JP6531643B2 - Dcdcコンバータ - Google Patents
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Description
入力側の第1導電路と出力側の第2導電路とを備えた電源導電路と、
前記電源導電路の電位よりも低い基準電位に保たれる基準導電路と、
第1スイッチング素子を備えるとともに、前記第1導電路と前記第2導電路との間に設けられ、前記第1スイッチング素子のオン動作とオフ動作との切り替えによって前記第1導電路に印加された電圧を降圧して前記第2導電路に出力する電圧変換部と、
前記第2導電路での電流の逆流状態を検出する逆流状態検出部と、
前記電圧変換部と前記基準導電路との間に配置される第3導電路に設けられるとともに前記第3導電路の導通を遮断するオフ状態とその遮断を解除するオン状態とに切り替わる第2スイッチング素子と、
前記逆流状態検出部によって逆流状態が検出された場合に前記第2スイッチング素子をオフ状態に切り替える逆流保護制御部と、
前記第3導電路における前記第2スイッチング素子の両端の電位差、又は前記第3導電路における前記第2スイッチング素子を含む複数素子の両端の電位差を検出する電位差検出部と、
前記第1導電路に設けられるとともに前記第1導電路の導通を遮断するオフ状態とその遮断を解除するオン状態とに切り替わる第3スイッチング素子と、
前記電位差検出部で検出された電位差が所定の閾値以上である場合に前記第3スイッチング素子をオフ状態に切り替える制御部と、
を有する。
また、第3導電路(電圧変換部と基準導電路の間の経路)を流れる電流の状態を、第2スイッチング素子又は第2スイッチング素子を含む複数素子を利用して把握することができる。特に、電流検出用の専用素子を設けることを省略又は一部省略することができるため、専用素子に起因する部品点数の増加及び損失の増加を抑えことができる。
以下、本発明を具体化した実施例1について説明する。
図1で示すDCDCコンバータ1は、例えば、車載用の降圧型DCDCコンバータとして構成されており、入力側の導電路(第1導電路15)に印加された直流電圧を降圧して出力側の導電路(第2導電路16)に出力する構成をなすものである。
DCDCコンバータ1には、第2導電路16を流れる電流を検出する電流検出部25が設けられている。図1では、電流検出部25を簡略的に示しているが、電流検出部25は、公知の様々な電流検出回路を用いることができる。例えば、電流検出部25は、第2導電路16に介在するシャント抵抗と、このシャント抵抗の両端電圧を検出する検出回路とを備え、検出回路は、シャント抵抗の両端の各電位又は両端の電位差を示す値(電流値に相当する値)を制御部2に出力する。
本構成では電流検出部25及び制御部2が短絡状態検出部として機能し、第2導電路16に過電流が生じているか否かを判定することにより、電源導電路14で生じる短絡状態を検出している。具体的には、制御部2は、電流検出部25からの入力値に基づいて第2導電路16を流れる電流値Ioを検出し、検出した第2導電路16の電流値Ioを予め定められた閾値Itと比較する。そして、制御部2は、Io≦Itであれば過電流状態ではないと判断し、Io>Itであれば過電流状態であると判断することで、電源導電路14の短絡状態を検出している。
図1のDCDCコンバータ1は、逆接続保護回路部30を備えており、二次側電源部42が逆接続された場合に第3導電路18の導通が遮断される構成とし、逆接続時の二次側への電流の流れ込みを防いでいる。この逆接続保護回路部30は、電圧変換部19と基準導電路17との間の導電路(第3導電路18)に配置される逆接続保護用のスイッチング素子22と、スイッチング素子22のゲート電位を第2導電路16の電位に保つ第4導電路23とを備えている。スイッチング素子22は、第4スイッチング素子の一例に相当し、第3導電路18の導通を遮断(具体的には、基準導電路17側から電圧変換部19側への電流の流れ込みを遮断)するオフ状態と、その遮断を解除するオン状態とに切り替わる構成となっている。
本構成によれば、第2導電路16で電流の逆流が生じた場合に、電圧変換部19と基準導電路17との間に配置される第3導電路18の通電を遮断することができる。これにより、第2導電路16側から第3導電路18を経由して基準導電路17に流れ込む電流経路(逆流経路)の導通を遮断することができ、逆流を防ぐことができる。しかも、スイッチング素子24(第2スイッチング素子)が設けられる第3導電路18は、第2導電路16(電源導電路の低圧側)よりも電流量が小さくなる経路であるため、同様のスイッチング素子を第2導電路16に配置して逆流保護を図る構成と比べて導通損失をより抑えることができ、発熱量も抑えることができる。
