DE112018004544B4

DE112018004544B4 - Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE112018004544B4
Application number: DE112018004544.7T
Authority: DE
Inventors: Shintaro Tanaka; Kenji Kubo; Takayuki Ouchi; Yuji SOBU; Naoya Takahashi
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2038-10-05
Also published as: CN111201701B; US20210135578A1; DE112018004544T5; JP6913599B2; JP2019075913A; US11101739B2; WO2019078013A1; CN111201701A

Abstract

Steuereinrichtung (50), die eine Leistungsumsetzvorrichtung (100) steuert, die eine eingegebene erste Gleichstromleistung in eine zweite Gleichstromleistung umsetzt und die zweite Gleichstromleistung ausgibt, wobei
die Leistungsumsetzvorrichtung (100) eine Schaltschaltung (10), die die erste Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umsetzt, einen Transformator (20), der eine Spannungsumsetzung der Wechselstromleistung durchführt, und eine Ausgangsschaltung (30), die die Wechselstromleistung, die der Spannungsumsetzung durch den Transformator (20) unterworfen wurde, in die zweite Gleichstromleistung umsetzt, enthält und
die Steuereinrichtung (50) einen Magnetflussdichtewert des Transformators (20) berechnet und eine Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung (10) auf der Grundlage des berechneten Magnetflussdichtewerts steuert, wobei die Steuereinrichtung (50) Folgendes umfasst:
eine Spannungssteuereinheit, die einen Betriebszeitanweisungswert zum Steuern eines Ausgangswerts der Ausgangsschaltung (30) berechnet;
eine Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70), die den Magnetflussdichtewert auf der Grundlage des Betriebszeitanweisungswerts und einer Eingangsspannung der Schaltschaltung (10) berechnet und eine Schaltträgerfrequenz gemäß der Ansteuerfrequenz auf der Grundlage des berechneten Magnetflussdichtewerts einstellt; und
eine Signalerzeugungseinheit (80), die ein Ausgangssignal zum Ansteuern der Schaltschaltung (10) auf der Grundlage des Betriebszeitanweisungswerts und der Schaltträgerfrequenz erzeugt und das erzeugte Ausgangssignal der Schaltschaltung (10) liefert und
die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70) die Schaltträgerfrequenz derart einstellt, dass die Ansteuerfrequenz verringert wird, falls der Magnetflussdichtewert kleiner als ein vorgegebener Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage einer Sättigungsmagnetflussdichte des Transformators (20) ist, und derart, dass die Ansteuerfrequenz erhöht wird, falls der Magnetflussdichtewert größer als der Anweisungswert der magnetischen Flussdichte ist, und/oder
die Leistungsumsetzvorrichtung (100) ferner einen Temperaturdetektor (43) enthält, der eine Temperatur des Transformators (20) detektiert, und
die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70) den Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage der Temperatur des Transformators (20), die durch den Temperaturdetektor (43) detektiert wird, ändert,
wobei die Schaltträgerfrequenzeinstelleinheit eine PI- Steuereinheit besitzt, die eine Proportional-Integral-Steuerung auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Magnetflussdichtewert und dem Anweisungswert der magnetischen Flussdichte unter Verwendung einer vorgegebenen Steuerverstärkung durchführt, und
die Steuerverstärkung auf der Grundlage der Schaltträgerfrequenz und/oder des Ausgangsstroms aus der Ausgangsschaltung (30) geändert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung, die zum Steuern einer Leistungsumsetzeinrichtung verwendet wird.
Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren fanden vor dem Hintergrund der Abnahme fossiler Brennstoffe und globaler Umweltprobleme Personenkraftwagen, die mit elektrischer Energie laufen wie z. B. hybride Personenkraftwagen und elektrische Personenkraftwagen mehr Aufmerksamkeit und wurden in die praktische Anwendung gebracht. Ein derartiger Personenkraftwagen, der unter Verwendung elektrischer Energie fährt, ist mit einer Hochspannungsbatterie versehen, die einem Motor zum Antreiben von Rädern elektrische Leistung liefert. Darüber hinaus sind einige derartiger Personenkraftwagen mit einer Leistungsumsetzvorrichtung versehen, die die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie verringert und eine erforderliche Leistung zu Niederspannungselektrovorrichtungen, die an den Personenkraftwagen montiert sind wie z. B. eine Klimaanlage, ein Audiogerät und verschiedene elektronische Steuereinheiten (ECUs) liefert. Eine derartige Leistungsumsetzvorrichtung setzt eine eingegebene Gleichstromleistung in eine Gleichstromleistung einer verschiedenen Spannung um und wird auch als ein Gleichstrom/GleichstromUmsetzer bezeichnet.
Im Allgemeinen besitzt ein Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer eine Schaltschaltung, die ein- und ausschalten kann, und führt ein Spannungsumsetzen einer Gleichstromleistung durch Steuern des Ein-/Ausschaltens der Schaltschaltung durch. Speziell wird die eingegebene Gleichstromleistung unter Verwendung der Schaltschaltung einmal in eine Wechselstromleistung umgesetzt und die Wechselstromleistung wird unter Verwendung eines Transformators umgewandelt (erhöht oder verringert). Dann wird die umgewandelte Wechselstromleistung unter Verwendung einer Ausgangsschaltung wie z. B. einer Gleichrichterschaltung erneut in eine Gleichstromleistung umgesetzt. Auf diese Weise kann eine Gleichstromausgabe, die eine von der Eingangsspannung verschiedene Spannung besitzt, erhalten werden. Die Schaltschaltung wird z. B. durch ein Halbleiterschaltelement wie z. B. einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) gebildet.
Im Allgemeinen ist es zum Zwecke der wirksamen Verwendung natürlicher Energie und der Verringerung von Kohlendioxid erforderlich, dass eine an einem Fahrzeug montierte Leistungsumsetzvorrichtung einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Deshalb ist es wichtig, einen Verlust während der Leistungsumsetzung so weit wie möglich zu verringern. Beispiele eines Verlusts, der im Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer erzeugt wird, enthalten einen Schaltverlust, der durch einen Schaltvorgang erzeugt wird, und einen Widerstandsverlust (Kupferverlust), der in einem Transformator und einem Halbleiterschaltelement erzeugt wird. Als Mittel zum Verringern des Schaltelements ist z. B. Patentliteratur 1 bekannt. Die Leistungsumsetzvorrichtung, die in Patentliteratur 1 offenbart wird, überwacht einen Transformatorstrom, der in einen Trenntransformator fließt, und erhöht eine Schaltträgerfrequenz, wenn der Transformatorstrom einen Strombezugswert, der unter Berücksichtigung einer magnetischen Sättigung gesetzt wird, überschreitet. Die Leistungsumsetzvorrichtung, die in Patenliteratur 1 offenbart wird, verringert somit eine Schaltfrequenz und mindert dadurch einen Schaltverlust.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

[0005] PTL 1: JP 2008- 278 723 A
PTL2: JP 2017- 189 011 A
PTL 3: US 2015 / 0 003 116 A1
PTL 4: US 2012 / 0 113 687 A1
PTL 5: US 2010 / 0 283 447 A1

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In der Technik, die in Patentliteratur 1 beschrieben wird, tritt, da die Schaltträgerfrequenz unter Verwendung des Überwachungsergebnisses des Transformatorstroms gesteuert wird, eine Steuerverzögerung auf, wenn die Änderung des Transformatorstroms abrupt ist, und als ein Ergebnis kann eine Reduzierung eines Schaltverlusts unzureichend sein.
PTL 2 offenbart einen elektrischen Energiewandler, der eingerichtet ist, eine magnetische Sättigung eine Transformators des Energiewandlers zu vermeiden, ohne dabei von einer Erhöhung des Ausgangsstroms oder einer Erhöhung der Ausgangsspannung abhängig zu sein.
PTL 3 offenbart eine Steuerschaltung, die ein Steuersignal erzeugt, um ein Tastverhältnis einer Schaltnetzteilversorgung so zu steuern, dass die magnetische Flussdichte im Transformator ausgeglichen ist, wodurch eine Sättigung des Transformatorkerns verhindert wird.
PTL 4 offenbart eine Gleichstrom-Gleichstrom Wandlervorrichtung umfassend eine primärseitige Schaltung und eine sekundärseitige Schaltung, die galvanisch von der primären getrennt ist. Die Primärseite induziert auf der Sekundärseite eine Spannung, die eine Ausgangsspannung zum Ansteuern liefert. Eine Flusssteuervorrichtung misst den primärseitigen Transformatorfluss, um den primärseitigen Arbeitszyklus zu steuern, wodurch die Ausgangsspannung des sekundärseitigen Stromkreises lose geregelt wird.
PTL 5 offenbart einen Mehrschichtinduktor, umfassend eine Spule, die in einen Magnetabschnitt eingebettet ist, und einen Magnetspalt, der durch einen nichtmagnetischen Abschnitt in einem Teil eines Magnetpfades gebildet wird.
