JP6904185B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータおよび電源システム - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータおよび電源システムに関する。

オルタネータに接続された鉛蓄電池と、リチウム蓄電池と、鉛蓄電池とリチウム蓄電池との間に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）および双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、を備える車載電源装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。ここで、ＭＯＳ−ＦＥＴは、オルタネータとリチウム蓄電池との通電、遮断を切り替えるためのものである。この車載電源装置では、オルタネータでの回生発電によりリチウム蓄電池を充電する場合、ＭＯＳ−ＦＥＴをオンし、リチウム蓄電池へ電力を供給する。一方、リチウム蓄電池から鉛蓄電池へ電力を供給する場合、リチウム蓄電池から放電される直流を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して鉛蓄電池へ供給する。

また、２つの直流電圧源の間に接続され、一方の直流電圧源から他方の直流電圧源へ電力を供給する際、動作モードを適宜昇圧モード、降圧モードに切り替えることができる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている（例えば特許文献２参照）。

これらの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、通常、入力端および出力端に平滑用のコンデンサが接続されている。そして、特許文献１に記載された電源装置では、リチウム蓄電池から放電される直流をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して鉛蓄電池へ供給する際、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの鉛蓄電池側に接続されたコンデンサに流れるリップル電流が大きくなる。また、特許文献２に記載された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータでは、一方の直流電圧源から他方の直流電圧源へ電力を供給する際、昇圧モードで動作すると、他方の直流電圧源側に接続されたコンデンサに流れるリップル電流が大きくなる。一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが降圧モードで動作すると、一方の直流電圧源側に接続されたコンデンサに流れるリップル電流が大きくなる。

特開２０１１−１２６４３１号公報 特開２０１２−２０５４２７号公報

ところで、前述の特許文献１、２に記載された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが備えるコンデンサには、その許容リップル電流値が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの動作時に流れるリップル電流の実効値以上であることが要請される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの動作時に流れるリップル電流の実効値がコンデンサの許容リップル電流値を超えている期間が長くなると、早期にコンデンサの寿命が尽きてしまい、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを長期間安定して動作させることが難しくなる虞がある。特に、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが扱う電力が大きくなると、その分、コンデンサに流れるリップル電流の電流値が高くなるため、コンデンサに要求される許容リップル電流値も高くなる。また、コンデンサは一般的に許容リップル電流値が高くなると、その分、大型化する。従って、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが扱う電力が大きくなると、その分、コンデンサが大型化し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ全体が大型化してしまう。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、長期間安定して動作可能としつつ、小型化が図られたＤＣ−ＤＣコンバータおよび電源システム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、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、
第１直流電圧源および動力源が一次側に接続され、第２直流電圧源が二次側に接続され、前記一次側と前記二次側との間で双方向に電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
インダクタと、前記インダクタの前記一次側に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記インダクタの前記二次側に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子と、を有するＨブリッジ型の電力変換回路と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に並列に接続される第１キャパシタ要素と、
前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子に並列に接続される第２キャパシタ要素と、を備え、
前記一次側から前記二次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第１期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第２期間、前記一次側から前記二次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第３期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第４期間としたとき、前記第１期間と前記第２期間との和が、前記第３期間と前記第４期間との和に比べて長く、
前記第１キャパシタ要素の第１許容リップル電流値は、前記第２キャパシタ要素の第２許容リップル電流値に比べて大きい。

また、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記第１許容リップル電流値および前記第２許容リップル電流値が、それぞれ、前記第１期間、前記第２期間、前記第３期間および前記第４期間に基づいて決定される、ものであってもよい。

また、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記第１許容リップル電流値が、前記第１期間、前記第２期間、前記第３期間および前記第４期間それぞれにおける前記第１キャパシタ要素のリップル電流実効値の中の最大値以上であり、
前記第２許容リップル電流値が、前記第１期間、前記第２期間、前記第３期間および前記第４期間の中の最長の期間における前記第２キャパシタ要素のリップル電流実効値以上であり且つ前記第１許容リップル電流値未満である、ものであってもよい。

また、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記第１キャパシタ要素が、少なくとも１つの電解コンデンサを有する、ものであってもよい。

