JP7135776B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。

電力変換器の主要部品であるスイッチング素子は、過度に低温になると絶縁耐圧が下がる。スイッチング素子の温度が過度に低くなったときに、スイッチング素子の制御信号を生成する際に利用するキャリア信号の周波数を高くする技術が特許文献１に開示されている。キャリア周波数を高くするとスイッチング素子の発熱量が増加し、スイッチング素子の温度上昇が促進される。特許文献１の技術では、スイッチング素子の温度が適度に上昇したら、キャリア信号の周波数を元に戻す。

特開２０１２－２２２９４９号公報

スイッチング素子は、過度の低温状態を避けることが望ましいだけでなく、温度変化が穏やかである方が望ましい。すなわち、スイッチング素子に加わる熱サイクルストレスは小さいことが望ましい。一方、スイッチング素子に流れる電流は、所定の範囲内に収められることが望ましい。スイッチング素子に流れる電流を所定の範囲内に収めるべく、複数のスイッチング素子を並列に接続し、装置全体を流れる電流の大きさに応じてスイッチング素子の駆動数を調整する技術が知られている。駆動数を増加させた直後は各スイッチング素子に流れる電流が急激に下がり、温度も下がる（一般にスイッチング素子は冷却器によって冷却されているため、スイッチング素子の発熱量が冷却器による吸熱量より小さくなるとスイッチング素子の温度が下がる）。特許文献１の技術を適用し、駆動数を増加させるとともにキャリア周波数を増加させると、電流減少に起因するスイッチング素子の発熱量の減少を、キャリア周波数増加による発熱量の増加が相殺し、スイッチング素子の温度変化が緩やかになることが期待できる。一方、キャリア周波数の増加はスイッチング素子の損失の増加につながる。本明細書が開示する技術は、並列に接続されたスイッチング素子の駆動数増加時の熱サイクルストレスを軽減しつつ、損失増加を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、並列に接続されている複数のスイッチング素子と、コントローラを備えている。コントローラは、電力変換器の出力電流の大きさに応じて複数のスイッチング素子の駆動数を決定するとともに、キャリア信号に基づいて駆動するスイッチング素子の制御信号を生成する。コントローラは、駆動数を増加させるとともに前記キャリア信号の周波数を増加させる。さらに、コントローラは、駆動数を増加させた後のスイッチング素子に流れる電流の増加変化量が大きいほど大きい減少変化量で周波数を低下させる。すなわち、コントローラは、駆動数増加によりスイッチング素子の発熱量が急に下がったときにはキャリア周波数を増加させてスイッチング素子の発熱量を補う。そして、コントローラは、駆動数を増加させた後にスイッチング素子の発熱量が急速に高まる場合には、キャリア周波数も速やかに低下させ、無駄な損失を抑制する。本明細書が開示する電力変換器は、並列に接続されたスイッチング素子の駆動数増加時の熱サイクルストレスを軽減しつつ、損失増加を抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の電力変換器を搭載した電気自動車の駆動系のブロック図である。 実施例のＦＣ用昇圧コンバータの構成例を示す回路図である。 ＦＣ用昇圧コンバータの全体電流と各駆動相数との関係を示す説明図である。 ＦＣ用昇圧コンバータのコントローラが実行するキャリア周波数設定処理の流れを示すフローチャートである。 図４のキャリア周波数増加処理の流れを示すフローチャートである。 対象スイッチング素子の相電流値とキャリア周波数の組み合わせ毎の発熱温度のマップを示す説明図である。 相電流とキャリア周波数と発熱温度の関係の一例を示す図である。 相電流とキャリア周波数と発熱温度の関係の別の例を示す図である。

図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。実施例の電力変換器は、電気自動車に搭載される多相コンバータを構成するものである。図１に電気自動車２の駆動系のブロック図を示す。なお、本明細書における電気自動車には、燃料電池車と、走行用のモータとエンジン（内燃機関）の両方を備えるハイブリッド車が含まれる。このような電気自動車２は、駆動源である走行用モータ１０が発生する駆動力を利用して走行する。走行用モータ１０が発生した駆動力は、ドライブシャフト１１を介してディファレンシャルギア１２に入力されて駆動輪１５、１６に伝達される。制動時は、走行用モータ１０が発電機として機能する。走行用モータ１０には、燃料電池３やメインバッテリ４から、ＰＣＵ６を介して駆動電力が供給される。ＰＣＵは、パワーコントロールユニットの略称である。

