JP6180576B1 - Ｄｃ−ｄｃ電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の過熱破壊の問題は、半導体スイッチング素子および半導体スイッチング素子の接合部の問題だけでなく、半導体スイッチング素子に逆並列接続されているダイオード素子の過熱が問題であった。【解決手段】変換主回路の半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に対して並列に接続されたダイオード素子と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検知部と、温度検知部により検出された半導体スイッチング素子の温度をＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の昇圧比による補正演算を用いてダイオード素子の温度を算出するダイオード素子温度算出部と、この算出した温度の値に応じて前記ダイオード素子を保護するための制御を行う過熱保護手段とを備え、ダイオード素子の過熱保護をするものである。【選択図】図８

Description

本発明は、直流電圧を別の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣ電圧変換装置に関するもので、特に、パワー半導体ユニットの過熱保護のシステムを備えたＤＣ−ＤＣ電圧変換装置に関するものである。

ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置は、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子が使用され、パワー半導体素子のスイッチング動作の繰返しによって直流電圧を別の直流電圧に変換することを行っている。そのスイッチング動作の際、半導体素子内部の半導体接合部分（以下、ジャンクション部）の電力損失により発熱が生じ、熱は、パワー半導体素子のジャンクションから半導体素子のケースまたは放熱板に伝熱され放熱される。

一方、パワー半導体素子のジャンクションには許容温度があり、許容温度を超えるとパワー半導体素子の性能は劣化し、場合によっては、破壊を引き起こすことになる。
前述のようなパワー半導体素子の温度上昇に起因する劣化や破壊を防ぐため、ジャンクション温度を測定し、過熱時にパワー半導体素子を保護動作させるように、過熱保護機能を備えたＤＣ−ＤＣ電圧変換装置が開発されている。
このような過熱保護機能が有効に動作するためには、ジャンクション温度の正確な測定が必要である。しかし、実際の製品においてジャンクション温度を直接測定することは困難である。そこで、パワー半導体モジュールに対しての所定位置の温度を温度センサにより測定し、パワー半導体素子内の発熱量（電力損失）により、所定部分とジャンクション部との温度差を計算し、ジャンクション温度を推定する方法が、特許文献１または特許文献２のように提案されている。

特許第３０７５３０３号公報 特開平７−１３５７３１号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に説明されているように、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子の発熱が注目され、その対策のために、温度を精度良く推定することが行われていたが、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子に対して並列接続されているダイオード素子の温度については、それほど注目されていなかった。
ダイオード素子においても電力損失により、発熱が生じ、ジャンクション温度が上昇するという問題があり、特に、使用条件（充放電時のスイッチングモード）によっては、ダイオード素子の温度が、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置のパワー半導体素子よりも熱くなる場合があるという問題があった。

本発明は、前記のような問題点を解決するためになされたものであり、直流電圧を昇圧した直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣ電圧変換装置において、簡単な構成で安価、かつ容易に、主回路のダイオード素子の温度をＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の主回路構成として相関性のあるパワー半導体素子の検出温度と昇圧比により補正演算して算出し、この算出値に応じて、過熱破壊から保護することを目的とするものである。

本発明は、前述の目的を達成するために、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の変換主回路の半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に対して並列に接続されたダイオード素子と、半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検知部と、温度検知部により検出された半導体スイッチング素子の温度をＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の昇圧比による補正演算を用いてダイオード素子の温度を算出するダイオード素子温度算出部と、この算出値に応じてダイオード素子を保護するための制御を行う過熱保護手段を備えたものである。

本発明のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置では、半導体スイッチング素子の検出温度と昇圧比によって補正演算してダイオード素子の温度を推定し、ダイオード素子を過熱破壊から保護することができる。

本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の全体構成図を示すブロック図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側と二次側の間の電圧変換と電力の流れを模式的に示したブロック図である。 本発明の実施形態１における変換主回路の全体構成図である。 本発明の実施形態１におけるパワー半導体ユニットの構成図である。 本発明の実施形態１における温度情報算出部のブロック図である。 本発明の実施形態１における昇圧比算出部のブロック図である。 本発明の実施形態１におけるダイオード素子温度算出部のブロック図である。 本発明の実施形態１における過熱保護要否判定入出力を表したブロック図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の放電時スイッチング動作モード図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の放電時の昇圧比２倍未満の波形図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の放電時の昇圧比２倍以上の波形図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の充電時スイッチング動作モード図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の直結時の波形図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の充電時の昇圧比２倍未満の波形図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の充電時の昇圧比２倍以上の波形図である。 本発明の実施形態１におけるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の温度比係数を示す特性図である。

実施の形態１
以下、本発明の実施形態１に係るＤＣ−ＤＣ電圧変換装置を、図１から図１６に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１によるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の全体構成を示すブロック図である。ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１は、変換主回路２と制御ユニット３から構成されている。ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１は、電力経路の接続端子として変換主回路２の一次側に正極側端子Ｐ１および負極側端子Ｎ１を備え、二次側に正極側端子Ｐ２および負極側端子Ｎ２を備えている（以下単に端子と略す場合あり）。

図２は、この実施の形態によるＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側と二次側の間の電圧変換と電力の流れを模式的に示した図である。ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１の一次側の正極側端子Ｐ１および負極側端子Ｎ１に直流電源４が接続され、二次側の正極側端子Ｐ２および負極側端子Ｎ２に電気機器５が接続されている状態を表している。
図２において、直流電源４は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛電池といった二次電池の他、太陽電池、燃料電池などの電源に電気二重層キャパシタや二次電池を組み合わせたものが使用される。また、電気機器５としては、電気負荷を含んで発電装置や蓄電装置と組み合わされた機器である。

ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１は、一次側端子電圧Ｖ１と二次側端子電圧Ｖ２について、Ｖ１≦Ｖ２の関係のもとで電圧変換を行い、相互に電力をやり取りする。
ここで、図２(ａ)に示すように、直流電源４が放電動作であり、電気機器５が電力消費動作の場合、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１は、一次側から二次側の方向へ電圧を昇圧して電力を送り込む。また、図２(ｂ)に示すように、直流電源４が充電動作であり、電気機器５が電力供給動作の場合、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１は、二次側から一次側の方向へ電圧を降圧して電力を送り込む。
この時、電圧の変換は、制御ユニット３から出力されるゲート駆動信号６によって、変換主回路２に備えられたパワー半導体ユニット内のスイッチ素子のオン、オフを制御することによって行われる。

図３は、変換主回路２の回路配線の一例を示す図であり、変換主回路２は、一次側端子電圧Ｖ１を平滑化する平滑キャパシタＣ１と、二次側端子電圧Ｖ２を平滑化する平滑キャパシタＣ２と、インダクタＬと、エネルギ移行用キャパシタＣ０と、スイッチ素子と整流素子の並列接続体を単位とする第１から第４のパワー半導体ユニットＰＵ１−ＰＵ４によって構成されている。

第１から第４の４個のパワー半導体ユニットＰＵ１−ＰＵ４を、２個のパワー半導体ユニットが逆並列接続されるように構成されたパワー半導体ユニットの対を２対直列に接続し、一次側から二次側へ昇圧の電力供給を行うように構成されている。

第１から第４のパワー半導体ユニットＰＵ１−ＰＵ４は、図３の例では、スイッチ素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４を採用している。また、整流素子として、ダイオード素子Ｄｉ１、Ｄｉ２、Ｄｉ３、Ｄｉ４を採用している。以下、整流素子をダイオード素子に用語を統一して使用する。

