JP5987850B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた、電力変換装置に関する。

従来のこの種の装置として、例えば、特開２００３−１６４１４６号公報に開示されたものが知られている。かかる従来の装置においては、同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータが、複数並列接続された構成を有している。

特開２００３−１６４１４６号公報

一方、特開２０１３−９０５１７号公報に記載されているように、ダイオード整流型のＤＣ／ＤＣコンバータが複数並列接続された構成を有しているものも知られている。これに対し、上述した従来の装置（特開２００３−１６４１４６号公報等参照）によれば、回路構成が複雑化して装置コストが上昇するものの、より高い変換効率が得られる。

しかしながら、上述した従来の装置においては、各ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側における電流の逆流に起因する、故障（スイッチング素子の破損）等の諸問題を解決するために、さらに付加的な回路構成が設けられている。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。

本発明の電力変換装置は、
第一のトランスと、前記第一のトランスの一次側に設けられた第一の一次側回路と、スイッチング素子と当該スイッチング素子の入力端子と出力端子との間に接続されたフリーホイールダイオードとの組を複数組備えることで同期整流動作及びダイオード整流動作可能に構成された回路であって前記第一のトランスの二次側に設けられた第一の二次側回路と、を備えた、第一のＤＣ／ＤＣコンバータと、
第二のトランスと、前記第二のトランスの一次側に設けられた第二の一次側回路と、互いに並列に設けられた複数の整流ダイオードを備えることで常時ダイオード整流動作するように構成された回路であって前記第二のトランスの二次側に設けられた第二の二次側回路と、を備えた、第二のＤＣ／ＤＣコンバータと、
を備えたことを特徴とする。

かかる構成を備えた、本発明の前記電力変換装置においては、前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータは、同期整流動作とダイオード整流動作とが切り換え可能に構成された、いわゆる同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータである。一方、前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータは、常時ダイオード整流動作するように構成された、いわゆるダイオード整流型のＤＣ／ＤＣコンバータである。

ここで、本発明の前記電力変換装置においては、上述のように、同期整流型の前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータと、ダイオード整流型の前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータとが、並列に接続されている。かかる構成によれば、可及的に簡略な回路構成により、変換効率及び信頼性の向上を実現することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を備えた電力システムの概略的な回路構成を示す図。 図１に示されている電力変換装置による動作の一例を説明するためのタイムチャート。 図１に示されている電力変換装置による動作の一例を説明するためのグラフ。 従来技術の電力変換装置による動作の一例を説明するためのタイムチャート。 従来技術の電力変換装置による動作の一例を説明するためのグラフ。

以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、変形例（上述の一実施形態に対して施され得る変更の例示）は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜電力システムの全体構成＞
図１に示されている電力システム１０は、いわゆる「ハイブリッド自動車」等の電動車両に搭載されている。この電力システム１０は、高圧バッテリ１１と、電力変換装置１２と、低圧バッテリ１３と、車載負荷１４と、車両ＥＣＵ１５（ＥＣＵは“Electric Control Unit”の略）と、を備えている。

高圧バッテリ１１は、直流電源を構成する二次電池（例えばリチウムイオン蓄電池等）であって、低圧バッテリ１３の出力電圧よりも高い所定電圧（例えば２８８Ｖ）を出力可能に構成されている。電力変換装置１２は、高圧バッテリ１１が出力した上述の高電圧の直流電力を、所定の低電圧（例えば１２Ｖ）の直流電力に変換可能に設けられている。

電力変換装置１２は、互いに並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータとしての、第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２を備えている。すなわち、第一コンバータ２１における高圧側入力端子Ｔ１１は、高圧バッテリ１１における高圧側端子（正極側端子）に接続されている。また、第一コンバータ２１における低圧側入力端子Ｔ１２は、高圧バッテリ１１における低圧側端子（負極側端子）に接続されている。同様に、第二コンバータ２２における高圧側入力端子Ｔ２１は、高圧バッテリ１１における高圧側端子に接続されている。また、第二コンバータ２２における低圧側入力端子Ｔ２２は、高圧バッテリ１１における低圧側端子に接続されている。

