JP2016220315A - 電力変換器制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が完全に休止する場合にトランスの偏磁を抑制する電力変換器制御装置を提供する。
【解決手段】
制御装置８０は、トランス２０１と、トランス２０１に正負の電圧パルスを交互に印加するようにスイッチング動作するＳＷ１、ＳＷ２とを備えるＤＣＤＣコンバータ１０１に適用され、トランス２０１の通電を制御する。パルス幅設定部８１は、次にオン動作させる動作スイッチ、及び、当該動作スイッチのオン時間であるパルス幅を設定する。ゲートパルス信号生成部８２は、ＳＷ１、ＳＷ２を操作するゲートパルス信号を生成する。パルス幅設定部８１は、電圧パルスの半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が休止する「休止期間」の直前、又は、休止期間が終了しスイッチング動作を再開する復帰時において、トランス２０１に印加される電圧の正負のバランスを取るように動作スイッチ及びパルス幅を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、正負の電圧パルスを交互に生成し電力変換器のトランスに印加する電力変換器制御装置に関する。

従来、正負の電圧パルスを交互にトランスに印加して電圧を変換するプッシュプル型、フルブリッジ型等の絶縁ＤＣＤＣコンバータ（電力変換器）が知られている。このような電力変換器では、過電流検出等により電圧パルスを途中で強制的にオフすると、正負の印加電圧のアンバランスにより偏磁が発生する。偏磁によりトランスが磁気飽和に至ると、装置に大きな電流が流れるという問題がある。この問題に対し、例えば特許文献１には、強制的にオフしたパルスの次のパルスの幅を調整し、瞬間的な偏磁を抑制する技術が開示されている。

特開２０１０−１６１８４３号公報

特許文献１の従来技術は、正負の電圧パルスを交互に生成する２つのスイッチング素子が連続的にスイッチング動作している場合には有効と考えられる。しかし、過電流発生時や出力急変時等に１パルス、すなわち半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が完全に休止した後に復帰する場合には対応することができない。また、半周期以上の期間の休止に先立ってパルス幅を調整するという技術思想は存在しない。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が完全に休止する場合にトランスの偏磁を抑制する電力変換器制御装置を提供することにある。

本発明の電力変換器制御装置が適用される電力変換器は、電源に接続される入力端と負荷に接続される出力端との間で電力を変換するトランスと、トランスに正負の電圧パルスを交互に印加するようにスイッチング動作する複数のスイッチング素子と、トランスの出力経路に接続される整流素子と、整流素子と出力端との間に接続されるリアクトルとを備える。この電力変換器として、例えば、プッシュプル型、フルブリッジ型等の絶縁ＤＣＤＣコンバータが該当する。

上記の電力変換器に適用され、トランスの通電を制御する本発明の電力変換器制御装置は、パルス幅設定部と、ゲートパルス信号生成部とを有する。
パルス幅設定部は、次にオン動作させるスイッチング素子である「動作スイッチ」、及び、当該動作スイッチのオン時間である「パルス幅」を設定する。
ゲートパルス信号生成部は、パルス幅設定部が設定した動作スイッチ及びパルス幅に基づいて、複数のスイッチング素子を操作するゲートパルス信号を生成する。

パルス幅設定部は、電圧パルスの半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が休止する「休止期間」の直前、又は、休止期間が終了しスイッチング動作を再開する復帰時において、トランスに印加される電圧の正負のバランスを取るように動作スイッチ及びパルス幅を設定することを特徴とする。

本発明の第１の態様の電力変換器制御装置は、休止期間の直前におけるパルス幅設定部の作用に特徴を有する。第１の態様のパルス幅設定部は、現在のスイッチング動作を停止して休止期間に移行するように指令する停止信号を外部から受信したとき、電圧パルスの印加によりトランスに発生する磁束をゼロに近づけた状態で休止期間に移行するように、休止期間前における最後の電圧パルスであるラストパルスのパルス幅を設定する。

第１の態様は、停止信号の受信後にスイッチング素子が更に１回スイッチング動作し、ラストパルスを生成可能である構成を前提とする。この態様では、停止信号を受信したとき、ラストパルスのパルス幅を調整することで、休止期間に移行する時点でのトランスの偏磁を抑制することができる。

本発明の第２の態様の電力変換器制御装置は、休止期間後の復帰時におけるパルス幅設定部の作用に特徴を有する。第２の態様のパルス幅設定部は、休止期間を終了してスイッチング動作を再開するように指令する復帰信号を外部から受信したとき、復帰初回のスイッチング動作において、休止期間前における最後の電圧パルスであるラストパルスとは反対の極性の電圧パルスをトランスに印加するように動作スイッチを設定する。
復帰初回にラストパルスと同じ極性の電圧パルスを印加すると、正負の印加電圧のアンバランスが増大し、トランスが磁気飽和に至るおそれがある。そこで、復帰初回にラストパルスとは反対の極性の電圧パルスを印加することで磁気飽和を防止することができる。

