JP2015095948A - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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晋宏 木下
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Abstract

【課題】制御部が誤出力をした場合でも、バイパス回路の素子の劣化や焼損を未然に防止できるDC−DCコンバータを提供する。
【解決手段】DC−DCコンバータ100は、直流電源10の電圧を昇圧して負荷へ供給する昇圧回路1と、この昇圧回路1と並列に設けられたバイパス回路2と、バイパス回路2のスイッチング素子であるFET1をオン・オフさせる駆動回路3と、昇圧回路1および駆動回路3を制御するための制御信号を出力するCPU4とを備えている。FET1には、直流電源10に対して順方向となるようにダイオードD1が並列に接続されている。駆動回路3に設けられたサーミスタTH1は、ダイオードD1の温度を検出する。駆動回路3は、サーミスタTH1が所定値以上の温度を検出したときに、CPU4の制御信号にかかわらず、トランジスタQ1をオフにして、FET1をオン状態に維持する。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流電源の電圧を昇圧または降圧して負荷に供給するDC−DCコンバータ(直流−直流変換装置)に関し、特に、非昇圧時または非降圧時に負荷への電力供給経路となるバイパス回路を備えたDC−DCコンバータに関する。
例えば自動車には、各種の車載機器や回路に直流電圧を供給するための電源装置として、DC−DCコンバータが搭載されている。一般に、DC−DCコンバータは、スイッチング素子やインダクタなどから構成される電圧変換回路(昇圧回路または降圧回路)を有しており、直流電源の電圧を高速でスイッチングすることにより、昇圧または降圧された直流電圧を出力する。
このようなDC−DCコンバータには、昇圧または降圧が必要な場合だけ電圧変換回路を作動させ、昇圧または降圧が必要ない場合は、電圧変換回路を経由せずに、バイパス回路を経由して負荷へ電力を供給するものがある。バイパス回路には、リレーやFETなどのスイッチング素子が設けられる。後掲の特許文献1〜3には、このようなバイパス回路を備えた電源装置が示されている。
特許文献1には、電圧変換回路を経由して電力を出力する第1状態と、バイパス回路を経由して電力を出力する第2状態とを切り替える際に、電圧変換回路とバイパス回路とが共に動作状態となるように制御を行う電源装置が記載されている。
特許文献2には、バイパス回路の出力端子の電圧を監視する動作監視部と、昇圧回路を駆動してバイパス回路の出力端子の電圧を所定レベルに維持する制御部とを備えた始動制御装置が記載されている。
特許文献3には、整流用ダイオードの代わりに整流用スイッチング素子を設け、エンジン再始動時に、バイパスリレーをオフ状態に維持するとともに、整流用スイッチング素子を駆動して負荷への電圧供給を行う電源回路が示されている。
また、特許文献3では、整流用スイッチング素子の近傍にサーミスタが配置され、整流用スイッチング素子の温度上昇により、サーミスタの電圧が閾値以上になった場合に、整流用スイッチング素子の異常が検出されるようになっている。このように、素子の近傍にサーミスタなどの温度センサを設けて、当該素子の異常を検出することは、特許文献4、5にも記載されている。特許文献4、5では、温度センサによりダイオードの故障を検出している。
特開2010−183755号公報 特開2010−174721号公報 特開2013−74741号公報 特開平9−327120号公報 特開2003−107123号公報
バイパス回路のスイッチング素子としてFETを用いたDC−DCコンバータにおいては、非電圧変換時に、FETがオンして、直流電源からFETを経て負荷へ至る電流経路が形成される。しかるに、非電圧変換時に制御部が誤った信号を出力することにより、FETがオフとなり、FETに並列接続された寄生ダイオードに電流が流れ続けると、FETが発熱して温度が上昇する。その結果、FETが劣化したり、最悪の場合は焼損するという問題が生じる。
