JP2019129687A - 多相コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、多相コンバータの温度管理技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する多相コンバータ２は、並列に接続されている３個以上のコンバータ回路１０ａ−１０ｄと、夫々のコンバータ回路の温度を計測する温度センサ７ａ−７ｄと、温度センサの計測値に基づいてコンバータ回路を制御するコントローラ１７を備えている。コントローラ１７は、いずれかのコンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合、最も温度が高いコンバータ回路と２番目に温度が高いコンバータ回路の夫々の出力を残りのコンバータ回路の出力よりも下げるとともに、最も温度が高いコンバータ回路と２番目に温度が高いコンバータ回路を１８０度の位相差で駆動する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、複数の電圧コンバータ回路が並列に接続されている多相コンバータに関する。

複数の電圧コンバータ回路が並列に接続されている多相コンバータが知られている。特許文献１の多相コンバータは、特定の電圧コンバータ回路の温度が所定の温度閾値を超えた場合、その電圧コンバータ回路を停止し、残りの電圧コンバータ回路で目標出力を分担する。

特開２０１７−０９３２０２号公報

温度が温度閾値を超えた電圧コンバータ回路を完全に停止してしまうと、残りの電圧コンバータ回路で目標出力を分担することになり、２番目に温度が高かった電圧コンバータ回路の温度が上昇し易くなってしまう。多相コンバータにおける温度管理技術には改善の余地がある。

本明細書が開示する多相コンバータは、並列に接続されている３個以上の電圧コンバータ回路と、夫々の電圧コンバータ回路の温度を計測する温度センサと、温度センサの計測値に基づいて電圧コンバータ回路を制御するコントローラを備えている。コントローラは、いずれかの電圧コンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合、最も温度が高い電圧コンバータ回路と２番目に温度が高い電圧コンバータ回路の夫々の出力を残りの電圧コンバータ回路の出力よりも下げるとともに、最も温度が高い電圧コンバータ回路と２番目に温度が高い電圧コンバータ回路を１８０度の位相差で駆動する。

電圧コンバータの温度上昇の一つの要因は、電圧コンバータ回路のスイッチング素子のオンオフ動作に起因して発生するリプル電流である。リプル電流を抑制する一つの方法として、同タイプの電圧コンバータ回路を１８０度の位相差で駆動する方法がある。１８０度の位相差で２個の電圧コンバータ回路を駆動すると、互いのリプル電流の波形が打ち消し合うため、リプル電流が抑制される。本明細書が開示する多相コンバータでは、最も温度が高い電圧コンバータ回路と２番目に温度が高い電圧コンバータ回路の出力を同時に下げるとともに、それら２個の電圧コンバータ回路を１８０度の位相差で駆動することにより、両方の電圧コンバータ回路のリプル電流を相殺し、発熱を抑える。本明細書が開示する多相コンバータは、温度の高い２個の電圧コンバータ回路のリプル電流を相殺し、その２個の電圧コンバータの発熱を同時に抑制する。即ち、本明細書が開示する技術は、最も温度の高い電圧コンバータ回路だけでなく、２番目に温度の高い電圧コンバータ回路も同時に温度上昇を抑制することができる。

なお、特定の電圧コンバータの出力を別の電圧コンバータの出力よりも下げるには、例えば、特定の電圧コンバータのスイッチング素子に与えるデューティ比を、別の電圧コンバータのスイッチング素子に与えるデューティ比よりも小さくすればよい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の多相コンバータのブロック図である。 コントローラが実施するコンバータ回路制御のフローチャートである。 温度管理制御による電圧コンバータ回路の出力の変化の一例を示すタイムチャートである。

図面を参照して実施例の多相コンバータを説明する。実施例の多相コンバータは、電気自動車に搭載されている。図１に、多相コンバータ２を搭載した電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。図１における矢印付破線は信号線を意味している。

