CN109643952B - Dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

当从输入单元(20A)向输出单元(20B)升压时或从输出单元(20B)向输入单元(20A)降压时，第二驱动器IC(10B)当开关元件(Q1)接通并且开关元件(Q2)断开时，将以交替地重复接通/断开的方式控制开关元件(Q4)的控制信号输出到供电泵电路(30)。当从输出单元(20B)升压到输入单元(20A)或从输入单元(20A)降压到输出单元(20B)时，第一驱动器IC(10A)当开关元件(Q3)接通并且开关元件(Q4)断开时，将以交替地重复接通/断开的方式控制开关元件(Q2)的控制信号输出到供电泵电路(30)。其结果，DC/DC转换器(1)可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路。

Description

DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及一种DC/DC转换器。
背景技术
存在能够进行双向升降压的电压转换的DC/DC转换器。在这种DC/DC转换器中，由于在升压或降压时必须始终接通布置在Hi侧的两个开关元件中的一个，所以存在一种DC/DC转换器，其具有：供电泵电路，其向控制该开关元件的ON/OFF的驱动器IC提供电力；以及振荡电路，其用于驱动该供电泵电路(例如，参见专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2014-175124号公报
发明内容
发明欲解决的技术问题
在上述传统的DC/DC转换器中，由于设置有用于驱动供电泵电路的振荡电路，所以从减少部件数量的观点来看，存在改进的空间。
本发明的目的在于提供一种能够在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路的DC/DC转换器。
用于解决问题的技术手段
为实现上述目的，根据本发明的DC/DC转换器，其特征在于，包括：
扼流线圈；
第一输入输出单元和第二输入输出单元，当其中一方为输入单元时，另一方为输出单元；
第一开关元件，在接通状态下使所述第一输入输出单元与所述扼流线圈的一端连接，在断开状态下使所述第一输入输出单元与所述扼流线圈的一端的连接断开；
第二开关元件，其配置在所述扼流线圈的一端与所述第一开关元件之间的第一连接点与GND之间，并且在接通状态下连接所述第一连接点和所述GND，在断开状态下使所述第一连接点与所述GND之间的连接断开；
第三开关元件，其在接通状态下使所述第二输入输出单元与所述扼流线圈的另一端连接，在断开状态下使所述第二输入输出单元与所述扼流线圈的另一端的连接断开；
第四开关元件，其配置在所述扼流线圈的另一端与所述第三开关元件之间的第二连接点与所述GND之间，并且在接通状态下连接所述第二连接点与所述GND，在断开状态下使所述第二连接点与所述GND之间的连接断开；
第一控制单元，其控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通/断开；
第二控制单元，其控制所述第三开关元件和所述第四开关元件的接通/断开；以及
供电泵电路，其用于向所述第一控制单元和所述第二控制单元供电，
当使输入到所述第一输入输出单元的直流电压升压并输出到所述第二输入输出单元的升压操作时，或使输入到所述第二输入输出单元的直流电压降压并输出到所述第一输入输出单元的降压操作时，在所述第一开关元件处于接通状态并且所述第二开关元件处于断开状态之际，所述第二控制单元将以交替重复接通状态和断开状态的方式对所述第四开关元件进行控制的控制信号输出到所述供电泵电路，
当使输入到所述第二输入输出单元的直流电压升压并输出到所述第一输入输出单元的升压操作时，或使输入到所述第一输入输出单元的直流电压降压并输出到所述第二输入输出单元的降压操作时，在所述第三开关元件处于接通状态并且所述第四开关元件处于断开状态之际，所述第一控制单元将以交替重复接通状态和断开状态的方式对所述第二开关元件进行控制的控制信号输出到所述供电泵电路。
此外，上述DC/DC转换器中，其特征在于优选：所述供电泵电路包括：
