DE112016000750T5

DE112016000750T5 - Wandler und Steuerschaltung

Info

Publication number: DE112016000750T5
Application number: DE112016000750.7T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Hirota; Tatsuya Izumi; Keiji Tashiro
Original assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd; AutoNetworks Technologies Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd; AutoNetworks Technologies Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2018-01-11
Also published as: US10250121B2; JP6439482B2; JP2016149897A; CN107210683A; WO2016129592A1; CN107210683B; US20180026520A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Wandler, der zum Reduzieren von Rippelstrom durch Umschaltsteuerung und Verkleinern eines Kondensators in der Lage ist. Ein Wandler umfasst: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die intermittent Strom ausgibt; einen Kondensator, der den aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Strom glättet; und einen Nachwandler mit einer zweiten Umschaltschaltung, an welcher der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird. Der Wandler wandelt Gleichstrom oder Wechselstrom, die an dem Vorwandler eingegeben worden sind, um und gibt den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler aus. Eine Steuerschaltung 9 steuert das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen, so dass ein Endzeitpunkt einer Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz zu einem Startzeitpunkt einer Eingangsperiode aufweist, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wandler, der einen Vorwandler und einen Nachwandler umfasst, die über einen Kondensator zum Reduzieren von Rippelstrom verbunden sind, und auf eine Steuerschaltung, welche den Betrieb des Wandlers steuert.
Hintergrund
Plugin-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) und Elektrofahrzeuge (EV), a denen ein AC-DC-Wandler montiert ist, der Wechselstromspannung (nachfolgend als AC-Spannung bezeichnet), die aus einer kommerziellen Stromversorgung für Haushaltsverwendung zugeführt wird, in Gleichstromspannung (nachfolgend als DC-Spannung bezeichnet) umwandelt und eine Batterie aufweisen, die mit der durch den AC-DC-Wandler in die DC-Spannung umgewandelt ist, geladen wird, sind weitverbreitet gewesen.
Patentdokument 1 offenbart einen AC-DC-Wandler, der AC-Spannung in DC-Spannung verwandelt. Der AC-DC-Wandler umfasst einen AC-DC-Wandler, der mit einer Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Schaltung und einem isolierenden DC-DC-Wandler versehen ist. Zwischen dem AC-DC-Wandler mit der PFC-Schaltung (nachfolgend auch als „PFC ergänzter AC-DC-Wandler“ bezeichnet) und dem DC-DC-Wandler wird ein Kondensator zum Reduzieren von Rippelspannung eingefügt. Der DC-DC-Wandler beinhaltet einen Isolationstransformator, eine Vollbrückenschaltung, die auf der Vorstufe des Isolationstransformators vorgesehen ist und eine Diodenbrücke, die an der Nachstufe desselben bereitgestellt ist. Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler erhöht und richtet die AC-Spannung für die kommerzielle Stromversorgung gleich. Die im PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler gleichgerichtete Spannung wird in die AC-Spannung hoher Frequenz durch die Vollbrückenschaltung umgewandelt. Die umgewandelte AC-Spannung wird in DC-Spannung einer Batteriespannung durch die Gleichrichtschaltung und die Glättungsschaltung durch den Isolationstransformator umgewandelt.
Dokument des Stands der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-213202

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme Der in den Kondensator fließende Strom wird durch eine Differenz zwischen der Stromausgabe aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler auf einer Vorstufe ausgegebenen Strom und am DC-DC-Wandler in der Folgestufe eingegebenem Strom repräsentiert. Falls die Differenz beim Strom groß ist, steigt auch der Rippelstrom an, was einen Kondensator größeren Volumens erfordert. Der Stand der Technik offenbart kein spezifisches Verfahren zum Reduzieren des Rippelstroms durch Schaltsteuerung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, einen Wandler bereitzustellen, der zum Reduzieren eines Rippelstroms durch Schaltsteuerung und Verkleinern eines Kondensators in der Lage ist, und eine Steuerschaltung, die zum Steuern des Betriebs des Wandlers in der Lage ist.
Mittel zum Lösen der Probleme
Ein Wandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die intermittent Strom ausgibt; einen Kondensator, der den aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Strom glättet; und einen Nachwandler mit einer zweiten Umschaltschaltung, an welcher der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird, wobei der Wandler Gleichstrom oder Wechselstrom, der am Vorwandler eingegeben wird, wandelt und den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler ausgibt, und weiter eine Umschaltschaltung umfasst, die das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass ein Endzeitpunkt einer Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz zu einem Startzeitpunkt einer Eingabeperiode aufweist, während welcher Strom einer zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.
Eine Steuerschaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert den Betrieb eines Wandlers, welcher umfasst: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die Strom intermittent ausgibt; einen Kondensator, der den aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Strom glättet und einen Nachwandler mit einer zweiten Umschaltschaltung, an welcher der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird, wobei der Wandler Gleichstrom oder Wechselstrom, der am Vorwandler eingegeben wird, wandelt um den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler ausgibt, und weiter das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass ein Endzeitpunkt einer Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz zu einem Startzeitpunkt einer Eingangsperiode aufweist, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Anmeldung nicht nur als ein Wandler und eine Umschaltschaltung implementiert werden kann, die charakteristische Verarbeitungseinheiten umfasst, wie oben beschrieben, sondern auch als ein Steuerverfahren, dass einen Schritt des Durchführens eines solchen charakteristischen Verarbeitung umfasst, oder als ein Programm, einen Computer dazu zu bringen, einen solchen Schritt auszuführen. Die vorliegende Anmeldung kann weiter als eine Halbleiter-Integrationsschaltung implementiert werden, die einen Teil oder den gesamten Wandler und eine Umschaltschaltung implementiert, oder als ein anderes System, das einen Wandler oder eine Steuerschaltung beinhaltet.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der obigen Beschreibung kann ein Wandler, der zum Reduzieren von Rippelstrom durch Umschaltsteuerung und Verkleinern eines Kondensators in der Lage ist, und eine Steuerschaltung, die zum Steuern des Betriebs des Umwandlers in der Lage ist, bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines AC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung illustriert.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuerschaltung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung illustriert.
3 illustriert ein Betriebsbeispiel eines PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers.
4 illustriert ein Betriebsbeispiel einer Vollbrückenschaltung.
5 ist ein Timing-Diagramm, das ein Verfahren zur Umschaltsteuerung illustriert.
6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Effektivwert von Rippelstrom und einer Überlappungsperiode einer Periode A und einer Periode B illustriert.
7A ist ein Graph, der einen Effekt des Reduzierens von Rippelstrom illustriert.
7B ist ein Graph, der einen Effekt des Reduzierens von Rippelstrom illustriert.
8 ist ein Timing-Diagramm, das den Stromfluss in dem Fall illustriert, bei dem der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler und die Vollbrückenschaltung dieselbe Antriebsfrequenz aufweisen.
9 ist ein Timing-Diagramm, welches den Stromfluss in dem Fall illustriert, bei dem die Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers die Hälfte der Antriebsfrequenz der Vollbrückenschaltung ist.
10 ist ein Timing-Diagramm, welches den Stromfluss in dem Fall illustriert, bei dem die Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers das Zweifache der Antriebsfrequenz der Vollbrückenschaltung ist.
11 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines AC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung illustriert.
Modi zum Ausführen der Erfindung
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Zuerst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung aufgelistet. Zumindest Teile der unten beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.

