JP6750999B2 - Dc−dcコンバータ、及び自動車 - Google Patents
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Description
このような電気エネルギーを用いた自動車は、車輪を駆動するためのモータを備え、さらにモータに電力を供給するための高圧バッテリを備えている。そして、この高圧バッテリの出力電圧をDC-DCコンバータにより降圧して、低圧の電気機器へ必要な電力を供給する電源システムを備えている。低圧の電気機器の例として、エアコンやオーディオ、自動車のコントローラー等がある。
本発明によるDC-DCコンバータは、一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、前記第1コンデンサの電圧値を検出する第1電圧検出器と、前記一次電源と並列に接続された第3コンデンサと、前記第3コンデンサの電圧値を検出する第3電圧検出器と、を備え、前記制御回路は、前記第1電圧検出器および前記第3電圧検出器により検出された電圧値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子におけるオン時間に対し、前記第2アームの各スイッチング素子におけるオン時間の位相差を制御する。
本発明によるDC-DCコンバータは、一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、前記トランスの1次巻線に流れる電流値を検出する第1電流検出器と、前記インダクタに流れる電流値を検出する第3電流検出器とを備え、前記制御回路は、前記第1電流検出器および前記第3電流検出器により検出された電流値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子と、前記第2アームの各スイッチング素子のオン時間幅を制御する。
本発明によるDC-DCコンバータは、一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、前記トランスの1次巻線に流れる電流値を検出する第1電流検出器と、前記インダクタに流れる電流値を検出する第3電流検出器とを備え、前記制御回路は、前記第1電流検出器および前記第3電流検出器により検出された電流値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子におけるオン時間に対し、前記第2アームの各スイッチング素子におけるオン時間の位相差を制御する。
本発明による自動車は、DC-DCコンバータを含む電源システムを備える。
以下、図面を参照して、本発明に係る第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態によるDC-DCコンバータ101の回路構成図である。本実施形態におけるDC-DCコンバータ101は、一次電源V1と二次電源V2との間に接続され、一次電源V1と二次電源V2との間で電力の授受を行う。一次電源V1、二次電源V2は共に直流電源であり、それぞれ二次電池により構成される。なお、一次電源V1から二次電源V2へ電力を伝送することを順送電と呼称する。一次電源V1には負荷R1が並列に接続され、二次電源V2には負荷R2が並列に接続されている。
制御回路40は、周期制御回路41、周期制限回路42、位相差制御回路43、位相差制限回路44を備えている。
周期制御回路41には、第3電圧検出器23から電圧値Vc3が入力され、また、図示省略した上位制御装置や制御回路40から、第1コンデンサC1の電圧値Vc1を所望の電圧値に調節するための電圧指令値Vc1_refが入力される。周期制御回路41は、以下の式(1)(2)により、第1スイッチング素子H1の周期時間幅τ1と第2スイッチング素子H2の周期時間幅τ2を算出する。
τ1=(Vc3/Vc1_ref)×T (1)
τ2=(1−Vc3/Vc1_ref)×T (2)
ここで、Tは第1スイッチング素子H1と第2スイッチング素子H2がオンオフを繰り返す1周期の時間である。
φ1=φ2=(Vc2_ref/Vc1)×T×N (3)
ここで、Nはトランス4の巻数比であり、N=(N21+N22)/N1である。
τ2 >τ1 ≧φ1、 φ2 (4)
τ1 ≧τ2 ≧φ1、 φ2 (5)
τ1=(Vc3_ref/Vc1)×T (6)
τ2=(1−Vc3_ref/Vc1)×T (7)
φ1=φ2=(Vc2/Vc1_ref)×T×N (8)
ここで、Nはトランス4の巻数比であり、N=(N21+N22)/N1である。
この例では、電流検出器を設けて検出した電流値に基づいて第1アームおよび第2アームの各スイッチング素子H1〜H4を制御する。図3に示すように、トランス4の1次巻線N1に流れる電流値Ic1を検出する第1電流検出器31を設ける。また、トランス4の2次巻線N21、N22に流れる電流値Ic2を検出する第2電流検出器32を設ける。さらに、第1インダクタL1に流れる電流値Ic3を検出する第3電流検出器33を設ける。そして、制御回路40は以下の式(9)〜(11)より、周期時間幅τ1、τ2、位相差φ1、φ2を求める。
τ1=(Ic1_ref /Ic3)×T (9)
τ2=(1−Ic1_ref /Ic3)×T (10)
φ1=φ2=(Ic1 /Ic2_ref)×T×N (11)
ここで、Ic1_refはトランス4の1次巻線N1に流したい電流の電流指令値、Ic2_refはトランス4の2次巻線N21、N22に流したい電流指令値である。
なお、制御回路40は上述した電圧検出器と電流検出器を適宜混在して用いてもよい。さらに、電圧検出器もしくは電流検出器の全てを用いることなく、一部を用いてもよい。
