CN108075652A - 电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电压转换装置，该电压转换装置设置在DC电源与负载之间，并且包括并联连接的第一电压转换电路和第二电压转换电路以及控制单元。第二电压转换电路具有比第一电压转换电路的额定输出大的额定输出。在负载是小负载的情况下，控制单元仅使第一电压转换电路工作，并且停止第二电压转换电路的工作。在负载是大负载的情况下，控制单元使第一电压转换电路和第二电压转换电路两者工作。在负载从小负载切换至大负载的过程中，控制单元停止第一电压转换电路并仅使第二电压转换电路工作，然后使第一电压转换电路工作。

Description

电压转换装置
相关申请的交叉引用
本申请基于且要求2016年11月15日提交的日本专利申请第2016-222188号的优先权权益，此处以引证的方式将该申请的整个内容并入。
技术领域
本发明的一个或更多个实施方式涉及一种诸如DC-DC转换器这样的电压转换装置，具体地，涉及一种包括根据负载状态而切换的两个电压转换电路的电压转换装置。
背景技术
例如，用于将电池(DC电源)的电压转换成预定电压且用于将预定电压供给诸如车载设备这样的负载的DC-DC转换器安装在车辆中。负载的状态根据设备的工作状况而改变，并且在功耗小时，负载处于小负载状态，并且在功耗大时，负载处于大负载状态。在车辆的情况下，因为负载频繁波动，所以需要电压转换装置具有在从小负载到大负载的宽范围内有效转换电压的容量。作为针对这一点的对策，在JP-A-2012-244862、JP-A-2001-204137、JP-A-2004-62331、JP-A-2009-60747以及JP-A-2012-10434中描述了用于大负载的电压转换电路和用于小负载的电压转换电路并联连接的电压转换装置。
在JP-A-2012-244862中，具有不同额定功率的第一转换器单元和第二转换器单元并联连接，使得在第一输出功率区域中仅驱动第一转换器单元，并且在第二输出功率区域中仅驱动第二转换器单元，并且在第三输出功率区域中驱动第一转换器单元和第二转换器单元。
在JP-A-2001-204137中，小容量DC-DC转换器和大容量DC-DC转换器并联连接，并且在负载的所需供给功率大时，由开关控制装置驱动大容量DC-DC转换器，并且在负载的所需供给功率小时，暂停大容量DC-DC转换器，并且驱动小容量DC-DC转换器。
在JP-A-2004-62331中，在向小负载供电时具有高效率的第一电源电路和在向大负载供电时具有高效率的第二电源电路并联连接，并且第一电源电路检测第二电源电路的输出电压，使得控制是否向输出端子输出电压。
在JP-A-2009-60747中，配置有半桥转换器的主功率转换器和配置有全桥转换器的辅助功率转换器并联连接，功率的大部分从主功率转换器供给给负载，并且在剩余的功率中，到负载的输出电压由辅助功率转换器的开关元件的开关工作来调节。
在JP-A-2012-10434中，用于正常工作的第一转换器和用于小负载工作的第二转换器并联连接，在从正常工作切换至小负载工作时，在不暂停第二转换器的情况下暂停第一转换器，并且在从小负载工作切换至正工作时，由第一转换器重新启动功率的输出。
然而，用于大负载的电压转换电路和用于小负载的电压转换电路的功率转换效率的特性彼此不同。在用于大负载的电压转换电路中，转换效率在输出功率大的区域中高，但转换效率在输出功率小的区域中低。同时，在用于小负载的电压转换电路中，转换效率在输出功率小的区域中高，但不可以输出大功率。这里，例如，如JP-A-2012-244862所述，在电压转换装置的输出功率根据负载的波动而改变的情况下，通过将工作切换至具有最高效率的电压转换电路，可以在从小负载到大负载的宽范围内维持高转换效率。
发明内容
本发明的一个或更多个实施方式提供了一种电压转换装置，该电压转换装置在从小负载到大负载的宽范围内，具有比现有技术的功率转换效率高的功率转换效率。
根据本发明的一个或更多个实施方式，提供了一种设置在DC电源与负载之间的电压转换装置，电压转换装置包括：第一电压转换电路，该第一电压转换电路将DC电源的电压转换成预定电平的电压；第二电压转换电路，该第二电压转换电路将DC电源的电压转换成预定电平的电压；以及控制单元，该控制单元控制第一电压转换电路和第二电压转换电路的工作。第一电压转换电路和第二电压转换电路并联连接，并且第二电压转换电路的额定输出大于第一电压转换电路的额定输出。在负载是容量小于固定容量的小负载的情况下，控制单元仅使第一电压转换电路工作，并且停止第二电压转换电路的工作。在负载是容量等于或大于固定容量的大负载的情况下，控制单元使第一电压转换电路和第二电压转换电路两者工作。在负载从小负载切换至大负载的过程中，控制单元停止第一电压转换电路并仅使第二电压转换电路工作，然后使第一电压转换电路工作。