また、第２の態様のパルス幅設定部は、好ましくは、休止期間の電圧パルスの印加によりトランスに発生した励磁電流及び磁束について、休止期間中の励磁電流の絶対値の減少によって生じる磁束の正負のアンバランスを補償するように、具体的には復帰時におけるＥＴ積の値、又は励磁電流の値に基づいて、復帰初回のパルス幅を設定する。この態様では、休止期間後に復帰信号を受信したとき、復帰初回のパルス幅を調整することで、復帰時点でのトランスの偏磁を抑制することができる。
さらに、パルス幅設定部は、復帰時に残存しているＥＴ積の値が所定値以下の場合、ＥＴ積がリセットされていると判定し、定常動作開始時のパルス幅を設定してもよい。

本発明の実施形態による電力変換器制御装置が適用されるプッシュプル型絶縁ＤＣＤＣコンバータの概略構成図。 本発明の第１実施形態により生成したパルス信号のタイムチャート。 本発明の第２実施形態により生成したパルス信号のタイムチャート。 本発明の第３実施形態により生成したパルス信号のタイムチャート。 本発明の第４実施形態により生成したパルス信号のタイムチャート。 ＥＴ積リセット判定を説明するタイムチャート。 ＥＴ積リセット判定のためのセンサ配置例を示す図。 復帰初回の補正パルス幅の算出を説明する図。 動作停止中にトランス二次側に印加される電圧を説明する図。 動作停止からの時間に伴う残存ＥＴ積の変化を示す図。 本発明の第５実施形態により生成したパルス信号のタイムチャート。 比較例の電力変換器制御装置によるパルス信号のタイムチャート。 本発明の実施形態による電力変換器制御装置が適用されるフルブリッジ型絶縁ＤＣＤＣコンバータの概略構成図。

以下、本発明の複数の実施形態による電力変換器制御装置を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
この電力変換器制御装置は、正負の電圧パルスを交互にトランスに印加して電圧を変換するプッシュプル型、フルブリッジ型等の絶縁ＤＣＤＣコンバータ（電力変換器）に適用され、トランスの通電を制御する装置である。

［電力変換器の構成］
最初に、この電力変換器制御装置が適用される電力変換器の例として、プッシュプル型絶縁ＤＣＤＣコンバータの概略構成について、図１を参照して説明する。
プッシュプル型コンバータ１０１は、バッテリ等の電源に接続される入力端１１と、モータ等の負荷に接続される出力端１２との間に設けられ、トランス２０１、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ダイオード（整流素子）５１、５２、リアクトル７、平滑コンデンサＣ１、Ｃ２等を備える。

トランス２０１は、入力端１１に接続される一次側と出力端１２に接続される二次側との間で電力を変換する。トランス２０１は、一次コイル３１及び二次コイル３３から構成される第１トランスユニット２１、及び、一次コイル３２及び二次コイル３４から構成される第２トランスユニット２２を含む。一次コイル３１、３２の一端同士は一次側接続点Ｊ１で接続され、二次コイル３３、３４の一端同士は二次側接続点Ｊ２で接続される。

一次側接続点Ｊ１は、入力端１１の一方の第１端子１１１に接続されている。一次コイル３１、３２の他端は、それぞれ、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を介して入力端１１の第２端子１１２に接続されている。また、入力端１１の両端子１１１、１１２間には、一次平滑コンデンサＣ１が接続されている。
スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、トランス２０１の一次コイル３１、３２に正負の電圧パルスを交互に印加するようにスイッチング動作する。以下の実施形態の説明中、適宜「スイッチング素子」を省略し、単に「ＳＷ１」、「ＳＷ２」と記す。

本実施形態では、ＳＷ１、ＳＷ２として、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）が用いられる。ＳＷ１、ＳＷ２は、ドレインが一次コイル３１、３２に接続され、ソースが入力端１１の第２端子１１２に接続されている。ＳＷ１、ＳＷ２のゲートには、制御装置８０のゲートパルス信号生成部８２からゲートパルス信号が入力される。
なお、他の実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ等のトランジスタを用いてもよい。また、寄生ダイオードに代えて還流ダイオードを用いてもよい。

二次側接続点Ｊ２は、出力端１２の第１端子１２１に接続されている。二次コイル３３、３４の他端は、それぞれ、ダイオード５１、５２を介し、更にリアクトル７を介して出力端１２の第２端子１２２に接続されている。ダイオード５１、５２は、トランス２０１の二次側の出力経路に接続され、二次電流を整流する。リアクトル７は、通電により磁気エネルギを蓄積する。また、出力端１２の両端子１２１、１２２間には、二次平滑コンデンサＣ２が接続されている。

電力変換器制御装置（以下、単に「制御装置」）８０は、パルス幅設定部８１及びゲートパルス信号生成部８２を有する。
パルス幅設定部８１は、次にオン動作させるスイッチング素子である「動作スイッチ」、及び、当該動作スイッチのオン時間である「パルス幅」を設定する。すなわち、パルス幅設定部８１は、どのスイッチング素子をどれだけの時間オンさせるかを設定する。

