JP2006271136A

JP2006271136A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ装置

Info

Publication number: JP2006271136A
Application number: JP2005087004A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamashita; 剛山下; Kenji Otsuka; 健司大塚; Mamoru Toda; 守戸田
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05
Also published as: CN101147312A; WO2006101188A1; US20080212345A1

Abstract

【課題】回路構成の複雑化を抑止しつつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の過熱抑止性を向上可能なＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供すること。
【解決手段】バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の温度がその停止温度近傍の過熱領域にある場合に、出力電流制限とともに出力電圧制限も行う。これにより、出力電流と出力電圧とを確実に制限することができるので、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の半導体パワースイッチング素子の過熱を確実かつ良好に抑止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内蔵する半導体パワースイッチング素子のスイッチングにより入力直流電源から負荷系へ昇圧又は降圧した出力電圧を印加するＤＣ−ＤＣコンバータ装置の改良に関する。

車載電源系では電圧が異なる二つのバッテリにより車載電源系を構成する２バッテリ型車両用電源装置がハイブリッド車やアイドルストップ車において公知あるいは実用されている。この２バッテリ型車両用電源装置では、大電力負荷は数十〜数百Ｖの高電圧バッテリから給電され、通常の低電圧電気負荷は従来の十数Ｖのたとえば鉛バッテリのような低電圧バッテリから給電される。高電圧バッテリは高電圧の発電装置により充電され、高電圧バッテリ又は発電装置は降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを通じて低電圧バッテリ又はそれに接続された低電圧電気負荷に給電する。

この降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータは、低電圧バッテリの充電に適した負荷系の電源電圧でこの負荷系へ給電するべく、出力電圧が所定の目標値に収束するように内蔵の半導体パワースイッチング素子をフィードバック制御する。

この種のＤＣ−ＤＣコンバータでは、内蔵の半導体パワースイッチング素子の温度管理が特に重要であり、検出した半導体パワースイッチング素子の温度に関する情報に基づいて半導体パワースイッチング素子の温度が所定の停止温度に達したら半導体パワースイッチング素子の動作を停止させる。

ただし、半導体パワースイッチング素子の突然の停止は、電源系に重大な悪影響を与えるためにできるだけ回避するべきである。このため、下記の特許文献１などは、半導体パワースイッチング素子の温度がこの停止温度に近い過熱領域に入ったら、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を制限して半導体パワースイッチング素子の過熱を抑止し、半導体パワースイッチング素子の温度が停止温度にまで上昇するのを妨げることを提案している。この公報の過熱抑制型ＤＣ−ＤＣコンバータを、以下、電流制限型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置と称するものとする。従来の電流制限型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の出力電流制限形式を図４に示す。図４において、１００は非過熱時制限電流値、１０１〜１０３はそれぞれ過熱時制限電流値、T１未満が非過熱領域、T1〜T２が過熱領域、T２以上は停止領域である。１０１は出力電流を直線的に垂下させる場合を示し、１０２は出力電流を段階的に低下させる場合を示し、１０３は出力電流を曲線的に垂下させる場合を示す。
特開平８−８４４３８号公報

上記した電流制限型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置では、確かに過熱領域において出力電流が制限されるためにその半導体パワースイッチング素子が停止温度に達するのを妨げることができるため、このような制限を行わない場合に比べて相対的に低電圧バッテリへの電源電力の安定給電を実現することができる。

しかしながら、この電流制限型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、負荷系からの給電要求が大きい場合、過熱領域において、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の出力電流はほぼその制限値に張り付いてしまい、過熱抑止効果に限界があった。

また、万が一、温度により出力電流を制限する上記制御系がノイズなどにより誤動作すると、半導体パワースイッチング素子の温度が停止温度を超えてしまって、半導体パワースイッチング素子が破損する可能性も存在した。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路構成の複雑化を避けつつ、信頼性に優れかつ半導体パワースイッチング素子の過熱抑止効果に優れたＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する第１発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、内蔵する半導体パワースイッチング素子により入力直流電源からの給電電力を昇圧又は降圧して負荷系に出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの温度を検出する温度検出回路と、検出された前記温度に基づいて判定した非過熱状態時に前記半導体パワースイッチング素子を制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定の目標値に制御するとともに、前記温度が所定の停止温度を超える場合に前記半導体パワースイッチング素子の動作を停止する制御部とを備えるＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記制御部が、検出された前記温度に基づいて判定した過熱状態時に、前記非過熱状態時の最大許容電流値である非過熱時制限電流値よりも小さい所定の過熱時制限電流値を前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が超えないように前記半導体パワースイッチング素子を規制するとともに、前記非過熱状態時の最大許容電圧値である非過熱時制限電圧値よりも小さくしかも前記負荷系が要求する最低要求電圧値以上の範囲で設定された所定の過熱時制限電圧値を前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が超えないように前記半導体パワースイッチング素子を規制することを特徴としている。

