JP5464451B2 - コンバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータ制御装置に関する。

自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。

ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御している。このような制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータとしては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、ＰＷＭ動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。

このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)又はＺＣＳ(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やそれに与えるストレスが低い。これに対してパワー半導体デバイスの持つスイッチング機能により電圧・電流を直接ターンオン・オフするスイッチング方式はハードスイッチングと称されている。以下の記述においてはＺＶＳ／ＺＣＳの双方もしくはその一方が実現されている方式をソフトスイッチング、それ以外をハードスイッチングという。

ソフトスイッチングは、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードを備えた一般的な昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにスイッチング損失を低減するための補助回路を付加したもの（いわゆるソフトスイッチングコンバータ）によって実現される（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−１０２４３８号公報

このようなソフトスイッチングコンバータにおいて、補助回路に異常が生じると、ソフトスイッチングを実現できないため、かかる補助回路の異常を簡易かつ早期に検知する必要があった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、ソフトスイッチングコンバータを構成する補助回路の異常を、簡易かつ早期に検知することが可能なコンバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御する主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記補助回路は、前記主昇圧回路を構成する主スイッチに並列に接続された補助スイッチと、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記燃料電池の高電位側の端子と低電位側の端子に接続された、クランプダイオードとスナバコンデンサとが直列接続された第一直列接続体とを備え、前記コンバータ制御装置は、前記主スイッチをターンオフした場合に、前記クランプダイオードによってクランプされる前記スナバコンデンサの両端電圧を検知する検知手段と、前記スナバコンデンサの両端電圧と設定された正常電圧閾値とを比較し、該両端電圧が正常電圧閾値を超えている場合に前期補助回路に異常が生じていると判断する判断手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、スナバコンデンサの両端電圧が正常電圧閾値を超えている場合には、補助回路に異常（オープン故障など）が生じていると判断する。ここで、主スイッチに大きなサージ電圧Ｖｓｕが発生すると（図１４参照）、主スイッチに大きなエネルギ損失が生じ、最悪の場合には異常過熱により素子破壊を招来する、あるいは素子の絶縁破壊を惹き起こす可能性があるが、上記構成によれば、補助回路の異常を簡易かつ早期に検知することができるため、迅速なフェールセーフ動作への移行が可能となり、これにより素子破壊などの問題を未然に防止することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記スナバコンデンサ両端電圧と前記主スイッチの両端電圧との差分電圧を求める差分導出手段をさらに備え、前記判断手段は、前記差分電圧と設定された故障判定閾値とを比較し、該差分電圧が該故障判定値を超えている場合に前記補助回路に異常が生じていると判断する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、前記主昇圧回路の動作を停止するフェールセーフ手段をさらに具備する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、前記主昇圧回路の前記主スイッチに流れる電流の変化率を閾値変化率以下に制限するフェールセーフ手段をさらに具備する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合のゲート抵抗を、前記補助回路が正常であると判断された場合の前記主スイッチのゲート抵抗よりも大な値に設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する態様であっても良い。

また、上記構成にあっては、前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合の負荷の最大許容値を、前記補助回路が正常であると判断された場合の負荷の最大許容値よりも小さく設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する態様も好ましい。

さらにまた、上記構成にあっては、前記補助回路は、前記クランプダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と、前記主コイルの一端との間に接続された、ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとが直列接続された第二直列接続体をさらに備える態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノードと前記燃料電池の低電位側の端子に接続された平滑コンデンサとをさらに備え、前記主スイッチは、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続されている態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記ソフトスイッチングコンバータは、前記補助回路を、相毎に備えた多相ソフトスイッチングコンバータであり、前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されている態様が好ましい。

本発明によれば、ソフトスイッチングコンバータを構成する補助回路の異常を、簡易かつ早期に検知することが可能となる。

本実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。 同実施形態に係る多相のＦＣソフトスイッチングコンバータの回路構成を示す図である。 同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。 同実施形態に係るソフトスイッチング処理を示すフローチャートである。 モード１の動作を示す図である。 モード２の動作を示す図である。 モード３の動作を示す図である。 モード４の動作を示す図である。 モード５の動作を示す図である。 モード６の動作を示す図である。 モード５のスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｅの関係を例示した図である。 モード２からモード３への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図である。 補助回路が正常な場合のスナバコンデンサの両端電圧、第１スイッチング素子の両端電圧、第１スイッチング素子に流れる電流を示す図である。 補助回路がオープン故障している場合のスナバコンデンサの両端電圧、第１スイッチング素子の両端電圧、第１スイッチング素子に流れる電流を示す図である。 補助回路故障判定処理を示すフローチャートである。 変形例に係る補助回路故障判定処理を示すフローチャートである。 補助回路の他の構成を例示した図である。 補助回路の他の構成を例示した図である。