詳しくは、パルス幅設定部８１は、トランス２０１の二次側の電力情報として、リアクトル７を流れるリアクトル電流や二次平滑コンデンサＣ２の電極間の出力電圧を取得し、それらの情報に基づく電圧電流制御系演算により、スイッチング周期に対するＳＷ１及びＳＷ２のオン時間の割合（導通率）を算出する。そして、基本的に、動作スイッチとしてＳＷ１とＳＷ２とを交互に設定する。また、電圧電流制御系演算の結果に基づき、ＳＷ１及びＳＷ２のパルス幅を同じ長さに設定する。
ゲートパルス信号生成部８２は、パルス幅設定部８１が設定した動作スイッチ及びパルス幅に基づいてゲートパルス信号を生成し、ＳＷ１及びＳＷ２のゲートに出力する。これにより、ＳＷ１及びＳＷ２は、同じ時間ずつ交互にスイッチング動作する。

ＳＷ１がオンしたときとＳＷ２がオンしたときとでは、互いに反対の極性の電圧パルスがトランス２０１に印加される。本実施形態では、ＳＷ１がオンしたときに印加される電圧を正、ＳＷ２がオンしたときに印加される電圧を負と定義する。
このように、制御装置８０は、定常動作時において正負の電圧パルスが交互にトランス２０１に印加されるように、ＳＷ１及びＳＷ２を操作する。ＳＷ１とＳＷ２とが１回ずつオンし正負の電圧パルスが印加される期間を、スイッチング動作の「１周期」とする。

ここで、１パルス、すなわち半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が休止する場合、その期間を「休止期間」という。休止期間の前後では、正負の印加電圧のアンバランスにより偏磁が発生する場合がある。偏磁によりトランス２０１が磁気飽和に至ると、コンバータ１０１に大きな電流が流れるという問題がある。
なお、特許文献１（特開２０１０−１６１８４３号公報）には、半周期未満の短期間にスイッチング動作が瞬断した場合、瞬断後のパルスの幅を調整して偏磁を抑制する技術が開示されている。しかし、半周期以上の期間にわたってスイッチング動作が休止した場合の偏磁の抑制については、何ら言及されていない。

そこで、本発明の各実施形態の制御装置８０は、半周期以上の期間にわたる休止期間の前後においてスイッチング動作を調整し、偏磁を抑制することを特徴とする。そのため、パルス幅設定部８１は、「現在のスイッチング動作を停止して休止期間に移行するように指令する停止信号Ｑ」、及び「休止期間を終了してスイッチング動作を再開するように指令する復帰（リスタート）信号ＲＳ」を受信する。
なお、停止信号Ｑが指令される理由、すなわち、休止期間が発生する理由は問わない。例えば、特許文献１に記載された過電流検出等のように意図しない突発現象によるものでもよく、或いは、予め決められた理由であってもよい。

以下、休止期間の前後に制御装置８０が実行するスイッチング動作の具体的な調整方法について、実施形態毎に詳しく説明する。第１、第２実施形態では、休止期間の直前の電圧パルスを調整する例を説明する。また、第３〜第５実施形態では、休止期間が終了しスイッチング動作を再開する復帰時の電圧パルスを調整する例を説明する。

［電圧パルスの調整］
（第１、第２実施形態）
本発明の第１、第２実施形態について、図２、図３を参照して説明する。第１、第２実施形態は、休止期間の直前におけるパルス幅設定部８１の作用に特徴を有する。
図２、図３のタイムチャートでは、休止期間の前後におけるＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作と、それによって発生するトランス印加電圧のパルス、及びトランス励磁電流Ｉｍ、並びに停止信号Ｑのタイミングを示す。ＳＷ１がオンすると正電圧のパルスが印加され、トランス励磁電流Ｉｍは増加する。ＳＷ２がオンすると負電圧のパルスが印加され、トランス励磁電流Ｉｍは減少する。ＳＷ１及びＳＷ２がいずれもオフのとき、電圧パルスは発生せず、トランス励磁電流Ｉｍは、ほぼ変化しない。

例えばＳＷ２は、時刻ｔ９０から時刻ｔ９２まで、電圧電流制御系演算によって設定されるパルス幅Ｔｏの期間オンする。このときの動作を「定常動作」という。
以下の各実施形態を通じて、休止期間の前後で電源及び負荷の条件は大きく変化しないことを前提とする。そのため、電圧電流制御系演算によって設定されるパルス幅Ｔｏは、休止期間の前後で一定であるものとする。

また、トランス印加電圧とスイッチング素子のオン時間との積（Ｅ×Ｔ_ON）を「ＥＴ積」という。定常動作では、ＳＷ１のオン動作によるＥＴ積（Ｅ×Ｔｏ）とＳＷ２のオン動作によるＥＴ積（−Ｅ×Ｔｏ）とは、絶対値が等しく符号が反対である。ＳＷ１とＳＷ２とが繰り返しスイッチング動作している間、ＥＴ積のバランスが保たれる。後述するように、ＥＴ積の値は、磁束の変化を反映する。

第１、第２実施形態における制御装置８０及びコンバータ１０１は、定常動作中にパルス幅設定部８１が停止信号Ｑを受信した後、ＳＷ１又はＳＷ２が更に１回スイッチング動作し、休止期間前における最後の電圧パルスである「ラストパルス」を生成可能であることを前提とする。パルス幅設定部８１は、停止信号Ｑを受信すると、電圧パルスの印加によりトランス２０１に発生する磁束をゼロに近づけた状態で休止期間に移行するように、ラストパルスのパルス幅を設定する。

