昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ
【課題】昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することが可能な昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供する
【解決手段】一実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、スイッチ手段Ｓ１を有する主昇圧部１２ａと、スナバコンデンサＣ２とスナバコンデンサＣ２の電荷を除去するスイッチ手段Ｓ２とを有する補助昇圧部１２ｂと、スイッチ手段Ｓ１の前にスイッチ手段Ｓ２をオンさせてソフトスイッチングを行う昇圧制御手段１２ｅとを備え、昇圧制御手段１２ｃは、スナバコンデンサＣ２の電圧とスイッチ手段Ｓ１の端子間電圧とから、スイッチ手段Ｓ１のオンタイミングずれを検出する検出手段１２０と、スイッチ手段Ｓ１のオンタイミングとスイッチ手段Ｓ２のオンタイミングとを相対的に調整する調整手段１３０とを有する。
【解決手段】一実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、スイッチ手段Ｓ１を有する主昇圧部１２ａと、スナバコンデンサＣ２とスナバコンデンサＣ２の電荷を除去するスイッチ手段Ｓ２とを有する補助昇圧部１２ｂと、スイッチ手段Ｓ１の前にスイッチ手段Ｓ２をオンさせてソフトスイッチングを行う昇圧制御手段１２ｅとを備え、昇圧制御手段１２ｃは、スナバコンデンサＣ２の電圧とスイッチ手段Ｓ１の端子間電圧とから、スイッチ手段Ｓ１のオンタイミングずれを検出する検出手段１２０と、スイッチ手段Ｓ１のオンタイミングとスイッチ手段Ｓ２のオンタイミングとを相対的に調整する調整手段１３０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両等における駆動モータに電力を供給する電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、ガス供給量の応答遅れに起因して出力電力の応答性が低い場合があり、その補償のために二次電池が併用される場合がある。これらの燃料電池や二次電池等の出力電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧され、インバータによって変換されて、駆動モータに供給されることとなる。
【０００３】
特許文献１には、この種の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして、ソフトスイッチング機能を有する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、ソフトスイッチング機能のための補助昇圧部及び昇圧制御手段とを備えている。主昇圧部は、直流電源の高電位側端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うスイッチング型の昇圧回路であり、補助昇圧部は、主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサと、スナバコンデンサの印加電圧を調整する補助スイッチ手段とを有している。そして、昇圧制御手段によって、主スイッチ手段のスイッチング動作において主スイッチ手段をオンさせる前に、補助スイッチ手段をオンさせてスナバコンデンサに蓄電された電荷を除去することで、ソフトスイッチング機能を実現している。これにより、主スイッチ手段のスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６５２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、制御回路のばらつきや変動、制御回路とスイッチ手段との間の部品のばらつきや変動、及び、信号伝送線路等の遅延量のばらつきや変動等に起因して、昇圧用主スイッチとソフトスイッチ用補助スイッチとのオンタイミングのずれが発生すると、スナバコンデンサに蓄電された電荷の除去が適切に行われていないときに、すなわち、主スイッチ手段に印加される電圧の除去が適切に行われていないときに、主スイッチ手段をオンしてしまうことがある。その結果、主スイッチ手段のスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下してしまうことがある。
【０００６】
そこで、本発明は、昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することが可能な昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源の出力電圧を昇圧し、当該昇圧電圧を負荷に供給する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源の高電位側端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、主スイッチ手段に対して並列に接続され主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサと、当該スナバコンデンサの印加電圧を調整する補助スイッチ手段とを有する補助昇圧部と、主スイッチ手段のスイッチング動作において主スイッチ手段をオンさせる前に、補助スイッチ手段をオンさせてスナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する昇圧制御手段とを備え、昇圧制御手段は、スナバコンデンサの電荷量と主スイッチ手段の端子間電圧とから、スナバコンデンサの電荷が除去されていないときに主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出するオンタイミング検出手段と、オンタイミングずれが検出された場合に、スナバコンデンサの電荷が除去されたときに主スイッチ手段がオンするように、主スイッチ手段のオンタイミングと補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整するオンタイミング調整手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、主スイッチ手段の適切なソフトスイッチングのタイミングは、スナバコンデンサの電荷が除去され、主スイッチ手段の端子間電圧が除去されたときであり、すなわち、スナバコンデンサの電荷量がゼロであり、主スイッチ手段の端子間電圧がゼロであるときである。
【０００９】
この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータによれば、オンタイミング検出手段によって、スナバコンデンサの電荷量と主スイッチ手段の端子間電圧とから、スナバコンデンサの電荷が除去されていないときに主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを適切に検出し、オンタイミング調整手段によって、スナバコンデンサの電荷が除去されたときに主スイッチ手段がオンするように、主スイッチ手段のオンタイミングと補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整するので、昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制することができ、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００１０】
上記したオンタイミング検出手段は、スナバコンデンサの電荷量及び主スイッチ手段の端子間電圧がゼロでないときに主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出し、上記したオンタイミング調整手段は、スナバコンデンサの電荷量及び主スイッチ手段の端子間電圧がゼロであるときに主スイッチ手段がオンするように、主スイッチ手段のオンタイミングと補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整する。
【００１１】
また、上記した主昇圧部は、直流電源の高電位側端子に一端が接続された主コイルと、主コイルの他端と直流電源の低電位側端子との間に接続された主スイッチ手段と、主コイルの他端と負荷との間に接続され主コイルから負荷へ向けて整流機能を有する主整流素子とを有する。
【００１２】
また、上記した補助昇圧部は、主スイッチ手段に並列に設けられたスナバコンデンサと、主スイッチ手段に並列に且つスナバコンデンサに直列に設けられ主スイッチ手段からスナバコンデンサへ向けて整流機能を有する当該スナバ整流素子と、スナバコンデンサ及びスナバ整流素子の接続点と主コイルの一端との間に設けられた補助スイッチ手段とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ソフトスイッチング機能を有する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を、該燃料電池システムからの電力を駆動源とする車両と共に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図３】図２に示すスイッチング信号Ｓｓ１、Ｓｓ２の波形の一例を示す図である。
【図４】図２に示す検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３の一例を示す図である。
【図５】ソフトスイッチング動作を介した昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでの昇圧のための一サイクルの動作の各部電圧電流波形である。
【図６】ソフトスイッチング動作における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでの電流、電圧の流れるモード１〜モード６それぞれの状態を示す図である。
【図７】ソフトスイッチング動作におけるスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの最適状態、進角状態、遅角状態を示す図である。
【図８】ソフトスイッチング動作におけるスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの最適状態（ａ）、進角状態（ｂ）、遅角状態（ｃ）におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１（下図）、及び、これらの差電圧Ｖｃ２−Ｖｓ１（上図）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を、該燃料電池システムからの電力を駆動源とする車両と共に示す図である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、移動体である車両の駆動装置である駆動モータに対して電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の車両以外の移動体や、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対しても適用が可能である。
【００１７】
車両１は、駆動輪２が駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）１６によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ１６は、いわゆる三相交流モータであって、インバータ１５から交流電力の供給を受ける。更に、このインバータ１５へは、燃料電池システム１０のメイン電力源である燃料電池（以下、「ＦＣ」ともいう。）１１と、二次電池であるバッテリ１３から直流電力が供給され、それがインバータ１５で交流へ変換されている。
【００１８】
ここで、燃料電池１１は、水素タンク１７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行い、該燃料電池１１とインバータ１５との間には、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が電気的に接続されている。これにより、燃料電池１１からの出力電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇圧動作によって燃料電池１１の端子電圧を制御することも可能となる。尚、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の詳細な構成については、後述する。また、バッテリ１３は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ１３とインバータ１５との間に該インバータ１５に対して上記昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と並列になるように、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ１４が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１３からの出力電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の昇圧動作によってインバータ１５の端子電圧を制御することも可能となる。尚、図１中に示すように、燃料電池システム１０においては、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。そして、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを採用することにより更に特筆すべき事実については適切にその開示を行っていく。