前記パワー半導体ユニットの数等は、これに限定されず、変換主回路２は、変換主回路２の一次側、二次側のそれぞれの正極側端子Ｐ１、Ｐ２と負極側端子Ｎ１、Ｎ２の間に接続され電圧を平滑する第１および第２の平滑キャパシタＣ１、Ｃ２と、それぞれがスイッチ素子（以下、ＩＧＢＴという）とダイオード素子（以下、Ｄｉという）が逆並列接続されてなる２つのパワー半導体ユニット（ＰＵ）からなるパワー半導体ユニットの対を２対以上含み、各対の一方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子Ｐ１と二次側の正極側端子Ｐ２の間で直列接続され、他方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子Ｐ１と二次側の負極側端子Ｎ２の間で前記一方のパワー半導体ユニットとは逆方向に直列接続されてなるパワーモジュール（ＰＵ１からＰＵ４）と、二次側端のパワー半導体ユニットの対を除いて、各パワー半導体ユニットの対の一方のパワー半導体ユニットと他方のパワー半導体ユニットのそれぞれの二次側端間に接続されたエネルギ移行用キャパシタ（Ｃ０）と、一次側端のパワー半導体ユニットの対と一次側の正極側端子Ｐ１の間接続されたインダクタ（Ｌ）とで構成されている。

続いて、変換主回路２の接続の詳細について説明する。
一次側平滑キャパシタＣ１の両端子は、変換主回路２の一次側の正極側端子Ｐ１、負極側端子Ｎ１に接続されており、負極側端子Ｎ１は変換主回路２の二次側の負極側端子Ｎ２とも接続されている。正極側端子Ｐ１は、平滑キャパシタＣ１の一方の端子とインダクタＬの一方の端子に接続される。
また、平滑キャパシタＣ２の両端子は、変換主回路２の二次側の正極側端子Ｐ２、負極側端子Ｎ２に接続されている。

パワー半導体ユニットＰＵ４のＩＧＢＴ４のコレクタ端子（Ｃ）は変換主回路２の二次側の正極側端子Ｐ２に、エミッタ端子（Ｅ）はパワー半導体ユニットＰＵ３のＩＧＢＴ３のコレクタ端子に、ＩＧＢＴ３のエミッタ端子はパワー半導体ユニットＰＵ２のＩＧＢＴ２のコレクタ端子に、ＩＧＢＴ２のエミッタ端子はパワー半導体ユニットＰＵ１のＩＧＢＴ１のコレクタ端子に、ＩＧＢＴ１のエミッタ端子は二次側の負極側端子Ｎ２に、順に接続されている。
パワー半導体ユニットＰＵ４のダイオード素子Ｄｉ４はＩＧＢＴ４に対し逆並列に接続され、ダイオード素子Ｄｉ４のアノード端子（Ａ）がＩＧＢＴ４のエミッタ端子（Ｅ）へ、ダイオード素子Ｄｉ４のカソード端子（Ｋ）がＩＧＢＴ４のコレクタ端子（Ｃ）へ接続されている。同様にダイオード素子Ｄｉ３、Ｄｉ２、Ｄｉ１は、それぞれＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ１へ逆並列に接続されている。

エネルギ移行用キャパシタＣ０は、一方の端子をＩＧＢＴ４とＩＧＢＴ３との接続点に、他方の端子をＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ１との接続点に接続されている。
インダクタＬは前記のように、一方の端子を変換主回路２の一次側の正極側端子Ｐ１と平滑キャパシタＣ１の端子の接続点に接続され、他方の端子をＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ２の接続点に接続されている。
すなわち、変換主回路は、変換主回路の一次側の正極側端子と負極側端子の間に平滑キャパシタと、インダクタが接続され、半導体スイッチング素子とダイオード素子とが逆並列に接続された４個のパワー半導体ユニットの直列体が二次側の正極端子と負極端子の間に接続され、インダクタの平滑キャパシタの端子への接続端子と異なる方の端子は、パワー半導体ユニットの直列体のうち、第２のパワー半導体ユニットと第３のパワー半導体ユニットの接続点に接続され、第１のパワー半導体ユニットと第２のパワー半導体ユニットの接続点と第３のパワー半導体ユニットと第４のパワー半導体ユニットの接続点との間にエネルギ移行用キャパシタが接続された構成となっている。

図１に示された後述する制御ユニット３からは、ゲート駆動信号６としてＩＧＢＴをオン、オフ制御するための信号がＩＧＢＴ４、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ１に対応して、それぞれＧａｔｅ４、Ｇａｔｅ３、Ｇａｔｅ２、Ｇａｔｅ１信号としてＩＧＢＴ４からＩＧＢＴ１のゲート端子（Ｇ）に入力されるよう信号線が接続されている。ＩＧＢＴ４はＧａｔｅ４信号の、ＩＧＢＴ３はＧａｔｅ３信号の、ＩＧＢＴ２はＧａｔｅ２信号の、ＩＧＢＴ１はＧａｔｅ１信号の電圧変化に従って、スイッチング動作する。

次に、変換主回路２の動作について説明する。
前述のように、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１は、一次側から二次側へ電圧を昇圧、あるいは、二次側から一次側へ電圧を降圧するよう電圧変換する。この昇圧動作、降圧動作は、ＩＧＢＴのオン、オフ動作のタイミングをゲート駆動信号６であるＧａｔｅ４、Ｇａｔｅ３、Ｇａｔｅ２、Ｇａｔｅ１で調整することによって制御される。
このゲート駆動信号６による電圧変換の制御について、昇圧動作時と降圧動作時とに分けて以下の場合を説明する。
（１）昇圧動作時 オンデューティ５０％未満の場合
（２）昇圧動作時 オンデューティ５０％以上の場合
（３）降圧動作時 オンデューティ５０％未満の場合
（４）降圧動作時 オンデューティ５０％以上の場合
（５）直結動作の場合

１)昇圧動作時 オンデューティ５０％未満の場合：
但し、オンデューティはＧａｔｅ１信号とＧａｔｅ２信号に対する値に関するものであり、Ｇａｔｅ４信号とＧａｔｅ３信号はそれぞれＧａｔｅ１信号、Ｇａｔｅ２信号と相補であるから、Ｇａｔｅ３信号とＧａｔｅ４信号のオンデューティは１００％−(Ｇａｔｅ１信号、Ｇａｔｅ２信号のオンデューティ)の関係となる。

図１０に昇圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが５０％未満の場合を示す。図１０において、（ａ）はゲート駆動信号Ｓ、（ｂ）はインダクタ電流ＩＬ、(ｃ)はスイッチングモードとその切り替わりタイミングを示している。
インダクタ電流ＩＬは、インダクタＬを正極側端子Ｐ１側の接続端子からＩＧＢＴ３側の接続端子の方向に流れる極性を正とする。
図１０において、Ｇａｔｅ１信号がハイ「Ｈ」の場合にＩＧＢＴ１が、Ｇａｔｅ２信号がハイの場合にＩＧＢＴ２がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。

Ｇａｔｅ３信号がハイの場合にＩＧＢＴ３が、Ｇａｔｅ４信号がハイの場合にＩＧＢＴ４がそれぞれオンするが、昇圧動作時には、逆並列接続されたダイオード素子Ｄｉ３、Ｄｉ４を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。

