JP2005151606A - Dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧の異なる2つの電源間あるいは回路間で、外部選択信号により低圧側から高圧側、または逆に高圧側から低圧側に電力の移送を行なう昇降圧型のDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a step-up / step-down DC-DC converter that transfers electric power between two power supplies or circuits having different voltages from a low voltage side to a high voltage side, or vice versa by an external selection signal.
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などにおいては、走行用モータを駆動するためのインバータ回路の前段にDC−DCコンバータを設け、このコンバータによりバッテリー電圧(低圧側回路)を昇圧してインバータ回路(高圧側回路)に供給する制御が行なわれている。また走行用モータが回生状態となったときには、逆にその回生電力(高圧側回路)をDC−DCコンバータにより降圧してバッテリー(低圧側回路)の充電に供することも行なわれている。 For example, in an electric vehicle or a hybrid vehicle, a DC-DC converter is provided in front of an inverter circuit for driving a traveling motor, and the battery voltage (low-voltage side circuit) is boosted by this converter so as to increase the inverter circuit (high-voltage side). Circuit). When the traveling motor is in a regenerative state, the regenerative electric power (high-voltage side circuit) is stepped down by a DC-DC converter to charge the battery (low-voltage side circuit).
図2は、このような目的に使用される昇降圧型DC−DCコンバータ1の回路例である。図において、トランジスタQ1、Q2はスイッチング用のパワーMOSトランジスタで、高圧側回路2の入出力端子N2と接地GND間に直列に接続されている。各トランジスタQ1、Q2には、フリーホィールダイオードD1、D2がそれぞれ逆並列に接続されている。低圧側回路3の入出力端子N1とトランジスタQ1、Q2の相互接続点N3との間にはエネルギー蓄積、放出用のリアクトルLが、入出力端子N1、N2と接地GNDとの間には、それぞれ平滑用コンデンサC1、C2が接続されている。
FIG. 2 is a circuit example of the step-up / step-down DC-
低圧側回路3の電圧をV1、高圧側回路2の電圧をV2、リアクトルLを低圧側回路3から相互接続点N3に向けて流れる電流をILとして、低圧側回路3から高圧側回路2に平均電力(移送電力指令値)Pr で電力を移送する場合の動作について説明する。電力を移送する方向は、外部選択信号によりゲート制御回路3に指示される。ゲート制御回路3は、指示に従いトランジスタQ1には常時OFFの信号を出力し、トランジスタQ2には移送電力指令値Prに基づいて次のように計算したON時間の駆動パルスを出力する。
The voltage of the low-
トランジスタQ2がONした場合には、低圧側回路3からリアクトルL、トランジスタQ2を通って接地GNDに電流が流れる。リアクトルLを流れるリアクトル電流ILは、図9の(1)の時刻(0〜t0)期間(トランジスタQ2のON期間)に示すように直線的に増加する。リアクトル電流ILの値がI0になった時間t0の時点でトランジスタQ2をOFFすると、トランジスタQ2のON期間中にリアクトルLに蓄積された電磁エネルギーはダイオードD1を通って高圧側回路2に放出される。リアクトル電流ILは時刻(t0〜t1)期間(トランジスタQ2のOFF期間)においては直線的に減少し、時刻t1にゼロとなる。
When the transistor Q2 is turned on, a current flows from the low
この1周期の時間t1中に低圧側回路3から出力される電力の平均値P1は、
P1=(V12 /2・L)・t0
となる。ゲート制御回路4は、この平均電力P1の値が移送電力指令値Prに等しくなるようにトランジスタQ2のON時間t0の値を計算して制御する。従って、
t0=2・L・Pr/V12 (1)式
即ち、ゲート制御回路4は(1)式で計算したt0の時間だけトランジスタQ2をONさせた後にOFFする。そして、リアクトル電流ILがゼロになった後、再びt0時間だけトランジスタQ2をONさせる動作を繰り返す。これにより、低圧側回路3から高圧側回路2には移送電力指令値Prに等しい電力が移送される。
The average value P1 of the power output from the low
P1 = (V1 2/2 · L) · t0
It becomes. The
t0 = 2 · L · Pr / V1 2 (1) In other words, the
リアクトル電流ILがゼロになったことは、ゼロクロス検出回路5により検出される。ゼロクロス検出回路5は、リアクトルLの両端の電位差がゼロになる瞬間を検出してリアクトル電流ILがゼロになった瞬間と判定しゲート制御回路4に知らせる。
このように、スイッチング動作を行なうトランジスタQ2に流れる電流がゼロとなった時点でトランジスタQ2をOFFからONに切り換える制御(以下、ゼロクロス制御という。)は、電流が流れている状態でOFFからONに切り換えるPWM制御に比べてスイッチング損失を低減できる利点がある。
The zero
As described above, when the current flowing through the transistor Q2 performing the switching operation becomes zero, the control for switching the transistor Q2 from OFF to ON (hereinafter referred to as zero-crossing control) is performed from OFF to ON while the current is flowing. There is an advantage that switching loss can be reduced as compared with PWM control for switching.
