CN107231088A - Dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于获得一种能够防止构成DC/DC变换器的电容器之间出现过电流，并安全地使各电容器的两端电压一致的DC/DC变换器。在具备多个开关元件(2a～2d)、电抗器(L)、低压侧电容器(3)、高压侧电容器(4)、充放电电容器(5)以及驱动控制开关元件(2a～2d)的控制单元(6)的DC/DC变换器(50)中，控制单元(6)进行软启动控制，使至少一个开关元件的占空比由0％逐渐变化为100％，并且在此期间使不进行软启动控制的开关元件关断。

Description

DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器。
背景技术
现有的DC/DC变换器具有端子组、电抗器、开关元件串联电路、充放电电容器以及平滑电容器，端子组具有第1、第2、第3、第4端子，开关元件串联电路是第1、第2、第3、第4开关元件串联连接而成。第2及第3开关元件的连接点经由电抗器连接到第1端子，第1开关元件的与第2开关元件的连接点的相反侧连接到第2端子，充放电电容器连接于第1及第2开关元件的连接点与第3及第4开关元件的连接点之间，平滑电容器并联连接到开关元件串联电路上，并且开关元件串联电路连接到第3及第4端子，使得第1及第2端子为低压侧，第3及第4端子为高压侧，在低压侧与高压侧之间进行直流电压的转换。控制装置具有第1运算单元、第2运算单元及开闭控制单元。第1运算单元基于高压侧的电压指令值即高压侧电压指令值与高压侧的电压检测值即高压侧电压检测值之间的电压差，或者低压侧的电压指令值即低压侧电压指令值与低压侧的电压检测值即低压侧电压检测值之间的电压差，计算第1运算值。第2运算单元基于充放电电容器的电压指令值与充放电电容器的电压检测值之间的电压差，对第2运算值进行运算。开闭控制单元基于第1运算值和第2运算值，计算通电率，并基于该通电率控制上述第1、第2、第3、第4开关元件的开闭动作(例如，参照专利文献1)。
此外，现有的另一示例的DC/DC变换器是具备连接到线圈的至少两个开关元件，利用控制电路使这两个开关元件相互反转动作，从而进行直流电力转换的非绝缘型DC/DC变换器，控制电路在动作开始时进行软启动控制，使开关元件中的一个的占空时间(on-dutytime)逐渐增加，并且在该软启动控制期间，控制电路关断另一个开关元件(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利第5457559号公报
【专利文献2】日本专利第3501226号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，上述专利文献1中所记载的DC/DC变换器将第1开关元件的栅极信号与第2开关元件的栅极信号的相位差控制为180°，将第1开关元件的栅极信号与第4开关元件的栅极信号控制为互补关系，将第2开关元件的栅极信号与第3开关元件的栅极信号控制为互补关系，因此，无法使第1及第3开关元件的占空比同时为1，从而无法使低压侧电容器的两端电压和充放电电容器的两端电压一致。此外，在升压动作中，当高压侧电压指令值快速变化为低压侧电压左右的较低值时，第3及第4开关元件的占空比会急剧变大，因此，在低压侧电容器与高压侧电容器之间会伴有相应于两者的两端电压差的过电流，并且低压侧电压和高压侧电压一致。因此，在这种情况下，过电流有可能会导致开关元件及电容器损坏，并且造成电抗器劣化。也就是说，无法确保无过电流流动，不能安全地使低压侧电容器和高压侧电容器的两端电压一致，。
此外，上述专利文献2中所记载的DC/DC变换器为了使连接到线圈的开关元件软启动，而将该软启动应用于上述专利文献2中所记载的DC/DC变换器的情况下，在软启动期间Ci电压(VCi)和Cf电压(VCf)不会发生变化，之后，如果转入正常动作，开关元件S1导通，则相应于VCi和VCf的差值的过电流会沿着Ci→L→S3→Cf→S1的路径流动，过电流有可能会导致开关元件及电容器损坏，并且造成电抗器劣化。
本发明为解决上述问题开发而成，其目的在于防止构成DC/DC变换器的电容器之间出现过电流，安全地使各电容器的两端电压一致。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的DC/DC变换器中，具备多个开关元件、电抗器、低压侧电容器、高压侧电容器、充放电电容器以及驱动控制开关元件的控制单元；多个开关元件具备第1开关元件、第2开关元件、第3开关元件及第4开关元件，所述第1开关元件的第1端连接到低压侧电容器的负极，所述第2开关元件的第1端连接到第1开关元件的第2端，其第2端经由电抗器连接到低压侧电容器的正极，所述第3开关元件的第1端连接到第2开关元件的第2端，所述第4开关元件的第1端连接到第3开关元件的第2端，其第2端连接到高压侧电容器的正极，充放电电容器连接于第1、第2开关元件的连接点与第3、第4开关元件的连接点之间，其中，控制单元进行软启动控制，使至少一个开关元件的占空比由0％逐渐变化为100％，并且在软启动控制期间使不进行软启动控制的开关元件关断，从而使低压侧电容器的两端电压与充放电电容器的两端电压一致，或者低压侧电容器的两端电压与高压侧电容器的两端电压一致。
发明效果
根据本发明的DC/DC变换器，可以防止电容器之间出现过电流，并能够安全地使各电容器的两端电压一致。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的DC/DC变换器的电路图。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中实施软启动控制的控制单元的框图。
图3是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中的软启动控制的时序图。
图4是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中另一开关模式下的软启动控制的时序图。
图5是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。
图6是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。
图7是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。
图8是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。
图9是用于说明本发明实施方式1所涉及的DC/DC变换器中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。
图10是表示本发明实施方式2的DC/DC变换器的电路图。
图11是用于说明本发明实施方式2所涉及的DC/DC变换器中的软启动控制的时序图。
图12是表示本发明实施方式3所涉及的DC/DC变换器中实施软启动控制的控制单元的动作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。另外，在各图中相同标号表示相同或相当的部分。
实施方式1.
