DE102019119323A1 - Leistungswandler und Elektromotorsystem - Google Patents

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current sensor
diode
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Ken TOSHIYUKI
Koichi Sakata
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Toyota Motor Corp
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Abstract

Ein Leistungswandler kann umfassen: ein erstes und ein zweites Schaltelement, die parallel zueinander geschaltet sind, eine erste und eine zweite Diode, die mit positiven Anschlüssen der Schaltelemente verbunden sind, einen ersten und einen zweiten Stromsensor, eine Drosselspule und eine Steuereinheit, die das erste und das zweite Schaltelement abwechselnd einschaltet. Ein Ende der Drosselspule kann mit einem ersten und einem zweiten Zwischenpunkt verbunden sein. Der erste und der zweite Stromsensor können Ströme detektieren, die zwischen der Drosselspule und dem ersten Zwischenpunkt beziehungsweise zwischen der Drosselspule und dem zweiten Zwischenpunkt fließen. Der erste und der zweite Stromsensor können einen ersten beziehungsweise einen zweiten Magnetismussammelringkern umfassen, in den ein erster Leiter zwischen der Drosselspule und dem ersten Zwischenpunkt beziehungsweise ein zweiter Leiter zwischen der Drosselspule und dem zweiten Zwischenpunkt eingefügt ist.

Description

  • QUERVERWEIS
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 19. Juli 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-135596 , deren gesamter Inhalt hierin mittels Bezugnahme eingebunden wird.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Leistungswandler und ein den Leistungswandler umfassendes Elektromotorsystem.
  • HINTERGRUND
  • Die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2001-186768 beschreibt einen Leistungswandler, der parallel geschaltete Schaltelemente umfasst. Dieser Leistungswandler umfasst zwei Schaltelemente, zwei Dioden, eine Hauptdrosselspule und zwei Unterdrosselspulen. Ein erstes Schaltelement und eine erste Diode sind in Reihe geschaltet, und ein zweites Schaltelement und eine zweite Diode sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Diese zwei Reihenschaltungen sind parallel geschaltet. Die Hauptdrosselspule ist mit jedem von Zwischenpunkten von diesen Reihenschaltungen verbunden. Eine erste Unterdrosselspule ist zwischen der Hauptdrosselspule und einem der Zwischenpunkte (einem Zwischenpunkt auf einer Seite des ersten Schaltelements) verbunden, und eine zweite Unterdrosselspule ist zwischen der Hauptdrosselspule und dem anderen der Zwischenpunkte (einem Zwischenpunkt auf einer Seite des zweiten Schaltelements) verbunden. Eine Steuereinheit des Leistungswandlers schaltet die Schaltelemente abwechselnd ein und aus. Wenn die Schaltelemente von aus auf ein umgeschaltet werden, wird ein Schaltverlust durch induzierte Spannungen der zwei Unterdrosselspulen unterdrückt bzw. niedergehalten. Ferner beschreibt die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2007-288876 auch eine Technik, die einen Schaltverlust durch Verwendung einer Vielzahl von Drosselspulen unterdrückt bzw. niederhält.
  • KURZFASSUNG
  • Im Allgemeinen umfasst ein Leistungswandler einen Stromsensor zum Messen eines Stroms, der in einer Hauptdrosselspule fließt. Der Stromsensor eines Typs umfasst einen Magnetismussammelringkern, der einen Leiter umgibt. Der Stromsensor verwendet den Magnetismussammelringkern, um einen Magnetfluss zu sammeln bzw. ein-/aufzufangen, der durch einen in dem Leiter fließenden Strom erzeugt wird. Der Stromsensor misst den Magnetfluss, der durch den Magnetismussammelringkern fließt, und erfasst den in dem Leiter fließenden Strom aus dem gemessenen Magnetfluss. Indessen ist eine Unterdrosselspule zum Zweck des Unterdrückens bzw. Niederhaltens eines Schaltverlusts bereitgestellt, weshalb diese nur eine kleine Induktivität bzw. Induktanz aufweisen muss. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass eine für die Unterdrosselspule erforderliche Charakteristik bzw. Eigenschaft (Betrag/Größe von Induktivität bzw. Induktanz) und eine Charakteristik bzw. Eigenschaft des Magnetismussammelringkerns des Stromsensors ähnlich sind, und der Magnetismussammelringkern und der darin eingefügte Leiter als die Unterdrosselspule dienen können. Basierend auf dieser Erkenntnis stellt die vorliegende Offenbarung eine Technik bereit, die einen Leistungswandler verwirklicht, der zum Reduzieren eines Schaltverlusts mit einer verringerten Anzahl von Komponenten imstande ist.
  • Ein hierin offenbarter Leistungswandler kann ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, eine erste Diode, eine zweite Diode, einen ersten Stromsensor, einen zweiten Stromsensor, eine Drosselspule und eine Steuereinheit aufweisen. Das erste und das zweite Schaltelement können parallel geschaltet sein. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum abwechselnden bzw. wechselweisen Einschalten des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements. Die erste Diode kann mit einem positiven Anschluss des ersten Schaltelements verbunden sein, und die zweite Diode kann mit einem positiven Anschluss des zweiten Schaltelements verbunden sein. Mit anderen Worten ist eine Reihenschaltung des ersten Schaltelements und der ersten Diode parallel geschaltet zu einer Reihenschaltung des zweiten Schaltelements und der zweiten Diode. Im Fall, dass die Schaltelemente n-Typ-Transistoren sind, entsprechen die positiven Anschlüsse der Schaltelemente Kollektoren oder Drains.
  • Ein Zwischenpunkt der Reihenschaltung des ersten Schaltelements und der ersten Diode wird als erster Zwischenpunkt bezeichnet, und ein Zwischenpunkt der Reihenschaltung des zweiten Schaltelements und der zweiten Diode wird als zweiter Zwischenpunkt bezeichnet. Ein Ende der Drosselspule kann mit dem ersten Zwischenpunkt und dem zweiten Zwischenpunkt verbunden sein. Der erste Stromsensor kann konfiguriert sein zum Detektieren eines Stroms, der zwischen der Drosselspule und dem ersten Zwischenpunkt fließt. Der zweite Stromsensor kann konfiguriert sein zum Detektieren eines Stroms, der zwischen der Drosselspule und dem zweiten Zwischenpunkt fließt. Der erste Stromsensor kann einen ersten Magnetismussammelringkern aufweisen, in den ein erster Leiter zwischen der Drosselspule und dem ersten Zwischenpunkt eingefügt bzw. eingebracht ist. Der zweite Stromsensor kann einen zweiten Magnetismussammelringkern aufweisen, in den ein zweiter Leiter zwischen der Drosselspule und dem zweiten Zwischenpunkt eingefügt bzw. eingebracht ist. Jeder des ersten Magnetismussammelringkerns und des zweiten Magnetismussammelringkerns fungiert bzw. wirkt als eine Unterdrosselspule. Ein Strom, der in der Drosselspule (der Hauptdrosselspule) fließt, kann erfasst werden, indem Messwerte des ersten Stromsensors und des zweiten Stromsensors addiert werden. Herkömmliche Leistungswandler haben drei elektrische Komponenten (zwei Unterdrosselspulen und einen Stromsensor) erfordert, jedoch kann der hierin offenbarte Leistungswandler die gleiche Funktion durch zwei elektrische Komponenten (zwei Stromsensoren) verwirklichen. Das heißt, dass der hierin offenbarte Leitungswandler einen Schaltverlust mit einer verringerten Anzahl von Komponenten im Vergleich zu den herkömmlichen Leitungswandlern reduzieren kann. Ein Mechanismus zum Unterdrücken bzw. Niederhalten des Schaltverlusts wird in Ausführungsbeispielen besch rieben.
  • Die hierin offenbarte Technik kann angepasst werden an einen Spannungswandler, der mit einer Drosselspule versehen ist, und kann angepasst werden an ein Elektromotorsystem mit einem Inverter bzw. Um-/Wechselrichter und einem Wechselstrommotor. Im Fall des Elektromotorsystems entspricht ein Windungsdraht eines Elektromotors der Hauptdrosselspule. Die Parallelschaltung der zwei Schaltelemente in dem vorgenannten Leistungswandler entspricht Unterer-Arm-Schaltelementen des Inverters bzw. Um-/Wechselrichters. Die zwei Dioden entsprechen Freilaufdioden, die antiparallel zu Oberer-Arm-Schaltelementen geschaltet sind. Ein Gesamtwert der Messwerte der zwei Stromsensoren entspricht einem Strom, der in dem Elektromotor (der Hauptdrosselspule) fließt. Ein solches Elektromotorsystem kann den Strom, der in dem Elektromotor fließt, durch Verwendung des Gesamtwerts der zwei Stromsensoren steuern.
  • Einzelheiten und weitere Verbesserungen der hierin offenbarten Technik werden in der ausführlichen Beschreibung nachstehend beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Schaltung eines Leistungswandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 2 zeigt eine Perspektivansicht eines Leistungsmoduls und einer Drosselspule.
