JP5275688B2

JP5275688B2 - コンバータ装置

Info

Publication number: JP5275688B2
Application number: JP2008147199A
Authority: JP
Inventors: 泰久田坂; 信一坂本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: JP2009296775A

Description

本発明は、コンバータ装置に関し、詳しくは、スイッチング素子を用いる直流電圧変換器を複数用いるコンバータ装置に関する。

関連するコンバータの技術は、例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１には、直流電源と負荷との間に設けられ、直流電源に直列に設けられたインダクタンス素子とスイッチング素子を有し、昇圧比ｎ倍で動作する昇降圧コンバータが記載されている。記載された昇降圧コンバータは、ｎに最も近い整数Ｎ'の整数倍Ｎでチョッパ回路（直流電圧変換器）を並列で動作させると共に、各列の電流位相を２π／Ｎずらした位相制御を行う。当該位相制御を行うことによって、電流リップルを低減させる。具体的なチョッパ回路の並列数切り替え制御では、昇圧比が２倍、３倍、６倍と変動する負荷において、チョッパ回路を６並列で動作させ、昇圧比に近い整数倍に並列数を近づける様、切り替える制御を行なう。

特開２００４−３５７３８８号公報

コンバータ装置には、一般的に、高効率及び耐久性（長寿命）が合わせて求められる。

コンバータの効率は、パワーデバイス（スイッチング素子）とリアクトル（インダクタンス素子）とで発生する損失によって、ほぼ決定する。リアクトル及びパワーデバイスで発生する損失は、低出力領域では出力に対して、パワーデバイスの定常損失とリアクトルの鉄損の占める割合が大きくなり、また、高出力領域では出力に対して、パワーデバイスの発熱による損失とリアクトルの銅損の占める割合が大きくなる。即ち、一般的なコンバータでは、低出力領域及び高出力領域に、低効率領域が発生する。

コンバータ装置の耐久性の向上には、多様な視点があるものの、その一つとして、パワーデバイスの長寿命化が挙げられる。パワーデバイスの平均寿命は、スイッチング回数や熱耐性によって変化することが知られている。即ち、コンバータ装置の耐久性の向上の為に、パワーデバイスのスイッチング回数や熱耐性を考慮する必要がある。尚、パワーデバイスを高温で動作させると、損失が増加して効率が低下することも知られている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、コンバータ効率を高める為、直流電圧変換器の並列数の切り替え制御を、適切に行うことを目的とする。

また、本発明の別の目的は、パワーデバイスのスイッチング回数及び熱耐性を考慮した並列切り替え制御を行うことである。

更に、本発明の別の目的は、コンバータ効率を高めると共に、パワーデバイスのスイッチング回数及び熱耐性を考慮した並列切り替え制御を行うことである。

本発明のコンバータ装置は、電源と負荷との間に設けられ、前記電源に直列に設けられたインダクタンス素子と、前記インダクタンス素子に直列接続されたスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子をスイッチングすることにより前記電源と負荷との間でエネルギーの移動を行う直流電圧変換器を複数用いるコンバータ装置であって、前記電源の電流を検出する電流検出手段を有し、動作させる個々の直流電圧変換器に流入する電流値の許容範囲を上限および下限で定め、前記電流検出手段の検出した電流値に基づいて、個々の直流電圧変換器に流入する電流値が前記許容範囲内に収まるように前記複数の前記直流電圧変換器の起動及び停止を切り替える制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、コンバータ効率を高める為、並列切り替え制御を適切に行えるコンバータ装置を提供できる。

同じく、本発明によれば、パワーデバイスのスイッチング回数及び熱耐性を考慮した並列切り替え制御を行えるコンバータ装置を提供できる。

本発明の実施の一形態を図１ないし図７に基づいて説明する。

図１は、実施の一形態の昇降圧コンバータ１の構成を示す回路図である。昇降圧コンバータ１は、複数の直流電圧変換器をＳ並列で構成された回路であり、電源１１、リアクトル２１〜２Ｓ、パワーデバイスとしてＩＧＢＴ３１〜３Ｓ、ダイオード４１〜４Ｓ、平滑コンデンサ５１、電流検出回路６１、電圧検出回路６２、６３、及び、制御装置７１で構成される。リアクトル２１〜２Ｓ、ＩＧＢＴ３１〜３Ｓ及びダイオード４１〜４Ｓは、一組毎に各列の直流電圧変換器を構成する。直流電圧変換器は、電源と負荷との間で電気エネルギーの移動（変換）を行う。尚、ＩＧＢＴに変えて、他のパワーデバイス（スイッチング素子）を用いても良い。

