JP2010206883A - Bidirectional dc-dc converter - Google Patents

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Noriyuki Ito
則之 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To continuously switch charging and discharging in a bidirectional DC/DC converter for charging and discharging a battery. <P>SOLUTION: The converter includes a first switching element SW1 and a choke coil L1 which are connected between a DC power supply 2 and the battery 3, a first diode D1 connected to the switching element SW1 in parallel, a second capacitor C2 connected in parallel to the battery 3, a second switching element SW2 connected to a connection point of the switching element SW1 and the choke coil L1, a second diode D2 which is connected to the second switching element SW2 in parallel and in which a reverse direction to voltage of the battery 3 is set to a forward direction, and a control unit 4 which complementarily on/off-controls the switching elements SW1 and SW2. The control unit 4 complementarily on/off-controls the switching elements SW1 and SW2 in accordance with control of reference voltage and controls them to be ON after dead time. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ハーフブリッジ接続構成のトランジスタ等のスイッチング素子のオン、オフのタイミング制御により、一方向から他方向へ又は他方向から一方向へのＤＣ−ＤＣ変換を行う双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。   The present invention relates to a bidirectional DC-DC converter that performs DC-DC conversion from one direction to another direction or from another direction to one direction by ON / OFF timing control of switching elements such as transistors having a half-bridge connection configuration. .

バッテリに対して充電する方向と放電する方向とを切替える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが知られており、例えば、図４に示す構成を有するものである。同図に於いて、４１は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、４２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）、４３はバッテリ（ＢＡＴＴ）を示し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、ＦＥＴ等のトランジスタからなるスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２と、制御部４４（ＣＯＮＴ１），４５（ＣＯＮＴ２）と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２とチョークコイルＬ１１，Ｌ１２と、コンデンサＣ１１，Ｃ１２とを含む構成を有し、直流電源部４２は、例えば、交流電圧を所望の電圧として整流する構成を有する場合を示す。   2. Description of the Related Art A bidirectional DC-DC converter that switches between a direction in which a battery is charged and a direction in which a battery is discharged is known. For example, the battery has a configuration shown in FIG. In the figure, 41 is a bidirectional DC-DC converter, 42 is a DC power supply (AC-DC), 43 is a battery (BATT), and the bidirectional DC-DC converter 41 is composed of a transistor such as an FET. The switching elements SW11 and SW12, the control units 44 (CONT1) and 45 (CONT2), diodes D11 and D12, choke coils L11 and L12, and capacitors C11 and C12 are included. For example, the case where it has the structure which rectifies | straightens an alternating voltage as a desired voltage is shown.

この直流電源部４２からバッテリ４３を充電する場合、充電制御信号（充電）により制御部４４（ＣＯＮＴ１）からスイッチング素子ＳＷ１１をオン、オフ制御して、スイッチング素子ＳＷ１１とダイオードＤ１１とチョークコイルＬ１１とコンデンサＣ１２とによる降圧コンバータとして動作させ、バッテリ４３を充電する。このバッテリ４３の充電制御中は、スイッチング素子ＳＷ１２をオフ状態に維持する。又バッテリ４３の放電は、放電制御信号（放電）により制御部４５（ＣＯＮＴ２）からスイッチング素子ＳＷ１２をオン、オフ制御して、チョークコイルＬ１２と、スイッチング素子ＳＷ１２と、コンデンサＣ１２とによる昇圧コンバータとして動作させ、バッテリ４３の電圧を昇圧して直流電源部４２へ放電（電力回生）する。このバッテリ４３の放電制御中は、スイッチング素子ＳＷ１１をオフ状態に維持する。即ち、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリ４３の充電用のダウンコンバータと、放電用のアップコンバータとの構成を有するものである。   When the battery 43 is charged from the DC power supply unit 42, the switching element SW11 is turned on / off from the control unit 44 (CONT1) by a charge control signal (charging), and the switching element SW11, the diode D11, the choke coil L11, and the capacitor are controlled. It operates as a step-down converter with C12 and charges the battery 43. During the charging control of the battery 43, the switching element SW12 is maintained in the off state. The battery 43 is discharged by controlling the switching element SW12 to be turned on and off from the control unit 45 (CONT2) by a discharge control signal (discharge), and operates as a boost converter by the choke coil L12, the switching element SW12, and the capacitor C12. The voltage of the battery 43 is boosted and discharged (power regeneration) to the DC power supply unit 42. During the discharge control of the battery 43, the switching element SW11 is maintained in the off state. That is, the bidirectional DC-DC converter has a configuration of a down converter for charging the battery 43 and an up converter for discharging.

