CN103797696A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率转换装置包括由半导体开关(Sp，Sn)串联连接而构成的半导体开关串联电路；由电容器(Cdp，Cdn)串联连接而构成的电容器串联电路；连接在半导体开关(Sp，Sn)的串联连接点与电容器(Cdp，Cdn)的串联连接点之间的电抗器(L)；以及与电容器(Cdn)或(Cdp)并联连接的直流电源(Vs)。将半导体开关串联电路与电容器串联电路并联连接，并在并联连接点之间连接负载(Load)，通过使半导体开关(Sp，Sn)导通、断开来提高直流电源电压，并将其提供给负载(Load)。由此，能实现整个装置的小型化、低成本化。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种功率转换装置，所述功率转换装置利用半导体开关的导通和断开将直流电源电压转换为所期望大小的直流电压，并在直流电源与负载之间进行直流电力的交换。
背景技术
图4是专利文献1所记载的电源装置的电路图，通常被称为DC-DC(Direct Current-Direct Current：直流电-直流电)变换器。
图4中，Vs为充电电池等直流电源，SW为主开关，Cs，Cd1为平滑电容器，L为电抗器，Sp，Sn为半导体开关，Tp，Tn为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)等功率用半导体开关元件，Dp，Dn为回流二极管，Load是表示为电流源的负载。
在该现有技术中，以恰当的时间比率使开关元件Tp，Tn交替导通、断开，从而反复对电抗器L进行能量的存储、释放，使电源电压Vin上升到更高的电压Vout并将其提供给负载Load。
另外，当负载Load中流过的电流ILoad沿与图示方向相反的方向流动时，以恰当的时间比率使开关元件Tp，Tn导通、断开，使得施加在负载Load上的电压Vout极性相反。此时，电抗器L的电流IL沿与图示方向相反的方向流动，因此，负载Load的电力由直流电源Vs再生。由此，在图4的现有技术中能实现双向的电力流。
这里，由于开关元件Tp，Tn的导通、断开，使得流过电抗器L的电流IL中含有脉动分量。然而，由于脉动分量因电容器Cs的电流平滑作用而被抑制，因此在直流电源Vs中流过去除了脉动分量的电流。
通常，若充电电池中流过含有较多脉动分量的电流，则充电电池的寿命会降低。因此，在考虑利用充电电池构成直流电源Vs的情况下，若如图4所示设置电容器Cs，则能抑制流过充电电池的电流的脉动分量从而延长其寿命。
另一方面，图4中，主开关SW用于使直流电源Vs与由半导体开关Sp，Sn等构成的功率转换电路电气隔离，在功率转换电路、负载Load产生异常时起到切断供电的作用。这里，由于主开关SW需要消耗电抗器L中储存的电感性能量，因此，通常对主开关SW预先规定所能连接的电感的允许值。
对于该情况，若将超过上述允许值的电感连接到开关SW，则会产生导致开关SW的寿命降低等问题。然而，对于该问题，电容器Cs会吸收电抗器L的存储能量，从而能防止开关SW的寿命降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-166646号公报([0016]～[0024]段、图1、图2等)
发明内容
发明所要解决的技术问题
如上所述，设置于功率转换电路输入侧的电容器Cs具有抑制电源电流的脉动分量、吸收电抗器L的存储能量的作用，由此起到了延长直流电源Vs、开关SW的寿命的作用效果。
然而，上述电容器Cs、承受输出电压Vout的高耐压电容器Cd1会导致大型化、成本上升，因而需要解决该问题。
因此，本发明所要解决的问题在于提供一种能使整个装置小型化、低成本化的功率转换装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题，权利要求1所涉及的发明包括：由第一、第二半导体开关串联连接而构成的半导体开关串联电路；由第一、第二电容器串联连接而构成的电容器串联电路；电抗器，该电抗器连接在第一、第二半导体开关的串联连接点与第一、第二电容器的串联连接点之间；以及直流电源，该直流电源与第一电容器或第二电容器并联连接。
并且，所述半导体开关串联电路与所述电容器串联电路并联连接，且它们的并联连接点之间连接有负载，通过使所述第一、第二半导体开关导通、断开，从而在所述直流电源与所述负载之间进行直流电力的交换(例如升高直流电源电压并将其提供给负载)。
权利要求2所涉及的发明在权利要求1所记载的功率转换装置中，包括：电压检测单元，该电压检测单元分别对第一、第二电容器的电压进行检测；根据输出电压指令值与并联连接于所述直流电源的一个电容器的电压检测值之差来产生另一电容器的电压指令值的单元；第一调节单元，该第一调节单元产生用于使所述另一电容器的电压检测值与所述另一电容器的电压指令值相一致的指令值；以及基于从所述第一调节单元输出的指令值来使第一、第二半导体开关导通、断开、对所述另一电容器的电压进行调整的单元。