なお、条件を同じにするため、以下の対比説明では、図1、図3で示す構成が、いずれも降圧比1/4であるものと仮定して説明する。また、図1で示すDCDCコンバータ1も、図3で示す比較例のDCDCコンバータ100も、二次側(低圧側)に流れる電流を200A程度とし、一次側(高圧側)に50A程度の入力電流が流れ、電圧変換部とグランドとの間の経路(図1における第3導電路18及び図3における対応する導電路)に150A程度の電流が流れるものとする。また、一次側、二次側、グランド側では素子に要求される耐圧が異なるため、一次側に配置するスイッチング素子は、80V耐圧でオン抵抗が5mΩであるとし、二次側及びグランド側に配置するスイッチング素子は、40V耐圧でオン抵抗が2mΩであるとする。但し、図3で示す比較例では、ハイサイド側のスイッチング素子104がオン故障した際にスイッチング素子108A,108Bに一次側の電圧が印加されることになるため、スイッチング素子108A,108Bは一次側と同程度の高耐圧が必要となる。このため、スイッチング素子108A,108Bは、80V耐圧でオン抵抗が5mΩとなっている。
逆流保護に着目した場合、図3のDCDCコンバータ100では、逆流保護に用いられるスイッチング素子110のオン抵抗が2mΩであるため、スイッチング素子110での導通損失は80W程度となる。一方、図1の構成では、逆流保護用のスイッチング素子24のオン抵抗は2mΩであるため、スイッチング素子24での導通損失は45W程度となる。このように、逆流保護に着目した場合、実施例1に係る図1の構成のほうが、より導通損失を抑えることができ、損失低減効果が大きくなる。
図3のDCDCコンバータ100は、スイッチング素子108A,108Bでの損失が100W、スイッチング素子110での導通損失が80W程度であるため、二次側には合計180W程度の導通損失が発生する。つまり、二次側の電源ラインには180Wに相当する局所的な発熱が発生することになる。一方、図1のDCDCコンバータ1は、45W程度の導通損失が生じるスイッチング素子24及び45W程度の導通損失が生じるスイッチング素子22が第3導電路18に配置されている。そして、12.5W程度の導通損失が生じるスイッチング素子20は第1導電路15に配置されている。このように、装置全体で発熱が抑えられることに加え、素子の分散化によって局所的な温度上昇が一層抑えられ、放熱機構の簡素化等の付随効果も得られやすくなる。
次に、実施例2について、主に図2を参照して説明する。
図2のDCDCコンバータ201は、実施例1のDCDCコンバータ1を多相式にした点が回路構成上の主な相違点である。なお、以下の説明では、実施例1のDCDCコンバータ1と同様の部分については図1のDCDCコンバータ1と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、実施例3について説明する。
実施例1では、図1で示す電流検出部25を用いて電流を検出したが、実施例3は、電流検出部25に代えて、又は電流検出部25と併用する形で、スイッチング素子24を流れる電流を検出する構成が付加されている。なお、実施例3の回路構成は図1と同様であるため、以下では図1を参照して説明する。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)上述した実施例における一次側電源部41や二次側電源部42の具体例はあくまで一例であり、蓄電手段の種類や発生電圧は上述した例に限定されず、様々に変更することができる。
(2)図1、図2の例では、第1導電路や第2導電路に接続される発電機や負荷などは省略して示したが、様々な装置や電子部品を第1導電路や第2導電路に接続することができる。
(3)図2で示す実施例2では、逆流保護用のスイッチング素子24を共通導電路218Cに設けたが、各電圧変換部219A,219Bと共通導電路218Cとを接続する各導電路218A,218Bにそれぞれ逆流保護用のスイッチング素子(第2スイッチング素子)を設けてもよい。この場合、逆流の発生時に全ての第2スイッチング素子をオフ状態にしてもよく、逆流が発生する経路を特定し、その経路の第2スイッチング素子をオフ状態にしてもよい。
(4)図2で示す実施例2では、短絡保護用のスイッチング素子220A,220Bを複数の個別入力路242A,242Bにそれぞれ設けたが、共通入力路240に1つのみ設けることで素子数の低減を図ってもよい。
