共振型コンバータにおけるコンデンサの容量低下を検出する装置
【課題】共振型コンバータにおいて共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出可能とする。
【解決手段】直流電源１１とコンデンサＣ１との間を流れる電流量を検出する電流検出部１２１と、電流検出部１２１で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定する判定制御部２０と、を備える。
【解決手段】直流電源１１とコンデンサＣ１との間を流れる電流量を検出する電流検出部１２１と、電流検出部１２１で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定する判定制御部２０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振型コンバータにおけるコンデンサの容量低下を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧変換器として、直流（ＤＣ）電圧を昇圧及び／又は降圧するＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、パーソナルコンピュータや、ＡＶ機器、携帯電話機、電源システム等の、電気回路を含む電気機器に幅広く用いられている。近年では、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の電源システムにＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる例もある。
【０００３】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子、コイル（リアクトル）、コンデンサ、及びダイオード等を組み合わせて構成することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータには、いわゆるソフトスイッチングを実現する共振型コンバータと呼ばれるタイプのものが知られている。ソフトスイッチングは、電流共振現象を利用して電圧及び／又は電流をゼロとした状態でのスイッチング動作を可能にすることで、スイッチング時の電力損失の低減を図る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／０９８３７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
共振型コンバータにおいては、ソフトスイッチングの実現に利用される共振電流が入力側へ回生（逆流）する場合がある。そのような要因の一例として、共振電流を吸収（バッファ）するコンデンサの容量が低下することが挙げられる。すなわち、コンデンサの容量が低下してコンデンサで吸収し切れない共振電流が生じると、当該電流が入力側へ回生し得る。共振電流の回生先が燃料電池等の直流電源である場合、当該共振電流によって直流電源が逆充電されて性能劣化が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明の目的の一つは、共振型コンバータ共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出できるようにすることにある。また、コンデンサの容量低下に起因してコンデンサで吸収し切れない共振電流によって直流電源が逆充電されることを防止できるようにすることも本発明の目的の一つである。
【０００７】
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置の一態様は、直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、前記直流電源と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、を備える。
【０００９】
また、本発明の共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置の別の態様は、直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、前記コンデンサの接続点と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、を備える。
【００１０】
ここで、前記判定制御部は、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、ＯＮ状態で前記共振電流を前記コンデンサに流通させるスイッチング素子をＯＦＦ制御してもよい。
【００１１】
また、前記直流電源と前記コンデンサの接続点との間に、前記直流電源に向かう前記共振電流を阻止する電流阻止回路と、前記電流阻止回路をバイパスする電気経路上に設けられたバイパススイッチとをさらに備え、前記判定制御部は、前記コンデンサの容量が低下したと判定しない間は、前記バイパススイッチをＯＮ制御し、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、前記バイパススイッチをＯＦＦ制御する、ようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、共振型コンバータにおいて共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出できる。ひいては、当該容量低下に起因してコンデンサで吸収し切れない共振電流によって直流電源が逆充電されることを防止し、直流電源の性能劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る電源システム及び当該電源システムを搭載した車両１の構成例を模式的に示す図である。
【図２】図１に例示するＦＣ昇圧コンバータの一例を示す回路図である。
【図３】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータの動作（モード１）を説明する図である。
【図４】モード１のＦＣ昇圧コンバータにおける素子の電流又は電圧の時間変化例を示すグラフである。
【図５】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータの動作（モード２）を説明する図である。
【図６】モード２のＦＣ昇圧コンバータにおける素子の電流又は電圧の時間変化例を示すグラフである。
【図７】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータの部分的な等価回路図である。
【図８】図７におけるＡ点に流れる電流の時間変化の一例を示す図である。
【図９】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータにおいて共振電流が電源側に回生する様子を例示する図である。
【図１０】図２及び図９に例示するＥＣＵの変形例を示す機能ブロック図である。
【図１１】図２及び図９に例例示する電源システムの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。
【００１５】
〔１〕一実施形態の説明
図１は、一実施形態に係る電源システム１０及び当該電源システム１０を搭載した車両１の構成例を模式的に示す図である。
【００１６】
電源システム１０は、例示的に、燃料電池（ＦＣ）１１を有する燃料電池システムであり、車両１は、燃料電池システム１０を駆動電力の供給源とする電気機器の一例としての燃料電池自動車である。ただし、車両１は、電気自動車やハイブリッド自動車であってもよい。
【００１７】
車両１は、駆動輪２を駆動するモータ１６や、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ２１等を備える。アクセルペダルセンサ２１は、電子制御ユニット２０に電気的に接続されており、例えば、検出したアクセスペダルの開度に応じてモータ１６（駆動輪２）の回転速度がＥＣＵ２０によって制御される。
【００１８】
燃料電池システム１０は、前記燃料電池（ＦＣ）１１のほか、非限定的な一例として、ＦＣ昇圧コンバータ１２、バッテリ１３、バッテリ昇圧コンバータ１４、インバータ１５等を備える。
【００１９】
ＦＣ１１は、電気化学反応を利用して発電する装置である。ＦＣ１１には、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ電解質型等の種々のタイプの燃料電池が適用可能である。ＦＣ１１が発電した電力は、車両１の駆動輪２を駆動するモータ１６の駆動電力や、バッテリ１３の充電に用いられる。