权利要求3所涉及的发明在权利要求2所记载的功率转换装置中，包括：电流检测单元，该电流检测单元对流过所述电抗器的电流进行检测；第二调节单元，该第二调节单元生成用于使由所述电流检测单元检测到的电流检测值与从第一调节单元输出的电流指令值相一致的指令值；以及基于从第二调节单元输出的指令值来使第一、第二半导体开关导通、断开、以对所述另一电容器的电压进行调整的单元。
发明效果
本发明的功率转换装置具有以下电路结构：利用半导体开关的导通、断开，对电容器串联电路中未与直流电源并联连接的电容器的电压进行调整，从而将直流输出电压控制为规定值。因此，能使用低耐压的电容器作为上述电容器，有助于整个装置的小型化、低成本化。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的电路图。
图2是表示本发明的实施方式2的电路图。
图3是表示本发明的实施方式3的电路图。
图4是表示现有技术的电路图。
具体实施方式
下面，按照附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，图1是表示相当于权利要求1的本发明实施方式1的电路图，对于具有与图4相同功能的器件标注相同的参照标号并省略说明，下面以和图4不同的部分为中心进行说明。
图1中，由第一、第二电容器Cdp，Cdn串联连接而成的电容器串联电路、与由第一、第二半导体开关Sp，Sn串联连接而成的半导体开关串联电路并联连接，且在它们的并联连接点之间连接有负载Load。此外，在电容器串联电路的串联连接点与半导体开关串联电路之间连接有电抗器L，第二电容器Cdn经由主开关SW与充电电池等直流电源Vs并联连接。
虽然没有图示，但也可以使直流电源Vs经由开关SW与第一电容器Cdp并联连接，而非第二电容器Cdn。
根据该电路结构，能够利用开关元件Tp，Tn的导通、断开来使电容器Cdp的电压Vdp相对于电源电压Vin进行升压及降压。这里，本实施方式中施加在负载Load上的电压、即输出电压Vout为电容器Cdp的电压Vdp与电容器Cdn的电压Vdn之和，另外，电容器Cdn的电压Vdn与电源电压Vin相等。
因此，若利用开关元件Tp，Tn的导通、断开来调整电容器Cdp的电压Vdp，则能将电源电压Vin以上的电压作为输出电压Vout提供给负载Load。
这里，若将开关元件Tn的导通时间比率设为α，则电容器Cdp的电压Vdp与电源电压Vin之间的关系可以由数学式1表示。因此，通过将该导通时间比率α、换言之开关元件Tp，Tn的导通、断开进行控制，从而能将电容器Cdp的电压Vdp调整为规定值，进而将输出电压Vout调整为规定值。
【数学式1】
V dp = α 1 - α V in
于是，在该实施方式中，流过电抗器L的电流IL为流过直流电源Vs的IL1与流过电容器Cdn的电流ILh之和。在考虑直流电源Vs与电容器Cdn之间的布线的阻抗、电源Vs的内部阻抗的情况(这些阻抗未在图中表示)下，流过电抗器L的电流IL中包含的脉动分量作为ILh流过电容器Cdn，仅电流IL的平均分量作为IL1流过直流电源Vs。
换一个角度来看，也可以认为由布线阻抗、电源Vs的内部阻抗以及电容器Cdn形成了一种用于抑制脉动分量的滤波器。
下面，与图4的现有技术进行比较来说明本实施方式的作用效果。
首先，关注并分析对流过电抗器L的电流IL的脉动分量进行抑制的电容器。在图1和图4中，在使由静电电容决定的滤波器的能力相同的情况下，图1中的电容器Cdn与图4中的电容器Cs的静电电容以及耐压都相同，因此，将图4的电容器Cs替换为图1的电容器Cdn，从而不会直接有助于电容器的小型化等。
另一方面，若对与负载Load进行直流电力交换的电容器的功能进行比较，则图1中，电容器Cdp，Cdn有助于电力交换，图4中，电容器Cd1有助于电力交换。这里，由于电容器Cdp，Cdn串联连接，因此，图1中，可以看到电容器Cdp，Cdn的串联合成静电电容变小。然而，图1中，由于电容器Cdn与直流电源Vs并联连接，因此，关于与负载Load之间的电力交换，可以认为电容器Cdn具有足够大的静电电容，关于电力交换仅考虑电容器Cdp的静电电容即可。
因此，可以使根据与负载间的交换电力的大小来设计的图1的电容器Cdp的静电电容与图4的电容器Cd1相同。而且，图1中，电容器Cdp的电压Vdp与图4的电容器Cd1相比始终在输出电压Vout以下，因此可以使用低耐压的元器件作为电容器Cdp。其结果，能实现电容器Cdp的小型化、低成本化，进而实现整个装置的小型化、低成本化。
