JP2011067042A - スイッチング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振型コンバータのスイッチングタイミングの制御精度を向上する。
【解決手段】第１のスイッチＳ１に先行してオンに制御されて第１のスイッチＳ１の電圧を電流共振現象によって低下させる第２のスイッチＳ２を備えた共振型コンバータ１２について、第２のスイッチＳ２がオンとなったタイミングを検出するタイミング検出部１２２ａと、検出されたタイミングに基づいて第１のスイッチＳ１のスイッチングタイミングを制御するタイミング制御部１２２ｂとを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、スイッチング制御装置に関し、より詳しくは、ソフトスイッチングが可能な共振型コンバータのスイッチング制御装置に関する。

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。

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、スイッチング素子の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ものがある。ソフトスイッチングは、電流共振現象等を利用して電圧及び／又は電流を０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。

国際公開第２００６／０９８３７６号

ソフトスイッチングを行なう共振型コンバータにおいて、スイッチング素子のスイッチングタイミングが所期のタイミングからずれると、電力変換効率が低下したり、場合によっては共振型コンバータに用いられている素子が過電圧状態となり異常を生じたりするおそれがある。

そこで、本発明の目的の一つは、共振型コンバータのスイッチングタイミングの制御精度を向上できるようにすることにある。

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。

本発明のスイッチング制御装置の一態様は、スイッチング動作により入力直流電圧を所定の出力直流電圧に変換する第１のスイッチ、および、前記第１のスイッチに先行してオンに制御されて前記第１のスイッチの電圧を電流共振現象によって低下させる第２のスイッチを備えた共振型コンバータと、前記第２のスイッチがオンとなったタイミングを検出するタイミング検出部と、前記検出されたタイミングに基づいて前記第１のスイッチのスイッチングタイミングを制御するタイミング制御部と、を備える。

ここで、上記態様のスイッチング制御装置は、前記各スイッチについてのスイッチング制御信号がそれぞれ伝達される複数の信号伝達経路であって、それぞれが個別の遅延要素を有する信号伝達経路を備え、前記タイミング制御部は、前記タイミング検出部で検出されたタイミングを基準とした所定時間後に前記第１のスイッチがオンとなるように、前記第１のスイッチの信号伝達経路において前記スイッチング制御信号のオンタイミングを補正するようにしてもよい。

また、前記タイミング制御部は、前記第１のスイッチのスイッチング制御信号のオン時間と前記補正されたオンタイミングとに基づいて、前記第１スイッチのオフタイミングを決定するようにしてもよい。

さらに、上記態様のスイッチング制御装置は、前記第１スイッチの電圧値を検出する電圧検出回路をさらに備え、前記タイミング制御部は、前記電圧検出回路で検出された電圧値の時間変化に基づいて前記所定時間を補正するようにしてもよい。

また、前記所定時間の補正は、前記電圧値の時間変化が、減少を示す場合に前記所定時間を増やす一方、増加を示す場合に前記所定時間を減らす処理を含む、こととしてもよい。

さらに、前記信号伝達経路のそれぞれは、前記スイッチング制御信号を出力する制御装置から、前記スイッチング制御信号を受けて対応する前記スイッチを駆動する駆動回路に至る経路であって、前記制御装置と前記駆動回路との間に設けられた絶縁回路を経由する経路であり、かつ、前記タイミング検出部及び前記タイミング制御部は、前記絶縁回路と前記駆動回路との間に設けられる、こととしてもよい。