    • 3 zeigt eine Perspektivansicht eines Stromsensors.
    • 4 zeigt ein Zeitdiagramm für Strom, der in der Drosselspule fließt, und Gatespannungen von Schaltelementen.
    • 5 zeigt, wie Strom zu jedem von Zeitpunkten in dem Zeitdiagramm von 4 fließt.
    • 6 zeigt eine Schaltung eines Leistungswandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 7 zeigt ein Zeitdiagramm für Strom, der in einer Drosselspule fließt, und Gatespannungen von Schaltelementen (zweites Ausführungsbeispiel).
    • 8 zeigt ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels (Elektromotorsystem) .
    • 9 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltschaltung.
    • 10 zeigt eine Perspektivansicht eines Stromsensors gemäß einer Abwandlung.
    • 11 zeigt eine Anordnung von Stromsensoren zur Aufhebung von Fehlern.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden nun repräsentative, nicht-einschränkende Beispiele der vorliegenden Offenbarung ausführlicher beschrieben. Diese ausführliche Beschreibung ist lediglich dazu bestimmt, einem Fachmann weitere Einzelheiten zur Ausführung bevorzugter Aspekte der vorliegenden Lehren zu lehren, und ist nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken. Außerdem kann jedes der zusätzlichen Merkmale und jede der zusätzlichen Lehren, die nachstehend offenbart sind, separat oder zusammen mit anderen Merkmalen und Lehren genutzt werden, um verbesserte Leistungswandler und Elektromotorsysteme, ebenso wie Verfahren zur Verwendung und Herstellung derselben bereitzustellen.
  • Außerdem können Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der folgenden ausführlichen Beschreibung offenbart sind, nicht notwendig sein, um die vorliegende Offenbarung im weitesten Sinn auszuführen, und werden diese stattdessen lediglich dazu gelehrt, um insbesondere repräsentative Beispiele der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben. Weiterhin können verschiedene Merkmale der vorstehend beschriebenen und der nachstehend beschriebenen repräsentativen Beispiele, ebenso wie die diversen unabhängigen und abhängigen Patentansprüche, in Weisen kombiniert werden, die nicht speziell und ausdrücklich aufgezählt bzw. benannt sind, um zusätzliche nützliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Lehren bereitzustellen.
  • Alle Merkmale, die in der Beschreibung und/oder den Patentansprüchen offenbart sind, sind zum Zweck der ursprünglichen schriftlichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck der Einschränkung des beanspruchten Gegenstands dazu bestimmt, separat und unabhängig voneinander offenbart zu sein, und zwar unabhängig von den Zusammenstellungen der Merkmale in den Ausführungsbeispielen und/oder den Patentansprüchen. Außerdem sind alle Wertebereiche oder Angaben/Andeutungen von Gruppen von Instanzen bzw. Einheiten zum Zweck der ursprünglichen schriftlichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck der Einschränkung des beanspruchten Gegenstands dazu bestimmt, jeden möglichen Zwischenwert oder jede mögliche Zwischeninstanz bzw. -einheit zu offenbaren.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • Ein Leistungswandler bzw. Stromrichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Der Leistungswandler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller 10. 1 zeigt ein Schaltbild des Aufwärtswandlers 10. Eine Batterie 90 ist mit einem Niederspannungsanschluss 12 des Aufwärtswandlers 10 verbunden. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist eine Last wie etwa ein Inverter bzw. Um-/Wechselrichter mit einem Hochspannungsanschluss 13 verbunden. Der Aufwärtswandler 10 ist konfiguriert zum Hochsetzen einer an dem Niederspannungsanschluss 12 anliegenden Spannung und Ausgeben der hochgesetzten Spannung von dem Hochspannungsanschluss 13. Positive und negative Anschlüsse des Niederspannungsanschlusses 12 werden als Niederspannungspositivanschluss 12a und Niederspannungsnegativanschluss 12b bezeichnet, und positive und negative Anschlüsse des Hochspannungsanschlusses 13 werden als Hochspannungspositivanschluss 13a und Hochspannungsnegativanschluss 13b bezeichnet. Der Niederspannungsnegativanschluss 12b und der Hochspannungsnegativanschluss 13b sind durch eine gemeinsame Negativanschlussleitung 14 direkt verbunden.
  • Der Aufwärtswandler 10 umfasst ein erstes Schaltelement 31, ein zweites Schaltelement 32, eine erste untere Diode 41, eine zweite untere Diode 42, eine erste obere Diode 43, eine zweite obere Diode 44, eine Drosselspule bzw. Drossel 22, einen Filterkondensator 20 und einen Glättungskondensator 50.
  • Ein negativer Anschluss des ersten Schaltelements 31 ist mit der gemeinsamen Negativanschlussleitung 14 verbunden. Ein positiver Anschluss des ersten Schaltelements 31 ist mit einer Anode der ersten oberen Diode 43 verbunden. Eine Kathode der ersten oberen Diode 43 ist mit dem Hochspannungspositivanschluss 13a verbunden. Ein Zwischenpunkt in einer Reihenschaltung des ersten Schaltelements 31 und der ersten oberen Diode 43 wird als erster Zwischenpunkt 27 bezeichnet. Die erste untere Diode 41 ist antiparallel zu dem ersten Schaltelement 31 geschaltet. Eine gestrichelte Linie, die das erste Schaltelement 31, die erste untere Diode 41 und die erste obere Diode 43 umgibt, zeigt ein Leistungsmodul 62. Das Leistungsmodul 62 wird nachstehend beschrieben.
  • Ein negativer Anschluss des zweiten Schaltelements 32 ist mit der gemeinsamen Negativanschlussleitung 14 verbunden. Ein positiver Anschluss des zweiten Schaltelements 32 ist mit einer Anode der zweiten oberen Diode 44 verbunden. Eine Kathode der zweiten oberen Diode 44 ist mit dem Hochspannungspositivanschluss 13a verbunden. Ein Zwischenpunkt in einer Reihenschaltung des zweiten Schaltelements 32 und der zweiten oberen Diode 44 wird als zweiter Zwischenpunkt 28 bezeichnet. Die zweite untere Diode 42 ist antiparallel zu dem zweiten Schaltelement 32 geschaltet. Eine gestrichelte Linie, die das zweite Schaltelement 32, die zweite untere Diode 42 und die zweite obere Diode 44 umgibt, zeigt ein Leistungsmodul 64. Das Leistungsmodul 64 wird nachstehend beschrieben.
  • Das erste und das zweite Schaltelement 31, 32 sind beide n-Typ-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Das erste und das zweite Schaltelement 31, 32 können Schaltelemente eines anderen Typs sein, wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Im Fall, dass sie n-Typ-MOSFETs sind, werden die positiven Anschlüsse der Schaltelemente Drains genannt. Im Fall, dass sie n-Typ-IGBTs sind, werden die positiven Anschlüsse der Schaltelemente Kollektoren genannt. Im Fall, dass sie MOSFETs sind, kann Strom von den negativen Anschlüssen zu den positiven Anschlüssen fließen, jedoch werden in der vorliegenden Offenbarung die Kollektoren oder Drains der n-Typ-Schaltelemente einfachheitshalber als die positiven Anschlüsse bezeichnet.
  • Ein Ende der Drosselspule 22 ist mit jedem des ersten Zwischenpunkts 27 und des zweiten Zwischenpunkts 28 verbunden, und ein anderes Ende der Drosselspule 22 ist mit dem Niederspannungspositivanschluss 12a verbunden.
  • Der Filterkondensator 20 ist zwischen dem Niederspannungspositivanschluss 12a und dem Niederspannungsnegativanschluss 12b verbunden, und der Glättungskondensator 50 ist zwischen dem Hochspannungspositivanschluss 13a und dem Hochspannungsnegativanschluss 13b verbunden.
  • Wie es in 1 gezeigt ist, sind das erste Schaltelement 31 und das zweite Schaltelement 32 parallel geschaltet. Der in 1 gezeigte Aufwärtswandler 10 verteilt Leistung auf die zwei Schaltelemente 31, 32, die parallel geschaltet sind, wodurch er (auf) eine große Leistung hochsetzen kann. Ein Hochsetzbetrieb in der in 1 gezeigten Schaltung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 5 besch rieben.
  • Ein erster Stromsensor 24 ist an/auf einem ersten Leiter 23 eingerichtet bzw. angeordnet, der die Drosselspule 22 und den ersten Zwischenpunkt 27 verbindet, und ein zweiter Stromsensor 26 ist an/auf einem zweiten Leiter 25 eingerichtet bzw. angeordnet, der die Drosselspule 22 und den zweiten Zwischenpunkt 28 verbindet. Ein Abschnitt, der in dem Schaltbild von 1 durch eine dicke Linie gekennzeichnet ist, entspricht dem ersten Leiter 23 und dem zweiten Leiter 25. Der erste Stromsensor 24 ist konfiguriert zum Detektieren eines Stroms, der zwischen der Drosselspule 22 und dem ersten Zwischenpunkt 27 fließt, und der zweite Stromsensor 26 ist konfiguriert zum Detektieren eines Stroms, der zwischen der Drosselspule 22 und dem zweiten Zwischenpunkt 28 fließt. Eine Summe von Ausgaben des ersten Stromsensors 24 und des zweiten Stromsensors 26 entspricht einem Strom, der in der Drosselspule 22 fließt.
