直流電圧変換装置
【課題】小型化および低コスト化を図るとともに、安定した昇降圧動作を実現可能な直流電圧変換装置を提供する。
【解決手段】直流電圧変換装置１０は、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２ダイオードＤ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とを備えており、直流電源Ｂからの電圧を昇圧する装置である。第１コンデンサＣ１は温度上昇により静電容量が増加する一方、第２コンデンサＣ２は第１コンデンサＣ１に並列に接続されており、温度上昇により静電容量が減少する。そして、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２では、温度が変化すると、その温度変化に対する静電容量の変化量が相殺される。
【解決手段】直流電圧変換装置１０は、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２ダイオードＤ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とを備えており、直流電源Ｂからの電圧を昇圧する装置である。第１コンデンサＣ１は温度上昇により静電容量が増加する一方、第２コンデンサＣ２は第１コンデンサＣ１に並列に接続されており、温度上昇により静電容量が減少する。そして、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２では、温度が変化すると、その温度変化に対する静電容量の変化量が相殺される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を変換するための装置に関し、特に昇圧動作を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電池を電力供給源とする電子機器が知られている。このような電子機器では、電池からの供給電圧が電子機器での使用電圧よりも低い場合が多く、この場合には、供給電圧を昇圧させて電子機器へ供給する。また、最近では、電子機器で発電させてその電圧を電池へ供給する場合もあり（充電）、この場合には、電子機器で発生した電圧を降圧させて電池へ供給する。そのため、昇降圧可能な直流電圧変換装置が開発されている。そして、近年では、この電圧変換装置を電車や自動車等に搭載することが検討されている。具体的に以下に示す。
【０００３】
電車や自動車にはモータが搭載されており、そのモータは駆動源として用いられるようになっている。例えば、ハイブリッド車は、排気ガスを軽減でき環境汚染を防止できるものとして注目され、実用化されており、ガソリンエンジンとモータとを駆動源として併用しながら走行するものである。
【０００４】
自動車の駆動源としてモータを用いた場合、その駆動電圧は、従来では２００〜３００Ｖ程度であった。しかし近年では、自動車の加速力の向上を目指して、その駆動電圧は高電圧に移行しており、今後は５００Ｖ〜１０００Ｖ程度の非常に高い駆動電圧が主流となると考えられている。
【０００５】
駆動電圧を高くする方法としては、電池の直列数を増加させることが挙げられるが、電池の直列数を増加させると電池の容量が増加してしまう。そこで、電池の直列数を増加させることなく電池から供給される供給電圧よりも高い駆動電圧を得るために、上記電圧変換装置を用いることが考えられている。特許文献１には、昇圧チョッパ回路を用いて直流電源の直流電力を昇圧する構成を備えた電圧変換装置が開示されている。
【０００６】
昇圧チョッパ回路は、特許文献１に開示されているように、直流電源と、リアクトルと、スイッチング素子と、コンデンサとを備えており、スイッチング素子がオン状態のときには直流電源からの電力がリアクトルに供給され、スイッチング素子がオフ状態のときには直流電源からの電力がコンデンサに供給されるように構成されている。昇圧時には、まず、スイッチング素子をオン状態にして、直流電源からの電力をリアクトルに供給する。一定時間経過後、スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ切り換えると、コンデンサには、リアクトルに蓄積されていた電力と直流電源からの電力とが供給され、その結果、昇圧された電圧が出力される。
【０００７】
一般に、直流電圧変換装置の環境温度が上昇または下降すると、コンデンサの静電容量は増減する。そして、コンデンサの静電容量が増減すると、直流電圧変換装置において安定した昇降圧動作を実現することが難しい。そのため、環境温度の変化によりコンデンサの静電容量が変化することを考慮に入れて直流電圧変換装置を設計することが好ましい。例えば特許文献１では、負荷側（モータなど）において、環境温度の変化によるコンデンサの静電容量の変化を抑制している。
【特許文献１】特開２００５−３５４７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、広い温度範囲において安定した昇降圧動作を実現するためには、負荷側は、綿密な実機評価に基づいた複雑な制御を行う必要がある。その制御は非常に複雑となる場合が多く、その結果、電圧変換装置の大型化およびコスト高を招来する。
【０００９】
さらに、制御が複雑であるので、コンデンサの静電容量の変化を充分に制御できない場合が多く、その結果、昇降圧動作の不安定化を招来する虞がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化および低コスト化を図ることができるとともに、昇降圧動作の安定化を図ることができる直流電圧変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、鋭意検討の結果、正の温度特性（温度上昇により静電容量が大きくなる温度特性）をもっているコンデンサと、負の温度特性（温度上昇により静電容量が小さくなる温度特性）をもっているコンデンサとを並列接続することにより、直流電圧変換装置の小型化および低コスト化を図ることができるとともに同装置における昇降圧動作を安定化させることができることを見い出し、本発明を完成した。
【００１２】
具体的には、本発明の直流電圧変換装置は、直流電圧を変換する装置であり、直流電源と、直流電源の正極側に接続されたリアクトルと、ソース端子が直流電源の負極側に接続され、ドレイン端子がリアクトルに接続されたスイッチング素子と、陽極端子がリアクトルとスイッチング素子のドレイン端子との間に接続されたダイオードと、一方の端部が直流電源の負極とスイッチング素子のソース端子との間に接続されているとともに他方の端部がダイオードの陰極端子に接続されており、各々が並列接続された複数のコンデンサとを備えている。複数のコンデンサは、温度上昇により静電容量が増加する第１コンデンサと、温度上昇により静電容量が減少する第２コンデンサとを含んでいる。そして、第１および第２コンデンサでは、温度が変化すると、その温度変化に対する静電容量の変化量が相殺される。
【００１３】
本発明の直流電圧変換装置によれば、温度の上昇または下降により第１および第２コンデンサの静電容量はそれぞれ増減する。しかし、複雑な制御を行わなくても、第１および第２コンデンサの合成静電容量は、その温度が昇降しても略一定値に保つことができる。
【００１４】
なお、このような直流電圧変換装置は、電流の逆流防止手段を備えていることが好ましく、電流の逆流防止手段としては、ダイオードや、ダイオードが逆並列接続されているスイッチング素子や、パワースイッチングデバイスの内蔵ダイオードが例示される。ここで、パワースイッチングデバイスの内蔵ダイオードとは、スイッチング素子とダイオードとが並列に接続された素子である。
【００１５】
又、スイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、ワイドバンドギャップ型半導体（ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃ）等の半導体素子が例示される。ここで、ワイドバンドギャップ型半導体とは、伝導帯の下端と価電子帯の上端とのエネルギー差、すなわちバンドギャップが２．０ｅＶ以上である半導体を意味する。
【００１６】
本発明の直流電圧変換装置では、第１コンデンサは、第２コンデンサよりも、スイッチング素子寄りに配置されていることが好ましい。
【００１７】
一般に、直流電圧変換装置が動作すると、スイッチング素子が発熱する。また、第１コンデンサのように温度上昇により静電容量が増加するコンデンサでは、その静電容量は低温において温度に対して非線形応答を示す場合がある。このような場合であっても、上記構成によれば、雰囲気温度よりも高温において第１コンデンサを使用することができるので、第１コンデンサの安定化を図ることができる。その結果、直流電圧変換装置の特性向上が図れる。
【００１８】
好ましい実施形態では、第１コンデンサ、第２コンデンサおよびスイッチング素子は、同一平面上に配置されており、第１コンデンサは、スイッチング素子と第２コンデンサとの間に配置されている。
【００１９】
別の好ましい実施形態では、第１コンデンサは、スイッチング素子に接するようにそのスイッチング素子の上に配置されており、モジュール化されている一方、第２コンデンサは、スイッチング素子と同一平面上であってそのスイッチング素子から離れた位置に、配置されている。
【００２０】
また別の好ましい実施形態では、第１コンデンサは、スイッチング素子に接するようにそのスイッチング素子の上に配置されており、第２コンデンサは、第１コンデンサに接するようにその第１コンデンサの上に配置されている。
【００２１】
本発明の直流電圧変換装置では、スイッチング素子、第１コンデンサおよび第２コンデンサに冷媒を流すための冷媒経路をさらに備えており、冷却経路の上流から下流へ向かって、第２コンデンサ、スイッチング素子および第１コンデンサが順に配置されていてもよい。
【００２２】
上記構成により、第１コンデンサは、スイッチング素子の発熱による熱が伝達されるので高温となる一方、第２コンデンサは、スイッチング素子の発熱による熱が伝達されないので高温となることを抑制される。その結果、第１コンデンサは、第２コンデンサよりも高温となる。ゆえに、直流電圧変換装置の動作時に、第１コンデンサを雰囲気温度より高温で使用することが可能となり、第１コンデンサの安定化が図れる。その結果、直流電圧変換装置の特性向上が図れる。
【００２３】
本発明の直流電圧変換装置では、第１コンデンサおよびスイッチング素子を実装する第１の冷却媒体と、第２コンデンサを実装する第２の冷却媒体とをさらに備えており、第１の冷却媒体と第２の冷却媒体との間においては、熱の移動が阻止されていてもよい。
【００２４】
上記構成により、第１コンデンサは、スイッチング素子と同一の冷却媒体に実装されているので高温状態に維持される一方、第２コンデンサは、スイッチング素子とは熱の移動が素子されているので低温状態に維持される。その結果、第１コンデンサは、第２コンデンサよりも高温となる。ゆえに、昇圧動作時に、雰囲気温度より高温で第１コンデンサを動作させることができ、かつ、雰囲気温度より低温で第２コンデンサを動作させることが可能となり、第１および第２コンデンサの安定化が図れる。その結果、直流電圧変換装置の特性向上が図れる。
【００２５】
本発明の直流電圧変換装置では、第１コンデンサの温度を検出する検出手段と、検出手段において第１コンデンサの温度が所定温度以下であるときには、スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ切り換えることを抑制する制御手段とをさらに備えていてもよい。ここで、所定温度とは、第１コンデンサの温度が変化したときに、その静電容量の変化量が温度に対して線形応答を示す温度の下限値である。
【００２６】
上記構成により、温度下降により第１コンデンサの静電容量が温度に対して非線形応答を示す場合には、直流電圧変換装置は動作しない。これにより、第１コンデンサやスイッチング素子に過大な負荷がかかることを抑制することができ、その結果、直流電圧変換装置の信頼性の向上が図れる。
【００２７】
本発明の直流電圧変換装置では、ダイオードに並列に接続されており、ソース端子がそのダイオードの陽極端子に接続されているとともにドレイン端子がそのダイオードの陰極端子に接続された第２のスイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続されており、陽極端子がそのスイッチング素子のソース端子に接続されているとともに陰極端子がそのスイッチング素子のドレイン端子に接続された第２のダイオードとをさらに備えていてもよい。このような構成により、昇圧運転だけでなく降圧運転を行うことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の直流電圧変換装置によれば、温度特性を考慮してコンデンサの静電容量を決定する必要がなくなり、余分な設計マージンを削減し、さらには、直流電圧変換装置の小型化及び低コスト化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。また、以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００３０】
《発明の実施形態１》
図１は、実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０の構成を示す回路図である。
