JP7017463B2

JP7017463B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP7017463B2
Application number: JP2018087040A
Authority: JP
Inventors: 俊太郎井上; 将紀石垣; ゴー・テックチャン; 亘史芦田; 明大北尾; 尭志野澤
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: JP2019193518A

Description

本発明は、コンバータを含む電源装置に関する。

近年、自動車等の電動化の進展に伴って、複数の電源からモータ、補機等の様々な負荷へ電力を供給するために複数のコンバータが用いられることが多くなっている。ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両には、駆動用モータに電力を供給するためのバッテリが搭載されている。ハイブリッド自動車では、エンジンの駆動力や回生制動によって発電した電力によってバッテリが充電される。また、プラグイン機能を備えた電動車両では、商用電源から供給される電力によってバッテリが充電される。バッテリを充電するため、電動車両には電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、バッテリ充電のために入力された電圧を適切な電圧に変換してバッテリに印加するために使用される。

例えば、２つのスイッチング回路を各回路の巻線によって磁気的に結合させ、２つのスイッチング回路の間で電力を伝送させる電力変換装置が示されている（特許文献１及び２）。

特開２０１１－１９３７１３号公報特開２００６－１８７１４７号公報

このような電源装置において、バッテリの残量が減少すると効率が低下する場合があるので、バッテリの残量によらず効率の低下を抑制できる構成を実現することが望まれている。

本発明の１つの態様は、電磁気的に結合する第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を備える電源装置であって、前記第１スイッチング回路は、第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、磁路を形成する第１巻線と、を含む第１ループと、第２コンデンサと、第２スイッチング素子と、磁路を形成する第２巻線と、を含む第２ループと、前記第１スイッチング素子及び前記第１巻線を接続する経路と、前記第２スイッチング素子及び前記第２巻線を接続する経路との間に設けられた第１共通コンデンサと、を備え、前記第２スイッチング回路は、第３コンデンサと、第３スイッチング素子と、磁路を形成する第３巻線と、を含む第３ループと、第４コンデンサと、第４スイッチング素子と、磁路を形成する第４巻線と、を含む第４ループと、前記第３スイッチング素子及び前記第３巻線を接続する経路と、前記第４スイッチング素子及び前記第４巻線を接続する経路との間に設けられた第２共通コンデンサと、を備え、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの直列接続の両端間の電圧を入力電圧とし、前記第４コンデンサの両端間の電圧を出力電圧とし、前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとの直列接続の両端間のバッファ電圧が制御指令値と等しくなるように前記入力電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御することを特徴とする電源装置である。

ここで、前記制御指令値は、前記第１巻線及び前記第２巻線の巻数と前記第３巻線及び前記第４巻線の巻数比によって前記入力電圧を除算した値に等しくすることが好適である。

また、前記第１スイッチング回路及び前記第２スイッチング回路と電磁気的に結合する第３スイッチング回路を備え、前記第３スイッチング回路は、第５コンデンサと、第５スイッチング素子と、磁路を形成する第５巻線と、を含む第５ループと、第６コンデンサと、第６スイッチング素子と、磁路を形成する第６巻線と、を含む第６ループと、前記第５スイッチング素子及び前記第５巻線を接続する経路と、前記第６スイッチング素子及び前記第６巻線を接続する経路との間に設けられた第３共通コンデンサと、を備え、前記第５コンデンサと前記第６コンデンサとの直列接続の両端間の電圧を中間電圧とし、前記バッファ電圧が前記制御指令値と等しくなるように前記中間電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御することが好適である。

また、前記制御指令値は、前記第５巻線及び前記第６巻線の巻数と前記第３巻線及び前記第４巻線の巻数比によって前記中間電圧を除算した値に等しくすることが好適である。

また、さらに、前記第１スイッチング回路に流れる電流に応じて前記入力電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御する、又は、前記第３スイッチング回路に流れる電流に応じて前記中間電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御することが好適である。

本発明によれば、任意の入力電圧の変動幅に対して巻線の電流実効値を減少させ、巻線の銅損やスイッチ導通損を低減することができる。これによって、電源装置の伝送効率を向上させることができる。

第１の実施の形態における電源装置の構成を示す図である。電源装置のスイッチングデューティＤ及び位相差Φの制御を示す図である。電源装置の電圧及び電流の時間変化を示す図である。電源装置の電圧及び電流の時間変化を示す図である。第１の実施の形態における電源装置のスイッチングデューティＤ及び位相差Φの制御を示す図である。第２の実施の形態における電源装置の構成を示す図である。第２の実施の形態における電源装置のスイッチングデューティＤ及び位相差Φの制御を示す図である。変形例１における電源装置の構成を示す図である。変形例１における電源装置のスイッチングデューティＤ及び位相差Φの制御を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における電源装置１００の構成を示す。電源装置１００は、コンデンサＣ１～Ｃ６、インダクタＬ１～Ｌ４、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４を含んで構成される。

