CN102783002A - 斩波器电路、dc/dc转换器和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种斩波器电路，包括：输入单元，所述输入单元输入用于接通主开关元件的主接通信号和用于接通辅助开关元件的辅助接通信号；和禁止单元，除非输入了所述辅助接通信号，否则所述禁止单元禁止主开关单元被接通。

Description

斩波器电路、DC/DC转换器和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种斩波器电路，其使用与斩波器电路相关联的软开关操作和技术。
背景技术
在现有技术中，在使用半导体电力转换器的领域中，使用软开关斩波器电路以便减少电力损失（日本专利申请公布No.2009-112182（JP-A-2009-112182））。
斩波器电路的主开关元件和辅助开关元件的开/关操作以作为开/关信号的栅极信号分别从控制电路传送至两个开关元件的方式来执行。来自控制单元的栅极信号经由线束（WH）等进行传送以便进行信号传输。然而，存在栅极信号由于线束断开、外部噪声等而没有输入到辅助开关元件，并且辅助开关元件因此没有进行操作的情况。在这种情况下，在主开关元件进行操作时，施加于主开关元件的电压可能增大以使得主开关元件的开关操作变为硬开关，而导致故障。
发明内容
本发明提供了一种斩波器电路以及与该斩波器电路相关联的技术。
本发明的第一方面提供了一种斩波器电路。该斩波器电路包括输入单元，其输入用于接通主开关元件的主接通信号以及用于接通辅助开关元件的辅助接通信号；和禁止单元，除非输入辅助接通信号，否则禁止单元禁止主开关元件被接通。
在使用软开关操作的斩波器电路中，对辅助开关元件的开关时序进行控制以减小在主开关元件被接通时施加于主开关元件的电压。在以上方面中执行开关操作的情况下，如果在向辅助开关元件传送辅助接通信号的传输线路中出现异常等（线缆断开、噪声等）并且因此辅助接通信号没有被正常输入到辅助开关元件，则辅助开关元件无法执行用于减小施加于主开关元件的电压的控制，从而主开关元件要以高电压进行开关（硬开关操作）。当主开关元件要进行硬开关操作时，可能会出现故障。在根据以上方面的斩波器电路中，禁止单元在辅助接通信号由于传输线路的异常等而没有正常输入到辅助开关元件时禁止主开关元件被接通。因此，主开关元件不会进行硬开关操作，从而可能避免主开关元件的故障。
在以上方面中，禁止单元可以包括延迟电路，并且除非在辅助接通信号被输入到辅助开关元件之后已经经过了预定时间段，否则该延迟电路可以禁止主开关元件被接通。
当开关信号的传输线路的信号中包括噪声等，并且因此辅助接通信号和主接通信号以短的时间间隔输入到斩波器电路时，在常规斩波器电路中，辅助开关元件和主开关元件中每一个的开关时序可能会处于正常范围之外，并且因此主开关元件会进行硬开关操作。然而，利用根据以上方面的斩波器电路，由于该斩波器电路包括延迟电路，所以即便辅助接通信号和主接通信号以辅助接通信号和主接通信号之间短的时间间隔被输入，该时间间隔也被校正为正常时间间隔。因此，可能避免主开关元件的硬开关操作。
在以上方面中，禁止单元可以由逻辑电路形成。利用根据以上方面的斩波器电路，由于禁止单元由逻辑电路形成，所以与通过CPU执行的处理确定是否接通主开关元件时相比，能够以更快的确定来控制主开关元件的开关。
本发明的第二方面提供了一种DC/DC转换器。该DC/DC转换器包括：连接到直流电源的DC输入单元；对来自DC输入单元的直流电力输入的电压进行转换的斩波器电路；以及输出电压被斩波器转换的直流电压的DC输出单元，其中斩波器电路包括：主开关元件；辅助开关元件；输入用于接通主开关元件的主接通信号以及用于接通辅助开关元件的辅助接通信号的输入单元；以及除非输入辅助接通信号否则禁止主开关元件被接通的禁止单元，其中斩波器电路控制辅助开关元件的开关时序以执行软开关操作，以便控制主开关元件被接通时施加至主开关元件的电压。根据以上方面，当斩波器电路的辅助接通信号没有被输入到辅助开关元件时，能够避免主开关元件的硬开关操作。