【００１９】
また車両１には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）２０が備えられ、上述した各制御対象に電気的に接続されることで、燃料電池１１の発電やモータ１６の駆動等が制御されることになる。例えば、車両１には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、その検出信号がＥＣＵ２０に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ２０は、モータ１６の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ２０でモータ１６の回転数が検出される。ＥＣＵ２０は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。
【００２０】
このように構成される燃料電池システム１０では、車両１のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、ＥＣＵ２０がそのアクセル開度とモータ１６の回転数等に基づいて、燃料電池１１の発電量やバッテリ１３からの充放電量が適宜制御される。ここで、移動体である車両１の燃費を向上させるために、モータ１６が高電圧低電流仕様のＰＭモータとなっている。従って、モータ１６は、低電流で高トルクを発揮することが可能となるため、モータ内部の巻線やその他の配線での発熱を軽減することが可能となり、またインバータ１５の定格出力を小さくすることが可能となる。具体的には、モータ１６では低電流で比較的大きなトルク出力を可能とするためにその逆起電圧が比較的高く設定される一方で、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆動が可能となるように、燃料電池システム１０からの供給電圧が高く設定される。このとき、燃料電池１１とインバータ１５の間に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を設け、バッテリ１３とインバータ１５との間にも昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４を設けることで、インバータ１５への供給電圧の高電圧化が図られる。繰り返しにはなるが、この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータも採用可能である。
【００２１】
このように燃料電池システム１０を昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を含む構成とすることで、燃料電池１１自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇圧動作によりモータ１６を駆動することが可能となるので、燃料電池１１のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両１の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。
【００２２】
ここで、燃料電池システム１０においては、発電可能な燃料電池１１がモータ１６に対するメイン電力源となっている。従って、燃料電池システム１０の効率を向上させるためには、燃料電池１１とインバータ１５との間に介在する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２での電力損失を低減することが、システム全体の効率向上に大きく寄与すると考えられる。もちろん、バッテリ１３とインバータ１５との間の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４にも原則的に同様のことが当てはまる。
【００２３】
次に、図２に基づいて、本発明の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。なお、図２には、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と共に、直流電源として燃料電池１１と、負荷としてインバータ１５及びモータ１６を記載している。
【００２４】
昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、後述するソフトスイッチング動作を行うための補助回路（補助昇圧回路）１２ｂと、フォトカプラ１２ｃ，１２ｄと、主昇圧回路１２ａ及び補助回路１２ｂのための制御部（昇圧制御手段）１２ｅとで構成されている。主昇圧回路１２ａは、スイッチ素子（主スイッチ手段）Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイル（主コイル）Ｌ１に蓄えられたエネルギをモータ１６側（インバータ１５側）にダイオード（主整流素子）Ｄ５を介して解放することで燃料電池１１の出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池１１の高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、該スイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池１１の低電位側の端子（グランド）に接続されている。また、ダイオードＤ５のアノード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のカソード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。尚、この主昇圧回路１２ａにおいて、コンデンサＣ３は、昇圧電圧の平滑コンデンサとして機能する。尚、主昇圧回路１２ａには、燃料電池１１側に平滑コンデンサＣ１も設けられ、これにより燃料電池１１の出力電流のリップルを低減することが可能となる。この平滑コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出口電圧となる。また、図２では、燃料電池１１の電源電圧をＶＬで示し、これは平滑コンデンサＣ１にかかる電圧であって、且つ昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入口電圧となる。
【００２５】
次に、補助回路１２ｂには、先ずスイッチ素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオード（スナバ整流素子）Ｄ３と、それに直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第一直列接続体が含まれる。この第一直列接続体では、ダイオードＤ３のアノード端子がコイルＬ１の他端に接続され、そのカソード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。更に、該スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１の低電位側の端子（グランド）に接続されている。更に、補助回路１２ｂには、誘導素子であるコイルＬ２と、ダイオードＤ２と、スイッチ素子Ｓ２（補助スイッチ手段）及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第二直列接続体が含まれる。この第二直列接続体では、コイルＬ２の一端が、第一直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続される。更に、ダイオードＤ２のアノード端子が、コイルＬ２の他端に接続されるとともに、そのカソード端子が、スイッチ素子Ｓ２の一端の極に接続される。また、スイッチ素子Ｓ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続される。尚、この第二直列接続体の回路トポロジーについては、コイルＬ２、ダイオードＤ２、スイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の直列順序は、適宜入れ替えた形態も採用し得る。特に、図２に示す状態に代えて、コイルＬ２とスイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の順序を入れ替えることで、実際の実装回路ではコイルＬ１とコイルＬ２は一体化でき、半導体素子のモジュール化が容易となる。
【００２６】
主昇圧回路１２ａのスイッチ素子Ｓ１及び補助回路１２ｂのスイッチ素子Ｓ２には、それぞれ、制御部１２ｅからのスイッチング信号Ｓｓ１、Ｓｓ２が、フォトカプラ１２ｃ、１２ｄを介して供給される。これは、主昇圧回路１２ａは燃料電池１１の出力電圧を高電圧まで昇圧する高電圧回路であるのに対し、制御部１２ｅはＣＰＵ等を含む低電圧回路であるので、制御部１２ｅを主昇圧回路１２ａから絶縁するためである。例えば、主昇圧回路１２ａにおけるスイッチ素子Ｓ１とダイオードＤ４、補助回路１２ｂにおけるスイッチ素子Ｓ２とダイオードＤ１が、それぞれＩＧＢＴである場合、フォトカプラ１２ｃ、１２ｄとしてはＩＧＢＴ駆動用フォトカプラが適用可能である。
【００２７】
次に、制御部１２ｅは、駆動タイミング演算部１１０と、オンタイミング検出部１２０と、オンタイミング調整部１３０とを有している。駆動タイミング演算部１１０は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２による昇圧比、即ち昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力される燃料電池１１の出力電圧ＶＬに対する、インバータ１５にかけられる昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧ＶＨの比に基づいて、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を演算し、求めたデューティ比に応じてスイッチ素子Ｓ１を駆動するためのスイッチング信号Ｓｓ１を生成する（図３）。
【００２８】
また、駆動タイミング演算部１１０は、後述するソフトスイッチングのために、スイッチ素子Ｓ１に先行してスイッチ素子Ｓ２をオンするための先行時間Ｔ及びオン時間を演算し、求めた先行時間Ｔ及びオン時間に応じてスイッチ素子Ｓ２を駆動するためのスイッチング信号Ｓｓ２を生成する（図３）。例えば、先行時間Ｔは下式のように求める。
【数１】
【数２】
Ｉ：Ｌ１電流
ＶＨ：出力電圧
ＶＬ：入力電圧
Ｌ１：Ｌ１リアクタンス
Ｌ２：Ｌ２リアクタンス
Ｃ２：Ｃ２キャパシタンス
ｆ：キャリア周波数
Ｄ：Ｓ１デューティ
【００２９】
このように、このスイッチ素子Ｓ１のスイッチング動作においてスイッチ素子Ｓ１をオンさせる前にスイッチ素子Ｓ２をオンさせることで、スナバコンデンサＣ２の電荷を除去し、スイッチ素子Ｓ１の電圧が除去されたときにスイッチ素子Ｓ１をオンさせる、いわゆるソフトスイッチングが実現され、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２でのスイッチングロスを大きく低減させることが可能となる。
【００３０】
オンタイミング検出部１２０は、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１とから、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されていないときにスイッチ素子Ｓ１がオンするオンタイミングずれ、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖでないときにスイッチ素子Ｓ１がオンするオンタイミングずれを検出する。
【００３１】
オンタイミング調整部１３０は、オンタイミングずれが検出された場合に、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されたときにスイッチ素子Ｓ１がオンするように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングとスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングとを相対的に調整する。例えば、オンタイミング調整部１３０は、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときにスイッチ素子Ｓ１がオンするように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを調整する。