しかしながら、このゼロクロス制御の場合、移送電力指令値Prの値が小さくなると(1)式で計算されるトランジスタQ2のON時間t0が短くなる。ON時間t0が短くなると図9の(1)、(2)、(3)に示すようにトランジスタQ2のON/OFFの周期t1も次第に短くなり、その逆数である周波数は図10に示すように次第に上昇する。ゼロクロス制御では、トランジスタQ2がOFFからONに移る際は電流ゼロの状態でスイッチングを行なうためにスイッチング損失は発生しない。しかし、ONからOFFへの切り換えは電流が流れている状態で行なうためスイッチング損失が発生する。従ってトランジスタQ2のスイッチング周波数が上昇すると、それにつれてスイッチング損失も増大するという問題がある。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、電圧の異なる2つの電源間あるいは回路間で外部選択信号により低圧側から高圧側、または逆に高圧側から低圧側に電力の移送を行なう昇降圧型のDC−DCコンバータにおけるスイッチングトランジスタのスイッチング損失を低減することを課題とする。 The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and between two power supplies or circuits having different voltages, an external selection signal causes a low voltage from the low voltage side or vice versa. It is an object to reduce switching loss of a switching transistor in a step-up / step-down DC-DC converter that transfers power to the side.
前記課題を達成するための請求項1に記載の発明は、電圧の異なる2つの回路間で外部選択信号により低圧側から高圧側、またはその逆方向に電力の移送を行なう昇降圧型のDC−DCコンバータ(1)であって、高圧側回路(2)の入出力端子(N2)と接地間に各々逆並列ダイオード(D1、D2)を備えて直列に接続された第1、第2のトランジスタ(Q1、Q2)と、該2つのトランジスタの相互接続点(N3)と低圧側回路(3)の入出力端子(N1)間に接続されたリアクトル(L)と、該リアクトルを流れる電流がゼロになった瞬間を検出するゼロクロス検出回路(5)と、前記第1、第2のトランジスタのスイッチング動作を制御するゲート制御回路(4)とを備えて構成され、該ゲート制御回路は、前記低圧側回路から高圧側回路に電力を移送する場合には、高圧側回路側に接続された前記第1のトランジスタをOFFしたまま低圧側回路側に接続された前記第2のトランジスタのON/OFFを制御し、高圧側回路から低圧側回路に電力を移送する場合には、第2のトランジスタをOFFしたまま第1のトランジスタのON/OFFを制御するものであって、外部から指示された移送電力指令値に従って第1または第2のトランジスタをONさせるON時間を計算し、前記第1または第2のトランジスタをONさせてから前記ゼロクロス検出回路からのゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が所定値以上であった場合には、該ゼロクロス検出信号の受信直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせ、前記ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が前記所定値未満であった場合には、直前のON開始時刻から該所定値時間経過した直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせることを特徴とするDC−DCコンバータである。
In order to achieve the above object, the invention according to
このような構成のDC−DCコンバータによれば、移送電力指令値が減少して所定の値以下になった場合には、第1または第2のトランジスタのスイッチング周波数が一定となるためスイッチング損失のそれ以上の増大が防止される効果を奏する。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のDC−DCコンバータであって、前記ゲート制御回路は、前記低圧側回路から高圧側回路に電力を移送する場合には、前記第1のトランジスタをOFFしたまま前記第2のトランジスタのON/OFFを制御し、高圧側回路から低圧側回路に電力を移送する場合には、第2のトランジスタをOFFしたまま第1のトランジスタのON/OFFを制御するものであって、外部から指示された移送電力指令値に従って第1または第2のトランジスタをONさせるON時間を計算し、前記第1または第2のトランジスタをONさせてから前記ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が第1の所定値以上であった場合には、該ゼロクロス検出信号の受信直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせ、前記ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が前記第1の所定値未満であり第2の所定値以上であった場合には、該ゼロクロス検出信号の受信時から更に前記第1の所定値と該ゼロクロス検出信号を受け取るまでの時間との差に1より小さい一定比率を掛けた時間を経過した直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせ、前記ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が前記第2の所定値未満であった場合には、直前のON開始時刻から第2の所定値に前記第1の所定値と第2の所定値との差に前記1より小さい一定比率を掛けた時間を加えた時間が経過した直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせることを特徴とするDC−DCコンバータである。
According to the DC-DC converter having such a configuration, when the transfer power command value decreases to a predetermined value or less, the switching frequency of the first or second transistor becomes constant, so that the switching loss is reduced. There is an effect of preventing further increase.
The invention according to
このような構成のDC−DCコンバータによっても移送電力指令値Prが減少した場合には、第1または第2のトランジスタのスイッチング周波数の上昇が抑制されるためスイッチング損失の増大が防止される効果を奏する。 Even when the transfer power command value Pr is reduced by the DC-DC converter having such a configuration, an increase in switching loss of the first or second transistor is suppressed, so that an increase in switching loss is prevented. Play.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のDC−DCコンバータであって、前記第1または第2のトランジスタをONさせてから前記ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間に代えて、前記移送電力指令値に基づいて計算で求めた前記第1または第2のトランジスタのON開始から前記リアクトルに流れる電流がゼロになるまでの時間を使用することを特徴とするDC−DCコンバータである。
The invention according to
このような構成のDC−DCコンバータによれば、前記ゼロクロス検出回路をなくすことができ回路を簡単にできる効果がある。また、第1または第2のトランジスタのスイッチング損失の増大も防止される。 According to the DC-DC converter having such a configuration, the zero cross detection circuit can be eliminated and the circuit can be simplified. Further, an increase in switching loss of the first or second transistor is also prevented.