换言之，图4中，由电容器Cd1来帮助与负载Load之间进行电力交换，与此相对，图1中，由直流电源Vs与电容器Cdn的串联电路来帮助进行电力交换。
因此，假设要使电源电压Vin升高α并将其提供给负载Load，则图4中需要由电容器Cd1承受升压后的全部电压(Vin+α)，与此相对，图1中电容器Cdp只需承受α即可。由此，图1中，能够使用耐压比图4的电容器Cd1要低的电容器Cdp。因此，根据本实施方式，能利用电容器的低耐压化来实现小型化、低成本化。
接着，图2是表示相当于权利要求2的本发明实施方式2的电路图。该实施方式2在图1的实施方式1中添加控制模块而构成。
图2中，由减法器11来计算输出电压指令值Voutref与电压检测器22所检测到的电容器Cdn的电压检测值Vndet之差，该差即为电容器Cdp的电压指令值Vpref。将该电压指令值Vpref及电压检测器21所检测到的电容器Cdp的电压检测值Vpdet输入到第一调节器12，并从调节器12输出用于使电压检测值Vpdet与电压指令值Vpref相一致的指令值。
将从调节器12输出的指令值输入到比较器13的非反转输入端子，将该指令值与输入到反转输入端子的三角波进行比较。并且，比较器13的输出即为开关元件Tn的驱动信号，经过了非门电路14的输出即为开关元件Tp的驱动信号。
利用上述结构，能将电容器Cdp的电压Vdp控制为所期望的值，其结果，能使输出电压Vout与输出电压指令值Voutref相一致。
接着，图3是表示相当于权利要求3的本发明实施方式3的电路图。
该实施方式3与实施方式2的不同点在于，设置对流过电抗器L的电流IL进行检测的电流检测器15，并设置生成使该电流检测值ILdet与从第一调节器12输出的电流指令值ILref相一致的指令值的第二调节器16。即，将输入有电流检测值ILdet和电流指令值ILref的第二调节器16的输出作为指令值输入到比较器13的非反转输入端子，之后通过与实施方式2相同的动作，来生成开关元件Tn，Tp的驱动信号。
根据该实施方式，由第二调节器16产生用于使电抗器L的电流检测值ILdet与电流指令值ILref相一致的指令值，并基于该指令值使开关元件Tp，Tn导通、断开。该情况下，与实施方式2同样，也能将电容器Cdp的电压Vdp控制为所期望的值，从而使输出电压Vout与输出电压指令值Voutref相一致。
另外，实施方式3中对流入电容器Cdp的电流进行控制，因此与实施方式2相比，能提高响应性。
工业上的实用性
本发明最适合因设置空间的限制而强烈需求小型化的用途，例如可以用作电动汽车、混合动力汽车等的车载型功率转换装置。
标号说明
Vs：直流电源
SW：主开关
Cdp，Cdn：电容器
L：电抗器
Sp，Sn：半导体开关
Tp，Tn：半导体开关元件
Dp，Dn：回流二极管
Load：负载
11：减法器
12，16：调节器
13：比较器
14：非门电路
15：电流检测器
21，22：电压检测器

Claims (3)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：由第一、第二半导体开关串联连接而构成的半导体开关串联电路；由第一、第二电容器串联连接而构成的电容器串联电路；
电抗器，该电抗器连接在第一、第二半导体开关的串联连接点与第一、第二电容器的串联连接点之间；以及
直流电源，该直流电源与第一电容器或第二电容器并联连接，
所述半导体开关串联电路与所述电容器串联电路并联连接，且它们的并联连接点之间连接有负载，
通过使所述第一、第二半导体开关导通、断开，从而在所述直流电源与所述负载之间进行直流电力的交换。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，包括：
电压检测单元，该电压检测单元分别对所述第一、第二电容器的电压进行检测；
根据输出电压指令值与并联连接于所述直流电源的一个电容器的电压检测值之差来产生另一电容器的电压指令值的单元；
第一调节单元，该第一调节单元产生用于使所述另一电容器的电压检测值与所述另一电容器的电压指令值相一致的指令值；以及
基于从所述第一调节单元输出的指令值来使所述第一、第二半导体开关导通、断开、以对所述另一电容器的电压进行调整的单元。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，包括：
电流检测单元，该电流检测单元对流过所述电抗器的电流进行检测；
第二调节单元，该第二调节单元生成用于使由所述电流检测单元检测到的电流检测值与从所述第一调节单元输出的电流指令值相一致的指令值；以及
基于从所述第二调节单元输出的指令值来使所述第一、第二半导体开关导通、断开、以对所述另一电容器的电压进行调整的单元。
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