また、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記第２キャパシタ要素が、前記第１キャパシタ要素の有する電解コンデンサと同一仕様の電解コンデンサを少なくとも１つ有し、
前記第１キャパシタ要素が有する電解コンデンサの個数が、前記第２キャパシタ要素が有する電解コンデンサの個数よりも多い、ものであってもよい。

他の観点から見た本発明に係る電源システムは、
ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側に接続された動力源と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記一次側に接続された第１蓄電池と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記二次側に接続された第２蓄電池と、を備え、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、
インダクタと、前記インダクタの前記一次側に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記インダクタの前記二次側に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子と、を有するＨブリッジ型の電力変換回路と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に並列に接続される第１キャパシタ要素と、
前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子に並列に接続される第２キャパシタ要素と、を有し、
前記一次側から前記二次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第１期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第２期間、前記一次側から前記二次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第３期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第４期間としたとき、前記第１期間と前記第２期間との和が、前記第３期間と前記第４期間との和に比べて長く、
前記第１キャパシタ要素の許容リップル電流値が、前記第２キャパシタ要素の許容リップル電流値に比べて大きい。

ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側から二次側へ直流を降圧して供給する頻度が一次側から二次側へ直流を昇圧して供給する頻度に比べて高い場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側のキャパシタ要素に要求される許容リップル電流は、二次側のキャパシタ要素に要求される許容リップル電流値に比べて大きくなる。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側、二次側のそれぞれに接続されるキャパシタ要素として、その許容リップル電流値が、一次側のキャパシタ要素に要求される許容リップル電流値以上であるキャパシタ要素が選択されるのが一般的である。これに対して、本発明によれば、第１キャパシタ要素の許容リップル電流値が、第２キャパシタ要素の許容リップル電流値に比べて大きい。これにより、第２キャパシタ要素として、許容リップル電流値が比較的小さい小型のキャパシタ要素を選択することができる。従って、例えば第２キャパシタ要素の許容リップル電流値が第１キャパシタ要素の許容リップル電流値と同じであるＤＣ−ＤＣコンバータに比べて小型化することができる。

本発明の実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータを備える電源システムの回路図である。 実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータが充電モードで降圧動作する場合のタイムチャートの一例であり、（Ａ）（Ｂ）はインダクタの一次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｃ）（Ｄ）はインダクタの二次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｅ）はインダクタを流れる電流の電流値、（Ｆ）は第１キャパシタ要素を流れる電流の電流値、（Ｇ）は第２キャパシタ要素を流れる電流の電流値を示す。 実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータが充電モードで昇圧動作する場合のタイムチャートの一例であり、（Ａ）（Ｂ）はインダクタの一次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｃ）（Ｄ）はインダクタの二次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｅ）はインダクタを流れる電流の電流値、（Ｆ）は第１キャパシタ要素を流れる電流の電流値、（Ｇ）は第２キャパシタ要素を流れる電流の電流値を示す。 実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータが放電モードで昇圧動作する場合のタイムチャートの一例であり、（Ａ）（Ｂ）はインダクタの一次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｃ）（Ｄ）はインダクタの二次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｅ）はインダクタを流れる電流の電流値、（Ｆ）は第１キャパシタ要素を流れる電流の電流値、（Ｇ）は第２キャパシタ要素を流れる電流の電流値を示す。 実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータが放電モードで降圧動作する場合のタイムチャートの一例であり、（Ａ）（Ｂ）はインダクタの一次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｃ）（Ｄ）はインダクタの二次側のスイッチング素子のオンオフ動作、（Ｅ）はインダクタを流れる電流の電流値、（Ｆ）は第１キャパシタ要素を流れる電流の電流値、（Ｇ）は第２キャパシタ要素を流れる電流の電流値を示す。 実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示すタイムチャートであり、（Ａ）は動作状態、（Ｂ）は第１キャパシタ要素を流れる電流の実効値、（Ｃ）は第２キャパシタ要素を流れる電流の実効値を示す。 変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータを備える電源システムの回路図である。