電力変換装置１２（本実施形態においては第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２の並列接続体）における出力側には、低圧バッテリ１３、車載負荷１４及び車両ＥＣＵ１５が並列に接続されている。すなわち、低圧バッテリ１３、車載負荷１４及び車両ＥＣＵ１５における高圧側端子には、第一コンバータ２１における高圧側出力端子Ｔ１３と第二コンバータ２２における高圧側出力端子Ｔ２３とが接続されている。同様に、低圧バッテリ１３、車載負荷１４及び車両ＥＣＵ１５における低圧側端子には、第一コンバータ２１における低圧側出力端子Ｔ１４と第二コンバータ２２における低圧側出力端子Ｔ２４とが接続されている。

低圧バッテリ１３は、直流電源を構成する二次電池（例えば鉛蓄電池等）であって、高圧バッテリ１１の出力電圧よりも低い所定電圧（例えば１２Ｖ）を出力可能に構成されている。車載負荷１４は、上述の電動車両に搭載された電気機器（空調装置、オーディオ装置、照明装置、等。）であって、電力変換装置１２及び／又は低圧バッテリ１３の出力によって駆動されるように設けられている。

車両ＥＣＵ１５は、上述の電動車両の各部（電力変換装置１２及び車載負荷１４を含む）の動作を統括的に制御する電子制御ユニットであって、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＣＰＵを含むマイクロコンピュータを内部に備えている。この車両ＥＣＵ１５は、低圧バッテリ１３からの電源供給を受けて動作するように設けられている。すなわち、車両ＥＣＵ１５は、上述の電動車両の運転状態に基づいて電力変換装置１２における出力電圧Ｖｏの指令値を算出し、この指令値を電力変換装置１２に向けて出力するようになっている。

＜電力変換装置の構成＞
以下、本実施形態における電力変換装置１２の構成について、より詳細に説明する。本実施形態においては、本発明の「第一のＤＣ／ＤＣコンバータ」に相当する第一コンバータ２１は、第二コンバータ２２よりも上位の「マスタコンバータ」として動作するように構成されている。一方、本発明の「第二のＤＣ／ＤＣコンバータ」に相当する第二コンバータ２２は、第一コンバータ２１に従属する「スレーブコンバータ」として動作するように構成されている。

すなわち、第一コンバータ２１は、制御入力端子Ｔ１５と制御出力端子Ｔ１６とを有している。制御入力端子Ｔ１５は、車両ＥＣＵ１５から出力された各種の制御信号（上述の指令値を含む）が入力されるように設けられている。制御出力端子Ｔ１６は、第二コンバータ２２に対して各種の制御信号を出力するように設けられている。また、第二コンバータ２２は、制御入力端子Ｔ２５を有している。制御入力端子Ｔ２５は、第一コンバータ２１における制御出力端子Ｔ１６に接続されている。

第一コンバータ２１は、いわゆる絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、トランス３０と、一次側回路３１と、二次側回路３２と、制御回路４１と、を備えている。なお、第一コンバータ２１におけるトランス３０は、本発明の「第一のトランス」に相当するものである。同様に、第一コンバータ２１における一次側回路３１は、本発明の「第一の一次側回路」に相当するものである。また、第一コンバータ２１における二次側回路３２は、本発明の「第一の二次側回路」に相当するものである。

第二コンバータ２２も、いわゆる絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、第一コンバータ２１とほぼ同様の構成を有している。すなわち、第二コンバータ２２は、トランス３０と、一次側回路３１と、二次側回路３２と、制御回路４２と、を備えている。なお、第二コンバータ２２におけるトランス３０は、本発明の「第二のトランス」に相当するものである。同様に、第二コンバータ２２における一次側回路３１は、本発明の「第二の一次側回路」に相当するものである。また、第二コンバータ２２における二次側回路３２は、本発明の「第二の二次側回路」に相当するものである。

以下、第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２における内部の回路構成について詳述する。本実施形態においては、第一コンバータ２１におけるトランス３０と、第二コンバータ２２におけるトランス３０とは、同様の構成を有している。そして、第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２において、一次側回路３１は、トランス３０の一次側に設けられている。また、二次側回路３２は、トランス３０の二次側に設けられている。すなわち、トランス３０における一次側コイル３０１は、一次側回路３１に接続されている。また、トランス３０における二次側コイル３０２は、二次側回路３２に接続されている。

第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２における一次側回路３１は、いわゆるフルブリッジ回路であって、４つのスイッチング素子３１１〜３１４を備えている。本実施形態においては、第一コンバータ２１における一次側回路３１と、第二コンバータ２２における一次側回路３１とは、同様の構成を有している。

