DE112016000486T5 - Spannungswandler und Spannungswandlungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Ein Spannungswandler und ein Spannungswandlungsverfahren werden bereitgestellt, bei welchen es auch unmittelbar nach dem Umschalten einer Schaltfrequenz möglich ist, eine Fluktuation der Ausgabespannung zu unterdrücken, und es möglich ist, eine konstante Spannung in einer stabilen Art auszugeben. Wenn die Schaltfrequenz von einer ersten Frequenz auf eine zweite Frequenz umgeschaltet wird, wird eine relative Einschaltdauer in einem ersten Zyklus eines PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten so geändert, dass sie kleiner als die relative Einschaltdauer vor dem Schalten ist. Die Größe der Änderungen wird in diesem Fall so eingestellt, dass ein unterer Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz dem unteren Grenzwert im stationären Zustand entspricht. Mit dieser Art der Änderung wird eine Erhöhung bei dem Spulenstrom unmittelbar nach dem Umschalten unterdrückt, die Fluktuation der Ausgabespannung wird unterdrückt und eine stabile konstante Spannung wird an die Last ausgegeben.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler und ein Spannungswandlungsverfahren, das durch An- und Ausschalten eines Schaltelements mit einem PWM-Signal eine eingegebene Spannung transformiert und die transformierte Spannung an eine Last ausgibt.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Bei einer Vorrichtung, die eine Batterie als eine Stromquelle verwendet, wird häufig ein DC/DC-Wandler als ein Stromversorgungsschaltkreis zum Zuführen eines Stroms an eine Last vorgesehen. Der DC/DC-Wandler umfasst ein Schaltelement und eine Spule, und transformiert (erhöht oder verringert) durch An- und Ausschalten des Schaltelements anhand eines PWM-Signals die Spannung aus der Batterie und gibt die transformierte Spannung an eine Last aus. Mit dem DC/DC-Wandler kann, selbst wenn die Spannung der externen Batterie fluktuiert, durch Transformieren (Erhöhen oder Verringern) der Spannung von der Batterie eine konstante Spannung an die Last angelegt werden.
  • Als Steuerungsschema zum Stabilisieren der Ausgabespannung des DC/DC-Wandlers ist ein Spannungsmodus-Steuerungsschema mit Rückkopplung der Ausgabespannung, ein Strommodus-Steuerungsschema mit Rückkopplung eines Ausgabestroms zusammen mit der Ausgabespannung und dergleichen bekannt.
  • Patentdokument 1 offenbart eine Technik zum Umschalten einer Schaltfrequenz für die Schaltelemente gemäß dem Ausgabestrom, um einen DC/DC-Wandler zu realisieren, der geeignet, einen Ripple-Stroms zu unterdrücken und eine hohe Transformationseffizienz aufrechtzuerhalten.
  • VORBEKANNTE TECHNISCHE DOKUMENTE
  • NICHT-PATENTDOKUMENTE
  • Patentdokument 1: JP H10-323027 A
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • TECHNISCHE AUFGABEN
  • Jedoch gibt es in einem Fall des Umschaltens der Schaltfrequenz, wie bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen DC/DC-Wandler, ein Problem, dass die Ausgabespannung unmittelbar nach dem Umschalten stark fluktuiert. Die Ausgabespannung des DC/DC-Wandlers wird über einen Mittelwert eines durch die Spule fließenden Spulenstroms bestimmt, und unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz ist der Spulenstrom größer als der Spulenstrom im stationären Zustand, so dass die Ausgabespannung ebenfalls erhöht ist. Daher gibt es das Problem, dass eine konstante Spannung nicht stabil an die Last ausgegeben werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der voranstehenden Umstände gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannungswandler und ein Spannungswandlungsverfahren bereitzustellen, bei dem es auch unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz möglich ist, die Fluktuation der Ausgabespannung zu unterdrücken, und es möglich ist, eine konstante Spannung in einer stabilen Art an die Last auszugeben.
  • MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
  • Ein Spannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Spannungswandler, welche ein Schaltelement, eine Spule und einen Ansteuerungsschaltkreis aufweist, wobei der Spannungswandler durch Anschalten oder Ausschalten des Schaltelements mit dem Ansteuerungsschaltkreis mit einem PWM-Signal einen Spulenstrom erzeugt, um eine eingegebene Spannung zu transformieren und die transformierte Spannung an eine Last auszugeben, wobei der Spannungswandler ein Schaltmittel zum Umschalten einer Schaltfrequenz des Ansteuerungsschaltkreises gemäß der Größe des an die Last ausgegebenen Stroms; und ein Änderungsmittel zum Ändern einer Wellenform des PWM-Signals aufweist, wenn das Schaltmittel die Schaltfrequenz umschaltet, wobei das Änderungsmittel eine Einschaltdauer des PWM-Signals ändert und die Schaltelemente an- oder ausschaltet.