【００３２】
具体的には、オンタイミング検出部１２０は、２つのコンパレータ１２１，１２２と３つのラッチ回路１２３，１２４，１２５とで実現することができる。コンパレータ１２１のマイナス入力端子にはスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が入力され、コンパレータ１２１のプラス入力端子にはスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が入力される。一方、コンパレータ１２２のマイナス入力端子にはスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が入力され、コンパレータ１２２のプラス入力端子には基準電圧が入力される。
【００３３】
コンパレータ１２１の出力電圧はラッチ回路１２３に入力され、コンパレータ１２２の出力電圧はラッチ回路１２４に入力される。また、コンパレータ１２２の出力電圧が反転されてラッチ回路１２５に入力される。ラッチ回路１２３，１２４，１２５のリセット端子にはスイッチング信号Ｓｓ１，Ｓｓ２が入力される。ラッチ回路１２３，１２４，１２５は、スイッチング信号Ｓｓ１，Ｓｓ２のＮＯＲ論理信号又はＯＲ論理信号をリセット信号とするＦＦ回路であり、それぞれ、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３を生成する。
【００３４】
これらの検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３の一例を図４に示す。例えば、ソフトスイッチングのタイミング、すなわち、スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングが最適であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときにスイッチ素子Ｓ１がオンする場合、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３はそれぞれＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦとなる。一方、ソフトスイッチングのタイミング、すなわち、スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングがずれて進角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになる前にスイッチ素子Ｓ１がオンする場合、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３はそれぞれＯＮ，ＯＮ，ＯＦＦとなる。また、ソフトスイッチングのタイミング、すなわち、スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングがずれて遅角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになった後に再び上昇するときにスイッチ素子Ｓ１がオンする場合、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３はそれぞれ不定，ＯＮ，ＯＮとなる。
【００３５】
オンタイミング調整部１３０は、これらの検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３からスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの進角、遅角を判断し、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングが最適になるように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを調整する。
【００３６】
次に、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２におけるソフトスイッチングについて説明する。図５は、ソフトスイッチング動作を介した昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２での昇圧のための一サイクルの動作の各部電圧電流波形である。当該ソフトスイッチング動作は、制御部１２ｅによって順次行われて一サイクルを形成するが、これらの動作における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２での電流、電圧の流れるモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図６（ａ）〜（ｆ）に示す。以下、これらの図に基づいて、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２でのソフトスイッチング動作について説明する。尚、図６（ａ）〜（ｆ）においては、図面の表示を簡潔にするため、主昇圧回路１２ａと補助回路１２ｂの参照番号の記載は省略しているが、各モードの説明においては、各回路を引用する場合がある。また、各図中、太矢印で示されるのは、回路を流れる電流を意味している。
【００３７】
尚、図５に示すソフトスイッチング動作が行われる初期状態は、燃料電池１１からインバータ１５およびモータ１６に電力が供給されている状態、即ちスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流がインバータ１５側に流れている状態である。従って、当該ソフトスイッチング動作の一サイクルが終了すると、この初期状態と同質の状態に至ることになる。
（モード１：Ｄ５電流のソフトターンオフ）
【００３８】
ソフトスイッチング動作において、先ず時刻ｔ１では図６（ａ）に示されるモード１の電流・電圧状態が形成される。具体的には、スイッチ素子Ｓ１はターンオフの状態でスイッチ素子Ｓ２をターンオンする。このようにすると、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出口電圧ＶＨと入口電圧ＶＬの電位差によって、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介してインバータ１５側に流れていた電流が、補助回路１２ｂ側に徐々に移行していく。尚、図６（ａ）中には、その電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
（モード２：Ｃ２電荷放電）
【００３９】
その後、所定時間継続すると、ダイオードＤ５を流れる電流がゼロとなり、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２に蓄電されていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れ込んでいく（図６（ｂ）に示すモード２の状態）。このスナバコンデンサＣ２は、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧を決定する機能を有している。スイッチ素子Ｓ１をターンオンするときに該スイッチ素子Ｓ１に印加される電圧に影響を与えるスナバコンデンサＣ２の電荷が、モード２では補助回路１２ｂに流れ込むことで、スナバコンデンサＣ２にかかる電圧が低下していく。このとき、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振により、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなるまで、電流は流れ続ける。この結果、後述するスイッチ素子Ｓ１のターンオン時のその印加電圧を下げることが可能となる。
（モード３：Ｓ１電流立ち上げ）
【００４０】
次に、時刻ｔ２において、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜け切ったら、スイッチ素子Ｓ１が更にターンオンされ、図６（ｃ）に示されるモード３の電流・電圧状態が形成される。即ち、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態ではスイッチ素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなり、そして、その状態でスイッチ素子Ｓ１をターンオンすることにより、スイッチ素子Ｓ１をゼロ電圧状態にした上でそこに電流を流し始めることになるため、スイッチ素子Ｓ１におけるスイッチング損失を理論上、ゼロとすることができる。
（モード４：Ｌ１へのエネルギ充電）
【００４１】
その後、この状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させて、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増やしていく。次に、時刻ｔ３において、コイルＬ２に流れる電流がコイルＬ１に切り替わると、スイッチＳ２がターンオフされ、コイルＬ１へのエネルギ蓄積を継続する。この状態が、図６（ｄ）に示されるモード４の電流・電圧状態である。
（モード５：Ｃ２スナバ動作にて充電）
【００４２】
その後、コイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、時刻ｔ４において、スイッチ素子Ｓ１が更にターンオフされる。すると、上記モード２で電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷が充電され、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出口電圧ＶＨと同電圧に至る。この状態が、図６（ｅ）に示されるモード５の電流・電圧状態である。
（モード６：Ｌ１充電エネルギの解放）
【００４３】
その後、スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギがインバータ１５側に解放される。この状態が、図６（ｆ）に示されるモード６の電流・電圧状態である。尚、このモード５が行われるとき、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧はスナバコンデンサＣ２により電圧の立ち上がりを遅らせられるため、スイッチ素子Ｓ１におけるテール電流によるスイッチング損失をより小さくできる。
【００４４】
上述のようにモード１〜モード６の動作を一サイクルとしてソフトスイッチング動作を行うことで、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２におけるスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１の出力電圧を昇圧しインバータ１５に供給可能となる。その結果、高電圧低電流モータであるモータ１６を効率的に駆動することが可能となる。
【００４５】
ここで、図５及び図７に示すように、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２において、スイッチ素子Ｓ１の適切なソフトスイッチングのタイミングは、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去され、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧が除去されたとき、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が０Ｖであり、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときである。
【００４６】
しかしながら、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、スイッチ素子Ｓ１とスイッチ素子Ｓ２とを個々に駆動するので、制御部１２ｅによってスイッチ素子Ｓ１に対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを設定しても、スイッチ素子Ｓ１の最適なソフトスイッチングのタイミングがずれてしまうことがある。例えば、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と制御部１２ｅとの間のフォトカプラ１２ｃ、１２ｄの遅延時間のばらつきや変動、スイッチング信号Ｓｓ１、Ｓｓ２のための信号伝送線路の遅延量のばらつきや変動、及び、制御部１２ｅにおける駆動タイミング演算部１１０のばらつきや変動等に起因して、図７に示すように、スイッチ素子Ｓ１の適切なオンタイミングの範囲からずれてしまうことがある。例えば、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去される前、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が０Ｖになる前で、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになる前に、スイッチ素子Ｓ１がオンしてしまう（進角状態）。又は、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去された後に再び蓄電されているとき、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が０Ｖから上昇し、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖから上昇するときに、スイッチ素子Ｓ１がオンしてしまう（遅角状態）。