(第1の実施形態)
本実施形態における昇降圧型DC−DCコンバータの基本回路構成は、「背景技術」の中で説明した図2中のDC−DCコンバータ1と同じ構成である。異なる点は、ゲート制御回路4の演算制御ロジックのみである。従って、回路構成については図2を参照しながら説明する。
(First embodiment)
The basic circuit configuration of the step-up / step-down DC-DC converter in the present embodiment is the same as the DC-
トランジスタQ1、Q2にはパワーMOSトランジスタ、あるいはIGBTを使用する。電力を移送する方向は、ゲート制御回路4に与えられる外部選択信号により決定される。低圧側回路3から高圧側回路2に電力を移送する場合には、ゲート制御回路4はトランジスタQ1をOFFにしたままトランジスタQ2をON/OFF動作させる。この場合ゲート制御回路4は、移送される電力が外部から指定された移送電力指令値Prに一致するようにそのON時間を計算してトランジスタQ2を制御する。
A power MOS transistor or IGBT is used for the transistors Q1 and Q2. The direction in which power is transferred is determined by an external selection signal given to the
これとは反対に、高圧側回路2から低圧側回路3に電力を移送する場合には、ゲート制御回路4はトランジスタQ2をOFFにしたまま、トランジスタQ1をON/OFF動作させる。この場合ゲート制御回路4は、移送される電力が外部から指定された移送電力指令値Prに一致するようにそのON時間を計算してトランジスタQ1を制御する。
電力をどちらの方向に移送する場合も、ゲート制御回路4がON/OFF動作させるトランジスタを制御するために行なう演算制御ロジックは同じであるので、低圧側回路3から高圧側回路2に電力を移送する場合について説明する。
On the other hand, when power is transferred from the high
Regardless of the direction in which the power is transferred, the arithmetic control logic performed to control the transistor that the
トランジスタQ1、Q2が共にOFFで、リアクトルLに流れるリアクトル電流ILがゼロの初期状態(時刻t=0)から、図3の(1)に示すようにトランジスタQ2をt0時間だけONしたとする。トランジスタQ2のON抵抗はゼロとし、リアクトル電流ILの時間微分を(IL)´で表わすとすると、
V1=L・(IL)´
初期条件を入れで解くと、
IL=(V1/L)・t
となることから、リアクトル電流ILは図3の(2)に示すように直線的に増加する。時刻t0でのリアクトル電流ILの値をI0とすると、
I0=(V1/L)・t0
となり、トランジスタQ2のON時間t0は次のように計算される。
t0=(L/V1)・I0 (2)式
Assume that the transistor Q2 is turned on for the time t0 as shown in (1) of FIG. 3 from the initial state (time t = 0) in which the transistors Q1 and Q2 are both OFF and the reactor current IL flowing through the reactor L is zero. If the ON resistance of the transistor Q2 is zero and the time derivative of the reactor current IL is represented by (IL) ′,
V1 = L · (IL) ′
Solving with the initial conditions,
IL = (V1 / L) · t
Therefore, the reactor current IL increases linearly as shown in (2) of FIG. When the value of the reactor current IL at time t0 is I0,
I0 = (V1 / L) · t0
Thus, the ON time t0 of the transistor Q2 is calculated as follows.
t0 = (L / V1) · I0 (2) Formula
時刻t0にトランジスタQ2をOFFすると、リアクトルLに蓄積された電磁エネルギーはダイオードD1を通って高圧側回路2に流れ込む。ダイオードD1の順方向電圧をゼロとすると、トランジスタQ2をOFFした後は次の式が成り立つ。
V1=L・(IL)´+V2
時刻t0でIL=I0の条件の下で上式を解くと、
IL=−((V2−V1)/L)・t+(V2/L)・t0
となり、電流ILは図3の(2)に示すように直線的に減少する。
When the transistor Q2 is turned off at time t0, the electromagnetic energy accumulated in the reactor L flows into the high
V1 = L · (IL) ′ + V2
Solving the above equation under the condition of IL = I0 at time t0,
IL =-((V2-V1) / L) .t + (V2 / L) .t0
Thus, the current IL decreases linearly as shown in (2) of FIG.
リアクトル電流ILがゼロとなる時刻をt1とするとt1は次のように計算される。
t1=t0・V2/(V2−V1) (3)式
一方、時刻(0〜t1)間に低圧側回路3から供給されるエネルギーE1は、
E1=(1/2)・V1・I0・t1
従って、この間の平均電力P1は次のようになる。
P1=(1/2)・V1・I0
If the time when reactor current IL becomes zero is t1, t1 is calculated as follows.
t1 = t0 · V2 / (V2−V1) (3) On the other hand, the energy E1 supplied from the low
E1 = (1/2) · V1 · I0 · t1
Accordingly, the average power P1 during this period is as follows.
