知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 現代自動車株式会社の特許一覧 ▶ 起亞自動車株式会社の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-23
(45)【発行日】2024-09-02
(54)【発明の名称】直流／直流コンバータ
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20240826BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020178440
(22)【出願日】2020-10-23
(65)【公開番号】P2021164399
(43)【公開日】2021-10-11
【審査請求日】2023-07-05
(31)【優先権主張番号】10-2020-0040003
(32)【優先日】2020-04-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】591251636
【氏名又は名称】現代自動車株式会社
【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ
【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(73)【特許権者】
【識別番号】500518050
【氏名又は名称】起亞株式会社
【氏名又は名称原語表記】ＫＩＡ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】110000051
【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】金 重 輝
(72)【発明者】
【氏名】兪 定 模
(72)【発明者】
【氏名】李 鎔 在
(72)【発明者】
【氏名】黄 宰 豪
(72)【発明者】
【氏名】朴 柱 英
(72)【発明者】
【氏名】朴 宰 玄
【審査官】冨永 達朗
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１５６１６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０３０１５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００５８３９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００５８３８５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／１５５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１キャパシタと、前記第１キャパシタの両端に並列接続されて相互直列に順次接続された第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、及び第４スイッチと、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとの接続ノード、及び前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続ノードにそれぞれ両端が接続された第２キャパシタと、
前記第２スイッチと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されたインダクタと、
第１検出電圧とそれに対する第１電圧指令値との差及び第２検出電圧とそれに対する第２電圧指令値との差に前記インダクタに流れる電流を検出した検出電流の逆数を適用した結果に基づいて前記第１スイッチ～前記第４スイッチのオン／オフ状態を制御するコントローラと、を備え、
前記第１検出電圧は、前記第１キャパシタの両端の検出電圧、又は前記インダクタの他端と前記第１キャパシタと前記第４スイッチとの接続ノードとの間の検出電圧であり、
前記第２検出電圧は、第２キャパシタの両端の検出電圧であることを特徴とする直流／直流コンバータ。
【請求項2】
前記コントローラは、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差に事前に設定された比例制御定数を適用した値に前記検出電流の逆数を乗算した結果に基づいて、前記第１スイッチ～前記第４スイッチのオン／オフ状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項3】
前記コントローラは、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を事前設定された定数値に決定することを特徴とする請求項２に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項4】
前記コントローラは、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を前記事前設定された範囲で線形的に変更される所定の値に決定することを特徴とする請求項２に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項5】
前記コントローラは、前記第１検出電圧と前記第１電圧指令値との差に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令値を生成する電圧制御部と、
前記電流指令値と前記検出電流との差に基づいて第１制御電圧指令値を生成する電流制御部と、
