DE112015005915T5 - DC/DC-Umsetzer - Google Patents

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voltage side
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Mai Uenaka
Yuta Komatsu
Matahiko Ikeda
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Bei diesem DC/DC-Umsetzer ist ein Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet, die vier Schaltelemente (S1 bis S4) besitzt, die in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, und zwar über erste bis dritte Verbindungsbereiche, und ein Lade-/Entladekondensator ist zwischen die ersten und dritten Verbindungsbereiche geschaltet. Eine Spannung auf der Niederspannungsseite, die an den zweiten Verbindungsbereich über eine Drosselspule angelegt wird, wird durch das Schalten der vier Schaltelemente (S1 bis S4) aufwärts gewandelt, und dann wird die aufwärtsgewandelte Spannung aus der Reihenschaltung ausgegeben. Eine erste Steuerung (25) berechnet einen ersten Betriebswert auf der Basis der Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und einem ersten berechneten Wert, der auf der Basis eines Detektionswerts der Spannung des Lade-/Entladekondensators berechnet wird. Eine zweite Steuerung (26) berechnet einen zweiten Betriebswert auf der Basis der Differenz zwischen einem Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators. In den Steuerungsblöcken (27, 28) werden eine Addition und eine Subtraktion der ersten und zweiten Betriebswerte durchgeführt, und die Leitungsraten für die Schaltelemente (S1 bis S4) werden gesteuert, um die Ausgangsspannung und die Spannung des Lade-/Entladekondensators zu steuern. Dadurch wird verhindert, dass eine Überspannung an die Schaltelemente (S1 bis S4) angelegt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen DC/DC-Umsetzer.
  • Stand der Technik
  • Bei einem herkömmlichen DC/DC-Umsetzer, der in dem Patentdokument 1 gezeigt ist, wird ein Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet, die vier Schaltelemente (S1 bis S4) aufweist, die in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, und zwar über erste bis dritte Verbindungsbereiche, und ein Lade-/Entladekondensator ist zwischen die ersten und dritten Verbindungsbereiche geschaltet. Eine Spannung auf der Niederspannungsseite, die an den zweiten Verbindungsbereich über eine Drosselspule angelegt wird, wird durch Schalten der vier Schaltelemente (S1) bis (S4) aufwärts gewandelt und dann aus der Reihenschaltung ausgegeben.
  • Eine erste Steuerung (25) berechnet einen ersten Betriebswert auf der Basis einer Differenz zwischen einem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und einer Ausgangsspannung Vout, eine zweite Steuerung (26) berechnet einen zweiten Betriebswert auf der Basis einer Differenz zwischen einem Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung des Lade-/Entladekondensators Vcf, eine Addition und eine Subtraktion der ersten und zweiten Betriebswerte wird in den Steuerungsblöcken (27, 28) vorgenommen, und Leitungsraten für die Schaltelemente (S1 bis S4) werden mittels der Gatesignale G1, G2 gesteuert, um die Ausgangsspannung und die Spannung des Lade-/Entladekondensators zu steuern, so dass ein Durchbruch infolge von Überspannung der Schaltelemente (S1 bis S4) verhindert wird.
  • Stand der Techik
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: Japanisches Patent JP 5 457 559 B2
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Bei einem herkömmlichen DC/DC-Umsetzer gilt Folgendes: Falls sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* steil verändert, wird infolge der Differenz der Berechnungsgeschwindigkeit zwischen der ersten Steuerung 25 und der zweiten Steuerung 26 ein Zeitraum, den die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators hat, um der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators zu folgen, verzögert, und zwar im Vergleich zu einem Zeitraum, den die Ausgangsspannung Vout hat, um dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* zu folgen, so dass eine vergleichsweise hohe Spannung an den Schaltelementen anliegen kann.
  • Bei dem Konzept eines herkömmlichen DC/DC-Umsetzers ist es daher notwendig, die Schaltelemente unter Berücksichtigung eines solchen Falles auszuwählen, in welchem eine vergleichsweise hohe Spannung an die Schaltelemente angelegt wird. Dies führt zu einem Kostenanstieg.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das obige Problem zu lösen. Sie ist so konfiguriert, dass dann, wenn sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* steil verändert, ein Zeitraum, den die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators hat, um der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators zu folgen, nicht verzögert wird, und zwar im Vergleich zu einem Zeitraum, den die Ausgangsspannung Vout hat, um dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* zu folgen.
  • Lösung der Probleme
  • Ein DC/DC-Umsetzer gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:
    einen Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite, der eine Spannung auf der Niederspannungsseite hält;
    einen Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite, der eine Spannung auf der Hochspannungsseite hält und einen Anschluss auf der negativen Seite aufweist, der mit einem Anschluss auf der negativen Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite verbunden ist;
    eine erste Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit dem Anschluss auf der negativen Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite verbunden ist;
    eine zweite Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der ersten Halbleiterschaltung verbunden ist, und deren anderes Ende mit einem Anschluss auf der positiven Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite über eine Drosselspule verbunden ist;
    eine dritte Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit dem anderen Ende der zweiten Halbleiterschaltung verbunden ist;
    eine vierte Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der dritten Halbleiterschaltung verbunden ist, und deren anderes Ende mit einem Anschluss auf der positiven Seite des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite verbunden ist;
    einen Lade-/Entladekondensator, dessen eines Ende mit einem Zwischenverbindungspunkt der ersten Halbleiterschaltung und der zweiten Halbleiterschaltung verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Zwischenverbindungspunkt der dritten Halbleiterschaltung und der vierten Halbleiterschaltung verbunden ist; und
    eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Halbleiterschaltungen.
  • Der DC/DC-Umsetzer ist zumindest für eine der folgenden Betriebsarten ausgelegt:
    • – einen Aufwärtswandlungs-Betrieb, wobei die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Schaltelementfunktionen auszuüben, die dritten und vierten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Diodenelementfunktionen auszuüben, mittels Schaltfunktionen zum Einschalten/Ausschalten des Schaltelements, die für die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, eine Spannung des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite, die eingegeben wird, in eine aufwärtsgewandelte Spannung umzuwandeln und die aufwärtsgewandelte Spannung an den Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite auszugeben; und
    • – einen Abwärtswandlungs-Betrieb, wobei die dritten und vierten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Schaltelementfunktionen auszuüben, die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Diodenelementfunktionen auszuüben, mittels Schaltfunktionen zum Einschalten/Ausschalten des Schaltelements, die für die dritten und vierten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, eine Spannung des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite, die eingegeben wird, in eine abwärtsgewandelte Spannung umzuwandeln und die abwärtsgewandelte Spannung an den Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite auszugeben.
  • Die Steuerungseinrichtung weist eine erste Betriebseinheit, eine zweite Betriebseinheit und eine Schalt-Steuerungseinheit auf.
  • Die erste Betriebseinheit berechnet einen ersten berechneten Wert, indem sie einen Detektionswert des Lade-/Entladekondensators mit einer vorbestimmten ersten Konstante multipliziert, und sie berechnet einen ersten Betriebswert auf der Basis der Differenzspannung zwischen dem ersten berechneten Wert und einem Detektionswert der Spannung auf der Hochspannungsseite.
  • Die zweite Betriebseinheit berechnet einen zweiten Betriebswert auf der Basis der Differenzspannung zwischen einem zweiten berechneten Wert, der auf der Basis eines Befehlswerts für die Spannung auf der Hochspannungsseite berechnet worden ist, und dem Detektionswert der Spannung des Lade-/Entladekondensators.
  • Die Schalt-Steuerungseinheit berechnet eine Stromleitungsrate auf der Basis des ersten Betriebswerts und des zweiten Betriebswerts, und sie steuert auf der Basis der Stromleitungsrate die Schaltvorgänge der ersten und zweiten Halbleiterschaltungen, die dazu veranlasst werden, Einschalt-/Ausschaltfunktionen auszuüben, oder der dritten und vierten Halbleiterschaltungen, die dazu veranlasst werden, Einschalt-/Ausschaltfunktionen auszuüben, so dass sie die Spannung auf der Hochspannungsseite oder die Spannung auf der Niederspannungsseite und die Spannung des Lade-/Entladekondensators steuert.
  • Wirkung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist so konfiguriert, dass dann, wenn sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* steil bzw. scharf verändert, ein Zeitraum, den die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators hat, um der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators zu folgen, im Vergleich zu einem Zeitraum nicht verzögert wird, den die Ausgangsspannung Vout hat, um dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* zu folgen. Daher ist es möglich, Schaltelemente auszuwählen, die eine niedrigere Stehspannung als herkömmliche haben. Dadurch werden die Herstellungskosten des DC/DC-Umsetzers verringert.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Konfiguration eines DC/DC-Umsetzers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Steuerungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 3 ist ein Diagramm, das Betriebsmodi des DC/DC-Umsetzers gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 4 ist ein Diagramm, das den Betrieb des DC/DC-Umsetzers gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das den Betrieb des DC/DC-Umsetzers gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das den Betrieb des DC/DC-Umsetzers gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 7 ist ein Diagramm, das den Betrieb des DC/DC-Umsetzers gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 8 ist ein Diagramm, das zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 9 ist ein Diagramm, das zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators in einem herkömmlichen DC/DC-Umsetzer zeigt.
  • 10 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Steuerungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
  • 11 ist ein Betriebs-Ablaufdiagramm eines Begrenzers 30 der Steuerungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2.
  • 12 ist ein Diagramm, das zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ausführungsform 1
  • 1 bis 8 zeigen Ausführungsform 1 zum Realisieren der vorliegenden Erfindung. 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Konfiguration eines DC/DC-Umsetzers zeigt, 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Steuerungseinrichtung in 1 zeigt, und 3 ist ein Diagramm, das Betriebsmodi des DC/DC-Umsetzers in 1 zeigt. 4 bis 7 sind Diagramme, die den Betrieb des DC/DC-Umsetzers in 1 zeigen.
  • 8 ist ein Diagramm, das zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zeigt. 9 ist ein Diagramm, das zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators in einem herkömmlichen DC/DC-Umsetzer zeigt (Patentdokument 1).
  • In 1 ist der DC/DC-Umsetzer 100 vom bidirektionalen Typ, und er ist zur bidirektionalen Energieumwandlung zwischen der Niederspannungsseite und der Hochspannungsseite imstande. Er weist Folgendes auf: einen ersten Anschluss 100a, einen zweiten Anschluss 100b, einen dritten Anschluss 100c und einen vierten Anschluss 100d als eine Anschlussgruppe und jeweils als erste, zweite, dritte und vierte Anschlüsse. Der DC/DC-Umsetzer 100 wandelt eine DC-Eingangsspannung Vin aufwärts, die zwischen dem ersten Anschluss 100a (Vcom) und dem zweiten Anschluss 100b (VL) eingegeben wird, die Anschlüsse auf der Niederspannungsseite sind, und zwar in eine Spannung, die gleich groß wie oder größer ist als die Eingangsspannung Vin, und er gibt die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vout zwischen dem dritten Anschluss 100c (Vcom) und dem vierten Anschluss 100d (VH) aus, die Anschlüsse auf der Hochspannungsseite sind.