燃料電池３は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックであり、例えば、不図示の水素タンクから供給される水素と外部から取り込まれる酸素との電気化学反応により直流電圧を出力する直流電源である。ＦＣ（フューエルセルの略称）と称される場合もある。メインバッテリ４は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池を直列及び並列に多数接続した電池スタックである。燃料電池３及びメインバッテリ４は、いずれも、出力電圧が１００ボルト以上である。

これに対して、走行用モータ１０は、数１００ボルト以上の三相交流電圧で駆動する。そのため、電気自動車２では、ＦＣ用昇圧コンバータ（ＦＤＣ）２０やバッテリ用昇圧コンバータ（ＢＤＣ）７を備えることにより、走行用モータ１０に適した電圧に昇圧した後、インバータ（ＩＮＶ）８によって走行用モータ１０を駆動可能な交流電力に変換している。

ＰＣＵ６のバッテリ用昇圧コンバータ７は、メインバッテリ４からシステムメインリレー５を介して供給される電力の電圧を走行用モータ１０の駆動に適した電圧まで昇圧する機能と、走行用モータ１０が発電した電力の電圧をメインバッテリ４の充電に適した電圧まで降圧する機能を有するものである。本明細書では、当該電気自動車２の駆動に際しては昇圧機能を主に使用するため、便宜的に「昇圧コンバータ」と称している。

システムメインリレー５は、正極側をスイッチングするスイッチと、負極側をスイッチングするスイッチと、により構成されている。これらのスイッチは、ＨＶコントローラ３０により夫々個別に制御可能に構成されている。

ＦＣ用昇圧コンバータ２０とＰＣＵ６の間には、平滑用のコンデンサ１７が介在している。また、ＦＣ用昇圧コンバータ２０とＰＣＵ６の間には、両者の電気的な接続をオンオフ可能なＦＣリレー（不図示）が介在している場合がある。ＦＣリレーは、燃料電池３とＦＣ用昇圧コンバータ２０の間に配置される場合もある。ＦＣ用昇圧コンバータ２０とＰＣＵ６は、パワーケーブルにより接続されている。

ＦＣ用昇圧コンバータ２０は、燃料電池３から供給される電力の電圧を走行用モータ１０の駆動に適した電圧まで昇圧する機能を有するものである。図２に、ＦＣ用昇圧コンバータ２０の構成例を示した回路図を示す。ここからは図２も参照しながら説明する。

ＦＣ用昇圧コンバータ２０は、いわゆる多相コンバータである。本実施例では、異なった位相でオンオフ制御される４つのスイッチング素子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ（以下、スイッチング素子２３ａ－２３ｄと称する場合がある。）を備えている。ＦＣ用昇圧コンバータ２０は、４相構成のマルチフェーズコンバータである。スイッチング素子２３ａ－２３ｄは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、ＦＣ用昇圧コンバータ２０が有するコントローラ２９によりスッチング制御（オンオフ制御）可能に構成されている。スイッチング素子２３ａ－２３ｄは、例えば、水冷仕様のＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）に含まれている。スイッチング素子２３ａ－２３ｄは、ＩＧＢＴに代えてパワーＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。本実施例では、ＦＣ用昇圧コンバータ２０は筐体２１に収容されており、またＩＰＭは、不図示の冷却水路（冷却器）により冷却可能に構成されている。

筐体２１には、入力側の正極端子２１ａ、負極端子２１ｂ、出力側の正極端子２１ｃや負極端子２１ｄが設けられている。本実施例では、例えば、燃料電池３の正極や負極の各端子に接続された不図示のパワーケーブルが入力側の正極端子２１ａ及び負極端子２１ｂに接続されており、またＰＣＵ６の正極や負極の入力端子に接続された不図示のパワーケーブルが出力側の正極端子２１ｃ及び負極端子２１ｄに接続されている。