電流検出回路６１は、電源１１から供給される電流の電流値を、ＣＴ（電流カレントセンサ）を用いて検出する。電流検出回路６１等は、電流検出手段として用いられる。

電圧検出回路６２は、電源１１の出力電圧を検出する。電圧検出回路６３は、負荷への出力電圧を検出する。

制御装置７１は、直流電圧変換器（厳密にはＩＧＢＴ）をスイッチング制御し、各列の電流位相を２π／ｂ（ｂは動作させる列数）ずらした位相制御を行う。また、制御装置７１は、電流検出回路６１でＩ_ｉｎを検出し、動作中の各列に流れる入力電流Ｉ_ｂがＩ_ａ１＜Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ２の範囲になるように、並列数を切り替え制御する。ここで、入力電流Ｉ_ｂは、昇降圧コンバータ１がb並列で動作している時の各列に流れる入力電流を示す。尚、入力電流Ｉ_ｂは、式(1)で計算できる。また、Ｉ_ａ１，Ｉ_ａ２については、後述する。

Ｉ_ｂ＝Ｉ_ｉｎ／ｂ・・・(1)(Ｉ_ｉｎ：コンバータに入力される電流＝電源電流)

並列数切り替え制御は、例えば図４〜７を用いて後述するように、動作させたいＩＧＢＴのみに、スイッチング動作させる指示（ゲート端子への電圧印加）を与えることで、並列数を切り替える。換言すれば、制御装置７１は、直流電圧変換器のスイッチング素子のスイッチング操作を制御して、直流電圧変換器の起動及び停止を切り替え制御し、また、複数の直流電圧変換器の並列数を制御する。尚、停止の際には、昇圧用スイッチング素子、降圧用スイッチング素子の両方をoffとするだけで良い。

図２は、昇降圧コンバータの所定の１列におけるコンバータ効率を示す図である。縦軸は、エネルギー変換効率を示し、横軸は、入力電流Ｉ_ｂを示す。

昇降圧コンバータ１の効率は、低出力時（例えばＩ_ａ１以下）と高出力時（例えばＩ_ａ２以上）で低くなる。これは、低出力時には、流入する入力電流により発生するリアクトルの損失の割合が出力に対して多くなり、高出力時には、流入する入力電流により発生するＩＧＢＴの損失が増大するためである。

ここで、昇降圧コンバータの利用時に所望するエネルギー変換効率を、目標効率として定める。図２を用いて説明すれば、所望する効率を仮に９０％とする場合（効率Ａ点）、効率９０％の目盛りとコンバータ効率とが交わる２点を入力電流の少ない側からａ_１点、ａ_２点と規定する。同じく、ａ_１点及びａ_２点の入力電流Ｉ_ｂをＩ_ａ１及びＩ_ａ２と規定する。

このような構成により、昇降圧コンバータ１は、制御装置７１によって、直流電圧変換器の並列数を、検出するＩ_ｉｎの値に基づいてＩ_ｂをＩ_ａ１＜Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ２の範囲になるように、切り替え制御を行うことで、コンバータ効率の高効率化を実現可能とする。

換言すれば、検出する電流値Ｉ_ｉｎの許容範囲をＩ_ａ１＜Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ２となる値に規定し、検出した電流値Ｉ_ｉｎが許容範囲を逸脱した場合には、複数の直流電圧変換器の起動及び停止を切り替える制御を行い、コンバータ効率の高効率化を実現可能とする。

次に、制御装置７１の行う処理を示し、本発明を説明する。

図３は、制御装置の処理動作を示すフローチャートである。

制御装置７１は、コンバータの起動指示を受け、ＩＧＢＴのスイッチング制御を開始すると共に、各ＩＧＢＴのスイッチング回数をカウントする（ステップＳ３０１）。

制御装置７１は、電流検出回路６１の検出する入力電流Ｉ_ｉｎを取得し、入力電流Ｉ_ｉｎと制御している直流電圧変換器の列数からＩ_ｂを算出する（ステップＳ３０２）。

制御装置７１は、予め定めたＩ_ａ１及びＩ_ａ２に基づき、Ｉ_ｂがＩ_ａ１≦Ｉ_ｂ≦Ｉ_ａ２の範囲内であるか判定し、範囲内であれば現状の列数を維持し、範囲外であれば次ステップに進む（ステップＳ３０３）。

制御装置７１は、Ｉ_ｂがＩ_ａ１≦Ｉ_ｂ≦Ｉ_ａ２の範囲外であった場合、Ｉ_ｂ＞Ｉ_ａ２であるか判定し、Ｉ_ｂ＞Ｉ_ａ２でなければ次ステップに進み、Ｉ_ｂ＞Ｉ_ａ２であれば、直流電圧変換器の列数を増加させる様、ステップＳ３０６に進む（ステップＳ３０４）。

