JP2011019338A - コンバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率を向上させることが可能なコンバータ制御装置を提供する。
【解決手段】素子温度検出・比較部１０ａは、駆動スイッチング素子４０の素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えたことを検知すると、その旨を駆動数・駆動素子決定部１０ｂに通知する。駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、スイッチング素子４０の駆動数および駆動スイッチング素子を決定し、決定結果をゲート信号生成部１０ｄに通知する。負荷変動検出部１０ａは、各センサからの入力情報に基づいて負荷の要求電力を検出する。ゲート信号生成部１０ｄは、駆動数・駆動素子決定部１０ｂと負荷変動検出部１０ｃの通知内容に基づき、各スイッチング素子のオン・オフを制御するゲート信号を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータ制御装置に関する。

自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。

ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧等をＤＣ−ＤＣコンバータで制御している。このような制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータとしては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。

ところで、ＤＣ−ＤＣコンバータは電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層のエネルギ損失の低減などが求められている。ここで、例えばフルブリッジ式のＤＣ−ＤＣコンバータなどはスイッチング周波数が高く、フルブリッジ回路に流れる電流が大きいため、エネルギ損失の低減を図るために複数のスイッチング素子を並列接続し、これら複数のスイッチング素子に均等に電流を流すことで電流を分散させている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−２７１７５２号公報

しかしながら、上記従来技術の如く、常に全てのスイッチング素子に均等に電流を流すように制御したのでは、例えば低負荷時（負荷の要求電力が小さい場合など）にまで全てのスイッチング素子を駆動させることとなり、各スイッチング素子で発生するスイッチング損失が無視できない、という問題が生ずる。

図８は、同一通電条件の下、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）の素子面積を変化させたときのターンオフ損失の変化の様子を例示した図である。
図８に示すように、スイッチング素子の素子面積が大きくなると、累積されたスイッチング素子の損失（累積損失）は大きくなる。スイッチング素子の素子面積≒スイッチング素子の駆動数とみなせることから、上記の如く、低負荷時にまで全てのスイッチング素子を駆動させると、各スイッチング素子で発生するスイッチング損失は無視できず、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率が低下ししまう、という問題が生じていた。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、負荷の要求電力などに応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の駆動数の切換えなどを行うことにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率を向上させることが可能なコンバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るコンバータ制御装置は、複数のスイッチング素子が並列接続されたパワーデバイスを備えた燃料電池の出力電圧を制御するコンバータの制御装置であって、駆動状態にあるスイッチング素子の素子温度を検知する検知手段と、検知される素子温度に基づいて、スイッチング素子の駆動数及び駆動対象とするスイッチング素子を決定する駆動数決定手段と、決定したスイッチング素子を使用して、決定した駆動数にて当該スイッチング素子を駆動する駆動制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、駆動スイッチング周波数の駆動スイッチング素子の素子温度を検知することで、間接的に負荷の大きさを把握し、検知される駆動状態にあるスイッチング素子の素子温度に基づき、スイッチング素子の駆動数及び駆動対象とするスイッチング素子が決定されるため、低負荷時にまで全てのスイッチング素子を駆動させるという無駄な動作は排除され、コンバータの電力変換効率の向上を図ることが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記駆動制御手段は、駆動状態にあるスイッチング素子の素子温度が設定された閾値温度を超えたか否かを判断し、該素子温度が設定された閾値温度を超えた場合には、非駆動状態にある他のスイッチング素子を追加駆動する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記コンバータは、前記パワーデバイスを相ごとに備えた多相コンバータである態様も好ましい。

また、上記構成にあっては、前記各相のコンバータは、主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータであって、前記主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、前記補助回路は、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを備え、前記相のソフトスイッチングコンバータは、前記パワーデバイスを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、負荷の要求電力などに応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の駆動数の切換えなどを行うことにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率を向上させることが可能となる。

