CN101147312A - 直流-直流转换器系统 - Google Patents

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Abstract

提供了DC－DC转换器系统以改进电池充电DC－DC转换器(3)在过热温度状态中的开关控制操作而不需将控制单元(4)复杂化。当DC－DC转换器(3)的温度处于在操作停止温度附近的过热温度状态时，控制单元(4)进行输出电压限制和输出电流限制。以此能力可限制输出电流和输出电压，且因此可以抑制DC－DC转换器(3)的电力开关设备(32)的过热。

Description

直流-直流转换器系统
技术领域
本发明涉及DC-DC转换器系统，该转换器系统通过由开关内置电力开关设备转换来从直流电源向电负荷系统供给输出。
本申请基于2005年3月24日提交的日本专利申请No2005-87004并通过参考将其合并。
背景技术
对于混合动力车辆和怠速停止车辆的车用电源系统，建议了双电池型车用电源系统。在此单元中，两个具有不同供给电压的电池用于车用电源系统。进一步地，几十或几百伏的高压电池向大的电力负荷供电，而超过十伏的低压电池，例如铅电池向低的电力负荷供电。高压电池由高压发电设备充电。低压电池或连接到它的低压负荷以高压电池或发电设备通过DC-DC转换器供电。
DC-DC转换器进行内置电力开关设备的反馈控制，使得电力开关设备的输出电压收敛于预先确定的目标值，以向此负荷系统以适合于对低压电池充电的负荷系统的电源电压供电。
在此类的DC-DC转换器中，内置电力开关设备的温度管理是特别地重要的。当电力开关设备的温度达到预先确定的操作停止温度时，电力开关设备的操作被停止。
然而，电力开关设备的突然停止可能导致对电源系统的有害影响。为此原因，JP-8-84438A中建议，当电力开关设备的温度进入到此操作停止温度附近的过热温度状态时，限制DC-DC转换器的输出电流，使得抑制了电力开关设备的过热，且将电力开关设备的温度上升限制到不高于操作停止温度。此过热抑制型DC-DC转换器是电流限制型DC-DC转换器。
常规电流限制型DC-DC转换器系统的输出电流限制系统在图4中示出。在此图中，数字100指示了正常(非过热-时间)限制电流值，线101-103分别指示了具有三个状态的过热-时间限制电流值：温度低于T1的正常(非过热)温度状态、温度从T1至T2的过热温度状态和高于T2的停止温度状态。线101示出了其中输出电流随温度升高线性降低的情况，线102示出了其中输出电流随温度升高分阶段降低的情况，且线103示出了其中输出电流随温度升高曲线降低的情况。
使用以上的限制电流型DC-DC转换器系统，在过热温度状态输出电流受到限制，使得电力开关设备可以被限制而不达到停止温度。因此，可以实现从电源向电压相对低的电池的稳定电力供给。
然而，即使在限制电流型DC-DC转换器系统中，当来自负荷系统的电力需求大时，DC-DC转换器的输出电流必需在过热温度状态内保持在限制值(线101、102、103）。作为结果，过热抑制不能获得到满意的程度。
此外，在其中以上取决于温度用于限制输出电流的控制系统错误地操作的情况中，电力开关设备的温度倾向于超过操作停止温度。
发明内容
因此本发明的目的是提供具有对其电力开关设备的改进的过热抑制功能而不使得电路构造复杂的DC-DC转换器系统。
根据本发明的第一方面，在DC-DC转换器系统中，在过热温度状态时，控制单元限制了电力开关设备，使得DC-DC转换器的输出电流不超过预先确定的低于正常限制电流值的过热-时间限制电流值，该正常限制电流值等于在正常温度状态时的最大可允许电流值，且使得DC-DC转换器的输出电流不超过预先确定的低于正常限制电压值的过热-时间限制电压值，该正常限制电压值等于在正常温度状态时的最大可允许电压值，且设定在等于或高于电负荷系统所要求的最小要求电压值的范围内。