在负载从小负载切换至大负载的情况下，使电压转换装置的输出功率增大至用于大负载的功率需要固定时间，并且在此期间存在中负载状态。由于该原因，当在增大输出功率的过程中使第一电压转换电路工作时，因为用于小负载的第一电压转换电路的功率转换效率在中负载中降低，所以电压转换装置的功率转换效率也降低。然而，在负载从小负载切换至大负载的过程中，在中负载时停止具有低效率的第一电压转换电路，并且在中负载时仅使高效率的第二电压转换电路工作，由此，可以将电压转换装置的功率转换效率维持为高，并且可以比现有技术更多地进一步有效地转换电压。
在本发明的一个或更多个实施方式中，在负载从小负载切换至容量大于小负载且小于大负载的中负载的过程中，控制单元可以使第一电压转换电路和第二电压转换电路两者工作，然后停止第一电压转换电路。
在本发明的一个或更多个实施方式中，在负载从大负载切换至小负载的过程中，可以停止第一电压转换电路并仅使第二电压转换电路工作，然后可以停止第二电压转换电路并可以使第一电压转换电路工作。
在本发明的一个或更多个实施方式中，第一电压转换电路可以是LLC式转换器，该LLC式转换器包括：变压器；两个开关元件，该两个开关元件设置在变压器的初级侧上，并且串联连接到DC电源；电容器和电感器的串联电路，该串联电路连接在开关元件的连接点与变压器的初级绕组之间；以及整流元件，该整流元件设置在变压器的次级侧上。
在本发明的一个或更多个实施方式中，第一电压转换电路可以是反激式转换器，该反激式转换器包括：变压器；开关元件，该开关元件设置在变压器的初级侧上，并且串联连接到变压器的初级绕组；以及整流元件，该整流元件设置在变压器的次级侧上。
在本发明的一个或更多个实施方式中，第二电压转换电路可以是全桥转换器，该全桥转换器包括：变压器；四个开关元件，该四个开关元件设置在变压器的初级侧上，并且桥接在DC电源与变压器的初级绕组之间；以及整流元件，该整流元件设置在变压器的次级侧上。
在本发明的一个或更多个实施方式中，第二电压转换电路可以是半桥转换器，该半桥转换器包括：变压器；两个开关元件，该两个开关元件设置在变压器的初级侧上，并且串联连接到DC电源；以及整流元件，该整流元件设置在变压器的次级侧上。
根据本发明的一个或更多个实施方式，可以提供一种电压转换装置，该电压转换装置在从小负载到大负载的宽范围内具有比现有技术的功率转换效率高的功率转换效率。
附图说明
图1是根据本发明的一个或更多个实施方式的电压转换装置的框图；
图2是例示了第一实施方式的电路配置的图；
图3是用于说明第一实施方式的、小负载时的工作的图；
图4是用于说明第一实施方式的、中负载时的工作的图；
图5是用于说明第一实施方式的、大负载时的工作的图；
图6是用于说明第一实施方式的、负载从小负载切换至大负载的情况下的工作的图；
图7是用于说明第一实施方式的、负载从大负载切换至小负载的情况下的工作的图；
图8是用于说明第一实施方式的、从小负载切换至中负载时的工作的图；
图9是例示了第二实施方式的电路配置的图；
图10是用于说明第二实施方式的、小负载时的工作的图；
图11是用于说明第二实施方式的、中负载时的工作的图；
图12是用于说明第二实施方式的、大负载时的工作的图；
图13是用于说明第二实施方式的、从小负载切换至大负载时的工作的图；
图14是用于说明第二实施方式的、从大负载切换至小负载时的工作的图；以及
图15是用于说明第二实施方式的、从小负载切换至中负载时的工作的图。
具体实施方式
在本发明的实施方式中，为了提供本发明的彻底理解，阐述了大量具体细节。然而，将对本领域普通技术人员明显的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，未详细描述公知特征，以避免使本发明模糊。
将参照附图描述根据本发明的一个或更多个实施方式的电压转换装置。在各图中，相同或对应的部分由相同的附图标记来表示。
首先，将参照图1来描述电压转换装置的整体配置。在图1中，电压转换装置100设置在DC电源B与负载20之间。电压转换单元10、控制单元11以及栅极驱动器12设置在电压转换装置100中。例如，电压转换装置100安装在车辆中，并且用作提升DC电源(电池)B的电压且将所提升电压供给给负载20的DC-DC转换器。负载20包括车载设备(诸如前灯、空调机、音频装置以及汽车导航装置)、电动转向装置、电动窗装置等的各种负载。
电压转换单元10包括第一电压转换电路1、第二电压转换电路2、开关S1以及开关S2。第一电压转换电路1和第二电压转换电路2并联连接在DC电源B与负载20之间。电压转换电路1和2中的每一个将DC电源B的电压转换成预定电平的电压。第二电压转换电路2的额定输出(在指定条件下可以安全实现的最大输出功率)大于第一电压转换电路1的额定输出。下面将详细描述电压转换电路1和2的具体配置。开关S1设置在DC电源B的正极与第一电压转换电路1之间。开关S2设置在DC电源B的正极与第二电压转换电路2之间。DC电源B的负极接地到地面。
控制单元11配置有CPU、存储器等。控制单元11向栅极驱动器12提供用于控制栅极驱动器12的工作的控制信号，并且向开关S1和S2提供用于控制开关S1和S2的工作的控制信号。来自安装在车辆中的ECU(电子控制装置)等的外部信号输入到控制单元11。控制单元11基于外部信号执行预定控制工作。