【００４７】
図８に、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングが適切な場合（ａ）、進角の場合（ｂ）、遅角の場合（ｃ）におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１（下図）、及び、これらの差電圧Ｖｃ２−Ｖｓ１（上図）を示す。
【００４８】
図８（ａ）に示すように、ソフトスイッチングのタイミングが最適であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときにスイッチ素子Ｓ１がオンすると、スナバコンデンサＣ２とスイッチ素子Ｓ１との間に電位差Ｖｃ２−Ｖｓ１を生じることなく、主スイッチ手段のスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００４９】
一方、図８（ｂ）に示すように、ソフトスイッチングのタイミングが進角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになる前にスイッチ素子Ｓ１がオンすると、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１のみが強制的に０Ｖになり、スナバコンデンサＣ２とスイッチ素子Ｓ１との間に電位差Ｖｃ２−Ｖｓ１が生じる。このとき、主スイッチ手段のＶｓ１＞０［Ｖ］のときのスイッチングが原因によりスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下してしまう。
【００５０】
また、図８（ｃ）に示すように、ソフトスイッチングのタイミングが遅角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになった後、例えばスイッチ素子Ｓ２がオフし、再びスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖから上昇したときにスイッチ素子Ｓ１がオンすると、主スイッチ手段のスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下してしまう。
【００５１】
そこで、本実施形態の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、オンタイミング検出部１２０によって、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１とから、図８（ｂ）に示すスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの進角状態を検出し、図４に示す検出信号Ｓｄ１＝ＯＮ，Ｓｄ２＝ＯＮ，Ｓｄ３＝ＯＦＦを出力する。すると、オンタイミング調整部１３０によって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔが大きくなるように調整する。オンタイミング調整部１３０は、この調整処理を検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３がそれぞれＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦになるまで行うことによって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングを図８（ａ）に示す最適状態に調整する。
【００５２】
また、本実施形態の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、オンタイミング検出部１２０によって、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２から、図８（ｃ）に示すスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの遅角状態を検出し、図４に示す検出信号Ｓｄ１＝不定，Ｓｄ２＝ＯＮ，Ｓｄ３＝ＯＮを出力する。すると、オンタイミング調整部１３０によって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔが小さくなるように調整する。オンタイミング調整部１３０は、この調整処理を検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３がそれぞれＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦになるまで行うことによって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングを図８（ａ）に示す最適状態に調整する。
【００５３】
このように、本実施形態の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２によれば、オンタイミング検出部１２０によって、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１とから、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されていないときにスイッチ素子Ｓ１がオンするオンタイミングずれを適切に検出し、オンタイミング調整部１３０によって、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されたときにスイッチ素子Ｓ１がオンするように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングとスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングとを相対的に調整するので、昇圧用スイッチ素子Ｓ１とソフトスイッチング用スイッチ素子Ｓ２とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制することができ、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、オンタイミング調整部１３０は、ソフトスイッチング用スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを調整したが、昇圧用スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングを調整してもよい。この場合、スイッチングデューティ比を変えないようにオフタイミングも同様に調整する。
【００５５】
また、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、負荷が極端に軽くなると、ソフトスイッチング、すなわち、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）が困難となり、ローボルトスイッチング（ＬＶＳ）の状態になることがある。上記したオンタイミング検出部１２０では、検出信号Ｓｄ１＝不定，Ｓｄ２＝ＯＦＦ，Ｓｄ３＝ＯＦＦを出力することとなり、ＬＶＳの状態をも検出することができる。この場合、例えば、オンタイミング調整部１３０は、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が最小電圧となるタイミングで、すなわち、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が最小電圧となるタイミングでスイッチ素子Ｓ１がオンするように調整してもよい。これによれば、ＬＶＳの状態でも、スイッチング損失の増加を抑制することができ、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、昇圧制御手段１２ｅが昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に含まれる形態を例示したが、昇圧制御手段１２ｅはＥＣＵ２０（図１）に含まれてもよいし、ＥＣＵ２０とは独立したＥＣＵであってもよい。また、昇圧制御手段１２ｅにおける駆動タイミング演算部１１０及びオンタイミング調整部１３０がＥＣＵで構成され、オンタイミング検出部１２０が電子回路で構成されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１…車両、２…駆動輪、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１３…バッテリ、１４…昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１５…インバータ、１６…モータ、１７…水素タンク、１８…コンプレッサ、２１…アクセルペダルセンサ、１２ａ…主昇圧回路（主昇圧部）、１２ｂ…補助回路（補助昇圧部）、１２ｃ，１２ｄ…フォトカプラ、１２ｅ…制御部（昇圧制御手段）、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｄ３…ダイオード（スナバ整流素子）、Ｄ５…ダイオード（主整流素子）、Ｌ１…主コイル、Ｌ２…補助コイル、Ｓ１…スイッチ素子（主スイッチ手段）、Ｓ２…スイッチ素子（補助スイッチ手段）、１１０…駆動タイミング演算部、１２０…オンタイミング検出部（オンタイミング検出手段）、１２１，１２２…コンパレータ、１２３，１２４，１２５…ラッチ回路、１３０…オンタイミング調整部（オンタイミング調整手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両等における駆動モータに電力を供給する電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、ガス供給量の応答遅れに起因して出力電力の応答性が低い場合があり、その補償のために二次電池が併用される場合がある。これらの燃料電池や二次電池等の出力電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧され、インバータによって変換されて、駆動モータに供給されることとなる。
【０００３】
特許文献１には、この種の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして、ソフトスイッチング機能を有する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、ソフトスイッチング機能のための補助昇圧部及び昇圧制御手段とを備えている。主昇圧部は、直流電源の高電位側端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うスイッチング型の昇圧回路であり、補助昇圧部は、主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサと、スナバコンデンサの印加電圧を調整する補助スイッチ手段とを有している。そして、昇圧制御手段によって、主スイッチ手段のスイッチング動作において主スイッチ手段をオンさせる前に、補助スイッチ手段をオンさせてスナバコンデンサに蓄電された電荷を除去することで、ソフトスイッチング機能を実現している。これにより、主スイッチ手段のスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６５２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、制御回路のばらつきや変動、制御回路とスイッチ手段との間の部品のばらつきや変動、及び、信号伝送線路等の遅延量のばらつきや変動等に起因して、昇圧用主スイッチとソフトスイッチ用補助スイッチとのオンタイミングのずれが発生すると、スナバコンデンサに蓄電された電荷の除去が適切に行われていないときに、すなわち、主スイッチ手段に印加される電圧の除去が適切に行われていないときに、主スイッチ手段をオンしてしまうことがある。その結果、主スイッチ手段のスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下してしまうことがある。
【０００６】
