JP7482355B2 - Ｄｃｄｃコンバータおよび電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、各種電子機器に使用されるＤＣＤＣコンバータおよび電源装置に関する。
図５は従来の電源装置の構成を示した回路ブロック図である。電源装置１は、バッテリー２、３と、バッテリー２、３の間に配置されたスイッチング素子４、５とリアクトル６とを有している。
電源装置１の起動時には、バッテリー２、３の電圧に対応して、スイッチング素子４のオン時間とスイッチング素子５のオン時間の比率が決定されたうえでスイッチング素子４、５のオン、オフ動作が始められる。
電源装置１に類似の従来の電源装置は、例えば特許文献１に開示されている。
ＤＣＤＣコンバータは、第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子の一端に接続点で接続された一端を有する第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子の他端に接続された高圧正端部と、第２スイッチング素子の他端に接続された高圧負端部と、第２スイッチング素子の他端に接続された低圧負端部と、接続点に接続された一端を有するインダクタンス素子と、インダクタンス素子の他端に接続された低圧正端部と、起動信号を受信するように構成された起動信号受信部と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを相補的にオンするように制御するように構成された制御部とを備える。制御部は、起動信号受信部が起動信号を受信したことに応じて、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とのうちの一方のスイッチング素子をオンして他方のスイッチング素子をオフする第１オン期間と、上記一方のスイッチング素子をオフして上記他方のスイッチング素子をオンして第１オン期間に引き続く第２オン期間とよりそれぞれなる複数の制御周期を連続的に繰り返す。制御部は、高圧正端部と高圧負端部との間の高圧側電圧と、低圧正端部と低圧負端部との間の低圧側電圧とに基づいて第１オン期間の長さと第２オン期間の長さとを決定する。制御部は、複数の制御周期のうちの最初の制御周期の第１オン期間において第１オン期間の決定した長さより短い初期オン期間に上記一方のスイッチング素子をオンして、かつ最初の制御周期の第１オン期間のうちの初期オン期間の他の期間に上記一方のスイッチング素子と上記他方のスイッチング素子とをオフする。制御部は、複数の制御周期のうちの最初の制御周期の他の１つ以上の制御周期のそれぞれの第１オン期間において第１オン期間の決定した長さで上記一方のスイッチング素子をオンして上記他方のスイッチング素子をオフする。制御部は、複数の制御周期のそれぞれの第２オン期間の決定した長さで一方のスイッチング素子をオフして上記他方のスイッチング素子をオンする。
このＤＣＤＣコンバータは、起動時に不要な電流の発生や外部への不要な電力供給を抑制する。
図１は本発明の実施の形態におけるＤＣＤＣコンバータ１１の回路ブロック図である。ＤＣＤＣコンバータ１１は、スイッチング素子１２とスイッチング素子１３との直列体１４と、高圧正端部１５と高圧負端部１６と、インダクタンス素子１７と、低圧正端部１８と低圧負端部１９と、起動信号受信部２０と、制御部２１と、を含む。
高圧正端部１５は直列体１４の一端１４Ａに接続され、高圧負端部１６は直列体１４の他端１４Ｂに接続されている。スイッチング素子１２とスイッチング素子１３との接続点Ｊ１には、インダクタンス素子１７の一端が接続されている。インダクタンス素子１７の他端は低圧正端部１８に接続されている。低圧負端部１９は、直列体１４の他端１４Ｂあるいは高圧負端部１６に接続されている。
このように、スイッチング素子１２は一端１２Ａと他端１２Ｂとを有する。スイッチング素子１３は、スイッチング素子１２の一端１２Ａに接続点Ｊ１で接続された一端１３Ａと、他端１３Ｂとを有する。高圧正端部１５はスイッチング素子１２の他端１２Ｂに接続されている。高圧負端部１６は、スイッチング素子１３の他端１３Ｂに接続されている。低圧負端部１９はスイッチング素子１３の他端１３Ｂに接続されている。インダクタンス素子１７は、接続点Ｊ１に接続された一端１７Ａと、他端１７Ｂとを有する。低圧正端部１８はインダクタンス素子１７の他端１７Ｂに接続されている。
起動信号受信部２０は起動信号ＳＧを受信するように構成されている。制御部２１は、起動信号受信部２０を介して起動信号ＳＧを検出する。制御部２１は高圧正端部１５と高圧負端部１６との間の電圧である高圧側電圧ＶＨを検出する。制御部２１は低圧正端部１８と低圧負端部１９との間の電圧である低圧側電圧ＶＬを検出する。制御部２１は所定の時間間隔で連続して繰り返す複数の制御周期Ｔにおけるスイッチング素子１２、１３の双方のオン期間の長さを決定して、詳細には制御周期Ｔの長さに対するオン期間の比であるデューティを決定してスイッチング素子１２、１３の動作を制御する。
ここで、制御部２１は起動信号ＳＧを検出すると、高圧側電圧ＶＨを検出して高電圧値ＶＨ１を得て、低圧側電圧ＶＬを検出して低電圧値ＶＬ１を得る。そして、制御部２１は、高電圧値ＶＨ１と低電圧値ＶＬ１とに対応して、スイッチング素子１２をオンするオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１と、スイッチング素子１３をオンするオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２とを決定する。具体的には、また、制御部２１は、連続する複数の制御周期Ｔのうちの起動信号ＳＧを検出した後の最初の制御周期Ｔｆにおいて、オン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２のうち先行するオン期間の長さを短縮する。
