JP2010148311A

JP2010148311A - 共振型ｄｃ−ｄｃコンバータ

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Publication number: JP2010148311A
Application number: JP2008325510A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Koike; 靖弘小池
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: JP5227157B2

Abstract

【課題】共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ノイズの増大を抑制するとともにＤＣ−ＤＣコンバータを小型化する。
【解決手段】微小デューティの場合には、補助スイッチ１９，２０をオフとして第２補助コンデンサ１８に電荷が蓄積されないようにして、第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数を短く設定し、微小デューティでない場合には、補助スイッチ１９，２０をオンとして第２補助コンデンサ１８にも電荷が蓄積されるようにして、共振回路の時定数を長く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの構造及びその制御に関する。

エンジンとモータとを組み合わせて車両を駆動するハイブリッド車両や電気自動車などの電動車両では、充放電可能な二次電池を搭載し、二次電池の出力でモータまたはモータジェネレータなどを駆動している。二次電池は構造上、モータまたはモータジェネレータの駆動用電力よりも低圧の電圧のものとし、この低圧電圧をモータまたはモータジェネレータ駆動用の高圧電圧に昇圧して車両を駆動している。また、モータジェネレータによって発電された高圧の電力を降圧して二次電池に充電するようにしている。この様に、二次電池の電圧をモータまたはモータジェネレータの駆動用電圧に変換したり、逆にモータジェネレータの発電電力の電圧を二次電池の充電用に変換したりする装置としてＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。

ＤＣ―ＤＣコンバータは、例えば特許文献１に記載されている様に、一方の直流電圧をスイッチング素子でスイッチングして断続的にリアクトルに電磁エネルギーを蓄積し、この蓄積した電磁エネルギーを他方の電圧に変換して出力するものが用いられている。ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧、または降圧動作における変換前後の電圧比はＰＭＷ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御におけるスイッチング素子の導通と遮断との時間比率（デューティ）によって決まってくる。

このようなＤＣ−ＤＣコンバータはスイッチング素子に電圧、または電流がかかった状態でオンオフのスイッチング動作を行うので、サージ電流が発生し、スイッチング損失が大きくなってしまうという問題があった。そこで、特許文献１に記載されているように、緩衝用のコンデンサと、この緩衝用のコンデンサと共振する共振用リアクトルを備えた共振回路を設け、この共振回路によって電流、電圧を制御してスイッチング素子にかかる電圧、電流が略ゼロになった状態でスイッチング素子のオンオフ動作を行い、スイッチング損失を低減するソフトスイッチング動作の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている。

しかし、このソフトスイッチングを行う共振型ＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧、電流が略ゼロになるまで待ってからスイッチング素子のスイッチング動作を行うので、スイッチング動作が遅くなり、入力電圧と出力電圧の電圧比が小さい微小デューティで、スイッチング素子の導通時間が短い場合には、対応できないという問題があった。

そこで、例えば特許文献２に記載されているように、スイッチング素子のスイッチング周波数を可変とし、微小デューティの場合にはスイッチング周波数を整数分の一に低減してスイッチングの一周期を長くして微小デューティに対応する方法が提案されている。

特開２００３−３３０１３号公報特開２００７−４３８５２号公報

しかし、共振型ＤＣ―ＤＣコンバータのスイッチング周波数を整数分の一に低減した場合には、その周波数領域が可聴域に入る場合がある。この場合、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータから高音のノイズが発生することとなり運転者に不快感を与える場合がある。また、スイッチング周波数を低減すると、電磁エネルギーを蓄積するリアクトルのピーク電流が増加してしまうため、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータが大型化してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ノイズの増大を抑制するとともにＤＣ−ＤＣコンバータを小型化することを目的とする。

本発明の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子と、リアクトルと、緩衝用コンデンサと、緩衝用コンデンサと共振する共振用リアクトルを含む共振回路と、を備え、スイッチング素子にかかる電圧、電流が略ゼロになった状態でスイッチング素子のオンオフ動作を行うソフトスイッチング動作可能な共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、共振回路の共振時定数を変更する共振時定数変更手段を備えること、を特徴とする。