以下，对本发明的实施方式1进行说明。
图1是用于说明本发明实施方式1的DC/DC变换器的电路图。
如图1所示，DC/DC变换器(电力转换装置)50由电抗器1、半导体模块2、低压侧电容器3、高压侧电容器4、充放电电容器5以及控制单元6构成，所述半导体模块2由第1半导体开关元件2a、第2半导体开关元件2b、第3半导体开关元件2c及第4半导体开关元件2d构成，所述控制单元6控制第1半导体开关元件2a、第2半导体开关元件2b、第3半导体开关元件2c及第4半导体开关元件2d。此外，在DC/DC变换器50的低压侧(P1-N1之间)连接有高压电池51，在高压侧(P2-N2之间)连接有电动机52。另外，各半导体开关元件2a～2d例如分别由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和与之反并联连接的二极管构成。
在图1中，DC/DC变换器50是在低压侧和高压侧之间可以进行双向功率转换的双向型变换器，使输入到低压侧端子即P1-N1之间的输入电压(低压侧电压)V1升压为V1以上的电压，将升压后的输出电压(高压侧电压)V2输出到高压侧端子即P2-N2之间。另外，在以下说明中，有时也会将电压V1、V2仅记做V1、V2。第1半导体开关元件2a的一端连接到低压侧电容器3的负极侧端子。第2半导体开关元件2b的一端连接到第1半导体开关元件2a的另一端，另一端经由电抗器1，连接到低压侧电容器3的正极侧端子。第3半导体开关元件2c的一端连接到第2半导体开关元件2b的另一端。第4半导体开关元件2d的一端连接到第3半导体开关元件2c的另一端，另一端连接到高压侧电容器4的正极侧端子。再者，充放电电容器5的一端连接到第1半导体开关元件2a和第2半导体开关元件2b的中间连接点，另一端连接到第3半导体开关元件2c和第4半导体开关元件2d的中间连接点。
低压侧电容器3对V1进行滤波。电抗器1用于储存能量。半导体模块2以及充放电电容器5将V1升压至V2。另外，在本实施方式中，半导体模块2的各半导体开关元件2a～2d在栅极信号为高电平(H)时导通。高压侧电容器4对V2进行滤波。控制单元6生成各半导体开关元件2a～2d的栅极信号，使各半导体开关元件2a～2d进行导通、关断动作。
图2是本发明实施方式1中实施软启动控制的控制单元的框图。如图2所示，控制单元6由占空比发生器601、三角波发生器602、比较器603、比较器604、比较器605以及比较器606构成。占空比发生器601生成占空比D1～D4。三角波发生器602生成三角波TW1～TW4。这里，三角波TW1～TW4的频率和不进行软启动控制的正常运行时的值相同。此外，将三角波TW1～TW4的相位差设为0°。利用比较器603比较占空比D1和三角波TW1，从而生成栅极信号G1。这里，占空比D1用软启动时间Tsoft1，呈线性地由0变化为1。因此，栅极信号G1呈交替重复低(L)电平(关闭)和高(H)电平(开启)，并且开启时间逐渐变长的波形。此外，利用比较器604比较占空比D2和三角波TW2，从而生成栅极信号G2。并且，利用比较器605比较占空比D3和三角波TW3，从而生成栅极信号G3。再者，利用比较器606比较占空比D4和三角波TW4，从而生成栅极信号G4。这里，占空比D2～D4始终为0。因此，栅极信号G2～G4始终为低(L)电平(关闭)。
图3是用于说明本发明实施方式1的软启动控制的时序图。图3(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图3(b)是表示V1、V0(充放电电容器的两端电压即中间电压)及V2的时序图。如图3(a)所示，从时刻t＝0开始，在软启动时间Tsoft1的期间(第1软启动期间)，进行软启动控制，使半导体开关元件2a的栅极信号G1由0％逐渐变化为100％，将不进行软启动控制的半导体开关元件2b～2d的栅极信号G2～G4关闭。如图3(b)所示，若将高压电池51的两端电压Vbat、t＝0时的各电压值设为V2＞V1＝Vbat＞V0，则开始软启动控制并且栅极信号G1开启时，电流沿着低压侧电容器3(电池C1)→电抗器1(L)→半导体开关元件2c(S3)→充放电电容器5(C0)→半导体开关元件2a(S1)的路径流动，V0上升，并逐渐收敛为V1＝V0＝Vbat。关于软启动时间Tsoft1，预先通过仿真等来决定，以确保额定电流最小的构成器件不会发生损坏，并且在电容器之间流过的电流低于该器件的额定电流。另外，由于与电容器之间的电位差成正比地流动的电流会变大，因此，可以根据假定的最大电位差的条件或者通过仿真等，计算软启动时间Tsoft1。
控制单元进行软启动控制，以使至少一个开关元件的占空比由0％逐渐变化为100％，并且在进行软启动控制的期间使不进行软启动控制的开关元件关断，从而使低压侧电容器的两端电压与充放电电容器的两端电压、或者低压侧电容器的两端电压与高压侧电容器的两端电压一致。在以下所说明的实施方式中也一样。