以下、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。本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、４つのスイッチング素子を有するＨブリッジ型の電力変換回路と、電力変換回路に接続される第１キャパシタ要素、第２キャパシタ要素と、を備える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば第１蓄電池（第１直流電圧源）であるメインバッテリと、第２蓄電池（第２直流電圧源）であるサブバッテリと、を搭載した車両のメインバッテリとサブバッテリとの間に接続される。例えば図１に示すように、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、Ｈブリッジ型の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、動力源５と、メインバッテリ６と、サブバッテリ７と、ともに電源システムを構成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、動力源５、メインバッテリ６が一次側（図１の左側）に接続され、サブバッテリ７が二次側（図１の右側）に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、動力源５から電力が供給されている間、一次側から二次側へ直流を降圧または昇圧して供給し、動力源５からの電力供給が停止している間、二次側から一次側へ直流を降圧または昇圧して供給する。一次側に動力源５が接続されるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、一次側から二次側へ直流を降圧して供給する第１期間と二次側から一次側へ直流を昇圧して供給する第２期間との和が、一次側から二次側へ直流を昇圧して供給する第３期間と二次側から一次側へ直流を降圧して供給する第４期間との和に比べて長くなる。

メインバッテリ６およびサブバッテリ７は、例えば互いに直列に接続された複数の電池セルから構成される組電池である。メインバッテリ６の電池セルは、例えば鉛蓄電池である。また、サブバッテリ７の電池セルは、リチウムイオン電池、溶融塩電池等である。動力源５は、例えば発電機である。なお、メインバッテリ６の出力電圧値とサブバッテリ７の出力電圧値とは、略等しい。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、Ｈブリッジ型の電力変換回路１１と、電力変換回路１１の動作を制御するコンバータ制御部３１と、第１キャパシタ要素１２と、第２キャパシタ要素１３と、を備える。電力変換回路１１は、インダクタＬ１と、第１スイッチング素子であるトランジスタＱ１および第２スイッチング素子であるトランジスタＱ２と、第３スイッチング素子であるトランジスタＱ３および第４スイッチング素子であるトランジスタＱ４と、を有する。トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、それぞれＮチャネル型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。トランジスタＱ１、Ｑ３は、それぞれインダクタＬ１の一次側、二次側における高電位側に接続されている。なお、「一次側」とは、動力源５およびメインバッテリ６が接続される側を示し、「二次側」とは、サブバッテリ７に接続される側を示す。トランジスタＱ１は、ソースがインダクタＬ１に接続されドレインがメインバッテリ６の高電位側の出力端に接続されている。トランジスタＱ３は、ソースがインダクタＬ１に接続されドレインがサブバッテリ７の高電位側の出力端に接続されている。また、トランジスタＱ２、Ｑ４は、それぞれインダクタＬ１の一次側、二次側における低電位側に接続されている。トランジスタＱ２、Ｑ４は、それぞれ、ソースが接地されドレインがインダクタＬ１に接続されている。

第１キャパシタ要素１２は、互いに並列に接続された電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２からなる。第１キャパシタ要素１２は、メインバッテリ６の出力端間に接続されている。第２キャパシタ要素１３は、電解コンデンサＣ２からなり、サブバッテリ７の出力端間に接続されている。ここで、電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２は、同一仕様の電解コンデンサである。つまり、各電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２の許容リップル電流値が同一である。そして、第１キャパシタ要素１２が有する電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２の個数は、第２キャパシタ要素１３が有する電解コンデンサＣ２の個数よりも多い。これにより、第１キャパシタ要素１２全体の許容リップル電流値（第１許容リップル電流値）が、第２キャパシタ要素１３全体の許容リップル電流値（第２許容リップル電流値）に比べて大きくなっている。

コンバータ制御部３１は、端子Ｑ１＿ＰＷＭ、Ｑ２＿ＰＷＭ、Ｑ３＿ＰＷＭ、Ｑ４＿ＰＷＭを有する。端子Ｑ１＿ＰＷＭ、Ｑ２＿ＰＷＭ、Ｑ３＿ＰＷＭ、Ｑ４＿ＰＷＭは、それぞれ、電力変換回路１１のトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４それぞれのゲートに接続される。コンバータ制御部３１は、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を含み、端子Ｑ１＿ＰＷＭ、Ｑ２＿ＰＷＭ、Ｑ３＿ＰＷＭ、Ｑ４＿ＰＷＭからトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のゲートへ制御信号を出力することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を、充電モードまたは放電モードで動作させる。ここで、充電モードは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動力源５もしくはメインバッテリ６から電力供給を受けてサブバッテリ７を充電するモードであり、放電モードは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０がサブバッテリ７から電力供給を受けてメインバッテリ６へ電力を供給するモードである。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、充電モードにおいて、動力源５、メインバッテリ６から供給される直流を降圧または昇圧してサブバッテリ７へ供給する。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、放電モードにおいて、サブバッテリ７から供給される直流を降圧または昇圧してメインバッテリ６へ供給する。