又図５に示す従来例の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５１も知られており、５２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）、５３はバッテリ（ＢＡＴＴ）、ＳＷ２１，ＳＷ２２はスイッチング素子、Ｄ２１，Ｄ２２はダイオード、Ｌ２１はチョークコイル、Ｃ２１，Ｃ２２はコンデンサ、５４は制御部（ＣＯＮＴ）、５５は充電制御を行う制御部Ａ、５６は放電制御を行う制御部Ｂを示す。直流電源部５２からバッテリ５３を充電する場合、充電制御信号（充電）と切替信号とを入力し、制御部（ＣＯＮＴ）５４の制御部Ａ５５を主制御部として、スイッチング素子ＳＷ２１のオン、オフ制御を行い、このスイッチング素子ＳＷ２１と異なるタイミングで、制御部Ｂ５６によりスイッチング素子ＳＷ２２のオン、オフ制御を行い、チョークコイルＬ２１とコンデンサＣ２２とを含むダウンコンバータ機能によりバッテリ５３の充電電圧に降圧して充電を行う。又放電制御信号（放電）と切替信号とを入力した場合、制御部（ＣＯＮＴ）の制御部Ｂ５６によりスイッチング素子ＳＷ２２のオン、オフ制御を行い、このスイッチング素子ＳＷ２２と異なるタイミングで、制御部Ａ５５によりスイッチング素子ＳＷ２１のオン、オフ制御を行って、チョークコイルＬ２１とコンデンサＣ２１とをアップコンバータ機能により動作させて、バッテリ５３の電圧を昇圧し、直流電源部５２に対する電力回生を行う。   Also known is a conventional bidirectional DC-DC converter 51 shown in FIG. 5, where 52 is a DC power supply (AC-DC), 53 is a battery (BATT), SW21 and SW22 are switching elements, and D21 and D22 are A diode, L21 is a choke coil, C21 and C22 are capacitors, 54 is a control unit (CONT), 55 is a control unit A that performs charge control, and 56 is a control unit B that performs discharge control. When charging the battery 53 from the DC power supply unit 52, a charging control signal (charging) and a switching signal are input, and the control unit A55 of the control unit (CONT) 54 is used as a main control unit to control the on / off of the switching element SW21. At a timing different from that of the switching element SW21, the control unit B56 controls on / off of the switching element SW22, and the down converter function including the choke coil L21 and the capacitor C22 reduces the charging voltage of the battery 53 for charging. I do. When a discharge control signal (discharge) and a switching signal are input, the control unit B56 of the control unit (CONT) performs on / off control of the switching element SW22, and at a timing different from that of the switching element SW22, by the control unit A55. The on / off control of the switching element SW21 is performed, the choke coil L21 and the capacitor C21 are operated by the up-converter function, the voltage of the battery 53 is boosted, and power regeneration for the DC power supply unit 52 is performed.

又ハイブリッド電気自動車等に適用する為に、駆動モータを発電機として利用する回生動作の発電機能に相当する構成を高圧用バッテリとし、電装部品等に動作電力を供給するバッテリを低圧用バッテリとし、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴにより構成して、その寄生ダイオードを整流用のダイオードとし、図５に示すように、高圧用バッテリから低圧用バッテリへの充電の場合はダウンコンバータとして動作させ、又低圧用バッテリから高圧用バッテリへの充電の場合はアップコンバータとして動作させ、ダウンコンバータとアップコンバータとの機能を同一のスイッチング構成により実現した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータも知られている（例えば、特許文献１参照）。   In order to apply to a hybrid electric vehicle or the like, a configuration corresponding to a power generation function of a regenerative operation using a drive motor as a generator is a high-voltage battery, and a battery that supplies operating power to electrical components is a low-voltage battery. The switching element is composed of a MOSFET, and its parasitic diode is a rectifying diode. As shown in FIG. 5, when charging from a high voltage battery to a low voltage battery, it operates as a down converter. In the case of charging a high voltage battery, a bidirectional DC-DC converter is also known that operates as an up converter and realizes the functions of the down converter and the up converter with the same switching configuration (see, for example, Patent Document 1). .

