JP6056130B2 - 共振型電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振型電力変換装置に関する。

従来から、共振現象を利用してスイッチング素子のソフトスイッチングを実現する共振型電力変換装置の一形態として、ＳＡＺＺ(Snubber Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition)方式のチョッパ回路が知られている（下記非特許文献１及び２参照）。
また、下記特許文献１には、ＳＡＺＺ方式を採用した共振型電力変換装置において、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサ（スナバコンデンサ）の電圧が最小となるまでの遅延時間を算出し、当該遅延時間の経過後に主スイッチをオンにすることで、主スイッチのソフトスイッチングを実現する技術が開示されている。

特許第４３９７９３８号公報

伊藤・弦田・河村：「ＳＡＺＺ昇圧チョッパ回路における回路定数設計法」、平成１７年電気学会産業応用部門大会、1-48, pp.223-224, 2005 弦田・伊藤・坂東・河村：「高効率高周波高出力チョッパ回路ＳＡＺＺ」、平成１８年電気学会産業応用部門大会、1-86, pp.475-480, 2006

上記従来技術では、入出力電圧及び電流の計測値と、補助リアクトルや補助コンデンサ等の回路定数とに基づいて上記遅延時間を算出していたため、回路素子の温度特性等、ハードウェア特性のバラツキが原因で、補助スイッチと主スイッチとのオンタイミング差（つまり遅延時間）を最適に制御することができず、スイッチング損失が増大する（効率が低下する）という問題があった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現可能な共振型電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、共振型電力変換装置に係る第１の解決手段として、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が最小となる時点で主スイッチをオンにするスイッチ制御部を備える双方向式の共振型電力変換装置において、前記スイッチ制御部は、前記補助スイッチをオンにしてから前記補助コンデンサの電圧が閾値以下となった時を前記補助コンデンサの電圧が最小となる時点として検知する、という手段を採用する。

また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、一次側電流値または二次側電流値を検出する電流センサと、前記補助コンデンサの充電電圧、一次側電圧値または二次側電圧値のいずれかを検出する電圧センサと、を備え、前記スイッチ制御部は、前記一次側電流値または前記二次側電流値と、前記補助コンデンサの電圧、前記一次側電圧値または前記二次側電圧値のいずれかに基づいて前記閾値を設定する、という手段を採用する。

また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記スイッチ制御部は、前記電流センサによって検出された前記一次側電流値または二次側電流値に基づいて前記補助スイッチを動作させるか否かを判定する、という手段を採用する。

また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記補助コンデンサの電圧を検出する電圧センサを備え、前記スイッチ制御部は、前記電圧センサによって検出された前記補助コンデンサの電圧が前記閾値より高い場合、前記補助コンデンサの電圧の今回値と前回値との関係に応じて遅延時間を増減し、前記補助コンデンサの電圧が前記閾値以下となった場合に、補助スイッチをオンにしてから前記遅延時間の経過後に前記主スイッチをオンにする、という手段を採用する。

また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記スイッチ制御部は、前記電流センサによって検出された前記一次側電流値または二次側電流値に基づいて最大遅延時間及び最小遅延時間を設定し、前記遅延時間が前記最小遅延時間以上ないし前記最大遅延時間以下となるように制限する、という手段を採用する。

本発明に係る共振型電力変換装置によれば、回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現できる。

第１実施形態に係る共振型電力変換装置の構成概略図である。 主スイッチ上アーム２０と主スイッチ下アーム２１の制御ブロック図である。 補助スイッチ上アーム２８の制御ブロック図である。 補助スイッチ下アーム２９の制御ブロック図である。 本実施形態における遅延時間Ｔｄの算出方法を示すフローチャート（ａ）と、スナバコンデンサ電圧Ｖｃの時間変化を示す図（ｂ）である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る共振型電力変換装置の構成概略図である。この図１に示すように、本実施形態に係る共振型電力変換装置は、ＳＡＺＺ方式を採用した双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、ＳＡＺＺ双方向チョッパ回路１、上スナバ電圧センサ２、下スナバ電圧センサ３、一次側電流センサ４、二次側電流センサ５、一次側電圧センサ６、二次側電圧センサ７及びスイッチ制御部８から構成されている。

