以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
[実施の形態1]
(回路構成)
図1は、本発明の実施の形態1に従う電源システムの構成を示す回路図である。
図1を参照して、電源システム5は、直流電源B1と、直流電源B2と、電力変換器10と、制御装置100とを備える。
本実施の形態において、直流電源B1およびB2は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置によって構成される。たとえば、直流電源B1は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池のような二次電池で構成される。また、直流電源B2は、たとえば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の出力特性に優れた直流電圧源要素により構成される。直流電源B1および直流電源B2は、「第1の直流電源」および「第2の直流電源」にそれぞれ対応する。
なお、直流電源B1およびB2を同種の蓄電装置によって構成することも可能である。また、直流電源B1およびB2の容量についても特に限定されることはなく、直流電源B1およびB2は、各々を同等の容量で構成してもよく、一方の直流電源の容量を他方の直流電源の容量より大きくしてもよい。
電力変換器10は、高電圧側の電力線PLおよび低電圧側の電力線GLの間の直流電圧VH(以下、出力電圧VHとも称する)を制御するように構成される。電力線GLは、代表的には、接地配線で構成される。
負荷30は、電力変換器10の出力電圧VHを受けて動作する。出力電圧VHの電圧指令値VH*は、負荷30の動作に適した電圧に設定される。電圧指令値VH*は、負荷30の状態に応じて可変に設定されてもよい。さらに、負荷30は、回生発電等によって、直流電源B1および/またはB2の充電電力を発生可能に構成されてもよい。
電力変換器10は、電力用半導体スイッチング素子S1〜S5と、リアクトルL1,L2とを含む。本実施の形態において、電力用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)としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるいは電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。
スイッチング素子S1〜S5は、制御装置100からの制御信号SG1〜SG5にそれぞれ応答して、オンオフを制御することが可能である。具体的には、スイッチング素子S1〜S5は、制御信号SG1〜SG5が論理ハイレベル(以下、「Hレベル」とも表記する)のときにオン状態となって、電流経路を形成可能な状態となる。一方で、スイッチング素子S1〜S5は、制御信号SG1〜SG5が論理ローレベル(以下、「Lレベル」とも表記する)のときにオフ状態となって、当該電流経路を遮断する状態となる。
スイッチング素子S1〜S4に対しては、ダイオードD1〜D4がそれぞれ逆並列接続されている。ダイオードD1〜D4は、順バイアス時に、電力線GLから電力線PLへ向かう方向(図中、下から上へ向かう方向)の電流経路を形成するように配置される。一方で、ダイオードD1〜D4は、逆バイアス時には、当該電流経路を非形成とする。具体的には、ダイオードD1は、ノードN1から電力線PLへ向かう方向を順方向とするように接続され、ダイオードD2は、電力線GLからノードN1へ向かう方向を順方向とするように接続される。同様に、ダイオードD3は、ノードN2から電力線PLへ向かう方向を順方向とするように接続され、ダイオードD4は、電力線GLからノードN2へ向かう方向を順方向とするように接続される。
スイッチング素子S1は、電力線PLおよびノードN1の間に電気的に接続される。リアクトルL1および直流電源B1は、ノードN1および電力線GLの間に直列に、電気的に接続される。たとえば、リアクトルL1は、直流電源B1の正極端子およびノードN1の間に電気的に接続されるとともに、直流電源B1の負極端子は、電力線GLと電気的に接続される。スイッチング素子S2は、ノードN1および電力線GLの間に電気的に接続される。なお、リアクトルL1および直流電源B1の接続順序を入れ換えても、電気的には等価な回路構成が維持される。
スイッチング素子S3は、電力線PLおよびノードN2の間に電気的に接続される。スイッチング素子S4は、ノードN2および電力線GLの間に電気的に接続される。スイッチング素子S5は、ノードN1およびN2の間に電気的に接続される。リアクトルL2および直流電源B2は、ノードN2および電力線GLの間に直列に、電気的に接続される。たとえば、リアクトルL2は、直流電源B2の正極端子およびノードN2の間に電気的に接続されるとともに、直流電源B2の負極端子は、電力線GLと電気的に接続される。なお、リアクトルL2および直流電源B2の接続順序を入れ換えても、電気的には等価な回路構成が維持される。
図1の構成例では、スイッチング素子S1およびダイオードD1は「第1の半導体素子」に対応し、スイッチング素子S2およびダイオードD2は「第2の半導体素子」に対応し、スイッチング素子S3およびダイオードD3は「第3の半導体素子」に対応する。さらに、スイッチング素子S4およびダイオードD4は「第4の半導体素子」に対応し、スイッチング素子S5は、「第5の半導体素子」に対応する。さらに、リアクトルL1およびL2は、「第1のリアクトル」および「第2のリアクトル」にそれぞれ対応する。図1の例では、スイッチング素子S1〜S5のオンオフ制御により、第1〜第5の半導体素子の各々において、電流経路の形成および遮断を制御することができる。
制御装置100は、たとえば、図示しないCPU(Central Processing Unit)およびメモリを有する電子制御ユニット(ECU)によって構成される。制御装置100は、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置100の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。
制御装置100は、出力電圧VHを制御するために、スイッチング素子S1〜S5のオンオフを制御する制御信号SG1〜SG5を生成する。なお、図1では図示を省略しているが、直流電源B1の電圧(V[1]と表記する)および電流(I[1]と表記する)、直流電源B2の電圧(V[2]と表記する)および電流(I[2]と表記する)、ならびに、出力電圧VHの検出器(電圧センサ)が設けられている。これらの検出器の出力は、制御装置100へ与えられる。
図2は、負荷30の構成例を示す概略図である。
図2を参照して、負荷30は、たとえば電動車両の走行用電動機を含むように構成される。負荷30は、平滑コンデンサCHと、インバータ32と、モータジェネレータ35と、動力伝達ギヤ36と、駆動輪37とを含む。
モータジェネレータ35は、車両駆動力を発生するための走行用電動機であり、たとえば、複数相の永久磁石型同期電動機で構成される。モータジェネレータ35の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギヤ36を経由して、駆動輪37へ伝達される。駆動輪37に伝達されたトルクにより電動車両が走行する。また、モータジェネレータ35は、電動車両の回生制動時には、駆動輪37の回転力によって発電する。この発電電力は、インバータ32によってAC/DC変換される。この直流電力は、電源システム5に含まれる直流電源B1,B2の充電電力として用いることができる。
モータジェネレータの他にエンジン(図示せず)が搭載されたハイブリッド自動車では、このエンジンおよびモータジェネレータ35を協調的に動作させることによって、電動車両に必要な車両駆動力が発生される。この際には、エンジンの回転による発電電力を用いて直流電源B1および/またはB2を充電することも可能である。
このように、電動車両は、走行用電動機を搭載する車両を包括的に示すものであり、エンジンおよび電動機を搭載したハイブリッド自動車と、エンジンを搭載しない電気自動車および燃料電池車との両方を含むものである。
(電力変換器の動作)
電力変換器10は、特許文献2に記載された電力変換器と同様に、直流電源B1,B2と電力線PL,GLとの間での直流電力変換(DC/DC変換)の態様が異なる複数の動作モードを有する。これらの動作モードは、スイッチング素子のオンオフ制御の態様を切換えることによって選択的に適用される。
電力変換器10の複数の動作モードには、直流電源B1およびB2と電力線PL,GLとの間で並列にDC/DC変換を行なうための「パラレル昇圧モード」が含まれる。
図1から理解されるように、電力変換器10は、直流電源B1および電力線PL,GLの間に形成された昇圧チョッパ回路と、直流電源B2および電力線PL,GLの間に形成された昇圧チョッパ回路とが組み合わされた回路構成を有している。したがって、まず、基本的な昇圧チョッパ回路の動作について詳細に説明する。
図3には、基本的な昇圧チョッパ回路の構成を示す回路図が示される。
図3を参照して、昇圧チョッパ回路CHPは、上アームを構成するスイッチング素子Suと、下アームを構成するスイッチング素子Slと、リアクトルLとを有する。リアクトルLは、上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slの接続点と、直流電源PSの正極端子との間に電気的に接続される。上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slは電力線PLおよびGLの間に直列に接続される。ダイオードDuおよびDlは、上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slにそれぞれ逆並列接続される。
昇圧チョッパ回路CHPでは、下アーム(スイッチング素子Sl)のオン期間およびオフ期間が交互に設けられる。下アームのオン期間には、直流電源PS−リアクトルL−下アーム素子Sl(オン)を経由する電流経路101が形成される。これにより、リアクトルLにエネルギが蓄積される。
下アームのオフ期間には、直流電源PS−リアクトルL−ダイオードDu(またはスイッチング素子Su)−負荷30を経由した電流経路102が形成される。これにより、下アーム素子Slのオン期間でリアクトルLに蓄えられたエネルギと、直流電源PSからのエネルギとが、負荷30へ供給される。これにより、負荷30への出力電圧は、直流電源PSの出力電圧よりも昇圧される。
上アームのスイッチング素子Suは、下アームのスイッチング素子Slのオン期間には、オフされる必要がある。また、下アームのスイッチング素子Slのオフ期間には、上アームのスイッチング素子Suをオンすることによって、負荷30からの電力を直流電源PSへ回生することができる。たとえば、上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slを、周期的かつ相補的にオンオフすることにより、電流方向に応じてスイッチング制御(オンオフ制御)の態様を切換えることなく、出力電圧VHを制御しながら、回生および力行の両方に対応してDC/DC変換を実行することができる。
なお、直流電源PSへの電力回生を行なわない場合には、電流方向が一方向に限定されるので、上アームについては、スイッチング素子Suの配置を省略して、ダイオードDuのみで構成することも可能である。また、下アームについては、ダイオードDlの配置を省略することが可能である。
図4には、図3に示した昇圧チョッパ回路の動作波形例が示される。
図4を参照して、下アームのオン期間には、リアクトルLを流れる電流(以下、「リアクトル電流」と称する)ILが上昇し、下アームのオフ期間には、リアクトル電流ILが低下する。したがって、下アームのスイッチング素子Slのオン期間およびオフ期間の比を制御することによって、出力電圧VHを制御することができる。具体的には、オン期間の比率を上昇させることによって、出力電圧VHが上昇する。
昇圧チョッパ回路CHPにおける電圧変換比(昇圧比)は、直流電源PSの電圧Vi、出力電圧VHおよび出力デューティ比DT(以下、単にデューティ比DTとも称する)を用いて、下記(1)式で示されることが知られている。なお、デューティ比DTは、オン期間比率を示すパラメータであり、スイッチング周期To(オン期間+オフ期間)に対する下アームのオン期間比率(時間比)で定義される。
VH=1/(1−DT)・Vi …(1)
昇圧チョッパ回路CHPでは、パルス幅変調(PWM)制御によって、スイッチング素子のオンオフ制御(以下、スイッチング制御)を実行できる。たとえば、キャリア波CWおよびデューティ比DTとの電圧比較に従って、下アームをオンオフするための制御パルス信号SDが生成される。
キャリア波CWは、スイッチング周期Toと同一周期を有する。たとえば、キャリア波CWには、三角波が用いられる。キャリア波CWの周波数は、スイッチング素子Sl(Su)のスイッチング周波数に相当する。キャリア波CWの電圧幅(ピークトゥピーク)は、DT=1.0に対応する電圧に設定される。
制御パルス信号SDは、デューティ比DTを示す電圧が、キャリア波CWの電圧よりも高いときにHレベルに設定される一方で、キャリア波CWの電圧よりも低いときにLレベルに設定される。制御パルス信号/SDは、制御パルス信号SDの反転信号である。
