JP5862918B2 - Multiphase converter and design method of multiphase converter - Google Patents

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Description

本発明は、多相コンバータに関し、特に複数個のコンバータを備えた多相コンバータをする。   The present invention relates to a multiphase converter, and more particularly, to a multiphase converter including a plurality of converters.

自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。   In fuel cell systems mounted on automobiles, various hybrid fuel cell systems with fuel cells and batteries as power sources have been proposed in order to respond to sudden load changes exceeding the power generation capacity of fuel cells. Has been.

ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧等をDC−DCコンバータで制御している。このような制御を行うDC−DCコンバータとしては、パワートランジスタ、IGBT、FET等のスイッチング素子をPWM動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。DC−DCコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の高速化や大容量化、及び低リップル化が望まれている。かかる要請に応えるべく、従来より複数個のDC−DCコンバータを並列に接続したマルチフェーズDC−DCコンバータ(多相DC−DCコンバータ)が利用されている(例えば特許文献1参照)。   In the hybrid fuel cell system, the output voltage of the fuel cell is controlled by a DC-DC converter. As a DC-DC converter that performs such control, a type that performs voltage conversion by causing a switching element such as a power transistor, IGBT, or FET to perform PWM operation is widely used. The DC-DC converter is desired to further increase the speed, increase the capacity, and reduce the ripple in accordance with power saving, miniaturization, and high performance of electronic devices. In order to meet such demand, a multi-phase DC-DC converter (multi-phase DC-DC converter) in which a plurality of DC-DC converters are connected in parallel has been conventionally used (see, for example, Patent Document 1).

特開2006−340535号公報JP 2006-340535 A

しかしながら、多相DC−DCコンバータにおいて発生するリップル電流は、駆動相数に応じて大きくなるため、システムを設計する際には電流を平滑化するためのコンデンサとして許容量の大きいコンデンサを選択する必要があり、更なるコンデンサの小型化の要請に十分に応えることができない、という問題があった。   However, since the ripple current generated in the multi-phase DC-DC converter increases with the number of drive phases, it is necessary to select a capacitor with a large allowable amount as a capacitor for smoothing the current when designing the system. Therefore, there is a problem that it is not possible to sufficiently meet the demand for further downsizing of the capacitor.

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、リップル電流の低減が可能な多相コンバータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a multiphase converter capable of reducing ripple current.

上記課題を解決するため、本発明に係る多相コンバータの設計方法は、磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータの設計方法であって、各相の自己インダクタンスをL、相互インダクタンスをM、式(A)によって得られる結合率をaとした場合、磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータを利用したときに発生する第1のリップル電流が、磁気結合を用いていない同一相数の多相コンバータを利用したときに発生する第2のリップル電流を下回るように、前記結合率aを設定することを特徴とする。
a=M/L・・・(A)
In order to solve the above problems, a multiphase converter design method according to the present invention is a multiphase converter design method using a magnetically coupled reactor, in which self-inductance of each phase is L, mutual inductance is M, and an equation ( When the coupling ratio obtained by A) is a, the first ripple current generated when a multiphase converter using a magnetically coupled reactor is used is a multiphase converter having the same number of phases that does not use magnetic coupling. The coupling factor a is set so as to be lower than the second ripple current that is generated when used.
a = M / L (A)

このように、磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータを利用したときに発生する第1のリップル電流が、磁気結合を用いていない同一相数の多相コンバータを利用したときに発生する第2のリップル電流を下回るように、前記結合率aを設定することで、電流リップを抑えながらも体格の小さなコンバータの設計が可能となる。   As described above, the first ripple current generated when the multiphase converter using the magnetic coupling reactor is used is the second ripple current generated when the multiphase converter having the same number of phases not using the magnetic coupling is used. By setting the coupling ratio a so as to be lower than the ripple current, it is possible to design a converter having a small physique while suppressing a current lip.

ここで、上記方法にあっては、前記第1のリップル電流が、対応する前記第2のリップル電流を常に下回るように、前記結合率aを設定する態様が好ましい。   Here, in the above method, it is preferable that the coupling rate a is set so that the first ripple current is always lower than the corresponding second ripple current.

また、上記方法にあっては、前記第1のリップル電流が最大となるシステム電圧において、当該第1のリップル電流が、対応する前記第2のリップル電流を下回るように、前記結合率aを設定する態様も好ましい。   In the above method, the coupling factor a is set so that the first ripple current is lower than the corresponding second ripple current at the system voltage at which the first ripple current is maximum. The aspect which performs is also preferable.

また、本発明に係る多相コンバータは、磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータであって、各相の自己インダクタンスをL、相互インダクタンスをM、式(A)によって得られる結合率をa
とした場合、前記結合率aは、磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータを利用したときに発生する第1のリップル電流が、磁気結合を用いていない同一相数の多相コンバータを利用したときに発生する第2のリップル電流を下回るように設定されていることを特徴とする。
The multiphase converter according to the present invention is a multiphase converter using a magnetically coupled reactor, wherein the self-inductance of each phase is L, the mutual inductance is M, and the coupling ratio obtained by the equation (A) is a.
In the case of the above, the coupling ratio a is obtained when the first ripple current generated when a multiphase converter using a magnetic coupling reactor is used uses a multiphase converter having the same number of phases that does not use magnetic coupling. It is characterized by being set to be lower than the second ripple current generated in the circuit.

本発明によれば、多相コンバータについて、従前に比してリップル電流の低減が可能となる。   According to the present invention, the ripple current can be reduced in the multiphase converter as compared with the conventional one.

