JP5188367B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、１次側と２次側との間に、スイッチング素子を有し電圧変換を行う相アームが複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置及びその制御方法に関する。

１次側に接続された直流電源の直流電圧を、２次側に接続された負荷の定格電圧に対応するよう電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、負荷が重くなると１次側の直流電源からスイッチング素子を通じて２次側に通過する電流が増加する。

この電流の増加に応じて、スイッチング素子の発熱が大きくなる。スイッチング素子は、過発熱に至ると破壊するおそれがある。

スイッチング素子の熱による破壊を防止するための技術が提案されている（特許文献１）。

この特許文献１に係る技術では、スイッチング素子の温度が所定温度に上昇したとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を構成するスイッチング素子を通過する電流を絞る（抑制する）ように構成されている。

特開平５−２８４７３７号公報

しかしながら、スイッチング素子の通過電流を絞ると、負荷の電力要求を満足することができなくなるため、負荷により実施される仕事がパワー不足に陥るおそれがある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の通過電力を抑制することなく、スイッチング素子の温度上昇を抑制することを可能とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、１次側と２次側との間に、スイッチング素子を有し電圧変換を行う相アームが複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、前記スイッチング素子の素子温度を検出する温度センサと、検出された前記素子温度の上昇に伴い、１相アームのみの駆動から複数の相アームの交替駆動に制御を切り替える制御部と、を備え、前記素子温度が上昇していないときに駆動される前記１相アームを固定の相アームとし、当該固定した相アームのスイッチング素子の電力定格を、他の相アームのスイッチング素子の電力定格よりも大きく設定することを特徴とする。

また、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の制御方法は、１次側と２次側との間に、スイッチング素子を有し電圧変換を行う相アームが複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置の制御方法であって、前記スイッチング素子の素子温度を検出し、検出された前記素子温度の上昇に伴い、１相アームのみの駆動から複数の相アームの交替駆動に制御を切り替える際、前記素子温度が上昇していないときに駆動される前記１相アームが固定の相アームとされ、当該固定した相アームのスイッチング素子の電力定格が、他の相アームのスイッチング素子の電力定格よりも大きく設定され、検出された前記素子温度の上昇に伴い、前記１相アームのみの駆動から複数の前記相アームの交替駆動に制御を切り替えることを特徴とする。

上述した各発明によれば、スイッチング素子の温度上昇に応じて、１相アームのみの駆動（運転）から相アーム交替駆動（運転）に切り替えることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過電力を抑制することなく、スイッチング素子の温度上昇を抑制することができると共に、前記素子温度が上昇していないときに駆動される前記１相アームを固定の相アームとし、当該固定した相アームのスイッチング素子の電力定格を、他の相アームのスイッチング素子の電力定格よりも大きく設定するようにしている。このように、最も頻繁に駆動される固定の１相アームのスイッチング素子の電力定格を、他の相アームのスイッチング素子の電力定格よりも大きく設定することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の寿命（平均故障時間）を長くすることができる。

この場合、前記制御部は、検出された前記素子温度の上昇に伴い、１相アームのみの駆動（運転）から２相アームの交替駆動（運転）、さらに３相アームの交替駆動（運転）に制御を切り替えるようにすることで、複数アームが３相アームである場合の制御の切り替え順が明確になる。

なお、制御を切り替える際の温度閾値にヒステリシスを持たせることで、制御切り替え時の温度変動による切り替えチャタリングが発生することを防止し、切り替え制御を安定化させることができる。

この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の通過電力を抑制することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を構成するスイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。

以下、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置の駆動方法を実施するＤＣ／ＤＣコンバータ装置が適用された車両等の実施形態について図面を参照して説明する。

Ａ．全体的な構成の説明
［全体構成］
図１は、この実施形態に係る燃料電池車両１０の概略全体構成図を示している。

この燃料電池車両１０は、基本的には、１次側１Ｓに１次電圧Ｖ１を発生する第１直流電源装置としてのバッテリ１２と２次側２Ｓに２次電圧Ｖ２を発生する第２直流電源装置としての燃料電池（Fuel Cell）１４とから構成されるハイブリッド直流電源装置と、このハイブリッド直流電源装置から電力が供給される負荷である走行用のモータ１６とから構成される。

