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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine DC-DC-Wandlervorrichtung, die einen Gleichstrom (DC power) nach Herabsetzen einer Eingangsspannung ausgibt.
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HINTERGRUND
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Herkömmliche DC-DC-Wandler sind beispielhaft in den folgenden Patentdokumenten offenbart.
[Patentdokument 1]
JP H07-241071A [Patentdokument 2]
JP 2010-148227A [Patentdokument 3]
JP H06-269171A -
Eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß Patentdokument 1 stellt einen Ausgangsstrom durch Unterbrechen eines Stroms, der von einer Energiequelle bereitgestellt wird, durch Schaltelemente und Glätten durch eine Drossel bereit. In dem Fall, dass eine Eingangsspannung von der Energiequelle und eine Ausgangsspannung an einer Last sich stark unterscheiden, sind Schaltelemente zu wählen, die der hohen Spannung der Energiequelle standhalten. Diese DC-DC-Wandlervorrichtung benötigt somit die Schaltelemente, die der hohen Spannung der Energiequelle standhalten können, wenn die Differenz zwischen der Spannung der Energiequelle und der Spannung der Last groß ist.
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Eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß Patentdokument 2 beinhaltet eine kapazitive Teilerschaltung, die parallel mit einer Energiequelle verbunden ist. Diese DC-DC-Wandlervorrichtung stellt einem Transformator, der eine Last ist, ausgehend von einer Verbindung zwischen zwei Kondensatoren, einen Strom bereit. Eine Spannung, die durch die kapazitive Teilerschaltung geteilt wird, wird dem Transformator als eine Wechselspannung bereitgestellt. Diese DC-DC-Wandlervorrichtung kann die Spannung, die durch die kapazitive Teilerschaltung geteilt wird, der Last nicht als Gleichspannung bereitstellen.
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Eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß Patentdokument 3 beinhaltet eine kapazitive Teilerschaltung, die parallel mit einer Energiequelle verbunden ist. Diese DC-DC-Wandlervorrichtung stellt zwei Transformatoren zwei Spannungen bereit, die durch die kapazitive Teilerschaltung geteilt werden. Diese DC-DC-Wandlervorrichtung kann die Spannungen, die durch die kapazitive Teilerschaltung geteilt werden, einer gemeinsamen Last nicht bereitstellen.
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Es ist eine Aufgabe, eine DC-DC-Wandlervorrichtung bereitzustellen, die einer Last eine Gleichspannung durch effizientes Herabsetzen einer Hochspannung einer Gleichspannungsenergiequelle bereitstellen kann.
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Es ist eine weitere Aufgabe, eine DC-DC-Wandlervorrichtung bereitzustellen, die einen Verlust in Schaltelementen niedrig hält.
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Eine DC-DC-Wandlervorrichtung zum Herabsetzen eines Gleichstroms, der Eingangsanschlüssen bereitgestellt wird, und zum Versorgen von Ausgangsanschlüssen mit herabgesetztem Gleichstrom wird bereitgestellt. Die DC-DC-Wandlervorrichtung weist eine Spannungsteilerschaltung, mehrere Stromversorgungsschaltungen und eine Steuerschaltung auf. Die Spannungsteilerschaltung ist zwischen den Eingangsanschlüssen in Serie verbunden und beinhaltet mehrere kapazitive Elemente zum Teilen einer Eingangsspannung, die den Eingangsanschlüssen bereitgestellt wird. Die mehreren Stromversorgungsschaltungen sind zwischen der Spannungsteilerschaltung und den Ausgangsanschlüssen vorgesehen. Die Stromversorgungsschaltungen verbinden die kapazitiven Elemente mit den Ausgangsanschlüssen, so dass jedes der kapazitiven Elemente den Ausgangsanschlüssen Strom einer gleichen Polarität bereitstellt. Die Stromversorgungsschaltungen beinhalten mehrere Schaltelemente, die die kapazitiven Elemente selektiv mit den Ausgangsanschlüssen verbinden. Die Steuerschaltung steuert die Schaltelemente, so dass die kapazitiven Elemente sequenziell umgeschaltet werden, um mit den Ausgangsanschlüssen verbunden zu sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 ein Schaltungsdiagramm, das ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug einschließlich einer DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
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2A bis 2F Zeitdiagramme, die Signalwellenformen darstellen, die an unterschiedlichen Punkten in der ersten Ausführungsform auftreten;
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3A bis 3F Zeitdiagramme, die Wellenformen darstellen, die an unterschiedlichen Punkten in der zweiten Ausführungsform auftreten,
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4 ein Schaltungsdiagramm, das ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug darstellt, das eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform beinhaltet;
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5 ein Schaltungsdiagramm, das ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug darstellt, das eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform beinhaltet;
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6 ein Schaltungsdiagramm, das einen Betriebszustand der vierten Ausführungsform darstellt;
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7 ein Schaltungsdiagramm, das einen Betriebszustand der vierten Ausführungsform darstellt;
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8 ein Schaltungsdiagramm, das einen Betriebszustand der vierten Ausführungsform darstellt;
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9A bis 9E Zeitdiagramme, die Signalwellenformen darstellen, die an unterschiedlichen Punkten in der vierten Ausführungsform auftreten;
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10 ein Schaltungsdiagramm, das ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug darstellt, das eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform beinhaltet;
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11 ein Schaltungsdiagramm, das ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug darstellt, das eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform beinhaltet;
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12 ein Schaltungsdiagramm, das ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug darstellt, das eine DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel beinhaltet; und
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13 ein Zeitdiagramm, das ein Ansteuersignal für ein Schaltelement Q in dem Vergleichsbeispiel darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine DC-DC-Wandlervorrichtung wird im Detail mit Bezug auf mehrere Ausführungsformen beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind, in denen gleiche oder ähnliche Teile mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, um die Beschreibung zu vereinfachen.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine DC-DC-Wandlervorrichtung wird als ein Stromversorgungssystem 1 für ein Fahrzeug bereitgestellt, gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist.
