DE112017001544T5

DE112017001544T5 - Leistungsumsetzungsvorrichtung des Resonanz-Typs und Anomaliebestimmungsverfahren

Info

Publication number: DE112017001544T5
Application number: DE112017001544.8T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kominami; Nobuaki Satoh
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: PANASONIC AUTOMOTIVE SYSTEMS CO., LTD., YOKOHA, JP
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN108781039B; US10530262B2; JP6839816B2; US20190260298A1; JP2017184599A; CN108781039A

Abstract

Eine Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung enthält eine Brückenschaltung, einen Transformator, einen Strommessungs-Schaltkreis und einen Steuerkreis. Die Brückenschaltung enthält eine Vielzahl von Schaltelementen und erhält einen Gleichstrom. Der Transformator ist mit einer Ausgangsseite der Brückenschaltung verbunden. Der Strommessungs-Schaltkreis misst einen Wert eines Stroms, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt. Der Steuerkreis bestimmt, ob eine Anomalie in der Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung auftritt oder nicht, auf der Grundlage des Wertes, der vom Strommessungs-Schaltkreis zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt während einer Schaltsteuerung gemessen wurde.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Stromresonanz verwendet, und ein Anomaliebestimmungsverfahren.
Technischer Hintergrund
Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, die zum Antrieb elektrische Energie aus Speicherbatterien verwenden, sind weit verbreitet im Einsatz. In solchen Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen wird ein DC-DC-Wandler verwendet, wobei es sich um eine Leistungsumsetzungsvorrichtung handelt, die eine Gleichspannung (DC) zum Laden und zur Spannungsumsetzung der Batterien vergrößert oder verkleinert. Insbesondere wurde in letzter Zeit wegen des Bedarfs an hoher Effizienz und geringen Störungen in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen eine Leistungsumsetzungsvorrichtung verwendet, bei der Stromresonanz verwendet wird.
Ein DC-DC-Wandler, bei dem Stromresonanz verwendet wird, ist in der Lage, ein Schalten bei Spannung (Strom) Null durchzuführen, wobei das Schaltelement in einem Zustand betrieben wird, in dem mindestens eines von Spannung und Strom Null ist, wodurch der Leistungsverlust im Betrieb verringert wird.
Jedoch kann sich bei einem DC-DC-Wandler, bei dem Stromresonanz verwendet wird, die Resonanzfrequenz mindestens eines von einem Transformator und einem Resonanz-Kondensator, welche die Bauelemente für die Resonanz sind, durch Alterung oder durch eine Änderung der Eigenschaften, die durch Temperaturänderungen im Transformator und/oder im Resonanz-Kondensator verursacht werden, ändern. In einem solchen Fall kann das Schalten bei Spannung (Strom) Null nicht genau durchgeführt werden, was zum Beispiel zu einer Verschlechterung des Leistungswandlungs-Wirkungsgrads wegen einer Erhöhung der Schaltverluste, zur Erzeugung von Schaltstörungen oder zum Schaltkreis-Ausfall führt.
Zum Beispiel offenbart Patentliteratur (PTL) 1 ein Verfahren zum Bewältigen von Änderungen der Resonanzfrequenz, die durch die Änderung der Eigenschaften des Transformators und/oder des Resonanz-Kondensators verursacht werden. PTL 1 offenbart eine Leistungsumsetzungsvorrichtung, in der die Schaltfrequenz nur zurückgesetzt wird, wenn ein Zustand, in dem die Eingangs- und Ausgangsleistung durch eine Einrichtung zur Begrenzung der Eingangs- und Ausgangsleistung, welche die Eingangs- und Ausgangsleistung begrenzt, begrenzt sind, für eine vorher festgelegte Zeitdauer andauert.
Liste der Anführungen
Patentliteratur
PTL 1: Ungeprüfte japanische Patentoffenlegung Nr. 2014-217199
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung und ein Anomaliebestimmungsverfahren, die in der Lage sind, Änderungen der Resonanzfrequenz innerhalb einer kurzen Zeitspanne genau zu erkennen.
Die Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält eine Brückenschaltung, einen Transformator, einen Strommessungs-Schaltkreis und einen Steuerkreis. Die Brückenschaltung enthält eine Vielzahl von Schaltelementen und erhält einen Gleichstrom. Der Transformator ist mit einer Ausgangsseite der Brückenschaltung verbunden. Der Strommessungs-Schaltkreis misst den Wert eines Stroms, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt. Der Steuerkreis bestimmt, ob eine Anomalie in der Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung auftritt oder nicht, auf der Grundlage des Wertes, der vom Strommessungs-Schaltkreis zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt während der Schaltsteuerung gemessen wurde.
Ein Anomaliebestimmungsverfahren, das von der Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird, bestimmt eine Anomalie in der Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung, die umfasst: eine Brückenschaltung, die eine Vielzahl von Schaltelementen enthält und einen Gleichstrom erhält; einen Transformator, einen Strommessungs-Schaltkreis, der den Wert eines Stroms misst, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt; und einen Steuerkreis. Bei diesem Verfahren wird der Wert eines Stroms, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt, durch den Strommessungs-Schaltkreis zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt während der Schaltsteuerung gemessen. Dann wird durch den Steuerkreis auf der Grundlage des gemessenen Stromwertes bestimmt, ob eine Anomalie in der Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung auftritt oder nicht.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, Änderungen der Resonanzfrequenz innerhalb einer kurzen Zeitspanne genau zu erkennen.
