CN115037153A - Dc/dc转换器 - Google Patents

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CN115037153A CN202210207726.7A CN202210207726A CN115037153A CN 115037153 A CN115037153 A CN 115037153A CN 202210207726 A CN202210207726 A CN 202210207726A CN 115037153 A CN115037153 A CN 115037153A
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横田求
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Abstract

本发明提供DC/DC转换器。能够降低DC/DC转换器内的发热。该DC/DC转换器(1)具有：单相转换器，其由电感器(L1)、上侧开关元件(Fu1)以及下侧开关元件(Fd1)构成；以及控制部(10)，其使上侧开关元件(Fu1)在接通与断开之间切换，使下侧开关元件(Fd1)在接通与断开之间切换，当满足了预先确定的判定条件时，控制部(10)使上侧开关元件(Fu1)接通。

Description

DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及DC/DC转换器。
背景技术
已知有经由对从电池等电源提供的电压进行升压或降压的DC/DC转换器对马达驱动装置进行电力供给的电源系统。在该电源系统中，设置有大容量的电源稳定化电容器以便吸收在马达中流动的脉动电流而使电源电压稳定化。
电源稳定化电容器与作为电池的负载的马达驱动装置并联连接。在专利文献1中，公开了在电源接通时等对电源稳定化电容器进行预充电的预充电电路。预充电电路在电源接通时等，避免过大的冲击电流从电源流向电源稳定化电容器。由此，防止配置在电源系统内的DC/DC转换器内的半导体元件等发生故障。
专利文献1：日本特开2007-336609号公报
然而，在上述的电源系统中，在预充电电路进行了预充电之后，若在向马达驱动装置提供电力时马达驱动装置突然停止，则在电源稳定化电容器的电压比电源电压低的情况下，电流从电源流入电源稳定化电容器。
此时，DC/DC转换器内的开关元件断开。因此，从电源流入电源稳定化电容器的电流通过寄生于开关元件的体二极管。由于该电流通过，体二极管发热。
发明内容
本发明的一个方式是鉴于上述课题而完成的，其目的在于实现能够降低DC/DC转换器内的发热的DC/DC转换器。
为了解决上述的课题，本发明的一个方式的DC/DC转换器具有：单相转换器，其由电感器、上侧开关元件以及下侧开关元件构成；以及控制部，其使所述上侧开关元件在接通与断开之间切换，使所述下侧开关元件在接通与断开之间切换，当满足了预先确定的判定条件时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
在上述结构中，在搭载有DC/DC转换器的电动汽车发生异常而电动汽车停止了升压控制的情况下，若DC/DC转换器的输出电压比输入电压低，则直流电流从DC/DC转换器的输入侧向输出侧流动。
根据上述结构，在满足了预先确定的判定条件的情况下，控制部使上侧开关元件接通。由此，从DC/DC转换器的输入侧向输出侧流动的直流电流不会流过作为上侧开关元件的寄生二极管的体二极管，而是流过电阻小于体二极管的、上侧开关元件的通道部分。因此，根据DC/DC转换器，能够降低DC/DC转换器内的发热。
优选的是，当在所述电感器中流动的直流电流为电流阈值以上时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
根据上述结构，控制部通过测量在DC/DC转换器的电感器中流动的直流电流，能够判定是否满足了预先确定的判定条件。
