JP2011004557A - Dc/dc power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC/DC power conversion device that executes stable voltage transition operation while suppressing an overcurrent.SOLUTION: The DC/DC power conversion device is configured as follows. High-voltage side switch elements and low-voltage side switch elements of first/second bridge circuits A11, A2 are ON/OFF-controlled. Consequently, a part of energy stored in a smoothing capacitor Cs1 connected to the first bridge circuit A11 is transferred to an LC serial body Lcr1 through the first bridge circuit A11. Further, the energy is transferred to a smoothing capacitor Cs2 connected to the second bridge circuit A2, from the LC serial body Lcr1 through the second bridge circuit A2. The device includes voltage detecting means 31, 32 for detecting voltages of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and an operation-mode determining means 100 for determining the operation mode according to voltage detection values of the smoothing capacitors Cs1, Cs2 and a voltage command value Vref. Gate-signal generating means 1A, 1B change a gate-signal pattern on the basis of the determined operation mode.

Description

この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換するDC/DC電力変換装置に関するものである。   The present invention relates to a DC / DC power converter that converts a DC voltage into a DC voltage that is stepped up or stepped down.

従来のDC/DC電力変換装置として、正の電位に接続する半導体スイッチと負の電位に接続する半導体スイッチとを備えた少なくとも2個以上の半導体スイッチを具備するインバータ回路と、直列に接続される複数の整流器と直列に接続される複数のコンデンサとを備えた多倍圧整流回路で構成され、インバータ回路で交流電圧を作り、更に、多倍圧整流回路で高圧直流電圧を作り負荷に供給するDC/DCコンバータが記載されている(例えば、特許文献1参照)。   As a conventional DC / DC power conversion apparatus, an inverter circuit including at least two semiconductor switches including a semiconductor switch connected to a positive potential and a semiconductor switch connected to a negative potential is connected in series. Consists of a multiple voltage rectifier circuit with a plurality of rectifiers and a plurality of capacitors connected in series. The inverter circuit generates an AC voltage, and the multiple voltage rectifier circuit generates a high voltage DC voltage and supplies it to the load. A DC / DC converter is described (for example, see Patent Document 1).

また、従来のDC/DC電力変換装置として、インバータ回路と2倍圧整流回路とで構成され、コンデンサと直列にインダクタを接続し、LC共振現象を利用してコンデンサへの充放電電流を増大させるスイッチトキャパシタコンバータがあり、大きな電力を移行しても効率の低下が少ない電力変換を実現している(例えば、非特許文献1参照)。   In addition, as a conventional DC / DC power converter, it is composed of an inverter circuit and a double voltage rectifier circuit, and an inductor is connected in series with the capacitor to increase the charge / discharge current to the capacitor by utilizing the LC resonance phenomenon. There is a switched capacitor converter, which realizes power conversion with little reduction in efficiency even when a large amount of power is transferred (see Non-Patent Document 1, for example).

特開平9−191638号公報JP-A-9-191638

出利葉史俊他:「共振形スイッチトキャパシタコンバータの制御特性」,信学技法,IEICE Technical Report,EE2005-62,pp7-12,2006年Futoshi Itoba et al .: "Control characteristics of resonant switched capacitor converter", IEICE Technical Report, IEICE Technical Report, EE2005-62, pp7-12, 2006

従来のDC/DC電力変換装置は、インバータ回路と整流回路とを備え、コンデンサの充放電を利用して直流/直流電力変換を行うものであり、また、コンデンサと直列にインダクタを接続してLC共振現象を利用することにより高効率で大きな電力が移行できる。 しかし、従来のDC/DC電力変換装置では、装置起動時等において平滑コンデンサの電圧差が大きい場合、半導体素子やコンデンサとインダクタのLC直列体に大きな電流が流れるため、電流定格の大きな部品を用いる必要があった。
また、従来のDC/DC電力変換装置では、昇圧比を回路段数に応じた定倍にしかできないため、低圧側電圧変動がある場合、高圧側電圧には低圧側電圧の昇圧比倍の電圧変動が発生するため、高圧側電圧に接続される部品はこの電圧変動を見込んだ耐圧の部品を使用する必要があった。
A conventional DC / DC power conversion device includes an inverter circuit and a rectifier circuit, and performs DC / DC power conversion using charging / discharging of a capacitor. In addition, an inductor is connected in series with a capacitor to connect LC. Large power can be transferred with high efficiency by utilizing the resonance phenomenon. However, in the conventional DC / DC power conversion device, when the voltage difference of the smoothing capacitor is large at the time of starting the device or the like, a large current flows through the LC series body of the semiconductor element or the capacitor and the inductor. There was a need.
In addition, in the conventional DC / DC power converter, since the boost ratio can only be a fixed multiple according to the number of circuit stages, when there is a low-voltage side voltage fluctuation, the high-voltage side voltage has a voltage fluctuation that is twice the boost ratio of the low-voltage side voltage. Therefore, it is necessary to use a withstand voltage component that allows for this voltage fluctuation as a component connected to the high-voltage side voltage.

この発明では、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、過電流を抑制した安定的な電圧遷移動作が可能なDC/DC電力変換装置を提供する。
また、過電流を抑制した状態で昇圧比を可変化することができるDC/DC電力変換装置を提供する。
The present invention provides a DC / DC power conversion device that has been made to solve the above-described problems and that can perform a stable voltage transition operation while suppressing overcurrent.
Moreover, the DC / DC power converter device which can vary a step-up ratio in the state which suppressed the overcurrent is provided.

第1の発明に係るDC/DC電力変換装置は、
低圧側から高圧側へ直列に接続した複数個の平滑コンデンサと、
上記低圧側の平滑コンデンサの正負端子間に高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第1のブリッジ回路と、
上記高圧側の平滑コンデンサの正負端子間に高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第2のブリッジ回路と、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段を備え、
上記第1のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第1の中間端子と、上記第2のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第2の中間端子との間にエネルギ移行用コンデンサ及びインダクタからなるLC直列体を接続し、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御により、上記第1又は第2のブリッジ回路のうち一方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギの一部を、上記一方のブリッジ回路を通して上記一方のブリッジ回路に接続された上記LC直列体に移行させ、さらに上記LC直列体から上記LC直列体に接続された上記第1又は第2のブリッジ回路の他方のブリッジ回路を通して上記他方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに移行させるDC/DC電力変換装置において、
上記平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段と、
上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧指令値に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段とを備え、
上記ゲート信号生成手段は、上記判定された動作モードに基づいて、ゲート信号パターンを変化させるようにしたものである。
The DC / DC power converter according to the first invention is
A plurality of smoothing capacitors connected in series from the low voltage side to the high voltage side;
A first bridge circuit in which a high-voltage side switch element and a low-voltage side switch element are connected in series between the positive and negative terminals of the low-voltage side smoothing capacitor;
A second bridge circuit in which a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element are connected in series between the positive and negative terminals of the high-voltage side smoothing capacitor;
Gate signal generating means for generating a gate signal for on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element,
A first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the first bridge circuit; and a first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the second bridge circuit. An LC series body consisting of an energy transfer capacitor and an inductor is connected between the two intermediate terminals,
A part of the energy stored in the smoothing capacitor connected to one of the first or second bridge circuits by the on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element, Transition to the LC serial body connected to the one bridge circuit through a bridge circuit, and further pass through the other bridge circuit of the first or second bridge circuit connected to the LC serial body from the LC serial body. In the DC / DC power converter for shifting to the smoothing capacitor connected to the other bridge circuit,
Voltage detecting means for detecting the voltage of the smoothing capacitor;
An operation mode determining means for determining an operation mode according to the voltage detection value and the voltage command value of the smoothing capacitor;
The gate signal generation means changes the gate signal pattern based on the determined operation mode.

第2の発明に係るDC/DC電力変換装置は、
低圧側端子として基準電圧端子を高圧側端子として第1電圧端子を有する第1平滑コンデンサと、低圧側端子として第(k−1)電圧端子を高圧側端子として第k電圧端子を有する第k平滑コンデンサ(k=2、・・・、n;nは2以上の整数)とを直列に接続し、
上記第1平滑コンデンサの正負端子間に高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第1のブリッジ回路をm個(mは整数、1≦m≦n−1)並列に接続し、
上記第k(k=2、・・・、n)平滑コンデンサの正負端子間にそれぞれ高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第2のブリッジ回路を(n−1)個設け、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段を備え、
上記第1のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第1の中間端子と、上記第2のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第2の中間端子との間にエネルギ移行用コンデンサ及びインダクタからなるLC直列体を接続し、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御により、上記第1又は第2のブリッジ回路のうち一方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギの一部を、上記一方のブリッジ回路を通して上記一方のブリッジ回路に接続された上記LC直列体に移行させ、さらに上記LC直列体から上記LC直列体に接続された上記第1又は第2のブリッジ回路の他方のブリッジ回路を通して上記他方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに移行させるDC/DC電力変換装置において、
上記各平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段と、
上記各平滑コンデンサの電圧検出値と電圧指令値に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段とを備え、
上記ゲート信号生成手段は、上記判定された動作モードに基づいて、ゲート信号パターンを変化させるようにしたものである。
The DC / DC power converter according to the second invention is
A first smoothing capacitor having a reference voltage terminal as a low-voltage side terminal and a first voltage terminal as a high-voltage side terminal, and a k-th smoothing having a (k−1) th voltage terminal as a high-voltage side terminal and a k-th voltage terminal as a low-voltage side terminal. Capacitors (k = 2,..., N; n is an integer of 2 or more) are connected in series,
The first bridge circuit formed by connecting the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element in series between the positive and negative terminals of the first smoothing capacitor is connected in parallel (m is an integer, 1 ≦ m ≦ n−1). And
(N-1) second bridge circuits each having a high-voltage side switch element and a low-voltage side switch element connected in series between the positive and negative terminals of the k-th (k = 2,..., N) smoothing capacitor. Provided,
Gate signal generating means for generating a gate signal for on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element,
A first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the first bridge circuit; and a first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the second bridge circuit. An LC series body consisting of an energy transfer capacitor and an inductor is connected between the two intermediate terminals,
A part of the energy stored in the smoothing capacitor connected to one of the first or second bridge circuits by the on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element, Transition to the LC serial body connected to the one bridge circuit through a bridge circuit, and further pass through the other bridge circuit of the first or second bridge circuit connected to the LC serial body from the LC serial body. In the DC / DC power converter for shifting to the smoothing capacitor connected to the other bridge circuit,
Voltage detecting means for detecting the voltage of each of the smoothing capacitors;
An operation mode determination means for determining an operation mode according to the voltage detection value and the voltage command value of each of the smoothing capacitors,
The gate signal generation means changes the gate signal pattern based on the determined operation mode.

第1の発明のDC/DC電力変換装置によれば、高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段と、平滑コンデンサの電圧検出値と電圧指令値に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段とを備え、ゲート信号生成手段は、動作モード判定手段によって判定された動作モードに応じてゲート信号パターンを変化させることにより、過電流を抑制した安定的な電圧遷移動作が可能となる。   According to the DC / DC power converter of the first invention, the gate signal generating means for generating the gate signal for on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element, and the voltage for detecting the voltage of the smoothing capacitor A voltage detection unit; and an operation mode determination unit that determines an operation mode according to a voltage detection value and a voltage command value of the smoothing capacitor. The gate signal generation unit is configured to respond to the operation mode determined by the operation mode determination unit. By changing the gate signal pattern, a stable voltage transition operation with suppressed overcurrent becomes possible.

第2の発明のDC/DC電力変換装置によれば、過電流を抑制した安定的な電圧遷移動作が可能となるとともに、電圧指令値に応じた電圧を出力することが可能となる。すなわち、VH端子−Vcom端子間の電圧Vnを、V1端子−Vcom端子の電圧V1の約n倍、約(n−1)倍、・・・約1倍に昇圧することができる。また、出力電圧としてのVH−Vcom端子間の電圧Vnを、V1端子−Vcom端子間電圧V1の約n倍の状態から、約(n−1)倍、・・・約1倍の電圧に降圧することができる。   According to the DC / DC power conversion device of the second invention, it is possible to perform a stable voltage transition operation in which overcurrent is suppressed, and to output a voltage according to the voltage command value. That is, the voltage Vn between the VH terminal and the Vcom terminal can be boosted to about n times, about (n-1) times,... About 1 time the voltage V1 of the V1 terminal-Vcom terminal. In addition, the voltage Vn between the VH and Vcom terminals as the output voltage is stepped down from the state of about n times the voltage V1 between the V1 terminal and the Vcom terminal to a voltage of about (n-1) times, about 1 time. can do.

この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the DC / DC power converter device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the DC / DC power converter device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の第2のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the 2nd timing chart of the DC / DC power converter device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の動作モードがモード1の時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing when the operation mode of the DC / DC power converter device by Embodiment 1 of this invention is mode 1. FIG. この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の動作モードがモード3の時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing when the operation mode of the DC / DC power converter device by Embodiment 1 of this invention is mode 3. FIG. この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の動作モードがモード2の時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing when the operation mode of the DC / DC power converter device by Embodiment 1 of this invention is mode 2. FIG. この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the DC / DC power converter device by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置の動作モードがモード4の時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing when the operation mode of the DC / DC power converter device by Embodiment 2 of this invention is mode 4. FIG. この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置の動作モードがモード4aの時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing when the operation mode of the DC / DC power converter device by Embodiment 2 of this invention is mode 4a. この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置の出力電圧遷移図である。It is an output voltage transition diagram of the DC / DC power converter device by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3によるDC/DC電力変換装置のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the DC / DC power converter device by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3によるDC/DC電力変換装置の動作モードがモード5の時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing when the operation mode of the DC / DC power converter device by Embodiment 3 of this invention is mode 5. FIG. この発明の実施の形態5によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the DC / DC power converter device by Embodiment 5 of this invention. この発明の実施の形態6によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the DC / DC power converter device by Embodiment 6 of this invention. この発明の実施の形態6によるDC/DC電力変換装置の制御回路を示す図である。It is a figure which shows the control circuit of the DC / DC power converter device by Embodiment 6 of this invention.

実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図である。図1に示したDC/DC電力変換装置は、VH端子−Vcom端子間の電圧V3をVL端子−Vcom端子の電圧V1の約3倍、または約2倍、あるいは約1倍に昇圧した電圧を出力する機能を有する。また、VM端子−Vcom端子間の電圧V2を、VL端子−Vcom端子間の電圧V1の約2倍、または約1倍に昇圧した電圧を出力する機能を有する。
Embodiment 1 FIG.
A DC / DC power converter according to Embodiment 1 of the present invention will be described below.
1 is a diagram showing a circuit configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the DC / DC power converter shown in FIG. 1, the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is boosted to about 3 times, about 2 times, or about 1 time the voltage V1 of the VL terminal-Vcom terminal. Has a function to output. The voltage V2 between the VM terminal and the Vcom terminal has a function of outputting a voltage obtained by boosting the voltage V2 between the VL terminal and the Vcom terminal to about twice or about one time the voltage V1 between the VL terminal and the Vcom terminal.

まず、図1(a)において、DC/DC電力変換装置の主回路構成について説明する。入出力電圧の平滑化とエネルギ移行のための電圧源として機能する平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を直列接続して、平滑コンデンサCs1の低圧側端子に基準電圧端子Vcomを、平滑コンデンサCs1の高圧側端子に低圧出力端子VLを、平滑コンデンサCs2の高圧側端子に中圧出力端子VMを、平滑コンデンサCs3の高圧側端子に高圧出力端子VHを接続している。低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしての2つのMOSFET(S1L、S1H)を直列接続した回路A11と、低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしてのMOSFET(S4L、S4H)を直列接続した回路A12は、平滑コンデンサCs1の両端子間に接続されることで、それぞれ第1のブリッジ回路A11、A12を構成している。また、低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしてのMOSFET(S2L、S2H)を直列接続した回路A2は平滑コンデンサCs2の両端子間に接続され、低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしてのMOSFET(S3L、S3H)を直列接続した回路A3は平滑コンデンサCs3の両端子間に接続されることで、それぞれ第2のブリッジ回路A2、A3を構成している。   First, the main circuit configuration of the DC / DC power conversion device will be described with reference to FIG. Smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3 functioning as voltage sources for smoothing the input / output voltage and transferring energy are connected in series, the reference voltage terminal Vcom is connected to the low-voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs1, and the high-voltage side of the smoothing capacitor Cs1. The low voltage output terminal VL is connected to the terminal, the medium voltage output terminal VM is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs2, and the high voltage output terminal VH is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs3. A circuit A11 in which two MOSFETs (S1L, S1H) as a low voltage side switch and a high voltage side switch are connected in series, and a circuit A12 in which MOSFETs (S4L, S4H) as a low voltage side switch and a high voltage side switch are connected in series are a smoothing capacitor The first bridge circuits A11 and A12 are configured by being connected between both terminals of Cs1. A circuit A2 in which MOSFETs (S2L, S2H) as low voltage side switches and high voltage side switches are connected in series is connected between both terminals of the smoothing capacitor Cs2, and MOSFETs (S3L, S3H) as low voltage side switches and high voltage side switches. Are connected between both terminals of the smoothing capacitor Cs3 to constitute second bridge circuits A2 and A3, respectively.

また、第1のブリッジ回路A11内の2つのMOSFET(S1L、S1H)の接続点となる中間端子と、第2のブリッジ回路A2内の2つのMOSFET(S2L、S2H)の接続点となる中間端子との間に、コンデンサCr1とインダクタLr1の直列体で構成され、エネルギ移行素子として機能するLC直列体LCr1を接続する。同様に、第1のブリッジ回路A12内の2つのMOSFET(S4L、S4H)の接続点となる中間端子と、第2のブリッジ回路A3内の2つのMOSFET(S3L、S3H)の接続点となる中間端子との間に、コンデンサCr2とインダクタLr2の直列体で構成され、エネルギ移行素子として機能するLC直列体LCr2を接続する。   Further, an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S1L, S1H) in the first bridge circuit A11 and an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S2L, S2H) in the second bridge circuit A2. The LC series body LCr1, which is configured by a series body of a capacitor Cr1 and an inductor Lr1 and functions as an energy transfer element, is connected between Similarly, an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S4L, S4H) in the first bridge circuit A12 and an intermediate point serving as a connection point between the two MOSFETs (S3L, S3H) in the second bridge circuit A3. An LC series body LCr2 which is configured by a series body of a capacitor Cr2 and an inductor Lr2 and functions as an energy transfer element is connected between the terminals.