第１実施形態に係るハイブリッド燃料電池システムの構成を示す図である。 同実施形態に係るパワーデバイスの回路構成を示す図である。 同実施形態に係るデバイス電流、温素子温度、駆動数の関係を例示した図である。 同実施形態に係るスイッチング素子の制御機能を説明するためのブロック図である。 同実施形態に係るスイッチング素子の駆動数切換制御動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る多相ＦＣソフトスイッチングコンバータの回路構成を示す図である。 同実施形態に係る多相ＦＣソフトスイッチングコンバータの一相分の回路構成を示す図である。 スイッチング素子の素子面積を変化させたときのターンオフ損失の変化の様子を例示した図である。

Ａ．第１実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る車両に搭載されたＦＣＨＶシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

＜システムの全体構成＞
ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とインバータ１４０の間にＦＣコンバータ２５００が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１８０が設けられている。

燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池１１０には、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを検出するための電圧センサＶ０、及び出力電流Ｉｆｃｍｅｓを検出するための電流センサＩ０が取り付けられている。燃料電池１１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（３）

単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだＭＥＡを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統（いずれも図示略）が設けられており、コントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。

ＦＣコンバータ２５００は、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを制御する役割を担っている。本実施形態に係るＦＣコンバータ（多相ＤＣ−ＤＣコンバータ）２５００は、図１に示すように、Ｕ相コンバータ２０ａ、Ｖ相コンバータ２０ｂ、Ｗ相コンバータ２０ｃの三相を並列に接続した構成を有しており、例えば負荷の要求電力などに応じてＵ相のみを使用した一相駆動、Ｕ相とＶ相を使用した二相駆動、Ｕ相とＶ相とＷ相を使用した三相駆動といった駆動相の切換え制御が行われる。なお、以下の説明において、Ｕ相コンバータ２０ａ、Ｖ相コンバータ２０ｂ、Ｗ相コンバータ２０ｃを特に区別する必要がない場合には、単に各相コンバータ２０と呼ぶ。

このＦＣコンバータ２５００により、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓが目標出力に応じた電圧となるように制御する。ここで、ＦＣコンバータ２５００の入力電流Ｉｆｃｍｅｓは、図１に示すように電流センサ２５１０により検出され、また入力電圧Ｖｆｃｍｅｓは電圧センサ２５２０により検出される。なお、当該ＦＣコンバータ２５００の出力電流、出力電圧は、いずれも図示せぬ電流センサ、電圧センサ１８により検出可能になっている。さらに、各相のリアクトルに流れる電流（以下、リアクトル電流）を検出するための電流センサを設けてもよい。

バッテリ１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ１２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。

バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ２５００と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ１８０として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ１４０の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。

インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０またはバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。

トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１１０から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称している。

コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。

負荷１３０の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ（コンバータ制御装置）１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１１０及びバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ２５００及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。

＜各相コンバータの構成＞
図２は、各相コンバータ２０に含まれるパワーデバイス３０の回路構成を示す図である。各パワーデバイス３０は、それぞれ４つのスイッチング素子（ここではＩＧＢＴ素子）４０ａ〜４０ｄを並列接続した構成を有しており、各スイッチング素子４０ａ〜４０ｄの近傍には、素子温度を検出する温度センサ５０ａ〜５０ｄが設けられている。各スイッチング素子４０は、コントローラ１６０のゲート信号生成部１０ｄから供給されるゲート駆動信号Ｃｒに従ってスイッチング動作（すなわちオン・オフタイミングなど）が制御される。なお、以下では、スイッチング素子４０ａ〜４０ｄ、温度センサ５０ａ〜５０ｄを特に区別する必要がない場合には、単にスイッチング素子４０、温度センサ５０と呼ぶ。