本発明の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、共振時定数変更手段は、スイッチング素子のデューティが低い場合には共振時定数を短くし、スイッチング素子のデューティが高い場合には共振時定数を長くすること、としても好適である。

本発明の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、スイッチング素子は、直列に接続された第１及び第２の主スイッチング素子であり、リアクトルは、第１の主スイッチング素子と第２の主スイッチング素子との接続点に一端が接続され、緩衝用コンデンサは、第１、第２の主スイッチング素子にそれぞれ並列に接続され、共振回路は、第１の主スイッチング素子に並列に接続され、第１の副スイッチング素子と逆流防止ダイオードとが直列に接続された第１の補助電流経路と、第１の補助電流経路と直列に接続されるとともに第２の主スイッチング素子に並列に接続され、第２の副スイッチング素子と逆流防止ダイオードとが直列に接続された第２の補助電流経路と、第１の主スイッチング素子と第２の主スイッチング素子との接続点と、第１の補助電流経路と第２の補助電流経路との接続点とを結ぶ電流経路に設けられた共振用リアクトルと、を備えること、としても好適である。

本発明の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、共振時定数変更手段は、緩衝用コンデンサの容量を変化させるコンデンサ容量変化手段であること、としても好適であるし、緩衝用コンデンサに並列に接続される補助コンデンサを含み、コンデンサ容量変化手段は、補助コンデンサの容量を変化させること、としても好適である。

本発明の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、共振時定数変更手段は、共振用リアクトルのインダクタンスを変化させるインダクタンス変化手段であること、としても好適であるし、共振用リアクトルに並列に接続される補助リアクトルを含み、インダクタンス変化手段は、補助リアクトルのインダクタンスを変化させること、としても好適である。

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ノイズの増大を抑制するとともにＤＣ−ＤＣコンバータを小型化することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示すように、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、低圧側のバッテリ４１と高圧側の負荷４４との間に設けられ、基準電路４９がバッテリ４１のマイナス側と負荷４４のマイナス側とに共通に接続され、高圧電路４７が負荷４４のプラス側に接続され、低圧電路４８がバッテリ４１のプラス側に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

図１に示すように、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、第１の主スイッチング素子である第１主トランジスタ１１と、第２の主スイッチング素子である第２主トランジスタ１２とを備えている。なお、各図中においては、第１主トランジスタ１１は記号Ｑ_１で示し、第２主トランジスタ１２は記号Ｑ_２で示す。第１主トランジスタ１１と第２主トランジスタ１２とは、第１主トランジスタ１１のエミッタ端子と第２主トランジスタ１２のコレクタ端子とが直列に接続され、第１主トランジスタ１１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、第２主トランジスタ１２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。第１主トランジスタ１１及び第２主トランジスタ１２の各ベース端子は制御部６０に接続され、各主トランジスタ１１，１２は制御部６０の指令によってオンオフ動作する。

第１主トランジスタ１１と第２主トランジスタ１２との接続点５１は、低圧電路４８に接続され、接続点５１とバッテリ４１のプラス側との間の低圧電路４８には電磁エネルギーを蓄積する第１リアクトル３７が設けられている。また、バッテリ４１と並列に低圧電路４８と基準電路４９との間の電圧を平滑化する低圧コンデンサ４２が設けられている。低圧コンデンサ４２には低圧コンデンサ４２の両端の電圧を検出する電圧センサ４５が取り付けられている。

第１、第２主トランジスタ１１，１２の各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列に第１ダイオード１３と第２ダイオード１４とが接続されている。本実施形態では、第１ダイオード１３は高圧電路４７と低圧電路４８との間に設けられ、第２ダイオード１４は低圧電路４８と基準電路４９との間に設けられているが、各主トランジスタ１１，１２と逆並列に接続されていれば各主トランジスタ１１，１２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間に接続されるように構成してもよい。