优选的是，当所述DC/DC转换器的输出电压比所述DC/DC转换器的输入电压低了电压阈值以上时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
根据上述结构，控制部通过测量DC/DC转换器的输出电压和输入电压，能够判定是否满足了预先确定的判定条件。
也可以是，当所述DC/DC转换器的输出电压比所述DC/DC转换器的输入电压低了电压阈值以上且在所述电感器中流动的直流电流为电流阈值以上时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
优选的是，所述DC/DC转换器具有多个所述单相转换器，所述DC/DC转换器是多相DC/DC转换器。
根据上述结构，即使是多相DC/DC转换器，也能够降低DC/DC转换器内的发热。
根据本发明的一个方式，能够降低DC/DC转换器内的发热。
附图说明
图1是搭载有本发明的实施方式1的DC/DC转换器的电动汽车的概略结构图。
图2示出了上述DC/DC转换器的控制处理的流程图。
图3是用于说明上述电动汽车进行预充电时的电流路径的图。
图4是用于说明上述电动汽车开始了升压控制时的电流路径的图。
图5是说明上述电动汽车开始了升压控制时的上侧开关元件和下侧开关元件的动作的图。
图6是说明上述电动汽车开始了升压控制时的上侧开关元件和下侧开关元件的其他动作的图。
图7是用于说明上述电动汽车停止了升压控制时的电流路径的图。
图8是搭载有本发明的实施方式2的DC/DC转换器的电动汽车的概略结构图。
标号说明
1、1N：DC/DC转换器；2：高电压电源；3：供电控制部；4、51：接触器；5：预充电电路；7：蓄电电容器；8：逆变器；9：马达；10：控制部；52：电阻；Bu1、Bd1：体二极管；D1：第1电压计；D2：第2电压计；E1：电流计；Fu1、Fu2、Fu3、Fun：上侧开关元件；Fd1、Fd2、Fd3、Fdn：下侧开关元件；L1、L2、L3、Ln：电感器；T1：第1输入端子；T2：第2输入端子；T3：第1输出端子；T4：第2输出端子；Th1：电压阈值；Th2：电流阈值；Vin：输入电压；Vout：输出电压。
具体实施方式
(实施方式1)
以下，对本发明的实施方式1详细地进行说明。
＜电动汽车的结构＞
图1是搭载有本实施方式1的DC/DC转换器1的电动汽车的概略结构图。在本实施方式1中，以DC/DC转换器1是搭载于电动汽车的DC/DC转换器的实施方式为例进行说明。
如图1所示，电动汽车具有DC/DC转换器1、高电压电源2、供电控制部3、接触器4、预充电电路5、蓄电电容器7、逆变器8以及马达9。
高电压电源2经由接触器4或预充电电路5向DC/DC转换器1提供直流电压。例如，高电压电源2将200V的直流电压提供给DC/DC转换器1。
供电控制部3使接触器4接通或断开。另外，供电控制部3使预充电电路5中包含的接触器51接通或断开。另外，关于预充电电路5的详细情况在后面说明。
当供电控制部3使接触器4接通并使接触器51断开时，电流从高电压电源2经由接触器4而流向DC/DC转换器1。另外，当供电控制部3使接触器4断开并使接触器51接通时，电流从高电压电源2经由预充电电路5而流向DC/DC转换器1。另外，当供电控制部3使接触器4断开并使接触器51断开时，从高电压电源2向DC/DC转换器1没有电流流动。
接触器4例如是继电器式电磁开闭器。
预充电电路5是用于防止在高电压电源2起动时冲击电流从高电压电源2流向DC/DC转换器1的电路。预充电电路5包含上述接触器51和与接触器51串联连接的电阻52。接触器51例如是继电器式电磁开闭器。
若冲击电流流入DC/DC转换器1，则DC/DC转换器1内的半导体元件有可能发生故障。因此，在高电压电源2起动时，供电控制部3使接触器4断开，并使接触器51接通，由此使从高电压电源2流向DC/DC转换器1的直流电流经由预充电电路5。该直流电流在预充电电路5的电阻52中流动，该直流电流的电流值降低了电阻52的电阻值的量。因此，根据预充电电路5，能够防止冲击电流流入DC/DC转换器1。