即DC-DC转换器系统在操作停止温度附近的过热温度状态中限制了输出电压作为对常规的输出电流限制的补充。作为结果，与其中仅简单地限制输出电流的情况相比，DC-DC转换器系统在过热温度状态中可以降低不依赖于电流的变压器和扼流线圈的铁损以及电力开关设备的损失。
在任何DC-DC转换器系统中，输出电压明确地设计为设定到具有一些裕量的高于最小要求电压的电压，以充分地对低电压电池充电。因此，即使当DC-DC转换器的输出电压值降低到刚好高于使得负荷系统的必需操作变成不可能的电压值时，负荷系统的操作可以保证的。
因此，当在高于负荷系统操作所要求的最小电压值的电压范围内DC-DC转换器的温度升高到停止温度附近时，作为控制降低输出电流的补充，DC-DC转换器系统进行了降低DC-DC转换器输出电压的控制。通过此控制， 因为降低输出电压和降低输出电流的协同效果，DC-DC转换器的电力开关设备的功率损失和变压器和扼流线圈的铁损可以比常规的电流限制型DC-DC转换器系统更显著地降低。因此，可以通过抑制电力开关设备的过热防止DC-DC转换器的操作停止。
而且，因为除了常规输出电流限制系统以外DC-DC转换器具有在过热温度状态可操作的输出电压限制系统，所以即使当两个限制系统之一故障时，另一个限制系统也存在。因此，DC-DC转换器可以确定地抑制由于在过热温度状态中的错误操作而由输出限制的故障引起的电力开关设备的过热的发展。
另外，DC-DC转换器系统具有的优点是输出电压限制系统几乎在电路构造内不要求另外的零件，原因是在正常温度状态时具有输出电压恒定控制系统，且因此不导致电路构造的复杂化和成本的增加。
在优选实施例中，在温度在过热温度状态时升高时，控制单元逐步或连续地降低了过热-时间限制电流值和过热-时间限制电压值。通过此操作，可以在过热温度状态时平滑地控制电力开关设备的生热。
在优选的实施例中，在负荷系统处于过热温度状态时，控制单元将过热-温度限制电压值设定到等于或高于电池的开路电压值。通过此设定，即使在过热温度状态时也不允许负荷系统的电池在DC-DC转换器系统内放电。因此，在过热温度状态时平滑地操作负荷系统变成可能。另外，在此情况中，当DC-DC转换器的温度超过停止温度时，DC-DC转换器系统将停止，且负荷系统将可以临时地仅由此电池的放电来操作，在此期间DC-DC转换器系统被冷却。
根据本发明的第二方面，在DC-DC转换器系统中，在过热温度状态时，控制单元将电力开关设备的开关频率降低到低于正常温度状态的开关频率的值。
即，在过热温度状态时电力开关设备的开关频率从正常温度状态时的值降低例如几十。DC-DC转换器系统的电力开关设备例如通过PWM反馈控制来控制。一般地，为降低噪声、开关噪声电压、输出电流波动等，电力开关设备以数百kHz至数MHz的频率操作。然而，当开关频率高时，瞬态损失，即DC-DC转换器的电力开关设备的开关损失增加且电力开关设备的发热增加。因此，考虑到确保从DC-DC转换器到负荷系统的电源比解决噪声、开关噪声电压等问题更重要，在过热温度状态内提供电力同时降低电力开关设备的开关频率。此设计使得在停止温度附近的过热温度状态中可以维持到负荷系统的稳定电源同时抑制发热。
附图说明
图1是示出了根据本发明的优选实施例的双电池型车用电源系统的电路图；
图2是示出了在优选实施例中控制器的输出控制操作的流程图；
图3是示出了在优选实施例中过热-时间限制电压值和过热-时间限制电压值作为温度的函数的特征图；
图4是示出了常规电流限制型DC-DC转换器系统的输出电流限制系统的特征图。
具体实施方式
在图1中示出的优选实施例中，DC-DC转换器系统应用于双电池型车用电源系统。
