JP2011244656A - Dc-dc converter - Google Patents

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雅善 鈴木
Koji Taki
浩治 滝
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC-DC converter capable of suppressing power loss while maintaining a transformation function during power regeneration.SOLUTION: A DC-DC converter 10 includes: a transformer 28; two secondary switching elements 30, 32 that are connected across a secondary winding of the transformer 28 and brought into conduction during power regeneration from a load 14; and an inductor 34 that is connected with a center tap 38 of the secondary winding of the transformer 28 and stores the regenerative electric power during power regeneration from the load 14, and further includes an auxiliary switching element 40 that is connected with one ends of a center tap 38 and the inductor 34 and brought into conduction during storage of regenerative electric power in the inductor 34.

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.

2009−144200号公報2009-144200

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.

本発明の一実施例であるDC−DCコンバータを備えるシステムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a system including a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例であるDC−DCコンバータを備えるシステムの詳細構成図である。It is a detailed block diagram of the system provided with the DC-DC converter which is one Example of this invention. 本発明の一実施例であるDC−DCコンバータを備えるシステムにおいて電力回生時に実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。It is a flowchart of an example of the control routine performed at the time of electric power regeneration in the system provided with the DC-DC converter which is one Example of this invention. 本発明の一実施例であるDC−DCコンバータにおいて電力回生時にインダクタ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である。It is a figure showing the flow of the electric current at the time of charging regenerative electric power energy to an inductor at the time of electric power regeneration in the DC-DC converter which is one Example of this invention. 本発明の一実施例であるDC−DCコンバータにおいて電力回生時にインダクタからトランスを介してバッテリ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である。It is a figure showing the 1st pattern of the flow of an electric current at the time of moving electric power energy from an inductor to a battery side via a transformer at the time of electric power regeneration in a DC-DC converter which is one example of the present invention. 本発明の一実施例であるDC−DCコンバータにおいて電力回生時にインダクタからトランスを介してバッテリ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である。It is a figure showing the 2nd pattern of the flow of an electric current at the time of moving electric energy from a inductor to a battery side via a transformer at the time of electric power regeneration in a DC-DC converter which is one example of the present invention.

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-DC converter 10 according to an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 2 shows the detailed block diagram of the system provided with the DC-DC converter 10 of a present Example.

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 battery 12, a motor 14, and a DC-DC converter 10 and an inverter 16 as a power conversion device interposed between the battery 12 and the motor 14. The system of the present embodiment is mounted on, for example, a hybrid vehicle or an electric vehicle, and is a system that exchanges power between the battery 12 and the motor 14 via a power conversion device.

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 battery 12 is, for example, a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery, and can store electric power. The battery 12 can output a relatively high voltage (for example, 288 volts). The motor 14 is, for example, a three-phase AC drive motor provided on each wheel, and is a motor that operates by supplying power from the battery 12 and can generate regenerative power. It is.

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 converter 10 is a bidirectional type that performs voltage conversion between a relatively high DC voltage (for example, 288 volts) for the battery 12 and a relatively low DC voltage (for example, 42 volts or 12 volts) for the motor 14. DC-DC voltage converter. The inverter 16 is a bidirectional DC-AC voltage converter that performs voltage conversion between a relatively low DC voltage and an AC voltage for the motor 14.

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 converter 10 includes four primary side switching elements 20, 22, 24, 26 and a transformer 28. The four primary-side switching elements 20, 22, 24, and 26 constitute an H-bridge circuit in which two sets of two cascaded connections are connected in parallel. For each of the two sets of cascade-connected primary side switching elements 20, 22, 24, and 26, the connection point between the primary side switching elements 20 and 22 and the connection point between the primary side switching elements 24 and 26 are the primary of the transformer 28. It is connected to the side coil. That is, the primary side coil of the transformer 28 is interposed between the connection point between the primary side switching elements 20 and 22 and the connection point between the primary side switching elements 24 and 26.

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-DC converter 10 also includes two secondary side switching elements 30 and 32, an inductor 34, and a capacitor 36. Both ends of the secondary side coil of the transformer 28 are connected to one end of the secondary side switching elements 30 and 32. The other ends of the secondary side switching elements 30 and 32 are connected to each other. A center tap 38 is provided on the secondary side coil of the transformer 28. One end of the inductor 34 is connected to the center tap 38. The capacitor 36 is interposed between the other end of the inductor 34 and the other ends of the secondary side switching elements 30 and 32.

