JP2011004466A - Device for detecting capacitance drop of capacitor in resonance type converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共振型コンバータにおけるコンデンサの容量低下を検出する技術に関する。 The present invention relates to a technique for detecting a capacitance drop of a capacitor in a resonant converter.
電圧変換器として、直流(DC)電圧を昇圧及び/又は降圧するDC−DCコンバータが知られている。DC−DCコンバータは、パーソナルコンピュータや、AV機器、携帯電話機、電源システム等の、電気回路を含む電気機器に幅広く用いられている。近年では、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の電源システムにDC−DCコンバータが用いられる例もある。 A DC-DC converter that boosts and / or steps down a direct current (DC) voltage is known as a voltage converter. The DC-DC converter is widely used in electric devices including electric circuits, such as personal computers, AV devices, mobile phones, and power supply systems. In recent years, there is an example in which a DC-DC converter is used in a power supply system of a vehicle such as a fuel cell vehicle, an electric vehicle, and a hybrid vehicle.
DC−DCコンバータは、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子、コイル(リアクトル)、コンデンサ、及びダイオード等を組み合わせて構成することができる。DC−DCコンバータには、いわゆるソフトスイッチングを実現する共振型コンバータと呼ばれるタイプのものが知られている。ソフトスイッチングは、電流共振現象を利用して電圧及び/又は電流をゼロとした状態でのスイッチング動作を可能にすることで、スイッチング時の電力損失の低減を図る。 The DC-DC converter can be configured by combining a switching element such as a transistor, a coil (reactor), a capacitor, and a diode, for example. As the DC-DC converter, a type called a resonant converter that realizes so-called soft switching is known. Soft switching uses a current resonance phenomenon to enable a switching operation with a voltage and / or current set to zero, thereby reducing power loss during switching.
共振型コンバータにおいては、ソフトスイッチングの実現に利用される共振電流が入力側へ回生(逆流)する場合がある。そのような要因の一例として、共振電流を吸収(バッファ)するコンデンサの容量が低下することが挙げられる。すなわち、コンデンサの容量が低下してコンデンサで吸収し切れない共振電流が生じると、当該電流が入力側へ回生し得る。共振電流の回生先が燃料電池等の直流電源である場合、当該共振電流によって直流電源が逆充電されて性能劣化が生じるおそれがある。 In a resonance type converter, a resonance current used for realizing soft switching may regenerate (reverse) to the input side. One example of such a factor is a reduction in the capacity of a capacitor that absorbs (buffers) the resonance current. That is, when a resonance current that cannot be absorbed by the capacitor is generated due to a decrease in the capacitance of the capacitor, the current can be regenerated to the input side. When the regeneration destination of the resonance current is a direct current power supply such as a fuel cell, the direct current power supply is reversely charged by the resonance current, and there is a possibility that performance degradation may occur.
そこで、本発明の目的の一つは、共振型コンバータ共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出できるようにすることにある。また、コンデンサの容量低下に起因してコンデンサで吸収し切れない共振電流によって直流電源が逆充電されることを防止できるようにすることも本発明の目的の一つである。 Accordingly, an object of the present invention is to enable detection of a decrease in the capacitance of a capacitor that absorbs a resonant converter resonant current. Another object of the present invention is to prevent the DC power supply from being reversely charged due to a resonance current that cannot be completely absorbed by the capacitor due to a decrease in the capacitance of the capacitor.
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。 In addition, the present invention is not limited to the above-described object, and other effects of the present invention can be achieved by the functions and effects derived from the respective configurations shown in the embodiments for carrying out the invention which will be described later. It can be positioned as one of
本発明の共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置の一態様は、直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、前記直流電源と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、を備える。 One aspect of an apparatus for detecting a decrease in capacitor capacity of a resonant converter according to the present invention is a resonant type having a capacitor that is connected in parallel to a DC power source and absorbs a resonant current generated in a soft switching process based on a current resonant phenomenon. A device used for a converter, wherein a current detection unit that detects an amount of current flowing between the DC power supply and the capacitor, and the current amount detected by the current detection unit falls below a predetermined threshold, the capacitor And a determination control unit that determines that the capacity has decreased.
また、本発明の共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置の別の態様は、直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、前記コンデンサの接続点と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、を備える。 Another aspect of the device for detecting a decrease in the capacitor capacity of the resonant converter of the present invention is a capacitor connected in parallel to a DC power source to absorb a resonance current generated in the process of soft switching based on a current resonance phenomenon. An apparatus used for a resonant converter having a current detection unit that detects an amount of current flowing between a connection point of the capacitor and the capacitor, and a current amount detected by the current detection unit has a predetermined threshold value And a determination control unit that determines that the capacity of the capacitor is reduced when the value is lower.
