JP5496038B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Description
図1に実施の形態1に係るDC−DCコンバータ(以下、コンバータと略称する場合もある)1Aの構成を概説する回路図を示す。図1に例示されるようにコンバータ1Aは低電圧側装置5と高電圧側装置6との間に接続されて使用される。換言すれば、コンバータ1Aの低電圧側接続端に低電圧側装置5が接続され、コンバータ1Aの高電圧側接続端に高電圧側装置6が接続される。
図1に例示のコンバータ1Aは、いわゆる非絶縁型の昇圧チョッパ回路を基本としている。コンバータ1Aは、コンデンサC1と、リアクトルL1と、スイッチング素子Q1と、ダイオードD2と、ダイオードD1と、コンデンサCsと、ダイオードDs1と、ダイオードDs2と、リアクトルLsと、コンデンサC2と、制御装置20とを含んでいる。なお、図中では制御装置20を「制御」と略記しており、後述の各種要素についても図中で名称を略記する場合がある。
図3〜図10も参照して、コンバータ1Aの昇圧動作を説明する。
図4に示されるようにDC電源5の正極から主リアクトルL1とトランジスタQ1とを通ってDC電流5の負極へ至る経路に、電流が流れる。これにより主リアクトルL1はエネルギーを蓄積していく。
主リアクトルL1を流れる電流は、図5に示されるように、スナバコンデンサCsと第2スナバダイオードDs2と高電圧側コンデンサC2とを通る。ここで、スナバ回路10を有さないハードスイッチングの場合、当該電流はダイオードD1を通る経路を流れる。これに対し、スナバ回路10を有するコンバータ1Aの場合、スナバコンデンサCsが低インピーダンス経路として働くので、上記経路を辿って電流が流れる。
スナバコンデンサCsの放電後、主リアクトルL1に流れる電流は、図6に示されるように、ダイオードD1と第1スナバダイオードDs1と第2スナバダイオードDs2とを通って、高電圧側コンデンサC2へ流れる。なお、スナバダイオードDs1,Ds2に高い順方向降下電圧(VF)を持った高速回復仕様のダイオードを採用した場合、主リアクトルL1に流れる電流は主にダイオードD1とスナバリアクトルLsとに流れる。
図7に示されるように主リアクトルL1に流れる電流がダイオードD1からトランジスタQ1へシフトすると、スナバリアクトルLsに流れる電流に変化が起こる。スナバリアクトルLsの電流変化と、この時点でスナバコンデンサCsは放電した状態にあるという状況とによって、トランジスタQ1の電流Icが流れ始めると直ぐトランジスタQ1の電圧Vceは非常に低いレベルへ下降する(V=Ls×di/dt効果、換言すれば自己誘導による逆起電力の発生による)。
上記のようにコンバータ1Aによれば、昇圧動作において、ターンオフ損失だけでなくターンオン損失も低減することができる。図11および図12の例によれば、ターンオフ損失とターンオン損失との合算について約50%近い低減効果が確認できる。
図13に実施の形態2に係るコンバータ1Bの構成を概説する回路図を示す。コンバータ1Bは、いわゆる双方向昇降圧型(双方向型とも称される)のコンバータである。すなわち、コンバータ1Bは、低電圧側接続端の電圧V1を電圧V2に昇圧して高電圧側接続端に出力するという昇圧動作と、高電圧側接続端の電圧V2を電圧V1に降圧して低電圧側接続端に出力するという降圧動作との両方を実行可能な構成を有している。換言すれば、昇圧動作においてコンバータ1Bは、低電圧側装置5によって印加される電圧V1を電圧V2に昇圧し、昇圧した電圧V2を高電圧側装置6へ供給する。他方、降圧動作においてコンバータ1Bは、高電圧側装置6によって印加される電圧V2を電圧V1に降圧し、降圧した電圧V1を低電圧側装置5へ供給する。
図13に例示のコンバータ1Bは、図1に例示したコンバータ1Aにスイッチング素子Q2を追加した構成を有している。コンバータ1Bの他の構成は基本的にコンバータ1Aと同様である。
降圧用トランジスタQ2をオフにした状態でコンバータ1A(図1参照)と同様に駆動することにより、コンバータ1Bに昇圧動作を行わせることが可能である。このため、コンバータ1Bの昇圧動作は実施の形態1での説明を援用するに留め、ここでは繰り返しの説明を省略する。
昇圧用トランジスタQ1をオフにした状態で降圧用トランジスタQ2を駆動することにより、コンバータ1Bに降圧動作を行わせることが可能である。以下、図14〜図21も参照して、コンバータ1Bの降圧動作を説明する。
図15に示されるように、インバータ/モータジェネレータ6から(換言すれば高電圧側コンデンサC2から)スナバリアクトルLsと降圧用トランジスタQ2と主リアクトルL1とを通って充電池5の正極へ至る経路に、電流が流れる。これにより主リアクトルL1はエネルギーを蓄積していく。
主リアクトルL1とスナバリアクトルLsとを流れる電流は、図16に示されるように、第1スナバダイオードDs1とスナバコンデンサCsとを通る。ここで、スナバ回路10を有さないハードスイッチングの場合、当該電流は降圧用ダイオードD2を通る経路を流れる。これに対し、スナバ回路10を有するコンバータ1Bの場合、降圧用ダイオードD2が導通可能になる前にスナバコンデンサCsが高電圧側接続端の電圧V2に充電されるので、上記経路を辿って電流が流れる。