Ａ．本実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。 図１は本実施形態に係る車両に搭載されたＦＣＨＶシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

Ａ−１．システムの全体構成
ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とインバータ１４０の間にＦＣコンバータ２５００が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１８０が設けられている。

燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池１１０には、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを検出するための電圧センサＶ０、及び出力電流Ｉｆｃｍｅｓを検出するための電流センサＩ０が取り付けられている。燃料電池１１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（３）

単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだＭＥＡを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統（いずれも図示略）が設けられており、コントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。

ＦＣコンバータ２５００は、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池１１０側）に入力された出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ１４０側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ２５００により、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓが目標出力に応じた電圧となるように制御する。

バッテリ１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ１２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。

バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ２５００と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ１８０として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ１４０の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。

インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０またはバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。

トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１１０から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称している。

コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。

負荷１３０の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ（コンバータ制御装置）１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１１０及びバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ２５００及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。

Ａ−２．ＦＣコンバータの構成
図１に示すように、ＦＣコンバータ２５００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相によって構成された三相の共振型コンバータとしての回路構成を備えている。三相共振型コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。本実施形態では、ＦＣコンバータ２５００としてフリーホイール回路（詳細は後述）を備えた多相のソフトスイッチングコンバータ（以下、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ）を採用している。

Ａ−２−１．多相のＦＣソフトスイッチングコンバータの説明
図２は、ＦＣＨＶシステム１００に搭載される多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００の回路構成を示す図であり、図３は、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００の１相分の回路構成を示す図である。

以下の説明では、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＦＣソフトスイッチングコンバータを、それぞれＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０ａ、２５ｂ、２５０ｃと呼び、特に区別する必要がない場合には、単にＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０と呼ぶ。また、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。

図３に示すように、各ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０は、昇圧動作を行うための主昇圧回路２２ａと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路２２ｂと、フリーホイール回路２２ｃを備えて構成されている。
主昇圧回路２２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなる第１スイッチング素子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Ｌ１に蓄えられたエネルギを負荷１３０にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１０の出力電圧を昇圧する。

詳述すると、コイルＬ１の一端が燃料電池１１０の高電位側の端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１の一端の極がコイルＬ１の他端に接続され、第１のスイッチング素子Ｓ１の他端の極が燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサＣ３は、ダイオードＤ５のアノード端子と第１スイッチング素子Ｓ１の他端との間に接続されている。主昇圧回路２２ａには、燃料電池１１０側に平滑コンデンサＣ１が設けられており、これにより燃料電池１１０の出力電流のリップルを低減することが可能となる。なお、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧を検知する電圧センサＳｖ１が設けられている。

ここで、コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔとなり、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬは、燃料電池１１０の出力電圧であってＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ入力電圧Ｖｉｎとなる。

補助回路２２ｂには、第１スイッチング素子Ｓ１に並列に接続された、クランプダイオードＤ３とこのクランプダイオードＤ３に直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第１直列接続体が含まれている。第１直列接続体は、クランプダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、クランプダイオードＤ３のアノ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。さらに、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。なお、スナバコンデンサＣ２の両端電圧を検知する電圧センサＳｖ２が設けられている。

さらに、補助回路２２ｂには、ダイオードＤ２と第２スイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ１と、各相に共通の補助コイルＬ２によって構成された第２直列接続体が含まれる。
第２直列接続体は、ダイオードＤ２のアノード端子が第１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ている。さらに、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端の極は、補助コイルＬ２とフリーホイール回路２２ｃの接続部位に接続されている。フリーホイールダイオードＤ６のアノード端子は、燃料電池１１０の低電位側に接続される一方、フリーホイールダイオードＤ６のカソード端子は補助コイルＬ２に接続されている。このフリーホイール回路２２ｃは、各相に共通のフリーホイールダイオードＤ６を備えており、補助コイルＬ２が通電中に第２スイッチング素子Ｓ２がオープン故障などした場合であっても、第２スイッチング素子Ｓ２を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐために設けられたフェールセーフ機能を実現するための回路である。なお、フリーホイール回路２２ｃを備えていない構成にも本発明を適用可能である。