ここで、Ｇａｔｅ１信号とＧａｔｅ４信号は、互いにハイ「Ｈ」、ロー「Ｌ」の論理が相反する相補信号であり、Ｇａｔｅ１信号がハイの時にはＧａｔｅ４信号はロー、Ｇａｔｅ１信号がローの時にはＧａｔｅ４信号はハイとなる。但し、ハイとローの論理の切り替わり時はＩＧＢＴのスイッチング動作の応答遅れにより双方が同時にオンとならないよう阻止時間(デッドタイム)を設ける。
同様に、Ｇａｔｅ２信号とＧａｔｅ３信号は、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、Ｇａｔｅ１信号とＧａｔｅ２信号は位相差が１８０度である。即ち、ゲート駆動信号６は、相補信号として対を成す信号が２通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。

この時、Ｇａｔｅ１からＧａｔｅ４のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組み合わせは、スイッチングモードＢ、Ｃ、Ｄの三種に分類されＢ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｂの順に切り替わる。

スイッチングモードＢでは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオン、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ１→インダクタＬ→ダイオード素子Ｄｉ３→エネルギ移行用キャパシタＣ０→ＩＧＢＴ１→負極側端子Ｎ１の経路に流れ、エネルギがインダクタＬとエネルギ移行用キャパシタＣ０に蓄えられる。電気機器５には、後述する動作で蓄電された平滑キャパシタＣ２の両端電圧が印加され、平滑キャパシタＣ２からエネルギが供給される。
ＩＧＢＴ１、ダイオード素子Ｄｉ３がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ１側接続端子の電位はおよそＶｃｏｍ＝０、ＩＧＢＴ３側接続端子の電位はおよそＶＬとなる。よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝エネルギ移行用キャパシタＣ０の両端電圧Ｖｃ０となる。

スイッチングモードＤでは、ＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ４がオン、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２がオフであって、正極側端子Ｐ１→インダクタＬ→ダイオード素子Ｄｉ３→ダイオード素子Ｄｉ４→正極側端子Ｐ２→電気機器５→負極側端子Ｎ２の経路に電流が流れ、インダクタＬに蓄積されたエネルギが放出される。
また、電圧ＶＬは、ダイオード素子Ｄｉ３とダイオード素子Ｄｉ４に電流が導通し、およそＶ２となることから、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧と正極側端子Ｐ１側接続端子の電圧の差は（Ｖ１−Ｖ２）で負となり、インダクタ電流ＩＬはＩＬ＜０の方向へ向けて減少する。

スイッチングモードＣでは、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオン、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ１→インダクタＬ→ＩＧＢＴ２→エネルギ移行用キャパシタＣ０→ダイオード素子Ｄｉ４→正極側端子Ｐ２→電気機器５→負極側端子Ｎ２の経路に電流が流れ、エネルギがインダクタＬに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタＣ０から放出される。また、同時に平滑キャパシタＣ２にも電流が流れてエネルギが蓄えられる。
ＩＧＢＴ２、ダイオード素子Ｄｉ４がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ２側接続端子の電位はおよそＶＬ、ＩＧＢＴ４側接続端子の電位はおよそＶ２となる。よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２−Ｖｃ０となる。

ここで、Ｇａｔｅ１信号とＧａｔｅ２信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードＢ、Ｃにおける電圧ＶＬは時間平均的に等しく、Ｖｃ０＝（Ｖ２−Ｖｃ０）の関係となる。よって、エネルギ移行用キャパシタＣ０の両端電圧Ｖｃ０は、二次側端子電圧Ｖ２の１／２倍の、Ｖ２／２となる。

前述の説明を整理すると、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬは、スイッチングモードＢでは、ＶＬ＝Ｖｃ０＝Ｖ２／２、スイッチングモードＣでは、ＶＬ＝（Ｖ２−Ｖｃ０）＝Ｖ２／２、スイッチングモードＤでは、ＶＬ＝Ｖ２となる。
これより、インダクタＬの両端の電位差と、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２のスイッチオン時間ｔｏｎ、スイッチオフ時間ｔｏｆｆは、次の関係で表される。

スイッチングモードＢ、Ｃ：
Ｌ・ＩＬｒｐｌ＝ｔｏｎ・（ｖ１−ｖ２／２） （１ａ）
スイッチングモードＤ：
Ｌ・ＩＬｒｐｌ＝−ｔｏｆｆ・（ｖ１−ｖ２） （１ｂ）
但し、Ｌは、インダクタＬのインダクタンス、ＩＬｒｐｌは、インダクタＬに流れるリップル電流成分(交流電流成分)の振幅を示す。

式（１ａ）と式（１ｂ）の左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。
ｔｏｎ・（ｖ１−ｖ２／２）＝ｔｏｆｆ・（ｖ２−ｖ１） （２）
式(２)を一次側端子電圧Ｖ１と二次側端子電圧Ｖ２について整理すると、次のようになる。
（ｖ２／ｖ１）
＝（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ−ｔｏｎ＋ｔｏｎ／２）
＝１／(１−ｔｏｎ／Ｔ) （３）
但し、ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ＝Ｔ／２

上の式（３）で周期Ｔは、スイッチングモードＢ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｂの順に切り替わって一周する期間を示しており、周期Ｔの内に、ｔｏｎ期間が２回、ｔｏｆｆ期間が２回含まれている。ｔｏｎ＋ｔｏｆｆは、Ｔ／２となる。
また、式（３）の左辺、Ｖ２／Ｖ１は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１の一次側電圧Ｖ１と二次側電圧Ｖ２との比率であり、ＤＣ−ＤＣ電圧変換比である。
図１０に示される、ゲート駆動信号のオンデューティが５０％未満の動作では、ｔｏｎ／Ｔ＜０．５であり、式（３）に当てはめると、ＤＣ−ＤＣ電圧変換比は、２未満となる。よって、Ｖ２＜（Ｖ１×２）である。

これらから、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２／２＜Ｖ１、インダクタＬの正極側端子Ｐ１側の接続端子の電圧がＶ１である。よって、ＶＬを基準としてインダクタＬの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ＩＬは正の方向へ増加する。

以上のように、スイッチングモードＢ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｂの切り替わりにおいて、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ≧０の状態から更に正の方向に向けて変化し、スイッチングモードＤでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ＜０の状態に向けて変化する。
このことから、ＩＧＢＴのスイッチング周期Ｔに亘ってインダクタ電流ＩＬの増加、減少はＴ／２周期で２回繰り返されることとなる。即ち、ＩＧＢＴのスイッチング周波数に対してインダクタＬには２倍の周波数の交流電流が導通することとなる。

ここで、パワー半導体ユニットに流れる電流は、ＩＧＢＴに流れる電流よりもダイオード素子に流れる電流の方が大きくなり、変換主回路を構成する素子の中でダイオード素子が最も熱くなり得るため、ダイオード素子の温度とＩＧＢＴ素子の温度の双方により過熱保護動作の要否を決定する必要がある。これは、一般的にダイオード素子よりもＩＧＢＴ素子の方がスイッチングに際して生じるスイッチング損失が大きくなるが、ダイオード素子に流れる電流がＩＧＢＴ素子に流れる電流よりも大きいことから、ダイオード素子の温度とＩＧＢＴ素子の温度とで、場合により大小関係が入れ替わることに因る。
ダイオード素子Ｄｉ４、Ｄｉ３の温度は、同じ動作モードにおいて通電されるＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の温度と相関があり、通電時間と相関のある昇圧比にも依存する。このことから、ダイオード素子Ｄｉ４、Ｄｉ３の温度を、昇圧比に応じて可変となる温度比係数を用い、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の温度×［温度比係数］により補正演算により算出する。
なお、昇圧比と温度比係数の関係について、図１６に一例を示す。なお、図１６の詳細説明については後述する。