前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差及び前記検出電流の逆数に基づいて第２制御電圧指令値を生成するフライングキャパシタ電圧制御部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項6】
前記フライングキャパシタ電圧制御部は、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差を演算する減算器と、
前記減算器の演算結果に比例制御値を適用して出力する比例制御器と、
前記検出電流の逆数を演算する逆数演算器と、
前記比例制御器の出力に前記逆数演算器の演算結果を乗算して前記第２制御電圧指令値として出力する乗算器と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項7】
前記逆数演算器は、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を事前設定された定数値に決定することを特徴とする請求項６に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項8】
前記逆数演算器は、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を前記事前設定された範囲で線形的に変更される所定の値に決定することを特徴とする請求項６に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項9】
前記コントローラは、前記第１制御電圧指令値と前記第２制御電圧指令値とを合算して第１デューティ指令値を生成する第１合算器と、
前記第１検出電圧から前記第１制御電圧指令値を減算する減算器と、
前記第２制御電圧指令値に前記減算器の減算結果を合算して第２デューティ指令値を生成する第２合算器と、
前記第１デューティ指令値と事前設定された周波数を有する三角波とを比較した結果に基づいて前記第１スイッチ及び前記第４スイッチのオン／オフ状態を決定する第１スイッチング制御部と、
前記第２デューティ指令値と前記三角波とを比較した結果に基づいて前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン／オフ状態を決定する第２スイッチング制御部と、を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の直流／直流コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流／直流コンバータに係り、より詳細には、制御性を向上させたフライングキャパシタを備える直流／直流コンバータに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、直流／直流コンバータは、入力された直流電圧の大きさを所望の大きさに変換する装置であって、各種電気・電力分野に広く用いられている。
【0003】
従来の直流／直流コンバータとして、半導体スイッチのオン／オフ動作を用いてインダクタのエネルギー蓄積とエネルギー放出の量をコントロールして直流から直流への電圧変換をする技術が知られている。このような従来の直流／直流コンバータは、適用されるインダクタのサイズが大きく、その重量が重いという欠点がある。
【0004】
このようなインダクタのサイズ及び重量の問題を解消するために、キャパシタを用いてキャパシタの充放電を利用してインダクタへの印加電圧を減少させることにより、インダクタによって提供されるインダクタンス値を減少させてインダクタを小型化及び軽量化する技術が開発された。
【0005】
このような技術の一つとして、複数のスイッチを直列接続し、その一部のスイッチの間にフライングキャパシタを備える直流／直流コンバータがある。
【0006】
従来のフライングキャパシタを備える直流／直流コンバータは、追加されたフライングキャパシタの電圧を一定のレベルに制御しなければならないという点で、制御難易度が高い。フライングキャパシタの電圧が一定のレベルから大きく外れた場合、スイッチに高い電圧がかかってスイッチが焼損する虞がある。
【0007】
従って、当該技術分野では、フライングキャパシタに印加される電圧に対する制御性を向上させることができる技術が求められている。
【0008】
上述の背景技術として説明した事項は、本発明の背景に対する理解増進のためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来技術に該当することを認めるものとして受け入れてはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】米国特許第７７４６０４１号明細書
【文献】特許第６２２３６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、フライングキャパシタへの印加電圧に対する制御性を向上させたフライングキャパシタを備える直流／直流コンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による直流／直流コンバータは、第１キャパシタと、前記第１キャパシタの両端に並列接続されて相互直列に順次接続された第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、及び第４スイッチと、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの接続ノード、及び前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続ノードにそれぞれ両端が接続された第２キャパシタと、前記第２スイッチと前記第３スイッチとの接続ノードに一端が接続されたインダクタと、第１検出電圧とそれに対する第１電圧指令値との差及び第２検出電圧とそれに対する第２電圧指令置との差に前記インダクタに流れる電流を検出した検出電流の逆数を適用した結果に基づいて前記第１スイッチ～前記第４スイッチのオン／オフ状態を制御するコントローラと、を備え、前記第１検出電圧は、前記第１キャパシタの両端の検出電圧、又は前記インダクタの他端と前記第１キャパシタと前記第４スイッチとの接続ノードとの間の検出電圧であり、前記第２検出電圧は、第２キャパシタの両端の検出電圧である。