ＳＡＺＺ双方向チョッパ回路１は、一次側端子１１、１２と、二次側端子１３、１４と、一次側平滑コンデンサ１５と、二次側平滑コンデンサ１６、１７と、リアクトル１８、１９と、主スイッチ上アーム２０と、主スイッチ下アーム２１と、上スナバコンデンサ２２（補助コンデンサ）と、下スナバコンデンサ２３（補助コンデンサ）と、ダイオード２４、２５、２６、２７と、補助スイッチ上アーム２８と、補助スイッチ下アーム２９と、ダイオード３０、３１、３２、３３から構成されている。

一次側端子１１は、直流電源Ｅ（例えば直流電圧Ｖ１を出力するバッテリ）の正極端子に接続され、一次側端子１２は、直流電源Ｅの負極端子及び二次側端子１４に接続されている。二次側端子１３は、負荷Ｌ（例えばモータ）の一端に接続され、二次側端子１４は、負荷Ｌの他端及び一次側端子１２に接続されている。一次側平滑コンデンサ１５は、一端が一次側端子１１に接続され、他端が一次側端子１２に接続されている。二次側平滑コンデンサ１６、１７は、一端が二次側端子１３に接続され、他端が二次側端子１４に接続されている。

リアクトル１８は、一端が一次側端子１１に接続され、他端がリアクトル１９の一端及び補助スイッチ下アーム２９のコレクタ端子に接続されている。リアクトル１９は、一端がリアクトル１８の他端に接続され、他端が主スイッチ上アーム２０のエミッタ端子及びダイオード２４のカソード端子に接続されている。

主スイッチ上アーム２０は、例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、コレクタ端子が二次側端子１３に接続され、エミッタ端子が主スイッチ下アーム２１のコレクタ端子に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部８に接続されている（配線については図示省略）。この主スイッチ上アーム２０は、スイッチ制御部８からゲート端子に入力されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号に応じて、オン状態或いはオフ状態に切り替わる。この主スイッチ上アーム２０には、ダイオード３０が並列接続されている。つまり、主スイッチ上アーム２０のエミッタ端子にダイオード３０のアノード端子が接続され、主スイッチ上アーム２０のコレクタ端子にダイオード３０のカソード端子が接続されている。

主スイッチ下アーム２１は、例えばＩＧＢＴであり、コレクタ端子が主スイッチ上アーム２０のエミッタ端子に接続され、エミッタ端子が二次側端子１４に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部８に接続されている（配線については図示省略）。この主スイッチ下アーム２１は、スイッチ制御部８からゲート端子に入力されるＰＷＭ信号に応じて、オン状態或いはオフ状態に切り替わる。この主スイッチ下アーム２１には、ダイオード３１が並列接続されている。つまり、主スイッチ下アーム２１のエミッタ端子にダイオード３１のアノード端子が接続され、主スイッチ下アーム２１のコレクタ端子にダイオード３１のカソード端子が接続されている。

上スナバコンデンサ２２は、一端が主スイッチ上アーム２０のコレクタ端子に接続され、他端がダイオード２４のアノード端子に接続されている。下スナバコンデンサ２３は、一端が主スイッチ下アーム２１のエミッタ端子に接続され、他端がダイオード２６のカソード端子に接続されている。

ダイオード２４は、アノード端子が上スナバコンデンサ２２の他端及びダイオード２５のカソード端子に接続され、カソード端子がリアクトル１９の他端及びダイオード２６のアノード端子に接続されている。ダイオード２５は、アノード端子が補助スイッチ下アーム２９のエミッタ端子に接続され、カソード端子が上スナバコンデンサ２２の他端及びダイオード２４のアノード端子に接続されている。

ダイオード２６は、アノード端子がリアクトル１９の他端及びダイオード２４のカソード端子に接続され、カソード端子が下スナバコンデンサ２３の他端及びダイオード２７のアノード端子に接続されている。ダイオード２７は、アノード端子が下スナバコンデンサ２３の他端及びダイオード２６のカソード端子に接続され、カソード端子が補助スイッチ上アーム２８のコレクタ端子に接続されている。

補助スイッチ上アーム２８は、例えばＩＧＢＴであり、コレクタ端子がダイオード２７のカソード端子に接続され、エミッタ端子が補助スイッチ下アーム２９のコレクタ端子及びリアクトル１９、１８の一端に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部８に接続されている（配線については図示省略）。この補助スイッチ上アーム２８は、スイッチ制御部８からゲート端子に入力されるＰＷＭ信号に応じて、オン状態或いはオフ状態に切り替わる。この補助スイッチ上アーム２８には、ダイオード３２が並列接続されている。つまり、補助スイッチ上アーム２８のエミッタ端子にダイオード３２のアノード端子が接続され、補助スイッチ上アーム２８のコレクタ端子にダイオード３２のカソード端子が接続されている。
なお、このダイオード３２は、必ずしも補助スイッチ上アーム２８に並列接続する必要はない。

