがハイレベルとされている期間（ハッチングで示す期間）には、バッテリ１２からの１次電流Ｉ１によりリアクトル９０にエネルギが蓄積される。なお、このとき、２次側平滑コンデンサ９６から負荷２３に電流が供給されている。

次に、駆動信号ＶＨ（Ｖ相）のみがハイレベルとされている期間には、当該上アームスイッチング素子８１ｖは通流せず、ダイオード８３ｕ、８３ｖ、８３ｗが導通してリアクトル９０に蓄積されているエネルギが放出され、リアクトル９０からの１次電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過し、２次電流Ｉ２として２次側平滑コンデンサ９６を充電するとともに、負荷２３に供給される。以下、同様にＶ相、Ｗ相と繰り返す。

このように、３相アーム交替駆動動作では、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡとが交替してスイッチングする。

この３相アーム交替駆動動作では、上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗ及び下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗが同時にオンされることがなく、かつ異なる相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡが同時にオンされることがない。したがって、常時、多くても１つのスイッチング素子がオン状態とされるのみである。よって、放熱性に優れる（放熱設計が容易である）。結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の大きさを小型化し、かつ重量を軽量化することができる。

（全相同時駆動動作：全相アーム同時駆動動作ともいう。）
上述の３相アーム交替駆動動作では、上下アームスイッチング素子８１、８２に供給される駆動デューティ｛Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）｝＝｛Ｔｏｎ／Ｔ｝（Ｔｏｎ：オン期間、Ｔｏｆｆ：オフ期間、Ｔ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ：スイッチング周期）が一定であっても、換言すれば、スイッチングオン期間Ｔｏｎが一定であっても、上下アームスイッチング素子８１、８２のオン時間ｔｏｎが短くなってくると、上下アームスイッチング素子８１、８２のオン時間ｔｏｎがばらつく場合があるということが分かった。

上下アームスイッチング素子８１、８２のオン時間ｔｏｎがばらつくと、制御性能が低下する。例えば、２次電圧Ｖ２を所定値に制御しようとする場合に、２次電圧Ｖ２の安定性が低下する等の不都合が発生する。この不都合（制御性の低下）を抑制するために、全相同時駆動動作を行うことが有効である。そこで、この全相同時駆動動作について説明する。

図４のタイムチャートは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の全相同時駆動動作の説明図である。

図４から分かるように、全相同時駆動動作では、Ｕ相アームＵＡとＶ相アームＶＡとＷ相アームＷＡの３相アームを同時にスイッチングする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の降圧チョッパ制御の場合、１スイッチング周期Ｔ＝２π毎に、同時にＵＶＷ全相の上アームスイッチング素子８１（８１ｕ、８１ｖ、８１ｗ）にハイレベルの駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨを出力し、昇圧チョッパ制御の場合、１スイッチング周期Ｔ＝２π毎に、同時にＵＶＷ全相の下アームスイッチング素子８２（８２ｕ、８２ｖ、８２ｗ）にハイレベルの駆動信号ＵＬ、ＶＬ、ＷＬを出力する。

この場合、降圧チョッパ制御では、ハッチングを付けた領域で上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）を通流させ、昇圧チョッパ制御では、ハッチングを付けた領域で下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）を通流させる。

すなわち、全相同時駆動動作では、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡとが同時にオン、オフを繰り返して同期スイッチングする。

ここで、上下アームスイッチング素子８１、８２のオン時間（スイッチングオン時間）ｔｏｎが短いと判断するときの閾値時間をＴｔｈとする。実際上、この閾値時間Ｔｔｈには、図５に示すように、第１閾値時間Ｔｔｈ１と第２閾値時間Ｔｔｈ２とを設け、ヒステリシスを持たせることが好ましい（Ｔｏｎ＝Ｔｔｈ１＜Ｔｔｈ２）。