次に、DC/DC電力変換装置の周辺回路構成について説明する。ゲート駆動回路21〜24は、制御回路1から入力される低電圧のゲート信号(G1L〜G4L、G1H〜G4H)を、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)のソース電位基準の信号に電位レベルを変換する機能と、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)をオン/オフ制御するために必要な電圧と電流を供給する駆動機能を有している。電圧センサ31、32、33は、それぞれ平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の両端子に接続され、各平滑コンデンサ電圧Vcs1、Vcs2、Vcs3を検出して制御回路1に伝達する。   Next, the peripheral circuit configuration of the DC / DC power converter will be described. The gate drive circuits 21 to 24 use the low-voltage gate signals (G1L to G4L, G1H to G4H) input from the control circuit 1 as potential reference signals for the MOSFETs (S1L to S4L, S1H to S4H). It has a function of converting the level and a drive function of supplying voltages and currents necessary for on / off control of each MOSFET (S1L to S4L, S1H to S4H). The voltage sensors 31, 32, and 33 are connected to both terminals of the smoothing capacitors Cs 1, Cs 2, and Cs 3, detect the smoothing capacitor voltages Vcs 1, Vcs 2, and Vcs 3 and transmit them to the control circuit 1.

図1(b)に示すように、制御回路1は、動作モード判定手段100と、ゲート信号生成手段1A及び1Bによって構成されている。動作モード判定手段100は、電圧指令値Vrefと、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の電圧検出値Vcs1、Vcs2、Vcs3に応じて、DC/DC電力変換装置の動作モードを判定する機能を有している。LC直列体を介してその中間端子を接続された第1のブリッジ回路と第2のブリッジ回路は、同じ動作モードとなるように構成する。具体的には、第1のブリッジ回路A11と第2のブリッジ回路A2は動作モードA、第1のブリッジ回路A12と第2のブリッジ回路A3は動作モードBで動作させる。動作モードAと動作モードBは、後述するように同じ場合もあるし異なる場合もある。
ゲート信号生成手段1A、1Bは、動作モード判定手段100によって判定された動作モードに応じて、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)を制御するためのゲート信号を生成する手段を有している。具体的には、ゲート信号生成手段1Aは、動作モードAに応じてMOSFET(S1L、S1H、S2L、S2H)を制御するためのゲート信号G1L、G1H、G2L、G2Hを生成し、ゲート駆動回路21、22に出力する。同じく、ゲート信号生成手段1Bは、動作モードBに応じてMOSFET(S4L、S4H、S3L、S3H)を制御するためのゲート信号G4L、G4H、G3L、G3Hを生成し、ゲート駆動回路24、23に出力する。
なお、制御回路1は1個のCPUで構成しても構わないし、動作モード判定手段100をマイコンやDSP等のCPU、ゲート信号生成手段1A、1BをFPGAやCPLD等のロジック素子で別々に構成しても構わない。
As shown in FIG. 1B, the control circuit 1 includes an operation mode determination unit 100 and gate signal generation units 1A and 1B. The operation mode determination unit 100 has a function of determining the operation mode of the DC / DC power converter according to the voltage command value Vref and the detected voltage values Vcs1, Vcs2, and Vcs3 of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3. Yes. The first bridge circuit and the second bridge circuit, whose intermediate terminals are connected via the LC serial body, are configured to have the same operation mode. Specifically, the first bridge circuit A11 and the second bridge circuit A2 are operated in the operation mode A, and the first bridge circuit A12 and the second bridge circuit A3 are operated in the operation mode B. The operation mode A and the operation mode B may be the same or different as described later.
The gate signal generation means 1A and 1B have means for generating a gate signal for controlling each MOSFET (S1L to S4L, S1H to S4H) according to the operation mode determined by the operation mode determination means 100. Yes. Specifically, the gate signal generation means 1A generates gate signals G1L, G1H, G2L, G2H for controlling the MOSFETs (S1L, S1H, S2L, S2H) according to the operation mode A, and the gate drive circuit 21 , 22. Similarly, the gate signal generation unit 1B generates gate signals G4L, G4H, G3L, and G3H for controlling the MOSFETs (S4L, S4H, S3L, and S3H) according to the operation mode B, and supplies them to the gate drive circuits 24 and 23. Output.
The control circuit 1 may be composed of one CPU, the operation mode determination means 100 is composed of a CPU such as a microcomputer or DSP, and the gate signal generation means 1A and 1B are composed of logic elements such as FPGA and CPLD. It doesn't matter.

次に、動作モード判定手段100の詳細動作について説明する。図2は、VH端子−Vcom端子間の電圧V3がVL−Vcom端子間の電圧V1に等しい状態から、電圧V1の2倍、および、電圧V1の3倍の電圧に段階的に昇圧する時のタイミングチャートを示す図である。
電圧指令値Vrefが電圧V1と等しく、VH端子−Vcom端子間の電圧V3の昇圧指令値が1倍の場合、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAと、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBは、共にモード1となっている。電圧指令値VrefがV1×2となり、昇圧指令値が2倍になると、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAのみがモード2となり、平滑コンデンサCs2の電圧目標値はV1となる。そして、平滑コンデンサCs2の電圧検出値Vcs2が閾値電圧Vth1以上となると、動作モードAはモード3に移行する。次に、電圧指令値VrefがV1×3となり、昇圧指令値が3倍になると、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBのみがモード2となり、平滑コンデンサCs3の電圧目標値はV1となる。平滑コンデンサCs3の電圧検出値Vcs3が閾値電圧Vth1以上となると、動作モードBはモード3に移行する。なお、モード1、2及び3は後に詳しく説明する。
ここで、動作モードがモード2からモード3に移行する判定基準として、平滑コンデンサ電圧Vcs2、Vcs3が閾値電圧Vth1以上となった瞬間にモード移行するものとしているが、平滑コンデンサ電圧Vcs2、Vcs3がVth1以上となった時刻から所定の時間経過後にモード移行しても構わない。
閾値電圧Vth1は低圧側電圧V1よりもやや小さい値(0.6〜0.9倍程度)に設定する。閾値電圧Vth1が極端に小さいとモード2に切り替えた時に、後述の通り共振回路に流れる電流値が大きくなる。逆に、閾値電圧Vth1がV1以上だとモード2に切り替えられないので、各種誤差要因を考慮して、V1よりもやや小さな値にする必要がある。
Next, the detailed operation of the operation mode determination unit 100 will be described. FIG. 2 shows a case where the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is stepped up stepwise from a state where the voltage V3 is equal to the voltage V1 between the VL and Vcom terminals to twice the voltage V1 and three times the voltage V1. It is a figure which shows a timing chart.
When the voltage command value Vref is equal to the voltage V1 and the voltage boost command value of the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is 1 time, the operation mode A output to the gate signal generating means 1A and the output to the gate signal generating means 1B The operation mode B to be performed is mode 1. When the voltage command value Vref is V1 × 2 and the boost command value is doubled, only the operation mode A output to the gate signal generating unit 1A is in mode 2, and the voltage target value of the smoothing capacitor Cs2 is V1. When the voltage detection value Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2 becomes equal to or higher than the threshold voltage Vth1, the operation mode A shifts to mode 3. Next, when the voltage command value Vref is V1 × 3 and the boost command value is tripled, only the operation mode B output to the gate signal generating unit 1B is in the mode 2, and the voltage target value of the smoothing capacitor Cs3 is V1. Become. When the voltage detection value Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 becomes equal to or higher than the threshold voltage Vth1, the operation mode B shifts to mode 3. Modes 1, 2, and 3 will be described in detail later.
Here, as a criterion for determining that the operation mode shifts from mode 2 to mode 3, the mode shift is performed at the moment when the smoothing capacitor voltages Vcs2 and Vcs3 become equal to or higher than the threshold voltage Vth1, but the smoothing capacitor voltages Vcs2 and Vcs3 are Vth1. The mode may be changed after a predetermined time has elapsed from the time at which the above has occurred.
The threshold voltage Vth1 is set to a value (approximately 0.6 to 0.9 times) slightly smaller than the low voltage side voltage V1. If the threshold voltage Vth1 is extremely small, the value of the current flowing in the resonance circuit increases as described later when switching to mode 2. Conversely, when the threshold voltage Vth1 is equal to or higher than V1, it is not possible to switch to mode 2. Therefore, it is necessary to make the value slightly smaller than V1 in consideration of various error factors.

図3は、VH端子−Vcom端子間の電圧V3がVL−Vcom端子間の電圧V1に等しい状態から、電圧V1の3倍の電圧目標値に昇圧する時のタイミングチャートを示す図である。
電圧指令値Vrefが電圧V1と等しく、VH端子−Vcom端子間の電圧V3の昇圧指令値が1倍の場合、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAと、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBは、共にモード1となっている。電圧指令値VrefがV1×3となり、昇圧指令値が3倍になると、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAと、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBが共にモード2となる。平滑コンデンサ電圧Vcs2が閾値電圧Vth1以上となると、動作モードAはモード3に、平滑コンデンサ電圧Vcs3が閾値電圧Vth1以上となると、動作モードBはモード3に、それぞれ移行する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a timing chart when the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is increased to a voltage target value that is three times the voltage V1 from a state where the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is equal to the voltage V1 between the VL and Vcom terminals.
When the voltage command value Vref is equal to the voltage V1 and the voltage boost command value of the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is 1 time, the operation mode A output to the gate signal generating means 1A and the output to the gate signal generating means 1B The operation mode B to be performed is mode 1. When the voltage command value Vref is V1 × 3 and the boost command value is tripled, the operation mode A output to the gate signal generation unit 1A and the operation mode B output to the gate signal generation unit 1B are both mode 2. Become. When the smoothing capacitor voltage Vcs2 becomes equal to or higher than the threshold voltage Vth1, the operation mode A shifts to mode 3, and when the smoothing capacitor voltage Vcs3 becomes equal to or higher than the threshold voltage Vth1, the operation mode B shifts to mode 3.

次に、ゲート信号生成手段1A、1Bの詳細動作について説明する。
図4は、動作モード判定手段100から入力される動作モードがモード1の時に、ゲート信号生成手段が出力するゲート信号波形を示す図である。ここでは、ゲート信号波形(G1L〜G4L、G1H〜G4H)がHighの時に、それぞれ対応したMOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)がONとなるものとして説明する。
動作モードがモード1の時、平滑コンデンサCs1に接続されるMOSFET(S1L、S1H、S4L、S4H)のゲート信号(G1L、G1H、G4L、G4H)はLowで固定される。逆に、平滑コンデンサCs1以外の平滑コンデンサ(Cs2、Cs3)に接続されるMOSFET(S2L、S2H、S3L、S3H)のゲート信号(G2L、G2H、G3L、G3H)はHighで固定される。
このようなゲート信号波形を出力することで、動作モードAがモード1の時は平滑コンデンサCs2の電圧検出値Vcs2はゼロとなり、中間出力端子の電圧VMは低圧出力端子の電圧VLと等しくなる。同じく、動作モードBがモード1の時は平滑コンデンサCs3の電圧検出値Vcs3はゼロとなり、高圧出力端子の電圧VHは中間出力端子の電圧VMと等しくなる。また、動作モードAと動作モードBが共にモード1の場合は、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧検出値Vcs2、Vcs3は共にゼロとなるため、高圧出力端子の電圧VHは低圧出力端子の電圧VLと等しくなり、昇圧比は1倍となる。
Next, the detailed operation of the gate signal generation means 1A, 1B will be described.
FIG. 4 is a diagram illustrating a gate signal waveform output from the gate signal generation unit when the operation mode input from the operation mode determination unit 100 is mode 1. In FIG. Here, it is assumed that the corresponding MOSFETs (S1L to S4L, S1H to S4H) are turned ON when the gate signal waveforms (G1L to G4L, G1H to G4H) are High.
When the operation mode is mode 1, the gate signals (G1L, G1H, G4L, G4H) of the MOSFETs (S1L, S1H, S4L, S4H) connected to the smoothing capacitor Cs1 are fixed at Low. Conversely, the gate signals (G2L, G2H, G3L, G3H) of the MOSFETs (S2L, S2H, S3L, S3H) connected to the smoothing capacitors (Cs2, Cs3) other than the smoothing capacitor Cs1 are fixed at High.
By outputting such a gate signal waveform, when the operation mode A is mode 1, the voltage detection value Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2 becomes zero, and the voltage VM of the intermediate output terminal becomes equal to the voltage VL of the low voltage output terminal. Similarly, when the operation mode B is mode 1, the voltage detection value Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 is zero, and the voltage VH at the high voltage output terminal is equal to the voltage VM at the intermediate output terminal. When both the operation mode A and the operation mode B are mode 1, the voltage detection values Vcs2 and Vcs3 of the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 are both zero, so the voltage VH at the high voltage output terminal is equal to the voltage VL at the low voltage output terminal. The boost ratio is 1 time.

次に、定常昇圧モードとしてのモード3の動作について説明する。
図5は、動作モード判定手段100から入力される動作モードがモード3の時に、ゲート信号生成手段1A、1Bが出力するゲート信号波形(G1L〜G4L、G1H〜G4H)と、LC直列体LCr1、LCr2を流れる電流、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)を流れる電流を示す図である。電流の極性は、MOSFETはドレインからソースに流れる方向を正、LC直列体は高電位側のブリッジ回路から低電位側のブリッジ回路に流れる方向を正とした。
ゲート信号G1L、G1H、G4L、G4Hは、Lr1とCr1によるLC直列回路にて定まる共振周期Trよりもやや大きな周期Ts0でデューティー約50%のオンオフ信号であり、MOSFETはゲート信号がHighの時にオンとなる。
ゲート信号G1L、G4LがHighとなりS1L、S4Lがオン状態となると、平滑コンデンサCs1、Cs2に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr1、Cr2に移行する。
Cs1⇒S2L⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L
Cs1⇒Cs2⇒S3L⇒Lr2⇒Cr2⇒S4L
次いで、ゲート信号G1H、G4HがHighとなりS1H、S4Hがオン状態となると、コンデンサCr1、Cr2に充電されたエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs2、Cs3に移行する。
S1H⇒Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2
S4H⇒Cr2⇒Lr2⇒S3H⇒Cs3⇒Cs2
Next, the operation of mode 3 as the steady boost mode will be described.
FIG. 5 shows the gate signal waveforms (G1L to G4L, G1H to G4H) output from the gate signal generation means 1A and 1B when the operation mode input from the operation mode determination means 100 is mode 3, and the LC serial body LCr1, It is a figure which shows the electric current which flows through the LCr2, and each MOSFET (S1L-S4L, S1H-S4H). Regarding the polarity of the current, the direction in which the MOSFET flows from the drain to the source is positive, and the direction in which the LC series body flows from the high potential side bridge circuit to the low potential side bridge circuit is positive.
The gate signals G1L, G1H, G4L, and G4H are ON / OFF signals having a cycle Ts0 that is slightly larger than the resonance cycle Tr determined by the LC series circuit of Lr1 and Cr1 and a duty of about 50%, and the MOSFET is turned on when the gate signal is High. It becomes.
When the gate signals G1L and G4L become High and S1L and S4L are turned on, a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 is transferred to the capacitors Cr1 and Cr2 through the following paths.
Cs1⇒S2L⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L
Cs1⇒Cs2⇒S3L⇒Lr2⇒Cr2⇒S4L
Next, when the gate signals G1H and G4H become High and S1H and S4H are turned on, the energy charged in the capacitors Cr1 and Cr2 is transferred to the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 through the following paths.
S1H⇒Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2
S4H⇒Cr2⇒Lr2⇒S3H⇒Cs3⇒Cs2

このように、コンデンサCr1、Cr2の充放電により、平滑コンデンサCs1、Cs2から平滑コンデンサCs2、Cs3にエネルギを移行する。そして、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約2倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VMとVcom間に出力し、約3倍に昇圧された電圧V3にして電圧端子VHとVcom間に出力する。ここで、各コンデンサCr1、Cr2は、インダクタLr1、Lr2が直列に接続されてLC直列回路を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。また、MOSFETの通電電流がゼロの状態でスイッチング(ゼロ電流スイッチング)するため、高効率の直流/直流電力変換動作が可能となる。
なお、各MOSFETには寄生ダイオードが形成されているため、MOSFET(S2L、S2H、S3L、S3H)のゲート制御信号G2L、G2H、G3L、G3Hは、原則不要である。ただし、図5に示すように、MOSFETの同期整流作用を利用し、寄生ダイオード導通時に各MOSFETをオンさせるようなゲート制御信号を入力すれば、MOSFETのオン電圧が低下するため、MOSFETの損失低減が可能となる。
また、図5において、TdはMOSFET(S1L、S1H)の同時導通による短絡防止のためのデッドタイムである。Td2はエネルギ逆流防止のための動作遅れ時間である。基本的には起こらないが、コンデンサCr1の電圧がコンデンサCs1の電圧よりも高い時に、S2LがS1Lよりも先にONしてしまうとエネルギ逆流現象が起こり得る。この場合の電流経路は下記となる。
Cr1→Lr1→S2L→Cs1→S1L(ダイオード)
As described above, energy is transferred from the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 to the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 by charging and discharging the capacitors Cr1 and Cr2. Then, the voltage V1 input between the voltage terminals VL and Vcom is set to a voltage V2 boosted about twice, and is output between the voltage terminals VM and Vcom, and the voltage V3 is boosted about three times to the voltage terminal. Output between VH and Vcom. Here, since each of the capacitors Cr1 and Cr2 constitutes an LC series circuit in which the inductors Lr1 and Lr2 are connected in series, the energy transfer uses a resonance phenomenon, and a large amount of energy can be transferred efficiently. In addition, since switching is performed in a state where the energization current of the MOSFET is zero (zero current switching), a highly efficient DC / DC power conversion operation can be performed.
Since each MOSFET has a parasitic diode, the gate control signals G2L, G2H, G3L, and G3H of the MOSFETs (S2L, S2H, S3L, and S3H) are not necessary in principle. However, as shown in FIG. 5, if a gate control signal is used to turn on each MOSFET when the parasitic diode is turned on by utilizing the synchronous rectification action of the MOSFET, the MOSFET on-voltage is reduced. Is possible.
In FIG. 5, Td is a dead time for preventing a short circuit due to simultaneous conduction of MOSFETs (S1L, S1H). Td2 is an operation delay time for preventing energy backflow. Although basically not occurring, if the voltage of the capacitor Cr1 is higher than the voltage of the capacitor Cs1, if S2L is turned ON before S1L, an energy reverse flow phenomenon may occur. The current path in this case is as follows.
Cr1 → Lr1 → S2L → Cs1 → S1L (diode)

