JP2011114980A

JP2011114980A - 電源装置

Info

Publication number: JP2011114980A
Application number: JP2009270472A
Authority: JP
Inventors: Kenji Uchida; 健司内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP5293576B2

Abstract

【課題】昇圧コンバータよりも電気機器側に設けられた平滑コンデンサの電圧が高いときに、昇圧コンバータのスイッチング素子などに大電流が流れるのを抑制しつつ平滑コンデンサの電圧を迅速に低下させる。
【解決手段】高電圧系電圧が所定電圧よりも高いときには、下アームについてはオフとされるよう制御し、上アームについては、上アームをオフとしてからリアクトル電流ＩＬがゼロになるまでの時間（ゼロ到達時間）と上アームのオフ時間とが等しくなるように設定されるオン時間を用いてオンオフされるよう制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電源装置に関する。

従来、この種の電源装置としては、電池と、二つのトランジスタとそれらのトランジスタの各々に逆並列接続された二つのダイオードとリアクトルとを有し電池からの電力を昇圧してインバータ回路に供給する昇圧コンバータ回路と、昇圧コンバータ回路よりもインバータ回路側に取り付けられたキャパシタと、を備えるものにおいて、キャパシタに並列に取り付けられた出力電圧計からの出力電圧が目標出力電圧を超えるときに、昇圧コンバータ回路の二つのトランジスタのうち下アームトランジスタをオフに維持しながら上アームトランジスタをオンオフ制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、上述の制御により、出力電圧を低下させている。

特開２００９−５５６９９号公報

こうした電源装置では、上述の制御を行なっている最中に、下アームに逆並列接続されたダイオードに電流が流れている状態で上アームがオンとされると、上アームなどに大電流が流れる場合がある。出力電圧が高いときにこうした大電流が流れると、上アームなどが破損することがある。

本発明の電源装置は、昇圧コンバータよりも電気機器側に設けられた平滑コンデンサの電圧が高いときに、昇圧コンバータのスイッチング素子などに大電流が流れるのを抑制しつつ平滑コンデンサの電圧を迅速に低下させることを主目的とする。

本発明の電源装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電源装置は、
バッテリと、前記バッテリからみて電気機器に直列接続された第１のスイッチング素子と前記第１のスイッチング素子に直列接続されると共に前記バッテリからみて前記電気機器に並列接続された第２のスイッチング素子と前記第１および第２のスイッチング素子の各々に逆並列接続された第１および第２のダイオードと前記第１および第２のスイッチング素子の中間点と前記バッテリの出力端子とに接続されたリアクトルとを有し所定の周期で前記第１および第２のスイッチング素子のオン時間を調整することにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータよりも電気機器側に配置された平滑コンデンサと、前記コンデンサの電圧が所定の要求に基づく目標電圧となるよう前記第１および前記第２のスイッチング素子を制御する制御手段と、を備える電源装置において、
前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が予め定められた所定電圧より高いとき、前記第２のスイッチング素子についてはオフとされるよう制御し、前記第１のスイッチング素子については、オンからオフに切り替えてから前記リアクトルに流れる電流がゼロとなるまでに要する時間とオフ時間とが等しくなるように設定されるオン時間を用いてオンオフされるよう制御する手段である、
ことを要旨とする。

この本発明の電源装置では、平滑コンデンサの電圧が予め定められた所定電圧より高いときには、第２のスイッチング素子についてはオフとされるよう制御し、第１のスイッチング素子については、オンからオフに切り替えてからリアクトルに流れる電流がゼロとなるまでに要する時間とオフ時間とが等しくなるように設定されるオン時間を用いてオンオフされるよう制御する。これにより、第２のダイオードに電流が流れている状態で第１のスイッチング素子をオンとするのを回避可能な範囲内で、第１のスイッチング素子のオン時間を長くすることができるから、昇圧コンバータの第１のスイッチング素子などに大電流が流れるのを抑制しつつ平滑コンデンサの電圧を迅速に低下させることができる。この結果、第１のスイッチング素子の破損を抑制することができる。

