JP2009038969A - Dc/dc converter, and program - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized, light-weight, highly efficient and inexpensive DC/DC converter. <P>SOLUTION: The DC/DC converter includes a DC power source input part, first and second capacitors connected in series and an output part connected to the first and second capacitors connected in series. The DC/DC converter further includes the power source of the DC power source input part, a switching means for switching the connection configuration of the first and second capacitors with a plurality of incorporated switches, and a switching control means for performing on/off control over each switch in the switching means corresponding to an operation mode. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、DC/DCコンバータに関し、特に直流電圧を所定の倍率で昇圧できる、DC/DCコンバータ、及びプログラムに関する。   The present invention relates to a DC / DC converter, and more particularly to a DC / DC converter and a program capable of boosting a DC voltage at a predetermined magnification.

DC(直流)電圧を電圧変換するDC/DCコンバータは様々な装置に使用される。例えば、太陽電池を使用した発電装置、風力発電装置、燃料電池システム、ハイブリッド自動車等である。特に、自動車のように空間的、重量的な制約が強い技術領域にDC/DCコンバータを適用する場合、DC/DCコンバータヘの小型化・軽量化の要求が非常に強くなる。   A DC / DC converter that converts a DC (direct current) voltage into a voltage is used in various devices. For example, a power generation device using a solar cell, a wind power generation device, a fuel cell system, a hybrid vehicle, and the like. In particular, when a DC / DC converter is applied to a technical area where there are strong spatial and weight restrictions such as automobiles, the demand for miniaturization and weight reduction of the DC / DC converter becomes very strong.

図7は、従来よりよく知られている昇圧型DC/DCコンバータの回路構成図である。
図7に示す回路では、スイッチSWが交互にオン/オフされる。スイッチSWのオン時にインダクターLに磁気エネルギーが蓄積され、スイッチSWのオフ時にインダクターLに蓄積された磁気エネルギーが電力として出力側に供給される。この時、電源電圧にインダクターLからの出力分が加わるので全体として昇圧された電圧が出力部で得られる。
FIG. 7 is a circuit configuration diagram of a step-up DC / DC converter that is well known conventionally.
In the circuit shown in FIG. 7, the switches SW are alternately turned on / off. Magnetic energy is stored in the inductor L when the switch SW is turned on, and the magnetic energy stored in the inductor L when the switch SW is turned off is supplied to the output side as electric power. At this time, since the output from the inductor L is added to the power supply voltage, the boosted voltage as a whole is obtained at the output section.

しかし、このような昇圧方式では、インダクターLの磁気飽和を防止しつつ十分な昇圧を行うためには、重く大型のコアを用いたインダクターLが必要である。これは、DC/DCコンバータ全体の小型化・軽量化の阻害要因となる。   However, in such a boosting method, in order to perform sufficient boosting while preventing magnetic saturation of the inductor L, the inductor L using a heavy and large core is necessary. This becomes an impediment to reducing the size and weight of the entire DC / DC converter.

そこで、携帯電話等の小型化・軽量化の必要性が強い機器においては、フライング・キャパシタと呼ばれるコンデンサを使用するチャージポンプ回路が電圧変換方式として提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、従来より、スイッチドキャパシタンス方式を用いた安定化電源回路も提案されている(例えば、特許文献2参照)。   In view of this, a charge pump circuit that uses a capacitor called a flying capacitor has been proposed as a voltage conversion method for devices that are strongly required to be reduced in size and weight, such as mobile phones (see, for example, Patent Document 1). Conventionally, a stabilized power supply circuit using a switched capacitance method has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).

これらの方式では、フライング・キャパシタを電力の授受用に使用するのが一般的である。図8は、フラング・キャパシタを用いたDC/DCコンバータの従来例およびその動作状態を示す図であり、スイッチSW11、SW12等の交互切り換えにより、図8(a)及び図8(b)に示す状態が交互に繰り返される。   In these systems, a flying capacitor is generally used for power transfer. FIG. 8 is a diagram showing a conventional example of a DC / DC converter using a flange capacitor and its operating state, which are shown in FIGS. 8A and 8B by alternately switching the switches SW11 and SW12. The state is repeated alternately.

すなわち、図8(a)に示す状態では、SW11→ON、SW14→ON、SW12→OFF、SW13→OFFとされ、図8(b)に示す状態では、SW11→OFF、SW14→OFF、SW12→ON、SW13→ONとされる。   That is, in the state shown in FIG. 8A, SW11 → ON, SW14 → ON, SW12 → OFF, and SW13 → OFF. In the state shown in FIG. 8B, SW11 → OFF, SW14 → OFF, SW12 → ON, SW13 → ON.

図8(a)に示す状態のとき、所定時間、電源E→SW11→フライング・キャパシタC11→SW14→電源Eのルートで電流I1が流れ、フライング・キャパシタC11には電荷が蓄積される。このとき、前回の動作タイミングにおいて出力キャパシタC12の正極には正電荷が蓄積されていたので、この電荷が出力側に放電される。   In the state shown in FIG. 8A, a current I1 flows through a route of power source E → SW11 → flying capacitor C11 → SW14 → power source E for a predetermined time, and electric charge is accumulated in the flying capacitor C11. At this time, since the positive charge is accumulated in the positive electrode of the output capacitor C12 at the previous operation timing, this charge is discharged to the output side.

一方、図8(b)に示す状態のとき、所定時間、電源E→SW13→フライング・キャパシタC11→SW12→出力側のルートで電流I2が流れる。このとき、前の動作タイミングでフライング・キャパシタC11に蓄積されていた電荷が出力側に放電され、この分が電源電圧Eに加算されて出力側では昇圧された電圧が取り出せる(電源電圧のほぼ2倍)。また、同時に出力キャパシタC12は電流Icにより充電され、この後、再び図8(a)に示す状態となる。   On the other hand, in the state shown in FIG. 8B, a current I2 flows through a route on the power source E → SW13 → flying capacitor C11 → SW12 → output side for a predetermined time. At this time, the electric charge accumulated in the flying capacitor C11 at the previous operation timing is discharged to the output side, and this amount is added to the power supply voltage E so that a boosted voltage can be taken out on the output side (approximately 2 of the power supply voltage). Times). At the same time, the output capacitor C12 is charged by the current Ic, and thereafter, the state shown in FIG.

図8に示した構成のDC/DCコンバータでは、出力キャパシタC12の耐電圧特性として、電源電圧の2倍の電圧が必要となる。また、所望の電源電圧の整数倍の出力を得るようにする場合、キャパシタC12の耐電圧は、フライング・キャパシタ数の増加に応じて2倍、3倍、4倍… … と増加する。高耐圧の出力キャパシタはスイッチSW12がオフの間、電流供給できるように大容量のものが必要であり、その結果、大型のものとなり、DC/DCコンバータの大型化、高価格化につながってしまう。   In the DC / DC converter having the configuration shown in FIG. 8, a voltage twice the power supply voltage is required as the withstand voltage characteristic of the output capacitor C12. When an output that is an integral multiple of the desired power supply voltage is obtained, the withstand voltage of the capacitor C12 increases by 2, 3, 4, and so on as the number of flying capacitors increases. The high withstand voltage output capacitor is required to have a large capacity so that current can be supplied while the switch SW12 is OFF. As a result, the output capacitor becomes large, leading to an increase in the size and cost of the DC / DC converter. .

また、図8に示した構成では、電源及びフライング・キャパシタC11からの電流と、出力キャパシタC12からの放電電流とが交互に出力側に供給されるので、出力電圧の不均一化や電力変換効率の低下(高耐圧のキャパシタを用いることで発熱量が多くなることに起因する)を招いていた。   Further, in the configuration shown in FIG. 8, the current from the power source and the flying capacitor C11 and the discharge current from the output capacitor C12 are alternately supplied to the output side. (Caused by using a high voltage capacitor to increase the amount of heat generated).