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Das Stromversorgungssystem 1 beinhaltet eine Wandlerschaltung 4, die einen Gleichstrom herabsetzt, der von einer Energiequelle 2 seinen Eingangsanschlüssen 41 bereitgestellt wird, und an seinen Ausgangsanschlüssen 42 einer Last 3 einen Gleichstrom bereitstellt. Die Energiequelle 2 ist eine Gleichspannungsbatterie, die in einem Fahrzeug angebracht ist. Die Batterie hat eine Hochspannung, die einem Motor bzw. Verbrennungsmotor zum Fahren des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Die Batterie stellt Gleichstrom bzw. Gleichspannung von mehreren Hundert Volt bereit. Die Batterie gibt eine Energiequellenspannung Vin aus. Die Energiequellenspannung Vin wird als eine Eingangsspannung an die Eingangsanschlüsse 41 der DC-DC-Wandlerschaltung 4 angelegt. Die Last 3 ist mit den Ausgangsanschlüssen 42 der DC-DC-Wandlerschaltung 4 verbunden. Die Last 3 beinhaltet exemplarisch eine Lastelement Ro sowie eine Filterschaltung, die aus einer Drossel Lo und einem Kondensator Co gebildet ist. Die Drossel Lo und der Kondensator Co glätten den Gleichstrom, der von beziehungsweise an den Ausgangsanschlüssen 42 der Last 3 bereitgestellt wird.
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Die DC-DC-Wandlervorrichtung kann definiert sein, um nur die DC-DC-Wandlerschaltung 4 oder die DC-DC-Wandlerschaltung 4 mit der Filterschaltung aus der Drossel Lo und dem Kondensator Co zu sein. Die DC-DC-Wandlerschaltung 4 beinhaltet eine Spannungsteilerschaltung zum Teilen der Energiequellenspannung Vin und eine sogenannte Chopper-Schaltung, um den Ausgangsanschlüssen sequenziell geteilte Spannungen bereitzustellen. Die DC-DC-Wandlerschaltung 4, die Drossel Lo und der Kondensator Co bilden eine Spannungsabwärtswandlervorrichtung aus. Die DC-DC-Wandlerschaltung 4 beinhaltet eine mehrstufige Spannungsteilerschaltung mit einer ersten Stufe bis zu einer n-ten Stufe.
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Die DC-DC-Wandlerschaltung 4 ist somit durch eine Spannungsteilerstufe und eine Schaltstufe ausgebildet. Die Spannungsteilerstufe beinhaltet eine Spannungsteilerschaltung, die die Energiequellenspannung Vin teilt, die den Eingangsanschlüssen 41 bereitgestellt wird. Die Spannungsteilerschaltung ist in Serie zwischen den Eingangsanschlüssen 41 verbunden und beinhaltet mehrere (erste bis n-te) Kondensatorelemente C1 bis Cn zum Teilen der Spannung Vin, die den Eingangsanschlüssen 41 bereitgestellt wird. Die kapazitiven Elemente C1 bis Cn sind Kondensatoren. Die Spannungsteilerschaltung beinhaltet eine kapazitive Teilerschaltung 43 und eine resistive Teilerschaltung 44. Die kapazitive Teilerschaltung 43 beinhaltet die kapazitiven Elemente C1 bis Cn, die in Serie zwischen den Eingangsanschlüssen 41 verbunden sind. Die resistive Teilerschaltung 44 ist zwischen den Eingangsanschlüssen 41 verbunden und beinhaltet mehrere (erste bis n-te) resistive Elemente R1 bis Rn, die entsprechend zugeordnet mit den kapazitiven Elementen C1 bis Cn verbunden sind. Die resistiven Elemente R1 bis Rn sind Widerstände.
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Die resistive Teilerschaltung 44 operiert, um geteilte Spannungen VC1 bis VCn der kapazitiven Elemente C1 bis Cn in der DC-DC-Wandlerschaltung 4 ins Gleichgewicht zu bringen. Die resistiven Elemente R1 bis Rn gleichen Ladespannungen der kapazitiven Elemente C1 bis Cn gegenseitig aus, die sich andererseits aufgrund von Unterschieden zwischen Kapazitäten und Leckströmen der kapazitiven Elemente C1 bis Cn voneinander unterscheiden würden. Der Widerstand R ist als R = Vin·(Vr – Vn/n)/C) definiert, wobei die Kapazität der kapazitiven Elemente C1 bis Cn als C angenommen wird, der Widerstand der resistiven Elemente R1 bis Rn als R angenommen wird und eine maximale Stoßspannung der kapazitiven Elemente C1 bis Cn als Vr angenommen wird.
