(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の共振型電力変換装置では、入出力電圧及び電流の計測値と、補助リアクトルや補助コンデンサ等の回路定数とに基づいて上記遅延時間を算出していたため、回路素子の温度特性等、ハードウェア特性のバラツキが原因で、補助スイッチと主スイッチとのオンタイミング差(つまり遅延時間)を最適に制御することができず、スイッチング損失が増大するという問題があった。
【0005】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現可能な共振型電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明では、共振型電力変換装置に係る第1の解決手段として、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が最小となる遅延時間の経過後に主スイッチをオンにするスイッチ制御部を備える共振型電力変換装置であって、前記スイッチ制御部は、前記遅延時間の最適化処理として、前記補助スイッチをオンにしてから前記補助コンデンサの電圧が基準電圧以下となるまでの第1の時間、及び前記補助コンデンサの電圧が前記基準電圧以上に戻るまでの第2の時間を計測し、前記第1及び第2の時間の平均値を前記遅延時間として設定することを特徴とする。
【0007】
また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記スイッチ制御部は、前記最適化処理を一定周期で繰り返し実行することにより、前記遅延時間の更新を行うことを特徴とする。
【0008】
また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第3の解決手段として、上記第1の解決手段において、装置内部の温度を検出する温度センサを備え、前記スイッチ制御部は、前記温度センサの出力信号に基づいて前記装置内部の温度変化を監視し、前記温度変化が規定条件を満たした時に前記最適化処理を実行することにより、前記遅延時間の更新を行うことを特徴とする。
【0009】
また、本発明では、共振型電力変換装置に係る第4の解決手段として、上記第1〜第3いずれか1つの解決手段において、前記基準電圧を生成する基準電圧源と、前記補助コンデンサの電圧と前記基準電圧との大小関係が反転する時にレベルが反転する信号を出力する比較回路と、を備え、前記スイッチ制御部は、前記補助スイッチをオンにしてから最初に前記比較回路の出力信号レベルが反転するまでの時間を前記第1の時間として計測し、前記比較回路の出力信号レベルが再び反転するまでの時間を前記第2の時間として計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が基準電圧以下となるまでの第1の時間、及び補助コンデンサの電圧が基準電圧以上に戻るまでの第2の時間を計測し、前記第1及び第2の時間の平均値を遅延時間として設定するので、回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現できる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る共振型電力変換装置の構成概略図である。この
図1に示すように、本共振型電力変換装置は、直流電源E(例えばバッテリ)の出力電圧を所望の電圧値に変換して負荷L(例えば直流モータ)に供給する双方向昇圧式のDC/DCコンバータであり、双方向昇圧回路1、基準電圧源2、第1比較回路3、第2比較回路4、電流センサ5、入力電圧センサ6、出力電圧センサ7及びスイッチ制御部8から構成されている。
【0013】
双方向昇圧回路1は、第1入力端子11、第2入力端子12、第1出力端子13、第2出力端子14、第1平滑コンデンサ15、第2平滑コンデンサ16、補助リアクトル17、主リアクトル18、第1主スイッチ19、第2主スイッチ20、第1主スナバダイオード21、第2主スナバダイオード22、第1補助スイッチ24、第2補助スイッチ25、第1補助スナバダイオード26、第2補助スナバダイオード27、第1補助ダイオード28、第2補助ダイオード29、第3補助ダイオード30、第4補助ダイオード31、第1補助コンデンサ32及び第2補助コンデンサ33から構成されている。
【0014】
第1入力端子11は、直流電源Eの正極端子に接続され、第2入力端子12は、直流電源Eの負極端子に接続されている。第1出力端子13は、負荷Lの一端に接続され、第2出力端子14は、負荷Lの他端に接続されている。第1平滑コンデンサ15は、一端が第1入力端子11に接続され、他端が第2入力端子12に接続されている。第2平滑コンデンサ16は、一端が第1出力端子13に接続され、他端が第2出力端子14に接続されている。
【0015】
補助リアクトル17は、一端が第1入力端子11に接続され、他端が主リアクトル18の一端に接続されている。主リアクトル18は、一端が補助リアクトル17の他端に接続され、他端が第1主スイッチ19のエミッタ端子及び第2主スイッチ20のコレクタ端子に接続されている。
【0016】
