JP2015177635A - 電圧コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、昇降圧を行う電動車両用の電圧コンバータに関し、逆並列に接続されたスイッチング素子とダイオードが一つの基板に実装されたチップを使った電圧コンバータに好適な過熱防止用の電流制御技術を提供する。
【解決手段】本明細書の電圧コンバータは、上記チップを２個備えている。各チップはそのチップの温度を計測する温度センサを有する。２個の温度センサの計測温度の夫々に対して電流上限値が予め対応付けられている。コントローラは、リアクトルを流れる電流が、一方の計測温度に対応する電流上限値と他方の計測温度に対応する電流上限値の小さい方の電流上限値以下となるようにデューティ比（Ｄ）を決定する。コントローラは、一方の温度センサの計測温度に対応する電流上限値と他方の温度センサの計測温度に対応する電流上限値のセットを２セット記憶しており、リアクトルに流れる電流の向きに応じて２セットの電流上限値を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両の電圧コンバータに関する。特に、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と走行用モータが発電してインバータから送られる回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行うことができるチョッパ型の電圧コンバータに関する。本明細書における「電動車両」には、走行用にモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や、燃料電池車を含む。

電動車両はバッテリの直流電圧を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータを備える。電動車両の中には、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する電圧コンバータを備えるタイプがある。即ち、バッテリとモータの間に電圧コンバータとインバータが直列に接続されている電動車両が知られている。電圧コンバータは、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と、走行用モータが発電してインバータから送られる回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行うタイプが採用される。そのような昇降圧コンバータの典型として、チョッパ型の電圧コンバータが知られている。

チョッパ型の電圧コンバータ（昇降圧コンバータ）の典型的な回路構成は以下の通りである。電圧コンバータは、２個のスイッチング素子と２個のダイオードとリアクトルを備える。２個のスイッチング素子は直列に接続されている。リアクトルは、その一端が２個のスイッチング素子の直列接続の中点に一端が接続されており、他端がバッテリ側の高電位端に接続されている。２個のダイオードは夫々、各スイッチング素子に逆並列に接続されている。スイッチング素子の典型はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。また、説明の便宜上、直列回路の高電位側のスイッチング素子とダイオードを夫々上アームＳＷ素子と上アームダイオードと称し、低電位側のスイッチング素子とダイオードを夫々下アームＳＷ素子と下アームダイオード称する。昇圧動作には主に下アームＳＷ素子と上アームダイオードが貢献し、降圧動作には主に上アームＳＷ素子と下アームダイオードが貢献する。

電動車両の走行用モータは大出力であるため、電圧コンバータは発熱量が大きい。特に、スイッチング素子やダイオードの発熱量が大きい。電圧コンバータは冷却器を伴うことが多いが、温度が高くなりすぎた場合、流れる電流を制限して発熱量を抑制し、スイッチング素子やダイオードを保護することが望ましい。特許文献１と２に、チョッパ型であって電圧コンバータの温度に応じて流れる電流を制限する電圧コンバータの例が開示されている。特許文献１の技術は、電圧コンバータを冷却する冷媒の温度に基づいて電流を制限する。特許文献２の技術は、走行状況に応じて電圧コンバータの電流を制限する。特許文献２にも、電圧コンバータを冷却する冷媒の温度に基づいて電流を制限することが開示されている。

特開２０１１−２５０５１１号公報 特開２０１１−０８７４０６号公報

前述したように電圧コンバータは２個のスイッチング素子と２個のダイオードを備え、それらの素子の発熱量が大きい。また、前述したように、昇圧動作と降圧動作では貢献する素子が異なるので各素子の発熱量も異なる。耐熱温度は素子の種類にも依存する。一方で過剰な電流制限は電動車両の性能を損なう。それゆえ、可能であれば、各素子に温度センサを配置し、緻密な電流制限を行うことが望ましい。しかし温度センサの増加はコスト増を招く。

