JP5644115B2

JP5644115B2 - 電圧変換器

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Publication number: JP5644115B2
Application number: JP2010009907A
Authority: JP
Inventors: 将紀石垣; 大谷　裕樹; 裕樹大谷
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
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Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP2011151911A

Description

本発明は、電動機と直流電源との間で電圧変換を行う電圧変換器に関する。

近年、自動車等の車両の駆動源としてモータ等の電動機が使用され、この電動機の電力供給源としてリチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源が使用されている。

直流電源と電動機との間には双方向コンバータまたは二象限チョッパ回路とも呼ばれる電圧変換器が設けられている。この電圧変換器は力行時、すなわち直流電源から電動機に電力が供給される時には直流電源の電圧（例えば約２００Ｖ）を電動機の駆動に要する電圧（例えば、約２００Ｖ〜６５０Ｖ）に昇圧する昇圧コンバータとして機能する。また、車両の減速時等、電動機が発電機として作動し、電動機から直流電源に電力を送る回生時には電動機の電圧を降圧する降圧コンバータとして機能する。

ここで、電圧変換器について図２４を用いて説明する。電圧変換器１は直流電源２０と電動機３０との間に接続されている。電圧変換器１は、第１のスイッチング素子２と、第１のスイッチング素子２に直列接続された第２のスイッチング素子３とを備えている。さらに、第１のスイッチング素子２には第１のダイオード４が並列接続され、第２のスイッチング素子３には第２のダイオード５が並列接続されている。ここで、スイッチング素子とダイオードとの組み合わせは「アーム」と呼ばれる。図２４においては第１のスイッチング素子２と第１のダイオードの組み合わせは下アーム６と呼ばれ、第２のスイッチング素子３と第２のダイオードの組み合わせは上アーム７と呼ばれる。また、下アーム６と上アーム７とを繋ぐ配線にリアクトル１２が接続されている。

さらに第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３は制御部９に接続されている。制御部９は信号生成部１０と、信号補正部１１とを備えている。

上述した構成において、力行時に直流電源２０の電圧を昇圧する昇圧回路は第１のスイッチング素子２、第２のダイオード５、リアクトル１２によって構成される。一方、回生時に電動機３０の電圧を降圧する降圧回路は第２のスイッチング素子３、第１のダイオード４、リアクトル１２によって構成される。

ここで、直流電源２０の電圧を昇圧する割合は第１のスイッチング素子２のオン／オフ比によって定まる。一方、電動機３０からの電圧を降圧する割合は第２のスイッチング素子３のオン／オフ比によって定まる。第1のスイッチング素子２のオン／オフ比は制御部９の信号生成部１０で生成されるスイッチング信号Ｔｒ１によって定まり、第２のスイッチング素子３のオン／オフ比は信号生成部１０で生成されるスイッチング信号Ｔｒ２によって定まる。ここで、スイッチング信号はオンとオフの２値からなる信号であり、任意の周期における第１または第２のスイッチング素子２、３のオン時間とオフ時間とを定めた信号である。

信号生成部１０には電動機３０の出力要求を行うパワーマネジメントコントローラ（図示せず）から指令電圧Ｓが送られる。信号生成部１０では指令電圧Ｓを出力するために必要な第１のスイッチング素子２のスイッチング信号Ｔｒ１_０および第２のスイッチング素子３のスイッチング信号Ｔｒ２_０を公知の方法、例えば三角波比較法等により生成する。

さらに信号生成部１０は、スイッチング信号Ｔｒ１_０およびＴｒ２_０にデットタイムＴｄと呼ばれる区間を挿入したスイッチング信号Ｔｒ１_１およびＴｒ２_１を生成する。これは第１のスイッチング素子２と第２のスイッチング素子３とが同時にオンになることによる短絡を防ぐためのものであり、このデッドタイムＴｄ期間は第１のスイッチング素子２と第２のスイッチング素子３の両方がオフになる。以上のようにして生成されたスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に基づき、制御部９は第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３のオン／オフ制御を行う。

ここで、指令電圧Ｓをもとに生成されたスイッチング信号Ｔｒ１_０、Ｔｒ２_０にデッドタイムＴｄが挿入されたスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に基づいて第１、第２のスイッチング素子２、３のオン／オフ制御が行われることにより、電圧変換器１の出力電圧Ｖ_Ｏは指令電圧Ｓとは異なるものとなる。具体的には昇圧時（力行時）には昇圧の度合いが所定割合で弱められ、出力電圧Ｖ_Ｏは指令電圧Ｓより低い値にしか昇圧されないことが知られている。また降圧時（回生時）には降圧の度合いが所定割合で強められ、出力電圧Ｖ_Ｏは指令電圧Ｓよりも低くなることが知られている。

そこで特許文献１においては制御部９に信号補正部１１を設け、フィードバック制御により指令電圧Ｓと出力電圧Ｖ_Ｏとの差異を軽減している。すなわち、信号補正部１１は電圧変換器１の出力電圧Ｖ_Ｏを受信し、出力電圧Ｖ_Ｏと指令電圧Ｓとの差異を算出するとともにこの差異に基づいて出力電圧Ｓを増減させている。

特開２００３−３０９９９７号公報

しかし、フィードバック制御は積分時間等の確保のため応答に遅れが生じる。例えばスイッチング周期について数周期分の遅れが生じる。したがって、例えば車両がスリップし、急に力行過程から回生過程に切り替わった時など、遅れ時間中に指令電圧Ｓの値が急変した場合に指令電圧Ｓと電圧変換器の出力電圧Ｖ_Ｏとの差が大きくなることがあった。

そこで本発明は、従来のフィードバック制御に代えて、遅れ時間の発生が無いフィードフォワード制御による電圧補正を行う電圧変換器を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、直流電源と電動機との間に接続され、電圧の昇圧及び降圧を行う電圧変換器であって、オン時間に電流を流すとともにオフ時間に電流を遮断する第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子に並列接続された第１のダイオードと、からなる下アームと、第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子に並列接続された第２のダイオードと、からなり、前記下アームに直列接続する上アームと、前記上アームまたは前記下アームに流れる電流の方向を判定する電流方向判定器と、出力電圧を示す電圧指令を受信すると共に、前記電流方向判定器から前記電流方向の判定信号を受信し、前記電圧指令と前記判定信号とに基づいて前記第１及び第２のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間を定めたスイッチング信号を生成して前記第１及び第２のスイッチング素子のオン／オフ制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする、電圧変換器である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の電圧変換器であって、前記制御部は、信号生成部と信号補正部とを備え、前記信号生成部では、前記電圧指令に基づいて前記第１のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第２のスイッチング信号が生成され、前記信号補正部では、前記判定信号に基づいて前記第１のスイッチング信号及び第２のスイッチング信号が補正され、前記制御部は、補正後の前記第１のスイッチング信号及び第２のスイッチング信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング素子のオン／オフ制御を行う、ことを特徴とする、電圧変換器である。