スナバコンデンサCsの充電後、主リアクトルL1に流れる電流は、図17に示されるように、降圧用ダイオードD2を通って充電池5へ(換言すれば低電圧側接続端の側へ)流れ続ける。
図18に示されるように主リアクトルL1に流れる電流がダイオードD2からトランジスタQ2へシフトすると、スナバリアクトルLsに流れる電流に変化が起こる。スナバリアクトルLsの電流変化と、この時点でスナバコンデンサCsは充電された状態にあるという状況とによって、トランジスタQ2の電流Icが流れ始めると直ぐトランジスタQ2の電圧Vceは非常に低いレベルへ下降する(V=Ls×di/dt効果、換言すれば自己誘導による逆起電力の発生による)。
コンバータ1Bによれば、昇圧動作だけでなく、降圧動作においてもターンオフ損失とターンオン損失との両方を低減することができる。図22および図23の例によれば、ターンオフ損失とターンオン損失との合算について約40%近い低減効果が確認できる。また、コンバータ1Bによれば、上記コンバータ1Aが奏するその他の効果も得ることができる。
図24に実施の形態3に係るコンバータ1Cの構成を概説する回路図を示す。図24に例示のコンバータ1Cは、実施の形態2に係る双方向昇降圧型コンバータ1B(図13参照)から昇圧用トランジスタQ1を削除した構成を有している。すなわち、コンバータ1Cは降圧型に特化されている。コンバータ1Cの他の構成は基本的にコンバータ1Bと同様である。なお、降圧動作の観点においては昇圧用ダイオードD1を省略することも可能である。
図25に実施の形態4に係るコンバータ1Dの構成を概説する回路図を示す。図25に例示のコンバータ1Dは、実施の形態2に係る双方向昇降圧型コンバータ1B(図13参照)においてトランジスタQ1,Q2およびダイオードD1,D2のそれぞれを複数個設けた構成を有している。コンバータ1Dの他の構成は基本的にコンバータ1Bと同様である。
図27に実施の形態5に係るコンバータ1Eの構成を概説する回路図を示す。図27に例示のコンバータ1Eは、実施の形態2に係る双方向昇降圧型コンバータ1B(図13参照)の一部が多重化された構成を有している。
図28に実施の形態6に係るコンバータ1Fの構成を概説する回路図を示す。図28に例示のコンバータ1Fは、実施の形態4に係る双方向昇降圧型コンバータ1D(図25参照)に昇圧用検出手段51および降圧用検出手段52を追加した構成を有している。コンバータ1Fの他の構成は基本的にコンバータ1Dと同様である。
実施の形態7では上記各種のコンバータの装置構造を説明する。図30に、実施の形態7に係るコンバータ1Gの断面図を例示する。なお、図面の煩雑化を避けるため図30では一部の要素についてハッチングを省略している。コンバータ1Gは、ここでは実施の形態2に係るコンバータ1B(図13)に相当するものとして説明するが、以下の説明は他のコンバータ1A(図1参照)等にも当てはまる。
Claims (25)
- 一端および他端を有する主リアクトルと、
前記主リアクトルの前記他端に接続された電流入力端と、グランド電位に接続される電流出力端と、当該電流入力端と当該電流出力端との間のオンオフを制御するための制御信号が入力される制御端とを有する、少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子と、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の前記電流入力端と前記主リアクトルの前記他端とに接続されたアノードを有する少なくとも1つの昇圧用ダイオードと、
前記少なくとも1つの昇圧用ダイオードの前記アノードと前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の前記電流入力端と前記主リアクトルの前記他端とに接続された一端を有するスナバコンデンサと、
前記スナバコンデンサの他端に接続されたカソードと、前記少なくとも1つの昇圧用ダイオードのカソードに接続されたアノードとを有する第1スナバダイオードと、
前記第1スナバダイオードのカソードと前記スナバコンデンサの前記他端とに接続されたアノードを有する第2スナバダイオードと、
前記第1スナバダイオードの前記アノードに接続された一端と、前記第2スナバダイオードのカソードに接続された他端とを有するスナバリアクトルと、
前記スナバリアクトルの前記他端と前記第2スナバダイオードの前記カソードとに接続された一端と、前記グランド電位に接続される他端とを有するコンデンサと
を備えるDC−DCコンバータ。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子は、同じ向きで並列接続された複数の昇圧用スイッチング素子であり、
当該DC−DCコンバータは、前記複数の昇圧用スイッチング素子をタイミングをずらして順番にオンさせる手段をさらに備える、
DC−DCコンバータ。 - 請求項1または請求項2に記載のDC−DCコンバータであって、
同じ構成を有し並列接続されることによって多重化された複数の単位回路を備え、