【0012】
前記コントローラは、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差に事前設定された比例制御定数を適用した値に前記検出電流の逆数を乗算した結果に基づいて、前記第１スイッチ～前記第４スイッチのオン／オフ状態を制御し得る。
前記コントローラは、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を事前設定された定数値に決定し得る。
前記コントローラは、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を前記事前設定された範囲で線形的に変更される所定の値に決定し得る。
前記コントローラは、前記第１検出電圧と前記第１電圧指令値との差に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令値を生成する電圧制御部と、前記電流指令値と前記検出電流との差に基づいて第１制御電圧指令値を生成する電流制御部と、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差及び前記検出電流の逆数に基づいて第２制御電圧指令値を生成するフライングキャパシタ電圧制御部と、を含み得る。
前記フライングキャパシタ電圧制御部は、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差を演算する減算器と、前記減算器の演算結果に比例制御値を適用して出力する比例制御器と、前記検出電流の逆数を演算する逆数演算器と、前記比例制御器の出力に前記逆数演算器の演算結果を乗算して前記第２制御電圧指令値として出力する乗算器と、を含み得る。
前記逆数演算器は、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を事前設定された定数値に決定し得る。
前記逆数演算器は、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を前記事前設定された範囲で線形的に変更される所定の値に決定し得る。
前記コントローラは、前記第１制御電圧指令値と前記第２制御電圧指令値とを合算して第１デューティ指令値を生成する第１合算器と、前記第１検出電圧から前記第１制御電圧指令値を減算する減算器と、前記第２制御電圧指令値に前記減算器の減算結果を合算して第２デューティ指令値を生成する第２合算器と、前記第１デューティ指令値と事前設定された周波数を有する三角波とを比較した結果に基づいて前記第１スイッチ及び前記第４スイッチのオン／オフ状態を決定する第１スイッチング制御部と、前記第２デューティ指令値と前記三角波とを比較した結果に基づいて前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン／オフ状態を決定する第２スイッチング制御部と、を更に含み得る。
前記コントローラは、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を事前設定された定数値に決定し得る。
前記コントローラは、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を前記事前設定された範囲で線形的に変更される所定の値に決定し得る。
前記コントローラは、前記第１検出電圧と前記第１電圧指令値との差に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令値を生成する電圧制御部と、前記電流指令値と前記検出電流との差に基づいて第１制御電圧指令値を生成する電流制御部と、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差及び前記検出電流の逆数に基づいて第２制御電圧指令値を生成するフライングキャパシタ電圧制御部と、を含み得る。
前記フライングキャパシタ電圧制御部は、前記第２検出電圧と前記第２電圧指令値との差を演算する減算器と、前記減算器の演算結果に比例制御値を適用して出力する比例制御器と、前記検出電流の逆数を演算する逆数演算器と、前記比例制御器の出力に前記逆数演算器の演算結果を乗算して前記第２制御電圧指令値として出力する乗算器と、を含み得る。
前記逆数演算器は、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を事前設定された定数値に決定し得る。
前記逆数演算器は、前記検出電流の大きさがゼロ付近の事前設定された範囲内である場合に、前記検出電流の逆数を前記事前設定された範囲で線形的に変更される所定の値に決定し得る。