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Die Schaltstufe beinhaltet mehrere Stromversorgungsschaltungen 45, die zwischen der Spannungsteilerschaltung 44 und den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden sind. Die Stromversorgungsschaltungen 45 werden als ein Stromversorgungsschaltungsnetzwerk 45 bezeichnet. Die Stromversorgungsschaltungen 45 verbinden die kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42. Beispielsweise sind die Stromversorgungsschaltungen 45 durch eine erste Stromversorgungsschaltung 45-1, die das kapazitive Element C1 mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbindet, eine zweite Stromversorgungsschaltung 45-2, die das kapazitive Element C2 mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbindet, und eine n-te Stromversorgungsschaltung 45-n gebildet, die das kapazitive Element Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbindet. Somit wird dieselbe Anzahl von Stromversorgungsschaltungen 45 wie die Anzahl der kapazitiven Elementen C1 bis Cn bereitgestellt, um einander zu entsprechen. Die Stromversorgungsschaltungen 45 verbinden die kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42, so dass jedes der kapazitiven Elemente C1 bis Cn den Ausgangsanschlüssen 42 Energie bzw. Strom der gleichen Polarität bereitstellt. Das heißt, die Stromversorgungsschaltung 45-1 verbindet den positiven Pol des kapazitiven Elements C1 mit einem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 und den negativen Pol des kapazitiven Elements C1 mit einem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42. Die Stromversorgungsschaltung 45-2 verbindet den positiven Pol des kapazitiven Elements C2 mit dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 und den negativen Pol des kapazitiven Elements C2 mit dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42. Die Stromversorgungsschaltung 45-n verbindet den positiven Pol des kapazitiven Elements Cn mit dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 und den negativen Pol des kapazitiven Elements C1 mit dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42.
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Die Schaltstufe beinhaltet mehrere Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 und D1 bis Dn. Unter den Schaltelementen Q1 bis Qn + 1 ist jedes der zweiten bis n-ten Schaltelemente aus einem Paar von Schaltelementen gebildet, die auf der positiven Seite und der negativen Seite sind und beispielsweise als Q2f, Q2r und Qnf, Qnr angegeben werden. Die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 und D1 bis Dn sind in den Stromversorgungsschaltungen 45 verbunden. Die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 und D1 bis Dn operieren, um selektiv eine der Stromversorgungsschaltungen 45 leitend zu machen.
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Die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 sind mehrere Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1. Die Schaltelemente D1 bis Dn sind mehrere Serienschaltelemente D1 bis Dn.
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Die Serienschaltelemente D1 bis Dn sind in Serie zwischen den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. Die Schaltelemente D1 bis Dn werden jeweils entsprechend zugeordnet den kapazitiven Elementen C1 bis Cn bereitgestellt. Jedes der Serienschaltelemente D1 bis Dn ist eine Diode, die ein passives Schaltelement ist. Die Dioden D1 bis Dn sind in Serie zwischen den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden und bezüglich der Energiequelle 2 in Sperrrichtung vorgespannt. Jedes der Serienschaltelemente D1 bis Dn erlaubt die Stromversorgung von dem positiven Pol des ausgewählten kapazitiven Elements zu dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 und die Stromversorgung von dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu dem negativen Pol des ausgewählten kapazitiven Elements. Jedes der Serienschaltelemente D1 bis Dn vermeidet einen Kurzschluss zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol des ausgewählten kapazitiven Elements.
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Die Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 sind in Strompfaden vorgesehen, die die kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Serienschaltelementen D1 bis Dn verbinden. Die Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 ordnen die kapazitiven Elemente C1 bis Cn den Serienschaltelementen D1 bis Dn in einer Eins-zu-eins-Beziehung zu. Die Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 sind in lateralen Verbindungsteilen einer Leiterschaltung (ladder circuit) vorgesehen, die die kapazitiven Elemente C1 bis Cn und die Serienschaltelemente D1 bis Dn beinhaltet. Jedes der Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 ist durch einen MOSFET ausgebildet, der ein aktives Schaltelement ist. Die Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 wählen eines der kapazitiven Elemente C1 bis Cn aus. Die Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 beinhalteten positivseitige Schaltelemente Q1 bis Qnf und negativseitige Schaltelemente Qnr bis Qn + 1. Die positivseitigen Schaltelemente Q1 bis Qnf schalten die Stromversorgung von den positiven Polen der kapazitiven Elemente C1 bis Cn zu den positiven Polen 42a der Ausgangsanschlüsse 42 ein und aus. Die negativseitigen Schaltelemente Qnr bis Qn + 1 schalten die Stromversorgung von den negativen Polen 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu den negativen Polen der kapazitiven Elemente C1 bis Cn ein und aus.
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Das Parallelschaltelement Q1 ist in dem Strompfad vorgesehen, der den positiven Pol des kapazitiven Elements C1 und die Kathode des Serienschaltelements D1 verbindet. Das Parallelschaltelement Q1 ist ein positivseitiges Schaltelement Q1, das die Stromversorgung von dem positiven Pol des kapazitiven Elements C1 zu dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 ein- und ausschaltet. Die Parallelschaltelemente Q2f und Q2r sind in dem Pfad vorgesehen, der den negativen Pol des kapazitiven Elements C1 und die Anode des Serienschaltelements D1 verbindet. Das Parallelschaltelement Q2 ist ein negativseitiges Schaltelement Q2r, das die Stromversorgung von dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu dem negativen Pol des kapazitiven Elements C1 ein- und ausschaltet. Das Parallelschaltelement Q2f und das Parallelschaltelement Q2r bilden ein Schaltelement Q2 zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung in beiden Richtungen.