如此，通过对半导体开关元件2a～2d进行软启动控制，从而在低压侧电压V1＞中间电压V0时，可以防止在低压侧电容器3(C1)和充放电电容器5(C0)之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V0一致。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。
图4是用于说明本发明实施方式1中另一开关模式下的软启动控制的时序图。图4(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图4(b)是表示V1、V0及V2的时序图。如图4(a)所示，从时刻t＝0开始，在软启动时间Tsoft1的期间(第1软启动期间)，利用控制单元6进行软启动控制，以使占空比产生器601所生成的占空比D1、D2、D4分别始终为0，用软启动时间Tsoft1使占空比D3呈线性地由0变化为1，使半导体开关元件2c的栅极信号G3由0％逐渐变化为100％，并将半导体开关元件2a、2b、2d的栅极信号G1、G2、G4关闭。另外，使由三角波产生器602所生成的三角波TW1～TW4的频率和不进行软启动控制的正常运行时的值相同。此外，如图4(b)所示，若将高压电池51的两端电压Vbat、t＝0时的各电压值设为V2＞V0＞V1＝Vbat，则开始软启动控制并且栅极信号G3开启时，电流沿着S1→C0→半导体开关元件2c(S3)→L→低压侧电容器(电池C1)的路径流过，V0下降，并逐渐收敛为V1＝V0＝Vbat。
如此，通过对半导体开关元件2a～2d进行软启动控制，在低压侧电压V1＜中间电压V0时，可以防止在低压侧电容器3(C1)和充放电电容器5(C0)之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V0一致。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。
图5是用于说明本发明实施方式1中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。图5(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图5(b)是表示V1、V0及V2的时序图。如图5(a)所示，从时刻t＝0开始，在软启动时间Tsoft1的期间(第1软启动期间)，利用控制单元6进行软启动控制，使占空比产生器601所生成的占空比D2、D4分别始终为0，用软启动时间Tsoft1使占空比D1、D3呈线性地由0变化为1，使半导体开关元件2a、2c的栅极信号G1、G3由0％逐渐变化为100％，并将半导体开关元件2b、2d的栅极信号G2、G4关闭。另外，使由三角波产生器602所生成的三角波TW1～TW4的频率和不进行软启动控制的正常运行时的值相同。如图5(b)所示，若将高压电池51的两端电压Vbat、t＝0时的各电压值设为V2＞V1＝Vbat＞V0，则在开始软启动控制并且栅极信号G1开启的时刻，电流沿着电池(C1)→L→S3→C0→S1的路径流动，V0上升，并逐渐收敛为V1＝V0＝Vbat。此外，虽然并未图示，但若将t＝0时的各电压值设为V2＞V0＞V1＝Vbat，则在开始软启动控制并且栅极信号G3开启的时刻，电流沿着S1→C0→S3→L→电池(C1)的路径流动，V0下降，并逐渐收敛为V1＝V0＝Vbat。
如此，通过对半导体开关元件2a～2d进行软启动控制，在低压侧电压V1＞中间电压V0或者低压侧电压V1＜中间电压V0时，可以防止在低压侧电容器3(C1)和充放电电容器5(C0)之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V0一致。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。另外，也可以应用后述图7所示的开关模式。
此外，图6是用于说明本发明实施方式1中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。图6(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图6(b)是表示V1、V0及V2的时序图。如图6(a)所示，从时刻t＝0开始，在软启动时间Tsoft1的期间(第1软启动期间)，利用控制单元6进行软启动控制，使占空比产生器601所生成的占空比D1、D2分别始终为0，用软启动时间Tsoft1使占空比D3、D4呈线性地由0变化为1，使半导体开关元件2c、2d的栅极信号G3、G4由0％逐渐变化为100％，并将半导体开关元件2a、2b的栅极信号G1、G2关闭。另外，使由三角波产生器602所生成的三角波TW1～TW4的频率和不进行软启动控制的正常运行时的值相同。此外，如图6(b)所示，若将高压电池51的两端电压Vbat、t＝0时的各电压值设为V2＞V0＞V1＝Vbat，开始软启动控制并且栅极信号G3、G4开启时，电流沿着高压侧电容器4(C2)→半导体开关元件2d(S4)→S3→L→电池(C1)的路径流动，V2下降，并逐渐收敛为V2＝V0。