このように構成されるＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０においては、コントローラ１６０が各相の第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチングデューティー比を調整することで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Ｖｉｎに対するコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔの比が制御される。また、第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチングが実現される。

次に、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０によるソフトスイッチング動作について、図４等を参照しながら説明する。図４は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣソフトスイッチングコンバータ２５の一サイクルの処理（以下、ソフトスイッチング処理）を示すフローチャートであり、コントローラ１６０が図４に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０６を順次実行することによって一サイクルを形成する。なお、以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５の電流、電圧の状態をあらわす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５〜図１０に示す。また、図５〜図１０では回路を流れる電流を矢印で示す。

＜ソフトスイッチング動作＞
まず、図４に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１０から負荷１３０に要求される電力が供給されている状態、すなわち第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子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を介して電流が負荷１３０に供給される状態にある。

（モード１；図５参照）
ステップＳ１０１においては、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフを保持する一方、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の出力電圧ＶＨと入力電圧ＶＬの電位差により、負荷１３０側に流れていた電流がコイルＬ１、ダイオードＤ３、第２スイッチング素子Ｓ２、補助コイルＬ２を介して補助回路１２ｂ側に徐々に移行してゆく。なお、図５中では、負荷１３０側から補助回路１２ｂ側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。

また、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンすることにより、図５に示す矢印Ｄｍ１１の向きに電流の循環が発生する。ここで、第２スイッチング素子Ｓ２の電流変化速度は、補助コイルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）と補助コイルＬ２のインダクタンスに従い増加していくが、第２スイッチング素子Ｓ２に流れる電流は補助コイルＬ２により抑制されるため、結果としてダイオードＤ５を介して負荷１３０側に流れる電流（図５に示す矢印Ｄｍ１２参照）のソフトターンオフが実現される。
ここで、モード１からモード２への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ１は下記式（４）によって表される。

Ｉｐ；相電流
Ｌ２ｉｄ；補助コイルＬ２のインダクタンス

（モード２；図６参照）
上記遷移完了時間が経過し、ステップＳ１０２に移行すると、ダイオードＤ５を流れる電流はゼロとなり、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に電流が流れ込むとともに（図６に示す矢印Ｄｍ２１参照）、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れてゆく（図６に示す矢印Ｄｍ２２参照）。このスナバコンデンサＣ２の容量に応じて、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧が決定される。

ここで、図１２はモード２からモード３への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図であり、燃料電池１１０の電圧を太実線、スナバコンデンサＣ２の電圧を細実線、スナバコンデンサＣ２の電流を破線で示している。
図６に示すＤｍ２１の経路の通電が開始された後（図１２に示す（Ａ）参照）、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＨと燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、図６に示すＤｍ２２の経路の通電、すなわち補助コイルＬ２への通電が開始される（図１２に示す（Ｂ）参照）。ここで、図１２に示すように、スナバコンデンサＣ２の電流は、スナバコンデンサＣ２の電圧が料電池１１０の電圧ＶＬに到達するまで上昇し続ける。

詳述すると、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＨと燃料電池１１０の電圧ＶＬの電位差によってスナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷が電源側に回生され始めるが（図６に示す矢印Ｄｍ２２）、もともとの電位差は（ＶＨ−ＶＬ）であるため、スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷の流れ（放電）は電源電圧（すなわち燃料電池１１０の電圧ＶＬ）に到達したところ（図１２に示すタイミングＴｔ１）でとまってしまうところ、補助コイルＬ２の特性（すなわち、電流を流し続けようとする特性）により、スナバコンデンサＣ２の電圧がＶＬ以下になっても電荷を流し続けようとする（図１２に示す（Ｃ）参照）。このとき、下記式（４）’が成立すれば、スナバコンデンサＣ２の電荷はすべて流れる（放電）ことになる。

左辺；補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギ
右辺；スナバコンデンサＣ２に残存するエネルギ

スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷がなくなると、図６に示すＤｍ２３の経路でフリーホイール動作を行い、通電を継続する（図１２に示す（Ｄ）参照）。これにより、補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギが全て放出される。なお、補助コイルＬ２の一端にはダイオードＤ２のアノードが接続されているため、ＬＣ共振は半波で止まる。このため、スナバコンデンサＣ２は、放電後に０Ｖを保持することになる。

ここで、モード２からモード３への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ２は下記式（５）によって表される。