補助スイッチ下アーム２９は、例えばＩＧＢＴであり、コレクタ端子がリアクトル１９の一端及び補助スイッチ上アーム２８のエミッタ端子に接続され、エミッタ端子がダイオード２５のアノード端子に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部８に接続されている（配線については図示省略）。この補助スイッチ下アーム２９は、スイッチ制御部８からゲート端子に入力されるＰＷＭ信号に応じて、オン状態或いはオフ状態に切り替わる。この補助スイッチ下アーム２９には、ダイオード３３が並列接続されている。つまり、補助スイッチ下アーム２９のエミッタ端子にダイオード３３のアノード端子が接続され、補助スイッチ下アーム２９のコレクタ端子にダイオード３３のカソード端子が接続されている。
なお、このダイオード３３は、必ずしも補助スイッチ下アーム２９に並列接続する必要はない。

上スナバ電圧センサ２は、上スナバコンデンサ２２の電圧Ｖｃ１を検出し、その検出結果を示す電気信号をスイッチ制御部８に出力する。下スナバ電圧センサ３は、下スナバコンデンサ２３の電圧Ｖｃ２を検出し、その検出結果を示す電気信号をスイッチ制御部８に出力する。一次側電流センサ４は、一次側端子１１に流れる一次側電流Ｉ１を検出し、その検出結果を示す電気信号をスイッチ制御部８に出力する。二次側電流センサ５は、二次側端子１３に流れる二次側電流Ｉ２を検出し、その検出結果を示す電気信号をスイッチ制御部８に出力する。一次側電圧センサ６は、一次側端子１１、１２間の一次側電圧Ｖ１を検出し、その検出結果を示す電気信号をスイッチ制御部８に出力する。二次側電圧センサ７は、二次側端子１３、１４間の二次側電圧Ｖ２を検出し、その検出結果を示す電気信号をスイッチ制御部８に出力する。

スイッチ制御部８は、上スナバ電圧センサ２、下スナバ電圧センサ３、一次側電流センサ４、二次側電流センサ５、一次側電圧センサ６及び二次側電圧センサ７の出力信号に基づいて、主スイッチ上アーム２０、主スイッチ下アーム２１、補助スイッチ上アーム２８及び補助スイッチ下アーム２９のスイッチング制御を行うマイクロコントローラであり、具体的には各スイッチのゲート端子に、それぞれデューティ比の異なるＰＷＭ信号を出力する。

次に、上記のように構成された共振型電力変換装置の動作について説明する。
本共振型電力変換装置の動作原理については、特許第４３９７９３８号公報に記載されているように既に公知であるので詳細な説明については省略するが、回生運転時（電力潮流方向が二次側→一次側の時）には、補助スイッチ下アーム２９をオンにしてから上スナバコンデンサ２２の電圧Ｖｃ１が最小となる時点で主スイッチ上アーム２０をオンにすることにより、主スイッチ上アーム２０のソフトスイッチングを実現でき、また、力行運転時（電力潮流方向が一次側→二次側の時）には、補助スイッチ上アーム２８をオンにしてから下スナバコンデンサ２３の電圧Ｖｃ２が最小となる時点で主スイッチ下アーム２１をオンにすることにより、主スイッチ下アーム２１のソフトスイッチングを実現できる。

既に述べたように、特許第４３９７９３８号公報に記載の技術では、入出力電圧及び電流の計測値と、リアクトルやスナバコンデンサ等の回路定数とに基づいて、補助スイッチと主スイッチとのオンタイミング差（遅延時間Ｔｄ）を算出していたため、回路素子の温度特性等、ハードウェア特性のバラツキが原因で上記遅延時間Ｔｄを最適に制御することができず、スイッチング損失が増大する（効率が低下する）という問題があった。

本共振型電力変換装置は、補助スイッチ下アーム２９（或いは補助スイッチ上アーム２８）をオンにしてから上スナバコンデンサ２２（或いは下スナバコンデンサ２３）の電圧Ｖｃ１（或いはＶｃ２）が最小となる時点で主スイッチ上アーム２０（或いは主スイッチ下アーム２１）をオンにするという点で従来と同様であるが、補助スイッチと主スイッチとのオンタイミング差の制御手法（遅延時間Ｔｄの設定手法）が全く異なるものである。