すなわち、この発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、停止温度近傍の過熱温度領域において、従来の出力電流制限に加えて出力電圧の制限も合わせて行う。その結果、単純に出力電流のみを制限する場合に比べて半導体パワースイッチング素子の損失の他、出力電流に依存しないトランスやチョークコイルの鉄損を過熱領域において良好に低減することができる。

更に説明すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、出力電圧は、低電圧バッテリを良好に充電するため、かならず負荷系の最低必要電圧よりも多少の余裕を見て設定されている。したがって、負荷系の必要な作動が不能となる電圧値までは、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の出力電圧値を低下させても負荷系の作動を確保できるわけである。

本発明はこの知見に基づきなされたものであり、負荷系の作動に必要な最低電圧値よりも高い範囲で、停止温度近傍にてＤＣ−ＤＣコンバータの温度の上昇につれてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を低下させる制御を、出力電流低下制御に加えて行う。これにより、上述したように出力電圧低下と出力電流低下の相乗効果としてＤＣ−ＤＣコンバータの半導体パワースイッチング素子の電力損失やトランスやチョークコイルの鉄損を従来の電流制限型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置よりも大幅に低減することができるため、半導体パワースイッチング素子の過熱を妨げてＤＣ−ＤＣコンバータ装置の停止を抑止することができる。

更に、この発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、過熱領域において従来の出力電流制限系に加えて出力電圧制限系を有するので、その一方がノイズなどにより動作不良となっても、他方の制限が存在するため、過熱領域における誤動作による出力制限不良による半導体パワースイッチング素子の過熱の進行を確実に抑止することができる。

なお、出力電圧制限系は、非過熱時の出力電圧一定制御系を流用することによりほとんど回路構成の追加を必要とせず、回路構成の複雑化とそれによるコストアップを招くことがない利点も有している。

好適な態様において、前記制御部は、前記過熱状態時において、前記温度の上昇につれて前記過熱時制限電流値及び前記過熱時制限電圧値の両方を段階的又は連続的に低減する。これにより、過熱状態時において半導体パワースイッチング素子の発熱を円滑に規制することができる。

好適な態様において、前記制御部は、前記過熱状態時において、前記過熱時制限電圧値を前記負荷系としてのバッテリの開放電圧値以上に設定する。これにより、過熱状態時においても、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は負荷系のバッテリから放電がないので過熱状態時において円滑な負荷系の運転が可能となる。なお、この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの温度が停止温度を超えればＤＣ−ＤＣコンバータ装置は停止し、負荷系はそのバッテリの放電のみでＤＣ−ＤＣコンバータ装置が冷却される間、一時的に運転されることができる。

上記課題を解決する第２発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、内蔵する半導体パワースイッチング素子により入力直流電源からの給電電力を昇圧又は降圧して負荷系に出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの温度、或いは、ＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する冷却系の温度の何れかを検出する温度検出回路と、検出された前記温度に基づいて判定した非過熱状態時に前記半導体パワースイッチング素子をスイッチング制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定の目標値に制御するとともに、前記温度が所定の停止温度を超える場合に前記半導体パワースイッチング素子の動作を停止する制御部とを備えるＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記制御部が、検出された前記温度に基づいて判定した過熱状態時に、前記非過熱状態時よりも前記半導体パワースイッチング素子のスイッチング周波数を低減することを特徴としている。

すなわち、この発明では、過熱時の半導体パワースイッチング素子のスイッチング周波数を非過熱時よりもたとえば数分の一だけ低減する。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の半導体パワースイッチング素子はたとえば周知のPWMフィードバック制御で制御される。この時のキャリヤ周波数は、騒音やスイッチングノイズ電圧や出力電流リップルなどを低減するために通常は数百ｋHz〜数MHzといった周波数で運転されるのが通常である。しかし、キャリヤ周波数が高いと、ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体パワースイッチング素子の過渡損失すなわちオンオフ損失が増大し、半導体パワースイッチング素子の発熱が増大する。そこで、この発明では、過熱領域では、上記騒音やノイズなどの問題よりもＤＣ−ＤＣコンバータから負荷系への給電確保が重要であるとの観点に立ち、半導体パワースイッチング素子のスイッチング周波数を低減しつつ給電を行う。これにより、停止温度に近い過熱領域では発熱を抑止しつつ安定な負荷系への給電を維持することが可能となる。