電源装置１００は、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃｘ１、インダクタＬ１，Ｌ２及びスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から構成される１次スイッチング回路１０２と、コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃｘ２、インダクタＬ３，Ｌ４及びスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４から構成される２次スイッチング回路１０４を組み合わせて構成される。１次スイッチング回路１０２には、ポートＡが設けられる。また、２次スイッチング回路１０４には、ポートＢ及びポートＣが設けられる。ポートＡには、バッテリ等から入力電圧Ｖａが印加される。また、ポートＢ及びポートＣには、それぞれバッファ電圧Ｖｂ及び出力電圧Ｖｃが出力される。

１次スイッチング回路１０２は、以下のように構成される。インダクタＬ１及びスイッチング素子Ｓ１は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ１に並列に接続される。これにより、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｓ１及びコンデンサＣ１による第１ループが構成される。インダクタＬ２及びスイッチング素子Ｓ２は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ２に並列に接続される。これにより、インダクタＬ２、スイッチング素子Ｓ２及びコンデンサＣ２による第２ループが構成される。インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１との接続点とインダクタＬ２及びスイッチング素子Ｓ２の接続点が第１共通コンデンサＣｘ１にて接続される。さらに、コンデンサＣ１とスイッチング素子Ｓ１の接続点とコンデンサＣ２とスイッチング素子Ｓ２との接続点が短絡される。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の直列接続の両端間がポートＡとされる。１次スイッチング回路１０２では、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２が排他的に交互にスイッチングされる。

２次スイッチング回路１０４では、１次スイッチング回路１０２と同様に、コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃｘ２、インダクタＬ３，Ｌ４及びスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がそれぞれコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃｘ１、インダクタＬ１，Ｌ２及びスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と同様に接続される。コンデンサＣ３とコンデンサＣ４の直列接続の両端間がポートＢとされる。また、コンデンサＣ４の両端間がポートＣとされる。２次スイッチング回路１０４では、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４が排他的に交互にスイッチングされる。

インダクタＬ１とインダクタＬ３とが電磁気的に結合され、インダクタＬ２とインダクタＬ４とが電磁気的に結合される。これにより、ポートＡが設けられた１次スイッチング回路１０２とポートＢ及びポートＣが設けられた２次スイッチング回路１０４とが電磁気的に結合される。インダクタＬ１～Ｌ４は、１つの磁気コアにより結合させることが好適である。ここで、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２のスイッチングと、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４のスイッチングとの位相差が０の場合に互いに磁気コア内に同じ方向に磁束を発生させる方向にインダクタＬ１～Ｌ４は巻回される。

図２は、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４をスイッチングデューティＤ及び位相差Φにてスイッチング制御する場合の制御系例を示す図である。ポートＣのセンサ電圧値ＶｃとポートＣの制御指令値Ｖｃ^＊の差分をＰＩ制御部に通した値とフィードフォワード項Ｖｃ^＊／Ｖ_ｂの和にてスイッチングデューティＤが生成される。また、ポートＢのセンサ電圧値Ｖｂと制御指令値Ｖｂ^＊の差分をＰＩ制御部に通した値によって位相差Φが生成される。

図３は、ポートＡの電圧ＶａとポートＢの電圧Ｖｂの電圧比が巻線比Ｎと一致する場合の動作電圧及び動作電流の時間変化を示す。動作電流は、インダクタＬ１～Ｌ４を流れる電流ｉ１～ｉ４とする。ここで、Ｎは、１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１，Ｌ２と２次スイッチング回路１０４のインダクタＬ３，Ｌ４の巻線比である。

図４は、ポートＡの電圧ＶａとポートＢの電圧Ｖｂの電圧比が巻線比Ｎと一致しない場合の動作電圧及び動作電流の時間変化を示す。ポートＡの電圧ＶａとポートＢの電圧Ｖｂの電圧比が巻線比Ｎから異なるほどインダクタＬ１～Ｌ４を流れる電流ｉ１～ｉ４は台形から崩れ、ピーク電流値が大きくなる。その結果、巻線の銅損や導通損は大幅に増加し、回路の伝送効率が悪化する。