P1 = (1/2) · V1 · I0
ゲート制御回路4はこの平均電力P1が移送電力指令値Prに一致するように時間t0、t1の値を演算して制御する。従って、
Pr=(1/2)・V1・I0 (4)式
(2)、(4)式よりトランジスタQ2のON時間t0は次のように計算される。
t0=(2・L/V12 )・Pr (5)式
トランジスタQ1のON/OFFの1周期の時間t1は(3)、(5)式より次のようになる。
t1=(V2/(V2−V1))・(2・L/V12 )・Pr (6)式
The
Pr = (1/2) · V1 · I0 (4) Equation (2) From the equations (2) and (4), the ON time t0 of the transistor Q2 is calculated as follows.
t0 = (2 · L / V1 2 ) · Pr (5) Formula The time t1 of one cycle of ON / OFF of the transistor Q1 is as follows from the formulas (3) and (5).
t1 = (V2 / (V2-V1)) · (2 · L / V1 2 ) · Pr (6)
従って、ゲート制御回路4が(6)式で計算される周期t1でもって(5)式で計算されるt0の時間だけトランジスタQ2を繰り返しONするように制御すれば、低圧側回路3から高圧側回路2に移送される電力の平均値P1は、外部から指定された移送電力指令値Prに一致するようになる。
Therefore, if the
ここで少し問題となる点は、(6)式で計算される周期t1には誤差が含まれており、トランジスタQ2のON開始時刻から(6)式で計算される時間t1後にリアクトル電流ILの値がゼロになっていない場合もあり得る点である。その計算誤差は、トランジスタQ2のON時の抵抗をゼロと仮定したこと、ダイオードD1の順方向電圧降下をゼロと仮定したこと、低圧側回路3の電圧V1及び高圧側回路2の電圧V2が一定とは限らないことなどに起因して生ずる。
Here, a little problem is that the period t1 calculated by the equation (6) includes an error, and after the time t1 calculated by the equation (6) from the ON start time of the transistor Q2, the reactor current IL is reduced. This is a point where the value may not be zero. The calculation error is that the resistance when the transistor Q2 is ON is assumed to be zero, the forward voltage drop of the diode D1 is assumed to be zero, the voltage V1 of the low
リアクトル電流ILがゼロになっていない時点にトランジスタQ2をOFFからONに切り換えることはスイッチング損失の増大をもたらすため好ましくない。この問題に対処するため図2のDC−DCコンバータ1では、トランジスタQ2をOFFからONに切り換えるタイミングについては(6)式で計算される周期t1によらないで、リアクトル電流ILが実際にゼロになった瞬間(以下、“ゼロクロス "という。)を検出し、その検出信号(以下、“ゼロクロス検出信号 "という。)に基づいて切り換えタイミングを決定する制御方式を採用している。
Switching the transistor Q2 from OFF to ON when the reactor current IL is not zero is not preferable because switching loss increases. In order to cope with this problem, in the DC-
ゼロクロスの検出はゼロクロス検出回路5で行なっている。検出はリアクトル電流ILの値を測定してその絶対値が微小電流値ΔI以下になったことで検出してもよいが、リアクトルLの両端の電位差が微小電圧値ΔV以下になったことで検出する方が容易である。リアクトル電流ILがゼロになった後もトランジスタQ2がOFF状態であると、リアクトルLには電流が流れずアクトルLの両端の電位差はゼロとなる。従って、リアクトルLの両端の電位差が微小電圧値ΔV以下になったことを検出することでゼロクロスの瞬間を検出することができる。
Zero-cross detection is performed by a zero-
以上、説明したような計算式及びゼロクロス検出回路5から送られてくるゼロクロス検出信号に基づいて、ゲート制御回路4はトランジスタQ2のON/OFFを次のように制御する。
(A)トランジスタQ2をONした瞬間からゼロクロス検出信号を受信するまでの経過時間t1が所定値T1以上であった場合。
この場合は、ゲート制御回路4はゼロクロス検出信号を受け取った直後から開始して(5)式で計算した時間t0だけトランジスタQ2をON動作させる。
Based on the calculation formula as described above and the zero-cross detection signal sent from the zero-
(A) The elapsed time t1 from the moment the transistor Q2 is turned on until the zero cross detection signal is received is equal to or greater than the predetermined value T1.
In this case, the
(B)トランジスタQ2をONした瞬間からゼロクロス検出信号を受信するまでの経過時間t1が所定値T1未満であった場合。
この場合は、ゲート制御回路4はトランジスタQ2をONした瞬間から所定値T1時間経過後から開始して(5)式で計算した時間t0だけトランジスタQ2をON動作させる。これは周波数が一定値1/T1に等しいPWM制御を行なっていることに等しい。
(B) The elapsed time t1 from the moment the transistor Q2 is turned on until the zero cross detection signal is received is less than the predetermined value T1.