トランス２０１に発生する磁束が実質的にゼロになることを「磁束がリセットされる」という。図２、図３では、励磁電流Ｉｍが理想的にゼロになった状態で、つまり、磁束が完全にリセットされた状態で休止期間に移行する様子を示している。磁束がリセットされるように、図２の例では、時刻ｔ９４からのＳＷ１のオン動作によるラストパルスのパルス幅を調整する。また、図３の例では、時刻ｔ９８からのＳＷ２のオン動作によるラストパルスのパルス幅を調整する。

ただし、休止期間移行時の励磁電流Ｉｍが厳密にゼロにならなくても、つまり磁束が完全にリセットされなくてもよい。要するに、ラストパルス直前の状態に比べて磁束をゼロに近づける方向にラストパルスのパルス幅を調整することが第１、第２実施形態の技術思想である。これにより、休止期間に移行する時点でのトランス２０１の偏磁を抑制することができる。

第１実施形態と第２実施形態とでは、停止信号Ｑを受信するタイミングが異なる。ここで、パルス幅Ｔｏの開始から、パルス幅Ｔｏの半分が経過した時刻を「中間時」という。定常動作時における正負の電圧パルスが対称であれば、トランス励磁電流Ｉｍは、中間時にゼロ点を通過する。
図２に示す第１実施形態では、「正負の電圧パルスがいずれもオフの期間中（時刻ｔ９２〜ｔ９４）のタイミング（実線矢印）」、又は、「正負いずれかの電圧パルス（本例ではＳＷ１による正電圧パルス）のオン期間（時刻ｔ９４〜）における中間時ｔ９５以前のタイミング（破線矢印）」に停止信号Ｑを受信する。

この場合、パルス幅設定部８１は、ＳＷ１のオン動作によるラストパルスのパルス幅を定常動作時のパルス幅Ｔｏの２分の１（Ｔｏ／２）に設定する。したがって、ちょうど中間時ｔ９５に正電圧パルスの印加が終了する。これにより、励磁電流Ｉｍがちょうどゼロの状態で休止期間に移行することができる。
また、休止期間後の復帰初回には、励磁電流Ｉｍがゼロの状態からの開始を前提とした「定常動作開始時のパルス幅」を設定する。すなわち、中間時に相当する時刻ｔ１１から時刻ｔ１２まで、例えばＳＷ２のパルス幅を（Ｔｏ／２）に設定する。以後、定常動作時のパルス幅Ｔｏで時刻ｔ１４〜ｔ１６にＳＷ１をオン、時刻ｔ２０〜ｔ２２にＳＷ２をオン・・・というようにスイッチング動作を繰り返す。

図３に示す第２実施形態では、「正負いずれかの電圧パルス（本例ではＳＷ１による正電圧パルス）のオン期間（時刻ｔ９４〜）における中間時ｔ９５を過ぎたタイミングｔ９５ｑ（実線矢印）」に停止信号Ｑを受信する。このとき、停止信号Ｑの受信と同時に現在の電圧パルスを途中でオフする。その結果、途中でオフされた不完全電圧パルスのパルス幅Ｔｉｎｃは、式（１．１）に示すように、定常動作時のパルス幅Ｔｏの２分の１よりも長く、定常動作時のパルス幅Ｔｏよりも短くなる。
（Ｔｏ／２）＜Ｔｉｎｃ＜Ｔｏ ・・・（１．１）
また、Ｔｉｎｃと（Ｔｏ／２）との差分を「超過時間Ｔｅｘ」とすると、Ｔｉｎｃは、式（１．２）で表される。
Ｔｉｎｃ＝（Ｔｏ／２）＋Ｔｅｘ ・・・（１．２）

この場合、パルス幅設定部８１は、次の反対極性の電圧パルス（本例ではＳＷ２による負電圧パルス）のパルス幅を、現在の電圧パルス（ＳＷ１による正電圧パルス）が中間時ｔ９５を過ぎてオンした時間Ｔｅｘに相当するパルス幅に設定する。こうして、ラストパルスとして、反対極性の電圧パルス（ＳＷ２による負電圧パルス）が時刻ｔ９８〜ｔ９９に印加される。要するに、時刻ｔ９５〜ｔ９５ｑの超過時間Ｔｅｘに印加された正電圧パルスを、時刻ｔ９８〜ｔ９９の同じ時間Ｔｅｘの負電圧パルスで相殺する。これにより、励磁電流Ｉｍがちょうどゼロの状態で休止期間に移行することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３〜第５実施形態は、休止期間後の復帰時におけるパルス幅設定部８１の作用に特徴を有する。まず、第３実施形態について、図４を参照して説明する。
図４において、制御装置８０は、時刻ｔ９０〜ｔ９２にＳＷ２を定常動作時のパルス幅Ｔｏでオンし、時刻ｔ９４〜ｔ９６にＳＷ１を定常動作時のパルス幅Ｔｏでオンした後、休止期間に移行している。第１、第２実施形態のように、休止期間直前にはラストパルスのパルス幅を調整しないため、休止期間の開始時刻ｔ９６のトランス励磁電流Ｉｍ₀は、０でない値（図４の例では正の値）となっている。

