JP2011244656A - Dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DC−DCコンバータに係り、特に、二次巻線にセンタタップが設けられたトランスを介して、負荷で発生した回生電力を伝達するうえで好適なDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly to a DC-DC converter suitable for transmitting regenerative power generated by a load through a transformer having a center tap provided in a secondary winding.
従来、直流電圧を変換するDC−DCコンバータが知られている(例えば、特許文献1参照)。このDC−DCコンバータは、トランスの二次巻線にセンタタップが設けられたセンタタップ式のDC−DCコンバータである。かかるDC−DCコンバータが、トランスの一次側にバッテリが接続されかつトランスの二次側に負荷が接続されたものに適用される場合は、上記のセンタタップに電力を蓄積するインダクタが接続されると共に、トランスの二次巻線の両端に交互にスイッチングが行われる2つのスイッチング素子が接続される。かかる構造においては、電力回生時にトランス二次側の2つのスイッチングが交互にスイッチングされると、インダクタに負荷で発生した回生電力が蓄積されると共に、その回生電力がトランスの二次側から一次側へ伝達される。従って、負荷で発生した回生電力をDC−DCコンバータを介して変圧してバッテリへ供給することが可能である。 Conventionally, a DC-DC converter that converts a direct-current voltage is known (see, for example, Patent Document 1). This DC-DC converter is a center tap type DC-DC converter in which a center tap is provided in a secondary winding of a transformer. When such a DC-DC converter is applied to a battery in which a battery is connected to the primary side of the transformer and a load is connected to the secondary side of the transformer, an inductor for storing electric power is connected to the center tap. At the same time, two switching elements that are alternately switched are connected to both ends of the secondary winding of the transformer. In such a structure, when two switchings on the transformer secondary side are alternately switched during power regeneration, the regenerative power generated in the load is accumulated in the inductor, and the regenerated power is transferred from the secondary side of the transformer to the primary side. Is transmitted to. Therefore, the regenerative power generated in the load can be transformed via the DC-DC converter and supplied to the battery.
しかし、上記したDC−DCコンバータの構造においては、インダクタに回生電力を蓄積するうえでは、2つのスイッチング素子を交互にスイッチングすることが必要であるので、インダクタへの回生電力の蓄積時、これら2つのスイッチング素子に比較的大きな電流が流れる。直流電圧の変換のためにトランスの二次巻線の両端に接続するスイッチング素子には高耐圧性が要求され、かかるスイッチング素子はオン抵抗の高い素子であるので、上記の如くスイッチング素子に電流が流れた際の電力損失は高く、過大な発熱が生じる可能性がある。 However, in the structure of the DC-DC converter described above, in order to store regenerative power in the inductor, it is necessary to switch two switching elements alternately. A relatively large current flows through the two switching elements. A switching element connected to both ends of the secondary winding of the transformer for DC voltage conversion is required to have a high withstand voltage. Since such a switching element is an element having a high on-resistance, a current flows through the switching element as described above. Power loss when flowing is high, and excessive heat generation may occur.
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、電力回生時の変圧機能を維持したまま電力損失を抑えたDC−DCコンバータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a DC-DC converter that suppresses power loss while maintaining a transformation function during power regeneration.
上記の目的は、トランスと、前記トランスの二次巻線の両端に接続され、負荷からの電力回生時に導通される2つの二次側スイッチング素子と、前記トランスの二次巻線のセンタタップに接続され、負荷からの電力回生時に該回生電力を蓄積するインダクタと、を備えるDC−DCコンバータであって、前記センタタップ及び前記インダクタの一端に接続され、前記インダクタへの回生電力の蓄積時に導通される補助スイッチング素子を備えるDC−DCコンバータにより達成される。 The above-mentioned object is to connect the transformer, two secondary side switching elements connected to both ends of the secondary winding of the transformer and conducted at the time of power regeneration from the load, and the center tap of the secondary winding of the transformer. A DC-DC converter including an inductor that stores the regenerative power when the power from the load is regenerated, and is connected to the center tap and one end of the inductor and is conductive when the regenerative power is accumulated in the inductor. This is achieved by a DC-DC converter comprising an auxiliary switching element.