ＦＣ用昇圧コンバータ２０が有する４相分の昇圧回路は、いずれも同じ構成を有している。そのため、ここでは、そのうちの１相分の構成を代表して説明する。１相分の昇圧回路は、例えば、リアクトル２２ａ、スイッチング素子２３ａ、ダイオード２４ａ、ダイオード２５ａ及び電流センサ２７ａにより構成されている。

リアクトル２２ａは、その一端が入力側の正極端子２１ａに接続され、他端がスイッチング素子２３ａのコレクタ端子に接続されている。また、リアクトル２２ａの他端にはダイオード２５ａのアノード側も接続されており、このダイオード２５ａのカソード端子は出力側の正極端子２１ｃに接続されている。スイッチング素子２３ａのエミッタ端子は、入力側の負極端子２１ｂ及び出力側の負極端子２１ｄに接続されている。スイッチング素子２３ａには、還流用のダイオード２４ａがスイッチング素子２３ａに対して逆並列に接続されている。

電流センサ２７ａは、リアクトル２２ａに流れる電流値を計測する電流検知素子である。電流センサ２７ａは、例えば、リアクトル２２ａの他端側の配線に隣接して実装されていたり、他端側の配線途中に接続されていたりする。本実施例では、電流センサ２７ａは、計測データ（電流値情報）をコントローラ２９に出力し得るようにコントローラ２９に接続されている。なお、ＩＰＭには、スイッチング素子２３ａの温度や印加電圧を計測可能な温度センサや電圧センサ（不図示）が内蔵されている。

ＦＣ用昇圧コンバータ２０は、このように構成される１相（例えば、Ｐａ相）分の昇圧回路の他に、３相（Ｐｂ相、Ｐｃ相、Ｐｄ相）分の昇圧回路を備えている。すなわち、ＦＣ用昇圧コンバータ２０は、Ｐａ相に加えて、リアクトル２２ｂ、スイッチング素子２３ｂ、ダイオード２４ｂ、ダイオード２５ｂ及び電流センサ２７ｂにより構成されているＰｂ相の昇圧回路、リアクトル２２ｃ、スイッチング素子２３ｃ、ダイオード２４ｃ、ダイオード２５ｃ及び電流センサ２７ｃにより構成されているＰｃ相の昇圧回路、そして、リアクトル２２ｄ、スイッチング素子２３ｄ、ダイオード２４ｄ、ダイオード２５ｄ及び電流センサ２７ｄにより構成されているＰｄ相の昇圧回路を備えている。

コントローラ２９は、典型的にはマイクロコンピュータを備えた制御装置（電子制御ユニット、ＥＣＵ）であり、スイッチング素子２３ａ－２３ｄのスイッチング制御を可能に構成されている。コントローラ２９は、スイッチング素子２３ａ－２３ｄの夫々のゲート端子に接続されており、これらのスイッチング素子２３ａ－２３ｄを個別にオンオフ制御可能に構成されている。また、コントローラ２９は、前述の電流センサ２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ（以下、電流センサ２７ａ－２７ｄと称する場合がある。）にも接続されており、さらにＨＶコントローラ３０にも接続されている。

コントローラ２９には、電流センサ２７ａ－２７ｄから出力される計測データ（電流値情報）が入力されると共に、ＨＶコントローラ３０から制御情報も入力される。そのため、コントローラ２９は、これらの計測データや制御情報に基づいて、後述するように、スイッチング素子２３ａ－２３ｄのスイッチング制御を行う。コントローラ２９は、制御信号（例えばＰＷＭ信号）を生成してスイッチング素子２３ａ－２３ｄをスイッチング制御する。ＰＷＭ信号は、キャリアと呼ばれる三角波あるいはのこぎり波のパルス波（キャリア信号）を基本として生成される。キャリア信号の周波数（以下、キャリア周波数と称する）がスイッチング素子のスイッチングの基本周期に対応しており、スイッチング素子はキャリア信号に基づいて動作する。

ＨＶコントローラ３０も、典型的には、マイクロコンピュータを備えた制御装置であり、車内ＬＡＮなどを介してＦＣ用昇圧コンバータ２０のコントローラ２９やＰＣＵ６のコントローラ、システムメインリレー５などにも接続されている。また、ＩＰＭを冷却する冷却水路の冷却水温を計測可能な水温センサ（不図示）もＨＶコントローラ３０に接続されている。