(5)図2で示す実施例2では、2つの電圧変換部219A,219Bが並列に接続された2相構造のDCDCコンバータ201を例示したが、3以上の電圧変換部が並列に接続された3相以上の構造であってもよい。この構成でも、各々の電圧変換部と基準導電路を繋ぐ共通の導電路(第3導電路)を設け、この第3導電路に第2のスイッチング素子を配置すればよい。
(6)実施例3では、スイッチング素子24(第2スイッチング素子)をシャント抵抗とし、スイッチング素子24の両端の電位差を検出する構成を例示したが、第2スイッチング素子を含む複数素子の両端の電位差を検出してもよい。例えば、図示しない検出回路が、スイッチング素子22,24の両端位置P11,P13の各電位又は両端位置P11,P13の電位差を示す値を制御部2に出力する構成であってもよい。制御部2は、両端位置P11,P13の電位差が閾値以上である場合に、第3導電路18を流れる電流が過電流状態であるとして、実施例3と同様の保護動作(スイッチング素子20,24の少なくともいずれかをオフ状態にする保護動作)を行えばよい。
(7)図2で示す実施例2でも実施例3と同様の構成を付加することができる。例えば、図示しない検出回路が、スイッチング素子24の両端位置P21,P22の各電位又は両端位置P21,P22の電位差を示す値を制御部202に出力する構成であってもよく、スイッチング素子22,24の両端位置P21,P23の各電位又は両端位置P21,P23の電位差を示す値を制御部202に出力する構成であってもよい。
2,202…制御部(逆流状態検出部、逆流保護制御部、電位差検出部、短絡状態検出部、短絡保護制御部)
4,204A,204B…スイッチング素子(第1スイッチング素子)
14,214…電源導電路
15,215…第1導電路
16,216…第2導電路
17…基準導電路
18,218…第3導電路
19,219A,219B…電圧変換部
20,220A,220B…スイッチング素子(第3スイッチング素子)
22…スイッチング素子(第4スイッチング素子)
24…スイッチング素子(第2スイッチング素子)
25…電流検出部(逆流状態検出部、短絡状態検出部)
30…逆接続保護回路部
42…二次側蓄電部(電源部)
Claims (3)
- 入力側の第1導電路と出力側の第2導電路とを備えた電源導電路と、
前記電源導電路の電位よりも低い基準電位に保たれる基準導電路と、
第1スイッチング素子を備えるとともに、前記第1導電路と前記第2導電路との間に設けられ、前記第1スイッチング素子のオン動作とオフ動作との切り替えによって前記第1導電路に印加された電圧を変換して前記第2導電路に出力する電圧変換部と、
前記第2導電路での電流の逆流状態を検出する逆流状態検出部と、
前記電圧変換部と前記基準導電路との間に配置される第3導電路に設けられるとともに前記第3導電路の導通を遮断するオフ状態とその遮断を解除するオン状態とに切り替わる第2スイッチング素子と、
前記逆流状態検出部によって逆流状態が検出された場合に前記第2スイッチング素子をオフ状態に切り替える逆流保護制御部と、
前記第3導電路における前記第2スイッチング素子の両端の電位差、又は前記第3導電路における前記第2スイッチング素子を含む複数素子の両端の電位差を検出する電位差検出部と、
前記第1導電路に設けられるとともに前記第1導電路の導通を遮断するオフ状態とその遮断を解除するオン状態とに切り替わる第3スイッチング素子と、
前記電位差検出部で検出された電位差が所定の閾値以上である場合に前記第3スイッチング素子をオフ状態に切り替える制御部と、
を有するDCDCコンバータ。 - 前記電源導電路の短絡状態を検出する短絡状態検出部と、
前記短絡状態検出部によって前記電源導電路の短絡状態が検出された場合に前記第3スイッチング素子をオフ状態に切り替える短絡保護制御部と、
を有する請求項1に記載のDCDCコンバータ。 - 前記第2導電路は、電源部に導通する経路であり、
前記第3導電路に設けられるとともに前記第3導電路の導通を遮断するオフ状態とその遮断を解除するオン状態とに切り替わる第4スイッチング素子を備え、前記電源部が正規の接続状態である場合に前記第4スイッチング素子がオン状態になり、逆接続状態である場合に前記第4スイッチング素子がオフ状態となる逆接続保護回路部を有する請求項1又は請求項2に記載のDCDCコンバータ。
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