動作モード3において、スイッチング周期Ts0を、インダクタLrとコンデンサCrによるLC直列回路にて定まる共振周期Trよりもやや大きな値とした理由について説明する。
スイッチング周期Ts0が共振周期Trよりも小さいと、LC直列回路に流れる電流がゼロになる前にMOSFETをターンオフすることになるため、ターンオフ損失とスイッチングサージ電圧がMOSFETに発生する。また、インダクタLrの励磁エネルギが残っている状態でMOSFETをターンオンすることになるので、ターンオン損失とスイッチングサージ電圧がMOSFETに発生する。ターンオン損失とターンオフ損失は、DC/DC電力変換装置の効率を悪化させるだけでなく、MOSFETを冷却するためのヒートシンクやファンの大型化による高コスト化要因となる。
動作モード3において、スイッチング周期Ts0が共振周期Trに比べて十分大きくなった時のデメリットについて説明する。スイッチング周期Ts0が大きくなると、単位時間当たりに電力移行を行う回数が減少するため、一定電力伝送条件で比較した場合、LC直列回路やMOSFETに流れる電流値が増加する。具体的には、スイッチング周期Ts0がk倍となった場合、一定の電力を伝送する条件では、LC直列回路やMOSFETに流れる電流実効値は、√(k)倍となり、MOSFETやLC直列回路の導通損失はk倍となる。導通損失の増加は、直流/直流電力変換装置の効率を悪化させるだけでなく、MOSFETを冷却するためのヒートシンクやファンの大型化による高コスト化要因となる。
このように、スイッチング周期Ts0が共振周期Trよりも小さくても、スイッチング周期Ts0が共振周期Trより大きすぎても、DC/DC電力変換装置の効率を悪化させる要因となるため、スイッチング周期Ts0は、共振周期Trよりもやや大きな値(1倍〜1.5倍程度)が最適条件となる。
The reason why the switching period Ts0 is set to a value slightly larger than the resonance period Tr determined by the LC series circuit including the inductor Lr and the capacitor Cr in the operation mode 3 will be described.
If the switching period Ts0 is smaller than the resonance period Tr, the MOSFET is turned off before the current flowing through the LC series circuit becomes zero, so that a turn-off loss and a switching surge voltage are generated in the MOSFET. Further, since the MOSFET is turned on while the excitation energy of the inductor Lr remains, a turn-on loss and a switching surge voltage are generated in the MOSFET. The turn-on loss and the turn-off loss not only deteriorate the efficiency of the DC / DC power converter, but also increase the cost due to the increase in the size of the heat sink and fan for cooling the MOSFET.
In the operation mode 3, a demerit when the switching period Ts0 becomes sufficiently larger than the resonance period Tr will be described. When the switching period Ts0 is increased, the number of times power is transferred per unit time is decreased. Therefore, when compared under a constant power transmission condition, a current value flowing through the LC series circuit or MOSFET increases. Specifically, when the switching period Ts0 is k times, the effective current value flowing through the LC series circuit or the MOSFET is √ (k) times under the condition of transmitting constant power, and the MOSFET or the LC series circuit is The conduction loss is k times. The increase in conduction loss not only deteriorates the efficiency of the DC / DC power converter, but also increases the cost due to the increase in the size of the heat sink and fan for cooling the MOSFET.
As described above, even if the switching cycle Ts0 is smaller than the resonance cycle Tr or the switching cycle Ts0 is too larger than the resonance cycle Tr, the efficiency of the DC / DC power converter is deteriorated. A value slightly larger than the resonance period Tr (about 1 to 1.5 times) is the optimum condition.

これまで定常動作としての動作モード3について説明したが、以下では過渡動作としての動作モード3について説明する。定常動作では、平滑コンデンサCs2及びCs3の電圧Vcs2及びVcs3が、平滑コンデンサCs1の電圧Vcs1とほぼ等しくなるため、モード3の動作を行うことで、ゼロ電流スイッチングによる高効率な昇圧動作が可能となる。しかし、平滑コンデンサ電圧Vcs2又はVcs3が、Vcs1よりも極端に低い状態でモード3の動作を行うと、MOSFETやエネルギ移行素子として機能するLC直列体に過大な電流が流れてしまう。以下、その現象について説明する。
ここでは、説明を簡単にするため、昇圧指令値が1倍から2倍に変化した直後について説明する。この条件では、動作モードBは常にモード1となるため、平滑コンデンサCs3の電圧Vcs3はゼロ、動作モードAはモード1からモード3に変化するので、平滑コンデンサCs2の初期電圧はほぼゼロとなる。また、LC直列回路にて定まる共振周期Trとスイッチング周期Ts0が一致しており、平滑コンデンサCs2の容量はエネルギ移行用コンデンサCr1の容量に比べ、十分大きいものとして説明する。
The operation mode 3 as the steady operation has been described so far, but the operation mode 3 as the transient operation will be described below. In the steady operation, the voltages Vcs2 and Vcs3 of the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 are substantially equal to the voltage Vcs1 of the smoothing capacitor Cs1, so that a high-efficiency step-up operation by zero current switching can be performed by performing the mode 3 operation. . However, if mode 3 operation is performed in a state where the smoothing capacitor voltage Vcs2 or Vcs3 is extremely lower than Vcs1, an excessive current flows through the LC series body functioning as a MOSFET or energy transfer element. The phenomenon will be described below.
Here, in order to simplify the description, a description will be given immediately after the boost command value changes from 1 to 2 times. Under this condition, since the operation mode B is always mode 1, the voltage Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 changes to zero, and the operation mode A changes from mode 1 to mode 3, so the initial voltage of the smoothing capacitor Cs2 becomes almost zero. In addition, it is assumed that the resonance period Tr and the switching period Ts0 determined by the LC series circuit coincide with each other, and the capacity of the smoothing capacitor Cs2 is sufficiently larger than the capacity of the energy transfer capacitor Cr1.

ゲート信号G1LがHighとなりMOSFET(S1L)がオン状態になった時、平滑コンデンサCs1からコンデンサCr1に流れる電流Icr(t)は、式1、式2で表すことができる。
なお、式1及び式2は、MOSFET(S2L)、インダクタLr1、コンデンサCr1、MOSFET(S1L)からなるRLC直列回路に直流電圧Vを瞬時に加えた場合の微分方程式
Ri+L(di/dt)+q/c=Eの解である、
i=E/(ωL)×e−αtsin(ωt)に基づくものである。
ただし、R<4L/C であって、α=R/(2L)、ω=√{1/(LC)−(R/(2L))}。
When the gate signal G1L becomes High and the MOSFET (S1L) is turned on, the current Icr (t) flowing from the smoothing capacitor Cs1 to the capacitor Cr1 can be expressed by Expressions 1 and 2.
Equation 1 and Equation 2 are differential equations Ri + L (di / dt) + q / when the DC voltage V is instantaneously applied to the RLC series circuit composed of the MOSFET (S2L), the inductor Lr1, the capacitor Cr1, and the MOSFET (S1L). c = E is the solution,
i = E / (ωL) × e −αt sin (ωt).
However, R 2 <4L / C, and α = R / (2L), ω = √ {1 / (LC) − (R / (2L) 2 )}.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

Figure 2011004557
Figure 2011004557

上記式1及び式2において、RはコンデンサCs1、MOSFET(S2L)、インダクタLr1、コンデンサCr1、MOSFET(S1L)の合計抵抗成分、Vcr0はモード3に移行する直前のコンデンサCr1の初期電圧である。また、コンデンサ電流Icr(t)の符号は、図1においてインダクタLr1からコンデンサCr1に流れる方向を正とした。平滑コンデンサCs1からエネルギ移行用コンデンサCr1にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧Vcraは、式3、式4で表すことができる。   In the above formulas 1 and 2, R is the total resistance component of the capacitor Cs1, MOSFET (S2L), inductor Lr1, capacitor Cr1, MOSFET (S1L), and Vcr0 is the initial voltage of the capacitor Cr1 just before the mode 3 is shifted. The sign of the capacitor current Icr (t) is positive in the direction flowing from the inductor Lr1 to the capacitor Cr1 in FIG. The voltage Vcra of the capacitor Cr1 immediately after the energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the energy transfer capacitor Cr1 can be expressed by Equations 3 and 4.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

Figure 2011004557
Figure 2011004557

平滑コンデンサCs2の電圧Vcs2がゼロの時、エネルギ移行用コンデンサCr1の初期電圧Vcr0もゼロとなるので、コンデンサCr1の電圧Vcraは式5で表される。   When the voltage Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2 is zero, the initial voltage Vcr0 of the energy transfer capacitor Cr1 is also zero, so the voltage Vcra of the capacitor Cr1 is expressed by Equation 5.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

次に、S1Lがオフ、S1Hがオンになると、コンデンサCr1に蓄えられたエネルギは、上段の平滑コンデンサCs2に移行する。このとき、エネルギ移行用コンデンサCr1から平滑コンデンサCs2に流れる電流Icr(t)は、式6で表され、エネルギ移行用コンデンサCr1から平滑コンデンサCr2にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧Vcrbは、式7で表される。 Next, when S1L is turned off and S1H is turned on, the energy stored in the capacitor Cr1 is transferred to the upper smoothing capacitor Cs2. At this time, the current Icr * (t) flowing from the energy transfer capacitor Cr1 to the smoothing capacitor Cs2 is expressed by Equation 6, and the voltage Vcrb of the capacitor Cr1 immediately after the energy transfer from the energy transfer capacitor Cr1 to the smoothing capacitor Cr2 is , Represented by Equation 7.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

Figure 2011004557
Figure 2011004557

平滑コンデンサCs2の電圧Vcs2がほぼゼロの時は、V2=V1となるので、エネルギ移行動作を1回動作させた直後のコンデンサCr1の電圧Vcrbは、式8となる。   When the voltage Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2 is substantially zero, V2 = V1. Therefore, the voltage Vcrb of the capacitor Cr1 immediately after the energy transfer operation is performed once is expressed by Equation 8.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

式3、式5、式8より、エネルギ移行動作をN回動作させた直後のコンデンサCr1の電圧VcrNは、式9で表すことができる。   From Equation 3, Equation 5, and Equation 8, the voltage VcrN of the capacitor Cr1 immediately after the energy transfer operation is performed N times can be expressed by Equation 9.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

Aは正の値(0<A<1)となるため、式9は、エネルギ移行動作を繰り返す毎にコンデンサCr1の電圧振幅は増大していくことを意味している。コンデンサCr1の電圧振幅が増加すると、式1より、コンデンサCr1に流れる電流Icrは増加するため、エネルギ移行動作を繰り返す毎に電流が増加することになる。
このように、平滑コンデンサ電圧Vcs2が、Vcs1よりも極端に低い状態において、動作モードAをモード3にすると、MOSFET(S1L、S1H、S2L、S2H)やエネルギ移行素子として機能するLC直列体LCr1に過大な電流が流れてしまい、過電流による素子破壊が起きる可能性がある。同様に、平滑コンデンサ電圧Vcs3が、Vcs1よりも極端に低い状態で動作モードBをモード3にすると、MOSFET(S4L、S4H、S3L、S3H)やエネルギ移行素子として機能するLC直列体LCr2に過大な電流が流れてしまい、過電流による素子破壊が起きる可能性がある。
Since A is a positive value (0 <A <1), Equation 9 means that the voltage amplitude of the capacitor Cr1 increases every time the energy transfer operation is repeated. When the voltage amplitude of the capacitor Cr1 increases, the current Icr flowing through the capacitor Cr1 increases from Equation 1, and therefore the current increases each time the energy transfer operation is repeated.
Thus, when the smoothing capacitor voltage Vcs2 is extremely lower than Vcs1, when the operation mode A is set to mode 3, the LC series body LCr1 functioning as a MOSFET (S1L, S1H, S2L, S2H) or an energy transfer element is obtained. An excessive current flows, and there is a possibility that the element is destroyed due to the overcurrent. Similarly, when the smoothing capacitor voltage Vcs3 is extremely lower than Vcs1 and the operation mode B is set to mode 3, the LC series body LCr2 functioning as a MOSFET (S4L, S4H, S3L, S3H) or an energy transfer element is excessive. There is a possibility that current flows and element destruction occurs due to overcurrent.

本実施の形態では、平滑コンデンサ電圧Vcs2、Vcs3が、入力電圧Vcs1に比べて十分小さい場合には、過電流による素子破壊を防止するために動作モードをモード2とする。以下、モード2の動作について説明する。
図6は、動作モード判定手段100から入力される動作モードがモード2の時に、ゲート信号生成手段1A、1Bが出力するゲート信号波形(G1L〜G4L、G1H〜G4H)と、LC直列体LCr1、LCr2を流れる電流、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)を流れる電流を示す図である。モード2とモード3の違いは、モード2のスイッチング周期Ts1を、モード3のスイッチング周期Ts0よりも大きくした点である。
In the present embodiment, when the smoothing capacitor voltages Vcs2 and Vcs3 are sufficiently smaller than the input voltage Vcs1, the operation mode is set to mode 2 in order to prevent element destruction due to overcurrent. Hereinafter, the operation of mode 2 will be described.
6 shows the gate signal waveforms (G1L to G4L, G1H to G4H) output from the gate signal generation means 1A and 1B when the operation mode input from the operation mode determination means 100 is mode 2, and the LC serial body LCr1, It is a figure which shows the electric current which flows through the LCr2, and each MOSFET (S1L-S4L, S1H-S4H). The difference between mode 2 and mode 3 is that the switching period Ts1 in mode 2 is made larger than the switching period Ts0 in mode 3.

モード2の動作について、電流経路を交えて説明する。ここでは説明を簡単にするため、昇圧指令値が1倍から2倍に変化した直後について説明する。この条件では、動作モードBは常にモード1となるため、平滑コンデンサCs3の電圧Vcs3はゼロ、動作モードAはモード1からモード2に変化するので、平滑コンデンサCs2の初期電圧はほぼゼロとなる。
ゲート信号G1LがHighとなりS1Lがオン状態となると、平滑コンデンサCs1に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Cs1⇒S2L⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L
平滑コンデンサCs1からエネルギ移行用コンデンサCr1にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧Vcraは、前述の式5で表され、V2<Vcraとなるため、コンデンサCr1に蓄えられたエネルギは、MOSFET(S1L、S2H)の寄生ダイオードを通って、以下に示す経路で平滑コンデンサCs1、Cs2に移行する。
Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2⇒Cs1⇒S1L
The operation in mode 2 will be described with a current path. Here, in order to simplify the description, a description will be given immediately after the boost command value changes from 1 to 2 times. Under this condition, since the operation mode B is always mode 1, the voltage Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 changes to zero, and the operation mode A changes from mode 1 to mode 2. Therefore, the initial voltage of the smoothing capacitor Cs2 becomes almost zero.
When the gate signal G1L becomes High and S1L is turned on, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cs1 is transferred to the capacitor Cr1 through the following path.
Cs1⇒S2L⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L
The voltage Vcra of the capacitor Cr1 immediately after the energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the energy transfer capacitor Cr1 is expressed by the above-described equation 5, and V2 <Vcra. Therefore, the energy stored in the capacitor Cr1 is MOSFET (S1L , S2H) through the parasitic diodes to the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 through the following path.
Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2⇒Cs1⇒S1L

エネルギ移行用コンデンサCr1から平滑コンデンサCs1、Cs2にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧Vcrcは、式10で表される。   The voltage Vcrc of the capacitor Cr1 immediately after the energy is transferred from the energy transfer capacitor Cr1 to the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 is expressed by Expression 10.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

平滑コンデンサCs2の電圧Vcs2がほぼゼロの時はV2=V1、Aは正の値(0<A<1)となるため、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧Vcrcは正の値となる。この時、MOSFET(S1L)のゲート信号G1Lをオフにしておくことで、LC直列体LCr1の電流はゼロとなる。
次に、ゲート信号G1HがHighとなりS1Hがオン状態となると、コンデンサCr1に充電されたエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs2に移行する。
Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2⇒S1H
エネルギ移行用コンデンサCr1から平滑コンデンサCs1にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧Vcrdが正の値となった場合は、LC直列体LCr1の電流はゼロとなる。電圧Vcrdが負の値となった場合は、MOSFET(S1H、S2L)の寄生ダイオードを通って、以下に示す経路でコンデンサCr1に電流が流れ、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧は最終的には正の値となる。
Cr1⇒S1H⇒S2L⇒Lr1
When the voltage Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2 is substantially zero, V2 = V1 and A has a positive value (0 <A <1), so the voltage Vcrc of the energy transfer capacitor Cr1 has a positive value. At this time, by turning off the gate signal G1L of the MOSFET (S1L), the current of the LC series body LCr1 becomes zero.
Next, when the gate signal G1H becomes High and S1H is turned on, the energy charged in the capacitor Cr1 is transferred to the smoothing capacitor Cs2 through the following path.
Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2⇒S1H
When the voltage Vcrd of the capacitor Cr1 immediately after the energy is transferred from the energy transfer capacitor Cr1 to the smoothing capacitor Cs1, the current of the LC series LCr1 becomes zero. When the voltage Vcrd becomes a negative value, current flows through the parasitic diode of the MOSFET (S1H, S2L) to the capacitor Cr1 through the following path, and the voltage of the energy transfer capacitor Cr1 is finally positive. It becomes the value of.
Cr1⇒S1H⇒S2L⇒Lr1

このように、動作モード2では、スイッチング周期Ts1を共振周期Trの2倍以上に設定し、スイッチング半周期毎にLC共振を1周期分動作させることで、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧Vcr1を下げた状態でMOSFET(S1L、S1H)のスイッチング動作を行うことができる。その結果、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧振幅を抑えることができ、平滑コンデンサ電圧Vcs2が、平滑コンデンサ電圧Vcs1よりも極端に低い状態においても、モード3で問題となったコンデンサ電流Icr1の増大を防止することが可能となる。また、MOSFET(S1L、S1H)の通電電流がゼロの時にスイッチングできるため、ゼロ電流スイッチングが可能となり、高効率のDC/DC電力変換動作が可能となる。
これまで、動作モードAがモード2の時の説明をしてきたが、動作モードBがモード2の時の動作も同様であり、エネルギ移行用コンデンサ電流Icr2の増大防止による安定動作と、MOSFET(S4L、S4H)のゼロ電流スイッチングによる高効率動作が可能となる。
As described above, in the operation mode 2, the voltage Vcr1 of the energy transfer capacitor Cr1 is lowered by setting the switching cycle Ts1 to be twice or more the resonance cycle Tr and operating the LC resonance for one cycle every switching half cycle. In this state, the switching operation of the MOSFETs (S1L, S1H) can be performed. As a result, the voltage amplitude of the energy transfer capacitor Cr1 can be suppressed, and even when the smoothing capacitor voltage Vcs2 is extremely lower than the smoothing capacitor voltage Vcs1, an increase in the capacitor current Icr1 that is a problem in mode 3 is prevented. It becomes possible to do. Further, since switching can be performed when the energization current of the MOSFETs (S1L, S1H) is zero, zero current switching is possible, and highly efficient DC / DC power conversion operation is possible.
The operation when the operation mode A is the mode 2 has been described so far, but the operation when the operation mode B is the mode 2 is the same. The stable operation by preventing the increase of the energy transfer capacitor current Icr2 and the MOSFET (S4L , S4H), high-efficiency operation by zero current switching becomes possible.

