CN100499334C - Dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可使用简单结构抑制开关损耗并提高变换效率的DC-DC变换器。在变压器(1)的二次侧插入有LC谐振电路(3)。当使用驱动单元(4)对开关单元(2)进行接通/断开驱动时，通过变压器(1)在二次侧取得输出。由电流检测用变流器(5)和频率确定部(6)构成的谐振电流频率检测单元对由LC谐振电路(3)的动作所产生的谐振电流的频率进行检测。该频率被反馈到驱动单元(4)。其结果，驱动单元(4)以与LC谐振电路(3)的谐振频率一致的频率对开关单元(2)进行接通/断开驱动。

Description

DC—DC变换器
技术领域
本发明涉及DC—DC变换器，特别是涉及可抑制开关损耗并提高变换效率的DC—DC变换器。
背景技术
电流谐振方式的DC—DC变换器具有与开关单元串联连接的谐振电路，以谐振电路的谐振频率对开关单元进行接通/断开驱动。图4是示出DC—DC变换器的原理的图。在变压器1的一次侧设置有采用例如由4个开关元件的桥接结构构成的开关单元2，在二次侧设置有谐振电路3。谐振电路3由谐振用扼流圈(电抗器)和谐振用电容器构成。另外，在二次侧还设置有整流和平滑单元，但未作图示。
当使用驱动单元4以谐振电路3的谐振频率对开关单元2进行接通/断开驱动时，以依照该接通/断开驱动频率的频率，通过变压器1进行升压或降压。
当把谐振电路3中的扼流圈的电感设定为L，并把电容器的电容设定为C时，此时的谐振电路3的谐振频率f由
Figure C200480035969D0004114622QIETU
表示，例如当L＝130μH，C＝0.47μF时，得到
Figure C200480035969D0004114631QIETU
。
图5(a)是当开关单元2以与谐振电路3的谐振频率相同的频率进行接通/断开驱动时流过的电流的波形图，在电流为零的时刻使开关单元2接通/断开。
然而，对于构成谐振电路3的扼流圈和电容器等的元件，元件常数(电感、电容)有偏差，并且，元件常数经年变化，而且根据温度特性随着周围温度而变化。伴随该变化，开关单元2的接通/断开驱动频率和谐振电路3的谐振频率产生偏差。该偏差也由于由电路布线的处理所产生的电感等而发生。
图5(b)、(c)分别示出与开关单元2的开关周期相比，谐振电路3的谐振周期T(T＝1/f)延长的情况和缩短的情况的电流波形。从该图可以看出，当开关单元2的接通/断开驱动频率和谐振电路3的谐振频率产生偏差时，在谐振电流的零交叉附近不能进行开关单元的接通/断开切换，因而开关损耗增大，不能取得充分性能。
在下述专利文献1中揭示了用于消除开关单元的驱动频率和谐振电路的谐振频率的偏差的技术。该文献所揭示的技术是，根据输入电压和输出电流算出谐振电流流入开关单元的时间，在从开关单元的接通时刻起的经过时间达到所算出的时间的时刻，把开关单元切换到断开。
专利文献1：日本特开2002—58240号公报
发明内容
然而，如上述专利文献1所揭示的那样，对于以下结构，即：检测输入电压和输出电流或者流入谐振用电抗器的电流，据此算出谐振电流不流入开关单元的时刻，以及在该时刻把开关单元从接通切换到断开，具有的课题是，需要准确检测开关单元的接通时刻和从接通时刻起的经过时间，用于实现这一点的结构变得复杂。
并且，在上述专利文献1中还揭示了以下结构，即：检测流入谐振用电抗器的谐振电流，使用所检测的谐振电流来求出谐振电流不流入开关单元的时刻，在所求出的时刻把开关单元从接通切换到断开，然而在这种结构中，也具有与上述相同的课题。
本发明的目的是解决上述课题，提供可使用简单结构抑制开关损耗并提高变换效率的DC—DC变换器。
为了解决上述课题，本发明在如下方面具有第1特征，即：一种DC—DC变换器，具有：一次侧端子；二次侧端子；变压器，其具有一次侧绕组和二次侧绕组，决定电压变换比；开关单元，其插入在前述一次侧端子和前述一次侧绕组之间；LC谐振电路，其由与前述开关单元串联连接的谐振用电抗器和与该谐振用电抗器谐振的谐振用电容器构成；以及驱动单元，其对前述开关单元进行接通/断开驱动；在该DC—DC变换器中，设置有：对由前述LC谐振电路的动作所产生的谐振电流的频率进行检测的谐振频率检测单元，以及把由前述谐振频率检测单元所检测的频率反馈到前述驱动单元的单元；前述驱动单元根据前述谐振频率检测单元所检测的频率，以前述LC谐振电路的谐振频率对前述开关单元进行接通/断开驱动。