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Die Parallelschaltelemente Q2f und Q2r sind in dem Pfad vorgesehen, der den positiven Pol des kapazitiven Elements C2 und die Kathode des Serienschaltelements D2 verbindet. Das Parallelschaltelement Q2f ist ein positivseitiges Schaltelement Q2f, das die Stromversorgung von dem positiven Pol des kapazitiven Elements C2 zu dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 ein- und ausschaltet. Die Parallelschaltelemente Q3f und Q3r sind in dem Pfad vorgesehen, der den negativen Pol des kapazitiven Elements C2 und die Anode des Serienschaltelements D2 verbindet. Das Parallelschaltelement Q3r ist ein negativseitiges Schaltelement Q3r, das die Stromversorgung von dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu dem negativen Pol des kapazitiven Elements C3 ein- und ausschaltet. Das Parallelschaltelement Q3f und das Parallelschaltelement Q3r bilden ein Schaltelement Q3 zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung in beiden Richtungen.
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Die Parallelschaltelemente Qnf und Qnr sind in dem Strompfad vorgesehen, der den positiven Pol des kapazitiven Elements Cn und die Kathode des Serienschaltelements Dn verbindet. Das Parallelschaltelement Qnf ist in ein positivseitiges Schaltelement Qnf, das die Stromversorgung von dem positiven Pol des kapazitiven Elements Cn zu dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 ein- und ausschaltet. Das Parallelschaltelement Qnf und das Parallelschaltelement Qnr bilden das Schaltelement Qn zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung in beiden Richtungen. Das Parallelschaltelement Qn + 1 ist in dem Pfad vorgesehen, der den negativen Pol des kapazitiven Elements Cn und die Anode des Serienschaltelements Dn verbindet. Das Parallelschaltelement Qn + 1 ist ein negativseitiges Schaltelement Qn + 1, das die Stromversorgung von dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu dem negativen Pol des kapazitiven Elements Cn ein- und ausschaltet.
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Das positivseitige Schaltelement Q1, das zwischen dem positiven Pol 41a der Eingangsanschlüsse 41 und dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 vorgesehen ist, schaltet die Stromversorgung von dem positiven Pol 41a zu dem negativen Pol 42b ein und aus. Das negativseitige Schaltelement Qn, das zwischen dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 und dem negativen Pol 41b der Eingangsanschlüsse 41 vorgesehen ist, schaltet die Stromversorgung von dem negativen Pol 42a zu dem positiven Pol 41a ein und aus. Ein Zwischenpotenzialpunkt oder ein Verbindungspunkt zwischen den in Serie verbundenen zwei kapazitiven Elementen wird als ein Zwischenpunkt bezeichnet. Der Zwischenpotenzialpunkt oder der Verbindungspunkt zwischen den zwei Serienschaltelementen, die den zwei kapazitiven Elementen entsprechen, wird als der Zwischenpunkt bezeichnet. Das positivseitige Schaltelement und das negativseitige Schaltelement, die in dem Strompfad zwischen diesen zwei entsprechenden Zwischenpunkten vorgesehen sind, bilden ein Schaltelement zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung zwischen den Zwischenpunkten. Beispielsweise sind das positivseitige Schaltelement Q2f und das negativseitige Schaltelement Q2r zwischen dem Zwischenpunkt zwischen den kapazitiven Elementen C1 und C2 und dem Zwischenpunkt zwischen den Serienschaltelementen D1 und D2 vorgesehen.
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Die Stromversorgungsschaltungen 45 beinhalten einen Serienschaltungsabschnitt 46 und einen Parallelschaltungsabschnitt 47. Der Serienschaltungsabschnitt 46 beinhaltet die Serienschaltelemente D1 bis Dn. Der Parallelschaltungsabschnitt 47 beinhaltet die kapazitiven Elemente C1 bis Cn und die Serienschaltelemente D1 bis Dn, die entsprechend zugeordnet parallel mit den kapazitiven Elementen C1 bis Cn verbunden sind. Der Parallelschaltungsabschnitt 47 beinhaltet mehrere laterale Verbindungsabschnitte. Die Parallelschaltelemente Q1 bis Qn + 1 sind in den lateralen Verbindungsabschnitten entsprechend zugeordnet vorgesehen.
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Die Schaltstufe beinhaltet Steuerschaltungen 5 und 6, die die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1, D1 bis Dn steuern, um die kapazitiven Elemente C1 bis Cn zum Verbinden mit den Ausgangsanschlüssen 42 sequenziell umzuschalten. Die Steuerschaltungen 5 und 6 verbinden die kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42 in einer vorbestimmten Reihenfolge oder Sequenz. Konkret wählen die Steuerschaltungen 5 und 6 nur ein kapazitives Element von den kapazitiven Elementen C1 bis Cn in der vorbestimmten Reihenfolge oder Sequenz aus und verbinden nur das ausgewählte kapazitive Element mit den Ausgangsanschlüssen 42. Die Steuerschaltung 5 ist eine PWM-Steuerschaltung (pulse width modulation, PWM, Pulsbreitenmodulation), die Tastverhältnisse der Ansteuersignale für die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 so reguliert, dass die Ausgangsspannung Vo zu einer zum Ziel gesetzten Spannung wird. Die Steuerschaltung 6 ist eine Ansteuerschaltung (DRV, driver circuit), die die Ansteuersignale, d. h. Gate-Source-Spannungen, für die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 gemäß Anweisungen von der PWM-Steuerschaltung 5 anlegt.
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Die Steuerschaltungen 5 und 6 steuern die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1, wie in 2A bis 2F dargestellt ist. 2A zeigt ein Ansteuersignal für das Schaltelement Q1. 2B zeigt Ansteuersignale für die Schaltelemente Q2f und Q2r. 2C zeigt Ansteuersignale für die Schaltelemente Q3f und Q3r. 2D zeigt Ansteuersignale für die Schaltelemente Qnf und Qnr. 2E zeigt ein Ansteuersignal für das Schaltelement Qn + 1. 2F zeigt einen Strom IL der Drossel Lo. In diesen Figuren gibt die Abszissenachse die Zeit t an.