背景技術の項において説明したように、各相コンバータ２０について負荷の要求電力（負荷の大きさ）などによらず、常に全てのスイッチング素子に均等に電流を流すように制御したのでは、例えば低負荷時（負荷の要求電力が小さい場合など）にまで全てのスイッチング素子を駆動させることとなり、各スイッチング素子で発生するスイッチング損失が無視できず、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率が低下するという問題が生ずる。そこで、本実施形態では、温度センサ５０によって駆動状態にあるスイッチング素子４０の素子温度を検知し、検知した素子温度に基づき、スイッチング素子４０の駆動数および駆動対象とするスイッチング素子４０を決定する。なお、以下の説明では、駆動状態にあるスイッチング素子および駆動対象となるスイッチング素子を総称して、駆動スイッチング素子と呼ぶ。

表１は、各駆動数において使用されるスイッチング素子４０を示した素子決定テーブルＴＡである。本実施形態では、各スイッチング素子４０に優先順位が設定されており、スイッチング素子４０ａ→スイッチング素子４０ｂ→スイッチング素子４０ｃ→スイッチング素子４０ｄの順で優先的に利用される（表１参照）。
表１

図３は、デバイス電流Ｉｐｄ、温度センサ５０によって検知される素子温度Ｔｅｄ、スイッチング素子４０の駆動数との関係を例示した図である。
本実施形態では、コントローラ１６０に素子温度閾値Ｔｔｈが設定されており（図３のＢ参照）、温度センサ５０によって検知される素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えると（図３のＢに示す時間ｈ１〜ｈ３参照）、スイッチング素子４０の駆動数の切換えが行われる（図３のＣ参照）。周知のとおり、スイッチング素子４０に流れる電流量（別言すれば、負荷の大きさ）に比例して素子温度は上昇する。かかる特性を利用して、素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えたことを検知すると、駆動数の切り換えを行い、これによりスイッチング素子４０の駆動数は増加してゆく（詳細は後述）。

ここで、図４は、コントローラ１６０によって実現されるスイッチング素子の制御機能を説明するための機能ブロック図である。

コントローラ１６０は、素子温度検出・比較部１０ａ、駆動数・駆動素子決定部１０ｂ、負荷検出部１０ｃ、ゲート信号生成部１０ｄを含んで構成される。
素子温度検出・比較部１０ａは、温度センサ５０から供給される駆動スイッチング素子４０の素子温度ＴｅｄとメモリＭ１に格納されている素子温度閾値Ｔｔｈとを比較する。そして、素子温度検出・比較部１０ａは、駆動スイッチング素子４０の素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えたことを検知すると、この駆動スイッチング素子４０を特定する識別情報とともに、素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えた旨を駆動数・駆動素子決定部１０ｂに通知する。なお、素子温度閾値Ｔｔｈについては、予め実験などによって求めておけば良い。また、素子温度閾値Ｔｔｈは、固定値としても良いが、メンテナンス時などに適宜設定・変更可能な構成としても良い。また、素子温度閾値Ｔｔｈについて、駆動数「１」から「２」への切換用の素子温度閾値Ｔｔｈ１、駆動数「２」から「３」への切換用の素子温度閾値Ｔｔｈ２（≠Ｔｔｈ１）、駆動数「３」から「４」への切換用の素子温度閾値Ｔｔｈ３（≠Ｔｔｈ２）という具合に、切り換える駆動数に応じて異なる素子温度閾値を設定しても良い。

駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、素子温度検出・比較部１０ａからの通知を受け取ると、メモリＭ２に格納されている素子決定テーブルＴＡを参照し、スイッチング素子４０の駆動数および駆動スイッチング素子を決定し、決定結果をゲート信号生成部１０ｄに通知する。例えば、素子温度検出・比較部１０ａからスイッチング素子４０ｂをあらわす識別情報とともに、素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えた旨を受け取ると、駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、素子決定テーブルＴＡを参照し、駆動数を「２」から「３」へ切の切り換えを決定するとともに、駆動スイッチング素子としてスイッチング素子４０ａ〜４０ｃを選択（決定）する。そして、駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、決定した駆動数「３」とともに、決定した駆動スイッチング素子４０ａ〜４０ｃをゲート信号生成部１０ｄに通知する。