【００２０】
バッテリ１３は、充放電可能な二次電池であり、リチウムイオン、ニッケル水素、ニッケルカドミウム等の種々のタイプの二次電池を適用可能である。バッテリ１３は、車両１やＦＣ１１の運転時に使用される種々の電気機器に電力を供給することができる。ここでいう電気機器には、例えば、車両１の照明機器、空調機器、油圧ポンプ、ＦＣ１１の燃料ガスや改質原料を供給するポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
【００２１】
これらのＦＣ１１及びバッテリ１３は、図１に例示するように、インバータ１５に対して電気的に並列に接続されている。ＦＣ１１からインバータ１５に至る電気経路には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が設けられている。ＦＣ昇圧コンバータ１２は、入力ＤＣ電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであり、ＦＣ１１で発生したＤＣ電圧を変換可能な範囲で所定のＤＣ電圧に変換（例えば昇圧）して、インバータ１５に印加することができる。このような昇圧動作により、ＦＣ１１の出力電力が低くても、モータ１６の駆動に要する駆動電力を確保することが可能となる。
【００２２】
一方、バッテリ１３からインバータ１５に至る電気経路には、バッテリ昇圧コンバータ１４が、ＦＣ昇圧コンバータ１２とインバータ１５との間の電気経路に対して並列に接続されている。当該コンバータ１４も、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、バッテリ１３又はインバータ１５から印加されたＤＣ電圧を変換可能な範囲で所定のＤＣ電圧に変換することができる。
【００２３】
コンバータ１４には、昇圧及び降圧の双方が可能な昇降圧型のコンバータを適用でき、例えば、バッテリ１３からの入力ＤＣ電圧を制御（昇圧）してインバータ１５側に出力する一方、ＦＣ１１又はモータ１６からの入力ＤＣ電圧を制御（降圧）してバッテリ１３に出力することが可能である。これにより、バッテリ１３の充放電が可能となる。
【００２４】
また、コンバータ１４は、出力電圧が制御されることで、インバータ１５の端子電圧を制御することが可能である。当該制御は、インバータ１５に対して並列に接続された各電源（ＦＣ１１及びバッテリ１３）の相対的な出力電圧差を制御して、両者の電力を適切に使い分けることを可能にする。
【００２５】
インバータ１５は、ＦＣ１１からコンバータ１２を介して、また、バッテリ１３からコンバータ１４を介して、ＤＣ電圧の入力を受け、当該入力ＤＣ電圧を交流（ＡＣ）電圧に変換し、これをモータ１６の駆動電圧として供給する。その際、ＥＣＵ２０は、要求動力に応じたＡＣ電圧がモータ１６に供給されるよう、インバータ１５の動作（スイッチング）を制御する。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、既述の制御のほか、車両１及び燃料電池システム１０の動作（運転）を統括的に制御する。ＥＣＵ２０は、例示的に、演算処理装置の一例としてのＣＰＵ、記憶装置の一例としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたマイクロコンピュータとして実現できる。ＥＣＵ２０は、モータ１６や燃料電池システム１０の各要素、種々のセンサ群と電気的に接続され、各種センサ値の受信、演算処理、指令（制御信号）の送信等を適宜に実施する。センサ群には、アクセルペダルセンサ２１のほか、例示的に、バッテリ１３の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ、車速（モータ１６の回転数）を検出する車速センサ等が含まれ得る。
【００２７】
〔２〕昇圧コンバータ１２
次に、昇圧コンバータ１２の電気回路図の一例を図２に示す。図２に示す昇圧コンバータ１２は、例示的に、主回路１２ａと補助回路（スナバ回路）１２ｂとを備える。
【００２８】
主回路１２ａは、例えば、スイッチング素子（メインスイッチ）Ｓ１及び逆並列ダイオードＤ４を含むスイッチ回路と、リアクトル（コイル）Ｌ１と、（出力）ダイオードＤ５と、（入力）コンデンサＣ１と、（出力）コンデンサＣ３とを備える。
【００２９】
主回路１２ａは、メインスイッチＳ１のスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）が周期的に制御されることにより、リアクトルＬ１に流れる電流（主電流）量に応じたリアクトルＬ１の電気エネルギーの蓄積及び蓄積エネルギーの解放を周期的に繰り返す。解放された電気エネルギーは、ＦＣ１１の出力電圧に重畳されて、負荷の一例であるモータ１６側（インバータ１５側）にダイオードＤ５経由で出力される。これにより、入力電圧（ＦＣ１１の出力電圧）ＶＬが所定の出力電圧ＶＨに昇圧される。
【００３０】
入力コンデンサＣ１は、両端がＦＣ１１の高電位側とＦＣ１１の低電位側〔例えばグランド（ＧＮＤ）〕とに接続されている。入力コンデンサＣ１は、その両端の電圧（昇圧前電圧）を平滑化してリプルを低減する。昇圧前電圧ＶＬであるコンデンサＣ１の両端電圧は、ＦＣ１１の出力電圧と等価である。
【００３１】
リアクトルＬ１の一端は、ＦＣ１１の正極に電気的に接続され、リアクトルＬ１の他端は、ダイオードＤ５のアノードに直列接続されている。ダイオードＤ５のカソードには、出力コンデンサＣ３の一端が並列に接続されている。出力ダイオードＤ５のカソード電圧が、負荷の一例であるモータ１６側（インバータ１５側）へ供給される昇圧後電圧ＶＨである。出力コンデンサＣ３は、当該昇圧後電圧ＶＨを平滑化して変動を低減する。
【００３２】
メインスイッチＳ１には、非限定的な一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を適用可能であり、一方の極（例えばコレクタ）がリアクトルＬ１と出力ダイオードＤ５との間の電気経路に並列接続されるとともに、他方の極（例えばエミッタ）が、ＦＣ１１の負極側（ＧＮＤ）に接続されている。
【００３３】
メインスイッチＳ１の例えばゲートにパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等のスイッチ制御信号が与えられることで、メインスイッチＳ１のＯＮ／ＯＦＦが制御される。また、スイッチ制御信号のデューティ比を制御することで、出力ダイオードＤ５へ向かう方向にリアクトルＬ１に流れる平均的な電流量を制御して、昇圧コンバータ１２の昇圧度を制御することができる。スイッチ制御信号は、例えばＥＣＵ２０において生成される。
【００３４】
メインスイッチＳ１の両極間には、逆並列ダイオードＤ４が接続されている。逆並列ダイオードＤ４は、メインスイッチＳ１がＯＮ時の電流通流方向とは逆方向の通流を許容する。
【００３５】
補助回路１２ｂは、例示的に、（回生）ダイオードＤ３と、リアクトル（コイル）Ｌ２と、（スナバ逆流防止）ダイオードＤ２と、スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２及び逆並列ダイオードＤ１を含むスイッチ回路と、（共振）コンデンサＣ２とを備える。補助スイッチＳ２をＯＮにすることで、リアクトルＬ２及びコンデンサＣ２によるＬＣ共振現象が発生し、当該ＬＣ共振現象を利用して、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２のソフトスイッチングを実現することができる。
【００３６】
例示的に、ダイオードＤ３は、そのアノードがリアクトルＬ１と出力ダイオードＤ５との間の電気経路に接続されることにより、メインスイッチＳ１に対して並列に接続されている。ダイオードＤ３のカソードは、コンデンサＣ２の一端に接続され、コンデンサＣ２の他端は、ＦＣ１１の負極側（ＧＮＤ）に接続されている。また、ダイオードＤ３のカソードとコンデンサＣ２との接続点には、リアクトルＬ２の一端が並列に接続され、リアクトルＬ２の他端にはダイオードＤ２のアノードが接続されている。
【００３７】
さらに、ダイオードＤ２のカソードは補助スイッチＳ２の両極の一方（例えばコレクタ）に接続され、補助スイッチＳ２の両極の他方（例えばエミッタ）はリアクトルＬ１のＦＣ１１側の一端に接続されている。補助スイッチＳ２の両極間には、ダイオードＤ１が並列接続されている。なお、リアクトルＬ２、及び、補助スイッチＳ２とダイオードＤ１とを含むスイッチ回路の接続位置は、互いに入れ替えてもよい。
【００３８】
〔３〕ソフトスイッチング動作（モード１〜６）
上述のごとく構成された昇圧コンバータ１２において、ソフトスイッチング動作に基づく昇圧動作の１サイクルは、例示的に、以下のような状態遷移（モード１〜６）で表わすことができる。
