JP2020072535A - 多相コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】多相コンバータにおいて、リアクトルの温度上昇を抑える技術を提供する。【解決手段】多相コンバータは、並列に接続された複数の電圧変換回路を備えており、前記複数の電圧変換回路の各々は、下アームに設けられているスイッチング素子と、上アームに設けられている整流素子と、前記スイッチング素子と前記整流素子の中間点に接続されているリアクトルと、を有しており、前記複数の電圧変換回路に設けられている複数の前記スイッチング素子の中で最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子と、前記複数の電圧変換回路に設けられている複数の前記リアクトルの中で最もリアクトル損失の大きいリアクトルと、が前記複数の電力変換回路の中の１つの電圧変換回路に設けられている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、複数の電圧変換回路が並列に接続された多相コンバータに関する。

複数の電圧変換回路が並列に接続された多相コンバータが知られており、その一例が特許文献１に開示されている。複数の電圧変換回路の各々は、下アームに設けられているスイッチング素子と、上アームに設けられている整流素子と、スイッチング素子と整流素子の中間点に接続されているリアクトルと、を有している。

このような多相コンバータでは、リアクトルでの発熱を抑えるために、スイッチング素子のキャリア周波数を増加させて、リプル電流の振幅を抑制することが行われている。

国際公開第２０１３／０１１５６０号

ところで、複数の電圧変換回路に設けられている複数のリアクトルは、製造ばらつきによってリアクトル損失が相違する。リアクトル損失は様々な要因に依存するが、例えばインダクタンスは、リプル電流の振幅に強く影響することから、リアクトル損失に大きく影響することが知られている。インダクタンスが小さいリアクトルは、リプル電流の振幅が大きく、リアクトル損失が大きくなる傾向にある。このように、複数の電圧変換回路に設けられている複数のリアクトルの中でリアクトル損失が相違していると、各相のリアクトルの発熱量がばらつき、リアクトル損失の大きいリアクトルの温度が他のリアクトルの温度よりも優位に上昇してしまう。

このような場合、上記したように、温度が上昇したリアクトルが設けられている相のスイッチング素子のキャリア周波数を増加させ、リプル電流の振幅を抑制し、発熱を抑える処理で対処することとなる。しかしながら、キャリア周波数を増加させると、スイッチング素子の発熱が増加するという問題がある。キャリア周波数は、スイッチング素子の耐熱が許容される上限値までしか増加させることができない。このため、キャリア周波数が上限値に達した場合には、リアクトルの温度上昇を抑えることができず、熱保護（出力制限）の動作が実行される。このような熱保護が早期に実行されると、多相コンバータの商品性が低下するという問題がある。

本願明細書は、多相コンバータにおいて、リアクトルの温度上昇を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する多相コンバータは、並列に接続された複数の電圧変換回路を備えることができる。前記複数の電圧変換回路の各々は、下アームに設けられているスイッチング素子と、上アームに設けられている整流素子と、前記スイッチング素子と前記整流素子の中間点に接続されているリアクトルと、を有することができる。前記複数の電圧変換回路に設けられている複数の前記スイッチング素子の中で最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子と、前記複数の電圧変換回路に設けられている複数の前記リアクトルの中で最もリアクトル損失の大きいリアクトルと、が前記複数の電力変換回路の中の１つの電圧変換回路に設けられている。

上記多相コンバータでは、最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子と最もリアクトル損失の大きいリアクトルとの組み合わせで電力変換回路が構成されている。すなわち、最もリアクトル損失の大きいリアクトルに対して、最も高いキャリア周波数で動作可能なスイッチング素子が割り当てられている。このため、最もリアクトル損失の大きいリアクトルに対応するスイッチング素子を最も高いキャリア周波数で動作させることができるので、そのリアクトルの温度上昇を抑えることができる。

本実施形態の燃料電池車のパワー系の回路構成図である。

図１は、燃料電池車２の電力系のブロック図である。燃料電池車２は、燃料電池１０と、燃料電池１０の出力電圧を昇圧する多相コンバータ２０と、多相コンバータ２０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ４０と、走行用のモータ５０と、制御部６０と、を備えている。燃料電池車２はさらに、バッテリ７０と昇降圧コンバータ８０を備えている。

制御部６０の処理を概説する。制御部６０は、車両のアクセル開度や車速からモータ５０の目標出力を決定し、モータ５０の出力がその目標出力となるように、燃料電池１０、多相コンバータ２０、インバータ４０及び昇降圧コンバータ８０を制御するように構成されている。

良く知られているように、燃料電池１０は供給する燃料に依存して出力電流と出力電圧が大きく変化する。即ち、燃料電池１０は供給する燃料に依存して出力電力が大きく変化する。例えば、本実施形態の燃料電池１０は出力電圧が３００ボルトから４００ボルトの間で変化する。多相コンバータは、入力電力に応じて駆動する電圧変換回路の個数を変えることができるので、入力電力が大きく変化するシステム（典型的には本実施形態のような燃料電池を使ったシステム）に好適である。