電気自動車１００は、走行用のモータ３２と、直流電源としての燃料電池２１及びバッテリ３４と、多相コンバータ２と、インバータ３１と、電力変換器３５を備えている。多相コンバータ２は、燃料電池２１の出力電圧を、モータ３２の駆動電圧まで昇圧してインバータ３１に供給する。電力変換器３５は、バッテリ３４の出力電力をモータ３２の駆動電圧まで昇圧してインバータ３１に供給する。インバータ３１は、多相コンバータ２及び電力変換器３５が出力した直流電力を交流電力に変換してモータ３２に供給する。

インバータ３１は、モータ３２が発電した交流電力を直流電力に変換する機能も有している。電力変換器３５は、インバータ３１によって変換された直流電力を降圧してバッテリ３４へ供給する機能も有している。電力変換器３５は、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器３５によって降圧された電力はバッテリ３４に蓄えられる。電力変換器３５は、燃料電池２１が出力する電力のうち、モータ３２の駆動に使われなかった余剰電力を降圧してバッテリ３４に蓄える場合もある。

多相コンバータ２は、４個の昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄと、コンデンサ２２、２４と、電流センサ２３と、電圧センサ２５と、コントローラ１７を備えている。以下では、説明の便宜上、昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄを、単純に、コンバータ回路１０ａ−１０ｄと称する。

４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄは、共通の入力端１２ａ、１２ｂと、共通の出力端１３ａ、１３ｂの間に並列に接続されている。４個のコンバータ回路１０ａ―１０ｄは、全て、入力される電力の電圧を昇圧して出力する機能を有している。すなわち、コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、それぞれ、燃料電池２１の出力電圧を、モータ３２の駆動電圧まで昇圧する。コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、全て、同じ構造を有している。

共通の入力端１２ａ、１２ｂの間にはコンデンサ２２が接続されており、共通の出力端１３ａ、１３ｂの間にはコンデンサ２４が接続されている。コンデンサ２２は、コンバータ回路１０ａ−１０ｄに入力される電流を平滑化し、コンデンサ２４は、コンバータ回路１０ａ−１０ｄから出力される電流を平滑化する。

コンバータ回路１０ａについて説明する。コンバータ回路１０ａは、スイッチング素子３ａと、ダイオード４ａ、６ａと、リアクトル５ａと、温度センサ７ａを備えている。リアクトル５ａの一端が入力端正極１２ａに接続されており、他端はダイオード６ａのアノードに接続されている。ダイオード６ａのカソードは出力端正極１３ａに接続されている。

コンバータ回路１０ａの入力端負極１２ｂと出力端負極１３ｂは直接に接続されている。リアクトル５ａとダイオード６ａの中間点と入力端負極１２ｂ（出力端負極１３ｂ）の間に、スイッチング素子３ａが接続されている。ダイオード４ａは、スイッチング素子３ａに対して逆並列に接続されている。

温度センサ７ａは、スイッチング素子３ａの温度を計測する。温度センサ７ａは、コンバータ回路１０ａのなかで、最も温度が高くなる箇所に配置されていればよい。温度センサ７ａは、例えば、スイッチング素子３ａのチップ内に備えられている。コンバータ回路１０ａのなかでリアクトル５ａの温度の方が重要である場合は、温度センサ７ａはリアクトル５ａに配置されてもよい。あるいは、スイッチング素子とリアクトルの双方に温度センサが備えられていても良い。

コンバータ回路１０ｂは、スイッチング素子３ｂと、ダイオード４ｂ、６ｂと、リアクトル５ｂと、温度センサ７ｂを備えている。コンバータ回路１０ｃは、スイッチング素子３ｃと、ダイオード４ｃ、６ｃと、リアクトル５ｃと、温度センサ７ｃを備えている。コンバータ回路１０ｄは、スイッチング素子３ｄと、ダイオード４ｄ、６ｄと、リアクトル５ｄと温度センサ７ｄを備えている。コンバータ回路１０ｂ−１０ｄの構造は、コンバータ回路１０ａの構造と同一である。