前記複数の単位回路のそれぞれが、前記主リアクトルと、前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子と、前記少なくとも1つの昇圧用ダイオードと、前記スナバコンデンサと、前記第1スナバダイオードと、前記第2スナバダイオードと、前記スナバリアクトルとを含む、
DC−DCコンバータ。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子のうちの一部または全部の素子の動作状態に関する情報を検出する昇圧用検出手段と、
前記昇圧用検出手段による検出結果に基づいて前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の動作を制御する手段と
をさらに備えるDC−DCコンバータ。 - 請求項4に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子は、同じ向きで並列接続された複数の昇圧用スイッチング素子であり、
前記昇圧用検出手段は、前記複数の昇圧用スイッチング素子のそれぞれの動作状態に関する情報を検出する、
DC−DCコンバータ。 - 請求項5に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の動作を制御する前記手段は、前記昇圧用検出手段による前記検出結果に基づいて、前記複数の昇圧用スイッチング素子の中から駆動させる素子を選択する、DC−DCコンバータ。 - 請求項4ないし請求項6のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記昇圧用検出手段が検出する前記情報は、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子に流れる電流と、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の温度と
のうちの少なくとも一方を含む、DC−DCコンバータ。 - 請求項4ないし請求項7のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の動作を制御する前記手段は、前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の前記制御端への入力抵抗を制御することによって、前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の動作を制御する、DC−DCコンバータ。 - 請求項1ないし請求項8のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子と、前記少なくとも1つの昇圧用ダイオードと、前記スナバコンデンサと、前記第1スナバダイオードと、前記第2スナバダイオードとが、単一のケース内に集約されている、DC−DCコンバータ。 - 請求項9に記載のDC−DCコンバータであって、
前記スナバコンデンサに接触している放熱板をさらに備えるDC−DCコンバータ。 - 請求項10に記載のDC−DCコンバータであって、
前記スナバコンデンサは、はんだ付けと、溶接と、超音波接合と、ネジ締めとのうちの少なくとも1つの接続手法によって、前記ケースの電極に接続されている、DC−DCコンバータ。 - 請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの昇圧用ダイオードの前記カソードに接続された電流入力端と、前記少なくとも1つの昇圧用ダイオードの前記アノードに接続された電流出力端と、当該電流入力端と当該電流出力端との間のオンオフを制御するための制御信号が入力される制御端とを有する、少なくとも1つの降圧用スイッチング素子と、
前記少なくとも1つの昇圧用スイッチング素子の前記電流入力端および前記電流出力端にそれぞれ接続されたカソードおよびアノードを有する、少なくとも1つの降圧用ダイオードと
をさらに備えるDC−DCコンバータ。 - 一端および他端を有する主リアクトルと、
前記主リアクトルの前記他端に接続された電流出力端と、電流入力端と、当該電流入力端と当該電流出力端との間のオンオフを制御するための制御信号が入力される制御端とを有する、少なくとも1つの降圧用スイッチング素子と、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の前記電流出力端と前記主リアクトルの前記他端とに接続されたカソードと、グランド電位に接続されるアノードとを有する、少なくとも1つの降圧用ダイオードと、
前記少なくとも1つの降圧用ダイオードの前記カソードと前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の前記電流出力端と前記主リアクトルの前記他端とに接続された一端を有するスナバコンデンサと、
前記スナバコンデンサの他端に接続されたカソードと、前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の前記電流入力端に接続されたアノードとを有する第1スナバダイオードと、
