CN103427641A

CN103427641A - Dc－dc转换器

Info

Publication number: CN103427641A
Application number: CN2013101972222A
Authority: CN
Inventors: 筱原尚人; 永井一信
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-12-04
Also published as: JP2013247766A; DE102013209556A1; US20130314070A1

Abstract

本发明涉及DC－DC转换器。对因经由与构成DC－DC转换器的开关元件反向并联设置的二极管D1～D4而流过的恢复电流引起的短路电流进行抑制。DC－DC转换器具备：主电抗器，介设在从直流电压输入端子到直流电压输出端子的主通电路；和第1主开关元件，介设在主通电路，被接通断开控制成使通过主电抗器的电流断续。具备：第2主开关元件，形成将主电抗器中蓄积的电能向直流电压输出端子侧释放的放电回路；和辅助电抗器，介设在主通电路内的第1主开关元件与主电抗器之间。具有：辅助开关元件，使辅助电抗器中蓄积的电能通过主电抗器向直流电压输出端子侧放电；和二极管，与各主开关元件和辅助开关元件反向并联设置。

Description

DC-DC转换器

技术领域

本发明的实施方式涉及将直流电压变换成具有不同值的其他直流电压的DC－DC转换器。

背景技术

DC－DC转换器具有对从直流电源输出的直流电压进行降压或者升压而变换成具有不同值的其他直流电压的功能、附加了反馈和PWM（Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制）控制的直流稳定化电源的功能，通常由2个开关元件、一个电抗器、和续流二极管等构成直流斩波电路。基本是第1以及第2主开关元件串联连接在直流电源的正负端子间，电抗器经由负载与位于负侧的第2主开关元件并联连接的构成。各开关元件与吸收二极管（snubber diode）或者续流二极管（free-wheeling diode）并联连接。第1以及第2主开关元件被交替接通断开控制。在第1主开关元件的接通期间，从直流电源经由电抗器向负载供给直流电流，当第1主开关元件转为断开时，电抗器中蓄积因反电动势引起的电能。

该蓄积能量成为通过在与第1主开关元件的断开同时第2主开关元件转为接通而形成的闭回路中循环的电流，作为直流电流向负载放电。在这样的DC－DC转换器中，由于第1以及第2主开关元件串联连接在直流电源的正负端子间，所以如果在两个开关元件间存在同时接通期间，则会产生短路电流而使元件受到破坏。为了防止上述情况，通常借助这两个开关元件都处于断开状态的时间段（死区时间（dead time））分别进行转为接通断开的控制。

对短路电流的产生而言，除了能够通过应用上述那样的死区时间来防止的原因之外，还存在因恢复电流引起的短路电流的问题。例如专利文献1中公开了一种对共振型DC－DC转换器中的恢复电流的产生进行抑制的技术。恢复电流是在与上述那样的开关元件反向并联连接的吸收二极管或者续流二极管中反向通过的瞬间大电流。如果开关元件变化为断开，则对二极管施加反向电压，电流的流动应该被阻止，但因二极管的内部积蓄的残留载流子会瞬间流过反向电流。该电流是恢复电流（recovery current）。构成直流斩波电路的一对串联连接开关元件因恢复电流而短路，直流输出电压因瞬间的大短路电流而变动、或被放射噪声。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009－273336号公报

由于因恢复电流而产生的短路电流为尖锐的针状波形，所以带来大的浪涌电压，引起激烈的噪声，在车辆用途中导致使车体底盘电位变动、使控制的误差放大、使开关损失增大等各种故障。另外，在大多被作为便携电气设备的直流电源电路使用的这种DC－DC转换器中，希望与电气设备的小型小电力化的进展相互结合而消除因恢复电流产生的短路电流所引起的故障。

