JP7352179B2 - 過電流保護装置、ｄｃ／ｄｃコンバータ装置、及び電力システム - Google Patents

Description

本開示は、複数のＬＬＣ共振コンバータを含むＤＣ／ＤＣコンバータ装置のための過電流保護装置に関する。また、本開示は、そのような過電流保護装置を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関する。また、本開示は、そのような過電流保護装置を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置を含む電力システムに関する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置から負荷装置に供給する電力を増大させるためにＤＣ／ＤＣコンバータ装置に流れる電流が増大すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置における発熱も増大する。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置における発熱を低減するために、多重化された構成要素、例えば複数のＬＬＣ共振コンバータを備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置が知られている。この場合、複数のＬＬＣ共振コンバータは互いに異なる位相で動作する。

例えば、特許文献１は、対応するハーフブリッジ回路から電力供給を受ける複数の一次巻線と、各一次巻線にそれぞれ磁気的に結合されかつ出力端子に接続された複数の二次巻線と、各一次巻線にそれぞれ接続された複数のＬＬＣ共振回路とを備えたスイッチング多相共振電圧変換器を開示している。一次巻線又は二次巻線は、実際の中性点又は仮想の中性点が浮遊するように接続される。

欧州特許出願公開第２２９９５８０号公報

一般に、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、その回路を過電流から保護するために、過電流が発生したときにインバータのスイッチング素子の動作を停止する過電流保護装置を備えることがある。過電流保護装置は、過電流の発生を検出するために、例えば、電流センサを用いてトランスの一次側回路に流れる電流を測定し、測定された電流を予め決められた過電流しきい値と比較する。

前述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ装置が複数のＬＬＣ共振コンバータを備える場合、各ＬＬＣ共振コンバータのトランス、インダクタ、及びキャパシタなどは、それらの設計値から互いに異なるバラツキを有する可能性がある。これらのバラツキに起因して、各相の電流のピーク値（振幅）、実効値、波形などが不均一になる。従って、各ＬＬＣ共振コンバータを過電流から保護するために各ＬＬＣ共振コンバータに共通の過電流しきい値を設定すると、過電流しきい値は、あるＬＬＣ共振コンバータに流れることが許容される電流の最大値（例えば、定格電流の１６０％）よりも低くなる可能性がある。この場合、このＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前に、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止してしまうおそれがある。従って、各ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止しない過電流保護装置が求められる。

本開示の目的は、複数のＬＬＣ共振コンバータを含むＤＣ／ＤＣコンバータ装置のための過電流保護装置であって、各ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止しない過電流保護装置を提供することにある。また、本開示の目的は、そのような過電流保護装置を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置を提供することにある。また、本開示の目的は、そのような過電流保護装置を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置を含む電力システムを提供することにある。

本開示の一側面に係る過電流保護装置は、
複数のＬＬＣ共振コンバータを含むＤＣ／ＤＣコンバータ装置のための過電流保護装置であって、
前記複数のＬＬＣ共振コンバータのそれぞれは、少なくとも１つのスイッチング素子、トランス、及びキャパシタを備え、前記複数のＬＬＣ共振コンバータは互いに異なる位相で動作し、
前記過電流保護装置は、
複数の電流センサを用いて、前記各ＬＬＣ共振コンバータのトランスの一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定し、
前記測定された電流に基づいて、前記各ＬＬＣ共振コンバータの過電流しきい値をそれぞれ設定し、
前記複数のＬＬＣ共振コンバータのうちのいずれかについて、前記測定された電流が前記過電流しきい値を超えたとき、前記各ＬＬＣ共振コンバータのスイッチング素子の動作を停止する停止信号を出力する。

これにより、各ＬＬＣ共振コンバータに不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

本開示の一側面に係る過電流保護装置において、
前記複数のＬＬＣ共振コンバータに共通の基準電流値を設定し、
前記測定された電流に基づいて、前記各ＬＬＣ共振コンバータの現在の波高率をそれぞれ計算し、
前記各ＬＬＣ共振コンバータの現在の波高率と前記基準電流値との積を、前記各ＬＬＣ共振コンバータの過電流しきい値としてそれぞれ設定する。