此双电池型车用电源系统连接到主电池1和辅助电池2，且具有电池充电DC-DC转换器3、用于控制此电池充电DC-DC转换器3的开关操作的DC-DC转换器控制电路单元4。此电源系统构造为从主电池1向电子控制器(未示出)供电，以在变换了其电压后用于为混合动力车充以牵引能量，且供给电力到辅助或附属设备和辅助电池2以用于辅助目的。电源系统也连接到电流传感器6和温度传感器7。
用于电池充电的DC-DC转换器3采用了已熟知的电路构造，该电路构造包括输入平滑电容器31、全桥型反相器电路32、降压变压器33、同步整流电路34、扼流线圈35和输出平滑电容器36。此DC-DC转换器电路3可以构造为多种方式。扼流线圈35和输出平滑电容器36形成了输出平滑电路。
用于DC-DC转换器3的控制单元4具有电子控制电路41和驱动电路42，驱动电路42通过从此控制电路41输入的控制信号形成了用于脉宽调制(PWM)控制的栅电压，且将这些栅电压输出到反相器电路(开关设备)32的MOS晶体管32a和同步整流电路34的MOS晶体管34b。控制单元4也具有辅助电源5以用于将电源电压施加到控制电路41和驱动电路42。
控制电路41具有电路功能是读取由电流传感器6检测的电流检测值以用于检测电池充电DC-DC转换器3的输出电流和电池充电DC-DC转换器3的输出电压，且输出将此输出电压和预先确定的目标电压值之间的偏差降低到零的控制信号。控制电路41具有基于由电流传感器6感测到的电池充电DC-DC转换器3的输出电流、由温度传感器7感测到的电池充电DC-DC转换器3的温度和电池充电DC-DC转换器3的输出电压来控制或停止电池充电DC-DC转换器3的开关操作的输出控制和限制功能。
通过以从驱动电路42输入的栅电压以开关方式来驱动反相器电路32的MOS晶体管32a，使反相器电路32的平均输出电压被PWM控制，使得电池充电DC-DC转换器3的输出电压和预先确定的目标电压值之间的偏差降低为零。此外，一对组成了同步整流电路34的晶体管34b也与反相器电路32的相应MOS晶体管32a同步地被开关控制，以同步地整流降压变压器33的次级电压。同步整流电路34的输出在其电压被输出平滑电路平滑后为辅助电池2充电。
控制电路41可以被微型计算机编程以执行电池充电DC-DC转换器3的输出控制操作，如在图2中示出。编程的功能可以以硬件电路实现。
首先，读取电池充电DC-DC转换器3的输出电压V、输出电流I和温度T，且将输出电压V和输出电流I进行平均处理(步骤S100)。然后，将温度T与用于分开过热温度状态(区域)和正常温度状态的限制开始温度T1比较。也将温度T与用于分开正常温度状态和停止温度状态的操作停止温度T2进行比较。因此，电池充电DC-DC转换器3的状态确定为正常温度状态、过热温度状态和停止温度状态中的一个(步骤S102)。
当温度等于或低于限制开始温度T1时，即当电池充电DC-DC转换器3处于正常温度状态(T<T1)时，进行正常控制(步骤S104)，因为不需要限制电池充电DC-DC转换器3的输出。此正常控制为这样的操作，其中进行PWM反馈使得输出电压V可以变成等于预先确定的目标值VP、将输出电流I和预先确定的非过热-时间限制电流值Irm进行比较。当输出电流I超过此非过热-时间限制电流值Irm时，PWM反馈控制中的占空比降低以限制输出。因为此正常控制已熟知，将省略进一步的解释。
当温度T高于停止温度T2(T>T2)时，电池充电DC-DC转换器3的开关操作停止，使得电力开关设备被防止击穿(步骤S106)。即，PWM反馈控制中的占空比设定为零。
当温度T处于限制开始温度T1和停止温度T2之间的过热范围内时，将进行如下的节电操作以限制电池充电DC-DC转换器3的电力开关设备的发热。
首先，温度T在事先提供的数据存储图中指定，以确定过热-时间限制电流Ir和过热-时间限制电压值Vr(步骤S108)。图3示出了此图数据的一个例子。例如，过热-时间限制电流值I r设定为分组，而过热-时间限制电压值Vr线性地设定(实线）。过热-时间限制电压值Vr可以是多种变化的一个，如在图3中以虚线示出。