さらに近年、逆並列に接続されたスイッチング素子とダイオードの組を一つのチップに組み込んだデバイスが登場した。そのようなチップの典型は、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conduction diode-IGBT）と呼ばれるデバイスであり、ダイオードとＩＧＢＴが１枚の基板の上に隣接して実装されている。そのようなチップの特徴の一つに、基板の温度を計測する温度センサが実装されているが、温度センサの計測温度が、スイッチング素子の発熱によるものか、ダイオードの発熱によるものかを峻別できないことが挙げられる。そのようなチップを電動車両の電圧コンバータに採用した場合、各素子の温度に応じた精緻な電流制限は難しくなる。

さらに電流制御（温度制御）が複雑化する要因の一つに、直列接続された２個のスイッチング素子へのデューティ比（Ｄ）の与え方がある。即ち、一方のスイッチング素子にデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を供給するときに、他方のスイッチング素子にはデューティ比（１−Ｄ）のＰＷＭ信号を供給する、という制御手法が採用されることがある。例えば、バッテリの電圧を目標の電圧まで昇圧するのに必要なデューティ比が（Ｄａ）の場合、下アームＳＷ素子にデューティ比（Ｄａ）のＰＷＭ信号を供給するとともに上アームＳＷ素子にデューティ比（１−Ｄａ）のＰＷＭ信号が供給される。この制御手法は、２種類のＰＷＭ信号の生成コストの抑制など、素子の温度とは別の観点から採用される。２個のスイッチング素子にそのような制御手法が採用される場合、大局的には昇圧動作（降圧動作）を行っていても、短期的には、電流はバッテリ側からインバータ側へ流れるだけでなく、インバータ側からバッテリ側へと流れることがある。降圧動作の場合も同様である。即ち、昇圧動作、降圧動作、いずれにしても、２個のスイッチング素子と２個のダイオードのいずれにも電流が流れる可能性がある。

スイッチング素子とダイオードの逆並列回路がワンチップ化された上記のデバイスを採用するとともに上記した制御手法を採用すると、２個のスイッチング素子と２個のダイオードのいずれの素子が熱的に負荷が高いのか、チップの温度センサからでは判別できない。

本明細書は、上記したワンチップデバイスと制御手法を採用した電圧コンバータに好適な、素子の過熱防止用の電流制限技術を提供する。

本明細書の技術が対象とする電圧コンバータの回路構成は上述の通りである。そして、そのコントローラは、直列回路の一方のスイッチング素子にデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を供給するとともに他方のスイッチング素子にデューティ比（１−Ｄ）のＰＷＭ信号を供給するように構成されている。また、逆並列に接続されているスイッチング素子とダイオードの組の夫々が一つのチップに実装されているとともに各チップにはそのチップの温度を計測する温度センサが備えられている。即ち、電圧コンバータは、２個の上記チップを備える。

本明細書が開示する新規な電圧コンバータは、２個の温度センサの計測温度の夫々に対して電流上限値が予め対応付けられている。その対応関係はコントローラに予め記憶されている。そしてコントローラは、リアクトルを流れる電流が、一方の計測温度に対応する電流上限値と他方の計測温度に対応する電流上限値の小さい方の電流上限値以下となるようにデューティ比（Ｄ）を決定する。さらに、コントローラは、一方の温度センサの計測温度に対応する電流上限値と他方の温度センサの計測温度に対応する電流上限値のセットを２セット記憶しており、リアクトルに流れる電流の向きに応じてその２セットの電流上限値を切り換える。なお、デューティ比（Ｄ）は、０＜Ｄ＜１の範囲である。

説明の便宜上、上アームＳＷ素子と上アームダイオードを実装するチップの温度センサを上アームチップ温度センサと称し、下アームＳＷ素子と下アームダイオードを実装するチップの温度センサを下アームチップ温度センサと称する場合がある。

リアクトルの電流がバッテリ側からインバータ側へ流れる場合、それは昇圧動作を意味し、上アームダイオードと下アームＳＷ素子に主に電流が流れる。従って、バッテリ側からインバータ側へ電流が流れる場合、上アーム温度センサの計測温度は主として上アームダイオードの発熱に起因し、下アーム温度センサの計測温度は主として下アームＳＷ素子の発熱に起因する。そこでリアクトルの電流がバッテリ側からインバータ側へ流れる場合、上アーム温度センサの計測温度に対応する電流上限値は上アームダイオードの特性で定められ、下アーム温度センサの計測温度に対応する電流上限値は、下アームＳＷ素子の特性で定められる。

