JP7344834B2 - 車載用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載用電力変換装置に関し、特に、電力損失を低減する技術に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動自動車が広く用いられている。電動自動車には、駆動用モータに電力を供給するための主機電池が搭載されている。電動自動車のプラグイン機能では、商用電源から供給される電力によって主機電池が充電される。また、走行時には、回生制動によって発電した電力によって主機電池が充電される。ハイブリッド自動車では、エンジンによるジェネレータの駆動によって発電した電力によっても主機電池が充電される。主機電池の他、電動自動車にはアクセサリ機器に電力を供給する補機電池が搭載されている。補機電池は、主機電池から供給される電力によって充電される。

以下の特許文献１には、主機電池および補機電池を充電する電力変換回路（電力変換装置）が記載されている。この電力変換回路は、プラグイン機能によって主機電池および補機電池に電力を供給すると共に、主機電池から補機電池に電力を供給する。この電力変換回路では、力率改善回路として動作する第１のハーフブリッジ回路（スイッチング回路）と、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する第２のハーフブリッジ回路（スイッチング回路）とがトランスによって結合されている。第１のハーフブリッジ回路は、外部交流電源から出力される交流電力の力率を調整する。第１のハーフブリッジ回路から第２のハーフブリッジ回路には、トランスを介して電力が供給され、第２のハーフブリッジ回路は主機電池に電力を供給する。この電力変換装置には、さらに、第２のハーフブリッジ回路にトランスによって結合した第３のハーフブリッジ回路が設けられている。第２のハーフブリッジ回路から第３のハーフブリッジ回路にはトランスを介して電力が供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する第３のハーフブリッジ回路は補機電池に電力を供給する。

特開２０１８－１４７９４号公報 特開２０１８－１８２８１５号公報

特許文献１に示されている電力変換回路では、第１のハーフブリッジ回路、第２のハーフブリッジ回路および第３のハーフブリッジ回路のそれぞれが備える基準スイッチング素子が、同一のデューティ比でスイッチングを行う。ここで、基準スイッチング素子とは、ハーフブリッジを構成する２つのスイッチング素子のうち低電位側のスイッチング素子をいう。第１のハーフブリッジ回路が備える基準スイッチング素子のデューティ比は、外部交流電源から供給される電力の力率を調整するため、外部交流電源から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。そして、第２のハーフブリッジ回路および第３のハーフブリッジ回路のそれぞれが備える基準スイッチング素子のデューティ比もまた、外部交流電源から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。また、各ハーフブリッジ回路が備える基準スイッチング素子でないスイッチング素子のデューティ比もまた、外部交流電源から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。

一般に、スイッチング素子の損失は、デューティ比が０．５のときに極小になる。しかし、特許文献１に記載されているような電力変換回路では、各ハーフブリッジのスイッチング素子のデューティ比が一定でないため、スイッチング素子における損失が大きくなってしまうことがある。

本発明の目的は、車載用電力変換装置の電力損失を低減することである。

本発明は、力率改善スイッチング回路と、主機スイッチング回路と、補機スイッチング回路と、を備える車載用電力変換装置において、交流電力源から電力を取得した前記力率改善スイッチング回路から、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路の両者に電力を供給する外部接続モード、または、前記力率改善スイッチング回路から前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路の両者に供給する電力が遮断され、前記主機スイッチング回路から前記補機スイッチング回路に電力が供給される独立電力変換モードのいずれかの動作モードで動作し、前記補機スイッチング回路は、前記外部接続モードでの動作時に、補機負荷に出力する電力を所定範囲内に制限することを特徴とする。

望ましくは、前記補機スイッチング回路は、前記独立電力変換モードでの動作時に、前記補機負荷に出力する電力を定格値以下に制限し、前記外部接続モードでの動作時に、前記補機負荷に出力する電力を前記定格値よりも小さいリミット値以下に制限する。

望ましくは、前記補機負荷に含まれる補機電池の出力電圧に応じて、前記外部接続モードまたは前記独立電力変換モードのいずれかの動作モードで動作する。

望ましくは、前記外部接続モードでの動作時に、前記補機電池の出力電圧が、下限値を超える値から当該下限値以下の値となったときに、前記外部接続モードから前記独立電力変換モードに動作モードが切り換わる。

望ましくは、前記独立電力変換モードでの動作時に、前記補機電池の出力電圧が、基準値未満の値から当該基準値以上の値となったときに、前記独立電力変換モードから前記外部接続モードに動作モードが切り換わる。