第一电容器，其与所述第一控制单元并联连接，并向所述第一控制单元供电；
第二电容器，其向所述第一电容器充电；
第三电容器，其与所述第二控制单元并联连接，并向所述第二控制单元供电；和
第四电容器，其向所述第三电容器充电，
其中，通过输入的所述控制信号对所述第二电容器或所述第四电容器充电。
发明效果
根据本发明的DC/DC转换器，控制单元将以交替重复接通状态和断开状态的方式对开关元件进行控制的控制信号输出到供电泵电路。由此，能够在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路。
附图说明
图1是根据实施方式的DC/DC转换器的概要结构图。
图2是根据实施方式的包括DC/DC转换器而构成的供电系统的概要结构图。
符号说明
1：DC/DC转换器
2A：第一电池
2B：第二电池
3：负载
4：交流发电机
10A：第一驱动器IC
10B：第二驱动器IC
20A：输入单元
20B：输出单元
30：供电泵电路
100：供电系统
L：扼流线圈
Q1～Q4：开关元件
C1～C4：电容器
R1、R2：电阻
具体实施方式
下面，将参照附图对根据本发明的DC/DC转换器的实施方式进行详细描述。应该注意的是，本发明不受下述实施方式的限制。另外，以下的实施方式中的构成要素包括那些本领域技术人员可以容易地替换或者实质上相同的构成要素。此外，以下的实施方式中的构成要素在不脱离发明的主旨的范围内可以进行各种省略、替换或变更。
[实施方式]
参照图1和图2，对根据实施方式的DC/DC转换器进行说明。图1是根据实施方式的DC/DC转换器的概要结构图。图2是根据实施方式的包括DC/DC转换器而构成的供电系统的概要结构图。
如图1和图2所示，根据本实施方式的DC/DC转换器1是适用于安装在诸如电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(PHEV)等车辆上的供电系统100的、能够在双方向上进行直流电压的升压或降压的直流电压转换器。
此处，首先参照图2，对适用DC/DC转换器1的供电系统100进行说明。
供电系统100的构成包括DC/DC转换器1、第一电池2A、第二电池2B、负载3和交流发电机(ALT)4。第一电池2A是车辆的电源，例如由诸如铅蓄电池的二次电池构成。第一电池2A存储从交流发电机4供应的电力或从第二电池2B供应的、由DC/DC转换器1进行电压转换的电力，并且将存储的电力供应到负载3。第二电池2B是车辆的另一电源。第二电池2B具有与第一电池2A的额定电压不同的额定电压，例如由诸如锂离子电池的二次电池构成。第二电池2B存储从交流发电机4供应并由DC/DC转换器1进行了电压转换的电力，并且将所存储的电力通过DC/DC转换器1进行电压转换以提供给第一电池2A。负载3是安装在车辆上的电气部件，包括例如ECU(Electronic ControlUnit，电子控制单元)或空调、汽车导航系统等。负载3通过第一电池2A提供的电力而工作。交流发电机4是所谓的发电机，其将所产生的电力提供给第一电池2A或通过DC/DC转换器1转换电压并将其提供给第二电池2B。
根据本实施方式的DC/DC转换器1，例如，由H桥式斩波器方式构成电路。即，DC/DC转换器1包括：输入单元20A和输出单元20B；扼流线圈L；四个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4；第一驱动器IC 10A；第二驱动器IC 10B；四个电容器C1、C2、C3、C4；四个二极管D1、D2、D3、D4以及两个电阻R1、R2。
由于DC/DC转换器1能够进行双向直流电压的升压或降压，所以输入单元20A和输出单元20B分别为输入输出单元。也就是说，当输入单元20A和输出单元20B中的一方是输入单元时，另一方则是输出单元。输入单元20A是第一输入输出单元，并输入作为降压或升压的转换对象的直流电压。输出单元20B是第二输入输出单元，并且输出由DC/DC转换器1升压或降压的直流电压。在该实施方式中，如图1所示，将以扼流线圈L为中心并连接于开关元件Q1的一方作为输入单元20A，将连接于开关元件Q3侧的另一方作为输出单元20B。
