JP5862366B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

入力直流電源と、この入力直流電源の両極間に接続されるＰチャネル及びＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタによりブリッジ型インバータ回路自体の２個のアームを形成し、Ｐチャネル及びＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート電圧をそれぞれ生成する各アームに接続される１対の分圧用抵抗と、１対の分圧抵抗の中間接続点と入力直流電源の一方の極間に接続される各アームのＰチャネル及びＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタをそれぞれスイッチングする駆動用スイッチング素子とを備えているブリッジ型インバータ回路が知られている（特許文献１）。

特開平６−１４１５５８号公報

しかしながら、スイッチング素子のオン、オフのデューティ比に応じて、複数のスイッチング素子のうち、特定のスイッチング素子の損失が大きくなるため、当該特定のスイッチング素子の温度が高くなる可能性があった。

本発明が解決しようとする課題は、特定のスイッチング素子の温度上昇を抑制する電力変換装置を提供することである。

本発明は、直列接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、直列接続された第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子とを有するブリッジ回路を備え、所定のタイミングで、第１スイッチング素子のデューティ比と第２スイッチング素子のデューティ比を入れ替え、第３スイッチング素子のデューティ比と第４スイッチング素子のデューティ比を入れ替えるによって上記課題を解決する。

本発明は、所定のタイミングを含む所定の期間において、スイッチング素子間の損失の大小が抑制されるため、特定のスイッチング素子で損失が大きくならず、その結果として、当該特定のスイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。 図１の電力変換装置における、（ａ）はスイッチング素子の指令値とキャリアとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はスイッチング素子のスイッチング信号の波形を示すグラフであり、（ｃ）はブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。 図１のスイッチング素子のデューティ比に対するスイッチング素子の損失の特性を示すグラフである。 図１の電力変換装置における、（ａ）はスイッチング素子の指令値とキャリアとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はスイッチング素子のスイッチング信号の波形を示すグラフであり、（ｃ）はブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。 図１のコントローラ１００の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。 図６のスイッチング素子のデューティ比に対する電流特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。 図８のブリッジ回路の回路図である。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。 図１０の電力変換装置における、（ａ）はスイッチング素子の指令値とキャリアとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はスイッチング素子のスイッチング信号の波形を示すグラフであり、（ｃ）はブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置のブロックである。本例の電力変換装置は、電気自動車等の車両に搭載され、車両に搭載されたバッテリの電力を変換して、負荷であるモータ等に供給するためのインバータ装置である。以下、電気自動車を例に説明するが、本例の電力変換装置は車両以外の他の装置に適用してもよい。

電力変換装置は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、ダイオードＤ１〜Ｄ６及びコントローラ１００及び駆動回路２００を備えている。また、電力変換装置は、車両の電力源となるバッテリ１と、モータなどの共振性負荷２との間に接続されている。バッテリ１は、リチウムイオン電池などの二次電池を複数直列に接続した電池であり、電力変換装置に対して直流電力を供給する。共振性負荷２は、インダクタンスＬ_１とコンデンサＣ_１との組み合わせからなる負荷であり、本例の電力変換装置から供給される交流電力で動作する。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。ダイオードＤ１〜Ｄ４は、還流ダイオード（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）である。以下、本例ではスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４としてＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いた例を説明する。

スイッチング素子Ｑ１の高電位側であるドレイン端子はバッテリ１の正極側に接続された電源線Ｐに接続され、スイッチング素子Ｑ１の低電位側であるソース端子は、スイッチング素子Ｑ２の高電位側であるドレイン端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ２の低電位側であるソース端子はバッテリ１の負極側に接続された電源線Ｎに接続されている。

スイッチング素子Ｑ３の高電位側であるドレイン端子はバッテリ１の正極側に接続された電源線Ｐに接続され、スイッチング素子Ｑ３の低電位側であるソース端子は、スイッチング素子Ｑ４の高電位側であるドレイン端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ４の低電位側であるソース端子はバッテリ１の負極側に接続された電源線Ｎに接続されている。

これにより、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２は、電線線Ｐ、Ｎを介して、バッテリ１の両極間に直列に接続され、スイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子Ｑ４は、電線線Ｐ、Ｎを介して、バッテリ１の両極間に直列に接続されている。

ダイオードＤ１のカソード端子はスイッチング素子Ｑ１のドレイン端子に接続され、ダイオードＤ１のアノード端子はスイッチング素子Ｑ１のソース端子に接続されている。ダイオードＤ２〜Ｄ４についても、同様に、各ダイオードＤ２〜Ｄ４のカソード端子が、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ４のドレイン端子にそれぞれ接続され、各ダイオードＤ２〜Ｄ４のアノード端子が、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ４のソース端子にそれぞれ接続されている。これにより、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に、それぞれ逆並列に接続されている。

またスイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１との並列回路に対して、並列にスナバ回路１１が接続されている。同様に、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ４とダイオードＤ２〜Ｄ４の各並列回路に、スナバ回路１２〜１４がそれぞれ接続されている。スナバ回路は、抵抗とコンデンサの直列回路で形成されている。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２の接続点（中点）、及び、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４の接続点（中点）が出力となり、共振性負荷２の一端がスイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点に接続され、共振性負荷２の他端がスイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続点に接続されている。

すなわち、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４及びダイオードＤ１〜Ｄ４で形成される回路がＨブリッジ回路となり、Ｈブリッジ回路はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作によりバッテリ１から入力される直流電力を交流電力に変換して共振性負荷２に出力する。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、温度センサ３１〜３４が設けられている。温度センサ３１はスイッチング素子Ｑ１の温度を検出し、温度センサ３２〜３４はスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ４の温度を検出する。温度センサ３１〜３４の検出値は、コントローラ１００に出力される。

コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作を制御し、駆動回路２００を制御する制御部であり、検出部１０１、判断部１０２、スイッチング信号生成部１０３を有している。

検出部１０１は、温度センサ３１〜３４の出力値から、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度を検出する回路である。判断部１０２は、検出部１０１からの出力に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度と、予め設定されている閾値温度（Ｔｃ）とを比較する。閾値温度（Ｔｃ）は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を過温からする保護ために予め設定された温度であって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御方式を切り換えるための温度である。