図２は、主スイッチ上アーム２０及び主スイッチ下アーム２１の制御ブロック図であり、図３は、補助スイッチ上アーム２８の制御ブロック図であり、図４は、補助スイッチ下アーム２９の制御ブロック図である。なお、図２〜図４に示す各制御ブロックは、スイッチ制御部８が制御プログラムに従って各種演算処理を実行することによって実現されるソフトウェア的な機能を視覚化したものであり、各制御ブロックに相当するハードウェア回路がスイッチ制御部８に内蔵されているわけではない。

図２に示すように、スイッチ制御部８は、主スイッチ上アーム２０及び主スイッチ下アーム２１を制御するためのソフトウェア的な機能として、電圧制御部３１、力行／回生判定部３２、力行／回生切替部３３、力行電流制御部３４、力行デューティ演算部３５、回生電流制御部３６及び回生デューティ演算部３７を備えている。

電圧制御部３１は、二次側電圧センサ７から得られる二次側電圧値Ｖ２と、予め設定されている二次側電圧指令値Ｖ２ｒｅｆとの偏差がゼロとなるような一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆをＰＩ演算によって算出する。

力行／回生判定部３２は、電圧制御部３１にて算出された一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆに基づいて、共振型電力変換装置の運転状態が力行運転か回生運転かを判定する。具体的には、力行／回生判定部３２は、一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆがゼロアンペア以上の場合（電力潮流方向が一次側→二次側の場合）に力行運転と判定し、一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆがゼロアンペアより小さい場合（電力潮流方向が二次側→一次側の場合）に回生運転と判定する。

力行／回生切替部３３は、力行／回生判定部３２によって運転状態が力行運転と判定された場合に、一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆを力行電流制御部３４へ出力し、力行／回生判定部３２によって運転状態が回生運転と判定された場合に、一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆを回生電流制御部３６へ出力する。

力行電流制御部３４は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１と、電圧制御部３１から得られる一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆとの偏差がゼロとなるような操作量をＰＩ演算によって算出する。力行デューティ演算部３５は、力行電流制御部３４から得られる操作量に基づいて、主スイッチ下アーム２１に出力すべきＰＷＭ信号のデューティ比Ｄｍ２を算出する。なお、力行運転時には、主スイッチ上アーム２０の動作はオフに維持される。

回生電流制御部３６は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１と、電圧制御部３１から得られる一次側電流指令値Ｉ１ｒｅｆとの偏差がゼロとなるような操作量をＰＩ演算によって算出する。回生デューティ演算部３７は、回生電流制御部３６から得られる操作量に基づいて、主スイッチ上アーム２０に出力すべきＰＷＭ信号のデューティ比Ｄｍ１を算出する。なお、回生運転時には、主スイッチ下アーム２１の動作はオフに維持される。

続いて、図３に示すように、スイッチ制御部８は、補助スイッチ上アーム２８を制御するためのソフトウェア的な機能として、遅延時間オン／オフ判定部４１、最大遅延時間設定部４２、最小遅延時間設定部４３、遅延時間演算部４４、遅延時間制限部４５、補助スイッチ動作切替部４６及び補助スイッチデューティ演算部４７を備えている。

遅延時間オン／オフ判定部４１は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１を基に、遅延時間Ｔｄを設定するか否か、言い換えれば補助スイッチ上アーム２８を先行動作させるか否かを判定する。具体的には、遅延時間オン／オフ判定部４１は、一次側電流値Ｉ１が一定値以下の場合に、遅延時間Ｔｄを設定しない（補助スイッチ上アーム２８を先行動作させない）と判定する。つまり、一次側電流値Ｉ１が一定値以下の場合、補助スイッチ上アーム２８を先行動作させて主スイッチ下アーム２１のソフトスイッチングを試みても、スイッチング損失の低減効果は小さいので、補助スイッチ上アーム２８を先行動作させずに主スイッチ下アーム２１をハードスイッチングさせる。
なお、主スイッチ下アーム２１をハードスイッチングさせる場合、補助スイッチ上アーム２８はオフの状態を継続させる。

最大遅延時間設定部４２は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１を基に、最大遅延時間Ｔｄｍａｘを設定する。具体的には、最大遅延時間Ｔｄｍａｘ（試験値或いは理論値でも良い）と一次側電流値Ｉ１との対応関係を示すテーブルデータが予め作成されており、最大遅延時間設定部４２は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１に対応する最大遅延時間Ｔｄｍａｘを上記テーブルデータから取得する。