更に、図8に示す方式では多くのスイッチが設けられているため、制御装置などを用いて高精度のオン/オフ制御を行う必要がある。
特開2003− 61339号公報 特開2003− 111388号公報
Furthermore, since many switches are provided in the method shown in FIG. 8, it is necessary to perform highly accurate on / off control using a control device or the like.
JP 2003-61339 A JP 2003-111388 A

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明は、小型化、軽量化、高効率化、低価格化を実現できる、DC/DCコンバータ、及びプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the present invention provides a DC / DC converter and a program capable of realizing a reduction in size, weight, efficiency, and price. With the goal.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明のDC/DCコンバータは、DC電源入力部と、複数のスイッチと、複数のキャパシタと、前記複数のキャパシタに接続された出力部とを有し、動作モードに応じた前記複数のスイッチのオン/オフ制御により前記複数のキャパシタを選択的に機能させることによって、昇圧、導通、回生の何れかの動作を行うことを特徴とする。
このような構成により、複数のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)をオン/オフ制御し、DC電源入力部の電源電圧により複数のキャパシタ(例えば、図1に示すキャパシタC1、C2)を個々に充電し、この複数のキャパシタに接続された出力部に昇圧された電圧を得る(昇圧)。また、回生モード時に、複数のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)をオン/オフ制御し、複数のキャパシタに蓄積された回生電力を電源側に返還する(回生)。また、複数のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)をオン/オフ制御し、DC電源入力部の電圧をそのまま出力部に出力する(導通)。
これにより、同一の回路で、スイッチ動作を変化させるだけで、昇圧回路、導通回路、回生回路のいずれにも使用できる。
The present invention has been made to solve the above problems, and a DC / DC converter according to the present invention is connected to a DC power input unit, a plurality of switches, a plurality of capacitors, and the plurality of capacitors. An output unit, and selectively performing the plurality of capacitors by performing on / off control of the plurality of switches according to an operation mode, thereby performing any one of operations of boosting, conduction, and regeneration. And
With such a configuration, a plurality of switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) are on / off controlled, and a plurality of capacitors (for example, the capacitors C1 and C2 shown in FIG. 1) are controlled by the power supply voltage of the DC power input unit. ) Are individually charged, and a boosted voltage is obtained at the output section connected to the plurality of capacitors (boosting). In the regeneration mode, a plurality of switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) are turned on / off, and the regenerative power stored in the plurality of capacitors is returned to the power supply side (regeneration). Also, a plurality of switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) are turned on / off, and the voltage of the DC power supply input unit is directly output to the output unit (conduction).
As a result, the same circuit can be used for any of the booster circuit, the conduction circuit, and the regenerative circuit by simply changing the switch operation.

また、本発明のDC/DCコンバータは、指示された動作モードと、前記DC電源入力部及び前記出力部の電圧に基づき、前記複数のスイッチのオン/オフ制御を行うスイッチング手段を更に有することを特徴とする。
このような構成により、複数のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)を指示された動作モードでオン/オフ制御すると共に、DC電源入力部の電圧と出力部の電圧を比較して、複数のスイッチをオン/オフ制御する。
これにより、例えば、指示されたモードが昇圧モードの場合に、負荷がモータであり回生ブレーキ動作により出力部の電圧が急に上昇したときに、これを検出して回生機能を作動させるように複数のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)をオン/オフ制御することができる。
The DC / DC converter according to the present invention further includes switching means for performing on / off control of the plurality of switches based on the instructed operation mode and the voltages of the DC power supply input unit and the output unit. Features.
With such a configuration, a plurality of switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) are controlled to be turned on / off in the designated operation mode, and the voltage of the DC power supply input unit is compared with the voltage of the output unit. , ON / OFF control of a plurality of switches.
Thus, for example, when the instructed mode is the boost mode, when the load is a motor and the voltage of the output unit suddenly rises due to the regenerative braking operation, a plurality of such functions are detected and the regenerative function is activated. These switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) can be on / off controlled.

また、本発明のDC/DCコンバータは、DC電源入力部と、直列に接続された第1及び第2のキャパシタと、前記第1及び第2のキャパシタに接続された出力部とを備えたDC/DCコンバータであって、前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの正極側及び前記出力部の正極側に接続する第1のスイッチと、前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第2のスイッチと、前記電源入力部の負極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第3のスイッチと、前記電源入力部の負極側を、前記第2のキャパシタの負極側及び前記出力部の負極側に接続する第4のスイッチとを有し、動作モードに応じて前記第1〜第4のスイッチのそれぞれがオン又はオフとなり、前記第1及び第2のキャパシタを選択的に機能させることによって、昇圧、導通、回生の何れかの動作を行うことを特徴とする。
このような構成により、第1〜第4のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜スイッチSW4)をオン/オフ制御し、第1のキャパシタ(例えば、図1に示すキャパシタC1)と第2のキャパシタ(例えば、図1に示すキャパシタC2)をDC電源入力部の電源電圧で交互に充電し、出力部から昇圧された電圧を出力する(昇圧)。また、第1のスイッチ〜第4のスイッチをオン/オフ制御し、第1のキャパシタと第2のキャパシタに蓄積された回生電力を交互に電源側に返還する(回生)。さらに、第1のスイッチと第4のスイッチをオン、第2のスイッチと第3のスイッチをオフとし、DC電源入力部の電源をそのまま出力部に導通させる(導通)。
これにより、同一の回路で、スイッチの動作を変化させるだけで、昇圧回路、導通回路、回生回路のいずれにも使用できる。
In addition, a DC / DC converter according to the present invention includes a DC power input unit, first and second capacitors connected in series, and an output unit connected to the first and second capacitors. A first switch that connects a positive side of the DC power input unit to a positive side of the first capacitor and a positive side of the output unit; and a positive side of the DC power input unit. A second switch connected to a negative electrode side of the first capacitor and a positive electrode side of the second capacitor, and a negative electrode side of the power input unit, the negative electrode side of the first capacitor and the second capacitor A third switch connected to the positive electrode side of the power supply, and a fourth switch connecting the negative electrode side of the power input unit to the negative electrode side of the second capacitor and the negative electrode side of the output unit. Depending on the first to the first Each of the switches is turned on or off, by selectively function the first and second capacitors, the boosting, conduction, and performs any of the operations of the regenerative.
With such a configuration, the first to fourth switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) are turned on / off, and the first capacitor (for example, the capacitor C1 shown in FIG. 1) and the second capacitor are controlled. The capacitors (for example, the capacitor C2 shown in FIG. 1) are alternately charged with the power supply voltage of the DC power supply input section, and the boosted voltage is output from the output section (boost). In addition, the first to fourth switches are turned on / off, and the regenerative power stored in the first capacitor and the second capacitor is alternately returned to the power supply side (regeneration). Further, the first switch and the fourth switch are turned on, the second switch and the third switch are turned off, and the power source of the DC power source input unit is directly conducted to the output unit (conduction).
As a result, the same circuit can be used for any of the booster circuit, the conduction circuit, and the regenerative circuit by simply changing the operation of the switch.

また、本発明のDC/DCコンバータは、指示された動作モードと、前記DC電源入力部及び前記出力部の電圧に基づき、前記第1〜第4のスイッチのオン/オフ制御を行うスイッチング手段を更に有することを特徴とする。
このような構成により、第1〜第4のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)を指示された動作モードでオン/オフ制御すると共に、DC電源入力部の電圧と出力部の電圧を比較して、複数のスイッチをオン/オフ制御する。
これにより、例えば、指示されたモードが昇圧モードの場合に、負荷がモータ(交流モータのインバータやブラシレスモータを含む)であり回生ブレーキ動作により出力部の電圧が急に上昇したときに、これを検出して回生機能を作動させるように第1〜第4のスイッチをオン/オフ制御することができる。
The DC / DC converter according to the present invention further includes switching means for performing on / off control of the first to fourth switches based on the instructed operation mode and the voltages of the DC power supply input unit and the output unit. Furthermore, it is characterized by having.
With such a configuration, the first to fourth switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) are turned on / off in the designated operation mode, and the voltage of the DC power input unit and the voltage of the output unit are controlled. , And a plurality of switches are on / off controlled.
Thus, for example, when the instructed mode is the boost mode, when the load is a motor (including an inverter of an AC motor and a brushless motor) and the voltage of the output unit suddenly increases due to the regenerative braking operation, The first to fourth switches can be on / off controlled to detect and activate the regeneration function.

