JP2012244862A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽負荷から重負荷までさらに幅広く高効率を実現することができるＤＣ／ＤＣコンバータ装置を得る。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の定格電力Ｐよりも小さい定格電力Ｐ１を持つ第１コンバータユニット２１と、第１コンバータユニット２２に並列接続され、定格電力Ｐよりも小さく、定格電力Ｐ１と異なる定格電力Ｐ２を持つ第２コンバータユニット２２と、第１の出力電力領域では、第１コンバータユニット２１だけを駆動制御し、第１の出力電力領域と異なる第２の出力電力領域では、第２コンバータユニット２２だけを駆動制御し、第１及び第２の出力電力領域と異なる第３の出力電力領域では、第１コンバータユニット２１及び第２コンバータユニット２２を駆動制御する制御装置２７とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、入力電圧を所定の出力電圧に変換し広い負荷範囲において高効率を実現できるＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関するものである。

電気自動車に搭載されるバッテリは、航続距離を伸ばす観点から高電圧化が進んでいる。しかし、前照灯といった電装品に関しては旧来のガソリン自動車仕様の製品をそのまま使用しているため、低電圧バッテリも併用されている。従来のガソリン自動車では、オルタネータの発電により低電圧バッテリへの充電を行っていたが、電気自動車ではオルタネータが存在しないため、高電圧バッテリの電圧を低電圧に変換し低電圧バッテリに充電するＤＣ／ＤＣコンバータ装置が必要となる。その際に、高電圧バッテリの消費を抑え、航続距離を伸ばすため軽負荷から重負荷まで広範囲に変化する車載用電気負荷に応じた高効率なＤＣ／ＤＣコンバータ装置が求められている。

このような要請に対処する方法として、例えば特許文献１記載のマルチフェーズ型ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が利用されている。このＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、複数のコンバータユニットを並列接続し、負荷電力に応じて駆動するコンバータユニットの数を制限することで効率の改善を提案している。

特開２００７−１１６８３４号公報

このような、複数のコンバータユニットを並列接続し、負荷電力に応じて駆動するコンバータユニットの数を制限する方法では、より軽負荷での効率を改善しようとした場合、コンバータユニットの数を増加させる必要がある。例えば２つのコンバータユニットよりも３つや、４つのコンバータユニットの方が、軽負荷での効率をよくすることができる。しかし、コンバータユニットの個数を増加させれば、制御すべき対象が増えるためコストが増加するという問題点があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、コンバータユニットの個数及びコストを増加させることなく、軽負荷から重負荷までさらに幅広く高効率を実現することができるＤＣ／ＤＣコンバータ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の定格電力よりも小さい第１の定格電力を持つ第１のコンバータユニットと、前記第１のコンバータユニットに並列接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の定格電力よりも小さく、前記第１の定格電力と異なる第２の定格電力を持つ第２のコンバータユニットと、第１の出力電力領域では、前記第１のコンバータユニットだけを駆動制御し、前記第１の出力電力領域と異なる第２の出力電力領域では、前記第２のコンバータユニットだけを駆動制御し、前記第１及び第２の出力電力領域と異なる第３の出力電力領域では、前記第１のコンバータユニット及び前記第２のコンバータユニットを駆動制御する制御装置とを備えるものである。

本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置によれば、コンバータユニットを増やすことなく、軽負荷の出力電力領域で駆動させるコンバータユニットの定格電力を小さくできるので、軽負荷においても高効率で動作させることができ、広範囲の負荷に対して高効率を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の２つのコンバータユニットの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係るソフトスイッチング方式を採用したＤＣ／ＤＣコンバータ装置の出力電力と電力変換効率の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の出力電力と各稼働領域における電力変換効率の関係を示す図である。

以下、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の構成を示す図である。

図１において、高電圧バッテリ１と低電圧バッテリ３の間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２が接続され、低電圧バッテリ３に車載用電気負荷４が並列接続されている。

高電圧バッテリ１は、複数の電池セルを直列接続したものであり、電気自動車ではリチウムイオン電池が一般的である。この高電圧バッテリ１の主な負荷としては車両走行用モータ（図示していない）である。

低電圧バッテリ３は、旧来のガソリン自動車にも搭載されているバッテリであり、鉛蓄電池タイプが一般的である。低電圧バッテリ３は、低電圧バッテリ３の後段に接続された車載用電気負荷４にエネルギーを送電し、高電圧バッテリ１からＤＣ／ＤＣコンバータ装置２を介してエネルギーを得ている。