上述した態様のスイッチング制御装置によれば、共振型コンバータのスイッチングタイミングの制御精度を向上できる。

第１実施形態に係る電源システム及び当該電源システムを搭載した車両１の構成例を模式的に示す図である。 図１に例示するＦＣ昇圧コンバータの一例としての共振型ソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。 図２に例示する共振型ソフトスイッチングコンバータのスイッチング制御を説明するフローチャートである。 図１に例示するＥＣＵとＦＣ昇圧コンバータとの接続形態の一例を示すブロック図である。 図４に例示する接続形態においてタイミング補正回路を設けた例を示すブロック図である。 図２に例示する共振型ソフトスイッチングコンバータの理想的なソフトスイッチング動作を説明するタイミングチャートである。 図５に例示するタイミング補正回路によるソフトスイッチングタイミングの補正制御例を説明するタイミングチャートである。 第２実施形態に係るＦＣ昇圧コンバータ１２の一例としての共振型ソフトスイッチングコンバータの電気回路図である。 第２実施形態に係るＦＣ昇圧コンバータ１２及びその周辺回路の構成例を示すブロック図である。 図８及び図９に例示するＦＣ昇圧コンバータの補助スイッチ（Ｓ２）電流、メインスイッチ（Ｓ１）電圧及びメインスイッチ（Ｓ１）電流の時間波形の一例を模式的に示す図である。 図１０の点線２００で示す時間領域の拡大図であってメインスイッチ（Ｓ１）に対する補助スイッチ（Ｓ２）のオンタイミングの先行時間が過小である場合の時間波形の一例を示す図である。 図１０の点線２００で示す時間領域の拡大図であってメインスイッチ（Ｓ１）に対する補助スイッチ（Ｓ２）のオンタイミングの先行時間が過大である場合の時間波形の一例を示す図である。 図１０の点線２００で示す時間領域の拡大図であってメインスイッチ（Ｓ１）に対する補助スイッチ（Ｓ２）のオンタイミングの先行時間が適正である場合の時間波形の一例を示す図である。 第１実施形態のタイミング補正回路を備えた３相コンバータの一例を示すブロック図である。

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。

〔１〕第１実施形態
（１．１）システム構成例
図１は、第１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。

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。

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。

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。

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。

バッテリ１３には、充放電可能な二次電池を用いることができ、例示的に、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。

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することができる。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を設けることができる。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。

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を、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することができる。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。

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。

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。

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。

ＥＣＵ２０は、制御装置の一例であり、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。

（１．２）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、共振型ソフトスイッチングコンバータと呼ばれ、例示的に、主回路１２ａと補助回路１２ｂとを備える。

主回路１２ａは、例えば、（入力）コンデンサＣ１と、第１のスイッチ（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Ｄ３と、（出力）コンデンサＣ３とを備える。主回路１２ａは、メインスイッチＳ１のスイッチング（オン／オフ）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）に出力ダイオードＤ３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。

例示的に、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、出力ダイオードＤ３のアノードに直列接続されている。出力ダイオードＤ３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Ｄ３のカソード電圧が昇圧後電圧であり、インバータ１５を介して負荷の一例であるモータ１６へ供給される。出力コンデンサＣ３は、当該昇圧後電圧を平滑化して変動を低減する。

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Ｄ３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。

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のオン／オフが制御される。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Ｄ３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。

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がオン時の電流通流方向とは逆方向の通流を許容する。

補助回路１２ｂは、例示的に、（回生）ダイオードＤ１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、第２のスイッチ（補助スイッチ）Ｓ２及び逆並列ダイオードＤ５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をオンにすることで、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。

例示的に、ダイオードＤ２は、そのアノードがリアクトルＬ１と出力ダイオードＤ３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Ｄ２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Ｄ２のカソードとコンデンサＣ２との接続点には、ダイオードＤ１のアノードが接続され、ダイオードＤ１のカソードには、補助スイッチＳ２の両極の一方（例えばコレクタ）が接続されている。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Ｄ５が並列接続されている。なお、ダイオードＤ１、リアクトルＬ２、及び、補助スイッチＳ２とダイオードＤ５とを含むスイッチ回路の接続位置は、適宜、入れ替えてもよい。

（１．３）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。

（モード１）
メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２がともにオフの初期状態から、補助スイッチＳ２がオンされると、出力ダイオードＤ３に蓄積していた電荷がダイオードＤ２、ダイオードＤ１、補助スイッチＳ２、及びリアクトルＬ２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Ｄ３を経由して流れていた電流が、補助回路１２ｂ側（ダイオードＤ２）に徐々に移行してゆく。したがって、補助回路１２ｂには、リアクトルＬ１、ダイオードＤ２、ダイオードＤ１、補助スイッチＳ２及びリアクトルＬ２の経路で電流が還流する。よって、モード１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。

（モード２）
その後、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、電流が補助スイッチＳ２、リアクトルＬ２及び入力コンデンサＣ１の経路で通流する。これにより、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、コンデンサＣ２（メインスイッチＳ１）の両端電圧が正弦波状に正から零へ徐々に減少する。補助スイッチＳ２がオンとなる瞬間では、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。