なお、上記した第１、第２発明を同時に実施することは可能であり、好ましいことは言うまでもない。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の好適な実施態様を図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、本発明の各構成要素の一部又は全部を他の公知の技術又はそれと同等機能を有する技術に置換しても良いことはもちろんである。

（実施例１）
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置が適用された２バッテリ型車両用電源装置図１に示す回路図を参照して説明する。

この２バッテリ型車両用電源装置は、ハイブリッド車の走行エネルギー蓄電用の主バッテリ１から、補機及び電子制御装置給電用の補機バッテリ２に電圧変換して給電するためのものであって、３はバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、４はこのバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチング動作を制御するＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路（制御部）、５は補助電源、６は電流センサ、７は温度センサである。

バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、入力平滑コンデンサ３１、フルブリッジ型のインバータ回路３２、降圧トランス３３、同期整流回路３４、チョークコイル３５、出力平滑コンデンサ３６からなる周知の回路構成を採用するが、他の公知のＤＣ−ＤＣコンバータ回路を採用しても良いことは明らかである。チョークコイル３５、出力平滑コンデンサ３６は公知の出力平滑回路を構成している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路４は、コントローラ４１と、このコントローラ４１から入力された制御信号によりＰＷＭ制御用のゲート電圧を形成し、これらゲート電圧をインバータ回路３２の各MOSトランジスタや同期整流回路３４の各MOSトランジスタに出力する駆動回路４２と、これらコントローラ４１及び駆動回路４２に電源電圧を印加する補助電源５とを有している。

コントローラ４１は、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電流を検出する電流センサ６が検出した電流検出値と、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧とを読み込み、この出力電圧と所定目標電圧値との偏差を０とする制御信号を出力する回路機能を有している。また、コントローラ４１は、電流センサ６から読み込んだバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電流、温度センサから読み込んだバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の温度、及びバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧に基づいて、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチング動作を制御したり停止したりする出力制限停止機能を有しているが、これらはこの実施例の要部をなすため、その詳細は後述するものとする。

駆動回路４２から入力されるゲート電圧でインバータ回路３２の各MOSトランジスタをスイッチング駆動することにより、インバータ回路３２の平均出力電圧は上記したバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧と所定目標電圧値との偏差を０とするようにＰＷＭ制御される。更にインバータ回路３２の各MOSトランジスタと同期して同期整流回路３４を構成する一対のトランジスタもスイッチング制御されて降圧トランス３３の二次電圧を同期整流し、同期整流回路３４の出力電圧は出力平滑回路により平滑された後、本発明で言う車載バッテリをなす補機バッテリ２を充電する。

バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３、コントローラ４１、駆動回路４２の回路構成としては、上記した図１の回路構成以外に種々のバリエーションがあるが、それらはもはや周知であり、かつ、本発明の主旨ではないので説明を省略する。

次に、コントローラ４１により実行されるバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力制御動作を図２のフローチャートを参照して以下に説明する。なお、この実施例ではこの出力制限動作はマイコンのソフトウエア処理により実行されるが、同様の回路機能をハードウエア回路により実現できることは言うまでもない。

まず、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧V、出力電流I、温度Tを読み込み、出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉを平均化処理する（Ｓ１００）。次に、温度Tと、過熱領域と通常領域とを区分する制限開始温度T１と、過熱領域と停止領域とを区分する停止温度T２とを比較し、それにより、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の状態を通常領域、過熱領域及び停止領域の中から選択する（Ｓ１０２）。

温度Ｔが制限開始温度Ｔ１より低ければ言い換えればバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３が非過熱状態であれば、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力制限は必要ないため、通常制御を行う（Ｓ１０４）。この通常制御とは、出力電圧Ｖが所定の目標値Vpとなるように前述のＰＷＭフィードバック制御を行うとともに、出力電流Ｉと所定の非過熱時制限電流値とを比較して出力電流Ｉがこの非過熱時制限電流値Irmを超えたら、上記ＰＷＭフィードバック制御におけるデューティ比を下げて出力制限する動作である。この通常制御は周知であるため、これ以上の説明は省略する。

温度Ｔが停止温度Ｔ２以上であれば、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３を停止して、その半導体パワースイッチング素子を破損から保護する（Ｓ１０６）。すなわち、上記ＰＷＭフィードバック制御におけるデューティ比を０とする。

温度Tが制限開始温度Ｔ１より高く停止温度T２より低ければ、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の半導体パワースイッチング素子の発熱を制限するパワーセーブを以下のように行う。