望ましくは、前記力率改善スイッチング回路、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれは、基準スイッチング素子を備え、前記外部接続モードでの動作時に、前記力率改善スイッチング回路、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれが備える前記基準スイッチング素子は、同一のデューティ比でスイッチングを行い、前記独立電力変換モードでの動作時に、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれが備える前記基準スイッチング素子は、同一のデューティ比でスイッチングを行う。

望ましくは、前記独立電力変換モードでの動作時に、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれが備える前記基準スイッチング素子は、０．４以上０．６以下のデューティ比でスイッチングを行う。

本発明によれば、車載用電力変換装置の電力損失を低減することができる。

車載用電力変換装置の構成を示す図である。 車載用電力変換装置の構成を示す図である。 モード切り換え動作のタイミングチャートの例を示す図である。 車載用電力変換装置の回路構成の例を示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示された同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。また、本明細書における「上」「下」の用語は図面における上下を示す。これらの方向を示す用語は説明の便宜上のものであり、各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。

図１には、本発明の実施形態に係る車載用電力変換装置１の構成が示されている。車載用電力変換装置１は、力率改善スイッチング回路１０、リレースイッチ１４、トランス１６、主機スイッチング回路２４、および補機スイッチング回路２８を備えている。主機スイッチング回路２４は、トランス１６の第１プライマリ巻線１８に接続されている。補機スイッチング回路２８は、トランス１６のセカンダリ巻線２２に接続されている。力率改善スイッチング回路１０は、リレースイッチ１４を介してトランス１６の第２プライマリ巻線２０に接続されている。リレースイッチ１４がオンのときに力率改善スイッチング回路１０は、第２プライマリ巻線２０に接続され、リレースイッチ１４がオフのときに力率改善スイッチング回路１０は、第２プライマリ巻線２０から切り離される。

第２プライマリ巻線２０の中途点にはタップが設けられている。第２プライマリ巻線２０の中途点は、第２プライマリ巻線２０を形成する導線の中途の点をいう。中途点に設けられるタップは、第２プライマリ巻線２０を形成する導線の中点に設けられるセンタータップであってもよい。図１では、第２プライマリ巻線２０が形成するインダクタ（第１プライマリ巻線１８およびセカンダリ巻線２２を仮に取り除いた場合のインダクタ）がインダクタＬ１およびＬ２として明記されている。インダクタＬ１およびＬ２は結合していてもよい。主機スイッチング回路２４には主機電池２６が接続され、補機スイッチング回路２８には補機電池３０および補機回路３２が接続されている。補機回路３２には、オーディオ機器、室内灯、空調装置等のアクセサリ機器が含まれている。

主機電池２６は、駆動用のモータジェネレータに電力を供給すると共に、モータジェネレータの回生電力によって充電される。補機電池３０は補機回路３２に電力を供給する。

車載用電力変換装置１は、外部接続モードおよび独立電力変換モードのいずれかのモードで動作する。外部接続モードは、車載用電力変換装置１とは別に設けられた交流電力源４０によって、停車時に主機電池２６に電力を供給すると共に、補機電池３０および補機回路３２の少なくとも一方（以下、補機負荷３４という）に電力を供給する動作モードである。交流電力源４０は、例えば、電力供給事業者が提供する電力システムや、自動車のサービスステーションに設置された外部充電装置であってよい。独立電力変換モードは、主機電池２６から補機負荷３４に電力を供給する動作モードである。

外部接続モードでは、図１に示されているように力率改善スイッチング回路１０に交流電力源４０が接続される。この際、交流電力源４０の一端は、第２プライマリ巻線２０のタップに接続され、他端は力率改善スイッチング回路１０に接続される。また、リレースイッチ１４がオンになって力率改善スイッチング回路１０が第２プライマリ巻線２０に接続される。力率改善スイッチング回路１０は、交流電力源４０から交流電力を取得し、その交流電力をトランス１６を介して主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８に伝送する。主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８は、力率改善スイッチング回路１０からトランス１６を介して取得された電力を、それぞれ、主機電池２６および補機電池３０に供給し、これらの電池を充電する。また、補機スイッチング回路２８は、力率改善スイッチング回路１０からトランス１６を介して取得された電力を補機回路３２に供給してもよい。