制御部２１は、スイッチング素子１２、１３を相補的にオンオフする。具体的には、制御部２１は、オン期間Ｔｏｎ１にスイッチング素子１２をオンしてスイッチング素子１３をオフにする。さらに制御部２１はオン期間Ｔｏｎ２にスイッチング素子１２をオフしてスイッチング素子１３をオフする。
以上の構成および動作により、ＤＣＤＣコンバータ１１が起動する際にスイッチング素子１２、１３のうち先行してオンされたスイッチング素子に流れる方向に平均的に生じる定常出力電流を抑制する。ＤＣＤＣコンバータ１１が起動する際に、容易な制御で短時間のうちに、先行してオンされたスイッチング素子に流れる方向に平均的に生じる定常電流が抑制され、ＤＣＤＣコンバータ１１は何れの方向にも電流が流れない平衡状態に近い状態に制御される。この結果、高圧正端部１５、高圧負端部１６および低圧正端部１８、低圧負端部１９に対して不要な電力供給が抑制される。このため、高圧正端部１５、高圧負端部１６に接続された高電圧バッテリー２２や、低圧正端部１８、低圧負端部１９に接続された低電圧バッテリー２３に特性劣化などの悪影響が抑制される。
図５に示す従来の電源装置１では、バッテリー２、３の電圧の比率に応じてスイッチング素子４のオン時間とスイッチング素子５のオン時間との基準時比率が決定されたうえでスイッチング素子４、５のオン、オフ動作が始められ継続される。しかしながら、電源装置１の起動時にスイッチング素子４、５のうち、先にオンしたスイッチに流れる方向に生じる電流が偏ってしまい、期初の定常電流としてリアクトル６に流れる。
この結果、期初の定常電流をゼロにするために、スイッチング素子４、５のオン時間の時比率を一時的に、バッテリー２、３との電圧の比率で決定された基準時比率とは異なった値に制御し、さらに、平均電流が０になった時点で再度時比率を基準時比率にするよう制御することが必要となる。のみならず、電源装置１が起動される毎に平均電流による不要な充放電が生じることで、電源装置１に接続されたバッテリー２、３の劣化が進行するおそれがある。
以下、ＤＣＤＣコンバータ１１の構成および動作についての詳細を説明する。図２はＤＣＤＣコンバータ１１を搭載した車両２６の回路ブロック図である。図３はＤＣＤＣコンバータ１１の動作を示すタイミングチャートである。
図３のタイミングチャートは比較例のＤＣＤＣコンバータ５００の動作を併せて示す。比較例のＤＣＤＣコンバータ５００が起動する際には、１周期目の制御周期Ｔでオン期間Ｔｏｎ２とオン期間Ｔｏｎ１とがこの順で実施される。この場合、出力電流Ｉｏｕｔはタイミングｔ０からタイミングｔ２までのオン期間Ｔｏｎ２で幅ｄＩだけ下降して、タイミングｔ２における出力電流Ｉｏｕｔは１周期目の制御周期Ｔにおける最小値－ｄＩとなる。その後、出力電流Ｉｏｕｔはタイミングｔ２からタイミングｔ３までのオン期間Ｔｏｎ１で出力電流Ｉｏｕｔは幅ｄＩだけ上昇して、タイミングｔ３において１周期目の制御周期Ｔにおける最大値のゼロとなる。
比較例のＤＣＤＣコンバータ５００では、複数の制御周期Ｔにわたる出力電流Ｉｏｕｔの平均値である定常出力電流は、前述のように最大値がゼロであることから継続して負の値を有する。本実施の形態におけるＤＣＤＣコンバータ１１は、比較例のＤＣＤＣコンバータ５００で起動時に生じる出力電流Ｉｏｕｔを小さな値に抑制する。
先ず、ＤＣＤＣコンバータ１１およびＤＣＤＣコンバータ１１が搭載された車両２６の構成について説明する。ＤＣＤＣコンバータ１１は、スイッチング素子１２、１３の直列体１４と、高圧正端部１５と、高圧負端部１６と、インダクタンス素子１７と、低圧正端部１８と、低圧負端部１９と、起動信号受信部２０と、制御部２１と、入力コンデンサ２４と、出力コンデンサ２５とを含む。
高圧正端部１５には高電圧バッテリー２２の正極が接続され、高圧負端部１６には高電圧バッテリー２２の負極が接続されている。また、低圧正端部１８には低電圧バッテリー２３の正極が接続され、低圧負端部１９には低電圧バッテリー２３の負極が接続されている。高電圧バッテリー２２は定格電圧ＶＨＣを有し、低電圧バッテリー２３は定格電圧ＶＬＣを有する。定格電圧ＶＨＣは定格電圧ＶＬＣよりも高い。
ＤＣＤＣコンバータ１１と高電圧バッテリー２２と低電圧バッテリー２３とは車両２６の車体２７に配置されている。実施の形態では、例えば低電圧バッテリー２３は車両２６に搭載された補機２８へ電力を供給するための蓄電池であり、高電圧バッテリー２２は車両２６に搭載された駆動用動力負荷２９などへ電力を供給するための蓄電池である。また、ＤＣＤＣコンバータ１１は双方向の動作が可能である。言い換えると、ＤＣＤＣコンバータ１１は降圧動作によって高電圧バッテリー２２の電力によって低電圧バッテリー２３を充電することが可能である。そして、ＤＣＤＣコンバータ１１は昇圧動作によって低電圧バッテリー２３の電力によって高電圧バッテリー２２を充電することが可能である。
制御部２１は、制御回路と記憶回路と駆動回路と検出回路とを含む。制御回路と記憶回路と駆動回路と検出回路とは制御部２１にユニット化された状態で設けられていてよい。あるいは、制御回路、記憶回路、駆動回路、検出回路のそれぞれは分散して配置されていても、統合化されて配置されていてよい。
高圧正端部１５は直列体１４の一端１４Ａに接続され、高圧負端部１６は直列体１４の他端１４Ｂに接続されている。入力コンデンサ２４の一端は直列体１４の一端１４Ａに接続され、入力コンデンサ２４の他端は直列体１４の他端１４Ｂに接続されている。あるいは、入力コンデンサ２４の一端は高圧正端部１５に接続され、入力コンデンサ２４の他端は高圧負端部１６に接続されている。スイッチング素子１２、１３の接続点Ｊ１にはインダクタンス素子１７の一端１７Ａが接続されている。インダクタンス素子１７の他端１７Ｂは低圧正端部１８に接続されている。また、低圧負端部１９は高圧負端部１６あるいは直列体１４の他端１４Ｂに接続されている。出力コンデンサ２５の一端は低圧正端部１８に接続され、出力コンデンサ２５の他端は低圧負端部１９に接続されている。