  • Eine Batterie 2 ist zwischen den ersten Anschluss 100a und den zweiten Anschluss 100b geschaltet, und ein Elektromotor 3 ist zwischen den dritten Anschluss 100c und den vierten Anschluss 100d geschaltet.
  • Der DC/DC-Umsetzer 100 weist Folgendes auf: einen Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) und einen Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co) als eine Kondensatoreinrichtung; eine Drosselspule 12 (L); eine DC-Spannungs-Umwandlungseinheit 101; einen Spannungssensor 103; einen Spannungssensor 104; einen Stromsensor 105; und eine Steuerungseinrichtung 109. Ein Anschluss des Glättungskondensators 11 auf der Niederspannungsseite ist mit dem ersten Anschluss 100a verbunden, und ein anderer Anschluss ist mit dem zweiten Anschluss 100b verbunden, und er glättet die Eingangsspannung Vin.
  • Der erste Anschluss 100a und der dritten Anschluss 100c sind gemeinsam verbunden. Der erste Anschluss 100a und der dritten Anschluss 100c können als ein einziger Anschluss konfiguriert sein. Die Drosselspule 12 (L) dient zum Akkumulieren von Energie, und sie ist mit dem zweiten Anschluss 100b und einem zweiten Verbindungsbereich 101c (nachstehend im einzelnen beschrieben) verbunden, der ein Verbindungsbereich zwischen dem Schaltelement S2 und dem Schaltelement S3 ist.
  • Die DC-Spannungs-Umwandlungseinheit 101 weist einen Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) und eine Schaltelement-Reihenschaltung 101a als eine Halbleiter-Reihenschaltung auf, und sie wandelt die Eingangsspannung Vin in eine Ausgangsspannung Vout aufwärts. Die Schaltelement-Reihenschaltung 101a ist aus vier Schaltelementen S1, S2, S3, S4 als erste bis vierte Halbleiterschaltungen gebildet, die in dieser Reihenfolge über einen ersten Verbindungsbereich 101b, einen zweiten Verbindungsbereich 101c und einen dritten Verbindungsbereich 101d in Reihe geschaltet sind.
  • Jedes Schaltelement S1 bis S4 ist beispielsweise aus einer Kombination eines IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) und einer antiparallel geschalteten Diode gebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird es eingeschaltet, wenn das entsprechende Gate-Signal auf High-Pegel ist. Der Lade-/Entladekondensator 101f ist mit dem ersten Verbindungsbereich 101b und dem dritten Verbindungsbereich 101d verbunden.
  • Eine Seite des Schaltelements S1 gegenüber dem ersten Verbindungsbereich 101b ist mit dem ersten Anschluss 100a verbunden, und der zweite Verbindungsbereich 101c ist mit dem zweiten Anschluss 100b über die Drosselspule 12 verbunden.
  • Beide Enden der Schaltelement-Reihenschaltung 101a sind mit dem dritten Anschluss 100c und dem vierten Anschluss 100d verbunden, der erste Anschluss 100a und der dritte Anschluss 100c sind gemeinsam verbunden, der erste Anschluss 100a und der zweite Anschluss 100b sind als eine Niederspannungsseite konfiguriert, und der dritte Anschluss 100c und der vierte Anschluss 100d sind als eine Hochspannungsseite konfiguriert. Genauer gesagt:
    Der Emitteranschluss des Schaltelements S1 ist mit dem ersten Anschluss 100a verbunden, und der Kollektoranschluss des Schaltelements S4 ist mit dem vierten Anschluss 100d verbunden. Der zweite Verbindungsbereich 101c, der ein Verbindungsbereich zwischen dem Kollektoranschluss des Schaltelements S2 und dem Emitteranschluss des Schaltelements S3 ist, ist mit dem zweiten Anschluss 100b über die Drosselspule 12 verbunden.
  • Der Lade-/Entladekondensator 101f weist Folgendes auf: einen Anschluss, der mit dem ersten Verbindungsbereich 101b verbunden ist, der ein Verbindungsbereich zwischen dem Kollektoranschluss des Schaltelements S1 und dem Emitteranschluss des Schaltelements S2 ist; und einen anderen Anschluss, der mit dem dritten Verbindungsbereich 101d verbunden ist, der ein Verbindungsbereich zwischen dem Kollektoranschluss des Schaltelements S3 und dem Emitteranschluss des Schaltelements S4 ist.
  • Der Spannungssensor 103 detektiert als Ausgangsspannung auf der Hochspannungsseite eine Spannung zwischen den Anschlüssen des Glättungskondensators 108 auf der Hochspannungsseite auf der Ausgangsseite, der eine Kondensatoreinrichtung ist, und eines Kondensators auf der Hochspannungsseite. Der Spannungssensor 104 detektiert eine Spannung Vcf (nachfolgend als eine Spannung des Lade-/Entlade-kondensators bezeichnet) des Lade-/Entladekondensators 101f, der in der DC-Spannungs-Umwandlungseinheit 101 enthalten ist. Der Stromsensor 105 detektiert einen Drosselspulenstrom IL, der durch die Drosselspule 12 fließt.
  • Der Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite auf der Ausgangsseite glättet die Ausgangsspannung Vout, die von der DC-Spannungs-Umwandlungseinheit 101 aufwärts gewandelt worden ist. Die Steuerungseinrichtung 109 erzeugt Gatesignale (G1 bis G4) für die vier Schaltelemente S1 bis S4 gemäß Detektionswerten von den Spannungssensoren 103, 104 und dem Stromsensor 105, um Einschalt-/Ausschaltvorgänge der Schaltelemente S1 bis S4 der DC-Spannungs-Umwandlungseinheit 101 durchzuführen.
  • 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das die detaillierte Konfiguration der Steuerungseinrichtung 109 zeigt. In 2 weist die Steuerungseinrichtung 109 Folgendes auf: einen Subtrahierer 21, einen Multiplizierer 22, einen Subtrahierer 23, einen ersten Steuerungsblock 24, eine erste Steuerung 25, eine zweite Steuerung 26, einen zweiten Steuerungsblock 27, einen dritten Steuerungsblock 28 und einen Multiplizierer 29.
  • Der erste Steuerungsblock 24 weist einen Multiplizierer 24a, einen Komparator 24b, einen Öffnungs-/Schließkontakt 24c, einen Inverter 24e und einen Öffnungs-/Schließkontakt 24f auf. Der zweite Steuerungsblock 27 weist einen Addierer 27a und einen Subtrahierer 27b auf. Der dritte Steuerungsblock 28 weist einen Komparator 28a, einen Komparator 28b, einen Inverter 28c und einen Inverter 28d auf.
  • Der Subtrahierer 21, der Multiplizierer 22 und die erste Steuerung 25 entsprechen einer ersten Betriebseinheit bei der vorliegenden Erfindung. Der Multiplizierer 29, der Subtrahierer 23, der erste Steuerungsblock 24 und die zweite Steuerung 26 entsprechen einer zweiten Betriebseinheit bei der vorliegenden Erfindung. Der zweite Steuerungsblock 27 und der dritte Steuerungsblock 28 entsprechen einer Schalt-Steuerungseinheit bei der vorliegenden Erfindung. Der Komparator 24b entspricht einer Detektionseinheit für die Richtung des Drosselspulenstroms bei der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Spannungs-Detektionswert des Lade-/Entladekondensators, der von dem Spannungssensor 104 detektiert worden ist, wird als Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators in den Multiplizierer 22 eingegeben. Die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators wird mit 2 multipliziert, und zwar mittels eines Multiplizierers 22 mit einer Multiplikationskonstante, die auf 2 eingestellt ist, um einen vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** zu berechnen. Der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und die Ausgangsspannung Vout, die ein Detektionswert der Spannung auf der Hochspannungsseite ist, der von dem Spannungssensor 103 detektiert wird, werden in den Subtrahierer 21 eingegeben, und dann wird die Differenz dazwischen, d. h. die Differenzspannung ΔVout, in die erste Steuerung 25 eingegeben.
  • Ein Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* als ein Befehlswert für die Spannung auf der Hochspannungsseite wird mit 0,5 multipliziert, und zwar mittels des Multiplizierers 29, dessen Multiplikationskonstante auf 0,5 eingestellt ist, um einen Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators als einen Spannungs-Befehlswert für den Lade-/Entladekondensator zu berechnen.
  • Der Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators werden in den Subtrahierer 23 eingegeben, um die Differenz dazwischen zu berechnen, d. h. die Differenzspannung ΔVcf, die in den ersten Steuerungsblock 24 eingegeben wird.
  • Wie nachstehend noch genauer beschrieben, verstärkt die zweite Steuerung 26 die Differenzspannung ΔVcf zwischen dem Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators. Bei der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Um den Rippelstrom der Drosselspule zu minimieren, wird der Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators auf ½ (0,5-mal) des Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout* eingestellt, wie oben beschrieben.
  • Im ersten Steuerungsblock 24 wird der Drosselspulenstrom IL, der von dem Stromsensor 105 detektiert wird, in den Komparator 24b eingegeben, und die Öffnungs-/Schließkontakte 24c, 24f werden gemäß der Polarität des Drosselspulenstroms IL geöffnet oder geschlossen. Dadurch wird die Polarität der Differenzspannung ΔVcf zwischen dem Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators umgeschaltet.
  • Wenn der Drosselspulenstrom IL positiv ist, wird die Differenzspannung ΔVcf so ausgegeben, wie sie ist. Wenn der Drosselspulenstrom IL negativ ist, wird die Differenzspannung ΔVcf mittels des Multiplizierers 24a mit –1 multipliziert, um deren Polarität zu invertieren, und sie wird dann an die zweite Steuerung 26 ausgegeben, und zwar durch den Öffnungs-/Schließkontakt 24f, der über den Inverter 24e geschlossen ist. Die Ausgabe der ersten Steuerung 25 als ein erster Betriebswert und die Ausgabe der zweiten Steuerung 26 als ein zweiter Betriebswert werden in den zweiten Steuerungsblock 27 eingegeben.