栅极驱动器12根据来自控制单元11的控制信号来工作，并且输出用于接通和断开被包括在第一电压转换电路1和第二电压转换电路2中的多个开关元件(下面将描述)的栅极信号。例如，栅极信号是具有预定占空比的脉宽调制信号(PWM)，并且被提供给各个切换元件的栅极。
图2是根据第一实施方式的电压转换装置100的具体电路配置。在本实施方式中，第一电压转换电路1配置有LLC式转换器(下文中，被称为“LLC电路”)1a，并且第二电压转换电路2配置有全桥转换器(下文中，被称为“全桥电路”)2a。
首先，将描述LLC电路1a。LLC电路1a包括对输入侧和输出侧进行绝缘的变压器TR1。在变压器TR1的初级侧上设置两个开关元件Q1和Q2，该两个开关元件串联连接到：DC电源B；电容器C3和电感器L1的串联电路，该串联电路连接在开关元件Q1和Q2的连接点与变压器TR1的初级绕组W1之间；以及电容器C1和C2的串联电路，该串联电路与开关元件Q1和Q2的串联电路并联。用于整流的二极管D1和D2和用于滤波的电容器C4设置在变压器TR1的次级侧上。变压器TR1的初级侧是借助切换将DC电源B的DC电压转换成AC电压的电路，并且变压器TR1的次级侧借助整流和滤波将AC电压转换成DC电压。
开关元件Q1和Q2配置有MOS型场效应晶体管(FET)，并且包括与漏极与源极之间的电路径并联的寄生二极管。开关元件Q1的漏极借助开关S1连接到DC电源B的正极。开关元件Q1的源极连接到开关元件Q2的漏极。开关元件Q2的源极接地到地面。开关元件Q1和Q2的各栅极连接到栅极驱动器12。
电容器C3的一端连接到开关元件Q1和Q2的连接点，并且电容器C3的另一端连接到电感器L1的一端。电感器L1的另一端连接到变压器TR1的初级绕组W1的一端。初级绕组W1的另一端连接到电容器C1和C2的连接点。电容器C3和电感器L1配置串联谐振电路。
变压器TR1的次级绕组配置有绕组W2a和绕组W2b。绕组之间的连接点(中间抽头)接地到地面。二极管D1的阳极连接到绕组W2a，并且二极管D2的阳极连接到绕组W2b。二极管D1的阴极连接到二极管D2的阴极，并且连接到电容器C4的一端。电容器C4的一端连接到负载20。电容器C4的另一端接地到地面。二极管D1和D2是本发明的一个或更多个实施方式中的“整流元件”的示例。
接着，将描述全桥电路2a。全桥电路2a包括对输入侧和输出侧进行绝缘的变压器TR2。在变压器TR2的初级侧上设置：四个开关元件Q3至Q6，该四个开关元件桥接在DC电源B与变压器TR2的初级侧W3之间；和电感器L2，该电感器连接在开关元件Q3和Q4的连接点与初级绕组W3之间。用于整流的二极管D3和D4和用于滤波的电容器C5设置在变压器TR2的次级侧上。变压器TR2的初级侧是借助切换将DC电源B的DC电压转换成AC电压的电路，并且变压器TR2的次级侧是借助整流和滤波将AC电压转换成DC电压的电路。
开关元件Q3至Q6配置有MOS型场效应晶体管，并且包括和漏极与源极之间的电路径并联的寄生二极管。开关元件Q3和Q5的漏极借助开关S2连接到DC电源B的正极。开关元件Q3和Q5的源极分别连接到开关元件Q4和Q6的漏极。开关元件Q4和Q6的源极接地到地面。开关元件Q3至Q6的各栅极连接到栅极驱动器12。
电感器L2的一端连接到开关元件Q3和Q4的连接点，并且电感器L2的另一端连接到初级绕组W3的一端。初级绕组W3的另一端连接到开关元件Q5和Q6的连接点。
变压器TR2的次级绕组配置有绕组W4a和绕组W4b。绕组之间的连接点(中间抽头)接地到地面。二极管D3的阳极连接到绕组W4a，并且二极管D4的阳极连接到绕组W4b。二极管D3的阴极连接到二极管D4的阴极，并且连接到电容器C5的一端。电容器C5的一端连接到负载20。电容器C5的另一端接地到地面。二极管D3和D4是本发明的一个或更多个实施方式中的“整流元件”的示例。
栅极驱动器12分别向LLC电路1a的开关元件Q1和Q2的栅极输出Q1栅极信号和Q2栅极信号。另外，栅极驱动器12分别向全桥电路2a的开关元件Q3至Q6的栅极输出Q3至Q6栅极信号。各个开关元件Q1至Q6在这些栅极信号为高电平(H)的部分中为接通状态，并且各个开关元件Q1至Q6在这些栅极信号是低电平(L)的部分中处于断开状态。
例如，开关S1和S2配置有中继器。开关S1的工作受从控制单元11输出的S1接通或断开信号控制。在S1接通信号的情况下，开关S1接通，并且在S1断开信号的情况下，开关S1断开。类似地，开关S2的工作受从控制单元11输出的S2接通或断开信号控制。在S2接通信号的情况下，开关S2接通，并且在S2断开信号的情况下，开关S2断开。
接着，将参照图3至图8描述以上所描述的第一实施方式的电压转换装置100的工作。
图3例示了在负载20是容量小于固定容量的小负载的情况下的电压转换装置100的电路状态。在这种情况下，控制单元11基于从ECU等输入的外部信号来确定负载20是小负载，并且输出S1接通信号和S2断开信号。凭借这一点，开关S1接通，开关S2断开，作为第一电压转换电路的LLC电路1a连接到DC电源B，并且作为第二电压转换电路的全桥电路2a与DC电源B断开。栅极驱动器12基于来自控制单元11的控制信号，分别向LLC电路1a的开关元件Q1和Q2的栅极输出Q1栅极信号和Q2栅极信号，并且开关元件Q1和Q2由这些栅极信号接通或断开。
