JP6924103B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電源が接続される入力部から、磁気的に結合する第１コイル及び第２コイルを含むトランス、及びスイッチを備える電力変換回路を介して、出力部へと給電する電力変換装置に関する。
この種の電力変換装置としては、特許文献１に見られるように、電力変換回路と直流電源との間に設けられるチョークコイルと、補助コイルと、整流素子とを備えるものが知られている。補助コイルは、チョークコイルとともにフライバックトランスとして機能すべく、チョークコイルと磁気的に結合する。補助コイルは、出力部に接続され、直流電源からチョークコイルに電流が流れる場合に出力部の負極側から正極側へと向かう方向に電流が流れるように巻かれている。整流素子は、補助コイルと直列接続され、スイッチのスイッチング制御により直流電源及びチョークコイルを含む閉回路が形成される場合に直流電源からチョークコイル及び補助コイルを介した出力部への給電を遮断する。また、補助コイルは、出力部から入力部への給電も遮断する。上記電力変換装置によれば、入力部から第１，第２コイルを含むトランスを介した出力部への給電と、入力部からチョークコイル及び補助コイルを介した出力部への給電とが実施される。
特開２０１７−３４９８２号公報
ここで、入力部からトランスを介した出力部への給電経路を極力用いない方がよい状況が発生し得る。この状況は、例えば、チョークコイルを適正に励磁又は減磁できなくなる場合に生じ得る。
本発明は、入力部からトランスを介した出力部への給電経路を極力用いない方がよい状況が発生した場合であっても、入力部から出力部へと給電できる電力変換装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、直流電源が接続される入力部から、磁気的に結合する第１コイル及び第２コイルを含むトランス、及びスイッチを備える電力変換回路を介して、出力部へと給電する電力変換装置である。本発明は、前記電力変換回路と前記入力部との間に設けられたチョークコイルと、前記出力部に接続されてかつ前記チョークコイルと磁気的に結合し、前記直流電源から前記チョークコイルに電流が流れる場合に前記出力部の負極側から正極側へと向かう方向に電流が流れるように巻かれた補助コイルと、前記補助コイルと直列接続され、前記スイッチのスイッチング制御により前記直流電源及び前記チョークコイルを含む閉回路が形成される場合に前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介した前記出力部への給電を遮断し、また、前記出力部から前記入力部への給電を遮断する整流素子と、前記第１コイルに磁束が発生しないように、かつ、前記第２コイルに電流が流れないように、前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介して前記出力部へと給電すべく前記スイッチをスイッチング制御する特定制御を行う制御部と、を備える。
本発明の制御部は、第１コイルに磁束が発生しないように、かつ、第２コイルに電流が流れないようにスイッチのスイッチング制御を行う。このため、トランスを介した電力伝達を極力実施させないようにすることができ、入力部からトランスを介して出力部に至る給電経路を極力用いないようにすることができる。これにより、入力部からトランスを介した出力部への給電経路を極力用いない方がよい状況が発生した場合であっても、直流電源からチョークコイル及び補助コイルを介して出力部に至る給電経路で入力部から出力部へと給電することができる。
第１実施形態に係る電力変換装置を示す図。 コンデンサのプリチャージ時の処理手順を示すフローチャート。 通常時制御の処理手順を示すフローチャート。 第１モード制御を示すタイムチャート。 第２モード制御を示すタイムチャート。 第３モード制御を示すタイムチャート。 異常時制御を示すタイムチャート。 モードＤの電流流通経路を示す図。 モードＥ１１の電流流通経路を示す図。 ピーク電流モード制御処理を示すブロック図。 コンデンサのプリチャージ態様を示すタイムチャート。 図１１のＳ１の期間を拡大したタイムチャート。 図１１のＳ２の期間を拡大したタイムチャート。 第１実施形態の変形例に係る電力変換装置を示す図。 第２実施形態に係る電力変換装置を示す図。 異常時制御を示すタイムチャート。 第３実施形態に係る電力変換装置を示す図。 異常時制御を示すタイムチャート。 第３実施形態の変形例に係る電力変換装置を示す図。
＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、例えば、公称電圧が１２Ｖである鉛蓄電池等の２次電池と、公称電圧が数百Ｖであるリチウムイオン蓄電池等の高電圧蓄電池とを備えるハイブリッドカーに搭載されるものである。
図１に示す電力変換装置は、入力部に接続される直流電源である２次電池１００の電力を、電力変換回路１０を介して出力部へと供給する。電力変換回路１０は、トランスＴｒ１１と、第１〜第６スイッチＱ１１〜Ｑ１６とを備えている。本実施形態において、各スイッチＱ１１〜Ｑ１６はＭＯＳＦＥＴである。トランスＴｒ１１は、互いに磁気的に結合された第１コイルＬ１１と第２コイルＬ１２とを備えている。第１コイルＬ１１は、センタータップを有している。本実施形態において、第２コイルＬ１２の巻数は、第１コイルＬ１１の巻数のＮ／２倍である。すなわち、第２コイルＬ１２の巻数が、第１コイルＬ１１のいずれか一方の端からセンタータップまでの巻数のＮ倍となっている。なお、図１では、各スイッチＱ１１〜Ｑ１６のボディダイオードの図示を省略している。