ヒステリシスを持たせることで、制御切り替え時の切り替えチャタリングが発生することを防止し、切り替え制御を安定化させることができる。

なお、以下の説明においては、繁雑さを回避するために、１つの閾値時間Ｔｔｈ（Ｔｔｈ＝Ｔｔｈ１＝Ｔｔｈ２）によって３相アーム交替駆動と全相同時駆動とを切り替えるものとする。

Ｃ．動作説明
次に、上下アームスイッチング素子８１、８２のオン時間ｔｏｎに応じて３相アーム交替駆動と全相同時駆動とを切り替えるＤＣ／ＤＣコンバータ２０の駆動方法が適用されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の動作について図６のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、コンバータ制御部４８は、統括制御部４０から送出された２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを受領する。

ここで、統括制御部４０は、燃料電池１４の状態、バッテリ１２の状態、モータ１６の状態、及び図示しない補機の状態の他、各種センサ３６からの入力（負荷要求）に基づき決定した燃料電池車両１０の総負荷要求量から、燃料電池１４が負担すべき燃料電池分担負荷量（要求出力）と、バッテリ１２が負担すべきバッテリ分担負荷量（要求出力）と、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量の配分（分担）を調停しながら決定し、ＦＣ制御部４４、モータ制御部４６及びコンバータ制御部４８に指令を送出する。

ここで、燃料電池分担負荷量を決定する場合には、燃料電池１４の効率が考慮される。また、燃料電池１４は、概ね発電電流の増加に対して発電電圧が低下する個々の燃料電池１４に対応した特性（Ｉ−Ｖ特性）を有しているが、この特性は、予め測定されて統括制御部４０のメモリに記憶される。なお、実際には、燃料電池１４の運転・停止の繰り返し時間、周囲温度等により前記特性が変動するので、特性は、燃料電池車両１０の使用中に測定しながら更新することが好ましい。

ステップＳ２において、コンバータ制御部４８では、電圧センサ９２により検出される２次電圧Ｖ２が、統括制御部４０から受領した２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍとなるスイッチング素子の駆動デューティＴｏｎ／Ｔを算出する。

そして、そのステップＳ２において、コンバータ制御部４８は、算出した駆動デューティＴｏｎ／Ｔのハイレベル期間Ｔｏｎが閾値時間Ｔｔｈ以下の時間であるかどうかを判断する（Ｔｏｎ≦Ｔｔｈ）。なお、フローチャートでの処理は、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬのハイレベル期間Ｔｏｎを上下アームスイッチング素子８１、８２のオン時間（スイッチングオン時間）ｔｏｎとみなしている。

算出した駆動デューティＴｏｎ／Ｔのハイレベル期間Ｔｏｎが閾値時間Ｔｔｈ以下の時間である場合、コンバータ制御部４８は、ステップＳ３において、全相同時駆動でＤＣ／ＤＣコンバータ２０を駆動し、その一方、閾値時間Ｔｔｈを上回る時間である場合には、ステップＳ４において、３相交替駆動でＤＣ／ＤＣコンバータ２０を駆動する。

ここで、この実施形態において、スイッチングオン時間ｔｏｎが比較的に短いときに閾値時間Ｔｔｈを設定する意義について、仮想図を用いて説明する。

図９の仮想図（比較例）において、スイッチングオン時間ｔｏｎが比較的に短いときには、駆動信号ＵＨのハイレベル期間Ｔｏｎが一定であっても、例えば、上アームスイッチング素子８１ｕの前々回スイッチング周期での駆動時（前々回駆動時）には、スイッチングオン時間ｔｏｎ３のスイッチング波形Ｓｆ３になり、前回スイッチング周期での駆動時（前回駆動時）には、スイッチングオン時間ｔｏｎ２のスイッチング波形Ｓｆ２になり、今回スイッチング周期での駆動時（今回駆動時）には、スイッチングオン時間ｔｏｎ１のスイッチング波形Ｓｆ１になる。