Figurenliste

1 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 ist ein Ersatzschaltbild, in dem parasitäre Elemente zu der in 1 dargestellten Leistungsumsetzungsvorrichtung hinzugefügt sind.
3 veranschaulicht Signalformen von Gate-Signalen Vg1 und Vg2, die von einem Steuerkreis ausgegeben werden, um eine Brückenschaltung zu steuern, und eine Signalform eines durch die Brückenschaltung fließenden Stroms.
4 zeigt einen Vergleich zwischen einem Strom, der während eines Normalbetriebs durch die Brückenschaltung fließt, und einem Strom, der während eines anormalen Betriebs durch die Brückenschaltung fließt.
5 ist ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel der Konfiguration der Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.

Beschreibung der Ausführungsform
Vor der Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden Probleme bei der herkömmlichen Technik kurz beschrieben. Bei der in der oben beschriebenen PTL 1 offenbarten Technik können Änderungen der Resonanzfrequenz nur erkannt werden, nachdem eine vorher festgelegte Zeit verstrichen ist, was es schwierig macht, Änderungen der Resonanzfrequenz innerhalb einer kurzen Zeitspanne zu erkennen.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. 1 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
<Konfigurationsbeispiel der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100>
Die Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 enthält einen Gleichstromversorgungskreis 1, eine Brückenschaltung 2, einen Steuerkreis 3, einen Strommessungs-Schaltkreis 4, einen Resonanz-Kondensator 5, einen Transformator 6, eine Gleichrichterschaltung 7 und einen Glättungskondensator 8.
Der Gleichstromversorgungskreis 1 liefert eine Gleichspannung, zum Beispiel aus einer Brennstoffzelle, einer Batterie oder einem AC/DC-Wandler. Die Brückenschaltung 2 ist an die beiden Anschlüsse des Gleichstromversorgungskreises 1 angeschlossen. Wie in 1 gezeigt, enthält die Brückenschaltung 2 die Schaltelemente Q1 bis Q4, die in Vollbrückenschaltung miteinander verbunden sind.
In der Brückenschaltung 2 sind die Schaltelemente Q1 und Q2 in Reihe geschaltet, und die Schaltelemente Q3 und Q4 sind in Reihe geschaltet. Die Schaltelemente Q1 und Q2 sind zu den Schaltelementen Q3 und Q4 parallel geschaltet, so dass die Brückenschaltung 2 als Vollbrücke ausgebildet ist. Jedes der Schaltelemente Q1 bis Q4 ist zum Beispiel durch einen Feldeffekt-Transistor (FET) ausgebildet, insbesondere durch einen Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET).
Die Schaltelemente Q1 bis Q4 enthalten jeweils die parasitären Dioden D1 bis D4. Statt dass parasitäre Dioden D1 bis D4 in Schaltelementen Q1 bis Q4 enthalten sind, kann es sein, dass von den Schaltelementen Q1 bis Q4 unabhängige Dioden jeweils parallel geschaltet sind.
In der Brückenschaltung 2 sind die Drain-Anschlüsse der Schaltelemente Q1 und Q3 mit dem Gleichstromversorgungskreis 1 verbunden. Ein Source-Anschluss des Schaltelementes Q1 ist mit einem Drain-Anschluss des Schaltelementes Q2 verbunden, und ein Source-Anschluss des Schaltelementes Q3 ist mit einem Drain-Anschluss des Schaltelementes Q4 verbunden. Die Source-Anschlüsse der Schaltelemente Q2 und Q4 sind über den Strommessungs-Schaltkreis 4 mit dem Gleichstromversorgungskreis 1 verbunden. Außerdem sind der Resonanz-Kondensator 5 und die Primärwicklung 61 des Transformators 6 in Reihe zwischen Knoten n1 und n2 geschaltet. Knoten n1 ist zwischen dem Source-Anschluss von Schaltelement Q1 und dem Drain-Anschluss von Schaltelement Q2 angeordnet. Knoten n2 ist zwischen dem Source-Anschluss von Schaltelement Q3 und dem Drain-Anschluss von Schaltelement Q4 angeordnet.
Außerdem sind die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente Q1 bis Q4 mit dem Steuerkreis 3 verbunden. Der Steuerkreis 3 schaltet die Schaltelemente Q1 bis Q4 mit einer Ansteuerfrequenz ein und aus (führt die Schaltsteuerung aus), die auf der Resonanzfrequenz der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 basiert. Folglich wandelt die Brückenschaltung 2 die Gleichspannung des Gleichstromversorgungskreises 1 in eine hochfrequente Wechselspannung (AC) um. Die Ansteuerfrequenz kann zum Beispiel auf einen Wert eingestellt werden, der um einen vorher festgelegten (kleinen) Wert größer ist als die Resonanzfrequenz, die zum Zeitpunkt des Schaltkreisentwurfs eingestellt wird. Außerdem misst der Strommessungs-Schaltkreis 4 den Wert eines Stroms, der durch die Brückenschaltung 2 fließt. In der vorliegenden Ausführungsform misst der Strommessungs-Schaltkreis 4 den Strom, der durch die Brückenschaltung 2 in der Richtung von der Seite, an der der Gleichstromversorgungskreis 1 mit den Schaltelementen Q1 und Q3 verbunden ist, zu der Seite fließt, an der der Gleichstromversorgungskreis 1 mit den Schaltelementen Q2 und Q4 verbunden ist, als positive Richtung.