【００３９】
メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２がともにＯＦＦの初期状態では、例えば図３中に点線で示す経路で電流が通流し、インバータ１５（モータ１６）側に電力が供給される。
【００４０】
（モード１）
初期状態から、メインスイッチＳ１はＯＦＦのままで補助スイッチＳ２がＯＮされると、出力ダイオードＤ５に蓄積していた電荷がダイオードＤ３、リアクトルＬ２及び補助スイッチＳ２を経由して入力コンデンサＣ１へ流れて消滅させられる（ソフトターンオフ）。一方、ＦＣ１１側からリアクトルＬ１及び出力ダイオードＤ５を経由して流れていた電流が、補助回路１２ｂ側（ダイオードＤ３）に徐々に移行してゆく。図３中の矢印１００は、その様子を表現している。したがって、補助回路１２ｂには、図２中に実線で２００示すように、リアクトルＬ１、ダイオードＤ３、リアクトルＬ２、ダイオードＤ２及び補助スイッチＳ２の経路で電流が還流する。したがって、図４に例示するように、モード１の期間（時刻Ｔ０〜Ｔ１の期間）において、リアクトルＬ２及び補助スイッチＳ２に流れる電流（Ｌ２電流）は、リアクトルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）とリアクトルＬのインダクタンス値とに応じて増加する。
【００４１】
（モード２）
その後、例えば図５中に実線３００で示すように、コンデンサＣ２に蓄積されていた電荷がリアクトルＬ２側へ徐々に放電され、電流がリアクトルＬ２、ダイオードＤ２、補助スイッチＳ２及び入力コンデンサＣ１で形成される電気経路で通流する。これにより、リアクトルＬ２コンデンサＣ２によるＬＣ共振現象が発生し、コンデンサＣ２の両端電圧が正弦波状に正から零へ徐々に減少する（図６の時刻Ｔ１〜Ｔ２参照）。補助スイッチＳ２がＯＮとなる瞬間（図６の時刻Ｔ１）では、補助スイッチＳ２は零電流なのでソフトスイッチングでターンオンすることになる。
【００４２】
（モード３）
コンデンサＣ２の電荷がすべて放電されてコンデンサＣ２の電圧が零となり（図６の時刻Ｔ２参照）、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流（Ｌ１電流及びＬ２電流）が互いに同じになったタイミング（図６の時刻Ｔ３参照）でメインスイッチＳ１をＯＮする。すると、補助回路１２ｂを還流していた電流がメインスイッチＳ１を通流し始め、メインスイッチＳ１に流れる電流（Ｓ１電流：図６参照）が徐々に増加してゆく。
【００４３】
（モード４）
この時、メインスイッチＳ１は、零電流及び零電圧からのターンオンとなる。メインスイッチＳ１がＯＮであることにより、メインスイッチＳ１、ＦＣ１１及びリアクトルＬ１の経路で電流が通流し、リアクトルＬ１に電気エネルギーが徐々に蓄積されてゆく。このとき、補助回路１２ｂには電流は流れないので、コンデンサＣ２に対する充電は行なわれず、コンデンサＣ２の電圧は零電圧のままである（図６参照）。
【００４４】
（モード５）
その後、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２をともにＯＦＦにする。両スイッチＳ１及びＳ２は、同時にＯＦＦにしてもよいし、補助スイッチＳ２を先にＯＦＦにしてもよい。この時、コンデンサＣ２の電圧が零であるから、補助スイッチＳ２は、零電流及び零電圧からのターンオフ、メインスイッチＳ１は、零電圧からのターンオフとなる。メインスイッチＳ１のＯＦＦにより、リアクトルＬ１に流れていた電流は、ダイオードＤ３、コンデンサＣ２、ＦＣ１１及びリアクトルＬ１の経路で流れ始め、コンデンサＣ２への充電が始まる。コンデンサＣ２への充電により、メインスイッチＳ１がＯＦＦされる時の電圧上昇速度が抑制され、テール電流が存在する領域での損失を低減することが可能となる。
【００４５】
（モード６）
コンデンサＣ２が出力電圧ＶＨと同電圧になるまで充電されると、出力ダイオードＤ５がＯＮし、リアクトルＬ１にそれまでに蓄積された電気エネルギーがインバータ１５（モータ１６）側へ供給される。その後、補助スイッチＳ２が再度とＯＮとなり、モード１から次のサイクルがスタートする。
【００４６】
〔４〕コンデンサＣ１の容量低下判定
以上のようなソフトスイッチング動作において、モード２では、コンデンサＣ２から放電された電荷が、リアクトルＬ２、ダイオードＤ２、補助スイッチＳ２及びコンデンサＣ１の経路３００（図５参照）でＬ２Ｃ２共振電流として流れる。このとき、Ｌ２Ｃ２共振電流は、主回路１２ａのリアクトルＬ１と補助回路１２ｂの補助スイッチＳ２との接続点１２０において、主回路１２ａを流れるＦＣ１１からの主電流（Ｌ１電流）と合流し、Ｌ１電流とは逆方向に流れる。
【００４７】
図８に、ＦＣ１１からリアクトルＬ１に向かう方向の電流を正、その逆方向の電流を負とした場合の、図７中に示すＡ点に流れる電流量の時間変化の一例を示す。図８において、負の領域にある電流がＬ２Ｃ２共振電流Ｉに相当する。Ｌ２Ｃ２共振電流Ｉは、コンデンサＣ２の電荷放電により発生する電流量と等価と考えてよい。
【００４８】
コンデンサＣ２の容量をＣ2、リアクトルＬ２のインダクタンス値をＬ2、コンデンサＣ２に印加される電圧をＶ、リアクトルＬ２を流れる電流（Ｌ２電流）をＩとそれぞれ表わすと、エネルギー保存の法則より、次式（１）が成立する。
【数１】
【００４９】
したがって、電流Ｉは、次式（２）により求めることができる。
【数２】
【００５０】
コンデンサＣ２の電圧Ｖ＝ＶＨ−ＶＬとすると、式（２）は、次式（３）となる。
【数３】
【００５１】
ここで、例えば図７に示すように、ＦＣ１１及びコンデンサＣ１の高電位側からみた経路のインピーダンス値をそれぞれＺA及びＺBとすると、ＦＣ１１側へ逆流するＬ２Ｃ２共振電流Ｉは、それぞれのインピーダンス値ＺA及びＺBの比に応じて分流される。分流された電流ＩA及びＩBは、それぞれ以下の式（４）及び式（５）で表わすことができる。
【数４】
ただし、例示的に、インピーダンスＺAは、ＦＣ１１の内部インピーダンスと配線インピーダンスとを含み、インピーダンスＺBは、コンデンサＣ１の内部インピーダンスと配線インピーダンスとを含む。
【００５２】
ＦＣ１１のインピーダンス値ＺAがコンデンサＣ１のインピーダンス値ＺBよりも相対的に大きい場合、Ｌ２Ｃ２共振電流Ｉの大部分はコンデンサＣ１で吸収（バッファ）することができる。コンデンサＣ１の容量を、Ｌ２Ｃ２共振電流Ｉのすべてを吸収可能な値に設計しておけば、ＦＣ１１が逆充電されることを回避できる。
【００５３】
しかし、経年変化等に起因してコンデンサＣ１の容量が所期の容量よりも低下することがある。コンデンサＣ１の容量をＣ1、コンデンサＣ１の両端電圧をＶｃでそれぞれ表わすと、コンデンサＣ１に流れる電流ＩCは下記の式（６）で表わすことができる。
【数５】
【００５４】
したがって、Ｖｃが一定でコンデンサＣ１の容量が低下すると、コンデンサＣ１へ流れる電流（ＩB）が低下し、低下分の電流は、ＦＣ１１側へ逆流（回生）することになる（図７の矢印４００参照）。この場合、ＦＣ１１からリアクトルＬ１に向かう電流量は、相対的に減少する。回生電流によってＦＣ１１が逆充電されると、ＦＣ１１の性能劣化につながるおそれがある。
【００５５】
そこで、本実施形態においては、例えば図２及び図９中に示すように、ＦＣ１１の高電位側と入力コンデンサＣ１との間（代替的に、コンデンサＣ１の接続点とコンデンサＣ１との間でもよい）の電流量を検出（モニタ）する。当該電流検出（モニタ）には、電流検出部の一例としての電流センサ１２１を用いることができる。
【００５６】
電流センサ１２１には、例示的に、磁気比例式のセンサを適用可能である。磁気比例式の電流センサは、測定すべき電流が導体を流れた時の磁界を測定することにより、電流の大きさを間接的に測定する。例えば、電流に応じた磁界をホール素子により電圧信号に変換し、その出力電圧を増幅回路にて増幅し、電流に応じた出力電圧をセンサ値として出力する。
【００５７】
当該電流センサ１２１で得られた電流値（電流センサ値）は、例えばＥＣＵ２０に与えることができる。ＥＣＵ２０は、判定制御部の一例であり、一定以上の回生電流が生じて、当該電流センサ値が所定の閾値を下回った場合、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定（検出）することができる。コンデンサＣ１の容量が低下したと判定した場合、ＥＣＵ２０は、例えば補助スイッチＳ２をＯＦＦ制御する。
【００５８】
そのため、ＥＣＵ２０は、図２及び図７に示すように、例示的に、サンプリング処理部２１１及び比較・判定部２１２としての機能を具備する。当該ＥＣＵ２０と電流センサ１２１とは、コンデンサＣ１の容量低下を検出する回路（装置）の一例として機能する。