本発明は、制御部が誤出力をした場合でも、バイパス回路の素子の劣化や焼損を未然に防止できるDC−DCコンバータを提供することを課題とする。
本発明に係るDC−DCコンバータは、直流電源が接続される入力端子と、負荷が接続される出力端子と、入力端子と出力端子との間に設けられ、直流電源の電圧を昇圧または降圧して負荷へ供給する電圧変換回路と、この電圧変換回路と並列に設けられたスイッチング素子を含み、当該スイッチング素子がオン状態のときに、直流電源の電圧を、電圧変換回路を経由せずに、スイッチング素子を経由して負荷へ供給するバイパス回路と、スイッチング素子をオン・オフさせる駆動回路と、電圧変換回路および駆動回路を制御するための制御信号を出力する制御部とを備えている。スイッチング素子には、直流電源に対して順方向となるようにダイオードが並列に接続されている。本発明では、上記構成に加えて、ダイオードの温度を検出する温度検出素子をさらに備える。そして、駆動回路は、温度検出素子が所定値以上の温度を検出したときに、制御部の制御信号にかかわらず、スイッチング素子をオン状態に維持する。
上記構成によると、非電圧変換時に、制御部から駆動回路へ誤った制御信号が出力され、それによってバイパス回路のスイッチング素子がオフになると、スイッチング素子に並列接続されたダイオードに電流が流れる。これによりダイオードの温度が上昇する。このダイオードの温度は、温度検出素子によって検出される。そして、ダイオードの温度が所定値以上になると、スイッチング素子がオン状態となる。このため、スイッチング素子によってバイパス経路が形成され、ダイオードに電流が流れ続けることはないので、ダイオードの発熱によって、スイッチング素子が劣化したり焼損したりするのを未然に防止することができる。
本発明において、温度検出素子は、温度の上昇とともに抵抗値が減少する特性を持つサーミスタであってもよい。この場合は、駆動回路に、制御部から出力される制御信号によりオンするトランジスタを設け、このトランジスタのベースとエミッタ間に、サーミスタを接続すればよい。
本発明において、温度検出素子は、温度の上昇とともに抵抗値が増加する特性を持つサーミスタであってもよい。この場合は、駆動回路に、制御部から出力される制御信号によりオンするトランジスタを設け、このトランジスタのベースと制御部との間に、サーミスタを接続すればよい。
本発明において、スイッチング素子はFETであり、ダイオードはFETの寄生ダイオードであってもよい。
本発明によれば、制御部が誤出力をした場合でも、バイパス回路の素子の劣化や焼損を未然に防止できるDC−DCコンバータを提供することができる。
本発明の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路図である。 昇圧回路の詳細を示した回路図である。 通常動作における非昇圧時の電流経路を示した回路図である。 通常動作における昇圧時の電流経路を示した回路図である。 図3と図4の動作を説明するためのタイムチャートである。 異常時の電流経路を示した回路図である。 異常時の電流経路を示した回路図である。 図6と図7の動作を説明するためのタイムチャートである。 他の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路図である。
本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には同一符号を付してある。以下では、車両に搭載されるDC−DCコンバータを例に挙げる。
最初に、DC−DCコンバータの構成を、図1を参照しながら説明する。DC−DCコンバータ100は、直流電源10と負荷20との間に設けられており、昇圧回路1、バイパス回路2、駆動回路3、CPU4、および端子T1〜T4を備えている。直流電源10は、車両用のバッテリである。負荷20は、直流電源10から電力供給を受ける車載機器である。
入力端子T1には直流電源10の正極が接続され、接地端子T3には直流電源10の負極が接続される。接地端子T3はグランドGに接続されている。出力端子T4には負荷20の一端が接続され、負荷20の他端はグランドGに接続されている。外部端子T2は、ECU(電子制御ユニット)などの上位装置と接続される。