第1主スイッチ19は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、コレクタ端子が第1出力端子13に接続され、エミッタ端子が主リアクトル18の他端及び第2主スイッチ20のコレクタ端子に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部8に接続されている(配線については図示省略)。
第2主スイッチ20は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、コレクタ端子が主リアクトル18の他端及び第1主スイッチ19のエミッタ端子に接続され、エミッタ端子が第2出力端子14に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部8に接続されている(配線については図示省略)。
【0017】
第1主スナバダイオード21は、アノード端子が第1主スイッチ19のエミッタ端子に接続され、カソード端子が第1主スイッチ19のコレクタ端子に接続されている。第2主スナバダイオード22は、アノード端子が第2主スイッチ20のエミッタ端子に接続され、カソード端子が第2主スイッチ20のコレクタ端子に接続されている。
【0018】
第1補助スイッチ24は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、コレクタ端子が補助リアクトル17の他端及び主リアクトル18の一端に接続され、エミッタ端子が第1補助ダイオード28のアノード端子に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部8に接続されている(配線については図示省略)。
第2補助スイッチ25は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、コレクタ端子が第4補助ダイオード31のカソード端子に接続され、エミッタ端子が補助リアクトル17の他端及び主リアクトル18の一端に接続され、ゲート端子がスイッチ制御部8に接続されている(配線については図示省略)。
【0019】
第1補助スナバダイオード26は、アノード端子が第1補助スイッチ24のエミッタ端子に接続され、カソード端子が第1補助スイッチ24のコレクタ端子に接続されている。第2補助スナバダイオード27は、アノード端子が第2補助スイッチ25のエミッタ端子に接続され、カソード端子が第2補助スイッチ25のコレクタ端子に接続されている。
【0020】
第1補助ダイオード28は、アノード端子が第1補助スイッチ24のエミッタ端子に接続され、カソード端子が第2補助ダイオード29のアノード端子及び第1補助コンデンサ32の一端に接続されている。第2補助ダイオード29は、アノード端子が第1補助ダイオード28のカソード端子及び第1補助コンデンサ32の一端に接続され、カソード端子が主リアクトル18の他端に接続されている。
【0021】
第3補助ダイオード30は、アノード端子が主リアクトル18の他端に接続され、カソード端子が第4補助ダイオード31のアノード端子及び第2補助コンデンサ33の一端に接続されている。第4補助ダイオード31は、アノード端子が第3補助ダイオード30のカソード端子及び第2補助コンデンサ33の一端に接続され、カソード端子が第2補助スイッチ25のコレクタ端子に接続されている。
【0022】
第1補助コンデンサ32は、一端が第1補助ダイオード28のカソード端子及び第2補助ダイオード29のアノード端子に接続され、他端が第1出力端子13に接続されている。第2補助コンデンサ33は、一端が第3補助ダイオード30のカソード端子及び第4補助ダイオード31のアノード端子に接続され、他端が第2入力端子12及び第2出力端子14に接続されている。以上が双方向昇圧回路1の回路構成である。
【0023】
基準電圧源2は、直流電源Eの出力電圧VE(双方向昇圧回路1の入力電圧)を利用して基準電圧Vrefを生成する。第1比較回路3は、一方の入力端子が基準電圧源2の正極端子に接続され、他方の入力端子が第1補助コンデンサ32の他端に接続されたコンパレータであり、第1補助コンデンサ32の電圧VC1と基準電圧Vrefとの大小関係が反転する時にレベルが反転する信号をスイッチ制御部8へ出力する。第2比較回路4は、一方の入力端子が基準電圧源2の正極端子に接続され、他方の入力端子が第2補助コンデンサ33の他端に接続されたコンパレータであり、第2補助コンデンサ33の電圧VC2と基準電圧Vrefとの大小関係が反転する時にレベルが反転する信号をスイッチ制御部8へ出力する。
【0024】
電流センサ5は、直流電源Eの出力電流IE(双方向昇圧回路1の第1入力端子11に流れる電流)を検出し、その検出結果に応じた信号をスイッチ制御部8へ出力する。入力電圧センサ6は、直流電源Eの出力電圧VE(双方向昇圧回路1の入力電圧)を検出し、その検出結果に応じた信号をスイッチ制御部8へ出力する。出力電圧センサ7は、負荷Lの端子間電圧VL(双方向昇圧回路1の出力電圧)を検出し、その検出結果に応じた信号をスイッチ制御部8へ出力する。
【0025】
スイッチ制御部8は、例えばメモリやCPU(Central Processing Unit)コア、入出力インターフェース等が一体的に組み込まれたマイコンチップであり、第1比較回路3、第2比較回路4、電流センサ5、入力電圧センサ6及び出力電圧センサ7の出力信号に基づいて、第1主スイッチ19、第2主スイッチ20、第1補助スイッチ24及び第2補助スイッチ25のオン/オフ制御を行う(各スイッチのゲート端子にゲート信号を出力する)。