本发明的第三方面提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：向负载提供电力的燃料电池；和使用斩波器电路控制电力的电压的DC/DC转换器，其中斩波器电路包括：主开关元件；辅助开关元件；输入用于接通主开关元件的主接通信号以及用于接通辅助开关元件的辅助接通信号的输入单元；以及除非输入辅助接通信号否则禁止主开关元件被接通的禁止单元，其中斩波器电路控制辅助开关元件的开关时序以执行软开关操作，以便控制主开关元件被接通时施加至主开关元件的电压。根据以上方面，当斩波器电路的辅助接通信号没有被输入到辅助开关元件时，能够避免主开关元件的硬开关操作。
注意，本发明的各方面可以以各种形式来实施。例如，本发明的各方面可以以诸如软开关方法、软开关设备、电力转换系统，用于实现所述方法和设备的功能的集成电路和计算机，以及在其中记录计算机程序的记录介质的形式来实施。
附图说明
以下将参考附图对本发明的特征、优势以及技术和工业重要性进行描述，在附图中相同的附图标记表示相同的元素，并且其中：
图1是图示燃料电池系统10的配置的视图；
图2是图示软开关转换器60的电路配置的视图；
图3是图示开关控制单元50的配置的视图；
图4A和图4B是图示根据实施例的逻辑电路的效果的时序图；
图5是图示根据针对实施例的第一替换实施例的开关控制单元50的配置的视图；
图6A和图6B是图示根据针对实施例的第一替换实施例的开关元件S1和S2的开关的时序图；以及
图7A和7B是图示软开关转换器的应用示例的视图。
具体实施方式
接下来，将对本发明的实施例进行描述。
第一实施例
（A1）燃料电池系统的配置
假设燃料电池混合动力车辆（FCHV）作为本实施例中的车辆的示例；然而，本实施例也可以应用于电动车辆或混合动力车辆。
图1是图示根据第一实施例的为车辆配备的燃料电池系统10的配置的视图。燃料电池系统10包括控制单元20、供电设备30和负载40。供电设备30向负载提供直流电力。负载40例如包括以直流进行操作的负载或者以经由逆变器的交流进行操作的负载。供电设备30通过线束WH连接到控制单元20。例如，在车辆行驶时，控制单元20基于车辆的加速、外围设备（照明灯、音频等）上的负载等来计算负载所获取的电力，并且随后响应于所计算的结果对从供电设备30输出的电力进行控制。此外，供电设备30包括开关控制单元50、软开关转换器60和燃料电池FC。开关控制单元50连接在控制单元20和电源设备30中的软开关转换器60之间。开关控制单元50将在随后进行描述。
燃料电池FC采用从所供应的燃料气体（例如，氢气）和氧化气体产生电力的发电模式。燃料电池FC具有堆结构，其中每一个都具有薄膜电极组件（MEA）等的单个电池相互串联堆叠。特别地，可以使用各种类型的燃料电池，诸如聚合物电解液燃料电池、磷酸燃料电池和热熔碳酸盐燃料电池。
软开关转换器60是升高从燃料电池FC提供的直流电力的电压的DC/DC转换器（升压转换器）。软开关转换器60包括将在随后描述的开关元件S1，并且由斩波器电路形成，斩波器电路利用开关元件S1的开关操作对提供至负载的电力的电压进行控制。软开关转换器60包括随后描述的开关元件S2，并且对开关元件S2的开关时序进行控制以减小在开关元件S1的开关操作时施加至开关元件S1的电压。开关元件S1的软开关操作通过开关元件S1的以上开关操作来实现。
控制单元20配置为微型计算机，其内部包括CPU、RAM和ROM。控制单元20根据以上所描述的基于加速等的处理向软开关转换器60输出栅极信号。栅极信号分别控制软开关转换器60的开关元件S1和开关元件S2的开关时序。具体地，控制单元20经由线束WH朝向软开关转换器60输出S1栅极信号和S2栅极信号。S1栅极信号用来控制开关元件S1的开关时序。S2栅极信号用来控制开关元件S2的开关时序。
（A2）软开关转换器的配置
接下来，将对软开关转换器60的配置进行描述。图2是图示软开关转换器60的电路配置的视图。顺便提及，软开关转换器的详细操作原理在日本专利申请公布No.2009-165245（JP-A-2009-165245）中有所描述，所以其描述被省略。