（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、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でメインスイッチＳ１をオンする。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）が徐々に増加してゆく。

（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がオンであることにより、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。

（モード５）
その後、補助スイッチＳ２をオフにする。なお、補助スイッチＳ２とともにメインスイッチＳ１もオフにしてもよい。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のオフにより、リアクトルＬ１に流れていた電流は、ダイオードＤ２、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がオフ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。

（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Ｄ３がオンし、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が再度とオンとなり、モード１から次のサイクルがスタートする。

以上のようなソフトスイッチング動作は、例示的に、ＥＣＵ２０が例えば図３に示すフローチャートに従って動作することによって実現される。

すなわち、ＥＣＵ２０は、まず補助スイッチＳ２をオンに制御し（処理Ｐ１）、第１の所定時間待機（経過）後（処理Ｐ２）、メインスイッチＳ１をオンに制御する（処理Ｐ３）。その後、ＥＣＵ２０は、第２の所定時間待機後（処理Ｐ４）、補助スイッチＳ２をオフに制御し（処理Ｐ５）、さらに第３の所定時間（０でもよい）待機後（処理Ｐ６）、メインスイッチＳ１をオフに制御し（処理Ｐ７）、第４の所定時間待機する（処理Ｐ８）。以降、ＥＣＵ２０は、上記処理Ｐ１〜Ｐ８の処理を１サイクルとして繰り返す。

（１．４）高精度ソフトスイッチング制御
以上のようなソフトスイッチング動作において、例えば、補助スイッチＳ２をオンにしてからメインスイッチＳ１をオンにするタイミングが理想のタイミングよりも早すぎたり遅すぎたりすると、理想的なソフトスイッチング動作とならず、電力変換効率が低下したり過電圧状態や回路破壊等の不具合が生じたりするおそれがある。

そのため、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２のオン／オフタイミングは、例えばナノ秒（ns）オーダで高精度に制御できることが求められる。ここで、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２のオン／オフは、例えば図４に示すように、それぞれ、ＥＣＵ２０から受信したスイッチング制御信号に従ってスイッチＳ１及びＳ２のゲート電圧をオン／オフ制御する駆動回路（ゲートドライバ）１２１Ａ及び１２１Ｂによって行なうことができる。

なお、以下の説明において、ＥＣＵ２０からメインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２用に送信される制御信号をそれぞれ「Ｓ１制御信号」及び「Ｓ２制御信号」と称し、各ゲートドライバ１２１Ａ及び１２１Ｂから各スイッチＳ１及びＳ２のゲートにそれぞれ与えられる駆動信号の一例としてのゲート電圧をそれぞれ「Ｓ１ゲート信号」及び「Ｓ２ゲート信号」と称することがある。

スイッチＳ１及びＳ２、並びに、それぞれに対応するゲートドライバ１２１Ａ及び１２１Ｂは、いずれもＥＣＵ２０の動作電圧よりも相対的に高い動作電圧で動作することが可能であり、その場合、ＥＣＵ２０と各ゲートドライバ１２１Ａ及び１２１Ｂとの間は、それぞれフォトカプラやトランス等の個別の絶縁回路１２０Ａ及び１２０Ｂを介して接続されることがある。

しかしながら、このような絶縁回路１２０Ａ及び１２０Ｂを介した接続形態では、ＥＣＵ２０から出力される個別のスイッチング制御信号がゲートドライバ１２１Ａ及び１２１Ｂに到達して、ゲートドライバ１２１Ａ及び１２１ＢがＳ１及びＳ２ゲート信号によって各スイッチＳ１及びＳ２を実際にスイッチング（オン又はオフ）するまでの時間（遅延時間）にバラツキが生じることがある。

例えば、理想的なスイッチング制御では、図６に示すように、Ｓ２ゲート信号がオンとなった後、メインスイッチＳ１の電圧（Ｓ１電圧）が最小（理想的には０）となったタイミング以降の時間領域〔ＺＶＳ（Zero Volt Switching）領域〕でＳ１ゲート信号がオンとなる。

これに対して、絶縁回路１２０Ａ及びゲートドライバ１２１Ａを経由する（第１の）信号伝達経路と、絶縁回路１２０Ｂ及びゲートドライバ１２１Ｂを経由する（第２の）信号伝達経路とが個別の遅延要素を有しており、それぞれにバラツキがあると、信号伝達時間にバラツキ（遅延バラツキ）が生じる。