第1実施形態に係るFCHVシステムのシステム構成図である。It is a system configuration figure of the FCHV system concerning a 1st embodiment. 同実施形態に係るFCコンバータの主要構成を示す図である。It is a figure which shows the main structures of the FC converter which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各相リアクトルにおいて発生するリアクトル電圧、リアクトル電流を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reactor voltage and reactor current which generate | occur | produce in each phase reactor which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るSWパターンと各相リアクトル電圧の関係を例示したマップである。It is the map which illustrated the relationship between SW pattern which concerns on the embodiment, and each phase reactor voltage. 同実施形態に係るSWパターンと等価リアクトルの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between SW pattern which concerns on the same embodiment, and an equivalent reactor. 同実施形態に係る各相リアクトル電圧の変動パターンを示す図である。It is a figure which shows the fluctuation pattern of each phase reactor voltage which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各相リアクトル電圧の変動パターンを示す図である。It is a figure which shows the fluctuation pattern of each phase reactor voltage which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各昇圧比におけるリアクトルの電流リップル計算式を示す図である。It is a figure which shows the current ripple calculation formula of the reactor in each step-up ratio which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るスイッチング状態と電流リップルの関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relation between the switching state and current ripple concerning the embodiment. 同実施形態に係るシステム電圧と電流リップルの関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relation between the system voltage and current ripple concerning the embodiment. 同実施形態に係るシステム電圧と電流リップルの関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relation between the system voltage and current ripple concerning the embodiment. 第2実施形態に係るFCHVシステムのシステム構成図である。It is a system configuration figure of the FCHV system concerning a 2nd embodiment. 同実施形態に係るFCコンバータの主要構成を示す図である。It is a figure which shows the main structures of the FC converter which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各相リアクトルにおいて発生するリアクトル電圧、リアクトル電流を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reactor voltage and reactor current which generate | occur | produce in each phase reactor which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るSWパターンと等価リアクトルの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between SW pattern which concerns on the same embodiment, and an equivalent reactor. 同実施形態に係る各相リアクトル電圧の変動パターンを示す図である。It is a figure which shows the fluctuation pattern of each phase reactor voltage which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各相リアクトル電圧の変動パターンを示す図である。It is a figure which shows the fluctuation pattern of each phase reactor voltage which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各相リアクトル電圧の変動パターンを示す図である。It is a figure which shows the fluctuation pattern of each phase reactor voltage which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る各昇圧比におけるリアクトルの電流リップル計算式を示す図である。It is a figure which shows the current ripple calculation formula of the reactor in each step-up ratio which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るスイッチング状態と電流リップルの関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relation between the switching state and current ripple concerning the embodiment. 同実施形態に係るシステム電圧と電流リップルの関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relation between the system voltage and current ripple concerning the embodiment. 同実施形態に係るシステム電圧と電流リップルの関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relation between the system voltage and current ripple concerning the embodiment.

A.第1実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。 図1は第1実施形態に係る車両に搭載されたFCHVシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
A. First Embodiment Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of an FCHV system mounted on a vehicle according to the first embodiment. In the following description, a fuel cell vehicle (FCHV) is assumed as an example of the vehicle, but the present invention can also be applied to an electric vehicle. Further, the present invention can be applied not only to vehicles but also to various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.), stationary power sources, and portable fuel cell systems.

A−1.システムの全体構成
FCHVシステム100は、燃料電池110とインバータ140の間にFCコンバータ2500が設けられる一方、バッテリ120とインバータ140の間にDC/DCコンバータ(以下、バッテリコンバータ)180が設けられている。
A-1. Overall Configuration of System The FCHV system 100 is provided with an FC converter 2500 between the fuel cell 110 and the inverter 140, and a DC / DC converter (hereinafter referred to as a battery converter) 180 between the battery 120 and the inverter 140. .

燃料電池110は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池110には、燃料電池110の直流電圧Vfcmes(=Vb)を検出するための電圧センサ2510、及び出力電流Ifcmesを検出するための電流センサ2520が取り付けられている。燃料電池110においては、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じ、燃料電池110全体としては(3)式の起電反応が生じる。   The fuel cell 110 is a solid polymer electrolyte cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in series. The fuel cell 110 is provided with a voltage sensor 2510 for detecting the DC voltage Vfcmes (= Vb) of the fuel cell 110 and a current sensor 2520 for detecting the output current Ifcmes. In the fuel cell 110, the oxidation reaction of the formula (1) occurs in the anode electrode, the reduction reaction of the formula (2) occurs in the cathode electrode, and the electromotive reaction of the formula (3) occurs in the fuel cell 110 as a whole.

2 → 2H++2e- ・・・(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O ・・・(2)
2+(1/2)O2 → H2O ・・・(3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだMEAを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。   The unit cell has a structure in which a MEA in which a polymer electrolyte membrane or the like is sandwiched between two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, is sandwiched between separators for supplying fuel gas and oxidizing gas. The anode electrode is provided with an anode electrode catalyst layer on the porous support layer, and the cathode electrode is provided with a cathode electrode catalyst layer on the porous support layer.

燃料電池110には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統(いずれも図示略)が設けられており、コントローラ160からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。   The fuel cell 110 is provided with a system for supplying fuel gas to the anode electrode, a system for supplying oxidizing gas to the cathode electrode, and a system for supplying coolant (all not shown). By controlling the supply amount of the fuel gas and the supply amount of the oxidizing gas according to the signal, it is possible to generate desired power.

FCコンバータ2500は、燃料電池110の直流電圧Vbを制御する役割を担っており、一次側(入力側:燃料電池110側)に入力された電圧Vbを、一次側と異なる電圧値に変換(昇圧または降圧)して二次側(出力側:インバータ140側)に電圧Vhとして出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このFCコンバータ2500により、燃料電池110の出力電圧Vbが目標出力に応じた電圧となるように制御する。   The FC converter 2500 plays a role of controlling the DC voltage Vb of the fuel cell 110, and converts the voltage Vb input to the primary side (input side: fuel cell 110 side) into a voltage value different from that of the primary side (step-up). Alternatively, the voltage is stepped down and output to the secondary side (output side: inverter 140 side) as a voltage Vh. Conversely, the voltage input to the secondary side is converted to a voltage different from the secondary side and converted to the primary side. It is a bidirectional voltage converter that outputs. The FC converter 2500 controls the output voltage Vb of the fuel cell 110 to be a voltage corresponding to the target output.

バッテリ120は、負荷130に対して燃料電池110と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ120としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。   The battery 120 is connected in parallel to the fuel cell 110 with respect to the load 130, and stores a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer when the load fluctuates due to acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. Function as. As the battery 120, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is used.

バッテリコンバータ180は、インバータ140の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばFCコンバータ2500と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ180として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ140の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。   The battery converter 180 plays a role of controlling the input voltage of the inverter 140 and has a circuit configuration similar to that of the FC converter 2500, for example. Note that a step-up converter may be employed as the battery converter 180, but a step-up / step-down converter capable of step-up and step-down operations may be employed instead, and the input voltage of the inverter 140 can be controlled. Any configuration can be adopted.

インバータ140は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータであり、コントローラ160からの制御指令に従って、燃料電池110またはバッテリ120から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ131の回転トルクを制御する。   The inverter 140 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and converts DC power output from the fuel cell 110 or the battery 120 into three-phase AC power in accordance with a control command from the controller 160, thereby obtaining a traction motor. The rotational torque of 131 is controlled.

トラクションモータ131は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル132は減速装置であり、トラクションモータ131の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ133が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池110から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器(トラクションモータ131、ディファレンシャル132を含む)を負荷130と総称している。   The traction motor 131 is the main power of the vehicle, and generates regenerative power during deceleration. The differential 132 is a reduction device that reduces the high-speed rotation of the traction motor 131 to a predetermined number of rotations and rotates the shaft on which the tire 133 is provided. The shaft is provided with a wheel speed sensor (not shown) and the like, thereby detecting the vehicle speed of the vehicle. In the present embodiment, all devices (including the traction motor 131 and the differential 132) that can operate by receiving power supplied from the fuel cell 110 are collectively referred to as a load 130.