図１および図２で示した実施例ではスイッチング素子１２を高電位側アームとして、スイッチング素子１３は低電位側アームとして示している。また、スイッチング素子１２およびスイッチング素子１３はＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）よりなるが、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの他の半導体スイッチが用いられてもよい。また、図１および図２で示した実施例では、スイッチング素子１２、１３にそれぞれ並列にダイオード１２Ｄ、１３Ｄが接続されている。スイッチング素子１２の正電極側にダイオード１２Ｄのカソードが接続され、スイッチング素子１２の負電極側にダイオード１２Ｄのアノード接続されている。スイッチング素子１３の正電極側にダイオード１３Ｄのカソードが接続され、スイッチング素子１３の負電極側にダイオード１３Ｄのアノード接続されている。スイッチング素子１２、１３がダイオード１２Ｄ、１３Ｄを寄生ダイオードとしてそれぞれ有する場合、外付けでダイオード１２Ｄ、１３Ｄが設けられる必要はない。
以下に、ＤＣＤＣコンバータ１１およびＤＣＤＣコンバータ１１が搭載された車両２６の動作、あるいは、ＤＣＤＣコンバータ１１と高電圧バッテリー２２と低電圧バッテリー２３とを有する電源装置３２が搭載された車両２６の動作について説明する。
車両２６の搭乗者が起動スイッチ３０に対して車両２６を起動させるための操作を実行することによって、起動スイッチ３０は起動信号ＳＧを起動信号受信部２０へ発信する。そして、制御部２１は、起動信号受信部２０を介してタイミングｔ０で起動信号ＳＧを検出する。タイミングｔ０以前の期間において、スイッチング素子１２、１３は初期状態として双方共にオフとなっている。いいかえると、タイミングｔ０以前の期間においてＤＣＤＣコンバータ１１は動作していない。
タイミングｔ０で起動信号ＳＧを検出すると、制御部２１は高圧正端部１５と高圧負端部１６との間の電圧である高圧側電圧ＶＨを検出する。言い換えるとタイミングｔ０で、制御部２１は高電圧バッテリー２２の電圧である高圧側電圧ＶＨを検出する。また、制御部２１は低圧正端部１８と低圧負端部１９との間の電圧である低圧側電圧ＶＬを検出する。言い換えると、制御部２１は低電圧バッテリー２３の電圧である低圧側電圧ＶＬを検出する。制御部２１が高圧側電圧ＶＨおよび低圧側電圧ＶＬは同時に検出しても異なるタイミングで検出してもよい。制御部２１への処理能力の負担を考慮すると、制御部２１は高圧側電圧ＶＨおよび低圧側電圧ＶＬを異なるタイミングで検出することが望ましい。ただし、その場合でも、それらのタイミングの時間差は、通常、１秒以下のミリセカンド単位の短時間である。このため、高圧側電圧ＶＨおよび低圧側電圧ＶＬを検出するタイミングが異なった場合であっても問題は無い。
またタイミングｔ０で、制御部２１は制御部２１における演算や制御のタイミングのために、制御部２１の内部でタイマー信号を生成する。タイマー信号は所定の長さＬＴを有する制御周期Ｔごとに生成される。ここで制御周期Ｔの長さＬＴは予め制御部２１において設定された値や記憶された値であり、制御周期Ｔの長さＬＴは例えばインダクタンス素子１７の定数や、インダクタンス素子１７の定数と出力コンデンサ２５の定数とによって設定される。
タイミングｔ０で検出された高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨと低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬとに基づき、制御部２１は演算によりスイッチング素子１２がオンするオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１と、スイッチング素子１３がオンするオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２とを決定する。ここでは、ＤＣＤＣコンバータ１１が高電圧バッテリー２２と低電圧バッテリー２３との双方で、充電と放電とが生じない値となるようにオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１とオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２とが決定される。言い換えると、電圧ＶＨと電圧ＶＬとに基づき、制御部２１はインダクタンス素子１７に流れる電流の平均値がゼロとなって見かけ上の電流が流れないように、オン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２の長さＬＴ１、ＬＴ２すなわち、制御周期Ｔの長さＬＴに対するオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１の比であるデューティまたは制御周期Ｔの長さＬＴに対するオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２の比であるデューティを決定する。
たとえば、検出された電圧ＶＨが５０Ｖ、電圧ＶＬが２０Ｖであった場合、オン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１のオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２に対する比率は概ね２／３となる。言い換えるとオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１の制御周期Ｔの長さＬＴに対する比率は概ね２／５となる。制御周期Ｔの長さＬＴはオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１とオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２とデッドタイムの長さとの総和である。デッドタイムではスイッチング素子１２、１３が同時にオフすることで、現実には動作の遅れや立上がり時間のためにスイッチング素子１２、１３に電流が同時に流れて高圧正端部１５と高圧負端部１６とに過大な電流が流れたり、スイッチング素子１２、１３が破損したりすることを防止する。