特許 7562376 直流／直流コンバータ

(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】2024-09-27

(45)【発行日】2024-10-07

(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 20060101AFI20240930BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 C

H02M3/155 P

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020185700

(22)【出願日】2020-11-06

(65)【公開番号】P2021164401

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-08-02

(31)【優先権主張番号】10-2020-0040005

(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】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０５５６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１９２３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２０７６２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／００－ ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１キャパシタと、
前記第１キャパシタの両端の間に相互直列関係で順次接続された第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、両端のそれぞれが接続された第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、
前記第２キャパシタに短絡または開放故障が発生した場合に、出力電圧を検出した第１検出電圧と前記出力電圧に対する出力電圧指令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２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御するコントローラと、を含み、
前記出力電圧は、前記第１キャパシタの両端の電圧、また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キャパシタに短絡または開放故障が発生した場合、前記第１検出電圧と前記出力電圧指令とを比較した結果に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令を生成し、前記電流指令と前記インダクタに流れる電流を検出した検出電流とを比較した結果に基づいて第１制御電圧指令を生成し、前記第１制御電圧指令と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、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ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、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御する場合、前記直流／直流コンバータの昇圧比を減少させ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4】

前記コントローラは、
前記直流／直流コンバータの昇圧比を減少させるために、前記出力電圧指令を生成する上位制御器に前記直流／直流コンバータの制御状態を伝達することを特徴とする請求項３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スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御する場合、前記第１スイッチ乃至前記第４スイッチのスイッチング周波数を増加させ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6】

前記コントローラは、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御する場合、前記電流指令の大きさを制限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7】

前記コントローラは、
前記第１検出電圧と前記出力電圧指令との差に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令を生成する電圧制御部と、
前記電流指令と前記インダクタに流れる電流を検出した検出電流との差に基づいて第１制御電圧指令を生成する電流制御部と、
前記第２キャパシタに印加される電圧を検出した検出電圧と事前に設定された第２電圧指令との差及び前記検出電流の逆数に基づいて第２制御電圧指令を生成するフライングキャパシタ電圧制御部と、を含み、
前記第２キャパシタに短絡または開放故障が発生した場合、前記フライングキャパシタ電圧制御部の動作を停止させ、前記第１制御電圧指令と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、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流／直流コンバータに関し、より詳細には、フライングキャパシタに開放または短絡故障が発生してフライングキャパシタの電圧を制御できない場合にも安定的に動作することができるフライング直流／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及び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行う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（フライング直流／直流コンバータともいう）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（例えば、出力電圧の１／２）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。

【0007】

もしフライングキャパシタに開放または短絡故障が発生した場合、フライングキャパシタの電圧を一定のレベルに制御することができないため、スイッチに過度に高い電圧が印加されることがあり、これによりスイッチの焼損が発生するという問題が生じるおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】米国特許第７７４６０４１号明細書

【文献】特許第６２２３６０９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、上記従来の問題点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に開放または短絡故障が発生してフライングキャパシタの電圧を制御できない場合にも安定的に動作することができるフライング直流／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】

【0010】

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キャパシタの両端の間に相互直列関係で順次接続された第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、両端のそれぞれが接続された第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、前記第２キャパシタに短絡または開放故障が発生した場合に、出力電圧を検出した第１検出電圧と前記出力電圧に対する出力電圧指令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２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御するコントローラと、を含み、前記出力電圧は、前記第１キャパシタの両端の電圧、また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電圧であることを特徴とする。

【0011】

前記コントローラは、前記第２キャパシタに短絡または開放故障が発生した場合、前記第１検出電圧と前記出力電圧指令とを比較した結果に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令を生成し、前記電流指令と前記インダクタに流れる電流を検出した検出電流とを比較した結果に基づいて第１制御電圧指令を生成し、前記第１制御電圧指令と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、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し得る。

【0012】

前記コントローラは、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御する場合には、前記直流／直流コンバータの昇圧比を減少させ得る。
前記コントローラは、前記直流／直流コンバータの昇圧比を減少させるために、前記出力電圧指令を生成する上位制御器に前記直流／直流コンバータの制御状態を伝達し得る。
前記コントローラは、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御する場合、前記第１スイッチ乃至前記第４スイッチのスイッチング周波数を増加させ得る。

【0013】

前記コントローラは、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御する場合には、前記電流指令の大きさを制限し得る。

