JP2014030285A - 電力変換装置及び該電力変換装置を備えた充電装置、電力変換装置のスイッチング制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数相のスイッチング回路を有する電力変換装置において、軽負荷の場合でも、より効率良く電力変換を行えるような構成を得る。
【解決手段】電力変換装置（１）は、外部から入力される電流指令値に基づいて入力電力を出力電力に変換する電力変換部（１０）と、電力変換部（１０）の動作を制御する制御部（３０）とを備える。電力変換部（１０）は、互いに並列に接続された複数相のスイッチング回路（２１〜２４）を有する。制御部（３０）は、複数相のスイッチング回路（２１〜２４）を、各相の出力電流の位相が異なるようにスイッチング動作させるとともに、前記電流指令値の低下に応じて前記複数相のスイッチング回路（２１〜２４）のうち少なくとも一部のスイッチング動作を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数相のスイッチング回路をスイッチング動作させることにより、電流指令値に応じて入力電力を出力電力に変換する電力変換装置に関する。

従来より、複数相のスイッチング回路をスイッチング動作させることにより、電流指令値に応じて入力電力を出力電力に変換する電力変換装置が知られている。このような電力変換装置としては、例えば特許文献１に開示されるように、コンバータを同一のＮ個の部分（スライス）に分割して各々が全体の電力の１／Ｎを処理する、いわゆるインターリーブ型のパワーコンバータが知られている。このパワーコンバータでは、各スライスを、３６０／Ｎ度間隔の異なる位相によって、動作させる。

このようなインターリーブ型の電力変換装置では、各相の電力変換部から出力される電流の位相をずらすことにより、リプル電流の発生などを防止することができる。

特開平８−８４４６５号公報

ところで、前記特許文献１に開示される構成のように、電力変換装置を複数相の電力変換部分によって構成する場合、一般的に、該電力変換部分は、スイッチング素子によって構成される。そうすると、各相で一定のスイッチング損失が必ず生じる。

電力変換装置から出力する電力が大きい場合には、相対的にスイッチング損失は小さいため、あまりスイッチング損失は問題にならない。しかしながら、電池を充電する場合のように、途中から供給する電力が小さくなるような場合には、各相のスイッチング素子を動作させると、軽負荷の状態でも一定のスイッチング損失が生じる。そうすると、出力電力に比べてスイッチング損失の割合が高くなるため、電力変換の効率が低下する。

本発明の目的は、複数相のスイッチング回路を有する電力変換装置において、軽負荷の場合でも、より効率良く電力変換を行えるような構成を得ることにある。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置は、外部から入力される電流指令値に基づいて入力電力を出力電力に変換する電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する制御部とを備える。前記電力変換部は、互いに並列に接続された複数相のスイッチング回路を有する。前記制御部は、前記複数相のスイッチング回路を、各相の出力電流の位相が異なるようにスイッチング動作させるとともに、前記電流指令値の低下に応じて前記複数相のスイッチング回路のうち少なくとも一部のスイッチング動作を停止させる（第１の構成）。

これにより、複数相のスイッチング回路を有する電力変換装置において、軽負荷になった場合でも、無駄なスイッチング動作をなくして、スイッチング損失を低減することができる。すなわち、電力変換装置が軽負荷の場合には、電力変換部に外部から入力される電流指令値も低下するため、このときには、電流指令値に応じて複数相のスイッチング回路のうち少なくとも一部のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させる。これにより、電力変換装置が軽負荷の場合に、スイッチング回路が無駄にスイッチング動作するのを防止できる。したがって、スイッチング損失を減らして、軽負荷時の電力変換の効率を向上することができる。

前記第１の構成において、前記制御部は、前記複数相のスイッチング回路のスイッチング動作を、前記電流指令値に応じて順に停止させるのが好ましい（第２の構成）。

これにより、複数相のスイッチング回路は、電流指令値に応じて順にスイッチング動作を停止するため、無駄なスイッチング動作をより確実に減らすことができる。したがって、電力変換装置の軽負荷時に、より効率良く電力変換を行うことができる。

前記第１または第２の構成において、前記制御部は、前記電流指令値を各相の許容電流値で除すことによって必要なスイッチング回路の相数を求める相数算出部と、前記相数算出部によって算出された相数に応じて、前記複数相のスイッチング回路のうちスイッチング動作を停止させるスイッチング回路を選択する選択部とを有するのが好ましい（第３の構成）。

これにより、電流指令値に応じてスイッチング動作させるスイッチング回路の数を決めることができる。したがって、電流指令値に応じて必要なスイッチング回路のみを駆動させることができるため、電力変換装置の軽負荷時において、より効率良く電力変換を行うことができる。

前記第１から第３の構成のうちいずれか一つの構成において、前記制御部は、前記複数相のスイッチング回路のうち一相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した後、別のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する際に、前記一相のスイッチング回路がスイッチング動作していたときの出力電流の位相に対して最も位相差が大きい相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止するのが好ましい（第４の構成）。

これにより、複数相のスイッチング回路のうちスイッチング動作しているスイッチング回路から出力される電流の位相が偏るのを防止できる。したがって、一部の相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した状態でもリプル電流の増加を抑制することができる。

すなわち、出力電流の位相が異なるように動作していた複数相のスイッチング回路のうち、最初にスイッチング動作を停止した一相のスイッチング回路とは最も位相差が大きい相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止することで、スイッチング動作している残りの相のスイッチング回路から出力される電流の位相差が大きくなるのを防止できる。これにより、複数相のスイッチング回路のスイッチング動作を順に停止した場合でも、出力電流の位相が偏るのを防止でき、出力電流に大きなリプル電流が生じるのを防止できる。