これにより、各相の電流の現在の波高率に基づいて、各相の過電流しきい値を設定することができる。

本開示の一側面に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、
少なくとも１つのスイッチング素子、トランス、及びキャパシタをそれぞれ備え、互いに異なる位相で動作する複数のＬＬＣ共振コンバータと、
前記各ＬＬＣ共振コンバータのトランスの一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定する複数の電流センサと、
請求項１又は２記載の過電流保護装置とを備える。

これにより、各ＬＬＣ共振コンバータに不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

本開示の一側面に係る電力システムは、
第１の直流電圧を供給する電源装置と、
前記第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する、請求項３記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置と、
前記第２の直流電圧により動作する負荷装置とを含む。

これにより、各ＬＬＣ共振コンバータに不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

本開示の一側面に係る過電流保護装置は、各ＬＬＣ共振コンバータに不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５を含む電力システムの構成例を模式的に示すブロック図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の構成例を模式的に示す回路図である。 図２の過電流保護装置１５の構成例を模式的に示すブロック図である。 図２のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の電流センサＣＳ１～ＣＳ３によって検出されるＵ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流の例示的な波形を示すグラフである。 実施形態の変形例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５Ａの構成例を模式的に示す回路図である

以下、本開示の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

［適用例］
図１は、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５を含む電力システムの構成例を模式的に示すブロック図である。図１の電力システムは、例えば、交流電源装置１、ノイズフィルタ装置２、整流器３、力率調整器４、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５、及び負荷装置６を備える。

ノイズフィルタ装置２、整流器３、及び力率調整器４は、交流電源装置１から交流電力の供給を受けて、第１の直流電圧を有する直流電力を発生する。本明細書では、交流電源装置１、ノイズフィルタ装置２、整流器３、及び力率調整器４を、第１の直流電圧を供給する「電源装置」とも呼ぶ。ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５は、第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する。負荷装置６は、第２の直流電圧により動作する。

図２は、図１のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の構成例を模式的に示す回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５は、少なくとも、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３、キャパシタＣ０、駆動装置１４、過電流保護装置１５、及び複数の電流センサＣＳ１～ＣＳ３を備える。

ＬＬＣ共振コンバータ１１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、トランスＴ１、インダクタＬｒ１、キャパシタＣｒ１、及びダイオードＤ１，Ｄ２を備える。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、直流電力から交流電力を発生するインバータを構成する。トランスＴ１は、一次巻線ｗ１及び二次巻線ｗ２，ｗ３を有し、また、漏れインダクタンスＬｍ１を有する。インダクタＬｒ１、キャパシタＣｒ１、及び漏れインダクタンスＬｍ１は、ＬＬＣ共振回路を構成する。また、ダイオードＤ１，Ｄ２は整流回路を構成する。

ＬＬＣ共振コンバータ１２は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、トランスＴ２、インダクタＬｒ２、キャパシタＣｒ２、及びダイオードＤ３，Ｄ４を備える。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４は、直流電力から交流電力を発生するインバータを構成する。トランスＴ２は、一次巻線ｗ４及び二次巻線ｗ５，ｗ６を有し、また、漏れインダクタンスＬｍ２を有する。インダクタＬｒ２、キャパシタＣｒ２、及び漏れインダクタンスＬｍ２は、ＬＬＣ共振回路を構成する。また、ダイオードＤ３，Ｄ４は整流回路を構成する。

ＬＬＣ共振コンバータ１３は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６、トランスＴ３、インダクタＬｒ３、キャパシタＣｒ３、及びダイオードＤ５，Ｄ６を備える。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、直流電力から交流電力を発生するインバータを構成する。トランスＴ３は、一次巻線ｗ７及び二次巻線ｗ８，ｗ９を有し、また、漏れインダクタンスＬｍ３を有する。インダクタＬｒ３、キャパシタＣｒ３、及び漏れインダクタンスＬｍ３は、ＬＬＣ共振回路を構成する。また、ダイオードＤ５，Ｄ６は整流回路を構成する。