その場合、図７の（１）及び（２）に例示するように、ＥＣＵ２０が理想のオンタイミング（タイミング差）をもつＳ１及びＳ２制御信号を送信したとしても、実際にスイッチＳ１及びＳ２に与えられるＳ１及びＳ２ゲート信号のオンタイミングには、図７の（３）及び（４）に例示するように、遅延バラツキが生じる。

その結果、実際に補助スイッチＳ２がオンされてからメインスイッチＳ１がオンされるまでの時間（タイミング差）が、目標（理想）とする所定時間からずれるおそれがある。このようなタイミング差のずれは、各スイッチＳ１及びＳ２のスイッチングタイミングを高精度に制御することを困難にし、ひいては、コンバータ１２の電力変換効率を低下させる要因の一つとなる。

（タイミング補正回路）
そこで、本実施形態においては、例えば図５に示すように、ＥＣＵ２０からメインスイッチＳ１に至る信号伝達経路の、絶縁回路１２０Ａとゲートドライバ１２１Ａとの間（高電圧サイド）に、スイッチング制御装置の一例としてのタイミング補正回路１２２を設け、当該タイミング補正回路１２２にて、Ｓ１及びＳ２ゲート信号の遅延バラツキを補正する。タイミング補正回路１２２を高電圧サイドに備えることで、各スイッチＳ１及びＳ２をスイッチングする制御信号に影響する遅延要素を減らすことができる。

例示的に、タイミング補正回路１２２は、補助スイッチＳ２が実際にオンとなるタイミング、つまりはＳ２ゲート信号がオンとなるタイミングを基準にして、予め設定された（先行）時間経過後にメインスイッチＳ１がオンになるようにＳ１ゲート信号のオンタイミングを決定、補正する。なお、「先行時間」とは、メインスイッチＳ１をオンにするタイミングを基準として、補助スイッチＳ２を先行してオンにするタイミングとの差分に相当する時間である。

これにより、各スイッチＳ２及びＳ１のオンタイミング（間隔）を高電圧サイドで同期（連携）して所期の適正なタイミング（先行時間）に精度良く制御できる。したがって、ＥＣＵ２０からスイッチＳ１及びＳ２に至る信号伝達経路に絶縁回路１２０Ａ及び１２０Ｂやゲートドライバ１２１Ａ及び１２１Ｂが介在していても、両スイッチＳ２及びＳ１のオンタイミングを適正なタイミングに精度良く制御できる。その結果、スイッチングタイミングの精度が劣化することに起因してＦＣ昇圧コンバータ１２の電力変換効率が低下することを抑制できる。

また、タイミング補正回路１２２は、補正したメインスイッチＳ１のオンタイミングと、ＥＣＵ２０が出力したＳ１制御信号のオン時間（メインスイッチＳ１の導通時間）とに基づいて、メインスイッチＳ１のオフタイミングを決定することができる。決定したオフタイミングでメインスイッチＳ１がオフに制御されることで、メインスイッチＳ１が所期のタイミングよりも遅れてオフとなり補助スイッチＳ２が先にオフになるような事態を回避することができ、過電圧状態や回路破壊などの不具合の発生を防止することができる。

以上のようなタイミング補正回路１２２は、図示を省略したＣＰＵやデジタルカウンタ、メモリ等の演算処理回路を備えることで実現可能である。当該演算処理回路にて、例えば以下の式（１）によりスイッチＳ１のオンタイミング（Ｓ１ゲート信号のオンタイミング）に関する補正量を求め、当該補正量を基に以下の式（２）により補正したＳ１制御タイミング（Ｓ１ゲート信号のオンタイミング）でスイッチＳ１をオンにする（図７参照）。

補正量(ns)＝
目標先行時間(ns)＋前回補正量(ns)−Ｓ２及びＳ１ゲート信号時間差(ns) …（１）

Ｓ１制御タイミング＝Ｓ２制御タイミング＋目標先行時間＋補正量 …（２）

なお、「目標先行時間(ns)」は、予め設定可能な値であり、例えば下記の式（３）により、モード１の遷移完了時間ｔ_mode1とモード２の遷移完了時間ｔ_mode2との和として求めることができる。