第１主トランジスタ１１と並列に高圧電路４７と低圧電路４８との間に第１緩衝用コンデンサ１５が接続され、第２主トランジスタ１２と並列に低圧電路４８と基準電路４９との間に第２緩衝用コンデンサ１６が接続されている。各緩衝用コンデンサ１５，１６にはそれぞれ並列に第１、第２補助コンデンサ１７，１８が接続されている。第１補助コンデンサ１７は、高圧電路４７と低圧電路４８との間に第１補助スイッチ１９と直列に接続されている。また、第２補助コンデンサ１８は、低圧電路４８と基準電路４９との間に第２補助スイッチ２０と直列に接続されている。各補助スイッチ１９，２０は制御部６０に接続され、制御部６０の指令によって開閉するよう構成されている。

第１主トランジスタ１１と第２主トランジスタ１２との接続点５１の第１リアクトル３７と反対側に第２リアクトル３８の一端が接続されている。第１リアクトル３７と第２リアクトル３８とは、例えばトランスを構成するなど、電磁的に結合されている。

第１主トランジスタ１１と並列に第１補助電流経路３１が接続され、第２主トランジスタ１２と並列に第２補助電流経路３２が接続されている。第１、第２補助電流経路３１，３２は高圧電路４７と基準電路４９との間に直列に接続され、その接続点５２には共振用リアクトル３９の一端が接続されている。そして、共振用リアクトル３９の他端は第２リアクトル３８の他端に接続されている。第１補助電流経路３１は、第１の副スイッチング素子である第１副トランジスタ３３のエミッタ端子と逆流防止ダイオード３５とが直列に接続されたもので、第１副トランジスタ３３のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、逆流防止ダイオード３５は接続点５２に接続されている。第２補助電流経路３２は、第２の副スイッチング素子である第２副トランジスタ３４のエミッタ端子と逆流防止ダイオード３６とが直列に接続されたもので、第２副トランジスタ３４のコレクタ端子は接続点５２に接続され、逆流防止ダイオード３６は基準電路４９に接続されている。第１、第２副トランジスタ３３，３４の各ベース端子は制御部６０に接続され、各副トランジスタ３３，３４は制御部６０の指令によってオンオフ動作する。なお、各図においては、第１副トランジスタを記号Ｑ_３で表し、第２副トランジスタを記号Ｑ_４で表す。

高圧電路４７と基準電路４９との間に接続された負荷４４と平行に高圧コンデンサ４３が接続されている。高圧コンデンサ４３には高圧コンデンサ４３の両端の電圧を検出する電圧センサ４６が設けられている。

共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は各主トランジスタ１１，１２、各副トランジスタ３３，３４及び各補助スイッチ１９，２０のオンオフ動作を行う制御部６０を備えている。制御部６０は内部にＣＰＵとメモリを含んだコンピュータである。各電圧センサ４５，４６に検出した電圧信号は制御部６０に入力される。

以上のように構成された共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作について説明する。図1に示す共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、昇圧動作と降圧動作の両方の動作が可能であるが、ここでは昇圧動作について説明する。図２のステップＳ１０１に示すように、昇圧動作が開始されると制御部６０は、バッテリ４１に並列に接続された低圧コンデンサ４２の両端の電圧を電圧センサ４５によって低圧側電圧Ｖ_Ｌとして取得する。また、図２のステップＳ１０２に示すように、制御部６０は、負荷４４に必要な高圧側電圧Ｖ_Ｈを設定する。そして、図２のステップＳ１０３に示すように、制御部６０は、この低圧側電圧Ｖ_Ｌと高圧側電圧Ｖ_Ｈとから指令デューティＤを、Ｄ＝（Ｖ_Ｈ−Ｖ_Ｌ）／Ｖ_Ｈとして設定する。