LLC电路1a的工作近似如下。在开关元件Q1接通且开关元件Q2断开的部分中，在变压器TR1的初级侧中，电流(谐振电流)沿着DC电源B→开关S1→开关元件Q1→电容器C3→电感器L1→初级绕组W1→电容器C2的路径流动。由该电流，在变压器TR1的次级侧中，电流借助配置有二极管D1和电容器C4的整流和滤波电路而从次级绕组W2a向负载20流动。
同时，在开关元件Q1断开且开关元件Q2接通的部分中，在变压器TR1的初级侧中，电流(谐振电流)沿着DC电源B→开关S1→电容器C1→初级绕组W1→电感器L1→电容器C3→开关元件Q2的路径流动。由该电流，在变压器TR1的次级侧中，电流借助配置有二极管D2和电容器C4的整流和滤波电路而从次级绕组W2b向负载20流动。
如上所述，在负载20是小负载的情况下，仅LLC电路处于工作状态，并且全桥电路2a处于停止状态。因此，电压转换装置100的输出功率变成LLC电路1a的输出功率。控制单元11调节用于驱动开关元件Q1和Q2的栅极信号的占空比，使得控制电压转换装置100的输出功率。
然而，LLC电路1a被设计为具有与小负载对应的功率，作为是最高功率转换效率的额定输出。具体地，在LLC电路1a的额定输出附近，开关元件Q1和Q2执行零电压开关(ZVS)工作。众所周知，ZVS是通过接通处于开关元件的端子电压为零的状态的开关元件来抑制开关损耗的驱动工作。因为开关损耗由ZVS而减小，所以提高功率转换效率。同时，在电路设计被执行为在小负载时满足ZVS的情况下，在负载增大时不满足ZVS，并且功率转换效率降低。
图4例示了在负载20是容量大于小负载且小于大负载的中负载的情况下的电压转换装置100的电路状态。在这种情况下，控制单元11基于从ECU等输入的外部信号来确定负载20是中负载，并且输出S1断开信号和S2接通信号。凭借这一点，开关S1断开，开关S2接通，作为第二电压转换电路的全桥电路2a连接到DC电源B，并且作为第一电压转换电路的LLC电路1a与DC电源B断开。栅极驱动器12基于来自控制单元11的控制信号而分别向全桥电路2a的开关元件Q3至Q6的栅极输出Q3至Q6栅极信号，并且开关元件Q3至Q6由这些栅极信号接通或断开。
全桥电路2a的工作近似如下。在开关元件Q3和Q6接通且开关元件Q4和Q5断开的部分中，在变压器TR2的初级侧中，电流沿着DC电源B→开关S2→开关元件Q3→电感器L2→初级绕组W3→开关元件Q6的路径流动。由该电流，在变压器TR2的次级侧中，电流借助配置有二极管D3和电容器C5的整流和滤波电路而从次级绕组W4a向负载20流动。
同时，在开关元件Q3和Q6断开且开关元件Q4和Q5接通的部分中，在变压器TR2的初级侧中，电流沿着DC电源B→开关S2→开关元件Q5→初级绕组W3→电感器L2→开关元件Q4的路径流动。凭借该电流，在变压器TR2的次级侧中，电流借助配置有二极管D4和电容器C5的整流和滤波电路从次级绕组W4b向负载20流动。
如上所述，在负载20是中负载的情况下，仅全桥电路2a处于工作状态，并且LLC电路1a处于停止状态。因此，电压转换装置100的输出功率变成全桥电路2a的输出功率。控制单元11调节用于驱动开关元件Q3至Q6的栅极信号的占空比，使得控制电压转换装置100的输出功率。
然而，全桥电路2a被设计为具有与中负载对应的功率，作为是最高功率转换效率的额定输出。具体地，在全桥电路2a的额定输出附近，开关元件Q3至Q6执行以上所描述的ZVS。因为开关损耗由ZVS减小，所以提高功率转换效率。同时，在电路设计被执行为在中负载时满足ZVS的情况下，在负载减小时不满足ZVS，并且功率转换效率降低。
图5例示了在负载20是容量等于或大于固定容量的大负载的情况下的电压转换装置100的电路状态。在这种情况下，控制单元11基于从ECU等输入的外部信号而确定负载20是大负载，并且输出S1接通信号和S2接通信号。凭借这一点，开关S1和S2接通，作为第一电压转换电路的LLC电路1a和作为第二电压转换电路的全桥电路2a连接到DC电源B。因此，栅极驱动器12基于来自控制单元11的控制信号，分别向LLC电路1a的开关元件Q1至Q2的栅极输出Q1栅极信号和Q2栅极信号，并且向全桥电路2a的开关元件Q3至Q6的栅极输出Q3至Q6栅极信号。开关元件Q1至Q6由这些栅极信号接通或断开。
如上所述，在负载20是大负载的情况下，LLC电路1a和全桥电路2a都处于工作状态。因此，电压转换装置100的输出功率变成通过将LLC电路1a的输出功率与全桥电路2a的输出功率相加获得的功率。控制单元11调节用于驱动开关元件Q1至Q6的栅极信号的占空比，使得控制电压转换装置100的输出功率。
在这种情况下，因为LLC电路1a的输出功率和全桥电路2a的输出功率是高效转换的功率，整个电压转换装置100的功率转换效率也维持在高值。
如上所述，在负载20是小负载的情况下，仅使LLC电路1a工作，在负载20是中负载的情况下，仅使全桥电路2a工作，并且在负载20是大负载的情况下，使LLC电路1a和全桥电路2a两者工作，由此可以在从小负载到大负载的宽范围内有效地转换电压。