In this case, the
上記(A)の場合の制御法によるリアクトル電流ILの波形は図1の(1)のようになり、「背景技術」で説明した図9の各波形と同じである。この制御法のみで制御した場合には図9、図10で説明したように、移送電力指令値Prの値が小さくなった場合にトランジスタQ2のスイッチング周波数が高くなってスイッチング損失が増加する。そこで本実施形態では、スイッチング周波数の上昇を抑えるために(B)の制御形態を追加して設けた。 The waveform of the reactor current IL by the control method in the case of (A) is as shown in (1) of FIG. 1, and is the same as each waveform of FIG. 9 described in “Background Art”. When control is performed only by this control method, as described with reference to FIGS. 9 and 10, when the value of the transfer power command value Pr becomes small, the switching frequency of the transistor Q2 becomes high and the switching loss increases. Therefore, in the present embodiment, the control mode (B) is additionally provided in order to suppress an increase in the switching frequency.
即ち、ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間t1が所定値T1より小さかった場合には、ゼロクロス検出信号の受信後、直ちにトランジスタQ2をONするのではなく少し遅らせて所定値T1時間の経過後にONさせるようにしている。このように制御すると移送電力指令値Prの値が小さくなった場合には、リアクトル電流ILの波形は図1の(2)、(3)に示すように、周期が所定値T1のままで電流ゼロの期間だけが長くなっていく波形となる。この場合の移送電力に対する周波数の変化は図4に示すようになる。移送電力指令値Prが所定の値以下で周波数は一定値1/T1となり、スイッチング損失のそれ以上の増大が防止される。
That is, if the time t1 until the zero cross detection signal is received is smaller than the predetermined value T1, the transistor Q2 is not turned on immediately after the zero cross detection signal is received, but is turned on after a predetermined value T1 time has elapsed. I try to let them. When the value of the transfer power command value Pr is reduced by this control, the waveform of the reactor current IL is the current with the cycle remaining at the predetermined value T1, as shown in (2) and (3) of FIG. The waveform becomes longer only during the zero period. The change in frequency with respect to the transfer power in this case is as shown in FIG. When the transfer power command value Pr is equal to or less than a predetermined value, the frequency becomes a
次に上記(A)、(B)の制御を行なうためのゲート制御回路4内の処理フローについて図5を参照しながら説明する。最初のステップS1では(5)式によりトランジスタQ2をONする時間t0を計算する。ステップS2では計時タイマTを設けてその計時値をリセットする。ステップS3でトランジスタQ2をONし、それと同時にステップS4で計時タイマTの計時を開始する。
Next, a processing flow in the
ステップS5では、計時タイマTにより時間t0が経過したか否かをチェックしつつ時間t0の経過を待つ。時間t0の経過によりステップS6に移りトランジスタQ2をOFFする。続くステップS7では、ゼロクロス検出回路5からゼロクロス検出信号が送られてくるのを待つ。ゼロクロス検出信号を受け取るまでの待ち時間中には、ステップS8にて最新の移送電力指令値Prの値に基づいて次のサイクルのトランジスタQ2のON時間t0を(5)式により計算して待つ。
In step S5, the timer T waits for the elapse of time t0 while checking whether or not the time t0 has elapsed. After the elapse of time t0, the process proceeds to step S6 and the transistor Q2 is turned off. In the subsequent step S7, it waits for a zero cross detection signal to be sent from the zero
ゼロクロス検出信号を受け取った段階でステップS9に移り、その時の計時タイマTの計時値Tが(A)で述べた所定値T1以上であるか否かをチェックする。所定値T1以上であった場合には直ちにステップS2に戻り次のサイクルに入る。以上までが上述の(A)の制御形態を行なう処理フローである。 When the zero cross detection signal is received, the process proceeds to step S9, and it is checked whether or not the time value T of the time timer T at that time is equal to or greater than the predetermined value T1 described in (A). If it is equal to or greater than the predetermined value T1, the process immediately returns to step S2 and enters the next cycle. The above is the processing flow for performing the above-described control mode (A).
ステップS9で計時タイマTの計時値Tが所定値T1未満であった場合にはステップS10に移る。ステップS10では、計時タイマTの計時値Tが所定値T1以上になるのを待つ。待つ間はステップS11において、最新の移送電力指令値Prの値に基づいた次のサイクルのトランジスタQ2のON時間t0の計算を繰り返す。計時値Tが所定値T1以上になった時点でステップS2に戻り次のサイクルに移る。このステップS10が実行される場合の制御が上述の(B)の場合の制御形態である。 If the time measured value T of the time measuring timer T is less than the predetermined value T1 in step S9, the process proceeds to step S10. In step S10, the process waits for the time measured value T of the time measuring timer T to be equal to or greater than the predetermined value T1. While waiting, in step S11, the calculation of the ON time t0 of the transistor Q2 in the next cycle based on the latest transfer power command value Pr is repeated. When the measured time T becomes equal to or greater than the predetermined value T1, the process returns to step S2 and proceeds to the next cycle. The control when step S10 is executed is the control mode in the case of (B) described above.