そこで、本発明は、昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することが可能な昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源の出力電圧を昇圧し、当該昇圧電圧を負荷に供給する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源の高電位側端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、主スイッチ手段に対して並列に接続され主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサと、当該スナバコンデンサの印加電圧を調整する補助スイッチ手段とを有する補助昇圧部と、主スイッチ手段のスイッチング動作において主スイッチ手段をオンさせる前に、補助スイッチ手段をオンさせてスナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する昇圧制御手段とを備え、昇圧制御手段は、スナバコンデンサの電荷量と主スイッチ手段の端子間電圧とから、スナバコンデンサの電荷が除去されていないときに主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出するオンタイミング検出手段と、オンタイミングずれが検出された場合に、スナバコンデンサの電荷が除去されたときに主スイッチ手段がオンするように、主スイッチ手段のオンタイミングと補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整するオンタイミング調整手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、主スイッチ手段の適切なソフトスイッチングのタイミングは、スナバコンデンサの電荷が除去され、主スイッチ手段の端子間電圧が除去されたときであり、すなわち、スナバコンデンサの電荷量がゼロであり、主スイッチ手段の端子間電圧がゼロであるときである。
【０００９】
この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータによれば、オンタイミング検出手段によって、スナバコンデンサの電荷量と主スイッチ手段の端子間電圧とから、スナバコンデンサの電荷が除去されていないときに主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを適切に検出し、オンタイミング調整手段によって、スナバコンデンサの電荷が除去されたときに主スイッチ手段がオンするように、主スイッチ手段のオンタイミングと補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整するので、昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制することができ、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００１０】
上記したオンタイミング検出手段は、スナバコンデンサの電荷量及び主スイッチ手段の端子間電圧がゼロでないときに主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出し、上記したオンタイミング調整手段は、スナバコンデンサの電荷量及び主スイッチ手段の端子間電圧がゼロであるときに主スイッチ手段がオンするように、主スイッチ手段のオンタイミングと補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整する。
【００１１】
また、上記した主昇圧部は、直流電源の高電位側端子に一端が接続された主コイルと、主コイルの他端と直流電源の低電位側端子との間に接続された主スイッチ手段と、主コイルの他端と負荷との間に接続され主コイルから負荷へ向けて整流機能を有する主整流素子とを有する。
【００１２】
また、上記した補助昇圧部は、主スイッチ手段に並列に設けられたスナバコンデンサと、主スイッチ手段に並列に且つスナバコンデンサに直列に設けられ主スイッチ手段からスナバコンデンサへ向けて整流機能を有する当該スナバ整流素子と、スナバコンデンサ及びスナバ整流素子の接続点と主コイルの一端との間に設けられた補助スイッチ手段とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ソフトスイッチング機能を有する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、昇圧用主スイッチ手段とソフトスイッチング用補助スイッチ手段とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を、該燃料電池システムからの電力を駆動源とする車両と共に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図３】図２に示すスイッチング信号Ｓｓ１、Ｓｓ２の波形の一例を示す図である。
【図４】図２に示す検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３の一例を示す図である。
【図５】ソフトスイッチング動作を介した昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでの昇圧のための一サイクルの動作の各部電圧電流波形である。
【図６】ソフトスイッチング動作における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでの電流、電圧の流れるモード１〜モード６それぞれの状態を示す図である。
【図７】ソフトスイッチング動作におけるスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの最適状態、進角状態、遅角状態を示す図である。
【図８】ソフトスイッチング動作におけるスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの最適状態（ａ）、進角状態（ｂ）、遅角状態（ｃ）におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１（下図）、及び、これらの差電圧Ｖｃ２−Ｖｓ１（上図）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を、該燃料電池システムからの電力を駆動源とする車両と共に示す図である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、移動体である車両の駆動装置である駆動モータに対して電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の車両以外の移動体や、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対しても適用が可能である。
【００１７】
車両１は、駆動輪２が駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）１６によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ１６は、いわゆる三相交流モータであって、インバータ１５から交流電力の供給を受ける。更に、このインバータ１５へは、燃料電池システム１０のメイン電力源である燃料電池（以下、「ＦＣ」ともいう。）１１と、二次電池であるバッテリ１３から直流電力が供給され、それがインバータ１５で交流へ変換されている。
【００１８】
ここで、燃料電池１１は、水素タンク１７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行い、該燃料電池１１とインバータ１５との間には、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が電気的に接続されている。これにより、燃料電池１１からの出力電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇圧動作によって燃料電池１１の端子電圧を制御することも可能となる。尚、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の詳細な構成については、後述する。また、バッテリ１３は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ１３とインバータ１５との間に該インバータ１５に対して上記昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と並列になるように、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ１４が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１３からの出力電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の昇圧動作によってインバータ１５の端子電圧を制御することも可能となる。尚、図１中に示すように、燃料電池システム１０においては、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。そして、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを採用することにより更に特筆すべき事実については適切にその開示を行っていく。
【００１９】
また車両１には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）２０が備えられ、上述した各制御対象に電気的に接続されることで、燃料電池１１の発電やモータ１６の駆動等が制御されることになる。例えば、車両１には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、その検出信号がＥＣＵ２０に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ２０は、モータ１６の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ２０でモータ１６の回転数が検出される。ＥＣＵ２０は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。
【００２０】
このように構成される燃料電池システム１０では、車両１のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、ＥＣＵ２０がそのアクセル開度とモータ１６の回転数等に基づいて、燃料電池１１の発電量やバッテリ１３からの充放電量が適宜制御される。ここで、移動体である車両１の燃費を向上させるために、モータ１６が高電圧低電流仕様のＰＭモータとなっている。従って、モータ１６は、低電流で高トルクを発揮することが可能となるため、モータ内部の巻線やその他の配線での発熱を軽減することが可能となり、またインバータ１５の定格出力を小さくすることが可能となる。具体的には、モータ１６では低電流で比較的大きなトルク出力を可能とするためにその逆起電圧が比較的高く設定される一方で、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆動が可能となるように、燃料電池システム１０からの供給電圧が高く設定される。このとき、燃料電池１１とインバータ１５の間に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を設け、バッテリ１３とインバータ１５との間にも昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４を設けることで、インバータ１５への供給電圧の高電圧化が図られる。繰り返しにはなるが、この昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータも採用可能である。
【００２１】
このように燃料電池システム１０を昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を含む構成とすることで、燃料電池１１自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇圧動作によりモータ１６を駆動することが可能となるので、燃料電池１１のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両１の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。
【００２２】
ここで、燃料電池システム１０においては、発電可能な燃料電池１１がモータ１６に対するメイン電力源となっている。従って、燃料電池システム１０の効率を向上させるためには、燃料電池１１とインバータ１５との間に介在する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２での電力損失を低減することが、システム全体の効率向上に大きく寄与すると考えられる。もちろん、バッテリ１３とインバータ１５との間の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１４にも原則的に同様のことが当てはまる。
【００２３】