Der Transformator 6 enthält die Primärwicklung 61 und die Sekundärwicklung 62, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Die Primärwicklung 61 des Transformators 6 ist mit dem Resonanz-Kondensator 5 und mit einer Verbindungsleitung zwischen dem Source-Anschluss von Schaltelement Q3 und dem Drain-Anschluss von Schaltelement Q4 verbunden. Mit anderen Worten ist der Transformator 6 mit der Ausgangsseite der Brückenschaltung 2 verbunden. Die Sekundärwicklung 62 des Transformators 6 ist mit der Gleichrichterschaltung 7 verbunden. Der Transformator 6 transformiert die an die Primärwicklung 61 angelegte Spannung der AC-Stromversorgung und sendet die transformierte Spannung an die Sekundärwicklung 62. Die in der Sekundärwicklung 62 des Transformators 6 erzeugte Wechselspannung wird durch die Gleichrichterschaltung 7 und den Glättungskondensator 8 in eine Gleichspannung umgewandelt und wird an eine DC-Last geliefert, die nicht dargestellt ist.
2 ist ein Ersatzschaltbild, in dem parasitäre Elemente zu der in 1 dargestellten Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 hinzugefügt sind. C1 bis C4 sind die Ausgangs-Kapazitäten des Schaltelemente Q1 bis Q4. Le ist eine Streuinduktivität des Transformators 6. Lm ist eine Magnetisierungsinduktivität des Transformators 6. Der Resonanz-Kondensator 5, die Streuinduktivität Le und die Magnetisierungsinduktivität Lm bilden einen Serien-LLC-Schaltkreis. Die folgende Beschreibung wird mit Bezugnahme auf das Ersatzschaltbild gegeben. Man beachte, dass eine Spule ausgebildet werden kann, indem man die Magnetisierungsinduktivität Lm und die Primärwicklung 61 gemeinsam benutzt.
In der folgenden Beschreibung kann ein Schaltkreis, der die Brückenschaltung 2, den Resonanz-Kondensator 5, die Streuinduktivität Le und die Magnetisierungsinduktivität Lm enthält, als eine Primärseite bezeichnet werden, und ein Schaltkreis, der die Gleichrichterschaltung 7, den Glättungskondensator 8 und die DC-Last, die nicht dargestellt ist, enthält, kann als eine Sekundärseite bezeichnet werden
<Arbeitsprinzip der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100>
Nachstehend werden ein Betrieb und ein Arbeitsprinzip der normal arbeitenden Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 beschrieben. 3 ist ein Diagramm, das die Signalformen von Gate-Signalen Vg1 und Vg2, die von dem Steuerkreis 3 ausgegeben werden, um die Brückenschaltung 2 zu steuern, und die Signalform des durch die Brückenschaltung 2 fließenden Stroms veranschaulicht. Man beachte, dass der Wert des durch die Brückenschaltung 2 fließenden Stroms erhalten wird, indem der Strom, der durch die Schaltelemente Q1 und Q4 fließt, und der Strom, der durch die Schaltelemente Q2 und Q3 fließt, addiert wird, und wie oben beschrieben durch den Strommessungs-Schaltkreis 4 gemessen wird.
Das Gate-Signal Vg1 ist ein Signal zum Ein- oder Ausschalten der Schaltelemente Q1 und Q4 der Brückenschaltung 2, und das Gate-Signal Vg2 ist ein Signal zum Ein- oder Ausschalten der Schaltelemente Q2 und Q3. In der folgenden Beschreibung wird der Fall beschrieben, in dem das Gate-Signal Vg1 zum gleichzeitigen Ein- oder Ausschalten der Schaltelemente Q1 und Q4 benutzt wird. Zum Beispiel kann jedoch das Schaltelement Q4 auf leicht verzögerte Weise im Vergleich zu Schaltelement Q1 ein- oder ausgeschaltet werden. Auf ähnliche Weise wird in der folgenden Beschreibung der Fall beschrieben, in dem das Gate-Signal Vg2 zum gleichzeitigen Ein- oder Ausschalten der Schaltelemente Q2 und Q3 benutzt wird. Zum Beispiel kann jedoch das Schaltelement Q3 auf leicht verzögerte Weise im Vergleich zu Schaltelement Q2 ein- oder ausgeschaltet werden.