前記第４の構成において、前記複数相のスイッチング回路は、４相以上のスイッチング回路であるのが好ましい（第５の構成）。

これにより、４相以上のスイッチング回路を順番に停止させた際に、出力電流でリプル電流が増大するのを抑制しつつ、効率良く電力変換を行うことができる。すなわち、上述の第４の構成のように１相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させた後、該１相のスイッチング回路の出力電流の位相とは最も位相差が大きい別の相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させる場合でも、残りの相のスイッチング回路によって、出力電流の位相の偏りを防止できる。これにより、一部の相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止しても、残りの相のスイッチング回路のスイッチング動作によって、リプル電流の増加を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る充電装置は、前記第１から第５の構成のうちいずれか一つの構成の電力変換装置を備える。前記電力変換装置によって出力される出力電流を用いて電池の充電を行う（第６の構成）。

このように電池の充電を行う場合、充電の後半では、充電の前半に比べて少ない電流量で充電を行うことが多い。このような場合に、複数相のスイッチング回路をすべてスイッチング動作させると、出力に対してスイッチング損失の割合が大きくなり、電力変換の効率は低下する。

これに対し、上述の第１から第５の構成のような電力変換装置を備えた充電装置によって電池の充電を行うことで、電池の充電後半での軽負荷の場合に、不要なスイッチング動作を減らすことができる。これにより、電池の充電時における電力変換の効率を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置のスイッチング制御方法は、第１から第５の構成のうちいずれか一つの構成の電力変換装置のスイッチング制御方法である。そして、この電力変換装置のスイッチング制御方法は、前記電流指令値の低下を検出する電流指令値検出工程と、前記電流指令値検出工程による検出結果に応じて、前記複数相のスイッチング回路のうち少なくとも一部のスイッチング動作を停止するスイッチング制御工程とを有する（第１の方法）。

これにより、電力変換装置が軽負荷の際に、無駄にスイッチング回路がスイッチング動作するのを防止できる。したがって、電力変換装置の軽負荷時に、電力変換の効率向上を図れる。

前記第１の方法において、前記電流指令値検出工程は、前記電流指令値を各相の許容電流値で除して必要なスイッチング回路の相数を求める相数演算工程と、前記必要な相数と、前記複数相のスイッチング回路の相数とを比較して、その結果を出力する比較工程とを有する。前記スイッチング制御工程は、前記比較工程の比較結果に基づいて、スイッチング動作を停止するスイッチング回路を選択するスイッチング回路選択工程と、前記スイッチング回路選択工程で選択されたスイッチング回路以外のスイッチング回路に、スイッチング動作を行うための制御信号を出力する制御信号出力工程とを有する（第２の方法）。

これにより、上述の第１の方法を実現することができる。

前記第２の方法において、前記スイッチング回路選択工程は、前記複数相のスイッチング回路のうち一相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した後、別のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する際に、前記一相のスイッチング回路がスイッチング動作していたときの出力電流の位相に対して最も位相差が大きい相のスイッチング回路を選択するのが好ましい（第３の方法）。

これにより、複数相のスイッチング回路のうちスイッチング動作しているスイッチング回路から出力される電流の位相が偏るのを防止できる。したがって、一部の相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した状態でもリプル電流の増加を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置によれば、電力変換部は複数相のスイッチング回路を有し、スイッチング制御部は、前記複数相のスイッチング回路を異なる位相でスイッチング動作させる。そして、電流指令値が低下した際に、電流指令値に応じて前記複数相のスイッチング回路のうち少なくとも一部のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する。これにより、電力変換装置が軽負荷の場合に、無駄なスイッチング動作を減らすことができ、電力変換の効率を向上することができる。

図１は、実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す図である。 図２は、電池を充電する際の電流指令値及びバッテリ電圧の変化を示すグラフである。 図３は、電力変換装置のスイッチング制御を示すフローである。 図４は、電力変換装置のスイッチング制御のうちＳＷ選択処理を示すフローである。 図５は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。 図６は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。 図７は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。 図８は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。 図９は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。 図１０は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。 図１１は、電力変換部における各相のスイッチング回路の出力電流の波形を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

（全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の概略構成を示す図である。電力変換装置１は、電池２に充電を行う充電装置３の一部として構成される。電力変換装置１は、複数相のスイッチング回路２１〜２４を有する電力変換部１０と、電力変換部１０の駆動を制御する制御部３０とを有する。なお、電池２は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池である。

電力変換部１０は、スイッチング回路のスイッチング動作によって、指令値（例えば電流指令値）に応じて入力電力を所定の出力電力に変換する。本実施形態では、電力変換部１０は、例えば、入力電圧を所定の出力電圧に変換する降圧チョッパである。なお、電力変換部１０は、昇圧チョッパなど、他の電力変換回路であってもよい。

詳しくは、電力変換部１０は、直列に接続された一対のスイッチング素子１１，１２と、それらのスイッチング素子の中点に接続されるインダクタ１５とを備える。

一対のスイッチング素子１１，１２は、それぞれ、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子からなる。本実施形態では、スイッチング素子１１，１２をＩＧＢＴによって構成した場合を例に説明する。なお、スイッチング素子１１，１２は、回路内の電流をＯＮ及びＯＦＦすることができる構成であれば、どのような構成であってもよい。

一対のスイッチング素子１１，１２は、一方のスイッチング素子１１のコレクタ側が図示しない電源の高圧側に接続される一方、他方のスイッチング素子１２のエミッタ側が図示しない電源の低圧側に接続される。また、本実施形態の例では、一対のスイッチング素子１１，１２は、図示しない電源に対して並列に４組、接続されている。