判断部１０２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度のうち、いずれかの検出温度が閾値温度以上である場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を過温から保護するための保護制御が必要であると判断する。一方、判断部１０２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度が閾値温度より低い場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度は適温の範囲内であると判断し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を通常通りに制御すればよいと判断する。そして、判断部１０２は、この判断結果をスイッチング信号生成部１０３に出力する。

スイッチング信号生成部１０３は、コントローラ１００の外部から入力される要求トルクに基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をスイッチング動作させるためのスイッチング信号を生成し、駆動回路２００に送信する。コントローラ１００は、ＰＷＭ制御によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御する。そのため、スイッチング信号生成部１０３は、三角波などのキャリアと、要求されたトルクに基づく指令値を比較することで、スイッチング信号のデューティ比を設定する。要求トルクは、車両の運転手のアクセル操作による、アクセル開度に基づいて、車両コントローラ（図示しない）により設定されるトルク値（Ｔｄ）である。要求トルク（Ｔｄ）は車両コントローラからコントローラ１００に入力される。

また、スイッチング信号生成部１０３は、外部からの要求トルクに加えて、判断部１０２からの判断結果に基づいて、スイッチング信号を生成する。判断部１０２により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が適温の範囲内で動作していると判断された場合には、スイッチング信号生成部１０３は、上記の通り、要求トルクにより算出された指令値とキャリアとの比較による通常のＰＷＭ制御で、スイッチング信号を生成する。一方、判断部１０２により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度が閾値温度（Ｔｃ）以上であると判断された場合には、スイッチング信号生成部１０３は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を保護するために、所定のタイミングで、上アームのスイッチング素子Ｑ１のデューティ比と下アームのスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替え、上アームのスイッチング素子Ｑ３のデューティ比と下アームのスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替えて、スイッチング信号を生成する。なお、コントローラ１００による通常のスイッチング制御及びスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の保護制御については、後述する。

駆動回路２００は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン及びオフを切り換えるために回路であり、スイッチング信号生成部１０３で生成されたスイッチング信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動させる。駆動回路２００は、スイッチング信号生成部１０３のスイッチング信号に基づいて、スイッチング信号Ｑ１〜Ｑ４のゲート端子に、ゲート信号を出力する。

コントローラ１００によるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の通常の制御について、図２を用いて説明する。図２の（ａ）は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の指令値とキャリアとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング信号の波形を示すグラフであり、（ｃ）はブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。なお、各グラフの横軸は時間を示している。また、（ａ）、（ｂ）に示す丸印は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンとオフとを切り換えるタイミングを示している。

スイッチング素子Ｑ１の指令値及びスイッチング素子Ｑ３の指令値は、要求トルクに応じてブリッジ回路から負荷に供給すべき電力の大きさにより設定され、指令値はキャリアに対して一定の出力レベルで表される。そして、以下のように、キャリアと指令値を比較することで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン、オフの切り換えるデューティ比を設定する。デューティ比は、スイッチン信号の周期に対してオン時間の比率を示す。

スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２のスイッチング信号について、キャリア信号の値がスイッチング素子Ｑ１の指令値より高い場合には、スイッチング素子Ｑ１をオンに、スイッチング素子Ｑ２をオフにする。一方、キャリア信号の値がスイッチング素子Ｑ１の指令値より低い場合には、スイッチング素子Ｑ１をオフに、スイッチング素子Ｑ２をオンにする。

スイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子Ｑ４のスイッチン信号について、キャリア信号の値がスイッチング素子Ｑ３の指令値より高い場合には、スイッチング素子Ｑ４をオンに、スイッチング素子Ｑ３をオフにする。一方、キャリア信号の値がスイッチング素子Ｑ３の指令値より低い場合には、スイッチング素子Ｑ３をオフに、スイッチング素子Ｑ４をオンにする。

また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング信号に対して、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング信号は、キャリア周期の半周期分ずれている。

すなわち、キャリアとスイッチング素子Ｑ１の指令値との比較で生成される矩形波が、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング信号となり、当該矩形波の上下を反転させた矩形波が、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング信号となる。また、キャリアとスイッチング素子Ｑ３の指令値との比較で生成される矩形波が、スイッチング素子Ｑ３のスイッチング信号となり、当該矩形波の上下を反転させた矩形波が、スイッチング素子Ｑ４のスイッチング信号となる。

ブリッジ回路からの出力を調整するためには、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を調整すればよく、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のオン時間の幅を短くすれば、ブリッジ回路からの出力は小さくなるように制御される。出力の開始時で、ブリッジ回路からの出力がゼロの場合には、スイッチング素子Ｑ１の指令値はキャリアの山の頂点のレベルとなり、スイッチング素子Ｑ３の指令値は、キャリアの谷の頂点のレベルとなり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のデューティ比は０パーセントになる。そして、徐々に出力電圧を上げるためには、スイッチング信号生成部１０３は、スイッチング素子Ｑ１の指令値をキャリアの山の頂点のレベルから下げて、スイッチング素子Ｑ３の指令値をキャリアの谷の頂点のレベルから上げる。この時、スイッチング素子Ｑ１の指令値のレベルの下げ幅と、スイッチング素子Ｑ１の指令値のレベルの上げ幅は同じである。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のデューティ比を同じにしつつ、高い値に設定する。

上記の通り、コントローラ１００は、要求トルクに応じて、ブリッジ回路から負荷に供給すべき電力によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の指令値を設定し、キャリアと比較することで、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を設定し、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング信号を生成して出力する。なお、図２及び上記説明において、説明を簡単にするために、スイッチング素子Ｑ１（Ｑ３）とスイッチング素子Ｑ２（Ｑ４）とを共にオフにするデットタイムは省略されている。

ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比と損失との関係について、図３を用いて説明する。図３は、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比に対する、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の損失特性、ダイオードＤ１、Ｄ２の損失特性及びスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の平均損失特性を示すグラフである。グラフａはスイッチング素子Ｑ１の損失特性であり、グラフｂはスイッチング素子Ｑ２の損失特性であり、グラフｃはスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の平均の損失特性であり、グラフｄはダイオードＤ１の損失特性であり、グラフｅはダイオードＤ２の損失特性である。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のデューティ比を０パーセントから１００パーセントまで間で変化させると、ブリッジ回路の出力電力は、デューティ比を５０パーセントに設定した場合に最も高くなる。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の性質として、スイッチング損失が発生することが知られている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンにする際の損失は、逆回復損失やスナバ損失などの損失を含み、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオフにする際の損失よりも大きくなる。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比が５０パーセントでない場合には、スイッチング素子Ｑ１（Ｑ３）又はスイッチング素子Ｑ２（Ｑ４）のいずれか一方のスイッチング素子のオン時間が、他方のスイッチング素子のオン時間より長くなる。またオン時間が長い方のスイッチング素子には、共振性負荷２による還流、共振を含めた電流が当該オン時間に流れるため損失が大きくなる。ゆえに、デューティ比の長い方のスイッチング素子の方が、デューティ比の短い方のスイッチング素子と比較して損失が大きくなる。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２について、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比を１０パーセントから９０パーセントまで変化させた場合に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の損失は、図３のグラフａ、ｂで表される。スイッチング素子Ｑ１の損失は、５０パーセントより高いデューティ比で最大となり、スイッチング素子Ｑ２の損失は、５０パーセントより低いデューティ比で最大となる。そのため、出力電力をゼロから最大値まで上げる制御を、上記の通常制御下で行った場合には、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比が５０パーセントに達する前に、スイッチング素子Ｑ２の損失が大きくなることで、スイッチング素子Ｑ２の温度が他のスイッチング素子の温度と比較して高くなり、スイッチング素子Ｑ１の温度が閾値温度を大きく超えて過温状態になる可能性がある。

さらに、上記と同様に、出力電力をゼロから最大値まで上げる制御を、上記の通常制御下で行った場合に、スイッチング素子Ｑ２の損失が最大になった時（デューティ比が３５〜３９パーセントの場合）には、スイッチング素子Ｑ２の温度が閾値温度（Ｔｃ）より低かったとしても、その後、デューティ比が５０パーセントに近づくにつれて、スイッチング素子Ｑ２の温度はさらに高くなる。そのため、スイッチング素子Ｑ２の温度が閾値温度（Ｔｃ）を越える可能性がある。

本例は、以下のような保護制御により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度が閾値温度を超えて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が過温状態になることを抑制する。図４を用いて、コントローラ１００による、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の保護制御について説明する。なお、図４の時間（ｔ_ｐ）の前後で、外部からの要求トルクは変わらず、ブリッジ回路の出力電圧を変えないように制御する。図４の（ａ）は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の指令値とキャリアとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング信号の波形を示すグラフであり、（ｃ）はブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。なお、各グラフの横軸は時間を示している。また、（ａ）、（ｂ）に示す丸印は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンとオフとを切り換えるタイミングを示している。

検出部１０１は、温度センサ３１〜３４の検出値を用いて所定の周期でスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度を検出し、判断部１０２は温度センサ３１〜３４の検出値と閾値温度（Ｔｃ）とを比較する。スイッチング信号生成部１０３は、外部から入力される要求トルクからブリッジ回路から負荷に供給すべき電力を算出し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング信号を生成するためのスイッチング素子Ｑ１の指令値及びスイッチング素子Ｑ３の指令値を設定する。

図４において、時間（ｔ_ｐ）までは、温度センサ３１〜３４の検出温度が閾値温度（Ｔｃ）より低い。スイッチング信号生成部１０３は、判断部１０２の出力から、温度センサ３１〜３４の検出温度が閾値温度（Ｔｃ）より低いと判断された場合には、キャリアの山の頂点のレベルから共振性負荷２への供給電力に応じた値分、下げたレベルに、スイッチング素子Ｑ１の指令値を設定し、キャリアの谷の頂点のレベルから共振性負荷２への供給電力に応じた値分、上げたレベルにスイッチング素子Ｑ３の指令値を設定する。

スイッチング信号生成部１０３は、スイッチング素子Ｑ１の指令値とキャリアとを比較して、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比（Ｄ_Ｑ１ａ）及びスイッチング素子Ｑ２のデューティ比（Ｄ_Ｑ２ａ）を設定し、スイッチング素子Ｑ３の指令値とキャリアとを比較して、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比（Ｄ_Ｑ３ａ）及びスイッチング素子Ｑ４のデューティ比（Ｄ_Ｑ４ａ）を設定する。デューティ比（Ｄ_Ｑ１ａ）はデューティ比（Ｄ_Ｑ３ａ）と同じデューティ比に設定され、デューティ比（Ｄ_Ｑ２ａ）はデューティ比（Ｄ_Ｑ４ａ）と同じデューティ比に設定される。

そして、スイッチング信号生成部１０３は、各デューティ比（Ｄ_Ｑ１ａ、Ｄ_Ｑ２ａ、Ｄ_Ｑ３ａ、Ｄ_Ｑ４ａ）を示すスイッチング信号を駆動回路２００に出力する。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度が閾値温度（Ｔｃ）より低い場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、上記の通常制御の下で制御される。

図４における時間（ｔ_ｐ）の時点で、温度センサ３１〜３４の検出温度は閾値温度（Ｔｃ）以上になる。スイッチング信号生成部１０３は、判断部１０２の出力から、温度センサ３１〜３４の検出温度が閾値温度（Ｔｃ）以上であると判断された場合には、キャリアの山の頂点のレベルから、共振性負荷２への供給電極に応じた値分、下げたレベルに、スイッチング素子Ｑ３の指令値を設定し、キャリアの谷の頂点のレベルから、共振性負荷２への供給電極に応じた値分、上げたレベルにスイッチング素子Ｑ１の指令値を設定する。すなわち、時間（ｔ_ｐ）より前に設定したスイッチング素子Ｑ１の指令値を、時間（ｔ_ｐ）より後のスイッチング素子Ｑ３の指令値に入れ替えて、時間（ｔ_ｐ）より前に設定したスイッチング素子Ｑ３の指令値を、時間（ｔ_ｐ）より後のスイッチング素子Ｑ１の指令値に入れ替える。