昇圧回路1は、入力端子T1と出力端子T4との間に設けられており、直流電源10の電圧を昇圧して負荷20へ供給する。図2は、昇圧回路1の一例を示している。昇圧回路1は、インダクタLと、昇圧用の電界効果トランジスタFET2(以下、単に「FET2」と表記する。)と、整流用のダイオードD3と、平滑用のコンデンサCとを備えている。
FET2は、nチャンネル型のMOS−FETであって、インダクタLとダイオードD3との接続点と、グランドGとの間に設けられている。FET2のドレインdは、上記接続点に接続されており、FET2のソースsは、グランドGに接地されている。FET2のゲートgは、CPU4(図1)に接続されている。FET2には、直流電源10に対して逆方向となるように、ダイオードD2が並列に接続されている。このダイオードD2は、ドレインd・ソースs間の寄生ダイオードである。
バイパス回路2は、非昇圧時に、直流電源10の電圧を、昇圧回路1を経由せずに、負荷20へ供給するための回路であって、昇圧回路1と並列に設けられている。バイパス回路2には、バイパス用の電界効果トランジスタFET1(以下、単に「FET1」と表記する。)と、抵抗R1とが備わっている。FET1のドレインdは、入力端子T1に接続されており、FET1のソースsは、出力端子T4に接続されている。FET1のゲートgは、駆動回路3に接続されている。抵抗R1は、FET1のソースsとゲートg間に接続されている。
このFET1は、pチャンネル型のMOS−FETである。FET1には、直流電源10に対して順方向となるように、ダイオードD1が並列に接続されている。このダイオードD1は、ドレインd・ソースs間の寄生ダイオードである。
駆動回路3は、バイパス回路2のFET1をオンまたはオフさせる回路である。駆動回路3には、トランジスタQ1、Q2と、抵抗R2〜R6が備わっている。トランジスタQ1のコレクタは、抵抗R2を介して入力端子T1に接続されているとともに、抵抗R5を介してトランジスタQ2のベースに接続されている。トランジスタQ1のエミッタは、グランドGに接地されている。トランジスタQ1のベースは、抵抗R4を介してCPU4に接続されている。
トランジスタQ2のコレクタは、抵抗R3を介してFET1のゲートgに接続されている。トランジスタQ2のエミッタは、グランドGに接地されている。トランジスタQ2のベース・エミッタ間には、抵抗R6が接続されている。
トランジスタQ1のベース・エミッタには、サーミスタTH1が接続されている。このサーミスタTH1は、図示しない回路基板上でFET1の近傍に配置されており、ダイオードD1の温度を検出する。本実施形態では、サーミスタTH1は、温度の上昇とともに抵抗値が減少する特性を持つNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタである。
CPU4は、マイクロコンピュータを構成しており、昇圧回路1および駆動回路3を制御するための制御信号を出力する。また、CPU4は、外部端子T2を介して、図示しない上位装置との間で通信を行う。外部端子T2には、上位装置から昇圧指令などの指令信号が入力される。
以上の構成において、昇圧回路1は、本発明における「電圧変換回路」の一例である。CPU4は、本発明における「制御部」の一例である。FET1は、本発明における「スイッチング素子」の一例である。サーミスタTH1は、本発明における「温度検出素子」の一例である。
次に、上述した構成からなるDC−DCコンバータ100の動作について説明する。まず、正常時の動作について、図3ないし図5を参照しながら説明する。
図3は、非昇圧時の電流経路を示している。非昇圧時は、外部端子T2に上位装置からの昇圧指令が与えられない。この状況下では、CPU4は、昇圧回路1に対して、FET2(図2)を駆動するための制御信号を出力しない。したがって、昇圧回路1では、FET2がオフ状態となって、昇圧動作は行われない。また、CPU4は、駆動回路3に対してL(Low)レベルの制御信号を出力する。これにより、トランジスタQ1はオフ状態となり、トランジスタQ2はオン状態となる。トランジスタQ2のオンによって、バイパス回路2のFET1のゲートgの電位がソースsの電位より低くなるので、FET1はオン状態となる。その結果、図3に太矢印で示した電流経路が形成され、直流電源10から、入力端子T1、FET1、および出力端子T4を経由して、負荷20に昇圧されない直流電圧が供給される。