燃料電池１０の出力端には多相コンバータ２０が接続されている。多相コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧をモータ駆動電圧に昇圧する。モータ駆動電圧は、例えば６００ボルトである。多相コンバータ２０の出力であるモータ駆動電圧は、インバータ４０に供給される。インバータ４０は、直流電力をモータ５０の目標回転数に応じた周波数の交流に変換し、モータ５０へ供給する。

多相コンバータ２０は、並列に接続された複数の電圧変換回路３１−３４と、コンデンサ３０と、を有している。コンデンサ３０は、複数の電圧変換回路３１−３４に対して並列に接続されている。複数の電圧変換回路３１−３４の各々が、多相コンバータ２０を構成する１つの相に対応する。このように、本実施形態の多相コンバータ２０は、４相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）で構成されている。なお、これは一例であり、多相コンバータ２０を構成する相数は特に限定されるものではない。

複数の電圧変換回路３１−３４の各々は同じ回路構成を有しているので、代表して電圧変換回路３１について説明する。電圧変換回路３１は、リアクトル２２Ｕ、スイッチング素子２４Ｕ、ダイオード２６Ｕ、２８Ｕ、及び、温度センサ２９Ｕを有している。スイッチング素子２４Ｕとダイオード２８Ｕが直列に接続されている。スイッチング素子２４Ｕは、下アームに設けられており、そのエミッタが多相コンバータ２０の負極端子（接地端子）に接続しており、そのコレクタがダイオード２８Ｕのアノードに接続している。ダイオード２６Ｕは、スイッチング素子２４Ｕに対して逆並列に接続されている。ダイオード２６Ｕは、スイッチング素子のＯＦＦへの切換時の逆流電流を逃がすために設けられている。スイッチング素子２４Ｕについては、ＩＧＢＴを例示しているが、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。ダイオード２８Ｕは、上アームに設けられており、そのアノードがスイッチング素子２４Ｕのコレクタに接続しており、そのカソードが多相コンバータ２０の高電圧側（インバータ側）の正極端子に接続している。スイッチング素子２４Ｕとダイオード２８Ｕの中間点にリアクトル２２Ｕの一端が接続している。リアクトル２２Ｕの他端は多相コンバータ２０の低電圧側の正極端子に接続している。温度センサ２９Ｕは、リアクトル２２Ｕの温度を測定するように構成されている。温度センサ２９Ｕで測定された温度は、制御部６０に送信される。

この電圧変換回路３１の構成は良くしられており、スイッチング素子２４Ｕのゲートに加えるＰＷＭ信号を適宜に調整することにより、低電圧側に接続されている燃料電池１０の出力電圧を昇圧して高電圧側（インバータ側）に出力することができる。

昇降圧コンバータ８０は、バッテリ７０から出力された出力電圧を昇圧してインバータ４０に供給する機能と、インバータ４０から出力された出力電圧を降圧してバッテリ７０に供給する機能を有している。このように、昇降圧コンバータ８０は、バッテリ７０の充放電を実行することができる。バッテリ７０と昇降圧コンバータ８０は、多相コンバータ２０を補助して電力をインバータ４０に供給するとともに、余剰電力を充電することができる。

このような燃料電池車２では、モータ５０の目標出力に応じて、電圧変換回路３１−３４の各々のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘに所定のデューティ比のＰＷＭ信号が供給され、電圧変換回路３１−３４の各々のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのスイッチングが制御される。これにより、多相コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧を目標出力電圧に昇圧することができる。

多相コンバータ２０が動作すると、リアクトル２２Ｕ−２２Ｘに電流が流れ、リアクトル２２Ｕ−２２Ｘが発熱する。スイッチング素子２４Ｕ−２４Ｕのキャリア周波数を増加させると、対応するリアクトル２２Ｕ−２２Ｘのリプル電流の振幅が低下し、対応するリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの温度上昇が抑制される。したがって、制御部６０は、複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの各々の温度を監視し、その温度に基づいてスイッチング素子２４Ｕ−２９Ｕのキャリア周波数を調整している。

ここで、リアクトル２２Ｕ−２２Ｘの発熱量は、リアクトル損失に依存する。リアクトル損失は様々な要因に依存するが、例えばインダクタンスは、リプル電流の振幅に強く影響することから、リアクトル損失に大きく影響することが知られている。インダクタンスが小さいリアクトル２２Ｕ−２２Ｘは、リプル電流の振幅が大きく、リアクトル損失が大きくなる傾向にある。リアクトル２２Ｕ−２２Ｘのインダクタンスの大きさには、製造ばらつきが存在する。このため、複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの間には、インダクタンスの大きさにばらつきが発生している。この結果、複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの中で最もインダクタンスが小さいリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの温度が他のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの温度よりも優位に上昇してしまう。