特開２００１−１２８３６９号公報JP 2001-128369 A

従来例の例えば図４に示す構成の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを切替える為にアップコンバータ構成とダウンコンバータ構成とをそれぞれ設けた構成であるから、部品点数が多く、コストアップとなる問題がある。これに対して、従来例の図５及び特許文献１に示す構成の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを、共用化構成により実現し、コストダウンを図ることができる。しかし、オン、オフ制御するスイッチング素子共用化部分を、昇圧用のタイミング制御によるアップコンバータ機能と、降圧用のタイミング制御によるダウンコンバータ機能とを切替えるには、切替えの為の休止期間を必要とするものである。従って、バッテリの充放電制御等に於いて、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを瞬時的な切替えができない問題があった。   For example, the conventional bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 4 has a configuration in which an up-converter configuration and a down-converter configuration are provided in order to switch between an up-converter function and a down-converter function. There are many problems that increase costs. On the other hand, the bidirectional DC-DC converter having the configuration shown in FIG. 5 and Patent Document 1 of the conventional example can realize an up-converter function and a down-converter function by a common configuration, thereby reducing costs. . However, in order to switch the switching element shared part for on / off control between the up-converter function by the timing control for boosting and the down-converter function by the timing control for step-down, a pause period for switching is required. Is. Therefore, there has been a problem that the up-converter function and the down-converter function cannot be instantaneously switched in charge / discharge control of the battery.

本発明は、前述の問題点を解決することを目的とし、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを瞬的に切替可能とするものである。   An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to instantaneously switch between an up-converter function and a down-converter function.

本発明の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源部との間でバッテリの充電及び放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源部とバッテリとの間に直列的に接続した第１のスイッチング素子とチョークコイルと、第１のスイッチング素子と並列に接続し、バッテリから直流電源部の方向を順方向とした第１のダイオードと、バッテリと並列的に接続した第２のコンデンサと、第１のスイッチング素子とチョークコイルとの接続点に接続した第２のスイッチング素子と、この第２のスイッチング素子と並列に接続し、バッテリの電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードと、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを相補的にオン、オフ制御する制御部とを備え、この制御部は、基準電圧の制御に従って第１のスイッチング素子のオン、オフと、第２のスイッチング素子のオン、オフとを制御すると共に、それぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有するものである。   A bidirectional DC-DC converter of the present invention is a bidirectional DC-DC converter that controls charging and discharging of a battery with a DC power supply unit, and is connected in series between the DC power supply unit and the battery. A first switching element, a choke coil, a first diode connected in parallel with the first switching element and having a direction from the battery to the DC power supply as a forward direction, and a second capacitor connected in parallel with the battery And a second switching element connected to a connection point between the first switching element and the choke coil, and a second switching element connected in parallel to the second switching element and having a reverse direction with respect to the battery voltage as a forward direction. 2 diodes and a control unit that controls on and off of the first switching element and the second switching element in a complementary manner, and this control unit controls the reference voltage. On the first switching element I, and off-on of the second switching element, to control the off and has a structure for controlling the turned on after the dead time, respectively.

又前記制御部は、鋸歯状波発生部からの鋸歯状波信号と制御可能の基準電圧との比較によりパルス幅を制御された信号を出力するパルス幅制御部と、このパルス幅制御部の出力信号の立上り時点からデッドタイム後に第１のスイッチング素子をオンとする第１のゲート回路と、パルス幅制御部の出力信号の立下り時点からデッドタイム後に第２のスイッチング素子をオンとする第２のゲート回路とを備えている。   The control unit outputs a signal whose pulse width is controlled by comparing a sawtooth wave signal from the sawtooth wave generating unit with a controllable reference voltage, and an output of the pulse width control unit. A first gate circuit that turns on the first switching element after the dead time from the rising time of the signal, and a second gate circuit that turns on the second switching element after the dead time from the falling time of the output signal of the pulse width control unit. And a gate circuit.

バッテリの充放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを、基準電圧の変更制御により、アップコンバータとダウンコンバータとの何れかの機能とし、それぞれの機能の切替えを制御電圧の変更制御により休止期間をおくことなく連続的に行うことが可能であり、従って、バッテリの充電と放電とを、制御電圧の連続的な調整により、リニアな特性で切替えることができる。   The bi-directional DC-DC converter that controls the charging / discharging of the battery is made to function as either an up-converter or a down-converter by changing the reference voltage, and the switching of each function can be stopped by changing the control voltage. Therefore, charging and discharging of the battery can be switched with linear characteristics by continuously adjusting the control voltage.

本発明の原理説明図である。It is a principle explanatory view of the present invention. 本発明の実施例１の説明図である。It is explanatory drawing of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１の作用説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of Example 1 of this invention. 従来例の説明図であるIt is explanatory drawing of a prior art example. 従来例の説明図である。It is explanatory drawing of a prior art example.