キャパシタＣ０は、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の出力電力を平滑化する。

駆動装置１４は、互いに異なる位相（例えば１２０度ずつ異なる位相）でＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を動作させるように、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を駆動する。駆動装置１４は、例えばパルス幅変調により、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を駆動する。

電流センサＣＳ１～ＣＳ３は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のトランスＴ１～Ｔ３の一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定する。

過電流保護装置１５は、複数の電流センサＣＳ１～ＣＳ３を用いて、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のトランスＴ１～Ｔ３の一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定する。過電流保護装置１５は、測定された電流に基づいて、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の過電流しきい値をそれぞれ設定する。過電流保護装置１５は、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のうちのいずれかについて、測定された電流が過電流しきい値を超えたとき、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の動作を停止する停止信号を出力する。過電流保護装置１５は、停止信号を駆動装置１４に送る。

過電流保護装置１５は、過電流しきい値を、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３ごとに個別に、かつ、動的に設定することができる。これにより、過電流保護装置１５は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

［実施形態］
以下、実施形態に係る過電流保護装置を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置を含む電力システムについてさらに説明する。

［構成例］
図１を参照して、電力システムの各構成要素についてさらに説明する。

交流電源装置１は、所定電圧及び所定周波数の交流電力を供給する。交流電源装置１は、商用電力網の電源設備であってもよく、それに代わって、例えば、直流電源装置及びインバータを備えてもよい。

ノイズフィルタ装置２は、導線を介して伝搬するノーマルモードノイズ信号及びコモンモードノイズ信号の少なくとも一方を低減するように構成される。ノイズフィルタ装置２は、ノイズ信号の極性とは逆の極性を有する反転信号を発生する能動素子を含むアクティブフィルタと、キャパシタ及びインダクタなどの受動素子からなるパッシブフィルタとの少なくとも一方を備える。

整流器３は、交流電源装置１からノイズフィルタ装置２を介して供給された交流電力を直流電力に変換する。整流器３は、ダイオードブリッジを備える整流回路であってもよい。また、整流器３は、入力される交流電圧又は交流電流の位相に合わせて動作するスイッチング素子を備える同期整流回路であってもよい。

力率調整器４は、整流器３から出力された直流電力の力率を調整する。力率調整器４は、インダクタ及び／又はキャパシタなどの受動素子を備えてもよく、トランジスタ及びダイオードなどの能動素子をさらに備えてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５は、力率調整器４から出力された第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する。

負荷装置６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５から出力された直流電力により動作して何らかの仕事を行う。負荷装置６は、例えば、モータ、蓄電池、センサ、通信装置などを含む。

図２を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の各構成要素についてさらに説明する。

図２の例では、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のペア、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のペア、及びスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のペアは、ハーフブリッジ型インバータをそれぞれ構成する。

図２の例では、トランスＴ１の一次巻線ｗ１の第１の端子は、インダクタＬｒ１を介してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間のノードに接続される。トランスＴ２の一次巻線ｗ４の第１の端子は、インダクタＬｒ２を介してスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間のノードに接続される。トランスＴ３の一次巻線ｗ７の第１の端子は、インダクタＬｒ３を介してスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間のノードに接続される。トランスＴ１の一次巻線ｗ１の第２の端子、トランスＴ２の一次巻線ｗ４の第２の端子、及びトランスＴ３の一次巻線ｗ７の第２の端子は、キャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を介して中性点Ｎ０に接続される。図２の例では、中性点Ｎ０は浮遊している。

図２の例では、トランスＴ１の二次巻線ｗ２，ｗ３の両端は、ダイオードＤ１，Ｄ２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の正の出力端子にそれぞれ接続され、二次巻線ｗ２，ｗ３のセンタータップは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の負の出力端子に接続される。トランスＴ２の二次巻線ｗ５，ｗ６の両端は、ダイオードＤ３，Ｄ４を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の正の出力端子にそれぞれ接続され、二次巻線ｗ５，ｗ６のセンタータップは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の負の出力端子に接続される。トランスＴ３の二次巻線ｗ８，ｗ９の両端は、ダイオードＤ５，Ｄ６を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の正の出力端子にそれぞれ接続され、二次巻線ｗ８，ｗ９のセンタータップは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の負の出力端子に接続される。