また、本発明のDC/DCコンバータは、前記第1〜第4のスイッチをフライホイールダイオード付きのトランジスタスイッチとしたことを特徴とする。
このような構成により、昇圧、回生、導通のそれぞれの動作モードについて、第1〜第4のスイッチ(例えば、図1に示すスイッチSW1〜SW4)をオン/オフ制御する場合に、あるスイッチについては一方方向にのみ電流が流れ、且つその電流の方向がフライホイールダイオードの順方向である場合には、当該トランジスタスイッチのオン/オフ制御を行わず、フライホイールダイオードのスイッチング作用(整流作用)を利用する。
これにより、オン/オフ制御するスイッチ数を減らし、スイッチング制御を簡易化できる。
The DC / DC converter of the present invention is characterized in that the first to fourth switches are transistor switches with flywheel diodes.
With such a configuration, when on / off control of the first to fourth switches (for example, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 1) is performed for each of the operation modes of boosting, regeneration, and conduction, When current flows only in one direction and the current direction is the forward direction of the flywheel diode, the on / off control of the transistor switch is not performed and the switching action (rectification action) of the flywheel diode is used. To do.
Thereby, the number of switches to be turned on / off can be reduced, and the switching control can be simplified.

また、本発明のDC/DCコンバータは、前記トランジスタスイッチは、IGBTであることを特徴とする。
これにより、高速、大電流、高圧のスイッチング制御が可能となる。
In the DC / DC converter of the present invention, the transistor switch is an IGBT.
Thereby, high speed, large current, and high voltage switching control is possible.

また、本発明のDC/DCコンバータは、前記第1及び第2のキャパシタは、フイルムコンデンサであることを特徴とする。
これにより、フイルムキャパシタの電荷の蓄積効率のよさ(電解キャパシタは80%程度で、フイルムキャパシタは98%程度)、小型、軽量、低価格という利点を利用でき、DC/DCコンバータの高効率化、小型化、低価格化を実現できる。
The DC / DC converter of the present invention is characterized in that the first and second capacitors are film capacitors.
As a result, the charge storage efficiency of the film capacitor (the electrolytic capacitor is about 80% and the film capacitor is about 98%), the advantages of small size, light weight, and low price can be used, and the efficiency of the DC / DC converter can be increased. Miniaturization and low price can be realized.

また、本発明のDC/DCコンバータは、前記第1及び第2のキャパシタは、セラミックコンデンサであることを特徴とする。
これにより、蓄電効率は、フィルムコンデンサを使用した場合と同等レベルを維持しつ
つ、更に小型化が図れる。
The DC / DC converter according to the present invention is characterized in that the first and second capacitors are ceramic capacitors.
As a result, the storage efficiency can be further reduced while maintaining the same level as when a film capacitor is used.

また、本発明のDC/DCコンバータは、昇圧モード時には、前記第1及び第4のスイッチを常時オフとし、前記第2及び第3のスイッチを交互にオン/オフさせることで、前記第2のスイッチのオン時に前記第2のスイッチ及び前記第4のスイッチのフライホイールダイオードを導通させ、前記第3のスイッチのオン時に前記第1のスイッチのフライホイールダイオード及び前記第3のスイッチを導通させ、導通モード時には、前記第1〜第4のスイッチを常時オフとし、前記第1及び第4のスイッチのフライホイールダイオードを導通させ、回生モード時には、前記第2及び第3のスイッチを常時オフとし、前記第1及び第4のスイッチを交互にオン/オフさせることで、前記第1のスイッチのオン時に前記第1のスイッチ及び前記第3のスイッチのフライホイールダイオードを導通させ、前記第4のスイッチのオン時に前記第2のスイッチのフライホイールダイオード及び前記第4のスイッチを導通させることを特徴とする。
このような構成により、昇圧モード時には、第1及び第4のスイッチ(例えば、図4に示すスイッチSW1、SW4)を常時オフとし、第2及び第3のスイッチ(例えば、図4に示すスイッチSW2、SW3)を交互にオン/オフさせることで、第2のスイッチのオン時に第2のスイッチ及び第4のスイッチのフライホイールダイオード(例えば、図4に示すフライホイールダイオードD4)を導通させ、第2のキャパシタ(例えば、図4に示すキャパシタC2)を充電する。また、第3のスイッチのオン時に第1のスイッチのフライホイールダイオード(例えば、図4に示すフライホイールダイオードD1)及び第3のスイッチを導通させ、第1のキャパシタ(例えば、図4に示すキャパシタC1)を充電する。
また、導通モード時には、第1〜第4のスイッチ(例えば、図5に示すSW1〜SW4)を常時オフとし、第1及び第4のスイッチのフライホイールダイオード(例えば、図5に示すフライホイールダイオードD1、D4)を導通させ、DC電源入力部の電圧をそのまま出力部に出力する。
また、回生モード時には、第2のスイッチ(例えば、図6に示すSW2)及び第3のスイッチ(例えば、図6に示すSW3)を常時オフとし、第1のスイッチ(例えば、図6に示すSW1)及び第4のスイッチ(例えば、図6に示すSW4)を交互にオン/オフさせることで、第1のスイッチのオン時に、第1のスイッチ及び第3のスイッチのフライホイールダイオード(例えば、図6に示すフライホイールダイオードD3)を導通させ、第1のキャパシタ(例えば、図6に示すキャパシタC1)に蓄積された回生電力をDC電源側に返還する。また、第4のスイッチのオン時に、第2のスイッチのフライホイールダイオード(例えば、図6に示すフライホイールダイオードD2)及び第4のスイッチを導通させ、第2のキャパシタ(例えば、図6に示すキャパシタC2)に蓄積された回生電力をDC電源側に返還する。
これにより、同一の回路で、スイッチの動作を変化させるだけで、昇圧回路、導通回路、回生回路のいずれにも使用できる。
In the DC / DC converter of the present invention, in the step-up mode, the first and fourth switches are always turned off, and the second and third switches are alternately turned on / off. When the switch is turned on, the flywheel diodes of the second switch and the fourth switch are turned on; when the third switch is turned on, the flywheel diode of the first switch and the third switch are turned on; In the conduction mode, the first to fourth switches are always off, the flywheel diodes of the first and fourth switches are conducted, and in the regeneration mode, the second and third switches are always off, By alternately turning on / off the first and fourth switches, the first switch and the third switch when the first switch is turned on. To conduct the switch of the flywheel diode, and wherein the to conduct the second flywheel diode and the fourth switch of the switch during on of the fourth switch.
With such a configuration, in the boost mode, the first and fourth switches (for example, the switches SW1 and SW4 shown in FIG. 4) are always turned off, and the second and third switches (for example, the switch SW2 shown in FIG. 4). , SW3) are alternately turned on / off, and when the second switch is turned on, the flywheel diodes of the second switch and the fourth switch (for example, the flywheel diode D4 shown in FIG. 4) are made conductive. 2 capacitors (for example, the capacitor C2 shown in FIG. 4) are charged. Further, when the third switch is turned on, the flywheel diode of the first switch (for example, the flywheel diode D1 shown in FIG. 4) and the third switch are made conductive, and the first capacitor (for example, the capacitor shown in FIG. 4) C1) is charged.
In the conduction mode, the first to fourth switches (for example, SW1 to SW4 shown in FIG. 5) are always turned off, and the flywheel diodes of the first and fourth switches (for example, the flywheel diode shown in FIG. 5). D1 and D4) are turned on, and the voltage of the DC power supply input unit is output to the output unit as it is.
Further, in the regeneration mode, the second switch (for example, SW2 shown in FIG. 6) and the third switch (for example, SW3 shown in FIG. 6) are always turned off, and the first switch (for example, SW1 shown in FIG. 6). ) And the fourth switch (eg, SW4 shown in FIG. 6) are alternately turned on / off, so that when the first switch is turned on, the flywheel diodes (eg, FIG. 6 is turned on, and the regenerative power stored in the first capacitor (for example, the capacitor C1 shown in FIG. 6) is returned to the DC power supply side. Further, when the fourth switch is turned on, the flywheel diode (for example, flywheel diode D2 shown in FIG. 6) of the second switch and the fourth switch are made conductive, and the second capacitor (for example, shown in FIG. 6). The regenerative power stored in the capacitor C2) is returned to the DC power source side.
As a result, the same circuit can be used for any of the booster circuit, the conduction circuit, and the regenerative circuit by simply changing the operation of the switch.