また、スイッチング素子１１，１２には、それぞれ、ダイオード１３，１４が並列に接続されている。具体的には、ダイオード１３，１４は、それぞれ、アノード側がスイッチング素子１１，１２のエミッタ側に接続されているとともに、カソード側がスイッチング素子１１，１２のコレクタ側に接続されている。

インダクタ１５は、一端側が一対のスイッチング素子１１，１２の中点に接続されている一方、他端側が電池２の正極側に接続されている。インダクタ１５は、複数の一対のスイッチング素子に対し、それぞれ接続されている。各一対のスイッチング素子に接続されたインダクタ１５は、電池２の正極側で互いに接続されている。

換言すると、電力変換部１０は、一対のスイッチング素子１１，１２とダイオード１３，１４とインダクタ１５とを備えたスイッチング回路２１〜２４を複数有する。スイッチング回路２１〜２４は、電池２及び図示しない電源に対して互いに並列に接続されている。これにより、スイッチング回路２１〜２４は、複数相（本実施形態では４相）のスイッチング回路を構成する。なお、スイッチング回路は、少なくともスイッチング素子を備えていれば、他にどのような構成部品を備えていてもよいし、スイッチング素子のみによって構成されていてもよい。

複数相のスイッチング回路２１〜２４は、出力電流の位相が互いに異なるように、一対のスイッチング素子１１，１２のうち一方のスイッチング素子１１がスイッチング制御される。図５に、４相のスイッチング回路２１〜２４（図５ではＳＷ１〜ＳＷ４）の出力電流の波形を示す。このように、複数相のスイッチング回路２１〜２４を、出力電流の位相が互いに異なるようにスイッチング動作させることにより、電力変換部１０は、電池２に対して、リプル電流が少ない電流を供給することが可能になる。なお、複数相のスイッチング回路２１〜２４において、一対のスイッチング素子１１，１２のうち他方のスイッチング素子１２は、スイッチング動作しない。すなわち、スイッチング素子１２に並列に接続されたダイオード１４のみが回路の一部として使用される。

また、後述するように、複数相のスイッチング回路２１〜２４では、それぞれのインダクタ１５よりも電池２の正極側の電流が検出されて、制御部３０に入力される。スイッチング回路２１〜２４で検出された電流は、制御部３０において電流制御のためのＰＩ制御に用いられる。

なお、電力変換部１０は、図示しない電源及び複数相のスイッチング回路２１〜２４に対して並列に接続されたコンデンサ１６も有する。

（制御部）
制御部３０は、電力変換部１０の複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち、スイッチング動作を行うスイッチング素子１１に対して駆動信号を出力する。すなわち、制御部３０は、複数相のスイッチング回路２１〜２４に対して、出力電流の位相が異なるようにスイッチング素子１１のスイッチング制御を行う。また、制御部３０は、後述するように、外部から入力される電流指令値に応じて、複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち一部のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する。

詳しくは、図１に示すように、制御部３０は、電流指令演算部３１（相数算出部）、デューティ比算出部３２、ＳＷ選択部３３（選択部）及びＰＷＭ制御部３４を備える。

電流指令演算部３１は、制御部３０に入力される電流指令値Ｉｒｅｆから、スイッチング動作する各相のスイッチング回路に対応する指令値を演算する。すなわち、電流指令演算部３１は、電力変換部１０から電流指令値Ｉｒｅｆに応じた電流が出力されるように、該電流指令値Ｉｒｅｆを、スイッチング動作するスイッチング回路の数（本実施形態ではスイッチング素子１１の数と同じ）で除して、各相のスイッチング回路に対応する電流指令値を求める。

また、電流指令演算部３１は、電流指令値Ｉｒｅｆを、電力変換部１０の各相の許容電流値Ｉｕｎｉｔで除して、電流指令値Ｉｒｅｆに対して必要な相数Ｎを算出する。この電流指令演算部３１で算出された必要な相数Ｎは、ＳＷ選択部３３に信号として出力される。前記必要な相数Ｎは、整数とは限らない。

なお、制御部３０は、電流指令値Ｉｒｅｆを用いて電流指令演算部３１で演算する前に信号処理を行うためのランプ部３５を有する。このランプ部３５は、ランプ関数を用いて信号処理を行うことにより、電流指令値Ｉｒｅｆがステップ信号のときにハンチングの発生を防止する。

デューティ比算出部３２は、電流指令演算部３１で求めた各相の電流指令値と電力変換部１０における各相のスイッチング回路の出力電流とを用いて、各相のデューティ比を算出する。具体的には、デューティ比算出部３２は、電力変換部１０の各相のスイッチング回路に対応して、それぞれ、電流演算部４１と、ＰＩ演算部４２と、クランプ部４３と、三角波比較部４４とを有する。すなわち、電流演算部４１、ＰＩ演算部４２、クランプ４３及び三角波比較部４４は、それぞれ、電力変換部１０の各相のスイッチング回路に対応して設けられている。

電流演算部４１は、各相の電流指令値と電力変換部１０における各相のスイッチング回路の出力電流との差を求める。なお、電力変換部１０における各相のスイッチング回路の出力電流は、フィルタ部３６によって、フィルタ処理される。すなわち、制御部３０は、電力変換部１０における各相のスイッチング回路の出力電流をフィルタ処理するためのフィルタ部３６を有する。