前述のように、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は互いに異なる位相で動作する。このため、駆動装置１４は、各周期の前半においてスイッチング素子Ｑ１をオンしてスイッチング素子Ｑ２をオフし、各周期の後半においてスイッチング素子Ｑ１をオフしてスイッチング素子Ｑ２をオンするように、制御信号をスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に送る。また、駆動装置１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフ動作から１２０度遅延した各周期の前半においてスイッチング素子Ｑ３をオンしてスイッチング素子Ｑ４をオフし、各周期の後半においてスイッチング素子Ｑ３をオフしてスイッチング素子Ｑ４をオンするように、制御信号をスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に送る。また、駆動装置１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフ動作から２４０度遅延した各周期の前半においてスイッチング素子Ｑ５をオンしてスイッチング素子Ｑ６をオフし、各周期の後半においてスイッチング素子Ｑ５をオフしてスイッチング素子Ｑ６をオンするように、制御信号をスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６に送る。これにより、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、互いに１２０度ずつ異なる位相を有するＵ相、Ｖ相、及びＷ相の電力をそれぞれ発生する。

各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の出力電圧は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング周波数に依存する。従って、駆動装置１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の所望の出力電圧に応じて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング周波数を変化させる。

図２の例では、電流センサＣＳ１は、キャパシタＣｒ１と中性点Ｎ０との間に流れるＵ相電流を測定するように設けられる。電流センサＣＳ２は、キャパシタＣｒ２と中性点Ｎ０との間に流れるＶ相電流を測定するように設けられる。電流センサＣＳ３は、キャパシタＣｒ３と中性点Ｎ０との間に流れるＷ相電流を測定するように設けられる。

図３は、図２の過電流保護装置１５の構成例を模式的に示すブロック図である。過電流保護装置１５は、整流器２１－１～２１－３、ピーク検出器２２－１～２２－３、実効値計算器２３－１～２３－３、波高率計算器２４－１～２４－３、しきい値計算器２５－１～２５－３、比較器２６－１～２６－３、及び論理和演算器２７を備える。

整流器２１－１、ピーク検出器２２－１、実効値計算器２３－１、波高率計算器２４－１、しきい値計算器２５－１、及び比較器２６－１は、ＬＬＣ共振コンバータ１１における過電流を検出する過電流検出回路２０－１を構成する。

整流器２１－１は、電流センサＣＳ１によって測定されたＵ相電流を整流し、ピーク検出器２２－１、実効値計算器２３－１、及び論理和演算器２７に送る。

ピーク検出器２２－１は、Ｕ相電流の現在のピーク値を検出する。ピーク検出器２２－１は、例えばピークホールド回路を含む。

実効値計算器２３－１は、Ｕ相電流の現在の実効値を計算する。実効値の計算には時間がかかるので、実効値計算器２３－１は、低域通過フィルタを用いて、Ｕ相電流の実効値に代えて、整流されたＵ相電流の平均値を生成してもよい。ここで、例えば、直前の１つ又は複数の周期にわたる平均値が生成されてもよく、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の起動時から現在までにわたる平均値が生成されてもよい。

波高率計算器２４－１は、Ｕ相電流の現在のピーク値及び現在の実効値に基づいて、Ｕ相電流の現在の波高率＝現在のピーク値／現在の実効値を計算する。

しきい値計算器２５－１は、Ｕ相電流の現在の波高率と、予め設定された基準電流値との積を、Ｕ相電流の過電流しきい値ＴｈＵとして計算し、計算された過電流しきい値ＴｈＵを比較器２６－１に設定する。しきい値計算器２５－１には、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に共通の基準電流値が予め設定される。基準電流値は、電流のピーク値が予め決められた過電流しきい値に達すると考えられるときの電流の実効値を示す。

また、しきい値計算器２５－１には、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に共通の波高率の初期値が予め設定される。前述のように、実効値の計算には時間がかかる。また、過電流保護装置１５はその動作開始時において実効値のデータを有していない。従って、しきい値計算器２５－１は、実効値計算器２３－１がＵ相電流の現在の実効値を計算できるようになるまでは、Ｕ相電流の現在の波高率に代えて、予め設定された波高率の初期値を用いる。波高率の初期値は、Ｕ相電流の波形の設計値に基づいて設定される。例えば、正弦波の波高率は√２であり、三角波の波高率は√３であり、矩形波の波高率は１である。