然而，因为负载20根据车辆的情形而频繁波动，所以期望不仅在小负载、中负载以及大负载中的每一个的稳态下维持功率转换效率高，而且在负载波动的瞬态下也维持功率转换效率高。从这种视点，本发明的一个或更多个实施方式被设计为，通过在负载波动时提高功率转换效率来进一步提高功率转换的效率。
图6和图7是根据本发明的一个或更多个实施方式的、用于说明负载波动时的工作的图。图6例示了在负载20从(a)小负载切换至(c)大负载的情况的工作。图7例示了在负载20从(a)大负载切换至(c)小负载的情况的工作。
首先，将描述从小负载切换至大负载时的工作。图6是通过简化图3至图5获得的图。在现有技术中，在负载20是小负载的情况下，如图6的(a)例示，仅使LLC电路1a工作。在负载20从该状态切换至大负载的情况下，如图6的(c)例示，使全桥电路2a工作，并且电路1a和2a两者处于工作状态。然而，在本发明的一个或更多个实施方式中，在负载20从小负载切换至大负载的过程中，如图6的(b)例示，首先停止LLC电路1a，并且仅使全桥电路2a工作(中负载状态)。然后，如图6的(c)例示，使LLC电路1a工作，并且电路1a和2a两者处于工作状态(大负载状态)。即，本发明的一个或更多个实施方式的特征是，在不从小负载状态突然过渡到大负载状态的情况下，在过渡的中间经过中负载状态。
在负载20从小负载切换至大负载的情况下，如图6的(c)例示，即使使LLC电路1a和全桥电路2a的两个电路工作，使电压转换装置100的输出功率增大至用于大负载的功率也需要固定时间。即，在此期间存在中负载状态。由于该原因，当在增大输出功率的过程中使LLC电路1a工作时，因为用于小负载的LLC电路1a的功率转换效率在中负载中降低，所以电压转换装置100的功率转换效率也降低。
然而，在本发明的一个或更多个实施方式中，在增大电压转换装置100的输出功率的过程中，如图6的(b)例示，因为停止在中负载时具有低效率的LLC电路1a，且使在中负载时具有高效率的全桥电路2a工作，所以维持电压转换装置100的功率转换效率高。由于该原因，在从小负载切换至大负载的情况下，可以提高功率转换效率，并且可以比现有技术更多地进一步高效地转换电压。
接着，将描述从大负载切换至小负载时的工作。图7是通过简化图3至图5获得的图。在负载20是大负载的情况下，如图7的(a)例示，使LLC电路1a和全桥电路2a两者工作。在现有技术中，在负载20从该状态切换至小负载的情况下，如图7的(c)例示，停止全桥电路2a，并且仅LLC电路1a处于工作状态。然而，在本发明的一个或更多个实施方式中，在负载20从大负载切换至小负载的过程中，如图7的(b)例示，首先停止LLC电路1a，并且仅使全桥电路2a工作(中负载状态)。然后，如图7的(c)例示，停止全桥电路2a，并且使LLC电路1a工作(小负载状态)。即，本发明的一个或更多个实施方式的特征是，在不从大负载状态突然过渡到小负载状态的情况下在过渡的中间经过中负载状态。
在负载20从大负载切换至小负载的情况下，如图7的(c)例示，即使停止全桥电路2a，使电压转换装置100的输出功率降至用于小负载的功率也需要固定时间。即，在这种情况下也存在中负载状态。由于该原因，当在降低输出功率的过程中使LLC电路1a工作时，因为用于小负载的LLC电路1a的功率转换效率在中负载中降低，所以电压转换装置100的功率转换效率也降低。
然而，在本发明的一个或更多个实施方式中，在降低电压转换装置100的输出功率的过程中，如图7的(b)例示，因为停止在中负载时具有低效率的LLC电路1a，且使在中负载时具有高效率的全桥电路2a工作，所以维持电压转换装置100的功率转换效率高。由于该原因，在从大负载切换至小负载的情况下，可以提高功率转换效率，并且可以比现有技术更多地进一步高效地转换电压。
在图6中，描述了负载20从小负载变为大负载的情况，但在负载20从小负载变为中负载的情况下，获得图6的(a)至(b)的序列。然而，在这种情况下，根据负载20的波动状态，电压转换装置100的输出功率可能在时间上短。为了避免这一点，如图8例示，负载状态在监测负载状态的同时首先可以从图8的(a)的小负载状态切换至图8的(b)的大负载状态，然后最后可以切换至图8的(c)的中间负载状态。这样，因为在切换负载20时确保最大输出，所以即使负载20波动，也可以避免电压转换装置100的不足输出功率。
图9例示了根据第二实施方式的电压转换装置100的具体电路配置。在本实施方式中，第一电压转换电路1配置有反激式(flyback type)转换器(下文中，被称为“反激电路”)1b，并且第二电压转换电路2配置有半桥转换器(下文中，被称为“半桥电路”)2b。
首先，将描述反激电路1b。反激电路1b包括对输入侧和输出侧进行绝缘的变压器TR3。串联连接到变压器TR3的初级绕组W5的开关元件Q7设置在变压器TR3的初级侧上。用于整流的二极管D5和用于滤波的电容器C6设置在变压器TR3的次级侧上。变压器TR3的初级侧是借助切换将DC电源B的DC电压转换成AC电压的电路，并且变压器TR3的次级侧是借助整流和滤波将AC电压转换成DC电压的电路。