下アームのスイッチング素子Slのオンオフは、制御パルス信号SDに従って制御される。すなわち、下アームのスイッチング素子Slは、制御パルス信号SDのHレベル期間にオン状態に制御される一方で、制御パルス信号SDのLレベル期間にはオフ状態に制御される。上アームのスイッチング素子Suは、制御パルス信号/SDに従って、下アームのスイッチング素子Slと相補的かつ周期的にオンオフ制御することができる。
デューティ比DTが高くなると、制御パルス信号SDのHレベル期間が長くなるので、下アームのオン期間が長くなる。これにより、電流ILの平均値の増加に応じて、直流電源PSからの出力が上昇することによって、出力電圧VHが上昇する。反対に、デューティ比DTが低くなると、制御パルス信号SDのLレベル期間が長くなるので、下アームのオン期間は短くなる。これにより、電流ILの平均値の低下に応じて、直流電源PSからの出力が低下することによって、出力電圧VHが低下する。
(パラレル昇圧モードの回路動作)
次に、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける動作および制御について詳細に説明する。電力変換器10は、パラレル昇圧モードにおいては、直流電源B1およびB2の各々に対して2つの昇圧チョッパ回路を並列に動作させる態様により動作する。すなわち、電力変換器10は、特許文献2でのパラレル接続モードと同様に、直流電源B1およびB2と電力線PL,GL(負荷30)との間で並列なDC/DC変換を行なうことにより、電圧指令値VH*に従って出力電圧VHを制御する。
再び図1を参照して、電力変換器10においては、スイッチング素子S5をオンした場合と、オフした場合との間で、直流電源B1およびB2に対して形成される昇圧チョッパ回路が異なることが特徴である。
電力変換器10において、スイッチング素子S5のオフ時には、ノードN1およびN2が電気的に切り離される。このときの電力変換器10の等価回路が図5に示される。
図5を参照して、スイッチング素子S5のオフ時には、直流電源B1に対して、スイッチング素子S2およびダイオードD2を下アームとし、スイッチング素子S1およびダイオードD1を上アームとする昇圧チョッパ回路が形成される。
一方、直流電源B2に対しては、スイッチング素子S4およびダイオードD4を下アームとし、スイッチング素子S3およびダイオードD3を上アームとする昇圧チョッパ回路が形成される。
図6には、図5に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の下アームオン時における電流経路が示される。
図6を参照して、スイッチング素子S2をオンすることにより、図3における電流経路101と同様に、直流電源B1の出力によりリアクトルL1にエネルギを蓄積するための電流経路111が形成される。すなわち、スイッチング素子S2は、直流電源B1に対応して形成される昇圧チョッパ回路の下アームに相当する。
同様に、スイッチング素子S4をオンすることにより、図3における電流経路101と同様に、直流電源B2の出力によりリアクトルL2にエネルギを蓄積するための電流経路112が形成される。すなわち、スイッチング素子S4は、直流電源B2に対応して形成される昇圧チョッパ回路の下アームに相当する。
図7には、図5に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の上アームオン時における電流経路が示される。
図7を参照して、スイッチング素子S2をオフすることにより、スイッチング素子S1またはダイオードD1を経由して、リアクトルL1の蓄積エネルギを直流電源B1からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路113が形成される。本実施の形態では、スイッチング素子S1およびS2を相補的にオンオフすることにより、スイッチング素子S2のオフ期間にスイッチング素子S1がオンされる。スイッチング素子S1は、直流電源B1に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームに相当する。
同様に、スイッチング素子S4をオフすることにより、スイッチング素子S3またはダイオードD3を経由して、リアクトルL2の蓄積エネルギを直流電源B2からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路114が形成される。本実施の形態では、スイッチング素子S3およびS4を相補的にオンオフするので、スイッチング素子S4のオフ期間にスイッチング素子S3がオンする。スイッチング素子S3は、直流電源B2に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームに相当する。
図6および図7から理解されるように、電流経路111および113を交互に形成することによって、直流電源B1および電力線PL,GLの間のDC/DC変換が実行される。同様に、電流経路112および114を交互に形成することによって、直流電源B2および電力線PL,GLの間のDC/DC変換が実行される。
以下では、直流電源B1に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームを「B1Uアーム」とも称し、下アームを「B1Lアーム」と称する。同様に、直流電源B2に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームを「B2Uアーム」とも称し、下アームを「B2Lアーム」とも称する。
一方で、電力変換器10では、スイッチング素子S5のオン時には、ノードN1およびN2が電気的に接続される。このときの電力変換器10の等価回路が図8に示される。
図8を参照して、直流電源B1に関して、スイッチング素子S5によってノードN2がノードN1と電気的に接続されるので、ノードN2および電力線GLの間に接続されたスイッチング素子S4を、直流電源B1の下アーム(B1Lアーム)として昇圧チョッパ回路を形成することができる。同様に、ノードN2および電力線PLの間に電気的に接続されたスイッチング素子S3を直流電源B1の上アーム(B1Uアーム)として、昇圧チョッパ回路を形成することができる。
また、直流電源B2に対しては、ノードN1および電力線PLの間に接続されたスイッチング素子S1を上アーム(B2Uアーム)とし、スイッチング素子S2を下アーム(B2Lアーム)とした昇圧チョッパ回路を形成することができる。
図9には、図8に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の下アームオン時における電流経路が示される。
図9(a)を参照して、スイッチング素子S4,S5をオンすることにより、直流電源B1の出力によりリアクトルL1にエネルギを蓄積するための電流経路115が形成される。一方で、図9(b)に示されるように、スイッチング素子S2,S5をオンすることにより、直流電源B2の出力によりリアクトルL2にエネルギを蓄積するための電流経路116が形成される。
図10には、図8に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の上アームオン時における電流経路が示される。
図10(a)を参照して、直流電源B1に関して、スイッチング素子S5がオンされた状態でスイッチング素子S4をオフすることにより、スイッチング素子S3またはダイオードD3を経由してリアクトルL1の蓄積エネルギを直流電源B1からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路117が形成される。上述のように、スイッチング素子S3およびS4は相補的にオンオフされるので、スイッチング素子S3によってB1Uアームを形成するとともに、スイッチング素子S4によってB1Lアームを形成することができる。
図10(b)を参照して、直流電源B2に関しては、スイッチング素子S5がオンされた状態でスイッチング素子S2をオフすることにより、スイッチング素子S1またはダイオードD1を経由してリアクトルL2の蓄積エネルギを直流電源B2からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路118が形成される。上述のように、スイッチング素子S1およびS2は相補的にオンオフされるので、スイッチング素子S1によってB2Uアームを形成するとともに、スイッチング素子S2によってB2Lアームを形成することができる。
図11には、スイッチング素子S5のオフ時およびオン時にそれぞれ形成される昇圧チョッパ回路の各アームとスイッチング素子のオンオフとの対応関係が示される。
図11を参照して、スイッチング素子S5のオフ時(図5〜図7)に形成される昇圧チョッパ回路における各アームを「第1アーム」と称し、スイッチング素子S5のオン時(図8〜図10)に形成される昇圧チョッパ回路の各アームを「第2アーム」と称することとする。
スイッチング素子S5のオフ時、すなわち第1アームの形成時には、直流電源B1に対して、上述のように、スイッチング素子S2のオンによってB1Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子S1のオン(スイッチング素子S2のオフ)によってB1Uアームがオンされる。また、直流電源B2に対しては、スイッチング素子S4のオンによってB2Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子S3のオン(スイッチング素子S4のオフ)によってB2Uアームがオンされる。
一方で、スイッチング素子S5のオン時、すなわち第2アームの形成時には、直流電源B1に対して、上述のように、スイッチング素子S4のオンによってB1Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子S3のオン(スイッチング素子S4のオフ)によってB1Uアームがオンされる。また、直流電源B2に対しては、スイッチング素子S2のオンによってB2Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子S1のオン(スイッチング素子S2のオフ)によってB2Uアームがオンされる。
このように、第1アームおよび第2アームのいずれにおいても、スイッチング素子S1およびS2を相補的にオンオフするとともに、スイッチング素子S3およびS4を相補的にオンオフすることにより、直流電源B1およびB2の各々に対して、上アームおよび下アームが交互にオンオフするように制御することができる。
実施の形態1に従う電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、第1アームおよび第2アームを併用してDC/DC変換を実行する。ただし、図11に示したように、各スイッチング素子S1〜S5は、直流電源B1,B2の一方に対して第1アームとして動作するとともに、直流電源B1,B2の他方に対して第2アームとして動作する。このような、第1アームおよび第2アーム間の干渉により、第2アームを適用できる期間が限定される点に留意する必要がある。
具体的には、直流電源B1,B2の一方について第2アームをオンすると、直流電源B1,B2の他方に対しても第2アームがオンされることになる。たとえば、スイッチング素子S4,S5をオンして第2アームのうちのB1Lアームをオンすると(図9(a))、スイッチング素子S4のオンに応じて、図6と同様に、直流電源B2に対しては第1アームのうちのB2Lアームがオンされる。反対に、スイッチング素子S3,S5のオンによって第2アームのうちのB1Uアームをオンすると(図10(a))、図7と同様に、直流電源B2に対しても第1アームのうちのB2Uアームがオンする。
図9(a)および図10(b)からも理解されるように、第2アームの形成時に、B1LアームおよびB2Uアームの両方をオンした場合には、オン状態のスイッチング素子S1,S5,S4を経由してノードN2からノードN1へ向かう電流経路が形成されることにより、電力線PLおよびGL間に短絡経路が形成されてしまう。このため、上述のように、B1LアームおよびB2Uアームの両方をオンする場合には、スイッチング素子S5のオフによって、第1アーム(図6)を適用することが必要である。
同様に、図9(b)および図10(a)からも理解されるように、第2アームの形成時に、B2LアームおよびB1Uアームの両方をオンした場合には、オン状態のスイッチング素子S3,S5,S2を経由してノードN1からノードN2へ向かう電流経路が形成される、電力線PLおよびGL間に短絡経路が形成されてしまう。このため、上述のように、B1UアームおよびB2Lアームの両方をオンする場合には、スイッチング素子S5のオフによって、第1アーム(図6)を適用することが必要である。
したがって、第2アームを使用できる期間は、直流電源B1,B2の間で、上アームへの指令(オン/オフ)と下アームへの指令(オン/オフ)とが同じである期間に限定される。すなわち、直流電源B1,B2の両方に対して上アームオンが指令されている期間、または、直流電源B1,B2の両方に対して下アームオンが指令されている期間に限って、第2アームを使用することができる。