また、しきい値計算器２５－１には、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に共通の、過電流しきい値の上限値Ｔｈ１及び下限値Ｔｈ２が予め設定される。

比較器２６－１は、整流されたＵ相電流の瞬時値がＵ相電流の過電流しきい値ＴｈＵを越えたか否かを判断し、判断結果を示す出力信号を論理和演算器２７に送る。例えば、比較器２６－１の出力信号は、整流されたＵ相電流の瞬時値がＵ相電流の過電流しきい値ＴｈＵを越えたとき、ローレベルからハイレベルに遷移する。

このように、過電流検出回路２０－１は、測定されたＵ相電流に基づいてＵ相電流の過電流しきい値ＴｈＵを動的に設定し、また、測定されたＵ相電流が過電流しきい値ＴｈＵを超えたか否かを判断する。

整流器２１－２、ピーク検出器２２－２、実効値計算器２３－２、波高率計算器２４－２、しきい値計算器２５－２、及び比較器２６－２は、ＬＬＣ共振コンバータ１２における過電流を検出する過電流検出回路２０－２を構成する。過電流検出回路２０－２は、過電流検出回路２０－１と同様に、測定されたＶ相電流に基づいてＶ相電流の過電流しきい値を動的に設定し、また、測定されたＶ相電流が過電流しきい値ＴｈＶを超えたか否かを判断する。

整流器２１－１、ピーク検出器２２－１、実効値計算器２３－１、波高率計算器２４－１、しきい値計算器２５－１、及び比較器２６－１は、ＬＬＣ共振コンバータ１１における過電流を検出する過電流検出回路２０－１を構成する。過電流検出回路２０－３は、過電流検出回路２０－１，２０－２と同様に、測定されたＷ相電流に基づいてＷ相電流の過電流しきい値を動的に設定し、また、測定されたＷ相電流が過電流しきい値ＴｈＷを超えたか否かを判断する。

論理和演算器２７は、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流のうちの少なくとも１つが対応する過電流しきい値を超えたとき、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の動作を停止する停止信号を出力する。

整流器２１－１～２１－３、ピーク検出器２２－１～２２－３、実効値計算器２３－１～２３－３は、連続時間で動作するアナログ回路として構成されてもよい。また、波高率計算器２４－１～２４－３、しきい値計算器２５－１～２５－３、比較器２６－１～２６－３、及び論理和演算器２７は、離散時間で動作するディジタル回路として構成されてもよい。

［動作例］
図４は、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の電流センサＣＳ１～ＣＳ３によって検出されるＵ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流の例示的な波形を示すグラフである。

前述のように、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のトランスＴ１～Ｔ３、インダクタＬｒ１～Ｌｒ３、及びキャパシタＣｒ１～Ｃｒ３などは、それらの設計値から互いに異なるバラツキを有する可能性がある。これらのバラツキに起因して、各相の電流のピーク値、実効値、波形などが不均一になる。図４は、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流が互いに異なるピーク値及び波形を有する場合を示す。

例えば、本発明者らが行ったシミュレーションでは、同じピーク値及び同じ波形を有するＵ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流を発生しようとしても、部品のバラツキに起因して、以下のように異なるピーク値、実効値、及び波高率を有する電流が発生された。

――――――――――――――――――――――――――――――――――――
ピーク値 実効値 波高率
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Ｕ相 ７．６３８３３ ５．４１７７９ １．４０９８６０８４７
Ｖ相 ９．２８４２７ ５．８３７９１ １．５９０３４１４０６
Ｗ相 ７．５３０５６ ４．８５２５１ １．５５１８８９６４１
――――――――――――――――――――――――――――――――――――

