JP6217655B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
１次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、ブリッジ部分に変圧器の１次側コイルが設けられる１次側フルブリッジ回路と、ブリッジ部分に変圧器の２次側コイルが設けられる２次側フルブリッジ回路とを備える、電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路は、それぞれ、ハイサイドとローサイドにアームが設けられる一対のアーム回路を有する。この電力変換装置は、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間で電力が伝送されるように、１次側フルブリッジ回路のスイッチングと２次側フルブリッジ回路のスイッチングとの間の位相差を制御する。
特開２０１１−１９３７１３号公報
このような電力変換装置では、ハイサイドのアームとローサイドのアームがいずれもオフとなる期間（デッドタイム）が存在することにより、１次側フルブリッジ回路と２次側フルブリッジ回路との間での電力伝送に寄与しない循環電流が発生することがある。デッドタイムを起因とする循環電流について、図１，２を参照して説明する。
図１は、図２に示される各期間Ｔ１−Ｔ４に電力変換装置１に流れる電流の一例を示す図である。図１において、丸で囲まれるトランジスタは、オンしていることを示す。図２は、各アームＳ１−Ｓ８のスイッチング動作の一例を示すタイミングチャートである。各アームＳ１−Ｓ８のオンオフ波形において、ハイレベルがオン状態を示し、ローレベルがオフ状態を示す。Ｖ１は、変圧器６の１次側コイル４の両端に発生する電圧を示し、Ｖ２は、変圧器６の２次側コイル５の両端に発生する電圧を示し、ｉ２は、２次側コイル５に流れる電流を示す。
アームＳ５がオフすることにより、電流ｉ２は期間Ｔ１から期間Ｔ２にかけて漸減する。しかしながら、アームＳ１のオフから遅れてアームＳ２がオンすることにより（すなわち、デッドタイムＴ３が存在することにより）、期間Ｔ１，Ｔ２と同じ向きの電流がデッドタイムＴ３でも１次側コイル４に流れ続ける。そのため、デッドタイムＴ３に１次側コイル４に流れる電流が２次側コイル５に作用することにより、期間Ｔ１から期間Ｔ２にかけて漸減してきた電流ｉ２の電流値は、零をクロスして負になる。すなわち、デッドタイムＴ３での電流ｉ２の向きは、期間Ｔ１，Ｔ２の向きに対して反転する。
そして、期間Ｔ４では、ローサイドのアームＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８は、全てオンするめ、電力伝送に寄与しない循環電流が、１次側フルブリッジ回路２と２次側フルブリッジ回路３の両方に図示のような経路で還流し続ける。
一方、１次側フルブリッジ回路２又は２次側フルブリッジ回路３に印加される電源電圧の変動によって、１次側コイル４の電圧Ｖ１と２次側コイル５の電圧Ｖ２との電圧比が、１次側コイル４と２次側コイル５との巻き数比から乖離する場合がある。この場合も、デッドタイムの場合と同様に、電力伝送に寄与しない循環電流が発生することがある。電源電圧の変動を起因とする循環電流について、図３を参照して説明する。
図３は、電源電圧の変動を起因とする循環電流の一例を説明するための図である。１次側コイル４と２次側コイル５との巻き数比を１：Ｎとする。電圧Ｖ２が通常時の電圧（Ｎ×Ｖ１）よりも高い場合には、電流ｉ２が通常時よりも多く流れすぎ、電圧Ｖ２が通常時の電圧（Ｎ×Ｖ１）よりも低い場合には、電流ｉ２が通常時よりも少なくなりすぎる。その結果、いずれの場合でも、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２が零になるように各アームが動作する期間における電流ｉ２は、零に戻らずに流れ続ける。つまり、電力伝送に寄与しない循環電流が、１次側フルブリッジ回路２と２次側フルブリッジ回路３の両方で還流し続ける。
このような循環電流は、電力変換装置の変換効率を低下させたり、電力変換装置の温度を上昇させたりする原因となりうる。そのため、循環電流を電流センサで計測し、計測された循環電流の電流値が零に近づくように、各アームのスイッチングタイミングを補正することが考えられる。
しかしながら、電流センサの応答性が低いと、電流センサで計測される電流値の計測誤差が大きくなるため、循環電流を高精度に抑制できない場合がある。
そこで、電流センサの応答性が低くても、循環電流を高精度に抑制できる、電力変換装置の提供を目的とする。
一つの案では、
１次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
ハイサイドの第１アームとローサイドの第２アームとが直列に接続される第１アーム回路と、ハイサイドの第３アームとローサイドの第４アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１アームと前記第２アームとの接続点と前記第３アームと前記第４アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記１次側コイルが設けられる１次側フルブリッジ回路と、