［燃料電池とそのシステム］
燃料電池１４は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池１４には、反応ガス供給部１８が配管を通じて接続されている。反応ガス供給部１８は、一方の反応ガスである水素（燃料ガス）を貯留する水素タンクと、他方の反応ガスである空気（酸化剤ガス）を圧縮するコンプレッサを備えている。反応ガス供給部１８から燃料電池１４に供給された水素と空気の燃料電池１４内での電気化学反応により生成された発電電流がモータ１６とバッテリ１２に供給される。

燃料電池システム１１は、燃料電池１４及び反応ガス供給部１８とこれらを制御する燃料電池制御部（ＦＣ制御部）４４とから構成される。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ］
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、一方側が１次側１Ｓに接続されたバッテリ１２に接続され、他方側が燃料電池１４とモータ１６との接続点である２次側２Ｓに接続されたチョッパ型の電圧変換装置である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次電圧Ｖ１を２次電圧Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２）に電圧変換（昇圧変換）するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に電圧変換（降圧変換）する昇降圧型の電圧変換装置である。

［インバータとモータ及びドライブ系］
インバータ２２は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流を２次側２ＳからＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通じて１次側１Ｓに供給し、バッテリ１２を充電等する。

モータ１６は、トランスミッション２４を通じて車輪２６を回転する。なお、実際上、インバータ２２とモータ１６を併せて負荷２３という。

［高圧バッテリ］
１次側１Ｓに接続される高圧(High Voltage)のバッテリ１２は、蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

［各種センサ、メインスイッチ及び通信線］
メインスイッチ（電源スイッチ）３４と各種センサ３６が通信線３８に接続される。メインスイッチ３４は、燃料電池車両１０及び燃料電池システム１１をオン（起動又は始動）オフ（停止）するイグニッションスイッチとしての機能を有する。各種センサ３６は、車両状態及び環境状態等の状態情報を検出する。通信線３８としては、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等が使用される。

［制御部］
通信線３８に対して、統合制御部４０、ＦＣ制御部４４、モータ制御部４６、コンバータ制御部４８、及びバッテリ制御部５２が相互に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、このＤＣ／ＤＣコンバータ２０を制御するコンバータ制御部４８とによりＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０が形成される。

各制御部４０、４４、４６、４８、５２は、それぞれマイクロコンピュータを含み、メインスイッチ３４等の各種スイッチ及び各種センサ３６の状態情報を検出するとともに制御部４０、４４、４６、４８、５２同士で共有し、これらスイッチ及びセンサからの状態情報及び互いに他の制御部からの情報（指令等）を入力とし、各ＣＰＵがメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する機能実現部（機能実現手段）として動作する。制御部４０、４４、４６、４８、５２は、ＣＰＵ、メモリの他、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。

Ｂ．詳細な構成の説明
［ＤＣ／ＤＣコンバータ装置］
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の詳細な構成を示している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される３相の相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡと、リアクトル９０とから構成される。

Ｕ相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｕとダイオード８３ｕ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｕとダイオード８４ｕ）とで構成される。

Ｖ相アームＶＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｖとダイオード８３ｖ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｖとダイオード８４ｖ）とで構成される。

Ｗ相アームＷＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１ｗとダイオード８３ｗ）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２ｗとダイオード８４ｗ）とで構成される。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗには、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

リアクトル９０は、各相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡの中点（共通接続点）とバッテリ１２の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗは、コンバータ制御部４８から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨ、ＶＨ、ＷＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗは、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬ、ＶＬ、ＷＬのハイレベルによりそれぞれオンにされる。なお、コンバータ制御部４８は、１次側平滑コンデンサ９４に並列に設けられた電圧センサ９１により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ１０１により１次電流Ｉ１を検出し、２次側平滑コンデンサ９６に並列に設けられた電圧センサ９２により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１０２により２次電流Ｉ２を検出する。