DC/DC转换器1对蓄电电容器7进行充电。蓄电电容器7通过放电而向逆变器8提供直流电流。
逆变器8将从蓄电电容器7提供的直流电流转换为交流电流。
马达9通过被逆变器8提供交流电流而被驱动。另外，在图1的例子中，马达9为1个，但也可以为多个。
＜DC/DC转换器的功能结构＞
DC/DC转换器1是对从高电压电源2提供的直流电压进行转换的电路。例如，在高电压电源2的直流电压为200V的情况下，DC/DC转换器1将该200V的直流电压转换为450V的直流电压。另外，DC/DC转换器也能够对从高电压电源2提供的直流电压进行降压。
DC/DC转换器1具有第1输入端子T1、第2输入端子T2、电感器L1、上侧开关元件Fu1、下侧开关元件Fd1、平滑电容器C、第1输出端子T3、第2输出端子T4以及控制部10。另外，DC/DC转换器1还可以具有第1电压计D1、第2电压计D2以及电流计E1。
第1输入端子T1经由接触器4或预充电电路5与高电压电源2的正极端子连接。第2输入端子T2与高电压电源2的负极端子连接。
电感器L1、上侧开关元件Fu1以及下侧开关元件Fd1构成单相转换器。上侧开关元件Fu1例如是MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。另外，下侧开关元件Fd1例如是MOS-FET。
电感器L1的一个端子与第1输入端子连接，另一个端子与上侧开关元件Fu1的源极连接。电感器L1对从高电压电源2提供的直流电流进行蓄电或放电。
上侧开关元件Fu1的栅极与控制部10连接，漏极与第1输出端子T3连接。
下侧开关元件Fd1的栅极与控制部10连接，漏极与电感器L1的另一个端子和上侧开关元件的源极连接，源极与第2输入端子T2和第2输出端子T4连接。
在上侧开关元件Fu1中，在源极与漏极之间形成有体二极管Bu1。体二极管Bu1是上侧开关元件Fu1的寄生二极管。在上侧开关元件Fu1接通时，在上侧开关元件Fu1中流动的电流成为不流过体二极管Bu1而流过电阻小于体二极管Bu1的通道部分的电流，在上侧开关元件Fu1断开时，成为流过体二极管Bu1的电流。
在下侧开关元件Fd1中，在源极与漏极之间形成有体二极管Bd1。体二极管Bd1是下侧开关元件Fd1的寄生二极管。在下侧开关元件Fd1接通时，在下侧开关元件Fd1中流动的电流成为不流过体二极管Bd1而流过电阻小于体二极管Bd1的通道部分的电流，在下侧开关元件Fd1断开时，成为流过体二极管Bd1的电流。
上侧开关元件Fu1在栅极被控制部10输入H电平的栅极信号Gu1时，接通。另一方面，上侧开关元件Fu1在栅极被控制部10输入L电平的栅极信号Gu1时断开。
下侧开关元件Fd1在栅极被控制部10输入H电平的栅极信号Gd1时接通。另一方面，下侧开关元件Fd1在栅极被控制部10输入L电平的栅极信号Gd1时断开。
平滑电容器C连接在第1输出端子T3与第2输出端子T4之间。平滑电容器C对输出到第1输出端子T3与第2输出端子T4之间的输出电压Vout进行平滑。
第1电压计D1连接在第1输入端子T1与第2输入端子T2之间。第1电压计D1测量第1输入端子T1与第2输入端子T2之间的输入电压Vin。第1电压计D1将测量结果H1输出到控制部10。
第2电压计D2连接在第1输出端子T3与第2输出端子T4之间。第2电压计D2测量第1输出端子T3与第2输出端子T4之间的输出电压Vout。第2电压计D2将测量结果H2输出到控制部10。
电流计E1连接在电感器L1与第1输入端子T1之间。电流计E1测量在电感器L1中流动的直流电流I1。电流计E1将测量结果J1输出到控制部10。
＜DC/DC转换器的控制处理＞
图2示出了DC/DC转换器1的控制处理的流程图。当图1所示的电动汽车的高电压电源2起动时，开始DC/DC转换器1的控制。
步骤S101：
电动汽车为了对蓄电电容器7进行蓄电而进行预充电。更具体而言，供电控制部3使接触器4断开，并使接触器51接通。控制部10使上侧开关元件Fu1断开，并使下侧开关元件Fd1断开。另外，在预充电需要大电流的情况下，控制部10也可以使上侧开关元件Fu1接通。接着，进入步骤S102。