力率改善スイッチング回路１０には、例えば、特許文献２に示されている力率改善回路が用いられる。また、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８には、例えば、特許文献２に示されている電圧コンバータ回路が用いられる。力率改善スイッチング回路１０は、交流電力源４０が出力する交流電力を直流電力に変換して自らの中間コンデンサ１２に供給し、中間コンデンサ１２を充電する。これと共に中間コンデンサ１２の出力電圧を交流電圧に変換し、トランス１６を介して主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８に電力を供給する。力率改善スイッチング回路１０は、交流電力源４０から力率改善スイッチング回路１０に流れる電流の時間波形をスイッチングし、力率改善スイッチング回路１０に流れる電流の時間波形を、交流電力源４０から出力される交流電圧の時間波形に近似させまたは一致させる。これによって、交流電力源４０から力率改善スイッチング回路１０に出力される交流電力の力率が向上する。

このような力率改善動作のため、力率改善スイッチング回路１０が備える基準スイッチング素子のデューティ比は、交流電力源４０から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。ここで、基準スイッチング素子とは、スイッチング回路に含まれる複数のスイッチング素子のうち、そのスイッチング回路のスイッチングタイミングを公称的に規定するスイッチング素子をいう。例えば、特許文献１および２における基準スイッチング素子は、ハーフブリッジを構成する２つのスイッチング素子のうち低電位側のスイッチング素子であり、回路図において下側に描かれたスイッチング素子である。また、デューティ比は、スイッチング素子がオンオフする１周期に対する、スイッチング素子がオンになる時間の比率として定義される。第２プライマリ巻線２０の両端には、基準スイッチング素子のデューティ比に応じた時間波形を有する交流電圧が現れる。

力率改善スイッチング回路１０から主機スイッチング回路２４に電力を伝送し、その電力を調整するため、力率改善スイッチング回路１０が備える基準スイッチング素子と、主機スイッチング回路２４が備える基準スイッチング素子は同一のデューティ比でスイッチングを行う。同様に、力率改善スイッチング回路１０から補機スイッチング回路２８に電力を伝送し、その電力を調整するため、力率改善スイッチング回路１０が備える基準スイッチング素子と、補機スイッチング回路２８が備えるスイッチング素子は同一のデューティ比で動作する。

また、力率改善スイッチング回路１０をスイッチングする位相と、主機スイッチング回路２４をスイッチングする位相との差を調整することで、力率改善スイッチング回路１０から主機スイッチング回路２４に伝送される電力が調整される。同様に、力率改善スイッチング回路１０をスイッチングする位相と、補機スイッチング回路２８をスイッチングする位相との差を調整することで、力率改善スイッチング回路１０から補機スイッチング回路２８に伝送される電力が調整される。

独立電力変換モードでは、図２に示されているように力率改善スイッチング回路１０から交流電力源４０が取り外され、リレースイッチ１４がオフになって力率改善スイッチング回路１０が第２プライマリ巻線２０から切り離される。また、力率改善スイッチング回路１０のスイッチングは停止される。これによって力率改善スイッチング回路１０から主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８の両者に供給する電力が遮断される。独立電力変換モードでは、主機スイッチング回路２４は主機電池２６から電力を取得し、補機スイッチング回路２８に伝送する。補機スイッチング回路２８は補機負荷３４に電力を供給する。

車載用電力変換装置１は、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のスイッチングによって、主機電池２６から補機負荷３４に電力を供給する。主機スイッチング回路２４から補機スイッチング回路２８に電力を伝送し、その電力を調整するため、主機スイッチング回路２４が備える基準スイッチング素子と、補機スイッチング回路２８が備える基準スイッチング素子は同一のデューティ比でスイッチングを行う。独立電力変換モードにおけるデューティ比は、０．４以上０．６以下であり、好ましくは０．５である。

また、主機スイッチング回路２４をスイッチングする位相と、補機スイッチング回路２８をスイッチングする位相との差を調整することで、主機スイッチング回路２４から補機スイッチング回路２８に伝送される電力が調整される。

上記のように、力率改善スイッチング回路１０が備える基準スイッチング素子のデューティ比は、交流電力源４０から出力される電力の力率を調整するため、交流電力源４０から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。したがって、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のそれぞれが備える基準スイッチング素子のデューティ比もまた、交流電力源４０から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。

そして、力率改善スイッチング回路１０、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のそれぞれにおける基準スイッチング素子以外のスイッチング素子もまた、交流電力源４０から出力される交流電圧の時間波形に応じて変動する。