コンバータ回路１０ａ−１０ｄのスイッチング素子３ａ−３ｄは、トランジスタであり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子３ａ−３ｄは、コントローラ１７によって制御される。コントローラ１７は、所定のデューティ比の駆動信号をスイッチング素子３ａ−３ｄに供給する。スイッチング素子３ａ−３ｄの夫々が駆動信号のデューティ比でオンオフすると、入力端１２ａ、１２ｂに印加されている燃料電池２１の電力の電圧が昇圧されて、出力端１３ａ、１３ｂから出力される。別言すれば、コンバータ回路１０ａ（１０ｂ−１０ｄ）は、デューティ比で制御される電力変換用のスイッチング素子３ａ（３ｂ−３ｄ）によって入力電圧を昇圧する。

コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、同じ構造を有している。コントローラ１７は、所定のデューティ比の駆動信号をスイッチング素子３ａ−３ｄの夫々に供給する。ただし、コントローラ１７は、タイミングを異ならせて、スイッチング素子３ａ−３ｄの夫々に駆動信号を供給する。コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、タイミングは異なるが同じ動作をする。４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄが同じ動作をすることで、４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄの並列接続回路は、あたかもひとつのコンバータ回路のように動作する。

多相コンバータ２は、燃料電池２１から供給される電流（多相コンバータ２への入力電流Ｉｆｄｃ）を計測する電流センサ２３と、昇圧後の電圧（多相コンバータ２の出力電圧ＶＨ）を計測する電圧センサ２５を備えており、夫々のセンサの計測値はコントローラ１７へ送られる。コントローラ１７は、センサからのデータと、後述する上位コントローラ４０から送られる情報に基づいて、コンバータ回路１０ａ−１０ｄを制御する。

上位コントローラ４０には、アクセルペダル４２、ブレーキペダル４３が接続されており、それらのデバイスからの信号に基づいて多相コンバータ２のコントローラ１７に各種の情報を送る。上位コントローラ４０には、上記したデバイスのほか、車両のメインスイッチ（イグニッションスイッチ）なども接続されている。また、上位コントローラ４０は、多相コンバータ２だけでなく、燃料電池２１や電力変換器３５も制御する。上位コントローラ４０は、燃料電池２１の出力を制御することができる。特に、上位コントローラ４０は、アクセルペダル４２の操作量が大きい場合には、燃料電池２１の出力を大きくする。

多相コンバータ２の説明に戻る。多相コンバータ２のコントローラ１７は、入力電流Ｉｆｄｃ（燃料電池２１の出力電流）の大きさに応じて、駆動するコンバータ回路の数を調整する。具体的には、入力電流Ｉｆｄｃが大きくなるにつれて、駆動するコンバータ回路の数を増やす。入力電流Ｉｆｄｃの大きさに応じて駆動するコンバータ回路の数が相違するので、コンバータ回路１０ａ−１０ｄの温度が異なる場合がある。コントローラ１７は、コンバータ回路１０ａ−１０ｄのいずれかの温度が温度閾値を超えた場合、回路保護のため、温度が最も高いコンバータ回路の出力を制限する。コントローラ１７は、温度が最も高いコンバータ回路の出力を下げるだけでなく、２番目に温度が高いコンバータ回路の出力も同時に下げる。また、最も温度が高いコンバータ回路（温度閾値を超えているコンバータ回路）と２番目に温度が高いコンバータ回路を１８０度の位相差で駆動することで、双方のリプル電流を相殺し、温度上昇を抑える。

図２にコントローラ１７が実行するコンバータ回路制御のフローチャートを示す。コントローラ１７は、図２の処理を一定周期で実行する。なお、ここでは、燃料電池２１の出力が大きく、全てのコンバータ回路１０ａ−１０ｄを駆動する場合を想定する。