すなわち、第一コンバータ２１においては、高電位（上アーム）側のスイッチング素子３１１及び３１２における入力端子は、高圧側入力端子Ｔ１１を介して、高圧バッテリ１１における高圧側端子に接続されている。また、低電位（下アーム）側のスイッチング素子３１３及び３１４における出力端子は、低圧側入力端子Ｔ１２を介して、高圧バッテリ１１における低圧側端子に接続されている。

同様に、第二コンバータ２２においては、高電位側のスイッチング素子３１１及び３１２における入力端子は、高圧側入力端子Ｔ２１を介して、高圧バッテリ１１における高圧側端子に接続されている。また、低電位側のスイッチング素子３１３及び３１４における出力端子は、低圧側入力端子Ｔ２２を介して、高圧バッテリ１１における低圧側端子に接続されている。

さらに、第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２において、互いに直列接続されたスイッチング素子３１１とスイッチング素子３１３との間の接続部は、一次側コイル３０１における一端に接続されている。また、互いに直列接続されたスイッチング素子３１２とスイッチング素子３１４との間の接続部は、一次側コイル３０１における他端に接続されている。

なお、図１に示されているように、本実施形態においては、スイッチング素子３１１〜３１４として、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが用いられているものとする。また、各スイッチング素子３１１〜３１４において、入力端子（ドレイン）と出力端子（ソース）との間には、図示しないフリーホイールダイオードが接続されているものとする（このフリーホイールダイオードは、スイッチング素子３１１等における寄生ダイオードであってもよいし、スイッチング素子３１１に対して外付けされたものであってもよい。）。

第一コンバータ２１における二次側回路３２と、第二コンバータ２２における二次側回路３２とは、それぞれ異なる構成を有している。すなわち、第一コンバータ２１における二次側回路３２は、同期整流素子３２１（スイッチング素子３２１ａ及びフリーホイールダイオード３２１ｂを含む）と、同期整流素子３２２（スイッチング素子３２２ａ及びフリーホイールダイオード３２２ｂを含む）と、平滑回路３２３（リアクトル３２３ａ及びコンデンサ３２３ｂを含む）と、を備えている。これに対し、第二コンバータ２２における二次側回路３２は、平滑回路３２３（同上）と、整流ダイオード３２４及び３２５と、を備えている。

第一コンバータ２１において、同期整流素子３２１は、上述のように、スイッチング素子３２１ａと、フリーホイールダイオード３２１ｂと、を有している。スイッチング素子３２１ａは、本実施形態においては、ＮチャネルＭＯＳトランジスタであって、入力端子（ドレイン）が二次側コイル３０２における一端に接続されている。フリーホイールダイオード３２１ｂは、スイッチング素子３２１ａにおける入力端子と出力端子（ソース）との間に接続されている。なお、このフリーホイールダイオード３２１ｂは、寄生ダイオードであってもよいし、外付けされたものであってもよい。また、二次側コイル３０２におけるセンタータップＣは、グラウンドラインＧＬに接続されている。グラウンドラインＧＬは、低圧側出力端子Ｔ１４に接続されている。

同様に、同期整流素子３２２も、上述のように、スイッチング素子３２２ａと、フリーホイールダイオード３２２ｂと、を有している。スイッチング素子３２２ａは、本実施形態においては、ＮチャネルＭＯＳトランジスタであって、入力端子が二次側コイル３０２における他端に接続されている。フリーホイールダイオード３２２ｂは、スイッチング素子３２２ａにおける入力端子と出力端子との間に接続されている。このフリーホイールダイオード３２２ｂも、寄生ダイオードであってもよいし、外付けされたものであってもよい。

平滑回路３２３は、いわゆるＬＣフィルタであって、上述のように、リアクトル３２３ａとコンデンサ３２３ｂとを備えている。第一コンバータ２１において、リアクトル３２３ａにおける一端は、スイッチング素子３２１ａ及び３２２ａにおける出力端子に接続されている。また、リアクトル３２３ａにおける他端は、高圧側出力端子Ｔ１３に接続されている。コンデンサ３２３ｂは、リアクトル３２３ａにおける上述の他端とグラウンドラインＧＬとの間に設けられている。