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 switching element 40 is connected to one end of the inductance 34 and the center tap 38. The other end of the switching element 40 is connected to the other ends of the secondary side switching elements 30 and 32. That is, the switching element 40 is interposed between the center tap 38 and the other ends of the secondary side switching elements 30 and 32 and is connected to both ends of the inductor 34 and the capacitor 36 connected in series. The switching element 40 has an on-resistance that is lower than the on-resistance of the secondary-side switching elements 30 and 32 described above. This is because a relatively low voltage that can be generated at the output on the inverter 16 side of the DC-DC converter 10 is only applied to both ends of the switching element 40. Hereinafter, the switching element 40 is appropriately referred to as an auxiliary switching element 40.

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 inverter 16 has six switching elements 50, 52, 54, 56, 58 and 60. The six switching elements 50, 52, 54, 56, 58, and 60 constitute a bridge circuit in which three sets of two cascaded connections are connected in parallel to each other. For each of the three sets of switching elements 50, 52, 54, 56, 58, 60 connected in cascade, the connection point between the switching elements 50 and 52, the connection point between the switching elements 54 and 56, and the switching elements 58 and 60 Is connected to each phase of the motor 14.

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 switching elements 20 to 26, 30, 32, 40, and 50 to 60 included in the DC-DC converter 10 and the inverter 16 are, for example, MOS-FETs. Each of the switching elements 20 to 26, 30, 32, 40 included in the DC-DC converter 10 is connected to a microcomputer 62 included in the DC-DC converter 10. The microcomputer 62 performs switching driving of the switching elements 20 to 26, 30, 32, and 40 as appropriate when the motor 14 is driven and when the motor 14 is regenerated. The switching elements 20 to 26, 30, 32, and 40 are respectively switched and driven by commands from the microcomputer 62 when the motor 14 is driven and when the motor is regenerated. Further, the switching elements 50 to 60 are appropriately switched and driven when the motor 14 is driven and when the motor is regenerated.

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 microcomputer 62 and the inverter 16 of the DC-DC converter 10 are connected to an electronic control unit (ECU) 64. The ECU 64 can monitor the states of the DC-DC converter 10, the battery 12, and the inverter 16 (for example, the output voltage of the DC-DC converter 10, that is, the voltage generated between both ends of the capacitor 36). The drive and regeneration of the motor 14 are controlled based on the state. The ECU 64 gives duty commands for the switching elements 20 to 26, 30, and 32 to the microcomputer 62 of the DC-DC converter 10 during driving of the motor 14 and during regeneration of the motor 14, and also switches the switching element to the inverter 16. 50-60 duty commands are performed.

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 microcomputer 62 during power regeneration in the system of this embodiment. FIG. 4 is a diagram showing a current flow when the inductor 34 is charged with regenerative power energy during power regeneration in the DC-DC converter 10 of the present embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a first pattern of a current flow when power energy is transferred from the inductor 34 to the battery 12 side via the transformer 28 during power regeneration in the DC-DC converter 10 of the present embodiment. FIG. 6 is a diagram showing a second pattern of current flow when the power energy is transferred from the inductor 34 to the battery 12 via the transformer 28 during power regeneration in the DC-DC converter 10 of the present embodiment. Show.

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 motor 14 is driven, that is, when power is supplied from the battery 12 side to the motor 14 side via the DC-DC converter 10 and the inverter 16, the ECU 64 includes the microcomputer 62 of the DC-DC converter 10. On the other hand, a duty command for alternately turning on / off the primary side switching elements 20, 26 and the primary side switching elements 22, 24 is issued. When this duty command is issued, the microcomputer 62 alternately turns on / off the primary side switching elements 20, 26 and the primary side switching elements 22, 24, respectively. When the primary side switching elements 20 to 26 are switched, the DC power of the battery 12 (the voltage is, for example, a DC voltage of 288 volts) is converted into AC power. This AC power is supplied to the primary side of the transformer 28.

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 transformer 28 transforms (steps down) the supplied AC power. When the motor 14 is driven, the ECU 64 instructs the microcomputer 62 to turn on and off the secondary side switching elements 30 and 32 alternately. When this duty command is issued, the microcomputer 62 turns on / off the secondary side switching elements 30 and 32 alternately. When the secondary side switching elements 30 and 32 are switched, the AC power transformed by the transformer 28 is rectified. The rectified power is smoothed by the inductor 34 and the capacitor 36 and output from the DC-DC converter 10. The smoothed DC power (the voltage is a DC voltage of 42 volts or 12 volts, for example) is supplied to the inverter 16. Thus, the DC-DC converter 10 steps down the DC power of the battery 12 and supplies it to the inverter 16.