また、本発明のDC/DCコンバータは、更に、前記第1及び第4のスイッチを常時オフとして、回生動作を阻止する回生阻止モードを有することを特徴とする。
これにより不要な回生を阻止したい場合に回生阻止モードを実現することができる。
The DC / DC converter according to the present invention further has a regeneration prevention mode in which the first and fourth switches are always turned off to prevent the regeneration operation.
Thereby, when it is desired to prevent unnecessary regeneration, the regeneration prevention mode can be realized.

また、本発明のコンピュータプログラムは、DC電源入力部と、複数のスイッチと、複数のキャパシタと、前記複数のキャパシタに接続された出力部とを有するDC/DCコンバータにおける前記複数のスイッチの制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、昇圧、導通、回生の何れかの動作モードに応じた前記複数のスイッチのオン/オフを制御し、前記複数のキャパシタを選択的に機能させる処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。   The computer program according to the present invention controls the plurality of switches in a DC / DC converter having a DC power input unit, a plurality of switches, a plurality of capacitors, and an output unit connected to the plurality of capacitors. A program for causing a computer to execute the process of controlling on / off of the plurality of switches according to any of the operation modes of step-up, conduction, and regeneration, and selectively causing the plurality of capacitors to function It is made to perform.

また、本発明のコンピュータプログラムは、指示された動作モードと、入力電圧検出部により検出される前記DC電源入力部及び出力電圧検出部により検出される前記出力部の電圧に基づいて、前記複数のスイッチのオン/オフ制御処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。   Further, the computer program according to the present invention is based on the instructed operation mode and the voltage of the output unit detected by the DC power input unit and the output voltage detector detected by the input voltage detector. It is characterized by causing a computer to execute a switch on / off control process.

また、本発明のコンピュータプログラムは、DC電源入力部と、前記DC電源入力部の正極側を、第1のキャパシタの正極側及び出力部の正極側に接続する第1のスイッチと、前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び第2のキャパシタの正極側に接続する第2のスイッチと、前記DC電源入力部の負極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第3のスイッチと、前記DC電源入力部の負極側を、前記第2のキャパシタの負極側及び前記出力部の負極側に接続する第4のスイッチとを有するDC/DCコンバータにおいて、前記第1〜第4のスイッチの制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、昇圧、導通、回生の何れかの動作モードに応じた前記第1〜第4のスイッチのオン/オフを制御し、前記複数のキャパシタを選択的に機能させる処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。   The computer program of the present invention includes a DC power input unit, a first switch that connects a positive side of the DC power input unit to a positive side of a first capacitor and a positive side of the output unit, and the DC power source. A second switch for connecting a positive side of the input unit to a negative side of the first capacitor and a positive side of the second capacitor; and a negative side of the DC power input unit to a negative side of the first capacitor. And a third switch connected to the positive side of the second capacitor, and a fourth switch connecting the negative side of the DC power input part to the negative side of the second capacitor and the negative side of the output part A program for causing a computer to control the first to fourth switches, wherein the first to fourth switches according to one of the operation modes of step-up, conduction, and regeneration. Controls to fourth on / off switch, characterized in that to execute a process for selectively function the plurality of capacitors to the computer.

また、本発明のコンピュータプログラムは、指示された動作モードと、入力電圧検出部により検出される前記DC電源人力部及び出力電圧検出部により検出される前記出力部の電圧に基づいて、前記複数のスイッチのオン/オフ制御処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。   Further, the computer program of the present invention is based on the instructed operation mode and the voltage of the output unit detected by the DC power supply human power unit and the output voltage detection unit detected by the input voltage detection unit. It is characterized by causing a computer to execute a switch on / off control process.

本発明のDC/DCコンバータにおいては、同一の回路でスイッチング動作を変更するだけで、昇圧回路、導通回路、回生回路のいずれにも使用できる。また、従来例のように、磁気エネルギーを蓄積するためのインダクターが不要となるため、DC/DCコンバータの小型化、軽量化、低価格化を実現できる。また、2個のキャパシタは、電源電圧と同程度の耐圧のものを使用でき、高耐圧の出力キャパシタは不要となる。   The DC / DC converter of the present invention can be used for any of a booster circuit, a conduction circuit, and a regenerative circuit by simply changing the switching operation in the same circuit. In addition, since an inductor for accumulating magnetic energy is not required as in the conventional example, the DC / DC converter can be reduced in size, weight, and cost. In addition, two capacitors having a breakdown voltage comparable to the power supply voltage can be used, and a high breakdown voltage output capacitor is not required.

また、スイッチング制御するスイッチの数は常に2個であり、スイッチング制御が容易である。また、負荷の大きさに係らず、経時的に同一のスイッチングデューティー比で昇圧(1倍昇圧を含む)、回生が可能である。   Further, the number of switches to be switched is always two, and switching control is easy. Regardless of the size of the load, boosting (including 1-fold boosting) and regeneration can be performed with the same switching duty ratio over time.

次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明によるDC/DCコンバータの原理的構成例を示す図である。本発明のDC/DCコンバータは、2倍昇圧(DC電源入力部の電源電圧の略2倍の電圧を出力する)機能、1倍昇圧(電源電圧をそのまま導通出力する)機能、降圧(電源回生)機能を有する。   FIG. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of a DC / DC converter according to the present invention. The DC / DC converter of the present invention has a double boosting (outputs a voltage that is approximately twice the power supply voltage of the DC power supply input unit), a single boosting (outputs the power supply voltage as it is), a step-down (power regeneration). ) Has a function.

図1に示すDC/DCコンバータは、電源E、第1のスイッチSW1、第2のスイッチSW2、第3のスイッチSW3、及び第4のスイッチSW4を備えるスイッチング部1、第1のキャパシタC1、第2のキャパシタC2、出力部を有する。なお、第1のキャパシタC1と第2のキャパシタC2は直列に接続されており、フイルムコンデンサなどを使用するのが望ましい。   The DC / DC converter shown in FIG. 1 includes a switching unit 1 including a power source E, a first switch SW1, a second switch SW2, a third switch SW3, and a fourth switch SW4, a first capacitor C1, 2 capacitors C2 and an output section. The first capacitor C1 and the second capacitor C2 are connected in series, and it is desirable to use a film capacitor or the like.

また、制御回路部2は、スイッチング部1内の第1のスイッチSW1、第2のスイッチSW2、第3のスイッチSW3、及び第4のスイッチSW4をオン/オフ制御する機能を有する。また、制御回路部2内の入力電圧検出部3は、電源電圧Eから供給される入力電圧を検出する機能を有し、出力電圧検出部4は、出力部の出力電圧を検出する機能を有する。電圧比較部5は、入力電圧検出部3により検出された電源電圧と、出力電圧検出部4により検出された出力電圧とを比較する機能を有する。   In addition, the control circuit unit 2 has a function of controlling on / off of the first switch SW1, the second switch SW2, the third switch SW3, and the fourth switch SW4 in the switching unit 1. The input voltage detection unit 3 in the control circuit unit 2 has a function of detecting an input voltage supplied from the power supply voltage E, and the output voltage detection unit 4 has a function of detecting an output voltage of the output unit. . The voltage comparison unit 5 has a function of comparing the power supply voltage detected by the input voltage detection unit 3 with the output voltage detected by the output voltage detection unit 4.

また、回生負荷検出部6は、電圧比較部5における電源電圧と出力電圧の比較結果を基に、例えば、2倍昇圧動作時に、「出力電圧>2×電源電圧」の場合に、回生負荷(回生ブレーキ時のモータなど、電力を発生している状態にある負荷)が接続されていると判断する。また、スイッチング制御部10は、第1のスイッチSW1、第2のスイッチSW2、第3のスイッチSW3、第4のスイッチSW4のオン/オフ制御を行うための手段である。また、スイッチング制御部10は、スイッチング部1内のスイッチSW1〜スイッチSW4のオン/オフ時間(デューティー比)を制御する機能も有している。   Further, the regenerative load detection unit 6 is based on the comparison result of the power supply voltage and the output voltage in the voltage comparison unit 5, for example, in the case of “output voltage> 2 × power supply voltage” during the double boosting operation, It is determined that a load that is generating electric power, such as a motor during regenerative braking, is connected. The switching control unit 10 is means for performing on / off control of the first switch SW1, the second switch SW2, the third switch SW3, and the fourth switch SW4. The switching control unit 10 also has a function of controlling the on / off time (duty ratio) of the switches SW1 to SW4 in the switching unit 1.