Lösung des Problems
Die Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung steuert eine Leistungsumsetzvorrichtung, die eine eingegebene erste Gleichstromleistung in eine zweite Gleichstromleistung umsetzt und die zweite Gleichstromleistung liefert, die Leistungsumsetzvorrichtung enthält eine Schaltschaltung, die die erste Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umsetzt, einen Transformator, der eine Spannungsumsetzung der Wechselstromspannung durchführt, und eine Ausgangsschaltung, die die Wechselstromleistung, die der Spannungsumsetzung durch den Transformator unterworfen wurde, in die zweite Gleichstromleistung umsetzt, und die Steuereinrichtung berechnet einen Wert der magnetischen Flussdichte des Transformators und steuert eine Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung auf der Grundlage des berechneten Werts der magnetischen Flussdichte. Die Steuereinrichtung umfasst ferner eine Spannungssteuereinheit, die einen Betriebszeitanweisungswert zum Steuern eines Ausgangswerts der Ausgangsschaltung berechnet; eine Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit, die den Magnetflussdichtewert auf der Grundlage des Betriebszeitanweisungswerts und einer Eingangsspannung der Schaltschaltung berechnet und eine Schaltträgerfrequenz gemäß der Ansteuerfrequenz auf der Grundlage des berechneten Magnetflussdichtewerts einstellt; und eine Signalerzeugungseinheit, die ein Ausgangssignal zum Ansteuern der Schaltschaltung auf der Grundlage des Betriebszeitanweisungswerts und der Schaltträgerfrequenz erzeugt und das erzeugte Ausgangssignal der Schaltschaltung liefert. Die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit stellt die Schaltträgerfrequenz derart ein, dass die Ansteuerfrequenz verringert wird, falls der Magnetflussdichtewert kleiner als ein vorgegebener Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage einer Sättigungsmagnetflussdichte des Transformators ist, und derart, dass die Ansteuerfrequenz erhöht wird, falls der Magnetflussdichtewert größer als der Anweisungswert der magnetischen Flussdichte ist und/oder die Leistungsumsetzvorrichtung enthält ferner einen Temperaturdetektor, der eine Temperatur des Transformators detektiert, und die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit ändert den Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage der Temperatur des Transformators, die durch den Temperaturdetektor detektiert wird. Die Schaltträgerfrequenzeinstelleinheit besitzt eine PI-Steuereinheit, die eine Proportional-Integral-Steuerung auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Magnetflussdichtewert und dem Anweisungswert der magnetischen Flussdichte unter Verwendung einer vorgegebenen Steuerverstärkung durchführt, und die Steuerverstärkung auf der Grundlage der Schaltträgerfrequenz und/oder des Ausgangsstroms aus der Ausgangsschaltung geändert wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Schaltverlust einer Leistungsumsetzvorrichtung ausreichend gemindert werden.
Figurenliste

[1] 1 veranschaulicht eine Konfiguration einer Fahrzeugenergieversorgung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[2] 2 veranschaulicht eine grundlegende Schaltungskonfiguration eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[3] 3 veranschaulicht eine Konfiguration einer Steuerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[4] 4 ist ein Diagramm zum Erläutern des Betriebs eines Komparators.
[5] 5 ist ein Steuerablaufplan einer Steuerschaltung.
[6] 6 veranschaulicht eine grundlegende Schaltungskonfiguration eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[7] 7 veranschaulicht ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Transformatortemperatur und einem Anweisungswert der magnetischen Flussdichte.
[8] 8 veranschaulicht eine grundlegende Schaltungskonfiguration eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[9] 9 veranschaulicht ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom und einem Anweisungswert der magnetischen Flussdichte.
[10] 10 veranschaulicht eine Konfiguration einer Steuerschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[11] 11 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahren zum Anpassen einer PI-Steuerverstärkung durch eine Verstärkungsanpassungseinheit.
[12] 12 veranschaulicht eine Konfiguration einer Steuerschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen einer Leistungsumsetzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder der Zeichnungen sind dieselben Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und eine redundante Beschreibung wird unterlassen. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die unten beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und umfasst verschiedene Änderungen und Anwendungsbeispiele im technischen Konzept der vorliegenden Erfindung.
-Erste Ausführungsform-
(Konfiguration einer Fahrzeugenergieversorgung)
1 veranschaulicht eine Konfiguration einer Fahrzeugenergieversorgung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 veranschaulicht ist, ist die Fahrzeugenergieversorgung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Energieversorgungssystem, das an einem Fahrzeug 1000 montiert ist und eine Leistungsumsetzung zwischen einer Hochspannungsbatterie V1 und einer Niederspannungsbatterie V2 unter Verwendung eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 wechselseitig durchführt. Im Folgenden wird eine Niederspannungsseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100, d. h. eine Seite, die mit der Niederspannungsbatterie V2 verbunden ist, als eine „L-Seite“ bezeichnet und eine Hochspannungsseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100, d. h. eine Seite, die mit der Hochspannungsbatterie V1 verbunden ist, wird als eine „H-Seite“ bezeichnet.
Ein Ende der Niederspannungsbatterie V2 ist mit einem L-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 verbunden und das andere Ende der Niederspannungsbatterie V2 ist mit dem anderen L-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 verbunden. Ein Ende des Hilfsgeräts 400 wie z. B. eine Klimaanlage ist mit dem einen L-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 und dem einen Ende der Niederspannungsbatterie V2 verbunden und das andere Ende des Hilfsgeräts 400 ist mit dem anderen L-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 und dem anderen Ende der Niederspannungsbatterie V2 verbunden. Ein Ende des HV-Geräts 300 ist mit einem H-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 und einem Ende der Hochspannungsbatterie V1 verbunden und das andere Ende des HV-Geräts 300 ist mit dem anderen H-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 und dem anderen Ende der Hochspannungsbatterie V1 verbunden. Ein Ende der Hochspannungsbatterie V1 ist mit dem einen H-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 verbunden und das andere Ende der Hochspannungsbatterie V1 ist mit dem anderen H-seitigen Ende des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 verbunden.
Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100, das HV-Gerät 300 und das Hilfsgerät 400 sind mit der Fahrzeugenergieversorgungs-Steuereinheit 200 verbunden. Die Fahrzeugenergieversorgungs-Steuereinheit 200 steuert den Betrieb dieser Geräte, eine Leistungsübertragungsrichtung, eine Leistungsmenge und dergleichen der Leistung, die zwischen diesen Geräten und der Hochspannungsbatterie V1 und der Niederspannungsbatterie V2 ausgetauscht wird.
(Grundlegende Konfiguration des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100)
2 veranschaulicht eine grundlegende Schaltungskonfiguration des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 veranschaulicht ist, enthält der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 der vorliegenden Ausführungsform eine Schaltschaltung 10, einen Transformator 20 und eine Ausgangsschaltung 30 und ist mit einer Steuerschaltung 50 mittels eines Gate-Treibers 90 verbunden.
Die Schaltschaltung 10 ist mit der Hochspannungsbatterie V1 mittels eines positiven Eingangsanschlusses 1 und eines negativen Eingangsanschlusses 2 verbunden. Die Schaltschaltung 10 enthält Schaltelemente 11a bis 14a in Brückenschaltung und setzt eine Gleichstromleistung, die von der Hochspannungsbatterie V1 geliefert wird, durch Bewirken, dass die Schaltelemente 11a bis 14a ein- und ausschalten, in eine Hochfrequenzwechselstromleistung um und liefert die Hochfrequenzwechselstromleistung zu einer Primärseite des Transformators 20.
Der Transformator 20 dient zur Isolierung zwischen der Primärseite und einer Sekundärseite und führt ein Spannungsumsetzen der Wechselstromleistung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite derart durch, dass die Wechselstromleistung einer Spannung, die niedriger (oder höher) als die Wechselstromleistung, die durch die Schaltschaltung 10 erzeugt wird, ist, zur Ausgangsschaltung 30 geliefert wird.
Die Ausgangsschaltung 30 ist mit der Niederspannungsbatterie V2 mittels eines positiven Ausgangsanschlusses 3 und eines negativen Ausgangsanschlusses 4 verbunden. Die Ausgangsschaltung 30 enthält Dioden 31 und 32 und richtet die Wechselstromleistung, die der Spannungsumsetzung durch den Transformator 20 unterworfen wird, unter Verwendung der Dioden 31 und 32 gleich, setzt sie in eine Gleichstromleistung um und liefert die Gleichstromleistung zur Niederspannungsbatterie V2.
Die Steuerschaltung 50 ist z. B. in der Fahrzeugenergieversorgungs-Steuereinheit 200, die in 1 veranschaulicht ist, vorgesehen und erzeugt und liefert Ausgangssignale 51 bis 54 zum Steuern des Schaltvorgangs der entsprechenden Schaltelemente 11a bis 14a in der Schaltschaltung 10.
Der Gate-Treiber 90 setzt die Ausgangssignale 51 bis 54, die von der Steuerschaltung 50 geliefert werden, in Ansteuersignale 91 bis 94 zum Ansteuern der entsprechenden Schaltelemente 11a bis 14a um und liefert die Ansteuersignale 91 bis 94 zur Schaltschaltung 10. Der Gate-Treiber 90 enthält einen Trenntransformator 90a zur Isolierung zwischen der Schaltschaltung 10 und der Steuerschaltung 50.
Konfigurationen der Schaltschaltung 10, des Transformators 20 und der Ausgangsschaltung 30, die im Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 enthalten sind, und Details der Steuerschaltung 50 werden unten beschrieben.
(Schaltschaltung 10)
Die Schaltschaltung 10 arbeitet, um Gleichstromleistung, die von der Hochspannungsbatterie V1 mittels des positiven Eingangsanschlusses 1 und des negativen Eingangsanschlusses 2 geliefert wird, unter der Steuerung der Steuerschaltung 50 in Hochfrequenzwechselstromleistung umzusetzen und die Hochfrequenzwechselstromleistung einer Primärwicklung N1 des Transformators 20 zuzuführen. Zwischen dem positiven Eingangsanschluss 1 und dem negativen Eingangsanschluss 2 sind ein Spannungsdetektor 41 und ein Glättungskondensator C1 mit der Hochspannungsbatterie V1 parallelgeschaltet. Der Spannungsdetektor 41 detektiert die Spannung der Gleichstromleistung, die zur Schaltschaltung 10 geliefert wird, und liefert den detektierten Wert als Eingangsspannung Vin zur Steuerschaltung 50.
Die Schaltschaltung 10 ist derart konfiguriert, dass die vier Schaltelemente 11a bis 14a in einer Vollbrücke geschaltet sind. Das heißt, zwischen dem positiven Eingangsanschluss 1 und dem negativen Eingangsanschluss 2 sind eine Reihenschaltung (die im Folgenden als ein „erster Zweig“ bezeichnet wird), die aus den zwei Schaltelementen 11a und 12a gebildet ist, und eine Reihenschaltung (die im Folgenden als ein „zweiter Zweig“ bezeichnet wird), die aus den zwei Schaltelementen 13a und 14a gebildet ist, verbunden. Ein Verbindungspunkt A zwischen dem Schaltelement 11a und dem Schaltelement 12a im ersten Zweig ist mit einem Ende der Primärwicklung N1 des Transformators 20 verbunden und ein Verbindungspunkt B zwischen dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 14a im zweiten Zweig ist mit dem weiteren Ende der Primärwicklung N1 des Transformators 20 verbunden. Es ist festzuhalten, dass die Schaltelemente 11a bis 14a beliebige Elemente sein können, die ein- und ausschalten können, und bevorzugtes Beispiel eines derartigen Elements ist ein Feldeffekttransistor (FET).