図12には、パラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子S1〜S5の各々についてのオンオフ制御のためのゲート論理式が示される。
図12を参照して、制御パルス信号SD1は、直流電源B1に対応する昇圧チョッパ回路における制御パルス信号SD(図4)に相当する。すなわち、制御パルス信号SD1のHレベル時には、直流電源B1に対する下アームオンが指示される。制御パルス信号/SD1は、制御パルス信号SD1の反転信号である。すなわち、制御パルス信号/SD1のHレベル時には、直流電源B1に対する上アームオンが指示される。
制御パルス信号SD1のHレベル期間が長くなる程、直流電源B1からの出力が増加する一方で、制御パルス信号/SD1のHレベル期間(すなわち、制御パルス信号SD1のLレベル期間)が長くなる程、直流電源B1からの出力が減少することになる。
同様に、制御パルス信号SD2は、直流電源B2に対応する昇圧チョッパ回路における制御パルス信号SD(図4)に相当し、制御パルス信号/SD2は、制御パルス信号SD2の反転信号である。すなわち、制御パルス信号SD2のHレベル時には、直流電源B2の下アームオンが指示される一方で、制御パルス信号/SD2のHレベル時には、直流電源B2の上アームオンが指示される。
制御パルス信号SD2のHレベル期間が長くなる程、直流電源B2からの出力が増加する一方で、制御パルス信号/SD2のHレベル期間(すなわち、制御パルス信号SD2のLレベル期間)が長くなる程、直流電源B2からの出力が減少することになる。
電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、スイッチング素子S2は、制御パルス信号SD1に対応してオンオフ制御されるとともに、スイッチング素子S1は、制御パルス信号/SD1に応答してオンオフされる。さらに、スイッチング素子S4は、制御パルス信号SD2に応じてオンオフ制御されるとともに、スイッチング素子S3は制御パルス信号/SD2に応答してオンオフされる。さらに、スイッチング素子S5は、制御パルス信号SD1およびSD2の否定排他的論理和(XNOR)に従ってオンオフ制御される。
すなわち、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが等しいとき(すなわち、SD1=SD2=H、または、SD1=SD2=L)である場合には、スイッチング素子S5はオンされる。すなわち、スイッチング素子S2,S4のオンオフ状態が同一であるときには、スイッチング素子S5がオンされる。このとき、直流電源B1,B2のそれぞれに対して、第2アームを用いた昇圧チョッパ回路が構成される。
第2アームを用いる場合には、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが等しいので、スイッチング素子S2,S4は共通にオンオフされることが理解される。さらに、スイッチング素子S1,S3についても共通にオンオフされる。さらに、スイッチング素子S1,S3のペアと、スイッチング素子S2,S4のペアとは、相補的にオンオフされることになる。したがって、スイッチング素子S1およびS2の相補的なオンオフ、ならびに、スイッチング素子S3およびS4の相補的なオンオフは確保されている。
一方で、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが異なる場合(すなわち、SD1=H,SD2=L、または、SD1=L,SD2=H)には、スイッチング素子S5がオフされる。すなわち、スイッチング素子S2,S4のオンオフ状態が異なるときには、スイッチング素子S5がオフされる。このとき、直流電源B1,B2のそれぞれに対して、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路が構成される。
したがって、第1アームを用いる場合には、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが異なるので、スイッチング素子S2,S3が共通にオンオフされるとともに、スイッチング素子S1,S4が共通にオンオフされる。そして、スイッチング素子S1,S3のペアと、スイッチング素子S2,S4のペアとは、相補的にオンオフされることになる。したがって、第2アームの使用時にも、スイッチング素子S1およびS2の相補的なオンオフ、ならびに、スイッチング素子S3およびS4の相補的なオンオフは確保されている。
このように、図12に示したゲート論理式に従って、スイッチング素子S1〜S5のオンオフを、制御パルス信号SD1,SD2に応じて制御することにより、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路と、第2アームを形成する用いる昇圧チョッパ回路とを自動的に選択しながら、パラレル昇圧モードにおけるDC/DC変換を実行することができる。特に、スイッチング素子S5によるノードN1,N2間の電流経路の形成/遮断の制御によって、電力線PL,GL間に短絡経路が形成されることを回避しながら、第1アームおよび第2アームを切換えることができる。
図13は、電力変換器10のパラレル昇圧モード時における直流電源B1,B2の出力制御例を説明するため機能ブロック図である。なお、以下では、図13を始めとする各機能ブロック図中の機能ブロックについて、制御装置100によるソフトウェア処理および/またはハードウェア処理によってその機能が実現されるものとする。
図13を参照して、パラレル昇圧モードでは、特許文献2のパラレル接続モードと同様に、直流電源B1およびB2の一方の出力を、出力電圧VHの電圧偏差ΔV(ΔV=VH*−VH)を補償するように制御(電圧制御)するとともに、直流電源B1およびB2の他方の出力を、電流I[1]またはI[2]の電流偏差を補償するように制御(電流制御)することができる。たとえば、電流制御の指令値(Io*)は、当該電源の出力電力を制御するように設定することができる。
一例として、パラレル昇圧モードにおけるコンバータ制御部250は、直流電源B1の出力を電圧制御する一方で、直流電源B2の出力を電流制御するように、電力変換器10を制御する。この場合には、直流電源B2の電力指令値P[2]*および電圧V[2]を用いて、Io*=P[2]*/V[2]に設定すると、直流電源B2の入出力電圧を電力指令値P[2]*に従って制御することができる。
コンバータ制御部250は、減算部252,254と、直流電源B1の出力を制御するためのコントローラ210と、直流電源B2の出力を制御するためのコントローラ220と、PWM制御部230と、キャリア波発生部240とを含む。
減算部252は、電圧制御のための電圧偏差ΔVを演算する(ΔV=VH*−VH)。コントローラ210は、電圧偏差ΔVを補償するためのフィードバック制御(たとえばPI制御)によって、直流電源B1の出力デューティ比DT1(以下、単にデューティ比DT1と称する)を演算する。なお、直流電源B1の電圧V[1]および電圧指令値VH*の電圧比から求められる理論昇圧比をさらに反映して、デューティ比DT1を演算することも可能である。
減算部254は、電流制御のための電流偏差ΔIを演算する(ΔI=Io*−I[2])。コントローラ220は、電流偏差ΔIを補償するためのフィードバック制御(たとえば、PI制御)によって、直流電源B2の出力デューティ比DT2(以下、単にデューティ比DT2と称する)を演算する。なお、直流電源B2の電圧V[2]および電圧指令値VH*の電圧比から求められる理論昇圧比をさらに反映して、デューティ比DT2を演算することも可能である。
キャリア波発生部240は、直流電源B1の制御に用いるキャリア波CW1および、直流電源B2の制御に用いるCW2を発生する。PWM制御部230は、デューティ比DT1およびキャリア波CW1の比較に基づくPWM制御と、キャリア波CW2およびデューティ比DT2との比較に基づくPWM制御との組合せにより、制御信号SG1〜SG5を生成する。キャリア波CW1およびCW2は、スイッチング周波数に相当する同一周波数を有する。
図14には、パラレル接続モードにおけるPWM制御部230の動作を説明するための波形図が示される。
図14を参照して、直流電源B1に対して、制御パルス信号SD1,/SD1は、キャリア波CW1とデューティ比DT1との電圧比較に基づくPWM制御によって生成される。DT1>CW1の期間では、制御パルス信号SD1がHレベルに設定される一方で、CW1>DT1の期間では、制御パルス信号SD1がLレベルに設定される。したがって、デューティ比DT1の上昇に応じて、制御パルス信号SD1のHレベル期間が長くなり、制御パルス信号/SD1のLレベル期間が短くなる。上述のように、制御パルス信号SD1のHレベル期間には、直流電源B1の下アームオンが指令されるので、デューティ比DT1の上昇に応じて直流電源B1の出力が増加する。一方、デューティ比DT1の低下に応じて直流電源B1の出力が減少する。
同様に、直流電源B2に対しても、デューティ比DT2とキャリア波CW2との電圧比較に基づくPWM制御によって、制御パルス信号SD2,/SD2が生成される。制御パルス信号SD1,/SD1と同様に、DT2>CW2の期間では、制御パルス信号SD2がHレベルに設定される一方で、CW2>DT2の期間では、制御パルス信号SD2はLレベルに設定される。制御パルス信号SD2のHレベル期間には、直流電源B2の下アームオンが指令されるため、デューティ比DT2の上昇に応じて直流電源B2の出力が増加する。一方で、デューティ比DT2の低下に応じて直流電源B2の出力が減少する。
制御信号SG1〜SG5は、図12に示された論理演算式に従って、上記PWM制御によって得られた制御パルス信号SD1,/SD1,SD2,/SD2に応じて生成される。ここで、図12に示した論理式に従えば、制御パルス信号SD1のH/Lレベルと、制御パルス信号SD2のH/Lレベルとの組合せに応じて、スイッチング素子S1〜S5のスイッチングパターンは、図15に示す4通りに限定される。
図15は、パラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子S1〜S5のオンオフパターン(スイッチングパターン)の一覧を示す図表である。
図15を参照して、時刻t0〜t1間では、SD1=SD2=Hである。このとき、図15に示されるように、制御信号SG1=SG3=Lとなる一方で、SG2=SG4=SG5=Hとなる。したがって、スイッチング素子S5がオンされて、第2アームを用いた昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子S1,S3がオフする一方で、スイッチング素子S2,S4がオンする。
このとき、図11から理解されるように、第2アームのうちのB1LアームおよびB2Lアームがオンされる。すなわち、直流電源B1およびB2の各々に対して下アームオンが指令される。したがって、時刻t0〜t1間では、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇する。なお、図1の回路構成から明らかなとおり、リアクトル電流IL1は直流電源B1の電流I[1]に相当し、リアクトル電流IL2は直流電源B2の電流I[2]に相当する。
再び図14を参照して、時刻t1において制御パルス信号SD2がHレベルからLレベルへ変化するため、時刻t1〜t2間では、SD1=H、かつ、SD2=Lである。このとき、図15に示されるように、制御信号SG2=SG3=Hとなる一方で、SG1=SG4=SG5=Lとなる。したがって、スイッチング素子S5がオフされて、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子S2,S3がオンする一方で、スイッチング素子S1,S4がオフする。
このとき、図11から理解されるように、第1アームのうちのB1LアームおよびB2Uアームがオンされる。すなわち、直流電源B1に対して下アームオンが指令される一方で、直流電源B2に対して上アームオンが指令される。したがって、時刻t1〜t2間では、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2は低下する。
再び図14を参照して、時刻t2において制御パルス信号SD1がHレベルからLレベルへ変化するため、時刻t2〜t3間では、SD1=SD2=Lである。このとき、図15に示されるように、制御信号SG2=SG4=Lとなる一方で、SG1=SG3=SG5=Hとなる。したがって、スイッチング素子S5がオンされて第2アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子S1,S3がオンする一方で、スイッチング素子S2,S4がオフする。
このとき、図11から理解されるように、第2アームのうちのB1UアームおよびB2Uアームがオンされる。すなわち、直流電源B1およびB2の各々に対して上アームオンが指令される。したがって、時刻t2〜t3間では、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が低下する。