ＨＶコントローラ３０は、当該電気自動車２の運転席に設けられている車両のスタートスイッチのオン信号を受けて、システムメインリレー５をオンに制御したり、当該電気自動車２の車速やアクセル開度などの運転操作情報に基づいて駆動系が出力すべき走行トルクを算出し適切な指令をＰＣＵ６のコントローラに出力する。また、ＨＶコントローラ３０は、ＦＣ用昇圧コンバータ２０を制御して、所要の走行トルクを得るために必要な直流電力やメインバッテリ４の充電に必要な直流電力をＦＣ用昇圧コンバータ２０からＰＣＵ６へ出力させる。

ＦＣ用昇圧コンバータ２０のコントローラ２９は、電流センサ２７ａ－２７ｄから出力される計測データ（電流値情報）に基づいて、夫々のリアクトル２２ａ－２２ｄに流れている電流値を得たり、これらの電流値の合計から燃料電池３の出力電流を得たりして、各相（Ｐａ相、Ｐｂ相、Ｐｃ相、Ｐｄ相）の昇圧回路を制御する。すなわち、並列に接続された各スイッチング素子に夫々流れる電流を所定の範囲内に収めるのが望ましいため、コントローラ２９は、ＦＣ用昇圧コンバータ２０を流れる電流（全体電流Ｉtotal ）の大きさに応じてスイッチング素子の駆動数（駆動相数）を調整している。全体電流Ｉtotal は、ＦＣ用昇圧コンバータ２０を構成する全てのスイッチング素子に流れる総電流である。

図３に、ＦＣ用昇圧コンバータ２０の全体電流Ｉtotal と駆動相数との関係を示す。例えば、図３の上段に示すように、全体電流Ｉtotal が０からＩ４まで一定割合にて増加する場合、コントローラ２９は、全体電流Ｉtotal がスイッチング素子１つ分の最大許容電流値を超える毎に、図３の下段に示すように、駆動相数を１つずつ増加させる。具体的には、全体電流Ｉtotal が０からＩ１の直前までの間（時刻ｔ１の直前まで）では駆動相数は１相であり、全体電流Ｉtotal がＩ１に達した時点（時刻ｔ１）に、駆動相数は１つ増加して２相となる。Ｉ１は、スイッチング素子１つ分の最大許容電流値である。

さらに、全体電流Ｉtotal がＩ２（スイッチング素子２つ分の最大許容電流）に達した時点（時刻ｔ２）に、駆動相数は１つ増加して２相となる。さらに、全体電流Ｉtotal がＩ３（スイッチング素子３つ分の最大許容電流）に達した時点（時刻ｔ３）に、駆動相数は１つ増加して３相となる。そして、全体電流Ｉtotal がＩ４（スイッチング素子４つ分の最大許容電流）に達した時点（時刻ｔ４）に、駆動相数は１つ増加して４相となる。

ところで、駆動相数を増加させた直後は各スイッチング素子２３ａ－２３ｄに流れる電流が急激に下がる。また、一般にスイッチング素子は冷却水路によって冷却されているため、スイッチング素子の発熱量が冷却水路による吸熱量より小さくなるとスイッチング素子の温度が下がる。駆動相数を増加させるとともにキャリア周波数を増加させると、電流減少に起因するスイッチング素子の発熱量の減少を、キャリア周波数増加による発熱量の増加が相殺し、スイッチング素子の温度変化を緩やかにすることが可能となる。一方、キャリア周波数の増加はスイッチング素子の損失の増加につながる。

そこで、本実施例では、並列に接続されたスイッチング素子の駆動数増加時の熱サイクルストレスを軽減しつつ、損失増加を抑制するべく、コントローラ２９が、次に説明するキャリア周波数設定処理を実行する。この処理は、コントローラ２９により所定時間毎に繰り返し行われる。また、コントローラ２９は、キャリア周波数設定処理によって設定されたキャリア周波数によりスイッチング素子を駆動する。

ここで、コントローラ２９が行う当該キャリア周波数設定処理を、図４及び図５に基づいて説明する。図４に、ＦＣ用昇圧コンバータ２０のコントローラ２９が実行するキャリア周波数設定処理のフローチャートを示す。また、図５に、図４のキャリア周波数増加処理のフローチャートを示す。なお、これらの処理プログラムはコントローラ２９のメモリデバイスに格納されている。