  • Ein Spannungswandlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Spannungswandlungsverfahren, das mit einem Spannungswandler durchgeführt wird, der ein Schaltelement, eine Spule und einen Ansteuerungsschaltkreis aufweist, wobei der Spannungswandler durch Anschalten und Ausschalten des Schaltelements mit dem Ansteuerungsschaltkreis mit einem PWM-Signal einen Spulenstrom erzeugt, der eine eingegebene Spannung transformiert und die transformierte Spannung an eine Last ausgibt, wobei das Spannungswandlungsverfahren ein Ändern einer Wellenform des PWM-Signals, wenn eine Schaltfrequenz des Ansteuerungsschaltkreises gemäß der Größe des Ausgabestroms an die Last umgeschaltet wird, ein Ändern einer Einschaltdauer des PWM-Signals; und Anschalten/Ausschalten des Schaltelements aufweist.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wellenform des PWM-Signals geändert, wenn die Schaltfrequenz für die Schaltelemente umgeschaltet wird. Durch diese Änderung wird eine Erhöhung des Mittelwerts bei dem Spulenstrom unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz unterdrückt, und die Fluktuation der Ausgabespannung unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz wird unterdrückt.
  • Bei dem Spannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung stellt das Änderungsmittel eine Größe der Änderung der Wellenform des PWM-Signals ein, so dass ein unterer Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz dem unteren Grenzwert im stationären Zustand entspricht.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Größe der Änderung der Wellenform des PWM-Signals so eingestellt, dass ein unterer Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz dem unteren Grenzwert im stationären Zustand entspricht. Daher wird eine Erhöhung bei dem Mittelwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz effizient unterdrückt.
  • Bei dem Spannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Größe der Änderung der Wellenform des PWM-Signals, das das Änderungsmittel ändert, zumindest eines aus der Einschaltdauer des PWM-Signals und einer relativen Einschaltdauer („duty ratio“) des PWM-Signals.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist die Größe der Änderung der Wellenform des sich änderten PWM-Signals zumindest eines aus der Einschaltdauer des PWM-Signals, der relativen Einschaltdauer des PWM-Signals und der Frequenz des PWM-Signals. Daher wird die Fluktuation der Ausgabespannung unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz zuverlässig unterdrückt.
  • Bei dem Spannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ändert das Änderungsmittel die Wellenform nur in einem Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wellenform des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz in nur einem einzelnen Zyklus des PWM-Signals geändert. Daher wird die Fluktuation in der Ausgabespannung unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz schnell unterdrückt.
  • Bei dem Spannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ändert das Änderungsmittel die Wellenform in mehreren Zyklen des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wellenform des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz in mehreren Zyklen des PWM-Signals geändert. Daher wird die Fluktuation in der Ausgabespannung ohne eine große Fluktuation unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz unterdrückt.
  • Bei dem Spannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wenn die Schaltfrequenz mit dem Schaltmittel umgeschaltet wird, die Einschaltdauer des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten kürzer als die Einschaltdauer des PWM-Signals unmittelbar vor dem Umschalten.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Einschaltdauer des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz kürzer eingestellt als die Einschaltdauer unmittelbar vor dem Umschalten. Daher wird die Fluktuation der Ausgabespannung unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz zuverlässig unterdrückt.
  • EFFEKT DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, weil die Wellenform des PWM-Signals geändert wird, wenn die Schaltfrequenz umgeschaltet wird, auch unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz die Fluktuation der Ausgabespannung zu unterdrücken, und es ist möglich, eine konstante Spannung an die Last in einer stabilen Art auszugeben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Konfiguration eines Spannungswandlers gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist ein Blockschaltbild, das eine funktionale Konfiguration einer Steuereinheit in dem Spannungswandler zeigt.