这里，对电动汽车进行预充电时的电流路径进行说明。
图3是用于说明电动汽车进行预充电时的电流路径的图。
在电动汽车进行预充电时，DC/DC转换器1使直流电流I1蓄电在蓄电电容器7中。
如图3所示，直流电流I1从高电压电源2经由DC/DC转换器1流向蓄电电容器7。在直流电流I1的路径中有电流路径R1和电流路径R2。
电流路径R1是供直流电流I1在上侧开关元件Fu1的体二极管Bu1中流动的路径。电流路径R1是与上侧开关元件Fu1断开时对应的路径。电流路径R2是供直流电流I1在上侧开关元件Fu1的通道部分中流动的路径。是与上侧开关元件Fu1接通时对应的路径。
步骤S102：
电动汽车开始升压控制。升压控制是向逆变器8提供用于使马达9旋转的电源的控制。更具体而言，供电控制部3使接触器4接通，并使接触器51断开。控制部10使上侧开关元件Fu1断开，并对下侧开关元件Fd1进行PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制。另外，在施加于马达9的负载为高负载的情况下，控制部10也可以对上侧开关元件Fu1进行PWM控制。其中，控制部10以使上侧开关元件Fu1的接通期间与下侧开关元件Fd1的断开期间一致、上侧开关元件Fu1的断开期间与下侧开关元件Fd1的接通期间一致的方式对上侧开关元件Fu1进行PWM控制。接着，进入步骤S103。
这里，对电动汽车开始了升压控制时的电流路径进行说明。
图4是用于说明电动汽车开始了升压控制时的电流路径的图。
电动汽车在通过预充电而在蓄电电容器7中蓄积了电力的阶段开始升压控制。在升压控制下，使DC/DC转换器1的输出电压Vout蓄电在蓄电电容器7中。此时，控制部10对下侧开关元件Fd1进行PWM控制。在马达9为低负载时，控制部10使上侧开关元件Fu1断开。在马达9为高负载时，控制部10也对上侧开关元件Fu1进行PWM控制。
如图4所示，在直流电流I1的路径中有电流路径R3、电流路径R4以及电流路径R5。
电流路径R3是供直流电流I1在下侧开关元件Fd1的通道部分中流动的路径。电流路径R3是与下侧开关元件Fd1接通时对应的路径。电流路径R4是供直流电流I1在上侧开关元件Fu1的体二极管Bu1中流动的路径。电流路径R4是与下侧开关元件Fd1断开且上侧开关元件Fu1断开时对应的路径。电流路径R5是供直流电流I1在上侧开关元件Fu1的通道部分中流动的路径。是与上侧开关元件Fu1接通时对应的路径。
图5是说明电动汽车开始了升压控制时的上侧开关元件Fu1和下侧开关元件Fd1的动作的图。图5与施加于马达9的负载为低负载的情况对应。
如图5所示，上侧开关元件Fu1在从时间t10到时间t14的期间中是断开的。另一方面，下侧开关元件Fd1在从时间t10到时间t11的期间中是接通的，在从时间t11到时间t12的期间中是断开的，在从时间t12到时间t13的期间中是接通的，在从时间t13到时间t14的期间中是断开的。从时间t10到时间t11的期间与从时间t12到时间t13的期间的相同的。从时间t11到时间t12的期间与从时间t13到时间t14的期间的相同的。即，控制部10根据下述的占空比而对下侧开关元件Fd1进行PWM控制。
占空比：(从时间t10到时间t11的期间)/(从时间t10到时间t12的期间)。
图6是说明电动汽车开始了升压控制时的上侧开关元件Fu1和下侧开关元件Fd1的其他动作的图。图6与施加于马达9的负载为高负载的情况对应。
如图6所示，上侧开关元件Fu1在从时间t20到时间t21的期间中是断开的，在从时间t21到时间t22的期间中是接通的，在从时间t22到时间t23的期间中是断开的，在从时间t23到时间t24的期间中的接通的。从时间t20到时间t21的期间与从时间t22到时间t23的期间是相同的。从时间t21到时间t22的期间与从时间t23到时间t24的期间是相同的。即，控制部10根据下述的占空比而对上侧开关元件Fu1进行PWM控制。
占空比：(从时间t21到时间t22的期间)/(从时间t21到时间t23的期间)。