キャリア周波数設定処理の概要は次の通りである。コントローラ２９は、各相を流れる電流の変化量（相電流変化量：ｄＩ＊／ｄｔ）が０でなく、かつ全体電流Ｉtotal が駆動相切替閾値Ｉth以上である場合には、駆動相を追加する処理（ステップＳ２４）を行う。一方、各相を流れる電流の変化量が０であり、または全体電流Ｉtotal が駆動相切替閾値Ｉth未満である場合には、ステップＳ２０の判断がＮＯとなり、コントローラ２９は、駆動相を追加する処理を行わない（駆動相数を維持する）。その場合、コントローラ２９は、現時点のキャリア周波数を維持する（ステップＳ２２）。

図４のフローチャートに沿ってキャリア周波数設定処理を具体的に説明する。ステップＳ１２にて、コントローラ２９は、電流センサ２７ａからＰａ相電流値Ｉａ、電流センサ２７ｂからＰｂ相電流値Ｉｂ、電流センサ２７ｃからＰｃ相電流値Ｉｃ、電流センサ２７ｄからＰｄ相電流値Ｉｄを取得する。さらに、ステップＳ１４にて、コントローラ２９は、所定短時間での各相電流変化量ｄＩ＊／ｄｔを算出する。例えば、前回の処理のステップＳ１２にて取得し記憶しておいた各相電流値と、今回の処理のステップＳ１２にて取得した各相電流値とから各相電流変化量ｄＩ＊／ｄｔを算出することができる。ｄＩ＊／ｄｔの「＊」を「ａ」とすれば、Ｐａ相の相電流変化量を示す。

そして、ステップＳ１６では、ステップＳ１４で算出した各相電流変化量ｄＩ＊／ｄｔが０であるか否かを判定する。コントローラ２９は、全ての相電流変化量ｄＩ＊／ｄｔが０である場合には（Ｓ１６：ＮＯ）、全体電流Ｉtotal は一定値であり駆動相数を維持すればよいので、キャリア周波数を維持する（ステップＳ２２）。コントローラ２９は、ステップＳ２２の処理後、本キャリア周波数設定処理を終える。

一方、全ての相電流変化量ｄＩ＊／ｄｔが０でない場合（特にｄＩ＊／ｄｔが正値である場合）には（Ｓ１６：ＹＥＳ）、コントローラ２９は、ステップＳ１８にて全体電流Ｉtotal を取得する。次に、子２９は、ステップＳ２０にて全体電流Ｉtotal が駆動相切替閾値Ｉthを超えたか否かを判定する。全体電流Ｉtotal は、先に取得したＰａ相電流値Ｉａ、Ｐｂ相電流値Ｉｂ、Ｐｃ相電流値Ｉｃ及びＰｄ相電流値Ｉｄを加算することで算出される。なお、ステップＳ２０では、駆動相切替閾値Ｉthは、現在駆動している駆動相数（現在駆動相数）に応じて設定される。すなわち、駆動相切替閾値Ｉthは、現在駆動相数にスイッチング素子１つ分の最大許容電流値を乗じた値に設定される。

全体電流Ｉtotal が駆動相切替閾値Ｉthを超えない場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、駆動相数を維持すればよいので、コントローラ２９は、ステップＳ２２によりキャリア周波数を維持して本キャリア周波数設定処理を終了する。一方、全体電流Ｉtotal が駆動相切替閾値Ｉthを超えた場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、コントローラ２９は、駆動相数を１相追加する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４では、追加する駆動相（以下、追加駆動相と称する。）を決定するとともに、その追加駆動相に対応するスイッチング素子（以下、追加スイッチング素子と称する。）の制御を開始する。なお、現在の駆動相数が４の場合（すなわち、全ての相が動作中の場合）は、ステップＳ２０の判断は常にＮＯとなる。

このように駆動相数を増加させた直後では、それまで休止状態であった追加スイッチング素子に流れる電流が急激に増加するとともに、それまで稼働状態であった各スイッチング素子（以下、対象スイッチング素子と称する）に流れる電流が急激に減少するものの、一旦減少した電流は増加に転じる。さらに、対象スイッチング素子（ここでは、スイッチング素子２３ａ）は、冷却水路による冷却によって温度が下がる。