【００３１】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０は、直流電圧を昇降圧させるための装置であり、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第１スイッチング素子（スイッチング素子）Ｓ１と、第２スイッチング素子（第２のスイッチング素子）Ｓ２と、第１ダイオード（第２のダイオード）Ｄ１と、第２ダイオード（ダイオード）Ｄ１と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、コンデンサＣ３とを備えており、直流電圧変換装置１０には、インバータＩＮＶおよびモータＭＯＴが接続されている。そして、直流電圧変換装置１０では、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の切り換えを行うことにより、昇圧運転と降圧運転とを切り換えて行うことができる。すなわち、直流電圧変換装置１０は、直流電源Ｂからの電圧を昇圧させて出力できるとともに、負荷側（インバータＩＮＶやモータＭＯＴ）からの電圧を降圧させて直流電源Ｂへ供給することができる。
【００３２】
また、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は互いに並列に接続されており、その静電容量の変化は後述のように相異なる温度依存性を示している。これにより、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が変化すると、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量はそれぞれ変化するが、その変化量が相殺される。その結果、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量は、温度が変化しても、略一定の値を示す。以下、直流電圧変換装置１０について詳述する。
【００３３】
図１に示すように、直流電源Ｂの正極には、コンデンサＣ３の一端およびリアクトルＬの一端が接続されている。コンデンサＣ３は、降圧動作時において直流電源Ｂに入力される電圧を平滑化するためのコンデンサであり、その他端は、直流電源Ｂの負極に接続されている。リアクトルＬは、コイルなどの電気エネルギーを蓄積するための素子であり、その他端は、第１スイッチング素子Ｓ１のドレイン端子２および第２スイッチング素子Ｓ２のソース端子４に接続されている。
【００３４】
第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、例えば炭化珪素（シリコンカーバイド）からなる電界効果型トランジスタであり、第１スイッチング素子Ｓ１のソース端子１には、直流電源Ｂの負極が接続されており、第２スイッチング素子Ｓ２のドレイン端子５には、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の一端が接続されている。また、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のゲート端子３，６には、それぞれ、第１および第２制御回路（不図示）が接続されている。なお、第１および第２制御回路については後述する。
【００３５】
また、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、それぞれ、第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２が並列に接続されている。第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれ、陽極端子および陰極端子を有しており、陽極端子の電圧が陰極端子の電圧よりも高くなったときに正バイアスの電流を流すように構成されている。第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２では、それぞれ、その陽極端子は第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のソース端子１，４に接続されており、その陰極端子は第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のドレイン端子２，５に接続されている。
【００３６】
第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は、一端が上述のように第２スイッチング素子Ｓ２のドレイン端子５に接続されており、他端が直流電源Ｂの負極に接続されており、各々が並列に接続されている。
【００３７】
図２および図４は、それぞれ、直流電圧変換装置１０が昇圧運転および降圧運転を行う際に、動作する構成要素のみを取り出して記載した回路図である。
【００３８】
直流電圧変換装置１０は、昇圧運転時（図２）には、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２ダイオードＤ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、負荷Ｒとで構成され、降圧運転時（図４）には、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第２スイッチング素子Ｓ２と、第１ダイオードＤ１と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、負荷Ｒとで構成される。そして、第１スイッチング素子Ｓ１のオン・オフを制御することにより昇圧動作を行うことができ、第２スイッチング素子Ｓ２のオン・オフを制御することにより降圧動作を行うことができる。
【００３９】
昇圧動作および降圧動作を説明する前に、まず、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン・オフ制御を説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、第１および第２制御回路が出力する第１および第２ゲート制御信号の出力波形を示す図である。
【００４０】
上述のように第１スイッチング素子Ｓ１のゲート端子３には第１制御回路が接続されており、第１制御回路は第１ゲート制御信号を出力するよう構成されている。そして、第１スイッチング素子Ｓ１は、ゲート端子３に第１ゲート制御信号が入力されるとオン状態となり、その入力が停止されるとオフ状態となる。同様に、第２スイッチング素子Ｓ２は、第２制御回路の出力信号である第２ゲート制御信号がゲート端子６に入力されるとオン状態となり、その入力が停止されるとオフ状態となる。
【００４１】
なお、第１ゲート制御信号は第２ゲート制御信号に対して反転しているので、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２とが同時にオン状態になることはない。
【００４２】
さらに、第１制御回路が第１ゲート制御信号の出力を停止してから第２制御回路が第２ゲート制御信号を出力するまでには第１デッドタイム（図３（ｂ）に示すデッドタイム１）が設けられており、同じく、第２制御回路が第２ゲート制御信号の出力を停止してから第１制御回路が第１ゲート制御信号を出力するまでには第２デッドタイム（図３（ｂ）に示すデッドタイム２）が設けられている。これにより、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２とが同時にオン状態となることを確実に防止でき、図１に示す回路が短絡状態となることを防止できる。
【００４３】
では、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０における昇圧運転および降圧運転の動作を説明する。
【００４４】
昇圧運転時には、まず、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にする。具体的には上述のように、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート端子３に対して第１ゲート制御信号を入力させる。このとき、第１スイッチング素子Ｓ１の抵抗を０と仮定すると、リアクトルＬと第２ダイオードＤ２の陽極端子との接続点ａにおける電圧は０となるので、第２ダイオードＤ２には電流は流れない。そのため、直流電源Ｂの直流電圧 E1 はリアクトルＬにのみ供給され、リアクトルＬには電流 IL が流れて電気エネルギーが蓄積される。
【００４５】
一定期間経過後、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態からオフ状態へ切り換える。すると、リアクトルＬには電磁誘導が発生して上記接続点ａには高電圧の逆起電力が発生する。その結果、電圧高電圧の逆起電力と直流電源Ｂからの電圧とを加算した電圧が第２ダイオードＤ２を通して出力される。これにより、昇圧が行われる。昇圧された電圧は第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２において平滑化され、電流 IR が負荷Ｒに流れる。
【００４６】
一方、降圧運転時には、まず、第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態にする。具体的には上述のように、第２スイッチング素子Ｓ２のゲート端子６に対して第２ゲート制御信号を入力する。このとき、昇圧運転時と同じく、第２スイッチング素子Ｓ２の抵抗を０と仮定すると、リアクトルＬと第１ダイオードＤ１の陰極端子との接続点ｂにおける電圧は直流電源Ｂの電圧 E1 となるので、第１ダイオードＤ１には電流が流れない。そのため、直流電源Ｂの直流電圧 E1 は図４に示すようにリアクトルＬにのみ供給され、リアクトルＬには電流 IL が流れて電気エネルギーが蓄積される。
【００４７】
一定時間経過後、第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態からオフ状態へ切り換える。すると、リアクトルＬには電磁誘導が発生して上記接続点ｂには低電圧の逆起電力が発生し、第１ダイオードＤ１には電流が流れるようになる。しかし、第２スイッチング素子Ｓ２がオフ状態であるので、第１ダイオードＤ１には、直流電源Ｂからの電流ではなくリアクトルＬに蓄積されていた電気エネルギーが流れる。すなわち、第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態からオフ状態へ切り換えると、負荷Ｒに流れる電流量は少なくなり、これにより、負荷Ｒには、直流電源Ｂからの電圧 E1 よりも降圧された電圧が供給される。
【００４８】
図５は、温度が変化したときに第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量の変化を模式的に示すグラフ図であり、縦軸が静電容量の変化量を示しており、横軸がコンデンサの温度を示している。また、実線のグラフが第１コンデンサＣ１の静電容量の変化を模式的に示しており、一点破線のグラフが第２コンデンサＣ２の静電容量の変化を模式的に示している。
【００４９】
第１コンデンサＣ１は、例えばアルミ電解コンデンサであり、その静電容量は、温度が上昇するにつれて線形的に増加し、温度が下降するにつれて線形的に減少するが図５に示すように温度ｔ０以下では非線形的に減少する。第２コンデンサＣ２は、例えばフィルムコンデンサであり、その静電容量は、温度が上昇するにつれて線形的に減少し、温度が下降するにつれて線形的に増加する。そして、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量と第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量とが相殺されるように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は設計されている。具体的には、直流電圧変換装置１０の環境温度の上限温度および下限温度においてそれぞれ、第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量と第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量とを相殺した値が、室温時における第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量の５％以下となるように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は設計されている。
【００５０】
このような第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２を並列接続すると、その合成静電容量は、第１コンデンサＣ１の静電容量と第２コンデンサＣ２の静電容量との和になる。そのため、例えば温度が室温よりも上昇したときには、第１コンデンサＣ１の静電容量は室温時の静電容量よりも増加し、第２コンデンサＣ２の静電容量は室温時の静電容量よりも減少するが、第１コンデンサＣ１の静電容量の増加量と第２コンデンサＣ２の静電容量の減少量とが相殺されるので、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量は室温時の合成静電容量と略同一の値を示す。これにより、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、温度が変化しても第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量を略一定に保つことができる。
【００５１】
なお、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が上昇もしくは下降する要因としては、次に示す２つの要因が考えられる。
【００５２】
第１の要因は、直流電圧変換装置１０の環境温度が上昇もしくは下降することである。例えば直電圧変換装置１０を車に搭載すると、その環境温度の変化が激しい。直流電圧変換装置１０の環境温度の変化により、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が変化する、と考えられる。
【００５３】