ハイサイドの第５アームとローサイドの第６アームとが直列に接続される第３アーム回路と、ハイサイドの第７アームとローサイドの第８アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第５アームと前記第６アームとの接続点と前記第７アームと前記第８アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記２次側コイルが設けられる２次側フルブリッジ回路と、
前記２次側フルブリッジ回路から前記１次側フルブリッジ回路に電力が伝送されるように、前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを制御する制御部と、
前記２次側コイルに流れる電流を計測する電流センサとを備え、
前記制御部は、前記１次側フルブリッジ回路と前記２次側フルブリッジ回路をスイッチングさせる制御信号と、前記電流センサの応答遅れ時間とに基づいて、前記電流センサの計測値を積分する期間を指定し、
前記第１アームのオフタイミングと前記第７アームのオンタイミングとの間の期間を第１期間とし、前記第１期間を前記電流センサの応答遅れ時間遅らせた期間を第１積分期間とし、前記第３アームのオフタイミングと前記第５アームのオンタイミングとの間の期間を第２期間とし、前記第２期間を前記電流センサの応答遅れ時間遅らせた期間を第２積分期間とするとき、
前記制御部は、前記電流センサの計測値を前記第１積分期間積分して得られる第１積分値が零に近づくように前記第５アームのオフタイミングを補正する、又は前記電流センサの計測値を前記第２積分期間積分して得られる第２積分値が零に近づくように前記第７アームのオフタイミングを補正する、電力変換装置が提供される。
一態様によれば、循環電流が発生しうる期間は、前記第１期間又は前記第２期間であるため、前記電流センサの計測値を前記第１積分期間積分して得られる第１積分値、又は前記第２積分期間積分して得られる第２積分値は、循環電流の大きさを表す指標となる。したがって、前記第１積分値が零に近づくように前記第５アームのオフタイミングを補正する、又は前記第２積分値が零に近づくように前記第７アームのオフタイミングを補正することによって、前記電流センサの応答性が低くても、循環電流を高精度に抑制することができる。
各期間に電力変換装置に流れる電流の一例を示す図である。 各アームのスイッチング動作の一例を示すタイミングチャートである。 電源電圧の変動を起因とする循環電流の一例を説明するための図である。 電力変換装置の一例を示す構成図である。 各アームのスイッチングタイミングを制御する制御系の一例を示すブロック図である。 循環電流を抑制する制御動作の流れの一例を示すフローチャートである。 電流と積分期間と積分値との関係の一例を示すタイミングチャートである。 循環電流が発生していないときの、電流と積分期間と積分値との関係の一例を示すタイミングチャートである。 循環電流がスイッチングタイミングのフィードバック補正により抑制される態様の一例を示すタイミングチャートである。
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。
図４は、電力変換装置の一実施形態である電源装置１０１の構成の一例を示す図である。電源装置１０１は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車両に搭載される各負荷に配電する車両用電源システムの一例である。電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御回路５０とを備える。
電源回路１０は、少なくとも２つ以上の複数のポートを有し、それらの複数のポートのうちから任意の２つのポートが選択され、選択された２つのポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路の一例である。本実施形態の電源回路１０は、４つのポートを有し、例えば、第１のポート６０ａと、第２のポート６０ｃと、第３のポート６０ｂと、第４のポート６０ｄと、コンバータ１１とを備える。
第１のポート６０ａは、電源回路１０の第１の端子部の一例であり、例えば、負荷６１ａが接続される。第１のポート６０ａは、１次側フルブリッジ回路２００に接続され、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられる入出力ポートである。第１のポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。