扼流线圈L是所谓的电感器(或电抗器)。扼流线圈L的一端经由开关元件Q1与输入单元20A连接，另一端经由开关元件Q3与输出单元20B连接。
四个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4由诸如n沟道MOS-FET的场效应晶体管构成。
开关元件Q1的漏极(D)侧连接于输入单元20A，源极(S)侧连接于扼流线圈L的一端，栅极(G)侧与第一驱动器IC10A的输出连接。开关元件Q1在接通状态下连接输入单元20A和扼流线圈L，并且在断开状态下断开输入单元20A与扼流线圈L之间的连接。
开关元件Q2设置在开关元件Q1与扼流线圈L之间的第一连接点a与GND之间。换句话说，开关元件Q2相对于输入单元20A而与扼流线圈L并联连接。开关元件Q2的漏极侧连接到第一连接点a，源极侧连接到GND，并且栅极侧连接到第一驱动器IC 10A的输出。开关元件Q2在接通状态下连接第一连接点a与GND，并且在断开状态下断开第一连接点a与GND之间的连接。
开关元件Q3的漏极侧连接于输出单元20B，源极侧连接于扼流线圈L的另一端，栅极侧与第二驱动器IC10B的输出连接。开关元件Q3在接通状态下连接输出单元20B与扼流线圈L，并且在断开状态下断开输出单元20B与扼流线圈L之间的连接。
开关元件Q4设置在扼流线圈L与开关元件Q3之间的第二连接点b与GND之间。换句话说，开关元件Q4相对于扼流线圈L而与开关元件Q3并联连接。开关元件Q4的漏极侧连接有第二连接点b，源极侧连接有GND，并且栅极侧连接有第二驱动器IC 10B的输出。开关元件Q4在接通状态下连接第二连接点b与GND，并且在断开状态下断开第二连接点b与GND之间的连接。
第一驱动器IC10A和第二驱动器IC10B是用于将Hi侧和Lo侧的多个开关元件进行驱动的栅极驱动器IC。这里所说的Hi侧包括开关元件Q1和Q3，Lo侧包括开关元件Q2和Q4。第一驱动器IC10A是第一控制单元，向开关元件Q1和Q2发送Hi信号和Lo信号及PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)信号中的一种信号，来控制该开关元件Q1和Q2的接通/断开。第二驱动器IC10B是第二控制单元，向开关元件Q3和Q4发送Hi信号和Lo信号及PWM信号中的一种信号，来控制该开关元件Q3和Q4的接通/断开。值得注意的是，第一驱动器IC10A和第二驱动器IC10B可以被配置为放大并输出从PWM信号发生器(未示出)输入的PWM信号。
四个电容器C1～C4与四个二极管D1～D4以及两个电阻R1和R2一起构成所谓的供电泵电路30。这里所说的供电泵电路30提供用于操作第一驱动器IC 10A和第二驱动器IC10B的电力。
电容器C1是所谓的自举电容器，其与第一驱动器IC 10A并联连接并且向第一驱动器IC 10A供电。
电容器C2是用于对电容器C1充电的电解电容器。电容器C2的阳极(+)侧经由沿正向配置的二极管D1连接到电容器C1，阴极(-)侧经由电阻R1连接到开关元件Q4的栅极侧。
电容器C3是所谓的自举电容器，其与第二驱动器IC 10B并联连接并且向第二驱动器IC 10B供电。
电容器C4是用于对电容器C3充电的电解电容器。电容器C4的阳极(+)侧经由沿正向配置的二极管D3连接到电容器C3，阴极(-)侧经由电阻R2连接到开关元件Q2的栅极侧。
二极管D1和D2进行工作以使电流从电容器C2向电容器C1正向流动，并且二极管D3和D4进行工作以使电流从电容器C4向电容器C3正向流动。电阻R1和R2是用于防止噪声的电阻。
接下来，将描述DC/DC转换器1中的升压和降压时的操作示例。
