JP6032381B1

JP6032381B1 - 昇降圧変換装置、コンピュータプログラム及び昇降圧変換装置の制御方法

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Publication number: JP6032381B1
Application number: JP2016072126A
Authority: JP
Inventors: 将義廣田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017184554A

Abstract

【課題】昇圧変換の場合にもスイッチング損失を低減することができる昇降圧変換装置、コンピュータプログラム及び昇降圧変換装置の制御方法を提供する。【解決手段】制御部は、昇圧変換時に、第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、第１モードの後に第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして第１インダクタ、第２インダクタ及びキャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、第２モードで第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が所定の電圧閾値以下になった場合、第１低圧側スイッチングデバイスをオンして第１モードへ移行させる。【選択図】図１

Description

本発明は、昇降圧変換装置、該昇降圧変換装置を制御するためのコンピュータプログラム及び前記昇降圧変換装置の制御方法に関する。

近年、自動車への４８Ｖシステムへの搭載が検討されている。４８Ｖシステムは、小容量のバッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、モータ／オルタネータ等で構成され、減速エネルギーによりオルタネータで発電し、加速時にはバッテリ電力でモータがエンジンアシストすることで、燃費向上が可能なシステムである。

このため、車両には、４８Ｖと従来の１２Ｖとの間で直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されている。また、近年では、機器の小型化要求が高く、受動素子の小型化のためＤＣ／ＤＣコンバータの駆動周波数が高くなってきている。しかし、駆動周波数を高くすると、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＦＥＴなどのスイッチングデバイスのスイッチング損失が大きくなる。そこで、スイッチング損失を低減すべくゼロ電圧でスイッチングを行う降圧型コンバータが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００２−２６２５５２号公報

しかし、特許文献１のような従来のＤＣ／ＤＣコンバータでは、降圧変換を行う場合には、ゼロ電圧でスイッチングを行ってスイッチング損失を低減することができるが、昇圧変換を行う場合については考慮されていない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、昇圧変換の場合にもスイッチング損失を低減することができる昇降圧変換装置、該昇降圧変換装置を制御するためのコンピュータプログラム及び前記昇降圧変換装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態に係る昇降圧変換装置は、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタと、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部とを備える昇降圧変換装置であって、前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、前記制御部は、昇圧変換時に、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が所定の電圧閾値以下になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させ、前記制御部は、前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる。

本発明の実施の形態に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタとを備える昇降圧変換装置を制御させるためのコンピュータプログラムであって、前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、コンピュータを、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部として機能させ、該制御部は、昇圧変換時に、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる処理を実行し、前記制御部は、前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる処理を実行する。

本発明の実施の形態に係る昇降圧変換方法は、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタとを備える昇降圧変換装置の制御方法であって、前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで制御部が動作させ、該制御部は、昇圧変換時に、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させ、前記制御部は、前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる。

本発明によれば、昇圧変換の場合にもスイッチング損失を低減することができる。

本実施の形態の昇降圧変換装置の回路構成の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ１の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ２の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ３の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ４の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ５の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ６の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作時の各部の波形の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の回路構成の他の例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の軽負荷時の昇圧動作の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ１の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ２の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ３の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ４の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の処理手順の第１例を示すフローチャートである。本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の処理手順の第２例を示すフローチャートである。

［本願発明の実施形態の説明］
本発明の実施の形態に係る昇降圧変換装置は、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタと、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部とを備える昇降圧変換装置であって、前記制御部は、昇圧変換時に、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が所定の電圧閾値以下になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる。

本発明の実施の形態に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタとを備える昇降圧変換装置を制御させるためのコンピュータプログラムであって、コンピュータを、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部として機能させ、該制御部は、昇圧変換時に、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる処理を実行する。

本発明の実施の形態に係る昇降圧変換装置の制御方法は、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタとを備える昇降圧変換装置の制御方法であって、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで制御部が動作させ、該制御部は、昇圧変換時に、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる。

制御部は、昇圧変換時に、第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させる。第１低圧側スイッチングデバイスをオンにすることにより、第２インダクタにエネルギーが蓄積される。