休止期間中に復帰信号ＲＳを受信すると、パルス幅設定部８１は、復帰初回のスイッチング動作において、休止期間前における最後の電圧パルスであるラストパルスとは反対の極性の電圧パルスをトランス２０１に印加するように動作スイッチを設定する。図４の例では、ラストパルスの極性がＳＷ１による正電圧であるため、復帰初回に負電圧が印加されるように、ＳＷ２を動作スイッチとして設定する。

仮にスイッチング動作が休止せずに継続していたとしたらクロック周期に基づきＳＷ２がオンする予定の時刻をｔ１０とする。すると、時刻ｔ１０の直前（時刻ｔ０６〜ｔ１０の間）に復帰信号ＲＳが入力された場合（実線矢印）、成り行き通り、直後の時刻ｔ１０に動作スイッチであるＳＷ２をオンすればよい。一方、クロック周期に基づきＳＷ１がオンする予定の時刻ｔ０４の直前に復帰信号ＲＳが入力された場合（破線矢印）、時刻ｔ０４では、二点鎖線で示すように、動作スイッチでないＳＷ１をオンせず、時刻ｔ１０まで待ってから動作スイッチＳＷ２をオンする。

ここで、比較例の挙動について、図１２を参照する。この比較例では、ラストパルスの極性に基づいて休止期間後の復帰初回の動作スイッチを決定するという機能を有しない。したがって、復帰信号ＲＳを受信すると、ＳＷ１、ＳＷ２のいずれかが成り行きによってオンする。図１２に示す例では、ラストパルスの極性がＳＷ１による正電圧であるとき、復帰初回の電圧パルスもＳＷ１による正電圧である。つまり、休止期間を挟んで同じ極性の電圧パルスが２回連続でトランス２０１に印加されることとなる。

このとき、休止期間後の復帰時には、休止期間直前のトランス励磁電流Ｉｍ₀（＞０）を基準として更に正の励磁電流Ｉｍが重畳される。この状況でトランス２０１が磁気飽和に至らないようにするためには、定常動作時に想定される励磁電流Ｉｍ（又はＥＴ積）の上限値ＵＬに対し、約２倍の「２ＵＬ」を上限値として、トランス仕様を設計する必要が生じる。そのため、トランス２０１や配線部が大型化せざるを得なくなる。

それに対し第３実施形態では、復帰初回のスイッチング動作において、ラストパルスとは反対の極性の電圧パルスをトランス２０１に印加するように動作スイッチを設定する。これにより、休止期間を挟んで同じ極性の電圧パルスが２回連続でトランス２０１に印加され、同じ極性の励磁電流Ｉｍが重畳することが回避される。したがって、定常動作時に想定される励磁電流Ｉｍ（又はＥＴ積）の上限値ＵＬに基づいてトランス仕様を設計すればよいため、トランス２０１や配線部を小型化することができる。

ところで、制御装置８０を構成するマイコン８４は、安定して動作している状況では、休止期間の開始時にラストパルスの極性やタイミング等の情報をＲＡＭに記憶し、復帰時にＲＡＭにアクセスして情報を読み出す。しかし、休止期間中に制御電源が中断したり、マイコンがリセットされたりした場合、ＲＡＭの記憶が消去される場合がある。

そこで、図４に示すように、制御装置８０は、マイコン８４の外部に記憶装置８５を有する。休止期間の開始時、マイコン８４は、ラストパルスの極性やタイミングの情報を、フラッシュメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）等の記憶装置８５に保存する。そして、休止期間後の復帰時にＲＡＭに記憶が残っていない場合でも、マイコン８４は、記憶装置８５からラストパルスの情報を読み出すことができる。これにより、パルス幅設定部８１は、読み出した情報に基づいて、動作スイッチ及びパルス幅を設定可能である。
なお、第３実施形態では、主にラストパルスの極性情報に基づいて復帰初回の動作スイッチが設定される。一方、次の第４実施形態に記憶装置８５が適用される場合、さらに、ラストパルスのタイミング情報に基づいて復帰初回のパルス幅が設定される。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について、図５〜図１０を参照して説明する。第４実施形態は、復帰初回の動作スイッチの設定に関する第３実施形態の特徴を共有する。さらに、パルス幅設定部８１は、休止期間前に電圧パルスの印加によってトランス２０１に発生した励磁電流Ｉｍ及び磁束について、休止期間中の励磁電流Ｉｍの絶対値の減少によって生じる磁束の正負のアンバランスを補償するように復帰初回のパルス幅を設定する。
図５に示すように、休止期間初期の励磁電流の絶対値Ｉｍ₀は動作停止信号時間Ｔ_Qに伴って漸減し、復帰時ｔ１０にはＩｍｒにまで減少する。