ここで、前記判定制御部は、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、ON状態で前記共振電流を前記コンデンサに流通させるスイッチング素子をOFF制御してもよい。 Here, when the determination control unit determines that the capacitance of the capacitor has decreased, the determination control unit may perform OFF control of a switching element that causes the resonance current to flow through the capacitor in an ON state.
また、前記直流電源と前記コンデンサの接続点との間に、前記直流電源に向かう前記共振電流を阻止する電流阻止回路と、前記電流阻止回路をバイパスする電気経路上に設けられたバイパススイッチとをさらに備え、前記判定制御部は、前記コンデンサの容量が低下したと判定しない間は、前記バイパススイッチをON制御し、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、前記バイパススイッチをOFF制御する、ようにしてもよい。 Further, a current blocking circuit for blocking the resonance current toward the DC power supply and a bypass switch provided on an electric path for bypassing the current blocking circuit between the DC power supply and the connection point of the capacitor. In addition, the determination control unit performs ON control of the bypass switch while it is not determined that the capacity of the capacitor has decreased, and performs OFF control of the bypass switch when it is determined that the capacity of the capacitor has decreased. It may be.
本発明によれば、共振型コンバータにおいて共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出できる。ひいては、当該容量低下に起因してコンデンサで吸収し切れない共振電流によって直流電源が逆充電されることを防止し、直流電源の性能劣化を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to detect a decrease in the capacity of a capacitor that absorbs a resonant current in a resonant converter. As a result, it is possible to prevent the DC power source from being reversely charged due to the resonance current that cannot be completely absorbed by the capacitor due to the decrease in the capacitance, thereby preventing the performance deterioration of the DC power source.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形(各実施例を組み合わせる等)して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiment described below is merely an example, and there is no intention to exclude various modifications and technical applications that are not explicitly described below. In other words, the present invention can be implemented with various modifications (combining the embodiments, etc.) without departing from the spirit of the present invention. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. The drawings are schematic and do not necessarily match actual dimensions and ratios. In some cases, the dimensional relationships and ratios may be different between the drawings.
〔1〕一実施形態の説明
図1は、一実施形態に係る電源システム10及び当該電源システム10を搭載した車両1の構成例を模式的に示す図である。
[1] Description of Embodiment FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration example of a
電源システム10は、例示的に、燃料電池(FC)11を有する燃料電池システムであり、車両1は、燃料電池システム10を駆動電力の供給源とする電気機器の一例としての燃料電池自動車である。ただし、車両1は、電気自動車やハイブリッド自動車であってもよい。
The
車両1は、駆動輪2を駆動するモータ16や、電子制御ユニット(ECU)20、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ21等を備える。アクセルペダルセンサ21は、電子制御ユニット20に電気的に接続されており、例えば、検出したアクセスペダルの開度に応じてモータ16(駆動輪2)の回転速度がECU20によって制御される。
The
燃料電池システム10は、前記燃料電池(FC)11のほか、非限定的な一例として、FC昇圧コンバータ12、バッテリ13、バッテリ昇圧コンバータ14、インバータ15等を備える。
In addition to the fuel cell (FC) 11, the
FC11は、電気化学反応を利用して発電する装置である。FC11には、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ電解質型等の種々のタイプの燃料電池が適用可能である。FC11が発電した電力は、車両1の駆動輪2を駆動するモータ16の駆動電力や、バッテリ13の充電に用いられる。
The FC 11 is a device that generates electricity using an electrochemical reaction. Various types of fuel cells such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and alkaline electrolyte type can be applied to FC11. The power generated by the FC 11 is used to drive the