次に、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作について説明する。まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が、充電モードで動作する場合について説明する。この場合、コンバータ制御部３１が、端子Ｑ１＿ＰＷＭ、端子Ｑ２＿ＰＷＭから相補となるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力し、端子Ｑ３＿ＰＷＭの出力電圧をＨレベル、端子Ｑ４＿ＰＷＭの出力電圧をＬレベルにしたとする。ここで、「Ｈレベル」とは、トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のターンオン電圧よりも高い規定の電圧レベルに相当する。また、「Ｌレベル」とは、トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のターンオン電圧よりも低い規定の電圧レベルに相当する。この場合、図２（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、電力変換回路１１では、トランジスタＱ３がオン状態、トランジスタＱ４がオフ状態を維持しつつ、トランジスタＱ１がオンしトランジスタＱ２がオフした状態とトランジスタＱ１がオフしトランジスタＱ２がオンした状態とが交互繰り返される。この場合、電力変換回路１１は、メインバッテリ６の出力電圧を降圧してサブバッテリ７へ印加する。このとき、インダクタＬ１には、図２（Ｅ）に示すように、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期で変動するリップル成分を含む電流ＩＬ１が流れる。なお、図２（Ｅ）において、インダクタＬ１を一次側から二次側へ流れる場合を正としている。以下、図３（Ｅ）、図４（Ｅ）および図５（Ｅ）において同じである。また、第１キャパシタ要素１２、第２キャパシタ要素１３には、それぞれ図２（Ｆ）および（Ｇ）に示すようなリップル電流ＩＣ１、ＩＣ２が流れる。なお、図２（Ｆ）において、コンデンサＣ１から電力変換回路１１側へ流出する場合（図１の矢印ＩＣ１参照）を正としている。以下、図３（Ｆ）、図４（Ｆ）および図５（Ｆ）において同じである。また、図２（Ｇ）において、電力変換回路１１側からコンデンサＣ２へ流入する場合（図１の矢印ＩＣ２参照）を正としている。以下、図３（Ｇ）、図４（Ｇ）および図５（Ｇ）において同じである。ここで、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期をＴ＿ＣＤとすると、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＤと、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＤと、の間には、下記式（１）の関係式が成立する。

式（１）に示すように、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＤは、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＤよりも大きくなる。これは、インダクタＬ１と第２キャパシタ要素１３とからＬＣフィルタが構成されていることを反映している。

一方、コンバータ制御部３１が、端子Ｑ１＿ＰＷＭの出力電圧をＨレベル、端子Ｑ２＿ＰＷＭの出力電圧をＬレベルにし、端子Ｑ３＿ＰＷＭ、端子Ｑ４＿ＰＷＭから相補となるＰＷＭ信号を出力するとする。この場合、図３（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、電力変換回路１１では、トランジスタＱ１がオン状態、トランジスタＱ２がオフ状態を維持しつつ、トランジスタＱ３がオンしトランジスタＱ４がオフした状態とトランジスタＱ２がオフしトランジスタＱ４がオンした状態とが交互繰り返される。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、メインバッテリ６の出力電圧を昇圧してサブバッテリ７へ印加する。このとき、インダクタＬ１には、図３（Ｅ）に示すように、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期で変動するリップル成分を含む電流ＩＬ１が流れる。また、第１キャパシタ要素１２、第２キャパシタ要素１３には、それぞれ図３（Ｆ）および（Ｇ）に示すようなリップル電流ＩＣ１、ＩＣ２が流れる。ここで、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期をＴ＿ＣＵとすると、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＵと、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＵと、の間には、下記式（２）の関係式が成立する。