制御部は、第１モードでの動作後に第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして第１インダクタ、第２インダクタ及びキャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させる。第１低圧側スイッチングデバイスをオフにすることにより、第１低圧側スイッチングデバイスを流れていた電流は、第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続されたキャパシタを通じて流れるようになり、まず、キャパシタと第２インダクタとの共振電流が流れる。そして、キャパシタの電圧が上昇すると、第１インダクタ、第２インダクタ及びキャパシタによる共振電流が流れる。

制御部は、第２モードで第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が所定の電圧閾値以下になった場合、第１低圧側スイッチングデバイスをオンして第１モードへ移行させる。前述の第２モードで動作中、共振によりキャパシタの電圧、すなわち第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が上昇した後に下降する。電圧閾値は、例えば、０Ｖ又は０Ｖ付近の電圧とすることができる。例えば、第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０Ｖになった場合に、第１低圧側スイッチングデバイスをオンするので、第１低圧側スイッチングデバイスがオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る昇降圧変換装置は、前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧を検出する電圧検出部を備え、前記制御部は、前記電圧検出部で検出した電圧が前記電圧閾値以下である場合、前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる。

電圧検出部は、第１低圧側スイッチングデバイスの電圧を検出する。制御部は、電圧検出部で検出した電圧が電圧閾値以下である場合、第１低圧側スイッチングデバイスをオンして第１モードへ移行させる。第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が電圧閾値以下になった場合に、第１低圧側スイッチングデバイスをオンするので、第１低圧側スイッチングデバイスがオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る昇降圧変換装置は、前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、前記制御部は、前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる。

高圧側スイッチングデバイスと第１のインダクタとの接続点に接続され、高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備える。制御部は、第２モードで第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させる。第１インダクタ、第２インダクタ及びキャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させた場合に、キャパシタの電圧が上昇した後に下降するが、キャパシタの電圧が十分に低下しないときは、第２低圧側スイッチングデバイスをオンにすることにより、キャパシタの電荷を、第１インダクタを介して第２低圧側スイッチングデバイスへ流し、キャパシタの電圧を低下させる。

制御部は、第３モードでの動作後に第１低圧側スイッチングデバイスをオンして第１モードへ移行させる。第３モードにて、キャパシタの電圧、すなわち第１低圧側スイッチングデバイスの電圧は電圧閾値以下に低下しているので、第１低圧側スイッチングデバイスがオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の昇降圧変換装置の回路構成の一例を示す説明図である。本実施の形態の昇降圧変換装置は、高圧側の端子Ｈ及びＧ、低圧側の端子Ｌ及びＧを備える。端子Ｈ及びＧには、例えば、リチウムイオン電池などの比較的高い電圧（例えば、１２Ｖ系のバッテリに比べて高い電圧）のバッテリを接続し、端子Ｌ及びＧには、例えば、鉛蓄電池などの比較的低い電圧（例えば、１２Ｖなど）のバッテリを接続することができる。なお、以下では、スイッチングデバイスをＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）として説明するが、スイッチングデバイスはＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのデバイスであってもよい。

昇降圧変換装置の端子Ｈには、高圧側スイッチングデバイス１０のドレインを接続してあり、高圧側スイッチングデバイス１０のソースには、第１インダクタ１の一端を接続してある。第１インダクタ１の他端には、低圧側スイッチングデバイス２０のドレインを接続してあり、低圧側スイッチングデバイス２０のソースは端子Ｇに接続してある。低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間には、キャパシタ３を並列に接続してある。また、第１インダクタ１と低圧側スイッチングデバイス２０との接続点には、第２インダクタ２の一端を接続してあり、第２インダクタ２の他端は端子Ｌに接続してある。端子Ｈ及びＧ間には、キャパシタ４を接続してあり、端子Ｌ及びＧ間には、キャパシタ５を接続してある。

制御部５０は、高圧側スイッチングデバイス１０及び低圧側スイッチングデバイス２０のオン・オフを制御する。また、制御部５０は、昇降圧変換装置を後述の各動作モードで動作させる。また、制御部５０は、低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧、すなわちキャパシタ３の両端の電圧を検出する電圧検出部としての機能を有する。