以上のように、本実施の形態1では、半導体スイッチング素子(S1L〜S4L、S1H〜S4H)のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段(1A、1B)と、平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段(31〜33)と、平滑コンデンサの電圧検出値と電圧指令値に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段100とを備え、ゲート信号生成手段(1A、1B)は、動作モード判定手段100によって判定された動作モードに応じてゲート信号パターンを変化させることで、電圧指令値Vrefに応じた電圧V3を安定的に出力することが可能となる。   As described above, in the first embodiment, the gate signal generating means (1A, 1B) for generating the gate signal for on / off control of the semiconductor switching elements (S1L to S4L, S1H to S4H), and the voltage of the smoothing capacitor Voltage detection means (31-33) for detecting the voltage, and an operation mode determination means 100 for determining an operation mode according to the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage command value, and gate signal generation means (1A, 1B) ) Can stably output the voltage V3 corresponding to the voltage command value Vref by changing the gate signal pattern according to the operation mode determined by the operation mode determination means 100.

実施の形態2.
以下、この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置について説明する。
この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置の回路構成は、この発明の実施の形態1(図1)と同じで、制御方式が異なる。図7は、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3がVL−Vcom端子間電圧V1に等しい状態から、電圧V1の2倍、および、電圧V1の3倍の電圧に昇圧する時のタイミングチャートを示す図である。実施の形態1との相違点は、平滑コンデンサCs2又はCs3の電圧検出値Vcs2又はVcs3が、それぞれ電圧目標値V1よりも低い状態の動作モードとして、実施の形態1で説明したモード2ではなく次に述べるモード4を用いている点である。
Embodiment 2. FIG.
A DC / DC power converter according to Embodiment 2 of the present invention will be described below.
The circuit configuration of the DC / DC power converter according to Embodiment 2 of the present invention is the same as that of Embodiment 1 (FIG. 1) of the present invention, and the control method is different. FIG. 7 is a timing chart when the voltage V3 between the VH and Vcom terminals as the output voltage is increased from the state equal to the voltage V1 between the VL and Vcom terminals to a voltage twice as high as the voltage V1 and three times as high as the voltage V1. FIG. The difference from the first embodiment is that the operation mode in which the voltage detection value Vcs2 or Vcs3 of the smoothing capacitor Cs2 or Cs3 is lower than the voltage target value V1 is not the mode 2 described in the first embodiment but the following mode. The mode 4 described below is used.

以下、実施の形態2のモード4の動作について説明する。
図8は、動作モード判定手段100から入力される動作モードがモード4の時に、ゲート信号生成手段1A、1Bが出力するゲート信号波形(G1L〜G4L、G1H〜G4H)と、LC直列体LCr1、LCr2を流れる電流、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)を流れる電流を示す図である。図中のTs2はモード4のスイッチング周期で、モード2同様、インダクタLrとコンデンサCrによるLC直列回路にて定まる共振周期Trの2倍以上の値としている。また、図中のTon2はMOSFET(S1L、S4L)のオン時間で、LC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1以下の値としている。
The operation in mode 4 of the second embodiment will be described below.
8 shows gate signal waveforms (G1L to G4L, G1H to G4H) output from the gate signal generation means 1A and 1B when the operation mode input from the operation mode determination means 100 is mode 4, LC serial body LCr1, It is a figure which shows the electric current which flows through LCr2, and the electric current which flows through each MOSFET (S1L-S4L, S1H-S4H). Ts2 in the figure is the switching period of mode 4, and, like mode 2, has a value that is at least twice the resonance period Tr determined by the LC series circuit of inductor Lr and capacitor Cr. In addition, Ton2 in the figure is the ON time of the MOSFETs (S1L, S4L), and is a value that is half or less of the resonance period Tr determined by the LC series circuit.

モード4の動作について、電流経路を交えて説明する。ここでは説明を簡単にするため、昇圧指令値が1倍から2倍に変化した直後について説明する。この条件では、動作モードBは常にモード1となるため、平滑コンデンサCs3の電圧Vcs3はゼロ、動作モードAはモード1からモード4に変化するので、平滑コンデンサCs2の初期電圧はほぼゼロとなる。
ゲート信号G1LがHighとなりMOSFET(S1L)がオン状態となると、平滑コンデンサCs1に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Cs1⇒S2L⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L
The operation of mode 4 will be described with a current path. Here, in order to simplify the description, a description will be given immediately after the boost command value changes from 1 to 2 times. Under this condition, since the operation mode B is always mode 1, the voltage Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 changes to zero, and the operation mode A changes from mode 1 to mode 4, so the initial voltage of the smoothing capacitor Cs2 becomes almost zero.
When the gate signal G1L becomes High and the MOSFET (S1L) is turned on, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cs1 is transferred to the capacitor Cr1 through the following path.
Cs1⇒S2L⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L

モード4では、LC直列回路に流れる電流がゼロになる前に、MOSFET(S1L)をターンオフさせる。この時、電流通電状態でMOSFETをターンオフするため、MOSFET(S1L)にはターンオフ損失とスイッチングサージ電圧が発生する。MOSFET(S1L)のターンオフ直後はインダクタLr1の励磁エネルギがあるため、インダクタLr1の励磁エネルギが、MOSFET(S1H、S2L)の寄生ダイオードを通って、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Lr1⇒Cr1⇒S1H⇒S2L
この時、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧がVM端子−Vcom端子間の電圧V2以下となるように、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton2を設定しておくことで、LC直列回路に流れる電流はゼロとなる。
In mode 4, the MOSFET (S1L) is turned off before the current flowing through the LC series circuit becomes zero. At this time, since the MOSFET is turned off in a current-energized state, a turn-off loss and a switching surge voltage are generated in the MOSFET (S1L). Immediately after the MOSFET (S1L) is turned off, the excitation energy of the inductor Lr1 is present. Therefore, the excitation energy of the inductor Lr1 passes through the parasitic diode of the MOSFET (S1H, S2L) and transfers to the capacitor Cr1 through the following path.
Lr1⇒Cr1⇒S1H⇒S2L
At this time, by setting the ON time Ton2 of the MOSFETs (S1L, S4L) so that the voltage of the energy transfer capacitor Cr1 is equal to or lower than the voltage V2 between the VM terminal and the Vcom terminal, the current flowing through the LC series circuit Becomes zero.

次に、MOSFET(S1H)をオンすると、コンデンサCr1に蓄えられたエネルギは、以下に示す経路でコンデンサCs2に移行する。
Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2⇒S1H
エネルギ移行用コンデンサCr1から平滑コンデンサCs2にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧が正の値となった場合は、LC直列体LCr1の電流はゼロとなる。コンデンサCr1の電圧が負の値となった場合は、MOSFET(S1H、S2L)の寄生ダイオードを通って、以下に示す経路でコンデンサCr1に電流が流れ、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧は最終的には正の値となる。
Cr1⇒S1H⇒S2L⇒Lr1
Next, when the MOSFET (S1H) is turned on, the energy stored in the capacitor Cr1 is transferred to the capacitor Cs2 through the following path.
Cr1⇒Lr1⇒S2H⇒Cs2⇒S1H
When the voltage of the capacitor Cr1 immediately after the energy transfer from the energy transfer capacitor Cr1 to the smoothing capacitor Cs2 becomes a positive value, the current of the LC series body LCr1 becomes zero. When the voltage of the capacitor Cr1 becomes a negative value, a current flows through the parasitic diode of the MOSFET (S1H, S2L) to the capacitor Cr1 through the following path, and the voltage of the energy transfer capacitor Cr1 finally becomes Is a positive value.
Cr1⇒S1H⇒S2L⇒Lr1

このように、動作モード4では、スイッチング周期Ts2をLC直列回路にて定まる共振周期Trよりも大きくし(好ましくはTrの2倍以上とし)、MOSFET(S1L)のオン時間Ton2をLC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1以下にすることで、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧振幅を抑えることができ、平滑コンデンサ電圧Vcs2が、Vcs1よりも極端に低い状態においても、安定した直流/直流電力変換動作が可能となる。   As described above, in the operation mode 4, the switching period Ts2 is set to be longer than the resonance period Tr determined by the LC series circuit (preferably set to be twice or more of Tr), and the on-time Ton2 of the MOSFET (S1L) is set to the LC series circuit. Therefore, the voltage amplitude of the energy transfer capacitor Cr1 can be suppressed, and even when the smoothing capacitor voltage Vcs2 is extremely lower than Vcs1, stable DC / DC power conversion operation is possible.

なお、動作モード4では、MOSFET(S1L)の電流通電状態でターンオフ動作を行うため、MOSFET(S1L)にターンオフ損失と、ターンオフ時のスイッチングサージ電圧がMOSFET(S1L)に発生する。これに対しては、ターンオフ損失・スイッチングサージ電圧ともに許容しうる電流値となるように、MOSFET(S1L)のオン時間Ton2を設定すればよい。
ターンオン動作に関しては、全てのMOSFETは必ずゼロ電流状態でターンオン動作をすることになるため、ターンオン損失やスイッチングサージ電圧はほぼゼロとなる。これは、スイッチング周期Ts2はLC直列回路にて定まる共振周期Trの2倍以上に設定しているため、MOSFETがオンするまでに、LC直列回路LCr1に流れる電流は必ずゼロになるためである。
In the operation mode 4, since the turn-off operation is performed while the MOSFET (S1L) is energized, a turn-off loss occurs in the MOSFET (S1L) and a switching surge voltage at the turn-off occurs in the MOSFET (S1L). In response to this, the on-time Ton2 of the MOSFET (S1L) may be set so that both the turn-off loss and the switching surge voltage are acceptable.
Regarding the turn-on operation, all MOSFETs always perform the turn-on operation in a zero current state, so that the turn-on loss and the switching surge voltage are almost zero. This is because the switching period Ts2 is set to be twice or more the resonance period Tr determined by the LC series circuit, so that the current flowing through the LC series circuit LCr1 is always zero before the MOSFET is turned on.

次に、動作モード4の別のパターンとして、動作モード4aの動作説明図を図9に示す。図9は、ゲート信号生成手段1A、1Bが出力するゲート信号波形(G1L〜G4L、G1H〜G4H)と、LC直列体LCr1、LCr2を流れる電流、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)を流れる電流を示している。図中、Ts3は動作モード4aのスイッチング周期で、インダクタLrとコンデンサCrによるLC直列回路にて定まる共振周期Trよりも大きな値としている。Ton2は、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間で、動作モード4と同様、LC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1以下の値としている。Ton3はMOSFET(S1H、S4H)のオン時間で、モード2やモード3のオン時間Tonと同じかやや長い時間にしている。   Next, as another pattern of the operation mode 4, an operation explanatory diagram of the operation mode 4a is shown in FIG. FIG. 9 shows gate signal waveforms (G1L to G4L, G1H to G4H) output from the gate signal generation means 1A and 1B, currents flowing through the LC series bodies LCr1 and LCr2, and MOSFETs (S1L to S4L, S1H to S4H). The flowing current is shown. In the figure, Ts3 is a switching period of the operation mode 4a, and has a value larger than a resonance period Tr determined by an LC series circuit including an inductor Lr and a capacitor Cr. Ton2 is the ON time of the MOSFETs (S1L, S4L), and is set to a value equal to or less than half of the resonance period Tr determined by the LC series circuit, as in the operation mode 4. Ton3 is the on time of the MOSFETs (S1H, S4H), which is the same as or slightly longer than the on time Ton of mode 2 or mode 3.

動作モード4aと動作モード4の一番の相違点は、Low側MOSFET(S1L、S4L)のターンオフした直後に、High側MOSFET(S1H、S4H)をターンオンしている点である。このような動作にすることのメリットは主に2つある。
第1のメリットは、インダクタLrからコンデンサCrへのエネルギ移行期間の間に、MOSFET(S1H、S4H)をオンさせておくことで、同期整流作用によりMOSFET(S1H)のオン電圧が低下し、損失低減が可能となることである。
第2のメリットは、動作モード4aのスイッチング周期Ts3は、動作モード4のスイッチング周期Ts2よりも短くできるため、単位時間当たりの伝送電力量が増加することである。単位時間当たりの伝送電力量が増加すると、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3の電圧遷移時間が短くなるため、直流/直流電力変換装置としての応答性が向上する。
The main difference between the operation mode 4a and the operation mode 4 is that the high-side MOSFETs (S1H, S4H) are turned on immediately after the low-side MOSFETs (S1L, S4L) are turned off. There are mainly two merits in this operation.
The first merit is that by turning on the MOSFETs (S1H, S4H) during the energy transition period from the inductor Lr to the capacitor Cr, the on-voltage of the MOSFET (S1H) is reduced due to the synchronous rectification action and the loss. It is possible to reduce.
A second merit is that the transmission period per unit time increases because the switching period Ts3 of the operation mode 4a can be shorter than the switching period Ts2 of the operation mode 4. When the amount of transmitted power per unit time increases, the voltage transition time of the VH-Vcom terminal voltage V3 as the output voltage is shortened, so that the responsiveness as a DC / DC power converter is improved.

次に、単位時間当たりの伝送電力量をさらに増加するため、平滑コンデンサ電圧(Vcs1、Vcs2、Vcs3)に応じて、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton2を変化させる方法について説明する。これまで同様、説明を簡単にするため、昇圧指令値が1倍から2倍となり、動作モードAがモード1からモード4、動作モードBがモード1の時について説明する。   Next, a method of changing the on-time Ton2 of the MOSFETs (S1L, S4L) according to the smoothing capacitor voltages (Vcs1, Vcs2, Vcs3) in order to further increase the transmission power amount per unit time will be described. As before, for the sake of simplicity of explanation, the case where the boost command value is 1 to 2 times, the operation mode A is mode 1 to mode 4, and the operation mode B is mode 1 will be described.

ゲート信号G1LがHighとなりS1Lがオン状態になった時、平滑コンデンサCs1からコンデンサCr1に流れる電流Icr(t)は、前述の式1、式2で表される。ここで、MOSFET(S1L)のオン時間がLC直列回路にて定まる共振周期Trに比べて十分小さいとすると、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧振幅は小さく、エネルギ移行動作が一巡した後のコンデンサ電圧Vcr1は、平滑コンデンサCs2の電圧Vcs2とほぼ同じ値と考えられる。その結果、MOSFET(S1L)に流れるピーク電流Icr(max)は、近似的に式11で表すことができる。   When the gate signal G1L becomes High and S1L is turned on, the current Icr (t) flowing from the smoothing capacitor Cs1 to the capacitor Cr1 is expressed by the above-described Expressions 1 and 2. Here, if the on-time of the MOSFET (S1L) is sufficiently shorter than the resonance period Tr determined by the LC series circuit, the voltage amplitude of the energy transfer capacitor Cr1 is small, and the capacitor voltage Vcr1 after the energy transfer operation is completed. Is considered to be substantially the same value as the voltage Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2. As a result, the peak current Icr (max) flowing through the MOSFET (S1L) can be approximately expressed by Expression 11.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

ここで、LrはインダクタLr1のインダクタンス値、Vcs1は平滑コンデンサCs1の電圧、Vcs2は平滑コンデンサCs2の電圧、Ton2はMOSFET(S1L)のオン時間である。式11より、MOSFET(S1L)のピーク電流Icr(max)は、平滑コンデンサ電圧Vcs2に依存することを示しており、オン時間が一定の場合、平滑コンデンサ電圧Vcs2が上昇するにつれて、ピーク電流Icr(max)は減少する。ピーク電流が減少すると伝送電力量が減少するため、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3の電圧遷移時間が増加し、DC/DC電力変換装置としての応答性が低下する。   Here, Lr is the inductance value of the inductor Lr1, Vcs1 is the voltage of the smoothing capacitor Cs1, Vcs2 is the voltage of the smoothing capacitor Cs2, and Ton2 is the ON time of the MOSFET (S1L). Expression 11 shows that the peak current Icr (max) of the MOSFET (S1L) depends on the smoothing capacitor voltage Vcs2, and when the on-time is constant, as the smoothing capacitor voltage Vcs2 increases, the peak current Icr ( max) decreases. When the peak current decreases, the amount of transmitted power decreases, so the voltage transition time of the VH-Vcom terminal voltage V3 as the output voltage increases, and the responsiveness as a DC / DC power converter decreases.