なお、この制御回路部2内の電圧比較部5およびスイッチング制御部10は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、制御回路部2内にメモリおよびCP U 等のコンピュータシステムを設け、電圧比較部5およびスイッチング制御部10の機能を実現するためのプログラム(図示せず)をメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。   Note that the voltage comparison unit 5 and the switching control unit 10 in the control circuit unit 2 may be realized by dedicated hardware, and the control circuit unit 2 includes a computer such as a memory and a CP U. A system may be provided, and a program (not shown) for realizing the functions of the voltage comparison unit 5 and the switching control unit 10 may be loaded into a memory and executed to implement the functions.

図1に示すDC/DCコンバータにおいては、第1のスイッチSW1、第2のスイッチSW2、第3のスイッチSW3、および第4のスイッチSW4のオン/オフ制御を行うことにより、2倍昇圧モード、1倍昇圧モード、降圧(電源回生)モードの3種類の動作モードを任意に実現することができる。動作モードの選択はアプリケーション等によって決められる。本発明を電気自動車に採用する場合、例えば、高速運転時に2倍昇圧モードが用いられ、低速運転時に1倍昇圧モードが用いられる。   In the DC / DC converter shown in FIG. 1, by performing on / off control of the first switch SW1, the second switch SW2, the third switch SW3, and the fourth switch SW4, Three types of operation modes, a 1 × step-up mode and a step-down (power regeneration) mode, can be realized arbitrarily. The selection of the operation mode is determined by the application or the like. When the present invention is employed in an electric vehicle, for example, the double boost mode is used during high-speed driving, and the single boost mode is used during low-speed driving.

まず、最も基本となる2倍昇圧モードについて説明する。2倍昇圧モードとは、電源電圧Eの略2倍の電圧(ほぼ2Eの電圧)を出力電圧とするモードである。   First, the most basic double boost mode will be described. The double boost mode is a mode in which the output voltage is approximately twice the voltage of the power supply voltage E (approximately 2E voltage).

図2及び図3は、2倍昇圧モードについて説明するための図である。2倍昇圧モードにおいては、図2(a)に示すスイッチ回路が、図2(b)と等価となる。すなわち、図2(a)に示す回路中のスイッチSW1とスイッチSW4を、それぞれダイオードD1とダイオードD4に置き換えることができる。これについては、図3でその理由を説明する。   2 and 3 are diagrams for explaining the double boosting mode. In the double boost mode, the switch circuit shown in FIG. 2A is equivalent to FIG. That is, the switch SW1 and the switch SW4 in the circuit shown in FIG. 2A can be replaced with the diode D1 and the diode D4, respectively. The reason for this will be described with reference to FIG.

図3は、2倍昇圧モードの動作説明図である。図3において、最初に、図3(a)に示すように、SW3をオンとし、スイッチSW2をオフとすると、電源E→ダイオードD1→キャパシタC1→スイッチSW3→電源Eのルートで電流I1が流れる。このとき、キャパシタC1は電源電圧Eに応じて充電される。   FIG. 3 is a diagram for explaining the operation in the double boost mode. In FIG. 3, as shown in FIG. 3A, when SW3 is turned on and switch SW2 is turned off, current I1 flows through the route of power supply E → diode D1 → capacitor C1 → switch SW3 → power supply E. . At this time, the capacitor C1 is charged according to the power supply voltage E.

次に、図3(b)に示すように、スイッチSW2をオンとし、スイッチSW3をオフとすると、電源E→スイッチSW2→キャパシタC2→ダイオードD4→電源Eのルートで電流I3が流れる。このとき、キャパシタC2は電源電圧Eに充電される。このスイッチ
ング制御を交互に繰り返す。これにより、キャパシタC1及びキャパシタC2のそれぞれが電圧Eに充電され、キャパシタC1とキャパシタC2は直列に接続されているので、出力部に約2Eの電圧出力を得ることができる。そして、C1、C2から出力側に放電電流I2が出力される。
Next, as shown in FIG. 3B, when the switch SW2 is turned on and the switch SW3 is turned off, a current I3 flows through a route of power supply E → switch SW2 → capacitor C2 → diode D4 → power supply E. At this time, the capacitor C2 is charged to the power supply voltage E. This switching control is repeated alternately. Thereby, each of the capacitor C1 and the capacitor C2 is charged to the voltage E, and the capacitor C1 and the capacitor C2 are connected in series, so that a voltage output of about 2E can be obtained at the output unit. Then, a discharge current I2 is output from C1 and C2 to the output side.

図3に示す2倍昇圧モードでは、ダイオードD1(図2(a)のスイッチSW1に相当)、ダイオードD4(図2(a)のスイッチSW4に相当)が設けられたブランチ(枝回路)に流れる電流の方向は一定方向のみであるため、スイッチSW1、SW4を常時閉とし、ダイオードのスイッチング作用(整流作用)のみを実現できればよい。   In the double boost mode shown in FIG. 3, the current flows through a branch (branch circuit) provided with a diode D1 (corresponding to the switch SW1 in FIG. 2A) and a diode D4 (corresponding to the switch SW4 in FIG. 2A). Since the direction of the current is only a fixed direction, it is only necessary that the switches SW1 and SW4 are normally closed and only the diode switching action (rectification action) can be realized.

このように、本発明のDC/DCコンバータでは、ダイオードのスイッチング作用(電流を一方向に流す作用)が利用できる場合には、ダイオードをスイッチの代りに積極的に利用し、制御するスイッチ数を減らすように工夫している。具体的な例については、実施例の項で説明する。   Thus, in the DC / DC converter of the present invention, when the diode switching action (the action of flowing the current in one direction) can be used, the diode is actively used instead of the switch, and the number of switches to be controlled is controlled. Devised to reduce. Specific examples will be described in the Examples section.

次に、本発明のDC/DCコンバータの実施例について説明する。図4(a)は、本発明によるDC/DCコンバータの実施例を示す図であり、また、2倍昇圧モード時の動作を説明するための図である。また、図4(b)は、スイッチSW1、SW2の動作タイミングとキャパシタC1、C2への充電電流波形を示す図である。   Next, an embodiment of the DC / DC converter of the present invention will be described. FIG. 4A is a diagram showing an embodiment of the DC / DC converter according to the present invention, and is a diagram for explaining the operation in the double boost mode. FIG. 4B is a diagram illustrating the operation timing of the switches SW1 and SW2 and the charging current waveform to the capacitors C1 and C2.

図4に示すDC/DCコンバータは、電源E、入力側の平滑コンデンサ(電解コンデンサ)C4、2個(一対)のIGBT素子で構成されるIGBT部1およびIGBT部2、インダクターL、キャパシタC1、C2、C3を有する。なお、キャパシタC1、C2、C3は、本実施例では、フィルムコンデンサである。   The DC / DC converter shown in FIG. 4 includes a power supply E, a smoothing capacitor (electrolytic capacitor) C4 on the input side, an IGBT unit 1 and an IGBT unit 2 composed of two (a pair) IGBT elements, an inductor L, a capacitor C1, C2 and C3. The capacitors C1, C2, and C3 are film capacitors in this embodiment.

図3の2倍昇圧の動作説明図と比較して、図4のIGBT部1の上側のIGBT素子(SW1)のフライホイールダイオードD1が、図3のダイオードD1に相当し、IG B T部1の下側のIGBT素子がスイッチSW2に相当する。また、図4のIGBT部2の上側のIGBT素子が図3のSW3に相当し、IGBT部2の下側のIGBT素子(SW4)のフライホイールダイオードD4が、図3のダイオードD4に相当する。   Compared with the operation explanatory diagram of double boosting in FIG. 3, the flywheel diode D1 of the IGBT element (SW1) on the upper side of the IGBT section 1 in FIG. 4 corresponds to the diode D1 in FIG. The lower IGBT element corresponds to the switch SW2. Further, the IGBT element on the upper side of the IGBT section 2 in FIG. 4 corresponds to SW3 in FIG. 3, and the flywheel diode D4 of the IGBT element (SW4) on the lower side in the IGBT section 2 corresponds to diode D4 in FIG.

