JP6763013B2 - 車載用の電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下、車載用の電力変換装置は電力変換装置と省略する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置を示す概略構成図である。図1において、電源である蓄電部1は、直流電圧を出力する。ここで、この電力変換装置が電気自動車やハイブリッド自動車に適用された場合には、蓄電部1は代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の2次電池からなる。また、電力変換装置の後段に接続される負荷8は例えば、インバータからなる。
入力用コンデンサ2は、正極側が正極の入力端子PIと磁気結合リアクトル10の入力側に接続され、負極側が負極の入力端子NIと負極の出力端子NOに接続されている。
図3のモード2は、モード1とは反対に、半導体スイッチング素子4がオフ、半導体スイッチング素子6がオン、また半導体スイッチング素子3がオン、半導体スイッチング素子5がオフの状態である。
図4のモード3は、半導体スイッチング素子4、半導体スイッチング素子6がともにオフ、半導体スイッチング素子3、半導体スイッチング素子5がともにオンの状態である。
図5のモード4は、モード3とは反対に、半導体スイッチング素子4、半導体スイッチング素子6がともにオン、半導体スイッチング素子3、半導体スイッチング素子5がともにオフの状態である。
デューティ比が0.5より小さい場合(D<0.5)は、各周期に対して
「モード1→モード3→モード2→モード3」
のパターンを繰り返し、デューティ比が0.5より大きい場合(D>0.5)は、
「モード1→モード4→モード2→モード4」
のパターンを繰り返す。デューティ比が0.5のとき(D=0.5)は、モード1とモード2を交互に繰り返す。
自己インダクタンスL1、L2、
相互インダクタンスM、
巻線すなわちリアクトルL1,L2に印加される電圧vL1、vL2、
巻線すなわちリアクトルL1,L2に流れる電流iL1,iL2
合成電流iin
とすると、以下の関係式が成り立つ。
これを式(1)に代入して整理すると、
半導体スイッチング素子のスイッチング周期Tsw(ここでは半周期(1/2)Tswを示す)
上から順番に半導体スイッチング素子4,6,3,5へのそれぞれのゲート信号(DTswはオンデューティ部分を示す)
磁気結合リアクトル10のリアクトルL1の電流iL1
磁気結合リアクトル10のリアクトルL2の電流iL2
入力用コンデンサ2の電流ic(=iin)を示す。
図7の下部に示したMode1−4は図2−5のモード1−4にそれぞれ相当する。
電流センサとは、後述する電流検出部を構成するリアクトル電流検出回路22a、22bである。
図8は結合率kが高い場合、図9は結合率kが中程度の場合、図10は結合率kが低い場合を示し、図7と同様にそれぞれ上から、
半導体スイッチング素子のスイッチング周期Tsw
上から順番に半導体スイッチング素子4,6,3,5へのそれぞれのゲート信号
磁気結合リアクトル10のリアクトルL1およびリアクトルL2の電流
入力用コンデンサ2の電流を示す。
図11に、昇圧率が2以上(Vo/Vi≧2)において、結合率k=0におけるリプル電流ΔIppを1としたときの、結合率kと各結合率におけるリプル電流幅との関係を示す。リプル電流幅とは、結合率k=0成分を1としたときの規格値である。図11より、結合率が0.8を超えたあたりでリプル電流幅が飛躍的に増大することがわかる。このため、結合率は最大、0.8以下が望ましい。すなわち磁気結合リアクトル10の結合率は例えば0.8が好ましい。
このように磁気結合リアクトル10の結合率は、結合率の増加に伴う入力用コンデンサのリプル電流の急増領域を考慮した設定値以下とする。
この発明の実施の形態2に係る電力変換装置について説明する。図12は、この発明の実施の形態2に係る電力変換装置を示す概略構成図である。実施の形態2の電力変換装置の回路構成は、実施の形態1と同じであり、磁気結合リアクトル10の各相のリアクトルL1,L2のそれぞれリアクトル電流iL1,iL2を測定する、電流検出部を構成するリアクトル電流検出回路22a、22bを備える。
この発明の実施の形態3に係る電力変換装置は、上記実施の形態1で説明した電力変換装置と同じ回路構成を有しているが、半導体スイッチング素子3−6は、SiC(炭化ケイ素)半導体素子を使用することを特徴とする。
Claims (4)
- 100V以上の高電圧バッテリからなる電源から入力される電圧を所望の直流電圧に変換する車載用の電力変換装置であって、
正極と負極の出力端子間で直列接続される正極側の第1の半導体スイッチング素子と負側の第2の半導体スイッチング素子と、
前記第1および第2の半導体スイッチング素子より前記出力端子側で、前記正極と負極の出力端子間で直列接続される正極側の第3の半導体スイッチング素子と負極側の第4の半導体スイッチング素子と、
前記各半導体スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御部と、
前記第1の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子との接続点と正極側の入力端子の間に接続された第1の巻線と、前記第3の半導体スイッチング素子と前記第4の半導体スイッチング素子との接続点と前記正極側の入力端子の間に接続された第2の巻線が、共通の鉄心に巻数比が1:1で互いに逆方向に磁気結合するように巻かれた磁気結合リアクトルと、
正極側が前記正極側の入力端子と前記磁気結合リアクトルの入力側に接続され、負極側が負極側の入力端子と前記負極の出力端子に接続されたリプル電流抑制のための入力用コンデンサと、
前記磁気結合リアクトルの前記各巻線の電流値を検出する電流検出部と、
を備え、
前記磁気結合リアクトルの結合率が、結合率の増加に伴う前記入力用コンデンサのリプル電流の急増領域を避けるために0.8以下であり、
前記制御部は、前記電流検出部で検出された電流値が等しくなるように制御を行ない、
前記各半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である、
車載用の電力変換装置。 - 前記第1の半導体スイッチング素子および前記第3の半導体スイッチング素子のかわりに整流素子をそれぞれ設けた、請求項1に記載の車載用の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのうちのいずれか1つを材料とした半導体素子である、請求項1または2に記載の車載用の電力変換装置。
- 前記磁気結合リアクトルは、前記鉄心が全体としてO型の鉄心からなり、前記第1の巻線および第2の巻線が、O型の前記鉄心の対向する位置に、それぞれの磁束が互いに打ち消し合う方向に発生する方向に巻かれている、請求項1から3までのいずれか1項に記載の車載用の電力変換装置。
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