第２の要因は、直流電圧変換装置１０の動作による第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２での発熱である。一般に、直流電圧変換装置を動作させると、コンデンサやリアクトルは熱を発しないが、スイッチング素子は熱を発する。この発熱により、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の周囲の温度が上昇し、その結果、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が上昇する、と考えられる。
【００５４】
以下では、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０と、図１２乃至１４に示す従来の直流電圧変換装置８０との差異を説明する。
【００５５】
従来の直流電圧変換装置８０は、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、スイッチング素子Ｓと、ダイオードＤと、第１コンデンサおよび第２コンデンサのどちらか一方のコンデンサＣとを備えており、図１３に示すパルス波形がスイッチング素子Ｓのゲート端子に入力されることにより昇圧動作を行うことができる。しかし、従来の直流電圧変換装置８０を動作させると、以下に示す問題がある。
【００５６】
従来の直流電圧変換装置８０が第１コンデンサのみを備えている場合、温度変化に対する静電容量の変化量は第１コンデンサの方が第２コンデンサよりも大きいので、温度変化によるコンデンサＣの静電容量の変化を制御するための制御回路が非常に複雑になる。
【００５７】
また、第１コンデンサでは、その静電容量は低温時には小さくなる。そのため、環境温度範囲が広い雰囲気中において直流電圧変換装置８０を使用する場合（直流電圧変換装置８０を例えば車に搭載する場合）、その環境温度が室温よりも低温になれば、上記第１の要因に示すように第１コンデンサの温度が室温よりも低温になる。すると、第１コンデンサの静電容量は、室温時の静電容量よりも減少する。これにより、第１コンデンサの周辺素子（リアクトルＬ、スイッチング素子ＳやダイオードＤなど）に、過電圧が印加され、過電流が流れる虞がある。よって、その環境温度が低温となっても周辺素子に過電圧の印加および過電流の流入を抑制するための制御が必要であり、その制御は非常に複雑である。
【００５８】
さらに、第１コンデンサでは、上述のように温度ｔ０以下ではその静電容量が温度に対して線形応答を示さなくなり、その結果、その静電容量の制御が複雑になるとともに、昇圧性能および降圧性能の低下を招来してしまう。
【００５９】
従来の直流電圧変換装置８０が第２コンデンサのみを備えている場合、第２コンデンサの静電容量は、高温時には小さくなり、さらには、温度に対して線形応答を示さなくなる場合がある。そのため、高温時に最適な静電容量値を示すように第２コンデンサを設計すると、常温における静電容量値が大きくなってしまう。一般に、静電容量が大きなコンデンサは、静電容量が小さいコンデンサに比べて、製造が困難であり、さらにはコンデンサの大型化および高コスト化を招来してしまう。
【００６０】
また、コンデンサの静電容量を大きくするためには、静電容量の小さなコンデンサを並列接続してモジュール化するという技術があるが、この技術を用いても、並列接続されたコンデンサ間の配線インダクタンスなどが発生してしまい、その結果、装置の周波数特性の低下を招来してしまう。
【００６１】
以上のように、環境温度範囲の広い雰囲気中において従来の直流電圧変換装置８０を使用する場合には、制御等が非常に複雑となり、装置の性能低下を招来してしまう。
【００６２】
さらに、従来の直流電圧変換装置８０では、装置の小型化を図るために、コンデンサＣは図１４（ａ）および（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＳおよびダイオードＤの上部に配置されている。しかし、上述の第２の要因に示すように、直流電圧変換装置８０の動作によりスイッチング素子Ｓは発熱する。よって、従来の直流電圧変換装置８０が第１コンデンサを備えている場合には、温度変化による静電容量の変化を制御するための制御回路を厳密に設計しなければならない。また、従来の直流電圧変換装置８０が第２コンデンサを備えている場合には、高温時における静電容量の減少を考慮してコンデンサを設計しなければならず、上述のように大型化および高コスト化を招来してしまう。
【００６３】
しかしながら、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、上記説明したように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が上昇もしくは下降しても、その合成静電容量は略同一の値を示す。そのため、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、従来の直流電圧変換装置８０とは異なり、複雑な制御プログラムを用いて温度変化によるコンデンサの静電容量の変化を制御しなくてもよく、また、温度変化に伴う過電圧などの発生を抑制するように回路を設計しなくてもよく、モジュール化による配線インダクタンスの発生を抑制するように回路を設計しなくてもよい。すなわち、複雑な制御回路を用いて制御しなくても、温度変化によるコンデンサの静電容量の増減を相殺することができ、装置の昇圧性能および降圧性能の低下を抑制することができる。
【００６４】
また、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がワイドバンドギャップ型半導体素子からなるので、直流電圧変換装置１０を高温状態で、かつ高速スイッチング動作させ、昇降圧動作することが可能となり、リアクトルＬと、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とを大幅に小型化することができる。ゆえに、各構成部品の配置及び形状の自由度が向上し、さらなる特性の向上を図ることができる。
【００６５】
《発明の実施形態２》
図６は、実施形態２にかかる直流電圧変換装置２０を構成する部品の配置を示す図である。
【００６６】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置２０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とがいずれも冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に詳細に示す。
【００６７】
上記実施形態１に記載のように、第１コンデンサＣ１の静電容量は、高温側では温度上昇に伴い線形的に増加するが、低温側では温度下降に伴い非線形的に減少する虞がある。一方、第２コンデンサＣ２の静電容量は、低温側では温度下降に伴い線形的に増加するが、高温側では温度上昇に伴い非線形的に減少する虞がある。よって、第１コンデンサＣ１は高温側で使用されることが好ましく、第２コンデンサＣ２は低温側で使用されることが好ましい。そのため、第１コンデンサＣ１が第２コンデンサＣ２よりも若干高温となるように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ配置されることが好ましい。
【００６８】
一般に、直流電圧変換装置を動作させると、上記実施形態１にも記載のように第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が熱を発する。そのため、その熱が第２コンデンサＣ２よりも第１コンデンサＣ１に優先的に伝達されるように第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ冷却媒体Ｈに配置されれば、第１コンデンサＣ１が第２コンデンサＣ２よりも若干高温となる。すなわち、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２に比べて、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に近い位置に配置されていることが好ましく、本実施形態では、冷却媒体Ｈにおいて、第２コンデンサＣ２に対して第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とは反対側に配置されている。
【００６９】
以下では、従来の直流電圧変換装置８０と本実施形態にかかる直流電圧変換装置２０との差異を説明する。
【００７０】
従来の直流電圧変換装置８０では、上記実施形態１および図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、装置のコンパクト化を図るために、コンデンサＣがスイッチング素子Ｓの近傍に配置される場合が多い。しかし、そのコンデンサＣが第１コンデンサであれば、温度変化による静電容量の変化を考慮した制御が複雑となる。また、そのコンデンサＣが第２コンデンサであれば、スイッチング素子の発熱による容量低下を考慮し、余分なマージンをとらなければならない。
【００７１】
一方、本実施形態にかかる直流電圧変換装置２０では、第１コンデンサＣ１が第２コンデンサＣ２よりも第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の近くに配置されているので、第１コンデンサＣ１を第２コンデンサＣ２よりも高温とすることができる。よって、本実施形態における配置では、第１コンデンサＣ１におけるデメリット（その静電容量が低温側では温度変化に対して線形的に増減しないこと）を補いながら、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００７２】
なお、冷却媒体Ｈは、自然空冷、ファンを利用した強制空冷、あるいは内部に冷却水を利用した水冷、などの冷却機能を有する。
【００７３】
《発明の実施形態３》
図７は、実施形態３にかかる直流電圧変換装置３０を構成する部品の配置を示す図である。
【００７４】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置３０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、上記実施形態２と同じく、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とは冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に詳細に示す。
【００７５】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置３０では、上記実施形態２と同じく、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の近くに配置されている。具体的には、冷却媒体Ｈの上に第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が互いに隣接して設けられており、その上に、コンデンサモジュールＣＭが配置されている。このコンデンサモジュールＣＭは、第１コンデンサＣ１を複数に分割し、平面上にモジュール化したものである。また、第２コンデンサＣ２は、冷却媒体Ｈの上に設けられており、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から離れた位置に配置されている。このような配置により、直流電圧変換装置３０の動作により第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２において生じた熱は、第２コンデンサＣ２よりもコンデンサモジュールＣＭへ優先的に伝達され、各第１コンデンサＣ１にまんべんなく伝達される。これにより、上記実施形態２と同じく、各第１コンデンサＣ１を第２コンデンサＣ２よりも高温とすることができる。よって、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００７６】
《発明の実施形態４》
図８は、実施形態４にかかる直流電圧変換装置４０を構成する部品の配置を示す図である。
【００７７】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置４０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、上記実施形態２と同じく、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とは冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に具体的に示す。
【００７８】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置４０では、上記実施形態２と同じく、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２寄りに配置されている。具体的には、冷却媒体Ｈの上には順に、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ２とが配置されている。このように配置すると、直流電圧変換装置４０の動作により第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２において生じた熱は、上記実施形態２と同じく、第２コンデンサＣ２よりも第１コンデンサＣ１へ優先的に伝達される。その結果、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも高温となる。よって、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００７９】
《発明の実施形態５》