図２のステップＳ１０４に示すように、制御部６０は、指令デューティＤが所定の値以下かどうかを判断する。そして、指令デューティＤが所定の値より大きく、微小デューティとなっていない場合には、図２のステップＳ１０６に示すように、補助スイッチ１９，２０をオンとする指令を出力する。この指令によって、補助スイッチ１９，２０がオンとなる。これによって、第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数が長くなる。そして、図２のステップＳ１０７に示すように、制御部６０は、昇圧動作を開始する指令を出力する。この指令によって、第１、第２主トランジスタ１１，１２、第１、第２副トランジスタ３３，３４のスイッチング動作が開始され、バッテリ４１の電圧が昇圧されて負荷４４に供給される。昇圧動作においては、第２主トランジスタ１２のオン継続時間は指令デューティＤによって決定され、指令デューティＤが大きい場合には第２主トランジスタ１２のオン継続時間は長く、逆に指令デューティＤが小さい場合には第２主トランジスタ１２のオン継続時間は短くなる。

一方、指令デューティＤが所定の値以下で、微小デューティとなっている場合には、図２のステップＳ１０５に示すように、制御部６０は補助スイッチ１９，２０をオフとする指令を出力する。この指令によって補助スイッチ１９，２０はオフとなり、第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数は短くなる。そして、図２のステップＳ１０７に示すように、制御部６０は、昇圧動作を開始する。微小デューティの場合、昇圧動作における第２主トランジスタ１２のオン継続時間は非常に短くなる。

図３から図７を参照しながら、指令デューティＤが所定の値を超え、微小デューティではない場合の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作と電流の流れについて説明する。図３から図６は各状態の電流の流れを示す図で、電流が流れる電路を実線で示し、電流が流れない電路は点線で示してある。また、図７は第１リアクトル３７を流れる電流と第２リアクトル３８に流れる電流の変化を示すグラフで、第１リアクトル３７を流れる電流を実線ａで示し、第２リアクトル３８に流れる電流を点線ｂで示している。

昇圧動作では、第１、第２主トランジスタ１１，１２をオフとした状態から、第２主トランジスタ１２をオンとして第１リアクトル３７に電磁エネルギーを蓄積しておく。そして、図３にＱ_２として示す第２主トランジスタ１２をオフとすると、この蓄積した電磁エネルギーは逆並列の第１ダイオード１３を通って第１リアクトル３７から高圧電路４７に流出し、高圧コンデンサ４３によって平滑化されたのち、負荷４４に供給される。さらに、図３でＱ_１として示す第１主トランジスタ１１がオフからオンとなると第１リアクトル３７から高圧電路４７に流出する電流は大きくなる。また、図３に示すように第１リアクトル３７から流れ出した電流は、第２緩衝用コンデンサ１６と第２補助コンデンサ１８にも流れ、第２緩衝用コンデンサ１６と第２補助コンデンサ１８に電荷が蓄積される。

図７の実線ａに示すように、図７においてＱ_２で示す第２主トランジスタ１２が時間ｔ_０にオフとなって、第１リアクトル３７から電流が流出を始めた後、第１リアクトル３７を流れる電流は次第に低下してくる。そして、図７に示す時間ｔ_１において、制御部６０は、第２副トランジスタ３４をオンとして、第１リアクトル３７から流出している電流をゼロに持って行くとともに接続点５１の電圧をゼロとするようにして、第２主トランジスタ１２をオンとする準備を行う。

図４に示すように、第２副トランジスタ３４がオンとなると、第２緩衝用コンデンサ１６と第２補助コンデンサ１８に蓄積されていた電荷が第２リアクトル３８、共振用リアクトル３９を通って第２副トランジスタ３４から逆流防止ダイオード３６、基準電路４９の共振回路に流れる。この電流の流れによって、図７の時間ｔ₁からｔ_２に示す点線ｂのように、第２リアクトル３８には急速に大きな電流が流れ、逆に実線ａに示すように逆並列の第１ダイオード１３を通って高圧電路４７に流出していた第１リアクトル３７の電流は急速に減少する。そして、図７に示す時間ｔ_２には、第１リアクトル３７を流れる電流は略ゼロとなり、これによって接続点５１を流れる電流も略ゼロとなる。また、接続点５１の電圧も略ゼロとなる。このように、第２主トランジスタ１２のコレクタ側の接続点５１を流れる電流、電圧が略ゼロとなると、制御部６０は、第２主トランジスタ１２をオンとする指令を出力する。この指令によって、第２主トランジスタ１２がオンとなる。