如上所述构成的DC/DC转换器1，当从输入单元20A朝向输出单元20B升压或从输出单元20B朝向输入单元20A降压时，按如下步骤工作。首先，第一驱动器IC10A向Hi侧的开关元件Q1发送Hi信号以切换为接通状态，同时向Lo侧的开关元件Q2发送Lo信号以切换为断开状态。并且，第二驱动器IC10B将以交替重复接通状态和断开状态的方式对开关元件Q4进行控制的第一控制信号发送到该开关元件Q4，并且将以交替重复断开状态和接通状态的方式对开关元件Q3进行控制的第二控制信号发送到该开关元件Q3。这里，第一控制信号是具有恒定频率的PWM信号，第二控制信号是具有与第一控制信号相反的相位的PWM信号。供电泵电路30输入从第二驱动器IC10B向开关元件Q4的栅极侧输出的第一控制信号(PWM信号)，并通过该PWM信号进行驱动。根据输入的PWM信号，供电泵电路30重复执行对电容器C2的充电和从被充电的电容器C2向电容器C1的充电操作。这样，当开关元件Q1处于接通状态并且开关元件Q2处于断开状态时，通过将控制开关元件Q4的PWM信号输入到供电泵电路30并进行驱动，从而电容器C1被充电，从该电容器C1向第一驱动器IC10A的供电得到继续，因此可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路30，开关元件Q1总是保持接通状态，可以使得DC/DC转换器1正常工作。
此外，在如上所述配置的DC/DC转换器1中，当从输出单元20B朝向输入单元20A升压或从输入单元20A朝向输出单元20B降压时，按如下步骤工作。首先，第二驱动器IC10B向Hi侧的开关元件Q3发送Hi信号以切换为接通状态，并且向Lo侧的开关元件Q4发送Lo信号以切换为断开状态。并且，第一驱动器IC10A将以交替重复接通状态和断开状态的方式对开关元件Q2进行控制的第三控制信号发送到该开关元件Q2，并且将以交替重复接通状态和断开状态的方式对开关元件Q1进行控制的第四控制信号发送到该开关元件Q1。这里，第三控制信号是具有恒定频率的PWM信号，第四控制信号是具有与第三控制信号相反的相位的PWM信号。供电泵电路30输入从第一驱动器IC10A向开关元件Q2的栅极侧输出的第三控制信号(PWM信号)，并通过该PWM信号进行驱动。根据输入的PWM信号，供电泵电路30重复执行对电容器C4的充电和从被充电的电容器C4向电容器C3的充电操作。这样，当开关元件Q3处于接通状态并且开关元件Q4处于断开状态时，通过将控制开关元件Q2的PWM信号输入到供电泵电路30并进行驱动，从而电容器C3被充电，从该电容器C3向第二驱动器IC10B的供电得到继续，因此可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路30，开关元件Q3总是保持接通状态，可以使得DC/DC转换器1正常工作。
此外，在如上所述配置的DC/DC转换器1中，电容器C2与开关元件Q4的栅极侧通过电阻R1连接，电容器C4和开关元件Q2的栅极侧通过电阻R2连接。由此可以防止因通过电容器C2或电容器C4的噪声的影响而导致的开关元件Q2和开关元件Q4的误动作。
根据以上所述的DC/DC转换器1，包括：扼流线圈L；输入单元20A和输出单元20B；四个开关元件Q1～Q4；第一驱动器IC10A和第二驱动器IC10B；以及供电泵电路30。当对输入到输入单元20A的直流电压进行升压并输出到输出单元20B的升压操作时，或者将输入到输出单元20B的直流电压进行降压并输出到输入单元20A的降压操作时，第二驱动器IC10B当开关元件Q1处于接通状态并且开关元件Q2处于断开状态时，将以交替地重复接通状态和断开状态的方式控制开关元件Q4的控制信号输出到供电泵电路30。另一方面，当对输入到输出单元20B的直流电压进行升压并输出到输入单元20A的升压操作时，或者将输入到输入单元20A的直流电压进行降压并输出到输出单元20B的降压操作时，第一驱动器IC10A当开关元件Q3处于接通状态并且开关元件Q4处于断开状态时，将以交替地重复接通状态和断开状态的方式控制开关元件Q2的控制信号输出到供电泵电路30。根据上述配置，可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路30，并且可以使DC/DC转换器1正常工作。根据上述配置，能够解决如下问题：例如，在DC/DC转换器1从输入单元20A朝向输出单元20B对直流电压进行升压的情况下，由于电容器C1的充电不足而使得第一驱动器IC10A不能稳定工作，开关元件Q1不能保持常接通状态，DC/DC转换器1不能正常工作的问题。此外，以振荡电路驱动供电泵电路30的情况下，该振荡电路是噪声源，而由于可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路30，因此可以减少噪声并可以减少用于降低噪声的部件。进而，由于可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路30，因此能够减少构成DC/DC转换器1的部件的数量，并且可以减少用于安装构成该DC/DC转换器1的部件所需的面积。