コントローラ160は、FCHVシステム100の制御用のコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を備えている。コントローラ160は、センサ群170から供給される各種の信号(例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池110の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など)を入力して、負荷130の要求電力(すなわち、システム全体の要求電力)を求める。   The controller 160 is a computer system for controlling the FCHV system 100 and includes, for example, a CPU, a RAM, a ROM, and the like. The controller 160 inputs various signals (for example, a signal representing the accelerator opening, a signal representing the vehicle speed, a signal representing the output current and output terminal voltage of the fuel cell 110) supplied from the sensor group 170, and the load. The required power of 130 (that is, the required power of the entire system) is obtained.

負荷130の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。   The required power of the load 130 is, for example, the total value of the vehicle running power and the auxiliary machine power. Auxiliary power is the power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices, and suspensions) Power consumed by devices, etc., and power consumed by devices (air conditioners, lighting fixtures, audio, etc.) disposed in the passenger space.

そして、コントローラ160は、燃料電池110とバッテリ120とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ160は、燃料電池110及びバッテリ120に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにFCコンバータ2500及びバッテリコンバータ180の動作を制御する。   Then, the controller 160 determines the distribution of the output power between the fuel cell 110 and the battery 120, and calculates the power generation command value. When the controller 160 obtains the required power for the fuel cell 110 and the battery 120, the controller 160 controls the operations of the FC converter 2500 and the battery converter 180 so that the required power is obtained.

A−2.FCコンバータの構成
図1に示すように、FCコンバータ2500は、U相、V相よって構成された二相のコンバータ(以下、U相コンバータ2500a、V相コンバータ2500bと呼ぶ)としての回路構成を備えている。
A-2. Configuration of FC Converter As shown in FIG. 1, the FC converter 2500 has a circuit configuration as a two-phase converter (hereinafter referred to as a U-phase converter 2500a and a V-phase converter 2500b) configured by a U-phase and a V-phase. ing.

図2は、FCコンバータ2500の主要構成を示す図である。
FCコンバータ2500は、電力半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)Tr1,Tr2とダイオードD1,D2とを含むコンバータである。なお、コンバータの構成として片方向、双方向のいずれのコンバータを採用しても良い。本実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子としては、代表的にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が適用される。
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of the FC converter 2500.
FC converter 2500 is a converter including power semiconductor switching elements (hereinafter also simply referred to as “switching elements”) Tr1 and Tr2 and diodes D1 and D2. It should be noted that either a unidirectional or bidirectional converter may be adopted as the converter configuration. In the present embodiment, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is typically applied as the power semiconductor switching element.

U相コンバータ2500aを構成するスイッチング素子Tr1及びV相コンバータ2500bを構成するスイッチング素子Tr2は、電源ライン301とアースライン302との間に直列に接続される。U相コンバータ2500aのU相リアクトル308は一端が磁気結合回路300に接続され、他端がスイッチング素子Tr1の接続点に接続される。U相ダイオードD1のアノードは、U相リアクトル308とスイッチング素子Tr1の接続点に接続され、U相ダイオードD1のカソードは、電源ライン301側の平滑コンデンサC1の一端に接続されている。   Switching element Tr1 constituting U-phase converter 2500a and switching element Tr2 constituting V-phase converter 2500b are connected in series between power supply line 301 and earth line 302. One end of the U-phase reactor 308 of the U-phase converter 2500a is connected to the magnetic coupling circuit 300, and the other end is connected to the connection point of the switching element Tr1. The anode of the U-phase diode D1 is connected to a connection point between the U-phase reactor 308 and the switching element Tr1, and the cathode of the U-phase diode D1 is connected to one end of the smoothing capacitor C1 on the power supply line 301 side.

一方、V相コンバータ2500bのV相リアクトル309は、一端が磁気結合回路300に接続され、他端がスイッチング素子Tr2の接続点に接続される。V相ダイオードD2のアノードは、V相リアクトル309とスイッチング素子Tr2の接続点に接続され、V相ダイオードD2のカソードは、電源ライン301側の平滑コンデンサC1の一端に接続されている。電源ライン301の直流電圧を平滑化して負荷130へ供給する平滑コンデンサC1は、電源ライン301とアースライン302との間に接続される。   On the other hand, one end of V-phase reactor 309 of V-phase converter 2500b is connected to magnetic coupling circuit 300, and the other end is connected to a connection point of switching element Tr2. The anode of the V-phase diode D2 is connected to a connection point between the V-phase reactor 309 and the switching element Tr2, and the cathode of the V-phase diode D2 is connected to one end of the smoothing capacitor C1 on the power supply line 301 side. A smoothing capacitor C <b> 1 that smoothes the DC voltage of the power supply line 301 and supplies it to the load 130 is connected between the power supply line 301 and the earth line 302.

FCコンバータ2500は、燃料電池110から供給された直流電圧(以下、電池電圧)を受け、スイッチング素子Tr1,Tr2がスイッチング制御されることにより電池電圧を昇圧して電源ライン301へ出力する。なお、燃料電池110からU相コンバータ2500aに入力される電流(以下、U相入力電流I1)は、電流センサA1によって検知される一方、燃料電池110からV相コンバータ2500bに入力される電流(以下、V相入力電流I2)は、電流センサA2によって検知される。   The FC converter 2500 receives a DC voltage (hereinafter referred to as a battery voltage) supplied from the fuel cell 110, boosts the battery voltage by switching control of the switching elements Tr1 and Tr2, and outputs the boosted voltage to the power supply line 301. The current (hereinafter referred to as U-phase input current I1) input from fuel cell 110 to U-phase converter 2500a is detected by current sensor A1, while the current (hereinafter referred to as V-phase converter 2500b) input from fuel cell 110 to the V-phase converter 2500b. , V-phase input current I2) is detected by current sensor A2.

図3は、U相リアクトル308、V相リアクトル309において発生するリアクトル電圧、リアクトル電流を説明するための図である。なお、図3では、U相、V相の各相の自己インダクタンスをL、相互インダクタンスをMとし、結合率をaであらわす。
まず、U相リアクトル308、V相リアクトル309の両端に発生するU相リアクトル電圧V1、V相リアクトル電圧V2は、下記式(1)、(2)によって求まる。
FIG. 3 is a diagram for explaining a reactor voltage and a reactor current generated in the U-phase reactor 308 and the V-phase reactor 309. In FIG. 3, the self-inductance of each phase of the U phase and the V phase is L, the mutual inductance is M, and the coupling rate is a.
First, the U-phase reactor voltage V1 and the V-phase reactor voltage V2 generated at both ends of the U-phase reactor 308 and the V-phase reactor 309 are obtained by the following formulas (1) and (2).