そして、スイッチング信号生成部１０３は、入れ替わった後のスイッチング素子Ｑ１の指令値とキャリアとを比較して、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比（Ｄ_Ｑ１ｂ）及びスイッチング素子Ｑ２のデューティ比（Ｄ_Ｑ２ｂ）を設定し、入れ替わった後のスイッチング素子Ｑ３の指令値とキャリアとを比較して、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比（Ｄ_Ｑ３ｂ）及びスイッチング素子Ｑ４のデューティ比（Ｄ_Ｑ４ｂ）を設定する。

指令値の入れ替えにより、スイッチング素子Ｑ１のオン時間とオフ時間は、時間（ｔ_ｐ）より前のスイッチング素子Ｑ１のオン時間及びオフ時間に対して反転した時間となり、時間ｔ_ｐ後のスイッチング素子Ｑ１のデューティ比（Ｄ_Ｑ１ｂ）は、時間ｔ_ｐ前のスイッチング素子Ｑ２のデューティ比（Ｄ_Ｑ２ａ）と同じ値になる。また、スイッチング素子Ｑ２のオン時間とオフ時間は、時間（ｔ_ｐ）より前のスイッチング素子Ｑ２のオン時間及びオフ時間に対して反転した時間となり、時間ｔ_ｐ後のスイッチング素子Ｑ２のデューティ比（Ｄ_Ｑ２ｂ）は、時間ｔ_ｐ前のスイッチング素子Ｑ１のデューティ比（Ｄ_Ｑ１ａ）と同じ値になる。同様に、時間ｔ_ｐ後のスイッチング素子Ｑ３のデューティ比（Ｄ_Ｑ３ｂ）は、時間ｔ_ｐ前のスイッチング素子Ｑ４のデューティ比（Ｄ_Ｑ４ａ）と同じ値になり、時間ｔ_ｐ後のスイッチング素子Ｑ４のデューティ比（Ｄ_Ｑ４ｂ）は、時間ｔ_ｐ前のスイッチング素子Ｑ３のデューティ比（Ｄ_Ｑ３ａ）と同じ値になる。

また、時間（ｔ_ｐ）後も、デューティ比（Ｄ_Ｑ１ａ）はデューティ比（Ｄ_Ｑ３ａ）と同じデューティ比に設定され、デューティ比（Ｄ_Ｑ２ａ）はデューティ比（Ｄ_Ｑ４ａ）と同じデューティ比に設定される。そのため、図４（ｃ）に示すように、時間（ｔ_ｐ）の前後で出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）の電圧波形は同じになる。

これにより、スイッチング信号生成部１０３は、所定のタイミングの直前に設定したスイッチング素子Ｑ１のデューティ比を、所定のタイミングの直後のスイッチング素子Ｑ２のデューティ比に設定し、所定のタイミングの直前に設定したスイッチング素子Ｑ２のデューティ比を、所定のタイミングの直後のスイッチング素子Ｑ１のデューティ比に設定し、所定のタイミングの直前に設定したスイッチング素子Ｑ３のデューティ比を、所定のタイミングの直後のスイッチング素子Ｑ４のデューティ比に設定し、所定のタイミングの直前に設定したスイッチング素子Ｑ４のデューティ比を、所定のタイミングの直後のスイッチング素子Ｑ３のデューティ比に設定に設定する。そして、スイッチング信号生成部１０３は、入れ替わった後の各デューティ比のスイッチング信号を駆動回路２００に出力する。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との間において、時間（ｔ_ｐ）前後のデューティ比の入れ替えによる温度変化について、説明する。デューティ比の高い側のスイッチング素子Ｑ２は、デューティ比を入れ替えることで、デューティ比が低くなるため、スイッチング素子Ｑ２の損失が減少し、スイッチング素子の温度上昇が抑制される。一方、デューティ比の入れ替え前に、デューティ比が低かった方のスイッチング素子Ｑ１は、デューティ比を入れ替えることで、スイッチング素子Ｑ１の損失は大きくなる。

しかし、時間（ｔｐ）まで、スイッチング素子Ｑ１は低いデューティ比により動作していたため、時間（ｔｐ）の時点で、スイッチング素子Ｑ１の温度はスイッチング素子Ｑ２の温度より低い。そのため、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比を高くしても、スイッチング素子Ｑ１の温度を閾値温度（Ｔｃ）より低くした状態で、スイッチング動作を継続することができる。また、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との間におけるデューティ比の入れ替えについても、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と同様に、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の温度を閾値温度（Ｔｃ）より低くした状態で、スイッチング動作を継続することができる。

これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度上昇を抑制しつつ、電力変換装置のシステム全体の出力を継続して出すことができる。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比の入れ替えによる、上記の保護制御を行った場合には、図３のグラフｃに示すように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の損失を平均化させていることと等価になるため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を最大出力まで出せることができる。

次に、図５を用いて、本例のコントローラ１００の制御フローを説明する。図５はコントローラ１００の制御手順を示すフローチャートである。なお、図５に示す制御は所定の周期で繰り返し行われている。

ステップＳ１にて、スイッチング信号生成部１０３は、外部からの要求トルク（Ｔｄ）を入力して、当該トルクを共振性負荷２から出力すべく、共振性負荷２への供給電力に応じた指令値を設定する。ステップＳ２にて、検出部１０１は温度センサ３１〜３４の検出値から、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度を検出し、検出温度を判断部１０２に送信する。ステップＳ３にて、判断部１０２は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度と閾値温度（Ｔｄ）とを比較し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、いずれか一つのスイッチング素子の検出温度が閾値温度以上になったか否かを判断し、判断結果をスイッチング生成部１０３に送信する。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、いずれか一つのスイッチング素子の検出温度が閾値温度以上になった場合には、ステップＳ４にて、スイッチング生成部１０３は、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のデューティ比と、下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のデューティ比とを入れ替える制御を行う。具体的には、スイッチング生成部１０３は、ステップＳ１で設定したスイッチング素子Ｑ３の指令値をスイッチング素子Ｑ１の指令値に設定し、ステップＳ１で設定したスイッチング素子Ｑ１の指令値をスイッチング素子Ｑ３の指令値に設定する。