Dioden 11b bis 14b zum Freilauf und Kondensatoren 11c bis 14c sind mit den entsprechenden Schaltelementen 11a bis 14a parallelgeschaltet. Diese Dioden 11b bis 14b und Kondensatoren 11c bis 14c können Elemente sein, die von den Schaltelementen 11a bis 14a verschieden sind, oder können parasitäre Komponenten der Schaltelemente 11a bis 14a sein. Alternativ können diese Dioden 11b bis 14b und Kondensatoren 11c bis 14c Elemente, die von den Schaltelementen 11a bis 14a verschieden sind, und parasitäre Komponenten der Schaltelemente 11a bis 14a sein.
Im Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 der vorliegenden Ausführungsform wird ein Phasenverschiebungssteuerverfahren, das ein Ansteuerverfahren ist, das Schaltverlust mindern kann, als ein Verfahren zum Steuern der Schaltschaltung 10 verwendet. Gemäß dem Phasenverschiebungssteuerverfahren wird ein Ein/Aus-Phasendifferenz zwischen dem Schaltelement 11a auf einer Oberseite im ersten Zweig und dem Schaltelement 14a auf einer Unterseite im zweiten Zweig unter den vier Schaltelementen 11a bis 14a, die die Schaltschaltung 10 des Vollbrückentyps bilden, gemäß einer Ausgangsspannung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 gesteuert. Entsprechend wird eine Ein/Aus-Phasendifferenz zwischen dem Schaltelement 12a auf einer Unterseite im ersten Zweig und dem Schaltelement 13a auf einer Oberseite im zweiten Zweig gemäß der Ausgangsspannung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 gesteuert. Somit werden ein Zeitraum, während dessen das Schaltelement 11a und das Schaltelement 14a gleichzeitig an sind, und ein Zeitraum, während dessen das Schaltelement 12a und das Schaltelement 13a gleichzeitig an sind, gemäß der Ausgangsspannung angepasst. Die Leistung, die von der Schaltschaltung 10 (der Primärseite des Transformators 20) zur Ausgangsschaltung 30 (der Sekundärseite des Transformators 20) übertragen wird, ist durch den Zeitraum, während dessen das Schaltelement 11a und das Schaltelement 14a gleichzeitig an sind, und den Zeitraum, während dessen das Schaltelement 12a und das Schaltelement 13a gleichzeitig an sind, bestimmt. Deshalb kann durch Steuern der Phasendifferenzen, wie oben beschrieben wird, die Ausgangsspannung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 bei einem gewünschten Wert stabilisiert werden. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass der Zeitraum, während dessen das Schaltelement 11a und das Schaltelement 14a gleichzeitig an sind, und den Zeitraum, während dessen das Schaltelement 12a und das Schaltelement 13a gleichzeitig an sind, dieselbe Länge besitzen. Ein Verhältnis der Längen dieser Zeiträume in einem Arbeitszyklus wird manchmal als ein Tastverhältnis bezeichnet.
(Transformator 20)
Der Transformator 20 arbeitet, um eine Spannungsumsetzung einer Wechselstromleistung, die durch die Schaltschaltung 10 erzeugt wird, durchzuführen und liefert die Wechselstromleistung nach dem Spannungsumsetzen zur Ausgangsschaltung 30. Der Transformator 20 enthält die Primärwicklung N1, die mit der Schaltschaltung 10 verbunden ist, und eine Sekundärwicklung N2, die mit der Ausgangsschaltung 30 verbunden ist. Der Transformator 20 weist eine Konfiguration mit Mittelanzapfung auf, um eine Vollwellengleichrichterschaltung in Kombination mit der Ausgangsschaltung 30 zu realisieren, und die Sekundärwicklung N2 ist in ihrer Mitte in zwei Sekundärwicklungen N2a und N2b unterteilt. Ein Verhältnis der Anzahl von Windungen der Primärwicklung N1 und der Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung N2a oder N2b (N1 / N2a oder N1 / N2b) wird gemäß einem Spannungsbereich der Eingangsspannung Vin, die über den positiven Eingangsanschluss 1 und den negativen Eingangsanschluss 2 angelegt wird, und einem Spannungsbereich einer Ausgangsspannung Vout, die über dem positiven Ausgangsanschluss 3 und dem negativen Ausgangsanschluss 4 geliefert werden soll, eingestellt.
Der Transformator 20 weist eine Resonanzspule L1, die mit der Primärwicklung N1 in Reihe geschaltet ist, auf. Die Resonanzspule L1 und die Kapazitätskomponenten der Kondensatoren 11c bis 14c, die mit den entsprechenden Schaltelementen 11a bis 14a in der Schaltschaltung 10 parallelgeschaltet sind, bilden einen Resonanzkreis, der einen Schaltverlust, der in der Schaltschaltung 10 auftritt, mindert. Falls ein Wert der Resonanzspule L1 im Transformator 20 klein ist, kann ein Induktivitätswert des Resonanzkreises durch Schalten einer weiteren Induktivität in Reihe mit der Resonanzspule L1 erhöht werden.
Ein Ende der Primärwicklung N1 ist mit dem Verbindungspunkt A, der ein Mittelpunkt des ersten Zweigs in der Schaltschaltung 10 ist, mittels der Resonanzspule L1 verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung N1 ist mit dem Verbindungspunkt B, der ein Mittelpunkt des zweiten Zweigs in der Schaltschaltung 10 ist, verbunden. Ein Neutralpunkt T, der ein Verbindungspunkt zwischen der Sekundärwicklung N2a und der Sekundärwicklung N2b ist, und beide Enden der Sekundärwicklung N2 sind mit der Ausgangsschaltung 30 verbunden.
(Ausgangsschaltung 30)
Die Ausgangsschaltung 30 arbeitet, um eine Wechselstromleistung, die in den Sekundärwicklungen N2a und N2b erscheint, durch Glätten und Gleichrichten der Wechselstromleistung gemäß der Wechselstromleistung, die durch die Primärwicklung N1 des Transformators 20 fließt, in eine Gleichstromleistung umzusetzen und die Gleichstromleistung der Niederspannungsbatterie V2 mittels des positiven Ausgangsanschlusses 3 und des negativen Ausgangsanschlusses 4 zu liefern. Zwischen dem positiven Ausgangsanschluss 3 und dem negativen Ausgangsanschluss 4 ist ein Spannungsdetektor 42 mit der Niederspannungsbatterie V2 parallelgeschaltet. Der Spannungsdetektor 42 detektiert eine Spannung einer Gleichstromleistung, die von der Ausgangsschaltung 30 geliefert wird, und liefert den detektierten Wert als eine Ausgangsspannung Vout zur Steuerschaltung 50.
Die Ausgangsschaltung 30 besitzt zwei Dioden 31 und 32, deren Anoden bei einem Gleichrichtungsverbindungspunkt S miteinander verbunden sind, eine Glättungsspule L2 und einen Kondensator C2. Die Diode 31 ist zwischen ein Ende der Sekundärwicklung N2a des Transformators 20 und den Gleichrichtungsverbindungspunkt S geschaltet und die Diode 32 ist zwischen ein Ende der Sekundärwicklung N2b des Transformators 20 und den Gleichrichtungsverbindungspunkt S geschaltet. Die Glättungsspule L2 ist zwischen dem Neutralpunkt T, der das andere Ende der Sekundärwicklung N2a und das andere Ende der Sekundärwicklung N2b des Transformators 20 ist, und dem positiven Ausgangsanschluss 3 verbunden und der Kondensator C2 ist zwischen dem positiven Ausgangsanschluss 3 und dem negativen Ausgangsanschluss 4 verbunden.
In der Ausgangsschaltung 30, die die oben beschriebene Schaltungskonfiguration besitzt, bilden die Dioden 31 und 32 eine Gleichrichterschaltung, die eine Wechselstromleistung, die von den Sekundärwicklungen N2a und N2b des Transformators 20 geliefert wird, gleichrichtet und die Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umsetzt. Die Glättungsspule L2 und der Kondensator C2 bilden eine Glättungsschaltung zum Glätten einer gleichgerichteten Ausgabe, die beim Neutralpunkt T erzeugt wird. Durch Ersetzen der Dioden 31 und 32 mit Schaltelementen wie z. B. FETs kann ein synchroner Gleichrichtvorgang, der eine bekannte Technik ist, durchgeführt werden, um den Leitungsverlust weiter zu mildern.
(Steuerschaltung 50)
Die Steuerschaltung 50 ist eine Schaltung, die den Betrieb der Schaltelemente 11a bis 14a der Schaltschaltung 10 derart steuert, dass die Ausgangsspannung Vout des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 ein vorgegebener Spannungszielwert ist. Wie in 2 veranschaulicht ist, enthält die Steuerschaltung 50 eine Spannungssteuereinheit 60, eine Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70, eine Signalerzeugungseinheit 80 und eine Takteinheit 65.
Die Spannungssteuereinheit 60 berechnet ein Tastverhältnis während eines Schaltvorgangs der Schaltelemente 11a bis 14a in der Schaltschaltung 10. Im Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 wird die Ausgangsspannung Vout der Gleichstromleistung, die von der Ausgangsschaltung 30 geliefert wird, gemäß einem Wert des Tastverhältnisses gesteuert.
Die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 stellt während eines Schaltvorgangs der Schaltelemente 11a bis 14a in der Schaltschaltung 10 eine Schaltträgerfrequenz gemäß einer Ansteuerfrequenz ein. Im Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 werden die Schaltelemente 11a bis 14a bei einer Ansteuerfrequenz, die der Schaltträgerfrequenz entspricht, angesteuert.