このU相リアクトル電圧V1、V相リアクトル電圧V2のそれぞれについて等価リアクトルL1eq、L2eqで表現すると次のように表わされる(式(3)、(4)参照)。
The U-phase reactor voltage V1, V-phase reactor voltage for each equivalent reactor L 1 eq of V2, when expressed by L 2 eq is expressed as follows (Equation (3), (4) refer).

コントローラ160は、負荷130の要求電力などに応じて、要求されるシステム電圧Vhが得られるように昇圧比を決定する。そして、コントローラ160は、決定した昇圧比が得られるようにスイッチング素子Tr1,Tr2のオン、オフを制御する。このようにして、FCコンバータ2500は、燃料電池110から供給される電池電圧Vbを要求されるシステム電圧Vhまで昇圧して負荷130へ出力する。   The controller 160 determines the boost ratio so that the required system voltage Vh is obtained according to the required power of the load 130 and the like. Then, the controller 160 controls on / off of the switching elements Tr1 and Tr2 so that the determined step-up ratio is obtained. In this way, the FC converter 2500 boosts the battery voltage Vb supplied from the fuel cell 110 to the required system voltage Vh and outputs the boosted voltage to the load 130.

次に、図2を参照しながら磁気結合回路300について説明する。磁気結合回路300は、第1トランスTW1を備えている。第1トランスTW1は、一端が電源ライン301に接続されたコイル310と、一端が電源ライン301に接続されたコイル320と、コイル310及びコイル320が巻回された環状のコア315とを含む。すなわち、コイル310およびコイル320は、それぞれ同一のコア315に巻回される。なお、コイル310とコイル320の巻き数は、同一に設定されている。   Next, the magnetic coupling circuit 300 will be described with reference to FIG. The magnetic coupling circuit 300 includes a first transformer TW1. The first transformer TW1 includes a coil 310 having one end connected to the power supply line 301, a coil 320 having one end connected to the power supply line 301, and an annular core 315 around which the coil 310 and the coil 320 are wound. That is, the coil 310 and the coil 320 are wound around the same core 315, respectively. Note that the number of turns of the coil 310 and the coil 320 is set to be the same.

また、コア315に対するコイル310及びコイル320の巻き方向は、次のように定められている。すなわち、燃料電池110から抵抗R1を介してU相入力電流I1が流れたときに、コイル310によって誘導される起電力によりコイル320に流れる電流の向きが、燃料電池110から抵抗R2を介してV相入力電流I2が流れる方向と同じになるように、コイル310及びコイル320がコア315に巻回される。   The winding direction of the coil 310 and the coil 320 around the core 315 is determined as follows. That is, when the U-phase input current I1 flows from the fuel cell 110 through the resistor R1, the direction of the current flowing through the coil 320 by the electromotive force induced by the coil 310 is determined from the fuel cell 110 through the resistor R2. The coil 310 and the coil 320 are wound around the core 315 so as to be the same as the direction in which the phase input current I2 flows.

<FCコンバータ2500のリップル低減効果>
図4は、各スイッチング素子のスイッチング状態(以下、SWパターン)と、U相リアクトル電圧V1及びV相リアクトル電圧V2の関係を例示したマップであり、図5は、SWパターンと、等価リアクトルの関係を示した図である。なお、図5及び以下の説明では、デューティー比をDであらわす。
さらに、図6A及び図6Bは、図4に示すSWパターンによるU相アクトル電圧V1及びV相リアクトル電圧V2の変動パターンを示す図であり、図6Aは昇圧比α<2の場合、図6Bは昇圧比α≧2の場合を示す。なお、図6A及び図6Bでは第1スイッチング状態〜第4スイッチング状態を1〜4と表記する。
<Ripple reduction effect of FC converter 2500>
FIG. 4 is a map illustrating the relationship between the switching state of each switching element (hereinafter referred to as SW pattern) and the U-phase reactor voltage V1 and V-phase reactor voltage V2. FIG. 5 illustrates the relationship between the SW pattern and the equivalent reactor. FIG. In FIG. 5 and the following description, the duty ratio is represented by D.
6A and 6B are diagrams showing fluctuation patterns of the U-phase reactor voltage V1 and the V-phase reactor voltage V2 according to the SW pattern shown in FIG. 4, and FIG. 6A shows a case where the boost ratio α <2, and FIG. The case where the step-up ratio α ≧ 2 is shown. In FIGS. 6A and 6B, the first to fourth switching states are denoted as 1 to 4.

各相リアクトルに印加される電圧パターンは、昇圧比α<2の場合はスイッチング状態2〜4(=2〜4)の組み合わせによって表される一方(図6A参照)、昇圧比α≧2の場合はスイッチング状態1,3,4(=1,3,4)の組み合わせによって表される(図6B参照)。   The voltage pattern applied to each phase reactor is represented by a combination of switching states 2 to 4 (= 2 to 4) when the boost ratio α <2 (see FIG. 6A), while the boost ratio α ≧ 2. Is represented by a combination of switching states 1, 3, 4 (= 1, 3, 4) (see FIG. 6B).

ここで、図7は、昇圧比α<2、昇圧比α≧2のそれぞれの場合におけるリアクトルの電流リップル計算式(2相磁気結合型コンバータ)を示した図であり、図8は、昇圧比α≧2の場合(図6B参照)におけるスイッチング状態と電流リップルΔIの関係を例示した図である。なお、図7では、比較例として磁気結合を用いていない従来のコンバータ(従来型コンバータ)のリアクトルの電流リップル計算式を示している。また、図8ではU相コンバータを想定するがV相コンバータであっても良いのはもちろんである。 FIG. 7 is a diagram showing a reactor current ripple calculation formula (two-phase magnetically coupled converter) in each of the boost ratio α <2 and the boost ratio α ≧ 2, and FIG. for alpha ≧ 2 in (see FIG. 6B) is a diagram illustrating a relationship between switching states and current ripple [Delta] I L. FIG. 7 shows a reactor current ripple calculation formula of a conventional converter (conventional converter) that does not use magnetic coupling as a comparative example. Further, although a U-phase converter is assumed in FIG. 8, it is needless to say that a V-phase converter may be used.