(1) Ein Wandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die Strom intermittent ausgibt; einen Kondensator, der den aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Strom glättet; und einen Nachwandler, mit einer zweiten Umschaltschaltung, an welcher der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird, wobei der Wandler Gleichstrom oder Wechselstrom, der in den Vorwandler eingegeben wird, umwandelt und den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler ausgibt, und weiter umfasst eine Steuerschaltung zum Steuern des Umschaltens der ersten und zweiten Umschaltschaltungen, so dass ein Endzeitpunkt einer Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz zu einem Startzeitpunkt einer Eingabeperiode aufweist, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.

Gemäß der vorliegenden Anmeldung schaltet die Steuerschaltung das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so, dass der Endzeitpunkt der Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz zum Startzeitpunkt der Eingangsperiode, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird, aufweist. In dem Fall, wenn eine solche Steuerung durchgeführt wird, wird eine Überlappungsperiode der Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, und der Eingabeperiode, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird, länger als in dem Fall, bei dem der Endzeitpunkt zum Startzeitpunkt passt. Mit verlängerter Überlappungsperiode wird der Rippelstrom kleiner gemacht. Somit kann die Steuerschaltung die Überlappungsperiode steuern, um den Kondensator kleiner zu machen.
Der Wandler beinhaltet einen AC-AC-Wandler, einen AC-DC-Wandler, einen DC-AC-Wandler und einen DC-DC-Wandler.

(2) Die Steuerschaltung wird bevorzugter Weise konfiguriert, das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so zu steuern, dass die Überlappungsperiode der Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, und die Eingangsperiode, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird, maximal ist.

Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird die Umschaltsteuerung so durchgeführt, dass die Steuerschaltung die maximale Überlappungsperiode aufweist. Entsprechend wird Rippelstrom auf das Minimum reduziert und kann der Kondensator verkleinert werden.

(3) Die Steuerschaltung ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass der Endzeitpunkt der Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Eingangsperiode passt, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.

Gemäß der vorliegenden Anmeldung steuert die Steuerschaltung das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so, dass der Endzeitpunkt der ersten Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Eingangsperiode passt, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird. Als solche kann die relativ einfache Timing-Steuerung des Umschaltens die Überlappungsperiode steuern, die Maximale zu sein, kann Rippelstrom auf das Minimum reduzieren und kann den Kondensator verkleinern.

(4) Die erste Umschaltschaltung ist vorzugsweise als eine Stromfaktor-Verbesserungsschaltung konfiguriert und die zweite Umschaltschaltung ist vorzugsweise als eine Vollbrückenschaltung zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom konfiguriert.

Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird zwischen der Leistungsverbesserungsschaltung und der Vollbrückenschaltung erzeugter Rippelstrom verringert und kann der Kondensator verkleinert werden.

(5) Er ist vorzugsweise so konfiguriert, dass die Umschaltperiode eines der ersten und zweiten Umschaltschaltungen ein ganzzahliges Mehrfaches der Umschaltperiode der anderen der Umschaltschaltungen ist.

Gemäß der vorliegenden Anmeldung ist die Umschaltperiode einer der ersten und zweiten Umschaltschaltungen ein ganzzahliges Mehrfaches der Umschaltperiode der anderen der Umschaltschaltungen. Daher wird die Beziehung beim Umschalt-Timing zwischen den ersten und zweiten Umschaltschaltungen aufrechterhalten und wird die Überlappungsperiode nicht stark variieren. Somit kann der Zustand, bei dem Rippelstrom reduziert wird, innerhalb eines gewissen Bereichs gehalten werden und kann der Kondensator verkleinert werden.

(6) Eine Steuerschaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert den Betrieb eines Umwandlers, welcher umfasst: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die intermittent Strom ausgibt; einen Kondensator, der den aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Strom glättet; und einen Nachwandler, der eine zweite Umschaltschaltung aufweist, an welchem der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird, wobei der Wandler Gleichstrom oder Wechselstrom, der am Vorwandler eingegeben wird, umwandelt und den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler ausgibt, und weiter das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass ein Endzeitpunkt einer Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz mit einem Startzeitpunkt einer Eingangsperiode aufweist, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.