第１コイルＬ１１の両端には、それぞれ、第１スイッチＱ１１のドレイン、第２スイッチＱ１２のドレインが接続されている。第１スイッチＱ１１のソースには、第２スイッチＱ１２のソースが接続されている。
２次電池１００は、チョークコイルＬ１３を介して電力変換回路１０と接続されている。具体的には、チョークコイルＬ１３の第１端には、正極側入力端子１００ａを介して２次電池１００の正極が接続されている。チョークコイルＬ１３の第２端には、第１コイルＬ１１のセンタータップが接続されている。第１スイッチＱ１１のソースと第２スイッチＱ１２のソースとの接続点には、負極側入力端子１００ｂを介して２次電池１００の負極が接続されている。また、２次電池１００には、入力側コンデンサ１０１が並列接続されている。なお、本実施形態において、各入力端子１００ａ，１００ｂが入力部に相当する。
第２コイルＬ１２の第１端には、第３スイッチＱ１３のソース及び第４スイッチＱ１４のドレインが接続されている。第２コイルＬ１２の第２端には、第５スイッチＱ１５のソース及び第６スイッチＱ１６のドレインが接続されている。第３スイッチＱ１３のドレイン及び第５スイッチＱ１５のドレインには、正極側出力端子２００ａが接続されている。第４スイッチＱ１４のソース及び第６スイッチＱ１６のソースには、負極側出力端子２００ｂが接続されている。正極側出力端子２００ａと負極側出力端子２００ｂとは、出力側コンデンサ２０１によって接続されている。なお、本実施形態において、各出力端子２００ａ，２００ｂが出力部に相当する。
電力変換装置は、さらに、チョークコイルＬ１３と磁気的に結合する補助コイルＬ１４を備えている。チョークコイルＬ１３及び補助コイルＬ１４により、フライバックトランスとして機能する第２トランスＴｒ１２を構成している。補助コイルＬ１４は、電力変換回路１０に対して並列接続され、正極側出力端子２００ａ及び負極側出力端子２００ｂに接続されている。
補助コイルＬ１４は、２次電池１００からチョークコイルＬ１３に電流が流れる場合に負極側出力端子２００ｂから補助コイルＬ１４を介して正極側出力端子２００ａへと電流を流すように巻かれている。具体的には、チョークコイルＬ１３の両端のうち正極側入力端子１００ａ側に正極性の電圧が印加された場合、補助コイルＬ１４の両端のうち負極側出力端子２００ｂ側が正極性となるように補助コイルＬ１４は巻かれている。補助コイルＬ１４とチョークコイルＬ１３との巻数比は、Ｎ：１である。
補助コイルＬ１４の両端のうち正極側出力端子２００ａ側には、ダイオードＤ１のアノードが接続されている。ダイオードＤ１のカソードには、正極側出力端子２００ａが接続されている。チョークコイルＬ１３に対して２次電池１００の正極から電圧が印加される場合には、ダイオードＤ１により、補助コイルＬ１４を介した出力部への給電は遮断される。また、補助コイルＬ１４に対して正極側出力端子２００ａ側から電圧が印加される場合には、ダイオードＤ１により、チョークコイルＬ１３への給電は遮断される。
ちなみに、ダイオードＤ１は、補助コイルＬ１４の両端のうち負極側出力端子２００ｂ側に直列接続されていてもよい。この場合、ダイオードＤ１のカソードが補助コイルＬ１４に接続されることとなる。
電力変換装置は、入力側コンデンサ１０１の電圧を入力側電圧ＶＢとして検出する入力側電圧検出部１０２、チョークコイルＬ１３を流れる電流をリアクトル電流ＩＬとして検出する入力電流検出部１０３、及び出力側コンデンサ２０１の電圧を出力側電圧ＶＨとして検出する出力側電圧検出部２０２を備えている。検出された入力側電圧ＶＢ、出力側電圧ＶＨ及びリアクトル電流ＩＬは、電力変換装置の備える制御部３００に入力される。
制御部３００は、入力された入力側電圧ＶＢ、出力側電圧ＶＨ及びリアクトル電流ＩＬに基づいて演算を行い、第１スイッチＱ１１及び第２スイッチＱ１２へ制御信号を送信する。この場合、制御部３００は、コンデンサ２０１への充電の進行具合に応じて、第１〜第３モードのいずれかを選択して制御を行う。なお、制御部３００が提供する機能は、例えば、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ハードウェア、又はそれらの組み合わせによって提供することができる。
図２に、出力側コンデンサ２０１を充電するプリチャージ処理の手順を示す。この処理は、制御部３００により、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップＳ１０において、起動要求を取得したか否かを判定する。起動要求は、例えば、制御部３００よりも上位の制御装置から送信される。ステップＳ１０において否定判定した場合には、一連の制御を行わず、待機状態を継続する。
ステップＳ１０において起動要求を取得したと判定した場合には、ステップＳ１１に進み、入力側電圧検出部１０２及び出力側電圧検出部２０２のうち少なくとも一方に関する異常が生じているか否かを判定する。本実施形態において、入力側電圧検出部１０２に関する異常とは、入力側電圧検出部１０２の検出値が入力側コンデンサ１０１の実際の端子電圧から大きくずれる異常のことである。例えば、入力側電圧検出部１０２が故障したり、入力側電圧検出部１０２の検出値にノイズが混入したりする場合に入力側電圧検出部１０２に関する異常が生じる。また、出力側電圧検出部２０２に関する異常とは、出力側電圧検出部２０２の検出値が出力側コンデンサ２０１の実際の端子電圧から大きくずれる異常のことである。例えば、出力側電圧検出部２０２が故障したり、出力側電圧検出部２０２の検出値にノイズが混入したりする場合に出力側電圧検出部２０２に関する異常が生じる。