バッテリ13は、充放電可能な二次電池であり、リチウムイオン、ニッケル水素、ニッケルカドミウム等の種々のタイプの二次電池を適用可能である。バッテリ13は、車両1やFC11の運転時に使用される種々の電気機器に電力を供給することができる。ここでいう電気機器には、例えば、車両1の照明機器、空調機器、油圧ポンプ、FC11の燃料ガスや改質原料を供給するポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
The
これらのFC11及びバッテリ13は、図1に例示するように、インバータ15に対して電気的に並列に接続されている。FC11からインバータ15に至る電気経路には、FC昇圧コンバータ12が設けられている。FC昇圧コンバータ12は、入力DC電圧を昇圧するDC−DCコンバータであり、FC11で発生したDC電圧を変換可能な範囲で所定のDC電圧に変換(例えば昇圧)して、インバータ15に印加することができる。このような昇圧動作により、FC11の出力電力が低くても、モータ16の駆動に要する駆動電力を確保することが可能となる。
The FC 11 and the
一方、バッテリ13からインバータ15に至る電気経路には、バッテリ昇圧コンバータ14が、FC昇圧コンバータ12とインバータ15との間の電気経路に対して並列に接続されている。当該コンバータ14も、DC−DCコンバータであり、バッテリ13又はインバータ15から印加されたDC電圧を変換可能な範囲で所定のDC電圧に変換することができる。
On the other hand, the
コンバータ14には、昇圧及び降圧の双方が可能な昇降圧型のコンバータを適用でき、例えば、バッテリ13からの入力DC電圧を制御(昇圧)してインバータ15側に出力する一方、FC11又はモータ16からの入力DC電圧を制御(降圧)してバッテリ13に出力することが可能である。これにより、バッテリ13の充放電が可能となる。
The
また、コンバータ14は、出力電圧が制御されることで、インバータ15の端子電圧を制御することが可能である。当該制御は、インバータ15に対して並列に接続された各電源(FC11及びバッテリ13)の相対的な出力電圧差を制御して、両者の電力を適切に使い分けることを可能にする。
Moreover, the
インバータ15は、FC11からコンバータ12を介して、また、バッテリ13からコンバータ14を介して、DC電圧の入力を受け、当該入力DC電圧を交流(AC)電圧に変換し、これをモータ16の駆動電圧として供給する。その際、ECU20は、要求動力に応じたAC電圧がモータ16に供給されるよう、インバータ15の動作(スイッチング)を制御する。
The
ECU20は、既述の制御のほか、車両1及び燃料電池システム10の動作(運転)を統括的に制御する。ECU20は、例示的に、演算処理装置の一例としてのCPU、記憶装置の一例としてのRAM、ROM等を備えたマイクロコンピュータとして実現できる。ECU20は、モータ16や燃料電池システム10の各要素、種々のセンサ群と電気的に接続され、各種センサ値の受信、演算処理、指令(制御信号)の送信等を適宜に実施する。センサ群には、アクセルペダルセンサ21のほか、例示的に、バッテリ13の充電状態(SOC:State Of Charge)を検出するSOCセンサ、車速(モータ16の回転数)を検出する車速センサ等が含まれ得る。
In addition to the control described above, the
〔2〕昇圧コンバータ12
次に、昇圧コンバータ12の電気回路図の一例を図2に示す。図2に示す昇圧コンバータ12は、例示的に、主回路12aと補助回路(スナバ回路)12bとを備える。
[2]
Next, an example of an electric circuit diagram of the
主回路12aは、例えば、スイッチング素子(メインスイッチ)S1及び逆並列ダイオードD4を含むスイッチ回路と、リアクトル(コイル)L1と、(出力)ダイオードD5と、(入力)コンデンサC1と、(出力)コンデンサC3とを備える。
The
主回路12aは、メインスイッチS1のスイッチング(ON/OFF)が周期的に制御されることにより、リアクトルL1に流れる電流(主電流)量に応じたリアクトルL1の電気エネルギーの蓄積及び蓄積エネルギーの解放を周期的に繰り返す。解放された電気エネルギーは、FC11の出力電圧に重畳されて、負荷の一例であるモータ16側(インバータ15側)にダイオードD5経由で出力される。これにより、入力電圧(FC11の出力電圧)VLが所定の出力電圧VHに昇圧される。
The
入力コンデンサC1は、両端がFC11の高電位側とFC11の低電位側〔例えばグランド(GND)〕とに接続されている。入力コンデンサC1は、その両端の電圧(昇圧前電圧)を平滑化してリプルを低減する。昇圧前電圧VLであるコンデンサC1の両端電圧は、FC11の出力電圧と等価である。 Both ends of the input capacitor C1 are connected to the high potential side of FC11 and the low potential side of FC11 [for example, ground (GND)]. The input capacitor C1 reduces the ripple by smoothing the voltage (voltage before boosting) at both ends thereof. The voltage across the capacitor C1, which is the pre-boosting voltage VL, is equivalent to the output voltage of the FC11.
リアクトルL1の一端は、FC11の正極に電気的に接続され、リアクトルL1の他端は、ダイオードD5のアノードに直列接続されている。ダイオードD5のカソードには、出力コンデンサC3の一端が並列に接続されている。出力ダイオードD5のカソード電圧が、負荷の一例であるモータ16側(インバータ15側)へ供給される昇圧後電圧VHである。出力コンデンサC3は、当該昇圧後電圧VHを平滑化して変動を低減する。
One end of the reactor L1 is electrically connected to the positive electrode of the
メインスイッチS1には、非限定的な一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を適用可能であり、一方の極(例えばコレクタ)がリアクトルL1と出力ダイオードD5との間の電気経路に並列接続されるとともに、他方の極(例えばエミッタ)が、FC11の負極側(GND)に接続されている。 As a non-limiting example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) can be applied to the main switch S1, and one pole (for example, collector) is connected in parallel to the electrical path between the reactor L1 and the output diode D5. In addition, the other pole (for example, an emitter) is connected to the negative electrode side (GND) of FC11.