また、請求項３に係る発明は、請求項２記載の電圧変換器であって、前記信号補正部は、前記上アームと下アームとを繋ぐ接点から前記下アームまたは前記上アームに向かって電流が流れているときには、前記第１のスイッチング信号のオン時間および前記第２のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間延長する補正を行い、前記下アームまたは上アームから前記接点に向かって電流が流れているときには、前記第１のスイッチング信号のオン時間および前記第２のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間短縮する補正を行うことを特徴とする、電圧変換器である。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の電圧変換器であって、前記上アームと下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段を設け、前記電流方向判定器は、前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第１及び第２のスイッチング信号を受信し、受信した前記第１及び第２のスイッチング信号のオン／オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記上アーム又は下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器である。

また、請求項５に係る発明は、請求項３に記載の電圧変換器であって、前記接点と下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段を設け、前記電流方向判定器は、前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第１のスイッチング信号を受信し、受信した前記第１のスイッチング信号のオン／オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器である。

デッドタイムの影響により昇圧時には昇圧の度合いが所定割合で弱められ、降圧時には降圧の度合いが所定割合で強められることから、昇圧時であるか降圧時であるかを判定することによりスイッチング信号の補正を行うことが可能となる。本願発明者らは、電圧変換器の上アームまたは下アームに流れる電流の方向から昇圧時であるか降圧時であるかを判定することができ、さらにこの判定及び当該判定に基づくスイッチング信号の補正が電圧を出力する前に行えることを見出した。これによりデッドタイムの影響を予め取り除いた状態で電圧を出力するフィードフォワード制御が可能となる。したがって、従来のフィードバック制御のような応答遅れが発生せず、急激な電圧の変化にも対応することができる。

本発明の実施形態に係る電圧変換器と周辺の回路を例示する図である。電圧変換器に送られるスイッチング信号が生成される過程を例示する図である。回生時における電圧変換器と周辺の回路の電流の流れを例示する図である。回生時における電圧変換器と周辺の回路の電流の流れを例示する図である。力行時における電圧変換器と周辺の回路の電流の流れを例示する図である。力行時における電圧変換器と周辺の回路の電流の流れを例示する図である。回生時のスイッチング信号の補正について説明する図である。力行時のスイッチング信号の補正について説明する図である。回生時のスイッチング信号の補正について説明する図である。力行時のスイッチング信号の補正について説明する図である。別の実施形態に係る電圧変換器と周辺の回路を例示する図である。力行時における、スイッチング信号、下アーム電流、及び下アームに接続する配線に設けられたコイルの電圧の変化を説明する図である。回生時における、スイッチング信号、下アーム電流、及び下アームに接続する配線に設けられたコイルの電圧の変化を説明する図である。電流方向判定信号を生成するためのフローチャートを示す図である。電流方向判定信号の生成について説明する図である。電流方向判定信号の生成について説明する図である。本発明の実施形態にかかる電圧補正を実施したときの結果を例示する図である。リアクトルを流れる電流の波形を例示する図である。電流方向判定信号の生成について説明する図である。スイッチング信号の補正値の出力について説明する図である。スイッチング信号の補正値の出力について説明する図である。スイッチング信号の補正値の出力について説明する図である。スイッチング信号の補正値の出力について説明する図である。従来の電圧変換器と周辺の回路を例示する図である。

図１に本実施形態に係る電圧変換器およびその周辺回路を示す。まず電圧変換器１の周辺回路構成について説明する。電圧変換器１は直流電源２０および電動機３０の間に接続されている。直流電源２０はリチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池から構成されている。また電動機３０は永久磁石モータ等のモータから構成されている。

さらに電圧変換器１と直流電源２０との間には電源側コンデンサ２１が直流電源２０から見て電圧変換器１と並列に接続されている。

また電圧変換器１と電動機３０との間にはインバータ２５および負荷側コンデンサ２２が、電動機３０から見てそれぞれ電圧変換器１と並列に接続されている。

次に電圧変換器１の構成について説明する。電圧変換器１は、第１のスイッチング素子２と、第１のスイッチング素子２に直列に接続された第２のスイッチング素子３を備えている。第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電圧制御型のトランジスタから構成され、オン時間にはコレクタ−エミッタ間に電流が流れ、オフ時間には当該電流の流れが遮断される。

さらに第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３は制御部９に接続されている。制御部９は信号生成部１０及び信号補正部１１を備えている。

また、第１のスイッチング素子２には第１のダイオード４が逆並列に、すなわち第１のスイッチング素子２のエミッタ側からコレクタ側に向かう方向をダイオードの順方向とするように並列に接続され、同様に第２のスイッチング素子３には第２のダイオード５が逆並列に接続されている。なお、第１のスイッチング素子２と第１のダイオード４との組み合わせは下アーム６と呼ばれ、第２のスイッチング素子３と第２のダイオード５との組み合わせは上アーム７と呼ばれる。

また、上アーム７と下アーム６とを繋ぐ接点（ノード）１３にはコイル等からなるリアクトル１２が接続されている。

さらに、上アーム７と下アーム６とを繋ぐ配線のうち、接点１３よりも下アーム６側の配線には電流計等からなる電流検知器１４が設けられている。この電流検知器１４は制御部９の信号補正部１１に電流方向を示す判定信号を送信可能になっている。

以上、電圧変換器１とその周辺の回路構成について説明した。次に、第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３のオン／オフ時間を決めるスイッチング信号の生成過程について説明し、さらに生成されたスイッチング信号に基づく電圧変換器１の昇圧動作および降圧動作について説明する。

スイッチング信号は制御部９にて生成される。制御部９の信号生成部１０には、図示しないパワーマネジメントコントローラから電動機３０を駆動させるための指令電圧Ｓが送られる。信号生成部１０は指令電圧Ｓに基づいて公知の三角波比較法等により第１のスイッチング素子２のオン／オフ時間を定めたスイッチング信号Ｔｒ１_０を生成する。さらにスイッチング信号Ｔｒ１_０の逆信号、すなわちオン時間とオフ時間とを逆転させた信号を生成し、これを第２のスイッチング素子３のスイッチング信号Ｔｒ２_０とする。ここで、スイッチング信号Ｔｒ２_０はスイッチング信号Ｔｒ１_０の逆信号であることから、両信号の周期Ｔ_０は等しくなる。

さらに信号生成部１０は図２に示すように、スイッチング信号Ｔｒ１_０、Ｔｒ２_０の周期Ｔ_０中に２回のデッドタイムＴｄを挿入したスイッチング信号Ｔｒ１_１およびＴｒ２_１を生成する。デッドタイムＴｄの挿入により、スイッチング信号Ｔｒ１_１およびＴｒ２_１の周期Ｔ_１はスイッチング信号Ｔｒ１_０およびＴｒ２_０の周期Ｔ_０よりも２Ｔｄ分長くなる。