ステップＳ１１において入力側電圧検出部１０２及び出力側電圧検出部２０２それぞれに関する異常が生じていないと判定した場合には、ステップＳ１２に進み、通常時制御を行う。
図３に、通常時制御の処理手順を示す。
ステップＳ１００では、入力側電圧ＶＢ及び出力側電圧ＶＨを取得する。
続くステップＳ１０１では、取得した出力側電圧ＶＨが第１閾値Ｖ１以下であるか否かを判定する。本実施形態において、第１閾値Ｖ１は、取得した入力側電圧ＶＢに基づいて設定される。第２コイルＬ１２と第１コイルＬ１１との巻数の関係を示すＮと、入力側電圧ＶＢと用いて、第１閾値Ｖ１は、「Ｖ１＝Ｎ×ＶＢ−Ｖα」で表される。第１所定値Ｖαは、正数である。
ステップＳ１０１において出力側電圧ＶＨが第１閾値Ｖ１以下であると判定した場合には、ステップＳ１０２に進み、第１モードで制御する。図４を用いて、第１モードの制御について説明する。図４には、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２の操作状態、リアクトル電流ＩＬ、負極側出力端子２００ｂ側から正極側出力端子２００ａ側へと向かう方向に補助コイルＬ１４を流れる電流であるフライバック電流ＩＤ、第２コイルＬ１２から出力部側に流れる電流である出力側電流ＩＨ、第２コイルＬ１２に印加される電圧である励磁電圧ＶＴ、トランスＴｒ１１に流れる励磁電流ＩＭ、及びチョークコイルＬ１３に印加される電圧であるリアクトル電圧ＶＬの推移を示す。なお、励磁電流ＩＭの時間変化量は、励磁電圧ＶＴを励磁インダクタンスで除算したものとなる。
第１モードでは、第１スイッチＱ１１がオンされてかつ第２スイッチＱ１２がオフされるモードＡと、第１スイッチＱ１１及び第２スイッチＱ１２の双方がオフされるモードＢとが交互に行われる。すなわち、第２スイッチＱ１２が常にオフされ、第１スイッチＱ１１のオンとオフとが交互に行われる。モードＡでは、リアクトル電流ＩＬが単調増加するため、リアクトル電流ＩＬが予め定められた値である第１指令値Ｉｒｅｆ１となることを条件に、リアクトル電流ＩＬを減少させるべくモードＢが行われる。モードＢでは、リアクトル電流ＩＬは０となる。一方で、チョークコイルＬ１３には逆起電力が生じ、リアクトル電圧ＶＬは、出力側電圧ＶＨを巻数比で除算した値の負値となる。そのため、フライバック電流ＩＤはリアクトル電圧ＶＬの値に基づいて直線的に単調減少し、それに伴いリアクトル電流ＩＬも直線的に単調減少する。また、励磁電圧ＶＴは出力側電圧ＶＨの負値となり、励磁電流ＩＭは単調減少することとなる。モードＢの前半であるモードＢ１１では、フライバック電流ＩＤが流れ、モードＢの後半であるモードＢ１２では、フライバック電流ＩＤが流れない。
先の図３の説明に戻り、ステップＳ１０１において出力側電圧ＶＨが第１閾値Ｖ１よりも高いと判定した場合には、ステップＳ１０３に進み、出力側電圧ＶＨが第２閾値Ｖ２以下であるか否かを判定する。本実施形態において、第２閾値Ｖ２は、第１閾値Ｖ１よりも大きい値であり、取得した入力側電圧ＶＢに基づいて設定される。第２コイルＬ１２と第１コイルＬ１１との巻数の関係を示すＮと、入力側電圧ＶＢと用いて、第２閾値Ｖ２は、「Ｖ２＝Ｎ×ＶＢ＋Ｖβ」で表される。第２所定値Ｖβは、正数である。
ステップＳ１０３において出力側電圧ＶＨが第２閾値Ｖ２以下であると判定した場合には、ステップＳ１０４に進み、第２モードで制御を行う。図５を用いて、第２モードの制御について説明する。第２モードでは、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２が共にオンされるモードＣ、モードＡ、モードＢが順に行われる。モードＣでは、リアクトル電流ＩＬが単調増加するため、リアクトル電流ＩＬが予め定められた値である第２指令値Ｉｒｅｆ２となることを条件に、モードＣからモードＡへと移行する。
なお、モードＡからモードＢへの切り替えは、モードＣ又はモードＡの開始から所定時間が経過することを条件とすればよい。また、図５において、モードＡでリアクトル電流ＩＬが単調増加するものとしているが、リアクトル電流ＩＬは、入力側電圧ＶＢ及び出力側電圧ＶＨの関係によっては、増減しない場合もあるし、単調減少する場合もある。また、モードＢの前半であるモードＢ２１では、フライバック電流ＩＤが流れ、モードＢの後半であるモードＢ２２，Ｂ２３では、フライバック電流ＩＤが流れない。
先の図３の説明に戻り、ステップＳ１０３において出力側電圧ＶＨが第２閾値Ｖ２よりも高いと判定した場合には、ステップＳ１０５に進み、第３モードで制御を行う。図６を用いて、第３モードについて説明する。第３モードでは、モードＣと、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２の一方がオンされてかつ他方がオフされるモードＡとが交互に行われる。モードＣでは、リアクトル電流ＩＬが直線的に単調増加するため、リアクトル電流ＩＬが予め定められた値である第３指令値Ｉｒｅｆ３となることを条件に、モードＣからモードＡへと移行する。
先の図２の説明に戻り、ステップＳ１２の処理の完了後、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、制御の終了判定を行う。具体的には、例えば、出力側電圧ＶＨを再度取得し、取得した出力側電圧ＶＨが所定の上限値Ｖｔｈ（例えば２３０Ｖ）以上となっていると判定した場合、終了判定すればよい。ステップＳ１３において肯定判定した場合には、一連の処理を終了し、起動要求がなされるまで待機する。