第２のポート６０ｃは、電源回路１０の第２の端子部の一例であり、例えば、バッテリ６２ｃ及び負荷６１ｃが接続される。第２のポート６０ｃは、変圧器４００の１次側のセンタータップ２０２ｍに接続され、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられる入出力ポートである。第２のポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。
第３のポート６０ｂは、電源回路１０の第３の端子部の一例であり、例えば、バッテリ６２ｂ及び負荷６１ｂが接続される。第３のポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００に接続され、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられる入出力ポートである。第３のポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。
第４のポート６０ｄは、電源回路１０の第４の端子部の一例であり、例えば、電源６２ｄ及び負荷６１ｄが接続される。第４のポート６０ｄは、変圧器４００の２次側のセンタータップ３０２ｍに接続され、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられる入出力ポートである。第４のポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。
ポート電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、それぞれ、第１のポート６０ａ，第２のポート６０ｃ，第３のポート６０ｂ，第４のポート６０ｄにおける入力電圧又は出力電圧である。
コンバータ１１は、一方のポートに入力される直流電力を電圧変換し、電圧変換後の直流電力を他方のポートに出力するＤＣ−ＤＣコンバータの一例である。本実施形態のコンバータ１１は、例えば、変圧器４００と、１次側フルブリッジ回路２００と、２次側フルブリッジ回路３００とを備える。１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００とは、変圧器４００で磁気結合される。第１のポート６０ａ及び第２のポート６０ｃを含む１次側ポートと、第３のポート６０ｂ及び第４のポート６０ｄを含む２次側ポートとは、変圧器４００を介して接続される。
変圧器４００は、１次側コイル２０２と２次側コイル３０２を有し、１次側コイル２０２と２次側コイル３０２とが結合係数ｋＴで磁気結合することで、１次側コイル２０２と２次側コイル３０２との巻き数比が１：Ｎの変圧器として機能する。Ｎは、１よりも大きい正数である。変圧器４００は、例えば、センタータップ２０２ｍ，３０２ｍを有するセンタータップ式変圧器である。
１次側コイル２０２は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点から引き出されるセンタータップ２０２ｍとを有する。１次側第１巻線２０２ａの巻き数は、１次側第２巻線２０２ｂの巻き数と等しい。センタータップ２０２ｍは、第２のポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続される。
２次側コイル３０２は、２次側第１巻線３０２ａと、２次側第２巻線３０２ｂと、２次側第１巻線２０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点から引き出されるセンタータップ３０２ｍとを有する。２次側第１巻線３０２ａの巻き数は、２次側第２巻線３０２ｂの巻き数と等しい。センタータップ３０２ｍは、第４のポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続される。
１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側に設けられる。１次側フルブリッジ回路２００は、第１のポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１のポート６０ａ及び第２のポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有する。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、中間点２０７ｍのハイサイドに配置されるアームＳ１と中間点２０７ｍのローサイドに設けられるアームＳ２とが直列に接続されて構成される第１アーム回路２０７が接続される。中間点２０７ｍは、アームＳ１とアームＳ２とが接続される１次側第１接続点である。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、中間点２１１ｍのハイサイドに配置されるアームＳ３と中間点２１１ｍのローサイドに配置されるアームＳ４とが直列に接続されて構成される第２アーム回路２１１が接続される。第２アーム回路２１１は、第１アーム回路２０７と並列に接続される。中間点２１１ｍは、アームＳ３とアームＳ４との間の１次側第２接続点である。