本発明の一実施例としての電源装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電子制御ユニット５０により実行される過電圧時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。電圧低下制御を行なっているときのリアクトル電流ＩＬの時間変化の様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電源装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電源装置２０は、図示するように、インバータ１２を介して電気機器としてのモータ１０に接続されており、バッテリ２２と、バッテリ２２からの電力を電圧を変換してインバータ１２に供給可能な昇圧コンバータ３０と、昇圧コンバータ３０よりもインバータ１２側に配置された平滑コンデンサ４０と、昇圧コンバータ３０よりもバッテリ２２側に配置された平滑コンデンサ４４と、平滑コンデンサ４０の電圧（以下、高電圧系電圧という）を検出する電圧センサ４２からの検出電圧ＶＨｄｅｔや平滑コンデンサ４４の電圧（以下、低電圧系電圧という）を検出する電圧センサ４６からの検出電圧ＶＬｄｅｔなどを入力すると共に昇圧コンバータ３０などを制御する電子制御ユニット５０と、を備える。

昇圧コンバータ３０は、２つのトランジスタＴ１，Ｔ２とトランジスタＴ１，Ｔ２に逆方向に並列接続された２つのダイオードＤ１，Ｄ２とリアクトル３２とから構成されている。２つのトランジスタＴ１，Ｔ２は、それぞれインバータ１２の正極側と負極側とに接続されており、その中間点にリアクトル３２が接続されている。また、リアクトル３２とインバータ１２の負極側とにはそれぞれバッテリ２２の正極側端子と負極側端子とが接続されている。したがって、所定の周期でトランジスタＴ１，Ｔ２のオン時間を調整することにより、バッテリ２２の直流電力をその電圧を昇圧してインバータ１２に供給したりインバータ１２に作用している直流電圧を降圧してバッテリ２２を充電したりすることができる。以下の説明では、トランジスタＴ１のことを「上アーム」、トランジスタＴ２のことを「下アーム」と称することがある。

こうして構成された実施例の電源装置２０では、基本的には、モータ１０のトルク指令Ｔｍ＊や回転数Ｎｍが大きいほど高くなる傾向にインバータ１２に印加すべき電圧としての目標電圧ＶＨ＊を設定し、電圧センサ４２の検出電圧ＶＨｄｅｔを高電圧系電圧ＶＨとして設定してこの高電圧系電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるよう昇圧コンバータ３０の上アームや下アームをスイッチング制御する。

次に、こうして構成された実施例の電源装置２０の動作、特に、高電圧系電圧ＶＨが予め定められた所定電圧ＶＨｒｅｆ０（例えば、９００Ｖなど）よりも高くなったときの動作について説明する。図２は、電圧センサ４２からの高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ０よりも高くなったときに電子制御ユニット５０によって実行される過電圧時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

このルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、電圧センサ４２からの検出電圧ＶＨｄｅｔが電圧センサ４２で正常に検出可能な電圧範囲の上限としての検出上限電圧ＶＨｄｅｔｍａｘ（例えば、後述の所定電圧ＶＨｒｅｆ１やそれよりも若干高い電圧など）以下であるか否かを判定し（ステップＳ１００）、検出電圧ＶＨｄｅｔが検出上限電圧ＶＨｄｅｔｍａｘ以下のときには検出電圧ＶＨｄｅｔを高電圧系電圧ＶＨとして設定し（ステップＳ１１０）、検出電圧ＶＨｄｅｔが検出上限電圧ＶＨｄｅｔｍａｘより高いときにはモータ１０の回転数Ｎｍが高いほど高くなる傾向に高電圧系電圧ＶＨを設定する（ステップＳ１２０）。これにより、検出電圧ＶＨｄｅｔが検出上限電圧ＶＨｄｅｔｍａｘより高いときでも、高電圧系電圧ＶＨを取得することができる。

続いて、設定した高電圧系電圧ＶＨを所定電圧ＶＨｒｅｆ１（例えば、１０００Ｖなど）と比較し（ステップＳ１３０）、高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ１よりも高いときには、上アームおよび下アームが共にオフとされるよう制御し、平滑コンデンサ４０に蓄えられた電荷が平滑コンデンサ４０に並列接続された図示しない放電抵抗によって放電されて高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ１以下になるのを待つ（ステップＳ１００〜Ｓ１３０）。