すなわち、昇降圧変換装置は、第１インダクタ１を介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス１０及び第１低圧側スイッチングデバイス２０と、第１インダクタ１及び第１低圧側スイッチングデバイス２０の接続点に一端を接続した第２インダクタ２と、第１低圧側スイッチングデバイス２０に並列に接続したキャパシタ３と、高圧側スイッチングデバイス１０及び第１低圧側スイッチングデバイス２０をオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部５０とを備える。

次に、本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作（昇圧変換）について説明する。図２は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ１の一例を示す説明図である。状態Ｕ１は、第１モードに対応する。図２に示すように、制御部５０は、高圧側スイッチングデバイス１０をオフにし、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンにして第２インダクタ２に電流を流す第１モードで動作させる。第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンにすることにより、端子Ｌ及びＧ側から第２インダクタ２、第１低圧側スイッチングデバイス２０を介して電流が流れ、第２インダクタ２にエネルギーが蓄積される。

図３は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ２の一例を示す説明図である。状態Ｕ２は、第２モードに対応する。図３に示すように、図２に示す第１モードでの動作後に、制御部５０は、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオフにする。これにより、第２インダクタ２とキャパシタ３との共振による電流が流れる。キャパシタ３の電圧が端子Ｌ及びＧ間の電圧を超えると、第２インダクタ２に流れる電流が減少し始める。

図４は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ３の一例を示す説明図である。状態Ｕ３も第２モードに対応する。図３に示す状態で、共振によりキャパシタ３の電圧が上昇し、キャパシタ３の電圧が端子Ｈ及びＧ間の電圧を超えると、図４に示すように、高圧側スイッチングデバイス１０を通じて端子Ｈ及びＧ（負荷側）に電流が流れ、第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３による共振に移行する。このとき、制御部５０は、高圧側スイッチングデバイス１０をオンにする。

図５は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ４の一例を示す説明図である。状態Ｕ４も第２モードに対応する。第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３による共振により、キャパシタ３に流れる電流の向きが逆転し、キャパシタ３に蓄えられた電荷が放電するとともに、キャパシタ３の電圧が下がる。この状態では、高圧側スイッチングデバイス１０を通じて端子Ｈ及びＧ（負荷側）に電流が流れている。

図６は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ５の一例を示す説明図である。状態Ｕ５も第２モードに対応する。キャパシタ３の電圧が下がり、所定の電圧閾値（例えば、０Ｖ付近の値）になると、第１低圧側スイッチングデバイス２０のダイオードが逆バイアスの状態から順バイアスの状態となり、当該ダイオードを通じて端子Ｈ及びＧ（負荷側）に電流が流れる。図６に示す状態では、第１低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧は、所定の電圧閾値以下である。

図７は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の状態Ｕ６の一例を示す説明図である。状態Ｕ６において、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンする。第１低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧は、所定の電圧閾値以下であるので、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンしても、第１低圧側スイッチングデバイス２０がオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。また、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンすることにより、第２インダクタ２には、端子Ｌ及びＧから電流が流れ、端子Ｈ及びＧへ流れる電流は消滅して、第１モード（図２に示す状態Ｕ１）に移行する。

図８は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作時の各部の波形の一例を示す説明図である。図８において横軸は時間を示す。上段の図から順番に、第２インダクタ２の電圧波形及び電流波形、第１低圧側スイッチングデバイス２０の電圧波形及び電流波形、キャパシタ３の電圧波形及び電流波形、高圧側スイッチングデバイス１０の電圧波形及び電流波形、第１インダクタ１の電圧波形及び電流波形を示す。

図８に示すように、状態Ｕ１では、第２インダクタ２に電流が流れ、第２インダクタ２にエネルギーが蓄積される様子がわかる。

状態Ｕ２では、第１低圧側スイッチングデバイス２０がオンからオフになり、キャパシタ３の電流が増加するとともに、キャパシタ３の電圧は、第２インダクタ２との共振により正弦波状に増加している。