ステップＳ５にて、スイッチング信号生成部１０３は、設定された指令値とキャリアとを比較することで、スイッチング信号を生成し、駆動回路２００に送信する。ステップＳ６にて、駆動回路２００は、ステップＳ５のスイッチング信号に基づき、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート信号を、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート端子に送信することで、スイッチング制御を行う。

ステップＳ３に戻り、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度が閾値温度より低い場合には、ステップＳ５に遷り、ステップＳ５にて、スイッチング生成部１０３は、ステップＳ１で設定された指令値を用いて、スイッチング信号を生成する。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度が閾値温度より低い場合には、通常制御下で、スイッチング制御が行われる。

上記のように、本例は、所定のタイミングで、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替え、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。これにより、当該所定のタイミングを含む期間において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失の大小を抑制することで、温度の高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失を低減し、温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を継続して増加させることができる。

また本例は、温度センサ３１〜３４の検出温度が閾値温度（Ｔｃ）より高くなった場合に、デューティ比を切り換える所定のタイミングである、と判断する。これにより、閾値温度（Ｔｃ）以上のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度上昇が緩やかになるため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が過温状態になることを防ぐことができる。

また、図３に示す特性はシミュレーションの一例であり、共振性負荷２を用いた場合には、共振点の変動により損失の発生状況が変動するため、シミュレーション結果よりも更に大きな損失の偏りが発生する可能性がある。そのため、ブリッジ回路の最大出力時に合わせて、ヒートシンクなどの冷却器の冷却能力を設計すると、図３に示すように、デューティ比が５０パーセントではない場合に、スイッチング素の損失が最大になり、また共振性負荷の共振点の変動により最大出力よりも小さな出力の時にスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度が最大になるため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度が設計上の上限温度を超えてしまう可能性がある。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度上昇に余裕をもたせて、冷却能力を高くして設計することも考えられるが、装置の大型化や冷却器のコストが高くなるなどの問題が生じる。

本例では、上記のように、所定のタイミングでデューティ比を入れ替えることで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度上昇を抑制するため、ブリッジ回路の動作時の、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の最大温度を従来よりも低くすることができる。その結果として、冷却器の小型化及びコストダウンを実現することができる。

なお、本例では、デューティ比の値に関わらず、温度センサ３１〜３４の検出値に基づいて、デューティ比を入れ替える制御を行ったが、デューティ比が所定の範囲内である場合に、温度センサ３１〜３４の検出値に基づいて、デューティ比を入れ替える制御を行ってもよい。

上記のスイッチング素子Ｑ１が本発明の「第１スイッチング素子」に、スイッチング素子Ｑ２が本発明の「第２スイッチング素子」に、スイッチング素子Ｑ３が本発明の「第３スイッチング素子」に、スイッチング素子Ｑ４が本発明の「第４スイッチング素子」に、コントローラ１００が本発明の「制御部」に、スイッチング素子Ｑ１の指令値が「第１指令値」に、スイッチング素子Ｑ３の指令値が「第２指令値」に相当する。

《第２実施形態》
図６は、発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。本例では上述した第１実施形態に対して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を流れる電流を検出する電流センサを設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。

図６に示すように、本例の電力変換装置は電流センサ４１〜４４を備えている。電流センサ４１は、スイッチング素子Ｑ１のソース電流を検出するセンサであり、スイッチング素子Ｑ１のソース端子と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点との間に接続されている。電流センサ４２は、スイッチング素子Ｑ２のドレイン電流を検出するセンサであり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点とスイッチング素子Ｑ２のドレイン端子との間に接続されている。

センサ４３はスイッチング素子Ｑ３のソース電流を検出するセンサであり、センサ４４はスイッチング素子Ｑ４のドレイン電流を検出するセンサである。センサ４３はスイッチング素子Ｑ３のソース端子とスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点との間に接続され、センサ４４はスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点とスイッチング素子Ｑ４のドレイン端子との間に接続されている。

センサ４１〜４４の検出電流は、各センサから検出部１０１に送信される。検出部１０１は、電流センサ４１〜４４の出力値から、各スイッチング素子に流れる電流を検出し、検出電流と予め設定されている閾値電流（Ｉｃ）とを比較する。閾値電流（Ｉｃ）は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を過温から保護するために予め設定された電流値である。

ここで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に流れる電流とデューティ比との関係について、図７を用いて説明する。図７は、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比に対するスイッチング素子Ｑ１の電流特性及びスイッチング素子Ｑ２の電流特性を示すグラフである。図７のグラフａがスイッチング素子Ｑ１の電流特性、グラフｂはスイッチング素子Ｑ２の電流特性である。

図７に示すように、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比に対して、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に流れる電流には偏りがある。スイッチング素子Ｑ１のデューティ比を０パーセントから５０パーセントまで徐々に挙げた場合に、スイッチング素子Ｑ２の電流はスイッチング素子Ｑ１の電流より高くなるため、スイッチング素子Ｑ２の温度の上昇度はスイッチング素子Ｑ１の温度の上昇度よりも高くなる。

すなわち、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の電流は、図３に示す、デューティ比と損失との特性と対応させて考えることができるため、本例はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が過温状態にならないような、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の電流の上限値を、閾値電流（Ｉｃ）で規定する。そして、本例は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を過温から保護する保護制御の切り替えのタイミングを、閾値電流（Ｉｃ）で規定する。

次に、図６を用いて、本例のコントローラ１００の制御について説明する。判断部１０２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出電流と閾値電流（Ｉｃ）とを比較し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出電流のうち、いずれか一つの検出電流が閾値電流（Ｉｃ）以上になったか否かを判断し、判断結果をスイッチング信号生成部１０３に送信する。