Die Signalerzeugungseinheit 80 erzeugt Ausgangssignale 51 bis 54 auf der Grundlage des Tastverhältnisses, das durch die Spannungssteuereinheit 60 berechnet wird, und der Schaltträgerfrequenz, die durch die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 eingestellt wird. Die Ausgangssignale 51 bis 54, die durch die Signalerzeugungseinheit 80 erzeugt werden, werden von der Steuerschaltung 50 zum Gate-Treiber 90 geliefert und werden im Gate-Treiber 90 entsprechend in Ansteuersignale 91 bis 94 umgesetzt. Die Ansteuersignale 91 bis 94 werden zu entsprechenden Gate-Anschlüssen der Schaltelemente 11a bis 14a in der Schaltschaltung 10 geliefert und steuern die Schaltelemente 11a bis 14a zu Betätigungszeitpunkten gemäß dem Tastverhältnis und der Schaltträgerfrequenz, die zur Erzeugung der Ausgangssignale 51 bis 54 verwendet wird, an. Somit wird der Betrieb der Schaltschaltung 10 durch die Steuerschaltung 50 gesteuert.
Die Takteinheit 65 besitzt zwei Zähler, die zu jedem festen Takt hochgezählt werden, und steuert Ausführungszeitpunkte der Spannungssteuereinheit 60 und der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 auf der Grundlage der gezählten Werte dieser Zähler.
3 veranschaulicht eine Konfiguration einer Steuerschaltung 50 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Details der Spannungssteuereinheit 60, der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70, der Signalerzeugungseinheit 80 und der Takteinheit 65 der Steuerschaltung 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
(Spannungssteuereinheit 60)
Die Spannungssteuereinheit 60 enthält eine Subtraktionseinheit 61, eine PI-Steuereinheit 62 und eine Tastbegrenzungseinheit 63. Die Subtraktionseinheit 61 berechnet eine Differenz zwischen einem Spannungsanweisungswert Vref, der ein voreingestellter Zielwert einer Ausgangsspannung ist, und der Ausgangsspannung Vout, die durch den Spannungsdetektor 42 detektiert wird, und liefert die Differenz zur PI-Steuereinheit 62. Die PI-Steuereinheit 62 führt einen PI-Vorgang an der Differenz, die durch die Subtraktionseinheit 61 festgestellt wird, durch, um eine PI-Steuerung (Proportional-Integral-Steuerung) derart durchzuführen, dass die Differenz sich 0 nähert, und stellt somit einen Tastwert D fest, der ein Wert eines Tastverhältnisses zu den Schaltelementen 11a bis 14a der Schaltschaltung 10 ist.
Die Tastbegrenzungseinheit 63 setzt eine vorgegebene Untergrenze und eine vorgegebene Obergrenze an den Tastwert D, der durch die PI-Steuereinheit 62 festgestellt wurde, und stellt einen Tastanweisungswert D*, der in einem Bereich von der Untergrenze zur Obergrenze liegt, fest. Der Tastanweisungswert D*, der durch die Tastbegrenzungseinheit 63 gefunden wird, wird von der Spannungssteuereinheit 60 zur Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70, der Signalerzeugungseinheit 80 und der Takteinheit 65 geliefert.
Es ist festzuhalten, dass der Tastanweisungswert D*, der von der Spannungssteuereinheit 60 geliefert wird, die Beziehung, die durch die folgende Formel (1) ausgedrückt wird, erfüllt, wobei die Obergrenze und die Untergrenze, die durch die Tastbegrenzungseinheit 63 gesetzt werden, ein Höchsttastwert Dmax bzw. ein Mindesttastwert Dmin sind. $Dmin \leq D * \leq Dmax$
(Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70)
Die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 enthält eine Multipliziereinheit 71, eine Proportionaleinheit 72, eine Subtrahiereinheit 73, eine Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74, eine PI-Steuereinheit 75 und eine Frequenzbegrenzungseinheit 76. Die Multipliziereinheit 71 multipliziert den Tastanweisungswert D*, der von der Tastbegrenzungseinheit 63 zur Spannungssteuereinheit 60 geliefert wird, und die Eingangsspannung Vin, die durch den Spannungsdetektor 41 detektiert wird, und liefert den multiplizierten Wert zur Proportionaleinheit 72. Die Proportionaleinheit 72 setzt den multiplizierten Wert durch Multiplizieren des multiplizierten Werts, der durch die Multipliziereinheit 71 gefunden wurde, mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante in einen Wert B der magnetischen Flussdichte des Transformators 20 um. Die Subtrahiereinheit 73 berechnet eine Differenz zwischen dem Wert B der magnetischen Flussdichte, der durch die Proportionaleinheit 72 gefunden wurde, und einem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte, der ein Sollwert einer magnetischen Flussdichte, der auf der Grundlage einer magnetischen Sättigungsflussdichte des Transformators 20 durch die Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 voreingestellt wurde, ist und liefert die Differenz zur PI-Steuereinheit 75. Die PI-Steuereinheit 75 führt einen PI-Vorgang an der Differenz, die durch die Subtrahiereinheit 73 erhalten wurde, durch, um eine Pl-Steuerung (Proportional-Integral-Steuerung) derart durchzuführen, dass die Differenz sich 0 nähert, und findet somit eine Schaltträgerfrequenz f gemäß einer Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10.
Die Frequenzbegrenzungseinheit 76 setzt eine vorgegebene Untergrenze und eine vorgegebene Obergrenze an die Schaltträgerfrequenz f, die durch die PI-Steuereinheit 75 gefunden wurde, und findet einen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f*, der in einem Bereich von der Untergrenze zur Obergrenze liegt. Der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f*, der durch die Frequenzbegrenzungseinheit 76 gefunden wurde, wird von der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 zur Signalerzeugungseinheit 80 und zur Takteinheit 65 geliefert.
Es ist festzuhalten, dass der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f*, der von der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 geliefert wird, die Beziehung, die durch die folgende Formel (2) ausgedrückt wird, erfüllt, wobei die Obergrenze und die Untergrenze, die durch die Frequenzbegrenzungseinheit 76 gesetzt werden, eine Schaltträgerhöchstfrequenz fmax bzw. eine Schaltträgermindestfrequenz fmin sind. $fmin \leq f * \leq fmax$
Die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 liefert den Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f*, der erhalten wird, wie oben beschrieben wird, zur Signalerzeugungseinheit 80. Dies ermöglicht, eine Schaltträgerfrequenz zur Erzeugung der Ausgangssignale 51 bis 54 durch die Signalerzeugungseinheit 80 derart einzustellen, dass die Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10 verringert wird, falls der Wert B der magnetischen Flussdichte des Transformators 20 kleiner als der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte ist, wohingegen die Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10 erhöht wird, falls der Wert B der magnetischen Flussdichte des Transformators 20 größer als der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte ist.
(Takteinheit 65)
Die Takteinheit 65 besitzt einen A-Zähler und einen B-Zähler. Der A-Zähler ist ein Zähler, der verwendet wird, um einen Ausführungszeitablauf der Spannungssteuereinheit 60 zu steuern, und wird zu jedem festen Takt hochgezählt. Der B-Zähler ist ein Zähler, der verwendet wird, um einen Ausführungszeitablauf der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 zu steuern, und wird ähnlich dem A-Zähler zu jedem festen Takt hochgezählt.
Der Tastanweisungswert D*, der von der Spannungssteuereinheit 60 zur Takteinheit 65 geliefert wird, wird in der Takteinheit 65 als ein vorheriger Tastanweisungswert Da* gespeichert. Falls der Wert des A-Zählers kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, liefert die Takteinheit 65 den gespeicherten vorherigen Tastanweisungswert Da* zur Signalerzeugungseinheit 80. Falls der Wert des A-Zählers gleich oder größer als der vorgegebene Schwellenwert wird, gibt die Takteinheit 65 eine Ausführungsanweisung zur Spannungssteuereinheit 60 und bewirkt, dass die Spannungssteuereinheit 60 den Tastanweisungswert D* berechnet. Als ein Ergebnis wird durch die Spannungssteuereinheit 60 ein neuer Tastanweisungswert D* berechnet und der Signalerzeugungseinheit 80 geliefert und der vorherige Tastanweisungswert Da*, der in der Takteinheit 65 gespeichert ist, wird aktualisiert.
Der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f*, der von der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 zur Takteinheit 65 geliefert wird, ist in der Takteinheit 65 als ein vorheriger Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* gespeichert. Falls der Wert des B-Zählers kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, liefert die Takteinheit 65 den gespeicherten vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* zur Signalerzeugungseinheit 80. Wenn der Wert des B-Zählers gleich oder größer als der vorgegebene Schwellenwert wird, gibt die Takteinheit 65 eine Ausführungsanweisung zur Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 und bewirkt, dass die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 einen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* berechnet. Als ein Ergebnis wird durch die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 ein neuer Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* berechnet und zur Signalerzeugungseinheit 80 geliefert und der vorherige Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa*, der in der Takteinheit 65 gespeichert ist, wird aktualisiert.
Wie oben beschrieben wird, liefert die Takteinheit 65 den vorherigen Tastanweisungswert Da* oder eine Ausführungsanweisung gemäß dem Wert des A-Zählers zur Spannungssteuereinheit 60 und liefert den vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* oder eine Ausführungsanweisung gemäß dem Wert des B-Zählers zur Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70. Auf diese Weise können die Ausführungszeitpläne der Spannungssteuereinheit 60 und der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 gesteuert werden. Es ist festzuhalten, dass der Schwellenwert des A-Zählers und der Schwellenwert des B-Zählers dieselben Werte sein können oder verschiedene Werte sein können.
(Signalerzeugungseinheit 80)
Die Signalerzeugungseinheit 80 enthält eine Berechnungsbestimmungseinheit 81, eine Totzeiteinstelleinheit 82, eine Schwellenwerteinstelleinheit 83, eine Berechnungsbestimmungseinheit 84, eine Trägersignalerzeugungseinheit 85 und einen Komparator 86. Die Berechnungsbestimmungseinheit 81 liefert den eingegebenen Tastanweisungswert D* zur Schwellenwerteinstelleinheit 83, falls die Spannungssteuereinheit 60 den Tastanweisungswert D* berechnet, und die Berechnungsbestimmungseinheit 81 liefert einen eingegebenen vorherigen Tastanweisungswert Da* zur Schwellenwerteinstelleinheit 83, falls die Spannungssteuereinheit 60 den Tastanweisungswert D* nicht berechnet und der vorherige Tastanweisungswert Da* von der Takteinheit 65 geliefert wird.