  • Diese Werte werden von dem Addierer 27a addiert, und der sich ergebende Wert wird an den dritten Steuerungsblock 28 ausgegeben, und zwar als ein Einschalt-Tastverhältnis D1, das eine Stromleitungsrate für das Schaltelement S1 ist. Außerdem wird die Differenz zwischen der Ausgabe der ersten Steuerung 25 und der Ausgabe der zweiten Steuerung 26 von dem Subtrahierer 27b berechnet, und sie wird an den dritten Steuerungsblock 28 ausgegeben, und zwar als ein Einschalt-Tastverhältnis D2, das eine Stromleitungsrate für das Schaltelement S2 ist.
  • Der dritte Steuerungsblock 28 ist ein Block zum Erzeugen von PWM-(Pulsweitenmodulations-)Signalen. Ein Gate-Signal G1 für das Schaltelement S1 wird durch einen Vergleich zwischen dem Einschalt-Tastverhältnis D1 und einer ersten Dreieckswelle SW1 erzeugt, die in den Komparator 28a eingegeben werden. Ein Gate-Signal G2 für das Schaltelement S2 wird durch einen Vergleich zwischen dem Einschalt-Tastverhältnis D2 und einer zweiten Dreieckswelle SW2 erzeugt, die in den Komparator 28b eingegeben werden.
  • Ein Signal, das von dem Inverter 28d erhalten wird, der das Gate-Signal G2 invertiert, wird als ein Gate-Signal G3 für das Schaltelement S3 ausgegeben. Ein Signal, das von dem Inverter 28c erhalten wird, der das Gate-Signal G1 invertiert, wird als ein Gate-Signal G4 für das Schaltelement S4 ausgegeben. Um den Rippelstrom der Drosselspule 12 zu minimieren, werden die erste Dreieckswelle SW1 und die zweite Dreieckswelle SW2 so eingestellt, dass sie Signale sind, deren Phasen voneinander um 180° invertiert sind.
  • Nachfolgend wird der Betrieb des DC/DC-Umsetzers 100 in einem stabilen Zustand beschrieben. Der stabile Zustand bezieht sich auf einen Zustand, in welchem eine stabile Ausgangsspannung erhalten wird, und zwar durch eine Einschalt-/Ausschaltsteuerung der Schaltelemente S1 bis S4. Die Betriebszustände des DC/DC-Umsetzers 100 weisen zwei Zustände auf, und zwar von einem Zustand, in welchem Energie von der Batterie 2 dem Elektromotor 3 zugeführt wird und der Elektromotor 3 dadurch angetrieben wird (Leistungsbetrieb), und einem Zustand, in welchem Energie, die von dem Elektromotor 3 in einem elektrischen Erzeugungszustand erzeugt wird, der Batterie 2 zugeführt wird (Regenerationsbetrieb).
  • Wie in 3 gezeigt, weisen die Betriebsmodi des DC/DC-Umsetzers in einem stabilen Zustand vier Modi 1 bis 4 auf. Wie in 3(a) gezeigt, sind im Modus 1 die Schaltelemente S1 und S3 eingeschaltet, und die Schaltelemente S2 und S4 sind ausgeschaltet. Im Leistungsbetrieb wird Energie im Lade-/Entladekondensator 101f akkumuliert, und im Regenerationsbetrieb wird die Energie des Lade-/Entladekondensators 101f freigegeben. Wie in 3(b) gezeigt, sind im Modus 2 die Schaltelemente S1 und S3 ausgeschaltet, und die Schaltelemente S2 und S4 sind eingeschaltet.
  • Im Leistungsbetrieb wird die Energie aus dem Lade-/Entladekondensator 101f freigegeben, und im Regenerationsbetrieb wird Energie im Lade-/Entladekondensator 101f akkumuliert. Wie in 3(c) gezeigt, sind im Modus 3 die Schaltelemente S1 und S2 ausgeschaltet, und die Schaltelemente S3 und S4 sind eingeschaltet. Im Leistungsbetrieb wird die Energie der Drosselspule 12 freigegeben, und im Regenerationsbetrieb wird Energie in der Drosselspule 12 akkumuliert. Wie in 3(d) gezeigt, sind im Modus 4 die Schaltelemente S1 und S2 eingeschaltet, und die Schaltelemente S3 und S4 sind ausgeschaltet.
  • Im Leistungsbetrieb wird Energie in der Drosselspule 12 akkumuliert, und im Regenerationsbetrieb wird die Energie aus der Drosselspule 12 freigegeben. Indem das Zeitverhältnis dieser Betriebsmodi geeignet eingestellt wird, kann die Eingangsspannung Vin, die die Spannung auf der Niederspannungsseite ist, die zwischen dem ersten Anschluss 100a und dem zweiten Anschluss 100b eingegeben wird, auf eine beliebige Spannung aufwärtsgewandelt werden, und die aufwärtsgewandelte Spannung kann als die Ausgangsspannung Vout zwischen dem dritten Anschluss 100c und dem vierten Anschluss 100d ausgegeben werden.
  • Der Betrieb in einem stabilen Zustand des DC/DC-Umsetzers 100 ist unterschiedlich zwischen dem Fall, in welchem ein Aufwärtswandlungs-Verhältnis N der Ausgangsspannung Vout zu der Eingangsspannung Vin kleiner als zwei ist und dem Fall, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N gleich groß wie oder größer als zwei ist. Zunächst wird der Betrieb in einem Leistungszustand für den Fall beschrieben, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N kleiner als zwei ist.
  • 4 zeigt die Spannungs-Wellenformen von Gate-Signalen für die Schaltelemente S1 bis S4, die Wellenform des Drosselspulenstroms IL, die Wellenform des Stroms Icf des Lade-/Entladekondensators 101f sowie die Wellenform der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators, und zwar in dem Fall, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N kleiner als zwei ist.
  • In einem stabilen Zustand wird die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so gesteuert, dass sie ungefähr ½ der Ausgangsspannung Vout ist, und das Amplitudenverhältnis zwischen der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators ist wie folgt. Vout > Vin > Vcf.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 1 (3(a))), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 eingeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite zu der Drosselspule 12 und dem Lade-/Entladekondensator 101f durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) → Schaltelement S3 → Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) → Schaltelement S1
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 3 (3(c), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 ausgeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird die Energie, die in der Drosselspule 12 akkumuliert ist, zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite und zum Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) Schaltelement S3 → Schaltelement S4 → Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 2 (3(b)), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 ausgeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird die Energie, die im Lade-/Entladekondensator 101f akkumuliert ist, zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite und zum Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite übertragen, und Energie wird in der Drosselspule 12 akkumuliert, und zwar durch den folgenden Pfad. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) → Schaltelement S2 → Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) → Schaltelement S4 → Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 3), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 ausgeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird die Energie, die in der Drosselspule 12 akkumuliert ist, zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite und zum Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) Schaltelement S3 → Schaltelement S4 → Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • Durch Wiederholung dieser Abfolge von Betriebsmodi „Modus 1-Modus 3-Modus 2-Modus 3” wird die Eingangsspannung Vin, die zwischen dem ersten Anschluss 100a und dem zweiten Anschluss 100b eingegeben wird, auf eine beliebige Spannung von einmal bis weniger als zweimal der ursprünglichen Spannung aufwärtsgewandelt, und die aufwärtsgewandelte Spannung wird als Ausgangsspannung Vout zwischen dem dritten Anschluss 100c und dem vierten Anschluss 100d ausgegeben, während die Energie der Batterie 2 dem Elektromotor 3 zugeführt wird.
  • Nachfolgend wird der Betrieb in einem Leistungszustand in dem Fall beschrieben, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N gleich groß wie oder größer als zwei ist.
  • 5 zeigt die Spannungs-Wellenformen von Gate-Signalen für die Schaltelemente S1 bis S4, die Wellenform des Drosselspulenstroms IL, die Wellenform des Stroms (des Lade-/Entladekondensatorstroms) Icf des Lade-/Entladekondensators 101f sowie die Wellenform der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators, und zwar für den Fall, dass das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N gleich groß wie oder größer als zwei ist. In einem stabilen Zustand wird die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so gesteuert, dass sie ungefähr ½ der Ausgangsspannung Vout ist, und das Amplitudenverhältnis zwischen der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators ist wie folgt. Vout > Vcf > Vin.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 4 (3(d)), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 eingeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite zu der Drosselspule 12 durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) → Schaltelement S2 → Schaltelement S1.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 1), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 eingeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird die Energie, die in der Drosselspule 12 akkumuliert ist, zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite und zum Lade-/Entladekondensator 101f durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) → Schaltelement S3 → Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) → Schaltelement S1.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 4), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 eingeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite zu der Drosselspule 12 durch den folgenden Pfad übertragen: Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) → Schaltelement S2 → Schaltelement S1.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 2), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 ausgeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird Energie, die in der Drosselspule 12 und dem Lade-/Entladekondensator 101f akkumuliert ist, zu dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite und dem Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) → Drosselspule 12 (L) → Schaltelement S2 → Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) → Schaltelement S4 → Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • Durch Wiederholung dieser Abfolge von Betriebsmodi „Modus 4-Modus 1-Modus 4-Modus 2” wird die Eingangsspannung Vin, die zwischen dem ersten Anschluss 100a und dem zweiten Anschluss 100b eingegeben wird, auf eine beliebige Spannung gleich groß wie oder größer als das Zweifache der ursprünglichen Spannung aufwärtsgewandelt, und die aufwärtsgewandelte Spannung wird als Ausgangsspannung Vout zwischen dem dritten Anschluss 100c und dem vierten Anschluss 100d ausgegeben, während die Energie der Batterie 2 dem Elektromotor 3 zugeführt wird.
  • Als nächstes wird der Betrieb in einem Regenerationszustand für den Fall beschrieben, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N kleiner als zwei ist.
  • 6 zeigt die Spannungs-Wellenformen von Gate-Signalen für die Schaltelemente S1 bis S4, die Wellenform des Drosselspulenstroms IL, die Wellenform des Lade-/Entladekondensatorstroms Icf sowie die Wellenform der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators, und zwar in einerm Fall, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N kleiner als zwei ist. In einem stabilen Zustand wird die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so gesteuert, dass sie ungefähr ½ der Ausgangsspannung Vout ist, und das Amplitudenverhältnis zwischen der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators ist wie folgt. Vout > Vin > Vcf.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 1), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 eingeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von dem Lade-/Entladekondensator 101f und der Drosselspule 12 zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) Schaltelement S3 ← Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) ← Schaltelement S1
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 3), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 ausgeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite zu der Drosselspule 12 und dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) Schaltelement S3 ← Schaltelement S4 ← Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 2), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 ausgeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite und der Drosselspule 12 zu dem Lade-/Entladekondensator 101f und dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) Schaltelement S2 ← Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) ← Schaltelement S4 ← Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 3), sind das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 ausgeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite zu der Drosselspule 12 und dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) Schaltelement S3 ← Schaltelement S4 ← Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • Durch Wiederholung dieser Abfolge von Betriebsmodi „Modus 1-Modus 3-Modus 2-Modus 3” wird die Eingangsspannung Vin, die zwischen dem ersten Anschluss 100a und dem zweiten Anschluss 100b eingegeben wird, auf eine beliebige Spannung von einmal bis weniger als das Zweifache der ursprünglichen Spannung aufwärtsgewandelt, und die aufwärtsgewandelte Spannung wird als Ausgangsspannung Vout zwischen dem dritten Anschluss 100c und dem vierten Anschluss 100d ausgegeben, während die elektrische Erzeugungsenergie des Elektromotors 3 in der Batterie 2 akkumuliert wird.