上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗには、それぞれ温度センサ６９が取り付けられ、上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと下アームスイッチング素子８２ｕ、８２ｖ、８２ｗのそれぞれの検出温度Ｔｕｈ（８１ｕ）、Ｔｖｈ（８１ｖ）、Ｔｗｈ（８１ｗ）、Ｔｕｌ（８２ｕ）、Ｔｖｌ（８２ｖ）、Ｔｗｌ（８２ｗ）は、コンバータ制御部４８により検出される。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作］
（３相アーム交替駆動動作：３相運転ともいう。）
図３のタイムチャートは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の３相アーム交替駆動動作の説明図である。

降圧動作（回生動作）に係る降圧チョッパ制御では、負荷２３や燃料電池１４から流れ出す２次電流Ｉ２がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過して１次電流Ｉ１としてバッテリ１２を充電等する。昇圧動作（力行動作）に係る昇圧チョッパ制御では、バッテリ１２から流れ出す１次電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過し２次電流Ｉ２としてモータ１６を含む負荷２３が駆動される。

スイッチング周期を２π＝Ｔ、上下アームスイッチング素子８１、８２に対してハイレベルの駆動信号が送信される期間をＴｏｎとすると、デッドタイムｄｔを無視すれば、降圧チョッパ制御での駆動デューティ（ＯＮデューティ）は、（１）式で表され、昇圧チョッパ制御での駆動デューティは、（２）式で表される。
Ｔｏｎ／Ｔ＝Ｖ１／Ｖ２ …（１）
Ｔｏｎ／Ｔ＝（１−Ｖ１／Ｖ２） …（２）

駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬの波形中、ハッチングを付けた期間は、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬが供給されているアームスイッチング素子（例えば、駆動信号ＵＨに対応するアームスイッチング素子は上アームスイッチング素子８１ｕ）が通流している（電流が流れている）期間を示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれの動作の場合にも、１スイッチング周期２π毎に、同じ相の上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）及び下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）にハイレベルの駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬを出力する。また、駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは、ＵＶＷ相を交替（ローテーション）して出力する。降圧チョッパ制御では、上アームスイッチング素子８１（８１ｕ〜８１ｗ）を通流させ、昇圧チョッパ制御では、下アームスイッチング素子８２（８２ｕ〜８２ｗ）を通流させる。

この場合、上下アームスイッチング素子８１、８２間が同時に通流して２次電圧Ｖ２が短絡することを防止するために、各駆動信号ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬは、それぞれデッドタイムｄｔを挟んでハイレベルとするようにしている。すなわち、デッドタイムｄｔを挟んで、いわゆる同期スイッチングを行っている。

降圧チョッパ制御では、まず、駆動信号ＵＨにより上アームスイッチング素子８１ｕ（Ｕ相）のみが通流している期間には、２次電流Ｉ２が上アームスイッチング素子８１ｕを通じてリアクトル９０に１次電流Ｉ１として流れ、リアクトル９０にエネルギが蓄積されるとともに、バッテリ１２に充電される。

次に、駆動信号ＵＬのみがハイレベルとなっている期間には、当該下アームスイッチング素子８２ｕは通流せず、ダイオード８４ｕ、８４ｖ、８４ｗが導通してリアクトル９０に蓄積されているエネルギが放出され、バッテリ１２に充電される。以下、同様に、Ｖ相、Ｗ相と繰り返す。

昇圧チョッパ制御では、まず、駆動信号ＵＬ（Ｕ相）のみがハイレベルとされている期間（ハッチングで示す期間）には、バッテリ１２からの１次電流Ｉ１によりリアクトル９０にエネルギが蓄積される。なお、このとき、２次側平滑コンデンサ９６から負荷２３に電流が供給されている。

次に、駆動信号ＶＨ（Ｖ相）のみがハイレベルとされている期間には、当該上アームスイッチング素子８１ｖは通流せず、ダイオード８３ｕ、８３ｖ、８３ｗが導通してリアクトル９０に蓄積されているエネルギが放出され、リアクトル９０からの１次電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ２０を通過し、２次電流Ｉ２として２次側平滑コンデンサ９６を充電するとともに、負荷２３に供給される。以下、同様にＶ相、Ｗ相と繰り返す。