メインスイッチS1の例えばゲートにパルス幅変調(PWM)信号等のスイッチ制御信号が与えられることで、メインスイッチS1のON/OFFが制御される。また、スイッチ制御信号のデューティ比を制御することで、出力ダイオードD5へ向かう方向にリアクトルL1に流れる平均的な電流量を制御して、昇圧コンバータ12の昇圧度を制御することができる。スイッチ制御信号は、例えばECU20において生成される。
By applying a switch control signal such as a pulse width modulation (PWM) signal to the gate of the main switch S1, for example, ON / OFF of the main switch S1 is controlled. Further, by controlling the duty ratio of the switch control signal, the average amount of current flowing through the reactor L1 in the direction toward the output diode D5 can be controlled, and the boosting degree of the
メインスイッチS1の両極間には、逆並列ダイオードD4が接続されている。逆並列ダイオードD4は、メインスイッチS1がON時の電流通流方向とは逆方向の通流を許容する。 An antiparallel diode D4 is connected between both poles of the main switch S1. The anti-parallel diode D4 allows current flow in the direction opposite to the current flow direction when the main switch S1 is ON.
補助回路12bは、例示的に、(回生)ダイオードD3と、リアクトル(コイル)L2と、(スナバ逆流防止)ダイオードD2と、スイッチング素子(補助スイッチ)S2及び逆並列ダイオードD1を含むスイッチ回路と、(共振)コンデンサC2とを備える。補助スイッチS2をONにすることで、リアクトルL2及びコンデンサC2によるLC共振現象が発生し、当該LC共振現象を利用して、メインスイッチS1及び補助スイッチS2のソフトスイッチングを実現することができる。
The
例示的に、ダイオードD3は、そのアノードがリアクトルL1と出力ダイオードD5との間の電気経路に接続されることにより、メインスイッチS1に対して並列に接続されている。ダイオードD3のカソードは、コンデンサC2の一端に接続され、コンデンサC2の他端は、FC11の負極側(GND)に接続されている。また、ダイオードD3のカソードとコンデンサC2との接続点には、リアクトルL2の一端が並列に接続され、リアクトルL2の他端にはダイオードD2のアノードが接続されている。 Illustratively, the diode D3 is connected in parallel to the main switch S1 with its anode connected to the electrical path between the reactor L1 and the output diode D5. The cathode of the diode D3 is connected to one end of the capacitor C2, and the other end of the capacitor C2 is connected to the negative electrode side (GND) of the FC11. Further, one end of the reactor L2 is connected in parallel to the connection point between the cathode of the diode D3 and the capacitor C2, and the anode of the diode D2 is connected to the other end of the reactor L2.
さらに、ダイオードD2のカソードは補助スイッチS2の両極の一方(例えばコレクタ)に接続され、補助スイッチS2の両極の他方(例えばエミッタ)はリアクトルL1のFC11側の一端に接続されている。補助スイッチS2の両極間には、ダイオードD1が並列接続されている。なお、リアクトルL2、及び、補助スイッチS2とダイオードD1とを含むスイッチ回路の接続位置は、互いに入れ替えてもよい。 Furthermore, the cathode of the diode D2 is connected to one (for example, collector) of both electrodes of the auxiliary switch S2, and the other (for example, emitter) of both electrodes of the auxiliary switch S2 is connected to one end of the reactor L1 on the FC11 side. A diode D1 is connected in parallel between both electrodes of the auxiliary switch S2. The connection positions of the reactor L2 and the switch circuit including the auxiliary switch S2 and the diode D1 may be interchanged.
〔3〕ソフトスイッチング動作(モード1〜6)
上述のごとく構成された昇圧コンバータ12において、ソフトスイッチング動作に基づく昇圧動作の1サイクルは、例示的に、以下のような状態遷移(モード1〜6)で表わすことができる。
[3] Soft switching operation (
In
メインスイッチS1及び補助スイッチS2がともにOFFの初期状態では、例えば図3中に点線で示す経路で電流が通流し、インバータ15(モータ16)側に電力が供給される。 In an initial state in which both the main switch S1 and the auxiliary switch S2 are OFF, for example, a current flows along a path indicated by a dotted line in FIG. 3, and power is supplied to the inverter 15 (motor 16) side.