そこで、駆動相数を増加させた場合であっても対象スイッチング素子の温度変化を緩やかにするべく、コントローラ２９は、電流減少に起因するスイッチング素子の発熱量の減少を相殺するように対象スイッチング素子のキャリア周波数を調整する。その調整では、最初にキャリア周波数を増加させ、その後減少させる。まず、コントローラ２９は、ステップＳ２６にて、対象スイッチング素子の増加キャリア周波数の算出（後述）をすべく、対象スイッチング素子の駆動相（以下、対象相と称する。ここではＰａ相を例とする）の電流値（以下、変化後電流値と称する。）Ｉａｃを取得する。ステップＳ２６では、例えば、追加スイッチング素子をオンした時点（駆動相を追加した時点）から所定短時間経過後の対象スイッチング素子の電流値を変化後電流値Ｉａｃとして取得する。

さらに、コントローラ２９は、ステップＳ２８にて、駆動相を追加する前のキャリア周波数である変化前キャリア周波数から、駆動相を追加した後のキャリア周波数である変化後キャリア周波数にキャリア周波数を増加させるキャリア周波数増加処理（図５）を行う。キャリア周波数増加処理では、図６に示す発熱温度マップを用いる。なお、マップの代わりに計算式を使用することも可能である。

本実施例では、スイッチング素子に流れる電流値（相電流値）とキャリア周波数の組み合わせに対応して推測される発熱温度を示すマップを用いる（図６）。このマップから、例えば、相電流値がＩｎｋであり、キャリア周波数がｆｎｉであるとき、その組み合わせに対応する対象スイッチング素子の発熱温度はＴａであると推測される。相電流値は、Ｉｎ１、Ｉｎ２、Ｉｎ３、・・・、Ｉｎｉ、・・・、Ｉｎｊ、・・・、Ｉｎｋ、・・・の順番で高くなり、キャリア周波数は、ｆｎ１、ｆｎ２、ｆｎ３、・・・、ｆｎｉ、・・・、ｆｎｊ、・・・、ｆｎｋ、・・・の順番で高くなる関係において、スイッチング素子の発熱温度が、夫々対応付けられている。発熱温度が同じである場合には、相電流値が高いほどキャリア周波数は低くなる関係にある。このマップは、実験やシミュレーションによって予め作成されてコントローラ２９のメモリデバイスに記憶されている。

例えば、相電流値がＩｎｊであるときに、スイッチング素子の発熱温度をＴａにするには、キャリア周波数をｆｎｊに設定する。また、相電流値がＩｎｉであるときに、スイッチング素子の発熱温度をＴａにするには、キャリア周波数をｆｎｋに設定する。

図５のフローチャートに沿ってキャリア周波数増加処理を説明する。ステップＳ６０では、このような発熱温度マップを使用して、相電流の変化前電流値Ｉｂｃとキャリア周波数とから、対象スイッチング素子の変化前発熱温度Ｔｂｃを算出する。ステップＳ６２では、相電流が変化後電流値Ｉａｃの場合に対象スイッチング素子の発熱温度が変化前発熱温度Ｔａになる変化後キャリア周波数ｆａｃを算出する。例えば、この変化後キャリア周波数ｆａｃは、発熱温度マップを使用して算出することができる。なお、変化後キャリア周波数ｆａｃは、計算式を使用して算出することも可能である。

ステップＳ６２の処理を実行した後、図４のフローチャートに戻る。コントローラ２９は、駆動数（駆動相）を増加させた後の対象スイッチング素子に流れる電流の増加変化量が大きいほど大きい減少変化量でキャリア周波数を低下させる。具体的には、ステップＳ３０では、対象相の電流センサから当該対象相電流値を取得する。ステップＳ３２では、対象相を流れる電流の所定短時間での増加変化量（対象相電流変化量：ｄＩｘ／ｄｔ）を算出する。例えば、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔは、ステップＳ３０で取得した駆動相電流値と所定短時間前に取得し記憶しておいた駆動相電流値とから算出することができる。なお、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔは、正値であるとき、増加変化量を表す。