  • Messwerte des ersten Stromsensors 24 und des zweiten Stromsensors 26 werden an eine Steuereinheit 54 gesendet. Die Steuereinheit 54 ist konfiguriert zum Berechnen des Stroms, der in der Drosselspule 22 fließt, aus den Messwerten der zwei Stromsensoren. Ferner ist die Steuereinheit 54 konfiguriert zum Empfangen einer Sollausgabe bzw. -leistung des Aufwärtswandlers 10 von einer Hoststeuereinheit, die nicht gezeigt ist. Die Steuereinheit 54 ist konfiguriert zum Steuern des ersten und des zweiten Schaltelements 31, 32 durch Verwendung der Messwerte des ersten und des zweiten Stromsensors 24, 26, sodass eine Ausgabe bzw. Leistung des Aufwärtswandlers 10 der Sollausgabe bzw. -leistung folgt. Die Steuereinheit 54 ist konfiguriert zum abwechselnden bzw. wechselweisen Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements 31 und des zweiten Schaltelements 32. Betriebsvorgänge des ersten und des zweiten Schaltelements 31, 32 werden nachstehend unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf 2 und 3 wird Hardware beschrieben, die in einem Teil von Komponenten des Aufwärtswandlers 10 umfasst ist. 2 ist eine Perspektivansicht der Leistungsmodule 62, 64 und der Drosselspule 22. Das erste Schaltelement 31, die erste untere Diode 41 und die erste obere Diode 43 von 1 sind in dem Leistungsmodul 62 untergebracht. Das Leistungsmodul 62 ist aus einem Harzgehäuse bzw. -körper/-stück und Anschlüssen gebildet. Ein Halbleiterchip, der das erste Schaltelement 31, die erste untere Diode 41 und die erste obere Diode 43 implementiert, ist in dem Gehäuse untergebracht. In dem Gehäuse sind das erste Schaltelement 31 und die erste untere Diode 41 antiparallel geschaltet und sind das erste Schaltelement 31 und die erste obere Diode 43 in Reihe geschaltet. Ein Leistungsanschluss 63, der sich aus dem Gehäuse erstreckt, ist elektrisch mit dem Zwischenpunkt in der Reihenschaltung des ersten Schaltelements 31 und der ersten oberen Diode 43 innerhalb des Gehäuses elektrisch verbunden. Das heißt, dass der Leistungsanschluss 63 des Leistungsmoduls 62 dem ersten Zwischenpunkt 27 von 1 entspricht.
  • Das zweite Schaltelement 32, die zweite untere Diode 42 und die zweite obere Diode 44 von 1 sind in einem Gehäuse des Leistungsmoduls 64 untergebracht. Ein Aufbau des Leistungsmoduls 64 ist gleich demjenigen des Leistungsmoduls 62. Ein Leistungsanschluss 63, der sich von dem Gehäuse des Leistungsmoduls 64 erstreckt, ist elektrisch mit dem Zwischenpunkt in der Reihenschaltung des zweiten Schaltelements 32 und der zweiten oberen Diode 44 innerhalb des Gehäuses verbunden. Das heißt, dass der Leistungsanschluss 63 des Leistungsmoduls 64 dem zweiten Zwischenpunkt 28 von 1 entspricht.
  • Die Drosselspule 22 hat einen Aufbau, in dem ein Wicklungsdraht 22b mehrere Male auf einen Kern 22a gewickelt ist, der aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität besteht. Ein Ende der Drosselspule 22, nämlich ein Ende des Wicklungsdrahts 22b, und der Leistungsanschluss 63 des Leistungsmoduls 62 sind durch den ersten Leiter 23 verbunden. Das eine Ende des Wicklungsdrahts 22b und der Leistungsanschluss 63 des Leistungsmoduls 64 sind durch den zweiten Leiter 25 verbunden. Der erste Stromsensor 24 ist an/auf dem ersten Leiter 23 bereitgestellt, und der zweite Stromsensor 26 ist an/auf dem zweiten Leiter 25 bereitgestellt. Der erste Leiter 23 und der zweite Leiter 25 sind schmale Metallplatten, die Strom- bzw. Sammelschienen genannt werden.
  • 3 zeigt eine Perspektivansicht des ersten Stromsensors 24. Der erste Stromsensor 24 umfasst einen ersten Magnetismussammelringkern (Ringkern, in dem sich Magnetismus ansammelt) 24b, durch den der erste Leiter 23 eingefügt bzw. eingebracht ist, und ein Hall-Element 24h. Der erste Magnetismussammelringkern 24b besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität. Der erste Magnetismussammelringkern 24b hat eine Nut/Aussparung bzw. einen Spalt darin bereitgestellt, und das Hall-Element 24h ist in dieser Nut/Aussparung bzw. diesem Spalt angeordnet. Wenn ein Strom IL1 in dem ersten Leiter 23 fließt, wird ein Magnetfluss B1 in dem ersten Magnetismussammelringkern 24b erzeugt. Der Magnetfluss B1 wird durch den ersten Magnetismussammelringkern 24h gesammelt bzw. ein-/aufgefangen. Indessen wird ein konstanter Strom (Bias- bzw. Vormagnetisierungsstrom Ib1 ) von der Steuereinheit 54 an das Hall-Element 24h zugeführt. Eine durch den Magnetfluss B1 und den Bias- bzw. Vormagnetisierungsstrom Ib1 erzeugte Lorentzkraft bewirkt, dass Elektronen in dem Hall-Element 24h wandern, und durch diese Wanderung wird eine Spannung erzeugt. Eine Spannung Vout1 wird durch Verstärkung dieser Spannung erhalten, und der erste Stromsensor 24 kann den Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt, basierend auf dieser Spannung Vout1 messen. Der erste Stromsensor 24 sendet den gemessenen Strom IL1 an die Steuereinheit 54. Der erste Stromsensor 24 kann die Spannung Vout1 ausgeben, und die Steuereinheit 54 kann die Spannung Vout1 in den Strom IL1 wandeln.
  • Ein Aufbau des zweiten Stromsensors 26 ist gleich demjenigen des ersten Stromsensors 24, und der zweite Stromsensor 26 umfasst einen zweiten Magnetismussammelringkern (Ringkern, in dem sich Magnetismus ansammelt) 26b, durch den der zweite Leiter 25 eingeführt bzw. eingebracht ist, und ein Hall-Element. Der zweite Stromsensor 26 misst einen Strom IL2, der in dem zweiten Leiter 25 fließt. Der gemessene Strom IL2 wird auch an die Steuereinheit 54 gesendet. Die Summe der Messwerte des ersten Stromsensors 24 und des zweiten Stromsensors 26 entspricht dem Strom, der in der Drosselspule 22 fließt.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, erfasst die Steuereinheit 54 den Strom, der in der Drosselspule 22 fließt, aus den Messwerten des ersten Stromsensors 24 und des zweiten Stromsensors 26, und steuert sie das erste und das zweite Schaltelement 31, 32 basierend auf dem Stromwert der Drosselspule 22.
  • Wie es in 3 gezeigt ist, umfasst der erste Stromsensor 24 den ersten Magnetismussammelringkern 24b, durch den der erste Leiter 23 eingeführt bzw. eingebracht ist. Der Magnetfluss B1 wird in dem ersten Magnetismussammelringkern 24b aufgrund des Stroms erzeugt, der in dem ersten Leiter 23 fließt. Der Magnetfluss B1 wird durch eine Induktivität bzw. Induktanz des ersten Magnetismussammelringkerns 24b erzeugt. Das heiß, dass der erste Magnetismussammelringkern 24b, durch den der erste Leiter 23 eingeführt bzw. eingebracht ist, als Drosselspule fungiert. Der zweite Magnetismussammelringkern 26b, der in dem zweiten Stromsensor 26 bereitgestellt ist, fungiert ebenfalls als Drosselspule.
  • Der erste Magnetismussammelringkern 24b des ersten Stromsensors 24 und der zweite Magnetismussammelringkern 26b des zweiten Stromsensors 26 fungieren beide als Drosselspulen. Gemäß dieser Funktion kann ein Zustand, in dem der Strom in dem ersten Leiter 23 null ist, realisiert werden, unmittelbar bevor das erste Schaltelement 31 in der Schaltungskonfiguration von 1 von aus auf ein umgeschaltet wird. Wenn der Strom in einem Leiter, der sich auf einer vorgelagerten bzw. stromaufwärts liegenden Seite zu einem Schaltelement befindet, null ist, wenn das Schaltelement von aus auf ein umgeschaltet wird, kann ein Schaltverlust unterdrückt bzw. niedergehalten werden.