制御装置７１は、Ｉ_ｂがＩ_ｂ＞Ｉ_ａ２でない場合、Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ１であるか判定し、Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ１であれば、直流電圧変換器の列数を減少させる様、ステップＳ３０９に進む（ステップＳ３０５）。

制御装置７１は、停止中の一つの直流電圧変換器に対して、起動を指示する（ステップＳ３０６）。

制御装置７１は、Ｔon区間であるかデバイスを起動するタイミングを確認する（ステップＳ３０７）。

制御装置７１は、Ｔon区間であれば、直流電圧変換器のスイッチング素子であるＩＧＢＴのゲートに電圧を印加し、当該直流電圧変換器を起動する（ステップＳ３０８）。

一方、ステップＳ３０５でＩ_ｂ＜Ｉ_ａ１の場合、制御装置７１は、動作中の一つの直流電圧変換器に対して、停止を指示する（ステップＳ３０９）。

制御装置７１は、Ｔoff区間であるかデバイスを停止するタイミングを確認する（ステップＳ３１０）。

制御装置７１は、Ｔoff区間であれば、直流電圧変換器のＩＧＢＴのゲートへの電圧を停止し、当該直流電圧変換器を停止する（ステップＳ３１１）。

制御装置７１は、コンバータの停止指示が出されるまで、上記ステップＳ３０２からステップＳ３１１までの動作を繰り返し行い、コンバータの停止指示を受けたなら次ステップに進む、（ステップＳ３１２）。

制御装置７１は、各ＩＧＢＴのスイッチング回数と所定のスイッチングの設定値を比較し、当該設定値以上ならば次ステップへ進み、設定値未満ならば、コンバータを停止する（ステップＳ３１３）。

制御装置７１は、該設定値以上のＩＧＢＴの並列切り替えパターンを変更し、その後、コンバータを停止する（ステップＳ３１４）。

次に、制御装置７１の行う並列数切り替え制御を詳説する。並列数切り替え制御は、最大並列数が６（Ｓ＝６）の場合を例示し、説明する。尚、例示する順番（パターン）に限定するものではない。

図４は、一つのヒートシンクに固定される６個のＩＧＢＴの配置を例示する説明図である。

ＩＧＢＴは、図４に示すようにナンバリングされ、ヒートシンク上に、左上側から順に右下側へ所定の空間を空けて配設されている。

図５は、複数の直流電圧変換器の駆動回数の偏りを減少させる順番を例示する図である。図中の○数字は、図４に示したナンバリングされたＩＧＢＴに対応する。図５に示される順番は、ＩＧＢＴの経年劣化を縮小させる並列数切り替えパターンである。

制御装置７１は、予め、直流電圧変換器をスイッチング制御する前に、切り替え順のパターンを取得し、当該パターンに基づいて、動作並列数ｂ時点で動作させるＩＧＢＴを識別し、識別したＩＧＢＴに対して動作指示する。指示されたＩＧＢＴは、指示されたタイミングでスイッチング動作を行う。

制御装置７１は、コンバータの停止前に、カウント済の各ＩＧＢＴのスイッチング回数を取得し、所定数以上であった場合に、並列切り替え順を次パターンに切り替える（図３のＳ３１３，Ｓ３１４に該当）。

図５に例示したパターンのように動作することで、ＩＧＢＴの使用頻度を分散させ、パワーデバイスの経年劣化の縮小をはかり、もって、コンバータの長寿命化を図れる。

図６は、複数の直流電圧変換器の駆動時の発熱を分散させる順番を例示する図である。図中の○数字は、図４に示したナンバリングされたＩＧＢＴに対応する。図６に示される順番は、ヒートシンクの放熱性を考慮するＩＧＢＴの並列数切り替えパターンである。

制御装置７１は、Ｉ_inを測定して、Ｉ_ｂをＩ_ａ１≦Ｉ_ｂ≦Ｉ_ａ２の範囲内に収めるように、直流電圧変換器の並列数ｂを増加又は減少させる。この時、ＩＧＢＴでは、損失に起因する発熱が発生する。コンバータでは、ヒートシンクを熱対策として用いるが、ヒートシンクの小型化や、熱安全率の向上の為、複数のパワーデバイスを動作させる場合には、なるべく動作させるデバイス間の距離を長くする。