ステップＳ１３において否定判定した場合には、ステップＳ１４に進み、終了要求を取得したか否かを判定する。終了要求は、上位の制御装置から送信される。終了要求を取得したと判定した場合には、一連の処理を終了し、起動要求がなされるまで待機する。終了要求を取得していないと判定した場合、ステップＳ１０以降の処理を再度実行する。
なお、図２には、出力側コンデンサ２０１への充電制御に関する制御のみを示しているが、電力変換装置は出力側コンデンサ２０１への充電制御以外の電力変換も行う。例えば、正極側出力端子２００ａ及び負極側出力端子２００ｂを介して供給される電力を降圧し、２次電池１００への充電を行う制御が挙げられる。その制御は、周知の制御であるため、説明を省略する。
ステップＳ１１において入力側電圧検出部１０２及び出力側電圧検出部２０２のうち少なくとも一方に関する異常が生じていると判定した場合には、ステップＳ１５に進み、特定制御としての異常時制御を行う。図７を用いて、異常時制御について説明する。異常時制御では、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２が共にオンされるモードＤと、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２が共にオフされるモードＥとが交互に行われる。本実施形態において、モードＤがオン制御に相当し、モードＥがオフ制御に相当する。
モードＤでは、図８に示すように、２次電池１００の正極からチョークコイルＬ１３、第１コイルＬ１１及び第１スイッチＱ１１を介して２次電池１００の負極に至る経路と、２次電池１００の正極からチョークコイルＬ１３、第１コイルＬ１１及び第２スイッチＱ１２を介して２次電池１００の負極に至る経路とに電流が流れる。モードＤでは、図７に示すように、リアクトル電圧ＶＬが入力側電圧ＶＢとなり、また、出力側電流ＩＨが流れていない。また、モードＤでは、リアクトル電流ＩＬが単調増加する。リアクトル電流ＩＬが予め定められた値である第４指令値Ｉｒｅｆ４となることを条件に、リアクトル電流ＩＬを減少させるべくモードＥが行われる。すなわち、リアクトル電流ＩＬをフィードバックするピーク電流モード制御が行われる。
モードＥの前半であるモードＥ１１では、図９に示すように、負極側出力端子２００ｂから補助コイルＬ１４及びダイオードＤ１を介して正極側出力端子２００ａに至る経路に電流が流れる。モードＥ１１では、図７に示すように、リアクトル電圧ＶＬが「−ＶＨ／Ｎ」となり、フライバック電流ＩＤが単調減少するように流れる。このため、モードＥ１１では、出力側電流ＩＨが流れる。なお、モードＥのうち後半の期間がモードＥ１２とされる。ちなみに、モードＤにおけるリアクトル電圧ＶＬとモードＤの継続時間との積の絶対値と、モードＥ１１におけるリアクトル電圧ＶＬとモードＥ１１の継続時間との積の絶対値とは、例えば等しい値にされてもよい。
本実施形態において、ステップＳ１１において肯定判定された場合に異常時制御が行われるのは、チョークコイルＬ１３の励磁又は減磁を適切に実施できなくなり、例えばチョークコイルＬ１３に過電流が流れることを抑制するためである。入力側電圧検出部１０２及び出力側電圧検出部２０２の少なくとも一方に関する異常が生じている場合、例えば、第１モードで制御すべき状況において、誤って第３モードで制御されることがある。第１モードで制御すべき状況は、出力側コンデンサ２０１の充電があまり進行していない状況であるため、出力側コンデンサ２０１の端子電圧は低い状態である。この場合、第３モードのモードＡにおけるリアクトル電圧ＶＬ（＝ＶＢ−ＶＨ／Ｎ）が正の値となり、第３モードのモードＡにおいてチョークコイルＬ１３を減磁させることができなくなる。その結果、チョークコイルＬ１３及び第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２等に過電流が流れるおそれがある。また、例えば、第３モードで制御すべき状況において、誤って第１モードで制御されることがある。第３モードで制御すべき状況は、出力側コンデンサ２０１の充電が進行している状況であるため、出力側コンデンサ２０１の端子電圧は高い状態である。この場合、第１モードのモードＡにおけるリアクトル電圧ＶＬ（＝ＶＢ−ＶＨ／Ｎ）が負の値となり、第１モードのモードＡにおいてチョークコイルＬ１３を励磁することができなくなる。その結果、チョークコイルＬ１３に電流を流すことができなくなるおそれがある。このように、入力側コンデンサ１０１の端子電圧及び出力側電圧検出部２０２の端子電圧の大小関係により、不具合が発生するおそれがある。
これに対し、本実施形態の異常時制御によれば、入力側コンデンサ１０１の端子電圧及び出力側電圧検出部２０２の端子電圧の大小関係によらず、チョークコイルＬ１３の励磁及び減磁を適正に実施することができる。これは、図７に示すように、モードＤにおける励磁のための電圧が入力側コンデンサ１０１の端子電圧により決まり、モードＥ１１における減磁のための電圧が出力側コンデンサ２０１の端子電圧より決まるためである。本実施形態の異常時制御では、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２を同期させてオンオフするため、トランスＴｒ１１の内部磁束を相殺することができ、第１コイルＬ１１に磁束が発生しない。これにより、フォワードトランスとしてのトランスＴｒ１１の動作を無効化でき、フライバックトランスとしての第２トランスＴｒ１２の動作のみ有効化できる。その結果、図１に示す電力変換装置をフライバックコンバータとして動作させることができる。したがって、入力側電圧検出部１０２及び出力側電圧検出部２０２の少なくとも一方に関する異常が生じた場合であっても、例えば、過電流の抑制に関するロバスト性を向上させることができる。