この態様の発明において、トランスの二次巻線のセンタタップ及びインダクタの一端には、補助スイッチング素子が接続されており、この補助スイッチング素子は、インダクタへの回生電力の蓄積時に導通される。かかる構造においては、インダクタへの回生電力の蓄積時に主に補助スイッチング素子に電流が流れる一方でトランスの二次巻線の両端に接続される高耐圧の二次側スイッチング素子に流れる電流の量が減少するので、スイッチング素子での電力損失を抑えることができる。 In the invention of this aspect, an auxiliary switching element is connected to the center tap of the secondary winding of the transformer and one end of the inductor, and this auxiliary switching element is conducted when accumulating regenerative power in the inductor. In such a structure, when the regenerative power is accumulated in the inductor, the current flows mainly through the auxiliary switching element, while the amount of current flowing through the high-voltage secondary switching element connected to both ends of the secondary winding of the transformer is Therefore, the power loss in the switching element can be suppressed.
尚、上記したDC−DCコンバータにおいて、前記補助スイッチング素子は、前記2つの二次側スイッチング素子のオン抵抗よりも低いオン抵抗を有することとしてもよい。 In the DC-DC converter described above, the auxiliary switching element may have an on-resistance lower than the on-resistance of the two secondary side switching elements.
また、上記したDC−DCコンバータにおいて、前記補助スイッチング素子は、前記インダクタに蓄積された回生電力が前記トランスを介して該トランスの一次側へ伝達される際に遮断されることとしてもよい。 In the DC-DC converter described above, the auxiliary switching element may be cut off when the regenerative power stored in the inductor is transmitted to the primary side of the transformer via the transformer.
更に、上記したDC−DCコンバータにおいて、前記2つの二次側スイッチング素子は、前記インダクタに蓄積された回生電力を前記トランスを介して該トランスの一次側へ伝達すべく交互に導通されることとしてもよい。 Furthermore, in the above-described DC-DC converter, the two secondary side switching elements are alternately conducted to transmit the regenerative power accumulated in the inductor to the primary side of the transformer via the transformer. Also good.
本発明によれば、電力回生時の変圧機能を維持しつつ電力損失を抑えることができる。 According to the present invention, power loss can be suppressed while maintaining the transformation function during power regeneration.
以下、図面を用いて、本発明に係るDC−DCコンバータの具体的な実施の形態について説明する。 Hereinafter, specific embodiments of a DC-DC converter according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例であるDC−DCコンバータ10を備えるシステムの全体構成図を示す。また、図2は、本実施例のDC−DCコンバータ10を備えるシステムの詳細構成図を示す。
FIG. 1 shows an overall configuration diagram of a system including a DC-
