CN114598153A - 电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电压转换装置，包括：设置在平滑电感的输入侧上并且被配置为执行切换的输入侧开关元件，设置在平滑电感的输出侧上并且被配置为分别向第一负载和第二负载供应电力的第一和第二电源线，分别设置在第一和第二电源线上的输出侧开关元件，以及被配置为在输入侧开关元件和输出侧开关元件上执行接通/断开控制的控制单元。控制单元通过将输出侧开关元件的切换频率设定为低于输入侧开关元件的切换频率来执行接通/断开控制。

Description

电压转换装置
技术领域
本发明涉及一种电压转换装置。
背景技术
在相关技术中，已经提出了一种具有在电压转换之后向负载供电的全桥电路的电压转换装置(例如，见专利文献1)。如这种电压转换装置，已经提出了一种单电感多输出(SIMO)类型的电压转换装置，以便获得多个输出。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP-2020-080625-A。
发明内容
当如在专利文献1所公开的SIMO类型的电压转换装置中获得两个输出电流Io1、Io2时，次级侧上的第一开关元件的占空比D1是D1＝Io1/(Io1+Io2)，次级侧上的第二开关元件的占空比D2是D2＝Io2/(Io1+Io2)。
这里，当输出电流Io1、Io2之间的差较大时，占空比D1、D2中的一者较小并且另一者较大。另一方面，开关元件具有取决于特定脉冲的上升时间和下降时间以及驱动开关元件的驱动器的驱动能力的最小脉冲宽度。当试图以小于切换时的最小脉冲宽度的脉冲宽度执行切换时，开关元件在不被完全接通的情况下被驱动，使得热产生变成一个问题，并且无法维持输出。因此，有必要确保切换时的最小脉冲宽度，并且这成为最小占空比的参考。然而，当输出电流Io1、Io2之间的差较大时，占空比D1、D2中的一者变得较小，使得无法确保最小脉冲宽度，这引起热产生的问题，并且使得不可能获得期望输出。
因此，当整体降低切换频率时，即切换周期被延长时，最小脉冲宽度被容易地确保，即使占空比D1、D2中的一者变得较小。然而，在这种情况下，有必要应对于长周期而在平滑电感中存储大量能量，导致平滑电感的尺寸增加。
本发明已经被作出以解决这样的相关技术的问题，并且其目的是提供一种电压转换装置，其能够确保最小脉冲宽度，抑制热产生，容易地获得期望输出，并且防止平滑电感的尺寸增加。
根据本发明的电压转换装置是被配置为将从电源侧供应的输入电压转换成期望输出电压的电压转换装置。电压转换装置包括：平滑电感，配置为在其中存储能量；输入侧开关单元，设置在平滑电感的输入侧上，并且被配置为执行切换和根据该切换向平滑电感供应电流；第一和第二电源线，设置在平滑电感的输出侧上，并且被配置为向第一负载和以与第一负载的工作电压不同的工作电压工作的第二负载分别供应电力；第一和第二输出侧开关单元，分别设置在第一和第二电源线上；以及控制单元，配置为在输入侧开关单元与第一和第二输出侧开关单元上执行接通/断开控制。控制单元通过将第一和第二输出侧开关单元的切换频率设定为低于输入侧开关单元的切换频率来执行接通/断开控制。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的电压转换装置的配置图。
图2是示出了根据第一比较示例的电压转换装置的控制状态的时序图。
图3是示出了根据第二比较示例的电压转换装置的控制状态的时序图。
图4是示出了根据本实施例的电压转换装置的控制状态的时序图。
图5是示出了根据本实施例的控制单元的处理的流程图。
具体实施方式
在下文中，将根据优选实施例描述本发明。本发明不限于以下将描述的实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行适当改变。在下面描述的实施例中，未示出或描述一些配置，但是不言而喻，在下面描述的内容不发生矛盾的范围内，适当地将已知或公知的技术应用到省略的技术的细节。
图1是根据本发明的实施例的电压转换装置的配置图。图1所示的电压转换装置1使用来自高压电源10的电压作为输入电压，并且输出多个(两个)不同的期望输出电压，并且包括电源10、全桥电路20、变压器30、整流电路40、平滑电感50、电源线60、开关单元70、输出单元80、电流传感器90和控制单元(控制器件)100。