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Die Ansteuersignale für die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 sind durch eine Zyklusperiode Tp, eine Ein-Periode Tein und eine Aus-Periode Taus spezifiziert. In dem dargestellten Beispiel ist das Schaltelement Q1 zwischen Zeit t1 und Zeit t2 im Ein-Zustand. Die Schaltelemente Q2f und Q2r sind zwischen Zeit t1 und Zeit t2 und zwischen Zeit t3 und Zeit t4 im Ein-Zustand. Die Schaltelemente Q3f und Q3r sind zwischen Zeit t3 und Zeit t4 und zwischen Zeit t5 und Zeit t6 im Ein-Zustand. Die Schaltelemente Qnf und Qnr sind zwischen Zeit t7 und Zeit t8 und zwischen Zeit t9 und Zeit t10 im Ein-Zustand. Das Schaltelement Qn + 1 ist zwischen Zeit t9 und Zeit t10 im Ein-Zustand.
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Zwischen Zeit t1 und Zeit t2 werden das Schaltelement Q1 und das Schaltelement Q2 (Q2f, Q2r), die in der ersten Stromversorgungsschaltung 45-1 vorgesehen sind, eingeschaltet, und somit ist das kapazitive Element C1 mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. Somit wird die Spannung des kapazitiven Elements C1 den Ausgangsanschlüssen 42 bereitgestellt. Als ein Ergebnis steigt der Strom IL, der in der Drossel Lo fließt, graduell an. Zwischen Zeit t2 und Zeit t3 sind alle Schaltelemente ausgeschaltet, und somit ist keines der kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. In dieser Periode operieren die Schaltelemente D1 bis Dn als Freilaufdioden und stellen eine Freilaufschaltung bereit. Somit nimmt der Strom IL durch die Energie, die in der Drossel Lo gespeichert ist, graduell ab. Die Periode zwischen Zeit t1 und Zeit t3 wird als erste Stufe ST1 bezeichnet. In dieser ersten Stufe ST1 wird die Energie, die in dem kapazitiven Element C1 gespeichert ist, der Last 3 als der Gleichstrom bereitgestellt.
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Zwischen Zeit t3 und Zeit t4 werden das Schaltelement Q2 (Q2f, Q2r) und das Schaltelement Q3 (Q3f, Q3r), die in der zweiten Stromversorgungsschaltung 45-2 vorgesehen sind, eingeschaltet, und somit ist das kapazitive Element C2 mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. Somit wird die Spannung des kapazitiven Elements C2 den Ausgangsanschlüssen 42 bereitgestellt. Demzufolge nimmt der Strom IL, der in der Drossel Lo fließt, graduell zu. Zwischen Zeit t4 und Zeit t5 sind alle Schaltelemente ausgeschaltet, und somit ist keines der kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. In dieser Periode operieren die Schaltelemente C1 bis Cn als Freilaufdioden und stellen eine Freilaufschaltung bereit. Somit nimmt der Strom IL durch die Energie, die in der Drossel Lo gespeichert ist, graduell ab. Die Periode zwischen Zeit t3 und Zeit t5 wird als zweite Stufe ST2 bezeichnet. In dieser zweiten Stufe ST2 wird die Energie, die in dem kapazitiven Element C2 gespeichert ist, der Last 3 als der Gleichstrom bereitgestellt.
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Dann werden die ähnlichen beziehungsweise gleichen Operationen bezüglich jedes der kapazitiven Elemente C3, C4 bis Cn nacheinander wiederholt. In der letzten Stufe einer Zyklusperiode, das heißt, zwischen Zeit t9 und Zeit t10, werden das Schaltelement Qn (Qnf, Qnr) und das Schaltelement Qn + 1, die in der n-ten Stromversorgungsschaltung 45-n vorgesehen sind, eingeschaltet, und somit ist das kapazitive Element Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. Somit wird die Spannung der kapazitiven Elemente Cn den Ausgangsanschlüssen 42 bereitgestellt. Als ein Ergebnis steigt der Strom IL, der in der Drossel Lo fließt, graduell an. Zwischen Zeit t10 und Zeit t11 werden alle Schaltelemente ausgeschaltet, und somit ist keines der kapazitiven Elemente C1 bis Cn mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden. In dieser Periode operieren die Serienschaltelemente D1 bis Dn als Freilaufdioden und stellen eine Freilaufschaltung bereit. Somit nimmt der Strom IL durch die Energie, die in der Drossel Lo gespeichert ist, graduell ab. Die Periode zwischen Zeit t9 und Zeit t11 wird als n-te Stufe STn bezeichnet. In dieser n-ten Stufe STn wird die Energie, die in dem kapazitiven Element Cn gespeichert ist, der Last 3 als der Gleichstrom bereitgestellt.
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Gemäß der ersten Ausführungsform wird die Energiequellenspannung Vin durch die kapazitive Teilerschaltung 43 in 1/n geteilt. Die geteilten Spannungen werden den Ausgangsanschlüssen 42 sequenziell bereitgestellt, das heißt, eine nach der anderen, in derselben Polarität. Da die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 tastverhältnisgesteuert sind, werden die geteilten Spannungen weiter herabgesetzt. Demzufolge wird die Ausgangsspannung Vo mit einer niedrigen Amplitude durch Herabsetzen der Energiequellenspannung Vin einer hohen Amplitude bereitgestellt. Da die kapazitive Teilerschaltung 43 vorgesehen ist, können die Schaltungen durch Elemente konfiguriert sein, die hohen Spannungen nicht standhalten.