另一方面，下侧开关元件Fd1在从时间t20到时间t21的期间中是接通的，在从时间t21到时间t22的期间中是断开的，在从时间t22到时间t23的期间中是接通的，在从时间t23到时间t24的期间中是断开的。从时间t20到时间t21的期间与从时间t22到时间t23的期间是相同的。从时间t21到时间t22的期间与从时间t23到时间t24的期间是相同的。即，控制部10根据下述的占空比而对下侧开关元件Fd1进行PWM控制。
占空比：(从时间t20到时间t21的期间)/(从时间t20到时间t22的期间)。
步骤S103：
电动汽车停止升压控制。更具体而言，控制部10使上侧开关元件Fu1断开，并使下侧开关元件Fd1断开。另外，步骤S103中的升压控制停止意味着因电动汽车发生了异常而引起的停止。所谓电动汽车的异常例如是指逆变器8或马达9发生故障而使它们的动作停止的状态。作为在电动汽车中发生的异常的具体的例子，可以举出如下状况：状况(1)，在逆变器8应该不动作的时机逆变器8发生短路故障等，而电流流入逆变器8侧；以及状况(2)，在升压控制停止时、通常应该断开的接触器4不断开。当电动汽车发生异常时，电动汽车停止升压控制，并且也停止DC/DC转换器1的控制。接着，进入步骤S104。
这里，对电动汽车停止了升压控制时的电流路径进行说明。
图7是用于说明电动汽车停止了升压控制时的电流路径的图。
如图7所示，直流电流I1从高电压电源2经由DC/DC转换器1流向蓄电电容器7。直流电流I1的路径是电流路径R5。电流路径R5是供直流电流I1在上侧开关元件Fu1的通道部分中流动的路径。是与上侧开关元件Fu1接通时对应的路径。
步骤S104：
从第1电压计D1向控制部10输入测量结果H1，从第2电压计D2向控制部10输入测量结果H2。控制部10从测量结果H1获取输入电压Vin，并从测量结果H2获取输出电压Vout。然后，在输入电压Vin和输出电压Vout满足判定条件的情况下(在步骤S104中为“是”)，接着进入步骤S105。另一方面，在输入电压Vin和输出电压Vout不满足判定条件的情况下(在步骤S104中为“是”)，接着进入步骤S106。
这里，上述的判定条件是输出电压Vout比输入电压Vin低了电压阈值Th1以上这一条件。电压阈值Th1例如为10V。其中，电压阈值Th1是基于DC/DC转换器1的最大电流的设计值、搭载于DC/DC转换器1的开关元件的体二极管的额定值等的值。
步骤S105：控制部10使上侧开关元件Fu1接通。另外，控制部10维持下侧开关元件Fd1的断开。接着，进入步骤S106。
这里，对控制部10使上侧开关元件Fu1接通时的电流路径进行说明。
图7是用于说明控制部10使上侧开关元件Fu1接通时的电流路径的图。
如图7所示，直流电流I1的路径是电流路径R5。电流路径R5是供直流电流I1在上侧开关元件Fu1的通道部分中流动的路径。电流路径R5是与上侧开关元件Fu1接通时对应的路径。
步骤S106：若有升压控制的开始请求(在步骤S106中为“是”)，则返回到步骤S102。在除此以外的情况下(在步骤S106中为“否”)，结束本控制处理。
＜实施方式1的效果＞
在电动汽车发生异常而电动汽车停止了升压控制的情况下，若输出电压Vout比输入电压Vin低，则直流电流从高电压电源2流向DC/DC转换器1。此时，由于上侧开关元件Fu1是断开的，因此该直流电流在上侧开关元件Fu1的体二极管Bu1中流动。根据DC/DC转换器1，在满足了上述的判定条件的情况下、即在输出电压Vout比输入电压Vin低了电压阈值Th1以上的情况下，控制部10使上侧开关元件Fu1接通。由此，从高电压电源2流向DC/DC转换器1的直流电流在电阻小于体二极管Bu1的通道部分中流动。该直流电流在体二极管Bu1中流动时的发热比该直流电流在上侧开关元件Fu1的通道部分中流动时的发热大。因此，根据DC/DC转换器1，能够降低DC/DC转换器1内的发热。
＜变形例1＞
本变形例1与上述实施方式1仅在图2的步骤S104中使用的判定条件是不同的。