Ｃ２ｄ；コンデンサＣ２の容量

（モード３；図７参照）
図６に示すＤｍ２２の経路で電流が流れる動作が終了し、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜けきる、あるいは最小電圧（ＭＩＮ電圧）となると、第１スイッチング素子Ｓ１がターンオンされ、ステップＳ１０３に移行する。スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態では、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなるため、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）が実現される。かかる状態では、コイルＬ１に流れる電流Ｉｌ１は、矢印Ｄｍ３１に示す補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１と矢印Ｄｍ３２に示す第１スイッチング素子Ｓ１を介して流れる電流Ｉｄｍ３２の和となる（下記式（６）参照）。

ここで、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流Ｉｄｍ３１は、補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の減少速度に応じて決定される。補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の電流変化速度は下記式（７）によって表わされる、すなわち補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１は下記式（７）の変化速度で減少していくため、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオンしたとしても第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流が急に立ち上がることはなく、ＺＣＳ（Zero Current Switching）が実現される。

（モード４；図８参照）
そして、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３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加してゆく（図８に矢印Ｄｍ４２参照）。ここで、補助回路１２ｂにはダイオードＤ２が存在するため、補助コイルＬ２に逆電流は流れず、第２スイッチング素子Ｓ２を介してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることはない。また、この時点で第１スイッチング素子Ｓ１はターンオンしているため、ダイオードＤ３を経由してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることもない。従って、コイルＬ１の電流＝第１スイッチング素子Ｓ１の電流となり、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオン時間Ｔｓ１は、下記式（８）によって近似的に表される。

Ｔｃｏｎ；制御周期
なお、制御周期とは、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの一連の処理を一周期（一サイクル）としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。

（モード５；図９参照）
ステップＳ１０４においてコイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、第１スイッチング素子Ｓ１２がターンオフされ、図９に矢印Ｄｍ５１で示す経路に電流が流れる。ここで、図１１は、モード５におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｅの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード２において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に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶｃはＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧ＶＨに向かって上昇する。このとき、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅの上昇速度は、スナバコンデンサＣ２への充電により抑制され（すなわち、電圧の立ち上がりが鈍化され）、ターンオフ時（図１１に示すα参照）のスイッチング損失を低減するＺＶＳ動作をすることが可能となる。

（モード６；図１０参照）
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負荷１３０側に解放される（図１０に示す矢印Ｄｍ６１参照）。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフ時間Ｔｓ２は、下記式（９）によって近似的に表される。

以上説明したソフトスイッチング処理を行うことでＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１０の出力電圧を所望の電圧に上昇し、負荷１３０に供給することが可能となる。

＜補助回路２２ｂの故障判定＞
ここで、図１３は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の補助回路２２ｂが正常な場合のスナバコンデンサＣ２の両端電圧（実線）、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧（破線）、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流（一点鎖線）を示す図であり、図１４は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合（すなわち、第２スイッチング素子Ｓ２が常時オフしている場合）のスナバコンデンサＣ２の両端電圧（実線）、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧（破線）、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流（一点鎖線）を示す図である。
なお、以下では、説明の便宜上、補助回路２２ｂが正常な場合のスナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１をそれぞれソフトスイッチＣ２電圧、ソフトスイッチＳ１電圧と呼び、補助回路２２ｂがオープン故障している場合のスナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１をそれぞれハードスイッチＣ２電圧、ハードスイッチＳ１電圧と呼ぶ。

ａ．補助回路２２ｂが正常な場合（図１３参照）
補助回路２２ｂが正常な状態において、スイッチング素子をターンオフすると（図８に示すモード４→図９に示すモード５参照）、コイルＬ１に溜まったエネルギーが解放され、図９に矢印Ｄｍ５１で示す経路に電流が流れる。これにより、モード２において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に電荷がチャージされ、ソフトスイッチＣ２電圧は上昇してゆく。ここで、ソフトスイッチＳ１電圧はクランプダイオードＤ３によってクランプされ、ソフトスイッチＣ２電圧がソフトスイッチＳ１電圧、すなわち電圧ＶＨに収束してゆく。