一般に、スイッチング素子の損失は、デューティ比が０．５のときに極小となる。また、トランスによって結合された複数のスイッチング回路では、デューティ比が０．５のときにトランスの巻線に流れる電流の大きさが小さくなる。しかし、外部接続モードでは、力率改善スイッチング回路１０、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のそれぞれが備えるスイッチング素子のデューティ比が一定でないため、スイッチング素子およびトランス１６における損失が大きくなってしまうことがある。そこで、本実施形態に係る車載用電力変換装置１では、以下に説明するモード切り換え動作を実行する。

モード切り換え動作では、次の（ｉ）～（ｖ）の条件の下で車載用電力変換装置１が動作する。
（ｉ）外部接続モードで動作しているときには、補機スイッチング回路２８から補機負荷３４に出力される補機出力電力が所定範囲内に制限される。本実施形態では、補機出力電力がリミット値以下に制限される。
（ｉｉ）補機出力電力がリミット値以下に制限されたことによって補機回路３２へ供給される電力が不足する分は、補機電池３０が出力する。
（ｉｉｉ）補機回路３２へ供給される電力の不足分を補機電池３０が出力することで、補機電池３０の出力電圧が下限値を超える値から、下限値以下の値となったときには、動作モードが外部接続モードから独立電力変換モードに切り換えられる。
（ｉｖ）独立電力変換モードでは、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のスイッチング素子のデューティ比は、０．４以上０．６以下であり、好ましくは０．５である。独立電力変換モードにおいてデューティ比は一定であってよい。
（ｖ）独立電力変換モードでの動作によって、主機電池２６から補機電池３０に電力が供給される。これによって、補機電池３０の出力電圧が基準値未満の値から、基準値以上の値となったときには、動作モードが独立電力変換モードから外部接続モードに切り換えられる。

このような動作によれば、外部接続モードで動作しているときには補機出力電力がリミット値以下に制限される。したがって、各スイッチング回路のスイッチング素子のデューティ比が０．５から外れた１または０に近い値であっても、各スイッチング素子およびトランス１６における電力損失が抑制される。

そして、補機回路３２に大きい電力が供給されるときには、補機電池３０から補機回路３２に電力が供給され、補機電池３０の出力電圧が下限値以下まで低下すると共に、動作モードが外部接続モードから独立電力変換モードに切り換えられる。独立電力変換モードでは、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のスイッチング素子のデューティ比は０．５またはそれに近い値であるため、各スイッチング素子における電力損失が抑制される。したがって、補機回路電力の広い範囲に亘って、各スイッチング回路およびトランス１６における電力損失が抑制される。

図３（ａ）～（ｆ）には、モード切り換え動作のタイミングチャートの例が示されている。図３（ａ）には、交流電力源４０から車載用電力変換装置１への入力電力が示されている。図３（ｂ）には、主機スイッチング回路２４が主機電池２６に出力する主機出力電力が示されている。図３（ｃ）には、補機回路３２が消費する補機回路電力が示されている。図３（ｄ）には、補機スイッチング回路２８が補機負荷３４に出力する補機出力電力が示されている。図３（ｅ）には、補機電池３０の出力電力が示されている。図３（ｆ）には、補機電池３０の出力電圧が示されている。

搭載先の電動自動車はマイルーム機能を実行する。マイルーム機能とは、電動自動車が停車しているときに、所定のリミット値を超える電力を補機回路３２に供給することが許容される機能をいう。

時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間では、車載用電力変換装置１は外部接続モードで動作しており、交流電力源４０から主機電池２６および補機回路３２に電力が供給される。図３（ｂ）に示されているように、主機スイッチング回路２４は、主機電池２６に主機定格値の電力を出力する。図３（ｃ）および（ｄ）に示されているように、補機スイッチング回路２８は、リミット値以下の電力を補機回路３２に出力する。図３（ｅ）に示されているように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間では補機電池３０の出力電力は０である。

図３（ｃ）に示されているように、時刻ｔ１から時刻ｔ３にかけて補機回路電力が増加し、時刻ｔ７まで補機回路電力は補機定格値を維持する。時刻ｔ７から時刻ｔ９にかけて補機回路電力が減少し、時刻ｔ７より後であり時刻ｔ９より前の時刻ｔ８には、補機回路電力はリミット値に至る。

時刻ｔ１と時刻ｔ３との間の時刻ｔ２に補機回路電力がリミット値を超えると、図３（ｄ）に示されているように補機出力電力がリミット値に制限される。補機出力電力がリミット値に制限されたことに伴って、図３（ｅ）に示されているように、時刻ｔ２以降は、補機電池３０から補機回路３２に不足分の電力が出力される。