Die Totzeiteinstelleinheit 82 liefert einen Totzeiteinstellwert Dd während eines Schaltvorgangs der Schaltelemente 11a bis 14a zur Schwellenwerteinstelleinheit 83. Die Schwellenwerteinstelleinheit 83 stellt Ein-Zeitpunktschwellenwerte 51a bis 54a und Aus-Zeitpunktschwellenwerte 51b bis 54b zum Bestimmen von Ein/Aus-Zeitpunkten der Schaltelemente 11a bis 14a auf der Grundlage des Tastanweisungswerts D* oder des vorherigen Tastanweisungswerts Da*, der von der Berechnungsbestimmungseinheit 81 geliefert wird, und des Totzeiteinstellwerts Dd, der von der Totzeiteinstelleinheit 82 geliefert wird, ein und liefert zum Komparator 86. Zum Beispiel werden unter der Annahme, dass der Totzeiteinstellwert Dd für den ersten Zweig Dd_12 ist und der Totzeiteinstellwert Dd für den zweiten Zweig Dd_34 ist, die Ein-Zeitpunktschwellenwerte 51a bis 54a und die Aus-Zeitpunktschwellenwerte 51b bis 54b wie folgt eingestellt. Im Folgenden zeigt „Cmax“ einen Maximalwert des Trägersignals, das durch die Trägersignalerzeugungseinheit 85 erzeugt wird, an.

Ein-Zeitpunktschwellenwerte	Aus-Zeitpunktschwellenwerte
51a: Cmax	51b: 0,5 Cmax - Dd_12
52a: 0,5 Cmax	52b: Cmax - Dd_12
53a: D* + Dd_34	53b: D* + 0,5 Cmax
54a: D* + 0,5 Cmax + Dd_34	54b: D*

Obwohl oben ein Beispiel veranschaulicht ist, in dem der Tastanweisungswert D* zur Schwellenwerteinstelleinheit 83 geliefert wird, können, falls der vorherige Tastanweisungswert Da* geliefert wird, die Ein-Zeitpunktschwellenwerte 51a bis 54a und die Aus-Zeitpunktschwellenwerte 51b bis 54b ebenso durch Ersetzen von D* mit Da* eingestellt werden.
Dann, wenn die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 den Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* berechnet, liefert die Berechnungsbestimmungseinheit 84 den eingegebenen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* zur Trägersignalerzeugungseinheit 85, wohingegen dann, wenn die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 den Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* nicht berechnet und der vorherige Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* von der Takteinheit 65 geliefert wird, der eingegebene vorherige Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* zur Trägersignalerzeugungseinheit 85 geliefert wird. Auf der Grundlage des Schaltträgerfrequenz-Einstellwerts f* oder des vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwerts fa*, der von der Berechnungsbestimmungseinheit 84 geliefert wird, erzeugt die Trägersignalerzeugungseinheit 85 ein Trägersignal 55, das eine Frequenz aufweist, die diesem Einstellwert entspricht, und liefert das Trägersignal 55 zum Komparator 86. Es ist festzuhalten, dass das Trägersignal 55, das durch die Trägersignalerzeugungseinheit 85 erzeugt wird, ein periodisches Signal wie z. B. eine Dreiecksschwingung ist, die sich von 0 zu einem vorgegebenen Maximalwert Cmax kontinuierlich ändert und in einem Arbeitszyklus, der dem Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* oder dem vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* entspricht, wiederholt ändert.
Der Komparator 86 vergleicht das Trägersignal 55, das von der Trägersignalerzeugungseinheit 85 geliefert wird, mit den Ein-Zeitpunktschwellenwerten 51a bis 54a und den Aus-Zeitpunktschwellenwerten 51b bis 54b, die von der Schwellenwerteinstelleinheit 83 geliefert werden, und erzeugt dabei die Ausgangssignale 51 bis 54 über eine Pulsmodulation gemäß dem Tastanweisungswert D* oder dem vorherigen Tastanweisungswert Da*. Durch Liefern der Ausgangssignale 51 bis 54, die durch den Komparator 86 erzeugt werden, zum Gate-Treiber 90 steuert die Steuerschaltung 50 das Ein/Aus-Schalten der Schaltelemente 11a bis 14a der Schaltschaltung 10.
4 ist ein Diagramm zum Erläutern des Betriebs des Komparators 86. 4(a) veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Frequenz des Trägersignals 55 hoch ist (der Arbeitszyklus kurz ist). In 4(a) wird die Wellenform des Trägersignals 55 durch das Bezugszeichen 55a angegeben. 4(b) veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Frequenz des Trägersignals 55 niedrig ist (der Arbeitszyklus lang ist). In 4(b) ist die Wellenform des Trägersignals 55 durch das Bezugszeichen 55b angegeben. Wie in 4(a) und 4(b) veranschaulicht ist, ändert sich die Flanke des Trägersignals 55 abhängig vom Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* oder dem vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa*, der von der Berechnungsbestimmungseinheit 84 geliefert wird.
Der Komparator 86 vergleicht das Trägersignal 55 mit den Ein-Zeitpunktschwellenwerten 51a bis 54a und den Aus-Zeitpunktschwellenwerten 51b bis 54b. Als ein Ergebnis werden, wie in 4(a) und 4(b) veranschaulicht ist, die Ausgangssignale 51 bis 54 von Aus (L-Pegel) zu Ein (H-Pegel) geschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 die Aus-Zeitpunktschwellenwerte 51b bis 54b überschreitet. Speziell erfolgt z. B. dann, wenn die Ein-Zeitpunktschwellenwerte 51a bis 54a und die Aus-Zeitpunktschwellenwerte 51b bis 54b zu den Werten, die oben beschrieben werden, gesetzt sind, das Ein/Aus-Schalten der Ausgangssignale 51 bis 54 sequenziell wie folgt.

(1) Das Ausgangssignal 54 wird ausgeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Aus-Zeitpunktschwellenwertsignal 54b erreicht.
(2) Das Ausgangssignal 53 wird eingeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Ein-Zeitpunktschwellenwertsignal 53a erreicht.
(3) Das Ausgangssignal 51 wird ausgeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Ein-Zeitpunktschwellenwertsignal 51b erreicht.
(4) Das Ausgangssignal 52 wird eingeschaltet, wenn der Werte des Trägersignals 55 das Ein-Zeitpunktschwellenwertsignal 52a erreicht.
(5) Das Ausgangssignal 53 wird ausgeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Aus-Zeitpunktschwellenwertsignal 53b erreicht.
(6) Das Ausgangssignal 54 wird eingeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Ein-Zeitpunktschwellenwertsignal 54a erreicht.
(7) Das Ausgangssignal 52 wird ausgeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Ein-Zeitpunktschwellenwertsignal 52b erreicht.
(8) Das Ausgangssignal 51 wird eingeschaltet, wenn der Wert des Trägersignals 55 das Ein-Zeitpunktschwellenwertsignal 51a erreicht.

Die Signalerzeugungseinheit 80 erzeugt die Ausgangssignale 51 bis 54 zum Setzen der Ein/Aus-Zeitpunkte der Schaltelemente 11a bis 14a, wie oben beschrieben wird.
(Steuerablauf)
5 ist ein Steuerablaufplan der Steuerschaltung 50. Der Betrieb der Steuerschaltung 50, die oben beschrieben wird, wird unten unter Bezugnahme auf den Steuerablaufplan von 5 beschrieben.
In Schritt S10 bestimmt die Steuerschaltung 50, ob der Wert des A-Zählers der Takteinheit 65 gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert Ta ist. Wenn der Wert des A-Zählers gleich oder größer als der Schwellenwert Ta ist, fährt die Verarbeitung zu Schritt S20 fort. Währenddessen fährt die Verarbeitung dann, wenn der Wert des A-Zählers kleiner als der Schwellenwert Ta ist, zu Schritt S40 fort.
In Schritt S20 bewirkt die Steuerschaltung 50, dass die Subtraktionseinheit 61 der Spannungssteuereinheit 60 eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout, die durch den Spannungsdetektor 42 detektiert wird, und dem Spannungsanweisungswert Vref feststellt und bewirkt, dass die Pl-Steuereinheit 62 eine PI-Steuerung auf der Grundlage der Differenz durchführt. Dann bestimmt die Steuerschaltung 50 in Schritt S30 einen Tastanweisungswert D* durch Bewirken, dass die Tastbegrenzungseinheit 63 eine Untergrenze und eine Obergrenze für den Tastwert D, der durch die PI-Steuerung in Schritt S20 festgestellt wird, setzt. Nach dem Schritt S30 liefert die Steuerschaltung 50 den bestimmten Tastanweisungswert D* zur Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70, zur Signalerzeugungseinheit 80 und zur Takteinheit 65 und die Verarbeitung fährt zu Schritt S50 fort.
In Schritt S40 liefert die Steuerschaltung 50 den vorherigen Tastanweisungswert Da*, der in der Takteinheit 65 gespeichert ist, zur Signalerzeugungseinheit 80 und die Verarbeitung fährt zu Schritt S50 fort. Wenn der vorherige Tastanweisungswert Da* nicht in der Takteinheit 65 gespeichert ist, z. B. in einem Anfangszustand unmittelbar nach der Aktivierung der Steuerschaltung 50, wird ein vorgegebener Anfangswert (z. B. 0) als der vorherige Tastanweisungswert Da* geliefert.
In Schritt S50 bestimmt die Steuerschaltung 50, ob der Wert des B-Zählers der Takteinheit 65 gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert Tb ist. Wenn der Wert des B-Zählers gleich oder größer als der Schwellenwert Tb ist, fährt die Verarbeitung zu Schritt S60 fort, wohingegen dann, wenn der Wert des B-Zählers kleiner als der Schwellenwert Tb ist, die Verarbeitung zu Schritt S100 fortfährt.