前記コントローラは、前記第１制御電圧指令値と前記第２制御電圧指令値とを合算して第１デューティ指令値を生成する第１合算器と、前記第１検出電圧から前記第１制御電圧指令値を減算する減算器と、前記第２制御電圧指令値に前記減算器の減算結果を合算して第２デューティ指令値を生成する第２合算器と、前記第１デューティ指令値と事前設定された周波数を有する三角波とを比較した結果に基づいて前記第１スイッチ及び前記第４スイッチのオン／オフ状態を決定する第１スイッチング制御部と、前記第２デューティ指令値と前記三角波とを比較した結果に基づいて前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン／オフ状態を決定する第２スイッチング制御部と、を更に含み得る。
【発明の効果】
【0013】
本発明の直流／直流コンバータによれば、フライングキャパシタへの印加電圧に対する制御性を向上させてフライングキャパシタの電圧を好ましい大きさに容易に維持することができるため、スイッチの過電圧による焼損が発生することを防止することができる。
本発明で得られる効果は、上述した効果に制限されず、上述していない別の効果は、以降の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できるであろう。
本発明で得られる効果は、上述した効果に制限されず、上述していない別の効果は、以降の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの回路図である。
【図2】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータのコントローラを更に詳細に示すブロック構成図である。
【図3】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの電気的流れの第１の状態を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの電気的流れの第２の状態を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの電気的流れの第３の状態を示す図である。
【図6】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの電気的流れの第４の状態を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの制御に適用されるインダクタ電流の逆数に対する特性を説明するためのグラフである。
【図8】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの制御に適用されるインダクタ電流の逆数に対する特性の第１例を説明するためのグラフである。
【図9】本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの制御に適用されるインダクタ電流の逆数に対する特性の第２例を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の直流／直流コンバータを実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
図１は、本発明の一実施形態による直流／直流コンバータの回路図である。
【0017】
図１を参照すると、本実施形態による直流／直流コンバータは、第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間に印加された直流電圧を昇圧して第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に提供するか、或いはその反対に、第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に印加された直流電圧を降圧して第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間に提供する直流／直流コンバータである。図１に示した例は、第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間にバッテリーＢＡＴが備えられ、バッテリーＢＡＴ電圧を昇圧して第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に提供するコンバータになる。例えば、第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間には負荷が接続される。
【0018】
以下、主にバッテリーＢＡＴ電圧を昇圧して第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に提供する例を説明するが、以下の説明を介して、その反対の電力の移動、即ち第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に印加された電圧を降圧して第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ２２との間に提供する例を当業者であれば容易に実現することができる。
【0019】
本実施形態による直流／直流コンバータは、第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２とに両端がそれぞれ接続された第１キャパシタＣＤＣと、第１キャパシタＣＤＣの両端に並列接続されて相互直列に順次接続された第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、及び第４スイッチＳ４と、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との接続ノード及び第３スイッチＳ３と第３スイッチＳ４との接続ノードにそれぞれ両端が接続された第２キャパシタＣＦＣと、第２スイッチＳ２と第３スイッチＳ３との接続ノードに一端が接続されたインダクタＬと、第１～第４スイッチ（Ｓ１～Ｓ４）のオン／オフ状態を制御するコントローラ１０と、を含んで構成される。