ここで、スイッチング信号Ｔｒ１_１に基づいて第1のスイッチング素子２のオン／オフ制御を行い、またスイッチング信号Ｔｒ２_１に基づいて第２のスイッチング素子３のオン／オフ制御を行った場合における、電圧変換器１の昇圧動作又は降圧動作について説明する。まず降圧時（回生時）における電圧変換器１の動作について説明する。回生時、すなわち電動機３０から直流電源２０に電力が送られる際に、電圧変換器1は降圧コンバータとして作用する。降圧回路は第２のスイッチング素子３、第１のダイオード４、およびリアクトル１２から構成される。

降圧回路においては、第２のスイッチング素子３のオン時間に電動機３０から電流が流れ、この電流は図３に示すように電動機３０→第２のスイッチング素子３→接点１３→リアクトル１２→直流電源２０→電動機３０の経路を流れる。このときリアクトル１２には電磁エネルギが蓄積される。次に第２のスイッチング素子３のオフ時間（デッドタイムを含む）には、電動機３０からの電流の供給が遮断されるとともにリアクトル１２に起電力が発生して図４に示すようにリアクトル１２→直流電源２０→第1のダイオード４→電流検知器１４→接点１３→リアクトル１２の経路を電流が流れる。

降圧回路における降圧の割合は、第２のスイッチング素子３のオン時間Ｔ_２ＯＮの、スイッチング周期Ｔ_１に対する比で表すことができることが知られている。すなわち、電動機３０の電圧をＶ_Ｈ、デッドタイム、つまり第１のスイッチング素子２も第２のスイッチング素子３もオフになっている時間をＴｄ、第２のスイッチング素子のみがオフになっている時間をＴ_２ＯＦＦとすると、図２から、直流電源２０に加えられる電圧Ｖ_Ｌは以下の数式１により求められる。

上記数式１を参照すると、分母にデッドタイムＴｄの項があり、その分降圧の度合いが強められる、すなわち直流電源２０に加えられる電圧Ｖ_Ｌが指令電圧Ｓよりも低くなることが理解される。

次に昇圧時における電圧変換器１の動作について説明する。力行時、すなわち直流電源２０から電動機３０に電力が送られる際に、電圧変換器1は昇圧コンバータとして作用する。昇圧回路は第１のスイッチング素子２、第２のダイオード５、およびリアクトル１２から構成される。

昇圧回路においては、第１のスイッチング素子２のオン時間には、図５に示すように直流電源２０→リアクトル１２→接点１３→電流検知器１４→第１のスイッチング素子２→直流電源２０の経路で電流が流れる。このとき、リアクトル１２には電磁エネルギが蓄積される。次に第1のスイッチング素子３のオフ時間（デッドタイムを含む）には、リアクトル１２に蓄積された電磁エネルギが直流電源２０の電圧に加算された状態で図６に示すように第２のダイオード５を経て電動機３０に送られる。

昇圧回路の昇圧の割合は、スイッチング周期Ｔ_１の、第1のスイッチング素子２のオフ時間に対する比によって求められることが知られている。すなわち、第1のスイッチング素子２のオン時間をＴ_１ＯＮ、第１のスイッチング素子２のみがオフになっている時間をＴ_１ＯＦＦとすると、図２から、電動機３０に加えられる電圧Ｖ_Ｈは以下の数式２により求められる。

ここで、最右辺について、Ｔ_１ＯＮ＋Ｔ_１ＯＦＦ＞Ｔ_１ＯＦＦであるから、

すなわち、上記数３に示されるように、デッドタイムＴｄが挿入されている分、昇圧の割合は弱められ、電動機３０に加えられる電圧Ｖ_Ｈは指令電圧Ｓよりも低くなる。

以上説明したようにスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に補正が加えられない状態で第１および第２のスイッチング素子２、３のオン／オフ制御を行うと、電圧変換器1は降圧過程（回生時）、昇圧過程（力行時）ともにデッドタイムＴｄの影響を受ける。そこで制御部９の信号補正部１１はスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正し、デッドタイムの影響Ｔｄを取り除いている。以下、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正について説明する。

降圧時（回生時）における電圧変換器１の電流の流れは、図３に示したように、第２のスイッチング素子３がオンのとき、電流は電動機３０→第2のスイッチング素子３→接点１３→リアクトル１２→直流電源２０→電動機３０の経路を流れる。また図４に示すように、第２のスイッチング素子３がオフ（デッドタイムを含む）のとき、電流はリアクトル１２→直流電源２０→第1のダイオード４→電流検知器１４→接点１３→リアクトル１２の経路を流れる。

ここで、電流検知器１４に流れる電流、すなわちリアクトル１２が接続された接点１３から下アーム６に流れる電流Ｉ_１（以下、電流Ｉ_１を「下アーム電流」と呼ぶ。）の流れに着目する。接点１３から下アーム６への流れ方向を正とすると、回生時には下アーム電流Ｉ_１は負方向（下アーム６→接点１３）に流れるか、または流れがなくなる（０になる）かのいずれかであり、正の方向には流れないことが理解される。

一方、昇圧時（力行時）における電圧変換器１の電流の流れは、図５に示すように、第１のスイッチング素子２がオンのとき、電流は直流電源２０→リアクトル１２→接点１３→電流検知器１４→第1のスイッチング素子２→直流電源２０の経路を流れる。また図６に示すように、第1のスイッチング素子２がオフ（デッドタイムを含む）のとき、電流は直流電源２０→リアクトル１２→接点１３→第2のダイオード５→電動機３０→直流電源２０の経路を流れる。このとき、下アーム電流Ｉ_１は正方向（接点１３→下アーム６）に流れるか、または流れがなくなる（０になる）かの何れかであり、負の方向には流れないことが理解される。

以上から、下アーム電流Ｉ_１が正方向に流れれば昇圧時（力行時）であり、負方向に流れれば降圧時（回生時）であることが理解される。電流検知器１４は、下アーム電流Ｉ_１の電流値を測定することにより下アーム電流Ｉ_１の流れ方向が正方向であるか負方向であるかを示す判定信号を制御部９の信号補正部１１に送信する。信号補正部１１では電流検知器１４からの判定信号を受けて電動機３０が昇圧時であるか降圧時であるかを判定する。さらにこの判定結果に基づいてスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正する。以下に、信号補正部１１が行うスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正について説明する。

信号補正部１１は、電流検知器１４から下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を通知する信号を受信すると、電動機３０が昇圧時であるか降圧時であるかを判定する。この判定後、信号補正部１１は、昇圧時であるときには昇圧の度合いを増加させる補正を、また降圧時であるときには降圧の度合いを低減させる補正をスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に行う。