伝送電力量を減少させないためには、ピーク電流Icr(max)が一定となるように、MOSFET(S1L)のオン時間Ton2を変化させる必要がある。式12に、MOSFET(S1L)のピーク電流を一定にするための、MOSFET(S1L)のオン時間Ton2を示す。   In order not to reduce the transmission power amount, it is necessary to change the on-time Ton2 of the MOSFET (S1L) so that the peak current Icr (max) becomes constant. Equation 12 shows the on-time Ton2 of the MOSFET (S1L) for making the peak current of the MOSFET (S1L) constant.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

ここで、Vcs2(ref)は、平滑コンデンサCs2の目標電圧で、動作モード4では、Vcs2(ref)=Vcs1となる。式12で示したように、平滑コンデンサ電圧Vcs2が上昇するにつれて、MOSFET(S1L)のオン時間Ton2を増加させることで、MOSFET(S1L)のピーク電流Icr(max)をほぼ一定にすることが可能となる。
なお、動作モードBがモード4の時の動作も同様であり、平滑コンデンサ電圧Vcs3が上昇するにつれて、MOSFET(S4L)のオン時間Ton2を増加させることで、MOSFET(S4L)のピーク電流Icr(max)をほぼ一定にすることが可能となる。
Here, Vcs2 (ref) is a target voltage of the smoothing capacitor Cs2, and in the operation mode 4, Vcs2 (ref) = Vcs1. As shown in Equation 12, the peak current Icr (max) of the MOSFET (S1L) can be made substantially constant by increasing the on-time Ton2 of the MOSFET (S1L) as the smoothing capacitor voltage Vcs2 increases. It becomes.
The operation when the operation mode B is the mode 4 is the same, and as the smoothing capacitor voltage Vcs3 increases, the on-time Ton2 of the MOSFET (S4L) is increased to increase the peak current Icr (max of the MOSFET (S4L)). ) Can be made almost constant.

図10に、MOSFET(S1L)のオン時間Ton2を一定にした時と、オン時間Ton2を平滑コンデンサ電圧に応じて可変した時の、電圧指令値Vrefと出力電圧V3の推移のイメージを示す。Ton2一定時は、出力電圧V3が上昇するにつれて電圧上昇率が低下するため、目標電圧に到達するまでの時間が長くなる。Ton2可変時は、出力電圧V3が上昇しても電圧上昇率はほぼ一定となるため、目標電圧に到達するまでの時間を短縮することが可能となる。   FIG. 10 shows a transition image of the voltage command value Vref and the output voltage V3 when the on time Ton2 of the MOSFET (S1L) is made constant and when the on time Ton2 is varied according to the smoothing capacitor voltage. When Ton2 is constant, the voltage increase rate decreases as the output voltage V3 increases, so that the time until the target voltage is reached becomes longer. When Ton2 is variable, the rate of voltage increase is substantially constant even when the output voltage V3 increases, so that it is possible to shorten the time until the target voltage is reached.

以上のように、本実施の形態2では、平滑コンデンサ電圧Vcs2、Vcs3が入力電圧Vcs1に比べて十分小さい時の動作モードとして、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton2をLC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1以下で動作させることで、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧振幅を抑えることができ、エネルギ移行用コンデンサ電流Icr2の増大防止による安定動作が可能となる。また、平滑コンデンサの電圧指令値Vrefと平滑コンデンサ電圧Vcs2、Vcs3の差に応じて、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton2を変化させることで、MOSFET(S1L、S4L)のピーク電流を増やさずに単位時間当たりの伝送電力量を増加できるため、DC/DC電力変換装置としての応答性を向上することが可能となる。   As described above, in the second embodiment, the ON time Ton2 of the MOSFETs (S1L, S4L) is determined by the LC series circuit as an operation mode when the smoothing capacitor voltages Vcs2, Vcs3 are sufficiently smaller than the input voltage Vcs1. By operating at half or less of the resonance period Tr, the voltage amplitude of the energy transfer capacitor Cr1 can be suppressed, and a stable operation can be achieved by preventing an increase in the energy transfer capacitor current Icr2. Further, the peak current of the MOSFETs (S1L, S4L) is not increased by changing the ON time Ton2 of the MOSFETs (S1L, S4L) according to the difference between the voltage command value Vref of the smoothing capacitor and the smoothing capacitor voltages Vcs2, Vcs3. In addition, since the amount of transmission power per unit time can be increased, the responsiveness as a DC / DC power converter can be improved.

実施の形態3.
以下、この発明の実施の形態3によるDC/DC電力変換装置について説明する。
この発明の実施の形態3によるDC/DC電力変換装置の回路構成は、この発明の実施の形態1と同じ(図1)で、制御方式が異なる。図11は、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3がVL−Vcom端子間電圧V1の3倍の状態から、V1の2倍、および、V1と同じ電圧に電圧を下げる時のタイミングチャートを示す図である。
Embodiment 3 FIG.
A DC / DC power conversion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described below.
The circuit configuration of the DC / DC power converter according to Embodiment 3 of the present invention is the same as that of Embodiment 1 of the present invention (FIG. 1), and the control method is different. FIG. 11 is a timing chart when the voltage V3 between the VH and Vcom terminals as an output voltage is lowered from three times the voltage V1 between the VL and Vcom terminals to twice the voltage V1 and the same voltage as V1. FIG.

電圧指令値VrefがV1×3で、VH端子−Vcom端子間の電圧V3の昇圧指令値が3倍の場合、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAと、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBは、共にモード3となっている。電圧指令値VrefがV1×2になり、昇圧指令値が2倍になると、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBのみがモード5となり、平滑コンデンサCs3の電圧目標値がゼロとなる。そして、平滑コンデンサCs3の電圧検出値Vcs3が閾値電圧Vth2以下になると、動作モードBはモード1に移行する。次に、電圧指令値VrefがV1になり、昇圧指令値が1倍になると、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAのみがモード5となり、平滑コンデンサCs2の電圧目標値がゼロとなる。そして、平滑コンデンサCs2の電圧検出値Vcs2が閾値電圧Vth2以下となると、動作モードAはモード1に移行する。
ここで、動作モードがモード5からモード1に移行する判定基準として、平滑コンデンサ電圧Vcs2やVcs3が閾値電圧Vth2以下となった瞬間にモード移行するものとして図示しているが、平滑コンデンサ電圧がVth2以下となった時刻から所定の時間経過後にモード移行しても構わない。
When the voltage command value Vref is V1 × 3 and the step-up command value of the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is three times, the operation mode A output to the gate signal generation unit 1A and the output to the gate signal generation unit 1B The operation mode B to be performed is mode 3. When the voltage command value Vref becomes V1 × 2 and the boost command value is doubled, only the operation mode B output to the gate signal generating unit 1B is in mode 5, and the voltage target value of the smoothing capacitor Cs3 becomes zero. When the voltage detection value Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 becomes equal to or lower than the threshold voltage Vth2, the operation mode B shifts to mode 1. Next, when the voltage command value Vref becomes V1 and the boost command value becomes 1 time, only the operation mode A output to the gate signal generating means 1A becomes the mode 5, and the voltage target value of the smoothing capacitor Cs2 becomes zero. . When the voltage detection value Vcs2 of the smoothing capacitor Cs2 becomes equal to or lower than the threshold voltage Vth2, the operation mode A shifts to mode 1.
Here, as a criterion for transitioning the operation mode from mode 5 to mode 1, the mode transition is illustrated at the moment when the smoothing capacitor voltages Vcs2 and Vcs3 become equal to or lower than the threshold voltage Vth2, but the smoothing capacitor voltage is Vth2. The mode may be changed after a predetermined time has elapsed from the time point below.

以下、実施の形態3のモード5の動作について説明する。
図12は、動作モード判定手段100から入力される動作モードがモード5の時に、ゲート信号生成手段1A、1Bが出力するゲート信号波形(G1L〜G4L、G1H〜G4H)と、LC直列体LCr1、LCr2を流れる電流、各MOSFET(S1L〜S4L、S1H〜S4H)を流れる電流を示す図である。図中のTs4はモード5のスイッチング周期で、インダクタLrとコンデンサCrによるLC直列回路にて定まる共振周期Trの2倍以上の値としている。また、図中のTon4はMOSFET(S1L、S4L)のオン時間で、LC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1以下の値としている。
The operation in mode 5 of the third embodiment will be described below.
12 shows the gate signal waveforms (G1L to G4L, G1H to G4H) output from the gate signal generating means 1A and 1B when the operation mode input from the operation mode determining means 100 is mode 5, and the LC serial body LCr1, It is a figure which shows the electric current which flows through the LCr2, and each MOSFET (S1L-S4L, S1H-S4H). Ts4 in the figure is the switching period of mode 5, and is a value that is at least twice the resonance period Tr determined by the LC series circuit composed of the inductor Lr and the capacitor Cr. In addition, Ton4 in the figure is the ON time of the MOSFETs (S1L, S4L), and is a value that is half or less of the resonance period Tr determined by the LC series circuit.

モード5の動作について、電流経路を交えて説明する。ここでは説明を簡単にするため、昇圧指令値が2倍から1倍に変化した時について説明する。この条件では、動作モードBは常にモード1となるため平滑コンデンサCs3の電圧Vcs3はゼロ、動作モードAはモード3からモード5に変化するので、平滑コンデンサCs2の初期電圧はV1、エネルギ移行用コンデンサCr1の初期電圧はV1にほぼ等しい値となる。   The operation in mode 5 will be described with a current path. Here, in order to simplify the description, a case where the boost command value changes from 2 times to 1 time will be described. Under this condition, since the operation mode B is always mode 1, the voltage Vcs3 of the smoothing capacitor Cs3 is zero, and the operation mode A changes from mode 3 to mode 5. Therefore, the initial voltage of the smoothing capacitor Cs2 is V1, and the energy transfer capacitor The initial voltage of Cr1 is almost equal to V1.

ゲート信号G2HがHighとなりMOSFET(S2H)がオン状態となると、平滑コンデンサCs2に蓄えられたエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Cs2⇒S2H⇒Lr1⇒Cr1⇒S1H
LC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1の時間が経過すると、LC直列回路LCr1に流れる電流はゼロになる。LC直列回路LCr1に流れる電流がゼロになった後、ゲート信号G1LをHighとし、MOSFET(S1L)がオン状態となると、平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs2に蓄えられたエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Cs1⇒Cs2⇒S2H⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L
When the gate signal G2H becomes High and the MOSFET (S2H) is turned on, the energy stored in the smoothing capacitor Cs2 is transferred to the capacitor Cr1 through the following path.
Cs2⇒S2H⇒Lr1⇒Cr1⇒S1H
When half the time of the resonance period Tr determined by the LC series circuit has elapsed, the current flowing through the LC series circuit LCr1 becomes zero. After the current flowing through the LC series circuit LCr1 becomes zero, when the gate signal G1L is set to High and the MOSFET (S1L) is turned on, the energy stored in the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs2 is expressed by the following path. Transition to capacitor Cr1.
Cs1⇒Cs2⇒S2H⇒Lr1⇒Cr1⇒S1L

モード5では、LC直列回路に流れる電流がゼロになる前に、MOSFET(S1L)をターンオフさせる。この時、電流通電状態でMOSFETをターンオフするため、MOSFET(S1L)にはターンオフ損失とスイッチングサージ電圧が発生する。MOSFET(S1L)のターンオフ直後はインダクタLr1の励磁エネルギがあるため、平滑コンデンサCs2に蓄えられたエネルギとインダクタLr1の励磁エネルギが、MOSFET(S1H)の寄生ダイオードを通って、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Cs2⇒S2H⇒Lr1⇒Cr1⇒S1H
この時、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧がVM端子−Vcom端子間の電圧V2以下となるように、MOSFET(S1L)のオン時間Ton4を設定しておくことで、LC直列回路に流れる電流はゼロとなる。
In mode 5, the MOSFET (S1L) is turned off before the current flowing through the LC series circuit becomes zero. At this time, since the MOSFET is turned off in a current-energized state, a turn-off loss and a switching surge voltage are generated in the MOSFET (S1L). Immediately after the MOSFET (S1L) is turned off, the excitation energy of the inductor Lr1 is present, so the energy stored in the smoothing capacitor Cs2 and the excitation energy of the inductor Lr1 pass through the parasitic diode of the MOSFET (S1H) and pass through the capacitor shown in the following path. Transition to Cr1.
Cs2⇒S2H⇒Lr1⇒Cr1⇒S1H
At this time, by setting the ON time Ton4 of the MOSFET (S1L) so that the voltage of the energy transfer capacitor Cr1 is equal to or lower than the voltage V2 between the VM terminal and the Vcom terminal, the current flowing through the LC series circuit is zero. It becomes.

次に、MOSFET(S2L)をオンすると、コンデンサCr1に蓄えられたエネルギは、以下に示す経路で平滑コンデンサCs1に移行する。
Cr1⇒Lr1⇒S2L⇒Cs1⇒S1L
この時、MOSFET(S1L)には寄生ダイオードが形成されているため、ゲート制御信号G1Lは原則不要だが、寄生ダイオード導通時にオンさせるようなゲート制御信号G1Lを入力すれば、MOSFETの同期整流作用によるオン電圧低下により、MOSFET(S1L)の損失低減が可能となる。エネルギ移行用コンデンサCr1から平滑コンデンサCs2にエネルギが移行した直後のコンデンサCr1の電圧が正の値となった場合は、LC直列体LCr1の電流はゼロとなる。コンデンサCr1の電圧が負の値となった場合は、MOSFET(S1H、S2L)の寄生ダイオードを通って、以下に示す経路でコンデンサCr1に電流が流れ、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧は最終的には正の値となる。
Cr1⇒S1H⇒S2L⇒Lr1
Next, when the MOSFET (S2L) is turned on, the energy stored in the capacitor Cr1 shifts to the smoothing capacitor Cs1 through the following path.
Cr1⇒Lr1⇒S2L⇒Cs1⇒S1L
At this time, since a parasitic diode is formed in the MOSFET (S1L), the gate control signal G1L is not necessary in principle. However, if a gate control signal G1L that is turned on when the parasitic diode is turned on is input, the synchronous rectification action of the MOSFET The loss of the MOSFET (S1L) can be reduced by the decrease of the on-voltage. When the voltage of the capacitor Cr1 immediately after the energy transfer from the energy transfer capacitor Cr1 to the smoothing capacitor Cs2 becomes a positive value, the current of the LC series body LCr1 becomes zero. When the voltage of the capacitor Cr1 becomes a negative value, a current flows through the parasitic diode of the MOSFET (S1H, S2L) to the capacitor Cr1 through the following path, and the voltage of the energy transfer capacitor Cr1 finally becomes Is a positive value.
Cr1⇒S1H⇒S2L⇒Lr1

このように、動作モードAをモード5で動作させることで、高電位側に配置された平滑コンデンサCs2から低電位側に配置された平滑コンデンサCs1にエネルギを移行できるため、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3を、V1×2倍からV1×1倍に下げることができる。同様に、動作モードBをモード5で動作させることで、高電位側に配置された平滑コンデンサCs3から低電位側に配置された平滑コンデンサCs1にエネルギを移行できるため、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3を、V1×3倍からV1×2倍に下げることができる。   In this way, by operating the operation mode A in mode 5, energy can be transferred from the smoothing capacitor Cs2 arranged on the high potential side to the smoothing capacitor Cs1 arranged on the low potential side, so that VH− The Vcom terminal voltage V3 can be lowered from V1 × 2 times to V1 × 1 times. Similarly, by operating the operation mode B in mode 5, energy can be transferred from the smoothing capacitor Cs3 arranged on the high potential side to the smoothing capacitor Cs1 arranged on the low potential side, so that VH-Vcom as the output voltage The terminal voltage V3 can be lowered from V1 × 3 times to V1 × 2 times.

なお、動作モード5では、MOSFET(S1L、S4L)の電流通電状態でターンオフ動作を行うため、MOSFET(S1L、S4L)にターンオフ損失と、ターンオフ時のスイッチングサージ電圧が発生する。これに対しては、ターンオフ損失・スイッチングサージ電圧ともに許容しうる電流値となるように、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton4を設定すればよい。ターンオン動作に関しては、全てのMOSFETは必ずゼロ電流状態でターンオン動作をすることになるため、ターンオン損失やスイッチングサージ電圧はほぼゼロとなる。   In the operation mode 5, since the turn-off operation is performed with the current conduction of the MOSFETs (S1L, S4L), a turn-off loss and a switching surge voltage at the turn-off are generated in the MOSFETs (S1L, S4L). For this, the on-time Ton4 of the MOSFETs (S1L, S4L) may be set so that both the turn-off loss and the switching surge voltage are acceptable. Regarding the turn-on operation, all MOSFETs always perform the turn-on operation in a zero current state, so that the turn-on loss and the switching surge voltage are almost zero.

次に、単位時間当たりの伝送電力量をさらに増加するため、平滑コンデンサ電圧(Vcs1、Vcs2、Vcs3)に応じて、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton4を変化させる方法について説明する。ここでは説明を簡単にするため、昇圧指令値が2倍から1倍となり、動作モードAがモード3からモード5、動作モードBがモード1の時について説明する。   Next, a method of changing the on-time Ton4 of the MOSFETs (S1L, S4L) according to the smoothing capacitor voltages (Vcs1, Vcs2, Vcs3) in order to further increase the transmission power amount per unit time will be described. Here, in order to simplify the description, a case where the boost command value is doubled to 1 time, the operation mode A is mode 3 to mode 5, and the operation mode B is mode 1 will be described.

