CN100566102C - Dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能消除由电压变换用变压器的饱和可能引起的变换效率的下降，并实现电压变换用变压器的小型化，同时能抑制开关损耗以提高变换效率的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)使一对开关单元(2-1、2-2)交替接通/断开时，通过变压器(1)在二次侧取得输出。电流检测用变流器(5)、电流值确定部(6)以及电流值比较部(7)对由LC谐振电路(3)的动作所产生的谐振电流值的每半周期的差异进行检测。根据该检测结果，驱动单元(4)自动调整开关单元(2-1、2-2)的接通占空比，以使每半周期的谐振电流值一致。

Description

DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器，特别是涉及可抑制电压变换用变压器的磁饱和、并实现变压器的小型化、同时可抑制开关损耗以提高变换效率的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的一次侧设置有由例如4个开关元件的桥接结构构成的一对开关单元2-1、2-2，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、平滑单元，但未作图示。
当使用驱动单元4以谐振电路3的谐振频率对一对开关单元2-1、2-2交替进行接通/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 f = 1 / 2 π LC 表示，例如当L＝130μH，C＝0.47μF时，得到
Figure C20048003628000042
实际上，对于构成DC-DC变换器的谐振电路3的扼流圈和电容器等元件，元件常数(电感、电容)有偏差，并且，元件常数经年变化，而且依照温度特性随着周围温度而变化。当伴随该偏差或变化，一对开关单元2-1、2-2的接通/断开驱动频率和谐振电路3的谐振频率之间发生偏差时，开关损耗增大，不能取得充分性能。
在下述专利文献1中提出，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，由此消除开关单元的驱动频率和谐振电路的谐振频率之间的偏差。
专利文献1：日本特开2002-58240号公报
发明内容
根据上述专利文献1，可消除开关单元的驱动频率和谐振电路的谐振频率之间的偏差。然而，DC-DC变换器如图4所示，一般构成为对由半导体开关元件所构成的一对开关单元进行交替接通/断开驱动的桥接型或半桥接型，在这种DC-DC变换器中，存在以下情况：由于半导体开关元件的偏差或由电路布线的处理所产生的电感等而使谐振电流值发生每半周期的差异。
图5是对一对开关单元2-1、2-2进行交替接通/断开驱动时流动的电流的波形图，该图(a)是在开关单元2-1接通时流动的电流值(电流值1)和在开关单元2-2接通时流动的电流值(电流值2)相等的情况，该图(b)是电流值1小于电流值2的情况，该图(c)是电流值1大于电流值2的情况。
当谐振电流值发生每半周期的差异时，有时由于因该差异引起的直流偏移而使电压变换用变压器发生饱和，使变换效率下降。为了消除因该直流偏移可能导致的变换效率下降，需要使变压器大型化来增大其容量。
并且，由于谐振电流的直流偏移，使得在非常接近谐振电流的零交叉点的时刻维持开关单元的开关定时变得困难，难以避免开关损耗的增大。
本发明的目的是解决上述课题，提供可消除由电压变换用变压器的饱和可能引起的变换效率的下降，并可实现电压变换用变压器的小型化，而且可在谐振电流的零交叉点附近维持开关单元的开关定时来抑制开关损耗的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；一对开关单元，其插入在前述一次侧端子和前述一次侧绕组之间，由桥接的4个开关元件构成；LC谐振电路，其由串联连接在所述二次侧端子和所述二次侧绕组之间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，其使前述一对开关单元交替接通/断开；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进行检测的谐振电流检测单元，以及把前述谐振电流检测单元的检测输出反馈到前述驱动单元的单元；前述驱动单元根据前述谐振电流检测单元的检测输出，校正接通时间来驱动前述一对开关单元，以使前述一对开关单元接通时的谐振电流相互相等。
并且，本发明在如下方面具有第2特征，即：把前述谐振电流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；低压侧的一对开关单元，其插入在前述低压侧端子和前述低压侧绕组之间，由桥接的4个开关元件构成；高压侧的一对开关单元，其插入在前述高压侧端子和前述高压侧绕组之间，由桥接的4个开关元件构成；多个低压侧整流元件，其分别与前述低压侧的一对开关单元的各开关元件并联连接；多个高压侧整流元件，其分别与前述高压侧的一对开关单元的各开关元件并联连接；以及驱动单元，其对前述低压侧的一对开关单元的开关元件和前述高压侧的一对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，设置有LC谐振电路，该LC谐振电路由串联连接在所述高压侧端子和所述高压侧绕组之间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；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进行检测的谐振电流检测单元，以及把前述谐振电流检测单元的检测输出反馈到前述驱动单元的单元；前述驱动单元根据前述谐振电流检测单元的检测输出，校正接通时间来驱动前述低压侧的一对开关单元或者前述高压侧的一对开关单元，以使前述低压侧的一对开关单元或者前述高压侧的一对开关单元接通时的谐振电流值相互相等。