并且，本发明在如下方面具有第2特征，即：把前述谐振频率检测单元设置在前述变压器的一次侧。
并且，本发明在如下方面具有第3特征，即：一种DC—DC变换器，是双向DC—DC变换器，具有：低压侧端子；高压侧端子；变压器，其具有低压侧绕组和高压侧绕组，决定电压变换比；低压侧开关单元，其插入在前述低压侧端子和前述低压侧绕组之间；高压侧开关单元，其插入在前述高压侧端子和前述高压侧绕组之间；多个低压侧整流元件，它们分别与前述低压侧开关单元的各开关元件并联连接；多个高压侧整流元件，它们分别与前述高压侧开关单元的各开关元件并联连接；以及驱动单元，其对前述低压侧开关单元的开关元件和前述高压侧开关单元的开关元件进行接通/断开驱动；在该DC—DC变换器中，在前述高压侧绕组和前述高压侧开关单元之间、或者在前述低压侧绕组和前述低压侧开关单元之间设置LC谐振电路；并且设置有：对由前述LC谐振电路的动作所产生的谐振电流的频率进行检测的谐振频率检测单元，以及把由前述谐振频率检测单元所检测的频率反馈到前述驱动单元的单元；前述驱动单元根据前述谐振频率检测单元所检测的频率，以前述LC谐振电路的谐振频率对前述开关单元进行接通/断开驱动。
并且，本发明在如下方面具有第4特征，即：把前述LC谐振电路设置在前述高压侧绕组和前述高压侧开关单元之间。
而且，本发明在如下方面具有第5特征，即：前述低压侧开关单元和前述高压侧开关单元全都是将4个开关元件桥接而成的。
根据本发明的第1特征，可使用简单结构将开关单元的驱动频率和谐振电路的谐振频率始终维持相同，可抑制开关损耗，并提高变换效率。并且，即使构成谐振电路的电路元件的元件常数在制造阶段有偏差，或者在装入到DC—DC变换器后该元件常数发生经年变化或基于周围温度的变化等，开关单元的驱动频率也能被自动调整成与谐振电路的谐振频率一致，因而电路和元件的设计变得容易。
并且，根据第2特征，由于在谐振频率检测单元和驱动单元中可共用电压基准线，因而不需要谐振频率检测单元和驱动单元之间的绝缘。
并且，根据第3特征，通过使低压侧开关单元和高压侧开关单元按同一驱动定时进行动作，可进行双向互换电力的变换，可使用简单结构抑制该情况的开关损耗。并且，由于由开关单元的开关所产生的电流波形在LC谐振电路中呈正弦波状，并且开关单元的驱动频率被自动调整成与LC谐振电路的谐振频率一致，因而可在非常接近谐振电流的零交叉点的时刻维持开关元件的断开定时。这样，可大幅抑制开关损耗。
并且，根据第4特征，由于设置有LC谐振电路的高压侧的电流值小，因而可抑制LC谐振电路中的损耗。
而且，根据第5特征，由于高压侧和低压侧的开关单元和整流元件构成所谓的桥接型单相逆变器，因而可使变压器的结构简化。并且，由于无需伴随变压器的传送延迟等而增大开关元件的短路防止空载时间，或者缩短开关元件的驱动时间，因而可提高变换效率。
附图说明
图1是示出本发明的DC—DC变换器的原理的电路图。
图2是示出本发明的DC—DC变换器的实施方式的具体电路图。
图3是示出本发明的应用例的电路图。
图4是示出DC—DC变换器的原理的图。
图5是示出DC—DC变换器的动作的电流波形图。
符号说明
1：变压器；1—1：低压侧绕组；1—2：高压侧绕组；2、9：开关单元；2—1～2—4、9—1～9—4：FET；3：LC谐振电路；4：驱动单元(控制电路)；5：谐振电流检测用变流器；6：频率确定部；7—1、7—2：低压侧端子；8—1、8—2：高压侧端子；10、11：平滑电容器；12：发电机；13：电池；14：驱动用逆变器(整流电路)；15：调节器；16：逆变器；100：双向DC—DC变换器。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明进行说明。图1是示出本发明的DC—DC变换器的原理的电路图。以下与图4相同或同等部分由相同符号表示。图1与图4的不同点是，设置对由谐振电路3的动作所产生的谐振电流的频率进行检测的谐振电流频率检测单元，并把由该单元所检测的频率反馈到驱动单元4。谐振电流频率检测单元由以下部分构成，即：谐振电流检测用变流器5，其配置在例如变压器1的一次侧的谐振电流流动的线路上；以及频率确定部6，其对由该谐振电流检测用变流器5所检测的谐振电流的频率进行确定。