电源10供应DC电力。电源10通过，例如，串联地连接多个电池单元来配置。在本实施例中，电源10供应需要绝缘的相对较高的电压。
全桥电路20设置在平滑电感50的输入侧(电源10侧)，并且将DC电力转换成AC电力。全桥电路20是相移型开关电路，并且包括四个输入侧开关元件(输入侧开关器件)IQ1到IQ4。四个输入侧开关元件IQ1到IQ4包括，例如，N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且被切换以获得期望输出电压。
第一输入侧开关元件IQ1具有连接到电源10的正极的漏极和连接到第一连接点CP1的源极。第二输入侧开关元件IQ2具有连接到第一连接点CP1的漏极和连接到电源10的负极的源极。第三输入侧开关元件IQ3具有连接到电源10的正极的漏极和连接到第二连接点CP2的源极。第四输入侧开关元件IQ4具有连接到第二连接点CP2的漏极和连接到电源10的负极的源极。
四个输入侧开关元件IQ1到IQ4的栅极连接到控制单元100。控制单元100在四个输入侧开关单元IQ1到IQ4上执行切换控制。通过切换控制，电源10的DC电力被转化成AC电力，并且AC电力被输出到变压器30的初级绕组。第一平滑电容C1设置在全桥电路20与电源10之间。
变压器30执行电压转换。变压器30包括初级绕组和次级绕组。初级绕组和次级绕组在彼此绝缘的状态下彼此磁耦合。初级绕组连接到全桥电路20。初级绕组的一端连接到第一连接点CP1，在其之间插置有平滑电感，并且初级绕组的另一端连接到第二连接点CP2。次级绕组连接到整流电路40。例如，次级绕组的一端连接到第三连接点CP3，其另一端连接到第四连接点CP4。
变压器30的电压转换程度根据初级绕组与次级绕组的匝数比(电压转换比)来确定。在本实施例中，变压器30将从全桥电路20供应的AC电力降压，并且将降压的AC电力输出到整流电路40。
整流电路40将AC电力整流成DC电力。整流电路40包括四个二极管D1到D4。整流电路40由第一至第四二极管D1到D4构成桥式电路，并且执行全波整流。
第一二极管D1具有连接到第三连接点CP3的阳极和连接到平滑电感50的阴极。第二二极管D2具有接地的阳极和连接到第三连接点CP3的阴极。第三二极管D3具有连接到第四连接点CP4的阳极和连接到平滑电感50的阴极。第四二极管D4具有接地的阳极和连接到第四连接点CP4的阴极。
整流电路40将由变压器30降压的AC电力整流成DC电力，并且将DC电力经由平滑电感50和开关单元70输出到输出单元80。
平滑电感50将直流电流(脉动电流)平滑。平滑电感50设置在整流电路40与开关单元70之间。平滑电感50的一端连接到第一二极管D1和第三二极管D3的阴极，其另一端连接到电源线60。
当根据第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4的切换而供应电流时，平滑电感50存储能量，而当电流供应停止时，平滑电感50释放存储的能量以释放电力到电源线60。
电源线60是连接到输出单元80的导线，并且包括连接到第一输出单元81的第一电源线61和连接到第二输出单元82的第二电源线62。连接到第一电源线61的负载(第一负载)与连接到第二电源线62的负载(第二负载)具有不同的工作电压。
开关单元70调节流经两个输出单元81、82的电流。开关单元70与平滑电感50一起组成单电感多输出(SIMO)类型的电路。开关单元70包括设置在第一电源线61上的第一输出侧开关元件OQ1和设置在第二电源线62上的第二输出侧开关元件OQ2。类似于第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4，第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2包括例如N沟道MOSFET。
输出单元80包括第一输出单元81和第二输出单元82。处于与第二输出单元82的电压水平不同的水平的电压从第一输出单元81输出。第二平滑电容C2设置在第一输出单元81的第一输出侧开关元件OQ1侧上，第三平滑电容C3设置在第二输出单元82的第二输出侧开关元件OQ2侧上。
电流传感器90包括设置在第一电源线61上的第一电流传感器91和设置在第二电源线62上的第二电流传感器92。第一电流传感器91将与从第一电源线61输出的输出电流Io1对应的信号输出到控制单元100。第二电流传感器92将与从第二电源线62输出的输出电流Io2对应的信号输出到控制单元100。