図５に示すように、第２主トランジスタ１２がオンとなると、電流がバッテリ４１または低圧コンデンサ４２から第１リアクトル３７に流れはじめ、第１リアクトル３７に電磁エネルギーを蓄積していく。一方、第２主トランジスタ１２がオンとなると、第２緩衝用コンデンサ１６、第２補助コンデンサ１８に蓄積された電荷は、第１リアクトル３７の反対側の第２リアクトル３８側から接続点５１に流れ込み、第２主トランジスタ１２に流れていく。

そして、図７の時間ｔ_２から時間ｔ_３に示すように、第２緩衝用コンデンサ１６と第２補助コンデンサ１８の電荷が流れ出すに従って、図７の点線ｂに示す第２リアクトル３８から共振用リアクトル３９に流れる電流が減少する。また、第２リアクトル３８側から接続点５１に流れる電流が減少するので、それにつれて、図７の実線ａで示す第１リアクトル３７を流れる電流が増加していく。そして、図７の時間ｔ_３に示すように、第２リアクトル３８を流れる電流が略ゼロとなると、制御部６０は、第２副トランジスタ３４をオフとする。

図６に示すように、第２副トランジスタ３４がオフとなると、オンの状態が継続している第２主トランジスタ１２を通ってバッテリ４１から電磁エネルギーが第１リアクトル３７に蓄積されていく。そして、図７の時間ｔ_４に示すように、指令デューティＤに相当する時間ΔＴ_１だけ第１リアクトル３７にバッテリ４１からの電磁エネルギーが蓄積されたら、制御部６０は、第２主トランジスタ１２をオフとする。

この様に、指令デューティＤが微小デューティでない場合には、第２緩衝用コンデンサ１６と第２補助コンデンサ１８の合計容量が大きいので、第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数が長く、第２主トランジスタ１２のオンオフ前後の電流の増減割合を小さくすることができるので、第２主トランジスタ１２のスイッチング損失を低減することができる。

しかし、図７に示す時間ｔ_１に第２副トランジスタ３４がオンとなって、第２リアクトル３８に電流が流れだしてから、図７に示す時間ｔ_３に第２リアクトル３８を流れる電流がゼロとなるまでの時間ΔＴ_２は、第２緩衝用コンデンサ１６と第２補助コンデンサ１８との合計容量が大きくなるほど長くなってしまう。一方、指令デューティＤが微小デューティとなると、図７に示す第２主トランジスタ１２のオンとなっている時間ΔＴ_１が短くなってくる。このため、ΔＴ_２が大きい場合には、第２リアクトル３８の電流がゼロとなって第２副トランジスタ３４がオフとなる前に第２主トランジスタ１２のオフのタイミングが来てしまう場合がある。しかし、第２副トランジスタ３４をオフとする前に第２主トランジスタ１２をオフとしてしまうと、第１リアクトル３７に蓄積された電磁エネルギーが第２副トランジスタ３４に流れこんでしまい、第２副トランジスタ３４が破損する場合がある。このため、第２主トランジスタ１２のオンオフの一周期の時間ΔＴ_０を長くして、第２副トランジスタ３４がオフとなるまで第２主トランジスタ１２オフを待つことがある。しかし、この様に第２主トランジスタ１２のオンオフの一周期の時間ΔＴ_０を長くすることは、スイッチング周波数の低減となり、共振型ＤＣ―ＤＣコンバータ１０からのノイズ発生の原因となる。