ＰＩ演算部４２は、電流演算部４１で算出した差を用いてＰＩ制御の演算を行う。ＰＩ制御の演算は、従来のＰＩ制御と同様なので、詳しい説明を省略する。

クランプ部４３は、ＰＩ演算部４２の演算結果を波形出力する。

三角波比較部４４は、クランプ部４３から出力された波形を三角波キャリアと比較してデューティ比を求める。すなわち、三角波比較部４４は、いわゆる三角波比較方式によって、ＰＩ演算部４２で得られた波形を所定のデューティ比を有する矩形波に変換する。

ＳＷ選択部３３は、制御部３０に入力される電流指令値Ｉｒｅｆに応じて、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうちスイッチング動作を停止させる相のスイッチング回路２１〜２４を選択する。具体的には、ＳＷ選択部３３は、後述するように、図４に示すフローに従って、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうちスイッチング動作を停止させる相のスイッチング回路を選択する。さらに、ＳＷ選択部３３は、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうちスイッチング動作するスイッチング回路の相数Ｂをカウントする。なお、ＳＷ選択部３３によってカウントされたスイッチング回路の相数Ｂは、上述の電流指令演算部３１に入力される。

具体的には、図１に示すように、ＳＷ選択部３３は、選択判定部５１と、カウント部５２とを有する。

選択判定部５１は、電流指令演算部３１によって算出されたスイッチング動作が必要な相数Ｎに基づいて、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうちスイッチングを停止させるスイッチング回路を選択する。選択判定部５１の詳しい判定動作については後述するが、電流指令演算部３１によって算出されたスイッチング動作が必要な相数Ｎに対し、スイッチング動作しているスイッチング回路の数が多い場合、選択判定部５１は、スイッチング動作を停止するスイッチング回路を選択する。

また、選択判定部５１は、複数のスイッチング回路を停止すると判定した場合には、最初にスイッチング動作を停止した相に対して出力電流の位相差が最も大きい相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する。この選択判定部５１の動作についても、詳しくは後述する。

カウント部５２は、電力変換部１０の複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち実際にスイッチング動作しているスイッチング回路の数Ｂをカウントする。カウント部５２によってカウントされたスイッチング回路の数Ｂは、電流指令演算部３１に入力される。

ＰＷＭ制御部３４は、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち、ＳＷ選択部３３の選択判定部５１によってスイッチング動作停止の選択がなされなかったスイッチング回路に対し、デューティ比算出部３２によって算出されたデューティ比に基づいてＰＷＭ信号（制御信号）を出力する。すなわち、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち、ＳＷ選択部３３の選択判定部５１によって選択されたスイッチング回路に対しては、ＰＷＭ制御部３４はＰＷＭ信号を出力しない。

これにより、ＳＷ選択部３３の選択判定部５１によって選択されなかったスイッチング回路のスイッチング素子１１のみがスイッチング動作を行う。

（スイッチング制御）
次に、上述のような構成を有する制御部３０の電力変換部１０に対するスイッチング制御について説明する。

まず、本実施形態のように電池２を充電する場合に、充電装置３の図示しないコントローラから出力される電流指令値Ｉｒｅｆ及びバッテリ電圧Ｖ_Ｂについて、図２を用いて説明する。

図２に示すように、電池２の充電を開始すると、電流指令値Ｉｒｅｆは、急激に増大してＩａに達する。そして、電流指令値Ｉｒｅｆ＝Ｉａの状態で、一定期間（図２の期間Ｔ１）、電池２の充電を行う。この充電状態を、定電流充電という。この定電流充電の状態では、電池２のバッテリ電圧Ｖ_Ｂは、図２に破線で示すように、充電時間とともに上昇する。

電池２のバッテリ電圧Ｖ_Ｂが所定の電圧に達すると、電流指令値Ｉｒｅｆは、電池２が定電圧で充電されるように、徐々に低下する。すなわち、図２に実線で示すように、電流指令値Ｉｒｅｆは、時間とともに徐々に低下する。この充電状態を、定電圧充電という。この定電圧充電の状態では、電池２のバッテリ電圧Ｖ_Ｂは、図２に破線で示すように一定である。なお、図２では、Ｔ２〜Ｔ５の期間で定電圧充電が行われている。

すなわち、本実施形態では、電力変換装置１を有する充電装置３が、電池２に対して、定電流充電を行った後、定電圧充電を行う。このような充電制御を行う充電装置３において、電力変換装置１の制御部３０は、電力変換部１０の複数相のスイッチング回路２１〜２４に対して、以下のようなスイッチング制御を行う。以下の説明では、図３及び図４に示すフローに基づいて説明する。

なお、本実施形態では、電力変換装置１の電力変換部１０は、４相のスイッチング回路２１〜２４を有する。そのため、電力変換部１０から出力する電流は、４相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の合計である。すなわち、４相のスイッチング回路２１〜２４は、出力電流が同等である。

図３に示すフローがスタートする（スタート）と、まず、制御部３０には、電流指令値Ｉｒｅｆが入力される（ステップＳ１）。そして、続くステップＳ２で、制御部３０は、入力された電流指令値Ｉｒｅｆがゼロでないかどうかを判定する（ステップＳ２）。

すなわち、電流指令値Ｉｒｅｆがゼロの場合（ＮＯの場合）には、デューティ比算出部３２の算出結果もゼロであり、ＰＷＭ制御部３４からＰＷＭ信号が出力されない。これにより、ステップＳ６に進んで、電力変換部１０の駆動を停止して電池２への充電を停止し、このフローを終了する（エンド）。一方、電流指令値Ｉｒｅｆがゼロではない場合（ＹＥＳの場合）には、デューティ比算出部３２の算出結果に基づいてＰＷＭ制御部３４からＰＷＭ信号が出力される。つまり、デューティ比算出部３２及びＰＷＭ制御部３４が、電流指令値Ｉｒｅｆがゼロかどうかを判定する判定部としても機能する。