そして、高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ１以下のときには、高電圧系電圧ＶＨを低下させるための昇圧コンバータ３０の制御である電圧低下制御を実行する（ステップＳ１４０）。電圧低下制御では、下アームについてはオフとされるよう制御し、上アームについては、キャリア周波数Ｆｃの逆数としてのキャリア周期時間Ｔｃとバッテリ２２の電圧Ｖｂと高電圧系電圧ＶＨとを用いて次式（１）により得られるオン時間Ｔｏｎを用いてスイッチング制御することにより、高電圧系電圧ＶＨを低下させる。以下、電圧低下制御で用いるオン時間Ｔｏｎを次式（１）により設定する理由について説明する。

Ton＝Tc・Vb/VH (1)

まず、上アームがオンのときを考える。このときには、リアクトル３２のインダクタンスＬｆとリアクトル３２に流れる電流（以下、リアクトル電流という）ＩＬと高電圧系電圧ＶＨと低電圧系電圧ＶＬとを用いて回路方程式を次式（２）により表わすことができるから、リアクトル電流ＩＬの傾きは式（３）により得ることができ、上アームをオフとする直前のリアクトル電流（以下、オフ直前リアクトル電流という）ＩＬｏｆｆｊｂはオン時間Ｔｏｎを用いて式（４）により得ることができる。次に、上アームがオフのときを考える。このときには、リアクトル３２のインダクタンスＬｆとリアクトル電流ＩＬとバッテリ２２の電圧Ｖｂ，内部抵抗Ｒｂ，電流Ｉｂとを用いて回路方程式を式（５）により表わすことができ、一般に、内部抵抗Ｒｂと電流Ｉｂとの積（Ｒｂ・Ｉｂ）はバッテリ２２の電圧Ｖｂに比して十分に小さくなることから、リアクトル電流ＩＬがゼロになるときのリアクトル電流ＩＬの傾きは、式（６）により得ることができる。ところで、上アームをオフとした後にダイオードＤ２に電流が流れている状態で上アームを再びオンとすると上アームなど大電流が流れるおそれがあるため、電圧低下制御を行なうときには、上アームをオフとした後にリアクトル電流ＩＬがゼロになってから上アームを再びオンとすることが好ましい。一方、高電圧系電圧ＶＨをより迅速に低下させるためには、上アームのオン時間Ｔｏｎをできるだけ長くする（オフ時間Ｔｏｆｆをできるだけ短くする）ことが好ましい。これらを踏まえて、実施例では、上アームをオフとしてからリアクトル電流ＩＬがゼロになるまでの時間（ゼロ到達時間）Ｔｚｅｒｏと、上アームのオフ時間Ｔｏｆｆと、が等しくなるようにオン時間Ｔｏｎを設定するものとした。具体的には、ゼロ到達時間Ｔｚｅｒｏとオフ時間Ｔｏｆｆとが等しいとして式（４）と式（６）とから式（７）を導出し、オン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとの和がキャリア周期時間Ｔｃに等しいこととバッテリ２２の電圧ＶＢと低電圧系電圧ＶＬとが略等しいこととを考慮して式（７）を整理して上述の式（１）を導出し、電圧低下制御を実行するときには、この式（１）によりオン時間Ｔｏｎを設定するものとした。このようにオン時間Ｔｏｎを設定することにより、上アームなどに大電流が流れるのを抑制しつつ高電圧系電圧ＶＨを迅速に低下させることができる。この結果、上アームなどの破損を抑制することができる。このように上アームをオンオフするときのリアクトル電流ＩＬの時間変化の様子の一例を図３に示す。なお、電圧低下制御を行なっているときに高電圧系電圧ＶＨの設定精度が良好でないときには、実施例では、高電圧系電圧ＶＨを迅速に低下させることよりも上アームなどに大電流が流れるのを抑制することを優先して、高電圧系電圧ＶＨとして高い電圧（例えば、所定電圧ＶＨｒｅｆ１など）を用いて式（１）によりオン時間Ｔｏｎを設定するものとした。