下面，对图1的动作进行说明。驱动单元4首先以根据谐振电路3的电路元件的元件常数所设定的谐振频率对开关元件2进行接通/断开驱动。从而进行从变压器1的一次侧到二次侧的DC—DC变换。
谐振电流检测用变流器5把流入变压器1的一次侧绕组的电流作为电压值来检测，频率确定部6通过由所检测的电压值的变化算出频率来确定电流的频率。由频率确定部6所确定的频率被反馈到驱动单元4。
驱动单元4根据频率确定部6所确定的频率使开关单元2接通/断开。这样，开关单元2以与频率确定部6所确定的实际谐振电流的频率，即谐振电路3的当前实际谐振频率一致的频率来接通/断开。因此，即使构成谐振电路3的电路元件的元件常数在制造阶段有偏差，或者在装入到DC—DC变换器后该元件常数发生经年变化或基于周围温度的变化，也能抑制开关单元2的接通/断开频率和谐振电路3的谐振频率之间的偏差。
图2是示出本发明的DC—DC变换器的实施方式的具体电路图。本实施方式是作为一种双向DC—DC变换器而构成的示例，该双向DC—DC变换器在与低压侧端子7—1、7—2连接的直流电源和与高压侧端子8—1、8—2连接的直流电源之间通过变压器1双向互换电力。以下，有时把低压侧端子7—1、7—2侧称为一次侧，把高压侧端子8—1、8—2侧称为二次侧。
变压器1包含一次侧的低压侧绕组1—1和二次侧的高压侧绕组1—2。该双向DC—DC变换器的升压比根据低压侧绕组1—1和高压侧绕组1—2的绕组比来决定。低压侧开关单元2被插入在低压侧端子7—1、7—2和低压侧绕组1—1之间，高压侧开关单元9被插入在高压侧端子8—1、8—2和高压侧绕组1—2之间。
低压侧开关单元2可由FET等的4个开关元件(以下记为FET)2—1～2—4桥接而成，高压侧开关单元9也可由4个FET 9—1～9—4桥接而成。
FET 2—1～2—4、9—1～9—4分别与二极管等整流元件并联连接。这些整流元件可以是FET的寄生二极管，也可以是另行连接的面接合型二极管。如果加上并联连接的整流元件，则低压侧开关单元2和高压侧开关单元9各自可认为是开关/整流部。
在高压侧端子8—1、8—2和高压侧绕组1—2之间插入有LC谐振电路3。低压侧开关单元2的FET 2—1～2—4和高压侧开关单元9的FET9—1～9—4由CPU等所构成的控制电路4接通/断开。另外，在低压侧端子7—1、7—2之间、以及在高压侧端子8—1、8—2之间所连接的电容器10、11是输出平滑用电容器。
在变压器1的低压侧绕组1—1和低压侧开关单元2之间插入有谐振电流检测用变流器5，由此产生的检测输出被提供给频率确定部6。电流检测用变流器5和频率确定部6构成谐振电流频率检测单元。
由CPU等构成的控制电路4根据频率确定部6所确定的频率，使低压侧开关单元2的FET 2—1～2—4和高压侧开关单元9的FET 9—1～9—4接通/断开。另外，频率确定部6也能作为控制电路4的一部分由软件构成，频率可通过判断例如谐振电流波形的峰值位置等的特定位置的偏差来确定。
对图2的动作概略进行说明。首先，在把电力从一次侧(图的左侧)供给到二次侧(图的右侧)的情况下，使低压侧开关单元2的FET 2—1、2—4对和FET 2—2、2—3对交替接通/断开。伴随该接通/断开的电流流入变压器1的低压侧绕组1—1。
由高压侧绕组1—2所感应的电流通过LC谐振电路3被输入到高压侧开关单元9，由与FET 9—1～9—4并联连接的整流元件整流，由平滑电容器11平滑而被输出。此时流入一次侧和二次侧的电流由于LC谐振电路3的存在而呈正弦波状。
并且，利用由电流检测用变流器5和频率确定部6构成的谐振电流频率检测单元的反馈功能，使低压侧开关单元2的FET 2—1～2—4以与LC谐振电路3的当前实际谐振频率一致的频率接通/断开。
以上是把电力从一次侧供给到二次侧的情况的动作，然而把电力从二次侧供给到一次侧的情况也是一样的。并且，使一次侧和二次侧完全同步地、即用同一驱动信号驱动一次侧和二次侧来相互自动地互换电力的情况也是一样的。在该情况下，利用由变压器绕组比所产生的一次侧和二次侧的相对电压差来进行电力互换。
图3是示出本发明的应用例的电路图。本例是把图2的双向DC—DC变换器应用于使用包含发电机12的直流电源和电池13互换电力来把电力提供给负载的系统的示例。发电机12是例如发动机驱动式的三相多极永磁发电机。