すなわち、第一コンバータ２１には、スイッチング素子３２１ａとフリーホイールダイオード３２１ｂとの組である同期整流素子３２１と、スイッチング素子３２２ａとフリーホイールダイオード３２２ｂとの組である同期整流素子３２１と、が備えられている。これにより、第一コンバータ２１は、２つの整流モード（同期整流動作及びダイオード整流動作）を実現可能に構成されている。

第二コンバータ２２において、整流ダイオード３２４におけるアノードは、二次側コイル３０２における一端に接続されている。整流ダイオード３２５におけるアノードは、二次側コイル３０２における他端に接続されている。整流ダイオード３２４におけるカソードと、整流ダイオード３２５におけるカソードとは、互いに短絡されている。また、二次側コイル３０２におけるセンタータップＣは、グラウンドラインＧＬに接続されている。グラウンドラインＧＬは、低圧側出力端子Ｔ２４に接続されている。

第二コンバータ２２において、リアクトル３２３ａにおける一端は、整流ダイオード３２４及び３２５におけるカソードに接続されている。また、リアクトル３２３ａにおける他端は、高圧側出力端子Ｔ２３に接続されている。コンデンサ３２３ｂは、リアクトル３２３ａにおける上述の他端とグラウンドラインＧＬとの間に設けられている。

すなわち、第二コンバータ２２には、互いに並列に設けられた一対の整流ダイオード３２４，３２５が備えられている。これにより、第二コンバータ２２には、常時ダイオード整流動作するように構成されている。

第一コンバータ２１及び第二コンバータ２２において、一次側回路３１には、入力電圧センサ３５１と入力電流センサ３５２とが設けられている。入力電圧センサ３５１は、一次側回路３１における入力側の端子間電圧（入力電圧）に対応する出力を生じるように設けられている。入力電流センサ３５２は、いわゆるカレントトランスであって、一次側回路３１に流入する電流（入力電流）に対応する出力を生じるように設けられている。また、二次側回路３２には、出力電圧センサ３５３が設けられている。出力電圧センサ３５３は、二次側回路３２における端子間電圧（出力電圧）に対応する出力を生じるように設けられている。

すなわち、第一コンバータ２１においては、入力電圧センサ３５１は、高圧側入力端子Ｔ１１と低圧側入力端子Ｔ１２との間の端子間電圧に対応する出力を生じるように設けられている。入力電流センサ３５２は、高圧側入力端子Ｔ１１とスイッチング素子３１１における入力端子との間に介装されている。出力電圧センサ３５３は、高圧側出力端子Ｔ１３と低圧側出力端子Ｔ１４との間の端子間電圧に対応する出力を生じるように設けられている。

同様に、第二コンバータ２２においては、入力電圧センサ３５１は、高圧側入力端子Ｔ２１と低圧側入力端子Ｔ２２との間の端子間電圧に対応する出力を生じるように設けられている。入力電流センサ３５２は、高圧側入力端子Ｔ２１とスイッチング素子３１１における入力端子との間に介装されている。出力電圧センサ３５３は、高圧側出力端子Ｔ２３と低圧側出力端子Ｔ２４との間の端子間電圧に対応する出力を生じるように設けられている。

制御回路４１及び４２は、車両ＥＣＵ１５よりも下位のＥＣＵであって、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＣＰＵを含むマイクロコンピュータを内部に備えている。ＲＯＭには、電力システム１０の動作を制御するための制御プログラム及びこれを実行する際に参照されるマップ（ルックアップテーブル）等が予め格納されている。ＲＡＭは、ＣＰＵが上述の制御プログラムを実行する際にデータを一時的に格納可能に設けられている。ＣＰＵは、上述の制御プログラムを実行することで、各種の制御信号を生成及び出力するように設けられている。

制御回路４１は、第一コンバータ２１における一次側回路３１に備えられたスイッチング素子３１１〜３１４の動作を制御するように設けられている。また、制御回路４１は、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの動作を制御するように設けられている。

すなわち、本実施形態においては、制御回路４１は、第一コンバータ２１における入力電圧と入力電流と出力電圧とに加えて、制御入力端子Ｔ１５を介して車両ＥＣＵ１５から受け取った出力電圧指令値Ｖｃに基づいて、各種の制御信号を生成及び出力するように構成されている。この「各種の制御信号」には、例えば、第一コンバータ２１における一次側回路３１に備えられたスイッチング素子３１１〜３１４の制御端子（ゲート端子）に対する入力信号（以下単に「ＰＷＭ制御信号」と称する）、及び、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの制御端子（ゲート端子）に対する入力信号（以下単に「整流動作制御信号」と称する）が含まれている。