然后，将输出电流I和过热-时间限制电流值Ir进行比较(步骤S110)。当输出电流I高于Ir时，电池充电DC-DC转换器3的被PWM控制的电力开关设备的占空比降低预先确定的值(步骤S112)。当输出电流I不高于Ir时，将输出电压V和过热-时间限制电压值Vr进行比较(步骤S114)。当输出电压V高于Vr时，电池充电DC-DC转换器3的被PWM控制的电力开关设备的占空比被降低预先确定的值(步骤S112)。
在步骤S112和步骤S114后，PWM反馈控制中的开关频率降低到一半，因此结束了此程序且返回到主程序(未示出）。以上的程序被周期地执行。
如在图3中示出，过热-时间限制电压值Vr的最小值设定为高于辅助电池2的开路电压Vbo。通过此设定，尽管电池充电DC-DC转换器3的输出电压在此过热温度状态中被限制，但电池充电DC-DC转换器3可以为辅助电池2充电。因此，即使当电池充电DC-DC转换器3处于过热温度状态内长的时间期间也不存在辅助电池2的过充电的风险。
在此实施例中，温度传感器7提供在同步整流电路34附近。温度传感器7可以布置在可检测电池充电DC-DC转换器3的内部温度的任何区内。例如，温度可以基于用于冷却DC-DC转换器3的冷却系统的温度检测。替代地，电池充电DC-DC转换器3的温度可以通过其他检测参数估计，例如电流传感器6的历史和外部温度。
许多不偏离本发明的精神的其他修改是可以的。

Claims (5)

1.一种直流-直流转换器系统，其包括：
直流-直流转换器，该直流-直流转换器包括用于转换来自输入直流电源的供给的电力的电压且产生到电负荷系统的输出电压的电力开关设备；
用于检测直流-直流转换器的温度的温度传感器；和
控制直流-直流转换器的控制单元，使得在正常温度状态中，通过对电力开关设备的开关控制使输出电压变成预先确定的目标值，且当检测到温度超过预先确定的操作停止温度状态时，停止电力开关设备的操作，
其中，在基于检测到的温度确定的在正常温度状态和操作停止温度状态之间的过热温度状态时，控制单元控制电力开关设备，使得直流-直流转换器的输出电流限制为低于预先确定的小于正常限制电流值的过热-时间电流值，该正常限制电流值为在正常温度状态时的最大可允许电流值，且使得直流-直流转换器的输出电压限制为低于预先确定的小于正常限制电压值的过热限制电压值，该正常限制电压值为在正常温度状态时的最大电压值，且设定为高于负荷系统所要求的最小要求电压值。
2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器系统，其中当检测到的温度在过热温度状态时升高时，控制单元降低过热-时间限制电流值和过热-时间限制电压值中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的直流-直流转换器系统，其中在过热温度状态时，控制单元将过热-时间限制电压值设定为高于电负荷系统的电池的开路电压值的值。
4.根据权利要求1所述的直流-直流转换器系统，其中在过热温度状态时，控制单元将电力开关设备的开关频率设定为低于正常温度状态的开关频率。
5.一种直流-直流转换器系统，其包括：
直流-直流转换器，该直流-直流转换器包括用于转换来自直流电源的供给的电力的电压且产生到电负荷系统的输出电压的电力开关设备；
用于检测直流-直流转换器的温度的温度传感器；和
控制直流-直流转换器的控制单元，使得在正常温度状态中通过对电力开关设备的开关控制使输出电压变成预先确定的目标值，且当其中检测到温度超过预先确定的操作停止温度的操作停止温度状态时，停止电力开关设备的操作，
其中在正常温度状态和操作停止温度状态之间的过热温度状态时，控制单元将电力开关设备的开关频率降低到低于正常温度状态的开关频率的值。
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