ゲート信号G1LがHighとなりMOSFET(S1L)がオン状態になった時、平滑コンデンサCs1からコンデンサCr1に流れる電流Icr(t)は、式13と前述の式2で表される。   When the gate signal G1L becomes High and the MOSFET (S1L) is turned on, the current Icr (t) flowing from the smoothing capacitor Cs1 to the capacitor Cr1 is expressed by Expression 13 and Expression 2 described above.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

ここで、RはCs1、Cs2、S2H、Lr1、Cr1、S1Lの合計抵抗成分、Vcr0はMOSFET(S1L)がオンする直前のコンデンサCr1の初期電圧である。また、コンデンサ電流Icr(t)の符号は、図1においてインダクタLr1からコンデンサCr1に流れる方向を正とした。MOSFET(S1L)のオン時間がLC直列回路にて定まる共振周期Trに比べて十分小さいとすると、エネルギ移行用コンデンサCr1の電圧振幅は小さく、MOSFET(S1L)がオンする直前のコンデンサ電圧Vcr0は、平滑コンデンサCs1の電圧Vcs1とほぼ同じ値と考えられる。その結果、MOSFET(S1L)に流れるピーク電流Icr(max)は、式14で近似的に表すことができる。   Here, R is a total resistance component of Cs1, Cs2, S2H, Lr1, Cr1, and S1L, and Vcr0 is an initial voltage of the capacitor Cr1 immediately before the MOSFET (S1L) is turned on. The sign of the capacitor current Icr (t) is positive in the direction flowing from the inductor Lr1 to the capacitor Cr1 in FIG. If the ON time of the MOSFET (S1L) is sufficiently shorter than the resonance period Tr determined by the LC series circuit, the voltage amplitude of the energy transfer capacitor Cr1 is small, and the capacitor voltage Vcr0 immediately before the MOSFET (S1L) is turned on is It is considered that the value is substantially the same as the voltage Vcs1 of the smoothing capacitor Cs1. As a result, the peak current Icr (max) flowing through the MOSFET (S1L) can be approximately expressed by Expression 14.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

ここで、LrはインダクタLr1のインダクタンス値、Vcs2は平滑コンデンサCs2の電圧、Ton4はMOSFET(S1L)のオン時間である。式14より、MOSFET(S1L)のピーク電流Icr(max)は、平滑コンデンサ電圧Vcs2に比例することを示しており、オン時間が一定の場合、平滑コンデンサ電圧Vcs2が減少するにつれて、ピーク電流Icr(max)は減少する。ピーク電流が減少すると伝送電力量が減少するため、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3の電圧遷移時間が増加し、直流/直流電力変換装置としての応答性が低下する。   Here, Lr is the inductance value of the inductor Lr1, Vcs2 is the voltage of the smoothing capacitor Cs2, and Ton4 is the ON time of the MOSFET (S1L). Expression 14 shows that the peak current Icr (max) of the MOSFET (S1L) is proportional to the smoothing capacitor voltage Vcs2, and when the on-time is constant, as the smoothing capacitor voltage Vcs2 decreases, the peak current Icr ( max) decreases. When the peak current decreases, the amount of transmitted power decreases, so the voltage transition time of the VH-Vcom terminal voltage V3 as the output voltage increases, and the responsiveness as a DC / DC power converter decreases.

平滑コンデンサ電圧Vcs2に応じて、MOSFET(S1L)のオン時間Ton4を変化させることで、ピーク電流Icr(max)を一定にすることでき、伝送電力量の減少を抑制することができる。式15に、MOSFET(S1L)のピーク電流を一定にするための、MOSFET(S1L)のオン時間Ton4を示す。   By changing the ON time Ton4 of the MOSFET (S1L) according to the smoothing capacitor voltage Vcs2, the peak current Icr (max) can be made constant, and the reduction in the transmission power amount can be suppressed. Equation 15 shows the on time Ton4 of the MOSFET (S1L) for making the peak current of the MOSFET (S1L) constant.

Figure 2011004557
Figure 2011004557

ここで、Vcs2(ref)は、平滑コンデンサCs2の目標電圧で、動作モード5では、Vcs2(ref)はゼロとなる。式15で示したように、MOSFET(S1L)のオン時間Ton4を、平滑コンデンサ電圧Vcs2に反比例させることで、MOSFET(S1L)のピーク電流Icr(max)をほぼ一定にすることが可能となる。動作モードBがモード5の時の動作も同様であり、MOSFET(S4L)のオン時間Ton4を、平滑コンデンサ電圧Vcs3に反比例させることで、MOSFET(S4L)のピーク電流Icr(max)をほぼ一定にすることが可能となる。
MOSFET(S1L、S4L)のピーク電流Icr(max)をほぼ一定にすることで、伝送電力量の減少を抑制することができ、目標電圧に到達するまでの時間を短縮することが可能となる。
Here, Vcs2 (ref) is a target voltage of the smoothing capacitor Cs2, and in the operation mode 5, Vcs2 (ref) is zero. As shown in Expression 15, the peak current Icr (max) of the MOSFET (S1L) can be made substantially constant by making the on-time Ton4 of the MOSFET (S1L) inversely proportional to the smoothing capacitor voltage Vcs2. The operation when the operation mode B is mode 5 is the same, and by making the on-time Ton4 of the MOSFET (S4L) inversely proportional to the smoothing capacitor voltage Vcs3, the peak current Icr (max) of the MOSFET (S4L) becomes substantially constant. It becomes possible to do.
By making the peak current Icr (max) of the MOSFETs (S1L, S4L) substantially constant, it is possible to suppress a decrease in the transmission power amount, and to shorten the time until the target voltage is reached.

以上のように、本実施の形態3では、昇圧比を下げる時の過渡動作モードとして、MOSFET(2H、3H)のオンしている期間内に、MOSFET(S1L、S4L)をLC直列回路にて定まる共振周期Trの2分の1以下の時間オンさせることで、高電位側に配置された平滑コンデンサから低電位側に配置された平滑コンデンサにエネルギ移行を行うことが可能となる。また、平滑コンデンサの電圧指令値Vrefと平滑コンデンサ電圧Vcs2又はVcs3の差に応じて、MOSFET(S1L、S4L)のオン時間Ton4を変化させることで、単位時間当たりの伝送電力量を増加でき、DC/DC電力変換装置としての応答性を向上することが可能となる。   As described above, in the third embodiment, as a transient operation mode when the step-up ratio is lowered, the MOSFETs (S1L, S4L) are used in the LC series circuit during the period in which the MOSFETs (2H, 3H) are on. By turning on for a time that is half or less of the determined resonance period Tr, it is possible to transfer energy from the smoothing capacitor arranged on the high potential side to the smoothing capacitor arranged on the low potential side. Further, by changing the ON time Ton4 of the MOSFET (S1L, S4L) according to the difference between the voltage command value Vref of the smoothing capacitor and the smoothing capacitor voltage Vcs2 or Vcs3, the amount of transmission power per unit time can be increased. As a result, the responsiveness as a DC power converter can be improved.

実施の形態4.
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したDC/DC電力変換装置(図1)と同じ構成及び動作モードを有する装置において、低圧側電圧(VL−Vcom間電圧)が大きく変動した場合の制御方法について説明する。
Embodiment 4 FIG.
In the present embodiment, in a device having the same configuration and operation mode as the DC / DC power conversion device (FIG. 1) described in the above embodiment, the low-voltage side voltage (VL-Vcom voltage) varies greatly. A control method will be described.

第1の場合として、初期状態は、VL−Vcom端子間の電圧検出値Vcs1が150V、電圧指令値Vrefが300Vとする。動作モード判定手段100は、電圧指令値Vref及び電圧検出値Vcs1に基づき、昇圧指令値は2倍と判断し、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAはモード3、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBはモード1とする。
ここで、VL−Vcom端子間の電圧検出値Vcs1が150Vから100Vに減少した場合、動作モード判定手段100は昇圧指令値を2倍から3倍に変更し、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAはモード3を維持、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBはモード1からモード2(若しくはモード4、モード4a)を経由してモード3に移行する。その結果、VH−Vcom端子間の電圧は300Vとなり、低圧側電圧(VL−Vcom端子間の電圧)の減少による高圧側電圧(VH−Vcom端子間の電圧)の減少を低減することが可能となる。高圧側電圧が異常に減少するのを防止することで、高圧側電圧に接続される機器への影響を低減することが可能になる。
このように、動作モード判定手段100は、電圧指令値Vrefと電圧検出値Vcs1に応じて昇圧指令値を決定することで、低圧側電圧(VL−Vcom間電圧)が極端に低下した場合においても、高圧側電圧(VH−Vcom間電圧)の変動を低減し、所望の値を維持することが可能となる。
As a first case, in the initial state, the voltage detection value Vcs1 between the VL and Vcom terminals is 150V, and the voltage command value Vref is 300V. The operation mode determination unit 100 determines that the boost command value is double based on the voltage command value Vref and the voltage detection value Vcs1, and the operation mode A output to the gate signal generation unit 1A is mode 3, and the gate signal generation unit 1B. The operation mode B output to is assumed to be mode 1.
Here, when the voltage detection value Vcs1 between the VL and Vcom terminals decreases from 150V to 100V, the operation mode determination unit 100 changes the boost command value from 2 times to 3 times, and is output to the gate signal generation unit 1A. The operation mode A maintains mode 3, and the operation mode B output to the gate signal generation means 1B shifts from mode 1 to mode 3 via mode 2 (or mode 4 or mode 4a). As a result, the voltage between the VH and Vcom terminals becomes 300 V, and the decrease in the high voltage side voltage (the voltage between the VH and Vcom terminals) due to the decrease in the low voltage side voltage (the voltage between the VL and Vcom terminals) can be reduced. Become. By preventing the high voltage side voltage from decreasing abnormally, it is possible to reduce the influence on the equipment connected to the high voltage side voltage.
As described above, the operation mode determination unit 100 determines the boost command value according to the voltage command value Vref and the voltage detection value Vcs1, so that even when the low-voltage side voltage (voltage between VL and Vcom) is extremely lowered. Therefore, it is possible to reduce fluctuations in the high-voltage side voltage (voltage between VH and Vcom) and maintain a desired value.

第2の場合として、初期状態は、VL−Vcom端子間の電圧検出値Vcs1が100V、電圧指令値Vrefが300Vとする。動作モード判定手段100は、電圧指令値Vrefと電圧検出値Vcs1より、昇圧指令値は3倍と判断し、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAとゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBは共にモード3とする。
ここで、VL−Vcom端子間の電圧検出値Vcs1が100Vから150Vに増加した場合、動作モード判定手段100は昇圧指令値を3倍から2倍に変更し、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAはモード3を維持、ゲート信号生成手段1Bに出力される動作モードBはモード3からモード5を経由してモード1に移行する。その結果、VH−Vcom端子間電圧は300Vとなり、低圧側電圧(VL−Vcom端子間の電圧)の増加による高圧側電圧(VH−Vcom端子間の電圧)の増加を低減することが可能となる。高圧側電圧が異常に上昇するのを防止することで、高圧側電圧に接続される部品の耐圧を下げることが可能になる。
このように、動作モード判定手段100は、電圧指令値Vrefと電圧検出値Vcs1に応じて昇圧指令値を決定することで、低圧側電圧(VL−Vcom間電圧)が異常に上昇した場合においても、高圧側電圧(VH−Vcom間電圧)の変動を低減し、所望の値に維持することが可能となる。
As a second case, in the initial state, the voltage detection value Vcs1 between the VL and Vcom terminals is 100V, and the voltage command value Vref is 300V. The operation mode determination unit 100 determines that the boost command value is tripled from the voltage command value Vref and the voltage detection value Vcs1, and outputs the operation mode A to the gate signal generation unit 1A and the gate signal generation unit 1B. Both operation modes B are mode 3.
Here, when the voltage detection value Vcs1 between the VL-Vcom terminals increases from 100V to 150V, the operation mode determination means 100 changes the boost command value from 3 times to 2 times and outputs it to the gate signal generation means 1A. The operation mode A maintains mode 3, and the operation mode B output to the gate signal generation means 1B shifts from mode 3 to mode 1 via mode 5. As a result, the voltage between the VH and Vcom terminals becomes 300 V, and the increase in the high voltage side voltage (voltage between the VH and Vcom terminals) due to the increase in the low voltage side voltage (voltage between the VL and Vcom terminals) can be reduced. . By preventing the high-voltage side voltage from rising abnormally, it is possible to reduce the withstand voltage of the components connected to the high-voltage side voltage.
As described above, the operation mode determination unit 100 determines the boost command value according to the voltage command value Vref and the voltage detection value Vcs1, so that even when the low-voltage side voltage (voltage between VL and Vcom) rises abnormally. The fluctuation of the high-voltage side voltage (voltage between VH and Vcom) can be reduced and maintained at a desired value.

実施の形態5.
図13はこの発明の実施の形態5によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図である。図13のDC/DC電力変換装置の回路構成は、図1のDC/DC電力変換装置の回路構成と比較して、第1のブリッジ回路の中間端子と第2のブリッジ回路の中間端子との間のLC直列体の接続態様が相違する。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a circuit configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to Embodiment 5 of the present invention. The circuit configuration of the DC / DC power conversion device in FIG. 13 is different from the circuit configuration of the DC / DC power conversion device in FIG. 1 between the intermediate terminal of the first bridge circuit and the intermediate terminal of the second bridge circuit. The connection mode of the LC series body is different.

すなわち、第1のブリッジ回路A11内の2つのMOSFET(S1L、S1H)の接続点となる中間端子と、第2のブリッジ回路A2内の2つのMOSFET(S2L、S2H)の接続点となる中間端子との間に、コンデンサCr1とインダクタLr1の直列体で構成されるLC直列体LCr1を接続する。そして、第1のブリッジ回路A11内の2つのMOSFET(S1L、S1H)の接続点となる中間端子と、第2のブリッジ回路A3内の2つのMOSFET(S3L、S3H)の接続点となる中間端子との間に、コンデンサCr2とインダクタLr2の直列体で構成されるLC直列体LCr2を接続する。   That is, an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S1L, S1H) in the first bridge circuit A11 and an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S2L, S2H) in the second bridge circuit A2. The LC series body LCr1 composed of the series body of the capacitor Cr1 and the inductor Lr1 is connected between the capacitor and the inductor Lr1. An intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S1L, S1H) in the first bridge circuit A11 and an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S3L, S3H) in the second bridge circuit A3. The LC series body LCr2 composed of a series body of the capacitor Cr2 and the inductor Lr2 is connected between the capacitor and the inductor Lr2.

そして、図13(b)に示すように、制御回路1は、動作モード判定手段100と、ゲート信号生成手段1Aによって構成されており、動作モード判定手段100は、電圧指令値Vrefと、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の電圧検出値Vcs1、Vcs2、Vcs3に応じて、DC/DC電力変換装置の動作モードを判定する機能を有している。ここで、LC直列体を介してその中間端子を接続された第1のブリッジ回路と第2のブリッジ回路は、同じ動作モードとなるように構成されているので、第1のブリッジ回路A11と第2のブリッジ回路A2及びA3は動作モードAで動作させることとなる。
そして、ゲート信号生成手段1Aは、動作モードAに応じてMOSFET(S1L、S1H、S2L、S2H、S3L、S3H)を制御するためのゲート信号G1L、G1H、G2L、G2H、G3L、G3Hを生成し、ゲート駆動回路21、22、23に出力する。
As shown in FIG. 13B, the control circuit 1 includes an operation mode determination unit 100 and a gate signal generation unit 1A. The operation mode determination unit 100 includes a voltage command value Vref, a smoothing capacitor, and the like. It has a function of determining the operation mode of the DC / DC power converter according to the voltage detection values Vcs1, Vcs2, and Vcs3 of Cs1, Cs2, and Cs3. Here, since the first bridge circuit and the second bridge circuit, whose intermediate terminals are connected via the LC serial body, are configured to have the same operation mode, the first bridge circuit A11 and the second bridge circuit are connected to each other. The second bridge circuits A2 and A3 are operated in the operation mode A.
Then, the gate signal generation unit 1A generates gate signals G1L, G1H, G2L, G2H, G3L, and G3H for controlling the MOSFETs (S1L, S1H, S2L, S2H, S3L, and S3H) according to the operation mode A. , Output to the gate drive circuits 21, 22, 23.

次に、動作モード判定手段100の動作について説明する。
まず、VH端子−Vcom端子間の電圧V3がVL−Vcom端子間の電圧V1に等しい状態から、V1の3倍の電圧に昇圧する場合について説明する。
電圧指令値VrefがV1と等しく、VH端子−Vcom端子間の電圧V3の昇圧指令値が1倍の場合、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAは、モード1となっている。電圧指令値VrefがV1×3となり、昇圧指令値が3倍になると、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAがモード2、4又は4aとなり、平滑コンデンサ電圧Vcs2が閾値電圧Vth1以上となると、動作モードAはモード3に移行する。なお、モード1、2、4、4a及び3は上記の実施の形態で説明した通りである。
次に、出力電圧としてのVH−Vcom端子間電圧V3がVL−Vcom端子間電圧V1の3倍の状態から、V1と同じ電圧に降圧する場合について説明する。
電圧指令値VrefがV1×3で、VH端子−Vcom端子間の電圧V3の昇圧指令値が3倍の場合、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAは、モード3となっている。電圧指令値VrefがV1になり、昇圧指令値が1倍になると、ゲート信号生成手段1Aに出力される動作モードAがモード5となり、平滑コンデンサ電圧Vcs2が閾値電圧Vth2以下となると、動作モードAはモード1に移行する。なお、モード5は上記の実施の形態で説明した通りである。
Next, the operation of the operation mode determination unit 100 will be described.
First, a case where the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is boosted to a voltage three times V1 from a state where the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is equal to the voltage V1 between the VL and Vcom terminals is described.
When the voltage command value Vref is equal to V1 and the step-up command value of the voltage V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is 1 time, the operation mode A output to the gate signal generating means 1A is mode 1. When the voltage command value Vref is V1 × 3 and the boost command value is tripled, the operation mode A output to the gate signal generating unit 1A is mode 2, 4 or 4a, and the smoothing capacitor voltage Vcs2 is equal to or higher than the threshold voltage Vth1. Then, the operation mode A shifts to mode 3. Modes 1, 2, 4, 4a and 3 are as described in the above embodiment.
Next, the case where the voltage V3 between the VH and Vcom terminals as the output voltage is stepped down from the state of three times the voltage V1 between the VL and Vcom terminals to the same voltage as V1 will be described.
When the voltage command value Vref is V1 × 3 and the voltage command value V3 between the VH terminal and the Vcom terminal is triple, the operation mode A output to the gate signal generating unit 1A is mode 3. When the voltage command value Vref becomes V1 and the boost command value becomes 1 time, the operation mode A output to the gate signal generating means 1A becomes mode 5, and when the smoothing capacitor voltage Vcs2 becomes the threshold voltage Vth2 or less, the operation mode A Shifts to mode 1. Mode 5 is as described in the above embodiment.