すなわち、３相アーム交替駆動動作では、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡとが交替してスイッチングする。

（２相アーム交替駆動動作：２相運転ともいう。）
図４のタイムチャートは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の２相アーム交替駆動動作の説明図である。

図４から分かるように、２相アーム交替駆動動作では、Ｕ相アームＵＡとＶ相アームＶＡが交替してスイッチングする。Ｗ相アームＷＡは、オフ状態となっている。

（１相アーム駆動動作：通常運転ともいう。）
図５のタイムチャートは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の１相アーム駆動動作の説明図である。

図５から分かるように、１相アーム駆動動作では、Ｕ相アームＵＡのみがスイッチングする。Ｖ相アームＶＡとＷ相アームＷＡは、オフ状態となっている。

Ｃ．動作説明
次に、スイッチング素子の温度に応じたＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０のコンバータ制御部４８による駆動方法について図６のフローチャート、図７の特性図（マップ、遷移図）、及び図８のフローチャートを参照しながら説明する。これらのフローチャート及び特性図は、コンバータ制御部４８中のメモリに予め格納されている。

図７の特性図は、例として、通常時Ｕ相アームＵＡのみを使用した制御の相アームの切り替え方を示している。相アームを切り替える際には閾値温度Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ４（Ｔｔｈ１＜Ｔｔｈ２＜Ｔｔｈ３＜Ｔｔｈ４）でヒステリシスを持たせている。横軸は、図２に示す他６個の温度センサ６９による検出温度Ｔｕｈ（８１ｕ）、Ｔｖｈ（８１ｖ）、Ｔｗｈ（８１ｗ）、Ｔｕｌ（８２ｕ）、Ｔｖｌ（８２ｖ）、Ｔｗｌ（８２ｗ）中の最大温度Ｔｍａｘの値が参照される。

メインスイッチ３４（図１参照）のオフからオンへの操作が通信線３８を通じてコンバータ制御部４８により検出されると、図６のステップＳ１の運転前確認処理において、通常運転フラグＦ１、２相運転フラグＦ２、及び３相運転フラグＦ３がいずれもオフになっているかどうかが判定される（Ｆ１＝ＯＦＦ、Ｆ２＝ＯＦＦ、Ｆ３＝ＯＦＦ）。

ステップＳ１の判定が否定的であるとき、１相運転中であると推定されるが、さらに、ステップＳ２において、通常運転フラグＦ１＝ＯＮ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦになっているかどうかが判定される。

ステップＳ１及びステップＳ２の判定が肯定的であるとき、ステップＳ３において、第１最大温度Ｔｍａｘ１が算出される。第１最大温度Ｔｍａｘ１は、Ｕ相アームＵＡの検出温度Ｔｕｈ（８１ｕ）又は検出温度Ｔｕｌ（８２ｕ）のいずれかの最大温度（大きい値の温度）である。

次いで、ステップＳ４において、第１最大温度Ｔｍａｘ１が図７に示す閾値温度Ｔｔｈ２以下であるかどうかが判定され、以下である場合には、１相運転が確定され、ステップＳ５において、フラグの組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＮ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦの組み合わせに設定される。

ステップＳ４において、第１最大温度Ｔｍａｘ１が閾値温度Ｔｔｈ２を上回っている場合には、２相運転が確定され、ステップＳ６において、フラグの組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＮ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦに設定される。

次いで、ステップＳ７において、設定されたフラグの組み合わせに基づいてコンバータ制御部４８からＤＣ／ＤＣコンバータ２０に対して出力される駆動信号の出力パターンが決定され、該出力パターンによりＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が制御される。このステップＳ７の制御処理については後述する。

上述したステップＳ２の判定が否定的であるとき、２相運転中であると推定されるが、さらに、ステップＳ８において、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＮ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦになっているかどうかが判定される。