一方、リアクトルの電流がインバータ側からバッテリ側へ流れる場合、それは降圧動作を意味し、上アームＳＷ素子と下アームダイオードに主に電流が流れる。従って、インバータ側からバッテリ側へ電流が流れる場合、上アーム温度センサの計測温度は主として上アームＳＷ素子の発熱に起因し、下アーム温度センサの計測温度は主として下アームダイオードの発熱に起因する。そこでリアクトルの電流がインバータ側からバッテリ側へ流れる場合、上アーム温度センサの計測温度に対応する電流上限値は上アームＳＷ素子の特性で定められ、下アーム温度センサの計測温度に対応する電流上限値がは、下アームダイオードの特性で定められる。

上記のとおり、リアクトルを流れる電流に向に応じて電流上限値を切り換えることによって、スイッチング素子とダイオードがワンチップ化しておりそのワンチップに一つの温度センサが備えられているデバイスを使った電圧コンバータでも各素子に適した電流制限を行うことができる。

本明細書は、スイッチング素子とダイオードの逆並列回路がワンチップ化されたデバイスを採用するとともに、昇圧動作、降圧動作のいずれの場合にも上アームＳＷ素子と下アームＳＷ素子にＰＷＭ信号を供給するチョッパ型電圧コンバータに適した電流制限技術を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電圧コンバータを含む電気自動車の電力系のブロック図である。 昇圧動作を説明する図である。 降圧動作を説明する図である。 図４（Ａ）は、バッテリ側からインバータ側に向かってリアクトルの電流が流れる場合の温度センサの計測温度に対する電流上限値の一例を示すグラフである。図４（Ｂ）は、インバータ側からバッテリ側に向かってリアクトルの電流が流れる場合の温度センサの計測温度に対する電流上限値の一例を示すグラフである。

図面を参照して実施例の電圧コンバータを説明する。図１は、実施例の電圧コンバータ１０を含む電気自動車１００の電力系のブロック図である。電気自動車１００は、バッテリ２１の電力で走行用モータ２６を駆動して走行する電気自動車である。

バッテリ２１は、システムメインリレー２２を介して電圧コンバータ１０に接続されている。電圧コンバータ１０は、バッテリ２１の電圧を昇圧してインバータ２５に供給する。インバータ２５は、昇圧された直流電力を交流電力に変換し、走行用のモータ２６に供給する。電圧コンバータ１０とインバータ２５の間には電圧コンバータ１０の出力電流を平滑化するコンデンサ２３が接続されている。

電気自動車１００は、その運動エネルギを利用してモータ２６を回転させて発電することもできる。その場合、モータ２６が発電した交流電力はインバータ２５によって直流電力に変換される。変換後の直流電力は電圧コンバータ１０によって降圧され、バッテリ２１に供給される。

電圧コンバータ１０について説明する。電圧コンバータ１０は、バッテリ２１の電圧を昇圧してインバータ２５に供給する昇圧動作と、モータ２６が発電してインバータ２５から送られる回生電力を降圧してバッテリ２１に供給する降圧動作を行うことができるチョッパ型の昇降圧電圧コンバータである。電圧コンバータ１０の回路は、２個のスイッチング素子６ａ、６ｂ、２個のダイオード７ａ、７ｂ、リアクトル２、コンデンサ４で構成される。２個のスイッチング素子６ａ、６ｂは直列に接続されている。各スイッチング素子にダイオード７ａ、７ｂが夫々逆並列に接続されている。リアクトル２は、その一端が２個のスイッチング素子６ａ、６ｂの直列接続の中点に接続されており、他端がバッテリ側の高電位端に接続されている。コンデンサ４は、バッテリ側の入力端に並列に接続されている。リアクトル２の一端には、リアクトル２を流れる電流を計測する電流センサ３が接続されている。