図4に示すDC/DCコンバータの2倍昇圧モードでは、スイッチSW1とスイッチSW 4は常時オフとし、図4(b)に示すように、IGBT部1のスイッチSW2と、IGB T 部2のスイッチSW3を交互にオン/オフするようにゲート電圧がスイッチイング制御部10から印加される。なお、2倍昇圧モードでは、IGBT部1のスイッチSW1、IGBT部2のスイッチSW4は、フライホイールダイオードD1及びD4のみを機能させる。   In the double boosting mode of the DC / DC converter shown in FIG. 4, the switch SW1 and the switch SW4 are always off, and as shown in FIG. 4B, the switch SW2 of the IGBT unit 1 and the switch of the IGBT T unit 2 A gate voltage is applied from the switching control unit 10 so as to alternately turn on / off the SW3. In the double boost mode, the switch SW1 of the IGBT unit 1 and the switch SW4 of the IGBT unit 2 function only the flywheel diodes D1 and D4.

図4において、スイッチSW2がオン、スイッチSW3がオフのときは、電源E→スイッチSW2→インダクターL→キャパシタC2→フライホイールダイオードD4→電源Eのルートで電流I1が流れる。このとき、キャパシタC2が電源Eにより充電される。図4(b)にI1(C2の充電電流)の波形を示す。なお、実際には、この時電流I1がキャパシタC2を充電するだけでなく、負荷Rへの放電電流も流れている。   In FIG. 4, when the switch SW2 is on and the switch SW3 is off, the current I1 flows through the route of the power source E → the switch SW2, the inductor L, the capacitor C2, the flywheel diode D4, and the power source E. At this time, the capacitor C2 is charged by the power source E. FIG. 4B shows a waveform of I1 (C2 charging current). Actually, at this time, the current I1 not only charges the capacitor C2, but also a discharge current flows to the load R.

すなわち、同時にキャパシタC1、C2はキャパシタC3と負荷Rにも接続されているので、キャパシタC3が充電されるとともに、負荷Rに電流I3が出力電流として流れる。   That is, since the capacitors C1 and C2 are simultaneously connected to the capacitor C3 and the load R, the capacitor C3 is charged and a current I3 flows through the load R as an output current.

一方、スイッチSW2がオフ、スイッチSW3がオンのときは、電源E→フライホイールダイオードD1→キャパシタC1→インダクターL→スイッチSW3→電源Eのルートで電流I2が流れる。このとき、キャパシタC1が電源電圧Eにより充電される。また、同時にキャパシタC1、C2は出力側にも接続されているので、キャパシタC3が充電されるとともに、負荷Rに電流I3が出力電流として流れる。   On the other hand, when the switch SW2 is off and the switch SW3 is on, the current I2 flows through the route of the power source E → the flywheel diode D1 → the capacitor C1 → the inductor L → the switch SW3 → the power source E. At this time, the capacitor C1 is charged by the power supply voltage E. At the same time, the capacitors C1 and C2 are also connected to the output side, so that the capacitor C3 is charged and a current I3 flows through the load R as an output current.

なお、インダクターLは、スイッチON時にIGBT部1、2とキャパシタC1、C2への突入電流を抑制するためのものであり、図7に示す従来回路のインダクターLの1/10以下の容量のもので十分である(時定敏にもよるが、例えば、10kHzのスイッチング周波数で4μH〜10μH)。従って、磁気エネルギーを蓄積するために用いられていた、図7に示す従来の大型のインダクターLとは使用目的が異なる。すなわち、インダクターLは本発明の必須構成要件ではない。   The inductor L is for suppressing the inrush current to the IGBT units 1 and 2 and the capacitors C1 and C2 when the switch is ON, and has a capacity of 1/10 or less of the inductor L of the conventional circuit shown in FIG. Is sufficient (for example, 4 μH to 10 μH at a switching frequency of 10 kHz, although depending on time sensitivity). Therefore, the purpose of use is different from that of the conventional large-sized inductor L shown in FIG. 7, which has been used to store magnetic energy. That is, the inductor L is not an essential component of the present invention.

キャパシタC3は、出力電圧のリップルを平滑化するために設けられており、本発明の必須構成要件ではない。さらに、入力側の100μFの電解コンデンサC4は、電源のインピーダンスを下げるために設けられている(例えば、電源が回路部から離れ電源配線が長くなった場合、電源インピーダンスか上昇し、制御の誤作動を招くことがあるが電解コンデンサC4はこれを防止する。)。従って、この電解コンデンサC4は本発明の必須構成要件ではない。   The capacitor C3 is provided to smooth the ripple of the output voltage, and is not an essential component of the present invention. Further, the input side 100 μF electrolytic capacitor C4 is provided to lower the impedance of the power source (for example, when the power source is separated from the circuit unit and the power source wiring becomes longer, the power source impedance increases, and the control malfunctions. The electrolytic capacitor C4 prevents this). Therefore, the electrolytic capacitor C4 is not an essential component of the present invention.

スイッチSW2、SW3は交互にオン/オフされるが(理想的なデューティー比は50%)、現実のスイッチは理想的ではなく、ON/OFFに有限の過渡時間がかかるので、実際の上限は例えば、デューティー45%程度になる。このデューティー比は、スイッチSW1、SW2、コンデンサC1、C2等の特性に応じて、回路が最も効率良く昇圧動作するように設定すればよい。   Although the switches SW2 and SW3 are alternately turned on / off (the ideal duty ratio is 50%), the actual switch is not ideal, and a finite transient time is required for ON / OFF. The duty is about 45%. This duty ratio may be set so that the circuit performs the boosting operation most efficiently in accordance with the characteristics of the switches SW1, SW2, capacitors C1, C2, and the like.

なお、本発明のDC/DCコンバータでは、負荷インピーダンス/抵抗値の大きさに係わらず、デューティー比を固定したまま多少の電圧降下を伴うものの2倍昇圧を行うことができるが、このデューティー比については、図1に示す制御回路部2により制御することもできる。   In the DC / DC converter according to the present invention, it is possible to perform double boosting with a slight voltage drop while fixing the duty ratio regardless of the load impedance / resistance value. Can also be controlled by the control circuit unit 2 shown in FIG.

すなわち、DC電源入力部の電圧Eを入力電圧検出部3により検出し、出力部の電圧を出力電圧検出部4により検出し、入力電圧検出部3により検出された入力電圧値と、出力電圧検出部4により検出された出力電圧値とを電圧比較部5により比較し、この比較値を基に、スイッチング制御部10より、スイッチSW2とスイッチSW3のオン/オフ時間のデューティー制御を行う。例えば、スイッチSW1、SW2、コンデンサC1、C2等の特性に応じて、回路が最も効率良く昇圧動作するデューティー比が45%であるとすると、この値に近づくように制御する。   That is, the voltage E of the DC power supply input unit is detected by the input voltage detection unit 3, the voltage of the output unit is detected by the output voltage detection unit 4, the input voltage value detected by the input voltage detection unit 3, and the output voltage detection The voltage comparison unit 5 compares the output voltage value detected by the unit 4, and based on this comparison value, the switching control unit 10 performs duty control of the on / off times of the switches SW2 and SW3. For example, if the duty ratio at which the circuit performs the boosting operation most efficiently is 45% according to the characteristics of the switches SW1, SW2, capacitors C1, C2, etc., control is performed so as to approach this value.

本発明のDC/DCコンバータでは、出力電圧を2個のキャパシタで分圧しているので、出力側に高耐圧のキャパシタを使用する必要がなく、軽量で安価なフィルムコンデンサで十分に実現できる。この結果、キャパシタにおける発熱量が減り、電力変換の高効率化が図れる。   In the DC / DC converter of the present invention, since the output voltage is divided by two capacitors, it is not necessary to use a high withstand voltage capacitor on the output side, and it can be sufficiently realized by a light and inexpensive film capacitor. As a result, the amount of heat generated in the capacitor is reduced, and the efficiency of power conversion can be increased.

本発明のDC/DCコンバータでは、昇圧回路としてだけでなく、通常の整流回路(1倍昇圧回路)としても機能させることもできる。図5は、スイッチSW1、スイッチSW2、スイッチSW3およびスイッチSW4を常時オフとし、通常の整流回路として動作させる場合の例(1倍昇圧モード)を示したものである。   The DC / DC converter of the present invention can function not only as a booster circuit but also as a normal rectifier circuit (single booster circuit). FIG. 5 shows an example in which the switch SW1, the switch SW2, the switch SW3, and the switch SW4 are always turned off to operate as a normal rectifier circuit (single boosting mode).