制御装置７１は、図６に示す様に、動作させる直流電圧変換器の並列数ｂに応じ、使用するヒートシンクの形状を考慮しつつ、使用するＩＧＢＴ間の距離が最大長になる様に、使用するＩＧＢＴを定める。具体的には、制御装置７１は、予め図６に例示されるＩＧＢＴの並列数切り替えパターンを取得し、動作並列数ｂ時点で動作させるＩＧＢＴを識別し、識別したＩＧＢＴに対して動作指示する。

図６に例示したパターンのように動作することで、ヒートシンクへの熱移動を効率的に行い、発熱を分散させることでヒートシンクの放熱性を有効に利用でき、もって、コンバータの長寿命化を図れる。

図７は、ＩＧＢＴの経年劣化とヒートシンクの放熱性とを考慮する並列数切り替えパターンを例示する図である。図中の○数字は、図４に示したナンバリングされたＩＧＢＴに対応する。

図７に示す並列数切り替えパターンは、図５に示す並列数切り替えパターンと、図６に示す並列数切り替えパターンの利点を組み合わせたものである。

制御装置７１は、例示される切り替え順のパターンに基づいて、ヒートシンクの放熱性を考慮したＩＧＢＴを識別し、識別したＩＧＢＴに対して動作指示する。また、制御装置７１は、コンバータの停止前に、カウント済の各ＩＧＢＴのスイッチング回数を取得し、所定数以上であった場合に、並列切り替え順を次パターンに切り替える。

図７に例示したパターンのように動作することで、ヒートシンクの放熱性を有効に使用すると共に、ＩＧＢＴの使用頻度を分散させ、パワーデバイスの経年劣化の縮小をはかり、もって、コンバータの長寿命化を図れる。

このように本実施の一形態の昇降圧コンバータ１では、入力電流をＩ_ａ１＜Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ２の範囲になるように制御装置で並列切り替え制御を行うことでコンバータ効率の高効率化を実現できる。

また、電源電流Ｉ_ｉｎをＣＴを用いて１箇所で計測することで、Ｉ_ｂの電流値の取得に直流電圧変換器毎にＣＴの取り付けることを省略でき、ＣＴの削減が図れる。また、計測チャネルの削減が図れる。

同じく、スイッチング回数、及び、熱耐性を考慮して並列切り替え制御を行うことで、コンバータの耐久性を向上できる。

また、コンバータの昇圧比がｎ倍で、ｎに最も近い整数をＮとし、コンバータ回路の並列数をａ・Ｎ（ａ:自然数)で構成した場合は、コンバータの並列数がＮ、２・Ｎ、３・Ｎ、・・・、ａ・Ｎに切り替わった状態で動作している時に、電流リップルが低減できる。

次に、並列数切り替え制御に用いる１列の直流電圧変換器の効率を取得する方法及び、各種設定値の決定方法を例示する。尚、例示する方法に限定するものではない。

１．直流電圧変換器が１並列で動作した場合のコンバータ効率をシミュレーションする。当該シミュレーション結果に基づいて、各並列数の時のＩ_ｉｎ及びＩ_ｂ、各並列数における目標効率（Ｉ_ａ１＜Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ２の範囲）を事前に決定する。

２．実際に１並列でコンバータを動作させた時のコンバータ効率を実測する。実測結果に基づいて、各並列数の時のＩ_ｉｎ及びＩ_ｂ、各並列数における目標効率（Ｉ_ａ１＜Ｉ_ｂ＜Ｉ_ａ２の範囲）を事前に決定する。

次に、本発明の第２の実施の一形態を、図８を用いて説明する。

図８は、第２の実施の一形態の昇降圧コンバータ２の構成を示す回路図である。

昇降圧コンバータ２は、図１のコンバータ構成に加え、電流検出回路６４及び制御装置８１内に効率演算を高速に行う効率演算デバイス８２を設ける。同じく、制御装置８１に、一定期間における演算した各種効率と検出した各種電流・電圧を記憶するメモリ（図示せず）を設ける。

このような構成によって、制御装置８１は、昇降圧コンバータ２の入力電力及び出力電力を計測可能とし、当該計測結果に基づいて、複数の前記直流電圧変換器の起動及び停止を行うことを可能とする。

昇降圧コンバータ２の動作は、制御装置８１が、各種検出回路（６１から６４）を用いて、各種電圧及び電流を取得してメモリに記憶すると共に、一定期間毎に効率を演算処理し、コンバータ効率をモニタリングする。

演算した効率が目標効率Ａ％以下、かつ検出したＩ_ｂが増加する傾向であるならば、並列数を増やし、演算した効率が目標効率Ａ％以下、且つ検出したＩ_ｂが減少する傾向であるならば、並列数を減らすように並列切り替え制御を行う。