すなわち、信号補正部１１は降圧時（回生時）においては上述した数式１に基づき、スイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２ＯＦＦを予め定めた時間短縮する補正を行う。さらにこの補正にあわせてスイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１ＯＮを予め定めた時間短縮する補正を行う。補正前のスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を図７の上段に、補正後のスイッチング信号Ｔｒ１_２、Ｔｒ２_２を下段に示す。

例えば信号補正部１１は、スイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２ＯＦＦおよびスイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１ＯＮを２Ｔｄ分減じる補正を行う。この補正を数式に表すと下記数式４のようになる。

数式４に示されるように、補正によりデッドタイムＴｄの影響が取り除かれることが理解される。

また、信号補正部１１は昇圧時（力行時）においては上述した数式２に基づき、スイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１ＯＮを予め定めた時間延長する補正を行う。さらにこの補正にあわせてスイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２ＯＦＦを予め定めた時間延長する補正を行う。補正前のスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を図８の上段に、補正後のスイッチング信号Ｔｒ１_２、Ｔｒ２_２を下段に示す。

例えば信号補正部１１は、スイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１ＯＮに、（２Ｔｄ×Ｔ_１ＯＮ）／Ｔ_１ＯＦＦを加える。この補正を下記数式５に示す。またこの補正にあわせてスイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２ＯＦＦに（２Ｔｄ×Ｔ_２ＯＦＦ）／Ｔ_２ＯＮを加える。

数式５に示されるように、補正によりデッドタイムＴｄの影響が取り除かれることが理解される。

ここで、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正のタイミングについて説明する。信号補正部１１は、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の周期Ｔ_１中にスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正している。言い換えれば、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に基づいて第１および第２のスイッチング素子２、３のオン／オフ制御をしている最中に当該スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正している。

図９には降圧時（回生時）におけるスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正動作の概略が示されている。上述のように、降圧時にはスイッチング信号Ｔｒ２_１がオン時間Ｔ_２Ｏｎからオフ時間Ｔ_２Ｏｆｆに切り替わると下アーム電流Ｉ_１が０からマイナスの値に切り替わる。電流検知器１４は下アーム電流Ｉ_１が０からマイナスに切り替わったときに下アーム電流Ｉ_１が負方向に流れている旨の判定信号を信号補正部１１に送る。または負の値の電流値を判定信号としてそのまま信号補正部１１に送る。この電流検知器１４から信号補正部１１への送信はスイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２Ｏｆｆ中に行われる。さらに信号補正部１１では下アーム電流Ｉ_１の流れ方向または負の電流値に基づいて降圧時であると判断し、スイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２Ｏｆｆ中に当該オフ時間Ｔ_２ｏｆｆおよびスイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１Ｏｎを所定量低減させる。これにより、スイッチング周期Ｔ_１中にスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１が補正される。

また、図１０には昇圧時（力行時）におけるスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正動作の概略が示されている。上述のように、昇圧時にはスイッチング信号Ｔｒ１_１がオフ時間Ｔ_１Ｏｆｆからオン時間Ｔ_１Ｏｎに切り替わると下アーム電流Ｉ_１は０からプラスの値に切り替わる。電流検知器１４は下アーム電流Ｉ_１が０からプラスに切り替わったときに下アーム電流Ｉ_１が正方向に流れている旨の判定信号を信号補正部１１に送る。または電流値を判定信号としてそのまま信号補正部１１に送る。この電流検知器１４から信号補正部１１への送信はスイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１Ｏｎ中に行われる。さらに信号補正部１１では下アーム電流Ｉ_１の流れ方向に基づいて昇圧時であると判断し、スイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１Ｏｎ中に当該オン時間Ｔ_１ｏｎおよびスイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２Ｏｆｆを所定量増加させる。これにより、スイッチング周期Ｔ_１中にスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１が補正される。

以上のようにスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１が補正されると、制御部９は補正されたスイッチング信号Ｔｒ１_２、Ｔｒ２_２に基づいて第1のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３のオン／オフ動作を制御する。デッドタイムＴｄの影響が取り除かれた補正後のスイッチング信号Ｔｒ１_２、Ｔｒ２_２に基づいて昇圧、降圧を行うので電圧変換器１の出力電圧Ｖ_Ｏと指令電圧Ｓとの差は低減される。

このように、本実施形態においては下アーム電流Ｉ_１の流れ方向に基づいて昇圧時であるか降圧時であるかを判定し、この判定結果に基づいてスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正している。この補正はスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の周期Ｔ_１中、つまり電圧の出力前に行われるため、デッドタイムＴｄの影響を取り除いた状態で電圧が出力される。このように本実施形態では予めデッドタイムＴｄの影響を取り除いた状態で電圧を出力するフィードフォワード制御による電圧補正を行っているので、原理的にフィードバック制御時に発生する応答遅れは生じない。したがって従来、応答遅れが原因で電圧補正が間に合わなかった急激な電圧の変化が生じても本実施形態では迅速に対応することができる。

なお、図１の実施形態では電流検知器１４は下アーム電流Ｉ_１の方向を検知していたが、接点１３と上アーム７との間に電流検知器１４を設け、接点１３から上アーム７に向かう流れを正とする上アーム電流Ｉ_２の方向を検知するようにしてもよい。このとき、図４から、降圧時（回生時）には上アーム電流Ｉ_２は負方向か、または流れがなくなる（０になる）かの何れかであり、正の方向には流れないことが理解される。また図５から、昇圧時（力行時）には上アーム電流Ｉ_２は正方向に流れるか、または流れがなくなる（０になる）かの何れかであり、負の方向には流れないことが理解される。つまり上アーム電流Ｉ_２が正方向に流れれば昇圧時であり、負方向に流れれば降圧時である。この流れの傾向をもとに、信号補正部１１はスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正を行う。

以上、本実施形態に係る電圧変換器における電圧補正について説明した。なお、上述の実施形態においては電流検知器１４として電流計を使用し、下アーム電流Ｉ_１または上アーム電流Ｉ_２の流れ方向を直接検知していたが、これに代えて接点１３と下アーム６または上アーム７との間の配線にコイル３２を設け、当該コイル３２の電圧Ｖ_Ｒの変化と、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１のオン／オフの切り替わりとに基づいて間接的に下アーム電流Ｉ_１または上アーム電流Ｉ_２の流れ方向を検知してもよい。以下、この検知方法について説明する。

図１１に示す電圧変換器１には、図１で示した電流検知器１４に代えて、接点１３と下アーム６との間の配線３１の周囲に、誘導起電圧を利用して当該配線３１を流れる電流の微分値を検出する検出手段が設けられている。図１１においては検出手段としてロゴスキーコイル等のコイル３２を設け、さらにコイル３２から電圧値Ｖ_Ｒを受信し、さらに信号生成部１０からスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を受信する電流方向判定器３３が設けられている。