図1では、整流回路をダイオードDS1、DS2で構成した。図4では、整流回路として、スイッチング素子S1およびスイッチング素子S2と、ダイオードDS1およびダイオードDS2を用いた。スイッチング素子S1、S2として、MOSFETを用いる場合は、スイッチング素子S1をオン状態とすれば、ダイオードDS1に流れる電流をスイッチング素子S1へ分流することで損失を低減できる。このように、MOSFETと逆並列接続されたダイオード、またはMOSFETのボディダイオードに、ダイオードの順方向電流が流れるとき、このMOSFETをオン状態として損失を低減することを、以後では同期整流と呼称する。制御回路40により、スイッチング素子S1およびスイッチング素子S2を整流動作させる同期整流動作を行う。また、2次巻線N21およびN22以降の整流回路は、センタタップ整流回路方式に限らず、アクティブクランプ付き電流形センタタップ回路やその他、サージ吸収回路、カレントダブラ回路、電流形フルブリッジ回路の組合せでもよい。
フェーズAでは、図5に示すように、第1スイッチング素子H1がオン状態であり、一次電源V1の電圧が、第1インダクタL1に印加されず、第1インダクタL1のエネルギーは放出されている。また、第1コンデンサC1には、一次電源V1のエネルギーが蓄えられる。さらに、第4スイッチング素子H4がオン状態であり、一次電源V1の電圧がトランス4の1次巻線N1に印加され、共振インダクタLrの電流は増加していく。第1コンデンサC1に流れる電流は減少していき、零になるとフェーズBに移行する。
図11は、第1の実施形態で示したDC-DCコンバータ101を自動車100に適用して場合の電源システムを示す図である。
本実施形態の電源システムは、DC-DCコンバータ101の充電器側をC側、高圧側をD側、低圧側をE側とすると、DC-DCコンバータ101のD側には、高圧バッテリ104がリレー106を介して接続される。DC-DCコンバータ101のE側には、低圧バッテリ105が接続される。外部電源109からの電力を自動車100へ送電する充電器108はDC-DCコンバータ101のC側に接続される。
DC-DCコンバータ101の回路構成は、第1の実施形態と同様であるので、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。充電器108は、外部電源109から入力される交流電圧を直流電圧に変換するAC-DCコンバータ51を備えている。AC-DCコンバータ51の出力側には平滑用の第4コンデンサC4を介してスイッチング回路52が接続される。スイッチング回路52は、4個のスイッチング素子によるブリッジ回路で構成され、制御回路401の制御により、直流電圧を交流電圧に変換する。スイッチング回路52は、トランス53の1次巻線側に接続され、トランス53の2次巻線側には整流回路54が接続される。整流回路54の出力は、DC-DCコンバータ101の第1コンデンサC1の両端に接続される。
(1)DC-DCコンバータ101は、一次電源V1から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータ101であって、第1スイッチング素子H1と第2スイッチング素子H2とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子H3と第4スイッチング素子H4とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、一次電源V1と第1交流接続部の間に接続されるインダクタL1と、第1アームに並列に接続される第1コンデンサC1と、第1アームとを有する昇圧回路と、一端が第1交流接続部に他端が第2交流接続部に接続される1次巻線N1と、1次巻線N1に磁気結合する2次巻線N21、N22とを有するトランスと、トランスの2次巻線側N21、N22に接続される整流回路と、第1アームおよび第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路40と、を備える。これにより、小型化、低コスト化が可能なDC-DCコンバータを提供することができる。
自動車は、DC-DCコンバータを含む電源システムを備える。これにより、小型化、低コスト化が可能なDC-DCコンバータ、さらに、これを用いた自動車を提供することができる。
V1 一次電源
V2 二次電源
R1、R2 負荷
L1 第1インダクタ
L2 第2インダクタ
H1 第1スイッチング素子
H2 第2スイッチング素子
H3 第3スイッチング素子
H4 第4スイッチング素子
C1 第1コンデンサ
C2 第2コンデンサ
C3 第3コンデンサ
C4 第4コンデンサ
4 トランス
DS1、DS2 ダイオード
21 第1電圧検出器
23 第3電圧検出器
40 制御回路
41 周期制御回路
42 周期制限回路
43 位相差制御回路
44 位相差制限回路
100 自動車
104 高圧バッテリ
105 低圧バッテリ
108 充電器
109 外部電源系統
401 制御回路
Claims (13)
- 一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、
第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、
前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、
一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、
前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、
前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、
前記第1コンデンサの電圧値を検出する第1電圧検出器と、
前記一次電源と並列に接続された第3コンデンサと、
前記第3コンデンサの電圧値を検出する第3電圧検出器とを備え、
前記制御回路は、前記第1電圧検出器および前記第3電圧検出器により検出された電圧値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子と、前記第2アームの各スイッチング素子のオン時間幅を制御するDC-DCコンバータ。 - 請求項1に記載のDC-DCコンバータにおいて、
