JP2010283931A - DC voltage converter - Google Patents
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Abstract
【課題】メインスイッチング素子のスイッチング損失を低減するために、直流電圧変換に直接寄与しない補助電流を発生する補助的なスイッチング素子を備えた直流電圧コンバータにおいて、デューティ比の可変範囲を拡大する。
【解決手段】メインスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング損失を低減するために、補助電流Irp,Irp♯を発生するための補助スイッチング素子Q3,Q4が設けられる。通常動作モードでは、補助スイッチング素子のオンオフを伴って、メインスイッチング素子を設定されたデューティ比に従ってオンオフすることによって、スイッチング損失低減が図られる。一方、デューティ比が所定値より高くなると、片側アームにて補助スイッチング素子および/またはメインスイッチング素子をオフに固定した上で、他方側のメインスイッチング素子をデューティ比に従ってオンオフする動作モードが適用される。
【選択図】図1In order to reduce switching loss of a main switching element, a variable range of a duty ratio is expanded in a DC voltage converter including an auxiliary switching element that generates an auxiliary current that does not directly contribute to DC voltage conversion.
Auxiliary switching elements Q3 and Q4 for generating auxiliary currents Irp and Irp # are provided to reduce switching loss of main switching elements Q1 and Q2. In the normal operation mode, the switching loss is reduced by turning on and off the main switching element in accordance with the set duty ratio with the on / off of the auxiliary switching element. On the other hand, when the duty ratio becomes higher than a predetermined value, an operation mode is applied in which the auxiliary switching element and / or the main switching element are fixed to OFF by one arm and the other main switching element is turned ON / OFF according to the duty ratio. .
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、直流電圧コンバータに関し、より特定的には、電力用半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減させるための部分共振回路を備えた直流電圧コンバータに関する。 The present invention relates to a DC voltage converter, and more particularly, to a DC voltage converter including a partial resonance circuit for reducing switching loss of a power semiconductor switching element.
電力用半導体スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、インダクタへの電磁エネルギの蓄積動作と、インダクタに蓄積された電磁エネルギの放出動作とを組合せることによって、低圧電源の出力電圧を昇圧する、いわゆる昇圧チョッパタイプのDC−DCコンバータの回路構成が知られている。 A so-called booster that boosts the output voltage of a low-voltage power supply by combining the operation of storing electromagnetic energy in the inductor and the operation of releasing electromagnetic energy stored in the inductor by repeatedly turning on and off the power semiconductor switching element. A circuit configuration of a chopper type DC-DC converter is known.
このようなタイプのDC−DCコンバータでは、回路素子としてインダクタが必要となるが、インダクタを小型化するためのスイッチング周波数の高周波化と、高周波化によるスイッチング損失の増大とがトレードオフの関係にある。このため、電力用半導体スイッチング素子を高周波でオンオフさせてもスイッチング損失を抑制できるように、ゼロ電流スイッチング(ZCS:Zero Current Switching)またはゼロ電圧スイッチング(ZVS:Zero Voltage Switching)といった、いわゆるソフトスイッチングの適用が進められている。 In such a type of DC-DC converter, an inductor is required as a circuit element. However, there is a trade-off relationship between an increase in switching frequency for downsizing the inductor and an increase in switching loss due to the increase in frequency. . For this reason, so-called soft switching such as zero current switching (ZCS) or zero voltage switching (ZVS) is possible so that switching loss can be suppressed even if the power semiconductor switching element is turned on and off at a high frequency. Application is in progress.
たとえば、特開2005−261059号公報(特許文献1)および特開2007−043852号公報(特許文献2)には、昇圧機能を備えた電流双方向コンバータの構成に、ソフトスイッチングを実現するための補助回路を設ける回路構成およびその制御方法が記載されている。この補助回路は、ソフトスイッチングを実現するための、直流電圧変換には直接寄与しない補助電流を発生させる回路素子群を有するように構成されている。 For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2005-261059 (Patent Literature 1) and Japanese Patent Laying-Open No. 2007-043852 (Patent Literature 2) disclose a configuration of a current bidirectional converter having a boosting function for realizing soft switching. A circuit configuration for providing an auxiliary circuit and a control method thereof are described. This auxiliary circuit is configured to have a circuit element group for generating an auxiliary current that does not directly contribute to DC voltage conversion for realizing soft switching.
さらに、国際公開WO2003/015254号(特許文献3)には、特許文献1,2の構成から、上記補助回路の配置を省略した昇圧コンバータにおいて、インバータの入力目標値、すなわちコンバータの出力電圧目標値が直流電源の電圧よりも低い場合には、コンバータの上アーム素子をオンに固定し、下アーム素子をオフに固定する制御を行うことが記載されている。
Furthermore, International Publication No. WO2003 / 015254 (Patent Document 3) describes an input target value of an inverter, that is, an output voltage target value of the converter, in the boost converter in which the arrangement of the auxiliary circuit is omitted from the configurations of
特許文献1,2に記載されたDC−DCコンバータの回路構成では、メインスイッチング素子(Q1,Q2)を設定されたデューティ比に従って相補的にオンオフ制御することによって、電圧変換比を制御する。このようなメイントランジスタのオンオフ切換時には、デッドタイムが必要とされる。
In the circuit configuration of the DC-DC converter described in
さらに、特許文献1,2に記載されたDC−DCコンバータでは、メインメインスイッチング素子(Q1,Q2)をソフトスイッチングするために、補助回路(部分共振回路)の補助トランジスタ(Q3,Q4)がオンオフ制御される。この際に、補助スイッチング素子のオンオフタイミングからの所定期間には、メインスイッチング素子のオンオフを待機させる必要が生じる。
Further, in the DC-DC converters described in
したがって、部分共振回路を備えたDC−DCコンバータでは、通常のデッドタイムに加えて、補助スイッチング素子のオンオフに伴う待機期間の発生によってメインスイッチング素子のデューティ比の可変範囲が狭くなることが懸念される。デューティ比の可変範囲が狭くなると、DC−DCコンバータの出力電圧の制御範囲についても狭まってしまう。 Therefore, in a DC-DC converter including a partial resonance circuit, there is a concern that the variable range of the duty ratio of the main switching element may be narrowed due to the occurrence of a standby period accompanying the on / off of the auxiliary switching element in addition to the normal dead time. The When the variable range of the duty ratio is narrowed, the control range of the output voltage of the DC-DC converter is also narrowed.
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、直流電圧変換のための主たるスイッチング素子のスイッチング損失を低減するために、直流電圧変換に直接寄与しない補助電流を発生する補助的なスイッチング素子を備えた直流電圧コンバータにおいて、メインスイッチング素子のデューティ比の可変範囲を拡大して、出力電圧の制御範囲を確保することである。 The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to contribute directly to DC voltage conversion in order to reduce the switching loss of the main switching element for DC voltage conversion. In a DC voltage converter having an auxiliary switching element that generates an auxiliary current that is not generated, the variable range of the duty ratio of the main switching element is expanded to ensure a control range of the output voltage.
