WO2011152181A1 - Dc/dcコンバータの制御装置 - Google Patents

Dc/dcコンバータの制御装置 Download PDF

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WO2011152181A1
WO2011152181A1 PCT/JP2011/060920 JP2011060920W WO2011152181A1 WO 2011152181 A1 WO2011152181 A1 WO 2011152181A1 JP 2011060920 W JP2011060920 W JP 2011060920W WO 2011152181 A1 WO2011152181 A1 WO 2011152181A1
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current
converter
winding
side port
voltage side
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PCT/JP2011/060920
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English (en)
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Inventor
哲 橋野
啓吾 安藤
三昭 平川
Original Assignee
本田技研工業株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/40Means for preventing magnetic saturation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a DC / DC converter.
  • an object of the present invention is to solve the above-described problems, and includes a magnetic canceling type transformer having first and second windings and first and second switching elements connected to the windings. It is an object of the present invention to provide a controller for a DC / DC converter that accurately detects the current of each winding and appropriately controls the operation of each switching element without increasing the size of the device.
  • the present invention provides a first aspect in which the winding directions are different from each other and are connected to the positive terminal of the low-voltage side port at one end, as described later.
  • a magnetic canceling type transformer having first and second windings connected to the positive terminal of the high voltage side port via a common terminal, the other end of the first winding and the negative polarity of the low voltage side port
  • a first switching element interposed between a terminal and a negative electrode line connecting the negative electrode terminal of the high-voltage side port; and a second switching element interposed between the other end of the second winding and the negative electrode line.
  • control device for a DC / DC converter comprising a switching element, current detection means for detecting a current flowing in a positive line connecting the common terminal and the positive terminal of the high voltage side port, and detected by the current detection means Based on current It said There first, configured as a control means for controlling the operation of the second switching element.
  • the current detection means includes a current sensor capable of detecting a direct current component of the current flowing through the positive line. It was configured as follows.
  • control means is configured to control the first winding and the second winding based on the detected current.
  • a line current difference is calculated, and the operations of the first and second switching elements are controlled based on the calculated current difference.
  • control means is configured to control the first winding and the second winding based on the detected current.
  • the line current difference is calculated, and the operations of the first and second switching elements are controlled so that the calculated current difference becomes zero.
  • the present invention is configured such that the DC / DC converter is mounted on a fuel cell vehicle.
  • the DC / DC converter control apparatus is configured such that the DC / DC converter is mounted on a hybrid vehicle.
  • the present invention is configured such that the DC / DC converter is mounted on an electric vehicle.
  • a positive line connecting a common terminal at the rear stage of the first and second windings of the magnetic cancellation type transformer and a positive terminal of the high voltage side port a positive line connecting a common terminal at the rear stage of the first and second windings of the magnetic cancellation type transformer and a positive terminal of the high voltage side port.
  • Current detecting means for detecting the current flowing through the current detecting means, and the operation of the first and second switching elements is controlled based on the current detected by the current detecting means, thereby increasing the size of the transformer. Therefore, the current of each winding can be accurately detected, and the operation of each switching element can be appropriately controlled based on the detected current.
  • the current of the positive line is supplied to the current detection unit.
  • the current detection unit By using and detecting at an appropriate timing, the currents flowing through the first and second windings can be accurately detected, whereby the operation of each switching element can be appropriately controlled.
  • the current of each winding is detected by providing one current detection means on the positive electrode line without using a plurality of current detection means, the configuration can be simplified and, for example, the first and second windings can be used.
  • the current detection means is constituted by a current sensor capable of detecting a direct current (DC) component of the current flowing in the positive line, the detection is performed. Since the sum of the two current values (the current values of the first and second windings) is equal to the input current value of the DC / DC converter, the input used for current feedback control and input overcurrent detection It can also function as a current sensor. As a result, a current sensor that detects only the input current can be eliminated, so that the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
  • DC direct current
  • the current detection means when a current sensor that can also detect a direct current (DC) component of current is used as the current detection means, the average value of the two detected current values becomes equal to the value of the output current of the DC / DC converter. It is possible to function as an output current sensor used for output overcurrent detection. In this way, it is possible to detect the input / output current of the DC / DC converter with a single current detection means (current sensor). When a current sensor that can detect only an alternating current (AC) component of the current is used as the current detection means, only a function for balancing the current is provided.
  • AC alternating current
  • the current difference between the first winding and the second winding is calculated based on the detected current, and the first difference is calculated based on the calculated current difference.
  • the operation of each switching element can be controlled so that the calculated current difference becomes 0, so that the operation of the second switching element is controlled.
  • the magnetic flux density in the core of the transformer that changes according to the difference can be reliably reduced, and the core volume can also be reduced.
  • the current difference between the first winding and the second winding is calculated based on the detected current, and the calculated current difference becomes zero.
  • the magnetic flux density in the core of the transformer that changes according to the current difference is more reliably reduced.
  • the core volume can be further reduced.
  • FIG. 2 is a schematic view similar to FIG. 1, showing a control device for the DC / DC converter shown in FIG. 1. It is explanatory drawing explaining the electric current and current difference of each winding
  • FIG. 6 is an explanatory view similar to FIG.
  • FIG. 3 is a schematic view similar to FIG. 1, generally showing a control device for a DC / DC converter according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view similar to FIG. 1, generally showing a control device for a DC / DC converter according to a third embodiment of the present invention. It is explanatory drawing explaining the electric current and current difference of each winding
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall control apparatus for a DC / DC converter according to a first embodiment of the present invention.
  • reference numeral 10 denotes a vehicle.
  • the vehicle 10 is a fuel cell vehicle, and is interposed between a rotating electric machine 12 (shown as “Motor” in the figure), a fuel cell (shown as “FC” in the figure) 14, and the fuel cell 14 and the rotating electric machine 12.
  • a DC / DC converter 16 and an inverter 20 are mounted.
  • the rotating electrical machine 12 is composed of a brushless AC synchronous motor, and when energized, the rotating output is transmitted to the wheels (drive wheels) 22 via the connecting shaft S to drive the vehicle 10. Further, the rotating electrical machine 12 has a regenerative function that converts kinetic energy generated with the rotation of the connecting shaft S into electric energy and outputs it during deceleration. That is, the rotating electrical machine 12 functions as an electric motor (motor) when rotated by being energized, and functions as a generator (generator) when rotated by being driven by the wheels 22.
  • the fuel cell 14 is a single cell composed of an electrolyte membrane (solid polymer membrane), a cathode electrode (air electrode) and an anode electrode (fuel electrode) sandwiching the electrolyte membrane, and a separator disposed outside each electrode.
  • This is a known solid polymer fuel cell having a stack (all not shown) formed by stacking a plurality of (cells).
  • An air supply system (not shown) and a fuel supply system (not shown) are connected to the fuel cell 14, and air (oxygen gas) and fuel (hydrogen gas) are supplied from them to generate electricity.
  • the DC / DC converter 16 is disposed between the low voltage side port 16a connected to the fuel cell 14, the high voltage side port 16b connected to the inverter 20, and the low voltage side port 16a and the high voltage side port 16b.
  • First and second capacitors 16c1 and 16c2, an inductor 16d, a transformer 16e, first to fourth IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) 16f1 to 16f4, and IGBTs 16f1 to 16f4 are connected in parallel.
  • Both the low-voltage side and high-voltage side ports 16a and 16b have positive terminals 16a1 and 16b1 and negative terminals 16a2 and 16b2.
  • the positive terminals 16a1 and 16b1 are connected via a positive line 16h, and the negative terminals 16a2 and 16b2 are connected to a negative line. 16i is connected.
  • the positive line 16h is branched at the subsequent stage of the inductor 16d and connected to the transformer 16e, and joined at the subsequent stage of the transformer 16e and connected to the positive terminal 16b1.
  • this branch point is referred to as “first common terminal” and is denoted by reference numeral 16k1
  • second common terminal is denoted by reference numeral 16k2.