【００５９】
サンプリング処理部２１１は、電流センサ１２１によって得られるセンサ値を、周期的にサンプリングする。サンプリングタイミングは、ＥＣＵ２０の処理能力との関係で許容される範囲で短くすることができる。サンプリング周期を短く設定するほど、比較・判定部２１２での判定精度を向上できる。
【００６０】
比較・判定部２１２は、サンプリング処理部２１１でサンプリングされたセンサ値（以下、「サンプリング値」ともいう。）と、前記式（４）又は式（５）に基づいて得られる所定の閾値とを比較して、サンプリング値が当該閾値を下回っている否かを判定する。判定の結果、サンプリング値が閾値を下回っている場合、比較・判定部２１２は、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定（異常判定）し、そうでなければ正常と判定する。
【００６１】
コンデンサＣ１の容量が低下した判定した場合、比較・判定部２１２は、例えば補助スイッチＳ２をＯＦＦ制御する。これにより、補助回路１２ｂを流れるＬ２Ｃ２共振電流がＦＣ１１に向かって逆流することを回避することができる。したがって、Ｌ２Ｃ２共振電流によりＦＣ１１が逆充電されることを防止でき、ＦＣ１１の性能劣化が生じることを防止できる。
【００６２】
なお、比較・判定部２１２での異常判定は、前記閾値を下回った状態が所定時間継続した場合に行なうようにしてもよい。また、比較・判定部２１２による判定結果は、例えばＥＣＵ２０から車両１の運転者や保守者に提示することができる。提示態様の一例としては、車両１に設けられた所定の警報ランプの点灯や、車両１に設けられたスピーカからの音声出力等が挙げられる。
【００６３】
前記閾値は、ＥＣＵ２０内のＲＡＭ等のメモリに記憶しておくことができる。また、比較・判定部２１２での異常判定は、誤差範囲内の閾値からのずれを許容するように設定してもよい。当該許容範囲は、システム設計要件に応じて決定することができる。
【００６４】
（変形例１）
ＥＣＵ２０は、例えば図１０に示すような機能を具備することとしてもよい。すなわち、当該ＥＣＵ２０は、例示的に、既述のサンプリング処理部２１１のほか、ピークホールド処理部２２２及び比較・判定部２２３としての機能を具備していてもよい。
【００６５】
ここで、ピークホールド処理部２２２は、サンプリング処理部２１１でサンプリングされた電流センサ値のピーク値を保持する。なお、当該ピークホールド処理部２２２の機能は、ハードウェアのピークホールド回路として設けることもできる。
【００６６】
そして、比較・判定部２２３は、ピークホールド処理部２２２で保持されたセンサ値と所定の閾値とを比較して、センサ値が閾値を下回っている場合に、コンデンサＣ１の容量低下と判定（異常判定）し、そうでなければ正常と判定する。異常判定時のＥＣＵ２０の動作、制御は上述した実施形態と同様である。
【００６７】
本変形例１によれば、ＥＣＵ２０は、上述した実施形態に比して、閾値とピークホールド処理部２２２における電流センサ値のピーク値との比較でよいから、比較・判定処理を簡易化することができ、ＥＣＵ２０（ＣＰＵ）の処理負荷を軽減できる。
【００６８】
（変形例２）
図１１は、変形例２に係る昇圧コンバータ１２に着目した回路図である。図１１に示すＦＣ１１と昇圧コンバータ１２との間には、回生電流阻止回路１２ｃ及びバイパス回路１２ｄが設けられている。
【００６９】
回生電流阻止回路１２ｃは、一端がＦＣ１１の高電位側に接続されるとともに、他端が主回路１２ａの要素であるリアクトルＬ１に直列接続されており、ＦＣ１１の高電位側に向かって逆流（回生）する回生電流を阻止する回路である。回生電流阻止回路１２ｃには、例示的に、ダイオードＤ６又はリアクトルＬ３を用いることができる。ダイオードＤ６を用いる場合には、アノードをＦＣ１１の高電位側の電気経路に接続するとともに、カソードをリアクトルＬ１側の電気経路に接続する。
【００７０】
バイパス回路１２ｄは、例示的に、一端がＦＣ１１の高電位側に接続されるとともに、他端が回生電流阻止回路１２ｃとリアクトルＬ１との間の電気経路に接続された入力コンデンサＣ１の接続点に接続されている。当該バイパス回路１２ｄは、例えばＥＣＵ２０によってＯＮ／ＯＦＦ制御が可能であり、ＯＮ制御されることにより回生電流阻止回路１２ｃを経由する電気経路をバイパスすることができる。バイパス回路１２ｄには、例示的に、リレースイッチを用いることができる。
【００７１】
バイパス回路１２ｄは、例示的に、ＥＣＵ２０にてコンデンサＣ１の容量が低下したと判定されない間、ＯＮ制御される（バイパス状態）。一方、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定された場合、バイパス回路１２ｄは、ＯＦＦ制御される（非バイパス状態）。
【００７２】
これにより、コンデンサＣ１の容量が低下してコンデンサＣ２で吸収し切れないＬ２Ｃ２共振電流が存在したとしても、回生電流阻止回路１２ｃにて当該共振電流がＦＣ１１へ回生することを阻止することができる。したがって、Ｌ２Ｃ２共振電流によりＦＣ１１が逆充電されることを防止して、ＦＣ１１の性能劣化を防止することができる。
【００７３】
なお、バイパス回路１２ｄをＯＦＦ制御する場合、ＥＣＵ２０は、補助スイッチＳ２をＯＦＦ制御してもよいし、ＯＮ状態に維持してもよい。ＯＮ状態に維持した場合には、コンデンサＣ１の容量が低下していても、補助回路１２ｂによるソフトスイッチングを継続できる。
【００７４】
〔６〕その他
上述した実施形態は、電源側からの主電流とは逆方向に共振電流が流れる電気経路を有しするＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、降圧コンバータ等の他の種類のコンバータ）に適用してもよい。また、上述した実施形態は、車載のＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、パーソナルコンピュータや、オーディオビジュアル（ＡＶ）機器、携帯端末等の電気機器に搭載されているＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１ 車両
２ 駆動輪
１０ 電源システム（燃料電池システム）
１１ 燃料電池（ＦＣ）（直流電源）
１２ ＦＣ昇圧コンバータ
１２ａ 主回路
１２ｂ 補助回路（スナバ回路）
１２ｃ 回生電流阻止回路
１２ｄ バイパス回路
１３ バッテリ
１４ バッテリ昇圧コンバータ
１５ インバータ
１６ モータ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）（判定制御部）
２１ アクセルペダルセンサ
１２０ 接続点
１２１ 電流センサ（電流検出部）
２１１ サンプリング処理部
２２２ ピークホールド処理部
２１２，２２３ 比較・判定部
Ｃ１ 入力コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ３ 出力コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ６
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ リアクトル（コイル）
Ｓ１ スイッチング素子（メインスイッチ）
Ｓ２ スイッチング素子（補助スイッチ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振型コンバータにおけるコンデンサの容量低下を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧変換器として、直流（ＤＣ）電圧を昇圧及び／又は降圧するＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、パーソナルコンピュータや、ＡＶ機器、携帯電話機、電源システム等の、電気回路を含む電気機器に幅広く用いられている。近年では、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の電源システムにＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる例もある。
【０００３】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子、コイル（リアクトル）、コンデンサ、及びダイオード等を組み合わせて構成することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータには、いわゆるソフトスイッチングを実現する共振型コンバータと呼ばれるタイプのものが知られている。ソフトスイッチングは、電流共振現象を利用して電圧及び／又は電流をゼロとした状態でのスイッチング動作を可能にすることで、スイッチング時の電力損失の低減を図る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／０９８３７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