本発明の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、図１を参照すると、直流電源部２との間でバッテリ３の充電及び放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１であって、直流電源部２とバッテリ３との間に直列的に接続した第１のスイッチング素子ＳＷ１とチョークコイルＬ１と、第１のスイッチング素子ＳＷ１と並列に接続し、バッテリ３から直流電源部２の方向を順方向とした第１のダイオードＤ１と、バッテリ３と並列的に接続した第２のコンデンサＣ２と、第１のスイッチング素子ＳＷ１とチョークコイルＬ１との接続点に接続した第２のスイッチング素子ＳＷ２と、この第２のスイッチング素子ＳＷ２と並列に接続し、バッテリ３の電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードＤ２と、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２とを相補的にオン、オフ制御する制御部４とを備え、この制御部４は、基準電圧の制御に従って第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン、オフと、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン、オフとを制御すると共に、それぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有するものである。   Referring to FIG. 1, the bidirectional DC-DC converter of the present invention is a bidirectional DC-DC converter 1 that controls charging and discharging of a battery 3 with a DC power supply unit 2. A first switching element SW1 and a choke coil L1 connected in series with the battery 3 are connected in parallel with the first switching element SW1, and the direction from the battery 3 to the DC power supply unit 2 is the forward direction. 1 diode D1, a second capacitor C2 connected in parallel with the battery 3, a second switching element SW2 connected to a connection point between the first switching element SW1 and the choke coil L1, and the second A second diode D2, which is connected in parallel with the switching element SW2 and whose forward direction is the reverse direction with respect to the voltage of the battery 3, the first switching element SW1 and the second switching element SW2 And a control unit 4 that controls on and off of the switching element SW2 in a complementary manner. The control unit 4 turns on and off the first switching element SW1 and controls the second switching element SW2 according to the control of the reference voltage. It is configured to control on and off, and to control on after each dead time.

図１は、本発明の原理説明図であり、１は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）、３はバッテリ（ＢＡＴＴ）、４は制御部（ＣＯＮＴ）、Ｃ１，Ｃ２は第１、第２のコンデンサ、Ｄ１，Ｄ２は第１、第２のダイオード、ＳＷ１，ＳＷ２はＦＥＴ等の第１、第２のスイッチング素子、Ｌ１はチョークコイル、ＩＲは電流検出部、ｃｔはダウンコンバータとして動作させてバッテリ３の充電を行うか又はアップコンバータとして動作させてバッテリ３の放電を行うかを制御する制御信号を示す。なお、ダイオードＤ１，Ｄ２は、ＦＥＴ等のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の寄生ダイオードを利用することも可能である。又双方向コンバータ１の制御部４は、電流検出部ＩＲによる電流値を入力し、制御信号ｃｔに従って、スイッチング素子ＳＷ１のオン、オフの制御タイミングを主とし、スイッチング素子ＳＷ２の制御タイミングを従としてオン、オフ制御することにより、ダウンコンバータ機能を実現し、又スイッチング素子ＳＷ２の制御タイミングを主とし、スイッチング素子ＳＷ１の制御タイミングを従としてオン、オフ制御することにより、アップコンバータ機能を実現するもので、その制御信号ｃｔに従った基準電圧を制御して、ダウンコンバータ機能とアップコンバータ機能との切替えを瞬時的に可能とする制御構成を備えている。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention, in which 1 is a bidirectional DC-DC converter, 2 is a DC power supply (AC-DC), 3 is a battery (BATT), 4 is a control unit (CONT), C1, C2 is a first and second capacitor, D1 and D2 are first and second diodes, SW1 and SW2 are first and second switching elements such as FETs, L1 is a choke coil, IR is a current detector, ct Indicates a control signal for controlling whether the battery 3 is charged by operating as a down converter or the battery 3 is discharged by operating as an up converter. The diodes D1 and D2 can use parasitic diodes of switching elements SW1 and SW2 such as FETs. The control unit 4 of the bidirectional converter 1 receives the current value from the current detection unit IR, and mainly controls the on / off control timing of the switching element SW1 and the control timing of the switching element SW2 according to the control signal ct. A down converter function is realized by controlling on and off, and an up converter function is realized by controlling on and off with the control timing of the switching element SW1 as the main and the control timing of the switching element SW1 as a subordinate. Thus, a control configuration is provided in which the reference voltage in accordance with the control signal ct is controlled to instantaneously switch between the down-converter function and the up-converter function.