ステップＳ８の判定が肯定的であるとき、ステップＳ９において、第２最大温度Ｔｍａｘ２が算出される。第２最大温度Ｔｍａｘ２は、Ｕ相アームＵＡとＶ相アームＶＡのスイッチング素子の検出温度Ｔｕｈ（８１ｕ）、検出温度Ｔｕｌ（８２ｕ）、検出温度Ｔｖｈ（８１ｖ）、検出温度Ｔｖｌ（８２ｖ）中の最大温度である。

次いで、ステップＳ１０において、第２最大温度Ｔｍａｘ２が図７に示す閾値温度Ｔｔｈ４以下であるかどうかが判定され、以下である場合には、さらにステップＳ１１において、前記の第２最大温度Ｔｍａｘ２が閾値温度Ｔｔｈ１以下であるかどうかが判定され、以下である場合には、ステップＳ１２において、１相運転が確定され、フラグの組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＮ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦの組み合わせに設定される。

ステップＳ１１において、第２最大温度Ｔｍａｘ２が閾値温度Ｔｈ１を上回っている場合、ステップＳ８の２相運転中のフラグ設定の組み合わせ、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＮ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦが確定する。

また、ステップＳ１０において、第２最大温度Ｔｍａｘ２が閾値温度Ｔｔｈ４を上回っている場合には、ステップＳ１３において、３相運転が確定され、フラグの組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＮに設定される。

次いで、ステップＳ７において、設定されたフラグの組み合わせに基づいてコンバータ制御部４８からＤＣ／ＤＣコンバータ２０に対して出力される駆動信号の出力パターンが決定され、該出力パターンによりＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が制御される。このステップＳ７の制御処理については後述する。

上述したステップＳ８の判定が否定的であるとき、３相運転中であると推定されるが、さらに、ステップＳ１４において、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＮになっているかどうかが判定される。

ステップＳ１４の判定が肯定的であるとき、ステップＳ１５において、第３最大温度Ｔｍａｘ３が算出される。第３最大温度Ｔｍａｘ２は、Ｕ相アームＵＡ、Ｖ相アームＶＡ、及びＷ相アームＷＡの全てのスイッチング素子の検出温度Ｔｕｈ（８１ｕ）、検出温度Ｔｕｌ（８２ｕ）、検出温度Ｔｖｈ（８１ｖ）、検出温度Ｔｖｌ（８２ｖ）、検出温度Ｔｗｈ（８１ｗ）、検出温度Ｔｗｌ（８２ｗ）中の最大温度である。

次いで、ステップＳ１５において、第３最大温度Ｔｍａｘ３が閾値温度Ｔｔｈ３以下であるかどうかが判定され、以下である場合には、ステップＳ１６において、２相運転が確定され、フラグの組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＮ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦの組み合わせに設定される。

ステップＳ１５において、第３最大温度Ｔｍａｘ３が閾値温度Ｔｈ３を上回っている場合、ステップＳ１４の３相運転中のフラグ設定の組み合わせである、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＮの組み合わせを確定する。

ステップＳ１４の判定が否定的であるときには、フラグ設定の組み合わせが不明のままステップＳ７の制御処理にすすむ。

次いで、ステップＳ７において、上記のように設定されたフラグの組み合わせに基づいてコンバータ制御部４８からＤＣ／ＤＣコンバータ２０に対して出力される駆動信号の出力パターンが決定され、該出力パターンによりＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が、１相運転の場合には図５の１相アーム駆動動作、２相運転の場合には図４の２相アーム交替駆動動作、３相運転の場合には図３の３相アーム交替駆動動作のいずれかに制御される。

図８のフローチャートは、ステップＳ７の出力パターン決定・制御処理の詳細フローを示している。

ステップＳ７ａにおいて、フラグ設定の組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦである場合には、不定であり、再度ステップＳ１にもどる。