  • Eine Reaktanz von jedem der Magnetismussammelringkerne 24b, 26b ist ungefähr 1 [µH]. Andererseits ist eine in der Drosselspule 22 erforderliche Reaktanz 50 bis 100 [µH]. Diese Differenz in den Reaktanzen ist günstig beziehungsweise zweckmäßig bei/zur Unterdrückung bzw. Niederhaltung des Schaltverlusts ohne Beeinträchtigung der Funktion der Drosselspule 22.
  • Unter Bezugnahme auf 4 und 5 wird der Mechanismus beschrieben, durch den der Schaltverlust unterdrücken bzw. niedergehalten wird. 4 und 5 sind auch Darstellungen zur Erläuterung von Betriebsvorgängen des Aufwärtswandlers 10. 4 ist ein Zeitdiagramm für Strom, der in der Drosselspule fließt, und Gatespannungen der Schaltelemente 31, 32. 5 ist eine Darstellung, die zeigt, wie Strom zu jedem von Zeitpunkten in dem Zeitdiagramm von 4 fließt. Ein Graph G1 von 4 zeigt ein Strom ILm, der in der Drosselspule 22 fließt. Ein Graph G2 zeigt den Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt, und den Strom IL2, der in dem zweiten Leiter 25 fließt. Eine durchgezogene Linie bezeichnet den Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt, und eine gestrichelte Linie bezeichnet den Strom IL2, der in dem zweiten Leiter 25 fließt. Ein Graph G3 zeigt eine Gatespannung Vg31 des ersten Schaltelements 31, und ein Graph G4 zeigt eine Gatespannung Vg32 des zweiten Schaltelements 32. Eine Periode, während derer die Gatespannung auf einem HOCH-Pegel ist, entspricht einer Periode, während derer das Schaltelement ein ist, und eine Periode, während derer die Gatespannung auf einem NIEDRIG-Pegel ist, entspricht einer Periode, während derer das Schaltelement aus ist. Ein Anstieg in der Gatespannung Vg31 entspricht einer Zeit, zu der das erste Schaltelement 31 von aus auf ein umgeschaltet wird. Ein Abfall in der Gatespannung Vg31 entspricht einer Zeit, zu der das erste Schaltelement 31 von ein auf aus umgeschaltet wird. Die gleichen Beziehungen gelten zwischen der Gatespannung Vg32 und dem zweiten Schaltelement 32. Die Gatespannungen Vg31, Vg32 werden durch die Steuereinheit 54 gesteuert.
  • Wie es in 4 gezeigt ist, wird das erste Schaltelement 31 zu Zeit T1 von aus auf ein umgeschaltet und wird das erste Schaltelement 31 zu Zeit T3 von ein auf aus umgeschaltet. Das zweite Schaltelement 32 wird während einer Periode von Zeit T1 bis Zeit T4 aus gehalten. Das zweite Schaltelement 32 wird zu Zeit T4 von aus auf ein umgeschaltet und wird zu Zeit T6 von ein auf aus umgeschaltet. Das erste Schaltelement 31 wird während einer Periode von Zeit T3 bis Zeit T6 aus gehalten. Mit anderen Worten werden das erste Schaltelement 31 und das zweite Schaltelement 32 abwechselnd bzw. wechselweise ein- und ausgeschaltet. Mit anderen Worten hält die Steuereinheit 54 das zweite Schaltelement 32 aus, während das erste Schaltelement 31 ein ist, und hält sie das erste Schaltelement 31 aus, während das zweite Schaltelement 32 ein ist. Die Schaltelemente 31, 32 wiederholen ihre Betriebsvorgänge von Zeit T1 bis Zeit T6.
  • 5 zeigt, wie Strom zu jeder von Zeit T1 bis Zeit T6 fließt. In 5 ist die Schaltungskonfiguration des Aufwärtswandlers 10 im Vergleich zu derjenigen von 1 vereinfacht. Ferner ist in 5 jeder des ersten Magnetismussammelringkerns 24b des ersten Stromsensors 24 und des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b des zweiten Stromsensors 26 durch das Symbol für eine Spule angedeutet. Dies ist deshalb so, da diese Magnetismussammelringkerne als Drosselspulen fungieren.
  • Es werden Betriebsvorgänge zu den jeweiligen Zeiten beschrieben. Zu Zeit T1 wird das erste Schaltelement 31 von aus auf ein umgeschaltet. Das zweite Schaltelement 32 bleibt aus. Obwohl Details nachstehend beschrieben werden, fließt kein Strom in dem ersten Leiter 23, unmittelbar bevor das erste Schaltelement 31 auf ein umgeschaltet wird. Das heißt, dass ein Zero-Current-Switching (ZCS) realisiert wird, durch das der Schaltverlust unterdrückt bzw. niedergehalten wird. Nachstehend wird ein Mechanismus beschrieben, der das Zero-Current-Switching realisiert.
  • Wenn das erste Schaltelement 31 auf ein umgeschaltet wird, beginnt der Strom IL1 von dem Niederspannungspositivanschluss 12a an die gemeinsame Negativanschlussleitung 14 über die Drosselspule 22, den ersten Leiter 23 und das erste Schaltelement 31 zu fließen. Ferner ist, unmittelbar vor Zeit T1, der Strom IL2 von dem Niederspannungspositivanschluss 12a an den Hochspannungspositivanschluss 13a über die Drosselspule 22, den zweiten Leiter 25 und die zweite obere Diode 44 geflossen. Nachstehend wird ein Zustand unmittelbar vor Zeit T1 beschrieben, nämlich ein Zustand zu Zeit T6.
  • Da der Strom, der in dem zweiten Leiter 25 geflossen ist, zu dem ersten Leiter 23 wechselt, nimmt in einer Periode von Zeit T1 zu Zeit T2 der Strom IL2 rasch ab und der Strom IL1 rasch zu. Während dieser Periode ändert sich der Strom ILm kaum, der in der Drosselspule 22 fließt. Änderungsraten der Ströme IL1, IL2 sind von Reaktanzen der Magnetismussammelringkerne 24b, 26b abhängig.
  • Der Strom IL2, der in dem zweiten Leiter 25 fließt, wird zu Zeit T2 null. Das heißt, dass zu Zeit T2 der Strom, der in der zweiten oberen Diode 44 fließt, null wird, und die Diode 44 auf aus umgeschaltet wird. Wenn die Diode 44 auf aus umgeschaltet wird, fließt ein Sperrverzögerungsstrom bzw. Reverse-Recovery-Strom von der Kathode an die Anode von dieser. Dieser Sperrverzögerungsstrom ist eine Ursache des Schaltverlusts und des Rauschens. Der erste Leiter 23 und der zweite Leiter 25 sind jedoch mit dem ersten Magnetismussammelringkern 24b und dem zweiten Magnetismussammelringkern 26b versehen, die als Unterdrosselspulen fungieren. Eine maximale Stromänderungsrate der zweiten oberen Diode 44 wird durch die Reaktanzen des ersten Magnetismussammelringkerns 24b und des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b reduziert, wodurch der Sperrverzögerungsstrom unterdrückt bzw. niedergehalten wird. Das heißt, dass der Schaltverlust und das Rauschen, die daraufhin erzeugt werden, dass die zweite obere Diode 44 ausgeschaltet wird, durch den ersten Magnetismussammelringkern 24b und den zweiten Magnetismussammelringkern 26b unterdrückt bzw. niedergehalten werden.
  • Von Zeit T2 und danach werden eine induzierte Spannung der Drosselspule 22 und eine induzierte Spannung des ersten Magnetismussammelringkerns 24b (induzierte Spannungen, die in einer Richtung wirken, die den Strom IL1 blockiert) abgeschwächt, und daher erhöht sich der Strom, der von dem Niederspannungspositivanschluss 12a hineinfließt. Als Folge dessen erhöhen sich sowohl der Strom ILm, der in der Drosselspule 22 fließt, als auch der Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt.
  • Zu Zeit T3 wird das erste Schaltelement 31 von ein auf aus umgeschaltet. Wenn das erste Schaltelement 31 auf aus umgeschaltet wird, erzeugen die Drosselspule 22 und der erste Magnetismussammelringkern 24b induzierte Spannungen in einer Richtung, die ermöglicht, dass der Strom IL1 weiter fließt. Die induzierten Spannungen bewirken, dass der Strom IL1 von dem Niederspannungspositivanschluss 12a über die Drosselspule 22, den ersten Leiter 23 und die erste obere Diode 43 fließt. Der Strom IL1, der über die erste obere Diode 43 fließt, lädt den Glättungskondensator 50 (siehe 1). Wenn der Glättungskondensator 50 geladen wird, steigt eine Spannung an dem Hochspannungspositivanschluss 13a. Das heißt, dass die an dem Niederspannungsanschluss 12 anliegende Spannung hochgesetzt und von dem Hochspannungsanschluss 13 ausgegeben wird. Von Zeit T3 und danach nehmen die induzierten Spannungen der Drosselspule 22 und des ersten Magnetismussammelringkerns 24b (induzierte Spannungen, die in der Richtung wirken, die dem Strom IL1 zu fließen ermöglichen) ab, weshalb der Strom IL1 allmählich abnimmt. Aufgrund dessen nimmt auch der Strom ILm, der in der Drosselspule 22 fließt, allmählich ab.