図９は、実施形態５にかかる直流電圧変換装置５０を構成する部品の配置を示す図である。
【００８０】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置５０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０の構成に加えて冷却経路５１を備えている。また、上記実施形態２と同じく、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とは冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に具体的に示す。
【００８１】
本実施形態にかかる冷却経路５１は、冷媒を図７に示す矢印の方向に流すように構成されており、冷媒は、水や油などの液体であっても、空気などの気体であっても構わない。そして、冷媒経路Ｒの上流から下流へ向かう方向に順に、第２コンデンサＣ２と、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１コンデンサＣ１とが配置されている。このように配置すると、第２コンデンサＣ２は、冷媒により一番最初に冷却されるため、充分に冷却される。一方、上記実施形態１に記載のように直流電圧変換装置５０が動作すると第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２において熱が生じるので、第１コンデンサＣ１にはその熱により若干暖められた冷媒が通過する。その結果、第１コンデンサＣ１は、上記実施形態２と同じく、第２コンデンサＣ２よりも高温となる。よって、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００８２】
《発明の実施形態６》
図１０は、実施形態６にかかる直流電圧変換装置６０を構成する部品の配置を示す図である。
【００８３】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置６０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、上記実施形態２とは異なり第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とは相異なる冷却媒体に設けられている。以下に具体的に示す。
【００８４】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置６０は、第１および第２の冷却媒体Ｈ１，Ｈ２を備えている。第１の冷却媒体Ｈ１には、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１コンデンサＣ１とが設けられており、第２の冷却媒体Ｈ２には、リアクトルＬと、第２コンデンサＣ２とが設けられている。そして、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２とは、熱的に分離されている。そのため、第１の冷却媒体Ｈ１で発生した熱が第２の冷却媒体Ｈ２へ伝達されないので、直流電圧変換装置６０の動作により第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が発した熱は第１コンデンサＣ１に伝達されるが、その熱は第２コンデンサＣ２には伝達されない。よって、上記実施形態２と同じく、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも高温となる。これにより、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００８５】
なお、本実施形態において熱的に分離されているとは、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２との間で熱のやりとりが行われないことを意味する。具体的には、熱的に分離されているとは、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２とが互いに物理的に接触していないことを意味し、また、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２とが他の部材を介して連結されていないことを意味する。さらには、直流電圧変換装置６０が、第１の冷却媒体Ｈ１で発生した熱を第２の冷却媒体Ｈ２へ伝達させる伝達手段や上記実施形態５における冷却経路を有していないことを意味する。
【００８６】
また、第１の冷却媒体Ｈ１および第２の冷却媒体Ｈ２はどちらも、上記実施形態２等における冷却媒体Ｈと同じように、自然空冷、ファンを利用した強制空冷、あるいは内部に冷却水を利用した水冷、などの冷却機能を有する。
【００８７】
《発明の実施形態７》
図１１は、実施形態７にかかる直流電圧変換装置７０を構成する部品の配置を示す図である。
【００８８】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置７０は、上記実施形態１の直流電圧変換装置１０の構成に加えて、検出手段ＣＴおよび制御手段ＧＴを有している。以下に具体的に示す。
【００８９】
検出手段ＣＴは、第１コンデンサＣ１の温度を検出し、検出した温度に基づいてコンデンサ温度信号ＣＴＳを出力する。
【００９０】
制御手段ＧＴは、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング動作を制御するゲート信号ＧＴＳ１，ＧＴＳ２を出力するとともに、コンデンサ温度信号ＣＴＳに応じて第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング動作を制御する。具体的には、第１コンデンサＣ１の温度が所定温度以下であるとき（具体的には図５に示す温度ｔ０以下であるとき）、制御手段ＧＴは、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオフ状態を維持する。
【００９１】
以上説明したように、第１コンデンサＣ１の温度が所定温度以下であれば、本実施形態にかかる直流電圧変換装置７０は昇圧動作および降圧動作を行わない。よって、直流電圧変換装置７０からの出力を確実に安定させることができる。
【００９２】
なお、本実施形態において、所定温度は、第１コンデンサＣ１の静電容量が温度に対して線形応答を示す下限の温度である。
【００９３】
また、本実施形態にかかる直流電圧変換装置７０の各構成要素の配置は、上記実施形態２乃至７の何れかの実施形態に記載の配置であることが好ましい。
【００９４】
《その他の実施形態》
上記実施形態１乃至７において、以下の構成を有していても良い。
【００９５】
第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の具体例は上記実施形態１に記載の具体例に限定されることはなく、温度変化に対する静電容量変化の傾向が逆であれば、如何なるものでも構わない。また、直流電圧変換装置は、コンデンサＣ３以外に３つ以上のコンデンサを備えていてもよく、その場合であっても、温度変化により、その合成静電容量が略一定の値を示していればよい。
【００９６】
スイッチング素子は、炭化珪素からなるとしたが、炭化珪素以外のワイドバンドギャップ型半導体（例えば、ＣやＧａＮ）からなってもよく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。
【００９７】
また、スイッチング素子にダイオードが並列接続されている構成を示したが、スイッチング素子にダイオードが内蔵されている構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の直流電圧変換装置は、安定した昇圧動作を実現できるため、ハイブリッド電気自動車もしくは燃料電池やリチウム電池や鉛電池やニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどを搭載した電気自動車の車載電源、エレベータの電源、等々に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】実施形態１に係る直流電圧変換装置を示す回路図
【図２】昇圧動作時における直流電圧変換装置の等価回路図
【図３】図１の実施形態に使用される駆動パルスのチョッパ周期の波形図
【図４】降圧動作時における直流電圧変換装置の等価回路図
【図５】第１および第２コンデンサの静電容量の温度依存性を模式的に示すグラフ図
【図６】実施形態２に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図７】実施形態３に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図８】実施形態４に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図９】実施形態５に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図１０】実施形態６に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図１１】実施形態７に係る直流電圧変換装置を示す回路図
【図１２】従来の直流電圧変換装置を示す回路図
【図１３】図１２に示す回路に使用される駆動パルスのチョッパ周期の波形図
【図１４】（ａ）は従来の直流電圧変換装置を示す斜視図、（ｂ）はその正面図
【符号の説明】
【０１００】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 直流電圧変換装置
１，４ ソース端子
２，５ ドレイン端子
３，６ ゲート端子
５１ 冷却経路
Ｂ 直流電源
Ｃ コンデンサ
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
ＣＭ コンデンサモジュール
Ｄ ダイオード
Ｄ１ 第１ダイオード（第２のダイオード）
Ｄ２ 第２ダイオード（ダイオード）
Ｈ 冷却媒体
Ｈ１ 第１の冷却媒体
Ｈ２ 第２の冷却媒体
ＩＮＶ インバータ
Ｌ リアクトル
ＭＯＴ モータ
Ｒ 負荷
Ｓ スイッチング素子
Ｓ１ 第１スイッチング素子（スイッチング素子）
Ｓ２ 第２スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
ＣＴ 検出手段
ＧＴ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を変換するための装置に関し、特に昇圧動作を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電池を電力供給源とする電子機器が知られている。このような電子機器では、電池からの供給電圧が電子機器での使用電圧よりも低い場合が多く、この場合には、供給電圧を昇圧させて電子機器へ供給する。また、最近では、電子機器で発電させてその電圧を電池へ供給する場合もあり（充電）、この場合には、電子機器で発生した電圧を降圧させて電池へ供給する。そのため、昇降圧可能な直流電圧変換装置が開発されている。そして、近年では、この電圧変換装置を電車や自動車等に搭載することが検討されている。具体的に以下に示す。
【０００３】
電車や自動車にはモータが搭載されており、そのモータは駆動源として用いられるようになっている。例えば、ハイブリッド車は、排気ガスを軽減でき環境汚染を防止できるものとして注目され、実用化されており、ガソリンエンジンとモータとを駆動源として併用しながら走行するものである。
【０００４】
自動車の駆動源としてモータを用いた場合、その駆動電圧は、従来では２００〜３００Ｖ程度であった。しかし近年では、自動車の加速力の向上を目指して、その駆動電圧は高電圧に移行しており、今後は５００Ｖ〜１０００Ｖ程度の非常に高い駆動電圧が主流となると考えられている。
【０００５】
駆動電圧を高くする方法としては、電池の直列数を増加させることが挙げられるが、電池の直列数を増加させると電池の容量が増加してしまう。そこで、電池の直列数を増加させることなく電池から供給される供給電圧よりも高い駆動電圧を得るために、上記電圧変換装置を用いることが考えられている。特許文献１には、昇圧チョッパ回路を用いて直流電源の直流電力を昇圧する構成を備えた電圧変換装置が開示されている。
【０００６】
昇圧チョッパ回路は、特許文献１に開示されているように、直流電源と、リアクトルと、スイッチング素子と、コンデンサとを備えており、スイッチング素子がオン状態のときには直流電源からの電力がリアクトルに供給され、スイッチング素子がオフ状態のときには直流電源からの電力がコンデンサに供給されるように構成されている。昇圧時には、まず、スイッチング素子をオン状態にして、直流電源からの電力をリアクトルに供給する。一定時間経過後、スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ切り換えると、コンデンサには、リアクトルに蓄積されていた電力と直流電源からの電力とが供給され、その結果、昇圧された電圧が出力される。
【０００７】
一般に、直流電圧変換装置の環境温度が上昇または下降すると、コンデンサの静電容量は増減する。そして、コンデンサの静電容量が増減すると、直流電圧変換装置において安定した昇降圧動作を実現することが難しい。そのため、環境温度の変化によりコンデンサの静電容量が変化することを考慮に入れて直流電圧変換装置を設計することが好ましい。例えば特許文献１では、負荷側（モータなど）において、環境温度の変化によるコンデンサの静電容量の変化を抑制している。
【特許文献１】特開２００５−３５４７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、広い温度範囲において安定した昇降圧動作を実現するためには、負荷側は、綿密な実機評価に基づいた複雑な制御を行う必要がある。その制御は非常に複雑となる場合が多く、その結果、電圧変換装置の大型化およびコスト高を招来する。