(モード1)
初期状態から、メインスイッチS1はOFFのままで補助スイッチS2がONされると、出力ダイオードD5に蓄積していた電荷がダイオードD3、リアクトルL2及び補助スイッチS2を経由して入力コンデンサC1へ流れて消滅させられる(ソフトターンオフ)。一方、FC11側からリアクトルL1及び出力ダイオードD5を経由して流れていた電流が、補助回路12b側(ダイオードD3)に徐々に移行してゆく。図3中の矢印100は、その様子を表現している。したがって、補助回路12bには、図2中に実線で200示すように、リアクトルL1、ダイオードD3、リアクトルL2、ダイオードD2及び補助スイッチS2の経路で電流が還流する。したがって、図4に例示するように、モード1の期間(時刻T0〜T1の期間)において、リアクトルL2及び補助スイッチS2に流れる電流(L2電流)は、リアクトルL2の両端電圧(VH−VL)とリアクトルLのインダクタンス値とに応じて増加する。
(Mode 1)
From the initial state, when the auxiliary switch S2 is turned on while the main switch S1 remains OFF, the charge accumulated in the output diode D5 flows to the input capacitor C1 via the diode D3, the reactor L2, and the auxiliary switch S2. Can be extinguished (soft turn-off). On the other hand, the current flowing from the FC11 side via the reactor L1 and the output diode D5 gradually shifts to the
(モード2)
その後、例えば図5中に実線300で示すように、コンデンサC2に蓄積されていた電荷がリアクトルL2側へ徐々に放電され、電流がリアクトルL2、ダイオードD2、補助スイッチS2及び入力コンデンサC1で形成される電気経路で通流する。これにより、リアクトルL2コンデンサC2によるLC共振現象が発生し、コンデンサC2の両端電圧が正弦波状に正から零へ徐々に減少する(図6の時刻T1〜T2参照)。補助スイッチS2がONとなる瞬間(図6の時刻T1)では、補助スイッチS2は零電流なのでソフトスイッチングでターンオンすることになる。
(Mode 2)
Thereafter, for example, as indicated by a
(モード3)
コンデンサC2の電荷がすべて放電されてコンデンサC2の電圧が零となり(図6の時刻T2参照)、リアクトルL1及びリアクトルL2に流れる電流(L1電流及びL2電流)が互いに同じになったタイミング(図6の時刻T3参照)でメインスイッチS1をONする。すると、補助回路12bを還流していた電流がメインスイッチS1を通流し始め、メインスイッチS1に流れる電流(S1電流:図6参照)が徐々に増加してゆく。
(Mode 3)
The timing at which all the electric charges of the capacitor C2 are discharged, the voltage of the capacitor C2 becomes zero (see time T2 in FIG. 6), and the currents flowing through the reactor L1 and the reactor L2 (L1 current and L2 current) become the same (FIG. 6). At time T3), the main switch S1 is turned on. Then, the current flowing back through the
(モード4)
この時、メインスイッチS1は、零電流及び零電圧からのターンオンとなる。メインスイッチS1がONであることにより、メインスイッチS1、FC11及びリアクトルL1の経路で電流が通流し、リアクトルL1に電気エネルギーが徐々に蓄積されてゆく。このとき、補助回路12bには電流は流れないので、コンデンサC2に対する充電は行なわれず、コンデンサC2の電圧は零電圧のままである(図6参照)。
(Mode 4)
At this time, the main switch S1 is turned on from zero current and zero voltage. When the main switch S1 is ON, current flows through the paths of the main switches S1, FC11 and the reactor L1, and electric energy is gradually accumulated in the reactor L1. At this time, since no current flows through the
(モード5)
その後、メインスイッチS1及び補助スイッチS2をともにOFFにする。両スイッチS1及びS2は、同時にOFFにしてもよいし、補助スイッチS2を先にOFFにしてもよい。この時、コンデンサC2の電圧が零であるから、補助スイッチS2は、零電流及び零電圧からのターンオフ、メインスイッチS1は、零電圧からのターンオフとなる。メインスイッチS1のOFFにより、リアクトルL1に流れていた電流は、ダイオードD3、コンデンサC2、FC11及びリアクトルL1の経路で流れ始め、コンデンサC2への充電が始まる。コンデンサC2への充電により、メインスイッチS1がOFFされる時の電圧上昇速度が抑制され、テール電流が存在する領域での損失を低減することが可能となる。
(Mode 5)
Thereafter, both the main switch S1 and the auxiliary switch S2 are turned off. Both switches S1 and S2 may be turned off simultaneously, or auxiliary switch S2 may be turned off first. At this time, since the voltage of the capacitor C2 is zero, the auxiliary switch S2 is turned off from zero current and zero voltage, and the main switch S1 is turned off from zero voltage. When the main switch S1 is turned off, the current flowing through the reactor L1 starts to flow through the path of the diode D3, the capacitors C2, FC11, and the reactor L1, and charging of the capacitor C2 starts. By charging the capacitor C2, the rate of voltage increase when the main switch S1 is turned off is suppressed, and it is possible to reduce the loss in the region where the tail current exists.