  • Von Zeit T3 und danach wird, wenn der Strom in der ersten oberen Diode 43 fließt, eine Kathodenspannung der ersten oberen Diode 43 aufgrund eines Vorwärts- bzw. Durchlassspannungsabfalls niedriger als eine Anodenspannung von dieser. Als Folge dessen kann ein Strom von der Drosselspule 22 über den zweiten Leiter 25 und die zweite obere Diode 44 fließen. Jedoch unterdrückt die Reaktanz des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b, der an dem zweiten Leiter 25 angeordnet ist, den Strom von der Drosselspule 22 in Richtung der zweiten oberen Diode 44. Aufgrund dieses Reaktanzeffekts des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b fließt in dem zweiten Leiter 25 unmittelbar vor Zeit T4 (nach Zeit T3) kein Strom.
  • Zu Zeit T4 wird das zweite Schaltelement 32 von aus auf ein umgeschaltet. Wie es vorstehend beschrieben ist, fließt unmittelbar vor Zeit T4 kein Strom in dem zweiten Leiter 25. Somit wird ein Zero-Current-Switching realisiert, wenn das zweite Schaltelement 32 auf ein umgeschaltet wird. Da das zweite Schaltelement 32 auf ein umgeschaltet wird, fließt der Strom IL2 von dem Niederspannungspositivanschluss 12a an die gemeinsame Negativanschlussleitung 14 über die Drosselspule 22, den zweiten Leiter 25 und das zweite Schaltelement 32. Der Strom IL1 ist unmittelbar vor Zeit T4 über den ersten Leiter 23 und die erste obere Diode 43 geflossen. Wenn das zweite Schaltelement 32 auf ein umgeschaltet wird, wechselt der Strom, der in dem ersten Leiter 23 geflossen ist, zu dem zweiten Leiter 25. Als Folge dessen nimmt der Strom IL1 rasch ab, und nimmt der Strom IL2 zu der gleichen Zeit rasch zu. Während dieser Zeit ändert sich der Strom ILm kaum, der in der Drosselspule 22 fließt.
  • Zu Zeit T5 wird der Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt, null. Das heißt, dass zu Zeit T5 der Strom, der in der ersten oberen Diode 43 fließt, null wird, und die Diode 43 auf aus umgeschaltet wird. Zu dieser Zeit fließt ein Sperrverzögerungsstrom bzw. Reverse-Recovery-Strom von der Kathode an die Anode von dieser. Wie es vorstehend beschrieben ist, kann der Sperrverzögerungsstrom den Schaltverlust und das Rauschen verursachen. Der erste Leiter 23 und der zweite Leiter 25 sind jedoch mit dem ersten Magnetismussammelringkern 24b und dem zweiten Magnetismussammelringkern 26b versehen, die als Unterdrosselspulen fungieren. Eine maximale Stromänderungsrate der ersten oberen Diode 43 wird durch die Reaktanzen des ersten Magnetismussammelringkerns 24b und des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b unterdrückt bzw. niedergehalten, wodurch der Sperrverzögerungsstrom unterdrückt bzw. niedergehalten wird. Als Folge dessen können der Schaltverlust und das Rauschen reduziert werden.
  • Von Zeit T5 und danach werden die induzierte Spannung der Drosselspule 22 und die induzierte Spannung des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b (induzierte Spannungen die in einer Richtung wirken, die den Strom IL2 blockiert) abgeschwächt, und nimmt somit der Strom zu, der von dem Niederspannungspositivanschluss 12a hineinfließt. Als Folge dessen erhöhen sich sowohl der Strom ILm, der in der Drosselspule 22 fließt, als auch der Strom IL2, der in dem zweiten Leiter 25 fließt.
  • Zu Zeit T6 wird das zweite Schaltelement 32 von ein auf aus umgeschaltet. Wenn das zweite Schaltelement 32 auf aus umgeschaltet wird, erzeugen die Drosselspule 22 und der zweite Magnetismussammelringkern 26b induzierte Spannungen in einer Richtung, die ermöglicht, dass der Strom IL2 weiter fließt, und fließt somit der Strom IL2 von dem Niederspannungspositivanschluss 12a über die Drosselspule 22, den zweiten Leiter 25 und die zweite obere Diode 44. Der Strom IL2, der durch die zweite obere Diode 44 fließt, lädt den Glättungskondensator 50 (siehe 1). Wenn der Glättungskondensator 50 geladen wird, steigt eine Spannung an dem Hochspannungspositivanschluss 13a. Das heißt, dass die an dem Niederspannungsanschluss 12 anliegende Spannung hochgesetzt und von dem Hochspannungsanschluss 13 ausgegeben wird. Von Zeit T6 und danach nehmen die induzierten Spannungen der Drosselspule 22 und des zweiten Magnetismussammelringkerns 26b (induzierte Spannungen, die in der Richtung wirken, die dem Strom IL2 zu fließen ermöglicht) ab, weshalb der Strom IL2 allmählich abnimmt. Aufgrund dessen nimmt auch der Strom ILm, der in der Drosselspule 22 fließt, allmählich ab.
  • Von Zeit T6 und danach wird, wenn der Strom in der zweiten oberen Diode 44 fließt, eine Kathodenspannung der zweiten oberen Diode 44 aufgrund eines Vorwärts- bzw. Durchlassspannungsabfalls niedriger als eine Anodenspannung von dieser. Als Folge dessen kann ein Strom von der Drosselspule 22 in Richtung der ersten oberen Diode 43 fließen. Jedoch unterdrückt die Reaktanz des ersten Magnetismussammelringkerns 24b, der an dem ersten Leiter 23 angeordnet ist, den Strom von der Drosselspule 22 in Richtung der ersten oberen Diode 43. Aufgrund dieses Reaktanzeffekts des ersten Magnetismussammelringkerns 24b fließt unmittelbar vor Zeit T1 (Zeit T1 in einem zweiten Zyklus) kein Strom in dem ersten Leiter 23.
  • Danach werden die Betriebsvorgänge von Zeit T1 bis Zeit T6 wiederholt. Wie vorstehend dargelegt schaltet die Steuereinheit 54 das erste Schaltelement 31 und das zweite Schaltelement 32 abwechselnd bzw. wechselweise ein und aus. Der Aufwärtswandler 10, der die Schaltung von 1 umfasst, kann den Schaltverlust reduzieren, indem er mit den Stromsensoren mit den Magnetismussammelringkernen an/in dem ersten Leiter 23 und dem zweiten Leiter 25 versehen ist. Der Schaltverlustreduktionseffekt, der herkömmlich durch zwei Unterdrosselspulen und einen Stromsensor erzielt wurde, wird durch die zwei Stromsensoren in dem Aufwärtswandler 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt. Der Aufwärtswandler 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann den Schaltverlust mit einer verringerten Anzahl von Komponenten reduzieren.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 ein Leistungswandler bzw. Stromrichter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Leistungswandler gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 10a. Nachstehend wird hierin der bidirektionale Gleichspannungswandler 10a zur Vereinfachung der Beschreibung einfach als der Bidirektionalwandler 10a bezeichnet.
  • 6 zeigt ein Schaltbild des Bidirektionalwandlers 10a. Der Bidirektionalwandler 10a hat eine Konfiguration, in der ein drittes Schaltelement 33 und ein viertes Schaltelement 34 zu der Schaltung von 1 hinzugefügt sind. Das dritte Schaltelement 33 ist antiparallel zu der ersten oberen Diode 43 geschaltet. Das vierte Schaltelement 34 ist antiparallel zu der zweiten oberen Diode 44 geschaltet. Das dritte und das vierte Schaltelement 33, 34 sind n-Typ-MOSFETs und dazu konfiguriert, Strom von den positiven Anschlüssen (Drains) an die negativen Anschlüsse (Sources) fließen zu lassen, und auch dazu konfiguriert, Strom von den negativen Anschlüssen (Sources) an die positiven Anschlüsse (Drains) fließen zu lassen.
  • Ein Hochsetzbetrieb des Bidirektionalwandlers 10a ist gleich demjenigen des Aufwärtswandlers 10 von 1. Andererseits, wenn eine Spannung an dem Hochspannungsanschluss 13 angelegt wird, wird ein Abwärtswandlungs- bzw. Heruntersetzbetrieb dadurch verwirklicht, dass das dritte und das vierte Schaltelement 33, 34 ein- und ausgeschaltet werden. Die Schaltungskonfiguration von 6 und Betriebsvorgänge von dieser sind wohl bekannt, außer für die Stromsensoren 24, 26, die als Drosselspulen fungieren, weshalb ausführliche Beschreibungen dafür ausgelassen werden.