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的一对开关单元之间。
而且，本发明在如下方面具有第5特征，即：前述低压侧的一对开关单元和前述高压侧的一对开关单元全都是将4个开关元件桥接而成的。
根据本发明的第1特征，由于可使流入一对开关单元的谐振电流值总是维持大致相同，因而可防止发生直流偏移。结果，由于可消除电压变换用变压器可能发生的饱和，因而可使用小型变压器进行效率良好的变换。并且，由于可在谐振电流的零交叉点附近维持开关单元的开关定时，因而可抑制开关损耗。而且，即使半导体开关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，也能把流入一对开关单元的谐振电流值自动调整为大致相同，因而电路和元件的设计变得容易。
并且，根据第2特征，由于可共用谐振电流检测单元和驱动单元的电压基准线，因而无需谐振电流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，可消除由该情况下的直流偏移可能引起的变换效率的下降。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，因而可在谐振电流的零交叉点附近设定开关元件的断开定时。因此，可进行在零交叉点附近的开关，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加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；2-1、2-2、10-1、10-2：开关单元；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：电流值确定部；7：电流值比较部；8-1、8-2：低压侧端子；9-1、9-2：高压侧端子；11、12：平滑电容器；13：发电机；14：电池；15：驱动用逆变器(整流电路)；16：调节器；17：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，具有对由谐振电路3的动作所产生的谐振电流进行检测的谐振电流检测单元，并把由该单元所检测的谐振电流值反馈到驱动单元4。谐振电流检测单元由以下部分构成：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过的线路上；电流值确定部6，其对所检测的谐振电流值进行确定；以及电流值比较部7，其把所确定的谐振电流值与阈值进行比较，并把该结果反馈到驱动单元4。
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一对开关单元2-1、2-2进行交替接通/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对流入变压器1的一次侧绕组的谐振电流进行检测，电流值确定部6对谐振电流检测用变流器5所检测的谐振电流的每半周期的值进行确定，电流值比较部7把所确定的每半周期的谐振电流值与恒定阈值进行比较。电流值比较部7的比较结果被反馈到驱动单元4。
驱动单元4根据电流值比较部7的比较结果对一对开关单元2-1、2-2进行交替接通/断开驱动。例如，如图5(a)所示，在开关单元2-1接通时流动的电流值(电流值1)和在开关单元2-2接通时流动的电流值(电流值2)相等的情况下，按照原样进行接通/断开驱动，然而如图5(b)所示，在电流值1小于电流值2的情况下，增加开关单元2-1的接通占空比(on duty)，减少开关单元2-2的接通占空比。并且，如该图(c)所示，在电流值1大于电流值2的情况下，减少开关单元2-1的接通占空比，增加开关单元2-2的接通占空比。
这样，在一对开关单元2-1、2-2接替接通时流动的电流值被自动调整成大致相等。因此，即使构成开关单元2-1、2-2的开关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，也能抑制谐振电流的每半周期的差异。
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。本实施方式是作为以下的双向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8-1、8-2连接的直流电源和与高压侧端子9-1、9-2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8-1、8-2侧称为一次侧，把高压侧端子9-1、9-2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。低压侧的一对开关单元2-1、2-2被插入在低压侧端子8-1、8-2和低压侧绕组1-1之间，高压侧的一对开关单元10-1、10-2被插入在高压侧端子9-1、9-2和高压侧绕组1-2之间。
一对开关单元2-1、2-2可将FET等的4个开关元件(以下记为FET)桥接而成，一对开关单元10-1、10-2也可将4个FET桥接而成。
构成开关单元2-1、2-2、10-1、10-2的FET的各方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，则一对开关单元2-1、2-2和一对开关单元10-1、10-2分别可认为是开关/整流部。
在高压侧端子9-1、9-2和高压侧绕组1-2之间插入有LC谐振电路3。开关单元2-1、2-2、10-1、10-2的FET利用由CPU等构成的控制电路4进行接通/断开驱动。另外，在低压侧端子8-1、8-2之间、以及在高压侧端子9-1、9-2之间所连接的电容器11、12是输出平滑用电容器。