図５は、本実施の形態において、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４をスイッチングデューティＤ及び位相差Φにてスイッチング制御する場合にスイッチングデューティＤ及び位相差Φを設定するための制御系を示す図である。本実施の形態では、ポートＢのバッファ電圧Ｖｂに対する制御指令値Ｖｂ^＊をポートＡの入力電圧Ｖａの変化に合わせて調整するように制御を行うことが好適である。すなわち、制御指令値Ｖｂ^＊は、ポートＡの入力電圧Ｖａと、１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１，Ｌ２と２次スイッチング回路１０４のインダクタＬ３，Ｌ４の巻線比Ｎとの比（Ｖａ／Ｎ）に等しくする。これにより、ポートＡの入力電圧Ｖａが低下した場合においても、図３に示したように、インダクタＬ１～Ｌ４を流れる電流ｉ１～ｉ４のピーク値が大きくなることを防ぐことができ、電源装置１００の電力伝達の効率を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における電源装置２００は、図６に示すように、第１の実施の形態における電源装置１００の構成を３ポートに拡張したものである。すなわち、電源装置２００は、１次スイッチング回路１０２及び２次スイッチング回路１０４に加えて、コンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃｘ３、インダクタＬ５，Ｌ６及びスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６から構成される３次スイッチング回路１０６を備える。

３次スイッチング回路１０６は、以下のように構成される。インダクタＬ５及びスイッチング素子Ｓ５は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ５に並列に接続される。これにより、インダクタＬ５、スイッチング素子Ｓ５及びコンデンサＣ５による第５ループが構成される。インダクタＬ６及びスイッチング素子Ｓ６は直列に接続され、さらにこれらがコンデンサＣ６に並列に接続される。これにより、インダクタＬ６、スイッチング素子Ｓ６及びコンデンサＣ６による第６ループが構成される。インダクタＬ５とスイッチング素子Ｓ５との接続点とインダクタＬ６及びスイッチング素子Ｓ６の接続点が第３共通コンデンサＣｘ３にて接続される。さらに、コンデンサＣ５とスイッチング素子Ｓ５の接続点とコンデンサＣ６とスイッチング素子Ｓ６との接続点が短絡される。コンデンサＣ５とコンデンサＣ６の直列接続の両端間がポートＤとされる。３次スイッチング回路１０６では、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６が排他的に交互にスイッチングされる。

なお、本実施の形態において、Ｎは、１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１，Ｌ２と２次スイッチング回路１０４のインダクタＬ３，Ｌ４の巻線比及び３次スイッチング回路１０６のインダクタＬ５，Ｌ６と２次スイッチング回路１０４のインダクタＬ３，Ｌ４である。

また、本実施の形態では、ポートＡとポートＤには共通の入力電圧Ｖ_ＩＮが入力されるものとする。すなわち、ポートＡの電圧ＶａとポートＤの電圧Ｖｄは共通の入力電圧Ｖ_ＩＮである。

電源装置２００では、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２とを同相かつスイッチングデューティＤにてスイッチング制御し、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４とを同相かつスイッチングデューティＤにてスイッチング制御し、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６とを同相かつスイッチングデューティＤにてスイッチング制御する。これらのスイッチングデューティＤは共通である。また、ポートＡとポートＢの間はスイッチングの位相差Φ１で制御され、ポートＤとポートＢの間はスイッチングの位相差Φ２で制御される。ポートＢとポートＣの間はスイッチングデューティＤで制御される。

本実施の形態では、図７の制御系に示すように、ポートＢのバッファ電圧Ｖｂに対する制御指令値Ｖｂ^＊をポートＡの入力電圧Ｖａの変化に合わせて調整するように制御を行うことが好適である。すなわち、制御指令値Ｖｂ^＊は、入力電圧Ｖ_ＩＮ（＝ポートＡの電圧Ｖａ＝ポートＤの電圧Ｖｄ）と、１次スイッチング回路１０２のインダクタＬ１，Ｌ２と２次スイッチング回路１０４のインダクタＬ３，Ｌ４の巻線比Ｎとの比（Ｖ_ＩＮ／Ｎ）に等しくする。これにより、ポートＡの入力電圧Ｖａが低下した場合においても、インダクタＬ１～Ｌ６を流れる電流ｉ１～ｉ６のピーク値が大きくなることを防ぐことができ、電源装置２００の電力伝達の効率を向上させることができる。

なお、ポートＡとポートＢとの電力流入量のバランスの制御は考慮されておらず、位相差Φ１，Φ２を等しくするか、あらかじめ定められた比で変更することが好適である。

［変形例１］
図８に示すように、電源装置２００において、ポートＡを流れる電流を測定する電流センサ１０とポートＤを流れる電流を測定する電流センサ１２を設け、電流センサ１０及び電流センサ１２によって測定された電流値に応じて制御を行う態様としてもよい。