之后，在栅极信号G3、G4开启时，电流沿着C2(C0)→S3→L→电池(C1)的路径流动，V2和V0都下降，并逐渐收敛为V2＝V0＝V1＝Vbat。也就是说，通过软启动控制，可以防止电容器之间的过电流，能够安全地使V1、V0、V2一致。此外，由于会变为V1＝V2的状态，因此，能够安全地转入直接连接状态(将低压侧电压直接施加到高压侧的状态)。此外，虽然并未图示，但若将t＝0时的各电压值设为V2＞V1＝Vbat＞V0，则在开始软启动控制并且栅极信号G3、G4为ON时，电流依次流过C2→S4→S3→L→电池(C1)，V2下降，并逐渐收敛为V2＝V1＝Vbat。
如此，通过对半导体开关元件2a～2d进行软启动控制，在低压侧电压V1＜高压侧电压V2时，可以防止在低压侧电容器3(C1)和高压侧电容器4(C2)之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V2一致。也就是说，通过软启动控制，可以防止电容器之间出现过电流，并能够安全地使V1、V2一致(能够安全地转入直接连接状态)。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。
此外，图7是用于说明本发明实施方式1中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。图7(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图7(b)是表示V1、V0及V2的时序图。如图7(a)所示，从时刻t＝0开始，在软启动时间Tsoft1的期间(第1软启动期间)，利用控制单元6进行软启动控制，使占空比产生器601所生成的占空比D1、D2分别始终为0，用软启动时间Tsoft1使占空比D3、D4呈线性地由0变化为1，使半导体开关元件2c、2d的栅极信号G3、G4以180°相位差由0％逐渐变化为100％，并将半导体开关元件2a、2b的栅极信号G1、G2关闭。这里，使由三角波产生器602所生成的三角波TW1～TW4的频率和不进行软启动控制的正常运行时的值相同。另外，使三角波TW4相对于三角波TW1～TW3的相位差为180°。此外，如图7(b)所示，若将高压电池51的两端电压Vbat、t＝0时的各电压值设为V2＞V0＞V1＝Vbat，则开始软启动控制并且栅极信号G3开启时，电流沿着S1→C0→S3→L→电池(C1)的路径流动；栅极信号G4开启时，电流沿着C2→S4→C0→半导体开关元件2b(S2)→L→电池(C1)的路径流动，V2及V0下降，并逐渐收敛为V2＝V1＝Vbat。
这里，流过电抗器1的电流IL可以用式(1)表示。VL表示电抗器1的两端电压，L表示电抗器1的电感，D表示半导体开关元件的占空比，T1表示半导体开关元件的开关周期。
【公式1】
数1
如上所述，在栅极信号G3开启时，电流沿着S1→C0→S3→L→电池(C1)的路径流动，因此，电抗器的两端电压VL会成为V1－V0。此外，在栅极信号G4开启时，电流沿着C2→S4→C0→S2→L→电池(C1)的路径流动，因此，电抗器的两端电压VL成为V1－(V2－V0)。另一方面，在栅极信号G3、G4的相位差为0°时，电流沿着C2→S4→S3→L→电池(C1)的路径流动，因此，电抗器的两端电压VL成为V1－V2。这里，若假定为V2＞V0＞V1＝Vbat的关系，例如V1＝Vbat＝200V、V0＝300V、V2＝600V，则在栅极信号G3、G4的相位差为180°的情况下，当栅极信号G3开启时，VL＝V1－V0＝200－300＝﹣100V，当栅极信号G4开启时，VL＝V1－(V2－V0)＝200－(600－300)＝﹣100V，而在栅极信号G3、G4的相位差为0°的情况下，VL＝V1－V2＝200－600＝﹣400V。因此，和栅极信号G3、G4的相位差为0°的情况相比，两者的相位差为180°时，可以减小电抗器的两端电压。也就是说，根据式(1)，若将电抗器电流IL、电感L、开关周期T1设为固定，则和栅极信号G3、G4的相位差为0°的情况相比，两者的相位差为180°时，可以增大半导体开关元件的占空比D。因此，可以增大使占空比D由0变化为1的斜率，从而可以缩短软启动时间Tsoft1，尽早使各电压值一致。
如此，通过对半导体开关元件2a～2d进行软启动控制，在低压侧电压V1＜高压侧电压V2时，可以防止在低压侧电容器3(C1)和高压侧电容器4(C2)之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V2一致(能够安全地转入直接连接状态)。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。再者，由于栅极信号G3和G4的相位差为180°，因此在电容器之间流动的电流会变小，能够缩短软启动时间。