  • 3 ist ein Timing-Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz, einem PWM-Signal und einem Spulenstrom gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
  • 4 ist ein Timing-Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz, einem PWM-Signal und einem Spulenstrom gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Timing-Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz, einem PWM-Signal und einem Spulenstrom vor und nach dem umschalten der Schaltfrequenz zeigt, um zu erklären, wie eine Größe der Änderung abgeleitet wird.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsvorgang des Spannungswandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsvorgang (eine Unterroutine des Schritts S1) des Einschaltdauerberechnungsvorgangs zeigt.
  • 8 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsvorgang (eine Unterroutine des Schritts S2) des Frequenzumschaltvorgangs zeigt.
  • 9 ist ein Timing-Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz, einem PWM-Signal und einem Spulenstrom gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 10 ist ein Timing-Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz, einem PWM-Signal und einem Spulenstrom gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden wird eine ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren gegeben, welche die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine exemplarische Konfiguration eines Spannungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2 ist ein Blockschaltbild, das eine funktionale Konfiguration einer Steuereinheit 2 in dem Spannungswandler zeigt. Der in der 1 gezeigte Spannungswandler umfasst beispielsweise einen DC/DC-Wandler 1, welcher die Spannung an einer externen Batterie 3 reduziert und diese reduzierte Spannung an eine Last 4 zuführt, und die Steuereinheit 2, welche ein PWM-Signal an den DC/DC-Wandler 1 überträgt.
  • Der DC/DC-Wandler 1 umfasst ein Schaltelement 11, welches mit einem Ende mit der Batterie 3 verbunden ist, ein zweites Schaltelement 12 und eine Spule 13, welche jeweils mit einem Ende mit dem anderen Ende des Schaltelements 1 verbunden sind, einen Widerstand 14, welcher mit einem Ende mit dem anderen Ende der Spule 13 verbunden ist, und eine Kapazität 15, welche zwischen dem einen Ende des Widerstands 14 und der Masse verbunden ist. Das andere Ende des zweiten Schaltelements 12 ist mit der Masse verbunden. Die Last 4 ist eingerichtet, zwischen den beiden Enden der Kapazität 15 verbunden zu werden. Das Schaltelement 11 und das zweite Schaltelement 12 sind beispielsweise N-Kanal-MOSFETs, die jeweils ihren Drain an ihrem einen Ende aufweisen.
  • Der DC/DC-Wandler 1 umfasst auch einen Ansteuerungsschaltkreis 16, welcher ein Steuersignal überträgt, das das Schaltelement 11 und das zweite Schaltelement 12 an- bzw. ausschaltet. Der Ansteuerungsschaltkreis 16 überträgt entsprechend ein PWM-Signal, das von der Steuereinheit 2 übertragen wird, und ein PWM-Signal, das entgegengesetzt zu diesem PWM-Signal ist, an die Gates des Schaltelements 11 und des zweiten Schaltelements 12.
  • Die Steuereinheit 2 hat eine CPU 21, und die CPU 21 ist über einen Bus an einen ROM 22, welcher Informationen, wie beispielsweise ein Programm, speichert, einen RAM 23, welcher temporär erzeugte Informationen speichert, und einen Timer 24 verbunden, welcher verschiedene Zeitspannen, wie beispielsweise eine PWM-Steuerung, taktet.
  • Die CPU 21 ist über einen Bus auch mit einem PWM-Schaltkreis 25, welcher ein PWM-Signal erzeugt, das an den Ansteuerungsschaltkreis 16 übertragen wird, einem A/D-Wandlungsschaltkreis 26, welcher eine Spannung über beide Enden des Widerstands 14 erfasst und einen Strom, welcher durch den Widerstand 14 fließt, in einen digitalen Stromwert gewandelt, und einem A/D-Wandlungsschaltkreis 27 verbunden, der Spannung über beide Enden der Kapazität 15 in einen digitalen Spannungswert gewandelt.
  • Die Steuereinheit 2 realisiert in 2 eine Funktion eines Spannungsreglers 28 (engl.: voltage loop controller) zum Steuern der Ausgabespannung, die von den DC/DC-Wandler 1 an die Last 4 durch eine sogenannte "Spannungsmodus-Steuerung" auszugeben ist. In der Zeichnung repräsentiert das Symbol "○" einen Subtrahierer.
  • Anhand einer Abweichung, die durch Subtrahieren eines digitalen Spannungswerts Vo, welcher durch Wandeln der an die Last 4 ausgegeben en Ausgabespannung mit dem A/D-Wandlungsschaltkreis 27 erlangt wird, von einem Zielspannungswert Vref erlangt wird, kalkuliert der Spannungsregler 28 eine Einschaltdauer für das PWM-Signal und gibt die berechnete Einschaltdauer an den PWM-Schaltkreis 25 aus. Der PWM-Schaltkreis 25 erzeugt ein PWM-Signal, das eine relative Einschaltdauer entsprechend der übertragenen Einschaltdauer aufweist.