図８から図１１を参照しながら、指令デューティＤが所定の値以下で、微小デューティの場合の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作と電流の流れについて説明する。図８から図１０は各状態の電流の流れを示す図で、電流が流れる電路を実線で示し、電流が流れない電路は点線で示してある。また、図１１は図７と同様に第１リアクトル３７を流れる電流と第２リアクトル３８に流れる電流の変化を示すグラフで、第１リアクトル３７を流れる電流を実線ｃで示し、第２リアクトル３８に流れる電流を点線ｄで示している。先に、図３から図７を参照して説明した動作と同様の動作については、詳細な説明は省略する。

指令デューティＤが微小デューティである場合には、図１１に示す第２主トランジスタ１２がオンとなっている時間ΔＴ_３が図７に示した微小デューティでない場合の第２主トランジスタ１２がオンとなっている時間ΔＴ_１よりも短くなっているので、これに合わせて、図１１に示す第２副トランジスタ３４がオンとなっている時間ΔＴ_４も図７に示す微小デューティでない場合の時間ΔＴ_２よりも短くなるような動作をする。そして、第２主トランジスタ１２のオンオフの一周期の時間ΔＴ_０は変化しない。

図２のステップＳ１０５に示すように、指令デューティＤが所定の値以下で、微小デューティとなっている場合には、制御部６０は、補助スイッチ１９，２０をオフとする。このため、図８に示すように、第２主トランジスタ１２がオフで、第１リアクトル３７から高圧電路４７に向かって電流が流れだしていく際に、第２補助コンデンサ１８には電流が流れず、電荷が蓄積されないので第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数が短くなる。

図９に示すように、第２副トランジスタ３４がオンとなると、第２緩衝用コンデンサ１６に蓄積されていた電荷が第２リアクトル３８、共振用リアクトル３９を通って第２副トランジスタ３４から逆流防止ダイオード３６、基準電路４９の共振回路に流れる。この電流の流れによって、図１１の時間ｔ_５からｔ_６に示す点線ｄのように、第２リアクトル３８には急速に大きな電流が流れ、逆に実線ｃに示すように逆並列の第１ダイオード１３を通って高圧電路４７に流出していた第１リアクトル３７の電流は急速に減少する。この際、第２補助コンデンサ１８には電荷が蓄積されないので、第１リアクトル３７と第２リアクトル３８の電流の変化が早くなるので、図１１の時間ｔ_５からｔ_６に示す実線ｃのように、第１リアクトル３７を流れる電流は、図７の時間ｔ_１からｔ_２に示した実線ａの場合よりも急速に低下し、図１１の時間ｔ_５からｔ_６に示す点線ｄのように、第２リアクトル３８を流れる電流は、図７の時間ｔ_１からｔ_２に示した点線ｂの場合よりも急速に上昇する。

図１１に示す時間ｔ_６において、第１リアクトル３７から接続点５１に流れる電流が略ゼロとなる。接続点５１の電圧が略ゼロとなると、制御部６０は第２主トランジスタ１２をオンとする。図１０に示すように、第２主トランジスタ１２がオンとなると、電流がバッテリ４１または低圧コンデンサ４２から第１リアクトル３７に流れはじめ、第１リアクトル３７に電磁エネルギーを蓄積していく。一方、第２主トランジスタ１２がオンとなると、第２緩衝用コンデンサ１６に蓄積された電荷は、第１リアクトル３７の反対側の第２リアクトル３８側から接続点５１に流れ込み、第２主トランジスタ１２を介して放電されていくので、第２リアクトル３８に流れる電流は低下してくる。この場合も第２補助コンデンサ１８に電荷が蓄積されていないので、第１リアクトル３７と第２リアクトル３８の電流の変化が早くなり、図１１の時間ｔ_６からｔ_７の実線ｃで示す第１リアクトル３７を流れる電流は、図７の時間ｔ_２からｔ_３に示した実線ａの場合よりも急速に増加し、図１１の時間ｔ_６からｔ_７の点線ｄで示す第２リアクトル３８を流れる電流は、図７の時間ｔ_２からｔ_３に示した点線ｂに示した場合よりも急速に低下してくる。これによって、第１リアクトル３７、第２リアクトル３８を流れる電流は微小デューティでない場合よりも急速にゼロとなり、第２副トランジスタ３４がオンとなっている時間は図７に示した時間ΔＴ_２よりも短い時間ΔＴ_４に短縮される。このため、制御部６０は、第２副トランジスタ３４がオフになるまでの時間をとるために第２主トランジスタ１２のオンオフの一周期の時間ΔＴ_０を変更する必要がなく、高速スイッチングの動作を保持したまま、微小デューティの昇圧動作を行うことかできる。