最小遅延時間設定部４３は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１を基に、最小遅延時間Ｔｄｍｉｎを設定する。具体的には、最小遅延時間Ｔｄｍｉｎ（試験値或いは理論値でも良い）と一次側電流Ｉ１との対応関係を示すテーブルデータが予め作成されており、最小遅延時間設定部４３は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１に対応する最小遅延時間Ｔｄｍｉｎを上記テーブルデータから取得する。

遅延時間演算部４４は、上スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ１、下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２、一次側電流値Ｉ１及び一次側電圧値Ｖ１を基に、図５（ａ）に示すフローチャートに従って下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２が最小となる遅延時間Ｔｄを算出する。

図５（ａ）に示すように、遅延時間演算部４４は、上スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ１、一次側電流値Ｉ１及び一次側電圧値Ｖ１を基に、下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２の閾値Ｖｃｔｈ２を設定する（ステップＳ１）。図５（ｂ）に示すように、主スイッチ下アーム２１をオフ状態に維持しながら補助スイッチ上アーム２８をオンにすると、下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２は最大値から最小値に向かって降下するという挙動を示し、一次電流値Ｉ１によって最小値も変化する。よって、閾値Ｖｃｔｈ２は、一次電流値Ｉ１に応じて下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２の最小値に近い値（近似的に最小と見做せる値）に設定すれば良い。

具体的には、理想配線を仮定すると、Ｖｃ１≧２×Ｖ１の場合、Ｖｃｔｈ２＝０とし、Ｖｃ１＜２×Ｖ１の場合、Ｖｃｔｈ２＝Ｖｃ１−２×（Ｖｃ１−Ｖ１）＝２×Ｖ１−Ｖｃ１とする。実際には、配線のインダクタンス成分により、一次側電流値Ｉ１に応じて上スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ１が変化するので、試験的な経験値を用いて、一次側電流値Ｉ１に応じて上スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ１を補正する必要がある。

また、遅延時間演算部４４は、下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２の今回値を示す変数ＶＡの値を、Ｖｃ２の前回値を示す変数ＶＢに代入すると共に、今回取得したＶｃ２の値を変数ＶＡに代入する（ステップＳ２）。そして、遅延時間演算部４４は、変数ＶＡの値、つまり下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２の今回値が、上記ステップＳ１で設定した閾値Ｖｃｔｈ２より高いか否かを判定する（ステップＳ３）。

遅延時間演算部４４は、上記ステップＳ３にて「Ｙｅｓ」の場合（ＶＡ＞Ｖｃｔｈ２の場合）、変数ＶＡと変数ＶＢの差分値（＝ＶＡ−ＶＢ）がゼロより大きいか否か、つまり下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２の今回値が前回値より高いか否かを判定する（ステップＳ４）。

遅延時間演算部４４は、上記ステップＳ４にて「Ｙｅｓ」の場合（ＶＡ−ＶＢ＞０の場合）、下記（１）式を用いて遅延時間Ｔｄの変化量ΔＴｄを算出し（ステップＳ５）、上記ステップＳ４にて「Ｎｏ」の場合（ＶＡ−ＶＢ≦０の場合）にはステップＳ６の処理にジャンプする。
ΔＴｄ＝−１×ΔＴｄ ・・・（１）

遅延時間演算部４４は、上記ステップＳ４にて「Ｎｏ」の場合、或いは上記ステップＳ５の終了後、下記（２）式を用いて遅延時間Ｔｄを算出する（ステップＳ６）。
Ｔｄ＝Ｔｄ＋ΔＴｄ ・・・（２）

一方、遅延時間演算部４４は、上記ステップＳ３にて「Ｎｏ」の場合、つまり下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２の今回値が閾値Ｖｃｔｈ２以下の場合、上記ステップＳ４、Ｓ５及びＳ６の処理を省略して、遅延時間Ｔｄの変更を停止する。

このように、スナバコンデンサ電圧Ｖｃの今回値が閾値Ｖｃｔｈより高く、且つスナバコンデンサ電圧Ｖｃの今回値が前回値以下の場合、スナバコンデンサＶｃが最小値に向かって降下していると推定され、スナバコンデンサ電圧Ｖｃの今回値が前回値より大きい場合、スナバコンデンサＶｃが上昇していると推定される。この時のスナバコンデンサＶｃの降下速度或いは上昇速度は、回路素子の温度特性等、ハードウェア特性のバラツキによって変化する。