本発明による直流電圧コンバータは、低圧電源および電源配線の間で直流電圧変換を行うための直流電圧コンバータであって、メインインダクタと、第1および第2のメインスイッチング素子と、第1および第2のメイン整流素子と、第1および第2のキャパシタと、補助インダクタと、第1および第2の補助スイッチング素子と、第1および第2の補助整流素子と、制御回路とを備える。メインインダクタは、低圧電源および第1のノードの間に接続される。第1のメインスイッチング素子は、電源配線および第1のノードの間に電気的に接続される。第1のメイン整流素子は、第1のスイッチング素子と逆並列に接続される。第2のメインスイッチング素子は、基準電圧配線および第1のノードの間に電気的に接続される。第2のメイン整流素子は、第2のメインスイッチング素子と逆並列に接続される。第1のキャパシタは、第1のメインスイッチング素子と並列に接続される。第2のキャパシタは、第2のメインスイッチング素子と並列に接続される。補助インダクタは、第2のノードと第1のノードとの間に接続される。第1の補助スイッチング素子は、第1のメインスイッチング素子に対応して設けられ、電源配線および第2のノードの間に電気的に接続される。第2の補助スイッチング素子は、第2のメインスイッチング素子に対応して設けられ、基準電圧配線および第2のノードの間に電気的に接続される。第1の補助整流素子は、第1の補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、第1の補助スイッチング素子と直列に接続される。第2の補助整流素子は、第2の補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、第2の補助スイッチング素子と直列に接続される。制御回路は、デューティ比(DTY♯,DTY)に従って第1および第2のメインスイッチング素子の相補的なオンオフを制御するために設けられる。そして、制御回路は、モード選択部を含む。モード選択部は、第1および第2の補助スイッチング素子のオンオフを伴って第1および第2のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせる第1の動作モードと、第1および第2の補助スイッチング素子のうちの一方の補助スイッチング素子をオフに固定した上で、第1および第2のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせる第2の動作モードとを、直流電圧コンバータの動作状態に応じて選択するように構成される。 A DC voltage converter according to the present invention is a DC voltage converter for performing DC voltage conversion between a low-voltage power supply and a power supply wiring, and includes a main inductor, first and second main switching elements, first and second Main rectifying elements, first and second capacitors, auxiliary inductors, first and second auxiliary switching elements, first and second auxiliary rectifying elements, and a control circuit. The main inductor is connected between the low voltage power source and the first node. The first main switching element is electrically connected between the power supply wiring and the first node. The first main rectifying element is connected in antiparallel with the first switching element. The second main switching element is electrically connected between the reference voltage line and the first node. The second main rectifying element is connected in antiparallel with the second main switching element. The first capacitor is connected in parallel with the first main switching element. The second capacitor is connected in parallel with the second main switching element. The auxiliary inductor is connected between the second node and the first node. The first auxiliary switching element is provided corresponding to the first main switching element, and is electrically connected between the power supply wiring and the second node. The second auxiliary switching element is provided corresponding to the second main switching element, and is electrically connected between the reference voltage line and the second node. The first auxiliary rectifying element is connected in series with the first auxiliary switching element so as to block a current in a direction opposite to the current when the first auxiliary switching element is on. The second auxiliary rectifying element is connected in series with the second auxiliary switching element so as to prevent a current in a direction opposite to the current when the second auxiliary switching element is on. The control circuit is provided for controlling on / off of the first and second main switching elements in accordance with the duty ratio (DTY #, DTY). The control circuit includes a mode selection unit. The mode selection unit includes a first operation mode in which the first and second main switching elements are periodically turned on / off according to the duty ratio, with the first and second auxiliary switching elements being turned on / off, and the first and second auxiliary switching elements. A second operation mode in which one of the auxiliary switching elements is fixed off and the first and second main switching elements are periodically turned on and off according to the duty ratio is defined as an operation of the DC voltage converter. It is configured to select according to the state.
上記電圧制御コンバータによれば、第1および第2の補助スイッチング素子のオンオフを伴って低損失で第1および第2のメインスイッチング素子をオンオフ制御できる第1の動作モード(通常動作モード)に加えて、片側アームの補助スイッチング素子をオフに固定した上で第1および第2のメインスイッチング素子をオンオフ制御する第2の動作モードを選択することができる。これにより、メインスイッチング素子のデューティ比の可変範囲(上下限)を広げることができるので、出力電圧の制御範囲を確保することができる。 According to the voltage control converter, in addition to the first operation mode (normal operation mode) in which the first and second main switching elements can be controlled to be turned on / off with low loss accompanying the on / off of the first and second auxiliary switching elements. Thus, it is possible to select the second operation mode in which the first and second main switching elements are turned on / off while the auxiliary switching element of the one-side arm is fixed to be off. Thereby, since the variable range (upper and lower limits) of the duty ratio of the main switching element can be expanded, the control range of the output voltage can be ensured.
好ましくは、モード選択部は、第1および第2動作モードならびに第3の動作モードから、動作状態に応じて1つの動作モードを選択するように構成される。そして、制御回路は、第3の動作モードでは、一方の補助スイッチング素子と、当該一方の補助スイッチング素子に対応する一方のメインスイッチング素子とをオフに固定した上で、他方のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせる。 Preferably, the mode selection unit is configured to select one operation mode according to the operation state from the first and second operation modes and the third operation mode. In the third operation mode, the control circuit fixes one auxiliary switching element and one main switching element corresponding to the one auxiliary switching element to off, and sets the other main switching element to duty. It is turned on and off periodically according to the ratio.
このようにすると、片側アームにてメインスイッチング素子および補助スイッチング素子をオフに固定した上で、他方側のアームのメインスイッチング素子および補助スイッチング素子をオンオフ制御する第3の動作モードを選択することができる。これにより、メインスイッチング素子のデューティ比の可変範囲(上下限)をさらに広げることができる。 In this case, the third operation mode for controlling the on / off of the main switching element and the auxiliary switching element of the other arm can be selected while the main switching element and the auxiliary switching element are fixed to be off by the one arm. it can. Thereby, the variable range (upper and lower limits) of the duty ratio of the main switching element can be further expanded.
あるいは好ましくは、制御回路は、少なくとも電源配線の電圧に基づいてデューティ比を制御するように構成されたデューティ制御部をさらに含む。そして、モード選択部は、第1および第2のメインスイッチング素子のデューティ比の両方が第1の判定値より低い場合には第1の動作モードを選択する一方で、第1または第2のメインスイッチング素子のデューティ比が第1の判定値より高い場合には、第2の動作モードを選択する。あるいは、モード選択部は、第1および第2のメインスイッチング素子のデューティ比の両方が第1の判定値より低い場合には第1の動作モードを選択するとともに、第1または第2のメインスイッチング素子のデューティ比が、第1の判定値よりも高く設定された第2の判定値よりも高い場合には第3の動作モードを選択し、かつ、第1または第2のメインスイッチング素子のデューティ比が、第1の判定値および第2の判定値の間であるときには第2の動作モードを選択するように構成される。 Alternatively, preferably, the control circuit further includes a duty control unit configured to control the duty ratio based on at least a voltage of the power supply wiring. The mode selection unit selects the first operation mode when both of the duty ratios of the first and second main switching elements are lower than the first determination value, while the first or second main switching element selects the first operation mode. When the duty ratio of the switching element is higher than the first determination value, the second operation mode is selected. Alternatively, the mode selection unit selects the first operation mode when both of the duty ratios of the first and second main switching elements are lower than the first determination value, and the first or second main switching When the duty ratio of the element is higher than the second determination value set higher than the first determination value, the third operation mode is selected, and the duty of the first or second main switching element is selected. The second operation mode is selected when the ratio is between the first determination value and the second determination value.