Gemäß der vorliegenden Anmeldung, wie im Modus (1), kann die Steuerschaltung die Überlappungsperiode steuern, um so den Kondensator zu verkleinern.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Als ein spezifisches Beispiel eines Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein AC-DC-Wandler unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Illustration unten beschränkt ist, sondern durch die anhängigen Ansprüche definiert ist und alle Änderungen, die innerhalb der Grenzen der Ansprüche fallen, oder Äquivalente solcher Grenzen derselben daher durch die Ansprüche umfasst sein sollen.
Ausführungsform 1
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines AC-DC-Wandlers 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung illustriert. Der AC-DC-Wandlers 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Isolationstyp, der beispielsweise an einem Plugin-Hybrid-Fahrzeug oder einem Elektrofahrzeug installiert ist. Der AC-DC-Wandler 1 umfasst: einen Rauschfilter (N/F) 3; einen PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4; einen Kondensator C1; einen Isolations-DC-DC-Wandler 5 und eine Steuerschaltung 9, die Umschaltsteuerung jedes Wandler durchführt. Der DC-DC-Wandler 5 besteht beispielsweise aus einer Vollbrückenschaltung 51, einem Transformator 52 und einer Diodenbrücke 53. Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 entspricht dem Vorwandler in der vorliegenden Ausführungsform, während der DC-DC-Wandler 5 dem Nachwandler in der vorliegenden Ausführungsform entspricht.
Der Rauschfilter 3 umfasst die Eingangsanschlüsse T1 und T2, während der DC-DC-Wandler 5 die Ausgangsanschlüsse T3 und T4 umfasst. Die Eingangsanschlüsse T1 und T2 werden mit einer Wechselstromversorgung verbunden. In dem Fall, bei dem Wechselstrom den Eingangsanschlüssen T1 und T2 zugeführt wird, wird die Wechselspannung im Leistungsfaktor verbessert, angehoben und durch den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 gleichgerichtet. Der DC-DC-Wandler 5 wandelt die am PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 gleichgerichtete Spannung in Wechselspannung hoher Frequenz um, um die Spannung zu transformieren, richtet die transformierte Wechselspannung in Gleichspannung um und gibt die Gleichspannung über die Ausgangsanschlüsse T3 und T4 aus. Die Ausgangsanschlüsse T3 und T4 sind mit einer Batterie 2 verbunden, welche durch die Ausgangsanschlüsse T3 und T4 ausgegebene Gleichspannung geladen werden.
Der Rauschfilter 3 ist eine Schaltung, welche Hochfrequenzrauschen, das in der an die Eingangsanschlüsse T1 und T2 angelegten Wechselspannung enthalten ist, entfernt, und legt die Wechselspannung, aus der das Rauschen entfernt ist, an den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 an.
Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ist eine Schaltung, welche die Wechselspannung durch Umschaltsteuerung anhebt und gleichrichtet, während versucht wird, einen Leistungsfaktor durch Umschalt-PWM-Steuerung zu verbessern. Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 gibt den Strom mit erhöhter Spannung intermittent aus. Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 umfasst einen Eingangskondensator C2, Spulen L1, L2 und zwei Dioden D1 und D2 wie auch zwei Umschaltelemente Z3 und Z4, die eine Brückenschaltung zur Gleichrichtung und Leistungsfaktorverbesserung bilden. Die Umschaltelemente Z3 und Z4 sind Leistungsvorrichtungen wie etwa beispielsweise isolierte Gatter-Bipolar-Transistoren (IGBT) oder Metalloxid-Halbleiterfeldeffekt-Transistoren (MOSFET). In der vorliegenden Ausführungsform wird jedes der Schaltelemente Z3 und Z4 unten als IGBT beschrieben. Die Eingangsanschlüsse des Rauschfilters 3 sind mit den Eingangsanschlüssen T1 bzw. T2 verbunden, während die Ausgangsanschlüsse des Rauschfilters 3 mit entsprechenden Enden des Eingangskondensators C2 verbunden sind. Darüber hinaus ist ein Ende der Drosselspule L1 mit einem Anschluss des Ausgangsanschlusspaars verbunden, während das andere Ende der Drosselspule L1 mit der Anode der Diode D1 und dem Kollektor des Umschaltelements C3 verbunden ist. Ein Ende der Drosselspule L2 ist mit dem anderen Anschluss des Ausgangsanschlusspaars verbunden, während das andere Ende der Drosselspule L2 mit der Anode der Diode D2 und mit dem Kollektor des Schaltelements Z4 verbunden ist.
Die Kathoden der Dioden D1 und D2 sind mit der Vollbrückenschaltung 51 verbunden. Die Anoden der Dioden D1 und D2 sind mit den Kollektoren der Schaltelemente Z3 bzw. Z4 verbunden, während die Ermittler der Schaltelemente Z3 und Z4 mit der Vollbrückenschaltung 51 verbunden sind.
Die Drosselspulen L1, L2, die Dioden D1, D2 und die Schaltelemente Z3, Z4 bilden eine Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 41. Die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 41 entspricht der ersten Umschaltschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Es ist anzumerken, dass die in 1 illustrierte Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 41 lediglich ein Beispiel ist und auch eine andere bekannte Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung eingesetzt werden kann.
Ein Ende des Kondensators C1 ist mit den Kathoden der Dioden D1 und D2 verbunden, während das andere Ende des Kondensators C1 mit den Emittern der Schaltelemente Z3 und Z4 verbunden ist.
Der Kondensator C1 ist eine Schaltung, die Rippelstrom durch Glätten der aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ausgegebenen Spannung reduziert.
Die Vollbrückenschaltung 51 im DC-DC-Wandler 5 ist eine Schaltung, welche die aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ausgegebene Spannung über den Kondensator C1 in Wechselspannung durch Umschaltsteuerung umwandelt. Die Vollbrückenschaltung 51 beinhaltet vier Schaltelemente Z5, Z6, Z7 und Z8, welche die Vollbrückenschaltung 51 bilden. Die Kollektoren der Umschaltschaltungen Z5 und Z6 sind mit den Kathoden der Dioden D1 und D2 verbunden. Die Emitter der Schaltelemente Z5 und Z6 sind mit den Kollektoren der Schaltelemente Z7 bzw. Z8 verbunden, während die Emitter der Schaltelemente Z7 und Z8 mit den Emittern der Schaltelemente Z3 und Z4 verbunden sind.
Der Transformator 52 umfasst mehrere magnetisch verbundene Spulen, z. B. Primär- und Sekundärspulen. Ein Ende der Primärspule ist mit dem Emitter des Schaltelements Z5 verbunden und dem Kollektor des Schaltelements Z7 verbunden, während das andere Ende der Primärspule mit dem Emitter des Schaltelements Z6 und dem Kollektor des Schaltelements Z8 verbunden ist. Wenn die aus der Vollbrückenschaltung 51 ausgegebene Wechselspannung an die Primärspule angelegt wird, wird ein Wechselmagnetfluss an der Primärspule erzeugt und wird durch den Wechselmagnetfluss transformierte Wechselspannung an der Sekundärspule erzeugt.