  • Bei dem Spannungswandler, der eine solche Ausführungsform aufweist, werden die Schaltfrequenzen für das Schaltelement 11 und das zweite Schaltelement 12 entsprechend der Größe des Ausgabestroms an die Last 4 geschaltet, um in eine gute Spannungswandlungseffizienz zu resultieren. Beispielsweise wird, wenn der Ausgabestrom 20 A oder mehr ist, die Schaltfrequenz auf 150 kHz eingestellt, und wenn der Ausgabestrom weniger als 20 A ist, wird die Schaltfrequenz auf 100 kHz eingestellt.
  • Wenn die Schaltfrequenz in dieser Art umgeschaltet wird, wird unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz der durch die Spule 13 fließende Spulenstrom größer als der Spulenstrom im stationären Zustand, und die Ausgabespannung, welche proportional zum Mittelwert des Spulenstroms ist, vergrößert sich ebenfalls und fluktuiert.
  • Daher wird bei dem Spannungswandler der vorliegenden Erfindung durch Änderung (Korrektur) der Wellenform des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz eine solche Fluktuation der Ausgabespannung, die durch Umschalten der Schaltfrequenz erzeugt wird, unterdrückt.
  • 3 und 4 sind Timing-Charts, die eine Beziehung zwischen den Schaltfrequenzen, dem PWM-Signal und dem Spulenstrom vor und nach dem Umschalten der Schaltfrequenz zeigen, wobei 3 ein Vergleichsbeispiel (ein herkömmliches Beispiel) zeigt, in welchem eine Änderung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht durchgeführt wird, und 4 ein Beispiel gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In beiden Beispielen wird die Schaltfrequenz von 150 kHz auf 100 kHz bei der Zeit A umgeschaltet.
  • Bei dem Vergleichsbeispiel (herkömmliches Beispiel), das in der 3 gezeigt ist, ist die relative Einschaltdauer in dem PWM-Signal unmittelbar nach dem Umschalten die gleiche wie vor dem Umschalten, und es wird keine Änderung durchgeführt. Daher wird der Spulenstrom unmittelbar nach dem Umschalten groß, und sein Mittelwert (dargestellt durch die gestrichelte Linie a) vergrößert sich im Vergleich zu dem Mittelwert bei einem stationären Zustand (dargestellt durch die durchgängige Linie b). Daher fluktuiert die Ausgabespannung stark.
  • Andererseits wird bei dem in der 4 gezeigten Beispiel der vorliegenden Erfindung die Änderung in dem Spulenstrom, die das Umschalten der Schaltfrequenz begleitet, vorausberechnet, und die relative Einschaltdauer in einem Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten wird geändert, so dass der untere Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten dem unteren Grenzwert des Spulenstroms im stationären Zustand (dargestellt durch die gestrichelte Linie c) entspricht. Insbesondere wird die Korrektur derart durchgeführt, dass in dem ersten Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten die relative Einschaltdauer geringer als vor dem Umschalten ist. Daher vergrößert sich der Spulenstrom unmittelbar nach dem Umschalten nicht stark, und der Grad der Erhöhung des Mittelwerts (dargestellt durch die gestrichelte Linie d) mit Bezug auf den Mittelwert im stationären Zustand (dargestellt durch die durchgängige Linie e) ist gering. Daher wird die Fluktuation der Ausgabespannung unterdrückt.
  • Im Folgenden wird eine Beschreibung der spezifischen Werte der Größe der Änderung in dem PWM-Signal unmittelbar nach dem Umschalten erklärt, d. h. die spezifischen Werte der relativen Einschaltdauer nach der Änderung unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz und der Einschaltdauer nach der Änderung.
  • Das Lastverhältnis D' nach der Änderung wird mit die folgende Formel (1) berechnet. D' = [D(1 – D)/2 × (1/F1) + D(1 + D)/2 × (1/F2)] × F2 (1) Man beachte: F1 stellt die Schaltfrequenz vor dem Umschalten dar, F2 stellt die Schaltfrequenz nach dem Umschalten dar und D repräsentiert die relative Einschaltdauer vor der Änderung.