次に、図２に基づいて、本発明の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。なお、図２には、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と共に、直流電源として燃料電池１１と、負荷としてインバータ１５及びモータ１６を記載している。
【００２４】
昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、後述するソフトスイッチング動作を行うための補助回路（補助昇圧回路）１２ｂと、フォトカプラ１２ｃ，１２ｄと、主昇圧回路１２ａ及び補助回路１２ｂのための制御部（昇圧制御手段）１２ｅとで構成されている。主昇圧回路１２ａは、スイッチ素子（主スイッチ手段）Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイル（主コイル）Ｌ１に蓄えられたエネルギをモータ１６側（インバータ１５側）にダイオード（主整流素子）Ｄ５を介して解放することで燃料電池１１の出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池１１の高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、該スイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池１１の低電位側の端子（グランド）に接続されている。また、ダイオードＤ５のアノード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のカソード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。尚、この主昇圧回路１２ａにおいて、コンデンサＣ３は、昇圧電圧の平滑コンデンサとして機能する。尚、主昇圧回路１２ａには、燃料電池１１側に平滑コンデンサＣ１も設けられ、これにより燃料電池１１の出力電流のリップルを低減することが可能となる。この平滑コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出口電圧となる。また、図２では、燃料電池１１の電源電圧をＶＬで示し、これは平滑コンデンサＣ１にかかる電圧であって、且つ昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入口電圧となる。
【００２５】
次に、補助回路１２ｂには、先ずスイッチ素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオード（スナバ整流素子）Ｄ３と、それに直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第一直列接続体が含まれる。この第一直列接続体では、ダイオードＤ３のアノード端子がコイルＬ１の他端に接続され、そのカソード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。更に、該スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１の低電位側の端子（グランド）に接続されている。更に、補助回路１２ｂには、誘導素子であるコイルＬ２と、ダイオードＤ２と、スイッチ素子Ｓ２（補助スイッチ手段）及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第二直列接続体が含まれる。この第二直列接続体では、コイルＬ２の一端が、第一直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続される。更に、ダイオードＤ２のアノード端子が、コイルＬ２の他端に接続されるとともに、そのカソード端子が、スイッチ素子Ｓ２の一端の極に接続される。また、スイッチ素子Ｓ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続される。尚、この第二直列接続体の回路トポロジーについては、コイルＬ２、ダイオードＤ２、スイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の直列順序は、適宜入れ替えた形態も採用し得る。特に、図２に示す状態に代えて、コイルＬ２とスイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の順序を入れ替えることで、実際の実装回路ではコイルＬ１とコイルＬ２は一体化でき、半導体素子のモジュール化が容易となる。
【００２６】
主昇圧回路１２ａのスイッチ素子Ｓ１及び補助回路１２ｂのスイッチ素子Ｓ２には、それぞれ、制御部１２ｅからのスイッチング信号Ｓｓ１、Ｓｓ２が、フォトカプラ１２ｃ、１２ｄを介して供給される。これは、主昇圧回路１２ａは燃料電池１１の出力電圧を高電圧まで昇圧する高電圧回路であるのに対し、制御部１２ｅはＣＰＵ等を含む低電圧回路であるので、制御部１２ｅを主昇圧回路１２ａから絶縁するためである。例えば、主昇圧回路１２ａにおけるスイッチ素子Ｓ１とダイオードＤ４、補助回路１２ｂにおけるスイッチ素子Ｓ２とダイオードＤ１が、それぞれＩＧＢＴである場合、フォトカプラ１２ｃ、１２ｄとしてはＩＧＢＴ駆動用フォトカプラが適用可能である。
【００２７】
次に、制御部１２ｅは、駆動タイミング演算部１１０と、オンタイミング検出部１２０と、オンタイミング調整部１３０とを有している。駆動タイミング演算部１１０は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２による昇圧比、即ち昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力される燃料電池１１の出力電圧ＶＬに対する、インバータ１５にかけられる昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧ＶＨの比に基づいて、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を演算し、求めたデューティ比に応じてスイッチ素子Ｓ１を駆動するためのスイッチング信号Ｓｓ１を生成する（図３）。
【００２８】
また、駆動タイミング演算部１１０は、後述するソフトスイッチングのために、スイッチ素子Ｓ１に先行してスイッチ素子Ｓ２をオンするための先行時間Ｔ及びオン時間を演算し、求めた先行時間Ｔ及びオン時間に応じてスイッチ素子Ｓ２を駆動するためのスイッチング信号Ｓｓ２を生成する（図３）。例えば、先行時間Ｔは下式のように求める。
【数１】
【数２】
Ｉ：Ｌ１電流
ＶＨ：出力電圧
ＶＬ：入力電圧
Ｌ１：Ｌ１リアクタンス
Ｌ２：Ｌ２リアクタンス
Ｃ２：Ｃ２キャパシタンス
ｆ：キャリア周波数
Ｄ：Ｓ１デューティ
【００２９】
このように、このスイッチ素子Ｓ１のスイッチング動作においてスイッチ素子Ｓ１をオンさせる前にスイッチ素子Ｓ２をオンさせることで、スナバコンデンサＣ２の電荷を除去し、スイッチ素子Ｓ１の電圧が除去されたときにスイッチ素子Ｓ１をオンさせる、いわゆるソフトスイッチングが実現され、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２でのスイッチングロスを大きく低減させることが可能となる。
【００３０】
オンタイミング検出部１２０は、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１とから、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されていないときにスイッチ素子Ｓ１がオンするオンタイミングずれ、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖでないときにスイッチ素子Ｓ１がオンするオンタイミングずれを検出する。
【００３１】
オンタイミング調整部１３０は、オンタイミングずれが検出された場合に、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されたときにスイッチ素子Ｓ１がオンするように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングとスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングとを相対的に調整する。例えば、オンタイミング調整部１３０は、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときにスイッチ素子Ｓ１がオンするように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを調整する。
【００３２】
具体的には、オンタイミング検出部１２０は、２つのコンパレータ１２１，１２２と３つのラッチ回路１２３，１２４，１２５とで実現することができる。コンパレータ１２１のマイナス入力端子にはスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が入力され、コンパレータ１２１のプラス入力端子にはスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が入力される。一方、コンパレータ１２２のマイナス入力端子にはスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が入力され、コンパレータ１２２のプラス入力端子には基準電圧が入力される。
【００３３】
コンパレータ１２１の出力電圧はラッチ回路１２３に入力され、コンパレータ１２２の出力電圧はラッチ回路１２４に入力される。また、コンパレータ１２２の出力電圧が反転されてラッチ回路１２５に入力される。ラッチ回路１２３，１２４，１２５のリセット端子にはスイッチング信号Ｓｓ１，Ｓｓ２が入力される。ラッチ回路１２３，１２４，１２５は、スイッチング信号Ｓｓ１，Ｓｓ２のＮＯＲ論理信号又はＯＲ論理信号をリセット信号とするＦＦ回路であり、それぞれ、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３を生成する。
【００３４】
これらの検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３の一例を図４に示す。例えば、ソフトスイッチングのタイミング、すなわち、スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングが最適であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときにスイッチ素子Ｓ１がオンする場合、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３はそれぞれＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦとなる。一方、ソフトスイッチングのタイミング、すなわち、スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングがずれて進角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになる前にスイッチ素子Ｓ１がオンする場合、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３はそれぞれＯＮ，ＯＮ，ＯＦＦとなる。また、ソフトスイッチングのタイミング、すなわち、スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングがずれて遅角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになった後に再び上昇するときにスイッチ素子Ｓ１がオンする場合、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３はそれぞれ不定，ＯＮ，ＯＮとなる。
【００３５】
オンタイミング調整部１３０は、これらの検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３からスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの進角、遅角を判断し、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングが最適になるように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを調整する。
【００３６】