Die Diodenbrücke 53 ist eine Schaltung, welche an der Sekundärspule des Transformators 52 induzierte Wechselspannung gleichrichtet. Die Diodenbrücke 53 umfasst Dioden D9, D10, D11 und D12. Ein Ende der Sekundärspule, die den Transformator 52 bildet, ist mit der Anode der Diode D9 und der Kathode der Diode D11 verbunden, während das andere Ende der Sekundärspule mit der Anode der Diode D10 und der Kathode der Diode D12 verbunden ist.
Die Kathoden der Dioden D9 und D10 sind mit einem Ende der Spule L3 verbunden, während das andere Ende der Spule L3 mit dem Ausgangsanschluss T3 verbunden ist. Die Anoden der Dioden D9 und D10 sind mit den Kathoden der Dioden D11 bzw. D12 verbunden. Die Anoden der Dioden D11 und D12 sind mit dem Ausgangsanschluss T4 verbunden. Weiterhin ist ein Ende eines Ausgangskondensators Z3 mit dem anderen Ende der Spule L3 verbunden, während das andere Ende des Ausgangskondensators C3 mit den Anoden der Dioden D11 und D12 verbunden ist.
Der Ausgangskondensator Z3 ist ein Element zum Glätten der Diodenbrücke 53 ausgegebenen Vollwellen-gleichgerichteten Spannung. Die Spule L3 ist ein Element zum Reduzieren des in den Ausgangskondensator Z3 fließenden Rippelstroms.
Weiter umfasst der AC-DC-Wandlers 1 eine Wechselstrom-Detektionseinheit 90a, die an den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 eingegebene oder ausgegebene Wechselspannung detektiert. Die Wechselstrom-Detektionseinheit 90a ist auf einem leitenden Draht lokalisiert, der den Eingangsanschluss T2 mit einem Anschluss eines Anschlusspaars des Rauschfilters 3 verbunden und ist dazu da, ein, Spannung des konduktiven Drahts entsprechendes Signal auszugeben, das heißt an den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 anzulegende Wechselspannung. Beispielsweise ist die Wechselstrom-Detektionseinheit 90a eine Schaltung, die einen Spannungsteilungswiderstand beinhaltet, der Spannung des leitfähigen Drahts unterteilt und die unterteilte Spannung an die Steuerschaltung 9 ausgibt. Es ist anzumerken, dass die unterteilte Spannung durch einen Verstärker verstärkt werden kann und an die Steuerschaltung 9 ausgegeben werden kann, oder dass die Spannung AD-gewandelt werden kann und der AD-gewandelte Spannungswert an die Steuerschaltung 9 ausgegeben werden kann.
Darüber hinaus umfasst der AC-DC-Wandler 1 eine Wechselstrom-Detektionseinheit 90b, die an den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 eingegebenen oder daraus ausgegebenen Strom detektiert. Die Wechselstrom-Detektionseinheit 90b ist auf einem leitfähigen Draht lokalisiert, der einen Anschluss des anderen Anschlusspaars des Rauschfilters 3 mit der Drosselspule L2 verbindet und dient dazu, ein dem an den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 eingegebenen/daraus ausgegebenen Strom entsprechendes Signal an die Steuerschaltung 9 auszugeben. Die Wechselstrom-Detektionseinheit 90b ist eine Schaltung, die beispielsweise einen Stromtransformator beinhaltet, der den durch den Stromtransformator transformierten Strom in Spannung umwandelt und die Spannung an die Steuerschaltung 9 ausgibt.
Darüber hinaus umfasst der AC-DC-Wandler 1 eine Gleichstrom-Detektionseinheit 90c, die an die Batterie 2 eingegebenen oder daraus ausgegebenen Strom detektiert. Die Gleichstrom-Detektionseinheit 90c ist auf einem leitfähigen Draht lokalisiert, der einen Anschluss der Diodenbrücke 53 mit einem Ausgangsanschluss T4 verbindet, und dient dazu, ein Signal, welches an der Batterie 2 eingegebenen/daraus ausgegebenen Strom entsprechendes Signal an die Steuerschaltung 9 auszugeben.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Steuerschaltung 9 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Steuerschaltung 9 umfasst eine Steuereinheit 91, wie etwa eine Zentraleinheit (CPU), die den Betrieb jeder Komponente in der Steuerschaltung 9 steuert. Die Steuereinheit 91 ist über einen Bus mit einem RAM 92, einer Speichereinheit 93, einer Kommunikationseinheit 94, einer Schnittstelle 95 und einer Takteinheit 96 zum Takten des Zeitpunkts der Umschaltsteuerung verbunden.
Die Speichereinheit 93 ist ein nicht-flüchtiger Speicher wie etwa ein elektrisch löschbares programmierbares ROM (EEPROM), in welchem eine Tabelle 93a und ein Steuerprogramm zur Umschaltsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform gesteuert werden. Die Tabelle 93a speichert darin das Umschalt-Timing des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 und des Isolations-DC-DC-Wandlers 5 in Assoziierung mit der Phase und Größe der AC-Spannung.
Weiterhin wird das Steuerprogramm auf einem Aufzeichnungsmedium wie etwa einer CD(Compact Disk)-ROM, einer DVD(Digital Versatile Disc)-ROM oder einer BD (Blu-Ray (registrierte Marke) Disc) aufgezeichnet, was ein computerlesbares tragbares Aufzeichnungsmedium, ein Festplattenlaufwerk oder einem Solid-State-Laufwerk ist. Die Steuereinheit 91 kann ein Steuerprogramm aus einem Aufzeichnungsmedium auslesen und das Steuerprogramm in der Speichereinheit 93 speichern.
Es ist weiter möglich, ein Steuerprogramm gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem externen Computer (nicht illustriert) zu erhalten, der mit einem Kommunikationsnetzwerk verbunden ist, über eine Kommunikationseinheit 94, und das Steuerprogramm in der Speichereinheit 93 zu speichern.
Das RAM 92 ist ein Speicher wie etwa ein DRAM (dynamisches RAM) oder ein SRAM (statisches RAM), welches zeitweilig ein Steuerprogramm speichert, das aus der Speichereinheit 93 ausgelesen wird, beim Ausführen der Betriebsverarbeitung durch die Steuereinheit 91, wie auch verschiedene Typen von Daten, die aus der durch die Steuereinheit 91 ausgeführten Betriebsverarbeitung erzeugt werden.
Die Kommunikationseinheit 94 ist eine Schaltung, die Ladeanweisungen zum Anweisen der Umwandlung aus Wechselspannung in Gleichspannung, Abschlussanweisungen oder dergleichen empfängt.
Die Schnittstelle 95 ist mit den Gattern der Schaltelemente Z3, Z4, ..., Z7, Z8 verbunden, welche den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 und die Vollbrückenschaltung 51 bilden und führt Umschaltsteuerung jeder Schaltung durch Anlegen der Spannung an die Gatter durch.
Darüber hinaus ist die Schnittstelle 95 mit der Wechselstrom-Detektionseinheit 90a, der Wechselstrom-Detektionseinheit 90b und der Gleichstrom-Detektionseinheit 90c verbunden und empfängt Eingaben des Stroms und der Spannung, die durch jede der Detektionseinheiten detektiert wird.
In dem Fall des Empfangens von Ladeanweisungen durch die Kommunikationseinheit 94 bringt die Steuereinheit 91 den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 dazu, als die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 41 und die AC-DC-Wandlungsschaltung zu arbeiten und bringt die Vollbrückenschaltung 51 dazu, durch Umschaltsteuerung als die DC-AC-Umwandlungsschaltung zu arbeiten.
3 illustriert ein Betriebsbeispiel des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4. Die Schaltfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 beträgt beispielsweise 50 kHz.