Lf・dIL/dt＝VH−VL (2)
dIL/dt＝(VH−VL)/Lf (3)
ILoffjb = Ton・(VH−VL)/Lf (4)
Lf・dIL/dt＝−(Vb+Rb・Ib) (5)
dIL/dt≒−Vb/Lf (6)
Toff＝ILoffjb/(Vb/Lf)＝ILoffjb・Lf/Vb＝Ton・(VH−VL)/Vb (7)

こうした電圧低下制御を高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ１よりも低い所定電圧ＶＨｒｅｆ２（例えば、９００Ｖなど）以下になるまで行ない（ステップＳ１００〜Ｓ１５０）、高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ２以下になると（ステップＳ１５０）、下アームのオフを継続すると共に、デューティ比（周期時間Ｔｃに対する上アームのオン時間Ｔｏｎの割合）Ｄを徐々に増加させながら上アームをスイッチング制御し（ステップＳ１６０）、デューティ比Ｄが１００％になったときに（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。この処理により、高電圧系電圧ＶＨをさらに低下させることができる。なお、このときには、ダイオードＤ２に電流が流れている状態で上アームがオンとされたときに上アームなどに大電流が流れるおそれがある。このため、実施例では、上アームなど大電流が流れたとしても上アームなどが破損しない電圧範囲の上限やそれよりも若干低い電圧として上述の所定電圧ＶＨｒｅｆ２を定めるものとした。

以上説明した実施例の電源装置２０によれば、高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ０よりも高いときには、下アームについてはオフとされるよう制御し、上アームについては、上アームをオフとしてからリアクトル電流ＩＬがゼロになるまでの時間（ゼロ到達時間）と、上アームのオフ時間Ｔｏｆｆと、が等しくなるように設定されるオン時間Ｔｏｎを用いてオンオフされるよう制御するから、上アームなどに大電流が流れるのを抑制しつつ高電圧系電圧ＶＨを迅速に低下させることができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、バッテリ２２が「バッテリ」に相当し、昇圧コンバータ３０が「昇圧コンバータ」に相当し、平滑コンデンサ４０が「平滑コンデンサ」に相当し、高電圧系電圧ＶＨが所定電圧ＶＨｒｅｆ０よりも高いときには、下アームについてはオフとされるよう制御し、上アームについては、上アームをオフとしてからリアクトル電流ＩＬがゼロになるまでの時間（ゼロ到達時間）と、上アームのオフ時間Ｔｏｆｆと、が等しくなるように設定されるオン時間Ｔｏｎを用いてオンオフされるよう制御する電子制御ユニット５０が「制御手段」に相当する。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電源装置の製造産業などに利用可能である。

１０モータ、１２インバータ、２０電源装置、２２バッテリ、３０昇圧コンバータ、３２リアクトル、４０，４４平滑コンデンサ、４２，４６電圧センサ、５０電子制御ユニット、Ｄ１，Ｄ２ダイオード、Ｔ１，Ｔ２トランジスタ。

Claims

バッテリと、前記バッテリからみて電気機器に直列接続された第１のスイッチング素子と前記第１のスイッチング素子に直列接続されると共に前記バッテリからみて前記電気機器に並列接続された第２のスイッチング素子と前記第１および第２のスイッチング素子の各々に逆並列接続された第１および第２のダイオードと前記第１および第２のスイッチング素子の中間点と前記バッテリの出力端子とに接続されたリアクトルとを有し所定の周期で前記第１および第２のスイッチング素子のオン時間を調整することにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータよりも電気機器側に配置された平滑コンデンサと、前記コンデンサの電圧が所定の要求に基づく目標電圧となるよう前記第１および前記第２のスイッチング素子を制御する制御手段と、を備える電源装置において、
前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が予め定められた所定電圧より高いとき、前記第２のスイッチング素子についてはオフとされるよう制御し、前記第１のスイッチング素子については、オンからオフに切り替えてから前記リアクトルに流れる電流がゼロとなるまでに要する時間とオフ時間とが等しくなるように設定されるオン時間を用いてオンオフされるよう制御する手段である、
電源装置。