ｂ．補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合（図１４参照）
補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合には、スイッチング素子をターンオフする前にハードスイッチＣ２の両端電圧Ｖｃ２はＶＨを保持する。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１がターンオフされると、補助回路２２ｂが正常に動作しないために第１スイッチング素子Ｓ１にサージ電圧Ｖｓｕが発生する。このサージ電圧ＶｓｕはクランプダイオードＤ３によってクランプされ、スナバコンデンサＣ２によってハードスイッチＣ２電圧としてあらわれる。ハードスイッチＳ１電圧は、最終的にＶＨに収束してゆくが、ハードスイッチＣ２電圧はサージ電圧Ｖｓｕにクランプされるため、本実施形態では、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２と第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１との差分電圧ΔＶを求め、求めた差分電圧ΔＶが差分電圧閾値以上である場合に、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断する。もちろん、差分電圧ΔＶを求めることなく、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２のみを検出し、検出したコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値以上である場合に故障（オープン故障）が生じていると判断しても良い（詳細は変形例１参照）。なお、差分電圧閾値や正常電圧閾値については、予め実験などによって求めておけば良い。以下、補助回路２２ｂの故障判定処理について、図１５を参照しながら説明する。

図１５は、コントローラ１６０によって実行される補助回路２２ｂの故障判定処理を示すフローチャートである。
コントローラ（差分導出手段）１６０は、例えば図８に示すモード４から図９に示すモード５への移行に伴い、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフすると（ステップＳ１）、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２と第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１とを検出し、差分電圧ΔＶを求める。
コントローラ１６０は、求めた差分電圧ΔＶとメモリ（図示略）に格納された電圧閾値とを比較し、差分電圧ΔＶが差分電圧閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。

コントローラ１６０は、差分電圧ΔＶが差分電圧閾値未満である場合には、補助回路２２ｂは正常であると判断し、処理を終了する。
一方、コントローラ（判断手段、フェールセーフ手段）１６０は、差分電圧ΔＶが差分電圧閾値以上である場合には、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断し、ステップＳ３に示すフェールセーフ動作へ移行し、処理を終了する。ここで、フェールセーフ動作としては、補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断された相（例えばＵ相）のコンバータを停止し、残りの相（例えばＶ相、Ｗ相）のコンバータを利用して負荷１３０を駆動する。

周知のとおり、スイッチング素子Ｓ１に大きなサージ電圧Ｖｓｕが発生すると（図１５参照）、スイッチング素子Ｓ１に大きなエネルギ損失が生じ、最悪の場合には異常過熱により素子破壊を招来するなどの問題が発生する。そこで、本実施形態では、上記の如く補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断された相のコンバータについては、運転を停止し、これにより素子破壊などの問題を未然に防止することが可能となる。

Ｂ．変形例
＜変形例１＞
図１６は、変形例１に係る補助回路２２ｂの故障判定処理を示すフローチャートである。なお、図１６に示すステップのうち、前掲図１５に対応するステップについては同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
コントローラ（差分導出手段）１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフすると（ステップＳ１）、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２を検知する。
コントローラ１６０は、検知したスナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２とメモリ（図示略）に格納された正常電圧閾値とを比較し、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳａ２）。

コントローラ１６０は、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値未満である場合には、補助回路２２ｂは正常であると判断し、処理を終了する。
一方、コントローラ（判断手段、フェールセーフ手段）１６０は、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値以上である場合には、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断し、ステップＳ３に示すフェールセーフ動作へ移行し、処理を終了する。ここで、フェールセーフ動作としては、補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断された相（例えばＵ相）のコンバータを停止し、残りの相（例えばＶ相、Ｗ相）のコンバータを利用して負荷１３０を駆動する。

＜変形例２＞
上述した本実施形態では、フェールセーフ動作として、オープン故障が生じていると判断された相のコンバータを停止し、残りの相のコンバータを利用して負荷１３０を駆動する場合について説明したが、これに限る趣旨ではない。例えば、オープン故障が生じていると判断された相についてはソフトスイッチングではなくハードスイッチングを行うようにしても良い。ただし、ハードスイッチングを行う場合には、第１スイッチング素子Ｓ１について素子破壊などの問題が生じ得るため、予め電流の変化率を抑えるように出力制限をかければ良い。具体的には、コントローラ（フェールセーフ手段）１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流の変化率が予め設定された閾値変化率以下となるように、監視・制限する。具体的には、ハードスイッチングを行う場合には第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗を大きくする、あるいは負荷１３０の最大許容値を低く設定することで、出力制限をかければ良い。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗については、例えば補助回路２２ｂが正常な場合に利用するゲート抵抗（以下、第１ゲート抵抗）Ｒ１と、補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合に利用する抵抗値の大きなゲート抵抗（以下、第２ゲート抵抗）Ｒ２（＞Ｒ１）を用意しておく。コントローラ１６０は、図１５や図１６に示す故障判定処理を実行結果に基づき、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗の選択切換を行う。すなわち、コントローラ１６０は、補助回路２２ｂが正常であると判断すると（ステップＳ２またはステップＳ２ａ；ＮＯ）、第１ゲート抵抗Ｒ１を選択する一方、補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断すると（ステップＳ２またはステップＳ２ａ；ＹＥＳ）、第２ゲート抵抗Ｒ２を選択する。かかる構成によって素子破壊などの問題を未然に防止しても良い。なお、負荷１３０の最大許容値の選択切換を行う場合の動作については、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗の選択切換を行う場合と同様に説明することができるため、説明を割愛する。また、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗値や負荷１３０の最大許容値については、予め実験などによって求めておければ良い。