このようにすると、出力電圧のフィードバック制御が反映されたデューティ比に従って動作モードを選択することによって、力行および回生を自動的に切換えつつ動作モード間の遷移を円滑に行うことができる。 In this way, by selecting the operation mode according to the duty ratio reflecting the feedback control of the output voltage, it is possible to smoothly perform the transition between the operation modes while automatically switching between the power running and the regeneration.
さらに好ましくは、制御回路は、第2の動作モードの選択時において、第1のメインスイッチング素子のデューティ比が第1の判定値以上である場合には、第2の補助スイッチング素子をオフに固定した上で第2のメインスイッチング素子をデューティ比に従ってオンオフさせるとともに、第1の補助スイッチングのオンオフを伴って第1のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせる一方で、第2のメインスイッチング素子のデューティ比が第1の判定値以上である場合には、第1の補助スイッチング素子をオフに固定した上で第1のメインスイッチング素子をデューティ比に従ってオンオフさせるとともに、第2の補助スイッチングのオンオフを伴って第2のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせるように構成される。あるいは、制御回路は、第3の動作モードの選択時において、第1のメインスイッチング素子のデューティ比が第2の判定値より高い場合には、第2のメインスイッチング素子および第2の補助スイッチング素子をオフに固定した上で、第1の補助スイッチング素子のオンオフを伴って第1のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせる一方で、第2のメインスイッチング素子のデューティ比が第2の判定値より高い場合には、第1のメインスイッチング素子および第1の補助スイッチング素子をオフに固定した上で、第2の補助スイッチング素子のオンオフを伴って第2のメインスイッチング素子をデューティ比に従って周期的にオンオフさせる。 More preferably, the control circuit fixes the second auxiliary switching element off when the duty ratio of the first main switching element is equal to or greater than the first determination value when the second operation mode is selected. In addition, the second main switching element is turned on / off according to the duty ratio, and the first main switching element is periodically turned on / off according to the duty ratio while the first auxiliary switching is turned on / off. When the duty ratio of the element is equal to or higher than the first determination value, the first auxiliary switching element is fixed to OFF and the first main switching element is turned ON / OFF according to the duty ratio. The second main switching element is turned on and off according to the duty ratio. Periodically configured so as to off. Alternatively, the control circuit may select the second main switching element and the second auxiliary switching element when the duty ratio of the first main switching element is higher than the second determination value when the third operation mode is selected. The first main switching element is periodically turned on / off according to the duty ratio with the first auxiliary switching element being turned on / off, while the duty ratio of the second main switching element is the second If it is higher than the determination value, the first main switching element and the first auxiliary switching element are fixed to OFF, and the second main switching element is turned ON / OFF according to the duty ratio. Turn on and off periodically.
このようにすると、メインスイッチング素子のデューティ比が低い側のアームにおいて、メインスイッチング素子および/または補助スイッチング素子をオフ固定することによって、適切にデューティ比の可変範囲(上下限)を広げることができる。 In this way, the variable range (upper and lower limits) of the duty ratio can be appropriately expanded by fixing the main switching element and / or the auxiliary switching element to OFF in the arm on the side where the duty ratio of the main switching element is low. .
本発明によれば、直流電圧変換直接寄与しない補助電流を発生する補助的なスイッチング素子を備えた直流電圧コンバータにおいて、直流電圧変換のためのメインスイッチング素子のデューティ比の可変範囲を拡大することによって、出力電圧の制御範囲を確保することができる。 According to the present invention, in a DC voltage converter having an auxiliary switching element that generates an auxiliary current that does not directly contribute to DC voltage conversion, the variable range of the duty ratio of the main switching element for DC voltage conversion is expanded. The control range of the output voltage can be ensured.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
図1は、本発明の実施の形態によるDC−DCコンバータ100の回路構成を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a DC-
図1を参照して、実施の形態1によるDC−DCコンバータ100は、メインコンバータ回路110と、補助共振回路120とを含む。
Referring to FIG. 1, DC-
メインコンバータ回路110は、「低圧電源」であるバッテリBATの出力電圧に相当する電圧Viを昇圧した電圧Voを、負荷200と接続された電源配線PLおよび基準電圧配線GL間に出力するとともに、電源配線PLおよび基準電圧配線GLの間の電圧Voを電圧Viへ降圧して低圧電源を充電することも可能である、いわゆる非絶縁型の電流双方向(昇降圧)コンバータの構成を有する。
The
負荷200としては、たとえばインバータ回路を介して駆動される交流電動機が適用される。そして、エンジン出力および/または電動機出力によって走行するハイブリッド自動車や電動機出力のみによって走行する電気自動車等への適用が、本発明の実施の形態によるDC−DCコンバータの代表的な適用例として挙げられる。この場合には、たとえば、低圧電源(バッテリBAT)の出力電圧(電圧Vi)が200V程度とされる一方で、負荷200へ供給すべき電圧Voが500V程度とされる。
As
メインコンバータ回路110は、キャパシタC0と、「メインインダクタ」としてのインダクタL1と、「メインスイッチング素子」としての電力用半導体スイッチング素子Q1,Q2と、「メイン整流素子」としてのダイオードD1,D2とを含む。
The
キャパシタC0は、バッテリBATの正極端子および負極端子の間に接続されて、電圧Viを平滑化する。インダクタL1はバッテリBATの正極端子とノードN1(第1のノード)との間に接続される。 Capacitor C0 is connected between the positive terminal and the negative terminal of battery BAT to smooth voltage Vi. Inductor L1 is connected between the positive terminal of battery BAT and node N1 (first node).
電力用スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)Q1,Q2としては、本実施の形態ではIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を例示するが、制御電極(ゲートあるいはベース)の駆動制御により、ターンオンおよびターンオフを制御可能なスイッチング素子であれば、電圧駆動型のスイッチング素子(MOS−FET、IGBT等)や電流駆動型のスイッチング素子(バイポーラトランジスタ等)、各種のスイッチング素子を適用可能である。 As the power switching elements (hereinafter also simply referred to as “switching elements”) Q1 and Q2, in the present embodiment, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is illustrated, but by drive control of the control electrode (gate or base), As long as the switching elements can control the turn-on and turn-off, voltage-driven switching elements (MOS-FET, IGBT, etc.), current-driven switching elements (bipolar transistors, etc.), and various switching elements can be applied.