Die Steuereinheit 91 schaltet das Schaltelement Z3 bei einem spezifischen Timing, welches durch die Takteinheit 96 getaktet ist, ein. In dem Fall, bei dem die Wechselspannung positiv ist, wie in 3A illustriert, fließt Strom aus dem Rauschfilter 3 durch die Drosselspule L1 in das Schaltelement Z3 von der Kollektorseite zur Emitterseite. Der Strom fließt im Schaltelement Z4 von der Emitterseite zur Kollektorseite, passiert die Drosselspule L2 zum Rauschfilter 3.
Nachfolgend, falls die Wechselspannung positiv ist, schaltet die Steuereinheit 91 das Schaltelement Z3 aus, wie in 3B illustriert. Hier fließt der Strom aus dem Rauschfilter 3 durch die Drosselspule L1 und die Diode D1 und zur Positiv-Anschlussseite des Isolations-DC-DC-Wandlers 5. Darüber hinaus fließt der Strom aus der Negativ-Anschlussseite des Isolations-DC-DC-Wandlers 5 aus der Emitterseite zur Kollektorseite des Schaltelements Z4 durch die Drosselspule L2 zum Rauschfilter 3.
Nachfolgend schaltet die Steuereinheit 91 die Schaltelemente Z3 und Z4 wieder zu spezifischen Zeitpunkten, welche durch die Takteinheit 96 getaktet sind, ein. In einer Periode, während die Wechselspannung positiv ist, werden die Steuerungen, die in 3A und 3B illustriert sind, abwechselnd ausgeführt.
In dem Fall, bei dem das Schaltelement Z4 eingeschaltet wird, während die AC-Spannung negativ ist, wie in 3C illustriert, fließt Strom aus dem Rauschfilter 3 durch die Drosselspule L2 in das Schaltelement Z4 aus der Kollektorseite zur Emitterseite. Der Strom fließt dann in das Schaltelement Z3 aus der Emitterseite zur Kollektorseite, passiert die Drosselspule L1 zum Rauschfilter 3.
Falls die Wechselspannung negativ ist, schaltet die Steuereinheit 91 das Schaltelement Z4 aus, wie in 3D illustriert. Hier fließt der Strom vom Rauschfilter 3 durch die Drosselspule L2 und die Diode D2 und zur Positiv-Anschlussseite des Isolations-DC-DC-Wandlers 5. Darüber hinaus fließt der Strom aus der Negativ-Anschlussseite des Isolations-DC-DC-Wandlers 5 aus der Emitterseite zur Kollektorseite des Schaltelements Z3, durch die Drosselspule L1 zum Rauschfilter 3.
4 illustriert ein Betriebsbeispiel der Vollbrückenschaltung 51. Die Schaltfrequenz der Vollbrückenschaltung 51 beträgt beispielsweise 50 kHz. Die Schaltfrequenz der Vollbrückenschaltung 51 ist 50 kHz, welches dieselbe ist wie die Schaltfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4. Es ist anzumerken, dass die Steuereinheit 91 Steuerung so durchführen kann, dass die Schaltperiode eines von dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 und der Vollbrückenschaltung 51 ein ganzzahliges Mehrfaches der Schaltperiode des Anderen ist.
Wie in 4A illustriert, schaltet die Steuereinheit 91 die Schaltelemente Z5 und Z8 ein und schaltet die Schaltelemente Z6 und Z7 aus, zu einem spezifischen Zeitpunkt, welcher durch die Takteinheit 96 getaktet wird. Der Strom fließt durch das Schaltelement Z5, die Primärspule des Transformators 52 und das Schaltelement Z8. Der Strom fließt durch die Primärspule in einer vorbestimmten Richtung und die Spannung wird an der Sekundärspulenseite induziert.
Nachfolgend schaltet die Steuereinheit 91 die Schaltelemente Z5, Z6, Z7 und Z8 aus, wie in 4D illustriert, und schaltet dann die Schaltelemente Z6 und Z7 ein, während die Schaltelemente Z5 und Z8 im Aus-Zustand gehalten werden, wie in 4C illustriert. Der Strom fließt durch das Schaltelement Z6, die Primärspule des Transformators 52 und das Schaltelement Z7. Strom fließt durch die Primärspule in einer Richtung entgegengesetzt zur vorbestimmten Richtung und die Spannung wird an der Sekundärspulenseite induziert.
Nachfolgend schaltet die Steuereinheit 91 die Schaltelemente Z5, Z6, Z7 und Z8, wie in 4D illustriert, aus und schaltet dann die Schaltelemente Z5 und Z8 ein, während die Schaltelemente Z6 und Z7 wiederum im Aus-Zustand gehalten werden, wie in 4A illustriert. Danach wird eine ähnliche Umschaltsteuerung durchgeführt.
Es ist anzumerken, dass das in 4 illustrierte Steuerverfahren lediglich ein Beispiel ist und das Verfahren zum Steuern der Vollbrückenschaltung 51 nicht besonders beschränkt ist. Beispielsweise kann die Vollbrückenschaltung 51 durch ein Phasenverschiebungsverfahren gesteuert werden.
5 ist ein Timing-Diagramm, das ein Verfahren zur Umschaltsteuerung illustriert.
Die durch „PWM-Steuerung“ in der Zeichnung bezeichnete Periode gibt eine Periode an, während welcher die Steuereinheit 91 sowohl beide Schaltelemente Z3 und Z4 des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 einschaltet. In der Periode wird die Energie der Wechselstromversorgung in den Spulen L1 und L2 gespeichert. In der Periode A wird kein Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 zum Kondensator C1 ausgegeben.
Die Periode A repräsentiert eine Periode, während welcher eines der Schaltelemente Z3 und Z4 im Ein-Zustand ist, während das Andere von ihnen im Aus-Zustand ist. In der Periode A wird Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 an den Kondensator C1 ausgegeben. Die aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ausgegebene Spannung wird durch in den Drosselspulen L1 und L2 gespeicherte Energie angehoben. Die Länge der Periode A variiert abhängig von der Wechselspannung. Die Steuerung wird so durchgeführt, dass die Periode A länger ist, falls der Wert der Wechselspannung groß ist, während die Periode A kürzer ist, falls der Wert der Wechselspannung klein ist. Eine solche Steuerung verbessert den Leistungsfaktor.
Derweil repräsentiert eine Periode B eine Periode, während welcher die Schaltelemente Z5 und Z8 oder die Schaltelemente Z6 und Z7 der Vollbrückenschaltung 51 im Ein-Zustand sind. In der Periode B wird die Wechselspannung aus der Vollbrückenschaltung 51 ausgegeben und fließt Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 oder dem Kondensator C1 in die Vollbrückenschaltung 51.
In den anderen Perioden sind die Schaltelemente Z5, Z6, Z7 und Z8 der Vollbrückenschaltung 51 im Aus-Zustand und fließt kein Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 oder dem Kondensator C1 an die Vollbrückenschaltung 51.
Die Steuereinheit 91 gemäß Ausführungsform 1 führt eine Umschaltsteuerung des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 und der Vollbrückenschaltung 51 so durch, dass eine Zeitdifferenz zwischen einem Endzeitpunkt der Periode A, während welcher Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ausgegeben wird (z.B. Zeitpunkt von 20[μs]) und einem Startzeitpunkt der Periode B, während welcher Strom an der Vollbrückenschaltung 51 eingegeben wird (z. B. 20 + td[μs]) vorhanden ist. Vorzugsweise führt die Steuereinheit 91 eine Steuerung so durch, dass die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B maximal ist. Um die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B zum Maximum zu machen, kann eine Umschaltsteuerung so durchgeführt werden, dass der Endzeitpunkt der Periode A im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Periode B passt. Es ist anzumerken, dass die Timing-Information für eine solche Umschaltsteuerung in der Tabelle 93a vorab gespeichert wird und die Steuereinheit 91 kann die in der Tabelle 93a gespeicherte Timing-Information auslesen und eine Umschaltsteuerung durchführen. Die Steuereinheit 91 kann konfiguriert sein, die Timings zu berechnen, wie oben beschrieben, und eine Umschaltsteuerung ohne Verwendung der Tabelle 93a durchzuführen. Darüber hinaus kann eine Umschaltantriebsschaltung auch enthalten sein, die ein Signal zum Ein- oder Ausschalten jedes der Schaltelemente Z3, Z4, Z5, Z6, Z7 und Z8 zum Timing wie oben beschrieben ausgibt.