  • Wenn der Bidirektionalwandler 10a von 6 den Hochsetzbetrieb durchführt, kann der gleiche Vorteil wie derjenige des Aufwärtswandlers 10 des ersten Ausführungsbeispiels, nämlich der Schaltverlustreduzierungseffekt, erzielt werden.
  • Der Bidirektionalwandler 10a kann bei Durchführung des Hochsetzbetriebs Lasten auf der ersten oberen Diode 43 und der zweiten oberen Diode 44 reduzieren, indem das dritte und das vierte Schaltelement 33, 34 genutzt werden. 7 zeigt ein Zeitdiagramm für den Hochsetzbetrieb unter Nutzung des dritten und des vierten Schaltelements 33, 34. Graphen G1 bis G4 sind gleich den Graphen von 4. Ein Graph G5 zeigt eine Gatespannung Vg33 des dritten Schaltelements 33, und ein Graph G6 zeigt eine Gatespannung Vg34 des vierten Schaltelements 34. Ähnlich dem ersten und dem zweiten Schaltelement 31, 32 entspricht eine Periode, während derer die Gatespannung auf einem HOCH-Pegel ist, einer Periode, während derer das Schaltelement ein ist, und entspricht eine Periode, während derer die Gatespannung auf einem NIEDRIG-Pegel ist, einer Periode, während derer das Schaltelement aus ist. Die Gatespannungen Vg33, Vg34 werden auch durch die Steuereinheit 54 gesteuert.
  • Die Steuereinheit 54 hält das dritte Schaltelement 33 in einer Periode von Zeit T3 bis Zeit T4 ein. Jeder von Abschnitten, die in 7 mit einem Bezugszeichen A bezeichnet sind, ist die Periode, während derer das dritte Schaltelement 33 ein gehalten wird. In anderen als den vorgenannten Perioden wird das dritte Schaltelement 33 aus gehalten. Wie es bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, fließt der Strom IL1 in der Periode von Zeit T3 bis Zeit T4 in der ersten oberen Diode 43. Ein Halten des dritten Schaltelements 33 während dieser Periode auf ein ermöglicht, dass sich der Strom IL1 aufteilt und an die erste obere Diode 43 und das dritte Schaltelement 33 fließt. Als Folge dessen kann die Last auf der ersten oberen Diode 43 reduziert werden.
  • Die Steuereinheit 54 hält das vierte Schaltelement 34 in einer Periode zwischen Zeit T6 und Zeit T1 ein. Jeder von Abschnitten, die in 7 mit einem Bezugszeichen B bezeichnet sind, ist die Periode, während derer das vierte Schaltelement 34 ein gehalten wird. In anderen als den vorgenannten Perioden wird das vierte Schaltelement 34 aus gehalten. Wie es bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, fließt der Strom IL2 in der Periode von Zeit T6 bis Zeit T1 in der zweiten oberen Diode 44. Ein Halten des vierten Schaltelements 34 während dieser Periode auf ein ermöglicht, dass sich der Strom IL2 aufteilt und an die zweite obere Diode 44 und das vierte Schaltelement 34 fließt. Als Folge dessen kann die Last auf der zweiten oberen Diode 44 reduziert werden. In einem Fall, in dem das dritte und das vierte Schaltelement 33, 34 zu allen Zeiten während des Hochsetzbetriebs auf aus gehalten werden, ist der Betrieb des Bidirektionalwandlers 10a gleich demjenigen, der unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben ist.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • Als nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 8 und 9 beschrieben. Das dritte Ausführungsbeispiel beschreibt ein Elektromotorsystem 10, das einen Inverter bzw. Um-/Wechselrichter 110 und einen Wechselstrommotor 130 umfasst. Der Wechselstrommotor 130 wird hierin nachstehend als der Motor 130 bezeichnet. Gleichstromleistung wird an einen positiven Eingangsanschluss 112a und einen negativen Eingangsanschluss 112b eines Eingangsanschlusses 112 des Inverters 110 eingespeist. Der Inverter 110 ist konfiguriert zum Wandeln der eingespeisten Gleichstromleistung in dreiphasige Wechselstromleistung und Liefern der Wechselstromleistung an den Motor 130.
  • Der Inverter 110 umfasst drei Schaltschaltungen 110a bis 110c. Die Schaltschaltungen 110a bis 110c sind zwischen dem positiven Eingangsanschluss 112a und dem negativen Eingangsanschluss 112b parallel geschaltet. Jede der Schaltschaltungen 110a bis 110c wandelt die Gleichstromleistung in die Wechselstrom leistung.
  • Jeder von Motordrähten 120a, 120b, 120c hat ein Ende mit einer entsprechenden der Schaltschaltungen 110a, 110b, 110c verbunden. Jeder der Motordrähte 120a, 120b, 120c hat ein anderes Ende mit dem Motor 130 verbunden. Der Motor 130 umfasst drei Spulen 222a, 222b, 222c. Der Motordraht 120a ist mit der Spule 222a verbunden, der Motordraht 120b ist mit der Spule 222b verbunden, und der Motordraht 120c ist mit der Spule 222c verbunden. Die einen Enden der Spulen 222a bis 222c sind miteinander verbunden. Eine solche Verbindungsbeziehung von Spulen wird Sternschaltung genannt.
  • Als nächstes werden die Schaltschaltungen 110a, 110b, 110c beschrieben. Da Konfigurationen der Schaltschaltungen 110a, 110b, 110c gleich sind, wird hierin nachstehend die Schaltschaltung 110c beschrieben.
  • 9 zeigt ein Schaltbild der Schaltschaltung 110c. Die Konfiguration der Schaltschaltung 110c ist gleich der Konfiguration des Bidirektionalwandlers 10a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in 6 gezeigt ist. Daher werden hierin nachstehend Bestandteilen der Schaltschaltung 110c, die Bestandteilen des Bidirektionalwandlers 10a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen, die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen gegeben, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Die Schaltschaltung 110c umfasst die Schaltelemente 31 bis 34. Das erste Schaltelement 31 und das zweite Schaltelement 32 sind parallel geschaltet. Die negativen Anschlüsse des ersten und des zweiten Schaltelements 31, 32 sind mit dem negativen Eingangsanschluss 112b des Inverters 110 verbunden. Die erste untere Diode 41 ist antiparallel zu dem ersten Schaltelement 31 geschaltet, und die zweite untere Diode 42 ist antiparallel zu dem zweiten Schaltelement 32 geschaltet.
  • Die Anode der ersten oberen Diode 43 ist mit dem positiven Anschluss des ersten Schaltelements 31 verbunden, und die Anode der zweiten oberen Diode 44 ist mit dem positiven Anschluss des zweiten Schaltelements 32 verbunden. Die Kathoden der ersten und der zweiten oberen Diode 43, 44 sind mit dem positiven Eingangsanschluss 112a des Inverters 110 verbunden. Das dritte Schaltelement 33 ist antiparallel zu der ersten oberen Diode 43 geschaltet, und das vierte Schaltelement 34 ist antiparallel zu der zweiten oberen Diode 44 geschaltet.
  • Der Zwischenpunkt (der erste Zwischenpunkt 27) der Reihenschaltung des ersten Schaltelements 31 und der ersten oberen Diode 43 ist mit der Spule 222c des Motors 130 verbunden. Der Zwischenpunkt (der zweite Zwischenpunkt 28) der Reihenschaltung des zweiten Schaltelements 32 und der zweiten oberen Diode 44 ist mit der Spule 222c verbunden. Der erste Stromsensor 24 ist an/auf dem ersten Leiter 23 bereitgestellt, der die Spule 222c und den ersten Zwischenpunkt 27 verbindet, und der zweite Stromsensor 26 ist an/auf dem zweiten Leiter 25 bereitgestellt, der die Spule 222c und den zweiten Zwischenpunkt 28 verbindet. Der erste und der zweite Stromsensor 24, 26 haben den gleichen Aufbau wie der erste Stromsensor 24 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das heißt, dass der erste Stromsensor 24 den ersten Magnetismussammelringkern 24b umfasst, durch den erste Leiter 23 eingefügt bzw. eingebracht ist, und der zweite Stromsensor 26 den zweiten Magnetismussammelringkern 26b umfasst, durch den der zweite Leiter 25 eingefügt bzw. eingebracht ist. Die Konfiguration, die den ersten und den zweiten Stromsensor 24, 26, den ersten und den zweiten Leiter 23, 25 und die Spule 222c gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst, entspricht der Konfiguration, in der die Drosselspule 22 von 2 durch die Spule 222c ersetzt ist.
  • Wie es wohl bekannt ist, ist ein Inverter mit drei Reihenschaltungen ausgestattet, von denen jede aus zwei Schaltelementen gebildet wird. Jedes Schaltelement auf einer Seite eines positiven Anschlusses des Inverters wird Oberer-Arm-Schaltelement genannt, und jedes Schaltelement auf einer Seite eines negativen Anschlusses des Inverters wird Unterer-Arm-Schaltelement genannt. Jedes der Schaltelemente hat eine Diode, die antiparallel zu diesem geschaltet ist. Jede dieser Dioden wird Freilaufdiode genannt.