上述したとおり、昇圧時（力行時）においてはスイッチング信号Ｔｒ１_１がオフからオンに切り替わる（立ち上がる）ときに下アーム電流Ｉ_１が０から正の値に切り替わる。このとき、下アーム電流Ｉ_１が流れる配線の周囲に設けられたコイル３２の電圧Ｖ_Ｒは下アーム電流Ｉ_１の変化（微分値）に応じて０から正の値に立ち上がり、その後にまた０に戻る。つまり、スイッチング信号スイッチング信号Ｔｒ１_１の立ち上りとコイル３２の電圧Ｖ_Ｒの０から正の値への切り替わりが同時に起こったときに下アーム電流Ｉ_１が正方向に流れることが理解される。このようにしてスイッチング信号Ｔｒ１_１のオン／オフの切り替わりとコイル電圧Ｖ_Ｒの変化を測定することで下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を間接的に知ることができる。

なお、一般的に同時に発生する変化を捉える際には同時の定義（任意の猶予時間を設定し、当該猶予時間内の変化を同時とみなす）等を設定する煩雑さがある。したがって、同時に発生する変化を捉えるよりも順次発生する変化を捉えることの方が判定過程としては簡便である。そこで、スイッチング信号Ｔｒ１_１のオン／オフの切り替わりとコイル電圧Ｖ_Ｒの変化を測定する代わりにスイッチング信号Ｔｒ２_１の立下りとコイル電圧Ｖ_Ｒの変化を測定しても良い。

図１２に昇圧時（力行時）のスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ１_１との切り替わりと、コイル電圧Ｖ_Ｒのタイミングチャートを示す。スイッチング信号Ｔｒ２_１が立ち下がり（オンからオフに切り替わる）、デッドタイムＴｄが経過した後にスイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち上がり（オフからオンに切り替わる）、これと同時に下アーム電流Ｉ_１の値が０から正の値に立ち上がる。このことから、昇圧時（力行時）において下アーム電流Ｉ_１が正方向に流れるときには、スイッチング信号Ｔｒ２_１立ち下がり→デッドタイムＴｄ→コイル電圧Ｖ_Ｒ立ち上がりという変化が順次見られることが理解される。この順次発生する変化を追うことで昇圧時における下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を間接的に検知することができる。

また、降圧時（回生時）においては図１３に示すように、スイッチング信号Ｔｒ２_１が立ち上がると同時に下アーム電流Ｉ_１の負方向への流れが０になる。このとき下アーム電流Ｉ_１の流れの変化の影響を受けて、コイル３２の電圧Ｖ_Ｒは０から正の値に立ち上がった後にまた０に戻る。つまりスイッチング信号Ｔｒ２_１の立ち上がりと同時にコイル電圧Ｖ_Ｒが立ち上がる。

上述の変化をスイッチング信号Ｔｒ１_１の立下りのタイミングを用いて言い換えると、第１のスイッチング素子２のスイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち下がり、デッドタイムが経過した後にスイッチング信号Ｔｒ２_１が立ち上がり、それと同時に下アーム電流Ｉ_１の値が負から０に切り替わる。この切り替わりの際にコイル電圧Ｖ_Ｒが立ち上がる。したがって、降圧時（回生時）において下アーム電流Ｉ_１が負方向に流れるときには、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち下がり→デッドタイムＴｄ→コイル電圧Ｖ_Ｒ立ち上がりという変化が順次見られることが理解される。この順次発生する変化を追うことで降圧時における下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を間接的に検知することができる。

スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の立下りのタイミングと、コイル電圧Ｖ_Ｒの立ち上がりのタイミングとに基づいて下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を判定するフローチャートを図１４に示す。電流方向判定器３３はこのフローチャートに則って電流方向を判定し、判定結果として下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を示す電流方向判定信号ＳＧＮを生成する。本実施形態においては、下アーム電流Ｉ_１が正方向を流れていると判定したときには電流方向判定信号ＳＧＮの値を１とし、また、下アーム電流Ｉ_１が負方向を流れていると判定したときには電流方向判定信号ＳＧＮの値を−１としている。このように生成された電流方向判定信号ＳＧＮは信号補正部１１に送信される。

図１４のフローチャートについて、まず昇圧時（力行時）について説明する。電流方向判定器３３は、スイッチング信号の立下りを検知し（Ｓ１）、立ち下がった信号がスイッチング信号Ｔｒ１_１であるかＴｒ２_１であるかを判定する（Ｓ２）。立ち下がった信号がＴｒ２_１である場合、デッドタイムＴｄ後にコイル電圧Ｖ_ｒが正の値に立ち上がるか否かを判定する（Ｓ４）。コイル電圧Ｖ_ｒが０から正の値に立ち上がった場合、上述したように下アーム電流Ｉ_１は正方向に流れているから、電流方向判定器３３は電流方向判定信号ＳＧＮの値を１にセットする（Ｓ５）。また、デッドタイム後にコイル電圧Ｖ_ｒが正の値に立ち上がらない場合には電流方向判定信号ＳＧＮの値を０にセットする（Ｓ６）。このように生成された電流方向判定信号ＳＧＮの波形を、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１、コイル電圧Ｖ_ｒ、下アーム電流Ｉ_１の波形とともに図１５に示す。

次に降圧時（回生時）について説明する。電流方向判定器３３は、スイッチング信号の立下りを検知し（Ｓ１）、立ち下がった信号がＴｒ１_１である場合（Ｓ２）、デッドタイムＴｄ後にコイル電圧Ｖ_ｒが正の値に立ち上がるか否かを判定する（Ｓ７）。コイル電圧Ｖ_ｒが立ち上がった場合、上述したように下アーム電流Ｉ_１は負方向に流れたことになるから、電流方向判定器３３は電流方向判定信号ＳＧＮの値を−１にセットする（Ｓ８）。また、デッドタイム後にコイル電圧Ｖ_ｒが正の値に立ち上がらない場合には電流方向判定信号ＳＧＮの値を０にセットする（Ｓ６）。このように生成された電流方向判定信号ＳＧＮの波形を、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１、コイル電圧Ｖ_ｒ、下アーム電流Ｉ_１の波形とともに図１６に示す。

上述のように生成された電流方向判定信号ＳＧＮに基づき、信号補正部１１は電動機３０が昇圧時であるか降圧時であるかを判断し、当該判断結果に基づいてスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正を行う。電流方向判定信号ＳＧＮ生成のきっかけとなるスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の立下りはスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の半周期ごとに現れるから、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の周期Ｔ_１単位で下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を検知することができる。したがって、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正をスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の周期Ｔ_１内で行うことが可能となり、電圧の出力前にデッドタイムＴｄの影響を取り除くフィードフォワード制御を行うことができる。