メインスイッチング素子Q1は、電源配線PLおよびノードN1の間に接続される。そして、IGBTであるメインスイッチング素子Q1のコレクタが電源配線PLと接続される一方で、エミッタがノードN1と接続される。また、メインスイッチング素子Q2は、基準電圧配線GLおよびノードN1の間に接続される。そして、メインスイッチング素子Q2のコレクタがノードN1と接続される一方で、エミッタが基準電圧配線GLと接続される。さらに、メインスイッチング素子Q1,Q2のオンオフは、制御回路150による制御電極(ゲート)の電圧駆動によって制御される。ダイオードD1,D2は、スイッチング素子Q1,Q2に対して逆並列接続される。
Main switching element Q1 is connected between power supply line PL and node N1. The collector of main switching element Q1, which is an IGBT, is connected to power supply line PL, while the emitter is connected to node N1. The main switching element Q2 is connected between the reference voltage line GL and the node N1. The collector of main switching element Q2 is connected to node N1, while the emitter is connected to reference voltage line GL. Furthermore, on / off of the main switching elements Q1 and Q2 is controlled by the voltage drive of the control electrode (gate) by the
補助共振回路120は、メインスイッチング素子Q1,Q2にそれぞれ並列接続されるキャパシタC1,C2と、ノードN1およびN2の間に直列接続されるインダクタL2,L3と、電源配線PLおよびノードN2の間に直列接続されるスイッチング素子Q3およびダイオードD3と、ノードN2および基準電圧配線GLの間に直列接続されるダイオードD4およびスイッチング素子Q4とを含む。
The
スイッチング素子Q3,Q4は、「補助スイッチング素子」として設けられ、そのオンオフは、制御回路150による制御電極(ゲート)の電圧駆動によって制御される。「補助整流素子」としてのダイオードD3およびD4は、補助スイッチング素子Q3およびQ4のオン時にそれぞれ生じる補助電流Irp♯およびIrpと逆方向の電流を阻止する極性で接続される。
The switching elements Q3 and Q4 are provided as “auxiliary switching elements”, and on / off of the switching elements Q3 and Q4 is controlled by the voltage drive of the control electrode (gate) by the
インダクタL2は、インダクタL1のノードN1側の端子と、インダクタL2のノードN1側の端子とに逆極性で起電力が誘起されるように、インダクタL1と電磁的に結合されている。なお、電磁的結合とは、たとえばインダクタL1およびインダクタL2でトランスを構成することによって実現される。 The inductor L2 is electromagnetically coupled to the inductor L1 so that an electromotive force is induced with a reverse polarity at a node N1 side terminal of the inductor L1 and a node N1 side terminal of the inductor L2. The electromagnetic coupling is realized by configuring a transformer with the inductor L1 and the inductor L2, for example.
図1から理解されるように、DC−DCコンバータ100を構成するメインコンバータ回路110および補助共振回路120の構成および動作は、上述の特許文献1,2と同様である。
As can be understood from FIG. 1, the configurations and operations of the
したがって、メインコンバータ回路110では、基本的には、メインスイッチング素子Q1,Q2は、排他的に交互に(すなわち、相補的に)オンオフするように、制御回路150によって制御される。
Therefore, in
そして、メインコンバータ回路110は、バッテリBATからの電圧Viを電源配線PLへの電圧Voに昇圧する昇圧動作時には、メインスイッチング素子Q2の導通によりメインインダクタL1に蓄積された電磁エネルギを、メインスイッチング素子Q1および逆並列ダイオードD1を介して電源配線PLに供給するように動作する。また、メインコンバータ回路110は、電源配線PLの電圧VoをバッテリBATへの電圧Viに降圧する降圧動作時には、メインスイッチング素子Q1の導通によりメインインダクタL1に蓄積された電磁エネルギを、メインスイッチング素子Q2および逆並列ダイオードD2を介して低圧電源BATに供給するように動作する。
The
制御回路150は、デューティ制御部152と、タイミング制御部154と、ドライバ156と、動作モード選択部158とを含む。制御回路150は、DC−DCコンバータ100の制御要素を包括的に示すものであり、各制御機能部分に対応する、デューティ制御部152、タイミング制御部154、および、動作モード選択部158については、所定プログラムの実行によるソフトウェア処理、および、専用の電子回路構築によるハードウェア処理のいずれによって実現することも可能である。また、ドライバ156は、通常電子回路(ハードウェア)により構築される。
デューティ制御部152は、電圧Voまたは電圧Viの電圧指令値Vorと、電圧Viおよび電圧Voの検出値とに基づいて、スイッチング素子Q1,Q2のデューティ比を制御する。デューティ制御部152は、少なくとも電圧Voのフィードバック制御機能を有するものとする。たとえば、電圧指令値Vorに従う電圧変換比(Vo/Vi)に対応するデューティ比設定と、上記電圧フィードバック制御との組合せによって、デューティ比を決めることができる。デューティ比は、一般的には、所定のスイッチング周期に対するスイッチング素子Q1,Q2のオン期間の比で示される。指令された、スイッチング素子Q1のデューティ比DTYとスイッチング素子Q2のデューティ比DTY♯の和は、100(%)である。
動作モード選択部158は、以下に詳細に説明するように、DC−DCコンバータ100の動作モードを、デューティ比DTY,DTY♯に応じて選択する。動作モードを示す信号MDが、動作モード選択部158からタイミング制御部154へ与えられる。
Operation
タイミング制御部154は、動作モード選択部158によって選択された動作モード、および、デューティ制御部152からの指令デューティに従って、スイッチング素子Q1〜Q4のオンオフをそれぞれ制御するためのパルス信号である制御信号S1〜S4を生成する。たとえば、デューティ制御部152からの指令デューティに応じた直流電圧と、メインスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数に相当する所定周波数の搬送波(三角波またはのこぎり波)との電圧比較に従って、メインスイッチンング素子Q1,Q2のオンオフを決定するパルス信号である制御信号S1〜S4を発生することができる。
The
たとえば、制御信号S1〜S4は、スイッチング素子Q1〜Q4のそれぞれのオン期間において論理ハイレベル(以下、Hレベルとも称する)に設定される一方で、それぞれのオフ期間では論理ローレベル(以下、Lレベルとも称する)に設定される。 For example, the control signals S1 to S4 are set to a logic high level (hereinafter also referred to as H level) in each of the ON periods of the switching elements Q1 to Q4, while they are set to a logic low level (hereinafter referred to as L) in each of the OFF periods. Level).
ドライバ156は、タイミング制御部154からの制御信号S1〜S4に従って、スイッチング素子Q1〜Q4のゲート電圧Vg1〜Vg4を駆動する。
次に、DC−DCコンバータの動作、特に補助共振回路120が作動する通常動作モードにおける動作を説明する。ここでは、DC−DCコンバータ100の昇圧動作を一例として説明する。
Next, the operation of the DC-DC converter, particularly the operation in the normal operation mode in which the
図2を参照して、メインスイッチング素子のQ1,Q2は、設定されたデューティ比に従って、相補的にオンオフされる。 Referring to FIG. 2, Q1 and Q2 of the main switching elements are complementarily turned on and off according to the set duty ratio.
図2の例では、時刻t0にメインスイッチング素子Q1がターンオフすると、デッドタイムTdの経過後の時刻t1に、メインスイッチング素子Q2がターンオンする。さらに、メインスイッチング素子Q2がターンオフする時刻t2と、メインスイッチング素子Q1がターンオンする時刻t3との間、ならびに、メインスイッチング素子Q1がターンオフする時刻t4と、メインスイッチング素子Q2がターンオンする時刻t5との間にも、同様にデッドタイムTdが設けられる。 In the example of FIG. 2, when the main switching element Q1 is turned off at time t0, the main switching element Q2 is turned on at time t1 after the dead time Td has elapsed. Further, a time t2 when the main switching element Q2 is turned off and a time t3 when the main switching element Q1 is turned on, a time t4 when the main switching element Q1 is turned off, and a time t5 when the main switching element Q2 is turned on. Similarly, a dead time Td is provided between them.
デッドタイムTdを設けることにより、メインスイッチング素子Q1およびQ2の両方がオン状態となって、電源配線PLおよび基準電圧配線GLの間で短絡が発生しないように保護される。デッドタイムTdを挟んだ、メインスイッチング素子Q1,Q2のオンオフによって、メインインダクタL1の電流ILが変化する。 By providing the dead time Td, both the main switching elements Q1 and Q2 are turned on, and are protected from being short-circuited between the power supply line PL and the reference voltage line GL. The current IL of the main inductor L1 is changed by turning on and off the main switching elements Q1 and Q2 with the dead time Td interposed therebetween.