ステップＳ７ａにおいて、フラグ設定の組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦでない場合には、１相運転中のフラグ設定の組み合わせ、通常運転フラグＦ１＝ＯＮ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦであるかどうかが判定され、１相運転フラグ設定の組み合わせであった場合には、ステップＳ７ｃにおいて、出力パターンが１相（Ｕ相）制御と決定され、上述した１相アーム駆動動作、すなわち通常運転動作でＤＣ／ＤＣコンバータ２０が制御される（図５参照）。

ステップＳ７ｂの判定において、１相運転フラグ設定の組み合わせでない場合には、ステップＳ７ｄにおいて、フラグ設定の組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＮ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＦＦであるかどうかが判定され、２相運転フラグ設定の組み合わせであった場合には、ステップＳ７ｅにおいて、出力パターンが２相（Ｕ相とＶ相）交替駆動制御と決定され、上述した２相アーム交替駆動動作でＤＣ／ＤＣコンバータ２０が制御される（図４参照）。

ステップＳ７ｄの判定において、２相運転フラグ設定の組み合わせでない場合には、ステップＳ７ｆにおいて、フラグ設定の組み合わせが、通常運転フラグＦ１＝ＯＦＦ、２相運転フラグＦ２＝ＯＦＦ、且つ３相運転フラグＦ３＝ＯＮであるかどうかが判定され、３相運転フラグ設定の組み合わせであった場合には、ステップＳ７ｇにおいて、出力パターンが３相（Ｕ相とＶ相とＷ相）交替駆動制御と決定され、上述した３相アーム交替駆動動作でＤＣ／ＤＣコンバータ２０が制御される（図３参照）。

ステップＳ７ｆの判定が否定的である場合には、フラグ設定の組み合わせが、不明であるものとして、再度ステップＳ１から制御を繰り返す。

Ｄ．まとめ
以上説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に、スイッチング素子８１ｕ、８２ｕ、８１ｖ、８２ｖ、８１ｗ、８２ｗを有し電圧変換を行う相アームＵＡ、ＶＡ、ＷＡが３相並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２０である。なお、２相、例えば相アームＵＡと相アームＶＡのみが並列的接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであってもこの発明を適用することができる。

さらにＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０は、スイッチング素子８１ｕ、８２ｕ、８１ｖ、８２ｖ、８１ｗ、８２ｗの素子温度を検出する温度センサ６９と、検出された素子温度Ｔｕｈ、Ｔｕｌ、Ｔｖｈ、Ｔｖｌ、Ｔｗｈ、Ｔｗｌの上昇に伴い、１相アームＵＡのみの駆動から複数の相アーム（２相の場合には、相アームＵＡと相アームＵＶ）の交替駆動に制御を切り替えるコンバータ制御部４８と、を備える。

このように、スイッチング素子８１ｕ、８２ｕ、８１ｖ、８２ｖ、８１ｗ、８２ｗの温度上昇に応じて、１相アームＵＡのみの駆動（運転）から相アーム交替駆動（運転）に切り替えることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の通過電力を抑制することなく、スイッチング素子８１ｕ、８２ｕ、８１ｖ、８２ｖ、８１ｗ、８２ｗの温度上昇を抑制することができる。

この場合、コンバータ制御部４８は、検出された素子温度Ｔｕｈ、Ｔｕｌ、Ｔｖｈ、Ｔｖｌ、Ｔｗｈ、Ｔｗｌの上昇に伴い、１相アームＵＡのみの駆動（運転）から２相アーム（ＵＡ／ＶＡ）の交替駆動（運転）、さらに３相アーム（ＵＡ／ＶＡ／ＷＡ）の交替駆動（運転）に制御を切り替えるようにすることで、３相アームである場合の制御の切り替え順が明確になる。

なお、制御を切り替える際の温度閾値Ｔｔｈ１、Ｔｔｈ２、Ｔｔｈ３、Ｔｔｈ４にヒステリシスを持たせているので、制御切り替え時の温度変動による切り替えチャタリングが発生することを防止し、切り替え制御を安定化させることができる。