これによって、図３（ｆ）に示されているように、時刻ｔ２以降は補機電池３０の出力電圧が低下する。時刻ｔ４に補機電池３０の出力電圧が下限値以下となると、車載用電力変換装置１の動作モードは、外部接続モードから独立電力変換モードに切り換わる。これによって、図３（ａ）に示されているように、時刻ｔ４には交流電力源４０から車載用電力変換装置１への入力電力が０となる。

なお、図３（ａ）、（ｂ）および（ｄ）に示されているように、時刻ｔ１から時刻ｔ４の間では、主機電池２６に供給される主機出力電力が、入力電力のうち補機負荷３４に供給される分だけ減少している。

時刻ｔ４から時刻ｔ１０までの間、車載用電力変換装置１は、独立電力変換モードで動作する。図３（ａ）に示されているように、この時間帯では交流電力源４０から車載用電力変換装置１への入力電力が０となる。主機スイッチング回路２４から補機スイッチング回路２８に電力が供給され、図３（ｂ）に示されているように主機出力電力は負の値となる。図３（ｆ）に示されているように、時刻ｔ５から時刻ｔ１０の間、主機電池２６から補機電池３０に供給された電力によって補機電池３０の出力電圧が上昇する。補機電池３０の出力電圧が基準値に達すると、車載用電力変換装置１の動作モードは、独立電力変換モードから外部接続モードに切り換わる。

なお、図３（ｄ）に示されているように、補機スイッチング回路２８が補機負荷３４に出力する補機出力電力は、時刻ｔ４にリミット値を超えて時刻ｔ５に補機定格値に達し、補機出力電力は時刻ｔ７まで補機定格値を維持する。時刻ｔ７から時刻ｔ９にかけて補機出力電力が減少し、時刻ｔ７より後であり時刻ｔ９より前の時刻ｔ８には、補機出力電力はリミット値に至る。

図３（ｃ）に示されているように、補機回路電力がリミット値を超えた時刻ｔ２から、補機回路電力がリミット値以下となった時刻ｔ８までの時間帯がマイルーム機能がオンである時間帯である。時刻ｔ２より前の時間帯および時刻ｔ８より後の時間帯は、マイルーム機能がオフの時間帯である。

図４には、車載用電力変換装置１の回路構成の例が示されている。力率改善スイッチング回路１０は、フィルタコンデンサＣｆ、ハーフブリッジＵ、ハーフブリッジＶ、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２および中間コンデンサ１２を備えている。ハーフブリッジＵは、スイッチング素子Ｓ１の一端と、スイッチング素子Ｓ２の一端とを共通に接続したものである。スイッチング素子Ｓ１の両端には、スイッチング素子Ｓ２との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ２の両端には、スイッチング素子Ｓ１との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ１およびＳ２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ１としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ２としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。

同様に、ハーフブリッジＶは、スイッチング素子Ｓ３の一端と、スイッチング素子Ｓ４の一端とを共通に接続したものである。スイッチング素子Ｓ３の両端には、スイッチング素子Ｓ４との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ４の両端には、スイッチング素子Ｓ３との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ３およびＳ４としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ３としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ４としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続点と、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続点との間には、リレースイッチ１４を介して第２プライマリ巻線２０が接続されている。第２プライマリ巻線２０のセンタータップは電源入力端子４２－２に接続されている。

ハーフブリッジＵおよびＶは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング素子Ｓ２側とは反対側の端子（図の上側の端子）と、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の端子（図の上側の端子）とが接続されている。また、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング素子Ｓ１側とは反対側の端子（図の下側の端子）と、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の端子（図の下側の端子）とが接続されている。

ダイオードＤ１のアノードはダイオードＤ２のカソードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、ハーフブリッジＵおよびＶの上側の端子に接続され、ダイオードＤ２のアノードは、ハーフブリッジＵおよびＶの下側の端子に接続されている。ダイオードＤ１およびＤ２の接続点は、電源入力端子４２－１に接続されている。

スイッチング素子Ｓ１、スイッチング素子Ｓ３、およびダイオードＤ１の接続点と、スイッチング素子Ｓ２、スイッチング素子Ｓ４、およびダイオードＤ２の接続点との間には、中間コンデンサ１２が接続されている。

第２プライマリ巻線２０は、自己インダクタとしての第１インダクタＬ１、自己インダクタとしての第２インダクタＬ２、および相互インダクタＭを直列接続したもので表される。相互インダクタＭの一端とスイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続点との間には第１インダクタＬ１が接続され、相互インダクタＭの他端とスイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続点との間には第２インダクタＬ２が接続されている。第１インダクタＬ１と第２インダクタＬ２は磁気的に結合してもよい。また、電源入力端子４２－２とセンタータップとの間にもインダクタ（リアクトル）が接続されてもよい。