以上のように、図13に示すDC/DC電力変換装置の回路構成においても、上記実施の形態と同様、高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段1Aと、平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段31、32、33と、平滑コンデンサの電圧指令値Vrefと電圧検出値Vcs1、Vcs2、Vcs3に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段100とを備え、ゲート信号生成手段1Aは、動作モード判定手段100によって判定された動作モードに応じてゲート信号パターンを変化させることにより、過電流を抑制した安定的な電圧遷移動作が可能となる。   As described above, also in the circuit configuration of the DC / DC power converter shown in FIG. 13, the gate signal for generating the gate signal for on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element is the same as in the above embodiment. Operation mode for determining the operation mode according to the generation means 1A, voltage detection means 31, 32, 33 for detecting the voltage of the smoothing capacitor, and the voltage command value Vref and the voltage detection values Vcs1, Vcs2, Vcs3 of the smoothing capacitor The gate signal generation unit 1A includes a determination unit 100. The gate signal generation unit 1A can perform a stable voltage transition operation with suppressed overcurrent by changing the gate signal pattern according to the operation mode determined by the operation mode determination unit 100. It becomes.

実施の形態6.
以下、この発明の実施の形態6によるDC/DC電力変換装置について説明する。
図14は、この発明の実施の形態6によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図であり、図15は図14のDC/DC電力変換装置の制御装置を示す図である。図14に示したDC/DC電力変換装置は、VH端子−Vcom端子間の電圧VnをV1端子−Vcom端子の電圧V1の約n倍、約(n−1)倍、・・・約1倍に昇圧した電圧を出力する機能を有する。同様に、Vk端子−Vcom端子間の電圧VkをV1端子−Vcom端子の電圧V1の約k倍、約(k−1)倍、・・・約1倍に昇圧した電圧を出力する機能を有する。ただし、k=2、・・・、nであり、nは2以上の整数である。
Embodiment 6 FIG.
Hereinafter, a DC / DC power converter according to Embodiment 6 of the present invention will be described.
14 is a diagram showing a circuit configuration of a DC / DC power converter according to Embodiment 6 of the present invention, and FIG. 15 is a diagram showing a controller of the DC / DC power converter of FIG. In the DC / DC power converter shown in FIG. 14, the voltage Vn between the VH terminal and the Vcom terminal is approximately n times, approximately (n−1) times, approximately approximately 1 time the voltage V1 between the V1 terminal and the Vcom terminal. Has a function of outputting a boosted voltage. Similarly, it has a function of outputting a voltage obtained by boosting the voltage Vk between the Vk terminal and the Vcom terminal to about k times, about (k-1) times, about 1 time the voltage V1 of the V1 terminal to the Vcom terminal. . However, k = 2,..., N, and n is an integer of 2 or more.

図14において、DC/DC電力変換装置の主回路構成は、入出力電圧の平滑化とエネルギ移行のための電圧源として機能する第1平滑コンデンサCs1、第2平滑コンデンサCs2、・・・、第k平滑コンデンサCsk、・・・、第n平滑コンデンサCsnが直列接続されている。第1平滑コンデンサCs1の低圧側端子に基準電圧端子Vcomを、第1平滑コンデンサCs1の高圧側端子に第1出力端子V1を、第2平滑コンデンサCs2の高圧側端子に第2出力端子V2を、・・・、第n平滑コンデンサCsnの高圧側端子に高圧出力端子Vn(VH)を接続している。
低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしての2つのMOSFET(S11L、S11H)を直列接続した回路A11、・・・、低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしてのMOSFET(S1mL、S1mH)を直列接続した回路A1mは、それぞれ第1平滑コンデンサCs1の両端子間に接続されることで、第1のブリッジ回路A11、・・・、A1mを構成している。ただし、mは1≦m≦n−1を満たす整数である。
また、低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしてのMOSFET(S2L、S2H)を直列接続した回路A2は第2平滑コンデンサCs2の両端子間に接続され、・・・、低圧側スイッチ及び高圧側スイッチとしてのMOSFET(SnL、SnH)を直列接続した回路Anは第n平滑コンデンサCsnの両端子間に接続されることで、それぞれ第2のブリッジ回路A2、・・・、Anを構成している。
In FIG. 14, the main circuit configuration of the DC / DC power conversion apparatus includes a first smoothing capacitor Cs1, a second smoothing capacitor Cs2,..., Which function as a voltage source for smoothing input / output voltages and transferring energy. k smoothing capacitors Csk,..., nth smoothing capacitor Csn are connected in series. The reference voltage terminal Vcom is connected to the low voltage side terminal of the first smoothing capacitor Cs1, the first output terminal V1 is connected to the high voltage side terminal of the first smoothing capacitor Cs1, the second output terminal V2 is connected to the high voltage side terminal of the second smoothing capacitor Cs2. ..., the high voltage output terminal Vn (VH) is connected to the high voltage side terminal of the nth smoothing capacitor Csn.
A circuit A11 in which two MOSFETs (S11L, S11H) as a low voltage side switch and a high voltage side switch are connected in series, and a circuit A1m in which MOSFETs (S1mL, S1mH) as a low voltage side switch and a high voltage side switch are connected in series are The first bridge circuits A11,..., A1m are configured by being connected between both terminals of the first smoothing capacitor Cs1. However, m is an integer satisfying 1 ≦ m ≦ n−1.
Further, a circuit A2 in which MOSFETs (S2L, S2H) as a low-voltage side switch and a high-voltage side switch are connected in series is connected between both terminals of the second smoothing capacitor Cs2, and so on. A circuit An in which MOSFETs (SnL, SnH) are connected in series is connected between both terminals of the nth smoothing capacitor Csn, thereby constituting a second bridge circuit A2,.

第1のブリッジ回路A11内の2つのMOSFET(S11L、S11H)の接続点となる中間端子と、第2のブリッジ回路A2内の2つのMOSFET(S2L、S2H)の接続点となる中間端子との間に、コンデンサCr1とインダクタLr1の直列体で構成され、エネルギ移行素子として機能するLC直列体LCr1を接続する。同様に、第1のブリッジ回路A1m内の2つのMOSFET(S1mL、S1mH)の接続点となる中間端子と、第2のブリッジ回路An内の2つのMOSFET(SnL、SnH)の接続点となる中間端子との間に、コンデンサCrmとインダクタLrmの直列体で構成され、エネルギ移行素子として機能するLC直列体LCrmを接続する。この様に、第1のブリッジ回路内の2つのMOSFETの中間端子と、第2のブリッジ回路内の2つのMOSFETの接続点となる中間端子との間には、コンデンサCrとインダクタLrの直列体で構成され、エネルギ移行素子として機能するLC直列体が接続されている。ここで、図1の構成のように、第1のブリッジ回路内の中間端子から、第2のブリッジ回路内の中間端子へ1対1の対応でコンデンサとインダクタから成るLC直列体が接続されていても良い(この場合、m=n)し、上記実施の形態5で説明したように、1つの第1のブリッジ回路内の中間端子から、複数の第2のブリッジ回路内の中間端子へ、コンデンサとインダクタから成る複数のLC直列体が接続されている構成も可能である。したがって、mは1≦m≦n−1を満たす整数となる。   An intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S11L and S11H) in the first bridge circuit A11 and an intermediate terminal serving as a connection point between the two MOSFETs (S2L and S2H) in the second bridge circuit A2. An LC series body LCr1 that is configured by a series body of a capacitor Cr1 and an inductor Lr1 and functions as an energy transfer element is connected between them. Similarly, an intermediate terminal that is a connection point of two MOSFETs (S1mL, S1mH) in the first bridge circuit A1m and an intermediate point that is a connection point of two MOSFETs (SnL, SnH) in the second bridge circuit An. An LC series body LCrm, which is constituted by a series body of a capacitor Crm and an inductor Lrm and functions as an energy transfer element, is connected between the terminals. In this manner, a capacitor Cr and an inductor Lr are connected in series between the intermediate terminal of the two MOSFETs in the first bridge circuit and the intermediate terminal that is the connection point of the two MOSFETs in the second bridge circuit. The LC serial body which is comprised by this and functions as an energy transfer element is connected. Here, as in the configuration of FIG. 1, an LC series body composed of a capacitor and an inductor is connected in a one-to-one correspondence from the intermediate terminal in the first bridge circuit to the intermediate terminal in the second bridge circuit. (In this case, m = n), and as described in the fifth embodiment, from the intermediate terminal in one first bridge circuit to the intermediate terminals in a plurality of second bridge circuits. A configuration in which a plurality of LC series bodies including capacitors and inductors are connected is also possible. Therefore, m is an integer that satisfies 1 ≦ m ≦ n−1.

次に、図14のDC/DC電力変換装置の周辺回路構成について説明する。ゲート駆動回路211〜21mは、制御回路1から入力される低電圧のゲート信号(G11L〜G1mL、G11H〜G1mH)を、第1のブリッジ回路内の各MOSFET(S11L〜S1mL、S11H〜S1mH)のソース電位基準の信号に電位レベルを変換する機能と、各MOSFET(S11L〜S1mL、S11H〜S1mH)をオン/オフ制御するために必要な電圧と電流を供給する駆動機能を有している。同様に、ゲート駆動回路22〜2nは、制御回路1から入力される低電圧のゲート信号(G2L〜GnL、G2H〜GnH)を、第2のブリッジ回路内の各MOSFET(S2L〜SnL、S2H〜SnH)のソース電位基準の信号に電位レベルを変換する機能と、各MOSFET(S2L〜SnL、S2H〜SnH)をオン/オフ制御するために必要な電圧と電流を供給する駆動機能を有している。電圧センサ31、32、・・・、3nは、それぞれ平滑コンデンサCs1、Cs2、・・・、Csnの両端子に接続され、各平滑コンデンサ電圧Vcs1、Vcs2、・・・、Vcsnを検出して制御回路1に伝達する。   Next, the peripheral circuit configuration of the DC / DC power conversion device of FIG. 14 will be described. The gate drive circuits 211 to 21m receive low-voltage gate signals (G11L to G1mL, G11H to G1mH) input from the control circuit 1 to the MOSFETs (S11L to S1mL, S11H to S1mH) in the first bridge circuit. It has a function of converting a potential level into a source potential reference signal and a drive function of supplying a voltage and a current necessary for on / off control of each MOSFET (S11L to S1mL, S11H to S1mH). Similarly, the gate drive circuits 22-2n receive the low-voltage gate signals (G2L-GnL, G2H-GnH) input from the control circuit 1 and the MOSFETs (S2L-SnL, S2H--) in the second bridge circuit. SnH) has a function of converting a potential level to a source potential reference signal and a drive function of supplying a voltage and a current necessary for on / off control of each MOSFET (S2L to SnL, S2H to SnH). Yes. The voltage sensors 31, 32, ..., 3n are connected to both terminals of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, ..., Csn, respectively, and detect and control the smoothing capacitor voltages Vcs1, Vcs2, ..., Vcsn. Is transmitted to the circuit 1.

図15に示すように、制御回路1は、動作モード判定手段100と、ゲート信号生成手段1A、・・・、1Mによって構成されている。動作モード判定手段100は、電圧指令値Vrefと、平滑コンデンサCs1、Cs2、・・・、Csnの検出電圧Vcs1、Vcs2、・・・、Vcsnに応じて、DC/DC電力変換装置の動作モードを判定する機能を有している。LC直列体を介してその中間端子を接続された第1のブリッジ回路と第2のブリッジ回路は、同じ動作モードとなるように構成する。具体的には、第1のブリッジ回路A11と第2のブリッジ回路A2は動作モードA11で、・・・第1のブリッジ回路A1mと第2のブリッジ回路Anは動作モードA1mで動作させる。
ゲート信号生成手段1A、・・・、1Mは、動作モード判定手段100によって判定された動作モードに応じて、第1のブリッジ回路の各MOSFET(S11L〜S1mL、S11H〜S1mH)を制御するためのゲート信号及び第2のブリッジ回路の各MOSFET(S2L〜SnL、S2H〜SnH)を制御するためのゲート信号を生成する手段を有している。具体的には、ゲート信号生成手段1Aは、動作モードA11に応じてMOSFET(S11L、S11H、S2L、S2H)を制御するためのゲート信号G11L、G11H、G2L、G2Hを生成し、ゲート駆動回路211、22に出力する。同様に、ゲート信号生成手段1Mは、動作モードA1mに応じてMOSFET(S1mL、S1mH、SnL、SnH)を制御するためのゲート信号G1mL、G1mH、GnL、GnHを生成し、ゲート駆動回路21m、2nに出力する。
As shown in FIG. 15, the control circuit 1 includes an operation mode determination unit 100 and gate signal generation units 1A,. The operation mode determination means 100 determines the operation mode of the DC / DC power converter according to the voltage command value Vref and the detection voltages Vcs1, Vcs2,..., Vcsn of the smoothing capacitors Cs1, Cs2,. It has a function to judge. The first bridge circuit and the second bridge circuit, whose intermediate terminals are connected via the LC serial body, are configured to have the same operation mode. Specifically, the first bridge circuit A11 and the second bridge circuit A2 are operated in the operation mode A11,..., And the first bridge circuit A1m and the second bridge circuit An are operated in the operation mode A1m.
The gate signal generating means 1A,..., 1M are for controlling each MOSFET (S11L to S1mL, S11H to S1mH) of the first bridge circuit according to the operation mode determined by the operation mode determination means 100. Means for generating a gate signal and a gate signal for controlling each MOSFET (S2L to SnL, S2H to SnH) of the second bridge circuit are provided. Specifically, the gate signal generation unit 1A generates gate signals G11L, G11H, G2L, and G2H for controlling the MOSFETs (S11L, S11H, S2L, and S2H) according to the operation mode A11, and the gate drive circuit 211. , 22. Similarly, the gate signal generation unit 1M generates gate signals G1mL, G1mH, GnL, and GnH for controlling the MOSFETs (S1mL, S1mH, SnL, SnH) according to the operation mode A1m, and the gate drive circuits 21m, 2n Output to.

動作モード判定手段100の動作については上記実施の形態の動作と同様であり、また動作モードについては、上記実施の形態で説明したモードと同様のモードを適用することができる。   The operation of the operation mode determination unit 100 is the same as that of the above embodiment, and the same mode as the mode described in the above embodiment can be applied to the operation mode.

以上のように、本実施の形態では、VH端子−Vcom端子間の電圧Vnを、V1端子−Vcom端子の電圧V1の約n倍、約(n−1)倍、・・・約1倍に昇圧することができる。同様に、Vk端子−Vcom端子間の電圧VkをV1端子−Vcom端子の電圧V1の約k倍、約(k−1)倍、・・・約1倍に昇圧することができる。
また、出力電圧としてのVH−Vcom端子間の電圧Vnを、V1端子−Vcom端子間電圧V1の約n倍の状態から、約(n−1)倍、・・・約1倍の電圧に降圧することができる。同様に、Vk端子−Vcom端子間の電圧VkをV1端子−Vcom端子の電圧V1の約k倍の状態から、約(k−1)倍、・・・約1倍に降圧することができる。
As described above, in the present embodiment, the voltage Vn between the VH terminal and the Vcom terminal is about n times, about (n-1) times, about 1 time the voltage V1 between the V1 terminal and the Vcom terminal. The voltage can be boosted. Similarly, the voltage Vk between the Vk terminal and the Vcom terminal can be boosted to about k times, about (k-1) times,... About 1 times the voltage V1 of the V1 terminal to Vcom terminal.
In addition, the voltage Vn between the VH and Vcom terminals as the output voltage is stepped down from the state of about n times the voltage V1 between the V1 terminal and the Vcom terminal to a voltage of about (n-1) times, about 1 time. can do. Similarly, the voltage Vk between the Vk terminal and the Vcom terminal can be stepped down from about k times the voltage V1 at the V1 terminal to the Vcom terminal to about (k−1) times,.

実施の形態7.
本実施の形態では、図1又は図14に示したDC/DC電力変換装置の構成において、VH端子−Vcom端子間に入力された電圧をVL端子−Vcom端子の電圧に降圧する降圧回路として動作する場合について説明する。
ここでは、図1のDC/DC電力変換装置の降圧動作について説明する。降圧回路として動作する場合は、第2のブリッジ回路A2、A3は、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧を、そのMOSFET(S2L、S2H、S3L、S3H)のオンオフ動作により低電圧側に送る駆動用インバータ回路として動作する。また、第1のブリッジ回路A11、A12は、第2のブリッジ回路A2、A3で駆動された電流を整流し、エネルギを低電圧側に移行する整流回路として用いられる。
Embodiment 7 FIG.
In the present embodiment, in the configuration of the DC / DC power converter shown in FIG. 1 or FIG. 14, it operates as a step-down circuit that steps down the voltage input between the VH terminal and the Vcom terminal to the voltage of the VL terminal and the Vcom terminal. The case where it does is demonstrated.
Here, the step-down operation of the DC / DC power converter of FIG. 1 will be described. When operating as a step-down circuit, the second bridge circuits A2 and A3 are driving inverters that send the voltages of the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 to the low voltage side by the on / off operation of the MOSFETs (S2L, S2H, S3L, S3H). Operates as a circuit. The first bridge circuits A11 and A12 are used as a rectifier circuit that rectifies the current driven by the second bridge circuits A2 and A3 and shifts the energy to the low voltage side.