Wie in 3 gezeigt, kennzeichnen die Zeit t₁ und die Zeit t₅ die Zeiten, zu denen die Schaltelemente Q1 und Q4 eingeschaltet werden, und die Zeit t₂ und die Zeit t₆ kennzeichnen die Zeiten, zu denen die Schaltelemente Q1 und Q4 ausgeschaltet werden. Außerdem kennzeichnen die Zeit t₃ und die Zeit t₇ die Zeiten, zu denen die Schaltelemente Q2 und Q3 eingeschaltet werden, und die Zeit t₀ und die Zeit t₄ kennzeichnen die Zeiten, zu denen die Schaltelemente Q2 und Q3 ausgeschaltet werden. Man beachte, dass Totzeiten (td) während der Zeitspanne vom Ausschalten der Schaltelemente Q1 und Q4 bis zum Einschalten der Schaltelemente Q2 und Q3 und während der Zeitspanne vom Ausschalten der Schaltelemente Q2 und Q3 bis zum Einschalten der Schaltelemente Q1 und Q4 vorgesehen sind.
Wie oben beschrieben ist der vom Strommessungs-Schaltkreis 4 gemessene Wert des Stroms ein Messwert des Stroms, der durch die Brückenschaltung 2 fließt. Wie oben beschrieben betrachtet das vom Strommessungs-Schaltkreis 4 gemessene Signal die Richtung von der Seite, an der der Gleichstromversorgungskreis 1 mit den Schaltelementen Q1 und Q3 verbunden ist, zu der Seite, an der der Gleichstromversorgungskreis 1 mit den Schaltelementen Q2 und Q4 verbunden ist, als positive Richtung.
Zu dem in 3 gezeigten Zeitpunkt t₁ erhöht der Steuerkreis 3 den Pegel des Gate-Signals Vg1 von Low (Low-Pegel) auf High (High-Pegel), so dass die Schaltelemente Q1 und Q4 eingeschaltet werden. In dem Zustand, in dem die Schaltelemente Q1 und Q4 vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ eingeschaltet sind, fließt ein Laststrom in dieser Reihenfolge vom Gleichstromversorgungskreis 1 zum Schaltelement Q1, zum Resonanz-Kondensator 5, zur Primärwicklung 61 von Transformator 6 und zum Schaltelement Q4. Mit anderen Worten erhöht sich, wie in 3 gezeigt, der Wert des durch die Brückenschaltung 2 fließenden Stroms in einer positiven Richtung.
Wenn eine Eingangsspannung an den LLC-Schaltkreis, der den Resonanz-Kondensator 5, die Streuinduktivität Le und die Magnetisierungsinduktivität Lm umfasst, angelegt wird, werden im Resonanz-Kondensator 5 durch einen Resonanzvorgang elektrische Ladungen gespeichert. Außerdem wird der vom Resonanz-Kondensator 5 und von der Streuinduktivität Le erzeugte Strom über die Sekundärwicklung 62 an die DC-Last, die nicht dargestellt ist, vorgesehen.
Wenn sich die Spannung des Resonanz-Kondensators 5 erhöht, verringert sich die an die Primärwicklung 61 angelegte Spannung. Daher verringert sich auch der an die Sekundärseite vorgesehene Strom. Wenn die Resonanz endet und der Strom auf der Sekundärseite Null wird, fließt ein Magnetisierungsstrom nur durch die Primärseite, und das Aufladen des Resonanz-Kondensators 5 wird aufrechterhalten.
Zum Zeitpunkt t₂ verringert der Steuerkreis 3 den Pegel des Gate-Signals Vg1 von High auf Low, so dass die Schaltelemente Q1 und Q4 ausgeschaltet werden. Sofort nachdem die Schaltelemente Q1 und Q4 ausgeschaltet sind, werden die Ausgangs-Kapazität C1 und die Ausgangs-Kapazität C4 durch den durch die Primärseite fließenden Magnetisierungsstrom geladen, und die Ausgangs-Kapazität C2 und die Ausgangs-Kapazität C3 werden entladen. Folglich erhöhen sich die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q1 und Q4, und die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q2 und Q3 verringern sich. Wenn die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q2 und Q3 sich auf Null verringern, fließt ein Magnetisierungsstrom durch die parasitären Dioden D2 und D3 der Schaltelemente Q2 und Q3 in die Richtung, in der die in der Streuinduktivität Le und der Magnetisierungsinduktivität Lm gespeicherte Anregungsenergie zurückgesetzt wird.
Man beachte, dass die Zeitspanne vom Zeitpunkt t₂ zum Zeitpunkt t₃ eine Totzeit ist, und alle Schaltelemente Q1 bis Q4 sind in dieser Zeitspanne ausgeschaltet.
Wenn der Steuerkreis 3 zum Zeitpunkt t₃ den Pegel des Gate-Signals Vg2 von Low auf High erhöht, werden die Schaltelemente Q2 und Q3 eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird, da ein Magnetisierungsstrom durch die Schaltelemente Q2 und Q3 von jedem Source- zu jedem Drain-Anschluss fließt, d.h. in negativer Richtung, das Schalten durchgeführt, wenn die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q2 und Q3 Null sind. Daher wird ein Schalten bei Spannung Null (Zero Voltage Switching, ZVS) durchgeführt, so dass der Schaltverlust zum Zeitpunkt des Einschaltens verhindert werden kann.