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(Zweite Ausführungsform)
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In der zweiten Ausführungsform werden die Schaltelemente Q1 bis Qn + 1 gemäß einer Sequenz, die in 3A bis 3E dargestellt ist, angesteuert. 3A zeigt ein Ansteuersignal für das Schaltelement Q1. 3B zeigt Ansteuersignale für die Schaltelemente Q2f und Q2r. 3C zeigt Ansteuersignale für die Schaltelemente Q3f und Q3r. 3D zeigt Ansteuersignale für die Schaltelemente Qnf und Qnr. 3E zeigt ein Ansteuersignal für das Schaltelement Qn + 1. 3F zeigt einen Strom IL der Drossel Lo.
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In der ersten Ausführungsform sind die Schaltelemente beispielsweise Qnf und Qnr, die den Zwischenpunkt der kapazitiven Teilerschaltung 43 und den Zwischenpunkt der Serienschaltung 46 verbinden, nur in der Stromversorgungsperiode für die Drossel Lo in dem Ein-Zustand. Gemäß der zweiten Ausführungsform geben jedoch die Steuerschaltungen 5 und 6 die Ansteuersignale so aus, dass die Schaltelemente, beispielsweise Qnf und Qnr, die den Zwischenpunkt der kapazitiven Teilerschaltung 43 und den Zwischenpunkt der Serienschaltung 46 verbinden, den Ein-Zustand für eine Periode aufrechterhalten, die zweimal so lang ist wie die Periode der Stromversorgung der Drossel Lo.
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In der zweiten Ausführungsform wird das Schaltelement Q2 (Q2f, Q2r) zwischen Zeit t1 und Zeit t4 eingeschaltet. Das Schaltelement Q3 (Q3f, Q3r) wird zwischen Zeit t3 und Zeit t6 eingeschaltet. Das Schaltelement Qn (Qnf, Qnr) wird zwischen Zeit t7 und Zeit t10 eingeschaltet. Der Strom IL steigt und fällt somit ähnlich zur ersten Ausführungsform, und es ergeben sich ähnliche Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus wird die Anzahl, wie oft die Schaltelemente umgeschaltet werden, herabgesetzt.
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(Dritte Ausführungsform)
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In der ersten und der zweiten Ausführungsform weist die DC-DC-Wandlerschaltung 4 mehrere (n) Stufen auf. Alternativ ist in der dritten Ausführungsform eine DC-DC-Wandlerschaltung 304 vereinfacht, so dass sie, wie in 4 dargestellt, nur zwei Stufen aufweist.
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Konkret beinhaltet eine Spannungsteilerschaltung nur die kapazitive Teilerschaltung 43. Die kapazitive Teilerschaltung 43 beinhaltet das erste kapazitive Element C1 und das zweite kapazitive Element C2. Der Serienschaltungsabschnitt 46 beinhaltet das erste Serienschaltelement D1 und das zweite Serienschaltelement D2. Der Parallelschaltungsabschnitt 47 beinhaltet die Parallelschaltelemente Q1, Q2 (Q2f, Q2r) und Q3. Das erste Parallelschaltelement Q1 schaltet die Stromversorgung von dem positiven Pol des ersten kapazitiven Elements C1 zu dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 ein und aus. Gemäß dieser Konfiguration ist ein Zwischenpunkt zwischen dem ersten kapazitiven Element C1 und dem zweiten kapazitiven Element C2, und der andere Zwischenpunkt ist zwischen dem ersten Serienschaltelement D1 und dem zweiten Serienschaltelement D2. Das zweite Parallelschaltelement Q2 (Q2f und Q2r) schaltet die Stromversorgung zwischen dem Zwischenpunkt der kapazitiven Teilerschaltung 43 und dem Zwischenpunkt des Serienschaltungsabschnitts 46 ein und aus. Das dritte Parallelschaltelement Q3 schaltet die Stromversorgung von dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu dem negativen Pol des zweiten kapazitiven Elements C2 ein und aus. Gemäß dieser Konfiguration werden die erste Stromversorgungsschaltung 45-1, die das erste kapazitive Element C1 und die Ausgangsanschlüsse 42 verbindet, und die zweite Stromversorgungsschaltung 45-2, die das zweite kapazitive Element C2 und die Ausgangsanschlüsse 42 verbindet, bereitgestellt. Die dritte Ausführungsform sieht ebenso ähnliche Operationen und Vorteile wie die erste und die zweite Ausführungsform vor.
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(Vierte Ausführungsform)
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In der ersten bis zur dritten Ausführungsform sind die Schaltelemente zwischen dem Zwischenpunkt der kapazitiven Teilerschaltung 43 und dem Zwischenpunkt des Serienschaltungsabschnitts 46 vorgesehen. Alternativ ist in der vierten Ausführungsform eine Wandlerschaltung 404 derart konfiguriert, dass die Zwischenpunkte direkt verbunden sind, wie in 5 dargestellt ist.