次に、ダイオード素子の温度算出から、過熱保護演算までの構成について説明する。

図４はパワー半導体ユニットの構成を示した図である。
パワー半導体素子の温度を検出する手段として、温度センサを備えた構成としているが、この温度センサは、例えばサーミスタなどの半導体素子の温度を検出できる部品をパワー半導体ユニット内部に接合させることにより、あるいは、パワー半導体ユニットの内部に温度検出ダイオードなどの温度検出機能を有する素子を内蔵させることにより、パワー半導体素子の温度を正確に検出することができる。温度検出用にサーミスタを用いる場合には、サーミスタと直列接続する抵抗器を配置し、抵抗器とサーミスタの直列体に対して所定の電圧を印加した上で、抵抗器とサーミスタの接続部の電圧をマイクロプロセッサに備えたA/D変換器で読み取り、パワー半導体素子の温度変化によりサーミスタの抵抗値が変化するのに連れて読み取り値が変動するのに対して、マイクロプロセッサ内でテーブル
参照を行うなどして、温度を検出する。

また、温度検出ダイオードを用いる場合には、温度検出ダイオードに一定電流を導通させつつ、ダイオードのアノード（Ａ）、カソード（Ｋ）間に生じる順方向電圧Ｖｆをマイクロプロセッサに備えたＡ／Ｄ変換器で読み取り、パワー半導体素子の温度変化によりＶｆが変動するのに連れて読み取り値が変動するのに対して、前記と同様にマイクロプロセッサ内でテーブル参照を行うなどして、温度を検出する。
なお、温度センサは前記とは別の構成であっても構わない。

図５は、パワー半導体素子の温度情報を算出する温度情報算出部５０のブロック図である。図５に表すように、第１のＩＧＢＴ１から第４のＩＧＢＴ４のそれぞれの温度信号Ｔｈ１−Ｔｈ４は、温度センサによって検出され、温度情報算出部５０にて、前述のテーブル参照などにより ＩＧＢＴ１−ＩＧＢＴ４の温度ＴＳ１−ＴＳ４を得る。

図６は、昇圧比算出部６０の構成を示したものであり、昇圧比算出部６０は電圧情報Ｖ１、Ｖ２を元に、Ｖ２をＶ１で割る除算演算により、昇圧比ＢＲを算出する。電圧情報Ｖ１、Ｖ２は、例えばマイクロプロセッサのＡ／Ｄ変換器で読み取られたデータであるが、変換主回路２のＩＧＢＴのスイッチングや、そのスイッチングに起因したノイズの印加によって変動的になり得る。この場合、昇圧比算出部にて、演算値に高域除去フィルタ（低域通過フィルタ）演算を施すなどして、適宜、処理を行う。

図７は、ダイオード素子温度算出部７０の構成を示したものであり、中に温度比係数算出手段７１を備えている。温度比係数算出手段７１は、図１６に例示する温度比係数の特性を用いて、インダクタ電流ＩＬ、昇圧比ＢＲから温度比係数をテーブル参照するなどして算出する。さらにダイオード素子の温度情報を算出するダイオード素子温度算出部７０内では、第１のＩＧＢＴ１から第４のＩＧＢＴ４の温度ＴＳ１からＴＳ４へ温度比係数を掛け合わせ、ダイオード素子の温度ＴＤｉ１からＴＤｉ４を算出する。図１６に示す温度比係数の特性は、放電動作であるか充電動作であるかの違い、昇圧比が２未満であるか２以上であるかによって、図１６Ａ、図１６Ｂに示すように分けられる。

ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置が放電動作の場合は、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の素子温度に対するＤｉ４、Ｄｉ３の素子温度の温度比係数が、図１６Ａに示される特性により参照される。放電動作の場合にはＤｉ１、Ｄｉ２の素子温度は、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４の素子温度とは明確な相関が無く、また電流の導通が無いことから、過熱保護の要否に関わるほどの素子温度上昇が見込まれない。このためＤｉ１、Ｄｉ２の素子温度算出に関わる温度比係数は、ゼロと設定すれば良い。

また、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置が充電動作の場合はＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４の素子温度に対するＤｉ２、Ｄｉ１の素子温度の温度比係数が、図１６Ｂに示される特性により参照される。充電動作の場合にはＤｉ３、Ｄｉ４の素子温度はＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４の素子温度とは明確な相関が無く、また電流の導通が無いことから、過熱保護の要否に関わるほどの素子温度上昇が見込まれない。このためＤｉ３、Ｄｉ４の素子温度算出に関わる温度比係数は、ゼロと設定すれば良い。

続いて、図８に示す過熱保護要否判定部８０、過熱保護演算手段８１の動作を説明する。過熱保護要否判定部８０は、ＩＧＢＴ素子温度、ダイオード素子温度に基づき、過熱保護の要否判定を行う。過熱保護の要否は、基本的には第１のＩＧＢＴ温度ＴＳ１から第４のＩＧＢＴ温度ＴＳ４、Ｄｉ温度ＴＤｉ１からＴＤｉ４の内の最高値に基づいて行うことになるが、ＩＧＢＴ１からＩＧＢＴ４とＤｉ１からＤｉ４の耐熱素子温度設定を異なるものにしたい場合や、昇圧比ＢＲ、インダクタ電流ＩＬの値によって、あるいは、ＴＳ１からＴＳ４、ＴＤｉ１からＴＤｉ４の温度分布状況に応じて過熱保護要否の判定閾値を変えたい場合など、適宜、過熱保護要否判定部内での判定論理は工夫される。

過熱保護演算手段８１は、過熱保護要否判定部８０から出力される保護対象の温度情報を入力し、過熱保護を行うための抑制量を算出する。抑制量は、所定の閾値その１から閾値その２の間を抑制量１倍から抑制量ゼロ倍との間の線形補間を行って算出するか、あるいはテーブル参照により、抑制量１倍から抑制量ゼロ倍までの値を設定するなどされる。
算出される抑制量は、図示しない別な装置へ情報伝達されて、過熱状態を回避するようＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の放電量、充電量を調整される。すなわち、過熱保護要否判定部８０の結果に応じて、過熱保護を行うように過熱保護手段が構成される。
これら図４から図８、図１６に関わる動作は、以降に説明する他の動作モードにおいても同様である。

２）昇圧動作時 オンデューティ５０％以上の場合：
次に、昇圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上である場合について説明する。
図１１は、当該時の動作波形を示しており、（ａ）はゲート駆動信号、（ｂ）はインダクタ電流ＩＬ、（ｃ）はスイッチングモードとその切り替わりタイミングである。
図１１において、Ｇａｔｅ１信号がハイ「Ｈ」の場合にＩＧＢＴ１がオンし、Ｇａｔｅ２信号がハイの場合にＩＧＢＴ２がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。
Ｇａｔｅ３信号がハイの場合にＩＧＢＴ３がオンし、Ｇａｔｅ４信号がハイの場合にＩＧＢＴ４がオンする。昇圧動作時には、逆並列接続されたダイオード素子Ｄｉ３、ダイオード素子Ｄｉ４を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。

また、Ｇａｔｅ１信号とＧａｔｅ４信号、Ｇａｔｅ２信号とＧａｔｅ３信号はそれぞれ相補信号であり、ハイとローの論理の切り替わり時にＩＧＢＴのスイッチング動作の応答遅れにより双方が同時にオンとならないよう阻止時間（デッドタイム）を設ける。Ｇａｔｅ１信号とＧａｔｅ２信号は位相差が１８０度である。