  • the first capacitor 16c1 is inserted between the positive and negative electrodes 16h and 16i and smoothes the current output from the fuel cell 14.
  • the inductor 16d is provided on the positive line 16h so that one end is connected to the positive terminal 16a1 of the low voltage side port 16a and the other end is connected to the transformer 16e via the first common terminal 16k1.
  • the rate of change can be arbitrarily set according to the inductance value of the inductor 16d.
  • FIG. 3 is an explanatory view schematically showing the transformer 16e shown in FIG.
  • the transformer 16e includes a core 16ea and a first winding 16e1 and a second winding 16e2 that are wound around the core 16ea so as to have different winding directions (reverse winding connection). Is provided.
  • the core 16ea is made of a core that enables reverse winding such as an EE core, and is made of ferrite or the like.
  • the first and second windings 16e1 and 16e2 are magnetically coupled via the core 16ea, and the turn ratio is, for example, 1: 1.
  • the first and second windings 16e1 and 16e2 are connected to the positive terminal 16a1 of the low-voltage side port 16a through the first common terminal 16k1 at one end 16e1a and 16e2a, and the second common terminal at the other end 16e1b and 16e2b. (Common terminal) Connected to the positive terminal 16b1 of the high voltage side port 16b via 16k2.
  • the transformer 16e is configured so that the degree of coupling k is as close to 1 as possible.
  • dots shown in the vicinity of the winding represent the higher potential side when a voltage is induced.
  • the first IGBT 16f1 is interposed between the other end 16e1b of the first winding 16e1 and the negative electrode line 16i
  • the second IGBT 16f2 is between the other end 16e2b of the second winding 16e2 and the negative electrode line 16i. Is inserted.
  • the IGBT 16f1 has a collector terminal (hereinafter abbreviated as “collector”) connected to the other end 16e1b of the first winding 16e1, and an emitter terminal (hereinafter abbreviated as “emitter”) connected to the negative electrode line 16i.
  • the second IGBT 16f2 has a collector connected to the other end 16e2b of the second winding 16e2 and an emitter connected to the negative electrode line 16i.
  • the gate terminals (hereinafter abbreviated as “gates”) of the first and second IGBTs 16f1 and 16f2 are both connected to an electronic control unit described later via a signal line.
  • the anode terminal (hereinafter referred to as “anode”) of the diode 16g1 is connected to the emitter of the IGBT 16f1, and the cathode terminal (hereinafter referred to as “cathode”) is connected to the collector.
  • the anode of the diode 16g2 is connected to the emitter of the IGBT 16f2, and the cathode is connected to the collector.
  • the third IGBT 16f3 has an emitter connected to the other end 16e1b of the first winding 16e1, and a collector connected to the second common terminal 16k2.
  • the fourth IGBT 16f4 has an emitter connected to the other end 16e2b of the second winding 16e2 and a collector connected to the second common terminal 16k2.
  • the gates of the third and fourth IGBTs 16f3 and 16f4 are also connected to the electronic control unit via signal lines.
  • the anode of the diode 16g3 is connected to the emitter of the IGBT 16f3
  • the cathode is connected to the collector
  • the anode of the diode 16g4 is connected to the emitter of the IGBT 16f4
  • the cathode is connected to the collector.
  • the second capacitor 16c2 is interposed between the positive and negative lines 16h and 16i, more precisely, the positive line connecting the second common terminal 16k2 and the positive terminal 16b1 of the high voltage side port 16b (indicated by reference numeral 16h1 in FIG. 1). And the negative electrode line 16i, and smoothes the electric power output from the transformer 16e.
  • the inverter 20 is composed of a three-phase bridge circuit (not shown), converts the direct current boosted by the DC / DC converter 16 into a three-phase alternating current and supplies it to the rotating electrical machine 12 and generates electric power by the regenerative operation of the rotating electrical machine 12.
  • the alternating current converted into direct current is supplied to a battery (not shown).
  • a current sensor (current detection means) 24 is connected to the positive electrode line 16h1 (more precisely, the positive electrode line between the second common terminal 16k2 and the connection point 16l to which the second capacitor 16c2 is connected). Produces an output proportional to the current I flowing therethrough.
  • the current sensor 24 is a current sensor that can detect a direct current (DC) component and an alternating current (AC) component of the current I.
  • the output of the current sensor 24 is input to an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 30 mounted on the vehicle 10.
  • the ECU 30 includes a microcomputer equipped with a CPU, ROM, RAM, and the like.
  • the ECU 30 controls the operations of the first and second IGBTs 16f1 and 16f2 based on the output of the input current sensor 24. Specifically, the current difference between the first winding 16e1 and the second winding 16e2 is calculated based on the current detected by the current sensor 24, and the first and second IGBTs 16f1, 16f2 are calculated based on the calculated current difference. The operation is controlled, and the step-up operation of the DC / DC converter 16 is performed.
  • the step-up operation of the DC / DC converter 16 will be described with reference to FIGS.
  • the DC voltage input from the fuel cell 14 through the low voltage side port 16a is boosted by turning on and off the first and second IGBTs 16f1 and 16f2 with a phase difference of 180 degrees.
  • the exciting current I1 flows to the negative terminal 16a2 through the positive terminal 16a1, the inductor 16d, the first common terminal 16k1, the first winding 16e1, and the IGBT 16f1 of the low voltage side port 16a.
  • the excitation current I1 gradually increases while the IGBT 16f1 is turned on, and gradually decreases when the IGBT 16f1 is turned off.
  • the excitation current I1a when the IGBT 16f1 is turned off is indicated by a two-dot chain line arrow.
  • the exciting current I1a is a current that flows when the energy accumulated in the inductor 16d is released while the IGBT 16f1 is turned on while the IGBT 16f2 is turned off, and also when the IGBT 16f2 is turned on.
  • 4 is a current that flows when the energy magnetically transmitted through the transformer 16e is released according to the magnetizing current generated by the current I3 shown in FIG. 4, and the diode 16g3, the second It flows to the positive terminal 16b1 through the common terminal 16k2.
  • the excitation current I1 flows through the first winding 16e1
  • the excitation current (induced current) I2 flows through the second winding 16e2.
  • the excitation current I2 flows to the positive terminal 16b1 through the positive terminal 16a1, the inductor 16d, the first common terminal 16k1, the second winding 16e2, the diode 16g4, and the second common terminal 16k2.
  • the second capacitor 16c2 is charged by the excitation current I2, and as a result, the DC voltage boosted by the inductor 16d and the transformer 16e is output from the high voltage side port 16b.
  • the exciting current I3 flows through the second winding 16e2 of the transformer 16e as shown in FIG. That is, the exciting current I3 flows to the negative terminal 16a2 through the positive terminal 16a1, the inductor 16d, the first common terminal 16k1, the second winding 16e2, and the IGBT 16f2 of the low voltage side port 16a. Note that the third and fourth IGBTs 16f3 and 16f4 remain off.
  • the exciting current I3 gradually increases while the IGBT 16f2 is turned on, and gradually decreases when the IGBT 16f2 is turned off, like the exciting current I1.
  • the exciting current I3a when the IGBT 16f2 is turned off is indicated by a two-dot chain line arrow.
  • This exciting current I3a is also a current that flows when the energy accumulated in the inductor 16d is released while the IGBT 16f2 is turned on, and is positively connected from the second winding 16e2 via the diode 16g4 and the second common terminal 16k2. It flows to the terminal 16b1.
  • the excitation current (induced current) I4 indicated by the one-dot chain line arrow flows through the first winding 16e1.
  • the excitation current I4 flows to the positive terminal 16b1 via the positive terminal 16a1, the inductor 16d, the first common terminal 16k1, the first winding 16e1, the diode 16g3, and the second common terminal 16k2.
  • the second capacitor 16c2 is charged by the excitation current I4, and the DC voltage boosted by the inductor 16d and the transformer 16e is output from the high voltage side port 16b to the inverter 20.
  • the core 16ea is hardly magnetically saturated.