In Schritt S60 bewirkt die Steuerschaltung 50, dass die Multipliziereinheit 71 der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 den Tastanweisungswert D*, der von der Spannungssteuereinheit 60 geliefert wird, mit der Eingangsspannung Vin, die durch den Spannungsdetektor 41 detektiert wird, multipliziert und bewirkt, dass die Proportionaleinheit 72 den multiplexierten Wert in einen Wert B der magnetischen Flussdichte des Transformators 20 umsetzt. Dann wird in den Schritten S70 bis S90 eine Pl-Steuerung derart durchgeführt, dass sich eine Differenz zwischen dem Wert B der magnetischen Flussdichte, der in Schritt S60 berechnet wird, und dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte 0 nähert. Speziell wird eine Schaltträgerfrequenz f gefunden, indem bewirkt wird, dass die Subtrahiereinheit 73 die Differenz zwischen dem Wert B der magnetischen Flussdichte und dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte findet, und bewirkt wird, dass die PI-Steuereinheit 75 eine PI-Steuerung auf der Grundlage der Differenz durchführt. Dann wird der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* bestimmt, indem bewirkt wird, dass die Frequenzbegrenzungseinheit 76 eine Untergrenze und eine Obergrenze für die erhaltene Schaltträgerfrequenz f setzt. Dann, wenn B < Bref (Ja in S70), wird der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* verringert (S80), wohingegen dann, wenn B ≥ Bref (Nein in S70), der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* erhöht wird (S90). Nach Schritt S80 oder S90 liefert die Steuerschaltung 50 den bestimmten Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* zur Signalerzeugungseinheit 80 und zur Takteinheit 65 und die Verarbeitung fährt zu Schritt S110 fort.
In Schritt S100 liefert die Steuerschaltung 50 den vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa*, der in der Takteinheit 65 gespeichert ist, zur Signalerzeugungseinheit 80 und die Verarbeitung fährt zu Schritt S110 fort. Falls der vorherige Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* nicht in der Takteinheit 65 gespeichert ist, z. B. in einem Anfangszustand unmittelbar nach der Aktivierung der Steuerschaltung 50, wird ein vorgegebener Anfangswert (z. B. die Schaltträgerhöchstfrequenz fmax) als der vorherige Schaltträgerfrequenz-Einstellwert fa* geliefert.
In Schritt S110 bewirkt die Steuerschaltung 50, dass die Signalerzeugungseinheit 80 Ausgangssignale 51 bis 54 auf der Grundlage des Tastanweisungswerts D* oder des vorherigen Tastanweisungswerts Da*, der in Schritt S30 oder S40 festgestellt wird, und des Schaltträgerfrequenz-Einstellwerts f* oder des vorherigen Schaltträgerfrequenz-Einstellwerts fa*, der in Schritt S80, S90 oder S100 festgestellt wird, erzeugt. Speziell liefert die Signalerzeugungseinheit 80 den Tastanweisungswert D* oder den vorherigen Tastanweisungswert Da* von der Berechnungsbestimmungseinheit 81 zur Schwellenwerteinstelleinheit 83 und die Schwellenwerteinstelleinheit 83 stellt die Ein-Zeitpunktschwellenwerte 51a bis 54a und die Aus-Zeitpunktschwellenwerte 51b bis 54b gemäß dem Totzeiteinstellwert Dd ein. Darüber hinaus wird der Schaltträgerfrequenz-Einstellwert f* oder der vorherige Schaltträgerfrequenz-Einstellwertfa* von der Berechnungsbestimmungseinheit 84 zur Trägersignalerzeugungseinheit 85 geliefert und die Trägersignalerzeugungseinheit 85 erzeugt das Trägersignal 55. Dann erzeugt der Komparator 86 die Ausgangssignale 51 bis 54 durch Vergleichen des Trägersignals 55 mit den Ein-Zeitpunktschwellenwerten 51a bis 54a und den Aus-Zeitpunktschwellenwerten 51b bis 54b. Nach Schritt S110 liefert die Steuerschaltung 50 die erzeugten Ausgangssignale 51 bis 54 zum Gate-Treiber 90 und die Verarbeitung fährt zu Schritt S120 fort.
In Schritt S120 bestimmt die Steuerschaltung 50, ob der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 gestoppt werden soll oder nicht. Zum Beispiel falls eine vorgegebene Stoppbedingung wie z. B. der Empfang einer Anweisung, die Steuerung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 zu stoppen, von außerhalb, entscheidet die Steuerschaltung 50, den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 zu stoppen. Somit endet der Steuerablauf von 5 und die Steuerschaltung 50 stoppt den Betrieb. Währenddessen entscheidet die Steuerschaltung 50 in einem Fall, in dem eine derartige Stoppbedingung nicht erfüllt ist, den Gleichstrom/GleichstromUmsetzer 100 nicht zu stoppen und kehrt zu Schritt S10 zurück, um die oben beschriebene Verarbeitung zu stoppen.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wird, werden die folgenden Wirkungen erhalten.
(1) Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100, der eine Leistungsumsetzvorrichtung ist, enthält eine Schaltschaltung 10, die eine eingegebene erste Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umsetzt, einen Transformator 20, der eine Spannungsumsetzung der Wechselstromleistung durchführt, und eine Ausgangsschaltung 30, die die Wechselstromleistung, die der Spannungsumsetzung durch den Transformator 20 unterworfen wurde, in eine zweite Gleichstromleistung umsetzt. Die Steuerschaltung 50, die den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 steuert, berechnet einen Wert B der magnetischen Flussdichte des Transformators 20 und steuert eine Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10 auf der Grundlage des berechneten Werts B der magnetischen Flussdichte. Mit dieser Konfiguration kann der Schaltverlust des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 ausreichend gemindert werden.
(2) Die Steuerschaltung 50 enthält eine Spannungssteuereinheit 60, die einen Tastanweisungswert D* zum Steuern einer Ausgangsspannung Vout der Ausgangsschaltung 30 berechnet, eine Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70, die einen Wert B der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage des Tastanweisungswerts D* und der Eingangsspannung Vin der Schaltschaltung 10 berechnet und eine Schaltträgerfrequenz gemäß der Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10 auf der Grundlage des berechneten Werts B der magnetischen Flussdichte einstellt, und eine Signalerzeugungseinheit 80, die Ausgangssignale 51 bis 54 zum Ansteuern der Schaltschaltung 10 auf der Grundlage des Tastanweisungswerts D* und der Schaltträgerfrequenz erzeugt und die erzeugten Ausgangssignale 51 bis 54 mittels eines Gate-Treibers 90 zur Schaltschaltung 10 liefert. Mit dieser Konfiguration kann der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 bei einer angemessenen Ansteuerfrequenz betrieben werden, während eine magnetische Sättigung des Transformators 20 sicher verhindert wird, ohne einen Strom des Transformators 20 zu detektieren, und dadurch kann der Schaltverlust gemindert werden.
(3) Die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 stellt eine Schaltträgerfrequenz derart ein, dass die Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10 verringert wird, falls der Wert B der magnetischen Flussdichte kleiner als ein vorgegebener Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage der magnetischen Sättigungsflussdichte des Transformators 20 ist, und derart, dass die Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung 10 erhöht wird, falls der Wert B der magnetischen Flussdichte größer als der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte ist. Mit dieser Konfiguration kann der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 bei einer angemessenen Ansteuerfrequenz derart betrieben werden, dass der Wert B der magnetischen Flussdichte sich dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte nähert.
(4) Die Steuerschaltung 50 enthält ferner eine Takteinheit 65, die Ausführungszeitpunkte der Spannungssteuereinheit 60 und der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 steuert. Mit dieser Konfiguration können die Spannungssteuereinheit 60 und die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 zu geeigneten Zeitpunkten betätigt werden.
-Zweite Ausführungsform-
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 einer Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 einen Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß einer Temperatur eines Transformators 20 ändert.
6 veranschaulicht eine grundlegende Schaltungskonfiguration eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 veranschaulicht ist, weist der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration auf, die der, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wird, ähnlich ist, außer dass ein Temperaturdetektor 43 zum Detektieren der Temperatur des Transformators 20 in der Nähe des Transformators vorgesehen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform detektiert der Temperaturdetektor 43 die Temperatur des Transformators 20 und liefert den detektierten Wert zur Steuerschaltung 50. Der detektierte Wert der Transformatortemperatur, der vom Temperaturdetektor 43 geliefert wird, wird zur Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 in der Steuerschaltung 50 geliefert. Die Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 ändert den Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte, der einer Subtrahiereinheit 73 geliefert werden soll, auf der Grundlage des gelieferten Detektionswerts der Transformatortemperatur.
7 veranschaulicht ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Transformatortemperatur und einem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte. 7(a) veranschaulicht ein Beispiel, in dem der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte mit einer konstanten Rate gemäß einem Anstieg der Transformatortemperatur erhöht wird und der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte mit einer konstanten Rate gemäß einem Abfall der Transformatortemperatur verringert wird. 7(b) veranschaulicht ein Beispiel, in dem der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte unter Berücksichtigung einer Temperaturabhängigkeit in einem Bereich, in dem die Transformatortemperatur kleiner als ein vorgegebener Wert ist, kontinuierlich geändert wird und der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte in einem Bereich, in dem die Transformatortemperatur gleich oder größer als der vorgegebene Wert ist, konstant ist. Es ist festzuhalten, dass der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß der Transformatortemperatur unter Verwendung einer Beziehung außer denen, die in 7(a) und 7(b) veranschaulicht sind, geändert werden kann. Zum Beispiel kann der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß dem Anstieg der Transformatortemperatur verringert werden und kann der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß dem Abfall der Transformatortemperatur erhöht werden. Die Transformatortemperatur und der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte müssen nicht in einer proportionalen Beziehung oder in einer Beziehung, die durch eine kontinuierliche Funktion definiert ist, sein.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wird, enthält der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100, der eine Leistungsumsetzvorrichtung ist, ferner den Temperaturdetektor 43 zum Detektieren der Temperatur des Transformators 20. In der Steuerschaltung 50 ändert die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 den Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage des detektierten Werts der Temperatur des Transformators 20, die durch den Temperaturdetektor 43 detektiert wird. Dies erzeugt zusätzlich zu den Wirkungen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben werden, eine Wirkung des Bereitstellens einer genaueren Steuerung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100.
-Dritte Ausführungsform-
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel, in dem eine Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 einer Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 einen Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß einem Ausgangsstrom von einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 ändert, beschrieben.