多相コンバータ２０では、複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの中で最もインダクタンスが小さいリアクトル２２Ｕ−２２Ｘに対して、最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘが割り当てられている。この例では、複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの中でリアクトル２２Ｘが最もインダクタンスが小さい。このため、スイッチング素子２４Ｘが複数のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｕの中で最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子である。

複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘのインダクタンスは、多相コンバータ２０を製造する前に測定され、その測定値に基づいてリアクトル２２Ｘが最もインダクタンスが小さいと特定されてもよい。複数のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのスイッチング損失も、多相コンバータ２０を製造する前に測定され、その測定値に基づいてスイッチング素子２４Ｘが最もスイッチング損失が小さいと特定されてもよい。複数のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのスイッチング損失については、製造前の測定に代えて、半導体材料によって特定することもできる。この例では、スイッチング素子２４Ｘが炭化珪素（ＳｉＣ）を材料として形成されたスイッチング素子であり、他のスイッチング素子２２Ｕ−２２Ｗがシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されたスイッチング素子である。半導体材料の固有の性質として、炭化珪素を材料として形成されたスイッチング素子２４Ｘのスイッチング損失は、シリコンを材料として形成されたスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｗのスイッチング損失よりも低い。このため、複数のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘの中でスイッチング素子２４Ｘが最もスイッチング損失が小さいと特定される。

このように、多相コンバータ２０では、最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子２４Ｘと最もリアクトル損失の大きいリアクトル２２Ｘとの組み合わせで電力変換回路３４が構成されている。すなわち、最もリアクトル損失の大きいリアクトル２２Ｘに対して、最も高いキャリア周波数で動作可能なスイッチング素子２４Ｘが割り当てられている。このため、最もリアクトル損失の大きいリアクトル２２Ｘに対応するスイッチング素子２４Ｘを最も高いキャリア周波数で動作させることができるので、そのリアクトル２２Ｘの温度上昇を抑えることができる。この結果、複数のリアクトル２２Ｕ−２２Ｘの間で温度上昇が平準化され、熱保護（出力制限）の動作が実行されるのを遅らせることができる。これにより、多相コンバータ２０は、熱保護（出力制限）の動作が早期に頻発することが回避され、高い商品性を有することができる。

なお、多相コンバータが、炭化珪素を材料として形成されたスイッチング素子のみで構成することも考えられる。しかしながら、炭化珪素を材料として形成されたスイッチング素子は、シリコンを材料として形成されたスイッチング素子よりも高価であり、多相コンバータの製造コストを上昇させてしまう。本実施形態の多相コンバータ２０では、複数のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのうちの１つのスイッチング素子２４Ｘのみが炭化珪素を材料として形成されたスイッチング素子であり、低い製造コストで製造することができる。なお、全てのスイッチング素子が炭化珪素を材料として形成されている場合であれば、その中でも最もスイッチング損失が小さいスイッチング素子を最もリアクトル損失が大きいリアクトルが設けられている相に割り当てれば、熱保護（出力制限）の動作が実行されるのをより遅らせることができ、より高い商品性を有することができる。

上記で例示した多相コンバータ２０は、入力電圧（燃料電池１０の出力電圧）を昇圧して出力する昇圧タイプであった。本明細書が開示する技術は、昇降圧タイプの多相コンバータに適用することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、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するものであり、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：燃料電池車
１０：燃料電池
２０：多相コンバータ
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ、２２Ｘ：リアクトル
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ、２４Ｘ：スイッチング素子
２６Ｕ、２６Ｖ、２６Ｗ、２６Ｘ、２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗ、２８Ｘ：ダイオード
２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗ、２９Ｘ：温度センサ
３０：コンデンサ
３１、３２、３３、３４：電圧変換回路
４０：インバータ
５０：モータ
６０：コントローラ
７０：バッテリ
８０：昇降圧コンバータ

Claims (1)

1. 並列に接続された複数の電圧変換回路を備える多相コンバータであって、
   前記複数の電圧変換回路の各々は、
   下アームに設けられているスイッチング素子と、
   上アームに設けられている整流素子と、
   前記スイッチング素子と前記整流素子の中間点に接続されているリアクトルと、を有しており、
   前記複数の電圧変換回路に設けられている複数の前記スイッチング素子の中で最もスイッチング損失の小さいスイッチング素子と、前記複数の電圧変換回路に設けられている複数の前記リアクトルの中で最もリアクトル損失の大きいリアクトルと、が前記複数の電力変換回路の中の１つの電圧変換回路に設けられている、多相コンバータ。

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