  • the DC / DC converter 16 since the DC / DC converter 16 includes the magnetic cancellation type transformer 16e, the DC / DC converter 16 can cope with relatively large power even with a small winding or core, and the entire DC / DC converter 16 can be downsized. It becomes.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the currents and current differences of the respective windings detected in the control device for a DC / DC converter according to the prior art.
  • the winding current flowing through the first and second windings 16 e 1 and 16 e 2 (more precisely, the direct current component of the winding current) is ideally operated by the DC / DC converter 16. If done, it will always be equal. However, a current difference ⁇ I is generated between the winding currents due to variations in performance of the IGBTs 16f1 and 16f2, parasitic resistance of each part of the circuit, and the like.
  • Magnetic flux density B ⁇ N ⁇ I / l (1)
  • is the magnetic permeability of the core material
  • N is the number of winding turns
  • l is the magnetic path length.
  • the current sensors A and B are provided in the subsequent stage of the first and second windings 16e1 and 16e2, as indicated by imaginary lines in FIG.
  • a current difference ⁇ I is calculated by detecting the current of each winding with the individual current sensors A and B, and the operation of each IGBT is controlled so that the calculated current difference ⁇ I becomes zero.
  • FIG. 9 shows a case where an offset exists only in the current sensor A for convenience of understanding. Further, the current of the first winding 16e1 and the output of the current sensor A are indicated by solid lines, and the current of the second winding 16e2 and the output of the current sensor B are indicated by broken lines.
  • An object of the present invention is to eliminate such inconvenience and accurately control the operation of each IGBT by accurately detecting the current of each winding without increasing the size of the transformer.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the current and current difference of each winding detected in the control device of the DC / DC converter according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram when the step-up rate of the inductor 16d is doubled or more. It is explanatory drawing explaining the electric current and current difference of each coil
  • the positive line 16h1 has the same current (excitation current) as the second winding 16e2.
  • I2 flows. Therefore, if the current of the positive electrode line 16h1 is detected by using the current sensor 24 at an appropriate timing between time t1 and time t3 (for example, time t2 that is intermediate between time t1 and time t3), the current I2 of the second winding 16e2 is obtained. Can be detected.
  • the current I4 of the first winding 16e1 can be detected by detecting the current of the positive electrode line 16h1 at an appropriate timing between the times t4 and t6 (for example, the time t5 which is the middle between the times t4 and t6).
  • the inductor 16d has a boosting function of twice or more, similarly, between the time t7 and the time t9 when the first IGBT 16f1 is turned on and the second IGBT 16f2 is turned off.
  • the same current I2 as that of the second winding 16e2 flows through the positive electrode line 16h1. Therefore, the current I2 of the second winding 16e2 can be detected by detecting the current of the positive electrode line 16h1 at an appropriate timing between the times t7 and t9 (for example, the time t8 between the times t7 and t9).
  • the current I4 of the first winding 16e1 can be detected by detecting the current of the positive electrode line 16h1 at an appropriate timing between the times t10 and t12 (for example, the time t11 that is between the times t10 and t12).
  • the currents of the first and second windings 16e1 and 16e2 can be accurately detected. Even when the current difference ⁇ I is calculated from the currents of the first and second windings 16e1 and 16e2 obtained as described above, since one current sensor 24 is used, all the detected values are detected. Therefore, the same difference (current difference ⁇ I) as the actual current difference ⁇ Ia can be obtained without causing the error due to the difference in offset amount as described above.
  • the ECU 30 performs duty control on the operations of the first and second IGBTs 16f1 and 16f2 so that the calculated current difference ⁇ I becomes zero.
  • the second common terminal 16k2 at the rear stage of the first and second windings 16e1 and 16e2 of the magnetic cancellation type transformer 16e and the positive terminal 16b1 of the high voltage side port 16b Is provided with a current sensor 24 for detecting a current flowing in the positive electrode line 16h1 connecting the first and second IGBTs (switching elements) 16f1 and 16f2 based on the current detected by the current sensor 24. Therefore, it is possible to accurately detect the currents (I2, I4) of the windings 16e1, 16e2 without increasing the size of the transformer 16e, and to appropriately operate the IGBTs 16f1, 16f2 based on the detected currents. Can be controlled.
  • the positive line 16h1 has a period in which the same current flows as the first or second windings 16e1 and 16e2 at the timing according to the on / off state of the IGBTs 16f1 and 16f2.
  • the current flowing through the first and second windings 16e1 and 16e2 can be accurately detected, thereby appropriately controlling the operations of the IGBTs 16f1 and 16f2. it can.
  • the configuration can be simplified.
  • the current detection means is configured to include the current sensor 24 capable of detecting the direct current (DC) component of the current flowing through the positive electrode line 16h1
  • the two detected current values are configured.
  • Value) is equal to the value of the input current of the DC / DC converter 16, so that it can function as an input current sensor used for, for example, current feedback control or input overcurrent detection.
  • a current sensor that detects only the input current can be eliminated, so that the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
  • the current detection unit is configured to include the current sensor 24 capable of detecting the direct current (DC) component of the current
  • the average value of the two detected current values is the value of the output current of the DC / DC converter 16. Since they are equal, it is possible to function as an output current sensor used for current feedback control and output overcurrent detection. In this way, the input / output current of the DC / DC converter 16 can be detected by one current sensor 24.
  • a current sensor that can detect only an alternating current (AC) component of the current is used as the current sensor 24, only the function of balancing the current is obtained.
  • the current difference ⁇ I between the first winding and the second winding 16e1, 16e2 is calculated based on the detected current, and the operations of the first and second IGBTs 16f1, 16f2 are performed based on the calculated current difference ⁇ I. Since it is configured to control, more specifically, the operation of the first and second IGBTs 16f1 and 16f2 is controlled so that the calculated current difference ⁇ I becomes 0, according to the current difference ⁇ I.
  • the magnetic flux density B in the core of the changing transformer 16e can be reduced more reliably, and the core volume can be further reduced.
  • the DC / DC converter 16 is configured to be mounted on the fuel cell vehicle 10, the above-described effects can be obtained in the fuel cell vehicle 10.
  • the DC / DC converter 16 is mounted on a hybrid vehicle (HEV).
  • HEV hybrid vehicle
  • FIG. 7 is a schematic view similar to FIG. 1, showing the overall control apparatus of the DC / DC converter according to the second embodiment.
  • the hybrid vehicle 100 includes an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 102 in addition to the rotating electrical machine 12 as a drive source.
  • the engine 102 is a gasoline injection spark ignition type, has four cylinders, and is connected to the rotating electrical machine 12 via the drive shaft S1. Outputs of the rotating electrical machine 12 and the engine 102 are input to the transmission 104.
  • the transmission 104 shifts these outputs and transmits them to the wheels 22.
  • the hybrid vehicle 100 is equipped with a battery 106 instead of the fuel cell 14 of the first embodiment.
  • the battery 106 is a secondary battery (battery) such as a lithium ion battery.
  • the hybrid vehicle 100 can obtain the same effects as those of the first embodiment.
  • the DC / DC converter 16 is mounted on an electric vehicle (EV).
  • FIG. 8 is a schematic view similar to FIG. 1 showing the overall control apparatus of the DC / DC converter according to the third embodiment.
  • a battery 202 is mounted on the electric vehicle 200 in place of the fuel cell 14 of the first embodiment.
  • the battery 202 is a secondary battery (battery) such as a lithium ion battery as in the second embodiment.
  • the DC / DC converter 16 since the DC / DC converter 16 is configured to be mounted on the electric vehicle 200, in the electric vehicle 200, as in the first embodiment, the size of the transformer 16e is increased. Without increasing, the currents of the windings 16e1 and 16e2 can be accurately detected, and the operations of the IGBTs 16f1 and 16f2 can be appropriately controlled based on the currents.