デッドタイムやＤＣＤＣコンバータ１１での回路内の損失などによって、実際の制御ではオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１のオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２に対する比率は正確には２／３としては設定されない。あるいは、オン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１の制御周期Ｔの長さＬＴに対する比率は正確には２／５としては設定されない。図３のタイミングチャートでは図示を簡素化するために、一例として、検出された電圧ＶＨが２４Ｖ、電圧ＶＬが１２Ｖの場合でオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１のオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２に対する比率が１に設定された動作を示す。また、デッドタイムはオン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２に比べて非常に短いので、便宜上、デッドタイムは省略したうえで動作を説明する。制御部２１はスイッチング素子１２、１３を相補的にオンする、すなわちスイッチング素子１２をオンしている状態ではスイッチング素子１３をオフし、スイッチング素子１３をオンしている状態ではスイッチング素子１２をオフするが、上記のごく短いデッドタイムとではスイッチング素子１２、１３を同時にオフすることもある。ただし、制御部２１はスイッチング素子１２、１３を同時にオンしない。
オン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２の長さＬＴ１、ＬＴ２を決定すると、制御部２１はスイッチング素子１２、１３のスイッチング動作を始めさせる。ここで、ＤＣＤＣコンバータ１１が、高電圧バッテリー２２と低電圧バッテリー２３との双方で充電と放電とが生じないようにオン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２の長さＬＴ１、ＬＴ２は２周期目の制御周期Ｔ以後に設定する。
連続して繰り返される複数の制御周期Ｔのうちタイミングｔ０から始まる１周期目の制御周期Ｔｆでは、先行してオン状態となる低電位側アームのスイッチング素子１３のオン期間Ｔｏｎ２内の初期オン期間Ｔｏｎ２ｆの長さＬＴ２ｆは、上記の制御部２１の演算によって決定されたオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２よりも短い。１周期目の制御周期Ｔｆでの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆはタイミングｔ０よりも後のタイミングｔ１から始まる。図３に示す動作では、オン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１のオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２に対する比率が１に設定されているので、制御周期Ｔｆあるいは制御周期Ｔの半周期となるタイミングｔ２で１周期目の制御周期Ｔｆでの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆすなわちオン期間Ｔｏｎ２は終了する。そして、タイミングｔ２からタイミングｔ３までのオン期間Ｔｏｎ１で制御部２１はスイッチング素子１２をオン状態としスイッチング素子１３をオフ状態とする。
ここでは、上記のように初期オン期間Ｔｏｎ２ｆはタイミングｔ０よりも後のタイミングｔ１から始まる。このためスイッチング素子１３がオン状態となっておりスイッチング素子１２がオフ状態になっているときにインダクタンス素子１７に流れる出力電流Ｉｏｕｔは図３中の方向Ｄｒへと向かう。しかしながら制御周期Ｔｆでの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆはオン期間Ｔｏｎ２よりも短く設定されるので、タイミングｔ２における出力電流Ｉｏｕｔの値は１周期目の制御周期Ｔｆにおける最小値－ｄＩ／２となる。図３のタイミングチャートにおける負の値の出力電流Ｉｏｕｔは、図１もしくは図２に示すインダクタンス素子１７における方向Ｄｒに流れる。
そして、タイミングｔ２からタイミングｔ３までのオン期間Ｔｏｎ１でスイッチング素子１２がオン状態となってスイッチング素子１３がオフ状態になっているときに出力電流Ｉｏｕｔは方向Ｄｆに流れる。オン期間Ｔｏｎ１に出力電流Ｉｏｕｔは幅ｄＩだけ上昇して、タイミングｔ３において出力電流Ｉｏｕｔの値は１周期目の制御周期Ｔｆにおける最大値ｄＩ／２となる。
その後、タイミングｔ３からタイミングｔ５までの２周期目の制御周期Ｔ以降では、制御周期Ｔは先に制御部２１はオン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２を決定した長さＬＴ１、ＬＴ２にそれぞれ設定する。ここでは先と同様に、オン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１のオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２に対する比率が１に設定されている。したがって、タイミングｔ３からタイミングｔ４までのオン期間Ｔｏｎ２ではスイッチング素子１３がオン状態となってスイッチング素子１２がオフ状態になっている。そして、タイミングｔ４からタイミングｔ５までのオン期間Ｔｏｎ１にスイッチング素子１２がオン状態となりスイッチング素子１３がオフ状態となる。
タイミングｔ３からタイミングｔ４までのオン期間Ｔｏｎ２で出力電流Ｉｏｕｔは幅ｄＩだけ下降して、タイミングｔ４における出力電流Ｉｏｕｔは２周期目の制御周期Ｔにおける最小値－ｄＩ／２となる。さらにタイミングｔ４からタイミングｔ５までのオン期間Ｔｏｎ１で出力電流Ｉｏｕｔは幅ｄＩだけ上昇して、タイミングｔ５において出力電流Ｉｏｕｔの値は２周期目の制御周期Ｔにおける最大値ｄＩ／２となる。