また、この「各種の制御信号」には、例えば、第二コンバータ２２に対する出力電圧指令値Ｖｃ２及び／又は出力電流指令値Ｉｃ２が含まれている。すなわち、制御回路４１は、第二コンバータ２２における出力目標値（出力電圧指令値Ｖｃ２及び／又は出力電流指令値Ｉｃ２）を設定して、かかる出力目標値を、制御出力端子Ｔ１６を介して第二コンバータ２２に送信するように設けられている。

制御回路４２は、第二コンバータ２２における入力電圧と入力電流と出力電圧とに加えて、制御入力端子Ｔ２５を介して制御回路４１から受け取った上述の出力目標値に基づいて、第二コンバータ２２におけるＰＷＭ制御信号（第二コンバータ２２における一次側回路３１に備えられたスイッチング素子３１１〜３１４の制御端子に対する入力信号）を生成及び出力するようになっている。

上述のように、本実施形態においては、制御回路４１は、第一コンバータ２１における一次側回路３１及び二次側回路３２の動作を制御するとともに、上述の出力目標値を第二コンバータ２２（制御回路４２）に入力することで第二コンバータ２２の動作を制御するようになっている。特に、本実施形態においては、制御回路４１は、第二コンバータ２２の出力停止状態から出力動作状態への移行に先立って、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの動作を停止させる（制御端子入力信号すなわちゲート信号をオフ状態とする）ことで第一コンバータ２１をダイオード整流動作させるようになっている。

＜動作＞
以下、本実施形態の構成における動作について説明する。

第一コンバータ２１における制御回路４１は、上述の電動車両の運転状態に基づいて車両ＥＣＵ１５により算出された出力電圧指令値Ｖｃを、制御入力端子Ｔ１５を介して車両ＥＣＵ１５から受け取る。また、制御回路４１は、入力電圧センサ３５１の出力に基づいて、第一コンバータ２１における入力電圧（以下「入力電圧Ｖｉ１」と称する）を取得する。同様に、制御回路４１は、入力電流センサ３５２の出力に基づいて、第一コンバータ２１における入力電流（以下「入力電流Ｉｉ１」と称する）を取得する。また、制御回路４１は、出力電圧センサ３５３の出力に基づいて、第一コンバータ２１における出力電圧（以下「出力電圧Ｖｏ１」と称する）を取得する。

すると、制御回路４１は、受け取った出力電圧指令値Ｖｃと、取得した入力電圧Ｖｉ１、入力電流Ｉｉ１、及び出力電圧Ｖｏ１と、に基づいて、第一コンバータ２１における上述のＰＷＭ制御信号及び整流動作制御信号、並びに第二コンバータ２２における出力目標値（出力電流指令値Ｉｃ２及び／又は出力電圧指令値Ｖｃ２）を生成する。

制御回路４１は、上述のＰＷＭ制御信号に基づいて、第一コンバータ２１における一次側回路３１に備えられた４つのスイッチング素子３１１〜３１４をＰＷＭ制御する。また、制御回路４１は、上述の整流動作制御信号に基づいて、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの動作を制御する。さらに、制御回路４１は、第二コンバータ２２における出力目標値（出力電流指令値Ｉｃ２及び／又は出力電圧指令値Ｖｃ２）を、制御出力端子Ｔ１６を介して第二コンバータ２２に出力する。

第二コンバータ２２における制御回路４２は、第一コンバータ２１における制御回路４１と同様にして、第二コンバータ２２における入力電圧、入力電流及び出力電圧（これらを以下「入力電圧Ｖｉ２」、「入力電流Ｉｉ２」及び「出力電圧Ｖｏ２」と称する。）を取得する。また、制御回路４２は、上述の出力目標値を、制御入力端子Ｔ２５を介して制御回路４１から受け取る。そして、制御回路４２は、入力電圧Ｖｉ２、入力電流Ｉｉ２及び出力電圧Ｖｏ２の取得値と、制御回路４１から受け取った出力目標値と、に基づいて、第二コンバータ２２におけるＰＷＭ制御信号を生成及び出力する。