共振型コンバータにおいては、ソフトスイッチングの実現に利用される共振電流が入力側へ回生（逆流）する場合がある。そのような要因の一例として、共振電流を吸収（バッファ）するコンデンサの容量が低下することが挙げられる。すなわち、コンデンサの容量が低下してコンデンサで吸収し切れない共振電流が生じると、当該電流が入力側へ回生し得る。共振電流の回生先が燃料電池等の直流電源である場合、当該共振電流によって直流電源が逆充電されて性能劣化が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明の目的の一つは、共振型コンバータ共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出できるようにすることにある。また、コンデンサの容量低下に起因してコンデンサで吸収し切れない共振電流によって直流電源が逆充電されることを防止できるようにすることも本発明の目的の一つである。
【０００７】
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置の一態様は、直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、前記直流電源と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、を備える。
【０００９】
また、本発明の共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置の別の態様は、直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、前記コンデンサの接続点と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、を備える。
【００１０】
ここで、前記判定制御部は、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、ＯＮ状態で前記共振電流を前記コンデンサに流通させるスイッチング素子をＯＦＦ制御してもよい。
【００１１】
また、前記直流電源と前記コンデンサの接続点との間に、前記直流電源に向かう前記共振電流を阻止する電流阻止回路と、前記電流阻止回路をバイパスする電気経路上に設けられたバイパススイッチとをさらに備え、前記判定制御部は、前記コンデンサの容量が低下したと判定しない間は、前記バイパススイッチをＯＮ制御し、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、前記バイパススイッチをＯＦＦ制御する、ようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、共振型コンバータにおいて共振電流を吸収するコンデンサの容量低下を検出できる。ひいては、当該容量低下に起因してコンデンサで吸収し切れない共振電流によって直流電源が逆充電されることを防止し、直流電源の性能劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る電源システム及び当該電源システムを搭載した車両１の構成例を模式的に示す図である。
【図２】図１に例示するＦＣ昇圧コンバータの一例を示す回路図である。
【図３】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータの動作（モード１）を説明する図である。
【図４】モード１のＦＣ昇圧コンバータにおける素子の電流又は電圧の時間変化例を示すグラフである。
【図５】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータの動作（モード２）を説明する図である。
【図６】モード２のＦＣ昇圧コンバータにおける素子の電流又は電圧の時間変化例を示すグラフである。
【図７】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータの部分的な等価回路図である。
【図８】図７におけるＡ点に流れる電流の時間変化の一例を示す図である。
【図９】図２に例示するＦＣ昇圧コンバータにおいて共振電流が電源側に回生する様子を例示する図である。
【図１０】図２及び図９に例示するＥＣＵの変形例を示す機能ブロック図である。
【図１１】図２及び図９に例例示する電源システムの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。
【００１５】
〔１〕一実施形態の説明
図１は、一実施形態に係る電源システム１０及び当該電源システム１０を搭載した車両１の構成例を模式的に示す図である。
【００１６】
電源システム１０は、例示的に、燃料電池（ＦＣ）１１を有する燃料電池システムであり、車両１は、燃料電池システム１０を駆動電力の供給源とする電気機器の一例としての燃料電池自動車である。ただし、車両１は、電気自動車やハイブリッド自動車であってもよい。
【００１７】
車両１は、駆動輪２を駆動するモータ１６や、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ２１等を備える。アクセルペダルセンサ２１は、電子制御ユニット２０に電気的に接続されており、例えば、検出したアクセスペダルの開度に応じてモータ１６（駆動輪２）の回転速度がＥＣＵ２０によって制御される。
【００１８】
燃料電池システム１０は、前記燃料電池（ＦＣ）１１のほか、非限定的な一例として、ＦＣ昇圧コンバータ１２、バッテリ１３、バッテリ昇圧コンバータ１４、インバータ１５等を備える。
【００１９】
ＦＣ１１は、電気化学反応を利用して発電する装置である。ＦＣ１１には、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ電解質型等の種々のタイプの燃料電池が適用可能である。ＦＣ１１が発電した電力は、車両１の駆動輪２を駆動するモータ１６の駆動電力や、バッテリ１３の充電に用いられる。
【００２０】
バッテリ１３は、充放電可能な二次電池であり、リチウムイオン、ニッケル水素、ニッケルカドミウム等の種々のタイプの二次電池を適用可能である。バッテリ１３は、車両１やＦＣ１１の運転時に使用される種々の電気機器に電力を供給することができる。ここでいう電気機器には、例えば、車両１の照明機器、空調機器、油圧ポンプ、ＦＣ１１の燃料ガスや改質原料を供給するポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
【００２１】
これらのＦＣ１１及びバッテリ１３は、図１に例示するように、インバータ１５に対して電気的に並列に接続されている。ＦＣ１１からインバータ１５に至る電気経路には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が設けられている。ＦＣ昇圧コンバータ１２は、入力ＤＣ電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであり、ＦＣ１１で発生したＤＣ電圧を変換可能な範囲で所定のＤＣ電圧に変換（例えば昇圧）して、インバータ１５に印加することができる。このような昇圧動作により、ＦＣ１１の出力電力が低くても、モータ１６の駆動に要する駆動電力を確保することが可能となる。
【００２２】
一方、バッテリ１３からインバータ１５に至る電気経路には、バッテリ昇圧コンバータ１４が、ＦＣ昇圧コンバータ１２とインバータ１５との間の電気経路に対して並列に接続されている。当該コンバータ１４も、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、バッテリ１３又はインバータ１５から印加されたＤＣ電圧を変換可能な範囲で所定のＤＣ電圧に変換することができる。
【００２３】
コンバータ１４には、昇圧及び降圧の双方が可能な昇降圧型のコンバータを適用でき、例えば、バッテリ１３からの入力ＤＣ電圧を制御（昇圧）してインバータ１５側に出力する一方、ＦＣ１１又はモータ１６からの入力ＤＣ電圧を制御（降圧）してバッテリ１３に出力することが可能である。これにより、バッテリ１３の充放電が可能となる。
【００２４】
また、コンバータ１４は、出力電圧が制御されることで、インバータ１５の端子電圧を制御することが可能である。当該制御は、インバータ１５に対して並列に接続された各電源（ＦＣ１１及びバッテリ１３）の相対的な出力電圧差を制御して、両者の電力を適切に使い分けることを可能にする。