  • Die Einschaltdauer ON' nach der Änderung wird durch D' × (1/F2) erlangt, so dass durch Substituieren einer Beziehung, bei der D = ON × F1 ist, wobei ON die Einschaltdauer vor der Änderung darstellt, in die Formel 1, ON' durch die folgende Formel (2) berechnet wird. ON' = [ON × F1 × (1 – ON × F1)]/(2 × F1) + [ON × F1 × (1 + ON × F1)]/(2 × F2) (2)
  • Der Vorgang des Ableitens der voranstehenden Formeln wird mit Bezug auf 5 beschrieben. Die Beziehung zwischen der Schaltfrequenz, dem PWM-Signal und des Spulenstroms vor und nach dem Umschalten der Schaltfrequenz ist wie in der 5 ausgedrückt, wobei die Breite der Erhöhung des Spulenstroms vor dem Umschalten der Schaltfrequenz durch Iα repräsentiert wird und die Breite der Erhöhung des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz durch (Iα/2) + Iβ repräsentiert wird. Man beachte, dass in 5 Tβ ein Teil der Einschaltdauer unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz repräsentiert.
  • In 5 ist, wenn man die Zeit unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz von F1 auf F2 betrachtet, zunächst die Flanke des Spulenstroms während eines Aus-Zustands (1 – D)/D mal der Flanke des Spulenstroms während einer Einschaltdauer, so dass ein Zyklus von 1/F2 nach dem Umschalten durch die folgende Formel (3) erlangt wird. 1/F2 = (D/2) × (1/F1) + Tβ + [(1 – D)/D] × Tβ + [(1 – D)/2] × (1/F2) (3)
  • Die relative Einschaltdauer nach der Änderung wird durch die Einschaltdauer geteilt durch den Zyklus angeben, so dass die relative Einschaltdauer D' nach der Änderung durch die folgende Formel (4) erlangt wird. D' = [(D/2) × (1/F1) + Tβ] × F2 (4)
  • Wenn die voranstehende Formel (3) nach Tβ aufgelöst wird, erhält man die folgende Formel (5). Tβ = [D (1 + D)/2] × (1/F2) – (D2/2) × (1/F1) (5)
  • Durch Einsetzen der Formel (5) in die Formel (4) erhält man die relative Einschaltdauer D' nach der Änderung wie folgt, und dadurch wird die voranstehende Formel (1) erlangt. D' = [(D/2) × (1/F1) + [D(1 + D)/2 × (1/F2) – (D2/2) × 1/F1)] × F2 = [D (1 – D)/2 × (1/F1) + D(1 + D)/2 × (1/F2)] × F2
  • Im Folgenden wird der Betrieb beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsvorgang des Spannungswandlers zeigt. Der in der 6 gezeigte Betrieb wird für jeden Steuerungszyklus der PWM-Steuerung durchgeführt und wird durch die CPU 21 gemäß einem zuvor in dem ROM 22 gespeicherten Steuerprogramm ausgeführt.
  • Der Betrieb des Spannungswandlers umfasst einen Einschaltdauer-Berechnungsvorgang (Schritt S1), welcher eine Rückkopplungs-Steuerung des PWM-Signals anhand der erfassten Ausgabespannung ist, und einen Frequenzumschaltvorgang (Schritt S2), bei dem es bestimmt wird, ob es notwendig ist, die Schaltfrequenz umzuschalten oder nicht, und, falls es notwendig ist, die Größe der Änderung in dem PWM-Signal berechnet wird und das Umschalten durchgeführt wird. Die CPU 21 führt diesen Vorgang aus. Im Folgenden wird eine ausführliche Beschreibung des Einschaltdauer-Berechnungsvorgangs (Schritt S1) und des Frequenzumschaltvorgangs (Schritt S2) beschrieben.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsvorgang des Einschaltdauer-Berechnungsvorgangs zeigt, der durch die CPU 21 durchgeführt wird, d. h. eine Unterroutine von Schritt S1 in 6.
  • Die CPU 21 benötigt den digitalen Spannungswert, der durch den die Ausgabespannung wandelnden A/D-Wandlungsschaltkreis 27 erhalten wird, die an die Last 4 ausgegeben wird (Schritt S11). Als Nächstes führt die CPU 21 anhand des erhaltenen Spannungswerts (Vo) der Ausgabespannung eine PID-Berechnung durch, so dass die Ausgabespannung ein Zielspannungswert (Vref) wird, wodurch die Berechnung der Einschaltdauer durchgeführt wird (Schritt S12). Die CPU 21 sendet die berechnete Einschaltdauer an den PWM-Schaltkreis 25 (Schritt S13) und beendet den Vorgang. Ein PWM-Signal wird durch den PWM-Schaltkreis 25 gemäß der gesendeten Einschaltdauer erzeugt.