ここで、本実施形態の構成における動作（図２及び図３参照）について、従来技術の構成（特開２００３−１６４１４６号公報等参照）における典型的な動作（図４及び図５参照）と対比しつつ説明する。なお、図２〜図５において、「Ｄｉ」はダイオード整流動作を示し、「ＳＲ」は同期整流動作を示すものとする。また、従来技術の構成においても、２台のＤＣ／ＤＣコンバータが互いに並列に接続されていて、一方がマスタコンバータであり他方がスレーブコンバータであるものとする。さらに、図３及び図５における「実使用領域」とは、常用域、すなわち、上述の電動車両の運転中に最も高頻度で生じる出力電流Ｉｏの領域をいうものとする。

図２及び図３を参照すると、本実施形態の構成においては、制御回路４１は、出力電流Ｉｏが所定の第一閾値電流（例えば１００Ａ程度）未満である場合には、第二コンバータ２２における出力電流指令値Ｉｃ２を「０」に設定する。これにより、マスタコンバータである第一コンバータ２１のみが出力動作し、スレーブコンバータである第二コンバータ２２の出力動作は停止する。かかる動作モード（出力モード）を、以下「単独出力モード」と称する。

一方、制御回路４１は、出力電流Ｉｏが上述の第一閾値電流以上である場合には、第二コンバータ２２における出力電流指令値Ｉｃ２を「Ｉｏ／２＝Ｉｏ１」に設定する。これにより、マスタコンバータである第一コンバータ２１と、スレーブコンバータである第二コンバータ２２とは、ともに同一の出力電流（Ｉｏ／２）を生じるように動作する。かかる動作モード（出力モード）を、以下「並列出力モード」と称する。

より詳細には、本実施形態においては、制御回路４１は、入力電流センサ３５２の出力に基づいて、第一コンバータ２１における入力電流Ｉｉ１をモニターしている。ここで、入力電流センサ３５２の出力に基づく入力電流Ｉｉ１の取得値を「Ｉｓ」とすると、単独出力モードにおいてはＩｏ＝Ｉｓ、並列出力モードにおいてはＩｏ＝２・Ｉｓ、とすることができる。また、制御回路４１は、上述のように出力電流指令値Ｉｃ２を設定している。すなわち、出力モードがいずれであるかは、制御回路４１によって設定されていることになる。このため、本実施形態の構成においては、上述の取得値Ｉｓ及び出力電流指令値Ｉｃ２に基づいて、電力変換装置１２の運転制御を行うことが可能である。

すなわち、例えば、電力システム１０の起動直後（すなわち上述の電動車両に設けられたイグニッションスイッチがオン操作された直後）であって出力電流Ｉｏが小さな値（例えば２０Ａ程度）である場合には、単独出力モード（Ｉｃ２＝０）であって、Ｉｏ＝Ｉｓである。その後、取得値Ｉｓが上述の第一閾値電流に達した時点で、当該取得値Ｉｓの半分の電流値に出力電流指令値Ｉｃ２が設定される。これにより、出力モードが並列出力モードとなる。このとき、Ｉｏ＝２・Ｉｓとなる。これに対し、並列出力モード（Ｉｃ２＞０）にて取得値Ｉｓが時間経過とともに低下していった場合、取得値Ｉｓが上述の第一閾値電流の半分の値未満となった時点で、出力電流指令値Ｉｃ２が「０」に設定される。このとき、Ｉｏ＝Ｉｓとなる。このようにして、第一コンバータ２１における入力電流Ｉｉ１の取得値Ｉｓを用いることで、出力電流Ｉｏそのものを検出することなく、出力電流Ｉｏに基づく運転切換制御が可能となる。

また、本実施形態の構成においては、制御回路４１は、単独出力モードにて、出力電流Ｉｏ（すなわち取得値Ｉｓ）が所定の第二閾値電流（例えば４０Ａ程度）未満である場合には、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの動作を停止させる（制御端子入力信号すなわちゲート信号をオフ状態とする）。これにより、第一コンバータ２１はダイオード整流動作する。

また、本実施形態の構成においては、制御回路４１は、単独出力モードにて、出力電流Ｉｏ（すなわち取得値Ｉｓ）が上述の第二閾値電流以上である場合には、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａを動作させる。これにより、第一コンバータ２１は同期整流動作する。