そこで、上記の場合には、スナバコンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｃｔｈ以下となるまで、遅延時間Ｔｄを一定の割合（ΔＴｄ）で増減させることにより、ハードウェア特性のバラツキに対して最適な遅延時間Ｔｄ（補助スイッチ２４をオンにしてからスナバコンデンサ電圧Ｖｃが近似的に最小となる時点）を求めることができる。

以上が遅延時間演算部４４による遅延時間Ｔｄの算出処理に関する説明であり、以下では図３に戻って説明を続ける。
遅延時間制限部４５は、遅延時間演算部４４によって算出された遅延時間Ｔｄが、最大遅延時間設定部４２にて設定された最大遅延時間Ｔｄｍａｘと、最小遅延時間設定部４３にて設定された最小遅延時間Ｔｄｍｉｎとの範囲内に収まるように制限する。具体的には、遅延時間Ｔｄが最大遅延時間Ｔｄｍａｘを越えた場合、その遅延時間Ｔｄを最大遅延時間Ｔｄｍａｘに設定し直す一方、遅延時間Ｔｄが最小遅延時間Ｔｄｍｉｎを下回った場合、その遅延時間Ｔｄを最小遅延時間Ｔｄｍｉｎに設定し直す。

補助スイッチ動作切替部４６は、遅延時間オン／オフ判定部４１にて遅延時間Ｔｄを設定しない（補助スイッチ上アーム２８を先行動作させない）と判定された場合、補助スイッチ上アーム２８の動作をオフに切り替える一方、それ以外の場合には、補助スイッチ上アーム２８の動作をオンに切り替える（補助スイッチデューティ演算部４７に遅延時間Ｔｄの使用を許可する）。

補助スイッチデューティ演算部４７は、力行デューティ演算部３５によって算出された主スイッチ下アーム２１のデューティ比Ｄｍ２と、遅延時間制限部４５から得られた遅延時間Ｔｄとに基づいて、補助スイッチ上アーム２８と主スイッチ下アーム２１とのオンタイミング差が遅延時間Ｔｄとなるような補助スイッチ上アーム２８のデューティ比Ｄｓ１を算出する。

一方、図４に示すように、スイッチ制御部８は、補助スイッチ下アーム２９を制御するためのソフトウェア的な機能として、遅延時間オン／オフ判定部５１、最大遅延時間設定部５２、最小遅延時間設定部５３、遅延時間演算部５４、遅延時間制限部５５、補助スイッチ動作切替部５６及び補助スイッチデューティ演算部５７を備えている。

遅延時間オン／オフ判定部５１は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１を基に、遅延時間Ｔｄを設定するか否か、言い換えれば補助スイッチ下アーム２９を先行動作させるか否かを判定する。具体的には、遅延時間オン／オフ判定部５１は、一次側電流値Ｉ１が一定値以下の場合に、遅延時間Ｔｄを設定しない（補助スイッチ下アーム２９を先行動作させない）と判定する。つまり、一次側電流値Ｉ１が一定値以下の場合、補助スイッチ下アーム２９を先行動作させて主スイッチ上アーム２０のソフトスイッチングを試みても、スイッチング損失の低減効果は小さいので、補助スイッチ下アーム２９を先行動作させずに主スイッチ上アーム２０をハードスイッチングさせる。
なお、主スイッチ上アーム２０をハードスイッチングさせる場合、補助スイッチ下アーム２９はオフの状態を継続させる。

最大遅延時間設定部５２は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１を基に、最大遅延時間Ｔｄｍａｘを設定する。具体的には、最大遅延時間Ｔｄｍａｘ（試験値或いは理論値でも良い）と一次側電流値Ｉ１との対応関係を示すテーブルデータが予め作成されており、最大遅延時間設定部５２は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１に対応する最大遅延時間Ｔｄｍａｘを上記テーブルデータから取得する。

最小遅延時間設定部５３は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１を基に、最小遅延時間Ｔｄｍｉｎを設定する。具体的には、最小遅延時間Ｔｄｍｉｎ（試験値或いは理論値でも良い）と一次側電流値Ｉ１との対応関係を示すテーブルデータが予め作成されており、最小遅延時間設定部５３は、一次側電流センサ４によって検出された一次側電流値Ｉ１に対応する最小遅延時間Ｔｄｍｉｎを上記テーブルデータから取得する。