式（２）に示すように、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＵは、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＵよりも小さくなる。

次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が、放電モードで動作する場合について説明する。この場合、コンバータ制御部３１が、端子Ｑ１＿ＰＷＭ、端子Ｑ２＿ＰＷＭから相補となるＰＷＭ信号を出力し、端子Ｑ３＿ＰＷＭの出力電圧をＨレベル、端子Ｑ４＿ＰＷＭの出力電圧をＬレベルにしたとする。この場合、電力変換回路１１では、図４（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、トランジスタＱ３がオン状態、トランジスタＱ４がオフ状態を維持しつつ、トランジスタＱ１がオンしトランジスタＱ２がオフした状態とトランジスタＱ１がオフしトランジスタＱ２がオンした状態とが交互繰り返される。この場合、電力変換回路１１は、サブバッテリ７の出力電圧を昇圧してメインバッテリ６へ印加する。このとき、インダクタＬ１には、図４（Ｅ）に示すように、充電モードの場合とは逆の方向に、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期で変動するリップル成分を含む電流ＩＬ１が流れる。また、第１キャパシタ要素１２、第２キャパシタ要素１３には、それぞれ図４（Ｆ）および（Ｇ）に示すように、充電モードにおける昇圧動作の場合とは逆の方向特性を有するリップル電流ＩＣ１、ＩＣ２が流れる。ここで、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期をＴ＿ＤＵとすると、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＵと、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＵと、の間には、下記式（３）の関係式が成立する。

式（３）に示すように、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＵは、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＵよりも大きくなる。

一方、コンバータ制御部３１が、端子Ｑ１＿ＰＷＭの出力電圧をＨレベル、端子Ｑ２＿ＰＷＭの出力電圧をＬレベルにし、端子Ｑ３＿ＰＷＭ、端子Ｑ４＿ＰＷＭから相補となるＰＷＭ信号を出力したとする。この場合、電力変換回路１１では、図５（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、トランジスタＱ１がオン状態、トランジスタＱ２がオフ状態を維持しつつ、トランジスタＱ３がオンしトランジスタＱ４がオフした状態とトランジスタＱ３がオフしトランジスタＱ４がオンした状態とが交互繰り返される。この場合、電力変換回路１１は、サブバッテリ７の出力電圧を降圧してメインバッテリ６へ印加する。このとき、インダクタＬ１には、図５（Ｅ）に示すように、充電モードの場合とは逆の方向に、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期で変動するリップル成分を含む電流ＩＬ１が流れる。また、第１キャパシタ要素１２、第２キャパシタ要素１３には、それぞれ図５（Ｆ）および（Ｇ）に示すように、充電モードにおける昇圧動作の場合とは逆の方向特性を有するリップル電流ＩＣ１、ＩＣ２が流れる。ここで、トランジスタＱ１、Ｑ２のオンオフ周期をＴ＿ＤＤとすると、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＤと、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＤと、の間には、下記式（１）の関係式が成立する。

式（４）に示すように、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＤは、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＤよりも小さくなる。これは、インダクタＬ１と第１キャパシタ要素１２とからＬＣフィルタが構成されていることを反映している。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作状態に応じて、第１キャパシタ要素１２、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流の実効値が変化する。そして、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値および第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、それぞれ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の一次側から二次側へ直流を降圧して供給する第１期間と、二次側から一次側へ直流を昇圧して供給する第２期間と、一次側から二次側へ直流を昇圧して供給する第３期間と、二次側から一次側へ直流を降圧して供給する第４期間と、に基づいて決定されている。即ち、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値および第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、それぞれ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作する第１期間と、放電モードで昇圧動作する第２期間と、充電モードで昇圧動作する第３期間と、放電モードで降圧動作する第４期間と、に基づいて決定されている。具体的には、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値は、第１期間、第２期間、第３期間および第４期間それぞれにおけるリップル電流実効値の中の最大値以上の電流値である。また、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、第１期間、第２期間、第３期間および第４期間の中の最長の期間におけるリップル電流実効値以上であり且つ第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値未満の電流値である。