１次側フルブリッジ回路２００は、第１アーム回路２０７の中間点２０７ｍと第２アーム回路２１１の中間点２１１ｍとを接続するブリッジ部分を有し、当該ブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられる。１次側コイル２０２は、中間点２０７ｍと中間点２１１ｍとの間に直列に挿入される。１次側磁気結合リアクトル２０４は、中間点２０７ｍと１次側コイル２０２との間に直列に挿入される１次側第１リアクトル２０４ａと、中間点２１１ｍと１次側コイル２０２との間に直列に挿入される１次側第２リアクトル２０４ｂとを有する。１次側第１リアクトル２０４ａは、１次側第２リアクトル２０４ｂと結合係数ｋ１で磁気結合する。
２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側に設けられる。２次側フルブリッジ回路３００は、第３のポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３のポート６０ｂ及び第４のポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有する。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、中間点３０７ｍのハイサイドに配置されるアームＳ５と中間点３０７ｍのローサイドに配置されるアームＳ６とが直列に接続されて構成される第３アーム回路３０７が接続される。中間点３０７ｍは、アームＳ５とアームＳ６とが接続される２次側第１接続点である。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、中間点３１１ｍのハイサイドに配置されるアームＳ７と中間点３１１ｍのローサイドに配置されるアームＳ８とが直列に接続されて構成される第４アーム回路３１１が接続される。第４アーム回路３１１は、第３アーム回路３０７と並列に接続される。中間点３１１ｍは、アームＳ７とアームＳ８との間の２次側第２接続点である。
２次側フルブリッジ回路３００は、第３アーム回路３０７の中間点３０７ｍと第４アーム回路３１１の中間点３１１ｍとを接続するブリッジ部分を有し、当該ブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられる。２次側コイル３０２は、中間点３０７ｍと中間点３１１ｍとの間に直列に挿入される。２次側磁気結合リアクトル３０４は、中間点３０７ｍと２次側コイル３０２との間に直列に挿入される２次側第１リアクトル３０４ａと、中間点３１１ｍと２次側コイル３０２との間に直列に挿入される２次側第２リアクトル３０４ｂとを有する。２次側第１リアクトル３０４ａは、２次側第２リアクトル３０４ｂと結合係数ｋ１で磁気結合する。
各アームＳ１−Ｓ８は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオード（寄生ダイオード）とを含んで構成されるスイッチング素子である。各アームに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
なお、第２のポート６０ｃと第４のポート６０ｄの少なくとも一方は無くてもよい。第２のポート６０ｃが無い場合、センタータップ２０２ｍ及び２次側磁気結合リアクトル２０４は無くてもよい。第４のポート６０ｄが無い場合、センタータップ３０２ｍ及び２次側磁気結合リアクトル３０４は無くてもよい。
制御回路５０は、コンバータ１１の電圧変換動作を制御する制御部の一例であり、コンバータ１１を電圧変換動作させる制御信号を生成し、コンバータ１１に対して出力する。本実施形態の制御回路５０は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００内の各アームをオンオフさせる制御信号を出力する。制御回路５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えるマイクロコンピュータ、又はマイクロコンピュータを備える電子回路である。
制御回路５０は、例えば、デューティ比Ｄ（＝δ／Ｔ）を制御することによって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００の両方のフルブリッジ回路の昇圧比又は降圧比を変更できる。
デューティ比Ｄは、１次側フルブリッジ回路２００内のアームＳ１及びアームＳ３のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合を表すとともに、２次側フルブリッジ回路３００内のアームＳ５及びアームＳ７のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合を表す。１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。