  • 8 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsvorgang des Frequenzumschaltvorgangs zeigt, der durch die CPU 21 durchgeführt wird, d. h. eine Unterroutine des Schritts S2 in 6.
  • Die CPU 21 erhält den digitalen Stromwert, der durch den den Ausgabestrom wandelnden A/D-Wandlungsschaltkreis 26 erlangt wird, der an die Last 4 ausgegeben wird (Schritt S21). Die CPU 21 spezifiziert eine Schaltfrequenz, die für den Stromwert des erlangten Ausgabestroms angemessen ist (Schritt S22). Insbesondere spezifiziert die CPU 21, wenn der erlangte Stromwert mehr als 20 A ist, dass die Schaltfrequenz 150 kHz ist, und wenn der erreichte Stromwert weniger als 20 A ist, spezifiziert die CPU 21 die Schaltfrequenz als 100 kHz.
  • Die CPU 21 bestimmt, ob die spezifizierte Schaltfrequenz mit der vorliegenden Schaltfrequenz übereinstimmt oder nicht (Schritt S23). Falls sie übereinstimmt (S23: JA), beendet die CPU 21 den Vorgang.
  • Andererseits berechnet die CPU 21, falls sie nicht übereinstimmen (S23: NEIN), gemäß der voranstehenden Formel (2) unter Verwendung der Einschaltdauer vor der Änderung, der vorliegenden Schaltfrequenz (die Schaltfrequenz vor der Änderung) und der spezifizierte Schaltfrequenz (die Schaltfrequenz nach der Änderung) die Einschaltdauer nach der Änderung (Schritt S24). Dann schaltet die CPU 21 die vorliegende Schaltfrequenz auf die spezifizierte Schaltfrequenz (Schritt S25) und beendet den Vorgang. Die Einschaltdauer in dem ersten Zyklus unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz des PWM-Signals ist die Einschaltdauer, die in Schritt S24 berechnet wird.
  • In der ersten Ausführungsform werden, wie voranstehend beschrieben, wenn die Schaltfrequenz für die Schaltelemente 11 und 12 umgeschaltet wird, um die Wandlungseffizienz der Spannung aus der Batterie 3 zu erhöhen, die Eigenschaften (Einschaltdauer) der Wellenformen des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten geändert, so dass es möglich ist, eine Erhöhung in dem Spulenstrom unmittelbar nach dem Umschalten zu unterdrücken, welche durch dieses Umschalten verursacht wird, und es ist daher möglich, die Fluktuation der Ausgabespannung zu unterdrücken, so dass eine konstante Spannung an die Last 4 in einer stabilen Art ausgegeben werden kann.
  • Zweite Ausführungsform
  • Im Folgend wird eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Man beachte, dass die Konfiguration des Spannungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform die gleiche ist wie die Konfiguration des Spannungswandlers gemäß der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform (1 und 2).
  • Bei der vorausstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird nur die Einschaltdauer in einem Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz geändert, aber in der zweiten Ausführungsform wird die Einschaltdauer in mehreren Zyklen des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz geändert. Die zweite Ausführungsform wird bevorzugt, wenn eine Rückkopplungs-Steuerung anhand der Ausgabespannung nicht für jeden Zyklus des PWM-Signals durchgeführt wird.
  • 9 ist ein Timing-Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Schaltfrequenz, dem PWM-Signal und dem Spulenstrom gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie bei der ersten Ausführungsform wird die Schaltfrequenz von 150 kHz auf 100 kHz bei der Zeit A geschaltet. Dabei wird in dem in der 9 gezeigten Beispiel die Einschaltdauer über zwei Zyklen unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz geändert. D. h., in dem ersten Zyklus unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz wird die Einschaltdauer um –0,2 µs geändert, so dass der obere Grenzwert des Spulenstroms dem oberen Grenzwert im stationären Zustand entspricht, und in dem zweiten Zyklus wird die Einschaltdauer auf +0,1 µs geändert, so dass der untere Grenzwert des Spulenstroms dem unteren Grenzwert im stationären Zustand entspricht, und von dem dritten Zyklus an wird eine normale Steuerung durchgeführt.