例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が、図６（Ａ）に示すように動作するとする。動力源５から電力が供給され、充電モードで降圧動作している状態で、時刻Ｔ１に、動力源５からＤＣ−ＤＣコンバータ１０への電力供給が停止する。その後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、時刻Ｔ２まで放電モードで降圧動作し、時刻Ｔ２以降時刻Ｔ３まで放電モードで昇圧動作する。そして、時刻Ｔ３において動力源５からＤＣ−ＤＣコンバータ１０へ再び電力が供給されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、時刻Ｔ４まで充電モードで昇圧動作し、時刻Ｔ４以降再び充電モードで降圧動作する。ここで、時刻Ｔ１以前時刻Ｔ４以降の期間が第１期間に含まれ、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間が第２期間に含まれる。また、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間が第３期間に含まれ、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの期間が第４期間に含まれる。この場合、第１キャパシタ要素１２に流れるリップル電流ＩＣ１の実効値ＩＣ１ｅは、図６（Ｂ）に示すように、充電モードでの降圧動作時に実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＤ、放電モードでの降圧動作時に実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＤ、放電モードでの昇圧動作時に実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＵ、充電モードでの昇圧動作時に実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＵとなるように推移する。一方、第２キャパシタ要素１３に流れるリップル電流ＩＣ２の実効値ＩＣ２ｅは、図６（Ｃ）に示すように、充電モードでの降圧動作時に実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＤ、放電モードでの降圧動作時に実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＤ、放電モードでの昇圧動作時に実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＵ、充電モードでの昇圧動作時に実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＵとなるように推移する。ここで、前述のように、実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＤは、実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＤよりも大きく、実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＤは、実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＤよりも小さい。また、実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＵは、実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＵよりも小さく、実効値ＩＣ１ｅ＿ＤＵは、実効値ＩＣ２ｅ＿ＤＵよりも大きい。

ここで、図６（Ｂ）に示すように、第１キャパシタ要素１２のリップル電流実効値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作を行う第１期間で最大値をとる。この場合、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作を行う第１期間におけるリップル電流実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＤ以上の電流値に決定される。第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値が小さいほど、第１キャパシタ要素１２を構成する電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２を小型化できる。このことを考慮すると、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作を行う第１期間におけるリップル電流実効値ＩＣ１ｅ＿ＣＤと同じ電流値に決定される。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作を行う第１期間が、放電モードで昇圧、降圧動作を行う第２期間、第４期間および充電モードで昇圧動作を行う第３期間に比べて長い。即ち、第１期間が、最長の期間である。この場合、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作を行う第１期間におけるリップル電流実効値以上であり、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値未満の電流値に決定される。第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値が小さいほど、第２キャパシタ要素１３を構成する電解コンデンサＣ２を小型化できる。このことを考慮すると、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が充電モードで降圧動作を行う第１期間におけるリップル電流実効値ＩＣ２ｅ＿ＣＤと同じ電流値に決定される。また、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値が、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値に比べて低くできる分、第２キャパシタ要素１３を構成するコンデンサの数を低減できる。

ところで、第２キャパシタ要素１３を流れるリップル電流実効値は、放電モードでの降圧動作時或いは充電モードでの昇圧動作時において、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値を超えることになる。この場合、第２キャパシタ要素１３に含まれる電解コンデンサＣ２は、電解液の減少によるドライアップを起こし易くなる。即ち、電解コンデンサＣ２の内部の温度が上昇して、電解コンデンサの電解液が減少して静電容量が低下し易くなる。但し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が放電モードで降圧動作する期間、充電モードで昇圧動作する期間は、前述のように短期間である。従って、電解コンデンサＣ２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の寿命が大きく低下することはない。

ところで、ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側から二次側へ直流を降圧して供給する頻度が一次側から二次側へ直流を昇圧して供給する頻度に比べて高い場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側のキャパシタ要素に要求される許容リップル電流は、二次側のキャパシタ要素に要求される許容リップル電流値に比べて大きくなる。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側、二次側のそれぞれに接続されるキャパシタ要素として、その許容リップル電流値が、一次側のキャパシタ要素に要求される許容リップル電流値以上であるキャパシタ要素が選択されるのが一般的である。また、電解コンデンサは、その許容リップル電流値が大きくなると、大型化するのが一般的である。これに対して、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値が、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値に比べて大きい。これにより、第２キャパシタ要素１３として、許容リップル電流値が比較的小さい小型のキャパシタ要素を選択することができる。従って、例えば第２キャパシタ要素の許容リップル電流値が第１キャパシタ要素の許容リップル電流値と同じであるＤＣ−ＤＣコンバータに比べて小型化することができる。