また、制御回路５０は、アームＳ１とアームＳ３との位相差αを、定常時、例えば、１８０度（π）で動作させ、アームＳ５とアームＳ７との位相差βも、１８０度（π）で動作させる。
制御回路５０は、２次側フルブリッジ回路３００から変圧器４００を介して１次側フルブリッジ回路２００に電力Ｐが伝送されるように、位相差φ（第１位相差φ１と第２位相差φ２）を制御する。
第１位相差φ１は、第１アーム回路２０７のスイッチングタイミングと第３アーム回路３０７のスイッチングタイミングとの間の時間差であり、第２位相差φ２は、第２アーム回路２１１のスイッチングタイミングと第４アーム回路３１１のスイッチングタイミングとの間の時間差である。
図２に示されるように、例えば、第１位相差φ１は、アームＳ１のオンタイミングとアームＳ５のオンタイミングとの間の位相差であり、第２位相差φ２は、アームＳ３のオンタイミングとアームＳ７のオンタイミングとの間の位相差である。
なお、第１位相差φ１及び第２位相差φ２は、１次側コイル２０２の両端の電圧Ｖ１と２次側コイル３０２の両端の電圧Ｖ２との位相差でもよい。この場合、例えば、第１位相差φ１は、アームＳ５のオンタイミングとアームＳ２のオフタイミングとの間の位相差であり、第２位相差φ２は、アームＳ７のオンタイミングとアームＳ４のオフタイミングとの間の位相差でもよい。
また、オンタイミングとは、アームがオフからオンに切り替わるタイミングであり、オフタイミングとは、アームがオンからオフに切り替わるタイミングである。
本実施形態の制御回路５０は、位相差φ１を正値に且つ位相差φ２を正値に制御することにより、２次側フルブリッジ回路３００から１次側フルブリッジ回路２００に電力Ｐを伝送し、位相差φ１を負値に且つ位相差φ２を負値に制御することにより、１次側フルブリッジ回路２００から２次側フルブリッジ回路３００に電力Ｐを伝送できる。つまり、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で対応するアーム回路間において、ハイサイドのアームが先にオンしたアーム回路を備えるフルブリッジ回路から、ハイサイドのアームが後にオンしたアーム回路を備えるフルブリッジ回路に、電力Ｐが伝送される。図２の場合、電力Ｐは、２次側フルブリッジ回路３００から１次側フルブリッジ回路２００に伝送される。
制御回路５０は、通常、位相差φ１と位相差φ２とを互いに等しくしたまま制御するが、電力Ｐに要求される精度が満たされる範囲内で、位相差φ１と位相差φ２とを互いにずらして制御してもよい。すなわち、位相差φ１と位相差φ２は、通常、互いに同じ値に制御されるが、電力Ｐに要求される精度が満たされれば、互いに異なる値に制御されてもよい。
制御回路５０は、デューティ比Ｄを指令デューティ比Ｄｏに制御するとともに位相差φを指令位相差φｏに制御する制御信号を、コンバータ１１に対して出力することにより、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００の各アームをスイッチングさせる。
図５は、各アームのスイッチングタイミングを制御する制御系の一例を示すブロック図である。図５において、制御回路５０外のブロック（すなわち、電源回路１０、電圧センサ５２、電流センサ１２及び積分回路部５５）は、ハードウェアによって実現される部分であり、制御回路５０内のブロックは、ソフトウェアによって実現される部分である。制御回路５０内の各ブロックの機能は、例えば、制御回路５０内のマイクロコンピュータにより実現される。
本実施形態の電源装置は、図４で詳細を示した電源回路１０と、電圧センサ５２と、センサ値取得部５３と、ＰＷＭ制御部５１とを備える。電圧センサ５２は、電源回路１０の各ポート６０ａ−６０ｄの電圧を計測し、その計測電圧値（電圧センサ値）を出力する。センサ値取得部５３は、電圧センサ値を取得する。ＰＷＭ制御部５１は、センサ値取得部５３により取得される各ポートの電圧センサ値が各ポートに設定される目標電圧値に一致するように、デューティ比Ｄを指令デューティ比Ｄｏに制御するとともに位相差φを指令位相差φｏに制御する制御信号（ＰＷＭ信号）を、電源回路１０のコンバータ１１に対して出力する。
また、本実施形態の電源装置は、電流センサ１２と、積分回路部５５とを備える。電流センサ１２は、電力Ｐを２次側フルブリッジ回路３００から１次側フルブリッジ回路２００に伝送する場合、電力Ｐの送電側の２次側コイル３０２に流れる電流ｉ２を計測する電流センサの一例である（図４参照）。電流センサ１２は、電流ｉ２の計測値を出力する。積分回路部５５は、電流ｉ２の計測値（電流センサ値）を積分制御部５４によって指定された積分期間積分し、その積分値を出力する。積分回路部５５は、積分期間の開始タイミングで前回の積分結果をリセットする機能を有する。積分回路部５５の機能は、任意のアナログ回路で実現可能である。なお、積分回路部５５は、制御回路５０の一部として構成されてもよく、例えば、積分回路部５５の機能は、マイクロコンピュータにより実現可能である。
制御回路５０は、積分制御部５４と、循環電流推定部５６と、補正演算部５７とを有する。