このように、１周期目の制御周期Ｔｆでの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆを、制御部２１が演算によって高電圧値ＶＨ１と低電圧値ＶＬ１とに基づいて決定されてオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２よりも短い長さＬＴ２ｆとすることで、出力電流Ｉｏｕｔの制御周期Ｔにおける最大値ｄＩ／２と最小値－ｄＩ／２とが制御周期Ｔの半周期ごとに絶対値が互いに等しく極性が互いに反転する。この結果、単一の制御周期Ｔや複数の制御周期Ｔにわたって得た出力電流Ｉｏｕｔの平均値Ｉａｖである定常出力電流は概ねゼロであるの非常に小さな値となる。さらに、定常出力電流が概ねゼロである非常に小さな値となるためにかかる期間は概ね制御周期Ｔであり、非常に短い時間での簡単な制御によって定常出力電流を非常に小さな値にすることができる。
したがって、ＤＣＤＣコンバータ１１が起動する際にスイッチング素子１２、１３のうち先行してオンスイッチング素子に流れる方向に生じる定常出力電流を容易な制御で抑制することができ、方向Ｄｒ、Ｄｆのいずれにも平均的に出力電流Ｉｏｕｔが流れない平衡状態に近い状態に制御される。この結果、不要な充放電に伴う電力供給が抑制される。このため、高電圧バッテリー２２や低電圧バッテリー２３に特性劣化などの悪影響が抑制される。
また、１周期目の制御周期Ｔｆで初期オン期間Ｔｏｎ２ｆの長さＬＴ２ｆは、制御部２１によって高電圧値ＶＨ１と低電圧値ＶＬ１とに基づいて決定されたオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２よりも概ね半分に短縮することが望ましい。これにより、単一の制御周期Ｔや複数の制御周期Ｔにわたって得た出力電流Ｉｏｕｔの平均値Ｉａｖである定常出力電流は極めてゼロに近い非常に小さな値となる。
上記の実施例では、１周期目の制御周期Ｔｆでの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆの長さＬＴ２ｆは、オン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２の半分に短縮されているので、タイミングｔ２における出力電流Ｉｏｕｔはインダクタンス素子１７に方向Ｄｒに流れ、その値は１周期目の制御周期Ｔｆにおける最小値－ｄＩ／２となり、望ましい定常出力電流が得られる。しかしながら、１周期目の制御周期Ｔｆでの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆの長さＬＴ２ｆはオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２の半分に限らず、長さＬＴ２よりも短縮されることで、定常出力電流を抑制できる。
以上の説明では、１周期目の制御周期Ｔｆで初期オン期間Ｔｏｎ２ｆ、制御部２１の演算によって高電圧値ＶＨ１と低電圧値ＶＬ１とに基づいて決定されたオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２よりも短縮することで、出力電流Ｉｏｕｔの最大値と最小値との極性が制御周期Ｔｆで互いに反転することにより、定常出力電流が抑制される。いいかえると、１周期目の制御周期Ｔｆと２周期目以降の制御周期Ｔとは同じ長さを有し、１周期目の制御周期Ｔｆは、オン期間Ｔｏｎ１と、初期オン期間Ｔｏｎ２ｆと、タイミングｔ０からタイミングｔ１までの休止期間Ｔｓとによって構成されている。制御部２１は休止期間Ｔｓではスイッチング素子１２、１３をオフ状態にする。制御部２１はスイッチング素子１２、１３を相補的にオンするが、デッドタイムに加えて休止期間Ｔｓでもスイッチング素子１２、１３を同時にオフする。
タイミングｔ０からタイミングｔ１までの休止期間Ｔｓの長さを短く例えばゼロにして設けずに、１周期目の制御周期Ｔｆは２周期目以降の制御周期Ｔよりも短く設定してもよい。そして、１周期目の制御周期Ｔｆは、オン期間Ｔｏｎ１と初期オン期間Ｔｏｎ２ｆとのみによって構成されていてもよい。
ここまでのＤＣＤＣコンバータ１１の動作についての説明では、スイッチング素子１２、１３の特に１周期目の制御周期Ｔｆにおける動作と２周期目以降で繰り返される制御周期Ｔでの動作について説明した。上記の説明では、ＤＣＤＣコンバータ１１のオン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２の長さＬＴ１、ＬＴ２を、タイミングｔ０で検出した高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨと低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬとに基づいて決定する。２周期目以降の制御周期Ｔでは、タイミングｔ０で検出された高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨと低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬの値の少なくとも一方が、高電圧バッテリー２２の基準電圧ＶＨＲと低電圧バッテリー２３の基準電圧ＶＬＲと異なっているときのＤＣＤＣコンバータ１１の動作について説明する。ここで説明する動作は、２周期目以降の制御周期Ｔであれば３周期目あるいはそれ以降の制御周期Ｔで行われてもよい。