図1に示す如く、本実施例のシステムは、バッテリ12、モータ14、並びに、バッテリ12とモータ14との間に介在する電力変換装置としてのDC−DCコンバータ10及びインバータ16を備えている。本実施例のシステムは、例えば、ハイブリッド車両や電気自動車などに搭載されており、バッテリ12とモータ14との間で電力変換装置を介して電力を授受するシステムである。
As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes a
バッテリ12は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などであって、電力を蓄えることが可能である。バッテリ12は、比較的高い電圧(例えば288ボルト)を出力することが可能である。また、モータ14は、例えば各車輪に設けられる三相交流の駆動モータなどであって、上記のバッテリ12からの電力供給により作動する電動機であると共に、回生電力を発生することが可能な発電機である。
The
DC−DCコンバータ10は、バッテリ12用の比較的高い直流電圧(例えば288ボルト)とモータ14用の比較的低い直流電圧(例えば42ボルトや12ボルト)との間で電圧変換を行う双方向型直流−直流電圧変換器である。また、インバータ16は、モータ14用の比較的低い直流電圧と交流電圧との間で電圧変換を行う双方向型直流−交流電圧変換器である。
The DC-
DC−DCコンバータ10は、4つの一次側スイッチング素子20,22,24,26と、トランス28と、を有している。4つの一次側スイッチング素子20,22,24,26は、2つずつカスケード接続された2組が互いに並列に接続されるHブリッジ回路を構成している。カスケード接続された一次側スイッチング素子20,22,24,26の2組それぞれについて、一次側スイッチング素子20と22との接続点及び一次側スイッチング素子24と26との接続点は、トランス28の一次側コイルに接続されている。すなわち、トランス28の一次側コイルは、一次側スイッチング素子20と22との接続点と、一次側スイッチング素子24と26との接続点と、の間に介在している。
The DC-
DC−DCコンバータ10は、また、2つの二次側スイッチング素子30,32と、インダクタ34と、コンデンサ36と、を有している。上記したトランス28の二次側コイルの両端は、二次側スイッチング素子30,32の一端に接続されている。二次側スイッチング素子30,32の他端は互いに接続されている。トランス28の二次側コイルには、センタタップ38が設けられている。インダクタ34の一端は、センタタップ38に接続されている。また、コンデンサ36は、インダクタ34の他端と二次側スイッチング素子30,32の他端との間に介在している。
The DC-
また、インダクタンス34の一端及びセンタタップ38には、スイッチング素子40の一端が接続されている。スイッチング素子40の他端は、二次側スイッチング素子30,32の他端に接続されている。すなわち、スイッチング素子40は、センタタップ38と二次側スイッチング素子30,32の他端との間に介在し、かつ、直列接続されたインダクタ34とコンデンサ36との両端に接続されている。スイッチング素子40は、上記した二次側スイッチング素子30,32のオン抵抗よりも低いオン抵抗を有している。これは、スイッチング素子40の両端にはDC−DCコンバータ10のインバータ16側の出力に生じ得る比較的低い電圧が印加されるだけであるからである。以下適宜、スイッチング素子40を補助スイッチング素子40と称す。
One end of the
インバータ16は、6つのスイッチング素子50,52,54,56,58,60を有している。6つのスイッチング素子50,52,54,56,58,60は、2つずつカスケード接続された3組が互いに並列に接続されるブリッジ回路を構成している。カスケード接続されたスイッチング素子50,52,54,56,58,60の3組それぞれについて、スイッチング素子50と52との接続点、スイッチング素子54と56との接続点、及び、スイッチング素子58と60との接続点は、モータ14の各相に接続されている。
The
DC−DCコンバータ10及びインバータ16の有する各スイッチング素子20〜26,30,32,40,50〜60は、例えばMOS−FETなどである。DC−DCコンバータ10の有する各スイッチング素子20〜26,30,32,40は、DC−DCコンバータ10の有するマイクロコンピュータ(マイコン)62に接続されている。マイコン62は、モータ14の駆動時及びモータ14の回生時に適宜、各スイッチング素子20〜26,30,32,40をスイッチング駆動する。スイッチング素子20〜26,30,32,40はそれぞれ、モータ14の駆動時及びモータの回生時に適宜、マイコン62からの指令によりスイッチング駆動される。また、スイッチング素子50〜60はそれぞれ、モータ14の駆動時及びモータの回生時に適宜、スイッチング駆動される。
The
DC−DCコンバータ10のマイコン62及びインバータ16は、電子制御ユニット(ECU)64に接続されている。ECU64は、DC−DCコンバータ10、バッテリ12、及びインバータ16の状態(例えば、DC−DCコンバータ10の出力電圧すなわちコンデンサ36の両端間に生じる電圧)などを監視することが可能であり、かかる監視状態に基づいてモータ14の駆動及び回生を制御する。ECU64は、モータ14の駆動時及びモータ14の回生時において、DC−DCコンバータ10のマイコン62に対してスイッチング素子20〜26,30,32のデューティ指令を行うと共に、インバータ16に対してスイッチング素子50〜60のデューティ指令を行う。