次に、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２におけるソフトスイッチングについて説明する。図５は、ソフトスイッチング動作を介した昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２での昇圧のための一サイクルの動作の各部電圧電流波形である。当該ソフトスイッチング動作は、制御部１２ｅによって順次行われて一サイクルを形成するが、これらの動作における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２での電流、電圧の流れるモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図６（ａ）〜（ｆ）に示す。以下、これらの図に基づいて、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２でのソフトスイッチング動作について説明する。尚、図６（ａ）〜（ｆ）においては、図面の表示を簡潔にするため、主昇圧回路１２ａと補助回路１２ｂの参照番号の記載は省略しているが、各モードの説明においては、各回路を引用する場合がある。また、各図中、太矢印で示されるのは、回路を流れる電流を意味している。
【００３７】
尚、図５に示すソフトスイッチング動作が行われる初期状態は、燃料電池１１からインバータ１５およびモータ１６に電力が供給されている状態、即ちスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流がインバータ１５側に流れている状態である。従って、当該ソフトスイッチング動作の一サイクルが終了すると、この初期状態と同質の状態に至ることになる。
（モード１：Ｄ５電流のソフトターンオフ）
【００３８】
ソフトスイッチング動作において、先ず時刻ｔ１では図６（ａ）に示されるモード１の電流・電圧状態が形成される。具体的には、スイッチ素子Ｓ１はターンオフの状態でスイッチ素子Ｓ２をターンオンする。このようにすると、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出口電圧ＶＨと入口電圧ＶＬの電位差によって、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介してインバータ１５側に流れていた電流が、補助回路１２ｂ側に徐々に移行していく。尚、図６（ａ）中には、その電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
（モード２：Ｃ２電荷放電）
【００３９】
その後、所定時間継続すると、ダイオードＤ５を流れる電流がゼロとなり、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２に蓄電されていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れ込んでいく（図６（ｂ）に示すモード２の状態）。このスナバコンデンサＣ２は、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧を決定する機能を有している。スイッチ素子Ｓ１をターンオンするときに該スイッチ素子Ｓ１に印加される電圧に影響を与えるスナバコンデンサＣ２の電荷が、モード２では補助回路１２ｂに流れ込むことで、スナバコンデンサＣ２にかかる電圧が低下していく。このとき、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振により、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなるまで、電流は流れ続ける。この結果、後述するスイッチ素子Ｓ１のターンオン時のその印加電圧を下げることが可能となる。
（モード３：Ｓ１電流立ち上げ）
【００４０】
次に、時刻ｔ２において、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜け切ったら、スイッチ素子Ｓ１が更にターンオンされ、図６（ｃ）に示されるモード３の電流・電圧状態が形成される。即ち、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態ではスイッチ素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなり、そして、その状態でスイッチ素子Ｓ１をターンオンすることにより、スイッチ素子Ｓ１をゼロ電圧状態にした上でそこに電流を流し始めることになるため、スイッチ素子Ｓ１におけるスイッチング損失を理論上、ゼロとすることができる。
（モード４：Ｌ１へのエネルギ充電）
【００４１】
その後、この状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させて、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増やしていく。次に、時刻ｔ３において、コイルＬ２に流れる電流がコイルＬ１に切り替わると、スイッチＳ２がターンオフされ、コイルＬ１へのエネルギ蓄積を継続する。この状態が、図６（ｄ）に示されるモード４の電流・電圧状態である。
（モード５：Ｃ２スナバ動作にて充電）
【００４２】
その後、コイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、時刻ｔ４において、スイッチ素子Ｓ１が更にターンオフされる。すると、上記モード２で電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷が充電され、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出口電圧ＶＨと同電圧に至る。この状態が、図６（ｅ）に示されるモード５の電流・電圧状態である。
（モード６：Ｌ１充電エネルギの解放）
【００４３】
その後、スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギがインバータ１５側に解放される。この状態が、図６（ｆ）に示されるモード６の電流・電圧状態である。尚、このモード５が行われるとき、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧はスナバコンデンサＣ２により電圧の立ち上がりを遅らせられるため、スイッチ素子Ｓ１におけるテール電流によるスイッチング損失をより小さくできる。
【００４４】
上述のようにモード１〜モード６の動作を一サイクルとしてソフトスイッチング動作を行うことで、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２におけるスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１の出力電圧を昇圧しインバータ１５に供給可能となる。その結果、高電圧低電流モータであるモータ１６を効率的に駆動することが可能となる。
【００４５】
ここで、図５及び図７に示すように、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２において、スイッチ素子Ｓ１の適切なソフトスイッチングのタイミングは、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去され、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧が除去されたとき、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が０Ｖであり、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときである。
【００４６】
しかしながら、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、スイッチ素子Ｓ１とスイッチ素子Ｓ２とを個々に駆動するので、制御部１２ｅによってスイッチ素子Ｓ１に対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを設定しても、スイッチ素子Ｓ１の最適なソフトスイッチングのタイミングがずれてしまうことがある。例えば、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と制御部１２ｅとの間のフォトカプラ１２ｃ、１２ｄの遅延時間のばらつきや変動、スイッチング信号Ｓｓ１、Ｓｓ２のための信号伝送線路の遅延量のばらつきや変動、及び、制御部１２ｅにおける駆動タイミング演算部１１０のばらつきや変動等に起因して、図７に示すように、スイッチ素子Ｓ１の適切なオンタイミングの範囲からずれてしまうことがある。例えば、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去される前、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が０Ｖになる前で、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになる前に、スイッチ素子Ｓ１がオンしてしまう（進角状態）。又は、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去された後に再び蓄電されているとき、すなわち、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が０Ｖから上昇し、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖから上昇するときに、スイッチ素子Ｓ１がオンしてしまう（遅角状態）。
【００４７】
図８に、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングが適切な場合（ａ）、進角の場合（ｂ）、遅角の場合（ｃ）におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１（下図）、及び、これらの差電圧Ｖｃ２−Ｖｓ１（上図）を示す。
【００４８】
図８（ａ）に示すように、ソフトスイッチングのタイミングが最適であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖであるときにスイッチ素子Ｓ１がオンすると、スナバコンデンサＣ２とスイッチ素子Ｓ１との間に電位差Ｖｃ２−Ｖｓ１を生じることなく、主スイッチ手段のスイッチング損失の増加を抑制し、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００４９】
一方、図８（ｂ）に示すように、ソフトスイッチングのタイミングが進角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになる前にスイッチ素子Ｓ１がオンすると、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１のみが強制的に０Ｖになり、スナバコンデンサＣ２とスイッチ素子Ｓ１との間に電位差Ｖｃ２−Ｖｓ１が生じる。このとき、主スイッチ手段のＶｓ１＞０［Ｖ］のときのスイッチングが原因によりスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下してしまう。
【００５０】
また、図８（ｃ）に示すように、ソフトスイッチングのタイミングが遅角であり、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖになった後、例えばスイッチ素子Ｓ２がオフし、再びスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２及びスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が０Ｖから上昇したときにスイッチ素子Ｓ１がオンすると、主スイッチ手段のスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下してしまう。
【００５１】
そこで、本実施形態の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、オンタイミング検出部１２０によって、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１とから、図８（ｂ）に示すスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの進角状態を検出し、図４に示す検出信号Ｓｄ１＝ＯＮ，Ｓｄ２＝ＯＮ，Ｓｄ３＝ＯＦＦを出力する。すると、オンタイミング調整部１３０によって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔが大きくなるように調整する。オンタイミング調整部１３０は、この調整処理を検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３がそれぞれＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦになるまで行うことによって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングを図８（ａ）に示す最適状態に調整する。
【００５２】