前記制御回路は、前記第1電圧検出器および前記第3電圧検出器により検出された電圧値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子におけるオン時間に対し、前記第2アームの各スイッチング素子におけるオン時間の位相差を制御するDC-DCコンバータ。 - 一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、
第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、
前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、
一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、
前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、
前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、
前記第1コンデンサの電圧値を検出する第1電圧検出器と、
前記一次電源と並列に接続された第3コンデンサと、
前記第3コンデンサの電圧値を検出する第3電圧検出器と、を備え、
前記制御回路は、前記第1電圧検出器および前記第3電圧検出器により検出された電圧値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子におけるオン時間に対し、前記第2アームの各スイッチング素子におけるオン時間の位相差を制御するDC-DCコンバータ。 - 一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、
第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、
前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、
一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、
前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、
前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、
前記トランスの1次巻線に流れる電流値を検出する第1電流検出器と、
前記インダクタに流れる電流値を検出する第3電流検出器とを備え、
前記制御回路は、前記第1電流検出器および前記第3電流検出器により検出された電流値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子と、前記第2アームの各スイッチング素子のオン時間幅を制御するDC-DCコンバータ。 - 請求項4に記載のDC-DCコンバータにおいて、
前記制御回路は、前記第1電流検出器および前記第3電流検出器により検出された電流値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子におけるオン時間に対し、前記第2アームの各スイッチング素子におけるオン時間の位相差を制御するDC-DCコンバータ。 - 一次電源から供給される直流電力の電圧変換を行うDC-DCコンバータであって、
第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが第1交流接続部を介して直列に接続された第1アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが第2交流接続部を介して直列に接続された第2アームとを有するブリッジ回路と、
前記一次電源と前記第1交流接続部の間に接続されるインダクタと、前記第1アームに並列に接続される第1コンデンサと、前記第1アームとを有する昇圧回路と、
一端が前記第1交流接続部に他端が前記第2交流接続部に接続される1次巻線と、前記1次巻線に磁気結合する2次巻線とを有するトランスと、
前記トランスの2次巻線側に接続される整流回路と、
前記第1アームおよび前記第2アームの各スイッチング素子を制御する制御回路と、
前記トランスの1次巻線に流れる電流値を検出する第1電流検出器と、
前記インダクタに流れる電流値を検出する第3電流検出器とを備え、
前記制御回路は、前記第1電流検出器および前記第3電流検出器により検出された電流値に基づいて、前記第1アームの各スイッチング素子におけるオン時間に対し、前記第2アームの各スイッチング素子におけるオン時間の位相差を制御するDC-DCコンバータ。 - 請求項2、3、5または6に記載のDC-DCコンバータにおいて、
前記第1アームのスイッチング素子のオン時間幅は、前記第1アームのスイッチング素子のオン時間幅と前記第2アームのスイッチング素子のオン時間幅との重畳時間幅以上であるDC-DCコンバータ。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載のDC-DCコンバータを含む電源システムを備えた自動車。
- 請求項8に記載の自動車において、
前記DC-DCコンバータの前記ブリッジ回路に対して、外部電源からの電力が入力され、前記一次電源を充電する充電器を並列に接続した自動車。 - 請求項9に記載の自動車において、
前記充電器は、AC-DCコンバータと、DC-ACコンバータと、充電器用トランスと、充電器用整流回路とを備え、交流の前記外部電源からの電力を供給する自動車。 - 請求項10に記載の自動車において、
前記DC-ACコンバータの入力側に平滑コンデンサを備え、
前記制御回路は、前記平滑コンデンサの電圧値に基づいて、前記充電器の前記DC-ACコンバータのスイッチング素子を制御する自動車。 - 請求項9から請求項11までのいずれか一項に記載の自動車において、
前記充電器は、DC-ACコンバータと、充電器用トランスと、充電器用整流回路とを備え、直流の前記外部電源からの電力を供給する自動車。 - 請求項12に記載の自動車において、
前記制御回路は、前記第1コンデンサの電圧値に基づいて、前記充電器の前記DC-ACコンバータのスイッチング素子を制御する自動車。
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