まず、予め記憶するマップに温度Ｔを代入して過熱時制限電流値Ir及び過熱時制限電圧値Vrを求める（Ｓ１０８）。このマップの一例を図３に示す。この実施例では過熱時制限電流値Ｉｒは２段階波形とされ、過熱時制限電圧値Ｖｒは直線波形（実線の場合）とされている。過熱時制限電圧値Ｖｒは図３に破線で示すように種々の変形が可能である。

次に、出力電流Ｉと過熱時制限電流値Ｉｒとを比較し（Ｓ１１０）、出力電流Ｉの方が大きければＰＷＭフィードバック制御されるバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の半導体パワースイッチング素子のデューティ比を所定値だけ低下させ（Ｓ１１２）、そうでなければステップＳ１１４に進んで出力電圧Ｖと過熱時制限電圧値Ｖｒとを比較し、出力電圧Ｖの方が大きければＰＷＭフィードバック制御されるバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の半導体パワースイッチング素子のデューティ比を所定値だけ低下させ（Ｓ１１２）、ステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１１４では、ＰＷＭフィードバック制御におけるキャリヤ周波数を半減して図示しないメインルーチンにリターンする。なお、図２に示すルーチンは必要なインタバルにて定期的に実施される。

なお、図３に示すように、過熱時制限電圧値Ｖｒの最小値は、補機バッテリ２の開放電圧よりも高く設定されている。これにより、この過熱領域においてバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧を制限するものの、バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３は補機バッテリ２を充電かのうであるため、長期にわたってバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３が過熱領域にある場合でも、補機バッテリ２が過放電となる心配がない。

また、この実施例では、温度センサ７は、同期整流回路３４近傍に設けたが、その他、温度センサ７をバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の内部温度が検出可能な種々の部位に、或いはＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する冷却系の温度を検出可能な種々の部位に、配置可能な点は言うまでもない。また、電流センサ６の履歴と外気温などの他の検出パラメータによりバッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ３の温度を推定しても良い。

実施例１の２バッテリ型車両用電源装置を示す回路図である。図１のコントローラの出力制御動作を示すフローチャートである。過熱時制限電圧値と過熱時制限電流値と温度との関係を示すマップを示す図である。従来の電流制限型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の出力電流制限形式を示す図である。

符号の説明

１主バッテリ
２補機バッテリ
３バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ
４コンバータ制御回路
５補助電源
６電流センサ
７温度センサ
３１入力平滑コンデンサ
３２インバータ回路
３３降圧トランス
３４同期整流回路
３５チョークコイル
３６出力平滑コンデンサ
４１コントローラ
４２駆動回路

Claims

内蔵する半導体パワースイッチング素子により入力直流電源からの給電電力を昇圧又は降圧して負荷系に出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの温度、或いは前記ＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する冷却系の温度の少なくとも何れか一つを検出する温度検出回路と、
検出された前記温度に基づいて判定した非過熱状態時に前記半導体パワースイッチング素子をスイッチング制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定の目標値に制御するとともに、前記温度が所定の停止温度を超える場合に前記半導体パワースイッチング素子の動作を停止する制御部と、
を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記制御部は、
検出された前記温度に基づいて判定した過熱状態時に、前記非過熱状態時の最大許容電流値である非過熱時制限電流値よりも小さい所定の過熱時制限電流値を前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流が超えないように前記半導体パワースイッチング素子を規制するとともに、前記非過熱状態時の最大許容電圧値である非過熱時制限電圧値よりも小さくしかも前記負荷系が要求する最低要求電圧値以上のよりも大きい範囲で設定された所定の過熱時制限電圧値を前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が超えないように前記半導体パワースイッチング素子を規制することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記制御部は、
前記過熱状態時において、前記温度の上昇につれて前記過熱時制限電流値及び前記過熱時制限電圧値の少なくとも何れか一つを段階的又は連続的に低減することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記制御部は、
前記過熱状態時において、前記過熱時制限電圧値を前記負荷系としてのバッテリの開放電圧値以上に設定することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
内蔵する半導体パワースイッチング素子により入力直流電源からの給電電力を昇圧又は降圧して負荷系に出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの温度、或いは前記ＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する冷却系の温度の少なくとも何れか一つを検出する温度検出回路と、
検出された前記温度に基づいて判定した非過熱状態時に前記半導体パワースイッチング素子をスイッチング制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定の目標値に制御するとともに、前記温度が所定の停止温度を超える場合に前記半導体パワースイッチング素子の動作を停止する制御部と、
を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記制御部は、
検出された前記温度に基づいて判定した過熱状態時に、前記非過熱状態時よりも前記半導体パワースイッチング素子のスイッチング周波数を低減することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。