スイッチSW1乃至スイッチSW4のスイッチングが停止すると、電源Eから、IGBT部1のフライホイールダイオードD1とIGBT部2のフライホイールダイオードD4を通過してそのまま負荷Rに電流I1が流れる。すなわち、電源E→IBGT1のフライホイールダイオードD1→負荷R→IBGT2のフライホイールダイオードD4→電源Eのルートで電流I1が流れる。このとき、キャパシタC1、C2は昇圧に特に寄与せず、出力電圧は、入力電圧の約1倍となる。   When the switching of the switches SW1 to SW4 is stopped, the current I1 flows from the power source E to the load R as it is through the flywheel diode D1 of the IGBT unit 1 and the flywheel diode D4 of the IGBT unit 2. That is, the current I1 flows through the route of the power supply E → the flywheel diode D1 of the IBGT1 → the load R → the flywheel diode D4 of the IBGT2 → the power supply E. At this time, the capacitors C1 and C2 do not particularly contribute to boosting, and the output voltage is about one time the input voltage.

また、本発明のDC/DCコンバータは、降圧(電源回生)機能を有している(降圧モード)。例えば、出力側の負荷としてモータなどが使用されており、回転数を減速制御(回生ブレーキ動作など)し、出力(負荷)側の電圧が上昇した場合、「出力(負荷)側が入力(電源)側の電圧の2倍となるまで、出力(負荷)側の電圧を降圧するように、(入力側にエネルギーを還す)、入力側のバッテリ等の電源に充電することができる。なお回生モード時は、必ずしも負荷側が入力側の電圧の2倍とする必要はなく、2.1倍や2.5倍等、負荷特性等に応じて適宜途中の値まで回生するようにしてもよい。   The DC / DC converter of the present invention has a step-down (power regeneration) function (step-down mode). For example, when a motor or the like is used as the load on the output side and the rotation speed is decelerated (regenerative braking operation, etc.) and the voltage on the output (load) side increases, the output (load) side is input (power supply) The battery can be charged to a power source such as a battery on the input side (returning energy to the input side) so that the voltage on the output (load) side is stepped down until it becomes twice the voltage on the input side. Is not necessarily required to be twice the voltage on the input side on the load side, and may be regenerated to an intermediate value as appropriate depending on the load characteristics, such as 2.1 times or 2.5 times.

図6は、電源回生動作について説明するための図である。例えば、2倍昇圧動作時に、「出力電圧>2×電源電圧」となる場合に、この動作モードが使用できる。この電源回生モードでは、IGBT部1のスイッチSW2とIGBT部2のスイッチSW3を常時O FF とし、IGBT部1のスイッチSW1と、IGBT部2のスイッチSW4を交互にオン/オフするようにゲート電圧が印加される(図6(b)参照)。   FIG. 6 is a diagram for explaining the power regeneration operation. For example, this operation mode can be used when “output voltage> 2 × power supply voltage” in the double boosting operation. In this power regeneration mode, the gate voltage is set so that the switch SW2 of the IGBT unit 1 and the switch SW3 of the IGBT unit 2 are always OFF, and the switch SW1 of the IGBT unit 1 and the switch SW4 of the IGBT unit 2 are alternately turned on / off. Is applied (see FIG. 6B).

スイッチSW1がオン、スイッチSW4オフのときは、キャパシタC1→スイッチS W1→電源E→フライホイールダイオードD3→インダクターL→キャパシタC1のルートで電流I1が流れる。このとき、電源EがキャパシタC1により充電される。   When the switch SW1 is on and the switch SW4 is off, the current I1 flows through the route of the capacitor C1, the switch SW1, the power source E, the flywheel diode D3, the inductor L, and the capacitor C1. At this time, the power source E is charged by the capacitor C1.

また、スイッチSW1がオフ、スイッチSW4がオンのときは、キャパシタC2→インダクターL→フライホイールダイオードD2→電源E→スイッチSW4→キャパシタC2のルートで電流I2が流れる。このとき、電源EがキャパシタC2により充電される。   When the switch SW1 is off and the switch SW4 is on, a current I2 flows through the route of the capacitor C2, the inductor L, the flywheel diode D2, the power source E, the switch SW4, and the capacitor C2. At this time, the power source E is charged by the capacitor C2.

このように、キャパシタC1とC2を交互に放電することで、出力側の電圧の略1/2倍の電圧になるまで余剰電力を入力側に移すことが可能である。また、出力側の電圧が上昇して、逆方向(=出力→入力)へ戻す電力が大きくなっても、電流波形が大きくなるだけで、常に同一のデューティー比のまま動作させることができる。   In this way, by alternately discharging the capacitors C1 and C2, it is possible to transfer surplus power to the input side until the voltage becomes approximately ½ times the voltage on the output side. Even if the output voltage rises and the power to return in the reverse direction (= output → input) increases, the current waveform increases, and the operation can always be performed with the same duty ratio.

図9は、本発明を用いた実際の回路における各部の波形測定例を示す図であり、入力電
圧199.8V 、出力電圧393.3V 、出力5.75kW時の波形を示したものである。この波形は2倍昇圧モード時のものである。
FIG. 9 is a diagram showing a waveform measurement example of each part in an actual circuit using the present invention, and shows waveforms at an input voltage of 199.8 V, an output voltage of 393.3 V, and an output of 5.75 kW. This waveform is for the double boost mode.

図9中の、符号a1はスイッチSW2をオン/オフするためのゲート波形、a2はスイッチSW2の電流波形、a3はスイッチSW3をオン/オフするためのゲート波形、a4はスイッチSW3の電流波形、a5はキャパシタC2の負極側における電流波形、a6はキャパシタC1の負極側における電流波形、a7は、電源EおよびキャパシタC4からIGBT部1に流れる電流波形、a8はキャパシタC3および負荷側に流れる電流波形を示している。   In FIG. 9, symbol a1 is a gate waveform for turning on / off the switch SW2, a2 is a current waveform of the switch SW2, a3 is a gate waveform for turning on / off the switch SW3, a4 is a current waveform of the switch SW3, a5 is a current waveform on the negative side of the capacitor C2, a6 is a current waveform on the negative side of the capacitor C1, a7 is a current waveform flowing from the power source E and the capacitor C4 to the IGBT unit 1, and a8 is a current waveform flowing to the capacitor C3 and the load side. Is shown.

以上説明したように、本発明のDC/DCコンバータにおいては、スイッチSW1、スイッチSW2、スイッチSW3、スイッチSW4、IGBT部1、IGBT部2を同一の素子で構成すれば、図4、図5及び図6で説明した各動作を同一の回路で実現できる。本発明のように、SW1とSW2を1つのIGBT部1で形成し、SW3とSW4を1つのIGBT部2で形成することで回路の小型化及び配線の簡略化が実現する。   As described above, in the DC / DC converter according to the present invention, if the switch SW1, the switch SW2, the switch SW3, the switch SW4, the IGBT unit 1, and the IGBT unit 2 are formed of the same element, FIG. Each operation described in FIG. 6 can be realized by the same circuit. As in the present invention, SW1 and SW2 are formed by one IGBT portion 1, and SW3 and SW4 are formed by one IGBT portion 2, thereby realizing circuit miniaturization and wiring simplification.