【0020】
第１キャパシタＣＤＣは、第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に接続された一種の平滑キャパシタである。図１には示していないが、第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間にも追加の平滑キャパシタが接続され得る。
【0021】
第１～第４スイッチ（Ｓ１～Ｓ４）は、第１キャパシタＣＤＣの一端から他端に向かって順次直列接続される。第１～第４スイッチ（Ｓ１～Ｓ４）のそれぞれは、絶縁ゲートバイポーラキャパシタ（ＩＧＢＴ）で実現され、ＩＧＢＴのゲートにコントローラ１０のオン／オフ制御信号が入力されることによりオン／オフ状態が制御される。勿論、第１～第４スイッチ（Ｓ１～Ｓ４）は、ＩＧＢＴを代替することが可能な当該技術分野における公知の様々なスイッチング素子で実現することができる。
【0022】
第２キャパシタＣＦＣは、フライングキャパシタであって、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との接続ノード、及び第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４との接続ノードにそれぞれ両端が接続される。
【0023】
図示していないが、本実施形態による直流／直流コンバータは、コントローラ１０がスイッチ（Ｓ１～Ｓ４）のオン／オフ制御を行うための演算に必要な回路内情報を検出する複数のセンサが備えられる。先ず第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間の電圧、又は第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間の電圧ＶＦＣを検出するための電圧センサが備えられ、更に第２キャパシタＣＦＣの電圧ＶＦＣを検出するための電圧センサが備えられ、インダクタＬに流れる電流の大きさを検出するための電流センサが備えられる。このような電圧センサ及び電流センサで検出された検出電圧及び検出電流は、コントローラ１０に提供される。
【0024】
コントローラ１０は、第１キャパシタＣＤＣの両端、又はインダクタＬの他端と第１キャパシタＣＤＣと第４スイッチＳ４との接続ノードとの間の電圧を検出した第１検出電圧の入力を受ける。ここで、第１検出電圧は、直流／直流コンバータが一定の電圧を昇圧又は降圧して出力した出力電圧に該当するものであり、昇圧の場合には第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間の電圧（即ち、第１キャパシタＣＤＣの電圧）を検出した値ＶＤＣになり、降圧の場合には第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間の電圧を検出した値になる。
【0025】
また、コントローラ１０は、第１検出電圧ＶＤＣとそれに対する第１電圧指令値とを比較してその誤差を演算する。ここで、第１電圧指令値は、上位制御器などにより設定された直流／直流コンバータが出力しようとする電圧値である。
【0026】
また、コントローラ１０は、フライングキャパシタである第２キャパシタＣＦＣに印加された電圧を検出した検出電圧ＶＦＣの入力を受け、事前に設定された第２電圧指令値と比較してその誤差を演算する。ここで、第２電圧指令値は、上位制御器などにより事前に設定された値であって、第１キャパシタＣＤＣの電圧の略１／２に該当する値となる。特に、本実施形態において、コントローラ１０は、第２キャパシタＣＦＣに印加される電圧を検出した検出電圧ＶＦＣと第２電圧指令値との誤差に、インダクタＬに流れる電流を検出した検出電流を乗算した結果に基づいて、スイッチＳ１～Ｓ４のオン／オフ状態を制御する。
【0027】
図２は、本発明の一実施形態による直流／直流コンバータのコントローラを更に詳細に示すブロック構成図である。
【0028】
図２を参照すると、本実施形態による直流／直流コンバータのコントローラ１０は、電圧制御部１１、電流制御部１２、及びフライングキャパシタ電圧制御部１３を含む。
【0029】
電圧制御部１１は、第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間の電圧、又は第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間の電圧を検出した検出電圧ＶＤＣを、事前に設定された第１電圧指令値ＶＤＣ
＊と比較して誤差を演算する減算器１１１と、減算器１１１で演算された誤差を減少させるように比例積分制御する比例積分（ＰＩ）制御器１１２とを含む。ＰＩ制御器１１２は、比例積分制御を介して、減算器１１１で演算された誤差を減少させるインダクタＬの電流の電流指令値ＩＬ
＊を出力する。
【0030】
電流制御部１２は、電圧制御部１１から提供されたインダクタＬの電流指令値ＩＬ
＊とインダクタＬに流れる電流を検出した検出電流ＩＬとの誤差を演算する減算器１２１と、比例積分制御を介して減算器１２１の出力を減少させる第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊を生成するＰＩ制御器１２２とを含む。第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊は、スイッチ（Ｓ１～Ｓ４）のオン／オフデューティの決定に使用される。
【0031】