次に、図1のDC/DC電力変換装置が降圧回路として動作するときのエネルギの移行について説明する。
ゲート信号G1H、G2HによりMOSFET(S1H、S2H)がオン状態になると、平滑コンデンサCs2に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr1に移行する。
Cs2→S2H→Lr1→Cr1→S1H
次に、ゲート信号G1L、G2LによりMOSFET(S1L、S2L)がオン状態になると、コンデンサCr1に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs1に移行する。
Cr1→Lr1→S2L→Cs1→S1L
また、ゲート信号G4H、G3HによりMOSFET(S4H、S3H)がオン状態になると、平滑コンデンサCs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr2に移行する。
Cs2→Cs3→S3H→Lr2→Cr2→S4H
次に、ゲート信号G4L、G3LによりMOSFET(S4L、S3L)がオン状態になると、コンデンサCr2に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs1、Cs2に移行する。
Cr2→Lr2→S3L→Cs2→Cs1→S4L
Next, energy transfer when the DC / DC power converter of FIG. 1 operates as a step-down circuit will be described.
When the MOSFETs (S1H, S2H) are turned on by the gate signals G1H, G2H, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cs2 is transferred to the capacitor Cr1 through the following path.
Cs2->S2H->Lr1->Cr1-> S1H
Next, when the MOSFETs (S1L, S2L) are turned on by the gate signals G1L, G2L, a part of energy stored in the capacitor Cr1 is transferred to the smoothing capacitor Cs1 through the following path.
Cr1 → Lr1 → S2L → Cs1 → S1L
In addition, when the MOSFETs (S4H, S3H) are turned on by the gate signals G4H, G3H, a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs2, Cs3 is transferred to the capacitor Cr2 through the following path.
Cs2->Cs3->S3H->Lr2->Cr2-> S4H
Next, when the MOSFETs (S4L, S3L) are turned on by the gate signals G4L, G3L, a part of energy stored in the capacitor Cr2 is transferred to the smoothing capacitors Cs1, Cs2 through the following path.
Cr2 → Lr2 → S3L → Cs2 → Cs1 → S4L

以上のように、図1又は図14に示したDC/DC電力変換装置の構成において、VH端子−Vcom端子間に入力された電圧をVL端子−Vcom端子の電圧に降圧することができる。   As described above, in the configuration of the DC / DC power converter illustrated in FIG. 1 or FIG. 14, the voltage input between the VH terminal and the Vcom terminal can be stepped down to the voltage of the VL terminal and the Vcom terminal.

G1L〜G4L,G1H〜G4H ゲート信号、
G11L〜G1mL,G11H〜G1mH ゲート信号、
G2L〜GnL,G2H〜GnH ゲート信号、
S1L〜S4L,S1H〜S4H MOSFET、
S11L〜S1mL,S11H〜S1mH MOSFET、
S2L〜SnL,S2H〜SnH MOSFET、
Cs1,Cs2,Cs3,・・・,Csn 平滑コンデンサ、
Cr1,Cr2,・・・,Crm エネルギ移行用コンデンサ、
Lr1,Lr2,・・・,Lrm インダクタ、
LCr1,LCr2,・・・,LCrm LC直列体、VH 高圧電圧端子、
VM 中圧電圧端子、VL 低圧電圧端子、Vcom 基準電圧端子、1 制御回路、
1A,1B,・・・1M ゲート信号生成手段、100 動作モード判定手段、
A11,A12,・・・,A1m 第1のブリッジ回路、
A2,A3,・・・,An 第2のブリッジ回路、
211,・・・,21m,22,23,・・・,2n ゲート駆動回路、
31,32,33,・・・,3n 電圧センサ。
G1L to G4L, G1H to G4H gate signals,
G11L to G1mL, G11H to G1mH gate signal,
G2L to GnL, G2H to GnH gate signals,
S1L to S4L, S1H to S4H MOSFETs,
S11L-S1mL, S11H-S1mH MOSFET,
S2L to SnL, S2H to SnH MOSFETs,
Cs1, Cs2, Cs3,..., Csn smoothing capacitor,
Cr1, Cr2, ..., Crm Energy transfer capacitors,
Lr1, Lr2, ..., Lrm inductors,
LCr1, LCr2, ..., LCrm LC series body, VH high voltage terminal,
VM medium voltage terminal, VL low voltage terminal, Vcom reference voltage terminal, 1 control circuit,
1A, 1B,... 1M gate signal generating means, 100 operation mode determining means,
A11, A12,..., A1m first bridge circuit,
A2, A3,..., An second bridge circuit,
211, ..., 21m, 22, 23, ..., 2n gate drive circuit,
31, 32, 33, ..., 3n Voltage sensor.

Claims (19)

低圧側から高圧側へ直列に接続した複数個の平滑コンデンサと、
上記低圧側の平滑コンデンサの正負端子間に高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第1のブリッジ回路と、
上記高圧側の平滑コンデンサの正負端子間に高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第2のブリッジ回路と、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段を備え、
上記第1のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第1の中間端子と、上記第2のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第2の中間端子との間にエネルギ移行用コンデンサ及びインダクタからなるLC直列体を接続し、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御により、上記第1又は第2のブリッジ回路のうち一方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギの一部を、上記一方のブリッジ回路を通して上記一方のブリッジ回路に接続された上記LC直列体に移行させ、さらに上記LC直列体から上記LC直列体に接続された上記第1又は第2のブリッジ回路の他方のブリッジ回路を通して上記他方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに移行させるDC/DC電力変換装置において、
上記平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段と、
上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧指令値に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段とを備え、
上記ゲート信号生成手段は、上記判定された動作モードに基づいて、ゲート信号パターンを変化させるようにしたDC/DC電力変換装置。
A plurality of smoothing capacitors connected in series from the low voltage side to the high voltage side;
A first bridge circuit in which a high-voltage side switch element and a low-voltage side switch element are connected in series between the positive and negative terminals of the low-voltage side smoothing capacitor;
A second bridge circuit in which a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element are connected in series between the positive and negative terminals of the high-voltage side smoothing capacitor;
Gate signal generating means for generating a gate signal for on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element,
A first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the first bridge circuit; and a first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the second bridge circuit. An LC series body consisting of an energy transfer capacitor and an inductor is connected between the two intermediate terminals,
A part of the energy stored in the smoothing capacitor connected to one of the first or second bridge circuits by the on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element, Transition to the LC serial body connected to the one bridge circuit through a bridge circuit, and further pass through the other bridge circuit of the first or second bridge circuit connected to the LC serial body from the LC serial body. In the DC / DC power converter for shifting to the smoothing capacitor connected to the other bridge circuit,
Voltage detecting means for detecting the voltage of the smoothing capacitor;
An operation mode determining means for determining an operation mode according to the voltage detection value and the voltage command value of the smoothing capacitor;
The DC / DC power conversion apparatus wherein the gate signal generation means changes a gate signal pattern based on the determined operation mode.
低圧側端子として基準電圧端子を高圧側端子として第1電圧端子を有する第1平滑コンデンサと、低圧側端子として第(k−1)電圧端子を高圧側端子として第k電圧端子を有する第k平滑コンデンサ(k=2、・・・、n;nは2以上の整数)とを直列に接続し、
上記第1平滑コンデンサの正負端子間に高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第1のブリッジ回路をm個(mは整数、1≦m≦n−1)並列に接続し、
上記第k(k=2、・・・、n)平滑コンデンサの正負端子間にそれぞれ高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を直列に接続してなる第2のブリッジ回路を(n−1)個設け、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御のためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段を備え、
上記第1のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第1の中間端子と、上記第2のブリッジ回路の高圧側スイッチ素子と低圧側スイッチ素子の接続点となる第2の中間端子との間にエネルギ移行用コンデンサ及びインダクタからなるLC直列体を接続し、
上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオンオフ制御により、上記第1又は第2のブリッジ回路のうち一方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギの一部を、上記一方のブリッジ回路を通して上記一方のブリッジ回路に接続された上記LC直列体に移行させ、さらに上記LC直列体から上記LC直列体に接続された上記第1又は第2のブリッジ回路の他方のブリッジ回路を通して上記他方のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサに移行させるDC/DC電力変換装置において、
上記各平滑コンデンサの電圧を検出するための電圧検出手段と、
上記各平滑コンデンサの電圧検出値と電圧指令値に応じて動作モードを判定する動作モード判定手段とを備え、
上記ゲート信号生成手段は、上記判定された動作モードに基づいて、ゲート信号パターンを変化させるようにしたDC/DC電力変換装置。
A first smoothing capacitor having a reference voltage terminal as a low-voltage side terminal and a first voltage terminal as a high-voltage side terminal, and a k-th smoothing having a (k−1) th voltage terminal as a high-voltage side terminal and a k-th voltage terminal as a low-voltage side terminal. Capacitors (k = 2,..., N; n is an integer of 2 or more) are connected in series,
The first bridge circuit formed by connecting the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element in series between the positive and negative terminals of the first smoothing capacitor is connected in parallel (m is an integer, 1 ≦ m ≦ n−1). And
(N-1) second bridge circuits each having a high-voltage side switch element and a low-voltage side switch element connected in series between the positive and negative terminals of the k-th (k = 2,..., N) smoothing capacitor. Provided,
Gate signal generating means for generating a gate signal for on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element,
A first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the first bridge circuit; and a first intermediate terminal serving as a connection point between the high voltage side switch element and the low voltage side switch element of the second bridge circuit. An LC series body consisting of an energy transfer capacitor and an inductor is connected between the two intermediate terminals,
A part of the energy stored in the smoothing capacitor connected to one of the first or second bridge circuits by the on / off control of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element, Transition to the LC serial body connected to the one bridge circuit through a bridge circuit, and further pass through the other bridge circuit of the first or second bridge circuit connected to the LC serial body from the LC serial body. In the DC / DC power converter for shifting to the smoothing capacitor connected to the other bridge circuit,
Voltage detecting means for detecting the voltage of each of the smoothing capacitors;
An operation mode determination means for determining an operation mode according to the voltage detection value and the voltage command value of each of the smoothing capacitors,
The DC / DC power conversion apparatus wherein the gate signal generation means changes a gate signal pattern based on the determined operation mode.
上記動作モード判定手段は、上記基準電圧端子と上記第1電圧端子間の電圧が低くなった場合、上記電圧指令値と上記電圧検出値に基づいて昇圧指令値を高くして動作モードを決定し、上記基準電圧端子と第n電圧端子間に所定の電圧を出力し、上記基準電圧端子と上記第1電圧端子間の電圧が高くなった場合、上記電圧指令値と上記電圧検出値に基づいて昇圧指令値を低くして動作モードを決定し、上記基準電圧端子と第n電圧端子間に所定の電圧を出力する請求項2に記載のDC/DC電力変換装置。 When the voltage between the reference voltage terminal and the first voltage terminal becomes low, the operation mode determination means determines an operation mode by increasing the boost command value based on the voltage command value and the voltage detection value. When a predetermined voltage is output between the reference voltage terminal and the nth voltage terminal and the voltage between the reference voltage terminal and the first voltage terminal becomes high, based on the voltage command value and the voltage detection value 3. The DC / DC power converter according to claim 2, wherein a step-up command value is lowered to determine an operation mode, and a predetermined voltage is output between the reference voltage terminal and the nth voltage terminal. 上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が大きい場合は、上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のスイッチング周波数を低くし、小さい場合は上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のスイッチング周波数を高くする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のDC/DC電力変換装置。 When the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is large, the switching frequency of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element is lowered. The DC / DC power converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the frequency is increased. 上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が所定値よりも小さい場合は、上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のスイッチング周波数を上記LC直列体の共振周波数の2分の1以上とし、所定値よりも大きい場合は、上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のスイッチング周波数を上記LC直列体の共振周波数の2分の1以下にする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のDC/DC電力変換装置。 When the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is smaller than a predetermined value, the switching frequency of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element is set to one half or more of the resonance frequency of the LC series body. The switching frequency of the high-voltage side switching element and the low-voltage side switching element is set to a half or less of the resonance frequency of the LC series body when greater than a predetermined value. The DC / DC power converter device described in 1. 上記第2のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が所定値より小さい場合は、上記第2のブリッジ回路に上記LC直列体を介して接続された上記第1のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を、上記LC直列体の共振周期Trよりやや大きなスイッチング周期Ts0で交互にオンオフ制御する請求項1又は請求項2に記載のDC/DC電力変換装置。 When the difference between the voltage detection value and the voltage target value of the smoothing capacitor connected to the second bridge circuit is smaller than a predetermined value, the second bridge circuit connected to the second bridge circuit via the LC serial body. 3. The DC / DC switch according to claim 1, wherein the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element in one bridge circuit are alternately turned on / off at a switching period Ts0 slightly larger than the resonance period Tr of the LC series body. DC power converter. 上記第2のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサの電圧を昇圧する場合であって、当該平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が所定値より大きい場合は、上記第2のブリッジ回路に上記LC直列体を介して接続された上記第1のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を、上記LC直列体の共振周期Trの2倍以上のスイッチング周期で交互にオンオフ制御する請求項1又は請求項2に記載のDC/DC電力変換装置。 When the voltage of the smoothing capacitor connected to the second bridge circuit is boosted and the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is larger than a predetermined value, the second bridge circuit The high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element in the first bridge circuit connected to each other through the LC series body are alternately turned on and off at a switching cycle that is at least twice the resonance cycle Tr of the LC series body. The DC / DC power converter according to claim 1 or 2 to be controlled. 上記第1のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子のオン時間を、上記LC直列体の共振周期Trの2分の1よりやや大きくする請求項6又は請求項7に記載のDC/DC電力変換装置。 8. The on-time of the high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is set to be slightly larger than one half of the resonance period Tr of the LC series body. DC / DC power converter. 上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を、上記LC直列体の共振周期Trの2分の1以下にする請求項7に記載のDC/DC電力変換装置。 8. The DC / DC power converter according to claim 7, wherein an on-time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is set to a half or less of a resonance cycle Tr of the LC series body. 上記第1のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子を、上記低圧側スイッチ素子のターンオフ直後にターンオンする請求項9に記載のDC/DC電力変換装置。 10. The DC / DC power converter according to claim 9, wherein the high-voltage side switch element in the first bridge circuit is turned on immediately after the low-voltage side switch element is turned off. 上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差に応じて、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を変化させる請求項9に記載のDC/DC電力変換装置。 10. The DC / DC power converter according to claim 9, wherein an ON time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is changed according to a difference between a voltage detection value of the smoothing capacitor and a voltage target value. 上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が大きい場合、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を短くし、上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が小さい場合、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を長くする請求項11に記載のDC/DC電力変換装置。 When the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is large, the ON time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is shortened, and the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is reduced. The DC / DC power converter according to claim 11, wherein when the voltage is small, the on-time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is lengthened. 上記第2のブリッジ回路に接続された上記平滑コンデンサの電圧を降圧する場合であって、当該平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が所定値より大きい場合は、上記第2のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子を、上記第2のブリッジ回路に接続されたLC直列体の共振周期Trの2倍以上のスイッチング周期で交互にオンオフ制御する請求項1又は請求項2に記載のDC/DC電力変換装置。 When the voltage of the smoothing capacitor connected to the second bridge circuit is stepped down, and the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is larger than a predetermined value, the second bridge circuit The high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element are alternately turned on and off at a switching cycle that is at least twice the resonance cycle Tr of the LC series body connected to the second bridge circuit. 2. The DC / DC power converter according to 2. 上記第2のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子と、上記第2のブリッジ回路に上記LC直列体を介して接続された上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子とが、同時にオンする時間を設けた請求項13に記載のDC/DC電力変換装置。 The high-voltage side switch element in the second bridge circuit and the low-voltage side switch element in the first bridge circuit connected to the second bridge circuit via the LC serial body are simultaneously turned on. The DC / DC power converter device according to claim 13, wherein a time for performing is provided. 上記第2のブリッジ回路内の上記高圧側スイッチ素子がオンした後、上記第2のブリッジ回路に接続されたLC直列体の共振周期Trの2分の1以上の時間が経過してから、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子をオンする請求項14に記載のDC/DC電力変換装置。 After the high-voltage side switch element in the second bridge circuit is turned on, after a time more than one half of the resonance period Tr of the LC series body connected to the second bridge circuit has elapsed, The DC / DC power converter according to claim 14, wherein the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is turned on. 上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を、上記LC直列体の共振周期Trの2分の1以下にする請求項13又は請求項14に記載のDC/DC電力変換装置。 The DC / DC power converter according to claim 13 or 14, wherein an on-time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is set to a half or less of a resonance period Tr of the LC series body. . 上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差に応じて、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を変化させる請求項16に記載のDC/DC電力変換装置。 The DC / DC power converter according to claim 16, wherein an on-time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is changed according to a difference between a voltage detection value of the smoothing capacitor and a voltage target value. 上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が大きい場合、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を短くし、上記平滑コンデンサの電圧検出値と電圧目標値の差が小さい場合、上記第1のブリッジ回路内の上記低圧側スイッチ素子のオン時間を長くする請求項17に記載のDC/DC電力変換装置。 When the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is large, the ON time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is shortened, and the difference between the voltage detection value of the smoothing capacitor and the voltage target value is reduced. The DC / DC power converter device according to claim 17, wherein the ON time of the low-voltage side switch element in the first bridge circuit is lengthened when the voltage is small. 上記高圧側スイッチ素子及び低圧側スイッチ素子は、ソース・ドレイン間に寄生ダイオードを有するパワーMOSFET、あるいはダイオードを逆並列に接続した半導体スイッチング素子である請求項1から請求項18のいずれか1項に記載のDC/DC電力変換装置。 19. The high-voltage side switch element and the low-voltage side switch element are power MOSFETs having a parasitic diode between a source and a drain, or semiconductor switching elements in which diodes are connected in antiparallel. The DC / DC power conversion device described.
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