  • Wie es aus 8 und 9 ersichtlich ist, entsprechen das erste und das zweite Schaltelement 31, 32 Unterer-Arm-Schaltelementen, und entsprechen das dritte und das vierte Schaltelement 33, 34 Oberer-Arm-Schaltelementen. Die erste und die zweite obere Diode 43, 44 entsprechen Freilaufdioden, die antiparallel zu den Oberer-Arm-Schaltelementen geschaltet sind.
  • Die Steuereinheit 54 ist konfiguriert zum abwechselnden bzw. wechselweisen Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements 31 und des zweiten Schaltelements 32 und zum abwechselnden bzw. wechselweisen Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements 31 und des dritten Schaltelements 33. Die Steuereinheit 54 ist ferner konfiguriert zum abwechselnden bzw. wechselweisen Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements 32 und des vierten Schaltelements 34. Zusammenfassend ist die Steuereinheit 54 konfiguriert, das erste Schaltelement 31 und das vierte Schaltelement 34 synchron ein- und auszuschalten, und konfiguriert, das zweite Schaltelement 32 und das dritte Schaltelement 33 in der entgegengesetzten Phase zu dem ersten Schaltelement 31 ein- und auszuschalten.
  • Die Schaltschaltungen 110a, 110b haben den gleichen Aufbau wie die Schaltschaltung 110c. Die Steuereinheit 54 steuert die drei Schaltschaltungen 110a bis 110c mit 120-Grad-Phasendifferenzen an. Dadurch wird Wechselstromleistung mit 120-Grad-Phasendifferenzen (nämlich dreiphasige Wechselstromleistung) von den drei Schaltschaltungen 110a bis 110c abgegeben.
  • Die Spulen 222a bis 222c haben jeweils eine vorbestimmte Reaktanz, die ähnlich zu der Drosselspule 22 des ersten Ausführungsbeispiels ist. Die Steuereinheit 54 ist konfiguriert, das erste und das zweite Schaltelement 31, 32, die parallel geschaltet sind, abwechselnd bzw. wechselweise ein- und auszuschalten. Aufgrund dessen fungieren in dem Elektromotorsystem 100, das mit dem Motor 130 und dem Inverter 110 versehen ist, die Magnetismussammelringkerne 24b, 26b der Stromsensoren 24, 26 als Unterdrosselspulen, wodurch ein Schaltverlust reduziert wird. Das Elektromotorsystem 100 kann den Schaltverlust ohne irgendwelche dedizierten bzw. zweckbestimmten Unterdrosselspulen unterdrücken bzw. niederhalten. Das heißt, dass das Elektromotorsystem 100 den Schaltverlust mit einer verringerten Anzahl von Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen Techniken reduzieren kann.
  • <Abwandlung von Stromsensor>
  • Der erste und der zweite Stromsensor 24, 26, die in dem Leistungswandler (dem Aufwärtswandler 10) des ersten Ausführungsbeispiels bereitgestellt sind, sind vom Hall-Element-Typ. Der hierin offenbarte Leistungswandler muss jedoch lediglich mit einem Magnetismussammelringkern ausgestattet sein, und ein Stromsensor kann nicht vom Hall-Element-Typ sein. 10 zeigt eine Perspektivansicht eines Stromsensors gemäß einer Abwandlung. Ein Stromsensor 124 von 10 ist von einem Spulentyp. Der Spulentyp-Stromsensor 124 umfasst einen Magnetismussammelringkern 124b, durch den der erste Leiter 23 eingefügt bzw. eingebracht ist, und eine Spule 124c, die auf den Magnetismussammelringkern 124b gewickelt ist. Ein Magnetfluss B1 wird in dem ersten Magnetismussammelringkern 124b durch einen Strom IL1 erzeugt, der in dem ersten Leiter 23 fließt. Die Steuereinheit 54 lässt Strom Ic1 in der Spule 124c fließen, die auf den Magnetismussammelringkern 124b gewickelt ist. Dieser Strom Ic1 erzeugt einen Magnetfluss Bc in dem Magnetismussammelringkern 124b in einer Richtung, die den Magnetfluss B1 aufhebt (alternativ in einer Richtung, die den Magnetfluss B1 vergrößert). Ein/e Betrag/Größe des Magnetflusses Bc ist proportional zu einer Größe/Stärke des Stroms Ic1 , der in der Spule 124c fließt. Der Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt, kann aus einem Strom zu einer Zeit, zu der der Magnetfluss des Magnetismussammelringkerns 124b null wird, und einer Anzahl von Wicklungen und einem Widerstand 124d der Spule 124c gemessen werden. Der Stromsensor von 10 kann anstelle des ersten Stromsensors 24 und des zweiten Stromsensors 26 bei den Ausführungsbeispielen verwendet werden.
  • <Aufhebung von Fehlern von zwei Stromsensoren>
  • Als nächstes werden Fehler in Stromsensoren beschrieben. Wie es vorstehend beschrieben ist, erfasst die Steuereinheit 54 den Strom ILm, der in der Drosselspule 22 fließt, durch Addition des durch den ersten Stromsensor 24 gemessenen Stroms IL1 und des durch den zweiten Stromsensor 26 gemessenen Stroms IL2. Jeder der Stromsensoren kann einen Offset- bzw. Versatzfehler aufweisen. Nachstehend wird hierin ein Mechanismus beschrieben, der Offset- bzw. Versatzfehler durch Addition von Messwerten von zwei Stromsensoren aufhebt bzw. auslöscht.
  • Der Leistungswandler (der Aufwärtswandler 10) des ersten Ausführungsbeispiels verwendet den ersten und den zweiten Stromsensor 24, 26 des Hall-Element-Typs, wie es in 3 gezeigt ist. Ein Beispiel des Offsetfehlers wird mit dem ersten Stromsensor 24 des Hall-Element-Typs beschrieben, der in 3 gezeigt ist.
  • Der erste Stromsensor 24 detektiert den Strom IL1, der in dem ersten Leiter 23 fließt, der in den ersten Magnetismussammelringkern 24b eingefügt bzw. eingebracht ist. In diesem Fall wird die in dem Hall-Element 24h erzeugte Spannung Vout1 berechnet durch K×Ib1×B1+Voffset, wobei B1 ein Magnetfluss ist, der in dem ersten Magnetismussammelringkern 24b durch den Strom IL1 erzeugt wird, K eine Proportionalitätskonstante ist, Ib1 ein konstanter Strom ist, den die Steuereinheit 54 in dem Hall-Element 24h fließen lässt, und Voffset eine Spannung ist, die erzeugt wird, wenn ein Eingangssignal an das Hall-Element 24h null ist. Diese Spannung Voffset ist ein Fehler (Offset- bzw. Versatzfehler), den das Hall-Element 24h aufweist. Ein Wert des Offsetfehlers Voffset wird abhängig von Eigenschaften eines Wafers bestimmt, aus dem das Hall-Element 24h herausgeschnitten wurde, weshalb eine Schwankung in Werten des Offsetfehlers Voffset unter Hall-Elementen, die aus einem gleichen Wafer hergestellt sind, sehr gering ist. Als solches ist in einem Fall, in dem das Hall-Element 26h des zweiten Stromsensors 26 aus dem gleichen Wafer wie das Hall-Element 24h hergestellt ist, ein Offsetfehler des zweiten Stromsensors 26 im Wesentlichen gleich dem Offsetfehler des ersten Stromsensors 24. Die in dem Hall-Element 26h erzeugte Spannung Vout2 wird berechnet durch K×Ib1×B2+Voffset, wobei B2 ein Magnetfluss ist, der in dem zweiten Magnetismussammelringkern 26b durch den Strom IL2 erzeugt wird, der in dem zweiten Leiter 25 fließt, und Ib1 ein konstanter Strom ist, den die Steuereinheit 54 in dem Hall-Element 26h fließen lässt, welcher gleich demjenigen in dem Hall-Element 24h ist. Wenn die Spannung Vout1 und die Spannung Vout2 addiert werden, wie sie sind, wird der Offsetfehler Voffset verdoppelt, wodurch der Fehler groß wird.