先にも述べたように、タイミングｔ０で、制御部２１は高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨを検出し、低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬを検出する。ここで制御部２１は、制御部２１において予め設定された値や予め記憶された値である高電圧バッテリー２２の基準電圧ＶＨＲと検出した高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨとを比較する。また、制御部２１は制御部２１において予め設定された値や予め記憶された値であるや低電圧バッテリー２３の基準電圧ＶＬＲと検出した低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬとを比較する。これらの電圧の比較はタイミングｔ０において実施される。あるいは、これらの電圧の比較はタイミングｔ０からタイミングｔ３までの制御周期Ｔｆの任意のタイミングで実施されてもよい。
ここで、高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨと高電圧バッテリー２２の基準電圧ＶＨＲとの値が異なる場合、あるいは高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨの値と高電圧バッテリー２２の基準電圧ＶＨＲとの値が所定値以上離れた値となっている場合、２周期目以降の制御周期ＴでＤＣＤＣコンバータ１１は高電圧バッテリー２２を充電もしくは放電し、高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨと低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬとを、それぞれ基準電圧ＶＨＲ、ＶＬＲにするように調整する。
例えば、電圧ＶＨが基準電圧ＶＨＲよりも低い場合、ＤＣＤＣコンバータ１１は昇圧動作を行い、高電圧バッテリー２２を低電圧バッテリー２３の電力を用いて充電する。また、電圧ＶＨが基準電圧ＶＨＲよりも高い場合、ＤＣＤＣコンバータ１１は降圧動作を行い、高電圧バッテリー２２の電力を放電させることによって低電圧バッテリー２３を充電する。またあるいは、電圧ＶＨが基準電圧ＶＨＲよりも高いとき、ＤＣＤＣコンバータ１１は降圧動作を行い、高電圧バッテリー２２の電力を補機２８へ放電させてもよい。
この一方で、低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬと低電圧バッテリー２３の基準電圧ＶＬＲとの値が異なる場合、あるいは低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬの値と低電圧バッテリー２３の基準電圧ＶＬＲとの値が所定値以上離れた値となっている場合、２周期目以降の制御周期ＴでＤＣＤＣコンバータ１１は低電圧バッテリー２３を充電もしくは放電する。そして、高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨと低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬとをそれぞれ基準電圧ＶＨＲ、ＶＬＲにするよう調整する。
例えば、電圧ＶＬが基準電圧ＶＬＲよりも低い場合、ＤＣＤＣコンバータ１１は降圧動作を行い、低電圧バッテリー２３を高電圧バッテリー２２の電力を用いて充電する。また、電圧ＶＬが基準電圧ＶＬＲよりも高い場合、ＤＣＤＣコンバータ１１は昇圧動作を行い、低電圧バッテリー２３の電力を放電させることによって高電圧バッテリー２２を充電する。あるいは、電圧ＶＬが基準電圧ＶＬＲよりも高いとき、ＤＣＤＣコンバータ１１は昇圧動作を行い、低電圧バッテリー２３の電力を駆動用動力負荷２９へ放電させてもよい。
上記の動作は一例であり、高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨが高電圧バッテリー２２の基準電圧ＶＨＲよりも低く、かつ、低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬが低電圧バッテリー２３の基準電圧ＶＬＲよりも低い場合では、２周期目以降の制御周期Ｔにおいて、制御部２１は低電圧バッテリー２３に接続された発電回路３１によって低電圧バッテリー２３の電圧ＶＬを基準電圧ＶＬＲまで上昇させるように低電圧バッテリー２３を充電しつつ、ＤＣＤＣコンバータ１１は昇圧動作を行い、発電回路３１の電力を用いて高電圧バッテリー２２の電圧ＶＨを基準電圧ＶＨＲにするように高電圧バッテリー２２を充電すればよい。
ここで発電回路３１から低電圧バッテリー２３への電力供給に関する制御は、車両制御部が行う。あるいは、発電回路３１から低電圧バッテリー２３への電力供給に関する制御は、制御部２１が行ってもよい。ここで発電回路３１には発電機が含まれていてもよい。
以上のように、特に、車両２６に設けられている高電圧バッテリー２２や低電圧バッテリー２３の容量は大きいために定常出力電流は大きな突発的で電流値となる可能性がある。このため、１周期目の制御周期Ｔｆにおいて、あるいは限られた制御周期Ｔにおいてのみ定常出力電流が抑制され、以降の制御周期Ｔにおいては適正な電圧値への制御を行うことによっても突発的な電流の流入が回避でき、高電圧バッテリー２２や低電圧バッテリー２３に特性劣化などの悪影響が大幅に抑制される。
先にも述べたように、図１および図２で示した実施例ではスイッチング素子１２を高電位側アームとして、スイッチング素子１３は低電位側アームとして図示している。そして説明したようにスイッチングの動作はスイッチング素子１３である低電位側アームが先行してオン期間Ｔｏｎ２でオン状態となることで始まる。これは、スイッチング素子１３から動作を始めることにより、特にスイッチング素子１２およびスイッチング素子１３にＦＥＴが用いられる場合において、ドレイン端子及びソース端子には負の電位が印加された状態でスイッチング素子１３が動作し始めるので、低い電圧の値制御信号でスイッチング素子１３のスイッチング動作を制御でき、継続して動作するスイッチング素子１２のスイッチング動作を低い電圧の値制御信号で制御できる。