遅延時間演算部５４は、上スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ１、下スナバコンデンサ電圧値Ｖｃ２、一次側電流値Ｉ１及び一次側電圧値Ｖ１を基に、上スナバコンデンサ２２の電圧Ｖｃ１が最小となる遅延時間Ｔｄを算出する。なお、この遅延時間演算部５４による遅延時間Ｔｄの算出手法は、遅延時間演算部４４と同様であるため説明を省略する。

遅延時間制限部５５は、遅延時間演算部５４によって算出された遅延時間Ｔｄが、最大遅延時間設定部５２にて設定された最大遅延時間Ｔｄｍａｘと、最小遅延時間設定部５３にて設定された最小遅延時間Ｔｄｍｉｎとの範囲内に収まるように制限する。具体的には、遅延時間Ｔｄが最大遅延時間Ｔｄｍａｘを越えた場合、その遅延時間Ｔｄを最大遅延時間Ｔｄｍａｘに設定し直す一方、遅延時間Ｔｄが最小遅延時間Ｔｄｍｉｎを下回った場合、その遅延時間Ｔｄを最小遅延時間Ｔｄｍｉｎに設定し直す。

補助スイッチ動作切替部５６は、遅延時間オン／オフ判定部５１にて遅延時間Ｔｄを設定しない（補助スイッチ下アーム２９を先行動作させない）と判定された場合、補助スイッチ下アーム２９の動作をオフに切り替える一方、それ以外の場合には、補助スイッチ下アーム２９の動作をオンに切り替える（補助スイッチデューティ演算部５７に遅延時間Ｔｄの使用を許可する）。

補助スイッチデューティ演算部５７は、回生デューティ演算部３７によって算出された主スイッチ上アーム２０のデューティ比Ｄｍ１と、遅延時間制限部５５から得られた遅延時間Ｔｄとに基づいて、補助スイッチ下アーム２９と主スイッチ上アーム２０とのオンタイミング差が遅延時間Ｔｄとなるような補助スイッチ下アーム２９のデューティ比Ｄｓ２を算出する。

スイッチ制御部８は、上記のように、主スイッチ２０、２１のデューティ比Ｄｍ及び補助スイッチ２８、２９のデューティ比Ｄｓを算出すると、デューティ比Ｄｍを有するＰＷＭ信号を生成して主スイッチ２０、２１に出力すると共に、デューティ比Ｄｓを有するＰＷＭ信号を生成して補助スイッチ２８、２９に出力する。

これにより、回生運転時（Ｉ１ｒｅｆ＜０）には、主スイッチ上アーム２０及び補助スイッチ下アーム２９がそれぞれのデューティ比でスイッチング動作し、各回路素子のハードウェア特性のバラツキに関係なく、補助スイッチ下アーム２９がオンとなってから上スナバコンデンサ電圧Ｖｃ１が近似的に最小となる時点（遅延時間Ｔｄの経過後）で主スイッチ上アーム２０がオンとなる。
また、力行運転時（Ｉ１ｒｅｆ≧０）には、主スイッチ下アーム２１及び補助スイッチ上アーム２８がそれぞれのデューティ比でスイッチング動作し、各回路素子のハードウェア特性のバラツキに関係なく、補助スイッチ上アーム２８がオンとなってから下スナバコンデンサ電圧Ｖｃ２が近似的に最小となる時点（遅延時間Ｔｄの経過後）で主スイッチ下アーム２１がオンとなる。

以上のように、本実施形態に係る共振型電力変換装置によれば、ＳＡＺＺ双方向チョッパ回路１を構成する各回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更することが可能である。
例えば、上記実施形態では、ＳＡＺＺ双方向チョッパ回路１の一次側電流値Ｉ１に基づいて、閾値Ｖｃｔｈの設定、最大遅延時間Ｔｓｍａｘの設定、最小遅延時間Ｔｄｍｉｎの設定及び遅延時間Ｔｄのオン／オフ判定を行う場合を例示したが、一次側電流値Ｉ１に替えて二次側電流センサ５によって検出される二次側電流値Ｉ２を用いても良い。

１…ＳＡＺＺ双方向チョッパ回路、２…上スナバ電圧センサ、３…下スナバ電圧センサ、４…一次側電流センサ、５…二次側電流センサ、６…一次側電圧センサ、７…二次側電圧センサ、８…スイッチ制御部