この時、Ｇａｔｅ１からＧａｔｅ４のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組み合わせは、スイッチングモードＡ、Ｂ、Ｃの三種に分類されＡ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａの順に切り替わる。

先ず、スイッチングモードＡでは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２がオン、ＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ４がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ１→インダクタＬ→ＩＧＢＴ２→ＩＧＢＴ１→負極側端子Ｎ１の経路に流れ、インダクタＬにエネルギが蓄積される。
電圧ＶＬは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２に電流が導通し、およそＶｃｏｍ＝０となることから、インダクタＬのＩＧＢＴ２側接続端子の電圧ＶＬと正極側端子Ｐ１側の接続端子の電圧との差は、(Ｖ１−０)で正となり、インダクタ電流ＩＬは正の方向へ増加する。

スイッチングモードＢでは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオン、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ１→インダクタＬ→ダイオード素子Ｄｉ３→エネルギ移行用キャパシタＣ０→ＩＧＢＴ１→負極側端子Ｎ１の経路に流れ、エネルギがインダクタＬから放出され、エネルギ移行用キャパシタＣ０に蓄えられる。電気機器５には、後述する動作で蓄電された平滑キャパシタＣ２の両端電圧が印加され、平滑キャパシタＣ２からエネルギが供給される。

ＩＧＢＴ１、ダイオード素子Ｄｉ３がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ１側接続端子の電位は、およそＶｃｏｍ＝０、ＩＧＢＴ３（ダイオード素子Ｄｉ３）側接続端子の電位は、およそＶＬとなる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３（ダイオード素子Ｄｉ３）側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖｃ０となる。

スイッチングモードＣでは、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオンであって、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ１→インダクタＬ→ＩＧＢＴ２→エネルギ移行用キャパシタＣ０→ダイオード素子Ｄｉ４→正極側端子Ｐ２→電気機器５→負極側端子Ｎ２の経路に流れ、エネルギがインダクタＬとエネルギ移行用キャパシタＣ０から放出される。
ＩＧＢＴ２、ダイオード素子Ｄｉ４がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ２側接続端子の電位は、およそＶＬ、ＩＧＢＴ４（ダイオード素子Ｄｉ４）側接続端子の電位は、およそＶ２となる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２−Ｖｃ０となる。

また、前述のオンデューティが５０％未満の動作と同様に、Ｇａｔｅ１信号とＧａｔｅ２信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードＢ、Ｃにおける電圧ＶＬは、時間平均的に等しくＶｃ０＝（Ｖ２−Ｖｃ０）の関係となる。よって、エネルギ移行用キャパシタＣ０の両端電圧Ｖｃ０は、二次側端子電圧Ｖ２の１／２倍の、Ｖ２／２となる。

前述の説明を整理すると、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬは、
スイッチングモードＡでは、ＶＬ＝０
スイッチングモードＢでは、ＶＬ＝Ｖｃ０＝Ｖ２／２
スイッチングモードＣでは、ＶＬ＝（Ｖ２−Ｖｃ０）＝Ｖ２／２
となる。

これより、インダクタＬの両端の電位差と、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２のスイッチオン時間ｔｏｎ、スイッチオフ時間ｔｏｆｆは、次の関係で表される。
スイッチングモードＡ：
Ｌ・ＩＬｒｐｌ＝（ｔｏｎ−ｔｏｆｆ）／２・Ｖ１ （４ａ）
スイッチングモードＢ、Ｃ：
Ｌ・ＩＬｒｐｌ＝−ｔｏｆｆ・（Ｖ１−Ｖ２／２） （４ｂ）
式（４ａ）と式（４ｂ）の左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。
（ｔｏｎ−ｔｏｆｆ）／２・Ｖ１＝−ｔｏｆｆ・（Ｖ１−Ｖ２／２） （５）

上の式（５）を一次側端子電圧Ｖ１と二次側端子電圧Ｖ２について整理すると次のようになる。
（ｖ２／ｖ１）＝（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）／ｔｏｆｆ
＝１／（１−ｔｏｎ／Ｔ） （６）
但し、ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ＝Ｔ

前記式（６）で、周期Ｔは、スイッチングモードＡ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａの順に切り替わって一周する期間を示しており、周期Ｔの内に、ｔｏｎ期間が１回、ｔｏｆｆ期間が１回含まれている。ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ＝Ｔとなる。
式（６）は、式（３）と等しいものであり、即ち、オンデューティが５０％未満であっても５０％以上であっても無関係にオンデューティの変化に合わせて連続的にＤＣ−ＤＣ電圧変換比は調整される。
なお、図１１に示されるゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上の動作では、ｔｏｎ／Ｔ≧０．５であり、式（６）に当てはめると、ＤＣ−ＤＣ電圧変換比は、２以上となる。よって、Ｖ２≧（Ｖ１×２）である。

これらから、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２／２≧Ｖ１、インダクタＬの正極側端子Ｐ１側接続端子の電圧がＶ１である。よって、ＶＬを基準としてインダクタＬの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ＩＬは負の方向へ減少する。

以上のように、スイッチングモードＡ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａの切り替わりにおいて、スイッチングモードＡでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ≧０の状態から更に正の方向に増加するよう変化し、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ＜０の状態に向けて変化する。
このことから、ＩＧＢＴのスイッチング周期Ｔに亘ってインダクタ電流ＩＬの増加、減少はＴ／２周期で２回繰り返されることとなる。即ち、ゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上である場合についても、ＩＧＢＴのスイッチング周波数に対してインダクタＬには２倍の周波数の交流電流が導通することとなる。

ここで、パワー半導体ユニットに流れる電流は、ダイオード素子に流れる電流よりもＩＧＢＴに流れる電流の方が大きくなり、変換主回路を構成する素子の中で最も熱くなるため、ＩＧＢＴの温度により過熱保護動作の要否を決定する必要がある。
前述したように、ＩＧＢＴの温度は、温度センサにより検出しているため、この温度信号を用いて、過熱保護要否を判定する事が可能である。

３）降圧動作時 オンデューティ５０％未満の場合：
降圧動作では図２(ｂ)に示すように、電圧Ｖ１≦電圧Ｖ２の関係で、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１の二次側に接続した電気機器５が発生する電力をＶ２からＶ１へＤＣ−ＤＣ電圧変換して直流電源４で回収する。
図１４に降圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが５０％未満の場合の波形を示す。図１４の（ａ）はゲート駆動信号、（ｂ）はインダクタ電流ＩＬ、（ｃ）はスイッチングモードとその切り替わりタイミングを示している。

図１４のＧａｔｅ１からＧａｔｅ４において、Ｇａｔｅ３信号がハイの場合にＩＧＢＴ３がオンし、Ｇａｔｅ４信号がハイの場合にＩＧＢＴ４がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。Ｇａｔｅ１信号がハイの場合にＩＧＢＴ１が、Ｇａｔｅ２信号がハイの場合にＩＧＢＴ２がオンするが、降圧動作時には、逆並列接続されたダイオード素子Ｄｉ１、Ｄｉ２を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。

図１４のＧａｔｅ１からＧａｔｅ４のゲート駆動信号と図１４のスイッチングモードとその切り替えタイミングは、昇圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが５０％未満での、図１０と同じである。
即ち、降圧動作時も昇圧動作時もゲート駆動信号は同じ波形であり、Ｇａｔｅ１からＧａｔｅ４のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組み合わせは、スイッチングモードＢ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｂの順に切り替わる。