負荷検出部１０ｃは、各センサ（例えばアクセル開度やモータの回転数をあらわす信号など）からの入力情報に基づいて負荷１３０から要求される電力（負荷１３０の要求電力；すなわち負荷１３０の大きさ）を把握し、これをゲート信号生成部１０ｄに通知する。

ゲート信号生成部１０ｄは、駆動数・駆動素子決定部１０ｂから通知される駆動数および駆動スイッチング素子４０と、負荷変動検出部１０ｃから通知される負荷１３０の要求電力とに基づいて、該要求電力に見合った電力が得られるように各スイッチング素子４０のオン・オフを制御するゲート信号を生成し、これをパワーデバイス３０に出力する。

このように、各相コンバータ２０のパワーデバイス３０を構成する４つのスイッチング素子４０ａ〜４０ｄについて、負荷の大きさに応じてスイッチング素子４０ａ〜４０ｄの駆動数を切り換えることで、各相コンバータ２０の電力変換効率の向上を図ることができる。

以下、各パワーデバイス３０におけるスイッチング素子の駆動数切換制御動作について、図５を参照しながら説明する。

＜各パワーデバイスにおけるスイッチング素子の駆動数切換制御動作＞
図５は、各パワーデバイス３０におけるスイッチング素子の駆動数切換制御動作を示すフローチャートである。

コントローラ１６０の素子温度検出・比較部１０ａは、温度センサ５０から供給される駆動スイッチング素子４０の素子温度ＴｅｄとメモリＭ１に格納されている素子温度閾値Ｔｔｈとを比較する（ステップＳ１）。そして、素子温度検出・比較部１０ａは、駆動スイッチング素子４０の素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えていない場合には（ステップＳ１；ＮＯ）、以下に示すステップを実行することなく、処理を終了する。一方、素子温度検出・比較部１０ａは、駆動スイッチング素子４０の素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えたことを検知すると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、この駆動スイッチング素子４０を特定する識別情報とともに、素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えた旨を駆動数・駆動素子決定部１０ｂに通知する。

負荷検出部１０ｃは、各センサ（例えばアクセル開度やモータの回転数をあらわす信号など）からの入力情報に基づいて負荷１３０から要求される電力（負荷１３０の要求電力；すなわち負荷１３０の大きさ）を把握し（ステップＳ２）、これをゲート信号生成部１０ｄに通知する。

駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、素子温度検出・比較部１０ａからの通知を受け取ると、メモリＭ２に格納されている素子決定テーブルＴＡを参照し、スイッチング素子４０の駆動数および駆動スイッチング素子を決定し、決定結果をゲート信号生成部１０ｄに通知する（ステップＳ３）。例えば、素子温度検出・比較部１０ａからスイッチング素子４０ｂをあらわす識別情報とともに、素子温度Ｔｅｄが素子温度閾値Ｔｔｈを超えた旨を受け取ると、駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、素子決定テーブルＴＡを参照し、駆動数を「２」から「３」へ切の切り換えを決定するとともに、駆動スイッチング素子としてスイッチング素子４０ａ〜４０ｃを選択（決定）する。そして、駆動数・駆動素子決定部１０ｂは、決定した駆動数「３」とともに、決定した駆動スイッチング素子４０ａ〜４０ｃをゲート信号生成部１０ｄに通知する。

ゲート信号生成部１０ｄは、駆動数・駆動素子決定部１０ｂから通知される駆動数および駆動スイッチング素子４０と、負荷変動検出部１０ｃから通知される負荷１３０の要求電力とに基づいて、該要求電力に見合った電力が得られるように各スイッチング素子４０のオン・オフを制御するゲート信号を生成し、これをパワーデバイス３０に出力し（ステップＳ５）、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、駆動スイッチング素子の素子温度を検知することで、間接的に負荷の大きさを把握し、検知される駆動スイッチング素子の素子温度に基づきスイッチング素子４０ａ〜４０ｃの駆動数を切り換えることで、各相コンバータ２０の電力変換効率の向上を図ることが可能となる。