此外，图8是用于说明本发明实施方式1中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。图8(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图8(b)是表示V1、V0及V2的时序图。该开关模式的特征在于，在第1软启动期间之后设置有软启动时间为Tsoft2的第2软启动期间。这里，在第1软启动期间和第2软启动期间之间，设置使栅极信号G1～G4为低(L)电平(关闭)的控制关闭期间，作为用于变更占空比D1～D4的期间。例如，将控制关闭期间设为10ms。第1软启动期间的各波形和图5一样，以0°相位差进行栅极信号G1和G3的软启动控制，从而逐渐收敛为V0＝V1＝Vbat。第2软启动期间的各波形和图6一样，以0°相位差进行栅极信号G3和G4的软启动控制，从而逐渐收敛为V2＝V0＝V1＝Vbat。另外，关于软启动时间Tsoft2，事先决定为和软启动时间Tsoft1相同。
如此，通过对半导体开关元件2a～2d进行软启动控制，在低压侧电压V1＞中间电压V0或者低压侧电压V1＜中间电压V0时，可以防止在低压侧电容器3(C1)和充放电电容器5(C0)之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V0一致。之后，在低压侧电压V1＜高压侧电压V2时，可以防止在低压侧电容器C1和充放电电容器C2之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使V1和V2一致(能够安全地转入直接连接状态)。进而，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。另外，针对图8所示的开关模式，应用图7所示的、使栅极信号G3和G4的相位差为180°的方法，自然可以缩短第2软启动期间的软启动时间Tsoft2。此外，在第1软启动期间和第2软启动期间之间设置有控制关闭期间，但也可以不设置该期间，在紧接着第1软启动期间结束后的控制时刻变更占空比D1～D4。
此外，图9是用于说明本发明实施方式1中再另一开关模式下的软启动控制的时序图。图9(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图9(b)是表示V1、V0及V2的时序图。图9(a)是将图6(a)所示的时序图的开关周期T1缩短为T2的时序图。利用控制单元6使三角波产生器602所生成的三角波TW3、TW4的频率比正常运行时的频率高，从而将该开关周期T1缩短为T2，提高半导体开关元件2c、2d的开关频率。此外，如图9(b)所示，和图6(b)一样，若将高压电池51的两端电压Vbat、t＝0时的各电压值设为V2＞V0＞V1＝Vbat，开始软启动控制并且栅极信号G3、G4开启时，电流沿着C2→S4→S3→L→电池(C1)的路径流动，V2下降，并逐渐收敛为V2＝V0。之后，在栅极信号G3、G4开启时，电流沿着C2(C0)→S3→L→电池(C1)的路径流动，V2和V0都下降，并逐渐收敛为V2＝V0＝V1＝Vbat。
这里，在式(1)中，若将电抗器两端电压VL、电感L、占空比D设为固定，则通过提高半导体开关元件2c、2d的开关频率，可以减小电抗器电流IL。因此，在用DC/DC变换器的结构部件的电流阈值固定电抗器电流IL时，可以增大占空比D。也就是说，可以增大使占空比D由0变化为1的斜率，从而可以缩短软启动时间Tsoft1，尽早使各电压一致。另外，这里作为一例，例示了针对图6所示的开关模式提高开关频率的情况，在应用于图3～5、7、8所示的开关模式时，自然也能够缩短软启动时间，尽早使各电压一致。
如上所述，本实施方式1所涉及的DC/DC变换器中进行软启动控制，使至少一个半导体开关元件以预先决定的规定开关模式由0％逐渐变化为100％，并且在该期间使不进行软启动控制的开关元件关断，从而可以防止在电容器之间有过电流流过，并且在无电压传感器的情况下也能安全地使各电容器的两端电压一致。此外，通过防止过电流，从而能够实现各构成要素的小型化，并实现装置整体的小型化、低成本化。另外，通过使进行软启动控制的2个半导体开关元件的栅极信号相位差为180°，从而可以缩短软启动时间。并且，通过提高半导体开关元件的开关频率，从而可以进一步缩短软启动时间。也就是说，能够尽早使各电容器的两端电压一致。
另外，图2中所示的是控制单元6的框图，但本框图中的栅极信号生成方法并不限定于本发明，仅记载了一个示例，使至少一个半导体开关元件的开启时间由0％逐渐变化为100％，在该期间使不进行软启动控制的开关元件关断即可，也可以为其他结构。例如，可以不是构成控制单元6的占空比产生器601所生成的各占空比呈线性地由0变化为1的线性波形，例如，可以使用由电容器和电阻的常数决定的积分波形。
此外，也可以将如图7所示的、使要进行软启动控制的2个开关元件的栅极信号相位差为180°的方法应用于图5所示的开关模式。
实施方式2.