まず、ＥＴ積のリセット判定について図６のタイムチャートを参照して説明する。ＥＴ積の値が実質的にゼロになることを「ＥＴ積がリセットされる」という。図６には、スイッチング動作を停止する前後における二次側リアクトル電流ＩＬ、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のＤＳ（ドレイン−ソース）間電圧、及び、ＥＴ積の変化を示す。ＳＷ１、ＳＷ２のＤＳ間電圧は、正負が反転した関係にある。
定常動作中、ＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング動作に伴い、リアクトル電流ＩＬは、定常値ＩＬ＿ｃｏｎｓｔを中心として脈動する。また、ＥＴ積は正負の値が交番する。

時刻ｔ０にスイッチング動作を停止した後、時刻ｔ１までの期間Ｉでは、ＥＴ積の値はほぼ一定値を維持しており、未だリセットされていない。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間ＩＩでは、ＥＴ積がリセット中である。そして、時刻ｔ２を過ぎた期間ＩＩＩでは、ＥＴ積がリセットされている。

詳しく述べると、期間Ｉでは、「リアクトル電流ＩＬ＞励磁電流Ｉｍ」の関係にある。励磁電流Ｉｍは二次側で還流し、トランス２０１の磁束はほぼ一定である。
期間ＩＩでは、「リアクトル電流ＩＬ＜励磁電流Ｉｍ」の関係になる。リアクトル電流ＩＬより大きい分の励磁電流Ｉｍは一次側を流れる。その結果、トランス２０１に電圧が印加され、ＥＴ積の値、すなわち磁束が変化する。また、ＳＷ１及びＳＷ２のＤＳ間電圧は共振する。
期間ＩＩＩでは、リアクトル電流ＩＬはゼロになる。また、ＳＷ１及びＳＷ２のＤＳ間電圧の共振振幅が抑制される。

ＥＴ積がリセットされたことは、以下の場合に判定される。
（１）二次側のダイオード５１、５２を流れるダイオード電流ＩＤ１、ＩＤ２について、ＩＤ１＝０又はＩＤ２＝０の検出後、所定時間が経過したとき
（２）リアクトル電流ＩＬ＝０の検出後、所定時間が経過したとき
（３）ＳＷ１及びＳＷ２のＤＳ間電圧が共振を開始してから所定時間経過したとき、又は、共振振幅が抑制されてから所定時間経過したとき
（４）励磁電流Ｉｍ＝０を検出したとき

ここで、ＥＴ積リセットを判定するためのセンサの配置例について、図７を参照する。（１）〜（４）の番号は、上記のリセット判定方法の番号に対応する。
（１）、（２）ダイオード電流ＩＤ１、ＩＤ２、及びリアクトル電流ＩＬは、例えば、各素子に直列接続されたシャント抵抗６５、６６、６７の両端電圧を検出する。検出電圧は、必要に応じて、アイソレータ８６を介して制御装置８０に入力してもよい。また、シャント抵抗に代えてホール素子を用いてもよい。

（３）ＳＷ１、ＳＷ２のＤＳ間電圧（Ｖｔｒ１、Ｖｔｒ２）は、一方のスイッチング素子（例えばＳＷ２）に並列に接続した抵抗６３、６４による分圧を検出する。
（４）励磁電流Ｉｍは、一次コイル３１、３２及び二次コイル３３、３４の４本の配線をクランプ型電流センサ６０に通して検出する。

上述のように、パルス幅設定部８１は、復帰時にＥＴ積のリセット判定を行う。
ＥＴ積がリセットされている場合、パルス幅設定部８１は、定常動作開始時のパルス幅を設定してスイッチング動作を復帰する。つまり、第１、第２実施形態の図２、図３と同様に、復帰初回のパルス幅を定常動作のパルス幅の２分の１（Ｔｏ／２）に設定する。
一方、ＥＴ積がリセットされていない場合、パルス幅設定部８１は、復帰初回のパルス幅として補正パルス幅Ｔ^*を算出し設定する。続いて、補正パルス幅Ｔ^*の算出方法について説明する。

図５に二点鎖線で示すように、休止期間中に励磁電流Ｉｍ₀が変化しないと仮定する。このとき、復帰初回には、ＳＷ１のオン動作により、定常動作時のパルス幅Ｔｏを有する電圧パルスが時刻ｔ１０〜ｔ１２に生成される。そこで、励磁電流の絶対値がＩｍ₀からＩｍｒに減少した分に対応する時間Ｔｒだけ、ＳＷ１のオンタイミングを時刻ｔ１０から時刻ｔ１０ｒに遅らせて補正パルス幅Ｔ^*の電圧パルスを生成すると、ＳＷ１がオフする時刻ｔ１２の励磁電流を定常動作時と同レベルにすることができる。

このように、休止期間中の励磁電流Ｉｍの絶対値の減少により、復帰初回には磁束の正負のアンバランスが生じる。例えば、復帰初回の電圧パルスによる励磁電流Ｉｍの変化分のうちゼロ点まで（図５の例では正側）の変化分をα、ゼロ点を超えてから（図５の例では負側）の変化分をβとすると、α＜βの関係になる。

図８は、図５の復帰時における励磁電流Ｉｍの変化を拡大した図である。
励磁電流Ｉｍの変化分α、βに対応する時間をＴα、Ｔβとすると、補正パルス幅Ｔ^*は、時間ＴαとＴβの和で表される。また、Ｔβは、電圧電流制御系演算によって設定されたパルス幅Ｔｏの２分の１（Ｔｏ／２）に相当する。そこで、パルス幅設定部８１は、時間Ｔαを以下のように算出し、復帰初回の補正パルス幅Ｔ^*を算出する。