  • the winding directions are different from each other, and one end 16e1a and 16e2a are connected to the positive terminal 16a1 of the low voltage side port 16a, while the other end 16e1b. , 16e2b, a magnetic cancellation type transformer 16e having first and second windings 16e1, 16e2 connected to the positive terminal 16b1 of the high voltage side port 16b via a common terminal (second common terminal) 16k2.
  • a first switching element (first IGBT) inserted between the other end of the first winding, the negative terminal 16a2 of the low voltage side port, and the negative line 16i connecting the negative terminal 16b2 of the high voltage side port.
  • DC / D comprising 16f1 and a second switching element (second IGBT) 16f2 interposed between the other end of the second winding and the negative electrode line
  • current detection means current sensor 24 for detecting a current flowing in a positive line 16h1 connecting the common terminal and the positive terminal of the high-voltage side port; and a current detected by the current detection means Based on this, it is configured to include control means (ECU 30) for controlling the operation of the first and second switching elements.
  • the current detection means is configured to include a current sensor 24 that can detect a direct current component of the current flowing through the positive electrode line 16h1.
  • the control means calculates a current difference ⁇ I between the first winding 16e1 and the second winding 16e2 based on the detected current, and the first and second based on the calculated current difference ⁇ I.
  • the second switching elements 16f1 and 16f2 are configured to be controlled.
  • control means calculates a current difference ⁇ I between the first winding 16e1 and the second winding 16e2 based on the detected current, and the calculated current difference ⁇ I is zero.
  • the first and second switching elements 16f1 and 16f2 are configured to be controlled.
  • the DC / DC converter 16 is configured to be mounted on the fuel cell vehicle 10.
  • the DC / DC converter 16 is configured to be mounted on the hybrid vehicle 100.
  • the DC / DC converter 16 is mounted on the electric vehicle 200.
  • the DC / DC converter 16 is configured to use the two-phase transformer 16e.
  • a three-phase transformer may be used.
  • the core 16ea of the transformer 16e is an EE core
  • other core systems such as an EI core or a UI core may be used.
  • reverse winding is possible, and the first and second windings 16e1, 16e2 Any configuration is possible as long as the directions of the generated magnetic fluxes face each other and can cancel each other in the core.
  • a secondary battery made of a lithium ion battery is used as an example of the batteries 106 and 202.
  • the present invention is not limited thereto, and may be a lead battery, a nickel hydrogen battery, or the like, or a capacitor. It may be a power storage means such as.
  • the current flows through the positive line connecting the common terminal at the rear stage of the first and second windings of the magnetic cancellation type transformer and the positive terminal of the high voltage side port. Since the current detecting means for detecting the current is provided and the operation of the first and second switching elements connected to each winding is controlled based on the current detected by the current detecting means, the transformer Without increasing the physique, the current of each winding can be accurately detected, and the operation of each switching element can be appropriately controlled based on the detected current.

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Abstract

 DC/DCコンバータの制御装置において、磁気相殺型の変圧器(16e)の第1、第2巻線(16e1),(16e2)の後段の第2共通端子(16k2)と高電圧側ポート(16b)の正極端子(16b1)とを接続する正極線(16h1)に流れる電流を検出する電流センサ(24)を備えると共に、電流センサ(24)によって検出された電流に基づいて、各巻線に接続された第1、第2のスイッチング素子(16f1),(16f2)の動作を制御する。これにより、変圧器(16e)の体格を増大させることなく、各巻線(16e1),(16e2)の電流を正確に検出できると共に、検出された電流に基づいてスイッチング素子(16f1),(16f2)の動作を適切に制御することができる。

Description

DC/DCコンバータの制御装置
 この発明はDC/DCコンバータの制御装置に関する。
 近年、巻線方向が異なるようにコアに巻回された第1、第2巻線を有する磁気相殺型の変圧器と、各巻線に接続された第1、第2のスイッチング素子とを備えるDC/DCコンバータが提案されている(例えば特許文献1参照)。尚、特許文献1記載の技術にあっては、第1、第2巻線の電流を複数個(2個)の電流センサでそれぞれ検出して電流差(差分)を算出すると共に、算出された電流差が0になるように第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成される。
特開2008-43104号公報
 ところで、電流センサには量産バラツキなどによる個体差があるためオフセットが存在し、またそのオフセット量も一様ではない。従って、特許文献1記載の技術の如く複数個の電流センサの出力から電流差を算出すると、各センサのオフセット量が相違する分だけ実際の電流差との間に誤差が生じ、結果として第1、第2のスイッチング素子の動作を適切に制御できないおそれがあった。