また、電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２は、その許容リップル電流値が大きくなるほど高価であることが一般的である。これに対して、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値が第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値よりも小さい。これにより、第２キャパシタ要素１３に含まれる電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２の許容リップル電流値、数を低減できる。従って、例えば第２キャパシタ要素の許容リップル電流値が第１キャパシタ要素の許容リップル電流値と同じであるＤＣ−ＤＣコンバータに比べて、第２キャパシタ要素１３として比較的安価な電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２を採用でき且つその数も低減できるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の製造コストが低減されるという利点もある。

また、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値および第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値が、それぞれ、前述の第１期間、第２期間、第３期間および第４期間に基づいて決定される。具体的には、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値は、第１期間、第２期間、第３期間および第４期間それぞれにおけるリップル電流実効値の中の最大値以上の電流値である。また、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、第１期間、第２期間、第３期間および第４期間の中の最長の期間におけるリップル電流実効値以上であり且つ第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値未満の電流値である。これにより、第１キャパシタ要素１２、第２キャパシタ要素１３それぞれを構成する電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の使用態様に応じて適切に選択することができる。

更に、本実施の形態に係る第１キャパシタ要素１２は、少なくとも１つの電解コンデンサを有する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の一次側の電圧変動が低減されるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作が安定するという利点がある。

ところで、電解コンデンサは、その許容リップル電流値が大きくなると、大型化するのが一般的である。従って、第１キャパシタ要素１２を１つの電解コンデンサで実現しようとする場合、第１キャパシタ要素１２を構成する電解コンデンサが大型になり、ひいてはＤＣ−ＤＣコンバータ１０が大型化してしまう虞がある。これに対して、本実施の形態に係る第１キャパシタ要素１２は、互いに並列に接続された２つの電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２から構成される。これにより、電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２それぞれの許容リップル電流値を、第１キャパシタ要素１２全体の許容リップル電流値よりも小さくすることができるので、電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２として小型のものを使用することができ、ひいてはＤＣ−ＤＣコンバータ１０の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態に係る第２キャパシタ要素１３は、第１キャパシタ要素１２が有する電解コンデンサと同一仕様の電解コンデンサを有する。そして、第２キャパシタ要素１３の許容リップル電流値は、第１キャパシタ要素１２の許容リップル電流値よりも小さい。これにより、第２キャパシタ要素１３が有する電解コンデンサＣ２の個数は、第１キャパシタ要素１２が有する電解コンデンサＣ１１、Ｃ１２の個数よりも少なくすることができる。従って、例えば第２キャパシタ要素の許容リップル電流値が第１キャパシタ要素の許容リップル電流値と同じであるＤＣ−ＤＣコンバータに比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の小型化を図ることができる。

（変形例）
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば図７に示すように、第１キャパシタ要素２１２が、３つの電解コンデンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３を互いに並列に接続したものであり、第２キャパシタ要素２１３が、１つの電解コンデンサＣ２８からなるものであってもよい。なお、図７において、実施の形態と同様の構成については図１と同一の符号を付している。また、図７に示すように、ノイズフィルタリング用の２つのセラミックコンデンサＣ２４、Ｃ２５が、第１キャパシタ要素２１２と並列に接続されていてもよい。また、ノイズフィルタリング用の２つのセラミックコンデンサＣ２６、Ｃ２７が、第１キャパシタ要素２１２である電解コンデンサＣ２８と並列に接続されていてもよい。また、第１キャパシタ要素を構成する電解コンデンサの数は、２つまたは３つに限定されるものではなく、４つ以上の電解コンデンサを有するものであってもよい。更に、第２キャパシタ要素を構成する電解コンデンサの数も１つに限定されるものではなく、２つ以上の電解コンデンサを有するものであってもよい。