发明内容

鉴于此，本发明的实施方式的目的在于，提供一种能够以简单的构成抑制因恢复电流而产生的短路电流且廉价的、还可以期待节能的DC－DC转换器。

本实施方式的DC－DC转换器具备：主电抗器，介设在从直流电压输入端子到直流电压输出端子的主通电路上；和第1主开关元件，介设在上述主通电路上，被接通断开控制以使通过上述主电抗器的电流断续。并且，具备：第2主开关元件，形成将上述主电抗器中蓄积的电能向上述直流电压输出端子侧释放的放电回路；和辅助电抗器，介设在上述主通电路内的上述第1主开关元件与上述主电抗器之间。在此基础上，具有：辅助开关元件，使上述辅助电抗器与上述主电抗器中蓄积的电能通过上述主电抗器向上述直流电压输出端子侧放电；以及二极管，设置为与上述各主开关元件和上述辅助开关元件反向并联。

附图说明

图1是表示第1实施方式的DC－DC转换器的电路图。

图2是第1实施方式的简要电压电流波形图。

图3是表示第2实施方式的DC－DC转换器的电路图。

图4是第2实施方式的简要的电压电流波形图。

具体实施方式

在表示第1实施方式的图1中，DC－DC转换器在其输入侧具有与直流电源1连接的直流电压正侧输入端子2以及直流电压负侧输入端子3，在输出侧具有与负载4连接的直流电压正侧输出端子5以及直流电压负侧输出端子6。这里，正侧以及负侧只是相对表示电位的高低的意思。直流电源1是指包括电池、交流－直流间变换整流电路等的直流电力源。负载4包括电阻负载、马达等的感应负载、被充电电池、或者与它们类似的负载。

将第1主开关元件7以及辅助开关元件8按照前者位于正侧、后者位于负侧的方式串联连接在直流电压正侧输入端子2以及直流电压负侧输入端子3间。将辅助电抗器10以及主电抗器11以前者位于公共连接点9侧、后者位于直流电压正侧输出端子5侧的关系串联连接在这两个开关元件7、8的公共连接点9与直流电压正侧输出端子5之间。将第2主开关元件13连接在这两个电抗器10、11的公共连接点12与直流电压负侧输出端子6之间。另外，为了平滑用，将平滑用电容器14a连接在直流电压正侧输入端子2以及直流电压负侧输入端子3之间，将平滑用电容器14b连接在直流电压正侧输出端子5以及直流电压负侧输出端子6之间。

具备与各个开关元件7、8、13分别反向并联的二极管D1、D2、D3。在该实施方式中，各个开关元件7、8、13是FET。由于FET在内部寄生了二极管部分，所以二极管D1、D2、D3的图示意味着其寄生二极管。开关元件也可以是双极性晶体管等不寄生二极管部分的元件，在这样的情况下，通过在外部与这样的晶体管、元件连接而具备二极管D1、D2、D3。

辅助电抗器10的电感是主电抗器11的电感的约1／100，将其时间常量选定为不超过第1主开关元件7的接通断开周期的一个周期的值。对容许电流而言，辅助电抗器10的容许电流是比主电抗器11小的值，优选大致为75％以下，另外，辅助开关元件8也可以是比第1主开关元件7小的值。

为了对各个开关元件7、8、13进行接通断开控制而具有开关控制单元（SCU）15。该开关控制单元15由微型计算机构成，输出栅极控制信号。经由栅极驱动电路16将该栅极控制信号提供给各个开关元件7、8、13的栅极。虽然省略了详细的图示，但通过该开关控制单元15如公知那样对第1以及第2主开关元件7、13进行PWM控制，以便直流电压正侧以及负侧输出端子5、6间电压维持目标值。

在上述的结线构成中，在介设于从直流电压正侧输入端子2到直流电压正侧输出端子5的主通电路的辅助电抗器10以及主电抗器11中通过的电流基于第1主开关元件7的接通断开控制而断续，通过该断续电流在两个电抗器10、11中产生反电动势而蓄积电能。其中，主电抗器11中蓄积的电能基于第2主开关元件13的接通而向直流电压正侧输出端子5方向放电，辅助电抗器10中蓄积的电能基于辅助开关元件8的接通而经由主电抗器11向直流电压正侧输出端子5侧放电。即，第2主开关元件13被设置成形成将主电抗器11中蓄积的电能向直流电压输出端子5侧释放的放电回路，辅助开关元件8被设置成使辅助电抗器10与主电抗器11中蓄积的电能通过主电抗器11向直流电压输出端子5侧放电。