【０００９】
さらに、制御が複雑であるので、コンデンサの静電容量の変化を充分に制御できない場合が多く、その結果、昇降圧動作の不安定化を招来する虞がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化および低コスト化を図ることができるとともに、昇降圧動作の安定化を図ることができる直流電圧変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、鋭意検討の結果、正の温度特性（温度上昇により静電容量が大きくなる温度特性）をもっているコンデンサと、負の温度特性（温度上昇により静電容量が小さくなる温度特性）をもっているコンデンサとを並列接続することにより、直流電圧変換装置の小型化および低コスト化を図ることができるとともに同装置における昇降圧動作を安定化させることができることを見い出し、本発明を完成した。
【００１２】
具体的には、本発明の直流電圧変換装置は、直流電圧を変換する装置であり、直流電源と、直流電源の正極側に接続されたリアクトルと、ソース端子が直流電源の負極側に接続され、ドレイン端子がリアクトルに接続されたスイッチング素子と、陽極端子がリアクトルとスイッチング素子のドレイン端子との間に接続されたダイオードと、一方の端部が直流電源の負極とスイッチング素子のソース端子との間に接続されているとともに他方の端部がダイオードの陰極端子に接続されており、各々が並列接続された複数のコンデンサとを備えている。複数のコンデンサは、温度上昇により静電容量が増加する第１コンデンサと、温度上昇により静電容量が減少する第２コンデンサとを含んでいる。そして、第１および第２コンデンサでは、温度が変化すると、その温度変化に対する静電容量の変化量が相殺される。
【００１３】
本発明の直流電圧変換装置によれば、温度の上昇または下降により第１および第２コンデンサの静電容量はそれぞれ増減する。しかし、複雑な制御を行わなくても、第１および第２コンデンサの合成静電容量は、その温度が昇降しても略一定値に保つことができる。
【００１４】
なお、このような直流電圧変換装置は、電流の逆流防止手段を備えていることが好ましく、電流の逆流防止手段としては、ダイオードや、ダイオードが逆並列接続されているスイッチング素子や、パワースイッチングデバイスの内蔵ダイオードが例示される。ここで、パワースイッチングデバイスの内蔵ダイオードとは、スイッチング素子とダイオードとが並列に接続された素子である。
【００１５】
又、スイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、ワイドバンドギャップ型半導体（ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃ）等の半導体素子が例示される。ここで、ワイドバンドギャップ型半導体とは、伝導帯の下端と価電子帯の上端とのエネルギー差、すなわちバンドギャップが２．０ｅＶ以上である半導体を意味する。
【００１６】
本発明の直流電圧変換装置では、第１コンデンサは、第２コンデンサよりも、スイッチング素子寄りに配置されていることが好ましい。
【００１７】
一般に、直流電圧変換装置が動作すると、スイッチング素子が発熱する。また、第１コンデンサのように温度上昇により静電容量が増加するコンデンサでは、その静電容量は低温において温度に対して非線形応答を示す場合がある。このような場合であっても、上記構成によれば、雰囲気温度よりも高温において第１コンデンサを使用することができるので、第１コンデンサの安定化を図ることができる。その結果、直流電圧変換装置の特性向上が図れる。
【００１８】
好ましい実施形態では、第１コンデンサ、第２コンデンサおよびスイッチング素子は、同一平面上に配置されており、第１コンデンサは、スイッチング素子と第２コンデンサとの間に配置されている。
【００１９】
別の好ましい実施形態では、第１コンデンサは、スイッチング素子に接するようにそのスイッチング素子の上に配置されており、モジュール化されている一方、第２コンデンサは、スイッチング素子と同一平面上であってそのスイッチング素子から離れた位置に、配置されている。
【００２０】
また別の好ましい実施形態では、第１コンデンサは、スイッチング素子に接するようにそのスイッチング素子の上に配置されており、第２コンデンサは、第１コンデンサに接するようにその第１コンデンサの上に配置されている。
【００２１】
本発明の直流電圧変換装置では、スイッチング素子、第１コンデンサおよび第２コンデンサに冷媒を流すための冷媒経路をさらに備えており、冷却経路の上流から下流へ向かって、第２コンデンサ、スイッチング素子および第１コンデンサが順に配置されていてもよい。
【００２２】
上記構成により、第１コンデンサは、スイッチング素子の発熱による熱が伝達されるので高温となる一方、第２コンデンサは、スイッチング素子の発熱による熱が伝達されないので高温となることを抑制される。その結果、第１コンデンサは、第２コンデンサよりも高温となる。ゆえに、直流電圧変換装置の動作時に、第１コンデンサを雰囲気温度より高温で使用することが可能となり、第１コンデンサの安定化が図れる。その結果、直流電圧変換装置の特性向上が図れる。
【００２３】
本発明の直流電圧変換装置では、第１コンデンサおよびスイッチング素子を実装する第１の冷却媒体と、第２コンデンサを実装する第２の冷却媒体とをさらに備えており、第１の冷却媒体と第２の冷却媒体との間においては、熱の移動が阻止されていてもよい。
【００２４】
上記構成により、第１コンデンサは、スイッチング素子と同一の冷却媒体に実装されているので高温状態に維持される一方、第２コンデンサは、スイッチング素子とは熱の移動が素子されているので低温状態に維持される。その結果、第１コンデンサは、第２コンデンサよりも高温となる。ゆえに、昇圧動作時に、雰囲気温度より高温で第１コンデンサを動作させることができ、かつ、雰囲気温度より低温で第２コンデンサを動作させることが可能となり、第１および第２コンデンサの安定化が図れる。その結果、直流電圧変換装置の特性向上が図れる。
【００２５】
本発明の直流電圧変換装置では、第１コンデンサの温度を検出する検出手段と、検出手段において第１コンデンサの温度が所定温度以下であるときには、スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ切り換えることを抑制する制御手段とをさらに備えていてもよい。ここで、所定温度とは、第１コンデンサの温度が変化したときに、その静電容量の変化量が温度に対して線形応答を示す温度の下限値である。
【００２６】
上記構成により、温度下降により第１コンデンサの静電容量が温度に対して非線形応答を示す場合には、直流電圧変換装置は動作しない。これにより、第１コンデンサやスイッチング素子に過大な負荷がかかることを抑制することができ、その結果、直流電圧変換装置の信頼性の向上が図れる。
【００２７】
本発明の直流電圧変換装置では、ダイオードに並列に接続されており、ソース端子がそのダイオードの陽極端子に接続されているとともにドレイン端子がそのダイオードの陰極端子に接続された第２のスイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続されており、陽極端子がそのスイッチング素子のソース端子に接続されているとともに陰極端子がそのスイッチング素子のドレイン端子に接続された第２のダイオードとをさらに備えていてもよい。このような構成により、昇圧運転だけでなく降圧運転を行うことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の直流電圧変換装置によれば、温度特性を考慮してコンデンサの静電容量を決定する必要がなくなり、余分な設計マージンを削減し、さらには、直流電圧変換装置の小型化及び低コスト化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。また、以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００３０】
《発明の実施形態１》
図１は、実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０の構成を示す回路図である。
【００３１】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０は、直流電圧を昇降圧させるための装置であり、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第１スイッチング素子（スイッチング素子）Ｓ１と、第２スイッチング素子（第２のスイッチング素子）Ｓ２と、第１ダイオード（第２のダイオード）Ｄ１と、第２ダイオード（ダイオード）Ｄ１と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、コンデンサＣ３とを備えており、直流電圧変換装置１０には、インバータＩＮＶおよびモータＭＯＴが接続されている。そして、直流電圧変換装置１０では、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の切り換えを行うことにより、昇圧運転と降圧運転とを切り換えて行うことができる。すなわち、直流電圧変換装置１０は、直流電源Ｂからの電圧を昇圧させて出力できるとともに、負荷側（インバータＩＮＶやモータＭＯＴ）からの電圧を降圧させて直流電源Ｂへ供給することができる。
【００３２】
また、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は互いに並列に接続されており、その静電容量の変化は後述のように相異なる温度依存性を示している。これにより、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が変化すると、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量はそれぞれ変化するが、その変化量が相殺される。その結果、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量は、温度が変化しても、略一定の値を示す。以下、直流電圧変換装置１０について詳述する。
【００３３】
図１に示すように、直流電源Ｂの正極には、コンデンサＣ３の一端およびリアクトルＬの一端が接続されている。コンデンサＣ３は、降圧動作時において直流電源Ｂに入力される電圧を平滑化するためのコンデンサであり、その他端は、直流電源Ｂの負極に接続されている。リアクトルＬは、コイルなどの電気エネルギーを蓄積するための素子であり、その他端は、第１スイッチング素子Ｓ１のドレイン端子２および第２スイッチング素子Ｓ２のソース端子４に接続されている。
【００３４】
第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、例えば炭化珪素（シリコンカーバイド）からなる電界効果型トランジスタであり、第１スイッチング素子Ｓ１のソース端子１には、直流電源Ｂの負極が接続されており、第２スイッチング素子Ｓ２のドレイン端子５には、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の一端が接続されている。また、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のゲート端子３，６には、それぞれ、第１および第２制御回路（不図示）が接続されている。なお、第１および第２制御回路については後述する。
【００３５】
また、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、それぞれ、第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２が並列に接続されている。第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれ、陽極端子および陰極端子を有しており、陽極端子の電圧が陰極端子の電圧よりも高くなったときに正バイアスの電流を流すように構成されている。第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２では、それぞれ、その陽極端子は第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のソース端子１，４に接続されており、その陰極端子は第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のドレイン端子２，５に接続されている。
【００３６】
第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は、一端が上述のように第２スイッチング素子Ｓ２のドレイン端子５に接続されており、他端が直流電源Ｂの負極に接続されており、各々が並列に接続されている。
【００３７】
図２および図４は、それぞれ、直流電圧変換装置１０が昇圧運転および降圧運転を行う際に、動作する構成要素のみを取り出して記載した回路図である。
【００３８】
直流電圧変換装置１０は、昇圧運転時（図２）には、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２ダイオードＤ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、負荷Ｒとで構成され、降圧運転時（図４）には、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、第２スイッチング素子Ｓ２と、第１ダイオードＤ１と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、負荷Ｒとで構成される。そして、第１スイッチング素子Ｓ１のオン・オフを制御することにより昇圧動作を行うことができ、第２スイッチング素子Ｓ２のオン・オフを制御することにより降圧動作を行うことができる。