スイッチング信号生成部は、外部の要求トルクに応じて共振性負荷２への供給電極からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング信号を生成するための指令値と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング信号を生成するための指令値とを設定する。判断部１０２からの出力信号により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出電流が閾値電流（Ｉｃ）より低い場合には、設定した指令値とキャリアとを比較することで、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を設定して、スイッチング信号として、駆動回路２００に送信する。

一方、判断部１０２からの出力信号により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出電流が閾値電流（Ｉｃ）以上である場合には、スイッチング信号生成部１０３は、設定した指令値を入れ替え、入れ替え後の指令値とキャリアとを比較して、デューティ比を設定する。これにより、スイッチング信号生成部１０３は、所定のタイミングで、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替え、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。そして、スイッチング信号生成部１０３は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の入れ替え後のデューティ比を、スイッチング信号として、駆動回路２００に送信する。

上記のように、本例は、電流センサ４１〜４４の検出電流が閾値電流（Ｉｃ）より高くなった場合に、デューティ比を切り換える所定のタイミングであると判断する。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失の大小を抑制することで、温度の高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失を低減し、温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を継続して増加させることができる。

《第３実施形態》
図８は、発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。本例では上述した第１実施形態に対して、磁界センサを設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態又は第２実施形態の記載を適宜、援用する。

図８に示すように、本例の電力変換装置は磁界センサ５１、５２を備えている。磁界センサ５１は、スイッチング素子Ｑ１、スイッチング素子Ｑ３及び共振性負荷２により形成される閉回路内の磁界の大きさを検出するセンサである。磁界センサ５２は、スイッチング素子Ｑ２、スイッチング素子Ｑ４及び共振性負荷２により形成される閉回路内の磁界の大きさを検出するセンサである。磁界センサ５１、５２は検出した検出値を検出部１０１に送信する。

図２に示すような、スイッチング制御を行った場合には、デューティ比が高いスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４に対して大きな電流が流れる。また共振性負荷の還流及び共振による電流も、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４に大きく流れる。例えば、スイッチング素子Ｑ４がオンに、スイッチング素子Ｑ２がオフになっている場合に、図２のスイッチング制御で、ブリッジ回路に流れる電流は、図９のように流れる。図９はブリッジ回路に流れる電流を流れる説明するための回路図である。

図９に示すように、電流がダイオードＤ２、共振性負荷２及びスイッチング素子Ｑ４に流れると、下アームと共振性負荷２により形成される閉回路内で磁界が発生する。そして、この磁界の強さは、スイッチング素子Ｑ４に流れる電流と比例する。そのため、磁界センサ５２で磁界の強さを計測することは、スイッチング素子Ｑ２又はスイッチング素子Ｑ４の電流を検出することと対応する。

コントローラ１００には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が過温状態にならない閾値（Ｈｃ）が、磁界の強さで予め設定されており、この閾値はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を過温から保護する保護制御の切り替えのタイミングを示す。

次に、図８を用いて、本例のコントローラ１００の制御について説明する。判断部１０２は、磁界センサ５１、５２の検出値と閾値（Ｈｃ）とを比較する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のいずれのスイッチング素子に電流が流れているか、あるいは、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のいずれのスイッチング素子に電流が流れているかは、磁界の向きから判断することができる。そのため、判断部１０２は、磁界センサ５１の検出値と、プラスの閾値（＋Ｈｃ）及びマイナスの閾値（−Ｈｃ）とをそれぞれ比較することで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、どのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に過温状態に相当する電流が流れているか否かを判断する。

そして、スイッチング信号生成部１０３は、磁界センサ５１の検出値が、マイナスの閾値（−Ｈｃ）より高く、かつ、プラスの閾値（＋Ｈｃ）より低い場合には、通常のスイッチング制御するためのスイッチング信号を生成する。一方、スイッチング信号生成部１０３は、磁界センサ５１の検出値が、マイナスの閾値（−Ｈｃ）以下、または、プラスの閾値（＋Ｈｃ）以上である場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の保護制御のためのスイッチング信号を生成する。なお、それぞれの制御内容は、第１実施形態又は第２実施形態の制御と同様であるため、説明を省略する。

上記のように、本例は、磁気センサ５１、５２の検出値が閾値より高くなった場合に、デューティ比を切り換えるための所定のタイミングであると判断する。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失の大小を抑制することで、温度の高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失を低減し、温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を継続して増加させることができる。

《第４実施形態》
図１０は、発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。本例では上述した第１実施形態に対して、デューティ比を入れ替えるタイミングが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第３実施形態の記載を適宜、援用する。

図１０に示すように、コントローラ１００は、タイミング設定部１０４を有している。本例は、電流センサ等の検出値に基づいて、デューティ比を入れ替え、スイッチング素子を保護制御せずに、タイミング設定部１０４により、デューティ比を入れ替える。

タイミング設定部１０４は、スイッチング制御生成部１０３で、スイッチング素子Ｑ１の指令値とスイッチング素子Ｑ３の指令値とを入れ替えるために制御信号を、所定の周期（Ｔｘ）で送信する。スイッチング制御生成部１０３は、タイミング設定部１０４からの信号を受信すると、スイッチング素子Ｑ１の指令値とスイッチング素子Ｑ３の指令値とを入れ替える。

次に、図１１を用いて、コントローラ１００による、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の保護制御について説明する。図１１（ａ）はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の指令値とキャリアとの関係を示すグラフであり、（ｂ）はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング信号の波形を示すグラフであり、（ｃ）はブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。なお、図１１において、各グラフの横軸は時間を示し、（ａ）、（ｂ）に示す丸印は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンとオフとを切り換えるタイミングを示している。なお、図１１に示す期間中、外部からの要求トルクは変わらず、ブリッジ回路の出力電圧を変えないように制御している。

初期状態として、スイッチング信号生成部１０３は、外部からの要求トルクに基づき、共振性負荷２への供給電力を算出し、当該供給電力に応じたスイッチング素子Ｑ１の指令値及びスイッチング素子Ｑ３の指令値を設定し、キャリアとの比較で、スイッチング信号を生成する。また、タイミング設定部１０４は、デューティ比を入れ替える制御信号を送信するために、所定の周期（Ｔｘ）のカウントを開始する。周期（Ｔｘ）のカウントは、コントローラ１００のシステムの起動時でもよく、あるいは、上記の初期状態である、外部からの要求トルクの入力時でもよい。