开关元件Q7配置有MOS型场效应晶体管，并且包括与漏极和源极之间的电路径并联的寄生二极管。开关元件Q7的漏极连接到变压器TR3的初级绕组W5的一端。初级绕组W5的另一端借助开关S1连接到DC电源B的正极。开关元件Q7的源极接地到地面。开关元件Q7的栅极连接到栅极驱动器12。
二极管D5的阳极连接到变压器TR3的次级绕组W6的一端。次级绕组W6的另一端接地到地面。二极管D5的阴极连接到电容器C6的一端。电容器C6的一端连接到负载20。电容器C6的另一端接地到地面。二极管D5是本发明的一个或更多个实施方式中的“整流元件”的示例。
接着，将描述半桥电路2b。半桥电路2b包括对输入侧和输出侧进行绝缘的变压器TR4。在变压器TR4的初级侧上设置：两个开关元件Q8和Q9，该两个开关元件串联连接到DC电源B；电感器L3，该电感器连接在开关元件Q8和Q9的连接点与变压器TR4的初级绕组W7之间；以及电容器C8和C9的串联电路，该串联电路与开关元件Q8和Q9的串联电路并联。用于整流的二极管D6和D7和用于滤波的电容器C7设置在变压器TR4的次级侧上。变压器TR4的初级侧是借助切换将DC电源B的DC电压转换成AC电压的电路，并且变压器TR4的次级侧是借助整流和滤波将AC电压转换成DC电压的电路。
开关元件Q8和Q9配置有MOS型场效应晶体管，并且包括寄生二极管，该寄生二极管与漏极和源极之间的电路径并联。开关元件Q8的漏极借助开关S2连接到DC电源B的正极。开关元件Q8的源极连接到开关元件Q9的漏极。开关元件Q9的源极接地到地面。开关元件Q8和Q9的各栅极连接到栅极驱动器12。
电感器L3的一端连接到开关元件Q8和Q9的连接点，并且电感器L3的另一端连接到初级绕组W7的一端。初级绕组W7的另一端连接到电容器C8和C9的连接点。
变压器TR4的次级绕组配置有绕组W8a和绕组W8b。这些绕组之间的连接点(中间抽头)接地到地面。二极管D6的阳极连接到绕组W8a，并且二极管D7的阳极连接到绕组W8b。二极管D6的阴极连接到二极管D7的阴极，并且连接到电容器C7的一端。电容器C7的一端连接到负载20。电容器C7的另一端接地到地面。二极管D6和D7是本发明的一个或更多个实施方式中的“整流元件”的示例。
栅极驱动器12向反激电路1b的开关元件Q7的栅极输出Q7栅极信号。另外，栅极驱动器12分别向半桥电路2b的开关元件Q8和Q9的栅极输出Q8栅极信号和Q9栅极信号。各个开关元件Q7至Q9在这些栅极信号为H的部分中处于接通状态，并且各个开关元件Q7至Q9在这些栅极信号为L的部分中处于断开状态。
开关S1和S2以及控制单元11与第一实施方式(图2)的开关S1和S2以及控制单元11相同，使得将省略说明。
接着，将参照图10至图15描述以上所描述的第二实施方式的电压转换装置100的工作。
图10例示了在负载20是小负载的情况下的电压转换装置100的电路状态。在这种情况下，控制单元11基于从ECU等输入的外部信号来确定负载20是小负载，并且输出S1接通信号和S2断开信号。凭借这一点，开关S1接通，开关S2断开，作为第一电压转换电路的反激电路1b连接到DC电源B，并且作为第二电压转换电路的半桥电路2b与DC电源B断开。因此，栅极驱动器12基于来自控制单元11的控制信号，而向反激电路1b的开关元件Q7的栅极输出Q7栅极信号。开关元件Q7由栅极信号接通或断开。
反激电路1b的工作近似如下。在开关元件Q7接通的部分中，在变压器TR3的初级侧中，电流沿着DC电源B→开关S1→初级绕组W5→开关元件Q7的路径流动，并且电能存储在初级绕组W5(电感)中。在开关元件Q7断开时，释放在初级绕组W5中存储的电能，电能传输到次级绕组W6，使得在变压器TR3的次级侧中，电流借助配置有二极管D5和电容器C6的整流和滤波电路从次级绕组W6向负载20流动。
如上所述，在负载20是小负载的情况下，仅反激电路1b处于工作状态，并且半桥电路2b处于停止状态。因此，电压转换装置100的输出功率变成反激电路1b的输出功率。控制单元11调节用于驱动开关元件Q7的栅极信号的占空比，使得控制电压转换装置100的输出功率。反激电路1b被设计为具有与小负载对应的功率，作为额定输出，以便获得最高功率转换效率。
图11例示了在负载20是中负载的情况下的电压转换装置100的电路状态。在这种情况下，控制单元11基于从ECU等输入的外部信号确定负载20是中负载，并且输出S1断开信号和S2接通信号。凭借这一点，开关S1断开，开关S2接通，作为第二电压转换电路的半桥电路2b连接到DC电源B，并且作为第一电压转换电路的反激电路1b与DC电源B断开。因此，栅极驱动器12基于来自控制单元11的控制信号分别向半桥电路2b的开关元件Q8和Q9的栅极输出Q8栅极信号和Q9栅极信号。开关元件Q8和Q9由这些栅极信号接通或断开。
半桥电路2b的工作近似如下。在开关元件Q8接通且开关元件Q9断开的部分中，在变压器TR4的初级侧中，电流沿着DC电源B→开关S2→开关元件Q8→电感器L3→初级绕组W7→电容器C9的路径流动。由该电流，在变压器TR4的次级侧中，电流借助配置有二极管D6和电容器C7的整流和滤波电路从次级绕组W8a向负载20流动。