【００２５】
インバータ１５は、ＦＣ１１からコンバータ１２を介して、また、バッテリ１３からコンバータ１４を介して、ＤＣ電圧の入力を受け、当該入力ＤＣ電圧を交流（ＡＣ）電圧に変換し、これをモータ１６の駆動電圧として供給する。その際、ＥＣＵ２０は、要求動力に応じたＡＣ電圧がモータ１６に供給されるよう、インバータ１５の動作（スイッチング）を制御する。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、既述の制御のほか、車両１及び燃料電池システム１０の動作（運転）を統括的に制御する。ＥＣＵ２０は、例示的に、演算処理装置の一例としてのＣＰＵ、記憶装置の一例としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたマイクロコンピュータとして実現できる。ＥＣＵ２０は、モータ１６や燃料電池システム１０の各要素、種々のセンサ群と電気的に接続され、各種センサ値の受信、演算処理、指令（制御信号）の送信等を適宜に実施する。センサ群には、アクセルペダルセンサ２１のほか、例示的に、バッテリ１３の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ、車速（モータ１６の回転数）を検出する車速センサ等が含まれ得る。
【００２７】
〔２〕昇圧コンバータ１２
次に、昇圧コンバータ１２の電気回路図の一例を図２に示す。図２に示す昇圧コンバータ１２は、例示的に、主回路１２ａと補助回路（スナバ回路）１２ｂとを備える。
【００２８】
主回路１２ａは、例えば、スイッチング素子（メインスイッチ）Ｓ１及び逆並列ダイオードＤ４を含むスイッチ回路と、リアクトル（コイル）Ｌ１と、（出力）ダイオードＤ５と、（入力）コンデンサＣ１と、（出力）コンデンサＣ３とを備える。
【００２９】
主回路１２ａは、メインスイッチＳ１のスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）が周期的に制御されることにより、リアクトルＬ１に流れる電流（主電流）量に応じたリアクトルＬ１の電気エネルギーの蓄積及び蓄積エネルギーの解放を周期的に繰り返す。解放された電気エネルギーは、ＦＣ１１の出力電圧に重畳されて、負荷の一例であるモータ１６側（インバータ１５側）にダイオードＤ５経由で出力される。これにより、入力電圧（ＦＣ１１の出力電圧）ＶＬが所定の出力電圧ＶＨに昇圧される。
【００３０】
入力コンデンサＣ１は、両端がＦＣ１１の高電位側とＦＣ１１の低電位側〔例えばグランド（ＧＮＤ）〕とに接続されている。入力コンデンサＣ１は、その両端の電圧（昇圧前電圧）を平滑化してリプルを低減する。昇圧前電圧ＶＬであるコンデンサＣ１の両端電圧は、ＦＣ１１の出力電圧と等価である。
【００３１】
リアクトルＬ１の一端は、ＦＣ１１の正極に電気的に接続され、リアクトルＬ１の他端は、ダイオードＤ５のアノードに直列接続されている。ダイオードＤ５のカソードには、出力コンデンサＣ３の一端が並列に接続されている。出力ダイオードＤ５のカソード電圧が、負荷の一例であるモータ１６側（インバータ１５側）へ供給される昇圧後電圧ＶＨである。出力コンデンサＣ３は、当該昇圧後電圧ＶＨを平滑化して変動を低減する。
【００３２】
メインスイッチＳ１には、非限定的な一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を適用可能であり、一方の極（例えばコレクタ）がリアクトルＬ１と出力ダイオードＤ５との間の電気経路に並列接続されるとともに、他方の極（例えばエミッタ）が、ＦＣ１１の負極側（ＧＮＤ）に接続されている。
【００３３】
メインスイッチＳ１の例えばゲートにパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等のスイッチ制御信号が与えられることで、メインスイッチＳ１のＯＮ／ＯＦＦが制御される。また、スイッチ制御信号のデューティ比を制御することで、出力ダイオードＤ５へ向かう方向にリアクトルＬ１に流れる平均的な電流量を制御して、昇圧コンバータ１２の昇圧度を制御することができる。スイッチ制御信号は、例えばＥＣＵ２０において生成される。
【００３４】
メインスイッチＳ１の両極間には、逆並列ダイオードＤ４が接続されている。逆並列ダイオードＤ４は、メインスイッチＳ１がＯＮ時の電流通流方向とは逆方向の通流を許容する。
【００３５】
補助回路１２ｂは、例示的に、（回生）ダイオードＤ３と、リアクトル（コイル）Ｌ２と、（スナバ逆流防止）ダイオードＤ２と、スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２及び逆並列ダイオードＤ１を含むスイッチ回路と、（共振）コンデンサＣ２とを備える。補助スイッチＳ２をＯＮにすることで、リアクトルＬ２及びコンデンサＣ２によるＬＣ共振現象が発生し、当該ＬＣ共振現象を利用して、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２のソフトスイッチングを実現することができる。
【００３６】
例示的に、ダイオードＤ３は、そのアノードがリアクトルＬ１と出力ダイオードＤ５との間の電気経路に接続されることにより、メインスイッチＳ１に対して並列に接続されている。ダイオードＤ３のカソードは、コンデンサＣ２の一端に接続され、コンデンサＣ２の他端は、ＦＣ１１の負極側（ＧＮＤ）に接続されている。また、ダイオードＤ３のカソードとコンデンサＣ２との接続点には、リアクトルＬ２の一端が並列に接続され、リアクトルＬ２の他端にはダイオードＤ２のアノードが接続されている。
【００３７】
さらに、ダイオードＤ２のカソードは補助スイッチＳ２の両極の一方（例えばコレクタ）に接続され、補助スイッチＳ２の両極の他方（例えばエミッタ）はリアクトルＬ１のＦＣ１１側の一端に接続されている。補助スイッチＳ２の両極間には、ダイオードＤ１が並列接続されている。なお、リアクトルＬ２、及び、補助スイッチＳ２とダイオードＤ１とを含むスイッチ回路の接続位置は、互いに入れ替えてもよい。
【００３８】
〔３〕ソフトスイッチング動作（モード１〜６）
上述のごとく構成された昇圧コンバータ１２において、ソフトスイッチング動作に基づく昇圧動作の１サイクルは、例示的に、以下のような状態遷移（モード１〜６）で表わすことができる。
【００３９】
メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２がともにＯＦＦの初期状態では、例えば図３中に点線で示す経路で電流が通流し、インバータ１５（モータ１６）側に電力が供給される。
【００４０】
（モード１）
初期状態から、メインスイッチＳ１はＯＦＦのままで補助スイッチＳ２がＯＮされると、出力ダイオードＤ５に蓄積していた電荷がダイオードＤ３、リアクトルＬ２及び補助スイッチＳ２を経由して入力コンデンサＣ１へ流れて消滅させられる（ソフトターンオフ）。一方、ＦＣ１１側からリアクトルＬ１及び出力ダイオードＤ５を経由して流れていた電流が、補助回路１２ｂ側（ダイオードＤ３）に徐々に移行してゆく。図３中の矢印１００は、その様子を表現している。したがって、補助回路１２ｂには、図２中に実線で２００示すように、リアクトルＬ１、ダイオードＤ３、リアクトルＬ２、ダイオードＤ２及び補助スイッチＳ２の経路で電流が還流する。したがって、図４に例示するように、モード１の期間（時刻Ｔ０〜Ｔ１の期間）において、リアクトルＬ２及び補助スイッチＳ２に流れる電流（Ｌ２電流）は、リアクトルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）とリアクトルＬのインダクタンス値とに応じて増加する。
【００４１】
（モード２）
その後、例えば図５中に実線３００で示すように、コンデンサＣ２に蓄積されていた電荷がリアクトルＬ２側へ徐々に放電され、電流がリアクトルＬ２、ダイオードＤ２、補助スイッチＳ２及び入力コンデンサＣ１で形成される電気経路で通流する。これにより、リアクトルＬ２コンデンサＣ２によるＬＣ共振現象が発生し、コンデンサＣ２の両端電圧が正弦波状に正から零へ徐々に減少する（図６の時刻Ｔ１〜Ｔ２参照）。補助スイッチＳ２がＯＮとなる瞬間（図６の時刻Ｔ１）では、補助スイッチＳ２は零電流なのでソフトスイッチングでターンオンすることになる。
【００４２】
（モード３）
コンデンサＣ２の電荷がすべて放電されてコンデンサＣ２の電圧が零となり（図６の時刻Ｔ２参照）、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流（Ｌ１電流及びＬ２電流）が互いに同じになったタイミング（図６の時刻Ｔ３参照）でメインスイッチＳ１をＯＮする。すると、補助回路１２ｂを還流していた電流がメインスイッチＳ１を通流し始め、メインスイッチＳ１に流れる電流（Ｓ１電流：図６参照）が徐々に増加してゆく。