そして、タイミング設定部１０４は、図１１に示すように、時間（ｔ_１）の時点で周期（Ｔｘ）を経過すると、スイッチング信号生成部１０３に制御信号を送信する。スイッチング信号生成部１０３は、時間（ｔ_１）より前に設定したスイッチング素子Ｑ１の指令値を、時間（ｔ_１）より後のスイッチング素子Ｑ３の指令値に入れ替えて、時間（ｔ_１）より前に設定したスイッチング素子Ｑ３の指令値を、時間（ｔ_１）より後のスイッチング素子Ｑ１の指令値に入れ替える。そして、スイッチング信号生成部１０３は、入れ替え後の指令値とキャリアとの比較で、スイッチング信号を生成する。これにより、コントローラ１００は、時間（ｔ_１）の時点で、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替えて、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。

さらに、時間（ｔ_１）から周期（Ｔｘ）を経過した時間（ｔ_２）の時点になると、タイミング設定部１０４は、スイッチング信号生成部１０３に制御信号を送信する。スイッチング信号生成部１０３は、時間（ｔ_１）時に設定したスイッチング素子Ｑ１の指令値を、時間（ｔ_２）より後のスイッチング素子Ｑ３の指令値に入れ替えて、時間（ｔ_１）時に設定したスイッチング素子Ｑ３の指令値を、時間（ｔ_２）より後のスイッチング素子Ｑ１の指令値に入れ替える。そして、スイッチング信号生成部１０３は、入れ替え後の指令値とキャリアとの比較で、スイッチング信号を生成する。これにより、時間（ｔ_２）の時点でスイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替えて、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。そして、時間（ｔ_２）後のスイッチング素子Ｑ１のデューティ比は、時間（ｔ_１）より前のスイッチング素子Ｑ１のデューティ比と同じ値になり、時間（ｔ_２）後のスイッチング素子Ｑ３のデューティ比は、時間（ｔ_１）より前のスイッチング素子Ｑ３のデューティ比と同じ値になる。

そして、コントローラ１００は、同様に、時間（ｔ_２）から所定の周期（Ｔｘ）毎に、上記のデューティ比の入れ替え制御を行う。

上記のように、本例は、所定の周期（Ｔｘ）で、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替えて、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失の大小を抑制することで、温度の高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失を低減し、温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を継続して増加させることができる。

また、本例は、電流センサ等のセンサの検出値に基づいて、デューティ比を入れ替えるタイミングを設定していないため、センサを省略することができる。

なお、本例では、デューティ比の値に関わらず、所定の周期（Ｔｘ）で、デューティ比を入れ替える制御を行ったが、デューティ比が所定の範囲内である場合に、所定の周期（Ｔｘ）毎に、デューティ比を入れ替える制御を行ってもよい。図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比が高い場合（例えば７０パーセントより高い場合）に、あるいは、デューティ比が低い場合（例えば３０パーセントより低い場合）には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失は低く、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度は低い。そのため、本例では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の温度が高くなる制御状態で、スイッチング素子Ｑ１〜４の保護制御を行う。

すなわち、スイッチング制御生成部１０３から、外部からの要求トルクにより指令値を設定すると、キャリアとの比較で、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を設定する。タイミング設定部１０４には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の保護制御を行うための所定のデューティ比の範囲が予め設定されており、例えばスイッチング素子Ｑ１のデューティ比に対して範囲（例えば３０パーセント以上で７０パーセント以下の間）が設定されている。

そして、タイミング設定部１０４は、スイッチング制御生成部１０３で設定されたスイッチング素子Ｑ１のデューティ比と所定の範囲とを比較する。スイッチング素子Ｑ１のデューティ比が所定の範囲内にある場合には、タイミング設定部１０４は、所定の周期で、デューティ比を入れ替えるための制御信号をスイッチング制御生成部１０３に送信する。一方、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比が所定の範囲内にない場合には、タイミング設定部１０４はデューティ比を入れ替えるための制御信号を送信しないため、スイッチング制御生成部１０３において、デューティ比を入れ替える制御が行われないことになる。

上記の通り、本例は、デューティ比が所定の範囲内になる場合に、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とのデューティ比を入れ替え、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とのデューティ比を入れ替える。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失の大小を抑制することで、温度の高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失を低減し、温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を継続して増加させることができる。

また、本例において、タイミング設定部１０４は、デューティ比を入れ替えるための所定の周期をキャリア周期と同期させてもよく、例えば、キャリアの三角波の頂点毎を、所定の周期（Ｔｘ）として設定してもよい。すなわち、本例は、キャリアの三角波の頂点で、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替えて、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。これにより、ブリッジ回路の出力電流を断絶することなく、ブリッジ回路を駆動させることができる。

《第５実施形態》
図１２は、発明の他の実施形態に係る電力変換装置のブロック図である。本例では上述した第１実施形態に対して、タイマー１０５を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第４実施形態の記載を適宜、援用する。

コントローラ１００は、タイマー１０５を有している。タイマー１０５は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間を計測するタイマーである。スイッチング信号生成部１０３は、共振性負荷２への供給電極から指令値を設定し、キャリアとの比較で各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を設定し、デューティ比を含むスイッチング信号を駆動回路２００に送信する。また、スイッチング信号生成部１０３は、設定したデューティ比をタイマー１０５に送信する。

タイマー１０５は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比により規定される、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間を基準値としてそれぞれ設定しつつ、それぞれのオン時間をカウントする。図２又は図４に示すように、本例では、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ３のデューティ比は同じ値であり、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比は同じ値であるため、タイマー１０５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の基準値と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の基準値とを設定する。オン時間のカウントは、スイッチング信号生成部１０３からの信号の受信時に開始する。

タイマー１０５は、オン時間のカウント値が各スイッチング素子の基準値に達すると、オン時間が基準値に達したことを示す信号をスイッチング信号生成部１０３に送信する。スイッチング信号生成部１０３は、当該信号に基づき、オン時間に達したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート信号をオフにするためのスイッチング信号を、駆動回路２００に送信する。