再び図14を参照して、時刻t3において制御パルス信号SD1がLレベルからHレベルへ変化するため、時刻t3〜t4間では、SD1=H、かつ、SD2=Lである。したがって、時刻t0〜t1間におけるスイッチングパターンが再現されることにより、第1アームの使用下で、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2が低下するように、スイッチング素子S1〜S5が制御される。
なお、図14の動作例では、DT1>DT2であるため、時刻t0〜t1間とは反対にSD1=L、かつ、SD2=Hとなる期間が存在していないが、当該期間においては、図15に示されるように、制御信号SG1=SG4=Hとなる一方で、SG2=SG3=SG5=Lとなる。したがって、スイッチング素子S5がオフされて、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子S1,S4がオンする一方で、スイッチング素子S2,S3がオフする。
このとき、図11から理解されるように、第1アームのうちのB1UアームおよびB2Lアームがオンされる。すなわち、直流電源B2に対して下アームオンが指令される一方で、直流電源B1に対して上アームオンが指令される。したがって、当該期間では、リアクトル電流IL2が上昇する一方で、リアクトル電流IL1が低下するように、スイッチング素子S1〜S5が制御されることが理解される。
図14での時刻t4以降についても、デューティ比DT1,DT2に応じたPWM制御によって、図15に示されたスイッチングパターンに従って、スイッチング素子S1〜S5を同様に制御することができる。
このように、実施の形態1に従う電力変換器10によれば、パラレル昇圧モードにおいて、直流電源B1,B2の出力制御のデューティ比DT1およびDT2に応じて、図12に示した論理式に従って、スイッチング素子S1〜S5がオンオフ制御される。これにより、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間と、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間とを自動的に切換えながら、直流電源B1およびB2が、電力線PL,GLに対して並列にDC/DC変換を実行することができる。
特に、デューティ比DT1,DT2に基づく直流電源B1およびB2からの出力制御によって、直流電源B1,B2の一方を電圧制御(VH→VH*)するとともに、直流電源B1,B2の他方を電流制御(I[1]またはI[2]→Io*)するように、電力変換器10を制御することができる。これにより、パラレル昇圧モードでは、負荷30に対する電力変換器10全体の入出力電力PL(負荷電力PL)に対して、電流制御される直流電源の入出力電力を制御することにより、電圧制御される直流電源の入出力電力についても間接的に制御することができる。
すなわち、電力変換器10は、パラレル昇圧モードでは、特許文献2に記載された電力変換器におけるパラレル接続モードと同様に、直流電源B1およびB2間の電力配分を制御するとともに、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。
なお、直流電源B1およびB2の出力制御は、図13での例示に限定されず、デューティ比DT1,DT2の算出は、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御する機能を有する限り、任意の態様で実行することができる。
アレンジの一例として、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するために電力変換器10から入出力される必要電力Prの算出に基づいて、直流電源B1,B2の出力を電力制御(電流制御)することも可能である。具体的には、当該必要電力Prを直流電源B1,B2の間で配分した電力指令値P1*,P2*に従って、直流電源B1およびB2の出力電力を制御することが可能である(Pr=P1*+P2*)。パラレル昇圧モードでは、電力指令値P1*,P2*間の配分を自由にすることができる。この場合には、図13の制御構成において、コントローラ210,220は、電力指令値P1*,P2*から求められた、電流指令値I1*(I1*=P1*/V[1])およびI2*(I2*=P2*/V[2])を基準値とする電流I[1],I[2]のフィードバック制御によって、デューティ比DT1,DT2を算出することができる。
上述のように、電力変換器10は、パラレル昇圧モードにおいて、直流電源B1およびB2間の電力配分を制御することができる。この結果、負荷30に対するトータルでの入出力電力PLに対して、直流電源B1の入出力電力P1および直流電源B2の入出力電力P2について、PL=P1+P2となるように電力配分を制御することができる。したがって、負荷30の力行動作時(PL>0)において、P1>0,P2>0とする他、P1>0,P2<0または、P1<0,P2>0としても、直流電源B1およびB2全体によって、負荷電力PLを供給することができる。反対に、負荷30の回生動作時(PL<0)において、P1<0,P2<0とする他、P1<0,P2>0または、P1>0,P2<0としても、直流電源B1およびB2全体によって、負荷電力PLを受け入れることができる。すなわち、パラレル昇圧モードでは、直流電源B1,B2の一方ずつが回生動作および力行動作をするように、電力変換器10を制御することができる。
(パラレル昇圧モードにおける電力変換器の電力損失)
次に、実施の形態1に従う電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける電力損失低減効果について詳細に説明する。
電力変換器10は、スイッチング素子S5のオフ時、すなわち、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成されている場合には、図5に示したように、2個の昇圧チョッパ回路を並列接続した回路構成、すなわち、特許文献1の電源システムと等価である。このときのスイッチング素子S1〜S5による電力損失は、特許文献1の電力変換器と同等であることが理解される。
一方で、特許文献2に示された電力変換器のパラレル接続モードでは、一部のスイッチング素子には、2つの直流電源のDC/DC変換の電流が重畳して流れることにより、導通損失が増加することが懸念される。すなわち、特許文献2の電力変換器のパラレル接続モードでは、スイッチング素子での電力損失が特許文献1の電力変換器よりも高くなってしまう虞がある。
これに対して、実施の形態1に従う電力変換器10では、以下に説明するように、上述した第2のアームが形成される期間が設けられることにより、スイッチング素子の導通損失を低減することができる。
再び図15を参照して、電力変換器10においてスイッチング素子S5がオンされる場合、すなわち、第2のアームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間には、スイッチング素子S2,S4,S5がオン(S1,S3はオフ)される第1のパターンと、スイッチング素子S1,S3,S5がオン(S2,S4はオフ)される第2のパターンとの2つのパターンのみが存在する。上述のように、第1のパターンでは、直流電源B1,B2の両方で下アームがオンされ、第2のパターンでは、直流電源B1,B2の両方で上アームがオンされる。
図8から理解されるように、第1のパターン(S2,S4,S5がオン)では、スイッチング素子S2およびS4は、直流電源B1の下アームとして、スイッチング素子S5を経由して、直流電源B1の正極端子および負極端子間に電気的に並列接続される構成となる。同時に、スイッチング素子S2およびS4は、直流電源B2の下アームとして、スイッチング素子S5を経由して、直流電源B2の正極端子および負極端子間に電気的に並列接続される。
また、第2のパターン(S1,S3,S5がオン)では、スイッチング素子S1およびS3は、直流電源B2の上アームとして、スイッチング素子S5を経由して、ノードN2および電力線PLの間に電気的に並列接続される構成となる。同時に、スイッチング素子S1およびS3は、直流電源B1の上アームとしては、スイッチング素子S5を経由して、ノードN1および電力線PLの間に電気的に並列接続される。
第2アームの形成時には、直流電源B1,B2の上アームまたは下アームとして、複数のスイッチング素子が並列接続されることによる分流効果と、リアクトル電流IL1,IL2の打ち消し合い効果とによって、スイッチング素子での電力損失が抑制される。電流打消し合い効果は、リアクトル電流IL1,IL2の向き(正/負)によって挙動が異なる。
図16には、電力変換器10におけるリアクトル電流IL1およびIL2の方向の組合せを説明する概念図が示される。
図16を参照して、リアクトル電流IL1およびIL2の正/負の組合せから、電力変換器10の動作領域は、直流電源B1およびB2の両方が力行動作する領域(IL1>0,IL2>0)と、直流電源B1が回生動作する一方で直流電源B2が力行動作する領域(IL1<0,IL2>0)と、直流電源B1,B2の両方が回生動作をする領域(IL1<0,IL2<0)と、直流電源B1が力行動作する一方で直流電源B2が回生動作する領域(IL1>0,IL2<0)に分けられる。
次に、第2アーム形成時の電流挙動について、図17および図18を用いて説明する。図17には、第1のパターン(B1,B2とも下アームオン)での電流挙動が示される。一方で、図18には、第2のパターン(B1,B2とも上アームオン)での電流挙動が示される。
図17を参照して、図17(a)には、直流電源B1,B2の両方が力行動作するIL1>0,IL2>0のときの電流挙動が示される。第1のパターンでは、オン状態のスイッチング素子S2,S4,S5が、ノードN1,N2および電力線GLの間にループ状に接続される。この状態では、スイッチング素子S2,S4,S5の各々は、双方向にダイオードが並列接続された状態となるので、リアクトル電流IL1,IL2の経路は、ノードN1,N2の電位関係に応じて変化する。
ここで、導通して電流が流れている状態のダイオードの各々には、ほぼ同じ大きさの順方向電圧が発生している。したがって、ループ状に接続されたスイッチング素子S2,S4,S5のすべてに電流が流れている状態(導通状態)は発生しない。なぜなら、ほぼ同等の3つの電圧がループ状の閉路を形成するとすれば、それぞれの電圧がどのような向きであっても、キルヒホッフ電圧則が成立しないからである。したがって、スイッチング素子S2,S4,S5のいずれかは、自然に非導通となって電流が通過しない状態となる。
図17(a)に示されるように、IL1>0,IL2>0の場合には、ノードN1およびN2に対して、IL1,IL2が流入する。この電流方向に対しては、スイッチング素子S5が非導通となり、スイッチング素子S2,S4が導通状態となる。なぜなら、スイッチング素子S5が導通して、スイッチング素子S2,S5またはスイッチング素子S4,S5が導通していると仮定すると、残りのスイッチング素子S4またはS2も導通せざるを得ず、上記キルヒホッフの電圧則に矛盾した状態となるからである。
より詳細には、図17(a)の電流方向では、スイッチング素子S4,S5が導通状態、スイッチング素子S2が非導通状態の場合を仮定すると、スイッチング素子S4,S5の順方向電圧の和が、スイッチング素子S2に印可されることになるので、スイッチング素子S2を非導通とすることができない。同様に、スイッチング素子S2,S5が導通状態、スイッチング素子S4が非導通状態の場合を仮定すると、スイッチング素子S2,S5の順方向電圧の和が、スイッチング素子S4に印可されることになるので、スイッチング素子S4を非導通とすることができない。したがって、キルヒホッフの電圧則に矛盾する、スイッチング素子S5が導通する回路状態は発生しない。
したがって、リアクトル電流IL1について、スイッチングパターン上は、スイッチング素子S2を経由する電流経路115aと、スイッチング素子S5,S4を経由する電流経路115bとに分流可能であるが、実際には、リアクトル電流IL1は、電流経路115aのみを流れる。同様に、リアクトル電流IL2について、スイッチングパターン上は、スイッチング素子S5,S2を経由する電流経路116aと、スイッチング素子S4を経由する電流経路116bとに分流可能であるが、実際には、リアクトル電流IL2は、電流経路116bのみを流れる。
この結果、スイッチング素子S5ではI(S5)=0となる一方で、スイッチング素子S2ではI(S2)=IL1であり、スイッチング素子S4では、I(S4)=IL2である。このため、IL1>0,IL2>0の場合には、分流効果および電流打消し効果は発生せず、スイッチング素子での電力損失は、第1アーム形成時、すなわち、特許文献1と同様である。
直流電源B1,B2の両方が回生動作するIL1<0,IL2<0の場合にも、図17(a)での電流経路が反転されて形成されるので、スイッチング素子の通過電流について、分流効果および電流打消し効果は発生しない。すなわち、スイッチング素子での電力損失は、図17(a)の場合と同様である。
図17(b)には、リアクトル電流IL1およびIL2の向き(正/負)が逆であるときの電流挙動が示される。一例として、直流電源B1が力行動作する一方で直流電源B2が回生動作する場合(IL1>0,IL2<0)が示される。この場合には、ノードN1に対してIL1が流入する一方で、ノードN2からIL2が流出する。