【００４３】
（モード４）
この時、メインスイッチＳ１は、零電流及び零電圧からのターンオンとなる。メインスイッチＳ１がＯＮであることにより、メインスイッチＳ１、ＦＣ１１及びリアクトルＬ１の経路で電流が通流し、リアクトルＬ１に電気エネルギーが徐々に蓄積されてゆく。このとき、補助回路１２ｂには電流は流れないので、コンデンサＣ２に対する充電は行なわれず、コンデンサＣ２の電圧は零電圧のままである（図６参照）。
【００４４】
（モード５）
その後、メインスイッチＳ１及び補助スイッチＳ２をともにＯＦＦにする。両スイッチＳ１及びＳ２は、同時にＯＦＦにしてもよいし、補助スイッチＳ２を先にＯＦＦにしてもよい。この時、コンデンサＣ２の電圧が零であるから、補助スイッチＳ２は、零電流及び零電圧からのターンオフ、メインスイッチＳ１は、零電圧からのターンオフとなる。メインスイッチＳ１のＯＦＦにより、リアクトルＬ１に流れていた電流は、ダイオードＤ３、コンデンサＣ２、ＦＣ１１及びリアクトルＬ１の経路で流れ始め、コンデンサＣ２への充電が始まる。コンデンサＣ２への充電により、メインスイッチＳ１がＯＦＦされる時の電圧上昇速度が抑制され、テール電流が存在する領域での損失を低減することが可能となる。
【００４５】
（モード６）
コンデンサＣ２が出力電圧ＶＨと同電圧になるまで充電されると、出力ダイオードＤ５がＯＮし、リアクトルＬ１にそれまでに蓄積された電気エネルギーがインバータ１５（モータ１６）側へ供給される。その後、補助スイッチＳ２が再度とＯＮとなり、モード１から次のサイクルがスタートする。
【００４６】
〔４〕コンデンサＣ１の容量低下判定
以上のようなソフトスイッチング動作において、モード２では、コンデンサＣ２から放電された電荷が、リアクトルＬ２、ダイオードＤ２、補助スイッチＳ２及びコンデンサＣ１の経路３００（図５参照）でＬ２Ｃ２共振電流として流れる。このとき、Ｌ２Ｃ２共振電流は、主回路１２ａのリアクトルＬ１と補助回路１２ｂの補助スイッチＳ２との接続点１２０において、主回路１２ａを流れるＦＣ１１からの主電流（Ｌ１電流）と合流し、Ｌ１電流とは逆方向に流れる。
【００４７】
図８に、ＦＣ１１からリアクトルＬ１に向かう方向の電流を正、その逆方向の電流を負とした場合の、図７中に示すＡ点に流れる電流量の時間変化の一例を示す。図８において、負の領域にある電流がＬ２Ｃ２共振電流Ｉに相当する。Ｌ２Ｃ２共振電流Ｉは、コンデンサＣ２の電荷放電により発生する電流量と等価と考えてよい。
【００４８】
コンデンサＣ２の容量をＣ2、リアクトルＬ２のインダクタンス値をＬ2、コンデンサＣ２に印加される電圧をＶ、リアクトルＬ２を流れる電流（Ｌ２電流）をＩとそれぞれ表わすと、エネルギー保存の法則より、次式（１）が成立する。
【数１】
【００４９】
したがって、電流Ｉは、次式（２）により求めることができる。
【数２】
【００５０】
コンデンサＣ２の電圧Ｖ＝ＶＨ−ＶＬとすると、式（２）は、次式（３）となる。
【数３】
【００５１】
ここで、例えば図７に示すように、ＦＣ１１及びコンデンサＣ１の高電位側からみた経路のインピーダンス値をそれぞれＺA及びＺBとすると、ＦＣ１１側へ逆流するＬ２Ｃ２共振電流Ｉは、それぞれのインピーダンス値ＺA及びＺBの比に応じて分流される。分流された電流ＩA及びＩBは、それぞれ以下の式（４）及び式（５）で表わすことができる。
【数４】
ただし、例示的に、インピーダンスＺAは、ＦＣ１１の内部インピーダンスと配線インピーダンスとを含み、インピーダンスＺBは、コンデンサＣ１の内部インピーダンスと配線インピーダンスとを含む。
【００５２】
ＦＣ１１のインピーダンス値ＺAがコンデンサＣ１のインピーダンス値ＺBよりも相対的に大きい場合、Ｌ２Ｃ２共振電流Ｉの大部分はコンデンサＣ１で吸収（バッファ）することができる。コンデンサＣ１の容量を、Ｌ２Ｃ２共振電流Ｉのすべてを吸収可能な値に設計しておけば、ＦＣ１１が逆充電されることを回避できる。
【００５３】
しかし、経年変化等に起因してコンデンサＣ１の容量が所期の容量よりも低下することがある。コンデンサＣ１の容量をＣ1、コンデンサＣ１の両端電圧をＶｃでそれぞれ表わすと、コンデンサＣ１に流れる電流ＩCは下記の式（６）で表わすことができる。
【数５】
【００５４】
したがって、Ｖｃが一定でコンデンサＣ１の容量が低下すると、コンデンサＣ１へ流れる電流（ＩB）が低下し、低下分の電流は、ＦＣ１１側へ逆流（回生）することになる（図７の矢印４００参照）。この場合、ＦＣ１１からリアクトルＬ１に向かう電流量は、相対的に減少する。回生電流によってＦＣ１１が逆充電されると、ＦＣ１１の性能劣化につながるおそれがある。
【００５５】
そこで、本実施形態においては、例えば図２及び図９中に示すように、ＦＣ１１の高電位側と入力コンデンサＣ１との間（代替的に、コンデンサＣ１の接続点とコンデンサＣ１との間でもよい）の電流量を検出（モニタ）する。当該電流検出（モニタ）には、電流検出部の一例としての電流センサ１２１を用いることができる。
【００５６】
電流センサ１２１には、例示的に、磁気比例式のセンサを適用可能である。磁気比例式の電流センサは、測定すべき電流が導体を流れた時の磁界を測定することにより、電流の大きさを間接的に測定する。例えば、電流に応じた磁界をホール素子により電圧信号に変換し、その出力電圧を増幅回路にて増幅し、電流に応じた出力電圧をセンサ値として出力する。
【００５７】
当該電流センサ１２１で得られた電流値（電流センサ値）は、例えばＥＣＵ２０に与えることができる。ＥＣＵ２０は、判定制御部の一例であり、一定以上の回生電流が生じて、当該電流センサ値が所定の閾値を下回った場合、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定（検出）することができる。コンデンサＣ１の容量が低下したと判定した場合、ＥＣＵ２０は、例えば補助スイッチＳ２をＯＦＦ制御する。
【００５８】
そのため、ＥＣＵ２０は、図２及び図７に示すように、例示的に、サンプリング処理部２１１及び比較・判定部２１２としての機能を具備する。当該ＥＣＵ２０と電流センサ１２１とは、コンデンサＣ１の容量低下を検出する回路（装置）の一例として機能する。
【００５９】
サンプリング処理部２１１は、電流センサ１２１によって得られるセンサ値を、周期的にサンプリングする。サンプリングタイミングは、ＥＣＵ２０の処理能力との関係で許容される範囲で短くすることができる。サンプリング周期を短く設定するほど、比較・判定部２１２での判定精度を向上できる。
【００６０】
比較・判定部２１２は、サンプリング処理部２１１でサンプリングされたセンサ値（以下、「サンプリング値」ともいう。）と、前記式（４）又は式（５）に基づいて得られる所定の閾値とを比較して、サンプリング値が当該閾値を下回っている否かを判定する。判定の結果、サンプリング値が閾値を下回っている場合、比較・判定部２１２は、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定（異常判定）し、そうでなければ正常と判定する。
【００６１】
コンデンサＣ１の容量が低下した判定した場合、比較・判定部２１２は、例えば補助スイッチＳ２をＯＦＦ制御する。これにより、補助回路１２ｂを流れるＬ２Ｃ２共振電流がＦＣ１１に向かって逆流することを回避することができる。したがって、Ｌ２Ｃ２共振電流によりＦＣ１１が逆充電されることを防止でき、ＦＣ１１の性能劣化が生じることを防止できる。
【００６２】
なお、比較・判定部２１２での異常判定は、前記閾値を下回った状態が所定時間継続した場合に行なうようにしてもよい。また、比較・判定部２１２による判定結果は、例えばＥＣＵ２０から車両１の運転者や保守者に提示することができる。提示態様の一例としては、車両１に設けられた所定の警報ランプの点灯や、車両１に設けられたスピーカからの音声出力等が挙げられる。
【００６３】
前記閾値は、ＥＣＵ２０内のＲＡＭ等のメモリに記憶しておくことができる。また、比較・判定部２１２での異常判定は、誤差範囲内の閾値からのずれを許容するように設定してもよい。当該許容範囲は、システム設計要件に応じて決定することができる。
【００６４】
（変形例１）
ＥＣＵ２０は、例えば図１０に示すような機能を具備することとしてもよい。すなわち、当該ＥＣＵ２０は、例示的に、既述のサンプリング処理部２１１のほか、ピークホールド処理部２２２及び比較・判定部２２３としての機能を具備していてもよい。
【００６５】
ここで、ピークホールド処理部２２２は、サンプリング処理部２１１でサンプリングされた電流センサ値のピーク値を保持する。なお、当該ピークホールド処理部２２２の機能は、ハードウェアのピークホールド回路として設けることもできる。