動作停止中におけるトランス２０１の二次側の電圧に関して、図９を参照する。
ダイオード５１、５２のオン電圧をＶｆ１、Ｖｆ２、トランス２０１及び配線の抵抗成分をＲ、動作停止時間Ｔ_Qにおける残存ＥＴ積の値をＥＴ_Qとする。また、励磁電流Ｉｍ及び残存ＥＴ積の値ＥＴ_Qを、スイッチング動作を停止してからの時間ｔの関数で表すと、式（２）のようになる。
ＥＴ_Q（ｔ）＝（Ｖｆ１＋Ｖｆ２＋Ｉｍ（ｔ）×Ｒ）×Ｔ_Q ・・・（２）
つまり、ダイオード５１、５２のオン電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２、及び、抵抗Ｒによるドロップ電圧がトランス２０１に印加される。

残存ＥＴ積の値ＥＴ_Qの時間変化は、図１０に示す特性で表される。制御装置８０は、例えばこの特性マップを参照し、動作停止時間Ｔ_Qにおける残存ＥＴ積の値ＥＴ_Qを推定することができる。そして、復帰時における残存ＥＴ積の値ＥＴ_Qに基づき、式（３）を用いて、復帰初回の補正パルス幅Ｔ^*を算出することができる。
Ｔ^*＝Ｔα＋Ｔβ
＝ＥＴ_Q／Ｅ＋（Ｔｏ／２） ・・・（３）
なお、演算時と復帰時とに時差がある場合は、時差分を補正するようにしてもよい。

また、時間Ｔαの別の算出方法では、励磁インダクタンスＬｍ及び励磁電流Ｉｍとの積がＥＴ積であるという関係（式（４．１））を利用する。この方法では、復帰時における励磁電流の値Ｉｍｒに基づき、式（４．２）を用いて、復帰初回の補正パルス幅Ｔ^*を算出することができる。
ＥＴ＝Ｌｍ×Ｉｍ ・・・（４．１）
Ｔ^*＝Ｔα＋Ｔβ
＝（Ｌｍ×Ｉｍｒ）／Ｅ＋（Ｔｏ／２） ・・・（４．２）

以上のように、第４実施形態では、休止期間後の復帰時にＥＴ積がリセットされていない場合、復帰時における残存ＥＴ積の値ＥＴ_Q、又は、励磁電流の値Ｉｍｒに基づいて、復帰初回の補正パルス幅Ｔ^*を算出する。これにより、復帰時におけるトランス２０１の偏磁をより適切に抑制することができる。
また、ＥＴ積が既にリセットされている場合には偏磁を抑制する必要がないため、定常動作開始時のパルス幅を設定してスイッチング動作を復帰する。式（３）、（４．２）において、ＥＴ_Q≒０、Ｉｍｒ≒０とみなしても同様の結果となる。これにより、制御装置８０の演算を簡素化することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について、図１１を参照して説明する。第５実施形態は、復帰初回の動作スイッチの設定に関する第３実施形態の特徴を共有する。さらに、休止期間後の復帰時に「ソフトスタート」として、パルス幅設定部８１が復帰初回以後の複数回のパルス幅を徐々に増加させるように設定することを特徴とする。

図１１に示す例では、復帰初回のＳＷ２のオン動作による時刻ｔ１０〜ｔ１２のパルス幅Ｔ２ａ、復帰２回目のＳＷ１のオン動作による時刻ｔ１４〜ｔ１６のパルス幅Ｔ１ａ、復帰３回目のＳＷ２のオン動作による時刻ｔ２０〜ｔ２２のパルス幅Ｔ２ｂは、定常動作時のパルス幅Ｔｏ以下であり、かつ順に長くなるように設定されている。
ただし、ソフトスタートを行う「複数回」とは最低２回を意味し、少なくとも復帰初回と２回目、すなわち一周期分のパルス幅を、定常動作時のパルス幅Ｔｏよりも短く設定すればよい。これにより、負荷の駆動を緩やかに開始することができる。

なお、第５実施形態は第４実施形態とは異なり、復帰初回の１回のパルスで正負の電圧アンバランスを完全に解消するものではなく、多少のアンバランスは発生する。しかし、比較例（図１２参照）のように、２倍の励磁電流又はＥＴ積安全率を要するほどのアンバランスは発生しない。したがって、ソフトスタートを実現しつつ、トランス２０１の偏磁を適度に抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明の電力変換器制御装置が適用される電力変換器の他の例として、図１３に、フルブリッジ型の絶縁ＤＣＤＣコンバータを示す。フルブリッジ型コンバータ１０２では、トランス２０２の入力側に、二対の上下アームのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４によってフルブリッジ回路が構成されている。フルブリッジ回路の一方の対角線のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４と他方の対角線のスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ３とが交互にオンオフし、トランス２０２の一次コイル３５に正負の電圧Ｖｔｒが交互に印加される