(第2の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態における(A)と(B)の制御形態の間に、(A)の制御形態よりも緩やかにスイッチング周波数が上昇する制御形態を追加した実施形態である。移送電力指令値Prの値が変化に対するリアクトル電流ILの波形の変化の様子を図6の(1)〜(4)に示す。
(Second Embodiment)
This embodiment is an embodiment in which a control mode in which the switching frequency increases more gently than the control mode of (A) is added between the control modes of (A) and (B) in the first embodiment. Changes in the waveform of the reactor current IL with respect to the change in the transfer power command value Pr are shown in (1) to (4) of FIG.
図6の(1)は移送電力指令値Prの値が大きい場合の波形で、第1の実施形態の(A)の制御形態と同じ制御を行なっており波形は図1の(1)と同じである。図6の(2)、(3)は移送電力指令値Prの値が減少し、ゼロクロス検出信号を受け取るまでの時間が第1の所定値T1未満と短くなった場合である。この場合は、ゼロクロス検出信号を受け取ってから更に第1の所定値T1と該ゼロクロス検出信号を受け取るまでの時間t1との差に1より小さい一定比率aを掛けた時間a・(T1−t1)だけ経過した後に次のサイクルを開始するように制御している。時間a・(T1−t1)だけ次のサイクルの開始を遅らせているためスイッチング周波数の上昇勾配は(A)の制御形態の場合よりも緩くなる。 (1) in FIG. 6 is a waveform when the value of the transfer power command value Pr is large, and the same control as the control mode of (A) in the first embodiment is performed, and the waveform is the same as (1) in FIG. It is. (2) and (3) in FIG. 6 are cases where the value of the transfer power command value Pr decreases and the time until the zero cross detection signal is received becomes shorter than the first predetermined value T1. In this case, a time a · (T1−t1) obtained by multiplying the difference between the first predetermined value T1 and the time t1 from when the zero cross detection signal is received until the zero cross detection signal is received by a constant ratio a smaller than 1 Control is performed so that the next cycle starts after only elapses. Since the start of the next cycle is delayed by time a · (T1−t1), the rising slope of the switching frequency becomes slower than in the case of the control mode (A).
図6の(4)は、移送電力指令値Prの値が更に減少してゼロクロス検出信号を受け取るまでの時間が第2の所定値T2未満になった場合の波形である。この場合には、直前のON開始時刻か第2の所定値T2に、第1の所定値T1と第2の所定値T2との差に前記1より小さい一定比率aを掛けた時間a・(T1−T2)を加えた時間(T2+a・(T1−T2))が経過した直後に次のサイクルを開始するように制御している。従って、この場合のスイッチング周波数は1/(T2+a・(T1−T2))の一定値となり、この周波数でPWM制御を実施していることになる。移送電力の変化に対する周波数の変化は図7に示すようになる。 (4) of FIG. 6 is a waveform when the time until the value of the transfer power command value Pr further decreases and the zero cross detection signal is received becomes less than the second predetermined value T2. In this case, a time a · () obtained by multiplying the difference between the first predetermined value T1 and the second predetermined value T2 by a constant ratio a smaller than 1 to the immediately preceding ON start time or the second predetermined value T2. Control is performed so that the next cycle is started immediately after the time (T2 + a · (T1−T2)) added with T1−T2). Accordingly, the switching frequency in this case is a constant value of 1 / (T2 + a · (T1−T2)), and PWM control is performed at this frequency. The change in frequency with respect to the change in transfer power is as shown in FIG.
これらをまとめるとゲート制御回路4はトランジスタQ2のON/OFFを次のように制御していることになる。
(A)トランジスタQ2をONした瞬間からゼロクロス検出信号を受信するまでの経過時間t1が第1の所定値T1以上であった場合。
第1の実施形態における(A)の場合の制御形態と同じで、ゲート制御回路4はゼロクロス検出信号を受け取った直後から開始して(5)式で計算した時間t0だけトランジスタQ2をON動作させる。
In summary, the
(A) The elapsed time t1 from when the transistor Q2 is turned on until the zero cross detection signal is received is equal to or longer than the first predetermined value T1.
In the same manner as the control mode in the case of (A) in the first embodiment, the
(B)トランジスタQ2をONした瞬間からゼロクロス検出信号を受信するまでの経過時間t1が第1の所定値T1未満であり且つ第2の所定値T2以上である場合。
ゼロクロス検出信号を受け取ってから更に第1の所定値T1とゼロクロス検出信号を受け取るまでの時間t1との差に1より小さい一定比率aを掛けた時間a・(T1−t1)だけ経過した直後から開始して(5)式で計算した時間t0だけトランジスタQ2をON動作させる。
(B) The elapsed time t1 from the moment the transistor Q2 is turned on until the zero cross detection signal is received is less than the first predetermined value T1 and greater than or equal to the second predetermined value T2.