ステップＳ２において電流指令値Ｉｒｅｆがゼロではないと判定された場合（ＹＥＳの場合）に進むステップＳ３では、電流指令演算部３１によって、電流指令値Ｉｒｅｆを電力変換部１０の各相の許容電流値Ｉｕｎｉｔで除して、スイッチング動作が必要な相数Ｎ（スイッチング回路数）を算出する。

ステップＳ３で算出された必要な相数Ｎは、ＳＷ選択部３３の選択判定部５１に入力されて、該選択判定部５１によるＳＷ選択処理が行われる（ステップＳ４）。このＳＷ選択処理は、図４に示すフローで行われる。ＳＷ選択処理の詳しい内容については後述するが、必要な相数Ｎに応じて電力変換部１０の複数相のスイッチング回路２１〜２４のうちスイッチング動作を停止するスイッチング回路を選択する。また、ＳＷ選択処理では、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうちスイッチング動作を行うスイッチング回路の数Ｂをカウントする。

その後、ステップＳ５で、電池２に対する充電の電流制御処理を行う。この電流制御処理は、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４に対し、図２に示すような電流指令値Ｉｒｅｆに基づいてＰＩ制御を用いてＰＷＭ制御処理された信号を出力する。

具体的には、電流指令演算部３１において、電流指令値Ｉｒｅｆを、スイッチング動作を行うスイッチング回路の数Ｂで除して、スイッチング動作を行うスイッチング回路数に応じた電流指令値に変換する。そして、各相において、該電流指令値と電力変換部１０で検出された各相の出力電流とを用いてＰＩ演算部４２によってＰＩ制御の演算を行う。その後、三角波比較部４４によって、クランプ部４３で取得した波形を用いて三角波キャリアと比較して所定のデューティ比を有する矩形波を生成する。ＰＷＭ制御部３４は、ＳＷ選択部３３によってスイッチング動作停止が選択されなかった電力変換部１０のスイッチング回路に対して、前記矩形波をＰＷＭ信号（制御信号）として出力する。

ここで、ステップＳ３が相数演算工程に、ステップＳ５が制御信号出力工程に、それぞれ対応する。また、ステップＳ３は、電流指令値の低下を検出する電流指令値検出工程の一部を構成する。さらに、ステップＳ５は、スイッチング回路２１〜２４のスイッチング動作を制御するスイッチング制御工程の一部を構成する。

（ＳＷ選択処理）
次に、図３のステップＳ４で行われるＳＷ選択処理について、図４のフロー、図２のグラフ及び図５から図１１の電流波形を用いて詳細に説明する。

図３のステップＳ４では、図４に示すフローが実行される。なお、この図４に示すフローの内容は、全て、ＳＷ選択部３３によって実行される。

図４のフローがスタートする（スタート）と、まず、ステップＳＡ１で、電流指令演算部３１で算出される必要な相数Ｎが、電力変換部１０における全ての相のスイッチング回路２１〜２４の数ｍ以下で且つ（ｍ−１）よりも大きいかどうかを判定する。すなわち、電力変換部１０における全ての相のスイッチング回路２１〜２４をスイッチング動作させる必要があるかどうかを判定する。

ステップＳＡ１において、全ての相のスイッチング回路２１〜２４をスイッチング動作させる必要があると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳＡ２に進んで、電力変換部１０における全ての相のスイッチング回路２１〜２４を作動させるように、ＰＷＭ制御部３４を制御する。

ステップＳＡ２の状態は、図２において、Ｔ１及びＴ２の期間である。また、ステップＳＡ２の状態では、電力変換部１０の各相の出力電流の波形は、図５及び図６に示す状態である。すなわち、電流指令値が大きい状態で、且つ、電力変換部１０における各相のスイッチング回路２１〜２４（ＳＷ１〜ＳＷ４）が異なる位相で電流を出力している。なお、図５は、図２のＴ１の期間における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。図６は、図２のＴ２の期間における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。図２におけるＴ２の期間では、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング回路２１〜２４に対する電流指令値を徐々に小さくする。よって、図６の場合は、図５の場合に比べて、各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の振幅が小さい。

一方、ステップＳＡ１において、すべての相のスイッチング回路２１〜２４をスイッチング動作させる必要がないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ステップＳＡ３に進んで、必要な相数Ｎが（ｍ−１）以下で且つ（ｍ−２）よりも大きいかどうかを判定する。

ステップＳＡ３において、必要な相数Ｎが（ｍ−１）以下で且つ（ｍ−２）よりも大きいと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳＡ４に進んで、例えば、電力変換部１０のスイッチング回路２４のスイッチング動作を停止させる。ステップＳＡ３でＹＥＳの判定の場合には、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち一つのスイッチング回路を停止させても、電流指令値Ｉｒｅｆを満たすような電流出力が得られるからである。スイッチング回路２４のスイッチング動作を停止させる場合には、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング回路２４に対する電流指令値を徐々に小さくする一方、他のスイッチング回路２１〜２３に対する電流指令値を徐々に大きくする。これにより、スイッチング回路２４のスイッチング動作が停止した際の電力変換部１０の出力電流の変動を極力抑えることができる。