前記第1スナバダイオードのカソードと前記スナバコンデンサの前記他端とに接続されたアノードを有する第2スナバダイオードと、
前記第1スナバダイオードの前記アノードに接続された一端と、前記第2スナバダイオードのカソードに接続された他端とを有するスナバリアクトルと、
前記スナバリアクトルの前記他端と前記第2スナバダイオードの前記カソードとに接続された一端と、前記グランド電位に接続される他端とを有するコンデンサと
を備えるDC−DCコンバータ。 - 請求項12または請求項13に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子は、同じ向きで並列接続された複数の降圧用スイッチング素子であり、
当該DC−DCコンバータは、前記複数の降圧用スイッチング素子をタイミングをずらして順番にオンさせる手段をさらに備える、
DC−DCコンバータ。 - 請求項3を引用する請求項12に記載のDC−DCコンバータであって、
前記複数の単位回路のそれぞれが、前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子と、前記少なくとも1つの降圧用ダイオードとをさらに含む、DC−DCコンバータ。 - 請求項13に記載のDC−DCコンバータであって、
同じ構成を有し並列接続されることによって多重化された複数の単位回路を備え、
前記複数の単位回路のそれぞれが、前記主リアクトルと、前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子と、前記少なくとも1つの降圧用ダイオードと、前記スナバコンデンサと、前記第1スナバダイオードと、前記第2スナバダイオードと、前記スナバリアクトルとを含む、
DC−DCコンバータ。 - 請求項12ないし請求項16のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子のうちの一部または全部の素子の動作状態に関する情報を検出する降圧用検出手段と、
前記降圧用検出手段による検出結果に基づいて前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の動作を制御する手段と
をさらに備えるDC−DCコンバータ。 - 請求項17に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子は、同じ向きで並列接続された複数の降圧用スイッチング素子であり、
前記降圧用検出手段は、前記複数の降圧用スイッチング素子のそれぞれの動作状態に関する情報を検出する、
DC−DCコンバータ。 - 請求項18に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の動作を制御する前記手段は、前記降圧用検出手段による前記検出結果に基づいて、前記複数の降圧用スイッチング素子の中から駆動させる素子を選択する、DC−DCコンバータ。 - 請求項17ないし請求項19のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記降圧用検出手段が検出する前記情報は、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子に流れる電流と、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の温度と
のうちの少なくとも一方を含む、DC−DCコンバータ。 - 請求項17ないし請求項20のうちのいずれか1項に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の動作を制御する前記手段は、前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の前記制御端への入力抵抗を制御することによって、前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子の動作を制御する、DC−DCコンバータ。 - 請求項9を引用する請求項12に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子と、前記少なくとも1つの降圧用ダイオードとがさらに前記単一のケース内に集約されている、DC−DCコンバータ。 - 請求項13に記載のDC−DCコンバータであって、
前記少なくとも1つの降圧用スイッチング素子と、前記少なくとも1つの降圧用ダイオードと、前記スナバコンデンサと、前記第1スナバダイオードと、前記第2スナバダイオードとが、単一のケース内に集約されている、DC−DCコンバータ。 - 請求項23に記載のDC−DCコンバータであって、
前記スナバコンデンサに接触している放熱板をさらに備えるDC−DCコンバータ。 - 請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、
前記スナバコンデンサは、はんだ付けと、溶接と、超音波接合と、ネジ締めとのうちの少なくとも1つの接続手法によって、前記ケースの電極に接続されている、DC−DCコンバータ。
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