Die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B können gesteuert werden durch Justieren der Zeit td ab dem Zeitpunkt zum Einschalten der Schaltelemente Z3 und Z4 des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 bis zum Zeitpunkt zum Einschalten der Schaltelemente Z5 und Z8 oder der Schaltelemente Z6 und Z7 der Vollbrückenschaltung 51.
6 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Effektivwert von Rippelstrom zwischen der Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B illustriert. Die horizontale Achse gibt die Zeit td an, und die vertikale Achse auf der linken Seite gibt den Effektivwert von Rippelstrom an und die vertikale Achse auf der rechten Seite gibt die Länge der Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B an. Mit steigendem td wird die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B länger gemacht, was den Effektivwert von Rippelstrom reduziert. Jedoch, falls td einen bestimmten Wert übersteigt, wird die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B andererseits verkürzt, was den Effektivwert von Rippelstrom erhöht. Der Effektivwert von Rippelstrom wird minimiert, wenn die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B maximal ist. Während die Periode A einem konstant variierenden Wert entspricht, wird die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B maximal gemacht, falls der Endzeitpunkt der Periode A im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Periode B passt. Mit anderen Worten führt die Steuereinheit 91 eine Umschaltsteuerung so durch, dass der Endzeitpunkt der Ausgabeperiode, während welcher Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ausgegeben wird, im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Eingangsperiode passt, während welcher Strom an der Vollbrückenschaltung 51 eingegeben wird.
7A und 7B sind Graphen, die Effekte des Reduzierens von Rippelstrom illustrieren. Die horizontale Achse gibt Zeit an, während die vertikale Achse Rippelstrom angibt, der in und aus dem Kondensator C1 fließt. 7A illustriert Rippelstrom in dem Fall, bei dem die Steuerung so durchgeführt wird, dass die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B maximiert wird. 7B illustriert Rippelstrom in dem Fall, bei dem die Steuerung gemäß Ausführungsform 1 nicht durchgeführt wird, das heißt wobei td = 0. Durch Vergleichen der Bereiche, welche durch Ellipsen von unterbrochenen Linien in 7A mit 7B angezeigt werden, kann gesehen werden, dass der in den Kondensator C1 fließende Strom oder der aus dem Kondensator C1 fließende Strom reduziert wird.
8 ist ein Timing-Diagramm, welches den Stromfluss in dem Fall zeigt, bei dem der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 und die Vollbrückenschaltung 51 dieselbe Antriebsfrequenz aufweisen. Im in 8 illustrierten Beispiel weisen der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 und die Vollbrückenschaltung 51 die Antriebsfrequenz von 50 kHz auf. Die horizontale Achse gibt die Zeit an.
Die zwei Timing-Diagramme oben illustrieren den Energetisierungszustand der Schaltelemente Z5 und Z8 und den Energetisierungszustand der Schaltelemente Z6 bzw. Z7 in der Vollbrückenschaltung 51. Der rechteckige schraffierte Bereich gibt das Timing an, zu welchem der Strom aus der Seite des Kondensators C1 zur Vollbrückenschaltung 51 fließt.
Die zwei Timing-Diagramme in der Mitte repräsentieren den Energetisierungszustand der Diode D1 oder Diode D2 in dem Fall, bei dem der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 durch das konventionelle Verfahren gesteuert wird und die Überlappungsperiode. Die Überlappungsperiode ist eine Periode, wo eine Periode, während welcher die Diode D1 oder D2 energetisiert wird, mit einer Periode überlappt, während welcher die Schaltelemente Z5, Z6, Z7, Z8 energetisiert werden.
Die zwei Timing-Diagramme unten repräsentieren den Energetisierungszustand der Diode D1 oder D2 und die Überlappungsperiode in dem Fall, bei dem der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 durch das Steuerverfahren gemäß Ausführungsform 1 gesteuert wird.
Wie aus den Timing-Diagrammen in der Mitte und unten ersichtlich, ist durch die Schaltsteuerung gemäß Ausführungsform 1 die Überlappungsperiode der Periode, während welcher Strom aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 ausgegeben wird, und die Periode, während welcher Strom aus der Vollbrückenschaltung 51 ausgegeben wird, länger als diejenige beim konventionellen Verfahren. Falls die Differenz zwischen dem aus dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 in den Kondensator C1 fließenden Strom und dem aus dem Kondensator C1 zur Vollbrückenschaltung 51 fließenden Strom vergrößert wird, wird auch der Rippelstrom vergrößert. Die Umschaltsteuerung gemäß Ausführungsform 1 kann die Differenz insgesamt reduzieren und kann somit auch Rippelstrom reduzieren. Durch Reduzieren des Rippelstroms kann der Kondensator C1 verkleinert werden.
9 ist ein Timing-Diagramm, welches den Stromfluss in dem Fall zeigt, bei dem die Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 die Hälfte der Antriebsfrequenz der Vollbrückenschaltung 51 ist. Im in 9 illustrierten Beispiel weist der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 die Antriebsfrequenz von 50 kHz auf, während die Vollbrückenschaltung 51 die Antriebsfrequenz von 25 kHz aufweist. Die horizontale Achse gibt die Zeit an.
Die Timing-Diagramme oben, in der Mitte und unten ähneln jenen in 8, außer bezüglich der Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4. Selbst falls die Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 die Hälfte der Antriebsfrequenz der Vollbrückenschaltung 51 ist, kann der Rippelstrom unterdrückt werden und kann der Kondensator C1 verkleinert werden, indem die Überlappungsperiode erweitert wird, um länger zu sein im Vergleich zum konventionellen Verfahren.
Darüber hinaus, wie aus 9 zu sehen, variiert die Überlappungsperiode nur in regulärer Weise bei einer Frequenz von 25 kHz, außer bei den periodischen Variationen in der Ein-Periode der Schaltelemente Z3 und Z4. Daher ist es ausreichend, die für den Kondensator C1 erforderliche Kapazität im Bereich der Überlappungsperiode zu spezifizieren, die regelmäßig variiert.
10 ist ein Timing-Diagramm, das den Stromfluss in dem Fall zeigt, bei dem die Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 das Zweifache der Antriebsfrequenz der Vollbrückenschaltung 51 ist. Im in 9 illustrierten Beispiel weist der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 die Antriebsfrequenz von 50 kHz auf, während die Vollbrückenschaltung 51 die Antriebsfrequenz von 100 kHz aufweist. Die horizontale Achse gibt die Zeit an.