さらに、本実施形態の構成においては、制御回路４１は、出力電流Ｉｏの上昇に伴う単独出力モードから並列出力モードへの移行に先立って、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの動作を停止させる。これにより、出力電流Ｉｏの上昇に伴う単独出力モードから並列出力モードへの移行に際し、当該移行前に同期整流していた第一コンバータ２１は、第二コンバータ２２の動作開始に先立って、ダイオード整流動作に切り換えられる。

そして、制御回路４１は、並列出力モードにて、第一コンバータ２１における二次側回路３２に備えられたスイッチング素子３２１ａ及び３２２ａの動作を停止させる。これにより、第一コンバータ２１は、並列出力モードにおいては、常時ダイオード整流動作するように運転される。

図３において、「ηｍｓ＿ｄ」は、全ての出力電流領域にて、出力モードを並列出力モードとし且つ第一コンバータ２１と第二コンバータ２２とをともにダイオード整流動作させた場合（Ｉｏ１＝Ｉｏ２＝Ｉｏ／２）の変換効率を示すグラフである。また、「ηｍ＿ｄ」は、全ての出力電流領域にて、出力モードを単独出力モードとし且つ第一コンバータ２１をダイオード整流動作させた場合（Ｉｏ１＝Ｉｏ，Ｉｏ２＝０）の変換効率を示すグラフである。また、「ηｍ」は、全ての出力電流領域にて出力モードを単独出力モードとしつつ、上述の第二閾値電流にてダイオード整流動作と同期整流動作とを切り換えた場合の変換効率を示すグラフである。さらに、破線の「η」は、図２に示された本実施形態の動作に基づく変換効率を示すグラフである。

これに対し、図４及び図５を参照すると、従来技術の構成においては、出力電流Ｉｏが所定の閾値電流（例えば４０Ａ程度：上述の「第二の閾値電流」と同一）未満である場合には、マスタコンバータ及びスレーブコンバータがともにダイオード整流動作する。一方、出力電流Ｉｏが所定の閾値電流以上である場合には、マスタコンバータ及びスレーブコンバータがともに同期整流動作する。

図５において、「ηｍｓ＿ｄ」は、全ての出力電流領域にて、マスタコンバータとスレーブコンバータとが並列運転し且つともにダイオード整流動作した場合の変換効率を示すグラフである（これは図３における「ηｍｓ＿ｄ」に対応する）。また、「ηｍｓ」は、図４に示されているように、全ての出力電流領域にてマスタコンバータとスレーブコンバータとを並列運転しつつ、所定の閾値電流でダイオード整流動作と同期整流動作とを切り換えた場合の変換効率を示すグラフである。

図３及び図５を参照すると、本実施形態においては、いわゆる同期整流型の第一コンバータ２１とダイオード整流型の第二コンバータ２２とを単に並列配置するという極めて簡略な回路構成であるにもかかわらず、出力電流Ｉｏが実使用領域内となる範囲で、同期整流による高効率化が図られている。

一方、実使用領域とは異なる領域では、第二コンバータ２２が停止されたり、並列出力モードにて第一コンバータ２１が常時ダイオード整流動作させられたりする。さらに、出力電流Ｉｏの上昇に伴う単独出力モードから並列出力モードへの移行に際し、当該移行前に同期整流していた第一コンバータ２１は、第二コンバータ２２の動作開始に先立ってダイオード整流動作に切り換えられる。したがって、トランス３０の二次側における電流の逆流に起因する故障発生等の問題の発生が、可及的に抑制される。

このように、本実施形態によれば、可及的に簡略な回路構成により、変換効率及び信頼性の向上を実現することが可能になる。

＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明は、上述した具体的な回路構成に限定されない。すなわち、例えば、第一コンバータ２１における一次側回路３１、及び／又は第二コンバータ２２における一次側回路３１は、いわゆるハーフブリッジ回路であってもよい。また、第一コンバータ２１における二次側回路３２は、フルブリッジ回路構成を有していてもよい。

入力電流センサ３５２の配置も、上述の具体例に限定されない。すなわち、例えば、入力電流センサ３５２は、低圧側入力端子Ｔ１２側に設けられていてもよいし、一次側回路３１と一次側コイル３０１との間に設けられていてもよい。第一コンバータ２１に設けられた入力電流センサ３５２による入力電圧Ｖｉ１の取得値Ｉｓに代えて、車両ＥＣＵ１５により算出された出力電流指令値Ｉｃ（出力電流Ｉｏ１の指令値あるいは目標値）を用いて、上述のような出力モードの設定及び切換が行われてもよい。