  • Bei der zweiten Ausführungsform ist die Fluktuation der Ausgabespannung nicht in einer Richtung der Erhöhung, sondern in einer Richtung des Abnehmens, und daher wird es, wenn die Schaltfrequenz umgeschaltet wird, kein Problem geben, dass die obere Grenzspannung überschritten wird, die in den Spezifikationen angegeben ist.
  • Man beachte, dass bezogen auf die zu ändernde Einschaltdauer bevorzugt ein Übergang des Spulenstroms angenommen wird, wenn die Schaltfrequenz umgeschaltet wird, und anhand der Ergebnisse dieser Annahme die zu ändernde Einschaltdauer in der gleichen Art berechnet wird wie in der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform unter Verwendung der Schaltfrequenz vor dem Umschalten, der Schaltfrequenz nach dem Umschalten und der Einschaltdauer vor der Änderung, so dass der obere Grenzwert oder der untere Grenzwert des Spulenstroms dem oberen Grenzwert bzw. dem unteren Grenzwert im stationären Zustand entspricht.
  • Dritte Ausführungsform
  • Im Folgenden wird eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Man beachte, dass die Konfiguration des Spannungswandlers gemäß der dritten Ausführungsform die gleiche ist wie die Konfiguration des Spannungswandlers gemäß der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform (1 und 2).
  • Bei der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird die Einschaltdauer in einem Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz geändert, aber in der dritten Ausführungsform wird die Frequenz in einem Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz geändert.
  • 10 ist ein Timing-Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Schaltfrequenz, dem PWM-Signal und dem Spulenstrom gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Wie in der ersten Ausführungsform wird die Schaltfrequenz bei einer Zeit A umgeschaltet. Dabei wird in dem in der 10 gezeigten Beispiel nicht die Einschaltdauer in nur einem Zyklus unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz geändert, sondern es wird vielmehr die Frequenz des PWM-Signals auf 120 kHz gesetzt und dann wird von dem zweiten Zyklus an die Frequenz des PWM-Signals auf 100 kHz gesetzt.
  • In dieser Art wird bei der dritten Ausführungsform, um den unteren Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz so zu ändern, dass er an den unteren Grenzwert im stationären Zustand angeglichen ist, die Einschaltdauer des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz nicht geändert, sondern es wird vielmehr die Frequenz des PWM-Signals geändert.
  • Man beachte, dass hinsichtlich der Frequenz, die in dem ersten Zyklus unmittelbar nach dem Umschalten zu ändern ist, bevorzugt ein Übergang in dem Spulenstrom, wenn die Schaltfrequenz geschaltet wurde, angenommen wird, und anhand der Ergebnisse dieser Annahme wird die zu ändernde Frequenz in der gleichen Art wie in der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform unter Verwendung der Schaltfrequenz vor dem Umschalten, der Schaltfrequenz aus dem zweiten Zyklus nach dem Umschalten und der Einschaltdauer vor der Änderung berechnet, so dass der untere Grenzwert des Spulenstroms an den unteren Grenzwert im stationären Zustand angeglichen wird.
  • Vierte Ausführungsform
  • Bei der voranstehend beschriebenen dritten Ausführungsform wird die Einschaltdauer unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz fixiert, aber in einem Modus, in welchem die erste und dritte Ausführungsform kombiniert werden, ist es auch möglich, gleichzeitig die Einschaltdauer und die Frequenz unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz zu ändern und den unteren Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten auszurichten.
  • Man beachte, dass bei der ersten bis vierten Ausführungsform ein Fall beschrieben wird, in welchem die Schaltfrequenz von 150 kHz auf 100 kHz gemäß der Größe des Ausgabestroms geschaltet wird, aber dies ist als ein Beispiel zu sehen, und die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf einen Fall anwendbar, bei dem beispielsweise die Schaltfrequenz von 125 kHz auf 110 kHz geschaltet wird. D. h., die in dieser Beschreibung angegeben numerischen Werte der Schaltfrequenzen vor und nach dem Umschalten gemäß der Größe des Ausgabestroms sind die numerischen Werte sind lediglich Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist mit Änderungen von einem beliebigen numerischen Wert zu einem beliebigen numerischen Wert gemäß der Produktform des Spannungswandlers vereinbar, an der die Erfindung angewendet wird.