软开关转换器60由包括主电路和辅助电路的斩波器电路形成。主电路由电抗器L1、二极管D1、开关元件S1、二极管D2、滤波器电容器C1和平滑电容器C2形成。电抗器L1的第一端连接到作为燃料电池FC（图1）的直流电源E的正电极。二极管D1的阳极连接到电抗器L1的第二端，并且二极管D1的阴极连接到负载40的第一端。开关元件S1的第一端连接到电抗器L1的第二端，并且开关元件S1的第二端连接到直流电源E的负电极和负载40的第二端。开关元件S1响应于从控制单元20传送的栅极信号而接通或关闭。开关元件S1例如可以是半导体元件，诸如绝缘栅双极晶体管、晶闸管和二极管。二极管D2与开关元件S1并联连接以便保护开关元件S1。开关元件S1用作根据本发明各方面的主开关元件。滤波器电容器C1连接在直流电源E的正电极和负电极之间。平滑电容器C2与负载40并联连接。滤波器电容器C1和平滑电容器C2均用来稳定软开关转换器60的输入和输出。
另一方面，辅助电路包括电抗器L2、二极管D4、开关元件S2、吸收二极管D3、吸收电容器C3和二极管D5。电抗器L2的第一端连接至电抗器L1的高电势一侧。二极管D4连接在开关元件S2和吸收二极管D3之间。开关元件S2的第一端连接至二极管D4的阴极，并且响应于从控制单元20所传送的S2栅极信号接通或关闭。吸收二极管D3的阳极连接到开关元件S1的第一端，并且吸收二极管D3的阴极连接到二极管D4的阳极。吸收电容器C3的第一端连接到吸收二极管D3的阴极，并且吸收电容器C3的第二端连接至开关元件S1。二极管D5与开关元件S2并联连接以便保护开关元件S2。开关元件S2用作根据本发明的方面的辅助开关元件。吸收二极管D3和吸收电容器C3吸收开关元件S1关闭时所出现的过渡反电动势。
在软开关转换器60中，主电路中的开关元件S1的操作以及辅助电路中的开关元件S2的操作由输入的S1和S2栅极信号的接通或关闭来控制。随后，当开关元件S2被接通时，从吸收电容器C3流向电抗器L2的谐振电流I被用来减小在开关元件S1开关的时刻施加至开关元件S1的电压。通过这样做，能够抑制由于开关所出现的开关损失。此外，本实施例中的软开关转换器60的辅助电路包括二极管D6。二极管D6的阴极连接至电抗器L2的另一电极，并且二极管D6的阳极连接至直流电源E的负电极以及负载40的第二端。提供二极管D6以便在软开关转换器60出现故障的情况下保护开关元件S2。例如，当开关元件S2由于某些原因而在异常时刻停止时，二极管D6和滤波器电容器C1所形成的循环电路吸收由于流过电抗器L2的谐振电流I的急剧变化而在电抗器L2和开关元件S2之间出现的冲击电压。通过抑制该冲击电压，能够抑制开关元件S2的峰值反向电压故障。
接下来，将对控制单元20和开关控制单元50进行描述。图3是图示开关控制单元50的配置的视图。控制单元20通过线束WH连接至开关控制单元50。控制单元20输出S1和S2栅极信号。S1和S2栅极信号经由线束WH输入至开关控制单元50。
开关控制单元50电连接在S1和S2栅极和控制单元20之间。S1栅极是开关元件S1的栅极部分。S2栅极是开关元件S2的栅极部分。开关控制单元50由逻辑电路形成，逻辑电路的条件被设置为使得如果S2栅极信号由于某些原因而没有从控制单元20输入到S2栅极并且开关元件S2因此没有被接通，则S1栅极信号不被输入到开关元件S1。如图3所示，来自控制单元20的S2栅极信号没有被输入至S2栅极的原因例如是用于传送S2栅极信号的线束WH断开、外部噪声等。如图3所示，开关控制单元50由包括AND电路元件A1、AND电路元件A2、缓冲器N1和OR电路元件R1的逻辑电路所形成。注意，缓冲器N1意图是减小噪声，并且缓冲器N1可以被省略。该逻辑电路的效用将在以下进行描述。