コントローラ１７は、温度センサ７ａ−７ｄから、各コンバータ回路の温度を取得する（ステップＳ２）。次に、コントローラ１７は、全ての温度を温度閾値と比較する（ステップＳ３）。全ての温度が温度閾値を下回っていたら、コントローラ１７は、全てのコンバータ回路１０ａ−１０ｄへの駆動指令に同一のデューティ比を設定する（ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ７）。そして、コントローラ１７は、駆動指令をコンバータ回路１０ａ−１０ｄへ順次送信し、コンバータ回路１０ａ−１０ｄを一定間隔で順次に駆動する（ステップＳ６）。ここでは、４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄを駆動するので、コントローラ１７は、位相差９０度でコンバータ回路１０ａ−１０ｄを順次に駆動する。

位相差とは、コントローラ１７の１制御周期を３６０度とし、順次に駆動するコンバータ回路の駆動タイミングの差を角度で表したものである。４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄを等間隔で順次に駆動する場合、位相差は９０度（＝３６０度／４）となる。１制御周期を記号Ｔｓで表すと、位相差９０度は、Ｔｓ／４の時間に対応する。

コントローラ１７が実行する処理の説明に戻る。ステップＳ３において、いずれかのコンバータ回路の温度が温度閾値を超えていた場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、コントローラ１７は、２番目に温度が高いコンバータ回路を、最も温度が高いコンバータ回路（温度閾値を超えているコンバータ回路）に対して１８０度の位相差で駆動されるようにコンバータ回路の駆動順を決定する（ステップＳ４）。さらにコントローラ１７は、最も温度が高いコンバータ回路と２番目に温度が高いコンバータ回路に指令するデューティ比を、他のコンバータ回路へ指令するデューティ比の７０％に設定する（ステップＳ５）。そして、４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄを順次に駆動する（ステップＳ６）。

最も温度の高いコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路を１８０度の位相差で駆動することで、両方のリプル電流が相殺され、それらのコンバータ回路の温度上昇が抑えられる。また、コントローラ１７は、最も温度の高いコンバータ回路と、２番目に温度の高いコンバータ回路のデューティ比を他のコンバータ回路のデューティ比よりも下げることで、最も温度の高いコンバータ回路と、２番目に温度の高いコンバータ回路の出力を制限し、温度上昇を抑える。特に、１８０度の位相差で駆動する２個のコンバータ回路に対して同じように出力を下げることで、双方のリプル電流が同じ大きさとなり、効果的に抑制される。その結果、リプル電流による温度上昇が効果的に抑えられる。

図３に図２の温度管理制御による４個のコンバータ回路の電流波形の変化の一例を示す。説明のため、グラフＧ１の電流を出力するコンバータ回路を第１相のコンバータ回路と称し、グラフＧ２の電流を出力するコンバータ回路を第２相のコンバータ回路と称し、グラフＧ３（Ｇ４）の電流を出力するコンバータ回路を第３相（第４相）のコンバータ回路と称する。時刻ｔ１から時刻ｔ５までが一制御周期に相当する。コントローラ１７は、１制御周期の間に、等間隔（時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）で、コンバータ回路１０ａ−１０ｄに順次に駆動指令を供給する。コントローラ回路１０ａ−１０ｄは、９０度の位相差で順次に駆動される。

今、第２相のコンバータ回路の温度が温度閾値を超えたと仮定する。その場合コントローラ１７は、２番目に温度の高いコンバータ回路を第４相に設定する。そして、第１相（最も温度の高いコンバータ回路）と第４相（２番目に温度の高いコンバータ回路）のデューティ比を下げる。その結果、第２相のコンバータ回路の出力はグラフＧ２からグラフＧ２ａに下がり、第４相のコンバータ回路の出力はグラフＧ４からグラフＧ４ａに下がる。グラフＧ２ａの出力電流に起因するリプル電流とグラフＧ４ａの出力電流に起因するリプル電流が相殺し、双方のコンバータ回路の温度上昇が抑制される。