In einem Zustand, in dem die Schaltelemente Q2 und Q3 vom Zeitpunkt t₃ bis zum Zeitpunkt t₄ eingeschaltet sind, verursacht die Spannung des Resonanz-Kondensators 5, dass ein Magnetisierungsstrom durch den Serien-LLC-Schaltkreis fließt, und die im Resonanz-Kondensator 5 gespeicherten Ladungen werden entladen. Gleichzeitig wird der vom Resonanz-Kondensator 5 und von der Streuinduktivität Le erzeugte Resonanz-Strom über die Sekundärwicklung 62 an die DC-Last, die nicht dargestellt ist, vorgesehen.
Wenn sich die Spannung des Resonanz-Kondensators 5 verringert, verringert sich die an die Primärwicklung 61 angelegte Spannung. Daher verringert sich auch der an die Sekundärseite vorgesehene Strom. Wenn der Strom auf der Sekundärseite Null wird, fließt ein Magnetisierungsstrom nur durch die Primärseite, und das Aufladen des Resonanz-Kondensators 5 wird aufrechterhalten.
Wenn der Steuerkreis 3 zum Zeitpunkt t₄ den Pegel des Gate-Signals Vg2 von High auf Low verringert, werden die Schaltelemente Q2 und Q3 ausgeschaltet. Sofort nachdem die Schaltelemente Q2 und Q3 ausgeschaltet sind, werden die Ausgangs-Kapazität C1 und die Kapazität C4 durch den durch die Primärseite fließenden Magnetisierungsstrom entladen, und die Ausgangs-Kapazität C2 und die Ausgangs-Kapazität C3 werden geladen. Folglich verringern sich die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q1 und Q4, und die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q2 und Q3 erhöhen sich allmählich.
Wenn die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q2 und Q3 sich auf die Eingangsspannung erhöhen, fließt weiter ein Resonanzstrom in der Richtung, in der die in der Streuinduktivität Le und der Magnetisierungsinduktivität Lm gespeicherte Anregungsenergie zurückgesetzt wird. Die Anregungsenergie wird im Gleichstromversorgungskreis 1 durch die parasitären Dioden D1 und D4 der Schaltelemente Q1 und Q4 regeneriert. Anschließend werden die Schaltelemente Q1 und Q4 zum Zeitpunkt t₅ erneut eingeschaltet. Der Vorgang zum Zeitpunkt t₅ ist derselbe wie der Vorgang zum Zeitpunkt t₁ , und dieselben Vorgänge wie oben werden danach wiederholt.
Man beachte, dass der Einschaltvorgang der Schaltelemente Q1 und Q4 zum Zeitpunkt t₅ (t₁ ) das Schalten ist, das durchgeführt wird, wenn die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente Q1 und Q4 Null sind. Daher wird ein Schalten bei Spannung Null durchgeführt, so dass der Schaltverlust zum Zeitpunkt des Einschaltens verhindert werden kann.
<Beispiel für den Betrieb der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 bei anormalen Bedingungen>
Als Nächstes wird ein Beispiel für den Betrieb der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100, wenn eine Anomalie in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 aufgetreten ist, beschrieben. In der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung wird angenommen, dass die Anomalie ein Fehler des Resonanz-Kondensators 5 ist. Insbesondere bezieht sich die Anomalie auf einen Zustand, in dem der Resonanz-Kondensator 5 zum Beispiel eine Vielzahl von parallel geschalteten Kondensatoren umfasst, und einer der Kondensatoren einen Fehler aufweist, wodurch sich die Kapazität des Resonanz-Kondensators 5 verringert.
Die Resonanzfrequenz fr des Serien-LLC-Schaltkreises wird allgemein durch folgende Gleichung (1) berechnet.
[Gleichung 1] $f r = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}$
Wenn eine Anomalie in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt, bei der sich die Kapazität C des Resonanz-Kondensators 5 verringert, erhöht sich folglich die Resonanzfrequenz des Serien-LLC-Schaltkreises.
Wie oben beschrieben, ist die Ansteuerfrequenz der Brückenschaltung 2 so bemessen, dass sie einen Wert aufweist, der um einen vorher festgesetzten kleinen Wert größer ist als die Resonanzfrequenz, die zum Zeitpunkt des Schaltkreisentwurfs eingestellt wird. Wenn die Resonanzfrequenz des Serien-LLC-Schaltkreises sich durch eine Anomalie der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 erhöht, überschreitet die erhöhte Resonanzfrequenz folglich die Ansteuerfrequenz der Brückenschaltung 2.
Somit verschiebt sich der Resonanzvorgang des Serien-LLC-Schaltkreises zur Seite der voreilenden Phase, was bewirkt, dass die Phase des durch den Serien-LLC-Schaltkreis fließenden Resonanzstroms voreilt. 4 zeigt einen Vergleich zwischen dem Strom, der während eines Normalbetriebs durch die Brückenschaltung 2 fließt, und dem Strom, der während eines anormalen Betriebs durch die Brückenschaltung 2 fließt.