【0026】
続いて、上記のように構成された本共振型電力変換装置の動作について説明する。
本共振型電力変換装置の動作原理については、特許第4397938号公報に記載されているように既に公知であるので詳細な説明については省略するが、第1補助スイッチ24(或いは第2補助スイッチ25)をオンにしてから第1補助コンデンサ32(或いは第2補助コンデンサ33)の電圧VC1(或いはVC2)が最小となるまでの遅延時間Tdの経過後に第1主スイッチ19(或いは第2主スイッチ20)をオンにすることで、第1主スイッチ19(或いは第2主スイッチ20)のソフトスイッチングを実現できる。
【0027】
既に述べたように、特許第4397938号公報に記載された従来の共振型電力変換装置では、入出力電圧及び電流の計測値と、補助リアクトルや補助コンデンサ等の回路定数とに基づいて上記遅延時間Tdを算出していたため、回路素子の温度特性等、ハードウェア特性のバラツキが原因で、補助スイッチと主スイッチとのオンタイミング差(つまり遅延時間Td)を最適に制御することができず、スイッチング損失が増大するという問題があった。
【0028】
本共振型電力変換装置は、第1補助スイッチ24(或いは第2補助スイッチ25)をオンにしてから第1補助コンデンサ32(或いは第2補助コンデンサ33)の電圧VC1(或いはVC2)が最小となる遅延時間Tdの経過後に第1主スイッチ19(或いは第2主スイッチ20)をオンにするという点で従来と同様であるが、その遅延時間Tdの算出手法が全く異なるものである。
【0029】
以下、
図2のタイミングチャートを参照しながら本実施形態における遅延時間Tdの算出手法について説明する。
図2に示すように、双方向昇圧回路1について、「出力電圧VL/入力電圧VE≦2」という条件が成立する場合、補助スイッチ(IE≧0なら第2補助スイッチ25、IE<0なら第1補助スイッチ24)をオンした後、主スイッチ(IE≧0なら第2主スイッチ20、IE<0なら第1主スイッチ19)をオフ状態で維持していると、補助コンデンサ(IE≧0なら第2補助コンデンサ33、IE<0なら第1補助コンデンサ32)の電圧がゼロ点へ向かって降下し、このゼロ点(最適点)を過ぎると再び上昇するという特徴を有している。
【0030】
この補助コンデンサの電圧下降カーブと電圧上昇カーブは、ゼロ点を中心として左右対称の軌跡を描くため、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以下となるまでの第1の時間T1と、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が再び基準電圧Vref以上に戻るまでの第2の時間T2とを計測し、これら第1の時間T1と第2の時間T2との平均値を算出することにより、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が最小(ゼロ点)となる遅延時間Tdを求めることができる。
このように算出した遅延時間Tdは、第1の時間T1及び第2の時間T2の実測値に基づくものであるため、双方向昇圧回路1を構成する各回路素子のハードウェア特性(温度特性等)に対して最適な値となる。
【0031】
すなわち、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以下となるまでの第1の時間T1、及び補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以上に戻るまでの第2の時間T2を計測し、これら第1及び第2の時間T1、T2の平均値を遅延時間Tdとして設定することにより、回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現することができる。
【0032】
図3は、スイッチ制御部8が実行する遅延時間Tdの最適化処理を表すフローチャートである。スイッチ制御部8は、起動時に
図3に示す最適化処理を実行することにより、双方向昇圧回路1を構成する各回路素子のハードウェア特性に最適な遅延時間Tdを算出及び設定する。
【0033】
図3に示すように、スイッチ制御部8は、まず、電流センサ5の出力信号に基づいて、直流電源Eの出力電流IEがゼロ以上か否か(直流電源Eから負荷Lへの放電モードか、負荷Lから直流電源Eへの充電モードか)を判定する(ステップS1)。このステップS1にて「Yes」の場合(IE≧0の場合)、スイッチ制御部8は、第2補助スイッチ25をオンにし(ステップS2)、時間計測を開始する(ステップS3)。
【0034】
そして、スイッチ制御部8は、第2比較回路4の出力信号レベルを監視し(ステップS4)、第2比較回路4の出力信号レベルが反転したか否か(第2補助スイッチ25をオンにしてから第2補助コンデンサ33の電圧VC2が基準電圧Vref以下となったか否か)を判定する(ステップS5)。スイッチ制御部8は、ステップS5にて「No」の場合、上記ステップS4に戻る一方、ステップS5にて「Yes」の場合、レベル反転時における時間計測結果を第1の時間T1として内部メモリに保存する(ステップS6)。