Immediately after elapse of time a · (T1−t1) obtained by multiplying the difference between the first predetermined value T1 and the time t1 from when the zero cross detection signal is received to the time t1 until the zero cross detection signal is received by a constant ratio a smaller than 1 The transistor Q2 is turned on for the time t0 calculated from the equation (5).
(C)トランジスタQ2をONした瞬間からゼロクロス検出信号を受信するまでの経過時間t1が第2の所定値T2未満である場合。
直前のON開始時刻から第2の所定値T2に、第1の所定値T1と第2の所定値T2との差に1より小さい一定比率aを掛けた時間a・(T1−T2)を加えた時間(T2+a・(T1−T2))が経過した直後から開始して(5)式で計算した時間t0だけトランジスタQ2をON動作させる。スイッチング周波数は1/(T2+a・(T1−T2))の一定値となる。
(C) The elapsed time t1 from when the transistor Q2 is turned on until the zero cross detection signal is received is less than the second predetermined value T2.
The time a · (T1−T2) obtained by multiplying the difference between the first predetermined value T1 and the second predetermined value T2 by a constant ratio a smaller than 1 is added to the second predetermined value T2 from the immediately preceding ON start time. The transistor Q2 is turned on only for the time t0 calculated by the equation (5) starting immediately after the elapsed time (T2 + a · (T1-T2)). The switching frequency is a constant value of 1 / (T2 + a · (T1−T2)).
本実施形態におけるスイッチング周波数の変化は図7のようになり、移送電力指令値Prの減少に対するスイッチング周波数の上昇は抑制され、最高周波数は1/(T2+a・(T1−T2))に制限される。従って、スイッチング損失の増大が防止される効果が得られる。 The change of the switching frequency in the present embodiment is as shown in FIG. 7, and the increase of the switching frequency with respect to the decrease of the transfer power command value Pr is suppressed, and the maximum frequency is limited to 1 / (T2 + a · (T1−T2)). . Therefore, an effect of preventing an increase in switching loss can be obtained.
次に上記(A)、(B)、(C)の制御を行なうためのゲート制御回路4内の処理フローについて図8を参照して説明する。ステップS1からステップS9までの処理フローは上記(A)の制御形態を実施する処理フローであり、第1の実施形態で説明した図5の処理フローのステップS1からステップS9までと同じであるので説明を省略する。
Next, a processing flow in the
ステップS10では、その時の計時タイマTの計時値Tが(A)で述べた第2の所定値T2以上であるか否かをチェックする。YESと判定された場合にはステップS11に移行し、計時値Tが時間(t1+a・(T1−t1))になるのを待ってステップS2に戻り次のサイクルに入る。その時間になるのを待つ間には、ステップS12にて最新の移送電力指令値Prの値に基づいて次のサイクルのトランジスタQ2のON時間t0の計算を繰り返す。このステップS11、S12が実行される場合が上記(B)の制御形態に相当する。 In step S10, it is checked whether or not the time count T of the time count timer T at that time is equal to or greater than the second predetermined value T2 described in (A). If YES is determined, the process proceeds to step S11, waits for the measured value T to reach time (t1 + a · (T1−t1)), returns to step S2, and enters the next cycle. While waiting for that time, the calculation of the ON time t0 of the transistor Q2 in the next cycle is repeated based on the latest transfer power command value Pr in step S12. The case where steps S11 and S12 are executed corresponds to the control mode (B).
ステップS10にてその時の計時タイマTの計時値Tが第2の所定値T2未満と判定された場合には、計時値Tが時間(T2+a・(T1−T2))になるのを待ってステップS2に戻り次のサイクルに入る。その時間になるのを待つ間には、ステップS14にて最新の移送電力指令値Prの値に基づいて次のサイクルのトランジスタQ2のON時間t0の計算を繰り返す。このステップS13、S14が実行される場合が、上記(C)の制御形態に相当する。 If it is determined in step S10 that the time count T of the time count timer T at that time is less than the second predetermined value T2, the step waits until the time count T reaches time (T2 + a · (T1−T2)). Return to S2 and enter the next cycle. While waiting for that time, the calculation of the ON time t0 of the transistor Q2 in the next cycle is repeated based on the latest transfer power command value Pr in step S14. The case where steps S13 and S14 are executed corresponds to the control mode (C).