【００３９】
昇圧動作および降圧動作を説明する前に、まず、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン・オフ制御を説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、第１および第２制御回路が出力する第１および第２ゲート制御信号の出力波形を示す図である。
【００４０】
上述のように第１スイッチング素子Ｓ１のゲート端子３には第１制御回路が接続されており、第１制御回路は第１ゲート制御信号を出力するよう構成されている。そして、第１スイッチング素子Ｓ１は、ゲート端子３に第１ゲート制御信号が入力されるとオン状態となり、その入力が停止されるとオフ状態となる。同様に、第２スイッチング素子Ｓ２は、第２制御回路の出力信号である第２ゲート制御信号がゲート端子６に入力されるとオン状態となり、その入力が停止されるとオフ状態となる。
【００４１】
なお、第１ゲート制御信号は第２ゲート制御信号に対して反転しているので、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２とが同時にオン状態になることはない。
【００４２】
さらに、第１制御回路が第１ゲート制御信号の出力を停止してから第２制御回路が第２ゲート制御信号を出力するまでには第１デッドタイム（図３（ｂ）に示すデッドタイム１）が設けられており、同じく、第２制御回路が第２ゲート制御信号の出力を停止してから第１制御回路が第１ゲート制御信号を出力するまでには第２デッドタイム（図３（ｂ）に示すデッドタイム２）が設けられている。これにより、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２とが同時にオン状態となることを確実に防止でき、図１に示す回路が短絡状態となることを防止できる。
【００４３】
では、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０における昇圧運転および降圧運転の動作を説明する。
【００４４】
昇圧運転時には、まず、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にする。具体的には上述のように、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート端子３に対して第１ゲート制御信号を入力させる。このとき、第１スイッチング素子Ｓ１の抵抗を０と仮定すると、リアクトルＬと第２ダイオードＤ２の陽極端子との接続点ａにおける電圧は０となるので、第２ダイオードＤ２には電流は流れない。そのため、直流電源Ｂの直流電圧 E1 はリアクトルＬにのみ供給され、リアクトルＬには電流 IL が流れて電気エネルギーが蓄積される。
【００４５】
一定期間経過後、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態からオフ状態へ切り換える。すると、リアクトルＬには電磁誘導が発生して上記接続点ａには高電圧の逆起電力が発生する。その結果、電圧高電圧の逆起電力と直流電源Ｂからの電圧とを加算した電圧が第２ダイオードＤ２を通して出力される。これにより、昇圧が行われる。昇圧された電圧は第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２において平滑化され、電流 IR が負荷Ｒに流れる。
【００４６】
一方、降圧運転時には、まず、第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態にする。具体的には上述のように、第２スイッチング素子Ｓ２のゲート端子６に対して第２ゲート制御信号を入力する。このとき、昇圧運転時と同じく、第２スイッチング素子Ｓ２の抵抗を０と仮定すると、リアクトルＬと第１ダイオードＤ１の陰極端子との接続点ｂにおける電圧は直流電源Ｂの電圧 E1 となるので、第１ダイオードＤ１には電流が流れない。そのため、直流電源Ｂの直流電圧 E1 は図４に示すようにリアクトルＬにのみ供給され、リアクトルＬには電流 IL が流れて電気エネルギーが蓄積される。
【００４７】
一定時間経過後、第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態からオフ状態へ切り換える。すると、リアクトルＬには電磁誘導が発生して上記接続点ｂには低電圧の逆起電力が発生し、第１ダイオードＤ１には電流が流れるようになる。しかし、第２スイッチング素子Ｓ２がオフ状態であるので、第１ダイオードＤ１には、直流電源Ｂからの電流ではなくリアクトルＬに蓄積されていた電気エネルギーが流れる。すなわち、第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態からオフ状態へ切り換えると、負荷Ｒに流れる電流量は少なくなり、これにより、負荷Ｒには、直流電源Ｂからの電圧 E1 よりも降圧された電圧が供給される。
【００４８】
図５は、温度が変化したときに第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量の変化を模式的に示すグラフ図であり、縦軸が静電容量の変化量を示しており、横軸がコンデンサの温度を示している。また、実線のグラフが第１コンデンサＣ１の静電容量の変化を模式的に示しており、一点破線のグラフが第２コンデンサＣ２の静電容量の変化を模式的に示している。
【００４９】
第１コンデンサＣ１は、例えばアルミ電解コンデンサであり、その静電容量は、温度が上昇するにつれて線形的に増加し、温度が下降するにつれて線形的に減少するが図５に示すように温度ｔ０以下では非線形的に減少する。第２コンデンサＣ２は、例えばフィルムコンデンサであり、その静電容量は、温度が上昇するにつれて線形的に減少し、温度が下降するにつれて線形的に増加する。そして、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量と第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量とが相殺されるように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は設計されている。具体的には、直流電圧変換装置１０の環境温度の上限温度および下限温度においてそれぞれ、第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量と第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量とを相殺した値が、室温時における第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量の５％以下となるように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２は設計されている。
【００５０】
このような第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２を並列接続すると、その合成静電容量は、第１コンデンサＣ１の静電容量と第２コンデンサＣ２の静電容量との和になる。そのため、例えば温度が室温よりも上昇したときには、第１コンデンサＣ１の静電容量は室温時の静電容量よりも増加し、第２コンデンサＣ２の静電容量は室温時の静電容量よりも減少するが、第１コンデンサＣ１の静電容量の増加量と第２コンデンサＣ２の静電容量の減少量とが相殺されるので、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量は室温時の合成静電容量と略同一の値を示す。これにより、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、温度が変化しても第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の合成静電容量を略一定に保つことができる。
【００５１】
なお、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が上昇もしくは下降する要因としては、次に示す２つの要因が考えられる。
【００５２】
第１の要因は、直流電圧変換装置１０の環境温度が上昇もしくは下降することである。例えば直電圧変換装置１０を車に搭載すると、その環境温度の変化が激しい。直流電圧変換装置１０の環境温度の変化により、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が変化する、と考えられる。
【００５３】
第２の要因は、直流電圧変換装置１０の動作による第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２での発熱である。一般に、直流電圧変換装置を動作させると、コンデンサやリアクトルは熱を発しないが、スイッチング素子は熱を発する。この発熱により、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の周囲の温度が上昇し、その結果、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が上昇する、と考えられる。
【００５４】
以下では、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０と、図１２乃至１４に示す従来の直流電圧変換装置８０との差異を説明する。
【００５５】
従来の直流電圧変換装置８０は、直流電源Ｂと、リアクトルＬと、スイッチング素子Ｓと、ダイオードＤと、第１コンデンサおよび第２コンデンサのどちらか一方のコンデンサＣとを備えており、図１３に示すパルス波形がスイッチング素子Ｓのゲート端子に入力されることにより昇圧動作を行うことができる。しかし、従来の直流電圧変換装置８０を動作させると、以下に示す問題がある。
【００５６】
従来の直流電圧変換装置８０が第１コンデンサのみを備えている場合、温度変化に対する静電容量の変化量は第１コンデンサの方が第２コンデンサよりも大きいので、温度変化によるコンデンサＣの静電容量の変化を制御するための制御回路が非常に複雑になる。
【００５７】
また、第１コンデンサでは、その静電容量は低温時には小さくなる。そのため、環境温度範囲が広い雰囲気中において直流電圧変換装置８０を使用する場合（直流電圧変換装置８０を例えば車に搭載する場合）、その環境温度が室温よりも低温になれば、上記第１の要因に示すように第１コンデンサの温度が室温よりも低温になる。すると、第１コンデンサの静電容量は、室温時の静電容量よりも減少する。これにより、第１コンデンサの周辺素子（リアクトルＬ、スイッチング素子ＳやダイオードＤなど）に、過電圧が印加され、過電流が流れる虞がある。よって、その環境温度が低温となっても周辺素子に過電圧の印加および過電流の流入を抑制するための制御が必要であり、その制御は非常に複雑である。
【００５８】
さらに、第１コンデンサでは、上述のように温度ｔ０以下ではその静電容量が温度に対して線形応答を示さなくなり、その結果、その静電容量の制御が複雑になるとともに、昇圧性能および降圧性能の低下を招来してしまう。
【００５９】
従来の直流電圧変換装置８０が第２コンデンサのみを備えている場合、第２コンデンサの静電容量は、高温時には小さくなり、さらには、温度に対して線形応答を示さなくなる場合がある。そのため、高温時に最適な静電容量値を示すように第２コンデンサを設計すると、常温における静電容量値が大きくなってしまう。一般に、静電容量が大きなコンデンサは、静電容量が小さいコンデンサに比べて、製造が困難であり、さらにはコンデンサの大型化および高コスト化を招来してしまう。
【００６０】
また、コンデンサの静電容量を大きくするためには、静電容量の小さなコンデンサを並列接続してモジュール化するという技術があるが、この技術を用いても、並列接続されたコンデンサ間の配線インダクタンスなどが発生してしまい、その結果、装置の周波数特性の低下を招来してしまう。
【００６１】
以上のように、環境温度範囲の広い雰囲気中において従来の直流電圧変換装置８０を使用する場合には、制御等が非常に複雑となり、装置の性能低下を招来してしまう。
【００６２】
さらに、従来の直流電圧変換装置８０では、装置の小型化を図るために、コンデンサＣは図１４（ａ）および（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＳおよびダイオードＤの上部に配置されている。しかし、上述の第２の要因に示すように、直流電圧変換装置８０の動作によりスイッチング素子Ｓは発熱する。よって、従来の直流電圧変換装置８０が第１コンデンサを備えている場合には、温度変化による静電容量の変化を制御するための制御回路を厳密に設計しなければならない。また、従来の直流電圧変換装置８０が第２コンデンサを備えている場合には、高温時における静電容量の減少を考慮してコンデンサを設計しなければならず、上述のように大型化および高コスト化を招来してしまう。
【００６３】
しかしながら、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、上記説明したように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の温度が上昇もしくは下降しても、その合成静電容量は略同一の値を示す。そのため、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、従来の直流電圧変換装置８０とは異なり、複雑な制御プログラムを用いて温度変化によるコンデンサの静電容量の変化を制御しなくてもよく、また、温度変化に伴う過電圧などの発生を抑制するように回路を設計しなくてもよく、モジュール化による配線インダクタンスの発生を抑制するように回路を設計しなくてもよい。すなわち、複雑な制御回路を用いて制御しなくても、温度変化によるコンデンサの静電容量の増減を相殺することができ、装置の昇圧性能および降圧性能の低下を抑制することができる。