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 ECU 64 instructs the inverter 16 to turn on / off the switching elements 50 to 60 appropriately. When the switching of the switching elements 50 to 60 is performed, the smoothed DC power supplied from the DC-DC converter 10 is converted into AC power and supplied to the motor 14. The motor 14 is driven to rotate when AC power is supplied from the inverter 16 side. Therefore, the motor 14 can be rotationally driven by reducing the DC power of the battery 12 and supplying it to the motor 14.

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 motor 14, that is, when power regeneration is performed from the motor 14 side to the battery 12 side via the DC-DC converter 10 and the inverter 16 (when affirmative determination is made in step 100), the ECU 64 causes the inverter 16 to On the other hand, a duty command for appropriately turning on / off the switching elements 50 to 60 is given. When the switching of the switching elements 50 to 60 is performed, AC power generated by the motor 14 is converted into DC power. This DC power (voltage is a DC voltage of 42 volts or 12 volts, for example) is first stored in the capacitor 36.

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 ECU 64 instructs the microcomputer 62 of the DC-DC converter 10 to turn on the secondary side switching elements 30, 32, 40 during regeneration of the motor 14. When this command is issued, the microcomputer 62 turns on the secondary side switching elements 30, 32, and 40. When such switching elements 30, 32, and 40 are switched, current flows through the inductor 34 when DC power is obtained by switching of the switching elements 50 to 60 of the inverter 16, and therefore, the inductor 34 from the motor 14 side. Since the regenerative power is accumulated and a current flows through the secondary winding of the transformer 28, the regenerative power from the motor 14 side is transmitted to the secondary winding of the transformer 28.

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 microcomputer 62 performs a process of turning on all of the secondary side switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40 when accumulating electric power in the inductor 34 in accordance with a command from the ECU 64. When all of the switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40 are turned on, current flows from the capacitor 36 or the inverter 16 side to the inductor 34, so that electric power is accumulated in the inductor 34. At this time, the current flowing from the capacitor 36 or the inverter 16 side to the inductor 34 does not flow so much to the secondary side switching elements 30 and 32 side, but mainly flows to the auxiliary switching element 40 side (FIG. 4).

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 microcomputer 62 performs duty driving for alternately turning on / off the secondary-side switching elements 30 and 32 when transmitting power to the transformer 28. When such switching is performed, the power stored in the inductor 34 is transmitted to the secondary side of the transformer 28, and AC power is generated. The transformer 28 transforms (boosts) the generated AC power. The microcomputer 62 performs duty driving for alternately turning on / off the primary side switching elements 20 to 26 during power regeneration. When such switching is performed, the AC power transformed by the transformer 28 is rectified. This rectified electric power (voltage is a DC voltage of 288 volts, for example) is supplied to the battery 12. The DC-DC converter 10 boosts the regenerative power generated by the motor 14 and supplies it to the battery 12. The battery 12 is charged by supplying DC power from the motor 14 side. Therefore, the battery 12 can be charged by boosting the regenerative power of the motor 14 and supplying it to the battery 12.

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 microcomputer 62 turns on all of the secondary side switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40 when accumulating power in the inductor 34, and secondary side switching when performing power transmission to the transformer 28. Duty driving for alternately turning on and off the elements 30 and 32 is alternately performed.

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 inductor 34 by turning on all of the secondary side switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40 (step 102). After that, one of the secondary side switching elements 30, 32 (for example, the secondary side switching element 30) and the auxiliary switching element 40 are switched from on to off, and the other of the secondary side switching elements 30, 32 (for example, A process of maintaining the secondary side switching element 32) on is executed (step 104). When the secondary side switching element 30 and the auxiliary switching element 40 are switched from on to off while the secondary side switching element 32 is kept on, the inductor 34 passes through the center tap 38 and the secondary winding of the transformer 28. A current flows to the secondary side switching element 32 side (FIG. 5). In this case, the power accumulated in the inductor 34 is transmitted to the secondary side of the transformer 28.

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 microcomputer 62 executes a process of turning off the primary side switching elements 20 and 26 and turning on the primary side switching elements 22 and 24. When such switching is performed, a current flows from the primary side switching element 22 side to the primary side switching element 24 side via the transformer 28, whereby electric power transmitted to the transformer 28 and transformed is supplied to the battery 12. .