同时，在开关元件Q8断开且开关元件Q9接通的部分中，在变压器TR4的初级侧中，电流沿着DC电源B→开关S2→电容器C8→初级绕组W7→电感器L3→开关元件Q9的路径流动。由该电流，在变压器TR4的次级侧中，电流借助配置有二极管D7和电容器C7的整流和滤波电路从次级绕组W8b向负载20流动。
如上所述，在负载20是中负载的情况下，仅半桥电路2b处于工作状态，并且反激电路1b处于停止状态。因此，电压转换装置100的输出功率变成半桥电路2b的输出功率。控制单元11调节用于驱动开关元件Q8和Q9的栅极信号的占空比，使得控制电压转换装置100的输出功率。半桥电路2b被设计为，具有与中负载对应的功率，作为额定输出，以便获得最高功率转换效率。
图12例示了在负载20是大负载的情况下的电压转换装置100的电路状态。在这种情况下，控制单元11基于从ECU等输入的外部信号来确定负载20是大负载，并且输出S1接通信号和S2断开信号。凭借这一点，开关S1和S2接通，作为第一电压转换电路的反激电路1b和作为第二电压转换电路的半桥电路2b连接到DC电源B。因此，栅极驱动器12基于来自控制单元11的控制信号，分别向反激电路1b的开关元件Q7的栅极输出Q7栅极信号，并且向半桥电路2b的开关元件Q8和Q9的栅极输出Q8栅极信号和Q9栅极信号。开关元件Q7至Q9由这些栅极信号接通或断开。
如上所述，在负载20是大负载的情况下，反激电路1a和半桥电路2a这两者处于工作状态。因此，电压转换装置100的输出功率变成通过将反激电路1b的输出功率与半桥电路2b的输出功率相加获得的功率。控制单元11调节用于驱动开关元件Q7至Q9的栅极信号的占空比，使得控制电压转换装置100的输出功率。
在这种情况下，因为反激电路1b的输出功率和半桥电路2b的输出功率是高效转换的功率，所以整个电压转换装置100的功率转换效率也维持在高值。
如上所述，在负载20是小负载的情况下，仅使反激电路1b工作，在负载20是中负载的情况下，仅使半桥电路2b工作，并且在负载20是大负载的情况下，使反激电路1b和半桥电路2b两者工作，由此可以在从小负载到大负载的宽范围内有效地转换电压。
另外，同样在第二实施方式中，与第一实施方式类似，采用用于在负载波动的瞬态下维持高功率转换效率的方法。图13例示了在负载20从小负载切换至大负载的情况的工作。图14例示了在负载20从大负载切换至小负载的情况的工作。因为在这些图中例示的序列与第一实施方式(图6和图7)的情况的序列基本相同，所以下面将仅给出简要描述。
在从小负载切换至大负载时，如图13例示，从图13的(a)的小负载状态，如图13的(b)例示，首先停止反激电路1b，并且仅使半桥电路2b工作(中负载状态)。然后，如图13的(c)例示，使反激电路1b工作，并且电路1b和2b两者处于工作状态(大负载状态)。即，负载状态经由中负载状态从小负载状态过渡到大负载状态。
在从大负载切换至小负载时，如图14例示，从图14的(a)的大负载状态，如图14的(b)例示，首先停止反激电路1b，并且仅使半桥电路2b工作(中负载状态)。然后，如图14的(c)例示，停止半桥电路2b，并且使反激电路1b工作(小负载状态)。即，负载状态经由中负载状态从大负载状态过渡到小负载状态。
同样在第二实施方式中，在负载20从小负载切换至中负载的情况下，在图13的(a)至(b)的顺序中，根据负载20的波动状态，电压转换装置100的输出功率可以在时间上短。为了避免这一点，与第一实施方式的情况类似，如图15例示，负载状态在监测负载状态的同时首先可以从图15的(a)的小负载状态切换至图15的(b)的大负载状态，然后最后可以切换至图15的(c)的中负载状态。
在本发明中，除了以上所描述的实施方式之外，还可以采用以下所描述的各种实施方式。
在第一实施方式(图2)中，采用LLC电路1a作为第一电压转换电路。然而，代替LLC电路1a，可以采用作为第二实施方式(图9)的第一电压转换电路的反激电路1b。
在第二实施方式(图9)中，采用反激电路1b作为第一电压转换电路。然而，代替反激电路1b，可以采用作为第一实施方式(图2)的第一电压转换电路的LLC电路1a。
在各实施方式中，控制单元11基于从ECU等供给的外部信号来确定负载20的状态。然而，代替这一点，设置用于检测负载10的电流、电压或功率的检测单元，由此可以基于检测单元的输出确定负载状态。
在各实施方式中，例示了如设置在DC电源B与电压转换电路1和2之间的开关S1和S2的中继器。然而，可以代替中继器使用FET、晶体管等。另外，省略开关S1和S2，使得电压转换电路1和2可以总是连接到DC电源B。当从栅极驱动器12供给栅极信号时，可以启动电压转换电路1和2的工作。
在各实施方式中，例示了由变压器TR1至TR4绝缘的输入侧(初级侧)和输出侧(次级侧)的绝缘DC-DC转换器。然而，本发明还可以应用于非绝缘DC-DC转换器。