8 veranschaulicht eine grundlegende Schaltungskonfiguration eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 veranschaulicht ist, weist der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100 der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration auf, die der, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wird, ähnlich ist, außer dass ein Stromdetektor 44, der einen Ausgangsstrom des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100, der von einer Ausgangsschaltung 30 zu einer Niederspannungsbatterie V2 ausgegeben wird, detektiert, zwischen der Ausgangsschaltung 30 und der Niederspannungsbatterie V2 vorgesehen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform detektiert der Stromdetektor 44 einen Ausgangsstrom von der Ausgangsschaltung 30 und liefert den detektierten Wert zur Steuerschaltung 50. Obwohl der Stromdetektor 44 in 8 mit einer Seite eines negativen Ausgangsanschlusses 4 verbunden ist, kann der Stromdetektor 44 mit einer Seite eines positiven Ausgangsanschlusses 3 verbunden sein. Der detektierte Wert des Ausgangsstroms, der vom Stromdetektor 44 geliefert wird, wird der Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 in der Steuerschaltung 50 geliefert. Die Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte 74 ändert einen Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte, der zur Subtrahiereinheit 73 geliefert werden soll, auf der Grundlage des gelieferten detektierten Werts des Ausgangsstroms.
9 veranschaulicht ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom und dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte. 9(a) veranschaulicht ein Beispiel, in dem der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte mit einer konstanten Rate gemäß dem Anstieg des Ausgangsstroms erhöht wird und der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte mit einer konstanten Rate gemäß dem Abfall des Ausgangsstroms verringert wird. 9(b) veranschaulicht ein Beispiel, in dem der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte unter Berücksichtigung der Ausgangsstromabhängigkeit in einem Bereich, in dem der Ausgangsstrom kleiner als der vorgegebene Wert ist, kontinuierlich geändert wird und der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte in einem Bereich, in dem der Ausgangsstrom gleich oder größer als der vorgegebene Wert ist, konstant ist. Es ist festzuhalten, dass der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte unter Verwendung einer Beziehung außer denen, die in 9(a) und 9(b) veranschaulicht sind, gemäß dem Ausgangsstrom geändert werden kann. Zum Beispiel kann der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß dem Anstieg des Ausgangsstroms verringert werden und kann der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte gemäß einem Abfall des Ausgangsstroms erhöht werden. Der Ausgangsstrom und der Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte müssen nicht in einer proportionalen Beziehung stehen und müssen nicht in einer Beziehung stehen, die durch eine kontinuierliche Funktion definiert ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wird, enthält der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100, der eine Leistungsumsetzvorrichtung ist, ferner den Stromdetektor 44, der den Ausgangsstrom aus der Ausgangsschaltung 30 detektiert. in der Steuerschaltung 50 ändert die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 den Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage des detektierten Werts des Ausgangsstroms, der durch den Stromdetektor 44 detektiert wird. Dies erzeugt zusätzlich zu den Wirkungen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben werden, eine Wirkung des Bereitstellens einer genaueren Steuerung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100, wie in der zweiten Ausführungsform.
-Vierte Ausführungsform-
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine Verstärkungsanpassung zur Pl-Steuerung, die durch eine PI-Steuereinheit 75 einer Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 durchgeführt wird, durchgeführt wird.
10 veranschaulicht eine Konfiguration einer Steuerschaltung 50 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 10 veranschaulicht ist, weist die Steuerschaltung 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration auf, die der, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wird, ähnlich ist, außer dass eine Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 ferner eine Verstärkungsanpassungseinheit 75a, die mit der PI-Steuereinheit 75 verbunden ist, enthält. Die Verstärkungsanpassungseinheit 75a wird unten beschrieben.
(Verstärkungsanpassungseinheit 75a)
Die PI-Steuereinheit 75 führt eine Pl-Steuerung gemäß einer Differenz zwischen einem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte und einem Wert B der magnetischen Flussdichte durch eine PI-Berechnung unter Verwendung einer vorgegebenen PI-Steuerverstärkung durch. Eine höhere Pi-Steuerverstärkung führt zu einer schnelleren Änderung einer Schaltträgerfrequenz, wenn der Wert B der magnetischen Flussdichte sich dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte nähert, wodurch die Antwort der Schaltschaltung 10 verbessert wird. Umgekehrt führt eine niedrigere PI-Steuerverstärkung zu einer langsameren Änderung einer Schaltträgerfrequenz, wenn der Wert B der magnetischen Flussdichte sich dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte nähert, wodurch die Antwort der Schaltschaltung 10 abnimmt. Im Hinblick darauf passt die Steuerschaltung 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Antwort der Schaltschaltung 10 an, indem sie bewirkt, dass die Verstärkungsanpassungseinheit 75a die Pl-Steuerverstärkung, die in der Pl-Steuereinheit 75 verwendet wird, geeignet anpasst.
11 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahren zum Anpassen einer PI-Steuerverstärkung durch die Verstärkungsanpassungseinheit 75a. 11(a) veranschaulicht ein Beispiel, in dem die PI-Steuerverstärkung gemäß einer Schaltträgerfrequenz angepasst wird, und 11(b) veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Pi-Steuerverstärkung gemäß einem Ausgangsstrom aus einer Ausgangsschaltung 30 angepasst wird. Die Verstärkungsanpassungseinheit 75a kann die PI-Steuerverstärkung auf der Grundlage der Schaltträgerfrequenz oder des Ausgangsstroms ändern, wie z. B. in 11(a) und 11(b) veranschaulicht ist. Es ist festzuhalten, dass die Pl-Steuerverstärkung auch unter Verwendung sowohl der Schaltträgerfrequenz als auch des Ausgangsstroms angepasst werden kann oder unter Verwendung weiterer Informationen angepasst werden kann.
Gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wird, besitzt die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 die Pl-Steuereinheit 75, die eine PI-Steuerung auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Wert B der magnetischen Flussdichte und dem Anweisungswert Bref der magnetischen Flussdichte unter Verwendung einer vorgegebenen Pl-Steuerverstärkung durchführt, und die Verstärkungsanpasseinheit 75a ändert die PI-Steuerverstärkung mindestens auf der Grundlage der Schaltträgerfrequenz und des Ausgangsstroms aus der Ausgangsschaltung 30. Dies erzeugt eine Wirkung einer geeigneten Anpassung einer Antwort der Schaltschaltung 10, während zusätzlich zu den Wirkungen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben werden, eine magnetische Sättigung des Transformators 20 sicher verhindert werden kann.
-Fünfte Ausführungsform-
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Verfahren des Bestimmens einer Obergrenze und einer Untergrenze eines Schaltträgerfrequenz-Einstellwerts f*, der in einer Frequenzbegrenzungseinheit 76 einer Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 gesetzt wird, beschrieben.
12 veranschaulicht eine Konfiguration einer Steuerschaltung 50 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 12 veranschaulicht ist, weist die Steuerschaltung 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration auf, die der, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wird, ähnlich ist, außer dass die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 ferner eine Grenzwerteinstelleinheit 76a, die mit der Frequenzbegrenzungseinheit 76 verbunden ist, enthält. Die Grenzwerteinstelleinheit 76a wird unten beschrieben.
(Grenzwerteinstelleinheit 76a)
Die Grenzwerteinstelleinheit 76a bestimmt eine Obergrenze und eine Untergrenze eines Schaltträgerfrequenz-Einstellwerts f*, der von der Frequenzbegrenzungseinheit 76 geliefert wird, d. h. eine Schaltträgerhöchstfrequenz fmax und eine Schaltträgermindestfrequenz fmin in der oben gegebenen Formel (2), und liefert diese dadurch bestimmten Werte zur Frequenzbegrenzungseinheit 76. Die Grenzwerteinstelleinheit 76a bestimmt die Schaltträgerhöchstfrequenz fmax z. B. gemäß einem Zielwert einer magnetischen Flussdichte auf der Grundlage einer magnetischen Sättigungsflussdichte eines Transformators 20, d. h. eines Anweisungswerts Bref der magnetischen Flussdichte, und einer Querschnittsfläche eines Kerns des Transformators 20 und der Anzahl von Windungen einer Primärwicklung N1.
Andererseits bestimmt die Grenzwerteinstelleinheit 76a die Schaltträgermindestfrequenz fmin z. B. gemäß einer Obergrenze einer magnetischen Flussdichte, die auf der Grundlage einer magnetischen Sättigungsflussdichte eines Trenntransformators 90a in einem Gate-Treiber voreingestellt ist. Speziell bestimmt die Grenzwerteinstelleinheit 76a die Schaltträgermindestfrequenz fmin unter Verwendung der folgenden Formel (3) derart, dass die magnetische Flussdichte des Trenntransformators 90a die magnetische Sättigungsflussdichte nicht überschreitet, selbst wenn die Schaltträgerfrequenz verringert wird. In Formel (3) ist Vdd ein Spannungswert, der in den Gate-Treiber 90 mittels des Trenntransformators 90a eingegeben wird, As ist eine Kernquerschnittsfläche des Trenntransformators 90a, Bmax ist eine Obergrenze einer magnetischen Flussdichte des Trenntransformators 90a und N1 ist die Anzahl von Windungen des Trenntransformators 90a.