スイッチング素子１２に高い電圧の制御信号供給するブートストラップ回路が設けられることで、スイッチングの動作は高電位側アームであるスイッチング素子１２がオン動作することからから始められてもよい。図４はＤＣＤＣコンバータ１１のこの場合での動作を示すタイミングチャートである。図４において、図３に示す項目と同じものを同じ参照番号を付す。図４に示す動作では、制御周期Ｔのうちオン期間Ｔｏｎ２でスイッチング素子１２はオン状態となりスイッチング素子１３はオフ状態となる。オン期間Ｔｏｎ１でスイッチング素子１２はオフ状態となりスイッチング素子１３はオン状態となる。したがって。１周期目すなわち最初の制御周期Ｔｆの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆではスイッチング素子１２はオン状態となりスイッチング素子１３はオフ状態となる。オン期間Ｔｏｎ１でスイッチング素子１２はオフ状態となりスイッチング素子１３はオン状態となる。これにより、出力電流Ｉｏｕｔは図３で示す出力電流Ｉｏｕｔの極性が反転している。図４に示す動作でも出力電流Ｉｏｕｔの平均値Ｉａｖは図３に示すものと同様に概ねゼロの非常に小さい値にすることができる。
本実施例での高電圧バッテリー２２は鉛バッテリーやリチウムバッテリー、あるいは電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタが用いられてよい。低電圧バッテリー２３には、高電圧バッテリー２２と同様に鉛バッテリーやリチウムバッテリー、あるいは電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタが用いられてよい。
上述のように、制御部２１は、起動信号受信部２０が起動信号ＳＧを受信したことに応じて、スイッチング素子１２とスイッチング素子１３とのうちの一方のスイッチング素子をオンして他方のスイッチング素子をオフするオン期間Ｔｏｎ２と、上記一方のスイッチング素子をオフして上記他方のスイッチング素子をオンしてオン期間Ｔｏｎ２に引き続くオン期間Ｔｏｎ１とよりそれぞれなる複数の制御周期Ｔを連続的に繰り返す。制御部２１は、高圧正端部１５と高圧負端部１６との間の高圧側電圧ＶＨと、低圧正端部１８と低圧負端部１９との間の低圧側電圧ＶＬとに基づいてオン期間Ｔｏｎ２の長さＬＴ２とオン期間Ｔｏｎ１の長さＬＴ１とを決定する。制御部２１は、複数の制御周期Ｔのうちの最初の制御周期Ｔｆのオン期間Ｔｏｎ２においてオン期間Ｔｏｎ２の決定した長さＬＴ２より短い初期オン期間Ｔｏｎ２ｆに上記一方のスイッチング素子をオンして、かつ最初の制御周期Ｔｆのオン期間Ｔｏｎ２のうちの初期オン期間Ｔｏｎ２ｆの他の期間（休止期間Ｔｓ）に上記一方のスイッチング素子と上記他方のスイッチング素子とをオフする。制御部２１は、複数の制御周期Ｔのうちの最初の制御周期Ｔｆの他の１つ以上の制御周期のそれぞれのオン期間Ｔｏｎ２においてオン期間Ｔｏｎ２の決定した長さＬＴ２で上記一方のスイッチング素子をオンして上記他方のスイッチング素子をオフする。制御部２１は、複数の制御周期Ｔのそれぞれのオン期間Ｔｏｎ１の決定した長さＬＴ１で上記一方のスイッチング素子をオフして上記他方のスイッチング素子をオンする。
初期オン期間Ｔｏｎ２ｆの長さＬＴ２ｆはオン期間Ｔｏｎ２の決定された長さＬＴ２の半分であってもよい。
最初の制御周期Ｔｆにおいてオン期間Ｔｏｎ１は初期オン期間Ｔｏｎ２ｆに引き続いている。
上記一方のスイッチング素子はスイッチング素子１２であり、上記他方のスイッチング素子はスイッチング素子１３である。
もしくは、上記一方のスイッチング素子はスイッチング素子１３であり、上記他方のスイッチング素子はスイッチング素子１２である。
最初の制御周期Ｔｆのオン期間Ｔｏｎ２の長さは、オン期間Ｔｏｎ２の決定した長さＬＴ２より短い。
１１ ＤＣＤＣコンバータ
１２ スイッチング素子（第１スイッチング素子）
１３ スイッチング素子（第２スイッチング素子）
１４ 直列体
１５ 高圧正端部
１６ 高圧負端部
１７ インダクタンス素子
１８ 低圧正端部
１９ 低圧負端部
２０ 起動信号受信部
２１ 制御部
２２ 高電圧バッテリー
２３ 低電圧バッテリー
２４ 入力コンデンサ
２５ 出力コンデンサ
２６ 車両
２７ 車体
２８ 補機
２９ 駆動用動力負荷
３０ 起動スイッチ
３１ 発電回路
３２ 電源装置
Ｔ 制御周期
Ｔｏｎ１ オン期間（第２オン期間）
Ｔｏｎ２ オン期間（第１オン期間）
Ｔｏｎ２ｆ 初期オン期間
１２ スイッチング素子（第１スイッチング素子）
１３ スイッチング素子（第２スイッチング素子）
１４ 直列体
１５ 高圧正端部
１６ 高圧負端部
１７ インダクタンス素子
１８ 低圧正端部
１９ 低圧負端部
２０ 起動信号受信部
２１ 制御部
２２ 高電圧バッテリー
２３ 低電圧バッテリー
２４ 入力コンデンサ
２５ 出力コンデンサ
２６ 車両
２７ 車体
２８ 補機
２９ 駆動用動力負荷
３０ 起動スイッチ
３１ 発電回路
３２ 電源装置
Ｔ 制御周期
Ｔｏｎ１ オン期間（第２オン期間）
Ｔｏｎ２ オン期間（第１オン期間）
Ｔｏｎ２ｆ 初期オン期間
Claims (13)
- 一端と他端とを有する第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記一端に接続点で接続された一端と、他端とを有する第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記他端に接続された高圧正端部と、
前記第２スイッチング素子の前記他端に接続された高圧負端部と、
前記第２スイッチング素子の前記他端に接続された低圧負端部と、
前記接続点に接続された一端と、他端とを有するインダクタンス素子と、
前記インダクタンス素子の前記他端に接続された低圧正端部と、
起動信号を受信するように構成された起動信号受信部と、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを相補的にオンするように制御するように構成された制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記起動信号受信部が前記起動信号を受信したことに応じて、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とのうちの一方のスイッチング素子をオンして他方のスイッチング素子をオフする第１オン期間と、前記一方のスイッチング素子をオフして前記他方のスイッチング素子をオンして前記第１オン期間に引き続く第２オン期間とよりそれぞれなる複数の制御周期を連続的に繰り返し、