【0014】

前記コントローラは、前記第１検出電圧と前記出力電圧指令との差に基づいて、前記インダクタに流れる電流に対する電流指令を生成する電圧制御部と、前記電流指令と前記インダクタに流れる電流を検出した検出電流との差に基づいて第１制御電圧指令を生成する電流制御部と、前記第２キャパシタに印加される電圧を検出した検出電圧と事前に設定された第２電圧指令との差及び前記検出電流の逆数に基づいて第２制御電圧指令を生成するフライングキャパシタ電圧制御部と、を含み、前記第２キャパシタに短絡または開放故障が発生した場合、前記フライングキャパシタ電圧制御部の動作を停止させ、前記第１制御電圧指令と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、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを同じ状態にＰＷＭ制御し得る。

【発明の効果】

【0015】

本発明の直流／直流コンバータによれば、フライング直流／直流コンバータのフライングキャパシタ電圧を制御することができない状態、すなわち、フライングキャパシタに短絡または開放故障が発生した場合に、インダクタに対して上部（上側）の第１及び第２スイッチを同じ状態となるようにＰＷＭ制御し、インダクタに対して下部（下側）の第３及び第４スイッチを同じ状態となるようにＰＷＭ制御して２レベル動作が行われるようにすることにより、フライング直流／直流コンバータの動作を中断なしに安定して制御することができる。

【0016】

特に、本発明の前記直流／直流コンバータによれば、２レベル制御時に昇圧比を減少させてスイッチの過電圧を防止し、スイッチング周波数をアップさせるか、または電流をディレーティングして発熱問題を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【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さら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状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による直流／直流コンバータを詳細に説明する。

【0019】

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。

【0020】

図１に示すように、本発明の一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、または、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に示す例は、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の電圧を昇圧して第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。

【0021】

以下、主にバッテリーＢＡＴの電圧を昇圧して第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、その反対の電力の流れ、すなわち第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も当業者であれば容易に具現し得る。

【0022】

本発明の一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とに両端のそれぞれが接続された第１キャパシタＣ_ＤＣと、第１キャパシタＣ_ＤＣの両端の間に相互直列関係で順次接続された第１スイッチＳ_１、第２スイッチＳ_２、第３スイッチＳ_３、及び第４スイッチＳ_４と、第１スイッチＳ_１と第２スイッチＳ_２との接続ノード及び第３スイッチＳ_３と第３スイッチＳ_４との接続ノードに、両端のそれぞれが接続された第２キャパシタＣ_ＦＣと、第２スイッチＳ_２と第３スイッチＳ_３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スイッチＳ_１～第４スイッチＳ_４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。

【0023】

第１キャパシタＣ_ＤＣは、第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間に接続される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てもよい。

【0024】

第１スイッチＳ_１～第４スイッチＳ_４は、第１キャパシタＣ_ＤＣの一端から他端に向かって順次直列接続される。第１スイッチＳ_１～第４スイッチＳ_４のそれぞれは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴで具現され、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。なお、第１スイッチＳ_１～第４スイッチＳ_４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具現し得る。

【0025】

第２キャパシタＣ_ＦＣは、フライングキャパシタであって、第１スイッチＳ_１と第２スイッチＳ_２との接続ノード、及び第３スイッチＳ_３と第４スイッチＳ_４との接続ノードに両端のそれぞれが接続される。

【0026】

図示しないが、本発明の一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（Ｓ_１～Ｓ_４）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ための複数のセンサを備える。まず、第１入出力端子Ｔ１１と第２入出力端子Ｔ１２との間の電圧、または第３入出力端子Ｔ２１と第４入出力端子Ｔ２２との間の電圧Ｖ_ＤＣを検出するための電圧センサを備え、第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧Ｖ_ＦＣを検出するための電圧センサを備え、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を備える。これらの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。

【0027】

コントローラ１０は、第１キャパシタＣ_ＤＣの両端の電圧、またはインダクタＬの他端と、第１キャパシタＣ_ＤＣと第４スイッチＳ_４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また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（すなわち、第１キャパシタＣ_ＤＣの電圧）を検出した値Ｖ_ＤＣとなり、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となる。

【0028】

また、コントローラ１０は、第１検出電圧Ｖ_ＤＣとそれに対する第１電圧指令とを比較してその誤差を演算する。ここで、第１電圧指令は、上位制御器などによって設定された直流／直流コンバータが出力しようとする電圧値である。