通常、複数の回路が同じ回路構成を有し、同じタイプの部品からなる場合、これらの回路は同じ特性を有する。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５が複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を備える場合、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３には共通の過電流しきい値が設定されることが自然である。しかしながら、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の部品のバラツキに起因して、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の特性は互いに異なる。従って、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に共通の過電流しきい値を設定すると、過電流しきい値は、あるＬＬＣ共振コンバータに流れることが許容される電流の最大値（例えば、定格電流の１６０％）よりも低くなる可能性がある。この場合、このＬＬＣ共振コンバータに流れる電流が許容される最大値に到達する前に、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５を不必要に停止してしまうおそれがある。

実施形態に係る過電流保護装置１５は、以下に説明するように、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

（ステップＳ１）過電流保護装置１５には、前述のように、基準電流値、波高率の初期値、過電流しきい値の上限値Ｔｈ１及び下限値Ｔｈ２が予め設定される。例えば、基準電流値を１０Ａに設定し、波高率の初期値を√２に設定し、過電流しきい値の上限値Ｔｈ１を１３Ａに設定し、過電流しきい値の下限値Ｔｈ２を７Ａに設定してもよい。

（ステップＳ２）過電流保護装置１５は、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流のある周期（第ｎ周期）において、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流のそれぞれについて、現在のピーク値を検出し、現在の実効値を計算し、現在の波高率を計算する。

（ステップＳ３）過電流保護装置１５は、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流のそれぞれについて、ステップＳ２において計算された現在の波高率と、ステップＳ１において設定された基準電流値との積を、次の周期（第ｎ＋１周期）のための過電流しきい値ＴｈＵ、ＴｈＶ、及びＴｈＷとして計算して更新する。計算された過電流しきい値ＴｈＵ、ＴｈＶ、及びＴｈＷがステップＳ１において設定した上限値Ｔｈ１を越える場合には、過電流しきい値を上限値Ｔｈ１に設定する。また、計算された過電流しきい値ＴｈＵ、ＴｈＶ、及びＴｈＷがステップＳ１において設定した下限値Ｔｈ２より小さくなる場合には、過電流しきい値を下限値Ｔｈ２に設定する。

（ステップＳ４）過電流保護装置１５は、次の周期（第ｎ＋１周期）において、Ｕ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流のうちの少なくとも１つが、ステップＳ３において計算された対応する過電流しきい値ＴｈＵ、ＴｈＶ、及びＴｈＷを超えたとき、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の動作を停止する停止信号を出力する。そうでなければ、過電流保護装置１５は、ステップＳ２に戻り、処理を繰り返す。

過電流保護装置１５は、図４に示すように、過電流しきい値ＴｈＵ、ＴｈＶ、及びＴｈＷを、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３ごとに個別に、かつ、動的に設定することができる。これにより、過電流保護装置１５は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

［変形例］
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。

図５は、実施形態の変形例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５Ａの構成例を模式的に示す回路図である図５のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５Ａは、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に代えて、ＬＬＣ共振コンバータ１１Ａ～１３Ａを備える。

ＬＬＣ共振コンバータ１１Ａは、図２のトランスＴ１及びその漏れインダクタンスＬｍ１に代えて、トランスＴ１１及びインダクタＬｍ１１を備え、図２のダイオードＤ１，Ｄ２に代えて、ダイオードＤ１１～Ｄ１４を備える。また、ＬＬＣ共振コンバータ１２Ａは、図２のトランスＴ２及びその漏れインダクタンスＬｍ２に代えて、トランスＴ１２及びインダクタＬｍ１２を備え、図２のダイオードＤ３，Ｄ４に代えて、ダイオードＤ１５～Ｄ１８を備える。また、ＬＬＣ共振コンバータ１３Ａは、図２のトランスＴ３及びその漏れインダクタンスＬｍ３に代えて、トランスＴ１３及びインダクタＬｍ１３を備え、図２のダイオードＤ５，Ｄ６に代えて、ダイオードＤ１９～Ｄ２２を備える。

ＬＬＣ共振コンバータ１１Ａ～１３ＡのＬＬＣ共振回路は、トランスＴ１～Ｔ３の漏れインダクタンスＬｍ１～Ｌｍ３に代えて、ディスクリート素子であるインダクタＬｍ１１～Ｌｍ１３をそれぞれ含んでもよい。