状態Ｕ３では、高圧側スイッチングデバイス１０がオフからオンになり、キャパシタ３の電圧が端子Ｈ及びＧ間の電圧を超え、高圧側スイッチングデバイス１０を通じて、第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３の共振による正弦波状の電流が端子Ｈ及びＧ間へ流れる。

状態Ｕ４では、キャパシタ３の電圧が増加から減少へ転じ、電圧が０に近づく。

状態Ｕ５では、キャパシタ３の電圧が０になり、第１低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧も０となる。

状態Ｕ６では、第１低圧側スイッチングデバイス２０がオフからオンになる。このとき、第１低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧は０Ｖであるので、第１低圧側スイッチングデバイス２０の電流が急激に増加しても、スイッチング損失を低減することができる（図８の符号Ａで示す箇所）。状態Ｕ６の後は状態Ｕ１に移行する。

上述のように、制御部５０は、第１モードの後に第１低圧側スイッチングデバイス２０をオフにして第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３による共振電流を流す第２モードで動作させる。第１低圧側スイッチングデバイス２０をオフにすることにより、第１低圧側スイッチングデバイス２０を流れていた電流は、第１低圧側スイッチングデバイス２０に並列に接続されたキャパシタ３を通じて流れるようになり、まず、キャパシタ３と第２インダクタ２との共振電流が流れる。そして、キャパシタ３の電圧が上昇すると、第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３による共振電流が流れる。

制御部５０は、第２モードで第１低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が所定の電圧閾値以下になった場合、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンして第１モードへ移行させる。前述の第２モードで動作中、共振によりキャパシタ３の電圧、すなわち第１低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が上昇した後に下降する。電圧閾値は、例えば、０Ｖ付近の電圧とすることができる。例えば、第１低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が０Ｖ付近になった場合に、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンするので、第１低圧側スイッチングデバイス２０がオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。

また、制御部５０は、電圧検出部としての機能を有し、第１低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧を検出する。制御部５０は、検出した電圧が電圧閾値以下である場合、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンして第１モードへ移行させる。第１低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が電圧閾値以下になった場合に、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンするので、第１低圧側スイッチングデバイス２０がオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。

図９は本実施の形態の昇降圧変換装置の回路構成の他の例を示す説明図である。図１に示す例との相違点は、図９では、高圧側スイッチングデバイス１０と第１インダクタ１との接続点に接続され、高圧側スイッチングデバイス１０と直列をなす第２低圧側スイッチングデバイス３０を備える。図９は第３モードとしての昇圧動作の状態Ｕ７を示す。

制御部５０は、図５で例示した状態Ｕ４（第２モード）において、第２低圧側スイッチングデバイス３０をオンにする第３モードで動作させる。第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３による共振電流を流す第２モードで動作させた場合に、キャパシタ３の電圧が上昇した後に下降するが、キャパシタ３の電圧が十分に低下しないときは、第２低圧側スイッチングデバイス３０をオンにすることにより、キャパシタ３の電荷を、第１インダクタ１を介して第２低圧側スイッチングデバイス３０へ流し、キャパシタ３の電圧を低下させ、所定の電圧閾値以下にする。

制御部５０は、状態Ｕ７（第３モード）の後に第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンして、図６に例示する状態Ｕ５へ移行させる。状態Ｕ７（第３モード）にて、キャパシタ３の電圧、すなわち第１低圧側スイッチングデバイス２０の電圧は電圧閾値以下に低下しているので、第１低圧側スイッチングデバイス２０がオンしたときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することができる。

図１０は本実施の形態の昇降圧変換装置の軽負荷時の昇圧動作の一例を示す説明図である。昇降圧変換装置の構成は、図９に例示した構成と同じである。端子Ｈ及びＧ間の負荷が軽負荷である場合（例えば、電流値が小さい場合）、第１低圧側スイッチングデバイス２０を常時オフにし、第２低圧側スイッチングデバイス３０を、第２インダクタ２及びキャパシタ３の共振周波数よりも高い周波数でオン・オフを繰り返す。