このように動作することによって、コンバータ効率を高める並列切り替え制御を実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、コンバータ効率を高める為、並列切り替え制御を適切に行える制御装置を提供できる。同じく、パワーデバイスのスイッチング回数及び熱耐性を考慮した並列切り替え制御を行える制御装置を提供できる。

尚、上記実施の一形態の説明では、昇降圧コンバータを用いて、昇圧時の制御方法を説明したが、降圧時も昇圧時と同様に電源の電流を検出することによって目的を達成できる。

また、上記実施の一形態の説明では、昇降圧コンバータを用いて、本発明を説明したが、直流電圧変換器を複数用いるコンバータであれば、他のコンバータにも適応できる。

上記説明では、昇降圧コンバータの制御装置を用いて本発明を説明したが、本発明は、昇圧コンバータ又は降圧コンバータの制御装置にも適応できる。

また、本発明は、バッテリ駆動装置、バッテリ駆動車に使用できる。

実施の一形態の昇降圧コンバータ１の構成を示す回路図である。昇降圧コンバータの所定の１列におけるコンバータ効率を示す図である。制御装置の処理動作を示すフローチャートである。一つのヒートシンクに固定される６個のＩＧＢＴの配置を例示する説明図である。複数の直流電圧変換器の駆動回数の偏りを減少させる順番を例示する図である。複数の直流電圧変換器の駆動時の発熱を分散させる順番を例示する図である。ＩＧＢＴの経年劣化とヒートシンクの放熱性とを考慮する並列数切り替えパターンを例示する図である。第２の実施の一形態の昇降圧コンバータ２の構成を示す回路図である。

符号の説明

１昇降圧コンバータ
２昇降圧コンバータ
１１電源
２１〜２Ｓリアクトル
３１〜３ＳＩＧＢＴ（スイッチング素子）
４１〜４Ｓダイオード
５１平滑コンデンサ
６１、６４電流検出回路
６２、６３電圧検出回路
７１制御装置
８１制御装置
８２効率演算デバイス

Claims

電源と負荷との間に設けられ、前記電源に直列に設けられたインダクタンス素子と、前記インダクタンス素子に直列接続されたスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子をスイッチングすることにより前記電源と負荷との間でエネルギーの移動を行う直流電圧変換器を複数用いるコンバータ装置であって、
前記電源の電流を検出する電流検出手段を有し、
動作させる個々の直流電圧変換器に流入する電流値の許容範囲を上限および下限で定め、
前記電流検出手段の検出した電流値に基づいて、個々の直流電圧変換器に流入する電流値が前記許容範囲内に収まるように前記複数の前記直流電圧変換器の起動及び停止を切り替える制御を行う
ことを特徴とするコンバータ装置。
前記複数の直流電圧変換器の起動及び停止を切り替える制御は、個々の直流電圧変換器のスイッチング素子のスイッチング操作を制御して行うことを特徴とする請求項１記載のコンバータ装置。
前記複数の前記直流電圧変換器について各電流位相を２π/Ｎ（Ｎは並列数）ずらした位相制御を行いつつ、
前記複数の直流電圧変換器の起動及び停止を切り替える制御を、前記電流検出手段で検出した電流値に基づいて、動作させる個々の直流電圧変換器に流入する電流値を求め、前記許容範囲の上限の逸脱に対して並列数Ｎを増加させ、他方、前記許容範囲の下限の逸脱に対して並列数Ｎを減少させるときに、増加又は減少させる前の並列数Ｎにおける周期の分割を維持しながら、動作させる個々の直流電圧変換器が要求されるオン区間とオフ区間に揃えた動作タイミングを図って、
動作させる個々の直流電圧変換器のスイッチング素子のスイッチング操作を制御して、直流電圧変換器の並列数Ｎを増減させる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンバータ装置。
前記複数の直流電圧変換器の駆動順番を複数のパターンで定め、該定めた何れかのパターンの順番に基づいて、前記許容範囲内に収まるように前記複数の直流電圧変換器を切り替える制御を行うと共に、前記複数の直流電圧変換器のスイッチング回数に基づいて前記複数のパターンを入れ替える制御を行う
ことを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載のコンバータ装置。
前記複数の直流電圧変換器の駆動順番として、
前記複数の直流電圧変換器の駆動回数の偏りを減少させる所定順番、前記複数の直流電圧変換器の駆動時の発熱を分散させる所定順番、前記複数の直流電圧変換器の駆動回数の偏りを減少させ且つ駆動時の発熱を分散させる所定順番、の何れかを用いる
ことを特徴とする請求項４記載のコンバータ装置。