図２は、本発明の実施例の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、１０は鋸歯状波発生部、１１Ａ，１１Ｂは差動増幅器、１２はパルス幅制御部、１３Ａ，１３Ｂは基準電圧、１３Ｃは調整用可変抵抗、１４はゲート回路、１５はインバータ、１６，１７は第１、第２のゲート回路を構成するアンドゲート、１８，１９はデッドタイム出力部を示す。差動増幅器１１Ａは、電流検出部ＩＲを構成する抵抗の両端の電圧を入力して、極性を含む電圧値を差動増幅器１１Ｂに入力する。その場合、バッテリ３の充電方向に流れる電流の場合、差動増幅器１１Ａの出力信号を＋極性とし、反対にバッテリ３の放電方向に流れる電流の場合、差動増幅器１１Ａの出力信号を−極性とし、且つ流れる電流値に対応した電圧の出力信号として、差動増幅器１１Ｂに入力する。又調整用可変抵抗１３Ｃを中点位置とすると、例えば、＋極性の基準電圧１３Ａと−極性の基準電圧１３Ｂとの中間位置の０Ｖを示す構成とする。差動増幅器１１Ｂは、差動増幅器１１Ａによる電流方向と電流値とに従った極性の信号と、調整用可変抵抗１３Ｃにより調整した極性を含む基準値との差分値を出力し、この出力信号と鋸歯状波発生部１０からの鋸歯状波信号とをパルス幅制御部１２に入力し、パルス幅制御出力信号をゲート回路１４とインバータ１５とに入力し、アンドゲート１６にゲート回路１４の出力信号とデッドタイム出力部１８からのデッドタイム（Ｄｅａｄ Ｔｉｍｅ）信号とを入力し、アンドゲート１６の出力信号を第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン信号とする。又インバータ１５により反転したパルス幅制御信号とデッドタイム出力部１９からのデッドタイム信号とをアンドゲート１７に入力し、その出力信号を第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン信号とする。   FIG. 2 is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts, 10 is a sawtooth wave generator, 11A and 11B are differential amplifiers, 12 is a pulse width controller, and 13A. , 13B are reference voltages, 13C is a variable resistor for adjustment, 14 is a gate circuit, 15 is an inverter, 16 and 17 are AND gates constituting the first and second gate circuits, and 18 and 19 are dead time output units. . The differential amplifier 11A inputs the voltage across the resistor constituting the current detection unit IR, and inputs a voltage value including polarity to the differential amplifier 11B. In that case, in the case of current flowing in the charging direction of the battery 3, the output signal of the differential amplifier 11A is set to + polarity, and in the case of current flowing in the discharging direction of the battery 3, the output signal of the differential amplifier 11A is set to -polarity. And an output signal having a voltage corresponding to the value of the flowing current, is input to the differential amplifier 11B. Further, assuming that the adjusting variable resistor 13C is at the midpoint position, for example, the adjustment variable resistor 13C is configured to indicate 0V at an intermediate position between the + polarity reference voltage 13A and the -polarity reference voltage 13B. The differential amplifier 11B outputs a difference value between a signal having a polarity according to the current direction and the current value by the differential amplifier 11A and a reference value including the polarity adjusted by the adjustment variable resistor 13C. The sawtooth wave signal from the sawtooth wave generator 10 is input to the pulse width controller 12, the pulse width control output signal is input to the gate circuit 14 and the inverter 15, and the output signal of the gate circuit 14 is input to the AND gate 16. And a dead time signal from the dead time output unit 18, and an output signal of the AND gate 16 is used as an ON signal of the first switching element SW1. The pulse width control signal inverted by the inverter 15 and the dead time signal from the dead time output unit 19 are input to the AND gate 17, and the output signal is used as the ON signal of the second switching element SW2.