すなわち、同一の上アームスイッチング素子８１ｕにスイッチング周期Ｔ毎に同一のハイレベル期間Ｔｏｎを有する駆動信号ＵＨを印加しても、スイッチング周期Ｔ毎にスイッチングオン時間ｔｏｎがばらついてしまう場合があることが分かった（図９において、ｔｏｎ１＜ｔｏｎ３＜ｔｏｎ２）。

なお、スイッチングオン時間ｔｏｎ１、ｔｏｎ２、ｔｏｎ３は、それぞれ、便宜的に、スイッチング波形Ｓｆ１、Ｓｆ２、Ｓｆ３の波高値の１／２の振幅値での値を採っている。

図９の仮想図（比較例）に示したように、上アームスイッチング素子８１ｕの駆動信号ＵＨのハイレベル期間Ｔｏｎが一定であるにもかかわらず、駆動時点毎に、実際のスイッチングオン時間ｔｏｎがばらつくと、制御電圧である２次電圧Ｖ２がふらつく等、制御性が低下する。

また、図１０の仮想図（比較例）に示すように、例えば、同一仕様の上アームスイッチング素子８１ｕと上アームスイッチング素子８１ｖであっても、閾値時間Ｔｔｈ以下の駆動信号ＵＨ、ＶＨのハイレベル期間Ｔｏｎの変化に対して、実際のスイッチングオン時間ｔｏｎが、リニア（線形）でなく、特性１８１ｕ（上アームスイッチング素子８１ｕの仮想の特性）、特性１８１ｖ（上アームスイッチング素子８１ｖの仮想の特性）に示すように、ばらつく。なお、ハイレベル期間Ｔｏｎが閾値時間Ｔｔｈを上回ると、スイッチングオン時間ｔｏｎは、上アームスイッチング素子８１ｕと８１ｖとで同一になりリニアに変化する。

そこで、制御性を改善するために、特性１８１ｕ、１８１ｖを考慮して、駆動信号ＵＨ、ＶＨのハイレベル期間Ｔｏｎが長いほうから短くなってきて閾値時間Ｔｔｈに等しくなったとき（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ステップＳ４の３相アーム交替駆動動作（３相交替駆動動作）からステップＳ３の全相同時駆動に移行させる。

すなわち、駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨのハイレベル期間Ｔｏｎ（スイッチングオン時間ｔｏｎと同定）が、閾値時間Ｔｔｈより短いと判断したとき、３相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡを全相同時駆動（同時スイッチング）にすることで、上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗ中、或いは下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗ中のスイッチングオン時間ｔｏｎの長い側にスイッチングオン時間ｔｏｎがオフセットされてばらつき幅が小さくなり、制御性を向上できる。

この制御性の向上の具体例について、図９、図１０の比較例の仮想図に対応する図７、図８の実施例の仮想図により説明する。

図７の仮想図（実施例）において、駆動信号、前々回駆動時、前回駆動時、今回駆動時の各波形は、図９の仮想図（比較例）と同じものである。この仮想図では、全相同時駆動時の合成スイッチング波形Ｓｆｓは、最も立ち上がり時点の早い前々回駆動時のスイッチング波形Ｓｆ３で立ち上がり、最も立ち下がり時点の遅い前回駆動時のスイッチング波形Ｓｆ２で立ち下がる波形となる。