電源入力端子４２－１と電源入力端子４２－２との間には、フィルタコンデンサＣｆが接続されている。また、電源入力端子４２－１と電源入力端子４２－２との間には交流電力源４０が接続されている。交流電力源４０が商用電源である場合には、電源入力端子４２－１および４２－２は商用電源用のコネクタに接続される。また、電源入力端子４２－１および４２－２にはケーブルを介して電源用プラグが接続され、その電源用プラグがＡＣアウトレットに差し込まれてもよい。

外部接続モードにおける力率改善スイッチング回路１０の動作について説明する。交流電力源４０は、電源入力端子４２－１および４２－２に入力交流電圧Ｖａｃを出力する。フィルタコンデンサＣｆは、力率改善スイッチング回路１０で発生し、交流電力源４０側に流出する高周波電流を抑制する。

制御部３８は、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４をそれぞれスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４に出力し、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４をオンオフ制御する。制御信号Ｃｎｉがハイであるときは、スイッチング素子Ｓｉはオンとなり、制御信号Ｃｎｉがローであるときは、スイッチング素子Ｓｉはオフとなる。ただし、ｉは１～４のうちいずれかの整数である。制御信号Ｃｎ２は制御信号Ｃｎ１に対してハイおよびローを反転したものであり、制御信号Ｃｎ４は、制御信号Ｃｎ３に対してハイおよびローを反転したものである。また、制御信号Ｃｎ３およびＣｎ４は、それぞれ、制御信号Ｃｎ１およびＣｎ２に対して位相が１８０°遅れている。

これによって、スイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２は、交互にオンオフする。すなわち、スイッチング素子Ｓ１がオフからオンになったときは、スイッチング素子Ｓ２はオンからオフになり、スイッチング素子Ｓ１がオンからオフになったときは、スイッチング素子Ｓ２は、オフからオンになる。同様に、スイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４は交互にオンオフする。スイッチング素子Ｓ１およびＳ２のオンオフの位相に対し、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４のオンオフの位相は１８０°遅れる。

制御部３８は、中間コンデンサ１２の端子間電圧とその目標値との差異、交流電力源４０と電源入力端子４２－２との間の経路を流れる入力電流ｉＬ、および交流電力源４０が出力する入力交流電圧Ｖａｃに応じて、制御信号Ｃｎ１～Ｃｎ４のデューティ比（時比率）を変化させる。これによって、電源入力端子４２－１および４２－２に流れる電流の時間波形を入力交流電圧Ｖａｃの時間波形に近似させ、または一致させると共に、電源入力端子４２－１および４２－２に流れる電流の位相を入力交流電圧Ｖａｃの位相に近似させ、または一致させる。

本実施形態においては、力率改善スイッチング回路１０に含まれるスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のうちのスイッチング素子Ｓ２が基準スイッチング素子である。

次に、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８の構成について説明する。主機スイッチング回路２４は、ハーフブリッジＷ、ハーフブリッジＸ、およびコンデンサＣ１を備えている。ハーフブリッジＷは、スイッチング素子Ｓ５の一端と、スイッチング素子Ｓ６一端とを接続したものである。スイッチング素子Ｓ５の両端には、スイッチング素子Ｓ６との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ６の両端には、スイッチング素子Ｓ５との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ５およびＳ６としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ５としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ６としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。

同様に、ハーフブリッジＸは、スイッチング素子Ｓ７の一端と、スイッチング素子Ｓ８の一端とを接続したものである。スイッチング素子Ｓ７の両端には、スイッチング素子Ｓ８との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ８の両端には、スイッチング素子Ｓ７との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子Ｓ７およびＳ８としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、スイッチング素子Ｓ７としてのＩＧＢＴのエミッタと、スイッチング素子Ｓ８としてのＩＧＢＴのコレクタとが接続される。

スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点と、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間には第１プライマリ巻線１８が接続されている。

ハーフブリッジＷおよびＸは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子Ｓ５の上側の端子とスイッチング素子Ｓ７の上側の端子とが接続され、スイッチング素子Ｓ６の下側の端子とスイッチング素子Ｓ８の下側の端子とが接続されている。ハーフブリッジＷおよびＸの上側の端子と、ハーフブリッジＷおよびＸの下側の端子との間には、コンデンサＣ１が接続されている。また、ハーフブリッジＷおよびＸの上側の端子には正極端子４２Ｐが接続され、ハーフブリッジＷおよびＸの下側の端子には負極端子４２Ｎが接続されている。さらに、正極端子４２Ｐと負極端子４２Ｎとの間には主機電池２６が接続されている。