控制单元100执行PWM控制，即，在第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4与第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2上的接通/断开控制。控制单元100基于来自第一电流传感器91和第二电流传感器92的信号获得输出电流Io1、Io2。控制单元100在开关元件IQ1到IQ4、OQ1、OQ2上基于例如从主装置传输的电压指令值和所获得的输出电流Io1、Io2来执行接通/断开控制。
这里，在这种电压转换装置1中，当输出电流Io1、Io2之间的差较大时，第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的占空比D1、D2中的一个变得较小，使得无法确保最小脉冲宽度，这可以引起热产生的问题，并且使得不可能获得期望输出。下文中将详细描述这点。
图2是示出了根据第一比较示例的电压转换装置的控制状态的时序图。如图2所示，在根据第一比较示例的电压转换装置中，例如，在时间点t10时，第一和第三输入侧开关元件IQ1、IQ3被接通，并且第一输出侧开关元件OQ1被接通。此时，例如，平滑电感50的电流具有最大值。第二和第四输入侧开关元件IQ2、IQ4被断开，并且第二输出侧开关元件OQ2也被断开。
接下来，在时间点t11时，第一输出侧开关元件OQ1被断开，并且第二输出侧开关元件OQ2被接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量，电力被供应到第二输出单元82。
接下来，在存储于平滑电感50中的能量耗尽的时间点t12，第三输入侧开关元件IQ3被断开，并且第四输入侧开关元件IQ4被接通。由此，正电压Vtr被施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组被存储在平滑电感50中。此外，在时间点t12时，第一输出侧开关元件OQ1被接通，并且第二输出侧开关元件OQ2被断开。因此，电力被供应到第一输出单元81。
此后，在时间点t13时，第一输入侧开关元件IQ1被断开，并且第二输入侧开关元件IQ2被接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量，电力被供应到第一输出单元81。
接下来，在时间点t14时，第一输出侧开关元件OQ1被断开，并且第二输出侧开关元件OQ2被接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量，电力被供应到第二输出单元82。
接下来，在存储于平滑电感50中的能量耗尽的时间点t15，第三输入侧开关元件IQ3被接通，并且第四输入侧开关元件IQ4被断开。由此，负电压Vtr被施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组被存储在平滑电感50中。此外，在时间点t15时，第一输出侧开关元件OQ1被接通，并且第二输出侧开关元件OQ2被断开。因此，电力被供应到第一输出单元81。
此后，在过渡到时间点t16时，从时间点t10到时间点t15的操作被反复执行。这里，当来自第一输出单元81的输出电流Io1减小时，第一输出侧开关元件OQ1的占空比D1变得较小，并且第一输出侧开关元件OQ1被接通的时间段应当缩短。然而，当在从时间点t12到时间点t14的时间段中已经获得了最小脉冲宽度时，最小脉冲宽度无法被维持。如果最小脉冲宽度无法被维持，热产生的问题出现，并且无法获得期望输出。
图3是示出了根据第二比较示例的电压转换装置的控制状态的时序图。当最小脉冲宽度无法如以上描述地被维持时，假设了切换频率被降低，即，切换周期被延长，如第二比较示例中所示。在此例中，如图3所示，虽然D1比D1+D2的比例，即占空比D1低于图2所示的第一比较示例的占空比D1，但是第一输出侧开关元件OQ1被接通的时间段中的脉冲宽度与第一比较示例中的相同，并且最小脉冲宽度被确保。
然而，在图3所示的第二比较示例中，由于切换频率被整体降低，所以有必要在平滑电感50中存储大量能量，并且在较长的时间段中(例如，从时间点t20到时间点t21，从时间点t23到时间点t24)输出能量，并且，因此，平滑电感50的电感值增加，这导致平滑电感50的尺寸增加。此外，变压器30与第二和第三平滑电容C2、C3的尺寸也增加。