図１０に、制御部３００により実行されるピーク電流モード制御のブロック図を示す。
ＤＡ変換器３０１は、入力された第４指令値Ｉｒｅｆ４をデジタル値からアナログ値に変換する。アナログ値に変換された第４指令値Ｉｒｅｆ４は、コンパレータ３０２の反転入力端子に入力される。加算器３０３は、検出されたリアクトル電流ＩＬと、のこぎり波状のスロープ補償信号ｓｌｏｐｅとを加算して出力する。加算器３０３の出力値は、コンパレータ３０２の非反転入力端子に入力される。なお、スロープ補償信号は、チョークコイルＬ１３に流れる電流の変動に伴う発振を抑制するものである。
コンパレータ３０２は、第４指令値Ｉｒｅｆ４と加算器３０３の出力値とを比較し、出力値が第４指令値Ｉｒｅｆ４より小さい期間において、論理Ｌの信号をＲＳフリップフロップ３０４のＲ端子に入力する。また、コンパレータ３０２は、出力値が第４指令値Ｉｒｅｆ４よりも大きい期間において、論理Ｈの信号をＲＳフリップフロップ３０４のＲ端子に入力する。さらに、ＲＳフリップフロップ３０４のＳ端子には、クロック信号が入力される。ＲＳフリップフロップ３０４の出力は、Ｄｕｔｙ制限部３０５によってデューティの上限を設定された上で、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２の制御信号として出力される。これにより、図７に示す態様で、第１，第２スイッチＱ１１，Ｑ１２が操作される。
図１１〜図１３に、異常時制御により出力側コンデンサ２０１を充電する場合の出力側電圧ＶＨ、リアクトル電流ＩＬ及びフライバック電流ＩＤの推移を示す。なお、図１２は、図１１のＳ１の期間の拡大図であり、図１３は、図１１のＳ２の期間の拡大図である。本実施形態の異常時制御によれば、出力側電圧ＶＨ及び入力側電圧ＶＢに応じてスイッチングモードを切り替える必要がないため、入力側電圧検出部１０２及び出力側電圧検出部２０２の少なくとも一方に関する異常が生じた場合における制御のロバスト性を向上させることができる。また、出力側電圧ＶＨ及び入力側電圧ＶＢに応じてスイッチングモードを切り替える必要がないため、制御部３００が少なくともソフトウェアにより構成されている場合、ソフトウェアの情報量を削減することができる。
＜第１実施形態の変形例＞
電力変換回路としては、図１４に示す電力変換回路１０ａであってもよい。なお、図１４において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
電力変換回路１０ａにおいて、トランスＴｒ１１ａを構成する第１コイルＬ１１ａの端部のそれぞれには、第１スイッチＱ１１ａのソース及び第２スイッチＱ１２ａのソースがそれぞれ接続されている。第１スイッチＱ１１ａは、第１実施形態の第１スイッチＱ１１に相当し、第２スイッチＱ１２ａは、第１実施形態の第２スイッチＱ１２に相当する。第１スイッチＱ１１ａのドレインには、第２スイッチＱ１２ａのドレインが接続され、第１，第２スイッチＱ１１ａ，Ｑ１２ａの接続点には、チョークコイルＬ１３の第２端が接続されている。第１コイルＬ１１のセンタータップには、負極側入力端子１００ｂを介して２次電池１００の負極が接続されている。なお、ダイオードＤ１は、補助コイルＬ１４の負極側出力端子２００ｂ側に接続されていてもよい。
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。図１５に、本実施形態に係る電力変換装置を示す。なお、図１５において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
電力変換装置が備える電力変換回路２０は、第１コイルＬ２１及び第２コイルＬ２２を含むトランスＴｒ２１と、ＭＯＳＦＥＴである第１〜第８スイッチＱ２１〜Ｑ２８とを備えている。第１コイルＬ２１と第２コイルＬ２２の巻数比は、１：Ｎである。なお、第１〜第８スイッチＱ２１〜Ｑ２８それぞれにはボディダイオードが逆並列に接続されているが、図１５では、それらダイオードの図示を省略している。
第１スイッチＱ２１のソースには、第２スイッチＱ２２のドレインが接続され、その接続点には第１コイルＬ２１の一端が接続されている。第３スイッチＱ２３のソースには、第４スイッチＱ２４のドレインが接続され、その接続点には第１コイルＬ２１の他端が接続されている。第１スイッチＱ２１のドレイン及び第３スイッチＱ２３のドレインには、チョークコイルＬ２３の一端が接続され、チョークコイルＬ２３の他端には、正極側入力端子１００ａを介して２次電池１００の正極が接続されている。第２スイッチＱ２２のソース及び第４スイッチＱ２４のソースには、負極側入力端子１００ｂを介して２次電池１００の負極が接続されている。なお、第２コイルＬ２２側に設けられる第５〜第８スイッチＱ２５〜Ｑ２８については、第１実施形態の第３〜第６スイッチＱ１３〜Ｑ１６と同様に接続されるため、その説明を省略する。