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In der vierten Ausführungsform beinhaltet der Parallelschaltungsabschnitt 47 die Parallelschaltelemente Q1 und Q3. Das erste Parallelschaltelement Q1 schaltet die Stromversorgung von dem positiven Pol des ersten kapazitiven Elements C1 zu dem positiven Pol 42a der Ausgangsanschlüsse 42 ein und aus. Das zweite Parallelschaltelement Q3 schaltet die Stromversorgung von dem negativen Pol 42b der Ausgangsanschlüsse 42 zu dem negativen Pol des zweiten kapazitiven Elements C2 ein und aus. Kein Schaltelement ist in einem Strompfad vorgesehen, der einen Zwischenpunkt zwischen dem ersten kapazitiven Element C1 und dem zweiten kapazitiven Element C2 und den anderen Zwischenpunkt zwischen dem ersten Serienschaltelement D1 und dem zweiten Serienschaltelement D2 verbindet. Gemäß dieser Konfiguration sind die erste Stromversorgungsschaltung 45-1, die das erste kapazitive Element C1 und die Ausgangsanschlüsse 42 verbindet, und die zweite Stromversorgungsschaltung 45-2 vorgesehen, die das zweite kapazitive Element C2 und die Ausgangsanschlüsse 42 verbindet.
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Wird das Parallelschaltelement Q1 eingeschaltet, wird die Stromversorgungsschaltung 45-1 geschlossen. In diesem Zustand stellt das erste kapazitive Element C1 den Strom den Ausgangsanschlüssen 42 bereit. Demzufolge fließt der Strom IL in einem Pfad, der durch einen Pfeil in 6 angegeben ist.
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Wenn die Parallelschaltelemente Q1 und Q3 ausgeschaltet werden, sind die Stromversorgungsschaltungen 45-1 und 45-2 geöffnet. In diesem Zustand stellt der Serienschaltungsabschnitt 46 eine Schaltung zum Bereitstellen des Stroms IL basierend auf der Energie, die in der Drossel Lo gespeichert ist, bereit. Die Serienschaltelemente D1 und D2 operieren als die Freilaufelemente, wie in 7 dargestellt ist.
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Wenn das Parallelschaltelement Q3 eingeschaltet wird, ist die Stromversorgungsschaltung 45-2 geschlossen. In diesem Zustand stellt das zweite kapazitive Element C2 den Ausgangsanschlüssen 42 Energie beziehungsweise Strom bereit. Demzufolge fließt der Strom IL in einem Strompfad, der durch einen Pfeil in 8 angegeben ist.
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Die vierte Ausführungsform operiert wie in 9A bis 9E dargestellt. 9A zeigt die Energiequellenspannung Vin. 9B zeigt das Ansteuersignal für das Parallelschaltelement Q1. 9C zeigt das Ansteuersignal für das Parallelschaltelement Q3. 9D zeigt die Anschlussspannung VL der Drossel Lo. 9E zeigt den Strom IL der Drossel Lo.
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In der vierten Ausführungsform ist das Parallelschaltelement Q1 zwischen Zeit t1 und Zeit t2 im Ein-Zustand. Das Parallelschaltelement Q1 ist zwischen Zeit t2 und Zeit t5 im Aus-Zustand. Das Parallelschaltelement Q3 ist zwischen Zeit t3 und Zeit t4 im Ein-Zustand. Das Parallelschaltelement Q3 ist zwischen Zeit t1 und Zeit t3 im Aus-Zustand. Da die Parallelschaltelemente Q1 und Q3 somit ein- und ausschalten, ändern sich die Spannung VL, die an der Drossel Lo anliegt, und der Strom IL, der in der Drossel Lo fließt, wie in 9D bzw. 9E dargestellt ist.
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In der vierten Ausführungsform werden ebenso ähnliche Operationen und Vorteile wie in der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Zusätzlich wird die Anzahl paralleler Schaltelemente verringert.
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An dieser Stelle wird die vierte Ausführungsform mit einer DC-DC-Wandlervorrichtung gemäß einem in 12 und 13 dargestellten Vergleichsbeispiel verglichen. In 13 hat die Abszissenachse denselben Maßstab wie in 9.
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Dieses Vergleichsbeispiel ist ebenso eine Abwärts-DC-DC-Wandlerschaltung mit einer einzelnen Stufe, die keine Spannungsteilerschaltung hat. Diese DC-DC-Wandlerschaltung wandelt die Energiequellenspannung Vin auf die Ausgangsspannung Vo herab und stellt den Strom Io dem Lastelement Ro bereit. Das Tastverhältnis D(C) zum Herabsetzen der Energiequellenspannung Vin auf die Ausgangsspannung Vo ist als D(C) = Vo/Vin definiert. Der Schaltverlust Ploss(C) in einem Schaltelement Q ist als Ploss(C) = {Vin·Io·(tr + tf)·fs}/2 definiert. Hierbei ist (tr + tf) eine Schaltperiode in jeder Sekunde, tr ist eine Anstiegszeit des Stroms, der in dem Schaltelement fließt, tf ist eine Abfallszeit des Stroms, der in dem Schaltelement fließt, fs ist eine Schaltfrequenz (Hz) und fs ist als fs = 1/Tp definiert.
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In der in 5 dargestellten vierten Ausführungsform wird die Energiequellenspannung Vin durch die kapazitive Teilerschaltung 43 geteilt. Die Spannung der zwei kapazitiven Elemente C1 und C2, die in Serie verbunden sind, ist als VC1 = Vin/2 definiert, und VC2 ist als VC2 = Vin/2 definiert. Das Tastverhältnis D(P) zum Herabsetzen der Stromversorgungsspannung auf die Ausgangsspannung Vo ist als D(P) = Vo/VC1 = Vo/VC2 = Vo/(Vin/2) definiert. Verglichen mit dem Vergleichsbeispiel gilt die folgende Beziehung, das heißt, D(P) = 2·D(C). Somit werden die Tastverhältnisse der Schaltelemente Q1 und Q3 zweimal so groß wie das des Vergleichsbeispiels. Demzufolge ist es möglich, zu vermeiden, dass die Ein-Perioden der Schaltelemente Q1 und Q2 übermäßig kurz werden.