第２低圧側スイッチングデバイス３０がオンの状態では、図１０の実線の符号で示す向きに電流が流れ、第１インダクタ１及び第２インダクタ２にエネルギーが蓄積される。第２低圧側スイッチングデバイス３０がオフの状態では、図１０の破線の符号で示す向きに電流が流れ、端子Ｈ及びＧを通じて負荷に電流が供給される。軽負荷である場合には、スイッチングデバイスのスイッチング損失を抑制することができる。

次に、本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作について説明する。図１１は本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ１の一例を示す説明図である。状態Ｄ１では、高圧側スイッチングデバイス１０をオンし、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオフする。端子Ｈ及びＧ側から高圧側スイッチングデバイス１０を通じて、第１インダクタ１とキャパシタ３の共振電流が流れる。また、端子Ｈ及びＧ間の電圧と、端子Ｌ及びＧ間の電圧との差に応じて、第２インダクタ２を通じて端子Ｌ及びＧ側（負荷側）に電流が流れる。

図１２は本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ２の一例を示す説明図である。状態Ｄ２では、高圧側スイッチングデバイス１０はオンのままであり、第１低圧側スイッチングデバイス２０はオフのままである。状態Ｄ２では、第１インダクタ１とキャパシタ３の共振電流の向きが逆転し、高圧側スイッチングデバイス１０に流れる電流が減少する。

図１３は本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ３の一例を示す説明図である。前述の状態Ｄ２において、高圧側スイッチングデバイス１０に流れる電流が０又は０に近い小さい値になったときに、高圧側スイッチングデバイス１０をオフにすることで状態Ｄ３となる。状態Ｄ３では、キャパシタ３の残留電荷が端子Ｌ及びＧ側（負荷側）に放出され、キャパシタ３の電圧が下がる。

図１４は本実施の形態の昇降圧変換装置の降圧動作の状態Ｄ４の一例を示す説明図である。状態Ｄ４では、高圧側スイッチングデバイス１０がオフのままであり、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンする。キャパシタ３の電圧が０Ｖに近づくと、第１低圧側スイッチングデバイス２０のダイオードが逆バイアスから順バイアスとなり、当該ダイオードに電流が流れる。第１低圧側スイッチングデバイス２０のドレイン・ソース間の電圧が０Ｖ又は０Ｖ程度の小さい電圧になったときに、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンするので、第１低圧側スイッチングデバイス２０のスイッチング損失を低減することができる。また、状態Ｄ４の後は状態Ｄ１に移行する。

次に、本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の処理手順について説明する。図１５は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の処理手順の第１例を示すフローチャートである。制御部５０は、高圧側スイッチングデバイス１０をオフし（Ｓ１１）、低圧側スイッチングデバイス２０をオンし（Ｓ１２）、第２インダクタ２に電流を流す。制御部５０は、低圧側スイッチングデバイス２０をオフにして、第２インダクタ２とキャパシタ３とで共振させ（Ｓ１３）、高圧側スイッチングデバイス１０をオンし（Ｓ１４）、第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３とで共振させる（Ｓ１５）。

制御部５０は、低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が所定の電圧閾値以下であるか否かを判定し（Ｓ１６）、低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が所定の電圧閾値以下でない場合（Ｓ１６でＮＯ）、ステップＳ１６の処理を続ける。

低圧側スイッチングデバイス２０の電圧が所定の電圧閾値以下である場合（Ｓ１６でＹＥＳ）、制御部５０は、低圧側スイッチングデバイス２０をオンする（Ｓ１７）。制御部５０は、第１インダクタ１に流れる電流が減少すると（Ｓ１８）、高圧側スイッチングデバイス１０をオフし（Ｓ１９）、昇圧変換（昇圧動作）を終了するか否かを判定する（Ｓ２０）。昇圧変換を終了しない場合（Ｓ２０でＮＯ）、制御部５０は、ステップＳ１３以降の処理を続け、昇圧変換を終了する場合（Ｓ２０でＹＥＳ）、処理を終了する。