チョークコイルＬ２３には、補助コイルＬ２４が磁気的に結合するように設けられ、これらチョークコイルＬ２３及び補助コイルＬ２４により、第２トランスＴｒ２２を構成している。なお、チョークコイルＬ２３及び補助コイルＬ２４については、第１実施形態と同様に巻かれており、ダイオードＤ２についても第１実施形態と同様に設けられるため、詳しい説明を省略する。ちなみに、ダイオードＤ２は、補助コイルＬ２４の両端のうち正極側出力端子２００ａ側に接続されていてもよい。
制御部３００は、出力側コンデンサ２０１への充電の進行具合に応じて、第１〜第３モードのいずれかを選択して制御を行う。なお、本実施形態の第１〜第３モードについては、上記特許文献１の図１３〜図１５等に記載されているため、その説明を省略する。
続いて、図１６を用いて、本実施形態の異常時制御について説明する。異常時制御では、第１〜第４スイッチＱ２１〜Ｑ２４が共にオンされるモードＦと、第１〜第４スイッチＱ２１〜Ｑ２４が共にオフされるモードＧとが交互に行われる。本実施形態において、モードＦがオン制御に相当し、モードＧがオフ制御に相当する。モードＦでは、リアクトル電圧ＶＬが入力側電圧ＶＢとなり、また、出力側電流ＩＨが流れていない。また、モードＦでは、リアクトル電流ＩＬが単調増加する。リアクトル電流ＩＬが第４指令値Ｉｒｅｆ４となることを条件に、リアクトル電流ＩＬを減少させるべくモードＧが行われる。
モードＧの前半であるモードＧ１１では、リアクトル電圧ＶＬが「−ＶＨ／Ｎ」となり、フライバック電流ＩＤが単調減少するように流れる。このため、モードＧ１１では、出力側電流ＩＨが流れる。なお、モードＧのうち後半の期間がモードＧ１２とされる。ちなみに、モードＦにおけるリアクトル電圧ＶＬとモードＦの継続時間との積の絶対値と、モードＧ１１におけるリアクトル電圧ＶＬとモードＧ１１の継続時間との積の絶対値とは、例えば等しい値にされてもよい。
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。図１７に、本実施形態に係る電力変換装置を示す。なお、図１７において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
電力変換装置が備える電力変換回路３０は、トランスＴｒ３１、ＭＯＳＦＥＴである第１〜第４スイッチＱ３１〜Ｑ３４及びコンデンサＣ３０を備えている。なお、実際には、第１〜第４スイッチＱ３１〜Ｑ３４それぞれにはボディダイオードが逆並列に接続されているが、図１７では、それらダイオードの図示を省略している。
トランスＴｒ３１の入力側として設けられる第１コイルＬ３１には、第１スイッチＱ３１が直列接続されており、その直列接続体に第２スイッチＱ３２が並列接続されている。具体的には、第１コイルＬ３１の一端には、第２スイッチＱ３２のドレインが接続され、第１コイルＬ３１の他端には、第１スイッチＱ３１のドレインが接続されている。第１スイッチＱ３１のソースには、第２スイッチＱ３２のソースが接続されている。
第１スイッチＱ３１のドレインと第１コイルＬ３１との接続点には、チョークコイルＬ３３及び正極側入力端子１００ａを介して２次電池１００の正極が接続されている。第１スイッチＱ３１のソースと第２スイッチＱ３２のソースとの接続点には、負極側入力端子１００ｂを介して２次電池１００の負極が接続されている。
トランスＴｒ３１の出力側には第１コイルＬ３１と磁気的に結合する第２コイルＬ３２が設けられている。第１コイルＬ３１と第２コイルＬ３２との巻数比は、１：Ｎである。第３スイッチＱ３３とコンデンサＣ３０とは直列接続されている。その直列接続体と第２コイルＬ３２とは並列接続されている。その並列接続体には、第４スイッチＱ３４が直列接続されている。具体的には、第２コイルＬ３２の一端とコンデンサＣ３０の一端とが接続され、コンデンサＣ３０の他端と第３スイッチＱ３３のドレインが接続され、第２コイルＬ３２の他端と第３スイッチＱ３３のソースが接続されている。第２コイルＬ３２と第３スイッチＱ３３のソースとの接続点には、第４スイッチＱ３４のドレインが接続されている。第２コイルＬ３２とコンデンサＣ３０との接続点には、正極側出力端子２００ａが接続され、第４スイッチ素子Ｑ３４のソースには、負極側出力端子２００ｂが接続されている。
チョークコイルＬ３３には、補助コイルＬ３４が磁気的に結合するように設けられ、これらチョークコイルＬ３３及び補助コイルＬ３４により、第２トランスＴｒ３２を構成している。なお、チョークコイルＬ３３及び補助コイルＬ３４については、第１実施形態と同様に巻かれており、ダイオードＤ３についても第１実施形態と同様に設けられるため、詳しい説明を省略する。ちなみに、ダイオードＤ３は、補助コイルＬ３４の両端のうち負極側出力端子２００ｂ側に接続されていてもよい。
制御部３００は、出力側コンデンサ２０１への充電の進行具合に応じて、第１〜第３モードのいずれかを選択して制御を行う。なお、本実施形態の第１〜第３モードについては、上記特許文献１の図１７〜図１９等に記載されているため、その説明を省略する。
続いて、図１８を用いて、本実施形態の異常時制御について説明する。異常時制御では、第２スイッチＱ３２がオンされてかつ第１，第３，第４スイッチＱ３１，Ｑ３３，Ｑ３４が共にオフされるモードＨと、第１〜第４スイッチＱ３１〜Ｑ３４が共にオフされるモードＪとが交互に行われる。本実施形態において、モードＨがオン制御に相当し、モードＪがオフ制御に相当する。モードＨでは、リアクトル電圧ＶＬが入力側電圧ＶＢとなり、また、出力側電流ＩＨが流れていない。また、モードＨでは、リアクトル電流ＩＬが単調増加する。リアクトル電流ＩＬが第４指令値Ｉｒｅｆ４となることを条件に、リアクトル電流ＩＬを減少させるべくモードＪが行われる。