以上説明したように、本実施形態の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、微小デューティの際には、補助スイッチ１９，２０をオフとして第２補助コンデンサ１８に電荷が蓄積されず、第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数を短く設定するので、高速スイッチング動作を保持したまま、微小デューティの昇圧動作を行うことかできる。このため、微小デューティの場合でもノイズの発生を低減することができるという効果を奏する。また、トランジスタのスイッチング周波数を高い状態に保持することができるので、第１、第２リアクトル３７，３８、共振用リアクトル３９に発生するピーク電流が小さくなるので、各リアクトル３７，３８，３９を小型化でき、共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を小型化することができるという効果を奏する。

図１２から図１４を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１２に示す他の実施形態は、図１から図１１を参照して説明した実施形態の第１、第２補助コンデンサ１７，１８に並列となるように第３、第４補助コンデンサ１７ａ，１８ａを設けたものである。また、第３、第４補助コンデンサ１７ａ，１８ａにはそれぞれ第３、第４補助スイッチ１９ａ，２０ａが設けられている。このように、補助コンデンサを複数並列に設けることによって、第２緩衝用コンデンサ１６から共振用リアクトル３９を経て第２緩衝用コンデンサ１６に戻る共振回路の時定数を指令デューティＤに応じて細かく調整することができる。例えば制御部６０は、指令デューティＤが第１の設定値以上の場合にはすべての補助スイッチ１９，１９ａ，２０，２０ａすべてをオンとし、指令デューティＤが第１の設定値よりも小さい第２の設定値と第１の設定値との間にある際には、第３、第４補助スイッチ１９ａ，２０ａをオフとし、さらに、指令デューティＤが第２の設定値よりも小さい場合には、すべての補助スイッチ１９，１９ａ，２０，２０ａすべてをオフにする。

また、図１３に示した他の実施形態は、図１から図１１を参照して説明した実施形態において、補助スイッチ１９，２０の代わりに各補助コンデンサを可変コンデンサ１７ｃ，１８ｃとしたものである。本実施形態の場合には、制御部６０は、指令デューティＤが大きくなると可変コンデンサ１７ｃ，１８ｃの容量が大きくなるような補助コンデンサ制御マップを備え、この制御マップに基づいて、各可変コンデンサ１７ｃ，１８ｃの各容量を変化させて共振回路の時定数を変化させるようにする。

図１４に示した他の実施形態は、図１から図１１を参照して説明した実施形態の補助コンデンサ１７，１８に代えて、共振用リアクトル３９に並列となるように補助共振用リアクトル３９ａと補助共振用リアクトル３９ａの接続をオンオフするスイッチ３９ｂとを設けたものである。スイッチ３９ｂは制御部６０に接続され、指令デューティＤに応じてオンオフする。本実施形態では、スイッチ３９ｂがオンとなると共振用リアクトル３９のインダクタンスが低下するので、共振回路の時定数が低下する。このため、制御部６０は、指令デューティＤが所定値以下となった場合に、スイッチ３９ｂをオンとする制御を行う。