在本变形例1中，作为在图2的步骤S104中使用的判定条件，使用在电感器L1中流动的直流电流I1为电流阈值Th2以上这一条件。电流阈值Th2例如为10A。其中，电流阈值Th2是基于DC/DC转换器1的最大电流的设计值、搭载于DC/DC转换器1的开关元件的体二极管的额定值等的值。
＜变形例2＞
本变形例2与上述实施方式1仅在图2的步骤S104中使用的判定条件是不同的。
在本变形例2中，作为在图2的步骤S104中使用的判定条件，使用满足上述实施方式1的判定条件和上述变形例1的判定条件双方这一条件。
根据本变形例2，与仅使用上述实施方式1的判定条件或上述变形例1的判定条件中的任一方来进行判定的情况相比，能够提高图2的步骤S104的判定处理的判定精度。另外，根据本变形例2，与仅使用上述实施方式1的判定条件或上述变形例1的判定条件中的任一方来进行判定的情况相比，能够防止漏掉从高电压电源2流向DC/DC转换器1的直流电流。
(实施方式2)
以下对本发明的其他实施方式进行说明。另外，为了便于说明，对于具有与在上述实施方式中进行了说明的部件相同的功能的部件，标注相同的标号而不重复进行其说明。
图8是搭载有本实施方式2的DC/DC转换器1N的电动汽车的概略结构图。DC/DC转换器1N与DC/DC转换器1的不同之处在于，DC/DC转换器1具有单相转换器，与此相对，DC/DC转换器1N具有多相转换器。
具体而言，如图8所示，DC/DC转换器1N具有由电感器L1、上侧开关元件Fu1以及下侧开关元件Fd1构成的第1相转换器、由电感器L2、上侧开关元件Fu2以及下侧开关元件Fd2构成的第2相转换器、由电感器L3、上侧开关元件Fu3以及下侧开关元件Fd3构成的第3相转换器、…由电感器Ln、上侧开关元件Fun以及下侧开关元件Fdn构成的第n相转换器。这里，第n相的“n”为2以上的整数。
构成各相转换器的电感器、上侧开关元件以及下侧开关元件的各功能及各动作与DC/DC转换器1的电感器L1、上侧开关元件Fu1以及下侧开关元件Fd1的各功能及各动作是相同的，因此不重复进行它们的说明。但是，关于上述的图5和图6所示的PWM控制，在各相间，脉冲的相位相互移位。
〔附记事项〕
本发明并不限于上述的各实施方式，能够在权利要求所示的范围内进行各种变更，对于将不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。

Claims (5)

1.一种DC/DC转换器，其特征在于，
该DC/DC转换器具有：
单相转换器，其由电感器、上侧开关元件以及下侧开关元件构成；以及
控制部，其使所述上侧开关元件在接通与断开之间切换，使所述下侧开关元件在接通与断开之间切换，
当满足了预先确定的判定条件时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
当在所述电感器中流动的直流电流为电流阈值以上时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
3.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
当所述DC/DC转换器的输出电压比所述DC/DC转换器的输入电压低了电压阈值以上时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
4.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
当所述DC/DC转换器的输出电压比所述DC/DC转换器的输入电压低了电压阈值以上且在所述电感器中流动的直流电流为电流阈值以上时，所述控制部使所述上侧开关元件接通。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的DC/DC转换器，其特征在于，
该DC/DC转换器具有多个所述单相转换器，
所述DC/DC转换器是多相DC/DC转换器。
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