補機スイッチング回路２８は、主機スイッチング回路２４と同様の構成を有している。補機スイッチング回路２８は、ハーフブリッジα、ハーフブリッジβ、およびコンデンサＣ２を備えている。補機スイッチング回路２８におけるハーフブリッジα、ハーフブリッジβ、およびコンデンサＣ２は、それぞれ、主機スイッチング回路２４における、ハーフブリッジＷ、ハーフブリッジＸ、およびコンデンサＣ１に対応する。ハーフブリッジαが備えるスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０は、それぞれ、ハーフブリッジＷが備えるスイッチング素子Ｓ５およびＳ６に対応する。ハーフブリッジβが備えるスイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２は、それぞれ、ハーフブリッジＸが備えるスイッチング素子Ｓ７およびＳ８に対応する。

スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続点と、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点との間にはセカンダリ巻線２２が接続されている。また、ハーフブリッジαおよびβの上側の端子には正極端子４４Ｐが接続され、ハーフブリッジαおよびβの下側の端子には負極端子４４Ｎが接続されている。さらに、正極端子４４Ｐと負極端子４４Ｎとの間には補機電池３０および補機回路３２が並列に接続されている。

本実施形態においては、補機スイッチング回路２８に含まれるスイッチング素子Ｓ５～Ｓ８のうちのスイッチング素子Ｓ６が基準スイッチング素子であり、補機スイッチング回路２８に含まれるスイッチング素子Ｓ９～Ｓ１２のうちのスイッチング素子Ｓ１０が基準スイッチング素子である。

外部接続モードにおける主機スイッチング回路２４の動作について説明する。力率改善スイッチング回路１０から第２プライマリ巻線２０に印加された電圧に応じて第１プライマリ巻線１８に電圧が発生し、第１プライマリ巻線１８に発生した電圧がスイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点と、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間に印加される。

制御部３８は、制御信号Ｃｎ５～Ｃｎ８をそれぞれスイッチング素子Ｓ５～Ｓ８に出力し、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ８をオンオフ制御する。制御信号Ｃｎｉがハイであるときは、スイッチング素子Ｓｉはオンとなり、制御信号Ｃｎｉがローであるときは、スイッチング素子Ｓｉはオフとなる。ただし、ｉは５～８のうちいずれかの整数である。制御信号Ｃｎ６は制御信号Ｃｎ５に対してハイおよびローを反転させたものであり、制御信号Ｃｎ８は、制御信号Ｃｎ７に対してハイおよびローを反転させたものである。また、制御信号Ｃｎ７およびＣｎ８は、それぞれ、制御信号Ｃｎ５およびＣｎ６に対して位相が１８０°遅れている。

これによってスイッチング素子Ｓ５およびＳ６は交互にオンオフし、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８は交互にオンオフする。スイッチング素子Ｓ５およびＳ６のオンオフの位相に対し、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８のオンオフの位相は１８０°遅れる。制御部３８は、主機スイッチング回路２４のデューティ比を、力率改善スイッチング回路１０のデューティ比に一致させる。

制御部３８は、コンデンサＣ１の端子間電圧とその目標値との差異に応じて、主機スイッチング回路２４をスイッチングする位相と、力率改善スイッチング回路１０をスイッチングする位相との差異を調整する。

外部接続モードにおける補機スイッチング回路２８の動作は、主機スイッチング回路２４の動作と同様である。力率改善スイッチング回路１０から第２プライマリ巻線２０に印加された電圧に応じてセカンダリ巻線２２に電圧が発生し、セカンダリ巻線２２に発生した電圧がスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続点と、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点との間に印加される。

制御部３８は、制御信号Ｃｎ９～Ｃｎ１２をそれぞれスイッチング素子Ｓ９～Ｓ１２に出力し、スイッチング素子Ｓ９～Ｓ１２をオンオフ制御する。制御部３８は、コンデンサＣ２の端子間電圧とその目標値との差異に応じて、補機スイッチング回路２８をスイッチングする位相と、力率改善スイッチング回路１０をスイッチングする位相との差異を調整する。