なお、上述の実施形態では下アーム電流Ｉ_１の変化に着目していたが、接点１３と上アーム７との間の配線にコイル３２を配置し、上アーム電流Ｉ_２の変化に着目して電圧補正を行ってもよい。

ここで、電流方向判定器３３を用いて行った電圧補正の結果を図１７に示す。図１７は、車両のスリップ等によりフィードバック制御における応答遅れ時間中に電動機３０が力行過程から回生過程に急に切り替わったときにおける、従来のフィードバック制御による電圧補正と本実施形態の電圧補正とを比較したものである。

図１７では、左側が従来のフィードバック制御による電圧補正を示し、右側が本実施形態による電圧補正を示している。電動機３０の電力変化が最上段に示されており、電力値が正（力行）から負（回生）に急激に切り替わっている。さらに２段目にはスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に補正が行われたか否かが示されている。また、３段目のグラフにはリアクトル１２を流れるリアクトル電流Ｉ_Ｌの変化が示され、４段目のグラフは負荷側コンデンサ２２の電圧変化が示されている。

ここで、リアクトル電流Ｉ_Ｌについて説明する。リアクトル１２には下アーム電流Ｉ_１と上アーム電流Ｉ_２とが流れることから、リアクトル電流Ｉ_Ｌは下アーム電流Ｉ_１と上アーム電流Ｉ_２の和を表している。具体的には図３、図４に示したように、降圧時（回生時）においては第２のスイッチング素子３がオンの時にはリアクトル１２に上アーム電流Ｉ_２が流れ、オフの時には下アーム電流Ｉ_１が流れる。また図５、図６に示したように、昇圧時（力行時）においては第１のスイッチング素子２がオンの時にはリアクトル１２に下アーム電流Ｉ_１が流れ、オフの時には上アーム電流Ｉ_２が流れる。

ところで、上述の図１５、１６等では下アーム電流Ｉ_１の波形について、力行時には０と所定のプラスの二値、回生時には０と所定のマイナスの値の所定のマイナスの二値しか取らないパルス状であるように記載したが、実際にはわずかな値の増減がある。具体的には、昇圧時（力行時）にはスイッチング信号Ｔｒ１_１がオンのときに下アーム電流Ｉ_１が流れ、このときにリアクトル１２に電磁エネルギが溜められるため、下アーム電流Ｉ_１の値は上昇傾向となる。スイッチング信号Ｔｒ１_１がオフになると上アーム電流Ｉ_２が流れ、このときにリアクトル１２から電磁エネルギが放出されるため、上アーム電流Ｉ_２の値は下降傾向となる。したがって、下アーム電流Ｉ_１と上アーム電流Ｉ_２が合成されたリアクトル電流Ｉ_Ｌは、図１８に示すように鋸状の波形となる。

また降圧時（回生時）にはスイッチング信号Ｔｒ２_１がオンのときに上アーム電流Ｉ_２が流れ、このときにリアクトル１２に電磁エネルギが溜められるため、上アーム電流Ｉ_２の値は上昇傾向となる。スイッチング信号Ｔｒ２_１がオフになると下アーム電流Ｉ_１が流れ、このときにリアクトル１２に電磁エネルギが放出されるため、下アーム電流Ｉ_１の値は下降傾向となる。したがって、この場合においてもリアクトル電流Ｉ_Ｌは鋸状の波形となる。

図１７に戻り、従来のフィードバック制御について説明する。図１７に示した電力変化は応答遅れの期間中に起こっているため、従来のフィードバック制御ではスイッチング信号を補正することができない。したがって力行時においても回生時においても指令電圧Ｓよりも出力電圧Ｖ_Ｏが低くなる。この影響を受けリアクトル電流Ｉ_Ｌは電動機３０が力行から回生に切り替わる際に０Ａ付近で停滞する。また、指令電圧Ｓと出力電圧Ｖ_Ｏとの間に差異があるため、この差異を平滑するために負荷側コンデンサ２２に電荷が溜め込まれる。

一方、本実施形態に係る電圧補正について説明すると、電動機３０の電力変化に応じて信号補正部１１はスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正している。図１７の右側２段目のグラフに示すように、力行時においては下アーム電流Ｉ_１が正方向であることを検知し、昇圧の度合いを増加させる補正をスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に対して行い、また回生時であるときには下アーム電流Ｉ_１が負方向であることを検知し降圧の度合いを低減させる補正をスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１に対して行う。その結果、リアクトル電流Ｉ_Ｌは電動機３０の電力変化に沿うようにスロープ状に変化し、０Ａ付近の停滞は見られない。また、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正が行われることによって指令電圧Ｓと出力電圧Ｖ_Ｏとの差異が低減するので負荷側コンデンサ２２の電荷の溜め込みが少量で済む。

このように、本実施形態における電圧補正を行うことでスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正を迅速に行うことが可能となる。特に、本実施形態では負荷側コンデンサ２２の電荷の溜め込みが少量で済むため、従来よりも容量の小さいコンデンサを使用することができる。これによりコンデンサのコストを低減することが可能となる。

なお、図１７の右側２段目のスイッチング信号補正のグラフについて、リアクトル電流Ｉ_Ｌの値が０付近にあるとき（したがって下アーム電流Ｉ_１の値も上アーム電流Ｉ_２の値も０付近である）には電流方向判定器３３は電流方向についての判定を休止している。これは、リアクトル電流Ｉ_Ｌの値が０付近にあるときには電流方向判定器３３が電流方向の判定信号として０を継続して出力していることによる。

リアクトル電流Ｉ_Ｌが０付近にあるときには、図１８に示すように、リアクトル電流Ｉ_Ｌの波形における山の頂点が正の値、谷の頂点が負の値を取り、山の頂点と谷の頂点との間で電流値が０となる。一方、リアクトル電流Ｉ_Ｌが０付近にないときには、図１５、図１６に示したように、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の切り替わり（すなわち山の頂点または谷の頂点）と同時に下アーム電流Ｉ_１及び上アーム電流Ｉ_２の値が０になる。すなわち、リアクトル電流Ｉ_Ｌが０付近にあるときとないときとでは電流値が０になるタイミングが異なるものとなる。これを受けて、コイル電圧Ｖ_ｒの立ち上がりもリアクトル電流Ｉ_Ｌが０付近にあるときとないときとではタイミングが異なるものとなる。

その結果、リアクトル電流Ｉ_Ｌが０付近にあるときには、図１４に示すフローチャートにおけるタイミングとは異なるタイミングでコイル電圧Ｖ_ｒが立ち上がる。すなわちスイッチング信号Ｔｒ１_１またはＴｒ２_１が立ち下がった後のデッドタイム後にはコイル電圧Ｖ_ｒは立ち上がらず、電流方向判定信号ＳＧＮとして０が出力される（Ｓ６）。電流方向の判定信号として０が継続して出力されることにより、信号補正部１１ではスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の補正が休止される。