  • Nachfolgend wird der Betrieb in einem Regenerationszustand in dem Fall beschrieben, in welchem das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N gleich groß wie oder größer als zwei ist.
  • 7 zeigt die Spannungs-Wellenformen von Gate-Signalen für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2, die Wellenform des Drosselspulenstroms IL, die Wellenform des Lade-/Entladekondensatorstroms Icf sowie die Wellenform der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators, und zwar in einem Regenerationszustand für den Fall, dass das Aufwärtswandlungs-Verhältnis N gleich groß wie oder größer als zwei ist. In einem stabilen Zustand wird die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so gesteuert, dass sie ungefähr ½ der Ausgangsspannung Vout ist, und das Amplitudenverhältnis zwischen der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators ist wie folgt: Vout > Vcf > Vin.
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 4), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 eingeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von der Drosselspule 12 zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) Schaltelement S2 ← Schaltelement S1
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 1), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 eingeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von dem Lade-/Entladekondensator 101f zu der Drosselspule 12 und dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) Schaltelement S3 ← Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) ← Schaltelement S1
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 auf High-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 auf Low-Pegel sind (Modus 4), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 eingeschaltet, und das Schaltelement S3 und das Schaltelement S4 sind ausgeschaltet. Daher wird Energie von der Drosselspule 12 zum Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) ← Schaltelement S2 ← Schaltelement S1.#
  • In einem Zustand, in welchem die Gate-Signale für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 auf Low-Pegel sind und die Gate-Signale für das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 auf High-Pegel sind (Modus 2), sind dann das Schaltelement S1 und das Schaltelement S3 ausgeschaltet, und das Schaltelement S2 und das Schaltelement S4 sind eingeschaltet. Daher wird Energie von dem Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite zu der Drosselspule 12, dem Lade-/Entladekondensator 101f und dem Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite durch den folgenden Pfad übertragen. Glättungskondensator 11 auf der Niederspannungsseite (Ci) ← Drosselspule 12 (L) ← Schaltelement S2 ← Lade-/Entladekondensator 101f (Cf) Schaltelement S4 ← Glättungskondensator 108 auf der Hochspannungsseite (Co).
  • Durch Wiederholung dieser Abfolge von Betriebsmodi „Modus 4-Modus 1-Modus 4-Modus 2” wird die Eingangsspannung Vin, die zwischen dem ersten Anschluss 100a und dem zweiten Anschluss 100b eingegeben wird, auf eine beliebige Spannung gleich groß wie oder größer als das Zweifache der ursprünglichen Spannung aufwärtsgewandelt, und die aufwärtsgewandelte Spannung wird als Ausgangsspannung Vout zwischen dem dritten Anschluss 100c und dem vierten Anschluss 100d ausgegeben, während die elektrische Erzeugungsenergie des Elektromotors 3 in der Batterie 2 akkumuliert wird.
  • Als nächstes wird der Betrieb der Steuerungseinrichtung 109 des DC/DC-Umsetzers 100 bei der vorliegenden Ausführungsform 11 beschrieben. Falls das Einschalt-Tastverhältnis für das Schaltelement S1 D1 ist und das Einschalt-Tastverhältnis S2 D2 ist, ist das Einschalt-Tastverhältnis für das Schaltelement S3 (1 – D2), und das Einschalt-Tastverhältnis für das Schaltelement S4 ist (1 – D1).
  • Falls die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators 11 auf der Niederspannungsseite Ci ist, die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators 108 auf der Hochspannungsseite auf der Ausgangsseite Co ist, die elektrostatische Kapazität des Lade-/Entladekondensators 101f Cf ist, der Induktivitätswert der Drosselspule 12 zum Akkumulieren von Energie L ist, der Strom, der durch die Drosselspule fließt, IL ist, und der Ausgangsstrom Io ist, dann kann eine Zustands-Durchschnittsgleichung des DC/DC-Umsetzers 100 durch den Ausdruck (1) ausgedrückt werden.
  • [Mathematischer Ausdruck 1]
    Figure DE112015005915T5_0002
  • In einem stabilen Zustand gilt Folgendes: Falls die linke Seite von Ausdruck (1) zu Null gesetzt wird, werden die Ausdrücke (2) bis (4) erhalten, und es zeigt sich, dass in einem stabilen Zustand, falls das Einschalt-Tastverhältnis D1 gleich dem Einschalt-Tastverhältnis D2 ist, idealerweise die Ausgangsspannung Vout und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators auf konstante Werte konvergieren. Vout/Vin = 1/(1 – D1) (2) IL = Io/(1 – D1) (3) D1 = D2 (4)
  • In einem tatsächlichen DC/DC-Umsetzer gibt es jedoch eine Abweichung von dem Idealzustand, wie z. B. Verluste infolge einer Widerstandskomponente in der Schaltung, und einen Fehler im Einschalt-Tastverhältnis infolge einer Variation der Signalverzögerung zwischen den Gate-Signalen. Insbesondere ist der Einfluss auf die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators durch eine Differenz zwischen dem Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 und dem Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 groß. In Leistungsbetrieb gilt Folgendes:
    Falls das Einschalt-Tastverhältnis D1 größer ist als das Einschalt-Tastverhältnis D2, nimmt gemäß dem Ausdruck (1) die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators allmählich zu, und sie nimmt schließlich den gleichen Wert wie die Ausgangsspannung Vout an. Falls wiederum das Einschalt-Tastverhältnis D1 kleiner als das Einschalt-Tastverhältnis D2 ist, nimmt gemäß dem Ausdruck (1) im Leistungsbetrieb die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators allmählich ab und wird schließlich 0 Volt.
  • Wenn die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators auf 0 Volt abnimmt, gilt Folgendes: Falls das Schaltelement S1 eingeschaltet ist und das Schaltelement S4 ausgeschaltet ist, wird die Ausgangsspannung Vout nur an das Schaltelement S4 angelegt, und falls das Schaltelement S1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement S4 eingeschaltet ist, wird die Ausgangsspannung Vout nur an das Schaltelement S1 angelegt. Wenn wiederum die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators bis zur Ausgangsspannung Vout zunimmt, wird die Ausgangsspannung Vout entweder an das Schaltelement S2 oder das Schaltelement S3 angelegt. Um einen Durchbruch der Schaltelemente infolge von Überspannungen zu vermeiden, ist es notwendig, die Element-Stehspannung der Schaltelemente so einzustellen, dass sie gleich groß wie oder größer als die Ausgangsspannung Vout ist, was zu einem zusätzlichen Kostenanstieg oder einer Verringerung der Effizienz führt.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Die erste Steuerung 25 ist vorgesehen, welche, unter Verwendung eines Werts als vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout**, der erhalten wird, indem die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators mit einer Konstante von 2 multipliziert wird, eine Rückführungssteuerung auf der Basis einer Differenz zwischen dem vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und der Ausgangsspannung Vout durchführt.
  • Die zweite Steuerung 26 ist vorgesehen, welche, unter Verwendung eines Werts als Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators, der erhalten wird, indem der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* mit einer Konstante von 0,5 multipliziert wird, eine Rückführungssteuerung auf der Basis einer Differenz zwischen der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators durchführt.
  • Die Ausgangswerte der ersten und zweiten Steuerung 25, 26 werden addiert und subtrahiert, um davon einen Additionswert und einen Subtraktionswert zu berechnen, die als Einschalt-Tastverhältnisbefehle für die Schaltelemente S1 bis S4 verwendet werden. Daher ist es möglich, die Ausgangsspannung Vout und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so zu steuern, dass sie gewünschte Werte haben.
  • Der vorläufiger Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und die Konstante von 2 sind jeweils ein erster berechneter Wert und eine erste Konstante, die die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung angeben. Auf ähnliche Weise sind die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators und die Konstante von 0,5 jeweils ein zweiter berechneter Wert und eine zweite Konstante, die die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung angeben.
  • Nachfolgend wird der detaillierte Betrieb der Steuerungseinrichtung 109 beschrieben. Für den Fall, dass die Ausgangsspannung Vout größer als der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* ist, gilt Folgendes: Zu dem Zweck, dass die Ausgangsspannung Vout verringert wird, gibt zunächst, um die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zu verringern, die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, so dass im Leistungsbetrieb das Einschalt-Tastverhältnis D1 kleiner wird als das Einschalt-Tastverhältnis D2 und im Regenerationsbetrieb das Einschalt-Tastverhältnis D1 größer wird als das Einschalt-Tastverhältnis D2. Wenn die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators abnimmt, nimmt der vorläufiger Ausgangs-Sollwert Vout** ab, und die erste Steuerung 25 gibt den ersten Betriebswert aus, um beide Einschalt-Tastverhältnisse für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 zu verringern.
  • Für den Fall wiederum, dass die Ausgangsspannung Vout kleiner ist als der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout*, gilt Folgendes: Zu dem Zweck, die Ausgangsspannung Vout zu erhöhen, gibt zunächst, um die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zu erhöhen, die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, so dass im Leistungsbetrieb das Einschalt-Tastverhältnis D1 größer wird als das Einschalt-Tastverhältnis D2 und im Regenerationsbetrieb das Einschalt-Tastverhältnis D1 kleiner wird als das Einschalt-Tastverhältnis D2.
  • Wenn die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zunimmt, nimmt der vorläufige Ausgangs-Sollwert Vout** zu, und die erste Steuerung 25 gibt den ersten Betriebswert aus, um beide Einschalt-Tastverhältnisse für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 zu erhöhen.
  • Für den Fall, dass die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so gesteuert wird, dass sie die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators annimmt, gilt Folgendes: Wie im Ausdruck (1) gezeigt, unterscheidet sich die Konvergenzbedingung zwischen dem Leistungsbetrieb (der Drosselspulenstrom IL ist positiv) und dem Regenerationsbetrieb (der Drosselspulenstrom IL ist negativ).