図１６は本実施の形態の昇降圧変換装置の昇圧動作の処理手順の第２例を示すフローチャートである。制御部５０は、高圧側スイッチングデバイス１０をオフし（Ｓ３１）、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンし（Ｓ３２）、第２インダクタ２に電流を流す。制御部５０は、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオフにして、第２インダクタ２とキャパシタ３とで共振させ（Ｓ３３）、高圧側スイッチングデバイス１０をオンし（Ｓ３４）、第１インダクタ１、第２インダクタ２及びキャパシタ３とで共振させる（Ｓ３５）。

制御部５０は、第２低圧側スイッチングデバイス３０をオンし（Ｓ３６）、キャパシタ３の電荷を、第２低圧側スイッチングデバイス３０を通じて放出させることにより、キャパシタ３の電圧を０Ｖに近づける。

制御部５０は、第１低圧側スイッチングデバイス２０をオンし（Ｓ３７）、第２低圧側スイッチングデバイス３０をオフにする（Ｓ３８）。制御部５０は、第１インダクタ１に流れる電流が減少すると（Ｓ３９）、高圧側スイッチングデバイス１０をオフし（Ｓ４０）、昇圧変換（昇圧動作）を終了するか否かを判定する（Ｓ４１）。昇圧変換を終了しない場合（Ｓ４１でＮＯ）、制御部５０は、ステップＳ３３以降の処理を続け、昇圧変換を終了する場合（Ｓ４１でＹＥＳ）、処理を終了する。

本実施の形態の昇降圧変換装置の制御方法は、制御部５０を、例えば、ＣＰＵ（プロセッサ）、ＲＡＭ（メモリ）などで構成し、図１５及び図１６に示すような、各処理の手順を定めたコンピュータプログラムをＲＡＭ（メモリ）にロードし、コンピュータプログラムをＣＰＵ（プロセッサ）で実行することにより、コンピュータ上で昇降圧変換装置の制御方法を実現することができる。

上述のように、本実施の形態の昇降圧変換装置では、例えば、スイッチングデバイス、インダクタ、ダイオードなどの部品を追加することなく、昇圧動作でのスイッチングデバイスのスイッチング損失を低減することができる。

以上に開示された実施の形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態及び実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての修正や変形を含むものと意図される。

１第１インダクタ
２第２インダクタ
３キャパシタ
１０高圧側スイッチングデバイス
２０第１低圧側スイッチングデバイス
３０第２低圧側スイッチングデバイス
５０制御部

Claims

第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタと、前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部とを備える昇降圧変換装置であって、
前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、
前記制御部は、昇圧変換時に、
前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、
該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、
前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が所定の電圧閾値以下になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させ、
前記制御部は、
前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、
該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる昇降圧変換装置。
コンピュータに、第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタとを備える昇降圧変換装置を制御させるためのコンピュータプログラムであって、
前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、
コンピュータを、
前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで動作させる制御部として機能させ、
該制御部は、昇圧変換時に、
前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、
該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、
前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる処理を実行し、
前記制御部は、
前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、
該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる処理を実行するコンピュータプログラム。
第１インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスと、前記第１インダクタ及び前記第１低圧側スイッチングデバイスの接続点に一端を接続した第２インダクタと、前記第１低圧側スイッチングデバイスに並列に接続したキャパシタとを備える昇降圧変換装置の制御方法であって、
前記高圧側スイッチングデバイスと前記第１インダクタとの接続点に接続され、前記高圧側スイッチングデバイスと直列をなす第２低圧側スイッチングデバイスを備え、
前記高圧側スイッチングデバイス及び第１低圧側スイッチングデバイスをオン／オフして所定の動作モードで制御部が動作させ、
該制御部は、昇圧変換時に、
前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンにして前記第２インダクタに電流を流す第１モードで動作させ、
該第１モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオフにして前記第１インダクタ、前記第２インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第２モードで動作させ、
前記第２モードで前記第１低圧側スイッチングデバイスの電圧が０になった場合、該第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させ、
前記制御部は、
前記第２モードで前記第２低圧側スイッチングデバイスをオンにする第３モードで動作させ、
該第３モードでの動作後に前記第１低圧側スイッチングデバイスをオンして前記第１モードへ移行させる昇降圧変換装置の制御方法。