なお、リアクトル電流Ｉ_Ｌの値０付近にあるときに電流方向の判定を休止する態様につき、図１の電流検知器１４を備えた実施形態においても同様の操作を行うことは可能である。すなわち、電流検知器１４に予め閾値を定め、電流値が閾値以内にあるときは電流方向を判定しない等の処理を行うことで電流方向の判定を休止させることができる。

以上、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１のオン／オフの切り替わりと、コイル電圧Ｖ_Ｒの変化とによって間接的に下アーム電流Ｉ_１または上アーム電流Ｉ_２の流れ方向を判定する方法について説明した。なお、上述の実施形態においては、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の両信号の立下りを検知していたが、スイッチング信号Ｔｒ２_１の立下りの検知を省略し、スイッチング信号Ｔｒ１_１の立下りのみを検知するようにしても良い。このとき、図１３に照らしてスイッチング信号Ｔｒ１_１立ち下がり→デッドタイムＴｄ→コイル電圧Ｖ_Ｒ立ち上がりと順次変化したときには下アーム電流Ｉ_１は負方向に流れている、つまり降圧時（回生時）であると判定し、デッドタイム後Ｔｄにコイル電圧のＶ_Ｒの立ち上がりがない場合には図１２に照らして下アーム電流Ｉ_１は正方向に流れている、つまり昇圧時（力行時）であると判定する。

なお、この態様においては、下アーム電流Ｉ_１が０付近にあるとき（図１８参照）には、上述したようにデッドタイムＴｄ経過後のコイル電圧Ｖ_Ｒの立ち上がりがないから、下アーム電流Ｉ_１が正方向に流れているものと判定される。このように、スイッチング信号Ｔｒ１_１の立下りのみを検知する場合においては、スイッチング信号Ｔｒ１_１とＴｒ２_１の両方の立下りを検知する場合と比較して下アーム電流Ｉ_１が０付近にあるときの電圧補正の精度が低くなるが、両者ともフィードフォワード制御を行うことが可能であり、応答遅れの無い電圧補正を行うことができる。さらに前者はスイッチング信号Ｔｒ１_１のみの立下りを検知するだけで良いので判定処理が簡便となる。

ところで、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の周波数が高くなると、コイル電圧Ｖ_Ｒの波形は第１および第２のスイッチング素子２、３の寄生インダクタンスの影響を受ける。例えば図１９に示すように、コイル電圧Ｖ_Ｒの波形にはリンギング波形と呼ばれる振動波形が重畳する。このリンギング波はデッドタイムＴｄよりも短い期間で減衰して０になる。

通常の力行時（図１５を参照）であれば、第１のスイッチング信号Ｔｒ１_１の立下り後にコイル電圧Ｖ_Ｒが立ち上がることはないが、このリンギング波がコイル電圧Ｖ_Ｒに重畳することにより第１のスイッチング信号Ｔｒ１_１の立下り後であってもコイル電圧Ｖ_Ｒは一度負の値に立ち下がった後に急激に正の値に立ち上がってしまう。そうなると図１４の判定フローにおいて本来であれば電流方向判定信号ＳＧＮの値が０となる（Ｓ６）べきところが１（Ｓ５）の値が出力されてしまう。

そこで本実施態様においてはスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の立下りタイミングを検知する代わりに、スイッチング信号Ｔｒ１_１の立ち上がり及び立下りのタイミングに基づいて下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を判定する。

図１９に示すように、リンギング波は下アーム電流Ｉ_１の切り替わりと同時に発生する。下アーム電流Ｉ_１の切り替わりは第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３のゲート電圧の切り替わりによって生じる。第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３のゲート電圧はスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１によって切り替わる。スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１は制御部９から第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３に送られる。このとき、制御部９から第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３にスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１が届き、第１のスイッチング素子２および第２のスイッチング素子３のゲート電圧が切り替わるまでにはわずかな遅延時間が生じる。このことから、制御部９においてスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１が切り替わった時から遅延時間を経過した後にリンギング波が発生することになる。

この現象を利用すると、力行時にはスイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち上がった後、遅延時間経過後に下アーム電流Ｉ_１が０から正方向に流れ、これと同時にコイル電圧Ｖ_Ｒが立ち上がる。したがって、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち上がり→コイル電圧Ｖ_Ｒ立ち上がりという変化を順次検知することにより下アーム電流Ｉ_１の正方向の流れを検知することが可能となる。

また、スイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち下がった後、遅延時間経過後に下アーム電流Ｉ_１の流れが遮断され、これと同時にコイル電圧Ｖ_Ｒが立ち下がる。したがって、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち下がり→コイル電圧Ｖ_Ｒ立ち下がりという変化を順次検知することにより下アーム電流Ｉ_１の正方向の流れが０になったことを検知することが可能となる。

一方、回生時においては、スイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち下がり、デッドタイムＴｄ経過後にスイッチング信号Ｔｒ２_１が立ち上がり、さらに遅延時間経過後に下アーム電流Ｉ_１の負方向の流れが遮断される。これと同時にコイル電圧Ｖ_Ｒが立ちあがる。したがって、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち下がり→コイル電圧Ｖ_Ｒ立ち上がりとの変化を順次検知することにより、下アーム電流Ｉ_１の負方向の流れが０になったことを検知することが可能となる。

また、スイッチング信号Ｔｒ２_１が立ち下がった後、遅延時間経過後に下アーム電流Ｉ_１が０から負方向に流れ、これと同時にコイル電圧Ｖ_Ｒにはリンギング波形が生じる。その後デッドタイムＴｄを経てスイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち上がる。このとき、コイル電圧Ｖ_Ｒのリンギング波はデッドタイムＴｄ中に減衰しているので、スイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち上がるときにはコイル電圧Ｖ_Ｒは０になっている。したがって、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち上がり→コイル電圧Ｖ_Ｒ変化なし（０を維持）というシーケンスにより下アーム電流Ｉ_１の負方向の流れを検知することが可能となる。

また、上述した電流方向の判定方法に代えて、スイッチング信号Ｔｒ１_１の立ち上がりと、第１のダイオード４のリカバリ電流を検知できる精度のコイル３２を使用することによっても下アーム電流Ｉ_１の流れ方向を検知することができる。