  • Für den Fall, dass der Drosselspulenstrom IL positiv ist (Leistungsbetrieb) und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators größer als die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators ist, gilt Folgendes: Um die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zu verringern, gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu verringern und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu erhöhen. Für den Fall, dass der Drosselspulenstrom IL positiv ist (Leistungsbetrieb) und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators kleiner als die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators ist, gilt Folgendes: Um die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zu erhöhen, gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu erhöhen und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu verringern.
  • Für den Fall, dass der Drosselspulenstrom IL negativ ist (Regenerationsbetrieb) und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators größer als die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators ist, gilt Folgendes: Um die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zu verringern, gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu erhöhen und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu verringern.
  • Für den Fall, dass der Drosselspulenstrom IL negativ ist (Regenerationsbetrieb) und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators kleiner als die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators ist, gilt Folgendes: Um die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zu erhöhen, gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu verringern und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu erhöhen.
  • Wenn die Steuerung wie oben beschrieben durchgeführt wird, so wird es möglich, die Ausgangsspannung Vout so zu steuern, dass sie der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* wird, und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so zu steuern, dass sie die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators wird, und zwar ungeachtet dessen, ob der Leistungsbetrieb oder der Regenerationsbetrieb durchgeführt wird. Außerdem braucht der Stromsensor 105 nur eine Funktion zum Bestimmen der Polarität des Stroms zu haben, der durch die Drosselspule 12 fließt, und daher kann ein kostengünstiger Sensor als Stromsensor 105 verwendet werden, so dass die Steuerungseinrichtung des DC/DC-Umsetzers mit niedrigen Kosten konfiguriert werden kann.
  • Bei dem herkömmlichen DC/DC-Umsetzer (Patentdokument 1) wird die folgende Steuerung durchgeführt, um einen Durchbruch der Schaltelemente infolge von Überspannung zu verhindern.
  • Der herkömmliche DC/DC-Umsetzer weist Folgendes auf: eine erste Steuerung 25, welche, um dafür zu sorgen, dass die Ausgangsspannung Vout den Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* annimmt, eine Rückführungssteuerung auf der Basis einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und der Ausgangsspannung Vout durchführt; und eine zweite Steuerung 26, die, um dafür zu sorgen, dass die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators die Sollspannung (die Sollspannung des Lade-/Entladekondensators) Vcf* für den Lade-/Entladekondensator 101f annimmt, die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators so einstellt, dass sie ½ der Ausgangsspannung Vout ist und eine Rückführungssteuerung auf der Basis einer Differenz zwischen der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators durchführt, wobei die Ausgangsspannung Vout und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so gesteuert werden, dass sie gewünschte Werte sind.
  • Wenn sich jedoch der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* schnell bzw. scharf verändert, wird infolge der Differenz der Berechnungsgeschwindigkeit zwischen der ersten Steuerung 25 und der zweiten Steuerung 26 der Zeitraum, den die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators hat, um der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators zu folgen, länger als der Zeitraum, den die Ausgangsspannung Vout hat, um dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* zu folgen.
  • Selbst in dem Fall, in welchem die Berechnungsgeschwindigkeiten der ersten Steuerung 25 und der zweiten Steuerung 26 die gleichen sind, gilt Folgendes: Falls der erste Betriebswert, der aus der ersten Steuerung 25 ausgegeben wird, 1 ist oder nicht kleiner ist als ein Wert, der erhalten wird, indem der Absolutwert des zweiten Betriebswerts von 1 subtrahiert wird, überschreitet eines der Einschalt-Tastverhältnisse D1 und D2, die von dem Addierer 27a und dem Subtrahierer 27b des zweiten Steuerungsblocks 27 berechnet werden, den Wert 1, und daher spiegelt sich das Berechnungsergebnis nicht in den Leitungszeiten der Schaltelemente S1 und S2 wider.
  • Falls auf ähnliche Weise der erste Betriebswert, der aus der ersten Steuerung 25 ausgegeben wird, 0 ist oder nicht größer ist als ein Wert, der erhalten wird, indem der Absolutwert des zweiten Betriebswerts zu 0 addiert wird, wird eines der Tastverhältnisse D1 und D2, die von dem Addierer 27a und dem Subtrahierer 27b des zweiten Steuerungsblocks 27 berechnet werden, kleiner als 0, und daher spiegelt sich das Berechnungsergebnis nicht in den Leitungszeiten der Schaltelemente S1 und S2 wider.
  • Folglich wird im stabilen Zustand, selbst für den Fall, dass die Berechnungsgeschwindigkeiten der ersten Steuerung 25 und der zweiten Steuerung 26 die gleichen sind, der Zeitraum, den die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators hat, um der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators zu folgen, länger als der Zeitraum, den die Ausgangsspannung Vout hat, um dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* zu folgen.
  • Wenn daher das Schaltelement S1 eingeschaltet ist und das Schaltelement S4 ausgeschaltet ist, kann eine vergleichsweise hohe Spannung (die maximale Differenzspannung ΔVmax1, die nachstehend noch beschrieben wird) an das Schaltelement S4 während des Zeitraums angelegt werden, in welchem die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators folgt. Auch wenn das Schaltelement S1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement S4 eingeschaltet ist, kann auf ähnliche Weise eine vergleichsweise hohe Spannung (die maximale Differenzspannung ΔVmax1) an das Schaltelement S1 während des Zeitraums angelegt werden, in welchem die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators folgt. Daher muss die Element-Stehspannung der Schaltelemente gleich groß wie oder größer sein als eine solche vergleichsweise hohe Spannung (die maximale Differenzspannung ΔVmax1).
  • Nachfolgend wird der detaillierte Betrieb beschrieben, wenn sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* schnell bzw. scharf verändert, und zwar in jedem von dem Fall der vorliegenden Ausführungsform und dem Fall des herkömmlichen DC/DC-Umsetzers (Patentdokument 1). 8 zeigt zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators bei der vorliegenden Ausführungsform, wenn sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* scharf verändert. 9 zeigt wiederum zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators bei dem herkömmlichen DC/DC-Umsetzer, wenn sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* scharf verändert.
  • Unter Bezugnahme auf 9 werden zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators im herkömmlichen DC/DC-Umsetzer beschrieben. In 9 gibt die horizontale Achse die zeitliche Veränderung an, und die vertikale Achse gibt den Spannungswert an. In 9 gibt eine der dicken Linien die Veränderung der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators an, und die andere dicke Linie gibt die Veränderung der Ausgangsspannung Vout an. Außerdem gibt eine der dünnen Linien die Veränderung der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators an, und die andere dünne Linie gibt die Veränderung des Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout* an.
  • Wenn das Schaltelement S1 eingeschaltet ist und das Schaltelement S4 ausgeschaltet ist, dann ist die Spannung, die an das Schaltelement S4 angelegt wird, die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators. Wenn auf ähnliche Weise das Schaltelement S1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement S4 eingeschaltet ist, ist die Spannung, die an das Schaltelement S1 angelegt wird, die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators.
  • Vor dem Zeitpunkt T1 wird angenommen, dass der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* Vout1* ist und nahezu gleich der Ausgangsspannung Vout ist. Auf ähnliche Weise wird angenommen, dass der Wert der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators Vcf1* ist und nahezu gleich der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators ist, und dass ferner ein Zustand von Vcf1* = 0,5 × Vout1* beibehalten wird.
  • Zum Zeitpunkt T1 tritt eine scharfe Veränderung des Befehlswerts auf, so dass sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* von Vout1* zu Vout2* verändert. Zum Zeitpunkt T2 erreicht die Ausgangsspannung Vout den Wert Vout2*, und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators erreicht ebenfalls Vcf2*, und folglich ist der Vorgang infolge der Veränderung des Befehlswerts vollständig.
  • Zum Zeitpunkt T1 gilt Folgendes: Wenn die scharfe Veränderung des Befehlswerts auftritt, so dass sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* von Vout1* zu Vout2* verändert, gibt die erste Steuerung 25 den ersten Betriebswert aus, um beide Einschalt-Tastverhältnisse für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 zu erhöhen, und zwar gemäß einer Differenz (ΔVout) zwischen Vout2* und Vout1*.
  • Unterdessen gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu erhöhen und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu verringern, gemäß der Differenz zwischen der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators (= 0,5 × Vout) und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators.
  • Für den Fall, dass die Berechnungsgeschwindigkeit der ersten Steuerung 25 und die Berechnungsgeschwindigkeit der zweiten Steuerung 26 nicht miteinander übereinstimmen und der Berechnungsprozess der zweiten Steuerung 26 im Vergleich zu der ersten Steuerung 25 verzögert ist, oder für den Fall, dass das Berechnungsergebnis der ersten Steuerung 25 einen Wert von 1 oder 0 oder einen Wert nahe bei diesen Werten hat und der zweite Betriebswert nicht vollständig in den Einschalt-Tastverhältnissen widergespiegelt wird, ist während des Übergangszeitraums vom Zeitpunkt T1 zum Zeitpunkt T2 Folgendes erfüllt: Ausgangsspannung Vout × 0,5 > Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators, und die maximale Differenzspannung ΔVmax1 zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators tritt auf.
  • Beim Entwerfen des herkömmlichen DC/DC-Umsetzers ist es daher notwendig, Schaltelemente auszuwählen, die eine Stehspannung von ΔVmax1 oder größer haben, unter Berücksichtigung der maximalen Differenzspannung ΔVmax1.
  • Unter Bezugnahme auf 8 werden nachfolgend die zeitlichen Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators bei der vorliegenden Ausführungsform 1 beschrieben. Wie in 9 gibt auch in 8 die horizontale Achse die zeitliche Veränderung an, und die vertikale Achse gibt den Spannungswert an. In 8 gibt eine der dicken Linien die Veränderung der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators an, und die andere dicke Linie gibt die Veränderung der Ausgangsspannung Vout an. Außerdem gibt eine der dünnen Linien die Veränderung der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators an, und die andere dünne Linie gibt die Veränderung des Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout* an. Außerdem gibt eine gepunktete Linie die Veränderung des vorläufiger Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout** an.
  • Wie beim herkömmlichen DC/DC-Umsetzer sind die Spannung, die an das Schaltelement S4 angelegt wird, wenn das Schaltelement S1 eingeschaltet ist und das Schaltelement S4 ausgeschaltet ist, und die Spannung, die an das Schaltelement S1 angelegt wird, wenn das Schaltelement S1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement S4 eingeschaltet ist, eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators. Außerdem gilt die gleiche Bedingung wie beim herkömmlichen DC/DC-Umsetzer für den Zeitpunkt T1 und den Zeitpunkt T2.