图4是示出了根据本实施例的电压转换装置1的控制状态的时序图。如图4所示，在根据本实施例的电压转换装置1中，第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的切换频率比第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4的切换频率更低。这里，一般来说，输出侧的切换频率通常大于或等于输入侧的切换频率。然而，在本实施例中，第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的切换频率比第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4的切换频率更低。结果，在维持最小脉冲宽度的同时防止了平滑电感50的尺寸的增加。下面将详细描述这点。
首先，在时间点t30时，第一和第三输入侧开关元件IQ1、IQ3被接通，并且第二输出侧开关元件OQ2被接通。在时间点t30时，能量被存储在平滑电感50中，并且使用平滑电感50中的能量将电力供应到第二输出单元82。第二和第四输入侧开关元件IQ2、IQ4被断开，并且第一输出侧开关元件OQ1也被断开。
接下来，在存储于平滑电感50中的能量耗尽的时间点t31，第三输入侧开关元件IQ3被断开，并且第四输入侧开关元件IQ4被接通。由此，正电压Vtr被施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组被存储在平滑电感50中。此外，在时间点t31时，第一输出侧开关元件OQ1被接通，并且第二输出侧开关元件OQ2被断开。因此，电力被供应到第一输出单元81。
此后，在时间点t32时，第一输入侧开关元件IQ1被断开，并且第二输出侧开关元件OQ2被接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量，电力被供应到第一输出单元81。
接下来，在时间点t33时，第一输出侧开关元件OQ1被断开，并且第二输出侧开关元件OQ2被接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量，电力被供应到第二输出单元82。
此后，在存储于平滑电感50中的能量耗尽之前的时间点t34，第三输入侧开关元件IQ3被接通，并且第四输入侧开关元件IQ4被断开。由此，负电压Vtr被施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组被存储在平滑电感50中。由于第二输出侧开关元件OQ2在时间点t34时也持续处于接通状态，所以电力被供应到第二输出单元82。
此后，从时间点t30到时间点t34的操作在时间点t35之后被反复执行。这里，在根据本实施例的电压转换装置1中，如图4所示，虽然D1比D1+D2的比例，即占空比D1低于图2所示的第一比较示例的占空比D1，第一输出侧开关元件OQ1被接通的时间段中的脉冲宽度与图2所示的第一比较示例中的相同，并且最小脉冲宽度被确保。
此外，由于第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4的切换频率较高，所以在不整体降低切换频率的情况下，能量可以如在从时间点t34到时间点t35的时间段中被存储在平滑电感50中。因此，不同于第二比较示例，在平滑电感50中存储大量能量并在较长的时间段中输出能量不是必须的，而且，平滑电感50的尺寸的增加也被避免。
图5是示出了根据本实施例的控制单元100的处理的流程图。采用根据本实施例的电压转换装置1以如图4所示地仅在特定时间降低在输出侧的切换频率。
如图5所示，在根据本实施例的电压转换装置1中，控制单元100基于来自第一电流传感器91和第二电流传感器92的信号来检测输出电流Io1、Io2(S1)。接下来，控制单元100确定在步骤S1中检测的输出电流Io1、Io2的比例是否在预定范围之外(S2)。
当该比例在预定范围之外时(S2:是)，控制单元100降低第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的切换频率(S3)。由此，如参考图4描述的，可以在确保最小脉冲宽度的同时容易地降低占空比。此后，图5中示出的处理结束。