実施例で説明した多相コンバータ２の動作と利点をまとめる。多相コンバータ２は、並列に接続された４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄと、コントローラ１７を備えている。コントローラ１７は、いずれかのコンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合、最も温度の高いコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路の出力を残りのコンバータ回路の出力よりも下げるとともに、２番目に温度の高いコンバータ回路を最も温度の高いコンバータ回路に対して１８０度の位相差で駆動する。なお、コントローラ１７は、最も温度の高いコンバータ回路に指令するデューティ比と、２番目に温度の高いコンバータ回路に指令するデューティ比を同じに設定する。別言すれば、コントローラ１７は、最も温度の高いコンバータ回路と、２番目に温度の高いコンバータ回路の出力を他のコンバータ回路の出力よりも下げるとともに、それら２個のコンバータ回路の出力を同じにする。

最も温度の高いコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路の出力を同じ割合で下げるとともに両者を１８０度の位相差で駆動することで、両者のリプル電流を相殺する。そうすることで、最も温度の高いコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路の温度を同時に下げることができる。また、実施例の多相コンバータ２は、最も温度の高いコンバータ回路を完全に停止するのではないので、他のコンバータ回路への負荷の増大を抑えることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。最も温度の高いコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路の出力を下げる場合、残りのコンバータ回路の出力を上げ、多相コンバータの出力を目標出力に維持することも好適である。

実施例では、並列に接続されている４個のコンバータ回路を駆動しているときに、ひとつのコンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合を例示した。本明細書が開示する技術は、３個のコンバータ回路、あるいは、５個のコンバータ回路を駆動する多相コンバータに適用することも可能である。その場合、温度閾値を超えたコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路を、１８０度の位相差となるタイミングで駆動し、残りのコンバータ回路は、別のタイミングで駆動すればよい。ただし、本明細書が開示する技術は、駆動するコンバータ回路の数が４ｎ個の多相コンバータに適用することが最もよい。４ｎ個のコンバータ回路を駆動する場合は、全てのコンバータ回路が等間隔で駆動されるともに、いずれのコンバータ回路も、１８０度の位相差の他のコンバータ回路と対をなすからである。

いずれかのコンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合に直ちに駆動順を変更できない場合には、駆動順を変更できる状態になったら、２番目に温度が高いコンバータ回路を最も温度の高いコンバータ回路に対して１８０度の位相差となる駆動タイミングに変更するようにしてもよい。例えば、車両が一時的に停止して、複数のコンバータ回路の駆動タイミングが一時的に乱れても影響がない場合に、コンバータ回路の駆動順を変更すればよい。あるいは、いずれかのコンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合、すぐには駆動順を変更せず、車両のメインスイッチが一旦オフにされ、再びオンにされたときに、最も温度の高いコンバータ回路と２番目に温度の高いコンバータ回路を１８０度の位相差で駆動するようにしてもよい。

実施例のコンバータ回路は昇圧コンバータであった。本明細書が開示する多相コンバータは、複数の降圧コンバータ回路が並列に接続されている多相コンバータに適用することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：多相コンバータ
３ａ−３ｄ：スイッチング素子
４ａ−４ｄ、６ａ−６ｄ：ダイオード
５ａ−５ｄ：リアクトル
７ａ−７ｄ：温度センサ
１０ａ−１０ｄ：昇圧コンバータ回路（コンバータ回路）
１７：コントローラ
２１：燃料電池
２２、２４：コンデンサ
２３：電流センサ
２５：電圧センサ
３１：インバータ
３２：モータ
３４：バッテリ
３５：電力変換器
４０：上位コントローラ
４２：アクセルペダル
４３：ブレーキペダル
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 並列に接続されており、３個以上の電圧コンバータ回路と、
   夫々の前記電圧コンバータ回路の温度を計測する温度センサと、
   前記温度センサの計測値に基づいて前記電圧コンバータ回路を制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   いずれかの前記電圧コンバータ回路の温度が温度閾値を超えた場合、最も温度が高い前記電圧コンバータ回路と２番目に温度が高い前記電圧コンバータ回路の夫々の出力を残りの前記電圧コンバータ回路の出力よりも下げるとともに、最も温度が高い前記電圧コンバータ回路と２番目に温度が高い前記電圧コンバータ回路を１８０度の位相差で駆動する、多相コンバータ。

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