(モード6)
コンデンサC2が出力電圧VHと同電圧になるまで充電されると、出力ダイオードD5がONし、リアクトルL1にそれまでに蓄積された電気エネルギーがインバータ15(モータ16)側へ供給される。その後、補助スイッチS2が再度とONとなり、モード1から次のサイクルがスタートする。
(Mode 6)
When the capacitor C2 is charged to the same voltage as the output voltage VH, the output diode D5 is turned ON, and the electric energy accumulated so far in the reactor L1 is supplied to the inverter 15 (motor 16) side. Thereafter, the auxiliary switch S2 is turned ON again, and the next cycle starts from
〔4〕コンデンサC1の容量低下判定
以上のようなソフトスイッチング動作において、モード2では、コンデンサC2から放電された電荷が、リアクトルL2、ダイオードD2、補助スイッチS2及びコンデンサC1の経路300(図5参照)でL2C2共振電流として流れる。このとき、L2C2共振電流は、主回路12aのリアクトルL1と補助回路12bの補助スイッチS2との接続点120において、主回路12aを流れるFC11からの主電流(L1電流)と合流し、L1電流とは逆方向に流れる。
[4] Capacitance drop determination of capacitor C1 In the soft switching operation as described above, in
図8に、FC11からリアクトルL1に向かう方向の電流を正、その逆方向の電流を負とした場合の、図7中に示すA点に流れる電流量の時間変化の一例を示す。図8において、負の領域にある電流がL2C2共振電流Iに相当する。L2C2共振電流Iは、コンデンサC2の電荷放電により発生する電流量と等価と考えてよい。
FIG. 8 shows an example of a temporal change in the amount of current flowing through the point A shown in FIG. 7 when the current in the direction from the
コンデンサC2の容量をC2、リアクトルL2のインダクタンス値をL2、コンデンサC2に印加される電圧をV、リアクトルL2を流れる電流(L2電流)をIとそれぞれ表わすと、エネルギー保存の法則より、次式(1)が成立する。
したがって、電流Iは、次式(2)により求めることができる。
コンデンサC2の電圧V=VH−VLとすると、式(2)は、次式(3)となる。
ここで、例えば図7に示すように、FC11及びコンデンサC1の高電位側からみた経路のインピーダンス値をそれぞれZA及びZBとすると、FC11側へ逆流するL2C2共振電流Iは、それぞれのインピーダンス値ZA及びZBの比に応じて分流される。分流された電流IA及びIBは、それぞれ以下の式(4)及び式(5)で表わすことができる。
FC11のインピーダンス値ZAがコンデンサC1のインピーダンス値ZBよりも相対的に大きい場合、L2C2共振電流Iの大部分はコンデンサC1で吸収(バッファ)することができる。コンデンサC1の容量を、L2C2共振電流Iのすべてを吸収可能な値に設計しておけば、FC11が逆充電されることを回避できる。 When the impedance value Z A of the FC 11 is relatively larger than the impedance value Z B of the capacitor C1, most of the L2C2 resonance current I can be absorbed (buffered) by the capacitor C1. If the capacity of the capacitor C1 is designed to a value that can absorb all of the L2C2 resonance current I, it is possible to avoid reverse charging of the FC11.
しかし、経年変化等に起因してコンデンサC1の容量が所期の容量よりも低下することがある。コンデンサC1の容量をC1、コンデンサC1の両端電圧をVcでそれぞれ表わすと、コンデンサC1に流れる電流ICは下記の式(6)で表わすことができる。
したがって、Vcが一定でコンデンサC1の容量が低下すると、コンデンサC1へ流れる電流(IB)が低下し、低下分の電流は、FC11側へ逆流(回生)することになる(図7の矢印400参照)。この場合、FC11からリアクトルL1に向かう電流量は、相対的に減少する。回生電流によってFC11が逆充電されると、FC11の性能劣化につながるおそれがある。
Therefore, when Vc is constant and the capacitance of the capacitor C1 is reduced, the current (I B ) flowing to the capacitor C1 is reduced, and the reduced current flows backward (regenerated) to the FC11 side (
そこで、本実施形態においては、例えば図2及び図9中に示すように、FC11の高電位側と入力コンデンサC1との間(代替的に、コンデンサC1の接続点とコンデンサC1との間でもよい)の電流量を検出(モニタ)する。当該電流検出(モニタ)には、電流検出部の一例としての電流センサ121を用いることができる。
Therefore, in the present embodiment, for example, as shown in FIGS. 2 and 9, between the high potential side of the
電流センサ121には、例示的に、磁気比例式のセンサを適用可能である。磁気比例式の電流センサは、測定すべき電流が導体を流れた時の磁界を測定することにより、電流の大きさを間接的に測定する。例えば、電流に応じた磁界をホール素子により電圧信号に変換し、その出力電圧を増幅回路にて増幅し、電流に応じた出力電圧をセンサ値として出力する。
For example, a magnetic proportional sensor can be applied to the
当該電流センサ121で得られた電流値(電流センサ値)は、例えばECU20に与えることができる。ECU20は、判定制御部の一例であり、一定以上の回生電流が生じて、当該電流センサ値が所定の閾値を下回った場合、コンデンサC1の容量が低下したと判定(検出)することができる。コンデンサC1の容量が低下したと判定した場合、ECU20は、例えば補助スイッチS2をOFF制御する。
The current value (current sensor value) obtained by the
そのため、ECU20は、図2及び図7に示すように、例示的に、サンプリング処理部211及び比較・判定部212としての機能を具備する。当該ECU20と電流センサ121とは、コンデンサC1の容量低下を検出する回路(装置)の一例として機能する。
Therefore, as shown in FIGS. 2 and 7, the