説明の便宜上、高電位側のスイッチング素子６ａを上アームＳＷ素子６ａと称し、低電位側のスイッチング素子６ｂを下アームＳＷ素子６ｂと称する。「ＳＷ」は「スイッチング」の略である。また、以下では、上アームＳＷ素子６ａと逆並列に接続されているダイオード７ａを上アームダイオード７ａと称し、下アームＳＷ素子６ｂと逆並列に接続されているダイオードを下アームダイオード７ｂと称することがある。

スイッチング素子とダイオードのハードウエア構成について説明する。スイッチング素子６ａ、６ｂは、トランジスタであり、より具体的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。逆並列に接続されている上アームＳＷ素子６ａとダイオード７ａは、一枚の基板上に実装され、ワンチップ化されている。上アームＳＷ素子６ａとダイオード７ａが実装されたチップを上アームチップ５ａと称する。同様に、下アームＳＷ素子６ｂとダイオード７ｂも一枚の基板上に実装され、そのチップを下アームチップ５ｂと称する。ＩＧＢＴ素子（スイッチング素子）とダイオードが一つの基板上に実装されているとともにそれらが逆並列に接続されているチップは、ＲＣ−ＩＧＢＴ（逆導通ダイオードＩＧＢＴ、Reverse Conduction diode IGBT）と呼ばれている。

それぞれのチップの基板には温度センサ（上アームチップ温度センサ８ａ、下アームチップ温度センサ８ｂ）も実装されている。それらの温度センサは、チップの温度（基板の温度）を計測するが、その温度がスイッチング素子とダイオードのいずれの温度を代表しているかは判別が極めて難しい。

電圧コンバータ１０とインバータ２５のコントローラ２４について説明する。コントローラ２４は、上位コントローラ２８からの指令を受ける。その指令は、インバータ２５の目標出力である。コントローラ２４は、その目標出力が実現されるように、インバータ２５の各スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号と、電圧コンバータ１０の各スイッチング素子６ａ、６ｂに与えるＰＷＭ信号を生成して供給する。なお、上位コントローラ２８は、車速、アクセル開度、バッテリの残量などからモータ２６の目標出力を決定し、コントローラ２４へ指令する。

また、コントローラ２４には、電流センサ３の計測データと２個の温度センサ（上アームチップ温度センサ８ａ、下アームチップ温度センサ８ｂ）の計測データが集められる。コントローラ２４は、２個の温度センサの計測データに基づいて、２個のチップ（上アームチップ５ａ、下アームチップ５ｂ）の温度が過度に上昇しないように、リアクトル２を流れる電流を制限する。

なお、図１に示す符号Ｔａ、Ｔｂは、夫々、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度と下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度を表している。符号Ｄａ、Ｄｂは、夫々、上アームＳＷ素子６ａと下アームＳＷ素子６ｂに供給するＰＷＭ信号のデューティ比を示している。Ｄａ＝Ｄは、上アームＳＷ素子６ａに供給されるＰＷＭ信号のデューティ比が（Ｄ）であることを意味しており、Ｄｂ＝１−Ｄは、下アームＳＷ素子６ｂに供給されるＰＷＭ信号のデューティ比が（１−Ｄ）であることを意味する。なお、デューティ比を表す「Ｄ」は、０＜Ｄ＜１の範囲で定められる。このデューティ比（Ｄ）については後述する。また、符号ＩＬは、電流センサ３の計測データであり、リアクトル２を流れる電流を意味する。

コントローラ２４による過熱防止の電流制限処理を説明する前に、図１の電圧コンバータ１０の発熱のメカニズムの特徴を説明する。図１の電圧コンバータ１０は、電気自動車の走行用モータに供給する電力を扱うため、スイッチング素子やダイオードの発熱量が大きい。また、図１の電圧コンバータ１０は、スイッチング素子とダイオードの逆並列回路がワンチップ化されたデバイスを２個採用しており、昇圧動作と降圧動作を行う。そのような電圧コンバータでは、昇圧動作と降圧動作で各チップの発熱の原因となる素子が異なることになる。