【００６４】
また、本実施形態にかかる直流電圧変換装置１０では、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がワイドバンドギャップ型半導体素子からなるので、直流電圧変換装置１０を高温状態で、かつ高速スイッチング動作させ、昇降圧動作することが可能となり、リアクトルＬと、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とを大幅に小型化することができる。ゆえに、各構成部品の配置及び形状の自由度が向上し、さらなる特性の向上を図ることができる。
【００６５】
《発明の実施形態２》
図６は、実施形態２にかかる直流電圧変換装置２０を構成する部品の配置を示す図である。
【００６６】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置２０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とがいずれも冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に詳細に示す。
【００６７】
上記実施形態１に記載のように、第１コンデンサＣ１の静電容量は、高温側では温度上昇に伴い線形的に増加するが、低温側では温度下降に伴い非線形的に減少する虞がある。一方、第２コンデンサＣ２の静電容量は、低温側では温度下降に伴い線形的に増加するが、高温側では温度上昇に伴い非線形的に減少する虞がある。よって、第１コンデンサＣ１は高温側で使用されることが好ましく、第２コンデンサＣ２は低温側で使用されることが好ましい。そのため、第１コンデンサＣ１が第２コンデンサＣ２よりも若干高温となるように、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ配置されることが好ましい。
【００６８】
一般に、直流電圧変換装置を動作させると、上記実施形態１にも記載のように第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が熱を発する。そのため、その熱が第２コンデンサＣ２よりも第１コンデンサＣ１に優先的に伝達されるように第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ冷却媒体Ｈに配置されれば、第１コンデンサＣ１が第２コンデンサＣ２よりも若干高温となる。すなわち、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２に比べて、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に近い位置に配置されていることが好ましく、本実施形態では、冷却媒体Ｈにおいて、第２コンデンサＣ２に対して第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とは反対側に配置されている。
【００６９】
以下では、従来の直流電圧変換装置８０と本実施形態にかかる直流電圧変換装置２０との差異を説明する。
【００７０】
従来の直流電圧変換装置８０では、上記実施形態１および図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、装置のコンパクト化を図るために、コンデンサＣがスイッチング素子Ｓの近傍に配置される場合が多い。しかし、そのコンデンサＣが第１コンデンサであれば、温度変化による静電容量の変化を考慮した制御が複雑となる。また、そのコンデンサＣが第２コンデンサであれば、スイッチング素子の発熱による容量低下を考慮し、余分なマージンをとらなければならない。
【００７１】
一方、本実施形態にかかる直流電圧変換装置２０では、第１コンデンサＣ１が第２コンデンサＣ２よりも第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の近くに配置されているので、第１コンデンサＣ１を第２コンデンサＣ２よりも高温とすることができる。よって、本実施形態における配置では、第１コンデンサＣ１におけるデメリット（その静電容量が低温側では温度変化に対して線形的に増減しないこと）を補いながら、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００７２】
なお、冷却媒体Ｈは、自然空冷、ファンを利用した強制空冷、あるいは内部に冷却水を利用した水冷、などの冷却機能を有する。
【００７３】
《発明の実施形態３》
図７は、実施形態３にかかる直流電圧変換装置３０を構成する部品の配置を示す図である。
【００７４】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置３０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、上記実施形態２と同じく、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とは冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に詳細に示す。
【００７５】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置３０では、上記実施形態２と同じく、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の近くに配置されている。具体的には、冷却媒体Ｈの上に第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が互いに隣接して設けられており、その上に、コンデンサモジュールＣＭが配置されている。このコンデンサモジュールＣＭは、第１コンデンサＣ１を複数に分割し、平面上にモジュール化したものである。また、第２コンデンサＣ２は、冷却媒体Ｈの上に設けられており、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から離れた位置に配置されている。このような配置により、直流電圧変換装置３０の動作により第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２において生じた熱は、第２コンデンサＣ２よりもコンデンサモジュールＣＭへ優先的に伝達され、各第１コンデンサＣ１にまんべんなく伝達される。これにより、上記実施形態２と同じく、各第１コンデンサＣ１を第２コンデンサＣ２よりも高温とすることができる。よって、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００７６】
《発明の実施形態４》
図８は、実施形態４にかかる直流電圧変換装置４０を構成する部品の配置を示す図である。
【００７７】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置４０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、上記実施形態２と同じく、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とは冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に具体的に示す。
【００７８】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置４０では、上記実施形態２と同じく、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２寄りに配置されている。具体的には、冷却媒体Ｈの上には順に、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ２とが配置されている。このように配置すると、直流電圧変換装置４０の動作により第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２において生じた熱は、上記実施形態２と同じく、第２コンデンサＣ２よりも第１コンデンサＣ１へ優先的に伝達される。その結果、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも高温となる。よって、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００７９】
《発明の実施形態５》
図９は、実施形態５にかかる直流電圧変換装置５０を構成する部品の配置を示す図である。
【００８０】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置５０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０の構成に加えて冷却経路５１を備えている。また、上記実施形態２と同じく、リアクトルＬと、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２とは冷却媒体Ｈの上に配置されている。以下に具体的に示す。
【００８１】
本実施形態にかかる冷却経路５１は、冷媒を図７に示す矢印の方向に流すように構成されており、冷媒は、水や油などの液体であっても、空気などの気体であっても構わない。そして、冷媒経路Ｒの上流から下流へ向かう方向に順に、第２コンデンサＣ２と、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１コンデンサＣ１とが配置されている。このように配置すると、第２コンデンサＣ２は、冷媒により一番最初に冷却されるため、充分に冷却される。一方、上記実施形態１に記載のように直流電圧変換装置５０が動作すると第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２において熱が生じるので、第１コンデンサＣ１にはその熱により若干暖められた冷媒が通過する。その結果、第１コンデンサＣ１は、上記実施形態２と同じく、第２コンデンサＣ２よりも高温となる。よって、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００８２】
《発明の実施形態６》
図１０は、実施形態６にかかる直流電圧変換装置６０を構成する部品の配置を示す図である。
【００８３】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置６０は、上記実施形態１にかかる直流電圧変換装置１０と略同一の構成を有しているが、上記実施形態２とは異なり第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とは相異なる冷却媒体に設けられている。以下に具体的に示す。
【００８４】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置６０は、第１および第２の冷却媒体Ｈ１，Ｈ２を備えている。第１の冷却媒体Ｈ１には、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、第１コンデンサＣ１とが設けられており、第２の冷却媒体Ｈ２には、リアクトルＬと、第２コンデンサＣ２とが設けられている。そして、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２とは、熱的に分離されている。そのため、第１の冷却媒体Ｈ１で発生した熱が第２の冷却媒体Ｈ２へ伝達されないので、直流電圧変換装置６０の動作により第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が発した熱は第１コンデンサＣ１に伝達されるが、その熱は第２コンデンサＣ２には伝達されない。よって、上記実施形態２と同じく、第１コンデンサＣ１は、第２コンデンサＣ２よりも高温となる。これにより、温度変化による第１コンデンサＣ１の静電容量の変化量を、温度変化による第２コンデンサＣ２の静電容量の変化量でもって確実に相殺することができる。
【００８５】
なお、本実施形態において熱的に分離されているとは、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２との間で熱のやりとりが行われないことを意味する。具体的には、熱的に分離されているとは、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２とが互いに物理的に接触していないことを意味し、また、第１の冷却媒体Ｈ１と第２の冷却媒体Ｈ２とが他の部材を介して連結されていないことを意味する。さらには、直流電圧変換装置６０が、第１の冷却媒体Ｈ１で発生した熱を第２の冷却媒体Ｈ２へ伝達させる伝達手段や上記実施形態５における冷却経路を有していないことを意味する。
【００８６】
また、第１の冷却媒体Ｈ１および第２の冷却媒体Ｈ２はどちらも、上記実施形態２等における冷却媒体Ｈと同じように、自然空冷、ファンを利用した強制空冷、あるいは内部に冷却水を利用した水冷、などの冷却機能を有する。
【００８７】
《発明の実施形態７》
図１１は、実施形態７にかかる直流電圧変換装置７０を構成する部品の配置を示す図である。
【００８８】
本実施形態にかかる直流電圧変換装置７０は、上記実施形態１の直流電圧変換装置１０の構成に加えて、検出手段ＣＴおよび制御手段ＧＴを有している。以下に具体的に示す。
【００８９】
検出手段ＣＴは、第１コンデンサＣ１の温度を検出し、検出した温度に基づいてコンデンサ温度信号ＣＴＳを出力する。
【００９０】