サンプリング処理部211は、電流センサ121によって得られるセンサ値を、周期的にサンプリングする。サンプリングタイミングは、ECU20の処理能力との関係で許容される範囲で短くすることができる。サンプリング周期を短く設定するほど、比較・判定部212での判定精度を向上できる。
The
比較・判定部212は、サンプリング処理部211でサンプリングされたセンサ値(以下、「サンプリング値」ともいう。)と、前記式(4)又は式(5)に基づいて得られる所定の閾値とを比較して、サンプリング値が当該閾値を下回っている否かを判定する。判定の結果、サンプリング値が閾値を下回っている場合、比較・判定部212は、コンデンサC1の容量が低下したと判定(異常判定)し、そうでなければ正常と判定する。
The comparison /
コンデンサC1の容量が低下した判定した場合、比較・判定部212は、例えば補助スイッチS2をOFF制御する。これにより、補助回路12bを流れるL2C2共振電流がFC11に向かって逆流することを回避することができる。したがって、L2C2共振電流によりFC11が逆充電されることを防止でき、FC11の性能劣化が生じることを防止できる。
When it is determined that the capacity of the capacitor C1 has decreased, the comparison /
なお、比較・判定部212での異常判定は、前記閾値を下回った状態が所定時間継続した場合に行なうようにしてもよい。また、比較・判定部212による判定結果は、例えばECU20から車両1の運転者や保守者に提示することができる。提示態様の一例としては、車両1に設けられた所定の警報ランプの点灯や、車両1に設けられたスピーカからの音声出力等が挙げられる。
The abnormality determination by the comparison /
前記閾値は、ECU20内のRAM等のメモリに記憶しておくことができる。また、比較・判定部212での異常判定は、誤差範囲内の閾値からのずれを許容するように設定してもよい。当該許容範囲は、システム設計要件に応じて決定することができる。
The threshold value can be stored in a memory such as a RAM in the
(変形例1)
ECU20は、例えば図10に示すような機能を具備することとしてもよい。すなわち、当該ECU20は、例示的に、既述のサンプリング処理部211のほか、ピークホールド処理部222及び比較・判定部223としての機能を具備していてもよい。
(Modification 1)
The
ここで、ピークホールド処理部222は、サンプリング処理部211でサンプリングされた電流センサ値のピーク値を保持する。なお、当該ピークホールド処理部222の機能は、ハードウェアのピークホールド回路として設けることもできる。
Here, the peak
そして、比較・判定部223は、ピークホールド処理部222で保持されたセンサ値と所定の閾値とを比較して、センサ値が閾値を下回っている場合に、コンデンサC1の容量低下と判定(異常判定)し、そうでなければ正常と判定する。異常判定時のECU20の動作、制御は上述した実施形態と同様である。
Then, the comparison /
本変形例1によれば、ECU20は、上述した実施形態に比して、閾値とピークホールド処理部222における電流センサ値のピーク値との比較でよいから、比較・判定処理を簡易化することができ、ECU20(CPU)の処理負荷を軽減できる。
According to the first modification, the
(変形例2)
図11は、変形例2に係る昇圧コンバータ12に着目した回路図である。図11に示すFC11と昇圧コンバータ12との間には、回生電流阻止回路12c及びバイパス回路12dが設けられている。
(Modification 2)
FIG. 11 is a circuit diagram focusing on the
回生電流阻止回路12cは、一端がFC11の高電位側に接続されるとともに、他端が主回路12aの要素であるリアクトルL1に直列接続されており、FC11の高電位側に向かって逆流(回生)する回生電流を阻止する回路である。回生電流阻止回路12cには、例示的に、ダイオードD6又はリアクトルL3を用いることができる。ダイオードD6を用いる場合には、アノードをFC11の高電位側の電気経路に接続するとともに、カソードをリアクトルL1側の電気経路に接続する。
The regenerative
バイパス回路12dは、例示的に、一端がFC11の高電位側に接続されるとともに、他端が回生電流阻止回路12cとリアクトルL1との間の電気経路に接続された入力コンデンサC1の接続点に接続されている。当該バイパス回路12dは、例えばECU20によってON/OFF制御が可能であり、ON制御されることにより回生電流阻止回路12cを経由する電気経路をバイパスすることができる。バイパス回路12dには、例示的に、リレースイッチを用いることができる。
For example, the
バイパス回路12dは、例示的に、ECU20にてコンデンサC1の容量が低下したと判定されない間、ON制御される(バイパス状態)。一方、コンデンサC1の容量が低下したと判定された場合、バイパス回路12dは、OFF制御される(非バイパス状態)。
For example, the
これにより、コンデンサC1の容量が低下してコンデンサC2で吸収し切れないL2C2共振電流が存在したとしても、回生電流阻止回路12cにて当該共振電流がFC11へ回生することを阻止することができる。したがって、L2C2共振電流によりFC11が逆充電されることを防止して、FC11の性能劣化を防止することができる。
Thus, even if there is an L2C2 resonance current that cannot be completely absorbed by the capacitor C2 due to a decrease in the capacitance of the capacitor C1, the regeneration
なお、バイパス回路12dをOFF制御する場合、ECU20は、補助スイッチS2をOFF制御してもよいし、ON状態に維持してもよい。ON状態に維持した場合には、コンデンサC1の容量が低下していても、補助回路12bによるソフトスイッチングを継続できる。
When the
〔6〕その他
上述した実施形態は、電源側からの主電流とは逆方向に共振電流が流れる電気経路を有しするDC−DCコンバータ(例えば、降圧コンバータ等の他の種類のコンバータ)に適用してもよい。また、上述した実施形態は、車載のDC−DCコンバータに限らず、パーソナルコンピュータや、オーディオビジュアル(AV)機器、携帯端末等の電気機器に搭載されているDC−DCコンバータに適用してもよい。
[6] Others The above-described embodiment is applied to a DC-DC converter (for example, another type of converter such as a step-down converter) having an electric path through which a resonance current flows in a direction opposite to the main current from the power supply side. May be. The above-described embodiment is not limited to the on-vehicle DC-DC converter, and may be applied to a DC-DC converter mounted on an electric device such as a personal computer, an audio visual (AV) device, or a portable terminal. .