図9及び図10は、それぞれ結合率a=0.7の場合、結合率a=0.44の場合におけるシステム電圧Vhと電流リップルΔIの関係を示した図であり、2相磁気結合型コンバータの電流リップルΔIを太実線で示し、従来型コンバータの電流リップルΔIを破線で示している。なお、図9及び図10は、燃料電池110から供給される電池電圧Vb=200V、リアクトルL=0.2mH、スイッチング周期Tc=0.1msの場合を想定する。 9 and 10, in each case coupling factor a = 0.7, and a diagram showing the relationship between the system voltage Vh and a current ripple [Delta] I L in the case of coupling factor a = 0.44, 2-phase magnetically coupled It shows the converter current ripple [Delta] I L by a thick solid line shows the current ripple [Delta] I L of the conventional converter with a broken line. 9 and 10 assume the case where the battery voltage Vb supplied from the fuel cell 110 is 200 V, the reactor L is 0.2 mH, and the switching cycle Tc is 0.1 ms.

周知のとおり、結合率が大きければ大きいほど体格は小さくなるため、小型化の要請という観点からは結合率を大きく設定することが望ましい。しかしながら、図9に示すように、結合率a(ここでは、a=0.7)を大きく設定すると、2相磁気結合型コンバータの電流リップルΔIの方が、従来型コンバータの電流リップルΔIよりも大きい領域(以下、過大リップル電流領域)RAが発生してしまう。 As is well known, the larger the coupling rate, the smaller the physique. Therefore, it is desirable to set the coupling rate large from the viewpoint of demand for miniaturization. However, as shown in FIG. 9 (here, a = 0.7) coupling factor a if the large setting, towards the current ripple [Delta] I L of 2-phase magnetically coupled converter, a conventional converter current ripple [Delta] I L Larger region (hereinafter referred to as excessive ripple current region) RA occurs.

このような過大リップル電流領域RAの発生を防止するために、本実施形態では、電流リップルΔIが最大となる2相磁気結合型コンバータの最大昇圧電圧(ここでは650Vを想定)において、下記式(5)、(6)に示すように、従来型コンバータの電流リップルΔIと等しく(あるいはそれ以下に)なるように結合率a(ここではa=0.44)を設定する。
In order to prevent the occurrence of such an excessive ripple current region RA, in the present embodiment, the maximum boosted voltage of two-phase magnetically coupled converter current ripple [Delta] I L is the maximum (assuming a 650V here), the following formula (5), (6) as shown in (here a = 0.44) equal to the current ripple [Delta] I L of the conventional converter (or less in) so as to coupling factor a set of.

このように、電流リップルΔIが最大となる2相磁気結合型コンバータの最大昇圧電圧において、従来型コンバータの電流リップルΔIと等しく(あるいはそれ以下に)なるように、結合率aを設定し、設定した結合率aが得られるように自己インダクタンスL、相互インダクタンスMを決定することで、電流リップを抑えながらも体格の小さなコンバータの設計が可能となる。これにより、従来に比してシステムの運転効率を向上させることが可能となる。なお、以上説明した実施形態では、電流リップルΔIが最大となる2相磁気結合型コンバータの昇圧電圧において、従来型コンバータの電流リップルΔIと等しく(あるいはそれ以下に)なるように結合率aを設定したが、例えば2相磁気結合型コンバータの電流リップルΔIが、従来型コンバータの電流リップルΔIを常に下回るように結合率aを設定しても良い(この点は、以下に示す実施形態も同様である)。 Thus, at the maximum boost voltage of two-phase magnetically coupled converter current ripple [Delta] I L is the maximum, equal to the current ripple [Delta] I L of the conventional converter (or less in) so as to set the coupling factor a By determining the self-inductance L and the mutual inductance M so that the set coupling ratio a can be obtained, it is possible to design a converter with a small physique while suppressing the current lip. Thereby, it becomes possible to improve the operation efficiency of a system compared with the past. In the above-described embodiment, current ripple [Delta] I L is the boosted voltage of two-phase magnetically coupled converter becomes maximum, equal to the current ripple [Delta] I L of the conventional converter (or less in) so as to coupling factor a was set to, for example, 2-phase magnetically coupled converter current ripple [Delta] I L is a good setting the coupling factor a to be below the current ripple [Delta] I L always conventional converter (this point, examples below The form is the same).

B.第2実施形態
上記第1実施形態では、2相の磁気結合回路300を備えたFCコンバータ2500を例示して説明したが、3相以上の磁気結合回路を備えたFCコンバータにも適用可能である。
図11は第2実施形態に係るFCHVシステム100’の構成を示す図であり、図12は第2実施形態に係るFCコンバータ2500’の主要構成を示す図であり、それぞれ第1実施形態において説明した図1、図2に対応する図である。なお、その他の構成は同様であるため、対応する部分には同一符号を付し、説明を割愛する。
B. Second Embodiment In the first embodiment, the FC converter 2500 including the two-phase magnetic coupling circuit 300 has been described as an example. However, the present invention can also be applied to an FC converter including a three-phase or more magnetic coupling circuit. .
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of the FCHV system 100 ′ according to the second embodiment, and FIG. 12 is a diagram showing a main configuration of the FC converter 2500 ′ according to the second embodiment, which will be described in the first embodiment. FIG. 3 is a diagram corresponding to FIGS. 1 and 2. In addition, since the other structure is the same, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding part and description is omitted.

図11示すように、本実施形態に係るFCコンバータ2500’は、U相、V相、W相によって構成された三相のコンバータ(以下、U相コンバータ2500a、V相コンバータ2500b、W相コンバータ2500c)としての回路構成を備えている。
図12に示すように、W相コンバータ2500cを構成するスイッチング素子Tr3は、スイッチング素子Tr1やスイッチング素子Tr2と同様、電源ライン301とアースライン302との間に直列に接続される。W相コンバータ2500cのW相リアクトル307は一端が磁気結合回路300’に接続され、他端がスイッチング素子Tr3の接続点に接続される。
As shown in FIG. 11, the FC converter 2500 ′ according to the present embodiment includes a three-phase converter (hereinafter referred to as a U-phase converter 2500a, a V-phase converter 2500b, and a W-phase converter 2500c) configured by a U-phase, a V-phase, and a W-phase. ) As a circuit configuration.
As shown in FIG. 12, switching element Tr3 constituting W-phase converter 2500c is connected in series between power supply line 301 and earth line 302, similarly to switching element Tr1 and switching element Tr2. One end of the W-phase reactor 307 of the W-phase converter 2500c is connected to the magnetic coupling circuit 300 ′, and the other end is connected to the connection point of the switching element Tr3.

W相ダイオードD3は、W相リアクトル307とスイッチング素子Tr3の接続点に接続され、W相ダイオードD3のカソードは、電源ライン301側の平滑コンデンサC1の一端に接続されている。   The W-phase diode D3 is connected to a connection point between the W-phase reactor 307 and the switching element Tr3, and the cathode of the W-phase diode D3 is connected to one end of the smoothing capacitor C1 on the power supply line 301 side.