 また、誤差がある場合、電流差が0になるようにスイッチング素子の動作を制御したとしても、誤差分の電流により発生する磁束が変圧器に残留してしまう。そのため、残留した磁束によって変圧器が磁気飽和しないように体格を大きくする必要が生じるなどの不都合があった。
 従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、第1、第2巻線を有する磁気相殺型の変圧器と各巻線に接続された第1、第2のスイッチング素子とを備えると共に、変圧器の体格を増大させることなく、各巻線の電流を正確に検出して各スイッチング素子の動作を適切に制御するようにしたDC/DCコンバータの制御装置を提供することにある。
 この発明は、上記した課題を解決するために、後述する如く、請求項1にあっては、巻線方向が互いに異なると共に、一端において低電圧側ポートの正極端子に接続される一方、他端において共通端子を介して高電圧側ポートの正極端子に接続される第1、第2巻線を有する磁気相殺型の変圧器と、前記第1巻線の他端と前記低電圧側ポートの負極端子と前記高電圧側ポートの負極端子を接続する負極線との間に介挿される第1のスイッチング素子と、前記第2巻線の他端と前記負極線との間に介挿される第2のスイッチング素子とを備えるDC/DCコンバータの制御装置において、前記共通端子と前記高電圧側ポートの正極端子を接続する正極線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御する制御手段とを備えるように構成した。
 また、この発明は、後述する如く、請求項2に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、前記電流検出手段は、前記正極線に流れる電流の直流成分を検出可能な電流センサからなるように構成した。
 また、この発明は、後述する如く、請求項3に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、前記制御手段は、前記検出された電流に基づいて前記第1巻線と前記第2巻線の電流差を算出し、前記算出された電流差に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成した。
 また、この発明は、後述する如く、請求項4に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、前記制御手段は、前記検出された電流に基づいて前記第1巻線と前記第2巻線の電流差を算出し、前記算出された電流差が0になるように前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成した。
 また、この発明は、後述する如く、請求項5に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、前記DC/DCコンバータが燃料電池自動車に搭載されるように構成した。
 また、この発明は、後述する如く、請求項6に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、前記DC/DCコンバータがハイブリッド自動車に搭載されるように構成した。
 また、この発明は、後述する如く、請求項7に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、前記DC/DCコンバータが電気自動車に搭載されるように構成した。
 請求項1に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、磁気相殺型の変圧器の第1、第2巻線の後段の共通端子と高電圧側ポートの正極端子とを接続する正極線に流れる電流を検出する電流検出手段を備えると共に、電流検出手段によって検出された電流に基づいて第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成したので、変圧器の体格を増大させることなく、各巻線の電流を正確に検出できると共に、検出された電流に基づいて各スイッチング素子の動作を適切に制御することができる。
 具体的には、前記した正極線には各スイッチング素子のオン/オフに応じたタイミングで第1または第2巻線と同じ電流が流れる期間が存在するため、正極線の電流を電流検出手段を用いて適宜なタイミングで検出することで第1、第2巻線に流れる電流を正確に検出でき、それによって各スイッチング素子の動作を適切に制御することができる。また、複数個の電流検出手段を用いず、正極線に1個の電流検出手段を設けて各巻線の電流を検出するようにしたので、構成を簡素化できると共に、例えば第1、第2巻線の電流差を算出する場合であっても、オフセット量の相違によって実際の電流差との間に誤差が生じない、即ち、誤差分の電流により発生する磁束が変圧器に残留することはないため、変圧器の体格を増大させる必要もなく、さらにはコスト的にも有利である。
 また、請求項2に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、電流検出手段は、正極線に流れる電流の直流(DC)成分を検出可能な電流センサからなるように構成したので、検出した2つの電流値(第1、第2巻線の電流値)を足し合わせた値がDC/DCコンバータの入力電流の値と等しくなるので、電流フィードバック制御や入力過電流検出に使用される入力電流センサとして機能させることも可能となる。それにより、入力電流のみを検出するような電流センサを除去でき、よって回路の構成を簡素化できると共に、コストを抑えることができる。
 同様に、電流検出手段として電流の直流(DC)成分も検出できる電流センサを用いると、検出した2つの電流値の平均値がDC/DCコンバータの出力電流の値と等しくなるので、電流フィードバック制御や出力過電流検出に使用される出力電流センサとして機能させることが可能となる。このように、1個の電流検出手段(電流センサ)でDC/DCコンバータの入力、出力電流を検出することが可能となる。尚、電流検出手段として電流の交流(AC)成分しか検出できない電流センサを用いた場合は、電流バランスをとる機能のみとなる。
 請求項3に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、検出された電流に基づいて第1巻線と第2巻線の電流差を算出し、算出された電流差に基づいて第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成したので、上記した効果に加え、例えば算出された電流差が0になるように各スイッチング素子の動作を制御することが可能となり、よって電流差に応じて変化する変圧器のコア内の磁束密度を確実に小さくできると共に、コア体積も小さくすることができる。
 請求項4に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、検出された電流に基づいて第1巻線と第2巻線の電流差を算出し、算出された電流差が0になるように第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成したので、請求項3で述べた効果に加え、電流差に応じて変化する変圧器のコア内の磁束密度をより確実に小さくできると共に、コア体積もより一層小さくすることができる。
 請求項5に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、DC/DCコンバータが燃料電池自動車に搭載されるように構成したので、燃料電池自動車において上記した効果を得ることができる。
 請求項6に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、DC/DCコンバータがハイブリッド自動車に搭載されるように構成したので、請求項1,2と同様な効果をハイブリッド自動車において得ることができる。
 請求項7に係るDC/DCコンバータの制御装置にあっては、DC/DCコンバータが電気自動車に搭載されるように構成したので、請求項1,2で述べた効果を電気自動車において得ることができる。
この発明の第1実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置を全体的に示す概略図である。 図1に示すインダクタが4倍の昇圧機能を有する場合の電流波形を示すグラフである。 図1に示す変圧器を模式的に示す説明図である。 図1に示すDC/DCコンバータの制御装置を示す、図1と同様な概略図である。 図1に示すDC/DCコンバータの制御装置おいて検出される各巻線の電流と電流差を説明する説明図である。 図1に示すDC/DCコンバータの制御装置おいて検出される各巻線の電流と電流差を説明する、図5と同様な説明図である。 この発明の第2実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置を全体的に示す、図1と同様な概略図である。 この発明の第3実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置を全体的に示す、図1と同様な概略図である。 従来技術に係るDC/DCコンバータの制御装置において検出される各巻線の電流と電流差を説明する説明図である。
 以下、添付図面に即してこの発明に係るDC/DCコンバータの制御装置を実施するための形態について説明する。
 図1は、この発明の第1実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置を全体的に示す概略図である。
 図1において、符号10は車両を示す。車両10は燃料電池自動車からなり、回転電機12(図で「Motor」と示す)と、燃料電池(図で「FC」と示す)14と、燃料電池14と回転電機12の間に介挿されるDC/DCコンバータ16とインバータ20が搭載される。