在变压器1的低压侧绕组1-1和一对开关单元2-1、2-2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电流值确定部6来确定电流值，并且所确定的电流值被提供给电流值比较部7，以与恒定阈值进行比较。
由CPU等构成的控制电路4根据电流值比较部7的比较结果，对低压侧的一对开关单元2-1、2-2的FET和高压侧的一对开关单元10-1、10-2的FET进行接通/断开驱动。另外，电流值确定部6和电流值比较部7也能作为控制电路4的一部分由软件构成，电流值可通过判断例如在谐振电流波形的峰值位置等的特定位置的大小来确定。
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，使低压侧的一对开关单元2-1、2-2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被输入到高压侧的一对开关单元10-1、10-2，由与其FET并联连接的整流元件整流，由平滑电容器12平滑后输出。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，利用通过电流检测用变流器5、电流值确定部6以及电流值比较部7的反馈功能，把在开关单元2-1、2-2交替接通时流动的每半周期的电流值自动调整成彼此相同的值。
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互换电力的情况也是一样的。在该情况下，根据变压器绕组比所产生的一次侧和二次侧的相对电压差进行电力互换。
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13的直流电源和电池14互换电力，以把电力供给到负载的系统的示例。发电机13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，利用通过电流检测用变流器5、电流值确定部6以及电流值比较部7的反馈功能，把在一对开关单元交替接通时流动的每半周期的电流值自动调整成彼此相同的值。首先，在发动机起动时，使双向DC-DC变换器100的低压侧的一对开关单元交替接通，把由此升压的电池14的DC电压施加给驱动用逆变器(整流电路)15。驱动用逆变器15把所施加的DC电压变换成三相AC电压来施加给发电机13，使发电机13作为发动机起动用电动机来起动。
当发动机起动时，发电机13由发动机驱动，驱动用逆变器15的开关动作停止。发电机13的输出由整流电路(驱动用逆变器)15整流，由调节器16调整，并由逆变器17变换成规定频率的交流功率来提供给负载。
当电池14的电压下降时，只要使双向DC-DC变换器100的高压侧的一对开关单元交替接通，就能使整流电路15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14充电。
当发电机13由发动机驱动时，也能完全同步驱动双向DC-DC变换器100的低压侧的一对开关单元和高压侧的一对开关单元。这样，可在整流电路(驱动用逆变器)15侧和电池14侧，根据变压器绕组比所产生的一次侧和二次侧的相对电压差，自动进行电力互换。
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动的线路上，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 (3)

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；一对开关单元，其插入在前述一次侧端子和前述一次侧绕组之间，由桥接的4个开关元件构成；LC谐振电路，其由串联连接在所述二次侧端子和所述二次侧绕组之间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，其使前述一对开关单元交替接通/断开；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进行检测的谐振电流检测单元，以及把前述谐振电流检测单元的检测输出反馈到前述驱动单元的单元；
前述驱动单元根据前述谐振电流检测单元的检测输出，校正接通时间来驱动前述一对开关单元，以使前述一对开关单元接通时的谐振电流相互相等。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，把前述谐振电流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；低压侧的一对开关单元，其插入在前述低压侧端子和前述低压侧绕组之间，由桥接的4个开关元件构成；高压侧的一对开关单元，其插入在前述高压侧端子和前述高压侧绕组之间，由桥接的4个开关元件构成；多个低压侧整流元件，其分别与前述低压侧的一对开关单元的各开关元件并联连接；多个高压侧整流元件，其分别与前述高压侧的一对开关单元的各开关元件并联连接；以及驱动单元，其对前述低压侧的一对开关单元的开关元件和前述高压侧的一对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变换器设置有LC谐振电路，该LC谐振电路由串联连接在所述高压侧端子和所述高压侧绕组之间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；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进行检测的谐振电流检测单元，以及把前述谐振电流检测单元的检测输出反馈到前述驱动单元的单元；
前述驱动单元根据前述谐振电流检测单元的检测输出，校正接通时间来驱动前述低压侧的一对开关单元或者前述高压侧的一对开关单元，以使前述低压侧的一对开关单元或者前述高压侧的一对开关单元接通时的谐振电流值相互相等。
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