  • Zum Zeitpunkt T1 gilt Folgendes: Wenn eine scharfe Veränderung des Befehlswerts auftritt, so dass sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* von Vout1* zu Vout2* verändert, gibt die erste Steuerung 25 den ersten Betriebswert aus, um beide Einschalt-Tastverhältnisse für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 zu vergrößern, und zwar gemäß der Differenz (ΔVout) zwischen dem vorläufiger Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und der Ausgangsspannung Vout. Da der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators × 2 ist, ist der ausgegebene erste Betriebswert kein Wert, der im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren weit entfernt von der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators liegt.
  • Unterdessen gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu erhöhen und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu verringern, gemäß der Differenz zwischen der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators (= 0,5 × Vout) und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators.
  • Selbst für den Fall, dass der Berechnungsprozess der zweiten Steuerung 26, die einen komplizierten Berechnungsprozess ausführt, im Vergleich zu der ersten Steuerung 25 verzögert ist, reicht die tatsächliche Veränderung des Befehlswerts für die erste Steuerung 25 von Vout1* zum vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout**. Daher tritt eine große Veränderung des ersten Betriebswerts während des Übergangszeitraums vom Zeitpunkt T1 zum Zeitpunkt T2 nicht auf. Daher ist die maximale Differenzspannung ΔVmax2 zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators kleiner als die maximale Differenzspannung ΔVmax1 im herkömmlichen DC/DC-Umsetzer.
  • Das heißt, beim Konzipieren des DC/DC-Umsetzers gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es ausreichend, Schaltelemente auszuwählen, die ein Stehspannung von ΔVmax2 oder größer haben, unter Berücksichtigung, dass die maximale Differenzspannung ΔVmax2 einen Wert von ½ des maximalen Werts Vout*(max) des Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout* hat.
  • Im Vergleich zu dem Fall des herkömmlichen DC/DC-Umsetzers können daher kostengünstige Schaltelemente ausgewählt werden, so dass die Kosten des DC/DC-Umsetzers verringert werden können.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 ist die erste Konstante auf 2 gesetzt, und die zweite Konstante ist auf 0,5 gesetzt. Gemäß der Stehspannung oder der Performanz der Schaltelemente kann die erste Konstante jedoch auch auf größer als 1 eingestellt werden, und die zweite Konstante kann auf größer als 0 und nicht größer als 1 eingestellt werden, wie es zweckmäßig ist.
  • Wie oben beschrieben, gilt Folgendes: Um den Rippelstrom der Drosselspule zu minimieren, ist es gelegentlich wünschenswert, die erste Konstante auf 1,9 bis 2,1 einzustellen und die zweite Konstante auf 0,4 bis 0,6 einzustellen.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 wird ein Vorteil für den Fall beschrieben, dass sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* scharf verändert. Beispielsweise auch für den Fall, dass die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und der Ausgangsspannung Vout zu der Zeit groß wird, wenn der DC/DC-Umsetzer gemäß Ausführungsform 1 gestartet wird, weitet sich die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators jedoch nicht jenseits der Annahme (Vout*(max) × 0,5) aus. Daher wird die gleiche Wirkung erzielt.
  • Ferner weitet sich bei dem DC/DC-Umsetzer gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 auch für den Fall, dass ein Betriebsverfahren verwendet wird, bei welchem die Schaltelemente S3 und S4 stets eingeschaltet sind, um die Energieübertragung zwischen der Batterie 2 und dem Elektromotor 3 ohne ein Schalten durchzuführen, die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators nicht jenseits der Annahme (Vout*(max) × 0,5) aus, und zwar selbst dann, wenn aus diesem Betrieb in den Aufwärtswandlungs-Betrieb unter Verwendung eines Schaltens gewechselt wird. Daher wird die gleiche Wirkung erzielt.
  • Der Drosselspulenstrom IL, der durch die Drosselspule 12 fließt, kann aus dem Veränderungswert der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators geschätzt werden. Wie in 4 bis 7 gezeigt, nimmt die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators während des Zeitraums im Modus 1 im Leistungsbetrieb zu und im Regenerationsbetrieb ab. Auf ähnliche Weise nimmt die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators während des Zeitraums im Modus 2 im Leistungsbetrieb ab und im Regenerationsbetrieb zu. Falls die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators während des Zeitraums im Modus 1 zunimmt, kann daher geschätzt werden, dass der Betrieb der Leistungsbetrieb ist und der Drosselspulenstrom IL positiv ist.
  • Wenn wiederum die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators während des Zeitraums im Modus 1 abnimmt, kann geschätzt werden, dass der Betrieb der Regenerationsbetrieb ist und der Drosselspulenstrom IL negativ ist. Solch eine Konfiguration ermöglicht es, die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so zu steuern, dass sie einen gewünschten Wert besitzt, und zwar im Leistungsbetrieb und im Regenerationsbetrieb, ohne einen teuren Stromsensor zu verwenden.
  • Ausführungsform 2
  • Nachstehend wird ein DC/DC-Umsetzer gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Konfiguration des DC/DC-Umsetzers bei der vorliegenden Ausführungsform 2 ist die gleiche wie gemäß Ausführungsform 1. 10 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Steuerungseinrichtung zeigt, 11 ist ein Betriebs-Ablaufdiagramm eines Begrenzers 30 der Steuerungseinrichtung, und 12 ist ein Diagramm, das zeitliche Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators zeigt. Die gleichen Zahlen oder die gleichen Zeichen wie diejenigen in 1 und 2 bezeichnen Komponenten, die die gleichen oder äquivalent zu denen sind, die gemäß Ausführungsform 1 gezeigt sind. Daher wird deren ausführliche Beschreibung weggelassen.
  • 10 ist ein Schaltungsdiagramm, das die detaillierte Konfiguration einer Steuerungseinrichtung 139 zeigt. In 10 weist die Steuerungseinrichtung 139 Folgendes auf: Den Subtrahierer 21, den Subtrahierer 23, den ersten Steuerungsblock 24, die erste Steuerung 25, die zweite Steuerung 26, den zweiten Steuerungsblock 27, den dritten Steuerungsblock 28, den Begrenzer 30 und einen Multiplizierer 31.
  • Der erste Steuerungsblock 24 weist den Multiplizierer 24a, den Komparator 24b, den Öffnungs-/Schließkontakt 24c, den Inverter 24e und den Öffnungs-/Schließkontakt 24f auf. Der zweite Steuerungsblock 27 weist den Addierer 27a und den Subtrahierer 27b auf. Der dritte Steuerungsblock 28 weist den Komparator 28a, den Komparator 28b, den Inverter 28c und den Inverter 28d auf. Der Begrenzer 30, der Subtrahierer 21 und die erste Steuerung 25 entsprechen der ersten Betriebseinheit bei der vorliegenden Erfindung.
  • Der Multiplizierer 31, der Subtrahierer 23, der erste Steuerungsblock 24 und die zweite Steuerung 26 entsprechen der zweiten Betriebseinheit bei der vorliegenden Erfindung. Der zweite Steuerungsblock 27 und der dritte Steuerungsblock 28 entsprechen der Schalt-Steuerungseinheit bei der vorliegenden Erfindung. Der Komparator 24b entspricht der Detektionseinheit für die Richtung des Drosselspulenstroms bei der vorliegenden Erfindung.
  • 11 ist ein Betriebs-Ablaufdiagramm des Begrenzers 30. Zunächst werden der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators in den Begrenzer 30 eingegeben. Danach wird bestimmt, ob oder ob nicht die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators größer als ein vorbestimmter Spannungswert V1 ist. Dann gibt, falls die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators größer als der vorbestimmte Spannungswert V1 ist, der Begrenzer 30 die Summe der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators und einem vorbestimmten Spannungswert V2 als den vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** aus.
  • Falls wiederum die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators gleich groß wie oder kleiner ist als der vorbestimmte Spannungswert V1, dann gibt der Begrenzer 30 den Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* als den vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** aus.
  • Falls der Spannungswert V1 so eingestellt wird, dass er gleich groß wie oder kleiner ist als die Stehspannung der Schaltelemente, und der Spannungswert V2 so eingestellt wird, dass er gleich groß wie oder kleiner ist als der Spannungswert V1, dann verändert sich der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** im Vergleich zu der Ausgangsspannung Vout nicht stark, und die Spannung, die an jedes Schaltelement angelegt wird, kann gleich groß wie oder kleiner gemacht werden als die Stehspannung der Schaltelemente.
  • Der Spannungswert V1 ist ein erster Spannungswert bei der vorliegenden Erfindung, und der Spannungswert V2 ist ein zweiter Spannungswert bei der vorliegenden Erfindung.
  • Der Spannungs-Detektionswert des Lade-/Entladekondensators, der von dem Spannungssensor 104 detektiert wird, wird als Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators in den Begrenzer 30 eingegeben. Der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* wird ebenfalls in den Begrenzer 30 eingegeben. Wie oben beschrieben, wird der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** von dem Begrenzer 30 berechnet.
  • Der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und die Ausgangsspannung Vout, die der Detektionswert der Spannung auf der Hochspannungsseite ist, der von dem Spannungssensor 103 detektiert wird, werden in den Subtrahierer 21 eingegeben. Dann wird die Differenz dazwischen, d. h. die Differenzspannung ΔVout, in die erste Steuerung 25 eingegeben.
  • Außerdem wird die Ausgangsspannung Vout mit 0,5 multipliziert, und zwar von dem Multiplizierer 31, dessen Multiplikationskonstante auf 0,5 eingestellt ist, um den Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators als einen Spannungs-Sollwert für den Spannung des Lade-/Entladekondensators zu berechnen.
  • Der Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators werden in den Subtrahierer 23 eingegeben, um die Differenz dazwischen zu berechnen, d. h. die Differenzspannung ΔVcf, die an den ersten Steuerungsblock 24 ausgegeben wird.
  • Der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und die Multiplikationskonstante von 0,5 sind jeweils der erste berechnete Wert und eine vierte Konstante, die die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung angeben. Auf ähnliche Weise ist die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators ein vierter berechneter Wert, der die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung angibt.