ただし、ＩはリアクトルＬ１の電流量、Ｌ₂はリアクトルＬ２のインダクタンス値、Ｃ₂はコンデンサＣ２の容量値をそれぞれ表わす。

「前回補正量(ns)」は、前回のソフトスイッチングサイクルにおいて式（１）で求めた補正量であり、初期値は０である。「目標先行時間(ns)」及び「前回補正量(ns)」は、例示的に、前記メモリに記憶することができる。

「Ｓ２及びＳ１ゲート信号時間差(ns)」は、Ｓ２ゲート信号のオンタイミングと補正後のＳ１ゲート信号のオンタイミングとの差分であり、図５に例示するように、ゲートドライバ１２１Ａ及び１２１Ｂの各出力信号を基に求めることができる。例えば、タイミング補正回路１２２は、前記デジタルカウンタを用いて当該時間差を検出することができる。Ｓ２制御タイミングは、ゲートドライバ１２１Ｂに与えられるＳ２制御信号のオンタイミングに相当する。

上記の式（１）及び式（２）から分かるように、「目標先行時間(ns)」と「Ｓ２及びＳ１ゲート信号時間差(ns)」とが一致していれば、Ｓ１制御タイミングの補正量は０となり、一致していてなければ、その差分を０にする時間方向にＳ１制御タイミング（Ｓ１ゲート信号のオンタイミング）が補正される。

換言すれば、本例のタイミング補正回路１２２は、補助スイッチＳ２がオンとなったタイミングを（例えばＳ２ゲート信号に基づいて）検出するＳ２タイミング検出部１２２ａとしての機能と、前記検出されたタイミングに基づいてメインスイッチＳ１のスイッチングタイミングを制御するＳ１タイミング制御部１２２ｂとしての機能を備える。

なお、「Ｓ２及びＳ１ゲート信号時間差(ns)」には、補正後のＳ１ゲート信号のオンタイミングが反映されるから、「前回補正量(ns)」が適切な値であったならば当該補正量が現サイクルでも維持されることになる。また、補助スイッチＳ２が実際にオンとなったタイミングは、補助スイッチＳ２の両端電圧を電圧センサ等でモニタすることで検出するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、タイミング補正回路１２２を備えることで、補助スイッチＳ２が実際にオンとなったタイミングに基づいて（当該タイミングを基準として）、メインスイッチＳ１のスイッチングタイミングを制御することができる。したがって、各スイッチＳ２及びＳ１のスイッチングタイミング（間隔）を所期の適正なタイミングに精度良く制御できる。よって、スイッチング制御タイミングの精度が劣化することに起因してＦＣ昇圧コンバータ１２の電力変換効率低下や回路破壊が生じることを抑制できる等、ＦＣ昇圧コンバータ１２の性能向上を図ることができる。

〔２〕第２実施形態
図８は、第２実施形態に係るＦＣ昇圧コンバータ１２の電気回路の一例を示す図であり、図９は、第２実施形態に係るＦＣ昇圧コンバータ１２及びその周辺回路の構成例を示すブロック図である。なお、図８及び図９において、第１実施形態にて既述の符号と同一符号を付して示す要素は、既述の要素と同一若しくは同様の要素である。また、ＦＣ昇圧コンバータ１２が搭載される車両１や、ＦＣコンバータ１２のソフトスイッチング動作についても、第１実施形態と同一若しくは同様である。

図９に示すように、本例のコンバータ１２には、例示的に、コンデンサＣ２（メインスイッチＳ１でもよい）の両端電圧を検出（モニタ）する電圧検出回路（電圧センサ）１２３が設けられている。電圧センサ１２３は、図９に例示するように、高電圧サイドに設けることができ、検出値（以下、「Ｃ２（又はＳ１）電圧センサ値」ともいう。）を、フォトカプラやトランス等の個別の絶縁回路１２０Ｃを介してＥＣＵ２０に与えることができる。

この場合、ＥＣＵ２０は、例えば、メインスイッチＳ１のオンタイミング直前の、電圧センサ１２３で得られたＣ２（又はＳ１）電圧センサ値の時間変化（挙動）を基に、Ｓ１ゲート信号及びＳ２ゲート信号のオンタイミングの間隔（先行時間）を制御することができる。