モードＪの前半であるモードＪ１１では、リアクトル電圧ＶＬが「−ＶＨ／Ｎ」となり、フライバック電流ＩＤが単調減少するように流れる。このため、モードＪ１１では、出力側電流ＩＨが流れる。なお、モードＪのうち後半の期間がモードＪ１２とされる。モードＨ，Ｊでは、第１コイルＬ３１に磁束が発生しない。ちなみに、モードＨにおけるリアクトル電圧ＶＬとモードＨの継続時間との積の絶対値と、モードＪ１１におけるリアクトル電圧ＶＬとモードＪ１１の継続時間との積の絶対値とは、例えば等しい値にされてもよい。
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
＜第３実施形態の変形例＞
電力変換回路としては、図１９に示す電力変換回路３０ａであってもよい。なお、図１９において、先の図１７に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
トランスＴｒ３１の出力側を構成する第２コイルＬ３２の一端には、正極側出力端子２００ａが接続され、他端には、第４スイッチＱ３４ａのドレインが接続されている。第２コイルＬ３２と第４スイッチＱ３４ａのドレインとの接続点には、コンデンサＣ３０ａを介して第３スイッチＱ３３ａのソースが接続されている。第４スイッチＱ３４ａのソースには、第３スイッチＱ３３ａのドレインが接続されている。第４スイッチＱ３４ａと第３スイッチＱ３３ａの接続点には、負極側出力端子２００ｂが接続されている。なお、実際には、第３，第４スイッチＱ３３ａ，Ｑ３４ａそれぞれにはボディダイオードが逆並列に接続されているが、図１９では、それらダイオードの図示を省略している。
以上説明した本実施形態によれば、第３実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・図２のステップＳ１１の処理を、入力側電圧検出部１０２に関する異常が生じているか否かを判定する処理、又は出力側電圧検出部２０２に関する異常が生じているか否かを判定する処理に置き換えてもよい。
・図３に示す処理において、制御部３００は、出力側電圧ＶＨに応じて３つのモードの中から１つを選択して制御したがこれに限らない。例えば、制御部３００は、第１〜第３モードのうちいずれか２つの中から１つを選択する制御を行ってもよい。
１０…電力変換回路、１００…２次電池、３００…制御部、Ｌ１１…第１コイル、Ｌ１２…第２コイル、Ｔｒ１１…トランス、Ｑ１１〜Ｑ１６…第１〜第６スイッチ、Ｌ１３…チョークコイル、Ｌ１４…補助コイル、Ｄ１…ダイオード。

Claims (5)

  1. 直流電源（１００）が接続される入力部（１００ａ，１００ｂ）から、磁気的に結合する第１コイル（Ｌ１１，Ｌ１１ａ）及び第２コイル（Ｌ１２）を含むトランス（Ｔｒ１１，Ｔｒ１１ａ）、及びスイッチ（Ｑ１１，Ｑ１１ａ，Ｑ１２，Ｑ１２ａ）を備える電力変換回路（１０，１０ａ）を介して、出力部（２００ａ，２００ｂ）へと給電する電力変換装置であって、
    前記電力変換回路と前記入力部との間に設けられたチョークコイル（Ｌ１３）と、
    前記出力部に接続されてかつ前記チョークコイルと磁気的に結合し、前記直流電源から前記チョークコイルに電流が流れる場合に前記出力部の負極側から正極側へと向かう方向に電流が流れるように巻かれた補助コイル（Ｌ１４）と、
    前記補助コイルと直列接続され、前記スイッチのスイッチング制御により前記直流電源及び前記チョークコイルを含む閉回路が形成される場合に前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介した前記出力部への給電を遮断し、また、前記出力部から前記入力部への給電を遮断する整流素子（Ｄ１）と、を備え、
    前記第１コイルは、センタータップを有し、
    前記スイッチは、前記第１コイルの両端のそれぞれに接続された第１スイッチ（Ｑ１１，Ｑ１１ａ）及び第２スイッチ（Ｑ１２，Ｑ１２ａ）を含み、
    前記直流電源の正極側及び負極側のうち、一方に前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが接続され、他方に前記センタータップが接続され、
    前記第１コイルに磁束が発生しないように、かつ、前記第２コイルに電流が流れないように、前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介して前記出力部へと給電すべく、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを共にオンするオン制御と、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを共にオフするオフ制御とを交互に繰り返す制御である特定制御を行う制御部（３００）を備える電力変換装置。
  2. 直流電源（１００）が接続される入力部（１００ａ，１００ｂ）から、磁気的に結合する第１コイル（Ｌ２１）及び第２コイル（Ｌ２２）を含むトランス（Ｔｒ２１）、及びスイッチ（Ｑ２１〜Ｑ２４）を備える電力変換回路（２０）を介して、出力部（２００ａ，２００ｂ）へと給電する電力変換装置であって、
    前記電力変換回路と前記入力部との間に設けられたチョークコイル（Ｌ２３）と、
    前記出力部に接続されてかつ前記チョークコイルと磁気的に結合し、前記直流電源から前記チョークコイルに電流が流れる場合に前記出力部の負極側から正極側へと向かう方向に電流が流れるように巻かれた補助コイル（Ｌ２４）と、