以下，对本发明的实施方式2进行说明。
图10是用于说明本发明实施方式2的DC/DC变换器的电路图。在图10中，对图1所示的实施方式1的电路图追加用于检测高压侧电压V2的电压传感器7、用于检测中间电压V0的电压传感器8、以及用于检测低压侧电压V1的电压传感器9。除追加电压传感器以外，其他都和实施方式1一样，故在此省略说明。
控制单元6的结构和图2所示的实施方式1的结构相同。这里，针对控制单元6利用占空比产生器601和三角波产生器602输出图8(a)所示的设置第1开关期间和第2开关期间的开关模式的示例进行说明。在第1软启动期间，控制单元6基于电抗器1的电感、额定电流最小的结构部件的额定电流阈值、电压传感器9的检测电压V1_sen和电压传感器8的检测电压V0_sen的差值、开关周期，对半导体开关元件2a、2c的占空比D1、D3逐个进行运算，在第2软启动期间，控制单元6基于电抗器1的电感、额定电流最小的结构部件的额定电流阈值、电压传感器7的检测电压V2_sen和电压传感器9的检测电压V1_sen的差值、开关周期，对半导体开关元件2c、2d的占空比D3、D4逐个进行运算。
图11是用于说明本发明实施方式2的软启动控制的时序图。图11(a)是表示各半导体开关元件2a～2d的开关模式的时序图，图11(b)是表示V1、V0及V2的时序图。图11(a)、(b)都和图8所示的实施方式1相类似，但是如上所述，对半导体开关元件的占空比逐个进行运算，确保电流不超过额定电流阈值且接近该阈值，因此，和图8所示的软启动时间相比，能够缩短软启动时间Tsoft1及Tsoft2。也就是说，能够尽早使各电压一致。
另外，这里作为一例，例示了应用于图8所示的开关模式的示例，在应用于图3～6所示的开关模式时，自然也能够尽早使各电压一致。
此外，如图9所示，通过提高第1软启动期间或第2软启动期间中的至少一个期间内的半导体开关元件的开关频率，从而可以缩短软启动时间Tsoft1或软启动时间Tsoft2中的至少一个。也就是说，能够尽早使各电压一致。进而，也可以对图3～6所示的开关模式提高开关频率，缩短软启动时间。
此外，在第1软启动期间和第2软启动期间之间设置有控制关闭期间，但也可以不设置该期间，紧接着第1软启动期间结束后的控制时刻变更占空比D1～D4。
如上所述，本实施方式2所涉及的DC/DC变换器中，在实施方式1所涉及的DC/DC变换器的基础上，进而具备测定低压侧电容器的两端电压V1的电压传感器、测定高压侧电容器的两端电压V2的电压传感器、以及测定充放电电容器的两端电压V0的电压传感器，进行软启动控制，使至少一个半导体开关元件在基于电压传感器的检测值而决定的开关模式下由0％逐渐变化为100％，并且在该期间使不进行软启动控制的开关元件关断，从而可以相较于实施方式1所涉及的DC/DC变换器，缩短软启动时间。也就是说，能够尽早使各电压一致。
另外，对本实施方式2所涉及的DC/DC变换器进行实施方式1所示的软启动控制，使至少一个半导体开关元件以预先决定的规定开关模式由0％逐渐变化为100％时，例如在图8所示的开关模式下进行软启动控制时，在第1软启动期间使得V1＝V0，例如计算各电压传感器的检测值的电位差绝对值|V1_sen－V0_sen|，如果结果为超过规定的电压阈值，则判断为电压传感器8或电压传感器9中的某一个发生故障，如果结果为低于规定的电压阈值，则判断为电压传感器8及电压传感器9两者都正常，从而可以诊断电压传感器8和电压传感器9的故障。进而，在第2软启动期间，使得V1＝V2，例如计算各电压传感器的检测值的绝对值|V1_sen－V2_sen|，和上述一样，可以诊断电压传感器7和电压传感器9的故障。也就是说，除实施方式1的效果外，还能诊断各电压传感器的故障。
实施方式3.