一例を図１０〜図１３を用いて説明する。図１０は、ソフトスイッチング動作の過程で、補助スイッチＳ２を流れる電流（Ｓ２電流）、メインスイッチＳ１の両端電圧（Ｓ１電圧）、及びメインスイッチＳ１に流れる電流（Ｓ１電流）が周期的に変化する様子（時間波形）を例示している。図１１〜図１３は、それぞれ、図１０において点線２００で挟まれた時間領域におけるＳ２電流、Ｓ１電圧及びＳ１電流の時間波形の拡大図に相当する。

図１１は、Ｓ２及びＳ１ゲート信号のオンタイミング差（先行時間）が過小である場合、図１２は、同先行時間が過大である場合、図１３は、同先行時間が適正である場合の時間波形をそれぞれ例示している。

図１１に例示するように、先行時間が過小であると、補助スイッチＳ２がオンとなった後、Ｓ１電圧の減少途中でメインスイッチＳ１がオンとなる。Ｓ１電圧の減少途中では、Ｓ１電圧Ｖｃｅが０よりも十分大きく（＞＞０）、かつ、その傾きがマイナス（ｄＶｃｅ／ｄｔ＜０）となる（換言すればＳ１電圧値の時間変化が減少を示す）。

したがって、ＥＣＵ２０は、目標先行時間を基にメインスイッチＳ１をオンにしようとする際に、当該条件が満たされる場合には、Ｓ１電圧が減少途中（目標先行時間が過小）であると判断することができ、先行時間を増やすようにメインスイッチＳ１のオンタイミングを遅らせる。

逆に、図１２に例示するように、先行時間が過大であると、補助スイッチＳ２がオンとなり、Ｓ１電圧が下がりきった後に徐々に増加する途中でメインスイッチＳ１がオンとなる。Ｓ１電圧の増加途中では、Ｓ１電圧Ｖｃｅが０よりも十分大きく（＞＞０）、かつ、その傾きがプラス（ｄＶｃｅ／ｄｔ＞０）となる。

したがって、ＥＣＵ２０は、目標先行時間を基にメインスイッチＳ１をオンにしようとする際に、当該条件が満たされる場合には、Ｓ１電圧が増加途中（目標先行時間が過小）であると判断することができ、先行時間を減らすようにメインスイッチＳ１のオンタイミングを早める。

上記のように先行時間が過小又は過大な状況に比して、図１３に例示するように、先行時間が適正であれば、補助スイッチＳ２がオンとなり、Ｓ１電圧が最小（理想的には０）であるＺＶＳ領域でメインスイッチＳ１がオンとなる。

したがって、ＥＣＵ２０は、目標先行時間を基にメインスイッチＳ１をオンにしようとする際に、Ｓ１電圧Ｖｃｅ及び／又は傾き（ｄＶｃｅ／ｄｔ）が最小（理想的には０）であれば、目標先行時間が適正であると判断することができ、当該先行時間を維持し、メインスイッチＳ１のオンタイミングを変化させない。

なお、上述した第２実施形態の先行時間の制御は、既述の第１実施形態におけるタイミング補正に併用することができる。当該併用により、さらにソフトスイッチング制御の精度を学習的に向上させることが可能となる。

〔３〕その他
上述したＦＣ昇圧コンバータ１２を３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分並列に接続した３相コンバータの場合、例えば図１４に示すような構成となる。この場合、タイミング補正回路１２２は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に共用とすることができ、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の別に既述のタイミング補正を実施することができる。

なお、各相に対応するコンバータ１２のメインスイッチＳ１（Ｓ１−Ｕ，Ｓ１−Ｖ及びＳ１−Ｗ）のゲートドライバ１２１Ａ（１２１Ａ−Ｕ，１２１Ａ−Ｖ及び１２１Ａ−Ｗ）は、いずれもソフトスイッチング動作の過程でリアクトルＬ２及びコンデンサＣ２を流れる共振電流（Ｌ２Ｃ２共振電流）によって電位の変動が生じないから、同じ電位で動作可能である。したがって、各相のメインスイッチＳ１−Ｕ，Ｓ１−Ｖ及びＳ１−Ｗに対して、絶縁回路１２０Ａは共通にすることができる。