図4は、昇圧時の電流経路を示している。昇圧時は、外部端子T2に上位装置からの昇圧指令が与えられる。CPU4は、この昇圧指令を受けて、昇圧回路1に対して、FET2(図2)を駆動するための制御信号を出力する。この制御信号は、PWM(Pulse Width Modulation)信号であって、FET2のゲートgに与えられる。これにより、FET2はオン・オフのスイッチング動作を行う。このスイッチング動作によりインダクタLに発生した高電圧は、ダイオードD3で整流され、コンデンサCで平滑化されて、昇圧された直流電圧となる。その結果、昇圧時には、図4に太矢印で示した電流経路が形成され、直流電源10から、入力端子T1、昇圧回路1、および出力端子T4を経由して、負荷20に昇圧された直流電圧が供給される。
また一方で、CPU4は、昇圧時に、駆動回路3に対してH(High)レベルの制御信号を出力する。正常状態ではサーミスタTH1の抵抗値が大きいため、トランジスタQ1は、ベースに与えられるHレベル信号によりオンする。トランジスタQ1がオンすると、トランジスタQ2のベース電位が低下するので、トランジスタQ2はオフとなる。これにより、バイパス回路2のFET1のゲートgの電位がソースsの電位より高くなるので、FET1はオフ状態となる。その結果、直流電源10から、バイパス回路2を経由して、負荷20へ至る電流経路は形成されない。
図5は、以上述べた正常時の動作を表したタイムチャートである。(a)は、上位装置から外部端子T2に与えられる昇圧指令の有無を示している。(b)は、CPU4から駆動回路3へ与えられる制御信号を示している。(c)〜(e)は、それぞれトランジスタQ1、トランジスタQ2、FET1のオン・オフ状態を示している。
次に、CPU4に異常が発生した場合の動作について、図6ないし図8を参照しながら説明する。
図6は、外部端子T2に昇圧指令が与えられていないにもかかわらず、CPU4からHレベルの制御信号が誤出力された状態を示している。この時点では、まだサーミスタTH1の抵抗値が大きいので、図4の場合と同様に、トランジスタQ1はオンとなり、トランジスタQ2はオフとなる。したがって、バイパス回路2のFET1はオフ状態となる。一方、CPU4から昇圧回路1へは、FET2を駆動するための制御信号信号(PWM信号)が出力されない。したがって、昇圧回路1は昇圧動作を行わない。その結果、図6に太矢印で示した電流経路が形成され、直流電源10から、入力端子T1、ダイオードD1、および出力端子T4を経由して、負荷20へ至る電流経路が形成される。
このとき、ダイオードD1に流れる電流によって、ダイオードD1が発熱する。FET1の近傍に設けられているサーミスタTH1は、このダイオードD1の温度を検出する。前述のとおり、サーミスタTH1の抵抗値は、ダイオードD1の温度が上がるにつれて減少するので、この抵抗値がサーミスタTH1の検出値となる。サーミスタTH1が所定値以上の温度を検出したとき、つまりサーミスタTH1の抵抗値が一定の値まで減少したとき、図7に示すように、トランジスタQ1はオフとなる。詳しくは、CPU4からHレベルの制御信号が出力されているにもかかわらず、サーミスタTH1の抵抗値の減少により、トランジスタQ1のベース電位は、当該トランジスタのオンに必要なベース電位(オン閾値)を下回る。このため、トランジスタQ1はオフする。
トランジスタQ1がオフすることにより、図7に示すように、トランジスタQ2はオンとなり、バイパス回路2のFET1もオン状態となる。このため、図6の太矢印の電流経路は、図7の太矢印の電流経路に切り替わる。その結果、図3の場合と同様に、直流電源10からFET1を経由して、負荷20に昇圧されない直流電圧が供給される。