制御装置８０のゲートパルス信号生成部８２は、ＳＷ１及びＳＷ４を一方のペアとし、ＳＷ２及びＳＷ３を他方のペアとしてゲートパルス信号を出力する。それ以外の特徴は、プッシュプル型コンバータ１０１の場合と同様である。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０１・・・プッシュプル型コンバータ（電力変換器）、
１０２・・・フルブリッジ型コンバータ（電力変換器）、
１１・・・入力端、 １２・・・出力端、
２０１、２０２・・・トランス、
５１、５２・・・ダイオード（整流素子）、
７ ・・・リアクトル、
８０・・・制御装置（電力変換器制御装置）、
８１・・・パルス幅設定部、
８２・・・ゲートパルス信号生成部、
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４・・・スイッチング素子。

Claims (11)

1. 電源に接続される入力端（１１）と負荷に接続される出力端（１２）との間で電力を変換するトランス（２０１、２０２）と、
   前記トランスに正負の電圧パルスを交互に印加するようにスイッチング動作する複数のスイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４）と、
   前記トランスの出力経路に接続される整流素子（５１、５２）と、
   前記整流素子と前記出力端との間に接続されるリアクトル（７）と、
   を備える電力変換器（１０１、１０２）に適用され、前記トランスの通電を制御する電力変換器制御装置であって、
   次にオン動作させる前記スイッチング素子である動作スイッチ、及び、当該動作スイッチのオン時間であるパルス幅を設定するパルス幅設定部（８１）と、
   前記パルス幅設定部が設定した動作スイッチ及びパルス幅に基づいて、前記複数のスイッチング素子を操作するゲートパルス信号を生成するゲートパルス信号生成部（８２）と、
   を有し、
   前記パルス幅設定部は、
   電圧パルスの半周期以上の期間にわたって前記スイッチング素子の動作が休止する休止期間の直前、又は、前記休止期間が終了し動作を再開する復帰時において、前記トランスに印加される電圧の正負のバランスを取るように動作スイッチ及びパルス幅を設定することを特徴とする電力変換器制御装置。
2. 前記パルス幅設定部は、
   現在のスイッチング動作を停止して前記休止期間に移行するように指令する停止信号を受信したとき、
   電圧パルスの印加により前記トランスに発生する磁束をゼロに近づけた状態で前記休止期間に移行するように、前記休止期間前における最後の電圧パルスであるラストパルスのパルス幅を設定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器制御装置。
3. 正負の電圧パルスがいずれもオフの期間中、又は、正負いずれかの電圧パルスのオン期間における中間時以前のタイミングに前記停止信号を受信したとき、
   前記パルス幅設定部は、
   前記ラストパルスのパルス幅を通常時のパルス幅の２分の１に設定することを特徴とする請求項２に記載の電力変換器制御装置。
4. 正負いずれかの電圧パルスのオン期間における中間時を過ぎたタイミングに前記停止信号を受信したとき、前記停止信号の受信と同時に現在の電圧パルスを途中でオフし、
   前記パルス幅設定部は、
   前記ラストパルスである次の反対極性の電圧パルスのパルス幅を、前記現在の電圧パルスが中間時を過ぎてオンした時間に相当するパルス幅に設定することを特徴とする請求項２に記載の電力変換器制御装置。
5. 前記パルス幅設定部は、
   前記休止期間を終了してスイッチング動作を再開するように指令する復帰信号を受信したとき、
   復帰初回のスイッチング動作において、前記休止期間前における最後の電圧パルスであるラストパルスとは反対の極性の電圧パルスを前記トランスに印加するように動作スイッチを設定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器制御装置。
6. 前記パルス幅設定部は、
   前記休止期間前に電圧パルスの印加によって前記トランスに発生した励磁電流及び磁束について、前記休止期間中の励磁電流の絶対値の減少によって生じる磁束の正負のアンバランスを補償するように復帰初回のパルス幅を設定することを特徴とする請求項５に記載の電力変換器制御装置。
7. トランス印加電圧と前記スイッチング素子のオン時間との積であるＥＴ積について、
   前記パルス幅設定部は、
   復帰時に残存しているＥＴ積の値に基づいて復帰初回のパルス幅を設定することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器制御装置。
8. 前記パルス幅設定部は、
   復帰時における励磁電流の値に基づいて、復帰初回のパルス幅を設定することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器制御装置。
9. トランス印加電圧と前記スイッチング素子のオン時間との積であるＥＴ積について、
   前記パルス幅設定部は、
   復帰時に残存しているＥＴ積の値が所定値以下の場合、ＥＴ積がリセットされていると判定し、定常動作開始時のパルス幅を設定することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の電力変換器制御装置。
10. 前記パルス幅設定部は、
    復帰初回以後の複数回のパルス幅を徐々に増加させるように設定することを特徴とする請求項５に記載の電力変換器制御装置。
11. 前記ラストパルスの情報を保存する記憶装置（８５）を有し、
    前記パルス幅設定部は、
    前記休止期間終了後の復帰時、前記記憶装置から読み出した前記ラストパルスの情報に基づいて動作スイッチ及びパルス幅を設定可能であることを特徴とする請求項５〜１０に記載の電力変換器制御装置。

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