パルス幅制御部１２は、鋸歯状波発生部１０からの鋸歯状波信号と、差動増幅器１１Ｂの出力信号とを比較によるパルス幅の信号を出力し、ゲート回路１４とインバータ１５とに入力する。又アンド回路１６は、ゲート回路１４の出力信号とデッドタイム出力部１８からの信号とを入力し、その出力信号により、第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン、オフを制御し、アンド回路１７は、インバータ１５の出力信号とデッドタイム出力部１９からの信号とを入力し、その出力信号により、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン、オフを制御する。デッドタイム出力部１８は、パルス幅信号の立上りタイミングからデッドタイムとして設定した時間だけローレベルの信号を出力し、デッドタイム出力部１９は、パルス幅信号の立下りタイミングからデッドタイムとして設定した時間だけローレベルの信号を出力する構成を有するもので、例えば、ワンショット・マルチバイブレータにより構成し、パルス幅信号を点線矢印で示すように入力し、デッドタイム出力部１８はパルス幅信号の立上りでトリガされ、所定時間（予め設定したデッドタイム）だけローレベルの信号を出力し、デッドタイム出力部１９はパルス幅信号の立下りでトリガされ、所定時間（予め設定したデッドタイム）だけローレベルの信号を出力する構成とすることができる。   The pulse width controller 12 outputs a signal having a pulse width obtained by comparing the sawtooth wave signal from the sawtooth wave generator 10 and the output signal of the differential amplifier 11B, and inputs the signal to the gate circuit 14 and the inverter 15. . The AND circuit 16 receives the output signal of the gate circuit 14 and the signal from the dead time output unit 18 and controls the on / off of the first switching element SW1 based on the output signal. The output signal of the inverter 15 and the signal from the dead time output unit 19 are input, and on / off of the second switching element SW2 is controlled by the output signal. The dead time output unit 18 outputs a low level signal for the time set as the dead time from the rising timing of the pulse width signal, and the dead time output unit 19 sets the time set as the dead time from the falling timing of the pulse width signal. For example, it is configured by a one-shot multivibrator, a pulse width signal is input as indicated by a dotted arrow, and the dead time output unit 18 is at the rising edge of the pulse width signal. Triggered and outputs a low level signal for a predetermined time (preset dead time), and the dead time output unit 19 is triggered at the falling edge of the pulse width signal and is low level for a predetermined time (preset dead time). It can be configured to output a signal.

又アンド回路１６の出力信号により第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン、オフが制御され、アンド回路１７の出力信号により第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン、オフが、第１のスイッチング素子ＳＷ１と異なるタイミングで制御される。この第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン時間と第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン時間とが交互に同一となる場合、アップコンバータの機能とダウンコンバータの機能とが交互に行われる状態となり、充放電電流は流れない状態となる。又一方のスイッチング素子ＳＷ１のオン時間を長くし、他方のスイッチング素子ＳＷ２のオン時間を短くすると、ダウンコンバータとして機能し、バッテリ３の充電が行われる。反対に第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン時間を短くし、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン時間を長くすると、アップコンバータとして機能し、バッテリ３の放電が行われる。この場合のダウンコンバータとアップコンバータとの機能の切替えは、調整用可変抵抗１３Ｃの調整によって行うことができる。   The ON / OFF of the first switching element SW1 is controlled by the output signal of the AND circuit 16, and the ON / OFF of the second switching element SW2 is controlled by the output signal of the AND circuit 17 at a timing different from that of the first switching element SW1. It is controlled by. When the on-time of the first switching element SW1 and the on-time of the second switching element SW2 are alternately the same, the up-converter function and the down-converter function are alternately performed, and the charge / discharge current Will not flow. When the ON time of one switching element SW1 is lengthened and the ON time of the other switching element SW2 is shortened, it functions as a down converter and the battery 3 is charged. On the other hand, when the on-time of the first switching element SW1 is shortened and the on-time of the second switching element SW2 is lengthened, it functions as an up-converter and the battery 3 is discharged. In this case, the function switching between the down-converter and the up-converter can be performed by adjusting the adjusting variable resistor 13C.

例えば、基準電圧１３Ａ，１３Ｂの電圧値を同一とし、調整用可変抵抗１３Ｃを中点位置とすると、差動増幅器１１Ｂに入力する基準電圧値が０となり、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフ制御によって電流検出部ＩＲに流れる電流が０となるように、制御ループが作用することになる。即ち、バッテリ３に対する充電及び放電の状態とはならない。そして、調整用可変抵抗１３Ｃの調整により、＋極性の基準電圧とすると、ダウンコンバータとして作用し、バッテリ３の充電方向に電流が流れる。反対に−極性の基準電圧とすると、アップコンバータとして作用し、バッテリ３の放電方向の電流が流れる。   For example, if the voltage values of the reference voltages 13A and 13B are the same, and the adjustment variable resistor 13C is at the midpoint position, the reference voltage value input to the differential amplifier 11B becomes 0, and the switching elements SW1 and SW2 are turned on / off. As a result, the control loop operates so that the current flowing through the current detector IR becomes zero. That is, the battery 3 is not charged or discharged. Then, if the reference voltage of + polarity is adjusted by adjusting the adjustment variable resistor 13 </ b> C, it acts as a down converter and a current flows in the charging direction of the battery 3. On the other hand, if a negative polarity reference voltage is used, it acts as an up-converter and a current in the discharge direction of the battery 3 flows.