The
以下、図3乃至図6を参照して、本実施例のシステムにおける動作について説明する。図3は、本実施例のシステムにおいて電力回生時にマイコン62が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。図4は、本実施例のDC−DCコンバータ10において電力回生時にインダクタ34へ回生電力エネルギを充填する際の電流の流れを表した図を示す。図5は、本実施例のDC−DCコンバータ10において電力回生時にインダクタ34からトランス28を介してバッテリ12側へ電力エネルギを移動する際の電流の流れの第1パターンを表した図を示す。また、図6は、本実施例のDC−DCコンバータ10において電力回生時にインダクタ34からトランス28を介してバッテリ12側へ電力エネルギを移動する際の電流の流れの第2パターンを表した図を示す。
Hereinafter, with reference to FIGS. 3 to 6, the operation of the system of this embodiment will be described. FIG. 3 shows a flowchart of an example of a control routine executed by the
本実施例において、まず、モータ14の駆動時すなわちバッテリ12側からDC−DCコンバータ10及びインバータ16を介してモータ14側へ電力供給を行う際は、ECU64は、DC−DCコンバータ10のマイコン62に対して一次側スイッチング素子20,26と一次側スイッチング素子22,24とをそれぞれ交互にオン/オフさせるデューティ指令を行う。このデューティ指令が行われると、マイコン62は、一次側スイッチング素子20,26と一次側スイッチング素子22,24とをそれぞれ交互にオン/オフさせる。かかる一次側スイッチング素子20〜26のスイッチングが行われると、バッテリ12の直流電力(電圧は例えば288ボルトの直流電圧である。)が交流電力に変換される。この交流電力はトランス28の一次側に供給される。
In this embodiment, first, when the
トランス28は、供給された交流電力を変圧(降圧)する。ECU64は、モータ14の駆動時、マイコン62に対して二次側スイッチング素子30,32をそれぞれ交互にオン/オフさせるデューティ指令を行う。このデューティ指令が行われると、マイコン62は、二次側スイッチング素子30,32をそれぞれ交互にオン/オフさせる。かかる二次側スイッチング素子30,32のスイッチングが行われると、トランス28で変圧された交流電力が整流される。この整流された電力は、インダクタ34及びコンデンサ36で平滑化されてDC−DCコンバータ10から出力される。そして、この平滑化された直流電力(電圧は例えば42ボルトや12ボルトの直流電圧である。)は、インバータ16に供給される。このように、DC−DCコンバータ10は、バッテリ12の直流電力を降圧してインバータ16に供給する。
The
ECU64は、インバータ16に対してスイッチング素子50〜60を適宜オン/オフさせるデューティ指令を行う。かかるスイッチング素子50〜60のスイッチングが行われると、DC−DCコンバータ10から供給される平滑化された直流電力が交流電力に変換されてモータ14に供給される。モータ14は、インバータ16側から交流電力が供給されることにより回転駆動される。従って、バッテリ12の直流電力を降圧してモータ14へ供給することで、モータ14を回転駆動させることが可能である。
The
次に、モータ14の回生時すなわちモータ14側からDC−DCコンバータ10及びインバータ16を介してバッテリ12側へ電力回生を行う際(ステップ100での肯定判定時)は、ECU64は、インバータ16に対してスイッチング素子50〜60を適宜オン/オフさせるデューティ指令を行う。かかるスイッチング素子50〜60のスイッチングが行われると、モータ14で発生した交流電力が直流電力に変換される。この直流電力(電圧は例えば42ボルトや12ボルトの直流電圧である。)は、まず、コンデンサ36に蓄積される。
Next, during regeneration of the
また、ECU64は、モータ14の回生時、DC−DCコンバータ10のマイコン62に対して二次側スイッチング素子30,32,40をオンさせる指令を行う。この指令が行われると、マイコン62は、二次側スイッチング素子30,32,40をオンさせる。かかるスイッチング素子30,32,40のスイッチングが行われると、インバータ16のスイッチング素子50〜60のスイッチングにより直流電力が得られた際にインダクタ34に電流が流通するので、インダクタ34にモータ14側からの回生電力が蓄積されると共に、トランス28の二次巻線に電流が流通するので、トランス28の二次巻線にモータ14側からの回生電力が伝達される。
Further, the