まず、リカバリ電流について説明する。ダイオードに順方向の電流を流した後急に逆方向の電圧を掛けた場合、ダイオードのｐ型領域に注入されていた電子がｎ型領域に移動したり、ｎ型領域に注入されていた正孔がｐ型領域に移動し、順方向とは逆方向に電流が流れる。この電流をリカバリ電流と呼び、力行時においては第１のスイッチング素子２がオフからオンに切り替わったときに発生する。このときの下アーム電流Ｉ_１の波形を図２０の左側２段目に示す。リカバリ電流の影響を受けて、第１のスイッチング素子２がオンになった後に、下アーム電流Ｉ_１の値は一時的に大きく立ち上がった後に立ち下がり、安定した正の値となる。この電流変化を受けて、コイル電圧Ｖ_Ｒの値は０から正に立ち上がった後直ちに負の値に変化し、その後０の値を示す。すなわち、スイッチング信号Ｔｒ１_１およびコイル３２には、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち上がり→コイル電圧Ｖ_Ｒ：０→正→負、という変化が現れる。この変化を検知することで、下アーム電流Ｉ_１が正方向に流れていることを判断することができる。

一方、回生時の下アーム電流Ｉ_１の波形を図２０の右側２段目に示す。この波形に示されるように、回生時においてはスイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち上がったときにはリカバリ電流は発生せず、スイッチング信号Ｔｒ１_１が立ち下がったときにリカバリ電流が発生する。すなわち、スイッチング信号Ｔｒ１_１立ち上がり→コイル電圧Ｖ_Ｒ変化無しの場合には下アーム電流Ｉ_１が負方向に流れていると判定することができる。

次に、電流方向判定器３３から送られた電流方向判定信号ＳＧＮに基づき、信号補正部１１がスイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１を補正する補正値ＤＩＲを出力する処理について説明する。

信号補正部１１には、電流方向判定器３３から送られた電流方向判定信号ＳＧＮが送られる他にも、信号生成部１０がスイッチング信号Ｔｒ１_０、Ｔｒ２_０の生成に用いた三角波（キャリア信号）が送られる。信号補正部１１は、三角波の谷の頂点および山の頂点と電流判定信号ＳＧＮの瞬時値について、
（１）三角波の谷の頂点のときに電流方向判定信号ＳＧＮの瞬時値が正であれば、スイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１ＯＮおよびスイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２ＯＦＦを所定量増やす補正値ＤＩＲを出力する。
（２）三角波の谷の頂点のときに電流方向判定信号ＳＧＮの瞬時値が０であれば補正値ＤＩＲは０とする。
（３）三角波の山の頂点のときに電流方向判定信号ＳＧＮの瞬時値が負であれば、スイッチング信号Ｔｒ２_１のオフ時間Ｔ_２ＯＦＦおよびスイッチング信号Ｔｒ１_１のオン時間Ｔ_１ＯＮを所定量減じる補正値ＤＩＲを出力する。
（４）三角波の山の頂点のときに電流方向判定信号ＳＧＮの瞬時値が０であれば補正値ＤＩＲは０とする
との比較を行う。この結果を図２１に示す。上段に三角波、中段に電流方向判定信号ＳＧＮ、下段に補正信号ＤＩＲの波形を示す。三角波の周期はスイッチング信号の周期Ｔ_１に等しく、三角波の山と谷とに応じて補正値ＤＩＲを出力することにより、スイッチング信号Ｔｒ１_１、Ｔｒ２_１の周期Ｔ_ｔ中に補正を行うことができる。

さらに、図２２に示すように補正信号ＤＩＲの１周期中の最大点をサンプリングしてスイッチング周期中の代表値とする演算を行ってもよい。また、最大値のサンプリングの代わりに図２３に示すように平均化処理を行っても良い。

なお、上述した実施形態においては、力行過程に昇圧を行い、回生過程に降圧を行っていたが、この本発明はこの態様に限られない。例えば電源電圧が電動機等の負荷の電圧よりも高い場合には力行過程に降圧が行われ、回生過程に昇圧が行われる。このような回路においても本発明を適用することが可能である。

１電圧変換器、２第１のスイッチング素子、３第２のスイッチング素子、４第１のダイオード、５第２のダイオード、６下アーム、７上アーム、９制御部、１０信号生成部、１１信号補正部、１２リアクトル、１３接点、１４電流検知器、２０直流電源、２１電源側コンデンサ、２２負荷側コンデンサ、２５インバータ、３０電動機、３２コイル、３３電流方向判定器。

Claims

直流電源と電動機との間に接続され、電圧の昇圧及び降圧を行う電圧変換器であって、
オン時間に電流を流すとともにオフ時間に電流を遮断する第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子に並列接続された第１のダイオードと、からなる下アームと、
第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子に並列接続された第２のダイオードと、からなり、前記下アームに直列接続する上アームと、
前記上アームまたは前記下アームに流れる電流の方向を判定する電流方向判定器と、
出力電圧を示す電圧指令を受信すると共に、前記電流方向判定器から前記電流方向の判定信号を受信し、前記電圧指令と前記判定信号とに基づいて前記第１及び第２のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間を定めたスイッチング信号を生成して前記第１及び第２のスイッチング素子のオン／オフ制御を行う制御部と、
前記上アームと下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧指令に基づいて前記第１のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第２のスイッチング信号を生成する信号生成部を備え、
前記電流方向判定器は、
前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第１及び第２のスイッチング信号を受信し、
受信した前記第１及び第２のスイッチング信号のオン／オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記上アーム又は下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器。
直流電源と電動機との間に接続され、電圧の昇圧及び降圧を行う電圧変換器であって、
オン時間に電流を流すとともにオフ時間に電流を遮断する第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子に並列接続された第１のダイオードと、からなる下アームと、
第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子に並列接続された第２のダイオードと、からなり、前記下アームに直列接続する上アームと、
前記上アームまたは前記下アームに流れる電流の方向を判定する電流方向判定器と、
前記下アームと、前記上アームと下アームとを繋ぐ接点とを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段と、
出力電圧を示す電圧指令を受信すると共に、前記電流方向判定器から前記電流方向の判定信号を受信し、前記電圧指令と前記判定信号とに基づいて前記第１及び第２のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間を定めたスイッチング信号を生成して前記第１及び第２のスイッチング素子のオン／オフ制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧指令に基づいて前記第１のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第２のスイッチング信号を生成する信号生成部を備え、
前記電流方向判定器は、
前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記制御部から前記第１のスイッチング信号を受信し、
受信した前記第１のスイッチング信号のオン／オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器。
請求項１または２記載の電圧変換器であって、
前記制御部は、前記判定信号に基づいて前記第１のスイッチング信号及び第２のスイッチング信号を補正する信号補正部を備え、
前記制御部は、補正後の前記第１のスイッチング信号及び第２のスイッチング信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング素子のオン／オフ制御を行う、
ことを特徴とする、電圧変換器。
請求項３記載の電圧変換器であって、
前記信号補正部は、前記接点から前記下アームまたは前記上アームに向かって電流が流れているときには、前記第１のスイッチング信号のオン時間および前記第２のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間延長する補正を行い、前記下アームまたは上アームから前記接点に向かって電流が流れているときには、前記第１のスイッチング信号のオン時間および前記第２のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間短縮する補正を行うことを特徴とする、電圧変換器。