Die Timing-Diagramme oben, in der Mitte und unten ähneln jenen in 8, außer hinsichtlich der Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4. Selbst falls die Antriebsfrequenz des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 das Zweifache der Antriebsfrequenz der Vollbrückenschaltung 51 ist, kann der Rippelstrom reduziert werden und kann der Kondensator C1 verkleinert werden, indem die Überlappungsperiode erweitert wird, länger zu sein, im Vergleich zum konventionellen Verfahren. Darüber hinaus, wie aus 10 zu sehen, variiert die Überlappungsperiode nur in einer regulären Weise bei einer Frequenz von 100 kHz, außer für die periodischen Variationen bei der Ein-Periode der Schaltelemente Z3 und Z4. Daher ist es ausreichend, die für den Kondensator C1 erforderliche Kapazität im Bereich der Überlappungsperiode zu spezifizieren, die regulär variiert.
Wie oben beschrieben, gemäß Ausführungsform 1, kann die Schaltsteuerung den Rippelstrom zwischen dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 4 und der Vollbrückenschaltung 51 reduzieren, welche den DC-DC-Wandler 5 bildet und kann den Kondensator C1 verkleinern.
Da die Steuerschaltung 9 eine Umschaltsteuerung so durchführt, dass die Überlappungsperiode der Periode A und der Periode B maximal ist, wird Rippelstrom auf ein Minimum reduziert und kann der Kondensator verkleinert werden.
Weiterhin führt die Steuerschaltung 9 Umschaltsteuerung so durch, dass der Endzeitpunkt der Periode A im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Periode B passt, was die Überlappungsperiode maximal machen kann, durch relativ einfache Timing-Steuerung des Umschaltens.
Zusätzlich, da die Schaltperiode entweder des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 4 oder der Vollbrückenschaltung 51 ein ganzzahliges Mehrfaches des Anderen von ihnen ist, kann der Zustand, wo der Rippelstrom reduziert wird, in einem bestimmten Bereich gehalten werden, was dem Kondensator gestattet, kleiner zu sein.
Ausführungsform 2
11 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines AC-DC-Wandlers 1 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung illustriert. Der AC-DC-Wandler 1 gemäß Ausführungsform 2 ist ähnlich dem AC-DC-Wandler 1 bezüglich Ausführungsform 1 konfiguriert, wobei die Stromverbesserungsschaltung 241 in dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 204 und dem DC-DC-Wandler 205 anders konfiguriert sind als jene in Ausführungsform 1. Die nachfolgende Beschreibung diskutiert hauptsächlich die Unterschiede.
Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 204 gemäß Ausführungsform 2 ist eine Schaltung, welche die Wechselspannung und Gleichspannung durch Umschaltsteuerung bidirektional umwandelt. Der PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 204 umfasst einen Eingangskondensator C2 wie auch Drosselspulen L1 und L2, wie in Ausführungsform 1, wobei die Drosselspulen L1 und L2 mit der PFC-Vollbrückenschaltung verbunden sind, die durch Umschaltelemente Z1, Z2, Z3 und Z4 konfiguriert sind. Ein Ende der Drosselspule L1 ist mit dem Rauschfilter 3 verbunden, während das andere Ende der Drosselspule L1 mit dem Emitter des Schaltelements Z1 und mit dem Kollektor des Schaltelements Z3 verbunden ist. Ein Ende der Drosselspule L2 ist mit dem Rauschfilter 3 verbunden, während das andere Ende der Drosselspule L2 mit dem Emitter des Schaltelements Z2 und mit dem Kollektor des Schaltelements Z4 verbunden ist. Die Kollektoren der Schaltelemente Z1 und Z2 sind mit der Vollbrückenschaltung 51 verbunden. Die Emitter der Schaltelemente Z1 und Z2 sind mit den Kollektoren der Schaltelemente Z3 und Z4 jeweils verbunden, während die Emitter der Schaltelemente Z3 und Z4 mit der Vollbrückenschaltung 51 verbunden sind.
Der DC-DC-Wandler 205 gemäß Ausführungsform 2 ist eine Schaltung zur bidirektionalen AD-AD-Wandlung. Der DC-DC-Wandler 205 umfasst eine Vollbrückenschaltung 51, einen Transformator 52 und einen zweite Vollbrückenschaltung 253, die jenen in Ausführungsform 1 ähneln. Die erste Vollbrückenschaltung 51 und die zweite Vollbrückenschaltung 253 sind ähnlich zu jenen in Ausführungsform 1 konfiguriert und sind mit entsprechenden, den Transformator 52 bildenden Spulen verbunden. Die zweite Vollbrückenschaltung 253 ist eine Schaltung, welche die Dioden D9, D10, D11 und D12 der Diodenbrücke 53 in Ausführungsform 1 durch die Schaltelemente Z9, Z10, Z11 und Z12 ersetzt.
Die Steuereinheit 91 führt eine Umschaltsteuerung der Schaltelemente Z1, Z2, Z3 und Z4 des PFC-Zusatz-AC-DC-Wandlers 204 durch, um so dem Strom zu gestatten, wie in 3 illustriert zu fließen, wenn die Batterie 2 geladen wird. Das heißt, dass in dem in 3A illustrierten Zustand das Schaltelement Z3 eingeschaltet wird. In dem in 3B illustrierten Zustand wird das Schaltelement Z3 ausgeschaltet. In dem in 3C illustrierten Zustand wird das Schaltelement Z4 eingeschaltet. In dem in 3D illustrierten Zustand wird das Schaltelement Z4 ausgeschaltet.
Weiterhin führt die Steuereinheit 91 Umschaltsteuerung der Schaltelemente Z9, Z10, Z11 und Z12 der zweiten Vollbrückenschaltung 253 so durch, dass die durch die Sekundärspule des Transformators 52 induzierte Spannung durch die Steuerung, wie in 4 illustriert, gleichgerichtet wird, wenn die Batterie 2 geladen wird. Beispielsweise in dem Zustand, der in 4A illustriert ist, werden die Schaltelemente Z10 und Z11 ausgeschaltet. In dem in 4C illustrierten Zustand, werden die Schaltelemente Z9 und Z12 ausgeschaltet. In dem in 4B und 4D illustrierten Zustand werden die Schaltelemente Z9, Z10, Z11 und Z12 ausgeschaltet.
Im Falle des Entladens der Batterie 2 führt die Steuereinheit 91 eine Umschaltsteuerung für den PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 204 und den DC-DC-Wandler 205 so durch, dass die PFC-Vollbrückenschaltung als ein Wechselrichter fungiert, um die aus dem DC-DC-Wandler 205 ausgegebene Spannung in Wechselspannung umzuwandeln, die auszugeben ist.
In dem Fall, bei dem eine Last mit den Eingangseinschlüssen T1 und T2 verbunden ist, wird die an die Ausgangsanschlüsse T3 und T4 angelegte Gleichspannung durch die Batterie 2 AC-DC-gewandelt und wird der AC-DC-gewandelte Wechselstrom der Last über die Eingangsanschlüsse T1 und T2 zugeführt. Durch den AC-DC-Wandler 1, der bidirektionale AC-DC-Wandlung an der Wechselspannung oder Gleichspannung durchführt, der in einem Fahrzeug montiert ist, kann die Batterie 2 als Stromversorgung im Falle eines Unfalls oder Notfalls eingesetzt werden.
Selbst in dem bidirektionalen AC-DC-Wandler 1 gemäß Ausführungsform 2, der wie oben beschrieben konfiguriert ist, kann die Schaltsteuerung den Rippelstrom zwischen dem PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler 204 und dem DC-DC-Wandler 205 reduzieren und kann den Kondensator C1 verkleinern, wie in Ausführungsform 1.
Bezugszeichenliste