 回転電機12はブラシレス交流同期電動機からなると共に、通電されるときは回転出力を連結軸Sを介して車輪(駆動輪)22に伝達して車両10を走行させる。また、回転電機12は、減速時には連結軸Sの回転に伴って生じた運動エネルギを電気エネルギに変換して出力する回生機能を有する。即ち、回転電機12は、通電されて回転するときは電動機(モータ)として機能すると共に、車輪22によって駆動されて回転するときは発電機(ジェネレータ)として機能する。
 燃料電池14は、電解質膜(固体高分子膜)と、それを挟持するカソード極(空気極)とアノード極(燃料極)と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池(セル)を複数個積層して形成されたスタック(いずれも図示せず)などを有する、公知の固体高分子型燃料電池である。燃料電池14には、図示しない空気供給系と燃料供給系が接続され、それらから空気(酸素ガス)と燃料(水素ガス)を供給されて発電する。
 DC/DCコンバータ16は、燃料電池14に接続される低圧側ポート16aと、インバータ20に接続される高電圧側ポート16bと、低圧側ポート16aと高電圧側ポート16bの間に配置される、第1、第2のコンデンサ16c1,16c2、インダクタ16d、変圧器(トランス)16e、第1から第4のIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor。スイッチング素子)16f1~16f4、IGBT16f1~16f4にそれぞれ並列に接続されるダイオード16g1~16g4とを備える。
 低電圧側、高電圧側ポート16a,16bは共に、正極端子16a1,16b1と負極端子16a2,16b2を有し、正極端子16a1,16b1は正極線16hを介して、負極端子16a2,16b2は負極線16iを介して接続される。尚、正極線16hは、インダクタ16dの後段で分岐して変圧器16eに接続されると共に、変圧器16eの後段で合流して正極端子16b1に接続される。以下、この分岐点を「第1共通端子」といい、符号16k1で示す一方、合流点を「第2共通端子」といい、符号16k2で示す。
 第1のコンデンサ16c1は正負極線16h,16iの間に介挿され、燃料電池14から出力される電流を平滑する。インダクタ16dは、一端が低電圧側ポート16aの正極端子16a1に、他端が第1共通端子16k1を介して変圧器16eに接続されるように正極線16hに設けられる。インダクタ16dは、例えば1~n倍(例として図2にn=4のときのインダクタ16dの電流波形を示す)の昇圧機能を有すると共に、後述する変圧器16eのみでは電流が急峻に変化してしまうが、その変化率をインダクタ16dのインダクタンス値に応じて任意に設定できる。
 図3は図1に示す変圧器16eを模式的に示す説明図である。
 図1,3に示す如く、変圧器16eは、コア16eaと、コア16eaに巻線方向が異なるように(逆巻き結線となるように)巻回された第1巻線16e1と第2巻線16e2を備える。
 コア16eaは具体的にはEEコアなどの逆巻き結線を可能とするコアからなり、フェライトなどから製作される。第1、第2巻線16e1,16e2はコア16eaを介して磁気的に結合されると共に、その巻数比は例えば1:1とされる。
 第1、第2巻線16e1,16e2は、一端16e1a,16e2aにおいて第1共通端子16k1を介して低電圧側ポート16aの正極端子16a1に接続される一方、他端16e1b,16e2bにおいて第2共通端子(共通端子)16k2を介して高電圧側ポート16bの正極端子16b1に接続される。
 また、変圧器16eは結合度kを可能な限り1に近づけるように構成される。尚、図1において巻線付近に示されるドットは、電圧が誘起されたときの高電位側となる方を表す。変圧器16eは、上記の如く構成することで、第1、第2巻線16e1,16e2が通電されるとき、それぞれの巻線に発生する磁束が互いに打ち消し合う(相殺される)こととなるが、それについては後述する。
 第1のIGBT16f1は、第1巻線16e1の他端16e1bと負極線16iとの間に介挿されると共に、第2のIGBT16f2は、第2巻線16e2の他端16e2bと負極線16iとの間に介挿される。詳しくは、IGBT16f1はコレクタ端子(以下「コレクタ」と略称)が第1巻線16e1の他端16e1bに接続される一方、エミッタ端子(以下「エミッタ」と略称)が負極線16iに接続される。第2のIGBT16f2はコレクタが第2巻線16e2の他端16e2bに、エミッタが負極線16iに接続される。第1、第2のIGBT16f1,16f2のゲート端子(以下「ゲート」と省略する)は共に、後述する電子制御ユニットに信号線を介して接続される。
 また、ダイオード16g1のアノード端子(以下「アノード」という)はIGBT16f1のエミッタに、カソード端子(以下「カソード」という)はコレクタに接続される。ダイオード16g2のアノードはIGBT16f2のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。
 第3のIGBT16f3は、エミッタが第1巻線16e1の他端16e1bに接続される一方、コレクタが第2共通端子16k2に接続される。また、第4のIGBT16f4は、エミッタが第2巻線16e2の他端16e2bに接続され、コレクタが第2共通端子16k2に接続される。第3、第4のIGBT16f3,16f4のゲートも電子制御ユニットに信号線を介して接続される。
 同様に、ダイオード16g3のアノードはIGBT16f3のエミッタに、カソードはコレクタに接続されると共に、ダイオード16g4のアノードはIGBT16f4のエミッタに、カソードはコレクタに接続される。
 第2のコンデンサ16c2は正負極線16h,16iの間に介挿、正確には第2共通端子16k2と高電圧側ポート16bの正極端子16b1を接続する正極線(図1において符号16h1で示す)と負極線16iとの間に介挿され、変圧器16eから出力される電力を平滑する。
 インバータ20は3相ブリッジ回路(図示せず)から構成され、DC/DCコンバータ16で昇圧された直流を3相交流に変換して回転電機12に供給すると共に、回転電機12の回生動作によって発電された交流を直流に変換して図示しないバッテリに供給する。
 また、正極線16h1(正確には、第2共通端子16k2と、第2のコンデンサ16c2が接続される接続点16lとの間の正極線)には、電流センサ(電流検出手段)24が接続され、そこを流れる電流Iに比例する出力を生じる。この電流センサ24は、電流Iの直流(DC)成分と交流(AC)成分を検出可能な電流センサである。
 電流センサ24の出力は、車両10に搭載される電子制御ユニット(Electronic Control Unit。以下「ECU」という)30に入力される。ECU30はCPUやROM,RAMなどを備えたマイクロ・コンピュータからなる。
 ECU30は、入力された電流センサ24の出力に基づいて第1、第2のIGBT16f1,16f2の動作を制御する。詳しくは、電流センサ24で検出された電流に基づいて第1巻線16e1と第2巻線16e2の電流差を算出し、算出された電流差に基づいて第1、第2のIGBT16f1,16f2の動作を制御し、DC/DCコンバータ16の昇圧動作を行う。
 先ず、DC/DCコンバータ16の昇圧動作について図1,4を参照しつつ電流の流れを中心に説明する。DC/DCコンバータ16においては、燃料電池14から低電圧側ポート16aを介して入力される直流電圧を、第1、第2のIGBT16f1,16f2を180度位相差でオン/オフさせることで昇圧させて高電圧側ポート16bからインバータ20へ出力する。
 具体的には、第1のIGBT16f1のゲートにECU30からオン信号が入力されると共に、第2のIGBT16f2のゲートにオフ信号が入力されると、図1に示す如く、変圧器16eの第1巻線16e1には励磁電流I1が流れる。尚、第3、第4のIGBT16f3,IGBT16f4は共にオフされているものとする。もしくは、第3のIGBT16f3には第1のIGBT16f1と逆のオン/オフ信号を、第4のIGBT16f4には第2のIGBT16f2と逆のオン/オフ信号を(デットタイムを設けて)与えるものとする。
 励磁電流I1は、低電圧側ポート16aの正極端子16a1、インダクタ16d、第1共通端子16k1、第1巻線16e1およびIGBT16f1を介して負極端子16a2に流れる。励磁電流I1は、IGBT16f1がオンされる間、徐々に増加する一方、IGBT16f1がオフされると徐々に減少する。
 尚、IGBT16f1がオフされたときの励磁電流I1aを二点鎖線の矢印で示す。この励磁電流I1aは、IGBT16f2がオフしている期間ではIGBT16f1がオンされている間にインダクタ16dに蓄積されたエネルギが放出されることによって流れる電流であると共に、IGBT16f2がオンしている期間では図4に示す電流I3が流れることにより生じる磁化電流に応じて変圧器16eを介して磁気的に伝達されたエネルギが放出されることによって流れる電流であり、第1巻線16e1からダイオード16g3、第2共通端子16k2を通って正極端子16b1に流れる。
 上記した励磁電流I1が第1巻線16e1に流れると、第2巻線16e2には相互誘導によって励起電流(誘起電流)I2(図1において一点鎖線の矢印で示す)が流れる。励起電流I2は正極端子16a1、インダクタ16d、第1共通端子16k1、第2巻線16e2、ダイオード16g4および第2共通端子16k2を介して正極端子16b1に流れる。このとき、励起電流I2によって第2のコンデンサ16c2が充電され、その結果、インダクタ16dおよび変圧器16eで昇圧させられた直流電圧が高電圧側ポート16bから出力される。
 他方、第1のIGBT16f1がオフ、第2のIGBT16f2がオンされると、図4に示す如く、変圧器16eの第2巻線16e2には励磁電流I3が流れる。即ち、励磁電流I3は、低電圧側ポート16aの正極端子16a1、インダクタ16d、第1共通端子16k1、第2巻線16e2およびIGBT16f2を通って負極端子16a2に流れる。尚、第3、第4のIGBT16f3,IGBT16f4はオフされたままとする。