  • Im ersten Steuerungsblock 24 wird der Drosselspulenstrom IL, der von dem Stromsensor 105 detektiert wird, in den Komparator 24b eingegeben, und die Öffnungs-/Schließkontakte 24c, 24f werden gemäß der Polarität des Drosselspulenstroms IL geöffnet oder geschlossen. Dadurch wird die Polarität der Differenzspannung ΔVcf zwischen dem Spannungsollwert Vcf* des Lade-/Entladekondensators und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators umgeschaltet. Wenn der Drosselspulenstrom IL positiv ist, wird die Differenzspannung ΔVcf so ausgegeben, wie sie ist.
  • Wenn der Drosselspulenstrom IL negativ ist, wird die Differenzspannung ΔVcf mittels des Multiplizierers 24a mit –1 multipliziert, um deren Polarität zu invertieren, und sie wird dann an die zweite Steuerung 26 ausgegeben, und zwar durch den Öffnungs-/Schließkontakt 24f, der über den Inverter 24e geschlossen ist. Die Ausgabe der ersten Steuerung 25 als der erste Betriebswert und die Ausgabe der zweiten Steuerung 26 als der zweite Betriebswert werden in den zweiten Steuerungsblock 27 eingegeben.
  • Diese Werte werden von dem Addierer 27a addiert, und der sich ergebende Wert wird an den dritten Steuerungsblock 28 ausgegeben, und zwar als das Einschalt-Tastverhältnis D1, das eine Stromleitungsrate für das Schaltelement S1 ist. Außerdem wird die Differenz zwischen der Ausgabe der ersten Steuerung 25 und der Ausgabe der zweiten Steuerung 26 von dem Subtrahierer 27b berechnet, und sie wird an den dritten Steuerungsblock 28 ausgegeben, und zwar als das Einschalt-Tastverhältnis D2, das eine Stromleitungsrate für das Schaltelement S2 ist.
  • Der übrige Betrieb ist der gleiche wie gemäß Ausführungsform 1, und wie oben beschrieben wird es möglich, die Ausgangsspannung Vout so zu steuern, dass sie der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* wird, und die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators so zu steuern, dass sie die Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators wird, und zwar ungeachtet dessen, ob der Leistungsbetrieb oder der Regenerationsbetrieb durchgeführt wird.
  • Außerdem braucht der Stromsensor 105 nur eine Funktion zum Bestimmen der Polarität des Stroms zu haben, der durch die Drosselspule 12 fließt, und daher kann ein kostengünstiger Sensor als Stromsensor 105 verwendet werden, so dass die Steuerungseinrichtung des DC/DC-Umsetzers mit niedrigen Kosten konfiguriert werden kann.
  • Unter Bezugnahme auf 12 werden nachfolgend die zeitlichen Veränderungen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators bei der vorliegenden Ausführungsform 2 beschrieben. Wie in 9 gibt in 12 die horizontale Achse die zeitliche Veränderung an, und die vertikale Achse gibt den Spannungswert an. In 12 gibt eine der dicken Linien die Veränderung der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators an, und die andere dicke Linie gibt die Veränderung der Ausgangsspannung Vout an. Außerdem gibt eine der dünnen Linien die Veränderung der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators an, und die andere dünne Linie gibt die Veränderung des Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout* an. Außerdem gibt eine gepunktete Linie die Veränderung des vorläufiger Ausgangsspannungs-Sollwerts Vout** an.
  • Wie beim herkömmlichen DC/DC-Umsetzer sind die Spannung, die an das Schaltelement S4 angelegt wird, wenn das Schaltelement S1 eingeschaltet ist und das Schaltelement S4 ausgeschaltet ist, und die Spannung, die an das Schaltelement S1 angelegt wird, wenn das Schaltelement S1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement S4 eingeschaltet ist, eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators. Außerdem gilt die gleiche Bedingung wie beim herkömmlichen DC/DC-Umsetzer für den Zeitpunkt T1 und den Zeitpunkt T2.
  • Zum Zeitpunkt T1 gilt Folgendes: Wenn eine scharfe Veränderung des Befehlswerts auftritt, so dass sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* von Vout1* zu Vout2* verändert, gibt die erste Steuerung 25 den ersten Betriebswert aus, um beide Einschalt-Tastverhältnisse für das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 zu vergrößern, und zwar gemäß der Differenz (ΔVout) zwischen dem vorläufiger Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** und der Ausgangsspannung Vout. Da der vorläufige Ausgangsspannungs-Sollwert Vout** von dem Begrenzer 30 berechnet wird und durch die Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators begrenzt ist, verändert sich der erste Betriebswert im Vergleich zu dem Fall des herkömmlichen DC/DC-Umsetzers nicht stark.
  • Unterdessen gibt die zweite Steuerung 26 den zweiten Betriebswert aus, um das Einschalt-Tastverhältnis D1 für das Schaltelement S1 zu erhöhen und das Einschalt-Tastverhältnis D2 für das Schaltelement S2 zu verringern, gemäß der Differenz zwischen der Sollspannung Vcf* des Lade-/Entladekondensators (= 0,5 × Vout) und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators.
  • Selbst für den Fall, dass der Berechnungsprozess der zweiten Steuerung 26 im Vergleich zu der ersten Steuerung 25 verzögert ist, reicht die tatsächliche Veränderung des Befehlswerts für die erste Steuerung 25 von Vout* zum vorläufigen Ausgangsspannungs-Sollwert Vout**. Daher tritt eine große Veränderung des ersten Betriebswerts während des Übergangszeitraums vom Zeitpunkt T1 zum Zeitpunkt T2 nicht auf. Daher ist die maximale Differenzspannung ΔVmax3 zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators kleiner als die maximale Differenzspannung ΔVmax1 im herkömmlichen DC/DC-Umsetzer.
  • Das heißt, beim Entwerfen des DC/DC-Umsetzers bei der vorliegenden Ausführungsform ist es ausreichend, Schaltelemente auszuwählen, die eine Stehspannung haben, die gleich groß wie oder größer ist als der Spannungswert V1, unter Berücksichtigung, dass er nicht größer als der Spannungswert V1 ist.
  • Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren können daher kostengünstige Schaltelemente ausgewählt werden, so dass die Kosten des DC/DC-Umsetzers verringert werden können.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform 2 wird ein Vorteil für den Fall beschrieben, dass sich der Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* scharf verändert. Beispielsweise auch für den Fall, dass die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungs-Sollwert Vout* und der Ausgangsspannung Vout zu der Zeit groß wird, wenn der DC/DC-Umsetzer gemäß Ausführungsform 2 gestartet wird, weitet sich die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators jedoch nicht jenseits von V1 aus. Daher wird die gleiche Wirkung erzielt.
  • Ferner weitet sich bei dem DC/DC-Umsetzer bei der vorliegenden Ausführungsform 2 auch für den Fall, dass ein Betriebsverfahren verwendet wird, bei welchem die Schaltelemente S3 und S4 stets eingeschaltet sind, um die Energieübertragung zwischen der Batterie 2 und dem Elektromotor 3 ohne ein Schalten durchzuführen, die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Spannung Vcf des Lade-/Entladekondensators nicht jenseits des Spannungswerts V1 aus, und zwar selbst dann, wenn aus diesem Betrieb in den Aufwärtswandlungs-Betrieb unter Verwendung eines Schaltens gewechselt wird. Daher wird die gleiche Wirkung erzielt.
  • Bei den obigen Ausführungsformen wird ein Fall beschrieben, in welchem die Schaltelemente S1 bis S4 IGBTs sind. Es können jedoch auch MOSFETs, JFETs oder dergleichen für die Schaltelemente verwendet werden. Die Schaltelemente und/oder die Diodenelemente können aus Halbleitern mit großem Bandabstand gebildet sein, deren Bandabstand größer ist als der von Silicium.
  • Beispiele für Halbleiter mit großem Bandabstand beinhalten Siliciumcarbid (SiC), ein Galliumnitrid-basiertes Material und Diamant. Die Schaltelemente und Diodenelemente (Dioden), die aus Halbleitern mit großem Bandabstand gebildet sind, haben eine hohe Stehspannung, und sie haben auch eine hohe zulässige Stromdichte. Daher ermöglichen sie eine Größenreduktion der Schaltelemente und der Diodenelemente. Unter Verwendung dieser in der Größe verringerten Schaltelemente und Diodenelemente wird es daher möglich, die Größe eines Halbleitermoduls zu verringern, das diese Elemente enthält.
  • Da außerdem deren Wärmewiderstand groß ist, können Wärmeabführungsrippen eines Kühlkörpers verkleinert werden, und eine wasserkühlende Einheit kann durch einen luftgekühlten Typ ersetzt werden, so dass es möglich ist, die Größe des Halbleitermoduls weiter zu verringern. Da die Leistungsverluste ebenfalls gering sind, kann ferner die Effizienz der Schaltelemente und der Diodenelemente verbessert werden, was zu einer Verbesserung der Effizienz des Halbleitermoduls führt.
  • Sowohl das Schaltelement, als auch das Diodenelement können aus Halbleitern mit großem Bandabstand gebildet sein, oder eines von dem Schaltelement und dem Diodenelement kann aus einem Halbleiter mit großem Bandabstand gebildet sein. Jedenfalls können die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Wirkungen erzielt werden.