図２と図３を使って、昇圧動作時と降圧動作時の電流の流れについて説明するとともに、各動作時の主な発熱の主体を説明する。図２と図３は、図１の電圧コンバータ１０以外のいくつかの部品の図示を省略して電圧コンバータを見やすくした図である。図２は、昇圧動作時の電流の流れを示している。矢印線が電流の流れを示している。昇圧動作には、主に下アームＳＷ素子６ｂと上アームダイオード７ａが貢献する。下アームＳＷ素子６ｂをオンするとリアクトル２、下アームＳＷ素子６ｂ、コンデンサ４の閉回路に電流が流れ（図２の太線Ａ２）、リアクトル２に電気エネルギが蓄えられる。次いで下アームＳＷ素子６ｂをオフすると蓄えられた電気エネルギが放出され、バッテリ２１側からインバータ側へと電流が流れる（図２の太線Ａ１）。この電流による電圧が、バッテリ２１の元々の電圧に加わる。その結果、バッテリの電圧が昇圧される。昇圧動作時は、下アームＳＷ素子６ｂと上アームダイオード７ａに主に電流が流れるため、それらの素子の発熱量が大きくなる。

図３は、降圧動作時の電流の流れを示している。降圧動作には、主に上アームＳＷ素子６ａと下アームダイオード７ｂが貢献する。上アームＳＷ素子６ａをオンするとインバータ側からバッテリ側へ電流が流れる（図３の太線Ｂ１）。このとき、電気エネルギの一部がリアクトル２に蓄えられるため（別言すればリアクトルのインダクタンスにより）、その分、バッテリ側の電圧がインバータ側の電圧よりも下がる。上アームＳＷ素子６ｂをオフすると、インバータからの電力供給が遮断するが、リアクトル２とコンデンサ４に蓄えられた電気エネルギが放出されるので、バッテリ側に継続して電力が供給される（図３の太線Ｂ２）。降圧動作時は、上アームＳＷ素子６ａと下アームダイオード７ｂに主に電流が流れるため、それらの素子の発熱量が大きくなる。

上記の説明では、昇圧動作時には、上アームＳＷ素子６ａと下アームダイオード７ｂには電流が流れず、降圧動作時には下アームＳＷ素子６ｂと上アームダイオード７ａには電流が流れない。しかし、電圧コンバータ１０では、コントローラ２４は、上アームＳＷ素子６ａと下アームＳＷ素子６ｂの一方にデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を供給するとき、他方のスイッチング素子には、相補的なデューティ比（１−Ｄ）のＰＷＭ信号を供給する。この制御は、２つのＰＷＭ信号の生成のし易や、あるいは、ハードウエア構成の容易さなどの観点で利点があるので採用される。

２個のスイッチング素子の一方にデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を供給し、他方のスイッチング素子にデューティ比（１−Ｄ）のＰＷＭ信号を供給すると、大局的には昇圧動作であっても上アームＳＷ素子６ａと下アームダイオード７ｂにも電流が流れ得る。その場合、それらの素子（上アームＳＷ素子６ａと下アームダイオード７ｂ）が発熱する。他方、大局的には降圧動作であっても、上アームダイオード７ａと下アームＳＷ素子６ｂにも電流が流れ得る。その場合、それらの素子（上アームダイオード７ａと下アームＳＷ素子６ｂ）が発熱する。即ち、各チップのスイッチング素子にもダイオードにも電流が流れ得る場合があり、発熱の原因となる素子が異なる場合がある。そして、コントローラ２４は、昇圧動作（あるいは降圧動作）を意図して各スイッチング素子にＰＷＭ信号を供給するが、実際にどちらの向きに電流が流れるかは、バッテリの残量やモータの状態など、その時々の状況に依存し、コントローラ２４が完全に把握できるものではない。