また、差分電圧ΔＶが電圧閾値以上になる原因として、スイッチング素子をターンオフする前にスナバコンデンサＣ２の電荷が十分に抜けきれていないことが考えられる。この場合には、補助回路２２ｂの第２スイッチング素子Ｓのオン、オフタイミングを適宜変化させることで、スナバコンデンサＣ２の電荷が十分に抜けきれているかを確認した上で、もう一度差分電圧ΔＶを求めることで補助回路２２ｂにオープン故障が生じているか否かを判断するようにしても良い。

＜変形例３＞
また、上述した本実施形態では、補助回路２２ｂに含まれる第２直列接続体として、ダイオードＤ２のアノード端子が第１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、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている例を説明したが（図３参照）、この第２直列接続体の回路トポロジーについて、コイルＬ２、ダイオードＤ２、第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の直列順序は適宜入れ替えた態様も採用し得る。具体的には、図１６や図１７に示すように、フリーホイール回路２２ｃを除くとともにコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の順序を入れ替えても良い。

１００…ＦＣＨＶシステム、１１０…燃料電池、１２０…バッテリ、１３０…負荷、１４０…インバータ、２５００…ＦＣコンバータ、１６０…コントローラ、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、２５０…ＦＣソフトスイッチングコンバータ、２２ａ…主昇圧回路、２２ｂ…補助回路、２２ｃ…フリーホイール回路、Ｓ１,Ｓ２…スイッチング素子、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５…ダイオード、Ｄ６…フリーホイールダイオード。

Claims (6)

1. 燃料電池の出力電圧を制御する主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
   前記補助回路は、
   補助スイッチと、
   主昇圧回路を構成する主スイッチに並列に接続され、かつ前記燃料電池の高電位側の端子と低電位側の端子に接続された、クランプダイオードとスナバコンデンサとが直列接続された第一直列接続体とを備え、
   前記コンバータ制御装置は、
   前記主スイッチをターンオフした場合に、前記クランプダイオードによってクランプされる前記スナバコンデンサの両端電圧を検知する検知手段と、
   前記スナバコンデンサの両端電圧と設定された正常電圧閾値とを比較し、該両端電圧が正常電圧閾値を超えている場合に前記補助回路に異常が生じていると判断する判断手段と、
   前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、ハードスイッチングを行う前記主昇圧回路の前記主スイッチに流れる電流の変化率を閾値変化率以下に制限するフェールセーフ手段と
   を具備する、コンバータ制御装置。
2. 前記スナバコンデンサ両端電圧と前記主スイッチの両端電圧との差分電圧を求める差分導出手段をさらに備え、
   前記判断手段は、前記差分電圧と設定された故障判定閾値とを比較し、該差分電圧が該故障判定閾値を超えている場合に前記補助回路に異常が生じていると判断する、請求項１に記載のコンバータ制御装置。
3. 前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合のゲート抵抗を、前記補助回路が正常であると判断された場合の前記主スイッチのゲート抵抗よりも大な値に設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する、請求項１または２に記載のコンバータ制御装置。
4. 前記補助回路は、
   前記クランプダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と、前記主コイルの一端との間に接続された、ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとが直列接続された第二直列接続体をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載のコンバータ制御装置。
5. 前記主昇圧回路は、
   一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
   アノードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
   前記第一ダイオードのカソードと前記燃料電池の低電位側の端子に接続された平滑コンデンサとをさらに備え、
   前記主スイッチは、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続されている、請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載のコンバータ制御装置。
6. 前記ソフトスイッチングコンバータは、
   前記補助回路を、相毎に備えた多相ソフトスイッチングコンバータであり、
   前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されている、請求項１に記載のコンバータ制御装置。

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