ステップＳＡ４の状態は、図２においてＴ３の期間である。また、ステップＳＡ４の状態では、電力変換部１０における各相の出力電流の波形は、図７及び図８に示す状態である。すなわち、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４（ＳＷ１〜ＳＷ４）のうち一つのスイッチング回路２４（ＳＷ４）のみがスイッチング動作を停止している。なお、図７は、図２のＰ１における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。図８は、図２のＴ３の期間における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。図２におけるＴ３の期間では、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング回路２１〜２３に対する電流指令値を徐々に小さくする。よって、図８の場合は、図７の場合に比べて、各相のスイッチング回路２１〜２３の出力電流の振幅が小さい。

ここで、ステップＳＡ３の判定は、図２において、電流指令値ＩｒｅｆがＩｂ以下であるかどうかを判定しているのと同等である。すなわち、ステップＳＡ３において、代わりに、電流指令値Ｉｒｅｆが、３相のスイッチング回路で駆動可能な電流値Ｉｂ以下であるかどうかを判定してもよい。なお、Ｉｂは、定電流充電の電流値Ｉａに対して例えば３／４に設定される。

一方、ステップＳＡ３において、必要な相数Ｎが（ｍ−１）以下で且つ（ｍ−２）よりも大きい範囲ではないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ステップＳＡ５に進んで、必要な相数Ｎが（ｍ−２）以下で且つ（ｍ−３）よりも大きいかどうかを判定する。

ステップＳＡ５において、必要な相数Ｎが（ｍ−２）以下で且つ（ｍ−３）よりも大きいと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳＡ６に進んで、電力変換部１０のスイッチング回路２２もスイッチング動作を停止させる。ステップＳＡ５でＹＥＳの判定の場合には、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち二つのスイッチング回路２２，２４のスイッチング動作を停止させても、電流指令値Ｉｒｅｆを満たすような出力電流が得られるからである。スイッチング回路２２のスイッチング動作を停止する場合には、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング回路２２に対する電流指令値を徐々に小さくする一方、他のスイッチング回路２１，２３に対する電流指令値を徐々に大きくする。これにより、スイッチング回路２２のスイッチング動作が停止した際の電力変換部１０の出力電流の変動を極力抑えることができる。

ステップＳＡ６では、ステップＳＡ４でスイッチング動作を停止したスイッチング回路２４に対し、該スイッチング回路２４が動作している状態（図２の状態）で出力電流の位相差が最も大きいスイッチング回路２２のスイッチング動作を停止する。このように、スイッチング回路２４のスイッチング動作を停止している状態で、スイッチング回路２２のスイッチング動作を停止させる理由は以下のとおりである。

図５に示すように、ＳＷ２としてのスイッチング回路２２と、ＳＷ４としてのスイッチング回路２４とは、出力電流の位相の差が最も大きい。そのため、スイッチング回路２２のスイッチング動作を停止している状態で、スイッチング回路２４のスイッチング動作を停止すれば、電力変換部１０における各相の出力電流の位相の偏りを抑制することができる。これにより、電力変換部１０において二つのスイッチング回路２２，２４のスイッチング動作を停止した場合でも、出力電流にリプル電流が生じにくくすることができる。

なお、本実施形態では、電力変換部１０は、４相のスイッチング回路２１〜２４を有するため、各相のスイッチング回路２１〜２４は、略９０度ずつ位相が異なる電流を出力する。そのため、スイッチング回路２２の出力電流とスイッチング回路２４の出力電流との位相差は略１８０度である。

ステップＳＡ６の状態は、図２においてＴ４の期間である。また、ステップＳＡ６の状態では、各相のスイッチング回路２１〜２４（ＳＷ１〜ＳＷ４）の出力電流の波形は、図９及び図１０に示す状態である。すなわち、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４（ＳＷ１〜ＳＷ４）のうち二つのスイッチング回路２２，２４（ＳＷ２，ＳＷ４）がスイッチング動作を停止している。なお、図９は、図２のＰ２における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。図１０は、図２のＴ４の期間における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。図２におけるＴ４の期間では、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング回路２１，２３に対する電流指令値を徐々に小さくする。よって、図１０の場合は、図９の場合に比べて、各相のスイッチング回路２１，２３の出力電流の振幅が小さい。

ここで、ステップＳＡ５の判定は、図２において、電流指令値ＩｒｅｆがＩｃ以下であるかどうかを判定しているのと同等である。すなわち、ステップＳＡ５において、代わりに、電流指令値Ｉｒｅｆが、２相のスイッチング回路で駆動可能な電流値Ｉｃ以下であるかどうかを判定してもよい。なお、Ｉｃは、定電流充電の電流値Ｉａに対して例えば１／２に設定される。

一方、ステップＳＡ５において、必要な相数Ｎが（ｍ−２）以下で且つ（ｍ−３）よりも大きい範囲ではないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ステップＳＡ７に進んで、必要な相数Ｎが（ｍ−３）以下かどうかを判定する。

ステップＳＡ７において、必要な相数Ｎが（ｍ−３）以下であると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳＡ８に進んで、電力変換部１０のスイッチング回路２３もスイッチング動作を停止させる。ステップＳＡ７でＹＥＳの判定の場合には、電力変換部１０の複数相のスイッチング回路２１〜２４のうち三つのスイッチング回路のスイッチング動作を停止させても、電流指令値Ｉｒｅｆを満たすような出力電流が得られるからである。スイッチング回路２３のスイッチング動作を停止する場合には、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング回路２３に対する電流指令値を徐々に小さくする一方、他のスイッチング回路２１に対する電流指令値を徐々に大きくする。これにより、スイッチング回路２３のスイッチング動作が停止した際の電力変換部１０の出力電流の変動を極力抑えることができる。