図6の場合に、ダイオードD1に電流が流れ続ける状態を放置すると、ダイオードD1での発熱によってFET1が高温となる。このため、FET1が熱によって劣化したり、最悪の場合には、FET1が焼損することがある。しかるに、本実施形態においては、上述したように、ダイオードD1の温度が所定値以上になったことをサーミスタTH1で検出して、CPU4からのHレベル信号にかかわらず、トランジスタQ1をオフにする。これによって、FET1はオン状態になり、図7の電流経路が形成されるので、ダイオードD1には電流が流れなくなる。その結果、ダイオードD1の発熱によるFET1の劣化や焼損を未然に防止することができる。
図8は、以上述べた異常時の動作を表したタイムチャートである。(a)のように、上位装置からの昇圧指令がない状態で、時刻t1で(b)のように、CPU4からHレベル信号が誤出力されると、(c)〜(e)のように、トランジスタQ1はオン、トランジスタQ2はオフ、FET1はオフとなる。このため、ダイオードD1に電流が流れ、ダイオードD1が発熱するので、(f)のように、サーミスタTH1の抵抗値が減少してゆく。一方、トランジスタQ1がオンするために必要なベース電位の閾値(オン閾値)は、(g)のように、サーミスタTH1の抵抗値とは逆の変化を示し、上昇してゆく。
時刻t2で、(f)のように、サーミスタTH1の抵抗値が一定の値まで減少すると、(g)のように、トランジスタQ1のオン閾値が、CPU4から出力されるHレベル信号の電圧Vp(たとえば5V)より大きくなる。すると、(c)〜(e)のように、トランジスタQ1はオフ、トランジスタQ2はオン、FET1はオンとなる。その後、ダイオードD1に電流が流れなくなることで、サーミスタTH1の抵抗値は、徐々に増加してゆき、これに応じて、トランジスタQ1のオン閾値は徐々に減少してゆく。この場合、オン閾値が電圧Vpまで減少した時点で、CPU4がHレベル信号を出力していると、再びFET1がオフとなる。しかしながら、その後ダイオードD1の温度が上昇することにより、時刻t2の場合と同様に、FET1はオンに転じる。以後、この動作が繰り返されるが、ダイオードD1に電流が流れ続けることはないので、ダイオードD1が過熱状態になることはない。
以上のように、本実施形態では、非昇圧時に、CPU4から駆動回路3へ誤った制御信号(Hレベル信号)が出力され、それによってバイパス回路2のFET1がオフになると、FET1に並列接続されたダイオードD1に電流が流れる。これによりダイオードD1の温度が上昇する。このダイオードD1の温度は、サーミスタTH1によって検出される。そして、ダイオードD1の温度が所定値以上になると、FET1がオン状態となる。このため、FET1によってバイパス経路が形成され、ダイオードD1に電流が流れ続けることはないので、ダイオードD1の発熱によって、FET1が劣化したり焼損したりするのを未然に防止することができる。
また、本実施形態では、トランジスタQ1のベースとエミッタ間にサーミスタTH1を接続するだけで、ダイオードD1の温度が所定値以上になった場合に、トランジスタQ1を自動的にオフにして、FET1をオン状態にすることができる。このため、サーミスタTH1の検出値をCPU4に取り込んで、当該検出値を閾値と比較し、検出値が閾値を超えている場合に、CPU4からFET1をオンさせるための制御信号を出力する場合に比べて、CPU4の処理が軽減される。
本発明では、上述した実施形態に限らず、以下に示すような種々の実施形態を採用することができる。
前記の実施形態では、サーミスタTH1として、温度の上昇とともに抵抗値が減少するNTCサーミスタを用いたが、これに代えて、温度の上昇とともに抵抗値が増加するPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタを用いてもよい。この場合は、図9に示すように、トランジスタQ1のベースとCPU4との間にPTCサーミスタTH2を接続し、トランジスタQ1のベースとエミッタ間に抵抗R7を接続すればよい。また、本発明では、温度検出素子として、サーミスタに限らず、白金測温抵抗体などを用いることも可能である。
前記の実施形態では、駆動回路3において、スイッチング素子としてトランジスタQ1、Q2を用いたが、トランジスタに代えて、FETなどを用いてもよい。