積分制御部５４は、ＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号と電流センサ１２の応答遅れ時間とに基づいて、積分回路部５５が電流センサ１２による電流ｉ２の計測値（電流センサ１２の計測値）を積分する期間を積分回路部５５に対して指定する。ＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号には、各アームＳ１−Ｓ８のスイッチングタイミングの情報が含まれている。電流センサ１２の応答遅れ時間は、使用される電流センサ１２の時定数によって決まる値であり、予め設定される値である。この応答遅れ時間は、例えば、予め実測されてメモリに格納される。
循環電流推定部５６は、積分回路部５５により得られる積分値を取得し、送電側の２次側フルブリッジ回路３００内を流れる循環電流の大きさを推定する。補正演算部５７は、循環電流推定部５６により推定される循環電流の大きさが抑制されるように、送電側の４つのアームＳ５−Ｓ８のうち特定のアームのスイッチングタイミングの補正量を演算し、その補正量をＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号に反映させる。
図６は、制御回路５０による循環電流を抑制する制御動作の流れの一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１０で、積分制御部５４は、ＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号（各アームのスイッチングタイミングの指令値）に基づいて、循環電流が発生するタイミングか否かを判断する。言い換えれば、積分制御部５４は、ＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号に基づいて、積分回路部５５が電流センサ１２の計測値を積分する期間の開始タイミングか否かを判断する。
図２に示されるように、循環電流が発生する期間は、アームＳ１のオフタイミングとアームＳ７のオンタイミングとの間の第１期間ＴＣ１、又は、アームＳ３のオフタイミングとアームＳ５のオンタイミングとの間の第２期間ＴＣ２である。アームＳ１のオフタイミング又はアームＳ３のオフタイミングは、循環電流が発生し始めるタイミングである。
積分制御部５４は、循環電流が発生するタイミングであるとステップＳ１０で判断した場合、ステップＳ２０で、積分回路部５５が保持する積分値をリセットする信号を出力する。これにより、積分回路部５５の積分により得られる積分値は、零にリセットされる。そして、積分制御部５４は、アームＳ１のオフタイミング又はアームＳ３のオフタイミングから電流センサ１２の応答遅れ時間遅らせたタイミングを、電流センサ１２の計測値の積分開始タイミングと指定する。これにより、ステップＳ３０で、積分回路部５５は、積分制御部５４により指定された積分開始タイミングから、電流センサ１２の計測値の積分を開始する（図７参照）。
ステップＳ４０で、積分制御部５４は、ＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号（各アームのスイッチングタイミングの指令値）に基づいて、循環電流が終了するタイミングか否かを判断する。言い換えれば、積分制御部５４は、ＰＷＭ制御部５１から出力されるＰＷＭ信号に基づいて、積分回路部５５が電流センサ１２の計測値を積分する期間の終了タイミングか否かを判断する。
図２に示されるように、アームＳ７のオンタイミング又はアームＳ５のオンタイミングは、循環電流が終了するタイミングである。アームＳ７のオンタイミングは、第１期間ＴＣ１の終期であり、アームＳ５のオンタイミングは、第２期間ＴＣ２の終期である。
積分制御部５４は、循環電流が終了するタイミングであるとステップＳ４０で判断した場合、アームＳ７のオンタイミング又はアームＳ５のオンタイミングから電流センサ１２の応答遅れ時間遅らせたタイミングを、電流センサ１２の計測値の積分終了タイミングと指定する。これにより、ステップＳ５０で、積分回路部５５は、積分制御部５４により指定された積分終了タイミングで、電流センサ１２の計測値の積分を終了する（図７参照）。
つまり、図７に示されるように、積分回路部５５は、電流センサ１２の計測値を第１積分期間ＴＩ１積分して得られる第１積分値を生成し、又は、電流センサ１２の計測値を第２積分期間ＴＩ２積分して得られる第２積分値を生成する。第１積分期間ＴＩ１は、第１期間ＴＣ１を電流センサ１２の応答遅れ時間遅らせた期間であり、第２積分期間ＴＩ２は、第２期間ＴＣ２を電流センサ１２の応答遅れ時間遅らせた期間である。
ステップＳ５０で、循環電流推定部５６は、積分値が積分制御部５４によりリセットされる前に、第１積分値又は第２積分値をＡＤ（Analog-to-Digital）コンバータ等により取得し、取得した積分値を循環電流の大きさを表す指標としてメモリに格納する。