この電流方向に対しては、リアクトル電流IL1が分流可能な電流経路115a,115bおよび、リアクトル電流IL2が分流可能な電流経路116a♯,116b♯について、スイッチング素子S2,S4において、リアクトル電流IL1およびIL2が打ち消し合う。
図17(a)でも説明したように、スイッチング素子S2,S4,S5の全てが導通状態となることはない。このため、リアクトル電流IL1,IL2のうちの絶対値の大きい方の電流が分流する一方で、絶対値が小さい方の電流は、分流せずスイッチング素子S5を経由する電流経路のみを通過することになる。
|IL1|<|IL2|のときには、リアクトル電流IL1は、分流せずに電流経路115bのみを形成する。一方で、リアクトル電流IL2は、電流経路116a♯および116b♯に分流する。このとき、電流経路116a♯の電流IL2aは、キルヒホッフ電圧則に従ってスイッチング素子S2を非導通状態とするように、IL2a+IL1=0となるように自然に調整される。
図19には、図17(b)における各部の電流値が示される。
図17(b)および図19を参照して、リアクトル電流IL1は、電流経路115bには流れず、電流経路115aに全量が流れる。リアクトル電流IL2に関して、電流経路116a♯には、スイッチング素子S2を非導通とするために−IL1相当の電流量が生じる。一方で、電流経路116b♯には、残りの電流量IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)が流れる。
この結果、スイッチング素子S2ではI(S2)=IL1+(−IL1)=0、スイッチング素子S4ではI(S4)=IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)、スイッチング素子S5ではI(S5)=−IL1となる。
反対に、|IL1|>|IL2|のときには、リアクトル電流IL2は、分流せずに電流経路116b♯のみを形成する。一方で、リアクトル電流IL1は、電流経路115aおよび115bに分流する。このとき、電流経路115bの電流IL1bは、キルヒホッフ電圧則に従ってスイッチング素子S4を非導通状態とするように、IL1b+IL2=0となるように自然に調整される。
したがって、図19に示されるように、リアクトル電流IL2に関して、電流経路116a♯には電流は流れず、電流経路116b♯にIL2全量が流れる。リアクトル電流IL1に関して、電流経路115bには、スイッチング素子S4を非導通とするために−IL2相当の電流量が生じる。一方で、電流経路115aには、残りの電流量IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)が流れる。
この結果、スイッチング素子S4ではI(S4)=IL2+(−IL2)=0、スイッチング素子S2ではI(S2)=IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)、スイッチング素子S5ではI(S5)=−IL2となる。
なお、図17(b)とは反対に、直流電源B1が回生動作する一方で直流電源B2が力行動作する場合、すなわち、IL1<0,IL2>0の場合には、ノードN1からIL1が流出する一方で、ノードN2にIL2が流入する。したがって、図17(b)での電流経路が反転されて形成されるので、スイッチング素子の通過電流について、分流効果および電流打消し効果が発生する。すなわち、スイッチング素子での電力損失は、図17(b)の場合と同様となる。
次に図18を用いて、第2のパターン(B1,B2とも上アームオン)での電流挙動を説明する。
図18を参照して、図18(a)には、図17(a)と同様に、直流電源B1,B2の両方が力行動作するIL1>0,IL2>0のときの電流挙動が示される。第2のパターンでは、オン状態のスイッチング素子S1,S3,S5が、ノードN1,N2および電力線GLの間にループ状に接続される。
しかしながら、スイッチング素子S1,S3,S5についても、キルヒホッフ電圧則からいずれか1つは非導通となって電流が通過しない状態となる。IL1>0,IL2>0の場合には、ノードN1およびN2に対して、IL1,IL2が流入する。この電流方向に対しては、スイッチング素子S5が非導通となり、スイッチング素子S1,S3が導通状態となる。
なぜなら、図18(a)の電流方向では、スイッチング素子S1,S5が導通状態、スイッチング素子S3が非導通状態の場合を仮定すると、スイッチング素子S1,S5の順方向電圧の和が、スイッチング素子S3に印可されることになるので、スイッチング素子S3を非導通とすることができない。同様に、スイッチング素子S3,S5が導通状態、スイッチング素子S1が非導通状態の場合を仮定すると、スイッチング素子S3,S5の順方向電圧の和が、スイッチング素子S1に印可されることになるので、スイッチング素子S1を非導通とすることができない。この結果、スイッチング素子S5が導通して、スイッチング素子S1,S5またはスイッチング素子S3,S5が導通している回路状態は発生しないことが理解される。
したがって、リアクトル電流IL1について、スイッチングパターン上は、スイッチング素子S1を経由する電流経路117aと、スイッチング素子S5,S3を経由する電流経路117bとに分流可能であるが、実際には、リアクトル電流IL1は、電流経路117aのみを流れる。同様に、リアクトル電流IL2について、スイッチングパターン上は、スイッチング素子S5,S1を経由する電流経路118aと、スイッチング素子S3を経由する電流経路118bとに分流可能であるが、実際には、リアクトル電流IL2は、電流経路118bのみを流れる。
この結果、スイッチング素子S5ではI(S5)=0となる一方で、スイッチング素子S1ではI(S1)=IL1であり、スイッチング素子S3では、I(S3)=IL2である。このため、IL1>0,IL2>0の場合には、分流効果および電流打消し効果は発生せず、スイッチング素子での電力損失は、第1アーム形成時、すなわち、特許文献1と同様である。
直流電源B1,B2の両方が回生動作するIL1<0,IL2<0の場合にも、図18(a)での電流経路が反転されて形成されるので、スイッチング素子の通過電流について、分流効果および電流打消し効果は発生しない。すなわち、スイッチング素子での電力損失は、図18(a)の場合と同様である。
図18(b)には、リアクトル電流IL1およびIL2の向き(正/負)が逆であるときの電流挙動が示される。一例として、直流電源B1が力行動作する一方で直流電源B2が回生動作する場合(IL1>0,IL2<0)が示される。この場合には、ノードN1に対してIL1が流入する一方で、ノードN2からIL2が流出する。
この電流方向に対しては、リアクトル電流IL1が分流可能な電流経路117a,117bおよび、リアクトル電流IL2が分流可能な電流経路118a♯,118b♯について、スイッチング素子S1,S3の各々で、リアクトル電流IL1およびIL2が打ち消し合う。
図18(a)でも説明したように、スイッチング素子S1,S3,S5の全てが導通状態となることはない。このため、リアクトル電流IL1,IL2のうちの絶対値の大きい方の電流が分流する一方で、絶対値が小さい方の電流は、分流せずスイッチング素子S5を経由する電流経路のみを通過することになる。
|IL1|<|IL2|のときには、リアクトル電流IL1は、分流せずに電流経路117bのみを形成する。一方で、リアクトル電流IL2は、電流経路118a♯および118b♯に分流する。このとき、電流経路118a♯の電流IL2aは、スイッチング素子S1を非導通状態とするように、IL2a+IL1=0となるように自然に調整される。
図20には、図18(b)における各部の電流値が示される。
図18(b)および図20を参照して、リアクトル電流IL1は、電流経路117bには電流は流れず、電流経路117aに全量が流れる。リアクトル電流IL2に関して、電流経路118a♯には、スイッチング素子S1を非導通とするために−IL1相当の電流量が生じる。一方で、電流経路118b♯には、残りの電流量IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)が流れる。
この結果、スイッチング素子S1ではI(S1)=IL1+(−IL1)=0、スイッチング素子S3ではI(S3)=IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)、スイッチング素子S5ではI(S5)=−IL1となる。
反対に、|IL1|>|IL2|のときには、リアクトル電流IL2は、分流せずに電流経路118b♯のみを形成する。一方で、リアクトル電流IL1は、電流経路115aおよび115bに分流する。このとき、電流経路115bの電流IL1bは、スイッチング素子S4を非導通状態とするように、IL1b+IL2=0となるように自然に調整される。
したがって、図20に示されるように、リアクトル電流IL2に関して、電流経路118a♯には電流は流れず、電流経路118b♯にIL2全量が流れる。リアクトル電流IL1に関して、電流経路117bには、スイッチング素子S3を非導通とするために−IL2相当の電流量が生じる。一方で、電流経路117aには、残りの電流量IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)が流れる。
この結果、スイッチング素子S3ではI(S3)=IL2+(−IL2)=0、スイッチング素子S1ではI(S1)=IL1+IL2(IL1>0,IL2<0)、スイッチング素子S5ではI(S5)=−IL2となる。
なお、図18(b)とは反対に、直流電源B1が回生動作する一方で直流電源B2が力行動作する場合、すなわち、IL1<0,IL2>0の場合には、ノードN1からIL1が流出する一方で、ノードN2にIL2が流入する。したがって、図18(b)での電流経路が反転されて形成されるので、スイッチング素子の通過電流について、分流効果および電流打消し効果が発生する。すなわち、スイッチング素子での電力損失は、図18(b)の場合と同様となる。
この結果、図19および20から理解されるように、第2アームの形成時には、リアクトル電流IL1,IL2の向き(正/負)が異なるとき(IL1>0,IL2<0または、IL1<0、IL2>0)には、スイッチング素子の電流(絶対値)の和は、|IL1|+|IL1+IL2|または、|IL2|+|IL1+IL2|になる。ここで、IL1およびIL2の符号は異なるので、|IL1+IL2|≦|IL1|かつ、|IL1+IL2|≦|IL2|が成立する。したがって、電流および電圧の積で示されるスイッチング素子の電力損失(導通損失)について、スイッチング素子の電流(絶対値)の和が、|IL1|+|IL2|となる、第1アーム形成時および特許文献1よりも抑制されることが理解される。
以上説明した、電力変換器10のパラレル昇圧モードでのスイッチング素子の電力損失を整理すると、第1アーム形成時、および、第2アーム形成時にリアクトル電流IL1,IL2の向き(正/負)が同じであるときには、スイッチング素子の電力損失は、2個の昇圧チョッパ回路が独立に並列動作する特許文献1と同等である。
一方で、第2アーム形成時にリアクトル電流IL1,IL2の向き(正/負)が異なるときには、分流を伴う電流打消し効果によって、スイッチング素子での電力損失(導通損失)は、第1アーム形成時および特許文献1よりも低下する。
次に、本実施の形態に従う電力変換器10のパラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子の電流を、特許文献2に記載された電力変換器のパラレル接続モードにおけるスイッチング素子の電流と比較する。
図21は、比較例として示される電力変換器10♯において、直流電源B1,B2の一方において上アームをオンする一方で、他方において下アームをオンするときの電流経路を説明するための回路図である。
図21を参照して、電力変換器10♯では、スイッチング素子Q3およびQ4が直流電源B1の下アームとして機能する一方で、スイッチング素子Q1およびQ4が直流電源B2の上アームとして機能する。したがって、B1Lアーム(直流電源B1の下アーム)およびB2Uアーム(直流電源B2の上アーム)のオン時には、両者の論理和に従って、スイッチング素子Q1、Q3およびQ4がオンされる。
これにより、リアクトル電流IL1は、スイッチング素子Q3,Q4を通過する電流経路121を形成する。リアクトル電流IL2は、スイッチング素子Q1,Q4(ダイオードD1,D4)を通過する電流経路132を形成する。したがって、スイッチング素子Q1ではI(Q1)=IL2、スイッチング素子Q2ではI(Q2)=0、スイッチング素子S3ではI(Q3)=IL1、スイッチング素子Q4では電流I(Q4)=IL1−IL2となる。
一方で、B1Uアーム(直流電源B1の上アーム)およびB2Lアーム(直流電源B2の下アーム)のオン時には、両者の論理和に従って、スイッチング素子Q1、Q2およびQ3がオンされる。
これにより、リアクトル電流IL2は、スイッチング素子Q2,Q3を通過する電流経路131を形成する。リアクトル電流IL1は、スイッチング素子Q1,Q2(ダイオードD1,D2)を通過する電流経路122を形成する。したがって、スイッチング素子Q1ではI(Q1)=IL1、スイッチング素子Q2ではI(Q2)=IL1−IL2、スイッチング素子S3ではI(Q3)=IL2、スイッチング素子Q4では電流I(Q4)=0となる。