【００６６】
そして、比較・判定部２２３は、ピークホールド処理部２２２で保持されたセンサ値と所定の閾値とを比較して、センサ値が閾値を下回っている場合に、コンデンサＣ１の容量低下と判定（異常判定）し、そうでなければ正常と判定する。異常判定時のＥＣＵ２０の動作、制御は上述した実施形態と同様である。
【００６７】
本変形例１によれば、ＥＣＵ２０は、上述した実施形態に比して、閾値とピークホールド処理部２２２における電流センサ値のピーク値との比較でよいから、比較・判定処理を簡易化することができ、ＥＣＵ２０（ＣＰＵ）の処理負荷を軽減できる。
【００６８】
（変形例２）
図１１は、変形例２に係る昇圧コンバータ１２に着目した回路図である。図１１に示すＦＣ１１と昇圧コンバータ１２との間には、回生電流阻止回路１２ｃ及びバイパス回路１２ｄが設けられている。
【００６９】
回生電流阻止回路１２ｃは、一端がＦＣ１１の高電位側に接続されるとともに、他端が主回路１２ａの要素であるリアクトルＬ１に直列接続されており、ＦＣ１１の高電位側に向かって逆流（回生）する回生電流を阻止する回路である。回生電流阻止回路１２ｃには、例示的に、ダイオードＤ６又はリアクトルＬ３を用いることができる。ダイオードＤ６を用いる場合には、アノードをＦＣ１１の高電位側の電気経路に接続するとともに、カソードをリアクトルＬ１側の電気経路に接続する。
【００７０】
バイパス回路１２ｄは、例示的に、一端がＦＣ１１の高電位側に接続されるとともに、他端が回生電流阻止回路１２ｃとリアクトルＬ１との間の電気経路に接続された入力コンデンサＣ１の接続点に接続されている。当該バイパス回路１２ｄは、例えばＥＣＵ２０によってＯＮ／ＯＦＦ制御が可能であり、ＯＮ制御されることにより回生電流阻止回路１２ｃを経由する電気経路をバイパスすることができる。バイパス回路１２ｄには、例示的に、リレースイッチを用いることができる。
【００７１】
バイパス回路１２ｄは、例示的に、ＥＣＵ２０にてコンデンサＣ１の容量が低下したと判定されない間、ＯＮ制御される（バイパス状態）。一方、コンデンサＣ１の容量が低下したと判定された場合、バイパス回路１２ｄは、ＯＦＦ制御される（非バイパス状態）。
【００７２】
これにより、コンデンサＣ１の容量が低下してコンデンサＣ２で吸収し切れないＬ２Ｃ２共振電流が存在したとしても、回生電流阻止回路１２ｃにて当該共振電流がＦＣ１１へ回生することを阻止することができる。したがって、Ｌ２Ｃ２共振電流によりＦＣ１１が逆充電されることを防止して、ＦＣ１１の性能劣化を防止することができる。
【００７３】
なお、バイパス回路１２ｄをＯＦＦ制御する場合、ＥＣＵ２０は、補助スイッチＳ２をＯＦＦ制御してもよいし、ＯＮ状態に維持してもよい。ＯＮ状態に維持した場合には、コンデンサＣ１の容量が低下していても、補助回路１２ｂによるソフトスイッチングを継続できる。
【００７４】
〔６〕その他
上述した実施形態は、電源側からの主電流とは逆方向に共振電流が流れる電気経路を有しするＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、降圧コンバータ等の他の種類のコンバータ）に適用してもよい。また、上述した実施形態は、車載のＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、パーソナルコンピュータや、オーディオビジュアル（ＡＶ）機器、携帯端末等の電気機器に搭載されているＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１ 車両
２ 駆動輪
１０ 電源システム（燃料電池システム）
１１ 燃料電池（ＦＣ）（直流電源）
１２ ＦＣ昇圧コンバータ
１２ａ 主回路
１２ｂ 補助回路（スナバ回路）
１２ｃ 回生電流阻止回路
１２ｄ バイパス回路
１３ バッテリ
１４ バッテリ昇圧コンバータ
１５ インバータ
１６ モータ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）（判定制御部）
２１ アクセルペダルセンサ
１２０ 接続点
１２１ 電流センサ（電流検出部）
２１１ サンプリング処理部
２２２ ピークホールド処理部
２１２，２２３ 比較・判定部
Ｃ１ 入力コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ３ 出力コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ６
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ リアクトル（コイル）
Ｓ１ スイッチング素子（メインスイッチ）
Ｓ２ スイッチング素子（補助スイッチ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、
前記直流電源と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、
を備えた、共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置。
【請求項２】
直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、
前記コンデンサの接続点と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、
を備えた、コンデンサの容量低下を検出する装置。
【請求項３】
前記判定制御部は、
前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、ＯＮ状態で前記共振電流を前記コンデンサに流通させるスイッチング素子をＯＦＦ制御する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記直流電源と前記コンデンサの接続点との間に、前記直流電源に向かう前記共振電流を阻止する電流阻止回路と、前記電流阻止回路をバイパスする電気経路上に設けられたバイパススイッチとをさらに備え、
前記判定制御部は、
前記コンデンサの容量が低下したと判定しない間は、前記バイパススイッチをＯＮ制御し、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、前記バイパススイッチをＯＦＦ制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１】
直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、
前記直流電源と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、
を備えた、共振型コンバータのコンデンサ容量低下を検出する装置。
【請求項２】
直流電源に対して並列に接続されて電流共振現象に基づくソフトスイッチングの過程で生じる共振電流を吸収するコンデンサを有する共振型コンバータに用いられる装置であって、
前記コンデンサの接続点と前記コンデンサとの間を流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流量が所定の閾値を下回ると、前記コンデンサの容量が低下したと判定する判定制御部と、
を備えた、コンデンサの容量低下を検出する装置。
【請求項３】
前記判定制御部は、
前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、ＯＮ状態で前記共振電流を前記コンデンサに流通させるスイッチング素子をＯＦＦ制御する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記直流電源と前記コンデンサの接続点との間に、前記直流電源に向かう前記共振電流を阻止する電流阻止回路と、前記電流阻止回路をバイパスする電気経路上に設けられたバイパススイッチとをさらに備え、
前記判定制御部は、
前記コンデンサの容量が低下したと判定しない間は、前記バイパススイッチをＯＮ制御し、前記コンデンサの容量が低下したと判定すると、前記バイパススイッチをＯＦＦ制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−４４６６（Ｐ２０１１−４４６６Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４３４８３（Ｐ２００９−１４３４８３）
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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