本構成によれば、第１キャパシタ要素、第２キャパシタ要素それぞれに流れるリップル電流を複数の電解コンデンサに分流することができる。従って、第１キャパシタ要素、第２キャパシタ要素を構成する複数の電解コンデンサそれぞれに流れるリップル電流実効値を低くすることができるので、複数の電解コンデンサそれぞれの小型化を図ることができる。

実施の形態では、第１直流電圧源、第２直流電圧源が、蓄電池である例について説明したが、第１直流電圧源、第２直流電圧源は、蓄電池に限定されない。また、実施の形態では、メインバッテリ６、サブバッテリ７が組電池である例について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば電気二重層キャパシタであってもよい。

以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。

本発明は、２つのバッテリを有する車両に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータとして好適である。

５：動力源、６：メインバッテリ（第１蓄電池）、７：サブバッテリ（第２蓄電池）、１０：ＤＣ−ＤＣコンバータ、１１：電力変換回路、１２，２１２：第１キャパシタ要素、１３，２１３：第２キャパシタ要素、３１：コンバータ制御部、Ｑ１＿ＰＷＭ，Ｑ２＿ＰＷＭ，Ｑ３＿ＰＷＭ，Ｑ４＿ＰＷＭ：端子、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２、Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２８：電解コンデンサ、Ｃ２４，Ｃ２５，Ｃ２６，Ｃ２７：セラミックコンデンサ、ＳＷ１，ＳＷ２：スイッチング素子、Ｌ１：インダクタ、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４：トランジスタ

Claims (6)

1. 第１直流電圧源および動力源が一次側に接続され、第２直流電圧源が二次側に接続され、前記一次側と前記二次側との間で双方向に電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   インダクタと、前記インダクタの前記一次側に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記インダクタの前記二次側に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子と、を有するＨブリッジ型の電力変換回路と、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に並列に接続される第１キャパシタ要素と、
   前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子に並列に接続される第２キャパシタ要素と、を備え、
   前記一次側から前記二次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第１期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第２期間、前記一次側から前記二次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第３期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第４期間としたとき、前記第１期間と前記第２期間との和が、前記第３期間と前記第４期間との和に比べて長く、
   前記第１キャパシタ要素の第１許容リップル電流値は、前記第２キャパシタ要素の第２許容リップル電流値に比べて大きい、
   ＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記第１許容リップル電流値および前記第２許容リップル電流値は、それぞれ、前記第１期間、前記第２期間、前記第３期間および前記第４期間に基づいて決定される、
   請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 前記第１許容リップル電流値は、前記第１期間、前記第２期間、前記第３期間および前記第４期間それぞれにおける前記第１キャパシタ要素のリップル電流実効値の中の最大値以上であり、
   前記第２許容リップル電流値は、前記第１期間、前記第２期間、前記第３期間および前記第４期間の中の最長の期間における前記第２キャパシタ要素のリップル電流実効値以上であり且つ前記第１許容リップル電流値未満である、
   請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. 前記第１キャパシタ要素は、少なくとも１つの電解コンデンサを有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 前記第２キャパシタ要素は、前記第１キャパシタ要素が有する電解コンデンサと同一仕様の電解コンデンサを少なくとも１つ有し、
   前記第１キャパシタ要素が有する電解コンデンサの個数は、前記第２キャパシタ要素が有する電解コンデンサの個数よりも多い、
   請求項４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
6. ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側に接続された動力源と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記一次側に接続された第１蓄電池と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側に接続された第２蓄電池と、を備え、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   インダクタと、前記インダクタの前記一次側に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記インダクタの前記二次側に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子と、を有するＨブリッジ型の電力変換回路と、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に並列に接続される第１キャパシタ要素と、
   前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子に並列に接続される第２キャパシタ要素と、を有し、
   前記一次側から前記二次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第１期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第２期間、前記一次側から前記二次側へ直流電圧を昇圧して供給する期間を第３期間、前記二次側から前記一次側へ直流電圧を降圧して供給する期間を第４期間としたとき、前記第１期間と前記第２期間との和が、前記第３期間と前記第４期間との和に比べて長く、
   前記第１キャパシタ要素の許容リップル電流値は、前記第２キャパシタ要素の許容リップル電流値に比べて大きい、
   電源システム。

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