DC−DCコンバータ100では、補助スイッチング素子Q3,Q4のオンオフによって補助電流Irp,Irp♯を発生させることによって、メインスイッチング素子Q1,Q2のターンオン時におけるスイッチング損失を低減する。具体的には、時刻t1,t5でのメインスイッチング素子Q2のターンオンに先立って、時刻tb,tfに補助スイッチング素子Q4がターンオンされる。同様に、時刻t3でのメインスイッチング素子Q1のターンオンに先立って、時刻tdに補助スイッチング素子Q3がターンオンされる。
In DC-
補助スイッチング素子Q3,Q4のターンオンに伴って、補助電流(部分共振電流)Irp,Irp♯が発生する。この補助電流は、インダクタL2,L3およびキャパシタC2またはC3の間の共振現象により、ピーク値を迎えた後0に向かって減少する。そして、ダイオードD3,D4により逆方向の電流がブロックされていることから、補助電流は反対方向に流れることなく消滅する。 As auxiliary switching elements Q3 and Q4 are turned on, auxiliary currents (partial resonance currents) Irp and Irp # are generated. The auxiliary current decreases toward 0 after reaching a peak value due to a resonance phenomenon between the inductors L2 and L3 and the capacitor C2 or C3. Since the reverse current is blocked by the diodes D3 and D4, the auxiliary current disappears without flowing in the opposite direction.
ここで、補助スイッチング素子Q3,Q4を、発生させた補助電流Irp,Irp♯が消滅するまでにターンオフさせると、インダクタL3に蓄えられたエネルギによって、当該補助トランジスタの端子間(コレクタ・エミッタ間)電圧が急激に上昇して大きなサージ電圧が発生するおそれがある。この電圧上昇によって端子間電圧が耐圧を超えると、補助スイッチング素子が破損してしまう虞がある。 Here, when the auxiliary switching elements Q3 and Q4 are turned off until the generated auxiliary currents Irp and Irp # disappear, the energy stored in the inductor L3 causes the terminals of the auxiliary transistor (between collector and emitter). There is a possibility that a large surge voltage is generated due to a sudden rise in voltage. If the voltage between the terminals exceeds the withstand voltage due to this voltage rise, the auxiliary switching element may be damaged.
したがって、補助スイッチング素子Q3,Q4は、自身のターンオンによって発生した補助電流Irp,Irp♯が消滅するまでターンオフすることができない。さらに、メインスイッチング素子Q1は、対応の補助スイッチング素子Q3のターンオフが完了するまでは、ターンオフすることができない。 Therefore, auxiliary switching elements Q3 and Q4 cannot be turned off until auxiliary currents Irp and Irp # generated by their turn-on disappear. Furthermore, the main switching element Q1 cannot be turned off until the turn-off of the corresponding auxiliary switching element Q3 is completed.
このため、補助スイッチング素子Q4のターンオン後に、ターンオンしたメインスイッチング素子Q2は、少なくとも、補助電流Irpが消滅するまでの待機期間Trが経過するまでターンオフすることができない。同様に、補助スイッチング素子Q3のターンオン後に、ターンオンしたメインスイッチング素子Q1は、少なくとも、補助電流Irp♯が消滅するまでの待機期間Trが経過するまでターンオフすることができない。 For this reason, after the auxiliary switching element Q4 is turned on, the turned on main switching element Q2 cannot be turned off at least until the standby period Tr until the auxiliary current Irp disappears. Similarly, after the auxiliary switching element Q3 is turned on, the turned on main switching element Q1 cannot be turned off at least until a standby period Tr until the auxiliary current Irp # disappears.
さらに、待機期間Trの経過に伴って補助スイッチング素子Q3,Q4のターンオフ指示が発生されても、補助スイッチング素子Q3,Q4が完全にターンオフするまでの待機期間Tfの間は、メインスイッチング素子Q1,Q2をターンオフすることができない。 Further, even if a turn-off instruction for the auxiliary switching elements Q3 and Q4 is generated as the standby period Tr elapses, the main switching elements Q1 and Q1 are maintained during the standby period Tf until the auxiliary switching elements Q3 and Q4 are completely turned off. Q2 cannot be turned off.
ここで図2の状態から、メインスイッチング素子Q2のデューティ比(DTY♯)をさらに高くする、すなわち、メインスイッチング素子Q1のデューティ比(DTY)をさらに低くするケースを考える。各メインスイッチング素子Q1,Q2について、デューティ比を高くする場合には、反対側アームのメインスイッチング素子をオンオフすることに伴って、1周期に(2×Td+Tf+Tr)のオン不能時間が発生する。反対に、各メインスイッチング素子Q1,Q2について、デューティ比を低くする場合には、反対側アームの補助スイッチング素子をオンオフすることに伴って、(Td+Tr)のオフ不能期間が発生する。 Consider the case where the duty ratio (DTY #) of the main switching element Q2 is further increased from the state of FIG. 2, that is, the duty ratio (DTY) of the main switching element Q1 is further decreased. When the duty ratio is increased for each of the main switching elements Q1 and Q2, the on / off time of (2 × Td + Tf + Tr) occurs in one cycle as the main switching element of the opposite arm is turned on / off. On the other hand, when the duty ratio is lowered for each of the main switching elements Q1 and Q2, an off-impossible period of (Td + Tr) occurs as the auxiliary switching element of the opposite arm is turned on / off.
たとえば、タイミング制御部154によって、デューティ比DTY(DTY♯)に従った理想的なオンオフタイミングに対して、上記デッドタイムTdおよび待機期間Tf,Trを付加するように、制御信号S1〜S4が生成される。
For example, the control signals S1 to S4 are generated by the
このように、DC−DCコンバータ100では、補助スイッチング素子Q3,Q4を動作させることによって、メインスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング損失を低減できる一方で、上述のオン不能期間およびオフ不能期間の発生により、指令されたデューティ比DTY(DTY♯)に対して、実際に実現可能なデューティ比の範囲が狭くなることが懸念される。
As described above, in the DC-
具体的には、メインスイッチング素子Q1のデューティ比DTYが100(%)に近くなる場合(反対に、メインスイッチング素子Q2のデューティ比DTY♯は0(%)に近くなる)および、デューティ比DTYが0(%)に近くなる場合(反対に、デューティ比DTY♯は100(%)に近くなる)に、出力電圧Voを目標値と一致させることができなくなり、出力電圧Voの制御範囲が狭くなることが懸念される。 Specifically, when the duty ratio DTY of the main switching element Q1 is close to 100 (%) (in contrast, the duty ratio DTY # of the main switching element Q2 is close to 0 (%)), and the duty ratio DTY is When it is close to 0 (%) (in contrast, the duty ratio DTY # is close to 100 (%)), the output voltage Vo cannot be matched with the target value, and the control range of the output voltage Vo becomes narrow. There is concern.