Ｂ．変形例
上述した本実施形態では、表１に示す素子決定テーブルＴＡを利用することで、優先的に駆動するスイッチング素子を予め固定していたが、優先的に駆動するスイッチングを予め固定するのではなく、駆動するスイッチング素子をランダムに（あるいは予め設定した所定のルールに従って順次）切換えることで、偏ったスイッチング素子を利用することによって生じる弊害（例えば、スイッチング素子の特性劣化など）を未然に防止しても良い。

具体的には、駆動数・駆動素子決定部１０ｂのメモリＭ２に、下記表２に示す素子決定テーブルＴＢを格納し、このテーブルを利用して駆動数及び駆動スイッチング素子を決定する。
一例を挙げて説明すると、例えばスイッチング素子の駆動数を「２」に設定する場合、常に同じスイッチング素子（例えば、スイッチング素子４０ａと４０ｂ）を駆動するのではなく、素子決定テーブルＴＢに従って、駆動するスイッチング素子を順次切換える。なお、ケース１〜ケース４の切換えはランダムに、あるいは予め設定した所定のルールに従って決定すれば良い。
表２

かかる構成によれば、優先的に駆動するスイッチング素子を固定するのではなく、駆動するスイッチング素子をランダムに（あるいは予め設定した所定のルールに従って順次）切換えるため、偏ったスイッチング素子を利用することによって生じる弊害（例えば、スイッチング素子の特性劣化など）を未然に防止することが可能となる。

Ｃ．第２実施形態
上述した本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータとしてＩＧＢＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものを想定したが、これに限定する趣旨ではない。周知のとおり、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、ＰＷＭ動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。

このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)又はＺＣＳ(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードを備えた一般的な昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに、スイッチング損失を低減させる補助回路を付加したもの（いわゆるソフトスイッチングコンバータ）によって実現される。本変形例では、燃料電池１１０の電圧を制御するＤＣ−ＤＣコンバータとして多相のソフトスイッチングコンバータ（以下、多相ＦＣソフトスイッチングコンバータ）を採用した場合について説明する。

図６は、多相ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０の回路構成を示す図である。
多相ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０は、Ｕ相コンバータ１５０ａ、Ｖ相コンバータ１５０ｂ、Ｗ相コンバータ１５０ｃのほか、フリーホイール回路３２ｃ（ここではフリーホイールダイオードＤ６）を備えて構成されている。なお、以下の説明においてＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０を構成する１相分のコンバータを特に区別する必要がない場合には、単にソフトスイッチングコンバータ１５０と呼ぶ。また、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。

図７は、多相ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０を構成する１相分（例えばＵ相）の回路構成を示す図である。
ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０は、昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路１２ｂとを備えて構成されている。
主昇圧回路１２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなるメインスイッチＳ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギを負荷１３０にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池２２の出力電圧を昇圧する。

詳述すると、コイルＬ１の一端が燃料電池２２の高電位側の端子に接続され、メインスイッチＳ１の一端の極がコイルＬ１の他端に接続され、メインスイッチＳ１の他端の極が燃料電池２２の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサＣ３は、ダイオードＤ５のアノード端子とメインスイッチＳ１の他端との間に接続されている。主昇圧回路１２ａには、燃料電池２２側に平滑コンデンサＣ１が設けられており、これにより燃料電池２２の出力電流のリップルを低減することが可能となる。

このメインスイッチＳ１は、第１実施形態に係るパワーデバイス３０に対応するものであり、図２に示す４つのスイッチング素子（ここではＩＧＢＴ素子）４０ａ〜４０ｄを並列接続した構成を有している。

ここで、コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔとなり、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬは、燃料電池２２の出力電圧であってＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ入力電圧Ｖｉｎとなる。