具体的には、マイコン62は、ECU64からの指令に従って、インダクタ34への電力蓄積を行ううえで、二次側スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40をすべてオンさせる処理を実行する。スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40がすべてオンされると、コンデンサ36又はインバータ16側からインダクタ34に電流が流通するので、インダクタ34に電力が蓄積される。この際、コンデンサ36又はインバータ16側からインダクタ34に流通した電流は、二次側スイッチング素子30,32側にはあまり流れず、主に補助スイッチング素子40側に流れる(図4)。
Specifically, the
また、マイコン62は、トランス28への電力伝達を行ううえで、上記の二次側スイッチング素子30,32を交互にオン/オフさせるデューティ駆動を行う。かかるスイッチングが行われると、トランス28の二次側にインダクタ34に蓄積されていた電力が伝達されて交流電力が発生する。トランス28は、発生した交流電力を変圧(昇圧)する。マイコン62は、電力回生時、一次側スイッチング素子20〜26をそれぞれ交互にオン/オフさせるデューティ駆動を行う。かかるスイッチングが行われると、トランス28で変圧された交流電力が整流される。この整流された電力(電圧は例えば288ボルトの直流電圧である。)は、バッテリ12に供給される。DC−DCコンバータ10は、モータ14で発生した回生電力を昇圧してバッテリ12に供給する。バッテリ12は、モータ14側から直流電力が供給されることにより充電される。従って、モータ14の回生電力を昇圧してバッテリ12へ供給することで、バッテリ12を充電することが可能である。
Further, the
尚、マイコン62は、インダクタ34への電力蓄積を行ううえでの二次側スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40すべてのオンと、トランス28への電力伝達を行ううえでの二次側スイッチング素子30,32を交互にオン/オフさせるデューティ駆動と、を交互に循環して行う。
The
具体的には、まず、二次側スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40をすべてオンさせることでインダクタ34への電力蓄積を行う(ステップ102)。そして、その後、二次側スイッチング素子30,32の一方(例えば、二次側スイッチング素子30)及び補助スイッチング素子40をオンからオフへ切り替えると共に、二次側スイッチング素子30,32の他方(例えば、二次側スイッチング素子32)をオンに維持する処理を実行する(ステップ104)。二次側スイッチング素子32がオンに維持される一方で二次側スイッチング素子30及び補助スイッチング素子40がオンからオフへ切り替わると、インダクタ34からセンタタップ38及びトランス28の二次巻線を介して二次側スイッチング素子32側へ電流が流通する(図5)。この場合は、トランス28の二次側にインダクタ34に蓄積されていた電力が伝達される。
Specifically, first, power is stored in the
かかる経路で電流が流通する際、マイコン62は、一次側スイッチング素子20,26をオフさせかつ一次側スイッチング素子22,24をオンさせる処理を実行する。かかるスイッチングが行われると、一次側スイッチング素子22側からトランス28を経由して一次側スイッチング素子24側へ電流が流れることで、トランス28に伝達されて変圧された電力がバッテリ12へ供給される。
When current flows through such a path, the
次に、二次側スイッチング素子32をオンさせる一方で二次側スイッチング素子30及び補助スイッチング素子40をオフさせることでインダクタ34に蓄積されていた電力をトランス28に伝達した後、再び、インダクタ34への電力蓄積を行ううえで、二次側スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40をすべてオンさせる処理を実行する(ステップ106)。スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40がすべてオンされると、コンデンサ36又はインバータ16側からインダクタ34に電流が流通するので、インダクタ34に電力が蓄積される。この際、コンデンサ36又はインバータ16側からインダクタ34に流通した電流は、二次側スイッチング素子30,32側にはあまり流れず、主に補助スイッチング素子40側に流れる(図4)。
Next, the secondary
そして次に、二次側スイッチング素子30,32及び補助スイッチング素子40をすべてオンさせることでインダクタ34への電力蓄積を行った後は、二次側スイッチング素子30,32の他方(例えば、二次側スイッチング素子32)及び補助スイッチング素子40をオンからオフへ切り替えると共に、二次側スイッチング素子30,32の一方(例えば、二次側スイッチング素子30)をオンに維持する処理を実行する(ステップ108)。二次側スイッチング素子30がオンに維持される一方で二次側スイッチング素子32及び補助スイッチング素子40がオンからオフへ切り替わると、インダクタ34からセンタタップ38及びトランス28の二次巻線を介して二次側スイッチング素子30側へ電流が流通する(図6)。この場合は、トランス28の二次側にインダクタ34に蓄積されていた電力が伝達される。