一方、素子ごとに耐熱特性が異なる。電圧コンバータ１０のコントローラ２４は、素子の特性に応じて所定の温度以上でリアクトル２を流れる電流を制限する。特に、コントローラ２４は、リアクトル２を流れる電流の向きで、各チップの発熱の主体が定まることを利用して、電流上限値を適宜に変えてチップの発熱を防止する。なお、リアクトル２に流れる電流は、まず第一には先に述べた上位コントローラ２８からの指令であるインバータの目標出力で定まるが、その目標出力に相当する電流が予め定められた電流上限値を上回る場合、コントローラ２４は、リアクトル２を流れる電流が電流上限値を超えないようにスイッチング素子６ａ、６ｂを制御する。別言すれば、コントローラ２４は、リアクトル２を流れる電流が電流上限値を超えないように、各スイッチング素子６ａ、６ｂに供給するＰＷＭ信号を調整する。

コントローラ２４による電流制限について説明する。コントローラ２４は、電流センサ３によってリアクトル２を流れる電流をモニタしているとともに、各チップの温度センサ（上アームチップ温度センサ８ａ、下アームチップ温度センサ８ｂ）の計測温度をモニタしている。また、コントローラ２４は、２組の温度上限値データを記憶している。図４に温度上限値データの一例を示す。コントローラ２４は、図４（Ａ）の２本のグラフＩＬａ１、ＩＬｂ１で規定される温度上限値の組と、図４（Ｂ）の２本のグラフＩＬａ２、ＩＬｂ２で規定される温度上限値の組を夫々記憶している。グラフの縦線はリアクトルに流れる電流の上限値を表しており、横軸は各チップの温度を表している。

コントローラ２４は、バッテリ側からインバータ側に向けてリアクトル２に電流が流れる場合、図４（Ａ）の２本のグラフに基づいて電流を制限する。また、インバータ側からバッテリに向けてリアクトル２に電流が流れる場合、図４（Ｂ）の２本のグラフに基づいて電流を制限する。即ち、コントローラ２４は、リアクトル２に流れる電流の向きに応じて、各チップの温度センサの計測温度に対応する電流上限値の組を切り換える。なお、リアクトル２を流れる電流を記号ＩＬで表し、ＩＬ＞０はバッテリからインバータへ向けて電流が流れることを表し、ＩＬ＜０がインバータからバッテリへ向けて電流が流れることを表す。

図４（Ａ）のケースを説明する。図４（Ａ）は、ＩＬ＞０の場合、即ち、バッテリ側からインバータ側へ向けてリアクトル２に電流が流れているときの電流上限値を示している。コントローラ２４は、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度（即ち、上アームチップ５ａの温度）に対してグラフＩＬａ１で電流制限を加える。例えば、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度がＴａ＿ｘの場合は、リアクトル２に流れる電流の上限をＩＬａ＿ｘに制限する。他方、下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度（即ち、下アームチップ５ｂの温度）に対しては、コントローラ２４は、グラフＩＬｂ１で電流制限を加える。例えば、下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度がＴｂ＿ｘの場合は、リアクトルに流れる電流の上限をＩＬｂ＿ｘに制限する。コントローラ２４は、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度に対応する電流上限値（例えば上記のＩＬａ＿ｘ）と下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度に対応する電流上限値（例えば上記のＩＬｂ＿ｘ）とを比較し、小さい方の電流上限値以下となるように、デューティ比（Ｄ）を決定する。そして、コントローラ２４は、そのデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を上アームＳＷ素子６ａに供給する。このとき同時にコントローラ２４は、下アームＳＷ素子６ｂには、デューティ比（Ｄ−１）のＰＷＭ信号を供給する。

なお、先に述べたように、デューティ比は、上位コントローラ２８から送られる目標出力でまず決められ、そのデューティ比が上記の上限値を超えている場合、コントローラ２４は、目標出力から定まったデューティ比を上限値に設定し直す。上位コントローラ２８から送られる目標出力で決められたデューティ比が上記の上限値を下回っている場合は、そのデューティ比に基づいてＰＷＭ信号が生成される。