接着，参照图2对上述动作详细进行说明。第1主开关元件7以及第2主开关元件13分别如图2的（a）以及（b）所示，被交替地接通断开控制。该情况下，是在前者的接通期间后者处于断开期间的关系、即相互逆相的关系。其中，为了两个主开关元件7、13不同时形成接通状态，在第1主开关元件7的接通以及断开前后设置了表示两个元件7、13同时断开状态的时间段即死区时间t1。

若第1主开关元件7转为接通则形成闭回路CL1，直流电流经由该第1主开关元件7、辅助电抗器10以及主电抗器11流向负载4侧。此时通过主电抗器11的电流iL如图2的（d）所示。通过主电抗器11的电流iL基于其自感应作用而如图示那样在第1主开关元件7的接通期间缓缓增加，作为反电动势而蓄积电能。

若第1主开关元件7移至断开期间，则第2主开关元件13移至接通期间，形成经过第2主开关元件13、主电抗器11以及负载4的闭回路（放电回路）CL2。经由该闭回路CL2蓄积到主电抗器11的电能如在图1以及图2（f）中用电流ib所示那样向负载4放电。这样，通过第1主开关元件7以及第2主开关元件13的接通断开控制向负载4持续施加直流电压。该动作中的上述第1主开关元件7的通过电流ia如图2（e）所示。

与该动作并行，辅助开关元件8如图2的（c）所示那样与第2主开关元件13同时被接通断开控制。若该辅助开关元件8接通，则形成经过辅助开关元件8、辅助电抗器10、主电抗器11以及负载4的闭回路（放电回路）CL3，基于第1主开关元件7的接通，辅助电抗器10中蓄积的电能在该闭回路CL3内经过主电抗器11向负载4放电。此时通过辅助开关元件8的电流ic在图2中如（g）所示。

接着，对因恢复电流引起的短路电流的抑制作用进行说明。具备与第1主开关元件7以及第2开关元件13分别反向并联的二极管D1以及D3在这些主开关元件7、13从接通转为断开的瞬间被施加逆偏置电压而朝向断开，但在内部存在残留载流子。因此，在第1主开关元件7以及第2开关元件13都呈现断开状态的瞬间（图2的死区时间t1），流过从直流电压正侧输入端子2到二极管D1、辅助电抗器10、二极管D3以及直流电压负侧输出端子6的恢复电流。

在该实施方式中，由于对该恢复电流路设置了辅助电抗器10，所以可抑制因恢复电流引起的短路电流。结果，不仅能够除去因恢复电流而产生、以往视为问题的各种故障，而且辅助电抗器10中蓄积的电能基于辅助开关元件8的接通而作为电流ic向负载4放电，作为负载消耗能量被再利用。在弥补开关损失的方面，这会带来节能的效果。

另外，在构成中也可以如前述那样，辅助开关元件8以及辅助电抗器10都是小容许电流。尤其由于辅助电抗器10的电感小，所以可成为对在基板上布线的铜板上配置芯体程度的小型构造。

接着，参照图3对第2实施方式进行说明。其中，对图3的构成中与图1相同的部分赋予和图1相同的附图标记而省略说明。将第1主开关元件7以及第2主开关元件13按照前者位于正侧、后者位于负侧的方式串联连接在直流电压正侧输入端子2以及负侧输入端子3间。在这两个主开关元件7、13的公共连接点17与直流电压正侧输出端子5之间连接主电抗器 11。将第1辅助开关元件18以及第2辅助开关元件8按照前者位于正侧、后者位于负侧的方式串联连接在直流电压正侧输入端子2以及负侧输入端子3间。在第1以及第2主开关元件7、13的公共连接点17与上述第1以及第2辅助开关元件18、8的公共连接点19之间连接辅助电抗器10。

具备与第1辅助开关元件18也反向并联的二极管D4。为了对各个开关元件7、13，18、8进行接通断开控制而具有开关控制单元20。该开关控制单元20由微型计算机构成，输出栅极控制信号。该栅极控制信号中的第1以及第2主开关元件7、13用的信号经由栅极驱动电路21提供给各个主开关元件7、13的栅极，第1以及第2辅助开关元件18、8用的信号经由栅极驱动电路22提供给各个辅助开关元件18、8。此外，辅助电抗器10的容许电流可以是比主电抗器11的容许电流足够小的值。