  • In dem Aufwärtswandler 10 des ersten Ausführungsbeispiels kann die Aufhebung bzw. Auslöschung der Offsetfehler erzielt werden, indem eine bestimmte Anordnung des ersten und des zweiten Stromsensors 24, 26 konzipiert wird, und ferner eine Differenzgewinnungseinrichtung eingefügt wird. Eine Anordnung der Stromsensoren zum Aufheben bzw. Auslöschen der Offsetfehler ist in 11 gezeigt. Der erste Stromsensor 24 ist eingerichtet zum Ausgeben eines positiven Werts, wenn der Strom von der Drosselspule 22 in Richtung des ersten Zwischenpunkts 27 fließt, und der zweite Stromsensor 26 ist eingerichtet zum Ausgeben eines negativen Werts, wenn der Strom von der Drosselspule 22 in Richtung des zweiten Zwischenpunkts 28 fließt. Mit anderen Worten sind der erste Stromsensor 24 und der zweite Stromsensor 26 derart angeordnet, dass ihre Ausgangswerte ein Plusvorzeichen und ein Minusvorzeichen aufweisen, die entgegengesetzt zueinander sind, wenn Ströme in dem ersten Leiter 23 und dem zweiten Leiter 25 jeweils in der gleichen Richtung fließen. Mit noch anderen Worten sind der erste Stromsensor 24 und der zweite Stromsensor 26 derart angeordnet, dass ihre Ausgaben entgegengesetzte Polarität (entgegengesetzte Charakteristiken) aufweisen, wenn Ströme in dem ersten Leiter 23 und dem zweiten Leiter 25 jeweils in der gleichen Richtung fließen.
  • Im Speziellen, wie es in 11 gezeigt ist, sind der erste Stromsensor 24 und der zweite Stromsensor 26 im Hinblick auf Geometrie in der gleichen Art und Weise angeordnet. Andererseits fließen Bias- bzw. Vormagnetisierungsströme Ib1 in dem Hall-Element 24h des ersten Stromsensors 24 und dem Hall-Element 26h des zweiten Stromsensors 26 jeweils in entgegengesetzten Richtungen. In dem Beispiel von 11 fließt der Biasstrom Ib1 in einer +X-Richtung in dem Hall-Element 24h des ersten Stromsensors 24, und fließt der Biasstrom Ib1 in einer - X-Richtung in dem Hall-Element 26h des zweiten Stromsensors 26, in einem Koordinatensystem der Zeichnung. In diesem Fall, wenn Ströme in der gleichen Richtung (Ströme, die von der Drosselspule 22 in Richtung der Zwischenpunkte fließen) in dem ersten Leiter 23 und dem zweiten Leiter 25 fließen, ist die Ausgabe von einem der Stromsensoren (z.B. dem ersten Stromsensor 24) ein positiver Wert und ist die Ausgabe von dem anderen der Stromsensoren (z.B. dem zweiten Stromsensor 26) ein negativer Wert.
  • Gemäß der vorstehenden Darlegung ist die in dem Hall-Element 24h erzeugte Spannung Vout1 gleich Vout1=K×Ib1×B1+Voffset, wobei B1 ein Magnetfluss ist, der in dem ersten Magnetismussammelringkern 24b erzeugt wird, wenn der Strom IL1 von der Drosselspule 22 in Richtung des Zwischenpunkts 27 fließt. Ferner ist die in dem Hall-Element 26h erzeugte Spannung Vout2 gleich Vout2= -K×Ib1×B2+Voffset, wobei B2 ein Magnetfluss ist, der in dem zweiten Magnetismussammelringkern 26b erzeugt wird, wenn der Strom IL2 von der Drosselspule 22 in Richtung des zweiten Zwischenpunkts 28 fließt. Die Vorzeichen von Vout1 und Vout2 sind entgegengesetzt zueinander, da die Richtungen der Biasströme Ib1 in dem ersten Stromsensor 24 und dem zweiten Stromsensor 26 entgegengesetzt sind. In diesem Fall kann der Strom, der in der Drosselspule 22 fließt, durch eine Differenz zwischen der Ausgabe Vout1 des ersten Stromsensors 24 und der Ausgabe Vout2 des zweiten Stromsensors 26 erhalten werden. In dem Beispiel von 11 wird die Differenz zwischen Vout1 und Vout2 durch eine Differenzgewinnungseinrichtung 52 erhalten, und wird ein Ergebnis hiervon an die Steuereinheit 54 eingegeben. Durch Erhalten der Differenz zwischen Vout1 und Vout2 können die Offsetfehler Voffset der zwei Stromsensoren 24, 26 aufgehoben bzw. ausgelöscht werden. Der Strom, der in der Drosselspule 22 fließt, kann mit hoher Genauigkeit gemessen werden, indem die Komponentenanordnung und die Differenzgewinnungseinrichtung 52, die in 11 gezeigt sind, auf die Leistungswandler der Ausführungsbeispiele (wie etwa den Aufwärtswandler 10 und den Bidirektionalwandler 10a) angewandt werden.
  • Sensoren haben generell Offsetfehler. Daher können Offsetfehler von Stromsensoren reduziert werden, indem zwei Stromsensoren so angeordnet werden, dass sie entgegengesetzte Charakteristiken aufweisen, und eine Differenzgewinnungseinrichtung eingefügt wird, selbst wenn die Stromsensoren von einem anderen Typ als dem Hall-Element-Typ sind.
  • Ein Leistungswandler kann umfassen: ein erstes und ein zweites Schaltelement, die parallel zueinander geschaltet sind, eine erste und eine zweite Diode, die mit positiven Anschlüssen der Schaltelemente verbunden sind, einen ersten und einen zweiten Stromsensor, eine Drosselspule und eine Steuereinheit, die das erste und das zweite Schaltelement abwechselnd einschaltet. Ein Ende der Drosselspule kann mit einem ersten und einem zweiten Zwischenpunkt verbunden sein. Der erste und der zweite Stromsensor können Ströme detektieren, die zwischen der Drosselspule und dem ersten Zwischenpunkt beziehungsweise zwischen der Drosselspule und dem zweiten Zwischenpunkt fließen. Der erste und der zweite Stromsensor können einen ersten beziehungsweise einen zweiten Magnetismussammelringkern umfassen, in den ein erster Leiter zwischen der Drosselspule und dem ersten Zwischenpunkt beziehungsweise ein zweiter Leiter zwischen der Drosselspule und dem zweiten Zwischenpunkt eingefügt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2018135596 [0001]

Claims (3)

  1. Leistungswandler (10, 10a) mit: einem ersten Schaltelement (31); einem zweiten Schaltelement (32), das mit dem ersten Schaltelement (31) parallel geschaltet ist; einer ersten Diode (43), die mit einem positiven Anschluss des ersten Schaltelements (31) verbunden ist; einer zweiten Diode (44), die mit einem positiven Anschluss des zweiten Schaltelements (32) verbunden ist; einer Drosselspule (22), die ein Ende mit einem ersten Zwischenpunkt (27) und einem zweiten Zwischenpunkt (28) verbunden hat, wobei der erste Zwischenpunkt (27) ein Zwischenpunkt in einer Reihenschaltung des ersten Schaltelements (31) und der ersten Diode (43) ist, und wobei der zweite Zwischenpunkt (28) ein Zwischenpunkt in einer Reihenschaltung des zweiten Schaltelements (32) und der zweiten Diode (44) ist; einem ersten Stromsensor (24, 124), der konfiguriert ist zum Detektieren eines Stroms, der zwischen der Drosselspule (22) und dem ersten Zwischenpunkt (27) fließt; einem zweiten Stromsensor (26), der konfiguriert ist zum Detektieren eines Stroms, der zwischen der Drosselspule (22) und dem zweiten Zwischenpunkt (28) fließt; und einer Steuereinheit (54), die konfiguriert ist zum abwechselnden Einschalten des ersten Schaltelements (31) und des zweiten Schaltelements (32), wobei der erste Stromsensor (24, 124) einen ersten Magnetismussammelringkern (24b, 124b) aufweist, in den ein erster Leiter (23) zwischen der Drosselspule (22) und dem ersten Zwischenpunkt (27) eingefügt ist, und der zweite Stromsensor (26) einen zweiten Magnetismussammelringkern (26b) aufweist, in den ein zweiter Leiter (25) zwischen der Drosselspule (22) und dem zweiten Zwischenpunkt (28) eingefügt ist.
  2. Leistungswandler (10, 10a) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Stromsensor (24, 124) so eingerichtet ist, dass er einen positiven Wert ausgibt, wenn ein Strom von der Drosselspule (22) an den ersten Zwischenpunkt (27) fließt, der zweite Stromsensor (26) so eingerichtet ist, dass er einen negativen Wert ausgibt, wenn ein Strom von der Drosselspule (22) an den zweiten Zwischenpunkt (28) fließt, und der Leistungswandler (10, 10a) zusätzlich eine Differenzgewinnungseinrichtung (52) aufweist, die konfiguriert ist zum Erfassen einer Differenz zwischen einer Ausgabe von dem ersten Stromsensor (24, 124) und einer Ausgabe von dem zweiten Stromsensor (26).
  3. Elektromotorsystem (100) mit dem Leistungswandler (10, 10a) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Schaltelement (31) und das zweite Schaltelement (32) als Unterer-Arm-Schaltelemente eines Inverters (110) bereitgestellt sind, die erste Diode (43) und die zweite Diode (44) als Freilaufdioden von Oberer-Arm-Schaltelementen (33, 34) des Inverters (110) bereitgestellt sind, und die Drosselspule (222a, 222b, 222c) ein Wicklungsdraht eines Elektromotors (130) ist.
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