FCコンバータ2500’は、燃料電池110から供給された電池電圧Vbを受け、スイッチング素子Tr1,Tr2,Tr3がスイッチング制御されることにより電池電圧Vbを昇圧して電源ライン301へ出力する。なお、燃料電池110からW相コンバータ2500cに入力される電流(以下、w相入力電流I3)は、図示せぬ電流センサによって検知される。   The FC converter 2500 ′ receives the battery voltage Vb supplied from the fuel cell 110, boosts the battery voltage Vb by switching control of the switching elements Tr <b> 1, Tr <b> 2, Tr <b> 3 and outputs the boosted voltage to the power supply line 301. A current (hereinafter referred to as w-phase input current I3) input from fuel cell 110 to W-phase converter 2500c is detected by a current sensor (not shown).

図13は、U相リアクトル308、V相リアクトル309、W相リアクトル307において発生するリアクトル電圧、リアクトル電流を説明するための図である。なお、図13では、U相、V相の各相の自己インダクタンスをL、相互インダクタンスをMとし、結合率をaであらわす。
まず、U相リアクトル308、V相リアクトル309の両端に発生するU相リアクトル電圧V1、V相リアクトル電圧V2、W相リアクトル電圧V3は、下記式(7)〜(9)によって求まる。
FIG. 13 is a diagram for explaining the reactor voltage and the reactor current generated in the U-phase reactor 308, the V-phase reactor 309, and the W-phase reactor 307. In FIG. 13, the self-inductance of each phase of the U phase and the V phase is L, the mutual inductance is M, and the coupling rate is a.
First, U-phase reactor voltage V1, V-phase reactor voltage V2, and W-phase reactor voltage V3 generated at both ends of U-phase reactor 308 and V-phase reactor 309 are obtained by the following formulas (7) to (9).

このU相リアクトル電圧V1、V相リアクトル電圧V2、W相リアクトル電圧V3のそれぞれについて等価リアクトルL1eq、L2eq、L3eqで表現すると次のように表わされる(式(10)〜(12)参照)。
Respectively, for equivalent reactors L 1 eq of the U-phase reactor voltage V1, V-phase reactor voltage V2, W-phase reactor voltage V3, L 2 eq, when expressed by L 3 eq is expressed as follows (Equation (10) to (12) see ).

コントローラ160は、負荷130の要求電力などに応じて、要求されるシステム電圧Vhが得られるように昇圧比を決定する。そして、コントローラ160は、決定した昇圧比が得られるようにスイッチング素子Tr1,Tr2のオン、オフを制御する。このようにして、FCコンバータ2500は、燃料電池110から供給される電池電圧Vbを要求されるシステム電圧Vhまで昇圧して負荷130へ出力する。   The controller 160 determines the boost ratio so that the required system voltage Vh is obtained according to the required power of the load 130 and the like. Then, the controller 160 controls on / off of the switching elements Tr1 and Tr2 so that the determined step-up ratio is obtained. In this way, the FC converter 2500 boosts the battery voltage Vb supplied from the fuel cell 110 to the required system voltage Vh and outputs the boosted voltage to the load 130.

ここで、図12に示す磁気結合回路300’は、第1トランスTW1と第2トランスTW2と第3トランスTW3とを備えて構成される。第1トランスTW1は、一端が電源ライン301に接続されたコイル310aと、一端が電源ライン301に接続されたコイル320aと、コイル310a及びコイル320aが巻回された環状のコア315aとを含む。別言すると、コイル310aおよびコイル320aは、それぞれ同一のコア315aに巻回される。なお、コイル310aとコイル320aの巻き数は、同一に設定されている。   Here, the magnetic coupling circuit 300 ′ shown in FIG. 12 includes a first transformer TW 1, a second transformer TW 2, and a third transformer TW 3. The first transformer TW1 includes a coil 310a having one end connected to the power supply line 301, a coil 320a having one end connected to the power supply line 301, and an annular core 315a around which the coil 310a and the coil 320a are wound. In other words, the coil 310a and the coil 320a are wound around the same core 315a. The number of turns of the coil 310a and the coil 320a is set to be the same.

また、第2トランスTW2は、一端が電源ライン301に接続されるとともに、コイル320aに直列接続されたコイル310bと、一端が電源ライン301に接続されたコイル320bと、コイル310b及びコイル320bが巻回された環状のコア315bとを含む。別言すると、コイル310bおよびコイル320bは、それぞれ同一のコア315bに巻回される。   The second transformer TW2 has one end connected to the power supply line 301 and a coil 310b connected in series to the coil 320a, a coil 320b connected to the power supply line 301 at one end, and the coil 310b and the coil 320b. A rotated annular core 315b. In other words, the coil 310b and the coil 320b are wound around the same core 315b.

さらに、第3トランスTW3は、一端が電源ライン301に接続されるとともに、コイル310aに直列接続されたコイル310cと、一端が電源ライン301に接続されるとともに、コイル320bに接続されたコイル320cと、コイル310c及びコイル320cが巻回された環状のコイル315cとを含む。別言すると、コイル310cおよびコイル320cは、それぞれ同一のコア315cに巻回される。   Further, the third transformer TW3 has one end connected to the power supply line 301 and a coil 310c connected in series to the coil 310a, and one end connected to the power supply line 301 and a coil 320c connected to the coil 320b. The coil 310c and the coil 320c are wound around the annular coil 315c. In other words, the coil 310c and the coil 320c are wound around the same core 315c.

<FCコンバータ2500’のリップル低減効果>
図14は、各スイッチング素子のスイッチング状態(以下、SWパターン)と、等価リアクトルの関係を示した図である。また、図15A〜図15Cは、それぞれ図14に示すSWパターンによるU相リアクトル電圧V1及びV相リアクトル電圧V2の変動パターンを示す図であり、図15Aは昇圧比α<3/2の場合、図15Bは昇圧比3/2≦α<3の場合、図15Cは昇圧比α≧3の場合を示す。なお、図15A〜図15Cでは第1スイッチング状態〜第8スイッチング状態を1〜8と表記する。
<Ripple reduction effect of FC converter 2500 '>
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the switching state (hereinafter referred to as SW pattern) of each switching element and the equivalent reactor. 15A to 15C are diagrams showing fluctuation patterns of the U-phase reactor voltage V1 and the V-phase reactor voltage V2 according to the SW pattern shown in FIG. 14, respectively. FIG. 15A shows a case where the boost ratio α <3/2. FIG. 15B shows a case where the boost ratio is 3/2 ≦ α <3, and FIG. 15C shows a case where the boost ratio is α ≧ 3. 15A to 15C, the first switching state to the eighth switching state are denoted as 1 to 8.