接着，参照图4对上述构成的动作进行说明。第1以及第2开关元件7、13如图4的（b）以及（d）所示，按照与第1实施方式的情况同样地接通期间不相互重复、且具有逆相的模式的方式被接通断开控制。第1辅助开关元件18如图4的（a）所示，反复进行在第2主开关元件13的断开期间比第1主开关元件7的接通定时先行在时刻T1接通，并在短时间后的时刻T3转为断开的动作。第2辅助开关元件8如图4的（c）所示，反复进行在第1主开关元件7的断开期间先行于第2主开关元件13的接通定时在时刻T5接通，并在短时间后的时刻T7转为断开的动作。

图4所示的t2是夹在第2主开关元件13的断开与第1辅助开关元件18的接通之间的死区时间，t3是夹在第1主开关元件7的断开与第2辅助开关元件8的接通之间的死区时间。若在图4所示的时刻T1第1辅助开关元件7接通，则形成闭回路CL4，电流经由直流电压正侧输入端子2、第1辅助开关元件18、辅助电抗器10以及主电抗器11流向负载4。接着，如果在时刻T2第1主开关元件7接通，则形成闭回路CL5，电流从直流电压正侧输入端子2经由第1主开关元件7、主电抗器11流向负载4。该图3中的电池4A如后述那样表示将负载4设为电池的情况。

在第1主开关元件7在时刻T4断开之后的时刻T5，第2辅助开关元件8接通，形成与第1实施方式同样的闭回路CL3。于是，基于第1辅助主开关元件18的接通断开动作，辅助电抗器10中蓄积的电能通过主电抗器11向负载4侧放电，作为负载的消耗能量被利用。若紧接在其之后的时刻T6第2主开关元件13接通，则形成与第1实施方式同样的闭回路CL2，主电抗器11中蓄积的电能向负载4放电。

图4的（e）表示上述动作中的通过主电抗器11的电流iL，图4的（f）表示第1辅助开关元件18的通过电流、即通过辅助电抗器11的电流id，图4的（g）表示第1主开关元件7的通过电流ia，图4的（h）表示第2辅助开关元件8的通过电流ic，图4的（i）表示第2主开关元件13的通过电流ib。根据上述说明可知，向主电抗器11开始通电通过比第1主开关7的接通先行在时刻T1接通的第1辅助开关18来开始。在该时刻T1产生从二极管D4以及D3反向通过的恢复电流，但由于该恢复电流通过辅助电抗器10，所以不成为短路电流。

另外，在具备二极管D1、D3的第1以及第2主开关元件7、13的串联电路中，由于在两个开关元件7、13都断开的时刻T1－T2间第1辅助开关18接通，所以不产生通过二极管D1、D3的恢复电流。同样，在新追加的第1以及第2辅助开关元件18、8的串联电路中，对于这两个开关元件18、8中分别具备的二极管D4、D2而言，由于在这两个开关元件18、8都断开的时刻T4－T5，因主电抗器11的反电动势而引起的电流iL经过闭回路CL3通过二极管D2，所以不流过恢复电流。

该第2实施方式相对于上述第1实施方式的特征在于，设置比第1主开关元件7的接通动作先行接通的第1辅助开关元件18，将向主电抗器11的通电时分割成经由辅助电抗器10的时间段和接着该时间段不经由辅助电抗器10而经由第1主开关元件7的时间段。

可将该第2实施方式的构成如下述那样利用到电动汽车的升压电源装置。即，按照低压电池的正电极成为直流正侧输出端子5的方式，连接12伏特的低压电池4A作为负载。该低压电池4A成为汽车的低压电气设备的电源。另一方面，将直流电源1设为对电动汽车的辅助马达进行驱动的400伏特的高压电池。在该连接构成中，若第1、第2主开关元件7、13以接通占空比（ON duty）超过50％的模式进行接通断开控制，则低压电池4A的电压升压到400伏特，能够实现对作为高压电池的直流电源1补充电力的紧急应对。其中，该情况下，第1、第2辅助开关元件18、8也附随于第1、第2主开关元件7、13的接通断开动作而动作。