Da der Strom während des anormalen Betriebs in der Phase voreilt, wenn man annimmt, dass die Zeitdauer vom Ausschalten der Schaltelemente Q1 und Q4 der Brückenschaltung 2 zum Ausschalten der Schaltelemente Q2 und Q3 der Brückenschaltung 2 ein Zyklus ist, weist, wie in 4 gezeigt, die Strom-Signalform während des anormalen Betriebs eine Form auf, bei der die Strom-Signalform während des Normalbetriebs in jedem Zyklus horizontal umgekehrt ist.
<Prozess der Erkennung des anormalen Betriebs>
Auf der Grundlage des obigen wird ein Prozess der Erkennung des anormalen Betriebs in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Wie in 4 gezeigt, bestehen im Normalbetrieb und im anormalen Betrieb deutliche Unterschiede im Wert des Stroms, der durch die Brückenschaltung 2 fließt und vom Strommessungs-Schaltkreis 4 gemessen wird. Wenn man folglich im Voraus den möglichen Bereich des Stromwertes in einer vorher festgelegten Zeit während des Normalbetriebs bestimmt, kann der Steuerkreis 3 bestimmen, ob die Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 anormal arbeitet oder nicht, indem man sich auf den durch den Strommessungs-Schaltkreis 4 in der vorher festgelegten Zeit gemessenen Wert bezieht und feststellt, ob der gemessene Wert in dem vorher bestimmten Bereich liegt oder nicht.
Der mögliche Bereich des Stromwertes in einer vorher festgelegten Zeit während des Normalbetriebs kann bestimmt werden, indem man im Voraus experimentell den Wert des Stroms (Normalstrom), der im Normalbetrieb durch die Brückenschaltung 2 fließt, und den Wert des Stroms (Anomaliestrom), der während des anormalen Betriebs durch die Brückenschaltung 2 fließt, bestimmt, wie in 4 gezeigt, und indem man diese Werte miteinander vergleicht.
Nachstehend sind spezielle Beispiele beschrieben. Als erstes Beispiel bestimmt der Steuerkreis 3, ob eine Anomalie auftritt oder nicht, auf der Grundlage des Stromwertes, wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 ansteigt, wie etwa zu den Zeitpunkten t₁ , t₃ und t₅ . Wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 ansteigt, das heißt wenn die Schaltelemente Q1 und Q4 oder die Schaltelemente Q2 und Q3 eingeschaltet werden, fließt ein Normalstrom über die parasitären Dioden D3 und D2 der Schaltelemente Q3 und Q2 rückwärts durch die Brückenschaltung 2. Wie der Normalstrom in 4 anzeigt, weist daher der Stromwert, wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 ansteigt, immer einen Wert kleiner als Null auf.
Im Gegensatz dazu verschiebt sich während des anormalen Betriebs die Phase des Stroms zu einer voreilenden Phase. Somit kann der Stromwert, wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 ansteigt, einen Wert größer oder gleich Null aufweisen, wie durch den anormalen Strom in 4 gezeigt. Wenn der Steuerkreis 3 den Pegel des Gate-Signals Vg1 oder Vg2 von Low auf High erhöht, bezieht sich der Steuerkreis 3 auf den Wert des durch die Brückenschaltung 2 fließenden Stroms, der durch den Strommessungs-Schaltkreis 4 erhalten wird. Wenn der Wert größer als Null ist, kann der Steuerkreis 3 feststellen, dass ein anormaler Betrieb in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt. Man beachte, dass wenn der Steuerkreis 3 feststellt, dass ein anormaler Betrieb in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt, der Steuerkreis 3 ein Signal, das anzeigt, dass ein anormaler Betrieb auftritt, nach außen ausgibt (zum Beispiel an einen höheren Steuerkreis).
Man beachte, dass der in 4 dargestellte anormale Strom ein Beispiel ist. Der zum Zeitpunkt des anormalen Betriebs der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 vom Strommessungs-Schaltkreis 4 gemessene Strom muss nicht notwendigerweise eine solche Signalform aufweisen. Sogar wenn der Stromwert, wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 ansteigt, einen Wert kleiner als Null aufweist, kann daher ein Fall vorliegen, in dem eine Anomalie in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt. Wenn die Resonanzfrequenz jedoch wesentlich größer ist als die zum Zeitpunkt des Schaltungsentwurfs festgesetzte Resonanzfrequenz, verschiebt sich die Phase des Stroms zu einer voreilenden Phase. Somit weist der Stromwert, wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 ansteigt, einen Wert größer als Null auf. Wenn die Resonanzfrequenz wesentlich größer ist als die zum Zeitpunkt des Schaltungsentwurfs festgesetzte Resonanzfrequenz, kann nicht nur das Schalten bei Spannung Null in der Brückenschaltung 2 nicht ausgeführt werden, sondern es können auch andere Störungen auftreten. Beispiele für solche Störungen umfassen eine Störung, dass ein Durchlassstrom vom Schaltelement Q1 zum Schaltelement Q2 fließt, und eine Störung, dass die Brückenschaltung Hitze erzeugt, die einen Ausfall der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 verursacht. Es kann sein, dass das oben beschriebene Anomaliebestimmungsverfahren, das vom Steuerkreis 3 ausgeführt wird, leichte Abweichungen des Resonanzstroms von dem Resonanzstrom, der zum Zeitpunkt des Schaltkreisentwurfs eingestellt wurde, nicht erkennt. Das Verfahren kann jedoch erhebliche Abweichungen genau erkennen, die einen Ausfall der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 verursachen.