 励磁電流I3は、励磁電流I1と同様、IGBT16f2がオンされる間、徐々に増加する一方、IGBT16f2がオフされると徐々に減少する。尚、IGBT16f2がオフされたときの励磁電流I3aを二点鎖線の矢印で示す。この励磁電流I3aも、IGBT16f2がオンされている間にインダクタ16dに蓄積されたエネルギが放出されることによって流れる電流であり、第2巻線16e2からダイオード16g4、第2共通端子16k2を介して正極端子16b1に流れる。
 前記励磁電流I3が第2巻線16e2に流れると、第1巻線16e1には一点鎖線の矢印で示す励起電流(誘起電流)I4が流れる。励起電流I4は、正極端子16a1、インダクタ16d、第1共通端子16k1、第1巻線16e1、ダイオード16g3および第2共通端子16k2を介して正極端子16b1に流れる。このとき、励起電流I4によって第2のコンデンサ16c2が充電され、インダクタ16dと変圧器16eで昇圧させられた直流電圧が高電圧側ポート16bからインバータ20へ出力される。
 尚、以上から分かるように、電流センサ24が配置される正極線16h1には、第1のIGBT16f1のみがオンされるときは第2巻線16e2と同じ励起電流I2が流れると共に、第2のIGBT16f2のみがオンされるときは第1巻線16e1と同じ励起電流I4が流れることとなる。
 上記したDC/DCコンバータ16の昇圧動作においては、第1、第2のIGBT16f1,16f2のオン/オフによって第1巻線16e1に励磁電流I1が流れるときは巻線方向が相違する第2巻線16e2にコア16eaの磁化を相殺する(打ち消し合う)方向に励起電流I2が流れる一方、第2巻線16e2に励磁電流I3が流れるときは第1巻線16e1にコア16eaの磁化を相殺する方向に励起電流I4が流れる。
 従って、変圧器16eの第1、第2巻線16e1,16e2にそれぞれ発生する磁束の向きが反対になってコア16eaで磁気相殺されるため、コア16eaは磁気飽和し難い。このように、DC/DCコンバータ16は、磁気相殺型の変圧器16eを備えるため、小さい巻線やコアであっても比較的大きい電力に対応でき、DC/DCコンバータ16全体の小型化が可能となる。
 ここで、この発明の課題について再度説明する。図9は、従来技術に係るDC/DCコンバータの制御装置において検出される各巻線の電流と電流差を説明する説明図である。
 DC/DCコンバータ16の昇圧動作において、第1、第2巻線16e1,16e2に流れる巻線電流(正確には、巻線電流の直流成分)は、DC/DCコンバータ16で理想的な動作が行われれば常に等しくなる。しかしながら、IGBT16f1,16f2の性能バラツキや回路各部の寄生抵抗などに起因して巻線電流の間に電流差ΔIが生じる。
 この電流差ΔIと変圧器16eのコア内に発生する磁束密度Bとの関係は次式で表される。
  磁束密度B=μNΔI/l  ・・・式(1)
式中のμはコア材料の透磁率、Nは巻線の巻数、lは磁路長である。
 式(1)から分かるように、電流差ΔIが大きくなると、磁束密度Bもそれに比例して大きくなる。その結果、コア16eaにおいては、磁束密度Bがコアの材料固有の最大飽和磁束密度Bmaxを超えないよう体積を大きくする必要が生じてしまうため、電流差ΔIを可能な限り減少させるように各IGBTの動作を制御することが望ましい。
 そこで、前述した特許文献1記載の技術にあっては、図1に想像線で示す如く、第1、第2巻線16e1,16e2の後段に電流センサA,Bを設けるように構成し、2個の電流センサA,Bで各巻線の電流を検出して電流差ΔIを算出すると共に、算出された電流差ΔIが0になるように各IGBTの動作を制御している。
 ところで、電流センサには個体差があるため、図9に示すようなオフセットが存在し、またそのオフセット量も一様ではない。尚、図9においては、理解の便宜のため、オフセットが電流センサAにのみ存在する場合を示す。また、第1巻線16e1の電流および電流センサAの出力を実線で、第2巻線16e2の電流および電流センサBの出力を破線で示す。
 従って、電流センサA,Bの出力から時刻taのタイミングで各巻線の電流を検出し、検出された電流から電流差ΔIを算出すると、各センサのオフセット量が相違する分だけ実際の電流差ΔIaとの間に誤差が生じ、結果として各IGBTの動作を適切に制御できないおそれがある。また、誤差がある場合、電流差ΔIが0になるように各IGBTの動作を制御したとしても、誤差分の電流により発生する磁束が変圧器に残留してしまう。そのため、残留した磁束によって変圧器が磁気飽和しないように体格を大きくする必要が生じるなどの不都合がある。
 この発明は、そのような不都合を解消し、変圧器の体格を増大させることなく、各巻線の電流を正確に検出して各IGBTの動作を適切に制御することを課題とする。
 図5は本発明に係るDC/DCコンバータの制御装置おいて検出される各巻線の電流と電流差を説明する説明図であり、図6はインダクタ16dの昇圧率を2倍以上としたときの各巻線の電流と電流差を説明する説明図である。図5,6においては、上から順に第1、第2巻線16e1,16e2の巻線電流、電流センサ24が取り付けられる正極線16h1の電流、第1、第2のIGBT16f1,16f2のオン/オフ状態、電流センサ24の出力(読み値。DC成分)を示す。
 図5に示す如く、時刻t1からt3の間、第1のIGBT16f1がオン、第2のIGBT16f2がオフされると、前述した通り、正極線16h1には第2巻線16e2と同じ電流(励起電流)I2が流れる。従って、時刻t1からt3の間の適宜なタイミング(例えば時刻t1からt3の中間にあたる時刻t2)で正極線16h1の電流を電流センサ24を用いて検出すれば、第2巻線16e2の電流I2を検出することができる。
 同様に、時刻t4からt6に亘って第1のIGBT16f1がオフ、第2のIGBT16f2がオンされる場合、正極線16h1には第1巻線16e1と同じ電流(励起電流)I4が流れる。従って、時刻t4からt6の間の適宜なタイミング(例えば時刻t4からt6の中間にあたる時刻t5)で正極線16h1の電流を検出すれば、第1巻線16e1の電流I4を検出できる。
 また、図6に示すように、インダクタ16dが2倍以上の昇圧機能を有する場合であっても同じように、第1のIGBT16f1がオン、第2のIGBT16f2がオフされる時刻t7からt9の間は、正極線16h1に第2巻線16e2と同じ電流I2が流れる。従って、時刻t7からt9の間の適宜なタイミング(例えば時刻t7とt9の中間の時刻t8)で正極線16h1の電流を検出すれば、第2巻線16e2の電流I2を検出できる。
 その後時刻t10からt12に亘って第1のIGBT16f1がオフ、第2のIGBT16f2がオンされると、正極線16h1には第1巻線16e1と同じ電流I4が流れる。従って、時刻t10からt12の間の適宜なタイミング(例えば時刻t10からt12の中間にあたる時刻t11)で正極線16h1の電流を検出すれば、第1巻線16e1の電流I4を検出することができる。
 このように、正極線16h1の電流を1個の電流センサ24を用いて適宜なタイミングで検出することで、第1、第2巻線16e1,16e2の電流を正確に検出することができる。また、上記の如くして得た第1、第2巻線16e1,16e2の電流から電流差ΔIを算出する場合であっても、1個の電流センサ24を用いているため、全ての検出値に同じオフセットが生じることとなって、前述したようなオフセット量相違による誤差が生じることなく、実際の電流差ΔIaと同じ差分(電流差ΔI)を得ることができる。
 そしてECU30は、算出された電流差ΔIが0になるように第1、第2のIGBT16f1,16f2の動作をデューティ制御する。
 このように、第1実施例にあっては、磁気相殺型の変圧器16eの第1、第2巻線16e1,16e2の後段の第2共通端子16k2と高電圧側ポート16bの正極端子16b1とを接続する正極線16h1に流れる電流を検出する電流センサ24を備えると共に、電流センサ24によって検出された電流に基づいて第1、第2のIGBT(スイッチング素子)16f1,16f2の動作を制御するように構成したので、変圧器16eの体格を増大させることなく、各巻線16e1,16e2の電流(I2,I4)を正確に検出できると共に、検出された電流に基づいて各IGBT16f1,16f2の動作を適切に制御することができる。
 具体的には、前記した正極線16h1には各IGBT16f1,16f2のオン/オフに応じたタイミングで第1または第2巻線16e1,16e2と同じ電流が流れる期間が存在するため、正極線16h1の電流を電流センサ24を用いて適宜なタイミングで検出することで第1、第2巻線16e1,16e2に流れる電流を正確に検出でき、それによって各IGBT16f1,16f2の動作を適切に制御することができる。また、複数個の電流センサを用いず、正極線16h1に1個の電流センサを設けて各巻線16e1,16e2の電流を検出するようにしたので、構成を簡素化できると共に、例えば第1、第2巻線16e1,16e2の電流差ΔIを算出する場合であっても、オフセット量の相違によって実際の電流差ΔIaとの間に誤差が生じない、即ち、誤差分の電流により発生する磁束が変圧器16eに残留することはないため、変圧器16eの体格を増大させる必要もなく、さらにはコスト的にも有利である。
 また、電流検出手段は、正極線16h1に流れる電流の直流(DC)成分を検出可能な電流センサ24からなるように構成したので、検出した2つの電流値(第1、第2巻線の電流値)を足し合わせた値がDC/DCコンバータ16の入力電流の値と等しくなるので、例えば電流フィードバック制御や入力過電流検出に使用される入力電流センサとして機能させることも可能となる。それにより、入力電流のみを検出するような電流センサを除去でき、よって回路の構成を簡素化できると共に、コストを抑えることができる。
 同様に、電流検出手段として電流の直流(DC)成分を検出可能な電流センサ24からなるように構成したので、検出した2つの電流値の平均値がDC/DCコンバータ16の出力電流の値と等しくなるので、電流フィードバック制御や出力過電流検出に使用される出力電流センサとして機能させることが可能となる。このように、1個の電流センサ24でDC/DCコンバータ16の入力、出力電流を検出することが可能となる。尚、電流センサ24として電流の交流(AC)成分しか検出できない電流センサを用いた場合は、電流バランスをとる機能のみとなる。