この結果、図22に示されるように、直流電源B1,B2の一方で上アームをオンし、他方で下アームをオンするときには、スイッチング素子Q1〜Q4の電流(絶対値)の和は、|IL1|+|IL2|+|IL1−IL2|となる。ここで、IL1,IL2の符号によらず|IL1−IL2|≧0である。特に、|IL1−IL2|は、IL1およびIL2の向き(正/負)が異なるときに増大してしまう。
図23は、比較例として示される電力変換器10♯において、直流電源B1,B2の両方で上アームまたは下アームをオンするときの電流経路を説明するための回路図である。
図23を参照して、電力変換器10♯では、B1LアームおよびB2Lアームのオン時には、両者の論理和に従って、スイッチング素子Q2、Q3およびQ4がオンされる。
これにより、リアクトル電流IL1は、スイッチング素子Q3,Q4を通過する電流経路121を形成する。リアクトル電流IL2は、スイッチング素子Q2,Q3を通過する電流経路131を形成する。したがって、スイッチング素子Q1ではI(Q1)=0、スイッチング素子Q2ではI(Q2)=IL2、スイッチング素子S3ではI(Q3)=IL1+IL2、スイッチング素子Q4では電流I(Q4)=IL1となる。
一方で、B1UアームおよびB2Uアームのオン時には、両者の論理和に従って、スイッチング素子Q1,Q2およびQ4がオンされる。
これにより、リアクトル電流IL1は、スイッチング素子Q1,Q2(ダイオードD1,D2)を通過する電流経路122を形成する。リアクトル電流IL2は、スイッチング素子Q1,Q4(ダイオードD1,D4)を通過する電流経路132を形成する。したがって、スイッチング素子Q1ではI(Q1)=IL1+IL2、スイッチング素子Q2ではI(Q2)=IL1、スイッチング素子S3ではI(Q3)=0、スイッチング素子Q4では電流I(Q4)=IL2となる。
この結果、図22に示されるように、直流電源B1,B2の両方で上アームまたは下アームを共通にオンするときには、スイッチング素子Q1〜Q4の電流(絶対値)の和は、|IL1|+|IL2|+|IL1+IL2|となる。ここで、IL1,IL2の符号によらず|IL1+IL2|≧0である。特に、|IL1+IL2|は、IL1およびIL2の向き(正/負)が同じであるときに増大してしまう。
このように、比較例の電力変換器10♯では、パラレル接続モードでの動作時には、スイッチング素子の電流(絶対値)の和が|IL1|+|IL2|以上となる。したがって、特許文献2の電力変換器10♯でのパラレル接続モードにおけるスイッチング素子の電力損失(特に、導通損失)は、スイッチング素子の電流(絶対値)の和が|IL1|+|IL2|である、特許文献1および、電力変換器10での第1アーム形成時と比較して大きいことが理解される。
以上を整理すると、本実施の形態に従う電力変換器10のパラレル昇圧モードにおいて、第1アーム形成時におけるスイッチング素子の電力損失(導通損失)は、特許文献1の電力変換器と同等であり、かつ、特許文献2の電力変換器のパラレル接続モードよりも低い。
また、電力変換器10の第2アーム形成時において、リアクトル電流IL1,IL2の向き(正/負)が同じであるときには、スイッチング素子の電力損失(導通損失)は、第1アーム形成時および特許文献1の電力変換器と同等である。
さらに、電力変換器10の第2アーム形成時において、リアクトル電流IL1,IL2の向き(正/負)が異なるときには、分流を伴う電流打消し効果によって、スイッチング素子での電力損失(導通損失およびスイッチング損失)は、第1アーム形成時および特許文献1よりも低下する。
したがって、第2アームが形成される全期間を通じて、直流電源B1およびB2の力行/回生動作が同じである場合においても、スイッチング素子の導通損失は、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路での導通損失(すなわち、特許文献1の電力変換器の導通損失)と同等となる。そして、少しでも、直流電源B1およびB2の一方ずつが力行動作および回生動作する期間が存在すれば、スイッチング素子の導通損失は、第1アーム形成時よりも低減される。
以上より、本実施の形態に従う電力変換器10は、パラレル昇圧モードにおいて、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路(図5)と、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路(図8)とを自動的に併用する態様によって、直流電源B1およびB2が、電力線PL,GL(負荷30)に対して並列にDC/DC変換を実行することができる。
そして、第2アームの形成期間(スイッチング素子S5のオン期間)が設けられることによって、スイッチング素子の導通損失を、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路での導通損失よりも小さくすることができる。このため、電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、特許文献1および2の電力変換器よりもスイッチング素子の導通損失を抑制することによって、DC/DC変換を高効率化することができる。
特に、本実施の形態に従う電力変換器10は、直流電源B1,B2を異なる特性で構成することにより、B1およびB2の動作(力行/回生)が異なる期間が長い電源システムに好適である。たとえば、単純な容量アップのために直流電源B1,B2を並列使用する電源システムでは、負荷30の動作状態に応じて、B1およびB2の両方が力行動作(放電)または回生動作(充電)を実行する期間が長くなる。これに対して、直流電源B1,B2の一方を一定出力で作動させる一方で、他方を電力バッファとして活用するような電源システムでは、B1およびB2の動作(力行/回生)が異なる期間が長くなるので、本実施の形態に従う電力変換器10の適用により、スイッチング素子の電力損失(特に、導通損失)の低減効果を有効に享受することができる。
[実施の形態1の変形例]
上述のように、実施の形態1に従う電力変換器10では、第2アームが形成される期間を設けることによって、スイッチング素子の電力損失(導通損失)が低減される。一方で、図11,12,15等から理解されるように、第2のアームを有する昇圧チョッパ回路が形成されるのは、制御パルス信号SD1およびSD2のレベルが同じである期間に限られる。
したがって、デューティ比DT1およびDT2が一定の下で、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが同じとなる期間をなるべく長くとることによって、スイッチング素子の電力損失をさらに抑制することができる。
実施の形態1の変形例では、直流電源B1およびB2の出力制御のためのPWM制御において、リアクトル電流IL1,IL2の位相を制御することによって電力変換器10の電力損失をさらに低減する。
図24は、実施の形態1に従うPWM制御の第1の例を説明するための波形図である。図24の例では、PWM制御に用いられるキャリア波の位相制御(以下、「キャリア位相制御」とも称する)が適用される。
図24を参照して、キャリア位相制御の適用時には、キャリア波発生部240(図13)は、直流電源B1のPWM制御に用いられるキャリア波CW1と、直流電源B2のPWM制御に用いられるキャリア波CW2との間に位相差φを設ける。図24では、φ=180度の場合が例示される。
これに対して、図14に示された動作波形では、キャリア波CW1およびCW2は、同一周波数かつ同一位相である。言い換えると、図14では、φ=0度である。
位相差φが設けられた下でも、制御パルス信号SD1,/SD1は、キャリア波CW1とデューティ比DT1との電圧比較に基づくPWM制御によって生成される。同様に、制御パルス信号SD2,/SD2は、キャリア波CW2とデューティ比DT2との電圧比較に基づくPWM制御によって生成される。
図24において、デューティ比DT1,DT2は図14と同一値である。したがって、図24の制御パルス信号SD1は、図14の制御パルス信号SD1と比較して、位相は異なるもののHレベル期間の長さは同じである。同様に、図24の制御パルス信号SD2についても、図14の制御パルス信号SD2と比較して、位相は異なるもののHレベル期間の長さは同じである。
キャリア波CW1およびCW2の間に位相差φを設けることにより、図24の制御信号SG1〜SG5は、図14の制御信号SG1〜SG5とは異なった波形となる。図14および図24の比較から、キャリア波CW1およびCW2の間の位相差φを変化させることにより、リアクトル電流IL1およびIL2の位相関係(電流位相)についても変化することが理解される。
一方で、同一のデューティ比DT1,DT2に対して、電流IL1およびIL2の平均値は、図14および図24の間で同等であることが理解される。すなわち、直流電源B1,B2の出力は、デューティ比DT1およびDT2によって制御されるものであり、キャリア波CW1,CW2間の位相差φを変化させても影響が生じない。
したがって、本実施の形態1の変形例では、キャリア波CW1,CW2間の位相差φを適切に調整するキャリア位相制御によって、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける、スイッチング素子の電力損失(特に、導通損失)の低減を図る。
実施の形態1で説明したように、電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、第2アームを形成することによって、スイッチング素子の電力損失を低減することができる。一方で、図12に示された論理演算式から理解されるように、スイッチング素子S5のオンによって第2アームを使用できる期間は、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが同じである期間に限られる。
したがって、制御パルス信号SD1およびSD2のHレベル期間の長さが、デューティ比DT1およびDT2によってそれぞれ規定される下で、両制御パルス信号間の論理レベルが同じになる期間がより長くなるようにパルス位相を調整すれば、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける第2アームの使用期間を長くすることができる。これにより、電力変換器10のパラレル昇圧モードの電力損失をさらに低減できる。
図25は、実施の形態1の変形例に従うキャリア位相制御の動作例を説明するための波形図である。
図25を参照して、制御パルス信号SD1およびSD2のHレベル期間がそれぞれ同一の下でも、位相差φを調整することにより、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが同じになる期間は変化する。図25に示されるように、位相差φ=φ*としたときに、制御パルス信号SD1がLレベルからHレベルへ遷移するタイミングと、制御パルス信号SD2がLレベルからHレベルへ遷移するタイミングとが同位相となる(時刻tb)。このとき、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが同じになる期間、すなわち、制御信号SG5のHレベル期間を最も長く確保することができる。以下では、このような位相関係をもたらす位相差φ*を、最適位相差φ*とも称する。
図14に示された位相差φ=0のときの制御信号SG5の波形と、図25に示された位相差φ=φ*のときの制御信号SG5の波形との比較から理解されるように、キャリア位相制御によって、デューティ比DT1,DT2が同一であるPWM制御の下で、制御信号SG5のHレベル期間、すなわち、スイッチング素子S5のオンによって第2アームが形成される期間を最も長く確保することができる。
なお、図25の例とは逆に、制御パルス信号SD1がHレベルからLレベルへ遷移するタイミング(時刻td)と、制御パルス信号SD2がHレベルからLレベルへ遷移するタイミングとが同位相となるように位相差φを設定した場合にも、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが同じになる期間を同様に確保することができる。すなわち、このときの位相差φを最適位相差φ*とすることも可能である。
図25に示されるように、制御パルス信号SD1(SD2)がLレベルからHレベルへ変化するタイミングで、リアクトル電流IL1(IL2)も低下から上昇に転じる。すなわち、リアクトル電流IL1(IL1)は極小となる。反対に、制御パルス信号SD1(SD2)がHレベルからLレベルへ変化するタイミングで、リアクトル電流IL1(IL2)も上昇から低下に転じる。すなわち、リアクトル電流IL1(IL2)は極大となる。
このように、制御パルス信号SD1,SD2の論理レベルが遷移するタイミングは、リアクトル電流IL1,IL2の変曲点(極大点または極小点)に対応する。したがって、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルの遷移タイミングを一致させるように位相差φ=φ*に設定すると、リアクトル電流IL1およびIL2の変曲点が同一タイミングとなる。具体的には、リアクトル電流IL1およびIL2の極小点同士または極大点同士が同一タイミングとなる。リアクトル電流IL1,IL2の位相をこのように制御することによって、上記のように第2アームの使用期間を最大とすることができる。