また、図５の例では、図２の中性点Ｎ０に対応するノードは、各トランスＴ１１～Ｔ１３の一次側回路の負極（又は接地導体）に接続される。

また、トランスＴ１１は、一次巻線ｗ１及び二次巻線ｗ１１を有する。二次巻線ｗ１１は、ダイオードＤ１１～Ｄ１４からなるフルブリッジの整流回路を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の出力端子に接続される。また、トランスＴ１２は、一次巻線ｗ４及び二次巻線ｗ１２を有する。二次巻線ｗ１２は、ダイオードＤ１５～Ｄ１８からなるフルブリッジの整流回路を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の出力端子に接続される。また、トランスＴ１３は、一次巻線ｗ７及び二次巻線ｗ１３を有する。二次巻線ｗ１３は、ダイオードＤ１９～Ｄ２２からなるフルブリッジの整流回路を介してＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の出力端子に接続される。

図５に示す構成の一部のみが図２のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５に適用されてもよい。例えば、図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、図５のインダクタＬｍ１１～Ｌｍ１３をそれぞれ備えてもよい。また、図２の中性点Ｎ０は、各トランスＴ１～Ｔ３の一次側回路の負極（又は接地導体）に接続されてもよい。図２のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は、トランスＴ１～Ｔ３及びダイオードＤ１～Ｄ６に代えて、図５のトランスＴ１１～Ｔ１３及びダイオードＤ１１～Ｄ２２を備えてもよい。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の設計上の自由度を向上することができる。

各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３，１１Ａ～１３Ａは、２つのスイッチング素子を含むハーフブリッジ型インバータに代えて、４つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型インバータを備えてもよく、少なくとも１つのスイッチング素子を含む他のインバータを備えてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５は、２つ又は４つ以上のＬＬＣ共振コンバータを備え、これにより、三相に限らず、二相又は四相以上の交流電力を発生するように構成されてもよい。

電力システムは、交流の交流電源装置１及び整流器３に代えて、直流の電源装置を備えてもよい。また、電力システムは、直流の負荷装置６に代えて、インバータ及び交流の負荷装置を備えてもよい。実施形態に係る過電流保護装置はこれらの場合にも適用可能である。

［効果］
各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の部品のバラツキに起因して発生する各相の電流のピーク値、実効値、波形などの不平衡を解析による予測することは困難である。一方、実施形態に係る過電流保護装置１５は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に不均一な電流が流れる場合であっても、過電流しきい値を、現在の波高率に基づいて、ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３ごとに個別に、かつ、動的に設定することができる。

このように、実施形態に係る過電流保護装置１５は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に不均一な電流が流れる場合であっても、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に流れる電流が許容される最大値に到達する前にＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の動作を不必要に停止しにくくすることができる。

実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５は、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を備えたことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置５の筐体において熱源を分散することができる。従って、例えば、空冷ファンをもたない大電力かつ高電力密度のＤＣ／ＤＣコンバータ装置を提供することができる。

［まとめ］
本開示の各側面に係る過電流保護装置、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置、及び電力システムは、以下のように表現されてもよい。

本開示の一側面に係る過電流保護装置１５は、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３を含むＤＣ／ＤＣコンバータ装置５のための過電流保護装置１５であって、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のそれぞれは、少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、トランスＴ１～Ｔ３、及びキャパシタＣｒ１～Ｃｒ３を備える。複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３は互いに異なる位相で動作する。過電流保護装置１５は、複数の電流センサＣＳ１～ＣＳ３を用いて、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のトランスＴ１～Ｔ３の一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定する。過電流保護装置１５は、測定された電流に基づいて、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の過電流しきい値をそれぞれ設定する。過電流保護装置１５は、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のうちのいずれかについて、測定された電流が過電流しきい値を超えたとき、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の動作を停止する停止信号を出力する。

本開示の一側面に係る過電流保護装置１５は、複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３に共通の基準電流値を設定する。過電流保護装置１５は、測定された電流に基づいて、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の現在の波高率をそれぞれ計算する。過電流保護装置１５は、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の現在の波高率と基準電流値との積を、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３の過電流しきい値としてそれぞれ設定する。