【0029】

また、フライングキャパシタである第２キャパシタＣ_ＦＣの状態が正常である場合、コントローラ１０は、第２キャパシタＣ_ＦＣに印加される電圧を検出した検出電圧Ｖ_ＦＣの入力を受けて、事前に設定された第２電圧指令と比較してその誤差を演算する。ここで、第２電圧指令は、上位制御器などによって事前に設定された値であって、第１キャパシタＣ_ＤＣの電圧の略１／２に該当する値となる。特に、本発明の一実施形態において、コントローラ１０は、第２キャパシタＣ_ＦＣに印加される電圧を検出した検出電圧Ｖ_ＦＣと第２電圧指令との誤差に、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（Ｓ_１～Ｓ_４）のオン／オフ状態をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。

【0030】

もし、第２キャパシタＣ_ＦＣに短絡または開放故障が発生して第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧を適切に制御することができない場合には、コントローラ１０は、第２電圧指令を生成する演算を行わず、第１電圧指令と第１検出電圧Ｖ_ＤＣとを比較した結果だけを用いて、スイッチ（Ｓ_１～Ｓ_４）のオン／オフ状態をＰＷＭ制御する。

【0031】

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さらに詳細に示すブロック構成図である。

【0032】

図２に示すように、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。

【0033】

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、または第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Ｖ_ＤＣを、事前に設定された第１電圧指令Ｖ_ＤＣ ^＊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の電流に対する電流指令Ｉ_Ｌ ^＊を出力する。

【0034】

電流制御部１２は、電圧制御部１１から提供されるインダクタＬの電流指令Ｉ_Ｌ ^＊とインダクタＬに流れる電流を検出した検出電流Ｉ_Ｌ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Ｖ_ＤＭ ^＊を生成するＰＩ制御器１２２とを含む。第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊は、スイッチ（Ｓ_１～Ｓ_４）のオン／オフデューティの決定に使用される。

【0035】

図２は、電圧制御部１１と電流制御部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し得る。

【0036】

フライングキャパシタ電圧制御部１３は、第２キャパシタＣ_ＦＣに印加される電圧を検出した検出電圧Ｖ_ＦＣの入力を受けて、事前に設定された第２電圧指令Ｖ_ＦＣ ^＊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（Ｐ）１３２と、インダクタＬの電流を検出した検出電流Ｉ_Ｌ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Ｖ_ＣＭ ^＊として出力する乗算器１３４と、を含んで構成される。

【0037】

本発明の一実施形態において、フライングキャパシタ電圧制御部１３は、第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧を制御できる状態でのみ動作する。例えば、第２キャパシタＣ_ＦＣに短絡または開放故障が発生して第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧を制御できない場合には、フライングキャパシタ電圧制御部１３の動作を中断し、電圧制御部１１と電流制御部１２で生成された第１制御電圧指令Ｖ_ＤＣ ^＊のみを適用して第１スイッチＳ_１～第４スイッチＳ_４をＰＷＭ制御する。

【0038】

また、コントローラ１０は、電流制御部１２から出力される第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊とフライングキャパシタ電圧制御部１３から出力される第２制御電圧指令Ｖ_ＣＭ ^＊とを合算して第１デューティ指令Ｖ_１ ^＊を生成する合算器１４１、入出力端の電圧を検出した検出電圧Ｖ_ＤＣから第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊を減算する減算器１４２、第２制御電圧指令Ｖ_ＣＭ ^＊に減算器１４２の減算結果を合算して第２デューティ指令Ｖ_２ ^＊を生成する第２合算器１４３、第１デューティ指令Ｖ_１ ^＊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Ｓ_１及び第４スイッチＳ_４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、及び第２デューティ指令Ｖ_２ ^＊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Ｓ_２及び第３スイッチＳ_３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をさらに含む。

【0039】

ここで、第２キャパシタＣ_ＦＣに短絡または開放故障が発生して第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧を制御できない場合には、フライングキャパシタ電圧制御部１３から第２制御電圧指令Ｖ_ＣＭ ^＊が出力されないので、合算器１４１は、第１制御電圧指令Ｖ_ＤＣ ^＊のみを第１スイッチング制御部１４４に提供して、第１スイッチＳ_１及び第４スイッチＳ_４をＰＷＭ制御する。

【0040】

また、コントローラ１０は、第１スイッチング部１５１及び第２スイッチング部１５２を備えて、第２キャパシタＣ_ＦＣが正常状態である場合には、第１スイッチング部１５１を開放状態、第２スイッチング部１５２を短絡状態に制御し、第２キャパシタＣ_ＦＣが故障状態である場合には、第１スイッチング部１５１を短絡状態、第２スイッチング部１５２を開放状態に制御して、第１制御電圧指令Ｖ_ＤＣ ^＊が第２スイッチング制御部１４５に提供されるようにすることにより、第２スイッチＳ_２及び第３スイッチＳ_３をＰＷＭ制御する。