 また、検出された電流に基づいて第1巻線と第2巻線16e1,16e2の電流差ΔIを算出し、算出された電流差ΔIに基づいて第1、第2のIGBT16f1,16f2の動作を制御するように構成、より具体的には、算出された電流差ΔIが0になるように第1、第2のIGBT16f1,16f2の動作を制御するように構成したので、電流差ΔIに応じて変化する変圧器16eのコア内の磁束密度Bをより確実に小さくできると共に、コア体積もより一層小さくすることができる。
 また、DC/DCコンバータ16が燃料電池自動車10に搭載されるように構成したので、燃料電池自動車10において上記した効果を得ることができる。
 次いで、この発明の第2実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置について説明する。
 第1実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、第2実施例にあっては、DC/DCコンバータ16がハイブリッド自動車(HEV)に搭載されるようにした。
 図7は第2実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置を全体的に示す、図1と同様な概略図である。
 図7に示すように、ハイブリッド自動車100は、駆動源として回転電機12に加えて内燃機関(以下「エンジン」という)102を備える。エンジン102は、ガソリン噴射式火花点火式で4気筒を備えると共に、駆動軸S1を介して回転電機12に連結される。回転電機12とエンジン102の出力は変速機104に入力される。変速機104はそれらの出力を変速し、車輪22に伝達する。
 また、ハイブリッド自動車100には、第1実施例の燃料電池14に代えて、電池106が搭載される。電池106は、リチウムイオン電池などの二次電池(バッテリ)からなる。
 尚、残余の構成は第1実施例と同一であるので、説明を省略する。
 このように、第2実施例にあっては、DC/DCコンバータ16がハイブリッド自動車100に搭載されるように構成したので、ハイブリッド自動車100において第1実施例と同様な効果を得ることができる。
 次いで、この発明の第3実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置について説明する。
 第1実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、第3実施例にあっては、DC/DCコンバータ16が電気自動車(EV)に搭載されるようにした。
 図8は第3実施例に係るDC/DCコンバータの制御装置を全体的に示す、図1と同様な概略図である。
 図8に示すように、電気自動車200には、第1実施例の燃料電池14に代えて、電池202が搭載される。電池202は、第2実施例と同様、リチウムイオン電池などの二次電池(バッテリ)からなる。
 このように、第3実施例にあっては、DC/DCコンバータ16が電気自動車200に搭載されるように構成したので、電気自動車200において、第1実施例と同様、変圧器16eの体格を増大させることなく、各巻線16e1,16e2の電流を正確に検出できると共に、それに基づいて各IGBT16f1,16f2の動作を適切に制御することができる。
 尚、残余の構成および効果は従前の実施例と同一であるので、説明を省略する。
 以上の如く、この発明の第1から第3実施例にあっては、巻線方向が互いに異なると共に、一端16e1a,16e2aにおいて低電圧側ポート16aの正極端子16a1に接続される一方、他端16e1b,16e2bにおいて共通端子(第2共通端子)16k2を介して高電圧側ポート16bの正極端子16b1に接続される第1、第2巻線16e1,16e2を有する磁気相殺型の変圧器16eと、前記第1巻線の他端と前記低電圧側ポートの負極端子16a2と前記高電圧側ポートの負極端子16b2を接続する負極線16iとの間に介挿される第1のスイッチング素子(第1のIGBT)16f1と、前記第2巻線の他端と前記負極線との間に介挿される第2のスイッチング素子(第2のIGBT)16f2とを備えるDC/DCコンバータの制御装置において、前記共通端子と前記高電圧側ポートの正極端子を接続する正極線16h1に流れる電流を検出する電流検出手段(電流センサ24)と、前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御する制御手段(ECU30)とを備えるように構成した。
 また、前記電流検出手段は、前記正極線16h1に流れる電流の直流成分を検出可能な電流センサ24からなるように構成した。
 また、前記制御手段は、前記検出された電流に基づいて前記第1巻線16e1と前記第2巻線16e2の電流差ΔIを算出し、前記算出された電流差ΔIに基づいて前記第1、第2のスイッチング素子16f1,16f2の動作を制御するように構成した。
 また、前記制御手段は、前記検出された電流に基づいて前記第1巻線16e1と前記第2巻線16e2の電流差ΔIを算出し、前記算出された電流差ΔIが0になるように前記第1、第2のスイッチング素子16f1,16f2の動作を制御するように構成した。
 また、第1実施例にあっては、前記DC/DCコンバータ16が燃料電池自動車10に搭載されるように構成した。
 また、第2実施例にあっては、前記DC/DCコンバータ16がハイブリッド自動車100に搭載されるように構成した。
 また、第3実施例にあっては、前記DC/DCコンバータ16が電気自動車200に搭載されるように構成した。
 尚、上記においては、DC/DCコンバータ16において2相の変圧器16eを用いるように構成したが、3相の変圧器であっても良い。
 また、変圧器16eのコア16eaをEEコアとしたが、EIコアやUIコアなど他のコア方式であっても良く、要は逆巻き結線が可能で、第1、第2巻線16e1,16e2から生じる磁束の方向が向き合ってコア内で互いを打ち消し合うことができればどのような構成でも良い。
 また、第2、第3実施例において、電池106,202の例としてリチウムイオン電池からなる二次電池を挙げたが、それに限られるものではなく、鉛電池やニッケル水素電池などでも良く、あるいはキャパシタなどの蓄電手段であっても良い。
 この発明によれば、DC/DCコンバータの制御装置において、磁気相殺型の変圧器の第1、第2巻線の後段の共通端子と高電圧側ポートの正極端子とを接続する正極線に流れる電流を検出する電流検出手段を備えると共に、電流検出手段によって検出された電流に基づいて、各巻線に接続された第1、第2のスイッチング素子の動作を制御するように構成したので、変圧器の体格を増大させることなく、各巻線の電流を正確に検出できると共に、検出された電流に基づいて各スイッチング素子の動作を適切に制御することができる。
 10 燃料電池自動車、16a 低電圧側ポート、16a1 (低電圧側ポートの)正極端子、16a2 (低電圧側ポートの)負極端子、16b 高電圧側ポート、16b1 (高電圧側ポートの)正極端子、16b2 (高電圧側ポートの)負極端子、16e 変圧器、16e1 第1巻線、16e2 第2巻線、16e1a,16e2a (第1、第2巻線の)一端、16e1b,16e2b (第1、第2巻線の)他端、16f1 第1のIGBT(第1のスイッチング素子)、16f2 第2のIGBT(第2のスイッチング素子)、16h1 正極線、16i 負極線、16k2 第2共通端子(共通端子)、24 電流センサ(電流検出手段)、30 ECU(電子制御ユニット)、100 ハイブリッド自動車、200 電気自動車

Claims (7)

  1.  巻線方向が互いに異なると共に、一端において低電圧側ポートの正極端子に接続される一方、他端において共通端子を介して高電圧側ポートの正極端子に接続される第1、第2巻線を有する磁気相殺型の変圧器と、前記第1巻線の他端と前記低電圧側ポートの負極端子と前記高電圧側ポートの負極端子を接続する負極線との間に介挿される第1のスイッチング素子と、前記第2巻線の他端と前記負極線との間に介挿される第2のスイッチング素子とを備えるDC/DCコンバータの制御装置において、前記共通端子と前記高電圧側ポートの正極端子を接続する正極線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。
  2.  前記電流検出手段は、前記正極線に流れる電流の直流成分を検出可能な電流センサからなることを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータの制御装置。
  3.  前記制御手段は、前記検出された電流に基づいて前記第1巻線と前記第2巻線の電流差を算出し、前記算出された電流差に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御することを特徴とする請求項1または2記載のDC/DCコンバータの制御装置。
  4.  前記制御手段は、前記検出された電流に基づいて前記第1巻線と前記第2巻線の電流差を算出し、前記算出された電流差が0になるように前記第1、第2のスイッチング素子の動作を制御することを特徴とする請求項3記載のDC/DCコンバータの制御装置。
  5.  前記DC/DCコンバータが燃料電池自動車に搭載されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のDC/DCコンバータの制御装置。
  6.  前記DC/DCコンバータがハイブリッド自動車に搭載されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のDC/DCコンバータの制御装置。
  7.  前記DC/DCコンバータが電気自動車に搭載されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のDC/DCコンバータの制御装置。
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