  • Man beachte, dass bei der ersten bis vierten Ausführungsform ein Fall beschrieben wird, der eine Spannungsmodus-Steuerung mit Rückkopplung einer erfassten Ausgabespannung verwendet, aber die vorliegende Erfindung ist genauso auf einen Fall anwendbar, der eine Strommodus-Steuerung mit Rückkopplung eines erfassten Ausgabestroms zusätzlich zu einer Ausgabespannung verwendet.
  • Es wird ebenfalls ein Fall beschrieben, bei dem ein DC/DC-Wandler 1 die Spannung der Batterie 3 reduziert und diese reduzierte Spannung an die Last 4 zuführt, aber ein DC/DC-Wandler kann ebenfalls die Spannung der Batterie 3 erhöhen oder die Spannung der Batterie 3 erhöhen oder reduzieren.
  • Die in dieser Anmeldung offenbarten Ausführungsformen sind in allen Punkten als beispielhaft und nicht beschränkend zu betrachten. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist vielmehr durch den Umfang der Ansprüche als durch die Bedeutung der voranstehenden Beschreibung gegeben, und alle Änderungen, die innerhalb dieser Bedeutung liegen und im Bereich der Äquivalenz der Ansprüche sind, sind beabsichtigt, darin umfasst zu sein. Auch können die technischen Merkmale, die in den jeweiligen Ausführungsformen beschrieben sind, miteinander kombiniert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    DC/DC-Wandler
    2
    Steuereinheit
    3
    Batterie
    4
    Last
    11, 12
    Schaltelement
    13
    Spule
    16
    Ansteuerungsschaltkreis
    21
    CPU
    22
    ROM
    23
    RAM
    25
    PWM-Schaltkreis
    26, 27
    A/D-Wandlungsschaltkreis
    28
    Spannungsregler

Claims (7)

  1. Spannungswandler, welcher ein Schaltelement, eine Spule und einen Ansteuerungsschaltkreis aufweist, wobei der Spannungswandler durch Anschalten oder Ausschalten des Schaltelements mit dem Ansteuerungsschaltkreis mit einem PWM-Signal einen Spulenstrom erzeugt, um eine eingegebene Spannung zu transformieren und die transformierte Spannung an eine Last auszugeben, wobei der Spannungswandler aufweist: ein Schaltmittel zum Umschalten einer Schaltfrequenz des Ansteuerungsschaltkreises gemäß der Größe des an die Last ausgegebenen Stroms; und ein Änderungsmittel zum Ändern einer Wellenform des PWM-Signals, wenn das Schaltmittel die Schaltfrequenz umschaltet; wobei das Änderungsmittel eine Einschaltdauer des PWM-Signals ändert und die Schaltelemente an- oder ausschaltet.
  2. Spannungswandler gemäß Anspruch 1, wobei das Änderungsmittel eine Größe der Änderung der Wellenform des PWM-Signals derart einstellt, dass ein unterer Grenzwert des Spulenstroms unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz dem unteren Grenzwert im stationären Zustand entspricht.
  3. Spannungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Größe der Änderung der Wellenform des PWM-Signals, das das Änderungsmittel ändert, zumindest eines aus der Einschaltdauer des PWM-Signals und einer relativen Einschaltdauer des PWM-Signals umfasst.
  4. Spannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Änderungsmittel die Wellenform nur in einem Zyklus des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz ändert.
  5. Spannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Änderungsmittel die Wellenform in mehreren Zyklen des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten der Schaltfrequenz ändert.
  6. Spannungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, wenn die Schaltfrequenz mit dem Schaltmittel umgeschaltet wird, die Einschaltdauer des PWM-Signals unmittelbar nach dem Umschalten kürzer ist als die Einschaltdauer des PWM-Signals unmittelbar vor dem Umschalten.
  7. Spannungswandlungsverfahren, das mit einem Spannungswandler durchgeführt wird, der ein Schaltelement, eine Spule und einen Ansteuerungsschaltkreis aufweist, wobei der Spannungswandler durch Anschalten und Ausschalten des Schaltelements mit dem Ansteuerungsschaltkreis mit einem PWM-Signal einen Spulenstrom erzeugt, der eine eingegebene Spannung transformiert und die transformierte Spannung an eine Last ausgibt, wobei das Spannungswandlungsverfahren aufweist: Ändern einer Wellenform des PWM-Signals, wenn eine Schaltfrequenz des Ansteuerungsschaltkreises gemäß der Größe des Ausgabestroms an die Last umgeschaltet wird; Ändern einer Einschaltdauer des PWM-Signals; und Anschalten/Ausschalten des Schaltelements.
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