如上所述，根据第1以及第2实施方式，能够提供一种可以利用追加小电感、小容许电流的辅助电抗以及辅助开关元件的简单且廉价的构成来可靠地抑制因恢复电流引起的短路电流，并且可将该抑制量作为负载消耗电力利用的DC－DC转换器。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式只是例示，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他的各种方式加以实施，在不脱离发明主旨的范围能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形都含在发明的范围、主旨中，属于权利要求所记载的发明及其等同的范围。

附图标记说明：

在附图中，2是直流电压正侧输入端子，3是直流电压负侧输入端子，5是直流电压正侧输出端子，6是直流电压负侧输出端子，7是第1主开关元件，8是第2辅助开关元件，9、12、17以及19是公共连接点，10是辅助电抗器，11是主电抗器，13是第2主开关元件，18是第1辅助开关元件。

Claims

1.一种DC－DC转换器，其特征在于，具备：

主电抗器，设置在从直流电压输入端子到直流电压输出端子的主通电路上；

第1主开关元件，设置在上述主通电路上，被进行接通断开控制以使通过上述主电抗器的电流断续；

第2主开关元件，形成将上述主电抗器中蓄积的电能向上述直流电压输出端子侧释放的放电回路；

辅助电抗器，设置在上述主通电路内的上述第1主开关元件与上述主电抗器之间；

辅助开关元件，使该辅助电抗器与上述主电抗器中蓄积的电能通过上述主电抗器向上述直流电压输出端子侧放电；以及

二极管，设置为与上述各主开关元件和上述辅助开关元件的每一个反向并联。

2.根据权利要求1所述的DC－DC转换器，其特征在于，

上述辅助电抗器的电感的时间常量是不超过上述第1主开关元件的接通断开周期的一个周期的值。

3.根据权利要求1或2所述的DC－DC转换器，其特征在于，

上述辅助电抗器的容许电流比上述主电抗器的容许电流小。

4.根据权利要求1或2所述的DC－DC转换器，其特征在于，

上述辅助开关元件的容许电流比第1主开关元件的容许电流小。

5.一种DC－DC转换器，其特征在于，具备：

直流电压正侧输入端子以及直流电压负侧输入端子；

直流电压正侧输出端子以及直流电压负侧输出端子；

第1主开关元件以及辅助开关元件，串联连接在上述正侧输入端子以及负侧输入端子之间，并分别位于正侧以及负侧；

辅助电抗器以及主电抗器，串联连接在这两个开关元件的公共连接点与上述正侧输出端子之间，上述辅助电抗器位于上述公共连接点侧，上述主电抗器位于上述正侧输出端子侧；

第2主开关元件，连接在上述两个电抗器的公共连接点与上述负侧输出端子之间；以及

6.一种DC－DC转换器，其特征在于，具备：

直流电压正侧输入端子以及直流电压负侧输入端子；

直流电压正侧输出端子以及直流电压负侧输出端子；

第1主开关元件以及第2主开关元件，串联连接在上述正侧输入端子以及负侧输入端子之间；

主电抗器，连接在这两个主开关元件的公共连接点与上述正侧输出端子之间；

第1辅助开关元件以及第2辅助开关元件，串联连接在上述正侧输入端子以及负侧输入端子间；

辅助电抗器，连接在上述第1主开关元件以及第2主开关元件的公共连接点与上述第1辅助开关元件以及第2辅助开关元件的公共连接点之间；以及

二极管，设置为与上述各主开关元件以及上述各辅助开关元件的每一个反向并联。

7.根据权利要求6所述的DC－DC转换器，其特征在于，

上述第1辅助开关元件以及第2辅助开关元件的接通动作分别先行于上述第1主开关元件以及第2主开关元件的接通动作，断开动作分别在上述第1以及第2主开关元件的断开动作之前进行。

8.根据权利要求7所述的DC－DC转换器，其特征在于，

9.根据权利要求6或7所述的DC－DC转换器，其特征在于，

第1辅助开关元件以及第2辅助开关元件的容许电流比上述第1主开关元件的容许电流小。

10.根据权利要求6或7所述的DC－DC转换器，其特征在于，

上述辅助电抗器的容许电流比上述主电抗器的容许电流小。