Als ein zweites Beispiel bestimmt der Steuerkreis 3, ob eine Anomalie auftritt oder nicht, zum Beispiel auf der Grundlage des Stromwertes, der erhalten wird, nachdem eine kurze Zeitspanne verstrichen ist, nachdem das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 abfällt. 4 zeigt die Zeitpunkte, an denen eine kurze Zeitspanne nach dem Abfallen des Gate-Signals Vg1 oder Vg2 verstrichen ist, als t_2' , t_4' und t_6' . Wie in 4 gezeigt, fließt, wenn das Gate-Signal Vg1 oder Vg2 abfällt, das heißt sofort nachdem die Schaltelemente Q1 und Q4 oder Q2 und Q3 ausgeschaltet sind, als Reaktion auf das Ausschalten ein Normalstrom rückwärts durch die Brückenschaltung 2, und anschließend erhöht er sich in positiver Richtung. Wie in 4 gezeigt, fließt im Gegensatz dazu ein anormaler Strom nicht rückwärts durch die Brückenschaltung 2 und erhöht sich anschließend in positiver Richtung.
Wenn der Steuerkreis 3 den Pegel der Gate-Spannung Vg1 oder Vg2 verringert, bezieht sich der Steuerkreis 3 daher auf den Wert des durch die Brückenschaltung 2 fließenden Stroms, der durch den Strommessungs-Schaltkreis 4 erhalten wird, und bestimmt, dass ein anormaler Betrieb in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt, wenn der Wert größer ist als Null.. Man beachte, dass auf ähnliche Weise wie im ersten Beispiel, wenn der Steuerkreis 3 feststellt, dass ein anormaler Betrieb in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt, der Steuerkreis 3 ein Signal, das anzeigt, dass ein anormaler Betrieb auftritt, nach außen ausgibt (zum Beispiel an einen höheren Steuerkreis).
Die vorher festgelegte Zeit, zu der der Bereich des Stromwertes im Normalbetrieb vorher bestimmt wird, wurde unter Verwendung von zwei speziellen Beispielen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf diese beiden Beispiele beschränkt. Die vorher festgelegte Zeit kann jede Zeit sein, solange der normale Strom deutlich von dem anormalen Strom unterschieden werden kann, der fließt, wenn die Resonanzfrequenz beträchtlich von der Resonanzfrequenz abweicht, die zum Zeitpunkt des Schaltungsentwurfs festgelegt wurde.
Wie oben beschrieben, enthält die Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform in der vorliegenden Offenbarung eine Brückenschaltung 2, einen Transformator 6, einen Strommessungs-Schaltkreis 4 und einen Steuerkreis 3. Die Brückenschaltung 2 enthält eine Vielzahl von Schaltelementen und erhält einen Gleichstrom. Der Transformator 6 ist mit der Ausgangsseite der Brückenschaltung 2 verbunden. Der Strommessungs-Schaltkreis 4 misst den Wert eines Stroms, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt. Der Steuerkreis 3 bestimmt, ob eine Anomalie in der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 auftritt oder nicht, auf der Grundlage des Wertes, der vom Strommessungs-Schaltkreis 4 zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt während der Schaltsteuerung gemessen wurde.
Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, eine Anomalie der Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 genau zu erkennen, wie etwa einen beträchtlichen Anstieg der Resonanzfrequenz, ohne dass für die Erkennung viel Zeit benötigt wird.
Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Beispiele beschränkt. Es ist offensichtlich, dass Fachleute Änderungen und Korrekturen jeder Ausführungsform innerhalb des in den Ansprüchen definierten Umfangs ersinnen können, und es versteht sich von selbst, dass solche Änderungen und Korrekturen in den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen.
In der obigen Ausführungsform ist der Strommessungs-Schaltkreis 4 mit der Unterseite der Brückenschaltung 2 verbunden, um den Wert des Stroms zu messen, der durch die Brückenschaltung 2 fließt. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf das Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann der Strommessungs-Schaltkreis 4 an der Oberseite der Brückenschaltung 2 oder innerhalb der Brückenschaltung 2 angeordnet sein. Außerdem kann der Strommessungs-Schaltkreis 4 nur den Wert des Stroms messen, der durch ein beliebiges der Schaltelemente fließt, anstatt den Wert des Stroms zu messen, der durch die gesamte Brückenschaltung 2 fließt. In diesem Fall reicht es aus, dass die entsprechenden Bereiche der Werte des Stroms, der in einem Normalbetrieb und in einem anormalen Betrieb durch das Schaltelement fließt, vorher erhalten werden, und dass der Steuerkreis 3 auf der Grundlage der vorher erhaltenen Bereiche bestimmt, ob ein anormaler Betrieb auftritt oder nicht.
Außerdem ist, obwohl die Leistungsumsetzungsvorrichtung 100, die eine Vollbrückenschaltung 2 enthält, in der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, die vorliegende Offenbarung nicht auf ein solches Beispiel beschränkt. Wie in 5 gezeigt, kann die Leistungsumsetzungsvorrichtung 100 zum Beispiel die Halbbrückenschaltung 21 enthalten.