バッテリ側からインバータ側へ向けてリアクトルに電流が流れている場合は、昇圧動作であり、上アームダイオード７ａと下アームＳＷ素子６ｂに主に電流が流れている。即ち、上アームチップ５ａの温度は主に上アームダイオード７ａの発熱に起因し、下アームチップ５ｂの温度は主に下アームＳＷ素子６ｂの発熱に起因する。図４（Ａ）の上アームチップ用のグラフＩＬａ１は、上アームダイオード７ａの特性に基づいて定められており、グラフＩＬｂ１は、下アームＳＷ素子６ｂの特定に基づいて定められている。より具体的には、図４（Ａ）の上アームチップ用のグラフＩＬａ１は、上アームダイオード７ａの温度が過度に上昇しないように定められており、グラフＩＬｂ１は、下アームＳＷ素子６ｂの温度が過度に上昇しないように定められている。

なお、上アームチップ５ａについてはそのチップ温度がＴａ１以下であれば、リアクトル２に流れる電流は最大値ＩＬｍまで許容され、下アームチップ５ｂについてはそのチップ温度がＴｂ１以下であれば、リアクトル２に流れる電流は最大値ＩＬｍまで許容される。

図４（Ｂ）のケースを説明する。図４（Ｂ）は、ＩＬ＜０の場合、即ち、インバータ側からバッテリ側へ向けてリアクトル２に電流が流れているときの電流上限値を示している。コントローラ２４は、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度（即ち、上アームチップ５ａの温度）に対してグラフＩＬａ２で電流制限を加える。例えば、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度がＴａ_ｙの場合は、リアクトル２に流れる電流の上限をＩＬａ＿ｙに制限する。他方、下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度（即ち、下アームチップ５ｂの温度）に対しては、コントローラ２４は、グラフＩＬｂ２で電流制限を加える。例えば、下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度がＴｂ＿ｙの場合は、リアクトルに流れる電流の上限をＩＬｂ＿ｙに制限する。コントローラ２４は、上アームチップ温度センサ８ａの計測温度に対応する電流上限値（例えば上記のＩＬａ＿ｙ）と下アームチップ温度センサ８ｂの計測温度に対応する電流上限値（例えば上記のＩＬｂ＿ｙ）とを比較し、小さい方の電流上限値以下となるように、デューティ比（Ｄ）を決定する。そして、コントローラ２４は、そのデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を上アームＳＷ素子６ａに供給する。このとき同時にコントローラ２４は、下アームＳＷ素子６ｂには、デューティ比（Ｄ−１）のＰＷＭ信号を供給する。

なお、ＩＬ＜０の場合、上アームチップ５ａについてはそのチップ温度がＴａ２以下であれば、リアクトルに流れる電流は最大値ＩＬｍまで許容され、下アームチップ５ｂについてはそのチップ温度がＴｂ２以下であれば、リアクトルに流れる電流は最大値ＩＬｍまで許容される。

インバータ側からバッテリ側へ向けてリアクトルに電流が流れている場合は、降圧動作であり、上アームＳＷ素子６ａと下アームダイオード７ｂに主に電流が流れている。即ち、上アームチップ５ａの温度は主に上アームＳＷ素子６ａの発熱に起因し、下アームチップ５ｂの温度は主に下アームダイオード７ｂの発熱に起因する。図４（Ｂ）の上アームチップ用のグラフＩＬａ２は、上アームＳＷ素子６ａの特性に基づいて定められており、グラフＩＬｂ２は、下アームダイオード７ｂの特定に基づいて定められている。より具体的には、図４（Ｂ）の上アームチップ用のグラフＩＬａ２は、上アームＳＷ素子６ａの温度が過度に上昇しないように定められており、グラフＩＬｂ２は、下アームダイオード７ｂの温度が過度に上昇しないように定められている。

以上説明したように、コントローラ２４は、上アームチップ５ａの温度センサ８ａの計測温度に対応する電流上限値と、下アームチップ５ｂの温度センサ８ｂの計測温度に対応する電流上限値のセットを２セット記憶しており、リアクトル２に流れる電流の向きに応じてその２セットの電流上限値を切り換える。なお、上記例の場合、ＩＬ＞０のときに採用する電流上限値のセットはグラフＩＬａ１とグラフＩＬｂ１であり、ＩＬ＜０のときに採用する電流上限値のセットはグラフＩＬａ２とグラフＩＬｂ２である。図４の例では、ＩＬ＞０の場合、Ｔａ１＜Ｔｂ１であるのに対して、ＩＬ＜０の場合はＴａ２＞Ｔｂ２となっている。即ち、ＩＬ＞０の場合は上アームチップ５ａに対する電流制限が下アームチップ５ｂに対する電流制限よりも厳しいのに対して、ＩＬ＜０の場合は電流制限の厳しさが逆転している。このようにリアクトル２に流れる電流の向きにより、上アームチップ５ａと下アームチップ５ｂの夫々に対する電流制限が適宜に調整される。