具体的には、図９に示す制御系のように、電流センサ１０及び電流センサ１２によって測定された電流値に応じて位相差Φ１，Φ２を制御する。ポートＢのバッファ電圧Ｖｂに対する制御指令値Ｖｂ^＊を入力電圧Ｖ_ＩＮ／Ｎに合わせて調整し、バッファ電圧Ｖｂと制御指令値Ｖｂ^＊との差をＰ制御部に通した値を求める。また、電流センサ１０によって検出される電流値Ｉ_Ａと制御指令値Ｉ_Ａ ^＊との差をＰ制御部に通した値を求める。さらに、バッファ電圧Ｖｂと制御指令値Ｖｂ^＊との差をＰ制御部に通した値と電流センサ１０によって検出される電流値Ｉ_Ａと制御指令値Ｉ_Ａ ^＊との差をＰ制御部に通した値との差をＰＩ制御部に通した値を位相差Φ１とする。また、電流センサ１２によって検出される電流値Ｉ_Ｂと制御指令値Ｉ_Ｂ ^＊との差をＰ制御部に通した値を求める。さらに、バッファ電圧Ｖｂと制御指令値Ｖｂ^＊との差をＰ制御部に通した値と電流センサ１２によって検出される電流値Ｉ_Ｂと制御指令値Ｉ_Ｂ ^＊との差をＰ制御部に通した値との差をＰＩ制御部に通した値を位相差Φ２とする。

このように、電流センサ１０によって検出された電流値Ｉ_Ａと制御指令値Ｉ_Ａ ^＊との差及び電流センサ１２によって検出された電流値Ｉ_Ｂと制御指令値Ｉ_Ｂ ^＊との差を位相差Φ１及び位相差Φ２の制御にそれぞれ考慮することでポートＡからポートＣへの電力量とポートＤからポートＣへの電力量のバランスを制御することができる。

なお、電流センサ１０によって検出された電流値Ｉ_Ａによる制御と電流センサ１２によって検出された電流値Ｉ_Ｂによる制御との少なくとも一方を行えばよい。すなわち、ポートＡからポートＣへの電力量とポートＤからポートＣへの電力量の少なくとも一方を制御すれば、両者のバランスを調整することが可能である。

１０電流センサ、１２電流センサ、１００電源装置、１０２１次スイッチング回路、１０４２次スイッチング回路、１０６３次スイッチング回路、２００電源装置。

Claims

電磁気的に結合する第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を備える電源装置であって、
前記第１スイッチング回路は、
第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、磁路を形成する第１巻線と、を含む第１ループと、
第２コンデンサと、第２スイッチング素子と、磁路を形成する第２巻線と、を含む第２ループと、
前記第１スイッチング素子及び前記第１巻線を接続する経路と、前記第２スイッチング素子及び前記第２巻線を接続する経路との間に設けられた第１共通コンデンサと、
を備え、
前記第２スイッチング回路は、
第３コンデンサと、第３スイッチング素子と、磁路を形成する第３巻線と、を含む第３ループと、
第４コンデンサと、第４スイッチング素子と、磁路を形成する第４巻線と、を含む第４ループと、
前記第３スイッチング素子及び前記第３巻線を接続する経路と、前記第４スイッチング素子及び前記第４巻線を接続する経路との間に設けられた第２共通コンデンサと、
を備え、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの直列接続の両端間の電圧を入力電圧とし、
前記第４コンデンサの両端間の電圧を出力電圧とし、
前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとの直列接続の両端間のバッファ電圧が制御指令値と等しくなるように前記入力電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御することを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御指令値は、前記第１巻線及び前記第２巻線の巻数と前記第３巻線及び前記第４巻線の巻数比によって前記入力電圧を除算した値に等しくすることを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載の電源装置であって、
前記第１スイッチング回路及び前記第２スイッチング回路と電磁気的に結合する第３スイッチング回路を備え、
前記第３スイッチング回路は、
第５コンデンサと、第５スイッチング素子と、磁路を形成する第５巻線と、を含む第５ループと、
第６コンデンサと、第６スイッチング素子と、磁路を形成する第６巻線と、を含む第６ループと、
前記第５スイッチング素子及び前記第５巻線を接続する経路と、前記第６スイッチング素子及び前記第６巻線を接続する経路との間に設けられた第３共通コンデンサと、
を備え、
前記第５コンデンサと前記第６コンデンサとの直列接続の両端間の電圧を中間電圧とし、
前記バッファ電圧が前記制御指令値と等しくなるように前記中間電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御することを特徴とする電源装置。
請求項３に記載の電源装置であって、
前記制御指令値は、前記第５巻線及び前記第６巻線の巻数と前記第３巻線及び前記第４巻線の巻数比によって前記中間電圧を除算した値に等しくすることを特徴とする電源装置。
請求項３又は４に記載の電源装置であって、
さらに、前記第１スイッチング回路に流れる電流に応じて前記入力電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御する、又は、前記第３スイッチング回路に流れる電流に応じて前記中間電圧と前記バッファ電圧との間の位相差を制御することを特徴とする電源装置。