判断部１０２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の検出温度のうち、いずれかの検出温度が閾値温度以上である場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を過温から保護するための保護制御が必要であると判断し、判断結果をタイマー１０５に送信する。タイマー１０５は、判断部１０２によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のいずれかの検出温度が閾値温度以上である判断された場合には、スイッチング素子Ｑ１の基準値とスイッチング素子Ｑ２の基準値を入れ替え、スイッチング素子Ｑ３の基準値とスイッチング素子Ｑ４の基準値とを入れ替える。これにより、コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ１のデューティ比とスイッチング素子Ｑ２のデューティ比とを入れ替え、スイッチング素子Ｑ３のデューティ比とスイッチング素子Ｑ４のデューティ比とを入れ替える。

すなわち、第１実施形態では、外部からの要求トルクに対する、共振性負荷２への供給電力により設定される指令値を入れ替えることで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を入れ替えたが、本例では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン、オフを切り換えるためのオン、オフ時間の基準値を、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との間、及び、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との間で入れ替えることで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を入れ替えている。

上記のように、本例は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間を計測するタイマー１０５を備え、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のデューティ比に相当する基準値と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のデューティ比に相当する基準値とを設定し、デューティ比を入れ替えるタイミングで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の基準値と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の基準値とを入れ替える。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失の大小を抑制することで、温度の高いスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の損失を低減し、温度上昇を抑制することができる。また、温度上昇を抑制しつつ、ブリッジ回路の出力を継続して増加させることができる。

上記のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３の基準値が本発明の「第１基準値」に相当し、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の基準値が本発明の「第２基準値」に相当する。

Ｑ１〜Ｑ４…スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード
１…バッテリ
２…共振性負荷
３１〜３４…温度センサ
４１〜４４…電流センサ
５１、５２…磁界センサ
１００…コントローラ
１０１…検出部
１０２…判断部
１０３…スイッチング信号生成部
１０４…タイミング設定部
１０５…タイマー
２００…駆動回路

Claims (10)

1. 電源の両極間に直列接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、前記電源の両極間に直列接続された第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子とを有し、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続点、及び、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との接続点に負荷を電気的に接続するブリッジ回路と、
   前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子のオン、オフを切り換えるデューティ比をそれぞれ設定し、前記ブリッジ回路を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   所定のタイミングで、前記第１スイッチング素子のデューティ比と前記第２スイッチング素子のデューティ比を入れ替え、前記第３スイッチング素子のデューティ比と前記第４スイッチング素子のデューティ比を入れ替える
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記第１スイッチング素子のデューティ比と前記第３スイッチング素子のデューティ比を同じデューティ比に設定し、
   前記第２スイッチング素子のデューティ比と前記第４スイッチング素子のデューティ比を同じデューティ比に設定し、
   前記所定のタイミングの直前に設定した前記第１スイッチング素子のデューティ比を、前記所定のタイミングの直後の前記第２スイッチング素子のデューティ比に設定し、
   前記所定のタイミングの直前に設定した前記第２スイッチング素子のデューティ比を、前記所定のタイミングの直後の前記第１スイッチング素子のデューティ比に設定し、
   前記所定のタイミングの直前に設定した前記第３スイッチング素子のデューティ比を、前記所定のタイミングの直後の前記第４スイッチング素子のデューティ比に設定し、
   前記所定のタイミングの直前に設定した前記第４スイッチング素子のデューティ比を、前記所定のタイミングの直後の前記第３スイッチング素子のデューティ比に設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子のうち、少なくとも一つのスイッチング素子の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記温度センサの検出温度が所定の閾値温度より高くなった場合に、前記所定のタイミングであると判断する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子のうち、少なくとも一つのスイッチング素子を流れる電流を検出する電流センサをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記電流センサの検出電流が所定の閾値電流より高くなった場合に、前記所定のタイミングであると判断する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
5. 前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記負荷で形成される閉回路内の磁界、又は、前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子及び前記負荷で形成される閉回路内の磁界のうち、少なくとも何れか一方の磁界の強さを検出する磁界センサをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記磁界センサの検出値が所定の閾値より高くなった場合に、前記所定のタイミングであると判断する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、
   前記デューティ比が所定の範囲内になる場合に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とのデューティ比を入れ替え、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とのデューティ比を入れ替える
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、
   所定の周期で、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とのデューティ比を入れ替え、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とのデューティ比を入れ替える
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、
   前記負荷へ供給する電力から第１指令値及び第２指令値を設定し、
   前記第１指令値とキャリアとの比較により前記第１スイッチング素子のデューティ比及び前記第２スイッチング素子のデューティ比を設定し、
   前記第２指令値と前記キャリアとの比較により前記第３スイッチング素子のデューティ比及び前記第４スイッチング素子のデューティ比を設定し、
   前記所定のタイミングで、前記第１指令値と前記第２指令値を入れ替える
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子のうち、少なくとも一つのスイッチング素子のオン時間を計測するタイマーをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記負荷への供給する電力から、前記第１スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子のデューティ比に相当する第１基準値と、前記第２スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子のデューティ比に相当する第２基準値とを設定し、
   前記タイマーの検出値と前記第１基準値との比較により、前記第１スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子のオン、オフを切り換え、
   前記タイマーの検出値と前記第２基準値との比較により、前記第２スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子のオン、オフを切り換え、
   前記所定のタイミングで、前記第１基準値と前記第２基準値を入れ替える
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
10. 前記制御部は、
    前記負荷へ供給する電力から第１指令値及び第２指令値を設定し、
    前記第１指令値と三角波であるキャリアとの比較により前記第１スイッチング素子のデューティ比及び前記第２スイッチング素子のデューティ比を設定し、
    前記第２指令値と前記キャリアとの比較により前記第３スイッチング素子のデューティ比及び前記第４スイッチング素子のデューティ比を設定し、
    前記三角波の頂点を前記所定のタイミングに設定する
    ことを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。

Images