以下，对本发明的实施方式3进行说明。电路结构和图10所示的实施方式2的结构相同，故在此省略说明。
控制单元6的结构和图2所示的实施方式1的结构相同。这里，针对控制单元6利用占空比产生器601和三角波产生器602输出图8(a)所示的设置第1开关期间和第2开关期间的开关模式的示例进行说明。
图12是表示实施本发明实施方式3的软启动控制的控制单元的动作的流程图。另外，该流程图中所示的2a～2d是半导体开关元件2a～2d。首先，在步骤S101中，计算条件A：|V1_sen－V0_sen|，决定是否实施半导体开关元件2a、2c的软启动。该值超过Vth1时，进入步骤S102(实施软启动)，该值在Vth1以下时，进入步骤S103(不实施软启动)。这里，V1_sen表示电压传感器9的检测电压，V0_sen表示电压传感器8的检测电压，Vth1表示电压阈值1。关于Vth1，可以预先通过仿真等决定，确保占空比D1、D3为100％时，额定电流最小的结构部件不会发生损坏，以及在电容器之间流动的电流低于该部件的额定电流。在步骤S102中，对半导体开关元件2a、2c进行软启动控制，使半导体开关元件2b、2d关断(条件B)。另外，关于开关模式，和实施方式1中所示的图8(a)相同。在步骤S103中，不进行软启动控制，使占空比产生器601所生成的占空比D1、D3始终为1，从而使栅极信号G1、G3始终为高电平，使半导体开关元件2a、2c始终导通(条件C)。关于半导体开关元件2b、2d，和步骤S102一样，使其始终关断(条件C)。在步骤S104中，再次计算条件D：|V1_sen－V0_sen|，若结果低于Vth2则进入步骤S105，若超过Vth1则重复步骤S104。这里，条件D是用于确认V1_sen和V0_sen的一致程度的条件表达式。Vth2表示电压阈值2，可以基于电压传感器8、电压传感器9的误差决定。在步骤S105中，使半导体开关元件2a～2d暂时关断例如10ms(条件E)。在步骤S106中，计算|V1_sen－V2_sen|，决定是否实施半导体开关元件2c、2d的软启动控制(条件F)。该值超过Vth3时，进入步骤S107(实施软启动控制)；该值在Vth3以下时，进入步骤S108(不实施软启动控制)。这里，V1_sen表示电压传感器9的检测电压，V2_sen表示电压传感器7的检测电压，Vth3表示电压阈值3。关于Vth3，可以预先通过仿真等决定，确保占空比D3、D4为100％时，额定电流最小的结构部件不会发生损坏，以及在电容器之间流动的电流低于该部件的额定电流。在步骤S107中，对半导体开关元件2c、2d进行软启动控制，使半导体开关元件2a、2b关断(条件G)。另外，关于开关模式，和实施方式1中所示的图8(a)相同。在步骤S108中，不进行软启动控制，使占空比产生器601所生成的占空比D3、D4始终为1，从而使栅极信号G3、G4始终为高电平，使半导体开关元件2c、2d始终导通(条件H)。关于半导体开关元件2a、2b，和步骤S107一样，使其始终关断(条件H)。在步骤S109中，再次计算条件I：|V1_sen－V2_sen|，若结果低于Vth4则结束一系列动作，若超过Vth4则重复步骤S109。这里，条件I是用于确认V1_sen和V2_sen的一致程度的条件表达式。Vth4表示电压阈值4，可以基于电压传感器7、电压传感器9的误差决定。这里，在条件D(步骤S104)和条件F(步骤S106)之间设置有控制关闭期间即条件E(步骤S105)，但也可以不设置该期间，在条件D(步骤S104)之后转入条件F(步骤S106)。
另外，基于图12进行软启动控制时，关于各电压V1、V0、V2的变化，t＝0时各电压值为V2＞V1＝Vbat＞V0，条件A以及F成立时，和图8(b)一样。条件A不成立时，V1和V0瞬间一致，条件F不成立时，V1和V2瞬间一致。因此，和实施方式1中所示的DC/DC变换器相比较，本实施方式3中所示的DC/DC变换器在条件A、条件F下，当各电压传感器的检测值差异较小时，可以缩短软启动时间。
再者，条件D成立时，判定电压传感器8及电压传感器9两者都正常，此外，在经过某一重复次数后条件D仍然不成立时，判定电压传感器8或电压传感器9中的某一个发生故障，从而可以诊断电压传感器8及电压传感器9的故障。进而，条件I成立时，判定电压传感器7及电压传感器9两者都正常，此外，在经过某一重复次数后条件I仍然不成立时，判定电压传感器7或电压传感器9中的某一个发生故障，从而可以诊断电压传感器7及电压传感器9的故障。
另外，图12中所示的是获得如图8(a)所示的开关模式的流程图，但在应用于图3(a)～图7(a)的开关模式时，当各电压传感器的检测值差异较小时，自然也可以缩短软启动时间，诊断电压传感器的故障。
此外，如图9所示，通过提高半导体开关元件的开关频率，从而可以缩短软启动时间。也就是说，能够尽早使各电压一致。
如上所述，本实施方式3所涉及的DC/DC变换器中，在实施方式1所涉及的DC/DC变换器的基础上，进而具备测定低压侧电容器的两端电压的电压传感器、测定高压侧电容器的两端电压的电压传感器、以及测定充放电电容器的两端电压V0的电压传感器，基于各电压传感器的检测值，决定实施或不实施软启动控制，从而可以相较于实施方式1所涉及的DC/DC变换器，缩短软启动时间。也就是说，能够尽早使各电压一致。进而，通过比较各电压传感器的检测值，从而可以诊断各电压传感器的故障。
另外，也可以将实施方式3所示的、基于各电压传感器的检测值决定实施或不实施软启动控制的DC/DC变换器在实施方式2所示的、基于各电压传感器的检测值而决定的开关模式下动作。该情况下，可以缩短图12中所示的步骤S102(条件B)以及步骤S107(条件G)所需要的时间，因此，可以进一步缩短实施方式3中所需要的软启动时间。