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 side switching element 32 is turned on while the secondary side switching element 30 and the auxiliary switching element 40 are turned off to transmit the power accumulated in the inductor 34 to the transformer 28, and then again the inductor 34. When the power is stored in the secondary battery, a process of turning on all of the secondary side switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40 is executed (step 106). When all of the switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40 are turned on, current flows from the capacitor 36 or the inverter 16 side to the inductor 34, so that electric power is accumulated in the inductor 34. At this time, the current flowing from the capacitor 36 or the inverter 16 side to the inductor 34 does not flow so much to the secondary side switching elements 30 and 32 side, but mainly flows to the auxiliary switching element 40 side (FIG. 4).

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 inductor 34 by turning on all of the secondary side switching elements 30 and 32 and the auxiliary switching element 40, the other side of the secondary side switching elements 30 and 32 (for example, the secondary side switching elements 30 and 32). Side switching element 32) and auxiliary switching element 40 are switched from on to off, and one of the secondary side switching elements 30, 32 (for example, secondary side switching element 30) is maintained on (step 108). ). When the secondary side switching element 30 and the auxiliary switching element 40 are switched from on to off while the secondary side switching element 30 is kept on, the inductor 34 passes through the center tap 38 and the secondary winding of the transformer 28. Current flows to the secondary switching element 30 side (FIG. 6). In this case, the power accumulated in the inductor 34 is transmitted to the secondary side of the transformer 28.

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 microcomputer 62 executes a process of turning off the primary side switching elements 22 and 24 and turning on the primary side switching elements 20 and 26. When such switching is performed, a current flows from the primary side switching element 26 side to the primary side switching element 20 side via the transformer 28, whereby electric power transmitted to the transformer 28 and transformed is supplied to the battery 12. .

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 motor 14 side to the inductor 34 and power energy transmission from the inductor 34 to the transformer 28 side are alternately performed by switching of the switching elements 30, 32, and 40. Thus, it is possible to realize power regeneration that supplies power from the motor 14 side to the battery 12 side via the DC-DC converter 10.

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 inductor 34 during such power regeneration, since the auxiliary switching element 40 is turned on and both the secondary side switching elements 30 and 32 are turned on, a current mainly flows through the auxiliary switching element 40. On the other hand, the amount of current flowing through the secondary side switching elements 30 and 32 connected to the secondary winding of the transformer 28 decreases. As described above, the switching element 40 has an on-resistance that is lower than the on-resistance of the secondary-side switching elements 30 and 32. For this reason, when power is stored in the inductor 34 during power regeneration, the current to the secondary switching elements 30 and 32 having high on-resistance is limited, and current is mainly supplied to the auxiliary switching element 40 having low on-resistance. Since it flows, power loss in the switching element can be suppressed.

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-DC converter 10 of the present embodiment, it is possible to suppress power loss in the switching element during power regeneration while maintaining the transformation function (boost function) during power regeneration. Heat generation in the element can be suppressed, and the efficiency of power conversion can be increased.

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 motor 14 and the battery in which the regenerative electric power which generate | occur | produced in the motor 14 is regenerated as charging electric power are the same batteries 12, they are different batteries. Also good.

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-side switching elements 20 to 26 is used as the primary-side power circuit of the transformer 28 in the DC-DC converter 10. However, the present invention is not limited to this, and a half-bridge circuit including two primary side switching elements may be used.

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 SYMBOLS 10 DC-DC converter 12 Battery 14 Motor 16 Inverter 20-26, 30, 32, 40, 50-60 Switching element 28 Transformer 34 Inductor 36 Capacitor 38 Center tap 62 Microcomputer (microcomputer)
64 Electronic control unit (ECU)

Claims (4)

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.
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を特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。   2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the auxiliary switching element has an on-resistance lower than an on-resistance of the two secondary side switching elements. 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を特徴とする請求項1又は2記載のDC−DCコンバータ。   3. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the auxiliary switching element is cut off when regenerative power stored in the inductor is transmitted to a primary side of the transformer through the transformer. 4. . 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を特徴とする請求項1乃至3の何れか一項記載のDC−DCコンバータ。   4. The two secondary side switching elements are alternately conducted so as to transmit the regenerative power stored in the inductor to the primary side of the transformer via the transformer. A DC-DC converter according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015122889A (en) * 2013-12-24 2015-07-02 トヨタ自動車株式会社 Power conversion apparatus and power conversion method

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