スイッチングモードＤでは、ＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ４がオン、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ２→ＩＧＢＴ４→ＩＧＢＴ３→インダクタＬ→正極側端子Ｐ１→直流電源４→負極側端子Ｎ１の経路に流れ、インダクタＬにエネルギが蓄積される。その電流導通の方向から、インダクタ電流ＩＬの極性は負である。
また、ＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ４がオンして電流が導通することから、電圧ＶＬは、およそＶ２となる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧と正極側端子Ｐ１側の接続端子の電圧との差は、（Ｖ１−Ｖ２）で負となり、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ＜０の状態から負方向へ増加する。

スイッチングモードＢでは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオン、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオフであって、電流が、エネルギ移行用キャパシタＣ０→ＩＧＢＴ３→インダクタＬ→正極側端子Ｐ１→直流電源４→負極側端子Ｎ１→ダイオード素子Ｄｉ１の経路に流れ、エネルギがインダクタＬとエネルギ移行用キャパシタＣ０から放出される。また、平滑キャパシタＣ２には、電気機器５の発電電圧Ｖ２が印加され、平滑キャパシタＣ２にエネルギが供給される。
ＩＧＢＴ１（ダイオード素子Ｄｉ１）、ＩＧＢＴ３がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ１（ダイオード素子Ｄｉ１）側接続端子の電位は、およそＶｃｏｍ＝０、ＩＧＢＴ３側接続端子の電位は、およそＶＬとなる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖｃ０となる。

スイッチングモードＣでは、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオン、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ２→ＩＧＢＴ４→エネルギ移行用キャパシタＣ０→ダイオード素子Ｄｉ２→インダクタＬ→正極側端子Ｐ１→直流電源４→負極側端子Ｎ１の経路に流れ、エネルギがインダクタＬから放出され、エネルギ移行用キャパシタＣ０に蓄えられる。
ダイオード素子Ｄｉ２、ＩＧＢＴ４がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ２（ダイオード素子Ｄｉ２）側接続端子の電位は、およそＶＬ、ＩＧＢＴ４側接続端子の電位は、およそＶ２となる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２−Ｖｃ０となる。

ここで、Ｇａｔｅ３信号とＧａｔｅ４信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードＢ、Ｃにおける電圧ＶＬは時間平均的に等しく、Ｖｃ０＝(Ｖ２−Ｖｃ０)の関係となる。
よって、昇圧動作時と同様にエネルギ移行用キャパシタＣ０の両端電圧Ｖｃ０は、二次側端子電圧Ｖ２の１／２倍の、Ｖ２／２となる。

前記を整理すると、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬは、
スイッチングモードＢでは、ＶＬ＝Ｖｃ０＝Ｖ２／２
スイッチングモードＣでは、ＶＬ＝(Ｖ２−Ｖｃ０)＝Ｖ２／２
スイッチングモードＤでは、ＶＬ＝Ｖ２
となる。

これより、インダクタＬの両端の電位差と、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２のスイッチオン時間ｔｏｎ、スイッチオフ時間ｔｏｆｆは、昇圧動作時のゲート駆動信号のオンデューティが５０％未満での関係を示す式（１ａ）、（１ｂ）と同じとなる。
このため、同様に、式（２）、式（３）の関係が成り立つ。即ち、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１の電圧変換比（Ｖ２／Ｖ１）は、式（３）で示される。

図１４のゲート駆動信号のオンデューティが５０％未満の動作では、ｔｏｎ／Ｔ＜０．５であり、式（３）に当てはめるとＤＣ−ＤＣ電圧変換比は、２未満となる。よって、Ｖ２＜（Ｖ１×２）である。即ち、一次側端子電圧Ｖ１は、二次側端子電圧Ｖ２の１／２倍より高く１倍よりも低い電圧へ降圧される。

これらから、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２／２＜Ｖ１、インダクタＬの正極側端子Ｐ１側の接続端子の電圧がＶ１である。よって、ＶＬを基準としてインダクタＬの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ＩＬは正の方向に向けて減少する。即ち、降圧動作時でインダクタ電流ＩＬ＜０の状態から、ＩＬ≧０の状態に向けてＩＬは変化する。

以上のように、スイッチングモードＢ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｂの切り替わりにおいて、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ≧０の状態に向けて変化し、スイッチングモードＤでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ＜０の状態から更に負の方向に増加するよう変化する。
このことから、ＩＧＢＴのスイッチング周期Ｔに亘ってインダクタ電流ＩＬの増加、減少はＴ／２周期で２回繰り返されることとなる。即ち、昇圧動作時と同様にＩＧＢＴのスイッチング周波数に対してインダクタＬには２倍の周波数の交流電流が導通することとなる。

ここで、パワー半導体ユニットに流れる電流は、ダイオード素子に流れる電流よりもＩＧＢＴに流れる電流の方が大きくなり、変換主回路を構成する素子の中で最も熱くなるため、ＩＧＢＴの温度により過熱保護動作の要否を決定する必要がある。

４）降圧動作時 オンデューティ５０％以上の場合：
次に、降圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上である場合について説明する。
図１５は、当該時の動作波形を示しており、（ａ）はゲート駆動信号、（ｂ）はインダクタ電流ＩＬ、(ｃ)はスイッチングモードとその切り替わりタイミングである。
図１５において、Ｇａｔｅ３信号がハイの場合にＩＧＢＴ３が、Ｇａｔｅ４信号がハイの場合にＩＧＢＴ４がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。
Ｇａｔｅ１信号がハイの場合にＩＧＢＴ１が、Ｇａｔｅ２信号がハイの場合にＩＧＢＴ２がオンするが、降圧動作時には、逆並列接続されたダイオード素子Ｄｉ１、Ｄｉ２を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。

図１５のゲート駆動信号とのスイッチングモードとその切り替えタイミングは、昇圧動作時において、ゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上での図９（２）と同じである。
即ち、降圧動作時も昇圧動作時もゲート駆動信号は同じ波形であり、Ｇａｔｅ１からＧａｔｅ４のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組み合わせは、スイッチングモードＡ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａの順に切り替わる。

先ず、スイッチングモードＣでは、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオン、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオフであって、電流が、正極側端子Ｐ２→ＩＧＢＴ４→エネルギ移行用キャパシタＣ０→ダイオード素子Ｄｉ２→インダクタＬ→直流電源４→負極側端子Ｎ１の経路に流れ、エネルギがインダクタＬとエネルギ移行用キャパシタＣ０に蓄えられる。
ＩＧＢＴ２（ダイオード素子Ｄｉ２）、ＩＧＢＴ４がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ２側接続端子の電位は、およそＶＬ、ＩＧＢＴ４側接続端子の電位は、およそＶ２となる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２−Ｖｃ０となる。

スイッチングモードＢでは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３がオン、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４がオフであって、電流が、エネルギ移行用キャパシタＣ０→ＩＧＢＴ３→インダクタＬ→正極側端子Ｐ１→直流電源４→負極側端子Ｎ１→ダイオード素子Ｄｉ１の経路に流れ、エネルギがインダクタＬに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタＣ０から放出される。
ＩＧＢＴ１（ダイオード素子Ｄｉ１）、ＩＧＢＴ３がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタＣ０のＩＧＢＴ１側接続端子の電位は、およそＶｃｏｍ＝０、ＩＧＢＴ３側接続端子の電位は、およそＶＬとなる。
よって、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖｃ０となる。