電圧コンバータ１０は、リアクトル２を流れる電流の向きに応じてチップの発熱の主たる要因がスイッチング素子とダイオードで切り換わることに着目し、電流の向きに応じてそのチップの温度に対する電流上限値を切り換える。電圧コンバータ１０は、上記した処理により、スイッチング素子とダイオードの逆並列回路がワンチップ化されたデバイスを使用したチョッパ型昇降圧コンバータに適した緻密な電流制限を実現する。電圧コンバータ１０は、過度の電流制限を加えることがない。即ち、電圧コンバータの出力電流を過剰に制限することなく、一方ではチップの過度の温度上昇を適切に抑えることができる。なお、繰り返しになるが、「スイッチング素子とダイオードの逆並列回路がワンチップ化されたデバイス」は、別言すれば、「スイッチング素子とダイオードの逆並列回路が一つの基板上に実装されたデバイス」である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図４のグラフは一例である。電流上限値を定めるグラフは、各チップの個別の特性に基づいて定められる。

実施例の電動車両は走行用にモータを一つ備える電気自動車であった。本明細書が開示する技術は、モータとともにエンジンを備えるハイブリッド車や燃料電池車に適用することも可能である。燃料電池車の場合、本明細書における「バッテリ」は、燃料電池セルに相当する。

実施例の電圧コンバータでは冷却器は無視した。本明細書が開示する技術は冷却器を共なう電圧コンバータに適用することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。本明細書また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、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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：リアクトル
３：電流センサ
４、２３：コンデンサ
５ａ：上アームチップ
５ｂ：下アームチップ
６ａ：スイッチング素子（上アームＳＷ素子）
６ｂ：スイッチング素子（下アームＳＷ素子）
７ａ：上アームダイオード
７ｂ：下アームダイオード
８ａ：温度センサ（上アームチップ温度センサ）
８ｂ：温度センサ（下アームチップ温度センサ）
１０：電圧コンバータ
２１：バッテリ
２２：システムメインリレー
２４：コントローラ
２５：インバータ
２６：走行用モータ
２８：上位コントローラ
１００：電気自動車

Claims (1)

1. バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と走行用モータが発電して前記インバータから送られる回生電力を降圧して前記バッテリに供給する降圧動作を行うことができるチョッパ型の電圧コンバータであり、
   直列に接続されている２個のスイッチング素子と、
   前記２個のスイッチング素子の直列接続の中点に一端が接続されており、他端がバッテリ側の高電位端に接続されているリアクトルと、
   夫々のスイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードと、
   一方のスイッチング素子にデューティ比（Ｄ）のＰＷＭ信号を供給するとともに他方のスイッチング素子にデューティ比（１−Ｄ）のＰＷＭ信号を供給するコントローラと、
   を備えており、
   逆並列に接続されているスイッチング素子とダイオードの組の夫々が一つのチップに実装されているとともに各チップにはそのチップの温度を計測する温度センサが備えられており、
   ２個の前記温度センサの計測温度の夫々に対して電流上限値が予め対応付けられているとともに、前記コントローラは、前記リアクトルを流れる電流が、一方の計測温度に対応する電流上限値と他方の計測温度に対応する電流上限値の小さい方の電流上限値以下となるようにデューティ比（Ｄ）を決定し、
   前記コントローラは、一方の前記温度センサの計測温度に対応する電流上限値と他方の前記温度センサの計測温度に対応する電流上限値のセットを２セット記憶しており、前記リアクトルに流れる電流の向きに応じて前記２セットの電流上限値を切り換える、
   ことを特徴とする電圧コンバータ。

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