1: AC-DC-Wandler (Wandler)
2: Batterie
3: Rauschfilter
4, 204: PFC-Zusatz-AC-DC-Wandler (Vorwandler)
41: Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung (erste Umschaltschaltung
5, 205: DC-DC-Wandler (Nachwandler)
9: Steuerschaltung
51: Vollbrückenschaltung
52: Transformator
53: Diodenbrücke
90a: AC-Spannungs-Detektionseinheit
90b: AC-Strom-Detektionseinheit
90c: DC-Strom-Detektionseinheit
91: Steuereinheit
92: RAM
93: Speichereinheit
93a: Tabelle
94: Kommunikationseinheit
95: Schnittstelle
96: Takteinheit
C1: Kondensator
C2: Eingangskondensator
C3: Ausgangskondensator
L1, L2: Spule
L3: Spule
D1, D2, D9, D10, D11, D12: Diode
Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8, Z9, Z10, Z11, Z12: Schaltelement
T1, T2: Eingangsanschluss
T3, T4: Ausgangsanschluss

Claims

Wandler, umfassend: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die Strom intermittent ausgibt; einen Kondensator, der den aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Strom glättet; und einen Nachwandler mit einer zweiten Umschaltschaltung, an welcher der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird, wobei der Wandler Gleichstrom oder Wechselstrom, der in den Vorwandler eingegeben wird, umwandelt und den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler ausgibt, weiter umfassend eine Steuerschaltung zum Steuern des Umschaltens der ersten und zweiten Umschaltschaltungen, so dass ein Endzeitpunkt einer Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz zu einem Startzeitpunkt einer Eingabeperiode aufweist, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.
Wandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass eine Überlappungsperiode der Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, und die Eingangsperiode, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird, maximal ist.
Wandler gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerschaltung das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass der Endzeitpunkt der Ausgangsperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, im Wesentlichen zum Endzeitpunkt der Eingangsperiode passt, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.
Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Umschaltschaltung eine Stromfaktor-Verbesserungsschaltung ist und die zweite Umschaltschaltung eine Vollbrückenschaltung zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom ist.
Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Umschaltperiode einer der ersten und zweiten Umschaltschaltungen ein ganzzahliges Mehrfaches der Umschaltperiode der anderen der Umschaltschaltungen ist.
Steuerschaltung, die den Betrieb eines Wandlers steuert, wobei der Wandler umfasst: einen Vorwandler mit einer ersten Umschaltschaltung, die intermittent Strom ausgibt; einen Kondensator, zum Glättem des aus der ersten Umschaltschaltung ausgegebenen Stroms; und einen Nachwandler, der eine zweite Umschaltschaltung aufweist, an welcher der durch den Kondensator geglättete Strom intermittent eingegeben wird, wobei der Wandler Gleichstrom oder Wechselstrom, der am Vorwandler eingegeben wird, umwandelt und den umgewandelten Gleichstrom oder Wechselstrom aus dem Nachwandler ausgibt, wobei die Steuerschaltung das Umschalten der ersten und zweiten Umschaltschaltungen so steuert, dass ein Endzeitpunkt einer Ausgabeperiode, während welcher Strom aus der ersten Umschaltschaltung ausgegeben wird, eine Zeitdifferenz mit einem Startzeitpunkt einer Eingangsperiode aufweist, während welcher Strom an der zweiten Umschaltschaltung eingegeben wird.