したがって、本実施の形態によるDC−DCコンバータ100では、メインスイッチング素子Q1,Q2のデューティ比を高くする、あるいは低くする場合には、反対側アームのスイッチングを制限するような動作モードを設定することによって、実現可能なデューティ比の範囲を確保する。
Therefore, in DC-
図3には、補助スイッチング素子Q3をオフ固定した動作モードにおけるスイッチング素子Q1〜Q4のオンオフタイミングが示される。以下では、このような動作モードについて、「補助スイッチング停止モード」とも称する。補助スイッチング停止モードは、「第2の動作モード」に対応する。 FIG. 3 shows on / off timings of switching elements Q1 to Q4 in an operation mode in which auxiliary switching element Q3 is fixed to be off. Hereinafter, such an operation mode is also referred to as “auxiliary switching stop mode”. The auxiliary switching stop mode corresponds to the “second operation mode”.
図3では、補助スイッチング素子Q3をオフに固定することによって、反対側アームのメインスイッチング素子Q1のオン期間を短くする、すなわち、デューティ比を低くできる例が示される。 FIG. 3 shows an example in which the on-period of the main switching element Q1 of the opposite arm can be shortened, that is, the duty ratio can be lowered by fixing the auxiliary switching element Q3 to OFF.
図3を参照して、図1と同様に、スイッチング素子Q1は、時刻t0および時刻t4にターンオフされ、時刻t3においてターンオンされる。また、スイッチング素子Q2は、時刻t1およびt5にターンオンされ、時刻t2にターンオンされている。 Referring to FIG. 3, as in FIG. 1, switching element Q1 is turned off at time t0 and time t4, and is turned on at time t3. The switching element Q2 is turned on at times t1 and t5, and is turned on at time t2.
スイッチング素子Q1のターンオフからスイッチング素子Q2のターンオンまでの期間(時刻t0〜t1および時刻t4〜t5)、ならびに、スイッチング素子2のターンオフからメインスイッチング素子Q1のターンオンまでの期間(時刻t2〜t3)には、通常のデッドタイムTdが設けられている。
During the period from the turn-off of the switching element Q1 to the turn-on of the switching element Q2 (time t0 to t1 and time t4 to t5) and the period from the turn-off of the
一方で、補助スイッチング素子Q3をオフに固定することによって、メインスイッチング素子Q1,Q2のオンオフに対して制約を加える補助スイッチング素子はQ4だけとなる。そして、補助スイッチング素子Q4による待機期間Trは、メインスイッチング素子Q2のターンオンからの経過時間であるため、図3の様な、メインスイッチング素子Q1のデューティ比を低くしたい(メインスイッチング素子Q2のデューティ比を高くしたい)場合には、補助スイッチング素子Q4によって、デューティ比の可変範囲が狭くなることはない。 On the other hand, by fixing the auxiliary switching element Q3 to OFF, the auxiliary switching element that restricts the on / off of the main switching elements Q1 and Q2 is only Q4. Since the standby period Tr by the auxiliary switching element Q4 is an elapsed time from the turn-on of the main switching element Q2, it is desired to lower the duty ratio of the main switching element Q1 as shown in FIG. 3 (the duty ratio of the main switching element Q2). In the case where it is desired to increase the duty ratio, the auxiliary switching element Q4 does not narrow the variable range of the duty ratio.
このように、メインスイッチング素子Q1またはQ2のデューティ比を低くしたいときには、補助スイッチング停止モードの選択により、反対側アームの補助スイッチング素子Q4またはQ3の動作を停止させることで、実現可能なデューティ比の範囲を広げることができる。 Thus, when it is desired to reduce the duty ratio of the main switching element Q1 or Q2, by selecting the auxiliary switching stop mode, the operation of the auxiliary switching element Q4 or Q3 of the opposite arm is stopped, so that the duty ratio can be realized. The range can be expanded.
図4には、図3のケースよりもスイッチング素子Q2のデューティ比をさらに高める場合の動作モードが示される。図4の動作モードを、「メインスイッチング停止モード」とも称する。メインスイッチング停止モードは、「第3の動作モード」に対応する。 FIG. 4 shows an operation mode when the duty ratio of the switching element Q2 is further increased as compared with the case of FIG. The operation mode of FIG. 4 is also referred to as “main switching stop mode”. The main switching stop mode corresponds to the “third operation mode”.
メインスイッチング停止モードでは、デューティ比を高めたいメインスイッチング素子とは反対側アームのメインスイッチング素子(図4ではメインスイッチング素子Q1)をオフに固定する。これにより、反対側アームでは、補助スイッチング素子およびメインスイッチング素子の両方がオフに固定される。一方、デューティ比を高めたいメインスイッチング素子については、対応する補助スイッチング素子(図4では、補助スイッチング素子Q4)についても基本的には、オンオフさせる。 In the main switching stop mode, the main switching element (main switching element Q1 in FIG. 4) on the arm opposite to the main switching element whose duty ratio is to be increased is fixed to OFF. Thereby, in the opposite arm, both the auxiliary switching element and the main switching element are fixed off. On the other hand, for the main switching element whose duty ratio is to be increased, the corresponding auxiliary switching element (auxiliary switching element Q4 in FIG. 4) is basically turned on and off.
なお、メインスイッチング停止モードでは、デューティ比100(%)についても対応可能となる。デューティ比100(%)とするときには、メインスイッチング素子でのスイッチング損失は発生しないので、補助スイッチング素子Q3,Q4はいずれもオフに固定することができる。 In the main switching stop mode, a duty ratio of 100 (%) can be handled. When the duty ratio is 100 (%), no switching loss occurs in the main switching element, so that both auxiliary switching elements Q3 and Q4 can be fixed off.
このように、DC−DCコンバータ100では、図2に示した、メインスイッチング素子Q1,Q2および補助スイッチング素子Q3,Q4の各々を動作させる通常動作モード(第1の動作モード)に加えて、図3に示した補助スイッチング停止モード(第2の動作モード)に対応および、図4に示したメインスイッチング停止モード(第3の動作モード)を適用することにより、デューティ比の実際の可変範囲を広げることができる。
Thus, in the DC-
但し、図4に示したメインスイッチング停止モードを適用すると、上側アームのメインスイッチング素子Q1がオフ固定される場合には、負荷200からバッテリBATへの回生ができなくなる。電圧Voの制御に伴って、自動に力行および回生を変更することができなくなる。
However, when the main switching stop mode shown in FIG. 4 is applied, when the main switching element Q1 of the upper arm is fixed to OFF, regeneration from the
しかしながら、上側アームのメインスイッチング素子Q1がオフ固定されて回生が制限される場合には、電圧Voが上昇する方向に電源配線PLの電圧が変化する。したがって、電圧フィードバック制御は、電圧変換比(Vo/Vi)を低下させる側、すなわち、メインスイッチング素子Q1のデューティ比を上昇させる側に作用することが期待される。これにより、メインスイッチング素子Q2のデューティ比が低下するので、これに伴って、動作モードを、メインスイッチング停止モードから補助スイッチング停止モード、さらには、通常動作モードへ変化させることとすれば、電圧フィードバック制御の機能によって自動的に再び回生が可能となる。 However, when main switching element Q1 of the upper arm is fixed off and regeneration is restricted, the voltage of power supply line PL changes in the direction in which voltage Vo increases. Therefore, the voltage feedback control is expected to act on the side that decreases the voltage conversion ratio (Vo / Vi), that is, the side that increases the duty ratio of the main switching element Q1. As a result, the duty ratio of the main switching element Q2 is reduced. Accordingly, if the operation mode is changed from the main switching stop mode to the auxiliary switching stop mode, and further to the normal operation mode, voltage feedback is performed. Regeneration is automatically possible again by the control function.