図14および図24,25からも理解されるように、制御パルス信号SD1,SD2の波形は、デューティ比DT1,DT2によって決まる。したがって、図25のような制御パルスSD1,SD2間の関係およびIL1,IL2の電流位相が実現できる最適位相差φ*についても、デューティ比DT1,DT2に応じて変わることが理解される。
このため、デューティ比DT1,DT2と、最適位相差φ*との関係を予め求めるとともに、その対応関係を予めマップ(以下、「位相差マップ」とも称する)あるいは関数式(以下、「位相差算出式」とも称する)として制御装置100に記憶することが可能である。
したがって、電力変換器10のパラレル昇圧モードの選択時には、キャリア波発生部240(図13)は、コントローラ210および220(図13)で算出されたデューティ比DT1,DT2に基づいて、上記位相差マップないし位相差算出式を参照して、最適位相差φ*を設定することができる。さらに、キャリア波発生部240は、設定された最適位相差φ*を有するように、同一周波数のキャリア波CW1,CW2を発生する。
PWM制御部230(図13)では、図25に示したように、制御パルス信号SD1およびSD2の間で論理レベル(H/Lレベル)が異なる期間が最大となるような位相関係で、制御パルス信号SD1,SD2が生成される。さらに、図12に示されたゲート論理式に従って、制御信号SG1〜SG5がさらに生成される。
また、図24および図25の比較から明らかなように、上記の電流位相制御によって、スイッチング素子S5のオンオフ回数についても減少できるので、スイッチング素子S5のスイッチング損失についても低減することができる。
図26には、図25と同等の電流位相制御を実現するための、実施の形態1の変形例に従うPWM制御の第2の例が示される。
図26を図25と比較して、図26のPWM制御では、同一周波数で位相(エッジタイミング)が同期した2つののこぎり波によって、キャリア波CW1およびCW2が構成される。
キャリア波CW1およびCW2をのこぎり波で構成しても、同一値のデューティ比DT1,DT2に対する、制御パルス信号SD1,SD2のHレベル期間の長さは同じである。
一方で、キャリア波CW1およびCW2をのこぎり波で構成することにより、各周期のエッジタイミング(時刻tb,te)において、制御パルス信号SD1およびSD2を遷移させることができる。すなわち、当該エッジタイミングにおいてリアクトル電流IL1,IL2に変曲点を生じさせることができる。
リアクトル電流IL1,IL2に変曲点が、極大点および極小点のいずれとなるかは、のこぎり波を右上り形状および右下がり形状のいずれとするかに依存する。図26の例では、キャリア波CW1およびCW2の両方を、右上り形状ののこぎり波によって構成することにより、各周期のエッジタイミング(時刻tb,te)において、リアクトル電流IL1およびIL2の両方に極小点が生じている。これにより、リアクトル電流IL1およびIL2の極小点同士が同一タイミングとなる。
一方で、キャリア波CW1およびCW2の両方を、右下がり形状ののこぎり波によって構成することにより、各周期のエッジタイミング(時刻tb,te)において、リアクトル電流IL1およびIL2の両方に極大点を生じさせることができる。これにより、リアクトル電流IL1およびIL2の極大点同士を同一タイミングとすることができる。
このように、キャリア波CW1,CW2にエッジタイミングが同期した同一周波数ののこぎり波を適用すれば、キャリア波CW1,CW2の位相を固定しても、リアクトル電流IL1,IL2の位相を、図25と同様に制御することができる。
このように、実施の形態1の変形例に従うPWM制御(図24または図26)によって電力変換器10を制御することによって、同一のデューティ比DT1,DT2の下で、スイッチング素子S5のオン期間、すなわち、第2アームを用いる期間が最も長くなるように、スイッチング素子S1〜S5のオンオフが制御される。これにより、リアクトル電流IL1およびIL2の間で、極小点または極大点が同一タイミングとなるように、電流位相も制御される。
この結果、同一のデューティ比DT1,DT2の下で、スイッチング素子の導通損失が低い第2アームを用いる期間を確保できるとともに、スイッチング素子S5のオンオフ回数が低減するので、スイッチング素子での電力損失(導通損失およびスイッチング損失)の抑制によって、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおけるDC/DC変換をさらに高効率化できる。
[実施の形態2]
実施の形態2では、実施の形態1で説明した電力変換器10の回路構成の変形例について説明する。具体的には、図1に示された電力変換器10のスイッチング素子S5を、双方向スイッチによって構成する変形例が示される。
図27は、実施の形態2に従う電力変換器11の構成を説明するための回路図である。
図27を参照して、電力変換器11は、図1に示された電力変換器10と比較すると、ノードN1およびN2の間に接続される半導体素子として、スイッチング素子S5に代えて、双方向スイッチSB5を有する点で異なる。すなわち、双方向スイッチSB5は、「第5の半導体素子」に対応する。電力変換器11のその他の構成は、電力変換器10と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
双方向スイッチSB5は、ノードN1およびN2の間に電気的に直列接続された、ダイオードD5aおよびスイッチング素子S5aを有する。ダイオードD5aは、ノードN1からノードN2へ向かう方向を順方向として、ノードN1およびN2の間に電気的に接続される。
双方向スイッチSB5は、ノードN1およびN2の間に電気的に直列接続された、ダイオードD5bおよびスイッチング素子S5bをさらに有する。ダイオードD5bおよびスイッチング素子S5bは、ノードN1およびN2間に、ダイオードD5aおよびスイッチング素子S5aに対して並列に接続される。ダイオードD5bは、ノードN2からノードN1へ向かう方向を順方向として、ノードN1,N2間に電気的に接続される。
スイッチング素子S5a,S5bは、制御装置100(図1)からの制御信号SG5a,SG5bにそれぞれ応じてオンオフ制御される。
双方向スイッチSB5では、スイッチング素子S5aがオンすると、ダイオードD5aにより、ノードN1からN2に向かう方向に電流経路が形成される。一方で、スイッチング素子S5aがオフすると、ノードN1からN2に向かう方向の電流経路は遮断される。
また、スイッチング素子S5bがオンすると、ダイオードD5bにより、ノードN2からN1に向かう方向に電流経路が形成される。一方で、スイッチング素子S5bがオフすると、ノードN2からN1に向かう方向の電流経路は遮断される。
図28には、電力変換器11のパラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子S1〜S4,S5a,S5bをオンオフ制御するためのゲート論理式が示される。
図28を参照して、スイッチング素子S1〜S4は、電力変換器10のパラレル昇圧モードでの図12と共通のゲート論理式に従ってオンオフ制御される。
すなわち、スイッチング素子S2が制御パルス信号SD1に応じてオンオフされる一方で、スイッチング素子S1は制御パルス信号/SD1に応じてオンオフされる。同様に、スイッチング素子S4は制御パルス信号SD2に応じてオンオフされる一方で、スイッチング素子S3は制御パルス信号/SD2に応じてオンオフされる。
スイッチング素子S5a,S5bは、電力変換器10のスイッチング素子S5と共通のゲート論理式に従って、共通にオンオフすることができる。すなわち、スイッチング素子S5のオン期間において、スイッチング素子S5a,S5bをともにオンする一方で、スイッチング素子S5のオフ期間において、スイッチング素子S5a,S5bをともにオフする制御が可能である。すなわち、スイッチング素子S5a,S5bの各々について、制御パルス信号SD1およびSD2のXNOR(否定排他的論理和)に従ってオンオフすることが可能である。
一方で、PBモードにおいては、B1Uアーム(スイッチング素子Q1オン)およびB2Lアーム(スイッチング素子Q4)の両方をオンする期間において、電力線PLからGLへの短絡経路を形成しないために、ノードN1からN2へ向かう電流経路を遮断する必要がある。一方で、当該期間を除くと、ノードN1からN2へ向かう電流経路を遮断する必要はない。したがって、スイッチング素子S5aは、制御パルス信号SD1および/SD2の論理和(OR)に従ってオンオフすることも可能である。
同様に、ノードN2からN1へ向かう電流経路は、B1Lアーム(スイッチング素子Q2)およびB2Uアーム(スイッチング素子Q3)の両方をオンする期間において、遮断する必要がある。一方で、当該期間を除くと、ノードN2からN1へ向かう電流経路を遮断する必要はない。したがって、スイッチング素子S5bは、制御パルス信号/SD1およびSD2の論理和(OR)に従ってオンオフすることも可能である。
このように、実施の形態2に従う電力変換器11(図27)についても、電力変換器10と同様のパラレル昇圧モードを適用できる。すなわち、第2アームが形成される期間を有する態様によって、直流電源B1およびB2が、電力線PL,GL(負荷30)に対して並列にDC/DC変換を実行することができる。
実施の形態2に従う電力変換器11においても、第2アームの形成期間(スイッチング素子S5のオン期間)が設けられることによって、スイッチング素子の導通損失を、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路での導通損失よりも小さくすることができる。したがって、実施の形態2に従う電力変換器11に対しても、実施の形態1の変形例に従うPWM制御を適用することによって、スイッチング素子での電力損失(導通損失)の低減効果を高めることができる。
なお、電力変換器11に適用される双方向スイッチの構成は、図27に例示された構成に限定されるものではない。すなわち、両方向の電流経路の形成および遮断をそれぞれ独立に制御可能に構成されていれば、任意の構成の半導体素子を双方向スイッチSB5として適用することが可能である。
[実施の形態3]
実施の形態3では、実施の形態1および2で説明した電力変換器10,11における、パラレル昇圧モード以外の動作モードについて説明する。
図29は、電力変換器10,11に適用される複数の動作モードの一覧を示す図表である。
図29を参照して、複数の動作モードは、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御する「昇圧モード」と、スイッチング素子S1〜S5(S5a,S5b)のオンオフを固定して直流電源B1および/またはB2を電力線PL,GLと電気的に接続する「直結モード」とに大別される。
昇圧モードには、上述のパラレル昇圧モードが含まれる。パラレル昇圧モードでは、電力変換器10のスイッチング素子S1〜S5を図12に示されたゲート論理式に従ってオンオフ制御することにより、直流電源B1およびB2と電力線PL,GL(負荷30)との間で並列にDC/DC変換を実行することができる。同様に、電力変換器11のスイッチング素子S1〜S5a,S5bを、図28に示されたゲート論理式に従ってオンオフ制御することにより、直流電源B1およびB2と電力線PL,GL(負荷30)との間で並列にDC/DC変換を実行することができる。なお、パラレル昇圧モードでは、直流電源B1およびB2間の電力配分比を制御しながら、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御することができる。
一方で、電力変換器10,11では、直流電源B1およびB2を電力線PLおよびGLの間に直列に接続可能な、スイッチング素子S1〜S5(S5a,S5b)のオンオフパターンが存在しない。このため、電力変換器10,11では、特許文献2での「シリーズ接続モード」に対応する動作モードは存在しない。
さらに、昇圧モードには、直流電源B1のみを用いて電力線PL,GL(負荷30)との間でDC/DC変換を行なう「直流電源B1による昇圧モード(以下、B1昇圧モード)」と、直流電源B2のみを用いて電力線PL,GL(負荷30)との間でDC/DC変換を行なう「直流電源B2による昇圧モード(以下、B2昇圧モード)」とが含まれる。
B1昇圧モードでは、直流電源B2は、出力電圧VHがV[2]よりも高く制御されている限りにおいて、電力線PLと電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。B1昇圧モードでは、直流電源B1に対する昇圧チョッパ回路(第1アーム)のみが構成される。したがって、スイッチング素子S5(S5a,S5b)のオフ固定によってノードN1およびN2間の電流経路が遮断された状態で、スイッチング素子S3,S4をオフに固定する一方で、スイッチング素子S1およびS2が、直流電源B1の出力を制御するためのデューティ比DT1に基づく、制御パルス信号/SD1およびSD1にそれぞれ応じてオンオフ制御される。
同様に、B2昇圧モードでは、直流電源B1は、出力電圧VHがV[1]よりも高く制御されている限りにおいて、電力線PLと電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。