図３は、作用説明図であり、（Ａ）は第１、第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフ動作を示し、（Ｂ）は基準電圧Ｖｒｅｆと電流Ｉとの関係を示し、（Ｃ）は、図５に示す従来例の充電と放電と電流との関係を示す。同図の（Ａ）に於いて、Ｔ１は第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン期間、Ｔ２，Ｔ４はデッドタイム、Ｔ３は第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン期間、Ｔは１周期（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）を示す。デッドタイムＴ２は、第２のスイッチング素子ＳＷ２のターンオンを一時的に禁止する為のもので、デッドタイム出力部１９により出力するローレベル信号時間に相当し、デッドタイムＴ４は、第１のスイッチング素子ＳＷ１のターンオンを一時的に禁止する為のもので、デッドタイム出力部１８により出力するローレベル信号時間に相当する。これらのデッドタイムＴ２，Ｔ４は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時的にオン状態となることを回避する為に設けている。   FIG. 3 is an explanatory diagram of the operation, (A) shows the on / off operation of the first and second switching elements SW1 and SW2, (B) shows the relationship between the reference voltage Vref and the current I, C) shows the relationship between charging, discharging and current in the conventional example shown in FIG. In FIG. 6A, T1 is an on period of the first switching element SW1, T2 and T4 are dead times, T3 is an on period of the second switching element SW2, and T is one cycle (T1 + T2 + T3 + T4). . The dead time T2 is for temporarily prohibiting the turn-on of the second switching element SW2, and corresponds to the low level signal time output by the dead time output unit 19, and the dead time T4 is the first switching element. This is for temporarily inhibiting the turn-on of SW1, and corresponds to the low level signal time output by the dead time output unit 18. These dead times T2 and T4 are provided to avoid the switching elements SW1 and SW2 from being turned on simultaneously.

又同図の（Ｂ）に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆを点線位置、即ち、可変範囲の中点の値とした場合、第１、第２のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオン期間Ｔ１，Ｔ３は、直流電源部２の電圧Ｖ２と、バッテリ３の電圧Ｖ３と、ダウンコンバータ及びアップコンバータとしての特性から、Ｔ１は、（Ｖ３／Ｖ２）Ｔ＜Ｔ１＜（Ｖ３／Ｖ２）Ｔ−Ｔ２−Ｔ４の関係、Ｔ３は、Ｔ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ４の関係の時にバランス状態となって、電流Ｉは点線位置の０となって、電流Ｉは点線位置の０となる。即ち、バッテリ３の放電及び充電は行われない状態となる。又基準電圧Ｖｒｅｆを可変範囲の中点の値から＋方向に増大させるに従ってアップコンバータ機能が大きくなり、電流Ｉが＋方向、即ち、バッテリ３から直流電源部２側へ流れる。反対に基準電圧Ｖｒｅｆを中点の値から−方向に低下させると、ダウンコンバータ機能が大きくなり、電流が−方向、即ち、直流電源部３側からバッテリ３へ流れる。従って、基準電圧Ｖｒｅｆを可変範囲にわたって最小から最大まで連続的に変化させると、それに対応して連続的に電流Ｉが−方向の最大から＋方向の最大まで連続的に変化することになる。   As shown in FIG. 5B, when the reference voltage Vref is set to the dotted line position, that is, the midpoint value of the variable range, the ON periods T1 and T3 of the first and second switching elements SW1 and SW2 are as follows. From the voltage V2 of the DC power supply unit 2, the voltage V3 of the battery 3, and the characteristics as a down-converter and an up-converter, T1 is (V3 / V2) T <T1 <(V3 / V2) T-T2-T4. The relationship, T3, is balanced when T-T1-T2-T4, the current I is 0 at the dotted line position, and the current I is 0 at the dotted line position. That is, the battery 3 is not discharged or charged. Further, as the reference voltage Vref is increased in the positive direction from the middle value of the variable range, the up-converter function increases, and the current I flows in the positive direction, that is, from the battery 3 to the DC power supply unit 2 side. On the other hand, when the reference voltage Vref is decreased in the negative direction from the midpoint value, the down-converter function increases, and the current flows from the negative direction, that is, from the DC power source 3 side to the battery 3. Accordingly, when the reference voltage Vref is continuously changed from the minimum to the maximum over the variable range, the current I continuously changes from the maximum in the − direction to the maximum in the + direction accordingly.