前記高圧正端部と前記高圧負端部との間の高圧側電圧と、前記低圧正端部と前記低圧負端部との間の低圧側電圧とに基づいて前記第１オン期間の長さと前記第２オン期間の長さとを決定し、
前記複数の制御周期のうちの最初の制御周期の前記第１オン期間において前記第１オン期間の前記決定した長さより短い初期オン期間に前記一方のスイッチング素子をオンして、かつ前記最初の制御周期の前記第１オン期間のうちの前記初期オン期間の他の期間に前記一方のスイッチング素子と前記他方のスイッチング素子とをオフして、
前記複数の制御周期のうちの前記最初の制御周期の他の１つ以上の制御周期のそれぞれの前記第１オン期間において前記第１オン期間の前記決定した長さで前記一方のスイッチング素子をオンして前記他方のスイッチング素子をオフし、
前記複数の制御周期のそれぞれの前記第２オン期間の前記決定した長さで前記一方のスイッチング素子をオフして前記他方のスイッチング素子をオンする、
ように構成されている、ＤＣＤＣコンバータ。 - 前記初期オン期間の長さは前記第１オン期間の前記決定された長さの半分である、請求項１に記載のＤＣＤＣコンバータ。
- 前記最初の制御周期において前記第２オン期間は前記初期オン期間に引き続いている、請求項１または２に記載のＤＣＤＣコンバータ。
- 前記一方のスイッチング素子は前記第１スイッチング素子であり、前記他方のスイッチング素子は前記第２スイッチング素子である、請求項１から３のいずれか一項に記載のＤＣＤＣコンバータ。
- 前記一方のスイッチング素子は前記第２スイッチング素子であり、前記他方のスイッチング素子は前記第１スイッチング素子である、請求項１から３のいずれか一項に記載のＤＣＤＣコンバータ。
- 前記最初の制御周期の前記第１オン期間の長さは、前記第１オン期間の前記決定した長さより短い、請求項１から５のいずれか一項に記載のＤＣＤＣコンバータ。
- 一端と他端とを有する第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記一端に接続点で接続された一端と、他端とを有する第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子の前記他端に接続された高圧正端部と、
前記第２スイッチング素子の前記他端に接続された高圧負端部および低圧負端部と、
前記接続点に接続された一端と、他端とを有するインダクタンス素子と、
前記インダクタンス素子の前記他端に接続された低圧正端部と、
起動信号を受信するように構成された起動信号受信部と、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを相補的にオンするように制御するように構成された制御部と、
を有するＤＣＤＣコンバータと、
前記高圧正端部と前記高圧負端部とに接続された高電圧バッテリーと、
前記低圧正端部と前記低圧負端部とに接続された低電圧バッテリーと、
を備え、
前記制御部は、
前記起動信号受信部が前記起動信号を受信したことに応じて、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とのうちの一方のスイッチング素子をオンして他方のスイッチング素子をオフする第１オン期間と、前記一方のスイッチング素子をオフして前記他方のスイッチング素子をオンして前記第１オン期間に引き続く第２オン期間とよりそれぞれなる複数の制御周期を連続的に繰り返し、
前記高圧正端部と前記高圧負端部との間の高圧側電圧と、前記低圧正端部と前記低圧負端部との間の低圧側電圧とに基づいて前記第１オン期間の長さと前記第２オン期間の長さとを決定し、
前記複数の制御周期のうちの最初の制御周期の前記第１オン期間において前記第１オン期間の前記決定した長さより短い初期オン期間に前記一方のスイッチング素子をオンして、かつ前記最初の制御周期の前記第１オン期間のうちの前記初期オン期間の他の期間に前記一方のスイッチング素子をオフして、
前記複数の制御周期のうちの前記最初の制御周期の他の１つ以上の制御周期のそれぞれの前記第１オン期間において前記第１オン期間の前記決定した長さで前記一方のスイッチング素子をオンして前記他方のスイッチング素子をオフし、
前記複数の制御周期のそれぞれの前記第２オン期間の前記決定した長さで前記一方のスイッチング素子をオフして前記他方のスイッチング素子をオンする、
ように構成されている、電源装置。 - 前記制御部は、前記１つ以上の他の制御周期で、前記高電圧バッテリーの電圧を第１基準電圧に調整し、前記低電圧バッテリーの電圧を第２基準電圧に調整するように構成されている、請求項７に記載の電源装置。
- 前記初期オン期間の長さは前記第１オン期間の前記決定された長さの半分である、請求項７または８に記載の電源装置。
- 前記最初の制御周期において前記第２オン期間は前記初期オン期間に引き続いている、請求項７から９のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記一方のスイッチング素子は前記第１スイッチング素子であり、前記他方のスイッチング素子は前記第２スイッチング素子である、請求項７から１０のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記一方のスイッチング素子は前記第２スイッチング素子であり、前記他方のスイッチング素子は前記第１スイッチング素子である、請求項７から１０のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記最初の制御周期の前記第１オン期間の長さは、前記第１オン期間の前記決定した長さより短い、請求項７から１２のいずれか一項に記載の電源装置。
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