独立電力変換モードでは、リレースイッチ１４がオフになって力率改善スイッチング回路１０が第２プライマリ巻線２０から切り離される。力率改善スイッチング回路１０のスイッチングは停止される。車載用電力変換装置１は、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８のスイッチングによって、主機電池２６から補機負荷３４に電力を供給する。例えば制御部３８は、コンデンサＣ２の端子間電圧と、その目標値との差異に応じて、主機スイッチング回路２４をスイッチングする位相と、補機スイッチング回路２８をスイッチングする位相との差を調整する。

車載用電力変換装置１では、セカンダリ巻線２２に対する第１プライマリ巻線１８の巻線比と、補機電池３０に対する主機電池２６の出力電圧比を同一としてよい。このような設計の下で、独立電力変換モードにおいて、主機スイッチング回路２４および補機スイッチング回路２８が備える各スイッチング素子のデューティ比を０．５とすることで、スイッチング損失等に起因する電力損失が抑制される。上記のように、電動自動車では主機電池２６の出力電圧の方が、補機電池３０の出力電圧よりも大きい。本実施形態に係る車載用電力変換装置１によれば、必ずしも第１プライマリ巻線１８の巻き数を増加させなくとも、セカンダリ巻線２２に対する第１プライマリ巻線１８の端子間電圧比を大きくすることができる。これによって、第１プライマリ巻線１８における損失が抑制されると共に、主機スイッチング回路２４から補機スイッチング回路２８に電力が伝送される際の損失が抑制される。

１ 車載用電力変換装置、１０ 力率改善スイッチング回路、１２ 中間コンデンサ、１４ リレースイッチ、１６ トランス、１８ 第１プライマリ巻線、２０ 第２プライマリ巻線、２２ セカンダリ巻線、２４ 主機スイッチング回路、２６ 主機電池、２８ 補機スイッチング回路、３０ 補機電池、３２ 補機回路、３４ 補機負荷、３８ 制御部、４０ 交流電力源、４２－１，４２－２ 電源入力端子、４２Ｐ，４４Ｐ 正極端子、４２Ｎ，４４Ｎ 負極端子。

Claims (7)

1. 力率改善スイッチング回路と、主機スイッチング回路と、補機スイッチング回路と、を備える車載用電力変換装置において、
   交流電力源から電力を取得した前記力率改善スイッチング回路から、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路の両者に電力を供給する外部接続モード、または、
   前記力率改善スイッチング回路から前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路の両者に供給する電力が遮断され、前記主機スイッチング回路から前記補機スイッチング回路に電力が供給される独立電力変換モードのいずれかの動作モードで動作し、
   前記補機スイッチング回路は、
   前記外部接続モードでの動作時に、補機負荷に出力する電力を所定範囲内に制限することを特徴とする車載用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の車載用電力変換装置において、
   前記補機スイッチング回路は、
   前記独立電力変換モードでの動作時に、前記補機負荷に出力する電力を定格値以下に制限し、
   前記外部接続モードでの動作時に、前記補機負荷に出力する電力を前記定格値よりも小さいリミット値以下に制限することを特徴とする車載用電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車載用電力変換装置において、
   前記補機負荷に含まれる補機電池の出力電圧に応じて、前記外部接続モードまたは前記独立電力変換モードのいずれかの動作モードで動作することを特徴とする車載用電力変換装置。
4. 請求項３に記載の車載用電力変換装置において、
   前記外部接続モードでの動作時に、前記補機電池の出力電圧が、下限値を超える値から当該下限値以下の値となったときに、前記外部接続モードから前記独立電力変換モードに動作モードが切り換わることを特徴とする車載用電力変換装置。
5. 請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置において、
   前記独立電力変換モードでの動作時に、前記補機電池の出力電圧が、基準値未満の値から当該基準値以上の値となったときに、前記独立電力変換モードから前記外部接続モードに動作モードが切り換わることを特徴とする車載用電力変換装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置において、
   前記力率改善スイッチング回路、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれは、基準スイッチング素子を備え、
   前記外部接続モードでの動作時に、前記力率改善スイッチング回路、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれが備える前記基準スイッチング素子は、同一のデューティ比でスイッチングを行い、
   前記独立電力変換モードでの動作時に、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれが備える前記基準スイッチング素子は、同一のデューティ比でスイッチングを行うことを特徴とする車載用電力変換装置。
7. 請求項６に記載の車載用電力変換装置において、
   前記独立電力変換モードでの動作時に、前記主機スイッチング回路および前記補機スイッチング回路のそれぞれが備える前記基準スイッチング素子は、０．４以上０．６以下のデューティ比でスイッチングを行うことを特徴とする車載用電力変換装置。