続いてステップＳ３４では、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが予め定められた判定閾値ｄＩｚ／ｄｔ以下であるか否かを判定する。なお、判定閾値ｄＩｚ／ｄｔは、スイッチング素子の熱サイクルストレスに影響を与えない電流変化量（電流増加変化量）に設定されている。つまり、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔより大きい場合には、スイッチング素子に加わる熱サイクルストレスが小さく、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔ以下である場合には、スイッチング素子に加わる熱サイクルストレスが大きい。

コントローラ２９は、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔより大きい場合には（Ｓ３４：ＮＯ）、対象スイッチング素子に流れる電流の増加変化量が大きいほど大きい減少変化量でキャリア周波数を低下させる。具体的には、増加させたキャリア周波数（変化後キャリア周波数ｆａｃ）を期間Ｔｍ１で変化前キャリア周波数ｆｂｃまで低下させる（ステップＳ３６）。

図７と図８に、相電流とキャリア周波数と発熱温度の関係の一例を示す。図７は、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔより大きい場合の関係を示す。図８は、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔ以下の場合の関係を示す。

ｄＩｘ／ｄｔ＞判定閾値ｄＩｚ／ｄｔである場合の期間Ｔｍ１は、図７から理解できるように、下記数式（１）から算出することができる。なお、期間Ｔｍ１は後述する期間Ｔｍ２より短い時間に設定されている。
Ｔｍ１＝（Ｉｂｃ－Ｉａｃ）／（ｄＩｘ／ｄｔ）・・・（１）

ここで、Ｉｂｃは変化前電流値であり、例えばＩｎｋである。Ｉａｃは変化後電流値であり、例えばＩｎｊである。ｄＩｘ／ｄｔは対象相電流変化量である。期間Ｔｍ１は、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが大きいほど、短くなる。すなわち、対象スイッチング素子に流れる電流の増加変化量が大きいほど、キャリア周波数を大きい減少変化量で低下させることになる。

これにより、駆動数増加によりスイッチング素子の発熱量が急に下がることが予想されるとき（例えば図７の時刻ｔ１１）には、キャリア周波数を増加させてスイッチング素子の発熱量を補うことが可能となる。そして、駆動数を増加させた後（例えば時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの間）に、スイッチング素子の発熱量が急速に高まらないように、キャリア周波数も速やかに低下させ、無駄な損失を抑制することが可能となる。

なお、変化後キャリア周波数ｆａｃを所定の減少変化量で変化前キャリア周波数ｆｂｃまで低下させるようにしてもよい。所定の減少変化量は、下記数式（２）から算出することができる。

所定の減少変化量＝（ｆａｃ－ｆｂｃ）／Ｔｍ１
＝（ｆａｃ－ｆｂｃ）×（ｄＩｘ／ｄｔ）／（Ｉｂｃ－Ｉａｃ）
・・・（２）

ここで、ｆａｃは変化後キャリア周波数であり、例えばｆｎｊである。ｆｂｃは変化前キャリア周波数であり、例えばｆｎｉである。

また、例えば図７の時刻ｔ１２にて、駆動相がさらに追加された場合には、変化前電流値ＩｂｃはＩｎｋであり変化後電流値ＩａｃはＩｎｊより低いＩｎｉであるとともに、変化前キャリア周波数ｆｂｃはｆｎｉであり変化後キャリア周波数ｆａｃはｆｎｊより高いｆｎｋである。

一方、コントローラ２９は、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔ以下である場合には（Ｓ３４：ＹＥＳ）、増加させたキャリア周波数（変化後キャリア周波数ｆａｃ）を期間Ｔｍ２で変化前キャリア周波数ｆｂｃまで低下させる（ステップＳ３８）。

ｄＩｘ／ｄｔ≦判定値ｄＩｚ／ｄｔである場合の期間Ｔｍ２は、図８から理解できるように、下記数式（３）から算出することができる。図８に、対象相電流変化量ｄＩｘ／ｄｔが判定閾値ｄＩｚ／ｄｔ以下である場合の、駆動相が追加される際の対象スイッチング素子の相電流、キャリア周波数及び発熱温度を示す。
Ｔｍ２＝（Ｉｂｃ－Ｉａｃ）／（ｄＩｚ／ｄｔ）・・・（３）