補助回路１２ｂには、メインスイッチＳ１に並列に接続された、ダイオードＤ３とこのダイオードＤ３に直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第１直列接続体が含まれている。第１直列接続体は、ダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、ダイオードＤ３のアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。さらに、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池２２の低電位側の端子に接続されている。

さらに、補助回路１２ｂには、ダイオードＤ２と、補助スイッチＳ２及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路と、誘導素子であるコイルＬ２とが直列に接続された第２直列接続体が含まれる。この第２直列接続体は、ダイオードＤ２のアノード端子が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のカソード端子が補助スイッチＳ２の一端の極に接続されている。また、補助スイッチＳ２の他端は、各相に共通のコイルＬ２の一端側に接続され、コイルＬ２の他端側は燃料電池２２の高電位側の端子に接続されている。

このように構成されるＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０においては、ハイブリッド制御部１０がメインスイッチＳ１のスイッチングデューティー比を調整することで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Ｖｉｎに対するコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔの比が制御される。また、メインスイッチＳ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂの補助スイッチＳ２のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチングが実現される。

本実施形態では、メインスイッチＳ１を構成する４つの４つのスイッチング素子（ここではＩＧＢＴ素子）４０ａ〜４０ｄについて、負荷の大きさに応じてスイッチング素子４０ａ〜４０ｃの駆動数を切り換えることで、各相コンバータ２０の電力変換効率の向上を図ることが可能となる。

なお、以上説明した各実施形態及び変形例では、複数の相を備えた多相コンバータの制御装置を例に説明したが、かかる構成に限定する趣旨ではない。具体的には、複数のスイッチング素子が並列接続されることによって構成されたパワーデバイスを備えた単相コンバータの制御装置についても同様に適用可能である。また、スイッチング素子の数は、４つに限る趣旨ではなく、複数であれば同様に適用可能である。

２０ａ，１５０ａ…Ｕ相コンバータ、２０ｂ，１５０ｂ…Ｖ相コンバータ、２０ｃ，１５０ｃ…Ｗ相コンバータ、１００…ＦＣＨＶシステム、１１０…燃料電池、１２０…バッテリ、１３０…負荷、１４０…インバータ、２５００…ＦＣコンバータ、１６０…コントローラ、１０ａ…素子温度検出・比較部、１０ｂ…駆動数・駆動素子決定部、１０ｃ…負荷検出部、１０ｄ…ゲート信号生成部、Ｍ…メモリ、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、２５０…ＦＣソフトスイッチングコンバータ、Ｓ１…メインスイッチ、Ｓ２…補助スイッチ、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５…ダイオード、Ｄ６…フリーホイールダイオード。

Claims (4)

1. 複数のスイッチング素子が並列接続されたパワーデバイスを備えた燃料電池の出力電圧を制御するコンバータの制御装置であって、
   駆動状態にあるスイッチング素子の素子温度を検知する検知手段と、
   検知される素子温度に基づいて、スイッチング素子の駆動数及び駆動対象とするスイッチング素子を決定する駆動数決定手段と、
   決定したスイッチング素子を使用して、決定した駆動数にて当該スイッチング素子を駆動する駆動制御手段と
   を具備する、コンバータ制御装置。
2. 前記駆動制御手段は、
   駆動状態にあるスイッチング素子の素子温度が設定された閾値温度を超えたか否かを判断し、該素子温度が設定された閾値温度を超えた場合には、非駆動状態にある他のスイッチング素子を追加駆動する、請求項１に記載のコンバータの制御装置。
3. 前記コンバータは、前記パワーデバイスを相ごとに備えた多相コンバータである、請求項１または２に記載のコンバータの制御装置。
4. 前記各相のコンバータは、主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータであって、
   前記主昇圧回路は、
   一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
   一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、
   カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
   前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、
   前記補助回路は、
   前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
   前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを備え、
   前記相のソフトスイッチングコンバータは、前記パワーデバイスを備えている、請求項１または２に記載のコンバータの制御装置。

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