【0041】

また、第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧を制御できない場合には、第１スイッチング制御部１４４と第２スイッチング制御部１４５は、第１スイッチＳ_１と第２スイッチＳ_２が同じスイッチング状態を出力し、第３スイッチＳ_３と第４スイッチＳ_４が同じスイッチング状態を出力するように、内部的に三角波と第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊との比較結果に応じた出力が調整されることも可能である。

【0042】

第２キャパシタＣ_ＦＣが正常状態である場合には、第１デューティ指令Ｖ_１ ^＊と第２デューティ指令Ｖ_２ ^＊は、第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊と第２制御電圧指令Ｖ_ＣＭ ^＊を用いて下記の数式１で表される。

【0043】

【数1】

【0044】

ここで、第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊は、直流／直流コンバータの出力電圧Ｖ_ＤＣ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Ｖ_ＣＭ ^＊は、フライングキャパシタの電圧Ｖ_ＦＣ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Ｖ_ＦＣ、または出力電圧Ｖ_ＤＣとフライングキャパシタの電圧Ｖ_ＦＣとの差（Ｖ_ＤＣ－Ｖ_ＦＣ）に影響を及ぼす。すなわち、第１制御電圧指令Ｖ_ＤＭ ^＊は出力電流制御に利用され、第２制御電圧指令Ｖ_ＣＭ ^＊はフライングキャパシタの電圧の制御に利用される。

【0045】

図３～図６は、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状態を示す図である。

【0046】

図３は、第１スイッチＳ_１と第２スイッチＳ_２がオンであり、第３スイッチＳ_３と第４スイッチＳ_４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（Ｓ_２またはＳ_３）との接続ノードにキャパシタＣ_ＤＣの電圧Ｖ_ＤＣが全て印加された状態である。

【0047】

図４は、第１スイッチＳ_１と第３スイッチＳ_３がオンであり、第２スイッチＳ_２と第４スイッチＳ_４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（Ｓ_２またはＳ_３）との接続ノードに、キャパシタＣ_ＤＣの電圧Ｖ_ＤＣからフライングキャパシタＣ_ＦＣの電圧Ｖ_ＦＣを差し引いた値が印加された状態である。

【0048】

図５は、第２スイッチＳ_２と第４スイッチＳ_４がオンであり、第１スイッチＳ_１と第３スイッチＳ_３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（Ｓ_２またはＳ_３）との接続ノードに、フライングキャパシタＣ_ＦＣの電圧Ｖ_ＦＣが全て印加された状態である。

【0049】

図６は、第３スイッチＳ_３と第４スイッチＳ_４がオンであり、第１スイッチＳ_１と第２スイッチＳ_２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（Ｓ_２またはＳ_３）との接続ノードに、電圧が印加されない状態である。

【0050】

図３～図６に示す状態のうち、フライングキャパシタである第２キャパシタＣ_ＦＣに電流が導通する第２の状態及び第３の状態の間に、フライングキャパシタＣ_ＦＣ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Ｃ_ＦＣに充放電されるエネルギーは、第２の状態と第３の状態の割合、及びインダクタＬに流れる電流量に影響される。

【0051】

これを数式化すると、下記の数式２で表される。

【0052】

【数2】

式中、「Ｄ_ＣＭ」は、フライングキャパシタＣ_ＦＣ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数式２の第３式のように決定される。数式２の第３式は、インダクタ電流Ｉ_Ｌ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、数式２において、「Ｋ_Ｐ」は比例制御器１３２の利得値である。

【0053】

上記の数式２をまとめると、下記の数式３が導出され、これに基づいて伝達関数を演算すると、下記の数式４が導出される。

【0054】

【数3】

【0055】

【数4】

【0056】

したがって、数式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には、下記の数式５のような関係が成立しなければならない。

【0057】

【数5】

【0058】

数式５によれば、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。

【0059】

したがって、フライングキャパシタ電圧制御部１３に、インダクタ電流Ｉ_Ｌの逆数を求める逆数演算器１３３を含めることにより、全体電流に対して安定した制御特性を得ることができる。

【0060】

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）制御器で具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ので、インダクタ電流Ｉ_Ｌがゼロ電流となる付近で制御性が大幅に悪化するおそれがあるため、比例制御器を適用することが好ましい。