各相リアクトルに印加される電圧パターンは、昇圧比α<3/2の場合はスイッチング状態2,5,6,8(=2,5,6,8)の組み合わせによって表され(図15A参照)、昇圧比3/2≦α<3の場合はスイッチング状態3〜8(=3〜8)の組み合わせによって表され(図15B参照)、昇圧比α≧3の場合はスイッチング状態1,3,4,7(=1,3,4,7)の組み合わせによって表される(図15C参照)。   The voltage pattern applied to each phase reactor is represented by a combination of switching states 2, 5, 6, 8 (= 2, 5, 6, 8) when the step-up ratio α <3/2 (see FIG. 15A). When the step-up ratio 3/2 ≦ α <3, it is represented by a combination of switching states 3 to 8 (= 3 to 8) (see FIG. 15B), and when the step-up ratio α ≧ 3, the switching states 1, 3, 4 , 7 (= 1, 3, 4, 7) (see FIG. 15C).

ここで、図16は、昇圧比1<α<3/2、昇圧比3/2≦α<3、昇圧比α≧3のそれぞれの場合におけるリアクトルの電流リップル計算式(3相磁気結合型コンバータ)を示した図であり、図17は、昇圧比3/2≦α<3の場合(図15B参照)におけるスイッチング状態と電流リップルΔIの関係を例示した図である。なお、図16では、比較例として磁気結合を用いていない従来のコンバータ(従来型コンバータ)のリアクトルの電流リップル計算式を示している。また、図17ではU相コンバータを想定するがV相コンバータやW相コンバータであっても良いのはもちろんである。 Here, FIG. 16 shows the reactor current ripple calculation formula (three-phase magnetically coupled converter) in each of the boost ratio 1 <α <3/2, the boost ratio 3/2 ≦ α <3, and the boost ratio α ≧ 3. ) is a diagram showing, FIG. 17 is a diagram illustrating a relationship between switching states and current ripple [Delta] I L in the case of the step-up ratio 3/2 ≦ α <3 (see FIG. 15B). FIG. 16 shows a reactor current ripple calculation formula of a conventional converter (conventional converter) that does not use magnetic coupling as a comparative example. Moreover, although FIG. 17 assumes a U-phase converter, it is needless to say that a V-phase converter or a W-phase converter may be used.

図18及び図19は、それぞれ結合率α=0.44の場合、結合率α=1/3の場合におけるシステム電圧Vhと電流リップルΔIの関係を示した図であり、3相磁気結合型コンバータの電流リップルΔIを太実線で示し、従来型コンバータの電流リップルΔIを破線で示している。なお、図18及び図19は、燃料電池110から供給される電池電圧Vb=200V、リアクトルL=0.2mH、スイッチング周期Tc=0.1msの場合を想定する。 18 and 19, in each case coupling factor alpha = 0.44, and a diagram showing the relationship between the system voltage Vh and a current ripple [Delta] I L in the case of coupling factor α = 1/3, 3-phase magnetically coupled It shows the converter current ripple [Delta] I L by a thick solid line shows the current ripple [Delta] I L of the conventional converter with a broken line. 18 and 19 assume a case where the battery voltage Vb supplied from the fuel cell 110 is 200 V, the reactor L is 0.2 mH, and the switching cycle Tc is 0.1 ms.

ここで、図18に示す例では、最大昇圧電圧(ここでは650Vを想定)において、従来コンバータの電流リップルΔIと等しくなるように結合率a(ここではa=0.44)を設定しているが(上記式(5)、(6)参照)、3相磁気結合コンバータの場合には、このように結合率aを設定しても、3相磁気結合コンバータの電流リップルΔIの方が、従来型コンバータの電流リップルΔIよりも大きい領域(以下、過大リップル電流領域)RAが発生してしまう。
この点、2相磁気結合コンバータの場合には、最大昇圧電圧(ここでは650Vを想定)において、従来型コンバータの電流リップルΔIと等しくなるように結合率a(ここではa=0.44)を設定することで、過大リップル電流領域RAの発生を防止できる点で異なる(図10参照)。
In the example shown in FIG. 18, the maximum boosted voltage (assumed to 650V here) (here, a = 0.44) conventional converter current ripple [Delta] I L becomes equal way coupling factor a set a there is (the formula (5), (6)), and in the case of a three-phase magnetic coupling converter, setting such coupling ratio a, the direction of current ripple [Delta] I L of the three-phase magnetic coupling converter , conventional converter current ripple [Delta] I L larger area than (hereinafter, an excessive ripple current region) RA occurs.
In this regard, in the case of 2-phase magnetic coupling converter, the maximum boosted voltage in (here assumed to 650V is), conventional converter current ripple [Delta] I L becomes equal way coupling factor a (where a = 0.44) Is different in that the generation of the excessive ripple current region RA can be prevented (see FIG. 10).

本実施形態では、この過大リップル電流領域RAの発生を防止するために、電流リップルΔIが最大となる3相磁気結合型コンバータの昇圧電圧Vmaxにおいて、従来型コンバータの電流リップルΔIと等しく(あるいはそれ以下に)なるように結合率a(ここではa=1/3)を設定する。 In the present embodiment, in order to prevent the occurrence of an excessive ripple current region RA, the boosted voltage Vmax of 3-phase magnetically coupled converter current ripple [Delta] I L is the maximum, equal to the current ripple [Delta] I L of the conventional converter ( The coupling rate a (here, a = 1/3) is set so as to be (or less).

このように、電流リップルΔIが最大となる3相磁気結合型コンバータの昇圧電圧において、従来型コンバータの電流リップルΔIと等しく(あるいはそれ以下に)なるように、結合率aを設定し、設定した結合率aが得られるように自己インダクタンスL、相互インダクタンスMを決定することで、電流リップを抑えながらも体格の小さなコンバータの設計が可能となる。これにより、従来に比してシステムの運転効率を向上させることが可能となる。
また、3相磁気結合型コンバータを用いることで、2相磁気結合型コンバータを用いた場合に比べて大きなリップル低減効果を得ることが可能となる。
Thus, the boosting voltage of the three-phase magnetically coupled converter current ripple [Delta] I L is the maximum, equal to the current ripple [Delta] I L of the conventional converter (or less in) so as to set the coupling ratio a, By determining the self-inductance L and the mutual inductance M so as to obtain the set coupling rate a, it is possible to design a converter having a small physique while suppressing the current lip. Thereby, it becomes possible to improve the operation efficiency of a system compared with the past.
Further, by using a three-phase magnetic coupling type converter, it is possible to obtain a large ripple reduction effect as compared with the case of using a two-phase magnetic coupling type converter.