本開示の一側面に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５は、少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、トランスＴ１～Ｔ３、及びキャパシタＣｒ１～Ｃｒ３をそれぞれ備え、互いに異なる位相で動作する複数のＬＬＣ共振コンバータ１１～１３と、各ＬＬＣ共振コンバータ１１～１３のトランスＴ１～Ｔ３の一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定する複数の電流センサＣＳ１～ＣＳ３と、請求項１又は２記載の過電流保護装置１５とを備える。

本開示の一側面に係る電力システムは、第１の直流電圧を供給する電源装置と、第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する、請求項３記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置５と、第２の直流電圧により動作する負荷装置６とを含む。

本開示の一側面に係る過電流保護装置は、例えば、交流電力が入力されて２ｋＷ程度の大きさの直流電力を出力する電源システムとして動作する電力システムに適用可能である。

本開示の一側面に係る過電流保護装置は、例えば、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置５とは異なる理由で電流の不平衡が生じる、複数のインバータを含む電力変換装置にも適用可能である。

１ 交流電源装置
２ ノイズフィルタ装置
３ 整流器
４ 力率調整器
５，５Ａ ＤＣ／ＤＣコンバータ装置
６ 負荷装置
１１～１３，１１Ａ～１３Ａ ＬＬＣ共振コンバータ
１４ 駆動装置
１５ 過電流保護装置
２０－１～２０－３ 過電流検出回路
２１－１～２１－３ 整流器
２２－１～２２－３ ピーク検出器
２３－１～２３－３ 実効値計算器
２４－１～２４－３ 波高率計算器
２５－１～２５－３ しきい値計算器
２６－１～２６－３ 比較器
２７ 論理和演算器
Ｃ０，Ｃｒ１～Ｃｒ３ キャパシタ
ＣＳ１～ＣＳ３ 電流センサ
Ｄ１～Ｄ６，Ｄ１１～Ｄ２２ ダイオード
Ｌｍ１～Ｌｍ３ 漏れインダクタンス
Ｌｒ１～Ｌｒ３，Ｌｍ１１～Ｌｍ１３ インダクタ
Ｎ０ 中性点
Ｑ１～Ｑ６ スイッチング素子
Ｔ１～Ｔ３，Ｔ１１～Ｔ１３ トランス
ｗ１～ｗ９，ｗ１１～ｗ１３ 巻線

Claims (3)

1. 複数のＬＬＣ共振コンバータを含むＤＣ／ＤＣコンバータ装置のための過電流保護装置であって、
   前記複数のＬＬＣ共振コンバータのそれぞれは、少なくとも１つのスイッチング素子、トランス、及びキャパシタを備え、前記複数のＬＬＣ共振コンバータは互いに異なる位相で動作し、
   前記過電流保護装置は、
   前記複数のＬＬＣ共振コンバータに共通の基準電流値を設定し、
   複数の電流センサを用いて、前記各ＬＬＣ共振コンバータのトランスの一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定し、
   前記測定された電流に基づいて、前記各ＬＬＣ共振コンバータの現在の波高率をそれぞれ計算し、
   前記各ＬＬＣ共振コンバータの現在の波高率と前記基準電流値との積を、前記各ＬＬＣ共振コンバータの過電流しきい値としてそれぞれ設定し、
   前記複数のＬＬＣ共振コンバータのうちのいずれかについて、前記測定された電流が前記過電流しきい値を超えたとき、前記各ＬＬＣ共振コンバータのスイッチング素子の動作を停止する停止信号を出力する、
   過電流保護装置。
2. 少なくとも１つのスイッチング素子、トランス、及びキャパシタをそれぞれ備え、互いに異なる位相で動作する複数のＬＬＣ共振コンバータと、
   前記各ＬＬＣ共振コンバータのトランスの一次側回路に流れる電流をそれぞれ測定する複数の電流センサと、
   請求項１記載の過電流保護装置とを備えた、
   ＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. 第１の直流電圧を供給する電源装置と、
   前記第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換する、請求項２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置と、
   前記第２の直流電圧により動作する負荷装置とを含む、
   電力システム。

Images