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Gemäß der vierten Ausführungsform, da die Parallelschaltelemente Q1 und Q3 alternierend eingeschaltet werden, ist die Ansteuerfrequenz eines Schaltelements Q1 fs/2. Der Schaltverlust Ploss(P) eines Schaltelements Q1 ist als Ploss(P) = (Vin/2)·Io·(tr + tf)·(fs/2)/2 definiert. Die zwei Parallelschaltelemente Q1 und Q3 führen Schaltoperationen durch. Der Gesamtschaltverlust Ploss(P2) der zwei Parallelschaltelemente Q1 und Q3 ist als Ploss(P2) = (Vin/2)·Io·(Tr + tf)·(fs/2) definiert. Verglichen mit dem Vergleichsbeispiel ist der Verlust der vierten Ausführungsform gemäß Ploss(P2) = Ploss(C)/2 halbiert. Somit weist die DC-DC-Wandlervorrichtung eine hohe Effizienz durch Unterdrücken des Schaltverlusts auf.
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(Fünfte Ausführungsform)
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In der ersten bis zur vierten Ausführungsform ist die DC-DC-Wandlerschaltung 4 als eine Wandlervorrichtung eines nichtisolierenden Typs ausgebildet. Alternativ ist es möglich, die Ausgabe der DC-DC-Wandlerschaltung 4 unterschiedlichen Lasten bereitzustellen. Beispielsweise kann die DC-DC-Wandlerschaltung 4 als eine DC-DC-Wandlerschaltung eines isolierenden Typs konfiguriert sein, wie in 10 dargestellt ist.
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In der fünften Ausführungsform beinhaltet eine Last 503 Schaltelemente, die eine DC-DC-Wandlervorrichtung eines isolierenden Typs ausbilden. Die Last 503 beinhaltet einen Trenntrafo TR, der mit den Ausgangsanschlüssen 42 verbunden ist, und die Gleichrichter Dr zum Gleichrichten einer Ausgabe des Trenntrafos TR. Die Ausgangsanschlüsse 42 sind mit einer Primärspule des Trenntrafos TR verbunden. Der Gleichrichter Dr ist eine Diode. In der Last 503 ist eine Freilaufdiode parallel mit einer sekundären Spule des Trenntrafos TR verbunden. Die Diode Df ist in Sperrrichtung vorgespannt. Die Last 503 beinhaltet die Drossel Lo, den Kondensator Co und das Lastelement Ro. Die DC-DC-Wandlervorrichtung eines isolierenden Typs ist durch die DC-DC-Wandlerschaltung 4, den Trenntrafo TR, die Freilaufdiode Df, die Gleichrichtdiode Dr, die Drossel Lo und den Kondensator Co ausgebildet.
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(Sechste Ausführungsform)
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In der ersten bis zur fünften Ausführungsform ist die Filterschaltung, die die Drossel Lo und den Kondensator Co beinhaltet, an der hinteren Stufe der DC-DC-Wandlerschaltung 4 vorgesehen. Jedoch kann die Ausgabe der DC-DC-Wandlerschaltung 4 direkt der Gleichspannungslast bereitgestellt werden, wie in 11 dargestellt ist.
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Eine Last 603 ist ein LED-Array, das mehrere lichtemittierende Dioden beinhaltet. Dieses LED-Array kann in unterschiedlichen Beleuchtungsvorrichtungen verwendet werden, die an einem Fahrzeug angebracht sind. Beispielsweise kann es in einem Frontlicht, einem Hecklicht, einem Blinkerlicht, einem Fahrgastzelleninnenraumlicht, einem Messanzeigelicht, einem Hintergrundlicht für eine Flüssigkristallanzeige und dergleichen verwendet werden.
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(Weitere Ausführungsformen)
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind nur exemplarisch und können als weitere Ausführungsformen modifiziert werden.
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Beispielsweise kann anstelle des Ausbildens eines kapazitiven Elements durch einen Kondensator ein kapazitives Element durch mehrere Kondensatoren ausgebildet werden.
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In der dritten und der vierten Ausführungsform kann die resistive Teilerschaltung 44 der kapazitiven Teilerschaltung 43 wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform hinzugefügt werden.
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Die Steuerschaltungen 5 und 6 können durch einen programmierten Computer, eine fest verdrahtete Schaltung oder eine Kombination aus beiden implementiert werden.
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Die Erfindung lässt sich folgendermaßen zusammenfassen. Eine DC-DC-Wandlerschaltung setzt eine Energiequellenspannung herab und stellt einen herabgesetzten Gleichstrom bereit. Die DC-DC-Wandlerschaltung beinhaltet eine Spannungsteilerschaltung, die aus mehreren kapazitiven Elementen ausgebildet ist, zum Teilen einer Eingangsspannung. Die DC-DC-Wandlerschaltung beinhaltet mehrere Stromversorgungsschaltungen zwischen der Spannungsteilerschaltung und Ausgangsanschlüssen. Die Stromversorgungsschaltungen verbinden jedes der kapazitiven Elemente mit den Ausgangsanschlüssen, so dass jedes der kapazitiven Elemente den Ausgangsanschlüssen Strom einer gleichen Polarität bereitstellt. Die Stromversorgungsschaltungen beinhalten mehrere Schaltelemente, die selektiv die Stromversorgungsschaltungen leitend machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 07-241071 A [0002]
- JP 2010-148227 A [0002]
- JP 06-269171 A [0002]