また、出力電圧を2つのキャパシタで分圧しているので、高耐圧のキャパシタが不要となるため、低価格のものが使える。通常の回路においてキャパシタを直列で使用する場合は、電圧の偏りを防ぐ為のブリーダ抵抗が必要となるが、本発明ではそれも不要の為、その分電力変換効率が向上する。
また、スイッチング制御するスイッチの数は常に2個以下であり、スイッチング制御が容易である。また、負荷の大きさに係らず、経時的に同一のスイッチングデューティー比で昇圧(1倍昇圧を含む)、回生が可能である。また、同一の回路で、スイッチングする阻止モードではスイッチSW1SW2変化させるだけで、昇圧回路、導通回路、回生回路のいずれにも使用できる。
なお、実施例では第1及び第2のキャパシタがフィルムコンデンサの場合を説明したが、セラミックコンデンサ等の他のコンデンサを用いてもよい。セラミックコンデンサを使用した場合、蓄電効率はフィルムコンデンサと同等レベルを維持しつつ更に小型化が図られる。また発明によれば不要な回生を阻止したい場合に回生阻止モードを実現することもできる。この回生阻止モードではスイッチSW1、SW4を常時オフとし、それぞれのフライホイールダイオードを機能させればよい。
In addition, since the output voltage is divided by two capacitors, a high voltage capacitor is not required, and a low-cost one can be used. When capacitors are used in series in a normal circuit, a bleeder resistor for preventing voltage bias is required. However, in the present invention, this is also unnecessary, and the power conversion efficiency is improved accordingly.
Further, the number of switches to be switched is always 2 or less, and switching control is easy. In addition, boosting (including 1-fold boosting) and regeneration are possible with the same switching duty ratio over time, regardless of the size of the load. Further, in the blocking mode in which the same circuit is switched, it can be used for any of a booster circuit, a conduction circuit, and a regenerative circuit by simply changing the switch SW1SW2.
In the embodiment, the first and second capacitors are film capacitors. However, other capacitors such as ceramic capacitors may be used. When a ceramic capacitor is used, the storage efficiency can be further reduced while maintaining the same level as the film capacitor. Further, according to the present invention, the regeneration prevention mode can be realized when it is desired to prevent unnecessary regeneration. In this regeneration prevention mode, the switches SW1 and SW4 are always turned off and the respective flywheel diodes are allowed to function.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のDC/DCコンバータは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明の原理を3倍以上の昇圧回路に適用することも可能である。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the DC / DC converter of the present invention is not limited to the above illustrated example, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course. For example, the principle of the present invention can be applied to a booster circuit of three times or more.

本発明においては、DC/DCコンバータの小型化、軽量化、低価格化を実現でき、また、電力変換の高効率化を実現できる効果を有するので、本発明は、ソーラーセルが太陽光から発電し、発電電圧を系統電圧レベルまで上昇させるインバータヘの入力(FC(燃料電池)、風力発電なども同様)、自動のハイブリット゛システムのモータ駆動電圧の昇圧、一般のバッテリ電圧以上の電圧が必要な負荷を使用するシステム、自動車等の移動体や設置場所が狭い家庭用電気機器への用途等に利用できる。   According to the present invention, the DC / DC converter can be reduced in size, weight, and cost, and the power conversion can be realized with high efficiency. In addition, input to the inverter that raises the generated voltage to the grid voltage level (FC (fuel cell), wind power generation, etc.), boosting the motor drive voltage of the automatic hybrid system, and a voltage higher than the general battery voltage are required. It can be used for a system using a load, a moving body such as an automobile, and a home electric appliance having a small installation place.

本発明によるDC/DCコンバータの原理的構成例を示す図。The figure which shows the example of a fundamental structure of the DC / DC converter by this invention. 2倍昇圧の原理を説明するための図その1。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of double boosting. 2倍昇圧の原理を説明するための図その2。FIG. 2 for explaining the principle of double boosting. 2倍昇圧モード時の動作を説明するための図。The figure for demonstrating the operation | movement at the time of 2 times pressure | voltage rise mode. 通常の整流回路として動作させる場合の例を示す図。The figure which shows the example in the case of making it operate | move as a normal rectifier circuit. 電源回生動作について説明するための図。The figure for demonstrating power supply regeneration operation | movement. 従来の昇圧型DC/DCコンバータの例を示す図。The figure which shows the example of the conventional pressure | voltage rise type DC / DC converter. 従来のフライング・キャパシタを用いたDC/DCコンバータの例を示す図。The figure which shows the example of the DC / DC converter using the conventional flying capacitor. 実際の回路における各部の測定波形例を示す図。The figure which shows the example of a measurement waveform of each part in an actual circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1 スイッチング部
2 制御回路部
3 入力電圧検出部
4 出力電圧検出部
5 電圧比較部
6 回生負荷検出部
10 スイッチング制御部
C1 キャパシタ
C2 キャパシタ
C3 キャパシタ
D1 ダイオード
D2 ダイオード
D3 ダイオード
D4 ダイオード
SW1 スイッチ
SW2 スイッチ
SW3 スイッチ
SW4 スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Switching part 2 Control circuit part 3 Input voltage detection part 4 Output voltage detection part 5 Voltage comparison part 6 Regenerative load detection part 10 Switching control part C1 Capacitor C2 Capacitor C3 Capacitor D1 Diode D2 Diode D3 Diode D4 Diode SW1 Switch SW2 Switch SW3 Switch SW4 switch

Claims (2)

DC電源入力部と、直列に接続された第1及び第2のキャパシタと、前記第1及び第2のキャパシタに接続された出力部とを備えたDC/DCコンバータであって、
前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの正極側及び前記出力部の正極側に接続する第1のスイッチと、
前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第2のスイッチと、
前記電源入力部の負極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第3のスイッチと、
前記電源入力部の負極側を、前記第2のキャパシタの負極側及び前記出力部の負極側に接続する第4のスイッチと、
前記第2のスイッチと前記第3のスイッチとの接続点と、前記第1のキャパシタの負極と前記第2のキャパシタの正極との接続点との間に接続されたインダクタと、を有し、
動作モードに応じて前記第1から第4のスイッチのそれぞれがオン又はオフとなり、前記第1及び第2のキャパシタを選択的に機能させることによって、昇圧、導通、回生の何れかの動作を行うことを特徴とするDC/DCコンバータ。
A DC / DC converter comprising a DC power input unit, first and second capacitors connected in series, and an output unit connected to the first and second capacitors,
A first switch for connecting a positive side of the DC power input unit to a positive side of the first capacitor and a positive side of the output unit;
A second switch for connecting a positive side of the DC power input unit to a negative side of the first capacitor and a positive side of the second capacitor;
A third switch connecting the negative side of the power input unit to the negative side of the first capacitor and the positive side of the second capacitor;
A fourth switch connecting the negative side of the power input unit to the negative side of the second capacitor and the negative side of the output unit;
An inductor connected between a connection point of the second switch and the third switch, and a connection point of a negative electrode of the first capacitor and a positive electrode of the second capacitor;
Depending on the operation mode, each of the first to fourth switches is turned on or off, and the first and second capacitors are selectively functioned to perform any operation of boosting, conducting or regenerating. A DC / DC converter characterized by the above.
DC電源入力部と、直列に接続された第1及び第2のキャパシタと、前記第1及び第2のキャパシタに接続された出力部とを備えたDC/DCコンバータであって、
前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの正極側及び前記出力部の正極側に接続する第1のスイッチと、
前記DC電源入力部の正極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第2のスイッチと、
前記電源入力部の負極側を、前記第1のキャパシタの負極側及び前記第2のキャパシタの正極側に接続する第3のスイッチと、
前記電源入力部の負極側を、前記第2のキャパシタの負極側及び前記出力部の負極側に接続する第4のスイッチと、
前記第2のスイッチと前記第3のスイッチとの接続点と、前記第1のキャパシタの負極と前記第2のキャパシタの正極との接続点との間に接続されたインダクタと、を有するDC/DCコンバータにおける前記複数のスイッチの制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
昇圧、導通、回生の何れかの動作モードに応じて前記複数のスイッチのオン/オフを制
御し、前記複数のキャパシタを選択的に機能させる処理をコンピュータに実行させること
を特徴とするプログラム。
A DC / DC converter comprising a DC power input unit, first and second capacitors connected in series, and an output unit connected to the first and second capacitors,
A first switch for connecting a positive side of the DC power input unit to a positive side of the first capacitor and a positive side of the output unit;
A second switch for connecting a positive side of the DC power input unit to a negative side of the first capacitor and a positive side of the second capacitor;
A third switch connecting the negative side of the power input unit to the negative side of the first capacitor and the positive side of the second capacitor;
A fourth switch connecting the negative side of the power input unit to the negative side of the second capacitor and the negative side of the output unit;
DC / having a connection point between the second switch and the third switch, and an inductor connected between a connection point between the negative electrode of the first capacitor and the positive electrode of the second capacitor. A program for causing a computer to control the plurality of switches in the DC converter,
A program for controlling the on / off of the plurality of switches according to any one of the operation modes of step-up, conduction, and regeneration, and causing a computer to execute processing for selectively functioning the plurality of capacitors.
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