このように、本実施の形態によるDC−DCコンバータ100では、電圧フィードバックによって制御されるデューティ比に応じて動作モードを遷移させることにより、回生および力行を自動的に切換えることができる。
Thus, in DC-
図5は、デューティ比に応じた動作モードの選択を説明するための概念図であり、図6は、デューティ比と動作モードとの対応関係を説明する図表である。 FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining selection of an operation mode according to the duty ratio, and FIG. 6 is a chart for explaining a correspondence relationship between the duty ratio and the operation mode.
図5の横軸には、上アームのメインスイッチング素子Q1のデューティ比DTY(%)が示される。下アームのメインスイッチング素子Q2のデューティ比DTY♯(%)が示される。上述のように、DTY=100−DTY♯が成立する。 The horizontal axis of FIG. 5 shows the duty ratio DTY (%) of the upper arm main switching element Q1. A duty ratio DTY # (%) of main switching element Q2 of the lower arm is shown. As described above, DTY = 100−DTY # holds.
図5を参照して、片側のメインスイッチング素子を高デューティで制御したいケースを層別するための判定値DT1(%),DT2(%),DT1♯(%),DT2♯(%)が設定される。DT2>DT1であり、かつ、DT1♯=100−DT1、DT2♯=100−D2である。 Referring to FIG. 5, determination values DT1 (%), DT2 (%), DT1 # (%), and DT2 # (%) are set for stratifying cases where one side main switching element is desired to be controlled with a high duty. Is done. DT2> DT1, and DT1 # = 100-DT1, DT2 # = 100-D2.
デューティ制御部152により設定されたデューティ比DTY♯(DTY)と上記判定値との比較に基づき、現在のデューティ比が、領域201〜205のいずれであるかが判定される。メインスイッチング素子Q2のデューティ比が高い領域は、DTY♯>D2(反対に、DTY<D2♯)である領域201と、D1≦DTY♯≦D2(反対に、D2♯≦DTY≦D1♯)である領域202とに分けられる。また、中間的なデューティ比の領域203は、D1♯<DTY♯<D1(D1♯<DTY<D1)で定義される。同様に、メインスイッチング素子Q2のデューティ比が低い領域は、DTY♯<D2♯(反対に、DTY>D2)である領域205と、D2♯≦DTY♯≦D1♯(反対に、D1≦DTY≦D2)である領域204とに分けられる。
Based on the comparison between the duty ratio DTY # (DTY) set by the
すなわち、判定値DT1が「第1の判定値」に対応し、判定値DT2が「第2の判定値」に対応する。 That is, the determination value DT1 corresponds to the “first determination value”, and the determination value DT2 corresponds to the “second determination value”.
図6を参照して、中間的なデューティ比である領域203では、メインスイッチング素子Q1,Q2のいずれについても、デッドタイムTd(図2)や待機期間Tf,Tr(図2)が問題となるまで、オン期間が短くなることがない。したがって、領域203では、通常動作モードが選択される(たとえば、MD=1に設定)。すなわち、メインスイッチング素子Q1,Q2は、補助スイッチング素子Q3,Q4のオンオフを伴って、デューティ比DTY,DTY♯に従ってオンオフされる。
Referring to FIG. 6, in
これに対して、メインスイッチング素子Q2のデューティ比が高い領域201,202では、反対側アームのメインスイッチング素子Q1および/または補助スイッチング素子Q3の動作を制限するように動作モードが選択される。
On the other hand, in the
具体的には、領域202では、図3に示した補助スイッチング片側停止モードが選択される(たとえば、MD=2に設定)。これにより、補助スイッチング素子Q3をオフ固定した上で、メインスイッチング素子Q1,Q2が、デューティ比DTY,DTY♯に従ってオンオフされる。メインスイッチング素子Q2は、補助スイッチング素子Q4のオンオフを伴うことによりソフトスイッチングされる。
Specifically, in
また、領域201では、図4に示したメインスイッチング片側停止モードが選択される(たとえば、MD=3に設定)。これにより、補助スイッチング素子Q3に加えてメインスイッチング素子Q1もオフに固定した上で、メインスイッチング素子Q2が、デューティ比DTY♯に従ってオンオフされる。補助スイッチング素子Q4は、基本的にはメインスイッチング素子Q2のスイッチング損失低減のためにオンオフされるが、デューティ比DTY♯が100(%)になるとオフ固定してもよい。ただし、DC−DCコンバータ100の動作として、DTY♯=100(%)とされることは通常ない。
In the
一方で、メインスイッチング素子Q1のデューティ比が高い領域204,205では、反対側アームのメインスイッチング素子Q2および/または補助スイッチング素子Q4の動作を制限するように動作モードが選択される。
On the other hand, in
具体的には、領域204では、補助スイッチング片側停止モードが選択される(たとえば、MD=2に設定)。これにより、補助スイッチング素子Q4をオフ固定した上で、メインスイッチング素子Q1,Q2が、デューティ比DTY,DTY♯に従ってオンオフされる。メインスイッチング素子Q1は、補助スイッチング素子Q3のオンオフを伴うことによりソフトスイッチングされる。
Specifically, in
また、領域205では、メインスイッチング片側停止モードが選択される(たとえば、MD=3に設定)。これにより、補助スイッチング素子Q4に加えてメインスイッチング素子Q2もオフに固定した上で、メインスイッチング素子Q1のみが、デューティ比DTYに従ってオンオフされる。補助スイッチング素子Q3は、基本的にはメインスイッチング素子Q1のスイッチング損失低減のためにオンオフされる。ただし、デューティ比DTYが100(%)になると(昇降圧なし、かつ導通モード)、補助スイッチング素子Q3はオフ固定される。
In
以上説明したように、本発明の実施の形態によるDC−DCコンバータ100では、通常動作モードに加えて、補助スイッチング片側停止モードおよびメインスイッチング片側停止モードを選択可能とすることによって、デューティ比の可変範囲(上下限)を広げることができる。また、電圧Voのフィードバック制御が反映されたデューティ比DTY,DTY♯に従って動作モードを選択することによって、DC−DCコンバータ100および負荷200の間での力行・回生を自動的に切換えつつ、動作モード間の遷移を円滑に行うことができる。
As described above, in the DC-
なお、本実施の形態では、DC−DCコンバータ100の負荷200について、ハイブリッド自動車または電気自動車等に搭載される交流電動機およびインバータ回路を例示したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。すなわち、負荷200を特に限定することなく本発明の適用が可能である点について、確認的に記載する。
In the present embodiment, the AC motor and the inverter circuit mounted on the hybrid vehicle or the electric vehicle are exemplified as the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
この発明は、主たる電力用半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減するために、直流電圧変換に直接的には寄与しない補助電流を発生する補助的な電力用半導体スイッチング素子を備えた直流電圧コンバータのスイッチング制御に適用することができる。 In order to reduce the switching loss of the main power semiconductor switching element, the present invention switches a DC voltage converter having an auxiliary power semiconductor switching element that generates an auxiliary current that does not directly contribute to DC voltage conversion. Can be applied to control.