【0061】

一方、フライングキャパシタである第２キャパシタＣ_ＦＣに電流が導通する第２の状態及び第３の状態における出力電圧は、「Ｖ_ＤＣ－Ｖ_ＦＣ」及び「Ｖ_ＦＣ」であり、正常状態では３レベルコンバータの出力における中間電圧０．５Ｖ_ＤＣを出力する。

【0062】

したがって、フライングコンバータの出力ポール電圧（インダクタＬとスイッチ（Ｓ_２またはＳ_３）との接続ノードの電圧）が０．５Ｖ_ＤＣに近いほど、第２の状態及び第３の状態の活用頻度が高くなり、フライングコンバータの出力ポール電圧が０．５Ｖ_ＤＣから遠くなるほど、第１の状態または第３の状態の活用頻度が高くなる。また、フライングキャパシタＣ_ＦＣが０．５Ｖ_ＤＣに安定的に制御されている場合、第２の状態と第３の状態との割合は同等に形成される（すなわち、Ｖ_ＣＭ ^＊＝０）。

【0063】

しかし、第２キャパシタＣ_ＦＣに短絡または開放故障が発生した場合には、第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧制御が不可能になり、上述したような３レベル動作が不可能になる。

【0064】

本発明の一実施形態では、第２キャパシタＣ_ＦＣに短絡または開放故障が発生して第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧制御が不可能になった場合には、コンバータが２レベル動作するようにスイッチ（Ｓ_１～Ｓ_４）を制御する。

【0065】

このため、本発明の一実施形態は、インダクタＬを基準にして上部スイッチである第１スイッチＳ_１及び第２スイッチＳ_２を互いに同じ状態となるように制御し、インダクタＬを基準にして下部スイッチである第３スイッチＳ_３及び第４スイッチＳ_４を互いに同じ状態となるように動作させる。

【0066】

このような第２キャパシタＣ_ＦＣの故障の際に制御を行う場合、図３に示す第１の状態と図６に示す第４の状態だけを有する２レベル制御が行われる。

【0067】

このような２レベル制御の際に、昇圧コンバータとして動作する場合は、スイッチ（Ｓ_１～Ｓ_４）の一部に直流電圧がすべて印加されるので、過電圧によるスイッチ焼損が発生するおそれがある。したがって、コントローラ１０は、第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧制御が不可能になって２レベル制御を行う場合、コンバータの昇圧比を下げるかまたは制限する制御を行うことが好ましい。これは、コントローラ１０が上位制御器に第２キャパシタＣ_ＦＣの電圧制御が不可能であることを伝達するフラグを設定するなどの方法によって達成される。

【0068】

また、２レベル制御を行う場合、インダクタＬのリップルが増加するのにつれて、損失が増加しながら発熱がさらに激しくなるおそれがある。このような発熱問題を解消するために、スイッチング周波数をアップさせてインダクタの損失を低減させる制御を行う。アップさせようとするスイッチング周波数の大きさは、事前に設定でき、三角波発生器１４６から出力される三角波の周波数を増加させてこれを達成する。

【0069】

システムの発熱を調整するための他の方策として、電流をディレーティングさせる方案がある。電流をディレーティングさせる方策は、電圧制御部１２から出力される電流指令Ｉ_Ｌ ^＊の大きさを、事前に設定された大きさに制限するリミッタ（図示せず）を電流制御部１２の前段に追加し、２レベル制御が行われる場合にリミッタの動作を活性化させる方式で具現される。

【0070】

以上、本発明の特定の実施形態に関して図示及び説明したが、本発明の範疇内で本発明に多様な改良及び変化を加え得ることは、当技術分野における通常の知識を有する者にとっては自明である。

【符号の説明】

【0071】

１０ コントローラ
１１ 電圧制御部
１１１ 減算器
１１２ 比例積分制御器（ＰＩ）
１２ 電流制御部
１２１ 減算器
１２２ 比例積分制御器（ＰＩ）
１３ フライングキャパシタ電圧制御部
１３１ 減算器
１３２ 比例制御器（Ｐ）
１３３ 逆数演算器
１３４ 乗算器
１４１ 合算器
１４２ 減算器
１４３ 第２合算器
１４４ 第１スイッチング制御部（ＰＷＭ）
１４５ 第２スイッチング制御部（ＰＷＭ）
１４６ 三角波発生器
１５１ 第１スイッチング部
１５２ 第２スイッチング部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】