スイッチングモードＡでは、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２がオン、ＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ４がオフであって、電流が、インダクタＬ→正極側端子Ｐ１→直流電源４→負極側端子Ｎ１→ダイオード素子Ｄｉ１→ダイオード素子Ｄｉ２の経路に流れ、エネルギがインダクタＬから放出される。
電圧ＶＬは、ダイオード素子Ｄｉ１とダイオード素子Ｄｉ２に電流が導通し、およそＶｃｏｍ＝０となることから、インダクタＬのＩＧＢＴ２側接続端子の電圧ＶＬと正極側端子Ｐ１側の接続端子の電圧との差は、Ｖ１で正となり、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ＜０の状態から正の方向へ向けて変化する。

また、前述のオンデューティが５０％未満の動作と同様に、Ｇａｔｅ３信号とＧａｔｅ４信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードＢ、Ｃにおける電圧ＶＬは、時間平均的に等しく、Ｖｃ０＝（Ｖ２−Ｖｃ０）の関係となる。よって、昇圧動作時と同様に、エネルギ移行用キャパシタＣ０の両端電圧Ｖｃ０は、二次側端子電圧Ｖ２の１／２倍の、Ｖ２／２となる。

前述の説明を整理すると、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬは、
スイッチングモードＡでは、ＶＬ＝Ｖｃｏｍ＝０
スイッチングモードＢでは、ＶＬ＝Ｖｃ０＝Ｖ２／２
スイッチングモードＣでは、ＶＬ＝（Ｖ２−Ｖｃ０）＝Ｖ２／２
となる。
これにより、インダクタＬの両端の電位差とＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２のスイッチオン時間ｔｏｎ、スイッチオフ時間ｔｏｆｆの関係は、昇圧動作時のゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上での関係を示す式（４ａ）、（４ｂ）と同じとなる。このため、同様に式（５）、式（６）の関係が成り立つ。
即ち、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置１の電圧変換比（Ｖ２／Ｖ１）は、式（６）で示される。

図１５のゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上の動作では、ｔｏｎ／Ｔ≧０．５であり、式（６）に当てはめるとＤＣ−ＤＣ電圧変換比は、２以上となる。よって、Ｖ２≧(Ｖ１×２)である。即ち、一次側端子電圧Ｖ１は、二次側端子電圧Ｖ２の１／２倍より低い電圧へ降圧される。

これらから、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタＬのＩＧＢＴ３側接続端子の電圧ＶＬ＝Ｖ２／２≧Ｖ１、インダクタＬの正極側端子Ｐ１側接続端子の電圧がＶ１である。よって、ＶＬを基準としてインダクタＬの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ＩＬは負の方向に増加する。即ち、降圧動作時でインダクタ電流ＩＬ＜０の状態から更に負の方向へ増加するよう変化する。

前述のように、スイッチングモードＡ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａの切り替わりにおいてスイッチングモードＡでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ≧０の状態に向けて変化し、スイッチングモードＢ、Ｃでは、インダクタ電流ＩＬは、ＩＬ＜０の状態から更に負の方向に増加するよう変化する。
このことから、ＩＧＢＴのスイッチング周期Ｔに亘ってインダクタ電流ＩＬの増加、減少はＴ／２周期で２回繰り返されることとなる。即ち、ゲート駆動信号のオンデューティが５０％以上である場合についても、ＩＧＢＴのスイッチング周波数に対してインダクタＬには２倍の周波数の交流電流が導通することとなる。

ここで、パワー半導体ユニットに流れる電流は、ＩＧＢＴに流れる電流よりもダイオード素子に流れる電流の方が大きくなり、変換主回路を構成する素子の中で最も熱くなり得るため、ダイオード素子の温度とＩＧＢＴ素子の温度の双方により過熱保護動作の要否を決定する必要がある。
Ｄｉ１、Ｄｉ２の温度は、同じ動作モードにおいて通電されるＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４の温度と相関があり、通電時間と相関のある昇圧比にも依存することから、昇圧比に応じて可変となる温度比係数を用い、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４温度はＤｉ１、Ｄｉ２の温度×［温度比係数］により算出する。
前述したように、ＩＧＢＴの温度は、温度センサにより検出しているため、この温度信号を用いて、過熱保護要否を判定し、過熱保護を行う事が可能である。

次に、昇圧比ＢＲと温度比係数の関係を例示する図１６について説明する。
図１６Ａは横軸を昇圧比、縦軸を温度比係数として表した特性図であり、昇圧比が２未満の放電動作時におけるＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の素子温度に対するＤｉ４、Ｄｉ３の素子温度の温度比係数を示すものである。図の特性線の内、実線はＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側、二次側間を導通する電流量が少ない場合、一点鎖線はＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側、二次側間を導通する電流量が多い場合、点線は電流量が実線での場合と点線での場合との中間での温度比係数の特性を示している。図において、昇圧比ＢＲが１倍から２倍へ増加するに連れて、温度比係数は低減して行く。これは、図１０の（ｃ）に示される通り、昇圧比ＢＲが１倍から２倍へ増加するのはＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２のスイッチングＤＵＴＹが０％から５０％へ増えて行く事に連動しており、これはＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の導通電流がＤｉ４、Ｄｉ３の導通電流よりも少なかったものが、スイッチングＤＵＴＹの増加とともにＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の導通電流とＤｉ４、Ｄｉ３の導通電流が同量に近づいて行く事に該当している。但し、温度比係数は、ＩＧＢＴ素子の放熱の熱抵抗、ダイオード素子の放熱の熱抵抗にも相関しており、導通電流量が等しいといって、必ずしも温度比係数は１となる訳ではない。

図１６Ａでは、昇圧比ＢＲがおよそ１．４近傍で、温度比係数が略１、すなわち、ＩＧＢＴ１の温度に対してＤｉ４の温度がほぼ等しく、ＩＧＢＴ２の温度に対してＤｉ３の温度がほぼ等しい場合を示したものとなっている。温度比係数が１未満では、ＩＧＢＴ１よりもＤｉ４の方が、ＩＧＢＴ２よりもＤｉ３の方が低温となることを指しているが、前述のように、ＴＳ１からＴＳ４、ＴＤｉ１からＴＤｉ４の温度分布状況に応じて過熱保護要否の判定閾値を変えたい場合などで、温度比係数が１未満の場合のダイオード素子の温度も利用される。
なお、放電動作で昇圧比が２以上の場合、図１１に図示される通り、ダイオードの導通電流量はＩＧＢＴの導通電流量よりも極めて少なくなるため、ダイオードの過熱保護を要する運転領域には該当しなくなる。

図１６Ｂも同じく横軸を昇圧比、縦軸を温度比係数として表した特性図であり、昇圧比が２以上の充電動作時におけるＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４の素子温度に対するＤｉ２、Ｄｉ１の素子温度の温度比係数を示すものである。前述の図１６Ａと同様に、図の特性線の内、実線はＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側、二次側間を導通する電流量が少ない場合、一点鎖線はＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側、二次側間を導通する電流量が多い場合、点線は電流量が実線での場合と点線での場合との中間での温度比係数の特性を示している。

図において、昇圧比ＢＲが２倍から２．６倍へ増加するに連れて、温度比係数は低減して行く。これは、図１５の（ｃ）に示される通り、昇圧比ＢＲが２倍からさらに増加するのはＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４のスイッチングＤＵＴＹが５０％から１００％へ向けて増えて行く事に連動しており、これはＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４の導通電流が減少して行き、一方、Ｄｉ２、Ｄｉ１の導通電流が増加していくため、温度比係数は、低減して行く特性を示している。但し、ＩＧＢＴのスイッチングＤＵＴＹと昇圧比ＢＲの間は、線形の関係ではない。このため、図１６Ａと図１６Ｂに図示する通り、対称性が無い特性となっている。