例えば、図８に示されるように、循環電流が第１期間ＴＣ１又は第２期間ＴＣ２に発生していなければ（第１期間ＴＣ１又は第２期間ＴＣ２の循環電流の電流値が零であれば）、第１積分値又は第２積分値は零となる。したがって、第１積分値又は第２積分値は、循環電流の大きさを表す指標となる。
ステップＳ５０で、補正演算部５７は、循環電流推定部５６により推定される循環電流が小さくなるように（つまり、循環電流の電流値が零に近づくように）、送電側の４つのアームＳ５−Ｓ８のうち特定のアームのスイッチングタイミングを補正する量（補正量）をＰＩＤ制御等により演算する。ＰＷＭ制御部５１は、補正演算部５７により演算された補正量に従って、当該特定のアームのスイッチングタイミングの位相をずらす。
補正演算部５７は、例えば、第１積分値が零に近づくように、アームＳ５のオフタイミングの補正量を演算する。補正演算部５７は、第１積分値が図７のように負である場合、アームＳ５のオフタイミングを遅らせる補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、第１積分値を零に近づけることができるので、第１期間ＴＣ１に流れる循環電流の負の電流値を図９のように高精度に零に近づけることができる。
図９では、ＰＷＭ制御部５１は、アームＳ５のオフタイミングを期間Ｔ１の範囲内で遅らせている。ＰＷＭ制御部５１は、アームＳ２のオンタイミングを補正していないので、電圧Ｖ１の立ち下がりタイミングは、変化しない。電流ｉ２の変化の傾きは、電圧Ｖ１，Ｖ２と電源回路１０内の回路インダクタンス等によって決まる。図９は、電流ｉ２の変化の傾きが変化していないことを示す。したがって、図９に示されるように、負の循環電流を零に近づけることができる。
一方、補正演算部５７は、第１積分値が正である場合、アームＳ５のオフタイミングを進める補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、第１積分値を零に近づけることができるので、第１期間ＴＣ１に流れる循環電流の正の電流値を高精度に零に近づけることができる。
同様に、補正演算部５７は、例えば、第２積分値が零に近づくように、アームＳ７のオフタイミングの補正量を演算する。補正演算部５７は、第２積分値が図７のように正である場合、アームＳ５のオフタイミングを進める補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、第２積分値を零に近づけることができるので、第２期間ＴＣ２に流れる循環電流の正の電流値を高精度に零に近づけることができる。一方、補正演算部５７は、第２積分値が負である場合、アームＳ５のオフタイミングを遅らせる補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、第２積分値を零に近づけることができるので、第２期間ＴＣ２に流れる循環電流の負の電流値を高精度に零に近づけることができる。
また、補正演算部５７は、第１積分値が零に近づくようにアームＳ５のオフタイミングを補正する場合、アームＳ６のオンタイミングの補正量を演算してもよい。補正演算部５７は、第１積分値が図７のように負である場合、アームＳ６のオンタイミングを遅らせる補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、図９に示されるように、アームＳ５のオフタイミングの変化に連動してアームＳ６のオンタイミングが変化するので、アームＳ５のオフタイミングが遅れることによりデッドタイムＴ１が過度に短くなることを防止できる。一方、補正演算部５７は、第１積分値が正である場合、アームＳ６のオンタイミングを進める補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、アームＳ５のオフタイミングの変化に連動してアームＳ６のオンタイミングが変化するので、アームＳ５のオフタイミングが進むことによりデッドタイムＴ１が過度に長くなることを防止できる。
同様に、補正演算部５７は、第２積分値が零に近づくようにアームＳ７のオフタイミングを補正する場合、アームＳ８のオンタイミングの補正量を演算してもよい。補正演算部５７は、第２積分値が図７のように正である場合、アームＳ８のオンタイミングを進める補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、アームＳ７のオフタイミングの変化に連動してアームＳ８のオンタイミングが変化するので、アームＳ７のオフタイミングが進むことによりデッドタイムＴ５（図２参照）が過度に長くなることを防止できる。一方、補正演算部５７は、第２積分値が負である場合、アームＳ８のオンタイミングを遅らせる補正量を演算する。これにより、ＰＷＭ制御部５１は、アームＳ７のオフタイミングの変化に連動してアームＳ８のオンタイミングが変化するので、アームＳ７のオフタイミングが遅れることによりデッドタイムＴ５が過度に短くなることを防止できる。
補正演算部５７は、例えば、アームのスイッチングタイミングの補正量として、各アームの指令デューティ比Ｄｏの補正量ΔＤｏを演算する。