此外，根据上述DC/DC转换器1，供电泵电路30包括：电容器C1，与第一驱动器IC10A并联连接，用于向第一驱动器IC10A供电；电容器C2，用于对电容器C1充电；电容器C3，与第二驱动器IC10B并联连接，用于向第二驱动器IC10B供电；和电容器C4，用于对电容器C 3充电，其中，通过所输入的PWM信号对电容器C2或电容器C4充电。由此，根据所输入的PWM信号执行从电容器C2到电容器C1的充电或从电容器C4到电容器C3的充电，从而可以在不设置振荡电路的情况下驱动供电泵电路30。
[变形例]
需要说明的是，虽然在上面的描述中已经说明了DC/DC转换器1是能够在双方向上进行升压或降压的直流电压转换器的情况，然而，DC/DC转换器1也可以是仅在单方向上进行升压或降压的转换器。

Claims (2)

1.一种DC/DC转换器，其特征在于，包括：
扼流线圈；
第一输入输出单元和第二输入输出单元，当其中一方为输入单元时，另一方为输出单元；
第一开关元件，其在接通状态下使所述第一输入输出单元与所述扼流线圈的一端连接，在断开状态下使所述第一输入输出单元与所述扼流线圈的一端的连接断开；
第二开关元件，其配置在所述扼流线圈的一端与所述第一开关元件之间的第一连接点与GND之间，并且在接通状态下连接所述第一连接点与所述GND，在断开状态下使所述第一连接点与所述GND之间的连接断开；
第三开关元件，其在接通状态下使所述第二输入输出单元与所述扼流线圈的另一端连接，在断开状态下使所述第二输入输出单元与所述扼流线圈的另一端的连接断开；
第四开关元件，其配置在所述扼流线圈的另一端与所述第三开关元件之间的第二连接点与所述GND之间，并且在接通状态下连接所述第二连接点与所述GND，在断开状态下使所述第二连接点与所述GND之间的连接断开；
第一控制单元，其控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通/断开；
第二控制单元，其控制所述第三开关元件和所述第四开关元件的接通/断开；以及
供电泵电路，其用于向所述第一控制单元和所述第二控制单元供电，
当使输入到所述第一输入输出单元的直流电压升压并输出到所述第二输入输出单元的升压操作时，或使输入到所述第二输入输出单元的直流电压降压并输出到所述第一输入输出单元的降压操作时，在所述第一开关元件处于接通状态并且所述第二开关元件处于断开状态时，所述第二控制单元将以交替地重复接通状态和断开状态的方式对所述第四开关元件进行控制的控制信号输出到所述供电泵电路，
所述供电泵电路向所述第一控制单元供应电力，
所述第一控制单元利用从所述供电泵电路供应的电力而供电得到继续，将所述第一开关元件维持在接通状态，
当使输入到所述第二输入输出单元的直流电压升压并输出到所述第一输入输出单元的升压操作时，或使输入到所述第一输入输出单元的直流电压降压并输出到所述第二输入输出单元的降压操作时，在所述第三开关元件处于接通状态并且所述第四开关元件处于断开状态时，所述第一控制单元将以交替地重复接通状态和断开状态的方式对所述第二开关元件进行控制的控制信号输出到所述供电泵电路，
所述供电泵电路向所述第二控制单元供应电力，
所述第二控制单元利用从所述供电泵电路供应的电力而供电得到继续，将所述第三开关元件维持在接通状态。
2.如权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于：
所述供电泵电路包括：
第一电容器，其与所述第一控制单元并联连接，并向所述第一控制单元供电；
第二电容器，其向所述第一电容器充电；
第三电容器，其与所述第二控制单元并联连接，并向所述第二控制单元供电；和
第四电容器，其向所述第三电容器充电，
其中，通过输入的所述控制信号来对所述第二电容器或所述第四电容器充电。
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