この場合、図８の仮想図（実施例）に示すように、閾値時間Ｔｔｈ以下の駆動信号ＵＨ、ＶＨのハイレベル期間Ｔｏｎの変化に対して、実際のスイッチングオン時間ｔｏｎが、実線で示す特性１８１ｓとなり（スイッチングオン時間ｔｏｎの長い方にオフセットし）、リニアな線に対するばらつき幅が、概ねばらつき時間Δｒから半分程度のばらつき時間Δｓに小さくなることが分かる。これにより、スイッチングオン時間ｔｏｎのばらつきが小さくなる。よって、制御性が向上する。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に、それぞれ上下アームスイッチング素子８１、８２を有し電圧変換を行う３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡが並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０であって、前記上下アームスイッチング素子８１、８２のスイッチングオン時間ｔｏｎ（上記実施形態では、Ｔｏｎをｔｏｎとみなしている。）が閾値時間Ｔｔｈより長い時間であるとき、３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡを駆動信号（ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ又はＵＬ、ＶＬ、ＷＬ）により交替してスイッチングする交替駆動（図３参照）と、スイッチングオン時間ｔｏｎが閾値時間Ｔｔｈより短い時間であるとき、３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡを前記駆動信号（図３の駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ又はＵＬ、ＶＬ、ＷＬ）とは異なるタイミングの駆動信号（図４の駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ又はＵＬ、ＶＬ、ＷＬ）により同時にスイッチングする全相同時駆動（図４）と、をコンバータ制御部４８により切り替えるようにしている。

このように切り替えることで、上下アームスイッチング素子８１、８２のスイッチングオン時間ｔｏｎのばらつきによる制御性の低下や各上下アームスイッチング素子８１、８２の毎回のスイッチングオン時間ｔｏｎの影響による制御性の低下を抑制することができる。換言すれば、上下アームスイッチング素子８１、８２のばらつきの影響が低減され制御性が向上する。

この場合、閾値時間Ｔｔｈは、３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡに供給される駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬの駆動時間Ｔｏｎが同一であるときの各上下アームスイッチング素子８１、８２のスイッチングオン時間ｔｏｎのばらつきが許容範囲内になる、例えば、最も短い時間に設定することが好ましい。

また、上下アームスイッチング素子８１、８２のスイッチング時間ｔｏｎについてのリニアリティが悪化する領域｛図８に示す、閾値時間Ｔｔｈに対応するスイッチング時間ｔｏｎより短い領域｝から３相アーム交替駆動から全相同時駆動に切り替えるようにしてもよい。

さらに、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に複数の相アーム、すなわち、２相アーム以上のＤＣ／ＤＣコンバータ装置に適用する等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の概略全体構成図である。 この実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの詳細な構成を示す回路図である。 ３相アーム交替駆動動作の説明に供されるタイムチャートである。 全相同時駆動動作の説明に供されるタイムチャートである。 ヒステリシス制御の説明図である。 この実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法の説明に供されるフローチャートである。 実施例に係る全相同時駆動を説明するスイッチング波形図である。 実施例に係るスイッチングオン時間のばらつきの説明図である。 比較例に係る３相ローテーション駆動時のスイッチング波形図である。 比較例に係るスイッチングオン時間のばらつきの説明図である。 従来技術に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の回路図である。

符号の説明

１０…燃料電池車両 １１…燃料電池システム
１２…バッテリ １４…燃料電池
１６…モータ ２０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４８…コンバータ制御部 ５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置

Claims (3)

1. １次側と２次側との間に、それぞれスイッチング素子を有し電圧変換を行う複数の相アームが並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、
   前記スイッチング素子のスイッチングオン時間が閾値時間より長い時間であるときに複数の前記相アームを交替してスイッチングする交替駆動と、前記スイッチングオン時間が前記閾値時間より短い時間であるときに複数の前記相アームを同時にスイッチングする全相同時駆動と、を切り替える制御部
   を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
2. 請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記閾値時間は、前記各スイッチング素子のスイッチングオン時間のばらつきが許容範囲内になる時間に設定する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. １次側と２次側との間に、それぞれスイッチング素子を有し電圧変換を行う複数の相アームが並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法であって、
   前記スイッチング素子のスイッチングオン時間が閾値時間より長い時間であるときに複数の前記相アームを交替してスイッチングする交替駆動過程と、
   前記スイッチングオン時間が前記閾値時間より短い時間であるときに複数の前記相アームを同時にスイッチングする全相同時駆動過程と、を切り替える
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータの駆動方法。

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