車載用電気負荷４は、低電圧バッテリ３の電力を消費する機器の負荷である。例えば、車載補機類（エアコンプレッサ、冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、乗員空間に設けられた装置（空調装置、照明器具等）で消費される電力などがある。

この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置２は、直流電圧レベルを変換するものであり、並列に接続された第１コンバータユニット（第１のコンバータユニット）２１及び第２コンバータユニット（第２のコンバータユニット）２２と、第１コンバータユニット２１の出力側に接続された電流センサ２３と、第２コンバータユニット２２の出力側に接続された電流センサ２４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力側に接続された電流センサ２５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力側に接続された電圧センサ２６と、第１コンバータユニット２１及び第２コンバータユニット２２を制御する制御装置２７とが設けられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２は、高電圧バッテリ１のエネルギーを、低電圧バッテリ３と車載用電気負荷４へ移送する際、高電圧バッテリ１の電圧レベルを低電圧バッテリ３の電圧レベルへ変換する変換装置である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２は、上述したように、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２から構成されており、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２は異なる定格電力を持ち、それらの定格電力比は１：２である。このＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の定格電力をＰとすると、第１コンバータユニット２１の定格電力は（１／３）・Ｐ、第２コンバータユニット２２の定格電力は（２／３）・Ｐとなる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２は、２つのコンバータユニットから構成されているが、３つ以上でも構わない。

各ＤＣ／ＤＣコンバータユニット２１、２２及びＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力側には、上述したように、電流センサ２３、２４、２５がそれぞれ設けられ、各コンバータユニット及びＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電流が検出され、制御装置２７に入力される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力側に、上述したように、電圧センサ２６が設けられ、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電圧が検出され、制御装置２７に入力される。

制御装置２７は、出力電力がそれぞれ独立して出力されるように第１コンバータユニット２１及び第２コンバータユニット２２を駆動制御する。制御装置２７は、電圧センサ２６から入力されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電圧、すなわち低電圧バッテリ３の電圧を、目標電圧に対し一定に保つようにフィードバック制御を行う。車載用電気負荷４で消費する電力が増減すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電圧も増減する。制御装置２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電圧を電圧センサ２６により検出し、出力電圧が目標電圧より低い場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電流を増加させ、出力電圧が目標電圧よりも高い場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電流を低下させることによって、出力電圧を目標電圧に対し一定に保つよう制御する。この場合、制御装置２７は、検出された出力電流に対して、第１コンバータユニット２１を駆動させるか、第２コンバータユニット２２を駆動させるか、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２をある負荷割合で駆動させるかを選択する。判断の基準は、出力電流だけでなく、出力電流と出力電圧を演算（掛算）して得られた電力でもよい。

制御装置２７は、コンパレータを主体とするアナログ回路でも良いし、マイコンを主体とするデジタル回路でも良い。

図２は、この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の２つのコンバータユニットの構成を示す回路図である。

図２において、各コンバータユニットは、トランスを中心に入力側（一次側）と出力側（二次側）に分かれており、一次側ではハーフブリッジ方式を採用し、二次側では全波整流方式を採用している。各スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）で構成されているが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）でも良い。一次側には後述するソフトスイッチングに関する補助回路が付加されており、各スイッチング素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７、Ｑ８）にはコンデンサ（Ｃ３、Ｃ４、Ｃ８、Ｃ９）を並列接続し、トランス（Ｔ１、Ｔ２）には直列にインダクタ（Ｌ１、Ｌ３）を接続している。このコンデンサとインダクタの共振現象を利用してソフトスイッチングを行っている。

本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の一例として、トランスを用いた絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ装置で示しているが、トランスを用いない非絶縁型のチョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータ装置でも良い。

つぎに、この実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、小型化及び高性能化に伴い低損失及び低ノイズであることが求められている。低損失化にはＰＷＭ動作で発生するスイッチング損失の低減、低ノイズ化にはスイッチングサージの低減が望まれている。

このスイッチング損失及びスイッチングサージを低減する技術のひとつに、ソフトスイッチング技術が挙げられる。ソフトスイッチングとは、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）やＺＣＳ（Zero Current Switching）を行うためのスイッチング方式であり、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ装置に補助回路（インダクタやコンデンサ）を付加したものによって実現される。

本実施の形態では、ＺＶＳ方式を採用しており、定格電力付近でＺＶＳが成立するよう補助回路のパラメータ設計を行っているため、軽負荷ではＺＶＳが成立しにくくなる。よって、ＺＶＳ用の補助回路を設けたＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の効率特性は図３のようになる。