また、本実施形態の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、オンタイミング検出部１２０によって、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２から、図８（ｃ）に示すスイッチ素子Ｓ１のオンタイミングの遅角状態を検出し、図４に示す検出信号Ｓｄ１＝不定，Ｓｄ２＝ＯＮ，Ｓｄ３＝ＯＮを出力する。すると、オンタイミング調整部１３０によって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングに対するスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔが小さくなるように調整する。オンタイミング調整部１３０は、この調整処理を検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３がそれぞれＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦになるまで行うことによって、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングを図８（ａ）に示す最適状態に調整する。
【００５３】
このように、本実施形態の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２によれば、オンタイミング検出部１２０によって、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２とスイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１とから、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されていないときにスイッチ素子Ｓ１がオンするオンタイミングずれを適切に検出し、オンタイミング調整部１３０によって、スナバコンデンサＣ２の電荷が除去されたときにスイッチ素子Ｓ１がオンするように、スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングとスイッチ素子Ｓ２のオンタイミングとを相対的に調整するので、昇圧用スイッチ素子Ｓ１とソフトスイッチング用スイッチ素子Ｓ２とのオンタイミングのずれに起因するスイッチング損失の増加を抑制することができ、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、オンタイミング調整部１３０は、ソフトスイッチング用スイッチ素子Ｓ２のオンタイミングの先行時間Ｔを調整したが、昇圧用スイッチ素子Ｓ１のオンタイミングを調整してもよい。この場合、スイッチングデューティ比を変えないようにオフタイミングも同様に調整する。
【００５５】
また、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、負荷が極端に軽くなると、ソフトスイッチング、すなわち、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）が困難となり、ローボルトスイッチング（ＬＶＳ）の状態になることがある。上記したオンタイミング検出部１２０では、検出信号Ｓｄ１＝不定，Ｓｄ２＝ＯＦＦ，Ｓｄ３＝ＯＦＦを出力することとなり、ＬＶＳの状態をも検出することができる。この場合、例えば、オンタイミング調整部１３０は、スナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２が最小電圧となるタイミングで、すなわち、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧Ｖｓ１が最小電圧となるタイミングでスイッチ素子Ｓ１がオンするように調整してもよい。これによれば、ＬＶＳの状態でも、スイッチング損失の増加を抑制することができ、電力変換効率の低下を抑制することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、昇圧制御手段１２ｅが昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に含まれる形態を例示したが、昇圧制御手段１２ｅはＥＣＵ２０（図１）に含まれてもよいし、ＥＣＵ２０とは独立したＥＣＵであってもよい。また、昇圧制御手段１２ｅにおける駆動タイミング演算部１１０及びオンタイミング調整部１３０がＥＣＵで構成され、オンタイミング検出部１２０が電子回路で構成されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１…車両、２…駆動輪、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１３…バッテリ、１４…昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１５…インバータ、１６…モータ、１７…水素タンク、１８…コンプレッサ、２１…アクセルペダルセンサ、１２ａ…主昇圧回路（主昇圧部）、１２ｂ…補助回路（補助昇圧部）、１２ｃ，１２ｄ…フォトカプラ、１２ｅ…制御部（昇圧制御手段）、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｄ３…ダイオード（スナバ整流素子）、Ｄ５…ダイオード（主整流素子）、Ｌ１…主コイル、Ｌ２…補助コイル、Ｓ１…スイッチ素子（主スイッチ手段）、Ｓ２…スイッチ素子（補助スイッチ手段）、１１０…駆動タイミング演算部、１２０…オンタイミング検出部（オンタイミング検出手段）、１２１，１２２…コンパレータ、１２３，１２４，１２５…ラッチ回路、１３０…オンタイミング調整部（オンタイミング調整手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の出力電圧を昇圧し、当該昇圧電圧を負荷に供給する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記直流電源の高電位側端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、前記直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、
前記主スイッチ手段に対して並列に接続され前記主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサと、当該スナバコンデンサの印加電圧を調整する補助スイッチ手段とを有する補助昇圧部と、
前記主スイッチ手段のスイッチング動作において前記主スイッチ手段をオンさせる前に、前記補助スイッチ手段をオンさせて前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する昇圧制御手段と、
を備え、
前記昇圧制御手段は、
前記スナバコンデンサの電荷量と前記主スイッチ手段の端子間電圧とから、前記スナバコンデンサの電荷が除去されていないときに前記主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出するオンタイミング検出手段と、
前記オンタイミングずれが検出された場合に、前記スナバコンデンサの電荷が除去されたときに前記主スイッチ手段がオンするように、前記主スイッチ手段のオンタイミングと前記補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整するオンタイミング調整手段と、
を有することを特徴とする、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記オンタイミング検出手段は、前記スナバコンデンサの電荷量及び前記主スイッチ手段の端子間電圧がゼロでないときに前記主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出し、
前記オンタイミング調整手段は、前記スナバコンデンサの電荷量及び前記主スイッチ手段の端子間電圧がゼロであるときに前記主スイッチ手段がオンするように、前記主スイッチ手段のオンタイミングと前記補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整する、
請求項１に記載の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記主昇圧部は、前記直流電源の高電位側端子に一端が接続された前記主コイルと、前記主コイルの他端と前記直流電源の低電位側端子との間に接続された前記主スイッチ手段と、前記主コイルの他端と前記負荷との間に接続され前記主コイルから前記負荷へ向けて整流機能を有する主整流素子とを有する、
請求項１に記載の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記補助昇圧部は、前記主スイッチ手段に並列に設けられた前記スナバコンデンサと、前記主スイッチ手段に並列に且つ前記スナバコンデンサに直列に設けられ前記主スイッチ手段から前記スナバコンデンサへ向けて整流機能を有する当該スナバ整流素子と、前記スナバコンデンサ及び前記スナバ整流素子の接続点と前記主コイルの一端との間に設けられた前記補助スイッチ手段とを有する、
請求３に記載の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項１】
直流電源の出力電圧を昇圧し、当該昇圧電圧を負荷に供給する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記直流電源の高電位側端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、前記直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、
前記主スイッチ手段に対して並列に接続され前記主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサと、当該スナバコンデンサの印加電圧を調整する補助スイッチ手段とを有する補助昇圧部と、
前記主スイッチ手段のスイッチング動作において前記主スイッチ手段をオンさせる前に、前記補助スイッチ手段をオンさせて前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する昇圧制御手段と、
を備え、
前記昇圧制御手段は、
前記スナバコンデンサの電荷量と前記主スイッチ手段の端子間電圧とから、前記スナバコンデンサの電荷が除去されていないときに前記主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出するオンタイミング検出手段と、
前記オンタイミングずれが検出された場合に、前記スナバコンデンサの電荷が除去されたときに前記主スイッチ手段がオンするように、前記主スイッチ手段のオンタイミングと前記補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整するオンタイミング調整手段と、
を有することを特徴とする、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記オンタイミング検出手段は、前記スナバコンデンサの電荷量及び前記主スイッチ手段の端子間電圧がゼロでないときに前記主スイッチ手段がオンするオンタイミングずれを検出し、
前記オンタイミング調整手段は、前記スナバコンデンサの電荷量及び前記主スイッチ手段の端子間電圧がゼロであるときに前記主スイッチ手段がオンするように、前記主スイッチ手段のオンタイミングと前記補助スイッチ手段のオンタイミングとを相対的に調整する、
請求項１に記載の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記主昇圧部は、前記直流電源の高電位側端子に一端が接続された前記主コイルと、前記主コイルの他端と前記直流電源の低電位側端子との間に接続された前記主スイッチ手段と、前記主コイルの他端と前記負荷との間に接続され前記主コイルから前記負荷へ向けて整流機能を有する主整流素子とを有する、
請求項１に記載の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記補助昇圧部は、前記主スイッチ手段に並列に設けられた前記スナバコンデンサと、前記主スイッチ手段に並列に且つ前記スナバコンデンサに直列に設けられ前記主スイッチ手段から前記スナバコンデンサへ向けて整流機能を有する当該スナバ整流素子と、前記スナバコンデンサ及び前記スナバ整流素子の接続点と前記主コイルの一端との間に設けられた前記補助スイッチ手段とを有する、
請求３に記載の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２１１７９７（Ｐ２０１１−２１１７９７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７５７１０（Ｐ２０１０−７５７１０）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【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１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]