在本应用例中，由于双向DC—DC变换器的开关单元利用由电流检测用变流器5和频率确定部6构成的谐振电流频率检测单元的反馈功能，以与LC谐振电路的当前实际谐振频率一致的频率进行接通/断开驱动，因而可提高变换效率。
首先，在发动机起动时，驱动双向DC—DC变换器100的低压侧开关单元，把由此升压的电池13的DC电压施加给驱动用逆变器(整流电路)14。驱动用逆变器14把所施加的DC电压变换成三相AC电压来施加给发电机12，使发电机12作为发动机起动用电动机来起动。
当发动机起动时，发电机12由发动机驱动，使驱动用逆变器14的开关动作停止。发电机12的输出由整流电路(驱动用逆变器)14整流，由调节器15调整，并由逆变器16变换成规定频率的交流电力来提供给负载。
当电池13的电压下降时，只要驱动双向DC—DC变换器100的高压侧开关单元，就能使整流电路14的输出通过双向DC—DC变换器100降压，并以降压后的电压给电池13充电。
当发电机12由发动机驱动时，也能完全同步地驱动双向DC—DC变换器100的低压侧开关单元和高压侧开关单元。这样，可在整流电路(驱动用逆变器)14侧和电池13侧，利用由变压器绕组比所引起的一次侧和二次侧的相对电压差自动进行电力互换。并且，在该情况下，由于没有由二极管产生的正方向电压降(约0.7V)所带来的损耗，而仅是开关单元的接通电阻的损耗，因而可显著提高低压侧的效率。
另外，本应用例是在由发动机驱动式发电机构成的直流电源和电池之间互换电力的示例，然而不限于此，也能应用于使用电池、通常的发电机、太阳光发电、风力发电、燃料电池等适当的直流电源系统互换电力的情况，例如，也能应用于使用混合型车辆等中的行驶电力系统和保安电装系统进行电力互换的情况。
以上，对实施方式作了说明，然而本发明可进行各种变形。例如，即使取代谐振电流检测用变流器而把电阻插入到谐振电流流过的线路上，也能检测谐振电流。并且，电流检测用变流器和电阻等也能设置在二次侧而取代一次侧，LC谐振电路也能设置在一次侧而不是二次侧。

Claims (5)

1.一种DC—DC变换器，具有：一次侧端子；二次侧端子；变压器，其具有一次侧绕组和二次侧绕组，决定电压变换比；开关单元，其插入在前述一次侧端子和前述一次侧绕组之间；LC谐振电路，其由与前述开关单元串联连接的谐振用电抗器和与该谐振用电抗器谐振的谐振用电容器构成；以及驱动单元，其对前述开关单元进行接通/断开驱动；其特征在于，
该DC—DC变换器设置有：对由前述LC谐振电路的动作所产生的谐振电流的频率进行检测的谐振频率检测单元，以及把由前述谐振频率检测单元所检测的频率反馈到前述驱动单元的单元；
前述驱动单元根据前述谐振频率检测单元所检测的频率，以前述LC谐振电路的谐振频率对前述开关单元进行接通/断开驱动。
2.根据权利要求1所述的DC—DC变换器，其特征在于，把前述谐振频率检测单元设置在前述变压器的一次侧。
3.一种DC—DC变换器，是双向DC—DC变换器，具有：低压侧端子；高压侧端子；变压器，其具有低压侧绕组和高压侧绕组，决定电压变换比；低压侧开关单元，其插入在前述低压侧端子和前述低压侧绕组之间；高压侧开关单元，其插入在前述高压侧端子和前述高压侧绕组之间；多个低压侧整流元件，它们分别与前述低压侧开关单元的各开关元件并联连接；多个高压侧整流元件，它们分别与前述高压侧开关单元的各开关元件并联连接；以及驱动单元，其对前述低压侧开关单元的开关元件和前述高压侧开关单元的开关元件进行接通/断开驱动；其特征在于，
该DC—DC变换器在前述高压侧绕组和前述高压侧开关单元之间、或者在前述低压侧绕组和前述低压侧开关单元之间设置LC谐振电路；并且
设置有：对由前述LC谐振电路的动作所产生的谐振电流的频率进行检测的谐振频率检测单元，以及把由前述谐振频率检测单元所检测的频率反馈到前述驱动单元的单元；
前述驱动单元根据由前述谐振频率检测单元所检测的频率，以前述LC谐振电路的谐振频率对前述开关单元进行接通/断开驱动。
4.根据权利要求3所述的DC—DC变换器，其特征在于，把前述LC谐振电路设置在前述高压侧绕组和前述高压侧开关单元之间。
5.根据权利要求3所述的DC—DC变换器，其特征在于，前述低压侧开关单元和前述高压侧开关单元全都是将4个开关元件桥接而成的。
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