    前記補助コイルと直列接続され、前記スイッチのスイッチング制御により前記直流電源及び前記チョークコイルを含む閉回路が形成される場合に前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介した前記出力部への給電を遮断し、また、前記出力部から前記入力部への給電を遮断する整流素子（Ｄ２）と、を備え、
    前記スイッチは、
    直列接続された第１スイッチ（Ｑ２１）及び第２スイッチ（Ｑ２２）と、
    直列接続された第３スイッチ（Ｑ２３）及び第４スイッチ（Ｑ２４）と、を含み、
    前記第１コイルの一端が前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの接続部に接続され、前記第１コイルの他端が前記第３スイッチ及び前記第４スイッチの接続部に接続され、
    前記第１スイッチ及び前記第３スイッチが前記直流電源の正極側に接続され、前記第２スイッチ及び前記第４スイッチが前記直流電源の負極側に接続され、
    前記第１コイルに磁束が発生しないように、かつ、前記第２コイルに電流が流れないように、前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介して前記出力部へと給電すべく、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを共にオンするオン制御と、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを共にオフするオフ制御とを交互に繰り返す制御である特定制御を行う制御部（３００）を備える電力変換装置。
  3. 直流電源（１００）が接続される入力部（１００ａ，１００ｂ）から、磁気的に結合する第１コイル（Ｌ３１）及び第２コイル（Ｌ３２）を含むトランス（Ｔｒ３１）、及びスイッチ（Ｑ３１〜Ｑ３３，Ｑ３３ａ）を備える電力変換回路（３０，３０ａ）を介して、出力部（２００ａ，２００ｂ）へと給電する電力変換装置であって、
    前記電力変換回路と前記入力部との間に設けられたチョークコイル（Ｌ３３）と、
    前記出力部に接続されてかつ前記チョークコイルと磁気的に結合し、前記直流電源から前記チョークコイルに電流が流れる場合に前記出力部の負極側から正極側へと向かう方向に電流が流れるように巻かれた補助コイル（Ｌ３４）と、
    前記補助コイルと直列接続され、前記スイッチのスイッチング制御により前記直流電源及び前記チョークコイルを含む閉回路が形成される場合に前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介した前記出力部への給電を遮断し、また、前記出力部から前記入力部への給電を遮断する整流素子（Ｄ３）と、
    コンデンサ（Ｃ３０，Ｃ３０ａ）と、を備え、
    前記スイッチは、
    前記第１コイルに直列接続された第１スイッチ（Ｑ３１）と、
    前記第１コイル及び前記第１スイッチの直列接続体に並列接続された第２スイッチ（Ｑ３２）と、
    前記コンデンサに直列接続された第３スイッチ（Ｑ３３，Ｑ３３ａ）と、
    前記第２コイルに直列接続された第４スイッチ（Ｑ３４，Ｑ３４ａ）と、を含み、
    前記コンデンサ及び前記第３スイッチの直列接続体が、前記第２コイルに直列接続又は前記第４スイッチに並列接続され、
    前記第２スイッチの両端に前記直流電源の正極側及び負極側が接続され、
    前記第２コイル及び前記第４スイッチの直列接続体の両端が前記出力部に接続され、
    前記第１コイルに磁束が発生しないように、かつ、前記第２コイルに電流が流れないように、前記直流電源から前記チョークコイル及び前記補助コイルを介して前記出力部へと給電すべく、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのうち前記第２スイッチのみをオンするオン制御と、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを共にオフするオフ制御とを交互に繰り返す制御である特定制御を行う制御部（３００）と、を備える電力変換装置。
  4. 前記チョークコイルに流れる電流を検出する電流検出部（１０３）を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部の検出値が上昇して所定値に到達した場合に前記オン制御から前記オフ制御に切り替えるピーク電流モード制御を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記出力部に並列接続された出力側コンデンサ（２０１）と、
    前記入力部及び前記出力部のうち少なくとも一方の電圧を検出する電圧検出部（１０２，２０２）と、を備え、
    前記制御部は、前記電圧検出部に関する異常が発生していないことを条件として、前記電圧検出部の検出値に基づいて前記出力側コンデンサの充電の進行具合を判定し、判定した進行具合に基づいて、複数のスイッチング制御のモードの中からいずれかのモードを選択して前記スイッチをスイッチング制御する通常時制御を行い、
    前記制御部は、前記電圧検出部に関する異常が発生していることを条件として、前記通常時制御に代えて、前記特定制御を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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