図２は電圧制御部１１及び電流制御部１２が比例積分制御を行う例を示しているが、本発明は、これに限定されず、当技術分野における公知の様々な制御技法を適用することができる。
【0032】
フライングキャパシタ（Ｃａｐ）電圧制御部１３は、第２キャパシタＣＦＣに印加された電圧を検出した検出電圧ＶＦＣの入力を受け、事前に設定された第２電圧指令値ＶＦＣ
＊と比較してその誤差を演算する減算器１３１と、比例制御を介して減算器１３１の出力を減少させる制御指令を出力する比例制御器１３２と、インダクタＬの電流を検出した検出電流ＩＬの逆数を演算する逆数演算器１３３と、比例制御器１３２の出力に逆数演算器１３３の演算結果を乗算して第２制御電圧指令値ＶＣＭ
＊として出力する乗算器１３４とを含んで構成される。
【0033】
また、コントローラは、電流制御部１２から出力された第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊とフライングキャパシタ電圧制御部１３から出力された第２制御電圧指令値ＶＣＭ
＊とを合算して第１デューティ指令値Ｖ１
＊を生成する第１合算器１４１と、入出力端の電圧を検出した検出電圧ＶＤＣから第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊を減算する減算器１４２と、第２制御電圧指令値ＶＣＭ
＊に減算器１４２の減算結果を合算して第２デューティ指令値Ｖ２
＊を生成する第２合算器１４３と、第１デューティ指令値Ｖ１
＊と三角波発生器１４６で発生した事前に設定された周波数を有する三角波とを比較した結果に基づいて第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４のオン／オフ状態を決定する第１スイッチング制御部（ＰＷＭ）１４４と、第２デューティ指令値Ｖ２
＊と三角波発生器１４６で発生した事前に設定された周波数を有する三角波とを比較した結果に基づいて第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３のオン／オフ状態を決定する第２スイッチング制御部（ＰＷＭ）１４５とを更に含む。
【0034】
以上で説明したような構成によると、第１デューティ指令値Ｖ１
＊及び第２デューティ指令値Ｖ２
＊は、第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊及び第２制御電圧指令値ＶＣＭ
＊を用いて下記式１で表される。
【0035】
［数１］
Ｖ１ ＊＝ＶＣＭ ＊＋ＶＤＭ ＊
Ｖ２ ＊＝ＶＣＭ ＊＋（ＶＤＣ－ＶＤＭ ＊） ・・・（式１）
Ｖ１ ＊＝ＶＣＭ ＊＋ＶＤＭ ＊
Ｖ２ ＊＝ＶＣＭ ＊＋（ＶＤＣ－ＶＤＭ ＊） ・・・（式１）
【0036】
ここで、第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊は、直流／直流コンバータの出力電圧ＶＤＣに基づいて生成された値であって、出力に影響を及ぼす値であり、第２制御電圧指令値ＶＣＭ
＊は、フライングキャパシタの電圧ＶＦＣに基づいて生成された値であって、フライングキャパシタの電圧ＶＦＣ、又は出力電圧ＶＤＣとフライングキャパシタの電圧ＶＦＣとの差（ＶＤＣ－ＶＦＣ）に影響を及ぼす。即ち、第１制御電圧指令値ＶＤＭ
＊は出力電流制御に利用され、第２制御電圧指令値ＶＣＭ
＊はフライングキャパシタの電圧制御に利用される。
【0037】
【0038】
図３は、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２がオンであり、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４がオフである第１の状態を示すものであり、第１の状態は、インダクタＬとスイッチＳ２又はＳ３の接続ノードにキャパシタＣＤＣの電圧ＶＤＣが全て印加された状態である。
【0039】
図４は、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３がオンであり、第２スイッチＳ２及び第４スイッチＳ４がオフである第２の状態を示すものであり、第２の状態は、インダクタＬとスイッチＳ２又はＳ３の接続ノードに、キャパシタＣＤＣの電圧ＶＤＣからフライングキャパシタＣＦＣの電圧ＶＦＣを差し引いた値が印加された状態である。
【0040】
図５は、第２スイッチＳ２及び第４スイッチＳ４がオンであり、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３がオフである第３の状態を示すものであり、第３の状態は、インダクタＬとスイッチＳ２又はＳ３の接続ノードにフライングキャパシタＣＦＣの電圧ＶＦＣが全て印加された状態である。
【0041】
図６は、第３スイッチＳ３及び第４スイッチＳ４がオンであり、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２がオフである第４の状態を示すものであり、第４の状態は、インダクタＬとスイッチＳ２又はＳ３の接続ノードに電圧が印加されない状態である。
【0042】
図３～図６に示した状態のうち、フライングキャパシタである第２キャパシタＣＦＣに電流が導通する第２の状態及び第３の状態の間、フライングキャパシタＣＦＣに電圧変化が発生し、この状態の間にフライングキャパシタＣＦＣに充放電されるエネルギーは、第２の状態と第３の状態との割合、及びインダクタＬに流れる電流量に影響される。
【0043】
これを数式化すると、下記式２で表される。
【0044】
【数2】
【0045】