[Math. 1] $f_{min_1} = \frac{V_{dd} \times 0,5}{2 A_{s} \times B_{max} \times N_{1}}$
Die Grenzwerteinstelleinheit 76a kann die Schaltträgermindestfrequenz fmin z. B. derart bestimmen, dass eine Stromwelligkeit, die durch eine Glättungsspule L2 in die Ausgangsschaltung 30 fließt, gleich oder kleiner als ein vorgegebener Welligkeitsstromwert ist. Speziell bestimmt die Grenzwerteinstelleinheit 76a die Schaltträgermindestfrequenz fmin unter Verwendung der folgenden Formel (4) derart, dass eine Stromwelligkeit im Ausgangsstrom von der Ausgangsschaltung 30, die durch die Glättungsspule L2 fließt, einen vorgegebenen Welligkeitsstromwert nicht überschreitet, selbst wenn die Schaltträgerfrequenz abgesenkt wird. In Formel (4) ist Vin ein Eingangsspannungswert des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100, der durch den Spannungsdetektor 41 detektiert wird, Vout ist eine Ausgangsspannung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100, die durch den Spannungsdetektor 42 detektiert wird, D* ist ein Tastanweisungswert, der durch die Spannungssteuereinheit 60 festgelegt wird, L2 ist eine Induktivitätswert, der durch die Spannungssteuereinheit 60 festgelegt wird, ΔILmax ist eine Differenz zwischen einem Maximalwelligkeitsstromspitzenwert und einem Maximalwelligkeitsstromspitzenwert und Nt ist ein Windungsverhältnis des Transformators 20. $f_{min_2} = (\frac{V_{in}}{N_{1}} - V_{out}) \times \frac{D *}{L_{2} \times Δ I_{Lmax}}$
Die Grenzwerteinstelleinheit 76a kann die Schaltträgermindestfrequenz fmin unter Verwendung einer Formel außer den oben genannten Formeln (3) und (4) bestimmen. Die Grenzwerteinstelleinheit 76a kann die Schaltträgermindestfrequenz fmin durch ein beliebiges Verfahren bestimmen, solange die magnetische Flussdichte des Trenntransformators 90a die magnetische Sättigungsflussdichte nicht überschreitet oder die Stromwelligkeit im Ausgangsstrom aus der Ausgangsschaltung 30 einen vorgegebenen Welligkeitsstromwert nicht überschreitet. Es ist festzuhalten, dass die Grenzwerteinstelleinheit 76a außerdem die Schaltträgermindestfrequenz fmin auf der Grundlage sowohl der magnetischen Sättigungsflussdichte des Trenntransformators 90a als auch der Stromwelligkeit im Ausgangsstrom oder auf der Grundlage weiterer Informationen bestimmen kann.
Gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wird, ist die Schaltschaltung 10 mittels des Gate-Treibers 90, der ein Gate-Treiber mit isoliertem Gate ist, der den Trenntransformator 90a enthält, mit der Steuerschaltung 50 verbunden. Darüber hinaus besitzt die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit 70 die Frequenzbegrenzungseinheit 76, die die Schaltträgerfrequenz zu einer vorgegebenen Schaltträgermindestfrequenz fmin oder hoher begrenzt, und die Grenzwerteinstelleinheit 76a bestimmt die Schaltträgermindestfrequenz fmin auf der Grundlage der magnetischen Sättigungsflussdichte des Trenntransformators 90a und/oder der Stromwelligkeit im Ausgangsstrom aus der Ausgangsschaltung 30. Dies kann zusätzlich zu den Wirkungen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben werden, nicht nur eine magnetische Sättigung des Transformators 20 verhindern, sondern auch eine magnetische Sättigung des Trenntransformators 90a im Gate-Treiber 90 und einen Anstieg der Stromwelligkeit im Ausgangsstrom des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 100.
In jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben werden, wurde die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines Beispiels beschrieben, in dem die Steuerschaltung 50 den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 100, der die Schaltschaltung 10, die eine Vollbrückenschaltung des Spannungstyps, die aus den vier Schaltelementen 11a bis 14a gebildet ist, ist, und den Transformator 20, der eine Schaltung mit Mittelanzapfung des Stromtyps ist, kombiniert, gemäß einem Phasenverschiebungssteuerverfahren steuert. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann für eine beliebige Steuereinrichtung verwendet werden, die eine Leistungsumsetzvorrichtung, die eine Schaltschaltung, die eine eingegebene erste Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umsetzt, einen Transformator, der eine Spannungsumsetzung der Wechselstromleistung durchführt, und eine Ausgangsschaltung, die die Wechselstromleistung, die der Spannungsumsetzung durch den Transformator unterworfen wurde, in eine zweite Gleichstromleistung umsetzt und die zweite Gleichstromleistung ausgibt, besitzt, steuert, und es können auch Wirkungen ähnlich denen, die in den Ausführungsformen oben beschrieben werden, erzeugt werden. Darüber hinaus kann jede beschriebene Ausführungsform unabhängig verwendet werden oder sie können auf beliebige Weise kombiniert werden.
Die Ausführungsformen und verschiedene Änderungen, die oben beschrieben werden, sind lediglich Beispiele und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen und verschiedene Änderungen beschränkt, solange die Merkmale der Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen und Änderungen beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen und Änderungen beschränkt. Weitere Ausführungsformen im Umfang des technischen Gedankens der vorliegenden Erfindung sind auch im Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Bezugszeichenliste

1: positiver Eingangsanschluss
2: negativer Eingangsanschluss
3: positiver Ausgangsanschluss
4: negativer Ausgangsanschluss
10: Schaltschaltung
11a bis 14a: Schaltelement
11b bis 14b: Diode
11c bis 14c: Kondensator
20: Transformator
30: Ausgangsschaltung
31, 32: Diode
41, 42: Spannungsdetektor
43: Temperaturdetektor
44: Stromdetektor
50: Steuerschaltung
51 bis 54: Ausgangssignal
60: Spannungssteuereinheit
61: Subtraktionseinheit
62: PI-Steuerschaltung
63: Tastbegrenzungseinheit
65: Takteinheit
70: Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit
71: Multipliziereinheit
72: Proportionaleinheit
73: Subtrahiereinheit
74: Einstelleinheit des Anweisungswerts der magnetischen Flussdichte
75: PI-Steuereinheit
75a: Verstärkungseinstelleinheit
76: Frequenzbegrenzungseinheit
76a: Grenzwerteinstelleinheit
80: Signalerzeugungseinheit
81: Berechnungsbestimmungseinheit
82: Totzeiteinstelleinheit
83: Schwellenwerteinstelleinheit
84: Berechnungsbestimmungseinheit
85: Trägersignalerzeugungseinheit
86: Komparator
90: Gate-Treiber
90a: Trenntransformator
91 bis 94: Ansteuersignal
100: Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
200: Fahrzeugenergieversorgungs-Steuereinheit
300: HV-Gerät
400: Hilfsgerät
1000: Fahrzeug
N1: Primärwicklung
N2a, N2b: Sekundärwicklung
S: Gleichrichtungsverbindungspunkt
T: Neutralpunkt
V1: Hochspannungsbatterie
V2: Niederspannungsbatterie

Claims

Steuereinrichtung (50), die eine Leistungsumsetzvorrichtung (100) steuert, die eine eingegebene erste Gleichstromleistung in eine zweite Gleichstromleistung umsetzt und die zweite Gleichstromleistung ausgibt, wobei die Leistungsumsetzvorrichtung (100) eine Schaltschaltung (10), die die erste Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umsetzt, einen Transformator (20), der eine Spannungsumsetzung der Wechselstromleistung durchführt, und eine Ausgangsschaltung (30), die die Wechselstromleistung, die der Spannungsumsetzung durch den Transformator (20) unterworfen wurde, in die zweite Gleichstromleistung umsetzt, enthält und die Steuereinrichtung (50) einen Magnetflussdichtewert des Transformators (20) berechnet und eine Ansteuerfrequenz der Schaltschaltung (10) auf der Grundlage des berechneten Magnetflussdichtewerts steuert, wobei die Steuereinrichtung (50) Folgendes umfasst: eine Spannungssteuereinheit, die einen Betriebszeitanweisungswert zum Steuern eines Ausgangswerts der Ausgangsschaltung (30) berechnet; eine Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70), die den Magnetflussdichtewert auf der Grundlage des Betriebszeitanweisungswerts und einer Eingangsspannung der Schaltschaltung (10) berechnet und eine Schaltträgerfrequenz gemäß der Ansteuerfrequenz auf der Grundlage des berechneten Magnetflussdichtewerts einstellt; und eine Signalerzeugungseinheit (80), die ein Ausgangssignal zum Ansteuern der Schaltschaltung (10) auf der Grundlage des Betriebszeitanweisungswerts und der Schaltträgerfrequenz erzeugt und das erzeugte Ausgangssignal der Schaltschaltung (10) liefert und die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70) die Schaltträgerfrequenz derart einstellt, dass die Ansteuerfrequenz verringert wird, falls der Magnetflussdichtewert kleiner als ein vorgegebener Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage einer Sättigungsmagnetflussdichte des Transformators (20) ist, und derart, dass die Ansteuerfrequenz erhöht wird, falls der Magnetflussdichtewert größer als der Anweisungswert der magnetischen Flussdichte ist, und/oder die Leistungsumsetzvorrichtung (100) ferner einen Temperaturdetektor (43) enthält, der eine Temperatur des Transformators (20) detektiert, und die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70) den Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage der Temperatur des Transformators (20), die durch den Temperaturdetektor (43) detektiert wird, ändert, wobei die Schaltträgerfrequenzeinstelleinheit eine PI- Steuereinheit besitzt, die eine Proportional-Integral-Steuerung auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Magnetflussdichtewert und dem Anweisungswert der magnetischen Flussdichte unter Verwendung einer vorgegebenen Steuerverstärkung durchführt, und die Steuerverstärkung auf der Grundlage der Schaltträgerfrequenz und/oder des Ausgangsstroms aus der Ausgangsschaltung (30) geändert wird.
Steuereinrichtung (50) nach Anspruch 1, die ferner eine Takteinheit umfasst, die Ausführungszeitpunkte der Spannungssteuereinheit und der Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70) steuert.
Steuereinrichtung (50) nach Anspruch 1, wobei die Leistungsumsetzvorrichtung (100) ferner einen Stromdetektor enthält, der einen Ausgangsstrom aus der Ausgangsschaltung (30) detektiert, und die Schaltträgerfrequenz-Einstelleinheit (70) den Anweisungswert der magnetischen Flussdichte auf der Grundlage des detektierten Wert des Ausgangsstroms, der durch den Stromdetektor detektiert wird, ändert.
Steuereinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltschaltung (10) mittels eines Transistors mit isoliertem Gate, der mit einem Trenntransformator (90a) versehen ist, mit der Steuereinrichtung (50) verbunden ist, die Schaltträgerfrequenzeinstelleinheit eine Frequenzbegrenzungseinheit (76) besitzt, die die Schaltträgerfrequenz auf eine vorgegebene Mindestfrequenz oder höher begrenzt, und die Mindestfrequenz auf der Grundlage einer Sättigungsmagnetflussdichte des Trenntransformators (90a) und/oder einer Stromwelligkeit im Ausgangsstrom aus der Ausgangsschaltung (30) bestimmt wird.