以上述べた他の実施形態の効果は先に図１から図１１を参照して説明した実施形態と同様である。

本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティでない場合の昇圧動作において、第２主トランジスタがオフで第２副トランジスタがオンの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティでない場合の昇圧動作において、第２主トランジスタがオフで第２副トランジスタがオンの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティでない場合の昇圧動作において、第２主トランジスタ、第２副トランジスタが共にオンの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティでない場合の昇圧動作において、第２主トランジスタがオンで第２副トランジスタがオフの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティでない場合の昇圧動作において、第１リアクトルと第２リアクトルとの電流の変化を示すグラフである。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティの場合の昇圧動作において、第２主トランジスタがオフで第２副トランジスタがオンの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティの場合の昇圧動作において、第２主トランジスタがオフで第２副トランジスタがオンの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティの場合の昇圧動作において、第２主トランジスタ、第２副トランジスタが共にオンの際の電流の流れを示す回路図である。本発明の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの微小デューティの場合の昇圧動作において、第１リアクトルと第２リアクトルとの電流の変化を示すグラフである。本発明の他の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。本発明の他の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。本発明の他の実施形態における共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。

符号の説明

１０共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１１第１主トランジスタ、１２第２主トランジスタ、１３第１ダイオード、１４第２ダイオード、１５第１緩衝用コンデンサ、１６第２緩衝用コンデンサ、１７第１補助コンデンサ、１８第２補助コンデンサ、１７ａ第３補助コンデンサ、１８ａ第４補助コンデンサ、１７ｃ，１８ｃ可変コンデンサ、１９第１補助スイッチ、２０第２補助スイッチ、１９ａ第３補助スイッチ、２０ａ第４補助スイッチ、３１第１補助電流経路、３２第２補助電流経路、３３第１副トランジスタ、３４第２副トランジスタ、３５、３６逆流防止ダイオード、３７第１リアクトル、３８第２リアクトル、３９共振用リアクトル、３９ａ補助共振用リアクトル、３９ｂスイッチ、４１バッテリ、４２低圧コンデンサ、４３高圧コンデンサ、４４負荷、４５，４６電圧センサ、４７高圧電路、４８低圧電路、４９基準電路、５１，５２接続点、６０制御部。

Claims

スイッチング素子と、リアクトルと、緩衝用コンデンサと、緩衝用コンデンサと共振する共振用リアクトルを含む共振回路と、を備え、スイッチング素子にかかる電圧、電流が略ゼロになった状態でスイッチング素子のオンオフ動作を行うソフトスイッチング動作可能な共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
共振回路の共振時定数を変更する共振時定数変更手段を備えること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１に記載の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
共振時定数変更手段は、スイッチング素子のデューティが低い場合には共振時定数を短くし、スイッチング素子のデューティが高い場合には共振時定数を長くすること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１または２に記載の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
スイッチング素子は、直列に接続された第１及び第２の主スイッチング素子であり、
リアクトルは、第１の主スイッチング素子と第２の主スイッチング素子との接続点に一端が接続され、
緩衝用コンデンサは、第１、第２の主スイッチング素子にそれぞれ並列に接続され、
共振回路は、第１の主スイッチング素子に並列に接続され、第１の副スイッチング素子と逆流防止ダイオードとが直列に接続された第１の補助電流経路と、第１の補助電流経路と直列に接続されるとともに第２の主スイッチング素子に並列に接続され、第２の副スイッチング素子と逆流防止ダイオードとが直列に接続された第２の補助電流経路と、第１の主スイッチング素子と第２の主スイッチング素子との接続点と、第１の補助電流経路と第２の補助電流経路との接続点とを結ぶ電流経路に設けられた共振用リアクトルと、を備えること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
共振時定数変更手段は、
緩衝用コンデンサの容量を変化させるコンデンサ容量変化手段であること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項４に記載の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
緩衝用コンデンサに並列に接続される補助コンデンサを含み、
コンデンサ容量変化手段は、
補助コンデンサの容量を変化させること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
共振時定数変更手段は、
共振用リアクトルのインダクタンスを変化させるインダクタンス変化手段であること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項６に記載の共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
共振用リアクトルに並列に接続される補助リアクトルを含み、
インダクタンス変化手段は、
補助リアクトルのインダクタンスを変化させること、
を特徴とする共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。