Außerdem ist, obwohl die Leistungsumsetzungsvorrichtung 100, die einen Transformator 6 enthält, in der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, die vorliegende Offenbarung nicht auf ein solches Beispiel beschränkt. Zum Beispiel können als Transformator 6 eine Primärwicklung (Stromversorgungs-Spule) und eine Sekundärwicklung (Energie-Empfangs-Spule), die zum kontaktlosen Laden benutzt werden, verwendet werden.
Außerdem wurde in der obigen Ausführungsform beschrieben, dass wenn festgestellt wird, dass ein anormaler Betrieb auftritt, ein Signal, das anzeigt, dass der anormale Betrieb auftritt, nach außen ausgegeben wird (zum Beispiel an einen höheren Steuerkreis). Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf das Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann ein Betrieb (Leistungsumsetzung) fortgesetzt werden, während die Ansteuerfrequenz geändert wird, so dass die Ansteuerfrequenz um einen vorher festgelegten Wert größer ist als die geänderte Resonanzfrequenz.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist für eine Leistungsumsetzungsvorrichtung geeignet, die eine DC-Leistung umsetzt.
Bezugszeichenliste

100: Leistungsumsetzungsvorrichtung
1: Gleichstromversorgungskreis
2, 21: Brückenschaltung
Q1, Q2, Q3, Q4: Schaltelement
D1, D2, D3, D4: parasitäre Diode
C1, C2, C3, C4: Ausgangs-Kapazität
3: Steuerkreis
4: Strommessungs-Schaltkreis
5: Resonanz-Kondensator
6: Transformator
61: Primärwicklung
62: Sekundärwicklung
7: Gleichrichterschaltkreis
8: Glättungskondensator
Le: Streuinduktivität
Lm: Magnetisierungsinduktivität
n1, n2: Knoten

Claims

Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung, umfassend: eine Brückenschaltung, die eine Vielzahl von Schaltelementen enthält und einen Gleichstrom (DC) erhält; einen Transformator, der mit einer Ausgangsseite der Brückenschaltung verbunden ist; einen Strommessungs-Schaltkreis, der einen Wert eines Stroms misst, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt; und einen Steuerkreis, wobei der Steuerkreis auf der Grundlage des Wertes, der vom Strommessungs-Schaltkreis zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt während einer Schaltsteuerung gemessen wurde, bestimmt, ob eine Anomalie in der Leistungsumsetzungsvorrichtung auftritt oder nicht.
Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Steuerkreis als die Anomalie in der Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung einen Anstieg der Resonanzfrequenz von einer Resonanzfrequenz, die zu einem Zeitpunkt des Schaltkreisentwurfs eingestellt wurde, um mindestens eine vorher festgelegte Frequenz bestimmt.
Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn der Steuerkreis bestimmt, dass die Anomalie auftritt, der Steuerkreis ein Signal ausgibt, das anzeigt, dass die Anomalie auftritt.
Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der vorher festgelegten Zeitpunkt ein Zeitpunkt ist, zu dem der Steuerkreis ein Steuersignal ausgibt, um die Vielzahl von Schaltelementen der Brückenschaltung einzuschalten, und der Steuerkreis bestimmt, dass die Anomalie in dem Resonanz-Leistungsumsetzungsschaltkreis auftritt, wenn der Wert, der vom Strommessungs-Schaltkreis zu dem Zeitpunkt gemessen wird, wenn der Steuerkreis das Ausgangssignal ausgibt, größer ist als Null.
Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der vorher festgelegten Zeitpunkt ein Zeitpunkt ist, zu dem eine vorher festgelegte kleine Zeitspanne verstreicht, nachdem der Steuerkreis ein Steuersignal ausgibt, um die Vielzahl von Schaltelementen der Brückenschaltung einzuschalten, und der Steuerkreis bestimmt, dass die Anomalie in dem Resonanz-Leistungsumsetzungsschaltkreis auftritt, wenn der Wert, der vom Strommessungs-Schaltkreis zu dem Zeitpunkt gemessen wird, an dem die vorher festgelegte kleine Zeitspanne verstreicht, nachdem der Steuerkreis das Steuersignal ausgibt, größer ist als Null.
Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brückenschaltung eine Vollbrückenschaltung ist.
Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brückenschaltung eine Halbbrückenschaltung ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Anomalie in einer Resonanz-Leistungsumsetzungsvorrichtung, umfassend: eine Brückenschaltung, die eine Vielzahl von Schaltelementen enthält und einen Gleichstrom (DC) erhält; einen Transformator, der mit einer Ausgangsseite der Brückenschaltung verbunden ist; einen Strommessungs-Schaltkreis, der einen Wert eines Stroms misst, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt; und einen Steuerkreis, wobei das Verfahren umfasst: Messen, durch den Strommessungs-Schaltkreis, des Wertes eines Stroms, der durch mindestens eines aus der Vielzahl von Schaltelementen fließt, zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt während einer Schaltsteuerung; und Bestimmen, durch den Steuerkreis, auf der Grundlage des gemessenen Wertes des Stroms, ob die Anomalie in der Leistungsumsetzungsvorrichtung auftritt oder nicht.