図４は、この発明の実施の形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の出力電力と各稼働領域における電力変換効率の関係を示す図である。

図４において、第１コンバータユニット２１の効率特性を実線、第２コンバータユニット２２の効率特性を一点鎖線、両コンバータユニットを同時に動作させた場合の効率特性を点線で示す。各効率特性のピーク及び定格電力は異なり、第１コンバータユニット２１の単独稼働、第２コンバータユニット２２の単独稼働、両コンバータユニットの同時稼働の順で右にシフトしていることがわかる。

したがって、車載用電気負荷４の変動によってＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が変化する場合には、最も効率が高くなるコンバータユニットに運転を切り換えることで高効率動作を維持することができる。

ここで、各コンバータユニットの選択方法について図４を用いて説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の定格電力Ｐに対し、第１コンバータユニット２１の定格電力Ｐ１＝（１／３）・Ｐ、第２コンバータユニット２２の定格電力Ｐ２＝（２／３）・Ｐである。ここで、各コンバータユニットは、各コンバータユニットの定格電力Ｐ１及びＰ２の３／４で最大電力変換効率となるようコンバータユニットを設計する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が（１／３）・Ｐ以下の稼働領域では、第１コンバータユニット２１だけを駆動する。これにより、第１コンバータユニット２１だけの出力電力と効率の特性が得られ、出力電力（１／３）・Ｐ・（３／４）＝（１／４）・Ｐで最大電力変換効率を得ることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が（１／３）・Ｐから（２／３）・Ｐの稼働領域では、第２コンバータユニット２２だけを駆動する。これにより、第２コンバータユニット２２の（１／３）・Ｐから（２／３）・Ｐの稼働領域での出力電力と効率の特性が得られ、出力電力（２／３）・Ｐ・（３／４）＝（１／２）・Ｐで最大電力変換効率を得ることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が（２／３）・ＰからＰの稼働領域では、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２の負荷の分担を１：２で駆動する。これにより、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２のそれぞれの出力電力と効率の特性が得られ、（３／４）・Ｐで最大電力変換効率を得ることができる。

従来例との比較のため、第１コンバータユニットの定格電力Ｐ１＝（１／２）・Ｐ、第２コンバータユニットの定格電力Ｐ２＝（１／２）・Ｐとし、各コンバータユニットの定格電力を同じにした場合について説明する。

条件を揃えるため、各コンバータユニットは、各コンバータユニットの定格電力Ｐ１及びＰ２の３／４で最大電力変換効率となるようコンバータユニットを設計する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の出力電力が（１／２）・Ｐ以下の稼働領域では、第１コンバータユニット、または第２コンバータユニットのどちらか一方のみで駆動する。これにより、第１または第２コンバータユニットのどちらか一方の出力電力と効率の特性が得られ、出力電力（１／２）・Ｐ・（３／４）＝（３／８）・Ｐで最大電力変換効率を得ることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の出力電力が（１／２）・ＰからＰの領域では、第１コンバータユニットと第２コンバータユニットの負荷の分担を１：１で駆動する。これにより、第１コンバータユニットと第２コンバータユニットのそれぞれの出力電力と効率の特性が得られ、（３／４）・Ｐで最大電力変換効率を得ることができる。

この実施の形態１で示したように、２つのコンバータユニットを異なる定格電力で構成した場合は、最大電力変換効率が得られる電力は（１／４）・Ｐになるのに対し、２つのコンバータユニットを同じ定格電力で構成した場合には、最大電力変換効率が得られる電力は（３／８）・Ｐとなり、前者の方がより軽い負荷で高効率が得られることがわかる。

本実施の形態では、異なる定格電力の重み付けを２^０、２^１と２のべき乗で行ったが、定格電力の重み付けを厳密に２^０、２^１としなくても、同等の効果は得られる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２を２つのコンバータユニットで構成した例で説明したが、Ｎ個のコンバータユニットで構成した場合、各コンバータユニットの定格電力の重み付けを、２^０、２^１、２^２、・・・・２^Ｎとしても、各コンバータユニットを同じ定格電力（１／Ｎ）・Ｐで構成した場合と比較して、同等の効果が得られる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置について説明する。

コンバータユニットを複数組合せて出力電力を得る場合、幾つかの方法が考えられる。

上記の実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が、（２／３）・ＰからＰの稼働領域では、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２の負荷の分担を１：２で駆動した。