一方、従来例の例えば図５に示す構成に於いては、図３の（Ｃ）に示すように、充電制御信号（充電）は、基準電圧を含み、その基準電圧の値に対応した＋方向の電流Ｉが流れる。又放電制御信号（放電）は、基準電圧を含み、その基準電圧の値に対応した−方向の電流Ｉが流れる。その場合の充電と放電との切替え、即ち、ダウンコンバータとしてのスイッチング動作と、アップコンバータとしてのスイッチング動作との切替えには、切替時間を必要とするもので、瞬時的な切替えは不可能であった。これに対して、前述の実施例に示すように、本発明は、基準電圧を可変範囲の中点の値から＋方向と−方向とに対して連続的に変化させることにより、ダウンコンバータとしてのスイッチング動作と、アップコンバータとしてのスイッチング動作とを連続的に切替えが可能となる。   On the other hand, in the configuration shown in FIG. 5 of the conventional example, as shown in FIG. 3C, the charge control signal (charge) includes a reference voltage and corresponds to the + direction corresponding to the value of the reference voltage. Current I flows. The discharge control signal (discharge) includes a reference voltage, and a negative current I corresponding to the value of the reference voltage flows. Switching between charging and discharging in that case, that is, switching between a switching operation as a down converter and a switching operation as an up converter requires switching time, and instantaneous switching is impossible. It was. On the other hand, as shown in the above-described embodiments, the present invention can be used as a down converter by continuously changing the reference voltage from the middle value of the variable range in the + direction and the − direction. Switching operation and switching operation as an up-converter can be continuously switched.

１ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２ 直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）
３ バッテリ（ＢＡＴＴ）
４ 制御部（ＣＯＮＴ）
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチング素子
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｌ１ チョークコイル
ＩＲ 電流検出部 1 Bidirectional DC-DC converter 2 DC power supply (AC-DC)
3 Battery (BATT)
4 Control unit (CONT)
D1, D2 Diode SW1, SW2 Switching element C1, C2 Capacitor D1, D2 Diode L1 Choke coil IR Current detector

Claims (2)

直流電源部との間でバッテリの充電及び放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、
前記直流電源部と前記バッテリとの間に直列的に接続した第１のスイッチング素子とチョークコイルと、前記第１のスイッチング素子と並列に接続し、前記バッテリから前記直流電源部の方向を順方向とした第１のダイオードと、前記バッテリと並列的に接続した第２のコンデンサと、前記第１のスイッチング素子と前記チョークコイルとの接続点に接続した第２のスイッチング素子と、該第２のスイッチング素子と並列に接続し、前記バッテリの電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードと、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを相補的にオン、オフ制御する制御部とを備え、
前記制御部は、基準電圧の制御に従って前記第１のスイッチング素子のオン、オフと、前記第２のスイッチング素子のオン、オフとを制御すると共に、それぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有することを特徴とする双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。 In a bidirectional DC-DC converter that controls charging and discharging of a battery with a DC power supply unit,
A first switching element and a choke coil connected in series between the DC power supply unit and the battery, and a parallel connection with the first switching element, and forward direction of the DC power supply unit from the battery A first capacitor, a second capacitor connected in parallel with the battery, a second switching element connected to a connection point between the first switching element and the choke coil, and the second Complementary on / off control of a second diode connected in parallel with the switching element and having a forward direction opposite to the battery voltage, and the first switching element and the second switching element And a control unit that
The control unit has a configuration of controlling on / off of the first switching element and on / off of the second switching element according to control of a reference voltage, and controlling on after each dead time. A bidirectional DC-DC converter characterized by the above. 前記制御部は、鋸歯状波発生部からの鋸歯状波信号と制御可能の基準電圧との比較によりパルス幅を制御された信号を出力するパルス幅制御部と、該パルス幅制御部の出力信号の立上り時点からデッドタイム後に前記第１のスイッチング素子をオンとする第１のゲート回路と、前記パルス幅制御部の出力信号の立下り時点からデッドタイム後に前記第２のスイッチング素子をオンとする第２のゲート回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。   The control unit includes a pulse width control unit that outputs a signal whose pulse width is controlled by comparing a sawtooth wave signal from the sawtooth wave generation unit and a controllable reference voltage, and an output signal of the pulse width control unit A first gate circuit that turns on the first switching element after a dead time from the rising time of the signal, and turns on the second switching element after the dead time from the falling time of the output signal of the pulse width control unit. The bidirectional DC-DC converter according to claim 1, further comprising a second gate circuit.
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