(変形実施形態)
上記第1、第2の実施形態においてはリアクトル電流ILがゼロとなる瞬間をゼロクロス検出回路5で検出しそのゼロクロス検出信号を制御に使用してきた。しかし第1の実施形態の中で説明したように、リアクトル電流ILがゼロになるまでの時間t1の値は移送電力指令値Prの値に基づいて(6)式によって計算することができる。(6)式で計算したゼロクロスまでの時間t1の値は前にも説明したように計算誤差を若干含んでいる可能性があるが、スイッチング損失の若干の増加を我慢するのであれば、ゼロクロス検出回路5で検出したゼロクロス検出信号の受信タイミングの代わりに(6)式で計算した時間t1を使用して制御を実施してもよい。このようにすれば、ゼロクロス検出回路5をなくすことができ回路を簡単にすることができる。
(Modified embodiment)
In the first and second embodiments, the zero-
また、あくまでもリアクトル電流ILがゼロの状態でスイッチングすることを優先する場合には、(6)式で計算した時間t1に推定計算誤差よりも若干大きい微小時間Δtを加えた時間(t1+Δt)を(6)式で求めた時間t1の代わりに使用して制御を実施してもよい。また、このように微小時間Δtを加える代わりに、(6)式で計算した時間t1に1より僅かに大きい数値(1+ΔR)を掛けた時間(t1・(1+ΔR))を時間t1の代わりに使用して制御してもよい。このようにして制御すれば、トランジスタQ2のOFFからONへのスイッチングを電流ゼロの状態で行なわせることができる。 When priority is given to switching with the reactor current IL being zero, the time (t1 + Δt) obtained by adding a minute time Δt slightly larger than the estimated calculation error to the time t1 calculated by the equation (6) ( Control may be performed using the time t1 obtained by the equation 6) instead of the time t1. Instead of adding the minute time Δt in this way, a time (t1 · (1 + ΔR)) obtained by multiplying the time t1 calculated by the equation (6) by a numerical value (1 + ΔR) slightly larger than 1 is used instead of the time t1. And may be controlled. By controlling in this way, switching from OFF to ON of the transistor Q2 can be performed in a state of zero current.
図面中、1はDC−DCコンバータ、2は高圧側回路、3は低圧側回路、4はゲート制御回路、5はゼロクロス検出回路、D1、D2はダイオード、GNDは接地、Lはリアクトル、N1、N2は入出力端子、N3は相互接続点、Prは移送電力指令値、Q1は第1のトランジスタ、Q2は第2のトランジスタを示す。
In the drawings, 1 is a DC-DC converter, 2 is a high voltage side circuit, 3 is a low voltage side circuit, 4 is a gate control circuit, 5 is a zero cross detection circuit, D1 and D2 are diodes, GND is grounded, L is a reactor, N1, N2 is an input / output terminal, N3 is an interconnection point, Pr is a transfer power command value, Q1 is a first transistor, and Q2 is a second transistor.
Claims (3)
該2つのトランジスタの相互接続点(N3)と低圧側回路(3)の入出力端子(N1)間に接続されたリアクトル(L)と、
該リアクトルを流れる電流がゼロになった瞬間を検出するゼロクロス検出回路(5)と、
前記第1、第2のトランジスタのスイッチング動作を制御するゲート制御回路(4)とを備えて構成され、
該ゲート制御回路は、前記低圧側回路から高圧側回路に電力を移送する場合には、高圧側回路側に接続された前記第1のトランジスタをOFFしたまま接地側に接続された前記第2のトランジスタのON/OFFを制御し、高圧側回路から低圧側回路に電力を移送する場合には、第2のトランジスタをOFFしたまま第1のトランジスタのON/OFFを制御するものであって、外部から指示された移送電力指令値に従って第1または第2のトランジスタをONさせるON時間を計算し、前記第1または第2のトランジスタをONさせてから前記ゼロクロス検出回路からのゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が所定値以上であった場合には、該ゼロクロス検出信号の受信直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせ、前記ゼロクロス検出信号を受信するまでの時間が前記所定値未満であった場合には、直前のON開始時刻から該所定値時間経過した直後から前記ON時間だけ第1または第2のトランジスタをONさせることを特徴とするDC−DCコンバータ。 A step-up / step-down DC-DC converter (1) for transferring electric power between two circuits having different voltages from a low voltage side to a high voltage side or vice versa by an external selection signal. First and second transistors (Q1, Q2) connected in series with anti-parallel diodes (D1, D2), respectively, between the output terminal (N2) and the ground;
A reactor (L) connected between the interconnection point (N3) of the two transistors and the input / output terminal (N1) of the low-voltage side circuit (3);
A zero cross detection circuit (5) for detecting the moment when the current flowing through the reactor becomes zero;
A gate control circuit (4) for controlling the switching operation of the first and second transistors,
When the gate control circuit transfers power from the low-voltage side circuit to the high-voltage side circuit, the second transistor connected to the ground side with the first transistor connected to the high-voltage side circuit side turned off. When the power is transferred from the high voltage side circuit to the low voltage side circuit by controlling the ON / OFF of the transistor, the ON / OFF of the first transistor is controlled with the second transistor turned off. The ON time during which the first or second transistor is turned on is calculated according to the transfer power command value instructed from, and the zero-cross detection signal is received from the zero-cross detection circuit after the first or second transistor is turned on. If the time until the time is equal to or greater than the predetermined value, the first or second transistor is turned on for the ON time immediately after the zero cross detection signal is received. If the time until the zero cross detection signal is received is less than the predetermined value, the first or second transistor is turned on for the ON time immediately after the predetermined time has elapsed from the immediately preceding ON start time. A DC-DC converter characterized by being turned on.
3. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the DC-DC converter is based on the transfer power command value instead of the time from when the first or second transistor is turned on until the zero-cross detection signal is received. A DC-DC converter characterized in that the time from the start of ON of the first or second transistor determined by calculation until the current flowing through the reactor becomes zero is used.
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