在各实施方式中，电压转换装置100是DC-DC转换器。然而，本发明的一个或更多个实施方式的电压转换装置可以为DC-AC转换器。在这种情况下，添加用于将在变压器TR1至TR4的次级侧上获得的DC电压切换至AC电压的电压转换电路。
在各实施方式中，FET用作开关元件Q1至Q9。然而，可以代替FET使用晶体管、IGBT等。
在各实施方式中，二极管D1至D7用作次级侧的整流元件。然而，可以代替二极管使用FET。
在各实施方式中，例示了安装在车辆中的电压转换装置。然而，本发明的一个或更多个实施方式还可以应用于除了车辆之外的电压转换装置。
虽然已经针对有限数量的实施方式描述了本发明，但得益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计不偏离如这里公开的本发明的范围的其他实施方式。因此，本发明的范围应仅受所附权利要求限制。

Claims (7)

1.一种设置在DC电源与负载之间的电压转换装置，所述电压转换装置包括：
第一电压转换电路，该第一电压转换电路将所述DC电源的电压转换成预定电平的电压；
第二电压转换电路，该第二电压转换电路将所述DC电源的电压转换成预定电平的电压；以及
控制单元，该控制单元控制所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路的工作，
其中，所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路并联连接，
其中，所述第二电压转换电路的额定输出大于所述第一电压转换电路的额定输出，
其中，在所述负载是容量小于固定容量的小负载的情况下，所述控制单元仅使所述第一电压转换电路工作，并且停止所述第二电压转换电路的工作，
其中，在所述负载是容量等于或大于所述固定容量的大负载的情况下，所述控制单元使所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路两者工作，并且
其中，在所述负载从所述小负载切换至所述大负载的过程中，所述控制单元停止所述第一电压转换电路并仅使所述第二电压转换电路工作，然后使所述第一电压转换电路工作。
2.根据权利要求1所述的电压转换装置，
其中，在所述负载从所述小负载切换至容量大于所述小负载且小于所述大负载的中负载的过程中，所述控制单元使所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路两者工作，然后停止所述第一电压转换电路。
3.一种设置在DC电源与负载之间的电压转换装置，所述电压转换装置包括：
第一电压转换电路，该第一电压转换电路将所述DC电源的电压转换成预定电平的电压；
第二电压转换电路，该第二电压转换电路将所述DC电源的电压转换成预定电平的电压；以及
控制单元，该控制单元控制所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路的工作，
其中，所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路并联连接，
其中，所述第二电压转换电路的额定输出大于所述第一电压转换电路的额定输出，
其中，在所述负载是容量小于固定容量的小负载的情况下，所述控制单元仅使所述第一电压转换电路工作，并且停止所述第二电压转换电路的工作，
其中，在所述负载是容量等于或大于固定容量的大负载的情况下，所述控制单元使所述第一电压转换电路和所述第二电压转换电路两者工作，并且
其中，在所述负载从所述大负载切换至所述小负载的过程中，所述控制单元停止所述第一电压转换电路并仅使所述第二电压转换电路工作，然后停止所述第二电压转换电路并使所述第一电压转换电路工作。
4.根据权利要求1或3所述的电压转换装置，
其中，所述第一电压转换电路是LLC式转换器，该LLC式转换器包括：
变压器；
两个开关元件，该两个开关元件设置在所述变压器的初级侧上，并且串联连接到所述DC电源；
电容器和电感器的串联电路，该串联电路连接在所述开关元件的连接点与所述变压器的初级绕组之间；以及
整流元件，该整流元件设置在所述变压器的次级侧上。
5.根据权利要求1或3所述的电压转换装置，
其中，所述第一电压转换电路是反激式转换器，该反激式转换器包括：
变压器；
开关元件，该开关元件设置在所述变压器的初级侧上，并且串联连接到所述变压器的初级绕组；以及
整流元件，该整流元件设置在所述变压器的次级侧上。
6.根据权利要求1或3所述的电压转换装置，
其中，所述第二电压转换电路是全桥转换器，该全桥转换器包括：
变压器；
四个开关元件，该四个开关元件设置在所述变压器的初级侧上，并且桥接在所述DC电源与所述变压器的初级绕组之间；以及
整流元件，该整流元件设置在所述变压器的次级侧上。
7.根据权利要求1或3所述的电压转换装置，
其中，所述第二电压转换电路是半桥转换器，该半桥转换器包括：
变压器；
两个开关元件，该两个开关元件设置在所述变压器的初级侧上，并且串联连接到所述DC电源；以及
整流元件，该整流元件设置在所述变压器的次级侧上。
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