ステップＳＡ８の状態は、図２においてＴ５の期間である。また、ステップＳＡ８の状態では、各相のスイッチング回路２１〜２４（ＳＷ１〜ＳＷ４）の出力電流の波形は、図１１に示す状態である。すなわち、電力変換部１０における複数相のスイッチング回路２１〜２４（ＳＷ１〜ＳＷ４）のうち三つのスイッチング回路２２〜２４（ＳＷ２〜ＳＷ４）がスイッチング動作を停止している。なお、図１１は、図２のＰ３における各相のスイッチング回路２１〜２４の出力電流の波形である。

ここで、ステップＳＡ７の判定は、図２において、電流指令値ＩｒｅｆがＩｄ以下であるかどうかを判定しているのと同等である。すなわち、ステップＳＡ７において、代わりに、電流指令値Ｉｒｅｆが、１相のスイッチング回路で駆動可能な電流値Ｉｄ以下であるかどうかを判定してもよい。なお、Ｉｄは、定電流充電の電流値Ｉａに対して例えば１／４に設定される。

一方、ステップＳＡ７において、必要な相数Ｎが（ｍ−３）以下の範囲ではないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ステップＳＡ９に進んで、電力変換部１０における全ての相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させる。このとき、図３のステップＳ５に示す電流制御処理によって、スイッチング動作しているスイッチング回路に対する電流指令値を徐々に小さくした後、該スイッチング回路のスイッチング動作を停止する。

ステップＳＡ２，ＳＡ４，ＳＡ６，ＳＡ８，ＳＡ９で、電力変換部１０においてスイッチング動作を停止させるスイッチング回路を選択した後は、ステップＳＡ１０に進んで、スイッチング動作を行うスイッチング回路の数（図４ではＳＷ数）Ｂをカウントする。その後、このフローを終了する（エンド）。

ここで、ステップＳＡ１，ＳＡ３，ＳＡ５，ＳＡ７が比較工程に、ステップＳＡ２，ＳＡ４，ＳＡ６，ＳＡ８，ＳＡ９がスイッチング回路選択工程に、それぞれ対応する。また、ステップＳＡ１，ＳＡ３，ＳＡ５，ＳＡ７は、電流指令値の低下を検出する電流指令値検出工程の一部を構成する。さらに、ステップＳＡ２，ＳＡ４，ＳＡ６，ＳＡ８，ＳＡ９は、スイッチング回路２１〜２４のスイッチング動作を制御するスイッチング制御工程の一部を構成する。

（実施形態の効果）
この実施形態では、電力変換部１０が複数相のスイッチング回路２１〜２４を有する構成において、制御部３０は、入力される電流指令値の低下に伴い、一部のスイッチング回路のスイッチング動作を停止させる。これにより、電力変換部１０の負荷が小さい場合に、無駄にスイッチング回路がスイッチング動作を行うのを防止できる。したがって、電力変換部１０が軽負荷の際に、電力変換効率が低下するのを防止できる。

また、電力変換部１０において複数相のスイッチング回路２１〜２４のスイッチング動作を、電流指令値Ｉｒｅｆに応じて順に停止する。これにより、電力変換装置１の軽負荷時に、負荷に応じて、スイッチング回路の無駄なスイッチング動作を停止することができる。したがって、電力変換装置１の軽負荷時において、電力変換効率の低下をより確実に防止できる。

さらに、電力変換部１０において複数相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する際に、最初にスイッチング動作を停止したスイッチング回路の出力電流の位相に対して、位相差が最も大きいスイッチング回路のスイッチング動作を停止する。これにより、スイッチング動作を続ける残りのスイッチング回路において、位相差の偏りを小さくすることができる。したがって、電力変換部１０のスイッチング回路２１〜２４のうち複数相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した場合でも、リプル電流の増加を抑制することができる。

特に、電力変換部１０は、４相のスイッチング回路２１〜２４を有するため、上述のように順にスイッチング回路のスイッチング動作を停止した場合でも、出力電流の位相の偏りが生じるのを抑制することができる。したがって、出力電流におけるリプル電流の増加をより確実に防止できる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記実施形態では、電力変換装置１を電池２の充電装置３の一部として構成している。しかしながら、電力変換装置は、電力変換の負荷が増減するような装置であれば、充電装置以外の装置に適用してもよい。

前記実施形態では、スイッチ選択部３３を、三角波比較部４４とＰＷＭ制御部３４との間に設けている。しかしながら、スイッチ選択部３３は、電流指令演算部３１とデューティ比算出部３２との間など、どの位置に設けてもよい。

前記実施形態では、電力変換部１０は、４相のスイッチング回路２１〜２４を有する。しかしながら、電力変換部１０は、３相以下のスイッチング回路を有していてもよいし、５相以上のスイッチング回路を有していてもよい。

前記実施形態では、電力変換部１０は、一対のスイッチング素子１１，１２が直列に接続された複数のスイッチング回路２１〜２４を有する。しかしながら、各スイッチング回路において、スイッチング素子１２を設けずに、ダイオード１４のみを、スイッチング素子１１に対して接続してもよい。

前記実施形態では、電流指令値Ｉｒｅｆに対して必要なスイッチング回路の相数Ｎを、電流指令演算部３１で算出している。しかしながら、相数Ｎは、例えばＳＷ選択部３３など、制御部３０の他の部分で算出してもよい。

前記実施形態では、制御部３０において、電力変換部１０の複数相のスイッチング回路２１〜２４に対応して、各相でデューティ比を求めた後、ＳＷ選択部３３によって選択されなかったスイッチング回路に対してのみＰＷＭ信号を出力している。しかしながら、スイッチング動作を行うスイッチング回路を予め選択した後、そのスイッチング回路に対してのみＰＷＭ信号を生成して出力してもよい。