これに対して、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ対応したコンバータ１２における補助スイッチＳ２（Ｓ２−Ｕ，Ｓ２−Ｖ及びＳ２−Ｗ）のゲートドライバ１２１Ｂ（１２１Ｂ−Ｕ，１２１Ｂ−Ｖ及び１２１Ｂ−Ｗ）については、Ｌ２Ｃ２共振電流によって電位の変動が生じるため、各相に個別の絶縁回路１２０Ｂ（１２０Ｂ−Ｕ，１２０Ｂ−Ｖ及び１２０Ｂ−Ｗ）を設けるのが好ましい。

Ｓ２電圧検出回路は高電圧から低電圧への変換であるため、ある程度大きな抵抗で分圧し、コンパレータでロジックレベルに変換するなどの手法で、絶縁を図る。

また、上述した各実施形態は、車載の共振型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。

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（共振型ソフトスイッチングコンバータ）
１２ａ 主回路
１２ｂ 補助回路
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 制御装置（電子制御ユニット（ＥＣＵ））
２１ アクセルペダルセンサ
１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｂ−Ｕ，１２０Ｂ−Ｖ，１２０Ｂ−Ｗ，１２０Ｃ 絶縁回路
１２１Ａ，１２１Ａ−Ｕ，１２１Ａ−Ｖ，１２１Ａ−Ｗ，１２１Ｂ，１２１Ｂ−Ｕ，１２１−Ｖ，１２１−Ｗ 駆動回路（ゲートドライバ）
１２２ タイミング補正回路（スイッチング制御装置）
１２２ａ Ｓ２タイミング検出部
１２２ｂ Ｓ１タイミング制御部
１２３ 電圧検出回路（電圧センサ）
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ５ ダイオード
Ｌ１，Ｌ２ リアクトル（コイル）
Ｓ１，Ｓ１−Ｕ，Ｓ１−Ｖ，Ｓ１−Ｗ メインスイッチ
Ｓ２，Ｓ２−Ｕ，Ｓ２−Ｖ，Ｓ２−Ｗ 補助スイッチ

Claims (6)

1. スイッチング動作により入力直流電圧を所定の出力直流電圧に変換する第１のスイッチ、および、前記第１のスイッチに先行してオンに制御されて前記第１のスイッチの電圧を電流共振現象によって低下させる第２のスイッチを備えた共振型コンバータのスイッチング制御装置であって、
   前記第２のスイッチがオンとなったタイミングを検出するタイミング検出部と、
   前記検出されたタイミングに基づいて前記第１のスイッチのスイッチングタイミングを制御するタイミング制御部と、
   を備えた、スイッチング制御装置。
2. 前記各スイッチについてのスイッチング制御信号がそれぞれ伝達される複数の信号伝達経路であって、それぞれが個別の遅延要素を有する信号伝達経路を備え、
   前記タイミング制御部は、
   前記タイミング検出部で検出されたタイミングを基準とした所定時間後に前記第１のスイッチがオンとなるように、前記第１のスイッチの信号伝達経路において前記スイッチング制御信号のオンタイミングを補正する、請求項１記載のスイッチング制御装置。
3. 前記タイミング制御部は、
   前記第１のスイッチのスイッチング制御信号のオン時間と前記補正されたオンタイミングとに基づいて、前記第１スイッチのオフタイミングを決定する、請求項２記載のスイッチング制御装置。
4. 前記第１スイッチの電圧値を検出する電圧検出回路をさらに備え、
   前記タイミング制御部は、
   前記電圧検出回路で検出された電圧値の時間変化に基づいて前記所定時間を補正する、請求項２又は３に記載のスイッチング制御装置。
5. 前記所定時間の補正は、
   前記電圧値の時間変化が、減少を示す場合に前記所定時間を増やす一方、増加を示す場合に前記所定時間を減らす処理を含む、請求項４記載のスイッチング制御装置。
6. 前記信号伝達経路のそれぞれは、
   前記スイッチング制御信号を出力する制御装置から、前記スイッチング制御信号を受けて対応する前記スイッチを駆動する駆動回路に至る経路であって、前記制御装置と前記駆動回路との間に設けられた絶縁回路を経由する経路であり、かつ、
   前記タイミング検出部及び前記タイミング制御部は、
   前記絶縁回路と前記駆動回路との間に設けられる、請求項２〜５のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。

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