B.変形例
<変形例1>
以上説明した各実施形態では、2相磁気結合型コンバータ、3相磁気結合型コンバータを用いた場合について説明したが、4相以上の磁気結合型コンバータであっても良いのはもちろんである。 ここで、n相(n≧2)の磁気結合回路を用いた場合には、コントローラ(駆動制御手段)160は、各相のスイッチング素子を下記式(13)に示す位相差Pdで駆動するように制御すれば良い。
Pd=360°/n ・・・(13)
なお、本発明は昇圧型/降圧型のいずれのコンバータにも適用可能である。
B. Modification <Modification 1>
In each of the embodiments described above, a case where a two-phase magnetic coupling type converter and a three-phase magnetic coupling type converter are used has been described, but it is needless to say that a magnetic coupling type converter having four or more phases may be used. Here, when an n-phase (n ≧ 2) magnetic coupling circuit is used, the controller (drive control means) 160 drives each phase switching element with a phase difference Pd shown in the following equation (13). It is sufficient to control.
Pd = 360 ° / n (13)
It should be noted that the present invention can be applied to both step-up / step-down converters.

<変形例2>
なお、各磁気結合回路300、300’を構成する各トランス(磁気結合リアクトル)について、脚(コア)に巻き線(コイル)が巻かれた各相のフェライトから、巻き線(コイル)が巻かれていない中心脚までの各相磁路長が等しく設定するようにしても良い。
<Modification 2>
In addition, about each transformer (magnetic coupling reactor) which comprises each magnetic coupling circuit 300,300 ', winding (coil) is wound from the ferrite of each phase by which winding (coil) was wound around the leg (core). The phase magnetic path lengths to the center legs that are not present may be set equal.

100…FCHVシステム、110…燃料電池、120…バッテリ、130…負荷、140…インバータ、2500…FCコンバータ、2500a…U相コンバータ、2500b…V相コンバータ、2500c…W相コンバータ、160…コントローラ、170…センサ群、180…バッテリコンバータ、300,300’…磁気結合回路、Tr1,Tr2,Tr3…スイッチング素子、C1…平滑コンデンサ、307,308,309…リアクトル、Tw1,Tw2,Tw3…トランス、D1,D2…ダイオード、R1,R2…抵抗、A1,A2…電流センサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... FCHV system, 110 ... Fuel cell, 120 ... Battery, 130 ... Load, 140 ... Inverter, 2500 ... FC converter, 2500a ... U phase converter, 2500b ... V phase converter, 2500c ... W phase converter, 160 ... Controller, 170 ... Sensor group, 180 ... Battery converter, 300, 300 '... Magnetic coupling circuit, Tr1, Tr2, Tr3 ... Switching element, C1 ... Smoothing capacitor, 307, 308, 309 ... Reactor, Tw1, Tw2, Tw3 ... Transformer, D1, D2 ... Diode, R1, R2 ... Resistance, A1, A2 ... Current sensor.

Claims (4)

磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータの設計方法であって、
各相の自己インダクタンスをL、相互インダクタンスをM、式(A)によって得られる結合率をaとした場合、
磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータを利用したときに発生する第1のリップル電流が最大となるシステム電圧において、当該第1のリップル電流が、磁気結合を用いていない同一相数の多相コンバータを利用したときに発生する第2のリップル電流と一致するように、前記結合率aを設定する、多相コンバータの設計方法。
a=M/L ・・・(A)
A method of designing a multiphase converter using a magnetically coupled reactor,
When the self-inductance of each phase is L, the mutual inductance is M, and the coupling rate obtained by the equation (A) is a,
In a system voltage at which the first ripple current generated when using a multiphase converter using a magnetically coupled reactor is maximized, the first ripple current is a multiphase converter having the same number of phases without using magnetic coupling. A method for designing a multiphase converter, in which the coupling ratio a is set so as to coincide with the second ripple current generated when the power is used.
a = M / L (A)
磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータであって、
各相の自己インダクタンスをL、相互インダクタンスをM、式(A)によって得られる結合率をaとした場合、
前記結合率aは、磁気結合リアクトルを用いた多相コンバータを利用したときに発生する第1のリップル電流が最大となるシステム電圧において、当該第1のリップル電流が、磁気結合を用いていない同一相数の多相コンバータを利用したときに発生する第2のリップル電流と一致するように設定されている、多相コンバータ。
a=M/L ・・・(A)
A multi-phase converter using a magnetically coupled reactor,
When the self-inductance of each phase is L, the mutual inductance is M, and the coupling rate obtained by the equation (A) is a,
The coupling ratio a is the same at a system voltage at which the first ripple current generated when using a multiphase converter using a magnetic coupling reactor is maximized, and the first ripple current does not use magnetic coupling. A multi-phase converter that is set to coincide with the second ripple current generated when a multi-phase converter having the number of phases is used.
a = M / L (A)
相数をnとした場合、前記各相を構成するスイッチング素子について、式(B)によって示される位相差Pdで駆動する駆動制御手段をさらに備える、請求項に記載の多相コンバータ。
Pd=360°/n ・・・(B)
The multiphase converter according to claim 2 , further comprising drive control means for driving the switching elements constituting each phase with a phase difference Pd represented by the formula (B) when the number of phases is n.
Pd = 360 ° / n (B)
前記磁気結合リアクトルは、
脚に巻き線が巻かれた各相のフェライトから、巻き線が巻かれていない中心脚までの各相磁路長が等しく設定されている、請求項に記載の多相コンバータ。
The magnetically coupled reactor is
The multiphase converter according to claim 2 , wherein each phase magnetic path length from the ferrite of each phase wound around the leg to the center leg not wound around the leg is set equal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015056940A (en) * 2013-09-11 2015-03-23 株式会社デンソー Multi-phase power conversion device filter circuit and multi-phase power conversion device
JP6152828B2 (en) 2014-06-06 2017-06-28 株式会社村田製作所 Multi-phase DC / DC converter
CN104376562B (en) * 2014-11-21 2017-09-26 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 Taper hole image acquiring device, laminating rate detection method and the system of a kind of shaft coupling
JP6149977B1 (en) * 2016-06-10 2017-06-21 住友電気工業株式会社 Voltage converter and leakage inductance determination method
JP6218906B1 (en) * 2016-09-21 2017-10-25 三菱電機株式会社 Power converter
JP7196880B2 (en) * 2020-06-11 2022-12-27 トヨタ自動車株式会社 POWER SUPPLY SYSTEM, CONTROL DEVICE, AND REACTOR CURRENT MEASUREMENT METHOD
JP7279694B2 (en) * 2020-08-25 2023-05-23 トヨタ自動車株式会社 Control device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5144284B2 (en) * 2008-01-16 2013-02-13 本田技研工業株式会社 Power conversion circuit
JP2010074892A (en) * 2008-09-16 2010-04-02 Nec Corp Power supply circuit, and switching control method of power supply circuit
JP5049245B2 (en) * 2008-10-21 2012-10-17 株式会社豊田中央研究所 Multi-phase converter for on-vehicle use

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