Claims (4)

1. 一対の一次側端子と、
   一対の二次側端子と、
   一端が前記一次側端子の一方に接続された第１のリアクトルと
   一端が前記第１のリアクトルの他端に接続された第２のリアクトルと、
   コレクタ端子が前記第１のリアクトルの他端に接続された補助スイッチ下アームと、
   エミッタ端子が前記第２のリアクトルの他端に接続され、コレクタ端子が前記二次側端子の一方に接続された主スイッチ上アームと、
   一端が前記主スイッチ上アームのコレクタ端子に接続された上スナバコンデンサと、
   アノード端子が前記上スナバコンデンサの他端に接続され、カソード端子が前記第２のリアクトルの他端に接続された第１のダイオードと、
   アノード端子が前記補助スイッチ下アームのエミッタ端子に接続され、カソード端子が前記上スナバコンデンサの他端に接続された第２のダイオードと、
   エミッタ端子が前記第１のリアクトルの他端に接続された補助スイッチ上アームと、
   コレクタ端子が前記第２のリアクトルの他端に接続され、エミッタ端子が前記一次側端子の他方及び前記二次側端子の他方に接続された主スイッチ下アームと、
   一端が前記主スイッチ下アームのエミッタ端子に接続された下スナバコンデンサと、
   アノード端子が前記第２のリアクトルの他端に接続され、カソード端子が前記下スナバコンデンサの他端に接続された第３のダイオードと、
   アノード端子が前記下スナバコンデンサの他端に接続され、カソード端子が前記補助スイッチ上アームのコレクタ端子に接続された第４のダイオードと、
   前記一次側端子の一方に流れる一次側電流値または前記二次側端子の一方に流れる二次側電流値を検出する電流センサと、
   前記上スナバコンデンサの充電電圧を第１の充電電圧として検出する第１の電圧センサと、
   前記下スナバコンデンサの充電電圧を第２の充電電圧として検出する第２の電圧センサと、
   一対の前記一次側端子の端子間電圧を一次側電圧値として検出する第３の電圧センサと、
   回生動作時には、前記電流センサから入力される前記一次側電流値または前記二次側電流値、また前記第２の電圧センサから入力される前記第２の充電電圧及び前記第３の電圧センサから入力される前記一次側電圧値に基づいて第１の閾値を設定すると共に、前記補助スイッチ下アームをオンにしてから前記第１の充電電圧が前記第１の閾値以下となった時点で前記主スイッチ上アームをオンさせ、
   力行動作時には、前記電流センサから入力される前記一次側電流値または前記二次側電流値、また前記第１の電圧センサから入力される前記第１の充電電圧及び前記第３の電圧センサから入力される前記一次側電圧値に基づいて第２の閾値を設定すると共に、前記補助スイッチ上アームをオンにしてから前記第２の充電電圧が前記第２の閾値以下となった時点で前記主スイッチ下アームをオンさせるスイッチ制御部と
   を備えることを特徴とする共振型電力変換装置。
2. 前記スイッチ制御部は、前記電流センサによって検出された前記一次側電流値または二次側電流値に基づいて、前記補助スイッチ下アーム及び前記補助スイッチ上アームを動作させるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の共振型電力変換装置。
3. 前記スイッチ制御部は、回生動作時において、前記第１の充電電圧が前記第１の閾値より高い場合、前記第１の充電電圧の今回値と前回値との関係に応じて第１の遅延時間を増減し、前記第１の充電電圧が前記第１の閾値以下となった場合に、前記補助スイッチ下アームをオンにしてから前記第１の遅延時間の経過後に前記主スイッチ上アームをオンさせ、力行動作時において、前記第２の充電電圧が前記第２の閾値より高い場合、前記第２の充電電圧の今回値と前回値との関係に応じて第２の遅延時間を増減し、前記第２の充電電圧が前記第２の閾値以下となった場合に、前記補助スイッチ上アームをオンにしてから前記第２の遅延時間の経過後に前記主スイッチ下アームをオンさせることを特徴とする請求項１または２に記載の共振型電力変換装置。
4. 前記スイッチ制御部は、前記電流センサによって検出された前記一次側電流値または二次側電流値に基づいて最大遅延時間及び最小遅延時間を設定し、前記第１、第２の遅延時間が前記最小遅延時間以上ないし前記最大遅延時間以下となるように制限することを特徴とする請求項３に記載の共振型電力変換装置。

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