  • Es sei angemerkt, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung die obigen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden können, oder dass jede der obigen Ausführungsformen in geeigneter Weise abgewandelt oder vereinfacht werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite
    12
    Drosselspule
    21
    Subtrahierer
    22
    Multiplizierer
    23
    Subtrahierer
    24
    erster Steuerungsblock
    25
    erste Steuerung
    26
    erste Steuerung
    27
    zweiter Steuerungsblock
    28
    dritter Steuerungsblock
    29
    Multiplizierer
    30
    Begrenzer
    31
    Multiplizierer
    101f
    Lade-/Entladekondensator
    103
    Spannungssensor
    104
    Spannungssensor
    108
    Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite
    109
    Steuerungseinrichtung
    S1 bis S4
    Schaltelemente

Claims (13)

  1. DC/DC-Umsetzer, der Folgendes aufweist: einen Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite, der eine Spannung auf der Niederspannungsseite hält; einen Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite, der eine Spannung auf der Hochspannungsseite hält und einen Anschluss auf der negativen Seite hat, der mit einem Anschluss auf der negativen Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite verbunden ist; eine erste Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit dem Anschluss auf der negativen Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite verbunden ist; eine zweite Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der ersten Halbleiterschaltung verbunden ist, und deren anderes Ende mit einem Anschluss auf der positiven Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite über eine Drosselspule verbunden ist; eine dritte Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit dem anderen Ende der zweiten Halbleiterschaltung verbunden ist; eine vierte Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der dritten Halbleiterschaltung verbunden ist, und deren anderes Ende mit einem Anschluss auf der positiven Seite des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite verbunden ist; einen Lade-/Entladekondensator, dessen eines Ende mit einem Zwischenverbindungspunkt der ersten Halbleiterschaltung und der zweiten Halbleiterschaltung verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Zwischenverbindungspunkt der dritten Halbleiterschaltung und der vierten Halbleiterschaltung verbunden ist; und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Halbleiterschaltungen, wobei der DC/DC-Umsetzer zumindest für eine der folgenden Betriebsarten ausgelegt ist: einem Aufwärtswandlungs-Betrieb, wobei die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Schaltelementfunktionen auszuüben, die dritten und vierten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Diodenelementfunktionen auszuüben, mittels Schaltfunktionen zum Einschalten/Ausschalten des Schaltelements, die für die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, eine Spannung des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite, die eingegeben wird, in eine aufwärtsgewandelte Spannung umgewandelt wird und die aufwärtsgewandelte Spannung an den Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite ausgegeben wird; und einem Abwärtswandlungs-Betrieb, wobei die dritten und vierten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Schaltelementfunktionen auszuüben, die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Diodenelementfunktionen auszuüben, mittels Schaltfunktionen zum Einschalten/Ausschalten des Schaltelements, die für die dritten und vierten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, eine Spannung des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite, die eingegeben wird, in eine abwärtsgewandelte Spannung umgewandelt wird und die abwärtsgewandelte Spannung an den Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite ausgegeben wird, wobei die Steuerungseinrichtung eine erste Betriebseinheit, eine zweite Betriebseinheit und eine Schalt-Steuerungseinheit aufweist, die erste Betriebseinheit einen ersten berechneten Wert berechnet, indem sie einen Detektionswert des Lade-/Entladekondensators mit einer vorbestimmten ersten Konstante multipliziert, und einen ersten Betriebswert auf der Basis der Differenzspannung zwischen dem ersten berechneten Wert und einem Detektionswert der Spannung auf der Hochspannungsseite berechnet, die zweite Betriebseinheit einen zweiten Betriebswert auf der Basis der Differenzspannung zwischen einem zweiten berechneten Wert, der auf der Basis eines Befehlswerts für die Spannung auf der Hochspannungsseite berechnet worden ist, und dem Detektionswert der Spannung des Lade-/Entladekondensators berechnet, und wobei die Schalt-Steuerungseinheit eine Stromleitungsrate auf der Basis des ersten Betriebswerts und des zweiten Betriebswerts berechnet, und auf der Basis der Stromleitungsrate die Schaltvorgänge der ersten und zweiten Halbleiterschaltungen steuert, die dazu veranlasst werden, Einschalt-/Ausschaltfunktionen auszuüben, oder die Schaltvorgänge der dritten und vierten Halbleiterschaltungen, die dazu veranlasst werden, Einschalt-/Ausschaltfunktionen auszuüben, so dass sie die Spannung auf der Hochspannungsseite oder die Spannung auf der Niederspannungsseite und die Spannung des Lade-/Entladekondensators steuert.
  2. DC/DC-Umsetzer nach Anspruch 1, wobei der zweite berechnete Wert ein Wert ist, der erhalten wird, indem der Befehlswert für die Spannung auf der Hochspannungsseite mit einer vorbestimmten zweiten Konstante multipliziert wird.
  3. DC/DC-Umsetzer, der Folgendes aufweist: einen Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite, der eine Spannung auf der Niederspannungsseite hält; einen Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite, der eine Spannung auf der Hochspannungsseite hält und einen Anschluss auf der negativen Seite hat, der mit einem Anschluss auf der negativen Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite verbunden ist; eine erste Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit dem Anschluss auf der negativen Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite verbunden ist; eine zweite Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der ersten Halbleiterschaltung verbunden ist, und deren anderes Ende mit einem Anschluss auf der positiven Seite des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite über eine Drosselspule verbunden ist; eine dritte Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit dem anderen Ende der zweiten Halbleiterschaltung verbunden ist; eine vierte Halbleiterschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der dritten Halbleiterschaltung verbunden ist, und deren anderes Ende mit einem Anschluss auf der positiven Seite des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite verbunden ist; einen Lade-/Entladekondensator, dessen eines Ende mit einem Zwischenverbindungspunkt der ersten Halbleiterschaltung und der zweiten Halbleiterschaltung verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Zwischenverbindungspunkt der dritten Halbleiterschaltung und der vierten Halbleiterschaltung verbunden ist; und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Halbleiterschaltungen, wobei der DC/DC-Umsetzer zumindest für eine der folgenden Betriebsarten ausgelegt ist: einen Aufwärtswandlungs-Betrieb, wobei die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Schaltelementfunktionen auszuüben, die dritten und vierten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Diodenelementfunktionen auszuüben, mittels Schaltfunktionen zum Einschalten/Ausschalten des Schaltelements, die für die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, eine Spannung des Glättungskondensators auf der Niederspannungsseite, die eingegeben wird, in eine aufwärtsgewandelte Spannung umgewandelt wird und die aufwärtsgewandelte Spannung an den Glättungskondensator auf der Hochspannungsseite ausgegeben wird; und einem Abwärtswandlungs-Betrieb, wobei die dritten und vierten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Schaltelementfunktionen auszuüben, die ersten und zweiten Halbleiterschaltungen beide dazu veranlasst werden, Diodenelementfunktionen auszuüben, mittels Schaltfunktionen zum Einschalten/Ausschalten des Schaltelements, die für die dritten und vierten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, eine Spannung des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite, die eingegeben wird, in eine abwärtsgewandelte Spannung umgewandelt wird und die abwärtsgewandelte Spannung an den Glättungskondensator auf der Niederspannungsseite ausgegeben wird, wobei die Steuerungseinrichtung eine erste Betriebseinheit, eine zweite Betriebseinheit und eine Schalt-Steuerungseinheit aufweist, die erste Betriebseinheit einen ersten Betriebswert berechnet, und zwar auf der Basis einer Differenzspannung zwischen einem Detektionswert der Spannung auf der Hochspannungsseite und einem dritten berechneten Wert, der auf der Basis der Differenzspannung zwischen einem Befehlswert für die Spannung auf der Hochspannungsseite und einem Detektionswert der Spannung des Lade-/Entladekondensators berechnet wird, die zweite Betriebseinheit einen zweiten Betriebswert berechnet, und zwar auf der Basis einer Differenzspannung zwischen einem vierten berechneten Wert, der auf der Basis eines Detektionswerts der Spannung des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite berechnet wird, und dem Detektionswert des Lade-/Entladekondensators, und die Schalt-Steuerungseinheit eine Stromleitungsrate auf der Basis des ersten Betriebswerts und des zweiten Betriebswerts berechnet, und auf der Basis der Stromleitungsrate die Schaltvorgänge der ersten und zweiten Halbleiterschaltungen steuert, die dazu veranlasst werden, Einschalt-/Ausschaltfunktionen auszuüben, oder die Schaltvorgänge der dritten und vierten Halbleiterschaltungen, die dazu veranlasst werden, Einschalt-/Ausschaltfunktionen auszuüben, so dass sie die Spannung auf der Hochspannungsseite oder die Spannung auf der Niederspannungsseite und die Spannung des Lade-/Entladekondensators steuert.
  4. DC/DC-Umsetzer nach Anspruch 3, wobei dann, wenn eine Differenz zwischen dem Befehlswert für die Spannung auf der Hochspannungsseite und dem Detektionswert der Spannung des Lade-/Entladekondensators größer als ein vorbestimmter erster Spannungswert ist, der dritte berechnete Wert die Summe des Detektionswerts der Spannung des Lade-/Entladekondensators und eines vorbestimmten zweiten Spannungswerts ist, und wenn eine Differenz zwischen dem Befehlswert für die Spannung auf der Hochspannungsseite und dem Detektionswert der Spannung des Lade-/Entladekondensators gleich groß wie oder kleiner ist als ein vorbestimmter erster Spannungswert, der dritte berechnete Wert der Befehlswert für die Spannung auf der Hochspannungsseite ist.
  5. DC/DC-Umsetzer nach Anspruch 3, wobei der vierte berechnete Wert ein Wert ist, der erhalten wird, indem der Detektionswert der Spannung des Glättungskondensators auf der Hochspannungsseite mit einer vorbestimmten vierten Konstante multipliziert wird.
  6. DC/DC-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei alle von den ersten bis vierten Halbleiterschaltungen Schaltfunktionen haben, und die Steuerungseinrichtung eine Schaltsteuerung der ersten bis vierten Halbleiterschaltungen durchführt.
  7. DC/DC-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dann, wenn die erste und zweite Halbleiterschaltung Schaltfunktionen haben, die dritte und vierte Halbleiterschaltung unidirektionale Leitungselemente oder Synchrongleichrichterschaltungen sind, und wenn die dritte und vierte Halbleiterschaltung Schaltfunktionen haben, die erste und zweite Halbleiterschaltung unidirektionale Leitungselemente oder Synchrongleichrichterschaltungen sind.
  8. DC/DC-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schalt-Steuerungseinheit die Stromleitungsrate auf der Basis eines Additionswerts des ersten Betriebswerts und des zweiten Betriebswerts sowie eines Subtraktionswerts des ersten Betriebswerts und des zweiten Betriebswerts berechnet.
  9. DC/DC-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner eine Drosselspulenstrom-Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Amplitude des Stroms aufweist, der durch die Drosselspule fließt, wobei die zweite Betriebseinheit die Amplitude des zweiten Betriebswerts gemäß dem Ergebnis der Bestimmung durch die Drosselspulenstrom-Bestimmungseinheit verändert.
  10. DC/DC-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner eine Detektionseinheit für die Richtung des Drosselspulenstroms zum Bestimmen der Richtung des Stroms aufweist, der durch die Drosselspule fließt, und wobei die zweite Betriebseinheit die Polarität des zweiten Betriebswerts gemäß dem Ergebnis der Bestimmung durch die Detektionseinheit für die Richtung des Drosselspulenstroms verändert.
  11. DC/DC-Umsetzer nach Anspruch 10, wobei die Detektionseinheit für die Richtung des Drosselspulenstroms die Richtung des Stroms detektiert, der durch die Drosselspule fließt, und zwar auf der Basis von Betriebszuständen der Halbleiterschaltungen und einer Spannungsänderung im Lade-/Entladekondensator.
  12. DC/DC-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Halbleiterschaltungen Halbleiterelemente aufweisen, die aus Halbleitern mit großem Bandabstand gebildet sind.
  13. DC/DC-Umsetzer nach Anspruch 12, wobei die Halbleiter mit großem Bandabstand Siliciumcarbid, ein Galliumnitrid-basiertes Material und Diamant sind.
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