制御手段ＧＴは、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング動作を制御するゲート信号ＧＴＳ１，ＧＴＳ２を出力するとともに、コンデンサ温度信号ＣＴＳに応じて第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング動作を制御する。具体的には、第１コンデンサＣ１の温度が所定温度以下であるとき（具体的には図５に示す温度ｔ０以下であるとき）、制御手段ＧＴは、第１および第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオフ状態を維持する。
【００９１】
以上説明したように、第１コンデンサＣ１の温度が所定温度以下であれば、本実施形態にかかる直流電圧変換装置７０は昇圧動作および降圧動作を行わない。よって、直流電圧変換装置７０からの出力を確実に安定させることができる。
【００９２】
なお、本実施形態において、所定温度は、第１コンデンサＣ１の静電容量が温度に対して線形応答を示す下限の温度である。
【００９３】
また、本実施形態にかかる直流電圧変換装置７０の各構成要素の配置は、上記実施形態２乃至７の何れかの実施形態に記載の配置であることが好ましい。
【００９４】
《その他の実施形態》
上記実施形態１乃至７において、以下の構成を有していても良い。
【００９５】
第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の具体例は上記実施形態１に記載の具体例に限定されることはなく、温度変化に対する静電容量変化の傾向が逆であれば、如何なるものでも構わない。また、直流電圧変換装置は、コンデンサＣ３以外に３つ以上のコンデンサを備えていてもよく、その場合であっても、温度変化により、その合成静電容量が略一定の値を示していればよい。
【００９６】
スイッチング素子は、炭化珪素からなるとしたが、炭化珪素以外のワイドバンドギャップ型半導体（例えば、ＣやＧａＮ）からなってもよく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。
【００９７】
また、スイッチング素子にダイオードが並列接続されている構成を示したが、スイッチング素子にダイオードが内蔵されている構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の直流電圧変換装置は、安定した昇圧動作を実現できるため、ハイブリッド電気自動車もしくは燃料電池やリチウム電池や鉛電池やニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどを搭載した電気自動車の車載電源、エレベータの電源、等々に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】実施形態１に係る直流電圧変換装置を示す回路図
【図２】昇圧動作時における直流電圧変換装置の等価回路図
【図３】図１の実施形態に使用される駆動パルスのチョッパ周期の波形図
【図４】降圧動作時における直流電圧変換装置の等価回路図
【図５】第１および第２コンデンサの静電容量の温度依存性を模式的に示すグラフ図
【図６】実施形態２に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図７】実施形態３に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図８】実施形態４に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図９】実施形態５に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図１０】実施形態６に係る直流電圧変換装置を示す構成図
【図１１】実施形態７に係る直流電圧変換装置を示す回路図
【図１２】従来の直流電圧変換装置を示す回路図
【図１３】図１２に示す回路に使用される駆動パルスのチョッパ周期の波形図
【図１４】（ａ）は従来の直流電圧変換装置を示す斜視図、（ｂ）はその正面図
【符号の説明】
【０１００】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 直流電圧変換装置
１，４ ソース端子
２，５ ドレイン端子
３，６ ゲート端子
５１ 冷却経路
Ｂ 直流電源
Ｃ コンデンサ
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
ＣＭ コンデンサモジュール
Ｄ ダイオード
Ｄ１ 第１ダイオード（第２のダイオード）
Ｄ２ 第２ダイオード（ダイオード）
Ｈ 冷却媒体
Ｈ１ 第１の冷却媒体
Ｈ２ 第２の冷却媒体
ＩＮＶ インバータ
Ｌ リアクトル
ＭＯＴ モータ
Ｒ 負荷
Ｓ スイッチング素子
Ｓ１ 第１スイッチング素子（スイッチング素子）
Ｓ２ 第２スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
ＣＴ 検出手段
ＧＴ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を変換する直流電圧変換装置であって、
直流電源と、
前記直流電源の正極側に接続されたリアクトルと、
ソース端子が前記直流電源の負極側に接続され、ドレイン端子が前記リアクトルに接続されたスイッチング素子と、
陽極端子が前記リアクトルと前記スイッチング素子の前記ドレイン端子との間に接続されたダイオードと、
一方の端部が前記直流電源の負極と前記スイッチング素子の前記ソース端子との間に接続されているとともに他方の端部が前記ダイオードの陰極端子に接続されており、各々が並列接続された複数のコンデンサと
を備え、
前記複数のコンデンサは、温度上昇により静電容量が増加する第１コンデンサと、温度上昇により静電容量が減少する第２コンデンサとを含んでおり、
前記第１および前記第２コンデンサでは、温度が変化すると、当該温度変化に対する静電容量の変化量が相殺されることを特徴とする直流電圧変換装置。
【請求項２】
前記第１コンデンサは、前記第２コンデンサよりも、前記スイッチング素子寄りに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項３】
前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサおよび前記スイッチング素子は、同一平面上に配置されており、
前記第１コンデンサは、前記スイッチング素子と前記第２コンデンサとの間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換装置。
【請求項４】
前記第１コンデンサは、前記スイッチング素子に接するように当該スイッチング素子の上に配置されており、モジュール化されている一方、
前記第２コンデンサは、前記スイッチング素子と同一平面上であって当該スイッチング素子から離れた位置に、配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換装置。
【請求項５】
前記第１コンデンサは、前記スイッチング素子に接するように当該スイッチング素子の上に配置されており、
前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサに接するように当該第１コンデンサの上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサに冷媒を流すための冷媒経路をさらに備えており、
前記冷却経路の上流から下流へ向かって、前記第２コンデンサ、前記スイッチング素子および前記第１コンデンサが順に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項７】
前記第１コンデンサおよび前記スイッチング素子を実装する第１の冷却媒体と、
前記第２コンデンサを実装する第２の冷却媒体とをさらに備えており、
前記第１の冷却媒体と前記第２の冷却媒体との間においては、熱の移動が阻止されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項８】
前記第１コンデンサの温度を検出する検出手段と、
前記検出手段において前記第１コンデンサの温度が所定温度以下であるときには、前記スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ切り換えることを抑制する制御手段と
をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項９】
前記ダイオードに並列に接続されており、ソース端子が当該ダイオードの陽極端子に接続されているとともにドレイン端子が当該ダイオードの陰極端子に接続された第２のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子に並列に接続されており、陽極端子が当該スイッチング素子のソース端子に接続されているとともに陰極端子が当該スイッチング素子のドレイン端子に接続された第２のダイオードと
をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項１】
直流電圧を変換する直流電圧変換装置であって、
直流電源と、
前記直流電源の正極側に接続されたリアクトルと、
ソース端子が前記直流電源の負極側に接続され、ドレイン端子が前記リアクトルに接続されたスイッチング素子と、
陽極端子が前記リアクトルと前記スイッチング素子の前記ドレイン端子との間に接続されたダイオードと、
一方の端部が前記直流電源の負極と前記スイッチング素子の前記ソース端子との間に接続されているとともに他方の端部が前記ダイオードの陰極端子に接続されており、各々が並列接続された複数のコンデンサと
を備え、
前記複数のコンデンサは、温度上昇により静電容量が増加する第１コンデンサと、温度上昇により静電容量が減少する第２コンデンサとを含んでおり、
前記第１および前記第２コンデンサでは、温度が変化すると、当該温度変化に対する静電容量の変化量が相殺されることを特徴とする直流電圧変換装置。
【請求項２】
前記第１コンデンサは、前記第２コンデンサよりも、前記スイッチング素子寄りに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項３】
前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサおよび前記スイッチング素子は、同一平面上に配置されており、
前記第１コンデンサは、前記スイッチング素子と前記第２コンデンサとの間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換装置。
【請求項４】
前記第１コンデンサは、前記スイッチング素子に接するように当該スイッチング素子の上に配置されており、モジュール化されている一方、
前記第２コンデンサは、前記スイッチング素子と同一平面上であって当該スイッチング素子から離れた位置に、配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換装置。
【請求項５】
前記第１コンデンサは、前記スイッチング素子に接するように当該スイッチング素子の上に配置されており、
前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサに接するように当該第１コンデンサの上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサに冷媒を流すための冷媒経路をさらに備えており、
前記冷却経路の上流から下流へ向かって、前記第２コンデンサ、前記スイッチング素子および前記第１コンデンサが順に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項７】
前記第１コンデンサおよび前記スイッチング素子を実装する第１の冷却媒体と、
前記第２コンデンサを実装する第２の冷却媒体とをさらに備えており、
前記第１の冷却媒体と前記第２の冷却媒体との間においては、熱の移動が阻止されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項８】
前記第１コンデンサの温度を検出する検出手段と、
前記検出手段において前記第１コンデンサの温度が所定温度以下であるときには、前記スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ切り換えることを抑制する制御手段と
をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【請求項９】
前記ダイオードに並列に接続されており、ソース端子が当該ダイオードの陽極端子に接続されているとともにドレイン端子が当該ダイオードの陰極端子に接続された第２のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子に並列に接続されており、陽極端子が当該スイッチング素子のソース端子に接続されているとともに陰極端子が当該スイッチング素子のドレイン端子に接続された第２のダイオードと
をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の直流電圧変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−６１４７２（Ｐ２００８−６１４７２Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３８７３６（Ｐ２００６−２３８７３６）
【出願日】平成１８年９月４日（２００６．９．４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月４日（２００６．９．４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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