Then, after the power is stored in the
かかる経路で電流が流通する際、マイコン62は、一次側スイッチング素子22,24をオフさせかつ一次側スイッチング素子20,26をオンさせる処理を実行する。かかるスイッチングが行われると、一次側スイッチング素子26側からトランス28を経由して一次側スイッチング素子20側へ電流が流れることで、トランス28に伝達されて変圧された電力がバッテリ12へ供給される。
When current flows through such a path, the
このように、本実施例によれば、スイッチング素子30,32,40のスイッチングによりモータ14側からインダクタ34への電力エネルギ充填とそのインダクタ34からトランス28側への電力エネルギ伝達とを交互に行うことで、モータ14側からDC−DCコンバータ10を介してバッテリ12側へ電力供給する電力回生を実現することができる。
Thus, according to the present embodiment, power energy charging from the
かかる電力回生時にインダクタ34への電力蓄積が行われる際は、補助スイッチング素子40が導通されかつ二次側スイッチング素子30,32の双方が導通されるので、主に補助スイッチング素子40に電流が流れる一方で、トランス28の二次巻線に接続される二次側スイッチング素子30,32に流れる電流の量が減少する。スイッチング素子40は、上記の如く、二次側スイッチング素子30,32のオン抵抗よりも低いオン抵抗を有している。このため、電力回生時にインダクタ34への電力蓄積が行われる際、高オン抵抗の二次側スイッチング素子30,32への電流が制限されて、主に低オン抵抗の補助スイッチング素子40に電流が流れるので、スイッチング素子での電力損失を抑えることができる。
When power is stored in the
従って、本実施例のDC−DCコンバータ10によれば、電力回生時の変圧機能(昇圧機能)を維持しつつ、電力回生時におけるスイッチング素子での電力損失を抑えることができ、これにより、スイッチング素子での発熱を抑えることが可能であり、電力変換の高効率化を図ることが可能である。
Therefore, according to the DC-
ところで、上記の実施例においては、モータ14へ電力供給を行うバッテリと、モータ14で発生した回生電力が充電電力として回生されるバッテリと、が同じバッテリ12であるが、異なるバッテリであることとしてもよい。
By the way, in said Example, although the battery which supplies electric power to the
また、上記の実施例においては、DC−DCコンバータ10におけるトランス28の一次側のパワー回路として、4つの一次側スイッチング素子20〜26により構成されたHブリッジ回路を用いることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、2つの一次側スイッチング素子により構成されたハーフブリッジ回路を用いることとしてもよい。
In the above-described embodiment, the H-bridge circuit constituted by the four primary-
10 DC−DCコンバータ
12 バッテリ
14 モータ
16 インバータ
20〜26,30,32,40,50〜60 スイッチング素子
28 トランス
34 インダクタ
36 コンデンサ
38 センタタップ
62 マイクロコンピュータ(マイコン)
64 電子制御ユニット(ECU)
DESCRIPTION OF
64 Electronic control unit (ECU)
Claims (4)
前記センタタップ及び前記インダクタの一端に接続され、前記インダクタへの回生電力の蓄積時に導通される補助スイッチング素子を備えることを特徴とするDC−DCコンバータ。 Connected to both ends of the transformer, the secondary winding of the transformer, and connected to the center tap of the secondary winding of the transformer. A DC-DC converter comprising: an inductor that stores the regenerative power during power regeneration;
A DC-DC converter, comprising: an auxiliary switching element connected to one end of the center tap and the inductor and conducted when accumulating regenerative power in the inductor.
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