この実施の形態２では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が、（２／３）・ＰからＰの稼働領域では、第１コンバータユニット２１の出力電力を定格電力Ｐ１＝（１／３）・Ｐで固定し、第２コンバータユニット２２の出力電力を負荷に合わせて可変駆動する。これにより、第１コンバータユニット２１の（１／３）・Ｐでの効率特性と、第２コンバータユニット２２の（１／３）・Ｐから（２／３）・Ｐの稼働領域での出力電力と効率の特性が得られ、高効率が維持できる。

この実施の形態２に対するメリットとしては、第１コンバータユニット２１の出力電力は一定値に固定され、第２コンバータユニット２２の出力電力だけ可変駆動するため、制御が容易になる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置について説明する。

上記の実施の形態１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が、（２／３）・ＰからＰの稼働領域では、第１コンバータユニット２１と第２コンバータユニット２２の負荷の分担を１：２で駆動した。

この実施の形態３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２の出力電力が、（２／３）・ＰからＰの稼働領域では、第１コンバータユニット２１の出力電力を最大電力変換効率の出力電力＝（１／３）・Ｐ・（３／４）＝（１／４）・Ｐで固定し、第２コンバータユニット２２の出力電力を負荷に合わせて可変駆動する。これにより、第１コンバータユニット２１の（１／４）・Ｐでの効率特性と、第２コンバータユニット２２の（１／３）・Ｐから（２／３）・Ｐの稼働領域での出力電力と効率の特性が得られ、高効率が維持できる。

この実施の形態３に対するメリットとしては、第１コンバータユニット２１の出力電力が、最も効率の高い出力電力に固定されるため、第２コンバータユニット２２と組み合わせた場合、もっとも高効率となる。但し、（１／４）・Ｐ＋（２／３）・Ｐ＝（１１／１２）・Ｐまでしか電力を出力できないので、（１１／１２）・Ｐより大きい出力電力では、第１コンバータユニット２１は、（１／４）・Ｐから（１／３）・Ｐまで増加させる必要がある。

以上説明したように、各実施の形態によれば、定格電力の異なる複数のコンバータユニットによってＤＣ／ＤＣコンバータ装置２を構成し、出力電流、または出力電力の大きさによって駆動すべきコンバータユニットを切り換える。これにより、軽負荷から重負荷まで広い負荷範囲において高効率な動作を維持することが可能となる。

１ 高電圧バッテリ、２ ＤＣ／ＤＣコンバータ装置、３ 低電圧バッテリ、４ 車載用電気負荷、２１ 第１コンバータユニット、２２ 第２コンバータユニット、２３ 電流センサ、２４ 電流センサ、２５ 電流センサ、２６ 電圧センサ、２７ 制御装置。

Claims (7)

1. 直流電圧レベルを変換するＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の定格電力よりも小さい第１の定格電力を持つ第１のコンバータユニットと、
   前記第１のコンバータユニットに並列接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の定格電力よりも小さく、前記第１の定格電力と異なる第２の定格電力を持つ第２のコンバータユニットと、
   出力電力がそれぞれ独立して出力されるように前記第１のコンバータユニット及び前記第２のコンバータユニットを駆動制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
2. 前記制御装置は、第１の出力電力領域では、前記第１のコンバータユニットだけを駆動制御し、前記第１の出力電力領域と異なる第２の出力電力領域では、前記第２のコンバータユニットだけを駆動制御し、前記第１及び第２の出力電力領域と異なる第３の出力電力領域では、前記第１のコンバータユニット及び前記第２のコンバータユニットを駆動制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. 前記制御装置は、負荷が最も軽い出力電力領域では、定格電力が最も小さいコンバータユニットを選択して単体で駆動制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
4. 前記制御装置は、前記第１のコンバータユニット及び前記第２のコンバータユニットを併用して駆動制御する場合、各コンバータユニットの負荷電力の負担割合を、各コンバータユニットの定格電力の割合と同じとする
   ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
5. 前記制御装置は、前記第１のコンバータユニット及び前記第２のコンバータユニットを併用して駆動制御する場合、前記第１のコンバータユニットの出力電力を定格電力に固定して駆動制御するとともに、前記第２のコンバータユニットの出力電力を負荷電力に応じて可変して駆動制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
6. 前記制御装置は、前記第１のコンバータユニット及び前記第２のコンバータユニットを併用して駆動制御する場合、前記第１のコンバータユニットの出力電力を電力変換効率が最大となる出力電力に固定して駆動制御するとともに、前記第２のコンバータユニットの出力電力を負荷電力に応じて可変して駆動制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
7. 各コンバータユニットの定格電力は、２のべき乗で重み付けされている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。

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