第一コンバータ２１における出力電圧Ｖｏ１と、第二コンバータ２２における出力電圧Ｖｏ２とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、第一コンバータ２１における出力定格（出力電流Ｉｏ１の定格値）と、第二コンバータ２２における出力定格（出力電流Ｉｏ２の定格値）とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

出力モードや整流モードの切り換えに対して、ヒステリシス特性が与えられていてもよい。これにより、切換動作に伴う制御ハンチングの発生が、良好に抑制される。

出力モードや整流モードの切り換え制御は、制御回路４１に代えて、これよりも上位の車両ＥＣＵ１５にて行われてもよい。この場合、第二コンバータ２２及び制御回路４２も、第一コンバータ２１及び制御回路４１と同様に、車両ＥＣＵ１５からの制御信号を受信可能に構成されていてもよい。

電力変換装置１２は、互いに並列接続された３台以上のＤＣ／ＤＣコンバータを備えていてもよい。この場合、運転台数の切り換え態様は、「１台←→２台←→３台」の態様に限定されない。すなわち、運転台数の増加及び／又は減少の際に、１台運転と３台（全数）運転との間の切り換えが行われてもよい。具体的には、例えば、運転台数が「１台→２台→３台→１台」と変化してもよいし、「１台→３台→２台→１台」と変化してもよい。このような運転台数の変更態様は、例えば、電力システム１０すなわち上述の電動車両における、運転状態及び／又は仕様（各ＤＣ／ＤＣコンバータの出力定格等）に応じて適宜選択され得る。４台以上のＤＣ／ＤＣコンバータが並列配置されている構成の場合も同様である。

上述の実施形態は、一組のトランス３０、一次側回路３１、及び二次側回路３２を備えた第一コンバータ２１等を複数並列に設けた構成を有していたが、本発明はかかる構成に限定されない。すなわち、本発明は、上記のような具体的な回路構成以外の態様に対しても、好適に適用され得る。すなわち、例えば、図１の構成において、第一コンバータ２１の回路構成と第二コンバータ２２の回路構成とが、高圧側入力端子Ｔ１１及び低圧側入力端子Ｔ１２と高圧側出力端子Ｔ１３及び低圧側出力端子Ｔ１４との間にて、並列に設けられていてもよい。

その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構成及びその均等物の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構成をも含む。

１０…電力システム、１１…高圧バッテリ、１２…電力変換装置、１４…車載負荷、１５…車両ＥＣＵ、２１…第一コンバータ、２２…第二コンバータ、３０…トランス、３１…一次側回路、３２…二次側回路、３２１…同期整流素子、３２１ａ…スイッチング素子、３２１ｂ…フリーホイールダイオード、３２２…同期整流素子、３２２ａ…スイッチング素子、３２２ｂ…フリーホイールダイオード、３２４…整流ダイオード、３２５…整流ダイオード、４１…制御回路。

Claims (3)

1. 第一のトランスと、前記第一のトランスの一次側に設けられた第一の一次側回路と、スイッチング素子（３２１ａ，３２２ａ）と当該スイッチング素子の入力端子と出力端子との間に接続されたフリーホイールダイオード（３２１ｂ，３２２ｂ）との組を複数組備えることで同期整流動作及びダイオード整流動作可能に構成された回路であって前記第一のトランスの二次側に設けられた第一の二次側回路と、を備えた、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ（２１）と、
   第二のトランスと、前記第二のトランスの一次側に設けられた第二の一次側回路と、互いに並列に設けられた複数の整流ダイオード（３２４，３２５）を備えることで常時ダイオード整流動作するように構成された回路であって前記第二のトランスの二次側に設けられた第二の二次側回路と、を備えた、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ（２２）と、
   前記第一の二次側回路に備えられた前記スイッチング素子の動作を制御するように設けられた制御部（４１）と、を備え、
   前記制御部は、前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータの出力停止状態から出力動作状態への移行に先立って、前記スイッチング素子の動作を停止させることで前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータをダイオード整流動作させる、ことを特徴とする、電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータは、マスタとなるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記制御部を備え、
   前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータは、スレーブとなるＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする、電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータにおける出力目標値を設定して、当該出力目標値を前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータに送信するように設けられたことを特徴とする、電力変換装置。

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