如图4A和图4B所示，“S1in”表示被输入到逻辑电路所形成的开关控制单元50并且随后输入到S1栅极的S1栅极信号，并且“S1out”表示从控制单元20向开关控制单元50输出的S1栅极信号。“S2out”表示从控制单元20向开关控制单元50输出的S2栅极信号，并且“S2in”表示输入到开关控制单元50并且随后被输入到S2栅极的S2栅极信号。图4A指示了当S2栅极信号从控制单元20正常输出（见“S2out”）并且被输入到开关控制单元50（见“S2in”）时，输入到逻辑电路（开关控制单元50）的S1栅极信号被输入到S 1栅极（见“S1in”）。注意，“S1in”、“S2out”、“S1in”和“S1out”之间的位置对应关系在图3中示出。
图4B指示了S2栅极信号由于线束WH中的断开或者控制单元20和开关控制单元50之间的噪声而没有正常输入到开关控制单元50的情况。如图4B所示，当S2栅极信号从控制单元20输出（见“S2out”），但是S2栅极信号由于线束WH中断开、噪声等而没有输入至逻辑电路（开关控制单元50）（见“S2in”）时，逻辑电路（开关控制单元50）执行控制以使得输入S1栅极信号不被输入至S1栅极并且开关元件S1不被接通（见“S1in”）。
如以上所描述的，由于本实施例中的燃料电池系统10包括开关控制单元50，所以开关元件S1仅在S2栅极信号（接通信号）正常输入至S2栅极的情况下才被接通。通过这样，抑制了开关元件S1的故障。如具体描述的，软开关转换器60对开关元件S2的接通/关闭的时序进行控制，由此执行软开关操作以便降低在开关元件S1接通的时刻施加至开关元件S1的电压。假设电源设备30并不包括开关控制单元50。当S2栅极信号由于在这种情况下线束WH中的断开或者控制单元20和开关控制单元50之间的噪声而没有正常输入至S2栅极时，由开关元件S2对施加至开关元件S1的电压的控制不起作用。因此，施加至开关元件S1的电压在开关元件S1进行开关的时刻并不减小。当开关元件S1在这种情况下接通时，不会实现软开关操作，并且开关元件S1要以高压电流进行开关（硬开关），从而可能在开关元件S1中发生故障。
在本实施例的情况下，电源设备30包括开关控制单元50。因此，当S2栅极信号由于线束WH中的断开或者噪声而没有正常输入至S2栅极时，S1栅极信号的接通信号在S1栅极信号输入至S1栅极之前被开关控制单元50中断。因此，开关元件S1能够避免以高压进行的开关操作（硬开关操作），从而能够抑制故障。
S1栅极和S2栅极起到根据本发明方面的输入单元的作用，开关元件S1和开关元件S2分别起到根据本发明方面的主开关元件和辅助开关元件的作用，并且开关控制单元50起到根据本发明方面的禁止单元的作用。
B.针对本实施例的替换实施例
注意，本发明的方面并不局限于以上所描述的实施例；可以在不背离本发明的范围的情况下将其修改为各种形式。例如，以下替换实施例是可能的。
（B1）第一替换实施例
在以上实施例中，开关控制单元50在S2栅极信号的接通信号被输入的情况下将开关元件S1的接通信号输入至S1栅极；替代地，在第一替换实施例中，开关控制单元50可以进一步包括延迟电路，并且S1栅极信号可以在S2栅极信号输入至S2栅极之后已经经过了预定时间段之后被输入至S1栅极。图5示出了根据第一替换实施例的开关控制单元50的配置。延迟电路70提供在以上实施例中所描述的逻辑电路以及S1和S2栅极之间。延迟电路70可以由继电器或IC形成。图6A示出了S2栅极信号和S1栅极信号由于噪声等而以短的时间间隔输入至开关控制单元50的情形。这样的异常包括S2栅极信号由于噪声而在预定时序的延迟之后从控制单元20输出的情形。以这种方式，当S2栅极信号和S1栅极信号没有以正常时间间隔输入时，软开关操作不会正常工作并且开关元件S1可能要进行硬开关操作。这导致了开关元件S1的故障。
图6B是在S2栅极信号和S 1栅极信号以短时间间隔输入至开关控制单元50时，由延迟电路将时间间隔校正为正常时间间隔并且S2栅极信号和S1栅极信号随后分别输入至S2栅极和S1栅极的情形中，开关元件S1和S2的开关时序图。利用这样的延迟电路，能够以如下方式对软开关转换器60的开关元件S1和S2的开关操作进行控制，即，用于接通开关元件S1的条件中不仅包括“S2栅极信号被输入”的条件而且还包括“S2栅极信号和S1栅极信号以预定时间间隔输入”的条件。