1 車両
2 駆動輪
10 電源システム(燃料電池システム)
11 燃料電池(FC)(直流電源)
12 FC昇圧コンバータ
12a 主回路
12b 補助回路(スナバ回路)
12c 回生電流阻止回路
12d バイパス回路
13 バッテリ
14 バッテリ昇圧コンバータ
15 インバータ
16 モータ
20 電子制御ユニット(ECU)(判定制御部)
21 アクセルペダルセンサ
120 接続点
121 電流センサ(電流検出部)
211 サンプリング処理部
222 ピークホールド処理部
212,223 比較・判定部
C1 入力コンデンサ
C2 コンデンサ
C3 出力コンデンサ
D1〜D6
L1,L2,L3 リアクトル(コイル)
S1 スイッチング素子(メインスイッチ)
S2 スイッチング素子(補助スイッチ)
1
11 Fuel cell (FC) (DC power supply)
12
12c Regenerative
21
211
L1, L2, L3 reactor (coil)
S1 Switching element (main switch)
S2 Switching element (auxiliary switch)
Claims (4)
前記直流電源と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、
を備えた、共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置。 A device used for a resonant converter having a capacitor connected in parallel to a DC power source and absorbing a resonant current generated in a soft switching process based on a current resonance phenomenon,
A current detector for detecting the amount of current flowing between the DC power supply and the capacitor;
A determination control unit that determines that the capacitance of the capacitor has decreased when the amount of current detected by the current detection unit falls below a predetermined threshold;
A device for detecting a decrease in the capacitance of a resonant converter.
前記コンデンサの接続点と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、
を備えた、コンデンサの容量低下を検出する装置。 A device used for a resonant converter having a capacitor connected in parallel to a DC power source and absorbing a resonant current generated in a soft switching process based on a current resonance phenomenon,
A current detection unit that detects an amount of current flowing between the connection point of the capacitor and the capacitor;
A determination control unit that determines that the capacitance of the capacitor has decreased when the amount of current detected by the current detection unit falls below a predetermined threshold;
A device for detecting a decrease in capacitance of a capacitor.
前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、ON状態で前記共振電流を前記コンデンサに流通させるスイッチング素子をOFF制御する、請求項1又は2に記載の装置。 The determination control unit
The apparatus according to claim 1, wherein when it is determined that the capacity of the capacitor has decreased, the switching element that causes the resonance current to flow through the capacitor in an ON state is controlled to be OFF.
前記判定制御部は、
前記コンデンサの容量が低下したと判定しない間は、前記バイパススイッチをON制御し、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、前記バイパススイッチをOFF制御する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。 A current blocking circuit for blocking the resonance current toward the DC power supply; and a bypass switch provided on an electric path for bypassing the current blocking circuit between the DC power supply and the connection point of the capacitor. ,
The determination control unit
The bypass switch is ON-controlled while it is not determined that the capacity of the capacitor is reduced, and the bypass switch is OFF-controlled when it is determined that the capacity of the capacitor is reduced. The device described in 1.
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