此外，在图10所示的DC/DC变换器中，也可以在实施方式1所示的、不使用电压传感器的信息而是预先决定的规定开关模式下进行软启动控制。该情况下，可以安全地使各电压一致，进而，可以诊断各电压传感器的故障。
并且，在上述各实施方式中，针对由IGBT和二极管构成各半导体开关元件2a～2d的示例进行了说明，也可以使用MOSFET或JFET等代替IGBT。使用MOSFET时，可以使用MOSFET的体二极管代替二极管。另外，各半导体开关元件2a～2d可以由带隙大于硅的宽带隙半导体，例如碳化硅(SiC)、氮化镓类材料或金刚石形成。
另外，本发明并不限定于上述各实施方式，还包括这些实施方式可能的全部组合，在其发明范围内能够自由地组合各实施方式，或者对各实施方式进行恰当的变形、省略。
标号说明
1电抗器，2半导体模块，2a第1半导体开关元件，2b第2半导体开关元件，2c第3半导体开关元件，2d第4半导体开关元件，3低压侧电容器，4高压侧电容器，5充放电电容器，6控制单元，7、8、9电压传感器。

Claims (12)

1.一种DC/DC变换器，
具备多个开关元件(2a-2d)、电抗器(L)、低压侧电容器(3)、高压侧电容器(4)、充放电电容器(5)以及驱动控制所述开关元件(2a-2d)的控制单元(6)；
多个所述开关元件(2a-2d)具备第1开关元件(2a)、第2开关元件(2b)、第3开关元件(2c)以及第4开关元件(2d)，所述第1开关元件(2a)的第1端连接到所述低压侧电容器(3)的负极，所述第2开关元件(2b)的第1端连接到所述第1开关元件(2a)的第2端，其第2端经由所述电抗器(L)连接到所述低压侧电容器(3)的正极，所述第3开关元件(2c)的第1端连接到所述第2开关元件(2b)的第2端，所述第4开关元件(2d)的第1端连接到所述第3开关元件(2c)的第2端，其第2端连接到所述高压侧电容器(4)的正极；
所述充放电电容器(5)连接于所述第1开关元件、所述第2开关元件(2a、2b)的连接点和所述第3开关元件、所述第4开关元件(2c、2d)的连接点之间，
所述DC/DC变换器的特征在于，
所述控制单元(6)进行软启动控制，使至少一个开关元件的占空比由0％逐渐变化为100％，并且在软启动控制期间使不进行软启动控制的开关元件关断，从而使所述低压侧电容器(3)的两端电压与所述充放电电容器(5)的两端电压一致，或者使所述低压侧电容器(3)的两端电压与所述高压侧电容器(4)的两端电压一致。
2.如权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)对所述第1开关元件(2a)进行软启动控制。
3.如权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元对所述第3开关元件进行软启动控制。
4.如权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)对所述第1开关元件及所述第3开关元件(2a、2c)进行软启动控制。
5.如权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)对所述第3开关元件及所述第4开关元件(2c、2d)进行软启动控制。
6.如权利要求2至4中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)在第一次软启动控制结束后，对所述第3开关元件及所述第4开关元件(2c、2d)进行软启动控制。
7.如权利要求5或6所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)使要进行软启动控制的2个开关元件的栅极信号相位差为180°。
8.如权利要求1至7中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)以预先决定的规定开关模式对开关元件进行软启动控制。
9.如权利要求1至7中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，
具备测定所述低压侧电容器(3)的两端电压V1的第1电压传感器(9)、测定所述高压侧电容器(4)的两端电压V2的第2电压传感器(7)、以及测定所述充放电电容器(5)的两端电压V0的第3电压传感器(8)，所述控制单元(6)以预先决定的规定开关模式对开关元件进行软启动控制。
10.如权利要求1至7中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，
具备测定所述低压侧电容器(3)的两端电压V1的第1电压传感器(9)、测定所述高压侧电容器(4)的两端电压V2的第2电压传感器(7)、以及测定所述充放电电容器(5)的两端电压V0的第3电压传感器(8)，所述控制单元(6)以基于所述电压传感器的检测值而决定的开关模式对开关元件进行软启动控制。
11.如权利要求9或10所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)基于所述电压传感器的检测值，决定实施或不实施软启动控制。
12.如权利要求1至11中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，
所述控制单元(6)以比正常运行时的频率要高的频率进行软启动控制。
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