また、素子温度Ｔｕｈ、Ｔｕｌ、Ｔｖｈ、Ｔｖｌ、Ｔｗｈ、Ｔｗｌが上昇していないとき（Ｔｍａｘ１≦Ｔｔｈ１）に駆動される前記１相アームＵＡを固定の相アームとし、当該固定した１相アームＵＡのスイッチング素子８１ｕ、８２ｕの電力定格を、他の相アームＶＡ、ＷＡのスイッチング素子８１ｖ、８２ｖ、８１ｗ、８２ｗの電力定格よりも大きく設定することが好ましい。このように、最も頻繁に駆動される固定の１相アームＵＡのスイッチング素子８１ｕ、８２ｕの電力定格を、他の相アームＵＶ、ＵＷのスイッチング素子８１ｖ、８２ｖ、８１ｗ、８２ｗの電力定格よりも大きく設定することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の寿命（平均故障時間）を長くすることができる。

さらに、電力定格の同じスイッチング素子を使用する場合には、当該ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０のメインスイッチ３４がオン状態とされる毎に、素子温度が上昇していないときに駆動される前記１相アームを他の１相アームに切り替えて駆動するようにしてもよい（前回相アームＵＡが通常相アームとして駆動されていた場合には、今回相アームＶＡを通常相アームとして駆動する等。）。このように、１相アームのみ駆動される当該相アームを、メインスイッチ３４がオン状態とされる毎に切り替えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０の寿命（平均故障時間）を長くすることができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

例えば、図９の他の実施形態に示すように、上アームスイッチング素子８１ｕ、８１ｖ、８１ｗと、下アームのダイオード８４ｕ、８２ｖ、８２ｗを省略した昇圧型の３相同期スイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５０ａにも同様に適用することができる。昇圧型の２相同期スイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータ装置にも同様に適用することができ、降圧型の複数相同期スイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータ装置にも適用できることはいうまでもない。

この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の概略全体構成図である。 この実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの詳細な構成を示す回路図である。 ３相アーム交替駆動動作の説明に供されるタイムチャートである。 ２相アーム交替駆動動作の説明に供されるタイムチャートである。 １相アーム駆動動作の説明に供されるタイムチャートである。 スイッチング素子の温度に応じたＤＣ／ＤＣコンバータ装置の駆動方法の説明に供されるフローチャートである。 素子温度の最大値と駆動相数の関係を示す特性図である。 出力パターン決定・制御処理の詳細フローチャートである。 他の実施形態の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池車両 １１…燃料電池システム
１２…バッテリ １４…燃料電池
１６…モータ ２０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４８…コンバータ制御部 ５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置

Claims (4)

1. １次側と２次側との間に、スイッチング素子を有し電圧変換を行う相アームが複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置であって、
   前記スイッチング素子の素子温度を検出する温度センサと、
   検出された前記素子温度の上昇に伴い、１相アームのみの駆動から複数の相アームの交替駆動に制御を切り替える制御部と、を備え、
   前記素子温度が上昇していないときに駆動される前記１相アームを固定の相アームとし、当該固定した相アームのスイッチング素子の電力定格を、他の相アームのスイッチング素子の電力定格よりも大きく設定する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
2. 請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記制御部は、検出された前記素子温度の上昇に伴い、１相アームのみの駆動から２相アームの交替駆動、さらに３相アームの交替駆動に制御を切り替える
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. 請求項１又は２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   制御を切り替える際の温度閾値にヒステリシスを持たせる
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
4. １次側と２次側との間に、スイッチング素子を有し電圧変換を行う相アームが複数並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置の制御方法であって、
   前記スイッチング素子の素子温度を検出し、
   検出された前記素子温度の上昇に伴い、１相アームのみの駆動から複数の相アームの交替駆動に制御を切り替える際、前記素子温度が上昇していないときに駆動される前記１相アームが固定の相アームとされ、当該固定した相アームのスイッチング素子の電力定格が、他の相アームのスイッチング素子の電力定格よりも大きく設定され、検出された前記素子温度の上昇に伴い、前記１相アームのみの駆動から複数の前記相アームの交替駆動に制御を切り替える
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置の制御方法。

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