温度比係数が１未満の場合では、ＩＧＢＴ３よりもＤｉ２の方が低温となり、ＩＧＢＴ４よりもＤｉ１の方が低温となることを指しているが、前述のように、ＴＳ１からＴＳ４、ＴＤｉ１からＴＤｉ４の温度分布状況に応じて過熱保護要否の判定閾値を変えたい場合などで、温度比係数が１未満の場合のダイオード素子の温度も利用される。
なお、図示しないが、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の充電動作で、昇圧比が２未満であり、温度比係数が１以上となる場合の特性に関しても、テーブル参照によって温度比係数を算出する動作は、前述のものと同様に行われる。

５）直結動作の場合：
次に、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置が、スイッチングを行わずに一次側と二次側の電圧を同じとする直結動作の場合について説明する。
直結かつ放電動作の場合、パワー半導体ユニットにおいては、ダイオードＤｉ３、Ｄｉ４にのみ連続通電される。この時、変換主回路２の動作は、図１０のスイッチングモードＤの状態である。
ここで、ダイオードＤｉ３、Ｄｉ４の温度は、流れる電流、つまりインダクタ導通電流ＩＬに依存することから、少なくともインダクタ導通電流を入力パラメータとするテーブル参照により、ダイオードＤｉ３、Ｄｉ４の温度推定値を得ることができ、この値を用いて過熱保護動作要否を判定し、過熱保護を行う事が可能である。

また、直結かつ充電動作の場合、パワー半導体ユニットにおいては、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４にのみ連続通電される。この時、変換主回路２の動作は、図１２のスイッチングモードＤの状態である。これは、図１３に示される通り、ゲート駆動信号Ｇａｔｅ１、Ｇａｔｅ２はＯＦＦ、Ｇａｔｅ３、Ｇａｔｅ４はＯＮであり、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ３、インダクタＬの電気的接続点の電位ＶＬは、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の二次側電圧Ｖ２とほぼ等しくなる。また、充電動作であるため、インダクタ電流ＩＬの符号は負となる。

ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４は、温度センサを備えているため、温度センサを用いて検出したＩＧＢＴの素子温度ＴＳ３、ＴＳ４を用いて過熱保護の要否判定、過熱保護演算を行う。また、ダイオード素子温度算出部は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側電圧と二次側電圧が一致し、前記半導体スイッチング素子がスイッチングを停止している場合には、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置に導通する電流量およびダイオード素子の温度と相関のある変換主回路の冷媒温度に基づいて、ダイオード素子の温度を算出することもできる。ここで得られたダイオード素子の温度の値に応じて、前述の過熱保護の制御を行うことができる。

以上の実施の形態においては、半導体スイッチング素子にＩＧＢＴを使用した事例を取り上げて説明したが、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）材料によるパワーデバイスをスイッチング素子として使用した場合には、すなわち、半導体スイッチング素子としてＳｉＣ素子を使用した場合には、スイッチング損失が少なく、また、バンドギャップが広いため、高温においても動作可能になることから、発熱の問題は、半導体スイッチング素子よりも、むしろ並列に接続されるダイオード素子における発熱が問題になる。このため、検出された温度から補正演算によってダイオード素子の温度を算出して、制御に使用することは、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置を保護するためにより効果のある構成である。

以上で説明したように、本発明によれば、ダイオード素子の温度が、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置のパワー半導体素子の内で、最も高温になる場合においても、簡単な構成で安価かつ容易に、温度検知部を備えない主回路のダイオード素子温度を、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の主回路構成として相関性のあるパワー半導体素子の検出温度と昇圧比により補正演算する構成、手段を用いることにより、廉価な構成のまま、適切に温度保護要否を判定し、過熱破壊から保護することができる。

以上の説明では、本発明に関する実施の形態を説明したが、これらは本発明の好適な実施事例を例示したものであって、それらを任意に組み合わせて構成することができる。
すなわち、ダイオード素子温度算出部は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の二次側電圧と一次側の電圧の比である昇圧比に応じて可変となる温度比係数を用いて前記ダイオード素子の温度を算出することができる。
また、ダイオード素子温度算出部における温度比係数としては、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置が一次側から二次側へ電力を供給する放電動作時と二次側から一次側へ電力を供給する充電動作時とで異なる特性であることができる。
さらに、ダイオード素子温度算出部における温度比係数は、昇圧比とＤＣ−ＤＣ電圧変換装置に導通する電流量を入力変数とするテーブルを参照して定められる値であるようにしても良い。

本発明は、これら実施の形態の構成、動作に限定されるものでなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１ ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置、２ 変換主回路、３ 制御ユニット、
４ 直流電源、５ 電気機器、６ ゲート駆動信号、５０ 温度情報算出部、
６０ 昇圧比算出部、７０ ダイオード素子温度算出部、７１ 温度比係数算出手段、
８０ 過熱保護要否判定部、８１ 過熱保護演算手段、
Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３、Ｔｈ４ 温度信号、Ｖ１ 一次側端子電圧、
Ｖ２ 二次側端子電圧、ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３，ＴＳ４ ＩＧＢＴ温度、
ＢＲ 昇圧比、ＴＤｉ１、ＴＤｉ２，ＴＤｉ３，ＴＤｉ４ ダイオード素子温度、
ＩＬ インダクタ電流

Claims (7)

1. 変換主回路の半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子に対して並列に接続されたダイオード素子と、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検知部と、前記温度検知部により検出された前記半導体スイッチング素子の温度をＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の昇圧比による補正演算を用いて前記ダイオード素子の温度を算出するダイオード素子温度算出部と、この算出した温度の値に応じて前記ダイオード素子を保護するための制御を行う過熱保護手段とを備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
2. 前記ダイオード素子温度算出部は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の二次側電圧と一次側の電圧の比である昇圧比に応じて可変となる温度比係数を用いて前記ダイオード素子の温度を算出することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
3. 前記ダイオード素子温度算出部における温度比係数は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置が一次側から二次側へ電力を供給する放電動作時と二次側から一次側へ電力を供給する充電動作時とで異なる特性であることを特徴とする請求項２に記載のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
4. 前記ダイオード素子温度算出部における温度比係数は、昇圧比とＤＣ−ＤＣ電圧変換装置に導通する電流量を入力変数とするテーブルを参照して定められる値であることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
5. 前記ダイオード素子温度算出部は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換装置の一次側電圧と二次側電圧が一致し、前記半導体スイッチング素子がスイッチングを停止している場合にＤＣ−ＤＣ電圧変換装置に導通する電流量および前記ダイオード素子の温度と相関のある前記変換主回路の冷媒温度に基づいて、前記ダイオード素子の温度を算出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
6. 前記変換主回路は、変前記換主回路の一次側の正極側端子と負極側端子の間に平滑キャパシタと、インダクタが接続され、前記半導体スイッチング素子と前記ダイオード素子とが逆並列に接続された４個のパワー半導体ユニットの直列体が二次側の正極側端子と負極側端子の間に接続され、前記インダクタの前記平滑キャパシタの端子への接続端子と異なる方の端子は、前記パワー半導体ユニットの前記直列体のうち、第２のパワー半導体ユニットと第３のパワー半導体ユニットの接続点に接続し、第１のパワー半導体ユニットと第２のパワー半導体ユニットの接続点と第３のパワー半導体ユニットと第４のパワー半導体ユニットの接続点との間にエネルギ移行用キャパシタが接続されていることを特徴とする請求項１から請求項５いずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
7. 半導体スイッチング素子が、ＳｉＣ素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣ電圧変換装置。
   

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