100 DC−DCコンバータ、110 メインコンバータ回路、120 補助共振回路、150 制御回路、152 デューティ制御部、154 タイミング御部、156 ドライバ、158 動作モード選択部、200 負荷、201〜205 領域(デューティ比)、BAT 低圧電源、C0,C1,C2 キャパシタ、D1,D2 逆並列ダイオード、DT1,DT1♯,DT2,DT2♯ 判定値、D3,D4 ダイオード、DTY,DTY♯ デューティ比、GL 基準電圧配線、Irp,Irp♯ 補助電流、L1 メインインダクタ、L2,L3 インダクタ(補助インダクタ)、MD 信号(動作モード)、N1,N2 ノード、PL 電源配線、Q1,Q2 電力用半導体スイッチング素子(メインスイッチング素子)、Q3,Q4 電力用半導体スイッチング素子(補助スイッチング素子)、S1〜S4 制御信号、Td デッドタイム、Tf,Tr 待機期間、Vg1〜Vg4 ゲート電圧、Vi,Vo 電圧、Vor 電圧指令値。 100 DC-DC converter, 110 main converter circuit, 120 auxiliary resonance circuit, 150 control circuit, 152 duty control unit, 154 timing control unit, 156 driver, 158 operation mode selection unit, 200 load, 201-205 region (duty ratio) BAT low voltage power supply, C0, C1, C2 capacitor, D1, D2 antiparallel diode, DT1, DT1 #, DT2, DT2 # judgment value, D3, D4 diode, DTY, DTY # duty ratio, GL reference voltage wiring, Irp, Irp # auxiliary current, L1 main inductor, L2, L3 inductor (auxiliary inductor), MD signal (operation mode), N1, N2 node, PL power supply wiring, Q1, Q2 power semiconductor switching element (main switching element), Q3 Q4 electricity Use semiconductor switching devices (auxiliary switching element), S1 to S4 control signal, Td dead time, Tf, Tr waiting period, Vg1 through Vg4 gate voltage, Vi, Vo voltage, Vor voltage command value.
Claims (6)
前記低圧電源および第1のノードの間に接続されたメインインダクタと、
前記電源配線および前記第1のノードの間に電気的に接続された第1のメインスイッチング素子と、
前記第1のメインスイッチング素子と逆並列に接続された第1のメイン整流素子と、
基準電圧配線および前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のメインスイッチング素子と、
前記第2のメインスイッチング素子と逆並列に接続された第2のメイン整流素子と、
前記第1のメインスイッチング素子と並列に接続された第1のキャパシタと、
前記第2のメインスイッチング素子と並列に接続された第2のキャパシタと、
第2のノードと前記第1のノードとの間に接続される補助インダクタと、
前記第1のメインスイッチング素子に対応して設けられ、前記電源配線および前記第2のノードの間に電気的に接続された第1の補助スイッチング素子と、
前記第2のメインスイッチング素子に対応して設けられ、前記基準電圧配線および前記第2のノードの間に電気的に接続された第2の補助スイッチング素子と、
前記第1の補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記第1の補助スイッチング素子と直列に接続された第1の補助整流素子と、
前記第2の補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記第2の補助スイッチング素子と直列に接続された第2の補助整流素子と、
デューティ比に従って前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の相補的なオンオフを制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第1および前記第2の補助スイッチング素子のオンオフを伴って前記第1および前記第2のメインスイッチング素子を前記デューティ比に従って周期的にオンオフさせる第1の動作モードと、前記第1および前記第2の補助スイッチング素子のうちの一方の補助スイッチング素子をオフに固定した上で、前記第1および前記第2のメインスイッチング素子を前記デューティ比に従って周期的にオンオフさせる第2の動作モードとを、前記直流電圧コンバータの動作状態に応じて選択するように構成されたモード選択部を含む、直流電圧コンバータ。 A DC voltage converter for performing DC voltage conversion between a low-voltage power supply and a power supply wiring,
A main inductor connected between the low voltage power source and the first node;
A first main switching element electrically connected between the power supply wiring and the first node;
A first main rectifying element connected in anti-parallel with the first main switching element;
A second main switching element electrically connected between a reference voltage line and the first node;
A second main rectifying element connected in anti-parallel with the second main switching element;
A first capacitor connected in parallel with the first main switching element;
A second capacitor connected in parallel with the second main switching element;
An auxiliary inductor connected between a second node and the first node;
A first auxiliary switching element provided corresponding to the first main switching element and electrically connected between the power supply line and the second node;
A second auxiliary switching element provided corresponding to the second main switching element and electrically connected between the reference voltage line and the second node;
A first auxiliary rectifying element connected in series with the first auxiliary switching element so as to block a current in a direction opposite to a current when the first auxiliary switching element is on;
A second auxiliary rectifying element connected in series with the second auxiliary switching element so as to block a current in a direction opposite to the on-state current of the second auxiliary switching element;
A control circuit for controlling complementary on and off of the first and second main switching elements according to a duty ratio;
The control circuit includes:
A first operation mode in which the first and second main switching elements are periodically turned on and off in accordance with the duty ratio, with the first and second auxiliary switching elements being turned on and off; A second operation mode in which one of the two auxiliary switching elements is fixed off, and the first and second main switching elements are periodically turned on and off according to the duty ratio; A DC voltage converter including a mode selection unit configured to select in accordance with an operating state of the DC voltage converter.
前記制御回路は、前記第3の動作モードでは、前記一方の補助スイッチング素子と、当該一方の補助スイッチング素子に対応する一方のメインスイッチングとをオフに固定した上で、他方のメインスイッチング素子を前記デューティ比に従って周期的にオンオフさせる、請求項1記載の直流電圧コンバータ。 The mode selection unit is configured to select one operation mode according to the operation state from the first and second operation modes and the third operation mode,
In the third operation mode, the control circuit fixes the one auxiliary switching element and one main switching corresponding to the one auxiliary switching element to be off, and sets the other main switching element to the The DC voltage converter according to claim 1, wherein the DC voltage converter is periodically turned on and off according to a duty ratio.
前記モード選択部は、前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の前記デューティ比の両方が第1の判定値より低い場合には前記第1の動作モードを選択する一方で、前記第1または前記第2のメインスイッチング素子の前記デューティ比が前記第1の判定値より高い場合には、前記第2の動作モードを選択する、請求項1記載の直流電圧コンバータ。 The control circuit further includes a duty control unit configured to control the duty ratio based on at least a voltage of the power supply wiring,
The mode selection unit selects the first operation mode when both of the duty ratios of the first and second main switching elements are lower than a first determination value. The DC voltage converter according to claim 1, wherein the second operation mode is selected when the duty ratio of the second main switching element is higher than the first determination value.
前記モード選択部は、前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の前記デューティ比の両方が第1の判定値より低い場合には前記第1の動作モードを選択するとともに、前記第1または前記第2のメインスイッチング素子のデューティ比が、前記第1の判定値よりも高く設定された第2の判定値よりも高い場合には前記第3の動作モードを選択し、かつ、前記第1または前記第2のメインスイッチング素子のデューティ比が、前記第1の判定値および前記第2の判定値の間であるときには前記第2の動作モードを選択するように構成される、請求項2記載の直流電圧コンバータ。 The control circuit further includes a duty control unit configured to control the duty ratio based on at least a voltage of the power supply wiring,
The mode selection unit selects the first operation mode when both of the duty ratios of the first and second main switching elements are lower than a first determination value, and the first or the When the duty ratio of the second main switching element is higher than the second determination value set higher than the first determination value, the third operation mode is selected, and the first or The second operation mode according to claim 2, wherein the second operation mode is selected when a duty ratio of the second main switching element is between the first determination value and the second determination value. DC voltage converter.
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
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| US9374022B2 (en) | 2011-10-07 | 2016-06-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control apparatus and control method for voltage conversion apparatus |
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