B2昇圧モードでは、直流電源B2に対する昇圧チョッパ回路(第1アーム)のみが構成される。したがって、スイッチング素子S5(S5a,S5b)のオフ固定によってノードN1およびN2間の電流経路が遮断された状態で、スイッチング素子S1,S2をオフに固定する一方で、スイッチング素子S3およびS4が、直流電源B2の出力を制御するためのデューティ比DT2に基づく、制御パルス信号/SD2およびSD2にそれぞれ応じてオンオフ制御される。
なお、B1昇圧モードおよびB2昇圧モードでは、デューティ比DT1またはDT2は、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御(電圧制御)するように算出される。このように、昇圧モードに属する動作モードの各々では、出力電圧VHは、電圧指令値VH*に従って制御される。
一方、直結モードには、直流電源B1のみについて電力線PL,GLとの間の電流経路が形成される「直流電源B1の直結モード(以下、B1直結モード)」と、直流電源B2のみについて電力線PL,GLとの間に電流経路が形成される「直流電源B2の直結モード(以下、B2直結モード)」が含まれる。
B1直結モードでは、スイッチング素子S5(S5a,S5b)のオフ固定によってノードN1およびN2間の電流経路が遮断された状態で、スイッチング素子S1がオンに固定される一方で、スイッチング素子S2〜S4がオフに固定される。これにより、直流電源B2は、電力線PL,GL間から切り離された状態となるため、出力電圧VHは、直流電源B1の電圧V[1]と同等となる(VH=V[1])。B1直結モードでは、直流電源B2は、電力線PL,GL間から電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、V[2]>V[1]の状態でB1直結モードを適用すると、スイッチング素子S1およびダイオードD3を経由して、直流電源B2からB1へ短絡電流が生じる。このため、B1直結モードの適用には、V[1]>V[2]が必要条件となる。
同様に、B2直結モードでは、スイッチング素子S5(S5a,S5b)のオフ固定によってノードN1およびN2間の電流経路が遮断された状態で、スイッチング素子S3がオンに固定される一方で、スイッチング素子S1,S2,S4がオフに固定される。これにより、直流電源B1は、電力線PL,GL間から切り離された状態となるため、出力電圧VHは、直流電源B2の電圧V[2]と同等となる(VH=V[2])。B2直結モードでは、直流電源B1は、電力線PL,GLから電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、V[1]>V[2]の状態でB2直結モードを適用すると、ダイオードD1およびスイッチング素子S3を経由して、直流電源B1からB2へ短絡電流が生じる。このため、B2直結モードの適用には、V[2]>V[1]が必要条件となる。
なお、V[1]およびV[2]が同等である場合には、直流電源B1およびB2を電力線PL,GL間に電気的に並列接続した状態を維持する「パラレル直結モード」を選択することも可能である。パラレル直結モードでは、スイッチング素子S5(S5a,S5b)のオフ固定によってノードN1およびN2間の電流経路が遮断された状態で、スイッチング素子S1,S3をオンに固定する一方で、スイッチング素子S2,S4がオフに固定される。これにより、出力電圧VHは、V[1]およびV[2]と同等となる。V[1]およびV[2]間の電圧差は、直流電源B1およびB2間に短絡電流を生じさせるので、当該電圧差が小さいときに限定して、パラレル直結モードを適用することができる。
直結モードに含まれる動作モードの各々では、出力電圧VHは、直流電源B1,B2の電圧V[1],V[2]に依存して決まるため、直接制御することができなくなる。このため、直結モードに含まれる各動作モードでは、出力電圧VHが負荷30の動作に適した電圧に設定できなくなることにより、負荷30での電力損失が増加する可能性がある。
一方で、直結モードでは、各スイッチング素子S1〜S5(S5a,S5b)がオンオフされないため、電力変換器10,11での電力損失(オンオフに伴うスイッチング損失)が抑制される。したがって、負荷30の動作状態によっては、直結モードの適用によって、負荷30の電力損失増加量よりも電力変換器10,11での電力損失減少量が多くなることにより、電源システム5全体での電力損失が抑制できる可能性がある。
このように、電力変換器10,11では、スイッチング素子S1〜S5(S5a,S5b)のスイッチングパターンの切換えによって、図29に示された複数の動作モードを選択的に適用しながら、出力電圧VHを制御することが可能である。
なお、図29において、パラレル昇圧モードは「第1のモード」に対応し、B1昇圧モードは「第2のモード」に対応し、B2昇圧モードは「第3のモード」に対応する。さらに、B1直結モードは「第4のモード」に対応し、B2直結モードは「第5のモード」に対応する。さらに、パラレル直結モードは、「第6のモード」に対応する。
[実施の形態4]
実施の形態4では、電力変換器10,11の構成のさらなる変形例を説明する。実施の形態1,2(電力変換器10,11)では、「第1の半導体素子」〜「第4の半導体素子」の各々について、スイッチング素子S1〜S4および逆並列ダイオードD1〜D4のペアによって構成する例を説明した。また、「第5の半導体素子」については、逆並列ダイオードが設けられないスイッチング素子S5(実施の形態1)または、双方向スイッチを構成するためのスイッチング素子S5a,S5bのペア(実施の形態2)によって構成する例を示した。
すなわち、電力変換器10,11では、「第1の半導体素子」〜「第5の半導体素子」の全てが、電流経路の形成(オン)および遮断(オフ)を制御可能なスイッチング素子を備えた構成を例示した。これらの構成例では、直流電源B1,B2の両方に対して回生充電を適用できる。
しかしながら、直流電源B1およびB2の一方を回生充電しない構成では、「第1の半導体素子」から「第4の半導体素子」の一部について、スイッチング素子もしくはダイオードのどちらかを省略することで構造を簡素化することができる。すなわち、「第1の半導体素子」から「第5の半導体素子」の一部のみが、上記スイッチング素子を有する構成とすることも原理上可能である。
たとえば、直流電源B1を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図1に示された電力変換器10に代えて、図30に示される電力変換器12aの構成を用いることができる。
図30を参照して、電力変換器12aでは、図1に示された電力変換器10と比較して、直流電源B1への回生を制御するためのスイッチング素子S1の配置を省略することができる。すなわち、ノードN1および電力線PLの間の「第1の半導体素子」をダイオードD1のみで構成することができる。電力変換器12aにおいても、スイッチング素子S2〜S5のオンオフは、図12(パラレル昇圧モード)または図29(その他のモード)に従って制御される。さらに、電力変換器12aでは、主に、直流電源B1への回生電流の経路を確保するために配置されるダイオードD2についても省略できる可能性がある。
同様に、直流電源B2を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図31に示される電力変換器13aの構成を用いることができる。図31を参照して、電力変換器13aでは、図1に示された電力変換器10と比較して、直流電源B2への回生を制御するためのスイッチング素子S3の配置を省略することができる。すなわち、ノードN2および電力線GLの間の「第3の半導体素子」をダイオードD3のみで構成することができる。電力変換器13aにおいても、スイッチング素子S1,S2,S4,S5のオンオフは、図12(パラレル昇圧モード)または、図29(その他のモード)に従って制御される。さらに、電力変換器13aでは、主に、直流電源B2への回生電流の経路を確保するために配置されるダイオードD4についても省略できる可能性がある。
次に、実施の形態2に従う電力変換器11(図28)において、直流電源B1およびB2の一方を回生充電しないときの変形例を説明する。
直流電源B1を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図27に示された電力変換器11に代えて、図32に示される電力変換器12bの構成を用いることも可能である。
図32を参照して、電力変換器12bでは、図30に示された電力変換器12aと比較して、スイッチング素子S5に代えて、双方向スイッチSB5のうちのスイッチング素子S5aおよびダイオードD5aのみが配置される。これにより、ノードN1からN2に向かう方向の電流経路の形成/遮断が制御される。一方で、直流電源B1に対して回生方向となる、ノードN2からノードN1へ向かう電流経路を形成する必要がないため、双方向スイッチSB5のうちのスイッチング素子S5bおよびダイオードD5bの配置は不要となる。すなわち、電力変換器12bでは、図27に示された電力変換器11の構成と比較して、直流電源B1への回生を制御するためのスイッチング素子S1と、スイッチング素子S5bおよびダイオードD5bとの配置が省略される。また、ダイオードD2についても、電力変換器12a(図30)と同様に省略することが可能である。電力変換器12bにおいても、スイッチング素子S2〜S4,S5aのオンオフは、図12(パラレル昇圧モード)または、図29(その他のモード)に従って制御される。
また、直流電源B2を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図27に示された電力変換器11に代えて、図33に示される電力変換器13bの構成を用いることも可能である。
図33を参照して、電力変換器13bでは、図31に示された電力変換器13aと比較して、スイッチング素子S5に代えて、双方向スイッチSB5のうちのスイッチング素子S5bおよびダイオードD5bのみが配置される。これにより、ノードN2からN1に向かう方向の電流経路の形成/遮断が制御される。一方で、直流電源B2に対して回生方向となる、ノードN1からノードN2へ向かう電流経路を形成する必要がないため、双方向スイッチSB5のうちのスイッチング素子S5aおよびダイオードD5aの配置は不要となる。すなわち、電力変換器13bでは、図27に示された電力変換器11の構成と比較して、直流電源B2への回生を制御するためのスイッチング素子S3と、スイッチング素子S5aおよびダイオードD5aとの配置が省略される。また、ダイオードD4についても、電力変換器13a(図31)と同様に省略することが可能である。電力変換器13bにおいても、スイッチング素子S1,S2,S4,S5bのオンオフは、図12(パラレル昇圧モード)または、図29(その他のモード)に従って制御される。
なお、原理上は、電力変換器10,11は、直流電源B1およびB2の両方を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合に対応するように変形することも可能である。この場合には、ダイオードD1,D3およびスイッチング素子S2,S4、ならびに、スイッチング素子S5(または、双方向スイッチSB5)を最小限の構成要素として、電力変換器10,11の変形例を構成することができる。
しかしながら、上述のように、電力変換器10,11は、直流電源B1およびB2の一方ずつが力行動作および回生動作をする際にスイッチング素子の電力損失を抑制する効果を有している。したがって、上記のような変形例については詳細に説明しないこととする。
なお、本実施の形態では、電力変換器10,11の構成について、スイッチング素子S1〜S5(SB5)およびリアクトルL1,L2の接続関係を図示して説明したが、電力変換器10,11の構成要素が、これらの素子に限定されることを意味するものではない。すなわち、本実施の形態において、構成要素同士が「電気的に接続される」との記載は、両要素間に他の回路要素やコネクタ端子が存在し、当該他の回路要素を経由して上記構成要素間に電気的な接続が確保されることを含むものとする。
たとえば、図1または図27に例示された構成において、直流電源B1,リアクトルL1,スイッチング素子S1,S2、およびダイオードD1,D2によって構成される一般的な昇圧チョッパ回路に対して、残りの回路部分(スイッチング素子S3〜S5(S5a,S5b)、ダイオードD3,D4、リアクトルL2,および直流電源B2を別ユニット化し、上記昇圧チョッパ回路に対して当該ユニットをコネクタ端子によって電気的接続するような構成とした場合にも、図示された回路要素間の電気的接続関係が同様であれば、本実施の形態に従う電力変換器および電源システムが構成されることとなる。
また、本実施の形態において、負荷30は、直流電圧(出力電圧VH)によって動作する機器であれば、任意の機器によって構成できる点について確認的に記載する。すなわち、本実施の形態では、電動車両の走行用電動機を含むように負荷30が構成される例を説明したが、本発明の適用はこのような負荷に限定されるものではない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。