前記実施形態では、図４に示すフローをＳＷ選択部３３によって全て実行している。しかしながら、図４の示すフローの一部を制御部３０の他の部分で実行してもよい。

前記実施形態では、電力変換部１０において、複数相のスイッチング回路２１〜２４が全てスイッチング動作している場合に、それらのスイッチング回路２１〜２４に流れる電流を同等としている。しかしながら、各スイッチング回路に流れる電流を異なる電流値としてもよい。

前記実施形態では、電力変換部１０において、スイッチング回路２４、スイッチング回路２２、スイッチング回路２３の順にスイッチング動作を停止している。しかしながら、スイッチング回路のスイッチング動作を停止する順番はどのような順番であってもよい。また、前記実施形態のように、スイッチング動作を停止したスイッチング回路に対し、出力電流の位相差が最も大きいスイッチング回路のスイッチング動作を停止するのが好ましいが、この限りではない。

前記実施形態では、図２においてスイッチング回路のスイッチング動作を停止するタイミングであるＩｂ、Ｉｃ、Ｉｄを、それぞれ、３／４Ｉａ、１／２Ｉａ、１／４Ｉａとしている。すなわち、スイッチング回路の相数をｎとすると、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄを、Ｉａに対して、それぞれ、（ｎ−１）／ｎ倍、（ｎ−２）／ｎ倍、１／ｎ倍としている。しかしながら、この限りではなく、スイッチング回路のスイッチング動作を停止するタイミングはどのようなタイミングでもよい。

前記実施形態では、図２の定電圧充電の範囲（Ｔ２〜Ｔ５）において、スイッチング動作しているスイッチング回路に対する電流指令値を一様に小さくした後、所定のタイミングで一部のスイッチング回路のスイッチング動作を停止している。しかしながら、一部のスイッチング回路に対する電流指令値のみを小さくして、所定のタイミングで当該スイッチング回路のスイッチング動作を停止してもよい。

前記実施形態では、電力変換部１０のスイッチング回路２１〜２４において、それぞれ、スイッチング素子１１を一つだけスイッチング動作させている。しかしながら、スイッチング回路に複数のスイッチング素子を設けて、それらの少なくとも一部のスイッチング素子をスイッチング動作させてもよい。

本発明による電力変換装置は、電力変換部が複数相のスイッチング素子を有する場合に利用可能である。

１ 電力変換装置
１０ 電力変換部
１１、１２ スイッチング素子
２１〜２４ スイッチング回路
３０ 制御部
３１ 電流指令演算部（相数算出部）
３３ ＳＷ選択部（選択部）

Claims (9)

1. 外部から入力される電流指令値に基づいて入力電力を出力電力に変換する電力変換部と、
   前記電力変換部の動作を制御する制御部とを備え、
   前記電力変換部は、互いに並列に接続された複数相のスイッチング回路を有し、
   前記制御部は、前記複数相のスイッチング回路を、各相の出力電流の位相が異なるようにスイッチング動作させるとともに、前記電流指令値の低下に応じて前記複数相のスイッチング回路のうち少なくとも一部のスイッチング動作を停止させる、電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数相のスイッチング回路のスイッチング動作を、前記電流指令値に応じて順に停止させる、電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記電流指令値を各相の許容電流値で除すことによって必要なスイッチング回路の相数を求める相数算出部と、
   前記相数算出部によって算出された相数に応じて、前記複数相のスイッチング回路のうちスイッチング動作を停止させるスイッチング回路を選択する選択部とを有する、電力変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記複数相のスイッチング回路のうち一相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した後、別のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する際に、前記一相のスイッチング回路がスイッチング動作していたときの出力電流の位相に対して最も位相差が大きい相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する、電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記複数相のスイッチング回路は、４相以上のスイッチング回路である、電力変換装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の電力変換装置を備え、
   前記電力変換装置によって出力される出力電流を用いて電池の充電を行う、充電装置。
7. 請求項１から５のいずれか一つに記載の電力変換装置のスイッチング制御方法であって、
   前記電流指令値の低下を検出する電流指令値検出工程と、
   前記電流指令値検出工程による検出結果に応じて、前記複数相のスイッチング回路のうち少なくとも一部のスイッチング動作を停止するスイッチング制御工程とを有する、電力変換装置のスイッチング制御方法。
8. 請求項７に記載の電力変換装置のスイッチング制御方法において、
   前記電流指令値検出工程は、
   前記電流指令値を各相の許容電流値で除して必要なスイッチング回路の相数を求める相数演算工程と、
   前記必要な相数と、前記複数相のスイッチング回路の相数とを比較して、その結果を出力する比較工程とを有し、
   前記スイッチング制御工程は、
   前記比較工程の比較結果に基づいて、スイッチング動作を停止するスイッチング回路を選択するスイッチング回路選択工程と、
   前記スイッチング回路選択工程で選択されたスイッチング回路以外のスイッチング回路に、スイッチング動作を行うための制御信号を出力する制御信号出力工程とを有する、電力変換装置のスイッチング制御方法。
9. 請求項８に記載の電力変換装置のスイッチング制御方法において、
   前記スイッチング回路選択工程は、前記複数相のスイッチング回路のうち一相のスイッチング回路のスイッチング動作を停止した後、別のスイッチング回路のスイッチング動作を停止する際に、前記一相のスイッチング回路がスイッチング動作していたときの出力電流の位相に対して最も位相差が大きい相のスイッチング回路を選択する、電力変換装置のスイッチング制御方法。

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