【0035】
そして、スイッチ制御部8は、引き続き第2比較回路4の出力信号レベルを監視し(ステップS7)、第2比較回路4の出力信号レベルが再び反転したか否か(第2補助スイッチ25をオンにしてから第2補助コンデンサ33の電圧VC2が基準電圧Vref以上に戻ったか否か)を判定する(ステップS8)。スイッチ制御部8は、ステップS8にて「No」の場合、上記ステップS7に戻る一方、ステップS8にて「Yes」の場合、レベル反転時の時間計測結果を第2の時間T2として内部メモリに保存する(ステップS9)。
【0036】
一方、上記ステップS1にて「No」の場合(IE<0の場合)、スイッチ制御部8は、第1補助スイッチ24をオンにし(ステップS10)、時間計測を開始する(ステップS11)。そして、スイッチ制御部8は、第1比較回路3の出力信号レベルを監視し(ステップS12)、第1比較回路3の出力信号レベルが反転したか否か(第1補助スイッチ24をオンにしてから第1補助コンデンサ32の電圧VC1が基準電圧Vref以下となったか否か)を判定する(ステップS13)。
【0037】
スイッチ制御部8は、ステップS13にて「No」の場合、上記ステップS12に戻る一方、ステップS13にて「Yes」の場合、レベル反転時における時間計測結果を第1の時間T1として内部メモリに保存する(ステップS14)。そして、スイッチ制御部8は、引き続き第1比較回路3の出力信号レベルを監視し(ステップS15)、第1比較回路3の出力信号レベルが再び反転したか否か(第1補助スイッチ24をオンにしてから第1補助コンデンサ32の電圧VC1が基準電圧Vref以上に戻ったか否か)を判定する(ステップS16)。
【0038】
スイッチ制御部8は、ステップS16にて「No」の場合、上記ステップS15に戻る一方、ステップS16にて「Yes」の場合、レベル反転時の時間計測結果を第2の時間T2として内部メモリに保存する(ステップS17)。
【0039】
最後に、スイッチ制御部8は、ステップS2〜S9のルートで計測した第1及び第2の時間T1、T2、或いはステップS10〜S17のルートで計測した第1及び第2の時間T1、T2を内部メモリから読み出し、第1及び第2の時間T1、T2の平均値を算出し、当該平均値を遅延時間Tdとして設定する(ステップS18)。
【0040】
スイッチ制御部8は、起動時に上述した最適化処理によって、双方向昇圧回路1を構成する各回路素子のハードウェア特性に最適な遅延時間Tdを設定した後、第1補助スイッチ24(或いは第2補助スイッチ25)をオンにしてから遅延時間Tdの経過後に第1主スイッチ19(或いは第2主スイッチ20)をオンにすることにより、第1主スイッチ19(或いは第2主スイッチ20)のソフトスイッチングを行う。
【0041】
以上説明したように、本実施形態に係る共振型電力変換装置によれば、補助スイッチをオンにしてから補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以下となるまでの第1の時間T1、及び補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以上に戻るまでの第2の時間T2を計測し、これら第1及び第2の時間T1、T2の平均値を遅延時間Tdとして設定するので、回路素子のハードウェア特性のバラツキに影響されずに、最適なソフトスイッチング制御を実現することができる。
【0042】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
(1)上記実施形態では、
図3に示した遅延時間Tdの最適化処理を、スイッチ制御部8が起動時に一回実行する場合を例示したが、共振型電力変換装置の内部温度は時々刻々と変化するため、起動後も上記の最適化処理を一定周期で繰り返し実行することにより、遅延時間Tdを更新する機能をスイッチ制御部8に設けても良い。
【0043】
または、共振型電力変換装置に装置内部の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの出力信号に基づいて装置内部の温度変化を監視し、温度変化が規定条件を満たした時に上記の最適化処理を実行することにより、遅延時間Tdの更新を行う機能をスイッチ制御部8に設けても良い。ここで、「規定条件」としては、例えば内部温度の今回値が前回値より一定値以上上昇(或いは下降)したこと等が挙げられる。
【0044】
(2)上記実施形態では、補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以下となるタイミングと、補助コンデンサの電圧が基準電圧Vref以上に戻るタイミングを、コンパレータ(第1比較回路3、第2比較回路4)等のハードウェアを利用して検出する場合を例示したが、補助コンデンサの電圧をスイッチ制御部8に直接入力して、スイッチ制御部8のソフトウェア処理によって上記2つのタイミングを検出するようにしても良い。
【0045】
(3)上記実施形態では、本共振型電力変換装置として双方向昇圧式のDC/DCコンバータを例示したが、特許第4397938号公報の
図1に記載されているような、単方向昇圧式のDC/DCコンバータであっても、本発明を適用することができる。