（B2）第二替换实施例
在以上实施例中，开关控制单元50由逻辑电路形成（见图3）；然而，开关控制单元50并不局限于这种配置。替代地，开关控制单元50可以由包括CPU的处理器形成。通过这样，也可以获得与以上实施例的那些相类似的有利效果。
（B3）第三替换实施例
在以上实施例中，软开关转换器具有如图2所示的电路配置；然而，软开关转换器并不局限于该配置。替代地，软开关转换器可以包括具有不同电路配置的软开关转换器。图7A所示的S1a、S2a、L1a和L2a以及图7B所示的S1b、S2b、L1b和L2b分别对应于第一实施例中的开关元件S1、开关元件S2、电抗器L1和电抗器L2（见图2）。甚至在以上开关转换器包括开关控制单元50时，也可以获得与以上实施例的那些相类似的有利效果。
（B4）第四替换实施例
在以上实施例中，软开关转换器被描述为使用软开关操作的斩波器电路的示例；然而，斩波器电路并不局限于该配置。替代地，只要使用软开关操作的斩波器电路包括开关控制电路50，就可以获得与以上实施例的那些相类似的有利效果。也就是说，当S2栅极信号没有正常输入至S2栅极时，能够抑制开关元件S1的故障。使用软开关操作的斩波器电路可以在以上所描述的DC/DC转换器、AC/DC转换器、功率因数校正电路（PFC电路）、不间断电源（UPS）、功率调节器、频率转换器等中得以使用。

Claims (7)

1.一种斩波器电路，包括：
输入单元，所述输入单元输入用于接通主开关元件的主接通信号和用于接通辅助开关元件的辅助接通信号；和
禁止单元，除非输入了所述辅助接通信号，否则所述禁止单元禁止所述主开关元件被接通。
2.根据权利要求1所述的斩波器电路，其中所述禁止单元包括延迟电路，并且除非在所述辅助接通信号被输入到所述辅助开关元件之后已经经过了预定时间段，否则所述延迟电路禁止所述主开关元件被接通。
3.根据权利要求1或2所述的斩波器电路，其中所述禁止单元由逻辑电路形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的斩波器电路，其中所述斩波器电路对所述辅助开关元件的开关时序进行控制以执行软开关操作，以便对于在所述主开关接通时施加至所述主开关元件的电压进行控制。
5.根据权利要求4所述的斩波器电路，其中所述斩波器电路减小在所述主开关元件接通时施加至所述主开关元件的电压。
6.一种DC/DC转换器，包括：
DC输入单元，所述DC输入单元连接到直流电源；
斩波器电路，所述斩波器电路用于对从所述DC输入单元所输入的直流电力输入的电压进行转换；和
DC输出单元，所述DC输出单元用于输出电压被所述斩波器电路转换的直流电压，
其中，
所述斩波器电路包括
主开关元件；
辅助开关元件；
输入单元，所述输入单元输入用于接通主开关元件的主接通信号和用于接通辅助开关元件的辅助接通信号；和
禁止单元，除非输入了所述辅助接通信号，否则所述禁止单元禁止所述主开关元件被接通，
其中，
所述斩波器电路对所述辅助开关元件的开关时序进行控制以执行软开关操作，以便对于在所述主开关元件被接通时施加至所述主开关元件的电压进行控制。
7.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，所述燃料电池向负载提供电力；和
DC/DC转换器，所述DC/DC转换器使用斩波器电路对所述电力的电压进行控制，其中
所述斩波器电路包括
主开关元件；
辅助开关元件；
输入单元，所述输入单元输入用于接通主开关元件的主接通信号和用于接通辅助开关元件的辅助接通信号；和
禁止单元，除非输入了所述辅助接通信号，否则所述禁止单元禁止所述主开关元件被接通，
其中，
所述斩波器电路对所述辅助开关元件的开关时序进行控制以执行软开关操作，以便对于在所述主开关元件接通时施加至所述主开关元件的电压进行控制。
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