ここで、Ｉｂｃは変化前電流値であり、例えばＩｎｋである。Ｉａｃは変化後電流値であり、例えばＩｎｊである。ｄＩｚ／ｄｔは上述した判定閾値である。

これにより、駆動数増加によりスイッチング素子の発熱量が急に下がることが予想されるとき（例えば図８の時刻ｔ２１）には、キャリア周波数を増加させてスイッチング素子の発熱量を補うことが可能となる。そして、駆動数を増加させた後（例えば時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの間）に、スイッチング素子の発熱量が急速に高まらないように、キャリア周波数を図７の場合と比較して緩やかに変化前キャリア周波数ｆｂｃまで低下させ、無駄な損失を抑制することが可能となる。さらに、変化前キャリア周波数ｆｂｃまで低下させた後（例えば時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの間）では、キャリア周波数は変化前キャリア周波数ｆｂｃに維持される。

このように、相電流値が判定閾値ｄＩｚ／ｄｔ以下の一定割合の電流増加変化量にて駆動相切替閾値Ｉthに達するまでの間（時刻ｔ２１から時刻ｔ２３までの間）では、この期間でキャリア周波数を一定減少量により減少させた場合（図８の二点鎖線で示す）と比較して、キャリア周波数を速やかに低下させることができるため、無駄な損失を抑制することが可能となる。

以上のとおり、本実施例の電気自動車２の電力変換器では、ＦＣ用昇圧コンバータ２０のコントローラ２９は、ＦＣ用昇圧コンバータ２０（電力変換器）の出力電流（全体電流Ｉtotal ）の大きさに応じて複数のスイッチング素子２３ａ－２３ｄの駆動数を決定するとともに（Ｓ２４）、キャリア信号に基づいて駆動するスイッチング素子２３ａ－２３ｄの制御信号を生成する。コントローラ２９は、駆動数を増加させるとともにキャリア信号の周波数を増加させる（Ｓ２８）。さらに、コントローラ２９は、駆動数を増加させた後の対象スイッチング素子に流れる電流の増加変化量が大きいほど大きい減少変化量で周波数を低下させる（Ｓ３６）。すなわち、コントローラ２９は、駆動数増加により対象スイッチング素子の発熱量が急に下がったときにはキャリア周波数を増加させて対象スイッチング素子の発熱量を補う（Ｓ２８）。そして、コントローラ２９は、駆動数を増加させた後に対象スイッチング素子の発熱量が急速に高まる場合には、キャリア周波数も速やかに低下させ（Ｓ３６）、無駄な損失を抑制する。そのため、電力変換器は、並列に接続されたスイッチング素子２３ａ－２３ｄの駆動数増加時の熱サイクルストレスを軽減しつつ、損失増加を抑制することが可能となる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本実施例では、ＦＣ用昇圧コンバータ２０として、４相分の昇圧回路を有するものを例示して説明したが、並列に接続される複数相の昇圧回路を有するものであれば、２相分や３相分の昇圧回路を有するものや、５相分以上の昇圧回路を有するものでもよい。また、本明細書が開示する技術は、降圧回路は、双方向電圧変換器に適用することも可能である。

さらにまた、本実施例では、電力変換器として、ＦＣ用昇圧コンバータ２０を例示して説明したが、並列に接続された複数の駆動相を有し駆動相を追加する制御（２相駆動から３相駆動に切り替える制御）を実施可能な直流交流変換用インバータでもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電気自動車
３：燃料電池
６：ＰＣＵ
１０：走行用モータ
２０：ＦＣ用昇圧コンバータ
２３ａ－２３ｄ：スイッチング素子
２９：コントローラ

Claims (1)

1. 電力変換器であり、
   並列に接続されている複数のスイッチング素子と、
   前記電力変換器の出力電流の大きさに応じて複数の前記スイッチング素子の駆動数を決定するとともに、キャリア信号に基づいて駆動する前記スイッチング素子の制御信号を生成するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記駆動数を増加させるとともに前記キャリア信号の周波数を増加させ、
   前記駆動数を増加させた後の前記スイッチング素子に流れる電流の増加変化量が大きいほど大きい減少変化量で前記周波数を低下させる、電力変換器。
   

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