前記の実施形態では、昇圧回路1において、整流用のダイオードD3を設けたが、これに代えて、FET2と同期してオン・オフする同期整流用のスイッチング素子(FET)を設けてもよい。
前記の実施形態では、バイパス回路2のスイッチング素子として寄生ダイオードD1を有するFET1を用いたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、FET1に代えてトランジスタ、IGBT、またはリレーなどのスイッチング素子を用い、これにダイオードを並列接続してもよい。
前記の実施形態では、電圧変換回路として昇圧回路1を例に挙げたが、変換する電圧の仕様に応じて、昇圧回路1を降圧回路に置き換えてもよい。
前記の実施形態では、バイパス回路2のFET1がpチャンネル型のFETであったが、FET1はnチャンネル型のFETであってもよい。この場合は、駆動回路3をnチャンネル型のFETに対応して変更すればよい。また、バイパス回路2のFET1だけでなく、昇圧回路1のFET2をpチャンネル型のFETで構成することも可能である。
前記の実施形態では、車両に搭載されるDC−DCコンバータ100を例に挙げたが、本発明は、車両用以外のDC−DCコンバータにも適用することができる。
1 昇圧回路(電圧変換回路)
2 バイパス回路
3 駆動回路
4 CPU(制御部)
10 直流電源
20 負荷
100 DC−DCコンバータ
D1 ダイオード
FET1 電界効果トランジスタ(スイッチング素子)
Q1、Q2 トランジスタ
TH1、TH2 サーミスタ(温度検出素子)
T1 入力端子
T4 出力端子

Claims (4)

  1. 直流電源が接続される入力端子と、
    負荷が接続される出力端子と、
    前記入力端子と前記出力端子との間に設けられ、前記直流電源の電圧を昇圧または降圧して前記負荷へ供給する電圧変換回路と、
    前記電圧変換回路と並列に設けられたスイッチング素子を含み、前記スイッチング素子がオン状態のときに、前記直流電源の電圧を、前記電圧変換回路を経由せずに、前記スイッチング素子を経由して前記負荷へ供給するバイパス回路と、
    前記スイッチング素子をオン・オフさせる駆動回路と、
    前記電圧変換回路および前記駆動回路を制御するための制御信号を出力する制御部と、を備え、
    前記スイッチング素子に、前記直流電源に対して順方向となるようにダイオードが並列に接続されている、DC−DCコンバータにおいて、
    前記ダイオードの温度を検出する温度検出素子をさらに備え、
    前記駆動回路は、前記温度検出素子が所定値以上の温度を検出したときに、前記制御部の制御信号にかかわらず、前記スイッチング素子をオン状態に維持する、ことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、
    前記温度検出素子は、温度の上昇とともに抵抗値が減少する特性を持つサーミスタであり、
    前記駆動回路は、前記制御部から出力される前記制御信号によりオンするトランジスタを含み、
    前記トランジスタのベースとエミッタ間に、前記サーミスタが接続されている、ことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  3. 請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、
    前記温度検出素子は、温度の上昇とともに抵抗値が増加する特性を持つサーミスタであり、
    前記駆動回路は、前記制御部から出力される前記制御信号によりオンするトランジスタを含み、
    前記トランジスタのベースと前記制御部との間に、前記サーミスタが接続されている、ことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のDC−DCコンバータにおいて、
    前記スイッチング素子はFETであり、前記ダイオードは前記FETの寄生ダイオードである、ことを特徴とするDC−DCコンバータ。
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