另一方面，当比例在预定范围之内时(S2:否)，控制单元100将第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的切换频率设定为正常(S4)。以这种方式，当在不降低切换频率的情况下能够确保最小脉冲宽度时，控制以正常的切换频率执行。此后，图5中示出的处理结束。
以这种方式，根据本实施例的电压转换装置1，第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的切换频率被设定为低于第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4的切换频率，以执行接通/断开控制。因此，例如，即使占空比变得极小，输出侧的切换周期也被确保为较长。因此，即使有这样的占空比，也能够容易地维持最小脉冲宽度。此外，由于输出侧的切换频率被降低，所以可以防止能量像输入侧的切换频率被降低的情况那样难以被供应到平滑电感50。与整体降低切换频率的情况相比，可以防止平滑电感50的尺寸增加。因此，可以提供一种电压转换装置1，其能够确保最小脉冲宽度，抑制热产生，容易地获得期望输出，并且防止平滑电感50的尺寸增加。
当经由第一和第二电源线61、62被供应到第一和第二负载的输出电流Io1、Io2的电流比例在预定范围之外时，用于在第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2上执行接通/断开控制的切换频率被降低。因此，例如，当存在电流比例在预定范围之外的一个占空比变得极小并且无法维持最小脉冲宽度的可能性时，输出侧的切换频率被降低。由此，即使当切换周期被延长且占空比较小时，也可以容易地维持最小脉冲宽度。因此，当难以确保最小脉冲宽度时，可以降低输出侧上的切换频率，最小脉冲宽度可以被确保，并且期望输出可以被容易地获得。
尽管上面已经基于实施例描述了本发明，但是本发明不限于以上实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或结合公知的技术。
例如，在本实施例中，绝缘类型的电压转换装置1已经作为示例被描述，但是，本发明不是特别地限定于此，并且，可以使用非绝缘类型的电压转换装置。此外，电压转换装置1不限于电压降压装置，而是可以是电压升压装置。此外，本发明不限于包括了全桥电路20的同步整流型电压转换装置1，并且可以不包括全桥电路20，并且二极管整流是可能的。
此外，在根据本实施例的电压转换装置1中，如图5所示，第一和第二输出侧开关元件OQ1、OQ2的切换频率基于输出电流Io1和Io2被降低或者被设定为正常，但是本发明不限定于此，而且，第一和第二输出侧开关单元OQ1、OQ2的切换频率可以被固定在被降低的状态，或者可以在切换频率低于第一到第四输入侧开关元件IQ1到IQ4的切换频率的状态下被改变。
根据本发明，可以提供一种电压转换装置，其能够确保最小脉冲宽度，抑制热产生，容易地获得期望输出，并且防止平滑电感的尺寸增加。

Claims (2)

1.一种电压转换装置，其配置为将从电源供应的输入电压转换成期望输出电压，所述电压转换装置包括：
平滑电感，其配置为在其中存储能量；
输入侧开关单元，其设置在所述平滑电感的输入侧上，并且被配置为执行切换并根据所述切换向所述平滑电感供应电流；
第一电源线，其设置在所述平滑电感的输出侧上，并且被配置为向第一负载供应电力；
第二电源线，其设置在所述平滑电感的所述输出侧上，并且被配置为向第二负载供应电力，所述第二负载以与所述第一负载的工作电压不同的工作电压工作；
第一输出侧开关单元，其设置在所述第一电源线上；
第二输出侧开关单元，其设置在所述第二电源线上；以及
控制单元，其配置为在所述输入侧开关单元与第一输出侧开关单元和第二输出侧开关单元上执行接通/断开控制，
其中，所述控制单元通过将所述第一输出侧开关单元和所述第二输出侧开关单元的切换频率设定为低于所述输入侧开关单元的切换频率来执行所述接通/断开控制。
2.根据权利要求1所述的电压转换装置，还包括：
第一电流传感器，其配置为检测从所述第一电源线输出的电流；以及
第二电流传感器，其配置为检测从所述第二电源线输出的电流，
其中，当通过所述第一电流传感器和所述第二电流传感器的电流检测所获得的流经所述第一电源线和所述第二电源线的电流的比例在预定范围之外时，所述控制单元将在所述第一输出侧开关单元和所述第二输出侧开关单元上执行所述接通/断开控制的切换频率设定为低于所述输入侧开关单元的切换频率。
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