式中、「ＤＣＭ」は、フライングキャパシタＣＦＣに電流が流れる状態となるデューティを意味するものであり、フライングキャパシタ電圧制御部１３の比例制御によって上記式２の３番目の式のように決定される。式２の３番目の式は、インダクタ電流ＩＬの逆数を適用しない場合に決定されるデューティである。また、上記式２において、「ＫＰ」は比例制御器１３２の利得値である。
【0046】
上記式２をまとめると、下記式３が導出され、これに基づいて伝達関数を演算すると、下記式４が導出される。
【0047】
【数3】
【数4】
【0048】
従って、式４の伝達関数を１次ローパスフィルタ形態の閉ループで制御するためには、下記式５のような関係が成立しなければならない。
【0049】
【数5】
【0050】
上記式５によると、比例制御のための利得がインダクタ電流に反比例する特性を持ってこそ、線形的な制御特性が得られることが分かる。
【0051】
従って、本実施形態は、フライングキャパシタ電圧制御部１３に、インダクタ電流ＩＬの逆数を求める逆数演算器１３３を含めさせ、全体電流に対して安定した制御特性を得ようとする。
【0052】
ここで、フライングキャパシタ電圧制御部１３内の制御器を、比例制御器１３２ではなく比例積分（ＰＩ）制御器で実現することもできるが、比例積分（ＰＩ）制御器を適用する場合、積分器に蓄積された値が電流方向に応じて大きなデューティ脈動を発生させることがあり、インダクタ電流ＩＬがゼロ電流となる付近で制御性が大幅に悪化する虞があるため、比例制御器を適用することが好ましい。
【0053】
【0054】
上述したように、インダクタの電流ＩＬの逆数をフライングキャパシタ電圧制御に適用する場合、図７に示すように、インダクタ電流ＩＬがゼロ電流付近になるとインダクタ電流ＩＬの逆数が正（＋）の方向又は負（－）の方向に無限大に発散するため、フライングキャパシタ電圧の適切な制御が行われなくなるか、或いはインダクタ電流の方向に応じて出力される第２制御電圧指令値ＶＣＭの符号が正負に大きく揺れるようになる。このような影響により、ゼロ電流付近では、制御性が低下するという問題が発生する虞がある。
【0055】
本発明の様々な実施形態では、このような制御性の低下を防止するために、インダクタ電流を制限する技法を提供する。
【0056】
先ず、図８に示すように、フライングキャパシタ電圧制御部１３に適用される逆数演算器１３３は、入力されたインダクタ電流ＩＬの大きさがゼロ電流付近の事前設定された範囲Ａ内である場合、インダクタ電流（インダクタの検出電流）の逆数１／ＩＬの値を、事前設定された定数値である±ＩＮＶ＿ＩＬ＿ｍａｘに制限する。このようにインダクタ電流の逆数１／ＩＬの値を制限する場合、ゼロ電流付近のインダクタ電流で利得値が無限大に発散することを遮断することができるため、ゼロ電流付近での動作性を改善することができる。
【0057】
制御性の低下を防止するための他の方案として、本発明の実施形態は、図９に示すように、フライングキャパシタ電圧制御部１３に適用される逆数演算器１３３に入力されたインダクタ電流ＩＬの大きさがゼロ電流付近の事前設定された範囲Ａ内である場合、インダクタ電流（インダクタの検出電流）の逆数１／ＩＬの値を、線形的に変更されるように設定された値に決定する。このようにインダクタ電流の逆数１／ＩＬの値を事前に設定された値±ＩＮＶ＿ＩＬ＿ｍａｘの間で線形的に変更される値に制限する場合にも、ゼロ電流付近のインダクタ電流で利得値が無限大に発散することを遮断することができるため、ゼロ電流付近での動作性を改善することができる。
【0058】
図８及び図９で説明したように、インダクタ電流（インダクタの検出電流）の逆数１／ＩＬの値をゼロ電流付近で制限する場合、フライングキャパシタ電圧制御部１３内に適用される制御器は、比例制御器だけでなく、比例積分制御器を適用する場合にもシステムが安定して動作する。
【0059】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【0060】
１０ コントローラ
１１ 電圧制御部
１２ 電流制御部
１３ フライングキャパシタ（Ｃａｐ）電圧制御部
１１１、１２１、１３１、１４２ 減算器
１１２、１２２ 比例積分（ＰＩ）制御器
１３２ 比例制御器（Ｐ）
１３３ 逆数演算器
１３４ 乗算器
１４１、１４３ 第１、第２合算器
１４４、１４５ 第１、第２スイッチング制御部（ＰＷＭ）
１４６ 三角波発生器
ＣＤＣ、ＣＦＣ 第１、第２キャパシタ
ＩＬ 検出電流
ＩＬ ＊ 電流指令値
Ｓ１～Ｓ４ 第１～第４スイッチ
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２ 第１～第４入出力端子
Ｖ１ ＊、Ｖ２ ＊ 第１、第２デューティ指令値
ＶＤＣ、ＶＦＣ 第１、第２キャパシタの電圧
ＶＤＭ ＊、ＶＣＭ ＊ 第１、第２制御電圧指令値
１１ 電圧制御部
１２ 電流制御部
１３ フライングキャパシタ（Ｃａｐ）電圧制御部
１１１、１２１、１３１、１４２ 減算器
１１２、１２２ 比例積分（ＰＩ）制御器
１３２ 比例制御器（Ｐ）
１３３ 逆数演算器
１３４ 乗算器
１４１、１４３ 第１、第２合算器
１４４、１４５ 第１、第２スイッチング制御部（ＰＷＭ）
１４６ 三角波発生器
ＣＤＣ、ＣＦＣ 第１、第２キャパシタ
ＩＬ 検出電流
ＩＬ ＊ 電流指令値
Ｓ１～Ｓ４ 第１～第４スイッチ
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２ 第１～第４入出力端子
Ｖ１ ＊、Ｖ２ ＊ 第１、第２デューティ指令値
ＶＤＣ、ＶＦＣ 第１、第２キャパシタの電圧
ＶＤＭ ＊、ＶＣＭ ＊ 第１、第２制御電圧指令値
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】