補正演算部５７は、例えば、第１積分値と所定の比例ゲインとの乗算値を、アームＳ５の指令デューティ比Ｄｏ５の補正量ΔＤｏ５とする。ＰＷＭ制御部２１は、アームＳ５の指令デューティ比Ｄｏ５に補正量ΔＤｏ５を加算した値を、新たな指令デューティ比Ｄｏ５とすることで、図９のように、アームＳ５のオフタイミングを遅らせることができる。
同様に、補正演算部５７は、例えば、第２積分値と所定の比例ゲインとの乗算値を、アームＳ７の指令デューティ比Ｄｏ７の補正量ΔＤｏ７とする。ＰＷＭ制御部２１は、アームＳ７の指令デューティ比Ｄｏ７に補正量ΔＤｏ７を減算した値を、新たな指令デューティ比Ｄｏ７とすることで、アームＳ７のオフタイミングを進めることができる。
以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、各アームは、ＭＯＳＦＥＴに限られず、オンオフ動作する他の半導体スイッチング素子でもよい。例えば、各アームは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
また、上述の説明において、１次側を２次側と定義し、２次側を１次側と定義してもよい。
１０ 電源回路
１１ コンバータ
１２ 電流センサ
５０ 制御回路
６２ｂ バッテリ
１０１ 電源装置
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０２ｍ センタータップ
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７ 第１アーム回路
２０７ｍ 中間点
２１１ 第２アーム回路
２１１ｍ 中間点
２９８ １次側正極母線
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０７ 第３アーム回路
３０７ｍ 中間点
３１１ 第４アーム回路
３１１ｍ 中間点
３９８ ２次側正極母線
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
Ｓ１−Ｓ８ アーム

Claims (2)

  1. １次側コイルと２次側コイルとを有する変圧器と、
    ハイサイドの第１アームとローサイドの第２アームとが直列に接続される第１アーム回路と、ハイサイドの第３アームとローサイドの第４アームとが直列に接続される第２アーム回路とを有し、前記第１アームと前記第２アームとの接続点と前記第３アームと前記第４アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記１次側コイルが設けられる１次側フルブリッジ回路と、
    ハイサイドの第５アームとローサイドの第６アームとが直列に接続される第３アーム回路と、ハイサイドの第７アームとローサイドの第８アームとが直列に接続される第４アーム回路とを有し、前記第５アームと前記第６アームとの接続点と前記第７アームと前記第８アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記２次側コイルが設けられる２次側フルブリッジ回路と、
    前記２次側フルブリッジ回路から前記１次側フルブリッジ回路に電力が伝送されるように、前記第１アーム回路のスイッチングと前記第３アーム回路のスイッチングとの間の第１位相差と、前記第２アーム回路のスイッチングと前記第４アーム回路のスイッチングとの間の第２位相差とを制御する制御部と、
    前記２次側コイルに流れる電流を計測する電流センサとを備え、
    前記制御部は、前記１次側フルブリッジ回路と前記２次側フルブリッジ回路をスイッチングさせる制御信号と、前記電流センサの応答遅れ時間とに基づいて、前記電流センサの計測値を積分する期間を指定し、
    前記第１アームのオフタイミングと前記第７アームのオンタイミングとの間の期間を第１期間とし、前記第１期間を前記電流センサの応答遅れ時間遅らせた期間を第１積分期間とし、前記第３アームのオフタイミングと前記第５アームのオンタイミングとの間の期間を第２期間とし、前記第２期間を前記電流センサの応答遅れ時間遅らせた期間を第２積分期間とするとき、
    前記制御部は、前記電流センサの計測値を前記第１積分期間積分して得られる第１積分値が零に近づくように前記第５アームのオフタイミングを補正する、又は前記電流センサの計測値を前記第２積分期間積分して得られる第２積分値が零に近づくように前記第７アームのオフタイミングを補正する、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、前記第１積分値が零に近づくように前記第５アームのオフタイミングを補正する場合、前記第６アームのオンタイミングを補正し、前記第２積分値が零に近づくように前記第７アームのオフタイミングを補正する場合、前記第８アームのオンタイミングを補正する、請求項１に記載の電力変換装置。
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